CN102314958A - 一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆及其制备方法，所述导电铝浆的组分及其质量百分比为：铝粉65～80%；有机载体15～30%；无机玻璃粉1～5%；添加剂0.1～1%；偶联剂0.1～5%；所述有机载体由聚合物与有机溶剂混合而成，其中聚合物的质量百分比含量为5～20%，有机溶剂的质量百分比为80～95%。本发明在不增加生产成本的前提下，既能与硅基片形成良好的背场效果，有效提高电池片的光电转换效率，又能很好地抑制烧结后电池片的弯曲应力。

Description

一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆及其制备方法。

背景技术

随着太阳能技术的飞速发展，降低太阳能电池的生产成本已成为目前太阳能电池行业研发的主要目标。其中，降低硅基片材的厚度是降低成本、节约材料的重要手段之一。但是，随着硅基片厚度的降低，电池片由于受到烧结过程中的应力作用，导致电池片的弯曲度增大，而最终造成电池组装过程中的电池片的碎片率大幅增加，造成生产成本的增加。

目前，解决电池片弯曲度的方法主要有减小玻璃粉的收缩率和减薄电池背电极的印刷厚度。但是，采用收缩率较低的玻璃粉，由于其软化点偏高、流动性和浸润性差，其对铝粉的保护能力不足，存在可导致铝背电极与硅基片附着力差、铝背电极表面电阻大、降低电池效率的缺陷；采用减薄电池背电极的印刷厚度，其背电场（BSF）形成效果受到影响，存在可导致电池导电性能降低、铝电极膜与硅基片间的接触电阻增大、造成开路电压及转换效率降低的缺陷。因此，需要提供既能同硅基片形成良好的背场效果、具有高的光电转换效率，又能缓解硅基片的弯曲应力的电池背电极形成用浆料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆，在不增加生产成本的前提下，它既能与硅基片形成良好的背场效果，有效提高电池片的光电转换效率，又能很好地抑制烧结后电池片的弯曲应力。

本发明要解决的另一技术问题是：提供一种晶体硅太阳能电池用背电极导电铝浆的制备方法，该方法能使铝粉在浆料中分散更加均匀。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆，所述导电铝浆的组分及其质量百分比为：铝粉 65～80%；有机载体 15～30%；无机玻璃粉 1～5%；添加剂 0.1～1%；偶联剂 0.1～5%；所述有机载体由聚合物与有机溶剂混合而成，其中聚合物的质量百分比含量为5～20%，有机溶剂的质量百分比为80～95%。

所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的任何一种。

所述偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷中的任何一种。

所述铝粉颗粒的平均粒径为2～8μm。

所述聚合物为乙基纤维素、醋酸丁基纤维素、羟基乙基纤维素、酚醛树脂中的一种或它们的混合物。

所述有机溶剂为二乙二醇丁醚、松油醇、丁基卡必醇醋酸酯、柠檬酸三丁酯中的一种或它们的混合物。

一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆的制备方法，它包括以下步骤：

a．铝粉的预处理：

将偶联剂加入到有机溶剂中，混合均匀后加入到铝粉中，搅拌，干燥，得到预处理的铝粉；

b.有机载体的制备：

将聚合物和有机溶剂混合并加热至聚合物完全溶解，得到有机载体；

c.将无机玻璃粉和有机载体加入到预处理后的铝粉中，混合均匀后加入添加剂进行搅拌，轧压，得到细度20μm以下、粘度为25-35Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

所述有机溶剂是甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的任一种。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1. 使用偶联剂对铝粉进行预处理后，偶联剂均匀地包覆在铝粉颗粒的表面，这样既可避免配方体系中铝颗粒的聚集以及聚合物的急剧稠化，又可提高聚合物对铝粉的润湿性，还可使铝粉与聚合物实现牢固键合，使铝粉颗粒更加均匀稳定地分散在有机载体形成的三维空间网状结构中；用此铝粉制得的铝浆经烧结后电池片的接触电阻小，转换效率高。

2. 偶联剂包覆在铝粉颗粒表面，增加了铝粉颗粒的抗氧化性，有利于铝浆烧结后电性能的提高。

3. 铝浆烧结过程中硅烷偶联剂产生的二氧化硅微粒，在铝粉颗粒上形成均匀分布的表面层，能显著降低颗粒间的粘结力，改善电池片的弯曲应力。 

4. 按照本发明方法获得的铝浆经烧结后能够在硅基片上形成太阳能电池所需的背场（BSF）效果，并且具有导电性能好、接触电阻低、开路电压与光电转换效率高、与硅基片的粘结强度高的优点，烧结后形成的铝电极膜表面光滑、不起灰、无铝珠。

具体实施方式

本发明中的偶联剂亦称为一种“架桥剂”，它一端亲无机，另一端亲有机，在无机填料和有机树脂之间架起一座桥梁。无机填料经用偶联剂处理后，表面与偶联剂亲无机一端的化学键作用而达到有机包覆，加入有机树脂共混时，其相溶性和分散性大幅度提高。本发明中利用了偶联剂的这一作用，铝粉中添加一定含量的硅烷偶联剂后，硅烷偶联剂均匀包覆在铝粉颗粒的表面，可将其亲水性表面，转变成亲有机溶剂表面，既可避免体系中粒子聚集及聚合物急剧稠化，又可提高聚合物对铝粉的润湿性，通过碳官能团硅烷偶联剂还可使铝粉与聚合物实现牢固键合，使铝粉颗粒更加均匀稳定地分散在有机载体形成的三维空间网状结构中。

由于铝粉容易氧化，发明人经过研究发现，偶联剂包覆在铝粉颗粒表面，还增加了铝粉颗粒的抗氧化性，有利于烧结后电性能的提高。

在本发明中，发明人经过研究发现，在烧结过程中，硅烷偶联剂分解，产生二氧化硅微粒，这种分散良好的二氧化硅微粒在铝粉颗粒上形成均匀分布的表面层，能显著降低颗粒间的粘结力，改善硅基片的弯曲应力。同时，偶联剂在烧结过程中，随着有机溶剂的逐渐挥发，均匀稳定分布的铝粉颗粒与颗粒之间、颗粒与硅片之间更容易充分接触，形成导电网链和致密铝膜，改善其附着强度，降低铝电极与硅片之间的接触电阻。因此，加入适量的偶联剂可减小铝浆的接触电阻，提高电池片的转换效率，同时改善了电池片的弯曲度。本发明中，偶联剂的加入量为0.1～5%（质量百分比）。若偶联剂的加入量小于0.1%，则起不到对铝粉的均匀分散作用和烧结后对电池片的抗弯曲作用，从而对提高电性能和改善弯曲无显著作用；若偶联剂的加入量超过5%时，会使铝粉颗粒的表面形成较厚的“包覆层”，阻碍了铝粉颗粒之间“导电网链”的形成，接触电阻也随之增大。

适合本发明中偶联剂可以选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的任何一种，优选使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（商品名：KH-550）、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷（商品名：KH-560）、γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（商品名：HK-570）、γ-巯丙基三乙氧基硅烷（商品名：KH-580）中的一种。

有机载体由聚合物与有机溶剂混合而成，其中有机载体的5-20%为聚合物、80-95%为有机溶剂（质量百分比）。

聚合物可采用乙基纤维素、醋酸丁基纤维素、羟基乙基纤维素、酚醛树脂中的一种或几种；所述有机溶剂可采用二乙二醇丁醚、松油醇、丁基卡必醇醋酸酯、柠檬酸三丁酯中的一种或几种。 

有机载体的主要作用是调节浆料的印刷性能，提高电极浆料的成膜性。本发明中有机载体的加入量为15-30%（质量百分比）。若有机载体的含量少于15%，则浆料触变性降低，印刷性能受影响；若有机载体的含量大于30%，则浆料粘度过低，不利于导电性的提高。

无机玻璃粉可选用B₂O₃- SiO₂- Bi₂O₃体系、B₂O₃- SiO₂-PbO体系、Bi₂O₃- SiO₂-ZnO体系中的一种以及氧化物添加剂构成，所属氧化物添加剂包括Al₂O₃、ZrO₂、Sb₂O₃、V₂O₅、TiO₂中的一种或几种。玻璃粉的软化点为400-600℃，直径控制在1-10μm。无机玻璃粉在高温烧结时将铝电极膜与硅基片粘结在一起，并能促进铝颗粒的熔融，增强铝电极膜的机械强度和表面性能。本发明中，玻璃粉的含量为1-5%（质量百分比）。若玻璃粉的含量少于1%，烧结后铝电极膜与硅基片的粘结力低，电池片表面出现铝珠、起灰，同时铝电极膜的机械强度降低；若含量大于5%，玻璃粉熔化后容易在硅基片表面形成一层釉面，影响导电性能。

所述添加剂包括防沉剂、流平剂、消泡剂、润湿剂、触变剂中的一种或几种。主要作用是保证浆料的存放性能及印刷性能。

上述浆料的具体制作方法如下：

a．铝粉的预处理：

将偶联剂加入到有机溶剂中，混合均匀后加入到铝粉中，搅拌，干燥，得到预处理的铝粉；

b.有机载体的制备：

将聚合物和有机溶剂混合并加热至聚合物完全溶解，得到有机载体；

c.将无机玻璃粉和有机载体加入到预处理过的铝粉中，混合均匀后加入添加剂进行搅拌，轧压，得到细度20μm以下、粘度为25-35Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

上述浆料用200-400目网板，通过丝网印刷的方式在太阳能电池硅基片上形成薄膜，印刷后的浆料经过160-270℃烘干，然后在650-950℃的高温下烧结形成背场铝电极。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

1）、铝粉的预处理：

称取0.1g硅烷偶联剂KH570，加入到100ml无水乙醇中，混合均匀后，将混合液加入到65g铝粉中，搅拌分散20分钟；将铝粉的分散液放入80℃的真空干燥箱中干燥3小时，得到预处理的铝粉。

2）、有机载体的制备：

称取3g乙基纤维素、2g醋丁纤维素，加入10g松油醇、5g柠檬酸三丁酯、10g二乙二醇丁醚，二者混合并加热到60℃，直到聚合物完全溶解，形成透明粘稠液体，得到所述有机载体。

3）、玻璃粉C

采用B₂O₃- SiO₂- Bi₂O₃体系玻璃粉，平均细度2.5μm，软化点500℃。

将制备的有机载体、玻璃粉 5g加入到上述得到的预处理的铝粉中，混合均匀后，加入0.1g迪高润湿剂D655进行预搅拌，然后用三辊研磨机进行研磨，轧压，得到细度20μm、粘度25Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

实施例2

1）、铝粉的预处理

称取5g硅烷偶联剂KH550，加入到150ml甲醇中，混合均匀，将混合液加入到80g铝粉中，搅拌分散20分钟；将铝粉的分散液放入80℃的真空干燥箱中干燥4小时，得到预处理的铝粉。

2）、有机载体的制备

称取0.5g乙基纤维素、0.5g醋丁纤维素，加入10g松油醇、5g二乙二醇丁醚，二者混合并加热到80℃，直到聚合物完全溶解，形成透明粘稠液体，得到所述有机载体。

3）、玻璃粉

采用B₂O₃- SiO₂- Bi₂O₃体系玻璃粉，平均细度2.5μm，软化点500℃。

将上述制备的有机载体、玻璃粉 1g加入到上述预处理的铝粉中，混合均匀后加入1g迪高润湿剂D655进行预搅拌，然后用三辊研磨机上进行研磨，轧压，得到细度20μm、粘度30Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

实施例3

1）、铝粉的预处理

称取3g硅烷偶联剂KH560，加入到120ml 95%乙醇中，混合均匀后，将混合液加入到70g铝粉中，搅拌分散20分钟；将铝粉的分散液放入80℃的真空干燥箱中干燥3小时，得到预处理的铝粉。

2）、有机载体的制备

称取3g乙基纤维素、0.5g酚醛树脂，加入15g丁基卡必醇醋酸酯、5g柠檬酸三丁酯，二者混合并加热到90℃，直到聚合物完全溶解，形成透明粘稠液体，得到所述有机载体。

3）、玻璃粉

采用B₂O₃- SiO₂-PbO体系玻璃粉，平均细度3.9μm，软化点450℃。

将上述得到的有机载体、玻璃粉3g加入到上述预处理的铝粉中，混合均匀后加入0.5g蓖麻油触变剂进行预搅拌，然后用三辊研磨机上进行研磨，轧压，得到细度20μm，粘度28Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

实施例4

1）、铝粉的预处理

称取3g硅烷偶联剂KH560，加入到120ml 乙酸乙酯中，混合均匀后，将混合液加入到70g铝粉中，搅拌分散20分钟；将铝粉的分散液放入80℃的真空干燥箱中干燥3小时，得到预处理的铝粉。

2）、有机载体的制备

称取2g乙基纤维素、0.5g醋丁纤维素，加入15g丁基卡必醇醋酸酯、5g松油醇，二者混合并加热到70℃，直到聚合物完全溶解，形成透明粘稠液体，得到所述有机载体。

3）、玻璃粉

采用B₂O₃- SiO₂-PbO体系玻璃粉，平均细度3.9μm，软化点450℃。

将上述得到的有机载体、玻璃粉 4g加入到上述预处理的铝粉中，混合均匀后加入0.5g流平剂BYK-306进行预搅拌，然后用三辊研磨机上进行研磨，轧压，得到细度20μm、粘度28Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

实施例5

1）、铝粉的预处理

称取2g硅烷偶联剂KH580，加入到120ml 丙酮中，混合均匀后，将混合液加入到75g铝粉中，搅拌分散20分钟；将铝粉的分散液放入80℃的真空干燥箱中干燥3小时，得到预处理的铝粉。

2）、有机载体 、玻璃粉同实施例3

将有机载体 20g、玻璃粉3g加入到上述预处理的铝粉中，混合均匀后加入0.5g蓖麻油触变剂进行预搅拌，然后用三辊研磨机上进行研磨，轧压，得到细度20μm、粘度28Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

比较例1

称取70g铝粉、3g硅烷偶联剂KH560，铝粉不预先处理，硅烷偶联剂直接加入浆料中，其余各浆料成分及制备方法同实施例3，得到太阳能背电场用铝浆。

比较例2

称取铝粉70g，不加硅烷偶联剂，其余各浆料成分及制备方法同实施例3，得到太阳能背电场用铝浆。

将上述实施例1～5和对比例得到的铝浆应用于下述配方：

将上述所得浆料通过丝网印刷在125*125mm两面制绒的单晶硅基片（厚度约180微米）上，形成电极膜，印刷厚度为每片用浆料0.7g，进隧道炉200℃烘干。然后换另一面印刷正面银浆，烘干后烧结，峰值温度890℃，出炉后用硅太阳能电池效率测定装置测量电性能、基片弯曲度。测定的各项性能平均值如下：

	Isc（A）	Voc(V)	FF	转换效率(%)	弯曲度
						实施例1	5.30	0.608	0.74	16.40	2.0mm
实施例2	5.42	0.612	0.75	16.68	1.0mm
						实施例3	5.45	0.613	0.76	16.79	0.8mm
实施例4	5.41	0.613	0.75	16.65	0.8mm
						实施例5	5.43	0.612	0.74	16.70	1.0mm
比较例1	5.35	0.610	0.74	16.60	1.2mm
						比较例2	5.20	0.606	0.75	16.23	2.2mm

注：Isc为短路电流 ；

    Voc为开路电压  ；

    FF为填充因子。

Claims (8)

1.一种晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆，其特征在于，所述导电铝浆的组分及其质量百分比为：铝粉 65～80%；有机载体 15～30%；无机玻璃粉 1～5%；添加剂 0.1～1%；偶联剂 0.1～5%；所述有机载体由聚合物与有机溶剂混合而成，其中聚合物的质量百分比含量为5～20%，有机溶剂的质量百分比为80～95%。

2.根据权利要求1所述导电铝浆，其特征在于，所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任何一种。

3.根据权利要求2所述导电铝浆，其特征在于，所述偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三乙氧基硅烷中的任何一种。

4.根据权利要求3所述导电铝浆，其特征在于，所述铝粉颗粒的粒径为2～8μm。

5.根据权利要求4所述导电铝浆，其特征在于，所述聚合物为乙基纤维素、醋酸丁基纤维素、羟基乙基纤维素或酚醛树脂中的一种或它们的混合物。

6.根据权利要求5所述导电铝浆，其特征在于，所述有机溶剂为二乙二醇丁醚、松油醇、丁基卡必醇醋酸酯或柠檬酸三丁酯中的一种或它们的混合物。

7.一种制备如权利要求1、2、3、4、5或6所述晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆的方法，其特征在于，它按以下步骤进行：

a．铝粉的预处理：

将偶联剂加入到有机溶剂中，混合均匀后加入到铝粉中，搅拌，干燥，得到预处理的铝粉；

b.有机载体的制备：

将聚合物和有机溶剂混合并加热至聚合物完全溶解，得到有机载体；

c.将无机玻璃粉和有机载体加入到预处理过的铝粉中，混合均匀后加入添加剂进行搅拌，轧压，得到细度20μm以下、粘度为25-35Pa.S的晶体硅太阳能电池背电极用导电铝浆。

8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述有机溶剂是甲醇、乙醇、丙酮或乙酸乙酯中的任一种。