太陽能電池用導電銀漿的性能探究

＊王柯柯 李曉凱 王琪 李明茂 歐惠 熊仕顯*

（1.江西理工大學 國際創新研究院 江西 330013 2.南昌大學 物理與材料學院 江西 330031 3.新余學院 新能源科學與工程學院 江西 338004）

1.引言

由于化石能源的過度開采和不合理使用，導致了嚴重的環境污染，最為明顯的是CO2的過度排放[1]。近年來，國家“雙碳”政策的實施推動了清潔能源的發展，如核能、風能、太陽能[2]。由國際能源機構（IEA）推算，全球未來三年內，清潔能源60%的增量都來源于太陽能光伏發電[3]。太陽能電池是太陽能光伏發電的重要手段之一[4]，對于開發太陽能電池需要關注的是降低成本和提高效率[5]。晶硅電池是實際應用最廣泛的太陽能電池，其基本組成為導電銀漿、鋼化玻璃、減反射層和電池板芯片。其中，導電銀漿成本在非硅材料中占比第一[6]。通過印刷工藝、高溫燒結等處理后的銀漿（銀柵），是導電電極與外部電路進行連接的媒介[7]。導電銀漿性能直接影響整塊電池板的導電性與度電成本，因此制備出具有自主知識產權的高性能低成本的導電銀漿迫在眉睫[8]。導電銀漿的主要成分有銀粉、有機載體和玻璃粉[9]，其中銀粉和有機載體是導電銀漿的主要原料。本文重點探究了銀粉粒徑、銀粉形貌、有機溶劑和有機添加劑對導電銀漿的電性能、流動性的影響，對降低導電銀漿成本有一定的借鑒作用。

2.銀粉對銀漿性能的影響

(1)銀粉的粒徑對銀漿性能的影響

太陽能電池銀漿主要使用微納米級銀粉，其具有表面電阻低、松裝密度高等優點[10]。銀粉的粒徑過大或過小都會影響銀漿的導電性和附著力[11]。為探究銀粉粒徑對銀漿性能的影響，選用了3種不同粒徑的銀粉a、b和c，a為納米級銀粉，D50=0.5μm；b為微米級銀粉，D50=2.5μm；c為兩種粒徑(a)和(b)的混合銀粉，比例為n(a):n(b)=1:4，所配比的銀漿為SPa、SPb和SPc。未燒結不同粒徑銀粉的掃描電鏡圖如圖1（a）～（c）所示，測得三種銀層的方阻分別為0.95mΩ/□、1.3mΩ/□和0.8mΩ/□。從燒結后銀層表面形貌圖1（d）～（f）可以看出，納米級銀粉a完全熔融，形成致密的銀層。不同的是納米級銀粉所需燒結溫度相比于其他銀粉較低，在加熱燒結時非常容易與粘結劑無鉛玻璃粉同時融化，這將與基底表面迅速接觸，從而影響了玻璃粉對基底表層的腐蝕，結果造成銀層的附著力減小，嚴重影響導電性能，如圖1（g）所示。反之，微米級銀粉如果在高溫條件下快速燒結，整個熔化過程不完全，部分銀粉將保持原有形貌，即球形，致使銀層出現大量空洞，如圖1（e）所示，該銀層方阻較大。而混合銀粉c則能明顯改變上述兩種銀粉的缺陷，主要原因是納米級銀粉熔點低，溶化過程中會促進微米級銀粉的熔解，從而形成較致密的銀層，導致燒結后的SPc銀層方阻最小，附著力最好，形貌如圖1（f）和（i）所示。

圖1 不同粒徑的銀粉燒結前后掃描電鏡圖

(2)銀粉的形貌對銀漿性能的影響

銀粉的形貌會對銀漿燒結后銀膜的結構產生影響，從而影響電池片的性能[12]。為探究銀粉形貌對銀漿性能的影響，本研究采用了三種不同形貌的銀粉a、b、c，其中a形貌為樹枝狀；b是空心球狀；c為混合銀粉，比例為n（樹枝狀）:n（空心球）=3:7，銀漿分別命名為SPa、SPb和SPc。如圖2a～c所示，不同形貌的銀粉燒結前掃描電鏡圖，測得三種銀層的方阻分別為4.44mΩ/□、2.9mΩ/□和2.46mΩ/□。如圖1（d）所示，樹枝狀銀粉制備的銀漿燒結后形成的厚膜過于疏松且附著力不好[13]，因此SPa的導電性能最差；空心球狀銀粉制備的銀漿燒結后性的厚膜內部孔洞過多，使得SPb的導電性能不穩定，如圖1（e）所示；而空心球狀/樹枝狀混合銀粉c顆粒之間的接觸更加致密[14]，銀粉之間的導電通路明顯增加，使得銀粉c制成的銀漿厚膜的方阻有所提高，且厚膜孔洞明顯減少，如圖1（f）所示。

圖2 不同形貌的銀粉燒結前后掃描電鏡圖

3.有機載體對銀漿性能的影響

(1)有機溶劑對銀漿性能的影響

有機載體的揮發特性極易受到溶劑揮發特性的影響，但是有機載體的揮發特性是決定膜層質量的關鍵[15-16]。實驗過程中，如果有機溶劑揮發性很強，這種特性會提高印刷漿料黏度，容易堵塞印刷絲網；相反，如果有機溶劑揮發較慢，絲網印刷后的導電銀漿很難烘干，影響燒結效果，進而形成缺陷結構；如果有機溶劑揮發相對集中，烘干燒結后極易在銀漿膜層表面形成大量孔洞和明顯的微裂紋等缺陷[17]。不能忽略的是，載體的揮發特性也是影響漿料長時間穩定性存放的關鍵因素，制備銀漿時要平衡以上因素的影響。

實驗選用了松油醇、丙三醇和丁基卡必醇進行測試，從圖3可見，松油醇的揮發性較強，其次是丁基卡必醇，丙三醇的揮發性較弱。經過長時間印刷或存放后沸點小于200℃的溶劑在，揮發過程中會大幅增加有機載體黏度，改變了銀漿的電阻特性；改用沸點大于300℃的有機溶劑時，溶劑不容易干燥的特性會使得銀漿在燒結時，改變有機溶劑的揮發特性，從而形成缺陷結構，即空洞形貌，會使得銀漿的導電性能降低。由以上分析可知，選擇導電銀漿用有機載體的溶劑時，應該在常壓下將沸點控制在在200～300℃之間，該溫度區間有利于形成較好形貌的銀漿。

圖3 單溶劑揮發速率

大量研究結果表明[18]，當使用單一溶劑制成的載體時，銀漿在存放、印刷過程中極易揮發，從而使得銀漿漿料黏度增加。但是采用不容易揮發載體時，銀漿經烘干處理后，銀漿膜層邊緣結構不齊。正是由于溶劑的集中揮發導致層面出現缺陷針孔結構，使導電性能降低。因此，本研究采用混合溶劑法來制作有機載體以達到調節其揮發特性的效果。所以，本實驗研究了不同比例松油醇和丁基卡必醇組成的混合溶劑的揮發特性，揮發曲線及含量見圖4和表1。

圖4 混合溶劑揮發速率

表1 松油醇和丁基卡必醇混合溶劑含量表

從揮發曲線上可以看出，松油醇和丁基卡必醇為6:4時的混合溶劑分層揮發性較好，且揮發性能特征最為明顯。在70～130℃范圍內，揮發曲線的上升幅度小，處于曲線的第一級，在130～170℃范圍內，溶劑開始快速揮發，揮發曲線上升幅度增大，出現曲線的第二級，在170℃之后，揮發曲線的上升比第二級更加明顯，呈現出曲線的第三級。綜上所述，混合溶劑表現為多級揮發狀態，低溫揮發穩定，高溫揮發迅速。

(2)有機添加劑對銀漿性能的影響

導電銀漿漿料制備過程中所采用的有機載體，不但要求載體之間要具有良好的相容性，而且要求有機載體與無鉛玻璃料的相容性要好，這樣才能制備出連續的、致密的、性能優異的導電銀漿[19]。將5%的無鉛低熔點玻璃粉依次加入按照表2所配制的有機載體配方，充分攪拌，利用超聲分散45min，轉存至10ml量筒中，靜置360h。實驗結果表明乙基纖維素含量為6%時無明顯分層現象，其余皆有明顯的分層現象。由此可以確定當乙基纖維素含量為6%時，有機載體與玻璃料充分相溶。

表2 不同乙基纖維素含量的有機載體配方（%）

4.結論

銀粉和有機載體作為導電銀漿的主要原料，其特征影響太陽能電池的性能。本文研究了銀粉粒徑、銀粉形貌、有機溶劑和有機添加劑對導電銀漿的電性能影響。利用納米級銀粉和微米級銀粉以1:4比例混合制備出的導電銀漿經燒結后能形成致密的銀層，呈現出較低的方阻，且附著力性能提升；此外，單獨使用樹枝狀銀粉不適用于制備導電銀漿，但可以和其他形貌銀粉混合使用，樹枝狀銀粉和空心球狀銀粉比例為3:7混合可以得到導電性能良好的導電銀漿，也可以降低導電銀漿的成本；制備導電銀漿時，采用合適比例的有機載體和有機添加劑有利于提升導電銀漿的性能。