燒結(jié)溫度對(duì)背鈍化電池用銀漿性能的影響

彭 帥，曾昭崐，湯森進(jìn)，鄒 文，周 劍，羅 暉

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局測試研究中心，南昌 330002）

引言

背鈍化電池（PERC）采用雙面鈍化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]，大幅降低了表面復(fù)合，提升了光電效率。由于背鈍化電池具備光電效率高、成本低的特點(diǎn)，逐漸成為晶硅太陽能電池的應(yīng)用主流[2]。PERC背面銀漿主要由銀粉[3]、玻璃粉[4]、有機(jī)載體[5]和助劑組成。PERC背面銀漿經(jīng)過印刷、烘干、燒結(jié)等工序制備成電池背電極，主要起到導(dǎo)電和提供可靠性的作用。YANG[1]探討了玻璃粉和焊接條件對(duì)背面銀漿附著力的影響，ZHANG[6]建立了背面銀漿燒蝕性的評(píng)估方法，簡化了檢測流程。研究人員對(duì)背面銀漿的玻璃粉、焊接條件及燒蝕性評(píng)估方法等進(jìn)行了研究，然而未見針對(duì)背面銀漿的燒結(jié)溫度的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。在電池片的燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度在一定程度上決定了背面銀漿的成膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響電池片的光電性能及可靠性。

為提高PERC背面銀漿的光電性能、可靠性和適用性，本試驗(yàn)研究了燒結(jié)溫度對(duì)背面銀漿性能的影響，探討了背面銀漿在燒結(jié)過程中的作用機(jī)理，獲得了較優(yōu)的燒結(jié)工藝，為優(yōu)化PERC背面銀漿的性能及其應(yīng)用提供了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

PERC背面銀漿：工業(yè)級(jí)，江西核工業(yè)興中新材料有限公司；PERC正面銀漿：工業(yè)級(jí)，杜邦公司；PERC背面鋁漿：工業(yè)級(jí)，廣州市儒興科技開發(fā)有限公司；多晶硅片：工業(yè)級(jí)，157 mm×157 mm，保利協(xié)鑫能源控股有限公司。

1.2 試驗(yàn)過程

將PERC背面銀漿、PERC背面鋁漿、PERC正面銀漿依次印刷于157 mm×157 mm的鍍有鈍化膜的多晶硅片上，通過紅外中溫爐烘干和高溫?zé)Y(jié)爐快速共燒后，制得PERC電池片。在電池片燒結(jié)過程中將燒結(jié)溫度點(diǎn)分別設(shè)定為700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，在每個(gè)燒結(jié)溫度點(diǎn)燒結(jié)制備100片電池片，并分別記編號(hào)為T1、T2、T3 、T4、T5。圖1為PERC電池片典型的燒結(jié)曲線。

1.3 測試與表征

采用S-3400N型日立掃描電子顯微鏡(日本日立有限公司)表征樣品的微觀形貌和結(jié)構(gòu)；參照YS/T 612-2014《太陽能電池用漿料》，利用SJS-500H型拉力測試儀（溫州山度儀器有限公司）測試樣品的附著力；借助NIR-PLUS/B型光致發(fā)光測試儀（北京合能陽光新能源有限公司）表征樣品的雜質(zhì)和缺陷分布；利用DLSK-FXJ7型太陽能電池片光電性能分選機(jī)（北京德雷射科光電科技有限公司）測試樣品的光電性能；參照GB/T 17473.3—2008《微電子技術(shù)用貴金屬漿料測試方法方阻測定標(biāo)準(zhǔn)》，采用RTS-8型四探針測試儀（廣州四探針科技有限公司）表征樣品的方阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)背面銀漿致密性的影響

分別在700℃、750℃、800℃、850℃、900℃的溫度下燒結(jié)背面銀漿，相應(yīng)制得T1、T2、T3、T4、T5樣品，研究了不同燒結(jié)溫度對(duì)背面銀漿致密性的影響。同時(shí)采用掃描電鏡對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行表征，圖2為燒結(jié)后的背面銀漿樣品SEM。

圖2 燒結(jié)后的背面銀漿樣品SEM

從圖2可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的膜層逐漸致密平整。當(dāng)燒結(jié)溫度為700℃和750℃時(shí)，由于有機(jī)載體的揮發(fā)和分解，造成膜層表面留下許多孔隙[7]，而此時(shí)只有部分銀粉溶解粘結(jié)在一起，并通過形核、結(jié)晶長大形成燒結(jié)頸，雖然縮小和閉合了部分孔隙，但仍存在較多的孔隙，因此造成T1和T2的膜層疏松多孔，如圖2(a)、(b)所示。當(dāng)燒結(jié)溫度提升至800℃、850℃和900℃時(shí)，溫度的升高促使更多的銀粉溶解，并促進(jìn)燒結(jié)頸迅速長大，膜層孔隙大量閉合，同時(shí)玻璃粉逐漸軟化并填充部分未能完全閉合的小孔隙[8]，使T3、T4、T5 的膜層較為平整致密，如圖 2(c)、(d)、(e)所示。

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)背面銀漿附著力的影響

電池片組件將電池背電極和正電極采用串焊的方式連接電池片并接連外部電路，因此電池背電極用銀漿的焊接附著力對(duì)電池片組件的可靠性有著重要影響。圖3為燒結(jié)后的背面銀漿樣品的附著力。由圖3可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的附著力依次增大。結(jié)合圖2可知，T1、T2、T3、T4、T5的銀膜層隨燒結(jié)溫度的升高而逐漸致密。由于銀膜層越致密，在銀膜層頂部能夠提供更多的焊接點(diǎn)，同時(shí)溫度的升高促使更多的玻璃粉軟化并潤濕鋪展至膜層底部，使膜層底部與硅片基體也形成更多的附著接觸點(diǎn)，因此T1、T2、T3、T4、T5樣品的附著力隨燒結(jié)溫度的升高而逐漸增大。而在燒結(jié)溫度提高至800℃、850℃和900℃時(shí)，T4、T5樣品相對(duì)于T3樣品的附著力的提升幅度較小，如圖3所示，這可能是燒結(jié)溫度提升至800℃后，膜層已經(jīng)形成較為致密的結(jié)構(gòu)，并且大部分玻璃粉已經(jīng)軟化并鋪展至膜層底部，如圖2(c)、(d)、(e)所示，因此當(dāng)燒結(jié)溫度為800℃時(shí)，采取繼續(xù)提升燒結(jié)溫度的方式對(duì)樣品附著力的影響較小。

圖3 燒結(jié)后的背面銀漿樣品的附著力

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)背面銀漿方阻的影響

方阻值在一定程度上體現(xiàn)了電池片背電極的導(dǎo)電性能，采用四探針測試儀對(duì)背面銀漿樣品的方阻進(jìn)行測試，圖4為燒結(jié)后的背面銀漿樣品的方組值。從圖4可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的方阻逐漸減小。同時(shí)結(jié)合圖2可知，T1和T2的膜層疏松多孔，因此方阻較大；而T3、T4、T5的膜層相對(duì)致密，因此方阻較小[9]。當(dāng)燒結(jié)溫度為850℃和900℃時(shí)，T4和T5的方阻值相同，說明當(dāng)燒結(jié)溫度提升至850℃時(shí)，此時(shí)膜層結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為致密，而通過繼續(xù)提高燒結(jié)溫度的方式對(duì)膜層的方阻和致密性都影響較小，如圖2(d)、(e)所示。

圖4 燒結(jié)后的背面銀漿樣品的方阻值

2.4 燒結(jié)溫度對(duì)背面銀漿光電性能的影響

采用太陽能電池片光電性能分選機(jī)測試電池片T1、T2、T3、T4、T5的光電性能，表1為電池片的光電性能。

表1 電池片的光電性能

從表1可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的光電效率依次降低。

采用光致發(fā)光儀（PL）對(duì)電池片樣品進(jìn)行缺陷和雜質(zhì)測試：PL成像點(diǎn)的白度越低，代表該點(diǎn)的鈍化膜被背面銀漿腐蝕得越嚴(yán)重，產(chǎn)生的缺陷或者摻入的雜質(zhì)越多；反之，說明該點(diǎn)的鈍化膜被背面銀漿腐蝕得越少或沒有被腐蝕，產(chǎn)生的缺陷或者摻入的雜質(zhì)越少。圖5為電池片背電極照片和電池片背電極PL成像照片，圖中紅色箭頭指向電池片背電極位置（白色小方塊為背電極）和相對(duì)應(yīng)的電池片背電極PL成像位置。

圖5 電池片背電極照片和電池片背電極PL成像照片

從圖5可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的背電極PL成像點(diǎn)的白度依次降低，說明隨著燒結(jié)溫度的升高，背面銀漿對(duì)鈍化膜的腐蝕逐漸增加，產(chǎn)生的缺陷或摻入的雜質(zhì)增多，導(dǎo)致載流子復(fù)合增加，電池片T1、T2、T3、T4、T5的開路電壓和光電效率依次下降，如表1所示[7]。同時(shí)，對(duì)比表1樣品的光電性能數(shù)據(jù)與圖5樣品的PL測試結(jié)果可知，兩者相符。

3 結(jié)論

燒結(jié)溫度對(duì)PERC背面銀漿的性能具有重要的影響。在本研究試驗(yàn)條件下，隨著燒結(jié)溫度的升高，背電極的銀膜層逐漸平整致密化，附著力隨之升高，方阻逐漸降低，同時(shí)載流子的復(fù)合增加，光電效率下降。當(dāng)燒結(jié)溫度為800℃時(shí)，PERC背面銀漿的綜合性能較優(yōu)，制備的銀膜層較為致密、附著力大、方阻小、光電效率高，該溫度為實(shí)驗(yàn)條件下PERC背面銀漿較優(yōu)的燒結(jié)條件。通過研究PERC背面銀漿在燒結(jié)過程中的作用機(jī)理，為優(yōu)化PERC背面銀漿性能及其燒結(jié)工藝提供了相關(guān)的參考數(shù)據(jù)。隨著PERC電池對(duì)降本提效的需求日益增加，其燒結(jié)工藝和作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。