银浆中的玻璃粉对晶硅太阳电池串联电阻的影响

电子工艺技术Electronics Process Technology2011年 5月 125银浆中的玻璃粉对晶硅太阳电池串联电阻的影响陈宁 1,2，张丽英 1，张耀中 1，王艳芳 1，吴春健 2，黄建华 2，张亚非 1（ 1. 上海交通大学微米 / 纳米加工国家重点实验室，“薄膜与微细加工”教育部重点实验室，微纳科学技术研究院，上海 200240 ；2. 江苏林洋新能源有限公司，江苏 启东市 226200 ）摘 要 ：研究了丝网印刷银电极中玻璃粉对晶体硅太阳能电池的串联电阻的影响。通过制备不同含量的玻璃粉银浆料，以及对浆料的体电阻率、接触电阻和焊接拉力等性能的表征测试，发现银粉颗粒间隙是造成银电极体电阻增大的主要因素，在一定范围内，用 PbO-SiO2系玻璃粉有助于降低银电极体电阻和接触电阻，增加焊接拉力。关键词 ：丝网印刷；太阳能电池；银浆料；玻璃粉；串联电阻；焊接拉力中图分类号 ： TM914 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1001-3474 （ 2011） 03-0125-05Effects of Glass Power in Screen Printed Silver Front Electrodes on Series Resistance of Silicon Solar CellsAbstract: Glass power in screen printed front side silver electrodes influences on series resistance of silicon solar cells were studied. Different content of glass powder silver pastes were measured with resistivity, contact resistance and solder tension. The results show that the spacing between silver particles is the main reason caused the resistance of silver paste; the PbO-SiO2 system glass powder is helpful in reducing the silver paste resistance, the contact resistance and increasing the solder tension in a certain range.Key words: Screen printing; Solar cell; Silver paste; Glass power; Series resistance; Solder tensionDocument Code: A Article ID: 1001-3474(2011)03-0125-05正面电极作为太阳能电池的重要组成部分，主要起收集电流的作用，同时对电池的受光面积和串联电阻有决定性的影响，因此，是影响太阳能电池转换效率的重要因素之一。在实验室高效晶体硅太阳能电池制造工艺中，使用成本昂贵的蒸镀工艺制作电极，如采用 Ti/Pa/Ag 结构来降低接触电阻，增加与硅基底的附着力 [1] 。而在实际的工业生产中，为了降低成本，常采用导电性优异的银浆料，用丝网印刷工艺制作正面电极，再通过快速烧结工艺（ RTP），使电极与硅基底形成良好的欧姆接触 [2]。目前工业普遍使用的银浆料由银粉、玻璃粉和有机载体（主要为树脂和有机溶剂等）组成，其中树脂和溶剂经过高温烧结后挥发，因此，电池栅线的主要组成部分是银粉和玻璃粉。常用银浆料的导CHEN Nin1,2, ZHANG Li-ying1, ZHANG Yao-zhong1, WANG Yan-fang1,WU Chun-jian2, HUANG Jian-hua2, ZHANG Ya-fei1(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2.Jiangsu Linyang Solarfun Co.,Ltd., Qidong 226200, China)作者简介：陈宁（ 1985- ），男，硕士，工程师，主要研究方向为晶体硅太阳能电池制造。基金项目：国家自然科学基金项目 (50730008 ， 30772434) ；上海市科委基金项目 (09JC1407400 ， 1052nm02000) 。·综述·电子工艺技术Electronics Process Technology 2011年 5月 第 32卷第 3期126电率为 3.0 × 10-6 -6导电率（ 1.59 × 10-6有良好的导电性而玻璃粉不导电，大多数的研究侧重于银粉的形貌和粒径等性质对浆料导电性能的影响 [3,4] 。对于玻璃粉的研究主要集中于玻璃粉在导电浆料中所起的作用 [5-7] ，玻璃粉在晶体硅太阳电池中的主要作用可归纳为两个方面：第一，玻璃粉可以腐蚀晶硅，通过腐蚀 SiNx ，形成导电通道，随着 PbO（玻璃粉主要成分）含量的增加，腐蚀深度增加；璃粉厚度很薄，电子可以通过隧道效应在浆料与电池发射极间移动，且 PbO的存在有助于在银颗粒浆料与电池发射极界面间形成结晶。上述研究主要集中于玻璃粉对导电性的微观作用机理的研究，而关于玻璃粉对电池串联电阻的影响，据我们所知，还未有文献报道，实际上栅极体电阻和接触电阻也是影响太阳能电池串联电阻的重要因素。串联电阻是造成太阳能电池功率损耗的重要部分之一。太阳能电池功率损耗主要有电损耗和光损耗，电损耗主要包括串联电阻损耗和复合损耗。串联电阻中与栅线有关的电阻有栅线体电阻和栅线与硅表面的接触电阻。图 1所示是晶体硅太阳能电池串联电阻模型，根据 Caballero 等人提出的串联电阻模型，串联电阻表达式为 [8]：Rs = RBase+ RBus RF RFC RSheet RBC式中： Rs 为总串联电阻； RBus为基底电阻； RBus为主栅线电阻； RF为细栅线体电阻； RFC为前接触电阻；RSheet为硅片表面薄层电阻； RBC为背面接触电阻。图 1晶体硅太阳能电池串联电阻示意图通过上述模型，使用工业中通常用的参数 [9] 进行计算，可以得到在标准测试条件下， 125× 125单晶硅电池串联电阻各部分所占比例，如图 2所示。由上述计算结果可知，晶体硅太阳能电池串联电阻中，与正面栅线相关的细栅线体电阻和接触电阻之和共占总串联电阻的二分之一强，是造成电池功率损耗的主要原因之一。细栅线体电阻可用如下公式计算 [9]：式中： s为细栅线间距； H F为细栅线宽度； W F为细栅线厚度； WBus为主栅线厚度； L 细栅线长度；ρ metal为银电极电阻率。对于给定工艺的电池， s 、HF、 WF、 W Bus和 L 均为确定值，故 k为常数。因此，对于丝网印刷银电极工艺，烧结后浆料的体电阻率对细栅线电阻有着决定性的影响。图 2 电池串联电阻中各组成部分所占比例焊接拉力也是太阳能电池可靠性测试的重要参数之一，电池电极的焊接性能通过影响串联电阻进而影响组件转换效率，好的焊接性具有低的串联电阻，封装为组件后相应功率损耗较小，组件输出功率高。此外，组件在长期的室外工作期间，串联电阻会逐渐增加，据 D.L.King 等人的报告 [10]，由此造成组件输出功率每年减少 0.5%，电极的焊接性变差是造成上述衰减的重要因素。1 实验实验中使用 PbO-SiO2系玻璃粉，将玻璃粉加入相同的银粉和有机载体中，所加入的玻璃粉质量分数分别为： 0%、 1%、 2%、 4%和 5%，通过三辊研磨机将上述浆料充分混合均匀。使用工业用链式烧结炉在正常电池烧结条件下进行烧结，峰值烧结温度为 800℃。测试分为栅线体电阻率测试、接触电阻测试和拉力测试三部分。1.1 栅线体电阻测试体电阻率测试采用如图 3所示的测试图形，使用和工业生产一致的 325目（粒径 0.045mm）不锈钢丝网制作测试图形。为避免硅片导电性及硅与浆料反应对测试结果的影响，使用氧化铝陶瓷基底代替硅主栅线电阻前接触电阻基底电阻背面接触电阻 细栅线体电阻硅片表面薄层电阻主栅线电阻细栅线体电阻前接触电阻基底电阻硅片表面薄层电阻背面接触电阻ρ metalρ metal WBusRF kWFHF24LL2s2011年 5月 127片，丝网印刷图形后经过高温烧结。使用精密电阻仪测试图形两端串联电阻，使用台阶仪测试印刷图形高度，进而计算栅线体电阻率。图 3 电阻测试示意图1.2 接触电阻测试接触电阻测试采用传输线模型法，该方法是测试金属半导体接触电阻率的经典方法之一 [11]测试晶体硅太阳能电池银电极和硅基底间接触电阻的大小 [12]。本实验中使用的测试图形如图 4所示，在电池表面印刷间距不同的栅线，烧结后用激光切割隔离测试图形，避免由于扩展电阻造成影响。测试不同栅线间电阻 R，则：R RSheet RC式中： RSheet RC为栅线与硅之间接触电阻。通过测试不同间距电阻值 R，拟合得到的直线与X轴交点处的数值为2 RC RC即为栅线与硅之间的接触电阻。图 4 接触电阻测试示意图1.3 焊接拉力测试拉力测试使用工业中普遍使用的 63-37 （ Sn-Pb）焊带，采用手动焊接；用 180°拉力评价焊带与浆料及硅片间的附着力，测试时以 5mm/s速度对焊带进行剥离，每 10mm记录一次数值，完成测试后取全部数据平均值。2 实验结果及分析2.1 栅线体电阻实验测得栅线体电阻率 ρ metal 与玻璃粉含量关系如图 5所示，浆料体电阻率随着玻璃粉含量的增加呈现出先减小后增大的趋势。在质量分数为 0～ 3%范围内，浆料电阻率随着玻璃粉含量增加减小，如图6所示，可能的机理如下：（ a）浆料在未经烧结时，浆料中银粉和玻璃粉分散在有机溶剂中；（ b）大℃左右玻璃粉即开始软化，玻璃粉与银粉浸润，填补了部分银粉颗粒间由于溶剂和树脂挥发留下的空隙；（ c）退火完成后，浆料开始冷却，玻璃粉由于冷却收缩，与玻璃粉浸润的银粉颗粒间的距离同时被缩小。在图 6（ c）中，通过两种可能的导电通道降低了体电阻：（ A）与玻璃粉浸润的银粉颗粒发生直接接触；（ B）银粉颗粒中虽然存在玻璃粉熔体的阻挡层，但是玻璃体很薄，电子可通过隧道效应形成导电通道。图 5 玻璃粉质量分数与栅线体电阻关系（ a） （ b） （ c）图 6 玻璃粉降低栅线体电阻率原理图随着玻璃粉含量进一步增大，由于玻璃粉为绝缘体，在浆料中占比例过大后，部分银粉颗粒分散距离 L/mm电阻R/ΩD 2D2Rc3D 4D161412100 10 200 1 2 3 4 5-130 408642w( 玻璃粉 )/%体电阻率ρmetal/（×10-6Ω·cm）A B玻璃Ag陈宁，等：银浆中的玻璃粉对晶硅太阳电池串联电阻的影响电子工艺技术Electronics Process Technology 2011年 5月 第 32卷第 3期128玻璃体中，玻璃体阻挡层过厚，通过隧道效应导通的几率降低，因此烧结后浆料的体电阻率开始上升。由测试结果，实验中的浆料和通常工业中应用的浆料，其电阻率是纯银电阻率 1.59 × 10-6 Ω· cm的 2倍～ 3倍，由 SEM图 7可以明显看出，烧结后银颗粒间有很多空隙，这是造成丝网印刷银电极电阻率大的主要原因，其他方法制作的银电极结构更为致密，因此有更接近于纯银的电阻率，如使用蒸镀和光诱导化学镀 [13] 等可获得致密的银结构，获得低于2.0 × 10-6 Ω· cm的电阻率。图 7 烧结后银栅线 SEM图由前面细栅线电阻公式讨论，栅线电阻取决于电极材料体电阻率和栅线截面积，因此在电池制造工艺中，除考虑降低栅线材料体电阻率来降低总电阻外，通过改进印刷技术 [14]和浆料 [15]，提高栅线高宽比来增加栅线截面积也是降低栅线电阻的方向。2.2 接触电阻接触电阻测试结果如图 8所示，测试结果为 150μ m宽， 5mm长的栅线与表面有 SiNx 层晶体硅电池的接触电阻。随着 PbO玻璃粉含量的增加，接触电阻下降，这与参考文献 [3]中实验结果一致，说明在 0～ 5%范围内， PbO玻璃粉比例的增加对于 Ag在浆料与电池发射极界面处生成再结晶颗粒和形成隧道导电通道有益。因此对于太阳能电池， PbO玻璃粉的含量是影响接触电阻的重要因素。图 8 玻璃粉质量分数与接触电阻关系2.3 拉力测试拉力测试结果如图 9所示。图 9 拉力测试结果实验表明，不含玻璃粉的浆料电极与硅基底无附着力，随着玻璃粉含量的增加，拉力逐渐增大，因此合适比例的玻璃粉是保证浆料拉力的必要条件，目前工业对拉力测试的要求为 3N左右，故使用PbO-SiO2系玻璃粉的质量分数不低于 4%。3 结论综上所述，丝网印刷银电极的体电阻和接触电阻是决定太阳能电池串联电阻的重要因素。银电极烧结后其中银颗粒间结合不紧密是造成栅线体电阻率比纯银电阻率明显大的原因。在一定范围内，PbO-SiO 2阻，随着玻璃粉含量的继续增大，栅线体电阻会升高；另外， PbO玻璃粉的含量对于拉力的增加起主要作用，随着 PbO玻璃粉含量的增加，拉力增加。参考文献SolarCells,2001,68:3-4.withspecialemphasisonmetalinfluence[C].IEEEPhotovoltaic SpecialistsConference,1994:1539-1542.[3] 郑建华，张亚萍，敖毅伟等 . 银浆组成对硅太阳电池丝网印刷欧姆接触的影响 [J]. 太阳能学报 ,2008,20(10):1274-1277.Physics,2009,105(6):066102.2009,15(2):307-312.0.60.550.450.350.50.40.30 1 2 3 4 5 6w( 玻璃粉 )/%接触电阻R/Ωw ( 玻璃粉 )/%平均拉力F/N0012344.53.52.51.50.51 2 3 4 5 6( 下转第 172页)电子工艺技术Electronics Process Technology 2011年 5月 第 32卷第 3期172缩短；另一方面，通过工艺的深化应用，实现了基于知识的智能化工艺设计，实现了面向三维 CAD的可视化装配工艺规划和仿真，有利于优化产品质量，促进产品创新，加快产品上市速度，增强企业对市场的快速反应能力。应用层管理层功能层图 5 三维可视化装配工艺系统总体框架图图 6 装配仿真参考文献2008.[2] 杨光育 , 田林 . 电子产品 CAPP系统的研究与开发 [J]. 电子工艺收稿日期： 2011-04-16[6] MatthiasH?FunctionalMaterials,2010,20(3):476-484.SolarEnergyConference,Paris,2004:813-816.[J].IEEESolarCellProcessing,2006:1388-1391.[9] 王军，王鹤，杨宏等 . 太阳电池串联电阻的一种精确算法 [J].[10]KingDL,QuintanaMA,KratochviJA,letal.Photovoltaic 2000,8(2):241-256.[11] 吴鼎芬，颜本达 . 金属 - 半导体界面欧姆接触的原理、测试与工艺 [M]. 上海：上海交通大学出版社 ,1989:30-35.MaterialsScience:MaterialsinElectronics,2010,21(7):730-736.lineprintedandlingt-inducedplatedcontactsonsiliconsolar 1416.SolarEnergyConference,Barcelona,2005.收稿日期 :2011-03-21( 上接第 128页)( 上接第 155页)探讨。 BGA生产的每一步都至关重要，只有严格遵循工艺规则才能减少问题的出现。出现问题需要返修时更要谨慎，尽量减少浪费，使返修品返修后可以正常使用。随着 BGA应用的越来越多， BGA的表面贴装及返修工艺将越来越重要，在不远的将来 BGA必将成为一种普遍应用的先进封装方式。参考文献(1) ： 24-26.[2] 张文典 . 实用表面组装技术 [M]. 北京 : 电子工业出版社 ,2006.139-141.收稿日期： 2011-03-10可视化装配工艺系统产品结构管理装配活动定义模型拾取三维造型器装配过程管理三维工艺装备管理定位夹及罗盘三维模型显示器装配工艺文档输出管理装配工艺性评价仿直播功能模型转换器三维模型转换器服务层核心平台层填料组 -2