硼铝对晶硅太阳能电池背面银浆玻璃粉性能的影响

2022-12-14陈浩宇崔隆宇李加宁

电工材料 2022年6期

彭亮，陈浩宇，崔隆宇，李加宁

（四川省东树新材料有限公司，四川德阳 618000）

引言

近年来，由于化石能源的日渐减少，可再生能源得到迅速发展，其中太阳电池研究和产业发展势头迅猛。目前，晶硅太阳电池是技术最成熟、应用最广泛的太阳电池，在光伏市场中占据主导地位。发射极及背面钝化电池（PERC）是目前性价比最高的光伏电池，其金属化由银浆通过丝网印刷后实现。PERC电池背面具有钝化层，可以有效减少载子复合密度，可起背面反射作用。背面电极是其重要组成部分，主要用来收集背面电流，串联电池形成组件，是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一。银浆主要由银粉、玻璃粉以及有机载体组成。其中背面玻璃粉含量通常仅占银浆质量的1%～5%，但它作为反应媒介在背面电极的形成过程中起着关键作用。目前PERC背面银浆玻璃粉主要体系为硅体系、碲体系，少有使用硼硅铝共同建立玻璃框架体系的玻璃粉。硼硅铝是生成玻璃粉框架的重要元素，影响玻璃的玻璃化转变温度、高温熔融黏度、烧结活性、力学性能，从而影响电池的电性能和附着力。

本研究制备了多种硼硅铝玻璃，并将其运用于背面银浆玻璃粉，探讨了硼铝的含量变化对玻璃粉的性能的影响，并通过几种新表征方法测试其对电池片开路电压、串联电阻、拉力的影响。

1 试验

1.1 制备玻璃试样

所用的原料有PbO、Bi2O3、H3BO3、Al(OH)3，SiO2均为分析纯，由国药集团化学试剂有限公司生产。将原料按表1配比，充分混合并碾磨，过200目筛后装入刚玉坩埚，放入1400℃的马弗炉中保温1 h，形成玻璃液。将玻璃液水淬，经干燥、球磨后，将玻璃粉过400目筛待用。

表1 玻璃粉配方表（物质的量之比）

1.2 制备银浆

选用平均粒径小于2 μm的高纯度球状银粉（99.99%）。有机载体主要成分为乙基纤维素和松油醇。另将玻璃粉、银粉、有机载体，按一定比例精确称量，混合、研磨后制成银浆，编号1～6对应玻璃粉编号。

1.3 晶硅太阳电池背面电极制备

首先将电池片均分为4份，分别采用1～4进行背银印刷，然后进行铝浆、正银印刷。最后通过Despatch烧结炉烧结制得，最高烧结温度750℃。

1.4 测试与表征

采用TQC-VF2110型刮板细度计测试样品细度（参照GB/T 17473.2—2008）；采用TH-B210S卧式拉力机测试仪测试银电极的附着力（参照YS/T 612-2014）；采用STA449C综合热分析仪测试玻璃粉样品的热性能；采用无锡市瑞能科技有限公司PL测试设备分析钝化层的腐蚀情况；采用TLM-SCAN测试电池片电阻；采用梅耶博格IV测试仪器（Spot LIGHT）测量电池片的效率。

2 结果与讨论

2.1 硼铝含量变化对电池片少子寿命的影响

将背银浆料通过特定的图案印刷在电池片上，如图1所示。通过相同的烧结条件进行烧结，用PL通过发光程度表征其少子寿命。PL可以通过颜色的深浅表征玻璃粉对电池片钝化层的腐蚀性，颜色越亮，腐蚀性越弱，颜色越黑，腐蚀越严重。通过图像处理软件计算出其灰度变化，结果如图2所示。

图1 PL测试图

图2 背银灰度

结果表明，随着H3BO3的增加，Al（OH)3的减少，背银灰度呈现先上升后下降的趋势，玻璃粉对电池片的钝化层腐蚀性先变弱后变强，少子寿命先增加后减少。

玻璃粉较低的玻璃化转变温度会使玻璃粉具有更好的流动性，能更好地浸润银粉，同时蚀刻氮化硅表面，因此灰度上升。有研究表明，当玻璃中的B2O3含量较低时，主要以硼氧四面体[BO4]存在，熔体的网络结构聚集紧密。而B2O3由于其结构不稳定性，当含量较高时析晶倾向严重，B2O3含量较低时，银浆烧结并对钝化层作用后，N元素含量较低，钝化层Si4N3完整性破坏严重；当B2O3含量较高时，N元素含量大幅度提升，钝化层完整性良好；B2O3含量继续提升时，N元素含量有所降低，钝化层完整性有所破坏。

2.2 硼铝含量变化对电池片电阻的影响

将背银浆料通过特定的图案印刷在电池片上，再印刷上铝浆，通过相同的烧结条件进行烧结，用TLM测试通过测试线电阻表征串联电阻。测试结果如图3所示，随着H3BO3的增加，Al（OH)3的减少，印刷电池片银电极的线电阻先下降后上升，银铝接触电阻先下降后急速上升，前者是因为玻璃粉的玻璃化转变温度随着H3BO3的增加和Al（OH)3的减少呈现先降低后增加的趋势。玻璃粉较低的玻璃化转变温度会使玻璃粉更加良好地浸润银粉，帮助银电极烧结致密，从而取得更优的电阻，银铝接触电阻在后端急速上升是由于随着H3BO3的增加和Al（OH)3的减少，银铝接触界面出现大量的铝钉刺，玻璃粉没有良好地浸润银浆和铝浆，导致银膜和铝膜搭接不致密，在烧结过程中由于收缩率的不同而分离断裂，导致银铝接触电阻急速上升，4#样品电极形貌正常，银铝接触电阻较低，6#样品银铝接触区域由于银浆和铝浆在烧结过程中收缩，导致搭接区域部分断裂，银铝电阻较高。

图3 背面银浆线电阻

2.3 硼铝含量变化对电池片拉力的影响

将背银浆料印刷在电池片上，再印刷上铝浆，通过相同的烧结条件进行烧结，用拉力机测试其拉力。采用350℃进行常规拉力测试，450℃进行高温拉力测试。为了进一步表征背电极附着力的稳定性，还采取350℃焊接后，放入150℃烘箱中保温1 h后冷却至室温测试其附着力的方法进行老化拉力的测试。测试结果如图4所示，随着H3BO3的增加，Al(OH)3的减少，印刷电池片的350℃的焊接拉力差异不大，但其高温焊接附着力下降，这可能是由于随着H3BO3的增加，银电极的收缩变严重，在烧结冷却过程中由于银电极和硅片的膨胀系数不同导致粘结处出现微小裂痕，在更加苛刻的高温焊接时，拉力下降这也能与银铝搭接形貌数据对应。同时随着H3BO3的增加，Al(OH)3的减少其老化附着力先上升后下降，这是由于较低的玻璃粉转变温度使得玻璃粉能够更好地浸润银粉，降低银-锡合金的生成，使得在老化过程中不出现过焊的情况，从而保证了老化拉力。综合3项拉力测试，结果表明3#、4#样品附着力最佳。

图4 附着力测试

2.4 硼铝含量变化对电池片电性能的影响

转换效率是晶硅太阳能电池重要指标，2020年工信部公开征求《光伏制造行业规范条件》的意见，现有多晶硅、单晶硅平均光电转换效率分别不低于19%和22.5%。表2为电性能测试结果。结果表明随着H3BO3的增加和Al（OH)3的减少，开压先上升后降低，与前面PL结果一致。Rs先降低后上升与TLM结果一致。4#样品相对开压、电阻较优。