CN110337726A - 太阳能电池电极用导电性浆料以及使用上述浆料制造的太阳能电池 - Google Patents
太阳能电池电极用导电性浆料以及使用上述浆料制造的太阳能电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：包含金属粉末、玻璃熔块、有机载体以及分散剂，上述分散剂是分子量为100至1000g/mol的低分子分散剂，不仅能够缩短分散工程以及时间，而且因为呈现出较低的粘度而便于对其含量进行调节，同时能够通过将分散效果极大化而确保导电性浆料的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于形成太阳能电池的电极的导电性浆料以及利用上述导电性浆料制造的太阳能电池。
背景技术
太阳能电池(solar cell)是用于将太阳能转换成电能的半导体元件，通常为p-n结形态，其基本结构与二极管相同。图1为一般的太阳能电池元件的结构，太阳能电池元件通常利用厚度为180～250μm的p型硅半导体基板10构成。在硅半导体基板的受光面一侧，形成有厚度为0.3～0.6μm的n型掺杂层20和位于其上方的反射防止膜30以及正面电极100。此外，在p型硅半导体基板的背面一侧形成背面电极50。正面电极100是在将由银作为主要成分的导电性粒子(silver powder)、玻璃熔块(glass frit)、有机载体(organic vehicle)等进行混合的导电性浆料涂布到反射防止膜30上之后通过烧制形成电极，而背面电极50是在将由铝粉末、玻璃熔块、有机载体(organic vehicle)以及添加剂构成的铝浆料组合物通过丝网印刷等方式进行涂布和干燥之后在660℃(铝的熔点)以上的温度进行烧制而形成。在上述烧制过程中，铝会被扩散到p型硅半导体基板的内部并借此在背面电极和p型硅半导体基板之间形成Al-Si合金层，同时还将通过铝原子的扩散形成作为杂质层的p+层40。借助于上述p+层的存在，能够防止电子的再结合并得到可以提升所生成载体的收集效率的BSF(Back Surface Field，背面电场)效果。在背面铝电极50的下部，还能够形成背面银电极60。
为了导电性浆料的分散，必须使用分散剂。因为包含于导电性浆料中的金属粉末包括纳米尺寸的金属粒子，因此可能会导致浆料内的纳米粒子之间的凝聚现象，从而必须通过使用分散剂而实现金属粉末的均匀分散。
通常所使用的分散剂是0.1至1％范围内的5,000至30,000g/mol的高分子分散剂，能够分为水类、非水类、阴离子、阳离子、极性、非极性、胺类以及酸类等，借此确保导电性浆料的稳定性。
但是因为高分子的使用会导致浆料的粘度上升的问题，因此其使用量受到限制，而且在高分子分散剂的含量增加时还会导致指状电极(finger)断线增加以及电阻增加的问题发生。
发明内容
技术课题
本发明的目的在于通过在太阳能电池电极用导电性浆料组成中作为分散剂使用低分子分散剂而缩短分散工程以及时间，并通过使用具有酸价以及胺价的分散剂而将分散效果极大化并借此提升浆料的稳定性。
但是，本发明的目的并不限定于在上述内容中提及的目的，相关行业的从业人员将能够通过下述记载进一步明确理解未被提及的其他目的。
解决课题方法
本发明提供一种太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：包含金属粉末、玻璃熔块、有机载体以及分散剂，上述分散剂是分子量为100至1000g/mol的低分子分散剂。
此外，本发明的特征在于：上述分散剂相对于上述导电性浆料的总重量包含0.1至5重量％。
此外，本发明的特征在于：上述分散剂包含从由R1-COONa、R1-CH(SO3Na)COOCH3、R1-(C6H4)SO3Na、R1-OSO3Na、R1-O(CH2CH2O)nSO3Na、R1-OSO3-.+NH(CH2CH2OH)3、R1-R2-COO-.+PO(OH)m-R2-R1(R1＝烷基(alkyl group)，R2＝醚基(ether group))构成的组中选择的某1种以上。
此外，本发明的特征在于：上述分散剂是具有酸价以及胺价的分散剂。
此外，本发明的特征在于：上述分散剂具有20mg KOH/g至80mg KOH/g范围的酸价以及胺价，上述酸价以及胺价之间的差异为10mg KOH/g以下。
此外，本发明的特征在于：上述分散剂是固态成分(Solid contents)含量为30至70％的分散剂。
此外，本发明的特征在于：上述导电性浆料在25℃的条件下具有40至60Pa.s的粘度。
此外，本发明提供一种太阳能电池，其特征在于：在基材的上部配备正面电极并在基材的下部配备背面电极的太阳能电池中，上述正面电极是通过在涂布上述太阳能电池电极用导电性浆料之后进行烧制而制造。
发明效果
本发明能够通过作为包含在导电性浆料中的分散剂使用100至1000g/mol的低分子分散剂而缩短分散工程以及时间，且因为呈现出较低的粘度而便于对其含量进行调节，同时能够通过将分散效果极大化而确保导电性浆料的稳定性。
包含利用适用本发明的导电性浆料形成的电极的太阳能电池能够呈现出优秀的变换效率，而且即使是在上述低分子分散剂的含量增加时也能够确保一定水准的电阻并借此提升太阳能电池的发电效率。
附图说明
图1是一般的太阳能电池元件的概要性截面图。
图2是对适用本发明之一实施例的导电性浆料的粘度测定结果进行图示的图表。
图3至图7是利用适用本发明之实施例以及比较例的导电性浆料形成的电极的电致发光测定图像。
具体实施方式
在对本发明进行详细的说明之前应理解的是，在本说明书中所使用的术语只适用于对特定的实施例进行记述，并不是为了对本发明的范围做出限定，本发明的范围应由所附的权利要求书的范围做出限定。除非另有说明，否则在本说明书中所使用的所有技术术语以及科学术语的技术性含义与掌握一般技术的人员所通常理解的含义相同。
除非另有说明，否则在本说明书以及权利要求书的所有内容中所使用的包含(comprise，comprises，comprising)术语是指包含所提及的对象、步骤或一系列的对象以及步骤，但并不是指排除任意其他对象、步骤或一系列对象或一系列步骤存在的可能性。
此外，除非另有明确的相反记载，否则适用本发明的各个实施例还能够与其他实施例结合实施。尤其是，被指定为较佳或有利的某个特征还能够与指定为较佳或有利的之外的其他某个特征以及多个特征结合。接下来，将结合附图对适用本发明的实施例及其效果进行说明。
适用本发明之一实施例的浆料是适合于在形成太阳能电池的电极时使用的浆料，提供包含低分子分散剂的导电性浆料。具体来讲，适用本发明的导电性浆料包含金属粉末、玻璃熔块、有机载体以及低分子分散剂。
作为上述金属粉末能够使用银粉末、铜粉末、镍粉末或铝粉末等，在适用于正面电极时主要使用银粉末，而在适用于背面电极时主要使用铝粉末。接下来为了说明的便利，将以银粉末为例对金属粉末进行说明。下述说明能够同样适用于其他金属粉末。
在考虑到印刷时所形成的电极的厚度以及电极的线性电阻的情况下，金属粉末的含量以导电性浆料组合物的总重量为基准包含40至95重量％为宜。
银粉末使用纯银粉末为宜，也能够使用至少其表面由银构成的镀银复合粉末或将银作为主成分的合金等。此外，还能够混合其他金属粉末进行使用。例如，能够使用如铝、金、钯、铜或镍等。
银粉末的平均粒径能够是0.1至10μm，而在考虑到浆料化的简易性以及烧制时的致密度的情况下为0.5至5μm为宜，其形状能够是球状、针状、板状以及非特定形状中的至少一种以上。银粉末也能够对平均粒径或粒度分布以及形状等不同的2种以上的粉末进行混合使用。
上述玻璃熔块的组成或粒径、形状并不受到特殊的限制。不仅能够使用含铅玻璃熔块，也能够使用无铅玻璃熔块。较佳地，作为玻璃熔块的成分以及含量，以氧化物换算标准包含5～29mol％的PbO、20～34mol％的TeO2、3～20mol％的Bi2O3、20mol％以下的SiO2、10mol％以下的B2O3、10～20mol％的碱金属(Li、Na、K等)以及碱土金属(Ca、Mg等)为宜。通过对上述各个成分的有机含量组合，能够防止电极的线宽增加、优化高表面电阻中的接触电阻特性并优化短路电流特性。
玻璃熔块的平均粒径并不受限，能够是0.5至10μm的范围，还能够对平均粒径不同的多种粒子进行混合使用。较佳地，所使用的至少一种玻璃熔块的平均粒径(D50)为2μm以上10μm以下为宜。借此，能够优化烧制时的反应性，尤其是能够将高温状态下的n层的损坏最小化，还能够改善粘接力并优化开路电压(Voc)。此外，还能够减少烧制时的电极线宽的增加。
玻璃熔块的含量以导电性浆料组合物的总重量为基准包含1至10重量％为宜，当含量小于1重量％时，可能会因为非完全烧制而导致电气比电阻过高的问题，而当含量大于10重量％时，可能会因为银粉末的烧制体内部的玻璃成分过多而同样导致电气比电阻过高的问题。
上述有机载体不受限制，能够包含有机粘接剂以及溶剂等。有时能够省略溶剂。有机载体的含量不受限制，但以导电性浆料组合物的总重量为基准包含1至30重量％为宜。
对于有机载体，要求具有能够使金属粉末和玻璃熔块等维持均匀混合状态的特性，例如在通过丝网印刷将导电性浆料涂布到基材上时，应能够实现导电性浆料的均质化，从而而抑制印刷图案的模糊以及流动，同时应能够提升导电性浆料从丝网印刷版的流出性以及印刷版的分离性。
有机载体中所包含的有机粘接剂不受限制，纤维素酯类化合物的实例包括乙酸纤维素以及乙酸丁酸纤维素等，纤维素醚类化合物的实例包括乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素以及羟乙基甲基纤维素等，丙烯酸类化合物的实例包括聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚甲基丙烯酸乙酯等，乙烯类的实例包括聚乙烯醇缩丁醛、聚乙酸乙烯酯以及聚乙烯醇等。能够从上述有机粘接剂中选择使用至少1种以上。
作为用于对组合物进行稀释的溶剂，从由α-松油醇、TEXANOL、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、环己烷、己烷、甲苯、苄醇、二恶烷、二甘醇、乙二醇单丁醚、乙二醇单丁醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚、二乙二醇单丁醚乙酸酯等构成的化合物中选择使用1种以上为宜。
作为上述分散剂，使用100至1000g/mol的低分子分散剂。作为低分子分散剂，能够使用从由R1-COONa、R1-CH(SO3Na)COOCH3、R1-(C6H4)SO3Na、R1-OSO3Na、R1-O(CH2CH2O)nSO3Na、R1-OSO3-.+NH(CH2CH2OH)3、R1-R2-COO-.+PO(OH)n-R2-R1(R1＝烷基(alkyl group)，R2＝醚基(ether group))构成的组中选择的某1种以上。较佳地，使用分子量为100至1000g/mol的R1-R2-COO-.+PO(OH)m-R2-R1为宜。作为上述分散剂，能够使用单一成分的分散剂或使用包含多个成分的分散剂。
上述分散剂能够以导电性浆料组合物的总重量为基准包含0.1至5重量％。当小于0.1重量％时可能会因为分散效果轻微而导致分散性下降的问题，而当大于5重量％时可能会因为过度分散而导致粘度下降并因为长期保管时的浆料相分离而导致稳定性方面的问题。更较佳地，包含0.1至3重量％为宜。
上述分散剂具有酸价以及胺价。通过使分散剂具有酸价，能够方便地提升分散性并对电荷(Electrical charge)进行调节，从而有利于降低电极的电阻特性，而通过使分散剂具有胺价，能够提升分散性并延缓电极的致密度增加和凝聚以及沉降，从而提升浆料的稳定性。
更较佳地，使用酸价与胺价类似的分散剂。其中，酸价与胺价类似是指酸价以及胺价之间的差异为10mg KOH/g以下。作为上述分散剂，使用20mg KOH/g至80mg KOH/g范围内的酸价与胺价类似的分散剂为宜，更较佳地使用酸价与胺价相同的分散剂为宜。当酸价以及胺价小于20mg KOH/g时会因为分散性的下降而导致凝聚或沉降的问题，而当酸价大于80mg KOH/g时会在执行分散工程时导致再凝聚方面的问题。更较佳地，在40mg KOH/g至70mg KOH/g的范围内酸价以及胺价之间的差异为5mg KOH/g以下为宜。
作为上述分散剂，使用固态成分(Solid contents)含量为30至70％的分散剂。固态成分的含量是指，在分散剂的总重量中对水分进行蒸发之后所残留的固态物质的重量的百分比换算值。当固态成分含量小于30％时会导致长期保管时的稳定性问题，尤其是会发生沉降，而当大于70％时会导致低分子分散剂形成方面的问题。更较佳地，40至60％为宜。
适用本发明的导电性浆料组合物，能够根据需要进一步包含通常所知的添加剂，如增塑剂、粘度调节剂、表面活性剂、氧化剂、金属氧化物以及金属有机化合物等。
适用本发明的导电性浆料组合物在25℃条件下的粘度能够达到40至60Pa.s，因此能够轻易地对组合物的含量进行调整并提供优秀的稳定性。
本发明提供一种将上述导电性浆料涂布在基材上方并对其进行干燥以及烧制的太阳能电池的电极形成方法以及通过上述方法制造的太阳能电池电极。在适用本发明的太阳能电池电极形成方法中，除了使用包含上述特性的银粉末的导电性浆料之外，基材、印刷、干燥以及烧制能够使用通常在太阳能电池的制造中使用的方法。作为一实例，上述基材能够是硅晶圆。
实施例以及比较例
按照如下述表1所示的组成添加玻璃熔块、有机载体以及分散剂并利用三辊式滚轧机进行分散之后，再混合银粉末(球状、平均粒径1μm)并再次利用三辊机进行分散。接下来通过进行减压脱气而制造出导电性浆料。分散剂的特性如下述表2所示。
【表1】
【表2】
试验例
(1)粘度(Viscosity)测定
在图2中给出了利用RV1流变仪(RV1rheometer)(HAAKE)在P35Ti L锭子(spindle)、30RPM以及25℃条件下对上述所制造出的导电性浆料的粘度进行测定的结果。如图2所示，适用本发明之实施例的导电性浆料的粘度分别为47.959Pa.s以及57.101Pa.s，即使是在包含与比较例相同含量的分散剂的情况下，也能够发现因为其粘度较低而可以方便地对其粘度进行调节。
(2)变换效率分析
利用上述所获得的导电性浆料，通过40μm网目的丝网印刷工艺在晶圆(wafer)的正面进行图案印刷，再利用带式干燥炉在200～350℃下进行20秒至30秒的干燥处理。接下来在晶圆的背面印刷铝浆料之后利用相同的方法进行干燥处理。通过将在上述过程中形成的电池利用带式烧制炉在500至900℃下进行20秒至30秒的烧制而制造出太阳能电池。
利用太阳能电池效率测定装置(Halm公司，cetisPV-Celltest 3)对上述所制造出的电池的转换效率(Eff)、短路电流(Isc)、开路电压(Voc)以及填充因子(FF)进行分析，其结果如下述表3所示。
【表3】
| Isc(A) | Voc(V) | Eff(％) | FF(％) | |
| 实施例1 | 9.4217 | 0.6385 | 19.810 | 78.755 |
| 实施例2 | 9.4367 | 0.6388 | 19.840 | 78.711 |
| 比较例1 | 9.4273 | 0.6381 | 19.541 | 77.692 |
| 比较例2 | 9.3922 | 0.6392 | 17.946 | 71.492 |
| 比较例3 | 9.3914 | 0.6377 | 19.699 | 78.671 |
通常，太阳能电池的效率是以0.2％为单位且0.2％的效率增加实际上具有相当大的实际意义，如上述表3所示，由利用包含适用本发明的低分子分散剂的导电性浆料制造的电极构成的太阳能电池与比较例相比的变换效率较高，借此可以确认太阳能电池的发电效率得到了改善。
(3)电致发光(Electroluminesence)测定
利用MCScience公司的K3300ELX装置对上述所制造的电池(Cell)的电致发光(Eletroluminesence，EL)进行测定的图像如图3至图7所示。图3、图4、图5、图6以及图7分别是利用实施例1、实施例2、比较例1、比较例2、比较例3的导电性浆料制造的电池(Cell)的电致发光图像。
在电致发光图像中，当记载相同的电压或电流时在太阳能电池的电池特性部分，电池的特性越好就会发出更加明亮的光线，而断线部分会呈现出黑色。实施例与比较例相比呈现出了更加明亮的电致发光，借此可以确认接触电阻(contact resistance)等电气特性更加优秀且因此具有更加良好的电池效率。
在如上所述的各个实施例中所介绍的特征、结构以及效果等，能够由具有本发明所属技术领域之一般知识的人员与其他实施例进行组合或变形实施。因此，如上所述的组合或变形相关的内容也应解释为包含在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
包含金属粉末、玻璃熔块、有机载体以及分散剂，
上述分散剂是分子量为100至1000g/mol的低分子分散剂。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
上述分散剂相对于上述导电性浆料的总重量包含0.1至5重量％。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
上述分散剂包含从由R1-COONa、R1-CH(SO3Na)COOCH3、R1-(C6H4)SO3Na、R1-OSO3Na、R1-O(CH2CH2O)nSO3Na、R1-OSO3-.+NH(CH2CH2OH)3、R1-R2-COO-.+PO(OH)m-R2-R1(R1＝烷基(alkylgroup)，R2＝醚基(ether group))构成的组中选择的某1种以上。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
上述分散剂是具有酸价以及胺价的分散剂。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
上述分散剂具有20mg KOH/g至80mg KOH/g范围的酸价以及胺价，
上述酸价以及胺价之间的差异为10mg KOH/g以下。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
上述分散剂是固态成分(Solid contents)含量为30至70％的分散剂。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池电极用导电性浆料，其特征在于：
上述导电性浆料在25℃的条件下具有40至60Pa.s的粘度。
8.一种太阳能电池，其特征在于：
在于基材上部配备正面电极并于基材下部配备背面电极的太阳能电池中，
上述正面电极是通过在涂布如权利要求1至权利要求7中的某一项所述的太阳能电池电极用导电性浆料之后进行烧制而制造。
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