1. 引言
随着晶体硅太阳能电池的更新换代和生产工艺的逐渐优化，PERC电池(钝化发射极和背面接触电池)成为了新一代主流的商品化太阳能电池 [1]。双面PERC电池是一种以铝栅线为背电极的电池结构，能同时利用照射在电池正面和背面的入射光，是一种简单而高效的降本方式 [1] [2] [3]。铝浆性能的优劣对电池片的光电转换效率有着显著地影响，应用于双面PERC电池的铝浆简称为双面铝浆 [4] [5] [6]。
双面铝浆通过丝网印刷方式在硅片上形成铝栅线，从多个角度影响着电池的性能。一方面，电池背面铝栅线越窄越好，以便于减少浆料的遮光面积和形成效果更好的钝化层 [7]，有利于提高电池片的光电转换效率 [8]；另一方面，铝栅线越窄，则栅线的截面积越小，线电阻增大，不利于载流子的收集与传输。因此，浆料的发展趋势之一是开发出性能稳定的高固含铝浆，以满足缩窄栅线线宽而不影响线电阻率的需求。固含量的增加会进一步增大铝浆的分散难度 [9]，这就迫切需要筛选和应用更高效的分散剂。苯乙烯–马来酸酐共聚物(SMA)及其衍生物 [10] [11] 是一类两亲型高分子聚合物，苯乙烯基团和马来酸酐基团分别构成亲油链段和亲水链段，对粉体具有多个吸附位点，分散效果好，广泛应用于油墨、涂料、皮革等领域。
为提高铝浆的分散效果和制备更高固含量的铝浆，该文将SMA作为助剂添加到铝浆中。在仅改变SMA添加量的前提下，从流变仪测试和沉降实验两个角度衡量SMA对铝粉的影响，并分析其作用机理；通过制备不同固含量的铝浆，进一步表征SMA对铝浆分散稳定性的影响；印刷含有SMA的铝浆，测试SMA对铝浆印刷性和导电性的影响，为产业化铝浆的优化提供了一个参考。
2. 实验
在80℃加热条件下，将SMA (工业级)加入到丁基卡必醇醋酸酯溶剂中，搅拌至清澈透明的溶液，以便添加使用。主要实验内容：以铝粉(粒度分布D90 = 13.42 μm)和丁基卡必醇醋酸酯为原料来制备固含量为20%的悬浮液(质量分数，下同)，表征有无SMA对悬浮液沉降过程的影响；制备一系列不同SMA添加量、固含量为76%的铝浆，分析SMA含量对铝浆流变性能的影响；将SMA添加量为0.6%、不同固含量的铝浆在50℃条件下储存14天，测试其粘度变化，以表征SMA对铝浆分散稳定性的影响。分别将含有0.6%SMA、固含量为78%和80%的铝浆记为样品1#和2#，在未开槽的硅片上进行测试，验证SMA对铝浆印刷性和导电性的影响。
使用旋转流变仪(TA-DHR-2)测试铝浆的流变性能；采用自然沉降法表征悬浮液的沉降过程；使用电热恒温鼓风干燥箱(DHR-9123A)进行烘干处理；使用扫描电子显微镜SEM观察铝珠的团聚现象；使用傅立叶红外光谱仪(IFAffinity-1S)进行红外光谱测试；使用Brookfield粘度计测量铝浆在10 rpm时粘度；使用ASYS印刷机(XPRT2)进行丝网印刷，网版开口为110 μm；使用非接触式3D光学轮廓仪(ContourGT)测量铝栅线的形貌；使用智能直流低电阻测试仪(TH2512B)测量栅线的线电阻。
3. 结果与讨论
3.1. SMA添加量对铝浆流变性能的影响
粘度和屈服应力是两个极其关键的流变学参数，常用于衡量不同浆料间的流动性和分散效果，图1为含有不同SMA添加量的铝浆的粘度曲线。
Figure 1. Viscosity curve of Al pastes with different SMA content
图1. 不同SMA添加量的铝浆的粘度曲线
从图1可知，四种铝浆的粘度均随着剪切速率的增加而不断降低，说明微量的SMA不会影响铝浆的剪切稀化特性，可以满足丝网印刷工艺的基本需求。在相同的剪切速率条件下，随着SMA添加量的增加，铝浆的粘度呈现出先减小后增大的变化趋势。SMA的作用效果与其添加量密切相关，SMA的添加量为0.6%时，其对应铝浆的粘度最低，分散效果最好。一般而言，屈服应力主要取决于浆料内部各组分间形成的分子间力和铝粉颗粒间的相互作用。通过Bingham模型 [4] 估算出铝浆的屈服应力，不含SMA的铝浆的屈服应力约320 Pa，而含有0.6%SMA铝浆的屈服应力约202 Pa。添加SMA可以显著地降低铝浆的粘度和屈服应力值，这间接说明SMA对铝浆的内部网络结构有着直接的影响，降低了铝粉颗粒间的相互作用。
3.2. 沉降实验
图2为两种悬浮液(A1不添加SMA，A2含有0.6%SMA)在不同时刻的沉降情况。沉降过程简述为：初始时，两种悬浮液均分散良好，整体透光性相同，如图2(a)所示；图2(b)为静置10分钟时沉降结果，悬浮液出现明显的分界线(红色箭头标记处)，上层悬浮液中铝粉浓度降低，下层悬浮液中铝粉浓度增大。A2的分界线明显高于A1，这说明A2的沉降速率比A1慢。两种悬浮液随着静置时间的延长，两者之间差异逐渐减小，静置24小时，悬浮液中铝粉都完全沉降，固液两相分明，如图2(c)所示。
(a) 初始时(b) 静置10分钟 (c) 静置24小时
Figure 2. Sedimentation of two suspensions at different time
图2. 两种悬浮液不同时刻的沉降情况
根据Stokes沉降定律，粒度较大的铝粉颗粒会因为自身重力而快速沉降，而粒度较小的铝粉则会因为布朗运动而发生团聚现象，随着团聚体尺寸的增大而缓慢沉降。从图2可知，A2的沉降过程由于SMA的影响而与A1不同。经理论分析，A2的沉降机理可概括为：初始时，悬浮液中铝粉均匀地分散在溶剂里，颗粒间保持着一定的距离，如图3所示。当悬浮液中含有SMA后，一方面，SMA分子会吸附在铝粉表面，可以长期稳定地维持着颗粒间的距离，进而延缓铝粉间的团聚行为。另一方面，由于SMA分子间的缠结作用，铝粉间出现弱絮凝现象，不同颗粒的沉降速率相互影响，最终表现出大部分铝粉以相近的、缓慢的速率进行沉降 [12]。
Figure 3. Schematic diagram of dispersion mechanism of SMA on Al powder
图3. SMA对铝粉的分散机理示意图
图4是图2(b)上层悬浮液经烘干后的SEM图。从图4可见，A1表现出明显的团聚现象，铝粉含量相对较多，但A2单颗粒分布较多，铝粉含量相对较少。结合沉降过程可知，SMA使小粒径铝粉的沉降速度提高，但整体的沉降速度降低。因此，悬浮液A1的沉降现象符合Stokes沉降定律，A2的沉降现象与前文机理分析相符合。
图5是图2(c)下层沉淀物及铝粉经烘干处理后的红外光谱图。与铝粉的红外谱图相比，A1沉淀物没有出现其它吸收峰，这说明在烘干过程中，溶剂几乎完全挥发，沉淀物表面无残留。然而，A2沉淀物出现明显的额外吸收峰，表明铝粉表面有残留的有机物，这说明确实有部分SMA会吸附在铝粉表面，吸附机理与异丁烯–马来酸酐共聚物相类似 [13]。
Figure 4. SEM of A1/A2 upper suspension after drying
图4. A1/A2上层悬浮液烘干后SEM图
Figure 5. Infrared absorption spectrum of A1/A2 lower sediment after drying
图5. A1/A2下层沉淀物烘干后红外谱图
3.3. SMA对铝浆稳定性的影响
对于硅片金属化工艺而言，研发出高固含、分散稳定性好的铝浆是制备出高精度铝栅线的关键。良好的稳定性意味着铝粉与有机相之间相容性好，便于储存及使用。图6为不同固含量(74%~80%)铝浆的粘度测试结果，随着铝粉固含量的增加，颗粒间的距离逐渐减小、相互作用增强，体系粘度随之增大。在相同固含量的前提下，添加SMA会使浆料粘度降低，这有利于高固含铝浆的制备。在固含量为80%时，不含SMA的铝浆粘度已经超过可印刷范围。此外，经过热储工艺后，铝浆粘度都有着不同程度的上升，不含SMA的铝浆粘度平均上升幅度高达13%，而含有SMA的铝浆粘度平均上升幅度为7%，这说明SMA对铝粉有良好的吸附作用，可以提高铝浆的分散稳定性。
Figure 6. Viscosity test of Al paste with different solid content
图6. 不同固含量铝浆的粘度测试
3.4. 铝浆印刷性能测试
对于高效PERC电池而言，具有优秀印刷性的高固含铝浆，可以印刷出形貌好、电阻低的铝栅线，有利于电池性能的提高 [14]。实验中，不含SMA、固含量为80%的铝浆粘度大和透网性差，不能通过丝网印刷方式在硅片上形成完整的栅线，这不满足浆料的发展需求。然而，含0.6% SMA、固含量为80%的铝浆2#样品可以印刷出塑形良好、边沿整齐的铝栅线，图7给出了2#样品铝栅线的光学扫描轮廓图。
Figure 7. Optical scanning profile of Al line (2# sample)
图7. 铝栅线的光学扫描轮廓图(2#样品)
表1中1#样品的固含量为78%，由于其粘度低，流动性较强，铝栅线的线宽比2#样品增大了13 μm左右。同时，SMA的起始分解温度低，经烧结工艺后残留少，对铝栅线的线电阻率基本没有影响，而通过提高铝浆的固含量，使线电阻率降低，有利于载流子的传输。
Table 1. The test results of Al line prepared by two kinds of Al past
表1. 两种铝浆制备铝栅线的测试结果
4. 结论
1) 探索了SMA对铝粉的作用机理：SMA分子通过吸附在铝粉表面以降低颗粒间的相互作用。SMA添加量过少或过多都不能获得良好的分散效果，实验中添加量为0.6%时，分散效果最好。
2) 针对铝粉的分散稳定性问题，测试了SMA对不同固含量铝浆稳定性的影响。添加SMA可以有效地提高铝浆的稳定性、缓解铝浆的粘度增大问题，有利于高固含铝浆的进一步开发和应用。
3) 添加SMA可以改善铝粉的分散性，铝浆粘度降低。固含量高达80%的铝浆具有可印刷性，铝栅线的线宽约148.13 μm，线电阻率约1.3 × 10−5 Ω·cm。
基金项目
江苏省科技成果转化专项资金(BA2017117)。