CN109935641B - 用于形成太阳能电池电极的组成物和使用其制备的电极 - Google Patents

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Abstract

本文公开一种用于太阳能电池电极的组成物及一种太阳能电池电极。所述用于太阳能电池电极的组成物包含:导电粉;玻璃料;有机粘合剂;以及溶剂,其中所述溶剂具有140℃到180℃的闪点。

Description

用于形成太阳能电池电极的组成物和使用其制备的电极
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池电极的组成物及一种使用其形成的电极。
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,分别在具有p-n结的半导体晶片或衬底的上表面及下表面上形成前电极及后电极。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向外部提供电流。通过对用于太阳能电池电极的组成物进行施加、图案化及烘烤而在晶片上形成太阳能电池的电极。
作为用于太阳能电池电极的组成物,使用包含导电粉、玻璃料、粘合剂及溶剂的导电膏组成物。溶剂通过与用于太阳能电池电极的组成物的其他组分进行混合而对所述组成物赋予适合于印刷的粘度及流变特性。
举例来说,溶剂关系到组成物的可印刷性及烘烤适用性,且因此对太阳能电池电极的可靠性、开路电压及转换效率产生影响。
本发明的背景技术公开于日本专利未经审查公开案第2012-084585号中。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在可印刷性及可靠性方面具有良好性质的用于太阳能电池电极的组成物、以及一种由所述组成物形成的电极。
本发明的另一个目的是提供一种可改善太阳能电池的电特性(例如开路电压及转换效率)的用于太阳能电池电极的组成物、以及一种由所述组成物形成的电极。
本发明的这些目的及其他目的可通过以下阐述的本发明来实现。
本发明的一个方面涉及一种用于太阳能电池电极的组成物。
所述用于太阳能电池电极的组成物包含:导电粉;玻璃料;有机粘合剂;以及溶剂,其中所述溶剂具有140℃到180℃的闪点。
所述溶剂可具有257℃到300℃的沸点。
所述溶剂可具有由方程式1计算得到的为36,000或大于36,000的FB指数:
FB指数=溶剂的沸点(单位:℃)×溶剂的闪点(单位:℃)。
所述溶剂可包括2-[1-甲基-1-(4-甲基环己基)乙氧基]乙醇及邻苯二甲酸二乙酯中的至少一种。
所述溶剂还可包括以下中的至少一种: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。
所述玻璃料可由金属氧化物形成,其中所述金属氧化物可包括以下元素的氧化物中的至少一种:碲(Te)、锂(Li)、锌(Zn)、铋(Bi)、铅(Pb)、钠(Na)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、镁(Mg)、钼(Mo)、铯(Cs)、锶(Sr)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)、铝(Al)及硼(B)。
所述有机粘合剂可包括以下中的至少一种: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(polybutene resin)、聚酯树脂、脲树脂、三聚氰胺树脂、乙酸乙烯酯树脂、木松香及醇的聚甲基丙烯酸酯。
所述组成物可包含:60wt%到95wt%的所述导电粉;0.1wt%到20wt%的所述玻璃料;0.1wt%到15wt%的所述有机粘合剂;以及0.1wt%到20wt%的所述溶剂。
所述组成物还可包含:分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外线(UV)稳定剂、抗氧化剂及偶合剂中的至少一种添加剂。
本发明的另一个方面涉及一种太阳能电池电极。
所述太阳能电池电极可使用上述用于太阳能电池电极的组成物来制作。
本发明提供一种在可印刷性及可靠性方面具有良好性质且可改善太阳能电池的电特性的用于太阳能电池电极的组成物、以及一种由所述组成物形成的电极。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的太阳能电池的示意图。
附图标号说明
10:衬底
11:半导体衬底
12:射极
21:后电极
23:前电极
100:太阳能电池
具体实施方式
以下,将详细地阐述本发明的实施例。
会不必要地模糊本发明主题的已知功能及构造的详细说明将被省略。
除非上下文清晰地另外指出,否则本文所使用的单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”旨在也包括复数形式。此外,当在本说明书中使用用语“包括和/或包含(comprises、comprising、includes和/或including)”时,是指出存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、组分、和/或其群组,但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组分、和/或其群组的存在或添加。
另外,除非另外陈述,否则在分析组分时会考虑到误差裕度。
本文所使用的用语“金属氧化物”可指一种金属氧化物或多种金属氧化物。
此外,本文用来表示某些值的范围的“X到Y”意味着“大于或等于X且小于或等于Y”。
用于太阳能电池电极的组成物
用于太阳能电池电极的组成物包含导电粉、玻璃料、有机粘合剂以及溶剂,其中所述溶剂具有140℃到180℃的闪点。
现在,将更详细地阐述根据本发明的用于太阳能电池电极的组成物的每一组分。
导电粉
导电粉用于对用于太阳能电池电极的组成物赋予导电性。根据本发明的用于太阳能电池电极的组成物可包含例如银(Ag)或铝(Al)等金属粉作为所述导电粉。举例来说,导电粉可为银粉。导电粉可具有纳米级粒度或微米级粒度。举例来说,导电粉可为平均粒径为数十纳米到数百纳米或平均粒径为数微米到数十微米的银粉。作为另外一种选择,导电粉可为具有不同粒度的两种或更多种类型的银粉的混合物。
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。
导电粉可具有0.1μm到10μm、具体来说0.5μm到5μm的平均粒径(D50)。在此范围内,所述组成物可减小太阳能电池的接触电阻及线电阻。此处,可在通过超声破碎法(ultrasonication)在25℃下将导电粉分散在异丙醇(isopropyl alcohol,IPA)中3分钟后,利用1064D型粒径分析仪(茨拉斯有限公司(CILAS Co.,Ltd.))测量平均粒径。
在用于太阳能电池电极的组成物中,可存在60wt%到95wt%、具体来说70wt%到90wt%的量的导电粉。在此范围内,所述组成物可提高太阳能电池的转换效率且可易于制备成膏形式。
玻璃料
玻璃料用于通过在用于太阳能电池电极的组成物的烘烤工艺期间对减反射层进行蚀刻并对导电粉进行熔融而在射极区中形成银晶粒。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。
玻璃料可由金属氧化物形成。所述金属氧化物可包括以下元素的氧化物中的至少一种:碲(Te)、锂(Li)、锌(Zn)、铋(Bi)、铅(Pb)、钠(Na)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、硅(Si)、钨(W)、镁(Mg)、钼(Mo)、铯(Cs)、锶(Sr)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)、铝(Al)及硼(B)。
举例来说,玻璃料可包括以下中的至少一种:Bi-Te-O玻璃料、Bi-Te-Li-O玻璃料、Bi-Te-Li-Zn玻璃料、Pb-Te-O玻璃料、Pb-Te-Li-O玻璃料、Pb-Te-Li-Zn-O玻璃料、Pb-Bi-Te-Li-O玻璃料及Pb-Bi-Te-Li-Zn-O玻璃料。在此种情况下,由所述组成物形成的太阳能电池电极可表现出各电性质之间的良好平衡。
可通过所属领域中已知的任何典型方法来制备玻璃料。举例来说,可通过以下方式来制备玻璃料:使用球磨机或行星式磨机将上述组分混合,在900℃到1300℃下熔融此混合物,并将熔融混合物淬火到25℃,然后使用盘磨机、行星式磨机等来粉碎所获得的产物。
在用于太阳能电池电极的组成物中,可存在0.1wt%到20wt%、具体来说为0.5wt%到10wt%的量的玻璃料。在此范围内,玻璃料可确保在各种片电阻下p-n结的稳定性,使电阻最小化,且最终提高太阳能电池的效率。
有机粘合剂
有机粘合剂树脂可为丙烯酸酯树脂或纤维素树脂中的一种或多种。一般使用乙基纤维素作为所述有机粘合剂。另外,有机粘合剂可包括以下中的至少一种: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、聚酯树脂、脲树脂、三聚氰胺树脂、乙酸乙烯酯树脂、木松香及醇的聚甲基丙烯酸酯。
在用于太阳能电池电极的组成物中,可存在0.1wt%到15wt%、具体来说为0.1wt%到10wt%的量的有机粘合剂。在此范围内,有机粘合剂可对由所述组成物形成的太阳能电池电极提供足够的粘合强度。
溶剂
根据本发明的溶剂具有140℃到180℃的闪点。在此闪点范围内,用于太阳能电池电极的组成物可具有良好的连续的可印刷性,且有利于在高温下进行烘烤,从而提高太阳能电池的转换效率。
在一个实施例中,溶剂可具有257℃到300℃的沸点。在此沸点范围内,所述组成物可在印刷工艺期间干燥得最少,从而具有进一步改善的连续的可印刷性,且可在烘烤工艺期间进行缓慢烘烤,从而提高开路电压。
溶剂可具有由方程式1计算得到的为36,000或大于36,000、例如36,000到90,000的FB指数。在此FB指数范围内,所述组成物可表现出可印刷性与电性质之间的良好平衡。
<方程式1>
FB指数=溶剂的沸点(单位:℃)×溶剂的闪点(单位:℃)
在一个实施例中,溶剂可包括2-[1-甲基-1-(4-甲基环己基)乙氧基]乙醇及邻苯二甲酸二乙酯中的至少一种。
在另一实施例中,溶剂还可包括以下中的至少一种: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。此处,可对构成溶剂的这些化合物的量进行调整,以使得溶剂的闪点、沸点及FB指数可落在本文所述的范围内。
在用于太阳能电池电极的组成物中,可存在0.1wt%到20wt%、具体来说为0.1wt%到15wt%的量的溶剂。在此范围内,溶剂可确保用于太阳能电池电极的组成物的良好可印刷性。
添加剂
根据本发明的用于太阳能电池电极的组成物可视需要还包含任何典型添加剂以增强流动性、可处理性及稳定性。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。以用于太阳能电池电极的组成物的总重量计,可存在0.1wt%到5wt%的量的添加剂,但所述添加剂的含量可视需要进行改变。
太阳能电池电极及包括所述太阳能电池电极的太阳能电池
本发明的其他方面涉及一种由用于太阳能电池电极的组成物形成的电极以及包括所述电极的太阳能电池。图1示出根据本发明一个实施例的太阳能电池。
参照图1,根据本实施例的太阳能电池100包括衬底10、形成于衬底10的前表面上的前电极23、及形成于衬底10的背表面上的后电极21。
在一个实施例中,衬底10可为于其上形成有p-n结的衬底。具体来说,衬底10可包括半导体衬底11及射极12。更具体来说,衬底10可为通过利用n型掺杂剂对p型半导体衬底11的一个表面进行掺杂以形成n型射极12而制备的衬底。作为另外一种选择,衬底10可为通过利用p型掺杂剂对n型半导体衬底11的一个表面进行掺杂以形成p型射极12而制备的衬底。此处,半导体衬底11可为p型衬底或n型衬底。P型衬底可为掺杂有p型掺杂剂的半导体衬底11,且n型衬底可为掺杂有n型掺杂剂的半导体衬底11。
在对衬底10、半导体衬底11等的说明中,将此种衬底的光进入所述衬底所透过的表面称为前表面(光接收表面)。另外,将衬底的与前表面相对的表面称为背表面。
在一个实施例中,半导体衬底11可由结晶硅或化合物半导体形成。此处,结晶硅可为单晶体或多晶体。作为结晶硅,例如可使用硅晶片。
此处,p型掺杂剂可为包含例如硼、铝或镓等III族元素的材料。另外,n型掺杂剂可为包含例如磷、砷或锑等V族元素的材料。
前电极23和/或后电极21可使用根据本发明的用于太阳能电池电极的组成物来制作。具体来说,前电极23可使用包含银粉作为导电粉的组成物来制作,且后电极21可使用包含铝粉作为导电粉的组成物来制作。前电极23可通过将用于太阳能电池电极的组成物印刷到射极12上、然后进行烘烤来形成,且后电极21可通过将用于太阳能电池电极的组成物施加到半导体衬底11的背表面、然后进行烘烤来形成。
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,而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。
实例1
作为有机粘合剂,在60℃下将0.7wt%的乙基纤维素(STD4,陶氏化学公司(DowChemical Company))充分溶解在10wt%的邻苯二甲酸二乙酯(闪点:161.1℃,沸点:295℃)中,且接着向粘合剂溶液中添加了86.8wt%的平均粒径为2.0μm的球形银粉(AG-4-8,同和高级技术有限公司(Dowa Hightech Co.,Ltd.))、2wt%的平均粒径为1.0μm的Bi-Te-O玻璃料(BT-653,AGC电子公司(AGC Electronics))、0.2wt%的分散剂(BYK 102,毕克化学公司(BYK-chemie))及0.3wt%的触变剂(奇科萨特牢(Thixatrol)ST,海名斯有限公司(Elementis Co.,Ltd.)),然后在3辊捏合机中进行混合及捏合,从而制备用于太阳能电池电极的组成物。
实例2
除了使用2-[1-甲基-1-(4-甲基环己基)乙氧基]乙醇(闪点:142℃,沸点:259℃)作为溶剂以外,以与实例1相同的方式制备了用于太阳能电池电极的组成物。
实例3
除了使用7wt%的邻苯二甲酸二乙酯(闪点:161.1℃,沸点:295℃)及3wt%的2-[1-甲基-1-(4-甲基环己基)乙氧基]乙醇(闪点:142℃,沸点:259℃)作为溶剂以外,以与实例1相同的方式制备了用于太阳能电池电极的组成物。
比较例1
除了使用丁基卡必醇(闪点:93℃,沸点:231℃)作为溶剂以外,以与实例1相同的方式制备了用于太阳能电池电极的组成物。
比较例2
除了使用α-萜品醇(闪点:82℃,沸点:217℃)作为溶剂以外,以与实例1相同的方式制备了用于太阳能电池电极的组成物。
比较例3
除了使用特神龙(texanol)(闪点:122℃,沸点:254℃)作为溶剂以外,以与实例1相同的方式制备了用于太阳能电池电极的组成物。
比较例4
除了使用二丁基卡必醇(闪点:118℃,沸点:256℃)作为溶剂以外,以与实例1相同的方式制备了用于太阳能电池电极的组成物。
性质评价
(1)串联电阻(Rs,mΩ)、开路电压(Voc,mV):通过以预定图案进行网版印刷、然后在红外(IR)干燥炉中进行干燥,将在实例及比较例中制备的用于太阳能电池电极的组成物中的每一者沉积在晶片的前表面上。使根据此程序而形成的电池在带型烘烤炉中在600℃到900℃下经受烘烤60秒到210秒,且接着利用传递长度方法(transfer length method,TLM)测试仪关于串联电阻(Rs)及开路电压(Voc)进行了评价。结果示出于表1中。
(2)效率(%):通过以预定图案进行网版印刷、然后在红外干燥炉中进行干燥,将在实例及比较例中制备的用于太阳能电池电极的组成物中的每一者沉积在晶片的前表面上。接着,将铝膏印刷在晶片的背面上并以与上述相同的方式进行了干燥。使根据此程序而形成的电池在带型烘烤炉中在400℃到900℃下经受烘烤30秒到180秒,且接着利用太阳能电池效率测试仪CT-801(帕桑有限公司(Pasan Co.,Ltd.))关于填充因数(FF,%)及转换效率(Eff.,%)进行了评价。结果示出于表1中。
(3)可印刷性(断线的数目/电池):使用在实例及比较例中制备的用于太阳能电池电极的组成物中的每一者印刷指状电极的100条线(线宽:32μm),然后测量每一电池的断线的数目。结果示出于表1中。
具有2条或更多条断线的电极不适合用作太阳能电池电极。
表1
Figure BDA0001706633880000091
如表1所示,可以看到,使用其中溶剂的闪点落在本文所述范围内的实例1到实例3的组成物制作的太阳能电池在表现出高可靠性的同时具有良好的电性质,例如串联电阻、开路电压及转换效率。
相反地,可以看到,使用其中溶剂的闪点处于本文所述范围之外的比较例1到比较例4的组成物制作的太阳能电池表现出差的电性质及低的可靠性。
尽管本文中已阐述了一些实施例,然而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修改、变型及改变。因此,应理解,提供前述实施例仅用于说明目的,而不应视为以任何方式限制本发明。

Claims (9)

1.一种用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,包含:导电粉;玻璃料;有机粘合剂;以及闪点为140℃到180℃的溶剂,
其中,所述溶剂包括2-[1-甲基-1-(4-甲基环己基)乙氧基]乙醇,或2-[1-甲基-1-(4-甲基环己基)乙氧基]乙醇与邻苯二甲酸二乙酯的混合物。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,所述溶剂具有257℃到300℃的沸点。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,所述溶剂具有由以下方程式 计算得到的为36,000或大于36,000的FB指数:FB指数=所述溶剂的沸点×所述溶剂的闪点, 其中所述溶剂的沸点和所述溶剂的闪点的单位为℃。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,所述溶剂还包括以下中的至少一种:己烷、甲苯、乙基溶纤剂、环己酮、丁基溶纤剂、丁基卡必醇、二丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、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。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,所述玻璃料是由金属氧化物形成,所述金属氧化物包括以下元素的氧化物中的至少一种:碲、锂、锌、铋、铅、钠、磷、锗、镓、铈、铁、硅、钨、镁、钼、铯、锶、钛、锡、铟、钒、钡、镍、铜、钾、砷、钴、锆、锰、铝及硼。
6.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,所述有机粘合剂包括以下中的至少一种: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、聚酯树脂、脲树脂、三聚氰胺树脂、乙酸乙烯酯树脂、木松香及醇的聚甲基丙烯酸酯。
7.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,包含:60wt%到95wt%的所述导电粉;0.1wt%到20wt%的所述玻璃料;0.1wt%到15wt%的所述有机粘合剂;以及0.1wt%到20wt%的所述溶剂。
8.根据权利要求1所述的用于太阳能电池电极的组成物,其特征在于,还包含: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、抗氧化剂及偶合剂中的至少一种添加剂。
9.一种太阳能电池电极,其特征在于,使用根据权利要求1到8中任一项所述的用于太阳能电池电极的组成物来制作。
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