太阳能电池金属化浆料区别与改进路线

太阳能电池金属化浆料区别与改进路线

杜皓月

青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司     青海 西宁     810000

摘要：光伏产业一直以来都是以效率和成本为驱动引导的。从技术角度来看看，新电池技术领域，特别是当前的热门趋势N-TOPCon，异质结，以及基于这些基础上的先进电池技术，如全背接触和钙钛矿叠层太阳能电池。无论哪种结构电池，其浆料是关键材料，直接关系着太阳能电池的光电转换效率。金属化浆料对电池制备有着不同的影响，本文主要从以下几方面进行阐述。

关键词 ：光电转换效率；接触电阻；导电膜介质层

1. 引言

尽管光伏电池技术路线不断迭代，效率不断提升，但基于晶硅电池的基本原理和核心工序并未改变。即清洗制绒、扩散制绒、钝化镀膜、金属化四大步骤。扩散是主要的掺杂手段，并由此衍生出磷扩与硼扩。由于发射极与非发射极区对掺杂浓度的要求不同，衍生出SE（选择性发射极）技术。钝化则是有效应对载流子复合的关键，PERC电池AL2O3发挥关键作用，TOPCOn电池中氧化硅（隧穿氧化层）＋多晶硅是钝化质量的关键。金属化对应各类电池进步，主要是工艺与材料的耦合。目前电镀铜、银包铜可能会成为主流过度路线。本文重点从金属化浆料的特性出发，从高温浆料、低温浆料、银粉银浆国产化、接触及非接触式几个方向进行阐述。

2. 光伏银浆定义及分类

光伏银浆是光伏电池的重要原材料之一，属于电子浆料的一种，主要通过丝网印刷技术制成栅线，作为光伏电池的电极。根据光伏银浆位置的不同可以将其分为正面银浆及背面银浆其中，背面银浆能够实现国产化而正面银浆尚未完全实现研磨是制备光伏银浆过程中的核心工艺，决定最终产品质量好坏，光伏银浆属于电子浆料的一种，电子浆料产品是冶金、化工、电子技术的集合，应用范围较广，是电子信息产业的基础材料。光伏浆料主要分为光伏银浆与铝浆，是影响光伏转换效率的重要材料之一。光伏浆料主要作为电极，起到将阳光照射时产生的正负电荷输出于外端负荷，从而实现光电转换，产生电流的作用。电子浆料主要成分为导电相、玻璃粉体，有机载体以及添加剂。他们主要应用于厚膜电路、汽车玻璃、片式元件、薄膜开关、柔性电路、导电油墨、导电胶、敏感元器件、光伏电池等。其中光伏银浆再光伏电池端，主要为正面银浆，其特征为收集电流、汇流、导出光生载流子，主要适用于P/N型光伏电池受光面。背面银浆，其特征为粘接作用，对导电性要求较低，主要适用于P型光伏电池背光面。高温银浆，其特征为烧结温度要＞500℃，他适用于BSF、PERC、TOPCon等光伏电池。低温银浆，其特征为烧结温度要＜250℃，他适用于HJT、BC类光伏电池。

3. 金属化中银浆对电池的影响

根据光伏银浆位置的不同可以将其分为正面银浆及背面银浆，其中，背面银浆能够实现国产化而正面银浆尚未完全实现。研磨是制备光伏银浆过程中的核心工艺，决定最终产品质量好坏。背面银浆功能性较弱，技术门槛相对较低，业内主要需求为降本，目前能够完全国产化;正面银浆制备难度较高，是光伏电池的重要组成，主要用于收集电流，2020年正面银浆国产化率为50%，主要企业有聚和股份、帝科股份、苏州固得等。光伏正面银浆生产流程大概可分为5步，首先确定配方，需要精确称量，产品性能受配方参数的直接影响，精确配料是后续生产的基础。其次是混合搅拌，设定搅拌机转速时间、稳定等参数将检测合格的玻璃氧化物、银粉、有机原料进行搅拌保证浆料混合均匀。然后是浆料生产的核心工序，研磨。研磨是利用三辊研磨机对浆料颗粒进行轧压剪切、分散以使浆料达标，最终决定产品质量好坏。最后是过滤和检测，过滤是将粒径大于标准要求的物料进行筛出使得产品的细度一致以确保浆料印刷时性能。而检测是对产品物理参数(细度、固含量粘度等)及应用性能(电阻率、印刷性、其他电性能)等进行检测，通过后方可包装入库。

正面银浆原材料是由银粉、玻璃原料、有机原料组成，其中银粉占比为89%-90%，成本占比约为97%。其作用是导电项，银粉品质将影响电极材料的体电阻、接触电阻、拉力等特性。玻璃原料成分占比2%-3%，成本占比约为1.3%，其作用为高温粘结项，影响银粉的烧结及银硅欧姆接触的形成。有机原料成分占比7%-9%，成本占比约0.12%，其作用为承载银粉与玻璃原料，影响印刷性能、印刷质量。

正面银浆在光伏电池中，起着关键的性能指标，其中短路电流越高，电池转换效率越高。单位耗量方面，在其他情况相同下，单位耗量越低越好。拉力与焊接性相关，主栅拉力越高，导电性越高。印刷速度方面，其他条件不变的前提下，印刷速度越快越好。还有开路电压越高，电池转换效率就会越高。浆料的接触性越好，填充因子就会越高。印刷线宽越低越好，最后转换效率越高，相应电池输出功率也就越大。而背面银浆的特性对导电性能的要求相对较低。

4. 金属化低温浆料的选择及技术路线

低温银浆产生于HJT及BC电池技术。高温银浆主要应用于P型电池及N型TOPCon电池。高温银浆主要采用1-3um的球形银粉，该种银粉在烧结过程中部分熔融形成致密度高、体电阻低的银电极。HJT电池非晶硅薄膜含氢量较高，要求生产环节温度不得超过250°C，烧结制成的高温银浆会对薄膜结构造成较大损失，由此产生了对采用树脂固化制成的低温银浆新品需求。2021年7月锯能电力和苏州固得子公司苏州晶银合作开发的低温银浆已成功导入HJT电池规模化量产。根据CPIA统计，2020年HJT渗透率不足1.5%，目前市场仍以高温银浆为主占总供应量98%以上。由于低温银浆导电性能弱于高温银浆，因此需要提高银含量来提高导电性，开发专用银粉，优化生产工艺，突破技术瓶颈并降低生产成本。目前低温银浆占HJT电池成本比重高达24%，因而规模化、低成本生产的瓶颈之一是银浆成本。

表1 高温银浆和低温银浆对比分析

高温正银银浆通常使用球形银粉，低温银浆通常使用球形银粉和片状银粉的混合物。球形粉具有较高的球形度，所配置银浆的流动性好，能较好地通过正极细栅线，其性质能够满足正面银浆对银粉的需求，目前正向着高度球形化和可控光滑度方向发展。片状银粉由球形银粉加工而来，在银浆中的接触面积大，能够在降低银浆银含量和涂层厚度的同时保持良好的导电性，但由于流动性较差，无法用于栅线极细的正面银浆。配置银粉时一般采用混合银粉，即大粒径与小粒径相互填充，从而提升银浆的致密性和导电性。

图1球状银粉电镜图 图2片状银粉电镜图

低温银浆技术难题及局限性主要体现再原材料选择、有机载体、配方设计、工艺控制等几个方面。原材料选择方面，通过不同尺寸、不同形貌银粉的复配，使银粉在银浆中达到最优的密堆积状态，减少电极固化后的内部孔洞密度；通过提升银含量，提升电极固化过程的体积收缩率，增加电极固化后银颗粒之间的接触点及接触有效性。有机载体方面，要兼顾印刷和固化的要求，银浆所用树脂体系是固化单体或预聚物，分子量相对较低，且多为合成树脂体系，有丰富的官能团，而高温烧结银浆所用树脂多为天然高分子改性树脂或合成的直链树脂。另外固化剂或固化促进剂作为影响低温银浆固化性能的关键助剂，是低温银浆有机配方中最重要的有机助剂之一，而在高温烧结银浆中是不用使用这一组分的。配方设计方面，平衡降低电极线电阻和提升电极焊接附着力之间的技术矛盾；在降低电极线电阻的同时保证电极的长期可靠性、降低电极制造成本。工艺控制方面，低温银浆的制备工艺共分为配料、混料、搅拌、三辊混合、过滤包装5大步骤,其中配料及三辊混合工序为关键工序。银浆是配方型产品，在产品生产过程中，如配方出现问题，是无法通过制备工艺弥补的，所以在整个工艺流程中，配料工序是关键工序之一。

低温银浆技术局限性主要集中在银耗大、速度慢、栅线线型宽。其中局限一是，单位银耗大，1.5-2倍于高温浆料用量。据CPIA统计，2021年，p型电池正银消耗量约71.7mg/片，同比下降8.3%，背银消耗量约24.7mg/片；TOPCon电池片正面使用的银（铝）浆5（95%银）平均消耗量约75.1mg/片，头部企业背银消耗量约70mg/片；异质结电池双面低温银浆消耗量约190mg/片，同比下降14.9%。银浆用量大、价格贵是异质结电池成本高的原因之一，目前正通过工艺优化降低低温银浆消耗量。局限性二是，低温浆料印刷速度慢，产能低。低温浆料粘性大，较PERC印刷速度低，HJT印刷速度为250-280mm/s，PERC印刷速度350-450mm/s，印刷速度越慢，产能越低。局限性三是，低温浆料栅线线型宽，印刷效率低，银耗量大。低温浆料产线线型宽约38-42μm，而PERC产线线型宽约22-26μm，线型越宽，印刷速率越低，银耗越大。

5. 金属化浆料与镀膜工艺的匹配性

从电池技术进步的角度来看，金属化作为钝化镀膜的后续工序，其技术路线选择需要与钝化膜相配套，一方面，金属化本身与钝化膜/硅基体的接触将在很大程度上影响复合，另一方面，栅线本身对电池的光学损失、电阻损失起到至关重要的作用。金属化接触原理按电池分类不同而接触不同，如p-BSF属于金属与晶硅全接触，p-PERC/PERC＋属于金属与晶硅线接触，n-TOPCon属于金属与硅/薄膜硅单极钝化接触。金属化接触介面，p-BSF属于铝浆/铝背场，晶硅正银和SixNy。p-PERC/PERC＋属于正面金字塔/背面抛光、正面SiOx/SixNy、背面ALOx/SixNy和局部铝背场。n-TOPCon正面是银铝浆SixNy/ALOx/，背面是银浆SixNy/SiOx/poly。

6. 金属化浆料降本提效途径及技术进展

金属化降本路径目前仍借鉴PERC高温银浆经验，通过印刷细线化进行提效和降本，丝网印刷栅线细线化，降低印刷栅线宽度，减少遮光损失及银耗。主栅方面，通过增加主栅数量可缩短电池片内电流横向收集路径，减少电池功率损失以提高导电性，通过提高电池片应力分布的均匀性以降低碎片率。细栅方面，在不增加电阻的情况下，通过减少栅线宽度，在降低遮光损失的同时可减少栅线银浆用量。细线化研究方面，从第一代正面纯银细栅线浆料，匹配17μm开口网版，湿重降低20%，提效0.15%左右。到第一代背面细栅浆料，采用低固含量全新银粉的设计，匹配优化后的有机体系，效率损失0.02%，湿重下降30%。同时研发出全开口钢板，可实现块宽度22-25μm细栅线印刷。目前激光转印技术，是利用特殊刮头将异质结低温银包铜浆料压入专用的承载薄膜中，随后再用特殊激光头及其扫描转移工艺，并配合高精度CCD系统，精准地将浆料从承载膜上转移到硅片上。目前已经实现宽度低至20μm的极细棚线印刷。

持续开发中的银包铜技术，是降低银粉最具潜力的技术。银包铜粉价格低、导电、导热性能优异，有望助力低温浆料降本。银包铜技术是在铜表面引入均匀厚度银膜，所得核壳结构银包铜粉不仅具备原有金属铜核的物理与化学性能，还具有银镀层优良的金属特性。铜具有良好的导电性和导热性，且价格低廉，开发银包铜粉既能满足光伏浆料的要求，又具有价格竞争优势。银包铜粉主要以化学镀法、机械混合法或熔融雾化法在铜粉表面包覆致密银层，并不断调整银与铜的掺杂比例，以提高光电转化效率并防止铜氧化和复合物的产生。由于银包铜在350℃以上时会出现银迁移的现象，铜裸露风险增高，铜氧化会导致银浆导电性能下降，银包铜粉主要用于低温银浆。目前银包铜粉可以保证镀层的均一性，稳定性以及包覆率。经不同温度煅烧后，Cu的特征峰明显减弱，甚至消失，镀态和经 200℃煅烧的银包铜粉无 CuO的特征峰，表明此时的粉体未被氧化或者氧化程度很低;经400℃和600℃煅烧后，银包铜粉在2θ为35.5°38.79和48.7°处分别出现CuO的（﹣111）、（111）和（﹣202）晶面。目前银包铜浆料目标是，降低异质结及BC电池低温浆料成本40%以上。

本文主要从光伏银浆的分类出发，简述了目前适用于太阳能电池的光伏银浆发展现状，同时对行业中具有降本增效路径的浆料进行了阐述，面对光伏行业日新月异的技术变化，期待光伏银浆在产业化进程中不断突破。

参考文献

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