CN112159111A - Perc太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，该玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒20‑30％、氧化钡15‑30％、氧化硼15‑25％、氧化硅6‑10％、氧化锌5‑10％、氧化锶2‑5％、碱土金属氧化物2‑5％、氧化铝0‑4％、含氮的钝化层腐蚀抑制剂0.01‑3％；其中碱土金属氧化物为钙和/或镁的氧化物。与现有技术相比，本发明玻璃粉无铅无铋，对PERC电池片背面钝化层无腐蚀性，不影响钝化层的钝化效果，且与钝化层有优良的附着力，熔体流平性好，对硅基板和铝粉有良好的润湿性和粘结性，可以显著提高太阳能PERC电池光电转化效率。

Description

PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉及制备方法
技术领域
本发明涉及一种光伏浆料用低温玻璃粉，具体涉及一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉及制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种能将太阳能转化为电能的半导体器件。PERC即钝化发射极和背面电池技术目前正在成为太阳电池新一代的常规技术。与常规光伏电池相比，PERC的区别核心在于增加了背面电介质钝化层来提高转换效率。PERC电池最大化跨越了P-N结的电势梯度，这使得电子更稳定的流动、减少电子重组以获得更高的效率水平。
PERC电池金属化工艺仍可以采用丝网印刷工艺，但PERC电池背面结构因增加钝化层而发生了改变；通过钝化工序产生钝化层来降低表面载流子的复合，从而减小缺陷带来的影响，从而保证电池的效率。
PERC电池的生产流程包括：沉积背面钝化层，然后开口以形成背面接触。在背钝化层材料的选择上，目前常用的材料主要是氧化铝，除此之外还有氧化硅(SiO2)、氮氧化硅等。为了完全满足背面钝化条件，往往需要在氧化铝表面覆一层氮化硅(SiNx)，以保护背部钝化层，并保证电池背面的光学性能。故PERC电池背面钝化多采用Al2O3/SiNx双层结构。为此，对导电浆料的性能也提出了不同于常规电池浆料的要求。
在常规的导电铝浆背面局部金化过程中，由于玻璃组分中对钝化层有较强腐蚀性的氧化铋和氧化铅的含量一般在50％左右，这两种组分都对钝化层有较强的损伤作用，会造成电池开压电流的降低和填充因子的下降，并不适合于PERC太阳能电池。随着PERC技术的发展，对PERC铝浆用玻璃粉的低腐蚀性要求在逐渐提高。但现实是：选择对钝化层有低腐蚀性或没有腐蚀性的玻璃粉存在与钝化层附着力差的问题。故，提高附着力和增加开压电流往往是一对难以两全的矛盾。此外，为了减小烧结工艺对电池片的损伤，采用的烧结温度也在不断降低，为此，对玻璃粉的软化温度、流平性能也提出更高的要求。
因此制备一种对钝化层有低腐蚀性、良好附着力、具有低软化温度、优良流平性能的PERC电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的不足，提供一种对钝化层有低腐蚀性、良好附着力、具有低软化温度、优良流平性能的PERC电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉。
本发明的第二个目的在于提供一种上述玻璃粉的制备方法。
本发明的第一目的是通过以下技术方案实现的：一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，所述玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒20-30％、氧化钡15-30％、氧化硼15-25％、氧化硅6-10％、氧化锌5-10％、氧化锶2-5％、碱土金属氧化物2-5％、氧化铝0-4％、含氮的钝化层腐蚀抑制剂0.01-3％；其中碱土金属氧化物为钙和/或镁的氧化物。
采用五氧化二钒、氧化硼以及氧化硅来构建玻璃结构，五氧化二钒和氧化硼对PERC太阳能电池的钝化层没有腐蚀作用,且熔点低、还兼具优异的流平性，保障玻璃熔化后对硅基板和铝粉的润湿性；鉴于五氧化二钒和氧化鹏为缺氧体，加入氧化钡和氧化锌为主体的金属氧化物来供氧。在此基础上，添加了含氮成分的钝化层腐蚀抑制剂作为玻璃粉组分；含氮成分的存在大大减弱了玻璃粉在其软化熔融时对SiNx钝化层的腐蚀，使得玻璃粉对SiNx钝化层基本没有腐蚀性，且含氮成分的钝化层腐蚀抑制剂还可增强玻璃与SiNx钝化层的结合能力；不过氮原子的三配位特性会增加玻璃网络结构的交联，导致玻璃结构变得更加紧密，体系中添加的少量具有强供氧能力强的碱土金属氧化物氧化钙和/或氧化镁可以起到断网作用、降低玻璃软化温度；氮化物的熔点高，加入氧化铝能够助溶玻璃，作为玻璃中间体氧化物，改善玻璃的物理机械性能。
一般的氮源容易在高温下以气体流失，优选地，所述含氮的钝化层腐蚀抑制剂包括硅、铝、铟、镓的氮化物中的一种或多种；这些优选的氮源可以在玻璃粉熔炼以及铝浆烧结时不产生氮流失。具体的含氮的钝化层腐蚀抑制剂可以是氮化硅、氮化铝、氮化铟、氮化镓中的一种或多种。
优选地，所述含氮的钝化层腐蚀抑制剂为氮化铟。氮化铟的熔点为1100℃，可以很好熔炼于玻璃粉中、更好地起到对钝化层腐蚀抑制作用，提高电池转化效率，且可以降低玻璃粉的熔炼温度至1000-1200℃，使得制备更加节能。
优选地，所述氧化钡和所述氧化锶的重量百分数之和为玻璃粉原料总重量的20-30％。
优选地，所述玻璃粉的软化温度为570-600℃。
优选地，所述玻璃粉的中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
本发明的第二目的是通过以下技术方案实现的：一种上述PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述配比称量各组分；
(2)将各组分加入混料机中混合均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；
(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液；
(4)将玻璃液倒入纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；
(5)将玻璃颗粒烘干后加入球磨罐，加入球磨珠和分散剂球磨；
(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
优选地，所述步骤(3)中熔炼温度为1000-1650℃，保温时间为1-2h。
优选地，所述步骤(5)中，球磨珠、玻璃颗粒与分散剂的比例为6-10:1:1，球磨频率为20-24Hz，球磨时间为8-16h。
优选地，所述步骤(5)中，所述分散剂为异丙醇。
与现有技术相比，本发明玻璃粉无铅无铋，添加了对钝化层具有抑制腐蚀作用的含氮玻璃粉组分，使得玻璃粉软化熔融时对PERC电池片背面钝化层基本无腐蚀性，不影响钝化层的钝化效果，增加了开压电流，同时含氮玻璃粉组分的存在，使得玻璃粉与SiNx钝化层具有优良的附着力，解决了现有技术中增强附着力和增加开压电流难以两全的矛盾；且加上五氧化二钒、氧化硼以及氧化硅为玻璃主结构，玻璃粉的熔体流平性好，对硅基板和铝粉都具有良好的润湿性和粘结性，可以显著提高太阳能PERC电池光电转化效率。另外，本发明制备玻璃粉的方法工艺简单，所得玻璃的粒度小，性能均匀，节能环保。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒20％、氧化钡26％、氧化硼24％、氧化硅10％、氧化锌8％、氧化锶4％、氧化钙2％、氧化镁2％、氧化铝3％、氮化铟1％。该玻璃粉的软化温度为590℃，中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
上述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：(1)按照上述配比称量各组分；(2)将各组分加入混料机中混合20min至均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液，熔炼温度为1100℃，保温时间为1.5h；(4)将玻璃液倒入25℃纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；(5)将玻璃颗粒在150℃烘干后加入球磨罐，加入球磨氧化锆珠和异丙醇分散剂球磨，氧化锆球、玻璃颗粒与分散剂的比例为10:1:1，球磨频率为22Hz，球磨时间为14h；(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
实施例2
一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒27％、氧化钡24.99％、氧化硼22％、氧化硅8％、氧化锌7％、氧化锶4％、氧化钙4％、氧化铝3％、氮化铟0.01％。该玻璃粉的软化温度为570℃，中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
上述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：(1)按照上述配比称量各组分；(2)将各组分加入混料机中混合20min至均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液，熔炼温度为1000℃，保温时间为2h；(4)将玻璃液倒入25℃纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；(5)将玻璃颗粒在150℃烘干后加入球磨罐，加入球磨氧化锆珠和异丙醇分散剂球磨，氧化锆球、玻璃颗粒与分散剂的比例为8:1:1，球磨频率为24Hz，球磨时间为8h；(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
实施例3
一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒27％、氧化钡25％、氧化硼19％、氧化硅10％、氧化锌10％、氧化锶5％、氧化镁2％、氮化铝2％。该玻璃粉的软化温度为600℃，中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
上述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：(1)按照上述配比称量各组分；(2)将各组分加入混料机中混合均匀20min至均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液，熔炼温度为1200℃，保温时间为1h；(4)将玻璃液倒入25℃纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；(5)将玻璃颗粒在150℃烘干后加入球磨罐，加入球磨氧化锆珠和异丙醇分散剂球磨，氧化锆球、玻璃颗粒与分散剂的比例为6:1:1，球磨频率为20Hz，球磨时间为16h；(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
实施例4
一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒29％、氧化钡15％、氧化硼25％、氧化硅9％、氧化锌9％、氧化锶5％、氧化钙2％、氧化铝3、氮化硅3％。该玻璃粉的软化温度为595℃，中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
上述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：(1)按照上述配比称量各组分；(2)将各组分加入混料机中混合20min至均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液，熔炼温度为1650℃，保温时间为1h；(4)将玻璃液倒入25℃纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；(5)将玻璃颗粒在150℃烘干后加入球磨罐，加入球磨氧化锆珠和异丙醇分散剂球磨，氧化锆球、玻璃颗粒与分散剂的比例为7:1:1，球磨频率为22Hz，球磨时间为16h；(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
实施例5
一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒30％、氧化钡30％、氧化硼15％、氧化硅6％、氧化锌5％、氧化锶2％、氧化钙5％、氧化铝4％、氮化镓3％。该玻璃粉的软化温度为592℃，中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
上述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：(1)按照上述配比称量各组分；(2)将各组分加入混料机中混合20min至均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液，熔炼温度为1600℃，保温时间为1h；(4)将玻璃液倒入25℃纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；(5)将玻璃颗粒在150℃烘干后加入球磨罐，加入球磨氧化锆珠和异丙醇分散剂球磨，氧化锆球、玻璃颗粒与分散剂的比例为9:1:1，球磨频率为22Hz，球磨时间为14h；(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
对比例1
对比例1的玻璃粉组分与实施例2的玻璃粉组分类似，主要差别在于，对比例1中玻璃粉组分不含有氮化铟。具体来说，对比例1中玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒27％、氧化钡25％、氧化硼22％、氧化硅8％、氧化锌7％、氧化锶4％、氧化钙4％、氧化铝3％。对比例1的玻璃粉采用与实施例2相同的工艺条件制备，这里不再赘述。
将上述实施例1-5以及对比例1制得的玻璃粉用于配制PERC铝浆，并印刷覆于PERC太阳能电池片表面。观察铝浆烧结后的外观。发现实施例1-5铝浆外观良好，翘曲小于2mm，测试拉力值均不低于20N；对比例1的拉力值为19N；实施例1-5中铝浆的拉力值相比于对比例1提升在5％以上。
水煮实验。将电池片在85℃水中煮20min，之后取出观察有无起雾发黑的状况。发现实施例1-5铝浆和对比例1铝浆都无起雾发黑。
同时,测试烧结后硅片的电性能，数据结果见表1。表1中，EF为转化效率；UOC为开路电压；ISC为短路电流；RSC为并联电阻；RS为串联电阻；FF为填充因子。
表1
样品 EF(％) UOC(V) ISC(A) RSC(Ω) RS(Ω) FF(％)
实施例1 23.5 0.6811 10.530 1027 0.0021 81.91
实施例2 23.1 0.6761 10.347 1012 0.0010 82.64
实施例3 22.6 0.6788 10.197 649 0.0021 81.46
实施例4 22.8 0.6911 9.930 1245 0.0021 83.01
实施例5 22.4 0.6808 9.924 991 0.0020 82.93
对比例1 22.1 0.6660 9.9475 1006 0.0011 80.62
由表1可见，实施例1-5的转化效率都较对比例1高，太阳能电池组件的效能得到了显著提升。以实施例2为例：与对比例1相比，实施例2的转化效率提高4.5％。
上述各实施方案是对本发明的上述内容作出的进一步说明，但不应理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，其特征在于：所述玻璃粉的组成及其重量百分数为：五氧化二钒20-30％、氧化钡15-30％、氧化硼15-25％、氧化硅6-10％、氧化锌5-10％、氧化锶2-5％、碱土金属氧化物2-5％、氧化铝0-4％、含氮的钝化层腐蚀抑制剂0.01-3％；其中碱土金属氧化物为钙和/或镁的氧化物。
2.根据权利要求1所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，其特征在于：所述含氮的钝化层腐蚀抑制包括硅、铝、铟、镓的氮化物中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，其特征在于：所述含氮的钝化层腐蚀抑制剂为氮化铟。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，其特征在于：所述氧化钡和所述氧化锶的重量百分数之和为玻璃粉原料总重量的20-30％。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，其特征在于：所述玻璃粉的软化温度为570-600℃。
6.根据权利要求5所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉，其特征在于：所述玻璃粉的中值粒径2-2.5μm，最大粒径<5μm，比表面积3.5-4.5m2/g。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按照权利要求1所述配比称量各组分；
(2)将各组分加入混料机中混合均匀制得混合粉料,将混合粉料装入石英坩埚；
(3)将装有上述料粉的石英坩锅放入马弗炉熔制成为玻璃液；
(4)将玻璃液倒入纯水中，水淬制备得到玻璃颗粒；
(5)将玻璃颗粒烘干后加入球磨罐，加入球磨珠和分散剂球磨；
(6)将球磨后的玻璃粉与分散剂混合物采用500目筛网筛选，烘干除去分散剂，得到粉体粉碎，再过2500目筛，得到干燥玻璃粉。
8.根据权利要求7所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中熔炼温度为1000-1650℃，保温时间为1-2h。
9.根据权利要求8所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，球磨珠、玻璃颗粒与分散剂的比例为6-10:1:1，球磨频率为20-24Hz，球磨时间为8-16h。
10.根据权利要求9所述的PERC太阳能电池铝浆用的无铅无铋玻璃粉的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述分散剂为异丙醇。
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