摘要：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(jīng)相同工藝制得三組多晶硅太陽能電池。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率達17.63%。
能源短缺和環(huán)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(fā)電技術。鋁漿性能對晶硅太陽能電池的工藝、穩(wěn)定性以及提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率作用重大[1]。鋁漿主要由鋁粉、無機粘結(jié)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(xiàn)歐姆接觸并吸附硅基體中的雜質(zhì)原子[3]。同時在高溫燒結(jié)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(jié)過程中熔蝕鋁粉表面氧化層并且?guī)愉X粉顆粒進行重排，最終黏結(jié)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(jié)，使燒結(jié)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(fā)現(xiàn)該玻璃含量為1%時鋁層導電性能最優(yōu)，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(jié)后鋁電極性能的影響，發(fā)現(xiàn)B2O3是導致燒結(jié)后鋁電極性能不穩(wěn)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
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(xù)攪拌2-3小時。將攪拌后的漿料經(jīng)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(fā)的新配方鋁漿和相同燒結(jié)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(fā)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(jié)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(shù)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(zhì)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(jié)果如圖1所示。圖1所示結(jié)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(jié)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(jié)后形成平整的鋁層。鋁珠的出現(xiàn)不僅與鋁粉粒徑有關，還受到燒結(jié)工藝、玻璃粉成分等多種因素的影響，對比表2中的結(jié)果可知，當鋁粉中小粒徑顆粒占比較大時，鋁珠的出現(xiàn)幾率增加。此現(xiàn)象與張海珠等人研究結(jié)果相符合[6]。在高溫燒結(jié)的過程中鋁粉顆粒之間的孔隙將會收縮，收縮過程產(chǎn)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(jié)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(tài)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，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(lián)結(jié)形成優(yōu)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(jié)果如圖2所示。在高溫燒結(jié)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(zhì)量分數(shù)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(jié)合表4的結(jié)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(jié)論
1)燒結(jié)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(xiàn)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(zhuǎn)化效率。當鋁漿含玻璃粉B1（質(zhì)量分數(shù)為3%）、鋁粉A1（質(zhì)量分數(shù)為76%）時，電池性能最佳，其平均鋁層電阻率僅為27.4μ.cm，組內(nèi)平均光電轉(zhuǎn)化效率達17.63%。

原文來源：摩爾光伏