一種用於晶體矽太陽電池的高電導率無鉛銀漿及製備方法
2023-06-07 19:42:01
專利名稱：一種用於晶體矽太陽電池的高電導率無鉛銀漿及製備方法
技術領域：
本發明涉及晶體矽太陽能電池正面電極銀漿技術領域，具體說是一種用於晶體矽太陽能電池的納米改性高電導率無鉛銀漿的製備方法。
背景技術：
太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，太陽能電池銀電極是一種將此過程中所產生的電流輸出轉化成電能的組件。太陽能電池性能的優劣除了取決於所使用的半導體材料中載流子的濃度、分布和遷移率外，還取決於正反電極性能的好壞。而正電極的質量直接影響到太陽能電池的串聯電阻、分流電阻、填充因子和電池的光電轉換效率。所以正電極所使用的銀漿的製備、印刷以及燒結質量將影響太陽能電池的性能。現階段，太陽能電池產業界所使用的銀漿普遍都是含鉛的，其中鉛是以氧化鉛的形式存在於漿料裡的玻璃粘合劑裡面，這種玻璃粘合劑是一種鉛-硼-矽混合玻璃粉末。由於氧化鉛和氧化硼均具有較低的熔點，氧化鉛和氧化硼的存在降低了該玻璃體系的軟化溫度，從而使得導電銀漿的燒結溫度降低，同時銀電極的電性能更穩定。太陽能電池工業界， 銀漿的燒結溫度通常為800°C左右。由於鉛對人體健康的損害和環境的汙染非常大，含鉛導電銀漿將逐步被限制使用。我國的太陽能電池產品主要依賴於出口，出口地集中在歐美等發達地區，這些地區要求太陽能電池產品是環境友好型的，因此，必須發展無鉛導電銀漿以滿足大規模太陽能電池
生產需求。在不加氧化鉛的情況下，銀漿的燒結溫度較高，容易破壞矽片的結構，從而降低晶體矽太陽能電池的光電轉換性能。因此，需要尋求替代氧化鉛的添加物。納米銀粉由於其表面積大、活性高，其熔化溫度顯著低於大顆粒銀粉的熔化溫度， 比如直徑為70納米(70nm)的銀粉的熔化溫度為500°C，50nm的銀粉的熔化溫度為300°C， 而且隨著納米銀粉粒徑的繼續減小，其熔化溫度進一步降低。塊狀金屬銀的熔化溫度即為金屬銀的熔點，金屬銀的熔點為962°C。納米銀粉是指顆粒直徑小於IOOnm的銀粉，1 μ m等於lOOOnm，因此微米級銀粉不具有納米級銀粉所具有的低熔化溫度的特點，微米級銀粉的熔化溫度一般為金屬銀熔點即962°C。低的熔化溫度表明在用於電極的燒結過程中其燒結溫度更低。考慮到納米銀粉熔化溫度具有顯著低於塊體銀熔化溫度的獨特優勢，本專利採用納米銀粉代替氧化鉛來製備銀漿，用於晶體矽太陽能的正面電極。納米銀的摻入能夠降低銀漿的燒結溫度，同時由於具有高導電率的納米銀替代了導電性差的氧化鉛，能有效地降低晶體矽太陽能電池的串聯電阻，從而顯著提高晶體矽太陽能電池的光電轉換效率。專利20081002M31. 8和專利20081002M30. 3所述的銀漿，雖然使用了無鉛玻璃粘合劑，但是導電相使用的是微米級的銀粉，無法達到納米銀摻入能夠降低銀漿燒結溫度、 降低串聯電阻、以及提高太陽能電池光電轉換效率的三重效果。因此納米改性無鉛銀漿是含鉛銀漿的切實可行的替代品。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種用於晶體矽太陽電池的高電導率無鉛銀漿及製備方法，其主要特點是通過微米級銀粉與適當比例的納米級銀粉的優化配比達到高性能銀漿的目標，該銀漿燒結形成的銀電極的電導率具有比常規銀漿高得多的特點，有效地提高晶體矽太陽能電池的光電轉換效率。本發明所提出的製備高電導率無鉛銀漿所採用的微米級-納米級銀粉優化配比的技術原理藉助圖1、2、3來敘述。首先，如圖1所示，微米級銀粉由兩種顆粒大小的組成，進行優化級配(圖1)，達到小顆粒銀粉能夠填充大顆粒銀粉間空隙的目的，由於銀漿經燒結所形成電極的導電是通過銀顆粒之間的電荷傳遞實現的，顆粒與顆粒之間接觸面積越大， 則導電率越高。在晶體矽太陽能電池的生產中，電極燒結是一個非常快速的過程，電極燒結溫度一般為800°C左右，電極燒結的持續時間極短，僅有5秒鐘左右，微米級銀粉顆粒間來不及發生明顯的原子擴散，因此微米級銀粉顆粒間的接觸面積很難增大，從而其導電率不能有效提高。晶體矽太陽能電池的電極燒結與一般陶瓷材料的燒結過程差異極大，陶瓷材料一般在1000°C以上的高溫下持續燒結數小時至幾十小時(如氧化鋁陶瓷在1600°C燒結10小時以上)，由於原子在高溫下的長時間擴散，顆粒與顆粒之間最終形成連續、緻密的界面。將若干含量納米銀粉摻入微米級銀粉中，如圖2所示，由於納米銀粉的粒徑遠小於微米級的，因此它們將填充在不同粒徑微米銀顆粒接觸的空隙中。納米銀粉的熔化溫度 (2000C )遠低於微米級金屬銀，在晶體矽太陽能電池電極快速燒結過程中，溫度升高時，填充在微米銀顆粒空隙中的納米顆粒將首先熔化、在微米級銀顆粒的夾角處形成一體，如圖3 所示，將微米級銀顆粒焊接起來、並形成牢固的金屬鍵，微米級銀顆粒之間的接觸面積明顯增大，導電率也隨之升顯著高。本發明所述無鉛銀漿的組分及各組分的重量百分比為導電銀粉75% -80%，玻璃粘合劑3% _5%，無機添加劑3% _5%，有機載體15% -20%，所述導電銀粉為微米銀粉和納米銀粉的混合粉末，納米銀粉粒徑為20-70nm，納米銀粉5% -10%，粒徑2 4. 5 μ m的微米銀粉8% -9%，粒徑5 10 μ m的微米銀粉56% -62%,所述玻璃粘合劑為鉍-矽-硼混合玻璃體系，該體系的組分及重量百分比為=Bi2O3 60 % -80%, B2O3 5% -20%, SiO2 5% -20%，所述無機添加劑的組分及重量百分比為=Al2O3 10% -20%, MnO2 10% -20%, MgO 10% -20%,CaO 10% -20%,Ta2O5IO% -20%，所述有機載體由有機溶劑和有機添加劑以重量比5 1組成，有機溶劑為α-松油醇和2-乙氧基乙酸乙酯的混合溶劑，有機添加劑為乙基纖維素。本發明所述無鉛銀漿的製備方法(1)玻璃粘合劑的製備將玻璃粘合劑的組分按如下重量百分比稱取=Bi2O3 60% -80%, B2O3 5% -20%, Si025% -20%，將以上組分混合均勻後置於高溫馬弗爐內，溫度控制在1200°C，保溫60分鐘，隨後將熔融的玻璃體系淬火併且球磨；(2)無機添加劑的製備
將無機添加劑的組分按如下重量百分比稱取=Al2O3 10 % "20 %, MnO2 10% -20%, MgOlO% -20%, CaO 10% -20%, Ta2O5 10% -20%，將以上組分在玻璃碾缽中混合均勻；(3)有機載體的製備將有機溶劑和有機添加劑以重量比5 1混合均勻，其中有機溶劑中α-松油醇和2-乙氧基乙酸乙酯以2 1的重量比混合均勻；(4)所述無鉛銀漿的製備將粒徑2 4. 5 μ m的微米銀粉8% _9%，粒徑5 10 μ m的微米銀粉56%~62%, 納米銀粉5% _10%，玻璃粘合劑3% _5%，無機添加劑3% -5%和有機載體15% -20%稱重後攪拌均勻，放入球磨機中混合均勻，得到低電阻無鉛納米-微米複合銀漿。本發明的有益效果是按本發明所製備的無鉛銀漿，由於不含鉛，完全符合目前的環保要求，且摻入了若干含量的低熔點納米銀，彌補了因氧化鉛的限制使用而造成的燒結溫度過高的缺陷；此外，通過微米銀粉優化級配，且用納米銀替代了導電性差的氧化鉛，燒結後能形成極高電導率、低歐姆接觸及附著力極強的銀電極，能夠有效地降低晶體矽太陽能電池的串聯電阻，從而提高晶體矽太陽能電池的光電轉換效率。
圖1為兩種粒徑微米銀粉的優化級配示意圖；1為粒徑5 10 μ m的微米銀粉，2為粒徑2 4. 5 μ m的微米銀粉；圖2為摻入納米銀粉後兩種粒徑微米銀粉的優化級配示意圖；1為粒徑5 10 μ m的微米銀粉，2為粒徑2 4. 5 μ m的微米銀粉，3為粒徑20 70nm的納米銀粉；圖3為燒結完成後銀電極的形貌示意圖。1為粒徑5 10 μ m的微米銀粉，2為粒徑2 4. 5 μ m的微米銀粉，3為粒徑20 70nm納米銀粉熔融後的形貌。
具體實施例方式下面結合具體的實例進一步闡述本發明。附表1 各實例的組分含量
權利要求
1.一種用於晶體矽太陽電池的高電導率無鉛銀漿，其特徵是，所述無鉛銀漿的組分及各組分的重量百分比為導電銀粉75%-80%，玻璃粘合劑3%-5%，無機添加劑3%-5%，有機載體15%-20%，所述導電銀粉為微米銀粉和納米銀粉的混合粉末，粒徑2、. 5 μ m的微米銀粉 8%-9%，粒徑5 10 μ m的微米銀粉56%-62%，納米銀粉粒徑為20_70nm，納米銀粉5%_10%，所述玻璃粘合劑為鉍-矽-硼混合玻璃體系，該體系的組分及重量百分比為=Bi2O3 60%-80% ； B2O3 5%-20% ；SiO2 5%-20%，所述無機添加劑的組分及重量百分比為Al2O3 10%_20%，MnO2 10%-20%, MgO 10%-20%, CaO 10%_20%，Ta2O5 10%_20%，所述有機載體由有機溶劑和有機添加劑以重量比5:1組成，有機溶劑為α -松油醇和2-乙氧基乙酸乙酯的混合溶劑，有機添加劑為乙基纖維素。
2.一種用於晶體矽太陽電池的高電導率無鉛銀漿的製備方法，其特徵是(1)玻璃粘合劑的製備將玻璃粘合劑的組分按如下重量百分比稱取=Bi2O3 60%-80%, Β2035%-20%, SiO2 5%_20%， 將以上組分混合均勻後置於高溫馬弗爐內，溫度控制在1200°C，保溫60分鐘，隨後將熔融的玻璃體系淬火併且球磨；(2)無機添加劑的製備將無機添加劑的組分按如下重量百分比稱取=Al2O3 10%_20%，MnO2 10%_20%，MgO 10%-20%, CaO 10%-20%，Ta2O5 10%_20%，將以上組分在玻璃碾缽中混合均勻；(3)有機載體的製備將有機溶劑和有機添加劑以重量比5:1混合均勻，其中有機溶劑中α -松油醇和2-乙氧基乙酸乙酯以2:1的重量比混合均勻；(4)所述無鉛銀漿的製備將粒徑2 4. 5 μ m的微米銀粉8%-9%，粒徑5 10 μ m的微米銀粉56%_62%，納米銀粉 5%-10%，玻璃粘合劑3%-5%，無機添加劑3%-5%和有機載體15%-20%稱重後攪拌均勻，放入球磨機中混合均勻，得到低電阻無鉛納米-微米複合銀漿。
全文摘要
一種用於晶體矽太陽電池的高電導率無鉛銀漿及製備方法，是通過納米銀粉與微米銀粉複合而成，微米銀粉通過優化級配，燒結後所形成的銀電極具有極高的電導率。該納米改性高電導率無鉛銀漿的組分為(重量比)粒徑2~4.5μm的微米銀粉8%-9%，粒徑5~10μm的微米銀粉56%-62%，納米銀粉5%-10%，玻璃粘合劑3%-5%，無機添加劑3%-5%，有機載體15%-20%，所述納米銀粉粒徑為20-70nm，所述玻璃粘合劑為鉍-矽-硼混合玻璃體系，所述有機載體由有機溶劑和有機添加劑組成。該高電導率無鉛銀漿的製備工藝簡單，易於規模化生產，對提高晶體矽太陽能電池的光電轉換效率有實際意義。
文檔編號H01L31/0224GK102368391SQ20111032822
公開日2012年3月7日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者杜國平, 羅暉, 陳楠 申請人:南昌大學