CN104903974A - 太阳能电池电极用组成物及使用此组成物制造的电极 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种太阳能电池电极用组成物。组成物包括银粉；玻璃料；以及有机媒剂，其中玻璃料的玻璃转化温度为约100℃至300℃，并且在热重/差热分析(TG-DTA)中的差热曲线上展示的放热峰初温为约200℃至400℃。本发明太阳能电池电极用组成物所形成的太阳能电池电极具有高开路电压以及短路电流密度，因此可提供极佳的转换效率及填充因子。

Description

太阳能电池电极用组成物及使用此组成物制造的电极
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池电极用组成物及使用此组成物制造的电极。
背景技术
太阳能电池使用pn结的光伏效应(photovoltaic effect)将日光的光子转换成电以产生电。在太阳能电池中，分别在具有pn结的半导体基板或芯片的上表面及下表面上形成前电极和背电极。然后，通过进入半导体芯片中的日光来诱发pn结处的光伏效应，并且通过在pn结处的光伏效应中产生的电子经由电极对外部提供电流。通过涂覆、图案化以及烘烤电极组成物，在芯片上形成太阳能电池的电极。
决定太阳能电池效率的因素包括开路电压(open circuit voltage；Voc)、短路电流密度(short circuit current density；Jsc)以及填充因子(fill factor；F.F.)。开路电压(Voc)是指太阳能电池在开路状态下(也即在施加无限阻抗(infiniteimpedance)下)被光照射后其相对末端之间的电位差。例如，在同质结(homo-junction)的太阳能电池中，可能存在的最大开路电压来自p型半导体与n型半导体之间的功函数(work function)差异。因为功函数是通过半导体的能隙(band-gap)来决定，因此使用具有高能隙的材料实质上可提供高开路电压。短路电流密度(Jsc)是指太阳能电池在短路状态下(也即没有任何外部电阻下)被光照射后的反(负)电流密度。短路电流密度主要取决于入射光的强度和光谱分布。然而，在这些条件下，短路电流密度取决于通过光吸收所激发的电子及空穴在没有互相结合而因此损失的情况下，如何有效地从太阳能电池中传递至外部电路。在这点上，由于再结合所造成的电子及空穴的损失发生在太阳能电池的内部和/或材料接口处。
因此，需要一种用于太阳能电池电极的组成物，此组成物可确保极佳的开路电压及短路电流密度以便增进太阳能电池的转换效率。
发明内容
技术问题
本发明的一种观点提供太阳能电池电极用组成物，其具有高开路电压及短路电流密度。
本发明的另一种观点提供太阳能电池电极用组成物，其具有极佳的转换效率及填充因子。
本发明的上述与其他观点可以通过下文所述的本发明来达成。
技术方案
根据本发明的一种观点，太阳能电池电极用组成物包括：银粉、玻璃料以及有机媒剂，其中玻璃料的玻璃转化温度为约100℃至约300℃，且在热重/差热分析(TG-DTA analysis)中的差热曲线(DTA curve)上展示的放热峰初温为约200℃至约400℃。
此玻璃料可以是含铅的玻璃料。
此玻璃料可包括铅-铋-碲-氧型玻璃料以及银-钒-铅-氧型玻璃料中的至少一种。
铅-铋-碲-氧型玻璃料可包括约10wt％至约70wt％的氧化铅(PbO)、约1wt％至约20wt％的氧化铋(Bi2O3)以及约10wt％至约70wt％的氧化碲(TeO2)；以及银-钒-铅-氧型玻璃料可包括约10wt％至约60wt％的氧化银(Ag2O)、约10wt％至约40wt％的氧化钒(V2O5)以及约10wt％至约60wt％的氧化铅(PbO)。
此玻璃料可还包括由氧化硅(SiO2)、氧化钡(BaO)、氧化钒(V2O5)、氧化磷(P2O5)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化锶(SrO)、氧化钼(MoO3)、氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO)、氧化铟(In2O3)、氧化镍(NiO)、氧化铜(Cu2O或CuO)、氧化锑(Sb2O3、Sb2O4或Sb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化钙(CaO)、氧化砷(As2O3)、氧化钴(CoO或Co2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化锰(MnO、Mn2O3或Mn3O4)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钨(WO3)、氧化铬(Cr2O3)以及氧化铝(Al2O3)所构成的群组中选出的至少一种金属氧化物。
此太阳能电池电极用组成物可包括约60wt％至约95wt％的银粉；约0.5wt％至约20wt％的玻璃料；以及约1wt％至约30wt％的有机媒剂。
此玻璃料的平均粒径(D50)为约0.1微米至约10微米。
此组成物可还包括由分散剂、触变剂、增塑剂、黏度稳定剂、抗发泡剂、颜料、紫外光稳定剂、抗氧化剂以及偶合剂所构成的群组中选出的至少一种添加剂。
根据本发明的另一个观点，提供一种由太阳能电池电极用组成物所形成的太阳能电池电极。
有益效果
根据本发明实施例的太阳能电池电极用组成物所形成的太阳能电池电极具有高开路电压及短路电流密度，因此展示极佳的转换效率及填充因子。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的太阳能电池结构所示出的示意图。
图2所示出为通过热重/差热分析所得到的玻璃料的差热曲线图。
具体实施方式
太阳能电池电极用组成物
本发明涉及一种太阳能电池电极用组成物，此组成物包括银粉、玻璃料以及有机媒剂。玻璃料的玻璃转化温度为约100℃至约300℃，且在热重/差热分析中的差热曲线上展示的放热峰初温为约200℃至约400℃。
根据本发明实施例，利用太阳能电池电极用组成物所制造的太阳能电池电极具有高开路电压及短路电流密度，因此可提供极佳的转换效率及填充因子。在此，本发明将更详细描述。
(A)银粉
根据本发明，太阳能电池电极用组成物包括作为导电粉末的银(Ag)粉。银粉的颗粒尺寸可为纳米尺度或微米尺度。例如，银粉的颗粒尺寸可为数十至数百纳米或数微米至数十微米。又或者，此银粉可为两种或更多种类型的具有不同颗粒尺寸银粉的混合物。
此银粉可具有球形、片状或无定形(amorphous)的形状。
银粉的平均粒径(D50)特别为约0.1微米至约10微米，更特别为约0.5微米至约5微米。在25℃下，经由超音波处理3分钟将银粉分散在异丙醇(IPA)中后，可使用例如颗粒尺寸分析仪Model 1064D(CILAS有限公司(CILAS Co.,Ltd.))来测量此银粉的平均粒径。当银粉具有在此范围内的平均粒径，组成物可提供低接触电阻(contact resistance)以及低线路电阻(line resistance)。
根据组成物的总重量，银粉可占约60wt％至约95wt％的量。在此范围内，导电粉末可避免因为电阻增加所造成转换效率变差。银粉可特别占约70wt％至约90wt％的量。
(B)玻璃料
玻璃料可通过蚀刻抗反射层与熔化银粉在射极区(emitter region)中产生银晶粒，以便在电极的组成物的烘烤过程期间降低接触电阻。另外，玻璃料用以提高导电粉末与芯片之间的附着力，且玻璃料在烘烤期间被软化以降低烘烤温度。
当为了增进太阳能电池的效率或填充因子而增加太阳能电池的面积时，可增加太阳能电池的接触电阻。因此，必须将串联电阻以及对pn结的影响都减到最小。除此之外，随着具有不同薄层电阻(sheet resistance)的各种芯片的使用增加，烘烤温度在宽广范围内变化，因此期望玻璃料能确保足够的热稳定性去承受宽广范围的烘烤温度。
根据本发明，玻璃料可以是低熔点的玻璃料。此低熔点的晶状玻璃料的玻璃转化温度可为约100℃至约300℃。
玻璃料在热重/差热分析中的差热曲线上展示的放热峰初温为约200℃至约400℃。此放热峰初温是指第一次出现放热峰时的温度。可以存在一个或多个放热峰。当多个放热峰出现在差热曲线上时，第一个放热峰可出现在约200℃至约400℃的范围中。图2所展示的是依照本发明的一实施例通过热重/差热分析所得到的差热曲线图，且经由实例所示，在差热曲线上的放热峰初温为283.5℃。
在热重/差热分析中，当玻璃料以20℃/分钟的加热速率加热至600℃时，每一个吸热与放热的温度可经由出现在差热曲线上的吸热峰或放热峰来测量。
玻璃料可例如是含铅的玻璃料。因此，组成物可确保极佳的转换效率。
玻璃料可例如是低熔点的晶状玻璃料。因此，组成物可确保对于焊带(ribbons)的极佳附着强度。
举例来说，玻璃料可以是铅-铋-碲-氧型的玻璃料。此铅-铋-碲-氧型玻璃料可包括约10wt％至约70wt％的氧化铅(PbO)、约1wt％至约20wt％的氧化铋(Bi2O3)以及约10wt％至约70wt％的氧化碲(TeO2)。在一个实施例中，此铅-铋-碲-氧型玻璃料可包括约25wt％至约50wt％的氧化铅(PbO)、约5wt％至约20wt％的氧化铋(Bi2O3)以及约35wt％至约65wt％的氧化碲(TeO2)。在特别实例中，氧化铅(PbO)与氧化碲(TeO2)的重量比可为约1:1.3至约1:2。在这个范围内，组成物可确保极佳的转换效率以及对于焊带的极佳附着强度。
举例来说，玻璃料可包括银-钒-铅-氧型的玻璃料。此银-钒-铅-氧型的玻璃料可包括约10wt％至约60wt％的氧化银(Ag2O)、约10wt％至约40wt％的氧化钒(V2O5)以及约10wt％至约60wt％的氧化铅(PbO)。在一个实施例中，此银-钒-铅-氧型玻璃料可包括约20wt％至约45wt％的氧化银(Ag2O)、约10wt％至约30wt％的氧化钒(V2O5)以及约40wt％至约60wt％的氧化铅(PbO)。在特别实例中，氧化银(Ag2O)与氧化钒(V2O5)的重量比可为约1.5:1至约3:1。在此范围内，组成物可确保极佳的转换效率以及对于焊带的极佳附着强度。
玻璃料可以还包括由氧化硅(SiO2)、氧化钡(BaO)、氧化钒(V2O5)、氧化磷(P2O5)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化锶(SrO)、氧化钼(MoO3)、氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO)、氧化铟(In2O3)、氧化镍(NiO)、氧化铜(Cu2O或CuO)、氧化锑(Sb2O3、Sb2O4或Sb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化钙(CaO)、氧化砷(As2O3)、氧化钴(CoO或Co2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化锰(MnO、Mn2O3或Mn3O4)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钨(WO3)、氧化铬(Cr2O3)以及氧化铝(Al2O3)所构成的群组中选出的至少一种金属氧化物。
玻璃料可通过本领域中已知的典型方法从上述的金属氧化物来制备。例如，金属氧化物可通过预定的比例混合。使用球磨机或行星式轧机进行混合。此混合物在约900℃至约1300℃下熔化，然后冷却至25℃。利用盘式磨机与行星式轧机等对所得到的生成物进行研碎，以此制备玻璃料。
玻璃料的平均粒径(D50)可为约0.1微米至约10微米。在此范围内，可进一步降低组成物的电阻。
根据组成物的总重量，玻璃料可占约0.5wt％至约20wt％的量，特别的量为约0.5wt％至约5wt％。在此范围内，玻璃料可提升导电粉末与芯片之间的附着力，以及可在烘烤期间软化并降低烘烤温度。
玻璃料可以是球形或无定形的形状。
(C)有机媒剂
有机媒剂经由机械混合太阳能电池电极用组成物中的无机的成分，给予太阳能电池电极用组成物用于印刷的适当黏性与流变特性(rheologicalcharacteristics)。
有机媒剂可以是任何使用于太阳能电池电极组成物中的任何典型的有机媒剂，且有机媒剂可包括黏着剂树脂(binder resin)与溶剂等。
黏着剂树脂的实例可包括丙烯酸酯树脂(acrylate resins)与纤维素树脂(cellulose resins)等。黏着剂树脂的实例可包括乙基纤维素树脂(ethyl celluloseresins)、乙基羟乙基纤维素树脂(ethyl hydroxyethyl cellulose resins)、硝化纤维素(nitrocellulose resins)、乙基纤维素(ethyl cellulose)与酚树脂(phenol resin)的掺合物(blends)、醇酸树脂(alkyd resins)、酚醛树脂(phenolic resins)、丙烯酸酯树脂(acrylate ester resins)、二甲苯树脂(xylene resins)、聚异丁烯树脂(polybutene resins)、聚酯树脂(polyester resins)、尿素树脂(urea resins)、三聚氰胺树脂(melamine resins)、醋酸乙烯树脂(vinyl acetate resins)、木松香(woodrosins)以及聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylates)的醇类等，但不限于此。
溶剂例如可包括己烷(hexane)、甲苯(toluene)、乙氧基乙醇醚(ethylcellosolve)、环己酮(cyclohexanone)、丁氧乙醇(butyl cellosolve)、丁基卡必醇(butyl carbitol)(二乙二醇单丁醚(diethylene glycol monobutyl ether))；乙二醇醚(glycol ether)类的溶剂(例如是二丁基卡必醇(dibutyl carbitol)(二乙二醇二丁醚(diethylene glycol dibutyl ether)、丙二醇单甲醚(propylene glycol monomethylether))、丁基卡必醇醋酸酯(butyl carbitol acetate)(二乙二醇单丁醚醋酸酯(diethylene glycol monobutyl ether acetate))、己二醇(hexylene glycol)、松油醇(terpineol)、甲基乙基酮(methylethylketone)、苯甲醇(benzylalcohol)、γ-丁内酯(γ-butyrolactone)、丙醇酸乙酯(ethyl lactate)、3-戊二醇(3-pentanediol)、2,2,4-三甲基-单异丁酸酯(2,2,4-trimethyl monoisobutyrate)(酯醇(texanol))及其组成物中的至少一种或两种以上。
根据组成物的总重量，有机媒剂可占约1wt％至约30wt％的量。在此范围内，有机媒剂可提供组成物足够黏着强度及极佳印刷性。
(D)添加剂
组成物可视需要还包含典型添加剂以提高流动及处理特性及稳定性。添加剂可包含分散剂、触变剂、增塑剂、黏度稳定剂、抗发泡剂、颜料、紫外光稳定剂、抗氧化剂以及偶合剂等，但不限于此。这些添加剂可单独使用或以其混合物形式使用。
组成物中的添加剂的量可视需要而改变。根据组成物的总重量，添加剂可占约0.1wt％至约5wt％的量，但不限于此。在此范围内，添加剂可以更提高玻璃料的特性。
太阳能电池电极及包含所述太阳能电池电极的太阳能电池
本发明的其他态样涉及一种由太阳能电池电极用组成物形成的电极及包含此电极的太阳能电池。图1是根据本发明的一个实施例所示出的太阳能电池。
参考图1，通过在包括p层101及n层102(将作为射极)的芯片或基板100上印刷及烘烤组成物来形成背电极210及前电极230。例如，通过在芯片100的背表面上印刷组成物以及在约200℃至约400℃下干燥所印刷的组成物约10至60秒，以完成制备此背电极210的初步处理。此外，通过在芯片的前表面上印刷胶体并且干燥所印刷的组成物以完成制备前电极的初步处理。然后，通过在约400℃至约950℃下(特别在约850℃至约950℃下)烘烤芯片约30秒至约50秒以形成前电极230及背电极210。
接下来，将参考实例来更详细地描述本发明。然而，要注意的是，提供这些实例仅用于说明，而不应该被理解为以任何方式来限制本发明。
实例
实例1
根据表1所列出的组成物来进行金属氧化物混合，且金属氧化物在900℃至1300℃下熔化及烧结，从而制备平均粒径(D50)为1.0微米的玻璃料I。此玻璃料I的玻璃转化温度为280℃，且在302℃下在热重/差热分析中的差热曲线上展示第一放热峰初温。
作为有机黏合剂，在60℃下将0.2wt％的乙基纤维素(STD4，陶氏化学公司(Dow Chemical Company))充分溶解于5wt％的丁基卡必醇中，且在黏合剂溶液中添加89wt％(平均粒径为1.2微米)的球状银粉(AG-2.5-11F，同和高科技有限公司(Dowa Hightech Co.,Ltd.))、1wt％的玻璃料I、3wt％的增塑剂Benzoflex 9-88(伊士曼有限公司(Eastman Co.,Ltd.))、0.7wt％的分散剂BYK102(毕克化学公司(BYK-chemie))以及1.1wt％的触变剂ThixatrolST(海名斯有限公司(Elementis Co.,Ltd.))，接着在三辊捏合机(3-roll kneader)中混合且捏合，从而制备太阳能电池电极用组成物。
特性评估
填充因子、短路电流密度、开路电压以及转换效率：用酸或碱来纹理化(texturing)p型多晶体芯片，然后通过分散磷来形成n型射极，接着通过等离子体化学气相沉积法(PECVD)在其上产生氮化硅型的抗反射膜。然后，通过网版印刷(screen-printing)将所制备的太阳能电池电极用组成物以预定的图案沉积于芯片的前表面上，接着在红外线干燥炉中将其干燥。然后，将铝膏印刷在芯片的后侧上并以与上述相同的方法干燥。在带型烘烤炉中，根据此步骤所形成的电池在400℃至900℃下烘烤30秒至50秒，并且使用太阳电池效率测试器CT-801(帕山有限公司(Pasan Co.,Ltd.))来评估填充系数(F.F.)、短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)以及转换效率(％)。所得结果示于表1中。
玻璃料的热重/差热分析：当玻璃料以20℃/分钟的加热速率加热至600℃时，使用铝锅P/N SSC515D001(EXSTAR Co.,Ltd.)以及EXSTAR 6200来测量在差热曲线上的放热峰初温。所得结果示于表1中。
实例2至实例8以及比较例1至比较例3
除了以如表2及表3所列的量来制备太阳能电池电极用组成物之外，以如实例1相同方式来制备太阳能电池电极用组成物。使用实例2至实例8以及比较例1至比较例3的各玻璃料I至V的组成物、玻璃转化温度以及热重/差热分析中差热曲线上的放热峰初温显示于表1中。
表1
表2
表3
如表2与表3中所示，相较于使用玻璃料III的比较例1(玻璃料III的玻璃转化温度符合本发明，但其放热峰初温未在200℃至400℃的范围内)与使用玻璃料IV及V的比较例2至比较例3(高熔点的玻璃料IV及V的玻璃转化温度高于300℃)，可确定实例(低熔点的玻璃料I及II的玻璃转化温度为100℃至300℃以及放热峰初温为200℃至400℃)所制造的太阳能电池电极会具有极佳的转换效率和填充因子。
虽然已描述了一些实施例，而仅经由图示这些实施例对所属领域技术人员是显而易见的，且在不悖离本发明的精神与范围下进行各种润饰、变化、修改以及获得等效的实施例。本发明的范围应仅受限于所附的权利要求及其等效物。

Claims (9)

1.一种太阳能电池电极用组成物，包括：银粉；玻璃料；以及有机媒剂，其中所述玻璃料的玻璃转化温度为约100℃至约300℃以及在热重/差热分析中的差热曲线上展示的放热峰初温为约200℃至约400℃。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用组成物，其中所述玻璃料为含铅的玻璃料。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用组成物，其中所述玻璃料包括铅-铋-碲-氧型玻璃料以及银-钒-铅-氧型玻璃料中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池电极用组成物，其中所述铅-铋-碲-氧型玻璃料包括约10wt％至约70wt％的氧化铅(PbO)、约1wt％至约20wt％的氧化铋(Bi2O3)以及约10wt％至约70wt％的氧化碲(TeO2)；以及所述银-钒-铅-氧型玻璃料包括约10wt％至约60wt％的氧化银(Ag2O)、约10wt％至约40wt％的氧化钒(V2O5)以及约10wt％至约60wt％的氧化铅(PbO)。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池电极用组成物，其中所述玻璃料还包括由氧化硅(SiO2)、氧化钡(BaO)、氧化钒(V2O5)、氧化磷(P2O5)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化锶(SrO)、氧化钼(MoO3)、氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO)、氧化铟(In2O3)、氧化镍(NiO)、氧化铜(Cu2O或CuO)、氧化锑(Sb2O3、Sb2O4或Sb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化钙(CaO)、氧化砷(As2O3)、氧化钴(CoO或Co2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化锰(MnO、Mn2O3或Mn3O4)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钨(WO3)、氧化铬(Cr2O3)以及氧化铝(Al2O3)所构成的群组中选出的至少一种金属氧化物。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用组成物，包括：约60wt％至约95wt％的所述银粉；约0.5wt％至约20wt％的所述玻璃料；以及约1wt％至约30wt％的所述有机媒剂。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用组成物，其中所述玻璃料的平均粒径(D50)为约0.1微米至约10微米。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用组成物，还包括：由分散剂、触变剂、增塑剂、黏度稳定剂、抗发泡剂、颜料、紫外光稳定剂、抗氧化剂以及偶合剂所构成的群组中选出的至少一种添加剂。
9.一种太阳能电池电极，由根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能电池电极用组成物所制备。
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