太阳能电池正面银浆的制备及其性能研究

【摘要】：太阳能是人类最重要的可再生能源之一,它是一种无污染、可再生、储量巨大、取之不尽、用之不竭的清洁能源,充满了诱人的前景。因此,太阳能的研究和应用已成为世界新能源研究的热点。银浆是制造太阳能电池电极的关键材料,电极银浆组成相的成分配方、性质和制备工艺直接影响着太阳能电池的物理和光电性能。本文瞄准当今世界科学与技术前沿,重点研究了太阳能电池正面银浆的主要组成相银粉和有机载体的性质和成分配方。利用化学液相还原法成功制备出适合太阳能电池正面银浆应用的高分散的微米/亚微米球形银粉,并成功优化出适合太阳能电池正面银浆应用的有机载体。同时,发现了银粉的粉末特性参数与太阳能电池性能的规律性,也发现了有机载体配方与太阳能电池丝网印刷性和电性能的相关性,以及银浆制备工艺与太阳能电池性能的相关性。主要研究结果如下： 1、研究了太阳能电池正面银浆用的高分散球形或类球形超细银粉,首次揭示了聚乙烯醇是利用化学吸附和物理吸附分散银粉的机理,从而突破了化学还原法制备银粉的技术关键。作者以硝酸银为原材料,运用化学液相还原法制备银粉。通过单因素实验和正交实验两种设计方法,优化出两种适合制备太阳能电池正面银浆的工艺。 单因素实验设计方法,探索了十一个影响银粉粒度、形貌和分散性的因素,发现规律性,成功制备出目标银粉。优化的工艺条件为：以抗坏血酸为还原剂,聚乙烯醇为分散剂,pH=7,分散剂用量为8wt%(相对硝酸银质量),12.500mL·s-1的滴液速度,200PRM的搅拌速度,还原剂溶液的初始浓度为1.177mol·L-1,硝酸银溶液初始浓度为0.294mol·L-1,分散剂加入到硝酸银溶液中,硝酸银溶液滴入到还原剂溶液中,反应温度50℃,用甘油单硬脂酸酯的乙醇溶液进行后处理改性。在该条件下,制备的银粉具有良好的分散性,形貌为球形,一次粒子的平均粒度为0.81μm,粒径分布为0.37～1.04μm,振实密度为4.9g·cm-3。在此基础上,运用紫外-可见光谱研究了以聚乙烯醇作分散剂制备银粉的分散机理,通过深入系统地分析,揭示了聚乙烯醇是利用化学吸附和物理吸附分散银粉的机理。正交实验设计方法,考察了六个因素和五个水平。优化的工艺条件为：硝酸银浓度为0.3mol·L-1,抗坏血酸浓度为1.4mol·L-1,明胶为分散剂,分散剂用量为8wt%(相对硝酸银质量),pH值为4,反应温度为50℃。在此条件下制备的银粉,形状为近球形,颗粒均匀,分散性良好,其一次粒子的平均粒度为0.89μm,分布在0.36-1.67μm之间,振实密度为5.4g·cm-3。 通过以上两种工艺制备的银粉都适合制备太阳能电池正面银浆,各有优点,前者工艺制备的银粉分散性好,而后者工艺制备的银粉振实密度高。 2、发现了银粉的分散性、振实密度及银浆的银含量对太阳能电池正面银浆的影响规律。高的分散性和振实密度有利于制备高品质的银浆,由其制备的太阳能电池正面银浆具有良好的丝网印刷性,其烧结厚膜的电极线条精密、平整、致密、孔洞率小,具有优异的导电性,从而提高了太阳能电池的光电转化效率,其单晶硅太阳能电池光电转化效率达17.803%。该新的发现还未见有文献报道。 3、优化了一个满足正银浆料所需的良好流平性、触变性和印刷性的有机载体。山该有机载体制备的太阳能电池正银浆料,兼备了良好的流平性、触变性和丝网印刷性能,该正银浆料印刷的电池电极和栅线具有大的湿重、膜厚和高宽比,每片电池湿重达0.18g,膜厚达33μm,高宽比达0.306,同时,电极和栅线与晶硅界而具有高的附着力(0.4N.mm-2)和良好的可焊性,该条件下制备的太阳能电池具有优异的光电转化效率,其单晶硅电池光电转化效率达17.963%。该配方还未见有文献报道。 4、发展了低成本、短流程正面银浆制备技术,该技术由湿态银粉直接配制浆料,最大限度地减少了银粉的团聚带来的负面影响,使电池性能进一步提高(可达18.020%)。发现制备该正银浆料的新工艺可克服银粉干燥过程加剧团聚的不利影响,摒弃了传统电子浆料生产时易使固、液混合和研磨不均匀的缺点,使得制备的正银浆料分散性更好,细度更细,提高了高精度、高分辨率、高速丝网印刷性能和增强了浆料的过网能力。 5、发现了正银浆料的丝网印刷、烘干和烧结工艺对太阳能电池电学性能和光电转换效率的重要影响规律。将各种工艺调到最佳匹配值才能最大限度的提高电池性能。 【关键词】：太阳能电池 银浆 电极材料 银粉 液相还原法 有机载体
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 前言12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太阳能电池简介13-23
• 1.2.1 太阳能电池原理13
• 1.2.2 太阳能电池发展历史13-16
• 1.2.2.1 国外发展历史13-15
• 1.2.2.2 国内发展历史15-16
• 1.2.3 太阳能电池研究和开发16-22
• 1.2.3.1 单晶硅电池16-17
• 1.2.3.2 多晶硅电池17-18
• 1.2.3.3 非晶硅薄膜电池18-19
• 1.2.3.4 化合物薄膜电池19-20
• 1.2.3.5 有机聚合物电池20-21
• 1.2.3.6 染料敏化纳米晶电池21
• 1.2.3.7 太阳能电池的发展趋势21-22
• 1.2.4 晶体硅太阳能电池正面电极材料的研究和开发22-23
• 1.3 电子浆料发展状况23-25
• 1.4 太阳能电池正面银浆及其组成材料研究进展25-33
• 1.4.1 正面银浆用银粉的研究进展25-27
• 1.4.2 正面银浆用玻璃粉的研究进展27-29
• 1.4.3 正面银浆用有机载体的研究进展29-30
• 1.4.4 正面银浆的研究进展30-33
• 1.5 本论文的选题意义和研究价值33
• 1.6 本论文的研究思路和研究内容33-36
• 第二章 实验部分36-50
• 2.1 试剂36-37
• 2.2 仪器37-38
• 2.3 实验38-41
• 2.3.1 银粉的制备方法38-39
• 2.3.2 有机载体的制备方法39
• 2.3.3 正面银浆的制备方法39-40
• 2.3.4 太阳能电池片的主要生产工序40-41
• 2.4 检测手段及方法41-50
• 2.4.1 X射线衍射测试41
• 2.4.2 环境扫描电子显微镜测试41
• 2.4.3 银粉的比表面积测试41-42
• 2.4.4 银粉的振实密度测试42-43
• 2.4.5 银粉的一次粒子的平均粒度测试及确定方法43-47
• 2.4.6 银粉的粒度分布测试47
• 2.4.7 浆料的粘度测试47
• 2.4.8 浆料的细度测试47-48
• 2.4.9 电池的电性能测试48
• 2.4.10 电池栅线的附着力测试48
• 2.4.11 电池栅线的金相显微测试48
• 2.4.12 银粉的紫外-可见光谱测试48-50
• 第三章 太阳能电池正面银浆用银粉的制备50-104
• 3.1 引言50
• 3.2 理论分析50-59
• 3.2.1 简述50-52
• 3.2.2 银粒子的液相成核及长大原理52-56
• 3.2.2.1 银粒子的成核52-54
• 3.2.2.2 银粒子的长大54-56
• 3.2.3 银粒子的分散原理56-59
• 3.3 以水合肼作还原剂的初步探索59-63
• 3.3.1 硝酸银溶液的初始浓度的影响59-60
• 3.3.2 分散剂用量的影响60-62
• 3.3.3 分散剂种类的影响62-63
• 3.4 以抗坏血酸作还原剂的探索63-99
• 3.4.1 单因素实验研究64-90
• 3.4.1.1 分散剂种类的影响65-68
• 3.4.1.2 溶液pH值的影响68-70
• 3.4.1.3 分散剂用量的影响70-72
• 3.4.1.4 滴液速度的影响72-74
• 3.4.1.5 搅拌速度的影响74-76
• 3.4.1.6 还原剂溶液初始浓度的影响76-78
• 3.4.1.7 分散剂加入方式的影响78-80
• 3.4.1.8 硝酸银溶液初始浓度的影响80-82
• 3.4.1.9 滴液顺序的影响82-84
• 3.4.1.10 反应温度的影响84-86
• 3.4.1.11 后处理工艺的影响86-87
• 3.4.1.12 优化工艺87-89
• 3.4.1.13 优化工艺条件下制备的银粉的性能评价89-90
• 3.4.2 正交实验研究90-97
• 3.4.2.1 因素与水平90
• 3.4.2.2 结果90-91
• 3.4.2.3 结果分析91-95
• 3.4.2.4 优化工艺95-97
• 3.4.2.5 优化工艺条件下制备的银粉的性能评价97
• 3.4.3 两种设计方法制备的银粉的比较97-99
• 3.5 聚乙烯醇分散机理99-102
• 3.5.1 化学吸附99-101
• 3.5.2 物理吸附101-102
• 3.6 本章小结102-104
• 第四章 太阳能电池正面银浆用银粉对电池的影响104-118
• 4.1 引言104
• 4.2 银粉的分散性对电池性能的影响104-108
• 4.3 银粉的振实密度对电池性能的影响108-114
• 4.4 银粉在浆料中的含量对电池性能的影响114-116
• 4.5 本章小结116-118
• 第五章 太阳能电池正面银浆用有机载体的制备及其对电池的影响118-138
• 5.1 引言118-119
• 5.2 各组分的性质及选择依据119-123
• 5.2.1 溶剂119-122
• 5.2.2 助剂122-123
• 5.2.2.1 增稠剂122
• 5.2.2.2 触变剂122-123
• 5.3 有机载体配方对电池的影响123-130
• 5.3.1 对电池印刷性能的影响123-128
• 5.3.1.1 增稠剂对电池丝网印刷性能的影响123-126
• 5.3.1.2 触变剂对电池正面栅线厚膜高宽比的影响126-128
• 5.3.2 对电池电性能的影响128-130
• 5.3.2.1 增稠剂对电池电性能的影响128-129
• 5.3.2.2 触变剂对电池电性能的影响129-130
• 5.4 有机载体含量对电池的影响130-136
• 5.4.1 有机载体含量对电池正面栅线烧结厚膜微结构的影响130-135
• 5.4.2 有机载体含量对电池电性能的影响135-136
• 5.5 本章小结136-138
• 第六章 正面银浆的制备、印刷、烘干及烧结工艺对电池的影响138-154
• 6.1 引言138
• 6.2 银浆粉末混合工艺对电池的影响138-139
• 6.3 银浆固液混合工艺对电池的影响139-140
• 6.4 银浆研磨工艺对电池的影响140-142
• 6.5 银浆丝网印刷工艺对电池的影响142-144
• 6.6 银浆烘干工艺对电池的影响144-145
• 6.7 银浆烧结工艺对电池的影响145-147
• 6.8 由湿态银粉直接配制浆料的新工艺147-148
• 6.9 优化结果148-151
• 6.9.1 优化的银浆配方和工艺条件148-149
• 6.9.2 优化的配方和工艺条件下制备的银浆的技术指标149-150
• 6.9.3 优化的银浆与国际同期同类一流产品的性能比较150-151
• 6.10 本章小结151-154
• 第七章 结论与展望154-156
• 7.1 结论154-155
• 7.2 展望155-156
• 参考文献156-166
• 致谢166-168
• 攻读博士学位期间主要的研究成果168-169

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