CN105655010A - 一种晶体硅太阳能电池用电极混合浆料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电池电极材料，公开了一种晶体硅太阳能电池用电极混合浆料。按照重量份数计，所述混合浆料原料组成为：银粉40~60份，锌粉5~10份，银包镍合金粉10~20份，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料1~5份，玻璃粉1~8份，硅烷偶联剂0.5~2份，丁基卡必醇醋酸酯10-15份，烷酸辛1-3份，羟甲基纤维素0.1-0.5份，氢化蓖麻油0.25-1份。本发明还公开了所述电极混合浆料的制备方法。本发明所得的电极混合浆料不含铅，完全符合环保要求，应用于太阳能电池的生产，能在太阳能电池表面形成附着力强、电池光电转换效率高，同时本发明工艺简单，成本低，因而具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电池电极材料，尤其涉及一种晶体硅太阳能电池用电极混合浆料。
背景技术
太阳能电池可以直接将光能转化为电能，是一种可以有效利用太阳能的方式，也是重要的可再生清洁能源。近十年来，在快速发展的光伏产业中，高效率及低成本一直是两个主要竞争点，晶体硅作为当前最主要的太阳能电池材料，凭借其电池的高效稳定一直占据着光伏市场的大部分份额。
晶体硅太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射在晶体硅半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流，这就是光电效应太阳能电池的工作原理。晶体硅太阳能电池用电极混合浆料是制作光电太阳能电池重要的基础材料。
CN101651155A中公开了一种硅太阳电池电极浆料电极浆料的组成与制备方法，该专利提法以一种含硅合金粉形成的欧姆接触的硅太阳能电池的铝背场浆料，其组成是铝粉40-70质量%，单质元素铟粉0.01-5质量%，有机黏合剂20-30质量%，无机黏合剂0.1-15质量%，硅合金粉0.1-40质量%，总量为100质量%。采用该浆料可以增加合金层厚度，提高欧姆接触，但是该浆料中，硅合金粉与功能导电粉（即铝粉）之间仅为简单的机械混合，烧结时并不会降低铝粉的熔融温度，还可能在背场中引入杂质元素，降低电池的转化效率。另外，该浆料中采用稀有金属铟粉，使得浆料的成本大大增加。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种晶体硅太阳能电池用电极混合浆料。本发明的电极混合浆料具有在太阳能电池表面附着力强、电池光电转换效率及导电能力优良的特点；本发明的电极混合浆料具有在太阳能电池表面附着力强、电池光电转换效率及导电能力优良的特点；本发明工艺简单，成本低，具有广阔的应用前景。
本发明采用的技术方案如下：
一种晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，按照重量份数计，所述混合浆料原料组成为：银粉40~60份，锌粉5~10份，银包镍合金粉10~20份，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料1~5份，玻璃粉1~8份，硅烷偶联剂0.5~2份，丁基卡必醇醋酸酯10-15份，烷酸辛1-3份，羟甲基纤维素0.1-0.5份，氢化蓖麻油0.25-1份。
进一步地，所述银粉为长度为3~7μm，直径为50~100nm的银纳米线；所述锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉。
进一步地，所述银包镍合金粉为直径为5~8μm的球形颗粒。
进一步地，所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料的制备方法为：
（1）先将5~10份碳纳米管超声分散于400~500份乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入20~25份碳酸锂、5~10份硝酸铁、5~10份磷酸二氢锂及10~15份蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散10~20min，移入真空干燥箱中放置15~20h，然后抽真空并加热至50~70℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中300~400℃预烧5~7h，再在700~800℃下焙烧5~7h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
进一步地，所述玻璃粉的组分为SiO215~30份、Bi2O310~20份，B2O310~20份，BaO/BaCO35~10份，γ-AL2O315~25份，ZnO5~10份。
进一步地，所述玻璃粉为质量比为1:1的玻璃粉I和玻璃粉II，玻璃粉I的粒径为5~15μm，玻璃粉II的粒径为1~5μm。
进一步地，所述硅烷偶联剂为KH550、KH560或KH602。
更进一步地，本发明还提供了所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料的制备方法，所述制备方法为：先将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
（1）本发明同时选用了不同粒径的银粉与锌粉和银包镍合金粉，增加粒子间的接触面积，从而提高了浆料的导电能力；与现有技术相比，由于银粉大部分采用现有制备工艺稳定且成本相对纳米银颗粒更为低廉的银纳米线，有效降低了电极混合浆料的材料成本；且由于银纳米线与微米锌粉和银包镍合金粉能够互相填充银粉间隙，从而增加了导电通路以形成导电网络，可进一步降低电极混合浆料烧成电极材料的体积电阻率；
（2）本发明在电极混合浆料中添加了锌粉与银包镍合金粉，能够有助于降低浆料生产成本，节省大量的贵金属银，同时改善浆料的导电性能，从而达到了降低太阳能电池制造成本的目的，取得了良好的经济效益；
（3）本发明在电极浆料中添加了磷酸铁锂/碳纳米管复合材料，通过碳纳米管改善颗粒与颗粒之间的接触，形成体积电阻率很小的导电网络，强化了导电网络，从而提高浆料的导电能力；本发明还提供了磷酸铁锂/碳纳米管复合材料的制备方法，在制备前驱体的阶段（浆液的配制）就引入了碳纳米管（碳纳米管分散液），然后再预烧结、焙烧制得磷酸铁锂/碳纳米管复合材料，这样引入的碳纳米管能够分散于磷酸铁锂的一次颗粒之间，易在一次颗粒之间形成导电网络，极大的提高材料的导电性，而不像现有技术是在现成的磷酸铁锂浆液中加入碳纳米管分散液，这样引入的碳纳米管只能分散于磷酸铁锂的二次颗粒之间，导电性有限。因此，本发明制备出的复合材料具有较好的导电性；添加该复合材料制备的电极浆料具有较好的电化学性能；
（4）本发明在电极浆料中添加了硅烷偶联剂，硅烷偶联剂有增强有机物与无机化合物之间的亲和力作用，可强化提高电极浆料的物理化学性能，改善功能导电粉之间的粘结混合性，从而提高浆料在太阳能电池表面的附着力；
（5）本发明所得的电极混合浆料不含铅，完全符合环保要求，应用于太阳能电池的生产，能在太阳能电池表面形成附着力强、电池光电转换效率高，同时本发明工艺简单，成本低，因而具有广阔的应用前景。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
先制备磷酸铁锂/碳纳米管复合材料：
（1）先将8g碳纳米管超声分散于450g乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入20g碳酸锂、10g硝酸铁、8g磷酸二氢锂及15g蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散15min，移入真空干燥箱中放置15h，然后抽真空并加热至60℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中350℃预烧6h，再在750℃下焙烧6h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
再配制玻璃粉及有机载体，其中玻璃粉I的组分为5~15μmSiO220g，5~15μmBi2O315g，5~15μmB2O315g，5~15μmBaO/BaCO38g，5~15μmγ-AL2O320g，5~15μmZnO8g；其中玻璃粉II的组分为1~5μmSiO220g、1~5μmBi2O315g，1~5μmB2O315g，1~5μmBaO/BaCO38g，1~5μmγ-AL2O320g，1~5μmZnO8g；
再制备本发明的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，先分别称取银粉50g，锌粉8g，银包镍合金粉15g，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料3g，上述配制好的玻璃粉7g，KH5501g，丁基卡必醇醋酸酯12g，烷酸辛2g，羟甲基纤维素0.1g，氢化蓖麻油0.25g；其中银粉为直径为50~80nm的纳米球，锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉；然后将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆联剂溶于有机载体中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
实施例2
先制备磷酸铁锂/碳纳米管复合材料：
（1）先将5g碳纳米管超声分散于400g乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入25g碳酸锂、5g硝酸铁、5g磷酸二氢锂及10g蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散10min，移入真空干燥箱中放置20h，然后抽真空并加热至50℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中300℃预烧7h，再在700℃下焙烧5h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
再配制玻璃粉及有机载体，其中玻璃粉I的组分为5~15μmSiO215g，5~15μmBi2O320g，5~15μmB2O310g，5~15μmBaO/BaCO35g，5~15μmγ-AL2O315g，5~15μmZnO5g；其中玻璃粉II的组分为1~5μmSiO210g、1~5μmBi2O320g，1~5μmB2O310g，1~5μmBaO/BaCO35g，1~5μmγ-AL2O315g，1~5μmZnO5g；
再制备本发明的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，先分别称取银粉50g，锌粉8g，银包镍合金粉15g，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料3g，上述配制好的玻璃粉7g，KH5501g，丁基卡必醇醋酸酯10g，烷酸辛3g，羟甲基纤维素0.5g，氢化蓖麻油0.25g；其中银粉为直径为50~80nm的纳米球，锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉；然后将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆联剂溶于有机载体中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
实施例3
先制备磷酸铁锂/碳纳米管复合材料：
（1）先将10g碳纳米管超声分散于500g乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入20g碳酸锂、10g硝酸铁、10g磷酸二氢锂及15g蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散10min，移入真空干燥箱中放置20h，然后抽真空并加热至50℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中300℃预烧7h，再在700℃下焙烧5h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
再配制玻璃粉及有机载体，其中玻璃粉I的组分为5~15μmSiO230g，5~15μmBi2O310g，5~15μmB2O320g，5~15μmBaO/BaCO310g，5~15μmγ-AL2O325g，5~15μmZnO10g；其中玻璃粉II的组分为1~5μmSiO230g、1~5μmBi2O310g，1~5μmB2O320g，1~5μmBaO/BaCO310g，1~5μmγ-AL2O325g，1~5μmZnO10g；
再制备本发明的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，先分别称取银粉50g，锌粉8g，银包镍合金粉15g，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料3g，上述配制好的玻璃粉7g，KH5501g，丁基卡必醇醋酸酯15g，烷酸辛1g，羟甲基纤维素0.5g，氢化蓖麻油1g；其中银粉为直径为50~80nm的纳米球，锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉；然后将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆联剂溶于有机载体中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
实施例4
先制备磷酸铁锂/碳纳米管复合材料：
（1）先将8g碳纳米管超声分散于450g乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入20g碳酸锂、10g硝酸铁、8g磷酸二氢锂及15g蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散15min，移入真空干燥箱中放置15h，然后抽真空并加热至60℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中350℃预烧6h，再在750℃下焙烧6h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
再配制玻璃粉及有机载体，其中玻璃粉I的组分为5~15μmSiO220g，5~15μmBi2O315g，5~15μmB2O315g，5~15μmBaO/BaCO38g，5~15μmγ-AL2O320g，5~15μmZnO8g；其中玻璃粉II的组分为1~5μmSiO220g、1~5μmBi2O315g，1~5μmB2O315g，1~5μmBaO/BaCO38g，1~5μmγ-AL2O320g，1~5μmZnO8g；有机载体为丁基卡必醇12g，丁基卡必醇醋酸酯8g，卵磷脂4g，乙基纤维素1g，氢化蓖麻油2g；
再制备本发明的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，先分别称取银粉40g，锌粉10g，银包镍合金粉20g，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料1g，上述配制好的玻璃粉2g，KH5601g，丁基卡必醇醋酸酯12g，烷酸辛2g，羟甲基纤维素0.1g，氢化蓖麻油0.25g；其中银粉为长度为3~7μm，直径为50~100nm的银纳米线，锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉；然后将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆联剂溶于有机载体中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
实施例5
先制备磷酸铁锂/碳纳米管复合材料：
（1）先将8g碳纳米管超声分散于450g乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入20g碳酸锂、10g硝酸铁、8g磷酸二氢锂及15g蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散15min，移入真空干燥箱中放置15h，然后抽真空并加热至60℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中350℃预烧6h，再在750℃下焙烧6h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
再配制玻璃粉及有机载体，其中玻璃粉I的组分为5~15μmSiO220g，5~15μmBi2O315g，5~15μmB2O315g，5~15μmBaO/BaCO38g，5~15μmγ-AL2O320g，5~15μmZnO8g；其中玻璃粉II的组分为1~5μmSiO220g、1~5μmBi2O315g，1~5μmB2O315g，1~5μmBaO/BaCO38g，1~5μmγ-AL2O320g，1~5μmZnO8g；有机载体为丁基卡必醇12g，丁基卡必醇醋酸酯8g，卵磷脂4g，乙基纤维素1g，氢化蓖麻油2g；
再制备本发明的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，先分别称取银粉60g，锌粉5g，银包镍合金粉10g，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料5g，上述配制好的玻璃粉8g，KH6021g，丁基卡必醇醋酸酯12g，烷酸辛2g，羟甲基纤维素0.1g，氢化蓖麻油0.25g；其中银粉为长度为3~7μm，直径为50~100nm的银纳米线，锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉；然后将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆联剂溶于有机载体中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
分别将本发明实施例1~5制备得到的电极混合浆料采用丝网印刷机印刷于125mm×125mmSi基板上，然后在180℃干燥，再在880℃进行快速烧制电极引线，高温烧结后制成的电极引线表面银白，光滑无缺陷；再对实施例的电极混合浆料及相应电极的性能进行测试，详见下表1。
表1
从表1可以看出，采用本发明的太阳能电池电极混合浆料及制备方法得到的太阳能电池电极，相对现有技术的电极均有效降低了银膜表面电阻率，进一步提高了界面附着力和光电转换效率。
综上，本发明实施例提供的太阳能电池电极混合浆料及制备方法，大大降低了材料成本，同时电池性能也得到了一定程度地提升。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，按照重量份数计，所述混合浆料原料组成为：银粉40~60份，锌粉5~10份，银包镍合金粉10~20份，磷酸铁锂/碳纳米管复合材料1~5份，玻璃粉1~8份，硅烷偶联剂0.5~2份，丁基卡必醇醋酸酯10-15份，烷酸辛1-3份，羟甲基纤维素0.1-0.5份，氢化蓖麻油0.25-1份。
2.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，所述银粉为长度为3~7μm，直径为50~100nm的银纳米线；所述锌粉为活性锌含量在98%以上，直径为1~3μm的雾化球形锌粉。
3.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，所述银包镍合金粉为直径为5~8μm的球形颗粒。
4.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料的制备方法为：
（1）先将5~10份碳纳米管超声分散于400~500份乙醇与水的体积比为1:1的混合溶剂中，形成碳纳米管分散液；
（2）再向碳纳米管分散液中分别加入20~25份碳酸锂、5~10份硝酸铁、5~10份磷酸二氢锂及10~15份蔗糖，加热搅拌形成浆液，冷却至室温后超声分散10~20min，移入真空干燥箱中放置15~20h，然后抽真空并加热至50~70℃，直至浆液中的溶剂挥发完全；
（3）将经步骤（2）处理过的复合材料在马弗炉中300~400℃预烧5~7h，再在700~800℃下焙烧5~7h，得到所述磷酸铁锂/碳纳米管复合材料。
5.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，所述玻璃粉的组分为SiO215~30份、Bi2O310~20份，B2O310~20份，BaO/BaCO35~10份，γ-AL2O315~25份，ZnO5~10份。
6.根据权利要求5所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，所述玻璃粉为质量比为1:1的玻璃粉I和玻璃粉II，玻璃粉I的粒径为5~15μm，玻璃粉II的粒径为1~5μm。
7.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH550、KH560或KH602。
8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的晶体硅太阳能电池用电极混合浆料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：先将磷酸铁锂/碳纳米管复合材料、硅烷偶联剂、烷酸辛、羟甲基纤维素和氢化蓖麻油溶于丁基卡必醇醋酸酯中，得到粘稠浆；再将银粉、锌粉、银包镍合金粉和玻璃粉添加入粘稠浆中，混合均匀，然后用三辊研磨机研磨，得到所述电极混合浆料。
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