高固含晶體硅太陽能電池雙面鋁漿研究 總結(jié)：

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(duì)鋁漿性能的影響。流變性能測(cè)試和沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)效果最好。當(dāng)固含量為80%的鋁漿中含有SMA時(shí)，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(zhuǎn)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(shì)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(huì)進(jìn)一步增大鋁漿的分散難度 [9]，這就迫切需要篩選和應(yīng)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(tuán)和馬來酸酐基團(tuán)分別構(gòu)成親油鏈段和親水鏈段，對(duì)粉體具有多個(gè)吸附位點(diǎn)，分散效果好，廣泛應(yīng)用于油墨、涂料、皮革等領(lǐng)域。2. 實(shí)驗(yàn)在80℃加熱條件下，將SMA (工業(yè)級(jí))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(shì)。經(jīng)理論分析，A2的沉降機(jī)理可概括為：初始時(shí)，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(huì)使?jié){料粘度降低，這有利于高固含鋁漿的制備。實(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果4. 結(jié)論1) 探索了SMA對(duì)鋁粉的作用機(jī)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(nèi)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(jié)構(gòu)，能同時(shí)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(duì)電池片的光電轉(zhuǎn)換效率有著顯著地影響，應(yīng)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(gè)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(zhuǎn)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(shì)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(huì)進(jìn)一步增大鋁漿的分散難度 [9]，這就迫切需要篩選和應(yīng)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(tuán)和馬來酸酐基團(tuán)分別構(gòu)成親油鏈段和親水鏈段，對(duì)粉體具有多個(gè)吸附位點(diǎn)，分散效果好，廣泛應(yīng)用于油墨、涂料、皮革等領(lǐng)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(cè)試和沉降實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度衡量SMA對(duì)鋁粉的影響，并分析其作用機(jī)理；通過制備不同固含量的鋁漿，進(jìn)一步表征SMA對(duì)鋁漿分散穩(wěn)定性的影響；印刷含有SMA的鋁漿，測(cè)試SMA對(duì)鋁漿印刷性和導(dǎo)電性的影響，為產(chǎn)業(yè)化鋁漿的優(yōu)化提供了一個(gè)參考

2. 實(shí)驗(yàn)在80℃加熱條件下，將SMA (工業(yè)級(jí))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(shí)驗(yàn)內(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，表征有無SMA對(duì)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(duì)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(chǔ)存14天，測(cè)試其粘度變化，以表征SMA對(duì)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(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證SMA對(duì)鋁漿印刷性和導(dǎo)電性的影響

使用旋轉(zhuǎn)流變儀(TA-DHR-2)測(cè)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(fēng)干燥箱(DHR-9123A)進(jìn)行烘干處理；使用掃描電子顯微鏡SEM觀察鋁珠的團(tuán)聚現(xiàn)象；使用傅立葉紅外光譜儀(IFAffinity-1S)進(jìn)行紅外光譜測(cè)試；使用Brookfield粘度計(jì)測(cè)量鋁漿在10 rpm時(shí)粘度；使用ASYS印刷機(jī)(XPRT2)進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，網(wǎng)版開口為110 μm；使用非接觸式3D光學(xué)輪廓儀(ContourGT)測(cè)量鋁柵線的形貌；使用智能直流低電阻測(cè)試儀(TH2512B)測(cè)量柵線的線電阻

3. 結(jié)果與討論3.1. SMA添加量對(duì)鋁漿流變性能的影響粘度和屈服應(yīng)力是兩個(gè)極其關(guān)鍵的流變學(xué)參數(shù)，常用于衡量不同漿料間的流動(dòng)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(huì)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(shì)

SMA的作用效果與其添加量密切相關(guān)，SMA的添加量為0.6%時(shí)，其對(duì)應(yīng)鋁漿的粘度最低，分散效果最好

一般而言，屈服應(yīng)力主要取決于漿料內(nèi)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(yīng)力，不含SMA的鋁漿的屈服應(yīng)力約320 Pa，而含有0.6%SMA鋁漿的屈服應(yīng)力約202 Pa

添加SMA可以顯著地降低鋁漿的粘度和屈服應(yīng)力值，這間接說明SMA對(duì)鋁漿的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)

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

沉降過程簡述為：初始時(shí)，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(shí)沉降結(jié)果，懸浮液出現(xiàn)明顯的分界線(紅色箭頭標(biāo)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(shí)間的延長，兩者之間差異逐漸減小，靜置24小時(shí)，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(shí)(b) 靜置10分鐘 (c) 靜置24小時(shí)

Figure 2. Sedimentation of two suspensions at different time

圖2. 兩種懸浮液不同時(shí)刻的沉降情況根據(jù)Stokes沉降定律，粒度較大的鋁粉顆粒會(huì)因?yàn)樽陨碇亓Χ焖俪两?，而粒度較小的鋁粉則會(huì)因?yàn)椴祭蔬\(yùn)動(dòng)而發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著團(tuán)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(jī)理可概括為：初始時(shí)，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(dāng)懸浮液中含有SMA后，一方面，SMA分子會(huì)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(jìn)而延緩鋁粉間的團(tuán)聚行為

另一方面，由于SMA分子間的纏結(jié)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(jìn)行沉降 [12]



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

圖3. SMA對(duì)鋁粉的分散機(jī)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(tuán)聚現(xiàn)象，鋁粉含量相對(duì)較多，但A2單顆粒分布較多，鋁粉含量相對(duì)較少

結(jié)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(jī)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(jī)物，這說明確實(shí)有部分SMA會(huì)吸附在鋁粉表面，吸附機(jī)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(duì)鋁漿穩(wěn)定性的影響對(duì)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(guān)鍵

良好的穩(wěn)定性意味著鋁粉與有機(jī)相之間相容性好，便于儲(chǔ)存及使用

圖6為不同固含量(74%~80%)鋁漿的粘度測(cè)試結(jié)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(qiáng)，體系粘度隨之增大

在相同固含量的前提下，添加SMA會(huì)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(shí)，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(chǔ)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(dá)13%，而含有SMA的鋁漿粘度平均上升幅度為7%，這說明SMA對(duì)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(cè)試3.4. 鋁漿印刷性能測(cè)試對(duì)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(shí)驗(yàn)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(xué)掃描輪廓圖

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

圖7. 鋁柵線的光學(xué)掃描輪廓

圖(2#樣品)表1

樣品編號(hào)	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(dòng)性較強(qiáng)，鋁柵線的線寬比2#樣品增大了13 μm左右

同時(shí)，SMA的起始分解溫度低，經(jīng)燒結(jié)工藝后殘留少，對(duì)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(hào)	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(cè)試結(jié)果4. 結(jié)論

1) 探索了SMA對(duì)鋁粉的作用機(jī)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(shí)驗(yàn)中添加量為0.6%時(shí)，分散效果最好

2) 針對(duì)鋁粉的分散穩(wěn)定性問題，測(cè)試了SMA對(duì)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(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)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(dá)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(xiàng)目江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金(BA2017117)

參考文獻(xiàn)

[1]	Tang, H.B., Ma, S., Lv, Y., et al. (2020) Optimization of Rear Surface Roughness and Metal Grid Design in Industrial Bifacial PERC Solar Cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 216, Article ID: 110712. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110712
[2]	Kraub, K., Fertig, F., Greulich, J., et al. (2016) BiPERC Silicon Solar Cells Enabling Bifacial Applications for Industrial Solar Cells with Passivated Rear Sides. Physica Status Solidi, 213, 68-71.
[3]	Min, B., Muller, M., Wagner, H., et al. (2017) A Roadmap toward 24% Efficient PERC Solar Cells in Industrial Mass Production. IEEE Journal of Photovoltaics, 7, 1541-1550. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2749007
[4]	張宏, 沈劍. 纖維素對(duì)光伏電池電極鋁漿流變性能的影響[J]. 電子元件與材料, 2014, 33(9): 25-29.
[5]	Joonwichien, S., Mochizuki, T., Shirasawa, K., et al. (2017) Effects of Different Particle-Sized Al Pastes on Rear Local Contact Formation and Cell Performance in Passivated Emitter Rear Cells. Energy Procedia, 124, 412-417. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.265
[6]	Joonwichien, S., Utsunomiya, S., Kida, Y., et al. (2018) Im-proved Rear Local Contact Formation Using Al Paste Containing Si for Industrial PERC Solar Cell. IEEE Journal of Photovoltaics, 8, 54-58. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2767604
[7]	Dullweber, T., Kranz, C., Peibst, R., et al. (2016) PERC+: Industrial PERC Solar Cells with Rear Al Grid Enabling Bifaziality and Reduced Al Paste Consumption. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 24, 1487-1498.
[8]	Kranz, C., Wolpensinger, B., Rrendel, R., et al. (2016) Analysis of Local Aluminum Rear Contacts of Bifacial PERC+ Solar Cells. IEEE Journal of Photovoltaics, 6, 1-7. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2016.2551465
[9]	李燕華, 左川, 王成, 等. 電子漿料抗沉降技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電子元件與材料, 2020, 39(9): 1-11.
[10]	Qian, T., Zhong, Y., Mao, Z.P., et al. (2019) The Comb-Like Modi-fied Styrene-Maleic Anhydride Copolymer Dispersant for Disperse Dyes. Journal of Applied Polymer Science, 136, 1-7. https://doi.org/10.1002/app.47330
[11]	Pavithra, K.S., Yashoda, M.P., Prasannakumar, S., et al. (2020) Viscosity and Thermal Conductivity of ZnO-Water-Based Nanofluids Stabilized by Grafted SMA-g-MPEG Comb-Shaped Co-polymer for Heat Transfer Applications. Iranian Polymer Journal, 29, 185-196. https://doi.org/10.1007/s13726-020-00784-x
[12]	王錦, 李東紅, 康樂. 超細(xì)氧化鋁漿料流變性及穩(wěn)定性能研究[J]. 輕金屬, 2019(1): 14-17+33.
[13]	林小清, 王浩鍵, 梁若繁, 等. 陶瓷添加劑ISOBAM對(duì)氧化鋁漿料流變性能的影響[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2021, 40(4): 1338-1343.
[14]	Kranz, C., Baumann, U., Wolpensinger, B., et al. (2016) Void Formation in Screen-Printed Local Aluminum Contacts Modeled by Surface Energy Minimization. Solar Energy Materials and Solar Cells, 158, 11-18. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.06.039