CN115440409A - 一种N-TOPCon太阳电池用银铝浆及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种N‑TOPCon太阳电池用银铝浆及其制备方法和应用，涉及太阳电池金属化技术领域。具体而言，所述银铝浆包括银粉、铝粉、第一添加剂、第二添加剂和溶剂制备得到，其中，所述铝粉为氧化锡包覆型粉状材料；制备方法简单高效，易于复现。本发明采用特殊结构的铝粉替代传统铝粉或高含氧量铝粉，在铝粉表面形成纳米氧化锡覆盖层的过程中不会增长表面氧化铝膜层厚度，同时可促进铝与银互溶，减慢铝在p+硅层的渗入，起到降低接触电阻和减慢铝硅共晶，提升太阳电池电性能的作用，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，具体而言，涉及一种N-TOPCon 太阳电池用银铝浆及其制备方法和应用。
背景技术
光伏产业是能源转型的决定力量之一，降本增效是我国实现光伏平价上网的基础，而对光伏电池的研发是光伏产业最重要的一环。随着对市场对晶硅太阳电池效率要求的不断提升，N型硅太阳电池具有更大的载流子扩散长度和更长的少子寿命等优点，逐渐取代传统P型硅太阳电池的市场份额。N型太阳电池按其采用的工艺手段主要分为叉指状背接触(IBC)太阳电池、异质结(HIT)太阳电池、全钝化发射极背部局域扩散(PREL)太阳电池、发射极钝化全背场扩散(PERT) 太阳电池，以及隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池。其中，异质结和隧穿氧化层钝化接触这两种太阳电池均为N型硅太阳电池中的代表性工艺，目前技术发展迅速；而隧穿氧化层钝化接触 (TOPCon，Tunnel Oxide Passivated Contact)相较于异质结具有更低的成本，且相较于传统P型PERC工艺传承性好，在市场中增长迅速。
和PERC工艺制备的太阳电池一样，金属化工艺技术是隧穿氧化层钝化接触型太阳电池降本增效的关键。金属化工艺不仅影响电池的光电转换效率，同时还影响电池的使用寿命，其中，金属化的原料浆料在金属化过程中起着相当重要的作用。对于N型TOPCon太阳电池正面发射极，硼扩散的p+区与银的接触电阻非常大，需要通过少量铝改善接触；但是在烧结过程中，铝粉活性高于银粉，容易通过铝硅共晶形成铝尖楔效应和铝硅空洞，带来开路电压的急剧下降并影响电池电性能。
对此问题的传统改善方法为采用高氧含量铝粉(Al-Al2O3)，即表面氧化铝厚膜层，用来抑制铝硅共晶，但是，由于表面氧化铝的致密性，不可避免影响烧结后的接触电阻，所以需要在氧含量上寻求性能妥协平衡，但无法实质上解决此矛盾。因此，需要一种新的银铝浆料以解决铝对电性能的影响。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种N-TOPCon太阳电池用银铝浆，为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种N-TOPCon太阳电池用银铝浆，所述银铝浆包括如下组分制备得到：银粉、铝粉、第一添加剂、第二添加剂和溶剂；
其中，所述铝粉为氧化锡包覆型粉状材料。
优选地，所述银铝浆包括按质量份数计的如下组分制备得到：银粉75～100份、铝粉0.5～5份、第一添加剂0.2～8份、第二添加剂0.5～8 份和溶剂1～7份；
更优选地，所述银铝浆包括按质量份数计的如下组分制备得到：银粉87～90份、铝粉1～3份、第一添加剂1～4份、第二添加剂2.5～5.5 份和溶剂3～5份；
作为一种可选的实施方式，所述组分的质量份数分别包括但不限于如下数值：银粉75、76、78、80、82、84、86、88、90、92、94、 96、98、100；铝粉0.5、1、2、3、4、5；第一添加剂0.2、0.5、1、 2、3、4、5、6、7、8；第二添加剂0.5、1、2、3、4、5、6、7、8；溶剂1、2、3、4、5、6、7；
进一步优选地，所述银铝浆由按质量百分比计的如下组分制备得到：银粉87％～90％、铝粉1％～3％、第一添加剂1％～4％、第二添加剂2.5％～5.5％和溶剂3％～5％；其中，质量百分比的总和保持为100％；
作为一种可选的实施方式，所述银铝浆的制备原料仅包含上述组分，所述组分的质量百分比依次地包括但不限于如下数值：银粉87％、 88％、89％、90％；铝粉1％、1.5％、2％、2.5％、3％；第一添加剂1％、 2％、3％、4％；第二添加剂2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％；溶剂3％、3.5％、4％、4.5％、5％；
在本发明中通过合理配比各组分的重量区间，使浆料或太阳电池兼顾烧结性能、导电性能和印刷性能。
优选地，所述铝粉的粒径为3μm～10μm；
作为一种可选的实施方式，所述铝粉的粒径包括但不限于如下参数或属于如下参数构成的区间内的任一取值：3μm、4μm、5μm、6μm、 7μm、8μm、9μm、10μm。
优选地，所述氧化锡的粒径20nm～100nm；
作为一种可选的实施方式，在所述氧化锡的粒径包括但不限于如下参数或属于如下参数构成的区间内的任一取值：20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm；
优选地，所述铝粉中，铝与锡的摩尔比为1:1～1:3；
作为一种可选的实施方式，所述铝与锡的摩尔比包括但不限于如下参数或属于如下参数构成的区间内的任一取值1：1、1：1.2、1： 1.5、1：1.8、1：2、1：2.2、1：2.5、1：2.8、1：3；
在本发明中采用一种特定的氧化锡包覆型铝粉替代传统高含氧量铝粉；纳米级氧化锡作为覆盖层均匀分布于铝前体的外表，进而在后续高温金属化过程中降低了铝氧化生成氧化铝膜的比率，同时，即使存在部分铝氧化现象，氧化锡包覆层也会起到约束氧化铝膜层厚度的作用，由此避免铝硅共晶形成铝尖楔效应或铝硅空洞，进而避免了由铝掺杂引起电性能损失；
此外，与常规铝粉相比，在包覆氧化锡层后的铝粉与银粉的互溶性更好，且微米级的粒径减缓了铝对p+硅层的渗入，同样能起到降低接触电阻、避免铝硅共晶的效果，对Voc等电性能的提升显著。
优选地，所述银粉采用微米级配、纳米级配或是二者的混合；具体而言，所述银粉的粒径为2μm～8μm，和/或，所述银粉的粒径为 10nm～100nm；
作为一种优选的实施方式，所述银粉的粒径包括但不限于如下参数或属于如下参数构成的区间内的任一取值：2μm、3μm、4μm、5μm、 6μm、7μm、8μm；或者，10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、 70nm、80nm、90nm、100nm。
优选地，所述第一添加剂包括有B单质和B2O3；在本发明中所述第一添加剂属于无机粘结剂，可选地采用硼系玻璃粉；
更优选地，所述第一添加剂还包括PbO、V2O5、Bi2O3中的至少一种；
更优选地，所述第一添加剂还包括ZnO、TeO2、WO3、Sb2O3、 BaO、CaO、AgO、Tl2O3、SiO2中的至少一种；
优选地，所述第一添加剂的粒径为1μm～3μm；
作为一种可选的实施方式，所述第一添加剂的粒径包括但不限于如下参数或属于如下参数构成的区间内的任一取值：1μm、1.5μm、 2μm、2.5μm、3μm；
在本发明中通过在第一添加剂中掺杂其他金属氧化物，实现了导电浆料在较低温度(约200℃～300℃)开始融化，通过第一添加剂在融化熔融过程中快速与银粉、玻璃相形成胶体，对银粉形成润湿性包覆，降低熔化温度和接触势能，在低温条件下实现快速金属化。
优选地，所述第二添加剂包括有胶粘剂；更优选地，所述第二添加剂还包括触变剂、分散剂和湿润剂中的至少一种；所述第二添加剂可以仅为胶粘剂，也可以是所述胶粘剂和所述润湿剂的组合，或是所述胶粘剂、所述触变剂和所述湿润剂的组合，或是所述胶粘剂、所述触变剂、所述分散剂和所述湿润剂的组合等等；
更优选地，所述胶粘剂包括乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、苯氧树脂、PVB树脂和丙烯酸树脂中的至少一种；在本发明中，所述胶粘剂除了起到引导银铝浆与硅层进行粘接的作用外，还能起到辅助银粉、铝粉溶解，以及降低烧结温度的作用；
更优选地，所述触变剂包括气相二氧化硅、聚酰胺蜡和聚酰胺改性氢化蓖麻油中的至少一种；所述触变剂能够更好地改善胶粘剂的流动性，在烧结过程中形成液相，促进对相体的包覆以及高效的热传导，进一步加速金属化的快速实现；
更优选地，所述分散剂包括丙烯酸系分散剂中的一种；所述分散剂能够防止各粉体团聚；当粉体越小时越容易熔化，反之易团聚而降低熔化速度；
更优选地，所述湿润剂包括二甲基硅油；所述湿润剂和各粉体形成接触并起到表面过渡的作用，加速溶剂组分分散粉体，同时湿润剂还能起到加速传热的效果。
优选地，所述溶剂包括醇酯十二、乙二醇丁醚醋酸酯、乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇二丁醚、己二酸二甲酯、三乙酸甘油酯和邻苯二甲酸二甲酯中的至少一种。
本发明的第二目的在于提供一种所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆的制备方法，包括如下步骤：
将银粉、铝粉、第一添加剂、第二添加剂和溶剂充分混合，均化分散，至混合物的细度小于10μm后，得到所述银铝浆；
优选地，所述铝粉的制备方法包括如下步骤：通过气相法合成微米级铝粉前体，将所述铝粉前体添加至含有锡离子的分散液中，浸渍、过滤，将过滤所得的固体烘干，得到所述铝粉；但需要注意的是，本发明仅给出如上述的一种可行的氧化锡包覆型铝粉的制备方法，不代表只能通过上述方法制备得到氧化锡包覆型铝粉；
更优选地，所述气相法包括物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、真空蒸镀法(VEROS)中的一种；
更优选地，所述含有锡离子的分散液包括任意一种可溶性锡盐的溶液，进一步优选地为氯化锡溶液；
优选地，所述混合包括如下步骤：将所述第一添加剂、所述第二添加剂和所述溶剂预混合，而后加入所述银粉和所述铝粉并充分混合。
优选地，所述混合通过匀胶机进行；所述分散通过三辊机进行，当三辊机的刮板细度小于10μm时，停止运行并获得所述银铝浆。
本发明的第三目的在于提供所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆在太阳电池中的用途。
本发明的所述银铝浆在与N-TOPCon太阳电池的各层级结构进行复合后进行金属化，烧结后的银铝浆构成太阳电池的发射极(电极)；对于双面电池结构，本发明的所述银铝浆可同时用于正表面和背表面以提高光电转换效率，也可以仅用于正表面或背表面以达到降低成本的效果；当同时用于正表面和背表面时，正背面所用浆料可以不同，如在正面使用含银粉比例高的浆料，在背面使用含银粉比例低的浆料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在本发明中通过采用一种特殊的氧化锡包覆型铝材料替换传统铝粉或高含氧量铝粉，解决了现有技术中铝粉易产生铝硅共晶，或是高含氧量铝粉表面致密的氧化膜会使金属化后的接触电阻升高的技术问题；本发明还提供了氧化锡包覆型铝粉的制备方法，简单易行，易于量产实现。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
(1)铝粉的制备：将电子级纯硼、PbO、以及SiO2按照质量比 1:1:1进行研磨混合，使其单体物相粒径小于100nm、粉体粒径约 3μm～5μm。
(2)银铝浆的制备：称取得到按质量百分比计的组分如下：银粉80％、铝粉1％、第一添加剂(Te-Bi-B-Pb-Zn玻璃粉体系)3％、羟乙基纤维素树脂5％、气相二氧化硅3％、溶剂(乙二醇丁醚醋酸酯、乙二醇乙醚醋酸酯)8％；
将羟乙基纤维素树脂、气相二氧化硅、第一添加剂投加至匀胶机中预混合，启动搅拌15min，搅拌频率为120r/min，而后投加步骤(1) 中制得的铝粉和银粉，继续搅拌15min，搅拌频率为120r/min；而后将物料转移至三辊机上分散，直至刮板细度为10μm时，停止三辊机并获得银铝浆料。
(3)N-TOPCon太阳电池的制备：
对n型硅片进行清洗、制绒后在通过扩散硼元素形成pn结，满足p+发射级；在电池片背面制备氧化层作为钝化保护，在正面通过 PECVD形成厚度约80nm～100nm的薄膜，达到表面钝化。通过离子注入的方式印刷导电浆料，在导电浆料注入后在连续变化的温度区间内(480℃～550℃)快速烧结得到电池片。
实施例2
与实施例1基本相同，区别仅在于:
在步骤(1)中：将电子纯PbO、V2O以及SiO2按照质量分数2： 1:2进行研磨混合；
在步骤(2)中：称取得到按质量百分比计的组分如下：银粉80％、铝粉1％、第一添加剂(Te-Bi-B-Pb-Zn玻璃粉体系)3％、羟乙基纤维素树脂5％、气相二氧化硅3％、溶剂(乙二醇丁醚醋酸酯、乙二醇乙醚醋酸酯)1％、聚酰胺改性氢化蓖麻油0.005％、丙烯酸树脂3％、二甲基硅油4％。
实施例3
与实施例1基本相同，区别仅在于:
采用丙烯酸-苯氧树脂替换羟乙基纤维素树脂体系，第一添加剂替换为Te-Bi-B-Pb-Zn玻璃粉体系，气相二氧化硅替换为聚酰胺蜡。
对比例1
与实施例1基本相同，区别仅在于:将铝粉替换为常规分析纯铝粉。
对比例2
与实施例1基本相同，区别仅在于:将铝粉替换为高氧含量铝粉 (Al-Al2O3)。
对比例3
与实施例2基本相同，区别仅在于:将铝粉替换为常规分析纯铝粉，且不添加气相二氧化硅、丙烯酸树脂、二甲基硅油和聚酰胺改性氢化蓖麻油。
表1各太阳电池性能参数对比表
| Eff(％) | Voc(V) | Isc(A) | FF(％) | Rs(Ω) | |
| 实施例1 | 23.56 | 0.698 | 11.27 | 81.22 | 0.00195 |
| 实施例2 | 23.74 | 0.699 | 11.32 | 81.29 | 0.00187 |
| 实施例3 | 23.42 | 0.693 | 11.29 | 81.17 | 0.00214 |
| 对比例1 | 22.19 | 0.645 | 10.80 | 80.06 | 0.00297 |
| 对比例2 | 22.79 | 0.667 | 11.18 | 80.04 | 0.00297 |
| 对比例3 | 22.92 | 0.672 | 11.28 | 80.98 | 0.00255 |
其中，Eff为光电转化效率，Voc为开路电压，Isc为短路电压， FF为填充因子，Rs为串联电阻。以上参数均在标准测试条件(STC， 25℃.1000W/m2光强)下开展测试。
通过表1可以看出，本发明通过采用一种特殊的氧化锡包覆型铝粉取代常规铝粉或高含氧量铝粉，Voc、FF、Rs上均有改善，具有更好的电性能并使太阳电池的效率提升，具有高度产业价值以及良好的应用前景。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，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；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，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；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述银铝浆包括如下组分制备得到：银粉、铝粉、第一添加剂、第二添加剂和溶剂；
其中，所述铝粉为氧化锡包覆型粉状材料。
2.根据权利要求1所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述银铝浆包括按质量份数计的如下组分制备得到：
银粉75～100份、铝粉0.5～5份、第一添加剂0.2～8份、第二添加剂0.5～8份和溶剂1～7份；
优选地，银粉87～90份、铝粉1～3份、第一添加剂1～4份、第二添加剂2.5～5.5份和溶剂3～5份。
3.根据权利要求1所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述铝粉的粒径为3μm～10μm；
优选地，所述氧化锡的粒径为20nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述银粉的粒径为2μm～8μm；
和/或，所述银粉的粒径为10nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述第一添加剂包括有B单质和B2O3；
优选地，所述第一添加剂还包括PbO、V2O5、Bi2O3中的至少一种；
优选地，所述第一添加剂还包括ZnO、TeO2、WO3、Sb2O3、BaO、CaO、AgO、Tl2O3、SiO2中的至少一种；
优选地，所述第一添加剂的粒径为1μm～3μm。
6.根据权利要求1所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述溶剂包括醇酯十二、乙二醇丁醚醋酸酯、乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇二丁醚、己二酸二甲酯、三乙酸甘油酯和邻苯二甲酸二甲酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆，其特征在于，所述第二添加剂包括胶粘剂；所述第二添加剂还包括触变剂、分散剂和湿润剂中的至少一种；
优选地，所述胶粘剂包括乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、苯氧树脂、PVB树脂和丙烯酸树脂中的至少一种；
优选地，所述触变剂包括气相二氧化硅、聚酰胺蜡和聚酰胺改性氢化蓖麻油中的至少一种；
优选地，所述分散剂包括丙烯酸系分散剂中的一种；
优选地，所述湿润剂包括二甲基硅油。
8.如权利要求1～7任一项所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将银粉、铝粉、第一添加剂、第二添加剂和溶剂充分混合，均化分散，至混合物的细度小于10μm后，得到所述银铝浆；
优选地，所述铝粉的制备方法包括如下步骤：通过气相法合成微米级铝粉前体，将所述铝粉前体添加至含有锡离子的分散液中，浸渍、过滤，将过滤所得的固体烘干，得到所述铝粉。
9.根据权利要求8所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆的制备方法，其特征在于，所述混合包括如下步骤：
将所述第一添加剂、所述第二添加剂和所述溶剂预混合，而后加入所述银粉和所述铝粉并充分混合。
10.如权利要求1～7任一项所述的N-TOPCon太阳电池用银铝浆在太阳电池中的用途。
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