目前國(guó)產(chǎn)硅太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率獲得極大提高，國(guó)產(chǎn)鋁漿完全取代進(jìn)口鋁漿應(yīng)用在背場(chǎng)電極上，背場(chǎng)銀漿實(shí)現(xiàn)了部分國(guó)產(chǎn)化，正面柵極銀漿多數(shù)依靠進(jìn)口。
本文基于太陽(yáng)能電池電阻分析，較系統(tǒng)地介紹了硅太陽(yáng)能電池正面銀漿的各成分與基體硅的作用，及對(duì)光伏轉(zhuǎn)換效率的影響，。
硅太陽(yáng)能電池?zé)o論背場(chǎng)或向陽(yáng)主柵，燒結(jié)后電極與硅形成歐姆接觸，又稱(chēng)半導(dǎo)體金屬化；電極與硅生成夾層，也稱(chēng) Ag/Si 島。
在背場(chǎng)生成了硅鋁合金夾層，即 Al3.21Si0.47合金，厚度約 2~3 μm。
圖1 晶體硅太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻示意圖
但影響電池性能主要是正面柵極銀漿，直接決定串聯(lián)電阻大小。上海交通大學(xué)陳寧等根據(jù)Caballero 等提出的模型(如圖 1)給出了串聯(lián)電阻表達(dá)式：
式中，Rs 為總串聯(lián)電阻，Rbase 為基底電阻，Rbus 為主柵電阻，Rf為細(xì)柵線(xiàn)體電阻，Rfc 為前接觸電阻，Rsheet 為硅片表面薄層電阻，Rbc 為背面接觸電阻。
根據(jù)計(jì)算，式中的細(xì)柵電阻 Rf和前接觸電阻 Rfc 約占總串聯(lián)電阻 Rs的 1/2 (如圖 2)。
圖2 電池串聯(lián)電阻中各組成部分所占比例
增加?xùn)啪€(xiàn)高寬比提高導(dǎo)電性
根據(jù)圖 2，先降低細(xì)柵線(xiàn)體電阻 Rf。生產(chǎn)線(xiàn)的細(xì)柵線(xiàn)寬 30~40 μm，甚至更小，這是為了增加受光面積設(shè)計(jì)的。
在規(guī)定細(xì)柵線(xiàn)寬不變條件下，為了降低 Rf，就要增加線(xiàn)條高度，增加至 12 μm 以上，增加線(xiàn)條的橫截面，提高導(dǎo)電性。另一途徑，為減小Rf，增加漿料銀粉含量、減少玻璃用量，選擇燒結(jié)后殘留炭少的粘合劑。
現(xiàn)今生產(chǎn)線(xiàn)用銀漿，含銀量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為 89%~91%，玻璃含量 0.8%~1.2%，粘合劑 8.0%~12%之間。為使?jié){料有良好工藝性，銀粉形貌為球形或類(lèi)球形，粒徑 1.7~2.3 μm，松裝密度 3.9~4.5 g/cm3(或振實(shí)密度 5.0~6.0 g/cm3)。
總之，柵線(xiàn)橫截面積增大，導(dǎo)電相增加，非導(dǎo)電相減少，那么細(xì)柵線(xiàn)體電阻 Rf就會(huì)相應(yīng)降低。
圖3 電池銀-硅界面反應(yīng)過(guò)程
有研究設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體金屬化的過(guò)程(如圖 3)，后面將詳細(xì)討論它的形成過(guò)程。當(dāng)細(xì)柵線(xiàn)體電阻 Rf和前接觸電阻 Rfc 都減小了，那么串聯(lián)電阻 Rs 也會(huì)變小。
除了細(xì)柵線(xiàn)體電阻 Rf，影響串聯(lián)電阻Rs 的還有前接觸電阻 Rfc。背場(chǎng)通過(guò)制備硅鋁合金(Al3.21Si0.47)獲得夾層后形成歐姆接觸。
正面柵極中銀電極與硅基體形成合金夾層、Ag/Si 島或半導(dǎo)體金屬化。通過(guò)在銀漿摻入鈦、鈀、鋅、錫、金或金銻、金錫合金等可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體金屬化。多元共晶的熔點(diǎn)比任何單一組元的熔點(diǎn)要低，在共晶成分處進(jìn)一步降低合金化的溫度。
目前拋棄傳統(tǒng)的氧化硅或氧化鈦減反射膜工藝，改用氮化硅減反射膜。氮化硅是一種性能穩(wěn)定的陶瓷，需要解決與銀漿兼容的問(wèn)題，這是難點(diǎn)之一。
主柵及細(xì)柵遮蓋部分不產(chǎn)生光電效應(yīng)，對(duì)電池短路電流或者說(shuō)功率沒(méi)有幫助。制造小絨面，增加受光面，設(shè)計(jì)小主柵及小細(xì)柵，可以增加受光面積，但主柵及細(xì)柵體電阻會(huì)增大，這是難點(diǎn)之二。
PN 結(jié)淺、低摻雜高方阻，這是難點(diǎn)之三。印刷工藝采用高精度高速細(xì)線(xiàn)印刷，一次高溫高速燒結(jié)，要求漿料有一致性良好工藝，否則會(huì)斷柵，這是難點(diǎn)之四。生產(chǎn)線(xiàn)上細(xì)柵寬 30~40 μm，甚至更小，要求燒結(jié)后圖案清晰，線(xiàn)條邊沿?zé)o陰影，高寬比大，有限的寬度，足夠大的橫截面，以降低體電阻，提高導(dǎo)電性，這是難點(diǎn)之五。
銀粉是漿料導(dǎo)電相，是焊接基體，主要用化學(xué)還原法制備。實(shí)踐證明，最好用球形或類(lèi)球形銀粉。
由于銀粉直接影響電池正面細(xì)柵線(xiàn)體電阻、印刷工藝的一致性及可焊性，所以其他形狀的銀粉，如片狀、樹(shù)枝狀、絮狀、納米級(jí)的、不規(guī)則的都不適用，燒結(jié)時(shí)是否易擊穿 PN結(jié)也是主要考量因素。
傳統(tǒng)的電子漿料，玻璃僅起功能相與基本的粘結(jié)作用。
在晶體硅太陽(yáng)能電池柵極漿料中，玻璃有三大作用：
3) 在燒結(jié)過(guò)程中，還原氧化物產(chǎn)生單質(zhì)元素與硅反應(yīng)生成共晶或金屬間化合物，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化。反應(yīng)產(chǎn)生的 Ag/Si 島數(shù)量、質(zhì)量、密度，直接影響細(xì)柵線(xiàn)前接觸電阻 Rfc。
老工藝電池用玻璃以硼硅鉛為主。太陽(yáng)能電池制造工藝改進(jìn)后，硼硅鉛玻璃已不適用。
實(shí)驗(yàn)證明，氧化硼會(huì)影響電性能，硼硅鉛玻璃向鉛-硅-鉍玻璃過(guò)渡。
現(xiàn)生產(chǎn)的銀漿用鉛-碲玻璃，也有用鉛-鉍-碲玻璃。為改善玻璃的性能，還添加其他金屬氧化物，諸如 MoO3、Ta2O5和 SiO2、Al2O3等，可以降低玻璃粘度和表面張力。
堿金屬或堿土金屬(Na、K、Ca和 Ba)氧化物，能改善溶解和沉淀動(dòng)力學(xué)。有的添加 TiO2 或納米 ZnO。有的學(xué)者主張用軟化點(diǎn)不同的玻璃混合，但實(shí)際操作比較困難。還有熔制玻璃時(shí)加入少量 Ag2O，但含 Ag2O 的玻璃硅太陽(yáng)能電池漏電偏大。加入 Au2O，會(huì)還原生成金單質(zhì)，與硅共晶，金的功函數(shù)略比硅大。
電子漿料用粘合劑由樹(shù)脂、有機(jī)溶劑、潤(rùn)滑劑、分散劑、流平劑、觸變劑等組成，與粉末混合軋制，達(dá)到粘度和細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)，適合絲網(wǎng)印刷，烘燒后得到設(shè)計(jì)圖案，殘留炭份少等即可。
柵極銀漿的普及應(yīng)用，一方面是選用物理性能合格的球形銀粉，提高銀含量，減少玻璃含量，制備印刷性能優(yōu)良的粘合劑，燒結(jié)后柵線(xiàn)有足夠大的高寬比，增加線(xiàn)條橫截面積，使細(xì)柵線(xiàn)體電阻 Rf達(dá)到最小值。
另一方面，選用了 Pb-Te系玻璃，燒結(jié)時(shí)還原生成鉛和碲單質(zhì)及其化合物，與硅基體形成共晶導(dǎo)電夾層，使前接觸電阻 Rfc 達(dá)到最小值。
當(dāng)其他電阻不變情況下，硅太陽(yáng)能電池獲得最小的串聯(lián)電阻Rs，電池轉(zhuǎn)換效率就得到提高。
晶體硅太陽(yáng)能電池工作壽命是廣大一次性投資用戶(hù)最關(guān)心的，在文獻(xiàn)中已討論過(guò)。目前壽命定為25 年。
組件長(zhǎng)期暴露在野外，正反兩面電極及焊接點(diǎn)氧化、硫化，導(dǎo)致細(xì)柵線(xiàn)體積電阻 Rf、前接觸電阻 Rfc、背場(chǎng)電阻增大，轉(zhuǎn)換效率下降。
焊接會(huì)影響串聯(lián)電阻，據(jù) King 等報(bào)告，焊接造成組件功率每年降 0.5%。以此類(lèi)推，在野外惡劣條件下，加上其他因素，25 年壽命是困難的。提高電池使用壽命，以及舊電池的回收資源化，都應(yīng)列入考慮之列。
碲化鎘太陽(yáng)能電池已制造成功，稱(chēng)為“墻壁”式發(fā)電廠(chǎng)。據(jù)最新報(bào)道英國(guó)牛津光伏太陽(yáng)能公司制造了一種鍍鈣鈦礦(黑色)的減反射膜，光伏電池平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 27.3%，比現(xiàn)生產(chǎn)的約高 1/3。
來(lái)源：晶體硅太陽(yáng)能電池正面銀漿的作用機(jī)制，譚浩巍
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