有机载体对太阳能电池正银浆料性能影响研究_甘卫平

第４２卷第８期２０１４年８月化　工　新　型　材　料ＮＥＷ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＶｏｌ．４２Ｎｏ．８·１４１·基金项目：湖南省科技重大专项（２００９ＦＪ１００２－３）作者简介：甘卫平（１９５５－），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为太阳能电池材料及电子与新能源功能材料。

联系人：熊志军，硕士，研究方向为晶体硅太阳能电池电极材料。

有机载体对太阳能电池正银浆料性能影响研究甘卫平　熊志军＊　罗　林　向　峰　潘巧赟　岳映霞（中南大学材料科学与工程学院，长沙４１００８３）摘　要　从硅太阳能电池正银浆料用有机载体的挥发性出发，研究了５种常用有机溶剂的挥发性，选取松油醇、丁基卡必醇以及丁基卡必醇醋酸酯３种溶剂作为混合溶剂。

以乙基纤维素为增稠剂制备有机载体，研究了其含量对正银浆料丝网印刷性能及光电转换性能的影响。

以蓖麻油为触变剂，研究了其含量对丝网印刷烧结后细栅线电极高宽比以及光电转换效率的影响。

结果表明：当乙基纤维素的含量为６％时，正银浆料的印刷性能最好，光电转换效率可达１７．７０７％；当蓖麻油的含量为３％时，所得细栅线的高宽比较高，光电转换效率为１７．７７５％。

关键词　有机载体，溶剂，增稠剂，触变剂，丝网印刷，高宽比，光电转换效率Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆｆｒｏｎｔ　ｓｉｌｖｅｒ　ｐａｓｔｅ　ｆｏｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌＧａｎ　Ｗｅｉｐｉｎｇ　Ｘｉｏｎｇ　Ｚｈｉｊｕｎ　Ｌｕｏ　Ｌｉｎ　Ｘｉａｎｇ　Ｆｅｎｇ　Ｐａｎ　Ｑｉａｏｙｕｎ　Ｙｕｅ　Ｙｉｎｇｘｉａ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｖｏｌａｔｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｉｖｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｌｖｅｎｔｓ　ａｌｌｏｗｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｖｏｌａｔｉｌｉｔｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｉｎｆｒｏｎｔ　ｓｉｌｖｅｒ　ｐａｓｔｅ　ｆｏｒ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｅｒｐｉｎｏｌ，ｂｕｔｙｌ　ｃａｒｂｉｔｏｌ　ａｎｄ　ｂｕｔｙｌ　ｃａｒｂｉｔｏｌ　ａｃｅｔ　ｗｅｒｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓｍｉｘｅｄ　ｓｏｌｖｅｎｔ．Ｅｔｈｙｌ　ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｗａｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｉｃｋｅｎｅｒ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｎ　ｓｃｒｅｅｎｐｒｉｎｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｃａｓｔｏｒ　ｏｉｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ　ａ－ｇｅｎｔ　ｏｎ　ａｓｐｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒ　ｌｉｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｔｈｙｌ　ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｗａｓ　６％，ｔｈｅ　ｓｃｒｅｅｎ　ｐｒｉｎｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉ－ｃｉｅｎｃｙ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　ｕｐ　ｔｏ　１７．７０７％．Ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒ　ａｓｐｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ｗａｓ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｈｉｇｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗａｓ１７．７７５％ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｓｔｏｒ　ｏｉｌ　ｗａｓ　３％．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｓｏｌｖｅｎｔ，ｔｈｉｃｋｅｎｅｒ，ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ　ａｇｅｎｔ，ｓｃｒｅｅｎ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ，ａｓｐｅｃｔ　ｒａｔｉｏ，ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒ－ｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 随着化石能源的日趋枯竭，能源问题已成为影响人类生存和发展的制约因素。

太阳能电池作为利用太阳能的方式之一，有望成为人类长远发展获取能源需求的重要方式。

正银浆料作为硅太阳能电池正面金属化的材料，其由导电功能相银粉、粘结相玻璃粉、无机添加剂以及有机载体所组成［１－２］。

而有机载体一般由溶剂、增稠剂、触变剂以及其它助剂所组成［３］，其起到润湿和分散固体颗粒的作用。

有机载体应满足以下几种特征：挥发性，具有层次性而不是集中在某一小温度范围内，以避免集中挥发导致电极栅线出现孔隙和裂纹；粘度要适中，保证浆料具有合适的流动性以利于丝网印刷［４］，防止出现断点、断线或流淌现象；触变性，印刷后浆料能够保持良好的形态，电极栅线能够获得较好的高宽比；润湿性，均匀的分散粘结相和功能相而不出现团聚和沉淀［５］。

本研究着重考察了几种常用有机溶剂的挥发特性，选出具有合适挥发性的混合有机溶剂搭配方式。

以乙基纤维素为增稠剂，配制成有机载体和正银浆料，研究了其含量对浆料丝网印刷性能及光电转换性能的影响。

另外还研究了蓖麻油为触变剂，其含量对正银浆料丝网印刷烧结后正面细栅线电极高宽比及硅太阳能电池光电转换效率的影响。

１　实验部分１．１　试剂与设备试剂：丁基卡必醇醋酸酯，柠檬酸三丁酯，丁基卡必醇，松油醇，乙二醇乙醚乙酸酯，乙基纤维素（１００ｃｐｓ），蓖麻油，银粉，玻璃粉，背面银浆，背面铝浆。

设备：ＹＰ５１０２型电子天平，ＷＧＬ－电热鼓风干燥箱，ＨＨ－１数显恒温水浴锅，ＤＪ１Ｃ型增力电动搅拌器，ＰＵＨＬＥＲ三辊研磨机，Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ黏度计，ＷＹ－１７８型精密网版印刷机，ＨＳＧ５５０２－０４０４型红外干燥炉，Ｄｅｓｐａｔｃｈ　ＣＦ－Ｓｅｒｉｅｓ红外烧结炉，太阳能电池片分选机。

１．２　溶剂挥发性实验用电子天平分别称取３０ｇ的丁基卡必醇醋酸酯，柠檬酸三丁酯，丁基卡必醇，松油醇，乙二醇乙醚乙酸酯，分别放入到５个１００ｍＬ的烧杯中，将装有溶剂的烧杯置入到鼓风干燥箱化工新型材料第４２卷中，加热至６０℃，保温１０ｍｉｎ，然后取出冷却至室温，称量其失重，再次放入到干燥箱中继续加热至８０℃，保温１０ｍｉｎ，重复以上步骤，每隔２０℃测量１次，直至２００℃。

１．３　有机载体制备实验有机溶剂组成确定以后，保持其它的助剂含量４％不变的情况下，通过改变增稠剂乙基纤维素的含量，从１％至１０％，配制成相应的有机载体，编号Ｖ１－Ｖ１０。

即按配比称取有机溶剂和增稠剂，放入烧杯中，在恒温水浴锅（６０℃）中加热，搅拌，直至增稠剂全部溶解，而后称取相同的其它助剂入烧杯中，继续加热、搅拌至全部溶解，保温２ｈ，冷却至室温待用。

增稠剂乙基纤维素的含量确定以后，通过改变触变剂蓖麻油的含量，从０．５％至４％，其它助剂含量不变，按照上述方式配制成相应的有机载体Ｔ１－Ｔ８，冷却至室温待用。

１．４　浆料制备，丝网印刷和烧结实验将上述制备的有机载体Ｖ１－Ｖ１０以及Ｔ１－Ｔ８分别与银粉，玻璃粉以及无机添加剂按特定相同比例混合在一起，进行预搅拌，其中银粉，玻璃粉及无机添加剂保持不变，而后将预混合后的浆料在三辊研磨机上进行轧制数次混合均匀，制成正银浆料，相应编号为ＰＶ１－ＰＶ１０以及ＰＴ１－ＰＴ８。

将制备的正银浆料丝网印刷在单晶硅太阳能电池基片上，经合适的温度烘干和烧结后，形成硅太阳能电池片。

１．５　性能表征采用电子天平测量有机溶剂的挥发量；采用黏度计测量正银浆料在２５℃，１０ｒ／ｍｉｎ转速下的黏度值；采用金相显微镜观察烧结后电池片正面细栅线电极的形貌；采用环境扫描电子显微镜测量正面细栅线电极的高宽比；采用太阳能电池片分选机测量单晶硅太阳能电池片的光电转换性能参数。

２　结果与讨论２．１　溶剂挥发性分析有机载体的挥发性主要取决于有机溶剂的挥发性，为了防止正银浆料在丝网印刷时，载体挥发太快而导致浆料黏度大幅增加，难以印刷过网，溶剂的挥发量不能太高；同时为了保证正银浆料在印刷烘干时，载体具有层次挥发性，而不是集中在某一较小温度范围内挥发，有机溶剂应选择几种挥发性适中且不一致的有机溶剂进行混合搭配组成混合溶剂［４－５］。

通过图１，５种常用纯溶剂的挥发性实验结果可以看出，乙二醇乙醚乙酸酯的挥发量最大，挥发速度非常快，柠檬酸三丁酯的挥发量最小，几乎不挥发，故选择松油醇、丁基卡必醇以及丁基卡必醇醋酸酯３种溶剂混合搭配。

为了保证正银浆料丝网印刷后烧结前，有机载体能够充分挥发干净，松油醇的含量应占主要部分。

而丁基卡必醇醋酸酯的含量应较少，因此选取混合溶剂的配方为松油醇６０％，丁基卡必醇３０％，丁基卡必醇醋酸酯１０％。

图１　纯溶剂加热至不同温度保温１０ｍｉｎ后的挥发量图２　正银浆料的黏度随有机载体中乙基纤维素含量的变化情况２．２　乙基纤维素含量变化对正银浆料丝网印刷及光电转换性能影响分析表１为乙基纤维素含量为１％～１０％（质量分数，下同）之间的有机载体配方。

图２为乙基纤维素含量不同的有机载体配制成的正银浆料粘度变化曲线。

图３为采用ＰＶ３，ＰＶ６，ＰＶ９正银浆料丝网印刷烧结后的细栅线电极金相显微镜图。

表１　乙基纤维素含量不同的有机载体配方有机载体编号混合溶剂／％乙基纤维素／％其它添加剂／％Ｖ１　９５　１　４Ｖ２　９４　２　４Ｖ３　９３　３　４Ｖ４　９２　４　４Ｖ５　９１　５　４Ｖ６　９０　６　４Ｖ７　８９　７　４Ｖ８　８８　８　４Ｖ９　８７　９　４Ｖ１０　８６　１０　４随着乙基纤维素含量的增加，正银浆料的黏度逐渐增大，如图２所示。

从图３中可以看出，乙基纤维素含量较低时，由于黏度太低，所配置的正银浆料丝网印刷时，浆料流淌比较严图３　正银浆料丝网印刷烧结后，细栅线电极的金相显微镜图［（ａ）ＰＶ３；（ｂ）ＰＶ６；（ｃ）ＰＶ９］·２４１·第８期甘卫平等：有机载体对太阳能电池正银浆料性能影响研究重，造成细栅线电极宽度远大于所设计网版的宽度，导致电池片正面遮光面积增加。

而乙基纤维素含量较高时，因粘度太高，丝网印刷后出现了细栅线电极断点甚至断线现象。

而对于乙基纤维素含量为６％的有机载体配制的正银浆料，丝网印刷电极线条连续平滑，分辨率很高，没有出现断点断线以及流淌情况。

表２为采用ＰＶ１－ＰＶ１０正银浆料丝网印刷烧结后，所测得的单晶硅太阳能电池片光电转换性能参数。

从表中可以看出，乙基纤维素含量低的正银浆料丝网印刷后，由于浆料流淌比较严重，导致正面细栅线电极遮光面积很大，短路电流会降低。