易臻希，謝于柳，趙保星

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙，410111)

高沸點(diǎn)司盤(pán)對(duì)太陽(yáng)能電極漿料性能改進(jìn)的研究

易臻希，謝于柳，趙保星

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙，410111)

在太陽(yáng)能電極漿料研發(fā)過(guò)程中，電池片的彎曲度大、背場(chǎng)附著力小和鋁包鋁刺質(zhì)量問(wèn)題一直很常見(jiàn)，困擾著研發(fā)工作開(kāi)展。通過(guò)高沸點(diǎn)司盤(pán)的引入，可以避免漿料在高溫?zé)Y(jié)時(shí)溫度的快速升高，同時(shí)又保持適當(dāng)?shù)氖湛s性；結(jié)果表明：引入高沸點(diǎn)司盤(pán)對(duì)電極漿料燒結(jié)后附著力的增加、背場(chǎng)填充因子和轉(zhuǎn)化效率的提高有著明顯改進(jìn)作用，讓電池背場(chǎng)無(wú)鋁包、鋁刺等質(zhì)量問(wèn)題。

司盤(pán)；高沸點(diǎn)；轉(zhuǎn)換效率；彎曲度；附著力；鋁包

隨著國(guó)家能源局“光伏領(lǐng)跑者計(jì)劃”的推進(jìn)，高品質(zhì)高效率的太陽(yáng)能產(chǎn)品成為光伏企業(yè)追求的目標(biāo)。太陽(yáng)能電池除了有“光生電”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還需要配置電極才能形成完整的發(fā)電單元。電極是太陽(yáng)能電池的電能輸出導(dǎo)線，由電極漿料高溫?zé)Y(jié)而成。電極漿料由球狀鋁粉/銀粉、無(wú)機(jī)添加物和有機(jī)載體三部分組成。品質(zhì)良好的電極漿料，除轉(zhuǎn)換效率高外，還應(yīng)滿足綠色環(huán)保要求，成分應(yīng)不含鉛、鎘及其化合物等；燒結(jié)后不能出現(xiàn)鋁珠、鋁包和鋁刺、起灰、脫落以及彎曲度大等質(zhì)量問(wèn)題。電極漿料研發(fā)涉及到材料、冶金、太陽(yáng)能工藝等多個(gè)學(xué)科，目前我國(guó)在電極漿料的研發(fā)、質(zhì)量和市場(chǎng)占比上落后于國(guó)外同行，長(zhǎng)期使用國(guó)外企業(yè)產(chǎn)品這一現(xiàn)狀并未改變。

本文針對(duì)在電極漿料研發(fā)過(guò)程中，常出現(xiàn)的高溫?zé)Y(jié)后的各種質(zhì)量問(wèn)題（如電池片彎曲度大、背場(chǎng)附著力差、鋁包鋁刺等），列出了一些常用的解決方法及其存在的不足。通過(guò)分析高沸點(diǎn)難揮發(fā)性有機(jī)載體的作用機(jī)理，選用司盤(pán)SP85進(jìn)行了相應(yīng)漿料配方的彎曲度、拉力和電性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，高沸點(diǎn)司盤(pán)對(duì)太陽(yáng)能電極漿料性能改進(jìn)有明顯作用。

1 電極漿料在研制過(guò)程中常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

1.1 彎曲度過(guò)大

表現(xiàn)為鋁背場(chǎng)高溫?zé)Y(jié)后出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。彎曲度過(guò)大，不便于電池片電性能檢測(cè)，且容易引起碎片。彎曲度企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一般要求不高于1.5 mm。

1.2 附著力不夠

附著力即漿料單位面積上所能承受的拉力，分為初始附著力和燒結(jié)后附著力，本文著重討論高溫?zé)Y(jié)后背場(chǎng)EVA拉力，見(jiàn)圖2。附著力不夠時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊角掉粉的現(xiàn)象。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求正電極主柵線＞3 N，背場(chǎng)EVA拉力＞20 N。

圖2 電池片背場(chǎng)EVA拉力照片

1.3 出現(xiàn)鋁包、鋁刺、鋁珠

不同型號(hào)電極漿料的耐高溫性能不同，鋁珠、鋁包、鋁刺在電池背場(chǎng)高溫?zé)Y(jié)后產(chǎn)生，見(jiàn)圖3。當(dāng)電池片疊在一起時(shí)容易對(duì)電池正電極造成劃傷，影響電池效率和外觀質(zhì)量。

圖3 鋁包及鋁刺示照片

1.4 常見(jiàn)應(yīng)對(duì)措施及存在的問(wèn)題

在生產(chǎn)工藝線上，偶爾采取前充分?jǐn)嚢琛⒃黾佑∷①|(zhì)量、降低高溫?zé)Y(jié)區(qū)的溫度，或加快燒結(jié)爐的帶速等措施用于減輕背場(chǎng)鋁包鋁刺質(zhì)量問(wèn)題。但在批量化生產(chǎn)過(guò)程中，人工不斷調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，容易降低電池片轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生不合格片。所以在實(shí)際中改變漿料本身配方最為重要。

（1）增加玻璃粉可以增加鋁漿銀漿附著力。隨著玻璃粉的增加，玻璃粉在高溫?zé)Y(jié)時(shí)融合，增加了鋁粉之間的粘結(jié)點(diǎn)，鋁粉層整體性加強(qiáng)。由于鋁的熱膨脹系數(shù)α（Al）＝24×10-6/℃，而硅的熱膨脹系數(shù)α（Si）＝2.3×10-6/℃，鋁的膨脹系數(shù)是硅的10倍左右，燒結(jié)后的電池片在冷卻時(shí)，鋁膜就具有更大的收縮趨勢(shì)，表現(xiàn)出彎曲度增大[1]。

（2）增加鈦白粉、硅微粉、碳粉和乙基纖維素等含量，可有效降低彎曲度[2]。但同時(shí)由于導(dǎo)電性差的物質(zhì)阻斷了鋁粉之間的連接，導(dǎo)致電性能下降、附著力下降，出現(xiàn)掉粉現(xiàn)象，見(jiàn)圖4。

圖4 鋁粉之間連接示意圖

（3）提高鋁粉粒徑，可增強(qiáng)漿料的耐高溫性，消除鋁珠、鋁包、鋁刺等問(wèn)題。而帶來(lái)最大的不足是降低了電池片的開(kāi)壓和轉(zhuǎn)換效率。

表1為以上常見(jiàn)措施及現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表?？梢钥闯?，增加玻璃粉、鈦白粉、乙基纖維素和增大粒徑等措施，引起附著力和彎曲度兩個(gè)指標(biāo)朝相反方向改變，很難在它們之間尋求平衡。所以以上3種方法不能滿足產(chǎn)品要求。同時(shí)由于鋁膜導(dǎo)電性能不能受影響，高溫?zé)Y(jié)之后不能有其它電阻大的物質(zhì)殘留，因此需要考慮從有機(jī)載體材料上來(lái)分析解決此問(wèn)題。

表1 常見(jiàn)措施及現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表

2.1 機(jī)理分析

從漿料有機(jī)載體物理特性方面來(lái)分析，有機(jī)物在高溫條件下可以揮發(fā)，對(duì)最終電池電性能不會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)在有機(jī)載體揮發(fā)過(guò)程中，背場(chǎng)受熱后整體溫度難以快速升高，從而降低了背場(chǎng)最高溫度點(diǎn)，鋁包鋁刺也難以形成。高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中有機(jī)物的揮發(fā)示意見(jiàn)圖5。

沸點(diǎn)低的有機(jī)物由于在低溫段容易揮發(fā)被快速排出，漿料的收縮性能變差，有機(jī)物揮發(fā)后形成的空隙較多，在高溫段時(shí)玻璃體難以填充空隙，在鋁粉顆粒之間有效連接點(diǎn)少[3]；沸點(diǎn)高的有機(jī)載體，在進(jìn)入高溫段前，漿料的收縮性能保持良好，揮發(fā)后留下的空隙少，玻璃體容易在鋁粉之間形成有效連接。所以在電極漿料中引入高沸點(diǎn)的有機(jī)物，是可以解決起包和附著力低的質(zhì)量問(wèn)題。

圖5 高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中有機(jī)物揮發(fā)示意圖

2.2 有機(jī)物沸點(diǎn)與揮發(fā)性的對(duì)比與實(shí)驗(yàn)

選取常用的幾種有機(jī)物進(jìn)行揮發(fā)性對(duì)比實(shí)驗(yàn)。用電子天平稱量有機(jī)物放入電熱烘干箱中，快速升溫至180℃，保持溫度10 min，取出冷卻后再用電子天平稱量其質(zhì)量，其揮發(fā)性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

統(tǒng)計(jì)表2顯示，沸點(diǎn)高的有機(jī)物，其相對(duì)應(yīng)的揮發(fā)性表現(xiàn)較差。其中司盤(pán)（SP85）的沸點(diǎn)最高，揮發(fā)性最小。

以上有機(jī)物揮發(fā)性從高到低排列如下：

2.3 司盤(pán)對(duì)太陽(yáng)能電極漿料耐高溫性、附著力等性能影響的實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證高沸點(diǎn)難揮發(fā)有機(jī)物的作用機(jī)理，選取司盤(pán)、泵油和檸檬酸三丁酯3種有機(jī)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，樣品的黏度配置合適[6]，高溫?zé)Y(jié)爐低溫烘干和高溫?zé)Y(jié)溫區(qū)設(shè)置見(jiàn)表3。

網(wǎng)帶運(yùn)行速度設(shè)置為260 mm/min，高溫八區(qū)、九區(qū)設(shè)置溫度大于800℃，一方面是為了滿足正電極銀漿燒結(jié)要求，另一方面是將背電極漿料中的高沸點(diǎn)難揮發(fā)有機(jī)物徹底排除，保證燒結(jié)后灰度最低，不影響電性能指標(biāo)。

表2 有機(jī)物揮發(fā)性實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

表3 高溫?zé)Y(jié)爐溫區(qū)設(shè)置表

司盤(pán)85、泵油和檸檬酸三丁酯3種有機(jī)物實(shí)驗(yàn)分三組進(jìn)行，分配比見(jiàn)表4。

經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)之后，電池背場(chǎng)在拉力、彎曲度和表觀質(zhì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出，實(shí)驗(yàn)一加入司盤(pán)后，電池背場(chǎng)拉力大，彎曲度小，背場(chǎng)表面光滑。雖然泵油和檸檬酸三丁酯的沸點(diǎn)也很高，但揮發(fā)性有差別，揮發(fā)后在電極漿料中留下的空隙率不同，導(dǎo)致附著力不同。

由于實(shí)驗(yàn)二、三出現(xiàn)邊角掉粉現(xiàn)象，EVA拉力＜5 N，小于20 N的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，增加實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)五，用增加玻璃粉的方法來(lái)提高電極漿料高溫?zé)Y(jié)后的附著力，同時(shí)增加乙基纖維素來(lái)對(duì)抗玻璃粉增加后電池片彎曲度的變大。組分配比見(jiàn)表6，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表4 高沸點(diǎn)司盤(pán)等組分配比表

表5 司盤(pán)等組分實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表6 玻璃粉、乙基纖維素等組分配置表

表7 增加玻璃粉、乙基纖維素組分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

從表7可以看出，玻璃粉的增加引起了鋁包鋁刺的增加，但附著力并沒(méi)有明顯提高，而彎曲度增大明顯。實(shí)驗(yàn)中的電池片彎曲度對(duì)比照片見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)五樣片彎曲度對(duì)比照片

從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)五的玻璃粉含量多，電池片的彎曲度較大；實(shí)驗(yàn)一司盤(pán)SP85含量多，玻璃粉含量少，電池片的彎曲度較小。

實(shí)驗(yàn)一～實(shí)驗(yàn)五的電性能檢測(cè)匯總見(jiàn)表8。實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)五的實(shí)驗(yàn)片數(shù)量偏少，是因?yàn)楸硤?chǎng)出現(xiàn)了鋁包鋁刺的問(wèn)題。

表8 司盤(pán)等組分實(shí)驗(yàn)電性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

從表8中可以看出，高沸點(diǎn)司盤(pán)85的引入，讓漿料在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中保持了適度的收縮性能，玻璃體對(duì)鋁粉之間的連接較好，填充因子參數(shù)較好，彎曲度小，轉(zhuǎn)換效率高。

3 結(jié) 論

（1）高沸點(diǎn)司盤(pán)具有較低的揮發(fā)特性，在高溫?zé)Y(jié)揮發(fā)之后，漿料中鋁粉之間的連接較緊密，鋁背場(chǎng)的附著力較大。其它的高沸點(diǎn)有機(jī)物在難揮發(fā)性方面不如司盤(pán)，無(wú)法提供電池背場(chǎng)的附著力。

（2）通過(guò)增加乙基纖維素的方法來(lái)抵制玻璃粉所帶來(lái)的彎曲度增大的問(wèn)題，被證明無(wú)效果，且背場(chǎng)容易出現(xiàn)鋁包鋁刺等質(zhì)量問(wèn)題。

（3）高沸點(diǎn)司盤(pán)對(duì)電極漿料的燒結(jié)填充因子和轉(zhuǎn)化效率的提高有著明顯作用，電池背場(chǎng)光滑，無(wú)鋁包鋁刺等質(zhì)量問(wèn)題。

實(shí)踐中參照實(shí)驗(yàn)一引入司盤(pán)并對(duì)其配比進(jìn)一步優(yōu)化，研發(fā)出的HTY1205型號(hào)漿料，因其性能良好，在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線上得到了推廣使用，電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%，使用數(shù)量達(dá)12噸。

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Research on the Improvement of the Performance of the Solar Electrode Paste with High Boiling Point Span

YI Zhenxi，XIE Yuliu，ZHAO Baoxing

(The 48thResearch Insititute of CETC，Changsha 410111，China)

In the process of research and development of solar electrode paste，the solar cells bending degree，adhesion of aluminum back surface field and small thorn quality problems has been very common，troubling research work.In this paper，through the introduction of the Span's experiment，the high boiling point of the paste can avoid the rapid increase of the whole temperature during high temperature sintering.As a result，the high boiling point of the Span increases solar cell's adhesion，the filingl factor and the conversion efficiency increase significantly，cell back field hasn't aluminum package，thorn and other quality problems.

Span；High boiling point；Conversion efficiency；Bending；Adhesion；Aluminum package

TK513

B

1004-4507(2016)12-0044-05

易臻希（1969-），男，高級(jí)工程師，從事太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)研究。

2016-11-16