光伏铜浆发展瓶颈：氧化、扩散与焊接

在光伏“去银化”浪潮下，铜浆因其良好的导电性能和低廉的价格被寄予厚望，有望成为替代银浆的关键材料。然而，铜浆的大规模应用仍面临三大核心瓶颈：高温氧化、硅中扩散、焊接稳定性。本文将系统解析这三大挑战的成因、影响机制，并聚焦当前主流的技术应对策略、研究进展与未来方向。

背景与机理

铜的标准电极电位（+0.34V）低于银（+0.80V），意味着其更易被氧化。在硅太阳能电池的传统丝网印刷烧结工艺中，烧结温度常超过750–800℃，在此温度范围内，铜表面极易氧化为Cu₂O或CuO：

· Cu → Cu₂O（低温阶段，200–400℃）

· Cu₂O → CuO（中高温阶段，>500℃）

这些氧化物不仅是绝缘体（电阻率可高达10⁶ Ω·cm），而且会在烧结过程中阻碍颗粒间烧结颈的形成，导致接触不良和机械剥离，严重影响电极性能。

典型表现

·电池串联电阻急剧上升

·效率下降2%以上

·导电栅线失效，短期内出现断线或脱落

技术突破路径

1、铜粉表面包覆技术

·银包铜：最常用方式，Cu核外包薄Ag壳，稳定性强，适配HJT低温浆料

·低熔点金属包覆：如Sn、Bi等，形成自愈烧结界面

·聚合物包覆：在印刷过程中保护铜粉，烧结中降解脱除

2、气氛控制烧结

·氮气/氩气保护气氛：防止氧气进入炉膛

·真空快速烧结（RTP）：烧结时间<10s，氧化尚未大面积发生前完成固化

3、低温铜浆工艺

·典型用于HJT（低温≤200℃），利用还原性有机粘结剂或添加剂避免空气氧化

·银/铜复合导电路径设计：降低单一铜导通负担，提高电极稳定性

4、烧结添加剂开发

·掺入还原性助剂（如氢气释放源、氨基聚合物等），使烧结过程中氧化铜还原为金属铜

二、扩散问题：铜深度掺杂硅破坏PN结结构

原理与机制

铜原子在硅中的固溶度极低，但扩散速度极快。在高温条件下，Cu可通过硅晶格空位和间隙扩散机制，快速进入硅基体，并形成深能级陷阱中心，导致以下问题：

·杂质复合增强，少子寿命下降

·PN结迁移，漏电流增加

·钝化层失效，降低电池开路电压（Voc）

该问题在TOPCon等结构中更严重，因为其工艺中涉及的多层掺杂接触区域（如多晶硅薄膜）对铜扩散尤其敏感。

技术应对策略

1、扩散阻挡结构设计

·引入银种子层（Ag-seed）：铜不直接接触硅，而是先沉积银，然后再焊接铜

·使用**介电层（SiNx、AlOx）/非晶Si（a-Si）**作为屏障

2、浆料内部抑制剂开发

·添加磷、硼、锰等扩散抑制剂，通过形成稳定化合物或掺杂竞争机制抑制铜迁移

·典型体系如Cu-B浆料、Cu-Mn系统

3、快速烧结工艺

·烧结温度维持在700–750℃，时间控制在5–10秒以内

·避免缓慢温升与滞留高温区的时间，降低扩散累积效应

4、结构保护层协同设计

·在电极层与硅片之间加设“牺牲层”或“缓冲层”，例如多孔TiO₂，吸附铜离子，防止扩散进入硅基体

三、焊接稳定性问题：25年寿命的长期考验

问题来源

1、铜易被EVA酸腐蚀：EVA封装层在紫外与热作用下分解产生醋酸，铜容易形成腐蚀产物CuAc₂

2、锡焊不良、粘结强度差：铜浆表面易氧化，焊接时氧化层阻碍润湿性，导致剥离力下降

3、长期湿热老化问题：湿热下，铜与水分、空气长期反应形成氧化物层，造成失效

技术解决方向

1、铜表面镀层/合金层

·Ni-P、Ni-Sn共沉积：提升抗氧化性，增强焊接润湿性

·纳米镀锡技术：形成致密亲锡表层，利于低温焊接

·工艺需兼容现有印刷线，不增加额外投资负担

2、封装体系优化

·替换EVA封装材料为POE、EPE等非醋酸类材料

·增加阻水层厚度或引入边缘封装涂层，抑制水汽入侵

3、栅线结构改进

·采用SMBB（超多主栅）或0BB（无主栅）方案，减少单栅电流负载及焊接点应力

·降低应力集中导致的开裂/剥离风险

4、配方中添加界面改性剂

·添加有机锡、羧酸类粘接剂、界面促进剂（如羟基硅烷），提高浆料与焊带的物理和化学粘附力

案例参考与商业化进展

·通威与多家材料企业合作开发低温银包铜浆料，用于HJT主栅，已实现小批量导入

·华晟推进“铜浆+0BB”技术路线，2025年目标银用量降至5mg/W

·迈为股份联合高校研究院探索“飞秒激光辅助低温烧结铜浆”方案，突破导电性/细线印刷挑战

·隆基绿能则更偏向中期部署电镀铜方案，待设备投资降低后大规模上量

趋势与展望

未来5年，预计银包铜将在HJT细栅结构中率先放量，纯铜浆+低温固化有望在结构优化与工艺降本支撑下实现批量应用。而电镀铜可能在TOPCon大型产线具备经济性后切入。

结语

铜浆的替代不仅关乎成本，更关乎技术完整性与制造稳定性。当前，铜浆仍处于从“技术突破”向“产业放量”过渡的关键阶段，需材料、工艺、设备、封装、可靠性等全链条联动优化。谁能在这三大核心问题上实现系统性解决，谁将成为下一代光伏电池金属化工艺的主导者。