鉅大LARGE | 點擊量：1420次 | 2019年01月18日
鋁漿對多晶硅太陽能電池性能的影響
為探究鋁漿中鋁粉以及玻璃粉對晶硅太陽能電池性能的影響，采用不同粒徑級配鋁粉以及不同組分的玻璃粉制備了三種鋁漿，并用此三種鋁漿經相同工藝制得三組多晶硅太陽能電池。通過對比分析發現，當小粒徑鋁粉（小于5μm）占比大于50%時，鋁層導電性能明顯提升，但表面容易析出鋁珠，增加硅片的不平整度；含鉛玻璃粉能有效提升電池的光電轉化效率，同時減少再生層厚度，使電池翹曲度降低。最佳工藝組合條件下，太陽能電池的光電轉換效率達17.63%。
能源短缺和環境污染等問題變得日益突出，晶硅太陽能電池已成為當前最為成熟的光伏發電技術。鋁漿性能對晶硅太陽能電池的工藝、穩定性以及提升太陽能電池的光電轉化效率作用重大[1]。鋁漿主要由鋁粉、無機粘結劑和有機載體組成[2]。
鋁粉可以與硅基體形成鋁硅合金層，實現歐姆接觸并吸附硅基體中的雜質原子[3]。同時在高溫燒結中鋁與硅相互擴散，最終在硅基體的背面形成鋁摻雜背電場，從而延長少子壽命，提升電池的輸出特性。玻璃粉是鋁漿的重要組成成分，能夠在高溫燒結過程中熔蝕鋁粉表面氧化層并且帶動鋁粉顆粒進行重排，最終黏結鋁粉顆粒形成致密的導電鋁層。同時玻璃粉可以促進鋁層與硅基體黏結，使燒結后的鋁層附著力顯著提升[4-5]。因此，玻璃粉的成分與含量對于電池的各項性能都有重要影響。
用于晶硅太陽能電池的鋁漿配方與制備工藝已獲得廣泛研究。張海珠等對比研究了玻璃粉含量、鋁粉粒徑分布以及卵磷脂含量對于太陽能電池的影響[6]。馬亞紅等研究了不同級配的球形鋁粉對于鋁電極膜性能的影響[7]。朱鵬等研究了鋁粉粒徑、玻璃粉熔點以及惰性填料對于太陽能電池性能的影響[8]。張劍宇等以Bi2O3、B2O3和ZnO為主要原料制備了一種無鉛玻璃粉，發現該玻璃含量為1%時鋁層導電性能最優，且電池耐水煮性能隨著玻璃粉含量的減少而有所提升[9]。張宏等研究了Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO玻璃中B含量對燒結后鋁電極性能的影響，發現B2O3是導致燒結后鋁電極性能不穩定的主要因素[10]。本文對比研究了含鉛玻璃粉與鉍系無鉛玻璃粉對于電池性能的影響，同時進一步研究了鋁粉粒徑對于電池的影響。
1實驗
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
將松油醇、乙基纖維素、丁基卡必醇、卵磷脂以及其他有機助劑按比例混合，在100℃條件下恒溫攪拌2小時作為有機載體備用。將有機載體、玻璃粉以及鋁粉按照重量比21：3：76混合，并持續攪拌2-3小時。將攪拌后的漿料經由三輥研磨機研磨5-7次形成分散均勻的鋁漿。采用不同粒徑級配的鋁粉A1、A2以及不同成分的玻璃粉B1、B2，按前述步驟制備3種鋁漿樣品。采用研發的新配方鋁漿和相同燒結工藝制度，制備了156×156mm2的P型襯底多晶硅電池。電池組編號分別為C1（對應鋁漿含鋁粉A1、玻璃粉B1）、C2（鋁漿含鋁粉A2、玻璃粉B1）、C3（鋁漿含鋁粉A1、玻璃粉B2）。分別對含有鋁粉A1、A2的鋁漿取樣，在300℃條件下干燥2小時，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察干燥后的鋁粉形貌。采用四探針測試儀測試鋁層電阻率。采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP-AES）分析玻璃粉的成分。用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察電池片斷面形貌。用太陽能全自動測試分選機測試電池光電性能(AM1.5,100mW/cm2,25°C)。采用塞尺測量電池翹曲。
2結果與討論
2.1鋁粉粒徑的影響
鋁粉A1、A2具有不同的粒徑級配，其粒徑參數如表1所示。由表1可以看出，兩種鋁粉都是由不同粒徑的鋁粉顆粒復配而成，鋁粉A1中直徑小于5μm的鋁粉顆粒質量占比約為80%，鋁粉A2中顆粒直徑在5μm以上的粗鋁粉比重較大。兩種鋁粉中不同粒徑范圍的鋁粉均占有一定比重。大的鋁粉顆粒容易形成連貫的導電通路，但是存在較大的空隙。小粒徑的鋁粉顆粒則可以起到填充的效果，使導電鋁層更加致密。為進一步了解兩種鋁粉制成鋁漿后的填充效果，分別將含有鋁粉A1、A2的兩種鋁漿取樣并烘干，采用SEM觀察烘干后的鋁漿形貌，結果如圖1所示。圖1所示結果與表1中鋁粉粒徑分布相對應，可以看出兩種鋁粉都具有良好的填充效果，由于A1鋁粉中小粒徑顆粒的含量更高，其填充效果更加致密。
觀察C1、C2兩組電池片的背面外觀情況，并使用四探針法對背面鋁層導電性能進行測試，結果如表2所示。對比兩組電池片的背面外觀可見，兩種鋁粉雖然中位粒徑不同，但都具有光滑平整的外觀，說明鋁層外觀主要受到鋁粉粒徑配比的影響，只要粒徑分布適宜，大小鋁粉顆粒之間匹配恰當，則可以在燒結后形成平整的鋁層。鋁珠的出現不僅與鋁粉粒徑有關，還受到燒結工藝、玻璃粉成分等多種因素的影響，對比表2中的結果可知，當鋁粉中小粒徑顆粒占比較大時，鋁珠的出現幾率增加。此現象與張海珠等人研究結果相符合[6]。在高溫燒結的過程中鋁粉顆粒之間的孔隙將會收縮，收縮過程產生的壓應力與鋁粉粒徑成反比，小粒徑鋁粉顆粒的比表面積較大，燒結壓應力也更高，過多的小粒徑鋁粉將導致嚴重的收縮，從而擠壓熔融狀態中的鋁粉形成鋁珠。對比兩組電池背面鋁層的平均電阻率可知，由于A1鋁粉的填充效果更好，其膜層的導電性能也得以提升。
2.2玻璃粉成分的影響
由表3可知，玻璃粉B1主要含有鉛元素，玻璃粉B2為鉍系無鉛玻璃。分別使用玻璃粉B1和B2的電池平均性能如表4所示。對照表3和表4的結果可以發現，含鉛玻璃粉B1可以改善電池片的電性能。玻璃粉中的鉛元素對于鋁粉表面的氧化層具有較強的熔蝕作用，因此含鉛玻璃粉B1可以更好地促進鋁粉聯結形成優良的導電通道，同時有利于鋁硅元素的相互擴散，從而提升鋁摻雜背電場的性能[12-14]。對比電池組C1與C2性能可知，鋁漿含鋁粉A1與玻璃粉B1時，電池性能最佳。
隨著制造工藝的升級，晶硅太陽電池片的厚度不斷減少，造成電池片的翹曲變形日益嚴重。對比表4中兩組電池片的翹曲度可知，玻璃粉B1有利于降低電池的翹曲度。為探究其原因，從兩組電池中各選取一片電池，用SEM觀察其斷面形貌，結果如圖2所示。在高溫燒結的過程中，硅基體與鋁層之間會形成一個新的薄層即再生層。再生層又分為鋁硅合金層（硅質量分數約為12%）和鋁摻雜背電場層。研究表明電池的翹曲度會隨著再生層的厚度增加而增大[15]。從圖2中可以看出，使用玻璃粉B1的電池具有更薄的鋁硅合金層，其厚度約為2μm，使用玻璃粉B2的電池合金層厚度約為6μm。結合表4的結果可知，兩組電池的背電場厚度均在6μm左右，因此合金層更薄意味著再生層的厚度也更小，從而電池的翹曲問題將得到改善。
3結論
1)燒結后鋁層的平整性主要受到鋁粉粒徑級配的影響，當小于5μm的鋁粉含量較多時容易出現鋁珠。C1組電池片的平均鋁層電阻率相對于C2組減少了約11%，表明鋁粉A1的粒徑級配能夠有效提升鋁層導電性能。
2)鋁漿組分為玻璃粉B1時，鋁硅間再生層的厚度很小，電池平均翹曲度為1.0~1.1μm。玻璃粉B1可以使電池的鋁硅合金層厚度減少到2μm左右，有利于降低電池片的翹曲度。
3)使用玻璃粉B1，相同工藝條件下能增加背電場厚度，提升光伏電池的光電轉化效率。當鋁漿含玻璃粉B1（質量分數為3%）、鋁粉A1（質量分數為76%）時，電池性能最佳，其平均鋁層電阻率僅為27.4μ.cm，組內平均光電轉化效率達17.63%。
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