技术领域
[0001] 本
发明属于
纳米材料技术领域，具体涉及一种多聚硼纳米硅复合浆料的制备方法及其在晶硅
电池领域的应用。
背景技术
[0002] 目前，晶体硅国
太阳能电池几乎全部基于P型
硅片。P型硅片中通常存在微量的硼
氧组合物。使P型电池光致衰减现象，导致电池发
电能力下降。相对来说，N型晶硅有许多优点，无光致衰减现象，
温度系数低。更重要的是，由于非对称扑捉系数的关系，N型晶硅的少数载流子寿命对金属杂质的要求也不像P型晶硅那样苛刻。因此，N型电池有成本低，发电效率高等优点。成为
太阳能电池发展趋势。
[0003] 目前， 普通N型电池片的基本工艺步骤为：制绒→扩散→氮化硅
钝化→导电
银浆印刷→
烧结→电池片。扩散过程中，通常用三溴化硼气体为硼源在高温扩散炉中将硼扩散到N型硅片
基板而形成
PN结。理想的电池设计要求对
栅线覆盖区域进行重掺，以降低
接触电阻，提高填充因子。对光照区，即栅线之间，擬进行轻掺，以提高开路
电压和闭路
电流。综合提高电池的光电转换效率。
[0004] 为了满足设计和制备N型电池的需要，本发明公开一种含硼浆料，用丝网印刷方式实现对栅线覆盖区域进行重掺。它以金属硅为载体，无
腐蚀性，扩散后不需清洗，比硼酸及含硼玻璃粉等浆料体系优越。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种含硼纳米硅浆料的制备方法及其在晶硅电池领域的应用，能让电池片的受光区域实现低浓度硼掺杂，而银栅线接触区域实现高浓度硼掺杂，从而达到最佳效果。
[0006] 一种含硼纳米硅浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
[0007] 1）制备直径为10-100纳米的硅微粒；
[0008] 2）制备硼组合物，具体组分包括硼、氮、氢、氧、炭等元素；
[0009] 3）将步骤1和步骤2制得的硅微粒和含硼组合物在公转-自传设备中通入保护气氛下混合，硼组合物与硅重量比值在0.05 - 0.1之间，得到的含硼纳米硅浆料的
粘度在0.5– 11.0 PaS。
[0010] 上述工艺具体步骤为：
[0011] 步骤1：制备硅微粒
[0012] 直流
电弧等离子发生器结构如下，包括容纳火花放电的腔体，所述腔体一端连通供介电材料进入的管道，另一端由
阀门连通有颗粒收集器，颗粒收集器里设有过
滤布；还包括置于腔体中的第一
电极、第二电极以及与第一电极、第二电极导通的脉冲电源；所述第一电极连接有使第一电极旋转的旋转
马达，所述第二电极连接有使第二电极前后移动的步进马达。
[0013] 所述颗粒收集器后端还连接有辅助产生气体流动的
真空泵。
[0014] 所述的第一电极原材料为所需制备之纳米材料的
块材，其形状为圆柱体，并在所连接马达驱动下作旋转运动。所述的第二电极原材料也为所需制备之纳米材料的块材，其形状特征在于其一面含有凹形圆柱面，与第一电极圆柱体面相对保持一致间距。这样第一电极、二电极在脉冲电源施加的电压下产生火花放电，使电极原材料
熔化、
气化，喷射至介电气体或液体中冷却形成纳米颗粒。由于第一、二电极间具有相对大的电极面积，且第一电极不停旋转，使其圆柱体面均能参与火花放电过程，使制备的纳米颗粒的产能提高。又由于第二电极原材料连接于作线性运动的步进马达，可以用来改变、控制第一、二电极间距，使得火花放电过程的电压、电流稳定，产生的纳米颗粒的尺寸分布均匀。可以利用火花放电过程的电压、电流作为反馈，通过可编程逻辑
控制器（PLC）编程来动态控制第一、二电极间距。也可以在每一次火花放电之后，通过步进
电机移动第二电极，使之与第一电极接触
短路，之后再移动第二电极后退之所设定的电极间距，进行下一个火花放电。
[0015] 利用上述装置制备硼掺杂纳米硅材料的方法，使用硅作为第一电极和第二电极，引进介电材料进入腔体中，在所述脉冲电源施加电压的作用下第一电极和第二电极产生火花放电，使电极原材料硅熔化、气化，喷射至介电材料中冷却形成硅纳米颗粒，并随后由颗粒收集器分离、收集。
[0016] 所述第一电极在旋转马达驱动下做旋转运动，使第一电极的圆柱体面均能参与火花放电过程；所述第二电极在步进马达驱动下保持与第一电极的间距，使得火花放电过程的电压、电流稳定，并利用火花放电过程的电压、电流作为反馈，通过可编程逻辑控制器PLC编程来动态控制第一和第二电极的间距，从而控制形成的硅纳米颗粒的大小并提高硅纳米颗粒尺寸分布的均匀性。也可以在每一次火花放电之后，通过步进电机移动第二电极，使之与第一电极接触短路，之后再移动第二电极后退之所设定的电极间距，进行下一个火花放电。
[0017] 控制电弧放电参数，电压为200-400 V，电流为5-20 A；放电时，电压降至10-20 V，电流升至250 A，制得直径为10-100纳米的硅微粒。
[0018] 步骤2：制备多聚硼组合物
[0019] 在保护气氛条件下将20份-60份的硼化合物、0份-50份的醇化合物、 20份-80份的
有机溶剂置于反应容器中，连续搅拌，将
温度控制在60℃- 150℃, 连续回流2小时-4小时，得到粘稠状多聚硼组合物；
[0020] 步骤3：制备多聚硼纳米硅复合浆料
[0021] 将上述步骤1和步骤2制得的硅微粒和硼组合物在保护气氛下进行混合，硼合物与硅微粒的重量比值在0.05 - 0.2之间，在公转-自传设备中进行混合，控制公转速度为500-2000rpm，自转速度400-800rpm，时间控制在3-12分钟，得到的含硼纳米硅复合浆料的粘度在0.5–11.0 PaS。
[0022] 优选的，所述硼化合物为硼酸、三氧化二硼、环硼氮烷。
[0023] 优选的，所述醇化合物为异丙醇、松油醇、
丙烯酸异
冰片环己醇。
[0024] 优选的，所述
有机溶剂为
甲苯、环硼氮烷。
[0025] 优选的，所述保护气氛为氮气。
[0026] 利用上述方法制备的多聚硼纳米硅复合浆料的应用，其特征在于，可用于制备太阳能电池，使用工业丝网印刷机将浆料印刷在太阳能电池硅片上，通过常规扩散工艺可对硅片基板进行选择性掺杂，并形成高、低硼掺杂区域。覆盖区为高掺杂区，非覆盖区为低掺杂区。
[0027] 上述应用具体方法为：使用邵氏硬度30-80的PU刮条将上述复合浆料涂在325-400目的丝网印刷网版上。 然后，施加60-90N的印刷压力，以120-200mm/s的印刷速度，将复合浆料印刷在N型硅片表面上。在200-400℃温度下将溶剂
蒸发烘干后，将硅片置于扩散炉内进行硼掺杂扩散。利用氮气将三溴化硼携带入扩散炉的
石英管内，将炉温调至
850-1000℃进行磷掺杂扩散，扩散时间为10-40分钟。扩散完成后，硼
原子被驱入硅片内，实现浆料覆盖区为重掺杂区，非覆盖区为轻掺杂区。重掺杂区方阻值为10-60Ω/sq，轻掺杂区方阻值为80-120Ω/sq。
[0028] 发明优点：
[0029] 本发明具有如下优点：
[0030] 1. 多聚硼包覆纳米硅浆料通过丝网印刷在电池硅片表面上，线条清晰度高、无毛刺。高温扩散完成后，实现对电池硅片进行选择性掺杂，浆料覆盖区硼掺杂浓度高，方阻值可控制在10-60Ω/sq。
[0031] 2. 本发明的多聚硼纳米硅浆料的主要成分是纳米硅和硼
聚合物。无机硼聚合物的气化温度高于700oC，接近硼在硅的扩散温度，减少硼丢失和污染。
[0032] 3. 本发明所述的纳米硅浆料，纳米硅粒径分布均匀，
比表面积大，增强电池硅片粘结力。在完成高温扩散后，仅剩下硅载体，不需要额外清洗除杂。
[0033] 4. 本发明生产程序简单，便于规模化生产。
附图说明
[0035] 图2为制备硅纳米装置的示意图；
[0036] 图3为制备硅纳米装置的第一电极和第二电极的示意图；
[0037] 图4为纳米硅SEM表征图；
[0038] 图5为纳米硅TEM表征图；
[0039] 其中1、腔体；2、第一电极；3、旋转马达；4、第二电极；5、步进马达；6、脉冲电源；7、固态
开关（Solid State Switch）；8、介电材料；9、阀门；10、过滤布；11、
真空泵。
具体实施方式
[0040] 以下结合附图及优选
实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0041] 实施例1
[0042] 实施例1步骤1：
[0043] 在直流电弧等离子发生器中通入保护气氛，将硅棒装入电弧发生器
阳极中并成为阳极的一部分，启动直流电弧等离子发生器，初始电压设置为200 V，电流设置为20A；电弧放电时，电压降至10-20 V，电流升至150-250A。所用电极材料为
多晶硅材料，第一电极硅棒的直径为2.54cm，长度为10.0cm；第二电极为具有一面为凹形圆柱面的矩形，如图2所示，其宽度为2.54cm,高度为5cm,长度为9cm。第一电极2在所连接马达驱动下作旋转运动，转速为30转/分钟；在每一次火花放电之后，步进马达移动第二电极，使之与第一电极接触短路，之后再移动第二电极后退之所设定的电极间距离，设为1mm，进行下一个火花放电。连续运行6小时。收集硅微细粉10g，平均直径为50纳米；
[0044] 实施例1步骤2：
[0045] 在氮气气氛保护下，称入50.0g环硼氮烷、2.0g硼酸、5.0g六甲基二硅氮烷、50g丙烯酸异冰片环己醇于一圆底烧瓶内。启动搅拌器。加热至90℃, 连续回流4小时，得到粘稠状多聚硼组合物；
[0046] 实施例1步骤3：
[0047] 在氮气保护气氛下，将实施例2步骤1中制备的5g硅微粒与实施例1步骤2中制备的10g多聚硼组合物进行混合，在THINKY ARE-310设备中，以公转2000rpm，自传800rpm的速度，混合3分钟，得到多聚硼纳米硅复合浆料，其粘度为7.0PaS。
[0048] 实施例1步骤4：
[0049] 用邵氏硬度65的PU刮条将实施例1步骤3中制备的多聚硼纳米硅复合浆料置于400目的丝网印刷网版上，施加75N的印刷压力，以170mm/s的印刷速度，将复合浆料印刷于硅片表面。在300℃温度5分钟的条件下，将有机溶剂蒸发烘干。然后置于扩散炉内的石英o
管内进行扩散。将炉温升至980C，一小时后冷却至室温。在硼浆料覆盖区，硼原子从印刷浆料中扩散到硅片中。实现选择性硼掺杂。方阻值为60Ω/sq。
[0050] 实施例2
[0051] 实施例2步骤1：
[0052] 在直流电弧等离子发生器中通入保护气氛，将硅棒装入电弧发生器阳极中并成为阳极的一部分，启动直流电弧等离子发生器，初始电压设置为200 V，电流设置为20A；电弧放电时，电压降至10-20 V，电流升至150-250A。所用电极材料为多晶硅材料，第一电极硅棒的直径为2.54cm，长度为10.0cm；第二电极为具有一面为凹形圆柱面的矩形，如图2所示，其宽度为2.54cm，高度为5cm，长度为9cm。第一电极2在所连接马达驱动下作旋转运动，转速为30转/分钟；在每一次火花放电之后，步进马达移动第二电极，使之与第一电极接触短路，之后再移动第二电极后退之所设定的电极间距，设为1mm，进行下一个火花放电。连续运行6小时。收集硅微细粉10g，平均直径为50纳米；
[0053] 实施例2步骤2：
[0054] 在氮气气氛保护下，称入25.0g环硼氮烷和100g丙烯酸异冰片环己醇于一圆底烧瓶内。启动搅拌器。缓缓加热至80℃，连续回流5小时，得到粘稠状多聚硼组合物；
[0055] 实施例2步骤3：
[0056] 在氮气保护气氛下，将实施例3步骤1中制备的5g硅微粒与实施例3步骤2中制备的15g多聚硼组合物进行混合。在THINKY ARE-310设备中进行，设置公转为2000rpm和自传为800rpm，混合3分钟后，得到粘稠状多聚硼纳米硅复合浆料，其粘度为5.0PaS。
[0057] 实施例2步骤4：
[0058] 用邵氏硬度65的PU刮条将实施例2步骤3中制备的多聚硼纳米硅复合浆料置于400目的丝网印刷网版上，施加75N的印刷压力，以190mm/s的印刷速度，将复合浆料印刷于硅片表面。在300℃温度5分钟的条件下，将有机溶剂蒸发烘干。然后置于扩散炉内的石英o
管内进行扩散。将炉温升至1000C，一小时后冷却至室温。在硼浆料覆盖区，硼原子从印刷浆料中扩散到硅片中。实现选择性硼掺杂。方阻值为40Ω/sq。
[0059] 需要指出的是，以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。
