摘要：钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、可叠加TOPCon、HJT电池等优点，是目前理论光电转换效率最高的太阳能电池片类型。导电浆料是钙钛矿太阳能电池金属化的关键材料，能有效提高太阳能电池光电转换效率。文章围绕导电粉体在银浆中的应用，研发出能够在150℃条件下、加热10min完成固化的银浆有机体系，并探究银粉、银铜粉对钙钛矿太阳能电池金属化电性能影响。研究发现平均粒径为0.55μm的亚微米银粉制备的导电浆料固化速度快、固化温度更低，具有良好的导电性，体积电阻率最低为4.2×10-8Ω·m。实验另外探究银包铜粉用于钙钛矿太阳能电池导电浆料，可有效降低导电浆料成本。文章研究结果证明，银铜粉具有良好的导电性和抗氧化性，可替代价格更高的银粉，具有极高的经济意义。

　　关键词：钙钛矿太阳能电池；导电浆料；银粉；银包铜粉；超低温固化

　　钙钛矿太阳能电池属于第三代太阳能电池，单结（PSC）的理论转换效率为33%，钙钛矿叠加晶硅电池形成叠层电池，钙钛矿双结叠层太阳能电池理论极限效率可达40%以上［1］，具有极高的研究开发潜力。

　　钙钛矿材料的通用结构式为ABX3，其中A通常代表有机阳离子，B代表金属阳离子，X则代表卤素阴离子［2-3］。钙钛矿太阳能电池的产业化面临众多挑战，如大面积PSCS器件模块效率偏低，PSCS器件稳定性问题突出，组件器件长期效率衰减明显等［4-5］。在钙钛矿太阳能电池中，如CsPbBr3需在150℃低退火温度下制备出高覆盖率和高结晶度的薄膜［6］，高温（＞150℃)下易导致钙钛矿结构破坏，因此钙钛矿电池导电浆料需要在150℃以下完成金属化工艺，同异质结太阳能电池相比，其固化温度更低，这对导电浆料选用的原材料，如银粉、银铜粉以及有机载体提出更高的要求［7］。

　　光伏组件厂普遍采用的生产工艺为90℃条件下烘干3min，去除导电浆料中的有机溶剂，然后在150℃条件下固化约10min，实现导电浆料的金属化，使导电粉体之间形成稳定的导电通路，并与钙钛矿电池片实现良好的导电接触。为了进一步降低太阳能电池生产成本，文章探索采用导电性能良好的银包铜粉替代银粉，替代后导电浆料的含银量可以降低至30%及以下，有效降低每公斤导电浆料的成本。

　　由于钙钛矿太阳能电池固化温度更低，低于异质结太阳能电池的固化温度（200℃),从而要求开发适用于钙钛矿太阳能电池的导电浆料，要求具有更高的固化活性，可以在低温下实现固化。文章选取双酚F环氧树脂作为主体树脂，该树脂分子量较低，具有较高的反应活性。同时选取二乙基四甲基咪唑作为固化剂，该固化剂可以在120℃条件下与双酚F环氧树脂快速反应，具有较高的反应活性，固化工艺与钙钛矿太阳能电池工艺较匹配。同时，二乙基四甲基咪唑固化剂与环氧树脂搭配在常温下较为稳定，制备的导电浆料具有潜伏性，适用期长。钙钛矿太阳能电池要求导电浆料添加的溶剂具有常温稳定加热易挥发的特点，文章选用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二乙二醇丁醚醋酸酯，两种溶剂挥发性具有一定的温度梯度，两者搭配可实现导电浆料梯度挥发，有助于保持浆料的丝网印刷性能同时具有良好的低温挥发特性。

　　钙钛矿导电浆料中最重要的组成成分为银粉、银包铜粉，其添加量占浆料总质量的90%以上，因此优化导电粉体的搭配，使导电粉体之间形成更多的接触及堆积密度对提高银铜浆的电性能有重要作用。文章选用的球形银粉平均粒径（D50）分别为0.35μm、0.55μm、1.02μm、1.55μm、2.01μm。银粉均采用相同的表面包覆剂处理，粉体具有良好的分散性。选用银含量20%的银铜粉，平均粒径（D50）分别为0.41μm、0.61μm、1.15μm、1.62μm、2.08μm。银铜粉均采用相同的表面包覆剂处理，粉体具有良好的分散性。

　　结合以上分析，文章选用不同规格银粉及银铜粉制备钙钛矿太阳能电池用导电浆料，并在90℃条件下烘干3min，然后在150℃条件下固化10min完成钙钛矿电池的金属化，并对比栅线电极的体积电阻率及接触电阻率，分析导电粉体对钙钛矿太阳能电池的影响。

　　1实验过程

　　1.1试剂与仪器

　　1.1.1试剂

　　球形银粉（D50：0.35μm，自制）；球形银粉（D50：0.55μm，自制）；球形银粉（D50：1.02μm，自制）；球形银粉（D50：1.55μm，自制）；球形银粉（D50：2.01μm，自制）；球形银包铜粉（银含量20%，D50：0.41μm，自制）；球形银包铜粉（银含量20%，D50：0.61μm，自制）；球形银包铜粉（银含量20%，D50：1.15μm，自制）；球形银包铜粉（银含量20%，D50：1.62μm，自制）；球形银包铜粉（银含量20%，D50：2.08μm，自制）；双酚F环氧树脂（台湾长春化工集团）；2-乙基-4-甲基咪唑（EMI24，GC）；N-甲基吡咯烷酮（C5H9NO，纯度99.5%）；丁基卡必醇醋酸酯（C10H20O4，纯度98%）。

　　1.1.2仪器

　　电子分析天平JA5003N；东晟DS/S-20L电动搅拌机；东晟DS/HH-3L数显油浴锅；马尔文激光粒度测试仪MASTERSIZER 3000；振实密度计HD-TD3；艾盛Ai-TLM-SCAN接触电阻率测试仪；苏州晶格四探针电阻测试仪ST2253；艾卡特80E三辊机；迈为丝网印刷机MX-XPZE2L；电热鼓风烘箱；3D显微镜ZETA20。

　　1.2银浆/银包铜浆制备

　　1.2.1有机载体

　　将环氧树脂与N-甲基吡咯烷酮、丁基卡必醇醋酸酯、润湿分散剂等组分按照配方设计称量后放置在烧杯中，然后将烧杯放置于油浴锅中，并在60℃条件下加热搅拌60min，冷却备用。

　　1.2.2银浆/银包铜浆制备

　　首先称取设计重量的有机载体、2-乙基-4-甲基咪唑固化剂、银粉、银铜粉，然后利用离心机均质分散，最后利用艾卡特80E三辊机按照设定的辊轧工艺进行辊轧，制成均匀细腻、分散性良好的低温导电浆料。

　　1.3性能测试与表征

　　利用刮板细度计测试导电浆料细度，细度≤5μm合格；利用黏度计测试导电浆料黏度，调整浆料黏度在150~300Pa.s（10r/min）范围内；利用四探针电阻测试仪测试导电浆料栅线体积电阻率；利用接触电阻率测试仪测试导电浆料栅线与硅基片之间的接触电阻率；利用3D显微镜观察导电浆料固化后模块的固化效果。

　　2结果与讨论

　　2.1银粉对钙钛矿银浆电性能影响

　　银粉在钙钛矿太阳能电池中起导电功能相作用，由于低温银浆未经过高温烧结作用，导电功能相无法熔融成为导电金属，依靠加热过程，有机载体中的溶剂可充分挥发，剩余的树脂成分经过加热固化后作为主体支架结构，保留在导电浆料栅线中，因此，低温银浆依靠银粉之间的相互接触形成的导电通路以及电子隧穿效应导电。

　　树脂的存在、导电粉体之间空隙以及导电粉体之间的界面是体电阻的主要影响因素。为有效降低体积电阻率与降低导电浆料同底层硅片之间的接触电阻率，实验选用五款不同规格型号的自产银粉制备成低温钙钛矿导电浆料，实验方案与实验数据如表1所示。导电浆料通过丝网印刷机印刷在钙钛矿太阳能电池片上之后，经过90℃保温3min、150℃保温10min后实现最终的完全固化，测试五款钙钛矿导电浆料的体积电阻率及接触电阻率等电性能。观察五款样品的3D显微镜图片发现，样品均已经实现完全固化，图片呈明亮的金属色，表明固化良好。

　　通过分析实验数据发现，不同规格型号的银粉对导电浆料电性能具有明显影响。

　　对比S1与S2实验，导电浆料栅线的体积电阻率呈现降低趋势，S1实验样品银粉平均粒径为0.35μm，但其体积电阻率较S2样品略高，虽然较小的颗粒能减少浆料中空洞的出现，有效增加颗粒堆积密度，但过小的粉体颗粒会导致相同重量的导电粉体其颗粒数量更多，在导电浆料中电子的传输就需要越过更多的界面，反而致使电极栅线的体积电阻率升高，S2实验样品体积电阻率为4.2×10-8Ω·m，该样品银粉平均粒径为0.55μm，S1与S2样品接触电阻率在钙钛矿太阳能电池表现均较低，为2.5×10-3Ω·cm2，这是由于亚微米银粉粒径较小，粉体之间的填充密度较高，粉体实现良好的堆积和颗粒间的接触，有效降低电极栅线的体积电阻率，同时由于银粉颗粒较小，可以与钙钛矿电池片界面区域形成良好的接触，有效降低接触电阻率。

　　对比实验S3、S4、S5，随着银粉平均粒径的增大，导电浆料电极栅线的体积电阻率与接触电阻率均呈现上升趋势，表明随着粉体颗粒的增大，银粉之间的堆积密度有所降低，存在越来越多的孔洞无法有效填充，导致银粉的点接触减少，体积电阻率升高，同时随着粉体颗粒的增大，导电浆料与钙钛矿电池界面接触变差，较大的粉体颗粒无法有效填充钙钛矿界面结构，导致接触电阻率升高。

　　通过分析以上五组实验，降低银粉粉体颗粒，有助于提高银粉的堆积密度，增加粉体之间的接触，当选择平均粒径为0.55μm的银粉制备钙钛矿导电浆料，可以获得较低的体积电阻率和接触电阻率，钙钛矿太阳能电池的电性能最佳。

　　2.2银铜粉对钙钛矿银浆电性能影响

　　铜本身具有良好的导电性，其电阻率为1.678×10-8Ω·m，仅次于银（1.586×10-8Ω·m），但铜粉在常温空气环境下不稳定，容易氧化，制约了铜粉在光伏发电领域的应用。银包铜粉是通过化学反应，在铜粉表层通过化学反应生长一层银粉，形成致密的银壳结构，银壳厚度通常在50nm以上，包覆良好的银铜粉本身具有较高的抗氧化性，且导电性良好，通过在铜粉表面包覆银，可有效解决铜粉在常温空气环境下易氧化的难题。实验利用自制20%银含量的银铜粉制备成银包铜导电浆料，制成后在浆料中银含量约为18.5%，实验方案及测试数据，如表2所示。利用3D显微镜观察五组实验电极栅线，在90℃保温3min、150℃保温10min的条件下五款导电浆料均实现了完全固化。

　　分析T1与T2实验，银铜粉平均粒径从0.41μm增大到0.61μm，粉体颗粒有所增加，导电浆料体积电阻率和接触电阻率均有所下降，表明电极栅线中粉体的堆积和颗粒间的点接触得到改善，最低体积电阻率为4.5×10-8Ω·m，最低接触电阻率为2.7×10-3Ω·cm2，接近纯银导电浆料的体积电阻率和接触电阻率。对比T3、T4、T5实验，随着银铜粉颗粒平均粒径的增大，电极栅线体积电阻率和接触电阻率明显增加，表明随着粉体颗粒的增大，银铜粉之间的堆积密度有所降低，存在越来越多的孔洞无法有效填充，导致银铜粉之间的点接触减少，体积电阻率升高，同时导电浆料与钙钛矿电池界面接触变差，导致接触电阻率升高。

　　通过分析以上5组实验可知，降低银铜粉粉体颗粒，有助于提高银铜粉的堆积密度，增加粉体之间的接触，当选择平均粒径为0.61μm的银铜粉制备钙钛矿导电浆料，可以获得相对较低的体积电阻率和接触电阻率，电性能接近纯银导电浆料，证明利用银包铜粉替代银粉的可行性。

　　3结论

　　钙钛矿太阳能电池由于其工艺温度较低，具有一定的特殊性，文章选用双酚F环氧树脂搭配2-乙基-4-甲基咪唑固化剂，低温导电浆料可以满足钙钛矿太阳能电池固化工艺，即90℃下烘干3min，然后在150℃下加热10min实现导电浆料的完全固化，通过3D显微镜观察导电浆料实现良好的电极金属化。另外，通过实验发现不同规格的银粉、银铜粉对钙钛矿太阳能电池低温浆料电性能影响明显，平均粒径为0.55μm的银粉以及平均粒径为0.61μm的银铜粉电性能最佳，且银铜粉的电性能接近纯银导电浆料，利用银包铜粉替代纯银后，导电浆料具备良好的导电性，同时有效降低制造成本，具有较高的经济意义。

参考文献

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　　［7］巩峰，吴庆文，史卫利，等.太阳能电池导电银浆研究进展［J］.新能源科技，2024，5（1）：16-23+60.