CN102077301A - 导电膏组合物及使用该导电膏组合物的电极制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适合制造太阳能电池电极的导电膏组合物，包括树脂粘合剂(binder resin)、稀释剂、导电性金属材料、玻璃料(glass frit)及无机触变剂；可以在电极制造过程中防止电极烧成后的变形问题，不仅增加受光面积，还能提高光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电膏组合物，尤其是适合制造太阳能电池电极的导电膏组合物。
背景技术
太阳能电池(solar cell)是一种可以把太阳能转换成电能的半导体元件，通常具有P型半导体与N型半导体的结合形态，其基本结构和二极管相同。
光线入射到太阳能电池后，被其吸收并且与构成太阳能电池的半导体物质相互作用。将出现带(-)电荷与(+)电荷的电子、电子离去后的空穴，从而形成电流或者产生电，这个现象称为半导体的光电效应。
半导体可以区分为吸引带(-)电荷电子的N型半导体与吸引带(+)电荷空穴的P型半导体等两种，半导体上生成的(-)电荷朝N型半导体移动，(+)电荷则朝P型半导体移动，各自汇聚到两侧的电极部后，只要利用电线把两侧的电极连接起来就能形成电流而得到电力。
晶体硅太阳能电池(crystalline silicon solar cell)主要分为单晶(single crystalline)形态材料与多晶(polycrystalline)形态材料，基本上，以p-n同质结(homojunction)的方式应用于太阳能电池。单晶是一种纯度较高而结晶缺陷密度较低的高级别材料，因此会提高效率，但价格高昂；多晶材料则使用相对低廉的材料通过低成本工序制成其效率足堪进行商业化应用的电池，从而达到节约成本的目的。适用单晶硅的电池不使用集光装置时的效率为24％左右，使用了集光装置的电池则具有28％以上的效率。多晶硅电池则具有18％左右的效率。实际上，单晶的效率极限值为35％左右，多晶的效率极限值为19％左右。
但，现有用来制造太阳能电池的电极膏组合物在印刷了电极糊后在150到250℃温度范围内加热干燥处理1到2分钟，然后在750℃的温度进行烧成工序数十秒钟，在所述过程中将破坏纵横比而减少受光区域并降低效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种导电膏组合物，可以改善电极糊印刷后干燥及烧成时的膜变形(Deformation of the printed film)问题。
本发明的另一个目的是提供一种使用本发明导电膏组合物的电极制造方法。
本发明的再一个目的是提供一种太阳能电池，包含利用本发明电极制造方法制成的电极。
为了实现所述目的，本发明导提供一种包括树脂粘合剂、稀释剂、导电性金属材料、玻璃料(glass frit)及无机触变剂的电膏组合物。
为了实现本发明的另一个目的，本发明提供一种使用所述导电膏组合物制造电极的方法。所述方法包括下列步骤：把本发明导电膏组合物印刷到基板上，针对印刷完毕的电极糊进行干燥处理、对所述干燥处理完毕的电极糊进行烧成处理而制成电极。
为了实现本发明的再一个目的，本发明提供一种太阳能电池，其表面电极包含利用所述电极制造方法制成的电极。
附图说明
结合附图1对本发明进行的如下描述，上述以及其它的本发明目的和特征将会更清楚，其中图1是一般太阳能电池的结构概略图。
发明的具体实施方式
下面详细说明本发明。
本发明导电膏组合物包括树脂粘合剂、稀释剂、导电性金属材料、玻璃料及无机触变剂。在本发明的较佳实施例中，本发明组合物包含1到10重量％的树脂粘合剂、5到25重量％的稀释剂、60到90重量％的导电性金属材料、1到10重量％的玻璃料及0.1到5重量％的无机触变剂。而且，本发明组合物以整体重量为基准另外添加0.1到5重量份的分散剂。
较佳地，本发明导电膏组合物的树脂粘合剂成分是在稀释剂(甲苯∶乙醇＝8∶2)溶解5重量％时粘度为5到500cps的纤维素系化合物(Cellulose-based compound)或者是分子量为5,000到50,000的丙烯酯树脂基化合物(acrylic resin-based compound)。
具体地说，所述树脂粘合剂是醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素及羟乙基甲基纤维素之类的纤维素系化合物，或者是聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯及聚甲基丙烯酸乙酯之类的丙烯酯化合物(acrylic com pound)，或者是聚乙烯醇缩丁醛、聚醋酸乙烯酯及聚乙烯醇之类的乙烯基化合物，或者是它们的混合物。
本发明组合物所使用的稀释剂选自α-松油醇、成膜助剂(Texanol)、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯(Dibutyl Phthalate)、环己烷、己烷、甲苯、苯甲醇、二氧六环、二乙二醇、乙二醇单丁醚、乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇单丁醚、二乙二醇丁醚醋酸酯及它们的混合物所构成的群。
较佳地，本发明组合物所使用的无机触变剂是膨润土或二氧化硅(Silica)；更佳地，是德固萨(德国Degussa)公司的爱罗沙(aerosil)。本发明组合物由于含有0.1到5重量％的无机触变剂，其烧成前及烧成后的纵横比变化较小而可以在制造电极时防止膜变形问题。
适用于本发明导电膏的导电性金属材料可以使用银粉、铜粉、镍粉及铝粉等，其中以银粉最佳。为了说明的方便，下面以银粉为例说明导电性金属材料。
银粉的形状可以是球状、针状、板状及非定形中的至少一种。考虑到膏化的便利性与烧成时的致密度，银粉的平均粒径以0.5μm到5μm较佳。而且，考虑到印刷时形成的电极的厚度与电极的线电阻，银粉含量以导电膏组合物含有60到90重量％较佳。
而且，较佳地，适用于本发明组合物的玻璃料具有0.5到5μm的平均粒径，其成分选自43到91重量％的PbO、21重量％以下的SiO2、25重量％以下的B2O3+Bi2O3、7重量％以下的Al2O3、20重量％以下的ZnO、15重量％以下的Na2O+K2O+Li2O及15重量％以下的BaO+CaO+MgO+SrO的玻璃粉中至少一种以上。而且，较佳地，玻璃软化温度为320℃到520℃，热膨胀系数为62到110×10-7/℃。较佳地，玻璃料含量以导电膏组合物总重量为基准时为1到10重量％，低于1重量％时将不完全烧成而可能提高电阻率，高于10重量％时则在银粉的烧成物内具有过多玻璃成分而依然可能提高电阻率。
需要时，本发明组合物另外包括选自诸如光敏化剂(photosensitizer)、阻聚剂、脱泡剂、整平剂(leveling agent)及触变剂所构成的广为人知的添加剂群中一个以上的添加剂。
本发明导电膏组合物适用于太阳能电池的表面电极的制造，使用本发明导电膏组合物制造电极时，首先把本发明导电膏组合物直接印刷到基板上，然后对印刷完毕的电极糊(Electrode paste)进行干燥处理，对所述干燥处理完毕的电极糊进行烧成处理而制成电极。
较佳地，本发明的电极具有10到40μm的厚度。
使用本发明导电膏组合物进行印刷(或图案化(patterning))的电极糊可以在150到250℃的温度进行数分钟的干燥处理，在700到900℃的温度进行数秒钟的烧成处理。
本发明导电膏组合物可以通过丝网印刷、凹版胶印、圆网印花工艺或分离印刷法(lift off printing)之类的各种印刷法印刷到基板上。
如前所述使用本发明导电膏组合物制成的电极可以作为太阳能电池的表面电极使用。
图1是太阳能电池的结构概略图。硅基板可以是多晶硅或单晶硅。为了通过受光生成电动势而使p-n结形成于受光面的附近。形成p-n结时，以基板为p型并通过扩散方式让受光面侧成为n型，也可以相反地以基板为n型后以受光面侧为p型。
太阳能电池芯(cell)的受光面为了防止受光面反射并提高受光效率而通过化学气相沉积(CVD)之类的方法形成反射防止层。反射防止层可以由氧化钛、二氧化硅及氮化硅等构成，其中氮化硅作为器件具有良好的稳定性而较佳。反射防止层也可以作为钝化层(passivation layer)使用。反射防止层的厚度一般是50到100nm左右。硅基板背面(Backside)的背电极(Back Electrode)以涂覆铝之类的导电性金属材料后进行干燥处理的方式制成。本发明导电膏可以适用于反射防止层表面的表面电极上。形成表面电极图案并加以干燥处理后，同时对表面电极与背电极进行烧成处理。表面电极图案的形状可以是平行线与格子等各种形状。
凭借本发明组合物制成的太阳能电池芯(cell)可以另外添加要素后增强其功能。例如，在表面电极的表面形成焊接层时可以提高电池性能的可靠性。
本发明导电膏所构成的表面电极可以实现0.3以上的纵横比(高度/宽度)，该表面电极被适用于太阳电池芯(Cell)时，可以把太阳电池芯的受光面积提高到93％以上。本发明导电膏在烧成后线电阻会降低，可以把受光后产生的电动势有效地作为电流使用。
下面结合下列实施例详细说明本发明。但，下列实施例只是对本发明所做说明而不能据此限定本发明的范围。
<制备例1>第一树脂粘合剂混合物的制备
在1L烧瓶里倒入乙基纤维素(EC，商品名Ethocel Std 100，美国DOW CHEMICAL公司)10g，混合溶剂则投入成膜助剂(Texanol，伊士曼公司)85g与邻苯二甲酸二辛酯(DOP)5g后，在85℃的温度下溶解1小时后制成树脂粘合剂与稀释剂的混合组合物。
<制备例2>第二树脂粘合剂混合物的制备
在1L烧瓶里倒入乙基纤维素(EC，商品名Ethocel Std 45，美国DOW CHEMICAL公司)20g，混合溶剂则投入成膜助剂(Texanol，伊士曼公司)75g与邻苯二甲酸二辛酯(DOP)5g后，在85℃的温度下溶解1小时后制成树脂粘合剂与稀释剂的混合组合物。
导电膏组合物的制备
<实施例1>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-Chemi公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机(three roll mill)使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)78.5g与无机触变剂(爱罗沙(aerosil)-200，德固萨公司)0.5g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器(SUS mesh filter)过滤该导电膏后评估其物性。
<实施例2>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)78g与无机触变剂(爱罗沙-200，德固萨公司)1g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<实施例3>
投入制备例2中所制成的第二树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂3g及稀释剂12g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)78g与无机触变剂(爱罗沙-200，德固萨公司)1g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<实施例4>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物13g(树脂粘合剂1.3g及稀释剂11.7g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后混合银粉(球状，平均粒径为1微米)80g与无机触变剂(爱罗沙-200，德固萨公司)1g并使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<实施例5>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物11g(树脂粘合剂1.1g及稀释剂9.9g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)82g与无机触变剂(爱罗沙-200，德固萨公司)1g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<实施例6>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)38g、银粉(薄片状，平均粒径为3微米)40g及无机触变剂(爱罗沙-200，德固萨公司)1g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<实施例7>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为2微米)78g与无机触变剂(爱罗沙-200，德固萨公司)1g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<比较例1>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)79g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<比较例2>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)39g与银粉(薄片状，平均粒径为3微米)40g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
<比较例3>
投入制备例1中所制成的第一树脂粘合剂混合物15g(树脂粘合剂1.5g及稀释剂13.5g)、分散剂(BYK 110，BYK-CHEMI公司)1g及玻璃料(平均粒径为1微米)5g后，使用三辊轧机使其分散，然后添加银粉(球状，平均粒径为1微米)78g与有机触变剂(BYK 410，BYK-CHEMI公司)1g后加以混合，使用三辊轧机使其分散。然后减压脱泡制成导电膏。使用325钢网过滤器过滤该导电膏后评估其物性。
物性评估
对于实施例1到7及比较例1到3所得到的导电膏，通过下列方法进行物性评估并把其结果列在下述表1。
(1)粘度及触变指数(T.I.，thixo index)
测量粘度时，使用粘度计(Hakke公司，RV1)与Ti 35主轴在10s-1的剪切速率(shear rate)下进行测量。测量触变指数时，分别在1s-1与10s-1的剪切速率下测量粘度后以粘度比(在1s-1下测量的粘度/10s-1下测量的粘度)表示。
(2)纵横比(Aspect ratio)
使用325筛孔筛检查宽度100μm的印刷性。使用丝网印刷机以40cm/min的刮板(squeegee)速度进行印刷。印刷后在150℃的温度下进行干燥处理。然后在烧成炉(SIERRATHERM公司)里以最高温度750℃进行烧成处理，然后观察印刷形状并求得纵横比(A/R)。烧成时的膜变形程度可以通过烧成前与烧成后的纵横比变化的比较而得知。
(3)电阻测量
测量线100μm的线宽与厚度，使用万用表(Fluke公司)测量电阻后，计算电阻率(＝电阻×线宽×厚度/长度)。
表1
由表1结果可知，本发明实施例1到7的导电膏在比较了其烧成前与烧成后的纵横比后，发现其变化甚少并且减少了膜变形，比较例的组合物则变化较大而出现较严重的膜变形。
比较实施例1到7后得知，无机触变剂量越多纵横比越高，这表示对于烧成过程具有良好的膜变形防止效果。而且，银粉含量越高越能改善电阻、增加纵横比。
尤其是，实施例5的导电性化合物不仅改善了烧成前的纵横比(0.313)，还成功地改善了烧成后的纵横比(0.284)。随着纵横比获得改善，增加了受光面积、减少了线电阻。
如前所述，本发明提供一种导电膏组合物及使用该导电膏组合物制造电极的方法。本发明的电极糊组合物可以在印刷、加热、干燥工序后进行烧成处理并且有效地改善膜变形现象。因此，把本发明的导电膏所制成的表面电极适用于太阳能电池芯时，不仅增加受光面积，还能得到光电转换率较高的太阳能电池芯(cell)。
Claims (14)
1.一种导电膏组合物，其特征在于：
包括树脂粘合剂、稀释剂、导电性金属材料、玻璃料(glass frit)及无机触变剂。
2.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
包含1到10重量％的树脂粘合剂、5到25重量％的稀释剂、60到90重量％的导电性金属材料、1到10重量％的玻璃料及0.1到5重量％的无机触变剂。
3.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
以组合物的整体重量为基准，另外添加0.1到5重量份的分散剂。
4.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
所述树脂粘合剂是在稀释溶剂(甲苯∶乙醇＝8∶2)溶解5重量％时粘度为5到500cps的纤维素系化合物或者是分子量为5,000到50,000的丙烯酯树脂基化合物。
5.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
所述稀释剂选自α-松油醇、成膜助剂(Texanol)、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、环己烷、己烷、甲苯、苯甲醇、二氧六环、、二乙二醇、乙二醇单丁醚、乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇单丁醚、二乙二醇丁醚醋酸酯及它们的混合物所构成的群。
6.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
所述无机触变剂是膨润土或二氧化硅(Silica)。
7.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
所述导电性金属材料是平均粒径为0.5到5μm的银粉。
8.根据权利要求1所述的导电膏组合物，其特征在于：
另外包括选自光敏化剂、阻聚剂、脱泡剂、整平剂及触变剂所构成的群中一个以上的添加剂。
9.一种电极制造方法，包括下列步骤：
把权利要求1到权利要求8的任一项所述导电膏组合物印刷到基板上，针对印刷完毕的电极糊进行干燥处理、对所述干燥处理完毕的电极糊进行烧成处理而制成电极。
10.根据权利要求9所述的电极制造方法，其特征在于：
所述电极具有10到40μm的厚度。
11.根据权利要求9所述的电极制造方法，其特征在于：
所述印刷完毕的电极糊在700到900℃的温度下进行烧成处理。
12.根据权利要求9所述的电极制造方法，其特征在于：
所述导电膏组合物通过丝网印刷、凹版胶印、圆网印花工艺或分离印刷法印刷到基板上。
13.根据权利要求9所述的电极制造方法，其特征在于：
所述电极是太阳能电池的表面电极。
14.一种太阳能电池，其表面电极包含按照权利要求9所述电极制造方法制成的电极。
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