太阳能电池背场铝浆组合物及其制备方法 技术领域 本发明涉及厚膜电子浆料组合物技术领域， 尤其涉及一种太阳能电池背场铝浆组 合物及其制备方法。
背景技术 理论上单晶硅太阳电池的最高光电转换效率为 30％， 多晶硅太阳电池的最高效率 为 24％。目前， 单晶硅太阳电池的最高转换效率在实验室里已有了很大提高， 为 24.7％， 接 近最高效率值。 而多晶硅太阳电池由于存在很多的晶界， 这些晶界所形成的复合中心， 导致 了多晶硅的光伏转换效率还远远低于单晶硅， 光电转换效率为 19.8％。工业化生产时效率 低于实验室效率， 目前太阳能工业化生产的单晶硅效率在 17％以上、 多晶硅效率则在 16％ 以上。
从目前国内外硅太阳电池生产情况来看， 多数采用 p 型硅材料， 制成 n-p-p+ 型电 池。在 p 型硅材料上扩散 n 型硅形成太阳电池基片， 硅片表面镀有减反射膜减少对太阳光 的反射。p 型硅的厚度约为 200μm， 通过扩散形成 p-n 结。然后通过丝网印刷工艺将银浆、 银铝电极浆料、 铝电极浆料印刷在硅片表面， 烧结后形成牢固的接触电极。
硅太阳电池的生产制造工艺中， 由于铝价格便宜， 纯度易于控制， 并易与硅合金化 而形成很好的欧姆接触， 因此常常被用来制成硅太阳电池的背电极。此外， 在常规的 p 型硅 + 中掺杂铝元素可以在电池背面形成 p-p 结， 形成背电场结构 (Back Surface Field)， 俗称 铝背场。优质的铝电极浆料对于硅太阳电池的输出特性有着以下几点重要影响 ： (1) 提高 开路电压 ； (2) 减小串联电阻 ； (3) 提高长波响应， 有效降低背表面复合速率。
太阳电池用浆料组合物国内研究起步较晚， 在 “八五” 期间云南半导体厂、 昆贵所 等单位研究和开发出 “高效、 低成本晶体硅太阳电池及其专用导电浆料” ， 银浆、 铝电极浆料 和银铝浆的性能已达到美国 Ferro 公司对应产品水平。目前国内太阳电池用铝电极浆料的 主要生产厂家有广州市儒兴科技开发有限公司、 云南昆明贵金属研究所、 北京中联阳光、 北 京桑能科技、 武汉优乐光电等。广州儒兴开发了 RX8 系列晶体硅太阳电池背电场铝电极浆 料， 填补了我国导电浆料的空白， 创造了良好的经济效益。
铝浆作为一种浆料组合物产品， 其主要由导电相 ( 铝粉 )、 玻璃粘结相、 添加剂、 有 机载体组成。现有技术中铝浆组合物通常存在一些问题。
首先是因降低硅片厚度而带来的翘曲问题。 典型应用于太阳能电池的硅片厚度是 180μm， 由于硅材料占电池成本的 60％以上， 因此业内一直致力于降低硅片厚度从而降低 成本。 然而当硅片厚度进一步降低时， 由于铝浆烧结应力而导致电池片翘曲增加， 使得产品 -6 碎片率增加， 导致企业成本上升。 这里， 导致烧结应力产生的原因是铝 (24.9×10 /K) 和硅 -6 (4.1×10 /K) 的膨胀系数不匹配造成的。目前已知的降低翘曲的方法都归结为简单对消 法， 即在浆料中添加膨胀系数的高温稳定氧化物如 ZrO2、 TiO2、 SiO2 等， 但由于这类物质为绝 缘体， 在一定程度上会导致电池接触电阻上升， 从而降低电池的转化效率， 同时由于添加量 很少， 一般超过 1％， 在工艺上很难把它们均匀的分散到铝浆组合物中。
另外， 现有技术的铝浆中玻璃粘结相多采用高铅玻璃， 铅含量高达 70％以上， 对环 境和人体造成极大危害 ； 同时其有机载体则采用邻苯酯类作为溶剂和增塑剂， 不仅会造成 环境污染恶化， 而且会危害到直接或间接接触人群的身体健康。 发明内容 本发明的目的是提供一种太阳能电池背场铝浆组合物及其制备方法， 以解决现有 技术中铝浆组合物存在的上述问题。
为了达到上述目的， 本发明的技术方案提出一种太阳能电池背场铝浆组合物， 其 成分包括铝粉、 玻璃粘结相及有机载体， 所述各成分的质量配比为 ：
铝粉， 70-76％ ； 玻璃粘结相， 1-3％ ； 有机载体， 20-30％ ；
其中， 所述铝粉由粒径 3-5μm 的细铝粉和粒径 6-8μm 的粗铝粉按预设的质量配 比混合而成， 且所述细铝粉与所述粗铝粉的粒径比大于 0.414。
上述的太阳能电池背场铝浆组合物中， 所述细铝粉与所述粗铝粉的质量配比为 4 ∶ 6。
上述的太阳能电池背场铝浆组合物中， 所述细铝粉与所述粗铝粉均为纯度大于 99％、 含氧量小于 600ppm 的球形铝粉。
上述的太阳能电池背场铝浆组合物中， 所述玻璃粘结相包括的成分以及各成分的 质量配比为 ：
Bi2O3， 65-75％ ； SiO2， 5-10％ ； B2O3， 6-8％ ； Al2O3， 0-2％ ； ZnO， 8-10％ ； CaO 0-2％。
上述的太阳能电池背场铝浆组合物中， 所述有机载体包括的成分以及各成分的质 量配比为 ：
乙基纤维素， 3-5％ ； 松油醇， 30-45％ ； 二乙二醇丁醚， 20-40％ ； 二乙二醇 - 丁醚乙 酸酯， 10-20％ ； 卵磷脂， 0.2-1％。
本发明的技术方案还提出一种太阳能电池背场铝浆组合物的制备方法， 包括以下 步骤 ：
按以下质量配比准备各成分 ： 铝粉， 70-76 ％ ； 玻璃粘结相， 1-3 ％ ； 有机载体， 20-30％ ； 其中， 所述铅粉由粒径 3-5μm 的细铝粉和粒径 6-8μm 的粗铝粉按预设的质量配 比混合而成， 且所述细铝粉与所述粗铝粉的粒径比大于 0.414 ；
将准备好的所述各成分充分搅拌混合均匀， 然后经过研磨得到铝浆组合物。
上述太阳能电池背场铝浆组合物的制备方法中， 所述细铝粉与所述粗铝粉的质量 配比为 4 ∶ 6。
上述太阳能电池背场铝浆组合物的制备方法中， 所述玻璃粘结相包括的成分以及 各成分的质量配比为 ：
Bi2O3， 65-75％ ； SiO2， 5-10％ ； B2O3， 6-8％ ； Al2O3， 0-2％ ； ZnO， 8-10％ ； CaO 0-2％。
上述太阳能电池背场铝浆组合物的制备方法中， 所述有机载体包括的成分以及各 成分的质量配比为 ：
乙基纤维素， 3-5％ ； 松油醇， 30-45％ ； 二乙二醇丁醚， 20-40％ ； 二乙二醇 - 丁醚乙 酸酯， 10-20％ ； 卵磷脂， 0.2-1％。
上述太阳能电池背场铝浆组合物的制备方法中， 所述经过研磨得到铝浆组合物具
体包括 ： 在三辊研磨机上研磨分散为细度小于 15μm、 粘度在 28000-36000Pa·S 的铝浆组 合物。
本发明技术方案提供的太阳能电池背场铝浆组合物及其制备方法， 通过合理设计 粗细铝粉的粒径配比， 使得烧结过程产生的应力最小， 从而实现降低翘曲的目的。
进一步， 本发明技术方案提供的太阳能电池背场铝浆组合物及其制备方法通过采 用非铅体系的 Bi-Si-B 体系玻璃粘结相， 同时采用二乙二醇 - 丁醚乙酸酯取代传统的邻苯 类作为有机载体中的溶剂和增塑剂， 从而消除了铝浆组合物中玻璃粘结相的铅污染和有机 载体的环境危害。 附图说明 图 1 为发明制备太阳能电池背场铝浆组合物的方法实施例流程图 ；
图 2 为利用本发明背场铝浆组合物制得的太阳能电池与普通太阳能电池的性能 数据对比示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的太阳能电池背场铝浆组合物成分包括铝粉、 玻璃粘结相及有机载 体， 各成分的质量配比为 ： 铝粉， 70-76％ ； 玻璃粘结相， 1-3％ ； 有机载体， 20-30％。其中， 上 述铝粉由粒径 3-5μm 的细铝粉和粒径 6-8μm 的粗铝粉按预设的质量配比混合而成， 且细 铝粉与粗铝粉的粒径比大于 0.414。并且， 上述细铝粉和粗铝粉的优选质量配比为 4 ∶ 6。 另外， 细铝粉和粗铝粉还优选均为纯度大于 99％、 含氧量小于 600ppm 的球形铝粉。
采用上述铝粉所制备的铝浆组合物具有很小的翘曲， 同时由于不添加任何低膨胀 氧化物从而使电池保持了高性能， 其原理如下所述。虽然翘曲的产生是由于铝和硅的膨胀 系数不匹配， 从而产生了烧结应力而导致了翘曲， 但若能合理设计铝粉粒径的配比， 使得烧 结过程产生的应力最小， 就可以实现降低翘曲的目的。从现有技术可知业内为了追求一种 高性能， 往往在设计配方的时候对主体材料铝粉的配比采用球体密堆积的原理设计， 即大 小球体的粒径比值为 0.414 时， 小球刚好填充大球堆积所产生的空隙， 因此球体堆积最紧 密， 应用该原理配置来粗细铝粉进行烧结所得的铝浆膜最致密， 从而性能也高。 但正由于太 过致密从而产生的应力也大， 造成硅片翘曲大、 碎片率高， 进而增加了成本。而本发明实施 例所采用的铝粉粒径配比， 在兼顾密堆积原理的同时， 使细铝粉与粗铝粉的粒径配比稍大 于密堆积的比值 0.414， 这样就会由于小球较大而撑开一部分大球形成的空隙， 而不是正好 填充， 从而会在铝浆中产生一定的空间， 使得铝浆在烧结过程有空间收缩释放应力， 进而实 现降低翘曲的目的。
进一步， 上述实施例太阳能电池背场铝浆组合物中的玻璃粘结相包括的成分以及 各成分的质量配比为 ： Bi2O3， 65-75％ ； SiO2， 5-10％ ； B2O3， 6-8％ ； Al2O3， 0-2％ ； ZnO， 8-10％ ； CaO 0-2％。上述玻璃粘结相在本实施例铝浆组合物中的含量如上所述为 1-3％， 但优选为 1-2.5％。 并且该玻璃粘结相的制备方法如下 ： 按现有技术将上述氧化物按预设配比准确称 量装入陶瓷坩埚， 放入高温烧结炉中， 在 1200-1300℃下熔炼 1-2 小时 ； 然后将熔炼澄清的 玻璃液倒入去离子水中淬火 ； 再将淬火所得的玻璃碎块装入含有玛瑙球的陶瓷球磨罐中球磨 72 小时， 测得粒径 D50 ＜ 3μm， 取出烘干备用， 即为成品的玻璃粘结相。本实施例的太阳 能电池背场铝浆组合物中通过采用非铅体系的 Bi-Si-B 体系玻璃粘结相， 从而消除了传统 玻璃粘结相中的铅污染。
上述实施例太阳能电池背场铝浆组合物中的有机载体包括的成分以及各成分的 质量配比为 ： 乙基纤维素， 3-5％ ； 松油醇， 30-45％ ； 二乙二醇丁醚， 20-40％ ； 二乙二醇 - 丁 醚乙酸酯， 10-20％； 卵磷脂， 0.2-1％。 其制备方法为 ： 将上述成分按预设配比准确称量投入 反应釜内， 在搅拌速度 80-120 转 / 分的状态下升温至 60-80℃并恒温 3-5 小时 ； 反应釜内的 上述成分得到均匀混合及充分反应， 反应物冷却之后用丝网过滤， 即得到成品有机载体。 本 实施例的太阳能电池背场铝浆组合物中， 采用松油醇、 二乙二醇丁醚、 二乙二醇 - 丁醚乙酸 酯的复合溶剂体系， 同时加入卵磷脂、 乙基纤维素而合成有机载体， 由于采用二乙二醇 - 丁 醚乙酸酯取代传统的邻苯类溶剂和增塑剂， 从而消除了有机载体的环境危害。 并且， 使用上 述有机载体配制的铝浆具有好的分散性或悬浮性， 久置后铝浆料不分层、 不沉降， 印刷时具 有均匀涂布性， 干燥后使铝浆中的固体粉末具有好的粘结强度， 对硅片产生的应力小。
本发明实施例太阳能电池背场铝浆组合物的制备方法如图 1 所示， 包括以下步 骤： S101、 按质量配比准确称量准备各成分 ；
其中各成分及质量配比如下 ： 铝粉， 70-76 ％ ； 玻璃粘结相， 1-3 ％ ； 有机载体， 20-30％。
上述铝粉由粒径 3-5μm 的细铝粉和粒径 6-8μm 的粗铝粉按预设的质量配比混合 而成， 且细铝粉与粗铝粉的粒径比大于 0.414。并且， 上述细铝粉和粗铝粉的优选质量配比 为 4 ∶ 6。另外， 细铝粉和粗铝粉还优选均为纯度大于 99％、 含氧量小于 600ppm 的球形铝 粉。
另外， 上述玻璃粘结相和有机载体的质量组分分别如下。玻璃粘结相 ： Bi2O3， 65-75％ ； SiO2， 5-10％ ； B2O3， 6-8％ ； Al2O3， 0-2％ ； ZnO， 8-10％ ； CaO 0-2％。有机载体 ： 乙基 纤维素， 3-5％； 有机溶剂松油醇， 30-45％； 二乙二醇丁醚， 20-40％； 二乙二醇 - 丁醚乙酸酯， 10-20％ ； 卵磷脂湿润分散剂， 0.2-1％。
S102、 将称量好的各成分充分搅拌混合均匀 ；
S103、 将混合物料在三辊研磨机上研磨分散为背场铝浆组合物 ；
成品的背场铝浆组合物细度小于 15μm， 粘度则在 28000-36000Pa·S 之间。
本 发 明 实 施 例 的 铝 浆 组 合 物 无 铅 环 保， 符 合 欧 盟 RoHS(Restriction of Hazardous Substances， 《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》 )、 美 国 REACH(REGULATION concerning the Registration， Evaluation， Authorization and Restriction of Chemicals， 《化学品注册、 评估、 许可和限制》 ) 的环保要求， 烧结时玻璃粉 的软化点较低， 粘结性好， 使铝粉层牢固黏附在硅片上 ； 烧结后膨胀系数较小， 电池片弯曲 小， 碎片率降低。
将本实施例制备的铝浆组合物， 经 320 目不锈钢丝网印刷至太阳能电池背表面， 印刷量 0.9 克， 同正面银电极一起在带速 4650mm， 高温 920 度烧结， 所得到的太阳能电池与 测试用的标准太阳能电池板性能参数比较结果如图 2 所示。由图示可以看出， 由本实施例 的铝浆组合物所制得的太阳能电池在各项指标上都显示出优于测试标准片的特性。
综上所述， 本发明实施例提供的太阳能电池背场铝浆组合物及其制备方法， 通过 合理设计粗细铝粉的粒径配比， 使得烧结过程产生的应力最小， 从而实现降低翘曲的目的。 进一步， 其通过采用非铅体系的 Bi-Si-B 体系玻璃粘结相， 同时采用二乙二醇 - 丁醚乙酸酯 取代传统的邻苯类作为有机载体中的溶剂和增塑剂， 从而消除了铝浆组合物中玻璃粘结相 的铅污染和有机载体的环境危害。
以上为本发明的最佳实施方式， 依据本发明公开的内容， 本领域的普通技术人员 能够显而易见地想到一些雷同、 替代方案， 均应落入本发明保护的范围。