CN113880435A - 一种perc背面银浆用改性玻璃粉及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及PERC太阳能电池领域，公开了一种PERC背面银浆用改性玻璃粉及其制备方法和应用。所述改性玻璃粉包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的偶联剂，其制备方法包括以下步骤：将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；对均混料进行熔炼后，制得均一的玻璃液；对玻璃液进行水淬后，制得粗玻璃粉；将粗玻璃粉与偶联剂混合后，进行研磨，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。本发明的改性玻璃粉能在确保背面银浆附着力和老化附着力的情况下，在一定程度上减少玻璃粉对钝化层的腐蚀，从而提高PERC电池的电性能，且制备工艺简单，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及PERC太阳能电池领域，尤其涉及一种PERC背面银浆用改性玻璃粉及其制备方法和应用。
背景技术
太阳能是一种可再生的清洁能源。太阳能发电不会像其他传统能源那样产生温室气体。光伏技术的应用不仅可以缓解现阶段的能源问题，而且可以缓解环境污染问题。因此，提高光伏组件的质量，降低光伏发电成本是光伏发展永恒的趋势。
具有背面钝化和局部铝接触的PERC太阳能电池(Passivated Emitter and RearCell)的概念于1989年首次提出。近年来，PERC太阳能电池得到了飞速发展，并成为最重要的高效光伏产品之一。与常规的晶体硅太阳能电池不同，PERC太阳能电池要求在烧结过程中背面银浆对SiNx/Al2O3钝化层起保护作用，同时为保证组件质量，背电极需要满足一定的焊接性能。
PERC背面银浆由导电相银粉、粘结相玻璃粉、有机载体和其他助剂组成。其中，有机载体的主要作用是提供银粉和玻璃粉的分散和印刷成型，银粉主要提供导电功能，而玻璃粉虽然在整个浆料中比重只占1-5％，但是对背电极的电性能和焊接性能起到了至关重要的作用，若玻璃粉在烧结过程中将背面钝化层腐蚀，虽然能获得较高的附着力，但由于背面钝化层被破坏，PERC电池的电性能将明显降低。
目前，玻璃粉的成分调配、形貌控制、粒径控制和软化温度控制的报道比较广泛，而对玻璃粉的改性却比较少。中国专利CN109761504A公开了一种PERC电池背面银浆用玻璃粉活化镀银工艺，通过在玻璃粉上镀一层纳米银粒子，一方面能利用纳米银的高活性在烧结过程中降低玻璃粉的软化温度，改善玻璃熔体的流动性，促进电极形成致密的导电网络，降低电池串联电阻，提高电池填充因子；另一方面可以通过控制银@玻璃粉复合粉体的纳米银含量，改善电极与基体接触的机械强度，进而可在低温烧结条件下获得可靠的接触。不过，该改性工艺过程复杂，不利于实际工业化生产。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种PERC背面银浆用改性玻璃粉及其制备方法和应用。该改性玻璃粉能在确保背面银浆附着力和老化附着力的情况下，提高PERC电池的电性能，且制备工艺简单，适于工业化生产。
本发明的具体技术方案为：
一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的偶联剂。
本发明通过在玻璃粉表面接枝偶联剂，能够减少高温烧结过程中玻璃粉对PERC太阳能电池钝化层的腐蚀，具体机制如下：在高温烧结过程中，改性玻璃粉表面接枝的基团会分解吸热而带走一部分能量，使玻璃粉的流动性降低，从而减少其对钝化层的腐蚀；同时，表面基团还能发挥物理阻隔作用，减少玻璃粉与钝化层接触，从而阻碍玻璃粉对钝化层的腐蚀。由于该改性玻璃粉对钝化层的腐蚀较少，因而能提高PERC太阳能电池的电性能(包括提高开路电压、短路电流和填充因子，降低串联电阻等)；并且，由于偶联剂的接枝没有改变玻璃粉的成分，因此，当将偶联剂的接枝量控制在一定范围内时，其对背面银浆的附着力和老化附着力的影响可忽略不计。
此外，偶联剂的接枝只需要通过研磨即可完成，易于工业化操作，且不需要更换原有技术设备或工艺。
作为优选，所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。
本发明的玻璃粉改性窗口宽，通过改变偶联剂类型及其用量，可获得不同性质的改性玻璃粉，可调控性较高。当采用不同的背面银浆、PERC太阳能电池片和电极烧结温度时，可通过试验确定最适的偶联剂类型和用量。
作为优选，所述偶联剂为含有烯基的硅烷偶联剂。
烯基分解能吸收较多的热量，因此，含有烯基的硅烷偶联剂(例如KH570等)能在烧结过程中带走较多的热量，有利于降低玻璃粉的流动性，减少其对钝化层的腐蚀，从而提高电池电性能。
当采用这些偶联剂时，其接枝到玻璃粉表面的基团更易分解吸热(或者吸收的热量更多)，因而能更好地发挥减少钝化层腐蚀的作用，进一步提高PERC太阳能电池的电性能。
作为优选，所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 30-45份，B2O3 5-20份，SiO2 20-30份，Al2O3 5-20份，CuO 1-20份，MnO2 1-15份，ZnO 1-10份，Na2CO3 1-5份和CaO1-5份组成，总重量份为100份。
作为优选，D50为0.1-1.5μm，D90为2-8μm。
作为优选，软化温度为600-800℃，析晶温度为700-900℃。
一种所述改性玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)对均混料进行熔炼后，制得均一的玻璃液；
(3)对玻璃液进行水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将粗玻璃粉与偶联剂混合后，进行研磨，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
作为优选，步骤(2)中，所述熔炼的温度为1100-1400℃，时间为30-60min。
作为优选，步骤(4)中，所述粗玻璃粉与偶联剂之间的质量比为100:0.1-2。
当偶联剂的相对用量过小时，能以有效减少玻璃粉对钝化层的腐蚀，会造成PECR电池的电性能较差；而当偶联剂的相对用量过大时，会导致玻璃粉对钝化层的腐蚀程度过低，造成背面银浆的附着力和老化附着力明显减小。本发明将粗玻璃粉与偶联剂的用量控制在100:0.1-2的范围内，能够较大幅度地提高PECR电池的电性能，同时保持背面银浆的附着力和老化附着力几乎不变。
作为优选，步骤(4)中，采用球磨的方式进行研磨，转速为100-200r/min，研磨时间为12-24h。
一种PERC背面银浆，包括以下原料：银粉、有机载体、助剂和所述改性玻璃粉。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的改性玻璃粉能在确保背面银浆附着力和老化附着力的情况下，在一定程度上减少玻璃粉对钝化层的腐蚀，从而实现PERC电池电性能的提高；
(2)本发明的改性玻璃粉制备简便，易于工业化操作，且不需要更换原有技术设备或工艺。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的偶联剂。所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂，优选为含有烯基的硅烷偶联剂。所述改性玻璃粉的D50为0.1-1.5μm，D90为2-8μm，软化温度为600-800℃，析晶温度为700-900℃。
所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 30-45份，B2O3 5-20份，SiO2 20-30份，Al2O3 5-20份，CuO 1-20份，MnO2 1-15份，ZnO 1-10份，Na2CO3 1-5份和CaO 1-5份组成，总重量份为100份。
一种所述改性玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)将均混料在1100-1400℃下熔炼30-60min后，制得均一的玻璃液；
(3)对玻璃液进行水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将粗玻璃粉与偶联剂按100:0.1-2的质量比混合后，以100-200r/min的转速球磨12-24h，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
一种PERC背面银浆，包括以下原料：银粉、有机载体、助剂和所述改性玻璃粉。
实施例1
一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的硅烷偶联剂KH570。所述改性玻璃粉的D50为0.8-0.9μm，D90为3-5μm，软化温度为650-700℃，析晶温度为800-850℃。
所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 36份，B2O3 6份，SiO2 22份，Al2O3 6份，CuO 10份，MnO2 12份，ZnO 1份，Na2CO3 2份和CaO 5份组成。
一种所述改性玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)将均混料置于石英坩埚中，而后放入马弗炉中，在1250℃下熔炼40min后，制得均一的玻璃液；
(3)将玻璃液用去离子水快速水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将100g粗玻璃粉与1g硅烷偶联剂KH570加入球磨罐中，以200r/min的转速球磨18h，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
一种PERC背面银浆，按重量份计，包括以下原料：银粉60份，有机载体37.5份，改性玻璃粉1.5份，助剂1份。该PERC背面银浆的制备方法包括以下步骤：
S1：将乙基纤维素加入到丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、松油醇和醇酯十二的混合溶剂中，在85℃水浴环境下，恒温搅拌至乙基纤维素完全溶解，冷却至室温，获得稳定均一的有机载体；
S2：将银粉、有机载体、改性玻璃粉、助剂按配比混合均匀后，经三辊轧机研磨和不锈钢滤网过滤，获得PERC背面银浆。
实施例2
一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的硅烷偶联剂KH560。所述改性玻璃粉的D50为0.9-1.0μm，D90为2.5-4.5μm，软化温度为600-660℃，析晶温度为720-790℃。
所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 44份，B2O3 10份，SiO2 22份，Al2O35份，CuO 10份，MnO2 4份，ZnO 1份，Na2CO3 2份和CaO 2份组成。
一种所述改性玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)将均混料置于石英坩埚中，而后放入马弗炉中，在1300℃下熔炼35min后，制得均一的玻璃液；
(3)将玻璃液用去离子水快速水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将250g粗玻璃粉与1.5g硅烷偶联剂KH560加入球磨罐中，以150r/min的转速球磨22h，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
一种PERC背面银浆，按重量份计，包括以下原料：银粉55份，有机载体42份，改性玻璃粉2份，助剂1份。该PERC背面银浆的制备方法包括以下步骤：
S1：将乙基纤维素加入到丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、松油醇和醇酯十二的混合溶剂中，在85℃水浴环境下，恒温搅拌至乙基纤维素完全溶解，冷却至室温，获得稳定均一的有机载体；
S2：将银粉、有机载体、改性玻璃粉、助剂按配比混合均匀后，经三辊轧机研磨和不锈钢滤网过滤，获得PERC背面银浆。
实施例3
一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的硅烷偶联剂KH550。所述改性玻璃粉的D50为0.6-0.8μm，D90为2.0-4.0μm，软化温度为650-720℃，析晶温度为810-870℃。
所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 32份，B2O3 8份，SiO2 23份，Al2O3 8份，CuO 20份，MnO2 3份，ZnO 2份，Na2CO3 3份和CaO 1份组成。
一种所述改性玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)将均混料置于石英坩埚中，而后放入马弗炉中，在1150℃下熔炼40min后，制得均一的玻璃液；
(3)将玻璃液用去离子水快速水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将200g粗玻璃粉与0.5g硅烷偶联剂KH550加入球磨罐中，以200r/min的转速球磨20h，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
一种PERC背面银浆，按重量份计，包括以下原料：银粉63份，有机载体34.5份，改性玻璃粉1份，助剂1.5份。该PERC背面银浆的制备方法包括以下步骤：
S1：将乙基纤维素加入到丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、松油醇和醇酯十二的混合溶剂中，在85℃水浴环境下，恒温搅拌至乙基纤维素完全溶解，冷却至室温，获得稳定均一的有机载体；
S2：将银粉、有机载体、改性玻璃粉、助剂按配比混合均匀后，经三辊轧机研磨和不锈钢滤网过滤，获得PERC背面银浆。
实施例4
一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的三异硬脂酰基钛酸异丙酯。所述改性玻璃粉的D50为0.7-1.0μm，D90为2.8-5.0μm，软化温度为650-720℃，析晶温度为810-870℃。
所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 40份，B2O3 5份，SiO2 20份，Al2O310份，CuO 15份，MnO2 5份，ZnO 1份，Na2CO3 2份和CaO 2份组成。
一种所述改性玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)将均混料置于石英坩埚中，而后放入马弗炉中，在1200℃下熔炼40min后，制得均一的玻璃液；
(3)将玻璃液用去离子水快速水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将500g粗玻璃粉与1g三异硬脂酰基钛酸异丙酯加入球磨罐中，以180r/min的转速球磨16h，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
一种PERC背面银浆，按重量份计，包括以下原料：银粉56份，有机载体41份，改性玻璃粉2.5份，助剂0.5份。该PERC背面银浆的制备方法包括以下步骤：
S1：将乙基纤维素加入到丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、松油醇和醇酯十二的混合溶剂中，在85℃水浴环境下，恒温搅拌至乙基纤维素完全溶解，冷却至室温，获得稳定均一的有机载体；
S2：将银粉、有机载体、改性玻璃粉、助剂按配比混合均匀后，经三辊轧机研磨和不锈钢滤网过滤，获得PERC背面银浆。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)中，硅烷偶联剂KH570的用量为0.1g，其余原料和制备方法均与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)中，硅烷偶联剂KH570的用量为2g，其余原料和制备方法均与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，将硅烷偶联剂KH570换成异辛基三甲氧基硅烷。
对比例1
一种玻璃粉，按重量份计，包括以下原料：Bi2O3 36份，B2O3 6份，SiO2 22份，Al2O36份，CuO 10份，MnO2 12份，ZnO 1份，Na2CO3 2份和CaO 5份组成。
一种所述玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
(2)将均混料置于石英坩埚中，而后放入马弗炉中，在1250℃下熔炼40min后，制得均一的玻璃液；
(3)将玻璃液用去离子水快速水淬后，制得粗玻璃粉；
(4)将100g粗玻璃粉加入球磨罐中，以200r/min的转速球磨18h，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
一种PERC背面银浆，按重量份计，包括以下原料：银粉60份，有机载体37.5份，玻璃粉1.5份，助剂1份。该PERC背面银浆的制备方法包括以下步骤：
S1：将乙基纤维素加入到丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、松油醇和醇酯十二的混合溶剂中，在60℃水浴环境下，恒温搅拌至乙基纤维素完全溶解，冷却至室温，获得稳定均一的有机载体；
S2：将银粉、有机载体、玻璃粉、助剂按配比混合均匀后，经三辊轧机研磨和不锈钢滤网过滤，获得PERC背面银浆。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(4)中，硅烷偶联剂KH570的用量为0.05g，其余原料和制备方法均与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(4)中，硅烷偶联剂KH570的用量为2.5g，其余原料和制备方法均与实施例1相同。
测试例
采用实施例1-7和对比例1-3制备的PERC背面银浆，按常规方法制备成太阳能电池片，即将背面银浆经丝网印刷于PERC晶体硅太阳能电池背电极，烘干，并与PERC背面铝浆和PERC正面银浆共烧，形成背电极。对烧结后的太阳能电池片进行电性能测试、焊接拉力测试和老化拉力测试，其中，电性能测试包括开路电压(Uoc)、填充因子(FF)、光电转换效率(Eta)和串联电阻(Rs)。测试结果如表1所示。
表1
| Uoc/mV | FF/％ | Eta/％ | Rs/mΩ | 焊接拉力/N | 老化拉力/N | |
| 实施例1 | 687.1 | 80.88 | 22.82 | 2.48 | 6.0 | 4.8 |
| 实施例2 | 686.3 | 80.87 | 22.79 | 2.51 | 5.9 | 4.6 |
| 实施例3 | 687.0 | 80.92 | 22.85 | 2.45 | 6.3 | 5.0 |
| 实施例4 | 686.7 | 80.89 | 22.80 | 2.49 | 5.6 | 4.4 |
| 实施例5 | 686.7 | 80.83 | 22.80 | 2.50 | 6.0 | 5.0 |
| 实施例6 | 687.0 | 80.88 | 22.83 | 2.48 | 5.7 | 4.9 |
| 实施例7 | 686.4 | 80.85 | 22.79 | 2.50 | 5.9 | 4.8 |
| 对比例1 | 685.8 | 80.72 | 22.75 | 2.52 | 5.8 | 4.7 |
| 对比例2 | 686.1 | 80.80 | 22.78 | 2.51 | 5.9 | 4.7 |
| 对比例3 | 686.8 | 80.84 | 22.83 | 2.48 | 5.2 | 4.0 |
| 现有产品 | 685.7 | 80.85 | 22.76 | 2.54 | 5.4 | 2.8 |
从表1可以看出，相较于市售的现有产品而言，实施例1-7采用本发明的改性玻璃粉，其电池的电性能明显提高(对于PERC太阳能电池而言，电性能的提升难度很高，Uoc提高0.5mV左右，FF和Eta提高0.02％左右，Rs减小0.02mΩ左右，即具有显著效果)，且老化附着力也有所提高。
实施例1与对比例1的区别在于，实施例1中采用的是经偶联剂改性的玻璃粉，而对比例1中则是未经改性的玻璃粉。从表1可以看出，相较于对比例1而言，实施例1的电池电性能明显提高，而附着力和老化附着力没有明显变化。推测原因在于：在高温烧结过程中，改性玻璃粉表面接枝的基团会分解吸热而带走一部分能量，使玻璃粉的流动性降低，从而减少其对钝化层的腐蚀，同时，表面基团还能发挥物理阻隔作用，减少玻璃粉与钝化层接触，从而阻碍玻璃粉对钝化层的腐蚀，进而提高PERC太阳能电池的电性能；并且，由于偶联剂的接枝没有改变玻璃粉的成分，因此，当将偶联剂的接枝量控制在一定范围内时，对背面银浆的附着力和老化附着力的影响可忽略不计。
实施例1、5、6和对比例2、3中，粗玻璃粉与偶联剂的质量比分别为100:1、100:0.1、100:2、100:0.05、100:2.5。从表1可以看出，实施例1、5、6的电池电性能明显优于对比例1，且附着力和老化附着力与对比例1相近；而对比例2的电池电性能较差，对比例3的附着力和老化附着力明显低于对比例1。推测原因在于：当偶联剂的相对用量过小时，难以有效减少玻璃粉对钝化层的腐蚀，会造成PECR电池的电性能较差；而当偶联剂的相对用量过大时，会导致玻璃粉对钝化层的腐蚀程度过低，造成背面银浆的附着力和老化附着力明显减小。而本发明将粗玻璃粉与偶联剂的用量控制在100:0.1-2的范围内，能够较大幅度地提高PECR电池的电性能，同时保持背面银浆的附着力和老化附着力几乎不变。
实施例1与实施例7的区别在于，实施例1中采用的是含有烯基的硅烷偶联剂KH570，实施例7中采用的是异辛基三甲氧基硅烷。从表1可以看出，相较于实施例7而言，实施例1的电池电性能较高。推测原因在于：烯基分解能吸收较多的热量，因此，相含有烯基的硅烷偶联剂能在烧结过程中带走较多的热量，有利于降低玻璃粉的流动性，减少其对钝化层的腐蚀，从而提高电池电性能。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种PERC背面银浆用改性玻璃粉，其特征在于，包括玻璃粉和接枝在玻璃粉表面的偶联剂。
2.如权利要求1所述的改性玻璃粉，其特征在于，所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。
3.如权利要求2所述的改性玻璃粉，其特征在于，所述偶联剂为含有烯基的硅烷偶联剂。
4.如权利要求1所述的改性玻璃粉，其特征在于，所述玻璃粉按重量份计，包括以下原料：Bi2O330-45份，B2O3 5-20份，SiO2 20-30份，Al2O3 5-20份，CuO 1-20份，MnO2 1-15份，ZnO1-10份，Na2CO3 1-5份和CaO 1-5份组成，总重量份为100份。
5.如权利要求1所述的改性玻璃粉，其特征在于，D50为0.1-1.5μm，D90为2-8μm。
6.如权利要求1所述的改性玻璃粉，其特征在于，软化温度为600-800℃，析晶温度为700-900℃。
7.一种如权利要求1-6之一所述改性玻璃粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将玻璃粉的所有原料混合均匀后，制得均混料；
（2）对均混料进行熔炼后，制得均一的玻璃液；
（3）对玻璃液进行水淬后，制得粗玻璃粉；
（4）将粗玻璃粉与偶联剂混合后，进行研磨，经烘干、过筛，获得PERC背面银浆用改性玻璃粉。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述粗玻璃粉与偶联剂之间的质量比为100:0.1-2。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，采用球磨的方式进行研磨，转速为100-200r/min，研磨时间为12-24h。
10.一种PERC背面银浆，其特征在于，包括以下原料：银粉、有机载体、助剂和如权利要求1-6之一所述改性玻璃粉。
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