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探究丝网印刷的导电铜浆在PERC太阳能电池上的性能和可靠性
日期:2025-01-20浏览量:5
晶体硅太阳能电池占据全球约97%的市场份额,降低银消耗成为满足未来生产和成本目标的关键,铜因成本低、储量丰富且电阻率与银相似,成为银的理想替代品,但存在易氧化、向硅扩散及降低少子寿命等问题。本文研究通过优化铜浆料的特性,可以减少铜金属化电池的退化,提高电池的可靠性。
研究方法
选择性发射极PERC电池的示意图
电池制备:在M6尺寸(166 mm×166 mm)的单晶p型硅片上制备了选择性发射极PERC电池。正面栅线使用铜浆料丝网印刷,背面为铝(Al)接触,局部接触开口。
金属化过程:金属化分为两步进行。首先,在硅片背面印刷铝,干燥后在约751°C下烧结,然后进行正面栅线印刷和在约630°C下烧结。同时,使用相同的硅片和751°C的共烧结温度制备了正面银印刷的参考电池。
铜指条的横截面扫描电子显微镜图像
铜浆料特性:铜浆料的优化烧结峰值温度为约630°C,电阻率约为2-3×10^-5 Ω·cm。通过扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)分析了铜指条的横截面,发现铜指条宽度约为100μm,高度为28.7μm,纵横比为0.27。
不同版本铜浆的 EDS 分析
初始版本铜浆:初始版本铜浆在铜与硅之间存在厚氧化物层。该厚氧化物层增加了电池的串联电阻,阻碍了载流子的传输,不利于电池性能提升,导致电池的光电转换效率降低。
新版本铜浆:新版本铜浆的氧化物层更薄。这一结构变化促进了载流子传输,使电池内部的电流传导更为顺畅。同时,氧化物层仍有足够厚度充当阻挡层,防止铜向硅扩散,保证了电池在经过 1500 小时湿热测试后,依然能可靠运行,维持较好的性能。
电性能分析
不同峰值烧结温度下一组100个PERC电池的IV参数分布
100个电池被分为三组,每组对应一个不同的峰值烧结温度:590°C、610°C和630°C。
Voc:随着烧结温度的升高,Voc有轻微的增加趋势。这表明较高的烧结温度可能有助于提高电池的开路电压。
Jsc:Jsc在不同烧结温度下变化不大,这表明烧结温度对短路电流密度的影响较小。
FF:FF在630°C烧结温度下最高,这表明优化的烧结温度可以显著提高电池的填充因子,从而提高整体效率。
不同烧结温度下的效率:
590°C:效率较低,具体数值未给出,但可以推断低于19.25%。
610°C:效率有所提高,但仍然低于630°C烧结温度下的效率。
630°C:效率最高,达到了19.25%。
铜金属化M6尺寸电池的串联电阻分布图
串联电阻(Rs):通过颜色编码显示了电池不同区域的串联电阻值。颜色越深表示串联电阻越高,颜色越浅表示串联电阻越低。串联电阻是电池性能的一个重要参数,它影响电池的填充因子(FF)和整体效率。较高的串联电阻会导致电池的电压降增加,从而降低电池的输出功率。
颜色编码:快速识别电池中串联电阻较高的区域。这些区域可能是由于铜指条的不均匀性、氧化层的不均匀性或其他制造缺陷导致的。
可靠性测试
加速测试(85°C/85% 湿度湿热环境)前后的 PL 图像
PL图像:PL图像通过颜色编码显示了电池的发光强度,颜色越亮表示电池的性能越好,颜色越暗表示电池的性能越差。
在85°C和85%湿度的条件下进行了1500小时的湿热测试。每500小时观察一次PL图像:
初始状态:在湿热测试前,PL图像显示电池整体发光较亮,表明初始性能良好。
性能退化:随着测试时间的增加,PL图像显示电池的发光强度逐渐减弱,特别是在裂缝区域。这表明电池在湿热条件下出现了性能退化,尤其是在连接区域。
改进效果:在改进铜浆料特性后,PL图像显示电池的性能退化显著减少。这表明优化的铜浆料在提高电池的可靠性方面起到了重要作用。
湿热测试后通过DLIT观察到的图像
电池在85°C和85%湿度的条件下进行了500小时的湿热测试,然后在反向偏置(-3V, 0.3A)下进行了DLIT测试:
DLIT图像:明亮的斑点表示旁路二极管的位置,这些旁路二极管是电池中的缺陷区域,会导致电流绕过正常路径,从而降低电池的性能。
性能退化:DLIT图像显示,经过500小时湿热测试后,电池中出现了明显的旁路二极管。这表明电池在湿热条件下出现了性能退化,特别是在铜/硅界面区域。
SEM和EDS对超声波焊接后的铜接触进行分析
横截面SEM图像:可以观察到铜接触与焊料的结合情况,以及焊料在铜接触上的分布。
EDS分析:EDS分析结果提供了焊接区域的化学组成信息,可以观察到铜(Cu)、锡(Sn)和铟(In)等元素的分布。均匀的元素分布表明焊接过程中元素混合良好,没有明显的扩散不均或元素分离现象。
通过实验发现优化的铜浆料在630°C的烧结温度下能够实现19.25%的电池效率,且在85°C和85%湿度的条件下,经过1500小时的湿热测试后,电池仍能保持良好的性能。这些结果表明,铜浆料在降低光伏生产成本方面具有巨大潜力,同时能够满足高性能和高可靠性的要求。
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原文出处:Exploring the performance and reliability of screen-printable fire through copper paste on PERC solar cells