溶剂对晶硅太阳能电池用铝浆性能影响

(江西省核工业地质局测试研究中心,江西南昌 330002)

晶硅太阳能电池的铝背场是将铝浆通过丝网印刷、烘干、烧结等工序制备而成。铝浆作为背场电极不仅起到传输电流的作用,同时能够形成P+层和吸杂层[1-2],提高电池的光电性能。铝浆[3]主要由铝粉、玻璃粉和有机载体组成。近年来,研究人员对铝粉[4-5]和玻璃粉[6-7]的研究较多,而对有机载体[8]的研究较少,目前未见针对铝浆用溶剂的相关文献报道。溶剂作为有机载体主要成分之一,影响铝浆的流变性、挥发特性和成膜质量,在一定程度上决定了铝浆的光电性能及可靠性。为探讨溶剂在铝浆中的作用机理,进而提高铝浆的光电性能和可靠性。本文采用乙二醇甲醚-醇酯十二-扩散泵油的溶剂体系,探讨了三种溶剂的质量配比对铝浆性能的影响,制备了一种膜层致密、方阻小、附着力高、光电性能较优的铝浆,为研究铝浆的可靠性和光电性能提供了一定的实验数据参考。

1 实验

1.1 原料与仪器

乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油、乙基纤维素、氢化蓖麻油：分析纯,陶氏化学有限公司;二氧化硅、三氧化二铋、五氧化二钒、三氧化二硼、氧化铝、氧化锌、氧化锑：分析纯,国药集团化学试剂有限公司;背面银浆：工业级,江西核工业兴中科技有限公司;正面银浆：工业级,杜邦公司;多晶硅片：工业级,157 mm×157 mm,保利协鑫能源控股有限公司;铝粉：工业级,湖南金马铝业有限公司。

S-3400N型日立扫描电子显微镜：日本日立有限公司;RTS-8型四探针测试仪：广州四探针科技有限公司;SG-5型三辊研磨机：常州自力化工机械有限公司;SJS-500H型拉力测试仪：温州山度仪器有限公司;CDF-7210B型Despatch烧结炉：美国Despatch工业公司;SDF-750型变频高速分散机：常州自力化工机械有限公司。

1.2 实验过程

1.2.1 有机载体的制备

首先将乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油按质量比6∶6∶1,3∶3∶1,1∶1∶1和1∶3∶3分别添加至四个烧杯中,并利用玻璃棒搅拌均匀制备成四种混合溶剂,相应记为A1、A2、A3、A4;然后分别将A1、A2、A3、A4与乙基纤维素、氢化蓖麻油按质量比18∶1∶0.4添加至四个玻璃反应釜中并搅拌均匀,并将温度升至85℃后保温3 h,过滤后得到四种有机载体,分别记为B1、B2、B3、B4。

1.2.2 玻璃粉的制备

首先将二氧化硅、三氧化二铋、五氧化二钒、三氧化二硼、氧化铝、氧化锌、氧化锑按一定的质量比添加到刚玉坩埚中,将物料混合均匀后放置于箱式电阻炉中,并将温度升至1100℃后保温1.5 h;然后将上述物料进行水淬,制得玻璃块,并利用行星式球磨机将玻璃块制备成粒径小于4μm的玻璃粉;最后将玻璃粉进行烘干、过筛后得到所需玻璃粉。

1.2.3 铝浆的制备

首先分别将有机载体B1、B2、B3、B4和玻璃粉、铝粉按质量比18∶2∶80混合;然后将上述物料利用高速分散机搅拌2 h,分散后采用三辊研磨机研磨6遍,使浆料细度达到20μm以下;最后过滤得到四种铝浆,分别记为LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4。表1为铝浆样品的混合溶剂组分的质量配比。

表1 铝浆样品的混合溶剂组分的质量配比Tab.1 Weight ratio of compositions ofmixed solvents of aluminum pastes

1.2.4 铝背场的制备

首先在157 mm×157 mm的多晶硅片上依次印刷和烘干背面银浆、背面铝浆(LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4)和正面银浆;然后通过烧结炉快速共烧后,制得多晶硅电池片。

1.3 测试与表征

参照微电子技术用贵金属浆料测试方法方阻测定标准GB/T 17473.3—2008,采用RTS-8型四探针测试仪(广州四探针科技有限公司)表征样品的方阻值;参照微电子技术用贵金属浆料测试方法细度测定标准GB/T 17473.2—2008,利用TQC-VF2110型刮板细度计(荷兰TQC公司)测试样品的细度;参照太阳能电池用浆料标准YS/T 612—2014,利用SJS-500H型拉力测试仪(温州山度仪器有限公司)测试样品的附着力;借助S-3400N型日立扫描电子显微镜(日本日立有限公司)表征样品的微观形貌、结构以及元素分布;利用STA-449F3型综合热分析仪(德国耐驰公司)测试样品的热性能;采用DLSK-FXJ7型太阳能电池片光电性能分选机(北京德雷射科光电科技有限公司)测试多晶硅电池片的光电性能。

2 结果与讨论

2.1 溶剂对铝浆致密性的影响

实验采用乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油按6∶6∶1、3∶3∶1、1∶1∶1和1∶3∶3的质量比分别制备成混合溶剂A1、A2、A3、A4,并相应制得铝浆LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4,探讨三种溶剂的质量配比对铝浆致密性的影响。同时采用扫描电镜对铝浆样品的微观形貌进行表征,图1为烧结后的铝浆样品SEM。

图1 烧结后的铝浆样品SEMFig.1 SEmimages of aluminum pastes prepared by sintering

从图1可以看出,通过调整三种溶剂的质量配比,LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4烧结后的膜层逐渐平整化和致密化,且LJ-4的膜层最为平整致密。采用综合热分析仪对铝浆所用的三种溶剂的热性能进行表征,图2为溶剂的TG-DTA曲线图。结果表明乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油的完全挥发温度依次升高,分别为91,190,453℃。高沸点溶剂可以增加浆料膜层的流平时间,从而促进膜层平整和致密化。当乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油的质量比分别为6∶6∶1和3∶3∶1时,LJ-1和LJ-2中所含高沸点醇酯十二和扩散泵油的比例较小,膜层的流平时间较短,因此膜层疏松且不平整,如图1(a)、(b)所示。随着高沸点溶剂醇酯十二和扩散泵油的含量增加,当乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油的质量比为1∶1∶1和1∶3∶3时,膜层的流平时间增加,LJ-3和LJ-4的膜层相比于LJ-1、LJ-2更加致密和平整,如图1(c)、(d)所示。

2.2 溶剂对铝浆方阻的影响

采用四探针测试仪对铝浆样品进行表征。表2为烧结后的铝浆样品方阻值。结果表明LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4的方阻值分别为15,13,9,12 mΩ,通常膜层越致密,导电性越好,方阻值越小。而由图1可知,LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4的膜层逐渐致密化,LJ-4的膜层最致密,但其方阻值却不是最小的,而LJ-3的方阻值最小。采用能谱仪对LJ-3和LJ-4的膜层表面的元素分布进行表征,图3为烧结后的铝浆样品的能谱图。从能谱的分析结果来看,LJ-4的膜层虽然最致密,但表面存在质量分数约为8.12%的碳元素,而LJ-3的膜层表面没有碳元素残留。这可能是由于LJ-4中的高沸点溶剂的比例较大,导致溶剂在烧结时难以完全挥发。虽然LJ-4的膜层最为致密,但是由于残留了部分有机物,导致其导电性较差,方阻较大。

图2 溶剂的TG-DTA曲线图Fig.2 TG-DTA curves of solvents

表2 烧结后的铝浆样品的方阻值Tab.2 Square resistance of aluminum pastes prepared by sintering

图3 烧结后的铝浆样品的能谱图Fig.3 EDS images of aluminum pastes prepared by sintering

2.3 溶剂对铝浆附着力的影响

晶硅太阳能电池片通过焊接、封装等工序形成电池组件,铝浆的附着力是影响电池组件抗老化能力和可靠性的重要因素之一。实验将背面银浆、背面铝浆(LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4)、正面银浆印刷于多晶硅片上,通过烘干、烧结等工序制备成晶硅太阳能电池片,并组装成电池组件。参照太阳能电池用浆料标准YS/T 612—2014,采用EVA封装拉力测定方法对铝浆样品的附着力进行测试,图4为铝浆样品的附着力。

从图4可知,LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4的附着力依次提高,同时结合图1可知,LJ-4的膜层最为致密。由于LJ-4中所含的高沸点溶剂的比例较大,其流平时间较长,铝颗粒之间能够形成紧密有序的结构,紧密的结构使LJ-4具备较高的附着力,而LJ-1、LJ-2、LJ-3的膜层相对疏松,因此附着力相对较低。

图4 铝浆样品的附着力Fig.4 Adhesion of aluminum pastes

2.4 溶剂对铝浆光电性能的影响

将LJ-1、LJ-2、LJ-3、LJ-4样品相应制备的晶硅太阳能电池片,分别记为S1、S2、S3、S4,每个样品的实验片数为300片。采用太阳能电池片光电性能分选机测试电池片S1、S2、S3、S4的光电性能,结果如表3。

由表3可知,LJ-3具备最小的串联电阻和较高的开路电压,并且光电转换效率最高。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[9],小的串联电阻有利于电流的传导,因此可以得到更高的光电转换效率[10]。同时,由于平整致密的铝膜与硅基体接触得更加紧密和均匀,因此能够形成均匀的BSF层,可以提升掺杂效果,阻止少子的扩散,并且增加了载流子的收集效率,有利于提高开路电压和光电转换效率[1]。

表3 电池片的光电性能Tab.3 Photoelectric properties of cells

从图1的SEM中可知,LJ-4具备最为平整致密的膜层,可以形成均匀的BSF层,因此LJ-4的开路电压最大,如表3所示。但同时从图3(b)的能谱分析可知,由于LJ-4的膜层残留了部分有机物,造成其串联电阻较大,不利于电流的传导,总体上反而降低了光电转换效率。而LJ-3不仅具备平整致密的膜层,提高了开路电压,同时由于膜层方阻较小,降低了串联电阻,有利于电流的传导,因此LJ-3的光电转换效率较高。而LJ-1、LJ-2的膜层与LJ-3的膜层相比,相对疏松且不平整,造成LJ-1、LJ-2开路电压较小和串联电阻较大,因此LJ-1和LJ-2的光电转换效率较低。

3 结论

实验探讨了溶剂对晶硅太阳能电池用铝浆性能的影响,采用乙二醇甲醚-醇酯十二-扩散泵油的溶剂体系,结果表明通过增加高沸点溶剂的比例可以延长铝浆的流平时间,能够得到平整致密的膜层,有利于提高铝浆的附着力和降低方阻值。但当铝浆中的高沸点溶剂比例过大时,溶剂难以完全挥发,反而会增大方阻值,不利于电流的传导。同时,当乙二醇甲醚、醇酯十二、扩散泵油的质量比为1∶1∶1时,采用该混合溶剂制备的铝浆的综合性能较优,其膜层平整致密、方阻小、附着力高、光电性能高。

在应用方面,对于常规晶硅太阳能电池用铝浆而言,本文揭示的溶剂作用机理具有一定的参考和应用价值。而随着高效率PERC晶硅太阳能电池的快速发展及应用,该作用机理亦可适用,可依据实际要求做出相应调整。