Es wurden sowohl national als auch international umfangreiche Forschungsarbeiten zur Herstellung und Kontrollierbarkeit von Silberpulver für die Silberpaste von kristallinen Siliziumsolarzellen durchgeführt. Gängige Synthesemethoden umfassen chemische Reduktion, Mikroemulsion, Elektroreduktion, mechanisches Kugelmahlen und physikalische Verdampfung. Die chemische Reduktion ist derzeit die wichtigste Methode zur Herstellung von Silberpulver für Elektroden von kristallinen Siliziumsolarzellen. Dies liegt an ihrer einfachen Handhabung, der unkomplizierten Ausrüstung und der guten Kontrollierbarkeit.
Selbst das nach dem gängigen chemischen Reduktionsverfahren hergestellte Rohpulver erfüllt jedoch nicht die Leistungsanforderungen an Silberpulver für die Silberpaste kristalliner Silizium-Solarzellen. Aufgrund der geringen Partikelgröße und der hohen Oberflächenenergie neigen die Silberpartikel beim Trocknen zur Agglomeration. Einmal agglomeriert, lassen sie sich nur schwer mechanisch aufbrechen. Dies führt zu einer schlechten Dispergierung und beeinträchtigt die physikalischen Eigenschaften und die Funktionalität des Silberpulvers erheblich.
Noch kritischer ist, dass unbehandelte Silberpulverpartikel im Trägermaterial leicht weiche Agglomerate bilden. Dies beeinträchtigt die Dispersion, Stabilität, Siebdruckrheologie, Filmbildung und Aushärtungseigenschaften der Paste. Auch die Leistungsfähigkeit und Lagerung leitfähiger Silberpaste werden negativ beeinflusst.
Daher ist die Nachbehandlung des hergestellten Silberpulvers ein entscheidender Schritt für seine Anwendung. Die wichtigste Nachbehandlungsmethode ist Oberflächenmodifizierung von Silberpulver. Die Forschung zur Oberflächenmodifizierung von Silberpulver ist derzeit noch nicht systematisch, und nur wenige Hersteller beherrschen die entsprechende Technologie. Dies führt zu hohen Preisen für Silberpulver und Silberpaste und beeinträchtigt die Weiterentwicklung kristalliner Siliziumsolarzellen erheblich.
Zu den wichtigsten Methoden zur Oberflächenmodifizierung von Silberpulver gehören:
Organische Beschichtungsmethode
Das organische Beschichtungsverfahren bezeichnet die Beschichtung und Modifizierung der Oberfläche von Silberpulver mit spezifischen organischen Oberflächenmodifikatoren. Durch Adsorption oder chemische Reaktion zwischen den organischen Substanzen und der Pulveroberfläche werden organische Moleküle auf die Pulveroberfläche aufgebracht. Ultrafeines Silberpulver wird dadurch von hydrophil zu hydrophob verändert. Dies verbessert die Benetzbarkeit der Pulverpartikel mit Lösungsmitteln und sorgt für gute Druckbarkeit und Verlauf der hergestellten Paste. Darüber hinaus kann die Einführung polarer Gruppen die Oberflächenenergie des Silberpulvers effektiv reduzieren. Sie verstärkt außerdem die elektrostatische Barriere zwischen den Partikeln, verbessert die Dispersion und Stabilität der Paste und verhindert Sedimentation.
Das allgemeine Verfahren zur Modifizierung organischer Beschichtungen besteht darin, den organischen Modifikator mit dem Pulver zu vermischen, eine Zeit lang zu rühren und anschließend abzutrennen, zu waschen und zu trocknen. Diese Methode ist einfach durchzuführen, effizient und eignet sich für kugelförmige oder plättchenförmige Silberpulver im Mikrometer-, Submikrometer- und Nanometerbereich.
Bei der Modifizierung von Silberpulver-Elektroden aus kristallinem Silizium-Solarzellen mit organischen Beschichtungen ist die Auswahl der geeigneten organischen Beschichtungsmittel entscheidend. Im Allgemeinen sind die wichtigsten Eigenschaften organischer Modifikatoren die Ladung der Kopfgruppe, die Molekülkettenlänge und die Molekülgröße. Diese Faktoren beeinflussen die Beschichtungswirkung, die Hydrophobie und die Kompatibilität mit dem organischen Träger in der Paste.
Darüber hinaus ist die Wasser- bzw. Öllöslichkeit von Tensiden ein wichtiges Auswahlkriterium. Gängige Modifikatoren für die chemische Oberflächenmodifizierung von Silberpulver sind organische Säuren, Fettamine oder Alkanolamine, Lipidverbindungen, Haftvermittler sowie langkettige Alkohole oder Ether.
Zur Verbesserung der Gesamtleistung und Anwendbarkeit von leitfähiger Silberpaste werden häufig organische Säuren, organische Amine und Lipidverbindungen in Kombination zur Oberflächenmodifizierung eingesetzt.
Mechanisches Verbundverfahren
Das mechanische Kompositverfahren nutzt mechanische Verfahren zum Mahlen und Zerkleinern von Silberpulver, um eine spezifische Oberflächenmorphologie oder -struktur zu erzielen. Während der mechanischen Bearbeitung werden häufig organische Additive hinzugefügt, um die Pulverdispersion und die Oberflächenchemie zu verbessern.
Dieses Verfahren ist effizient, kostengünstig, einfach und leicht industrialisierbar. Kugelmühlen und Luftstrahlmühlen sind die gängigsten Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Silberpulver. Geräte wie beispielsweise Dreiwalzen-Beschichtungsmaschine, Stiftmühlen-Beschichtungsmaschine, Und Turbomühlen-Beschichtungsanlage Diese Maschinen können ebenfalls eingesetzt werden. Sie erzielen eine gleichmäßige Oberflächenmodifizierung von Silberpulver durch mechanische Kollision, Scherung und Reibung. Dies verbessert die Dispersion und die Oberflächenfunktionalität zusätzlich.
Die Kugelmühle beinhaltet das starke Aufprallen, Extrudieren und Mahlen von Pulver durch Rotation oder Vibration harter Kugeln (z. B. Zirkonoxid- oder Achatkugeln). Dieses Verfahren kann die Korngröße deutlich verfeinern und die Sinteraktivität verbessern. Allerdings kann das Extrudieren und Mahlen die sphärische Struktur von nahezu kugelförmigem Silberpulver zerstören. Daher eignet es sich üblicherweise zur Herstellung und Modifizierung von Silberplättchenpulver.
Beim Luftstrahlmahlen wird ein Hochdruckluftstrom genutzt, um die Pulverzirkulation in der Mahlkammer anzutreiben. Dies führt zu Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Kollisionen sowie Reibung, wodurch das Pulver zerkleinert, dispergiert und seine Kugelform verbessert wird. Dieses Verfahren benötigt keine zusätzlichen Additive. Das verarbeitete Pulver ist glatt, gleichmäßig dispergiert und frei von Verunreinigungen. Im Vergleich zur Kugelmühle eignet sich das Luftstrahlmahlen besser zur Oberflächenbehandlung von sphärischen Pulvern. Es beeinträchtigt die Pulvermorphologie und -struktur nur minimal, verhindert Agglomeration und ist effizienter. Es ist das am häufigsten verwendete mechanische Oberflächenmodifizierungsverfahren für Silberpulver in kristallinen Silizium-Solarzellenelektroden.
Oberflächenpartikelbeschichtungsverfahren
Mit der Entwicklung neuer, hocheffizienter Zelltechnologien wie TOPCon und HJT müssen Silberpulver eine höhere Sinteraktivität bei niedrigeren Temperaturen aufweisen, um den Sinterprozess von kristallinen Siliziumsolarzellen zu ermöglichen. Eine gängige Lösung ist die Verwendung von submikronen und flockigen Silberpulvern als leitfähige Füllstoffe.
Darüber hinaus schlagen einige Studien die Kombination von Nanosilber mit Mikrosilber vor, insbesondere die Beschichtung von Mikrosilberoberflächen mit Nanosilber. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Durchmischung auf Mikrostrukturebene und verleiht dem Mikrosilber eine neue nanoskalige Oberflächenstruktur, die sowohl eine hohe Leitfähigkeit als auch eine hohe Sinteraktivität ermöglicht. Gängige Methoden zur Oberflächenbeschichtung von Nanopartikeln umfassen physikalische (mechanische Beschichtung) und chemische (In-situ-Partikelerzeugung) Verfahren.
Die mechanische Beschichtung nutzt intensives mechanisches Rühren oder einen Hochgeschwindigkeits-Luftstrom, um Nano- und Mikrosilberpartikel zu vermischen. Dies führt zu Kollisionen, Vermahlung und Extrusion und bettet schließlich Nanosilber auf der Oberfläche oder in den Hohlräumen des Mikrosilbers ein. Das Verfahren kommt ohne Zusätze aus, ist einfach und umweltfreundlich, erfordert jedoch hochwertige, vordispergierte Nano- und Mikrosilberpulver. Die Gleichmäßigkeit und Dispergierbarkeit des Nanosilbers beeinflussen die Konsistenz der Beschichtung entscheidend. Zum Einsatz kommen unter anderem Dreiwalzen-Beschichtungsmaschinen, Stiftmühlen und Turbomühlen, was die Systemkomplexität und -kosten erhöht.
Das In-situ-Partikelgenerierungsverfahren erzeugt durch chemische Reduktion Nanosilberpartikel auf der Oberfläche von Mikro- oder Submikron-Silberpulvern. Dadurch entsteht ein leitfähiges Verbundsystem. Die nanostrukturierte Oberfläche verbessert den Kontakt zwischen den leitfähigen Partikeln nach dem Niedertemperatursintern. Sie bildet ein vollständigeres Leitungsnetzwerk und erhöht die Leitfähigkeit der Silberpaste.
Im Vergleich zur mechanischen Beschichtung erzielt die In-situ-Partikelerzeugung eine gleichmäßigere Beschichtung und bessere Dispersion. Allerdings ist das Verfahren komplexer und technisch anspruchsvoller, und es besteht noch eine erhebliche Lücke bis zur industriellen Produktion.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Optimierung der Leistung von Silberpulver für Silberpaste in kristallinen Siliziumsolarzellen auf einer Kombination aus Herstellungs- und Nachbehandlungstechniken beruht. Die chemische Reduktion liefert das Basispulver, jedoch ist die Oberflächenmodifizierung für eine leistungsstarke Silberpaste unerlässlich. Zu den Methoden gehören organische Beschichtungen, mechanische Komposite und Oberflächenpartikelbeschichtungen, die jeweils ihre Vor- und Nachteile aufweisen. Zukünftige Entwicklungen sollten sich auf effiziente und kontrollierbare Oberflächenmodifizierungsprozesse konzentrieren. Auch die industrielle Produktion von multiskaligen Komposit-Silberpulvern ist erforderlich. Diese Verbesserungen zielen darauf ab, die Kosten zu senken und die Leistung der leitfähigen Paste zu steigern, um die Anforderungen neuer, hocheffizienter kristalliner Siliziumsolarzellen zu erfüllen.
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— Gepostet von Emily Chen