CN103137240B - 用于太阳能电池电极的膏糊组合物、用该组合物制备的电极、以及包括该电极的太阳能电池 - Google Patents

用于太阳能电池电极的膏糊组合物、用该组合物制备的电极、以及包括该电极的太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开提供一种用于太阳能电池电极的膏糊组合物、用该组合物制备的电极、以及包括该电极的太阳能电池。用于太阳能电池电极的膏糊组合物包括：（a）导电粉末混合物、（b）玻璃粉、以及（c）有机载体。这里，导电粉末混合物可包括1wt%到少于10wt%的平均颗粒直径（Dx）在1nm到100nm之间的导电粉末，和高于90wt%到99wt%以下的平均颗粒直径（D50）在0.5μm到5μm之间的导电粉末。

Description

用于太阳能电池电极的膏糊组合物、用该组合物制备的电极、以及包括该电极的太阳能电池
技术领域
本发明涉及用于太阳能电池电极的膏糊组合物、用该组合物制备的电极、以及包括该电极的太阳能电池。更具体地，本发明涉及用于太阳能电池电极的膏糊组合物、用该膏糊组合物制备的电极、以及包括该电极的太阳能电池，其中该膏糊组合物包括含特定量具有特定颗粒直径范围的导电粉末的导电粉末混合物。本发明可实现用以改善短路电流和可加工性的精细图案，并通过改善电极的串联电阻提供高填充因数，由此改善太阳能电池的转换效率。
背景技术
随着化石燃料，如油和煤的即将耗尽，利用太阳光作为替代能源的太阳能电池获得人们的注意。太阳能电池利用将太阳光的光子转化为电的p-n结的光伏效应产生电能。在太阳能电池中，前电极和背电极分别在具有p-n结的半导体晶片或基底的前表面和后表面上形成。然后，进入晶片的太阳光诱导p-n结的光伏效应，由p-n结光伏效应产生的电子提供经电极流到外部的电流。太阳能电池的电极通过施加、图案化、和灼烧用于电极的膏糊组合物而在晶片上形成。
对于太阳能电池，提高从太阳光能到电流的转换效率是很重要的。传统上，太阳能电池的转换效率主要是通过调节膏糊组合物中导电粉末的尺寸、表面处理或混合比来增加的。然而，该方法对于太阳能电池的转换效率的提高具有限制。此外，人们试图通过混合具有不同粒径的导电粉末来改善烧结密度或电极电阻。然而，在使用纳米颗粒时，由于由比表面积的增加所引起的膏糊粘度的快速增加，使得这种尝试导致低的可加工性。因此，需要通过调节膏糊粘度而改善太阳能电池的转换效率和可加工性的新型膏糊。
发明内容
本发明一方面提供了一种用于太阳能电池电极的膏糊组合物，其包括（a）导电粉末混合物、（b）玻璃粉（glassfrit）、以及（c）有机载体。这里，导电粉末混合物可以包括1wt%到少于10wt%的平均颗粒直径（Dx）在1nm到100nm之间的导电粉末，和高于90wt%到99wt%以下的平均颗粒直径（D50）在0.5μm到5μm之间的导电粉末。
在一个实施方式中，平均颗粒直径（Dx）在1nm到100nm之间的导电粉末的比表面积在3.0m2/g到30.0m2/g之间。
在一个实施方式中，平均颗粒直径（D50）在0.5μm到5μm之间的导电粉末的比表面积在0.1m2/g到2.0m2/g之间。
在一个实施方式中，组合物包括（a）60wt%到90wt%的导电粉末混合物、（b）1wt%到10wt%的玻璃粉、以及（c）5wt到30wt%的有机载体。
在一个实施方式中，导电粉末可包括选自由银（Ag）、金（Au）、钯（Pd）、铂（Pt）、铜（Cu）、铬（Cr）、钴（Co）、铝（Al）、锡（Sn）、铅（Pb）、锌（Zn）、铁（Fe）、铱（Ir）、锇（Os）、铑（Rh）、钨（W）、钼（Mo）、镍（Ni）、以及氧化铟锡（ITO）粉末组成的组中的至少一种。
本发明的另一方面提供了一种由用于太阳能电池电极的膏糊组合物形成的电极。
本发明的另外的方面提供了一种包括该电极的太阳能电池。
附图说明
图1是使用根据本发明示例性实施方式的膏糊制造的太阳能电池的示意图。
具体实施方式
在本发明的一方面，用于太阳能电池电极的膏糊组合物包括（a）导电粉末混合物、（b）玻璃粉、以及（c）有机载体，其中导电粉末混合物包括1wt%到少于10wt%的平均颗粒直径（Dx）在1nm到100nm之间的导电粉末，和高于90wt%到99wt%以下的平均颗粒直径（D50）在0.5μm到5μm之间的导电粉末。
（a）导电粉末混合物
膏糊组合物可包括平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末与平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末的混合物。
通过实施例，平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末的颗粒直径（Dx）可通过如下测量：在25°C经超声处理分散0.1g导电粉末、0.1g油酸、和5.0g环己烷2分钟之后，使用透射电子显微镜（TEM）（在174,000倍放大倍数下）和图像分析程序（WindowsAzo-kun，版本2.20，AsahiKaseiEngineering，日本）测量200以上颗粒的颗粒直径。
通过实施例，平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末的平均颗粒直径（D50）可在25°C于异丙醇（IPA）中超声处理分散导电粉末3分钟之后，用Model1064D（CILASCo.,Ltd.）测量。
导电粉末混合物中平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末存在的量可为1wt%到少于10wt%。在该范围内，可以获得良好的可加工性并改善短路电流或填充因数。优选平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末存在的量为1wt%到9.9wt%，更优选为4wt%到9.9wt%。
平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末优选具有在10nm到80nm，更优选在20nm到60nm之间的平均颗粒直径（Dx）。
平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末的比表面积可在3.0m2/g到30.0m2/g之间。在该范围内，可以获得良好的可加工性并改善短路电流或填充因数。具体地，平均颗粒直径（Dx）在1nm到100nm之间的导电粉末的比表面积在5m2/g到25.0m2/g之间。
平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末的量可在膏糊组合物的1wt%到10wt%之间，优选1wt%到8wt%之间，更优选4wt%到8wt%之间。具体地，平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末可为球形导电粉末。
导电粉末混合物中，平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末存在的量可高于90wt%到99wt%以下。在该范围内，可以获得良好的印刷性质并改善短路电流或填充因数。优选平均颗粒直径（D50）为0.5到5μm的导电粉末的量在90.1wt%到99wt%之间，更优选在90.1wt%到96wt%之间。
优选平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末的平均颗粒直径（D50）为0.50到3μm，更优选为0.8到2.5μm，进一步更优选为1.5到2.5μm。
平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末的比表面积在0.1m2/g到2.0m2/g之间。在该范围内，可以获得良好的可加工性并改善短路电流或填充因数。具体地，平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末的比表面积在0.1m2/g到0.5m2/g之间。
平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末存在的量在膏糊组合物的71wt%到80wt%之间，优选在73wt%到80wt%之间，更优选在73wt%到77wt%之间。具体地，平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末可以是球形导电粉末。
平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末对于平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末的重量比在0.01到0.15之间，优选在0.01到0.11之间，更优选在0.05到0.11之间。在该范围内，可以改善太阳能电池的转换效率。有利地，平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末和平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末都是球形导电粉末。
导电粉末混合物可进一步包括至少一种平均颗粒直径在上述范围之外的导电粉末。
导电粉末的混合物在膏糊组合物中存在的量在60wt%到90wt%之间。在该范围内，可以防止转换效率由于电阻增加而降低，并可以防止由于有机载体的量的相对减少而导致难以形成膏糊。优选导电粉末存在的量在70~90wt%之间。
至于导电粉末，有机导电粉末或无机导电粉末都可使用。例如，导电粉末可包括至少一种选自下面组中的金属粉末，该组由银（Ag）、金（Au）、钯（Pd）、铂（Pt）、铜（Cu）、铬（Cr）、钴（Co）、铝（Al）、锡（Sn）、铅（Pb）、锌（Zn）、铁（Fe）、铱（Ir）、锇（Os）、铑（Rh）、钨（W）、钼（Mo）、镍（Ni）、以及氧化铟锡（ITO）粉末组成。这些粉末可单独使用或作为其两种或更多种粉末的混合物使用。
平均颗粒直径（Dx）为1~100nm的导电粉末和平均颗粒直径（D50）为0.5~5μm的导电粉末可以为相同或不同类型的导电粉末。有利地，这两种导电粉末都是银粉末。
导电粉末可具有球形，片形、无定形形状、或其组合。在一个实施方式中，导电粉末可具有球形以进一步改善填充因数和烧结密度。
玻璃粉
玻璃粉用来通过蚀刻抗反射层和熔融导电粉末以在膏糊灼烧过程中减少接触电阻而增强导电粉末对于晶片的粘附并在发射极区内产生导电粉末的晶体。
玻璃粉可包括结晶玻璃粉或非结晶玻璃粉。玻璃粉可以是任何有铅玻璃粉、无铅玻璃粉、以及其混合物。
例如，玻璃粉可包括，但不限于，选自以下的至少一种：氧化锌-氧化硅（ZnO-SiO2）、氧化锌-氧化硼-氧化硅（ZnO-B2O3-SiO2）、氧化锌-氧化硼-氧化硅-氧化铝（ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3）、氧化铋-氧化硅（Bi2O3-SiO2）、氧化铋-氧化硼-氧化硅（Bi2O3-B2O3-SiO2）、氧化铋-氧化硼-氧化硅-氧化铝（Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3）、氧化铋-氧化锌-氧化硼-氧化硅（Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2）、以及氧化铋-氧化锌-氧化硼-氧化硅-氧化铝（Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3）玻璃粉。
玻璃粉的平均颗粒直径（D50）范围可在0.1μm到20μm之间，优选在0.5μm到10μm之间。在该范围内，玻璃粉具有良好的分散性并提供良好的可印刷性。平均颗粒直径（D50）是在室温于异丙醇（IPA）中经超声处理分散玻璃粉3分钟之后，通过Model1064D（CILASCo.,Ltd.）测得。
玻璃粉的软化点为300°C到700°C之间，且优选在300°C到600°C之间。
膏糊组合物中玻璃粉的量可在1wt%到10wt%之间。在该范围内，可以改善导电粉末的烧结性质和粘附，同时防止由于电阻增加所导致的转换效率的降低。进一步，可以防止灼烧之后剩余过量的玻璃粉，剩余过量的玻璃粉可引起电阻增加和可润湿性的劣化。有利地，玻璃粉存在的量可在1wt%到7wt%之间。
有机载体
有机载体可包含为膏糊提供液体性质的有机粘合剂。
有机粘合剂的实例包括纤维素聚合物，如乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基羟丙基纤维素等；通过与亲水丙烯酸单体，如羧基共聚获得的丙烯酸聚合物；以及聚乙烯树脂，但不限于此。这些粘合剂可单独使用或作为其两种或更多种的混合物使用。
有机载体可进一步包含溶剂。在这种情形，有机载体可以是通过将有机粘合剂溶解于溶剂中而制备的溶液。有机载体可包含1wt%到80wt%的有机粘合剂和20wt%到99wt%的溶剂。
溶剂可选自下面的组中，该组由卡必醇溶剂类、脂肪醇类、酯溶剂类、溶纤剂溶剂类以及烃溶剂类组成，这些溶剂常用于电极生产。适用于导电膏糊组合物的溶剂的实例包括丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、丁基溶纤剂、脂肪醇类、萜品醇、乙二醇、乙二醇一丁醚、丁基溶纤剂醋酸酯（butylcellosolveacetate）、酯醇（texanol）、及其混合物。
膏糊组合物中有机载体存在的量可在5wt%到30wt%之间。在该范围内，可以防止在膏糊制备后，会导致印刷困难的低效分散或粘度的过度增加，并防止可在灼烧过程中发生的电阻增加和其他问题。具体地，有机载体存在的量可在8wt%到20wt%之间。
在某些实施方式中，膏糊组合物可进一步根据需要包括典型的添加剂，以增强流动性、加工性、和稳定性。添加剂可包括但不限于分散剂、触变剂、增塑剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、UV稳定剂、抗氧化剂、偶联剂、或其混合物。这些添加剂在膏糊组合物中存在的量在0.1wt%到5wt%之间，但该量可根据需要而改变。
膏糊组合物的粘度可在100Pa.s到500Pa.s之间，该粘度是在10rpm，23°C用Brookfield粘度计（DV-II+PRO粘度计，BrookfieldCo.,Ltd.）测得。在该范围内，膏糊组合物具有良好的可印刷性。
本发明的其他方面提供利用根据本发明的膏糊组合物形成的电极，以及包括该电极的太阳能电池。
太阳能电池电极可由本领域任何已知的方法制造。例如，制备背电极的初步过程是通过在晶片的后表面上印刷膏糊组合物并于200~400°C干燥该印刷的膏糊10~60秒而实施。进一步，制备前电极的初步过程可通过在晶片的前表面上印刷膏糊组合物并干燥该印刷的膏糊而实施。然后，可通过在400~900°C灼烧晶片30到50秒来形成前电极和背电极。
图1示出根据本发明示例性实施方式的太阳能电池。
参考图1，背电极210和前电极230可通过在晶片或基底100上印刷和灼烧膏糊而形成，该基底100包括将用作发射极的p-层101和n-层102。
下面将参考实施例而更详细地描述本发明。然而，应指出，提供这些实施例是为了说明性目的而不意在限制本发明的范围。
为了清晰起见，省略对本领域技术人员来说显然的细节描述。
实施例
用于下面实施例和比较例的组分说明如下：
（A）导电粉末：（a1）平均颗粒直径（D50）为2.0μm的球形Ag粉（AG-4-8，比表面积：0.43m2/g，DowaHighTechCo.,Ltd.）、（a2）平均颗粒直径（Dx）为20nm的球形Ag粉（TW-A01，比表面积17m2/g，DowaHighTechCo.,Ltd.）、（a3）平均颗粒直径（Dx）为60nm的球形Ag粉（TW-A02，比表面积：7m2/g，DowaHighTechCo.,Ltd.）、以及（a4）平均颗粒直径（Dx）为300nm的球形Ag粉（TW-A03，比表面积：1.2m2/g，DowaHighTechCo.,Ltd.）。
（B）玻璃粉：（b1）平均颗粒直径（D50）为1.0μm且软化点为451°C的有铅玻璃粉（有铅玻璃，CI-1090，ParticlogyCo.,Ltd.）和（b2）平均颗粒直径（D50）为1.0μm且软化点为430°C的有铅玻璃粉（有铅玻璃，CI-5008，ParticlogyCo.,Ltd.）
（C）有机载体：（c1）乙基纤维素（STD4，DowChemicalCo.,Ltd.）以及（c2）丁基卡必醇
（D）添加剂：（d1）作为分散剂的BYK102（BYKChemie公司）和（d2）作为触变剂的ThixatrolST（ElementisCo.,Ltd.）
实施例1
在60°C下将1重量份的乙基纤维素溶解在12.5重量份的丁基卡必醇中。然后，将得到的溶液以表1中给出的比率（单位：重量份）与导电粉末、玻璃粉、以及添加剂混合，然后用3-辊捏合机捏合，由此制备用于太阳能电池电极的膏糊组合物。
实施例2至4和比较例1至4
执行与实施例1中相同的过程，以制备用于太阳能电池电极的膏糊组合物，但其中导电粉末具有表1所示的组成。
表1
评估实施例和比较例中所制备的膏糊组合物的性质，结果在表2中示出。
（1）粘度：在1、2、5、10、20、50、100、120、和200rpm和23°C下用Brookfield粘度计（DV-II+PRO粘度计，BrookfieldCo.,Ltd.）测定每种制备的膏糊组合物的粘度，并选择在10rpm的粘度。
（2）粘度比：获得作为粘度比的（1rpm下的粘度）/（10rpm下的粘度）。
（3）图案纵横比：将膏糊以预定的图案通过丝网印刷技术印刷在晶片的前侧上，然后用IR炉干燥。接着，将铝膏糊印刷在晶片背侧上，然后以相同方式干燥。制备的电池在带式炉中于300°C~750°C的温度区间内灼烧60秒。对于电池，灼烧的前图案的厚度和线宽用3D激光显微镜（VK-9700K，KEYENCECo.,Ltd.）测量，以获得纵横比（厚度/线宽）。
（4）短路电流（Isc，A）、填充因数（FF，%）、转换效率（Eff.，%）：对于制备的电池，短路电流、填充因数、以及转换效率由太阳能电池效率测试仪（CT-180，PasanCo.,Ltd.）测量。
表2
如表2所示，根据本发明的膏糊组合物实现了精细的图案形状，由此改善短路电流并提供高填充因数，从而获得太阳能电池的高转换效率。
虽然本文公开了一些实施方式，但应理解，这些实施方式仅以例证的方式提供，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种修改、变化、和更改。因此，本发明的范围仅由本发明的权利要求及其等价物限定。

Claims (5)

1.一种用于太阳能电池电极的膏糊组合物，包括：(a)银粉末混合物、(b)玻璃粉、以及(c)有机载体，
其中，所述银粉末混合物包括1wt％到少于10wt％的平均颗粒直径(Dx)在1nm到100nm之间的银粉末，和高于90wt％到99wt％以下的平均颗粒直径(D50)在0.5μm到5μm之间的银粉末，
平均颗粒直径(Dx)在1nm到100nm之间的所述银粉末的比表面积在3.0m2/g到30.0m2/g之间，
平均颗粒直径(D50)在0.5μm到5μm之间的所述银粉末的比表面积在0.1m2/g到2.0m2/g之间。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的膏糊组合物，其中，所述组合物包括：(a)60wt％到90wt％的所述银粉末混合物，(b)1wt％到10wt％的所述玻璃粉，以及(c)5wt％到30wt％的所述有机载体。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的膏糊组合物，进一步包括：至少一种选自由分散剂、触变剂、增塑剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、UV稳定剂、抗氧化剂、和偶联剂所组成的组中的添加剂。
4.一种由根据权利要求1到3中任一项所述的膏糊组合物形成的电极。
5.一种包括根据权利要求4所述的电极的太阳能电池。
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