CN110402469B - 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 PDF

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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:在包含金属粉末、玻璃熔块以及有机载体的浆料中,上述金属粉末包含烧结收缩率为15至30%的金属粉末,能够通过利用包含烧结收缩率得到提升的导电性浆料而使所形成的太阳能电池正面电极的受光面积并增加其短路电流(short circuit current,Isc),从而提升太阳能电池的发电效率。

Description

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
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厚度为0.3~0.6μm的n型杂质层,并在其上方形成反射防止膜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(organicvehicle)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。
此外,为了在硅晶圆的两侧面形成金属电极,目前在结晶质太阳能电池的量产生产线中通常采用以丝网印刷方式对包含金属粉末的浆料进行印刷(print)之后再通过干燥(dry)以及烧制(firing)工程形成电极的工程,并通过高温烧结过程实现太阳能电池的特性。尤其是对于正面电极,在上述过程中将经历有机载体等有机物的烧尽(burn out)以及导电性粒子、玻璃熔块等无机物的熔融、膨胀、收缩动作,从而实现接触电阻的形成以及通过确保受光面积的短路电流(Isc)的形成。
目前,因为被印刷到硅晶圆的正面以及背面上的金属浆料属于流动性组合物,因此如图2所示,随着印刷、干燥以及烧制工程时间的经过,会导致线宽(finger)的变化以及残丝(bleeding)的变化,最终造成受光面积的减小并进一步导致太阳能电池的效率下降的问题。
此外为了增加短路电流(Isc),印刷蒙版设计上的线宽呈现出40μm、36μm、34μm、32μm的减小趋势,但是在32μm的线宽设计中,会因为印刷品质的特性而导致可靠性的下降,而且还很难以进一步减小线宽。
发明内容
技术课题
本发明的目的在于通过提升太阳能电池电极用导电性浆料组成中的金属粉末的烧结收缩率而增加利用上述太阳能电池电极用导电性浆料形成的太阳能电池正面电极的受光面积并增加其短路电流(short circuit current,Isc),从而提升太阳能电池的发电效率。
此外,本发明的目的在于通过提升太阳能电池电极用导电性浆料组成中的金属粉末的烧结性而降低线性电阻并借此减少串联电阻(series resistance,Rs)以及增加填充因子(fill factor,FF),从而提升太阳能电池的发电效率。
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:在包含金属粉末、玻璃熔块以及有机载体的浆料中,上述金属粉末包含一种在利用包含上述金属粉末的浆料进行涂布、干燥以及烧制之后与烧制之前进行比较时通过面积减少率测定到的收缩率为15至30%的金属粉末。
此外,本发明的特征在于:上述金属粉末包含从由烧结收缩率为15至20%的第1金属粉末、20至25%的第2金属粉末以及25至30%的第3金属粉末构成的组中选择的2种以上的金属粉末。
此外,本发明的特征在于:上述金属粉末中具有相对较大的收缩率的金属粉末的含量高于具有相对较小的收缩率的金属粉末的含量。
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干燥以及烧制而制造。
发明效果
适用本发明的导电性浆料能够通过包含烧结收缩率得到提升的金属粉末而增加利用上述太阳能电池电极用导电性浆料形成的太阳能电池正面电极的受光面积并增加其短路电流(short circuit current,Isc),从而提升太阳能电池的发电效率。
此外,能够通过提升适用本发明的导电性浆料组成中的金属粉末的烧结性而降低线性电阻并借此减少串联电阻(series resistance,Rs)以及增加填充因子(fill factor,FF),从而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是对在现有的太阳能电池电极形成过程中线宽以及残丝随着工程发生的变化进行图示的示意图。
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的存在。
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。
本发明一实施例的浆料,是适合于在形成太阳能电池电极时使用的浆料,提供一种包含烧结收缩率得到提升的金属粉末(metal powder)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、有机载体以及其他添加剂。
适用本发明的导电性浆料能够通过包含烧结收缩率得到提升的金属粉末而增加利用上述太阳能电池电极用导电性浆料形成的太阳能电池正面电极的受光面积并增加其短路电流(short circuit current,Isc),从而提升太阳能电池的发电效率。
作为上述金属粉末能够使用银(Ag)粉末、铜(Cu)粉末、镍(Ni)粉末或铝(Al)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。
适用本发明之一实施例的金属粉末,使用收缩率(%)为15至30%的金属粉末。收缩率能够利用对包含金属粉末以及粘接剂树脂的浆料进行涂布、干燥以及烧制之后与烧制之前进行比较时的面积减小率进行测定。当金属粉末的收缩率小于15%时会因为线宽变宽而导致短路电流(Isc)减小的问题,而当大于30%时会因为过烧性而导致接触电阻增加的问题。较佳地使用收缩率为20至30%的金属粉末为宜,更较佳地使用收缩率为25%至30%的金属粉末为宜。
在适用本发明的另一实施例中,作为金属粉末能够单独使用收缩率为15至20%的第1金属粉末,或单独使用收缩率为20至25%的第2金属粉末,或单独使用收缩率为25至30%的第3金属粉末。单独使用第2金属粉末优于单独使用第1金属粉末,单独使用第3金属粉末优于单独使用第2金属粉末。
在适用本发明的又一实施例中,能够混合使用收缩率互不相同的至少2种以上的上述金属粉末。例如,能够对第1金属粉末以及第2金属粉末进行混合使用,或对第2金属粉末以及第3金属粉末进行混合使用,或对第3金属粉末以及第1金属粉末进行混合使用。在对不同收缩率的2种金属粉末进行混合使用时,其混合比例并不受到任何限定,但较佳地以收缩率相对较大的金属粉末的含量大于收缩率相对较小的金属粉末的含量的状态进行混合使用为宜。较佳地,对第2金属粉末以及第3金属粉末进行混合并以第3金属粉末相对于整体金属粉末包含50%以上的方式进行混合使用为宜。
此外,还能够对第1金属粉末、第2金属粉末以及第3金属粉末进行混合使用。此时,使第3金属粉末的含量最多并使第1金属粉末的含量最少为宜。
在收缩率为15至30%的银粉末的制造方法即湿式还原法中,能够通过使硝酸银、氨、有机酸碱金属盐以及还原剂发生反应而析出银粒子的方式进行制造。
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,金属粉末的含量能够以导电性浆料组合物的总重量为基准包含40至95重量%。较佳地,包含60至90重量%为宜。
为了形成太阳能电池的正面电极而使用包含银粉末的导电性浆料时,银粉末使用纯银粉末为宜,此外,也能够使用至少其表面由银层(silver layer)构成的镀银复合粉末或将银作为主成分的合金(alloy)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。
金属粉末的平均粒径(D50)能够是0.5至5μm,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1至3μm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。
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,如分散剂、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。
本发明还提供一种将上述导电性浆料涂布到基材上方之后进行干燥以及烧制的太阳能电池的电极形成方法以及利用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。
当利用适用本发明的导电性浆料形成电极时,即使是使用相同线宽的印刷蒙版也能够增加烧结收缩率,从而增加太阳能电池的受光面积并借此实现短路电流(Isc)增加的效果。
此外,能够通过提升适用本发明的导电性浆料组成中的金属粉末的烧结性而降低线性电阻并借此减少串联电阻(series resistance,Rs)以及增加填充因子(fill factor,FF),从而实现提升太阳能电池的发电效率的效果。
此外,适用本发明的导电性浆料能够适用于如结晶质太阳能电池(P-型、N-型)、PESC(Passivated Emitter Solar Cell,钝化发射区太阳电池)、PERC(PassivatedEmitter and Rear Cell,钝化发射极和背面电池)、PERL(Passivated Emitter RealLocally Diffused,钝化发射区局部背场电池)等结构以及双层网印(Double printing)、复式网印(Dual printing)等改良的印刷工程。
实施例以及比较例
在向混合容器投入乙基纤维素(Ethyl cellulose)0.4g、十二碳醇酯(Texanol)2.3g、二乙二醇丁醚乙酸酯(DBA)2.0g,二乙二醇丁醚(DB)1.8g、酰铵蜡(Amide Wax)0.3g、二丙二醇二苯甲酸酯(DPGDB)0.2g、玻璃熔块2.0g以及分散剂1.5g并利用三辊机进行分散之后,混合银粉末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。所使用的银粉末的特性如下述表1所示。
【表1】
分类 D50(μm) 收缩率(%)
银粉末A 2.1 15~20%
银粉末B 2.18 20~25%
银粉末C 2.06 25~30%
银粉末D 2.5 10~15%
银粉末E 1.7 30~35%
【表2】
分类 银粉末A 银粉末B 银粉末C 银粉末D 银粉末E
实施例1 100%
实施例2 100%
实施例3 100%
实施例4 40% 60%
实施例5 40% 60%
实施例6 60% 40%
实施例7 40% 60%
实施例8 20% 30% 50%
实施例9 50% 30% 20%
比较例1 100%
比较例2 100%
比较例3 50% 50%
试验例
(1)烧结收缩率测定
对上述实施例以及比较例的银粉末1g以及乙基纤维素(Ethyl cellulose)10%(二乙二醇丁醚乙酸酯(DBA)90%)溶液0.15g进行混合,接下来在以200μm的厚度进行涂液(applicating)之后利用对流恒温烤箱(convection oven)在80℃下进行3小时的干燥处理。在将经过干燥的试片切割成1mm×1mm的大小之后,利用太阳能电池用带式红外线烧制炉(Despatch公司CF-series)以250ipm的速度、实测峰值温度为780℃的条件下进行烧制,然后通过对其横向、纵向收缩长度进行测定而将其面积减少率作为收缩率。
(2)转换效率以及电阻测定
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)、填充因子(FF)、线性电阻(Rline)以及串联电阻(Rs)进行测定,其结果如下述表3所示。
此外,将按照上述实施例1至实施例3制造出的导电性浆料利用开口为32μm的360-16网目的丝网印刷技法进行图案印刷,接下来在通过利用与上述内容相同的方法进行干燥以及烧制而制造出太阳能电池(Cell)之后,按照与上述内容相同的方法对转换效率(Eff)、短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)、线性电阻(Rline)以及串联电阻(Rs)进行测定,其结果如下述表4所示。
【表3】
Figure BDA0002093533410000091
【表4】
Figure BDA0002093533410000101
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收缩率(%)为15至30%的金属粉末的导电性浆料制造的电极构成的太阳能电池与包含收缩率为15%以下的金属粉末的比较例1相比短路电流较高,而与包含30%以上的金属粉末的比较例2相比串联电阻较低且变换效率较高,借此可以确认太阳能电池的发电效率得到了改善。
此外,可以发现相对于使用单一类型的金属粉末的实施例1至实施例3,对收缩率不同的2种以上的金属粉末进行混合使用的实施例4至实施例9的短路电流以及变换效率相对较高,同时可以发现相对于对收缩率较小的金属粉末进行更多混合使用的实施例6以及9,对收缩率较大的金属粉末进行更多混合使用的实施例5以及实施例8的短路电流以及变换效率更高,借此可以确认太阳能电池的发电效率得到了改善。
此外,如表4所示,可以发现在与利用适用本发明的导电性浆料形成32μm的微细线宽的情况进行比较时,在40μm的较宽线宽下也能够确保充分的短路电流。
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 (3)

1.一种太阳能电池电极用导电性浆料,其特征在于:
在包含金属粉末、玻璃熔块以及有机载体的浆料中,
上述金属粉末包含一种在利用包含上述金属粉末的浆料进行涂布、干燥以及烧制之后与烧制之前进行比较时通过面积减少率测定到的收缩率为15至30%的金属粉末,
上述金属粉末包含从由烧结收缩率为15至20%的第1金属粉末、20至25%的第2金属粉末以及25至30%的第3金属粉末构成的组中选择的2种以上的金属粉末,
上述金属粉末中具有相对较大的收缩率的金属粉末的含量高于具有相对较小的收缩率的金属粉末的含量。
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:
上述金属粉末的平均粒径D50为0.5至5μm。
3.一种太阳能电池,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权利要求1或2所述的太阳能电池电极用导电性浆料之后进行干燥以及烧制而制造。
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