硼鋁對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池背面銀漿玻璃粉性能的影響

彭 亮，陳浩宇，崔隆宇，李加寧

（四川省東樹(shù)新材料有限公司，四川德陽(yáng) 618000）

引言

近年來(lái)，由于化石能源的日漸減少，可再生能源得到迅速發(fā)展，其中太陽(yáng)電池研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。目前，晶硅太陽(yáng)電池是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)電池，在光伏市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。發(fā)射極及背面鈍化電池（PERC）是目前性價(jià)比最高的光伏電池，其金屬化由銀漿通過(guò)絲網(wǎng)印刷后實(shí)現(xiàn)。PERC電池背面具有鈍化層，可以有效減少載子復(fù)合密度，可起背面反射作用。背面電極是其重要組成部分，主要用來(lái)收集背面電流，串聯(lián)電池形成組件，是影響太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。銀漿主要由銀粉、玻璃粉以及有機(jī)載體組成。其中背面玻璃粉含量通常僅占銀漿質(zhì)量的1%～5%，但它作為反應(yīng)媒介在背面電極的形成過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。目前PERC背面銀漿玻璃粉主要體系為硅體系、碲體系，少有使用硼硅鋁共同建立玻璃框架體系的玻璃粉。硼硅鋁是生成玻璃粉框架的重要元素，影響玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高溫熔融黏度、燒結(jié)活性、力學(xué)性能，從而影響電池的電性能和附著力。

本研究制備了多種硼硅鋁玻璃，并將其運(yùn)用于背面銀漿玻璃粉，探討了硼鋁的含量變化對(duì)玻璃粉的性能的影響，并通過(guò)幾種新表征方法測(cè)試其對(duì)電池片開(kāi)路電壓、串聯(lián)電阻、拉力的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 制備玻璃試樣

所 用 的 原 料 有PbO、Bi2O3、H3BO3、Al(OH)3，SiO2均為分析純，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。將原料按表1配比，充分混合并碾磨，過(guò)200目篩后裝入剛玉坩堝，放入1400℃的馬弗爐中保溫1 h，形成玻璃液。將玻璃液水淬，經(jīng)干燥、球磨后，將玻璃粉過(guò)400目篩待用。

表1 玻璃粉配方表（物質(zhì)的量之比）

1.2 制備銀漿

選用平均粒徑小于2 μm的高純度球狀銀粉（99.99%）。有機(jī)載體主要成分為乙基纖維素和松油醇。另將玻璃粉、銀粉、有機(jī)載體，按一定比例精確稱(chēng)量，混合、研磨后制成銀漿，編號(hào)1～6對(duì)應(yīng)玻璃粉編號(hào)。

1.3 晶硅太陽(yáng)電池背面電極制備

首先將電池片均分為4份，分別采用1～4進(jìn)行背銀印刷，然后進(jìn)行鋁漿、正銀印刷。最后通過(guò)Despatch燒結(jié)爐燒結(jié)制得，最高燒結(jié)溫度750℃。

1.4 測(cè)試與表征

采用TQC-VF2110型刮板細(xì)度計(jì)測(cè)試樣品細(xì)度（參照GB/T 17473.2—2008）；采用TH-B210S臥式拉力機(jī)測(cè)試儀測(cè)試銀電極的附著力（參照YS/T 612-2014）；采用STA449C綜合熱分析儀測(cè)試玻璃粉樣品的熱性能；采用無(wú)錫市瑞能科技有限公司PL測(cè)試設(shè)備分析鈍化層的腐蝕情況；采用TLM-SCAN測(cè)試電池片電阻；采用梅耶博格IV測(cè)試儀器（Spot LIGHT）測(cè)量電池片的效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 硼鋁含量變化對(duì)電池片少子壽命的影響

將背銀漿料通過(guò)特定的圖案印刷在電池片上，如圖1所示。通過(guò)相同的燒結(jié)條件進(jìn)行燒結(jié)，用PL通過(guò)發(fā)光程度表征其少子壽命。PL可以通過(guò)顏色的深淺表征玻璃粉對(duì)電池片鈍化層的腐蝕性，顏色越亮，腐蝕性越弱，顏色越黑，腐蝕越嚴(yán)重。通過(guò)圖像處理軟件計(jì)算出其灰度變化，結(jié)果如圖2所示。

圖1 PL測(cè)試圖

圖2 背銀灰度

結(jié)果表明，隨著H3BO3的增加，Al（OH)3的減少，背銀灰度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，玻璃粉對(duì)電池片的鈍化層腐蝕性先變?nèi)鹾笞儚?qiáng)，少子壽命先增加后減少。

玻璃粉較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)使玻璃粉具有更好的流動(dòng)性，能更好地浸潤(rùn)銀粉，同時(shí)蝕刻氮化硅表面，因此灰度上升。有研究表明，當(dāng)玻璃中的B2O3含量較低時(shí)，主要以硼氧四面體[BO4]存在，熔體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚集緊密。而B(niǎo)2O3由于其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，當(dāng)含量較高時(shí)析晶傾向嚴(yán)重，B2O3含量較低時(shí)，銀漿燒結(jié)并對(duì)鈍化層作用后，N元素含量較低，鈍化層Si4N3完整性破壞嚴(yán)重；當(dāng)B2O3含量較高時(shí)，N元素含量大幅度提升，鈍化層完整性良好；B2O3含量繼續(xù)提升時(shí)，N元素含量有所降低，鈍化層完整性有所破壞。

2.2 硼鋁含量變化對(duì)電池片電阻的影響

將背銀漿料通過(guò)特定的圖案印刷在電池片上，再印刷上鋁漿，通過(guò)相同的燒結(jié)條件進(jìn)行燒結(jié)，用TLM測(cè)試通過(guò)測(cè)試線電阻表征串聯(lián)電阻。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，隨著H3BO3的增加，Al（OH)3的減少，印刷電池片銀電極的線電阻先下降后上升，銀鋁接觸電阻先下降后急速上升，前者是因?yàn)椴ＡХ鄣牟ＡЩD(zhuǎn)變溫度隨著H3BO3的增加和Al（OH)3的減少呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。玻璃粉較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)使玻璃粉更加良好地浸潤(rùn)銀粉，幫助銀電極燒結(jié)致密，從而取得更優(yōu)的電阻，銀鋁接觸電阻在后端急速上升是由于隨著H3BO3的增加和Al（OH)3的減少，銀鋁接觸界面出現(xiàn)大量的鋁釘刺，玻璃粉沒(méi)有良好地浸潤(rùn)銀漿和鋁漿，導(dǎo)致銀膜和鋁膜搭接不致密，在燒結(jié)過(guò)程中由于收縮率的不同而分離斷裂，導(dǎo)致銀鋁接觸電阻急速上升，4#樣品電極形貌正常，銀鋁接觸電阻較低，6#樣品銀鋁接觸區(qū)域由于銀漿和鋁漿在燒結(jié)過(guò)程中收縮，導(dǎo)致搭接區(qū)域部分?jǐn)嗔眩y鋁電阻較高。

圖3 背面銀漿線電阻

2.3 硼鋁含量變化對(duì)電池片拉力的影響

將背銀漿料印刷在電池片上，再印刷上鋁漿，通過(guò)相同的燒結(jié)條件進(jìn)行燒結(jié)，用拉力機(jī)測(cè)試其拉力。采用350℃進(jìn)行常規(guī)拉力測(cè)試，450℃進(jìn)行高溫拉力測(cè)試。為了進(jìn)一步表征背電極附著力的穩(wěn)定性，還采取350℃焊接后，放入150℃烘箱中保溫1 h后冷卻至室溫測(cè)試其附著力的方法進(jìn)行老化拉力的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，隨著H3BO3的增加，Al(OH)3的減少，印刷電池片的350℃的焊接拉力差異不大，但其高溫焊接附著力下降，這可能是由于隨著H3BO3的增加，銀電極的收縮變嚴(yán)重，在燒結(jié)冷卻過(guò)程中由于銀電極和硅片的膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致粘結(jié)處出現(xiàn)微小裂痕，在更加苛刻的高溫焊接時(shí)，拉力下降這也能與銀鋁搭接形貌數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。同時(shí)隨著H3BO3的增加，Al(OH)3的減少其老化附著力先上升后下降，這是由于較低的玻璃粉轉(zhuǎn)變溫度使得玻璃粉能夠更好地浸潤(rùn)銀粉，降低銀-錫合金的生成，使得在老化過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)焊的情況，從而保證了老化拉力。綜合3項(xiàng)拉力測(cè)試，結(jié)果表明3#、4#樣品附著力最佳。

圖4 附著力測(cè)試

2.4 硼鋁含量變化對(duì)電池片電性能的影響

轉(zhuǎn)換效率是晶硅太陽(yáng)能電池重要指標(biāo)，2020年工信部公開(kāi)征求《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》的意見(jiàn)，現(xiàn)有多晶硅、單晶硅平均光電轉(zhuǎn)換效率分別不低于19%和22.5%。表2為電性能測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明隨著H3BO3的增加和Al（OH)3的減少，開(kāi)壓先上升后降低，與前面PL結(jié)果一致。Rs先降低后上升與TLM結(jié)果一致。4#樣品相對(duì)開(kāi)壓、電阻較優(yōu)。

表2 電性能統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

隨著電池片廠商降本增效的要求，要求漿料需要更少的刻蝕電池片鈍化層，在與鋁漿接觸時(shí)有更低的接觸電阻，硼硅鋁作為通常情況下的網(wǎng)絡(luò)形成體（在與硼搭配時(shí)，鋁也能作為網(wǎng)絡(luò)形成體），其變化能直接影響玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高溫黏度等，同時(shí)硼鋁均有助熔作用，有利于玻璃的熔融，改變硼鋁的含量能提升漿料最終的性能。