高固含晶體硅太陽能電池雙面鋁漿研究 總結：

摘要: 為研發(fā)出更高固含量的鋁漿，將苯乙烯–馬來酸酐共聚物(SMA)引入到鋁漿中，多角度表征并分析了SMA對鋁漿性能的影響。流變性能測試和沉降實驗結果表明：SMA分子通過吸附在鋁粉表面以提高鋁漿的分散性和穩(wěn)定性，添加量為0.6% (質量分數(shù))時效果最好。當固含量為80%的鋁漿中含有SMA時，漿料具有良好的印刷性，鋁柵線線寬約148.13 μm，線電阻率約1.3 × 10?5 Ω·cm。

綱要：

一方面，電池背面鋁柵線越窄越好，以便于減少漿料的遮光面積和形成效果更好的鈍化層 [7]，有利于提高電池片的光電轉換效率 [8]；另一方面，鋁柵線越窄，則柵線的截面積越小，線電阻增大，不利于載流子的收集與傳輸。因此，漿料的發(fā)展趨勢之一是開發(fā)出性能穩(wěn)定的高固含鋁漿，以滿足縮窄柵線線寬而不影響線電阻率的需求。固含量的增加會進一步增大鋁漿的分散難度 [9]，這就迫切需要篩選和應用更高效的分散劑。苯乙烯–馬來酸酐共聚物(SMA)及其衍生物 [10] [11] 是一類兩親型高分子聚合物，苯乙烯基團和馬來酸酐基團分別構成親油鏈段和親水鏈段，對粉體具有多個吸附位點，分散效果好，廣泛應用于油墨、涂料、皮革等領域。2. 實驗在80℃加熱條件下，將SMA (工業(yè)級)加入到丁基卡必醇醋酸酯溶劑中，攪拌至清澈透明的溶液，以便添加使用。在相同的剪切速率條件下，隨著SMA添加量的增加，鋁漿的粘度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。經(jīng)理論分析，A2的沉降機理可概括為：初始時，懸浮液中鋁粉均勻地分散在溶劑里，顆粒間保持著一定的距離，如圖3所示。在相同固含量的前提下，添加SMA會使?jié){料粘度降低，這有利于高固含鋁漿的制備。實驗中，不含SMA、固含量為80%的鋁漿粘度大和透網(wǎng)性差，不能通過絲網(wǎng)印刷方式在硅片上形成完整的柵線，這不滿足漿料的發(fā)展需求。Table 1. The test results of Al line prepared by two kinds of Al past表1. 兩種鋁漿制備鋁柵線的測試結果4. 結論1) 探索了SMA對鋁粉的作用機理：SMA分子通過吸附在鋁粉表面以降低顆粒間的相互作用。

內容：

1. 引言

隨著晶體硅太陽能電池的更新?lián)Q代和生產(chǎn)工藝的逐漸優(yōu)化，PERC電池(鈍化發(fā)射極和背面接觸電池)成為了新一代主流的商品化太陽能電池 [1]

雙面PERC電池是一種以鋁柵線為背電極的電池結構，能同時利用照射在電池正面和背面的入射光，是一種簡單而高效的降本方式 [1] [2] [3]

鋁漿性能的優(yōu)劣對電池片的光電轉換效率有著顯著地影響，應用于雙面PERC電池的鋁漿簡稱為雙面鋁漿 [4] [5] [6]

雙面鋁漿通過絲網(wǎng)印刷方式在硅片上形成鋁柵線，從多個角度影響著電池的性能

一方面，電池背面鋁柵線越窄越好，以便于減少漿料的遮光面積和形成效果更好的鈍化層 [7]，有利于提高電池片的光電轉換效率 [8]；另一方面，鋁柵線越窄，則柵線的截面積越小，線電阻增大，不利于載流子的收集與傳輸

因此，漿料的發(fā)展趨勢之一是開發(fā)出性能穩(wěn)定的高固含鋁漿，以滿足縮窄柵線線寬而不影響線電阻率的需求

固含量的增加會進一步增大鋁漿的分散難度 [9]，這就迫切需要篩選和應用更高效的分散劑

苯乙烯–馬來酸酐共聚物(SMA)及其衍生物 [10] [11] 是一類兩親型高分子聚合物，苯乙烯基團和馬來酸酐基團分別構成親油鏈段和親水鏈段，對粉體具有多個吸附位點，分散效果好，廣泛應用于油墨、涂料、皮革等領域

為提高鋁漿的分散效果和制備更高固含量的鋁漿，該文將SMA作為助劑添加到鋁漿中

在僅改變SMA添加量的前提下，從流變儀測試和沉降實驗兩個角度衡量SMA對鋁粉的影響，并分析其作用機理；通過制備不同固含量的鋁漿，進一步表征SMA對鋁漿分散穩(wěn)定性的影響；印刷含有SMA的鋁漿，測試SMA對鋁漿印刷性和導電性的影響，為產(chǎn)業(yè)化鋁漿的優(yōu)化提供了一個參考

2. 實驗在80℃加熱條件下，將SMA (工業(yè)級)加入到丁基卡必醇醋酸酯溶劑中，攪拌至清澈透明的溶液，以便添加使用

主要實驗內容：以鋁粉(粒度分布D90 = 13.42 μm)和丁基卡必醇醋酸酯為原料來制備固含量為20%的懸浮液(質量分數(shù)，下同)，表征有無SMA對懸浮液沉降過程的影響；制備一系列不同SMA添加量、固含量為76%的鋁漿，分析SMA含量對鋁漿流變性能的影響；將SMA添加量為0.6%、不同固含量的鋁漿在50℃條件下儲存14天，測試其粘度變化，以表征SMA對鋁漿分散穩(wěn)定性的影響

分別將含有0.6%SMA、固含量為78%和80%的鋁漿記為樣品1#和2#，在未開槽的硅片上進行測試，驗證SMA對鋁漿印刷性和導電性的影響

使用旋轉流變儀(TA-DHR-2)測試鋁漿的流變性能；采用自然沉降法表征懸浮液的沉降過程；使用電熱恒溫鼓風干燥箱(DHR-9123A)進行烘干處理；使用掃描電子顯微鏡SEM觀察鋁珠的團聚現(xiàn)象；使用傅立葉紅外光譜儀(IFAffinity-1S)進行紅外光譜測試；使用Brookfield粘度計測量鋁漿在10 rpm時粘度；使用ASYS印刷機(XPRT2)進行絲網(wǎng)印刷，網(wǎng)版開口為110 μm；使用非接觸式3D光學輪廓儀(ContourGT)測量鋁柵線的形貌；使用智能直流低電阻測試儀(TH2512B)測量柵線的線電阻

3. 結果與討論3.1. SMA添加量對鋁漿流變性能的影響粘度和屈服應力是兩個極其關鍵的流變學參數(shù)，常用于衡量不同漿料間的流動性和分散效果，

圖1為含有不同SMA添加量的鋁漿的粘度曲線



Figure 1. Viscosity curve of Al pastes with different SMA content

圖1. 不同SMA添加量的鋁漿的粘度曲線從

圖1可知，四種鋁漿的粘度均隨著剪切速率的增加而不斷降低，說明微量的SMA不會影響鋁漿的剪切稀化特性，可以滿足絲網(wǎng)印刷工藝的基本需求

在相同的剪切速率條件下，隨著SMA添加量的增加，鋁漿的粘度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢

SMA的作用效果與其添加量密切相關，SMA的添加量為0.6%時，其對應鋁漿的粘度最低，分散效果最好

一般而言，屈服應力主要取決于漿料內部各組分間形成的分子間力和鋁粉顆粒間的相互作用

通過Bingham模型 [4] 估算出鋁漿的屈服應力，不含SMA的鋁漿的屈服應力約320 Pa，而含有0.6%SMA鋁漿的屈服應力約202 Pa

添加SMA可以顯著地降低鋁漿的粘度和屈服應力值，這間接說明SMA對鋁漿的內部網(wǎng)絡結構有著直接的影響，降低了鋁粉顆粒間的相互作用

3.2. 沉降實驗

圖2為兩種懸浮液(A1不添加SMA，A2含有0.6%SMA)在不同時刻的沉降情況

沉降過程簡述為：初始時，兩種懸浮液均分散良好，整體透光性相同，如

圖2(a)所示；

圖2(b)為靜置10分鐘時沉降結果，懸浮液出現(xiàn)明顯的分界線(紅色箭頭標記處)，上層懸浮液中鋁粉濃度降低，下層懸浮液中鋁粉濃度增大

A2的分界線明顯高于A1，這說明A2的沉降速率比A1慢

兩種懸浮液隨著靜置時間的延長，兩者之間差異逐漸減小，靜置24小時，懸浮液中鋁粉都完全沉降，固液兩相分明，如

圖2(c)所示



(a) 初始時(b) 靜置10分鐘 (c) 靜置24小時

Figure 2. Sedimentation of two suspensions at different time

圖2. 兩種懸浮液不同時刻的沉降情況根據(jù)Stokes沉降定律，粒度較大的鋁粉顆粒會因為自身重力而快速沉降，而粒度較小的鋁粉則會因為布朗運動而發(fā)生團聚現(xiàn)象，隨著團聚體尺寸的增大而緩慢沉降

從圖2可知，A2的沉降過程由于SMA的影響而與A1不同

經(jīng)理論分析，A2的沉降機理可概括為：初始時，懸浮液中鋁粉均勻地分散在溶劑里，顆粒間保持著一定的距離，如

圖3所示

當懸浮液中含有SMA后，一方面，SMA分子會吸附在鋁粉表面，可以長期穩(wěn)定地維持著顆粒間的距離，進而延緩鋁粉間的團聚行為

另一方面，由于SMA分子間的纏結作用，鋁粉間出現(xiàn)弱絮凝現(xiàn)象，不同顆粒的沉降速率相互影響，最終表現(xiàn)出大部分鋁粉以相近的、緩慢的速率進行沉降 [12]



Figure 3. Schematic diagram of dispersion mechanism of SMA on Al powder

圖3. SMA對鋁粉的分散機理示意圖

圖4是圖2(b)上層懸浮液經(jīng)烘干后的SEM圖

從圖4可見，A1表現(xiàn)出明顯的團聚現(xiàn)象，鋁粉含量相對較多，但A2單顆粒分布較多，鋁粉含量相對較少

結合沉降過程可知，SMA使小粒徑鋁粉的沉降速度提高，但整體的沉降速度降低

因此，懸浮液A1的沉降現(xiàn)象符合Stokes沉降定律，A2的沉降現(xiàn)象與前文機理分析相符合

圖5是圖2(c)下層沉淀物及鋁粉經(jīng)烘干處理后的紅外光譜圖與鋁粉的紅外譜

圖相比，A1沉淀物沒有出現(xiàn)其它吸收峰，這說明在烘干過程中，溶劑幾乎完全揮發(fā)，沉淀物表面無殘留

然而，A2沉淀物出現(xiàn)明顯的額外吸收峰，表明鋁粉表面有殘留的有機物，這說明確實有部分SMA會吸附在鋁粉表面，吸附機理與異丁烯–馬來酸酐共聚物相類似 [13]



Figure 4. SEM of A1/A2 upper suspension after drying

圖4. A1/A2上層懸浮液烘干后SEM

圖



Figure 5. Infrared absorption spectrum of A1/A2 lower sediment after drying

圖5. A1/A2下層沉淀物烘干后紅外譜

圖3.3. SMA對鋁漿穩(wěn)定性的影響對于硅片金屬化工藝而言，研發(fā)出高固含、分散穩(wěn)定性好的鋁漿是制備出高精度鋁柵線的關鍵

良好的穩(wěn)定性意味著鋁粉與有機相之間相容性好，便于儲存及使用

圖6為不同固含量(74%~80%)鋁漿的粘度測試結果，隨著鋁粉固含量的增加，顆粒間的距離逐漸減小、相互作用增強，體系粘度隨之增大

在相同固含量的前提下，添加SMA會使?jié){料粘度降低，這有利于高固含鋁漿的制備

在固含量為80%時，不含SMA的鋁漿粘度已經(jīng)超過可印刷范圍

此外，經(jīng)過熱儲工藝后，鋁漿粘度都有著不同程度的上升，不含SMA的鋁漿粘度平均上升幅度高達13%，而含有SMA的鋁漿粘度平均上升幅度為7%，這說明SMA對鋁粉有良好的吸附作用，可以提高鋁漿的分散穩(wěn)定性



Figure 6. Viscosity test of Al paste with different solid content

圖6. 不同固含量鋁漿的粘度測試3.4. 鋁漿印刷性能測試對于高效PERC電池而言，具有優(yōu)秀印刷性的高固含鋁漿，可以印刷出形貌好、電阻低的鋁柵線，有利于電池性能的提高 [14]

實驗中，不含SMA、固含量為80%的鋁漿粘度大和透網(wǎng)性差，不能通過絲網(wǎng)印刷方式在硅片上形成完整的柵線，這不滿足漿料的發(fā)展需求

然而，含0.6% SMA、固含量為80%的鋁漿2#樣品可以印刷出塑形良好、邊沿整齊的鋁柵線，

圖7給出了2#樣品鋁柵線的光學掃描輪廓圖

Figure 7. Optical scanning profile of Al line (2# sample)

圖7. 鋁柵線的光學掃描輪廓

圖(2#樣品)表1

樣品編號	線寬/μm	線高/μm	線電阻率/1 × 10?5 Ω·cm
1#	161.37	26.87	1.6
2#	148.13	28.52	1.3

中1#樣品的固含量為78%，由于其粘度低，流動性較強，鋁柵線的線寬比2#樣品增大了13 μm左右

同時，SMA的起始分解溫度低，經(jīng)燒結工藝后殘留少，對鋁柵線的線電阻率基本沒有影響，而通過提高鋁漿的固含量，使線電阻率降低，有利于載流子的傳輸

Table 1. The test results of Al line prepared by two kinds of Al past表1

樣品編號	線寬/μm	線高/μm	線電阻率/1 × 10?5 Ω·cm
1#	161.37	26.87	1.6
2#	148.13	28.52	1.3

. 兩種鋁漿制備鋁柵線的測試結果4. 結論

1) 探索了SMA對鋁粉的作用機理：SMA分子通過吸附在鋁粉表面以降低顆粒間的相互作用

SMA添加量過少或過多都不能獲得良好的分散效果，實驗中添加量為0.6%時，分散效果最好

2) 針對鋁粉的分散穩(wěn)定性問題，測試了SMA對不同固含量鋁漿穩(wěn)定性的影響

添加SMA可以有效地提高鋁漿的穩(wěn)定性、緩解鋁漿的粘度增大問題，有利于高固含鋁漿的進一步開發(fā)和應用

3) 添加SMA可以改善鋁粉的分散性，鋁漿粘度降低

固含量高達80%的鋁漿具有可印刷性，鋁柵線的線寬約148.13 μm，線電阻率約1.3 × 10?5 Ω·cm

基金項目江蘇省科技成果轉化專項資金(BA2017117)

參考文獻

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