银浆中的玻璃粉对晶硅太阳电池串联电阻的影响

1、银浆中的玻璃粉对晶硅太阳电池串联电阻的影响银浆中的玻璃粉对晶硅太阳电池串联电阻的影响 摘 要：研究了丝网印刷银电极中玻璃粉对晶体硅太阳能电池的串联电阻的影响。通过制备不同含量的玻璃粉银浆料，以及对浆料的体电阻率、接触电阻和焊接拉力等性能的表征测试，发现银粉颗粒间隙是造成银电极体电阻增大的主要因素，在一定范围内，用PbO-SiO2系玻璃粉有助于降低银电极体电阻和接触电阻，增加焊接拉力。正面电极作为太阳能电池的重要组成部分，主要起收集电流的作用，同时对电池的受光面积和串联电阻有决定性的影响，因此，是影响太阳能电池转换效率的重要因素之一。在实验室高效晶体硅太阳能电池制造工艺中，使用成本昂贵的蒸镀工艺

2、制作电极，如采用Ti/Pa/Ag结构来降低接触电阻，增加与硅基底的附着力1。而在实际的工业生产中， 为了降低成本，常采用导电性优异的银浆料，用丝网印刷工艺制作正面电极，再通过快速烧结工艺（RTP），使电极与硅基底形成良好的欧姆接触2。 目前工业普遍使用的银浆料由银粉、玻璃粉和有机载体（主要为树脂和有机溶剂等）组成，其中树脂和溶剂经过高温烧结后挥发，因此，电池栅线的主要组成部分是银粉和玻璃粉。常用银浆料的导电率为3.0×10-6·cm5.0×10-6·cm，与纯银导电率（1.59×10-6·cm）有很大差距。由于银具有良好的导电性而玻璃

3、粉不导电，大多数的研究侧重于银粉的形貌和粒径等性质对浆料导电性能的影响3,4。对于玻璃粉的研究主要集中于玻璃粉在导电浆料中所起的作用5-7，玻璃粉在晶体硅太阳电池中的主要作用可归纳为两个方面：第一，玻璃粉可以腐蚀晶硅，通过腐蚀SiNx，形成导电通道，随着PbO（玻璃粉主要成分）含量的增加，腐蚀深度增加；第二，在浆料-发射极界面间作为传输媒介，由于玻璃粉厚度很薄，电子可以通过隧道效应在浆料与电池发射极间移动，且PbO的存在有助于在银颗粒浆料与电池发射极界面间形成结晶。 上述研究主要集中于玻璃粉对导电性的微观作用机理的研究，而关于玻璃粉对电池串联电阻的影响，据我们所知，还未有文献报道，实际上栅极体

4、电阻和接触电阻也是影响太阳能电池串联电阻的重要因素。串联电阻是造成太阳能电池功率损耗的重要部分之一。太阳能电池功率损耗主要有电损耗和光损耗，电损耗主要包括串联电阻损耗和复合损耗。串联电阻中与栅线有关的电阻有栅线体电阻和栅线与硅表面的接触电阻。图1所示是晶体硅太阳能电池串联电阻模型，根据Caballero等人提出的串联电阻模型，串联电阻表达式为8： Rs=RBase+RBus+RF+RFC+RSheet+RBC 式中：Rs为总串联电阻；RBus为基底电阻；RBus为主栅线电阻；RF为细栅线体电阻；RFC为前接触电阻； RSheet为硅片表面薄层电阻；RBC为背面接触电阻。通过上述模型，使用工业中

5、通常用的参数9进行计算，可以得到在标准测试条件下，125×125单晶硅电池串联电阻各部分所占比例，如图2所示。 由上述计算结果可知，晶体硅太阳能电池串联电阻中，与正面栅线相关的细栅线体电阻和接触电阻之和共占总串联电阻的二分之一强，是造成电池功率损耗的主要原因之一。细栅线体电阻可用如下公式计算9：式中：s为细栅线间距；HF为细栅线宽度；WF 为细栅线厚度；WBus为主栅线厚度；L细栅线长度； metal为银电极电阻率。对于给定工艺的电池，s、HF、WF、WBus和L均为确定值，故k为常数。因此，对于丝网印刷银电极工艺，烧结后浆料的体电阻率对细栅线电阻有着决定性的影响。焊接拉力也是太阳能

6、电池可靠性测试的重要参数之一，电池电极的焊接性能通过影响串联电阻进而影响组件转换效率，好的焊接性具有低的串联电阻，封装为组件后相应功率损耗较小，组件输出功率高。此外，组件在长期的室外工作期间，串联电阻会逐渐增加，据D.L.King等人的报告10，由此造成组件输出功率每年减少0.5%，电极的焊接性变差是造成上述衰减的重要因素。1 实验 实验中使用PbO-SiO2系玻璃粉，将玻璃粉加入相同的银粉和有机载体中，所加入的玻璃粉质量分数分别为：0%、1%、2%、4%和5%，通过三辊研磨机将上述浆料充分混合均匀。使用工业用链式烧结炉在正常电池烧结条件下进行烧结，峰值烧结温度为800。测试分为栅线体电阻率测

7、试、接触电阻测试和拉力测试三部分。1.1栅线体电阻测试 体电阻率测试采用如图3所示的测试图形，使用和工业生产一致的325目（粒径0.045mm）不锈钢丝网制作测试图形。为避免硅片导电性及硅与浆料反应对测试结果的影响，使用氧化铝陶瓷基底代替硅片，丝网印刷图形后经过高温烧结。使用精密电阻仪测试图形两端串联电阻，使用台阶仪测试印刷图形高度，进而计算栅线体电阻率。1.2接触电阻测试 接触电阻测试采用传输线模型法，该方法是测试金属半导体接触电阻率的经典方法之一 可用于 测试晶体硅太阳能电池银电极和硅基底间接触电阻 的大小。 本实验中使用的测试图形如图4所示，在电池表面印刷间距不同的栅线，烧结后用激光切割

8、隔离测试图形，避免由于扩展电阻造成影响。测试不同栅线间电阻R，则： R=RSheet+2RC 式中：RSheet为所测试栅线间扩散薄层电阻；RC 为栅线与硅之间接触电阻。通过测试不同间距电阻值R，拟合得到的直线与 X轴交点处的数值为2RC，则RC即为栅线与硅之间的接触电阻。1.3焊接拉力测试 拉力测试使用工业中普遍使用的63-37（Sn-Pb）焊带，采用手动焊接；用180°拉力评价焊带与浆料及硅片间的附着力，测试时以5mm/s速度对焊带进行剥离，每10mm记录一次数值，完成测试后取全部数据平均值。 2 实验结果及分析 2.1栅线体电阻实验测得栅线体电阻率metal与玻璃粉含量关系如图

9、5所示，浆料体电阻率随着玻璃粉含量的增加呈现出先减小后增大的趋势。在质量分数为03%范围内，浆料电阻率随着玻璃粉含量增加减小，如图6所示，可能的机理如下：（a）浆料在未经烧结时， 浆料中银粉和玻璃粉分散在有机溶剂中；（b）大于200，有机溶剂开始挥发，温度继续升高，400左右玻璃粉即开始软化，玻璃粉与银粉浸润，填 补了部分银粉颗粒间由于溶剂和树脂挥发留下的空隙；（c）退火完成后，浆料开始冷却，玻璃粉由于冷却收缩，与玻璃粉浸润的银粉颗粒间的距离同时被缩小。在图6（c）中，通过两种可能的导电通道降低了体电阻：（A）与玻璃粉浸润的银粉颗粒发生直接接触；（B）银粉颗粒中虽然存在玻璃粉熔体的阻挡层，但是

10、玻璃体很薄，电子可通过隧道效应形成导电通道。随着玻璃粉含量进一步增大，由于玻璃粉为绝缘体，在浆料中占比例过大后，部分银粉颗粒分散玻璃体中，玻璃体阻挡层过厚，通过隧道效应导通的几率降低，因此烧结后浆料的体电阻率开始上升。 由测试结果，实验中的浆料和通常工业中应用的浆料，其电阻率是纯银电阻率1.59×10-6·cm 的2倍3倍，由SEM图7可以明显看出，烧结后银颗 粒间有很多空隙，这是造成丝网印刷银电极电阻率大的主要原因，其他方法制作的银电极结构更为致密，因此有更接近于纯银的电阻率，如使用蒸镀和光诱导化学镀等可获得致密的银结构，获得低于2.0×10-6·cm

11、的电阻率。由前面细栅线电阻公式讨论，栅线电阻取决于电极材料体电阻率和栅线截面积，因此在电池制造工艺中，除考虑降低栅线材料体电阻率来降低总电阻外，通过改进印刷技术和浆料 ，提高栅线高宽比来增加栅线截面积也是降低栅线电阻的方向。2.2接触电阻 接触电阻测试结果如图8所示，测试结果为150m宽，5mm长的栅线与表面有SiNx层晶体硅电池的接触电阻。随着PbO玻璃粉含量的增加，接触电阻下降，这与参考文献中实验结果一致，说明在05%范围内，PbO玻璃粉比例的增加对于Ag在浆料与电池发射极界面处生成再结晶颗粒和形成隧道导电通道有益。因此对于太阳能电池，PbO玻璃粉的含量是影响接触电阻的重要因素。8 玻璃粉质量分数与接触电阻关系2.3拉力测试 拉力测试结果 实验表明，不含玻璃粉的浆料电极与硅基底无附着力，随着玻璃粉含量的增加，拉力逐渐增大，因此合适比例的玻璃粉是保证浆料拉力的必要条件，目前工业对拉力测试的要求为3N左右，故使用PbO-SiO2系玻璃粉的质量分数不低于4%。 3 结