鋁漿有機(jī)粘合劑文獻(xiàn)綜述

1、1太陽(yáng)能電池及鋁漿的發(fā)展背景太陽(yáng)能可以說(shuō)是“取之不盡，用之不竭”的能源，與礦物燃料相比，太陽(yáng)能具有清潔和 可在生等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為熱能和電能，解決能源危機(jī)，造福于全人類(lèi)，一直 是廣大科學(xué)家的奮斗目標(biāo)1。在過(guò)去的幾十年，高效硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)吸引了越來(lái)越多在 伏(PV)行業(yè)的研究者、科學(xué)家、工程師的關(guān)注。許多高質(zhì)量的研究人員和工程師在學(xué)術(shù)界和 產(chǎn)業(yè)界尋求方法來(lái)提高電池效率和降低成本2。當(dāng)今的光伏技術(shù)中，硅太陽(yáng)能電池技術(shù)是 主要技術(shù)。硅是地殼中含量第二的元素，所以，生產(chǎn)硅太陽(yáng)電池的原材料非常容易獲得。而 且硅太陽(yáng)電池的性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。由于硅太陽(yáng)電池技術(shù)是建立在半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)之上，

2、所以，這個(gè)技術(shù)被普遍地接受和理解3。硅太陽(yáng)能電池用鋁漿是太陽(yáng)能電子漿料中的主要組成部分，用于硅太陽(yáng)能電池背表面場(chǎng)的形 成，同時(shí)作為太陽(yáng)能電池的背電極使用4。太陽(yáng)能鋁漿通過(guò)絲網(wǎng)印刷、高溫快燒最終和晶 體硅電池片形成鋁背場(chǎng)。絲網(wǎng)印刷和單、多晶硅太陽(yáng)能電池已被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)。 鋁漿和鉛玻璃料形成的鋁電極具有致密結(jié)構(gòu)并且完美附著于硅板5。2鋁漿的組成及作用2.1鋁漿的組成導(dǎo)電漿料主要包括三功能材料，一是金屬粉末，這提供導(dǎo)電相。二是粘結(jié)相，作用是使 膜層與基體牢固結(jié)合起來(lái)。通常用玻璃、氧化物晶體或二者的混合物作為粘結(jié)相。粘結(jié)相的 選擇對(duì)成膜的機(jī)械性能和介電性能有一定的影響6。三是有機(jī)相，分散的

3、金屬和粘合劑成 分賦予所需的流變性能7。其中有機(jī)粘合劑作為一種載體，主要有以下幾方面的作用。一 是使?jié){料體系中的固體粉末狀易團(tuán)聚的物質(zhì)具有均勻的分散性，保持一種懸浮狀態(tài)。二是使 電極漿料具有較好的流動(dòng)性，在印刷過(guò)程中成膜，并使成膜均勻，膜厚一致。三是干燥后使 固體粉末附著于硅基體表面不脫落，順利進(jìn)入燒結(jié)工序。四是在使用過(guò)程中，不產(chǎn)生干網(wǎng)， 漏網(wǎng)現(xiàn)象8。2.2鋁粉的作用與普通電子封裝用漿料不同，太陽(yáng)能電池電極用漿料除了要求導(dǎo)電良好，還要與硅這種 半導(dǎo)體材料形成良好的歐姆接觸，這樣才能起到提高光電轉(zhuǎn)換效率的作用。Ni，Al，Zn， Sb等賤金屬可以與半導(dǎo)體形成歐姆接觸，有報(bào)道稱鋅漿可以作為一種良好

4、的歐姆接觸材料。 鋁作為價(jià)格相對(duì)便宜的賤金屬，非常適合作為背面金屬化所用的金屬材料。鋁一硅合金共融 體促進(jìn)了鋁背場(chǎng)(BSF)的形成，同時(shí)金屬鋁與硅可以形成歐姆接觸9。鋁漿中的金屬粉末鋁 粉作為導(dǎo)電相在燒結(jié)后相互連接構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并與硅層形成硅鋁層合金，吸除多余雜質(zhì)。 鋁粉的各項(xiàng)性能對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出特性及背電場(chǎng)外觀有著關(guān)鍵的影響10。2.3玻璃粉的作用賤金屬表面常常被氧化層覆蓋，尤其以高溫灼燒后氧化更為嚴(yán)重，使其幾乎不導(dǎo)電。 因而限制了賤金屬在電子漿料領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。玻璃料特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有很寬的玻璃形 成區(qū)，具有高度助熔性，可以使鋁金屬的氧化物在玻璃料中具有較大的溶解度，玻璃料經(jīng)高 溫熔化

5、將鋁粉表層氧化鋁溶解，溶解的氧化鋁與玻璃料重新形成玻璃體，同時(shí)高溫下鋁又被 氧化。燒結(jié)過(guò)程中兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，新形成的玻璃料可以包覆裸露出來(lái)的金屬鋁防止其進(jìn) 一步氧化。當(dāng)溶解速度大于氧化速度的時(shí)候鋁裸露出來(lái)。在冷卻過(guò)程中，玻璃體收縮使金屬 鋁粉之間互相接觸聯(lián)通形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)玻璃料熔融狀態(tài)下侵潤(rùn)鋁粉與基片，固化后提高 導(dǎo)電膜與基片的附著力11。2.4有機(jī)粘合劑的組成及作用有機(jī)相通常稱有機(jī)載體或有機(jī)粘合劑，它包括樹(shù)脂/又稱增稠劑，有機(jī)溶劑，表面活性 劑和觸變劑。在高溫下，有機(jī)粘合劑將逐步揮發(fā)和燃燒,最后全部除盡12。漿料的流變性， 固體粒子的浸潤(rùn)性，金屬粉料的懸浮性和流動(dòng)性以及漿料整體的觸變性

6、等都靠有機(jī)載體來(lái)調(diào) 節(jié)。通常我們指的有機(jī)載體包括了有機(jī)高分子聚合物、有機(jī)溶劑、有機(jī)添加劑等等。目前的 太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝普遍采用絲網(wǎng)印刷，而有機(jī)成分調(diào)節(jié)了絲網(wǎng)印刷工藝條件，決定了印刷 質(zhì)量的優(yōu)劣。有機(jī)成分還必須在燒結(jié)過(guò)程中完全碳化除去，否則會(huì)在導(dǎo)電體內(nèi)留下大電阻雜 質(zhì)，影響電池片的轉(zhuǎn)換效率13。有機(jī)載體由有機(jī)溶劑、增稠劑、觸變劑、表面活性劑以及流延性控制劑組成。最簡(jiǎn)單的 載體也應(yīng)包括有機(jī)溶劑和增稠劑兩種成分14。常用的高分子樹(shù)脂有乙基纖維素、聚乙烯醇 縮醛、聚苯乙烯衍生物、醇酸樹(shù)脂等；有機(jī)溶劑有松油醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸脂、 環(huán)已醇、松節(jié)油等；可選擇的觸變劑有氫化蓖麻油，本身具有觸變特

7、性的乙基纖維素、醇酸 樹(shù)脂等15。3有機(jī)粘合劑的性能3.1有機(jī)粘合劑的流平性漿料的流平性是指沉積于基片表面上的漿料，在短時(shí)間內(nèi)消除絲網(wǎng)的痕跡，形成一個(gè)連 續(xù)的膜層的能力。流平性好，絲網(wǎng)印刷后致密無(wú)氣孔，電性能則會(huì)比較穩(wěn)定；反之，若漿料 的流平性不佳，膜層表面就會(huì)形成明顯的絲網(wǎng)痕跡，燒結(jié)后有孔洞、裂縫等多種缺陷，從而 造成膜層的電性能不佳。流平性是漿料印刷性能的一個(gè)重要參數(shù)和關(guān)鍵判據(jù)16。表面活性劑是有機(jī)載體的重要組成部分，其降低載體與固體顆粒界面的表面張力，使有 機(jī)載體能充分潤(rùn)濕固體顆粒的表面，在導(dǎo)電漿料中起分散和穩(wěn)定的作用。表面活性劑能潤(rùn)濕 固體顆粒，使粉末聚集體分散，使有機(jī)載體滲透到固體顆

8、粒內(nèi)部聚集體之間的通道和空隙之 中。表面活性劑是使有機(jī)載體能充分潤(rùn)濕固體微粒，常用的表面活性劑有甲苯、乙醇等14。 對(duì)提高漿料的分散性和穩(wěn)定性有促進(jìn)作用，可以降低有機(jī)載體與固體顆粒界面張力，提高潤(rùn) 濕性，使固體顆粒在載體中均勻分散，同時(shí)也可以減少顆粒的表面自由能，降低顆粒相互聚 結(jié)的趨勢(shì)，提高其中固體顆粒的穩(wěn)定性，同時(shí)也由于表面張力的減少，漿料流平的驅(qū)動(dòng)力減 小，對(duì)流平不利。表面張力越大，粘度越小，膜層越厚，越易流平17。3.2有機(jī)粘合劑的粘度配制的電子漿料應(yīng)具有假塑性流體的流變特征。當(dāng)剪切速率較小時(shí)，漿料具有較大的抵 抗變形的能力，表現(xiàn)出比較高的黏度值，印刷后，漿料不向四周流溢，網(wǎng)點(diǎn)清晰，保

9、證了尺 寸精度。隨著剪切速率的提高，漿料在剪切力的作用下，漿料中的超細(xì)粉體很容易沿剪切力 的方向移動(dòng)，使剪切黏度減小18。有機(jī)載體中的增稠劑主要有乙基纖維素、聚乙烯醇、聚甲基丙稀酸酯等。增稠劑實(shí)質(zhì)上 是一種流變助劑，加入增稠劑后能調(diào)節(jié)流變性，使膠黏劑和密封劑增稠，防止填料沉淀，賦 予良好的物理機(jī)械穩(wěn)定性，控制施工過(guò)程的流變性，還能起著降低成本的作用。乙基纖維素 常作為增稠劑加入厚膜漿料中，為白色或淺灰色的流動(dòng)性粉末，熱穩(wěn)定性好，高溫時(shí)不易分 解，不溶于水，溶于有機(jī)溶劑的非離子型纖維素醚。纖維素類(lèi)增稠劑的增稠機(jī)理是纖維素的 疏水主鏈與聚合物通過(guò)氫鍵締合，提高了聚合物的流體體積，減少了顆粒自由活動(dòng)

10、的空間， 從而提高了體系粘度。分子鏈的纏繞也會(huì)使體系粘度提高，表現(xiàn)為在靜態(tài)和低剪切時(shí)有高黏 度，在高剪切下時(shí)有低黏度。這是因?yàn)殪o態(tài)或低剪切速度時(shí)，纖維素分子鏈處于無(wú)序狀態(tài)而 使體系呈現(xiàn)高粘性：而在高剪切速率時(shí)，分子平行于流動(dòng)方向作有序排列，易于相互滑動(dòng)， 所以體系黏度下降19。對(duì)漿料體系來(lái)說(shuō)影響HLB值或表面張力不平衡的因素來(lái)源于高分子樹(shù)脂、有機(jī)溶劑、 填料以及其他助劑。所有這些因素中，潤(rùn)濕分散劑是調(diào)整HLB值或表面張力效果最好的。 分散劑的選用原則是必須能降低粒子的表面能，消除粒子的表面電荷和表面引力，增加粒子 與其它介質(zhì)粘結(jié)力，還必須與粒子和介質(zhì)有極強(qiáng)的親和力。分散是用外力將大顆粒細(xì)化，使

11、 團(tuán)聚體解聚并被再潤(rùn)濕、包裹吸附的過(guò)程。分散穩(wěn)定是指將原生粒子或較小的團(tuán)聚體在靜電 斥力、空間位阻斥力的作用下來(lái)屏蔽范德華引力，使顆粒不再聚集。3.3有機(jī)粘合劑的揮發(fā)性有機(jī)溶劑是有機(jī)載體的最主要組成部分，是一種粘稠狀的液體，能夠提供極性基團(tuán)，其 特點(diǎn)是能溶解纖維素之類(lèi)的增稠劑。目前有機(jī)溶劑主要是醇、酯、酮等類(lèi)型的溶劑，通過(guò)不 同沸點(diǎn)、不同揮發(fā)速度的溶劑的合理搭配，能夠得到性能優(yōu)良的有機(jī)溶劑。有機(jī)載體無(wú)固定沸點(diǎn)，在加熱過(guò)程中逐步汽化、燃燒，也就是具有層次性:梯度）的揮發(fā)。溶 劑的揮發(fā)特性決定了有機(jī)載體的揮發(fā)特性，而有機(jī)載體的揮發(fā)特性直接決定膜層的質(zhì)量。 溶劑揮發(fā)太快，印刷時(shí)漿料黏度增大，容易堵塞

12、絲網(wǎng)；溶劑揮發(fā)太集中，烘干燒結(jié)后容易在 膜層表面形成孔洞和微裂紋等缺陷；溶劑揮發(fā)太慢，絲網(wǎng)印刷后不易烘干，導(dǎo)致燒結(jié)后有缺 陷。因此，有機(jī)載體的揮發(fā)特性是影響漿料穩(wěn)定性和存放時(shí)間的重要因素。有機(jī)溶劑在漿料中的作用在于降低漿料的粘度，控制漿料的干燥速度，合理選用溶劑可 以有效提高涂層的均勻性和致密性。沸點(diǎn)高的難揮發(fā)，沸點(diǎn)低的易于揮發(fā)。一般混合溶劑的 揮發(fā)符合亨利定律，因此可以改變?nèi)軇┑谋壤齺?lái)調(diào)節(jié)有機(jī)載體的揮發(fā)特性，使之在低溫不易 揮發(fā)，而在干燥溫度下能迅速揮發(fā)。載體的溶劑常壓下的沸點(diǎn)為200300C。沸點(diǎn)低于200C 的溶劑揮發(fā)性太大，長(zhǎng)時(shí)間印刷漿料粘度變大。沸點(diǎn)高于300C的溶劑，不易干燥。溶劑

13、應(yīng) 具有常溫下?lián)]發(fā)性低，沸點(diǎn)相對(duì)較低且500C烘干燒結(jié)時(shí)完全燒掉的特點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)表明，由單 一溶劑制成的載體在存放、印刷時(shí)容易揮發(fā)，使?jié){料粘度增大，若載體不易揮發(fā)，經(jīng)烘干后 膜層較濕潤(rùn)，燒結(jié)時(shí)膜層邊緣不齊，層面由于溶劑的集中揮發(fā)導(dǎo)致針孔和缺陷較多，使電性 能降低，因此，適合混合溶劑。3.4表面活性劑的影響浸潤(rùn)性是固體表面的重要性質(zhì)，主要取決于表面自由能和粗糙程度，改變固體表面的自 由能和粗糙程度均可以改變其浸潤(rùn)性。通常，人們用固體表面與水的接觸角來(lái)衡量固體表 面的浸潤(rùn)性，接觸角大于90度的表面稱為疏水表面，小于90度的表面稱為親水表面20。 有機(jī)溶劑是有機(jī)載體的主要成分之一，其作用是控制漿料的干燥

14、和增稠劑的溶解度。其重量 約占有機(jī)載體的80%以上。溶劑本身應(yīng)是比較粘稠的液體，分子中一般含有極性基團(tuán)。其 特點(diǎn)是能夠溶解纖維素類(lèi)的增稠劑液體。溶劑的沸點(diǎn)高，常溫下?lián)]發(fā)慢。溶劑的選擇首要原 則是無(wú)毒，應(yīng)在醇酯酮類(lèi)溶劑中選擇。同時(shí)，不頹廢、，揮發(fā)度溶劑的搭配也至關(guān)重要，否 則在成膜時(shí)會(huì)出現(xiàn)起桔皮，暴孔，發(fā)粘，流掛等弊病。常用的有機(jī)溶劑有：檸檬酸三丁酯， 檸檬酸二丁酯，松油醇，醋酸丁基卡必醇，醋酸酯，丙酸酯，卵磷脂等21。使某物體潤(rùn)濕或加速潤(rùn)濕的表面活性劑稱為潤(rùn)濕劑。常用潤(rùn)濕角表示，它的角度越小,表示潤(rùn) 濕越好。表面活性劑常分為離子型和非離子型兩大類(lèi)。表面活性劑溶于水時(shí)，凡能電離生成 離子的叫離子

15、型表面活性劑，凡不能電離生成離子的叫非離子型表面活性劑。而離子型的還 要按生成的親水基離子種類(lèi)再進(jìn)行分類(lèi)。可分為陰離子型表面活性劑，陽(yáng)離子表面活性劑， 兩性離子表面活性劑，非離子活性劑22。目前國(guó)內(nèi)在太陽(yáng)能鋁漿親水性有機(jī)體系方面有所 欠缺，親水性有機(jī)溶劑可以改善太陽(yáng)能鋁漿對(duì)晶體硅的浸潤(rùn)性，使得清洗上更加簡(jiǎn)單方便。4鋁漿制備方法取玻璃原料混合，攪拌均勻后置于馬弗爐中熔煉一段時(shí)間后取出水淬，再球磨烘干過(guò)篩， 得到無(wú)機(jī)粘結(jié)劑。取有機(jī)粘結(jié)劑原料置于圓底燒瓶中，水浴加熱一段時(shí)間，得到所需有機(jī)粘 結(jié)劑。按一定比例取鋁粉、玻璃粉、有機(jī)粘結(jié)劑、助劑，攪拌并通過(guò)三輥研磨機(jī)使?jié){料混合 均勻，調(diào)節(jié)粘度至適宜。再絲網(wǎng)

16、印刷于太陽(yáng)能硅基片，烘干燒結(jié)，測(cè)試漿料性能23。5課題意義和價(jià)值導(dǎo)電鋁漿是電子漿料中的重要一種，目前作為晶體硅太陽(yáng)能電池背電場(chǎng)材料得到了廣泛 使用，技術(shù)較為成熟。導(dǎo)電鋁漿已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。導(dǎo)電鋁漿由鋁粉，玻璃粉、有機(jī)粘結(jié)劑 和一些添加劑組成。有機(jī)粘結(jié)劑在電子漿料中作為導(dǎo)電相和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的載體，在高溫?zé)Y(jié) 過(guò)程中逐步揮發(fā)燃燒除去。它是由高分子聚合物在一定溫度下溶于有機(jī)溶劑制成。優(yōu)質(zhì)的電 子漿料在存儲(chǔ)過(guò)程中可以保持良好的均勻性和穩(wěn)定性，無(wú)導(dǎo)電顆粒團(tuán)聚，無(wú)沉降；在絲網(wǎng)印 刷過(guò)程中又可以展現(xiàn)出良好的流變性、觸變性和適宜的粘度。這些重要的性能都決定于有機(jī) 粘結(jié)劑的優(yōu)劣。課題要求這種親水性有機(jī)粘合劑在粘度

17、、流變性和浸潤(rùn)性方面能完全滿足現(xiàn)有晶體硅電 池的主流生產(chǎn)工藝。目前太陽(yáng)能鋁漿都采用油性有機(jī)體系，該體系對(duì)晶體硅的浸潤(rùn)性不佳， 在使用過(guò)程中與鋁漿接觸的部件及包裝材料的清洗回收比較繁瑣。而親水性有機(jī)體系可明顯 改善太陽(yáng)能鋁漿對(duì)晶體硅的浸潤(rùn)性，改善印刷質(zhì)量，并且在相關(guān)材料和部件的清洗上簡(jiǎn)單方 便。因此開(kāi)發(fā)親水性太陽(yáng)能鋁漿有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)盧金軍.太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展J.科技資訊，2007, 18： 8.Shaoqing Xiao, Shuyan Xu. High-Efficiency Solar CellsM. Springer Series in Materials Scie

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