低成本银包铜浆料在 HJT 太阳电池中的应用研究

百科   2025-01-24 13:36   北京  

[中文]赵桂香,扬川苏,汤磊,等.低成本银包铜浆料在HJT太阳电池中的应用研究[J].太阳能,2024,(12):31-39.

DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20231207.02 文章编号:1003-0417(2024)12-31-09

低成本银包铜浆料在 HJT 太阳电池中的应用研究

赵桂香 * ,扬川苏, ,张中建,高荣刚,

( 中节能太阳能科技 ( 镇江 ) 有限公司,镇江 212132)

摘 要:较高的生产成本制约着异质结 (HJT) 太阳电池的发展,其中金属化成本的占比较高,目前行业内主要通过银包铜浆料、无主栅技术、电镀铜技术、激光转印技术等方案来实现 HJT 太阳电池的降本。通过采用银含量 50% 的银包铜浆料制备 HJT 太阳电池,并串焊成光伏组件,对银包铜栅线的结构及拉力性能、太阳电池电性能及光伏组件可靠性进行了研究。研究结果表明:采用银包铜浆料制备的 HJT 太阳电池和光伏组件均具有良好的性能,太阳电池的光电转换效率达到 24.37%,光伏组件封装损失 (CTM) 达到 97.3%,且可靠性测试均合格。此外,与低温银浆相比,银包铜浆料可以节省银浆成本,若叠加无主栅技术可使银浆成本降低 50% 左右。

关键词:异质结太阳电池;金属化;银包铜浆料;电性能;可靠性;栅线

中图分类号:TM914.4+1 文献标志码:A

  太阳电池技术的更新迭代推动了异质结(HJT) 太阳电池技术的发展,该技术因具有较高的能量转换效率受到研究者的广泛关注。相比于传统的 PERC 太阳电池和隧穿氧化层钝化接触(TOPCon) 太阳电池,HJT 太阳电池具有较少的制造工序、较低的制备温度和更优的温度系数 [1-4]。HJT 太阳电池的特殊结构 ( 如图 1 所示 ) 对载流子的传输和收集提出了不同于常规太阳电池的要求,特别是由于其非晶硅薄膜的横向电阻率较大,限制了载流子的收集,因此,在非晶薄膜层与金属电极之间插入 1 层透明导电氧化物 (TCO) 薄膜可以更好的收集载流子 [5-6]。

  HJT 太阳电池的低温制备特性限制了浆料的选择,要求制备过程中浆料 ( 银浆 ) 温度不超过200 ℃,这导致银浆的导电性较差,其电阻率约为 6~10 Ω•cm,是高温浆料的 3~6 [7-9]。因此,通常采用增加银浆耗量的方式来改善其导电性,这导致银浆成本提高,进而制约了 HJT 太阳电池快速发展。为应对这一问题,行业内开发了众多降低银浆成本的方案,比如:银包铜浆料、电镀铜技术、激光转印技术和无主栅技术等 [10-16]。

  银包铜浆料通过用铜粉替代部分银粉的方式来降低银浆成本,是当前的研究热点。电镀铜技术尚未发展成熟,且存在废液处理难、环保成本高、环评审批困难的问题,因此还未进行大规模量产。激光转印技术的银浆降本空间较大,且激光转印采用无接触印刷方式,能够显著降低太阳电池的破损率,提高良率;但是低温银浆流动性不足,激光转印的银浆会出现孔洞,在载体膜上呈分散状,导致银浆无法回收;激光还会对 HJT 太阳电池产生损伤;此外,载体膜的成本也比传统网版的高。无主栅技术是通过去除主栅来节省浆料,但该技术的可靠性仍需验证,目前还在实验阶段。综合比较,银包铜浆料是目前行业内应用较多的技术,例如:安徽华晟新能源科技股份有限公司已开始采用该技术。

  本文为提高银浆的导电性且降低银浆成本,采用银包铜浆料 ( 其银含量为 50%、固含量为92%,采购于苏州晶银新材料科技有限公司 ) 制备n型HJT太阳电池的金属电极(下文简称为“银包铜 HJT 太阳电池”,由其制备的光伏组件简称为“银包铜 HJT 光伏组件”),通过实验分析银包铜栅线的结构及拉力性能,以及其制备的太阳电池及光伏组件的电性能及可靠性情况,以期为 HJT 太阳电池的进一步优化提供理论依据和实践指导。

1 实验过程

1.1 太阳电池的制备

  选取晶向 (100) 的 n 型硅片 ( 厚度为 150 µm,尺寸 ( 长 × 宽 ) 为 158.75 mm×158.75 mm,电阻率为 1~6 Ω•cm) 为衬底,依次进行碱制绒→采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 技术制备非晶硅薄膜→采用磁控溅射 (PVD) 设备在非晶硅薄膜两侧沉积透明导电氧化物薄膜 (TCO) →丝网印刷制作金属电极步骤,制备得到 HJT 太阳电池。

1.2 光伏组件的结构及测试设备

  HJT 光伏组件结构为玻璃 / 乙烯 - 醋酸乙烯共聚物 (EVA) 胶膜 /HJT 太阳电池 /EVA 胶膜 /玻璃。

  所有可靠性测试均按照 IEC 61215: 2021 系列标准的规定进行。测试设备采用上海宏泽化工有限公司生产的 HH84、HT484 设备和博瑞生物医药 ( 苏州 ) 股份有限公司生产的 BR-PV-LID 设备,分别进行湿热 (DH) 测试、热循环 (TC) 测试和电位诱导衰减 (PID) 测试等。光伏组件的初始输出功率在标准测试条件 (STC) 下进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 银包铜栅线的结构表征及拉力性能

  银包铜浆料是以铜粉部分替代银粉的方式,通过调整银粉和铜粉的掺杂比例,将银粉包裹在铜粉的表面,如此既保留了银的优点 ( 导电性能优于铜 )、又防止了铜的氧化,更重要的是铜价远低于银价 [17-18]。目前,行业已实现量产银含量为 50% 的银包铜浆料。

  通过扫描电子显微镜 (SEM) 对银包铜 HJT太阳电池正面细栅线的形貌进行表征,其形貌如图 2 所示。

  从图 2 可以看出:银包铜浆料中粉末呈球形颗粒状,且无明显团聚,具有良好的分散性;微米级的小颗粒银粉与银包铜颗粒混合均匀,这有助于实现良好的接触。在低温烧结过程中,通过与有机物结合,银颗粒聚集在一起形成相互连接的网络,随着有机溶剂被去除,树脂收缩实现银浆与 TCO 薄膜的粘接 [8],银颗粒靠近或附着在铟锡氧化物 (ITO) 薄膜表面,有效促进了从 ITO薄膜到栅线之间的电流传导。通过优化烧结温度和烧结时间,可以降低栅线的线电阻和接触电阻。

  采用 3D 显微镜对银包铜 HJT 太阳电池正面栅线进行线性测试,其形貌如图 3 所示。

  从图 3 可以看出:银包铜太阳电池正面栅线的平整度存在差异,高低起伏不均匀,并且存在轻微的虚印情况,原因可能是此处正好对应网版的网结,使线型的均匀性差。银包铜 HJT 太阳电池正面栅线的平均线宽约为 43 µm,平均线高约为 14 µm,平均高宽比约为 32.5%,比常规低温银浆 HJT 太阳电池栅线的性能稍差。

  对银包铜 HJT 太阳电池的正面细栅进行了拉力测试,在每条正面栅线上选取 5 个焊点进行测试,结果如图 4 所示。测试结果显示:拉力基本在2.0 N以上,最高到7.4 N,平均拉力为3.5 N;拉力均为合格。

2.2 电性能研究

  目前,市场主流的 PERC 太阳电池的光电转换效率平均在 23.3% 左右,已接近理论极限值,提升空间有限,而 n HJT 太阳电池的光电转换效率已达到 24.3%~24.5%。本文采用的银包铜HJT 太阳电池的平均光电转换效率为 24.37%,具体档位分布如图 5 所示。

  由图 5 可以看出:光电转换效率档位在全部银包铜 HJT 太阳电池中的占比超过 10% 的有24.3%、24.4%、24.5%、24.6%、24.7% 5 个档位 ( 共占比约 79.9%);占比最高的光电转换效率档位为 24.5%( 占比为 22.8%)。由此可以看出,银包铜有望替代 PERC 太阳电池。

  本研究采用 72 片银包铜 HJT 太阳电池制备成银包铜 HJT 光伏组件其电性能如表 1 所示。表中:CTM 为光伏组件封装损失,其值为光伏组件的实际输出功率与理论输出功率的比值,CTM 值越高,说明光伏组件的封装功率损失程度越小。从表 1 可以看出:银包铜 HJT 光伏组件具有良好的电性能,其 CTM(97.3%) 与常规低温银浆 HJT 光伏组件的 CTM(97.6%) 基本一致。

2.3 可靠性检测

2.3.1 初始性能测试

  实验共制备 5 块银包铜 HJT 光伏组件样品,在进行可靠性测试之前,先测量各样品的初始性能参数,结果如表 2 所示。样品正面平均输出功率为 434.49 W,背面为 365.33 W,双面发电效率达到 84.1%。

2.3.2 DH 测试

  选取光伏组件样品 1#,先对样品的外观进行检查,发现 HJT 太阳电池和 EVA 胶膜之间不存在分层现象;再将其放入温度为 85 ℃、相对湿度为85% 的 DH 试验箱中进行 DH 测试,其正背面的输出功率衰减情况如图6a所示。DH1000 测试后,样品正面的输出功率减少了为 5.80 W,背面的减少了 1.79 W;然后再进行 DH3000 测试,样品正面的输出功率 7.87 W,背面减少了为 9.83 W。样品正面输出功率总衰减量为 13.67 W,背面总衰减量为 11.62 W,则衰减率为 2.6%。这表明在高温高湿环境下样品并未出现较大的输出功率损失,因此银包铜 HJT 光伏组件具有较好的可靠性。

  考虑到铜栅线易受环境中微量氧气、水汽、有机酸 ( 醋酸 ) 的氧化和腐蚀,导致银包铜 HJT太阳电池出现可靠性问题,因此,本研究对经过DH3000 测试后的样品性能进行电致发光 (EL) 检测,结果如图 6b 所示。EL 测试后样品的 EL 图像并未发现明显的裂纹、黑斑等现象,进一步证实了银包铜 HJT 光伏组件在湿热情况下具有优异的可靠性。

2.3.3 “DH1000+ 负载”

  测试强风和积雪都会对安装在室外的光伏组件施加负载,因此对银包铜 HJT 光伏组件在强风和积雪天气条件下的可靠性进行研究,通过负载试验评估其的耐候性能。选取光伏组件样品 3#,在 DH1000 测试后,对样品施加机械负载 ( 机械负载共 3 个循环,每个循环为“正面施加 5400 Pa负载 + 背面施加 2400 Pa 负载”),测试其输出功率变化,结果如图 7a 所示;然后对机械负载测试后的样品进行 EL 检测,得到的 EL 图像如图 7b所示。

  从图 7 可以看出:在施加机械负载后,样品正、背面输出功率均没有明显损失,其中正面输出功率减少 2.94 W( 衰减率为 0.68%),背面输出功率增加 0.52 W,表明样品栅线并未发生变化。样品的 EL 图像未发现裂纹、焊带偏移等现象,这与输出功率测试结果一致,并且观看其外表并未发现黄铜外漏的情况。这说明银包铜 HJT 光伏组件在风、雪天气下都具有优异的可靠性。

2.3.4 TC 测试

  将光伏组件样品 2# -40~85 ℃之间分别进行循环 200 次和 600 TC 测试后,测试其输出功率变化,结果如图 8a 所示;然后对 TC 测试后的样品进行EL 检测,得到的 EL 图像如图8b 所示。

  由图 8 可以看出:在 TC200 测试后,样品正面输出功率增加了0.61 W,背面增加了0.06 W;再继续 TC600 测试后发现,样品的正面功率降低了 3.12 W( 衰减率为 0.72%),背面降低了 0.12W( 衰减率为 0.03%)。TC600 测试后样品的 EL图像中并不存在异常现象,说明银包铜 HJT 光伏组件在温度重复变化的环境中具有较优的可靠性。

2.3.5 PID 测试

  PID测试是评估光伏组件可靠性的关键测试,对光伏组件样品5#进行PID测试,在85±2 ℃温度、85±5% 湿度条件下保持 12~24 h,再通入 -1500V 电压,测试时间为 192 h,测试后其输出功率变化情况如图 9a 所示。然后对 PID 测试后的样品进行 EL 检测,得到的 EL 图像如图 9b 所示。

  由图 9 可以看出:在 PID192 测试后,样品正面输出功率损失为 1.84 W,背面输出功率损失为 0.25 W;而在 3 次 PID192 测试后,其正面输出功率仅损失了 4.72 W( 衰减率为 1.09%),背面仅损失了 2.29 W( 衰减率为 0.63%)。这说明,银包铜 HJT 太阳电池的钝化性能和银包铜 HJT 光伏组件的封装工艺均较优;另外,由于 HJT 太阳电池表面上是导电 TCO 薄膜,电荷不会集中在太阳电池的表面,防止了栅线的腐蚀,因此银包铜 HJT 光伏组件栅线未受到影响。

2.4 银包铜 HJT 太阳电池成本分析

  本文银包铜浆料的银含量为 50%,其价格是常规低温银浆的 70%,其银浆单瓦耗量 ( 下文简称为“单耗”) 较常规低温银浆的高 5% 左右。按照行业 210 mm 尺寸的常规 HJT 太阳电池单耗银浆为 220 mg 左右、银浆单价为 7300 元 /kg( 低温银浆单价按 PERC 银浆单价 +1500 元 /kg 计算 )计算,银包铜浆料单耗为 205 mg 左右,银包铜浆料价格是 5110 元 /kg,太阳电池光电转换效率为 24.37%,输出功率为 10.7 W。基于行业数据,采用不同栅线工艺时银包铜 HJT 太阳电池中银包铜浆料成本预测分析,如表 3 所示。

  基于以上数据,当 HJT 太阳电池片正、背面均采用低温银浆时,银浆成本为 0.132 /W,而当正、背面均采用银包铜浆料时,银浆成本为0.098 /W,采用银包铜浆料可使银浆成本降低约 25.8%。而当正、背面均采用“无主栅 + 银包铜浆料”工艺时,银浆成本为 0.066 /W,可使银浆成本降低约 50%,这是因为无主栅技术省去主栅线,节省了银浆耗量。随着技术的发展,当银含量为 30% 的银包铜浆料投入量产时,可大幅降低银浆成本,目前银含量为 30%~45%的银包铜浆料正在样品测试阶段。

3 结论

  本文通过对采用银含量 50% 的银包铜浆料制备的 HJT 太阳电池及光伏组件进行综合分析,研究了银包铜栅线结构及拉力性能、太阳电池电性能及光伏组件可靠性方面的表现。结果发现:采用银包铜浆料制备的 HJT 太阳电池具有良好的性能,太阳电池光电转换效率达到24.37%,CTM 达到 97.3%;其制备的 HJT 光伏组件在 DH3000 测试后的输出功率衰减率仅为2.6%,在 TC600 测试后的输出功率衰减率仅为0.72%,在 3 PID192 测试后输出功率衰减率仅为 1.09%。此外,银包铜相较于低温银浆可以节省 25.8% 的银浆成本,若未来再结合无主栅技术,可使银浆成本降低 50% 左右。

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