CN102723121A - 太阳能电池用的导电胶组成物及其太阳能电池组件 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种太阳能电池用的导电胶组成物包含(a)银颗粒所构成的导电颗粒；(b)玻璃料；(c)有机接合剂；及(d)溶剂，其中所述(a)银颗粒包含至少二种选自由球形(spherical)、不规则形(irregular)及片状(flake)所组成群组的颗粒或仅包含不规则形颗粒，其中(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为10.4-15.9，及其中以100重量份所述导电胶组成物计，所述组成物包含30-65重量份的固体含量(a)+(b)。本发明另提供太阳能电池组件，其包括经由烧结上述导电胶组成物所形成的电极或导线。本发明提供减少银颗粒在导电组合物的重量比例下，可保有优异的电极或导线所需的性质的导电胶组成物，进而能降低成本，提高产业竞争力应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电胶组成物，特别是涉及一种用于太阳能电池的背部电极或导线的导电胶组成物。
背景技术
由于国际油价高涨以及环保意识的抬头，近年来，世界各国积极的投入研发，寻求可以取代传统能源(包含石油等非再生能源)的再生能源技术，其中特别以太阳能的技术发展最受瞩目。
太阳能的各种技术中，将太阳光转成电能储存的太阳能电池技术的应用广泛，近年来相关技术的开发更是百家争鸣，太阳能电池目前最被广泛使用的为半导体材料(例如硅基材)太阳能电池所制成的组件，图1即太阳能电池组件的剖面构造示意图，其在p型硅半导体基材1上形成具有金字塔型的粗化表面以减少光线反射，再将磷以热扩散方式在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2，并形成p-n界面(junction)。随后再于n型掺杂层2上形成减反射层3与电极4。一般是以丝网印刷方式在减反射层3上涂布含有银颗粒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。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。此外，为了能将多个太阳能电池组件相互串连形成模块，可借由丝网印刷方式在铝背面电极层5上印刷一种银导电胶，经烧结后形成背面导线6。
为了能将太阳能电池的间做模块的串接，背面电极层会焊上数条焊接带(ribbon)7作为连结，但一般而言，铝的可焊性很差，故一般做法是焊在银导线上。另一方面，近年来随着太阳能电池的产业发展，应用于太阳能电池的相关材料随着需求的增加，价格也随的高涨，特别是导电用的银颗粒，但若为了降低成本，减少导线的印量，则导电效果不佳进而影响发电的效率，丝网印刷特性随之受到影显造成缺胶的情况。若减少银颗粒在导电组合物的重量比例则会造成导电度不佳以及因银颗粒、玻璃料及硅晶圆联结界面减少进而导致拉力下降或焊接时遭遇困难。
由此可见，上述现有的太阳能电池用的导电胶组成物在产品结构、制造方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的太阳能电池用的导电胶组成物及其太阳能电池组件，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的太阳能电池用的导电胶组成物存在的缺陷，而提供一种新的太阳能电池用的导电胶组成物及其太阳能电池组件，所要解决的技术问题是在提供一种用于降低银颗粒含量的情况下，可保有优异的电极或导线所需的性质的导电胶组成物，非常适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的导电胶组成物包含(a)由银颗粒所构成的导电颗粒；(b)玻璃料；(c)有机接合剂；及(d)溶剂，其中所述(a)银颗粒包含至少二种选自由球形、不规则形及片状所组成群组的颗粒或仅包含不规则形颗粒，其中(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为10.4-15.9，及其中以100重量份所述导电胶组成物计，所述组成物包含30-65重量份的固体含量(a)+(b)。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的太阳能电池用的导电胶组成物，其中所述的(a)银颗粒为平均粒径(D50)介于0.1-10μm的银金属、银金属的合金或其混合物。
前述的太阳能电池用的导电胶组成物，其中所述的(b)玻璃料不含铅成份。
前述的太阳能电池用的导电胶组成物，其中所述的(b)玻璃料具有330-530℃的转化点温度(Tg)。
前述的太阳能电池用的导电胶组成物，其中所述的其以100重量份玻璃料总重量计，所述(b)玻璃粉含有30-60重量份的氧化铋。
前述的太阳能电池用的导电胶组成物，其中所述的其以100重量份导电胶组成物的总重量计，所述组分(c)的含量为1.7-10.5重量份。
前述的太阳能电池用的导电胶组成物，其中所述的(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为12.4-14.0。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的所述太阳能电池包含电极或导线，其中所述电极或导线经由烧结如请求项1至7中任一项的导电胶组成物所形成。
借由上述技术方案，本发明太阳能电池用的导电胶组成物及其太阳能电池组件至少具有下列优点及有益效果：本发明提供上述组成物可在减少银颗粒在导电组合物的重量比例下，仍保有优异的电极或导线所需的性质的导电胶组成物，进而能降低成本，提高产业竞争力应用。
综上所述，本发明太阳能电池用的导电胶组成物，其包含(a)银颗粒所构成的导电颗粒；(b)玻璃料；(c)有机接合剂；及(d)溶剂，其中所述(a)银颗粒包含至少二种选自由球形(spherical)、不规则形(irregular)及片状(flake)所组成群组的颗粒或仅包含不规则形颗粒，其中(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为10.4-15.9，及其中以100重量份所述导电胶组成物计，所述组成物包含30-65重量份的固体含量(a)+(b)。本发明另提供太阳能电池组件，其包括经由烧结上述导电胶组成物所形成的电极或导线。本发明提供减少银颗粒在导电组合物的重量比例下，可保有优异的电极或导线所需的性质的导电胶组成物，进而能降低成本，提高产业竞争力应用。本发明在技术上有显着的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是太阳能电池组件的剖面构造示意图。
图2是银颗粒的形状的电镜分析图。
1：p型硅半导体基材 2：n型掺杂层
3：减反射层 4：正面电极
5：铝背面电极层 6：背面导线
7：焊接带
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的太阳能电池用的导电胶组成物及其太阳能电池组件其具体实施方式、结构、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明导电胶组成物所使用的(a)银颗粒，可为任何本发明所属技术领域具有通常知识者所已知者，其可为任何适当形式的银颗粒，例如银金属、银金属的合金或彼等的混合物等。银颗粒包含至少二种选自由球形、不规则形及片状所组成群组的颗粒或仅包含不规则形的颗粒，不同银颗粒形状的组合，可影响导电胶组成物经烧结后形成的电极(或导线)与焊接带之间的拉力强度，若仅使用球形或片状的银颗粒，则电极(或导线)与焊接带的间的拉力强度不佳。根据本发明，银颗粒的平均粒径(D50)介于0.1-10微米(μm)之间，优选为介于0.5-5μm之间。可用于本发明的市售银颗粒例如包括由美国Metalor所产出的球形银颗粒：型号为C2462P、C3018P及K2081P，片状银颗粒：型号为AA0005、EA0015、EA0018、FA3162、GA0143及SA2831，及不规则形银颗粒：型号为C0083P及D2466P；Ferro、Ames Goldsmith公司以及日本DOWA公司所生产的型号为Ag-2-11、AG-2.5-16C、Ag-5-11F及Ag-6-11的球形银颗粒或FA-5-1、FA-D-1、FA-D-2、FA-D-3、FA-D-4的片状银颗粒。
根据本发明，(a)银颗粒的用量，以100重量份导电胶组成物的总重量计，为30-60重量份，优选为45-55重量份。
本发明导电胶组成物所使用的(b)玻璃料包含铋(Bi)元素，上述铋元素可以合金或氧化物的形式存在，所述玻璃料另包含例如，但不限制于，氧化硼(B2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(Zr2O3)、氧化锶(SrO)、氧化钾(K2O)等，或其混合物，本发明导电胶组成物视使用情况可使用不同元素组成的玻璃料，但其中不含铅(Pb)元素。根据本发明的一优选实施方式，本发明所使用(b)玻璃料中所含氧化铋的量，以100重量份玻璃料总重量计，为30-60重量份，优选为37-52重量份。
本发明导电胶组成物的玻璃料的转化点温度(Tg)为330-530℃，若转化点温度(Tg)高于530℃则导电胶组成物在形成导线(或电极)的烧结温度下不易软化玻璃料，因此造成导线(或电极)与基材的接着强度不佳；若转化点温度(Tg)小于330℃则玻璃料太软，造成导线(或电极)与基材的接着强度不佳。
根据本发明，(b)玻璃料的用量，以100重量份导电胶组成物的总重量计，为约0.5-10重量份，优选为1.0-5.0重量份，更优选为2.0-4.0重量份。如果玻璃料含量低于0.5重量份，会造成烧结后产物黏结强度不足；若含量高于10重量份，则会使烧结后产物整体(例如导线)的导电度下降、电阻上升，效率也随的而下降，也因烧结过程中银颗粒与玻璃料会造成分散不均进而产生浮动玻璃缘故，在焊接步骤上会发生问题。
根据本发明，(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为10.4-15.9，优选为12.4-14.0，若大于15.9则无机黏结剂含量过低，无法达到黏结作用，使烧结后的产物剥离强度下降；若小于10.4则无机黏结含量过高，导致烧结后的产物(例如导线)本身电阻上升。
本发明导电胶组成物的固体含量以100重量份所述导电胶组成物计，包含30-65重量份的固体含量(a)+(b)，优选40-60重量份。
本发明导电胶组成物所使用的(c)有机接合剂，用于作为导电组成物干燥后烧结前的支撑物(support)，为避免烧结后影响电性，以烧结后不残留碳者为佳。可使用树脂作为接合剂，以热塑性树脂为佳，且优选为选自纤维素、丙烯酸类树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂、环氧树脂或其混合物，更优选为纤维素、丙烯酸类树脂、聚氨酯树脂或其混合物。
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。可用于本发明的丙烯酸类树脂的种类，例如包括，但不限于：聚氨酯丙烯酸酯，如脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(aliphatic urethane acrylate)；聚环氧丙烯酸酯，如聚酚醛环氧丙烯酸酯(novolac epoxy acrylate)；聚酯丙烯酸酯；以聚酯多元醇为主的丙烯酸酯(polyester polyol basedacrylate)；丙烯酸酯均聚物或共聚物；或彼等的混合物。
根据本发明，(c)有机接合剂的用量，以100重量份导电胶组成物的总重量计，为约1.7-10.5重量份，优选为2.6-8.4重量份。
本发明的导电胶组成物所使用的(d)溶剂，用于调整导电胶组成物至适当黏度，其中黏度优选为介于10000-40000cps，为避免导电胶组合物在印刷时因溶剂挥发过快，影响导电胶组成物的黏度，造成印刷时的不稳定，所使用的溶剂优选为具有范围在140-280℃的沸点，常用的溶剂例如但不限于以二醇醚类为主的有机溶剂，如二乙二醇单丁基醚(diethyleneglycol monobutyl ether)；醚酯类，如乙基卡必醇乙酸酯(ethyl carbitolacetate)、乙二醇丁基醚乙酸酯(ethylene glycol monobutyl etheracetate)、丁基卡必醇乙酸酯(butyl carbitol acetate)、丙二醇单甲醚乙酸酯(propylene glycol methyl ether acetate)；萜烯类(如松油醇(terpineol))。根据本发明，(d)溶剂的用量以100重量份导电胶组成物的总重量计为20-70重量份。
本发明导电胶组成物也可视需要包含任何熟悉此项技术者已知的(e)添加剂，其例如但不限于无机填充剂(inorganic filler)、氧化添加剂(oxidizing additive)、增塑剂(plasticizer)、增敏剂(sensitizer)、偶联剂、分散剂、界面活性剂、润湿剂、增稠剂(thickening agent)、消泡剂(defomer)或触变剂等，可单一添加或组合两种以上使用，其(e)添加剂用量以100重量份导电胶组成物的总重量计，为0-6重量份，优选为0.5-4重量份。
本发明的导电胶组成物可使用任何本发明所属技术领域中具有通常知识者所熟知的方法，应用于太阳能电池组件中，例如，可经由包含以下步骤的方法于太阳能电池组件中形成电极或导线：
(a)将有机接合剂、银颗粒、玻璃料、溶剂及视需要适当的添加剂混合以形成导电胶组成物；
(b)利用丝网印刷机(所用网板约具有180-400网目)，将所述导电胶组合物涂布于基材(例如单晶或多晶硅晶圆)上，形成欲得的图样(pattern)，膜厚约(20-50微米)；
(c)对所述线形照射能量射线或加热或两者并用以去除溶剂使其固化；
(d)利用烧结炉，在设定温度750-950℃进行烧结(sintering)，以去除有机接合剂，并将玻璃料、银颗粒与基材熔结在一起，形成导线或电极。
本发明的导电胶组成物可应用于任何公知的太阳能电池组件中取代公知的导电胶组成物，作为太阳能电池组件中的电极或导线。
下述实施例以形成太阳能电池组件背面的电极为例，进一步说明本发明的导电胶组成物的特点及及其应用方式，唯非用以限制本发明的范围。任何熟悉此项技术的人士可轻易达成的修饰及改变均包括于本发明说明书揭示内容及所附申请专利范围的范围内。
本发明将以下述实例作进一步的说明。
实施例
导电胶组成物的制造
本发明导电胶组成物的制备包括将平均粒径(D50)在0.5-1.3um的银颗粒，及玻璃料加入(d)溶剂(A：松油醇；B：二乙二醇单丁基醚)及有机接合剂中，视需要加入分散剂(e)，其组成比例成分如表1及表2所示，以混合器进行预混。
球形银颗粒(a1)、片状银颗粒(a2)及不规则形银颗粒(a3)的外观形貌以电镜分析，分析结果如图2所示。
(b)玻璃料为Tg＝430℃，含有40wt％氧化铋、氧化硅及氧化硼组成物。
(c)有机接合剂为乙基纤维素树脂。
混合完后，包含银颗粒(a)、玻璃料(b)、有机接合剂(c)及溶剂(d)及视需要的分散剂(e)的导电胶组成物会以技术人士悉知三滚筒混料机(3-roll mill)进一步分散及研磨均匀，以此制备用于太阳能电池背面的导电胶组成物。
太阳电池的制造
具有200μm的厚度的六时单晶晶圆接受表面织化(texturing)加工而形成金字塔结构。然后，在晶圆的N侧上沉积SiNx。在晶圆的P侧上以网目数250mesh网版印刷上本发明案实施例的太阳电池背面电极用的导电胶组成物，并在180℃使其干燥5分钟。然后，使用网版丝丝网印刷刷将铝导电胶(Etergen SP-2601；长兴化学工业股份有限公司)涂布在六时单晶晶圆的P侧并干燥，及使用正面银胶在六时单晶晶圆的前SiN x侧印刷手指状电路(finger line)并干燥。
干燥步骤完成后，涂布有干燥铝导电胶及本发明的导电胶组成物的单晶硅晶圆置于连续式红外线烧结炉中以烧结区间的温度为750-950℃进行烧结，借此制造太阳电池。烧结过程中可将导电胶中有机成分移除及使导电胶中无机成分及硅晶圆形成连结进而形成电极。
测试方法
<太阳能电池的评估>
所制造的太阳能电池性能使用QuickSun 120CA(Endeas)予以评估。
<拉力评估>
使用涂附有62Sn/36Pb/2Ag的铜带，以150-230℃焊锡温度焊接上本发明的导电胶所形成太阳能电池背面导线，焊接时间约2-5秒。的后以相对于电池180°的角度拉扯铜带获得拉力数据。
表1
请参阅表1，从各组结果显示，本发明的导电胶组成物适用于作为背面导线低固含量太阳能电池导电胶组成物，例如实施例1的印刷重量明显较比较例1低0.039g，减少了40％重量百分比的太阳能电池导电胶组成物用量，对于成本降低的成果有明显的功效。此外，运用不同形状(a)银颗粒的搭配，可选自由(a1)球形，(a2)片状及(a3)不规则状银组成的群组，可使实施例的发电效率与比较例1维持相当水准，甚至高比较例0.1％。
表2
注：表1与表2的含量皆以重量份计
表2所示的导电胶组成物中，实施例3-5、7、8及比较例2，3皆与上表中实施例1，2的组成比例相同，只有实施例6添加2重量份的分散剂(e)，此外，实施例(a)银颗粒组成与比较例不同，实施例包含至少二种选自由(a1)球形、(a2)片状及(a 3)不规则形所组成的群组的银颗粒或仅使用(a3)不规则形银颗粒。比较例2，3分别为仅使用(a1)球形银颗粒或(a2)片状银颗粒的导电胶组成物，拉力数据皆低于1.0N，判定为焊接强度不良。而实施例3-8除实施例3为仅使用(a3)不规则形银颗粒外，其余皆为包含至少二种选自由(a1)球形、(a2)片状及(a3)不规则形所组成的群组的银颗粒，拉力皆大于1.0N，焊接强度良好，而实施例5发电效率可高达17.42％，较比较例2，3发电效率高0.2-0.3％。
实施例8与实施例1-7主要差异为(d)溶剂。其中标示A表示松油醇；B表示二乙二醇单丁基醚，导电胶组成物变更(d)溶剂对于发电效率及拉力数据不会造成影响，本发明案导电胶组成物可使用任何技术界熟知的溶剂，并不局限于本发明案所提及溶剂种类，对太阳能电池的信赖性不会造成影响。
此外，实施例4与比较例4-5只有(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量不同。由比较例4可知，(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为10.11时，拉力数据表现略低于实施例4，但焊接能力仍判属良好，但发电效率明显降低，因其中所含玻璃料比例太高，造成本身电阻的上升，又因浮动玻璃的故使拉力些微下降。在比较例5中，(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为16.86，虽发电效率维持与实施例4相近，但因其中玻璃料比例降低，无法形成银颗粒、玻璃料及硅晶圆界面连结，造成焊接能力的不良。实施例4因(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为适当比例，在发电效率与拉力数据皆表现良好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，所述导电胶组成物包含(a)由银颗粒所构成的导电颗粒；(b)玻璃料；(c)有机接合剂；及(d)溶剂，其中所述(a)银颗粒包含至少二种选自由球形、不规则形及片状所组成群组的颗粒或仅包含不规则形颗粒，其中(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为10.4-15.9，及其中以100重量份所述导电胶组成物计，所述组成物包含30-65重量份的固体含量(a)+(b)。
2.如权利要求1所述的太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，其中所述(a)银颗粒为平均粒径介于0.1-10微米的银金属、银金属的合金或其混合物。
3.如权利要求1所述的太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，其中所述(b)玻璃料不含铅成份。
4.如权利要求1所述的太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，其中所述(b)玻璃料具有330-530℃的转化点温度。
5.如权利要求3所述的太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，其中以100重量份玻璃料总重量计，所述(b)玻璃粉含有30-60重量份的氧化铋。
6.如权利要求1所述的太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，其中以100重量份导电胶组成物的总重量计，所述组分(c)的含量为1.7-10.5重量份。
7.如权利要求1所述的太阳能电池用的导电胶组成物，其特征在于，其中所述(a)银颗粒的重量相对于(b)玻璃料的重量为12.4-14.0。
8.一种太阳能电池组件，其特征在于，所述太阳能电池组件包含电极或导线，其中所述电极或导线经由烧结如权利要求1至7中任一项的导电胶组成物所形成。
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