溶剂对晶硅太阳能电池背银电极用银浆的性能影响*

汤森进，彭 帅，邹 文

(江西省核工业地质局测试研究中心， 南昌 330002)



溶剂对晶硅太阳能电池背银电极用银浆的性能影响*

汤森进，彭 帅，邹 文

(江西省核工业地质局测试研究中心， 南昌 330002)

实验采用松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-柠檬酸三丁酯的溶剂体系，通过改变三种溶剂的质量比，考察了溶剂对晶硅太阳能电池背电极用银浆的性能影响，并利用扫描电子显微镜(SEM)、综合热分析仪(TG-DTA)等仪器对样品进行了表征。实验结果表明， 松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯按2∶2∶3的质量比配制的背面银浆性能更佳，其膜层致密、焊接拉力高，并且光电性能更优。

溶剂；背面银浆；致密性；焊接拉力；光电性能

0 引 言

晶硅太阳能电池所用浆料主要由正面银浆[1]，背面银浆[2]和背面铝浆[3]组成。背面银浆经丝网印刷、烘干、烧结等工序形成背银电极。背银电极的致密性在一定程度上决定了其光电性能和可靠性[2]。近年来，研究人员对正面银浆及其相关组分的研究较多，而对背面银浆的研究较少。Li[2]等采用不同粒径的银粉，探讨了银粉的粒径和含量对背面银浆的光电性能、致密性及可焊性的影响。Liu[4]等分别选用球形和片状银粉制备成背面银浆，考察了银粉的形貌对背面银浆的性能影响。Gan[5]采用不同振实密度和分散性的银粉，研究了银粉的振实密度和分散性对背面银浆的光电性能和致密性的影响。Ma[6]等通过分析背面银浆与背面铝浆的接触方式，探讨了背面银浆的匹配性对串联电阻的影响。上述文章大多以探讨背面银浆所用银粉及其匹配性的研究较多，而对其所用溶剂的研究较少。本文采用松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-柠檬酸三丁酯的溶剂体系，通过改变三种溶剂的质量配比，考察了溶剂对背面银浆的性能影响，并选用较优的溶剂配比制备了一种可靠性高、光电性能较优的背面银浆。

1 实 验

1.1 实验原料、设备和仪器

实验原料：松油醇，二乙二醇丁醚醋酸酯，柠檬酸三丁酯，乙基纤维素，二氧化硅，三氧化二硼，三氧化二铋，氧化锌，氧化铜，以上均为分析纯；银粉(苏州思美特表面材料科技有限公司生产)；背面铝浆(江西核工业兴中科技有限公司生产)；正面银浆(D.P)；156×156多晶硅片(T.M)。

实验设备和仪器：SY-200型三辊研磨机，JF-600型双轴搅拌机，SX2-8-13型箱式电阻炉，KQM-Y/B型行星式球磨机，101-1A型电热鼓风恒温干燥箱，WY-178型精密网版印刷机，MD-225型TPS控温烧结炉，Y100-250型玻璃反应釜，DLSK-FXJ7型太阳能电池片光电性能测试分选机，NDJ-79型旋转粘度计，QXD型刮板细度计，S-3400N型日立扫描电子显微镜，STA449F3型综合热分析仪，SJS-500H型拉力测试仪，QUICK-205型智能无铅电焊台。

1.2 实验步骤

1.2.1 有机载体的制备

首先将松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯分别以3∶1∶1、2∶1∶1、1∶1∶1和2∶2∶3的质量比置于烧杯中，利用玻璃棒搅拌均匀后，配制成4种混合溶剂，记为R1、R2、R3、R4；然后分别将混合溶剂R1、R2、R3、R4与乙基纤维素按9∶1的质量比加入到4个玻璃反应釜中进行搅拌，并在25 ℃时开始升温，待温度达到85 ℃后保温2 h；最后通过过滤的方式得到4种有机载体，分别记为J1、J2、J3、J4。

1.2.2 玻璃粉的制备

首先将二氧化硅、三氧化二硼、三氧化二铋、氧化锌、氧化铜按一定比例置于刚玉坩埚中混合，混合后放置于箱式电阻炉中于1 100 ℃下保温1.5 h；然后进行水淬，并利用行星式球磨机将水淬后的玻璃粉球磨至5 μm以下；最后将研磨好的玻璃粉置于电热鼓风恒温干燥箱中进行烘干，干燥后得到所需玻璃粉。

1.2.3 背面银浆的制备

首先分别将有机载体(J1，J2，J3，J4)、银粉、玻璃粉按35∶60∶5的质量比混合在一起；然后采用双轴搅拌机将混合的浆料分散1 h，并利用三辊研磨机将分散好的浆料研磨4～5遍，使浆料黏度处于60～70 Pa·s之间，细度在5 μm以下；最后经过滤后得到4种背面银浆，分别记为BY1、BY2、BY3、BY4。

1.2.4 背银电极的制备

在156×156的多晶硅片上依次印刷烘干背面银浆(BY1，BY2，BY3，BY4)、背面铝浆和正面银浆，经快速共烧后，制得多晶硅太阳能电池片。

1.3 表 征

采用S-3400N型日立扫描电子显微镜对样品的微观形貌进行表征；利用德国耐驰公司STA449F3型综合热分析仪(空气气氛，升温速率10 ℃/min，测试样品质量约15 mg)对溶剂的热性能进行表征；借助DLSK-FXJ7型太阳能电池片光电性能测试分选机对样品的光电性能进行测试；采用SJS-500H型拉力测试仪对样品的焊接拉力进行测试。

2 结果与讨论

2.1 溶剂对背面银浆致密性的影响

实验采用松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-柠檬酸三丁酯的溶剂体系，通过改变3种溶剂的质量配比，考察了溶剂对背面银浆致密性的影响。将松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯分别以3∶1∶1、2∶1∶1、1∶1∶1和2∶2∶3的质量比配制成4种混合溶剂，分别为R1、R2、R3、R4，并利用4种混合溶剂相应制备成了背面银浆样品BY1、BY2、BY3、BY4。表1为混合溶剂组分的质量比。

图1为BY1、BY2、BY3、BY4烘干后和烘干并烧结后的SEM。由图1中背面银浆烘干后的SEM可知，随着松油醇含量的减少，膜层的致密性逐渐提高，当松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯的质量比为2∶2∶3时，制备的膜层最致密。利用综合热分析仪分析溶剂的热性能，由测试结果可知，松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和柠檬酸三丁酯的完全挥发温度依次升高，分别为169，197和282 ℃，图2为溶剂的TG-DTA曲线图。

图1 BY1、BY2、BY3、BY4烘干后和烘干并烧结后的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

当松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯的质量比为3∶1∶1和2∶1∶1时，由于松油醇比重较大，根据亨利定律，混合溶剂的相对含量决定了其蒸气压的相对比值，此时松油醇的蒸汽压较大[7-8]，混合溶剂主要以松油醇的挥发为主，使得松油醇集中挥发，造成膜层孔洞大。

图2 溶剂的TG-DTA曲线图

Fig 2 TG-DTA curves of solvents

同时由于松油醇挥发温度低，造成膜层干燥速度较快，不能充分流平，最终导致样品BY1和BY2烘干后的膜层结构疏松多孔，而且孔洞较大，如图1(a)和(b)所示。随着松油醇比重的减少，当松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯的质量比为1∶1∶1时，由于三种溶剂的比重相等，且具备不同的挥发温度，混合溶剂能够层次性地挥发。但由于高挥发温度的溶剂较少，膜层不能充分地流平，最终造成膜层仍有一些细小的孔洞，如图1(c)所示。当松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯的质量比为2∶2∶3时，此时混合溶剂不仅可以层次性地挥发，而且由于高挥发温度溶剂的比重提高，增加了膜层的流平时间，促进了膜层的流平，因此形成的膜层最为致密，如图1(d)所示。

图1中的(e)、(f)、(g)、(h)分别为样品BY1、BY2、BY3、BY4烘干并烧结后的SEM图，与其只烘干后的SEM图相比，可以发现烘干后膜层的致密性与烘干并烧结后膜层的致密性并无明显差异，说明溶剂在烘干段的挥发在一定程度上决定了膜层最终的致密性。而由实验结果可知，在松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-柠檬酸三丁酯的溶剂体系中，通过改变溶剂的质量比，使溶剂层次性地挥发并同时增加膜层的流平时间，可以在烘干段获得较为致密的背银膜层。

表1 混合溶剂组分的质量比

Table 1 Weight ratio of compositions of mixed solvents

混合溶剂编号松油醇∶二乙二醇丁醚醋酸酯∶柠檬酸三丁酯的质量比R13∶1∶1R22∶1∶1R31∶1∶1R42∶2∶3

2.2 溶剂对背面银浆焊接拉力的影响

太阳能电池组件需要在室外长期工作，应具备较高的可靠性和稳定性，而背面银浆优异的焊接拉力可以提高组件的可靠性和稳定性[9]。实验通过印刷、烘干、烧结等工序分别将BY1、BY2、BY3、BY4制备成背银电极，采用电焊台将锡条焊接在样品上，并利用拉力测试仪以反向180°的方式测试样品的焊接拉力，其测试结果如图3所示。由测试结果可知，由松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯以2∶2∶3的质量比制备的BY4焊接拉力最大，而且样品BY1、BY2、BY3、BY4的焊接拉力依次增大。这是由于烧结后的背银膜层越致密，其能够焊接的面积就越大，导致焊接拉力更大。从图1中样品烘干并烧结后的SEM中可知，BY4烧结后的膜层最为致密，故其焊接拉力最大。

图3 BY1、BY2、BY3、BY4的焊接拉力

2.3 溶剂对背面银浆光电性能的影响

分别将样品BY1、BY2、BY3、BY4和背面铝浆、正面银浆印刷在156×156的多晶硅片上，经过烘干和烧结等工艺后制备成电池片，电池片编号分别对应为P1、P2、P3、P4，每个样品的实验片数为200片。采用太阳能电池片光电性能测试分选机测试电池片P1、P2、P3、P4的光电性能，其测试结果如表2所示。从测试结果可知，由松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯以2∶2∶3的质量比制得的BY4，经制备成太阳电池片P4后，P4的串联电阻小，光电转换效率最高。串联电阻主要由电极电阻、互联金属电阻、半导体电阻以及电极与半导体之间的接触电阻组成[10]，因此背银电极的电阻会影响电池片的串联电阻。而背银电极的致密度越高，有利于形成更加致密的导电网络，减少电流传输中的阻力，使得串联电阻更小[5]。通过图1中样品的SEM可知，当松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯为2∶2∶3的质量比时，由该溶剂所制备的背银电极BY4，其膜层最为致密，使得电池片P4串联电阻更小。而由其它溶剂配比制备的BY1、BY2、BY3的膜层却更加疏松，因此P1、P2、P3串联电阻较大。同时较小的串联电阻有利获得更高的光电转换效率[11]，因此使得P4的光电转换效率比P1、P2、P3的更高。通过多次重复上述试验，相对于实验中的其它溶剂配比，采用松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯为2∶2∶3的质量比制备的背银电极有着减小串联电阻、提高光电转换效率的趋势。

表2 电池片的光电性能

3 结 论

(1) 在松油醇-二乙二醇丁醚醋酸酯-柠檬酸三丁酯的溶剂体系中，通过改变溶剂的质量比，使溶剂层次性地挥发并同时增加膜层的流平时间，可以获得较为致密的背银膜层。

(2) 致密的背银膜层有利获得更高的焊接拉力，提高背银电极的可靠性和稳定性。同时致密的背银膜层提供了更加致密的导电网络，有利于减小串联电阻，提高光电转换效率。

(3) 实验以松油醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、柠檬酸三丁酯按2∶2∶3的质量比配制的背面银浆具备致密的膜层、优异焊接拉力和较高的光电性能。

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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 通讯作者：汤森进，E-mail: tangsenjin@163.com

汤森进 (1966-)，男，浙江诸暨人，高级工程师，学士，从事表面处理材料和太阳能电极浆料研究。

TN304；TK511

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.014