双面共烧结N型单晶硅太阳能电池背场铝浆的研究文献综述

（一）课题研究的现状及发展趋势

能源是经济社会发展的基石 ,也是人类可持续发展的重要保障。循环经济、清洁能源与节能科技成为当今全球最关注的问题和各国政府 、产业界、学术机构等大力支持、发展的重点 。太阳能作为取之不尽的能量源泉, 无疑是众多能源中的佼佼者 。太阳能电池根据所用材料的不同 , 可分为硅系太阳能电池和非硅系太阳能电池两大类。硅系太阳能电池应用广泛 ,技术相对成熟 ,几乎占据了全部太阳能电池市场。非硅太阳能电池包括多元化合物太阳能电池;功能高分子材料太阳能电池;纳米晶太阳能电池等,这些材质的电池多处于实验室研发阶段, 尚未大规模应用^[1]。

太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的光电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础 ,单晶硅和多晶硅太阳能电池是对 P 型(或 n 型) 硅基片经过磷(或硼)扩散做成 P-N 结而制得的。太阳光照在半导体 P-N 结上 , 形成新的空穴-电子对 ,在 P-N 结电场的作用下 ,空穴由 N 区流向 P 区, 电子由 P 区流向 N 区, 接通电路后就形成电流 。这就是光电效应太阳能电池的工作原理^[2]。

硅太阳能电池用的银浆 、银铝浆 、铝浆是生产硅太阳能光伏电池的关键基础材料 。硅太阳能电池用的铝浆用于形成太阳能电池背表面场, 同时作为太阳能电池的背电极使用 。硅太阳能光伏电池背场 PN 结通常由丝网印刷铝浆并在网带炉中烧结后形成 ,该工艺形成背表面结, 起背表面钝化作用 ,形成P /P高低结, 提高少数载流子寿命, 增加红光效应^[3]。同时,对晶体硅中的杂质具有良好的吸除作用 , 可以增加少数载流子的扩散长度, 提高开路电压(VOC)和光电转换效率(ff)。因此, 良好的背表面场可明显地提高硅太阳能电池的性能。本文将简单介绍硅太阳能电池用铝浆的现状和发展趋势^[4]。

1.我国太阳能电池发展现状

我国目前的主要能源供给依然是来自煤、石油和天然气,火力发电在我国的电网中所占的比例超过。但火力发电能耗高且污染严重,已难以满足快速发展的经济对能源和环保的要求,因此,调整我国的能源结构、发展可再生能源己经是势在必行。上世纪年代起,我国就开始开发并生产太阳能电池,国家也在大力推广独立光伏系统在西部无电地区的应用,并实施了乡乡通和光明工程等工程,对发展我国光伏产业、提高我们光伏技术水平都起到了很好的推动作用^[5]。近年来,我国也将太阳能电池的发展放在和等重大项目中的重要位置,在“十五”科技攻关计划中,对光伏项目也作了重大的安排。自年起,我国太阳能电池产业增长加快,生产太阳能电池片、太阳能电池组件的企业如雨后春笋般出现在神州大地,我国的太阳能电池工业进入了一个快速发展的阶段。自年元旦,我国实施了《中华人民共和国可再生能源法》,这充分说明了我国对可再生能源的认可,也预示着我国开始对现有的能源结构在着手调整。表所示为我国可再生能源发电发展规划和预测^[6]。

尤其值得一提的是,年月日,我国的国庆周年大阅兵举世瞩目,全球多家电视台和媒体都对这一盛事进行了现场直播或跟踪报道。在群众游行方队中,便有一支方队是能源发展方队,方队队员手持太阳能电池板模型,这充分表明了太阳能电池这一行业越来越受到国家政府的重视以及人民的认可^[7]。

2.导电铝浆研究现状

导电铝浆是电子浆料中的重要一种，目前作为晶体硅太阳能电池背电场材料得到了广泛使用，技术较为成熟。导电铝浆已基本实现国产化^[8]。

电子浆料是一种膏状物（类似牙膏），由粘结剂、导电颗粒和添加剂组成，一般环境下具有一定流变性和触变性，不导电且膏体均匀，性质稳定。通过丝网印刷、烘干、烧结（或固化）后，电颗粒接触，形成导通电路。电子浆料按照用途可分为四个大类：导电浆料、电阻浆料、介质浆料和磁性浆料。20 世纪30 年代，美国率先开发出导电银浆，印刷烧结后用作陶瓷电容器电极^[9]；40 年代中期，森特拉伯（Centralab）公司将通过将炭黑树脂浆料与银粉混合涂覆在陶瓷基片上作为击炮弹引爆装置的小型振荡-放大电路，取得了良好的效果，这些都是早期对于导电浆料的实验和应用。1950 年标准化丝网印刷工艺的出现促进了导电浆料的应用与发展，1959 年，杜邦（Dupont）公司成功开发出基于 Al2O3陶瓷基片的 Ag/Pd 浆料作为电阻应用于厚膜集成电路；日本也于 50 年代末开始研发生产银系和碳系导电浆料，主要应用于设备抗静电防护，自此导电浆料进入较大规模实用阶段^[10]。

进入 60 年代以后，作为导电浆料诞生地的美国，先后又有 ESL、FERRO、EMCA、IBM、雷切斯、通用电气等公司参与了这一领域的研究；欧洲也有飞利浦（Philips）、德固萨（Degussa

）等公司加入了该行业的竞争。到 60 年代末期，杜邦公司首先研发出以 Ru O2为导电相的电阻浆料，Ru O2属于高电导率的金属氧化物，且电阻温度系数（TCR）为正值，性能及其稳定（在空气中加热到 1000℃也不与玻璃粘结剂反应）。Ru O2系列阻值范围宽、性能稳定且重复性好、工艺操作简便。这些特点使得该系列浆料在国际上产生巨大影响^[11]。

70 年代以后，电子浆料行业呈现两大趋势：一是科学界加强了关于电子浆料导电理论的研究，提出了各种模型和机理，促进了电子浆料的发展；二是浆料性价比和成本问题受到了更大重视，进而促进了对于贱金属浆料的研究。譬如以钌酸盐或Mo O2作为导电相代替 Ru O2用于电阻浆料，减少了贵金属钌的用量，也取得了很好的实用效果。但是贱金属颗粒一般抗氧化性差，烧结过程需要惰性气体（如氮气）保护，这大大提高了其使用成本。如杜邦公司 70 年代初研制的氮气保护下烧结的铜导电浆料，烧结条件极为苛刻，使得导电膜成本几乎与黄金相当。这一缺点限制了贱金属电子浆料的研究和使用^[12]。

进入 80 年代，日本成为能与美国抗衡的浆料大国，在行业内形成了两强争霸的局面。日本著名的浆料厂商有住友、田中贵金属所、日立化学、东芝化学、三菱金属、NEC、TDK 等^[13]。此外，世界电子工业的高速发展以及生产自动化、精密化程度的提高，这些因素都推动了电子浆料的发展。在科学研究方面，科学家利用前人积累所得科研成果，开始对浆料进行系统研究，分别提出了组成成分导电相、无机粘结剂、有机粘结剂的性能标准；研究了丝网印刷、烘干、烧结（或固化）等工艺参数对浆料性能影响，并对前人提出的导电机理和模型进行了总结、修正和补充。在生产设备方面，三辊研磨机、精密丝网印刷机、红外烘干炉、链式精确控温烧结炉的大规模使用，不仅优化了电子浆料的性能，且大大提高了生产效率，为其大规模商品化、降低成本奠定了坚实的基础。电子浆料种类日益增多，产品功能不断加强，生产规模持续扩大，应用领域不断拓展。

从 90 年代至今，电子浆料已经发展成为较为成熟的行业：种类丰富，应用范围细化，行业标准逐步完善，浆料印刷烧结（固化）工艺控制日益精确。在电子元器件小型化、精密化、集成化、节能环保化的发展道路上，高品质的电子浆料起到了极大地促进作用。目前，对于电子浆料的研究主要放在提高电导率，降低成本，绿色环保等方面^[14]。

3.国内外电子浆料的研究现状

目前电子浆料的研究和生产主要集中在美、日、德等少数国家，这些国家所生产的电子浆料几乎垄断了高端市场。如成立于 1802 年的化工业巨头杜邦公司，年生产 800-900 种电子浆料，产量近 1000 吨，销售额占到了市场 50%左右；该公司十分重视科技研发，每年投入经费数千万美元，现可常年生产 100 多种金属粉，200 多种玻璃粉；该公司品种、技术、质量、规模以及科研实力均居于世界首位，旗下的 PV系列导电银浆、Birox2000 系列电阻浆料等在同类产品中均处于先进水品。此外美国FERRO、Acheson、Goldsmith 等公司在电子浆料方面也有很强的研发实力^[15]。日本是仅次于美国的浆料大国，也拥有一大批电子浆料行业巨头，如住友金属、田中贵金属、昭荣化学、京都陶瓷等，他们各有自己的优势。其中住友金属在电阻浆料行业处于世界领先地位；田中和昭荣的优势则分别在厚膜体系和多层元件浆料方面；京都陶瓷等在太阳能导电银浆方面有很强的竞争力。欧洲比较好的电子浆料厂商有德国的贺利氏（Heraeus）、德固萨（Degussa），英国的 ESL、Johnson metthey 以及荷兰飞利浦(Philips)等。这些公司生产的电子浆料广泛应用于集成电路板、分立元器件、电阻、陶瓷电容器、显示器、压电陶瓷、敏感元件、汽车工业以及晶体硅太阳能等很多方面^[16]。

我国于 20 世纪 60 年代开始实验和应用贵金属厚膜浆料，当时主要研发国外禁止出口的军工品，其中电子工业部第 11 研究所进行了大量的科学研究实验。70 年代初，昆明贵金属研究所、国营 4310 厂和合肥第 43 研究所按照各自不同实验路线，几乎同时研究出了 Ru O2系电阻浆料。此后又有多家单位参与了浆料的实验和改进，但是进展缓慢。进入 80 年代以后，在国家改革开放政策和国际电子工业发展的带动下，通过引进国外先进技术和自身消化吸收，国内电子浆料研究进展比较迅速。其中昆明贵金属研究所和 4310 厂所取得的成绩尤其引人注目。昆明贵金属所是我国最早从事浆料研究和生产的单位之一，在贵金属粉末方面拥有明显优势，开发出了种类繁多的相关电子浆料产品，如 R4500，R2400 和 R2800 系列电阻浆料。此外昆明所在导电浆料和介质浆料等领域也有研究，品种丰富，几乎涵盖了电子浆料应用的所有领域^[17]。4310 厂从 1969 年起先后研制成功了 Ag-Pd、Ag-Pt、Ag 导电浆料，同时还掌握了各种浆料原材料和中间产物的制备技术和工艺。1978 年该厂推出的高压电阻器浆料已经达到当时国际水品，其电阻浆料及相关 Ag-Pd 导电浆料技术国内领先。90 年代末又从日本住友金属引进电阻浆料的全套技术和生产设备，建成了国内首个电子浆料生产线。目前该厂依然在国内电子浆料产业有着举足轻重的地位^[18]。

（二）课题研究的意义和方案

1.研究的意义

我国拥有资源优势 ,规模较大的硅(单晶硅及多晶硅,原料硅)生产基地, 如无锡尚德多晶硅太阳能电池全球闻名。产业群顺应清洁能源和节能技术发展的大好形势,为发展太阳能电池及相关产业基地, 为形成产业链提供了契机。但是国内综合配套能力弱 ,尚需加大投入力度 、突出重点 、以点带面,形成体系^[19]。

随着光伏产业的快速发展, 半导体工业能供给的原料有限 ,为了满足其对太阳能级硅日益增长的需要,建立一个独立的原料供应体系是非常必要的。 这将为各国开发和利用可再生能源———太阳能和发展光伏产业提供保障 ;也将为保护日益恶化的环境和实现人类的可持续发展做出贡献。

2.研究方案

取玻璃原料混合，搅拌均匀后置于马弗炉中熔炼一段时间后取出水淬，再球磨烘干过筛，得到无机粘结剂。取有机粘结剂原料置于圆底烧瓶中，水浴加热一段时间，得到所需有机粘结剂。按一定比例取铝粉、玻璃粉、有机粘结剂、助剂，搅拌并通过三辊研磨机使浆料混合均匀，调节粘度至适宜。再丝网印刷于太阳能硅基片，烘干烧结，测试浆料性能^[20]。

（三）参考文献

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