太阳能电池用导电银浆的性能探究

＊王柯柯 李晓凯 王琪 李明茂 欧惠 熊仕显*

（1.江西理工大学 国际创新研究院 江西 330013 2.南昌大学 物理与材料学院 江西 330031 3.新余学院 新能源科学与工程学院 江西 338004）

1.引言

由于化石能源的过度开采和不合理使用，导致了严重的环境污染，最为明显的是CO2的过度排放[1]。近年来，国家“双碳”政策的实施推动了清洁能源的发展，如核能、风能、太阳能[2]。由国际能源机构（IEA）推算，全球未来三年内，清洁能源60%的增量都来源于太阳能光伏发电[3]。太阳能电池是太阳能光伏发电的重要手段之一[4]，对于开发太阳能电池需要关注的是降低成本和提高效率[5]。晶硅电池是实际应用最广泛的太阳能电池，其基本组成为导电银浆、钢化玻璃、减反射层和电池板芯片。其中，导电银浆成本在非硅材料中占比第一[6]。通过印刷工艺、高温烧结等处理后的银浆（银栅），是导电电极与外部电路进行连接的媒介[7]。导电银浆性能直接影响整块电池板的导电性与度电成本，因此制备出具有自主知识产权的高性能低成本的导电银浆迫在眉睫[8]。导电银浆的主要成分有银粉、有机载体和玻璃粉[9]，其中银粉和有机载体是导电银浆的主要原料。本文重点探究了银粉粒径、银粉形貌、有机溶剂和有机添加剂对导电银浆的电性能、流动性的影响，对降低导电银浆成本有一定的借鉴作用。

2.银粉对银浆性能的影响

(1)银粉的粒径对银浆性能的影响

太阳能电池银浆主要使用微纳米级银粉，其具有表面电阻低、松装密度高等优点[10]。银粉的粒径过大或过小都会影响银浆的导电性和附着力[11]。为探究银粉粒径对银浆性能的影响，选用了3种不同粒径的银粉a、b和c，a为纳米级银粉，D50=0.5μm；b为微米级银粉，D50=2.5μm；c为两种粒径(a)和(b)的混合银粉，比例为n(a):n(b)=1:4，所配比的银浆为SPa、SPb和SPc。未烧结不同粒径银粉的扫描电镜图如图1（a）～（c）所示，测得三种银层的方阻分别为0.95mΩ/□、1.3mΩ/□和0.8mΩ/□。从烧结后银层表面形貌图1（d）～（f）可以看出，纳米级银粉a完全熔融，形成致密的银层。不同的是纳米级银粉所需烧结温度相比于其他银粉较低，在加热烧结时非常容易与粘结剂无铅玻璃粉同时融化，这将与基底表面迅速接触，从而影响了玻璃粉对基底表层的腐蚀，结果造成银层的附着力减小，严重影响导电性能，如图1（g）所示。反之，微米级银粉如果在高温条件下快速烧结，整个熔化过程不完全，部分银粉将保持原有形貌，即球形，致使银层出现大量空洞，如图1（e）所示，该银层方阻较大。而混合银粉c则能明显改变上述两种银粉的缺陷，主要原因是纳米级银粉熔点低，溶化过程中会促进微米级银粉的熔解，从而形成较致密的银层，导致烧结后的SPc银层方阻最小，附着力最好，形貌如图1（f）和（i）所示。

图1 不同粒径的银粉烧结前后扫描电镜图

(2)银粉的形貌对银浆性能的影响

银粉的形貌会对银浆烧结后银膜的结构产生影响，从而影响电池片的性能[12]。为探究银粉形貌对银浆性能的影响，本研究采用了三种不同形貌的银粉a、b、c，其中a形貌为树枝状；b是空心球状；c为混合银粉，比例为n（树枝状）:n（空心球）=3:7，银浆分别命名为SPa、SPb和SPc。如图2a～c所示，不同形貌的银粉烧结前扫描电镜图，测得三种银层的方阻分别为4.44mΩ/□、2.9mΩ/□和2.46mΩ/□。如图1（d）所示，树枝状银粉制备的银浆烧结后形成的厚膜过于疏松且附着力不好[13]，因此SPa的导电性能最差；空心球状银粉制备的银浆烧结后性的厚膜内部孔洞过多，使得SPb的导电性能不稳定，如图1（e）所示；而空心球状/树枝状混合银粉c颗粒之间的接触更加致密[14]，银粉之间的导电通路明显增加，使得银粉c制成的银浆厚膜的方阻有所提高，且厚膜孔洞明显减少，如图1（f）所示。

图2 不同形貌的银粉烧结前后扫描电镜图

3.有机载体对银浆性能的影响

(1)有机溶剂对银浆性能的影响

有机载体的挥发特性极易受到溶剂挥发特性的影响，但是有机载体的挥发特性是决定膜层质量的关键[15-16]。实验过程中，如果有机溶剂挥发性很强，这种特性会提高印刷浆料黏度，容易堵塞印刷丝网；相反，如果有机溶剂挥发较慢，丝网印刷后的导电银浆很难烘干，影响烧结效果，进而形成缺陷结构；如果有机溶剂挥发相对集中，烘干烧结后极易在银浆膜层表面形成大量孔洞和明显的微裂纹等缺陷[17]。不能忽略的是，载体的挥发特性也是影响浆料长时间稳定性存放的关键因素，制备银浆时要平衡以上因素的影响。

实验选用了松油醇、丙三醇和丁基卡必醇进行测试，从图3可见，松油醇的挥发性较强，其次是丁基卡必醇，丙三醇的挥发性较弱。经过长时间印刷或存放后沸点小于200℃的溶剂在，挥发过程中会大幅增加有机载体黏度，改变了银浆的电阻特性；改用沸点大于300℃的有机溶剂时，溶剂不容易干燥的特性会使得银浆在烧结时，改变有机溶剂的挥发特性，从而形成缺陷结构，即空洞形貌，会使得银浆的导电性能降低。由以上分析可知，选择导电银浆用有机载体的溶剂时，应该在常压下将沸点控制在在200～300℃之间，该温度区间有利于形成较好形貌的银浆。

图3 单溶剂挥发速率

大量研究结果表明[18]，当使用单一溶剂制成的载体时，银浆在存放、印刷过程中极易挥发，从而使得银浆浆料黏度增加。但是采用不容易挥发载体时，银浆经烘干处理后，银浆膜层边缘结构不齐。正是由于溶剂的集中挥发导致层面出现缺陷针孔结构，使导电性能降低。因此，本研究采用混合溶剂法来制作有机载体以达到调节其挥发特性的效果。所以，本实验研究了不同比例松油醇和丁基卡必醇组成的混合溶剂的挥发特性，挥发曲线及含量见图4和表1。

图4 混合溶剂挥发速率

表1 松油醇和丁基卡必醇混合溶剂含量表

从挥发曲线上可以看出，松油醇和丁基卡必醇为6:4时的混合溶剂分层挥发性较好，且挥发性能特征最为明显。在70～130℃范围内，挥发曲线的上升幅度小，处于曲线的第一级，在130～170℃范围内，溶剂开始快速挥发，挥发曲线上升幅度增大，出现曲线的第二级，在170℃之后，挥发曲线的上升比第二级更加明显，呈现出曲线的第三级。综上所述，混合溶剂表现为多级挥发状态，低温挥发稳定，高温挥发迅速。

(2)有机添加剂对银浆性能的影响

导电银浆浆料制备过程中所采用的有机载体，不但要求载体之间要具有良好的相容性，而且要求有机载体与无铅玻璃料的相容性要好，这样才能制备出连续的、致密的、性能优异的导电银浆[19]。将5%的无铅低熔点玻璃粉依次加入按照表2所配制的有机载体配方，充分搅拌，利用超声分散45min，转存至10ml量筒中，静置360h。实验结果表明乙基纤维素含量为6%时无明显分层现象，其余皆有明显的分层现象。由此可以确定当乙基纤维素含量为6%时，有机载体与玻璃料充分相溶。

表2 不同乙基纤维素含量的有机载体配方（%）

4.结论

银粉和有机载体作为导电银浆的主要原料，其特征影响太阳能电池的性能。本文研究了银粉粒径、银粉形貌、有机溶剂和有机添加剂对导电银浆的电性能影响。利用纳米级银粉和微米级银粉以1:4比例混合制备出的导电银浆经烧结后能形成致密的银层，呈现出较低的方阻，且附着力性能提升；此外，单独使用树枝状银粉不适用于制备导电银浆，但可以和其他形貌银粉混合使用，树枝状银粉和空心球状银粉比例为3:7混合可以得到导电性能良好的导电银浆，也可以降低导电银浆的成本；制备导电银浆时，采用合适比例的有机载体和有机添加剂有利于提升导电银浆的性能。