CN108777183A - 有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料及其制备方法，包括如下步骤：1)制备玻璃粉：称取原料，混合均匀，进行熔炼，然后取出，水淬、粉碎、球磨、过筛，干燥后过筛得到玻璃粉；2)制备有机载体：称取树脂和有机溶剂，将树脂溶于有机溶剂中，再加入分散剂和防沉剂作为助剂，搅拌均匀形成有机载体；3)称取银粉、玻璃粉、金属氧化物粉添加到有机载体中，搅拌均匀，研磨，真空脱气，检测合格即得本发明电极浆料。
Description
技术领域
本发明属于电子材料，涉及电子、化工和材料领域，涉及一种太阳能电池正面电极银浆及制备方法，具体涉及有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料及制备方法。
背景技术
晶体硅太阳能电池是目前应用率最高的太阳能电池，但因为其持续使用时间超过50年，金属化电极是晶体硅太阳能电池的关键材料，尤其是正面栅极材料，直接影响太阳能电池的光电转化效率、填充影子、串联电阻等性能指数，所以，正面电极银浆的质量和性能的好坏直接决定着电池的使用寿命和衰减度。正面银浆通过丝网印刷工艺实现金属化，为尽可能减少遮光面，同时要腐蚀透SiNx减反射膜，形成较理想的Ag-Si欧姆接触，实现p-n结电流的有效导出，但腐蚀太深会破坏电池的核心部分，即p-n结的结构，使电池性能降低甚至失效，腐蚀太浅会使电流不能有效导出，电池转换效率低，因此，通过对电极浆料性能的改进，实现浆料对SiNx减反射膜的腐蚀在较低温下进行，既能避免温度较高条件下金属化时造成元素扩散增强对p-n的影响，又能保证腐蚀较为彻底，电池性能稳定，所以，较低温下电极浆料的烧结是电池实现高效、稳定的关键途径之一。
正面电极银浆主要由导电粉、无机粘结材料、有机载体和添加剂组成，导电粉在烧结后形成导电线路，并实现电池与外接焊带之间的电流导通；无机粘结材料在烧结过程中烧穿SiNx减反射膜，实现银电极与硅之间的联通和粘结；有机载体使电极浆料有良好的印刷性能，实现理想的印刷要求。
作为晶体硅太阳能电池的关键材料，现有技术对此已有较多研究。在专利CN2301310440104中，在浆料中加入铑、钌或铱单质或含铑、钌或铱化合物作为烧结促进剂，可有效防止旁路结的产生，提高电池片的成品率；专利CN201310429619中，通过添加含铟和锡化合物，增强电极和硅基板之间的粘结强度，降低串阻。
以上文献及现有专利技术都只涉及对正面电极银浆粘结材料、印刷性等方面的改善，但都没有从导电组分的角度考虑来改善正面电极银浆的性能。本发明在中国专利申请201711204680.9基础上，先通过导电组分的配方设计和改性处理，制备出烧结温度低、转换效率稳定、烧结温度低的正面电极银浆，且电极浆料印刷性更好，电池的光电转换效率更优。
发明内容
本发明目的在于提供有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料及制备方法，用于替代目前需要两次印刷的浆料，实现较低温度烧结，并提高印刷性能和使用效果。
本发明所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料，由以下组分制成：
银粉67.0-91.0wt％、玻璃粉1.0-8.0wt％、0-3.0wt％金属氧化物粉、有机载体6.0-30.0wt％；
所述的银粉，由68.0-87.0wt％的类球形银粉和13.0-32.0wt％的纳米银粉组成，类球形银粉的粒径为0.8-1.8μm，振实密度为2.8-6.0g/cm3，纳米银粉的粒径为0.03-0.20μm，振实密度为0.9-1.5g/cm3；
所述纳米银粉采用射频感应等离子体制备技术制备；
所述的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；
再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛。
本发明还涉及上述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，包括如下步骤：
1)制备玻璃粉：称取原料，混合均匀，进行熔炼，然后取出，水淬、粉碎、球磨、过筛，干燥后过筛得到玻璃粉；
2)制备有机载体：称取树脂和有机溶剂，将树脂溶于有机溶剂中，再加入分散剂和防沉剂作为助剂，搅拌均匀形成有机载体；
3)称取银粉、玻璃粉、金属氧化物粉添加到有机载体中，搅拌均匀，研磨，真空脱气，检测合格即得本发明电极浆料；
所述的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；
再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛。
本发明步骤1)所述的称取原料，称取8.0-30.0wt％氧化铋、20.0-60.0wt％氧化碲、20.0-60.0wt％氧化铅、1.0-5.0wt％氧化锂、0-0.3wt％氧化钾中的几种。
步骤1)所述的混合均匀，进行熔炼，然后取出，水淬、粉碎、球磨、过筛，干燥后过筛得到玻璃粉，优选用三维混料机将上述原料混合均匀后，装于铂金坩埚，置于高温电阻炉中进行熔炼，于900-1000℃熔炼1小时，取出后水淬、粉碎、球磨、过筛，于65-75℃干燥后过筛得到玻璃粉，D100≤1.8μm。
步骤2)所述的树脂，为乙基纤维素、硝基纤维素、乙基羟乙基纤维素、木松香中的一种或多种，当混合时为任意比例；
所述的有机溶剂，为萜品醇、松节油、二乙二醇丁醚、二乙二醇二丁醚、丁基卡必醇醋酸酯、二丙二醇单甲醚、三丙二醇单甲醚中的一种或多种，当混合时为任意比例；
所述的分散剂，为表面活性剂司班85；
所述的防沉剂，为有机膨润土。
步骤2)所述的称取，按照5.0-16.0wt％树脂、80.0-90.0wt％有机溶剂、6.0-6.0wt％分散剂、0.5-1.6wt％防沉剂；
步骤2)所述的将树脂溶于有机溶剂中，再加入分散剂和防沉剂作为助剂，搅拌均匀形成有机载体，将有机溶剂加入不锈钢容器中混合，再在搅拌过程中加入树脂，升温至70-90℃，待树脂完全溶解完后，降温至40-50℃下加入表面活性剂和防沉剂，过滤得到透明的具有良好印刷性的有机载体。
步骤3)所述的称取银粉、玻璃粉、金属氧化物粉添加到有机载体中，称取82.0-91.0wt％银粉、1.5-6.0wt％玻璃粉、0-2.0wt％金属氧化物粉，添加到6.0-14.0wt％有机载体中；
步骤3)所述的银粉，由68.0-87.0wt％的类球形银粉和13.0-32.0wt％的纳米银粉组成，类球形银粉的粒径为0.8-1.8μm，纳米银粉的粒径为0.03-0.2μm；
所述纳米银粉采用射频感应等离子体制备技术制备；
所述的金属氧化物粉，为氧化锌，氧化铋，氧化硼，氧化镁，氧化钠，氧化镍，氧化铜，氧化锆，氧化铈，氧化镨，氧化钒，五氧化二磷，氧化镧，氧化钛，氧化钴的一种或几种混合，当混合时为任意比例。
步骤3)所述的搅拌均匀，研磨，真空脱气，用高速分散机搅拌均匀，使用三辊研磨机研磨3-4遍，再用搅拌脱泡机真空脱气。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明得到的银浆性能优良，烧结温度低，烧结窗口宽：730-810℃/1-3s；丝网印刷质量优：400目不锈钢丝网印刷，线宽≤22μm(用膜厚仪测试)；可焊性优，用350℃烙铁手动将焊带焊接在电极上，用180°的拉力仪，以0.3cm/s的速度进行剥离，测试焊接拉力，附着力：≥6.8N/mm2。
2、光电转换效率高：单晶硅片≥22.0％，多晶硅片≥21.0％(太阳能模拟器在标准条件下测试)。
3、本发明因添加纳米银粉，并对无机粘结材料配方做了改进，金属化温度明显降低，可小于810℃实现理想烧结。
4、易加工，使用三辊研磨机研磨3-4遍细度就小于5μm。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面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。
实施例1：
步骤A：制备玻璃粉：称取8.0wt％氧化铋，27.0wt％氧化碲，60.0wt％氧化铅，5.0wt％氧化锂，0.3wt％氧化钾；用三维混料机将上述原料混合均匀后，装于铂金坩埚，置于高温电阻炉中进行熔炼，于1000℃熔炼1小时，取出后水淬、粉碎、球磨、过筛，于65℃干燥后过筛得到玻璃粉，平均粒径为0.3-1.5μm；
步骤B：制备有机载体：称取63.0wt％二乙二醇丁醚，12.0wt％二乙二醇二丁醚、12.0wt％丁基卡必醇醋酸酯，6.0wt％乙基纤维素，3.5wt％的表面活性剂司班85，0.5wt％的防沉剂有机膨润土；先将二乙二醇丁醚、二乙二醇二丁醚和丁基卡必醇醋酸酯加入不锈钢容器中混合，再在搅拌过程中加入乙基纤维素，升温至70-90℃，待树脂完全溶解完后，降温至40-50℃下加入表面活性剂司班85和有机膨润土，过滤得到透明的具有良好印刷性的有机载体；
步骤C：选用导电银粉：银粉为两种银粉混合体，其中特选形状包含平均粒径为0.8μm的类球形银粉，其振实密度2.8g/cm3；平均粒径为0.08μm的纳米银粉，振实密度为1.2g/cm3；以上导电粉体按照68.0wt％类球形银粉和32.0wt％纳米银粉的重量比通过机械混合均匀，可以在浆料烧结过程中相互填充、交联，达到良好可焊性的目标；所选用的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛；
步骤D：制备电极浆料。按质量百分比82.0％的导电银粉，7.4％的银包铝粉,0.6％的金属氧化物粉(金属氧化物为氧化锌，氧化铋，氧化硼，氧化镁，氧化钠，氧化镍，氧化铜，氧化锆，氧化铈，氧化镨，氧化钒，五氧化二磷，氧化镧，氧化钛，氧化钴的一种或几种混合)，2.0％的玻璃粉，8.0％的有机载体配料并混合，用真空搅拌机搅拌均匀，调成糊状，用三辊研磨机研磨至细度≤5μm，即得到合格的电极银浆。
所制得正面电极浆料的性能：
浆料细度：≤5μm(研磨3遍)；
丝网印刷：400目不锈钢丝网印刷，线宽≤22μm；
烧结温度：740-810℃/1-3s；
转换效率：单晶硅片≥22.0％，多晶硅片≥21.0％；
附着力：≥6.8N/mm2。
实施例2：
步骤A：称取30.0wt％氧化铋，20.0wt％氧化碲，49.0wt％氧化铅，1.0wt％氧化锂，0.1wt％氧化钾；用三维混料机将上述原料混合均匀后，装于铂金坩埚，置于高温电阻炉中进行熔炼，于950℃熔炼1小时，取出后水淬、粉碎、球磨、过筛，于75℃干燥后过筛得到玻璃粉，平均粒径为0.3-1.5μm；
步骤B：制备有机载体：称取64.0wt％二乙二醇丁醚，15.5wt％二乙二醇二丁醚、10.0wt％丁基卡必醇醋酸酯，5.0wt％乙基纤维素，6.0wt％的表面活性剂司班85，1.6wt％的防沉剂有机膨润土；先将二乙二醇丁醚、二乙二醇二丁醚和丁基卡必醇醋酸酯加入不锈钢容器中混合，再在搅拌过程中加入乙基纤维素，升温至70-100℃，待树脂完全溶解完后，降温至40-50℃下加入表面活性剂司班85和有机膨润土，过滤得到透明的具有良好印刷性的有机载体；
步骤C：选用导电银粉：银粉为两种银粉混合体，其中特选形状包含平均粒径为1.8μm的类球形银粉，其振实密度6.0g/cm3；平均粒径为0.03μm的纳米银粉，振实密度为0.2g/cm3；以上导电粉体按照87.0wt％类球形银粉和13.0wt％纳米银粉的重量比通过机械混合均匀，可以在浆料烧结过程中相互填充、交联，达到良好可焊性的目标；所选用的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛；
步骤D：制备电极浆料：按质量百分比68.0％的导电银粉，16.0％的银包铝粉,6.0％的玻璃粉，10.0％的有机载体配料并混合，用真空搅拌机搅拌均匀，调成糊状，用三辊研磨机研磨至细度≤5μm，即得到合格的电极银浆。
所制得正面电极浆料的性能：
浆料细度：≤5μm(研磨3遍)；
丝网印刷：400目不锈钢丝网印刷，线宽≤22μm；
烧结温度：730-800℃/1-3s；
转换效率：单晶硅片≥22.0％，多晶硅片≥21.0％；
附着力：≥7.0N/mm2。
实施例3：
步骤A：称取17.0wt％氧化铋，60.0wt％氧化碲，20.0wt％氧化铅，3.0wt％氧化锂；用三维混料机将上述原料混合均匀后，装于铂金坩埚，置于高温电阻炉中进行熔炼，于900℃熔炼1小时，取出后水淬、粉碎、球磨、过筛，于70℃干燥后过筛得到玻璃粉，平均粒径为0.3-1.5μm；
步骤B：制备有机载体：称取60.0wt％二乙二醇丁醚，8.0wt％萜品醇，12.0wt％二乙二醇二丁醚、10.0wt％丁基卡必醇醋酸酯，12wt％乙基纤维素、4.0wt％硝基纤维素，3.0wt％的表面活性剂司班85，1.0wt％的防沉剂有机膨润土。先将二乙二醇丁醚、萜品醇、二乙二醇二丁醚和丁基卡必醇醋酸酯加入不锈钢容器中混合，再在搅拌过程中加入乙基纤维素，升温至70-90℃，待树脂完全溶解完后，降温至40-50℃下加入表面活性剂司班85和有机膨润土，过滤得到透明的具有良好印刷性的有机载体；
步骤C：选用导电银粉：银粉为两种银粉混合体，其中特选形状包含平均粒径为1.2μm的类球形银粉，其振实密度4.5g/cm3；平均粒径为0.2μm的纳米银粉，振实密度为1.5g/cm3；以上导电粉体按照82.0wt％类球形银粉和18.0wt％纳米银粉的重量比通过机械混合均匀，可以在浆料烧结过程中相互填充、交联，达到良好可焊性的目标；所选用的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛；
步骤D：制备电极浆料：按质量百分比76.0％的导电银粉，2.0％的银包铝粉,，1.2％的金属氧化物粉(金属氧化物为氧化锌，氧化铋，氧化硼，氧化镁，氧化钠，氧化镍，氧化铜，氧化锆，氧化铈，氧化镨，氧化钒，五氧化二磷，氧化镧，氧化钛，氧化钴的一种或几种混合)，4.8％的玻璃粉，16.0％的有机载体配料并混合，用真空搅拌机搅拌均匀，调成糊状，用三辊研磨机研磨至细度≤5μm，即得到合格的电极银浆。
所制得正面电极浆料的性能：
浆料细度：≤5μm(研磨3遍)；
丝网印刷：400目不锈钢丝网印刷，线宽≤22μm；
烧结温度：730-800℃/1-3s；
转换效率：单晶硅片≥22.0％，多晶硅片≥21.0％；
附着力：≥7.2N/mm2。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料，其特征在于，由以下组分制成：
银粉67.0-91.0wt％、玻璃粉1.0-8.0wt％、0-3.0wt％金属氧化物粉、有机载体6.0-30.0wt％；
所述的银粉，由68.0-87.0wt％的类球形银粉和13.0-32.0wt％的纳米银粉组成，类球形银粉的粒径为0.8-1.8μm，振实密度为2.8-6.0g/cm3，纳米银粉的粒径为0.03-0.20μm，振实密度为0.9-1.5g/cm3；
所述纳米银粉采用射频感应等离子体制备技术制备；
所述的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；
再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛。
2.权利要求1所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备玻璃粉：称取原料，混合均匀，进行熔炼，然后取出，水淬、粉碎、球磨、过筛，干燥后过筛得到玻璃粉；
2)制备有机载体：称取树脂和有机溶剂，将树脂溶于有机溶剂中，再加入分散剂和防沉剂作为助剂，搅拌均匀形成有机载体；
3)称取银粉、玻璃粉、金属氧化物粉添加到有机载体中，搅拌均匀，研磨，真空脱气，检测合格即得本发明电极浆料；
所述的银粉都经过有机改性处理，过程是：先按照银粉总重量的0.1％、0.2％和0.3％分别称取油酸、丁基卡必醇醋酸酯和十二胺，加入到银粉总重量30％的无水乙醇中，用高速分散机以600转/分的转速连续搅拌0.5小时，制取有机改性液体；
再称取银粉总重量50％的氧化锆球，粒径为0.01-0.03mm，并将上述的银粉、有机改性液体及氧化锆球倒入氧化锆球磨罐，用行星球磨机以200转/分的转速连续球磨8小时，然后倒出，在真空烘箱中50℃烘干4小时，200目过筛。
3.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的称取原料，是称取8.0-30.0wt％氧化铋、20.0-60.0wt％氧化碲、20.0-60.0wt％氧化铅、1.0-5.0wt％氧化锂、0-0.3wt％氧化钾中的几种。
4.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的混合均匀，进行熔炼，然后取出，水淬、粉碎、球磨、过筛，干燥后过筛得到玻璃粉，用三维混料机将上述原料混合均匀后，装于铂金坩埚，置于高温电阻炉中进行熔炼，于900-1000℃熔炼1小时，取出后水淬、粉碎、球磨、过筛，于65-75℃干燥后过筛得到玻璃粉，D100≤1.8μm。
5.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的树脂，为乙基纤维素、硝基纤维素、乙基羟乙基纤维素、木松香中的一种或多种，当混合时为任意比例；所述的有机溶剂，为萜品醇、松节油、二乙二醇丁醚、二乙二醇二丁醚、丁基卡必醇醋酸酯、二丙二醇单甲醚、三丙二醇单甲醚中的一种或多种，当混合时为任意比例；所述的分散剂，为表面活性剂司班85；所述的防沉剂，为有机膨润土。
6.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤2)称取，按照5.0-16.0wt％树脂、80.0-90.0wt％有机溶剂、6.0-6.0wt％分散剂、0.5-1.6wt％防沉剂。
7.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的将树脂溶于有机溶剂中，再加入分散剂和防沉剂作为助剂，搅拌均匀形成有机载体，是将有机溶剂加入不锈钢容器中混合，再在搅拌过程中加入树脂，升温至70-90℃，待树脂完全溶解完后，降温至40-50℃下加入表面活性剂和防沉剂，过滤得到透明的具有良好印刷性的有机载体。
8.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的称取银粉、玻璃粉、金属氧化物粉添加到有机载体中，是称取82.0-91.0wt％银粉、1.5-6.0wt％玻璃粉、0-2.0wt％金属氧化物粉，添加到6.0-14.0wt％有机载体中。
9.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的银粉，包括68.0-87.0wt％的类球形银粉和13.0-32.0wt％的纳米银粉组成，类球形银粉的粒径为0.8-1.8μm，纳米银粉的粒径为0.03-0.2μm；所述纳米银粉采用射频感应等离子体制备技术制备；所述的金属氧化物粉，为氧化锌、三氧化二铋、氧化镁、氧化钠、氧化镍、氧化铜、氧化亚铜、二氧化锆的一种或几种混合，当混合时为任意比例。
10.根据权利要求2所述的有机改性的太阳能电池低温烧结型电极浆料的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的搅拌均匀，研磨，真空脱气，是用高速分散机搅拌均匀，使用三辊研磨机研磨3-4遍，再用搅拌脱泡机真空脱气。
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