CN101968975B - 铝膏组合物及使用所述组合物的太阳能电池组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝膏组合物，其包含：(a)铝粉；(b)玻璃粉；(c)粘合剂；及(d)分散剂。本发明亦提供一种太阳能电池组件，其包含电极或导线，所述电极或导线通过将上述铝膏组合物涂布于硅基材上后进行干燥再进行烧结而形成。本发明铝膏组合物所含的分散剂，具有优异的高湿稳定性、能有效改善太阳能电池组件的翘曲问题并提高太阳能电池组件背面铝膏与银胶接口的密合力。

Description

铝膏组合物及使用所述组合物的太阳能电池组件

技术领域

本发明涉及一种铝膏组合物及利用所述组合物的太阳能电池组件，特别涉及在硅晶太阳能电池组件的硅半导体基材背面上形成电极或导线所用的铝膏组合物，以及利用所述组合物的太阳能电池组件。

背景技术

由于能源短缺、温室效应等环保问题日益严重，目前各国已积极研发各种可能替代能源，尤其以太阳能发电最受各界重视。图1即太阳能电池组件的剖面构造示意图，其在于p型硅半导体基材1上先行将表面制作成金字塔型的粗化表面以减少光线反射(为简化图式，图1未显示粗化表面)，再将磷或类似物质以热扩散方式于p型硅半导体基材1的受光面侧形成反向导电性类型的n型掺杂层(doping layer)2，并形成p-n结(junction)。随后再于n型掺杂层2上形成减反射层3与电极4。可藉由等离子体化学气相沉积等方法于n型掺杂层2上形成氮化硅(silicon nitride)膜作为减反射层3，再于减反射层3上以丝网印刷方式涂布含有银粉末的银导电胶随后进行烘烤干燥及烧结的程序形成正面电极4。在烧结过程中，用以形成正面电极4的导电胶可烧结并渗透至n型掺杂层2上。p型硅半导体基材1的背面侧则使用含有铝粉末的铝导电胶以印刷方式形成铝背面电极层5，随后进行干燥烘烤的程序，再于高温下进行烧成。烧成过程中，铝原子扩散至p型硅半导体基材1中，于铝背面电极层5与p型硅半导体基材1之间形成呈合金状态的Al-Si合金层6及含有高浓度的铝掺杂剂的p+层7。p+层7通常称为背电场(Back Surface Field；BSF)层，其可防止电子空穴再结合，有助于提升太阳能电池组件的能量转换效率。此外，为了能将多个太阳能电池组件相互串连形成模块，可藉由丝网印刷方式于铝背面电极层5上印刷一种银铝导电胶，经烧结后形成导线8。

背面电极的形成，可为先行印刷银铝导电胶且使其干燥，再印刷铝导电胶使其干燥，再对两种导电胶进行烘烤；亦可为先行印刷铝导电胶且使其干燥，再印刷银铝导电胶，再对两种导电胶进行干燥烘烤。

铝导电胶的性质对太阳能电池组件的稳定性有很大的影响。若铝导电胶于基材表面润湿性差，则会导致铝导电胶与硅半导体基材之间的附着力不佳的问题，此外，铝导电胶与硅半导体基材之间的热膨胀系数差异太大，则会造成太阳能电池组件易有翘曲的问题、再者铝硅的反应速率不同也可能造成铝珠或铝泡产生等问题，上述问题严重时甚至会导致破片。而铝导电胶与银铝导电胶之间的粘着力不佳时，则会在其重叠处产生剥落，严重时会影响后续多个太阳能电池组件藉由银铝导电胶相互串连形成模块的制程。

目前所知改善上述问题的方法，如TW 200713334、TW 200717838、CN 1487531A、CN 1981346A、CN 1877864A、CN 101555388A及CN101471389A等专利文献所述。

TW 200713334揭示一种铝膏组合物，用以抑制煅烧时内面电极层产生气泡或铝颗粒，其特征在于含有铝粉末、有机质载体及玻璃料。上述玻璃料占铝膏组合物0.1至8重量％，并含有占玻璃料总重5-75重量％的碱土金属氧化物。

TW 200717838揭示一种糊状组合物，其特征在于含有铝粉末、有机质载体与助粘剂。上述发明是利用含助粘剂的糊状组合物提高形成于硅半导体基板背面铝电极层的密接性。上述助粘剂占铝膏组合物的0.05至5重量％。

CN 1487531A揭示一种硅太阳电池的背面电极形成用导电浆，用以减少由烧结收缩引起的硅芯片翘曲，其特征在于含有铝粉末、玻璃熔块、有机展色料、以及对上述有机展色料难溶性或不溶性的粒子，上述粒子为有机化合物粒子或碳粒子中的至少一种。其中，玻璃熔块占导电浆的1至5重量％。

CN 1981346A揭示一种糊组合物，用以在降低玻璃粉含量或不使用玻璃粉的情况下，得以维持作为太阳能电池组件被面电极所欲达到的功能，同时可以强化铝电极层与硅半导体基板的结合。其特征在于含有铝粉末、有机载体及金属醇盐。其中提到的玻璃粉占组合物的重量小于5重量％。

CN 1877864A揭示一种浆料组成，具有导电性能佳、光电转换效率高、硅片烧结后弯曲小、不起珠、不起泡等特点，其特征在于上述浆料由70-80wt％的铝粉、15-30wt％的改性有机粘合剂、含铟、镓或钽40-60wt％的无机粘合剂玻璃金属粉1-10wt％组成。

CN 101555388A揭示一种铝浆用无机粘合剂，用以使铝粉层牢固粘附在硅芯片上，并使电池片弯曲小，低破片率，其特征在于上述无机粘合剂由10-20wt％的SiO₂、15-30wt％的B₂O₃、5-15wt％的Al₂O₃、15-35wt％的Bi₂O₃、10-18wt％的Zr₂O₃、10-25wt％的ZnO、1-8wt％的MoO₃所组成。

CN 101471389A揭示一种用于太阳能电池组件的背面材质，其包含玻璃混合物、有机介质、含铝材质及添加物，用以改善太阳能电池组件的转换效率并改善翘曲问题。其中玻璃混合物包含Al₂O₃、Bi₂O₅、B₂O₃、SiO₂、PbO、Ti₂O₃及ZnO等，且占背面材质总重的5wt％以下。

如上所述，目前所知的铝膏组合物常藉由添加不同的组份，如助粘剂、有机化合物粒子或碳粒子、金属醇盐、特殊金属离子(如铟、镓或钽)、特殊金属氧化物(如Zr₂O₃或MoO₃)等来抑制硅半导体芯片翘曲、改善太阳能电池组件转换效率或使硅片不起珠、不起泡。然而，前述技术并未发现添加分散剂对抑制硅半导体芯片翘曲、改善太阳能电池组件转换效率或使硅片不起珠、不起泡有何影响。此外，前述技术并无揭示水气对该铝电极层的影响，铝电极若吸收空气中的水气，则在封装过程会因为水气与铝的反应产生氢气，进而造成封装后的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明主要目的为提供一种具良好附着性且可避免水气影响的铝膏组合物。

为达上述及其它目的，本发明提供一种铝膏组合物，其包含：(a)铝粉；(b)玻璃粉；(c)粘合剂；及(d)分散剂。

本发明亦提供一种太阳能电池组件，其包含电极或导线，其中所述电极或导线通过将上述铝膏组合物印刷于硅基材上后进行干燥再进行烧结而形成。

附图说明

图1为太阳能电池组件的剖面构造示意图；以及

图2为具有由本发明实施例的铝膏所制得导线的晶圆背面的外观。

【主要组件符号说明】

1：p型硅半导体基材

2：n型掺杂层

3：减反射层

4：电极

5：铝背面电极层

6：合金层

7：p+层

8：导线

具体实施方式

本发明铝膏组合物所使用的粘合剂(binder)，是用在作为铝膏干燥后烧结前的支撑物(support)，为避免烧结后影响电性，优选烧结后不残留碳的粘合剂。可使用作为粘合剂的树脂，优选热塑性树脂，其选自纤维素、丙烯酸酯类树脂、醇酸树脂、环氧树脂或其混合物，优选为纤维素、丙烯酸酯类树脂或其混合物。

本发明所使用的纤维素可为甲基纤维素(methyl cellulose)、乙基纤维素(ethyl cellulose)、木松香(wood rosin)、聚丙烯腈(PAN)或其混合物。

根据本发明，粘合剂的用量以铝膏组合物的总重量计为约0.1-30wt％，优选为1.5-5wt％。

本发明的铝膏组合物亦可视需要添加溶剂，以调整铝膏组合物至适当粘度，其中粘度优选为10000～40000cps，为避免铝膏组合物在印刷时因溶剂挥发过快，影响铝膏组合物的粘度，造成印刷时的不稳定，所使用的溶剂优选高沸点溶剂，常用的溶剂例如但不限于以二醇醚类为主的有机溶剂如乙二醇单丁基醚单乙酸酯、二乙二醇单丁基醚、二甘醇一丁醚(DEGMBE)，萜烯类(如松油醇(terpineol))，四甲基对苯二胺(TMPD)或二元酸酯混合物(DBE)。根据本发明，溶剂的用量以铝膏组合物的总重量计为0-25wt％，优选为10-25wt％，更优选为15-20wt％。

本发明铝膏组合物所使用的玻璃粉包含氧化物，可于烧结过程中进行氧化还原反应，使铝粉表面形成致密氧化层，故可阻断水气与铝层反应。本发明铝层具有低翘曲特性，且与背银重叠区密合性优异，故能提高太阳能电池组件的长时间稳定性以及抑制在形成于硅基材表面的铝电极层产生气泡或铝颗粒。上述氧化物例如但不限制于氧化硼(B₂O₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、氧化锌(ZnO)、氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(Zr₂O₃)等，或其混合物。控制玻璃粉适当的含量可提升烧结后的电极/导线与硅晶圆基材的附着性，以及改善背面铝层、背面银电极与硅芯片间的粘结力，根据本发明，玻璃粉的用量以铝膏组合物的总重量计为约0.1-15wt％，优选为1.0-5.0wt％，更优选为1.5至3.0wt％。可用于本发明的市售玻璃粉包括：旭硝子株式会社(ASAHI GLASSCO.，LTD)的ASF 110、ASF111F、ASF200R、ASF206、ASF700、ASF 1780、ASF 102Y、ASF 1761、ASF0070B、ASF 1094、ASF 1098、ASF 1099、ASF1100、ASF1495、ASF1560、ASF1700、ASF1710、ASF1771、ASF1891、ASF1895、FF201、FF202、FF209、K301、K303；日本山村硝子的BSS01。

本发明铝膏组合物所使用的铝粉，可为本发明所属技术领域技术人员所已知的铝粉，其可为任何适当形式的铝粉，例如铝金属、铝金属的合金或它们的混合物等。可用于本发明的市售铝粉包括：ECKA公司生产的铝粉。

根据本发明，铝粉的用量以铝膏总重量计为65-85wt％，优选为70至80wt％。

本发明铝膏组合物包含至少0.2wt％分散剂，优选为0.2至3wt％，更佳为0.2至1wt％。使用分散剂可帮助铝粉、玻璃粉、无机填充剂粉末良好润湿，均匀分散于溶剂中，避免发生团聚、絮凝现象，并改善长时间存放稳定性。本发明含分散剂的铝膏组合物，其流变行为能提供高速印刷性增加产出速度、并能于烧结过程中，使粉体颗粒致密堆积，提升发电效率。上述分散剂包含磷酸酯(phosphate ester)、亚麻籽油(Linseed oil)或辛酸(Octanoic acid)，优选为磷酸酯，可用于本发明的市售分散剂包括：BYK公司的DISPERBYK-101、DISPERBYK-102、DISPERBYK-103、DISPERBYK-106、DISPERBYK-107、DISPERBYK-108、DISPERBYK-109、DISPERBYK-110、DISPERBYK-111、DISPERBYK-112、DISPERBYK-115、DISPERBYK-116、DISPERBYK-130、DISPERBYK-140、DISPERBYK-142、DISPERBYK-145、DISPERBYK-160、DISPERBYK-161、DISPERBYK-162、DISPERBYK-163、DISPERBYK-164、DISPERBYK-166、DISPERBYK-167、DISPERBYK-168、DISPERBYK-169、DISPERBYK-170、DISPERBYK-171、DISPERBYK-174、DISPERBYK-180、DISPERBYK-192、DISPERBYK-2010、DISPERBYK-2095、DISPERBYK-2163；迪高(TEGO)公司的TEGO

Dispers 610、TEGO

Dispers 650、TEGO

Dispers 670、TEGO

Dispers 685、TEGO

Dispers 700、TEGO

Dispers 710、TEGO

Dispers 740W、TEGODispers 750W、TEGO

Dispers 760W。

本发明铝膏组合物所使用的磷酸酯可为式(I)表示：

  式(I)

其中t＝0-3，m＝0-1，n＝0-3，o＝0-3，m与n其中之一不为0；M为H、碱金属或其混合；R¹、R²、R³及R⁴各自独立为具有1至30碳原子的烷基，上述烷基为饱和的或非饱和的、直链的或支链的、环状的或非环状的；a＝0-20，及b＝0-20。根据本发明之一优选实施方式，式(I)化合物之t＝3，m＝1，n＝0，o＝0，M为H，及R¹、R²、R³及R⁴各自独立为具有5至22碳原子的烷基。上述磷酸酯可为单酯及其盐类、二酯及其盐类、三酯及其盐类或其混合物，可用于本发明铝膏组合物所使用的磷酸酯例如但不限于：磷酸异硬脂酯(isostearyl phosphate)、磷酸C_9-15烷基酯(C_9-15alkyl phospate)、鲸蜡醇磷酸酯(cetyl phosphate)、鲸蜡醇聚醚-10磷酸酯(Ceoleth-10 phosphate)、聚丙二醇-5-鲸蜡醇聚醚-10磷酸酯(PPG-5-Ceteth-10 phosphate)、油醇聚醚-3磷酸酯(Oleth-3phosphate)、油醇聚醚-3磷酸酯DEA盐(DEA-Oleth-3 phosphate)，优选为聚丙二醇-5-鲸蜡醇聚醚-10磷酸酯或油醇聚醚-3磷酸酯。

市售磷酸酯包含磷酸烷氧基烷基酯(alkoxylated alkyl phosphateester)、磷酸烷基酯(alkyl phosphate ester)或其混合物，优选为磷酸烷氧基烷基酯，可用于本发明的市售磷酸烷氧基烷基酯包括：禾大(CRODA)公司的Crodafos^TM C 10/5A、Crodafos^TM CO 10A、Crodafos^TMCS2A、Crodafos^TM EH5A、Crodafos^TM O 10A、Crodafos^TM O 10D、Crodafos^TM O3A、Crodafos^TM O3D，可用于本发明的市售磷酸烷基酯包括：禾大公司的Crodafos^TM 810D以及Clariant公司的Hostaphat CC 100、Hostaphat CS 120。根据本发明的一优选实施方式，本发明使用禾大公司出产的商品名为Crodafos^TM C10/5A(PPG-5-Ceteth-10 phosphate)或Crodafos^TM O3A(Oleth-3phosphate)。

本发明铝膏组合物亦可选的包含任何熟悉此项技术者已知的添加剂，其例如但不限于无机填充剂(inorganic filler)、氧化添加剂(oxidizingadditive)、增效剂(synergist)、增塑剂(plasticizer)、增敏剂(sensitizer)、偶联剂、分散剂、润湿剂、增稠剂(thickening agent)、消泡剂(defoamer)或触变剂等。

根据本发明的一优选实施方式，本发明的铝膏组合物包含：以铝膏组合物总重量计，70-80％的铝粉、1.5-3.0wt％的玻璃粉、0.2-3wt％的分散剂、1.5-5wt％的粘合剂。可选的添加15-20wt％的溶剂。上述分散剂选用磷酸酯，粘合剂是选用乙基纤维素，溶剂包含二甘醇一丁醚、四甲基对苯二胺、二元酸酯混合物或松油醇。

本发明的铝膏组合物可使用任何本发明所属技术领域的普通技术人员所熟知的方法，应用在太阳能电池组件中，例如，可经由包含以下步骤的方法在太阳能电池组件中形成电极或导线：

(a)将粘合剂、铝粉、玻璃粉、分散剂及可选的适当的溶剂混合以形成铝膏组合物；

(b)利用丝网印刷机(所用网板约具有180～400目)，将所述铝膏组合物涂布在基材(例如单晶硅晶圆)上，形成欲得的图样(pattern)，膜厚约(30～40微米)；

(c)对所述线形照射能量射线或加热或两者并用以使其固化；

(d)利用烧结炉，进行烧结(sintering)，以去除粘合剂及分散剂，并将玻璃粉、铝粉与基材熔结在一起，形成导线或电极。

本发明的铝膏组合物可应用于任何公知的太阳能电池组件中取代公知的铝膏组合物，作为太阳能电池组件中的电极或导线。本发明的铝膏因与半导体基材及银胶电极具有良好的附着性，又不易与水气产生反应，其不易造成铝电极与银导线之间的剥离，且能改善芯片翘曲，并避免破片或对后续经由导线连接太阳能电池组件的制程产生困扰，故太阳能电池组件的封装良率可因此提升。此外，因藉由本发明而得的太阳能电池组件不易与水气反应，其有助于太阳能电池组件长时间于高湿度环境下的稳定性。

下述实施例是以形成太阳能电池组件背面的铝电极为例，进一步说明本发明的铝膏组合物的特点及及其应用方式，但不用以限制本发明的范围。任何本领域技术人员可轻易达成的修饰及改变均包括于本申请说明书揭示内容及所附权利要求书的范围内。

实施例

表1

单位：重量百分比(％)

注1：粘合剂1为乙基纤维素(道(Dow)公司生产，商品名为ETHOCEL)

注2：粘合剂2为1，4-丁二醇二丙烯酸酯(沙多玛(Sartomer)公司生产)以及季戊四醇三丙烯酸酯(Sartomer公司生产)的混合物

注3：溶剂为二甘醇一丁醚及松油醇

注4：玻璃粉为含SiO₂-B₂O₃-Bi₂O₃的玻璃粉(旭硝子株式会社生产，商品名为ASF1094)及B₂O₃-Bi₂O₃-ZnO的玻璃粉(旭硝子株式会社生产，商品名为ASF1098)的混合物

注5：分散剂1为阴离子型分散剂(禾大公司生产，商品名为Crodafos^TM KD-15)

注6：分散剂2为聚丙二醇-5-鲸蜡醇聚醚-10磷酸酯(禾大公司生产，商品名为Crodafos^TM C10/5A)

依表1所述比例得到的玻璃粉与粘合剂、铝粉、分散剂等各成分，可选的添加添加剂或溶剂，搅拌混合后，进行分散制得铝膏。

测试方法

准备已作好扩散层级表面粗化的6英寸单晶硅晶圆，以一般市售的银铝导电胶印刷于背面，以红外线热风干燥炉以130℃至280℃之间的温度范围干燥；接着以比较例及实施例所制得的两种的铝膏印刷于背面，并以130℃至280℃之间的温度范围干燥。将一般市售的两种导电银胶分别印刷在两晶圆正面上，再分别以红外线热风干燥炉以130℃至280℃之间的温度范围干燥，并以700℃至900℃之间的温度范围进行烧结以形成可用于测试的太阳能电池组件。上述步骤中，印刷制程所用的丝网印刷机的网板为200目(mesh)。

上述步骤中是利用Thermal Process Solution公司所生产的M-225红外线烧结炉进行烧结制程。烧结过程先升温至所需温度后维持一段时间，最后再降至室温，烧结过程中的最高温度约为750℃且至少于600℃以上历时约5秒。烧结后经激光切边。图2为具有实施例的铝膏所制得晶圆背面的外观。以WACOM(WXS-220S-L2)光电仿真器在AM1.5G，1000W/m2下测试实施例的晶圆的短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、功率(Pmp)、填充因子(F.F.)、光电转换效率(Efficiency)纪录于表2。

表2

将前述依比较例及实施例所得的晶圆进行水煮测试，对前述依比较例及实施例所得的晶圆进行翘曲程度量测，以及对晶圆背面铝膏处进行附着力测试，所得结果记录于表3。

前述水煮测试是将依比较例及实施例所得的晶圆置入80℃水中5分钟，视是否有气泡产生。前述翘曲程度测试是将依比较例及实施例所得的晶圆以激光测厚仪量测最高点的高度作为翘曲程度的值，前述附着力测试是将依比较例及实施例所得的晶圆以3M胶带与被面银膏与被面铝膏重叠处紧密贴合，再以拉力测试机台在180度的剥离角度及300mm/分钟的速度下量测。

表3

由实施例A与比较例A相较，可知在铝膏组成物中使用不同的分散剂，对耐水煮性质的影响，使用阴离子型分散剂(分散剂1)并无法提供阻绝水气与太阳能电池组件的铝层的反应，因此会有冒泡的现象。

此外，由实施例A，实施例B与比较例B相较，可知分散剂的用量，对耐水煮性质以及铝膏与银/铝导线之间的附着性的影响，分散剂的用量在0.15％时，无法有效阻断水气与太阳能电池组件的铝层的反应，会有冒泡的现象，且铝膏与银/铝导线之间的附着性不佳。

利用本发明铝膏的太阳能电池组件能提供良好的阻断水气与铝层反应，并提高铝膏与银/铝导线之间的附着性，同时亦能避免太阳能电池组件的翘曲问题。

Claims (4)

1.一种用于太阳能电池组件的铝膏组合物，其特征在于：包含：

以组合物总重量计(a)65-85wt％铝粉；

(b)0.1-15wt％玻璃粉；

(c)0.1-30wt％粘合剂；

(d)至少0.2wt％分散剂；及

(e)10-25wt％高沸点溶剂；

所述分散剂为磷酸酯。

2.如权利要求1所述的铝膏组合物，其特征在于：所述磷酸酯包含磷酸烷氧基烷基酯、磷酸烷基酯或其混合物。

3.如权利要求1所述的铝膏组合物，其特征在于：所述磷酸酯为磷酸异硬脂酯、磷酸C_9-15烷基酯、鲸蜡醇磷酸酯、鲸蜡醇聚醚-10磷酸酯、聚丙二醇-5-鲸蜡醇聚醚-10磷酸酯、油醇聚醚-3磷酸酯或油醇聚醚-3磷酸酯。

4.一种太阳能电池组件，其包含电极或导线，其中所述电极或导线通过将权利要求1至3中任一项所述的铝膏组合物印刷于硅基材上后进行干燥再进行烧结而形成。

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