DE112012001590T5

DE112012001590T5 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenelektrode

Info

Publication number: DE112012001590T5
Application number: DE112012001590.8T
Authority: DE
Inventors: Norihiko Takeda
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2014-03-27
Also published as: JP2014515161A; WO2012139011A1; CN103430243B; CN103430243A; US20120255605A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode, umfassend die folgenden Schritte: Vorbereiten eines N-Basis-Halbleitersubstrats, umfassend eine n-Basis-Schicht, einen p-Emitter auf der n-Basis-Schicht, eine erste Passivierungsschicht auf dem p-Emitter und eine zweite Passivierungsschicht auf der n-Basis-Schicht; Aufbringen einer leitenden Paste auf die erste Passivierungsschicht, wobei die leitende Paste umfasst: (i) 100 Gewichtsanteile leitendes Pulver, umfassend ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silber, Nickel, Kupfer und einer Mischung davon, (ii) 0,3 bis 8 Gewichtsanteile Aluminiumpulver mit einem Partikeldurchmesser von 3 bis 11 μm, (iii) 3 bis 22 Gewichtsanteile einer Glasfritte und (iv) ein organisches Medium; und Brennen der leitenden Paste.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/472,381, eingereicht am 6. April 2011.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine N-Basis-Solarzelle, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode davon.
STAND DER TECHNIK
Es ist erforderlich, dass Solarzellenelektroden einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen, um den Umwandlungswirkungsgrad (Eff) von Solarzellen zu verbessern. Insbesondere im Fall von N-Basis-Solarzellen weist eine Solarzellenelektrode manchmal unzureichende elektrische Kontakte mit einem Halbleiter auf, was in niedrigeren Umwandlungswirkungsgraden resultiert.
US20100059106 offenbart, dass eine leitende Paste zum Bilden einer p-Elektrode einer N-Basis-Solarzelle ein leitendes Pulver wie Ag, hinzugefügte Partikel wie Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir oder Pt, eine Glasfritte und ein Harzbindemittel enthält.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung einer p-Elektrode, die einen niedrigeren Kontaktwiderstand zu einem p-Emitter aufweist, bereitzustellen.
In einem Aspekt betrifft diese vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer p-Elektrode, umfassend die folgenden Schritte: Vorbereiten eines N-Basis-Halbleitersubstrats, umfassend eine n-Basis-Schicht, einen p-Emitter auf der n-Basis-Schicht, eine erste Passivierungsschicht auf dem p-Emitter und eine zweite Passivierungsschicht auf der n-Basis-Schicht; Aufbringen einer leitenden Paste auf die erste Passivierungsschicht, wobei die leitende Paste umfasst: (i) 100 Gewichtsanteile leitendes Pulver, umfassend ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silber, Nickel, Kupfer und einer Mischung davon, (ii) 0,3 bis 8 Gewichtsanteile Aluminiumpulver mit einem Partikeldurchmesser von 3 bis 11 μm, (iii) 3 bis 22 Gewichtsanteile einer Glasfritte und (iv) ein organisches Medium; und Brennen der leitenden Paste.
Ein anderer Aspekt dieser vorliegenden Erfindung betrifft eine N-Basis-Solarzelle, umfassend die nach dem obigen Verfahren gebildete p-Elektrode.
Die p-Elektrode kann einen niedrigen Kontaktwiderstand mit einem p-Emitter eines Halbleitersubstrats aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A bis 1F zeigen Zeichnungen zum Erläutern eines Produktionsprozesses zum Herstellen einer p-Elektrode einer N-Basis-Solarzelle.
2 zeigt einen Graphen, der eine Wirkung des Gehalts an Aluminiumpulver auf den Eff einer Solarzelle darstellt.
3 zeigt einen Graphen, der eine Wirkung des Aluminium-Partikeldurchmessers auf den Eff einer Solarzelle darstellt.
4 zeigt einen Graphen, der eine Wirkung der Brenntemperatur auf den Eff einer Solarzelle darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode. Die p-Elektrode ist eine Elektrode, gebildet auf der Oberfläche einer Passivierungsschicht auf einem p-Emitter eines N-Basis-Halbleitersubstrats. Das N-Basis-Halbleitersubstrat hier umfasst einen p-Emitter, eine n-Basis-Schicht und Passivierungsschichten. Der p-Emitter ist auf einer Seite des N-Basis-Halbleitersubstrats gebildet. Die Passivierungsschichten sind auf dem p-Emitter bzw. der n-Basis-Schicht gebildet.
In einer Ausführungsform umfasst das N-Basis-Halbleitersubstrat eine erste Passivierungsschicht 30a, einen p-Emitter 20, eine n-Basis-Schicht 10, wahlweise eine n⁺-Schicht 40 und eine zweite Passivierungsschicht 30b, gebildet in dieser Reihenfolge, wie in 1D dargestellt.
In einer Ausführungsform umfasst die N-Basis-Solarzelle eine p-Elektrode 61, eine erste Passivierungsschicht 30a, einen p-Emitter 20, eine n-Basis-Schicht 10, wahlweise eine n⁺-Schicht 40, eine zweite Passivierungsschicht 30b und eine n-Elektrode 71, gebildet in dieser Reihenfolge, wie in 1F dargestellt, wobei die p-Elektrode 61 durch die erste Passivierungsschicht 30a verläuft, um einen elektrischen Kontakt mit dem p-Emitter 20 zu haben, und die n-Elektrode 71 durch die zweite Passivierungsschicht 30b verläuft, um einen elektrischen Kontakt mit der n-Basis-Schicht 10 oder n⁺-Schicht 40 zu haben.
Der p-Emitter 20 kann als eine Halbleiterschicht definiert werden, die eine als Akzeptordotand bezeichnete Störstelle enthält, wobei der Akzeptordotand einen Mangel von Valenzelektronen in das Halbleiterelement einführt. In dem p-Emitter nimmt der Akzeptordotand freie Elektronen aus dem Halbleiterelement auf, und infolgedessen werden positiv geladene Löcher in dem Valenzband erzeugt.
Die n-Basis-Schicht kann als eine Halbleiterschicht definiert werden, die eine als Donatordotand bezeichnete Störstelle enthält, wobei der Donatordotand zusätzliche Elektronen in das Halbleiterelement einführt. In der n-Basis-Schicht werden freie Elektronen aus dem Donatordotand in dem Leitungsband erzeugt.
Durch Hinzufügen eine Störstelle zu einem eigentlichen Halbleiter wie oben kann die elektrische Leitfähigkeit nicht nur durch die Zahl der Störstellenatome, sondern auch durch den Typ des Störstellenatoms geändert werden, und die Änderungen können tausendfach und millionenfach sein.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in 1 erläutert. Die nachstehend angeführten Ausführungsformen sind Beispiele zum besseren Verständnis, und zweckdienliche Konstruktionsänderungen sind für Fachleute im Fachgebiet möglich.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode.
1A zeigt eine Querschnittansicht eines N-Basis-Halbleitersubstrats, umfassend eine n-Basis-Schicht 10 und einen p-Emitter 20. Die n-Basis-Schicht 10 kann durch Dotieren mit einer Donatorstörstelle wie Phosphor gebildet werden. Der p-Emitter 20 kann beispielsweise durch thermische Diffusion eines Akzeptordotands in ein N-Basis-Halbleitersubstrat gebildet werden. Im Fall eines Siliciumhalbleiters kann der Akzeptordotand eine Borverbindung wie Bortribromid (BBr₃) sein. Die Dicke des p-Emitters kann beispielsweise 0,1 bis 10% der Dicke des N-Basis-Halbleitersubstrats betragen.
Wie in 1B gezeigt, kann eine erste Passivierungsschicht 30a auf dem p-Emitter 20 gebildet werden. Die erste Passivierungsschicht 30a kann 10 bis 2000 Å dick sein. Siliciumnitrid (SiN_x), Siliciumcarbid (SiC_x), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumoxid (SiO_x), Indiumzinnoxid (ITO) oder eine Mischung davon kann als ein Material der Passivierungsschicht 30 verwendet werden. Die erste Passivierungsschicht 30a kann beispielsweise durch chemische Aufdampfung im Plasma (PECVD) dieser Materialien gebildet werden.
In einer Ausführungsform, wie in 1C gezeigt, kann eine n⁺-Schicht 40 auf der anderen Seite des p-Emitters 20 gebildet werden, obwohl dies nicht wesentlich ist. Die n⁺-Schicht 40 enthält die Donatorstörstelle mit höherer Konzentration als die in der n-Basis-Schicht 10. Beispielsweise kann die n⁺-Schicht 40 im Fall von Siliciumhalbleiter durch thermische Diffusion von Phosphor gebildet werden. Durch Bilden der n⁺-Schicht 40 kann die Rekombination von Elektronen und Löchern an der Grenze der n-Basis-Schicht 10 und der n⁺-Schicht 40 reduziert werden. Wenn die n⁺-Schicht 40 gebildet wurde, umfasst das N-Basis-Halbleitersubstrat die n⁺-Schicht zwischen der n-Basis-Schicht 10 und einer Passivierungsschicht 30, die im nächsten Schritt gebildet wird.
Wie in 1D gezeigt, wird eine zweite Passivierungsschicht 30b auf der n⁺-Schicht 40 gebildet. Das N-Basis-Halbleitersubstrat, umfassend die n-Basis-Schicht 10, den p-Emitter 20, die erste Passivierungsschicht 30a und die zweite Passivierungsschicht 30b, kann hier erhalten werden. Das Material und das Bildungsverfahren der zweiten Passivierungsschicht 30b können die gleichen sein wie die oben beschriebenen anderen einen. Die zweite Passivierungsschicht 30b auf der n⁺-Schicht 40 kann jedoch hinsichtlich ihres Bildungsmaterials oder ihres Bildungsverfahrens von der ersten Passivierungsschicht 30a verschieden sein.
Wenn die Passivierungsschicht(en) 30a und/oder 30b durch Sonnenlicht beim Betrieb der Solarzelle beleuchtet wird (werden), reduziert (reduzieren) die Passivierungsschicht(en) 30a und/oder 30b die Trägerrekombination und reduziert (reduzieren) die optischen Reflexionsverluste, so dass sie auch als Antireflexionsbelag („ARC”) bezeichnet wird (werden). In einer Ausführungsform können beide Seiten der n-Basis-Schicht 10 und des p-Emitters 20 Licht empfangende Seiten beim Betrieb sein.
Wie in 1E gezeigt, wird eine leitende Paste 60 zum Bilden einer p-Elektrode auf die erste Passivierungsschicht 30a auf dem p-Emitter 20 aufgebracht. Die leitende Paste 60 zum Bilden der p-Elektrode wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Die leitende Paste 70 zum Bilden einer n-Elektrode wird ebenfalls auf die zweiten Passivierungsschichten 30b auf der n⁺-Schicht 40 aufgebracht. Zum Aufbringen der leitenden Paste kann Siebdruck eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform kann die leitende Paste 70 auf der zweiten Passivierungsschicht 30b in der Zusammensetzung von der leitenden Paste 60 auf der ersten Passivierungsschicht 30a verschieden sein. Die Zusammensetzung der leitenden Paste 70 kann in Abhängigkeit von beispielsweise Material oder Dicke der zweiten Passivierungsschicht 30b angepasst werden.
In einer anderen Ausführungsform können die auf dem p-Emitter 20 aufgebrachte leitende Paste 60 und die auf die n⁺-Schicht 40 aufgebrachte leitende Paste 70 in der Zusammensetzung verschieden sein. Wenn die leitenden Pasten 60 und 70 beide gleich sind, kann der Herstellungsprozess einfacher sein, was in reduzierten Produktionskosten resultiert.
Die leitenden Pasten 60 und 70 an beiden Seiten können für 10 Sekunden bis 10 Minuten bei 150°C getrocknet werden.
Dann wird Brennen der leitenden Pasten durchgeführt. Wie in 1F gezeigt, brennen die leitenden Pasten 60 und 70 beim Brennen durch die Passivierungsschichten 30a und 30b, so dass eine p-Elektrode 61 und eine n-Elektrode 71 gute elektrische Verbindungen mit dem p-Emitter 20 bzw. der n⁺-Schicht 40 haben können. Wenn die Verbindungen zwischen diesen Elektroden und dem Halbleiter verbessert werden, werden auch die elektrischen Eigenschaften einer Solarzelle verbessert.
Ein Infrarot-Ofen kann für den Brennprozess eingesetzt werden. Die Brennbedingungen können hinsichtlich der Brenntemperatur und Brennzeit gesteuert werden. Wenn die Temperatur hoch ist, würde die Zeit kurz sein. In Anbetracht der Produktivität können eine hohe Temperatur und eine kurze Brennzeit bevorzugt werden. Die Brennspitzentemperatur kann in einer Ausführungsform 800°C bis 1000°C betragen. Die p-Elektrode kann stabil einen hohen Eff erreichen, wie in 4 gezeigt. Die Brennzeit vom Eintritt in einen bis Austritt aus einem Ofen kann von 30 Sekunden bis 5 Minuten betragen, in einer anderen Ausführungsform 40 Sekunden bis 3 Minuten.
In einer anderen Ausführungsform kann das Brennprofil 10 bis 60 Sekunden bei über 400°C und 2 bis 10 Sekunden bei über 600°C betragen. Die Brenntemperatur wird an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats gemessen. Wenn die Brenntemperatur und -zeit innerhalb des Bereichs liegen, können weniger Schäden an dem Halbleitersubstrat beim Brennen vorkommen.
Beim tatsächlichen Betrieb kann die Solarzelle mit der n-Basis-Schicht an der Rückseite, die die gegenüberliegende Seite der Licht empfangenden Seite einer Solarzelle ist, befindlich installiert werden. Die Solarzelle kann auch mit dem p-Emitter an der Rückseite, die die gegenüberliegende Seite der Licht empfangenden Seite einer Solarzelle ist, befindlich installiert werden.
Als nächstes wird eine leitende Paste, die in den oben beschriebenen Herstellungsverfahren verwendet wird, nachstehend detailliert beschrieben. Die leitende Paste zum Bilden einer p-Elektrode umfasst mindestens ein leitendes Pulver, Aluminiumpulver, eine Glasfritte und ein organisches Medium.
Leitendes Pulver
Ein leitendes Pulver ist ein Metallpulver zum Transportieren von elektrischem Strom in einer Elektrode. Das leitende Pulver umfasst ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silber (Ag), Kupfer (Cu), Nickel (Ni) und einer Mischung davon.
In einer Ausführungsform kann das leitende Pulver ein Metallpulver umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ag-Pulver, Cu-Pulver, Ni-Pulver, Legierungspulver, enthaltend Ag, Cu oder Ni, und einer Mischung davon. Das leitende Pulver kann eine Mischung dieser Metallpulver sein. Durch Verwendung eines derartigen leitenden Pulvers mit relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit kann der Wirkverlust einer Solarzelle minimiert werden. In einer Ausführungsform kann ein leitendes Pulver Ag-Pulver sein. Es kann schwierig sein, Ag-Pulver beim Brennen in Luft zu oxidieren, um die Leitfähigkeit hoch zu halten.
In einer Ausführungsform kann ein leitendes Pulver 80 bis 98,5 Gewichtprozent (Gew.-%) betragen, in einer anderen Ausführungsform 83 bis 95 Gew.-%, in einer anderen Ausführungsform 85 bis 93 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des leitenden Pulvers, des Aluminiumpulvers und der Glasfritte. Ein leitendes Pulver in einer solchen Menge in der leitenden Paste kann eine ausreichende Leitfähigkeit für Solarzellen-Anwendungen aufrechterhalten.
In einer Ausführungsform kann das leitende Pulver flockig oder rund in seiner Form sein.
Bei Verwendung als typische, elektrisch leitende Paste bestehen keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Partikeldurchmessers des leitenden Pulvers vom Blickpunkt der technischen Wirksamkeit. Da jedoch der Partikeldurchmesser die Sintereigenschaften von leitendem Pulver beeinträchtigt, werden beispielsweise große Silberpartikel langsamer gesintert als Silberpartikel mit kleinem Partikeldurchmesser. Aus diesem Grund kann der Partikeldurchmesser in einer Ausführungsform 0,1 bis 10 μm betragen, in einer anderen Ausführungsform 1 bis 7 μm, in einer anderen Ausführungsform 1,5 bis 4 μm. In einer Ausführungsform kann das leitende Pulver eine Mischung aus zwei oder mehreren leitenden Pulvern mit verschiedenen Partikeldurchmessern sein.
Der Partikeldurchmesser (D50) wird durch Messen der Verteilung der Partikeldurchmesser unter Verwendung eines Laserbeugungsstreuungsverfahrens erhalten und kann als D50 definiert werden. Das Modell Microtrac X-100 ist ein Beispiel der gewerblich erhältlichen Vorrichtungen.
In einer Ausführungsform kann das leitende Pulver eine gewöhnliche Reinheit von 99% oder höher aufweisen. In Abhängigkeit von den elektrischen Anforderungen des Elektrodenmusters kann auch weniger reines Silber verwendet werden.
Aluminiumpulver
Aluminium-(Al)-Pulver ist ein Metallpulver, das mindestens Al enthält. Die Reinheit des Al-Pulvers kann 99% oder höher sein. Das Al-Pulver in einer leitenden Paste beträgt 0,3 bis 8 Gewichtsanteile, basierend auf 100 Gewichtsanteilen des leitenden Pulvers. Durch Hinzufügen des Al-Pulvers zu der leitenden Paste können die elektrischen Eigenschaften einer Solarzelle verbessert werden, wie in 2 dargestellt. In einer anderen Ausführungsform kann das Al-Pulver nicht mehr als 6,5 Gewichtsanteile betragen, in einer anderen Ausführungsform nicht mehr als 4 Gewichtsanteile, in einer anderen Ausführungsform 2,2 Gewichtsanteile, basierend auf 100 Gewichtsanteilen des leitenden Pulvers. In einer Ausführungsform kann das Al-Pulver nicht weniger als 0,7 Gewichtsanteile betragen, in einer anderen Ausführungsform nicht mehr als 1,0 Gewichtsanteil, basierend auf 100 Gewichtsanteilen des leitenden Pulvers.
Der Partikeldurchmesser (D50) des Al-Pulvers beträgt 3 bis 11 μm. Bei einem solchen Partikeldurchmesser des Al-Pulvers können die elektrischen Eigenschaften einer Solarzelle verbessert werden, wie in 3 dargestellt. Dementsprechend kann der Partikeldurchmesser (D50) des Al-Pulvers in einer Ausführungsform nicht kleiner als 3,1 μm sein, in einer anderen Ausführungsform nicht kleiner als 3,3 μm. Die obere Grenze des Partikeldurchmessers ist nicht besonders beschränkt, solange er 11 μm oder kleiner ist. In einer anderen Ausführungsform kann er jedoch 8 μm oder kleiner sein, in einer anderen Ausführungsform 6 μm, in einer anderen Ausführungsform nicht größer als 4 μm. Das Aluminiumpulver mit einem solchen Partikeldurchmesser kann gut in dem organischen Medium dispergiert werden und ist für Aufbringung auf ein Substrat durch Siebdruck geeignet. Zum Messen des Partikeldurchmessers (D50) des Al-Pulvers kann dasselbe Verfahren, das für das leitende Pulver verwendet wird, verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann das Al-Pulver flockig, knotenartig oder rund in seiner Form sein. Das knotenartige Pulver besteht aus unregelmäßigen Partikeln mit knotigen, gerundeten Formen. In einer anderen Ausführungsform kann das Al-Pulver rund sein.
Glasfritte
Die in den hierin beschriebenen leitenden Pasten verwendeten Glasfritten ätzen beim anschließenden Brennprozess durch die Passivierungsschicht und Erleichtern Binden der Elektrode an das Halbleitersubstrat und können außerdem Sintern des leitenden Pulvers fördern.
Die Glasfritte beträgt 3 bis 22 Gewichtsanteile. Durch Hinzufügen einer Glasfritte in einer derartigen Menge kann der Eff einer Solarzelle relativ hoch werden, wie in Tabelle 2 im nachstehenden Beispiel gezeigt. Die Glasfritte kann 4 bis 20 Gewichtsanteile in einer anderen Ausführungsform betragen, 5 bis 15 Gewichtsanteile in einer anderen Ausführungsform, 6 bis 10 Gewichtsanteile in einer anderen Ausführungsform, basierend auf 100 Gewichtsanteilen des leitenden Pulvers. Durch Hinzufügen einer Glasfritte in einer derartigen Menge kann die p-Elektrode ausreichend an einem Substrat anhaften.
Die Zusammensetzung der Glasfritte ist nicht auf bestimmte Zusammensetzungen beschränkt. Beispielsweise kann ein bleifreies Glas und ein Blei enthaltendes Glas verwendet werden.
Die Zusammensetzung der Glasfritte wird hierin als Prozentanteile von bestimmten Komponenten enthaltend beschrieben. Spezifisch sind die Prozentanteile die Menge der Komponenten, die in dem Ausgangsmaterial verwendet wurden, das anschließend verarbeitet wurde, um eine Glasfritte zu bilden. Anders ausgedrückt, enthält die Glasfritte bestimmte Komponenten, und die Prozentanteile dieser Komponenten werden als Prozentanteil der korrespondierenden Oxidform ausgedrückt. Wie von Fachleuten im Fachgebiet der Glas-Chemie anerkannt werden wird, kann ein bestimmter Anteil von flüchtigen Spezies während des Prozesses zum Herstellen des Glases freigesetzt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Glasfritte eine Blei enthaltende Glasfritte, enthaltend ein oder mehrere Oxide, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Bleioxid (PbO), Siliciumoxid (SiO₂), Boroxid (B₂O₃) und Aluminiumoxid (Al₂O₃).
In einer Ausführungsform kann Bleioxid (PbO) 40 bis 80 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 42 bis 73 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 45 bis 68 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Siliciumoxid (SiO₂) 0,5 bis 40 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 1 bis 33 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 1,3 bis 28 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Boroxid (B₂O₃) 15 bis 48 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 20 bis 43 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 22 bis 40 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Aluminiumoxid (Al₂O₃) 0,01 bis 6 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 0,09 bis 4,8 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 0,5 bis 3 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Glasfritte ein bleifreies Glas, enthaltend ein oder mehrere Oxide, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Boroxid (B₂O₃), Zinkoxid (ZnO), Wismutoxid (Bi₂O₃), Siliciumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Bariumoxid (BaO).
In einer Ausführungsform kann Boroxid (B₂O₃) 20 bis 48 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 25 bis 42 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 28 bis 39 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Zinkoxid (ZnO) 20 bis 40 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 25 bis 38 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 28 bis 36 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Wismutoxid (Bi₂O₃) 15 bis 40 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 18 bis 35 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 19 bis 30 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Siliciumoxid (SiO₂) 0,5 bis 20 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 0,9 bis 6 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 1 bis 3 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Aluminiumoxid (Al₂O₃) 0,1 bis 7 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 0,5 bis 5 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 0,9 bis 2 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann Bariumoxid (BaO) 0,5 bis 8 Mol.-% betragen, in einer anderen Ausführungsform 0,9 bis 6 Mol.-%, in einer anderen Ausführungsform 2,5 bis 5 Mol.-%, basierend auf dem gesamten Stoffmengenanteil jeder Komponente in der Glasfritte.
In einer Ausführungsform kann der Erweichungspunkt der Glasfritten 300 bis 600°C betragen, in einer anderen Ausführungsform 350 bis 550°C. In dieser Patentschrift wird der „Erweichungspunkt” durch Differenzialthermalanalyse (DTA) bestimmt. Zum Bestimmen des Glas-Erweichungspunkts durch DTA wird Probeglas zermahlen und mit einem Referenzmaterial in einen Ofen gegeben, um bei einer konstanten Rate von 5 bis 20°C pro Minute erwärmt zu werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden wird festgestellt, um die Entwicklung und Absorption von Wärme aus dem Material zu untersuchen. Im Allgemeinen ist die erste Entwicklungsspitze die Glas-Übergangstemperatur (Tg), die zweite Entwicklungsspitze ist der Glas-Erweichungspunkt (Ts), die dritte Entwicklungsspitze liegt am Kristallisierungspunkt. Wenn eine Glasfritte ein nicht kristallines Glas ist, würde der Kristallisierungspunkt nicht in der DTA erscheinen.
Glasfritte kann nach Verfahren hergestellt werden, die im Fachgebiet gut bekannt sind. Beispielsweise kann die Glaskomponente durch Mischen und Schmelzen von Rohmaterialien wie Oxiden, Hydroxiden, Carbonaten, Erzeugen von Glasbruch durch Quenchen, gefolgt von mechanischer Pulverisierung (Nass- oder Trockenmahlen) hergestellt werden. Danach wird, falls erforderlich, Einteilung in die gewünschte Partikelgröße durchgeführt.
Organisches Medium
Ein organisches Medium gestattet, dass Bestandteile eines leitenden Pulvers, Aluminiumpulver und eine Glasfritte in der Form einer viskosen Zusammensetzung, die als „Paste” bezeichnet wird, mit geeigneter Konsistenz und Rheologie zum Aufbringen auf ein Substrat durch ein Verfahren wie Siebdruck dispergiert werden. Das organische Medium kann ein organisches Harz oder eine Mischung eines organischen Harzes und eines organischen Lösungsmittels sein.
Das organische Medium kann beispielsweise eine Pinienöllösung oder eine Ethylenglycolmonobutylethermonoacetatlösung von Polymethacrylat oder eine Ethylenglycolmonobutylethermonoacetatlösung von Ethylcellulose, eine Terpineollösung von Ethylcellulose oder eine Texanollösung von Ethylcellulose sein.
In einer Ausführungsform kann das organische Medium eine Texanollösung von Ethylcellulose sein, wobei der Ethylcellulose-Gehalt 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% beträgt, basierend auf dem Gesamtgewicht des organischen Mediums.
Ein Lösungsmittel kann als ein Mittel zur Viskositätsanpassung verwendet werden. Eine Lösungsmittelmenge kann für die gewünschte Viskosität anpassbar sein. Beispielsweise kann eine Viskosität einer leitenden Paste 50 bis 350 Pascal pro Sekunde (Pa·s) betragen, wenn eine leitende Paste durch Siebdruck aufgebracht wird. Die Viskosität kann bei 10 U/min und 25°C mit einem Brookfield HBF Viskosimeter mit Spindel Nr. 14 gemessen werden.
Der Gehalt des organischen Mediums kann 5 bis 50 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der leitenden Paste betragen.
Das organische Medium kann während des Brennschritts weggebrannt werden, so dass die p-Elektrode im Idealfall keinen organischen Rückstand enthält. Tatsächlich kann jedoch eine gewisse Menge Rückstand in der resultierenden p-Elektrode verbleiben, solange er die elektrischen Eigenschaften der p-Elektrode nicht verschlechtert.
Zusätze
Zusätze wie ein Dickungsmittel, ein Stabilisator, ein Dispersionsmittel, ein Viskositätsmodifikator und ein Tensid können zu einer leitenden Paste hinzugefügt werden, wenn das Erfordernis auftritt. Die Menge der Zusätze ist von den gewünschten Charakteristika der resultierenden leitenden Paste abhängig und kann von Personen in der Industrie ausgewählt werden. Mehrere Arten der Zusätze können zu der leitenden Paste hinzugefügt werden.
Obwohl Komponenten der leitenden Paste oben beschrieben wurden, kann die leitende Paste Unreinheiten enthalten, die aus Rohmaterialien stammen, oder während des Herstellungsprozesses verunreinigt werden. Das Vorhandensein von Verunreinigungen würde jedoch erlaubt werden (als harmlos definiert werden), solange sie vorhergesagte Eigenschaften der leitenden Paste nicht beträchtlich ändert. Beispielsweise kann die mit der leitenden Paste hergestellte p-Elektrode ausreichende, hierin beschriebene elektrische Eigenschaften erreichen, selbst wenn die leitende Paste harmlose Unreinheiten enthält.
BEISPIEL
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, ist aber nicht darauf beschränkt,
Herstellung der leitenden Paste
Leitende Pasten zum Bilden von p-Elektroden wurden gemäß der folgenden Prozedur unter Verwendung der folgenden Materialien hergestellt:

– Leitendes Pulver: Rundes Silber- bzw. Ag-Pulver mit einem Partikeldurchmesser (D50) von 3 μm, wie mit einem Laserzerstreuungs-Partikelgrößenverteilungs-Messgerät bestimmt.
– Aluminium- bzw. Al-Pulver: Rundes Aluminium- bzw. Al-Pulver mit einem Partikeldurchmesser (D50) von 3,5 μm, wie mit einem Laserzerstreuungs-Partikelgrößenverteilungs-Messgerät bestimmt.
– Glasfritte: Glasfritte, enthaltend 50-0 Mol.-% PbO, 22,0 Mol.-% SiO₂, 2,0 Mol.-% Al₂O₃, 26,0 Mol.-% B₂O₃. Der durch DTA bestimmte Erweichungspunkt betrug 434°C.
– Organisches Medium: Eine Texanol-Lösung von Ethylcellulose.
– Zusatz: ein Viskositätsmodifikator.

Das organische Medium wurde mit dem Viskositätsmodifikator für 15 Minuten gemischt.
Um die gleichförmige Dispersion einer kleinen Menge Al-Pulver in der leitenden Paste zu ermöglichen, wurden das Ag-Pulver und das Al-Pulver separat in dem organischen Medium dispergiert, um anschließend zusammengemischt zu werden. Zuerst wurde das Al-Pulver in etwas des organischen Mediums dispergiert und für 15 Minuten gemischt, um eine Al-Paste herzustellen. Als zweites wurde die Glasfritte in dem Rest des organischen Mediums dispergiert und für 15 Minuten gemischt, und dann wurde das Ag-Pulver nach und nach hinzugefügt, um Ag-Paste herzustellen. Dann wurde die Mischung wiederholt durch eine 3-Walzen-Mühle bei zunehmenden Drücken von 0 bis 400 psi gegeben. Der Abstand der Walzen wurde auf 1 mil eingestellt.
Dann wurden die Ag-Paste und die Al-Paste zusammengemischt, um die leitende Paste herzustellen. Schließlich wurde zusätzliches organisches Medium oder Verdünner gemischt, um die Viskosität der Paste einzustellen. Das organische Medium in der leitenden Paste betrug 12 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der leitenden Paste. Der Gehalt des Ag-Pulvers, des Al-Pulvers und der Glasfritte sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die Viskosität, wie bei 10 U/min und 25°C mit einem Brookfield HBT Viskosimeter mit Spindel Nr. 14 gemessen, betrug 260 Pa·s. Der Grad der Dispersion, wie durch Mahlfeinheit gemessen, betrug 20/10 oder weniger.

Tabelle 1 (Gewichtsanteile)

Paste Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8

Ag-Pulver 100 100 100 100 100 100 100 100

Al-Pulver 0 0,6 1,1 2,3 3,5 4,8 6 12,8

Glasfritte 13,6 13,7 13,8 14,0 14,1 14,3 14,5 15,4
Herstellung von Testteilen
Die wie oben erhaltene leitende Paste wurde auf eine SiN_x-Schicht mit 90 nm durchschnittlicher Dicke, die auf einem p-Emitter eines n-Basis-Typs eines Siliciumsubstrats (30 mm × 30 mm) gebildet wurde, siebgedruckt.
Das gedruckte Muster bestand aus Fingerleitungen von 80–100 μm Breite, 27 mm Länge und 20 μm Dicke und einer Sammelschiene von 1,5 mm Breite, 28,35 mm Länge und 20 μm Dicke. Die Fingerleitungen wurden auf einer Seite der Sammelschiene mit 2,15 mm Intervalldistanz zwischen den Fingerleitungen gedruckt. Dann wurde die gedruckte leitende Paste bei 150°C für 5 Min. in einem Konvektionsofen getrocknet.
Auf der anderen Seite des Siliciumsubstrats wurde eine gewerblich erhältliche Silberpaste auf eine SiN_x-Schicht auf der n-Basis-Schicht mit einem Muster, bestehend aus Fingerleitungen von 200 μm Breite, 27 mm Länge und 20 μm Dicke und einer Sammelschiene von 1,5 mm Breite, 28,35 mm Länge und 20–35 μm Dicke, siebgedruckt. Dann wurde die gedruckte Ag-Paste bei 150°C für 5 Min. in einem Konvektionsofen getrocknet.
Elektroden wurden dann durch Brennen der gedruckten leitenden Pasten in einem Förderband-Ofen mit IR-Erwärmung (CF-7210, Despatch Industry) bei einer Einstellung der Spitzentemperatur auf 845°C erhalten. Die eingestellte Temperatur des Ofens von 845°C korrespondierte mit einer gemessenen Temperatur an der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats von 730°C. Die Brennzeit von Ofen-Eintritt bis -Austritt betrug 80 Sekunden. Die Brennbedingungen wurde gemessen, Temperatur weniger als oder gleich 740°C, 400 bis 600°C für 12 Sekunden und über 600°C für 6 Sekunden. Die Temperaturen waren auf der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats. Die Förderband-Geschwindigkeit des Ofens betrug 550 cpm.
Wirkungsgrad-Testprozedur
Der Wirkungsgrad der Solarzellen, die gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, wurde mit einem gewerblichen IV-Tester (NCT-150AA, NPC Corporation) getestet. Die Xe-Lichtbogenlampe in dem IV-Tester simulierte das Sonnenlicht mit einer bekannten Intensität und einem bekannten Spektrum für Ausstrahlung mit einem Luftmassenwert von 1,5 auf der vorderen Oberfläche mit dem p-Emitter der Zelle. Der Tester arbeitete nach dem „Vierpunkt-Sondenverfahren” zum Messen von Strom (I) und Spannung (V) bei Lastwiderstandseinstellung von ungefähr 400, um die I-V-Kurve der Zelle zu bestimmen. Die auf den p-Emittern, Vorderseiten der Zellen, gedruckten Sammelschienen wurden mit den mehreren Sonden des IV-Testers verbunden und die elektrischen Signale wurden durch die Sonden zum Computer zum Berechnen der Wirkungsgrade übertragen.
Ergebnisse
Der Wirkungsgrad (Eff) der Testzellen, die unter Verwendung von leitenden Pasten, die verschiedene Mengen von Al-Pulver umfassten, hergestellt wurden, sind in 2 dargestellt. Der Eff der Elektrode, gebildet mit der leitenden Paste, die 0,6, 1,1, 2,3, 3,5, 4,8, 6,0 Gewichtsanteile Al-Pulver enthielt, verbesserte sich jeweils.
Partikeldurchmesser des Al-Pulvers
Als nächstes wurde eine Wirkung des Partikeldurchmessers (D50) des Al-Pulvers untersucht. Die Testzelle wurde wie oben erhalten, außer dass die leitende Paste Al-Pulver mit verschiedenen Partikeldurchmessern enthält. Das D50 der Al-Pulver betrug 1,5, 2,5, 3,1, 5,0, 5,7, 6,7, 7,4 bzw. 10,6 μm, wie in 3 dargestellt. Das Al-Pulver umfasste 2,3 Gewichtsanteile, basierend auf den 100 Gewichtsanteilen des Ag-Pulvers. Der Eff wurde in derselben Weise wie oben gemessen. Der Eff der Testzelle ist in 3 dargestellt. Der Eff der Elektroden, gebildet mit der leitenden Paste, die das Al-Pulver mit dem Partikeldurchmesser von 3,1, 5,0, 5,7, 6,7, 7,4, 10,6 μm enthielt, war jeweils verbessert.
Brenntemperatur
Als nächstes wurde die Wirkung auf die Brenntemperatur untersucht. Die p-Elektroden wurden in der gleichen Weise wie beim Untersuchen des Gehalts an Al-Pulver gebildet, außer dass eine verschiedene Ag/Al-Paste verwendet wurde. Die verwendete Ag/Al-Paste enthielt 100 Gewichtsanteile des Ag-Pulvers, 1,9 Gewichtsanteile des Al-Pulvers und 8,86 Gewichtsanteile der Glasfritte. Die Glasfritte enthielt 60,0 Mol.-% PbO, 2,0 Mol.-% SiO₂, 2,0 Mol.-% Al₂O₃, 36,0 Mol.-% B₂O₃. Der durch DTA bestimmte Erweichungspunkt betrug 380°C.
Die p-Elektrode wurde durch Brennen der Paste in einem Förderband-Ofen mit IR-Erwärmung (CF-7210B, Despatch Industry) bei einer Spitzentemperatur-Einstellung von 785, 805, 845, 885, 925 bzw. 965°C erhalten.
Zum Vergleich wurde auch die mit einer Ag-Paste, die kein Al-Pulver enthielt, gebildete p-Elektrode hergestellt.
Der Wirkungsgrad der Solarzellen, die gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, wurde mit einem gewerblichen IV-Tester (NCT-180AA-M, NPC Corporation) getestet.
Der mit der Ag/Al-Paste erhaltene Eff war über die getesteten Spitzentemperaturen höher als der der Ag-Paste. Überdies war der Eff zwischen 805 und 965°C stabil und hoch, wie in 4 dargestellt. Demgemäß kann die Brenntemperatur für die Ag/Al-Paste zur Berücksichtigung anderer Eigenschaften flexibel geändert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft zum Bilden einer p-Elektrode gleichzeitig mit dem Bilden einer n-Elektrode unter Nutzung eines gemeinsamen Brennprozesses, in dem die leitenden Pasten für die Elektroden bei derselben Temperatur gebrannt werden.
Glasfritten-Gehalt
Als nächstes wurde die Wirkung der Menge der Glasfritte untersucht. Die p-Elektroden wurden in derselben Weise gebildet wie zum obigen Testen der Brenntemperatur, außer dass verschiedene leitende Pasten verwendet wurden und die Einstellung der Spitzentemperatur zum Brennen auf 845°C vorgenommen wurde. Die Zusammensetzung der leitenden Paste ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Glasfritten-Zusammensetzung war 60,0 Mol.-% PbO, 12,5 Mol.-% SiO₂, 1,0 Mol.-% Al₂O₃, 26,5 Mol.-% B₂O₃. Der durch DTA bestimmte Erweichungspunkt betrug 383°C.
Durch Hinzufügen von mehr als 2,1 Gewichtsanteilen der Glasfritte stieg der Eff dramatisch von 16,56% auf über 18%, wie in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

Paste Nr.

9 10 11 12 13

Ag-Pulver 100 100 100 100 100

Glasfritte 2,1 4,2 8,9 13,9 19,4

Al-Pulver 1,8 1,8 1,9 2,0 2,1

Eff (%) 16,56 18,03 18,12 18,01 18,14
Zusammensetzung der Glasfritte
Anschließend wurde die p-Elektrode unter Verwendung einer bleifreien Glasfritte hergestellt, um die Wirkung auf den Eff zu ermitteln. Die p-Elektrode wurde in derselben Weise wie zum Testen der Glasfritten-Zusammensetzung mit Paste Nr. 11 in Tabelle 2 hergestellt, außer dass die bleifreie Glasfritte verwendet und die Einstellung der Spitzentemperatur zum Brennen auf 845°C vorgenommen wurde. Die Zusammensetzung der Glasfritte war 33,8 Mol.-% B₂O₃, 1,4 Mol.-% SiO₂, 1,2 Mol.-% Al₂O₃, 33,5 Mol.-% ZnO, 3,4 Mol.-% BaO, 26,7 Mol.-% Bi₂O₃. Der durch DTA bestimmte Erweichungspunkt betrug 471°C. Der Eff betrug 17,94%. Dieses Ergebnis zeigt, dass sowohl die bleifreie Glasfritte als auch die Blei enthaltende Glasfritte nützlich sein kann.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode, umfassend die folgenden Schritte: Vorbereiten eines N-Basis-Halbleitersubstrats, umfassend eine n-Basis-Schicht, einen p-Emitter auf der n-Basis-Schicht, eine erste Passivierungsschicht auf dem p-Emitter und eine zweite Passivierungsschicht auf der n-Basis-Schicht; Aufbringen einer leitenden Paste auf die erste Passivierungsschicht, wobei die leitende Paste umfasst (i) 100 Gewichtsanteile leitendes Pulver, umfassend ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silber, Nickel, Kupfer und einer Mischung davon, (ii) 0,3 bis 8 Gewichtsanteile Aluminiumpulver mit einem Partikeldurchmesser von 3 bis 11 μm, (iii) 3 bis 22 Gewichtsanteile einer Glasfritte und (iv) ein organisches Medium; und Brennen der leitenden Paste.
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Glasfritte eine Blei enthaltende Glasfritte umfasst, umfassend ein oder mehrere Oxide, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Bleioxid (PbO), Siliciumoxid (SiO₂), Boroxid (B₂O₃) und Aluminiumoxid (Al₂O₃); oder eine bleifreie Glasfritte, umfassend ein oder mehrere Oxide, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Boroxid (B₂O₃), Zinkoxid (ZnO), Wismutoxid (Bi₂O₃), Siliciumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Bariumoxid (BaO).
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, wobei der Erweichungspunkt der Glasfritte 300 bis 600°C beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Brennzeit 30 Sekunden bis 5 Minuten beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Brennspitzentemperatur in dem Schritt des Brennens 800 bis 1000°C beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, wobei die erste Passivierungsschicht 10 bis 2000 Å dick ist.
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, wobei das Material der ersten Passivierungsschicht Siliciumnitrid (SiN_x), Siliciumcarbid (SiC_x), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumoxid (SiO_x), Indiumzinnoxid (ITO) oder eine Mischung davon ist.
Verfahren zum Herstellen einer p-Elektrode nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt des Aufbringens einer zweiten leitenden Paste auf die zweite Passivierungsschicht, und wobei die auf die erste Passivierungsschicht aufgebrachte leitende Paste und die auf die zweite Passivierungsschicht aufgebrachte zweite leitende Paste gemeinsam gebrannt werden.
N-Basis-Solarzelle, umfassend die nach dem Verfahren von Anspruch 1 gebildete p-Elektrode.