硅基太陽電池及其所用正銀漿料概述

浙江亞通焊材有限公司 ■ 馬君杰 馮斌 鐘海鋒

浙江省釬焊材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

太陽能是可再生能源中最具代表性的一種，人們對(duì)太陽能的利用主要有光熱和光電兩種，其中，光電轉(zhuǎn)換又可分為光-熱-電轉(zhuǎn)換和光-電直接轉(zhuǎn)換[1]。光電直接轉(zhuǎn)換是利用光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，最常見的就是太陽電池[2]。

1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室首次成功的制成了轉(zhuǎn)換效率為6%的實(shí)用型晶體硅太陽電池[3]，自此開啟了太陽電池的發(fā)展道路。為提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，各企業(yè)不斷設(shè)計(jì)更高效的太陽電池結(jié)構(gòu)及用于太陽電池的導(dǎo)電銀漿。

正面導(dǎo)電銀漿(簡(jiǎn)稱“正銀漿料”)是制備太陽電池的主要原材料之一，高質(zhì)量的漿料是太陽電池獲得高轉(zhuǎn)換效率、降低度電成本的關(guān)鍵因素。目前，正銀漿料國(guó)際市場(chǎng)基本被4家大型供應(yīng)商(美國(guó)杜邦、德國(guó)賀利氏、韓國(guó)三星、臺(tái)灣碩禾)壟斷，這4家供應(yīng)商約占所需漿料份額的80%[4]。國(guó)內(nèi)的正銀漿料生產(chǎn)商多處于初步發(fā)展階段，漿料依賴進(jìn)口，在很大程度上提高了太陽電池的制造成本，制約了我國(guó)太陽電池企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展。

本文簡(jiǎn)要介紹了不同結(jié)構(gòu)的硅基太陽電池及其所用的正銀漿料，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外不同導(dǎo)電漿料供應(yīng)商針對(duì)不同電池結(jié)構(gòu)推出的正銀漿料性能參數(shù)，為正銀漿料國(guó)產(chǎn)化提供了思路。

1 不同硅基太陽電池技術(shù)

晶體硅太陽電池主要由經(jīng)過不同工藝處理的硅基片、正面電極、鋁背場(chǎng)及背面電極等組成。圖1～圖5分別為不同技術(shù)的太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1為常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖，常規(guī)太陽電池的制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低，但和其他硅基太陽電池技術(shù)相比，其轉(zhuǎn)換效率較低。

圖1 常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

PERC太陽電池，即鈍化發(fā)射極及背面太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖2所示。PERC太陽電池與常規(guī)太陽電池的主要區(qū)別在于[5]：1)PERC太陽電池在背表面有鈍化介質(zhì)層(多為Al2O3)和保護(hù)層(多為SiNx)；2)常規(guī)太陽電池鋁背場(chǎng)與硅片完全接觸，而PERC太陽電池鋁背場(chǎng)是通過激光開窗的空洞區(qū)域與硅片進(jìn)行局部接觸。

圖2 PERC太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為n型晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。n型晶體硅太陽電池較p型晶體硅太陽電池具有少子壽命高、光致衰減小等優(yōu)點(diǎn)，有更大的效率提升空間。同時(shí)，n型晶體硅太陽電池還具有弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 n型晶體硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

IBC太陽電池，即叉指背電極太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在[7]：1)轉(zhuǎn)換效率高，正面無柵線使入射光子數(shù)量最大化；2)表面輕摻雜，增強(qiáng)了短波光譜響應(yīng)；3)基區(qū)和發(fā)射區(qū)的電極均制作在背面，可實(shí)現(xiàn)電池正、負(fù)極焊線的共面拼裝，簡(jiǎn)化了光伏組件制作工藝流程，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。

圖4 IBC太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為HIT太陽電池(異質(zhì)結(jié)太陽電池)結(jié)構(gòu)示意圖[8-9]。HIT太陽電池以高質(zhì)量超薄本征非晶硅層對(duì)晶體硅基底材料的兩面進(jìn)行鈍化，降低表面復(fù)合損耗，提高了器件對(duì)光生載流子的收集能力，從而形成高效的新型晶體硅太陽電池。其主要優(yōu)勢(shì)有[10-11]：1)采用低溫技術(shù)，整個(gè)燒結(jié)工藝可在200 ℃左右完成，減少能耗，降低成本；2)光電轉(zhuǎn)換效率高；3)穩(wěn)定性好，沒有形成B-O復(fù)合體而導(dǎo)致的光衰效應(yīng)。

圖5 HIT太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

2 硅基太陽電池用正銀漿料

2.1 正銀漿料在太陽電池中的作用

正銀漿料是通過絲網(wǎng)印刷將銀漿印刷在晶體硅片上，然后經(jīng)過烘干和燒結(jié)工藝在硅片表面形成電極或電路。在光照條件下，硅片中的p-n結(jié)產(chǎn)生的光生電子會(huì)朝著電池正面電極運(yùn)動(dòng)，空穴朝著背電極運(yùn)動(dòng)。如果電子運(yùn)動(dòng)到正面電極之前未被缺陷或雜質(zhì)復(fù)合就會(huì)被電極收集，進(jìn)而形成電流流至外電路。因此，這對(duì)漿料的要求較高，如形成良好的歐姆接觸、低的接觸電阻、良好的印刷性、良好的附著力等。漿料的質(zhì)量和性能對(duì)晶體硅太陽電池的效率有重要影響，近年來晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高大部分要?dú)w功于漿料的改善，尤其是正銀漿料。不過由于不同種類太陽電池的結(jié)構(gòu)和制備工藝有差別，對(duì)正銀漿料的性能要求也有所差異，主要包括高溫型和低溫型，分別應(yīng)用于晶體硅太陽電池和HIT太陽電池。

2.2 正銀漿料的分類與組成

2.2.1 高溫?zé)Y(jié)型正銀漿料

高溫?zé)Y(jié)型正銀漿料一般由銀粉、玻璃粉和有機(jī)載體等組成。由于銀具有良好的導(dǎo)電性，且相對(duì)于其他貴金屬而言價(jià)格便宜，因此在導(dǎo)電漿料中具有導(dǎo)電功能，銀粉一般占漿料總量的80%～90%[4]。文獻(xiàn)[12-15]的研究結(jié)果表明，銀粉粒徑分布、微觀形貌、含量等對(duì)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率有重要影響。目前銀漿中廣泛使用的是微米、亞微米級(jí)超細(xì)球形銀粉，能與硅基片形成良好的歐姆接觸，接觸電阻較低，導(dǎo)電性良好。玻璃粉作為無機(jī)粘結(jié)劑，決定著導(dǎo)電漿料對(duì)太陽電池減反射膜的腐蝕穿透力和銀膜電極與硅基體的結(jié)合力；以及溶解Ag，并輸送到Ag/Si界面，保證Ag與Si形成良好的歐姆接觸。玻璃粉一般占漿料總量的2%～10%[4]。文獻(xiàn)[16-18]的研究發(fā)現(xiàn)，具有適當(dāng)融化溫度和潤(rùn)濕能力的玻璃粉，有助于降低銀電極體電阻和接觸電阻，增加焊接拉力，是獲得最佳電池性能的關(guān)鍵因素之一。有機(jī)載體主要由有機(jī)溶劑、樹脂、添加劑等組成，其作用是分散和潤(rùn)濕漿料中的銀粉及玻璃粉，控制漿料的流變性能，使?jié){料具有良好的印刷性能，最后在燒結(jié)的過程中揮發(fā)出去，一般占漿料總量的5%～15%[19]。通過調(diào)節(jié)有機(jī)載體的組成和含量可以改變漿料的粘度、揮發(fā)性、觸變性等性能，使?jié){料在印刷時(shí)具有較高的流動(dòng)性，增大柵線高寬比，提高電池的轉(zhuǎn)換效率。正銀漿料這些組成成分的性能和比例會(huì)直接影響太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

2.2.2 低溫固化型正銀漿料

HIT太陽電池的正面電極通常在200 ℃左右進(jìn)行燒結(jié)，因此，必須使用低溫型電極漿料。低溫銀漿成分主要由銀粉、樹脂、溶劑及添加劑組成[8-9]。其中，銀粉為導(dǎo)電相，樹脂是粘結(jié)相，溶劑用來溶解樹脂、控制漿料的揮發(fā)性等，添加劑則是用來改變漿料的各種性能，使其適用于HIT太陽電池電極的印刷和固化工藝。

低溫固化型正銀漿料中，一種為熱塑性漿料，采用熱塑性樹脂，其溶劑含量較多，固化工藝窗口較窄[10]；另一種采用熱固性樹脂，稱為熱固性漿料，加熱時(shí)，熱固性聚合物在相鄰的聚合鏈間形成化學(xué)鍵，導(dǎo)致形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比熱塑性漿料形成的二維結(jié)構(gòu)要?jiǎng)傆瞇11]。

3 適用于不同太陽電池技術(shù)的正銀漿料

導(dǎo)電銀漿的品質(zhì)對(duì)太陽電池的電性能起著決定性作用，優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電銀漿是制造高效太陽電池的關(guān)鍵。雖然目前國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的漿料市場(chǎng)占有率較低，但在國(guó)內(nèi)漿料生產(chǎn)商的努力下，國(guó)產(chǎn)漿料與進(jìn)口漿料的性能差距已經(jīng)較小，主要是穩(wěn)定性與品牌知名度還亟需提高。表1～表5列舉了國(guó)內(nèi)外漿料商為不同結(jié)構(gòu)太陽電池設(shè)計(jì)的最新正銀漿料的性能參數(shù)[20]。

由于常規(guī)太陽電池技術(shù)的發(fā)展較為成熟，其使用的正銀漿料研發(fā)較早、技術(shù)更新較快、國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品型號(hào)較多，部分國(guó)產(chǎn)漿料在性能上可與進(jìn)口漿料相媲美。目前，國(guó)內(nèi)只有少部分企業(yè)采用無鉛玻璃粉。PERC太陽電池結(jié)構(gòu)和常規(guī)太陽電池相比，主要區(qū)別在于背表面沉積鈍化層和激光開窗結(jié)構(gòu)，就正面結(jié)構(gòu)而言區(qū)別較小，PERC太陽電池的燒結(jié)溫度相對(duì)較低些，因此，有些常規(guī)太陽電池正面銀漿可以兼容PERC太陽電池。n型晶體硅太陽電池，如IBC太陽電池，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和制備工藝，其導(dǎo)電銀漿中導(dǎo)電相為Ag-Al合金，可以在p+發(fā)射極硅表面獲得低接觸電阻。對(duì)于HIT太陽電池而言，高溫會(huì)對(duì)電極下面摻雜的非晶硅薄膜產(chǎn)生損傷[21]，因此必須采用低溫漿料。低溫漿料中不含玻璃粉，固化溫度在200 ℃以下，無銀粉燒結(jié)過程，銀粉之間、銀與硅之間通過有機(jī)樹脂相進(jìn)行粘結(jié)。

表1 常規(guī)太陽電池正銀漿料

表2 PERC太陽電池正銀漿料

表3 n型晶體硅太陽電池正銀漿料

4 總結(jié)與展望

目前，為了使光伏發(fā)電具有競(jìng)爭(zhēng)力，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率且降低其生產(chǎn)成本是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心目標(biāo)。未來的硅基高效技術(shù)主要是基于n型和PERC技術(shù)來制備方阻高、少子壽命高、光致衰減小、弱光響應(yīng)好的硅基片。其中，PERC太陽電池在生產(chǎn)上相對(duì)容易實(shí)施，只需在常規(guī)太陽電池的制備工藝中增加2個(gè)工序：沉積背面鈍化疊層和背面鈍化層激光開窗。對(duì)銀漿而言，電阻小、高寬比大、降低銀含量、玻璃粉無鉛化是未來的發(fā)展目標(biāo)。

綜上所述，為了提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，降低度電成本，越來越多的電池技術(shù)涌現(xiàn)，導(dǎo)電銀漿越來越專業(yè)化。因此，未來硅基太陽電池技術(shù)和銀漿的發(fā)展主要趨勢(shì)為：

1)采用基于n型晶體硅和PERC高效技術(shù)優(yōu)化太陽電池結(jié)構(gòu)，并針對(duì)不同太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的新型導(dǎo)電漿料；

2)導(dǎo)電銀漿用銀粉粒徑超細(xì)化，多種粒徑的銀粉混合使用；

3)玻璃粉無鉛化，有利于環(huán)境保護(hù)；

4)為了降低成本，在保證柵線印刷高精度的同時(shí)降低漿料中銀的含量。

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