摘要: 通过改变有机相中乙基纤维素的质量分数, 制备了具有不同流变性能的银浆, 并应用于硅太阳电池。对银浆流变性能、电池正面电极形貌和电池电性能等的分析测试结果表明, 银浆的流变性能影响所印制电池的电极形貌及其电性能。当有机相中乙基纤维素质量分数为 6% 时, 银浆具有较高低剪切速率下的黏度和较低高剪切速率下的黏度, 能使所印的电极栅线边缘整齐, 具有较高的高度和较小的线宽, 所印制电池电性能优越, 具有较好的填充因子( ff ) 和转换效率( g) 。
关键词: 流变性; 电性能; 银浆; 太阳电池
与普通电池一样, 晶体硅太阳电池也有两个用于引出电流的电极。位于受光面的电极包括主栅线和若干细栅线两大部分, 习惯上称其为太阳电池的正面电极。正面电极中的细栅线收集硅基片中因光生伏te效应产生的光电子, 并将这些光电子传输到主栅线上, 导出电池。
制备太阳电池正面电极的方法主要有真空蒸镀法和丝网印刷法两种。丝网印刷法所需成本低, 操作简单, 利于实现太阳电池工业化的大规模生产。丝网印刷方法制备太阳电池正面电极的基本工艺是将银浆涂覆在硅基片上, 经过干燥、红外快速烧结,后使之金属化形成电极[ 1- 3] 。
丝网印刷用的银浆由导电相、玻璃相和有机载体相组成。其中, 有机载体主要由溶剂、增稠剂、表面活性剂, 触变剂等组成。有机载体起润湿、分散粉体颗粒的作用, 并赋予银浆优越的印刷性能[ 4- 5]。银浆印刷效果的好坏将直接影响到太阳电池的短路电流( i sc) 、串联电阻( r s ) 、效率( g) 等各项性能, 从而影响电池的品质, 而银浆印刷效果由银浆的流变性能决定。在银浆制备工艺中, 可以通过改变有机载体的组分等来调整银浆的流变性能, lin 等[ 3]研究了银浆组分对流变性能的影响, 但有关银浆流变性能对后期电池制作影响的报道甚少。本文通过观察银浆印制出太阳电池电极栅线的形貌, 讨论了银浆流变性能对太阳电池电性能的影响。
1实验部分
1. 1 银浆的制备
以松油醇为溶剂, 分别加入质量分数为 4% 、 6% 、8% 的乙基纤维素, 再各加入质量分数为 1% 的其他助剂, 混合均匀。于 90 e 的水浴中加热直至*溶解, 保温 3 h, 冷却, 得到有机载体, 标号分别为有机相 a、b、c。按质量比为 77 b 3 b 20 分别称取金属银粉、玻璃粉以及有机相, 在容器中预混合后置于三辊机上碾压, 当刮板细度计测得细度为 10~ 14 lm 时, 出料, 即得到太阳电池正面电极用银浆, 标号分别为银浆 a、b、c。
1.2 测试银浆的流变性能
用bro okfield dv ii + pro 流变仪测试各银浆的流变性能, 剪切速率增量为 0. 4 s- 1, 记录下各剪切速率下的黏度值, 并绘制出各银浆的流变曲线。
1. 3 太阳电池的制备
采用 baccini 自动丝网印刷机将 a、b、c 3 种银浆印刷到单晶硅片( 规格 125 mm @ 125 mm ) 上, 再经 despatch 红外烧结炉烧结, 得到太阳电池。每种银浆分别印刷 20 片电池, 所用单晶硅片已制好p- n 结, 正面镀有 sinx 减反射膜, 背面已经印好背电极和背场。所用丝网为 325 目, 细栅线的设计线宽为120 lm。
1. 4 观察太阳电池正面电极的微观结构
用反光光学显微镜( olm ypu s mx51) 观察太阳电池正面电极的微观结构, 测试电极栅线的宽度。
1.5 太阳电池的电性能测试
采用 berger lichttechnik gm bh 太阳电池测试仪对所制备的各种太阳电池进行电性能测试。
2结果与讨论
2.1 银浆的流变性能
图1 为 3 种银浆的流变曲线。可以看出, 银浆a的高剪切速率( > 60 s-1) 和低剪切速率( < 10 s- 1) 下的黏度都较低, 峰值黏度为 1. 95 x105cpa.s, 60 s- 1时的黏度为 1. 82 x105 cpa.s; 银浆 c 高剪切速率和低剪切速率下的黏度都较高, 峰值黏度为8. 55 x105cpa ·s, 60 s- 1时黏度为 1. 14 x104cpa·s; 而银浆 b则具有较高的低剪切速率下的黏度和较低的高剪切速率下的黏度, 峰值黏度为 6. 55 x105cpa ·s, 60 s- 1时黏度为 3. 6x104 cpa ·s。
造成这一现象的原因主要是: 在银浆中, 大量的银粉颗粒填充于由乙基纤维素形成的三维网络结构中。银浆中乙基纤维素质量分数越高, 该网络结构越复杂, 银浆分散体系越稳定, 不容易被外力破坏。故随着乙基纤维素质量分数的增加, 银浆在各剪切速率下的黏度都逐渐增大。
2. 2 银浆流变性对太阳电池正面电极的影响
银浆在印刷时, 先预铺在丝网的上表面, 印刷工艺上希望银浆在刮刀运行时( 剪切速率约为 60 s- 1 ) 黏度迅速下降, 具有较好的流动性, 银浆迅速通过丝网网孔流到硅基片上。刮刀作用后, 丝网回弹,已经印到基片上银浆的黏度立即回到剪切前的黏度, 而不在硅片上铺展开来。在流变曲线上表现为,银浆在高剪切速率下的黏度应较低, 而在低剪切速率下的黏度则应较高。也即银浆有良好触变性, 银浆的触变性是印刷出清晰电极条纹的关键[ 6] 。
3 种银浆印刷出来的正面电极的反光光学显微照片如图 2 所示。电极 a( 图 2a) 的边缘平整、光滑,但电极栅线 a 的线宽远大于丝网所设计的线宽。电极b( 图2b) 的边缘平滑、整齐, 且电极栅线宽度适中, 略大于设计线宽。电极 c( 图 2c) 的边缘凹凸非常严重, 呈锯齿形。
银浆 a 在刮刀的高速剪切下, 黏度低, 能迅速通过丝网网孔, 并自动流平以弥补由于丝网网线阻隔而断开的区域。但由于在丝网回弹后银浆的黏度仍较低，已经流到硅片上的银浆还会继续流动一定时间, 这便造成所印出的电极 a 的线宽远大于设计线宽。
银浆 b 在刮刀运行后网板回弹时, 虽较快地达到峰值黏度, 但恢复过程仍需一定时间, 所以也有微量的流平, 使电极 b 的线宽略大于设计线宽, 这个微量的流平有利于电极的上表面平整而没有锯齿形。另外, 在电池片烧结时, 电极的线宽也会略有增加。银浆b 在刮刀剪切时黏度仅为3. 6 x104cpa·s, 流动性好, 相比银浆 a 穿过网孔流到硅片上的银浆更多,在剪切后黏度迅速上升, 流平量少, 可以预见, 电极 b 会有较高的高度。
银浆 c 在刮板的压力下通过丝网网孔, 在受到经线和纬线的阻碍时, 经线和纬线两侧的银浆将被分开。由于此时银浆流动性较差, 在较短的印刷时间内不能自动流平, 从而形成电极栅线两侧的“锯齿”。高黏度物质在通过小孔时具有“挤出效应”, 故相邻两锯齿尖的距离还将大于丝网网线的线径。且在刮刀迅速刮过网板后, 由于没有刮刀的压力, 在网孔中的银浆立即回到更高的黏度。银浆在高的黏度下, 当网板回弹时容易产生脆性断裂, 部分银浆将残留在网孔中, 这种现象在感光胶附近的网孔中更为严重。另外, 由于银浆 c 在印刷时黏度高, 下墨量小, 电极栅线较容易断线, 同时, 流动性差将导致电极与硅基片间有大量的空隙, 即银电极并未*在硅片上铺展开来。
2. 3 太阳电池正面电极对电性能的影响
由银浆 a、b、c印制得到的电池分别对应为电池a、b、c。其电性能的平均数据见表1。
如表 1 所示, 电池 c 的开路电压( voc) 和 i sc都为zui小, 而其 rs却是zui高的, 同时其 ff 也不理想, 从而导致电 c 的 η 比电池 b 的低; 电池 a 虽然具有zui高的 voc和较高的 i sc, 但其 f f 却远低于电池 b, 而且其 rs较电池 b 也偏大, 使得电池 a 的η与电池 c 几乎相当。电池 b 同时具有zui高的 ff 和 isc、zui低rs , 其 v oc也较为理想, 因此其η也zui高。
电极烧结时, 银浆中玻璃相首先软化熔融, 润湿硅片表面, 蚀刻减反射膜, 然后蚀刻硅发射极。在此过程中, 大量的银以及被蚀刻的硅溶解在玻璃相中。在随后的冷却过程中, 溶解在玻璃相中的银在硅片表面重结晶, 并随机地生长。在硅表面重结晶的银颗粒的大小和数量决定了欧姆接触的好坏[ 7- 8]。
电池 a 中, 虽然银电极与硅片的接触面积较大,栅线宽度达到 181 µm, 其接触面积大是由银浆过度流平造成的, 而银浆过度流平也会造成电*度降低, 导致单位接触面积上玻璃相减少, 影响玻璃相对减反射膜的腐蚀, 所形成的银硅接触点减少, 宽的电极栅线影响了电池的受光面积, 从而影响电池的 i sc, 进而 η不高。电池 c 中, 电极并未在减反射膜上*铺展开, 两者之间存在较多空隙。在烧结时, 所形成银硅接触的数量就大大减少, 从而电池 c 具有较大的 rs。由于银硅接触不好, 电池中产生的光电子将不能被充分吸收并传出电池, 从而影响 voc和 isc, 进而影响 η。电池 b 中, 电极栅线较细, 线型平整, 且具有一定的高度。电池受光面积充裕, 产生光电子的数量更大。当烧结时, 玻璃熔融较易在硅表面重结晶出银粒子, 银硅接触好, 能将电池所产生的光电子吸收并传导出电池, 所以电池 b 各项电性能都比较好。
3 结 论
太阳电池制作中, 银浆的流变性能决定其印刷性能, 影响正面电极的印刷质量, 进而影响太阳电池的电性能。同时具有较低低剪切速率和高剪切速率下黏度的银浆 a, 所印出电极的高度较低, 线宽远大于设计宽度, 影响电池的受光面积, 电池性能较差;同时具有较高低剪切速率和高剪切速率下黏度的银浆 c, 所印出的电极易断线, 边缘呈锯齿形, 电池的电性能同样不好; 而具有较高低剪切速率黏度和较低高剪切速率黏度的银浆 b, 所印出的电极边缘整齐, 具有较高的高度, 电池性能较好。
参考文献:
[ 1] sun tietu n, m iao jianmin, lin rongming, et al . th e effect of baking conditions on th e effective contact areas of screen-printed silver layer on silicon substrate [ j] . sol e nergy m aters ol cells, 2005, 85: 73-83.
[ 2] rane s b, khan na p k, s eth t, e t al . firin g and processin geffects on microstructure of fritted silver thick film electrodematerials for s olar cells [ j] .m ater chem phys , 2003, 82:
237-245.
[ 3]porter l m , t eicher a, m eib erd l. ph osphorus-doped, silver-based pastes for self-dopingohmic contacts for crystal-lin e silicon s olar cells [ j] . sol energy m ater s ol cells,2002， 73: 209-219.
[ 4]lin j c, w ang c y . effectsof su rfactan t tr eatm ent of silver pow der on the rheology ofits thick-film pas te [ j ] . m ater chem phys, 1996, 45: 136-144.
[ 5]rane s b, seth t , phatak g j,et al . influen ce of surfactants treatment on silverpow derand its th ick film s [ j ] . m ater lett, 2003, 57: 3096- 3100.
[ 6]t rease r e, dietz r l. rheology of paste in thick-film prin -ting [ j] . solid state t echnol,1972( 1) : 38-43.
[ 7]h ilali m m , nakayashik k, khadikar c. e ffect of ag particlesize in thick-film ag pas te on th e electrical and phys icalproperties of s creen printed contacts and silicon solarcells [ j] . electrochem soc, 2006, 153( 1) :a5-a11.
[ 8]zheng jianhua, zhang yappin g, ao yiw ei,et al .effect of sil-ver thick film paste on screen prin ted oh mic contacts ofs olar cells [ c] / / fuku oka, japan: pvs ec-17 organiz ing com-mittee, 2007: 604- 605.