烧结温度对背钝化电池用银浆性能的影响

彭 帅，曾昭崐，汤森进，邹 文，周 剑，罗 晖

（江西省核工业地质局测试研究中心，南昌 330002）

引言

背钝化电池（PERC）采用双面钝化的结构设计[1]，大幅降低了表面复合，提升了光电效率。由于背钝化电池具备光电效率高、成本低的特点，逐渐成为晶硅太阳能电池的应用主流[2]。PERC背面银浆主要由银粉[3]、玻璃粉[4]、有机载体[5]和助剂组成。PERC背面银浆经过印刷、烘干、烧结等工序制备成电池背电极，主要起到导电和提供可靠性的作用。YANG[1]探讨了玻璃粉和焊接条件对背面银浆附着力的影响，ZHANG[6]建立了背面银浆烧蚀性的评估方法，简化了检测流程。研究人员对背面银浆的玻璃粉、焊接条件及烧蚀性评估方法等进行了研究，然而未见针对背面银浆的烧结温度的相关文献报道。在电池片的烧结过程中，烧结温度在一定程度上决定了背面银浆的成膜结构，进而影响电池片的光电性能及可靠性。

为提高PERC背面银浆的光电性能、可靠性和适用性，本试验研究了烧结温度对背面银浆性能的影响，探讨了背面银浆在烧结过程中的作用机理，获得了较优的烧结工艺，为优化PERC背面银浆的性能及其应用提供了一定的试验数据参考。

1 试验

1.1 原料

PERC背面银浆：工业级，江西核工业兴中新材料有限公司；PERC正面银浆：工业级，杜邦公司；PERC背面铝浆：工业级，广州市儒兴科技开发有限公司；多晶硅片：工业级，157 mm×157 mm，保利协鑫能源控股有限公司。

1.2 试验过程

将PERC背面银浆、PERC背面铝浆、PERC正面银浆依次印刷于157 mm×157 mm的镀有钝化膜的多晶硅片上，通过红外中温炉烘干和高温烧结炉快速共烧后，制得PERC电池片。在电池片烧结过程中将烧结温度点分别设定为700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，在每个烧结温度点烧结制备100片电池片，并分别记编号为T1、T2、T3 、T4、T5。图1为PERC电池片典型的烧结曲线。

1.3 测试与表征

采用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和结构；参照YS/T 612-2014《太阳能电池用浆料》，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NIR-PLUS/B型光致发光测试仪（北京合能阳光新能源有限公司）表征样品的杂质和缺陷分布；利用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）测试样品的光电性能；参照GB/T 17473.3—2008《微电子技术用贵金属浆料测试方法方阻测定标准》，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。

2 结果与讨论

2.1 烧结温度对背面银浆致密性的影响

分别在700℃、750℃、800℃、850℃、900℃的温度下烧结背面银浆，相应制得T1、T2、T3、T4、T5样品，研究了不同烧结温度对背面银浆致密性的影响。同时采用扫描电镜对样品的微观形貌进行表征，图2为烧结后的背面银浆样品SEM。

图2 烧结后的背面银浆样品SEM

从图2可以看出，随着烧结温度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的膜层逐渐致密平整。当烧结温度为700℃和750℃时，由于有机载体的挥发和分解，造成膜层表面留下许多孔隙[7]，而此时只有部分银粉溶解粘结在一起，并通过形核、结晶长大形成烧结颈，虽然缩小和闭合了部分孔隙，但仍存在较多的孔隙，因此造成T1和T2的膜层疏松多孔，如图2(a)、(b)所示。当烧结温度提升至800℃、850℃和900℃时，温度的升高促使更多的银粉溶解，并促进烧结颈迅速长大，膜层孔隙大量闭合，同时玻璃粉逐渐软化并填充部分未能完全闭合的小孔隙[8]，使T3、T4、T5 的膜层较为平整致密，如图 2(c)、(d)、(e)所示。

2.2 烧结温度对背面银浆附着力的影响

电池片组件将电池背电极和正电极采用串焊的方式连接电池片并接连外部电路，因此电池背电极用银浆的焊接附着力对电池片组件的可靠性有着重要影响。图3为烧结后的背面银浆样品的附着力。由图3可知，随着烧结温度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的附着力依次增大。结合图2可知，T1、T2、T3、T4、T5的银膜层随烧结温度的升高而逐渐致密。由于银膜层越致密，在银膜层顶部能够提供更多的焊接点，同时温度的升高促使更多的玻璃粉软化并润湿铺展至膜层底部，使膜层底部与硅片基体也形成更多的附着接触点，因此T1、T2、T3、T4、T5样品的附着力随烧结温度的升高而逐渐增大。而在烧结温度提高至800℃、850℃和900℃时，T4、T5样品相对于T3样品的附着力的提升幅度较小，如图3所示，这可能是烧结温度提升至800℃后，膜层已经形成较为致密的结构，并且大部分玻璃粉已经软化并铺展至膜层底部，如图2(c)、(d)、(e)所示，因此当烧结温度为800℃时，采取继续提升烧结温度的方式对样品附着力的影响较小。

图3 烧结后的背面银浆样品的附着力

2.3 烧结温度对背面银浆方阻的影响

方阻值在一定程度上体现了电池片背电极的导电性能，采用四探针测试仪对背面银浆样品的方阻进行测试，图4为烧结后的背面银浆样品的方组值。从图4可知，随着烧结温度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的方阻逐渐减小。同时结合图2可知，T1和T2的膜层疏松多孔，因此方阻较大；而T3、T4、T5的膜层相对致密，因此方阻较小[9]。当烧结温度为850℃和900℃时，T4和T5的方阻值相同，说明当烧结温度提升至850℃时，此时膜层结构已经较为致密，而通过继续提高烧结温度的方式对膜层的方阻和致密性都影响较小，如图2(d)、(e)所示。

图4 烧结后的背面银浆样品的方阻值

2.4 烧结温度对背面银浆光电性能的影响

采用太阳能电池片光电性能分选机测试电池片T1、T2、T3、T4、T5的光电性能，表1为电池片的光电性能。

表1 电池片的光电性能

从表1可知，随着烧结温度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的光电效率依次降低。

采用光致发光仪（PL）对电池片样品进行缺陷和杂质测试：PL成像点的白度越低，代表该点的钝化膜被背面银浆腐蚀得越严重，产生的缺陷或者掺入的杂质越多；反之，说明该点的钝化膜被背面银浆腐蚀得越少或没有被腐蚀，产生的缺陷或者掺入的杂质越少。图5为电池片背电极照片和电池片背电极PL成像照片，图中红色箭头指向电池片背电极位置（白色小方块为背电极）和相对应的电池片背电极PL成像位置。

图5 电池片背电极照片和电池片背电极PL成像照片

从图5可知，随着烧结温度的升高，T1、T2、T3、T4、T5的背电极PL成像点的白度依次降低，说明随着烧结温度的升高，背面银浆对钝化膜的腐蚀逐渐增加，产生的缺陷或掺入的杂质增多，导致载流子复合增加，电池片T1、T2、T3、T4、T5的开路电压和光电效率依次下降，如表1所示[7]。同时，对比表1样品的光电性能数据与图5样品的PL测试结果可知，两者相符。

3 结论

烧结温度对PERC背面银浆的性能具有重要的影响。在本研究试验条件下，随着烧结温度的升高，背电极的银膜层逐渐平整致密化，附着力随之升高，方阻逐渐降低，同时载流子的复合增加，光电效率下降。当烧结温度为800℃时，PERC背面银浆的综合性能较优，制备的银膜层较为致密、附着力大、方阻小、光电效率高，该温度为实验条件下PERC背面银浆较优的烧结条件。通过研究PERC背面银浆在烧结过程中的作用机理，为优化PERC背面银浆性能及其烧结工艺提供了相关的参考数据。随着PERC电池对降本提效的需求日益增加，其烧结工艺和作用机理有待进一步研究。