SJT 11513-2015太阳能电池用铝浆

„太阳能电池用铝浆目录„一、太阳能电池简介„二、铝背场的作用„三、铝浆技术现状及生产厂家„四、铝浆技术开发难点及影响因素„五、光伏市场及铝浆需求一、太阳能电池简介„ 1.太阳能电池结构及原理„ 太阳能电池如下图所示。一般多选用在 p型硅衬底上扩散 n型硅形成太阳电池雏形。在硅片表面镀有减反射膜用以减少对太阳光的反射。P型硅衬底的厚度约为200300μm ，通过扩散形成p － n结，结深约为0.5μ m。太阳能电池通过丝网印刷厚膜电子浆料，以及链式炉烧结工艺制作上下电极。太阳能电池原理„ 硅太阳电池是利用光生伏特效应Photovoltaic Effect的半导体器件。其内部结构为p －p － n－ n＋结构，如下图所示，其中含有 p－ n， p＋－ p， n＋－n三个结，平衡状态下，多数载流子和少数载流子的电流相互补偿，总电流等于零。当太阳光照射到由 p型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 p－ n结上时，在结的耗尽区，光能被半导体吸收，产生非平衡载流子 电子和空穴。受内建电场作用将空穴推向p 区，电子推向 n区，在势垒区的非平衡载流子亦在内建电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使 p区电势升高，n区电势降低， p－ n结两端形成光生电动势，这就是 p－ n结的光生伏特效应。太阳能电池原理示意图一、太阳能电池简介„ ２．太阳能电池转换效率及主要参数„ 理论上单晶硅太阳电池的最高光电转换效率为30，多晶硅太阳电池的最高效率为24。目前，单晶硅太阳电池的最高转换效率在实验室里已有了很大提高，为24.7，接近最高效率值。而多晶硅太阳电池由于存在很多的晶界，这些晶界所形成的复合中心，导致了多晶硅的光伏转换效率还远远低于单晶硅，光电转换效率为19.8。工业化生产时效率低于实验室效率，目前太阳能工业化生产效率单晶硅≥17％、多晶硅≥16。太阳能电池主要技术参数„ 表征太阳电池的电性能参数的主要是开路电压（ VOC）、短路电流（ ISC）、填充因子（ FF）、和转换效率（η ） ，还有并联电阻（Rsh）和串联电阻（Rs）。„ （1）开路电压 VOC„ 当电池的负载阻抗无限大时，光照产生的输出电压。„ （2 ）短路电流 Isc，当电池的负载阻抗为零时，光照产生的输出电流。太阳能电池主要技术参数„ （3）填充因子FF，在光照下的伏安特性曲线上，任何一个工作点输出功率等于该点所对应的电压和电流的乘积。其中一个点（Vm，Im）将对应最大的输出功率Pm。定义，最大输出功率与Voc、Isc的乘积之比，叫填充因子，用FF表示。„ （4）光伏转换效率η ，电池效率为电池输出的最大功率与太阳光的入射功率之比。„ （5）串联电阻Rs，它是构成太阳电池的半导体体电阻和电极电阻等的和。„ （6）并联电阻Rsh，也称漏电电阻，旁路电阻 。一、太阳能电池简介„ ３．太阳能电池对电极浆料的要求„ 为了输出硅太阳电池的电能，必须在电池上制作正、负两个电极。电极就是与电池p－n结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。习惯上把制作在电池光照面的电极称为上电极，把制作在电池背面的电极称为下电极或者背电极。上电极为负极，选用银浆作为阴极浆料印刷烧结而成。下电极为正极，由铝浆和银铝浆组成，其中铝浆即为硅太阳电池用阳极浆料。一、太阳能电池简介„ 4、对下电极材料铝浆的技术要求„ 形成铝背p－p结，提高开路电压；„ 形成硅铝合金对硅片进行有效地吸杂，提高效率；„ 能与硅形成牢固的欧姆接触；„ 有优良的导电性；„ 化学稳定性好；„ 有适宜大规模生产的工艺性；„ 价格较低。二、铝背场的作用„ 1、铝背场形成理论„ 铝背场的形成通常采用合金法来制作的，它的形成可以概括为以下„ （1）将铝浆印刷在硅的表面。„ （2）将沉积好的硅片放进峰值温度超过577℃（铝硅合金共熔温度）的链式烧结炉里进行烧结。„ 当温度低于577 ℃时，铝硅不发生作用，当温度升到共晶温度 577℃时，在交界面处，铝原子和硅原子相互扩散，随着时间的增加和温度的升高，硅铝熔化速度加快，最后整个界面变成铝硅熔体，在交界面处形成组成为11.3 ％硅原子和88.7 ％铝原子的熔液。二、铝背场的作用„ 2、铝背场的吸杂原理„„ 在太阳电池中杂质主要有 Fe、 Co、 Ni、 Cu、Au等，碱金属杂质主要有Na 、 Li、K 。„ 一般的太阳电池生产工艺，是通过制作铝背场来形成吸杂中心，产生吸杂作用。原理是利用铝原子与硅原子结构上的差异，将其扩散到硅片背面引起失配位错，因而形成应力吸杂中心。„ 铝吸杂的过程可以解释如下在烧结工艺中，当温度高于 577℃的时候，铝硅合金就会溶解，许多金属如铁、铜、金等在很大温度范围内，不论是在液态还是固态的铝中溶解度都是 1～ 10at.％，同时在硅中的溶解度很低。例如，在 750～ 950℃温度区间内，铁在铝、硅中的分凝系数为 105～ 106。二、铝背场的作用„ 3、铝背场对太阳电池的主要影响„ （1）提高短路电流和开路电压；„ （2）减小电池厚度；„ （3）提高填充因子；„ （4）提高光电转换效率。三、铝浆技术现状及生产厂家„ 1、 铝浆技术发展历史„ 对于阳极浆料以及电极制造方法的研究是和硅太阳电池的发展密切相关的，这些研究因为历史的原因，是间断性的。在八十年代发展的比较快，科学家研究了适于作为电极的金属和制造电极的方法。适合的金属主要有银、铝、金、钛，而当时主要的电极制作方法有真空蒸镀、化学镀鎳、印刷烧结三种。八十年代电极常用金属材料金属 20℃体电阻率（ 10－ 6Ω˙cm）与硅的粘附性 熔点℃银（Ag ） 1.6低961铝（Al ） 2.7 很高 659金（Au ） 2.2 低 1063铜（Cu ） 1.7 低 1084钛（Ti ） 46.6 很高 1667„ 真空蒸镀和化学镀鎳的方法盛行与六七十年代，真空蒸镀是通过掩膜遮挡或蒸镀后光刻腐蚀形成图形，适于的金属有银、铝、钛。主要问题在于对真空度、环境湿度、温度要求较为严格，有时还需要惰性气体的气氛保护，消耗能源过多，并且不利于大规模的工业化生产。„ 化学镀鎳是指通过鎳盐和次磷酸盐的化学作用在硅表面形成鎳磷合金的沉积镀层的方法。其主要问题是光滑的硅表面不易形成结合牢固的镀层，并且方法过于繁琐，不易控制。„ 为了降低成本和适应大规模的工业化生产，人们在八十年代借鉴厚膜集成电路中的方法，开发了印刷烧结的制作电极方法。三、铝浆技术现状及生产厂家„ 2、铝浆技术现状„ 目前全球大型的硅太阳电池用铝电极浆料生产企业主要集中在美、日、德等少数发达国家。产业规模大，产品种类齐全，生产和质量控制手段先进，研发力度大，产品更新换代快，市场占有率高。„ 美国杜邦（DuPont ）公司是全球最大的电子浆料公司，建于1802 年，年产各种浆料800 ～900 种，产量达1000 吨，技术位于该行业的先进水平。从金属粉末到玻璃粉均具有完善的设施和专业生产线，尤其是一流的科研团队使其在电子浆料领域独占制高点。该公司拥有从 PV14X到 PV58X多种系列铝电极浆料和银铝电极浆料，但因其价格昂贵，在太阳电池浆料市场竞争中处于相对劣势。„ 美国福禄（ Ferro）公司虽然规模较小，但太阳电池浆料品种多，浆料触变性好，印刷性能优良，市场占有率较高。能够同太阳电池硅片形成良好欧姆接触，具有优良黏结力和可焊性。在背面铝电极浆料生产上，开发了用于不同硅片厚度的产品，同时在无铅化方面取得了一些成绩，生产了无铅样品．„ 东洋铝业拥有丰富的铝矿产资源，铝粉制备技术及产品性能更优良，主要是夏普、三菱、京瓷、 PB、Qcell等公司的供应商。当前国际市场以 Ferro、东洋铝业公司为主。„三、铝浆技术现状及生产厂家„ 3、国内技术现状„ 太阳电池用浆料研究起步较晚，在 “八五 ”期间云南半导体厂、昆贵所等单位研究和开发出 “高效、低成本晶体硅太阳电池及其专用导电浆料 ”，银浆、铝电极浆料和银铝浆的性能已达到美国 Ferro公司对应产品水平。„ 目前国内太阳电池用铝电极浆料的主要生产厂家有广州市儒兴科技开发有限公司、云南昆明贵金属研究所、北京中联阳光、北京桑能科技、武汉优乐光电等。广州儒兴开发了 RX8系列晶体硅太阳电池背电场铝电极浆料，其质量性能可与国际一流产品比美，填补了我国导电浆料的空白，创造了良好的经济效益。„ 在铝浆方面，国内是不差的，可以说是领先的，你看昆贵所谭老师的文章http//sino-platinum.com.cn/Party/Staff/1817.html就明白谭老师有多自信了。国内铝浆现在是儒兴一家独大，占据国内百分之六是以上的市场，去年一年生产近千吨铝浆，而第2 批创业板他们将上市，他们的发展是个奇迹，01 年成立后就同02 年成立的无锡尚德配合来试验铝浆，在当时国内搞过太阳能铝浆的就谭老师一人，因此技术就来源于他。在技术层面，儒兴的各项性能绝对的第一，国内虽有好多后来自称电性能比儒兴高，可整体工艺性能还是儒兴最优的，而且这种优秀比FERRO 、DUPONT 、贺利氏都好的。三、铝浆技术现状及生产厂家„ 4、国内外技术产权状况序号 生产厂家 专利申请量（件） 备注1 杜邦 6 国际国内同时申请2 FERRO 2 国际申请3 东洋 4 日本4 村田 4 日本（4）中国（ 1）5 广州儒兴 无6 昆贵所 1 国内7 谭富彬老师 3 统计是08 年前的三、铝浆技术现状及生产厂家„ 4、国内外铝浆性能比较国内铝浆 国外铝浆广州儒兴 FERRO DUPONT电性能 中上（电池芯片开路电压低）良优印刷性能 优秀 中（粘度高） 中（粘度高）烧结性能 优秀 中（灰化现象） 中（灰化现象）价格 低 中高三、铝浆技术现状及生产厂家„ 5、国内外厂家产能序号 生产厂家 产能（吨 /年） 备注1 杜邦 大于 500吨 现基本推出竞争2 FERRO 大于 500吨 现基本推出竞争3 东洋 大于 800吨 主供日本厂家4 村田 不详5 广州儒兴 600-1000吨 国内占有率高6 昆贵所 不详7 桑能 20-60吨8 优乐 10-30吨四、铝浆技术开发难点及影响因素„ 铝浆技术从厚膜工艺演化而来，因此其生产工艺同厚膜工艺。„ 铝做为一种贱金属材料其作为电极材料导电原理和贵金属是不同的。普通铝粉由于表面包覆一层氧化铝，其是不导电的，只有在高温下溶解掉氧化铝层，暴漏出来的新铝互相结合而形成连通的导电链，从而达到电极导电的目的。„ 铝浆作为一种浆料产品，其也主要由导电相（铝粉）、无机粘结相（玻璃）、添加剂、载体组成。四、铝浆技术开发难点及影响因素„ 1、铝浆技术工艺存在的问题„ 实际生产需求的是电性能高和工艺适应强的铝浆，而实际生产中铝浆存在以下主要问题„ 电性能方面„ 开路电压低、短路电流小、串联电阻大，从而使转换效率低；„ 工艺性方面„ 成膜不致密、开裂、灰化、铝珠、翘曲等。特别是翘曲已成了一个铝浆生产的难题。四、铝浆技术开发难点及影响因素„ 2、铝粉对铝浆性能影响„ 铝浆中导电相的铝粉选择是极为苛刻的。因为铝浆的主要性能包括接触电阻小，粘着力强和老化系数低等要求都受铝粉性能直接影响，另外工艺性能的灰化、铝珠等现象也与粒径大小直接相关。„ 铝粉尺寸分布区间大，则大小颗粒交错排列，易于填充空间，使得导电相的排列紧密。并且铝粉整体平均尺寸大，其体积相对较大。大体积铝粉颗粒其表面氧化膜较薄，更易消除，形成导电网络。„ 因此铝浆中使用的铝粉应该选择平均粒度大、含氧量低、尺寸分布区间大，粉体呈亚球形的铝粉，其颗粒度应9 μm 。四、铝浆技术开发难点及影响因素„ 3、粘结相玻璃对铝浆的影响„ 铝浆在硅太阳电池背表面经烧结后形成导电电极的过程可以用下图表示。在升温开始时,铝粒子表面氧化层加厚,填充在铝粒子之间间隙区的玻璃粉则起着抑制进一步氧化的作用，以硼铅硅为主体的玻璃粉作为导体浆料的粘接相可以溶解铝颗粒表面的Al2O3氧化膜，当Al2O3的溶解速度大于铝被氧化的速度，就会促使铝粒子裸露，有形成导电网络的可能。在烧结温度高于的铝的熔点660℃以上时,铝粒子内部未被氧化的铝熔化,随着温度的升高,会挤破表面氧化层，加快了Al2O3溶解速度，有效促进Al2O3氧化膜溶入玻璃体系，铝粒子彼此连接成一体而形成导电层。而铝表面氧化物的钝化性使烧结后的导电膜具有一定稳定性。铝浆形成导电区的示意图