銀粉振實(shí)密度對晶硅太陽能電池電性能的影響

王憨鷹，李 倩，馬生華，王 惠，白晉濤

(1. 榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；3.西北大學(xué) 光學(xué)與光子技術(shù)研究所，西安 710069)

太陽能電池是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的基礎(chǔ)元件，在諸多的太陽能電池中，晶硅太陽電池因具有光電轉(zhuǎn)化效率高、材料性能穩(wěn)定、便于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而在目前世界光伏市場占90%以上的比例，在整個(gè)光伏界處于主導(dǎo)地位[1-4]。晶硅太陽能電池所用的正面電極銀漿料是一種厚膜漿料，其3大組成部分有著特定的功能，其中銀粉主要是起到導(dǎo)電作用，它在漿料中所占的比例決定了銀電極柵線的印刷質(zhì)量和電池的電性能等。正面電極銀漿料要求銀粉形狀主要是球形，尺寸單一且具有很高的振實(shí)密度，這樣才能用少量的銀漿印刷出高導(dǎo)電性和良好穩(wěn)定性的電路，同時(shí)使用高振實(shí)密度銀粉電子漿料能使線路更精細(xì)，集成化更高，同時(shí)能承載更大的功率[5-9]。目前，關(guān)于銀粉制備方面的研究很多，但關(guān)于亞微米級球形銀粉制備的研究則比較少，對如何提高銀粉振實(shí)密度方面的研究更少。那么如何提高銀粉的振實(shí)密度呢？本文的構(gòu)想是將亞微米銀粉摻入到微米銀粉的間隙中來改變銀粉的振實(shí)密度。理論依據(jù)是最緊密排列理論[10]，它是以球形粒子為基礎(chǔ)，在大粒度粒子堆積的體系中，不斷加入粒度較小的粒子，直到體系的堆積密度達(dá)到最大為止。對于二元粉體的調(diào)配混合，有研究[11-13]結(jié)果認(rèn)為大粒子粒度應(yīng)該是小粒子粒度的3倍以上，才會(huì)達(dá)到較好填隙作用的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)想，本文首先系統(tǒng)研究影響銀粉性能的因素，得到制備銀粉的最佳工藝配方，并制得規(guī)則的、單分散性的微米、亞微米級高性能球形銀粉；然后將制備的亞微米、微米銀粉按照不同的質(zhì)量比進(jìn)行混合；最后通過分析振實(shí)密度對電池前電極柵線形貌、前電極柵線幾何形狀、電池接觸界面結(jié)構(gòu)和電池電性能等的影響來研究晶硅太陽能電池導(dǎo)電機(jī)理和Ag-Si界面效應(yīng)，進(jìn)而揭示銀粉振實(shí)密度對太陽能電池電性能的影響機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料制備

采用液相還原法[14-16]利用硝酸銀和抗壞血酸制得微米(D50=2.78 μm)和亞微米(D50=0.56 μm)銀粉，分別用SA和SB表示，將這兩種銀粉按不同的質(zhì)量比進(jìn)行混合，混合后的銀粉分別用SH1，SH2，SH3和SH4來表示，其中亞微米銀粉在總銀粉中的質(zhì)量比如表1所示。在上述混合銀粉和微米銀粉、亞微米銀粉中分別加入一定量的玻璃粉，并將銀粉和玻璃粉的混合物在有機(jī)載體中混合均勻，然后用三輥軋漿機(jī)軋成正銀漿料[17-19](標(biāo)注為：PA, PB, PH1，PH2，PH3和PH4)。將上述漿料通過絲網(wǎng)印刷印在多晶硅片(方阻: 60 Ω/sq,尺寸: 156 mm×156 mm)上，烘干；然后在峰值溫度為900 ℃的despatch燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，形成太陽能電池(CA，CB，CH1，CH2，CH3和CH4)。為了研究混合銀粉的質(zhì)量比對在玻璃層中或硅基底表面銀晶分布情況的影響，將上述電池的銀柵線和Ag/Si接觸界面的玻璃層通過化學(xué)腐蝕去除。具體腐蝕步驟：1)取90 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%的HCl和30 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的HNO3混合，將帶有柵線的電池片浸潤到王水中，將容器放在沒有光線的地方腐蝕1 h，然后用蒸餾水沖洗掉脫落的柵線，最后用吹風(fēng)機(jī)將電池片吹干；2)首先配制一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的HF溶液，然后將銀柵線脫落后的樣品吹干并置入配置好的HF溶液中，在室溫的條件下靜置10 min后取出電池片，同樣使用蒸餾水進(jìn)行反復(fù)沖洗，并用吹風(fēng)機(jī)將清洗后的電池片吹干。

表1 混合銀粉的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)以及振實(shí)密度Table 1 Composition (wt.%) and tap density of hybrid silver powder

步驟1的主要目的是將電池上的柵線全部腐蝕掉，步驟2是為了腐蝕Ag/Si接觸界面的玻璃層，然后通過掃描電鏡(SEM)和自帶的能譜分析儀(EDS)來測試Ag/Si接觸界面的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，以此判斷混合銀粉的質(zhì)量比對電池接觸界面結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 分析和表征

采用布魯克D8 ADVANCE型粉末衍射儀對樣品進(jìn)行XRD物相分析，測試條件：Cu 靶(λ=0.154 06 nm)，Kα 線，掃描范圍5°～ 80°，掃描速度 6 (°)/min；采用場發(fā)射掃描電鏡(德國蔡司公司Zeiss σ300型)和能譜儀(牛津EDS)對樣品的形貌和元素進(jìn)行分析,加速電壓10 kV，工作距離6.0 mm。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 亞微米銀粉含量對混合銀粉振實(shí)密度的影響

由于銀粒子之間存在很多空隙，銀粉的致密性小于相應(yīng)的銀漿的致密性。顆粒堆積之間的空隙會(huì)阻礙導(dǎo)電網(wǎng)格線的形成，影響太陽能電池的電性能。振實(shí)密度是反應(yīng)粉體材料堆砌致密性的重要參數(shù)，振實(shí)密度越大，粉體材料堆積的越致密，顆粒之間的空隙越小。圖1是混合前后銀粉的振實(shí)密度圖，由圖可知，隨著亞微米銀粉在混合銀粉中的百分含量增加，振實(shí)密度先增加后減小，主要原因是銀粉顆粒之間的孔洞和空隙先減少后增加。

圖1 混合銀粉的振實(shí)密度變化圖Fig.1 Tap density of hybrid silver powder

圖2給出了不同質(zhì)量比混合后的銀粉的SEM圖，由圖可知，隨著亞微米銀粉在混合銀粉中的比例增加，銀粉顆粒之間的孔洞和空隙逐漸減少；但是當(dāng)亞微米銀粉繼續(xù)增加時(shí)，銀粉顆粒之間的孔洞和空隙又開始增加，主要原因是隨著亞微米銀粉含量增多，超細(xì)銀粉顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚的機(jī)會(huì)增加，團(tuán)聚體之間或團(tuán)聚體與微米銀粉之間將形成更多、更大的孔洞和空隙。

圖2 混合銀粉的SEM圖Fig.2 SEM morphology of hybrid silver powder: (a) SH1; (b) SH2; (c) SH3; (d) SH4

圖3是銀漿料的SEM圖，由圖可知，銀粉和玻璃粉在有機(jī)載體中混合是均勻的，而且隨著亞微米銀粉含量的增加，微米銀粉顆粒之間的空隙先減少后增加。

圖3 混合銀粉對應(yīng)銀漿的SEM形貌圖Fig.3 SEM morphology of silver pasteof hybrid silver powder: (a) PA; (b) PB; (c) PH1; (d) PH2; (e) PH3; (f) PH4

2.2 振實(shí)密度對電池前電極柵線形貌的影響

圖4為電池前電極柵線的表面形貌圖，從圖中發(fā)現(xiàn)，電池CB(圖4(b))的表面中有幾個(gè)大的洞，而且柵線表面凹凸不平，這主要是因?yàn)槌?xì)銀粉在燒結(jié)時(shí)較易熔化，熔化后熔融物間鋪展較快，顆粒間接觸面較大；當(dāng)冷卻時(shí)，熔融的銀粉快速收縮，有的區(qū)域形成銀塊，有的區(qū)域形成大的坑，使得表面凹凸不平。同時(shí)電池CA(圖4(a))，CH1(圖4(c))，CH2(圖4(d))和CH4(圖4(f))的表面上有大量小的孔洞，而且這些柵線的表面也并不平整和光滑。然而，在電池CH3(圖4(e))對應(yīng)柵線的表面上幾乎沒有空隙，而且表面平整、致密。這也說明銀粉的振實(shí)密度對電池前電極柵線的形貌有重要的影響，銀粉振實(shí)密度越大對應(yīng)電池前電極柵線越致密，表面越光滑、平整。

圖4 電池前電極柵線的表面形貌圖Fig.4 Surface morphology of front electrode grid line of cells: (a) CA; (b) CB; (c) CH1; (d) CH2; (e) CH3; (f) CH4

衡量太陽能電池電性能的關(guān)鍵因素是電池的光電轉(zhuǎn)換效率和串聯(lián)電阻，而電池的串聯(lián)電阻主要包含兩部分：電池前電極柵線的線電阻和Ag/Si接觸的接觸電阻。高振實(shí)密度的銀粉能形成致密的銀柵線，這將有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成；同時(shí)，還能形成好的歐姆接觸，有助于形成良好的導(dǎo)電通路，從而可以有效的降低電池的串聯(lián)電阻和提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。圖5是電池前電極柵線的橫截面圖。

圖5 電池柵線燒結(jié)后的橫截面結(jié)構(gòu)Fig.5 Cross-sectional microstructure of electrode grid line after sintering:(a) CA;(b) CB;(c) CH1; (d) CH2; (e) CH3;(f) CH4

由圖5可知，當(dāng)用微米銀粉制成正銀漿料時(shí)，形成的電池柵線截面出現(xiàn)了大量的孔洞，而且這些未熔化粒徑較大的銀粉有可能會(huì)擊穿p-n結(jié)(圖5(a))；同樣，當(dāng)用亞微米銀粉制備銀漿料時(shí)，對應(yīng)電池柵線截面會(huì)形成特別大的孔洞，而且Ag/Si界面之間將會(huì)形成一層很厚的玻璃和銀顆粒的混合層，這是熔融態(tài)的玻璃熔解銀粉后流到Ag/Si界面，然后快速冷卻時(shí)形成的(圖5(b))；但是，對于混合銀粉對應(yīng)的電池來說，柵線橫截面變的相對致密，Ag/Si界面之間的玻璃層也較薄，尤其是亞微米銀粉含量為15wt.%時(shí)(圖5(e))對應(yīng)的電池柵線橫截面最致密，Ag/Si界面之間的玻璃層也是最均勻、最薄的，這有助于載流子隧穿玻璃層形成良好的導(dǎo)電通路。

2.3 振實(shí)密度對電池前電極柵線幾何形貌的影響

本文將混合銀粉制成正銀漿料，表2是不同銀粉對應(yīng)漿料的粘度以及對應(yīng)電池的高寬比和濕重。由表2可得，微米銀粉對應(yīng)的漿料粘度最大，亞微米銀粉對應(yīng)的漿料粘度最小，混合銀粉對應(yīng)的漿料中，隨著亞微米銀粉含量增加，對應(yīng)漿料的粘度先減少后增加，而漿料的粘度對電池的印刷性、高寬比和濕重都有重要的影響。

表2 銀漿料的粘度以及對應(yīng)電池的高寬比和濕重Table 2 Viscosity of silver paste and aspect ratio and wet weight of cells

將上述漿料印刷到表面涂有SiNx層的多晶硅片上，然后烘干，并燒結(jié)成電池片(CA, CB, CH1, CH2,CH3和CH4)研究其性能。圖6是電池的前電極柵線圖，由圖可知，當(dāng)用微米銀粉制得的漿料印刷電池片時(shí)，電池柵線較粗，而且會(huì)出現(xiàn)斷柵的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)闈{料太稠，同時(shí)粘度太大(圖6(a))。同樣，電池如果用亞微米銀粉制備的漿料印刷而成時(shí)，由于漿料太稀，粘度太小，導(dǎo)致柵線出現(xiàn)嚴(yán)重的漏柵和斷柵現(xiàn)象(圖6(b))。但是，用混合銀粉制得的漿料印刷而成的電池柵線卻沒有斷柵現(xiàn)象，而是只出現(xiàn)輕微的漏柵現(xiàn)象。而且從圖中發(fā)現(xiàn)，用漿料CH3印制成的電池柵線(圖6(e))，粗細(xì)均勻，表面光滑，沒有一點(diǎn)漏柵，更沒有出現(xiàn)斷柵的現(xiàn)象。

圖6 電池前電極柵線的形貌圖Fig.6 Morphology of front electrode grid line of cells:(a) CA; (b) CB; (c) CH1; (d) CH2; (e) CH3; (f) CH4

上述分析表明：當(dāng)銀漿料的粘度太大，也就是漿料太稠時(shí)，不利于印刷，在印刷過程中會(huì)出現(xiàn)斷柵的現(xiàn)象，從而不能形成良好的導(dǎo)電通路，阻礙了電流的有效傳輸，最終會(huì)影響到電池的電性能；相反，當(dāng)銀漿的粘度太小，即銀漿太稀時(shí)，電池前電極柵線將會(huì)很寬，而且形狀不規(guī)則，并伴有漏柵和斷柵的現(xiàn)象，導(dǎo)致電池吸光面積減少，同樣也不能形成良好的導(dǎo)電通路，不利于電流的導(dǎo)通，最終使得電池的串聯(lián)電阻增加，而光電轉(zhuǎn)換效率降低。充分的說明了銀漿料的粘度對絲網(wǎng)印刷的質(zhì)量有重要的影響，也進(jìn)一步說明正銀漿料的粘度與銀粉的振實(shí)密度有很大的關(guān)系。

另外，正銀漿料的粘度對電池的形狀有重要的影響，尤其對柵線的線高和線寬有顯著的影響。圖7是不同銀漿料對應(yīng)前電極柵線的橫截面積形貌圖，圖中顯示了6種不同漿料對應(yīng)柵線燒結(jié)后的高寬比，分別是：0.334、0.205、0.306、0.366、0.503和0.338，而且這些比值中，電池CH3的高寬比最大，電池CB的高寬比最小。隨著漿料粘度的增加，柵線線高增加，線寬減少，但是，當(dāng)銀漿的粘度較大時(shí)，銀漿料的印刷性將會(huì)變差，最終前電極柵線將會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則、塌陷和斷柵的現(xiàn)象(如圖7(a)所示)。相反，當(dāng)銀漿的粘度很小時(shí)，電池前電極柵線的高度降低，寬度增加(如圖7(b)所示)，這將會(huì)增加電池的遮光面積，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而當(dāng)銀漿的粘度適中時(shí)，電池前電極柵線的高度增加，寬度減小，出現(xiàn)較大的高寬比(如圖7(e))。所以在實(shí)際的晶硅太陽能電池的制備過程中，電池的前電極柵線要盡量越細(xì)越好，同時(shí)高度也要越高越好，這樣才能保證不減少吸光面積的同時(shí)還不會(huì)使電池前電極柵線的橫截面減少，最終也不會(huì)影響到載流子的收集。

圖7 不同銀漿料電池前電極柵線的橫截面圖Fig.7 Cross-section of front silver electrode line of cells with different silver pastes:(a) CA; (b) CB; (c) CH1; (d) CH2; (e) CH3;(f) CH4

2.4 振實(shí)密度對電池接觸界面結(jié)構(gòu)的影響

由于電池Ag/Si接觸能否形成歐姆接觸對電池的電性能是至關(guān)重要的，因此本文測試了不同電池對應(yīng)柵線的接觸界面結(jié)構(gòu)，來衡量電池是否形成歐姆接觸。圖8反映了不同振實(shí)密度的銀粉對應(yīng)電池通過900 ℃燒結(jié)后Ag-Si接觸界面圖。

圖8 不同銀漿料對應(yīng)前電極柵線的Ag/Si接觸界面的結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of Ag/Si contact interface of front silver electrode line with different silver pastes:(a) CA; (b) CB; (c) CH1; (d) CH2; (e) CH3; (f) CH4

從圖8(a)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用粒徑較大的微米尺寸的銀粉扎槳時(shí)，對應(yīng)電池在燒結(jié)后仍然有未熔化的銀顆粒存在，使得在Ag/Si接觸界面上出現(xiàn)部分區(qū)域柵線與硅基底直接接觸，柵線中未熔化的銀顆粒有可能會(huì)將p-n結(jié)擊穿；部分區(qū)域柵線和硅基底之間有一層很厚的玻璃層，這將阻斷載流子的傳輸；當(dāng)然在Ag/Si接觸界面上也存在一定的區(qū)域，這些區(qū)域的玻璃層很薄能使載流子隧穿，進(jìn)而能形成有效的導(dǎo)電通路。在圖8(b)中可以看到，使用超細(xì)銀粉扎漿制得的電池，能在柵線和硅基底之間形成一層很厚而且均勻的玻璃層。厚的玻璃層的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致較大的接觸電阻和串聯(lián)電阻，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致較低的開路電壓和填充因子的出現(xiàn)。圖8(c)～(f)顯示在Ag/Si接觸界面有銀晶體出現(xiàn)，但是上述4副圖中銀晶體的含量和分布的均勻性不同，圖8(c)中Ag/Si接觸界面上出現(xiàn)的銀晶體濃度最小，同時(shí)仍有擊穿p-n結(jié)的現(xiàn)象。而圖8(e)中Ag/Si接觸界面上銀晶體濃度最大，說明Ag/Si接觸界面上銀晶體濃度與銀粉振實(shí)密度有關(guān)。同時(shí)在圖8(e)中柵線與硅基底接觸最緊密，說明形成了良好的歐姆接觸，這也解釋了為什么電池CH3擁有最低的串聯(lián)電阻 (Rs為0.001 4 Ω)和最高的光電轉(zhuǎn)化效率 (Eff為19.127%)。

圖9是將電池片上銀柵線腐蝕后的表面形貌圖，在圖9(a)中清晰的可以看到大的銀晶體分布在玻璃層中并嵌入硅基底中，部分區(qū)域有p-n結(jié)被擊穿，產(chǎn)生漏電流。根據(jù)燒結(jié)模型[9]，大顆粒的銀粉需要更多的玻璃粉來熔解，因此，流到硅基底表面的熔融態(tài)的玻璃粉很少，而且大的銀顆?？梢耘c硅基底直接接觸，這樣可能導(dǎo)致p-n結(jié)會(huì)被擊穿；另外，由于很多區(qū)域出現(xiàn)銀和硅的直接接觸，所以硅基底表面會(huì)形成不均勻的玻璃層。圖9(b)顯示亞微米銀粉在燒結(jié)過程中熔解較快，但是由于燒結(jié)時(shí)間很短，所以仍有大量未完全熔化的小粒徑銀顆粒穿過銀柵線空隙流到硅基底表面，最后跟熔融態(tài)的玻璃粉混合形成很厚的玻璃層。在這種情況下，由于Ag-Si接觸界面之間存在很厚的一層玻璃層，所以不可能形成良好的歐姆接觸，而且阻斷了電流的導(dǎo)電通路。用混合銀粉制得的電池，大量小的銀晶體均勻的分布在玻璃層中，從圖9(c)～(f)可以發(fā)現(xiàn)，銀晶體的數(shù)量隨著混合銀粉中亞微米銀粉含量的增加先增加后減少。尤其在圖9(e)中可以明顯的看到，在整個(gè)區(qū)域玻璃層都是非常薄的，而且銀晶體又均勻的分布在Ag-Si接觸界面的表面，這些銀晶體可以提供電流導(dǎo)通的路徑，這層薄的玻璃層可以適度的腐蝕硅基底，而且大量銀晶體和薄玻璃層也是形成良好歐姆接觸的必備條件。

圖9 晶硅太陽能電池腐蝕后的表面形貌圖Fig.9 Surface morphology of c-Si solar cell after etching:(a) CA;(b) CB;(c) CH1; (d) CH2; (e) CH3;(f) CH4

上述結(jié)果的主要機(jī)理為：在燒結(jié)過程中，含鉛硅酸鹽玻璃首先軟化和熔解，然后開始熔解銀顆粒；隨著溫度的增加，熔化的玻璃粉和銀粉組成的流體混合物開始腐蝕氮化硅減反射層，通過以下氧化還原反應(yīng)完成[7-9]：

(1)

(2)

最后，在冷卻過程中，還原出的銀和鉛將會(huì)分離，大量的銀晶體將會(huì)沉積在硅發(fā)射極表面。

在腐蝕掉硅發(fā)射極上的玻璃層后，采用能譜分析儀(EDS)測試了硅發(fā)射極表面銀晶體的濃度。圖10反映了不同銀粉對應(yīng)電池接觸界面的SEM 和 EDS圖。當(dāng)銀粉為微米銀粉時(shí)，因?yàn)槲⒚妆砻嫦鄬^大，與玻璃粉接觸不充分，所以熔解所需的時(shí)間比較長。而太陽能電池的燒結(jié)時(shí)間很短，導(dǎo)致燒結(jié)過程被熔解的銀很少，結(jié)果在硅發(fā)射極表面形成尺寸較大的銀塊，這些銀塊與硅基底直接接觸，當(dāng)這些銀塊被王水腐蝕掉后，在硅表面留下了許多大的坑，EDS圖顯示硅基底銀晶體濃度很小，如圖10(a)所示。對于亞微米銀粉對應(yīng)的電池來說，由于銀的表面較小，與玻璃粉接觸較充分，在燒結(jié)過程中將會(huì)有大量的銀熔解在玻璃中，所以當(dāng)玻璃層被腐蝕掉后，EDS圖顯示幾乎沒有銀晶體留在硅發(fā)射極表面，如圖10(b)所示。從圖10(c)～(f)發(fā)現(xiàn)，隨著亞微米銀粉在混合銀粉中含量的增加，EDS圖顯示硅發(fā)射極表面銀晶體的濃度先增加后減少。當(dāng)亞微米銀粉在混合銀粉中含量為15%時(shí)，EDS圖顯示硅發(fā)射極表面銀晶體的濃度最大(質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到49.53%)，對應(yīng)的電池CH3擁有最低的串聯(lián)電阻，最大的光電轉(zhuǎn)換效率。表明硅發(fā)射極表面銀晶體的濃度對太陽能電池的電性能有重要的影響。

圖10 HF酸腐蝕后Si發(fā)射極表面銀晶體濃度的SEM 和 EDS圖Fig.10 SEM and EDS images of Ag concentration at Si emitter after etching using HF acid:(a) CA;(b) CB;(c) CH1; (d) CH2; (e) CH3;(f) CH4

2.5 振實(shí)密度對電池電性能的影響

本文研究了不同振實(shí)密度的銀粉制備的太陽能電池的電性能，每個(gè)漿料都印刷了9個(gè)電池片，并測試了它們的電性能，9組數(shù)據(jù)的平均值顯示在表3中。表3中數(shù)據(jù)對應(yīng)的散點(diǎn)模型的效率分布圖如圖11所示，從表和圖中發(fā)現(xiàn)用混合銀粉制備的電池比用純微米或亞微米銀粉制備的電池?fù)碛懈偷拇?lián)電阻和更高的光電轉(zhuǎn)換效率。混合銀粉不同的質(zhì)量比對應(yīng)電池也擁有不同的光電轉(zhuǎn)換效率，其中混合銀粉SH3對應(yīng)電池CH3擁有最大的光電轉(zhuǎn)換效率(19.127%),表明銀粉振實(shí)密度對電池的電性能有重要的影響。

表3 不同振實(shí)密度銀粉對應(yīng)電池的電性能參數(shù)Table 3 Electrical performance parameters of cells with different silver pastes

圖11 電池電性能參數(shù)散點(diǎn)模型效率分布圖Fig.11 Efficiency distribution of scatter model of electrical performance parametersof cells:(a)Voc；(b)Isc；(c)Rs；(d)Rsh；(e)FF；(f)Eff

隨著亞微米銀粉在混合銀粉中含量的增加，電池的開路電壓Voc、填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率Eff先增加后減少，當(dāng)亞微米銀粉在混合銀粉中含量為15%時(shí)，上述參數(shù)達(dá)到最大值。上述結(jié)果表明亞微米銀粉在混合銀粉中的含量有最佳值，原因可能是隨著亞微米銀粉含量的增加，越來越多的亞微米銀粉“漂移”到較大的微米顆粒之間的空隙中，其中一些亞微米顆粒起到貫穿大顆粒之間橋梁的作用，這有助于導(dǎo)電通路的形成。但是，當(dāng)亞微米銀粉繼續(xù)增加時(shí)，這些亞微米銀粉將會(huì)團(tuán)聚形成“銀粉簇”或孤立的“銀粉島”，這樣可能會(huì)導(dǎo)致銀粉顆?；蜚y粉簇之間重新出現(xiàn)較多的間隙，這會(huì)降低銀粉顆粒連續(xù)接觸的可能性。因此，引入大量的亞微米粒子將會(huì)降低微米顆粒之間的直接接觸的機(jī)會(huì)，也會(huì)降低混合銀粉的振實(shí)密度，最終會(huì)降低太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

另外，隨著亞微米銀粉在混合銀粉中含量的增加，電池的串聯(lián)電阻先減小后增加，當(dāng)亞微米銀粉的含量為15%時(shí)，電池的串聯(lián)電阻為最小值。分析認(rèn)為：當(dāng)純微米銀粉作為導(dǎo)電填料時(shí)，雖然銀自身的電阻很小，但是在同樣填充量的情況下，由于微米銀粉粒徑大，銀顆粒的數(shù)目比較少,因此，顆粒之間接觸的機(jī)會(huì)降低，這將導(dǎo)致漿料中形成導(dǎo)電網(wǎng)的數(shù)量減少，最終導(dǎo)致隧穿電阻增加。同時(shí)，大的銀顆粒在銀柵線和硅發(fā)射極之間形成厚度不均勻的玻璃層，玻璃層中含有較大的銀晶體，導(dǎo)致接觸電阻增加。所以，微米銀粉對應(yīng)的電池的串聯(lián)電阻很高。當(dāng)有少量的亞微米銀粉添加到微米銀粉中時(shí)，將會(huì)使銀顆粒相互接觸的機(jī)率增加，這樣會(huì)降低電池的串聯(lián)電阻。但是，如果繼續(xù)增加亞微米銀粉的含量，接觸點(diǎn)的數(shù)量增加，將會(huì)增加接觸電阻，最終會(huì)增加串聯(lián)電阻。結(jié)果表明，混合銀粉的振實(shí)密度直接影響著電池串聯(lián)電阻的高低。

3 結(jié) 論

本文制備了微米球形銀粉(D50=2.78 μm)和亞微米球形銀粉(D50=0.56 μm)，然后將微米銀粉和亞微米銀粉按一定的質(zhì)量比進(jìn)行混合，并測試了不同銀粉的振實(shí)密度。研究了銀粉振實(shí)密度對電池的柵線形貌、接觸界面結(jié)構(gòu)、歐姆接觸的質(zhì)量以及電性能的影響，得出以下結(jié)論：

1) 銀粉的振實(shí)密度對漿料的粘度有影響，而漿料的粘度對電池的印刷性、高寬比和濕重都有重要的影響。當(dāng)銀漿料的粘度太大，也就是漿料太稠時(shí)，不利于印刷，在印刷過程中會(huì)出現(xiàn)斷柵的現(xiàn)象；相反，當(dāng)銀漿的粘度太小，即銀漿太稀時(shí)，電池前電極柵線將會(huì)很寬，而且形狀不規(guī)則，并伴有漏柵和斷柵的現(xiàn)象，導(dǎo)致電池吸光面積減少。

2) 銀粉振實(shí)密度對電池的接觸界面結(jié)構(gòu)、歐姆接觸的質(zhì)量有重要的影響。銀粉振實(shí)密度最高時(shí)對應(yīng)電池柵線橫截面最致密，Ag/Si界面之間的玻璃層也是最均勻、最薄的；同時(shí)，Ag-Si接觸界面銀晶體的濃度最大，而且銀晶體又均勻的分布在Ag-Si接觸界面的表面，這些銀晶體可以提供電流導(dǎo)通的路徑。

3) 銀粉振實(shí)密度對電池的電性能有重要的影響。銀粉振實(shí)密度最大時(shí)，對應(yīng)電池的電性能最佳，其中光電轉(zhuǎn)換效率為 (19.127%)，串聯(lián)電阻為 (0.001 4 Ω)。