硅基太阳电池及其所用正银浆料概述

浙江亚通焊材有限公司 ■ 马君杰 冯斌 钟海锋

浙江省钎焊材料与技术重点实验室

0 引言

太阳能是可再生能源中最具代表性的一种，人们对太阳能的利用主要有光热和光电两种，其中，光电转换又可分为光-热-电转换和光-电直接转换[1]。光电直接转换是利用光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换为电能，最常见的就是太阳电池[2]。

1954年，贝尔实验室首次成功的制成了转换效率为6%的实用型晶体硅太阳电池[3]，自此开启了太阳电池的发展道路。为提高太阳电池的转换效率，各企业不断设计更高效的太阳电池结构及用于太阳电池的导电银浆。

正面导电银浆(简称“正银浆料”)是制备太阳电池的主要原材料之一，高质量的浆料是太阳电池获得高转换效率、降低度电成本的关键因素。目前，正银浆料国际市场基本被4家大型供应商(美国杜邦、德国贺利氏、韩国三星、台湾硕禾)垄断，这4家供应商约占所需浆料份额的80%[4]。国内的正银浆料生产商多处于初步发展阶段，浆料依赖进口，在很大程度上提高了太阳电池的制造成本，制约了我国太阳电池企业的市场竞争力和发展。

本文简要介绍了不同结构的硅基太阳电池及其所用的正银浆料，对比了国内外不同导电浆料供应商针对不同电池结构推出的正银浆料性能参数，为正银浆料国产化提供了思路。

1 不同硅基太阳电池技术

晶体硅太阳电池主要由经过不同工艺处理的硅基片、正面电极、铝背场及背面电极等组成。图1～图5分别为不同技术的太阳电池结构示意图。

图1为常规太阳电池结构示意图，常规太阳电池的制备工艺简单、成本较低，但和其他硅基太阳电池技术相比，其转换效率较低。

图1 常规太阳电池结构示意图

PERC太阳电池，即钝化发射极及背面太阳电池，结构如图2所示。PERC太阳电池与常规太阳电池的主要区别在于[5]：1)PERC太阳电池在背表面有钝化介质层(多为Al2O3)和保护层(多为SiNx)；2)常规太阳电池铝背场与硅片完全接触，而PERC太阳电池铝背场是通过激光开窗的空洞区域与硅片进行局部接触。

图2 PERC太阳电池结构示意图

图3为n型晶体硅太阳电池结构示意图。n型晶体硅太阳电池较p型晶体硅太阳电池具有少子寿命高、光致衰减小等优点，有更大的效率提升空间。同时，n型晶体硅太阳电池还具有弱光响应好、温度系数低等优点。

图3 n型晶体硅太阳电池结构示意图

IBC太阳电池，即叉指背电极太阳电池，结构如图4所示[6]。其优势主要体现在[7]：1)转换效率高，正面无栅线使入射光子数量最大化；2)表面轻掺杂，增强了短波光谱响应；3)基区和发射区的电极均制作在背面，可实现电池正、负极焊线的共面拼装，简化了光伏组件制作工艺流程，易实现自动化，提高生产效率。

图4 IBC太阳电池结构示意图

图5为HIT太阳电池(异质结太阳电池)结构示意图[8-9]。HIT太阳电池以高质量超薄本征非晶硅层对晶体硅基底材料的两面进行钝化，降低表面复合损耗，提高了器件对光生载流子的收集能力，从而形成高效的新型晶体硅太阳电池。其主要优势有[10-11]：1)采用低温技术，整个烧结工艺可在200 ℃左右完成，减少能耗，降低成本；2)光电转换效率高；3)稳定性好，没有形成B-O复合体而导致的光衰效应。

图5 HIT太阳电池结构示意图

2 硅基太阳电池用正银浆料

2.1 正银浆料在太阳电池中的作用

正银浆料是通过丝网印刷将银浆印刷在晶体硅片上，然后经过烘干和烧结工艺在硅片表面形成电极或电路。在光照条件下，硅片中的p-n结产生的光生电子会朝着电池正面电极运动，空穴朝着背电极运动。如果电子运动到正面电极之前未被缺陷或杂质复合就会被电极收集，进而形成电流流至外电路。因此，这对浆料的要求较高，如形成良好的欧姆接触、低的接触电阻、良好的印刷性、良好的附着力等。浆料的质量和性能对晶体硅太阳电池的效率有重要影响，近年来晶体硅太阳电池转换效率的提高大部分要归功于浆料的改善，尤其是正银浆料。不过由于不同种类太阳电池的结构和制备工艺有差别，对正银浆料的性能要求也有所差异，主要包括高温型和低温型，分别应用于晶体硅太阳电池和HIT太阳电池。

2.2 正银浆料的分类与组成

2.2.1 高温烧结型正银浆料

高温烧结型正银浆料一般由银粉、玻璃粉和有机载体等组成。由于银具有良好的导电性，且相对于其他贵金属而言价格便宜，因此在导电浆料中具有导电功能，银粉一般占浆料总量的80%～90%[4]。文献[12-15]的研究结果表明，银粉粒径分布、微观形貌、含量等对太阳电池的转换效率有重要影响。目前银浆中广泛使用的是微米、亚微米级超细球形银粉，能与硅基片形成良好的欧姆接触，接触电阻较低，导电性良好。玻璃粉作为无机粘结剂，决定着导电浆料对太阳电池减反射膜的腐蚀穿透力和银膜电极与硅基体的结合力；以及溶解Ag，并输送到Ag/Si界面，保证Ag与Si形成良好的欧姆接触。玻璃粉一般占浆料总量的2%～10%[4]。文献[16-18]的研究发现，具有适当融化温度和润湿能力的玻璃粉，有助于降低银电极体电阻和接触电阻，增加焊接拉力，是获得最佳电池性能的关键因素之一。有机载体主要由有机溶剂、树脂、添加剂等组成，其作用是分散和润湿浆料中的银粉及玻璃粉，控制浆料的流变性能，使浆料具有良好的印刷性能，最后在烧结的过程中挥发出去，一般占浆料总量的5%～15%[19]。通过调节有机载体的组成和含量可以改变浆料的粘度、挥发性、触变性等性能，使浆料在印刷时具有较高的流动性，增大栅线高宽比，提高电池的转换效率。正银浆料这些组成成分的性能和比例会直接影响太阳电池的转换效率。

2.2.2 低温固化型正银浆料

HIT太阳电池的正面电极通常在200 ℃左右进行烧结，因此，必须使用低温型电极浆料。低温银浆成分主要由银粉、树脂、溶剂及添加剂组成[8-9]。其中，银粉为导电相，树脂是粘结相，溶剂用来溶解树脂、控制浆料的挥发性等，添加剂则是用来改变浆料的各种性能，使其适用于HIT太阳电池电极的印刷和固化工艺。

低温固化型正银浆料中，一种为热塑性浆料，采用热塑性树脂，其溶剂含量较多，固化工艺窗口较窄[10]；另一种采用热固性树脂，称为热固性浆料，加热时，热固性聚合物在相邻的聚合链间形成化学键，导致形成三维网络结构，比热塑性浆料形成的二维结构要刚硬[11]。

3 适用于不同太阳电池技术的正银浆料

导电银浆的品质对太阳电池的电性能起着决定性作用，优质的导电银浆是制造高效太阳电池的关键。虽然目前国内企业生产的浆料市场占有率较低，但在国内浆料生产商的努力下，国产浆料与进口浆料的性能差距已经较小，主要是稳定性与品牌知名度还亟需提高。表1～表5列举了国内外浆料商为不同结构太阳电池设计的最新正银浆料的性能参数[20]。

由于常规太阳电池技术的发展较为成熟，其使用的正银浆料研发较早、技术更新较快、国产产品型号较多，部分国产浆料在性能上可与进口浆料相媲美。目前，国内只有少部分企业采用无铅玻璃粉。PERC太阳电池结构和常规太阳电池相比，主要区别在于背表面沉积钝化层和激光开窗结构，就正面结构而言区别较小，PERC太阳电池的烧结温度相对较低些，因此，有些常规太阳电池正面银浆可以兼容PERC太阳电池。n型晶体硅太阳电池，如IBC太阳电池，由于其特殊的结构和制备工艺，其导电银浆中导电相为Ag-Al合金，可以在p+发射极硅表面获得低接触电阻。对于HIT太阳电池而言，高温会对电极下面掺杂的非晶硅薄膜产生损伤[21]，因此必须采用低温浆料。低温浆料中不含玻璃粉，固化温度在200 ℃以下，无银粉烧结过程，银粉之间、银与硅之间通过有机树脂相进行粘结。

表1 常规太阳电池正银浆料

表2 PERC太阳电池正银浆料

表3 n型晶体硅太阳电池正银浆料

4 总结与展望

目前，为了使光伏发电具有竞争力，提高太阳电池的光电转换效率且降低其生产成本是产业发展的核心目标。未来的硅基高效技术主要是基于n型和PERC技术来制备方阻高、少子寿命高、光致衰减小、弱光响应好的硅基片。其中，PERC太阳电池在生产上相对容易实施，只需在常规太阳电池的制备工艺中增加2个工序：沉积背面钝化叠层和背面钝化层激光开窗。对银浆而言，电阻小、高宽比大、降低银含量、玻璃粉无铅化是未来的发展目标。

综上所述，为了提高太阳电池的转换效率，降低度电成本，越来越多的电池技术涌现，导电银浆越来越专业化。因此，未来硅基太阳电池技术和银浆的发展主要趋势为：

1)采用基于n型晶体硅和PERC高效技术优化太阳电池结构，并针对不同太阳电池结构设计所需要的新型导电浆料；

2)导电银浆用银粉粒径超细化，多种粒径的银粉混合使用；

3)玻璃粉无铅化，有利于环境保护；

4)为了降低成本，在保证栅线印刷高精度的同时降低浆料中银的含量。

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