CN103208558B - 太阳能电池背面电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池背面电极及其制造方法,该制造方法包括:(a)制备基板,所述基板包括半导体层和在所述半导体层的背面上形成的钝化层,其中所述钝化层具有一个或多个开口;(b)将铝浆施涂到所述基板的背面上,铝浆包含:(i)铝粉;(ii)玻璃料,基于所述玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,所述玻璃料包含30‑70阳离子摩尔%的铅、1‑40阳离子摩尔%的硅和10‑65阳离子摩尔%的硼、以及1‑25阳离子摩尔%的铝;和(iii)有机介质,其中所述铝浆覆盖所述开口;以及(c)在熔炉中焙烧所述铝浆,其中在焙烧期间所述铝浆不烧透所述钝化层。

Description

太阳能电池背面电极
技术领域
本发明涉及太阳能电池,更具体地涉及背面电极和它的制造方法。
背景技术
半导体层的背面上具有钝化层的太阳能电池已被推荐为钝化发射极与背表面电池(PERC)。PERC的背面电极需要具有足够的粘附性。
JP1997045945公开了具有钝化层的太阳能电池,其中钝化层的背面具有开口,并且背面电极通过镀铝或真空沉积铝的方法形成。
US20090056798公开了用铝浆形成PERC的背面电极的方法。铝浆包含玻璃料,玻璃料包含15-75摩尔%的PbO、5-75摩尔%的(B2O3+SiO2)、0-55摩尔%的ZnO、0-40摩尔%的(Li2O+Na2O+K2O)、0-20摩尔%的(TiO2+ZrO2)。然而,铝浆会烧透钝化层,使得难以实现钝化层覆盖面积与背面电极面积之间的适当平衡。较大面积的背面电极提供较高的导电性。然而,当铝浆烧透钝化层时,较大的电极面积导致较小的钝化区域。较大面积的完好无缺的钝化区域是所期望的,因为它使得钝化效应增大,即更多地减少复合。
发明内容
一个目的是提供通过使用用于PERC的铝浆制造太阳能电池背面电极的方法。
一个方面涉及制造太阳能电池背面电极的方法,该方法包括:
(a)制备基板,基板包括半导体层和在半导体层背面上形成的钝化层,其中钝化层具有一个或多个开口;
(b)将铝浆施涂到基板的背面上,铝浆包含:
(i)铝粉;
(ii)玻璃料,基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,其包含30-70阳离子摩尔%的铅(Pb2+)、1-40阳离子摩尔%的硅(Si4+)和10-65阳离子摩尔%的硼(B3+),以及1-25阳离子摩尔%的铝(Al3+),和
(iii)有机介质,其中铝浆在钝化层中覆盖一个或多个开口,从而与半导体层形成电接触;以及
(c)在熔炉中焙烧铝浆,其中在焙烧期间铝浆不烧透钝化层。
本发明形成粘附性增强的太阳能电池背面电极。
附图说明
图1A至1D解释了制造太阳能电池背面电极的方法。
图2(a)、(b)和(c)示出了在钝化层背面上形成的开口的图案。
具体实施方式
下文描述了制造太阳能电池背面电极的方法。
结合图1A至1D解释了其中用铝浆制备太阳能电池背面电极的一个实例。
制备基板100,基板100包括半导体层10(例如硅片)和在半导体层10的背面上形成的钝化层12(图1A)。还可以在正面形成另一个钝化层12’。在该说明书中,“正面”是实际安装太阳能电池形成电极时的受光面,“背面”是正面的相对面。
背面上的钝化层12具有开口14,在开口14处,未形成或已除去钝化层,并且半导体层表面是暴露的。要形成开口14,可以在背面的整个表面上形成钝化层12,然后进行局部烧蚀,例如通过激光烧蚀。
基于半导体层10的背面表面的总面积计,开口14的面积在一个实施方案中可以为至少0.1%,在另一个实施方案中可以为至少1%,在另一个实施方案中可以为至少10%。基于半导体层10的背面表面的总面积计,钝化层开口14的面积在一个实施方案中可以为50%或更小,在另一个实施方案中可以为30%或更小,在另一个实施方案中可以为15%或更小。换句话讲,在一个实施方案中,半导体层10的背面表面的至少50%可以被钝化层12覆盖。通过在此类区域上覆盖钝化层12,可以减少背面表面附近的空穴与电子的复合。钝化层12的厚度可以为10-500nm。
钝化层12可以用氧化钛、氧化铝、氮化硅、氧化硅或掺碳氮氧化硅形成。可以通过溅射、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或热化学气相沉积或等离子体化学气相沉积施加这些氧化物或氮化物。还可以将多个层用作钝化层12,例如,两层氮化硅/氧化硅或氮化硅/氧化铝。
对于钝化层的形成和开口的图案,可以参见L.Gautero等人的Comparison ofdifferent rear contacting approaches for industrial PERC solar cells on MC-Siwafe,25th EUPVSEC 2010-2CO.3.1,ISBN:3-936338-26-4,第1328-1331页(2010年)。
在正面上,可以施涂正面电极浆料11(例如Ag浆)以形成正面电极。可以通过丝网印刷将正面电极浆料11施涂成线状图案(图1B)。
将铝(Al)浆15至少施涂到基板的背面上。铝浆15的施涂图案不受限制,只要能覆盖开口14就可以。可以将铝浆15施涂到基板100的背面的整个表面上,使得铝浆15覆盖钝化层12和开口14并因此与半导体层10形成电接触(图1C)。在另一个实施方案中,铝浆15的施涂图案可以是点、直线、环形线、或多边形线,只要施涂的浆料15覆盖开口14就可以。当具有此类形状时,可以减少铝浆15的消耗量,但集体电极可能是必需的。
可使施涂的铝浆15在烘箱中于80-200℃下干燥1-20分钟。干燥的铝浆15可以具有10-50μm的厚度。该干燥步骤不是必需的。
通过分别焙烧铝浆15和正面电极浆料11形成背面电极25和正面电极21,并在背面电极25接触半导体层10的开口14处形成背表面场(BSF)16(图1D)。焙烧过程中,可以基本上除去(例如,烧掉或碳化)浆料中的有机介质。
可以用熔炉进行焙烧,其中峰值设置温度为600-1000℃,焙烧时间为1秒至15分钟。在另一个实施方案中,峰值设置温度可以为400-600℃,持续5秒至23分钟,并超过600℃,持续3秒至19分钟。总焙烧时间在一个实施方案中可为10秒至30分钟,在另一个实施方案中可为20秒至15分钟,在另一个实施方案中可为30秒至5分钟。当焙烧这么长时间时,可以在对半导体层损害较小的情况下形成电极。可以对焙烧时间(例如,从熔炉入口到出口的时间)进行计数。
焙烧期间,钝化层12不会被铝浆15烧透,从而保持完好无缺,以便在背面处提供钝化效应。然而,这并不意味着煅烧期间没有被铝浆15少量烧透。一定程度的烧透是可以接受的,只要能保留足够面积的钝化层就可以。可以因多种因素而发生少量烧透,如半导体层或钝化层的材料的影响。例如,与焙烧前的面积相比,钝化层面积减小最多5%是可以接受的。
在上文的说明中,将铝浆15和正面电极浆料11焙烧相同的时间,这称为共烧。通过共烧,可以缩短工序时间并简化工序,从而降低生产成本。作为另外一种选择,尤其是当每种浆料的合适焙烧条件不同时,可以分别焙烧铝浆15和正面电极浆料11,例如首先施涂和焙烧铝浆15,然后再施涂正面电极浆料11并用不同的烧结温度分布图进行焙烧。
开口14可以是直径为10-400μm的圆形(图2(a))。开口14可以是宽度为10-400μm的线形(图2(b))。开口14可以是宽度为10-400μm、长度为0.5-10mm的短线形状(图2(c))。
铝浆
下面将详细说明用于制备太阳能电池背面电极的铝浆。铝浆包含(i)铝粉、(ii)玻璃料,和(iii)有机介质。
(i)铝粉
铝(Al)粉为用于在背面电极中传送电流的金属粉末。
基于铝浆的总重量计,铝粉在一个实施方案中可为30-80重量百分比(重量%),在另一个实施方案中可为55-78重量%,并且在另一个实施方案中可为63-75重量%。使用此类含量的铝粉,背面电极可以具有足够的导电性。
在一个实施方案中,铝粉可以是薄片状、瘤状或球形。
粒径(D50)在一个实施方案中可为0.1-20μm,在另一个实施方案中可为2-15μm,在另一个实施方案中可为5-10μm。具有此类粒径的铝粉可以充分分散在有机介质中并可以流畅地进行施涂,例如,丝网印刷。粒径(D50)通过采用激光衍射散射法测量粒径分布而获得。将通过体积测量的粒度分布的中值(第50百分位)定义为D50。Microtrac model X-100是可用于进行该测量的市售装置的实例。
铝粉的纯度在一个实施方案中可为至少90重量%,在另一个实施方案中可为至少95重量%,在另一个实施方案中可为至少97重量%。铝粉的表面有时可以是氧化的。
在一个实施方案中,铝浆可以包含另一种金属,诸如钯(Pd)、铜(Cu)或镍(Ni)。
在一个实施方案中,铝浆可以包含基于铝粉的重量计为0.5重量%或更少的银粉。在另一个实施方案中,铝浆可以不含银粉。添加太多的银粉可能导致烧透。
(ii)玻璃料
玻璃料被用作无机粘合剂。在焙烧铝浆时,玻璃料熔融,从而与铝粉粘合并粘附到基板上。
除非另有描述,否则玻璃料组合物的含量在本文中都用阳离子摩尔百分比(%)表示。“阳离子摩尔%”被定义为基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计的阳离子组分的摩尔%。非金属组分,如氢离子(H+)和氧鎓离子(H3O+),不被视为阳离子组分。
基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,玻璃料包含至少30-70阳离子摩尔%的铅(Pb2+)、1-40阳离子摩尔%的硅(Si4+)、10-65阳离子摩尔%的硼(B3+)和1-25阳离子摩尔%的铝(Al3+)。
基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,Pb2+在另一个实施方案中可为32-62阳离子摩尔%,在另一个实施方案中可为34-54阳离子摩尔%,在又一个实施方案中可为35-45阳离子摩尔%。
基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,Si4+在另一个实施方案中可为3-35阳离子摩尔%,在另一个实施方案中可为6-31阳离子摩尔%,在又一个实施方案中可为8-25阳离子摩尔%。
基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,B3+在另一个实施方案中可为15-60阳离子摩尔%,在另一个实施方案中可为23-55阳离子摩尔%,在又一个实施方案中可为32-50阳离子摩尔%。
基于玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,Al3+在一个实施方案中可为1-20阳离子摩尔%,在另一个实施方案中可为1.5-16阳离子摩尔%,在又一个实施方案中可为2-13阳离子摩尔%。
通过使用这些玻璃料组合物,背面电极将具有如在下文实施例中所示的足够的粘附性。
可以将Pb2+、Si4+、B3+或Al3+这些阳离子组分以氧化物、氟化物或氢氧化物的形式作为原料引入玻璃料中。
Pb2+的原材可以为氧化铅(II)(PbO)、二氧化铅(PbO2)、四氧化三铅(Pb3O4)或二氟化铅(PbF2);Si4+可以为二氧化硅(SiO2)或四氟化硅(SiF4);B3+可以为三氧化二硼(B2O3)、硼酸(H3BO3)、磷酸硼(BPO4)或三氟化硼(BF3);Al3+可以为氧化铝(III)(Al2O3)、氢氧化铝(Al(OH)3)或氟化铝(AlF3)。
玻璃料的软化点在一个实施方案中可为300-600℃,在另一个实施方案中可为330-550℃,在另一个实施方案中可为380-490℃。当软化点在这些范围内时,玻璃料可在相对较低的焙烧温度下适当熔融。此处,“软化点”是用ASTM C338-57的纤维伸长法测量的。
基于铝浆的总重量计,玻璃料在一个实施方案中可为0.1-10重量%,在另一个实施方案中可为0.3-7.5重量%,在又一个实施方案中可为1.1-5重量%。当铝浆包含如此含量的玻璃料时,铝粉可以与熔融的玻璃料粘合。
玻璃料的粒径(D50)在一个实施方案中可为0.1-5μm,在另一个实施方案中可为0.3-3μm,在又一个实施方案中可为0.5-2μm。使用此类粒径,玻璃料可以适当熔融以粘合铝粉。可以如上文针对铝粉所述确定粒径D50。
本文所述的玻璃料可以用常规的玻璃制造技术制造。以下程序是一个实例。先对作为成分的金属氧化物进行称量,然后以所需的比例进行混合,并且在熔炉中加热以在铂合金坩埚中形成熔体。如本领域所熟知的,加热至峰值温度800-1400℃,并且加热一段时间,使得熔融物完全变成液体且均匀。
随后,使熔融的玻璃在反转的不锈钢辊之间骤冷以形成l0-l5密耳厚的玻璃片。然后研磨所得的玻璃片以形成粉末,该粉末中介于目标粒度范围(例如0.5-3.0μm)内的颗粒占粉末总体积的50%。
玻璃料制备领域的技术人员可采用可供选择的合成技术,例如但不限于水淬火法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法、或其他适于制造粉末形式的玻璃的合成技术。美国专利申请号US 2006/231803和US 2006/231800公开了一种可用于本文所述玻璃料制造中的玻璃制造方法,所述专利申请据此以引用方式并入本文。
本领域的技术人员将会认识到,选择的原料可能无意中包含可在加工过程中掺入玻璃的杂质。例如,存在的杂质的含量可在数百至数千ppm的范围内。具有背面电极的太阳能电池可以具有本文所述的本发明的效果,即使玻璃料包含杂质也是这样。
如果用玻璃开始,则本领域的技术人员可以通过使用本领域技术人员已知的方法来计算本文所述的阳离子组分或原料的百分比,这些方法包括但不限于:电感耦合等离子体发射光谱法(ICPES)、电感耦合等离子体-原子发射光谱法(ICP-AES)。
(iii)有机介质
有机介质被用作有机粘合剂。其中分散有无机组分(诸如导电粉末和玻璃料)的有机介质形成具有适于施涂到基板上的粘度的“浆料”。
有机介质可以包含有机聚合物和任选的溶剂。多种惰性粘稠材料可以用作有机介质。在一个实施方案中,有机聚合物可以包括乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、木松香、酚醛树脂、低级醇的聚甲基丙烯酸酯或乙二醇单乙酸酯的单丁基醚。当向有机介质中添加溶剂时,溶剂可以包括酯醇-12、酯醇、萜品醇、煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇或高沸点醇。根据有机聚合物溶解度选择溶剂。在一个实施方案中,有机介质可以是乙基纤维素与酯醇-12的混合物。
基于铝浆的总重量计,有机介质在一个实施方案中可为10-69重量%,在另一个实施方案中可为15-51重量%,在又一个实施方案中可为20-37重量%。
(iv)添加剂
可以向铝浆中任选地添加增稠剂、稳定剂、粘度改性剂或表面活性剂。也可以添加其他常用的添加剂,如分散剂、粘度调节剂等。添加剂的量取决于所得导电浆料的所需特性。可以使用多种类型的添加剂。
实施例
本发明通过下列实施例来说明,但不限于下列实施例。
制备铝浆
通过以下工序和材料制备铝浆。除非另外指明,否则本文中的重量百分比(重量%)都基于铝浆的总重量计。
-铝(Al)粉:使用72重量%的球形铝粉。铝粉的粒径(D50)为7.5μm,纯度为98%。
-玻璃料:使用1.25重量%的玻璃料。每个实施例和比较实施例中使用的玻璃料组合物及其软化点(Ts)示于表1中。粒径(D50)为0.8μm。
-有机介质:使用25.75重量%的乙基纤维素与酯醇-12的混合物。
-添加剂:使用1重量%的粘度调节剂。
将有机介质和添加剂混合15分钟,然后将铝粉和玻璃料分散到混合物中,再混合30分钟以形成铝浆。用三辊研磨机反复碾压铝浆,压力从0逐渐增加至400psi。将辊的间隙调整为1密耳。
用Brookfield HBT粘度计、采用14号转子和10rpm的速度在25℃下测量的粘度为30Pa·s。通过研磨细度测量的分散度为15/5或更小。
制造太阳能电池背面电极
将铝浆丝网印刷到在多晶硅晶片的背面上形成的100μm厚氮化硅钝化层的整个表面上。硅晶片宽30mm、长30mm、厚120μm。钝化层具有直径为100μm、间距为350μm的圆形开口。在氮化硅层的开口里面,硅晶片的背部表面是暴露的。
使丝网印刷的铝浆在烘箱中于150℃下干燥5分钟。干燥的铝浆的平均厚度为15μm。
通过在熔炉(CF-7210,Despatch industry)中在设置于945℃的峰值温度下焙烧干燥的铝浆而获得太阳能电池背面电极。945℃的熔炉设置温度对应于在硅基板的上表面处测量的750℃的温度。从熔炉入口到出口的焙烧时间为60秒。焙烧条件为:400-600℃,12秒;600℃以上,6秒。熔炉的带速为550cpm。
粘附性的测试步骤
使用剥离测试测量背面电极的粘附性。将18mm宽、30mm长的粘合带(Scotch 810带,3M公司)放到背面电极上,随后用手剥离。
结果
实施例1和2中的背面电极未剥离,而比较实施例1-5中的电极被剥离。
表1
注释:上面一行示出了原料PbO、Bi2O3、SiO2、B2O3和Al2O3的摩尔%。下面一行( )示出了Pb2+、Bi3+、Si4+、B3+和Al3+的阳离子摩尔%。
然后,确定实施例1和实施例2的铝浆是否烧透了钝化层。用如上所述相同的方法形成铝电极,不同的是,没有开口的钝化层上的图案为两条独立的线。如果铝浆烧透,那么两个线状电极之间会通过硅晶片形成电连接。然而,电极之间的电阻高到无法测量。因此,可以推断铝浆没有烧透钝化层。

Claims (9)

1.一种制造太阳能电池背面电极的方法,包括:
(a)制备基板,所述基板包括半导体层和在所述半导体层的背面上形成的钝化层,其中所述钝化层具有一个或多个开口;
(b)将铝浆施涂到所述基板的背面上,所述铝浆包含:
(i)铝粉;
(ii)玻璃料,基于所述玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,所述玻璃料包含30-70阳离子摩尔%的铅(Pb2+)、1-40阳离子摩尔%的硅(Si4+)和10-65阳离子摩尔%的硼(B3+),以及1-25阳离子摩尔%的铝(Al3+),其中,所述玻璃料的软化点是330-550℃;和
(iii)有机介质,其中所述铝浆在所述钝化层中覆盖所述一个或多个开口,从而与所述半导体层形成电接触;以及
(c)在熔炉中焙烧所述铝浆,其中在焙烧期间所述铝浆不烧透所述钝化层。
2.权利要求1的方法,其中基于所述铝浆的总重量计,所述铝粉为30-80重量%、所述玻璃料为0.1-10重量%,并且所述有机介质为10-69重量%。
3.权利要求1的方法,其中所述焙烧时间为10秒至30分钟。
4.权利要求1的方法,其中基于所述半导体层的背面表面的总面积计,所述一个或多个开口的面积为至少0.1%。
5.权利要求1的方法,其中形成于所述半导体层的背面上的钝化层是用氧化钛、氧化铝、氮化硅、氧化硅、或掺碳氮氧化硅形成的。
6.权利要求1的方法,其中所述铝粉的粒径是0.1-20μm。
7.权利要求1的方法,其中将Pb2+、Si4+、B3+和Al3+以氧化物、氟化物、或氢氧化物的形式作为原料引入所述玻璃料中。
8.权利要求1的方法,其中所述玻璃料的粒径是0.1-5μm。
9.一种太阳能电池,包括:
基板,所述基板包括半导体层和在所述半导体层的背面上形成的钝化层,其中所述钝化层具有一个或多个开口;
形成于所述钝化层上的背面电极,其中,铝电极包括:
(i)铝粉;和
(ii)玻璃料,基于所述玻璃料中的阳离子组分的总摩尔数计,所述玻璃料包含30-70阳离子摩尔%的铅(Pb2+)、1-40阳离子摩尔%的硅(Si4+)和10-65阳离子摩尔%的硼(B3+)以及1-25阳离子摩尔%的铝(Al3+),其中,所述玻璃料的软化点为330-550℃。
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Application publication date: 20130717

Assignee: Jiangsu SOTE Electronic Material Co.,Ltd.

Assignor: Sun paster Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021990000521

Denomination of invention: Back electrode of solar cell

Granted publication date: 20160914

License type: Common License

Record date: 20210826