CN114702240B - 一种玻璃组合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种玻璃组合物及其制备方法和应用。本申请玻璃组合物中含有纳米晶,玻璃组合物通式为TexPbyWzMmOn,其中x、y、z、m、n为原子化学计量比,M为掺杂元素;纳米晶为Te、Pb、W的至少一种元素与O形成的纳米晶体,或掺杂元素形成纳米晶体。本申请的玻璃组合物,提高了与银相互作用,窗口可调,适用于不同类型银粉;具有良好电学和力学性能;能大量溶解银,有效与氮化硅减反层反应,烧结完后出大量银颗粒,形成良好欧姆接触,降低界面复合,使得载流子更加容易到达银栅线中被收集,从而提高开压和短路电流,增加硅太阳电池电池的光电转换效率。本申请玻璃组合物与硅基材结合力强,易于钎焊,与铜锡焊带结合牢固。
Description
技术领域
本申请涉及用于银浆的玻璃粉技术领域,特别是涉及一种玻璃组合物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。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,通常将正面电极和背面电极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。
用于制备正面电极的浆料,主要是银浆,即太阳能电池银浆,其主要由银粉、玻璃组合物(或称玻璃粉)、有机相组成。玻璃组合物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,使得电池硅能够很好的与银接触,此外银浆与硅片和焊接处理同时相互作用,因此需要良好的焊接性能和力学性能。
银浆对太阳能电池成本和性能的影响极大,银浆占电池成本的20%左右,并且在其他条件一致的情况下,太阳能电池效率的58%与银浆相关;理论上可以通过开发新的金属化银浆及其关键材料玻璃组合物来提高太阳能电池效率,同时降低发电成本。
因此,如何研发一种能够更好的提高太阳能电池效率及其它性能的玻璃组合物,仍然是太阳能电池研究领域的重点。
发明内容
本申请的目的是提供一种改进的玻璃组合物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玻璃组合物,该玻璃组合物中含有纳米晶,玻璃组合物的通式为TexPbyWzMmOn,其中x、y、z、m、n为原子化学计量比,M为掺杂元素;纳米晶为Te、Pb、W中的至少一种元素与O形成的纳米晶体,和/或,至少一种掺杂元素形成的纳米晶体。
需要说明的是,本申请的玻璃组合物,其中含有Te、Pb、W和/或掺杂元素形成的纳米晶体,且玻璃组合物由Te、Pb、W、掺杂元素和O组成,制备成银浆时,提高了与银的相互作用,且窗口可调,可以适用于不同类型的银粉,从而大幅降低成本。作为太阳能电池银浆使用时,能够用于不同类型的硅电池,具有良好的电学和力学性能。本申请的玻璃组合物,能够大量溶解银,可有效的与氮化硅减反层反应,烧结完后出大量的银颗粒,形成良好的欧姆接触,降低界面复合,使得载流子更加容易到达银栅线中被收集,从而提高开压和短路电流,进而增加硅太阳电池电池的光电转换效率。另一方面,本申请的玻璃组合物与硅基材结合力强,易于钎焊,与铜锡焊带结合牢固;因此,采用本申请的玻璃组合物制备的银浆,其金属化界面焊接性能优异,在硅太阳电池金属化过程中避免采用主栅线和细栅线使用不同浆料分步印刷工艺,从而提高了生产效率,降低生产成本。
还需要说明的是,本申请的玻璃组合物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和硅发生反应,一方面产生大量银析出形成银颗粒,形成良好的欧姆接触,通过这些银颗粒使载流子更加容易被收集到银栅线中,进而提高电池的光电转换效率;另一方面由于玻璃组合物与硅、银、焊带易于反应、结合力强,且可调节,所以有非常良好的力学性能。
本申请的一种实现方式中,通式中,0.1<x<0.5、0.05<y<0.4、0.01<z<0.3、0.01<m<0.5、0.01<n<0.5。
本申请的一种实现方式中,通式中M为Li、Be、B、C、F、Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、I、Cs、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中至少一种。
本申请的一种实现方式中,纳米晶的尺度为1-100nm。
本申请的一种实现方式中,纳米晶占玻璃组合物体积的0.5v%-50v%。
本申请的一种实现方式中,纳米晶的熔点为350℃到1050℃。
本申请的另一面公开了一种采用本申请的玻璃组合物的银浆。
需要说明的是,本申请的银浆可以是太阳能电池银浆,也可以是其他用途的导电银浆。可以理解,本申请银浆的关键在于采用本申请的玻璃组合物,至于银浆中的其他组分或各组分的用量,可以参考现有的导电银浆。例如,本申请的一种实现方式中,太阳能电池银浆包含重量比70%-90%的银粉、重量比5%-15%的有机相、重量比0.5%-15%的本申请的玻璃组合物。其中,银粉和有机相可以参考现有的太阳能电池银浆,在此不作具体限定。
本申请的再一面公开了本申请的银浆在层叠电容器的内部电极、LTCC、太阳能电池、5G滤波器、离子体显示面板、触摸面板、PET为基材的薄膜开关、柔性电路板、压敏电阻和热敏电阻、压电陶瓷或碳膜电位器中的应用。
本申请的再一面公开了一种太阳能电池银浆,其包括银粉45-87wt%、有机相10-50wt%和本申请的玻璃组合物3-7wt%。
需要说明的是,本申请的玻璃组合物或银浆,虽然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组合物或银浆,以印刷出符合使用需求的图案或产品;并且,本申请的玻璃组合物或银浆,其理化性质也适用于3D打印,作为3D打印原材料;此外,玻璃组合物或银浆也可用于电子元器件封装。
本申请的再一面公开了本申请的玻璃组合物的制备方法,包括以下步骤:
(1)按要求比称取各原料、混合均匀;
(2)在高温下充分将混合均匀的原料熔融成玻璃液;
(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为10μm以下的粉料,即获得本申请的玻璃组合物。
本申请的一种实现方式中,步骤(2)具体包括,将混合均匀的原料放入坩埚中,然后将坩埚置于低于1200℃的马弗炉中加热,使混合原料熔融成均匀的玻璃液。
本申请的有益效果在于:
本申请的玻璃组合物,用于制备银浆时,提高了与银的相互作用,且窗口可调,可以适用于不同类型的银粉,适用于不同类型的半导体材料金属化。本申请的玻璃组合物,作为太阳能电池银浆使用时,能用于不同类型的硅电池,具有良好的电学和力学性能;能够大量溶解银,可有效的与氮化硅减反层反应,烧结完后出大量的银颗粒,形成良好的欧姆接触,降低界面复合,使得载流子更加容易到达银栅线中被收集,从而提高开压和短路电流,进而增加硅太阳电池电池的光电转换效率。此外,本申请的玻璃组合物与硅基材结合力强,易于钎焊,与铜锡焊带结合牢固;由本申请玻璃组合物制备的该浆料金属化界面焊接性能优异,主栅线和细栅线都可以采用相同的浆料,提高了生产效率,降低了生产成本。本申请的玻璃组合物及其制备的银浆,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是本申请实施例中玻璃组合物中纳米晶透射电镜图;
图2是本申请实施例中银栅线与硅太阳电池电池间界面的低倍率扫描电镜图;
图3是本申请实施例中银栅线与硅太阳电池电池间界面的高倍率扫描电镜图;
图4是本申请实施例中硅太阳电池金属化后,焊接拉力测试完成后的硅片表面照片。
具体实施方式
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
本例的玻璃组合物的通式为TexPbyWzMmOn,其中x、y、z、m、n为原子化学计量比,按照通式的配比配料100g;混合均匀后放入氧化铝坩埚中,将坩埚放入马弗炉内加热充分熔融。熔制好的玻璃液倒入冷却;然后采用球磨粉制备至粒径D90在5μm以下,得到本例的玻璃组合物。本例对各成分的用量进行了试验,各成分的配比如表1所示。
表1玻璃组合物各组分及配比
对编号1至100的玻璃组合物进行纳米晶透射电镜观察,部分结果如图1所示。对纳米晶的尺度和体积占比的统计结果显示,本例制备的纳米晶的尺度为1-100nm,纳米晶占玻璃组合物体积的0.5v%-50v%。
将按照表1配方制备的玻璃组合物,玻璃组合物的编号为1至100,对应玻璃组合物的编号,制备对应的银浆,银浆编号1至100与玻璃组合物编号一一对应。标样采用进口银粉和国产银粉进行对比,具体的,进口银粉为银粉DOWA-4A8F,国产银粉为中船重工黄冈贵金属有限公司S334。
按照银浆中银粉含量87wt%,有机相10wt%,玻璃组合物3wt%的配比制备银浆。将银浆在硅太阳电池上丝印烧结后测试电池效率,包括短路电流密度(Isc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)、Rs(太阳电池的串联电阻)、Rsh(太阳电池的并联电阻)和电池片的转换效率(NCell),测试温度为25℃。测试结果如表2所示。其中,有机相配方为:乙基纤维素5重量份、聚酰胺蜡5重量份、松油醇20重量份、树脂70重量份。编号1至100的银浆中采用的银粉为进口银粉。
表2不同玻璃组合物制备的银浆的性能测试结果
表2中,进口银粉和国产银粉作为对照,采用的玻璃粉为表1中的对比样。
表2的结果显示,试验1至100的玻璃组合物制备的太阳能电池银浆,其制备得到的太阳能电池,开压、电流和效率显著高于进口银粉和国产银粉对照,证明本例的玻璃组合物能够降低接触电阻和界面复合,提高了太阳能电池的光电转化效率,表现出独特的电学性质。
采用扫描电镜观察烧结后的银栅线与硅层之间的界面,结果如图2和图3所示,图2是低放大倍数下的观察结果图,图3是高放大倍数的观察结果图。结果显示,在烧结后的Ag栅线与硅之间可以看到大量还原出的Ag颗粒,特别是图3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。
图4是电池片焊接后,通过拉力测试硅片表面的情况,焊带将硅基中的硅拉碎裂,说明银浆对硅和焊带具有良好的附着力,力学性质优异。
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 (6)
1.一种玻璃组合物,其特征在于:所述玻璃组合物中含有纳米晶,所述玻璃组合物的通式为TexPbyWzMmOn,其中x、y、z、m、n为原子化学计量比,M为掺杂元素;
所述纳米晶为Te、Pb、W中的至少一种元素与O形成的纳米晶体,和/或,至少一种掺杂元素形成的纳米晶体;
所述通式中,0.1<x<0.5、0.05<y<0.4、0.01<z<0.3、0.01<m<0.5、0.01<n<0.5;
所述通式中,M为Li、Be、B、C、F、Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、I、Cs、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中至少一种;
所述纳米晶的尺度为1-100nm,所述纳米晶占玻璃组合物体积的0.5v%-50v%。
2.根据权利要求1所述的玻璃组合物,其特征在于:所述纳米晶的熔点为350℃到1050℃。
3.一种采用权利要求1或2所述的玻璃组合物的银浆。
4.根据权利要求3所述的银浆在层叠电容器的内部电极、LTCC、太阳能电池、5G滤波器、离子体显示面板、触摸面板、PET为基材的薄膜开关、柔性电路板、压敏电阻和热敏电阻、压电陶瓷或碳膜电位器中的应用。
5.一种太阳能电池银浆,其特征在于:包括银粉45-87wt%、有机相10-50wt%和权利要求1或2所述的玻璃组合物3-7wt%。
6.根据权利要求1或2所述的玻璃组合物的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
(1)按要求比称取各原料、混合均匀;
(2)在高温下充分将混合均匀的原料熔融成玻璃液;
(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为10μm以下的粉料,即获得所述玻璃组合物;
步骤(2)具体包括,将混合均匀的原料放入坩埚中,然后将坩埚置于低于1200℃的马弗炉中加热,使混合原料熔融成均匀的玻璃液。
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