硅基太阳电池及其所用正银浆料概述

技术产品与工程硅基太阳电池及其所用正银浆料概述浙江亚通焊材有限公司 浙江省钎焊材料与技术重点实验室 ■ 马君杰* 冯斌 钟海锋摘 要：介绍了不同硅基太阳电池技术优势及其所用正面导电银浆的作用及组成，对比了国内外各正银浆料供应商针对不同电池技术所研发的正面银浆，分析了各种正银浆料产品的不同与现状，总结并展望了未来高效电池技术及正银浆料发展的方向，为未来光伏技术的发展及正银浆料国产化提供了一定的思路。关键词：硅基太阳电池；不同电池结构；正银浆料；浆料生产商0 引言硕禾)垄断，这4家供应商约占所需浆料份额的太阳能是可再生能源中最具代表性的一种，80%[4]。国内的正银浆料生产商多处于初步发展人们对太阳能的利用主要有光热和光电两种，其阶段，浆料依赖进口，在很大程度上提高了太阳中，光电转换又可分为光-热-电转换和光-电电池的制造成本，制约了我国太阳电池企业的市直接转换[1]。光电直接转换是利用光生伏特效应，场竞争力和发展。将太阳辐射能直接转换为电能，最常见的就是太本文简要介绍了不同结构的硅基太阳电池及阳电池[2]。其所用的正银浆料，对比了国内外不同导电浆料1954年，贝尔实验室首次成功的制成了转供应商针对不同电池结构推出的正银浆料性能参换效率为6%的实用型晶体硅太阳电池[3]，自此数，为正银浆料国产化提供了思路。开启了太阳电池的发展道路。为提高太阳电池的转换效率，各企业不断设计更高效的太阳电池结1 不同硅基太阳电池技术构及用于太阳电池的导电银浆。晶体硅太阳电池主要由经过不同工艺处理的硅正面导电银浆(简称“正银浆料”)是制备基片、正面电极、铝背场及背面电极等组成。图1太阳电池的主要原材料之一，高质量的浆料是太～图5分别为不同技术的太阳电池结构示意图。阳电池获得高转换效率、降低度电成本的关键因图1为常规太阳电池结构示意图，常规太阳素。目前，正银浆料国际市场基本被4家大型供电池的制备工艺简单、成本较低，但和其他硅基应商(美国杜邦、德国贺利氏、韩国三星、台湾太阳电池技术相比，其转换效率较低。收稿日期：2017-08-29 基金项目：浙 江省重点研发项目：先进连接材料(2017C01076)；浙江省科技计划项目(2016F50055)通信作者：马君杰(1991—)，男，硕士，主要从事太阳电池导电银浆方面的研究。1525179051@qq.com32SOLAR ENERGY 04/20182018.04印刷.indd 322018-4-23 19:20:30技术产品与工程正面电极IBC太阳电池，即叉指背电极太阳电池，结构如图4所示[6]。其优势主要体现在[7]：1)转换效率高，正面无栅线使入射光子数量最大化；2)减反射膜表面轻掺杂，增强了短波光谱响应；3)基区和发n射区的电极均制作在背面，可实现电池正、负极p-n型硅结焊线的共面拼装，简化了光伏组件制作工艺流程，铝背场p型硅背面电极易实现自动化，提高生产效率。图1 常规太阳电池结构示意图PERC太阳电池，即钝化发射极及背面太阳电池，结构如图2所示。PERC太阳电池与常规SiN太阳电池的主要区别在于[5]SiO2：1)PERC太阳电池n+发射极在背表面有钝化介质层(多为Aln型硅2O3)和保护层(多p+发射极为SiNx)；2)常规太阳电池铝背场与硅片完全接SiO2触，而PERC太阳电池铝背场是通过激光开窗的SiNn+发射极接触式电极空洞区域与硅片进行局部接触。图4 IBC太阳电池结构示意图正面电极图5为HIT太阳电池(异质结太阳电池)结构示意图[8-9]。HIT太阳电池以高质量超薄本征非晶硅层对晶体硅基底材料的两面进行钝化，减反射膜降低表面复合损耗，提高了器件对光生载流子的n型硅p-n结收集能力，从而形成高效的新型晶体硅太阳电池。p型硅氧化铝P+发射级其主要优势有[10-11]：1)采用低温技术，整个烧结氮化硅背面电极铝背场工艺可在200 ℃左右完成，减少能耗，降低成本；图2 PERC太阳电池结构示意图2)光电转换效率高；3)稳定性好，没有形成B-O图3为n型晶体硅太阳电池结构示意图。n复合体而导致的光衰效应。正面电极型晶体硅太阳电池较p型晶体硅太阳电池具有少子寿命高、光致衰减小等优点，有更大的效率提升空间。同时，n型晶体硅太阳电池还具TCO有弱光响应好、温度系数低等优点。p型非晶硅本征非晶硅正面电极n型硅本征非晶硅n型非晶硅TCO背面电极SiNSiO2图5 HIT太阳电池结构示意图p+发射极n型硅n+发射极SiO22 硅基太阳电池用正银浆料背面电极SiN2.1 正银浆料在太阳电池中的作用图3 n型晶体硅太阳电池结构示意图正银浆料是通过丝网印刷将银浆印刷在晶体33SOLAR ENERGY 04/20182018.04印刷.indd 332018-4-23 19:20:31技术产品与工程硅片上，然后经过烘干和烧结工艺在硅片表面形般占浆料总量的5%～15%[19]。通过调节有机载成电极或电路。在光照条件下，硅片中的p-n结体的组成和含量可以改变浆料的粘度、挥发性、产生的光生电子会朝着电池正面电极运动，空穴触变性等性能，使浆料在印刷时具有较高的流动朝着背电极运动。如果电子运动到正面电极之前性，增大栅线高宽比，提高电池的转换效率。正未被缺陷或杂质复合就会被电极收集，进而形成银浆料这些组成成分的性能和比例会直接影响太电流流至外电路。因此，这对浆料的要求较高，阳电池的转换效率。如形成良好的欧姆接触、低的接触电阻、良好的2.2.2 低温固化型正银浆料印刷性、良好的附着力等。浆料的质量和性能对HIT太阳电池的正面电极通常在200 ℃左右晶体硅太阳电池的效率有重要影响，近年来晶体进行烧结，因此，必须使用低温型电极浆料。低硅太阳电池转换效率的提高大部分要归功于浆料温银浆成分主要由银粉、树脂、溶剂及添加剂组的改善，尤其是正银浆料。不过由于不同种类太成[8-9]。其中，银粉为导电相，树脂是粘结相，阳电池的结构和制备工艺有差别，对正银浆料的溶剂用来溶解树脂、控制浆料的挥发性等，添加性能要求也有所差异，主要包括高温型和低温型，剂则是用来改变浆料的各种性能，使其适用于分别应用于晶体硅太阳电池和HIT太阳电池。HIT太阳电池电极的印刷和固化工艺。2.2 正银浆料的分类与组成低温固化型正银浆料中，一种为热塑性浆料，2.2.1 高温烧结型正银浆料采用热塑性树脂，其溶剂含量较多，固化工艺窗高温烧结型正银浆料一般由银粉、玻璃粉口较窄[10]；另一种采用热固性树脂，称为热固和有机载体等组成。由于银具有良好的导电性，性浆料，加热时，热固性聚合物在相邻的聚合链且相对于其他贵金属而言价格便宜，因此在导间形成化学键，导致形成三维网络结构，比热塑电浆料中具有导电功能，银粉一般占浆料总量性浆料形成的二维结构要刚硬[11]。的80%～90%[4]。文献[12-15]的研究结果表明，银粉粒径分布、微观形貌、含量等对太阳电池的3 适用于不同太阳电池技术的正银浆料转换效率有重要影响。目前银浆中广泛使用的是导电银浆的品质对太阳电池的电性能起着决微米、亚微米级超细球形银粉，能与硅基片形成定性作用，优质的导电银浆是制造高效太阳电池良好的欧姆接触，接触电阻较低，导电性良好。的关键。虽然目前国内企业生产的浆料市场占有玻璃粉作为无机粘结剂，决定着导电浆料对太率较低，但在国内浆料生产商的努力下，国产浆阳电池减反射膜的腐蚀穿透力和银膜电极与硅料与进口浆料的性能差距已经较小，主要是稳定基体的结合力；以及溶解Ag，并输送到Ag/Si性与品牌知名度还亟需提高。表1～表5列举了界面，保证Ag与Si形成良好的欧姆接触。玻国内外浆料商为不同结构太阳电池设计的最新正璃粉一般占浆料总量的2%～10%[4]。文献[16-18]银浆料的性能参数[20]。的研究发现，具有适当融化温度和润湿能力的由于常规太阳电池技术的发展较为成熟，其玻璃粉，有助于降低银电极体电阻和接触电阻，使用的正银浆料研发较早、技术更新较快、国产增加焊接拉力，是获得最佳电池性能的关键因产品型号较多，部分国产浆料在性能上可与进口素之一。有机载体主要由有机溶剂、树脂、添加浆料相媲美。目前，国内只有少部分企业采用无剂等组成，其作用是分散和润湿浆料中的银粉及铅玻璃粉。PERC太阳电池结构和常规太阳电池玻璃粉，控制浆料的流变性能，使浆料具有良好相比，主要区别在于背表面沉积钝化层和激光开的印刷性能，最后在烧结的过程中挥发出去，一窗结构，就正面结构而言区别较小，PERC太阳34SOLAR ENERGY 04/20182018.04印刷.indd 342018-4-23 19:20:31技术产品与工程电池的烧结温度相对较低些，因此，有些常规太触电阻。对于HIT太阳电池而言，高温会对电阳电池正面银浆可以兼容PERC太阳电池。n型极下面掺杂的非晶硅薄膜产生损伤[21]，因此必晶体硅太阳电池，如IBC太阳电池，由于其特须采用低温浆料。低温浆料中不含玻璃粉，固殊的结构和制备工艺，其导电银浆中导电相为化温度在200 ℃以下，无银粉烧结过程，银粉Ag-Al合金，可以在p+发射极硅表面获得低接之间、银与硅之间通过有机树脂相进行粘结。表1 常规太阳电池正银浆料企业名称美国 德国 韩国 无锡浙江 浙江 湖南 江苏 上海浙江 江苏深圳参数杜邦贺利氏三星帝科亚通光达国银欧耐尔匡宇中希泓源首骋PA-型号PV20ASOL9641DK91YT-GF518B/SNM FS928- TC-L6655/SS-系列SF8730系列系列FP01GF536X601AG10858A1L6656316SC180年份201720172017201620172017-20162016201720162016固含量90～9290～929186～9290～90～ /%9290～9292909188～929290～92浆料细度 /µm<12-<10<5<5<10<7<5<10<5<10<8玻璃粉 有无铅有有无有有有有有无有有有印刷速度/mm•s-1300>350350400350350400300450300-380接触电阻/Ω<3×10-60.30.46<0.50.25<0.0011.6--<2.2--湿重 /mg90～110110110100～100～120120120-100～12010590～110110105高宽比>0.350.40.32>0.5>0.350.43/0.530.360.450.320.3->0.45效率提升/%>0.10.2->0.05----->0.05--兼容性兼容兼容兼容PERCPERC-PERC--------表2 PERC太阳电池正银浆料参数企业名称美国杜邦韩国凤凰江苏欧耐尔苏州腾瑞上海匡宇型号PV76XSA09P1FS928-G9GF-125TC-858P年份20152017201520162016固含量/%90.8±192±0.59090.591浆料细度/µm<10<5<5<8<10玻璃粉有无铅有有有有无印刷速度/mm•s-1300300300280450湿重/mg100～12090～110110100105结合力/N>1.53～5>32.72.8效率/%提升>0.121.5>21.5•󰀡-提升 0.21135SOLAR ENERGY 04/20182018.04印刷.indd 352018-4-23 19:20:32技术产品与工程表3 n型晶体硅太阳电池正银浆料参数企业名称美国杜邦德国贺利氏韩国凤凰无锡帝科深圳首骋型号PV3NxSOL9360ASN03DK70XSN300/SN301年份20122016201720052016金属相Ag～AlAg～AlAg～AlAg～AlAg～Al固含量/%89.4～90.4-92～9486～9290～92浆料细度/µm<18-<5<10<8玻璃粉有无铅有有有有有印刷速度/mm•s-1300300300400380接触电阻/Ω--<0.04<1-湿重/mg100～12011090～110100～12040～65高宽比0.3-0.44>0.50.45～0.5效率/%提升>0.1-230.221.3表4 HIT太阳电池正银浆料参数企业名称德国贺利氏苏州腾瑞型号SOL530SOL540/550/560/570、LT-1056/1057GF-300X年份2011-2017电池技术有机光伏、薄膜电池、HIT CIGS、a-Si薄膜电池、HIT GIGS、a-SiHIT固含量/%--90浆料细度/µm--<8聚合物类型热塑性热塑性热塑性印刷速度/mm•s-1320200280烧结温度/℃125～135200180～20结合力/N113效率/%-21.9～22.8-4 总结与展望银浆越来越专业化。因此，未来硅基太阳电池技目前，为了使光伏发电具有竞争力，提高术和银浆的发展主要趋势为：太阳电池的光电转换效率且降低其生产成本是1)采用基于n型晶体硅和PERC高效技术优产业发展的核心目标。未来的硅基高效技术主化太阳电池结构，并针对不同太阳电池结构设计要是基于n型和PERC技术来制备方阻高、少所需要的新型导电浆料；子寿命高、光致衰减小、弱光响应好的硅基片。2)导电银浆用银粉粒径超细化，多种粒径的其中，PERC太阳电池在生产上相对容易实施，银粉混合使用；只需在常规太阳电池的制备工艺中增加2个工3)玻璃粉无铅化，有利于环境保护；序：沉积背面钝化叠层和背面钝化层激光开窗。4)为了降低成本，在保证栅线印刷高精度的对银浆而言，电阻小、高宽比大、降低银含量、同时降低浆料中银的含量。玻璃粉无铅化是未来的发展目标。综上所述，为了提高太阳电池的转换效率，参考文献[1]王建华, 吴季平, 徐伟. 太阳能应用研究进展[J]. 水电能源降低度电成本，越来越多的电池技术涌现，导电科学, 2007, 25(4): 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Journal of Applied Physics, 2009, 105(10): 1211the Formation and Temperature Dependence of Thick-Film Ag －1214.(接第74页)结果表明，石墨烯镀膜玻璃拥有卓越的超亲水效及生产制程等多方面进行创新，电流在细栅上果，它可以让玻璃表面的积灰快速被雨水带走，传导距离缩短，降低了串联电阻、隐裂热阻及且没有污水水渍残留，并让玻璃表面保持长久的效率衰减，增加了组件功率和寿命，但综合生清洁效果，以此大幅提升了光伏组件的发电水平。产成本基本未增加。不同于社会上大部分以石墨烯为时髦概念但因此，基于以上石墨烯镀膜玻璃技术和多主栅并未产业化应用的一些公司，目前，正信光电石技术的叠加效应，相较于常规组件产品，正信光电墨烯镀膜玻璃初步具备了500 MW组件的配套石墨烯高效光伏组件的输出功率可有效增加2.5%～生产能力，计划到今年年底产能进一步扩大到2 3%左右，并且寿命增加，在生产成本基本不变的GW，到2019年底，产能将扩大到5 GW左右，情况下，为降低光伏发电度电成本奠定了基础。具有规模化成本优势。据王栋介绍，在传统单、双玻组件生产工艺多主栅技术是行业公认的一种性价比很高基础上，正信光电石墨烯多主栅组件将现有多主的技术，它不但能提高组件功率，同时还能大栅电池技术、石墨烯应用技术、PERC、n型双面、幅减少银浆用量、降低隐裂带来的损失。正信黑硅电池工艺等现行前沿技术相融合，为产业加光电12主栅技术在电池图形设计、组件封装速实现降本增效再添助力。 37SOLAR ENERGY 04/20182018.04印刷.indd 372018-4-23 19:20:32