CN102898024A - 含碲玻璃材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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陈积世
魏艳彪
熊康
仝晓玲
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Abstract

本发明涉及一种含碲玻璃材料及其制备方法和应用。该含碲玻璃材料包括如下摩尔百分含量的组分：TeO230~70%、ZnO2~25%、Nb2O50~30%、Bi2O30~25%、BaO 0~20%、WO30~30%、MoO30~20%以及SiO20~25%。上述玻璃材料以低熔化温度的碲酸盐玻璃代替了传统的含铅玻璃，同时，通过引入一些网络外体和网络中间体构成三维网络骨架来增加玻璃材料的稳定性，得到的玻璃材料无铅、低熔且稳定性较好。

Description

含碲玻璃材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及硅晶太阳能电池领域，特别是涉及一种含碲玻璃材料及其制备方法和应用。
背景技术
通用的硅晶太阳能电池由P型硅晶半导体衬底、N型扩散层、减反射膜、背面电极和正面电极等组成。正面电极一般是采用丝网印刷的方式把浆料印刷在减反射膜上经过500~900℃下快速烧结形成的。工业化生产采用的正面电极浆料主要由银、玻璃材料和有机载体等组分轧制而成。在烧结过程中，正面电极浆料中玻璃材料的作用是将减反射膜熔化并除去，获得正面电极和N型扩散层之间的点接触，此过程通常称为烧穿（Fire-through）。
烧结过程中玻璃材料对太阳能电池性能影响很大。当正面电极未贯穿减反射膜时，会造成粘结强度波动以及不能在正面电极和N型扩散层之间获得稳定欧姆接触等问题，不足的欧姆接触可在输出期间引起损失，从而导致太阳能电池的较低转化效率以及电流/电压特性的下降。但是若正面电极贯穿减反射膜后贯穿N型扩散层下方并侵入半导体衬底，则P-N结可能损坏，且由电流/电压特性测量获得的填充因子会受到不利影响。
为了获得合适的烧穿，优选对减反射膜具有良好溶解性的玻璃材料作为正极银浆中的玻璃料。其中含有氧化铅的玻璃材料经常作为常规银浆中的玻璃料来形成电极，因为含铅玻璃的软化点易于调节，与硅衬底具有良好粘结性，可较彻底地烧穿减反射膜，制备的太阳能电池性能良好。但是，近年来随着人们环保意识的提高，含氧化铅的玻璃材料由于其毒性及污染问题，限制了其进一步应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种无铅、低熔且稳定性较好的含碲玻璃材料及其制备方法。
一种含碲玻璃材料，包括如下摩尔百分含量的各组分：
TeO2        30~70%；
ZnO         2~25%；
Nb2O5       0~30%；
Bi2O3       0~25%；
BaO         0~20%；
WO3         0~30%；
MoO3        0~20%；以及
SiO2        0~25%。
在其中一个实施例中，所述TeO2与所述ZnO的摩尔百分含量的比值为1~6:1。
在其中一个实施例中，所述WO3与所述MoO3的摩尔百分含量之和占所述含碲玻璃材料中各组分总摩尔量的的0~35%。
在其中一个实施例中，所述含碲玻璃材料的软化温度为500~650℃；所述含碲玻璃材料在25~300℃范围内的热膨胀系数为53~120×10-7/℃。
一种含碲玻璃材料的制备方法，包括如下步骤：
按照如下各摩尔百分含量称取各原料，混合后得到混合料，
TeO2        0~70%；
ZnO          2~25%；
Nb2O5        0~30%；
Bi2O3        0~25%；
BaO          0~20%；
WO3          0~30%；
MoO3         0~20%；以及
SiO2         0~25%；
将所述混合料置于700~1000℃下加热熔融，得到熔融玻璃液；
对所述熔融玻璃液进行淬火处理，得到颗粒状玻璃；以及
将所述颗粒状玻璃球磨、过筛，得到所述玻璃材料。
在其中一个实施例中，所述TeO2与所述ZnO的摩尔百分含量的比值为1~6:1。
在其中一个实施例中，所述WO3与所述MoO3的摩尔百分含量之和占所述含碲玻璃材料中各组分总摩尔量的的0~35%。
在其中一个实施例中，所述淬火处理是水淬；所述过筛过程中使用的分子筛的目数大于100目。
上述含碲玻璃材料以TeO2组分为主要玻璃形成体，具有低熔化温度、高度耐久且易于将银溶于固溶体的优点；且TeO2具有与氧化硅的极低反应性以及较宽的红外透过区、高的光电耦合系数、较好的抗腐蚀性能、较高的折射率、较低的熔制温度，低的声子能量和较好的化学稳定性等一系列特点。此外，上述含碲玻璃材料的配方中加入有WO3和MoO3，可以有效提高玻璃材料中声子的能量以及降低玻璃材料的玻璃化转变温度；配方中加入有0~30%的Nb2O5、2~25%的ZnO及0~20%的BaO，在提高玻璃材料的热稳定性的同时，又可降低整个玻璃材料的析晶倾向。此外，该含碲玻璃材料中不含Pb等易污染金属，符合环保的要求。
由于上述含碲玻璃材料具有较高的热稳定性、化学稳定性以及较强的耐腐蚀能力，且对银的固含量较高、对氧化硅的反应性较低，玻璃材料的软化温度为500~650℃，在25~300℃范围内的热膨胀系数为53~120×10-7/℃，因此该含碲玻璃材料可以替代传统的含铅玻璃粉，在硅晶太阳能电池正面电极浆料中应用，可获得具有性能和特性与常规太阳能电极的性能和特性相当甚至更优的太阳能电池。
附图说明
图1为一实施方式的含碲玻璃材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对含碲玻璃材料及其制备方法和应用进行进一步的说明。
一实施方式的含碲玻璃材料，包括如下摩尔百分含量的组分：
TeO2        0~70%；
ZnO          2~25%；
Nb2O5        0~30%；
Bi2O3        0~25%；
BaO          0~20%；
WO3          0~30%；
MoO3         0~20%；以及
SiO2         0~25%。
其中，在优选的实施方式中，TeO2与ZnO的摩尔百分含量的比值为1~6:1。进一步优选的，WO3与MoO3的摩尔百分含量之和占含碲玻璃材料中各组分总摩尔量的的0~35%。
该含碲玻璃材料的软化温度为500~650℃；含碲玻璃材料在25~300℃范围内的热膨胀系数为53~120×10-7/℃。
该含碲玻璃材料以TeO2组分为主要玻璃形成体，具有低熔化温度、高度耐久且易于将银溶于固溶体的优点；且TeO2具有与氧化硅的极低反应性以及较宽的红外透过区、高的光电耦合系数、较好的抗腐蚀性能、较高的折射率、较低的熔制温度，低的声子能量和较好的化学稳定性等一系列特点。此外，上述含碲玻璃材料的配方中加入有WO3和MoO3，可以有效提高玻璃材料中声子的能量以及玻璃材料的玻璃化转变温度；配方中加入有0~30%的Nb2O5、2~25%的ZnO及0~20%的BaO，在提高玻璃材料的热稳定性的同时，又可降低整个玻璃材料的析晶倾向。此外，该含碲玻璃材料中不含Pb等易污染金属，符合环保的要求。
此外，本实施方式还提供了一种含碲玻璃材料的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S110，按照如下各摩尔百分含量称取各原料，混合后得到混合料，
TeO2        0~70%；
ZnO          2~25%；
Nb2O5        0~30%；
Bi2O3        0~25%；
BaO          0~20%；
WO3          0~30%；
MoO3         0~20%；以及
SiO2         0~25%。
步骤S 120，将混合料置于700~1000℃下加热熔融，得到熔融玻璃液。
步骤S130，对熔融玻璃液进行淬火处理，得到颗粒状玻璃。
其中，淬火处理是水淬。
步骤S140，将颗粒状玻璃球磨、过筛，收集到的玻璃粉即为玻璃材料。
其中，过筛过程中使用的分子筛的目数大于100目。
该制备方法制备过程简单，对设备要求低，可广泛推广应用。
以下为具体实施例部分：
含碲玻璃材料的制备过程包括如下步骤：
1）、按照下表1中各实施例的摩尔百分含量数据称取各原料组分；
2）、将步骤1）中称量好的各原料使用球磨机进行混匀，混合后装入熔融石英或刚玉坩埚中，在高温炉中加热形成熔融玻璃液；
3）、将熔融玻璃液倒入水中快速冷却，然后烘干得到颗粒状玻璃；
4）、将颗粒状玻璃用球磨机球磨至0.5~3μm，球磨后的玻璃粉过200目筛，得到粉状的含碲玻璃材料；
5）、取步骤4）得到的粉状的含碲玻璃材料适量采用差示扫描量热分析法（DSC法）测试软化点温度，结果见下表1；
6）、取步骤4）得到的粉状的含碲玻璃材料适量再次熔化成玻璃液后倒入圆柱形模具中，做成圆柱形的试样测试25~300℃范围内的热膨胀系数α，结果见下表1。
表1
Figure BDA00002202038200051
Figure BDA00002202038200061
由于上述含碲玻璃材料具有较高的热稳定性、化学稳定性以及较强的耐腐蚀能力，且对银的固含量较高、对氧化硅的反应性较低，玻璃材料的软化温度为500~650℃，在25~300℃范围内的热膨胀系数为53~120×10-7/℃，因此该含碲玻璃材料可以替代传统的含铅玻璃粉，在硅晶太阳能电池正面电极浆料中应用，可获得具有性能和特性与常规太阳能电极的性能和特性相当甚至更优的太阳能电池。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种含碲玻璃材料，其特征在于，包括如下摩尔百分含量的各组分：
TeO2    30~70%；
ZnO     2~25%；
Nb2O5   0~30%；
Bi2O3   0~25%；
BaO     0~20%；
WO3     0~30%；
MoO3    0~20%；以及
SiO2    0~25%。
2.根据权利要求1所述的含碲玻璃材料，其特征在于，所述TeO2与所述ZnO的摩尔百分含量的比值为1~6:1。
3.根据权利要求1所述的含碲玻璃材料，其特征在于，所述WO3与所述MoO3的摩尔百分含量之和占所述含碲玻璃材料中各组分总摩尔量的0~35%。
4.根据权利要求1所述的含碲玻璃材料，其特征在于，所述含碲玻璃材料的软化温度为500~650℃；所述含碲玻璃材料在25~300℃范围内的热膨胀系数为53～120×10-7/℃。
5.一种如权利要求1~4中任一项所述的含碲玻璃材料在硅晶太阳能电池正面电极浆料中的应用。
6.一种含碲玻璃材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按照如下各摩尔百分含量称取各原料，混合后得到混合料，
TeO2    30~70%；
ZnO     2~25%；
Nb2O5   0~30%；
Bi2O3   0~25%；
BaO     0~20%；
WO3     0~30%；
MoO3    0~20%；以及
SiO2        0~25%；
将所述混合料置于700~1000℃下加热熔融，得到熔融玻璃液；
对所述熔融玻璃液进行淬火处理，得到颗粒状玻璃；以及
将所述颗粒状玻璃球磨、过筛，得到所述含碲玻璃材料。
7.根据权利要求7所述的含碲玻璃材料的制备方法，其特征在于，所述TeO2与所述ZnO的摩尔百分含量的比值为1~6:1。
8.根据权利要求7所述的含碲玻璃材料的制备方法，其特征在于，所述WO3与所述MoO3的摩尔百分含量之和占所述含碲玻璃材料中各组分总摩尔量的0~35%。
9.根据权利要求7所述的含碲玻璃材料的制备方法，其特征在于，所述淬火处理是水淬；所述过筛过程中使用的分子筛的目数大于100目。
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