电池组件

HJT低温银浆技术开发难点

2020-01-15 09:49:27 摩尔光伏

HJT太阳能电池是已知工业化电池中相对效率最高的太阳能电池结构。目前传统晶硅电池转化效率为20.2%,高效晶硅电池效率也仅能达到22%,而HJT电池效率最高可达27%。但目前HJT电池实际量产效率与高效晶硅电池基本持平,主要技术难点是低温银浆的导电性能较低,且浆料产品占电池制造的非硅产品部分超过50%。因此,HJT银浆的突破对电池的产业化至关重要。因HJT银浆的高导电性、高焊接拉力、快速印刷等技术要求难以同时满足,目前,HJT电池银浆产业化技术被国外企业独家垄断,价格昂贵,严重制约我国HJT电池技术发展。

(来源:微信公众号“摩尔光伏”ID:molepv)

本文将从原材料选择、配方设计、生产工艺控制、检测及应用等五个方面介绍HJT低温浆料的技术开发难点,同时分析HJT浆料的技术发展趋势:

一、HJT低温银浆发展现。

1、HJT电池对银浆的特殊要求

HJT电池是在晶硅基片使用薄膜技术制作PN节、减反射层和导电层的新型电池工艺技术,其整个电池制作前道过程的工艺温度均不超过400℃。如使用与晶硅电池一致的高温银浆制作电池的正/负电极,该银浆成型所需要700℃以上高温将对HJT电池的薄膜结构造成非常大的损伤。因此需要一款针对HJT电池工艺开发的低温银浆,其要求是:

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①电极成型温度低于200℃

②电极体电阻率低于10-5Ωcm

③该电极无需与硅形成欧姆接触,但与TCO导电层的接触需足够低

④可以经受电池串焊时200-350℃的钎焊温度冲击,焊接拉力应大于1N/mm

⑤在长期光照条件下,保持电极体电阻的稳定,并保证与组件封装材料间的化学稳定性。

基于以上技术要求,目前HJT行业均采用树脂固化型的低温银浆制作电池的正/负电极,该种类银浆的成型固化温度低于200℃,固化时间相对较短以满足电池的产能需求,而在电阻率、焊接附着力和化学稳定性方面需要针对HJT电池的需求进行针对性开发。

2、HJT低温银浆企业及产品特点

因技术路线与高温银浆有非常大的差异,目前HJT低温银浆的供应商情况也是完全不一样的。

①进口供应商情况:

目前HJT银浆市场占有率最大的供应商是来自日本的KE。与传统的日本银浆巨头日本住友、日本昭荣不一样的是,日本KE的规模并不大,员工人数在50人以下。但其股东背景却来头不小,分别是有机树脂巨头日本第一工业制药和全球银粉最大的制造商之一日本同和。日本KE专注开发低温银浆,特别是HJT电池使用的高导电性低温银浆。目前其Finger细栅产品的体电阻率已低于6*10-6Ωcm,并将在1年内通过引入低温烧结银粉技术,将电极体电阻率降至4-5*10-6Ωcm;细栅产品可印刷35-40um线宽的Finger设计网版,该产品焊接拉力大于1N/mm。Busbar主栅产品的成本更低、焊接拉力更大,并将在未来3-5年内逐步开发银包铜浆、铜浆,进一步降低产品成本。

美国低温银浆巨头汉高公司也是HJT银浆的供应商之一。依托其丰富的低温银浆产品线和雄厚的低温浆料技术积累,汉高是最早参与开发HJT专用低温银浆的供应商之一,其产品曾一度成为行业主流产品。但该公司产品一致存在电阻率、焊接拉力和细线印刷性较难平衡的问题,且产品开发速度略逊于KE公司。随着最近几年汉高将资源转移至叠瓦组件使用的ECA导电胶市场,其HJT低温银浆已逐渐淡出市场。

另日本Nanotech、杜邦、贺力氏均有开发过HJT低温银浆产品,但目前面试的量产品市占比较小,相关产品的技术特点不明朗。

②国产供应商情况:

虽然在光伏正面银浆市场上,截止2018年国产供应商已经达到了超过35%的市占比,但在HJT低温浆料的技术开发、市场开拓方面,国内厂商尚处于起步阶段,目前已宣称涉足该领域的国内厂商有常州聚和、深圳首骋、苏州晶银等4-5家,但就HJT电池企业的技术反馈来看,已达到量产品技术要求的厂家并不多,其中以常州聚和的产品技术相对较好,在印刷性、体电阻率和焊接拉力方面均能达到进口产品同一水平。常州聚和虽然是国产银浆厂商中成立相对较晚的一家,但依托全球领先的供应商资源和拥有超过30年银浆开发经验的研发团队,已形成包括P型单多晶正银、PERC背面银浆、N型双面银浆和HJT低温银浆等多个技术品类在内的丰富产品集,其HJT低温银浆产品已经多家国内HJT电池客户评估认可,并已进入批产供货。常州聚和也在不断研发窄线宽、高速印刷、低温快速固化、低体电阻率及低成本的HJT低温银浆新品。

二、HJT低温银浆技术开发难点

1、原材料选择

①专用银粉开发:行业熟知光伏高温银浆自2010年以来,均采用的是1-3um的球形银粉,该种银粉在烧结过程中部分熔融形成致密度高、体电阻低的银电极。但HJT电池工艺中的电极成型温度达不到可使该尺寸球形银粉部分熔融烧结的要求,因此在银粉选择上需考虑其他机理降低电极的体电阻:1、通过不同尺寸、不同形貌银粉的复配,使银粉在银浆中达到最优的密堆积状态,减少电极固化后的内部孔洞密度;2、通过提升银含量,提升电极固化过程的体积收缩率,增加电极固化后银颗粒之间的接触点及接触有效性。与此同时,HJT低温银浆的银粉选择,还要考虑与TCO膜的接触电阻和电极互联后的焊接拉拔力。

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图银粉密堆积原理

②有机体系开发:HJT银浆需同时满足印刷的墨性要求和固化工艺要求,相比于高温烧结银浆的有机体系,可谓用量更少、作用更大。首先,因为要兼顾印刷和固化的要求,HJT银浆所用树脂体系是固化单体或预聚物,分子量相对较低,且多为合成树脂体系,有丰富的官能团,而高温烧结银浆所用树脂多为天然高分子改性树脂或合成的直链树脂。另外固化剂或固化促进剂作为影响低温银浆固化性能的关键助剂,是低温银浆有机配方中最重要的有机助剂之一,而在高温烧结银浆中是不用使用这一组分的。在溶剂、分散剂、流变助剂和流平剂等有机助剂选择方面,为了匹配低温银浆选用的银粉、主树脂和固化剂,在种类和功能的着重性上也是和高温烧结银浆不同的。

2、配方设计

因应用工艺条件的差异,高温烧结银浆和HJT低温银浆在配方设计的技术难点上是完全不同的。

高温烧结银浆配方设计的难点是:1、平衡降低接触电阻和减少电极烧结对PN节区腐蚀之间的技术矛盾;2、在减少电极遮光面积的同时降低电极线电阻。

低温银浆配方设计的难点是:1、平衡降低电极线电阻和提升电极焊接附着力之间的技术矛盾;2、在降低电极线电阻的同时保证电极的长期可靠性、降低电极制造成本。

3、生产工艺控制

低温银浆的制备工艺共分为配料、混料、搅拌、三辊混合、过滤包装5大步骤,其中配料及三辊混合工序为关键工序。

银浆是配方型产品,在产品生产过程中,如配方出现问题,是无法通过制备工艺弥补的,所以在整个工艺流程中,配料工序是关键工序之一。区别于传统的涂料油墨行业的纯手工配料方式,高附加值的HJT银浆可采用数字化配料系统硬件结合先进的物流管理软件系统,避免人为操作在该工序引入的不可控因素,提升产品品质控制能力。

三辊工序是银浆生产过程中影响产品粘度、细度、固体含量、流变性能的关键混合工序。银浆中的树脂、溶剂、银粉、各种助剂在该工序实现微米级的充分混合及润湿分散。HJT银浆是低温固化型有机体系,对温湿度、有机及金属杂质的影响更加敏感,所以相比于高温光伏银浆在三辊工序,需提升剪切速度、温度、辊距控制精度,同时通过对辅助工装、外围设备的优化设计,进一步提升工序控制能力,实现对产品质量的精细化控制。

4、产品检测及应用性能

①建立严格的产品质量控制体系:HJT低温银浆的产品性能控制,需要根据客户烧结、印刷及与基材接触的需求,模拟HJT电池、器件低温固化环境,建立低温银浆测试平台,进行电阻、附着力、线型等成品关键参数的检测,保证产品性能达到产品开发要求。同时需要建立产品设计开发过程的品质管理、原材料进料检验、生产全流程管理等质量控制体系,全方位的保证产品质量严格控制在较小的波动范围内。相关标准需要参考半导体材料和TS16949汽车行业质量控制标准。

②产品应用性能保证:严格来说,HJT低温浆料产品在浆料生产线只完成了该产品生产流程的前半部分,而其后半部分是在电池片生产线固化形成电池电极工艺过程中完成的。因此低温浆料产品质量好坏,最后起决定作用的是应用工艺过程的控制。这部分工作,需要浆料企业配合电池片企业共同完成。作为HJT低温浆料产品,印刷工艺、网版参数、印刷耗材、烘干及固化工艺,甚至之后的电池互联焊接工艺均能印象到产品性能的评估。

三、HJT低温银浆发展趋势

作为影响HJT电池性能的关键材料,HJT低温银浆性能的提升可在较大幅度上提升HJT电池在各种类型光伏电池竞争中的地位,其性能发展主要体现在以下几个方面:

1.降低电阻率

银最为一种导电性和化学稳定性优异的金属,其本征电阻率可达到1.6*10-6Ωcm。晶硅电池烧结型银浆目前产品的电阻率水平是在2-3*10-6Ωcm。目前的HJT低温银浆产品电阻率虽然可比传统低温银浆下降40-50%,达到5-6*10-6Ωcm,但该数值仍是烧结型银浆的1.5-2倍,这也是HJT电池串联电阻高、FF低的主要原因之一。未来通过引入新的银粉材料、优化固化体系,HJT银浆电阻率有望降低至3-4*10-6Ωcm。

2.量产性提升

随着HJT电池市场的不断扩大,电池量产工艺要求也将不断上升。

印刷工艺方面,目前为保证印刷质量,HJT电池主流的细栅网版开口在35-40um之间,而以以往光伏行业细栅逐年收窄的趋势来看,未来1年内将降至28-30um。同时印刷速度也将由现有的200-250mm/s提升至300-350mm/s,使每片电池片的印刷耗时小于1.5s。

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固化工艺方面,目前的固化条件普遍是30-40min@200℃,而优化后的工艺应该达到15-20min,固化温度下降至150-180℃。

3.银浆成本的下降

因HJT电池需要双面印刷银浆制作电极,目前HJT单片电池银浆耗量>0.3g,是烧结型银浆的3倍以上,再加上银浆单价较高,使每片电池的制造成本上升了1.2-1.5元,占电池非硅制造成本超过50%。可通过以下几个方向降低该项成本:

1、通过主栅图形的优化设计和细栅的细线化,可降低15-20%的银浆单片耗量。

2、通过主副栅分步印刷,降低主栅银浆的固含量,可进一步降低10-15%的银浆耗量。

3、在保证线电阻和焊接拉力的前提下,通过部分贱金属替代银,可大幅降低银浆制造成本,该技术可能在未来2-3年取得一定的突破。

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