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HJT低溫銀漿技術開發難點

2022-05-24 11:05:42
HJT低溫銀漿技術開發難點


一、HJT低溫銀漿發展現。


1HJT電池對銀漿的特殊要求

  HJT電池是在晶矽基片使用薄膜技術製作PN節、減反射層和導電層的新型電池工藝技術,其整個電池製作前道過程的工藝溫度均不超過400℃。如使用與晶矽電池一緻的高溫銀漿製作電池的正/負電極,該銀漿成型所需要700℃以上高溫將對HJT電池的薄膜結構造成非常大的損傷。因此需要一款針對HJT電池工藝開發的低溫銀漿,其要求是:


 

  電極成型溫度低於200℃

  電極體電阻率低於10-5Ωcm

  該電極無需與矽形成歐姆接觸,但與TCO導電層的接觸需足夠低

  可以經受電池串焊時200-350℃的釺焊溫度衝擊,焊接拉力應大於1N/mm

  在長期光照條件下,保持電極體電阻的穩定,並保證與組件封裝材料間的化學穩定性。

  基於以上技術要求,目前HJT行業均采用樹脂固化型的低溫銀漿製作電池的正/負電極,該種類銀漿的成型固化溫度低於200℃,固化時間相對較短以滿足電池的產能需求,而在電阻率、焊接附著力和化學穩定性方面需要針對HJT電池的需求進行針對性開發。

  2HJT低溫銀漿企業及產品特點

  因技術路線與高溫銀漿有非常大的差異,目前HJT低溫銀漿的供應商情況也是完全不一樣的。

  進口供應商情況:

  目前HJT銀漿市場占有率***的供應商是來自日本的KE。與傳統的日本銀漿巨頭日本住友、日本昭榮不一樣的是,日本KE的規模並不大,員工人數在50人以下。但其股東背景卻來頭不小,分別是有機樹脂巨頭日本***工業製藥和全球銀粉***的製造商之一日本同和。日本KE專注開發低溫銀漿,特別是HJT電池使用的高導電性低溫銀漿。目前其Finger細柵產品的體電阻率已低於6*10-6Ωcm,並將在1年內通過引入低溫燒結銀粉技術,將電極體電阻率降至4-5*10-6Ωcm;細柵產品可印刷35-40um線寬的Finger設計網版,該產品焊接拉力大於1N/mmBusbar主柵產品的成本更低、焊接拉力更大,並將在未來3-5年內逐步開發銀包銅漿、銅漿,進一步降低產品成本。

  美國低溫銀漿巨頭漢高公司也是HJT銀漿的供應商之一。依托其豐富的低溫銀漿產品線和雄厚的低溫漿料技術積累,漢高是***早參與開發HJT專用低溫銀漿的供應商之一,其產品曾一度成為行業主流產品。但該公司產品一緻存在電阻率、焊接拉力和細線印刷性較難平衡的問題,且產品開發速度略遜於KE公司。隨著***近幾年漢高將資源轉移至疊瓦組件使用的ECA導電膠市場,其HJT低溫銀漿已逐漸淡出市場。

  另日本Nanotech、杜邦、賀力氏均有開發過HJT低溫銀漿產品,但目前面試的量產品市占比較小,相關產品的技術特點不明朗。

  國產供應商情況:

  雖然在光伏正面銀漿市場上,截止2018年國產供應商已經達到了超過35%的市占比,但在HJT低溫漿料的技術開發、市場開拓方面,國內廠商尚處於起步階段,目前已宣稱涉足該領域的國內廠商有常州聚和、深圳首騁、蘇州晶銀等4-5家,但就HJT電池企業的技術反饋來看,已達到量產品技術要求的廠家並不多,其中以常州聚和的產品技術相對較好,在印刷性、體電阻率和焊接拉力方面均能達到進口產品同一水平。常州聚和雖然是國產銀漿廠商中成立相對較晚的一家,但依托全球領先的供應商資源和擁有超過30年銀漿開發經驗的研發團隊,已形成包括P型單多晶正銀、PERC背面銀漿、N型雙面銀漿和HJT低溫銀漿等多個技術品類在內的豐富產品集,其HJT低溫銀漿產品已經多家國內HJT電池客戶評估認可,並已進入批產供貨。常州聚和也在不斷研發窄線寬、高速印刷、低溫快速固化、低體電阻率及低成本的HJT低溫銀漿新品。

 

  二、HJT低溫銀漿技術開發難點

  1、原材料選擇

  專用銀粉開發:行業熟知光伏高溫銀漿自2010年以來,均采用的是1-3um的球形銀粉,該種銀粉在燒結過程中部分熔融形成緻密度高、體電阻低的銀電極。但HJT電池工藝中的電極成型溫度達不到可使該尺寸球形銀粉部分熔融燒結的要求,因此在銀粉選擇上需考慮其他機理降低電極的體電阻:1、通過不同尺寸、不同形貌銀粉的複配,使銀粉在銀漿中達到***的密堆積狀態,減少電極固化後的內部孔洞密度;2、通過提升銀含量,提升電極固化過程的體積收縮率,增加電極固化後銀顆粒之間的接觸點及接觸有效性。與此同時,HJT低溫銀漿的銀粉選擇,還要考慮與TCO膜的接觸電阻和電極互聯後的焊接拉拔力。

 

  圖銀粉密堆積原理

  有機體系開發:HJT銀漿需同時滿足印刷的墨性要求和固化工藝要求,相比於高溫燒結銀漿的有機體系,可謂用量更少、作用更大。首先,因為要兼顧印刷和固化的要求,HJT銀漿所用樹脂體系是固化單體或預聚物,分子量相對較低,且多為合成樹脂體系,有豐富的官能團,而高溫燒結銀漿所用樹脂多為天然高分子改性樹脂或合成的直鏈樹脂。另外固化劑或固化促進劑作為影響低溫銀漿固化性能的關鍵助劑,是低溫銀漿有機配方中***重要的有機助劑之一,而在高溫燒結銀漿中是不用使用這一組分的。在溶劑、分散劑、流變助劑和流平劑等有機助劑選擇方面,為了匹配低溫銀漿選用的銀粉、主樹脂和固化劑,在種類和功能的著重性上也是和高溫燒結銀漿不同的。

  2、配方設計

  因應用工藝條件的差異,高溫燒結銀漿和HJT低溫銀漿在配方設計的技術難點上是完全不同的。

  高溫燒結銀漿配方設計的難點是:1、平衡降低接觸電阻和減少電極燒結對PN節區腐蝕之間的技術矛盾;2、在減少電極遮光面積的同時降低電極線電阻。

  低溫銀漿配方設計的難點是:1、平衡降低電極線電阻和提升電極焊接附著力之間的技術矛盾;2、在降低電極線電阻的同時保證電極的長期可靠性、降低電極製造成本。

  3、生產工藝控製

  低溫銀漿的製備工藝共分為配料、混料、攪拌、三輥混合、過濾包裝5大步驟,其中配料及三輥混合工序為關鍵工序。

  銀漿是配方型產品,在產品生產過程中,如配方出現問題,是無法通過製備工藝彌補的,所以在整個工藝流程中,配料工序是關鍵工序之一。區別於傳統的塗料油墨行業的純手工配料方式,高附加值的HJT銀漿可采用數字化配料系統硬件結合先進的物流管理軟件系統,避免人為操作在該工序引入的不可控因素,提升產品品質控製能力。

  三輥工序是銀漿生產過程中影響產品粘度、細度、固體含量、流變性能的關鍵混合工序。銀漿中的樹脂、溶劑、銀粉、各種助劑在該工序實現微米級的充分混合及潤濕分散。HJT銀漿是低溫固化型有機體系,對溫濕度、有機及金屬雜質的影響更加敏感,所以相比於高溫光伏銀漿在三輥工序,需提升剪切速度、溫度、輥距控製精度,同時通過對輔助工裝、外圍設備的優化設計,進一步提升工序控製能力,實現對產品質量的精細化控製。

  4、產品檢測及應用性能

  建立嚴格的產品質量控製體系:HJT低溫銀漿的產品性能控製,需要根據客戶燒結、印刷及與基材接觸的需求,模擬HJT電池、器件低溫固化環境,建立低溫銀漿測試平台,進行電阻、附著力、線型等成品關鍵參數的檢測,保證產品性能達到產品開發要求。同時需要建立產品設計開發過程的品質管理、原材料進料檢驗、生產全流程管理等質量控製體系,***的保證產品質量嚴格控製在較小的波動範圍內。相關標準需要參考半導體材料和TS16949汽車行業質量控製標準。

  產品應用性能保證:嚴格來說,HJT低溫漿料產品在漿料生產線隻完成了該產品生產流程的前半部分,而其後半部分是在電池片生產線固化形成電池電極工藝過程中完成的。因此低溫漿料產品質量好壞,***起決定作用的是應用工藝過程的控製。這部分工作,需要漿料企業配合電池片企業共同完成。作為HJT低溫漿料產品,印刷工藝、網版參數、印刷耗材、烘幹及固化工藝,甚至之後的電池互聯焊接工藝均能印象到產品性能的評估。

 

  三、HJT低溫銀漿發展趨勢

  作為影響HJT電池性能的關鍵材料,HJT低溫銀漿性能的提升可在較大幅度上提升HJT電池在各種類型光伏電池競爭中的地位,其性能發展主要體現在以下幾個方面:

  1.降低電阻率

  銀***為一種導電性和化學穩定性優異的金屬,其本征電阻率可達到1.6*10-6Ωcm。晶矽電池燒結型銀漿目前產品的電阻率水平是在2-3*10-6Ωcm。目前的HJT低溫銀漿產品電阻率雖然可比傳統低溫銀漿下降40-50%,達到5-6*10-6Ωcm,但該數值仍是燒結型銀漿的1.5-2倍,這也是HJT電池串聯電阻高、FF低的主要原因之一。未來通過引入新的銀粉材料、優化固化體系,HJT銀漿電阻率有望降低至3-4*10-6Ωcm

  2.量產性提升

  隨著HJT電池市場的不斷擴大,電池量產工藝要求也將不斷上升。

  印刷工藝方面,目前為保證印刷質量,HJT電池主流的細柵網版開口在35-40um之間,而以以往光伏行業細柵逐年收窄的趨勢來看,未來1年內將降至28-30um。同時印刷速度也將由現有的200-250mm/s提升至300-350mm/s,使每片電池片的印刷耗時小於1.5s

 

  固化工藝方面,目前的固化條件普遍是30-40min@200℃,而優化後的工藝應該達到15-20min,固化溫度下降至150-180℃

  3.銀漿成本的下降

  因HJT電池需要雙面印刷銀漿製作電極,目前HJT單片電池銀漿耗量>0.3g,是燒結型銀漿的3倍以上,再加上銀漿單價較高,使每片電池的製造成本上升了1.2-1.5元,占電池非矽製造成本超過50%。可通過以下幾個方向降低該項成本:

  1、通過主柵圖形的優化設計和細柵的細線化,可降低15-20%的銀漿單片耗量。

  2、通過主副柵分步印刷,降低主柵銀漿的固含量,可進一步降低10-15%的銀漿耗量。

  3、在保證線電阻和焊接拉力的前提下,通過部分賤金屬替代銀,可大幅降低銀漿製造成本,該技術可能在未來2-3年取得一定的突破。


2022-05-24 11:05:42
HJT低溫銀漿技術開發難點


一、HJT低溫銀漿發展現。


1HJT電池對銀漿的特殊要求

  HJT電池是在晶矽基片使用薄膜技術製作PN節、減反射層和導電層的新型電池工藝技術,其整個電池製作前道過程的工藝溫度均不超過400℃。如使用與晶矽電池一緻的高溫銀漿製作電池的正/負電極,該銀漿成型所需要700℃以上高溫將對HJT電池的薄膜結構造成非常大的損傷。因此需要一款針對HJT電池工藝開發的低溫銀漿,其要求是:


 

  電極成型溫度低於200℃

  電極體電阻率低於10-5Ωcm

  該電極無需與矽形成歐姆接觸,但與TCO導電層的接觸需足夠低

  可以經受電池串焊時200-350℃的釺焊溫度衝擊,焊接拉力應大於1N/mm

  在長期光照條件下,保持電極體電阻的穩定,並保證與組件封裝材料間的化學穩定性。

  基於以上技術要求,目前HJT行業均采用樹脂固化型的低溫銀漿製作電池的正/負電極,該種類銀漿的成型固化溫度低於200℃,固化時間相對較短以滿足電池的產能需求,而在電阻率、焊接附著力和化學穩定性方面需要針對HJT電池的需求進行針對性開發。

  2HJT低溫銀漿企業及產品特點

  因技術路線與高溫銀漿有非常大的差異,目前HJT低溫銀漿的供應商情況也是完全不一樣的。

  進口供應商情況:

  目前HJT銀漿市場占有率***的供應商是來自日本的KE。與傳統的日本銀漿巨頭日本住友、日本昭榮不一樣的是,日本KE的規模並不大,員工人數在50人以下。但其股東背景卻來頭不小,分別是有機樹脂巨頭日本***工業製藥和全球銀粉***的製造商之一日本同和。日本KE專注開發低溫銀漿,特別是HJT電池使用的高導電性低溫銀漿。目前其Finger細柵產品的體電阻率已低於6*10-6Ωcm,並將在1年內通過引入低溫燒結銀粉技術,將電極體電阻率降至4-5*10-6Ωcm;細柵產品可印刷35-40um線寬的Finger設計網版,該產品焊接拉力大於1N/mmBusbar主柵產品的成本更低、焊接拉力更大,並將在未來3-5年內逐步開發銀包銅漿、銅漿,進一步降低產品成本。

  美國低溫銀漿巨頭漢高公司也是HJT銀漿的供應商之一。依托其豐富的低溫銀漿產品線和雄厚的低溫漿料技術積累,漢高是***早參與開發HJT專用低溫銀漿的供應商之一,其產品曾一度成為行業主流產品。但該公司產品一緻存在電阻率、焊接拉力和細線印刷性較難平衡的問題,且產品開發速度略遜於KE公司。隨著***近幾年漢高將資源轉移至疊瓦組件使用的ECA導電膠市場,其HJT低溫銀漿已逐漸淡出市場。

  另日本Nanotech、杜邦、賀力氏均有開發過HJT低溫銀漿產品,但目前面試的量產品市占比較小,相關產品的技術特點不明朗。

  國產供應商情況:

  雖然在光伏正面銀漿市場上,截止2018年國產供應商已經達到了超過35%的市占比,但在HJT低溫漿料的技術開發、市場開拓方面,國內廠商尚處於起步階段,目前已宣稱涉足該領域的國內廠商有常州聚和、深圳首騁、蘇州晶銀等4-5家,但就HJT電池企業的技術反饋來看,已達到量產品技術要求的廠家並不多,其中以常州聚和的產品技術相對較好,在印刷性、體電阻率和焊接拉力方面均能達到進口產品同一水平。常州聚和雖然是國產銀漿廠商中成立相對較晚的一家,但依托全球領先的供應商資源和擁有超過30年銀漿開發經驗的研發團隊,已形成包括P型單多晶正銀、PERC背面銀漿、N型雙面銀漿和HJT低溫銀漿等多個技術品類在內的豐富產品集,其HJT低溫銀漿產品已經多家國內HJT電池客戶評估認可,並已進入批產供貨。常州聚和也在不斷研發窄線寬、高速印刷、低溫快速固化、低體電阻率及低成本的HJT低溫銀漿新品。

 

  二、HJT低溫銀漿技術開發難點

  1、原材料選擇

  專用銀粉開發:行業熟知光伏高溫銀漿自2010年以來,均采用的是1-3um的球形銀粉,該種銀粉在燒結過程中部分熔融形成緻密度高、體電阻低的銀電極。但HJT電池工藝中的電極成型溫度達不到可使該尺寸球形銀粉部分熔融燒結的要求,因此在銀粉選擇上需考慮其他機理降低電極的體電阻:1、通過不同尺寸、不同形貌銀粉的複配,使銀粉在銀漿中達到***的密堆積狀態,減少電極固化後的內部孔洞密度;2、通過提升銀含量,提升電極固化過程的體積收縮率,增加電極固化後銀顆粒之間的接觸點及接觸有效性。與此同時,HJT低溫銀漿的銀粉選擇,還要考慮與TCO膜的接觸電阻和電極互聯後的焊接拉拔力。

 

  圖銀粉密堆積原理

  有機體系開發:HJT銀漿需同時滿足印刷的墨性要求和固化工藝要求,相比於高溫燒結銀漿的有機體系,可謂用量更少、作用更大。首先,因為要兼顧印刷和固化的要求,HJT銀漿所用樹脂體系是固化單體或預聚物,分子量相對較低,且多為合成樹脂體系,有豐富的官能團,而高溫燒結銀漿所用樹脂多為天然高分子改性樹脂或合成的直鏈樹脂。另外固化劑或固化促進劑作為影響低溫銀漿固化性能的關鍵助劑,是低溫銀漿有機配方中***重要的有機助劑之一,而在高溫燒結銀漿中是不用使用這一組分的。在溶劑、分散劑、流變助劑和流平劑等有機助劑選擇方面,為了匹配低溫銀漿選用的銀粉、主樹脂和固化劑,在種類和功能的著重性上也是和高溫燒結銀漿不同的。

  2、配方設計

  因應用工藝條件的差異,高溫燒結銀漿和HJT低溫銀漿在配方設計的技術難點上是完全不同的。

  高溫燒結銀漿配方設計的難點是:1、平衡降低接觸電阻和減少電極燒結對PN節區腐蝕之間的技術矛盾;2、在減少電極遮光面積的同時降低電極線電阻。

  低溫銀漿配方設計的難點是:1、平衡降低電極線電阻和提升電極焊接附著力之間的技術矛盾;2、在降低電極線電阻的同時保證電極的長期可靠性、降低電極製造成本。

  3、生產工藝控製

  低溫銀漿的製備工藝共分為配料、混料、攪拌、三輥混合、過濾包裝5大步驟,其中配料及三輥混合工序為關鍵工序。

  銀漿是配方型產品,在產品生產過程中,如配方出現問題,是無法通過製備工藝彌補的,所以在整個工藝流程中,配料工序是關鍵工序之一。區別於傳統的塗料油墨行業的純手工配料方式,高附加值的HJT銀漿可采用數字化配料系統硬件結合先進的物流管理軟件系統,避免人為操作在該工序引入的不可控因素,提升產品品質控製能力。

  三輥工序是銀漿生產過程中影響產品粘度、細度、固體含量、流變性能的關鍵混合工序。銀漿中的樹脂、溶劑、銀粉、各種助劑在該工序實現微米級的充分混合及潤濕分散。HJT銀漿是低溫固化型有機體系,對溫濕度、有機及金屬雜質的影響更加敏感,所以相比於高溫光伏銀漿在三輥工序,需提升剪切速度、溫度、輥距控製精度,同時通過對輔助工裝、外圍設備的優化設計,進一步提升工序控製能力,實現對產品質量的精細化控製。

  4、產品檢測及應用性能

  建立嚴格的產品質量控製體系:HJT低溫銀漿的產品性能控製,需要根據客戶燒結、印刷及與基材接觸的需求,模擬HJT電池、器件低溫固化環境,建立低溫銀漿測試平台,進行電阻、附著力、線型等成品關鍵參數的檢測,保證產品性能達到產品開發要求。同時需要建立產品設計開發過程的品質管理、原材料進料檢驗、生產全流程管理等質量控製體系,***的保證產品質量嚴格控製在較小的波動範圍內。相關標準需要參考半導體材料和TS16949汽車行業質量控製標準。

  產品應用性能保證:嚴格來說,HJT低溫漿料產品在漿料生產線隻完成了該產品生產流程的前半部分,而其後半部分是在電池片生產線固化形成電池電極工藝過程中完成的。因此低溫漿料產品質量好壞,***起決定作用的是應用工藝過程的控製。這部分工作,需要漿料企業配合電池片企業共同完成。作為HJT低溫漿料產品,印刷工藝、網版參數、印刷耗材、烘幹及固化工藝,甚至之後的電池互聯焊接工藝均能印象到產品性能的評估。

 

  三、HJT低溫銀漿發展趨勢

  作為影響HJT電池性能的關鍵材料,HJT低溫銀漿性能的提升可在較大幅度上提升HJT電池在各種類型光伏電池競爭中的地位,其性能發展主要體現在以下幾個方面:

  1.降低電阻率

  銀***為一種導電性和化學穩定性優異的金屬,其本征電阻率可達到1.6*10-6Ωcm。晶矽電池燒結型銀漿目前產品的電阻率水平是在2-3*10-6Ωcm。目前的HJT低溫銀漿產品電阻率雖然可比傳統低溫銀漿下降40-50%,達到5-6*10-6Ωcm,但該數值仍是燒結型銀漿的1.5-2倍,這也是HJT電池串聯電阻高、FF低的主要原因之一。未來通過引入新的銀粉材料、優化固化體系,HJT銀漿電阻率有望降低至3-4*10-6Ωcm

  2.量產性提升

  隨著HJT電池市場的不斷擴大,電池量產工藝要求也將不斷上升。

  印刷工藝方面,目前為保證印刷質量,HJT電池主流的細柵網版開口在35-40um之間,而以以往光伏行業細柵逐年收窄的趨勢來看,未來1年內將降至28-30um。同時印刷速度也將由現有的200-250mm/s提升至300-350mm/s,使每片電池片的印刷耗時小於1.5s

 

  固化工藝方面,目前的固化條件普遍是30-40min@200℃,而優化後的工藝應該達到15-20min,固化溫度下降至150-180℃

  3.銀漿成本的下降

  因HJT電池需要雙面印刷銀漿製作電極,目前HJT單片電池銀漿耗量>0.3g,是燒結型銀漿的3倍以上,再加上銀漿單價較高,使每片電池的製造成本上升了1.2-1.5元,占電池非矽製造成本超過50%。可通過以下幾個方向降低該項成本:

  1、通過主柵圖形的優化設計和細柵的細線化,可降低15-20%的銀漿單片耗量。

  2、通過主副柵分步印刷,降低主柵銀漿的固含量,可進一步降低10-15%的銀漿耗量。

  3、在保證線電阻和焊接拉力的前提下,通過部分賤金屬替代銀,可大幅降低銀漿製造成本,該技術可能在未來2-3年取得一定的突破。


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