溶劑對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池背銀電極用銀漿的性能影響*

湯森進(jìn)，彭 帥，鄒 文

(江西省核工業(yè)地質(zhì)局測(cè)試研究中心， 南昌 330002)

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溶劑對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池背銀電極用銀漿的性能影響*

湯森進(jìn)，彭 帥，鄒 文

(江西省核工業(yè)地質(zhì)局測(cè)試研究中心， 南昌 330002)

實(shí)驗(yàn)采用松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-檸檬酸三丁酯的溶劑體系，通過(guò)改變?nèi)N溶劑的質(zhì)量比，考察了溶劑對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池背電極用銀漿的性能影響，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、綜合熱分析儀(TG-DTA)等儀器對(duì)樣品進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯按2∶2∶3的質(zhì)量比配制的背面銀漿性能更佳，其膜層致密、焊接拉力高，并且光電性能更優(yōu)。

溶劑；背面銀漿；致密性；焊接拉力；光電性能

0 引 言

晶硅太陽(yáng)能電池所用漿料主要由正面銀漿[1]，背面銀漿[2]和背面鋁漿[3]組成。背面銀漿經(jīng)絲網(wǎng)印刷、烘干、燒結(jié)等工序形成背銀電極。背銀電極的致密性在一定程度上決定了其光電性能和可靠性[2]。近年來(lái)，研究人員對(duì)正面銀漿及其相關(guān)組分的研究較多，而對(duì)背面銀漿的研究較少。Li[2]等采用不同粒徑的銀粉，探討了銀粉的粒徑和含量對(duì)背面銀漿的光電性能、致密性及可焊性的影響。Liu[4]等分別選用球形和片狀銀粉制備成背面銀漿，考察了銀粉的形貌對(duì)背面銀漿的性能影響。Gan[5]采用不同振實(shí)密度和分散性的銀粉，研究了銀粉的振實(shí)密度和分散性對(duì)背面銀漿的光電性能和致密性的影響。Ma[6]等通過(guò)分析背面銀漿與背面鋁漿的接觸方式，探討了背面銀漿的匹配性對(duì)串聯(lián)電阻的影響。上述文章大多以探討背面銀漿所用銀粉及其匹配性的研究較多，而對(duì)其所用溶劑的研究較少。本文采用松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-檸檬酸三丁酯的溶劑體系，通過(guò)改變?nèi)N溶劑的質(zhì)量配比，考察了溶劑對(duì)背面銀漿的性能影響，并選用較優(yōu)的溶劑配比制備了一種可靠性高、光電性能較優(yōu)的背面銀漿。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料、設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)原料：松油醇，二乙二醇丁醚醋酸酯，檸檬酸三丁酯，乙基纖維素，二氧化硅，三氧化二硼，三氧化二鉍，氧化鋅，氧化銅，以上均為分析純；銀粉(蘇州思美特表面材料科技有限公司生產(chǎn))；背面鋁漿(江西核工業(yè)興中科技有限公司生產(chǎn))；正面銀漿(D.P)；156×156多晶硅片(T.M)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器：SY-200型三輥研磨機(jī)，JF-600型雙軸攪拌機(jī)，SX2-8-13型箱式電阻爐，KQM-Y/B型行星式球磨機(jī)，101-1A型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，WY-178型精密網(wǎng)版印刷機(jī)，MD-225型TPS控溫?zé)Y(jié)爐，Y100-250型玻璃反應(yīng)釜，DLSK-FXJ7型太陽(yáng)能電池片光電性能測(cè)試分選機(jī)，NDJ-79型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，QXD型刮板細(xì)度計(jì)，S-3400N型日立掃描電子顯微鏡，STA449F3型綜合熱分析儀，SJS-500H型拉力測(cè)試儀，QUICK-205型智能無(wú)鉛電焊臺(tái)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 有機(jī)載體的制備

首先將松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯分別以3∶1∶1、2∶1∶1、1∶1∶1和2∶2∶3的質(zhì)量比置于燒杯中，利用玻璃棒攪拌均勻后，配制成4種混合溶劑，記為R1、R2、R3、R4；然后分別將混合溶劑R1、R2、R3、R4與乙基纖維素按9∶1的質(zhì)量比加入到4個(gè)玻璃反應(yīng)釜中進(jìn)行攪拌，并在25 ℃時(shí)開(kāi)始升溫，待溫度達(dá)到85 ℃后保溫2 h；最后通過(guò)過(guò)濾的方式得到4種有機(jī)載體，分別記為J1、J2、J3、J4。

1.2.2 玻璃粉的制備

首先將二氧化硅、三氧化二硼、三氧化二鉍、氧化鋅、氧化銅按一定比例置于剛玉坩堝中混合，混合后放置于箱式電阻爐中于1 100 ℃下保溫1.5 h；然后進(jìn)行水淬，并利用行星式球磨機(jī)將水淬后的玻璃粉球磨至5 μm以下；最后將研磨好的玻璃粉置于電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中進(jìn)行烘干，干燥后得到所需玻璃粉。

1.2.3 背面銀漿的制備

首先分別將有機(jī)載體(J1，J2，J3，J4)、銀粉、玻璃粉按35∶60∶5的質(zhì)量比混合在一起；然后采用雙軸攪拌機(jī)將混合的漿料分散1 h，并利用三輥研磨機(jī)將分散好的漿料研磨4～5遍，使?jié){料黏度處于60～70 Pa·s之間，細(xì)度在5 μm以下；最后經(jīng)過(guò)濾后得到4種背面銀漿，分別記為BY1、BY2、BY3、BY4。

1.2.4 背銀電極的制備

在156×156的多晶硅片上依次印刷烘干背面銀漿(BY1，BY2，BY3，BY4)、背面鋁漿和正面銀漿，經(jīng)快速共燒后，制得多晶硅太陽(yáng)能電池片。

1.3 表 征

采用S-3400N型日立掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行表征；利用德國(guó)耐馳公司STA449F3型綜合熱分析儀(空氣氣氛，升溫速率10 ℃/min，測(cè)試樣品質(zhì)量約15 mg)對(duì)溶劑的熱性能進(jìn)行表征；借助DLSK-FXJ7型太陽(yáng)能電池片光電性能測(cè)試分選機(jī)對(duì)樣品的光電性能進(jìn)行測(cè)試；采用SJS-500H型拉力測(cè)試儀對(duì)樣品的焊接拉力進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑對(duì)背面銀漿致密性的影響

實(shí)驗(yàn)采用松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-檸檬酸三丁酯的溶劑體系，通過(guò)改變3種溶劑的質(zhì)量配比，考察了溶劑對(duì)背面銀漿致密性的影響。將松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯分別以3∶1∶1、2∶1∶1、1∶1∶1和2∶2∶3的質(zhì)量比配制成4種混合溶劑，分別為R1、R2、R3、R4，并利用4種混合溶劑相應(yīng)制備成了背面銀漿樣品BY1、BY2、BY3、BY4。表1為混合溶劑組分的質(zhì)量比。

圖1為BY1、BY2、BY3、BY4烘干后和烘干并燒結(jié)后的SEM。由圖1中背面銀漿烘干后的SEM可知，隨著松油醇含量的減少，膜層的致密性逐漸提高，當(dāng)松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯的質(zhì)量比為2∶2∶3時(shí)，制備的膜層最致密。利用綜合熱分析儀分析溶劑的熱性能，由測(cè)試結(jié)果可知，松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和檸檬酸三丁酯的完全揮發(fā)溫度依次升高，分別為169，197和282 ℃，圖2為溶劑的TG-DTA曲線圖。

圖1 BY1、BY2、BY3、BY4烘干后和烘干并燒結(jié)后的SEM

Fig 1 SEM images of BY1,BY2,BY3,BY4 prepared by drying and SEM images of BY1, BY2, BY3,BY4 prepared by drying and sintering

當(dāng)松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯的質(zhì)量比為3∶1∶1和2∶1∶1時(shí)，由于松油醇比重較大，根據(jù)亨利定律，混合溶劑的相對(duì)含量決定了其蒸氣壓的相對(duì)比值，此時(shí)松油醇的蒸汽壓較大[7-8]，混合溶劑主要以松油醇的揮發(fā)為主，使得松油醇集中揮發(fā)，造成膜層孔洞大。

圖2 溶劑的TG-DTA曲線圖

Fig 2 TG-DTA curves of solvents

同時(shí)由于松油醇揮發(fā)溫度低，造成膜層干燥速度較快，不能充分流平，最終導(dǎo)致樣品BY1和BY2烘干后的膜層結(jié)構(gòu)疏松多孔，而且孔洞較大，如圖1(a)和(b)所示。隨著松油醇比重的減少，當(dāng)松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯的質(zhì)量比為1∶1∶1時(shí)，由于三種溶劑的比重相等，且具備不同的揮發(fā)溫度，混合溶劑能夠?qū)哟涡缘負(fù)]發(fā)。但由于高揮發(fā)溫度的溶劑較少，膜層不能充分地流平，最終造成膜層仍有一些細(xì)小的孔洞，如圖1(c)所示。當(dāng)松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯的質(zhì)量比為2∶2∶3時(shí)，此時(shí)混合溶劑不僅可以層次性地?fù)]發(fā)，而且由于高揮發(fā)溫度溶劑的比重提高，增加了膜層的流平時(shí)間，促進(jìn)了膜層的流平，因此形成的膜層最為致密，如圖1(d)所示。

圖1中的(e)、(f)、(g)、(h)分別為樣品BY1、BY2、BY3、BY4烘干并燒結(jié)后的SEM圖，與其只烘干后的SEM圖相比，可以發(fā)現(xiàn)烘干后膜層的致密性與烘干并燒結(jié)后膜層的致密性并無(wú)明顯差異，說(shuō)明溶劑在烘干段的揮發(fā)在一定程度上決定了膜層最終的致密性。而由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-檸檬酸三丁酯的溶劑體系中，通過(guò)改變?nèi)軇┑馁|(zhì)量比，使溶劑層次性地?fù)]發(fā)并同時(shí)增加膜層的流平時(shí)間，可以在烘干段獲得較為致密的背銀膜層。

表1 混合溶劑組分的質(zhì)量比

Table 1 Weight ratio of compositions of mixed solvents

混合溶劑編號(hào)松油醇∶二乙二醇丁醚醋酸酯∶檸檬酸三丁酯的質(zhì)量比R13∶1∶1R22∶1∶1R31∶1∶1R42∶2∶3

2.2 溶劑對(duì)背面銀漿焊接拉力的影響

太陽(yáng)能電池組件需要在室外長(zhǎng)期工作，應(yīng)具備較高的可靠性和穩(wěn)定性，而背面銀漿優(yōu)異的焊接拉力可以提高組件的可靠性和穩(wěn)定性[9]。實(shí)驗(yàn)通過(guò)印刷、烘干、燒結(jié)等工序分別將BY1、BY2、BY3、BY4制備成背銀電極，采用電焊臺(tái)將錫條焊接在樣品上，并利用拉力測(cè)試儀以反向180°的方式測(cè)試樣品的焊接拉力，其測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由測(cè)試結(jié)果可知，由松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯以2∶2∶3的質(zhì)量比制備的BY4焊接拉力最大，而且樣品BY1、BY2、BY3、BY4的焊接拉力依次增大。這是由于燒結(jié)后的背銀膜層越致密，其能夠焊接的面積就越大，導(dǎo)致焊接拉力更大。從圖1中樣品烘干并燒結(jié)后的SEM中可知，BY4燒結(jié)后的膜層最為致密，故其焊接拉力最大。

圖3 BY1、BY2、BY3、BY4的焊接拉力

2.3 溶劑對(duì)背面銀漿光電性能的影響

分別將樣品BY1、BY2、BY3、BY4和背面鋁漿、正面銀漿印刷在156×156的多晶硅片上，經(jīng)過(guò)烘干和燒結(jié)等工藝后制備成電池片，電池片編號(hào)分別對(duì)應(yīng)為P1、P2、P3、P4，每個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)片數(shù)為200片。采用太陽(yáng)能電池片光電性能測(cè)試分選機(jī)測(cè)試電池片P1、P2、P3、P4的光電性能，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果可知，由松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯以2∶2∶3的質(zhì)量比制得的BY4，經(jīng)制備成太陽(yáng)電池片P4后，P4的串聯(lián)電阻小，光電轉(zhuǎn)換效率最高。串聯(lián)電阻主要由電極電阻、互聯(lián)金屬電阻、半導(dǎo)體電阻以及電極與半導(dǎo)體之間的接觸電阻組成[10]，因此背銀電極的電阻會(huì)影響電池片的串聯(lián)電阻。而背銀電極的致密度越高，有利于形成更加致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，減少電流傳輸中的阻力，使得串聯(lián)電阻更小[5]。通過(guò)圖1中樣品的SEM可知，當(dāng)松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯為2∶2∶3的質(zhì)量比時(shí)，由該溶劑所制備的背銀電極BY4，其膜層最為致密，使得電池片P4串聯(lián)電阻更小。而由其它溶劑配比制備的BY1、BY2、BY3的膜層卻更加疏松，因此P1、P2、P3串聯(lián)電阻較大。同時(shí)較小的串聯(lián)電阻有利獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率[11]，因此使得P4的光電轉(zhuǎn)換效率比P1、P2、P3的更高。通過(guò)多次重復(fù)上述試驗(yàn)，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的其它溶劑配比，采用松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯為2∶2∶3的質(zhì)量比制備的背銀電極有著減小串聯(lián)電阻、提高光電轉(zhuǎn)換效率的趨勢(shì)。

表2 電池片的光電性能

3 結(jié) 論

(1) 在松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-檸檬酸三丁酯的溶劑體系中，通過(guò)改變?nèi)軇┑馁|(zhì)量比，使溶劑層次性地?fù)]發(fā)并同時(shí)增加膜層的流平時(shí)間，可以獲得較為致密的背銀膜層。

(2) 致密的背銀膜層有利獲得更高的焊接拉力，提高背銀電極的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)致密的背銀膜層提供了更加致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于減小串聯(lián)電阻，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

(3) 實(shí)驗(yàn)以松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、檸檬酸三丁酯按2∶2∶3的質(zhì)量比配制的背面銀漿具備致密的膜層、優(yōu)異焊接拉力和較高的光電性能。

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Effects of solvents on properties of silver paste for back electrode of silicon solar cells

TANG Sengjin， PENG Shuai， ZOU Wen

(Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau Testing Center，Nanchang 330002，China)

System of terpineol molecule-diethylene glycol monobutyl ether acetate-tributyl citrate was used in experimentals. The effect of solvents on properties of silver paste for back electrode of silicon solar cells was investigated by changed the weight ratio of three solvents. The products were characterized by SEM,TG-DTA. The results showed when weight ratio of terpineol molecule: diethylene glycol monobutyl ether acetate: tributyl citrate was 2∶2∶3, back silver paste which was prepared by the mixed solvents had a compact film, an excellent solder tension, and a better photoelectric property.

solvent; back silver paste; compactness; solder tension; photoelectric property

1001-9731(2016)11-11072-04

2016-08-20

2016-09-30 通訊作者：湯森進(jìn)，E-mail: tangsenjin@163.com

湯森進(jìn) (1966-)，男，浙江諸暨人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事表面處理材料和太陽(yáng)能電極漿料研究。

TN304；TK511

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.014