银粉特性和玻璃粉特性对PERC电池用背面银浆性能的影响

刘玉杰，万 忠，王莉娜

（上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241）

引言

晶硅光伏电池经过数十年的急速发展，市场份额已超过85%，商业化最高效率已经达到24%以上[1]。自2016年“630”以来，晶硅电池的发展趋势被迫向高效低成本的方向发展[2]。背钝化（PERC）高效太阳能电池作为对原有P型电池的升级，效率可提升达1%左右，面对如此大的提升空间，国内一线电池厂都在进行着背钝化技术改造。背钝化技术主要有传统P型单多晶的背钝化、N型电池背钝化等[3]。

PERC电池专用背面银浆关键技术是精确控制银浆对电池背面SiNx和钝化层的腐蚀深度和附着力之间的平衡。在此前提下，玻璃粉的开发方向尽管很清晰，但要保证完全腐蚀掉SiNx，同时对钝化层没有腐蚀或轻微腐蚀[4]，而且还要让玻璃粉具有较好的附着力，这让玻璃粉的开发陷入了困境。由于无机体系的研发瓶颈，尽管可以通过配方的调整，获得弱腐蚀的效果，但几乎所有背银用无机体系对银粉的浸润性极强，传统的大片银体系达不到较高的机械强度。因此需要针对性地调整银粉的形貌和比例来提升附着力，提升机械强度。

本研究从玻璃粉的筛选、玻璃粉与银粉的匹配两个方面，简介PERC太阳能电池专用背面银浆的开发过程，阐述银粉特性和玻璃粉特性对PERC电池用背面银浆性能的影响，期望对相关浆料开发工作起到借鉴作用。

1 试验设计

为了设计出能够达到弱腐蚀、高附着力、高效的PERC太阳能电池专用银浆，首先，根据PERC电池对玻璃粉腐蚀的要求，对两种体系玻璃粉G01、G02进行了筛选，选择的玻璃粉应具有弱腐蚀、与铝箔不发生反应、微溶银箔的特性，并以此玻璃粉作为后续银粉筛选的基准。

其次，在该玻璃粉的基础上，通过筛选粒径相似但形貌不同的银粉来调制浆料。试验准备了三组不同的银粉，其中银粉S01为球形粉、S02为片状粉、S03为S01与S02的混合。通过银粉和优选玻璃粉的匹配调制出了三款PERC电池专用背面银浆P01、P02、P03。

最后，对三款浆料分别进行常规测试，保证印刷流变特性相似。进而对三款浆料分别用于单晶PERC电池和多晶黑硅PERC电池，得到测试结果。

2 试验过程

2.1 玻璃粉的优选

首先根据PERC太阳能电池钝化结构的特殊要求，研制了两种不同体系的玻璃粉G01、G02；然后对二者进行腐蚀性、铝箔膜铺展、银箔膜铺展性能比较，进而优选出性能较为优异的玻璃粉；最后以此玻璃粉为基础进行银粉的优选工作。

2.2 玻璃粉对氮化硅的腐蚀性

从背钝化电池结构上可以看出，无论是以Al2O3作为钝化层结构，还是直接使用SiNx作为钝化结构，在钝化结构的外层，总是会有20 nm以上厚度的SiNx薄膜叠加在主体钝化层的外层，因此本研究设计的玻璃粉对氮化硅的腐蚀试验，可以较为真实地评估出玻璃粉的腐蚀特性。

使用均匀镀膜的单晶蓝膜片SiNx面进行腐蚀模拟试验，将G01和G02玻璃粉与预先配制的有机载体研磨制浆。先将玻璃浆均匀涂覆于蓝膜片上，再进行正常的烧结试验，最后将硅片浸泡于硝酸中，洗去玻璃层，进而烘干观察。图1示出了玻璃粉对氮化硅的腐蚀结果。

图1 玻璃粉对氮化硅的腐蚀结果

从图1可以看出，G01和G02对同等厚度的氮化硅层的腐蚀有明显差别。相较而言，G02的腐蚀性能比G01弱很多，洗去玻璃层后，氮化硅层只有轻微的腐蚀痕迹，而G01对氮化硅层腐蚀严重，已经露出了硅的底色。

2.3 玻璃粉在铝箔膜上铺展性能及腐蚀性

背面银浆总是会和背面的铝浆搭接，共同烧结，组成电池背面的铝背场和银电极，PERC太阳能电池也不例外。但是背面银浆中的玻璃体系与背面铝浆中的玻璃体系所起的作用并不完全相同。只有交界处的银膜或者铝膜不产生相互影响，才能在银铝搭接处形成良好的协同导电通路。在共烧结过程中，银浆先于铝浆烧结，所以银浆中的玻璃粉高温下的流动性能与铺展性能才是引起银铝搭接通路畅通与否的关键。

本研究将PERC背面银浆中的玻璃粉制备成玻璃浆，并均匀涂覆在铝箔上，进行烧结试验，进而观察玻璃粉在铝箔上的铺展和腐蚀情况。

图2为玻璃粉在铝箔上的铺展与腐蚀结果。从图2可以看出，图2(b)中的G01在铝箔上铺展较为充分，且在涂覆区域、边界处腐蚀严重。在图2(c)中可以看出，同等的烧结条件下，G02的铺展范围仅仅限制在玻璃浆的涂覆区域，对铝箔也只是轻微腐蚀。比较以上两组玻璃粉在铝箔上的铺展和腐蚀情况，G02的表现最符合试验设定要求。

图2 玻璃粉在铝箔上的铺展与腐蚀结果

2.4 玻璃粉在银箔膜上铺展性能及溶银性能

背面电极其导电性能的核心在于玻璃层中银微晶颗粒的数量和尺寸，而这一要求同样会影响背电极的机械附着力。决定玻璃层中银微晶颗粒数量和尺寸的关键因素在于玻璃粉的溶银能力和溶银速度。

本试验将PERC背面银浆中的玻璃粉制备成玻璃浆，并均匀涂覆在银箔上进行烧结试验，进而观察玻璃粉在银箔上的铺展和腐蚀情况。

图3为玻璃粉在铝箔上的铺展与溶银结果。从图3可以看出，图3(b)中的G01在铝箔上铺展并不充分，且在涂覆区域内并无明显的溶银情况。相比G01而言，在图3(c)中可以看出，同等的烧结条件下，G02的铺展十分充分，且溶银情况十分明显。比较两组玻璃粉在银箔上的铺展和溶银情况，G02的表现更符合试验设定要求，它可以更好地保证玻璃层中银微晶颗粒数量和尺寸。

图3 玻璃粉在铝箔上的铺展与溶银结果

2.5 银粉的优选

银粉作为背面银浆中占比90%以上成本的导电材料,对浆料的电学性能、机械可靠性等尤为重要。在对银粉的评估中，本试验主要从银粉的烧结活性、粒径分布、振实密度等方面予以考量。本试验从这些基本参数入手，筛选出了2类主要银粉，分别为片状粉和球状粉，并通过调配，得到第三种片球混合粉。

在G02的基础上，通过筛选粒径相似但形貌不同的银粉来调制浆料。银粉基本参数列于表1。

表1 银粉基本参数

2.6 有机载体的制备

以丙烯酸树脂和乙基纤维素为主，调试出了适合本体系的最佳树脂组成；在有机溶剂方面，考虑到梯度挥发和室温储存稳定性，选择了一系列的高沸点溶剂，如DBE、松油醇等。一款好的有机载体的组成应当有表2所列的一些必不可少的关键要素。

表2 有机载体组成

2.7 浆料的制备

对无机粉体进行前处理，400目过筛，过完筛的银粉和玻璃粉进入三维混料；用高速分散机预处理有机载体，将有机相进行前混合；混合均匀的有机相与三维之后的粉体一并加入搅拌机搅拌；进行三辊碾压，得到半成品的材料；经过浆，再搅拌，结束整个生产流程。

通过严格工艺管控，制备银浆样品3组。每组银浆配方列于表3。

表3 银浆配方

3 测试结果

3.1 常规内部测试

根据内部浆料评测正常流程测试三款浆料，测试结果列于表4。由表4可以看出，在同样的有机体系下制备浆料，P01黏度最低，为45 Pa·S；P02黏度最高，为52 Pa·S；P03居中，为48 Pa·S；相对体电阻方面，P01最小，P02最大，P03居中；银铝接触方面，P02表现最好，其次P01，最后P03；拉力方面均大于4 N/0.9 mm，均超过管控标准2.5 N/0.9 mm。

表4 银浆内部测试结果

3.2 多晶黑硅PERC电池

将三组浆料同时印刷于多晶黑硅叠加PERC技术的电池背面，并测试其效率等相关性能，结果列于表5。

表5 多晶黑硅PERC电池测试结果

从表5可以看出，电性能方面，P01在多晶黑硅电池上的表现最优，其中在Isc、Rs、FF上优势明显；效率方面P01最高，P02其次，P03最差。使用350℃手工焊接，拉力均远高于2.5 N/0.9 mm的产线控制标准，其中，BL拉力4.2 N/0.9 mm，试验浆料拉力均大于4.5 N/0.9 mm，但三组试验浆料剥离之后的状态略有差异，P01极易同时出现虚焊和过焊的状态，P02则呈现较好的焊接状态，P03状态介于P01和P02之间。

3.3 单晶PERC电池测试

在多晶黑硅背钝化电池试验结果的基础上，筛选出P01、P02两组浆料，将两组浆料同时印刷于单晶PERC电池背面，并测试其效率等相关性能，结果列于表6。

从表6可以看出，P02在单晶上的表现最优，其中Voc、Isc优势明显，效率方面P02最高、P01次之。P01、P02焊接拉力均大于4.5 N/0.9 mm，高于产线控制标准。但焊接状态略有差异，P01极易同时出现虚焊和过焊的状态，P02则呈现较好的焊接状态。

表6 单晶PERC电池测试结果

4 结论

从上述的试验结果可得，具有弱腐蚀特性、与铝箔不发生反应、微溶银箔特性的G02玻璃粉更适合本试验的预期。在此基础上，选用球状银粉S01调制的浆料P01，更适合在多晶黑硅PERC电池上使用，可以得到较好的Isc、Rs、FF，进而得到更高的效率；选用片状银粉S02调制的浆料P02，更适合于单晶PERC电池，其中Voc、Isc优势明显，进而表现出更好的电性能。

由于试验条件限制，只选用了简单的玻璃粉和银粉进行匹配试验，调制的浆料在不同类型的PERC电池背面获得了不一样的使用效果。有鉴于此，行业同仁可借鉴试验思路大胆设计试验方案，或许会得到更好的结果。

单独评测玻璃粉性能是一种很好的评估方法，比如评测腐蚀特性、与铝箔反应的特性、与银箔反应的特性等。但是当玻璃粉与大量银粉混合之后，其腐蚀程度会被大大削弱，因此略带腐蚀特性的玻璃粉调制浆料后，整个浆料的腐蚀性能才会呈现弱腐蚀或不腐蚀的状态。

同一种玻璃粉，匹配不同形貌的银粉，在浆料调制过程中银粉会对玻璃粉的分布、烧成过程中玻璃粉的流动都会有一定程度的影响，正如本试验焊接状态所示结果。球形的银粉具有更好的玻璃兼容能力和流动特性，因此银浆在后端焊接过程中呈现出更好的焊接状态；相反片状银粉的随机排列，可能会导致局部玻璃粉过剩与不足共存，极易出现虚焊过焊。