丝网印刷光伏电池正面电极银浆的流变学研究

  高效光伏电池要求正银电极“细栅密植”,要获得栅线细和形貌好的正面电极,对导电银浆的要求是易过网、流平性好和高宽比大,即对浆料的流变学性能有特殊要求。印刷是一个动态过程,故传统的测试参数黏度和触变指数不能完全应用于对浆料印刷的指导。主要探讨导电银浆的流变学性能与实际印刷的关系,开发了简单的实验测量模式,通过对几种商业浆料的对比测试,发现该方法行之有效。同时,利用复杂模量和相位角可解释浆料的印刷和高效评价浆料的印刷性能。

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  正面电极作为太阳能电池的重要组成部分,主要起收集电流的作用,同时对电池的受光面和串联电阻有决定性的影响。因此,正面电极是影响太阳能电池转换效率的重要因素之一。在实验室高效晶体硅太阳能电池制造工艺中,使用成本昂贵的蒸镀工艺制作电极,如采用Ti/Pa/Ag结构来降低接触电阻,增加与硅底的附着力[1]。而在实际工业生产中,为降低生产成本,常采用导电性能优越的银浆料,用丝网印刷的工艺制作正面电极,再通过快速烧结工艺使电极与硅基底形成良好的欧姆接触[2]。电子浆料是制造厚膜元件的基础材料,是一种由固体粉末和有机溶剂经过三辊轧制混合均匀的膏状物,在现代电子科技业运用非常广泛。晶硅太阳电池有两条主栅和多条细栅平行排列在镀有氮化硅减反膜的N型半导体上,为减小遮光效应和获得较小线阻,要求线宽要小,线高要大,附着力和电导性能优良。而在实际生产中,印刷后栅线是有限制的,烧结后50μm宽、20μm高意味着要印刷出40μm宽、30μm高的栅线,而大规模的生产中往往高质量要让步于高效率,故高宽比会更小,约为70μm宽,10μm高。丝网印刷的尺寸和质量决定于印刷用模版、印刷参数、浆料性质和电池表面性质。太阳能电池的栅线制作生产技术源于PCB并作了改进[3]。在实际生产中,印刷操作员主要结合印刷技术水平与印刷参数进行结果优化,对浆料的本身性能却没有深刻的认识,不仅对不同浆料表现的可印刷性、质量以及最终栅线产生影响,还影响烧结后线的密度以及与N型硅半导体的接触效果,其中最主要的是浆料有无可优化的印刷性。现在大规模推广使用的太阳能电池浆料已经具备了良好的接触性与导电性能,而真正的瓶颈印刷适应性能的研究却无明显进展。目前广泛使用对浆料流变性表征的参数主要有两个:(1)特定剪切速率下的黏度,例如常用的剪切速率为10s-1下的黏度;(2)触变指数,也称触变系数,反映浆料在剪切力作用下的触变性,实际应用中惯用剪切率在10s-1下的黏度与100s-1下的黏度比值作触变系数值。

  这两种参数虽然在一定程度上对浆料的流变特性有表征意义,但是却不能表征最重要的印刷性能,这是由于实际印刷是一个动态的过程,在印刷前浆料几乎不受力的作用,基本处于静止状态,印刷时浆料受到很大的挤压,剪切变稀,流动性增强,从而通过丝网后沉积在硅片上,此时浆料不再受力,浆料有回弹至其初始结构的趋势。整个过程在1s内完成,浆料的黏度参数和触变指数往往不能和浆料的丝网印刷特性以及印刷后所保持的栅线形态相关,在实际应用中缺乏指导意义。因此,本研究的目的是为了更加深入地研究浆料的流变特性,特别是浆料在有和没有受力下的黏弹性的研究和表征,目的在于找出新的流变学方法模拟丝网印刷过程中的流变特性,以解释浆料在丝网印刷过程中的特性以及印刷后所保持的栅线3D形态,并与所制作的光伏电池性能相关联,从而真正对浆料开发和光伏电池的制造工艺产生指导意义。

  用于丝网印刷的正面电极导电银浆主要是由不同比例的银粉、玻璃粉和有机载体以及各种微量添加剂充分混合、均匀润湿形成的悬浮体系[4-5]。其中银粉起导电作用,印刷后烧结形成银栅线,用于收集光生电子,其质量分数为80%~90%(体积分数为30%~35%),形状一般是球形或片状晶体,0.1~5.0μm粒径,有研究称纳米级银粉与微米级银粉混合使用可降低烧结温度提高附着力[6]。少量无机添加剂玻璃粉用于烧结过程中烧穿氮化硅减反膜,烧结后在银和硅之间形成绝缘层,文献指出玻璃粉还可以促进银粉的烧结[7-9]。有机载体是将一定量的树脂在水浴条件下溶于高沸点溶剂如丁基卡必醇、DBE、松油醇等,常用树脂有不同分子量的乙基纤维素等[10],浆料性能的不同不仅与无机粉体颗粒形貌和尺寸分布有关,还与有机组成及有机体系与无机体系的相互作用有关。研究表明[11,12],树脂溶于溶剂其结构得以伸展,在溶剂体系中形成了空间网状结构,此结构与无机体系混合后经过轧制可以包裹、润湿银粉等无机成分,形成悬浮体系,悬浮体系的稳定取决于网状结构的强度,空间网状结构强表示不会因沉降而产生分层等不稳定现象。同时,有机体系的这种空间网状结构对印刷过网后浆料恢复至初始结构有重要作用,一些小分子的有机添加剂能改善浆料的流变性能。

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