銀漿中的玻璃粉對(duì)晶硅太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻的影響

1、銀漿中的玻璃粉對(duì)晶硅太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻的影響銀漿中的玻璃粉對(duì)晶硅太陽(yáng)電池串聯(lián)電阻的影響 摘 要：研究了絲網(wǎng)印刷銀電極中玻璃粉對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻的影響。通過(guò)制備不同含量的玻璃粉銀漿料，以及對(duì)漿料的體電阻率、接觸電阻和焊接拉力等性能的表征測(cè)試，發(fā)現(xiàn)銀粉顆粒間隙是造成銀電極體電阻增大的主要因素，在一定范圍內(nèi)，用PbO-SiO2系玻璃粉有助于降低銀電極體電阻和接觸電阻，增加焊接拉力。正面電極作為太陽(yáng)能電池的重要組成部分，主要起收集電流的作用，同時(shí)對(duì)電池的受光面積和串聯(lián)電阻有決定性的影響，因此，是影響太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。在實(shí)驗(yàn)室高效晶體硅太陽(yáng)能電池制造工藝中，使用成本昂貴的蒸鍍工藝

2、制作電極，如采用Ti/Pa/Ag結(jié)構(gòu)來(lái)降低接觸電阻，增加與硅基底的附著力1。而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中， 為了降低成本，常采用導(dǎo)電性?xún)?yōu)異的銀漿料，用絲網(wǎng)印刷工藝制作正面電極，再通過(guò)快速燒結(jié)工藝（RTP），使電極與硅基底形成良好的歐姆接觸2。 目前工業(yè)普遍使用的銀漿料由銀粉、玻璃粉和有機(jī)載體（主要為樹(shù)脂和有機(jī)溶劑等）組成，其中樹(shù)脂和溶劑經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后揮發(fā)，因此，電池柵線(xiàn)的主要組成部分是銀粉和玻璃粉。常用銀漿料的導(dǎo)電率為3.0×10-6·cm5.0×10-6·cm，與純銀導(dǎo)電率（1.59×10-6·cm）有很大差距。由于銀具有良好的導(dǎo)電性而玻璃

3、粉不導(dǎo)電，大多數(shù)的研究側(cè)重于銀粉的形貌和粒徑等性質(zhì)對(duì)漿料導(dǎo)電性能的影響3,4。對(duì)于玻璃粉的研究主要集中于玻璃粉在導(dǎo)電漿料中所起的作用5-7，玻璃粉在晶體硅太陽(yáng)電池中的主要作用可歸納為兩個(gè)方面：第一，玻璃粉可以腐蝕晶硅，通過(guò)腐蝕SiNx，形成導(dǎo)電通道，隨著PbO（玻璃粉主要成分）含量的增加，腐蝕深度增加；第二，在漿料-發(fā)射極界面間作為傳輸媒介，由于玻璃粉厚度很薄，電子可以通過(guò)隧道效應(yīng)在漿料與電池發(fā)射極間移動(dòng)，且PbO的存在有助于在銀顆粒漿料與電池發(fā)射極界面間形成結(jié)晶。 上述研究主要集中于玻璃粉對(duì)導(dǎo)電性的微觀作用機(jī)理的研究，而關(guān)于玻璃粉對(duì)電池串聯(lián)電阻的影響，據(jù)我們所知，還未有文獻(xiàn)報(bào)道，實(shí)際上柵極體

4、電阻和接觸電阻也是影響太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻的重要因素。串聯(lián)電阻是造成太陽(yáng)能電池功率損耗的重要部分之一。太陽(yáng)能電池功率損耗主要有電損耗和光損耗，電損耗主要包括串聯(lián)電阻損耗和復(fù)合損耗。串聯(lián)電阻中與柵線(xiàn)有關(guān)的電阻有柵線(xiàn)體電阻和柵線(xiàn)與硅表面的接觸電阻。圖1所示是晶體硅太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻模型，根據(jù)Caballero等人提出的串聯(lián)電阻模型，串聯(lián)電阻表達(dá)式為8： Rs=RBase+RBus+RF+RFC+RSheet+RBC 式中：Rs為總串聯(lián)電阻；RBus為基底電阻；RBus為主柵線(xiàn)電阻；RF為細(xì)柵線(xiàn)體電阻；RFC為前接觸電阻； RSheet為硅片表面薄層電阻；RBC為背面接觸電阻。通過(guò)上述模型，使用工業(yè)中

5、通常用的參數(shù)9進(jìn)行計(jì)算，可以得到在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，125×125單晶硅電池串聯(lián)電阻各部分所占比例，如圖2所示。 由上述計(jì)算結(jié)果可知，晶體硅太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻中，與正面柵線(xiàn)相關(guān)的細(xì)柵線(xiàn)體電阻和接觸電阻之和共占總串聯(lián)電阻的二分之一強(qiáng)，是造成電池功率損耗的主要原因之一。細(xì)柵線(xiàn)體電阻可用如下公式計(jì)算9：式中：s為細(xì)柵線(xiàn)間距；HF為細(xì)柵線(xiàn)寬度；WF 為細(xì)柵線(xiàn)厚度；WBus為主柵線(xiàn)厚度；L細(xì)柵線(xiàn)長(zhǎng)度； metal為銀電極電阻率。對(duì)于給定工藝的電池，s、HF、WF、WBus和L均為確定值，故k為常數(shù)。因此，對(duì)于絲網(wǎng)印刷銀電極工藝，燒結(jié)后漿料的體電阻率對(duì)細(xì)柵線(xiàn)電阻有著決定性的影響。焊接拉力也是太陽(yáng)能

6、電池可靠性測(cè)試的重要參數(shù)之一，電池電極的焊接性能通過(guò)影響串聯(lián)電阻進(jìn)而影響組件轉(zhuǎn)換效率，好的焊接性具有低的串聯(lián)電阻，封裝為組件后相應(yīng)功率損耗較小，組件輸出功率高。此外，組件在長(zhǎng)期的室外工作期間，串聯(lián)電阻會(huì)逐漸增加，據(jù)D.L.King等人的報(bào)告10，由此造成組件輸出功率每年減少0.5%，電極的焊接性變差是造成上述衰減的重要因素。1 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中使用PbO-SiO2系玻璃粉，將玻璃粉加入相同的銀粉和有機(jī)載體中，所加入的玻璃粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：0%、1%、2%、4%和5%，通過(guò)三輥研磨機(jī)將上述漿料充分混合均勻。使用工業(yè)用鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐在正常電池?zé)Y(jié)條件下進(jìn)行燒結(jié)，峰值燒結(jié)溫度為800。測(cè)試分為柵線(xiàn)體電阻率測(cè)

7、試、接觸電阻測(cè)試和拉力測(cè)試三部分。1.1柵線(xiàn)體電阻測(cè)試 體電阻率測(cè)試采用如圖3所示的測(cè)試圖形，使用和工業(yè)生產(chǎn)一致的325目（粒徑0.045mm）不銹鋼絲網(wǎng)制作測(cè)試圖形。為避免硅片導(dǎo)電性及硅與漿料反應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，使用氧化鋁陶瓷基底代替硅片，絲網(wǎng)印刷圖形后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)。使用精密電阻儀測(cè)試圖形兩端串聯(lián)電阻，使用臺(tái)階儀測(cè)試印刷圖形高度，進(jìn)而計(jì)算柵線(xiàn)體電阻率。1.2接觸電阻測(cè)試 接觸電阻測(cè)試采用傳輸線(xiàn)模型法，該方法是測(cè)試金屬半導(dǎo)體接觸電阻率的經(jīng)典方法之一 可用于 測(cè)試晶體硅太陽(yáng)能電池銀電極和硅基底間接觸電阻 的大小。 本實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試圖形如圖4所示，在電池表面印刷間距不同的柵線(xiàn)，燒結(jié)后用激光切割

8、隔離測(cè)試圖形，避免由于擴(kuò)展電阻造成影響。測(cè)試不同柵線(xiàn)間電阻R，則： R=RSheet+2RC 式中：RSheet為所測(cè)試柵線(xiàn)間擴(kuò)散薄層電阻；RC 為柵線(xiàn)與硅之間接觸電阻。通過(guò)測(cè)試不同間距電阻值R，擬合得到的直線(xiàn)與 X軸交點(diǎn)處的數(shù)值為2RC，則RC即為柵線(xiàn)與硅之間的接觸電阻。1.3焊接拉力測(cè)試 拉力測(cè)試使用工業(yè)中普遍使用的63-37（Sn-Pb）焊帶，采用手動(dòng)焊接；用180°拉力評(píng)價(jià)焊帶與漿料及硅片間的附著力，測(cè)試時(shí)以5mm/s速度對(duì)焊帶進(jìn)行剝離，每10mm記錄一次數(shù)值，完成測(cè)試后取全部數(shù)據(jù)平均值。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 2.1柵線(xiàn)體電阻實(shí)驗(yàn)測(cè)得柵線(xiàn)體電阻率metal與玻璃粉含量關(guān)系如圖

9、5所示，漿料體電阻率隨著玻璃粉含量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為03%范圍內(nèi)，漿料電阻率隨著玻璃粉含量增加減小，如圖6所示，可能的機(jī)理如下：（a）漿料在未經(jīng)燒結(jié)時(shí)， 漿料中銀粉和玻璃粉分散在有機(jī)溶劑中；（b）大于200，有機(jī)溶劑開(kāi)始揮發(fā)，溫度繼續(xù)升高，400左右玻璃粉即開(kāi)始軟化，玻璃粉與銀粉浸潤(rùn)，填 補(bǔ)了部分銀粉顆粒間由于溶劑和樹(shù)脂揮發(fā)留下的空隙；（c）退火完成后，漿料開(kāi)始冷卻，玻璃粉由于冷卻收縮，與玻璃粉浸潤(rùn)的銀粉顆粒間的距離同時(shí)被縮小。在圖6（c）中，通過(guò)兩種可能的導(dǎo)電通道降低了體電阻：（A）與玻璃粉浸潤(rùn)的銀粉顆粒發(fā)生直接接觸；（B）銀粉顆粒中雖然存在玻璃粉熔體的阻擋層，但是

10、玻璃體很薄，電子可通過(guò)隧道效應(yīng)形成導(dǎo)電通道。隨著玻璃粉含量進(jìn)一步增大，由于玻璃粉為絕緣體，在漿料中占比例過(guò)大后，部分銀粉顆粒分散玻璃體中，玻璃體阻擋層過(guò)厚，通過(guò)隧道效應(yīng)導(dǎo)通的幾率降低，因此燒結(jié)后漿料的體電阻率開(kāi)始上升。 由測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中的漿料和通常工業(yè)中應(yīng)用的漿料，其電阻率是純銀電阻率1.59×10-6·cm 的2倍3倍，由SEM圖7可以明顯看出，燒結(jié)后銀顆 粒間有很多空隙，這是造成絲網(wǎng)印刷銀電極電阻率大的主要原因，其他方法制作的銀電極結(jié)構(gòu)更為致密，因此有更接近于純銀的電阻率，如使用蒸鍍和光誘導(dǎo)化學(xué)鍍等可獲得致密的銀結(jié)構(gòu)，獲得低于2.0×10-6·cm

11、的電阻率。由前面細(xì)柵線(xiàn)電阻公式討論，柵線(xiàn)電阻取決于電極材料體電阻率和柵線(xiàn)截面積，因此在電池制造工藝中，除考慮降低柵線(xiàn)材料體電阻率來(lái)降低總電阻外，通過(guò)改進(jìn)印刷技術(shù)和漿料 ，提高柵線(xiàn)高寬比來(lái)增加?xùn)啪€(xiàn)截面積也是降低柵線(xiàn)電阻的方向。2.2接觸電阻 接觸電阻測(cè)試結(jié)果如圖8所示，測(cè)試結(jié)果為150m寬，5mm長(zhǎng)的柵線(xiàn)與表面有SiNx層晶體硅電池的接觸電阻。隨著PbO玻璃粉含量的增加，接觸電阻下降，這與參考文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明在05%范圍內(nèi)，PbO玻璃粉比例的增加對(duì)于Ag在漿料與電池發(fā)射極界面處生成再結(jié)晶顆粒和形成隧道導(dǎo)電通道有益。因此對(duì)于太陽(yáng)能電池，PbO玻璃粉的含量是影響接觸電阻的重要因素。8 玻璃粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與接觸電阻關(guān)系2.3拉力測(cè)試 拉力測(cè)試結(jié)果 實(shí)驗(yàn)表明，不含玻璃粉的漿料電極與硅基底無(wú)附著力，隨著玻璃粉含量的增加，拉力逐漸增大，因此合適比例的玻璃粉是保證漿料拉力的必要條件，目前工業(yè)對(duì)拉力測(cè)試的要求為3N左右，故使用PbO-SiO2系玻璃粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于4%。 3 結(jié)