CN114203334A - 一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆及其制备方法。本发明的背面铝浆，由以下质量百分含量的组分组成：铝粉70～76％，无机粘结剂0.8～1.5％，有机粘合剂20～25％，有机助剂2～4％，金属氧化物1～2％，其中，各组分的质量百分含量之和为100％。本发明的方法是将各组分原料按配比混合，充分搅拌混合均匀后经三辊研磨机研磨至细度≤20μm。本发明所添加的溶剂为水，环保且节省成本，制备的背面铝浆具有流动性好、印刷适应性高、与窗口接触好、铝膜致密性优等优点，该浆料经丝网印刷、干燥、烧结后在硅晶片上形成铝背场，铝背场附着力高，电池片翘曲度低，电性能尚可。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅太阳能电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆及其制备方法。
背景技术
硅太阳能电池用铝浆是太阳能电子浆料中的主要组成部分，用于硅太阳能电池背表面场的形成，同时作为太阳能电池的背电极使用。硅太阳能电池用铝浆主要由无机粉料(主要包括黏结相玻璃粉和功能相铝粉)和有机载体组成。在烧结过程中，铝层与硅层形成硅铝合金层，从而形成掺杂层，提高了电池片开路电压。
常规铝浆树脂为乙基纤维素、酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂等中的一种或几种，优选EC类。有机溶剂为高沸点醇类或酯类中的一种或几种，如松油醇、丁基卡必醇、苯甲醇、乙二醇苯醚、丁基卡必醇醋酸酯、三甲基戊二醇异丁酸酯、柠檬酸三丁酯等。助剂为油酸、蓖麻油酸、硬脂酸、硅油、蓖麻油、泵油、司盘、吐温、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯等中的一种或几种。
上述物料配成的浆料，不但气味较大、且伴随着挥发过程，对人体也有一定程度的危害；此外，传统的EC-松油醇体系对触变带来的不利影响也是造成品质不稳定的重要因素；随着国家环保要求越来越高，各地对 VOC排放标准也水涨船高；一些国际或行业标准也相继出台，如 ROHS/REACH/POHS指令等，对企业环保准入要求越来越高；并且，近年来原材料价格持续走高，EC及一些溶剂价格上涨较快，对企业的生产经营成本也带来了很大的压力，“油”转“水”也日渐提上日程；且作为对未来行业趋势的判断，提前研判、研发新型浆料也是浆料企业的应有之义。
因此，有必要提供一种无毒环保、流动性好、平整度优良的铝浆以解决上述问题。
发明内容
根据上述提出现有铝浆存在气味大、流动性及平整性等性能存在缺陷的技术问题，而提供一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆及其制备方法。本发明主要采用以水作为溶剂制备新型铝浆，相比于传统溶剂型铝浆，更环保、节省成本，制备的铝浆具有流动性好、印刷适应性高、与窗口接触好、铝膜致密性优等优点。该浆料经丝网印刷、干燥、烧结后在硅晶片上形成厚薄适中、均匀的铝背场，铝背场附着力高，电池片翘曲度低，电池片光电转换效率尚可且成本低。
本发明采用的技术手段如下：
一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述背面铝浆由以下质量百分含量的组分组成：
铝粉70～76％，
无机粘结剂0.8～1.5％，
有机粘合剂20～25％，
有机助剂2～4％，
金属氧化物1～2％，
其中，各组分的质量百分含量之和为100％。
进一步地，所述铝粉为球形铝粉，平均粒度2.0-6.0μm，振实密度＞ 1.5g/cm3，纯度＞99％，氧含量＜1％。
进一步地，所述无机粘结剂选用无铅玻璃粉，所述无铅玻璃粉的组成按质量百分比计包括：Bi2O3 30～40％、B2O3 15～20％、SiO2 10～20％、ZnO 10～ 15％、Sb2O3 9～15％、ZrO2 1～3％、TiO2 1～2％、V2O5 3～5％、Al2O3 0.5～ 5％、BaO 0.5～2％和SrO 0～1％。
进一步地，所述无铅玻璃粉的粒径分布为0.5～3μm。
进一步地，所述有机粘合剂为水溶性有机粘合剂，由水溶性树脂、气相二氧化硅、水性防沉剂、水和水溶性表面活性剂按照预设比例混合而成，水为高纯去离子水。
进一步地，所述水溶性有机粘合剂由以下质量百分含量的原料混合制成：水溶性树脂3-5％,气相二氧化硅0.3-0.5％，水性防沉剂6-10％，水84.5-90.6％，水溶性表面活性剂0.05-0.1％。
所述水溶性树脂为水溶性纤维素类，包括甲基纤维素(MC)、甲基羟丙基纤维素(HPMC)、羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)中的一种或几种混合，优选陶氏化学(DowChemical)产相关产品。
水性铝浆以水为介质，水的表面张力高达72.5mN/m，较高的表面张力不利于水性铝浆的消泡，并且降低了浆料对硅片的润湿能力和在硅片上的展布能力。其结果往往导致水性浆料性能不良，浆料表面在印刷过程中容易产生气泡、缩孔、鱼眼、针孔等缺陷。因此，水性铝浆中需加入一定数量和种类的助剂以便形成稳定、优质的产品。
进一步地，所述有机助剂为水性分散剂、水性流变助剂、润湿剂、消泡剂及催干剂中的至少一种。
所述水溶性表面活性剂为阴离子表面活性剂或是两性离子表面活性剂，优选十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、四丁基溴化铵中的一种或几种。
所述水性流变助剂(防沉剂)为特殊的酰胺化合物，优选帝斯巴隆 AQH-800或AQ-600。
所述水性分散剂为氨基丙烯酸酯类共聚物、磷酸盐类、多元酸均聚物中的一种或几种，优选EFKA-4580。
所述润湿剂为双胞硅氧烷类表面活性剂或聚醚硅氧烷共聚物，优选润湿剂TEGO-4000。
所述消泡剂为聚硅氧烷类、矿物油类中的一种或两种，优选Agitan 315。
特别地，水的沸点为100℃，常温下不易挥发，在烘烤阶段若水分挥发不尽，会有水迹产生，严重的会影响电性能，因此，需加一定量的催干剂以便在使用前去除水分。所述催干剂为金属络合物类，优选OMG 1101。
进一步地，所述金属氧化物为磷酸二氢铵、氧化铝、硅-铝合金粉、氧化锡中的一种或几种混合。
本发明公开了一种上述水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、有机粘合剂的配制
将除剩余部分比例的水和气相二氧化硅以外的原料按照预设的比例称量，用分散搅拌机缓慢搅拌5-10min，然后一边搅拌一边慢慢加入规定量的水溶性树脂，同时加快搅拌机搅拌速度至温度升至50-55℃，搅拌15-20min，当树脂完全溶解后加入剩余部分比例的水和气相二氧化硅，搅拌5-10min后趁热过滤，即得到有机粘合剂；
S2、玻璃粉的配制
将所有组分的玻璃粉各原料按比例称量，用三辊研磨机混合均匀，然后在95～105℃干燥1～2小时，干燥后在1050～1150℃熔炼1～1.5小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5～2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用；
S3、浆料的配制
按比例称取背面铝浆各组分原料混合，用高速分散搅拌机搅拌，然后在三辊研磨机上进行研磨，使浆料达到均匀分散状态，得到制备的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆。
进一步地，所述背面铝浆的浆料细度<20μm，25℃下，粘度为 20000～35000mPa·s。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的铝浆环保无毒、气味低，流动性好，印刷条件好、操作宽容度高，烧结后白度好、平整度优、致密性佳(相比溶剂型铝浆)，烧结后形成的铝背场致密、均匀，在多晶片上测试的光电转换效率＞18.5％，电池片翘曲度＜1.5mm，背场EVA剥离拉力＞10N。
基于上述理由本发明可在晶体硅太阳能电池用背面铝浆领域广泛推广。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供了一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，所述背面铝浆由以下质量百分含量的组分组成：
铝粉70～76％，所述铝粉为球形铝粉，平均粒度2.0-6.0μm，振实密度＞1.5g/cm3，纯度＞99％，氧含量＜1％；
无机粘结剂0.8～1.5％，所述无机粘结剂选用无铅玻璃粉，所述无铅玻璃粉的组成按质量百分比计包括：Bi2O3 30～40％、B2O3 15～20％、SiO2 10～ 20％、ZnO 10～15％、Sb2O3 9～15％、ZrO2 1～3％、TiO2 1～2％、V2O5 3～5％、 Al2O3 0.5～5％、BaO 0.5～2％和SrO 0～1％；所述无铅玻璃粉的粒径分布为 0.5～3μm；
有机粘合剂20～25％，所述有机粘合剂为水溶性有机粘合剂，由以下质量百分含量的原料混合制成：水溶性树脂3-5％,气相二氧化硅0.3-0.5％，水性防沉剂6-10％，水84.5-90.6％，水溶性表面活性剂0.05-0.1％。
有机助剂2～4％，为水性分散剂、水性流变助剂、润湿剂、消泡剂及催干剂中的至少一种。
金属氧化物1～2％，为磷酸二氢铵、氧化铝、硅-铝合金粉、氧化锡中的一种或几种混合。
其中，各组分的质量百分含量之和为100％。
实施例1
一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆的制备，包括如下步骤：
S1、制备水性粘合剂
称取流变助剂AQ-600 6份、去离子水74.5份、表面活性剂SDS 0.1份，用叶片式高速分散搅拌机以低速(600-800rpm/min)搅拌5-10min，随后边搅拌边加入水溶性树脂HEC 3份，提升转速至2500-3000rpm/min，在此期间，应体系的粘度急剧上升、温度也会上升至50-55℃，保持此温度继续搅拌 10-15min，随后加入去离子水16份，气相二氧化硅0.4份，继续以此转速分散5min后趁热过滤，即得到有机粘合剂，命名为OG-1。
S2、制备无铅玻璃粉
称取Bi2O3 35份、B2O3 15份、SiO2 20份、ZnO 15份、Sb2O3 9份、ZrO2 1份、TiO2 1份、V2O5 3份、Al2O3 0.5份、BaO 0.5份，共计100份，装入坩埚中、用三辊研磨机混合均匀，然后95℃干燥1小时，干燥后1050℃熔炼 1.5小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5～2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用，命名为BL-1。
S3、制备铝浆
称取铝粉71份，有机粘合剂OG-1 25份，玻璃粉BL-1 0.8份，金属氧化物磷酸二氢铵0.6份、硅铝合金粉0.5份，分散剂EFKA-4580 0.5份，润湿剂 TEGO-4000 0.5份，消泡剂Agitan-315 0.1份，催干剂OMG-1101 1.0份，分散机搅拌10-15min后，用三辊机研磨3-4遍，得到细度＜15μm、方阻＜40m Ω/□、粘度20000-25000mpas的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆。
实施例2
一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆的制备，包括如下步骤：
S1、制备水性粘合剂
称取流变助剂AQ-600 8份、去离子水72.5份、表面活性剂SDBS 0.1份，用叶片式高速分散搅拌机以低速(600-800rpm/min)搅拌5-10min，随后边搅拌边加入水溶性树脂HEC 3份、HPMC 2份，提升转速至2500-3000rpm/min，在此期间，应体系的粘度急剧上升、温度也会上升至50-55℃，保持此温度继续搅拌10-15min，随后加入去离子水14份，气相二氧化硅0.4份，继续以此转速分散5min后趁热过滤，即得到有机粘合剂，命名为OG-2。
S2、制备无铅玻璃粉
称取Bi2O3 39份、B2O3 15份、SiO2 15份、ZnO 10份、Sb2O3 10份、ZrO2 1份、TiO2 1份、V2O5 4份、Al2O3 2份、BaO 2份、SrO 1份，共计100份，装入坩埚中、用三辊研磨机混合均匀，然后95～105℃干燥1.5小时，干燥后 1150℃熔炼1小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5～2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用，命名为BL-2。
S3、制备铝浆
称取铝粉74份，有机粘合剂OG-2 20份，玻璃粉BL-2 1.2份，金属氧化物磷酸二氢铵0.6份、氧化锡0.2份、氧化铝0.2份，分散剂EFKA-4580 0.6 份，润湿剂TEGO-4000 0.6份，消泡剂Agitan-315 0.1份，催干剂OMG-1101 1.0份，去离子水1.5份，分散机搅拌10-15min后，用三辊机研磨3-4遍，得到细度＜15μm、方阻＜40mΩ/□、粘度20000-25000mpas的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆。
实施例3
一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆的制备，包括如下步骤：
S1、制备水性粘合剂
称取流变助剂AQH-800 10份、去离子水71.5份、表面活性剂四丁基溴化铵0.05份，用叶片式高速分散搅拌机以低速(600-800rpm/min)搅拌 5-10min，随后边搅拌边加入水溶性树脂HEC 2份、HPMC 1份、MC 1份，提升转速至2500-3000rpm/min，在此期间，应体系的粘度急剧上升、温度也会上升至50-55℃，保持此温度继续搅拌10-15min，随后加入去离子水14份，气相二氧化硅0.45份，继续以此转速分散5min后趁热过滤，即得到有机粘合剂，命名为OG-3。
S2、制备无铅玻璃粉
称取Bi2O3 32份、B2O3 20份、SiO2 10份、ZnO 12份、Sb2O3 14份、ZrO2 2份、TiO2 2份、V2O5 4份、Al2O33份、BaO 1份，共计100份，装入坩埚中、用三辊研磨机混合均匀，然后100℃干燥1.5小时，干燥后1100℃熔炼 1.2小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5～2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用，命名为BL-3。 2)
S3、制备铝浆
称取铝粉71.2份，有机粘合剂OG-3 23份，玻璃粉BL-3 1.0份，氧化铝 0.7份、氧化锡0.5份，分散剂EFKA-4580 0.4份，润湿剂TEGO-4000 0.6份，消泡剂Agitan-315 0.1份，催干剂OMG-1101 1.0份，去离子水1.5份，分散机搅拌10-15min后，用三辊机研磨3-4遍，得到细度＜15μm、方阻＜40mΩ /□、粘度20000-25000mpas的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆。
比较例1
在实施例1的基础上制备铝浆，去掉分散剂EFKA-4580 0.5份，将其份量转移至OG-1(25份→25.5份)，其余保持不变。
比较例2
在实施例1的基础上制备铝浆，去掉润湿剂TEGO-4000 0.5份，将其份量转移至OG-1(25份→25.5份)，其余保持不变。
比较例3
在实施例1的基础上制备铝浆，去掉催干剂OMG-1101 1.0份，将其份量转移至OG-1(25份→26份)，其余保持不变。
上述实施例和比较例汇总如表1所示，
表1.配方组分用料表
将上述实施例和比较例制得的铝浆进行电池片铝背场性能测试，具体内容如下：
(1)铝膜表面状况：凭感官检查，观察是否有不锈钢网带印痕，铝膜表面状况，是否光滑、有无铝珠、铝苞；均无记为OK。
(2)电池片弯曲程度：电池片的弯曲程度用塞尺测量，单位为mm。
(3)电性能：电池片的开路电压、光电转化效率用太阳电池片专用光电模拟测试仪器测试，按照IEC904-1公开的方法对各电池片进行测试得到。测试条件为标准测试条件(STC)：光强：1000W/m2；光谱：AM1.5G；温度：25℃。
(4)水煮性能：将印刷有铝浆的电池片置于80℃蒸馏水中，观察电池片表面有无气泡冒出及冒出的速度。
(5)附着力：3M胶带拉拭
印刷电池片并测试相关性能：125×125mm(厚度180±20μm)单晶硅片，用250目丝网印刷上述铝浆，平均单耗0.88-0.95g，干燥后印刷贺利氏9235 正银，经烘干、隧道烧结炉共烧结(峰值温度780℃，600℃以上5.6s)后测试相关性能。
测试结果列于下表2：
从测试结果上可以看出，本发明配方制备的铝浆，烧结后在硅晶片上形成厚薄适中、均匀，表面状况良好，电池片翘曲度＜1.5mm，水煮性能＞15min，电性能尚可、电池片光电转换效率＞18.5％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述背面铝浆由以下质量百分含量的组分组成：
铝粉 70～76％，
无机粘结剂 0.8～1.5％，
有机粘合剂 20～25％，
有机助剂 2～4％，
金属氧化物 1～2％，
其中，各组分的质量百分含量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述铝粉为球形铝粉，平均粒度2.0-6.0μm，振实密度＞1.5g/cm3，纯度＞99％，氧含量＜1％。
3.根据权利要求1所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述无机粘结剂选用无铅玻璃粉，所述无铅玻璃粉的组成按质量百分比计包括：Bi2O3 30～40％、B2O315～20％、SiO2 10～20％、ZnO 10～15％、Sb2O39～15％、ZrO2 1～3％、TiO2 1～2％、V2O5 3～5％、Al2O3 0.5～5％、BaO 0.5～2％和SrO 0～1％。
4.根据权利要求3所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述无铅玻璃粉的粒径分布为0.5～3μm。
5.根据权利要求1所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述有机粘合剂为水溶性有机粘合剂，由水溶性树脂、气相二氧化硅、水性助剂、水和水溶性表面活性剂按照预设比例混合而成。
6.根据权利要求5所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述水溶性有机粘合剂由以下质量百分含量的原料混合制成：水溶性树脂3-5％,气相二氧化硅0.3-0.5％，水性防沉剂6-10％，水84.5-90.6％，水溶性表面活性剂0.05-0.1％。
7.根据权利要求1所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述有机助剂为水性分散剂、水性流变助剂、润湿剂、消泡剂及催干剂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆，其特征在于，所述金属氧化物为磷酸二氢铵、氧化铝、硅-铝合金粉、氧化锡中的一种或几种混合。
9.一种如权利要求1-8任意一项权利要求所述的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、有机粘合剂的配制
将除剩余部分比例的水和气相二氧化硅以外的原料按照预设的比例称量，用分散搅拌机缓慢搅拌5-10min，然后一边搅拌一边慢慢加入规定量的水溶性树脂，同时加快搅拌机搅拌速度至温度升至50-55℃，搅拌15-20min，当水溶性树脂完全溶解后加入剩余部分比例的水和气相二氧化硅，搅拌5-10min后趁热过滤，即得到有机粘合剂；
S2、玻璃粉的配制
将所有组分的玻璃粉各原料按比例称量，用三辊研磨机混合均匀，然后在95～105℃干燥1～2小时，干燥后在1050～1150℃熔炼1～1.5小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5～2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用；
S3、浆料的配制
按比例称取背面铝浆各组分原料混合，用高速分散搅拌机搅拌，然后在三辊研磨机上进行研磨至细度≤20μm，使浆料达到均匀分散状态，得到制备的水性晶体硅太阳能电池用背面铝浆。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述背面铝浆的浆料细度<20μm，25℃下，粘度为20000～35000mPa·s。
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