CN102324267A - 高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆，所述铝浆由以下质量百分比的原料组成：铝粉60~75%，有机粘合剂20~35%，铝硅合金粉1~10%，玻璃粉0.2~2%，助剂0.1~1.5%，各原料的质量百分比之和为100%，所述铝硅合金粉，硅在铝硅合金粉中的含量为8~15%，铝硅合金粉的平均粒径小于2μm。本发明提供了一种晶体硅太阳能电池铝浆及其制备方法，该浆料经过丝网印刷、干燥、烧结后在硅晶片上形成铝背场，铝背场附着力高，电池片翘曲度低，光电转换效率高，且成本较低，无毒性。

Description

高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆及其制备方法。太阳能电池铝浆主要用于晶体硅太阳能电池制造中形成铝背场BSF，提高太阳能电池的效率，属于电子材料技术领域。

背景技术

随着人类历史的发展，人们对能源的消耗越来越多。人们认识到传统石化能源终究有一天会枯竭，且现实中传统石化能源对环境造成的污染日益严重，这使得人们对清洁能源的需求情有独钟。太阳能作为一种最清洁、且取之不尽、用之不竭的能量日益受到重视，太阳能热水器的广泛使用使得人们对太阳能的利用充满信心。太阳能光伏发电产业在这种背景下得到快速发展，近十几年来，以晶体硅太阳能电池为代表的光伏产业年均增长速度超过30%，成为全球主要的清洁能源发展方向之一。

在太阳能光伏产业中，铝浆的作用是在电池共烧过程中形成背电场，即BSF层，也就是在太阳能电池的背面形成一层与基体导电类型相同的重掺杂区，可有效提高太阳能电池的光电转换效率。在铝浆烧结过程中，当铝硅界面的温度达到577℃以上时，铝和硅会以一定的比例形成熔融态合金，当温度降低时，铝硅合金冷却，硅在合金中的比例逐渐降低，从合金中析出，形成了一层掺铝的重掺杂层，即p⁺层，与p型硅基体就形成了p-p⁺结。在p-p⁺界面附近，p区形成空穴积累层，p⁺区形成耗尽层，于是空间电荷区内形成了由p区指向p⁺区的内建电场，可以阻止p区的电子向p⁺区运动，即形成一个高低结。这个高低结使得光电子不会从背面逸出，而是被反射回去重新被收集，且该内建电场会对光生载流子产生加速作用，增加了载流子的有效扩散长度，提高了电池的短路电流。随着晶体硅片的不断变薄，铝背场在晶体硅太阳能电池中的作用更加显著。同时p-p⁺结两端的光电压与n⁺-p两端的光电压叠加，使得电池的开路电压提高。

此外，在铝背场形成的同时，由于铝硅原子晶格失配产生的应力，晶体硅中的重金属杂质或空位扩散至界面被铝有效吸除，从而起到铝吸杂作用。铝吸杂可显著提高晶体硅太阳能电池的开路电压、填充因子和转换效率。

传统铝浆组成一般为有机粘合剂、无机粘合剂、铝粉及助剂。浆料性能的好坏与所用铝粉特性如纯度、粒径大小及粒径分布等直接相关。目前制备铝浆用的铝粉都由氮气雾化法制备，在铝粉的表面会形成一层氮化铝陶瓷层，在一定程度上制约了BSF层的形成。公开号为CN101425545A、CN101651155A等的专利中提到了添加第III主族物质（硼、镓、铟、铊）来改善BSF层的形成，但这些物质要么成本很高，要么储量较少，要么毒性很大，并非理想添加物。且除硼外，这些添加物都属于软金属，在一定程度上对铝背场的致密性和附着力都有不良影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种晶体硅太阳能电池铝浆及其制备方法，该浆料经过丝网印刷、干燥、烧结后在硅晶片上形成铝背场，铝背场附着力高，电池片翘曲度低，光电转换效率高，且成本较低，无毒性。

本发明提供的技术方案是：在传统铝浆体系中添加一定比例、一定粒径范围的铝硅合金粉，在改善铝背场的同时可有效降低铝粉及玻璃粉的用量。

本发明的目的是这样实现的：一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆，所述铝浆主要由以下质量百分比的原料组成：

铝粉60~75%

有机粘合剂20~35%

铝硅合金粉1~10%

玻璃粉0.2~2%

助剂0.1~1.5%

各原料的质量百分比之和为100%。

所述铝粉是球形铝粉，平均粒径为4~8μm，振实密度大于1.5g/cm³，铝含量大于99.8%，活性铝含量大于98%。粒径太大，烧结形成的铝背场不够致密；粒径太小，背场烧结容易起铝苞，周边易脱落起灰。振实密度太小，也会导致背场烧结不够致密。杂质太多容易引起污染，使得背场效果变差。活性铝含量太低，就不能形成足够厚的背电场。

所述有机粘合剂由高分子聚合物、有机溶剂以及助剂组成，其中高分子聚合物为乙基纤维素、酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂等中的一种或几种。有机溶剂为高沸点醇类或酯类中的一种或几种，如松油醇、丁基卡必醇、苯甲醇、乙二醇苯醚、丁基卡必醇醋酸酯、三甲基戊二醇异丁酸酯、柠檬酸三丁酯等。助剂为油酸、蓖麻油酸、硬脂酸、硅油、蓖麻油、泵油、司盘、吐温、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯等中的一种或几种。更为优选地，所述有机粘合剂，按质量份计的配比为：乙基纤维素3~8份，酚醛树脂1~5份，松油醇20~50份，丁基卡必醇醋酸酯30~60份，三甲基戊二醇异丁酸酯20~40份，司盘0.5~2.5份和泵油1~5份。

所述铝硅合金粉具有一定的元素组成，硅在铝硅合金粉中的含量为8~15%，铝硅合金粉的平均粒径小于2μm。当硅含量过低时，铝硅合金熔融冷却时，硅基本不会析出，对形成铝背场没有促进作用；而当硅含量过高时，铝硅合金熔融冷却时析出硅的速度快，富聚的硅会影响铝背层的导电性。当铝硅合金粉的粒径太大时，在快速烧结过程中难以完全熔融，不能充分发挥合金粉的作用。

所述玻璃粉为一种无铅低熔点玻璃粉，该玻璃粉为B（硼）-Bi（铋）-Si（硅）-Zn（锌）体系，并添加了一定量的氧化铝，氧化锆，氧化钒，氧化钼，所述玻璃粉主要由以下质量百分比的原料组成：

氧化硼 10~30%

氧化铋 50~80%

氧化硅 1~10%

氧化锌 1~10%

氧化铝 0.5~5%

氧化锆 0.5~5%

氧化钒 0.5~5%

氧化钼 0.5~5%

各原料的质量百分比之和为100%。

所述助剂为日本信越公司消泡剂KS-66。

上述铝浆的制备方法包括以下工艺步骤：

1）有机粘合剂的配制

将除树脂外的组分按比例称量，加热至80~100℃，然后一边搅拌一边慢慢加入规定量的树脂，当树脂完全溶解后趁热过滤，即得到透明的有机粘合剂。

2）玻璃粉的配制

将所有组分的金属氧化物按比例称量，用三维混合机混合均匀，然后95~105℃干燥1~2小时，干燥后1050~1150℃熔炼1~1.5小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5~2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用。

3）浆料的配制

按比例称取铝浆各组分混合，用高速分散搅拌机搅拌，使浆料达到一定的细度40~50μm，然后在三辊研磨机上进行研磨，使浆料达到均匀分散状态，浆料细度<20μm，粘度30000~45000mPa·s（25℃）。

本发明的有益效果是：

1）额外添加的铝硅合金粉，其熔点在580℃左右，可部分起到玻璃粉的作用，能显著降低玻璃粉的添加量。

2）额外添加的铝硅合金粉，在烧结过程中熔融直接形成铝硅共熔体，有效增加了铝硅界面处形成铝硅共熔体的量，冷却过程中硅析出形成的重掺杂层厚度增加，增强了背场效果，提高了电池片的电性能。

3）额外添加的铝硅合金粉，补充了铝硅界面处的铝硅共熔体量，使得浆料体系中对铝粉含量的要求降低，可有效降低铝浆中铝粉比例，节约原材料成本，同时，铝粉比例降低的结果是铝浆固含量降低，在一定程度上可以降低客户单片电池的铝浆印刷量，降低电池片制造材料成本。

具体实施方式

实施例1：

铝粉：所用铝粉平均粒径为5.3，振实密度为1.57g/cm³。

有机粘合剂：

按质量份计松油醇30份，丁基卡必醇醋酸酯40份，三甲基戊二醇异丁酸酯20份，司盘1份和泵油2.5份，混合加入反应釜中加热到80~100℃，然后搅拌加入4.5份的乙基纤维素，2份的酚醛树脂，溶解后过滤，得到澄清、透明的有机粘合剂。

玻璃粉：按质量份氧化硼12份，氧化铋 65份，氧化硅 8份，氧化锌8份，氧化铝 3份，氧化锆2份，氧化钒1份和氧化钼 1份，混合均匀后100℃干燥1.5小时，然后在1100℃熔炼1.2小时，水淬后用行星球磨机球磨1小时，过500目筛后得粒径为1.8μm的玻璃粉，烘干备用。

铝浆：按质量份取铝粉71份，上述有机粘合剂25份，铝硅合金粉3份，玻璃粉0.6份，消泡剂（KS-66）0.4份，用高速搅拌机（1000r/min）搅拌30min，浆料细度达到40~50μm，用三辊研磨机研磨，控制浆料粘度25℃ 时25000~40000 mPa·s，浆料细度<20μm，制成本发明高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆。

印刷电池片并测试相关性能：125×125mm（厚度180±20μm）单晶硅片，用250目丝网印刷上述铝浆，平均单耗0.91g，干燥后印刷贺利氏9235正银，经烘干、隧道烧结炉共烧结（峰值温度775℃，600℃以上6.1s）后测试相关性能：开路电压（平均值）632mv，短路电流（平均值）5.66A，平均光电转换效率达到18.16%，电池片的翘曲度为1.00mm，背场EVA剥离拉力>10N。

实施例2：

铝粉：所用铝粉平均粒径为5.5，振实密度为1.59g/cm³。

有机粘合剂：按质量份松油醇35份，丁基卡必醇醋酸酯35份，三甲基戊二醇异丁酸酯20份，司盘1.5份和泵油2份，

混合加入反应釜中加热到80~100℃，然后搅拌加入3.5份的乙基纤维素，3份的酚醛树脂，溶解后过滤，得到澄清、透明的有机粘合剂。

玻璃粉：按质量份氧化硼10份，氧化铋 70份，氧化硅 6份，氧化锌6份，氧化铝 2份，氧化锆2份，氧化钒1份和氧化钼 3份，混合均匀后100℃干燥1.5小时，然后在1100℃熔炼1.2小时，水淬后用行星球磨机球磨1小时，过500目筛后得粒径为1.7μm的玻璃粉，烘干备用。

铝浆：按质量份取铝粉68份，上述有机粘合剂26份，铝硅合金粉5份，玻璃粉0.5份和消泡剂（KS-66）0.5份，用高速搅拌机（1000r/min）搅拌30min，浆料细度达到40-50μm，用三辊研磨机研磨，控制浆料粘度25℃ 时25000~40000 mPa·s，浆料细度<20μm，制成本发明高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆。

印刷电池片并测试相关性能：125×125mm（厚度180±20μm）单晶硅片，用250目丝网印刷上述铝浆，平均单耗0.88g，干燥后印刷贺利氏9235正银，经烘干、隧道烧结炉共烧结（峰值温度780℃，600℃以上5.6s）后测试相关性能：开路电压（平均值）633mv，短路电流（平均值）5.65A，平均光电转换效率达到18.18%，电池片的翘曲度为1.05mm，背场EVA剥离拉力>10N。

Claims (5)

1.一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆，其特征在于：所述铝浆由以下质量百分比的原料组成：

铝粉60~75%

有机粘合剂20~35%

铝硅合金粉1~10%

玻璃粉0.2~2%

助剂0.1~1.5%

各原料的质量百分比之和为100%，

所述铝硅合金粉，硅在铝硅合金粉中的含量为8~15%，铝硅合金粉的平均粒径小于2μm。

2.根据权利要求1所述的一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆，其特征在于：所述铝粉是球形铝粉，其平均粒径为4~8μm，振实密度大于1.5g/cm³，铝含量大于99.8%，活性铝含量大于98%。

3.根据权利要求1或2所述的一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆，其特征在于：

所述有机粘合剂由高分子聚合物、有机溶剂以及助剂组成，其中高分子聚合物为乙基纤维素、酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂中的一种或几种，所述有机溶剂为松油醇、丁基卡必醇、苯甲醇、乙二醇苯醚、丁基卡必醇醋酸酯、三甲基戊二醇异丁酸酯、柠檬酸三丁酯中的一种或几种，所述助剂为油酸、蓖麻油酸、硬脂酸、硅油、蓖麻油、泵油、司盘、吐温、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或几种；

所述玻璃粉由以下质量百分比的原料组成：

氧化硼 10~30%

氧化铋 50~80%

氧化硅 1~10%

氧化锌 1~10%

氧化铝 0.5~5%

氧化锆 0.5~5%

氧化钒 0.5~5%

氧化钼 0.5~5%

各原料的质量百分比之和为100%；

所述助剂为日本信越公司消泡剂KS-66。

4.根据权利要求1或2所述的一种高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆，其特征在于：所述有机粘合剂按质量份计的配比为：乙基纤维素3~8份，酚醛树脂1~5份，松油醇20~50份，丁基卡必醇醋酸酯30~60份，三甲基戊二醇异丁酸酯20~40份，司盘0.5~2.5份和泵油1~5份。

5.一种如权利要求1所述高光电转化效率晶体硅太阳能电池铝浆的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下工艺步骤：

1）有机粘合剂的配制

将除树脂外的有机粘合剂各组分按比例称量，加热至80~100℃，然后一边搅拌一边慢慢加入规定量的树脂，当树脂完全溶解后趁热过滤，即得到透明的有机粘合剂，

2）玻璃粉的配制

将所有组分的玻璃粉各原料按比例称量，用三维混合机混合均匀，然后95~105℃干燥1~2小时，干燥后1050~1150℃熔炼1~1.5小时，把熔炼好的玻璃液体倒入纯净水中水淬，再用球磨机球磨一定的时间，过筛得到粒径为0.5~2.5μm的玻璃粉，玻璃粉烘干备用，

3）浆料的配制

按比例称取铝浆各组分混合，用高速分散搅拌机搅拌，使浆料达到一定的细度40~50μm，然后在三辊研磨机上进行研磨，使浆料达到均匀分散状态，浆料细度<20μm，25℃粘度30000~45000mPa·s。