CN102714237B - 结晶太阳能电池后面电极制造用组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，针对后面电极制造用组合物，用于制造在晶圆的前、后面形成前面电极及后面电极的结晶太阳能电池，其特征在于：由丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂、铝粉、无机粘结剂、用于增大与晶圆粘附力的添加剂的混合组合物构成，上述铝粉由30～100纳米大小的铝粉与2～10微米大小的铝粉混合而成。本发明通过使用大小(size)比以往小的铝粉，从而能够降低串联电阻(Rs_contact？resistance)值，因此具有的效果是能够具有显著优秀的光电转换效率(Efficiency)。
Description
技术领域
本发明涉及结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，特别是涉及一种高效率太阳能电池制造用后面电极材料，特征在于使用大小(size)比以往小的铝粉，更详细地说，能够降低串联电阻(Rs_contact resistance)值，因而能够具有显著优秀的光电转换效率(Efficiency)。
背景技术
一般而言，结晶太阳能电池作为将太阳光能直接转换为电气的半导体元件，主要使用硅材料，如图1所示，基本上由以下结构构成：硅晶圆(10)，构成p-n结结构；防止反射膜(20)，在上述硅晶圆(10)的上面形成，能够使光线很好地被太阳能电池的内部吸收；前面电极(30)及后面电极(40)，在上述硅晶圆(10)的上面及下面分别印刷层叠，把在硅晶圆(10)内部生成的电气引向外部。
作为上述前面电极(20)，银(Ag)被用作主电极材料，作为上述后面电极(40)，铝(Al)被用作主电极材料。
另外，也可以对表面进行粗糙化处理，取代在硅晶圆(10)上形成上述防止反射膜(20)，减小入射的太阳光的反射率。
具有上述构成的太阳能电池如图2所示，太阳光入射并被吸收到硅晶圆的内部后，借助被吸收的该光线，在晶圆内部生成(+)(-)电荷，借助于在晶圆内的p型硅与n型硅的p-n结处生成的电位差，生成的电荷的电子(-)与空穴(+)分离，电子向n型硅一侧移动，空穴向p型硅一侧移动，从而被收集于前面电极及后面电极，使后面电极成为阳极，前面电极成为阴极，能够供电。
可是，用于如上所述结晶太阳能电池的以往的后面电极，是在硅晶圆上印刷作为后面电极材料的铝粉浆后，利用烧结、模块化工序形成，以往，在进行制造结晶太阳能电池所需的烧结(sintering)处理时，由于因晶圆与后面电极间的热膨胀系数差异而发生的应力，在烧结工序后，存在发生晶圆扭曲或折弯的弯曲(bowing)现象的问题，因此，不仅在作为后续工序的模块化工序中造成制造不良，而且由于难以用作薄膜硅晶圆，在制造太阳能电池时，成为导致晶圆的费用上升的原因。
另一方面，本发明人在大韩民国注册专利第10-0801168号(公告日2008.02.05)中注册了一种混合组合物，作为高效率太阳能电池制造用后面电极材料，相对于丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂0.5～20重量份，按铝粉40～90重量份、无机粘结剂0.5～10重量份以及用于增大与晶圆粘附力的添加剂0.1～10重量份的配比构成。
但是，由上述的混合组合物构成的高效率太阳能电池制造用后面电极材料，由于串联电阻(Rs_contact resistance)值高，存在光电转换效率(Efficiency)不足的问题。
另外，为提高结晶太阳能电池的效率，需要能够在不降低光电转换效率的前提下，进一步减小弯曲(bowing)现象，但是，作为上述后面电极材料，却存在无法进一步减小弯曲现象的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，能够降低串联电阻(Rs_contact resistance)值，从而能够具有显著优秀的光电转换效率(Efficiency)。
另外，在晶圆的厚度日益变薄的趋势下，为提高太阳能电池的效率，提供一种能够在不降低光电转换效率的前提下，进一步减小弯曲(bowing)现象的高效率太阳能电池制造用后面电极材料。
为达成上述目的，针对后面电极制造用组合物，用于制造在晶圆的前、后面形成前面电极及后面电极的结晶太阳能电池，本发明的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物的特征在于：由丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂、铝粉、无机粘结剂、用于增大与晶圆粘附力的添加剂的混合组合物构成，上述铝粉由30～100纳米大小的铝粉与2～10微米大小的铝粉混合而成。
其中，优选上述铝粉由30～100纳米大小的铝粉0.01～7.0重量份和2～10微米大小的铝粉39.9～85.0重量份混合而成。
而且，上述混合组合物还可以包括气相二氧化硅(fumed silica)，上述气相二氧化硅(fumed silica)相对于丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂0.5～20重量份，包含0.01～10重量份。
本发明的其他特征记载于后述的详细说明及附图中。
上述本发明针对由丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂、铝粉、无机粘结剂、用于增大与晶圆粘附力的添加剂的混合组合物构成的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，通过使用大小(size)比以往小的铝粉，从而能够降低串联电阻(Rs_contact resistance)值，因此具有的效果是能够具有显著优秀的光电转换效率(Efficiency)。
另外，在晶圆厚度逐渐变薄的趋势下，为提高结晶太阳能电池的效率，需要能够在不降低光电转换效率的前提下，进一步减小弯曲(bowing)现象，而本发明通过使用还包含气相二氧化硅(fumed silica)的混合组合物，因此具有的效果是能够比以往显著优秀地减小弯曲现象。
附图说明
图1是显示普通结晶太阳能电池结构的剖面图，
图2是用于说明普通结晶太阳能电池原理的示意图，
图3是用于说明本发明的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物制造工序一个示例的流程框图，
图4是显示在根据本发明和以往技术分别制造的后面电极材料中的纳米铝粉含量与串联电阻值关系示例的图表，
图5是显示在本发明的后面电极材料中的铝粉粒子大小与串联电阻值关系示例的图表，
图6是显示在根据本发明的包含气相二氧化硅的后面电极材料与根据以往技术的不包含气相二氧化硅的后面电极材料中，电极材料印刷厚度与弯曲特性结果的图表，
图7是测量显示使用了本发明后面电极材料的结晶太阳能电池的光转换效率的示意图。
(符号说明)
10：硅晶圆20：防止反射膜
30：前面电极40：后面电极
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明的优选实施例。
图3是用于说明本发明的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物的制造工序一个示例的流程框图。
其中，如图所示，本发明的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物的特征是经如下步骤制造：第1步骤(S1)，清洗原料投入容器；第2步骤(S2)，计量由树脂、无机粘结剂及添加剂构成的基础(base)原料并投入上述第1步骤的原料投入容器；第3步骤(S3)，通过拌合机配合上述原料投入容器中投入的基础原料；第4步骤(S4)，把经上述第3步骤的配合原料投入三辊碾磨机(3-roll mill)的分散装置，对配合的原料进行粉碎、混合并压出；第5步骤(S5)，通过上述第4步骤，使基础原料实现浆料(paste)化；第6步骤(S6)，计量如此实现浆料化的基础原料和铝粉以及选择性添加的气相二氧化硅添加剂并投入。
以往，虽然经过与树脂、无机粘结剂及添加剂一同投入铝粉并配合原料的步骤，但是此时，由于是由微细粉末构成的铝粉一同配合的不同物质(树脂、无机粘结剂及添加剂)，发生分散不充分、结块的问题。因此，在本发明中，首先对构成微细基础原料的树脂、无机粘结剂及添加剂进行配合，充分实现浆料化，通过在其中混合微细的铝粉粉末，使铝粉得到更均匀分散，从而赋予更优秀的传导性，能够防止起泡及发生弯曲，减小接触电阻，形成限定的后面电极。
接着，在上述第6步骤后，可以经过以下步骤：第7步骤(S7)，再次通过拌合机对投入了铝粉等的原料进行配合；第8步骤(S8)，把经过上述第7步骤的配合原料投入三辊碾磨机(3-roll mill)的分散装置，对配合的原料进行混合并压出；第9步骤(S9)，测量经过上述第8步骤的浆料材料，确认物性。
然后，进行把如上制成浆料的原料混合物的后面电极材料涂布印刷于硅晶圆上并干燥的工序，随后，通过烧结(sintering)工序，能够形成构成结晶太阳能电池的后面电极。
基本而言，本发明的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物由丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂、铝粉、无机粘结剂、用于增大与晶圆粘附力的添加剂的混合组合物构成。
首先，在本发明的浆料型后面电极材料中，丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂在用于形成结晶太阳能电池的前面电极及后面电极的丝网印刷步骤中，起到提供流动性的功能。
而且，上述铝粉为后面电极赋予传导性，与硅晶圆部分结合，形成合金层(p+)，减小接触电阻，起到顺利形成后面电极的功能。
特别是在本发明中，上述铝粉的特征在于由30～100纳米大小的铝粉和2～10微米大小的铝粉混合而成。
以往，作为上述铝粉，使用由50～130纳米大小的铝粉和2～10微米大小的铝粉混合而成的铝粉，但在本发明中，通过使用比其更小的30～100纳米大小的铝粉，如后面所述，确认了能够进一步降低串联电阻(Rs_contactresistance)值，从而完成了本发明。
优选上述30～100纳米大小的铝粉是具有平均粒度80nm的铝粉粉末，本发明通过如此使用大小(size)比以往小的铝粉，从而能够进一步降低串联电阻值，因而具有的效果是能够具有显著优秀的光电转换效率(Efficiency)。
更详细地说，可以使用由30～100纳米大小的铝粉、平均粒度2微米铝粉、4微米铝粉、6微米铝粉及10微米铝粉混合而成的组合物。
此时，更优选上述铝粉由30～100纳米大小的铝粉0.01～7.0重量份和2～10微米大小的铝粉39,9～85.0重量份的混合配比构成。优选通过使用大小比以往小的铝粉，其量混合稍微多些。
由多种粒子大小的混合配比构成的上述铝粉的含量，当在晶圆上利用本发明的浆料型电极材料形成后面电极时，能够更优秀地防止起泡及发生弯曲，而且，能够在晶圆上形成优秀的BSF层和提供粘附力，稳定地形成后面电极。
上述无机粘结剂起到赋予粘附力的功能，在印刷了制造结晶太阳能电池所需的本发明电极材料后进行烧结时，使作为浆料的本发明电极材料能够在硅晶圆上良好地帖紧并形成。
优选上述无机粘结剂使用玻璃原料(Glass Frit)，可以由二氧化硅(SiO2)、铝氧化物(Al2O3)、硼氧化物(B2O3)、铋氧化物(Bi2O3)、钠氧化物(Na2O)、氧化锌(ZnO)中的两种以上原料或全体混合的化合物构成。
上述添加剂采用适量值，在进行制造结晶太阳能电池所需的印刷作业时，起到消泡或平整、改善分散稳定性的功能，并具有增加与晶圆的粘附力效果。
优选上述添加剂在铊氧化物(Tl2O3)、锌氧化物(ZnO)、铋氧化物(Bi2O3)中选择任意一种或两种以上使用。
而且，优选上述原料的配比是相对于丙烯酸酯系或纤维素系树脂0.5～20重量份，由铝粉40～90重量份、无机粘结剂0.5～10重量份、添加剂0.1～10重量份构成。
上述丙烯酸酯系或纤维素系树脂在使用0.5重量份以下的情况下，当用于太阳能电池的制造时，难以顺利进行丝网印刷作业，特别是印刷时，难以形成均一的膜厚度及图案，在超过20重量份的情况下，在印刷作业时，墨水滴落增多，发生渗开现象等，给形成精密图案带来困难，烧结时，降低不挥发残留成份及铝含量，从而造成电极电阻的损失。
上述铝粉在适用40重量份以下的情况下，当用作后面电极时，发生起泡(bead)或难以形成BSF(Back Surface Field)层，在超过90重量份的情况下，降低与晶圆的粘附力，发生弯曲的忧虑增高。
上述无机粘结剂在使用0.5重量份以下的情况下，当进行太阳能电池制造所需的烧结作业时，难以发挥形成与晶圆的粘附力的功能，在超过10重量份的情况下，虽然能够增加与晶圆的粘附力，但是会起到增加晶圆与作为浆料的电极材料的接触电阻值的作用，妨碍在太阳能电池中形成的电子的流动，因此成为降低转换效率、发生弯曲或起泡的原因。
与此同时，本发明的另一特征是上述混合组合物还包括气相二氧化硅(fumed silica)。
气相二氧化硅由于具有多孔性，比表面积非常大，如后面所述，在本发明中，通过将这种气相二氧化硅应用于上述混合组合物，改善了以往的弯曲(bowing)现象。
在晶圆厚度逐渐变薄的趋势下，为提高结晶太阳能电池的效率，需要能够在不降低光电转换效率的前提下，进一步减小弯曲(bowing)现象，本发明通过使用还包括气相二氧化硅(fumed silica)的混合组合物，从而具有能够比以往显著优秀地减小弯曲现象的效果。
此时确认到，气相二氧化硅在相对于上述丙烯酸酯(acrylate)系或纤维素(cellulose)系树脂0.5～20重量份，包含0.01～10重量份的情况下，其效果最优秀。
另一方面，图4至图7显示了关于具有本发明上述构成的后面电极制造用组合物的各种实验结果。
在以下实验结果中，所谓以往技术，是指上述的大韩民国注册专利第10-0801168号的电极材料或关于其的实验结果。
首先，图4是显示在根据本发明和以往技术分别制造的后面电极材料中的纳米铝粉含量与串联电阻值(Rs)关系示例的图表。
在本发明的后面电极材料中，铝粉使用了由30～100纳米大小的铝粉和2～10微米大小的铝粉混合而成的铝粉，在以往技术的电极材料中，铝粉使用了由50～130纳米大小的铝粉和2～10微米大小的铝粉混合而成的铝粉。
如图4所示，就本发明的情形而言，在包含纳米铝粉的全部含量区间，可以确认到串联电阻值低于以往技术，特别是当纳米铝粉含有6～8重量％时，可以发现串联电阻值显著降低。
图5是显示在本发明的后面电极材料中的铝粉粒子大小与串联电阻值(Rs)关系示例的图表。
在本发明的后面电极材料中，铝粉相对于上述丙烯酸酯系或纤维素系树脂10重量份，包含65重量份，上述铝粉是在变化与2～10微米大小的铝粉一同混合的30～100纳米大小的铝粉的平均粒度的同时，测量了串联电阻值。
其结果如图5所示，可以确认到，当平均粒度为80nm时(当使用30～100纳米大小的铝粉时)，能够比平均粒度为100nm时(使用50～130纳米大小的铝粉时)更优秀地降低串联电阻值，即使平均粒度小于80nm，串联电阻值也不再下降。
图6是显示在根据本发明包含气相二氧化硅的后面电极材料与根据以往技术不包含气相二氧化硅的后面电极材料中，电极材料印刷厚度与弯曲特性结果的图表，
其中，弯曲是按电极材料厚度进行测量的，与之相应的弯曲现象结果如图6所示，在全部区间，根据本发明包含气相二氧化硅时，与不包含气相二氧化硅的以往技术相比，可以发现弯曲现象显著减少。
图7是测量显示使用了本发明后面电极材料的结晶太阳能电池的光转换效率的示意图。
图7的表计算了当向应用了本发明的结晶太阳能电池照射人造太阳光时，基于电压和电流测量值的效率。
如图7的图表所示，可以发现，与左侧显示的以往技术相比，位于右侧的本发明的图表显示出更优秀的效率。
另一方面，本发明虽然参照如上所述的具体实施例及附图进行了说明，但不能认为本发明特别限定于此，依据基于本发明的权利要求书解释的技术思想，所属技术领域的技术人员进行的多种置换、修改及变形等的实施可以归属于本发明的技术范畴内。
工业利用可能性
本发明能够提供高效率结晶太阳能电池制造用后面电极材料，通过使用大小(size)比以往小的铝粉，能够降低串联电阻(Rs_contact resistance)值，从而能够具有显著优秀的光电转换效率(Efficiency)。
Claims (5)
1.一种结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，后面电极制造用组合物用于制造在晶圆的前、后面形成前面电极及后面电极的结晶太阳能电池，其特征在于：由丙烯酸酯系或纤维素系树脂、铝粉、无机粘结剂、用于增大与晶圆粘附力的添加剂的混合组合物构成，上述铝粉由30～100纳米大小的铝粉和2～10微米大小的铝粉混合而成，其中上述混合组合物还包括气相二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，其特征在于：
上述铝粉由30～100纳米大小的铝粉0.01～7.0重量份和2～10微米大小的铝粉39.9～85.0重量份混合而成。
3.根据权利要求1所述的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，其特征在于：
相对于0.5～20重量份的丙烯酸酯系或纤维素系树脂，含有0.01～10重量份的上述气相二氧化硅。
4.根据权利要求1或2所述的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，其特征在于：
上述无机粘结剂使用由二氧化硅、铝氧化物、硼氧化物、铋氧化物、钠氧化物、氧化锌中的两种以上原料或全体混合的化合物的玻璃原料。
5.根据权利要求1或2所述的结晶太阳能电池后面电极制造用组合物，其特征在于：
上述添加剂选择铊氧化物、锌氧化物、铋氧化物中的任意一种或二种以上使用。
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