Оптимизация стекловидной фритты в серебряной пасте приводит к заметному повышению эффективности солнечных элементов

Аккумулятор Challenger A12-200

Исследователи из Китая обнаружили, что точная настройка молярного соотношения оксида свинца (II) (PbO) и диоксида кремния (SiO₂) в стекловидной фритте серебряной пасты влияет на контактное сопротивление серебра и кремния в солнечных элементах из кристаллического кремния. Они выяснили, что промежуточное соотношение оптимизирует межфазную структуру, снижая контактное сопротивление и повышая эффективность на 1 процентный пункт.

Электронные изображения солнечных элементов, изготовленных с использованием стекловидной фритты с различными молярными соотношениями PbO/SiO2

Исследовательская группа под руководством Сычуаньского университета в Китае изучала методы регулирования содержания оксида свинца (II) (PbO) и диоксида кремния (SiO₂) в серебряной пасте с целью снижения контактного сопротивления на границе раздела серебро-кремний (Ag–Si) в солнечных элементах из кристаллического кремния и тем самым повышения общей производительности устройства.

«Мы систематически исследовали влияние молярного соотношения PbO/SiO₂ — самого фундаментального и важного параметра состава стекловидной шихты — на характеристики контакта Ag–Si, — рассказал автор исследования Цзинцюань Чжан. — Мы также прояснили взаимосвязь между составом, структурой и свойствами, что позволило разработать рациональные рекомендации по созданию высокоэффективной стекловидной шихты для серебряной пасты».

Ученые объяснили, что стекловидная шихта является ключевым компонентом серебряной пасты, поскольку она обеспечивает спекание и межфазные реакции в процессе обработки. Они снижают температуру обработки, протравливают антибликовый слой из нитрида кремния (SiNx) и улучшают дисперсность и смачиваемость частиц серебра. Самое главное, они способствуют образованию межфазного слоя, который снижает контактное сопротивление между серебряными электродами и кремнием. В этом процессе SiO₂ образует основу структуры стеклянной сетки, а PbO служит модификатором сетки, который регулирует вязкость, температуру стеклования и химическую реактивность.

Для своих экспериментов исследователи использовали пять свинцовых стеклофаз с контролируемым молярным соотношением PbO/SiO₂: 10,00, 8,00, 6,00, 4,00 и 2,00. Они были синтезированы методом закалки расплава и обозначены как A1–A5. Чтобы выделить влияние соотношения PbO/SiO₂, общее молярное содержание PbO и SiO₂ было сохранено на уровне 65 %, а оставшиеся 35 % состояли из фиксированных вспомогательных оксидов, включая оксид бора (B₂O₃) и оксид висмута (III) (Bi₂O₃), а также других добавок. Сырье высокой степени очистки сначала взвешивали в соответствии с разработанными рецептурами, тщательно перемешивали, а затем плавили в тигле из оксида алюминия при температуре 1250 °C в течение 30 минут. Расплавленные стекла быстро охлаждали в деионизированной воде, чтобы получить аморфные фритты, которые затем измельчали в шаровой мельнице и просеивали для получения мелкодисперсных порошков с размером частиц примерно 1–3 мкм.

Затем стекловидные фритты были добавлены в серебряную пасту, которую нанесли трафаретной печатью на пластины монокристаллического кремния n-типа размером 182 мм x 182 мм для формирования электродных сеток на лицевой стороне. После этого пластины высушили при температуре 160 °C и спекли при максимальной температуре 730 °C. После спекания все образцы прошли оптимизацию контактов с помощью лазера (LECO) для дальнейшего улучшения электрических характеристик. В результате были получены образцы солнечных элементов, обозначенные как A1-C — A5-C.

Структура и фазовый состав стеклокерамики были проанализированы с помощью рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, а химические состояния и распределение элементов — с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Для определения характера стеклования был проведен термомеханический анализ. На уровне устройства микроструктура интерфейса между серебряной сеткой и кремниевой пластиной была изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии поперечных срезов после селективного травления слоев серебра и стекла.

Анализ показал, что стекловидные фритты полностью аморфны и состоят из равномерно распределенных частиц, что обеспечивает хорошую дисперсию и полное плавление при спекании. Было установлено, что при промежуточном соотношении PbO/SiO₂ образуется наиболее благоприятная межфазная структура, характеризующаяся сплошным слоем стекла толщиной 100–200 нм и плотным, равномерным распределением кристаллитов серебра на границе раздела Ag–Si. В то же время избыточное или недостаточное содержание PbO приводит либо к чрезмерной текучести и чрезмерному травлению подложки, либо к неполному плавлению и плохому межфазному контакту. Эти структурные различия напрямую влияют на производительность устройства: при оптимальном составе достигается самое низкое контактное сопротивление — 0,79 мОм·см² — и самый высокий КПД преобразования — 23,65 %.

«При оптимальных условиях удельное контактное сопротивление снижается примерно на 8 % по сравнению с образцами без соотношения, а эффективность преобразования энергии в ячейке увеличивается до 23,65 %, что составляет улучшение примерно на 1 процентный пункт», — заявил Чжан.

«Было определено оптимальное молярное соотношение 6, которое обеспечивает температуру стеклования около 288 °C и позволяет сформировать сплошной стеклянный слой и равномерно распределённые наноразмерные кристаллиты серебра на границе раздела», — заключил он.

Новая технология была представлена в исследовании «Влияние молярного соотношения PbO/SiO₂ в серебряной пастообразной фритте на контактное сопротивление Ag-Si и эффективность кристаллических кремниевых солнечных элементов», опубликованном в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells. В исследовательскую группу вошли ученые из китайских технологических компаний Sichuan Dongshu New Materials Co., Ltd и SunSync Solar Technology (Yibin) Co., Ltd.