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重點實驗室

0 引言

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

1954年，貝爾實驗室首次成功的制成了轉換效率為6%的實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換效率，各企業(yè)不斷設計更高效的太陽電池結構及用于太陽電池的導電銀漿。

正面導電銀漿(簡稱“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換效率、降低度電成本的關鍵因素。目前，正銀漿料國際市場基本被4家大型供應商(美國杜邦、德國賀利氏、韓國三星、臺灣碩禾)壟斷，這4家供應商約占所需漿料份額的80%[4]。國內(nèi)的正銀漿料生產(chǎn)商多處于初步發(fā)展階段，漿料依賴進口，在很大程度上提高了太陽電池的制造成本，制約了我國太陽電池企業(yè)的市場競爭力和發(fā)展。

本文簡要介紹了不同結構的硅基太陽電池及其所用的正銀漿料，對比了國內(nèi)外不同導電漿料供應商針對不同電池結構推出的正銀漿料性能參數(shù)，為正銀漿料國產(chǎn)化提供了思路。

1 不同硅基太陽電池技術

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、鋁背場及背面電極等組成。圖1～圖5分別為不同技術的太陽電池結構示意圖。

圖1為常規(guī)太陽電池結構示意圖，常規(guī)太陽電池的制備工藝簡單、成本較低，但和其他硅基太陽電池技術相比，其轉換效率較低。

圖1 常規(guī)太陽電池結構示意圖

PERC太陽電池，即鈍化發(fā)射極及背面太陽電池，結構如圖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)和保護層(多為SiNx)；2)常規(guī)太陽電池鋁背場與硅片完全接觸，而PERC太陽電池鋁背場是通過激光開窗的空洞區(qū)域與硅片進行局部接觸。

圖2 PERC太陽電池結構示意圖

圖3為n型晶體硅太陽電池結構示意圖。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，有更大的效率提升空間。同時，n型晶體硅太陽電池還具有弱光響應好、溫度系數(shù)低等優(yōu)點。

圖3 n型晶體硅太陽電池結構示意圖

IBC太陽電池，即叉指背電極太陽電池，結構如圖4所示[6]。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在[7]：1)轉換效率高，正面無柵線使入射光子數(shù)量最大化；2)表面輕摻雜，增強了短波光譜響應；3)基區(qū)和發(fā)射區(qū)的電極均制作在背面，可實現(xiàn)電池正、負極焊線的共面拼裝，簡化了光伏組件制作工藝流程，易實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率。

圖4 IBC太陽電池結構示意圖

圖5為HIT太陽電池(異質(zhì)結太陽電池)結構示意圖[8-9]。HIT太陽電池以高質(zhì)量超薄本征非晶硅層對晶體硅基底材料的兩面進行鈍化，降低表面復合損耗，提高了器件對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)勢有[10-11]：1)采用低溫技術，整個燒結工藝可在200 ℃左右完成，減少能耗，降低成本；2)光電轉換效率高；3)穩(wěn)定性好，沒有形成B-O復合體而導致的光衰效應。

圖5 HIT太陽電池結構示意圖

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結產(chǎn)生的光生電子會朝著電池正面電極運動，空穴朝著背電極運動。如果電子運動到正面電極之前未被缺陷或雜質(zhì)復合就會被電極收集，進而形成電流流至外電路。因此，這對漿料的要求較高，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換效率的提高大部分要歸功于漿料的改善，尤其是正銀漿料。不過由于不同種類太陽電池的結構和制備工藝有差別，對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 高溫燒結型正銀漿料

高溫燒結型正銀漿料一般由銀粉、玻璃粉和有機載體等組成。由于銀具有良好的導電性，且相對于其他貴金屬而言價格便宜，因此在導電漿料中具有導電功能，銀粉一般占漿料總量的80%～90%[4]。文獻[12-15]的研究結果表明，銀粉粒徑分布、微觀形貌、含量等對太陽電池的轉換效率有重要影響。目前銀漿中廣泛使用的是微米、亞微米級超細球形銀粉，能與硅基片形成良好的歐姆接觸，接觸電阻較低，導電性良好。玻璃粉作為無機粘結劑，決定著導電漿料對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[16-18]的研究發(fā)現(xiàn)，具有適當融化溫度和潤濕能力的玻璃粉，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鍵因素之一。有機載體主要由有機溶劑、樹脂、添加劑等組成，其作用是分散和潤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){料在印刷時具有較高的流動性，增大柵線高寬比，提高電池的轉換效率。正銀漿料這些組成成分的性能和比例會直接影響太陽電池的轉換效率。

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 ℃左右進行燒結，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，銀粉為導電相，樹脂是粘結相，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，熱固性聚合物在相鄰的聚合鏈間形成化學鍵，導致形成三維網(wǎng)絡結構，比熱塑性漿料形成的二維結構要剛硬[11]。

3 適用于不同太陽電池技術的正銀漿料

導電銀漿的品質(zhì)對太陽電池的電性能起著決定性作用，優(yōu)質(zhì)的導電銀漿是制造高效太陽電池的關鍵。雖然目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的漿料市場占有率較低，但在國內(nèi)漿料生產(chǎn)商的努力下，國產(chǎn)漿料與進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列舉了國內(nèi)外漿料商為不同結構太陽電池設計的最新正銀漿料的性能參數(shù)[20]。

由于常規(guī)太陽電池技術的發(fā)展較為成熟，其使用的正銀漿料研發(fā)較早、技術更新較快、國產(chǎn)產(chǎn)品型號較多，部分國產(chǎn)漿料在性能上可與進口漿料相媲美。目前，國內(nèi)只有少部分企業(yè)采用無鉛玻璃粉。PERC太陽電池結構和常規(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構，就正面結構而言區(qū)別較小，PERC太陽電池的燒結溫度相對較低些，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，由于其特殊的結構和制備工藝，其導電銀漿中導電相為Ag-Al合金，可以在p+發(fā)射極硅表面獲得低接觸電阻。對于HIT太陽電池而言，高溫會對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，無銀粉燒結過程，銀粉之間、銀與硅之間通過有機樹脂相進行粘結。

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 總結與展望

目前，為了使光伏發(fā)電具有競爭力，提高太陽電池的光電轉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。未來的硅基高效技術主要是基于n型和PERC技術來制備方阻高、少子壽命高、光致衰減小、弱光響應好的硅基片。其中，PERC太陽電池在生產(chǎn)上相對容易實施，只需在常規(guī)太陽電池的制備工藝中增加2個工序：沉積背面鈍化疊層和背面鈍化層激光開窗。對銀漿而言，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。

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

1)采用基于n型晶體硅和PERC高效技術優(yōu)化太陽電池結構，并針對不同太陽電池結構設計所需要的新型導電漿料；

2)導電銀漿用銀粉粒徑超細化，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；

4)為了降低成本，在保證柵線印刷高精度的同時降低漿料中銀的含量。

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