CN105492548A - 具有促粘玻璃的导电浆料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在太阳能电池上形成背面焊盘的导电浆料组合物，所述组合物包含：金属颗粒；包含Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4两者中的至少一种的玻璃料；以及有机载体。本发明还提供一种太阳能电池，所述太阳能电池包括：具有正面和背面的硅晶片，以及形成于所述硅晶片上的由根据本发明的导电浆料制成的焊盘。本发明还提供一种太阳能电池模块，所述模块包括电互连的根据本发明的太阳能电池。本发明还提供一种制造太阳能电池的方法，所述方法包括以下步骤：提供具有正面和背面的硅晶片，将根据本发明的导电浆料组合物施加到所述硅晶片的所述背面上，以及根据适当的轮廓对所述硅晶片进行烧制。

Description

具有促粘玻璃的导电浆料
技术领域
本发明涉及用在太阳能面板技术中，尤其是用于形成背面焊盘的导电浆料组合物。具体地讲，在一个方面，本发明是一种包含导电颗粒、有机载体和玻璃料的导电浆料组合物。该玻璃料包含Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4两者中的至少一种。根据另一个实施方案，该导电浆料组合物还可以包含粘合增强剂。本发明的另一个方面是一种太阳能电池，该太阳能电池通过将本发明的导电浆料施加到硅晶片的背面以形成焊盘而制成。本发明还提供一种包含电互连的太阳能电池的太阳能面板。根据另一个方面，本发明还提供一种制造太阳能电池的方法。
发明背景
太阳能电池是使用光伏效应将光能转变成电的装置。太阳能是一种引人关注的绿色能源，因为其为可持续的且仅产生无污染的副产物。因此，目前大量研究致力于开发具有增强的效率同时持续地降低材料和制造成本的太阳能电池。
当光照到太阳能电池时，一部分入射光被表面反射而其余部分则透射到太阳能电池中。透射光的光子被太阳能电池吸收，该太阳能电池通常由诸如硅的半导体材料制成。来自所吸收的光子的能量激发该半导电材料从其原子产生电子，从而生产电子-空穴对。这些电子-空穴对接着被p-n结分离并由施加到该太阳能电池表面上的导电电极收集。
最常见的太阳能电池是由硅制成的太阳能电池。具体地讲，p-n结由硅通过将n型扩散层施加到p型硅基板上，与两个电接触层或电极耦合而制成。在p型半导体中，将掺杂剂原子添加到半导体以便增加自由载流子(正空穴)的数量。掺杂材料本质上从半导体原子带走结合较弱的外层电子。p型半导体的一个实例为具有硼或铝掺杂剂的硅。太阳能电池也可由n型半导体制成。在n型半导体中，掺杂剂原子将额外的电子提供给主基板，从而产生过量的负电子载流子。n型半导体的一个实例为具有磷掺杂剂的硅。为了使太阳能电池对阳光的反射减至最少，将抗反射涂层(诸如氮化硅)施加到n型扩散层以增加耦合至太阳能电池中的光量。
太阳能电池典型地在其前表面和后表面上施加有导电浆料。正面浆料使得形成电极，该电极传导由电子交换产生的电(如上所述)，而背面浆料用作焊接接头以经由涂有焊料的导电线以串联方式连接太阳能电池。为了形成太阳能电池，首先诸如通过丝网印刷银浆料或银/铝浆料将后部触点施加到硅晶片的背面以形成焊盘。接下来，将背面铝浆料施加到硅晶片的整个背面，与焊盘的边缘略微重叠，接着对电池进行干燥。图1示出了硅太阳能电池100，其具有横过电池的长度的焊盘110，以及印刷在整个表面上的铝背面120。最后，使用不同类型的导电浆料，典型地为含银浆料，可将金属触点丝网印刷到硅晶片的正面以用作前电极。当光进入时，在电池正面或前部上的该电接触层典型地以由指状线和母线构成的格栅图案存在，而不是一个完整层，因为金属格栅材料典型地不透光。接着，在约700-975℃的温度下，对印刷有正面和背面浆料的硅基板进行烧制。在烧制期间，正面浆料蚀刻穿过抗反射层，在金属格栅与半导体之间形成电接触，且将金属浆料转变成金属电极。在背面上，铝扩散至硅基板中，充当掺杂剂，从而产生背表面场(BSF)。该电场有助于提高太阳能电池的效率。
所得的金属电极使得电能够流向太阳能面板中所连接的太阳能电池以及从这些太阳能电池流出。为了组装面板，将多个太阳能电池以串联和/或并联方式连接且第一个电池与最后一个电池的电极末端优选地连接至输出接线。太阳能电池典型地被封装于透明热塑性树脂中，诸如硅橡胶或乙烯-乙酸乙烯酯。将透明玻璃板置于封装用透明热塑性树脂的前表面上。将背面保护材料(例如，涂有聚氟乙烯膜且具有良好机械特性和良好耐候性的聚对苯二甲酸乙二醇酯板)置于封装用热塑性树脂之下。这些分层材料可以在适当的真空炉中加热以除去空气，接着通过加热和压缩而整合成一体。此外，由于太阳能模块典型地长期处于露天环境中，因此需要用由铝等组成的框架材料覆盖太阳能电池的周围。
供背面使用的典型导电浆料包含金属颗粒、玻璃料和有机载体。这些组分必须小心地加以选择以充分利用所得太阳能电池的理论电位。由通常包含银或银/铝的背面浆料形成的焊盘特别重要，因为焊接至铝背面层实际上是不可能的。这些焊盘可被形成为沿着硅基板长度延伸的条棒形式(如图1中所示)，或沿着硅基板的长度布置的不连续区段的形式。这些焊盘必须良好地粘附至硅基板，且必须能够经受焊接接线时的机械操作，同时对太阳能电池的效率无有害影响。
用于测试背面焊盘的粘附力的典型方法是将焊线施加到银层焊盘，接着测量相对于基板以某一角度(典型地为180度)剥离焊线所需的力。一般来讲，大于2牛顿的拉力为最低要求，而力越大被认为越符合需要。因此，需要具有改善的粘合强度的背面浆料组合物。
美国专利第7,736,546号和第7,935,279号公开了包含TeO2，和Bi2O3、SiO2及其组合中的一种或多种的无铅玻璃料。这些专利还公开了包含这些玻璃料的导电油墨和施加有此类导电油墨的制品。‘546和‘279专利的导电浆料组合物通过渗透硅基板且与其形成欧姆接触而用于在太阳能电池上形成正面表面电极。
发明内容
本发明提供一种用于在太阳能电池上形成背面焊盘的导电浆料组合物，该组合物包含金属颗粒；包含Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4两者中的至少一种的玻璃料；以及有机载体。
本发明还提供一种太阳能电池，该太阳能电池包括具有正面和背面的硅晶片，以及形成于该硅晶片上的由本发明的导电浆料制成的焊盘。
本发明的另一个方面涉及一种太阳能电池模块，该模块包括电互连的本发明的太阳能电池。
本发明还提供一种制造太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：提供具有正面和背面的硅晶片，将根据本发明的导电浆料组合物施加到该硅晶片的背面上，以及根据适当的轮廓对该硅晶片进行烧制。
附图说明
通过参照以下具体实施方式，当结合以下附图1考虑时，将易于获得对本发明及其许多伴随益处的更完整理解和更好的了解，该附图为根据本发明示例性实施方案的在硅太阳能电池的整个长度上印刷有银焊盘的电池背面的平面图。
具体实施方式
本发明涉及一种可用于施加到太阳能电池背面的导电浆料组合物。该导电浆料组合物优选地包含金属颗粒、玻璃料和有机载体。该导电浆料也可包含粘合增强剂。尽管不限于此类应用，但此类导电浆料可用于在太阳能电池中形成电接触层或电极，以及形成用于在模块中将太阳能电池互连的焊盘。
图1说明了沉积在硅太阳能电池100的背面上的示例性焊盘110。在该特定实例中，丝网印刷的银焊盘110横过硅太阳能电池100的长度。在其它构造中，这些焊盘可以为不连续的区段。这些焊盘可呈任何形状和大小，诸如本领域中已知的形状和大小。在硅太阳能电池100的背面上还印刷有第二背面浆料，例如含铝浆料，且第二背面浆料与焊盘110的边缘形成接触。该第二背面浆料在烧制时形成太阳能电池100的BSF120。
导电浆料
本发明的一个方面涉及用于形成背面焊盘的导电浆料组合物。所需的背面浆料为具有高粘合强度以实现最佳的太阳能电池机械可靠性，同时还优化太阳能电池的电性能的背面浆料。根据本发明的导电浆料组合物一般由金属颗粒、有机载体和玻璃料构成。该导电浆料组合物还可以包含粘合增强剂。根据一个实施方案，以该浆料的总重量为100％计，背面导电浆料包含约30-75重量％的金属颗粒、约1-10重量％的玻璃料、约20-60重量％的有机载体和约0.01-5重量％的粘合增强剂。
玻璃料
如与常规浆料组合物相比，本发明的玻璃料使所得导电浆料的粘合强度得到改善。用于印刷背面焊盘的导电浆料的金属含量对该浆料的粘合强度具有影响。以该浆料的总重量为100％计，较高的金属颗粒含量，例如介于60-75重量％之间，提供更佳的粘附力，因为有更多的可焊接材料可用。当金属含量低于60重量％时，粘合力急剧降低。因此，该玻璃料甚至变得更加重要，因为其补偿了粘合强度的降低。此外，用于形成焊盘的某些浆料可与施加到硅太阳能电池的整个背面表面上以形成BSF的铝浆料相互作用。当此情形发生时，在背面焊接浆料与表面铝浆料重叠的区域处形成气泡或缺陷。本发明的玻璃组合物减轻这种相互作用且提供较低的总后栅极电阻和串联电阻。
本发明的玻璃料优选包含Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4中的至少一种。根据一个实施方案，以玻璃组分的总重量为100％计，该玻璃料包含约30-99.9％，优选约50-99.9％，更优选约70-90％的Bi2O3；约0.01-15％，更优选约1-10％的Al2O3；约0.01-15％，更优选约1-10％的SiO2；约0.01-10％，更优选约0.01-5％的B2O3；以及约0.01-20％，更优选约5-15％的Li2O和/或Li3PO4。经测定，相对于常规浆料，这样的组合可改善所得的浆料组合物粘合特性。
根据本发明的其它实施方案，导电浆料中存在的玻璃料可包含其它元素、氧化物、在加热时产生氧化物的化合物，或其混合物。在这一情形中，优选的元素为硅、B、Al、Bi、Li、Na、Mg、Pb、Zn、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、Ba和Cr，或其组合。根据一个实施方案，该玻璃料可含铅或可基本上不含铅。可掺入玻璃料中的优选氧化物可包括碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土氧化物、第V族和第VI族氧化物、其它氧化物或其组合。在这一情形中，优选的碱金属氧化物为氧化钠、氧化锂、氧化钾、氧化铷、氧化铯或其组合。在这一情形中，优选的碱土金属氧化物为氧化铍、氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化钡或其组合。在这一情形中，优选的第V族氧化物为氧化磷(诸如P2O5)、氧化铋(诸如Bi2O3)或其组合。在这一情形中，优选的第VI族氧化物为氧化碲(诸如TeO2或TeO3)、氧化硒(诸如SeO2)或其组合。优选的稀土氧化物为氧化铈(诸如CeO2)和氧化镧(诸如La2O3)。在这一情形中，其它优选的氧化物为氧化硅(诸如SiO2)、氧化锌(诸如ZnO)、氧化铝(诸如Al2O3)、氧化锗(诸如GeO2)、氧化钒(诸如V2O5)、氧化铌(诸如Nb2O5)、氧化硼、氧化钨(诸如WO3)、氧化钼(诸如MoO3)和氧化铟(诸如In2O3)、以上列为优选元素的那些元素的另外的氧化物，或其组合。也可使用含有列为玻璃料的优选元素成分的至少两种元素的混合氧化物，或通过将上述至少一种氧化物与上述至少一种金属一起加热所形成的混合氧化物。至少两种上列氧化物和混合氧化物的混合物也可用于本发明的情形中。
根据本发明的一个实施方案，玻璃料的玻璃化转变温度(Tg)必须低于所需的导电浆料烧制温度。当使用热机械分析法测量时，优选的玻璃料的Tg在约250℃至约750℃的范围内，优选在约300℃至约700℃的范围内，且最优选在约350℃至约650℃的范围内。
本领域中熟知的是，这些玻璃料颗粒可表现出多种形状、表面性质、大小、表面积与体积比和涂层。本领域的技术人员已知许多玻璃料颗粒形状。一些实例包括球形、角形、伸长形状(杆状或针状)和扁平状(板状)。玻璃料颗粒也可以作为具有不同形状的颗粒的组合存在。根据本发明，具有一种形状或多种形状的组合的玻璃料颗粒是优选的，这有利于所制成的电极的有益粘附。
中值粒径d50为本领域的技术人员熟知的颗粒特征。D50为粒度分布的中值直径或中间值。其为在累积分布中占50％的粒径的值。粒度分布可经由激光衍射法、动态光散射法、成像法、电泳光散射法或本领域中已知的任何其它方法来测量。将连接至装有LA-910软件程序的计算机的HoribaLA-910激光衍射粒度分析仪用于测定玻璃料的粒度分布。玻璃料颗粒的相对折射率选自LA-910手册并输入该软件程序中。将测试室用去离子水填充至罐上的适当填充线。接着，通过使用该软件程序中的循环和搅拌功能使该溶液循环。一分钟后，排出溶液。将此操作再重复一次以确保测试室不含任何残留材料。接着，第三次用去离子水填充测试室且使其循环和搅拌一分钟。通过使用该软件中的空白功能消除该溶液中的任何背景颗粒。接着开始超声搅拌，并将玻璃料缓慢添加到测试室中的溶液中，直至透射杆处于该软件程序中的适当区域中。一旦透射率达到正确水平，即执行激光衍射分析且测量该玻璃料的粒度分布并以d50给出。在一个优选的实施方案中，玻璃料的中值粒径d50在约0.1至约10μm的范围内，优选在约0.1至约5μm的范围内，更优选在约0.1至约2μm的范围内，且最优选为约0.1至约1μm。
这些玻璃料颗粒可存在表面涂层。本领域中已知的且适于本发明的情形中的任何这种涂层均可用在玻璃料颗粒上。根据本发明的优选涂层是促进导电浆料的粘附特性改善的那些涂层。如果存在这种涂层，则在每种情况中，以这些玻璃料颗粒的总重量计，该涂层优选对应于约0.01-10重量％，优选约0.01-8重量％、约0.01-5重量％、约0.01-3重量％且最优选约0.01-1重量％。
在根据本发明的一个实施方案中，导电浆料以该浆料的总重量为100％计包含约0.01-10重量％，优选约0.01-7重量％，更优选约0.01-6重量％且最优选约0.01-5重量％的玻璃料。在一些情况中，在导电浆料中采用了低至约0.02重量％的玻璃料比例。
导电金属颗粒
本发明的背面导电浆料也包含导电金属颗粒。金属颗粒是本领域中熟知的。在本发明的情形中，优选的金属颗粒是表现出导电性且产生具有高粘附力和低串联电阻及后栅极电阻的金属颗粒。本领域中已知的且被认为适用于本发明的情形中的所有金属颗粒均可在导电浆料中用作金属颗粒。根据本发明的优选金属颗粒为金属元素、合金、金属衍生物、至少两种金属的混合物、至少两种合金的混合物或至少一种金属与至少一种合金的混合物。
优选的金属包括银、铝、金和镍中的至少一种，及其合金或混合物。在一个优选的实施方案中，这些金属颗粒包含银。在另一个优选的实施方案中，这些金属颗粒包含银和铝。适合的银衍生物包括例如银合金和/或银盐，诸如卤化银(例如氯化银)、硝酸银、乙酸银、三氟乙酸银、正磷酸银及其组合。在一个实施方案中，金属颗粒包含涂有一种或多种不同金属或合金的金属或合金，例如涂有铝的银颗粒。
根据本发明，作为金属颗粒的另外成分，除了上述成分外，促成更有利的接触特性、粘附力和导电性的那些成分是优选的。例如，这些金属颗粒可存在表面涂层。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的任何这种涂层均可用在金属颗粒上。根据本发明的优选涂层是促进所得导电浆料的粘附特性改善的那些涂层。如果存在这种涂层，则根据本发明，以这些金属颗粒的总重量为100％计，该涂层优选对应于约0.01-10重量％，优选约0.01-8重量％，最优选约0.01-5重量％。
金属颗粒可表现出多种形状、表面、大小、表面积与体积比、氧含量和氧化物层。本领域中已知诸多形状。一些实例为球形、角形、伸长形状(杆状或针状)和扁平状(板状)。金属颗粒也可以作为具有不同形状的颗粒的组合存在。根据本发明，具有一种形状或多种形状的组合的金属颗粒是优选的，这有利于粘附力。在不考虑颗粒的表面性质的情况下表征此类形状的一种方式通过以下参数进行：长度、宽度和厚度。在本发明的情形中，颗粒的长度通过最长空间位移向量的长度给出，该向量的两个端点均包含在颗粒内。颗粒的宽度通过与以上定义的长度向量垂直的最长空间位移向量的长度给出，该向量的两个端点均包含在颗粒内。颗粒的厚度通过同时与长度向量和宽度向量垂直的最长空间位移向量的长度给出，该向量的两个端点均包含在颗粒内。
在一个优选的实施方案中，使用形状尽可能均匀(即，在这些形状中，与长度、宽度和厚度相关的比率尽可能接近于1，优选所有比率均在约0.7至约1.5的范围内，更优选在约0.8至约1.3的范围内且最优选在约0.9至约1.2的范围内)的金属颗粒。在该实施方案中，金属颗粒的优选形状的实例为球形和立方体，或其组合，或其中一种或多种与其它形状的组合。
在另一个实施方案中，使用具有较低均匀性的形状的金属颗粒，其中与长度、宽度和厚度尺寸相关的比率中的至少一个高于约1.5，更优选高于约3且最优选高于约5。根据该实施方案，优选的形状为薄片状、杆状或针状，或薄片状、杆状或针状与其它形状的组合。
根据本发明，优选的是，金属颗粒的中值粒径d50(如本文所述)在约0.1至约4μm的范围内，优选在约0.1至约3μm的范围内，更优选在约0.1至约2μm的范围内，且最优选为约0.1至约1μm。
此外，优选的金属颗粒具有在约1至约3m2/g范围内的比表面积。根据一个优选的实施方案，使用比表面积为约2-3m2/g的银粉。根据另一个实施方案，使用比表面积为约1.5-2.7m2/g的银薄片。测量比表面积的方法是本领域中已知的。如本文所述，所有表面积测量均使用BET(Brunauer-Emmett-Teller)法在HoribaSA-9600比表面积分析仪上进行。将金属颗粒样品装载到U型管的底部圆筒中，直至其达到约一半满。接着测量装载至U型管中的样品的质量。将该U型管安装到仪器中并使用30％氮气/其余为氦气在140℃下脱气15分钟。一旦使样品脱气后，即将其安装到分析站中。接着使用液氮填充样品杜瓦瓶浴(dewarbath)并通过机器测量表面吸附和解吸曲线。一旦通过分析仪测定了表面积后，即通过将该值除以用于填充U型管的金属颗粒样品的质量来计算比表面积。
以该浆料的总重量为100计，金属导电颗粒典型地为约35-70重量％。在另一个实施方案中，导电颗粒为约30-60重量％。在又一个实施方案中，导电颗粒为浆料的约30-50重量％。尽管如上所讨论，金属颗粒含量较低会降低所得浆料的粘附力，但其也使所得浆料的制造成本降低。
有机载体
在本发明的情形中，优选的有机载体是基于一种或多种溶剂，优选基于有机溶剂的溶液、乳液或分散液，该一种或多种溶剂确保导电浆料的成分以溶解、乳化或分散形式存在。优选的有机载体是使导电浆料内的成分具有最佳的稳定性且赋予导电浆料使得可以有效印刷的粘度的载体。
在一个实施方案中，有机载体包含有机溶剂，和粘合剂(例如聚合物)、表面活性剂及触变剂中的一种或多种，或其任何组合。例如，在一个实施方案中，有机载体在有机溶剂中包含一种或多种粘合剂。
在本发明的情形中，优选的粘合剂是有助于形成具有有利的稳定性、可印刷性、粘度和烧结性质的导电浆料的粘合剂。粘合剂是本领域中熟知的。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有粘合剂均可在有机载体中用作粘合剂。根据本发明的优选粘合剂(通常落在称为“树脂”的类别内)为聚合物粘合剂、单体粘合剂和作为聚合物与单体的组合的粘合剂。聚合物粘合剂也可以为共聚物，其中在单个分子中含有至少两个不同的单体单元。优选的聚合物粘合剂是在聚合物主链中带有官能团的粘合剂，在主链外带有官能团的粘合剂，以及在主链内和主链外均带有官能团的粘合剂。优选的在主链中带有官能团的聚合物为例如聚酯、取代的聚酯、聚碳酸酯、取代的聚碳酸酯、在主链中带有环状基团的聚合物、聚糖、取代的聚糖、聚氨酯、取代的聚氨酯、聚酰胺、取代的聚酰胺、酚醛树脂、取代的酚醛树脂、一种或多种前述聚合物的单体任选地与其它共聚单体的共聚物，或其中至少两种的组合。根据本发明，粘合剂可以为聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯。在主链中带有环状基团的优选聚合物为例如聚丁酸乙烯酯(PVB)及其衍生物，以及聚萜品醇及其衍生物，或其混合物。优选的聚糖为例如纤维素及其烷基衍生物，优选为甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、丙基纤维素、羟丙基纤维素、丁基纤维素及其衍生物，以及其中至少两种的混合物。其它优选的聚合物为纤维素酯树脂，例如乙酸丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素及其任何组合。在聚合物主链外带有官能团的优选聚合物为带有酰胺基团的聚合物、带有酸和/或酯基团的聚合物(通常称为丙烯酸树脂)或带有上述官能团的组合的聚合物，或其组合。在主链外带有酰胺的优选聚合物为例如聚乙烯吡咯啶酮(PVP)及其衍生物。在主链外带有酸和/或酯基团的优选聚合物为例如聚丙烯酸及其衍生物、聚甲基丙烯酸酯(PMA)及其衍生物或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生物，或其混合物。根据本发明的优选单体粘合剂为基于乙二醇的单体、萜品醇树脂或松香衍生物，或其混合物。基于乙二醇的优选单体粘合剂为具有醚基团、酯基团的粘合剂，或具有醚基团和酯基团的粘合剂，优选的醚基团为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基和更高级的烷基醚，优选的酯基团为乙酸酯及其烷基衍生物，优选为乙二醇单丁基醚单乙酸酯，或其混合物。在本发明的情形中，烷基纤维素，优选乙基纤维素、其衍生物及其与来自前述粘合剂列表或其它方面的其它粘合剂的混合物是最优选的粘合剂。以有机载体的总重量为100％计，粘合剂的存在量可介于约0.1与10重量％之间，优选介于约0.1-8重量％之间，更优选介于约0.5-7重量％之间。
根据本发明的优选溶剂是在烧制期间从导电浆料被大量移除的导电浆料成分，优选地为烧制后的绝对重量相较于烧制前减少至少约80％，优选相较于烧制前减少至少约95％的那些溶剂。根据本发明的优选溶剂为使得能够形成具有有利粘度、可印刷性、稳定性和烧结特征的导电浆料的那些溶剂。溶剂是本领域中熟知的。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有溶剂均可在有机载体中用作溶剂。根据本发明，优选的溶剂为能够实现如上所述的导电浆料的优选高水平可印刷性的那些溶剂。根据本发明的优选溶剂为在标准环境温度和压力(SATP)(298.15K，25℃，77℉)、100kPa(14.504psi，0.986atm)下以液体形式存在的那些溶剂，优选地为沸点高于约90℃且熔点高于约-20℃的那些溶剂。根据本发明的优选溶剂为极性或非极性、质子或非质子、芳族或非芳族的。根据本发明的优选溶剂为一元醇；二元醇；多元醇；单酯；二酯；聚酯；单醚；二醚；聚醚；包含这些类别的官能团中的至少一种或多种，任选地包含其它类别的官能团，优选环状基团、芳族基团、不饱和键、一个或多个O原子被杂原子置换的醇基团、一个或多个O原子被杂原子置换的醚基团、一个或多个O原子被杂原子置换的酯基团的溶剂；以及上述溶剂中两种或更多种的混合物。在该情形中，优选的酯为己二酸的二烷基酯，优选的烷基成分为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基和更高级的烷基或两种不同的此类烷基的组合，优选为己二酸二甲酯，以及两种或更多种己二酸酯的混合物。在该情形中，优选的醚为二醚，优选为乙二醇的二烷基醚，优选的烷基成分为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基和更高级的烷基或两种不同的此类烷基的组合，以及两种二醚的混合物。在该情形中，优选的醇为伯醇、仲醇和叔醇，优选为叔醇，萜品醇及其衍生物是优选的，或为两种或更多种醇的混合物。组合了多于一个不同的官能团的优选溶剂为2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯(通常称为texanol)及其衍生物、2-(2-乙氧基乙氧基)乙醇(通常称为卡必醇)、其烷基衍生物，优选为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基和己基卡必醇，优选为己基卡必醇或丁基卡必醇，及其乙酸酯衍生物，优选为丁基卡必醇乙酸酯，或上述至少两种的混合物。以有机载体的总重量为100％计，有机溶剂的存在量可介于约40与90重量％之间，更优选介于约35与85重量％之间。
有机载体也可包含表面活性剂和/或添加剂。在本发明的情形中，优选的表面活性剂是有助于形成具有有利稳定性、可印刷性、粘度和烧结性质的导电浆料的表面活性剂。表面活性剂为本领域的技术人员熟知的。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有表面活性剂均可在有机载体中用作表面活性剂。在本发明的情形中，优选的表面活性剂为基于直链、支链、芳族链、氟化链、硅氧烷链、聚醚链及其组合的表面活性剂。优选的表面活性剂为单链、双链或多链的。根据本发明的优选表面活性剂可具有非离子、阴离子、阳离子、两亲或两亲离子性头。优选的表面活性剂为聚合物的和单体的或其混合物。根据本发明的优选表面活性剂可具有颜料亲和基团，优选为具有颜料亲和基团的羟基官能化羧酸酯(例如由BYKUSA,Inc.制造的-108)、具有颜料亲和基团的丙烯酸酯共聚物(例如由BYKUSA,Inc.制造的-116)、具有颜料亲和基团的修饰聚醚(例如由EvonikTegoChemieGmbH制造的DISPERS655)、具有高颜料亲和性基团的其它表面活性剂(例如由EvonikTegoChemieGmbH制造的DISPERS662C)。不在以上列表中的根据本发明的其它优选聚合物为聚环氧乙烷、聚乙二醇及其衍生物，和烷基羧酸及其衍生物或盐，或其混合物。根据本发明的优选聚乙二醇衍生物为聚(乙二醇)乙酸。优选的烷基羧酸为具有完全饱和的烷基链的烷基羧酸，和具有单不饱和或多不饱和烷基链的烷基羧酸，或其混合物。具有饱和烷基链的优选羧酸为烷基链长度在约8至约20个碳原子范围内的羧酸，优选为C9H19COOH(癸酸)、C11H23COOH(月桂酸)、C13H27COOH(肉豆蔻酸)、C15H31COOH(棕榈酸)、C17H35COOH(硬脂酸)，或其盐或混合物。具有不饱和烷基链的优选羧酸为C18H34O2(油酸)和C18H32O2(亚油酸)。根据本发明的优选单体表面活性剂为苯并三唑及其衍生物。以有机载体的总重量为100％计，表面活性剂的存在量可为约0至10重量％，优选为约0-8重量％，且更优选为约0.01-6重量％。
有机载体中的优选添加剂是与上述载体组分不同的且促成导电浆料的有利特性(诸如有益的粘度和与下层基板的粘附性)的那些添加剂。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的添加剂可在有机载体中用作添加剂。根据本发明的优选添加剂为触变剂、粘度调节剂、稳定剂、无机添加剂、增稠剂、乳化剂、分散剂或pH调节剂。在该情形中，优选的触变剂为羧酸衍生物，优选为脂肪酸衍生物或其组合。优选的脂肪酸衍生物为C9H19COOH(癸酸)、C11H23COOH(月桂酸)、C13H27COOH(肉豆蔻酸)、C15H31COOH(棕榈酸)、C17H35COOH(硬脂酸)、C18H34O2(油酸)、C18H32O2(亚油酸)或其组合。在该情形中，包含脂肪酸的优选组合为蓖麻油。
在一个实施方案中，以浆料的总重量为100％计，有机载体的存在量为约20-60重量％，更优选为约30-50重量％，且最优选为约40-50重量％。
粘合增强剂
导电浆料还可以包含粘合增强剂以改善其粘合强度。粘合增强剂可包含至少一种选自以下的金属：碲(Te)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、锑(Sb)、镁(Mg)、锆(Zr)、银(Ag)、钴(Co)、镍(Ni)、铈(Ce)和锌(Zn)。根据另一个实施方案，粘合增强剂可包含以下金属氧化物中的至少一种：二氧化碲(TeO2)、氧化镍(NiO)、氧化镁(MgO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钨(WO3)、氧化银(AgO)、氧化钴(CoO)和氧化铈(CeO2)。
优选地，粘合增强剂包含碲和/或二氧化碲。粘合增强剂可分散在玻璃料内，或分散在浆料组合物内，而与玻璃料无关。当粘合增强剂包含二氧化碲时，中值粒度d50优选小于1μm，优选小于0.6μm。作为一般性观察结果而不限制本发明的范围，较小的氧化碲粒度有助于在浆料组合物内的分散且提供更佳的粘合性和电学性质。
在一个优选的实施方案中，以浆料的总重量为100％计，浆料包含约0.01-5重量％、优选约0.05-2.5重量％、更优选约0.05-1重量％的粘合增强剂。
添加剂
在本发明的情形中，优选的添加剂是除明确提及的其它成分外还添加到导电浆料中的成分，其有助于增强导电浆料、由其制成的焊盘或所得太阳能电池的性能。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有添加剂均可在导电浆料中用作添加剂。除玻璃料和载体中存在的添加剂外，也可在导电浆料中存在添加剂。根据本发明的优选添加剂为触变剂、粘度调节剂、乳化剂、稳定剂或pH调节剂、无机添加剂、增稠剂和分散剂或其中至少两种的组合，而无机添加剂是最优选的。在该情形中，根据本发明的优选的无机添加剂为Mg、Ni、Te、W、Zn、Mg、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu和Cr，或其中至少两种的组合，优选为Zn、Sb、Mn、Ni、W、Te和Ru，或其中至少两种的组合、其氧化物、在烧制时可产生那些金属氧化物的化合物、或上述金属中至少两种的混合物、上述氧化物中至少两种的混合物、上述在烧制时可产生那些金属氧化物的化合物中至少两种的混合物、或上述任何两种或更多种的混合物。
根据一个实施方案，除玻璃料、金属颗粒和有机载体外，导电浆料组合物还包含金属铜、铝、铋、锌、锂和碲或由其形成的氧化物。在一个优选的实施方案中，添加金属化合物，诸如铝-硅化合物、铝-磷化合物和铜化合物，以改善导电浆料的总体粘合性。以浆料的总重量为100％计，此类添加剂的存在量为约0.01-1重量％。
形成导电浆料组合物
为了形成导电浆料组合物，可使用本领域中已知的用于制备浆料组合物的任何方法将玻璃料材料与金属颗粒和有机载体组合。制备方法并不重要，只要其产生均匀分散的浆料即可。可混合各组分(诸如用混合器)，接着使其通过三辊磨机，例如以制备分散的均匀浆料。
太阳能电池
在另一个方面，本发明涉及一种太阳能电池。在一个实施方案中，太阳能电池包括半导体基板(例如，硅晶片)和根据本文所述的任何实施方案的导电浆料组合物。
在另一个方面，本发明涉及一种通过以下方法制备的太阳能电池，该方法包括：将根据本文所述的任何实施方案的导电浆料组合物施加到半导体基板(诸如硅晶片)并对该半导体基板进行烧制。
硅晶片
根据本发明的优选晶片在太阳能电池的诸多区域中具有能够以高效率吸收光以产生电子-空穴对且以高效率跨过边界，优选跨过p-n结边界分离空穴和电子的区域。根据本发明的优选晶片是包含由前部掺杂层和背部掺杂层构成的单一整体的晶片。
优选地，晶片由适当掺杂的四价元素、二元化合物、三元化合物或合金组成。在该情形中，优选的四价元素为硅、Ge或Sn，优选为硅。优选的二元化合物为两种或更多种四价元素的组合、第III族元素与第V族元素的二元化合物、第II族元素与第VI族元素的二元化合物或第IV族元素与第VI族元素的二元化合物。优选的四价元素的组合为选自硅、Ge、Sn或C的两种或更多种元素的组合，优选为SiC。优选的第III族元素与第V族元素的二元化合物为GaAs。根据本发明的一个优选的实施方案，晶片为硅。明确地提及硅的前述说明也适用于本文所述的其它晶片组合物。
p-n结边界位于晶片的前部掺杂层与背部掺杂层汇合的地方。在n型太阳能电池中，背部掺杂层掺杂有提供电子的n型掺杂剂而前部掺杂层掺杂有接受电子或提供空穴的p型掺杂剂。在p型太阳能电池中，背部掺杂层掺杂有p型掺杂剂而前部掺杂层掺杂有n型掺杂剂。根据本发明的一个优选的实施方案，具有p-n结边界的晶片通过以下方式制备：首先提供经掺杂的硅基板，接着将相反类型的掺杂层施加到该基板的一面上。
经掺杂的硅基板是本领域中熟知的。经掺杂的硅基板可通过本领域中已知的且被认为适用于本发明的任何方法制备。根据本发明的优选硅基板来源为单晶硅、多晶硅、非晶形硅和升级冶金级硅，最优选为单晶硅或多晶硅。掺杂以形成经掺杂的硅基板可在硅基板的制备过程中通过添加掺杂剂而同时地进行，或其可在后续步骤中进行。可通过例如气体扩散外延法在制备硅基板之后进行掺杂。经掺杂的硅基板也可容易地商购获得。根据一个实施方案，硅基板的初始掺杂可通过将掺杂剂添加到硅混合物中而与其形成同时地进行。根据另一个实施方案，前部掺杂层和高度掺杂的背部层(若存在的话)的施加可通过气相外延法进行。该气相外延法优选在约500℃至约900℃，更优选约600℃至约800℃且最优选约650℃至约750℃的温度范围内，在约2kPa至约100kPa，优选约10至约80kPa，最优选约30至约70kPa范围内的压力下进行。
本领域中已知的是，硅基板可表现出多种形状、表面纹理和大小。基板的形状可包括例如长方体、盘状、晶片和不规则多边形。根据本发明的一个优选的实施方案，晶片为具有类似(优选相等)的两个尺寸且第三个尺寸明显小于另外两个尺寸的长方体。第三个尺寸可为前两个尺寸的至少1/100。
另外，本领域中已知多种表面类型。根据本发明，具有粗糙表面的硅基板是优选的。评估基板粗糙度的一种方式是评价基板的次表面的表面粗糙度参数，该次表面比基板的总表面积小，优选小于总表面积的约百分之一，且其基本上为平坦的。表面粗糙度参数的值通过以下两者之间的比率给出：次表面的面积，与通过使该次表面映射到平坦平面上所形成的理论表面的面积，该平坦平面通过使均方位移最小而与该次表面最佳拟合。较高的表面粗糙度参数值表示更粗糙、更不规则的表面而较低的表面粗糙度参数值表示更光滑、更平坦的表面。根据本发明，硅基板的表面粗糙度优选地被调节成在多种因素之间产生最佳平衡，这些因素包括但不限于光吸收和与表面的粘附力。
硅基板的两个较大的尺寸可经改变以适合所得太阳能电池所需的应用。根据本发明，硅晶片的厚度优选为约0.01-0.5mm，更优选为约0.01-0.3mm且最优选为约0.01-0.2mm。一些晶片具有0.01mm的最小厚度。
根据本发明，前部掺杂层优选比背部掺杂层薄。还优选的是，前部掺杂层的厚度在约0.1至约10μm的范围内，优选在约0.1至约5μm的范围内且最优选在约0.1至约2μm的范围内。
高度掺杂的层可施加到硅基板的背面位于背部掺杂层与任何另外的层之间。这种高度掺杂层与背部掺杂层具有相同的掺杂类型，且这种层通常用a+表示(将n+型层施加到n型背部掺杂层且将p+型层施加到p型背部掺杂层)。该高度掺杂的背部层起到有助于金属化且改善导电性的作用。根据本发明，高度掺杂的背部层(若存在的话)的厚度优选在约1至约100μm的范围内，优选在约1至约50μm的范围内且最优选在约1至约15μm的范围内。
掺杂剂
优选的掺杂剂是当添加到硅晶片中时通过将电子或空穴引入能带结构中而形成p-n结边界的掺杂剂。根据本发明，优选的是，这些掺杂剂的种类和浓度经特定地选择以调谐p-n结的能带结构特征且根据需要设定光吸收和导电性特征。根据本发明的优选p型掺杂剂是将空穴添加到硅晶片能带结构中的掺杂剂。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有掺杂剂均可用作p型掺杂剂。根据本发明的优选p型掺杂剂为三价元素，特别是周期表第13族的元素。在该情形中，优选的周期表第13族元素包括但不限于B、Al、Ga、In、Tl或其中至少两种的组合，其中B是尤其优选的。
根据本发明的优选n型掺杂剂是将电子添加到硅晶片能带结构中的掺杂剂。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有掺杂剂均可用作n型掺杂剂。根据本发明的优选n型掺杂剂为周期表第15族的元素。在该情形中，优选的周期表第15族元素包括N、P、As、Sb、Bi或其中至少两种的组合，其中P是尤其优选的。
如上所述，p-n结的各种掺杂水平可经改变以调谐所得太阳能电池的所需性质。
根据某些实施方案，半导体基板(即，硅晶片)表现出高于约60Ω/□，诸如高于约65Ω/□、70Ω/□、90Ω/□或95Ω/□的薄层电阻。
太阳能电池结构
通过可由根据本发明的方法获得的太阳能电池将有助于实现至少一个上述目的。根据本发明的优选太阳能电池是就入射光总能量转变成电能输出的比例而言具有高效率的太阳能电池，以及轻质且耐久的太阳能电池。在最低限度上，太阳能电池包括：(i)前电极、(ii)前部掺杂层、(iii)p-n结边界、(iv)背部掺杂层和(v)焊盘。太阳能电池也可包括用于化学/机械保护的另外的层。
抗反射层
根据本发明，可在将电极施加到太阳能电池的正面之前，施加抗反射层作为外层。根据本发明的优选抗反射层是使正面反射的入射光的比例降低且使穿过正面以被晶片吸收的入射光的比例增加的抗反射层。产生有利的吸收/反射比，易于被导电浆料蚀刻，另外耐烧制导电浆料时所需的温度，且不会使电极界面附近的电子与空穴复合增加的抗反射层是优选的。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的所有抗反射层均可使用。根据本发明的优选抗反射层为SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2或其中至少两种的混合物和/或其中至少两层的组合。根据一个优选的实施方案，抗反射层为SiNx，特别是在使用硅晶片的情况下。
抗反射层的厚度应适合适当光的波长。根据本发明的一个优选的实施方案，抗反射层的厚度在约20至约300nm的范围内，更优选在约40至约200nm的范围内且最优选在约60至约90nm的范围内。
钝化层
根据本发明，可将一个或多个钝化层施加到硅晶片的正面和/或背面作为外层。钝化层可在形成前电极之前，或在施加抗反射层(若存在该抗反射层)之前施加。优选的钝化层是使电极界面附近的电子/空穴复合率降低的钝化层。本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的任何钝化层均可使用。根据本发明的优选钝化层为氮化硅、二氧化硅和二氧化钛。根据一个最优选的实施方案，使用氮化硅。钝化层的厚度优选在约0.1nm至约2μm的范围内，更优选在约10nm至约1μm的范围内且最优选在约30nm至约200nm的范围内。
另外的保护层
除了上述直接促成太阳能电池的主要功能的层外，也可添加用于机械和化学保护的另外层。
电池可经封装以提供化学保护。封装是本领域中熟知的且适于本发明的任何封装均可使用。根据一个优选的实施方案，若存在这种封装，则使用透明聚合物(通常称为透明热塑性树脂)作为封装材料。在该情形中，优选的透明聚合物为硅橡胶和聚乙烯-乙酸乙烯酯(PVA)。
也可将透明玻璃板添加到太阳能电池的前部以对电池的正面提供机械保护。透明玻璃板是本领域中熟知的且适于本发明的情形中的任何透明玻璃板均可使用。
可将背面保护材料添加到太阳能电池的背面以提供机械保护。背面保护材料是本领域中熟知的且被认为适于本发明的情形中的任何背面保护材料均可使用。根据本发明的优选背面保护材料为具有良好机械特性和耐候性的材料。根据本发明的优选背面保护材料为具有一层聚氟乙烯的聚对苯二甲酸乙二醇酯。根据本发明，背面保护材料优选存在于封装层之下(在背面保护层和封装均存在的情况下)。
可将框架材料添加到太阳能电池的外部以提供机械支撑。框架材料是本领域中熟知的且被认为适于本发明的情形中的任何框架材料均可使用。根据本发明的优选框架材料为铝。
制备太阳能电池的方法
太阳能电池可通过将导电浆料组合物施加到在半导体基板(诸如硅晶片)正面上的抗反射涂层(诸如氮化硅、氧化硅、氧化钛或氧化铝)上来制备。接着将本发明的背面导电浆料施加到太阳能电池的背面上以形成焊盘。导电浆料可以按本领域中已知的且被认为适于本发明的情形中的任何方式施加。实例包括但不限于浸透、浸渍、倾倒、滴加其上、注入、喷洒、刮刀涂布、帘幕式涂布、刷涂或印刷，或其中至少两种的组合。优选的印刷技术为喷墨印刷、丝网印刷、移印、平版印刷、凸版印刷或孔版印刷，或其中至少两种的组合。根据本发明，优选的是，通过印刷，优选通过丝网印刷来施加导电浆料。接着将铝浆料施加到基板的背面上，与由背面导电浆料形成的焊盘的边缘重叠，从而形成BSF。接着，根据适当的轮廓，对该基板进行烧制。
烧制是烧结所印刷的焊盘必需的，由此形成固态导电主体。烧制是本领域中熟知的且可以按被认为适于本发明的情形中的任何方式实现。优选的是，烧制在高于玻璃料材料的Tg的情况下进行。
根据本发明，为烧制设定的最高温度低于约900℃，优选低于约860℃。已使用低至约820℃的烧制温度来获得太阳能电池。烧制温度曲线典型地设定成能够烧尽导电浆料组合物中的有机粘合剂材料，以及存在的任何其它有机材料。烧制步骤典型地在带式炉中于空气中或含氧氛围中进行。根据本发明，在快速烧制过程中进行烧制的总烧制时间在约30秒至约3分钟的范围内，更优选在约30秒至约2分钟的范围内，且最优选在约40秒至约1分钟的范围内。在高于600℃的情况下，该时间最优选在约3至7秒的范围内。基板可达到在约700至900℃范围内的峰值温度，持续约1至5秒的时间。烧制也可在高输运速率(例如约100-500cm/min)下进行，而所造成的滞留时间为约0.05至5分钟。可使用多个温度区(例如3-12个区)来控制所需的热曲线。
正面和背面上的导电浆料的烧制可同时或依序进行。如果施加到两个面上的导电浆料具有类似，优选相同的最佳烧制条件，则同时烧制是适当的。适当时，根据本发明，烧制优选同时地进行。在依序进行烧制的情况下，根据本发明，优选首先施加并烧制背面导电浆料，随后将导电浆料施加到正面并烧制。
测量导电性和粘附性能
用于测量所得导电浆料的粘合强度(也称为拉力)的一种方法是将焊线施加到已经印刷在硅太阳能电池背面上的导电浆料层(焊盘)上。根据本领域中已知的方法，通过自动化机器，诸如Somont电池连接自动焊接机(由MeyerBurgerTechnologyLtd.制造)，或通过用手持式焊枪手动将标准焊线施加到焊盘上。在本发明中，使用了具有约20μm62/36/2焊料涂层的0.20x0.20mm铜带，不过也可使用行业中常见且本领域中已知的其它方法。具体地讲，切下长度为太阳能电池长度的约2.5倍的铜带。将助焊剂涂布到切下的铜带上且使其干燥1-5分钟。接着将电池安装到焊接夹具中且将铜带在电池母线的顶部上对齐。将焊接夹具装载到预热的台架上，在150-180℃下将电池预热15秒。预热之后，将焊接销放下且在220-250℃下将铜带焊接到母线上，保持0.8-1.8秒。在焊接铜线达到焊盘的长度时，使用拉力测试仪(诸如GPSolarGPPULL-TESTAdvanced)测量粘附力。将焊接带的尾端附接至拉力测试仪的测力计且在6mm/s的恒定速度下以约180°剥离。测力计以100s-1的采样率记录下粘附力(以牛顿为单位)。
当评价示例性浆料时，典型地在四个独立的背面焊盘上完成此焊接和拉动过程四次，以使通常从该焊接过程得到的数据的变化减至最少。来自一个实验的单个测量值不太可靠，因为在焊接过程中存在的不连续变化会影响结果。因此，获得来自四次拉动的总体平均值，并对浆料之间的平均拉力进行比较。最少1牛顿的拉力是合乎需要的。可接受的粘合强度工业标准典型地高于2牛顿。拉力为至少3牛顿，或在一些情况下高于5牛顿的较强粘附力是最合乎需要的。
当评价示例性背面浆料的接触电阻时，进行标准电性能测试。使用得自HalmElektronikGmbH的商业IV测试仪“cetisPV-CTL1”来表征上面印刷有正面和背面浆料的样品太阳能电池。在电测量期间，测量设备的所有部件以及待测试的太阳能电池均维持在25℃。在实际测量期间，始终同时地通过温度探头测量电池表面上的该温度。Xe弧光灯模拟在电池表面上的太阳光，其具有1000W/m2的已知AM1.5强度。为了使模拟器达到此强度，使该灯在短时间内闪烁若干次，直至IV测试仪的“PVCTControl4.313.0”软件监测其达到稳定水平。HalmIV测试仪使用多点接触法来测量电流(I)和电压(V)以测定电池的IV曲线。为此，将太阳能电池置于多点接触探头之间，使该探头指针与电池的母线接触。接触探头线的数量应调整成电池表面上的母线的数量。由实施软件包自动地从该曲线直接测定所有电学值。作为参考标准，对由相同面积尺寸、相同晶片材料组成的且使用相同正面布局加工的来自ISEFreiburg的经校准太阳能电池进行测试并将数据与经认证的值进行比较。对以极为相同的方式加工的至少4个晶片进行测量，并通过计算每个值的平均值来解释这些数据。软件PVCTControl4.313.0提供效率、填充因子、短路电流、串联电阻、开路电压和后栅极电阻的值。
太阳能电池模块
通过具有至少一个如上所述获得的太阳能电池的模块将有助于实现至少一个上述目的。可在空间上布置多个根据本发明的太阳能电池且使其电互连以形成称为模块的集中布置。根据本发明的优选模块可具有多种布置，优选地为称为太阳能面板的矩形布置。电连接太阳能电池的多种方式，以及机械布置并固定此类电池以形成集中布置的多种方式是本领域中熟知的。本领域的技术人员已知的且被认为适于本发明的情形中的任何此类方法均可使用。根据本发明的优选方法为产生较低质量与功率输出比、较低体积与功率输出比和高耐久性的方法。铝是用于机械固定根据本发明的太阳能电池的优选材料。
实施例
以下非限制性实施例说明了包含Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4两者中的至少一种的玻璃料的优化。由具有上述玻璃料的导电浆料制备的太阳能电池均表现出远高于工业标准的粘附性能。
实施例1
制备第一组示例性玻璃组合物(被称为G1-G8)且在下表1中示出。通过以适当的比率混合各氧化物成分，制备了100g的多批玻璃样品。将氧化物混合物装载到8.34in3体积的Colorado坩埚中。接着将坩埚置于600℃烘箱中保持40分钟，以对该氧化物混合物预热。预热之后，将该坩埚移至1200℃的耐火烘箱中保持20分钟，以使各组分熔融成玻璃混合物。接着从烘箱中移出熔融玻璃并倾入含有去离子水的桶中以迅速猝灭。在1L陶瓷罐磨机中进一步加工该玻璃料。该罐磨机约一半填充有1/2英寸圆柱形氧化铝介质和去离子水。将玻璃料添加到该罐磨机中且以60-80RPM碾压8小时。研磨之后，使玻璃料经325目筛过滤且在125℃下干燥24小时。在所有示例性玻璃组合物中保持Bi2O3和Al2O3的量一致，而改变剩余氧化物的量和类型。所有量均以玻璃总重量为100％表示。
表1.示例性浆料P1-P8的玻璃组合物
玻璃 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8
Bi2O3 82 82 82 82 82 82 82 82
Al2O3 3 3 3 3 3 3 3 3
SiO2 1 1 4 4 4 5 10 10
B2O3 4 10 1 1 10 5 1 4
Li2O 10 4 10 - 1 5 4 1
Li3PO4 - - - 10 - - - -
为了形成每种示例性浆料P1-P8，将以该浆料的总重量为100％计约50重量％的银颗粒、约3重量％的每种玻璃组合物G1-G8、约0.1重量％的第一粘合增强剂(TeO2)、约0.13重量％的第二粘合增强剂(ZnO)和约47重量％的有机载体合并。在此实施例中，使用比表面积为约2-3m2/g且d50为约0.2-0.3μm的银粉。比表面积和d50值根据本文所示的程序测量。
一旦将浆料混合达到均匀的稠度后，即使用250目不锈钢、5μmEOM以约30μm的线直径将其丝网印刷到空白单晶硅晶片的后部上。印刷背面浆料以形成焊盘，这些焊盘横过电池的全长且为约4mm宽。然而，也可使用本领域中已知的不同设计和丝网参数。接下来，将不同的铝背面浆料全部印刷到电池背面的剩余区域上以形成铝BSF。接着在适当的温度下干燥电池。为了进行电性能测试，将标准正面浆料以两母线图案印刷在电池的正面上。接着，在约700-975℃的温度下，对印刷有正面和背面浆料的硅基板进行烧制。
接着根据先前描述的程序测量示例性浆料的粘合强度以及串联电阻和后栅极电阻。如上所示，最少1牛顿的拉力(粘合强度)是合乎需要的。可接受的粘合强度工业标准典型地高于2牛顿。拉力为至少3牛顿，或在一些情况下高于5牛顿的较强粘附力是最合乎需要的。在工业上，低于0.007Ω的后栅极电阻是合乎需要的。
示例性浆料的粘合性能在下表2中示出。所有粘合力值均以牛顿为单位报告且后栅极电阻和串联电阻以欧姆为单位报告。各示例性浆料均表现出优异的粘合性能，其中最低拉力为3.25牛顿(高于工业标准)。示例性浆料P3和P5表现出最佳的粘合性能，同时还表现出可接受的后栅极电阻和串联电阻。
表2.第一组示例性浆料P1-P8的粘合强度和电阻
实施例2
具有玻璃G3的浆料P3因其优异的粘合强度而被选择用于进一步优化。为了确定改变玻璃G3中Bi2O3、Al2O3和Li2O的水平的影响，通过实施例1中所示的程序制备了第二组示例性玻璃(被称为G9和G10)。玻璃组合物在下表3中示出。所有量均以玻璃总重量为100％表示。
表3.玻璃组合物G9和G10
G3 G9 G10
Bi2O3 82 80 79
Al2O3 3 5 1
SiO2 4 4 4
B2O3 1 1 1
Li2O 10 10 15
接着将玻璃G9和G10与银颗粒、各种氧化物和有机载体合并，以形成五种示例性浆料P9-P13，如下表4中所示。浆料P10和P11包含了玻璃G9，而浆料P12和P13包含了玻璃G10，如下表3中所示。根据实施例1中所示的参数，对这些浆料进行丝网印刷、干燥和烧制。
为了确定纳入添加剂的影响，用玻璃G3形成了浆料P9，但还纳入了铜添加剂。所有值均以总浆料组合物的重量百分比表示。
表4.示例性浆料P9-P13的浆料组合物
P3 P9 P10 P11 P12 P13
银 50 54 54 54 54 54
玻璃G3 3 3
玻璃G9 3 3
玻璃G10 3 3
TeO2 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10
ZnO 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13
Cu添加剂 0.13 0.13 0.13
载体 46.77 42.64 46.77 46.77 46.77 46.77
接着如先前所述测量示例性浆料P9-P13的粘合强度且将其与P3浆料以及可商购获得的浆料(“参照物”)进行比较。如表5中所示，浆料P9-P13的粘合强度表现均优于可接受的工业标准，其中最低拉力为4.2牛顿。浆料P13的表现与P3和参照物相当(在1牛顿范围内)，而浆料P9和浆料P12表现出甚至更高的粘合强度。因此，纳入添加剂(此处为铜添加剂)(浆料P9)明显地改善了性能。表现优于浆料P3和参照物的浆料P12含有玻璃G9，该玻璃具有含量略低的Bi2O3和含量略高的Al2O3。
表5.第二组示例性浆料P9–P13的粘合强度
参照物 P3 P9 P10 P11 P12 P13
粘附力 6.3 6.3 8.2 5.6 4.2 7.3 5.8
实施例1-2的结果说明，在导电浆料的玻璃料中纳入Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4两者中的至少一种产生了远高于工业标准且相对于可商购获得的浆料有所改善的粘合性能。更具体地讲，纳入约79-82重量％的Bi2O3、3-5重量％的Al2O3、3-5重量％的SiO2、1-2重量％的B2O3和10-15重量％的Li2O被证实为最佳的。金属铜添加剂的添加进一步改善了所得浆料的粘合性能。
通过前述说明书，本发明的这些和其它优点将对本领域的技术人员显而易见。因此，本领域的技术人员将认识到，在不偏离本发明的广泛发明构思的情况下，可对上述实施方案进行改变或修改。任何特定实施方案的具体尺寸仅出于说明目的而描述。因此，应当了解，本发明不限于本文所述的特定实施方案，而意欲包括在本发明的范围和精神内的所有改变和修改。

Claims (43)

1.一种用于在太阳能电池上形成背面焊盘的导电浆料组合物，所述组合物包含：
金属颗粒；
玻璃料，其包含Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，和Li2O或Li3PO4两者中的至少一种；以及
有机载体。
2.根据权利要求1所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料包含约30-99.9％，优选约50-99.9％，更优选约70-90％的所述Bi2O3。
3.根据权利要求1或2所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料包含约0.01-15％，更优选约1-10％的所述Al2O3。
4.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料包含约0.01-15％，更优选约1-10％的所述SiO2。
5.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料包含约0.01-10％，更优选约0.01-5％的所述B2O3。
6.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料包含约0.01-20％，更优选约5-15％的所述至少一种Li2O或Li3PO4。
7.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料的中值粒径d50为约0.1至约10μm，优选为约0.1至约5μm，更优选为约0.1至约2μm，最优选为约0.1至约1μm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述玻璃料为浆料的约0.01-10重量％，优选约0.01-7重量％，更优选约0.01-6重量％且最优选约0.01-5重量％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中以所述导电浆料组合物的总重量为100％计，所述金属颗粒为约30-75重量％，优选为约30-60重量％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述金属颗粒为所述导电浆料组合物的约30-50重量％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述金属颗粒包含银、铝、金和镍中的至少一种，或其合金或混合物。
12.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述金属颗粒优选包含银。
13.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述金属颗粒优选包含银和铝。
14.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述金属颗粒的中值粒径d50为约0.1至约4μm，优选为约0.1至约3μm，优选为约0.1至约2μm，且最优选为约0.1至约1μm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述金属颗粒的比表面积为约1至约3m2/g，优选为约2-3m2/g。
16.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述有机载体为导电浆料组合物的约20-60重量％，优选为约30-50重量％，最优选为约40-50重量％。
17.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述有机载体包括粘合剂、表面活性剂、有机溶剂和另外的化合物，所述另外的化合物选自由表面活性剂、触变剂、粘度调节剂、稳定剂、无机添加剂、增稠剂、乳化剂、分散剂、pH调节剂及其任何组合组成的组。
18.根据权利要求17所述的导电浆料组合物，其中所述粘合剂为以下至少一种：聚糖、纤维素酯树脂、酚醛树脂、丙烯酸类、聚乙烯醇缩丁醛或聚酯树脂、聚碳酸酯、聚乙烯或聚氨酯树脂，或松香衍生物。
19.根据权利要求17或18所述的导电浆料组合物，其中所述表面活性剂为聚环氧乙烷、聚乙二醇、苯并三唑、聚(乙二醇)乙酸、月桂酸、油酸、癸酸、肉豆蔻酸、亚油酸、硬脂酸、棕榈酸、硬脂酸盐、棕榈酸盐中的至少一种，及其混合物。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述有机溶剂为以下的至少一种：卡必醇、萜品醇、己基卡必醇、texanol、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二酸二甲酯或乙二醇醚。
21.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其还包含约0.01-1重量％的以下至少一种：铝、铜、铝-硅化合物、铝-磷化合物和铜化合物。
22.根据前述权利要求中任一项所述的导电浆料组合物，其还包含含金属或金属氧化物的粘合增强剂，其中所述粘合增强剂包含至少一种选自由以下组成的组的金属：碲、钨、钼、钒、镍、锑、镁、锆、银、钴、铈和锌，或其氧化物。
23.根据权利要求22所述的导电浆料组合物，其中所述粘合增强剂为碲。
24.根据权利要求22所述的导电浆料组合物，其中所述粘合增强剂为二氧化碲。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述粘合增强剂分散在所述玻璃料内。
26.根据权利要求22-25中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述粘合增强剂分散在所述导电浆料组合物内，与所述玻璃料无关。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的导电浆料组合物，其中所述粘合增强剂为所述导电浆料组合物的约0.01-5重量％，优选为约0.05-2.5重量％，最优选为约0.05-1重量％。
28.一种太阳能电池，其包括：
具有正面和背面的硅晶片；以及
形成于所述硅晶片上的焊盘，所述焊盘由根据权利要求1-27中任一项所述的导电浆料制成。
29.根据权利要求28所述的太阳能电池，其中所述焊盘形成于所述太阳能电池的所述背面上。
30.根据权利要求28或29所述的太阳能电池，其中所述焊盘可以用等于或大于1牛顿的拉力从所述硅晶片移除。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的太阳能电池，其中所述焊盘可以用等于或大于2牛顿的拉力从所述硅晶片移除。
32.根据权利要求28-31中任一项所述的太阳能电池，其中所述焊盘可以用等于或大于3牛顿的拉力从所述硅晶片移除。
33.根据权利要求28-32中任一项所述的太阳能电池，其中所述焊盘可以用等于或大于5牛顿的拉力从所述硅晶片移除。
34.根据权利要求28-33中任一项所述的太阳能电池，其中所述焊盘由包含约30-75重量％的金属颗粒的导电浆料形成。
35.根据权利要求28-34中任一项所述的太阳能电池，其中所述焊盘由包含约30-60重量％的金属颗粒的导电浆料形成。
36.根据权利要求28-35中任一项所述的太阳能电池，其中所述焊盘由包含约30-50重量％的金属颗粒的导电浆料形成。
37.根据权利要求28-36中任一项所述的太阳能电池，其中在所述硅晶片的所述正面上形成电极。
38.根据权利要求28-37中任一项所述的太阳能电池，其中所述硅晶片的所述正面还包含抗反射层。
39.一种太阳能电池模块，其包括电互连的根据权利要求28-38中任一项所述的太阳能电池。
40.一种制造太阳能电池的方法，其包括以下步骤：
提供具有正面和背面的硅晶片；
将根据权利要求1-27中任一项所述的导电浆料组合物施加到所述硅晶片的所述背面上；以及
根据适当的轮廓对所述硅晶片进行烧制。
41.根据权利要求40所述的制造太阳能电池的方法，其中所述硅晶片在所述正面上具有抗反射涂层。
42.根据权利要求40或41所述的制造太阳能电池的方法，其还包括以下步骤：将含铝浆料施加到所述硅晶片的所述背面，与所述施加的根据权利要求1-27所述的导电浆料组合物的边缘重叠。
43.根据权利要求40-42中任一项所述的制造太阳能电池的方法，其还包括以下步骤：将含银浆料施加到所述硅晶片的所述正面。
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