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背银浆对晶硅太阳能电池串联电阻影响
摘要:通过对市场上现有成品的晶硅太阳能电池片背面电极进行观察发现，在背银电极与背铝电极重叠部位普遍存在裂隙。经过分析发现，这一裂隙的存在会导致电池片串联电阻的增大，进而对电池片的电性能产生不利影响。针对这一问题，对背银浆料配方进行改进，改进后的浆料可以有效降低裂隙出现的概率，使电池串联电阻由2.269mΩ降至2.167mΩ，并可提高电池片的转换效率。1引言
随着经济社会发展和居民生活水平提高,能源与环境问题日益严重,太阳能作为清洁能源,取之不尽,用之不竭,具有广阔的应用前景。在众多种类的太阳能电池中，晶硅太阳能电池应用最为成熟，技术研究也最为全面[1-3]。电极材料作为晶硅太阳能电池的关键技术之一，对提升电池效率非常重要。但是，目前关于晶硅太阳能电池的研究主要集中在正面电极及正银浆料上，对背面电极特别是背银浆料的研究和报道较少，对于背银电极的研究也主要关注焊接性能[4]，忽略其对串联电阻的影响。众所周知，浆料与硅基体及其他电极材料良好的匹配性是电池片获得高转换效率的前提[5-9]，背面电极同等重要。背银电极与背铝电极导通良好，才能得到串联电阻小、转换效率高的电池片。
对于传统工艺的产业化晶硅太阳电池，人们在研究串联电阻的组成[10,11]时，也没有详细对背表面电阻进行深入研究。我们通过对市场上现有成品晶硅太阳能电池片的背面电极进行观察发现，在电极内部背银电极与背铝电极重叠部位普遍存在裂隙，如图1。这一裂隙的存在可能导致背表面接触电阻的升高进而影响电池的总体效率。
根据这一发现对不同牌号背银浆进行对比，分析背银电极与背铝电极之间的接触性能的差异，通过更换背银浆料降低电池片串联电阻。2实验部分
以背银浆料B(乐凯胶片股份有限公司生产的背银浆BSP0181)，与市售背银浆料A进行对比，制作多晶硅电池片。用于实验测试的晶体硅太阳能电池片都是采用工业上通用的刻蚀、PECVD镀减反射膜等工艺制成。制备背银浆所需原材料均从市售产品中选购,正银浆料与背铝浆料均为市场上销售的成熟产品。所需主要实验设备及仪器见表1
2.1背银浆的制备
以松油醇为溶剂,分别加入质量分数为5%的乙基纤维素，再各加入质量分数为1%的其他助剂,混合均匀。于120℃的油浴中加热直至完全溶解,保温2h后冷却,得到有机载体。将银粉、玻璃粉以及有机载体按照质量比为60:5:25称量后。在玛瑙研钵中充分混合并置于三辊机上研磨,为了得到均一的混合效果,要在研磨机上反复几次，直到刮板细度计测得细度为小于15μm时出料,即得到太阳电池背面电极用银浆。
2.2浆料印刷、烧结及测试
将A、B两种浆料分别采用工业标准的印刷机和丝网印刷而成，丝网参数为280目,丝径30μm,张网角度22.5°，张力28N。使用工业用链式烧结炉在标准电池烧结条件下进行烧结，设定峰值烧结温度为920℃。
2.3分析与测试
两种浆料所得的电性能数据由标准工业采用的电池片分选机测得；通过扫描电镜对电池片背银电极与铝电极接触情况进行观察，使用能谱仪对接触部位进行元素分析。3结果与讨论
3.1微观分析
将电极表面的铝膜刮除，使用扫描电镜观察背银电极与背铝电极的搭接处的熔融金属层存在的裂隙，用能谱仪分析裂隙底部区域。通过扫描电镜图（见图2所示），a-1,a-2（背银浆A）与b-1,b-2（背银浆B）对比我们可以看出，在背银浆A制作的背银电极和背铝电极搭接处存在明显的断裂，局部放大后见图2（a-2）所示，可以发现裂隙宽度达到20~50μm，对此裂隙底部区域进行能谱分析如图3，证实裂隙底部暴露的为含铝的硅基底（铝掺杂的硅基体，与铝背场能谱结果相同）裸露出来。图2（b-1,b-2）中的裂隙发生较少，且呈不连续状态，熔融层保持连接状态。
产生这一现象的根本原因是金属及合金的线性热膨胀系数远大于硅的线性热膨胀系数。铝的线性热膨胀系数为23.6×10-6/K，银的线性热膨胀系数为19.5×10-6/K，硅铝合金的线性热膨胀系数接近铝（硅铝合金层的线性热膨胀系数随硅含量的增加或硅相体积分数的增加呈线性下降趋势[12]），硅的线性热膨胀系数为2.8×10-6/K。在烧结后冷却过程中，由于凝固点的差异，银先于铝和硅-铝合金凝固，在之后铝和硅-铝合金熔融体凝固过程中，铝膜和硅-铝合金层因凝结和冷却收缩，将银-铝结合部拉破，形成裂隙。
使用背银浆B可以有效的防止这种现象的产生，裂隙产生的数量（概率）均明显少于浆料A。
3.2电性能数据
A、B两种浆料在标准太阳能电池片生产线上大量使用，所用正银浆料、铝浆及硅片均为同一品牌同一批次，对印刷烧结生产的电池片进行电性能分析，对所得数据取平均值结果如表2所示。
由上表可以看出浆料B生产所得的电池片的串联电阻Rs要明显低于浆料A，转换效率及填充因子要高于浆料A。对上述电池片的单片测试数据随机取500片进行分析，如图4所示。
对随机取样的数据进行分析也可以看出，在开路电压相当的情况下，由于浆料B的串联电阻Rs较小，Eta及填充因子FF均优于浆料A。对产生这一结果的原因进行分析如下：理想情况下，电子注入铝背场和硅基体之前，应依次经过背银电极———背银电极和铝电极搭接部位（铝膜和合金层或共晶层的叠层结构）———铝电极或铝硅合金层等导体，两种电极搭接部位的铝膜与合金层（或共晶层）在电路中是并联关系。如图5（a）。如果在电极体出现裂隙或局部断裂，会引起背面电极电阻上升，进而使电池片串联电阻增大，影响电池片的转化效率Eta。如图5（b）。
为了证实正常情况下背电极与背电场间电子运输的通道确实如图5(a)所示，我们对电池片的铝电极表面电阻与刮除铝膜后（保留硅铝合金层）的表面电阻进行测量比较，得到的结果为：电池片铝膜表面的电阻在20~30mΩ/□之间，刮除铝膜后表面电阻为45~53mΩ/□，说明铝膜和合金层两者电阻基本相当。可以证实图5(a)所示的两条导电通路均为正常情况下的电子传输途径，电极体中裂隙的存在会使电子传输受阻，增大电池片串联电阻。4结论
本文通过对在研究过程中发现的背银电极及背铝电极搭接处出现的裂隙进行深入的研究与探讨，确认裂隙的存在会导致电池片的串阻增大，进而对电池片的效率产生不良影响。针对这一问题，我们研发出与背铝浆匹配性好、导电连接能力更强的背银浆BSP0181产品，能有效减小银-铝电极之间裂隙出现的概率，显著降低电池片的串联电阻，提高电池片的光电效率。参考文献[1]Nielsen L D.Distributed series resistance effects in solar cells[J].IEEE Trans.on Electron Devices, 1982, 29(5): 821-827.[2]赵富鑫, 魏彦章.太阳能电池及其应用[M].北京：国防工业出版社，1985.[3]Phang J C H, Chan D S H, Wong Y K.Comments on theexperimental determination of series resistance in solar cells[J].IEEE Trans.on Electron Devices, 1984, 31(5):717-718.[4]Jerome Moyer, 张伟铭, 韩晶, 等.高效无铅太阳能电池背银浆料的研究[D].第十届中国太阳能光伏会议论文集：迎接光伏发电新时代，2008.132-136.[5]方祖捷, 陈高庭, 叶青, 等.太阳能发电技术的研究进展[J].中国激光, 2009(01):5-14.[6]Sun ShiYang, Long Jian Ping, Zhang Bo.The investigation ofplating technologies for front fingers of c-Si solar cells [J].Advanced materials research.2012(512): 198-201.[7]M.Green.Solar Cells: Operating Principles, Technology andSystems Applications [M].Prentice-Hall: New Jersey, 1982,Chapter 3.[8]Ketkar S A, Umarji G G, Phatak G J.Lead-free photoimageable silver conductor paste formulation for high density electronic packaging [J].Materials Science and Engineering B,2006(132):215-221.[9]郭志球, 沈辉, 刘正义, 等.太阳电池研究进展[J].材料导报.2006(03):41-43.[10]Goetzberger A, Knobloch J, Vo B.Crystalline silicon solarcells [M].Freiburg, Germany: Fraunhofer Institute for SolarEnergy Systems, 1998.[11]Green, M A.Crystalline silicon solar cells [M].Sydney, Australia :University of New South Wales, 1995.[12] Zaiyang Wang, Shunri Oda.Electrical Properties of SrTiO3·/·BaTiO3 Strained Superlattice Films Prepared by AtomicLayer Metallorganic Chemical Vapor Deposition[J].J.Electrochemical Soc, 2000, 147(12):4615-46157.马亚男1，刘子英1，王春燕2，张东2（1．乐凯胶片股份有限公司；2．巨力新能源股份有限公司•）
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