CN103617820B - 一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池电极浆料技术领域，尤其涉及一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，合金粉包括至少一种第一硅铝合金和至少一种第二硅铝合金，第一硅铝合金中硅的质量含量小于12.73%，第二硅铝合金中硅的质量含量大于或等于12.73%，并且第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃。相对于现有技术，将本发明的合金粉加入铝浆中能够：使导电颗粒之间牢固烧结在一起，降低铝颗粒之间的表面接触电阻，使厚膜的导电性能更加优秀；有助于在硅片上形成深掺杂的p+区域，提高太阳能电池的转换效率；拓宽烧结温度窗口区间，使产品的工艺性更好，在铝浆烧结过程中发生铝珠、铝包和起灰等缺陷的工艺敏感性下降，性能稳定性提高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池电极浆料技术领域，尤其涉及一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉。
背景技术
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转换成电能的装置，其工作原理是：太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就形成电流。由于其利用的是太阳能这种取之不尽用之不竭的绿色能源，因此在全球能源危机的大环境下，太阳能电池越来越受到各国的重视，年增长速度达到了40%以上。
在太阳能电池中，人们对硅太阳能电池的研究和关注最多。在硅太阳能电池的制作过程中，背电极的制作是非常重要的工序。背电极一般采用铝浆，经丝网印刷并经隧道炉快速烧结后，在太阳能电池硅片的背阳面形成一个“铝背场”。在烧结过程中，导电铝颗粒与硅片之间形成硅-铝合金层，可消除硅片与电极的肖特基势垒，实现欧姆接触。
其中，铝浆主要由铝粉、无机粘接相（一般为玻璃相）、有机载体和改性剂等原料按照一定的比例组成。其中，铝粉是浆料中的导电颗粒，其比例占到浆料总质量的70wt.%以上，对太阳能电池的转换效率有极大影响。但是，对现有技术的铝浆进行烧结时，因烧结峰值温度可瞬间达到830-850℃甚至更高，极易造成Al的局部融化而出现铝珠、铝包和起灰等现象。此外，商用太阳能电池的转换效率已经普遍提高到17.5%以上，对太阳能浆料生产厂家而言，电池转换效率提升的空间越来越小，持续提升的难度也越来越大。
有鉴于此，确有必要提供一种不仅能够使铝浆的电性能得到进一步提高，而且还能改善铝浆的工艺性能的合金粉。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足而提供一种不仅能够使铝浆的电性能得到进一步提高，而且还能改善铝浆的工艺性能的合金粉。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，所述合金粉包括至少一种第一硅铝合金和至少一种第二硅铝合金，所述第一硅铝合金中硅的质量含量小于12.73%（硅铝合金的共晶点组分），所述第二硅铝合金中硅的质量含量大于或等于12.73%，并且所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的熔点均小于660℃。铝粉的熔点为660℃，合金粉的熔点小于铝粉的熔点。第一硅铝合金和第二硅铝合金与金属铝和金属硅之间均容易发生固溶。
作为本发明用于硅太阳能电池铝浆的合金粉的一种改进，所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的质量比例为（1～99）：（99～1）。
作为本发明用于硅太阳能电池铝浆的合金粉的一种改进，所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的质量比例为（20～80）：（80～20）。
作为本发明用于硅太阳能电池铝浆的合金粉的一种改进，所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的质量比例为50：50。
作为本发明用于硅太阳能电池铝浆的合金粉的一种改进，所述合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，从而可调节铝膜伸缩性，起到调节铝浆与硅片之间的烧结匹配性的作用。
作为本发明用于硅太阳能电池铝浆的合金粉的一种改进，所述合金粉的平均粒径为1-10μm，粒径太大，不利于合金粉向铝粉颗粒之间的间隙填充；粒径太小，易导致烧结后的硅片翘曲度较大。
作为本发明用于硅太阳能电池铝浆的合金粉的一种改进，所述合金粉占所述铝浆的质量百分比为1～10%，合金粉的含量太高，就会降低作为导电颗粒的铝粉的含量，不利于铝浆的电性能的改善，合金粉的含量太低，又不能起到很好的改善铝浆的电性能，而且不利于改善铝浆烧结过程中的工艺敏感性。铝浆中的其他成分，如铝粉、无机粘接相、有机载体和改性剂等可以选用现有技术已知的各种材料。其中，无机粘接相可以选择玻璃粉，有机载体可以选择包括乙基纤维素和酚醛树脂、松香、松油醇等的物质，改性剂可以选择乙二醇苯醚和邻苯二甲酸二乙酯等。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，烧结时，由于合金粉颗粒的熔点较低，因此优先熔化，起到如同“焊接剂”一样的作用，将周围与之接触的铝粉颗粒“焊合”在一起，合金粉熔滴与铝粉颗粒之间相互扩散、发生合金化，使其变成固溶体或者生成近乎单一相的导电链结构，从而改善了颗粒间的接触状况。根据隧道效应导电机理理论：厚膜电阻中的金属导电粒子之间的接触电阻的变化，对其导电性能有很大影响。接触电阻增大，则导电性能下降，表现为其单位电阻增大，且温度系数、噪音特性都发生劣化。反之，若接触电阻减小，则导电性能提高。因此，颗粒间的接触状况的改善，就提高了铝浆的导电性能，从而提高了太阳能电池的转换效率。
此外，在烧结过程中，当温度尚未升高到铝的熔点时，合金粉优先熔融，不仅能把周围紧挨着它的铝颗粒粘合在一起，组成“三维网络状导电骨架”，而且在厚膜的最底层，与硅衬底接触的合金粉颗粒熔融后，优先与硅之间发生互熔，将导电厚膜底层与硅衬底预先焊合在一起，使随后的高温烧结过程中导电铝层与衬底硅之间的相互扩散及合金化得以顺利进行。由于本发明的合金粉不仅自身具有良好的导电性，而且与周围与之接触的金属铝颗粒和硅衬底之间都有很好的浸润性，容易实现彼此固溶。
更重要的是，由于本发明的合金粉包括硅含量较低的第一硅铝合金和硅含量较高的第二硅铝合金，在烧结时，彼此相邻的第一硅铝合金、第二硅铝合金、铝粉和硅衬底之间发生相互熔合，在它们的接触界面上，有形成组分为硅含量为12.73%的共晶合金的趋势，这种成分差别提供了彼此熔合的驱动力，从而在烧结后形成更致密且低方阻的背场。而且，由于合金粉包括两种以上不同组分的硅铝合金，在烧结的过程中，各硅铝合金渐次熔化，在熔化过程中，需要从周围环境中吸收热量（熔化热），从而使得合金颗粒周围不会出现局部温度过高的现象，从而能够减少铝珠、铝包和起灰等现象的出现，使得铝浆能够耐受更高温度的烧结。
总之，相对于现有技术，将本发明的合金粉加入铝浆中能够起到以下作用：
第一，使导电颗粒之间牢固烧结在一起，组成连续的三维导电网络，降低铝颗粒之间的表面接触电阻，使厚膜的导电性能更加优秀；
第二，有助于在硅片上形成深掺杂的p+区域，即铝背场，有助于提高太阳能电池的转换效率，大约能提高0.2～0.4%；
第三，拓宽烧结温度窗口区间，使产品的工艺性更好，在铝浆烧结过程中发生铝珠、铝包和起灰等缺陷的工艺敏感性下降，性能稳定性提高。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括第一硅铝合金和第二硅铝合金，其中，第一硅铝合金中硅的质量含量为12.01%，第二硅铝合金中硅的质量含量为14.25%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为50：50，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为5.5μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为4%。
实施例2
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括第一硅铝合金和第二硅铝合金，其中，第一硅铝合金中硅的质量含量为10.13%，第二硅铝合金中硅的质量含量为13.12%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为80：20，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为5.0μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为3%。
实施例3
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括第一硅铝合金和第二硅铝合金，其中，第一硅铝合金中硅的质量含量为10.31%，第二硅铝合金中硅的质量含量为16.15%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为20：80，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为4.5μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为7%。
实施例4
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括第一硅铝合金和第二硅铝合金，其中，第一硅铝合金中硅的质量含量为9.25%，第二硅铝合金中硅的质量含量为18.20%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为40：60，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为6.5μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为8%。
实施例5
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括第一硅铝合金和第二硅铝合金，其中，第一硅铝合金中硅的质量含量为5.38%，第二硅铝合金中硅的质量含量为13.01%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为1：99，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为3.2μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为5%。
实施例6
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括两种第一硅铝合金和第二硅铝合金，其中，第一种第一硅铝合金中硅的质量含量为4.38%，第二种第一硅铝合金中硅的质量含量为7.23%，第二硅铝合金中硅的质量含量为13.01%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为90：10，第一种第一硅铝合金和第二种第一硅铝合金的质量比为1:1，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为5.8μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为4%。
实施例7
本实施例提供的一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，包括两种第一硅铝合金和两种第二硅铝合金，其中，第一种第一硅铝合金中硅的质量含量为6.91%，第二种第一硅铝合金中硅的质量含量为8.99%，第一种第二硅铝合金中硅的质量含量为12.73%，第一种第二硅铝合金中硅的质量含量为15.78%，第一硅铝合金和第二硅铝合金的熔点均小于660℃，第一硅铝合金和第二硅铝合金的质量比例为30：70，第一种第一硅铝合金和第二种硅铝合金的质量比为1:1，第一种第二硅铝合金和第二种第二硅铝合金的质量比为3:1，并且合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间，合金粉的平均粒径为4.5μm。
使用时，将本发明的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，其中合金粉占铝浆的质量百分比为1%。
将实施例1至7提供的合金粉随机地、均匀地混杂在铝颗粒中，并与其他成分混合制成铝浆，再经过丝网印刷在单晶硅片上，配合杜邦公司的17系正面银浆烧结工艺，形成铝背场（实验组），经观察，铝背场的背面光滑致密，无铝珠、铝包和起灰等现象。
作为对比，将未加有本发明的合金粉的铝浆按照上述工序制得铝背场（对比组），经观察，该铝背场的背面不够光滑，有时有铝珠和铝包等现象出现。
制成铝背场后，再按照常规技术组装成太阳能电池，测试各太阳能电池的平均光电转换效率，结果是：对比组为18.125%，而实验组中添加有实施例1～7的合金粉的太阳能电池的平均光电转换效率依次为：18.187%、18.228%、18.271%、18.229%、18.305%、18.301%、18.279%。
根据上述说明书的说明与教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行修改与变更，因此本发明并不局限于上面所描述的具体实施方式，对本发明的一些修改与变更也应落入到本发明的权利要求的保护范围之类。另外，尽管本说明书中使用了一些特定术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (6)
1.一种用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，其特征在于：所述合金粉包括至少一种第一硅铝合金和至少一种第二硅铝合金，所述第一硅铝合金中硅的质量含量小于12.73%，所述第二硅铝合金中硅的质量含量大于或等于12.73%，并且所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的熔点均小于660℃；
所述合金粉的平均粒径为3.2-10μm。
2.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，其特征在于：所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的质量比例为（1～99）：（99～1）。
3.根据权利要求2所述的用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，其特征在于：所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的质量比例为（20～80）：（80～20）。
4.根据权利要求3所述的用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，其特征在于：所述第一硅铝合金和所述第二硅铝合金的质量比例为50：50。
5.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，其特征在于：所述合金粉的线膨胀系数介于硅的线膨胀系数和铝的线膨胀系数之间。
6.根据权利要求1至5任一项所述的用于硅太阳能电池铝浆的合金粉，其特征在于：所述合金粉占所述铝浆的质量百分比为1～10%。
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2013
- 2013-11-20 CN CN201310585203.7A patent/CN103617820B/zh not_active Expired - Fee Related
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