太阳电池正极银浆用银粉的指标要求的综述

兰州金川科技园有限公司 ■ 任哲峥 郭廷宏 辛冰 杨姬蓉

0 引言

银浆用来制作太阳电池正面电极，随着光伏行业的快速发展，需求量逐年增长。银作为导电相，与无机粘接剂玻璃粉、有机溶剂、有机树脂等混合调配制成银浆。银浆印刷在硅片表面经过烧结制成银电极，主要作用是收集和传输电流。围绕这个目的，对银电极提出3点要求：1) 尽可能将硅晶片中产生的所有光生载流子收集到银电极上，这就对硅片表面的银电极栅线的印刷形状和密度提出要求，用最合理的几何分布使硅片表面接收的光照面积最大，但电极栅线不能太稀疏，否则不能最大限度地收集到光生载流子；2) 银电极电阻尽可能小，这样在传输电流时对电能的消耗最少；3) 银电极在硅片表面的粘附力大，稳定性高。其中，要求1)主要由印刷工艺控制，要求3)主要由配浆和烧结工艺控制，而要求2)主要对银粉的形貌、粒度、分散性等指标提出了严格要求，同时对配浆和烧结工艺也提出了要求。本文从形貌、平均粒度、粒度配比、表面处理、振实密度等指标，综述太阳电池正面电极用银浆所需银粉的要求。

1 太阳电池正极银浆用银粉的指标要求

1.1 形貌

目前研究制备出的银粉形貌有球形、类球形、树枝状、线状、无规则颗粒等，但是用于太阳电池银浆的银粉大多都是类球形或不规则颗粒。微米级的银粉多是类球形，亚微米和纳米级银粉形状多为不规则颗粒状。银粉形貌主要影响银浆的印刷性能和烧结性能，以及电极的致密度和电阻。形状若为树枝状或其他复杂形貌，则会降低银浆印刷的流平性和致密度，进而降低烧结后电极的致密度，提高电极电阻。因此，银粉形貌以类球形和不规则颗粒为主，表面形貌不能过于复杂。图1为金川在不同条件下制备的银粉的电镜照片，a、b、c、d粒度依次减小，形貌为类球形，结晶性好，适用于制备太阳电池正极银浆。

图1 不同条件制备的银粉电镜照片

1.2 平均粒度

Hilali M等[1]对5种平均粒度的银粉制成的银浆烧结后的性能进行了研究，5种银粉粒度从小到大依次是超细粒度粉、细粒度粉、小粒度粉、中等粒度粉、粗粒度粉。研究表明：串联电阻和接触电阻都随着粒度增大逐渐降低，但是粒度大于中等粒度后电阻趋于稳定；理想因子随着粒度的增大先减后增，在小粒度时最小；填充因子和开路电压随着粒度的增大先增后减，在小粒度时最大。5种粒度银粉制成的银浆分别在750 ℃和850 ℃烧结条件下制备的电池，其光电转换效率随着粒度的增大呈先增后减的趋势，在小粒度尺寸最大，超过了17%。综合这6个参数，说明小粒度银粉制成的银浆烧结成的电极接触电阻、串联电阻、电池转换效率和填充因子等参数最佳，银粉颗粒尺寸太大或太小都不好。超细粉粒度小于0.1 μm，粗粉粒度大于10 μm，细粉、小粉、中等粉的粒度在文献中未具体说明。从金川与其他客户交流情况推断，细粉粒度约0.1～1.0 μm、小粉粒度约1.0～3.0 μm、中等粉粒度约3.0～10 μm。郑建华等[2]也做了银粉颗粒尺寸与银电极接触电阻率的关系研究，结果与该研究结果相近，也说明随着银粉粒度的增大，电阻率下降，但粒度大于2.5 μm后，电阻率趋于平稳。

赵赞良等[3]通过实验证明，如果浆料中的银颗粒尺寸太大，虽然会减小串联电阻，但也会增加反向漏电流，增大电池p-n结烧穿的可能性；与此相反，若浆料中银粉粒径太小，虽然会减小反向漏电流，但同时也会使电池串联电阻变大；而浆料中采用尺寸适中、大小均一的银颗粒，则可同时减小电池的串联电阻和反向漏电流。

陈迎龙等[4]使用羧甲基纤维素为分散剂，抗坏血酸还原硝酸银，制备出的太阳电池正面银浆用银粉平均粒径为3.95 μm。

1.3 粒度配比

Seo D 等[5]研究了低温烧结银浆的成分及烧结温度对电极电阻的影响。该研究中使用的银粉是平均粒径为1.6、0.8、0.05 μm 3种规格银粉的混合粉，质量比例为4∶2∶1。其中，0.05 μm的超细粉是为了降低烧结温度，1.6 μm和0.8 μm的粉混合是为了提高银浆烧结后的致密度，降低电极电阻。

太阳电池用银浆烧结后要求电阻小，这就要求使用的银粉振实密度高，因此银粉的粒度不能是均匀的，而应有一个粒度分布范围，一般是2种或3种粒度的银粉混合为宜。这样小颗粒可填充大颗粒堆积形成的空隙，提高致密度，最大限度地降低银栅线电阻。

1.4 表面处理

Rane S B等[6]对1.0～2.0 μm银粉进行表面处理，使用的有机溶剂为三乙醇胺和辛酸(不同配比效果不同)。通过液相反应生成银粉，在银粉下沉过程中加入三乙醇胺和辛酸的混合溶液，同时进行搅拌，对银粉进行表面处理。与未处理过的银粉或只用其中一种溶剂处理的银粉相比较，两种溶剂混合溶液处理后的银粉粒度下降，分散性和比表面积提高，调配成的银浆流平性和印刷性都有提高，烧结后的电极线平滑致密、电阻低。

Lin J C等[7]使用三乙醇胺和辛酸对银粉进行表面处理，处理后银粉的分散性和比表面积提高，银粉在银浆有机溶剂中润湿性和均匀性提高，印刷干燥后及高温烧结后的电极光滑致密、电极电阻低。但是，银粉振实密度的变化对银浆致密性及电极电阻影响不明显。Wu S P等[8]在银粉表面包覆表面活性剂SU296，质量为银粉质量的1.5%，烧结后银膜致密度有所提高。说明表面处理可提高银粉的分散性、比表面积和松装密度等指标，并改善了银浆的印刷性能和烧结性能。

1.5 银粉纯度

为提高银粉分散性和表面性能，在银粉制备过程中会加入分散剂和表面活性剂，在洗涤过程中若完全被洗掉，银粉反而会出现严重团聚，降低分散性和松装密度。因此，银粉表面需残留极少量有机物。根据金川与外部厂家交流情况，以及ferro、dupont等公司提供的产品的烧损值来看，银粉中以含有不超过1%的有机物为宜。

银粉中的无机物杂质含量对其使用性能的影响鲜有报道，且市场上在售的银粉产品的性能指标中没有无机物杂质含量要求，说明该领域使用的银粉对纯度要求不高。目前制备太阳电池正极银浆用银粉使用的硝酸银以分析纯和优级纯两个品级为主，如果不考虑硝酸银中含有的水分，则分析纯和优级纯硝酸银的主品位分别可达到99.9%和99.99%，制备出的银粉中的无机物杂质含量较低(不考虑其他原料及生产设备带入杂质)，能够满足使用要求。

1.6 振实密度

为了降低电极电阻中的线电阻，要求银粉排列致密紧实。从这个角度看，振实密度和松装密度理论上越大越好。刘欢等[9]研究了不同振实密度银粉配成银浆烧结后的电极膜的收缩率和方阻变化。研究表明：随着银粉振实密度的提高，烧结膜的收缩率和方阻显著下降。说明振实密度越高，银粉排列越致密紧实，电极电阻越低，银浆的印刷性能和烧结性能也有显著提高。

从金川与厂家交流的情况，以及ferro、dupont等公司给出的银粉指标，1.0～3.0 μm的银粉振实密度大于4 g/cm3，松装密度大于3 g/cm3，用于太阳电池银浆较适合；对于亚微米银粉振实密度大于2.0 g/cm3的用于太阳电池银浆较适合。杭州正银电子材料有限公司推出了两款正银浆料用银粉，平均粒径为1.0～2.0 μm的银粉振实密度为5.8～6.0 g/cm3，平均粒径为2.5～3.5 μm的银粉振密度实为6.0～6.5 g/cm3。对于高振实密度银粉，一般是由几种不同粒径的粉混合而成，且用于配浆的银粉也都是由几种规格银粉混合而成。

2 结论

太阳能正极银浆用银粉的指标：1)银粉形貌为类球形或不规则颗粒状；2)平均粒度为1.0～3.0 μm，一般由两种或两种以上规格银粉混合组成；3)振实和松装密度理论上越大越好，实际上微米级银粉振实密度大于4 g/cm3，松装密度大于3 g/cm3；亚微米级银粉振实密度大于2.0 g/cm3可较好地用于太阳电池银浆；4)表面处理可提高银粉的分散性、比表面积和松装密度等指标，并改善了银浆的印刷性能和烧结性能；5)该领域使用的银粉对纯度要求不高，表面需要残留极少量有机物，不超过1%为宜。

以上结论主要是从理论和共性方面出发，来对太阳电池正极银浆用银粉的指标提出要求，不同厂家的银浆配方及烧结工艺不同，在共性指标基础上也提出不同的要求。

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