CN106825544A - 提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉及制备方法 - Google Patents

提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉及制备方法，该银粉的平均粒径0.6‑7.5μm，松装密度2.5‑5.0g/mL，振实密度4.15‑6.95g/mL，比表面积0.45‑0.75m2/g。先制备硝酸银溶液和还原剂溶液，并分别加入分散剂，后采用“二次加入”的方式，向反应容器中两次“并流加入”各项反应体系溶液，第一次将各项反应体系溶液混合均匀，维持反应液PH值2‑5和温度25‑60℃，投料完成后继续搅拌10‑30min；然后再次以并流加入的方式加入混合反应溶液，加入的体积为第一次加入总量的0.25‑0.75倍。本发明的银粉呈表面布满凸起的类球形，粒径均匀，具有良好结晶面和高分散性，将其用于晶体硅太阳能电池正面银电极浆料能提高光电转换效率，尤其在短路电流、接触电阻、填充因子等方面具有优异特性。

Description

提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉及制备方法
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池技术领域，涉及一种化学还原法制备高比表面积银粉的方法，尤其是涉及一种提高太阳能电池电极导电性的高比表面积的银粉及制备方法。
背景技术
晶体硅太阳能电池是通过光电效应把光能转换成电能的装置。在半导体的P-N结上入射的合适波长的辐射充当在该半导体中产生空穴-电子对的外部能量源。由于P-N结处存在电势差，空穴和电子在内部电势差的驱动下以相反的方向跨过该P-N结移动。电子移动到负极触点，空穴移动到正极触点，从而产生向外部电路输送电力的电流。所以太阳能电池的正面电极对电流的收集和电池的性能起到关键性作用。
太阳能电池正面电极浆料是制作光电太阳能电池的重要基础材料，晶体硅太阳能电池的正面电极浆料是由有机载体、玻璃粉、无机添加剂、银粉和有机添加剂组成；其中有机载体主要作用是粉体的润湿、印刷性、外观、高宽比的构筑；玻璃粉主要作用是烧穿绝缘的氮化硅减反膜，帮助形成Ag/Si欧姆接触、提供附着力；银粉主要作用是作为导电介质，形成电极栅线、且具有低的栅线电阻，以及提供良好的导电网络；无机添加剂和有机添加剂主要作用是用于改善浆料的填充、印刷、拉力等性能。
随着技术的发展，目前在晶体硅太阳能电池中广泛使用的银粉材料主要为：微米级类球形银粉、超细纳米级银粉、片状银粉等，其中正面银浆中广泛使用的微米级类球形银粉或超细纳米级银粉能与晶体硅基片形成良好的欧姆接触，有效降低接触电阻，形成良好导电性，但由于类球形银粉之间的接触为点接触，接触面积较小，导电网络仍有待优化改善，且粉体用量大，银浆制备和使用成本高。而片状银粉因具有比表面积较大，粉体性质稳定，颗粒间接触为面接触、线接触、点接触混合模式，导电网络中接触面积更充分，可以具有很低的接触电阻和栅线电阻，从而导电性能更优良，同时片状银粉可以有效降低制作过程中的银含量。但片状银粉因尺寸形貌等自身因素限制难以适应正电极细栅网版的印刷要求。综上可知，类球形状和片状银粉作为晶体硅太阳能电池正面电极浆料的导电相因各自形貌、尺寸等方面的缺陷而在使用中受到一定的局限。
发明内容
针对在太阳能电池正面银浆中，现有类球形状银粉和片状银粉各自局限的问题，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉及制备方法，使用本发明高比表面积银粉制备的正极浆料，正极栅线的导电能力得到优化提升，即栅线内部导电网络的构筑更致密完善，所以可得到更优异的晶体硅太阳能电池。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉，所述银粉的平均粒径为0.6-7.5μm，松装密度为2.5-5.0g/mL，振实密度为4.15-6.95g/mL，比表面积为0.45-0.75m2/g。
进一步地说，所述银粉为表面布满片状凸起的类球形颗粒、表面布满针状凸起的类球形颗粒或表面布满杆状凸起的类球形颗粒。
优选的，所述银粉的平均粒径为2.0-6.5μm，松装密度为2.8-4.8g/mL，振实密度为4.5-6.95g/mL，比表面积为0.50-0.72m2/g。
进一步地说，一种所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，经过下列步骤：
S01.用去离子水分别制备浓度为0.3-2.5mol/L的硝酸银溶液和浓度为0.35-2.5mol/L的还原剂溶液；
S02.取硝酸银质量的1％-15％的分散剂，加入步骤S01所得硝酸银溶液中，并在超声波仪器中以400-650r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间5min-15min，然后加入调节酸碱值的溶液，使调节后的酸碱值为2-5，得到银前驱物溶液；
S03.取还原剂质量的1％-15％的分散剂，加入步骤S01所得还原剂溶液中，以200-400r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间5min-15min，得到还原剂混合溶液；
S04.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.2:1-5:1，将步骤S02所得的银前驱物溶液和步骤S03所得的还原剂混合溶液采用“并流加入”方式同时注入反应容器中，各项反应体系溶液注入速度范围皆为：0.05-1.5L/min，同时伴随搅拌，转速400-650r/min，维持反应温度25℃-60℃，投料完成后继续搅拌10min-30min；
S05.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.2:1-5:1，再次以“并流加入”方式向反应体系溶液中加入步骤S02所得的银前驱物溶液和步骤S03所得的还原剂混合溶液，各项反应体系溶液注入速度范围皆为：0.05-1.5L/min，同时伴随搅拌，转速400-650r/min，维持反应温度25℃-60℃，投料完成后继续搅拌5min-30min；
S06.反应完成后，离心分离出固体沉淀物和液体，然后将固体物用去离子水和乙醇各洗涤1-5次，并在70-90℃下烘干3-6小时，即得到银粉。
所述还原剂为水合肼、羟胺、双氧水、次亚磷酸钠、连二亚硫酸钠、硼氢化钠、硫酸亚铁、亚硫酸钾、抗坏血酸、甲酸、葡萄糖、还原糖、乙二醛、三乙醇胺、丙酮醛和对氨基苯酚中的至少一种。
进一步地说，所述步骤S02和S03的分散剂皆为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、明胶、羟甲基纤维素、聚丙烯酸钠、阿拉伯树胶、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、吐温、柠檬酸钠、二元羧酸和乙二胺四乙酸钠中的至少一种。
进一步地说，所述步骤S02中调节酸碱值的溶液为硝酸、氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种。
进一步地说，所述步骤S05中所述再次以“并流加入”方式向反应体系溶液中加入的各项反应溶液的总体积为步骤S04中加入总量的0.25倍-0.75倍。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉及制备方法，银粉的平均粒径为0.6-7.5μm，松装密度为2.5-5.0g/mL，振实密度为4.15-6.95g/mL，比表面积为0.45-0.75m2/g。通过“二次加入”方式，使用还原剂还原硝酸银溶液，控制银的还原成核率和银晶体生长速率，在分散剂的保护与诱导生长作用下，生成的银颗粒表面呈球状，粒径大小均匀，具有高分散性和良好结晶面，将其用于晶体硅太阳能电池正面银电极浆料能有效提高光电转换效率，尤其在短路电流、填充因子等方面具有优异特性。
本发明的上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的制备方法的工艺流程示意图；
图2是本发明的实施例1的SEM示范性结构形貌图之一(16000倍)；
图3是本发明的实施例2的SEM示范性结构形貌图之二(16000倍)；
图4是本发明的实施例3的SEM示范性结构形貌图之三(20000倍)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
实施例1：
如图1所示，所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，具体经过如下步骤进行：
S01.用去离子水分别制备浓度为1.45mol/L的硝酸银和浓度为1.2mol/L的抗坏血酸溶液；
S02.取硝酸银质量的1.5％的明胶，加入步骤S01所得硝酸银溶液中，并在超声波仪器中，结合以400r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间10min，然后加入调节酸碱值的溶液，使调节后的酸碱值为2，得到银前驱物溶液；
S03.取抗坏血酸溶液质量的1.5％的明胶，加入步骤S01所得还原剂溶液中，以400r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间10min，得到还原剂混合溶液；
S04.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.8:1，将步骤S02所得银前驱物溶液和步骤S03所得还原剂溶液采用“并流加入”方式同时注入反应容器中，两项反应体系溶液注入速度分别为：0.06L/min和0.5L/min，同时伴随搅拌，转速550r/min，维持反应温度30℃，投料完成后继续搅拌25min；
S05.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.8：1，再次以“并流加入”方式向反应体系溶液中加入步骤S02所得银前驱物溶液和步骤S03所得还原剂溶液，两项反应体系溶液注入速度分别为：0.1L/min和1.2L/min，总量为步骤S04中加入总量的0.25倍，同时伴随搅拌，转速550r/min，维持反应温度30℃，投料完成后继续搅拌15min；
S06.反应完成后，分离出固体沉淀物和液体，然后将固体物用去离子水和乙醇各洗涤3次，并在80℃下烘干3小时，即得到银粉。
如图2所示，所述银粉为表面布满片状凸起的类球形颗粒(如布满鱼鳞状凸起的类球形颗粒)，平均粒径为2.5-3.0um，松装密度为4.2g/mL，振实密度为5.55g/mL，比表面积为0.65m2/g。
实施例2：
所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，具体经过如下步骤进行：
S01.用去离子水分别制备浓度为0.6mol/L的硝酸银和浓度为0.4mol/L的抗坏血酸溶液；
S02.取硝酸银质量的6.25％柠檬酸钠和6.25％聚乙烯醇，加入步骤S01所得硝酸银溶液中，并在超声波仪器中，结合以400r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间10min，然后加入调节酸碱值的溶液，使调节后的酸碱值为2.5，得到银前驱物溶液；
S03.取抗坏血酸溶液质量的6.25％柠檬酸钠和6.25％聚乙烯醇，加入步骤S01所得还原剂溶液中，以400r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间10min，得到还原剂混合溶液；
S04.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.8:1，将步骤S02所得银前驱物溶液和步骤S03所得还原剂溶液采用“并流加入”方式同时注入反应容器中，两项反应体系溶液注入速度分别为：0.06L/min和0.5L/min，同时伴随搅拌，转速550r/min，维持反应温度30℃。投料完成后继续搅拌25min；
S05.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.8:1，再次以“并流加入”方式向反应体系溶液中加入步骤S02所得银前驱物溶液和步骤S03所得还原剂溶液，两项反应体系溶液注入速度分别为：0.1L/min和1.2L/min，总量为步骤S04中加入总量的0.5倍，同时伴随搅拌，转速550r/min，维持反应温度30℃，投料完成后继续搅拌15min；
S06.反应完成后，分离出固体沉淀物和液体，然后将固体物用去离子水和乙醇各洗涤3次，并在80℃下烘干3小时，即得到银粉。
如图3所示，所述银粉为表面布满针状凸起的类球形颗粒(如菊花状类球形颗粒)，平均粒径为1.5-2.0μm，松装密度为4.5g/mL，振实密度为6.2g/mL，比表面积为0.75m2/g。
实施例3：其他与实施例1相同，不同之处在于改变“二次并流”加入的量为：为步骤S04中加入量的0.5倍。
如图4所示，所述银粉为表面布满杆状凸起的类球形颗粒，平均粒径为2.5-4.0μm，松装密度为3.0g/mL，振实密度为6.65g/mL，比表面积为0.60m2/g。
实施例4：其他与实施例1相同，不同之处在于改变分散剂为1％明胶和3％聚乙烯吡咯烷酮。
对本发明的实施例1到实施例4的样品进行物理性能测试，记录如表1。
表1：实施例1-4中银粉的物理性能测试数据。
表1
将上述实施例1-4中银粉以及对比组常规类球形银粉，在制备晶体硅太阳能电池片时同配方中同比例使用，分别记为M-1、M-2、M-3、M-4及对比组。将实施例组分M-1、M-2、M-3、M-4及对比组制备的银粉应用于多晶156×156的方阻85测试数据：其光电转换效率(EFF)、填充因子(FF)、并联电阻(Rsh)、串联电阻(Rs)、短路电流(Isc)和开路电压(Voc)等测试结果见表2，其各项指标的测试方法均为本领域常规方法，具体测试过程与条件均采用统一测试环境、测试条件。测试方法描述：电性能(包括开路电压Voc，光电转换效率EFF，填充因子FF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh和短路电流Isc)是通过太阳模拟器或I-V测试仪测量所得数据。太阳模拟器或I-V测试仪所用光源光照强度需要通过密封“标片”(密封的电池片)进行校准标定，测量时光照强度需通过“标片”调整为AM1.5G的光照强度(即1000mW/cm2)。电性能测试过程中，待测试电池片放置于光源下的真空吸盘上，且吸盘的温度会通过冷却仪控制在24(±1)℃。I-V测试仪通过扫描电压(-0.2V～+1.2V)和测试电流绘制出明场和暗场条件下的I-V曲线。常规电池片电性能数据如：光电转换效率EFF、开路电压Voc、串联电阻Rs、并联电阻Rsh、短路电流Isc和短路电流密度Jsc均可在上述条件下通过I-V测试仪获得。电池片的光电转换效率EFF(等同于填充因子)是衡量电池片电性能优劣的关键参数。填充因子为电池具有最大输出功率时的电流和电压的乘积与短路电流和开路电压乘积的比值。本发明实施例中电性能相关结果均可通过电池片工业上I-V测试仪或相关测量工具获得。
表2
由表2可见，本发明实施例1-4银粉制备的晶体硅太阳能电池片与对比组常规类球形银粉生产的晶体硅太阳能电池片的电性能相比，实施例1-4组其光电转换效率、填充因子、并联电阻、串联电阻和短路电流性能均有不同程度的优化提升，尤其在短路电流、填充因子性能上有大幅度提升。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉，其特征在于：所述银粉的平均粒径为0.6-7.5μm，松装密度为2.5-5.0g/mL，振实密度为4.15-6.95g/mL，比表面积为0.45-0.75m2/g。
2.根据权利要求1所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉，其特征在于：所述银粉为表面布满片状凸起的类球形颗粒、表面布满针状凸起的类球形颗粒或表面布满杆状凸起的类球形颗粒。
3.根据权利要求1所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉，其特征在于：所述银粉的平均粒径为2.0-6.5μm，松装密度为2.8-4.8g/mL，振实密度为4.5-6.95g/mL，比表面积为0.50-0.72m2/g。
4.一种根据权利要求1所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，其特征在于：经过下列步骤：
S01.用去离子水分别制备浓度为0.3-2.5mol/L的硝酸银溶液和浓度为0.35-2.5mol/L的还原剂溶液；
S02.取硝酸银质量的1％-15％的分散剂，加入步骤S01所得硝酸银溶液中，并在超声波仪器中以400-650r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间5min-15min，然后加入调节酸碱值的溶液，使调节后的酸碱值为2-5，得到银前驱物溶液；
S03.取还原剂质量的1％-15％的分散剂，加入步骤S01所得还原剂溶液中，以200-400r/min转速搅拌进行分散，搅拌时间5min-15min，得到还原剂混合溶液；
S04.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.2:1-5:1，将步骤S02所得的银前驱物溶液和步骤S03所得的还原剂混合溶液采用“并流加入”方式同时注入反应容器中，各项反应体系溶液注入速度范围皆为：0.05-1.5L/min，同时伴随搅拌，转速400-650r/min，维持反应温度25℃-60℃，投料完成后继续搅拌10min-30min；
S05.按还原剂:硝酸银的摩尔比为0.2:1-5:1，再次以“并流加入”方式向反应体系溶液中加入步骤S02所得的银前驱物溶液和步骤S03所得的还原剂混合溶液，各项反应体系溶液注入速度范围皆为：0.05-1.5L/min，同时伴随搅拌，转速400-650r/min，维持反应温度25℃-60℃，投料完成后继续搅拌5min-30min；
S06.反应完成后，离心分离出固体沉淀物和液体，然后将固体物用去离子水和乙醇各洗涤1-5次，并在70-90℃下烘干3-6小时，即得到银粉。
5.根据权利要求4所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，其特征在于：所述还原剂为水合肼、羟胺、双氧水、次亚磷酸钠、连二亚硫酸钠、硼氢化钠、硫酸亚铁、亚硫酸钾、抗坏血酸、甲酸、葡萄糖、还原糖、乙二醛、三乙醇胺、丙酮醛和对氨基苯酚中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，其特征在于：所述步骤S02和S03的分散剂皆为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、明胶、羟甲基纤维素、聚丙烯酸钠、阿拉伯树胶、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、吐温、柠檬酸钠、二元羧酸和乙二胺四乙酸钠中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，其特征在于：所述步骤S02中调节酸碱值的溶液为硝酸、氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的提高太阳能电池电极导电性的高比表面积银粉的制备方法，其特征在于：所述步骤S05中所述再次以“并流加入”方式向反应体系溶液中加入的各项反应溶液的总体积为步骤S04中加入总量的0.25倍-0.75倍。
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