CN102881350A - 太阳能电池正面电极浆料及玻璃粉 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于太阳能电池技术领域，提供了一种太阳能电池正面电极浆料及玻璃粉。本发明太阳能电池正面电极浆料，通过使用包括玻璃网络形成体、玻璃网络中间体及重金属助熔体的玻璃粉，控制玻璃网络中间体的重量份数，使晶硅太阳能电池的串联电阻大大降低，实现电池的光电转换效率显著增加，达到晶硅太阳能电池在更宽的工艺窗口范围内获得优质的开路电压、短路电流、串联电阻、填充因子和光电转化效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池正面电极浆料及玻璃粉。
背景技术
晶硅太阳能电池一般由正面电极、减反射层、发射极、P/N结区、基极、铝背场及背面电极组成。其中正面电极通过收集临近区域的光生载流子，向外供电。
正面电极通常通过在晶硅太阳能电池受光面的减反射层上丝网印刷具有一定图案的导电浆料，然后经过高温热处理得到，高温热处理使太阳能电池金属化。在金属化过程中，经过高温热处理，玻璃粉熔融，熔融状态的玻璃料湿润周围的银粉，促进银粉烧结，将一部分氧化银熔入至玻璃料中。温度升高一定时间后，玻璃料下沉并与减反射层接触，通过氧化还原反应，腐蚀和溶解减反射层，实现正面电极浆料和发射极的接触。氧化还原反应进行一段时间，在反应界面会析出银晶粒，随着温度的降低，在玻璃料内会析出银胶体，构成发射极-银晶粒-含银胶体玻璃层-烧结银块体的导电通路。
如果腐蚀减反射层的过程中，银离子的迁移速率较低，界面反应不充分，导致该导电通路的电阻较大，从而影响到晶硅太阳能电池的光电转换效率。有文献报道，采用低软化点低黏度的玻璃料，利用有效的对流，也保证界面银离子的浓度，与减反射层有效反应，达到较好的导电效果。但若温度过高，低软化点低黏度的玻璃料容易过多的沉积在银块体和发射极之间，造成电阻高的玻璃层过厚，也容易过腐蚀减反射层和发射极。不但增加串联电阻，同时也易于造成短路；若温度过低，则无法有效腐蚀减反射层。采用此种玻璃料的正面电极浆料，一般只能在很窄的工艺窗口（±15℃）寻找最优的工艺参数。目前市售大多数晶硅太阳能正面电极导电浆料有该技术缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种太阳能电池正面电极浆料，解决现有技术中晶硅太阳能电池工艺窗口窄，串联电阻大，光电转换效率低的技术问题，以及一种玻璃粉。
本发明是这样实现的，
一种太阳能电池正面电极浆料，包括如下重量份数的组分：
银粉 70~90份
玻璃粉 0.5~10份
有机载体 5~25份
其中，每100份玻璃粉包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份。
以及，
一种玻璃粉，包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份
该玻璃粉总重量份数为100份。
以及，
本发明太阳能电池正面电极浆料，通过使用包括玻璃网络形成体、玻璃网络中间体及重金属助熔体的玻璃粉，控制玻璃网络中间体的重量份数，使晶硅太阳能电池的串联电阻大大降低，实现电池的光电转换效率显著增加，达到晶硅太阳能电池在更宽的工艺窗口范围内获得优质的开路电压、短路电流、串联电阻、填充因子和光电转化效率。该玻璃粉包括玻璃网络形成体、玻璃网络中间体及重金属助熔体。本发明玻璃粉，通过控制玻璃网络中间体的重量份数，使晶硅太阳能电池的串联电阻大大降低，实现电池的光电转换效率显著增加。
附图说明
图1是热处理前晶硅太阳能电池局部结构示意图；
图2是热处理后晶硅太阳能电池局部结构示意图；
图3是应用本发明实施例1-10、对比例1-6的正面电极浆料的太阳能电池的开路电压图谱；
图4是应用本发明实施例1-10、对比例1-6的正面电极浆料的太阳能电池的短路电流图谱；
图5是应用本发明实施例1-10、对比例1-6的正面电极浆料的太阳能电池的串联电阻图谱；
图6是应用本发明实施例1-10、对比例1-6的正面电极浆料的太阳能电池的填充因子图谱；
图7是应用本发明实施例1-10、对比例1-6的正面电极浆料的太阳能电池的光电转换效率图谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种太阳能电池正面电极浆料，包括如下重量份数的组分：
银粉 70~90份
玻璃粉 0.5~10份
有机载体 5~25份
其中，每100份玻璃粉包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份。
100重量份的导电浆料中，该银粉的重量份数为70~90份，该玻璃粉的重量份数为0.5~10份，优选为2~7份，更优选为3~6份。有机载体的重量份数为5~25份。若银粉含量大于90重量份，会使浆料的黏度大幅提高，以至于不能正常印刷；若小于70重量份则银块体空隙较多，导致通路阻值大，性能劣化。若玻璃粉大于10重量份，由于玻璃材料的导电性能差且无法和互连条焊接，则会导致通路阻值大以及可焊性差等问题。若小于0.5重量份则不能起到有效腐蚀减反射层和助烧银粉的作用。有机载体若大于25重量份，则烧结后银块体空隙较多，导致通路阻值大，性能劣化；若小于5重量份，会使浆料的黏度大幅提高，以至于不能正常印刷。
该银粉呈粉末状，粒径分布在0.1-10um范围内，若大于10um容易造成堵塞印刷网版和电极断线等问题，若小于0.1um则会使浆料的黏度大幅提高，以至于不能正常印刷。其中所述银粉的形貌可以为近球形、片状、团聚态、胶体态等，不同的形貌对浆料的烧结和印刷性能有着不同的影响，但都能实现其作为导电金属主体的功能。
该有机载体包括有机溶剂、粘结剂、润湿分散剂、触变剂及其它功能助剂等：
其中有机溶剂可为醇（如，松油醇，丁卡）、醇酯（如，十二醇酯）、萜烯类等中高沸程的溶剂；粘结剂可为乙基纤维素、聚甲基丙烯酸酯、醇酸树脂等；润湿分散剂用于帮助无机粉体在有机载体中的分散，无特殊要求；触变剂用于增加浆料在印刷过程中的触变性，以保证电极图案清晰性和较好的高宽比，可选用氢化蓖麻油衍生物或聚酰胺蜡等有机触变剂；其他功能助剂可根据需要选择添加，如加入微晶蜡等以降低表面张力，加入DBP等以改善浆料的柔韧性，加入PVB等以改善黏附力。
以有机载体总成分为100重量份计算，其中有机溶剂占50-95重量份；粘结剂占1-40重量份；润湿分散剂占0.1-10重量份；触变剂及其它功能助剂占1-20重量份。上述粘结剂、湿润分散剂及触变剂选用本领域中常用的粘结剂、湿润分散剂及触变剂。若有机溶剂占有机载体总重量小于50重量份将会使浆料黏度增大，影响印刷性能；若大于95重量份，浆料粉体之间缺少粘结相，会出现印刷图案不完整、附着力差、粉末与有机载体分离等情况。若粘结剂占有机载体总重量小于1重量份，浆料粉体之间缺少粘结相，会出现印刷图案不完整、附着力差、粉末与有机载体分离等情况；若粘结剂占有机载体总重量大于40重量份，浆料黏度增大，影响印刷性能。
具体地，每100份玻璃粉包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份；
该玻璃网络形成体优选硅（Si）的氧化物、P（磷）的氧化物、锗（Ge）的氧化物中的一种或多种；该玻璃网络形成体占玻璃粉（100重量份）的重量份数为5~35份。该重金属助熔体优选Pb（铅）的氧化物或Bi（铋）的氧化物，该重金属助熔体的占玻璃粉（100重量份）的重量份数为50~90份。该玻璃网络形成体和重金属助熔体经过熔融处理，相互作用形成均匀的低熔点玻璃体。通过选用上述重量份数的玻璃网络形成体和重金属助熔体，一方面能够形成均匀的低熔点玻璃体，同时防止了玻璃网络形成体和重金属助熔体对银离子迁移速率造成负面影响。
该玻璃网络中间体包括第一组分、第二组分及第三组分。该第一组分选自氧化锌、氧化镉、氧化镁、氧化铍、三氧化二铟或镓的氧化物的一种或多种，其中该镓的氧化物包括氧化镓（GaO）和三氧化二镓（Ga2O3），该第一组分占玻璃网络中间体（100重量份）的重量份数为50~85份，优选为60~80份；该第二组分选自三氧化铝（Al2O3）或钪的氧化物的一种或多种，该第二组分占玻璃网络中间体（100重量份）的重量份数为10~30份，优选为15~25份，该第三组分选自氧化钛、氧化锆、氧化铪、三氧化二钇或钍的氧化物的一种或多种，该第三组分占玻璃网络中间体（100重量份）的重量份数为1~25份，优选为5~18份。该第二组分对玻璃网络中间体的粘度起到提升作用，该第三组分会提高玻璃的析晶倾向，但是粘度和析晶倾向的增加会降低银离子的迁移速率，因此，通过选用上述重量份数的第一组分、第二组分、第三组分，使玻璃具有适度的粘度和析晶倾向，保证银离子的迁移速率不会受到影响。通过选用上述重量份数的第一组分、第二组分及第三组分，使得本发明实施例正面电极浆料在熔融后银离子具有良好的迁移率。
进一步，该玻璃粉还包括重量份数小于5份，优选为0.1~3份的功能助剂，该功能助剂可以为碱金属、碱土金属、副族元素等的一种或多种氧化物，它们能够以阳离子的状态填充在玻璃网络的空隙中或参与网络构成，从而改变玻璃的性能，用于优化玻璃的制备工艺和使用性能，如碱金属氧化物、氧化钡、氧化硼等可用于助熔，氧化钨、氧化矾、氧化钼等可用于减低表面张力，氧化钙增加硬化速度，三氧化二锑、氧化铈、硝酸盐等作为氧化澄清剂，氧化锰等变价氧化物可在缺氧情况下释放氧气，制造氧化气氛，帮助浆料中有机载体的充分气化和银在玻璃中的溶解。以玻璃料总成分为100重量份计算，其他助剂小于5重量份，优选情况下，其他助剂小于3重量份。
本发明实施例太阳能电池正面电极浆料，包括银粉、玻璃粉及有机载体等成分。使用该正面电极浆料的太阳能电池高温热处理前的结构如图1所示，热处理后的结构如图2所示，在金属化过程中，经过高温热处理，玻璃粉熔融，熔融状态的玻璃料首先湿润周围的银粉，促进银粉烧结，并将一部分氧化银熔入至玻璃料中。温度升高一定时间后，玻璃料下沉并与减反射层接触，通过氧化还原反应，腐蚀和溶解减反射层，实现正面电极浆料和发射极的接触。氧化还原反应进行一段时间，在反应界面会析出银晶粒，随着温度的降低，在玻璃料内会析出银胶体，构成发射极-银晶粒-含银胶体玻璃层-烧结银块体的导电通路。该导电通路是晶体硅太阳电池串联电阻的一部分，对太阳能电池的光电转换效率具有重要的影响。本发明实施例太阳能电池正面电极浆料通过使用上述重量份数的玻璃粉，控制玻璃粉中玻璃网络中间体的种类和含量，使银离子的迁移速率大大提升，从而使得玻璃与减反射层发生氧化还原反应中有足够多的银离子参加反应，从而有利于形成均匀致密的银晶粒；同时由于银离子的迁移速率大大提升，使得银离子能够快速、均匀的分布在熔融后的玻璃料中，析出均匀致密的银胶体，从而使导电通道的电阻大大降低，实现晶硅太阳能电池的光电转换效率显著增加。同时，通过控制银离子的析出能力，达到晶硅太阳能电池在更宽的工艺窗口范围内获得优质的开路电压、短路电压、串联电阻、填充因子和光电转化效率。
进一步，本发明实施例太阳能电池正面电极浆料，控制银晶体和银胶体在晶硅太阳能电池高温金属化过程中的溶解和析出能力，得到均匀致密的银晶粒和银胶体，克服了现有技术中银晶粒和银胶体尺寸过大或过小的技术问题。若银晶体析出尺寸过大，将可能穿透发射极达到P/N结区，造成电池短路，严重影响开路电压。特别对于浅掺杂的高方阻（方阻>75Ω）的晶硅太阳能电池，其发射极较薄，目前市售大多数晶硅太阳能正面电极导电浆料不能很好的与之匹配；若银晶体析出尺寸过小或分布过于稀疏，光生载流子在未到达银晶体就被复合，严重影响短路电流和填充因子。若银胶体在玻璃中析出尺寸分布过于稀疏，银块体和发射极之间的玻璃层电阻过大，得不到较好的串联电阻和填充因子；若银胶体偏析在玻璃中靠反应界面一边，也不能较好地将载流子从发射极导到银块体一侧，得不到较好的串联电阻和填充因子。
本发明实施例进一步提供一种玻璃粉，包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份；
该玻璃网络形成体优选硅（Si）的氧化物、P（磷）的氧化物、锗（Ge）的氧化物中的一种或多种；该玻璃网络形成体占玻璃粉（100重量份）的重量份数为5~35份。该重金属助熔体优选Pb（铅）的氧化物或Bi（铋）的氧化物，该重金属助熔体的占玻璃粉（100重量份）的重量份数为50~90份。该玻璃网络形成体和重金属助熔体经过熔融处理，相互作用形成均匀的低熔点玻璃体。通过选用上述重量份数的玻璃网络形成体和重金属助熔体，一方面能够形成均匀的低熔点玻璃体，同时防止了玻璃网络形成体和重金属助熔体对银离子迁移速率造成负面影响。
该玻璃网络中间体包括第一组分、第二组分及第三组分。该第一组分选自氧化锌、氧化镉、氧化镁、氧化铍、三氧化二铟或镓的氧化物的一种或多种，其中该镓的氧化物包括氧化镓（GaO）和三氧化二镓（Ga2O3），该第一组分占玻璃网络中间体（100重量份）的重量份数为50~85份，优选为60~80份；该第二组分选自三氧化铝（Al2O3）或钪的氧化物的一种或多种，该第二组分占玻璃网络中间体（100重量份）的重量份数为10~30份，优选为15~25份，该第三组分选自氧化钛、氧化锆、氧化铪、三氧化二钇或钍的氧化物的一种或多种，该第三组分占玻璃网络中间体（100重量份）的重量份数为1~25份，优选为5~18份。该第二组分对玻璃网络中间体的粘度起到提升作用，该第三组分会提高玻璃的析晶倾向，但是粘度和析晶倾向的增加对降低银离子的迁移速率，因此，通过选用上述重量份数的第一组分、第二组分、第三组分，使玻璃具有适度的粘度和析晶倾向，保证银离子的迁移速率不会受到影响。通过选用上述重量份数的第一组分、第二组分及第三组分，使得本发明实施例正面电极浆料在熔融后银离子具有良好的迁移率。
进一步，该玻璃粉还包括重量份数小于5份，优选为0.1~3份的功能助剂，该功能助剂可以为碱金属、碱土金属、副族元素等的一种或多种氧化物，它们能够以阳离子的状态填充在玻璃网络的空隙中或参与网络构成，从而改变玻璃的性能，用于优化玻璃的制备工艺和使用性能，如碱金属氧化物、氧化钡、氧化硼等可用于助熔，氧化钨、氧化矾、氧化钼等可用于减低表面张力，氧化钙增加硬化速度，三氧化二锑、氧化铈、硝酸盐等作为氧化澄清剂，氧化锰等变价氧化物可在缺氧情况下释放氧气，制造氧化气氛，帮助浆料中有机载体的充分气化和银在玻璃中的溶解。以玻璃料总成分为100重量份计算，其他助剂小于5重量份，优选情况下，其他助剂小于3重量份。
本发明通过重金属助熔体和玻璃网络形成体形成软化温度在450-620℃范围内的均匀玻璃体，从而匹配目前正银浆料的常规烧结工艺温度，优选情况下，软化温度在480-560℃范围内。若玻璃料的软化温度低于450℃，玻璃料过早软化下沉，会堵塞浆料中有机组分分解气化后的逸出通道，降低块体银的烧结密度；另外，玻璃料过早软化会使过多的玻璃料达到发射极界面处，使界面处的体电阻较大的玻璃层过厚，两者都会劣化导电通路的阻值。若软化点高于620℃，玻璃软化晚，黏度大，难以有效的润湿和溶解Ag粉，达到反应界面处的玻璃料过少，也无法有效腐蚀去除减反射层。当玻璃网络形成体和重金属助熔体占玻璃料总成分比例不在要求的范围内时，难以将软化温度控制在450-620℃范围内或无法形成玻璃网络结构。
本发明实施例玻璃粉，通过选用上述重量份数的玻璃网络中间体，能够有效的提升银离子在熔融状态下的迁移率，最终实现应用该玻璃粉的太阳能电池具有良好的导电通路，具有优异的光电转换效率。
以下结合具体实施例对上述太阳能电池正面电极浆料进行详细阐述。
本发明实施例太阳能电池正面电极浆料及对比例，100重量份的电极浆料中包括如下重量份数的组分：
正面电极浆料通过丝网印刷的方式附着在方阻为75欧母，尺寸为156mm×156mm的晶体硅太阳能电池片正面，网版图案采用横向2条2000um宽主栅线和纵向78条90um宽细栅线；网版参数为325目，胶膜厚度15um，张力30N；刮刀压力0.3N，印刷速度120mm/s,，版间距2.5mm。同时在背面印刷背银（杜邦PV505）和背铝（儒兴8212）浆料，并烘干。将印刷好正面和背面浆料的电池片放入despatch红外快速烧结炉（CDF-SL）中共烧，带速240ipm，最高烧结温度采用900℃、930℃、960℃三种不同的工艺，采用Abet Technology的I-V测试工作站检测金属化后晶硅电池片的开路电压、短路电流、串联电阻、填充因子、光电转化效率值，对比正面银浆料的区别和性能变化。由图3-图7可以明显看出，实施例在不同工艺条件下，开路电压、短路电流、串联电阻、填充因子和光电转化效率等主要电性能指标均保持稳定和较高的水平，而对比例则变化较大且电性能指标低于对比例，由此可以说明本发明实施例的导电浆料具有良好的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种太阳能电池正面电极浆料，包括如下重量份数的组分：
银粉 70~90份
玻璃粉 0.5~10份
有机载体 5~25份
其中，每100份所述玻璃粉包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份。
2.如权利要求1所述的太阳能电池正面电极浆料，其特征在于，所述玻璃粉的重量份数为2~7份。
3.如权利要求1所述的太阳能电池正面电极浆料，其特征在于，所述玻璃粉的重量份数为3~6份。
4.如权利要求1所述的太阳能电池正面电极浆料，其特征在于，每100份所述玻璃粉中所述玻璃网络中间体的重量份数为8~25份。
5.如权利要求1所述的太阳能电池正面电极浆料，其特征在于，每100份所述玻璃粉中所述玻璃网络中间体的重量份数为10~20份。
6.如权利要求1所述的太阳能电池正面电极浆料，其特征在于，每100重量份的所述玻璃粉中还包括重量份数为0.1~3份的功能助剂。
7.一种玻璃粉，包括如下重量份数的组分：
玻璃网络形成体 5~35份
玻璃网络中间体 5~30份
重金属助熔体 50~90份
所述玻璃粉总重量份数为100份。
8.如权利要求7所述的玻璃粉，其特征在于，所述玻璃网络中间体的重量份数为8~25份。
9.如权利要求7所述的玻璃粉，其特征在于，所述玻璃网络中间体的重量份数为10~20份。
10.如权利要求8或9所述的玻璃粉，其特征在于，所述玻璃网络中间体包括第一组分、第二组分及第三组分，所述第一组分选自氧化锌、氧化镉、氧化镁、氧化铍、三氧化二铟或镓的氧化物；所述第二组分选自三氧化二铝或钪的氧化物；所述第三组分选自氧化钛、氧化锆、氧化铪、三氧化二钇或钍的氧化物。
11.如权利要求10所述的玻璃粉，其特征在于，100重量份的所述玻璃网络中间体中第一组分的重量份数为50~85份、第二组分的重量份数为10~30份、第三组分的重量份数为1~25份。
12.如权利要求11所述的玻璃粉，其特征在于，100重量份的所述玻璃网络中间体中第一组分的重量份数为60~80份、第二组分的重量份数为15~25份、第三组分的重量份数为8~18份。
13.如权利要求7所述的玻璃粉，其特征在于，还包括重量份数为0.1~3份的功能助剂。
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Owner name: SHENZHEN SHOUCHENG NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO., LT Free format text: FORMER OWNER: SOLTRIUM TECHNOLOGY LTD. SHENZHEN Effective date: 20141203 |
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Effective date of registration: 20141203 Address after: 518000 Guangdong, Longhua, New District, Longhua street, Xiang Xiang, No. 1, science and Technology Park on the ground floor, block C, building 9, building 5 Applicant after: Shou Cheng new material Science and Technology Ltd. of Shenzhen Address before: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Futian District 105 Meihua road from industrial park 13 1 floor Applicant before: Shenzhen Soltrium Photovoltaic Co., Ltd. |
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Denomination of invention: Positive electrode slurry of solar battery and glass powder Effective date of registration: 20180710 Granted publication date: 20150722 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Shou Cheng new material Science and Technology Ltd. of Shenzhen Registration number: 2018990000546 |
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Date of cancellation: 20200610 Granted publication date: 20150722 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Soltrium Technology, Ltd. Registration number: 2018990000546 |
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Denomination of invention: Positive electrode slurry of solar battery and glass powder Effective date of registration: 20200610 Granted publication date: 20150722 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Soltrium Technology, Ltd. Registration number: Y2020990000599 |