高结晶单分散银粉表征及低温烧结活性分析

孙嘉若 邢志军 庞亿 巩小萌 胡影

摘要：采用液相还原法，通过改变纳米银晶浓度制得不同粒径的类球形银粉。采用扫描电子显微镜、比表面积分析仪、激光粒度分析仪等对银粉进行物理性能表征，并进行低温（200 ℃）烧结活性分析。结果表明：银粉颗粒结晶度高，单分散性好，且银粉粒径随加入的纳米银晶浓度提高呈规律性递减;样品4粒径最小，经低温烧结后银粉颗粒边界逐渐消失，烧结30 min后银粉完全烧结，形成交错联结的空间网络结构。高结晶单分散银粉的制备为HJT电池开发提供技术支撑。

关键词：银粉;液相还原;粒度;低温烧结;高结晶

中图分类号：TB383 TG146.3文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）04-0001-04doi：10.11792/hj20230401

引 言

随着市场对电池效率的要求越来越高，P型电池的效率瓶颈已越发明显，当前N型电池需求呈现迅速增长趋势，HJT技术的量产推广正在进行，新型电池对银粉的技术需求产生变化，银粉市场正处于转型期。HJT电池即异质结电池，其基本原理是在N型硅片基础上采用非晶硅沉积的方式形成异质结作为钝化层，这种结构的电池开路电压更高，效率相应也会比较高。PERC电池转换效率的理论极限为24.5%，目前量产转换效率为23.5%^［1］，而HJT电池量产转换效率为24.5%，且具有更大的提升空间。同时，HJT电池具有功率衰减小、低温度系数、支持薄膜化、双面发电等优点。HJT电池所有制程的加工温度均低于250 ℃，传统高温浆料烧结過程无法满足，因此需要开发针对HJT电池工艺的低温浆料，也对浆料中的导电相——银粉提出了新要求。

目前，新型高效光伏电池的正银银粉生产企业主要集中在美、日、德等国家^［2］，国产银粉主要用于传统低端电池生产线，因此开发更先进的银粉制备工艺对中国电子行业的发展显得尤为重要。银粉的规模制备主要使用液相还原法，常见的有甲醛还原法^［3］、水合肼还原法^［4］、硼氢化钠还原法^［5-7］，有研究采用鞣酸作为还原剂和表面活性剂^［8］，抗坏血酸作为还原剂^［9-10］，PVP作为分散剂及保护剂^［11］。本文采用液相还原法，硝酸银作为前驱体，抗坏血酸作为还原剂，通过改变工艺参数调节颗粒尺寸，制备出粒度分布均匀的类球形银粉，对其进行表征及低温烧结活性试验研究。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：硝酸银（分析纯），抗坏血酸（分析纯），无水乙醇（分析纯）;试验用水为二次去离子水，电阻率≥18.2 MΩ/cm。

仪器：JSM-6390A扫描电子显微镜（JEOL）;Mastersizer 3000激光粒度分析仪（Malvern Instruments UK）;ASAP 2020 HD88比表面积分析仪（美国麦克仪器公司）;JZ-7粉体振实密度仪;恒温干燥箱。

1.2 试验方法

采用液相还原法，以硝酸银为前驱体，以抗坏血酸为还原剂，通过调节加入纳米银晶的浓度（5×10^-4mol/L、1.5×10^-3mol/L、5×10^-3mol/L、2.5×10^-2mol/L），制备不同粒径的类球形银粉（样品1～4）。试验所得银粉经清洗后，干燥6 h，获得具有不同粒径尺寸的银粉。分别取等量银粉堆积于表面皿上，200 ℃恒温烧结。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌

银粉扫描电子显微镜（SEM）形貌见图1。从图1可以看出：银粉颗粒结晶度高，且均呈现出良好的单分散性。银粉粒径随加入的纳米银晶浓度提高呈规律性递减。这是因为加入的分散剂具有长链结构，其包覆在银粉表面，长链分子伸向四周，利用空间位阻效应限制了银原子的聚集，削弱了粒子间的相互吸附作用。此外，提高反应初期加入的纳米银晶浓度，增加了同质生长点数量，还原出的银原子就近沉积于纳米银晶表面。因此，在银粒子总量不变的情况下，随着纳米银晶浓度增加，银粒子生长尺寸减小。

2.2 粒 度

4种银粉粒度分布见图2、表1。从图2、表1可以看出：4种银粉粒度分布都很窄，且随银粉粒度减小而减小（样品1＞样品2＞样品3＞样品4），粒径为0.1～0.5 μm的银粉占比明显增加。经激光粒度分析仪测试，样品4 d₅₀为1.05 μm，粒径最小。

2.3 比表面积及振实密度分析

银粉的比表面积由ASAP 2020 HD88比表面积分析仪测得，结果见表2。结果显示：调整制备工艺参数后，银粉比表面积增加（样品4＞样品3＞样品2＞样品1）。比表面积是衡量粉体颗粒大小的指标之一，比表面积越大，则证明粉体的颗粒越小。

银粉振实密度的测量采用GB/T 5162—2006 《金属粉末 振实密度的测定》，首先将银粉干燥，称取约50 g粉末，倒入25 mL量器中，置于粉体振实密度仪上进行振实，参数为每分钟振动250下，测试完毕读取体积，得到粉体振实密度，结果见表2。结果显示，随着银粉粒度减小，振实密度降低。

2.4 烧结试验

HJT电池用固化浆料的固化温度较低，为180 ℃～220 ℃。选取固化温度200 ℃进行银粉烧结试验，烧结时间30 min，烧结后银粉SEM形貌见图3。从图3可以看出：样品1、样品2经过烧结后仍然保持了清晰的颗粒形貌，仅颗粒边缘轻微熔融;样品3、样品4烧结后，银粉熔融形成联结的脉络，且样品4颗粒形貌消失，样品3仅保留有少量大颗粒形貌。结合银粉粒度分析结果，相比样品1、样品2，样品3 0.1～0.5 μm小颗粒银粉占比更大，烧结性能更好。样品4颗粒尺寸整体最小，低温烧结性能最好。

試验考察了样品4在200 ℃恒温烧结10 min、20 min、30 min的SEM形貌，结果见图4。从图4可以看出：样品4 在200 ℃烧结10 min时已经开始熔化，烧结20 min与30 min的烧结程度已无明显区别。这表明颗粒尺寸最小的样品4可以实现低温烧结，且存在进一步缩短烧结时间的优化空间。在200 ℃固化温度下，银粉颗粒熔融，互相联结形成网状通路。这种具有优秀低温烧结性能银粉的开发对低温工艺的HJT电池技术具有重要意义。

3 结 语

采用液相还原法，以硝酸银作为前驱体，抗坏血酸作为还原剂，通过调整工艺参数，制备出粒度分布窄、结晶度高、单分散的类球形银粉。经200 ℃低温烧结，样品4熔化形成联结的脉络，颗粒形貌消失，这种低温下颗粒边界消失并烧结的性能，将有助于构建良好的导电通路，对具有低温烧结活性且高导电性能低温浆料的开发具有重要意义。

［参 考 文 献］

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Highly crystallized monodisperse silver powder characterization

and low-temperature sintering activity analysis

Sun Jiaruo，Xing Zhijun，Pang Yi，Gong Xiaomeng，Hu Ying

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：Liquid phase reduction method is used to alter nano-silver crystal concentration and fabricate near spherical silver powder of different particle diameters.SEM，specific surface area instrument，and laser particle analyzer are used to characterize the physical properties of the silver powder.Besides，low-temperature（200 ℃） sintering activity analysis is carried out.The results show that the silver powder particle is highly crystallized and in a good monodisperse state，and the silver powder particle diameter regularly decreases with increasing added nano-silver crystal concentration;sample 4 has the smallest particle diameter and gradually lost silver powder particle boundary after low-temperature sintering.After 30 min，the silver powder is fully sintered，forming an interconnected spatial grid structure.The fabrication of highly crystallized monodisperse silver powder provides technical support for the development of the HJT battery.

Keywords：silver powder;liquid phase reduction;particle size;low-temperature sintering;highly crystallized