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[摘 要]本文研究了玻璃粉的粒径对晶硅电池用负电极银浆的印刷粘度，焊接拉力以及欧姆接触等电性能产生的影响。实验结果表明玻璃粉D50粒径在5μm时浆料有较高的粘度，较高的焊接拉力和较低的接触电阻。
[关键词]玻璃粉 欧姆接触 焊接拉力粘度
中图分类号：G32.56 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0325-03
[Abstract]This paper studied the printing viscosity glass powder particle size on the crystal silicon battery negative electrode silver paste for welding， impact force and the electrical properties of ohmic contact. The experimental results show that the glass powder particle size of D50 in the 5 m slurry has higher viscosity， tensile welding of high and low contact resistance.
[Key words]Glass power Ohmic contact solder tension Ohmic contact
0.引言
太阳能电池浆料是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素。浆料的主要作用是将光伏电池光照时产生的电子能量[1]（包括电压和电流） 输出到外部的设备上， 从而达到发电目的。
太阳能晶硅电池就是一个大的二极管，光生电流的主要损失来自接触电阻产生的损失，串联电阻[2]的大小取决于银浆印刷烧结后银与硅的欧姆接触，因此欧姆接触好的导电银浆能大大提高晶硅电池的光电转换效率。浆料的成分主要由三部分组成，银粉，玻璃粉和有机载体，玻璃粉能够穿透电池表面的氮化硅膜，形成导电通道，玻璃粉中的金属氧化物在烧结后银粉与发射极之间起传输媒介的作用。玻璃粉的粒径和形貌直接影响银浆印刷后在电池基底上表面状态和烧结后浆料中银颗粒和电池发射极界面间形成的结晶情况。本文主要对不同粒径玻璃粉对负电极银浆应用在晶硅电池上产生的微观导电机理以及焊接拉力的影响进行研究。
1、实验
银浆样品均采用自制有机载体（丁基卡必醇做溶剂，增稠剂选用有机纤维素，增塑剂选用邻苯二甲酸二丁酯，触变剂采用氢化蓖麻油在水浴60℃中溶解）；银粉选用日本铜和 D300粉；自制的铅硼硅酸盐玻璃用分级设备分级成不同粒径备用，将上述混合物在玛瑙研钵中充分混合，然后在三辊研磨机上研磨6遍制得负电极银浆样品。把制得银浆样品印刷在156mm×156mm多晶硅片上，利用美国Despah烧结炉烘干烧结，峰值烧结温度为810度。
采用日本日立公司s-4800型扫描电镜观察形貌，德国PAC Herzog公司M472型旋转粘度计测试浆料粘度，上海企想检测仪仪器公司QX-W300光伏电池片拉力测试仪检测焊接拉应力。采用传输线模型法[3]测量太阳能电池银电极与硅基底间接触电阻。
2、实验结果与分析
2.1 不同粒径玻璃粉对浆料粘度影响
2.1.1四种粒径玻璃粉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ扫描电镜下观察其微观形貌如图1：
从不同D50粒径玻璃粉拍照后SEM照片明显看到，随着玻璃粉粒径增大，玻璃粉颗粒间的间隙明显增大。
2.1.2转子速度在10R/s下，分别测试Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个样品浆料粘度测试结果如表1：
从图2可以看出，随着玻璃粉粒径减小，浆料粘度增大。而在粒径减小到2.5微米时，浆料粘度反而减小到322 Pa·s。这是由于随着颗粒减小，单位体积表面自由能[4]增大，表面张力增大，玻璃粉在银粉和有机溶剂间起到表面活性剂作用促使银粉和有机溶剂间形成饱和键，键合力增大因此颗粒的减小浆料粘度增大。当粒径继续减小，这些形状不规则的块状玻璃粉，随着比表面积的越来越大，颗粒间开始发生聚集，出现了大量团聚体，发生团聚的玻璃粉表面能下降，导致浆料粘度降低。
2.2 不同玻璃粉粒度对焊接拉力影响
选择8寸多晶太阳能级硅片经过制绒、扩散、和PECVD工序后的蓝膜片作为基底，将四种不同粒径玻璃粉制成的银浆料，通过丝网印刷在蓝膜片上经过烧结炉烘干烧结得到多晶硅太阳能电池片，用2mm涂锡铜带[5]焊接在印刷好的负电极主栅线上测试浆料的焊接拉力。测试结果如表3，图3：
相同粒径银粉和不同粒径玻璃粉配合对晶硅电池印刷烧结后栅线焊接拉力的影响见上图。可见，随着玻璃粉粒径减小，银硅合金的栅线焊接拉力呈现先增大后减小的现象，焊接拉力的最大值出现在玻璃粉D50粒径5μm处，在试验所测范围，银粉，有机溶剂和玻璃粉之间存在最佳组合，银粉与玻璃粉的粒径处于一定组合时，在烧结过程中，银粉和有机载体及基板之间由于玻璃粉的活化作用[6]实现了良好的匹配。在一定范围内随着玻璃粉粒径的减小，烧结后银硅合金结合的连续性和一致性较好，但玻璃粉粒径也不是越细越好，D50粒径在2.5微米处由于玻璃粉颗粒过细，容易导致银颗粒偏聚，导致银硅合金接触[7]不均匀而影响焊接拉力。
2.3 不同粒径玻璃粉对银浆印刷烧结后银硅合金欧姆接触影响
玻璃粉在负电极银浆中所起的主要作用是腐蚀晶体硅电池的钝化层SiNx形成导电通道，帮助银浆料和发射极界面间间形成结晶[8]，由于玻璃层较薄电子可以通过隧道效应在浆料和发射极之间传导。选取硅银合金区接触界面拍扫面电镜照片。从SEM照片可以看出玻璃粉粒径2.5微米和5微米的银硅合金之间有明显的均匀玻璃层，玻璃粉与银粉充分浸润[9]，填补了银粉颗粒间的缝隙形成良好的导电通道降低了体电阻。玻璃粉粒径增加到7.5微米和10微米后浸润银粉的玻璃层变得不连续，这说明大颗粒的玻璃粉融化时不易均匀沉降[7]到基底层发射极表面，从而没有形成连续的导电通道，影响了银粉与硅之间的接触电阻。 测量太阳能电池银电极与硅基底间的接触电阻值如下：
玻璃粉粒径与栅线接触电阻关系如下图，随着玻璃粉粒径增加体电阻5微米以下时变化不大，5微米以上后体电阻明显增加，这也说明了5微米以上大颗粒玻璃粉融化时不易均匀沉降到基层发射极表面，影响了电子传输的隧道效应通道，因此接触电阻变大。玻璃粉粒径5微米接触电阻值比较小，玻璃粉粒径5微米以下时由于团聚等接触电阻值变化不大。
接触电阻的测试值也正说明了图四中不同粒径玻璃粉在烧结后银硅合金层中呈现分布明显不同。
3、结论
综上所述：
玻璃粉的D50粒径太阳能晶硅电池负电极银浆粘度，焊接拉力，欧姆接触电阻等都有影响，D50粒径在5μm时太阳能晶硅电池用负电极银浆有最大的粘度，最大的焊接拉力和最低的欧姆接触电阻。
参考文献
[1] 吴鼎芬；颜本达 金属一半导体界面欧姆接触的原理、测试与工艺1989.
[2] Hoornstra J；Moor H de；Weeber A Improved Front sideMetallization on silicon solar cellwithstencil printing2000.
[3] Horteis M；Bartsch J；Binder S Electrical properties of fine line printed and lingt-induced platedcontacts on silicon solar cell2010（04）.
[4] Vinod P N Specific contact resistance and metallurgical process of the silver based paste formaking ohmic contact structure on the porous silicon/p-Si surface of the silicon solar cell2010（07）.
[5] Mette A；Erath D；Ruiz R Hot melt ink for the front side metallization of silicon solar cells200.
[6] King D L；Quintana MA；Kratochvi moduleperformance and durability followinglong-term fieldexposure 2000（02）.
[7] 王军；王鹤；杨宏 太阳电池串联电阻的一种精确算法2008（10）.
[8] Caballero L J；S á nchez-Friera P；Lalaguna B Series resistance modelling of industrial screen-printed monocrystalline silicon solar cells and including the effect of spot soldering2006.
[9] Matthias H（o）rteis；Tobias Gutberlet；Armin Reller High-Temperature Contact Formation on n-Type Silicon：Basic Reactions and Contact Model for Seed-Layer Contacts2010（03）.
[关键词]玻璃粉 欧姆接触 焊接拉力粘度
中图分类号：G32.56 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0325-03
[Abstract]This paper studied the printing viscosity glass powder particle size on the crystal silicon battery negative electrode silver paste for welding， impact force and the electrical properties of ohmic contact. The experimental results show that the glass powder particle size of D50 in the 5 m slurry has higher viscosity， tensile welding of high and low contact resistance.
[Key words]Glass power Ohmic contact solder tension Ohmic contact
0.引言
太阳能电池浆料是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素。浆料的主要作用是将光伏电池光照时产生的电子能量[1]（包括电压和电流） 输出到外部的设备上， 从而达到发电目的。
太阳能晶硅电池就是一个大的二极管，光生电流的主要损失来自接触电阻产生的损失，串联电阻[2]的大小取决于银浆印刷烧结后银与硅的欧姆接触，因此欧姆接触好的导电银浆能大大提高晶硅电池的光电转换效率。浆料的成分主要由三部分组成，银粉，玻璃粉和有机载体，玻璃粉能够穿透电池表面的氮化硅膜，形成导电通道，玻璃粉中的金属氧化物在烧结后银粉与发射极之间起传输媒介的作用。玻璃粉的粒径和形貌直接影响银浆印刷后在电池基底上表面状态和烧结后浆料中银颗粒和电池发射极界面间形成的结晶情况。本文主要对不同粒径玻璃粉对负电极银浆应用在晶硅电池上产生的微观导电机理以及焊接拉力的影响进行研究。
1、实验
银浆样品均采用自制有机载体（丁基卡必醇做溶剂，增稠剂选用有机纤维素，增塑剂选用邻苯二甲酸二丁酯，触变剂采用氢化蓖麻油在水浴60℃中溶解）；银粉选用日本铜和 D300粉；自制的铅硼硅酸盐玻璃用分级设备分级成不同粒径备用，将上述混合物在玛瑙研钵中充分混合，然后在三辊研磨机上研磨6遍制得负电极银浆样品。把制得银浆样品印刷在156mm×156mm多晶硅片上，利用美国Despah烧结炉烘干烧结，峰值烧结温度为810度。
采用日本日立公司s-4800型扫描电镜观察形貌，德国PAC Herzog公司M472型旋转粘度计测试浆料粘度，上海企想检测仪仪器公司QX-W300光伏电池片拉力测试仪检测焊接拉应力。采用传输线模型法[3]测量太阳能电池银电极与硅基底间接触电阻。
2、实验结果与分析
2.1 不同粒径玻璃粉对浆料粘度影响
2.1.1四种粒径玻璃粉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ扫描电镜下观察其微观形貌如图1：
从不同D50粒径玻璃粉拍照后SEM照片明显看到，随着玻璃粉粒径增大，玻璃粉颗粒间的间隙明显增大。
2.1.2转子速度在10R/s下，分别测试Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个样品浆料粘度测试结果如表1：
从图2可以看出，随着玻璃粉粒径减小，浆料粘度增大。而在粒径减小到2.5微米时，浆料粘度反而减小到322 Pa·s。这是由于随着颗粒减小，单位体积表面自由能[4]增大，表面张力增大，玻璃粉在银粉和有机溶剂间起到表面活性剂作用促使银粉和有机溶剂间形成饱和键，键合力增大因此颗粒的减小浆料粘度增大。当粒径继续减小，这些形状不规则的块状玻璃粉，随着比表面积的越来越大，颗粒间开始发生聚集，出现了大量团聚体，发生团聚的玻璃粉表面能下降，导致浆料粘度降低。
2.2 不同玻璃粉粒度对焊接拉力影响
选择8寸多晶太阳能级硅片经过制绒、扩散、和PECVD工序后的蓝膜片作为基底，将四种不同粒径玻璃粉制成的银浆料，通过丝网印刷在蓝膜片上经过烧结炉烘干烧结得到多晶硅太阳能电池片，用2mm涂锡铜带[5]焊接在印刷好的负电极主栅线上测试浆料的焊接拉力。测试结果如表3，图3：
相同粒径银粉和不同粒径玻璃粉配合对晶硅电池印刷烧结后栅线焊接拉力的影响见上图。可见，随着玻璃粉粒径减小，银硅合金的栅线焊接拉力呈现先增大后减小的现象，焊接拉力的最大值出现在玻璃粉D50粒径5μm处，在试验所测范围，银粉，有机溶剂和玻璃粉之间存在最佳组合，银粉与玻璃粉的粒径处于一定组合时，在烧结过程中，银粉和有机载体及基板之间由于玻璃粉的活化作用[6]实现了良好的匹配。在一定范围内随着玻璃粉粒径的减小，烧结后银硅合金结合的连续性和一致性较好，但玻璃粉粒径也不是越细越好，D50粒径在2.5微米处由于玻璃粉颗粒过细，容易导致银颗粒偏聚，导致银硅合金接触[7]不均匀而影响焊接拉力。
2.3 不同粒径玻璃粉对银浆印刷烧结后银硅合金欧姆接触影响
玻璃粉在负电极银浆中所起的主要作用是腐蚀晶体硅电池的钝化层SiNx形成导电通道，帮助银浆料和发射极界面间间形成结晶[8]，由于玻璃层较薄电子可以通过隧道效应在浆料和发射极之间传导。选取硅银合金区接触界面拍扫面电镜照片。从SEM照片可以看出玻璃粉粒径2.5微米和5微米的银硅合金之间有明显的均匀玻璃层，玻璃粉与银粉充分浸润[9]，填补了银粉颗粒间的缝隙形成良好的导电通道降低了体电阻。玻璃粉粒径增加到7.5微米和10微米后浸润银粉的玻璃层变得不连续，这说明大颗粒的玻璃粉融化时不易均匀沉降[7]到基底层发射极表面，从而没有形成连续的导电通道，影响了银粉与硅之间的接触电阻。 测量太阳能电池银电极与硅基底间的接触电阻值如下：
玻璃粉粒径与栅线接触电阻关系如下图，随着玻璃粉粒径增加体电阻5微米以下时变化不大，5微米以上后体电阻明显增加，这也说明了5微米以上大颗粒玻璃粉融化时不易均匀沉降到基层发射极表面，影响了电子传输的隧道效应通道，因此接触电阻变大。玻璃粉粒径5微米接触电阻值比较小，玻璃粉粒径5微米以下时由于团聚等接触电阻值变化不大。
接触电阻的测试值也正说明了图四中不同粒径玻璃粉在烧结后银硅合金层中呈现分布明显不同。
3、结论
综上所述：
玻璃粉的D50粒径太阳能晶硅电池负电极银浆粘度，焊接拉力，欧姆接触电阻等都有影响，D50粒径在5μm时太阳能晶硅电池用负电极银浆有最大的粘度，最大的焊接拉力和最低的欧姆接触电阻。
参考文献
[1] 吴鼎芬；颜本达 金属一半导体界面欧姆接触的原理、测试与工艺1989.
[2] Hoornstra J；Moor H de；Weeber A Improved Front sideMetallization on silicon solar cellwithstencil printing2000.
[3] Horteis M；Bartsch J；Binder S Electrical properties of fine line printed and lingt-induced platedcontacts on silicon solar cell2010（04）.
[4] Vinod P N Specific contact resistance and metallurgical process of the silver based paste formaking ohmic contact structure on the porous silicon/p-Si surface of the silicon solar cell2010（07）.
[5] Mette A；Erath D；Ruiz R Hot melt ink for the front side metallization of silicon solar cells200.
[6] King D L；Quintana MA；Kratochvi moduleperformance and durability followinglong-term fieldexposure 2000（02）.
[7] 王军；王鹤；杨宏 太阳电池串联电阻的一种精确算法2008（10）.
[8] Caballero L J；S á nchez-Friera P；Lalaguna B Series resistance modelling of industrial screen-printed monocrystalline silicon solar cells and including the effect of spot soldering2006.
[9] Matthias H（o）rteis；Tobias Gutberlet；Armin Reller High-Temperature Contact Formation on n-Type Silicon：Basic Reactions and Contact Model for Seed-Layer Contacts2010（03）.