铝浆对多晶硅太阳能电池性能的影响

作者: | 发布日期: 2017 年 12 月 26 日 15:41 | 分类: 行业知识

摘要:为探究铝浆中铝粉以及玻璃粉对晶硅太阳能电池性能的影响,采用不同粒径级配铝粉以及不同组分的玻璃粉制备了三种铝浆,并用此三种铝浆经相同工艺制得三组多晶硅太阳能电池。通过对比分析发现,当小粒径铝粉(小于5μm)占比大于50%时,铝层导电性能明显提升,但表面容易析出铝珠,增加硅片的不平整度;含铅玻璃粉能有效提升电池的光电转化效率,同时减少再生层厚度,使电池翘曲度降低。最佳工艺组合条件下,太阳能电池的光电转换效率达17.63%。
能源短缺和环境污染等问题变得日益突出,晶硅太阳能电池已成为当前最为成熟的光伏发电技术。铝浆性能对晶硅太阳能电池的工艺、稳定性以及提升太阳能电池的光电转化效率作用重大[1]。铝浆主要由铝粉、无机粘结剂和有机载体组成[2]。

铝粉可以与硅基体形成铝硅合金层,实现欧姆接触并吸附硅基体中的杂质原子[3]。同时在高温烧结中铝与硅相互扩散,最终在硅基体的背面形成铝掺杂背电场,从而延长少子寿命,提升电池的输出特性。玻璃粉是铝浆的重要组成成分,能够在高温烧结过程中熔蚀铝粉表面氧化层并且带动铝粉颗粒进行重排,最终黏结铝粉颗粒形成致密的导电铝层。同时玻璃粉可以促进铝层与硅基体黏结,使烧结后的铝层附着力显著提升[4-5]。因此,玻璃粉的成分与含量对于电池的各项性能都有重要影响。
用于晶硅太阳能电池的铝浆配方与制备工艺已获得广泛研究。张海珠等对比研究了玻璃粉含量、铝粉粒径分布以及卵磷脂含量对于太阳能电池的影响[6]。马亚红等研究了不同级配的球形铝粉对于铝电极膜性能的影响[7]。朱鹏等研究了铝粉粒径、玻璃粉熔点以及惰性填料对于太阳能电池性能的影响[8]。张剑宇等以Bi2O3、B2O3和ZnO为主要原料制备了一种无铅玻璃粉,发现该玻璃含量为1%时铝层导电性能最优,且电池耐水煮性能随着玻璃粉含量的减少而有所提升[9]。张宏等研究了Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO玻璃中B含量对烧结后铝电极性能的影响,发现B2O3是导致烧结后铝电极性能不稳定的主要因素[10]。本文对比研究了含铅玻璃粉与铋系无铅玻璃粉对于电池性能的影响,同时进一步研究了铝粉粒径对于电池的影响。
1实验
将松油醇、乙基纤维素、丁基卡必醇、卵磷脂以及其他有机助剂按比例混合,在100℃条件下恒温搅拌2小时作为有机载体备用。将有机载体、玻璃粉以及铝粉按照重量比21:3:76混合,并持续搅拌2-3小时。将搅拌后的浆料经由三辊研磨机研磨5-7次形成分散均匀的铝浆。采用不同粒径级配的铝粉A1、A2以及不同成分的玻璃粉B1、B2,按前述步骤制备3种铝浆样品。采用研发的新配方铝浆和相同烧结工艺制度,制备了156×156mm2的P型衬底多晶硅电池。电池组编号分别为C1(对应铝浆含铝粉A1、玻璃粉B1)、C2(铝浆含铝粉A2、玻璃粉B1)、C3(铝浆含铝粉A1、玻璃粉B2)。分别对含有铝粉A1、A2的铝浆取样,在300℃条件下干燥2小时,用扫描电子显微镜(SEM)观察干燥后的铝粉形貌。采用四探针测试仪测试铝层电阻率。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)分析玻璃粉的成分。用扫描电子显微镜(SEM)观察电池片断面形貌。用太阳能全自动测试分选机测试电池光电性能(AM1.5,100mW/cm2,25°C)。采用塞尺测量电池翘曲。
2结果与讨论
2.1铝粉粒径的影响
铝粉A1、A2具有不同的粒径级配,其粒径参数如表1所示。由表1可以看出,两种铝粉都是由不同粒径的铝粉颗粒复配而成,铝粉A1中直径小于5μm的铝粉颗粒质量占比约为80%,铝粉A2中颗粒直径在5μm以上的粗铝粉比重较大。两种铝粉中不同粒径范围的铝粉均占有一定比重。大的铝粉颗粒容易形成连贯的导电通路,但是存在较大的空隙。小粒径的铝粉颗粒则可以起到填充的效果,使导电铝层更加致密。为进一步了解两种铝粉制成铝浆后的填充效果,分别将含有铝粉A1、A2的两种铝浆取样并烘干,采用SEM观察烘干后的铝浆形貌,结果如图1所示。图1所示结果与表1中铝粉粒径分布相对应,可以看出两种铝粉都具有良好的填充效果,由于A1铝粉中小粒径颗粒的含量更高,其填充效果更加致密。
观察C1、C2两组电池片的背面外观情况,并使用四探针法对背面铝层导电性能进行测试,结果如表2所示。对比两组电池片的背面外观可见,两种铝粉虽然中位粒径不同,但都具有光滑平整的外观,说明铝层外观主要受到铝粉粒径配比的影响,只要粒径分布适宜,大小铝粉颗粒之间匹配恰当,则可以在烧结后形成平整的铝层。铝珠的出现不仅与铝粉粒径有关,还受到烧结工艺、玻璃粉成分等多种因素的影响,对比表2中的结果可知,当铝粉中小粒径颗粒占比较大时,铝珠的出现几率增加。此现象与张海珠等人研究结果相符合[6]。在高温烧结的过程中铝粉颗粒之间的孔隙将会收缩,收缩过程产生的压应力与铝粉粒径成反比,小粒径铝粉颗粒的比表面积较大,烧结压应力也更高,过多的小粒径铝粉将导致严重的收缩,从而挤压熔融状态中的铝粉形成铝珠。对比两组电池背面铝层的平均电阻率可知,由于A1铝粉的填充效果更好,其膜层的导电性能也得以提升。
  2.2玻璃粉成分的影响
由表3可知,玻璃粉B1主要含有铅元素,玻璃粉B2为铋系无铅玻璃。分别使用玻璃粉B1和B2的电池平均性能如表4所示。对照表3和表4的结果可以发现,含铅玻璃粉B1可以改善电池片的电性能。玻璃粉中的铅元素对于铝粉表面的氧化层具有较强的熔蚀作用,因此含铅玻璃粉B1可以更好地促进铝粉联结形成优良的导电通道,同时有利于铝硅元素的相互扩散,从而提升铝掺杂背电场的性能[12-14]。对比电池组C1与C2性能可知,铝浆含铝粉A1与玻璃粉B1时,电池性能最佳。
随着制造工艺的升级,晶硅太阳电池片的厚度不断减少,造成电池片的翘曲变形日益严重。对比表4中两组电池片的翘曲度可知,玻璃粉B1有利于降低电池的翘曲度。为探究其原因,从两组电池中各选取一片电池,用SEM观察其断面形貌,结果如图2所示。在高温烧结的过程中,硅基体与铝层之间会形成一个新的薄层即再生层。再生层又分为铝硅合金层(硅质量分数约为12%)和铝掺杂背电场层。研究表明电池的翘曲度会随着再生层的厚度增加而增大[15]。从图2中可以看出,使用玻璃粉B1的电池具有更薄的铝硅合金层,其厚度约为2μm,使用玻璃粉B2的电池合金层厚度约为6μm。结合表4的结果可知,两组电池的背电场厚度均在6μm左右,因此合金层更薄意味着再生层的厚度也更小,从而电池的翘曲问题将得到改善。
3结论
1)烧结后铝层的平整性主要受到铝粉粒径级配的影响,当小于5μm的铝粉含量较多时容易出现铝珠。C1组电池片的平均铝层电阻率相对于C2组减少了约11%,表明铝粉A1的粒径级配能够有效提升铝层导电性能。
2)铝浆组分为玻璃粉B1时,铝硅间再生层的厚度很小,电池平均翘曲度为1.0~1.1μm。玻璃粉B1可以使电池的铝硅合金层厚度减少到2μm左右,有利于降低电池片的翘曲度。
3)使用玻璃粉B1,相同工艺条件下能增加背电场厚度,提升光伏电池的光电转化效率。当铝浆含玻璃粉B1(质量分数为3%)、铝粉A1(质量分数为76%)时,电池性能最佳,其平均铝层电阻率仅为27.4μ.cm,组内平均光电转化效率达17.63%。

原文来源:摩尔光伏

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