硅基太陽電池及其所用正銀漿料概述

作者: | 發布日期: 2018 年 06 月 29 日 10:13 | 分類: 新能源知識

介紹了不同硅基太陽電池技術優勢及其所用正面導電銀漿的作用及組成,對比了國內外各正銀漿料供應商針對不同電池技術所研發的正面銀漿,分析了各種正銀漿料產品的不同與現狀,總結并展望了未來高效電池技術及正銀漿料發展的方向,為未來光伏技術的發展及正銀漿料國產化提供了一定的思路

1、不同硅基太陽能電池技術

晶體硅太陽電池主要由經過不同工藝處理的硅基片、正面電極、鋁背場及背面電極等組成。圖1~圖5分別為不同技術的太陽能電池結構示意圖。

圖1為常規太陽能電池結構示意圖,常規太陽能電池的制備工藝簡單、成本較低,但和其他硅基太陽能電池技術相比,其轉換效率較低。

PERC太陽能電池,即鈍化發射極及背面太陽電池,結構如圖2所示。PERC太陽能電池與常規太陽能電池的主要區別在于[5]:1)PERC太陽能電池在背表面有鈍化介質層( 多為Al2O3) 和保護層( 多為SiNx);2) 常規太陽能電池鋁背場與硅片完全接觸,而PERC太陽能電池鋁背場是通過激光開窗的空洞區域與硅片進行局部接觸。

圖3為n型晶體硅太陽能電池結構示意圖。n型晶體硅太陽能電池較p型晶體硅太陽電池具有少子壽命高、光致衰減小等優點,有更大的效率提升空間。同時,n型晶體硅太陽能電池還具有弱光響應好、溫度系數低等優點。

IBC太陽能電池,即叉指背電極太陽能電池,結構如圖4所示[6]。其優勢主要體現在[7]:1) 轉換效率高,正面無柵線使入射光子數量最大化;2)表面輕摻雜,增強了短波光譜響應;3) 基區和發射區的電極均制作在背面,可實現電池正、負極焊線的共面拼裝,簡化了光伏組件制作工藝流程,易實現自動化,提高生產效率。

圖5為HIT太陽能電池( 異質結太陽能電池)結構示意圖[8-9]。HIT太陽能電池以高質量超薄本征非晶硅層對晶體硅基底材料的兩面進行鈍化,降低表面復合損耗,提高了器件對光生載流子的收集能力,從而形成高效的新型晶體硅太陽電池。其主要優勢有[10-11]:1) 采用低溫技術,整個燒結工藝可在200 ℃左右完成,減少能耗,降低成本;2) 光電轉換效率高;3) 穩定性好,沒有形成B-O復合體而導致的光衰效應。

2、硅基太陽電池用正銀漿料

2.1正銀漿料在太陽電池中的作用

正銀漿料是通過絲網印刷將銀漿印刷在晶體硅片上,然后經過烘干和燒結工藝在硅片表面形成電極或電路。在光照條件下,硅片中的p-n結產生的光生電子會朝著電池正面電極運動,空穴朝著背電極運動。如果電子運動到正面電極之前未被缺陷或雜質復合就會被電極收集,進而形成電流流至外電路。因此,這對漿料的要求較高,如形成良好的歐姆接觸、低的接觸電阻、良好的印刷性、良好的附著力等。漿料的質量和性能對晶體硅太陽電池的效率有重要影響,近年來晶體硅太陽電池轉換效率的提高大部分要歸功于漿料的改善,尤其是正銀漿料。不過由于不同種類太陽電池的結構和制備工藝有差別,對正銀漿料的性能要求也有所差異,主要包括高溫型和低溫型,分別應用于晶體硅太陽電池和HIT太陽電池。

2.2正銀漿料的分類與組成

高溫燒結型正銀漿料一般由銀粉、玻璃粉和有機載體等組成。由于銀具有良好的導電性,且相對于其他貴金屬而言價格便宜,因此在導電漿料中具有導電功能,銀粉一般占漿料總量的80%~90%[4]。文獻[12-15] 的研究結果表明,銀粉粒徑分布、微觀形貌、含量等對太陽電池的轉換效率有重要影響。目前銀漿中廣泛使用的是微米、亞微米級超細球形銀粉,能與硅基片形成良好的歐姆接觸,接觸電阻較低,導電性良好。玻璃粉作為無機粘結劑,決定著導電漿料對太陽電池減反射膜的腐蝕穿透力和銀膜電極與硅基體的結合力;以及溶解Ag,并輸送到Ag/Si界面,保證Ag 與Si 形成良好的歐姆接觸。玻璃粉一般占漿料總量的2%~10%[4]。文獻[16-18]的研究發現,具有適當融化溫度和潤濕能力的玻璃粉,有助于降低銀電極體電阻和接觸電阻,增加焊接拉力,是獲得最佳電池性能的關鍵因素之一。有機載體主要由有機溶劑、樹脂、添加劑等組成,其作用是分散和潤濕漿料中的銀粉及玻璃粉,控制漿料的流變性能,使漿料具有良好的印刷性能,最后在燒結的過程中揮發出去,一般占漿料總量的5%~15%[19]。通過調節有機載體的組成和含量可以改變漿料的粘度、揮發性、觸變性等性能,使漿料在印刷時具有較高的流動性,增大柵線高寬比,提高電池的轉換效率。正銀漿料這些組成成分的性能和比例會直接影響太陽電池的轉換效率。

2.3低溫固化型正銀漿料

HIT 太陽電池的正面電極通常在200 ℃左右進行燒結,因此,必須使用低溫型電極漿料。低溫銀漿成分主要由銀粉、樹脂、溶劑及添加劑組成[8-9]。其中,銀粉為導電相,樹脂是粘結相,溶劑用來溶解樹脂、控制漿料的揮發性等,添加劑則是用來改變漿料的各種性能,使其適用于HIT 太陽電池電極的印刷和固化工藝。

低溫固化型正銀漿料中,一種為熱塑性漿料,采用熱塑性樹脂,其溶劑含量較多,固化工藝窗口較窄[10];另一種采用熱固性樹脂,稱為熱固性漿料,加熱時,熱固性聚合物在相鄰的聚合鏈間形成化學鍵,導致形成三維網絡結構,比熱塑性漿料形成的二維結構要剛硬[11]。

3、適用于不同太陽電池技術的正銀漿料

導電銀漿的品質對太陽電池的電性能起著決定性作用,優質的導電銀漿是制造高效太陽電池的關鍵。雖然目前國內企業生產的漿料市場占有率較低,但在國內漿料生產商的努力下,國產漿料與進口漿料的性能差距已經較小,主要是穩定性與品牌知名度還亟需提高。表1~表5列舉了國內外漿料商為不同結構太陽電池設計的最新正銀漿料的性能參數[20]。

由于常規太陽電池技術的發展較為成熟,其使用的正銀漿料研發較早、技術更新較快、國產產品型號較多,部分國產漿料在性能上可與進口漿料相媲美。目前,國內只有少部分企業采用無鉛玻璃粉。PERC太陽電池結構和常規太陽電池相比,主要區別在于背表面沉積鈍化層和激光開窗結構,就正面結構而言區別較小,PERC太陽電池的燒結溫度相對較低些,因此,有些常規太陽電池正面銀漿可以兼容PERC太陽電池。n型晶體硅太陽電池,如IBC太陽電池,由于其特殊的結構和制備工藝,其導電銀漿中導電相為Ag-Al合金,可以在p+發射極硅表面獲得低接觸電阻。對于HIT太陽電池而言,高溫會對電極下面摻雜的非晶硅薄膜產生損傷[21],因此必須采用低溫漿料。低溫漿料中不含玻璃粉,固化溫度在200℃以下,無銀粉燒結過程,銀粉之間、銀與硅之間通過有機樹脂相進行粘結。

4、總結與展望

目前,為了使光伏發電具有競爭力,提高太陽電池的光電轉換效率且降低其生產成本是產業發展的核心目標。未來的硅基高效技術主要是基于n型和PERC技術來制備方阻高、少子壽命高、光致衰減小、弱光響應好的硅基片。其中,PERC 太陽電池在生產上相對容易實施,只需在常規太陽電池的制備工藝中增加2 個工序:沉積背面鈍化疊層和背面鈍化層激光開窗。對銀漿而言,電阻小、高寬比大、降低銀含量、玻璃粉無鉛化是未來的發展目標。綜上所述,為了提高太陽電池的轉換效率,降低度電成本,越來越多的電池技術涌現,導電銀漿越來越專業化。因此,未來硅基太陽電池技術和銀漿的發展主要趨勢為:

1) 采用基于n型晶體硅和PERC高效技術優化太陽電池結構,并針對不同太陽電池結構設計所需要的新型導電漿料;
2) 導電銀漿用銀粉粒徑超細化,多種粒徑的銀粉混合使用;
3) 玻璃粉無鉛化,有利于環境保護;
4) 為了降低成本,在保證柵線印刷高精度的同時降低漿料中銀的含量。

文章來源:太陽能雜志

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