纳米银合金浆料-硅界面高密度载流子调控与输运机理的研究

The crystalline siliocn solar cells is a workhorse for photovoltaics in a long time. In order to produce 1 TW crystalline silicon solar cells,about 37500 Ton of Ag will be used in the contact metallization of silicon wafer-based photovoltaics. In 2012, it is estimated that total Ag deposits is 280000 ton, the amount of silver can't meet the demand of crystalline silicon solar cells. So it is very urgert that we must investigate new contact metallization from a theoretical and practical view. Although theory about contact between lots of metal and siliocn have been found in semiconductor science and technology, the contact theory between nano alloy paste and siliocn is not quite clear. The aim of this proposal is to reduce contact resistance between metal and siliocn by finding the the low contact barrier metal,and improve the electrical and mechanical performance between metal and siliocn by introducing the appropriate rare earth element, and build a conductive channel by silver-coated copper powder. Through this study, we will find the scientific theory about high density carrier modulation and transport mechanism between nano alloy paste and siliocn. In the process, we will discover the object that can transport the high density carrier, and prepare a new carrier state, and explore conductive channel of high density carrier based on cheap crystalline silicon solar cell metal system, and come up with original theory. We will get a major breakthrough in photovoltaic area.

1TW晶硅电池需要3.75万Ton的银，全球银矿总储量为28万Ton，银的总量根本不能满足晶体硅太阳电池的需求，因此迫切需要研究新的太阳电池电极，从理论和实践上获得突破，以降低银的消耗和提高效率。虽然许多纯金属和硅接触的理论问题已在半导体物理中得以解决，但人们对含有纳米级金属颗粒的合金浆料和硅接触的光生载流子输运机理在科学上并不清楚。本项目的目标是通过低接触势垒金属来降低晶体硅太阳电池电极系统的接触电阻，通过微量稀土元素改善浆料与硅接触的电学和力学行为，通过包覆有银的铜浆来形成宏观的载流通道，为探索纳米银合金浆料-硅界面高密度载流子调控与输运机理奠定科学基础。在此过程中，发掘合适的高密度载流子调控对象，发现和制备新的载流子物态，探索基于廉价晶体硅太阳电池金属化系统的高密度载流子调控原理，做出重要的原始创新性的成果，取得有国际影响的重大突破，为我国开展高效太阳电池研究提供前瞻性的科学储备。

研究晶体硅太阳电池银硅界面及载流子输运机理对晶体硅太阳电池前电极的发展至关重要。在本项目中，通过对丝网印刷纳米银合金浆料与硅接触断面样品做SEM分析，研究了纳米银合金与硅接触模式及高密度载流子传导机理，建立了银硅接触模型；通过对不同银硅接触模型的纳米银浆料-硅界面的接触电阻的理论计算和所做的实验结果，我们发现：从有利于高密度载流子电学输运的角度来说，银硅直接接触是最理想的方式，但银硅直接接触的力学性能太差，不能满足晶体硅太阳电池25年甚至更长时间寿命质保的要求；丝网印刷纳米银浆料-含有金属纳米颗粒的厚玻璃层-硅接触方式虽然能达到载流子输运的目的，但由于分散在厚玻璃层中的金属离子的不均匀，会导致比接触电阻增大；通过薄玻璃层的接触，只要薄玻璃层的厚度足够小，既能满足高密度载流子隧穿的要求，也能达到好的力学性能，因此这种接触方式是最理想的纳米银浆料和硅的接触方式，该工作为晶体硅太阳电池前电极金属化系统奠定了理论基础，为今后晶体硅太阳电池纳米银合金浆料的研究指明了方向。. 通过对纳米Ag(Pb,Sn)与晶体硅太阳电池接触系统、纳米Ag(Ti,Zr)与晶体硅太阳电池接触系统、纳米Ag(V,Nb) 与晶体硅太阳电池接触系统大量的实验研究，找到了晶体硅太阳电池电极降低银含量的途径和方法，并对电极接触的力学性能进行了大量的测试，获得了一批原创性的研究成果。. 通过研究纳米银合金浆料所制备的太阳电池电极的热应力特性，建立了热应力场下沿焊带方向的剪切应力分布模型，结合环境温度与组件温度之间转化的模型，具体分析了晶体硅光伏组件纳米银合金浆料处的应力分布曲线图；通过研究晶体硅光伏组件在户外的衰减，获得了一批原创性的研究成果，为研究晶体硅光伏组件的功率衰减及进一步延长组件寿命奠定了基础。