银粉比表面积对光伏银浆性能的影响

2024-10-11 13:59:10 北京精微高博仪器有限公司

引言

光伏银浆是组建太阳能电池不可或缺的核心部件，其品质的优劣直接影响太阳能电池的性能。光伏银浆由导电相、粘结相和有机载体3部分组成，其中导电相是光伏银浆的功能相银粉。通常银粉所占比重达 70-90%，所以银粉会直接影响光伏银浆的性能。形状、粒径、分散度、比表面积以及振实密度是影响银粉性能的几个主要因素。

银粉作为导电银浆的主体成分，其颗粒形状对银浆的性能有着显著影响。目前为止常见的有球状银粉，片状银粉以及树枝状银粉三种。其中球状银粉有较好的球形度，因此球形银粉所配制的银浆流动性好，能较好地通过正极细栅线，因此球形银粉的性质能够满足正面银浆对银粉的需求。片状银粉主要由球形银粉经过加工制得。由于其独特的二维结构，此类银粉在银浆中的接触面积比其它形貌的银粉要大，制得的银浆电阻更小，导电性能更好。同时片状银粉在银浆中呈片式结构，能够提高银浆烧结的致密性。同时片状银粉的表面积比其他银粉要大，这意味着由等质量片状银粉制成的银浆有着更大的涂膜面积，从而使它能够在降低银浆中银含量和涂层厚度的同时保持着良好的导电性。但由于片状银粉制备的银浆流动性较差，因此在太阳能电池中不适用于精细度要求高的正面电极的应用，但可以运用于电池片背面，参数要求不高的场景，有效地降低成本，同时保持电池片较低的电阻率。树枝状银粉由银粉粒子自发聚集成高度有序的枝状结构而形成。但由树枝状银粉配制的银浆烧结后形成的厚膜通常过于疏松且导电性不好，这是因为树枝状银粉表面能过大，容易团聚，导致由树枝状银粉制得的银浆在印刷时透过丝网的能力较差，且银浆在烧结时由于收缩严重，厚膜的连续性也很差。基于上述原因，太阳能电池银浆中一般不使用树枝状银粉。

目前太阳能电池常用的正面银浆主要是由球状银粉组成。光伏银浆用球形银粉要求具有球形度高、分散性好、粒径分布窄及振实密度高、表面性能良好等特点，才能使正面银浆产品具有高的光电转化效率和稳定的电性能。球状银粉的粒径是其一个非常重要的指标，颗粒的大小会影响银粉的比表面积以及分散性，银粉颗粒越小其比表面积越大，比表面积越大，其表面活性越高，调制的银浆越利于低温烧结，且在烧结过程中易发生“熔焊”，有助于形成致密的导电膜，提高导电性，但是如果银粉颗粒过小，其比表面积过大，就会严重影响银粉的分散性，银粉很容易发生团聚，而且印刷时银粉容易扩散导致银含量降低，大大影响银浆的性能。如果粒径过大，相对接触面积小，其比表面积就会过小，会导致接触电阻变大，使其表面活性更低，虽不利于银粉融化成膜，但也不容易发生团聚现象。因此，选取合适粒径球状银粉是极为关键的。目前一般采用1-3μm的球形颗粒，在这个粒径范围内的银粉流动性好，有较好的导电性，表面可控粗糙并且可以显著提高浆料的附着力。

最后就是银粉的振实密度。振实密度是衡量银粉颗粒间堆积紧密情况的参数指标，直接反映了银粉在生成过程中晶粒的完整度。堆叠紧致的银粉颗粒往往空隙较小，在印刷和烧结过程能够有效降低电路中的串联电阻，提高导电膜的导电能力。影响真实密度的因素主要包括：1) 银粉形貌；2) 银粉的球形度(规则度)；3) 表面光洁度；4) 表面包覆试剂影响等影响颗粒间的相互作用力。高振实密度的银粉通常表现为球形度高、表面光滑、粒度分布均匀、尺寸均一等特点。

综上所述，银粉的比表面积是影响光伏银浆性能的其中一种参考指标，其比表面积对银浆的性能有着至关重要的影响。但是由于其他一些因素的影响，银粉的比表面积并不是越大越好。像形貌更复杂的片状银粉以及树枝状银粉，他们的比表面积比球状银粉的比表面积都要大，但是并不适用于正面电极。球状银粉比表面积过大也会影响银浆的性能。因此选择合适比表面积大小的银粉对于提升导电银浆的性能就显得十分关键。

实验

样品选择

选取三种不同的正银材料A、B、C以及一种背银材料D对他们的比表面积进行了测试。

银粉比表面积的表征

银粉的比表面积测试采用的是精微高博的TB440A比表面积及孔径分析仪。
所有银粉称取8-10 g装到静态样品管中进行测试。
实验条件：在液氮温度下，测试了从0 Kpa到30 Kpa的氮气吸附等温线。每种银粉材料做两次实验。

结果与讨论

图1 为4种银粉的吸附等温线。可以从图中看出，无论是正银还是背银，其对氮气的吸附量都很低。但是由于背银一般所用的银粉为片状银粉，所以背银的吸附量会大于正银的吸附量，图中的结果很好地展现了这一现象。为了验证材料和仪器的稳定性，对每一种银粉材料都做了重复性的实验。可从等温线上看出来，4种银粉材料的3次BET测试得到的等温线结果几乎完全重合，这也很好地证明了材料和仪器具有很高的稳定性。

图 1

（a）正银A在80℃2h的预处理条件下的3次BET测试等温线；

（b）正银B在80℃2h的预处理条件下的3次BET测试等温线；

（c）正银C在80℃2h的预处理条件下的3次BET测试等温线；

（d）背银D在80℃2h的预处理条件下的3次BET测试等温线；

表1 银粉的比表面积测试结果。其中，正银A的第一次比表面积结果为0.54563 m2/g，第二次比表面积结果为0.54503 m2/g，第三次比表面积结果为0.54039 m2/g；正银B的第一次比表面积结果为0.53333 m2/g，第二次比表面积结果为0.53559 m2/g，第三次比表面积结果为0.53343 m2/g；正银C的第一次比表面积结果为0.51860 m2/g，第二次比表面积结果为0.52249 m2/g，第三次比表面积结果为0.52615 m2/g。三种材料三次测试结果的RSD分别为0.527%、0.239%和0.723%，RSD全部小于1%，这说明材料和仪器都具有很好的稳定性。而且三种材料之间的比表面积相差很小，其中正银A略大于正银B略大于正银C，这说明的正银A的粒径要略大于正银B略大于正银C。根据比表面积结果判断，预测正银A拥有最好的性能。

表 1 不同银粉的比表面积结果

D银粉属于是背银材料，其组成主要是片状银粉。背银D的第一次比表面积结果为0.79834 m2/g；第二次的比表面积结果为0.80245 m2/g，第三次的比表面积结果为0.79923 m2/g。从结果上看，背银材料的RSD为0.270%，也有着很好的稳定性，而且比表面积要比正银银粉的比表面积大很多，这使其导电性能要比球状银粉要强很多，但是由于片状银粉的流动性较差，所以一般作为背银材料使用。

结论

银粉的比表面积是表征银粉性能的重要指标之一，但并不是唯一的指标，如银粉的形貌在很大的程度上决定了银粉的比表面积，像片状银粉和树枝状银粉的比表面积要高于球状银粉的比表面积，但是由于其他一些因素的影响，片状银粉和树枝状银粉并不适合用于精细度要求更高的正银上，而正银更多用的是球状银粉。影响球状银粉比表面积的主要因素就是银粉的粒径，银粉粒径越小一般比表面积就会越大。粒径过小比表面积过大可能会导致银粉发生团聚；粒径过大比表面积过小会导致银粉导电性变差，所以需要选择合适粒径的银粉才可以把银浆的性能做到最好。像目前的行标《太阳能电池正面浆料用球形银粉》[7]中规定银粉的比表面积在0.25-1 m2/g之间，本文中所作的三种正银银粉的比表面积都在0.5左右，这也证明了这三种银粉的比表面积符合了行业标准的需求。

结参考文献

[1]钟景明,王立惠,施文峰,等.光伏银浆用银粉的研究[J].粉末冶金工业,2015,25(06):6-13.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1006-6543.20150044.

[2]滕媛,甘国友,李文琳,等.银粉形貌及粒径对银浆性能的影响[J].贵金属,2016,37(S1):58-63.

[3]屈新鑫,尹克勤,王来兵,等.银粉对银浆性能的影响及其主要制备方法综述[J].太阳能,2022(07):14-23.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20210420.01.

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[5]蒋伟燕, 张传福, 湛菁. 纤维状银粉前驱体制备热力学分析[J]. 贵金属, 2010, 31(4): 10-14.

[6]罗贱. 晶体硅太阳能电池用银粉的制备及其对背面银浆性能的影响[D]. 长沙: 中南大学, 2012.

[7]YS/T 1557-2022,《太阳能电池正面浆料用球形银粉》

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