JP2013254726A - 太陽電池の接点のための導電性厚膜ペースト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】無機反応系は、鉛含有組成物と、テルル元素とを含み、鉛含有組成物は、無機反応系の5〜95重量%であり、テルル元素は、無機反応系の5〜95重量%である。さらに好ましくは、鉛含有組成物は、無機反応系の40〜90重量%であり、テルル元素は、無機反応系の10〜40重量%である。鉛含有組成物は、ガラスフリットであってもよく、さらに酸化鉛を含んでいてもよい。
【選択図】図1
Description
本出願は、2012年1月23日に出願された米国仮出願第61/589,727号の優先権を主張し、この開示内容は、全体的に参照により組み込まれる。
1つの態様において、本発明は、例えば、導電性ペースト組成物に使用するための無機反応系に関する。
本発明の好ましい実施形態は、鉛含有組成物とテルル元素添加剤とを含み、鉛含有組成物が、酸化鉛を含むガラスフリットであるような、導電性ペーストに使用されるIRSに関する。テルル元素が含まれると、半導体のエミッタとの接点が非常に向上する。鉛含有組成物は、IRSの5〜95重量%であり、さらに好ましくは、IRSの40〜90重量%である。テルル元素は、IRSの5〜95重量%であり、さらに好ましくは、IRSの10〜40重量%である。
本明細書に記載のIRSは、適切な量の個々の成分の粉末を混合し、粉末混合物を空気中または酸素を含有する雰囲気下で混合して溶融物を作成し、この溶融物を急冷し、急冷した材料を研磨し、ボールミルで粉砕し、粉砕した材料をふるい分けし、所望の粒径の粉末を得ることによって、当業者が知っている任意のプロセスによって製造することができる。例えば、粉末形態のガラスフリット成分を、V型ブレンダー中で一緒に混合してもよい。次いで、この混合物を30〜40分間かけて加熱する(例えば、800〜1200℃付近)。次いで、このガラスを急冷し、砂状の稠度にする。次いで、この粗いガラス粉末を、例えば、ボールミルまたはジェットミルで微細な粉末が得られるまで粉砕する。典型的には、無機反応系を、平均粒径が0.01〜10μm、好ましくは、0.1〜5μmになるまで粉砕してもよい。
本発明はまた、導電性ペースト組成物に関する。本発明の好ましい導電性ペーストは、表面に塗布することができ、焼成すると、その表面と電気的に接触する固体電極体を生成することができるペーストである。ペーストの構成要素およびその比率は、ペーストが所望の特性を有するように当業者が選択することができる。
本発明の内容で、好ましい金属粒子は、金属の導電性を示す粒子、または焼成すると金属の導電性を示す物質を生じる粒子である。導電性ペースト中に存在する金属粒子は、焼成して導電性ペーストが焼結するときに作られる固体電極に金属の導電性を与える。有効に焼結し、高い導電性および低い接触抵抗を有する電極を与える金属粒子が好ましい。金属粒子は、当業者にはよく知られている。当業者に知られており、本発明の内容に適していると考えられるあらゆる金属粒子を、導電性ペーストの金属粒子として使用してもよい。本発明の好ましい金属粒子は、金属、アロイ、少なくとも2つの金属の混合物、少なくとも2つのアロイの混合物、または少なくとも1つの金属と少なくとも1つのアロイの混合物である。
本発明の内容で好ましい有機媒剤は、導電性ペーストの構成要素が、溶解した形態、乳化した形態または分散した形態で存在することを確保するような、1つ以上の溶媒、好ましくは、有機溶媒に基づく溶液、エマルションまたは分散物である。好ましい有機媒剤は、導電性ペースト中で構成要素の最適な安定を与え、有効な線印刷適性を可能にする導電性ペーストを与えるような有機媒剤である。
本発明の内容で好ましい添加剤は、上に明確に述べた他の構成要素に加え、導電性ペースト、このペーストから製造される電極、または得られる太陽電池の性能を高めることに貢献する、導電性ペーストに添加される構成要素である。当業者に知られており、本発明の内容で適していると考えられる全ての添加剤を、導電性ペーストに添加剤として使用してもよい。IRS中および媒剤中に存在する添加剤に加え、導電性ペースト中にも添加剤が存在してもよい。本発明の好ましい添加剤は、チキソトロープ剤、粘度調整剤、乳化剤、安定化剤またはpH調整剤、無機添加剤、増粘剤および分散剤、またはこれら少なくとも2つ以上の組み合わせであり、無機添加剤が最も好ましい。本発明のこの内容で好ましい無機添加剤は、Mg、Ni、Te、W、Zn、Mg、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、CuおよびCr、またはこれら2つ以上の組み合わせであり、好ましくは、Zn、Sb、Mn、Ni、W、TeおよびRu、またはこれら2つ以上の組み合わせ、これらの酸化物、焼成すると金属酸化物を生成し得る化合物、または上述の金属の少なくとも2つ以上の混合物、上述の酸化物の少なくとも2つ以上の混合物、焼成すると金属酸化物を生成し得る上述の化合物の少なくとも2つ以上の混合物、または上述の任意の2つ以上の混合物である。
導電性ペースト組成物を作成するために、ペースト組成物を調製する分野で既知の任意の方法を用い、IRS材料を導電性金属成分(例えば、銀)および有機媒剤と組み合わせてもよい。調製方法は、均一に分散したペーストが得られるのであれば、重要ではない。成分を例えばミキサーで混合し、次いで、例えば3ロール式のミルに通し、分散した均一なペーストを作る。全ての成分を同時に混合することに加え、ボールミル中、無機反応系材料を導電性金属成分と一緒に2〜24時間粉砕し、無機反応系および導電性金属成分粒子の均一な混合物を得ることができ、次いで、これをミキサーで有機媒剤と合わせてもよい。
別の態様では、本発明は、太陽電池に関する。1つの実施形態では、太陽電池は、半導体基材(例えば、シリコンウエハ)と、本明細書に記載する任意の実施形態の導電性ペースト組成物とを含む。
本発明の好ましいウエハは、太陽電池の他の領域の中でも、高い効率で光を吸収し、電子−正孔対を生じ、高い効率で境界を通って、好ましくは、いわゆるp−n接合境界を通って正孔と電子を分離することができる領域である。本発明の好ましいウエハは、前面のドープされた層および背面のドープされた層で構成される一体的な部分を含むウエハである。
好ましいドーパントは、Siウエハに加えられるとき、電子または正孔をバンド構造に導入することによってp−n接合境界を形成するドーパントである。本発明によれば、これらのドーパントの同一性および濃度は、p−n接合部のバンド構造のプロフィールを調節し、光の吸収および導電性プロフィールを所望なように設定するように特定的に選択されることが好ましい。好ましい本発明のp型ドーパントは、Siウエハのバンド構造に正孔を加えるドーパントである。これらのドーパントは、当業者には十分に知られている。当業者に知られており、本発明の内容で適していると考えられる全てのドーパントを、p型ドーパントとして使用してもよい。好ましい本発明のp型ドーパントは、三価元素であり、特に、周期表の第13族元素である。この内容で、好ましい周期表の第13族元素としては、限定されないが、B、Al、Ga、In、Tlまたはこれら少なくとも2つの組み合わせが挙げられ、Bが特に好ましい。
本発明によれば、電極を太陽電池の前面に塗布する前に、反射防止層を外側層として塗布してもよい。本発明の好ましい反射防止層は、前面によって反射する入射光の割合を減らし、前面を通り、ウエハで吸収される入射光の割合を増やすような反射防止層である。都合の良い吸収/反射比を生じる反射防止層は、使用される導電性ペーストによってエッチングされやすいが、導電性ペーストを焼成するのに必要な温度へのその他の耐性はあり、電極界面近傍で電子および正孔の再結合を増加させる原因とならないものが好都合である。当業者に知られており、本発明の内容で適していると考えられる全ての反射防止層を使用してもよい。本発明の好ましい反射防止層は、SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2、またはこれら少なくとも2つの混合物、および/またはこれら少なくとも2つの組み合わせであり、特に、Siウエハが使用されるとき、SiNxが特に好ましい。
本発明によれば、シリコンウエハの前面および/または背面に、外側層として、電極を塗布する前に、または存在する場合には反射防止層を塗布する前に、1つ以上の保護層を塗布してもよい。好ましい保護層は、電極界面近傍で電子および正孔の再結合の速度を低下させるような保護層である。当業者に知られており、本発明の内容で適していると考えられる任意の保護層を使用してもよい。本発明の好ましい保護層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素および二酸化チタンであり、窒化ケイ素が最も好ましい。本発明によれば、保護層が、約0.1nm〜約2μm、さらに好ましくは、約10nm〜約1μm、最も好ましくは、約30nm〜約200nmの厚みを有することが好ましい。
太陽電池の主な機能に直接貢献する上述の層に加え、機械的および化学的な保護のために、さらなる層を加えてもよい。
1つの実施形態では、太陽電池は、導電性ペースト組成物を、半導体基材、例えば、シリコンウエハの上にある反射防止コーティング(ARC)、例えば、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化チタンまたは酸化アルミニウムに塗布し(例えば、スクリーン印刷プロセスによって)、次いで、半導体材料を焼成し、基材の上に電極を作成することによって調製されてもよい。
上述の目的の少なくとも1つを達成するための寄与は、上述のようにして、特に、上述の実施形態の少なくとも1つに従って得られる少なくとも1つの太陽電池を含むモジュールによってなされる。本発明の多様な太陽電池を、空間的および電気的に接続した状態で配置し、モジュールと呼ばれる集合的な配置を作成することができる。本発明の好ましいモジュールは、多くの形態をとることができ、好ましくは、ソーラーパネルとして知られる長方形の表面をとることができる。太陽電池を電気的に接続するためのさまざまな様式、およびこのような電池を機械的に整列させ、固定し、集合的な配置を作成するためのさまざまな様式は、当業者によく知られている。当業者によって知られており、本発明の内容に適していると考えられる任意のこのような方法を使用してもよい。本発明の好ましい方法は、電力出力に対する質量の比率が低く、電力出力に対する容積の比率が低く、耐久性が高くなる方法である。アルミニウムは、本発明の太陽電池を機械的に固定するのに好ましい材料である。
表1に示されるように、全体として67.4%のPbOを含む(ペーストの)4.6重量%の第1の鉛含有ガラスフリットと、(ペーストの)0.5重量%のテルル元素添加剤とを含むIRSを用い、第1の例示的なペースト(35Cと称される)を調製した。(ペーストの)約85重量%の量の銀粒子と、ガラスフリットの約1〜15重量%の有機媒剤とを含むが、テルル元素を含まないものをコントロールとして調製した。
表1に示されるように、全体として64.04%のPbOを含む(ペーストの)4.7重量%の第2の鉛含有ガラスフリットと、(ペーストの)0.5重量%のテルル元素添加剤とを含むIRSを用い、第2の例示的なペースト(35Dと称される)を調製した。(ペーストの)約85重量%の量の銀粒子と、(ペーストの)約1〜15重量%の有機媒剤とを加え、35Dの例示的なペーストを作成した。同じガラスフリットを含むが、テルル元素を含まないリファレンスペースト2をコントロールとして調製した。得られた例示的な太陽電池およびリファレンスの太陽電池を、上の実施例1に記載したプロセスを用いて調製した。
全体としてIRSの46.51%のPbOを含む(ペーストの)3.1重量%の第1の鉛含有ガラスフリットと、(ペーストの)1.2重量%のテルル元素添加剤とを含むIRSを用い、第3の例示的なペースト(37Bと称される)を調製した。IRSの全体的に64.52%のPbOを含む(ペーストの)3.1重量%の鉛含有ガラスフリットを用い、比較例のペースト(33iと称される)を調製した。比較例のペースト33iは、テルル元素を含有していない。(ペーストの)約85重量%の量の銀粒子と、(ペーストの)約1〜15重量%の有機媒剤を加え、37Bおよび33iのペーストを作成した。得られた例示的な太陽電池およびリファレンスの太陽電池を、上の実施例1に記載したプロセスを用いて調製した。
全体としてIRSの58.82%のPbOを含む(ペーストの)3.1重量%の鉛含有ガラスフリットと、(ペーストの)0.3重量%のテルル元素添加剤とを含むIRSを用い、別の例示的なペースト(表1で33Aと称される)を調製した。比較例のペースト(表1で33Jと称される)を、全体としてIRSの57.55%のPbOを含む(ペーストの)3.1重量%の鉛含有ガラスフリットと、(ペーストの)0.375重量%の二酸化テルル添加剤とを含むIRSを用いて調製した。二酸化テルルを添加剤として用いる場合と比較して、テルル元素を添加剤として含むときの効果を示すために、33Aおよび33Jのペーストを調製した。さらに、比較例の33Jペーストで使用される二酸化テルルの量(0.375重量%)は、33Aペーストで使用されるテルル元素(0.3重量%)のテルルの数(モル)と同じにしている。
次いで、全ての例示的な太陽電池用ペーストを、シート抵抗が90Ω/スクエアの軽くドープされたp型シリコンウエハの前面に印刷し、このシリコンウエハの背面にも、アルミニウム背面ペーストを塗布し、次いで、上の実施例1に概要を説明したプロセスに従って乾燥させ、焼成した。次いで、全ての太陽電池を、I−V試験器を用いて試験した。I−V試験器中のキセノンアークランプを用い、既知の強度で日光を模倣し、太陽電池の前面に照射し、I−V曲線を作成した。この曲線を用い、効率(Eff)、曲線因子(FF)、直列抵抗(Rs)、3種類の標準的な光強度での直列抵抗(Rs3)、接触抵抗(Rc)を含め、電気特性の比較をするこの測定方法に共通の種々のパラメータを決定した。リファレンスペーストおよびコントロールペーストに関する全てのデータを1に正規化した。実験例のペーストの関連データは、適切な測定値を正規化したリファレンスセルデータで割ることによって算出した。全てのデータを表2および表3にまとめている。
乾燥中および焼成中にテルル元素添加剤が原子状態で存在していることを確認するために、テルル元素を含む2種類のIRS組成物を調製し、X線回折試験を行った。
鉛含有ガラスフリットの量を変え、全て異なる量のPbOを含み、さまざまな量のテルル元素添加剤から作られるさらなる例示的なペーストを調製した。上の実施例1に記載したプロセスを用い、太陽電池を調製した。次いで、上の実施例5に記載したプロセスに従って、電池の電気特性を試験した。表8および表10には、種々の例示的なペーストの組成物を記載している。表9および11には、これらの例示的なペーストの電気特性を、1に正規化した参照ペーストの電気性能と比較した。表9では、電気特性のデータを33Aに対して正規化し、表11では、電気特性データをリファレンスペースト1(実施例1から)に対して正規化する。テルル元素添加剤を含まないペースト33iと比較し、表8のテルル元素添加剤を含むペーストは、全て、Eff、FF、Rs、Rs3、Rcの測定値が顕著に向上した。これらの特性の向上は、リファレンスペースト1と比較して表10に示されたペーストでも観察することができる。
Claims (21)
- 無機反応系であって、鉛含有組成物とテルル元素とを含み、鉛含有組成物が、無機反応系の5〜95重量%であり、テルル元素が、無機反応系の5〜95重量%である、無機反応系。
- 鉛含有組成物が、無機反応系の40〜90重量%であり、テルル元素が、無機反応系の10〜40重量%である、請求項1に記載の無機反応系。
- 鉛含有組成物が、ガラスフリット、好ましくは、アモルファス構造または部分的に結晶性の構造を有するガラスフリットである、請求項1〜2に記載の無機反応系。
- 鉛含有組成物が、酸化鉛を含む、請求項1〜3に記載の無機反応系。
- 鉛含有組成物が、約10〜90重量%、好ましくは、約45〜75重量%の酸化鉛を含む、
請求項1〜4に記載の無機反応系。 - 金属粒子と;
請求項1〜5に記載の無機反応系と;
有機媒剤と、を含む、導電性ペースト組成物。 - 金属粒子が、銀、金、銅、ニッケルのうち、少なくとも1つである、請求項6に記載の導電性ペースト。
- 金属粒子が、銀である、請求項6〜7に記載の導電性ペースト。
- 金属粒子が、ペーストの固形含有量の約75〜95重量%である、請求項6〜8に記載の導電性ペースト。
- 有機媒剤が、バインダーと、界面活性剤と、有機溶媒と、チキソトロープ剤とを含む、請求項6〜9に記載の導電性ペースト。
- 有機媒剤が、エチルセルロースまたはフェノール樹脂、アクリル、ポリビニルブチラールまたはポリエステル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンまたはポリウレタン樹脂、またはロジン誘導体のうち、少なくとも1つを含むバインダーを含む、請求項10に記載の導電性ペースト。
- 有機媒剤が、ポリエチレンオキシド、ポリエチレングリコール、ベンゾトリアゾール、ポリ(エチレングリコール)酢酸、ラウリン酸、オレイン酸、カプリン酸、ミリスチン酸、リノール酸、ステアリン酸、パルミチン酸、ステアリン酸塩、パルミチン酸塩、およびこれらの混合物のうち少なくとも1つを含む界面活性剤を含む、請求項10〜11に記載の導電性ペースト。
- 有機媒剤が、カルビトール、テルピネオール、ヘキシルカルビトール、テキサノール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテートまたはジメチルアジペート、またはグリコールエーテルのうち少なくとも1つを含む溶媒を含む、請求項10〜12に記載の導電性ペースト。
- バインダーが、有機媒剤の約1〜10重量%である、請求項10〜13に記載の導電性ペースト。
- 界面活性剤が、有機媒剤の約1〜10重量%である、請求項10〜14に記載の導電性ペースト。
- 有機溶媒が、有機媒剤の約50〜70%重量%である、請求項10〜15に記載の導電性ペースト。
- チキソトロープが、有機媒剤の約0.1〜5重量%である、請求項10〜16に記載の導電性ペースト。
- 請求項6〜17に記載の導電性ペーストをシリコンウエハに塗布し、適切なプロフィールに従ってシリコンウエハを焼成することによって製造される太陽電池。
- 電気的に接続した請求項18に記載の太陽電池を備える、太陽電池モジュール。
- 太陽電池を製造する方法であって、
シリコンウエハを提供する工程と、
請求項6〜17に記載の導電性ペーストをシリコンウエハに塗布する工程と、
適切なプロフィールに従ってシリコンウエハを焼成する工程と、を含む、方法。 - シリコンウエハが反射防止コーティングを備えている、請求項20に記載の太陽電池を製造する方法。
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