CN110002758A - 用于太阳能电池银浆的玻璃粉、银浆及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于太阳能电池银浆的玻璃粉、银浆及其制备方法和应用。本申请的玻璃粉包括在镍、银、铅和碲的玻璃粉体系中，添加金属氧化物和非金属氧化物；镍占玻璃粉总重量的1‑50％，银为5‑40％，铅为13‑27％，碲为19‑39％；其它金属氧化物为1‑55％，其它非金属氧化物为1％‑60％。本申请的玻璃粉，含铅量低，安全环保；玻璃粉软化点低，作为太阳能电池银浆使用时，能实现低温烧结，有效的与氮化硅减反层反应，在银硅界面处还原出大量的银颗粒，形成良好的欧姆接触，使得N层硅中电子更加容易被银栅线收集，从而提高电池光电转换效率。本申请的玻璃粉为制备低能耗、环保安全的太阳能电池奠定了基础。
Description
技术领域
本申请涉及太阳能电池材料领域，特别是涉及一种用于太阳能电池银浆的玻璃粉、银浆及其制备方法和应用。
背景技术
太阳能电池作为一种绿色环保的新型能源转换装置，在目前的生活中起到了重要的能源转换作用，可以有效的将太阳光转换成电能。其中太阳能电池的电极包括正面电极和背面电极。在电池的制备过程中，通常将它们对应的电子浆料通过印刷的方式印制在电池的两面，然后通过烧结完成电极的制备。用来制备正面电极的浆料，主要是银浆，即太阳能电池银浆。太阳能电池银浆主要由银粉、玻璃粉和有机相组成。其中，玻璃粉在电极制备中的主要作用是通过高温处理将电池正面的氮化硅减反层刻蚀掉，使得电池的N型层能够很好的与银接触，此外玻璃粉还有粘结栅线与硅片等作用。
为了达到刻蚀减反层的效果，玻璃粉中经常含有氧化铅，因为含铅的玻璃粉可以有效的刻蚀N型层表面的减反层，且具有降低玻璃软化点的作用，对于电池性能优劣、烧结能耗高低都有着举足轻重的作用。但与此同时，由于氧化铅本身有毒，对环境有害，所以减少或者完全取缔玻璃中氧化铅的使用是许多太阳能电池银浆开发者共同追求的目标。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于太阳能电池银浆的玻璃粉新配方，及其制备方法和应用。
本申请采用了以下技术方案：
本申请的一方面公开了一种用于太阳能电池银浆的玻璃粉，该玻璃粉包括在镍、银、铅和碲的玻璃粉体系中，添加其它金属氧化物和其它非金属氧化物；其中，镍占玻璃粉总重量的1-50％，银占玻璃粉总重量的5-40％，铅占玻璃粉总重量的13-27％，碲占玻璃粉总重量的19-39％；其它金属氧化物占玻璃粉总重量的1-55％，其它非金属氧化物占玻璃粉总重量的1-60％；其它金属氧化物选自ZnO、In2O3、Al2O3、CuO、TiO2、V2O5、Fe2O3、Fe3O4、Co2O3、RuO2、PdO、ReO3、OsO4、IrO2、Li2O、SnO、Bi2O3、ZrO2、CeO2、Na2O、K2O和MoO3中的至少一种；其它非金属氧化物选自P2O5、SiO2、B2O3和SeO2中的至少一种。本申请中，所谓其它金属氧化物是指除镍、银、铅以外的金属的氧化物，所谓其它非金属氧化物是指除碲以外的非金属的氧化物。
需要说明的是，本申请的玻璃粉率先采用镍-银-铅-碲体系，利用镍、银部分取代铅，并添加特定组分和用量的金属氧化物和非金属氧化物，使得玻璃粉在保障电池性能的同时，大大减少铅的使用量，减少了铅在太阳能电池银浆中的使用，为制备绿色环保、稳定高效的太阳能电池银浆提供了新的方案和思路。并且，本申请的玻璃粉中引入了含量较多的镍，由于镍的加入使得太阳能电池的串联电阻得以进一步降低，对电池的性能提升，特别是对填充因子的提升有积极效果。
还需要说明的是，本申请的玻璃粉作为一个有机结合的整体，其软化点较低，能够有效的与氮化硅减反层发生反应，从而在玻璃中还原出大量的银冷却后析出形成银颗粒，由于这些银颗粒的生成，形成了良好的欧姆接触，使得银硅界面的接触电阻降低。另外，实验表明，本申请的玻璃粉由于镍的加入可以使电池的银硅接触电阻进一步降低，拥有较高的填充因子，从而较大地提升了晶体硅太阳能电池的光电转换效率。
优选的，本申请的玻璃粉中，镍为单质镍、氧化镍、硝酸镍、碳酸镍、硫酸镍、磷酸镍和醋酸镍中的至少一种；银为单质银、氧化银、硝酸银、碳酸银、硫酸银、磷酸银和醋酸银中的至少一种；铅为氧化铅粉，碲为二氧化碲粉末。
本申请的另一面公开了本申请的玻璃粉在制备太阳能电池银浆中的应用。
需要说明的是，本申请的玻璃粉是特别针对太阳能电池银浆而研发的，可以理解，除此之外，不排除还可以用于其它领域，例如丝网印刷、3D打印或电子元器件封装等。
本申请的再一面公开了一种含有本申请的玻璃粉的太阳能电池浆料。
优选的，本申请的太阳能电池银浆包括银粉、有机相和本申请的玻璃粉。
优选的，本申请的太阳能电池银浆中，银粉的重量为太阳能电池银浆总重量的70-94.5％，有机相的重量为太阳能电池银浆总重量的5-15％，玻璃粉的重量为太阳能电池银浆总重量的0.5-15％。
需要说明的是，本申请的玻璃粉可以替换现有的铅玻璃粉，其用量可以参考现有的铅玻璃粉的用量，但是，为了达到更好的银浆效果，本申请优选的方案中，对太阳能电池银浆中各组分的用量进行了限定；可以理解，根据不同的使用需求或实验设计，太阳能电池银浆中各组分的用量可以在本申请限定的范围以外进行适当调整，在此不做具体限定。
本申请的再一面公开了本申请的玻璃粉或本申请的太阳能电池银浆在太阳能电池、丝网印刷、3D打印或电子元器件封装中的应用。
需要说明的是，本申请的玻璃粉或太阳能电池银浆，是针对太阳能电池而研究的；但是，并不只限用于太阳能电池。其它的，例如丝网印刷，也可以采用本申请的玻璃粉或太阳能电池银浆，以印刷出符合使用需求的图案或产品；并且，本申请的玻璃粉或太阳能电池银浆，其理化性质也适用于3D打印，作为3D打印原材料；此外，玻璃粉或太阳能电池银浆也可用于电子元器件封装。
本申请的再一面公开了一种太阳能电池，该太阳能电池采用了本申请的玻璃粉或本申请的太阳能电池银浆。
本申请的再一面公开了本申请的玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量比称取各原料、混合均匀；
(2)在高温下将混合均匀的原料熔融成玻璃水；
(3)将玻璃水倒入去离子水中，进行淬火，制备成玻璃料；
(4)将得到的玻璃料球磨粉碎成粒径D90在5μm以下的粉料，即获得本申请的玻璃粉。
优选的，步骤(2)具体包括，将混合均匀的原料放入坩埚中，加盖，然后将坩埚置于1000℃的马弗炉中，保温30分钟，使混合原料熔融成玻璃水。
本申请的有益效果在于：
本申请的玻璃粉及太阳能电池银浆，含铅量低，安全环保；并且，玻璃粉软化点低，作为太阳能电池银浆使用时，能够实现低温烧结，有效的与氮化硅减反层反应，在银硅界面处还原出大量的银颗粒，形成良好的欧姆接触，使得N层硅中电子更加容易被银栅线收集，从而提高电池的光电转换效率。本申请的玻璃粉及太阳能电池银浆，为制备低能耗、环保安全的太阳能电池奠定了基础。
附图说明
图1是本申请实施例中电池银栅线与电池N型层之间界面的低倍率扫描电镜图；
图2是本申请实施例中电池银栅线与电池N型层之间界面的高倍率扫描电镜图；
图3是本申请实施例中太阳能电池银浆的烧结温度曲线图；
图4是本申请实施例中太阳能电池银浆烧结后的银硅界面结构示意图。
具体实施方式
针对现有的铅玻璃粉中含有大量铅的问题，本申请创造性的提出了一种新的太阳能电池银浆玻璃粉体系，即镍-银-铅-碲玻璃粉体系，并通过在其中添加特定组分和含量的金属氧化物和非金属氧化物，使得制备的玻璃粉不仅可以大大降低铅的用量；而且在减少铅用量的同时，保障玻璃粉软化点低，能够实现低温烧结，且能有效的与氮化硅减反层反应，形成良好的欧姆接触，如图4所示，使得N层硅中电子更加容易被银栅线收集，从而提高电池的光电转换效率。本申请玻璃粉的另一个特点是引入了含量较多的镍元素，由于镍的加入使得太阳能电池的串联电阻得以进一步降低，对电池的性能提升，特别是对填充因子的提升有一定的效果。
本申请的玻璃粉中，镍-银-铅-碲玻璃粉体系是指由镍-银-铅-碲组成的基础体系。其中，镍占玻璃粉总重量的1-50％，银占玻璃粉总重量的5-40％，铅占玻璃粉总重量的13-27％，碲占玻璃粉总重量的19-39％。镍为单质镍、氧化镍、硝酸镍、碳酸镍、硫酸镍、磷酸镍和醋酸镍中的至少一种；银为单质银、氧化银、硝酸银、碳酸银、硫酸银、磷酸银和醋酸银中的至少一种；铅为氧化铅粉，碲为二氧化碲粉末。本申请的玻璃粉中，特定组分和含量的其它金属氧化物是指用量为玻璃粉总重量1-55％的ZnO、In2O3、Al2O3、CuO、TiO2、V2O5、Fe2O3、Fe3O4、Co2O3、RuO2、PdO、ReO3、OsO4、IrO2、Li2O、SnO、Bi2O3、ZrO2、CeO2、Na2O、K2O和MoO3中的至少一种。特定组分和含量的其它非金属氧化物是指用量为玻璃粉总重量1-60％的P2O5、SiO2、B2O3和SeO2中的至少一种。
下面通过具体实施例和附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例一
本例分别制备不同组分比例的镍-银-铅-碲体系，其中包含重量比1-50％镍或/和其化合物、5-40％银或/和其化合物、重量比1-55％的金属氧化物、重量比1-60％的非金属氧化物。具体组分配比见表1。
表1玻璃粉配方(重量百分比)
按照表1的百分比称取各原材料，混合分别制成100g的混合料，混合均匀后放入氧化铝坩埚中，加盖后，将坩埚放入马弗炉内加热熔融，马弗炉的设定温度为1000℃，保温30分钟。熔制好的玻璃液倒入去离子水中、淬火；将淬火后得到玻璃料烘干，然后采用行星式球磨粉碎机粉碎至粒径D90在5μm以下，即获得各试验的玻璃粉。
分别称取表1制备的玻璃粉，与银粉和有机相混匀，制备太阳能电池银浆。其中，玻璃粉占银浆料总重的2.8％，银粉占银浆料总重的88.2％，有机相占银浆料总重的9％。将所制得的太阳能电池银浆印制在镀好氮化硅膜的单晶硅片上，太阳能电池专用烧结炉烧结，烧结条件见图3，然后用太阳能模拟器系统进行I-V特性曲线测试，计算出太阳能电池转换效率；I-V特性曲线测试方法参考：孔凡建，太阳电池组件I-V特性曲线的测试，《第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集》，p958-965。采用本例1～11试验玻璃粉的太阳能电池银浆的测试结果见表2。
表2太阳能电池片转换效率测试结果
| 实验 | 平均光电转换效率 | 实验 | 平均光电转换效率 |
| 1 | 18.83％ | 7 | 18.74％ |
| 2 | 18.90％ | 8 | 18.63％ |
| 3 | 19.93％ | 9 | 18.55％ |
| 4 | 19.21％ | 10 | 18.53％ |
| 5 | 19.12％ | 11 | 18.38％ |
| 6 | 18.91％ |
表2的结果显示，采用本例各试验的玻璃粉制备银浆，将其用于制备太阳能电池，能够实现太阳能电池的低温快速烧结，同时还能够保证太阳能电池具有较高的光电转化效率。
采用扫描电镜观察使用本例试验3的玻璃粉制备的电池片烧结后的银栅线与N型硅层之间的界面，结果如图1和图2所示，图1是低放大倍数下的观察结果图，图2是高放大倍数的观察结果图。结果显示，在烧结后的Ag栅线与N型硅之间可以看到大量还原出的Ag颗粒，特别是图2可以明显看到大量颗粒状Ag，可见，在烧结过程中本例的玻璃粉与氮化硅发生了刻蚀反应，并在银硅界面处形成大量导电银颗粒，形成良好的欧姆接触，有效地降低了的银硅接触电阻。
另外，需要说明的是，本例的试验1～11都是采用硝酸镍和硝酸银制备的玻璃粉；可以理解，除了硝酸镍和硝酸银以外，镍还可以采用单质镍、氧化镍、碳酸镍、硫酸镍、磷酸镍或醋酸镍，其效果与硝酸镍相当；同样的，银还可以采用单质银、氧化银、碳酸银、硫酸银、磷酸银或醋酸银。此外，除了表1中使用的金属氧化物以外，其它常规使用的金属氧化物，例如In2O3、Al2O3、CuO、TiO2、SnO、ZrO2、CeO2、Fe2O3、Fe3O4、Co2O3、RuO2、PdO、ReO3、OsO4、IrO2、MoO3等同样可以用于本例的玻璃粉。除了表1中使用的非金属氧化物以外，其它常规使用的非金属氧化物，例如P2O5、SiO2、SeO2也可以用于本例的玻璃粉。
实施例二
本例分别将实施例一中试验1和试验3的玻璃粉制成太阳能电池银浆，并制成太阳能电池，分别测试其太阳能电池转换效率、填充因子、串联电阻等电池性能参数，详细如下：
分别称取实施例一中试验1和试验3的玻璃粉，与银粉和有机相混匀，制备太阳能电池银浆。其中，玻璃粉占银浆料总重的2.8％，银粉占银浆料总重的88.2％，有机相占银浆料总重的9％。
将所制得的太阳能电池银浆通过丝网印刷印制在镀好氮化硅膜的单晶硅片上，太阳能电池专用烧结炉烧结，烧结条件见图3，然后用太阳能模拟器系统进行I-V特性曲线测试。参考：孔凡建，太阳电池组件I-V特性曲线的测试，《第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集》，p958-965；以及D.Pysch,A.Mette,S.W.Glunz,A review and comparison ofdifferent methods to determine the series resistance of solar cells,SolarEnergy Materials&Solar Cells 91(2007)1698-1706；计算出太阳能电池转换效率、填充因子、串联电阻、开路电压和短路电流密度等参数，结果如表3所示。
表3试验1和试验3玻璃粉性能对比实验结果
表3的结果显示，采用添加镍的玻璃粉体系制备的银浆，其光电转换效率、填充因子、开路电压和短路电流密度都明显优于不含镍的玻璃粉体系。
实施例三
本例采用实施例一表1中试验3的玻璃粉进行试验制备太阳能电池银浆，分析银粉、有机相和玻璃粉的用量配比。太阳能电池银浆配方见表4。
表4太阳能电池不同比例的银浆配方(重量百分比％)
| 实验 | 银粉 | 有机相 | 玻璃粉 |
| 1 | 70％ | 15％ | 15％ |
| 2 | 85％ | 10％ | 5％ |
| 3 | 88％ | 9％ | 3％ |
| 4 | 90％ | 8％ | 2％ |
| 5 | 94.5％ | 5％ | 0.5％ |
按表4的重量比称取各组分，总重量为100g，混匀后，再用三辊研磨机研磨，即制成本例的太阳能电池银浆。
按照实施例一相同的方法制成太阳能电池银浆后印刷成太阳能电池，太阳能电池烧结条件和I-V特性曲线测试方法与实施例一相同，测试结果见表5。
表5不同配比的太阳能电池银浆制备的电池片转换效率
| 实验 | 光电转换效率 |
| 1 | 18.05％ |
| 2 | 18.41％ |
| 3 | 19.23％ |
| 4 | 18.96％ |
| 5 | 15.14％ |
表5的结果显示，太阳能电池银浆中银粉的占比可为太阳能电池银浆总重量的70-94.5％，较佳值为85-90％；有机相的占比可为太阳能电池银浆总重量的5-15％，较佳值为8-10％；玻璃粉的占比可为太阳能电池银浆总重量的0.5-15％，较佳值为2-5％。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于太阳能电池银浆的玻璃粉，其特征在于：包括在镍、银、铅和碲的玻璃粉体系中，添加金属氧化物和非金属氧化物；
其中，所述镍占玻璃粉总重量的1-50％，所述银占玻璃粉总重量的5-40％，所述铅占玻璃粉总重量的13-27％，所述碲占玻璃粉总重量的19-39％；
所述金属氧化物占玻璃粉总重量的1-55％，所述非金属氧化物占玻璃粉总重量的1-60％；
所述金属氧化物选自ZnO、In2O3、Al2O3、CuO、TiO2、V2O5、Fe2O3、Fe3O4、Co2O3、RuO2、PdO、ReO3、OsO4、IrO2、Li2O、SnO、Bi2O3、ZrO2、CeO2、Na2O、K2O和MoO3中的至少一种；
所述非金属氧化物选自P2O5、SiO2、B2O3和SeO2中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的玻璃粉，其特征在于：所述镍为单质镍、氧化镍、硝酸镍、碳酸镍、硫酸镍、磷酸镍和醋酸镍中的至少一种；
所述银为单质银、氧化银、硝酸银、碳酸银、硫酸银、磷酸银和醋酸银中的至少一种；
所述铅为氧化铅粉，所述碲为二氧化碲粉末。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃粉在制备太阳能电池银浆中的应用。
4.一种含有权利要求1或2所述的玻璃粉的太阳能电池银浆。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池银浆，其特征在于：包括银粉、有机相和权利要求1所述的玻璃粉。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池银浆，其特征在于：所述银粉的重量为太阳能电池银浆总重量的70-94.5％，所述有机相的重量为太阳能电池银浆总重量的5-15％，所述玻璃粉的重量为太阳能电池银浆总重量的0.5-15％。
7.根据权利要求1或2所述的玻璃粉或权利要求4-6任一项所述的太阳能电池银浆在太阳能电池、丝网印刷、3D打印或电子元器件封装中的应用。
8.一种太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池采用了权利要求1或2所述的玻璃粉或权利要求4-6任一项所述的太阳能电池银浆。
9.根据权利要求1或2所述的玻璃粉的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)按重量比称取各原料、混合均匀；
(2)在高温下将混合均匀的原料熔融成玻璃水；
(3)将玻璃水倒入去离子水中，进行淬火，制备成玻璃料；
(4)将得到的玻璃料球磨粉碎成粒径D90在5μm以下的粉料，即获得所述玻璃粉。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括，将混合均匀的原料放入坩埚中，加盖，然后将坩埚置于1000℃的马弗炉中，保温30分钟，使混合原料熔融成玻璃水。
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