太阳能电池浆料2019.8.1

太阳能电池浆料
在太阳能电池的表面制备电极引出电流是太阳能发电的关键环节之一。

目前业内的常用方式即在太阳能电池片的两面印刷电池浆料做成电极，其中一种是用于太阳能电池背面的铝或铝＋银电极；另一种是用于太阳能电池受光面（正面）的银电极。

根据组成成分，太阳能电池浆料分为：银浆、铝浆。

目前，光伏电池浆料约占太阳能电池成本的20%；“十三五”太阳能发展规划提出，到2020年光伏发电要实现用电侧平价上网。

减少电池片浆料用量，和硅片的价格下降一起构成电池成本降低的主要驱动力。

随着硅片价格下跌，近两年国内电池浆料成本占电池总成本的比重增加。

因此，国内众多的太阳能电池生产企业对电池浆料的成本越来越重视。

多主栅、超细栅线金属化技术有利于减少正银用量；正银的国产化，也有利于电池企业降低浆料成本。

其次，由于浆料次级原材料已可全部自制，已完成完整的工艺链，这样可带来低成本、质量可控及一对一服务保证技术服务的即时性等优势。

浆料产品一个最大特性就是无法定型，随着电池生产技术的不断变化，不同电池厂对原材料的品质要求、工艺路线、生产设备以及其他要求等不一样，而且这些要求都是动态变化，动态调整的；因此，需针对各家电池厂的独特需求，提供定制化服务，双方共同研发创新太阳能电池生产工艺。

一、银浆
电极作为太阳能电池的重要组成部分，主要起收集电流的作用，同时对电池的受光面积和串联电阻有决定性的影响，是太阳能电池转换效率的重要影响因素之一；银浆包括正银和背银。

目前银浆由超细银粉、玻璃粉和有机载体（主要为树脂和有机溶剂等）以及适量添加剂组成，如图1所示。

图1 银浆组成成分
（1）金属银粉
由于银具有良好的导电性，且相对于其他贵金属而言价格便宜，作为银浆中的导电相，银粉纯度要求＞99%，一般占浆料总量的80%～90%；研究结果表明，银粉粒径分布、微观形貌、含量等对太阳电池的转换效率有重要影响。

其特性参数主要有粒径、形状、表面状态、比表面积等；目前银浆中广泛使用的是微米、亚微米级超细球形银粉，一般粒径控制在0.1-10μm左右，比表面积为0.2-0.6m2/g好于比表面积大于0.6m2/g的；银粉颗粒形状有球形和片状，球形电性能参数好于片状银粉；粒径过大，银浆的粘度和稳定性有显著的降低，颗粒之间的间隙比较大，烧结成的电极不够紧密，接触电阻大，焊接性也会受到影响；粒径过小，制备困难，容易氧化，在银浆配置过程中难与其他成分混合。

不同粒径银粉混合，振实密度大于5g/m3，性能好，振实密度过小时，烧结后收缩大，容易导致断裂，产生空洞等。

58-90nm和30-58nm银粉混合，接触电阻小，烧结性能好。

银粉有多种制备方法，其中粒径分布在1μm左右的球形银粉在太阳能电池领域应用广泛，该银粉主要采用化学还原法制备，设备简单，工艺条件容易控制，产品成本低，是目前广泛应用的生产方法。

另外，工业用片状银粉主要使用还原球磨法制备，即将化学还原法制得的球形银粉经机械球磨得到片状粉。

（2）玻璃粉
无机相玻璃粉不仅有高温粘结作用，还是银粉烧结的助熔剂，以及形成Ag-Si 欧姆接触的媒介物质，是决定其附着强度、硅表面侵蚀程度、接触电阻大小以及最终电极性能的主要因素，占浆料总量的2-10%；主要的任务就是对减反射膜的侵蚀作用能保证获得良好的机械接触；其次，玻璃粉是银重结晶在硅发射极表面的媒介物质，在低于Ag/Si低共熔点的温度下，可以获得接近理想的Ag/Si欧姆接触；最后，玻璃粉还能溶解银粉，甚至影响银粉的烧结动力学过程。

无机玻璃相的制备一般采用高温熔制法：将各种金属氧化物，比如PbO、B2O3、SiO2，BiO3、Al2O3，V2O5、ZnO等，以一定的比例混合，研磨均匀，利用电炉熔炼，熔制温度为900-1300℃，保温时间为1-2h，待混合物呈澄清均化的玻璃液后，直接倒入装有去离子水的容器中淬火冷却，形成的不规则玻璃体在90-120℃下干燥5h以上；最后将玻璃体球磨成粉体，用不同的目筛筛取一定粒径的玻璃粉体。

研究发现，具有适当融化温度和润湿能力的玻璃粉，有助于降低银电极体电阻和接触电阻，增加焊接拉力，是获得最佳电池性能的关键因素之一。

玻璃体比率：增多，
烧结峰值温度下降，体电阻小，接触电阻小；过多银晶粒间玻璃体阻挡层厚，隧道效应几率低，串联电阻大。

玻璃相软化液相温度：380-400℃；玻璃相中Pb能与Ag在340℃形成共熔体，Pb含量高，玻璃体中Ag多，冷却时易形成低接触电阻，且玻璃层薄，但Pb含量过高，易腐蚀Si，从而烧穿PN结，烧结冷却后Ag结晶大小和分布取决于Pb含量，Pb含量小，易形成细小分布的结晶银。

无铅化：取代Pb元素应具有以下性能：金属氧化物能与SiNx和Si反应；能与Ag低温合金；对Si的腐蚀速度小于SiNx。

其中氧化铝可以增加玻璃粉的化学稳定性；ZrO2提高玻璃料的耐碱性；氧化磷是典型的网络形成剂。

（3）有机载体
作为其他固体颗粒的载体，一般占浆料总量的5%～15%。

作用是分散和润湿浆料中的银粉及玻璃粉，控制浆料的流变性能，使浆料具有良好的印刷性能，以便转印到硅片上，形成所需的图形，最后在烧结的过程中挥发出去。

性能要求不凝聚，无固定沸点，可以在加热过程中逐渐燃烧挥发，到某一温度应燃烧干净，无残留灰分。

通过调节有机载体的组成和含量可以改变浆料的粘度、挥发性、触变性等性能，使浆料在印刷时具有较高的流动性，增大栅线高宽比，提高电池的转换效率。

常见的有机载体主要有松油醇－乙基纤维素体系和柠檬酸三丁酯－硝化纤维素体系。

有机载体通常包括有机溶剂、有机粘接剂和其他添加剂；有机溶剂的作用是控制浆料的干燥速率和粘接剂的溶解度，可以溶解其他有机物，常温下挥发慢，其重量占有机载体的80%以上，一般为醇、酯、酮类有机物，比如松油醇、柠檬酸三丁酯、醋酸酯等。

有机粘接剂的作用就是覆盖固体微粒，阻止微粒的凝聚，结块和沉淀，并赋予浆料合适的流变性，在浆料印刷和干燥后，使固体颗粒粘接在一起，具有一定的强度；一般为高分子聚合物树脂，比如乙基纤维素、苯乙烯、硝化纤维素等。

1.1正面银浆
正银约占电池制造成本的10-12%左右。

正银用量约为背银的3倍，含银量达到80-85%左右，银含量过高（＞90%），粘接力、浸焊性下降，银含量低于60%，电阻的变化不稳定。

因含银量高，所以正银的价格比背银要高；如果以产值估算，正银导电浆产值可达背银的8-10倍。

导电原理是在光照条件下，硅片中的p-n 结产生的光生电子会朝着电池正面电极运动，空穴朝着背电极运动。

如果电子运动到正面电极之前未被缺陷或杂质复合就会被电极收集，进而形成电流流至外电路。

因此，这对浆料的要求较高，如形成良好的
欧姆接触、低的接触电阻、良好的印刷性、良好的附着力等，从而使电池片具有较高的光电转换效率。

浆料的质量和性能对晶体硅太阳电池的效率有重要影响，近年来晶体硅太阳电池转换效率的提高大部分要归功于浆料的改善，尤其是正银浆料。

不过由于不同种类太阳电池的结构和制备工艺有差别，对正银浆料的性能要求也有所差异，主要包括高温型和低温型，分别应用于晶体硅太阳电池和HIT 太阳电池。

高温烧结型正银浆料一般由银粉、玻璃粉和有机载体等组成。

这些组成成分的性能和比例会直接影响太阳电池的转换效率。

HIT 太阳电池的正面电极通常在200 ℃左右进行烧结，因此，必须使用低温型电极浆料。

低温银浆成分主要由银粉、树脂、溶剂及添加剂组成。

其中，银粉为导电相，树脂是粘结相，溶剂用来溶解树脂、控制浆料的挥发性等，添加剂则是用来改变浆料的各种性能，使其适用于HIT 太阳电池电极的印刷和固化工艺。

低温固化型正银浆料中，一种为热塑性浆料，采用热塑性树脂，其溶剂含量较多，固化工艺窗口较窄；另一种采用热固性树脂，称为热固性浆料，加热时，热固性聚合物在相邻的聚合链间形成化学键，形成三维网络结构，比热塑性浆料形成的二维结构要刚硬。

1.2背面银浆
从三种浆料的作用来看，背银的功能性最小，因此技术门槛比较低，背银占电池生产成本的2-3%。

先前的背银通常称之为银铝浆，浆料中含银、铝。

一是银铝浆中的铝在烧结的过程中在背电极与电池之间形成类似的BSF层。

（先前的电池片背电极都是比较宽的两条或三条。

）二是降低背银的成本，银和铝的价格有明显差距，背银的固含量在78%左右。

由于背银对电池的性能影响很小，所以电池片厂对背银的要求主要是单耗、焊接性能等，于是形成基本相同的路线，去铝，降低固含量，不管是杜邦、贺利氏还是福禄，当前的背银固含量都低于70%，银含量就更低了。

因此背银的发展方向是在保持或提高焊接性能的同时，降低银含量、降低单耗，最终降低成本。

1.3银浆的消耗量
P型常规电池2018年单片电池银浆消耗量约为125mg，目前通过增加主栅数量以及减小细栅宽度可以减少正银消耗量，五主栅及多主栅线技术将是未来趋势。

随着技术的更替和新科技的发展，如电镀技术、3D打印技术、贱金属栅线技术等，银浆消耗量有望持续下降。

2018年栅线宽度一般控制在45微米，预计未来还有30%的下降空间，到2025年下降到30微米左右。

细栅线宽度的下降得益于浆料技术及印刷设备
精度的提升，印刷设备精度将由目前的±9微米，提高到2025年的±5.5微米。

2018-2025年银浆消耗量变化趋势。

1.4银浆发展状况及趋势
光伏银浆包括了高分子技术，焊接技术、半导体技术、界面技术、导电技术，是集粉末、冶金、化工、电子、材料几位一体的高新技术领域，属于资金和技术密集型产业。

其核心技术是玻璃粉和有机载体的研发和生产，国产浆料企业若想持续提升竞争力，面临的挑战也越来越大。

正银浆料发展的趋势是降低单耗，降低接触电阻，减少遮光面积，从而降低成本，提高电池转化率。

实施的途径是需要持续改善玻璃粉性能，有机载体性能，银粉性能，浆料制作技术以及与丝网的合理搭配。

这对技术要求更为严苛，也是正银企业的发展动力。

长期以来，凭借长期的技术积累、雄厚的资金实力以及丰富的产业经验，贺利氏、杜邦、三星和硕禾等四大进口浆料巨头一直占据绝大部分的正银市场份额，居于绝对主导地位。

贺利氏于2008年推出首款正银浆料，到目前为止已相继推出了十代重要产品，平均每年将光伏电池转换效率提高约0.15%，持续推动行业技术的进步。

国内正面银浆起步较晚，2011年之前国产正银一直未有突破。

直到2016年，经过数年技术积累的国产正银企业抓住市场机遇迅速崛起，具备了一定的批量供货能力。

2017年，国产正银企业攻克了二三线电池厂，市场份额逐渐攀升，国产化速度超过预期。

进入2018年来，随着国产正银的产品性能和品质持续性的提升，部分领先的国产正银企业已拥有部分一线电池大厂客户。

据亚化咨询统计，2018年国产正银出货量约在850吨，约占全球太阳电池正银市场份额的37%，其中年出货量超过50吨
的企业包括无锡帝科、深圳首骋、苏州晶银、上海匡宇和常州聚和；而国产正面银粉的市场份额只有30%。

EneryTrend预计2020年国产正银将占到60%的市场份额。

二、光伏铝浆
铝浆的作用主要是在烧结的过程中，在电池片背面形成铝背场来提高电池片的电性能。

铝背场的作用机理有两个，一个是铝吸杂；一个是形成所谓的P+层；对铝浆的要求有电性能、外观、翘曲度、附着力等，其中电性能是关键。

国内外有很多的相关专利可以查阅，并结合当前电池片、组件厂的要求，可以预见其将来的发展方向必定是高电性能、低翘曲度、外观均一、附着力达标。

铝浆占电池成本3-4%，是由铝粉、玻璃粉和有机载体组成的具有流变性的混合物，如图2所示；对铝浆的技术要求有：形成铝背P/P+结，提高开路电压，从而提高电池的光电转换效率；形成良好的硅铝合金，有牢固的欧姆接触，对硅片进行有效地吸杂；烧结后获得优良的导电性：化学稳定性好；成本低，优化工艺上能投入生产等。

图2 铝浆生产流程
（1）铝粉
铝粉作为功能相，其选择极为苛刻，烧结后铝粉之间互相连接构成导电通道，并与硅形成硅铝合金实现欧姆接触，因此铝粉的各项性能对太阳能电池的输出特性、电极外观、机械强度、接触电阻、粘着力和老化系数等起着关键性影响。

另外工艺上出现灰化、铝珠等现象与粒径大小也有直接相关。

铝粉粒径分布区间大，则大小颗粒交错排列，易于填充空间，使得导电相的排列紧密。

并且铝粉整体平均尺寸大，其体积相对较大。

大体积铝粉颗粒其表面氧化膜较薄，更易消除，形成导电网络。

细铝粉含量越多，比表面积越大，烧结时孔洞收缩产生的烧结压应力越大，相应地收缩越严重，铝电极层中的熔融状态的铝粉颗粒被挤压，突破铝电极层形成铝珠，所以在制备铝浆时应采用粒度分布较大，相互填充性较好的铝粉。

一般使用球形铝粉，平均粒径在
2-10μm，印刷厚度为20-25μm，如果要抑制薄型硅片的弯曲，就必须降低背电极的印刷厚度。

但印刷厚度降低，背电场的形成会受到影响，特别是在硅片表面还存在凹凸
不平的倒金字塔绒面结构时，导电性降低，铝电极和硅片之间的接触电阻变大，使开路电压以及光电转换效率下降。

因此，铝粉粒径分布的优化，研制出既能减少硅片弯曲，同时又能与硅片接触紧密、提高光电转换效率等性能的铝浆是研究者追求的目标。

研究表明，大小铝粉粒子配合使用时，大粒子能起到链的作用，小粒子可以填充大粒子的空隙，导电性能会明显改善。

（2）有机载体
有机载体是导电铝粉和玻璃粉固体粒子的载体，对浆料的粘度有调整作用，在烧结过程中完全挥发和分解。

有机载体由溶剂、增稠剂、表面活性剂、触变剂等组成。

有机载体应具有以下四个特点：挥发性，具有层次性的挥发可避免印刷时粘度增大易堵塞丝网、烧结后出现孔隙或裂痕以及挥发过慢导致烧结后的缺陷。

粘度适中，加入一定的表面活性剂使浆料有一定的流动性，可以改变浆料的印刷性能；触变性能，丝网印刷后可以使浆料保持较好的形态；润湿性，均匀的分散粘结相（玻璃粉）和功能相（铝粉）使浆料不产生团聚和沉淀。

（3）玻璃粉
是太阳能电池中背场铝浆的主要组成成分，其含量在铝浆中最少，但是玻璃粉的软化温度、热膨胀系数、结构、粒度等都影响着浆料的综合性能。

主要作用是降低烧结温度，加快烧结的速度，并起到了粘接剂的作用，把导电相和基体有效的连接。

它在太阳能电池中作用原理是通过腐蚀SiNx，形成导电通道，并在铝浆、发射极界面间作为传输物，通过隧道效应电子在铝浆与电池发射极间移动。

玻璃粉主要由某些金属或非金属氧化物混合烧结制成的，氧化物在玻璃中的不同作用可分以下几种：（1）SiO2、B2O3等能单独形成玻璃，构成玻璃基本构架；（2）不能单独形成玻璃，但是可以调节玻璃的热膨胀系数、粘度、软化温度，一般为碱金属或碱土金属氧化物，如BaO、K2O、Na2O等；（3）可以改进玻璃性能、降低玻璃软化温度，同时还保证了玻璃的电性能和化学性能，如PbO、ZnO、A12O3、CaF2等。

传统浆料的玻璃粉大多含PbO，因为PbO能降低玻璃粉的软化温度。

但是铅对环境有污染，对人体有害，因此制备无铅玻璃粉已经成为一种必然趋势。

2.1铝浆导电原理
在光伏产业链上，铝浆是作为晶体硅太阳电池的背电场（也称背场）存在的，就是在太阳电池的背面制作一层与基区导电类型相同的重掺杂区。

在烧结铝浆的过程中，当铝硅界面温度达到577℃以上时，在交界面处，铝原子和硅原子相互扩散，随着时
间的增加和温度的升高，硅铝熔化速度加快，最后整个界面变成硅铝熔体，在交界面处形成组成为12%硅原子和88%铝原子的熔液。

在缓慢降温过程中，硅原子在熔液中的溶解度下降，多余的硅原子从熔液中析出，形成掺有铝的外延层。

那部分掺了铝的硅就与P区形成了P-P+结，这就是背电场（BSF）再结晶层。

通过制作铝背场来形成吸杂中心，产生吸杂作用。

原理是利用铝原子与硅原子结构上的差异，将其扩散到硅片背面引起失配位错，因而形成应力吸杂中心。

良好的铝背场可以明显的提高硅太阳能电池性能，增加少数载流子的扩散长度，提高开路电压和光电转换效率。

2.2电池铝浆消耗量
2018年随着PERC电池迅速推广，电池片铝浆消耗量大幅降至1100mg/片左右，与2017年相比降低了255mg/片。

未来随着PERC电池、PERT电池的推广，每片电池的耗铝浆量仍有较大下降空间。

下图给出了2018-2025年铝浆消耗变化趋势。

2.3电池铝浆的发展状况及趋势
铝浆作为硅太阳能电池的背场负极材料已经得到了广泛使用，现己基本实现国产化。

目前全球大型的太阳能电池铝浆的生产企业主要集中在美、日、德等少数发达国家。

产业规模大，产品种类齐全，生产和质量控制手段先进。

国内铝浆的主要生产厂家有广州市儒兴科技开发有限公司、云南昆明贵金属研究所、北京中联阳光、北京桑能科技、武汉优乐光电等。

国内的铝浆研究和应用状况与国外相比，主要差距表现在技术性能和可靠性较低，电阻、浆料的兼容性差、品种规格不全，技术开发、质量检测等硬件投资不够，原材料、中间体生产技术手段落后等。

导电铝浆的无铅化、贱金属代替贵金属导电相、高性价比导电铝浆的研制，环保型、防翘曲、高效率将是未来硅太阳能电池用铝浆的发
展趋势。

无锡儒兴科技：晶体硅太阳电池铝浆产品2018年市场份额全球第一，市场份额占比超过50%。

湖南利德生产背铝、背银浆料，国内市场占比约为10%。

三、浆料特性
（1）粘度
即流体流动的剪切应力除以流层方向的速度梯度，粘度过大会增加印刷的难度，相反过小又会降低浆料的可塑性；
（2）可塑性
是浆料受外力作用发生形变后，仍保持其变形前的性质。

浆料的可塑性有利于提高印刷精度。

（3）流动性
浆料在外力作用下，向四周展开的程度，可塑性和触变性大的，流动性就小，流动性大的则印迹容易扩大。

流动性小的，易出现堵网，产生太阳能电池印刷中经常出现的“断栅”现象。

（4）干燥性
浆料在网版上的干燥越慢越好，浆料一旦印刷到硅片上之后，干燥得越快越好。

（5）触变性
在外力作用下，浆料粘度随着时间的延长而下降，但当外力消失之后，又能恢复到原来粘度的可塑物理特性称之为触变性。

浆料网印时，在网上的浆料被胶刮推动下，发生滚动和挤压，浆料的粘度变低，利于印刷。

浆料网印到硅片上后，由于粘度未能很快回复，存在一个适当的流平空间，使浆料缓慢流动，而达到恢复平衡时，所网印的图形边缘就会得到满意的平直度。

四、市场需求及价格影响
虽受531光伏新政影响，2018年中国光伏新增装机量相比2017年有所减少，但全球光伏需求已经加速，2018年全球光伏新增装机市场达到110GW，对太阳电池正银需求约为2300吨，背银需求约为700吨，铝浆需求约为25000吨，2018年全球太阳能电池浆料市场规模约达147亿元。

受光伏产业发展带动，光伏电池浆料市场广阔。

正银浆料技术门槛高，产品更新速度快，附加价值高，在光伏电池浆料市场中占据主体地位，国内正银浆料市场空间约为100亿元；可见正面银浆的市场规模最大，且对太阳能电池的效率和成本影响最大，成为浆料生产商争夺市场的焦点。

与此同时，由于持续的效率提升需求和成本降低压力，晶硅太阳电池技术快速更新迭代，对金属化工艺及导电浆料不断提出更高的要求。

目前金属电极主要是银电极，尚无工业化替代产品；银因其贵金属特征，价格随着国际银价波动而变化，近年来银价呈现波动上涨趋势，另一方面正面银浆进口关税从3%提高至6.5%，成本压力凸显。

部分企业积极开发利用铜等其他金属替代银的电极技术，其中铜电极技术主要应用于N型PERT电池，目前在中试阶段，未来随着HJT电池发展及正面电极金属化技术（电镀技术）的进步，铜电极在正面电极上会得到更多应用。

白银研究所发布了《2019年全球白银调查》，今年光伏行业的白银需求将保持稳定。

由于股市的波动正促使投资者们寻找贵金属等替代性投资产品，这将推动对白银的投资。

白银的平均价格预计将上涨约7%，到达16.75美元/盎司（金衡制）。

由于浆料的规格型号繁多、产品性能不一样，各类浆料价格差异较大；2019.7.24中国矿权资源网公布银粉价格为4100-4200元/kg，半个月增长率为7.8%。

五、高效电池金属化工艺与浆料发展趋势
目前，为了使光伏发电具有竞争力，提高太阳电池的光电转换效率且降低其生产成本是产业发展的核心目标，涌现出越来越多的电池技术，对银浆而言，电阻小、高宽比大、降低银含量、玻璃粉无铅化、丰富有机载体组成是未来的发展目标，对浆料的需求越来越专业化。

PERC目前已成为主流高效电池技术，HIT、TOPCon等N型电池技术受到关注，浆料企业要针对不同太阳电池结构设计所需的新型浆料。

同时，为了降低成本，加快推进超细线印刷、二次印刷、多主栅技术等产业化进程，降低电池片银浆耗量。

PERC电池结构和常规太阳电池相比，主要区别在于背表面沉积钝化层和激光开窗结构，就正面结构而言区别较小，有些常规太阳电池正银可以兼容PERC电池。

PERC 电池要求浆料具有较宽的烧结工艺窗口，降低烧结温度以避免LID；PERC背银要不能烧穿背钝化层并有良好的拉力表现，以及良好地匹配PERC铝浆。

双面PERC在减少铝浆用量的同时，要求提升铝栅线高宽比并降低体电阻率。

黑硅电池表面特殊的纳米结构，需求高拉力并且可以平衡接触电阻和开路电压的正银。

对于N型电池而言，如IBC太阳电池，由于特殊的结构和制备工艺，其导电相为Ag-Al 合金，可以在p+发射极硅表面获得低接触电阻。

对于HIT电池而言，须采用低温浆料。

N型双面电池则迫切需要降低银浆消耗量以控制成本；适用于N型钝化接触电池的金属化工艺和导电浆料正在引起行业重视。