CN102760511A - 晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能电池新材料领域，特别涉及一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料及其制备方法。一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料，该浆料主要由以下按质量百分比计的原料混合而成：铝粉70-80%，玻璃粉1-10%，有机粘合剂15-25%。该铝导电浆料无铅无镉，烧成膜不起铝珠，铝疱，能形成较好的背场（BSF）,能够承受830℃的烧结温度。

Description

晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池新材料领域，特别涉及一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料及其制备方法。

背景技术

晶硅太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的半永久性物理电池，随着化石（石油，煤炭，天然气等）能源的极度消耗，产生的能源枯竭以及日益严重的温室效应，人类对新型清洁能源的需求变得越来越迫切。在未来漫长的时间里，太阳将是人类清洁能源的有效提供者，目前，晶硅太阳能电池是将太阳能转化为民用能源有效器件之一，它的应用范围正从航天、军事扩展到人们的日常生活，在不产生新的污染的同时，成本的降低将使太阳能电池得到更为广泛的应用。

导电浆料通过印刷烧结工艺在晶硅太阳能电池片的背面形成铝膜和背场（BSF,P+/P），该背场的存在将减少电子和空穴在界面的复合速率，增加载流子的寿命，增加红光效应，同时对晶体硅中的杂质有良好吸除作用，都将提高电池的转化效率，由于PbO是一种非常好的助溶剂，能降低玻璃的软化点和表面张力，增加玻璃对基材及铝粉的浸润，所以以往浆料一般均使用含铅玻璃粉。

从2006年7月1日起，所有含铅，镉，汞，六价铬，聚溴二苯醚和聚溴联苯六种有害物质的家电及其它电子电气设备已禁止在欧盟市场销售，为减少对环境的污染，电子材料也必须实现无铅化，对烧结型电子浆料而言，作为电子浆料无机粘结相的玻璃不能含Pb,Cd,等有害元素。要找出一种适合晶硅太阳能电池背场形成用铝导电浆料无铅，无镉玻璃粉，使烧成后的铝膜层与硅基体有足够的附着力，耐水性，不起铝珠，铝疱，烧成的电池片变形量小，转化效率高，从技术上讲有足够的难度。由于太阳能电池的方块电阻逐步增加，正面银浆要提高烧结温度以形成好的欧姆接触，这对铝浆的耐高温特性也提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料，该铝导电浆料无铅无镉，烧成膜不起铝珠，铝疱，能形成较好的背场（BSF）,能够承受830℃的烧结温度。

本发明还提供所述晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料，该浆料主要由以下按质量百分比计的原料混合而成：铝粉70-80%，玻璃粉1-10%，有机粘合剂15-25%。

作为优选，所述铝粉是纯度99.9%以上，平均粒径2.0-12.0μ米，且表面覆有氧化铝膜的雾化法生产的球形铝粉，氧化铝膜的厚度为2.0-10.0 nm。铝粉纯度低于99.9%会在电池片背面引入杂质量，增加载流子复合速率，从而降低电池的电流和开路电压，选用纯度高于99.9%的铝粉有助于背场P+层的形成。铝粉表层容易氧化，若厚度超过10nm，在浆料烧结过程中，会对硅与铝的接触形成合金造成障碍，阻碍P+层的形成。

作为优选，所述的铝粉是由平均粒径为6.0-8.0μm（激光粒径）的粗粉和平均粒径2.0-3.0μm的细粉混合而成，粗铝粉和细铝粉均为球形，其中粗铝粉占铝粉总重量的20-80%。铝粉的粗细搭配，有助于提高单位体积内，铝粉的填充量。混合铝粉的堆积密度高于同一粒径粉。堆积密度的提高，有助于提高电池片中铝膜层的致密度，能形成程度高的硅铝合金层，从而提高电池的开路电压。

作为优选，所述的玻璃粉为Ba-B-Zn-Si系玻璃，其无机成分以及相应质量百分比如下：BaO   10-60%，SiO₂   1-30%，B₂O₃   10-30%，ZnO   10-30%。其中BaO起到熔剂的作用，能降低玻璃的熔融温度，并且在高温下降低玻璃粘度，其含量低于10%起不到有效的助熔作用，高于60%玻璃强度迅速弱化；SiO2在玻璃中起到架桥作用，与氧化物一起形成玻璃网络，有助于提高玻璃的稳定性并提高强度，其含量高于30%玻璃的熔点会增加，不利于背场层的形成；B2O3作用于SiO2类似，另外B2O3能降低玻璃熔点，调整浆料的烧结温度以及热膨胀系数，硼含量低于10%体系熔点高，硼含量高于30%体系热膨胀系数大，增加铝浆的翘曲度；ZnO用来调整玻璃的热膨胀系数以及冷却时的结晶速度，含量高玻璃的热膨胀系数小，有助于降低烧结后电池片的翘曲程度。

作为优选，所述玻璃粉的制备方法如下：将氧化物B₂O₃-BaO-SiO₂-ZnO按比例混合，放入石英坩埚中，1200℃保温1小时，水淬后球磨使玻璃粉平均粒径≤8.0μm。

作为优选，所述有机粘合剂按质量百分比计的组成如下：乙基纤维素  1-10%，松香 0.5-2%，松油醇  20-60%，丁基卡必醇 20-60%，磷酸三丁酯 1-10%。乙基纤维素是粘合剂的主体成份；松香防止铝浆在烘干中氧化程度增加，并且在浆料中起到防沉作用；松油醇、丁基卡必醇是溶剂的主体成份，二者混用用于调整溶剂烘干时的挥发速率；磷酸三丁酯是消泡剂，添加少量即可。

作为优选，所述有机粘合剂的制备方法如下：将所述的松油醇、丁基卡必醇和磷酸三丁酯按质量百分比称好并放入容器内，混合均匀并加热至60-80℃，搅拌下加入固体乙基纤维素和松香粉末，直到固体粉末完全溶解，形成透明均一溶液即得有机粘合剂。

作为优选，所述铝导电浆料的精细度＜15μm，粘度为25-45Pa·s 。

一种所述晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料的制备方法，根据所述的原料配比，将铝粉、玻璃粉和有机粘合剂放入真空搅拌机中，搅拌2小时以上，再经三辊轧机分散，控制刮板精细度≤15μm，使混合物形成均匀具有持续流变特性的浆料，得到铝导电浆料。该铝导电浆料的精细度＜15μm，粘度为25-45Pa·s 。原料在真空搅拌机中搅拌，有助于有机载体对粉体的浸润，同时使粉体在载体中充分分散，降低粉体在三辊研磨机上分散的难度。刮板精细度是反应浆料中颗粒的聚集程度，控制在15μm以下，使浆料充分分散。粘度控制在25-45Pa·s有助于获得良好的印刷效果，粘度高于45Pa·s，浆料的印刷重量过大；粘度低于25Pa·s浆料的粘度过低，印刷重量偏轻，会影响电池的开路电压。

本发明设计硼-钡-锌-硅系无铅玻璃能够完全替代传统的有铅玻璃，并且能保证在高温下（830℃）烧成后铝膜和电池片的性能符合市场的要求，本发明还通过其它组分和制造工艺的优化，制造了一种性能优良，环保型晶硅太阳能电池背场形成用铝导电浆料。与现有技术相比，本发明的优点是：

①选用了B2O3-BaO-SiO2-ZnO 系玻璃为铝导电浆料的无机粘结相，并在优化比例范围内的玻璃实现了铝导电浆料的无铅化，同时解决了烧成铝膜表面质量与基材的附着力以及可靠性等方面的问题。

②选用了B2O3-BaO-SiO2-ZnO 系玻璃为铝导电浆料的无机粘结相，并且在优化比例范围内，实现了铝浆在830℃高温下的完好烧结。

③采用粗细铝粉搭配，可以有效控制烧结过程中合金化反应的速率，改善P+层的深度，AL³⁺的浓度以及均匀性，获得了理想的背场效果。

④有机粘合剂中不同溶剂的组合，保证了溶解特性以及合适挥发速率，使烘干过程中铝粉氧化程度降低，铝导电浆料与基材浸润好，沉降速率慢。具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。

实施例1-6：

一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料，是由如表1所示的按质量百分比计的原料混合而成。将铝粉、玻璃粉和有机粘合剂按表1的配比放入真空搅拌机中，持续搅拌2小时左右，形成均匀混合物，再经三辊轧机分散，研磨成均质浆料，刮板精细度≤15μm，最后得到具有持续流变特性的、精细度＜15μm、粘度为25-30a.s的铝导电浆料。

表1（重量：g）

实施例	1	2	3	4	5	6
							铝粉	73	73	75	78	80	70
玻璃粉	3	3	10	2	1	5
							有机粘合剂	24	24	15	20	19	25

①  铝粉

铝粉为市售氮气保护法生产的雾化铝粉，配方中的铝粉采用粗细粉组合，粗铝粉90%，细铝粉10%，粗铝粉平均粒径为6.0-7.0μm，细铝粉平均粒径为2.0-3.0μm。

②  无机粘结相——玻璃粉的制备

本发明自制的玻璃粉为无铅玻璃，是Ba-B-Zn-Si系低熔点玻璃，其无机成分以及相应配比见表2。将上述原料称重，均匀混合后放入石英坩埚中，在马弗炉内1200℃/1小时熔炼，将均匀熔化的玻璃水淬后加入聚氨酯罐内用纯水作为介质，6mm氧化锆球为球磨球，按氧化锆球：玻璃：纯水质量比例为3:1:2，填充量为球磨罐总体积的三分之一到三分之二，球磨时为12-20小时，得到平均粒径≤8.0μm无机玻璃粉，该玻璃粉作为本发明铝导电浆料的无机粘合剂。

表2（重量：g）

实施例	1	2	3	4	5	6
							BaO	50	50	10	50	30	60
SiO2	5	5	30	10	30	1
							B2O3	15	30	30	10	10	20
ZnO	30	15	30	30	30	19

③  有机粘合剂的制备

按如表3的组分和重量配比，将松油醇、丁基卡必醇和磷酸三丁酯按质量百分比称好并放入不锈钢容器内，混合均匀并加热至60-80℃，搅拌下加入固体乙基纤维素和松香粉末，搅拌1-2小时，此时固体粉末完全溶解，并形成完全透明的均匀溶液，本发明将其作为铝导电浆料的有机粘合剂。

表3（重量：g）

实施例	1	2	3	4	5	6
							乙基纤维素	5	5	1	8	6	10
松香	2	2	0.5	1	1	0.5
							松油醇	40	40	28.5	60	40	58.5
丁基卡必醇	50	50	60	26	45	30
							磷酸三丁酯	3	3	10	5	8	1

实施例1-6得到的铝导电浆料性能见表4，并且与常规铝浆的使用结果做了比较。

表4

粘度：VT-04E 60rpm 2#spindle 25℃。

由表4可以看出，实施例1-6均有相对较好的印刷能力，粘度控制在45Pa·s以内。经830℃烧结后，外观方面，铝层表面光滑无疱，在同样条件下比较例铝浆已经有疱存在，而且表面粗糙；在电性能方面，与铝浆质量密切相关的开路电压评价指标，实施例1-6均有好的表现，特别是实施例2和3，开路电压分别达到632和631mv，比较例开压是631mv。综上，与比较例相比，本发明的铝浆具有耐高温和开路电压高的优势。

本发明的无铅铝导电浆料印刷在晶硅太阳能电池片的背面，经过红外高温快烧工艺（硅片表面实际峰值温度830℃，1-2 秒），使铝和基体硅发生铝硅合金反应，实现欧姆接触并形成背场，确保电池片的高转化效率，铝导电浆料烧结膜与基材附着力好，不起铝珠，铝疱，耐水性好，不影响组件的生产以及保证了电池片的可靠性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料，其特征在于：该浆料主要由以下按质量百分比计的原料混合而成：

铝粉70-80%，

玻璃粉1-10%，

有机粘合剂15-25%。

2.根据权利要求1所述的铝导电浆料，其特征在于：所述铝粉是纯度99.9%以上，平均粒径2.0-12.0μ米，且表面覆有氧化铝膜的雾化法生产的球形铝粉，氧化铝膜的厚度为2.0-10.0 nm。

3.根据权利要求1或2所述的铝导电浆料，其特征在于：所述的铝粉是由平均粒径为6.0-8.0μm的粗粉和平均粒径2.0-3.0μm的细粉混合而成，粗铝粉和细铝粉均为球形，其中粗铝粉占铝粉总重量的20-80%。

4.根据权利要求1或2所述的铝导电浆料，其特征在于：所述的玻璃粉为Ba-B-Zn-Si系玻璃，其无机成分以及相应质量百分比如下：BaO   10-60%，SiO₂   1-30%，B₂O₃   10-30%，ZnO   10-30%。

5.根据权利要求4所述的铝导电浆料，其特征在于所述玻璃粉的制备方法如下：将氧化物B₂O₃-BaO-SiO₂-ZnO按比例混合，放入石英坩埚中，1200℃保温1小时，水淬后球磨使玻璃粉平均粒径≤8.0μm。

6.根据权利要求1或2所述的铝导电浆料，其特征在于：所述有机粘合剂按质量百分比计的组成如下：

    乙基纤维素          1-10%，

    松香                0.5-2%，

    松油醇              20-60%，

    丁基卡必醇          20-60%，

    磷酸三丁酯          1-10%。

7.根据权利要求1或2所述的铝导电浆料，其特征在于：所述有机粘合剂的制备方法如下：将所述的松油醇、丁基卡必醇和磷酸三丁酯按质量百分比称好并放入容器内，混合均匀并加热至60-80℃，搅拌下加入固体乙基纤维素和松香粉末，直到固体粉末完全溶解，形成透明均一溶液即得有机粘合剂。

8.根据权利要求1或2所述的铝导电浆料，其特征在于：所述铝导电浆料的精细度＜15μm，粘度为25-45Pa·s 。

9.一种所述晶硅太阳能电池背场无铅铝导电浆料的制备方法，其特征在于：根据如权利要求1所述的原料配比，将铝粉、玻璃粉和有机粘合剂放入真空搅拌机中，搅拌2小时以上，再经三辊轧机分散，控制刮板精细度≤15μm，使混合物形成均匀具有持续流变特性的浆料，得到铝导电浆料。