硼鋁對晶硅太陽能電池背面銀漿玻璃粉性能的影響

彭 亮，陳浩宇，崔隆宇，李加寧

（四川省東樹新材料有限公司，四川德陽 618000）

引言

近年來，由于化石能源的日漸減少，可再生能源得到迅速發展，其中太陽電池研究和產業發展勢頭迅猛。目前，晶硅太陽電池是技術最成熟、應用最廣泛的太陽電池，在光伏市場中占據主導地位。發射極及背面鈍化電池（PERC）是目前性價比最高的光伏電池，其金屬化由銀漿通過絲網印刷后實現。PERC電池背面具有鈍化層，可以有效減少載子復合密度，可起背面反射作用。背面電極是其重要組成部分，主要用來收集背面電流，串聯電池形成組件，是影響太陽能電池光電轉換效率的重要因素之一。銀漿主要由銀粉、玻璃粉以及有機載體組成。其中背面玻璃粉含量通常僅占銀漿質量的1%～5%，但它作為反應媒介在背面電極的形成過程中起著關鍵作用。目前PERC背面銀漿玻璃粉主要體系為硅體系、碲體系，少有使用硼硅鋁共同建立玻璃框架體系的玻璃粉。硼硅鋁是生成玻璃粉框架的重要元素，影響玻璃的玻璃化轉變溫度、高溫熔融黏度、燒結活性、力學性能，從而影響電池的電性能和附著力。

本研究制備了多種硼硅鋁玻璃，并將其運用于背面銀漿玻璃粉，探討了硼鋁的含量變化對玻璃粉的性能的影響，并通過幾種新表征方法測試其對電池片開路電壓、串聯電阻、拉力的影響。

1 試驗

1.1 制備玻璃試樣

所 用 的 原 料 有PbO、Bi2O3、H3BO3、Al(OH)3，SiO2均為分析純，由國藥集團化學試劑有限公司生產。將原料按表1配比，充分混合并碾磨，過200目篩后裝入剛玉坩堝，放入1400℃的馬弗爐中保溫1 h，形成玻璃液。將玻璃液水淬，經干燥、球磨后，將玻璃粉過400目篩待用。

表1 玻璃粉配方表（物質的量之比）

1.2 制備銀漿

選用平均粒徑小于2 μm的高純度球狀銀粉（99.99%）。有機載體主要成分為乙基纖維素和松油醇。另將玻璃粉、銀粉、有機載體，按一定比例精確稱量，混合、研磨后制成銀漿，編號1～6對應玻璃粉編號。

1.3 晶硅太陽電池背面電極制備

首先將電池片均分為4份，分別采用1～4進行背銀印刷，然后進行鋁漿、正銀印刷。最后通過Despatch燒結爐燒結制得，最高燒結溫度750℃。

1.4 測試與表征

采用TQC-VF2110型刮板細度計測試樣品細度（參照GB/T 17473.2—2008）；采用TH-B210S臥式拉力機測試儀測試銀電極的附著力（參照YS/T 612-2014）；采用STA449C綜合熱分析儀測試玻璃粉樣品的熱性能；采用無錫市瑞能科技有限公司PL測試設備分析鈍化層的腐蝕情況；采用TLM-SCAN測試電池片電阻；采用梅耶博格IV測試儀器（Spot LIGHT）測量電池片的效率。

2 結果與討論

2.1 硼鋁含量變化對電池片少子壽命的影響

將背銀漿料通過特定的圖案印刷在電池片上，如圖1所示。通過相同的燒結條件進行燒結，用PL通過發光程度表征其少子壽命。PL可以通過顏色的深淺表征玻璃粉對電池片鈍化層的腐蝕性，顏色越亮，腐蝕性越弱，顏色越黑，腐蝕越嚴重。通過圖像處理軟件計算出其灰度變化，結果如圖2所示。

圖1 PL測試圖

圖2 背銀灰度

結果表明，隨著H3BO3的增加，Al（OH)3的減少，背銀灰度呈現先上升后下降的趨勢，玻璃粉對電池片的鈍化層腐蝕性先變弱后變強，少子壽命先增加后減少。

玻璃粉較低的玻璃化轉變溫度會使玻璃粉具有更好的流動性，能更好地浸潤銀粉，同時蝕刻氮化硅表面，因此灰度上升。有研究表明，當玻璃中的B2O3含量較低時，主要以硼氧四面體[BO4]存在，熔體的網絡結構聚集緊密。而B2O3由于其結構不穩定性，當含量較高時析晶傾向嚴重，B2O3含量較低時，銀漿燒結并對鈍化層作用后，N元素含量較低，鈍化層Si4N3完整性破壞嚴重；當B2O3含量較高時，N元素含量大幅度提升，鈍化層完整性良好；B2O3含量繼續提升時，N元素含量有所降低，鈍化層完整性有所破壞。

2.2 硼鋁含量變化對電池片電阻的影響

將背銀漿料通過特定的圖案印刷在電池片上，再印刷上鋁漿，通過相同的燒結條件進行燒結，用TLM測試通過測試線電阻表征串聯電阻。測試結果如圖3所示，隨著H3BO3的增加，Al（OH)3的減少，印刷電池片銀電極的線電阻先下降后上升，銀鋁接觸電阻先下降后急速上升，前者是因為玻璃粉的玻璃化轉變溫度隨著H3BO3的增加和Al（OH)3的減少呈現先降低后增加的趨勢。玻璃粉較低的玻璃化轉變溫度會使玻璃粉更加良好地浸潤銀粉，幫助銀電極燒結致密，從而取得更優的電阻，銀鋁接觸電阻在后端急速上升是由于隨著H3BO3的增加和Al（OH)3的減少，銀鋁接觸界面出現大量的鋁釘刺，玻璃粉沒有良好地浸潤銀漿和鋁漿，導致銀膜和鋁膜搭接不致密，在燒結過程中由于收縮率的不同而分離斷裂，導致銀鋁接觸電阻急速上升，4#樣品電極形貌正常，銀鋁接觸電阻較低，6#樣品銀鋁接觸區域由于銀漿和鋁漿在燒結過程中收縮，導致搭接區域部分斷裂，銀鋁電阻較高。

圖3 背面銀漿線電阻

2.3 硼鋁含量變化對電池片拉力的影響

將背銀漿料印刷在電池片上，再印刷上鋁漿，通過相同的燒結條件進行燒結，用拉力機測試其拉力。采用350℃進行常規拉力測試，450℃進行高溫拉力測試。為了進一步表征背電極附著力的穩定性，還采取350℃焊接后，放入150℃烘箱中保溫1 h后冷卻至室溫測試其附著力的方法進行老化拉力的測試。測試結果如圖4所示，隨著H3BO3的增加，Al(OH)3的減少，印刷電池片的350℃的焊接拉力差異不大，但其高溫焊接附著力下降，這可能是由于隨著H3BO3的增加，銀電極的收縮變嚴重，在燒結冷卻過程中由于銀電極和硅片的膨脹系數不同導致粘結處出現微小裂痕，在更加苛刻的高溫焊接時，拉力下降這也能與銀鋁搭接形貌數據對應。同時隨著H3BO3的增加，Al(OH)3的減少其老化附著力先上升后下降，這是由于較低的玻璃粉轉變溫度使得玻璃粉能夠更好地浸潤銀粉，降低銀-錫合金的生成，使得在老化過程中不出現過焊的情況，從而保證了老化拉力。綜合3項拉力測試，結果表明3#、4#樣品附著力最佳。

圖4 附著力測試

2.4 硼鋁含量變化對電池片電性能的影響

轉換效率是晶硅太陽能電池重要指標，2020年工信部公開征求《光伏制造行業規范條件》的意見，現有多晶硅、單晶硅平均光電轉換效率分別不低于19%和22.5%。表2為電性能測試結果。結果表明隨著H3BO3的增加和Al（OH)3的減少，開壓先上升后降低，與前面PL結果一致。Rs先降低后上升與TLM結果一致。4#樣品相對開壓、電阻較優。

表2 電性能統計

3 結論

隨著電池片廠商降本增效的要求，要求漿料需要更少的刻蝕電池片鈍化層，在與鋁漿接觸時有更低的接觸電阻，硼硅鋁作為通常情況下的網絡形成體（在與硼搭配時，鋁也能作為網絡形成體），其變化能直接影響玻璃的玻璃化轉變溫度、高溫黏度等，同時硼鋁均有助熔作用，有利于玻璃的熔融，改變硼鋁的含量能提升漿料最終的性能。