超细银粉的制备及其在太阳能电池正面银浆中的应用

摘要

近年来，石油、天然气、煤炭等不可再生资源的过度开采，世界能源供需矛盾日益尖锐。太阳能作为一种无污染、取之不尽、用之不竭的可再生能源目前已备受世界各国的亲睐，其中以晶硅太阳能电池发展最为迅速。太阳能电池正面银浆是生产晶体硅太阳能电池的关键材料之一，普遍采用高速高分辨率丝网印刷的方法将其印刷在镀有减反射膜的硅基板上，经过烘干和高温烧结后形成电极。正银浆料主要由导电功能填料银粉、无机粘结剂玻璃粉、有机载体和掺杂剂组成。国外正面银浆制备技术已经比较成熟，国内由于起步晚，加上国外对国内实行技术保密，导致国产正面银浆性能差且不稳定，其中银粉是制约正面银浆国产化的瓶颈，因此研发高档超细银粉，实现太阳能电池正面银浆国产化已经迫在眉睫。本论文主要以超细银粉为研究对象，采用液相化学还原法研究了不同分散体系制备出太阳能电池正面银浆用超细银粉的工艺，并以实验所制备得到的超细银粉制备出了正面银浆。借助环境扫描电子显微镜、激光粒度分析仪、PF-100B型振实密度测试仪和D/Max2500 X射线衍射仪对所制备得到的银粉的形貌、粒径和振实密度、结晶度情况及烧结厚膜的微观结构进行检测和分析;采用四探针测试仪和太阳能电池单体分选机测定了正面银浆的导电性能及太阳能电池的光电性能。主要研究结果如下:
　　1、采用化学液相还原法，以甲基纤维素为分散剂，抗坏血酸为还原剂，制备超细银粉。结果表明反应温度对银粉形貌有很大的影响，当温度为25℃和30℃时，银粉为不规则的类球形;当温度为40、50和60℃时，银粉为树枝状。分散剂的用量对银粉的分散性有很大的影响，随着分散剂用量的增加，银粉的分散性越好。pH值对银粉的粒度有很大的影响，随着pH增加，银粉粒度逐渐减小，当pH值为2、4、6、8和10时，所得银粉粒度分别为2.26μmn、2.02μm、1.89μm、0.92μm和0.05μm。在温度为25℃、pH值为2和甲基纤维素与抗坏血酸质量比为0.02的优化工艺下能制备出结晶度高、分散性良好、表面不规则的类球形银粉，振实密度为4.1 g·mL-1，且平均粒度为2.21μm。
　　2、对比了羧甲基纤维素与甲基纤维素的分散效果，研究结果表明:羧甲基纤维素表现出比甲基纤维素更好的分散效果，在温度为30℃，pH值为2，羧甲基纤维素与抗坏血酸质量比为0.015的优化工艺下能制备出分散性良好，表面光滑，振实密度为4.6 g·mL-1，且平均粒度为3.95μm的球形银粉。
　　3、以吐温和阿拉伯树胶混合分散剂制备的超细银粉分散性好、颗粒细小且振实密度高，更能满足细栅技术的要求，在温度为30℃，pH值为2，阿拉伯树胶、吐温与抗坏血酸质量比为0.1∶0.06∶3的优化工艺下能制备结晶多面体银粉，振实密度为5.4 g·mL-1，且平均粒度为1.5μm。此外加热及搅拌分散处理能极大地改善银粉的分散性和振实密度。
　　4、银粉的分散性对银浆的印刷性能有显著影响，颗粒细小、分散性良好的银粉配制的浆料适合丝网印刷;树枝状银粉制得的银浆烧结厚膜最疏松，表面光滑的球形银粉制得的银浆烧结厚膜最致密，厚膜附着力最大，导电性最好，烧结厚膜电阻率为0.15 mΩ·cm，厚膜附着力为4.2 N;采用表面光滑的球形银粉制得的银浆随烧结温度的升高，烧结厚膜更致密，在烧结温度为870℃时，电池光电转换效率达到最高值17.84％。