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有望成为未来可再生能源增长的主导力量。近几年光伏产业也在持续快速扩大，装机量屡创新高，光伏技术迭代也更为快速。从技术发展来看，P型晶硅电池转换效率已接近极限，N型硅电池快速成为市场主流，钙钛矿电池在加速产业化中。随着光伏技术的不断升级和更新，对光伏材料的性能要求和表征需求也在不断增加。
银粉银浆作为制造太阳能光伏电池的关键原材料，用于太阳能电池的电极制作，直接影响光伏电池的转换效率与光伏组件的输出功率。银浆通常由银粉、玻璃粉、有机载体等组成，通过丝网印刷技术应用于电池片上，形成收集电流的电极。在光伏行业降本增效的大背景下，银粉行业朝着高效率、低成本、环保性等方向发展。
一直以来，电子显微镜技术在材料科学中的应用非常广泛和深入，如今在光伏材料的研发和工艺优化中也开始发挥着越来越重要的作用。本文主要分享电镜技术在表征太阳能电池银粉以及银硅界面方面的一些案例。
银粉的形貌、粒径、分散性以及表面处理对其在银浆中的表现至关重要。扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）由于其高分辨率和能够提供样品表面的详细信息，可以直接有效观察银粉的形貌及粒径大小，因而广泛应用于银粉的表征。图2是使用扫描电镜获得的包覆银粉的微观形貌图片。银粉的包覆是指采用特殊的表面处理技术，在银粉表面形成一层或多层的包覆层，这有助于改善银粉的分散性、提高其在银浆中的稳定性，并增强其与硅基底的接触性能。
用电子显微镜观察和确认银粉内部的多孔结构是使用电镜表征银粉的另一个重要和常见的应用。很多文献认为银粉内部孔洞的形成对于光伏用银粉的性能至关重要。多孔结构的银粉往往烧结活性更高，可能允许在较低的温度或更短的时间内实现良好的烧结，这对于降低能耗和提高生产效率是有益的。
观察银粉内部的结构需要切开银粉，我们使用了两种技术手段。一是使用CleanMill氩离子研磨系统进行平抛，然后将样品快速转移至扫描电镜中进行成像。CleanMill氩离子研磨系统是赛默飞世尔科技的一种完整的离子抛光解决方案，专为材料科学中的扫描电子显微镜（SEM）应用设计，能够对需要完美表面的材料进行精细研磨和抛光，包括对离子束和空气敏感的材料。
因为Ag在空气中易氧化，在银粉被切开后，如果在空气中暴露一定时间会氧化生成氧化银，影响样品的观察。为避免样品氧化，可以使用可拆卸的CleanConnect 惰性气体/ 真空转移样品杆，该样品杆可以实现在扫描电镜和CleanMill及手套箱之间的样品转移，保证样品在转移过程中处于惰性气氛中或真空状态下，从而能保证在电镜中观察到样品的新鲜原始形貌。
图4. CleanMill与CleanConnect 和全套 IGST 工作流程完美兼容，实现对空气敏感材料在本真状态下的表征分析
图5为使用CleanMill制备银粉截面后，采用Apreo 2成像。可以看到获得的银粉截面在SEM下可以清晰的看到内部的孔洞以及多晶取向的结构。在目前的研究中，因为银粉主要作为导电浆料使用，其电导性、烧结行为和与硅基底的接触特性更为关键，银粉的多晶取向并不太受关注。在实际应用中，晶粒取向可能会影响电子的传输路径和效率，或许也是一个值得研究的领域。
除使用CleanMill对样品进行平抛然后用SEM成像外，还可以直接使用DualBeam双束电镜来表征银粉的内部结构。双束电镜技术集成了扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）系统，二者在同一仪器中以52度角排列（见图6），其中FIB用于材料研磨和抛光，同时电子束可用于高分辨率成像。这一集成设置可以实现原位和定点截面样品加工，同时进行高分辨率成像的功能。在光伏材料中，目前使用镓离子聚焦离子束基本可以满足不同样品的截面制备需求，如银粉银浆，硅电池片，光伏玻璃，碲化镉及铜铟硒薄膜电池，钙钛矿单结及叠层电池等。
图6. 双束电镜概念示意图及镓离子聚焦离子束扫描电子显微镜Gallium FIB-SEM
银包铜粉是指在铜粉的表面包覆一层银，这种材料结合了银和铜的优点，具有导电性好、化学稳定性高、不易氧化和成本相对较低等特点。异质结电池（HJT）因其高效率和低温度系数等优势，被认为是太阳能电池技术的发展方向之一。采用银包铜浆部分或全部代替异质结电池银浆，可以解决HJT电池使用低温导电银浆带来的高金属化成本问题。
银包铜粉中的银层厚度决定了银包铜粉的导电性、抗氧化性、烧结行为以及最终在太阳能电池中的性能。银层越厚，通常导电性越好，但成本也越高。相反，较薄的银层可能会降低成本，但可能需要更优化的烧结工艺来确保良好的导电性和附着力。
图8B是由Apreo ChemiSEM获得的ChemiPhase成像，ChemiSEM技术将SEM和EDS进行高度集成，在电镜软件上实时显示样品的形貌和定量元素结果。这里我们可以实时看到银和铜元素的分布，不再需要单独的能谱软件，这极大提高了工作效率和使用的便捷性。
电镜技术还可以用于观察银粉在烧结后银硅界面的微观结构，研究银浆金属化中玻璃相的作用机制。作为银浆关键组成的玻璃相在烧结时会向下渗透并熔穿减反射膜，同时携带并溶解部分Ag，当温度下降时银晶体从玻璃中析出银胶体，这些胶体在玻璃层中有助于形成良好的欧姆接触，有效降低银硅接触电阻，提高电池效率。
图9为TOPCon电池正面银栅线和银硅界面的截面，使用CleanMill氩离子研磨系统制备，然后使用SEM成像。图9B)可以清晰的看到减反膜SiNx层，玻璃相区域，以及在玻璃相中析出的银胶体的颗粒大小及其分布。这为理解和优化银浆金属化过程中玻璃相的作用机制提供了重要的微观信息，在研发和优化银浆中玻璃相的组成及配比有着重要的作用
以上是电镜及其相关技术在银粉、银包铜粉和银硅界面表征方面的一些应用，电镜技术通过提供详细的微观结构、元素分析、晶体结构和缺陷信息，在太阳能电池银电极及其原材料表征中具有越来越多的应用，帮助企业和科研人员深入理解材料的物理化学性质以及它们在太阳能电池中的应用性能，从而进行配方和工艺优化，提高太阳能电池的效率和可靠性。
赛默飞世尔科技可以提供成套的微观表征技术解决方案，主要包含扫描电镜、双束电镜、透射电镜、XPS（X 射线光电子能谱）、Avizo可视化及分析软件等，助力光伏行业从微米级、纳米级到原子级分辨率的成像表征，实现降本增效和技术升级。
12月12日我们还将于上海举办一场“光伏行业解决方案研讨会”，与您分享我们在硅电池，钙钛矿电池等方面的应用案例，并向您介绍我们最新的先进表征分析技术，届时也会有线上同步直播。在此诚邀您及贵单位相关人员参加！无论您是想参加线上或是线下研讨会，或者您想了解我们更多的应用案例，欢迎，报名参会，与我们共探光伏！