CN106304850B - 用于形成太阳电池电极的组成物及太阳电池电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于形成太阳电池电极的组成物及太阳电池电极，所述用于形成太阳电池电极的组成物包含导电粉末、玻璃料以及有机媒剂，且具有由[算式1]表示的约60％至约90％的黏性(tackiness)。本发明的太阳电池电极的组成物具有极好转化效率。[算式1]黏性(tackiness)(％)＝{(A‑B)/A}×100在[算式1]中，A表示当通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的剪应力(shear stress)的最小剪应力值(minimum shear stress)，所述圆形板具有25mm的直径且通过用于形成太阳电池电极的组成物的介质平行于彼此的层压，且B表示在剪应力的相对于板之间的间隙的瞬时改变速率(d(剪应力)/d(间隙))为0.05的点处的剪应力值。

Description

用于形成太阳电池电极的组成物及太阳电池电极
技术领域
本发明涉及一种用于形成太阳电池电极的组成物及使用所述用于形成太阳电池电极的组成物制造的太阳电池电极。
背景技术
太阳电池使用将日光的光子(photon)转化成电的pn接面的光电效应来产生电能。在太阳电池中，分别在具有pn接面的半导体晶圆或基板的上部表面以及下部表面上形成前电极以及背电极。通过进入半导体晶圆的日光来诱发pn接面处的光伏效应，且自其产生的电子提供经由电极流动至外部的电流。太阳电池的电极可通过涂覆、图案化以及烘烤用于形成太阳电池电极的组成物而形成于晶圆的表面上。
印刷用于形成太阳电池电极的组成物于基板上的方法主要可分类为凹版转印(gravure-offset printing)方法及网版印刷方法。在凹版转印方法的状况下，组成物的粘度、干燥性质以及粘性具有极大影响；且在网版印刷方法的状况下，组成物的流变性质或触变性(thixotrophy)具有大影响。因此，当形成太阳电池电极时，使用用于形成可实施具有精细线宽的经印刷图案且具有高长宽比的太阳电池电极的组成物为重要的。
韩国早期公开专利公开案第2011-0040713号揭示一种使用塑化剂控制用于形成太阳电池电极的组成物的调平性质及触变性质以实现窄线宽及高长宽比(aspect ratio)的方法。韩国早期公开专利公开案第2010-0069950号揭示一种使用凹版转印方法的技术，在所述技术中，具有高玻璃转化温度(Tg)的粘合剂用作第二电极以获得高长宽比；且韩国早期公开专利公开案第2007-0055489号揭示一种通过经由银(Ag)粉末的直径控制触变(TI)性质来改良线宽及长宽比的技术。然而，存在对用于实施精细线宽及高长宽比的上述现有技术的限制。
发明内容
技术问题
本发明的目标为提供一种用于形成可实施精细线宽的太阳电池电极的组成物。
本发明的另一目标为提供一种用于形成具有极好转化效率的太阳电池电极的组成物。
本发明的又一目标为提供一种包含用于形成太阳电池电极的组成物的太阳电池电极。
本发明的所有目标可通过将在下文中描述的本发明达成。
技术的解决方案
本发明的实施例是关于一种用于形成太阳电池电极的组成物，所述组成物包含导电粉末、玻璃料以及有机媒剂，且具有由以下算式1表示的约60％至约90％的黏性(tackiness)。
[算式1]
黏性(tackiness)(％)＝{(A-B)/A}×100
在[算式1]中，A表示当通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的剪应力(shear stress)的最小剪应力值(minimum shear stress)，所述圆形板具有25mm的直径且通过用于形成太阳电池电极的组成物的介质平行于彼此的层压，且B表示在剪应力的相对于板之间的间隙的瞬时改变速率(d(剪应力)/d(间隙))为0.05的点处的剪应力值。
组成物可包含约50重量％至约90重量％的导电粉末；约1重量％至约15重量％的玻璃料；以及约5重量％至约40重量％的有机媒剂。
组成物可还包含具有约40mN/m至约65mN/m的表面张力的表面张力改质剂。
表面张力改质剂可包含由以下各者所构成的族群中选出的一种或多种化合物：乙二醇、二甘醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、碳酸丙烯酯、甲酰胺、甘油以及糠醛。
表面张力改质剂可以用于形成太阳电池电极的组成物的约0.1重量％至约40重量％的量而包含。
导电粉末可包含由以下各者所构成的族群中选出的一种或多种：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(Nickel)以及ITO(氧化铟锡)。
玻璃料可包含含铅玻璃料、无铅玻璃料或其混合物。
玻璃料可具有约0.1μm至约5μm的平均粒径(D50)。
组成物可更包含由以下各者所构成的族群中选出的一种或多种：分散剂、塑化剂、粘度稳定剂、抗起泡剂、颜料、UV稳定剂、抗氧化剂以及偶合剂。
组成物可具有可在约65％至约90％的范围内的由算式1表示的黏性(tackiness)。
本发明的另一实施例是关于一种使用用于形成太阳电池电极的组成物所制造的太阳电池电极。
有益效果
本发明的用于形成太阳电池电极的组成物可实施具有精细线宽的经印刷图案且具有极好转化效率。
附图说明
图1为展示根据间隙在通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的剪应力值的曲线图，所述圆形板具有25mm的直径且通过用于形成太阳电池电极的组成物的介质平行于彼此的层压。
图2为根据本发明的实例的示意性地说明太阳电池的结构的概念图。
具体实施方式
用于形成太阳电池电极的组成物
本发明的用于形成太阳电池电极的组成物可具有由以下算式1表示的约60％至90％更特定言之约65％至90％的黏性(tackiness)：
[算式1]
黏性(tackiness)(％)＝{(A-B)/A}×100
在[算式1]中，A表示当通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的剪应力(shear stress)的最小剪应力值(minimum shear stress)，所述圆形板具有25mm的直径且通过用于形成太阳电池电极的组成物的介质平行于彼此的层压，且B表示在剪应力相对于板之间的间隙的瞬时改变速率(d(剪应力)/d(间隙))为0.05的点处的剪应力值。
图1说明展示根据间隙(Gap)在通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的剪应力(shear stress)的曲线图，所述圆形板具有25mm的直径且通过用于形成太阳电池电极的组成物的介质平行于彼此的层压。
在图1的曲线图中，x轴表示当通过所施加外力使圆形板彼此脱离时所述板之间的间隙(Gap)。施加外力之前的间隙为施加于所述板之间的用于形成太阳电池电极的组成物的厚度。y轴表示根据间隙(Gap)的剪应力值(shear stress)。用于量测粘性的板为具有25mm的直径及2mm的厚度的不锈钢，且供应在所述板之间的用于形成太阳电池电极的组成物的含量为20g。另外，在剪应力的量测期间，浸泡时间(Soak time)为10秒，持续时间(Duration time)为20秒，恒定线性速率(Constant linear rate)为1.0mm/s且最大间隙改变值(Maximum gap change)为100mm。
另外，在25℃的温度及20％的湿度的条件下量测剪应力值。
在图1的曲线图中，a点为圆形板彼此脱离开始的点，且b点为剪应力相对于间隙的瞬时改变速率为0.05的点，其表示圆形板之间的分离实质上完成的时刻。在b点之后，几乎不存在自所述板之间的组成物层伸展的任何拖尾(tail)，且几乎无剪应力值的改变。
根据本发明，在[算式1]中，A表示图1的曲线图中的a点处的剪应力值(shearstress)，即在通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的最小剪应力值(minimumshear stress)，所述圆形板已通过本发明的用于形成太阳电池电极的组成物层压，且B表示在图1的曲线图中的b点处的剪应力值，即在剪应力相对于所述板之间的间隙的瞬时改变速率(d(剪应力)/d(间隙))为0.05的点处的剪应力值。
当由算式1表示的粘性在约60％至90％的范围内时，有可能印刷精细图案且可获得极佳转化效率。当粘性小于约60％时，可能在印刷期间减小印刷遮罩上覆墨(flooding)的程度；且当粘性大于约90％时，图案线可能因为可印刷性的降低而断裂。
当将具有在前述范围内的粘性的本发明的用于形成太阳电池电极的组成物印刷在基板上(尤其使用网版印刷方法)时，印刷图案的线宽可在约65μm至90μm的范围内，且线厚度可在约15μm至25μm的范围内。另外，为印刷图案的线厚度与线宽的比率的长宽比(线厚度/线宽)可为约0.15或大于0.15，较佳地在约0.15至0.50的范围内；且更佳地为约0.20至0.40。当长宽比在此范围内时，可获得极佳可印刷性。
本发明的用于形成太阳电池电极的组成物包含导电粉末(A)、玻璃料(B)以及有机媒剂(C)。此外，组成物可进一步选择性地包含表面张力改质剂(D)。组成物可在使用网版印刷方法印刷在晶圆基板上期间实施精细线宽，且使用所述组成物所制造的太阳电池电极具有极佳转化效率。
在下文中，将详细地描述形成用于形成太阳电池电极的组成物的各组分。
(A)导电粉末
具有导电性的有机材料或无机材料可被用作本发明中使用的导电粉末。较佳地，可使用银(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(Nickel)或ITO(氧化铟锡)。这些导电粉末可单独使用或作为其中两种或超过两种的混合物使用。导电粉末较佳地包含银(Ag)粒子，且可还包含除银(Ag)粒子以外的镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、锌(Zn)或铜(Cu)粒子。
导电粉末可具有约0.1μm至10μm较佳地约0.2μm至7μm且更佳地约0.5μm至5μm的平均粒径(D50)。
可以按所述组成物的总重量计约50重量％至90重量％的量且较佳地以约70重量％至90重量％的量包含导电粉末。在此范围内，可防止由于电阻增大而造成的转化速率的降低，可去除由于有机媒剂的量的相对降低而造成的形成浆料上的困难，且可获得适合的分散性、流动性以及可印刷性。
(B)玻璃料
玻璃料(glass frit)起作用以通过蚀刻(etching)抗反射层且熔融银粉末而在发射极区中形成银粉末的晶粒，以在电极浆料的烘烤制程期间降低电阻，改良导电粉末与晶圆之间的粘着性，且通过在烘烤制程期间软化而降低烘烤温度。
当增加太阳电池的表面面积以改良太阳电池效率时，可增大太阳电池的接触电阻，且因此需要使串联电阻以及对pn接面(pn junction)的影响降到最小。另外，由于用于烘烤的温度范围随着使具有各种表面电阻的晶圆的使用增加而扩大，因此较佳的是使用可在广泛范围的烘烤温度下确保充分热稳定性的玻璃料。
通常使用在用于形成太阳电池电极的组成物的含铅玻璃料或无铅玻璃料中的一种或多种可被用作玻璃料。
玻璃料可包含由以下各者所构成的族群中选出的金属氧化物中的一种或其混合物：氧化铅、氧化硅、氧化碲、氧化铋、氧化锌、氧化硼、氧化铝、氧化钨等。举例而言，可使用氧化锌-氧化硅(ZnO-SiO2)类、氧化锌-氧化硼-氧化硅(ZnO-B2O3-SiO2)类、氧化锌-氧化硼-氧化硅-氧化铝(ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3)类、氧化铋-氧化硅(Bi2O3-SiO2)类、氧化铋-氧化硼-氧化硅(Bi2O3-B2O3-SiO2)类、氧化铋-氧化硼-氧化硅-氧化铝(Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3)类、氧化铋-氧化锌-氧化硼-氧化硅(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2)类或氧化铋-氧化锌-氧化硼-氧化硅-氧化铝(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3)类玻璃料或其类似物。
玻璃料可使用常见方法由前述金属氧化物制备。举例而言，混合前述金属氧化物的组成物。混合使用球磨机(ball mill)或行星式磨机(planetary mill)执行。混合组成物在约900℃至1300℃的条件下熔融，且在约25℃下淬灭(quenching)。所得产物由盘磨机(disk mill)、行星式磨机或其类似物研磨，且借此可获得玻璃料。
玻璃料的形状不特定受限，且例如可为球形或不规则形状。
玻璃料可具有约0.1μm至5μm的平均粒径(D50)。
作为玻璃料，可购买常用商业玻璃料以供使用，或例如可使用通过以下操作而制备的玻璃料：选择性地熔融二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化硼(B2O3)、氧化铋(Bi2O3)、氧化钠(Na2O)、氧化锌(ZnO)或其类似物以获得所要组成物。
可以按所述组成物的总重量计约1重量％至15重量％的量、较佳地以约2重量％至10重量％的量包含玻璃料。在此范围内，可获得适合的分散性、流动性以及可印刷性。
(C)有机媒剂
有机媒剂通过与组成物的无机组分机械混合而提供给用于形成太阳电池电极的组成物适合于印刷的粘度及流变性质。
常用于所述用于形成太阳电池电极的组成物的有机媒剂可被用作有机媒剂，且所述有机媒剂可包含常用粘合剂树脂、溶剂等。
丙烯酸酯类树脂、纤维素类树脂或其类似物可被用作粘合剂树脂，且乙基纤维素为常用树脂。然而，亦可使用乙基羟乙基纤维素、硝化纤维素、乙基纤维素与酚系树脂的混合物、醇酸树脂、酚系树脂、丙烯酸酯类树脂、二甲苯类树脂、聚丁烯类树脂、聚酯类树脂、尿素类树脂、三聚氰胺类树脂、乙酸乙烯酯类树脂、木松香(rosin)、聚甲基丙烯酸酯醇或其类似物。
溶剂的实例包含以下各者中的一种或者两种或大于两种的混合物：己烷、甲苯、乙基赛路苏、环己酮、丁基赛路苏、丁基卡必醇(二甘醇单丁醚)、二丁基卡必醇(二甘醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二甘醇单丁醚乙酸酯)、丙二醇单甲醚、己二醇、萜品醇(Terpineol)、甲基乙基酮、苄醇、γ丁内酯、乳酸乙酯等。
可以按所述用于形成太阳电池电极的组成物的总重量计约5重量％至40重量％的量包含有机媒剂。在此范围内，可确保充分粘着强度及极佳可印刷性。
(D)表面张力改质剂
本发明的组成物可更包含表面张力改质剂(surface tension modifier)。在本发明中，表面张力改质剂是指在20℃下具有约40mN/m或大于40mN/m(例如，约40mN/m至65mN/m)的表面张力的共溶剂(co-solvent)。本发明中的表面张力可指根据ASTM D 1331标准在20℃下所量测的表面张力值。
作为实例，表面张力改质剂可包含乙二醇、二甘醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、碳酸丙烯酯、甲酰胺、甘油、糠醛等。这些可单独使用或作为其中两种或超过两种的混合物使用。
可以按用于形成太阳电池电极的组成物的总重量计约0.1重量％至40重量％的量、较佳地以约0.1重量％至25重量％的量包含表面张力改质剂。在此范围内，可获得适合的流动性及可印刷性。
(E)其他添加剂
本发明的用于形成太阳电池电极的组成物可视需要还包含除上文所描述的组分以外的通用添加剂以改良流动性、可加工性以及稳定性。分散剂、塑化剂、粘度稳定剂、抗起泡剂、颜料、UV稳定剂、抗氧化剂、偶合剂以及其类似物中的一种或者两种或大于两种的混合物可被用作添加剂。可以按用于形成太阳电池电极的组成物的总重量计约0.1重量％至5重量％的量包含这些添加剂，但可视需要修改所述添加剂的含量。
太阳电池电极及包含其的太阳电池
本发明的另一实施例是关于一种由用于形成太阳电池电极的组成物形成的电极及一种包含所述电极的太阳电池。图2说明根据本发明的实例的太阳电池的结构。
参看图2，可通过将用于电极的组成物印刷在包含p层(或n层)101及n层(或p层)102(作为发射极)的晶圆100或基板上且烘烤所述组成物而形成背电极210及前电极230。举例而言，可通过将用于电极的组成物印刷涂布在晶圆的后部表面上，且在约200℃至400℃下干燥组成物约10秒至60秒，以执行背电极的初步处理。另外，可通过在晶圆的前部表面上印刷用于电极的组成物并干燥所述组成物来执行前电极的初步处理。此后，可通过在约400℃至950℃(较佳地约750℃至950℃)下执行烘烤制程30秒至50秒而形成前电极及背电极。
发明实例
将结合实例详细地描述本发明，但应理解，仅仅出于说明而提供这些实例，且这些实例不应解释为以任何方式限制本发明。
实例1
在作为溶剂的6.2重量％的丁基卡必醇(陶氏化学公司)中在60℃下充分混合作为有机粘合剂的1.5重量％的乙基纤维素(STD4及SDT200，陶氏化学(The Dow Chemical)公司)，以制备有机媒剂；将具有2.0μm平均粒径的85重量％的球形银粉末(AG-4-8，同和高科技(Dowa Hightech)有限公司)、具有1.0μm平均粒径的3重量％的玻璃料(CI-124，贝斯(BASS)有限公司)、作为表面张力改质剂的0.3重量％的四乙二醇(Tetraethyleneglycol)(西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich)公司)以及0.6重量％的甲酰胺(Formamide，西格玛奥德里奇公司)、0.2重量％的分散剂(BYK102，毕克化学(BYK-Chemie)有限公司)、0.3重量％的触变剂(Thixatrol ST，海名斯(Elementis)有限公司)及为塑化剂的2.9重量％的二甲基己二酸酯(西格玛奥德里奇公司)作为添加剂放入有机媒剂中，且充分地混合，随后在3辊捏合机中混合及捏合，借此制备用于形成太阳电池电极的组成物。
实例2至实例6以及比较实例1
以与实例1中相同的方式制备用于太阳电池电极的组成物，除如表1中所包含各组分外。
用于量测物理性质的方法
(1)粘性(tackiness)的量测
在25℃的温度及20％的湿度的条件下，通过根据实例1至实例6及比较实例1所制备的用于形成太阳电池电极的20g组成物的介质层压一对圆形板(具有25mm直径及2mm厚度的不锈钢)，当通过所施加外力使所述圆形板彼此脱离时量测剪应力值，且通过将剪应力值代入以下算式1中来量测粘性。结果展示于表1中。
[算式1]
黏性(tackiness)(％)＝{(A-B)/A}×100
在[算式1]中，A表示所量测的剪应力(shear stress)的最小剪应力值，且B表示在剪应力相对于所述板之间的间隙的瞬时改变速率(d(剪应力)/d(间隙))为0.05的点处的剪应力值。
(2)短路电流及转化效率的量测
将实例1至实例6及比较实例1中所制备的用于形成太阳电池电极的组成物通过网版印刷方法印刷在单晶晶圆(Wafer)的前部表面上，且使用红外线干燥烘箱干燥。将由所述制程所制备的电池在600℃至900℃下使用带式烘烤烘箱烘烤60秒至210秒以制备电池。对于所制备的电池，使用太阳电池效率测试仪(CT-801，巴萨安(Pasan)有限公司)量测太阳电池的短路电流(Isc)以及转化效率(％)，且结果展示于表1中。
(3)线宽及厚度的量测
将实例1至实例6及比较实例1中所制备的用于形成太阳电池电极的组成物使用经设计以具有约30μm至50μm线宽的网版遮罩以均一图案网版印刷在晶圆(Wafer)的前部表面上。使用VK设备(VK9710，基恩斯(KEYENCE)有限公司)量测所制备的电极(指形杆)在干燥及烘烤所印刷的晶圆之后的线宽及厚度，且结果展示于以下表1中。
[表1]
[单位：重量％]
参看[表1]中的结果，可判定，通过算式1所计算的粘性在约60％至90％的范围内的实例1至实例6的用于太阳电池电极的组成物具有极佳可印刷性以用于形成精细图案，且使用所述组成物所制造的太阳电池电极具有优良转化效率。
本发明的用于形成太阳电池电极的组成物可实施具有精细线宽的印刷图案，且具有极佳转化效率。
可由所属领域中具通常知识者容易地执行对本发明的简单修改及更改，且所有修改及更改均在本发明的范畴内。

Claims (8)

1.一种用于形成太阳电池电极的组成物，其特征在于，包括50重量％至90重量％的导电粉末、1重量％至15重量％的玻璃料、0.1重量％至40重量％的表面张力改质剂以及5重量％至40重量％的有机媒剂，其中所述张力改质剂具有40mN/m至65mN/m的表面张力，且所述用于形成太阳电池电极的组成物具有由以下算式1表示的60％至90％的黏性：
算式1
黏性(％)＝{(A-B)/A}×100
其中，在算式1中，A表示当通过施加外力使一对圆形板彼此脱离时所量测的剪应力的最小剪应力值，所述圆形板具有25mm的直径且通过所述用于形成太阳电池电极的组成物的介质平行于彼此的层压，且B表示在剪应力相对于所述圆形板之间的间隙的瞬时改变速率为0.05的点处的剪应力值。
2.根据权利要求1所述的用于形成太阳电池电极的组成物，其中所述表面张力改质剂包含由以下各者所构成的族群中选出的一种或多种化合物：乙二醇、二甘醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、碳酸丙烯酯、甲酰胺、甘油以及糠醛。
3.根据权利要求1所述的用于形成太阳电池电极的组成物，其中所述导电粉末包含由以下各者所构成的族群中选出的一种或多种：银、金、钯、铂、铜、铬、钴、铝、锡、铅、锌、铁、铱、锇、铑、钨、钼、镍以及氧化铟锡。
4.根据权利要求1所述的用于形成太阳电池电极的组成物，其中所述玻璃料包含含铅玻璃料、无铅玻璃料或其混合物。
5.根据权利要求1所述的用于形成太阳电池电极的组成物，其中所述玻璃料具有0.1μm至5μm的平均粒径。
6.根据权利要求1所述的用于形成太阳电池电极的组成物，还包括由以下各者所构成的族群中选出的一种或多种：分散剂、塑化剂、粘度稳定剂、抗起泡剂、颜料、UV稳定剂、抗氧化剂以及偶合剂。
7.根据权利要求1所述的用于形成太阳电池电极的组成物，其中由算式1表示的所述黏性在65％至90％的范围内。
8.一种使用如权利要求1-7中任一项所述的用于形成太阳电池电极的组成物所制造的太阳电池电极。
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