CN110342827A - 一种低温改性玻璃粉及其在正面双层钝化Perc电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种低温改性玻璃粉，按重量份计，包括：5~20wt%PbO、30~60wt%TeO2、10~30wt%MoO3、10~20wt%V2O5、1~5wt%Bi2O3；其制备步骤包括：（1）将玻璃粉组成的原料混合后进行熔解；（2）将熔解后的混合物淬火，得到玻璃料；（3）将所得玻璃料与N甲基吡咯烷酮混合后进行球磨，得到玻璃粉。本发明通过对PbO‑TeO2‑MoO3‑V2O5体系玻璃进行合理优化，使得玻璃能够在烧结阶段迅速穿透减反射膜，EL不产生云雾或发黑情况，促进银电极与硅的反应，从而获得较高的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种低温改性玻璃粉及其在正面双层钝化Perc电池中的应用。
背景技术
近两年，晶硅Perc电池得到了飞速的发展。所谓Perc技术，即钝化发射极背面接触技术，是利用SiNx，Al2O3在电池背面形成钝化层，增加长波光的吸收，同时将P-N极间的电势差最大化，降低电子复合，从而提升电池转化效率的技术。2019年Perc电池继续呈增长趋势，市场占比接近百分之五十，各电池厂家都在电池的结构方面的优化进行研究。为了实现更好的减反射和钝化效果，一些电池厂家在Perc正面也进行Al2O3镀膜，即双面Al2O3钝化的Perc电池，从而大幅提高电池的转化效率，但这也意味着正面会有SiNx，Al2O3双层钝化减反射膜，对正面银浆料提出了更高的要求，尤其对正面银浆料中的玻璃粉对钝化膜层的侵蚀性提出更高的要求。
正银浆料的主要组成部分为：银粉，玻璃粉，有机载体和添加剂。浆料中玻璃粉的作用是：在烧结的过程中，随着温度的升高，玻璃粉软化流动，与减反射膜发生反应，并在此过程中溶解部分银，将银带到硅基板表面，进而使银与硅接触；在降温阶段，银从玻璃中析出，沉积在硅的表面，该析出的银晶粒成为光生电子的导电通道，析出的银晶粒数量越多粒度越小越有利于电流传导；烧结后，玻璃沉积在银电极与硅基板之间，该玻璃层越薄，银电极与硅基板之间电阻越小，也就是金属和硅之间形成了良好的欧姆接触。申请号为CN109659064A的文件公开了一种晶硅Perc电池用具有高拉力的正面银浆料及其制备工艺，按照质量份包含80~90份银粉、7~15份有机载体和1~5份PbO-TeO2-MoO3-V2O5体系玻璃粉，制备包括以下步骤：将玻璃粉原料混合物进行溶解后迅速倒入去离子水中淬火，得到玻璃料；将得到的玻璃料球磨得到玻璃粉；混合玻璃粉、银粉、有机载体，并剪切分散，得到正面电极的银浆料。
但是，在这个过程中，玻璃腐蚀减反射膜是发生其它反应的基础，如果玻璃不能穿透减反射膜或与减反射膜反应不充分，银电极不能和硅形成良好接触，电池效率将大打折扣；当正面镀双层减反射膜后，玻璃与减反射膜的反应过程受到严苛的考验，玻璃必须能在短时间内腐蚀SiNx，Al2O3，即与它们反应才能使银电极与硅接触，后续的反应过程才能发生，因此上述申请文件还存在优化改进之处。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种低温改性玻璃粉及其在正面双层钝化Perc电池中的应用，对PbO-TeO2-MoO3-V2O5体系玻璃进行了合理优化，使得玻璃能够在烧结阶段迅速穿透减反射膜，EL不产生云雾或发黑情况，促进银电极与硅的反应，从而获得较高的光电转换效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种低温改性玻璃粉，按重量份计，包括：5~20wt%PbO、30~60wt%TeO2、10~30wt%MoO3、10~20wt%V2O5、1~5wt%Bi2O3。
在本方案设计中，添加了Bi2O3，其作用是增加玻璃的腐蚀性，Bi2O3对氮化硅和氧化硅都有较强的腐蚀性，加入后可促进玻璃与钝化层的反应，使得玻璃能够在烧结阶段迅速穿透减反射膜，促进银电极与硅的反应，从而获得较高的光电转换效率。Bi2O3的添加量为1~5wt%，加入量少于1%，不能起到增强腐蚀性的作用，加入量大于5%，会降低玻璃在高温时的流动性，使得对钝化层的腐蚀不完全；此外，铋离子在硅中扩散速度较快，加入量过大会对硅的耗尽区有所损伤。
进一步地，所述玻璃粉中包括有0.1~1wt%玻璃网络形成体，所述玻璃网络形成体至少包括SiO2、B2O3、P2O5、GeO2中的一种；进一步优选为SiO2。
玻璃网络形成体的加入可增加玻璃的稳定性，降低在熔制阶段的析晶倾向，使得熔制的玻璃的均匀性和批量稳定性更佳。SiO2、B2O3、P2O5、GeO2都能提供氧多面体，使熔制玻璃种的Pb2+、Bi3+、O2-的积聚范围达不到核胚临界尺寸半径，并且对Pb2+、Bi3+、O2-的迁移起到牵制作用，从而不能长大成晶核；其中，影响玻璃粉形成最重要的因素是网络形成体阳离子配位数的含量，SiO2相比B2O3、P2O5、GeO2，它可在较少的引入量范围内提供较多的阳离子配位数，从而作为本方案的优选。
进一步地，所述的玻璃粉中还添加有碱金属化合物，包括有碱金属氧化物、碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐化合物、碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属碳酸盐化合物中的一种或几种。
进一步地，所述碱金属化合物的添加总量为5~10wt%。
在本方案设计中，碱金属氧化物、碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐化合物、碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属碳酸盐化合物在加入玻璃后，能够在电池烧结阶段，增加玻璃对减反射膜，尤其是氧化铝减反射膜的腐蚀性，使银电极与硅基板形成良好的欧姆接触，电池的EL检测不出现云雾或发黑。由于玻璃网络形成体的加入，需要维持较低的转变温度，故上述物质的总添加量为5~10%，高于10%会造成玻璃的稳定性下降。
进一步地，所述玻璃粉的制备方法包括以下步骤：（1）将玻璃粉组成的原料混合后进行熔解；（2）将熔解后的混合物淬火，得到玻璃料；（3）将所得玻璃料与N甲基吡咯烷酮混合后进行球磨，得到玻璃粉。
在本方案设计中，加入N甲基吡咯烷酮作为分散剂的目的是降低玻璃粉的团聚现象，改善其分散性能，利于后续浆料的轧制均匀性，防止在轧制中产生银片，使得浆料的细度更佳。
优选地，所述N甲基吡咯烷酮与玻璃粉的重量比为0.001~0.01：1。
优选地，所述熔解条件为：温度900~1200℃、时间30~60min。
进一步地，一种正面电极银浆料，按重量份计，包括：80~90wt%银粉，1~5wt%玻璃粉和7~15wt%有机载体。
进一步地，所述银浆料的细度＜5μm。
进一步地，有机载体包括有机溶剂、触变剂、流平剂、表面活性剂、树脂等助剂，例如双酚A型环氧树脂、甲基咪唑、聚酰胺蜡、钛酸四乙酯等。
本发明具有以下有益效果：
1.本方案设计中对PbO-TeO2-MoO3-V2O5体系玻璃进行优化，使得玻璃能够在烧结阶段迅速穿透减反射膜，EL不产生云雾或发黑情况，促进银电极与硅的反应，从而获得较高的光电转换效率。
2.本方案设计中对PbO-TeO2-MoO3-V2O5体系玻璃进行优化，增加了玻璃的稳定性，降低在熔制阶段的析晶倾向，使得熔制的玻璃的均匀性和批量稳定性更佳。
3.本方案设计中玻璃粉的制备过程具有较低的玻璃化转变温度，可以在烧结较早阶段软化流动，腐蚀减反射膜，尤其对于SiNx，Al2O3双层减反射膜的PERC电池更具优势。
4.本方案设计中通过对玻璃粉的改性处理，增加了玻璃粉的分散性能，改善了浆料的均匀性。
具体实施方式
本发明实施例1~6、对比例1~2各成分配比如下表：
注：实施例1为G1所示配比，实施例2为G2所示配比，实施例3为G3所示配比，实施例4为G4所示配比，实施例5为G5所示配比，实施例6为G6所示配比；对比例1为G7所示配比，对比例2为G8所示配比。
实施例1
将玻璃粉的各组成氧化物按表中G1所示比例，准确称量，总重为100g，在烘干箱中干燥，设定温度为80℃，烘干时间为30分钟。然后将混合料转移至铂金坩埚，放入熔炼炉进行熔解，设定峰值温度为900℃，保温时间60分钟；然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火。所得的玻璃料在球磨机中，球磨介质为无水乙醇，加入0.1%的N甲基吡咯烷酮分散剂进行球磨，球磨10小时后的玻璃粉，D50<1μm；取该玻璃粉粉2.5g与银粉88g，有机载体9.5g（双酚A型环氧树脂6.5g、甲基咪唑2.0g、聚酰胺蜡0.5g、钛酸四乙酯0.5g）进行混合，然后用三辊轧机进行研磨分散，所得正面电极银浆料编号为P1，其细度为<5μm。
实施例2
将玻璃粉的各组成氧化物按表中G2所示比例，准确称量，总重为100g，在烘干箱中干燥，设定温度为60℃，烘干时间为60分钟。然后将混合料转移至铂金坩埚，放入熔炼炉进行熔解，设定峰值温度为1200℃，保温时间30分钟；然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火。然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火；所得的玻璃料在球磨机中，球磨介质为无水乙醇，加入1%的N甲基吡咯烷酮分散剂进行球磨，球磨10小时后的玻璃粉，D50<1μm；取该玻璃粉粉2.5g与银粉88g，有机载体9.5g进行混合，然后用三辊轧机进行研磨分散，所得正面电极银浆料编号为P2，其细度为<5μm。
实施例3~实施例6
将玻璃粉的各组成氧化物按表中G3~G6所示比例，准确称量，总重为100g，在烘干箱中干燥，设定温度为80℃，烘干时间为30分钟。然后将混合料转移至铂金坩埚，放入熔炼炉进行熔解，设定峰值温度为1200℃，保温时间30分钟；然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火；所得的玻璃料在球磨机中，球磨介质为无水乙醇，加入0.5%的N甲基吡咯烷酮分散剂进行球磨，球磨10小时后的玻璃粉，D50<1μm；取该玻璃粉粉2.5g与银粉88g，有机载体9.5g进行混合，然后用三辊轧机进行研磨分散，所得正面电极银浆料编号为P3-P6，其细度为<5μm。
对比例1
将玻璃粉的各组成氧化物按表中G7所示比例，准确称量，总重为100g，在烘干箱中干燥，设定温度为80℃，烘干时间为30分钟；然后将混合料转移至铂金坩埚，放入熔炼炉进行熔解，设定峰值温度为900℃，保温时间60分钟。然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火。所得的玻璃料在球磨机中，球磨介质为无水乙醇，加入0.1%的N甲基吡咯烷酮分散剂进行球磨，球磨10小时后的玻璃粉，D50<1μm；取该玻璃粉粉2.5g与银粉88g，有机载体9.5g进行混合，然后用三辊轧机进行研磨分散，所得正面电极银浆料编号为P7，其细度为<5μm。
对比例2
将玻璃粉的各组成氧化物按表中G8所示比例，准确称量，总重为100g，在烘干箱中干燥，设定温度为80℃，烘干时间为30分钟。然后将混合料转移至铂金坩埚，放入熔炼炉进行熔解，设定峰值温度为900℃，保温时间60分钟；然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火。所得的玻璃料在球磨机中，球磨介质为无水乙醇，加入0.1%的N甲基吡咯烷酮分散剂进行球磨，球磨10小时后的玻璃粉，D50<1μm；取该玻璃粉粉2.5g与银粉88g，有机载体9.5g进行混合，然后用三辊轧机进行研磨分散，所得正面电极银浆料编号为P8，其细度为<5μm。
对比例3
本对比例配比为G5所示比例，准确称量，总重为100g，在烘干箱中干燥，设定温度为80℃，烘干时间为30分钟；然后将混合料转移至铂金坩埚，放入熔炼炉进行熔解，设定峰值温度为1200℃，保温时间30分钟。然后将熔融料迅速倒入去离子水中进行淬火；所所得的玻璃料在球磨机中，球磨介质为无水乙醇，球磨15小时后，所得玻璃粉D50<1μm；取该玻璃粉粉2.5g与银粉88g，有机载体9.5g进行混合，然后用三辊轧机进行研磨分散，所得正面电极银浆料编号为P9，其细度为<10μm。
将实施例1~6、对比例1~3制备的正面电极银浆料，在镀有双层减反射膜的硅片上印刷，电池片的方阻经过严格测试和筛选。印刷后进行烧结，然后测试烧结好的电池片的电性能，包括短路电流密度（Jsc），开路电压（Voc），填充因子（FF）和光电转换效率（Eta），结果见表：
从表2可以看出，玻璃粉G1-G6配制的浆料P1-P6应用于双层镀膜的PERC电池后，使电池具有较高的开路电压（Voc）和填充因子（FF），这说明玻璃在烧结阶段较好的腐蚀穿透了减反射膜层，使电极和硅基板之间形成了较好的欧姆接触电阻，并且浆料中的玻璃在高温烧结时没有扩散进入硅中，而破坏硅基板的P-N结特性。
对比例1中浆料P7中使用的玻璃没有添加碱金属化合物或碱土金属化合物，但其效率仍然较高，原因是Bi2O3在烧结阶段对钝化层的腐蚀作用较强，使得玻璃能够穿透减反膜和硅基接触，并形成良好的欧姆接触；但通过仔细对比发现，其效率较P1-P6浆料仍略低，从填充因子反映出，该浆料的串阻略大，这是因为没有添加碱金属化合物或碱土金属化合物，玻璃的转变温度会有所提高，导致高温流动性差，从而使钝化层腐蚀不完全造成效率低。
对比例2中浆料P8使用的玻璃粉没有添加碱金属化合物或碱土金属化合物以及Bi2O3等腐蚀性的氧化物，使得在烧结时正面氧化铝及氮化硅减反射层没有蚀穿，电阻升高，使得电池的转换率很低。
对比例3中玻璃粉球磨时没有加入分散剂N甲基吡咯烷酮，玻璃有团聚的现象，使得玻璃粒度难以降低，烧结阶段软化流动相对较晚，与钝化层和硅基的反应不完全，导致电性能略差；同时可以看到该浆料的细度较大，也会对浆料的印刷性能造成不良影响。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种低温改性玻璃粉，其特征在于，按重量份计，主成分包括：5~20wt%PbO、30~60wt%TeO2、10~30wt%MoO3、10~20wt%V2O5、1~5wt%Bi2O3。
2.根据权利要求1所述的一种低温改性玻璃粉，其特征在于，所述玻璃粉中包括有0.1~1wt%玻璃网络形成体，所述玻璃网络形成体至少包括SiO2、B2O3、P2O5、GeO2中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种低温改性玻璃粉，其特征在于，所述的玻璃粉中还添加有碱金属化合物，包括碱金属氧化物、碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐化合物、碱土金属氧化物、碱土金属氢氧化物、碱土金属碳酸盐化合物中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种低温改性玻璃粉，其特征在于，所述碱金属化合物的添加总量为5~10wt%。
5.如权利要求1所述的一种低温改性玻璃粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将玻璃粉组成的原料混合后进行熔解；（2）将熔解后的混合物淬火，得到玻璃料；（3）将所得玻璃料与N甲基吡咯烷酮混合后进行球磨，得到玻璃粉。
6.根据权利要求5所述的一种低温改性玻璃粉的制备方法，其特征在于，所述N甲基吡咯烷酮与玻璃粉的重量比为0.001~0.01：1。
7.根据权利要求5所述的一种低温改性玻璃粉的制备方法，其特征在于，所述熔解条件为：温度900~1200℃、时间30~60min。
8.一种正面电极银浆料，其特征在于，按重量份计，包括：80~90wt%银粉，1~5wt%玻璃粉和7~15wt%有机载体；所述玻璃粉，按重量份计，主成分包括：5~20wt%PbO、30~60wt%TeO2、10~30wt%MoO3、10~20wt%V2O5、1~5wt%Bi2O3。
9.根据权利要求8所述的一种正面电极银浆料，其特征在于，所述银浆料的细度＜5μm。
10.根据权利要求8所述的一种正面电极银浆料，其特征在于，所述有机载体包括有机溶剂、触变剂、流平剂、表面活性剂。
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