JP2015165487A - 低銀導電性ペースト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池における電極形成のための導電性ペースト組成物は、前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約0.1μm〜約1μmの粒径d50を有する約20〜約50wt%の球形の銀粉末、前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約5〜8μmの粒径d50を有する約10〜約30wt%の銀フレーク、実質的に、約0.5〜3μmの粒径d90を有する無鉛ガラスフリット、及び有機ビヒクルを含み、ガラスシステム(system)の総重量100%を基として、ガラスフリットが5wt%未満の酸化亜鉛を含む。
【選択図】なし
Description
本発明の1つの態様は、裏面はんだパッドを形成するのに用いられる導電性ペーストの組成物に関する。所望の裏面側のペーストは、太陽電池の電気性能の最適化もしつつ、最適な太陽電池の機械的信頼性を可能にする、高い接着強度を有するものである。本発明に係る導電性ペースト組成物は、一般的に、金属粒子、有機ビヒクル、及びガラスフリットからなる。1つの実施形態によれば、裏面側の導電性ペーストは、導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約30〜75wt%の総金属粒子、約0.01〜10wt%のガラスフリット、及び約20〜60wt%の有機ビヒクルを含む。
本発明のガラスフリットは、得られた導電性ペーストの接着強度を改良する。裏面はんだパッドを印刷するのに用いられる導電性ペーストの金属含有量はペーストの接着強度に影響を有する。よりはんだ付け可能な使用可能材料があるから、高い金属粒子の含有量、例えば導電性ペースト組成物の総重量100%を基として60〜75wt%は、良好な接着を提供する。金属含有量が60wt%より低い場合、接着力は急激に減少する。従って、その接着強度の減少を補うため、ガラスフリットはより一層重要となる。加えて、はんだパッドを形成するために用いられるある特定のペーストは、BSFを形成するためにシリコン太陽電池の裏側表面全体に塗布されるアルミニウムペーストと相互作用し得る。それが生じる際、気泡又は欠陥が裏面側のはんだペーストと表面のアルミニウムペーストが重なる領域で形成する。本発明のガラス組成物は、はんだペーストとアルミニウム層とのこの相互作用を緩和する。
本発明の導電性の裏面側のペーストは、また、導電性の金属粒子を含む。導電性ペーストは、導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約30〜約75wt%の総金属導電性粒子を含んでもよい。別の実施形態において、導電性ペーストは、約40〜約60wt%、好ましくは約50〜約60wt%の総金属導電性粒子を含んでもよい。1つの実施形態によれば、導電性ペーストは、約52wt%の導電性の金属粒子を含む。低い金属粒子含有量が得られたペーストの接着力を低下させる一方、得られたペーストの製造費も下げる。
本発明に関して好ましい有機ビヒクルは、導電性ペーストの成分が溶解、乳化、又は分散の形態で存在することを確実にする、1以上の溶媒、好ましくは有機溶媒を基とした溶液、エマルション、又は分散体である。好ましい有機ビヒクルは、導電性ペースト内の成分の最適な安定性を提供し、有効な印刷適性となる粘度を備える導電性ペーストを与えるものである。1つの実施形態において、有機ビヒクルは、導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約20〜60wt%、より好ましくは約30〜50wt%、及び最も好ましくは約40〜50wt%の量で存在する。
本発明に関して、好ましい添加剤は、明示的に述べた他の成分に加えて、導電性ペースト、それらから製造されたはんだパッド、又は得られた太陽電池の性能を高めるのに貢献する、導電性ペーストに添加される成分である。当該技術分野で公知の及び本発明に関して好適であると見られる全ての添加剤は、導電性ペーストにおける添加剤として採用されてもよい。ガラスフリット及びビヒクルに存在する添加剤に加えて、添加剤は、また、導電性ペーストに存在してもよい。本発明において、好ましい添加剤は、チキソトロープ剤、粘度調整剤、乳化剤、安定剤若しくはpH調整剤、無機添加剤、増粘剤、及び分散剤、又は少なくともそれらの2種の組合せであり、無機添加剤が最も好ましい。本願明細書において好ましい無機添加剤は、本発明によれば、Mg、Ni、Te、W、Zn、Mg、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、及びCr、若しくは少なくともそれらの2種の組合せ、好ましくはZn、Sb、Mn、Ni、W、Te、及びRu、若しくは少なくともそれらの2種の組合せ、それらの酸化物、焼成においてそれらの金属酸化物を生成できる化合物、又は上述の金属の少なくとも2種の混合物、上述の酸化物の少なくとも2種の混合物、焼成においてそれらの金属酸化物を生成できる上述の化合物の少なくとも2種の混合物、又は先に述べた何れか2以上の混合物である。
導電性ペースト組成物を形成するために、ガラスフリット材は、ペースト組成物を調製するための当該技術分野で公知の任意の方法を用いて、金属粒子及び有機ビヒクルと組み合わされてもよい。均一に分散されたペーストとなる限り、調製の方法は重要ではない。構成成分は、例えば混合機によって混合され得、次いで、例えば三本ロール練り機を通して、分散された均一のペーストを形成する。
別の態様において、本発明は、太陽電池に関する。1つの実施形態において、太陽電池は、半導体基板(例えば、シリコンウェーハ)、及び本願明細書に記載される実施形態の何れかによる導電性ペースト組成物を含む。
本発明において、好ましいウェーハは、領域、特に、電子正孔対を生み出す高い効率で光を吸収すること、及び高い効率で境界を越えて、好ましくはpn接合境界を越えて正孔と電子を分離することができる太陽電池領域を有する。本発明において好ましいウェーハは、前面ドープ層及び背面ドープ層から構成される単体を含むものである。
好ましいドーパントは、シリコンウェーハに添加される際、バンド構造内に電子又は正孔を導入することによってpn接合境界を形成するものである。これらのドーパントの同一性及び濃度が、pn接合のバンド構造プロファイルを調節し、光吸収及び電気伝導率プロファイルを必要に応じて定めるように特に選択されることが本発明において好ましい。本発明において好ましいp型ドーパントは、シリコンウェーハバンド構造に正孔を添加するものである。当該技術分野で公知の及び本発明に関して好適であると見られる全てのドーパントはp型ドーパントとして採用されてもよい。本発明において好ましいp型ドーパントは、三価の元素、特に、周期表の第13族の元素である。本願明細書において、好ましい周期表の第13族元素は、これらに限定されないが、B、Al、Ga、In、Tl、又はそれらの少なくとも2種の組合せを含み、Bが特に好ましい。
上述の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの貢献は、本発明に係るプロセスから得ることができる太陽電池によってなされる。本発明において好ましい太陽電池は、電気エネルギー出力に変える入射光の総エネルギーの割合の条件において高い効率を有するものである。軽量及び耐久力のある太陽電池は、また、好ましい。最低限、太陽電池は:(i)前面電極、(ii)前面ドープ層、(iii)pn接合境界、(iv)背面ドープ層、及び(v)はんだパッドを含む。太陽電池は、また、化学的/機械的保護のための追加の層を含んでもよい。
本発明において、電極が太陽電池の表面に施される前に、反射防止層が外層として施されてもよい。本発明において好ましい反射防止層は、表面によって反射される入射光の割合を減少させ、表面を通過してウェーハによって吸収される入射光の割合を増加させるものである。有利な吸収/反射比をもたらす反射防止層は、導電性ペーストによるエッチングに感受性があり、その他の点では導電性ペーストの焼成に必要とされる温度に耐え、電極界面の近くで電子及び正孔の再結合を増加させることに貢献しないのが好ましい。当該技術分野で公知の及び本発明に関して好適であると見られる全ての反射防止層は採用されてもよい。本発明において好ましい反射防止層は、SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2、若しくはそれらの少なくとも2種の混合物、及び/又はそれらの少なくとも2層の組合せである。好ましい実施形態によれば、反射防止層はSixNyであり、特にシリコンウェーハが採用され、xは約2〜4及びyは約3〜5である.
本発明において、1以上のパッシベーション層が、外層としてシリコンウェーハの前面及び/又は裏面に施されてもよい。パッシベーション層は、前面電極が形成される前、又は反射防止層が施される(もし存在するなら)前に施されてもよい。好ましいパッシベーション層は、電極界面の近くでの電子/正孔再結合の比率を減少させるものである。当該技術分野で公知の及び本発明に関して好適であると見られる何れのパッシベーション層も採用されてもよい。本発明において、好ましいパッシベーション層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、及び二酸化チタンである。最も好ましい実施形態によれば、窒化ケイ素が用いられる。パッシベーション層が約0.1nm〜約2μmの範囲、より好ましくは約1nm〜約1μmの範囲、及び最も好ましくは約1nm〜約200nmの範囲の厚さを有するのが好ましい。
太陽電池の主な機能に直接貢献する上記の層に加えて、さらなる層が機械的及び化学的な保護のために追加されてもよい。
太陽電池は、シリコンウェーハのような半導体基板前面上の、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化チタン、又は酸化アルミニウムのような反射防止膜に、導電性ペースト組成物を塗布することによって製造されてもよい。次いで、本発明の裏面側の導電性ペーストは、はんだパッドを形成するために、太陽電池裏面に塗布される。導電性ペーストは、当該技術分野で公知の及び本発明に関して好適であると見られる何れの方法において塗布されてもよい。例としては、これらに限定されないが、含浸、浸漬、鋳込、滴下、注入、噴霧、ナイフコーティング、カーテンコーティング、ブラッシング、若しくは印刷、又はそれらの少なくとも2種の組合せを含む。好ましい印刷手法は、インクジェット印刷、スクリーン印刷、タンポン印刷、オフセット印刷、凸版印刷、若しくはステンシル印刷、又はそれらの少なくとも2種の組合せである。印刷によって、好ましくはスクリーン印刷によって、導電性ペーストが塗布されることが本発明において好ましい。次いで、アルミニウムペーストが、BSFを形成するため、裏面側の導電性ペーストから形成されたはんだパッドの縁に重なりつつ、基板裏面に塗布される。次いで、基板は、適切なプロファイルに従って焼成される。
引張力としても知られる、接着強度を測定するために使用される1つの方法は、得られた導電性ペーストが、シリコン太陽電池裏面に印刷された導電性ペースト層(はんだパッド)に糸はんだを施すことになる。通常の糸はんだは、Somont Cell Connecting自動はんだ付け装置(Meyer Burger Technology Ltd.製)のような自動化装置、又は当該技術分野で公知の方法に従って手持ちはんだ鏝で手動の何れかにより、はんだパッドに施される。業界で共通の及び当該技術分野で公知の他の方法が使用されてもよいが、本発明において、およそ20μm62/36/2はんだコーティングを有する0.20×0.20mm銅リボンが使用された。特に、太陽電池の長さのおよそ2.5倍のリボンの長さが切られた。はんだフラックスは、切られたリボン上にコートされ、1〜5分間乾燥された。次いで、電池がはんだ付け治具に固定され、そのリボンが電池母線の上部に一直線に取り付けられる。はんだ付け治具は余熱した台に設置され、電池が15秒間、150〜180℃で予熱される。予熱後、はんだ付けピンは下げられ、リボンが母線上に0.8〜1.8秒間、220〜250℃ではんだ付けされる。はんだパッドの長さにはんだ付けされた銅ワイヤで、GP Solar GP PULL−TEST Advancedのような引張力測定装置を用いて接着力が測定される。はんだ付けされたリボンの末尾は引張力測定装置におけるフォースゲージに取り付けられ、およそ180°、6mm/sの定速で引き剥がされる。フォースゲージは、100s−1のサンプリングレートでニュートン単位により接着力を記録する。
上述の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの貢献は、上記の通り得られる少なくとも1つの太陽電池を有するモジュールによってなされる。本発明に係る複数の太陽電池は、モジュールと呼ばれる集合配列を形成するため、空間的に及び電気的に相互接続して配置されてもよい。本発明において好ましいモジュールは、いくつかの配列、好ましくは太陽電池パネルとして知られる碁盤目配列を有してもよい。集合配列を形成するため、太陽電池を電気的に接続する多種多様な方法と、そのような電池を機械的に配置及び固定する多種多様な方法とは、当該技術分野で周知である。当業者によって知られる、及び本発明に関して好適と見られるそのような方法の何れも、採用されてもよい。本発明において好ましい方法は、低い質量対出力比、低い体積対出力比、及び高い耐久性をもたらすものである。アルミニウムが、本発明に係る太陽電池の機械的固定に好ましい材料である。
I.太陽電池における電極形成のための導電性ペースト組成物であって:
導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約0.1μm〜約1μmの粒径d50を有する、約20〜約50wt%の球形の銀粉末;
導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約5〜8μmの粒径d50を有する、約10〜約30wt%の銀フレーク;
実質的に、約0.5〜3μmの粒径d90を有する無鉛ガラスフリット;及び
有機ビヒクルを含み、
ガラスシステム(system)の総重量100%を基として、前記ガラスフリットが5wt%未満の酸化亜鉛を含む、導電性ペースト組成物。
銀が球形の銀粉末及び銀フレークを含む、前述の実施形態の何れかに記載の導電性ペースト組成物。
実施形態I〜XVIIの何れか1つに記載の導電性ペーストから製造されるシリコンウェーハに形成されたはんだパッドを含む、太陽電池。
シリコンウェーハの裏面に実施形態I〜XVIIの何れか1つに記載の導電性ペースト組成物を塗布する工程、及び
シリコンウェーハを焼成する工程を含む、太陽電池を製造する方法。
ガラス組成物の総重量100%を基として、約20〜30wt%のSiO2、約15〜25wt%のBi2O3、約3〜20wt%のB2O3、約5〜10wt%のAl2O3、及び約30〜40wt%のSrOを含むガラス組成物を調製した。ガラスサンプルを、適切な比で個々のオキシド成分を混合することにより100gバッチに調製した。オキシド混合物を容量8.34in3のColoradoるつぼに充填した。次いで、るつぼを、オキシド混合物を予熱するために、40分間600℃で、オーブン内に設置した。予熱後、るつぼを耐火性オーブンに移動し、20分間1200℃でガラス混合物中の個々の成分を融かした。次いで、融けたガラスを、オーブンから移動し、脱イオン水を含むバケットの中へと注ぎ込み、急冷した。このガラスフリットを、さらに1Lセラミックボールに供した。ボールミルを、1/2インチの円筒形のアルミナメディア及び脱イオン水でおよそ半分満たした。ガラスフリットを、ボールミルに加え、8時間60〜80RPMで転がした。得られたガラスフリットは、約2.3μmの粒径d90を有していた。フライス加工後、ガラスフリットを、325メッシュ篩を通してろ過し、125℃で24時間乾燥した。
実施例1に従って、別のガラス組成物を調製し及び回転した。ガラスフリットバッチの一部を約5〜8μmの粒径d90に(ガラスG8)、別の部分を約3〜5μmの粒径d90に(ガラスG9)、及び第三の部分を約0.5〜3μmの粒径d90に(ガラスG10)粉砕した。フライス加工後、ガラスフリットを325メッシュ篩を通してろ過し、125℃で24時間乾燥した。
Claims (17)
- 太陽電池における電極形成のための導電性ペースト組成物であって:
前記ペーストの総重量100%を基とし、約0.1μm〜約1μmの粒径d50を有する約20〜約50wt%の球形の銀粉末;
前記ペーストの総重量100%を基とし、約5〜8μmの粒径d50を有する約10〜約30wt%の銀フレーク;
実質的に、約0.5〜3μmの粒径d90を有する無鉛ガラスフリット;及び
有機ビヒクルを含み、
ガラスシステムの総重量100%を基として、前記ガラスフリットが5wt%未満の酸化亜鉛を含む、導電性ペースト組成物。 - 前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約20〜約40wt%の球形の銀粉末、好ましくは約30〜約40wt%の球形の銀粉末を含む、請求項1に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約10〜約20wt%の銀フレークを含む、請求項1又は2に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、約30〜約75wt%の銀、好ましくは約40〜約60wt%の銀、及び最も好ましくは約50〜約60wt%の銀を含み、
前記銀が前記球形の銀粉末及び前記銀フレークを含む、請求項1〜3の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物。 - 前記球形の銀粉末が約0.5μmの粒径d50を有する、請求項1〜4の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、前記ガラスフリットが前記ペーストの約0.01〜10wt%、好ましくは約0.01〜7wt%、より好ましくは約0.01〜6wt%、及び最も好ましくは約0.01〜5wt%である、請求項1〜5の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記ガラスフリットが約0.01〜3μm、好ましくは約0.01〜2μm、及びより好ましくは約0.1〜1μmの粒径d50を有する、請求項1〜6の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記導電性ペースト組成物の総重量100%を基として、有機ビヒクルが、前記導電性ペースト組成物の約20〜60wt%、好ましくは約30〜50wt%、最も好ましくは約40〜50wt%である、請求項1〜7の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物。
- 前面及び裏面を有するシリコンウェーハ、及び
請求項1〜8の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物から製造された、前記シリコンウェーハに形成されたはんだパッドを含む太陽電池。 - 前記はんだパッドが太陽電池の裏面側に形成される、請求項9に記載の太陽電池。
- 前記はんだパッドが、前記シリコンウェーハから除去されるために、少なくとも2.1ニュートンの引張力を必要とする、請求項9又は10に記載の太陽電池。
- 電極が前記シリコンウェーハの前面に形成される、請求項9〜11の何れか1項に記載の太陽電池。
- 電気的に相互接続された、請求項9〜12の何れか1項に記載の太陽電池を含む太陽電池モジュール。
- 前面及び裏面を有するシリコンウェーハを供給する工程、
前記シリコンウェーハの裏面に請求項1〜8の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物を塗布する工程、及び
前記シリコンウェーハを焼成する工程を含む、太陽電池を製造する方法。 - 前記シリコンウェーハが、前記前面上に反射防止膜を有する、請求項14に記載の太陽電池を製造する方法。
- 請求項1〜8の何れか1項に記載の導電性ペースト組成物の施された縁に重ねて、シリコンウェーハの裏面にアルミニウム含有ペーストを塗布する工程をさらに含む、請求項14又は15に記載の太陽電池を製造する方法。
- 前記シリコンウェーハの前面に銀含有ペーストを塗布する工程をさらに含む、請求項14〜16の何れか1項に記載の太陽電池を製造する方法。
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