De nombreuses recherches, tant nationales qu'internationales, ont porté sur la préparation et le contrôle de la poudre d'argent destinée à la pâte d'argent des cellules solaires en silicium cristallin. Les méthodes de synthèse courantes comprennent la réduction chimique, la microémulsion, l'électroréduction, le broyage mécanique à billes et l'évaporation physique. La réduction chimique est actuellement la principale méthode de préparation de la poudre d'argent pour les électrodes des cellules solaires en silicium cristallin, en raison de sa simplicité de mise en œuvre, de l'équipement requis et de sa bonne contrôlabilité.
Cependant, même la poudre brute préparée par la méthode de réduction chimique couramment utilisée ne répond pas aux exigences de performance de la poudre d'argent employée dans la pâte d'argent des cellules solaires en silicium cristallin. En effet, la petite taille et la forte énergie de surface des particules de poudre d'argent favorisent leur agglomération lors du séchage. Une fois agglomérées, elles sont difficiles à désagréger mécaniquement, ce qui entraîne une mauvaise dispersion et affecte considérablement les propriétés physiques et la fonctionnalité de la poudre d'argent.
Plus grave encore, les particules de poudre d'argent non traitées forment facilement des agglomérats mous dans le support. Ceci réduit la dispersion, la stabilité, la rhéologie de sérigraphie, la formation de film et les propriétés de durcissement de la pâte. Cela affecte également négativement les performances et le stockage de la pâte d'argent conductrice.
Par conséquent, le post-traitement de la poudre d'argent préparée est une étape clé pour son application. La principale méthode de post-traitement est modification de surface de la poudre d'argent. À l'heure actuelle, la recherche sur la modification de surface de la poudre d'argent n'est pas encore systématique et seuls quelques fabricants maîtrisent cette technologie. Il en résulte des prix élevés pour la poudre et la pâte d'argent, ce qui freine considérablement le développement des cellules solaires en silicium cristallin.
Les principales méthodes de modification de surface de la poudre d'argent comprennent :
Méthode de revêtement organique
La méthode de revêtement organique consiste à revêtir et à modifier la surface de la poudre d'argent à l'aide de modificateurs de surface organiques spécifiques. Par adsorption ou réaction chimique entre les substances organiques et la surface de la poudre, des molécules organiques sont greffées sur celle-ci. La poudre d'argent ultrafine passe ainsi d'un caractère hydrophile à un caractère hydrophobe. Ceci améliore la mouillabilité des particules de poudre par le solvant et assure une bonne imprimabilité et un bon nivellement de la pâte préparée. De plus, l'introduction de groupements polaires permet de réduire efficacement l'énergie de surface de la poudre d'argent. Elle renforce également la barrière électrostatique entre les particules, améliore la dispersion et la stabilité de la pâte et empêche sa sédimentation.
Le procédé général de modification de revêtements organiques consiste à mélanger le modificateur organique à la poudre, à agiter pendant un certain temps, puis à séparer, laver et sécher. Cette méthode est simple à mettre en œuvre, efficace et convient aux poudres d'argent sphériques ou en paillettes de taille micrométrique, submicrométrique et nanométrique.
Lors de la modification par revêtement organique de la poudre d'argent pour électrodes de cellules solaires en silicium cristallin, le choix des agents de revêtement organiques est crucial. Généralement, les caractéristiques les plus importantes des modificateurs organiques sont la charge du groupe de tête, la longueur de la chaîne moléculaire et la taille. Ces facteurs influent sur l'efficacité du revêtement, son hydrophobicité et sa compatibilité avec le support organique de la pâte.
De plus, la solubilité dans l'eau ou dans l'huile des tensioactifs est un critère important pour leur sélection. Parmi les modificateurs couramment utilisés pour la modification chimique de surface de la poudre d'argent, on trouve les acides organiques, les amines grasses ou les alcanolamines, les composés lipidiques, les agents de couplage et les alcools ou éthers à longue chaîne.
Pour améliorer les performances globales et l'applicabilité de la pâte d'argent conductrice, on utilise souvent en combinaison des acides organiques, des amines organiques et des composés lipidiques pour la modification de surface.
Méthode composite mécanique
La méthode de composite mécanique utilise des procédés mécaniques pour broyer et concasser la poudre d'argent afin d'obtenir une morphologie ou une structure de surface spécifique. Lors du traitement mécanique, des additifs organiques sont souvent ajoutés pour améliorer la dispersion de la poudre et modifier la chimie de surface.
Cette méthode est efficace, peu coûteuse, simple et facilement industrialisable. Le broyage à billes et le broyage par jet d'air sont les méthodes les plus couramment utilisées pour la modification de surface de la poudre d'argent. Des équipements tels que machine à enrober à trois rouleaux, machine de revêtement par broyeur à broches, et machine de revêtement à broyeur turbo Ces machines permettent également une modification uniforme de la surface de la poudre d'argent par collision mécanique, cisaillement et friction, améliorant ainsi la dispersion et les propriétés fonctionnelles de la surface.
Le broyage à billes consiste à soumettre la poudre à un impact important, à une extrusion et à un broyage par rotation ou vibration de billes dures (comme des billes de zircone ou d'agate). Cette méthode permet d'affiner considérablement les grains et d'améliorer l'activité de frittage. Cependant, l'extrusion et le broyage peuvent altérer la structure sphérique de la poudre d'argent quasi sphérique. C'est pourquoi elle est généralement plus adaptée à la préparation et à la modification de poudre d'argent en paillettes.
Le broyage par jet d'air utilise un flux d'air à haute pression pour créer une circulation de poudre dans la chambre de broyage. Ceci provoque des collisions et des frottements entre les particules et avec les parois, permettant ainsi leur broyage, leur dispersion et une sphéricité améliorée. Cette méthode ne nécessite aucun additif. La poudre obtenue est lisse, uniformément dispersée et exempte d'impuretés. Comparé au broyage à billes, le broyage par jet d'air est plus adapté au traitement de surface des poudres sphériques. Il affecte minimalement la morphologie et la structure de la poudre, prévient l'agglomération et offre une efficacité supérieure. C'est la méthode de modification mécanique de surface la plus couramment utilisée pour la poudre d'argent utilisée dans les électrodes de cellules solaires en silicium cristallin.
Méthode de revêtement de particules de surface
Avec le développement de nouvelles technologies de cellules à haut rendement telles que TOPCon et HJT, les poudres d'argent doivent présenter une activité de frittage plus élevée à des températures plus basses afin de répondre aux exigences du processus de frittage des cellules solaires en silicium cristallin. Une solution courante consiste à utiliser des poudres d'argent submicroniques et en paillettes comme charges conductrices.
De plus, certaines études proposent d'associer des nanoparticules d'argent à des microparticules d'argent, notamment en déposant des nanoparticules d'argent sur la surface des microparticules. Ceci assure un mélange homogène à l'échelle microstructurale et confère aux microparticules d'argent une nouvelle structure de surface nanométrique, leur assurant à la fois une conductivité et une activité de frittage élevées. Les méthodes courantes de revêtement de surface des nanoparticules comprennent les procédés physiques (revêtement mécanique) et chimiques (génération de particules in situ).
Le revêtement mécanique consiste à mélanger des nanoparticules et des microparticules d'argent par un brassage mécanique intense ou un impact d'air à grande vitesse. Ce procédé provoque des collisions, un broyage et une extrusion, permettant ainsi l'incorporation des nanoparticules d'argent à la surface ou dans les cavités des microparticules. Simple et non polluante, cette méthode ne nécessite aucun additif, mais exige des poudres de nanoparticules et de microparticules d'argent pré-dispersées de haute qualité. L'uniformité et la dispersibilité des nanoparticules d'argent influent fortement sur la régularité du revêtement. L'équipement utilisé peut comprendre des machines de revêtement à trois rouleaux, des broyeurs à broches et des broyeurs turbo, ce qui accroît la complexité et le coût du système.
La méthode de génération de particules in situ permet de former des nanoparticules d'argent à la surface de poudres d'argent micro- ou submicroniques par réduction chimique. On obtient ainsi un système conducteur composite. La nanostructure de surface améliore le contact entre les particules conductrices après frittage à basse température. Elle forme un réseau conducteur plus complet et améliore la conductivité de la pâte d'argent.
Comparée au revêtement mécanique, la génération de particules in situ permet d'obtenir un revêtement plus uniforme et une meilleure dispersion. Cependant, son procédé est plus complexe et sa difficulté technique plus élevée, ce qui représente encore un défi important pour une production à l'échelle industrielle.
Conclusion
En résumé, l'optimisation des performances de la poudre d'argent pour la pâte d'argent des cellules solaires en silicium cristallin repose sur une combinaison de techniques de préparation et de post-traitement. La réduction chimique fournit la poudre de base, mais la modification de surface est essentielle pour obtenir une pâte d'argent performante. Parmi les méthodes existantes, on trouve le revêtement organique, le composite mécanique et le revêtement de particules de surface, chacune présentant des avantages et des limitations. Les développements futurs devraient se concentrer sur des procédés de modification de surface efficaces et contrôlables. La production à l'échelle industrielle de poudres d'argent composites multi-échelles est également nécessaire. Ces améliorations visent à réduire les coûts et à optimiser les performances de la pâte conductrice, répondant ainsi aux exigences des nouvelles cellules solaires en silicium cristallin à haut rendement.
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— Publié par Emily Chen