Переосмысление конструкции серебряной пасты для солнечных элементов TOPCon, LECO
Аккумулятор Challenger A12-100А
Исследователи из Китая разработали систему оценки качества мелкодисперсных серебряных паст для солнечных элементов TOPCon и LECO. Этот подход позволяет напрямую связать лабораторные характеристики с производительностью производственной линии, устраняя ограничения традиционных методов оценки.
По мере того как производственные процессы, такие как традиционная технология TOPCon и оптимизация контактов с помощью лазера (LECO), позволяют повысить эффективность солнечных батарей выше 26 %, требования к пастам для металлизации передней стороны солнечных батарей становятся все более сложными. Пасты для тонкой металлизации должны соответствовать противоречивым требованиям к реологии, химическим свойствам при травлении и спекаемости, а также технологическим ограничениям, которые сложно учесть с помощью традиционных методов оценки.
На этом фоне исследователи из Северо-Западного университета в Китае предложили дифференцированную стратегию разработки материалов в сочетании с системой объективной оценки, которая напрямую связывает лабораторные исследования с производительностью производственной линии.
«Чтобы устранить существующие ограничения традиционных подходов к оценке, мы ввели три новых реологических параметра, призванных более точно отражать поведение пасты в реальных условиях обработки, — рассказал ведущий автор исследования Линь Бао. — На основе этих параметров была разработана гибридная система оценки, сочетающая метод анализа иерархий (МАИ) и метод энтропийного взвешивания (МЭВ), чтобы преодолеть недостатки, присущие стратегиям взвешивания с использованием одного метода».
Метод анализа иерархий определяет весовые коэффициенты показателей на основе попарных сравнений, проводимых экспертами, и преобразует качественные суждения в структурированную иерархическую систему оценки. Метод анализа взвешенных показателей, напротив, объективно присваивает весовые коэффициенты в зависимости от степени вариативности данных, снижая субъективность за счет акцентирования внимания на информации, содержащейся в измерениях.
«Кроме того, наша работа устанавливает четкую связь между характеристиками, полученными в лабораторных условиях, и производительностью производственной линии, что позволяет более надежно сопоставлять результаты экспериментов с промышленными показателями, — добавил Бао. — Наконец, предложенная система оценки, охватывающая как традиционные технологии TOPCon, так и новые фотоэлектрические технологии LECO, может применяться в более широком спектре областей, что повышает ее универсальность при разработке передовых методов металлизации солнечных элементов».
В исследовании «На основе скрининга серебряно-стеклянных фритт и оценки методом анализа иерархий и взвешенных матриц: проверка эффективности и производственных характеристик фотоэлектрических мелкоячеистых серебряных паст TOPCon/LECO», опубликованном в журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы», исследовательская группа объяснила, что для архитектур TOPCon и LECO требуются принципиально разные свойства стеклообразных фритт.
Для TOPCon необходимы стекловидные фритты с низкой температурой размягчения, которые обеспечивают раннее размягчение и химическое травление слоя нитрида кремния (SiNx), гарантируя низкое контактное сопротивление. В отличие от TOPCon, технология LECO предполагает использование фритт с высокой температурой размягчения, при которой контактная поверхность формируется за счет лазерной абляции SiNx, то есть стекловидная фаза в основном выполняет функции адгезии и смачивания, а не агрессивного травления.
С помощью различных методов исследования, таких как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), рентгеновская дифракция (XRD), дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), термогравиметрический анализ (ТГА) и измерение краевого угла смачивания, исследователи отобрали подходящие материалы для дальнейшего использования в рецептуре.
В результате этого скрининга были выявлены высокоактивные серебряные порошки, а именно Dowa4-8F, H1-2 и YZ17N1, а также подходящие системы стекла, а именно TG1 для устройств TOPCon и LG1 для устройств LECO. Благодаря этому удалось разработать составы серебряной пасты для конкретных процессов, оптимизированные с учетом особенностей каждой архитектуры ячейки.
Исследователи объяснили, что традиционная оценка качества серебряных паст в значительной степени опирается на тест на трехинтервальную тиксотропность (3ITT), который не в полной мере отражает реальное поведение материала в производственном процессе.
Чтобы решить эту проблему, они ввели три динамических реологических показателя — относительную вязкость, относительную скорость восстановления и T50, — которые лучше описывают восстановление структуры в критический период между печатью и спеканием, длящийся 10–20 секунд. Эти параметры выявили явные различия в зависимости от состава: один тип пасты LECO демонстрировал быстрое восстановление в начале процесса, а паста TOPCon — более медленное, но постепенное восстановление, которое не удалось полностью описать с помощью 3ITT.
В ходе практических испытаний на печать результаты частично не совпали с прогнозами, основанными на реологических свойствах. Несмотря на то, что анализ методом 3ITT показал оптимальный состав, пасты TOPCon на практике продемонстрировали лучшую однородность линий, а один из составов TOPCon показал меньшее соотношение сторон и более высокую шероховатость поверхности. Интерферометрия в белом свете подтвердила, что шероховатость варьируется от менее 0,4 мкм до более 1,0 мкм, что свидетельствует о том, что одних реологических свойств недостаточно для точного прогнозирования пригодности к печати.
Спекание и электрофизические исследования показали, что пасты с серебряным порошком Dowa4-8F имеют наиболее плотную микроструктуру, в то время как более высокая пористость связана с повышенным удельным сопротивлением. В целом пасты LECO демонстрируют более низкое удельное сопротивление за счет лучшего сцепления частиц.
Модель AHP–EWM объединила эти результаты, полученные в различных областях, и показала, что один из составов TOPCon получил наивысший балл в своей группе (0,617), а состав LECO — наивысший общий балл (0,908). Эти результаты совпали с данными, полученными при проверке на производственной линии: наиболее эффективная паста TOPCon повысила напряжение холостого хода до 10,47 В, а паста LECO обеспечила эффективность работы элемента 26,7 % при стабильной электролюминесцентной визуализации.
В целом исследование показывает, что для разработки надёжной серебряной пасты необходимо перейти от оценки с помощью одного метода к комплексным подходам, основанным на данных, которые эффективно связывают лабораторные характеристики с промышленными показателями.