CN107195354A - 一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆及其制备方法，按质量百分比含量，包括3％～15％的有机载体，80％～95％的银粉和1％～5％的无机玻璃料；无机玻璃料由Pb‑V‑Te玻璃和Bi‑W‑Si玻璃复配得到；银粉由第一银粉和第二银粉复配得到。本发明通过引入纳米银粉，提高了银粉体系的烧结活性，改善低温烧结下银栅线的致密性；通过调整玻璃料的软化温度、粘度和表面张力，提高玻璃液的流动性和润湿能力，保证玻璃液对正面减反射层的刻蚀能力，也提高了对银粉的熔融和再析出能力，银纳米胶体粒子在硅片表面的析出有助于促进玻璃层与硅片形成良好的欧姆接触，提高转换效率；引入第二组分玻璃粉，增强玻璃层与硅基体的结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及硅太阳能电池用电极银浆领域，具体说是一种背钝化硅太阳能电池(PERC)用正电极银浆及其制备方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源，在人类社会的能源结构中扮演着越来越重要的角色。相较于传统的化石燃料，太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，并且在使用过程中不会产生任何的环境污染。晶体硅太阳能电池作为一种利用太阳能进行发电的半导体器件，通过制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷电极、烧结等工艺制备而成，当太阳光照射到其表面时，会在p-n结的作用下形成空穴-电子对，并在内建电场的影响下，分别流向p区和n区，接通外部荷载后形成电流。
近年来，人们在不断追求高转换效率的过程中，发现背钝化电池(PERC)是一种比较容易实现量产的高效电池结构，通过在电池背面增加绝缘钝化层，降低光生载流子在背面的复合，增强光线在硅基背面反射，从而提高了电池片的开路电压和短路电流，提升电池效率。
PERC电池的工艺流程与常规电池不同的地方在于刻蚀后在电池片背光面沉积一层5～20nm的氧化铝钝化膜并进行退火，随后按顺序在正面镀一层80～100nm的SiNx膜，起钝化和降低光反射的作用，在背面镀一层80～100nm的SiNx膜，起保护氧化铝膜及增强钝化的效果，最后背面激光刻槽，印刷正背面浆料和烧结。由于常规烧结温度会导致PERC电池背钝化层的H原子转化为H2溢出，破坏钝化效果，因此，通常会降低烧结温度，以达到保护背面钝化层的目的。
现有市场上主流正银浆料低温烧结窗口窄，降低烧结温度会影响到浆料中玻璃料对SiNx的刻蚀效果、银线的烧结质量和欧姆接触的形成，最终会使得转换效率下降。因此，为适应PERC电池的特殊烧结工艺，有必要开发一种烧结窗口宽，低温烧结性能良好的正电极银浆。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆及其制备方法，烧结窗口宽，低温烧结性能良好。
为了实现上述目的，本发明采用的一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，按质量百分比含量计，包括3％～15％的有机载体，80％～95％的银粉和1％～5％的无机玻璃料；
所述无机玻璃料由Pb-V-Te玻璃和Bi-W-Si玻璃复配得到；
所述银粉由第一银粉和第二银粉复配得到。
作为改进，按质量百分比含量计，所述无机玻璃料由70％～90％的Pb-V-Te玻璃和10％～30％的Bi-W-Si玻璃混合得到。
作为改进，按质量百分比含量计，所述Pb-V-Te玻璃包括30％～60％的PbO，10％～30％的V2O5，10％～30％的TeO2，5～20％的Bi2O3，5％～10％的B2O3，1％～10％的WO3和1％～10％的SiO2；
所述Bi-W-Si玻璃包括45％～75％的Bi2O3，5％～20％的WO3，5％～15％的ZnO，1～10％的SiO2，1％～10％的Al2O3，1％～5％的MgO，1％～5％的CaO和1％～5％的TeO2。
作为改进，按质量百分比含量计，所述银粉由60％～95％的第一银粉和5％～40％的第二银粉复配得到。
作为改进，所述第一银粉为D50在1μm～3μm，D100小于10μm的球形银粉；
所述第二银粉为D50在100nm～300nm，D100小于500nm的球形银粉。
作为改进，所述有机载体包括80～90％溶剂、1％～10％树脂、1％～5％分散剂、0.5％～5％触变剂。
另外，本发明还提供了一种Pb-V-Te玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计比例将PbO、V2O5、TeO2、Bi2O3、B2O3、WO3和SiO2氧化物混合均匀后装于铂金坩埚中；
2)将装有上述氧化物的铂金坩埚放入高温烧结炉中，在700℃～1000℃的温度下熔制，保温0.5～2hrs，得到均一的熔融玻璃液；
3)利用双辊轧片机将熔融玻璃液淬冷，得到厚薄均匀的玻璃碎片；
4)将上述玻璃片置于行星式球磨机中球磨，得到粒径满足要求的Pb-V-Te玻璃粉，玻璃粉的中位粒径D50分布于1μm～3μm之间，D100小于10μm。
另外，本发明还提供了一种Bi-W-Si玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计比例将Bi2O3、WO3、ZnO、SiO2、Al2O3、MgO、CaO和TeO2氧化物混合均匀后装于铂金坩埚容器中；
2)将装有上述氧化物混合物的铂金坩埚放入高温烧结炉中，在1000℃～1200℃的温度下熔制，保温0.5～2hrs，得到均一的熔融玻璃液；
3)利用双辊轧片机将熔融玻璃液淬冷，得到厚薄均匀的玻璃碎片；
4)将上述玻璃片置于行星式球磨机中球磨，得到粒径满足要求的Bi-W-Si玻璃粉，玻璃粉的中位粒径D50分布于1μm～3μm之间，D100小于10μm。
另外，本发明还提供了一种所述正电极银浆的制备方法，包括以下步骤：
1)将Pb-V-Te玻璃粉和Bi-W-Si玻璃粉按设计比例混合均匀，得无机玻璃料；
2)将第一银粉和第二银粉按比例充分混合均匀；
3)将上述各自混合均匀无机玻璃料和银粉按照设计比例放入V型混料机中，得到混合均匀的无机粉体；
4)将溶剂、树脂、分散剂、触变剂按比例在玻璃反应釜中混合后加热至80℃～100℃，均匀搅拌并保温1～2小时至组分充分溶解，得到有机载体；
5)将上述混合均匀的无机粉体添加到有机载体中，在三辊机上进行反复研磨，得到细度小于10μm、粘度在200pa·s～350pa·s的正电极银浆。
与现有技术相比，本发明的正电极银浆通过优化不同粒径银粉之间的配比和玻璃料的化学成分得到。一方面，通过引入一定比例的纳米银粉，提高了银粉体系的烧结活性，改善低温烧结下银栅线的致密性；另一方面，通过调整玻璃料的软化温度、粘度和表面张力，提高玻璃液的流动性和润湿能力，保证玻璃液对正面减反射层的刻蚀能力，同时也提高了对银粉的熔融和再析出能力，银纳米胶体粒子在硅片表面的析出有助于促进玻璃层与硅片形成良好的欧姆接触，提高转换效率；再者，引入第二组分玻璃粉，增强玻璃层与硅基体的结合强度，使得浆料在烧结后具备更高的焊接拉力，提高了太阳能电池的使用寿命。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，按质量百分比含量计，包括3％～15％的有机载体，80％～95％的银粉和1％～5％的无机玻璃料；
所述无机玻璃料由Pb-V-Te玻璃和Bi-W-Si玻璃复配得到；
所述银粉由第一银粉和第二银粉复配得到。
作为实施例的改进，按质量百分比含量计，所述无机玻璃料由70％～90％的Pb-V-Te玻璃和10％～30％的Bi-W-Si玻璃混合得到。
作为实施例的进一步改进，按质量百分比含量计，所述Pb-V-Te玻璃包括30％～60％的PbO，10％～30％的V2O5，10％～30％的TeO2，5～20％的Bi2O3，5％～10％的B2O3，1％～10％的WO3和1％～10％的SiO2；所述Pb-V-Te玻璃粉中，PbO为低熔点氧化物，可以使玻璃具备较低的软化温度，同时也是使玻璃具备良好的熔银能力以及对SiNx刻蚀能力的关键组分；TeO2和V2O5有助于保护硅基体表面免受过度腐蚀，缓解玻璃液对硅片表面的破坏；B2O3和SiO2均为玻璃形成体氧化物，增强玻璃网络结构，提高体系的成玻能力；WO3为表面活性物质，用于降低玻璃液的表面张力，提高其对硅片表面的润湿能力；Bi2O3用于部分取代PbO的用量，改善玻璃料对硅片表面的过度腐蚀；
所述Bi-W-Si玻璃包括45％～75％的Bi2O3，5％～20％的WO3，5％～15％的ZnO，1～10％的SiO2，1％～10％的Al2O3，1％～5％的MgO，1％～5％的CaO和1％～5％的TeO2；所述Bi-W-Si玻璃粉中，Bi2O3为低熔点氧化物，搭配少量TeO2，使得该玻璃体系具备较低的熔点，但又不会对硅片表面造成较大的损伤；SiO2和Al2O3的引入可以增强玻璃网络结构，WO3可以降低玻璃液的表面张力，有助于形成均匀的玻璃层，ZnO、CaO、MgO则用于调节玻璃粉的热膨胀系数和高温粘度。
作为实施例的改进，按质量百分比含量计，所述银粉由60％～95％的第一银粉和5％～40％的第二银粉复配得到。所述第一银粉为D50在1μm～3μm，D100小于10μm的球形银粉；
所述第二银粉为D50在100nm～300nm，D100小于500nm的球形银粉。
作为实施例的改进，所述有机载体包括溶剂、树脂、分散剂、触变剂。其中，溶剂的质量百分数为80～90％，包括丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、松油醇、二乙二醇单丁醚和二乙二醇单丁醚醋酸酯中的一种或几种；树脂的质量百分数为5％～10％，包括乙基纤维素、丙烯酸树脂、酚醛树脂中的一种或几种；分散剂的质量分数为1％～5％，包括松香树脂、脂肪酸聚乙二醇酯、聚丙烯酰胺中的一种或几种；触变剂的质量分数为0.5％～5％，包括酰胺蜡、改性蓖麻油中的一种或两者混合。
另外，本发明还提供了一种Pb-V-Te玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计比例将PbO、V2O5、TeO2、Bi2O3、B2O3、WO3和SiO2氧化物混合均匀后装于铂金坩埚中；
2)将装有上述氧化物的铂金坩埚放入高温烧结炉中，在700℃～1000℃的温度下熔制，保温0.5～2hrs，得到均一的熔融玻璃液；
3)利用双辊轧片机将熔融玻璃液淬冷，得到厚薄均匀的玻璃碎片；
4)将上述玻璃片置于行星式球磨机中球磨，得到粒径满足要求的Pb-V-Te玻璃粉，玻璃粉的中位粒径D50分布于1μm～3μm之间，D100小于10μm。
另外，本发明还提供了Bi-W-Si玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)按照设计比例将Bi2O3、WO3、ZnO、SiO2、Al2O3、MgO、CaO和TeO2氧化物混合均匀后装于铂金坩埚容器中；
2)将装有上述氧化物混合物的铂金坩埚放入高温烧结炉中，在1000℃～1200℃的温度下熔制，保温0.5～2hrs，得到均一的熔融玻璃液；
3)利用双辊轧片机将熔融玻璃液淬冷，得到厚薄均匀的玻璃碎片；
4)将上述玻璃片置于行星式球磨机中球磨，得到粒径满足要求的Bi-W-Si玻璃粉，玻璃粉的中位粒径D50分布于1μm～3μm之间，D100小于10μm。
可以理解的，上述步骤中所使用的氧化物，可以以能分解为相应氧化物的各种硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氟化物所替代。
另外，本发明还提供了一种所述正电极银浆的制备方法，包括以下步骤：
1)将Pb-V-Te玻璃粉和Bi-W-Si玻璃粉按设计比例混合均匀，得无机玻璃料；
2)将第一银粉和第二银粉按比例充分混合均匀；
3)将上述各自混合均匀无机玻璃料和银粉按照设计比例放入V型混料机中，得到混合均匀的无机粉体；
4)将溶剂、树脂、分散剂、触变剂按比例在玻璃反应釜中混合后加热至80℃～100℃，均匀搅拌并保温1～2小时至组分充分溶解，得到有机载体；
5)将上述混合均匀的无机粉体添加到有机载体中，在三辊机上进行反复研磨，得到细度小于10μm、粘度在200pa·s～350pa·s的正电极银浆。
结合以上所述组分、含量及方法，本发明采用的具体实施例如下。其中，为描述方便，玻璃粉1为Pb-V-Te玻璃，玻璃粉2为Bi-W-Si玻璃。
实施例一
按表格1中各组分比例分别制备玻璃粉、银粉和有机载体，并进一步混合得到正电极银浆，将该正电极银浆通过丝网印刷的方式印刷到Perc电池片正表面上，经过烘干烧结，得到正电极。
表1实施例一各组分比例
实施例二
按表格2中各组分比例分别制备玻璃粉、银粉和有机载体，并进一步混合得到正电极银浆，将该正电极银浆通过丝网印刷的方式印刷到Perc电池片正表面上，经过烘干烧结，得到正电极。
表2实施例二各组分比例
实施例三
按表格3中各组分比例分别制备玻璃粉、银粉和有机载体，并进一步混合得到正电极银浆，将该正电极银浆通过丝网印刷的方式印刷到Perc电池片正表面上，经过烘干烧结，得到正电极。
表3实施例三各组分比例
实施例四
按表格4中各组分比例分别制备玻璃粉、银粉和有机载体，并进一步混合得到正电极银浆，将该正电极银浆通过丝网印刷的方式印刷到Perc电池片正表面上，经过烘干烧结，得到正电极。
表4实施例四的各组分比例
实施例五
按表格5中各组分比例分别制备玻璃粉、银粉和有机载体，并进一步混合得到正电极银浆，将该正电极银浆通过丝网印刷的方式印刷到Perc电池片正表面上，经过烘干烧结，得到正电极。
表5实施例五各组分比例
实施例六
按表格6中各组分比例分别制备玻璃粉、银粉和有机载体，并进一步混合得到正电极银浆，将该正电极银浆通过丝网印刷的方式印刷到Perc电池片正表面上，经过烘干烧结，得到正电极。
表6实施例六各组分比例
上述实施例一至实施例六中电池片的烘干烧结温度如表7：
表7正电极烘干及烧结温度
| 温区1 | 温区2 | 温区3 | 温区4 | 温区5 | 温区6 | 温区7 | 温区8 | 温区9 |
| 330℃ | 360℃ | 370℃ | 330℃ | 505℃ | 520℃ | 530℃ | 545℃ | 815℃ |
对上述实施例一至实施例六中，所制得的电池片进行电性能和焊接拉力测试，测试结果如下表8：
表8正电极的电性能及拉力性能
表8可以反映出，随着玻璃粉1用量的逐渐降低，玻璃粉2用量的逐渐提高，电池片的焊接拉力呈现逐步增加的趋势，最高可达3.1N/mm。但是，随着无铅玻璃粉2的用量增加，串联电阻呈现先降低后提升的基本趋势，相应的，光电转换效率也是先增加后降低。
本发明的正电极银浆通过优化不同粒径银粉之间的配比和玻璃料的化学成分得到。一方面，通过引入一定比例的纳米银粉，提高了银粉体系的烧结活性，改善低温烧结下银栅线的致密性；另一方面，通过调整玻璃料的软化温度、粘度和表面张力，提高玻璃液的流动性和润湿能力，保证玻璃液对正面减反射层的刻蚀能力，同时也提高了对银粉的熔融和再析出能力，银纳米胶体粒子在硅片表面的析出有助于促进玻璃层与硅片形成良好的欧姆接触，提高转换效率；再者，引入第二组分玻璃粉，增强玻璃层与硅基体的结合强度，使得浆料在烧结后具备更高的焊接拉力，提高了太阳能电池的使用寿命。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，其特征在于，按质量百分比含量计，包括3％～15％的有机载体，80％～95％的银粉和1％～5％的无机玻璃料；
所述无机玻璃料由Pb-V-Te玻璃和Bi-W-Si玻璃复配得到；
所述银粉由第一银粉和第二银粉复配得到。
2.根据权利要求1所述的一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，其特征在于，按质量百分比含量计，所述无机玻璃料由70％～90％的Pb-V-Te玻璃和10％～30％的Bi-W-Si玻璃混合得到。
3.根据权利要求2所述的一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，其特征在于，按质量百分比含量计，所述Pb-V-Te玻璃包括30％～60％的PbO，10％～30％的V2O5，10％～30％的TeO2，5～20％的Bi2O3，5％～10％的B2O3，1％～10％的WO3和1％～10％的SiO2；
所述Bi-W-Si玻璃包括45％～75％的Bi2O3，5％～20％的WO3，5％～15％的ZnO，1～10％的SiO2，1％～10％的Al2O3，1％～5％的MgO，1％～5％的CaO和1％～5％的TeO2。
4.根据权利要求1所述的一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，其特征在于，按质量百分比含量计，所述银粉由60％～95％的第一银粉和5％～40％的第二银粉复配得到。
5.根据权利要求4所述的一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，其特征在于，所述第一银粉为D50在1μm～3μm，D100小于10μm的球形银粉；
所述第二银粉为D50在100nm～300nm，D100小于500nm的球形银粉。
6.根据权利要求1所述的一种背钝化硅太阳能电池用正电极银浆，其特征在于，所述有机载体包括80～90％溶剂、1％～10％树脂、1％～5％分散剂、0.5％～5％触变剂。
7.一种权利要求3所述Pb-V-Te玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照设计比例将PbO、V2O5、TeO2、Bi2O3、B2O3、WO3和SiO2氧化物混合均匀后装于铂金坩埚中；
2)将装有上述氧化物的铂金坩埚放入高温烧结炉中，在700℃～1000℃的温度下熔制，保温0.5～2hrs，得到均一的熔融玻璃液；
3)利用双辊轧片机将熔融玻璃液淬冷，得到厚薄均匀的玻璃碎片；
4)将上述玻璃片置于行星式球磨机中球磨，得到粒径满足要求的Pb-V-Te玻璃粉，玻璃粉的中位粒径D50分布于1μm～3μm之间，D100小于10μm。
8.一种权利要求3所述Bi-W-Si玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照设计比例将Bi2O3、WO3、ZnO、SiO2、Al2O3、MgO、CaO和TeO2氧化物混合均匀后装于铂金坩埚容器中；
2)将装有上述氧化物混合物的铂金坩埚放入高温烧结炉中，在1000℃～1200℃的温度下熔制，保温0.5～2hrs，得到均一的熔融玻璃液；
3)利用双辊轧片机将熔融玻璃液淬冷，得到厚薄均匀的玻璃碎片；
4)将上述玻璃片置于行星式球磨机中球磨，得到粒径满足要求的Bi-W-Si玻璃粉，玻璃粉的中位粒径D50分布于1μm～3μm之间，D100小于10μm。
9.一种权利要求1-6任一项所述正电极银浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将Pb-V-Te玻璃粉和Bi-W-Si玻璃粉按设计比例混合均匀，得无机玻璃料；
2)将第一银粉和第二银粉按比例充分混合均匀；
3)将上述各自混合均匀无机玻璃料和银粉按照设计比例放入V型混料机中，得到混合均匀的无机粉体；
4)将溶剂、树脂、分散剂、触变剂按比例在玻璃反应釜中混合后加热至80℃～100℃，均匀搅拌并保温1～2小时至组分充分溶解，得到有机载体；
5)将上述混合均匀的无机粉体添加到有机载体中，在三辊机上进行反复研磨，得到细度小于10μm、粘度在200pa·s～350pa·s的正电极银浆。
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