CN102687205B - 导电浆料组合物 - Google Patents
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Abstract
导电浆料组合物，特别是用于太阳能电池，包含银颗粒、玻璃颗粒、有机载体和至少一种添加剂。该添加剂可以是五氧化二钽或导电精细的金属颗粒，例如金和/或铂族金属。当用于形成太阳能电池上的电接触时，这种浆料提供该接触对该电池的增强的粘结以及改进的电子传输。
Description
相关申请交叉引用
本发明要求于2009年11月16日递交的、申请号为61/261508的美国临时专利申请的优先权，其内容在此通过参考方式全文并入中。
背景技术
太阳能电池是利用光电效应将太阳能量转换为电的装置。太阳能是具有吸引力的能源，因为它可持续且无污染。因此，现在大量研究致力于开发具有增强的效率而保持低材料和制造成本的太阳能电池。非常简单，当阳光中的光子撞击太阳能电池板时，它们被半导体材料，例如硅吸收。电子从它们的原子中脱离，允许它们流过太阳能电池板的导电部分并产生电。
最普通的太阳能电池是基于硅的那些电池，更具体地，通过将n型扩散层施加到p型硅基底而由硅制造的p-n结(p-n junction)，其与两个电接触层或电极连接。为了使由太阳能电池反射的阳光减至最少，将抗反射涂料，例如氮化硅施加到n型扩散层，以增加耦合(couple)到太阳能电池中的光的量。使用银浆(silver paste)，例如，网格状(grid-like)的金属接触(metal contact)可被丝网印刷到抗反射层上作为前电极。这个光线从其进入的位于电池表面或前面的电接触层，典型地以由“副栅线(finger lines)”或“主栅线(bus bars)”组成的网格图案呈现，而不是完整的层，因为金属网格材料是不透光的。最后，将背接触(rear contact)施加到基底，例如通过将背面银或银/铝浆料接着铝浆料施加到基底的整个背面。然后，该装置在高温下烧制，以将金属浆料转换成金属电极。例如，在公开号为1713093的欧洲专利申请中，可以找到典型的太阳能电池和其制造方法的描述。
典型的银浆包含银颗粒、玻璃粉(玻璃颗粒)、金属氧化物添加剂，例如氧化锆或氧化锡以此增强组合物对太阳能电池板的粘合，以及有机载体。必须仔细挑选这些组分以充分利用所得太阳能电池成品的潜能。例如，最大化所述银颗粒与Si表面之间的接触是必要的，由此电荷载体可流过指状线到达汇流条。如果电阻太高，会阻碍电荷载体。因此期望最小化接触电阻。另外，在组合物中的玻璃颗粒蚀刻穿过抗反射涂层，导致Ag颗粒和Si表面之间的接触。然而，不能允许玻璃穿过p-n结。最终，由于玻璃在银层和Si晶片的交界面中的绝缘效应，以及其它缺点例如接触区域中的高复合率，已知的组合物具有高接触电阻。因此，需要能够克服这些已知缺点的银浆组合物。
发明内容
根据本发明一个实施方案的导电浆料组合物包含：
(a)银颗粒；
(b)玻璃粉；
(c)精细的导电金和/或铂族金属颗粒，优选选自金、钯和铂，其中金属颗粒的粒径为大约1nm至大约1微米，并且基于浆料组合物的重量是以大约0.0001至小于0.01wt％的量存在；以及
(d)有机载体。
根据本发明第二实施方案的导电浆料组合物包含：
(a)银颗粒；
(b)玻璃粉；
(c)五氧化二钽颗粒，其具有小于大约5微米的粒径；以及
(d)有机载体。
根据本发明第三实施方案的导电浆料组合物包含：
(a)银颗粒；
(b)玻璃粉；
(c)精细的导电金颗粒，其中该金颗粒的粒径为大约1nm至大约1微米并且以基于浆料组合物的重量大约0.0001至小于0.1wt％的量存在；以及
(d)有机载体。
根据本发明第一实施方案的太阳能电池电极是通过将导电浆料组合物施加到基底上并且烧制该浆料以形成电极，其中该导电浆料组合物包含：
(a)银颗粒；
(b)玻璃粉；
(c)精细的导电金属颗粒，选自金和铂族金属组成的组，其中所述金属颗粒的粒径为大约1nm至大约1微米，并且基于浆料组合物的重量是大约0.0001至小于0.01wt％；以及
(d)有机载体。
根据本发明第二实施方案的太阳能电池电极是通过将导电浆料组合物施加到基底上并且烧制该浆料以形成电极，其中该导电浆料组合物包含：
(a)银颗粒；
(b)玻璃粉；
(c)五氧化二钽颗粒，其具有小于大约5微米的粒径；以及
(d)有机载体。
根据本发明第三实施方案的太阳能电池电极是通过将导电浆料组合物施加到基底上并且烧制浆料以形成电极，其中该导电浆料组合物包含：
(a)银颗粒；
(b)玻璃粉；
(c)精细的导电金颗粒，其中该金颗粒的粒径为大约1nm至大约1微米，并且基于浆料组合物的重量是大约0.0001至小于0.1wt％；以及
(d)有机载体。
附图说明
当结合附图阅读，可以更好地理解前述的概要以及本发明下面的详细描述。为了说明本发明，在附图展示当前优选的实施方案。然而应该理解的是，本发明不限于所示的明确的布置和装置。在图中：
图1是根据本发明一个实施方案的填充因素vs.添加剂浓度的图表。
具体实施方式
根据本发明的导电浆料组合物包含四个重要部分：银颗粒、玻璃粉、至少一种颗粒添加剂和有机载体。该添加剂可包含特定精细的金属颗粒和/或五氧化二钽(TaO5)颗粒。如下面更详细的描述，这些添加剂提供增强的电子传输和浆料组合物对基底的更好粘合。然而不限于此应用，这种浆料可用于形成太阳能电池中的电接触层或电极。
现在将更详细介绍导电浆料组合物中的各部分。
银颗粒
银颗粒用作导电浆料组合物中的导电金属。在本发明的范围中，也使用其它导电金属代替银或与银一起，所述其它导电金属例如铜，以及包含银、铜、金、钯和/或铂的混合物。或者，这些金属的合金也被用作导电金属。银颗粒可以粉末或片(flake)的形式包含在组合物中，例如具有大约0.3至大约10微米粒径的银粉。除非在此另有说明，这里所述的所有粒度是由激光衍射测量的d50颗粒直径。本领域技术人员也知晓，d50直径表示半数的单个颗粒(基于重量)小于该特定直径的尺寸。当形成太阳能电池时，该直径给银提供合适的烧结性能和导电浆料在抗反射层上的铺展，以及合适的接触形成和所得太阳能电池的导电性。优选该银颗粒以基于组合物总重量大约40至大约95wt％，更优选的是大约70至90wt％的量存在于所述组合物中。
玻璃粉
玻璃粉(玻璃颗粒)用作导电浆料中的无机粘结剂，并作为在烧制期间将银沉积到基底上的传输介质。玻璃系统对于控制沉积到基底上的银的尺寸和深度是重要的。假如可为浆料组合物提供期望的特性，玻璃的具体类型是不关键的。优选的玻璃包括硼硅酸铅和硼硅酸铋，而其他无铅玻璃，例如硼硅酸锌也是适合的。玻璃颗粒优选具有大约0.1至大约10微米，更优选小于大约5微米的粒径，并且优选以基于浆料组合物总重量大约0.5至大约6wt％，更优选小于大约5wt％的量包含在组合物中。该量给组合物带来了合适的粘结强度和烧结性能。
有机载体
具体的有机载体或粘结剂是不是关键的，并且可以是本领域知晓的或为此类型应用待开发的机载体或粘结剂。例如，优选的有机载体包含纤维素树脂和溶剂，例如乙基纤维素在溶剂，例如松油醇中。有机载体优选以基于组合物总重量占大约5至大约30wt％，更优选小于大约20wt％的量存在于该导电浆料组合物中。
添加剂
根据本发明，两种不同类型的添加剂可包含在导电浆料组合物中，这些添加剂可被单独或以组合形式包含。
根据本发明的第一类型添加剂包含精细的导电金属颗粒，优选高导电性的稀有或贵金属颗粒。优选地该金属选自金或铂族金属，例如钯和铂。更优选地，该添加剂包含精细的金颗粒和/或铂颗粒。该精细的金属颗粒优选具有大约1nm至小于3微米，更优选地大约1nm至大约1微米，甚至更优选地小于大约1微米，最优选地大约1至大约500nm的直径。在一个优选实施方案中，精细的金属颗粒具有小于大约100nm的直径。然而，在本发明的范围内也使用稀有或贵金属树脂有机化合物，例如树脂酸金，作为浆料组合物中的添加剂。该精细的金属颗粒优选以基于组合物总重量大约0.0001wt％(1ppm)至大约5wt％，更优选的是大约0.0001至大约2wt％，甚至更优选大约0.0001至大约0.5wt％的量包含在导电浆料组合物中。在优选实施方案中，精细的金属颗粒以大约0.0001wt％至小于大约0.1wt％，或小于大约0.01wt％的量被包含。
精细的金属颗粒包含在组合物中以提供增强的电子传输。例如，已经发现由于小粒径，金容易散布在玻璃层中并有助于使玻璃导电。玻璃基本上是绝缘体，而且太阳能电池的电荷载体需要穿过Ag电极和晶片的交界面中的玻璃层，以使电荷损失最小化。然而，金是良好的导体，因此均匀分散的精细的金颗粒能够创造穿过玻璃绝缘层的电子隧道效应。如上面介绍的，在本发明的范围中，根据本发明的导电浆料组合物中也可包括精细的金属颗粒和氧化钽颗粒。
第二类型添加剂包含五氧化二钽(Ta2O5)颗粒，其优选以基于浆料组合物总重量大约0.1至大约5％，优选小于大约2wt％，更优选小于大约1wt％的量存在于该导电浆料组合物中。五氧化二钽颗粒优选具有小于5微米的粒径。
Ta2O5提供导电组合物对硅表面的更好的粘合。典型的太阳能电池具有SiN抗反射层，其包括防止反射的织构化表面(textured surface)。通常，在SiN和p-n结之间添加SiOx作为钝化层，以修复织构化层中的表面缺陷。一般认为Ta2O5与SiOx和SiN反应，以助于银浆穿透通过钝化层，从而改进银和p-n结之间的接触。
在本发明的范围中，导电浆料组合物中也包括另外的添加剂。例如，可期望单独地或以组合形式包括增稠剂(增粘剂)、稳定剂、分散剂、粘性调节剂等混配料。这些组分在本领域是公知的。如果包括这些成分，其含量由常规实验确定，这取决于期望的导电浆料的特性。
导电浆料组合物可通过本领域中已知的或待开发的任何制备浆料组合物的方法来制备；该准备方法不是关键的。例如，玻璃颗粒可以由精细的金属颗粒(任选地悬浮在液体介质，例如二甘醇或乙酸丁基原酯(butyl carbitolacetate)中)涂覆，使得小金属颗粒粘合到更大的玻璃颗粒。然后，涂覆的玻璃颗粒可与银颗粒和有机载体混合以形成浆料。可替换地，精细的金属颗粒可悬浮在液体介质，例如二甘醇或乙酸丁基原酯中。然后，浆料组分可例如用混合器混合，接着传送通过三辊滚压机，以例如制作分散的均匀浆料。在本发明的范围中，包括粉末形式或悬浮在液体介质中的添加剂。
接着，该浆料可用于通过将该浆料施加到基底上的抗反射层，例如通过丝网印刷，和接着烧制以在硅基底上形成电极(电接触)，来形成太阳能电池，。这种制造方法是本领域公知的，并且例如在EP1713093中描述。
已经发现了利用本发明的导电浆料为太阳能电池提供了改进的性能、更高的转换效率。
现在将结合下面的非限制性实施例介绍本发明。
例1：金添加剂含量的改变
通过混合市售的购自Heraeus Material Technology LLC公司(W.Conshohocken，PA)的银导电浆料SOL953，以及具有4nm粒径(d50)的金添加剂(购自Heraeus)的组分(银粉、玻璃、添加剂和有机物)，制备四种导电浆料。悬浮在作为液体介质的乙酸丁基原酯中的金被涂覆到商业浆料中的玻璃颗粒上。浆料1-4包含不同量的金：16ppm(浆料1)，40ppm(浆料2)，80ppm(浆料3)或160ppm(浆料4)，所有的量均基于所得浆料的总重量。
如下制备六种太阳能电池：在待金属化的p-型多晶(mc)或单晶(sc)太阳能晶片的背面印刷铝浆(RuXing 8252X)并在150℃下干燥，该太阳能晶片具有100Ω/□(mc)或55Ω/□(sc)的薄层电阻。将选自浆料1-4的银浆施加到该晶片的前面，印刷并在150℃下干燥。将浆料1施加到多晶晶片，浆料2-4施加到单晶晶片。接着，电池在炉中在750-800℃的温度下共烧制几秒。使用浆料1-4中的每种制备多个太阳能电池。使用不含添加剂的市售浆料制备另外两种太阳能电池作为对照：一个对照针对单晶太阳能晶片，和一个对照针对多晶太阳能晶片。
使用I-V测试仪测试所得到的太阳能电池。使用具有已知强度的阳光模拟I-V测试仪中的Xe弧光灯，并且照射太阳能电池的前表面以产生I-V曲线。使用该曲线，确定下面的用于电性能比较的参数：短路电流密度(Jsc)，短路电流(Isc)，开路电压(Voc)、填充因数(FF)、分流电阻(Rsh)、串联电阻(Rs)和能量转换率(EFF)。使用填充因数数据比较：对照电池的填充因数等于“100％”，基于适合的对照电池的填充因数相应地计算本发明电池的填充因数。也就是说，使用对照电池I的填充因数作为使用浆料1制备的电池的基准，使用对照电池II的填充因数作为使用浆料2-4制备的电池的基准。
使用浆料1-4制备的电池以及比较电池的电性能数据列在下面的表1中，并且在图1中以图表形式绘出。可以看出非常低的添加剂水平，16至150ppm的金，带来了积极的作用。进一步，更高量的金带来改进的性能。
例子2：添加剂来源的改变
制备如实施例1中描述的两种浆料(“浆料A”和“浆料B”)。浆料B包含40ppm具有4nm的d50粒径的金，如实施例1描述，其以悬浮液的形式添加。浆料A包含40ppm具有100nm的d50的金(也是Heraeus市售)，其以粉末的形式添加。如实施例1中所述，使用单(mono)晶(sc)硅晶片制备太阳能电池。所得太阳能电池以及使用商业SOL953浆料制备的作为对照的电池如实施例1中所述进行分析。使用浆料A、B制备的电池和对照电池的电性能数据以及每种浆料的平均值列于表2中。可以看出本发明浆料A和B显示出相对于比较浆料表现出了优异的结果：更高填充因数、更高效率以及更低的串联电阻。进一步，包含具有4nm粒径的金添加剂的浆料B优于包含粒径为100nm金的浆料A。
本领域技术人员可以理解的是，可以对上述实施方案在不脱离其广泛的创造性概念的情况下作出改变。因此，可以理解的是本发明不限于公开的特定实施方案，但意欲本发明的精神和范围内包括如在附加的权利要求中所限定的变型。
Claims (16)
1.导电浆料组合物，该组合物包含：
（a）银颗粒；
（b）玻璃粉；
（c）精细的导电金属颗粒，其选自金和铂族金属，其中所述金属颗粒的粒径为1nm至1微米并且以基于该浆料组合物重量的0.0001至小于0.01wt%的量存在；以及
（d）有机载体。
2.根据权利要求1的组合物，其中所述金属颗粒是选自金、钯和铂中的至少一种。
3.根据权利要求1的组合物，包含40至95%的银颗粒，0.5至6%的玻璃粉，0.0001至小于0.01wt%的精细的金属颗粒，以及5至30%的有机载体，所有百分比是基于该组合物的总重量的重量百分比。
4.根据权利要求1的组合物，进一步包含0.1至5%重量的五氧化二钽颗粒。
5.根据权利要求4的组合物，其中该五氧化二钽颗粒具有小于5微米的粒径。
6.根据权利要求1的组合物，其中该精细的金属颗粒具有1nm至500nm的粒径。
7.根据权利要求1的组合物，其中该精细的金属颗粒包含金。
8.根据权利要求1的组合物，其中该精细的金属颗粒是金属有机化合物的形式。
9.导电浆料组合物，该组合物包含：
（a）银颗粒；
（b）玻璃粉；
（c）精细的金导电颗粒，其中该金颗粒具有1nm至1微米的粒径并且以基于该浆料组合物重量的0.0001至小于0.1wt%的量存在；以及
（d）有机载体。
10.根据权利要求9的组合物，包含40至95%的银颗粒，0.5至6%的玻璃粉，0.0001至小于0.1wt%的金，以及5至30%的有机载体，所有百分比是基于该组合物的总重量的重量百分比。
11.根据权利要求9的组合物，进一步包含0.1至5%重量的五氧化二钽颗粒。
12.根据权利要求11的组合物，其中该五氧化二钽颗粒具有小于5微米的粒径。
13.根据权利要求9的组合物，其中所述金颗粒具有1nm至500nm的粒径。
14.根据权利要求9的组合物，其中所述金颗粒是金属有机化合物的形式。
15.太阳能电池电极，其通过将导电浆料组合物施加到基底并且烧制该浆料以形成电极而形成，其中所述导电浆料组合物包含：
（a）银颗粒；
（b）玻璃粉；
（c）精细的金属导电颗粒，其选自金和铂族金属，其中所述金属颗粒具有1nm至1微米的粒径并且以基于该浆料组合物重量的0.0001至小于0.01wt%的量存在；以及
（d）有机载体。
16.太阳能电池电极，其通过将导电浆料组合物施加到基底并且烧制该浆料以形成电极而形成，其中所述导电浆料组合物包含：
（a）银颗粒；
（b）玻璃粉；
（c）精细的导电金颗粒，其中所述金颗粒具有1nm至1微米的粒径并且以基于该浆料组合物重量的0.0001至小于0.1wt%的量存在；以及
（d）有机载体。
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