铝浆有机粘合剂文献综述

1、1太阳能电池及铝浆的发展背景太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与矿物燃料相比，太阳能具有清洁和 可在生等独特优点。将太阳能直接转换为热能和电能，解决能源危机，造福于全人类，一直 是广大科学家的奋斗目标1。在过去的几十年，高效硅太阳能电池已经吸引了越来越多在 伏(PV)行业的研究者、科学家、工程师的关注。许多高质量的研究人员和工程师在学术界和 产业界寻求方法来提高电池效率和降低成本2。当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术是 主要技术。硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产硅太阳电池的原材料非常容易获得。而 且硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技术之上，

2、所以，这个技术被普遍地接受和理解3。硅太阳能电池用铝浆是太阳能电子浆料中的主要组成部分，用于硅太阳能电池背表面场的形 成，同时作为太阳能电池的背电极使用4。太阳能铝浆通过丝网印刷、高温快烧最终和晶 体硅电池片形成铝背场。丝网印刷和单、多晶硅太阳能电池已被广泛应用于太阳能光伏产业。 铝浆和铅玻璃料形成的铝电极具有致密结构并且完美附着于硅板5。2铝浆的组成及作用2.1铝浆的组成导电浆料主要包括三功能材料，一是金属粉末，这提供导电相。二是粘结相，作用是使 膜层与基体牢固结合起来。通常用玻璃、氧化物晶体或二者的混合物作为粘结相。粘结相的 选择对成膜的机械性能和介电性能有一定的影响6。三是有机相，分散的

3、金属和粘合剂成 分赋予所需的流变性能7。其中有机粘合剂作为一种载体，主要有以下几方面的作用。一 是使浆料体系中的固体粉末状易团聚的物质具有均匀的分散性，保持一种悬浮状态。二是使 电极浆料具有较好的流动性，在印刷过程中成膜，并使成膜均匀，膜厚一致。三是干燥后使 固体粉末附着于硅基体表面不脱落，顺利进入烧结工序。四是在使用过程中，不产生干网， 漏网现象8。2.2铝粉的作用与普通电子封装用浆料不同，太阳能电池电极用浆料除了要求导电良好，还要与硅这种 半导体材料形成良好的欧姆接触，这样才能起到提高光电转换效率的作用。Ni，Al，Zn， Sb等贱金属可以与半导体形成欧姆接触，有报道称锌浆可以作为一种良好

4、的欧姆接触材料。 铝作为价格相对便宜的贱金属，非常适合作为背面金属化所用的金属材料。铝一硅合金共融 体促进了铝背场(BSF)的形成，同时金属铝与硅可以形成欧姆接触9。铝浆中的金属粉末铝 粉作为导电相在烧结后相互连接构成导电网络，并与硅层形成硅铝层合金，吸除多余杂质。 铝粉的各项性能对太阳能电池的输出特性及背电场外观有着关键的影响10。2.3玻璃粉的作用贱金属表面常常被氧化层覆盖，尤其以高温灼烧后氧化更为严重，使其几乎不导电。 因而限制了贱金属在电子浆料领域内的应用。玻璃料特殊的网络结构使其具有很宽的玻璃形 成区，具有高度助熔性，可以使铝金属的氧化物在玻璃料中具有较大的溶解度，玻璃料经高 温熔化

5、将铝粉表层氧化铝溶解，溶解的氧化铝与玻璃料重新形成玻璃体，同时高温下铝又被 氧化。烧结过程中两个反应同时进行，新形成的玻璃料可以包覆裸露出来的金属铝防止其进 一步氧化。当溶解速度大于氧化速度的时候铝裸露出来。在冷却过程中，玻璃体收缩使金属 铝粉之间互相接触联通形成导电网络。同时玻璃料熔融状态下侵润铝粉与基片，固化后提高 导电膜与基片的附着力11。2.4有机粘合剂的组成及作用有机相通常称有机载体或有机粘合剂，它包括树脂/又称增稠剂，有机溶剂，表面活性 剂和触变剂。在高温下，有机粘合剂将逐步挥发和燃烧,最后全部除尽12。浆料的流变性， 固体粒子的浸润性，金属粉料的悬浮性和流动性以及浆料整体的触变性

6、等都靠有机载体来调 节。通常我们指的有机载体包括了有机高分子聚合物、有机溶剂、有机添加剂等等。目前的 太阳能电池生产工艺普遍采用丝网印刷，而有机成分调节了丝网印刷工艺条件，决定了印刷 质量的优劣。有机成分还必须在烧结过程中完全碳化除去，否则会在导电体内留下大电阻杂 质，影响电池片的转换效率13。有机载体由有机溶剂、增稠剂、触变剂、表面活性剂以及流延性控制剂组成。最简单的 载体也应包括有机溶剂和增稠剂两种成分14。常用的高分子树脂有乙基纤维素、聚乙烯醇 缩醛、聚苯乙烯衍生物、醇酸树脂等；有机溶剂有松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸脂、 环已醇、松节油等；可选择的触变剂有氢化蓖麻油，本身具有触变特

7、性的乙基纤维素、醇酸 树脂等15。3有机粘合剂的性能3.1有机粘合剂的流平性浆料的流平性是指沉积于基片表面上的浆料，在短时间内消除丝网的痕迹，形成一个连 续的膜层的能力。流平性好，丝网印刷后致密无气孔，电性能则会比较稳定；反之，若浆料 的流平性不佳，膜层表面就会形成明显的丝网痕迹，烧结后有孔洞、裂缝等多种缺陷，从而 造成膜层的电性能不佳。流平性是浆料印刷性能的一个重要参数和关键判据16。表面活性剂是有机载体的重要组成部分，其降低载体与固体颗粒界面的表面张力，使有 机载体能充分润湿固体颗粒的表面，在导电浆料中起分散和稳定的作用。表面活性剂能润湿 固体颗粒，使粉末聚集体分散，使有机载体渗透到固体颗

8、粒内部聚集体之间的通道和空隙之 中。表面活性剂是使有机载体能充分润湿固体微粒，常用的表面活性剂有甲苯、乙醇等14。 对提高浆料的分散性和稳定性有促进作用，可以降低有机载体与固体颗粒界面张力，提高润 湿性，使固体颗粒在载体中均匀分散，同时也可以减少颗粒的表面自由能，降低颗粒相互聚 结的趋势，提高其中固体颗粒的稳定性，同时也由于表面张力的减少，浆料流平的驱动力减 小，对流平不利。表面张力越大，粘度越小，膜层越厚，越易流平17。3.2有机粘合剂的粘度配制的电子浆料应具有假塑性流体的流变特征。当剪切速率较小时，浆料具有较大的抵 抗变形的能力，表现出比较高的黏度值，印刷后，浆料不向四周流溢，网点清晰，保

9、证了尺 寸精度。随着剪切速率的提高，浆料在剪切力的作用下，浆料中的超细粉体很容易沿剪切力 的方向移动，使剪切黏度减小18。有机载体中的增稠剂主要有乙基纤维素、聚乙烯醇、聚甲基丙稀酸酯等。增稠剂实质上 是一种流变助剂，加入增稠剂后能调节流变性，使胶黏剂和密封剂增稠，防止填料沉淀，赋 予良好的物理机械稳定性，控制施工过程的流变性，还能起着降低成本的作用。乙基纤维素 常作为增稠剂加入厚膜浆料中，为白色或浅灰色的流动性粉末，热稳定性好，高温时不易分 解，不溶于水，溶于有机溶剂的非离子型纤维素醚。纤维素类增稠剂的增稠机理是纤维素的 疏水主链与聚合物通过氢键缔合，提高了聚合物的流体体积，减少了颗粒自由活动

10、的空间， 从而提高了体系粘度。分子链的缠绕也会使体系粘度提高，表现为在静态和低剪切时有高黏 度，在高剪切下时有低黏度。这是因为静态或低剪切速度时，纤维素分子链处于无序状态而 使体系呈现高粘性：而在高剪切速率时，分子平行于流动方向作有序排列，易于相互滑动， 所以体系黏度下降19。对浆料体系来说影响HLB值或表面张力不平衡的因素来源于高分子树脂、有机溶剂、 填料以及其他助剂。所有这些因素中，润湿分散剂是调整HLB值或表面张力效果最好的。 分散剂的选用原则是必须能降低粒子的表面能，消除粒子的表面电荷和表面引力，增加粒子 与其它介质粘结力，还必须与粒子和介质有极强的亲和力。分散是用外力将大颗粒细化，使

11、 团聚体解聚并被再润湿、包裹吸附的过程。分散稳定是指将原生粒子或较小的团聚体在静电 斥力、空间位阻斥力的作用下来屏蔽范德华引力，使颗粒不再聚集。3.3有机粘合剂的挥发性有机溶剂是有机载体的最主要组成部分，是一种粘稠状的液体，能够提供极性基团，其 特点是能溶解纤维素之类的增稠剂。目前有机溶剂主要是醇、酯、酮等类型的溶剂，通过不 同沸点、不同挥发速度的溶剂的合理搭配，能够得到性能优良的有机溶剂。有机载体无固定沸点，在加热过程中逐步汽化、燃烧，也就是具有层次性:梯度）的挥发。溶 剂的挥发特性决定了有机载体的挥发特性，而有机载体的挥发特性直接决定膜层的质量。 溶剂挥发太快，印刷时浆料黏度增大，容易堵塞

12、丝网；溶剂挥发太集中，烘干烧结后容易在 膜层表面形成孔洞和微裂纹等缺陷；溶剂挥发太慢，丝网印刷后不易烘干，导致烧结后有缺 陷。因此，有机载体的挥发特性是影响浆料稳定性和存放时间的重要因素。有机溶剂在浆料中的作用在于降低浆料的粘度，控制浆料的干燥速度，合理选用溶剂可 以有效提高涂层的均匀性和致密性。沸点高的难挥发，沸点低的易于挥发。一般混合溶剂的 挥发符合亨利定律，因此可以改变溶剂的比例来调节有机载体的挥发特性，使之在低温不易 挥发，而在干燥温度下能迅速挥发。载体的溶剂常压下的沸点为200300C。沸点低于200C 的溶剂挥发性太大，长时间印刷浆料粘度变大。沸点高于300C的溶剂，不易干燥。溶剂

13、应 具有常温下挥发性低，沸点相对较低且500C烘干烧结时完全烧掉的特点。经验表明，由单 一溶剂制成的载体在存放、印刷时容易挥发，使浆料粘度增大，若载体不易挥发，经烘干后 膜层较湿润，烧结时膜层边缘不齐，层面由于溶剂的集中挥发导致针孔和缺陷较多，使电性 能降低，因此，适合混合溶剂。3.4表面活性剂的影响浸润性是固体表面的重要性质，主要取决于表面自由能和粗糙程度，改变固体表面的自 由能和粗糙程度均可以改变其浸润性。通常，人们用固体表面与水的接触角来衡量固体表 面的浸润性，接触角大于90度的表面称为疏水表面，小于90度的表面称为亲水表面20。 有机溶剂是有机载体的主要成分之一，其作用是控制浆料的干燥

14、和增稠剂的溶解度。其重量 约占有机载体的80%以上。溶剂本身应是比较粘稠的液体，分子中一般含有极性基团。其 特点是能够溶解纤维素类的增稠剂液体。溶剂的沸点高，常温下挥发慢。溶剂的选择首要原 则是无毒，应在醇酯酮类溶剂中选择。同时，不颓废、，挥发度溶剂的搭配也至关重要，否 则在成膜时会出现起桔皮，暴孔，发粘，流挂等弊病。常用的有机溶剂有：柠檬酸三丁酯， 柠檬酸二丁酯，松油醇，醋酸丁基卡必醇，醋酸酯，丙酸酯，卵磷脂等21。使某物体润湿或加速润湿的表面活性剂称为润湿剂。常用润湿角表示，它的角度越小,表示润 湿越好。表面活性剂常分为离子型和非离子型两大类。表面活性剂溶于水时，凡能电离生成 离子的叫离子

15、型表面活性剂，凡不能电离生成离子的叫非离子型表面活性剂。而离子型的还 要按生成的亲水基离子种类再进行分类。可分为阴离子型表面活性剂，阳离子表面活性剂， 两性离子表面活性剂，非离子活性剂22。目前国内在太阳能铝浆亲水性有机体系方面有所 欠缺，亲水性有机溶剂可以改善太阳能铝浆对晶体硅的浸润性，使得清洗上更加简单方便。4铝浆制备方法取玻璃原料混合，搅拌均匀后置于马弗炉中熔炼一段时间后取出水淬，再球磨烘干过筛， 得到无机粘结剂。取有机粘结剂原料置于圆底烧瓶中，水浴加热一段时间，得到所需有机粘 结剂。按一定比例取铝粉、玻璃粉、有机粘结剂、助剂，搅拌并通过三辊研磨机使浆料混合 均匀，调节粘度至适宜。再丝网

16、印刷于太阳能硅基片，烘干烧结，测试浆料性能23。5课题意义和价值导电铝浆是电子浆料中的重要一种，目前作为晶体硅太阳能电池背电场材料得到了广泛 使用，技术较为成熟。导电铝浆已基本实现国产化。导电铝浆由铝粉，玻璃粉、有机粘结剂 和一些添加剂组成。有机粘结剂在电子浆料中作为导电相和无机粘结剂的载体，在高温烧结 过程中逐步挥发燃烧除去。它是由高分子聚合物在一定温度下溶于有机溶剂制成。优质的电 子浆料在存储过程中可以保持良好的均匀性和稳定性，无导电颗粒团聚，无沉降；在丝网印 刷过程中又可以展现出良好的流变性、触变性和适宜的粘度。这些重要的性能都决定于有机 粘结剂的优劣。课题要求这种亲水性有机粘合剂在粘度

17、、流变性和浸润性方面能完全满足现有晶体硅电 池的主流生产工艺。目前太阳能铝浆都采用油性有机体系，该体系对晶体硅的浸润性不佳， 在使用过程中与铝浆接触的部件及包装材料的清洗回收比较繁琐。而亲水性有机体系可明显 改善太阳能铝浆对晶体硅的浸润性，改善印刷质量，并且在相关材料和部件的清洗上简单方 便。因此开发亲水性太阳能铝浆有很重要的现实意义。参考文献卢金军.太阳能电池的研究现状和产业发展J.科技资讯，2007, 18： 8.Shaoqing Xiao, Shuyan Xu. High-Efficiency Solar CellsM. Springer Series in Materials Scie

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