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太阳能电池银导电浆料的研究

2016-11-29 09:46| 发布者: Kristy| 查看: 8089| 评论: 0|来自: 摩尔光伏

摘要: 摘要:银导电浆料广泛用于太阳能电池的正极导电材料。导电浆料的质量影响太阳能电池的转换效率和稳定性。综述了国内外银电子浆料的最新研究进展,并重点介绍了平均粒径在1μm的球形银粉和低松比片状银粉的制备及对 ...



  3.2.1无机玻璃粉润湿性及耐酸性影响因素
  玻璃熔体良好的润湿性和耐酸性有助于形成良好的欧姆接触,提高太阳能电池的导电性能。
  付明等[24]提出影响导电银浆耐酸性的主要因素为玻璃熔体的Tg,在相同烧结工艺下Tg低,有助于银膜的烧结,形成致密的厚膜银层,使银浆具有良好耐酸性。适量添加碱金属氧化物和ZnO,能降低玻璃料的Tg,提高银膜耐酸性。玻璃相中添加少量Al2O3和TiO2将增强玻璃本身的耐酸性,从而增强银膜的耐酸性。调节ZnO和Al2O3的比例,使玻璃料在烧结过程中析出少量晶体,可以显著提升银浆的耐酸性。
  张亚萍等[25]认为玻璃的软化温度低,则润湿能力强,这有利于SiNx减反射膜的腐蚀,形成较理想的Ag/Si欧姆接触,促进银粉烧结,以获得致密的电极结构。致密的电极结构和理想的欧姆接触使接触电阻减小,电池性能得到提高。
  3.2.2无机玻璃粉热膨胀性影响因素
  无机玻璃粉的热膨胀系数直接影响着太阳能电池电极和基板的粘接强度,适宜的热膨胀系数不容易出现翘曲和弧形化等现象,有助于提高太阳能电池电极的导电性能。肖永强[28]对Bi2O3-B2O3-SiO2-ZnO系玻璃进行了研究,发现随着氧化铋质量分数的提高,玻璃的热膨胀系数变大,但铋玻璃的膨胀系数低于铅玻璃。ZnO与B2O3的比例对玻璃的膨胀系数有明显的影响,当n(ZnO)/n(B2O3)=2时,玻璃的热膨胀系数最低,这是因为氧化锌是玻璃成分里唯一的既能降低熔点,又能降低膨胀系数的物质。
  SunitRane等[29]研究发现用来制作浆料的玻璃熔体的占比决定着LTCC的翘曲和弧形化,它是决定浆料热膨胀系数的主要因素。只有浆料的热膨胀系数和致密化速度同生瓷带相匹配时,才可以制得致密、零翘曲的无孔表面结构和栅阻在5mΩ/□左右的较为理想的导电浆料。
  3.2.3无机玻璃粉导电性影响因素
  SeongJeJeon等[30]研究发现玻璃熔体的粒度对银导电浆料有很大的影响,银导电浆料中含有的玻璃熔体的平均尺寸较大,使Ag-Si合金由于接触不良和金属化而不容易形成连续的导电接触。用这种浆料制成的天阳能电池有更高的结分流和漏电率。当利用较小平均尺寸颗粒的玻璃熔体时可以减少玻璃粉的用量,并能获得较高的填充因子和转换效率。
  3.3有机载体的制备及性能的影响因素
  有机载体是电子浆料的关键材料,它决定了电子浆料的涂覆性能。有机载体通常由有机溶剂、增塑剂、表面活性剂、触变剂、偶联剂等组成[31]。其中有机溶剂含量为有机载体总质量的65%~98%,用于分散固体粉末;增塑剂通常有2个极性很强的酯基,与纤维素链上的羟基形成氢键,一方面改善浆料的粘度,另一方面可降低浆料的挥发性。表面活性剂用来改变浆料流平性;触变剂用来提高浆料的触变性能,印刷后能使浆料保持良好的形态;偶联剂可以改善有机载体与基体的湿润性,提高厚膜浆料的粘合强度。
  3.3.1有机载体挥发性的研究
  溶剂的挥发特性决定有机载体的挥发特性,而有机载体的挥发特性直接决定膜层的烧结质量。如果有机载体的挥发具有层次性而不是集中在某一温度范围,则可有效避免厚膜浆料出现孔隙或裂痕。
  张君启等[31]研究了乙基纤维素为增稠剂的载体系列的挥发性,通过控制柠檬酸三丁酯的含量来控制载体在低温的挥发程度,合理调整松油醇、丁基卡必醇醋酸酯和柠檬酸三丁酯的相对含量获得具有不同层次挥发特性的有机载体,其中松油醇占总溶剂的量应至少在50%以上,丁基卡必醇醋酸酯和柠檬酸三丁酯的相对含量可以根据实际需要调整。
  罗世永等[10]在松油醇、乙基纤维素体系中添加高挥发性的松节油或控制丁基卡必醇醋酸酯和松油醇的相对含量以及邻苯二甲酸二丁酯的含量来调节有机载体在不同温度下的挥发性能,确定了有机载体的优选配方:ω(丁基卡必醇醋酸酯)=28.5%,ω(松油醇)=57%,ω(邻苯二甲酸二丁酯)=9.5%,ω(乙基纤维素)=5%,可以实现有机载体中溶剂在150~200℃挥发,乙基纤维素在325~375℃挥发。
  3.3.2有机载体对银导电浆料的影响
  有机载体的挥发不均匀易造成烧结膜上产生孔洞,孔洞的存在致使基座与芯片连接不充分,导致导电性能下降。甘卫平等[32,33]发现均匀挥发的有机载体可有效降低浆料烧结膜的孔洞率。另外,导电银浆中有机载体的含量降低,银膜的孔隙率也降低,但有机载体含量过低,不能充分润湿银粉颗粒和玻璃粉颗粒,所得浆料流平性较差。因此,通过实验确定了有机载体含量为21%时导电浆料具有较好的综合性能。另外,还发现在有机载体中添加1.22%的有机酸能起到分散有机粘结剂乙基纤维素的作用,提高浆料的流变性能,在烧结时导电粒子能形成良好的导电链,得到连续致密的导电银膜,在一定程度上提高浆料的导电性。
  3.3.3有机载体对导电浆料流平性的影响
  表面活性剂对提高浆料的分散性和稳定性有促进作用,可以降低有机载体与固体颗粒界面张力,降低颗粒相互聚结的趋势,提高润湿性,使固体颗粒在载体中均匀分散。另外,由于表面张力的降低,颗粒间驱动力减小,影响了浆料的流平性。
  郝晓光等[34]研究了有机载体对导电浆料流平性的影响,发现乙基纤维素-松油醇-二乙二醇丁醚由于具有层次性挥发特性,所制浆料的流平性优异,膜层光滑无孔洞,烧成膜的表面粗糙度Ra为0.2μm,表面轮廓的最大高度Rz为1μm。
  ChienP.Hsu等[35]通过实验研究了聚合物有机载体对标准导电浆料流体力学的影响。实验结果表明,有机载体含量虽低,并且在煅烧过程中会完全挥发掉,但它在太阳能电池组件形成良好的传导线路方面起着重要作用。另外,导电浆料的粘弹性取决于有机组分或高聚物黏结剂,这可能是由于高聚物起着粉状颗粒间的桥梁连接作用,进而促进形成导电浆料中可靠的导电网络。

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导电浆料的发展趋势
  (1)随着银导电浆料的发展,对银粉的要求也逐渐提高,粒径均匀分布的银粉有助于提高太阳能电池导电性的稳定性。因此,银粉将会朝着粒径大小可控并能稳定生产、形貌规则的方向发展。乳液法制备微米粉体具有分散性良好、形貌为球形的特点,适于制备太阳能电池正面银浆用银粉,可以探讨该方法制备球形银粉。
  (2)导电浆料中黏结相的无铅化已经成为趋势,国内外公司在无铅玻璃的研制上都投入了大量的研发力量。目前研究的无铅玻璃主要包含SiO2、Bi2O3、Al2O3、ZnO、MgO、Na2O、K2O、B2O3、V2O5、BaO等组分,所调整的范围区间主要集中在软化温度、膨胀系数与化学稳定性等方面,由于低熔玻璃的介电性能相对较差,因而很难获得介电性能较好的玻璃粉,还需要研究人员的继续努力。锑元素和铋元素属于同一主族元素,具有较多的相似性,氧化锑玻璃是否适合太阳能电池银浆使用将是一个研究方向。
  (3)利用贱金属代替贵金属制备导电浆料[36],如铜具有比金更优良的高频特性和导电性,更重要的是没有Ag+迁移的缺陷,因而铜导体浆料是微波线路和微电子线路的良好材料。另外,目前正研究的铜包覆银技术也能减少银粉的用量。
  (4)丰富有机载体组成。采用多种溶剂和树脂,并同时使用多种添加剂,改善有机载体的挥发特性,使有机载体能达到良好的层次挥发特性,同时,提高有机载体的触变性,使其达到快速印刷和保持形貌的要求。

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(1 昆明理工大学材料科学与工程学院 2 云南省新材料制备与加工重点实验室 3 稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室  4 昆明市稀贵及有色金属先进材料重点实验室 )
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