CN103377750A - 一种太阳能电池背电场用导电浆料、其制备方法及太阳能电池片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能电池背电场用导电浆料、其制备方法及太阳能电池片。太阳能电池背电场用导电浆料，包括导电金属粉、无机粘结剂和有机载体，其中，导电金属粉包括Al-M合金粉，M选自镓、铟或铊中的一种或几种，可以是两元、三元或者四元合金，制备的背电场金属膜表面光滑，外观优良，且形成的PP+层性能优异，电池的开路电压高，光电转换效率高，且制备的金属膜与硅片的附着力强，制备的太阳能电池片的弯曲度小。

Description

一种太阳能电池背电场用导电浆料、其制备方法及太阳能电池片

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，更具体地说，本发明涉及一种太阳能电池背电场用导电浆料、其制备方法及太阳能电池片。

背景技术

太阳能作为一种绿色能源，以其取之不竭、无污染、不受地域资源限制等优点越来越受到人们的重视。现有硅基太阳能电池一般通过将含有导电性金属粉末、玻璃粉及有机载体的导电浆料印刷在硅基材上，进行干燥和烧制制备电极和背场。太阳电池硅基材的正面电极一般为负极，，涂覆的导电浆料通常为正面银浆；背面电极一般为正极，涂覆的导电浆料通常为背面银浆；背表面一般涂覆含铝导电浆料，烧结后形成铝背场，它能显著提高电池的开路电压和光电转换效率。

目前市场使用的背电场导电浆料主要由功能性粉体（金属粉）、无机玻璃粉、有机载体混合搅拌并轧制而成，金属粉作为导电相，它决定了浆料的电性能，并影响着成膜后的物理和机械性能，目前商用的背电场导电浆料的导电金属粉通常由铝含量为99.0wt%以上的微细球形铝粉组成，其中粒径一般在2.0~8.0µm之间。但这些背电场导电浆料丝印烧结后与硅基底的附着力并不高，与EVA粘接后剥离力的平均值一般在30N/cm以下，烧结所要求的温度高，电池弯曲度比较大，表面容易产生少许疤痕或毛刺，并且制成的晶体硅太阳能电池的光电转换效率仍不够理想。

现有有将铝粉、锡粉、镓粉、锑粉、镁铝合金粉等作为导电功能粉体，但其制备的导电浆料印刷烧结时存在外观不良的问题。改进的有在导电金属粉体或铝浆中简单的机械混合添加了单质元素（如铟粉）或硅合金粉（如硅铝合金），但形成的背电场金属膜同样存在疤痕或毛刺，同时其制备的太阳能电池光电转化效率仍没达到理想效果。

发明内容

本发明解决的技术问题是采用现有技术中的背电场导电浆料制备的背电场铝膜表面容易产生少许疤痕或毛刺，提供一种制备的背电场铝膜附着力高、表面没有疤痕或毛刺，制备时烧结峰值温度低，制备的电池弯曲度小，光电转化效率高的太阳能电池背电场用导电浆料、其制备方法及太阳能电池片。

本发明的第一个目的是提供一种太阳能电池背电场用导电浆料，包括导电金属粉、无机粘结剂和有机载体，其中，导电金属粉包括Al-M合金粉， M选自镓、铟或铊中的一种或几种。

本发明意外发现功能性粉体即导电金属粉采用Al-M合金粉（ M选自镓、铟或铊中的一种或几种）的背电场导电浆料制备的背电场金属膜表面光滑，外观优良，且形成的PP+层性能优异，电池的开路电压高，光电转换效率高，且制备的金属膜与硅片的附着力强，制备的太阳能电池片的弯曲度小。

推测可能因为含一定量的镓和/或铟和/或铊的铝合金的熔点要比纯铝粉的低，印刷后电池片的烧结温度低，从而减小了太阳能电池片的弯曲度。且不会出现金属粉简单机械混合时出现的，例如铟、镓或铊因为自身的熔点低，而在烧结时可能存在的，在铝粉未熔融时过早熔化流动的问题，制备的外观良好。

同时本发明意外发现本发明形成的背电场的硅-金属合金层的厚度要比现有导电浆料形成的硅铝合金层厚很多，增加了铝原子在p型硅中的掺杂浓度，从而提供了太阳能电池的开路电压，本发明的实施例可以提高电池的开路电压1-3毫伏。

而且，掺杂有镓、铟、铊的铝合金电阻率较低，形成的PP+层的接触电阻小。同时，由于Al-M合金粉在形成硅-金属合金层时与硅的掺杂效果好，结合力强，提高了铝膜的附着力，而且也可降低无机粘结剂的量，能减弱无机粘结剂对太阳电池片串联电阻的影响，降低串联电阻，提到填充因子，提高太阳能电池的光电效率。

采用本发明的导电浆料制备太阳能电池的背电池，烧结峰值温度只需840±10℃即可，烧结温度大大降低，可有效降低能耗。

本发明的第二个目的是提供上述导电浆料的制备方法，步骤包括：将导电金属粉、无机粘结剂和有机载体混合，所述导电金属粉为Al-M合金粉，所述M选自镓、铟或铊中的一种或几种。

本发明的方法简单易实现，易大规模生产。

本发明的第三个目的是提供一种太阳能电池片，其中，太阳能电池片包括硅基体片、硅基体片正表面的正电极、硅基体片背表面的背电场及背电场表面的背电极，背电场由上述导电浆料涂覆在硅基体片背表面后烧结制得。

制得的背电场金属膜较厚，致密度高，在硅基体片表面具有较强的附着力，外观完美，且性能优异。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种太阳能电池背电场用导电浆料，包括导电金属粉、无机粘结剂和有机载体，其中，导电金属粉包括Al-M合金粉， M选自镓、铟或铊中的一种或几种，可以是两元、三元或者四元合金，制备的背电场金属膜表面光滑，外观优良，且形成的PP+层性能优异，电池的开路电压高，光电转换效率高，且制备的金属膜与硅片的附着力强，制备的太阳能电池片的弯曲度小。

优选，Al-M合金粉中的铝为Al-M合金粉总量的50~99wt%，进一步优选为80~95wt%，进一步优化导电浆料的性能。

其中，Al-M合金为采用本领域技术人员公知的各种技术制备的合金状态，如采用金属M熔于Al中制成成分均一的合金熔融液，而后再采用雾化的方法得到合金粉体，也可以采用物理气相法(PVD)生成，而非简单的机械混合所得的各自的粉末混合状态，本发明优选Al-M合金粉由Al和金属M高温熔融制成成分均一的合金后再雾化得到。

优选，Al-M合金粉为球形颗粒，颗粒的中值粒径D₅₀为0.10~10µm。进一步优选，包括两种或两种以上中值粒径的合金粉，通过不同粒径的Al-M合金粉间的相互作用，能进一步增加烧结后硅-金属合金层（PP+）的致密度，提高掺杂效果，提高PP+层的性能，进一步提高电池的电性能。

优选，以导电浆料的总量为基准，所述导电浆料包括50~60wt%的中值粒径为5~6µm的Al-M合金粉和10~20wt%的中值粒径为1~2µm的Al-M合金粉。

优选，以导电浆料的总量为基准，所述导电浆料包括70~80wt%的Al-M合金粉，0.1~2.0wt%的无机粘结剂和18.0~29.9wt%的有机载体，能进一步降低无机粘结剂的量，降低太阳能电池片的串联电阻，提到填充因子，提高太阳能电池的光电效率。

无机粘结剂为玻璃粉，优选，玻璃粉的软化点为490~560℃，进一步优选为510~530℃，从而更好的保证在Al-M合金粉熔融之前，促使Al-M合金粉熔融并粘接在硅基底上，优化金属膜的外观和附着力。

其中，玻璃粉本发明采用本领域技术人员公知各种应用于太阳能电池导电浆料中的玻璃粉，玻璃粉的成分可包括Bi₂O₃、B₂O₃、SiO₂、ZnO、Al₂O₃、Sb₂O₃、BaO、MgO或SrO等中的一种或几种，所述玻璃粉的中值粒径D₅₀为0.5-3.0µm。较佳情况下，玻璃粉的具体配方组可以为：组分Bi₂O₃占60~80wt%，B₂O₃占15~30wt%，SiO₂占5~15wt%，ZnO占2.0~10wt%，可选组分Al₂O₃占0~3.0wt%，Sb₂O₃占0~3.0wt%，BaO占0~2.0wt%, MgO占0~2.0wt%, SrO占0~2.0wt%，CaO占0~2.0wt%。

有机载体为现有技术的导电浆料中常用的有机体系，例如可以包括有机溶剂、增稠剂和选择添加的助剂等，其中，增稠剂可以包括乙基纤维素、硝化纤维素、树脂类粘结剂中的一种或几种。有机溶剂由本领域公知的溶剂组成，如松油醇、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、丁基卡必醇、松节油、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚、乙二醇乙醚醋酸酯中的两种或两种以上混合而成。助剂为聚酰胺粉末、改性氢化蓖麻油、十六醇、十八醇中的一种或几种混合而成。以有机载体的总量为基准，具体可优选，有机载体包括5.0~20wt%的乙基纤维素，0.1~5.0 wt%的助剂及75~90wt%的混合溶剂。也可以含有其他改性添加剂，本发明没有特别限制，可根据实际情况进行选择。可以市购也可以自行配置，配置方法可以将乙基纤维素以及助剂溶解在由松油醇或其他有机溶剂所组成的混合溶剂中，在60~80℃下使其充分溶解并搅拌均匀，得到透明均一的有机载体。

本发明同时提供了上述导电浆料的制备方法，包括将导电金属粉、无机粘结剂和有机载体混合，其中，导电金属粉为Al-M合金粉， M选自镓、铟或铊中的一种或几种。

具体可以为

（1）将所述的增稠剂例如乙基纤维素、助剂例如氨基聚酰胺树脂溶解在松油醇或其他上述有机溶剂组成的混合溶剂中，在60~80℃下使乙基纤维素充分溶解并搅拌均匀，得到透明的有机载体。

（2）将先称好的有机载体置于高速分散机的不锈钢罐中，一边搅拌，一边加入玻璃粉，再分多次加入Al-M合金粉，搅匀，全部加完后，高速搅匀；再用Ø150的三辊研磨机进行研磨3~5次，研磨细度至＜20微米，粘度控制在75000~90000毫帕秒（Brookfield黏度剂，7#转子，20转/分钟）,即可得铝导电浆料成品。

本发明同时提供一种太阳能电池片，其中，太阳能电池片包括硅基体片、硅基体片正表面的正电极、硅基体片背表面的背电场及与背电场导通的背电极，背电场由上述导电浆料涂覆在硅基体片背表面后烧结制得。烧结制得的背电场金属膜的厚度可达到20微米以上，尤其是导电金属粉在烧结时与硅基底形成的硅-铝-M多元合金层较普通的铝导电浆料的要厚，并且结构致密。850~870℃，烧结温度较低，可降低能耗及降低太阳电池片的弯曲度。

涂覆可以采用本领域技术人员公知的各种涂覆技术，例如丝网印刷。较佳情况下，具体工艺可以为在采用200目的丝网印刷背面银导电浆料烘干后，采用丝网目数为280目的丝网印刷上述导电浆料，印刷的湿膜厚度为30~40µm，烘干，烘干温度均可以为120~150℃，时间均可以为3~5分钟，之后再采用200目的丝网印刷正面银导电浆料。背面或正面银导电浆料采用本领域技术人员公知的各种银导电浆料。，

烧结的技术为本领域技术人员公知的各种烧结技术，例如可以采用过隧道炉烘干烧结，隧道炉温度可以成梯度分布，过隧道炉的时间为可以为2分钟左右，烧结峰值温度为860±10℃，时间约为1秒，出炉即得到的成品太阳电池片。

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述。

实施例1

（1）玻璃粉的制备

取68wt%的Bi₂O₃，15wt%的B₂O₃，8.0wt%的SiO₂，5wt%的ZnO，2.0wt%的Al₂O₃，1.0wt%的Sb₂O₃，1.0wt%BaO，采用 V型混合机混合均匀，装入瓷坩埚中，放入硅碳棒炉，升温预热到550℃，保温0.5h，再升至1250℃，熔炼1.0h，水淬过滤，将得到玻璃珠装入球磨罐，控制质量比例，氧化锆球：玻璃珠：去离子水=4：1：0.5，罐速100/分钟，球磨7h，过滤，烘干，再干磨0.5h，干磨时氧化锆球与玻璃珠的质量比为1：2。测试该玻璃粉的中粒径D₅₀为1.5µm，软化点为520℃。

（2）有机载体的配置

按照质量比松油醇：丁基卡必醇：丁基卡必醇醋酸酯：DBP=45：40：10：5的有机溶剂混合均匀，组成浆料的混合溶剂。以载体总量为基准，取89wt%的混合溶剂，加入9.0wt%乙基纤维素STD-4(陶氏产，粘度为4)，1.5wt%的氢化蓖麻油，0.5wt%十六醇，加热到60℃，使其充分溶解，并搅拌均匀，得到均一澄清的有机载体溶液。

（3）导电浆料的制备

取占浆料总量63wt%、中粒径D₅₀为5.0~6.0µm和占浆料总量15wt%、中粒径D₅₀为1.0~2.0µm的两种不同中值粒径的球形铝铟合金粉（铝元素含量均为900.05 wt%，其余为铟，上海宇擎材料科技有限公司生产，采用熔融雾化法制得。）混合均匀。再取占浆料总量21 wt%的上述有机载体溶液，置于高速分散机的不锈钢罐中，一边搅拌，一边加入占总量1.0wt%的上述制得的玻璃粉，搅拌均匀，然后加入上面得到的两种不同粒径的球形铝合金粉的混合粉，其中合金粉分多次加入，每次加入先搅匀，再加下一次；全部加完后，高速搅匀；再用Ø150的三辊研磨机进行研磨15次，研磨细度小于20µm，即得背电场用导电浆料成品S1。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备背电场用导电浆料成品S2，不同的是导电金属粉为占导电浆料总量78wt%、中粒径D₅₀为4.0~5.0µm的一种粒径的铝铟合金粉。

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备背电场用导电浆料成品S3，不同的是铝元素占铝铟合金粉的50wt%。

实施例4

采用与实施例1相同的方法制备背电场用导电浆料成品S4，不同的是铝元素占铝铟合金粉的99wt%。

实施例5

采用与实施例1相同的方法制备背电场用导电浆料成品S5，不同的是导电金属粉为两种不同粒径的球形铝铟镓三元合金粉（铝元素含量为90wt%、铟元素含量为5wt%，其余为镓元素，上海宇擎材料科技有限公司生产）。

比较例1

（1）玻璃粉的制备

取60wt%的Bi₂O₃，18wt%的B₂O₃，13wt%的SiO₂，5wt%的ZnO，2.0wt%的Al₂O₃，1.0wt%的Sb₂O₃，1.0wt%BaO，采用 V型混合机混合均匀，装入瓷坩埚中，放入硅碳棒炉，升温预热到550℃，保温0.5h，再升至1250℃，熔炼1.0h，水淬过滤，将得到玻璃珠装入球磨罐，控制质量比例，氧化锆球：玻璃珠：去离子水=4：1：0.5，罐速100/分钟，球磨7h，过滤，烘干，再干磨0.5h，干磨时氧化锆球与玻璃珠的质量比为1：2。测试该玻璃粉的中粒径D₅₀为1.5µm，软化点为590℃。

（2）有机载体的配置

采用与实施例1相同的方法制备有机载体。

（3）导电浆料的制备

取占浆料总量63wt%、中粒径D₅₀为5.0~6.0µm和占浆料总量15wt%、中粒径D₅₀为1.0~2.0µm的两种不同中值粒径的球形铝粉（东营金茂铝业高科技有限公司生产，）混合均匀。再取占浆料总量21 wt%的上述有机载体溶液，置于高速分散机的不锈钢罐中，一边搅拌，一边加入占总量1.0wt%的上述制得的玻璃粉，搅拌均匀，然后加入上面得到的两种不同粒径的球形铝合金粉的混合粉，其中合金粉分多次加入，每次加入先搅匀，再加下一次；全部加完后，高速搅匀；再用Ø150的三辊研磨机进行研磨15次，研磨细度小于20µm，即得背电场用导电浆料成品DS1。

比较例2

采用与对比例1相同的方法制备背电场用导电浆料成品DS2，不同的是采用占浆料总量56.7wt%、中粒径D₅₀为5.0~6.0µm和占浆料总量13.5wt%、中粒径D₅₀为1.0~2.0µm的两种不同中值粒径的球形铝粉（均为东营金茂铝业高科技有限公司生产），，再添加占浆料总量7.8wt%的铟粉（中粒径D₅₀为3~5µm，铟含量：99.99％，长沙亚光经贸有限公司），玻璃粉的量为 1.0wt%。比较例3

采用与对比例2相同的方法制备背电场用导电浆料成品DS3，不同的是将比较例2中添加的铟粉改为硅铝合金粉（硅铝合金的D₅₀为3.5µm，硅元素含量为3.0±0.05 wt%，上海宇擎材料科技有限公司生产）。

性能测试

将上述实施例1-5及对比例1-3制得的太阳能电池背电场用导电浆料S1-S6和DS1-DS3分别用来制备太阳能电池片。多晶硅片规格：156×156mm，厚度为200μm（腐蚀前），印刷前厚度为180μm。先采用200目的丝网印刷背面银电极浆料（杜邦PV505），烘干，再采用280目的丝网目数分别印刷S1-S5和DS1-DS3，印刷重量为每片用浆1.5克，烘干温度均为125℃，烘干时间为4min，再采用200目的丝网印刷正面银电极浆料（杜邦16C），过隧道炉烘干烧结，隧道炉温度梯度分布，过隧道炉的时间为2min，烧结峰值温度为860±10℃，时间为1s。

出炉后得到相应的电池片分别记为S10-S50和DS10-DS30。

将DS1-DS3按上述施工工艺用在多晶硅太阳电池上，只是烧结峰值温度改为900±10℃，得到的电池片分别记为DS11-DS31。

测试本发明实施例或比较例中的某种浆料，采用200片电池片进行实验，测试得到数据取其平均值。

表面状况：目测各太阳电池片的背场表面状况，光滑、无铝珠或金属颗粒、无起疱，记为OK，否则记为NG。

附着力：将光伏玻璃、EVA、电池片、EVA及TPT按顺序叠放，并进行层压，用刀刻1cm宽的长条，使用山度SH-100推拉力计沿45°方向对其进行拉力测试，测其单位宽度上的平均剥离力，单位为N/cm。

弯曲度：将各太阳电池片弯曲程度用游标卡尺测量，单位为mm。

开路电压，光电转化效率：采用单次闪光模拟器按照IEC904-1公开的方法对各电池片进行测试得到。测试条件为标准测试条件(STC) ：光强：1000W/m²；光谱：AM1.5；温度：25℃。开路电压的单位为V。

测试结果如表1。

表1

电池片	表面状况	附着力（N/cm）	弯曲度（mm）	开路电压（V）	光电转化效率（%）
						S10	OK	55.5	0.38	0.6269	17.55
S20	OK	48.7	0.32	0.6263	17.47
						S30	OK	45.0	0.45	0.6247	17.36
S40	OK	33.4	0.68	0.6241	17.30
						S50	OK	53.8	0.30	0.6258	17.51
DS10	OK	10.6	0.85	0.6120	16.45
						DS20	OK	14.8	0.78	0.6173	16.58
DS30	NG,有起疱现象	8.40	0.73	0.6130	16.36
						DS11	OK	16.8	1.25	0.6213	17.18
DS21	NG,有金属颗粒现象	25.7	0.80	0.6226	17.22
						DS31	NG,有起疱现象	19.8	1.25	0.6173	16.85

本发明的背电场导电浆料制备的背电场金属膜表面光滑，外观优良，无起疱现象和金属颗粒现象，且形成的PP+层性能优异，电池的开路电压高，光电转换效率高，且制备的金属膜与硅片的附着力强，制备的太阳能电池片的弯曲度小。本发明的方法简单易实现，易大规模生产，为太阳能电池的发展奠定了基础。

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 (15)

1.一种太阳能电池背电场用导电浆料，其特征在于，包括导电金属粉、无机粘结剂和有机载体，所述导电金属粉包括Al-M合金粉，所述M选自镓、铟或铊中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，Al-M合金粉中的铝为Al-M合金粉总量的50~99wt%。

3.根据权利要求2所述的导电浆料，其特征在于，Al-M合金粉中的铝为Al-M合金粉总量的80~95wt%。

4.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述Al-M合金粉通过高温熔融法制成合金后再雾化得到。

5.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述Al-M合金粉为球形颗粒，所述颗粒的中值粒径D₅₀为0.10~10µm。

6.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述Al-M合金粉包括两种或两种以上中值粒径的合金粉。

7.根据权利要求6所述的导电浆料，其特征在于，以导电浆料的总量为基准，所述导电浆料包括50~60wt%的中值粒径为5~6µm的Al-M合金粉和10~20wt%的中值粒径为1~2µm的Al-M合金粉。

8.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，以导电浆料的总量为基准，所述导电浆料包括70~80wt%的Al-M合金粉，0.1~2.0wt%的无机粘结剂和18.0~29.9wt%的有机载体。

9.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述无机粘结剂为玻璃粉，所述玻璃粉的软化点为490~560℃。

10.根据权利要求9所述的导电浆料，其特征在于，所述玻璃粉包括Bi₂O₃、B₂O₃、SiO₂、ZnO、Al₂O₃、Sb₂O₃、BaO、MgO或SrO中的一种或几种，所述玻璃粉的中值粒径D₅₀为0.5-3.0µm。

11.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述有机载体包括有机溶剂、增稠剂和助剂，所述增稠剂包括乙基纤维素、硝化纤维素或树脂类粘结剂中的一种或几种；所述有机溶剂选自松油醇、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、丁基卡必醇、松节油、丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚或乙二醇乙醚醋酸酯中的两种或两种以上；助剂选自聚酰胺粉末、改性氢化蓖麻油、十六醇或十八醇中的一种或几种。

12.一种太阳能电池背电场用导电浆料的制备方法，其特征在于，所述导电浆料为权利要求1-11任意一项所述的导电浆料，该方法包括将导电金属粉、无机粘结剂和有机载体混合，所述导电金属粉为Al-M合金粉，所述M选自镓、铟或铊中的一种或几种。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述方法步骤包括

（1）将增稠剂分散到有机载体中；

（2）将步骤（1）所得有机载体在搅拌的情况下加入玻璃粉，再分多次加入Al-M合金粉，搅匀；后研磨细度至＜20µm，粘度控制在75000~90000毫帕秒。

14.一种太阳能电池片，其特征在于，所述太阳能电池片包括硅基体片、硅基体片正表面的正电极、硅基体片背表面的背电场及与背电场导通的背电极，所述背电场由权利要求1-11任意一项所述的导电浆料涂覆在硅基体片背表面后烧结制得。

15.根据权利要求14所述的太阳能电池片，其特征在于，所述烧结的峰值温度为850~870℃。