PERC背面银铝共烧缺陷显微分析及银粉对烧结的影响探讨

     PERC背面银铝共烧缺陷显微分析及银粉对烧结的影响探讨

    ,                 ,赵吉利1 ,哈敏,1,2, 李鸿晶1, ,王军1

      1、宁夏中色新材料有限公司，宁夏石嘴山市，753000

      2、宁夏稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏石嘴山市，753000

摘 要 ：使用SEM-EDS研究了 PERC太阳能电池背面银铝接触部位出现的缺陷形态和元素分布，结果表明银铝交界位置出现的掉粉、铝苞是银粉的烧结收缩程度不一致造成的。通过对背面银浆所用银粉的制备方法分析发现，银粉的形貌、结晶性、均匀性对银粉烧结成膜的一致性影响较大。测试结果表明使用还原能力强的水合肼制备的银粉形貌为类球形，粒度分布均匀，烧结活性高，成膜一致性好，电性能可以满足使用要求。

关键词：PERC电池  背面银铝交界  缺陷  银粉烧结活性  银粉还原    

  Micronmophology Analysis of PERC cell Rear Side Al/Ag Defect Area and Influence of Silver Powder on sintering

ZHAOJi-li1,HA Min1,LI Hong-jing1  WANG Jun1

1）Ning Xia China Non-ferous New Materials Company,ShiZui Shan city,753000)

2）Ning Xia State Key Laboratory of Rare Metal Material ,ShiZui Shan city,753000)

Abstract:  SEM&EDS is employed to anaylsis formation and micronmophology at defect Ag/Al contact area of PERC cell. Results indicate defects such as defluxion of Al powder and Al bud correlates with inconsistence of silver powder sintering. Through investigating preparation method of silver powder as said , micronmophology ,crystallinity and size uniformity affect Ag film consistence by sintering .Test result indicates that strong reductant such as hydrazine often yield spheric like paticle with uniform particle size distribution,which is confirmed has better sintering activity and consistent silver thick film .

 PERC太阳能电池背面银浆的评价指标有银铝接触电阻、纯银电阻、焊接拉力、老化焊接拉力、观察银铝交界微观形貌、灰度及电性能测试，这些指标都能验证银粉在PERC背面银浆的应用性能[[1]]。背面银铝接触的研究目前仅限于对两种浆料烧结过程中玻璃相[[2]]的匹配研究以及对部分烧结缺陷的研究，而没有较详细地研究银铝接触烧结显微分析并从背面银浆中银粉的角度阐述对缺陷产生的影响。因此本文试图从银粉选用的角度出发阐述银粉对背面银铝交界缺陷以及电池片电性的影响。

图1 为PERC背面银铝交界结构示意图，银浆的作用是将多块电池片通过串焊机焊接起来，由于银比铝容易焊接，且焊接处接头的强度和耐焊性更好，因此银浆起到了收集电流和串联焊接点的作用。随着PERC电池效率的优化，对背面银浆提出的要求为：⑴优化背面银浆与铝浆的接触电阻，⑵背面银浆对钝化层的腐蚀性要小，⑶背面银浆要具有良好的耐焊性。⑷银浆具有较好的细度，印刷性良好，烧成后方阻低。在印刷时先印刷背面银浆，然后在背面银浆上印刷铝浆，经过烘干后同正面银浆一起共烧完成金属化烧结。背面银铝接触是影响串阻较大的因素，当串阻增加会导致电池片开路如果银铝接触不良会导致外观缺陷“铝苞”和“铝粉掉粉”，这一类银铝共烧形成的接触不良会导致电池片电性能的下降[[3]][[4]]。 图1 为PERC太阳能电池背面银铝交界结构，在制造过程中，先印刷银浆，再印刷铝浆，PERC背面银浆一方面与氧化铝钝化层接触，另外与铝浆发生金属化烧结。在电池片工艺设计上要求银浆需要对硅片低腐蚀性，并与铝浆共烧时外观缺陷数量少，银铝接触电阻低。目前PERC太阳能电池光电转化效率为23~23.5%

[[5]]。总体来说背面银铝接触是两种不同粒径、形貌的金属粉末烧结与合金化过程，并且与铝浆和银浆中玻璃相的成份有关[[6]]。由于银和铝的导电性相近，银铝接触电阻大主要考虑是共烧发生裂缝、搭接处掉粉等物理因素，由于铝浆中铝粉颗粒尺寸和形貌相对固定，这就要求银浆中银粉颗粒于铝粉颗粒烧结匹配良好。

图1、PERC太阳能电池背面银铝交界结构（1铝浆，2银铝合金层，3 银浆，4银硅合金层，5 硅片）

     背面银浆中银粉的含量为60~65%， 银浆的烧结性能与其导电功能相银粉烧结性有关，具体来说，银粉的形貌、比表面、分散性、结晶性会影响其烧结成膜的特性，进一步影响银粉烧结收缩。目前对PERC背面银铝共烧的研究集中在玻璃粉影响方面，而对银粉对烧结的影响没有探讨。本研究尝试从银粉的特性方面探索烧结的影响。其中选用了近似比表面的微晶银粉、结晶状类球形银粉、球形银粉和片状银粉混合。有研究认为银铝界面（图1中位置2）产生的裂缝是导致串阻增加的主要原因[[7]]。图2a中铝粉颗粒与银粉颗粒烧结后中间产生明显的10~20μm的间隙，这是由于银粉发生过度的收缩，而收缩过大的原因在于银粉颗粒生产调配过程中细粉颗粒比例较大，而细粉颗粒烧结活性大相应收缩较大，导致银铝烧结匹配性差。而图2b中银铝交界处没有产生明显的间隙，这表明其接触匹配性较好。银铝交界处产生的间隙位置，通过元素点扫描分析发现其主要成分为硅和氮元素，表明银铝搭接较差，共烧后收缩直接暴露出氮化硅层。

        图 2  银铝交界处形貌（a 银铝搭接处掉粉，b 正常银铝交界处）

                图 3 银铝交界“掉粉”缺陷位置的元素能谱 

     经过显微分析发现每一个凸起位置都伴随一个“铝苞”形成，“铝苞”直径为100μm左右,而且经过对这个位置的元素分析表明其主要成份为氧化铝。“铝苞”的形成虽然不影响电池片的电性能，但是一般认为这是一种外观缺陷。由于铝的熔点小于银的熔点，因此在共烧过程中，当银粉烧结形成的多孔体使得熔融的铝液烧渗进入银浆烧结层。在微观图像上能明显观察到铝熔融后通过毛细烧渗进入银烧结层，这种现象虽然对电池片的电性能影响有限但是下游组件厂家认为这是一种外观缺陷。由于背面银浆的烧结工艺要求对钝化层的腐蚀低，并且同时保证与铝浆的匹配性、焊接位置的抗老化性。因此背面银浆要求选用的银粉为高烧结活性的细粉。银粉的还原工艺对银粉的烧结特性影响较大。选择合适的还原工艺可以制备得到不同结晶度的银粉。再经过整形调制可以得到满足使用要求的银粉。

                      图 4 银铝交界出现的“铝斑点”缺陷（ 200, 500）

      图 5 银铝交界出现的“铝苞”缺陷位置元素能谱

    目前大量的PERC背面银浆专利中对银粉的要求是通过调配将不同粒径、形貌的银粉组合在一起满足银铝共烧，尝试了将图6中a~d四款银粉调制成为背面银浆与铝浆共烧，分析银粉形貌和粒径对银铝共烧产生的影响。实验发现银粉球形度、单分散性、形貌、结晶度对烧结的影响较大，图6a 6b为结晶状类球形性银粉，使用弱还原剂“甲醛-氧化银”制备得到，其微观形貌为类球形或树枝状。6c、6d为类球形和类球形加片状银粉。在应用过程中发现6a、6b调制成为背面银浆烧结后主要问题为光电转化效率低、银铝交界处存在铝苞。而6c为强还原剂水合肼还原银氨溶液制备得到，6d为在6c基础上通过短时间球磨得到，由于银粉在机械球磨过程中发生形貌变化，银粉结晶性变差，银粉活性提高，更易于实现致密化烧结。在实际应用过程中6c 和6d更适宜调制PERC背面银浆，其与铝浆的共烧能满足电性能的要求。

         图 6   PERC背面银浆银粉显微分析（a 微晶银粉，b 结晶状类球形银粉，c 单分散球形银粉， d 单分散球形银粉掺片状银粉）

结语

1、分析了PERC背面银浆与背面铝浆共烧过程中交界处常见的异常情况以及微观形貌和元素分析，表明烧结缺陷与银粉的收缩有关；

2、通过对不同还原剂制备的相同比表面、粒度分布的银粉发现，虽然银粉的物性指标相似但是强还原剂制备得到的亚微米银粉的球形度优于甲醛还原得到的银粉；强还原剂水合肼制备的银粉在PERC背面银浆中应用性能优于弱还原剂甲醛。

参考文献            

[[1]] 杨红,苟鹏飞,朱健,吴红兵,陈浩宇.PERC背面银浆性能研究[J].东方汽轮机,2019(01):69-72+78.DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2019.01.016.

[[2]] 吴新正,刘玉杰,潘熠霄,等. 背面电极银铝交互层铝粉脱落改进研究[J]. 电工材料,2015(6):7-12. DOI:10.3969/j.issn.1671-8887.2015.06.002.  

[[3]] Kim M S,Suh Y J,Jeong J,et al.Preparation of Fine Silver Powder from Silver Phosphate by Direct Electro-reduction[J].Hydrometallurgy,2009,98(1-2):45-51．

[[4]] Machida T, Tonomura Y, Miyazawa A, et a1. Conductive Paste for Solar Cell Electrode: US, US20090095344Al[P].2009.

[[5]] 张树伟.光伏短期政策调整的长期影响猜想[J].能源,2018,116(7):35-37.

[[6]] 张杰峰. 银浆中玻璃相对银铝接触电阻及接触界面的影响研究[C]. //2018 年第十四届中国太阳级硅及光伏发电研讨会论文集. 2018:1-13.

[[7]] 马亚男,刘子英,王春燕,等. 背银浆对晶硅太阳能电池串联电阻影响的初步探讨[J]. 信息记录材料,2015,16(2):35-38,52. DOI:10.3969/j.issn.1009-5624.2015.02.008.