背面銀漿中玻璃粉對太陽能電池背電極焊點的影響研究

鐘連兵，茍鵬飛，朱健，李丹丹，崔隆宇，吳紅兵

(東方汽輪機有限公司樹脂事業部，四川德陽，618000)

背面銀漿中玻璃粉對太陽能電池背電極焊點的影響研究

鐘連兵，茍鵬飛，朱健，李丹丹，崔隆宇，吳紅兵

(東方汽輪機有限公司樹脂事業部，四川德陽，618000)

文章制備了3款玻璃化轉變溫度（Tg）不同的無鉛玻璃粉，將其與銀粉和有機載體混合配制成太陽能電池背面銀漿，并通過印刷、烘干、燒結和焊接等工藝制備了晶硅太陽能電池的背電極焊點。文章提出了背電極焊點剝離的3種模式，研究了玻璃粉Tg對背電極焊點常規剝離附著力及剝離模式的影響，并選取了Tg適中的玻璃粉制備背面銀漿，進一步研究了玻璃粉含量對背電極焊點高溫老化后的剝離附著力及剝離模式的影響。

晶硅太陽能電池，玻璃粉，背面銀漿，背電極焊點，附著力，剝離模式

1 前言

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是清潔、不產生任何環境污染的能源。在太陽能有效利用中，太陽能光電轉換利用是近年來發展最快，也是最具活力的研究領域。太陽能電池根據所用材料不同可分為晶硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池和納米晶太陽能電池四類，其中應用范圍最廣、裝機容量最大的是（多/單）晶硅太陽能電池。據相關資料披露，2013年全球晶硅太陽能電池片產能超過 63 GW，實際產量超過40 GW。就中國而言，2013年實現新增裝機容量12.92 GW，占據全球近三分之一的新增市場份額，截至2013年底，在全國累計并網運行的光伏發電裝機已達到19.42 GW，全年累計發電量9×107kW·h，2010～2013年，光伏發電年均增長達到278%。按照2013年全球晶硅太陽能電池片產量計算，太陽能電池銀漿用量約為800～1 000 t/a，市值達到每年約60億元人民幣。同時，據世界能源署最新發布的 《世界能源展望2014》顯示，到2040年，為應對電力需求的增加，以及替代現有退役裝機容量，需要新增7 200 GW的電力裝機容量，其中可再生能源發電量將占全球新增發電量的近一半，光伏發電占可再生能源18%的增長份額。因此，銀漿市場也會伴隨著光伏太陽能市場的發展而不斷擴大。

晶體硅太陽能電池有2個用于引出電流的電極，位于背光面的電極即是通過背面銀漿的絲網印刷和高溫燒結來實現的。通常背面銀漿是由銀粉、玻璃粉和有機載體組成，其中有機載體主要由溶劑、增稠劑、增塑劑、觸變劑等組成。在燒結過程中，有機載體在低溫區（200～500℃）受熱揮發或分解，玻璃粉在400～500℃軟化提供粘接能力，銀粉在700～900℃高溫區受熱融合形成導電膜層。因此，在整個生產過程中，有機載體的主要作用是提供銀粉和玻璃粉的分散和印刷成型，銀粉主要提供導電功能，而玻璃粉則主要決定導電膜層和硅片之間的附著力。目前雖然國產背面銀漿已基本可替代進口產品使用，但在實際應用過程中，還面臨著一些問題需要解決，如隨著光伏產業降本壓力日漸增大，對背面銀漿固含量的要求越來越低，而對背電極焊點的附著力要求也越來越高；同時光伏組件的長期使用可靠性又對背電極焊點的耐老化性能提出了更苛刻的要求。目前光伏銀漿大多數的研究側重于銀粉的形貌、粒徑及玻璃粉等性質對漿料導電性能的影響[1-5]，但對電極焊接后焊點的可靠性研究較少[6]。從實際生產來看，背面銀漿燒結成背電極后對電池效率的貢獻很小，而對組件的長期使用可靠性的影響卻比較大。此外，組件在長期的室外工作期間，串聯電阻會逐漸增加，由此造成組件輸出功率每年減少0.5%[7]，電極焊點的失效可能是造成上述衰減的重要因素之一。

本文制備3種Bi-B-Zn系列低溫玻璃粉，并以此配制了一系列固含量為60%的背面銀漿，重點研究了玻璃粉的玻璃化轉變溫度（Tg）和含量對背面銀漿印刷、烘干、燒結和焊接后形成背電極焊點的剝離模式及附著力的影響。

2 實驗部分

2.1 玻璃粉制備及測試

將各種氧化物按一定比例混合，然后倒入坩堝，置于馬弗爐中1 300～1 500℃熔融3 h后，傾倒入去離子水中得到玻璃細渣，經過烘干、球磨、篩分后得到D50約5 μm左右的玻璃粉。玻璃粉DSC測試：采用德國NETZSCH DSC差示掃描量熱儀在30～580℃范圍內對玻璃粉進行差熱分析，加熱速度為10 K/min，氮氣氣氛。

2.2 背電極焊點制作及測試

背面銀漿制備：將一定量的增稠劑、觸變劑、流平劑、消泡劑加入松油醇中，置于水浴鍋內，水浴溫度60℃左右，不斷攪拌至充分混勻，得到透明的有機載體。將銀粉、玻璃粉、有機載體按照一定比例預混均勻，然后用三輥研磨機多次研磨至細度小于15 μm，得到固含量為60%的系列背面銀漿樣品。

背電極制備：在溫度為23±2℃，濕度為50% ±5%的環境下采用自動絲網印刷機（325目絲網）將背面銀漿印刷至硅片上，印刷速度為200 mm/s，印刷壓力為0.33 MPa，接著采用紅外烘干爐115℃將有機組分烘干，最后用Despatch燒結爐對電池片進行燒結 （正面銀漿、鋁漿印刷燒結工藝略去）。

背電極橫截面觀察：燒結后背電極的橫截面采用JSM-6010掃描電鏡進行觀察。

背電極焊點制作：采用錫鉛焊條焊接背電極，焊接溫度為350℃，底板溫度為50℃。

背電極焊點常規附著力測試：采用500 N拉力機在180°下以200 mm/min的速度剝離焊條，測試附著力。

背電極焊點高溫老化附著力測試：一定溫度下將焊接后的電池片放入恒溫烘箱中保持一段時間后進行附著力測試。

3 結果與討論

3.1 背電極焊點剝離模式的討論

背面銀漿的主要作用為制備晶硅太陽能電池片的背電極，為焊條提供焊接的位置 （焊點），便于將多片電池片串聯焊接為太陽能組件，同時收集鋁背場電流并與正電極形成回路。這就要求背電極焊點要有較大的附著力，目前一般采用拉力機在180°下以一定速率對焊條進行剝離，根據附著力的大小來判斷背電極焊點是否合格。在實際生產檢測過程中發現背電極焊點附著力的大小與剝離模式之間存在一定的關聯性，剝離模式一般有以下3種（見圖1）：模式①焊帶與銀層之間基本無相互作用，剝離后銀層幾乎無破壞，表面完全無錫層，剝離位置表現為 “發白”；模式②焊帶與銀層之間發生較強作用，但作用力小于銀層與硅片之間的附著力，剝離后焊帶表面的錫層完整殘留在銀層表面，剝離位置表現為 “發亮”；模式③焊帶與銀層之間發生較強作用，但作用力大于銀層與硅片之間的附著力，剝離后焊帶連同銀層一起與硅片發生脫離，剝離位置表現為 “發黑”。根據大量生產檢測數據統計，模式①對應的附著力約為0～1 N，模式②對應的附著力約在8～10 N之間，模式③對應的附著力約在1～3 N之間。顯而易見，模式②是最佳狀態，這與背面銀漿燒結后形成背電極的微觀結構關系非常密切，將在后面的內容中進行討論。

圖1 背電極焊點剝離模式示意圖

3.2 背面銀漿玻璃粉的性能表征

目前，應用于晶體硅太陽能電池銀漿的玻璃粉主要分為兩類，一類是含鉛玻璃，另一類是非含鉛玻璃。從2006年7月1日起，所有含鉛、鎘、汞、六價鉻、聚溴二苯醚和聚溴聯苯6種有害物質的家電以及其它電子電氣設備都禁止在歐盟市場銷售 （RoSH認證）。因此，多數銀漿用低溫玻璃粉采用了其他玻璃代替Pb系玻璃。本文設計了3種玻璃化轉變溫度Tg從高到低的Bi-B-Zn系列玻璃粉，表1為該體系玻璃粉的配方 （質量分數）和部分性能，氧化物A和氧化物B是為調節玻璃成分促使玻璃體系穩定而添加的某些氧化物。

表1 Bi-B-Zn玻璃粉配方表

玻璃粉軟化溫度是銀漿用玻璃粉的重要指標，為了和燒結工藝匹配，玻璃粉必須在相應的溫度下軟化起到粘接作用。但玻璃粉軟化溫度根據GB/T 28195-2011的測試方法比較麻煩，一般可以用DSC測試玻璃粉的Tg來間接反應玻璃粉的軟化溫度。表2為實驗中Despatch燒結爐的溫度設置表，從中可以看出實際過程中玻璃粉的軟化應該大致發生在400～500℃之間，因此適合太陽能電池背面銀漿應用的玻璃粉Tg也應該大致分布在400～500℃之間。

表2 Despatch燒結爐溫度設置

3.3 玻璃粉Tg對背電極焊點附著力和剝離模式的影響

實驗中分別采用1、2、3號3種玻璃粉制備了固含量為60%、玻璃粉含量為3%的背面銀漿，A、B、C 3款背面銀漿分別對應1、2、3號玻璃粉，通過印刷、烘干、燒結和焊接后對背電極焊點的常規附著力進行了測試，測試結果如表3所示。

表3 不同背面銀漿制備的背電極焊點的附著力及剝離模式占比

從表3可以看出，A款漿料和C款漿料的平均附著力都較低，其中A款漿料的剝離模式主要以①為主，C款漿料的剝離模式主要以③為主；B款漿料的平均附著力遠遠大于A和C，而剝離模式幾乎完全是模式②。

針對以上現象，本文對3款漿料燒結后焊接之前形成背電極的橫截面進行了掃描電鏡觀察，如圖2所示。從圖2可以看出，A款漿料燒結后電極在硅片表面的絨面處有較為明顯的空洞出現。這是因為：1號玻璃粉的Tg較高，玻璃達到流動狀態所需的時間較長，在燒結過程中，玻璃粉軟化不及時，未能與銀粉相形成較好的共熔體在硅片表面鋪展，從而導致較多的玻璃相殘留在銀層表面，殘留玻璃相將阻礙銀層與焊帶的焊接，導致附著力較低，剝離模式以①為主。B款漿料采用2號玻璃粉的Tg適中，漿料經過燒結后的玻璃相和銀粉相形成了較好的共熔體，在硅片表面有效覆蓋，同時銀層與硅片之間也形成了良好的粘接，玻璃相在銀層表面殘留較少，因此焊帶易于在銀層表面焊接，附著力較高，剝離模式以②為主。B款漿料采用3號玻璃粉的Tg較低，玻璃達到流動狀態所需的時間較短，低熔點玻璃在其流動狀態下對硅片具有一定的腐蝕能力，其在硅片表面長時間存在會腐蝕硅片絨面，造成銀粉相中玻璃相成分較少，銀層不能有效與硅片表面粘接，因此附著力也較低，剝離模式以③為主。

圖2 不同Tg玻璃粉制備的背電極橫截面掃描電鏡圖片

3.4 玻璃粉含量對背電極焊點附著力和剝離模式的影響

為了考察玻璃粉含量對背電極焊點可靠性的影響，實驗中保持漿料固含量60%不變，分別加入2%、4%、5%的2號玻璃粉制備3種背面銀漿D、E、F，通過印刷、烘干、燒結和焊接后對背電極焊點的常規附著力和剝離模式進行了研究，并與采用3份玻璃粉的漿料樣品B制備的背電極焊點進行了對比 （見表4）。

表4 不同玻璃粉含量背面銀漿制備的背電極焊點的常規附著力和剝離模式占比

表4為背電極焊點的常規附著力的測試結果，從表中可以看出，玻璃粉為2、3、4份時對附著力的影響并不大，玻璃粉為5份時附著力有一定的下降。當玻璃粉含量由3份減少到2份后，剝離模式以②為主，但模式③的比例有所增加，這說明玻璃粉的含量偏少將造成銀層與硅片的粘接不良，剝離過程中銀層整體脫落的可能性在增加；當玻璃粉含量由3份增加到4份后，剝離模式②的比例有所減少，模式①的比例有所增加，這說明玻璃粉含量增加后有可能造成銀層表面的玻璃殘留量增加，導致焊接出現問題；當玻璃粉為5份時，模式①的比例出現較大幅度的增加，這說明玻璃粉過量造成影響焊接的問題愈加明顯。

圖3 120℃條件下背電極焊點附著力及剝離模式隨時間變化的趨勢圖

為了模擬電池組件在外界環境中長期使用的可靠性，本文對使用D、B、E、F漿料的電池片進行了高溫老化后的背電極焊點附著力測試。圖3為120℃條件下4個樣品背電極焊點附著力隨時間變化的趨勢圖，從圖3中可以看出，當玻璃粉含量為2份時（D），隨著老化時間的增加附著力迅速下降，12小時后附著力為0，剝離模式也由②迅速轉變為③；當玻璃粉含量為3份 （B）和4份（E）時，附著力隨老化時間的增加緩慢下降，剝離模式以②為主，但剝離模式③的比例有所上升；當玻璃粉含量為5份（F）時，隨老化時間的增加附著力和剝離模式②的比例反而都出現了輕微上升后再下降的現象。針對上述現象，本文認為當玻璃粉較少時（D），硅片表面的玻璃層較薄，隨著老化時間的增加，硅片表面的玻璃層容易被破壞[8]，造成剝離過程中銀層極易從硅片表面剝離；當玻璃粉含量增加時 （B、E），硅片表面的玻璃層厚度增加，一定程度上阻礙了這種熱破壞效應；當玻璃粉含量進一步增加（F），在常規附著力測試時焊帶容易脫落的情況反而得到了改善（模式①的比例在減少，模式②的比例在增加），這可能是因為加熱過程促進了焊帶和銀層的進一步融合。

因此，玻璃粉含量為3%～4%時，60%固含量背面銀漿制備的背電極焊點可靠性最佳，玻璃粉含量為5%時背電極焊點雖然在老化過程中附著力出現了一定程度的上升，但是由于初始附著力較小，且容易出現剝離模式①，可能造成生產組件過程中電極的頻繁補焊或者脫落。

4 結論

（1）玻璃粉的Tg對背電極橫截面的微觀形貌有較大影響，從而影響背電極焊點的剝離附著力和剝離模式。

（2）在固化含量一定的情況下，玻璃粉含量越少越容易發生剝離模式③，背電極焊點的耐高溫老化性能越差；玻璃粉含量越多越容易發生剝離模式①，背電極焊點的耐高溫老化性能越好，玻璃粉含量3%～4%為60%固含量銀漿的最佳添加量。

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Effects of Glass Frit in Back Silver Paste on Rear Busbar Solder Joints of Silicon Solar Cell

Zhong Lianbing，Gou Pengfei，Zhu Jian，Li Dandan，Cui Longyu，Wu Hongbing

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Resin Division,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,three kinds of glass frit with different Tghave been prepared and used to produce back silver pastes with silver powder and organic vehicle.Then,rear busbar solder joints of silicon solar cell have been prepared through printing,drying, sintering and soldering processes.three kinds of peeling mode have been suggested and the effects of glass frit Tgon the adhesion and the peeling mode of rear busbar solder joints have been discussed.Furthermore,glass frit with proper Tghas been used to prepare back silver pastes and the effects of glass frit content on the peeling mode and adhesion of rear busbar solder joints after aging process have also been studied.

silicon solar cell,glass frit,back silver paste,rear busbar solder joint,adhesion,peeling mode

TK519

A

1674-9987（2017）01-062-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.013

鐘連兵 （1981-），男，在讀博士，2006年畢業于哈爾濱工業大學材料科學與工程專業 （工學碩士），現從事能源新材料的研發及管理工作。