CN113223748B - 一种低温烧结导电银浆、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温烧结导电银浆、其制备方法及应用，该导电银浆按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：70％～85％银盐：2.15％～8.62％络合剂：2.84％～11.3％有机溶剂：6.62％～15％树脂粘接剂：0.1％～10％。该制备方法包括将络合剂溶解于有机溶剂中，加入银盐，溶解后继续反应，得到络合物；然后将络合物与导电功能相金属粉体、有机溶剂、树脂混合制得。还提供了该导电银浆在异质结太阳能电池电极中的应用。本发明采用该配方制备得到的异质结太阳能电池导电银浆可以和基材之间形成紧密连接，降低烧结温度，提高太阳能电池的光电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池用导电银浆其制备方法及应用，尤其涉及一种低温烧结导电银浆、其制备方法及应用。
背景技术
太阳能光伏发电是一种利用光伏效应将光辐射能直接转换为电能的新型发电技术，因具有资源充足、清洁、安全和寿命长等特点，被认为是最有前途的可再生能源之一，已成为可再生能源技术中发展较快的研究领域。
目前光伏市场上的太阳能电池中晶体硅太阳能电池仍占主流，但很难在保证成本低廉同时提升光电转化率；而非晶硅电池虽然造价低廉但光电转化效率低，因此异质结(HIT)太阳能电池得到了迅速发展。
HIT太阳能电池是一种基于薄硅衬底新型太阳能电池，与传统晶硅和薄膜电池相比，HIT电池光电转化效率高、工艺温度低、生产成本小。HIT太阳能电池的表面金属化采用银浆丝网印刷工艺，因此银浆是HIT电池的关键材料之一。传统晶硅电池浆料采用高温烧结，银粉之间依靠表面熔融相互连接，玻璃相在一定程度上熔银并蚀刻硅板，形成欧姆接触。而HIT太阳能电池工艺要求在250℃以下，如何不使用玻璃粉，银粉之间、银与基材之间依靠有机树脂进行黏接成为一个急需解决的问题。
目前，有使用如乙酸银、一种长链羧酸和乙醇胺溶解在正丁醇中，在150℃～200℃温度下固化，银膜导电率大于104S·cm-1(Journal of the American Chemical Society,2007,129(7):1862-1863)。还可在氧化银表面涂覆硬脂酸银制备银浆，Ag2O:硬脂酸银＝100:5，固含量为80％，溶剂为松油醇，160℃固化5分钟后，电阻率最低可达到13.2×10-6Ω·cm(Japanese Journal of Applied Physics,2009,48(1):016501)。另外还有用双酚F型环氧树脂作为粘接剂、六氢四甲基邻苯酸酐作为固化剂以及少量咪唑类作为催化剂，n(纳米银):n(银片)＝4:6，固含量为80％，在180℃固化温度下，电阻率可降至4.8×10-5Ω·cm(Journal of Materials Chemistry,2010,20(10):2018-2023)。然而，上述导电浆料存在制备工艺复杂，原料需要使用催化剂、耗银量高等问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一个目的是提供一种能够降低烧结温度的低温烧结导电银浆；
本发明的第二个目的是提供一种低温烧结导电银浆的制备方法；
本发明的第三个目的是提供一种低温烧结导电银浆的应用。
技术方案：本发明所述的低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：
优选地，所述络合剂为异丙醇胺、2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰基-2-乙基-4-甲基咪唑中的至少一种。
优选地，所述导电功能相金属粉体为微米级银粉、纳米级银粉或银包铜粉中的至少一种。
优选地，所述有机溶剂为二乙二醇丁醚醋酸酯、醇酯十二、松油醇、邻苯二甲酸二丁酯或己二酸二甲酯中的至少一种。
优选地，所述树脂粘接剂为乙基纤维素、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、酚醛树脂或聚乙烯缩丁醛树脂中的至少一种。
上述低温烧结导电银浆的制备方法，包括如下步骤：
(1)将络合剂溶解于有机溶剂中，加入银盐，溶解后继续反应，得到络合物；
(2)将所述络合物与导电功能相金属粉体、有机溶剂、树脂混合，得到所述低温烧结导电银浆。
优选地，步骤(1)中，所述溶解后继续反应的时间为0.5～1h。
本发明提供了上述低温烧结导电银浆在异质结太阳能电池电极中的应用。
具体的，上述低温烧结导电银浆在异质结太阳能电池电极中的应用，将所述低温烧结导电银浆通过丝网印刷方式，印刷于基板上制备薄膜电极。
优选地，将所述低温烧结导电银浆通过丝网印刷方式，印刷于基板上，在空气气氛下加热至220℃～250℃，保温时间30min～90min。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、相较于传统完全使用银粉作为导电功能相，引入了银离子源络合物，该络合物能够在180℃发生热分解行为，大幅降低导电银浆烧结温度；2、本发明的络合物在浆料烧结过程中热分解，原位生成银颗粒，填充了银粉之间的间隙，起到了“桥梁”作用，使得浆料与基材之间形成紧密连接，颗粒间形成导电通路，降低了电阻值。3、络合剂采用咪唑时可以与银盐反应获得络合物作为银离子源，同时作为固化剂固化环氧树脂，不需要额外添加固化剂。4、本发明的低温烧结导电银浆，丝网印刷于陶瓷片上，方块电阻值为9～20mΩ/□，导电性能较好。5、本发明的低温烧结导电银浆，热处理温度在220℃～250℃，相较于传统导电银浆，烧结温度大大降低，能够适应异质结太阳能电池薄膜电极的烧结温度。6、本发明的低温烧结导电银浆，成本大大降低，用银包铜粉替代部分微米银粉，减少银粉使用量，制备方法简单，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中乙酸银络合物热分解行为的TG图；
图2为本发明实施例1中银浆烧结后的导电薄膜的XRD图；
图3为本发明实施例3中银浆烧结后的导电薄膜的SEM图；
图4为本发明实施例6中导电薄膜电阻值和银包铜粉含量变化的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：70％；乙酸银：1.78％；络合剂：1.81％；有机溶剂：16.41％；树脂粘接剂：10％。
上述低温烧结导电银浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.35g异丙醇胺和0.45g松油醇加入25ml圆底烧瓶中磁力混合搅拌10min后，缓慢加入1g乙酸银至完全溶解，继续搅拌1h，制得乙酸银-异丙醇胺络合物；
(2)向陶瓷研钵中加入2.8g平均尺寸1μm的银粉进行充分研磨，再加入0.4g乙基纤维素溶液，0.6g松油醇以及0.2g乙酸银-异丙醇胺络合物，不断研磨使银粉和络合物均匀分散在有机载体中。图1是乙酸银-异丙醇胺络合物热分解行为曲线图。
将上述导电银浆丝网印刷于基板上，在空气气氛下240℃热处理，保温30min所得导电银膜的方阻值为8mΩ/□。由图2可知，导电银膜的图谱中4个衍射峰位置与银标准卡中衍射峰位置完全对应，说明导电银浆在空气气氛下240℃热处理后制备的导电薄膜完全由银单质构成。
实施例2
低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：70％；乙酸银：1.78％；络合剂：1.81％；有机溶剂：11.41％；树脂粘接剂：15％。
上述低温烧结导电银浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.35g异丙醇胺和0.45g松油醇加入25ml圆底烧瓶中磁力混合搅拌10min后，缓慢加入1g乙酸银至完全溶解，继续搅拌1h，制得乙酸银-异丙醇胺络合物；
(2)向陶瓷研钵中加入2.8g平均尺寸1μm的银粉进行充分研磨，再加入0.4g乙基纤维素溶液，0.4g松油醇以及0.2g乙酸银-异丙醇胺络合物，不断研磨使银粉和络合物均匀分散在有机载体中。
将上述导电银浆丝网印刷于基板上，在空气气氛下240℃热处理，保温30min。
实施例3
低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：80％乙酸银：3.61％；络合剂：4.77％；有机溶剂：6.62％；树脂粘接剂：5％。
(1)将1.32g 2-乙基-4-甲基咪唑和1g二乙二醇丁醚醋酸酯于25ml圆底烧瓶中磁力混合搅拌10min后，缓慢加入1g乙酸银至完全溶解，继续搅拌1h，制得乙酸银-咪唑络合物；
(2)向陶瓷研钵中加入3.0g平均尺寸1μm的银粉和0.2g纳米银粉充分研磨，再加入0.2g双酚F型环氧树脂，0.12g二乙二醇丁醚醋酸酯以及0.48g乙酸银-咪唑络合物，不断研磨使银粉和络合物均匀分散在有机载体中。
将上述导电银浆丝网印刷于基板上，在空气气氛下240℃热处理，保温90min后所得导电银膜的方阻值为11mΩ/□，烧结过后的银膜微观形貌如图3所示，可以看到图3中在加入纳米银颗粒后，填充了微米银之间的间隙，颗粒之间接触面积变大。
实施例4
低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：80％乙酸银：3.61％；络合剂：4.77％；有机溶剂：7.62％；树脂粘接剂：4％。
(1)将1.32g 2-乙基-4-甲基咪唑和1g二乙二醇丁醚醋酸酯于25ml圆底烧瓶中磁力混合搅拌10min后，缓慢加入1g乙酸银至完全溶解，继续搅拌1h，制得乙酸银-咪唑络合物；
(2)向陶瓷研钵中加入3.0g平均尺寸1μm的银粉和0.2g纳米银粉充分研磨，再加入0.16g双酚F型环氧树脂，0.16g二乙二醇丁醚醋酸酯以及0.48g乙酸银-咪唑络合物，不断研磨使银粉和络合物均匀分散在有机载体中。
将上述导电银浆丝网印刷于基板上，在空气气氛下220℃热处理，保温90min。
实施例5
低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：75％；乙酸银：4.75％；络合剂：6.27％；有机溶剂：7.98％；树脂粘接剂：6％。
(1)将1.32g 1-氰基-2-乙基-4-甲基咪唑和0.84g己二酸二甲酯于50ml烧杯中磁力混合搅拌10min后，缓慢加入1g乙酸银至完全溶解，继续搅拌1h，得到乙酸银-异丙醇胺络合物；
(2)向陶瓷研钵中加入2.6g微米银粉、0.4g纳米银粉充分研磨，再加入0.24g双酚F型环氧树脂，0.16g己二酸二甲酯以及0.6g络合物，不断研磨使粉体均匀分散在有机载体中。
将上述导电银浆丝网印刷于基板上，在空气气氛下240℃热处理，保温90min。
实施例6
低温烧结导电银浆，按质量百分比包括如下组分：导电功能相金属粉体：80％；有机溶剂：10％；树脂粘接剂：6％；络合剂：4％；
(1)将3.23g异丙醇胺和9.46g去离子水于50ml烧杯中磁力混合搅拌10min后，缓慢加入2.31g乙酸银至完全溶解，继续搅拌1h，得到乙酸银-异丙醇胺络合物；
(2)用5％稀硫酸溶液对1g铜粉进行酸洗，超声20min后静置去除上层稀硫酸溶液，用去离子水冲洗至铜粉悬浊液pH呈中性，放置待用；其次，称量0.8M酒石酸钾钠加入烧杯中，使用去离子水溶解；然后，将铜粉悬浊液加入烧杯，机械搅拌使铜粉均匀分散在液体中；最后，将乙酸银-异丙醇胺络合物缓慢滴入烧杯，反应全程机械搅拌，转速为350r/min，滴加完毕后继续反应1h；反应完全后超声10min，取出分别用去离子水和无水乙醇冲洗3遍，过滤后放入60℃烘箱干燥3h。
(3)向陶瓷研钵中加入2.0g微米银粉、0.4g纳米银粉和0.8g平均尺寸2μm的银包铜粉充分研磨，再加入0.24g双酚F型环氧树脂，0.4g二乙二醇丁醚醋酸酯以及0.16g 2-乙基-4-甲基咪唑，不断研磨使粉体均匀分散在有机载体中。
将上述导电银浆丝网印刷于基板上，在空气气氛下240℃热处理，保温60min后所得导电银膜的方阻值为9mΩ/□。图4是导电薄膜电阻值和银浆中银包铜粉含量变化的关系曲线图。
Claims (7)
1.一种低温烧结导电银浆，其特征在于，按质量百分比包括如下组分：
导电功能相金属粉体：70% ~ 80%
银盐： 1.78% ~ 3.61%
络合剂： 1.81% ~ 4.77%
有机溶剂： 6.62% ~ 16.41%
树脂粘接剂： 5% ~ 15%；
所述络合剂为异丙醇胺、2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰基-2-乙基-4-甲基咪唑中的至少一种；所述低温烧结导电银浆的制备方法，包括如下步骤：
（1）将络合剂溶解于有机溶剂中，加入银盐，溶解后继续反应，得到络合物；所述溶解后继续反应的时间为0.5~1 h；
（2）将所述络合物与导电功能相金属粉体、有机溶剂、树脂混合，得到所述低温烧结导电银浆。
2.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述导电功能相金属粉体为微米级银粉、纳米级银粉或银包铜粉中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述有机溶剂为二乙二醇丁醚醋酸酯、醇酯十二、松油醇、邻苯二甲酸二丁酯或己二酸二甲酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的低温烧结导电银浆，其特征在于，所述树脂粘接剂为乙基纤维素、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、酚醛树脂或聚乙烯缩丁醛树脂中的至少一种。
5.一种权利要求1所述低温烧结导电银浆在异质结太阳能电池电极中的应用。
6.根据权利要求5所述低温烧结导电银浆在异质结太阳能电池电极中的应用，其特征在于，将所述低温烧结导电银浆通过丝网印刷方式，印刷于基板上制备薄膜电极。
7.根据权利要求5所述低温烧结导电银浆在异质结太阳能电池电极中的应用，其特征在于，将所述低温烧结导电银浆通过丝网印刷方式，印刷于基板上，在空气气氛下加热至220 ℃~240 ℃，保温时间30 min~90 min。
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