銀漿流變性能對硅太陽電池電性能的影響

摘要: 通過改變有機相中乙基纖維素的質量分數, 制備了具有不同流變性能的銀漿, 并應用于硅太陽電池。對銀漿流變性能、電池正面電極形貌和電池電性能等的分析測試結果表明, 銀漿的流變性能影響所印制電池的電極形貌及其電性能。當有機相中乙基纖維素質量分數為 6% 時, 銀漿具有較高低剪切速率下的黏度和較低高剪切速率下的黏度, 能使所印的電極柵線邊緣整齊, 具有較高的高度和較小的線寬, 所印制電池電性能*, 具有較好的填充因子( FF ) 和轉換效率( G) 。

關鍵詞: 流變性; 電性能; 銀漿; 太陽電池

與普通電池一樣, 晶體硅太陽電池也有兩個用于引出電流的電極。位于受光面的電極包括主柵線和若干細柵線兩大部分, 習慣上稱其為太陽電池的正面電極。正面電極中的細柵線收集硅基片中因光生伏TE效應產生的光電子, 并將這些光電子傳輸到主柵線上, 導出電池。

制備太陽電池正面電極的方法主要有真空蒸鍍法和絲網印刷法兩種。絲網印刷法所需成本低, 操作簡單, 利于實現太陽電池工業化的大規模生產。絲網印刷方法制備太陽電池正面電極的基本工藝是將銀漿涂覆在硅基片上, 經過干燥、紅外快速燒結,后使之金屬化形成電極[ 1- 3] 。

絲網印刷用的銀漿由導電相、玻璃相和有機載體相組成。其中, 有機載體主要由溶劑、增稠劑、表面活性劑, 觸變劑等組成。有機載體起潤濕、分散粉體顆粒的作用, 并賦予銀漿*的印刷性能[ 4- 5] 。銀漿印刷效果的好壞將直接影響到太陽電池的短路電流( I sc) 、串聯電阻( R s ) 、效率( G) 等各項性能, 從而影響電池的品質, 而銀漿印刷效果由銀漿的流變性能決定。在銀漿制備工藝中, 可以通過改變有機載體的組分等來調整銀漿的流變性能, Lin 等[ 3] 研究了銀漿組分對流變性能的影響, 但有關銀漿流變性能對后期電池制作影響的報道甚少。本文通過觀察銀漿印制出太陽電池電極柵線的形貌, 討論了銀漿流變性能對太陽電池電性能的影響。

1實驗部分

1. 1 銀漿的制備

以松油醇為溶劑, 分別加入質量分數為 4% 、 6% 、8% 的乙基纖維素, 再各加入質量分數為 1% 的其他助劑, 混合均勻。于 90 e 的水浴中加熱直至*溶解, 保溫 3 h, 冷卻, 得到有機載體, 標號分別為有機相 a、b、c。按質量比為 77 B 3 B 20 分別稱取金屬銀粉、玻璃粉以及有機相, 在容器中預混合后置于三輥機上碾壓, 當刮板細度計測得細度為 10~ 14 Lm 時, 出料, 即得到太陽電池正面電極用銀漿, 標號分別為銀漿 a、b、c。

1.2  測試銀漿的流變性能

用Bro okfield DV II + Pro 流變儀測試各銀漿的流變性能, 剪切速率增量為 0. 4 s- 1 , 記錄下各剪切速率下的黏度值, 并繪制出各銀漿的流變曲線。

1. 3 太陽電池的制備

采用 Baccini 自動絲網印刷機將 a、b、c 3 種銀漿印刷到單晶硅片( 規格 125 mm @ 125 mm ) 上, 再經 Despatch 紅外燒結爐燒結, 得到太陽電池。每種銀漿分別印刷 20 片電池, 所用單晶硅片已制好p- n 結, 正面鍍有 SiNX 減反射膜, 背面已經印好背電極和背場。所用絲網為 325 目, 細柵線的設計線寬為120 Lm。

1. 4 觀察太陽電池正面電極的微觀結構

用反光光學顯微鏡( OLM YPU S MX51) 觀察太陽電池正面電極的微觀結構, 測試電極柵線的寬度。

1. 5 太陽電池的電性能測試

采用 BERGER Lichttechnik Gm bH 太陽電池測試儀對所制備的各種太陽電池進行電性能測試。

2結果與討論

2.1  銀漿的流變性能

圖1 為 3 種銀漿的流變曲線。可以看出, 銀漿a的高剪切速率( > 60 s- 1 ) 和低剪切速率( < 10 s- 1 ) 下的黏度都較低, 峰值黏度為 1. 95 X 105  cPa. s, 60 s- 1時的黏度為 1. 82 X 105 cPa.s; 銀漿 c 高剪切速率和低剪切速率下的黏度都較高, 峰值黏度為8. 55 X105  cPa · s, 60 s- 1 時黏度為 1. 14 X 104  cPa·s; 而銀漿 b則具有較高的低剪切速率下的黏度和較低的高剪切速率下的黏度, 峰值黏度為 6. 55 X 105 cPa · s, 60 s- 1 時黏度為 3. 6X 104 cPa · s。

造成這一現象的原因主要是: 在銀漿中, 大量的銀粉顆粒填充于由乙基纖維素形成的三維網絡結構中。銀漿中乙基纖維素質量分數越高, 該網絡結構越復雜, 銀漿分散體系越穩定, 不容易被外力破壞。故隨著乙基纖維素質量分數的增加, 銀漿在各剪切速率下的黏度都逐漸增大。

2. 2 銀漿流變性對太陽電池正面電極的影響

銀漿在印刷時, 先預鋪在絲網的上表面, 印刷工藝上希望銀漿在刮刀運行時( 剪切速率約為 60 s- 1 ) 黏度迅速下降, 具有較好的流動性, 銀漿迅速通過絲網網孔流到硅基片上。刮刀作用后, 絲網回彈,已經印到基片上銀漿的黏度立即回到剪切前的黏度, 而不在硅片上鋪展開來。在流變曲線上表現為,銀漿在高剪切速率下的黏度應較低, 而在低剪切速率下的黏度則應較高。也即銀漿有良好觸變性, 銀漿的觸變性是印刷出清晰電極條紋的關鍵[ 6] 。

3 種銀漿印刷出來的正面電極的反光光學顯微照片如圖 2 所示。電極 a( 圖 2a) 的邊緣平整、光滑,但電極柵線 a 的線寬遠大于絲網所設計的線寬。電極b( 圖2b) 的邊緣平滑、整齊, 且電極柵線寬度適中, 略大于設計線寬。電極 c( 圖 2c) 的邊緣凹凸非常嚴重, 呈鋸齒形。

銀漿 a 在刮刀的高速剪切下, 黏度低, 能迅速通過絲網網孔, 并自動流平以彌補由于絲網網線阻隔而斷開的區域。但由于在絲網回彈后銀漿的黏度仍較低，已經流到硅片上的銀漿還會繼續流動一定時間, 這便造成所印出的電極 a 的線寬遠大于設計線寬。

銀漿 b 在刮刀運行后網板回彈時, 雖較快地達到峰值黏度, 但恢復過程仍需一定時間, 所以也有微量的流平, 使電極 b 的線寬略大于設計線寬, 這個微量的流平有利于電極的上表面平整而沒有鋸齒形。另外, 在電池片燒結時, 電極的線寬也會略有增加。銀漿b 在刮刀剪切時黏度僅為3. 6 X 104 cPa · s, 流動性好, 相比銀漿 a 穿過網孔流到硅片上的銀漿更多,在剪切后黏度迅速上升, 流平量少, 可以預見, 電極 b 會有較高的高度。

銀漿 c 在刮板的壓力下通過絲網網孔, 在受到經線和緯線的阻礙時, 經線和緯線兩側的銀漿將被分開。由于此時銀漿流動性較差, 在較短的印刷時間內不能自動流平, 從而形成電極柵線兩側的“鋸齒”。高黏度物質在通過小孔時具有“擠出效應”, 故相鄰兩鋸齒尖的距離還將大于絲網網線的線徑。且在刮刀迅速刮過網板后, 由于沒有刮刀的壓力, 在網孔中的銀漿立即回到更高的黏度。銀漿在高的黏度下, 當網板回彈時容易產生脆性斷裂, 部分銀漿將殘留在網孔中, 這種現象在感光膠附近的網孔中更為嚴重。另外, 由于銀漿 c 在印刷時黏度高, 下墨量小, 電極柵線較容易斷線, 同時, 流動性差將導致電極與硅基片間有大量的空隙, 即銀電極并未*在硅片上鋪展開來。

2. 3 太陽電池正面電極對電性能的影響

由銀漿 a、b、c 印制得到的電池分別對應為電池a、b、c。其電性能的平均數據見表 1。

如表 1 所示, 電池 c 的開路電壓( V oc) 和 I sc都為zui小, 而其 R s 卻是zui高的, 同時其 FF 也不理想, 從而導致電 c 的 η 比電池 b 的低; 電池 a 雖然具有zui高的 V oc和較高的 I sc, 但其 F F 卻遠低于電池 b, 而且其 Rs 較電池 b 也偏大, 使得電池 a 的η與電池 c 幾乎相當。電池 b 同時具有zui高的 FF 和 I sc 、zui低R s , 其 V oc也較為理想, 因此其η也zui高。

電極燒結時, 銀漿中玻璃相首先軟化熔融, 潤濕硅片表面, 蝕刻減反射膜, 然后蝕刻硅發射極。在此過程中, 大量的銀以及被蝕刻的硅溶解在玻璃相中。在隨后的冷卻過程中, 溶解在玻璃相中的銀在硅片表面重結晶, 并隨機地生長。在硅表面重結晶的銀顆粒的大小和數量決定了歐姆接觸的好壞[ 7- 8] 。

電池 a 中, 雖然銀電極與硅片的接觸面積較大,柵線寬度達到 181 µ m, 其接觸面積大是由銀漿過度流平造成的, 而銀漿過度流平也會造成電*度降低, 導致單位接觸面積上玻璃相減少, 影響玻璃相對減反射膜的腐蝕, 所形成的銀硅接觸點減少, 寬的電極柵線影響了電池的受光面積, 從而影響電池的 I sc, 進而 η不高。電池 c 中, 電極并未在減反射膜上*鋪展開, 兩者之間存在較多空隙。在燒結時, 所形成銀硅接觸的數量就大大減少, 從而電池 c 具有較大的 R s 。由于銀硅接觸不好, 電池中產生的光電子將不能被充分吸收并傳出電池, 從而影響 V oc 和 I sc, 進而影響 η。電池 b 中, 電極柵線較細, 線型平整, 且具有一定的高度。電池受光面積充裕, 產生光電子的數量更大。當燒結時, 玻璃熔融較易在硅表面重結晶出銀粒子, 銀硅接觸好, 能將電池所產生的光電子吸收并傳導出電池, 所以電池 b 各項電性能都比較好。

3 結 論

太陽電池制作中, 銀漿的流變性能決定其印刷性能, 影響正面電極的印刷質量, 進而影響太陽電池的電性能。同時具有較低低剪切速率和高剪切速率下黏度的銀漿 a, 所印出電極的高度較低, 線寬遠大于設計寬度, 影響電池的受光面積, 電池性能較差;同時具有較高低剪切速率和高剪切速率下黏度的銀漿 c, 所印出的電極易斷線, 邊緣呈鋸齒形, 電池的電性能同樣不好; 而具有較高低剪切速率黏度和較低高剪切速率黏度的銀漿 b, 所印出的電極邊緣整齊, 具有較高的高度, 電池性能較好。

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