一、研究背景
光伏发电作为替代化石燃料的关键技术，其核心是半导体的光伏效应。晶硅太阳能电池因其成熟的工艺、完整的产业链和巨大的市场规模，在短期内仍是主流。电池的电极，特别是正面的银栅线（通常使用银浆）和背面的银铝电极，对于导出光生电流至关重要。正面银浆主要由导电银粉、玻璃粉（玻璃料）和有机载体组成。其中，银粉保证导电性，玻璃粉负责电极与硅片的粘附及欧姆接触形成，有机载体则影响浆料的印刷性能。
尽管国内光伏银浆已实现国产化，但性能仍有提升空间，尤其是在环保法规驱动下，传统含铅玻璃粉正被无铅玻璃替代。高性能正面银浆需满足低体电阻率、适应高精度印刷的流变性、低接触电阻、高焊接强度以及简单低成本的制备工艺。然而，现有研究缺乏对浆料多组分协同机制及可持续发展路径的系统整合。
图1. 太阳能电池发电示意图。
二、研究思路
本文系统性地总结和分析光伏浆料的研究进展，涵盖基本组成、制备工艺、性能优化和未来方向。思路围绕以下几点展开：
剖析组分协同作用： 深入分析导电材料（银粉、铝粉）、玻璃粉（含铅/无铅）、有机载体（树脂、纤维素等）和添加剂之间的跨尺度相互作用及其对最终性能的影响。
量化性能差距与策略： 对比含铅（如PbO-B2O3-SiO2）和无铅（如TeO2-Bi2O3-ZnO）玻璃体系的性能差异（例如电导率分别为2.62 microohm cm和0.029 Ohm cm2），提出通过低温烧结和界面改性等策略来弥补无铅体系性能不足。
贵金属减量化路径： 构建贵金属（主要是银）减量化技术的系统图谱，展示铜银核壳结构（9% Ag负载量）和梯度印刷（减银40%，提效0.5%）等技术的协同优化潜力。
可持续解决方案设计： 提出覆盖全链条的可持续解决方案，包括智能载体（温敏聚合物）、界面强化（银纳米岛+分子弹簧层）和闭环回收（离子液体选择性溶解银>90%）等创新概念。
构建设计框架： 首次提出一个跨尺度的设计框架，旨在突破光伏浆料在“性能-成本-环保”方面存在的“不可能三角”困境。
三、光伏浆料的基本组成与制备工艺
3.1 导电材料 (Conducting materials)
银粉 (Silver powder): 纳米银颗粒因局域表面等离激元效应可增强光捕获。其形貌（可通过还原剂如柠檬酸/硼氢化物控制）和尺寸分布影响聚集均匀性和电池性能。将不同尺寸银纳米颗粒集成到非晶硅/微晶硅电池中可改善长波吸收，但可能牺牲短波量子效率。需覆盖TCO或介电层以减少光学损失。通过热退火制备的银纳米颗粒可显著增加短路电流。嵌入银纳米颗粒形成致密的界面层可降低接触电阻。
铝粉 (Aluminium powder): 主要用于背电极形成背表面场（BSF）。通过溅射沉积和高温烧结形成全覆盖铝膜。开发剥离材料可选择性去除多余铝，提升Voc。可通过湿化学法制备带油酸层的纳米铝粉，实现低温（600°C）烧结，但比电阻可能较高。铝粉技术成熟，近期研究较少。
制备方法总结 (表1): 化学还原法制备银粉成本低、环保，适于大规模生产，但粒径控制和电导率需优化。铝粉成本低、工艺稳定成熟。
3.2 玻璃粉 (Glass frits)
含铅体系（如PbO-B2O3-SiO2-RxOy）电导率高 (2.62 microohm cm)，Tg较低 (432.4°C)。
无铅体系电导率普遍偏低（如TeO2-Bi2O3-ZnO-Li2O-MgO仅0.029 Ohm cm2），但Tg调控范围宽，低温烧结潜力大 (如TeO2基Tg < 230°C)。
表面改性：用Te改性，形成Bi4TeO8，促进银熔融和对硅片的润湿性。
添加元素：加入Mo和W可增强玻璃与硅基底的润湿性。
复合PbO：通过水热法在无铅玻璃表面合成低含量PbO（>6 wt%），改善银隧穿和金属化接触。
新体系：TeO2-PbO-SiO2体系中调整SiO2/PbO比例，可控制熔融行为，促进Ag颗粒致密化和Si均匀蚀刻。
玻璃粉在烧结中蚀刻SiNx层，促进银晶体向硅发射极生长，决定电极粘附性和接触电阻。主要含网络形成剂 (SiO2, B2O3等)、改性剂 (Na2O, K2O等) 和中间体 (ZnO, Al2O3等)。
含铅玻璃: PbO基玻璃因结构稳定、Tg低、热电性能好而被广泛使用。
无铅玻璃:
图2. (a) Te改性无铅玻璃粉的制备过程；(b) 不同玻璃形成的Ag-Si界面电流传输路径示意模型及能带图；(c) 无铅玻璃粉和PbO复合玻璃粉的Ag-Si界面金属化接触模型示意图；(d) 不同熔融行为的玻璃粉形成Ag电极与Si晶片接触的示意图。
3.3 有机载体 (Organic carrier)
环氧树脂（75% Ag）：电阻率9.8x10^-3 Ohm cm，粘结强度8.3 MPa。
聚氨酯：电阻率低至1.0x10^-5 Ohm cm，力学性能优异。
乙基纤维素（89% Ag）：接触电阻0.6-0.7 mOhm cm2，电池效率20.3%。
作用：赋予浆料流变性，保证印刷适用性和图形精度（触变性）。分为高温烧结（用玻璃粉）和低温固化（主要由导电填料和有机载体组成）两种类型浆料。
主要类型：树脂（环氧树脂、聚氨酯）、乙基纤维素、聚二甲基硅氧烷等。
环氧树脂: 性价比高、毒性低、固化后硬度适中。用聚环氧-N-甲基苯胺作导电有机载体，粘片推力符合标准。
聚氨酯(PU): 如水性聚氨酯(WPU)与Ag MFs/NPs/NWs复合，形成交联网络，提高粘附强度。
添加剂: 溶剂用于稀释树脂、分散银粉。硅烷偶联剂（如3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷）可作分子桥，改善填料分散和储存稳定性。
性能对比 (表3):
挑战与未来: 环氧树脂缺柔韧性，聚氨酯成本高，纤维素导电性有限。未来需开发多功能复合载体，如智能聚合物（动态交联+自修复）、梯度界面，协同优化电、力学和加工性能。
图3. (a) 银浆固化后芯片粘接推力测试图；(b) 不同固化温度下导电银浆膜形成后的粘合强度测试；(c) PVA铝浆的SEM图像；(d) 内径分别为 (i) 50 µm 和 (ii) 100 µm 的点胶喷嘴；(e) ZnO-Al2O3混合物的合成和沉积示意图。
3.4 制备工艺
导电相（70-90 wt%）决定导电性，高银含量（>80%）通常对应高效率 (18.26%-23.16%)。
玻璃粉（1-17 wt%）促进烧结和界面结合，其成分和Tg影响接触电阻。无铅玻璃Tg低（如347°C）利于低温烧结，但易形成厚玻璃层。
有机载体（5-30 wt%）调控流变性，高含量利于印刷但可能牺牲电性能。
界面工程是关键：含铅玻璃流动性好，接触电阻低（如0.0019 Ohm）。无铅体系需多组分设计优化界面。铝浆中掺硼（Al-B合金）可形成p+ BSF，提高效率（掺杂浓度4.2x10^19 atoms/cm3）。
减银策略：铜银核壳颗粒（9% Ag）性能接近纯银。纯铝浆表面涂覆B2O3·ZnO-SiO2纳米层可提效1%。
丝网印刷：依赖浆料流变性控制。
非接触式点胶印刷：通过精确调控压力、喷嘴直径、基板间隙等实现细线化。
配方与均化: 需协同优化配方、均化工艺和印刷烧结参数。导电粉粒径影响电性能和印刷精度，通常需平衡（例如，大粒径铝粉降低电阻率，但超细银粉<1.0 µm易形成致密电极）。玻璃体系（含铅/无铅）影响烧结窗口和界面反应。有机载体（如水溶性PVA替代乙基纤维素）趋向环保并可能改善合金效果。均化通常采用三辊研磨（重复多次），确保固体组分充分润湿分散，细度<5 µm。
五、性能优化
流变性控制: 触变剂（如聚酰胺蜡优于氢化蓖麻油）通过氢键网络提高触变性，实现高宽高比栅线（宽高比0.50）。
微观结构调控: 双峰粒径混合（大颗粒减少颈缩，小颗粒缩短扩散距离）可抑制铝浆烧结空洞，此原理可推广至银/铜浆。
低温固化浆料: 适用于柔性或异质结电池。挑战在于高电阻率、低附着力、长固化时间。优化策略：
配方：高含量（90%）球形银粉+复合溶剂+双树脂粘合剂+固化剂，可将电阻率降至5.8 microohm cm。
添加剂：片状银粉（30%）可降低接触电阻，改善附着力。
退火：360°C退火可致密化银膜，降低接触电阻（如在n-GaAs上达6.08x10^-4 Ohm cm2）。
铜基浆料（减银核心方案）:
挑战：氧化、高温下向硅扩散。
策略：优化配方（加添加剂）实现在空气中烧结，抑制氧化和扩散。低温固化铜浆（氮气保护，约280°C）电阻率可达4.5x10^-5 Ohm cm。优化铜含量（84-86 wt%）和粘度可实现低接触电阻（<1 mOhm cm2 on ITO）和低体电阻率（27 microohm cm）。
银包铜浆料：是重要替代方案。特定配方（如球形核壳粉，20% Ag）可减银30-50%，电阻率低于纯银浆（达5.9 microohm cm），且稳定性好。无玻璃铜浆（低熔点合金）和脉冲光烧结的银包铜电极也显示出长期稳定性。
应用前景：铜浆和银包铜浆有望在TOPCon/PERC背电极和异质结电池中替代部分银。关键在于扩散阻挡层设计和抗氧化/气氛控制。
其他优化技术:
双次印刷（Dual Print）：银耗降至75 mg/片，Voc提升2 mV。结合分段主栅设计，银耗降至67.7 mg/片，PERC效率19.8%。
非接触印刷（如点胶）：避免损伤钝化层，提效0.5%。支持梯度浆料沉积（主栅高银，细栅低银），减银40%，提效0.5%。
热熔技术：可在50-90°C印刷，实现更高栅线高度（30 µm vs 13 µm），需特殊浆料配方。
连接技术：平行间隙电阻焊（PGRW）可连接银箔汇流条与烧结银电极。
抗反射涂层：溶胶-凝胶法制备ZnO-Al2O3混合物用作ARC。
添加剂：原位产生还原气氛的固化剂（如甲酸衍生物）可降温并抑制氧化。硅纳米颗粒（25% p型）作形核点，均匀化铝硅共晶，消除空洞，提升效率（>20.3%）。
印刷技术优化 (表5):
与电镀结合：丝印铝BSF+电镀镍铜前接触方案效率达21.3%，需开发适用于电镀籽晶层的特殊浆料。
图4. (a) 在太阳能电池前后表面制作电接触的方法；(b) 工业型硅太阳能电池丝网印刷Ag正面和Al背面接触的示意图；(c) 四种不同触变剂有机载体的触变恢复曲线；(d) 四面体Cu@Ag粉末的制备和结构表征；(e) 实验装置示意图；(f) 所接收的晶硅光伏板的结构。
六、未来方向
协同设计原则: "粉末形貌决定接触特性，玻璃体系调控界面反应，有机载体平衡流变行为"。
粉末设计: 发展“核-壳-卫星”复合结构（微米球核+亚微米中空层+表面纳米银），协同优化导电网络和界面接触。利用粒径梯度控制载流子传输。
玻璃体系: 需兼顾无铅化和低温化。开发含负氧化还原电位反应物（相对于SiN）的智能响应玻璃体系，促进低温（<800°C）下纳米晶体析出。应用机器学习优化组分。
有机载体创新: 开发动态响应聚合物（如接枝温敏链段的乙基纤维素），实现低温印刷高精度和高温快速分解无残留。
界面强化（贵金属替代关键）: Cu@Ag粉末需跨尺度界面强化：铜核表面构建纳米银岛（覆盖率>80%），添加含吡啶环的硅烷偶联剂形成“分子弹簧层”（提高焊接强度30%）并与玻璃粉反应。
激光增强接触优化（LECO）结合: 智能载体需适应LECO工艺，低碳残留促进银晶外延生长。纳米银岛可扩大激光吸收截面，提高接触点密度。
绿色回收: 突破基于组分解耦的原理。提出“酸浸铝层-离子液体溶解银-光催化还原”的闭环回收路径，实现银回收率>90%，纯度>99.9%。
参考文献：Lin, S., He, X., Shi, H., He, Q., Yuan, J., Duan, J., Ren, J., & Liu, J. (2026). Comprehensive review of photovoltaic paste: Materials, processing, and performance optimization. Solar Energy Materials & Solar Cells, 295, 114013.
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