晶硅太阳电池丝网印刷银浆金属化及其机理研究

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丝网印刷银浆金属化是工业化晶硅太阳电池制造过程中的关键环节之一,所制备银电极的电学性质(电极电导率、Ag/Si接触电阻率等)对电池在实际应用中的能量转换效率产生至关重要的影响。晶硅电池银浆是一种以银粉为主体,同时还包含玻璃粉、有机载体等多种组成的复合体系。银浆的高温共烧结性质既复杂又微观,不仅取决于银粉自身的烧结性能,还取决于各组成之间的相互作用、银浆组份与硅表面物质的反应特性等。深入地认识和理解这些性质或行为的微观机制对于设计高质量电池银浆和提高金属化工艺技术都有着非常重要的意义。  本论文课题围绕晶硅电池银浆金属化技术的核心功能和特定应用需求,聚焦银浆高温共烧结的关键科学问题,即银浆体系中银粉的烧结性质、银浆与硅表面SiNx钝化层的烧结机制(分为Ag/Si接触型和非接触型两类);借助微结构表征、微区物相分析与电学性质测试相结合的实验手段,主要研究了影响银粉烧结性质的关键因素及作用机理、Ag/Si接触型银浆和非接触型银浆的金属化特性;重点探讨了玻璃粉在银粉烧结、SiNx钝化层侵蚀、Ag/Si欧姆接触等方面的重要影响和作用;并且针对钝化发射极及背面局域接触电池(passivated emitter and rear cell,PERC)的背面电极结构特点,详细讨论了Ag/Si非接触型银浆金属化应用的关键技术问题。  本论文的主要研究结果有:  (1)银浆体系中银粉的烧结性质很大程度上决定于银粉形貌、尺寸和颗粒聚集状态。采用具有纳米组装结构的片状或球形银粉能够获得较高的电极电导率。这是由于这类银粉的堆积密度大、烧结活性高,从而在烧结过程中晶粒生长速度快、电极结构致密度高。玻璃粉对银粉烧结的影响来自于银晶粒表面受到玻璃熔融体的溶蚀作用。这种作用会加速晶粒的生长、提高烧结致密度。然而,银晶界中存在玻璃相物质会阻碍晶粒间的电子传输。因而,随着玻璃量的增加,电极电导率先增大,然后迅速减小。  (2)Ag/Si接触型银浆金属化的关键是玻璃熔融体对SiNx钝化层的侵蚀和Ag/Si接触界面中银胶体颗粒的生成。玻璃熔融体溶解银的能力越强,冷却过程中玻璃相中析出银胶体颗粒的数目越多、尺寸越小,从而Ag/Si接触电阻率也就越小。通过降低玻璃相中网络修饰体的比例可以提高银在玻璃熔融体中的溶解度。  (3)在PERC电池背面金属化应用中,Ag/Si非接触型银浆的关键是避免破坏SiNx钝化层以及形成良好的银电极与铝电极接触。我们发现钒酸盐体系玻璃对SiNx钝化层具有极佳的反应惰性,并且银电极与铝电极的接触电阻与银浆玻璃在铝表面的浸润性有关,浸润性越好,接触电阻越大。此外,银电极的焊接强度与银粉的类型和玻璃相组成均有非常大的关系。
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