探究丝网印刷的导电铜浆在PERC太阳能电池上的性能和可靠性

一、引言

在PERC（钝化发射极和背面接触）太阳能电池产业化进程中，电极制备是核心环节之一。传统电极材料多采用银浆，但其成本占电池总成本的30%以上，严重制约了光伏产业的降本需求。导电铜浆因成本仅为银浆的1/5-1/10，且导电性接近银浆（铜电阻率1.72μΩ·cm，银为1.59μΩ·cm），成为替代银浆的关键方向。而丝网印刷作为成熟、高效的电极制备工艺，与导电铜浆的结合，是实现PERC电池低成本、高量产的重要路径。本文将从性能影响因素、可靠性挑战及优化方向三方面，探究该技术的应用价值。

二、导电铜浆对PERC太阳能电池性能的核心影响因素

导电铜浆通过丝网印刷形成PERC电池的正面栅线与背面电极，其性能直接决定电池的短路电流、填充因子及转换效率，核心影响因素可分为两类。

（一）丝网印刷工艺参数

1. **网版参数**：网版目数决定铜浆印刷厚度，目数过高（如400目以上）易导致栅线过细、断栅；目数过低（如200目以下）则栅线过粗，遮挡电池受光面积，降低短路电流。通常PERC电池正面印刷选用325-350目网版，背面选用250-300目网版。

2. **刮刀参数**：刮刀硬度（50-70 Shore A）影响铜浆转移率，硬度不足易导致印刷不饱满，硬度过高则可能划伤网版；刮刀角度（60°-75°）需与网版匹配，角度过小易造成栅线边缘模糊，角度过大则铜浆用量不足。

3. **印刷压力与速度**：压力过大（＞0.3MPa）会挤压网版变形，导致栅线宽度超标；压力过小（＜0.1MPa）则铜浆无法充分转移。印刷速度需控制在30-50mm/s，速度过快易产生气泡，速度过慢则降低生产效率。

（二）导电铜浆自身成分

1. **铜粉（导电相）**：铜粉的粒径（通常2-5μm）、形貌（球形或片状）影响浆料的导电性与印刷性。球形铜粉流动性好，适合细栅线印刷；片状铜粉接触面积大，导电性更优。铜粉含量需控制在70%-85%，含量过低则导电性不足，过高则浆料粘度太大，无法均匀印刷。

2. **粘结剂（有机相）**：粘结剂（如环氧树脂、丙烯酸树脂）需具备良好的耐高温性（耐受PERC电池的烧结温度，通常400-500℃）与附着力，确保铜电极与硅片表面紧密结合。若粘结剂耐高温性不足，烧结后易碳化，导致电极脱落；附着力差则会增加接触电阻。

3. **助剂**：分散剂可防止铜粉团聚，保证浆料均匀性；流平剂能改善印刷后浆料的表面平整度，避免栅线出现毛刺；消泡剂则可消除印刷过程中产生的气泡，减少电极空洞。助剂添加量通常为1%-5%，过量会降低电极导电性。

三、导电铜浆在PERC太阳能电池上的可靠性挑战与优化

可靠性是导电铜浆能否大规模应用的关键，PERC电池在长期服役中面临高温、高湿、紫外辐照等环境，铜电极易出现性能衰减，核心挑战及优化方向如下。

（一）核心可靠性挑战

1. **铜的氧化问题**：铜在空气中易氧化生成CuO或Cu₂O，氧化层电阻率极高（CuO电阻率约10⁸Ω·cm），会导致电极接触电阻大幅上升，电池填充因子下降。尤其在高温高湿环境（如85℃/85%RH湿热测试）中，氧化速率会加快，通常1000h测试后，电池转换效率可能衰减5%-10%。

2. **热循环稳定性差**：PERC电池在昼夜温差或季节交替中，会经历-40℃-85℃的热循环。铜的热膨胀系数（16.5×10⁻⁶/℃）与硅片的热膨胀系数（2.6×10⁻⁶/℃）差异较大，反复热胀冷缩会导致电极与硅片界面产生应力，进而出现裂纹或剥离，影响电池长期性能。

3. **电迁移现象**：在长期高电压、大电流工况下，铜原子会沿电流方向迁移，导致栅线局部变细或出现空洞，严重时会造成栅线断裂，电池短路电流骤降。尤其在细栅线（宽度＜50μm）设计中，电迁移问题更为突出。

（二）可靠性优化策略

1. **铜表面包覆改性**：采用镍（Ni）、锡（Sn）或石墨烯对铜粉进行包覆，形成致密的保护层。镍包覆可将铜的氧化温度从200℃提升至400℃以上，石墨烯包覆则能完全隔绝空气与铜的接触，湿热测试1000h后，电池效率衰减可控制在2%以内。

2. **浆料成分优化**：在粘结剂中引入陶瓷颗粒（如Al₂O₃、SiO₂），调节浆料的热膨胀系数，使其更接近硅片，减少热循环应力；添加抗氧剂（如受阻酚类），抑制铜粉在烧结与服役过程中的氧化；选用高结晶度的铜粉，降低铜原子的迁移速率，缓解电迁移问题。

3. **工艺改进**：优化烧结工艺，采用“低温预烧-中温保温-高温烧结”的三段式烧结曲线，预烧阶段（200-300℃）充分去除浆料中的有机助剂，避免残留碳影响导电性；保温阶段（300-400℃）促进铜粉初步致密化；高温阶段（450-500℃）实现铜与硅片的欧姆接触，同时减少铜的氧化。

四、总结与展望

当前，丝网印刷导电铜浆在PERC太阳能电池上的应用，已实现转换效率突破23%（接近银浆电池的23.5%），且成本降低20%-30%，具备显著的产业化潜力。但在可靠性方面，铜的氧化、热循环稳定性及电迁移问题仍需进一步解决。

未来研究可聚焦三个方向：一是开发更高效的铜粉包覆技术，如原子层沉积（ALD）制备超薄保护层；二是优化浆料配方，引入新型有机-无机复合粘结剂，兼顾附着力与热稳定性；三是结合激光刻蚀等工艺，实现更细栅线（宽度＜30μm）印刷，进一步提升电池受光面积与短路电流。随着技术的不断突破，导电铜浆有望在3-5年内全面替代银浆，推动PERC太阳能电池进入“低成本、高可靠”的新阶段。