أُجريت أبحاثٌ واسعة النطاق، محلياً ودولياً، حول تحضير مسحوق الفضة المستخدم في معجون الفضة لخلايا السيليكون البلورية الشمسية، وإمكانية التحكم به. تشمل طرق التخليق الشائعة الاختزال الكيميائي، والمستحلبات الدقيقة، والاختزال الكهربائي، والطحن الميكانيكي بالكرات، والتبخير الفيزيائي. ومن بينها، يُعدّ الاختزال الكيميائي حالياً الطريقة الرئيسية لتحضير مسحوق الفضة لأقطاب خلايا السيليكون البلورية الشمسية، وذلك لسهولة تشغيله، وبساطة معداته، وإمكانية التحكم به بدقة.
مع ذلك، حتى المسحوق الخام المُحضر بالطريقة الكيميائية الشائعة لا يزال غير قادر على تلبية متطلبات الأداء لمسحوق الفضة المستخدم في معجون الفضة لخلايا السيليكون البلورية الشمسية. أولًا، نظرًا لصغر حجم جزيئات مسحوق الفضة وارتفاع طاقة سطحها، فإنها تميل إلى التكتل أثناء التجفيف. وبمجرد تكتلها، يصعب تفتيتها ميكانيكيًا. ينتج عن ذلك تشتت ضعيف، مما يؤثر سلبًا على الخصائص الفيزيائية ووظائف مسحوق الفضة.
والأهم من ذلك، أن جزيئات مسحوق الفضة غير المعالجة تتكتل بسهولة في المادة الحاملة. وهذا يقلل من تشتت المعجون، واستقراره، وخواصه الريولوجية للطباعة بالشاشة، وتكوين الطبقة، وخصائص معالجته. كما يؤثر سلبًا على أداء معجون الفضة الموصل وتخزينه.
لذا، تُعدّ المعالجة اللاحقة لمسحوق الفضة المُحضّر خطوةً أساسيةً لتطبيقه. وتتمثل الطريقة الرئيسية للمعالجة اللاحقة فيما يلي: تعديل سطح مسحوق الفضة. لا تزال الأبحاث المتعلقة بتعديل سطح مسحوق الفضة غير منهجية، ولم يتقن التقنية ذات الصلة سوى عدد قليل من المصنّعين. ويؤدي هذا إلى ارتفاع أسعار مسحوق الفضة ومعجون الفضة، كما يؤثر سلبًا على تطوير الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري.
تشمل الطرق الرئيسية لتعديل سطح مسحوق الفضة ما يلي:
طريقة الطلاء العضوي
تشير طريقة الطلاء العضوي إلى طلاء سطح مسحوق الفضة وتعديله باستخدام مُعدِّلات سطحية عضوية محددة. من خلال الامتزاز أو التفاعل الكيميائي بين المواد العضوية وسطح المسحوق، تُطعَّم الجزيئات العضوية على سطح المسحوق. يُحوَّل مسحوق الفضة فائق النعومة من محب للماء إلى كاره للماء. يُحسِّن هذا من قابلية ترطيب جزيئات المسحوق بالمذيب، ويُوفِّر طباعةً وتسويةً جيدةً للمعجون المُحضَّر. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لإدخال المجموعات القطبية أن يُقلِّل بشكل فعّال من طاقة سطح مسحوق الفضة. كما يُحسِّن الحاجز الكهروستاتيكي بين الجزيئات، ويُحسِّن تشتت المعجون واستقراره، ويمنع الترسيب.
تتمثل العملية العامة لتعديل الطلاء العضوي في خلط المُعدِّل العضوي مع المسحوق، وتقليبه لفترة، ثم فصله وغسله وتجفيفه. هذه الطريقة سهلة التطبيق وفعالة، ومناسبة لمساحيق الفضة الكروية أو الرقائقية ذات الأحجام الميكرونية ودون الميكرونية والنانومترية.
في تعديل الطلاء العضوي لمسحوق الفضة المستخدم في أقطاب خلايا السيليكون البلورية الشمسية، يُعد اختيار عوامل الطلاء العضوية أمرًا بالغ الأهمية. وبشكل عام، تتمثل أهم خصائص المُعدِّلات العضوية في شحنة المجموعة الرأسية، وطول السلسلة الجزيئية، وحجمها. وتؤثر هذه العوامل على فعالية الطلاء، وكره الماء، والتوافق مع الحامل العضوي في المعجون.
علاوة على ذلك، تُعدّ قابلية ذوبان المواد الخافضة للتوتر السطحي في الماء أو الزيت أساسًا مهمًا لاختيارها. تشمل المُعدِّلات الشائعة لتعديل سطح مسحوق الفضة كيميائيًا الأحماض العضوية، والأمينات الدهنية أو الألكانولامينات، ومركبات الدهون، وعوامل الربط، والكحولات أو الإيثرات طويلة السلسلة.
لتحسين الأداء العام وقابلية تطبيق معجون الفضة الموصل، غالبًا ما يتم استخدام الأحماض العضوية والأمينات العضوية ومركبات الدهون معًا لتعديل السطح.
طريقة التركيب الميكانيكي
تعتمد طريقة التركيب الميكانيكي على استخدام الوسائل الميكانيكية لطحن وسحق مسحوق الفضة للحصول على مورفولوجيا أو بنية سطحية محددة. وخلال المعالجة الميكانيكية، تُضاف عادةً مواد عضوية لتحسين تشتت المسحوق وتركيبه الكيميائي السطحي.
تُعدّ هذه الطريقة فعّالة، ومنخفضة التكلفة، وبسيطة، وسهلة التطبيق على نطاق صناعي. ويُعتبر الطحن الكروي والطحن بالنفث الهوائي من أكثر الطرق شيوعًا لتعديل سطح مسحوق الفضة. وتشمل المعدات المستخدمة: آلة طلاء بثلاث بكرات, آلة طلاء مطحنة الدبوس، و آلة طلاء التوربو ميل يمكن استخدامها أيضاً. تحقق هذه الآلات تعديلاً متجانساً لسطح مسحوق الفضة من خلال التصادم الميكانيكي والقص والاحتكاك. وهذا بدوره يعزز التشتت ووظائف السطح.
تعتمد عملية الطحن الكروي على الاصطدام القوي، والبثق، وطحن المسحوق عن طريق دوران أو اهتزاز كرات صلبة (مثل كرات الزركونيا أو العقيق). تُسهم هذه الطريقة في تحسين حبيبات المسحوق بشكل ملحوظ وتعزيز عملية التلبيد. مع ذلك، قد يؤدي البثق والطحن إلى تدمير البنية الكروية لمسحوق الفضة شبه الكروي. لذا، فهي مناسبة عادةً لتحضير وتعديل مسحوق الفضة الرقائقي.
تستخدم عملية الطحن بنفث الهواء تدفق هواء عالي الضغط لتحريك المسحوق داخل حجرة الطحن. يؤدي ذلك إلى تصادمات واحتكاك بين جزيئات المسحوق وجدار الحجرة، مما يحقق التكسير والتشتيت وتحسين شكل المسحوق الكروي. لا تتطلب هذه الطريقة أي إضافات. يكون المسحوق المُعالَج ناعمًا ومتجانسًا وخاليًا من الشوائب. بالمقارنة مع الطحن الكروي، يُعد الطحن بنفث الهواء أكثر ملاءمة لمعالجة أسطح المساحيق الكروية. فهو يُؤثر بشكل طفيف على شكل المسحوق وبنيته، ويمنع التكتل، ويتميز بكفاءة أعلى. تُعد هذه الطريقة الأكثر شيوعًا لتعديل سطح مسحوق الفضة المستخدم في أقطاب خلايا السيليكون البلورية الشمسية.
طريقة طلاء الجسيمات السطحية
مع تطور تقنيات الخلايا عالية الكفاءة الجديدة، مثل TOPCon وHJT، بات من الضروري أن تتمتع مساحيق الفضة بنشاط تلبيد أعلى عند درجات حرارة منخفضة لتلبية متطلبات عملية تلبيد خلايا السيليكون البلورية الشمسية. ويتمثل أحد الحلول الشائعة في استخدام مساحيق الفضة دون الميكرونية والرقائقية كحشوات موصلة.
بالإضافة إلى ذلك، تقترح بعض الدراسات دمج الفضة النانوية مع الفضة الميكرونية، وتحديدًا طلاء أسطح الفضة الميكرونية بالفضة النانوية. يضمن هذا المزج المتجانس على مستوى البنية الميكروية، ويُكسب الفضة الميكرونية بنية سطحية نانوية جديدة، مما يوفر لها موصلية عالية ونشاط تلبيد عالٍ. تشمل الطرق الشائعة لطلاء أسطح الجسيمات النانوية الطرق الفيزيائية (الطلاء الميكانيكي) والكيميائية (توليد الجسيمات في الموقع).
تعتمد عملية الطلاء الميكانيكي على التقليب الميكانيكي القوي أو استخدام تدفق هواء عالي السرعة لخلط جزيئات الفضة النانوية والميكرونية، مما يؤدي إلى تصادمها وطحنها وبثقها، وبالتالي دمج الفضة النانوية على سطح جزيئات الفضة الميكرونية أو في فراغاتها. لا تتطلب هذه الطريقة أي إضافات، وهي بسيطة وخالية من التلوث، ولكنها تتطلب مساحيق فضة نانوية وميكرونية عالية الجودة ومشتتة مسبقًا. يؤثر تجانس الفضة النانوية وقابليتها للتشتت بشكل كبير على اتساق الطلاء. قد تشمل المعدات المستخدمة آلات طلاء ثلاثية البكرات، ومطاحن دبابيس، ومطاحن توربينية، مما يزيد من تعقيد النظام وتكلفته.
تُشكّل طريقة توليد الجسيمات في الموقع جسيمات نانوية من الفضة على سطح مساحيق الفضة الميكرونية أو دون الميكرونية عبر الاختزال الكيميائي، مما يُنتج نظامًا موصلًا مُركبًا. يُحسّن التركيب النانوي للسطح التلامس بين الجسيمات الموصلة بعد التلبيد في درجات حرارة منخفضة، مُشكّلًا شبكة موصلة أكثر اكتمالًا، ومُحسّنًا بذلك موصلية معجون الفضة.
بالمقارنة مع الطلاء الميكانيكي، يحقق توليد الجسيمات في الموقع طلاءً أكثر تجانسًا وتشتتًا أفضل. ومع ذلك، فإن هذه العملية أكثر تعقيدًا، وتتطلب جهدًا تقنيًا أكبر، ولا تزال هناك فجوة كبيرة أمام الإنتاج على نطاق صناعي.
خاتمة
باختصار، يعتمد تحسين أداء مسحوق الفضة المستخدم في معجون الفضة لخلايا السيليكون البلورية الشمسية على مزيج من تقنيات التحضير والمعالجة اللاحقة. يوفر الاختزال الكيميائي المسحوق الأساسي، لكن تعديل السطح ضروري للحصول على معجون فضة عالي الأداء. تشمل الطرق الطلاء العضوي، والتركيب الميكانيكي، وطلاء السطح بالجسيمات، ولكل منها مزاياها وقيودها. ينبغي أن يركز التطوير المستقبلي على عمليات تعديل السطح الفعالة والقابلة للتحكم. كما أن هناك حاجة إلى إنتاج مساحيق الفضة المركبة متعددة المقاييس على نطاق صناعي. تهدف هذه التحسينات إلى خفض التكلفة وتعزيز أداء المعجون الموصل، بما يلبي متطلبات خلايا السيليكون البلورية الشمسية الجديدة عالية الكفاءة.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين