CN108389915A - 太阳能电池的指状电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高宽比高且电性质优异的太阳能电池的指状电极的制造方法以及一种由此制造方法制造的太阳能电池的指状电极。所述方法包括：使用具有65％或大于65％的开口率的印刷掩模在衬底的前表面上印刷导电膏；以及烘烤所述经印刷的导电膏，其中所述导电膏包含导电粉、玻璃料以及有机载体，且其中所述导电粉包含粒径(D50)为0.1微米至1.5微米的第一导电粉以及粒径(D50)大于1.5微米至5微米或更小的第二导电粉，且所述导电粉整体具有0.5微米或小于0.5微米的粒径(D10)。

Description

太阳能电池的指状电极及其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请主张在2017年2月03日提出申请的韩国专利申请10-2017-0015803的权利，所述韩国专利申请的全部公开内容并入本案供参考。
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的指状电极的制造方法，以及一种由此制造的太阳能电池的指状电极。
背景技术
太阳能电池利用将日光的光子转换成电力的p-n结(p-n junction)的光生伏打效应(photovoltaic effect)来产生电力。在太阳能电池中，在半导体晶片或衬底的上表面及下表面上分别形成前电极及后电极，且在所述前电极与所述后电极之间具有p-n结。然后，由进入半导体晶片的日光诱发p-n结处的光生伏打效应，且通过p-n结处的光生伏打效应而产生的电子经由电极提供电流。
此种太阳能电池电极通常通过以下方式进行制造：将用于形成电极的具有开口的印刷掩模放置于半导体衬底上，将导电膏放置于印刷掩模上，并经由印刷掩模的开口将导电膏以电极的形式印刷于半导体衬底上，然后烘烤经印刷的导电膏。
图1示出用于形成太阳能电池电极的典型印刷掩模的图像。参照图1，此种典型印刷掩模是通过以下方式制造：将感光性树脂14施加至相对于印刷掩模的纵向方向倾斜设置的网格12，并选择性地移除感光性树脂的将在其中利用光致抗蚀工艺印刷电极的部分，从而形成电极印刷部分16。此种用于形成太阳能电池电极的典型印刷掩模具有45％至60％的开口率，其中开口率是指无网格部分占据的面积占电极印刷部分的总面积的比例。
在太阳能电池的前表面上形成的指状电极优选地具有小的线宽度、狭窄并具有大的高度以增大日光接收面积。然而，当使用具有45％至60％的开口率的典型印刷掩模时，在增大电极高宽比(高度/线宽)方面受到限制，且因此在提高太阳能电池转换效率方面受到限制。
近来，已尝试使用具有65％或大于65％的开口率的印刷掩模来提高指状电极的高宽比。然而，在将通常用于具有低开口率的典型印刷掩模中的导电膏组合物应用至具有高开口率的印刷掩模时，存在以下问题：在烘烤期间线宽有可能增大，使得高宽比增大不明显或电性质劣化。
因此，需要一种太阳能电池电极的制造方法，其可在使用具有65％或大于65％的高开口率的印刷掩模的同时抑制烘烤期间线宽的增大以及电特性的劣化。
本发明的背景技术公开于日本专利4,255,248中。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种高宽比高且电性质优异的太阳能电池的指状电极的制造方法，以及一种由所述制造方法制造的太阳能电池的指状电极。
本发明的此目的及其他目的可通过以下阐述的本发明的实施例而实现。
本发明的一个方面涉及一种太阳能电池的指状电极的制造方法。
所述太阳能电池的指状电极的制造方法包括：使用具有65%或大于65%的开口率的印刷掩模在衬底的前表面上印刷导电膏；以及烘烤所述经印刷的导电膏，其中所述导电膏包含导电粉、玻璃料以及有机载体，且其中所述导电粉包含粒径(D50)为0.1微米至1.5微米的第一导电粉以及粒径(D50)大于1.5微米至5微米或更小的第二导电粉，且所述导电粉整体具有0.5微米或小于0.5微米的粒径(D10)。
所述导电粉整体可具有0.1微米至0.2微米的粒径(D10)。
所述第一导电粉对所述第二导电粉的重量比可介于1∶99至99∶1的范围内。
所述印刷掩模可具有65％至90％的开口率。
所述印刷掩模可包括：网格、与所述网格结合的感光性树脂层，以及通过移除所述感光性树脂层而形成的电极印刷部分。
烘烤所述导电膏可在600℃至1,000℃下执行。
所述玻璃料可包含以下元素的氧化物中的至少一者：铅(Pb)、铋(Bi)、碲(Te)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、锂(Li)、硼(B)、硅(Si)、锌(Zn)、钨(W)、镁(Mg)、铯(Cs)、锶(Sr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)以及铝(Al)。
所述导电膏可包含60重量％至95重量％的所述导电粉、0.5重量％至20重量％的所述玻璃料以及1重量％至30重量％的所述有机载体。
所述导电膏可进一步包含选自由以下组成的群组中的至少一种添加剂：分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外线稳定剂、抗氧化剂及偶合剂。
根据本发明的另一方面，提供一种太阳能电池的指状电极。
所述太阳能电池的指状电极可通过以上所述太阳能电池的指状电极的制造方法来制造。
本发明提供一种高宽比高且电性质优异的太阳能电池的指状电极的制造方法，以及一种由所述制造方法制造的太阳能电池的指状电极。
附图说明
图1是说明用于形成太阳能电池的指状电极的典型印刷掩模的图式。
图2是说明根据本发明具有高开口率的印刷掩模的图式。
[符号的说明]
10、100：印刷掩模
12、120：网格
14：感光性树脂
140：感光性树脂层
16、160：电极印刷部分
具体实施方式
本文中所述的D50是指在基于体积的粒径分布中从较小颗粒累积测量的体积达到50％的点处的粒径，且D10是指从较小颗粒累积测量的体积达到10％的点处的粒径。
以下，将详细阐述本发明的实施例。
根据本发明的一个实施例，一种太阳能电池的指状电极的制造方法包括：使用具有65％或大于65％的开口率的印刷掩模在衬底的前表面上印刷导电膏；以及烘烤所述经印刷的导电膏。
首先，将参照图2阐述根据本发明的印刷掩模。图2示出根据本发明的印刷掩模100的实例。参照图2，印刷掩模100包括：网格120、与网格120结合的感光性树脂层140以及通过移除所述感光性树脂层而形成的电极印刷部分160，并具有65％或大于65％、具体来说65％至90％的开口率。此处，开口率是根据方程式1计算：
开口率(％)＝{(电极印刷部分的面积-电极印刷部分中网格占据的面积)/电极印刷部分的面积}×100。
利用包括具有高开口率的电极印刷部分的印刷掩模100所制造的指状电极可具有减小的线宽。此外，可防止根据本发明的导电膏在印刷后铺展或在烘烤期间渗出，从而提高电极的高宽比。
在印刷掩模100中，网格的经线优选地相对于印刷掩模的纵向方向呈80°至100°、优选地85°至105°的角度设置。当网格的经线的角度落于此范围内时，在电极印刷部分中被网格占据的面积可最小化，从而获得高的开口率。
此外，如图2所示，网格的位于电极印刷部分160上方的纬线与网格的位于电极印刷部分160下方的纬线之间的距离可长于网格的位于其他区中的纬线之间的距离。当网格的相邻于电极印刷部分的纬线之间的距离相对长时，在电极印刷部分160中被网格占据的面积可最小化，同时防止在导电膏的印刷期间可印刷性因由按压工具施加至印刷掩模的张力而降低。
接下来，将阐述根据本发明的导电膏。所述导电膏包含导电粉、玻璃料以及有机载体。
导电粉
导电粉包含粒径(D50)为0.1微米至1.5微米的第一导电粉以及粒径(D50)大于1.5微米至5微米或更小的第二导电粉。因此，根据本发明的导电粉包含两种或更多种具有不同粒径(D50)的导电粉，从而提高电极的高宽比及电性质。关于平均粒径，可在经由超声波作用在25℃下将导电粉分散在异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)中达3分钟之后，利用例如型号1064D(西莱斯有限公司(CILAS Co.，Ltd.))来测量。
第一导电粉可具有小于第二导电粉的粒径(D50)，且可具有例如0.1微米至1.5微米的粒径D50。第二导电粉可具有大于第一导电粉的粒径(D50)，且可具有例如大于1.5微米至5微米或更小的粒径D50。包含具有不同粒径的第一导电粉及第二导电粉的导电粉可增大电极图案的剖视填充密度(packing density)，从而改善电极的电性质、可图案化性、以及高宽比。
第一导电粉对第二导电粉的重量比可介于1∶99至99∶1、具体来说5∶95至95∶5、更具体来说10∶90至90∶10的范围内。在此重量比范围内，导电粉可改善电极的电性质以及高宽比。
导电粉整体可具有0.5微米或小于0.5微米、0.3微米或小于0.3微米、例如0.01微米至0.3微米、更具体来说0.1微米至0.2微米的粒径(D10)。在此粒径(D10)范围内，电极可具有高填充密度，且可表现出优异的电性质。
导电粉可包括通常用于太阳能电池电极中的任意典型导电粉，例如银、铝、镍、铜或其组合，对此并无限制。具体来说，在电性质方面优选使用银粉。
导电粉可具有各种颗粒形状，例如球形、薄片形或非晶形颗粒形状，对此并无限制。
以导电膏的总重量计，可存在60重量％至95重量％的量的导电粉。在此范围内，导电膏可提高太阳能电池的转换效率，且可易于制备成膏形式。具体来说，以导电膏的总重量计，可存在70重量％至90重量％的量的导电粉。
玻璃料
玻璃料用于通过在导电膏的烘烤工艺期间对抗反射层进行蚀刻并对导电粉进行熔融而在发射区中形成银晶粒。此外，玻璃料会改善导电粉与晶片的粘合力，且在烘烤工艺期间被软化以降低烘烤温度。
当增大太阳能电池的薄片电阻以提高太阳能电池效率时，可存在太阳能电池接触电阻及泄漏电流增大的问题。因此，有必要在最大化开路电压的同时使串联电阻(Rs)及对p-n结的影响两者最小化。此外，由于烘烤温度随着对具有不同薄片电阻的各种晶片的使用的增多而在广泛范围内变化，因此使玻璃料保证足够的热稳定性以承受宽范围的烘烤温度是可取的。
根据本发明的玻璃料可包含以下元素的氧化物中的至少一者：铅(Pb)、铋(Bi)、碲(Te)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、锂(Li)、硼(B)、硅(Si)、锌(Zn)、钨(W)、镁(Mg)、铯(Cs)、锶(Sr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)以及铝(Al)。
可通过所属领域中已知的任何典型方法由此类金属氧化物来制备玻璃料。举例来说，可以预定比率混合所述金属氧化物。所述混合可利用球磨机或行星式磨机执行。然后在900℃至1300℃下对所述混合物进行熔融，并将所述经熔融混合物淬火至25℃。利用盘磨机、行星式磨机等将所获得的材料粉碎，从而制备玻璃料。
玻璃料可具有0.1微米至10微米的平均粒径(D50)，且可具有球形或非晶形形状。
此外，以导电膏的总重量计，可存在0.5重量％至10重量％、例如约1重量％至约7重量％的量的玻璃料。在此范围内，玻璃料可确保p-n结在各种薄片电阻下的稳定性，最小化串联电阻，并最终提高太阳能电池效率。
有机载体
有机载体通过与导电膏的无机组分进行机械混合而对所述导电膏赋予适合于印刷的合适的粘度及流变特性。
有机载体可为用于太阳能电池电极的导电膏中所用的任何典型有机载体，且可包含粘合剂树脂、溶剂等。
粘合剂树脂可选自丙烯酸酯树脂或纤维素树脂。一般使用乙基纤维素作为所述粘合剂树脂。另外，粘合剂树脂可选自以下：乙基羟乙基纤维素、硝基纤维素、乙基纤维素与酚树脂的掺合物、醇酸树脂、酚树脂、丙烯酸酯树脂、二甲苯树脂、聚丁烯树脂(polybutaneresin)、聚酯树脂、脲树脂、三聚氰胺树脂、乙酸乙烯酯树脂、木松香、醇的聚甲基丙烯酸酯等。
溶剂可选自由以下组成的群组：例如，己烷、甲苯、乙基溶纤剂、环己酮、丁基溶纤剂、丁基卡必醇(二乙二醇单丁醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二乙二醇单丁醚乙酸酯)、丙二醇单甲醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁内酯及乳酸乙酯。这些溶剂可单独使用或作为其混合物形式使用。
以导电膏的总重量计，可存在1重量％至30重量％的量的有机载体。在此范围内，有机载体可对所述组合物提供足够的粘合强度及优异的可印刷性。
添加剂
根据本发明的导电膏可视需要进一步包含典型添加剂以增强流动性、以及工艺性质及稳定性。添加剂可包括分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外线稳定剂、抗氧化剂、偶合剂等。这些添加剂可单独使用或作为其混合物形式使用。以导电膏的总重量计，可存在0.1重量％至5重量％的量的添加剂，但所述添加剂的含量可视需要进行改变。
印刷导电膏可经由以下程序执行，在所述程序中，在将具有65％或大于65％的开口率的印刷掩模安置于衬底的前表面上并将导电膏安置于印刷掩模上之后，在导电膏上移动例如刮板或辊等按压工具以使得导电膏经由印刷掩模的开口而印刷于衬底的前表面上。
然后，在150℃至400℃、优选地在200℃至400℃下对导电膏进行干燥。此处，干燥可在红外(IR)干燥炉等中执行。此外，干燥可执行10秒至120秒，但并非仅限于此。
然后，对经印刷的导电膏进行烘烤，从而形成指状电极。此处，烘烤可在600℃至1000℃下执行10秒至120秒。
太阳能电池的指状电极
根据本发明的太阳能电池的指状电极可通过根据本发明的太阳能电池的指状电极的制造方法来制造。
太阳能电池的指状电极具有50微米或小于50微米、具体来说20微米至50微米、更具体来说20微米至48微米的小的线宽，且因此可最大化光接收面积，从而实现太阳能电池的优异的转换效率。
此外，太阳能电池的指状电极可具有0.32或大于0.32、例如0.32至0.8、具体来说0.35至0.7、更具体来说0.37至0.6的高宽比。在此高宽比范围内，电极可在具有细的线宽的同时表现出良好的电性质。
接下来，将参考实例来更详细地阐述本发明。然而，应注意，提供这些实例仅用于说明，且不应理解为以任何方式限制本发明。
此外，为清晰起见，对所属领域中的技术人员显而易见的细节不再予以赘述。
制备例
在以下制备例中使用的组分的详细说明如下：
(A)导电粉
导电粉I：粒径(D50)为0.5微米的球形银(Ag)粉(1-31C，同和高级技术有限公司(Dowa Hightech Co.，Ltd.))
导电粉II：粒径(D50)为2.5微米的球形银(Ag)粉(874，技术有限公司(TECHNICInc.))
导电粉III：粒径(DS0)为3.5微米的球形银(Ag)粉(6-11F，同和高级技术有限公司)
导电粉IV：粒径(D50)为5.5微米的球形银(Ag)粉(G35，同和高级技术有限公司)
导电粉V：粒径(D50)为0.08微米的球形银(Ag)粉(TWA02，同和高级技术有限公司)
(B)玻璃料：铋-碲-氧化物(Bi-Te-O)系玻璃料(ABT-1，旭硝子有限公司(AsahiGlass Co，Ltd.))
(C)有机粘合剂：乙基纤维素(STD4，陶氏化学品公司(Dow Chemical Company))
(D)溶剂：特神龙(Texanol)(伊士曼化学公司(Eastman Chemical Company))
(E)分散剂：Dispers 656(赢创工业(Evonik Industries))
(F)触变剂：奇科萨特牢(Thixatrol)ST(海名斯有限公司(Elementis Co.，Ltd.))
制备例1至制备例9
以如表1中所列的量使上述组分彼此混合，从而制备导电膏。具体来说，在60℃下将(C)有机粘合剂充分溶解在了(D)溶剂中以制备有机载体，并将导电粉、玻璃料、分散剂及触变剂添加到了所述有机载体中，然后在3辊捏合机中进行混合及捏合，从而制备导电膏。
表1
在表1中，粒径(D10)是指导电粉整体的粒径(D10)，且在经由超声波作用在25℃下将导电粉分散在异丙醇(IPA)中达3分钟之后利用例如型号1064D(西莱斯有限公司)进行测量。
实例1
将具有82％的开口率并包括线宽为26微米的电极印刷部分的印刷掩模(三利精密工业有限公司(Samlip Precision Ind.))放置在了半导体衬底上，并将在制备例1中制备的导电膏放置在了印刷掩模上，然后利用刮板进行印刷，随后在红外干燥炉中进行干燥。接着，在半导体衬底的后表面上印刷了铝膏并以与以上相同的方式进行了干燥。在带型(belt-type)烘烤炉中在950℃下对根据此程序而形成的电池进行了烘烤达45秒，从而制作太阳能电池。
实例2
除使用在制备例2中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
实例3
除使用在制备例3中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
实例4
除使用在制备例4中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
比较例1
除使用在制备例5中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
比较例2
除使用在制备例6中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
比较例3
除使用在制备例7中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
比较例4
除使用在制备例8中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
比较例5
除使用在制备例9中制备的导电膏以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
比较例6
除使用具有63％的开口率并包括线宽为26微米的电极印刷部分的印刷掩模(勒邦丝网印刷设备(Lebon Screen Printing Equipment))以外，以与实例1相同的方式制备了太阳能电池。
性质评估
(1)线宽：利用共焦显微镜(VK-9700，基恩士公司(Keyence Corp.))测量了电极线宽。
(2)电性质：利用太阳能电池效率测定仪(CT-801，帕桑有限公司(Pasan Co.，Ltd.))在短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、接触电阻(Rs)、填充因数(FF，％)及转换效率(Eff.)方面对在实例1至实例4以及比较例1至比较例6中制备的每一太阳能电池进行了评估。结果示出于表2中。
表2
如表2中所示可看出，各自利用根据本发明的具有开口率的印刷掩模以及根据本发明的包括导电粉组合的导电膏制备的实例1至实例4的太阳能电池电极在高宽比及电性质两方面均表现优异。
相反，可看出，利用不包含第一导电粉或第二导电粉的导电膏或利用粒度(D10)大于0.5微米的导电粉制备的比较例1至比较例5的太阳能电池电极在高宽比及电性质两方面表现出不良性质。此外可看出，利用具有低开口率的印刷掩模制备的比较例6的太阳能电池电极在所有性质方面相比于实例表现出相对差的性质。
尽管已在本文中阐述了一些实施例，但所属领域中的技术人员应理解，这些实施例仅以举例说明的方式给出且本发明并非仅限于此。此外，应理解，在不背离本发明的精神及范围的条件下，所属领域中的技术人员可作出各种润饰、变型及改变。因此，本发明的范围应仅受随附权利要求书及其等效形式的限制。

Claims (10)

1.一种太阳能电池的指状电极的制造方法，其特征在于，包括：
使用具有65％或大于65％的开口率的印刷掩模在衬底的前表面上印刷导电膏；以及
烘烤所述经印刷的导电膏，
其中所述导电膏包含导电粉、玻璃料以及有机载体，且
其中所述导电粉包含粒径为0.1微米至1.5微米的第一导电粉以及粒径大于1.5微米至5微米的第二导电粉，且所述导电粉整体具有0.5微米或小于0.5微米的粒径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电粉整体具有0.1微米至0.2微米的粒径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一导电粉对所述第二导电粉的重量比介于1∶99至99∶1的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述印刷掩模具有65％至90％的开口率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述印刷掩模包括：网格、与所述网格结合的感光性树脂层，以及通过移除所述感光性树脂层而形成的电极印刷部分。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，烘烤所述导电膏是在600℃至1,000℃下执行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃料包含以下元素的氧化物中的至少一者：铅、铋、碲、磷、锗、镓、铈、铁、锂、硼、硅、锌、钨、镁、铯、锶、钼、钛、锡、铟、钒、钡、镍、铜、钠、钾、砷、钴、锆、锰以及铝。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电膏包含60重量％至95重量％的所述导电粉、0.5重量％至20重量％的所述玻璃料以及1重量％至30重量％的所述有机载体。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电膏进一步包含以下中的至少一种添加剂：分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外线稳定剂、抗氧化剂及偶合剂。
10.一种太阳能电池的指状电极，其特征在于，通过根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的太阳能电池的指状电极的制造方法来制造。
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