JP2017521862A - 特徴的な重量減少を伴う低温付着のための導電性ペースト - Google Patents
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Abstract
一般に、本発明は、特徴的な重量減少を伴う導電性ペースト、および光起電力太陽電池の調製におけるそれらの使用に関する。より具体的には、本発明は、導電性ペースト、太陽電池前駆体、太陽電池の調製のためのプロセス、太陽電池およびソーラーモジュールに関する。本発明は、以下のペースト成分:a.金属粒子;b.ポリマー系を含むペーストであって、本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される第1の重量減少Δ30が約0.02〜約0.5の範囲内である、ペーストに関する。【選択図】図2
Description
一般に、本発明は、特徴的な重量減少を伴う導電性ペースト、および特に電気デバイス、特に温度に敏感な電気デバイスまたは太陽電池、特にHIT(真性薄層をもつヘテロ接合:Heterojunction with Intrinsic Thin−layer)太陽電池における電極の調製へのそれらの使用に関する。より具体的には、本発明は、導電性ペースト、太陽電池前駆体、太陽電池の調製のためのプロセス、太陽電池およびソーラーモジュールに関する。
電極は、経済的に重要な広範囲の電気デバイス、例えば、太陽電池、表示スクリーン、電気回路、またはそれらの部品の不可欠な部分である。1つの特に重要なかかる電気デバイスは、太陽電池である。
太陽電池は光起電力効果を用いて光のエネルギーを電気に変換するデバイスである。太陽エネルギーは、持続可能であり、無公害の副生成物しか生成しないため、魅力的なグリーンエネルギー源である。従って、材料および製造コストを継続的に引き下げる一方で、効率を高めた太陽電池を開発することに、現在、多くの研究が向けられている。光が太陽電池に当たったときに、入射光の一部が表面により反射されて、残りは、太陽電池中へ透過する。透過したフォトンは、しばしば然るべくドープされたシリコンのような、半導体材料から通常は作られた太陽電池によって吸収される。吸収されたフォトン・エネルギーは、半導体材料の電子を励起して、電子−正孔対を発生させる。これらの電子−正孔対が次にpn接合によって分離されて、太陽電池表面上の導電性電極によって収集される。
太陽電池は、ごく一般的に、しばしばSiウェーハの形態のシリコンに基づく。ここで、pn接合は、いずれのケースでもいわゆるpn接合を与えるために、通常、n型ドープSi基板を用意して一方の面にp型ドープ層を付けることによるか、またはp型ドープSi基板を用意して一方の面にn型ドープ層を付けることによって調製される。ドーパントの層が付いた面は、一般に、セルの表面(front face)として機能し、元のドーパントをもつ反対側は、裏面として機能する。n型およびp型太陽電池のいずれも可能であり、工業的に利用されてきた。両面に入射する光を利用するように設計されたセルも可能であるが、それらの使用法は、あまり広く利用されてこなかった。
太陽電池の表面へ入射した光が入り込んで吸収されることを許容するために、表面電極は、通常、それぞれ「フィンガー」または「バスバー」として知られる2組の垂直配線に配列される。フィンガーは、表面と電気的接触を形成し、バスバーは、これらのフィンガーを連結して電荷が効率的に外部回路へ引き出されることを許容する。フィンガーおよびバスバーのこれらの配列は、固体電極体を与えるために焼成される導電性ペーストの形態で塗布されるのが一般的である。裏面電極も、固体電極体を与えるためにその後焼成される導電性ペーストの形態でしばしば塗布される。
太陽電池の調製への別のアプローチが目指すのは、非晶質シリコン層を含めることによって有利なセル特性を提供することである。HIT(真性薄層をもつヘテロ接合)太陽電池としても知られる、かかるセルは、電子−正孔再結合と関連した負の効果を低減させることができる。かかるHITセルにおける非晶質領域は、しばしば温度に敏感である。HIT型セルのさらなる詳細および温度に敏感なデバイスに用いられる低温硬化ペーストのさらなる応用については、その全体が本出願書に組み込まれる、特許文献1を参照のこと。
HIT太陽電池についてしばしば当てはまるように、特に、基板が温度に敏感な場合、電極を基板に付けるための改善された方法が現状技術には必要である。
本発明は、一般に、現状技術における電極に関して、特に太陽電池または温度に敏感なデバイス、特にHIT太陽電池電極に関して遭遇する問題のうちの少なくとも1つを克服する目的に基づく。
より具体的には、本発明は、好ましくは太陽電池の良好な性能を維持し、好ましくは良好な短絡電流密度Jscを維持する一方で、ペーストの実効的な印刷時間を改善する目的にさらに基づく。
本発明の1つの目的は、スクリーン上のペーストのフラッディングを改善し、結果として、洗浄前にスクリーンを印刷のために用いることができる時間を改善することである。洗浄の必要性は、スクリーン上の乾燥ゾーンの発生を通じて観察でき、電極における遮断および結果としてセル性能の障害をもたらしかねない。1つの目的は、印刷されたフィンガーの高アスペクト比を維持する一方で、フラッディングおよび/または印刷時間を改善することである。
本発明のさらなる目的は、太陽電池を調製するためのプロセスを提供することである。
上記の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、本発明のカテゴリーを形成する請求項の主題によってなされる。さらなる寄与は、本発明の具体的な実施形態を表す本発明の従属請求項の主題によってなされる。
次に、例示のみが意図され、本発明の範囲を限定すると見做されるべきではない図面によって本発明が手短かに説明される。
上記の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、以下の実施形態によってなされる。
|1|以下のペースト成分:
i.金属粒子;
ii.ポリマー系
を含むペーストであって、本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第1の重量減少Δ30は、約0.02〜約0.5の範囲内、好ましくは約0.03〜約0.2の範囲内、より好ましくは約0.05〜約0.1の範囲内にある、ペースト。
i.金属粒子;
ii.ポリマー系
を含むペーストであって、本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第1の重量減少Δ30は、約0.02〜約0.5の範囲内、好ましくは約0.03〜約0.2の範囲内、より好ましくは約0.05〜約0.1の範囲内にある、ペースト。
|2|本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第2の重量減少Δlow30は、約0.001〜約0.1の範囲内、好ましくは約0.002〜約0.05の範囲内、より好ましくは約0.003〜約0.02の範囲内にある、実施形態|1|に記載のペースト。
|3|本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第3の重量減少Δhigh30は、約0.3〜約1.0の範囲内、好ましくは約0.8〜約1.0の範囲内、より好ましくは約0.9〜約1.0の範囲内にある、先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト。
|4|金属粒子は、銀である、先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト。
|5|金属粒子は、ペーストの全重量に対して少なくとも約70重量%、好ましくは少なくとも約80重量%、より好ましくは少なくとも約85重量%である、先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト。
|6|ペーストの粘度は、約5〜約25Pa・sの範囲内、好ましくは約7〜約20Pa・sの範囲内、より好ましくは約10〜約18Pa・sの範囲内にある、先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト。
|7|ポリマー系は、熱可塑性ポリマー系であり、熱可塑性ポリマー系は、熱可塑性ポリマーを含む、実施形態のいずれか1つに記載のペースト。
|8|熱可塑性ポリマーは、以下のパラメータ:
i.約−120〜約110℃の範囲内、好ましくは約0〜約100℃の範囲内、より好ましくは約20〜約80℃の範囲内のガラス転移温度;
ii.ガラス転移温度よりも、少なくとも約5℃高い、好ましくは少なくとも約10℃高い、より好ましくは少なくとも約15℃高い、融解温度;または
iii.約10,000〜約150,000g/モルの範囲内、好ましくは約10,000〜約100,000g/モルの範囲内、より好ましくは約11,000〜約80,000g/モルの範囲内の数平均分子量
のうちの少なくとも1つを示す、実施形態|7|に記載のペースト。
i.約−120〜約110℃の範囲内、好ましくは約0〜約100℃の範囲内、より好ましくは約20〜約80℃の範囲内のガラス転移温度;
ii.ガラス転移温度よりも、少なくとも約5℃高い、好ましくは少なくとも約10℃高い、より好ましくは少なくとも約15℃高い、融解温度;または
iii.約10,000〜約150,000g/モルの範囲内、好ましくは約10,000〜約100,000g/モルの範囲内、より好ましくは約11,000〜約80,000g/モルの範囲内の数平均分子量
のうちの少なくとも1つを示す、実施形態|7|に記載のペースト。
|9|熱可塑性ポリマーは、熱可塑性ポリマー系の全重量に対して約5〜約45重量%の範囲内、好ましくは約10〜約40重量%の範囲内、より好ましくは約15〜約35重量%の範囲内の量で熱可塑性ポリマー系中に存在する、実施形態|7|または|8|に記載のペースト。
|10|熱可塑性ポリマーは、ポリエステル、アクリレートポリマー、フェノキシポリマーからなる群から選択される、実施形態|7|〜|9|のいずれか1つに記載のペースト。
|11|熱可塑性ポリマーは、ポリエステル主鎖を含む、実施形態|7|〜|10|のいずれか1つに記載のペースト。
|12|ポリマー系は、溶媒系を含む、先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト。
|13|溶媒系は、熱可塑性ポリマー系の全重量に対して少なくとも50重量%の量で、好ましくは少なくとも55重量%の量で、より好ましくは少なくとも60重量%の量で熱可塑性ポリマー系中に存在する、実施形態|12|に記載のペースト。
|14|溶媒系は、ペーストの全重量に対して約0.1〜20重量%の範囲内、好ましくは約1〜約18重量%の範囲内、より好ましくは約2〜約15重量%の範囲内の量でペースト中に存在する、実施形態|12|〜|13|のいずれか1つに記載のペースト。
|15|以下の前駆体構成要素:
a.基板;
b.基板上に重ねられた先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト
を含む、前駆体。
a.基板;
b.基板上に重ねられた先行実施形態のいずれか1つに記載のペースト
を含む、前駆体。
|16|基板は、温度に敏感である、実施形態|15|に記載の前駆体。
|17|基板は、シリコン・ウェーハである、実施形態|15|または|16|に記載の前駆体。
|18|基板は、pn接合を含む、実施形態|15|〜|17|のいずれか1つに記載の前駆体。
|19|ウェーハは、第1のシリコン層を含み、第1のシリコン層の50重量%未満、好ましくは20重量%未満、より好ましくは10重量%未満が結晶質である、実施形態|15|〜|18|のいずれか1つに記載の前駆体。
|20|ウェーハは、さらなるシリコン層を含み、さらなるシリコン層の少なくとも約50重量%、好ましくは少なくとも約70重量%、より好ましくは少なくとも約90重量%が結晶質である、実施形態|15|〜|19|のいずれか1つに記載の前駆体。
|21|基板は、透明導電層を含む、実施形態|15|〜|20|のいずれか1つに記載の前駆体。
|22|透明導電層は、導電性ポリマー、導電性酸化物からなる群から選択される、実施形態|21|に記載の前駆体。
|23|以下の調製ステップ:
i.実施形態|15|〜|22|のいずれか1つに記載の前駆体を用意するステップ;
ii.部品を得るために前駆体を加熱するステップ
を含む、電気または電子部品の調製のためのプロセス。
i.実施形態|15|〜|22|のいずれか1つに記載の前駆体を用意するステップ;
ii.部品を得るために前駆体を加熱するステップ
を含む、電気または電子部品の調製のためのプロセス。
|24|部品は、太陽電池である、実施形態|23|に記載のプロセス。
|25|ステップiiにおける最高焼成温度は、約50〜約300℃の範囲内、好ましくは約80〜約280℃の範囲内、より好ましくは約100〜約250℃の範囲内にある、実施形態|23|または|24|に記載のプロセス。
|26|温度は、加熱ステップの間に、30分以下、好ましくは20分以下、より好ましくは15分以下にわたって50℃超である、実施形態|23|〜|25|のいずれか1つに記載のプロセス。
|27|ペーストは、ウェーハの表側に塗布される、実施形態|23|〜|26|のいずれか1つに記載のプロセス。
|28|ペーストは、スクリーンを通して塗布される、実施形態|23|〜|27|のいずれか1つに記載のプロセス。
|29|ペーストは、約20〜約100μmの範囲内、好ましくは約30〜約90μmの範囲内、より好ましくは約40〜約80μmの範囲内の幅をもつラインとして塗布される、実施形態|23|〜|28|のいずれか1つに記載のプロセス。
|30|実施形態|23|〜|29|のいずれか1つに記載のプロセスによって得ることができる太陽電池。
|31|約20〜約100μmの範囲内、好ましくは約30〜約90μmの範囲内、より好ましくは約40〜約80μmの範囲内の幅をもつ電極を含む、実施形態|30|に記載の太陽電池。
|32|約0.1〜約1の範囲内、好ましくは約0.1〜約0.5の範囲内、より好ましくは約0.1〜約0.2の範囲内のアスペクト比をもつ電極を含む、実施形態|30|または|31|に記載の太陽電池。
|33|少なくとも2つの太陽電池を含み、それらのうちの少なくとも1つが実施形態|30|〜|32|のうちの1つに記載される太陽電池である、モジュール。
上記の実施形態は、互いに組み合わせることができる。各可能な組み合わせがこれにより本明細書の開示の一部である。
基板
本発明による好ましい基板は、本発明によるプロセスによって少なくとも1つの電極が付けられた固体物品である。基板は、当業者によく知られており、当業者は、いくつかの用途のうちの1つに相応しい基板を適宜選んでよい。基板は、好ましくは、電極−基板接触の電気的および/または物理的特性を改善するように特定の用途の必要に応じて選ばれる。
本発明による好ましい基板は、本発明によるプロセスによって少なくとも1つの電極が付けられた固体物品である。基板は、当業者によく知られており、当業者は、いくつかの用途のうちの1つに相応しい基板を適宜選んでよい。基板は、好ましくは、電極−基板接触の電気的および/または物理的特性を改善するように特定の用途の必要に応じて選ばれる。
基板は、単一の材料を含んでもよく、または異なる材料の2つ以上の領域を含んでもよい。異なる材料の2つ以上の領域を含む好ましい基板は、層体および/または被覆体である。
好ましい基板材料は、半導体;有機材料、好ましくはポリマー;無機材料、好ましくは酸化物もしくはガラス;金属層である。基板材料、または材料は、得られるデバイスの使用目的によって、絶縁体、好ましくはガラス、ポリマーまたはセラミック;半導体、好ましくはドープされたIV属もしくはIII/V属元素/2元化合物、または有機半導体;あるいは導体、好ましくはメタライズされた表面もしくは導電性ポリマー表面であってもよい。本発明の文脈に好ましい基板は、好ましくは継続出願に記載されるような太陽電池の調製のためのウェーハ、好ましくはシリコン・ウェーハである。
本発明の文脈における用途であるさらなる基板タイプについては、特許文献1を参考のこと。本発明の文脈におけるいくつかの好ましい電気デバイスは、RFID(無線自動識別:radio frequency identification)デバイス;光起電力デバイス、特に太陽電池;発光デバイス、例えば、ディスプレイ、LED(発光ダイオード:light emitting diode)、OLED(有機発光ダイオード:organic light emitting diode);スマートパッケージングデバイス;タッチスクリーンデバイスである。
一実施形態において、基板は温度に敏感であり、好ましくは、約500℃超、好ましくは約400℃超、より好ましくは約300℃超の温度で損なわれる基板である。
本発明による好ましいウェーハは、太陽電池の他の領域のうちでも、光を高効率で吸収し電子−正孔対を発生させて、境界を挟んで、好ましくはいわゆるpn接合境界を挟んで電子および正孔を高効率で分離することが可能な領域である。
ウェーハは、然るべくドープされた4価元素、2元化合物、3元化合物または合金からなることが好ましい。この文脈に好ましい4価元素は、Si、GeまたはSn、好ましくはSiである。好ましい2元化合物は、2つ以上の4価元素の組み合わせ、III属元素のV属元素との2元化合物、II属元素のVI属元素との2元化合物、またはIV属元素のVI属元素との2元化合物である。4価元素の好ましい組み合わせは、Si、Ge、SnまたはCから選択された2つ以上の元素の組み合わせ、好ましくはSiCである。III属元素のV属元素との好ましい2元化合物は、GaAsである。ウェーハは、Siに基づくことが本発明によれば最も好ましい。ウェーハに最も好ましい材料として、Siが本出願書の残りの部分を通して明示的に参照される。Siが明示的に挙げられる以下のテキストの部分は、上記の他のウェーハ組成にも適用される。
太陽電池は、pn接合境界を設けるために少なくとも1つのn型ドープ層および少なくとも1つのp型ドープ層を含むことが本発明によれば好ましい。
ドープされたSi基板は、当業者によく知られている。ドープされたSi基板は、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の方法で調製できる。本発明によるSi基板の好ましいソースは、単結晶Si、多結晶Si、非晶質Siおよびアップグレード金属級Siであり、単結晶Siまたは多結晶Siが最も好ましい。ドープされたSi基板を形成するためのドーピングは、Si基板の調製の間にドーパントを加えることによって同時に実施できるか、または後続のステップで実施できる。Si基板の調製後のドーピングは、例えば、気体拡散エピタキシーによって実施できる。ドープされたSi基板を商業的に入手することも容易である。本発明によれば、1つの選択肢は、Si基板の最初のドーピングがSi混合物にドーパントを加えることによってその形成と同時に実施されることである。本発明によれば、1つの選択肢は、表面ドープ層および、存在するならば、高濃度ドープ裏面層の付着が気相エピタキシーによって実施されることである。この気相エピタキシーは、好ましくは、約500℃〜約900℃の範囲内、より好ましくは約600℃〜約800℃の範囲内、最も好ましくは約650℃〜約750℃の範囲内の温度において、約2kPa〜約100kPaの範囲内、好ましくは約10〜約80kPaの範囲内、最も好ましくは約30〜約70kPaの範囲内の圧力で実施される。これらの温度条件は、通常、HIT太陽電池には適用されない。
本発明の一実施形態において、ウェーハは、n型ドープ層およびp型ドープ層を含み、n型セル(図1a)またはp型セル(図1b)として知られるセルを調製するために用いることができる。
本発明の別の実施形態において、ウェーハは、1つ以上の非晶質層を含む。非晶質層および真性層(非ドープ層)は、好ましくは、電子−正孔再結合の頻度を低減し、結果としてセルの電気的性質を改善するために採用される。好ましいのは、ウェーハが少なくとも1つ、好ましくは少なくとも2つ、好ましくは2つの非ドープ非晶質層を含むことである。好ましいのは、ウェーハが少なくとも1つ、好ましくは少なくとも2つ、好ましくは2つのドープされた非晶質層、好ましくは少なくとも1つのn型ドープ非晶質層および少なくとも1つのp型ドープ非晶質層を含むことである。非晶質層は、好ましくは、50%未満、好ましくは20%未満、より好ましくは10%未満が結晶質の層である。
この実施形態による好ましい層構造が図2に示される。
Si基板は、いくつかの形状、表面テクスチャおよびサイズを呈しうることが当業者に知られている。形状は、中でも直方体(cuboid)、ディスク、ウェーハおよび不規則な多面体を含むいくつかの異なる形状のうちの1つにできる。本発明による好ましい形状は、ウェーハ形状であり、そのウェーハは、2つの寸法が同様で、好ましくは等しく、第3の寸法が他の2つの寸法より著しく小さい直方体である。この文脈における著しくより小さいとは、好ましくは、少なくとも約100分の1と小さいことである。
様々な表面のタイプが当業者に知られている。本発明によれば、粗い表面をもつSi基板が好ましい。基板の粗さを算定する一方法は、基板の全表面積と比較して小さく、好ましくは全表面積の約100分の1未満で、基本的に平面状である基板のサブ表面に関して表面粗さパラメータを評価することである。表面粗さパラメータの値は、平均2乗変位を最小にすることによりサブ表面に最もよくフィッティングされた平面上へそのサブ表面を投影することによって形成される理論的な表面の面積に対する、そのサブ表面の面積の比によって与えられる。表面粗さパラメータの値が高いほど、より粗く、より不規則な表面を示し、表面粗さパラメータの値が低いほど、より滑らかで、より平らな表面を示す。本発明によれば、Si基板の表面粗さは、好ましくは、以下には限定されないが、光吸収およびフィンガーの表面への接着性を含む、いくつかのファクタ間の最適バランスを作り出すように修正される。
Si基板の大きい方の2つの寸法は、結果として生じた太陽電池に要求される用途に適するように変えることができる。Siウェーハの厚さは、約0.5mm未満、より好ましくは約0.3mm未満、最も好ましくは約0.2mm未満であることが本発明によれば好ましい。いくつかのウェーハは、約0.01mm以上の最小サイズを有する。
表面ドープ層は、裏面ドープ層と比較して薄いことが本発明によれば好ましい。表面ドープ層は、約0.1〜約10μmの範囲内、好ましくは約0.1〜約5μmの範囲内、最も好ましくは約0.1〜約2μmの範囲内にある厚さを有することが本発明によれば好ましい。
Si基板の裏面の裏面ドープ層と任意のさらなる層との間に高濃度ドープ層を付けることができる。かかる高濃度ドープ層は、裏面ドープ層と同じドーピング型であり、かかる層は、通常、a+と表される(n+型層がn型裏面ドープ層に付けられ、p+型層がp型裏面ドープ層に付けられる)。この高濃度ドープ裏面層は、メタライゼーションを助けて基板/電極界面領域における導電特性を改善するのに役立つ。高濃度ドープ裏面層は、存在するならば、約1〜約100μmの範囲内、好ましくは約1〜約50μmの範囲内、最も好ましくは約1〜約15μmの範囲内の厚さを有することが本発明によれば好ましい。
ドーパント
好ましいドーパントは、Siウェーハに添加されたときに、バンド構造に電子または正孔を導入することによりpn接合境界を形成するドーパントである。これらのドーパントの素性(identity)および濃度は、pn接合のバンド構造プロファイルを調整して光吸収および導電性プロファイルを必要に応じて設定するように特異的に選択されることが本発明によれば好ましい。本発明による好ましいp型ドーパントは、Siウェーハのバンド構造に正孔を加えるp型ドーパントである。これらは、当業者によく知られている。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべてのドーパントをp型ドーパントとして採用できる。本発明による好ましいp型ドーパントは、3価元素、特に周期律表の13族の元素である。この文脈における周期律表の好ましい13族元素は、以下には限定されないが、B、Al、Ga、In、Tlまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせを含み、Bが特に好ましい。本発明の一実施形態において、pドープ層は、ドーパントとしてBを含む。
好ましいドーパントは、Siウェーハに添加されたときに、バンド構造に電子または正孔を導入することによりpn接合境界を形成するドーパントである。これらのドーパントの素性(identity)および濃度は、pn接合のバンド構造プロファイルを調整して光吸収および導電性プロファイルを必要に応じて設定するように特異的に選択されることが本発明によれば好ましい。本発明による好ましいp型ドーパントは、Siウェーハのバンド構造に正孔を加えるp型ドーパントである。これらは、当業者によく知られている。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべてのドーパントをp型ドーパントとして採用できる。本発明による好ましいp型ドーパントは、3価元素、特に周期律表の13族の元素である。この文脈における周期律表の好ましい13族元素は、以下には限定されないが、B、Al、Ga、In、Tlまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせを含み、Bが特に好ましい。本発明の一実施形態において、pドープ層は、ドーパントとしてBを含む。
本発明による好ましいn型ドーパントは、Siウェーハのバンド構造に電子を加えるn型ドーパントである。これらは、当業者によく知られている。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべてのドーパントをn型ドーパントとして採用できる。本発明による好ましいn型ドーパントは、周期律表の15族の元素である。本文脈において好ましい周期律表の15族の元素は、N、P、As、Sb、Biまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせを含み、特にPが好ましい。本発明の一実施形態において、nドープ層は、ドーパントとしてPを含む。
上記のように、結果として生じた太陽電池の所望の特性を調整するために、pn接合の様々なドーピング・レベルを変えることができる。
本発明によれば、好ましいのは、裏面ドープ層が、好ましくは約1×1013〜約1×1018cm−3の範囲内、好ましくは約1×1014〜約1×1017cm−3の範囲内、最も好ましくは約5×1015〜約5×1016cm−3の範囲内のドーパント濃度で軽くドープされることである。いくつかの商品は、約1×1016のドープ濃度をもつ裏面ドープ層を有する。
本発明の一実施形態において、高濃度ドープ裏面層は(それが存在するならば)、好ましくは約1×1017〜約5×1021cm−3の範囲内、より好ましくは約5×1017〜約5×1020cm−3の範囲内、最も好ましくは約1×1018〜約1×1020cm−3の範囲内の濃度で高濃度ドープされる。
導電性ペースト
本発明による好ましい導電性ペーストは、基板に塗布できて、加熱した際に、その基板と物理的および/または電気的に接触した固体電極体を形成するペーストである。ペーストの成分およびその比率は、ペーストが所望の特性、例えば、接着性および印刷適性を有し、得られた電極が所望の電気的および物理的特性を有するように当業者によって選択できる。主に、得られた電極体が導電性であるようにペースト中には金属粒子が存在できる。ハードニング(hardening)および接着性をもたらすためにポリマー系を採用できる。本発明の文脈に好ましい導電性ペーストの組成例は、
i)金属粒子、好ましくは銀粒子、好ましくは少なくとも約50重量%、より好ましくは少なくとも約70重量%、最も好ましくは少なくとも約80重量%;
ii)ポリマー系
iii)添加物、好ましくは約0.01〜約22重量%の範囲内、より好ましくは約0.05〜約15重量%の範囲内、最も好ましくは約0.1〜約10重量%の範囲内
を含んでもよく、本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第1の重量減少Δ30は、約0.02〜約0.5の範囲内、好ましくは約0.03〜約0.2の範囲内、より好ましくは約0.05〜約0.1の範囲内にある。
本発明による好ましい導電性ペーストは、基板に塗布できて、加熱した際に、その基板と物理的および/または電気的に接触した固体電極体を形成するペーストである。ペーストの成分およびその比率は、ペーストが所望の特性、例えば、接着性および印刷適性を有し、得られた電極が所望の電気的および物理的特性を有するように当業者によって選択できる。主に、得られた電極体が導電性であるようにペースト中には金属粒子が存在できる。ハードニング(hardening)および接着性をもたらすためにポリマー系を採用できる。本発明の文脈に好ましい導電性ペーストの組成例は、
i)金属粒子、好ましくは銀粒子、好ましくは少なくとも約50重量%、より好ましくは少なくとも約70重量%、最も好ましくは少なくとも約80重量%;
ii)ポリマー系
iii)添加物、好ましくは約0.01〜約22重量%の範囲内、より好ましくは約0.05〜約15重量%の範囲内、最も好ましくは約0.1〜約10重量%の範囲内
を含んでもよく、本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第1の重量減少Δ30は、約0.02〜約0.5の範囲内、好ましくは約0.03〜約0.2の範囲内、より好ましくは約0.05〜約0.1の範囲内にある。
本発明の一実施形態において、ポリマー系は、以下の構成要素:
a.熱可塑性ポリマー;
b.溶媒系
を含む。
a.熱可塑性ポリマー;
b.溶媒系
を含む。
導電性ペーストの印刷適性を高めるために、導電性ペーストの粘度は、約5〜約50Pa・sの範囲内、好ましくは約10〜約40Pa・sの範囲内にあることが本発明によれば好ましい。
好ましいのは、ペーストが低温で、好ましくは約250℃未満、より好ましくは約230℃未満、最も好ましくは約210℃未満で硬化されることである。
一実施形態において、それゆえに好ましいのは、硬化(curing)、ハードニングおよび接着機能が無機ガラスまたはガラスフリットによるのではなく、むしろポリマー系によって高められることである。本発明の一実施形態において、ペーストは、約1重量%より多い、好ましくは約0.1重量%より多い、より好ましくは約0.01重量%より多い無機ガラスまたはガラスフリットを含まない。好ましいのは、ペーストがかかるガラスを何も含まないことである。
金属粒子
銀は、本発明による好ましい金属粒子である。本発明の文脈に好ましい金属粒子は、金属導電性を呈するか、または焼成した際に金属導電性を呈する物質をもたらす金属粒子である。導電性ペースト中に存在する金属粒子は、導電性ペーストが焼成の際に焼結されたときに形成される固体電極に金属導電性を与える。効果的な焼結に資して高導電率および低接触抵坑の電極をもたらす金属粒子が好ましい。金属粒子は、当業者によく知られている。当業者によく知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての金属粒子を導電性ペースト中の金属粒子として採用できる。本発明による好ましい金属粒子は、金属、合金、少なくとも2つの金属の混合物、少なくとも2つの合金の混合物、または少なくとも1つの金属の少なくとも1つの合金との混合物である。
銀は、本発明による好ましい金属粒子である。本発明の文脈に好ましい金属粒子は、金属導電性を呈するか、または焼成した際に金属導電性を呈する物質をもたらす金属粒子である。導電性ペースト中に存在する金属粒子は、導電性ペーストが焼成の際に焼結されたときに形成される固体電極に金属導電性を与える。効果的な焼結に資して高導電率および低接触抵坑の電極をもたらす金属粒子が好ましい。金属粒子は、当業者によく知られている。当業者によく知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての金属粒子を導電性ペースト中の金属粒子として採用できる。本発明による好ましい金属粒子は、金属、合金、少なくとも2つの金属の混合物、少なくとも2つの合金の混合物、または少なくとも1つの金属の少なくとも1つの合金との混合物である。
金属粒子として銀と同様に、好ましくは銀に加えて、採用できる好ましい金属は、本発明によれば、Au、Cu、Al、Zn、Pd、Ni、Pdおよびそれらの少なくとも2つの混合物、好ましくはAuまたはAlである。本発明による金属粒子として採用できる好ましい合金は、Ag、Cu、Al、Zn、Ni、W、Pb、およびPdのリストから選択された少なくとも1つの金属を含む合金、またはそれらの合金の混合物もしくは2つ以上である。
本発明の一実施形態において、金属粒子は、1つ以上のさらなる異なる金属または合金で被覆された金属または合金、例えば、銀で被覆された銅を含む。
金属粒子の追加の成分としては、上述の成分にさらに付け加えて、形成された電極のより好適な焼結特性、電気的接触、接着性および導電性に寄付する成分が本発明によれば好ましい。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての追加の成分を金属粒子中に採用できる。導電性ペーストが塗布されることになる面に対する相補的ドーパントを表す追加の置換成分が本発明によれば好ましい。n型ドープSi層と界面で接する電極を形成するときには、Si中でn型ドーパントとして作用しうる添加物が好ましい。この文脈に好ましいn型ドーパントは、15属元素、または焼結の際にかかる元素をもたらす化合物である。本発明によるこの文脈に好ましい15属元素は、PおよびBiである。p型ドープSi層と界面で接する電極を形成するときには、Si中でp型ドーパントとして作用しうる添加物が好ましい。好ましいp型ドーパントは、13属元素、または焼結の際にかかる元素をもたらす化合物である。本発明によるこの文脈に好ましい13属元素は、BおよびAlである。
当業者によく知られるのは、金属粒子が様々な形状、表面、サイズ、表面積対体積比、酸素含有量および酸化層を呈しうることである。多くの形状が当業者に知られている。いくつかの例は、球状、角がある、細長い(棒または針状)および平ら(シート状)である。金属粒子は、異なる形状の粒子の組み合わせとして存在してもよい。生成される電極の有利な焼結、電気的接触、接着性および導電率に資する形状、または複数の形状の組み合わせをもつ金属粒子が本発明によれば好ましい。表面の特質を考慮することなしにかかる形状をキャラクタライズする1つの方法は、長さ、幅および厚さのパラメータによる。本発明の文脈において、粒子の長さは、その両方のエンドポイントが粒子内に含まれた、最長空間変位ベクトルの長さによって与えられる。粒子の幅は、その両方のエンドポイントが粒子内に含まれた、先に定義された長さベクトルに垂直な最長空間変位ベクトルの長さによって与えられる。粒子の厚さは、その両方のエンドポイントが粒子内に含まれた、いずれも先に定義された長さベクトルおよび幅ベクトルの両方に垂直な最長空間変位ベクトルの長さによって与えられる。本発明による一実施形態では、できるだけ均一な形状、すなわち、長さ、幅、および厚さに関する比ができるだけ1に近く、好ましくはすべての比が約0.7〜約1.5の範囲内、より好ましくは約0.8〜約1.3の範囲内、最も好ましくは約0.9〜約1.2の範囲内にある形状をもつ金属粒子が好ましい。この実施形態における金属粒子に好ましい形状の例は、それゆえに、球および立方体、もしくはそれらの組み合わせ、またはそれらの1つ以上の他の形状との組み合わせである。本発明の一実施形態において、導電性ペースト中のAg粒子は、球状である。本発明による別の実施形態では、好ましくは長さ、幅、および厚さの寸法に関する比のうちの少なくとも1つが約1.5超、より好ましくは約3超、最も好ましくは約5超の低均一性の形状を有する金属粒子が好ましい。この実施形態による好ましい形状は、剥片状、棒もしくは針状、または剥片状、棒もしくは針状の他の形状との組み合わせである。
様々な表面タイプが当業者に知られている。効果的な焼結に資して、生成された電極の有利な電気的接触および導電性をもたらす表面タイプが本発明による金属粒子の表面タイプには好適である。
粒径d50ならびに関連する値d10およびd90は、当業者によく知られた粒子の特性である。金属粒子の平均粒径d50は、約0.5〜約10μmの範囲内、より好ましくは約1〜約10μmの範囲内、最も好ましくは約1〜約5μmの範囲内にあることが本発明によれば好ましい。粒径d50の決定は、当業者によく知られている。
本発明の一実施形態において、銀粒子は、約0.1〜約1μmの範囲内、好ましくは約0.2〜約0.9μmの範囲内、より好ましくは約0.3〜約0.8μmの範囲内のd50を有する。
金属粒子は、表面被膜とともに存在してもよい。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意のかかる被膜を金属粒子上で採用できる。本発明による好ましい被膜は、導電性ペーストの改善された印刷、焼結およびエッチング特性を高める被膜である。かかる被膜が存在するならば、その被膜がそれぞれの場合に金属粒子の全重量に対して約10重量%以下、好ましくは約8重量%以下、最も好ましくは約5重量%以下に相当することが本発明によれば好ましい。
本発明による一実施形態において、銀粒子は、約50重量%より多い、好ましくは約70重量%より多い、最も好ましくは約80重量%より多い導電性ペーストの比率として存在する。
熱可塑性プラスチック系
本発明の一実施形態において、ポリマー系は、熱可塑性プラスチック系である。
本発明の一実施形態において、ポリマー系は、熱可塑性プラスチック系である。
本発明の文脈に好ましい熱可塑性プラスチック系は、導電性ペーストの成分が確実に溶液、乳剤または分散液の形態で存在するようにして加熱の際に固体電極の形成を容易にする。好ましい熱可塑性プラスチック系は、導電性ペースト内の成分に最適な安定性を提供して効果的なライン印刷適性を許容する粘度をもつ導電性ペーストを与える。
本発明による好ましい熱可塑性プラスチック系は、構成要素として、
1.熱可塑性ポリマー;
2.溶媒系
を含む。
1.熱可塑性ポリマー;
2.溶媒系
を含む。
本発明の一実施形態において、好ましいのは、熱可塑性ポリマーを融点未満の任意の温度へ加熱または冷却したときに、熱可塑性プラスチック系が硬さの熱履歴を何も呈さないことである。
熱可塑性ポリマー
熱可塑性ポリマーは、当業者によく知られており、当業者は、ペーストもしくは結果として生じた電極の好適な特性、特に、ペーストの硬化能力および電極と基板との間の電気的接触を向上させるのに適すると考えられる任意の熱可塑性ポリマーを採用してもよい。好ましい熱可塑性ポリマーは、光起電力太陽電池のウェーハ上で良好な接着性を示し、光起電力太陽電池の長時間動作を保証するために光起電力太陽電池を動作させる条件下で化学的に安定であり、光起電力太陽電池の動作温度で融解しないものとし、とりわけ光起電力太陽電池のAg電極の導電性を損なってはならない。
熱可塑性ポリマーは、当業者によく知られており、当業者は、ペーストもしくは結果として生じた電極の好適な特性、特に、ペーストの硬化能力および電極と基板との間の電気的接触を向上させるのに適すると考えられる任意の熱可塑性ポリマーを採用してもよい。好ましい熱可塑性ポリマーは、光起電力太陽電池のウェーハ上で良好な接着性を示し、光起電力太陽電池の長時間動作を保証するために光起電力太陽電池を動作させる条件下で化学的に安定であり、光起電力太陽電池の動作温度で融解しないものとし、とりわけ光起電力太陽電池のAg電極の導電性を損なってはならない。
好ましい熱可塑性ポリマーは、直鎖状ホモポリマーおよびコポリマーである。本発明の文脈に好ましい熱可塑性ポリマーは、以下のリストから選択された1つ以上である:PVB(polyvinylbutyral:ポリビニルブチラール);PE(polyethylene:ポリエチレン);PP(polypropylene:ポリプロピレン)、PS(polystyrene:ポリスチレン);ABS(copolymer of acrylonitrile,butadiene and styrene:アクリロニトリル、ブタジエンおよびポリスチレンのコポリマー);PA(ポリアミド:polyamide);PC(ポリカーボネート:polycarbonate);ポリエステル、好ましくはBostik Inc.からのVitel2700B;ポリアクリレート、好ましくはDow ChemicalからのParaloidB44;フェノキシポリマー、好ましくはInChem Corp.からのPKHH。
溶媒系
ポリマー系は、好ましくは溶媒系を含む。溶媒系は、好ましくは、ポリマー系のポリマー、熱可塑性ポリマーを溶解するかまたは分散させる、より好ましくは溶解することが可能である。一実施形態において、ポリマーは、溶媒系に溶解した熱可塑性ポリマーである。
ポリマー系は、好ましくは溶媒系を含む。溶媒系は、好ましくは、ポリマー系のポリマー、熱可塑性ポリマーを溶解するかまたは分散させる、より好ましくは溶解することが可能である。一実施形態において、ポリマーは、溶媒系に溶解した熱可塑性ポリマーである。
溶媒系は、好ましくは、本発明による重量減少を達成するために選択される。溶媒系は、単一の溶媒または2つ以上の溶媒を含みうるであろう。本発明による重量減少を達成するために好ましい溶媒は、好ましくは、1つ以上のヘテロ原子、好ましくはO、S、NおよびPからなる群から選択された1つ以上、最も好ましくは1つ以上のO原子を含む有機化合物である。
一実施形態において、溶媒系は、2つの炭素原子に一重結合された1つ以上のヘテロ原子、好ましくはO;1つの炭素原子に二重結合された1つ以上のヘテロ原子、好ましくはO;または両方の組み合わせからなる群から選択された1つ以上を含む1つ以上の溶媒を含む。この実施形態の一態様において、溶媒系は、2つの炭素原子に一重結合された少なくとも2つのヘテロ原子、好ましくはO;または1つの炭素原子に二重結合された少なくとも2つのヘテロ原子、好ましくはO;または2つの炭素原子に一重結合された少なくとも1つのヘテロ原子、好ましくはO、および1つの炭素原子に二重結合された少なくとも1つのヘテロ原子、好ましくはOを含む1つ以上の溶媒を含む。
一実施形態において、溶媒系は、1つ以上のエーテル基;1つ以上のエステル基;または両方の組み合わせからなる群から選択された1つ以上を含む1つ以上の溶媒を含む。この実施形態の一態様において、溶媒系は、2つ以上のエーテル基;もしくは2つ以上のエステル基;または1つ以上のエーテル基および1つ以上のエステル基を含む1つ以上の溶媒を含む。
一実施形態において、溶媒系は、好ましくは2つ以上のエーテル基;2つ以上のエステル基;または1つ以上のエーテル基および1つ以上のエステル基を含む、ジアルコール、またはポリアルコールに基づく1つ以上の溶媒を含む。この文脈に好ましいジアルコールは、エチレンジオール、プロパン−1,2−ジオール、プロパン−1,3−ジオール、ブタン−1,2−ジオール、ブタン−1,3−ジオール、ブタン−1,4−ジオール、ブタン−2,3−ジオールからなる群、好ましくはエチレンジオールから選択される。この文脈に好ましいポリアルコールは、グリセロールである。この実施形態の一態様において、好ましい溶媒は、−O−メチル、−O−エチル、−O−プロピル、−O−ブチル、−O−ペンチル、−O−ヘキシル、−O(CO)−メチル、−O(CO)−エチル、−O(CO)−プロピル、−O(CO)−ブチル、−O(CO)−ペンチル、またはそれらの組み合わせからなる群から選択された2つ以上の基を含み、好ましくは少なくとも1つ以上、好ましくは少なくとも2つが−O−ブチル、および−O(CO)−メチル、または両方の組み合わせからなる群から選択される。この実施形態の一態様において、溶媒系は、ジアルキルエチレングリコール、好ましくはジブチルエチレングリコール;もしくはモノアルキルエチレングリコールモノエステル、好ましくはブチルアセチルエチレングリコール;または両方の組み合わせからなる群から選択された1つ以上の溶媒を含む。
好ましいのは、溶媒の分子量が500g/モルを超えない、好ましくは350g/モルを超えない、より好ましくは200g/モルを超えないことである。同様に好ましいのは、ポリマー系、特に熱可塑性ポリマー系の分子量が溶媒の分子量より大きいことである。より好ましくは、ポリマー、特に熱可塑性ポリマーの分子量は、500g/モルより大きい、好ましくは1000g/モルより大きい、より好ましくは10,000g/モルより大きい。
導電性ペースト中の添加物
本発明の文脈に好ましい添加物は、明示的に挙げられる他の成分に加えて、導電性ペーストに加えられ、導電性ペーストの、その生成された電極の、または結果として生じた太陽電池の性能を向上させることに寄与する成分である。当業者に知られ、発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての添加物を導電性ペースト中の添加物として採用できる。ビヒクル中に存在する添加物に加えて、添加物は、導電性ペースト中にも存在しうる。本発明による好ましい添加物は、チキソトロピー剤、粘度調整剤、乳化剤、安定化剤もしくはpH調整剤、無機添加物、増粘剤および分散剤、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせであるが、無機添加物が最も好ましい。本発明によるこの文脈に好ましい無機添加物は、Mg、Ni、Te、W、Zn、Mg、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、CuおよびCrまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせ、好ましくはZn、Sb、Mn、Ni、W、TeおよびRuまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせ、それらの酸化物、焼成の際にそれらの金属酸化物を生じうる化合物、あるいは、前述の金属の少なくとも2つの混合物、前述の酸化物の少なくとも2つの混合物、焼成の際にそれらの金属酸化物を生じうる前述の化合物の少なくとも2つの混合物、または上述のいずれかの2つ以上の混合物である。
本発明の文脈に好ましい添加物は、明示的に挙げられる他の成分に加えて、導電性ペーストに加えられ、導電性ペーストの、その生成された電極の、または結果として生じた太陽電池の性能を向上させることに寄与する成分である。当業者に知られ、発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての添加物を導電性ペースト中の添加物として採用できる。ビヒクル中に存在する添加物に加えて、添加物は、導電性ペースト中にも存在しうる。本発明による好ましい添加物は、チキソトロピー剤、粘度調整剤、乳化剤、安定化剤もしくはpH調整剤、無機添加物、増粘剤および分散剤、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせであるが、無機添加物が最も好ましい。本発明によるこの文脈に好ましい無機添加物は、Mg、Ni、Te、W、Zn、Mg、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、CuおよびCrまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせ、好ましくはZn、Sb、Mn、Ni、W、TeおよびRuまたはそれらの少なくとも2つの組み合わせ、それらの酸化物、焼成の際にそれらの金属酸化物を生じうる化合物、あるいは、前述の金属の少なくとも2つの混合物、前述の酸化物の少なくとも2つの混合物、焼成の際にそれらの金属酸化物を生じうる前述の化合物の少なくとも2つの混合物、または上述のいずれかの2つ以上の混合物である。
太陽電池前駆体
上記の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、太陽電池前駆体によってなされる。本発明による好ましい太陽電池前駆体は、
1.ウェーハ、好ましくはシリコン・ウェーハ、好ましくはHIT型ウェーハ、
2.本発明によるペースト
を含み、ペーストは、ウェーハの少なくとも1つの表面上または表面の上方に位置する。ペーストは、シリコン・ウェーハと物理的に接触してもよく、または代わりにシリコン・ウェーハとペーストとの間に存在する1つ以上のさらなる層、例えば、透明導電層または物理的保護層の最も外側と接触してもよい。
上記の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、太陽電池前駆体によってなされる。本発明による好ましい太陽電池前駆体は、
1.ウェーハ、好ましくはシリコン・ウェーハ、好ましくはHIT型ウェーハ、
2.本発明によるペースト
を含み、ペーストは、ウェーハの少なくとも1つの表面上または表面の上方に位置する。ペーストは、シリコン・ウェーハと物理的に接触してもよく、または代わりにシリコン・ウェーハとペーストとの間に存在する1つ以上のさらなる層、例えば、透明導電層または物理的保護層の最も外側と接触してもよい。
本発明の一実施形態においては、本発明によるペーストに加えて、1つ以上のさらなるペーストがウェーハ上に存在する。
本発明の一実施形態において、前駆体は、MWTセルへの前駆体である。この実施形態では、ウェーハの表面と裏面とを接続するチャネルが好ましくは存在する。本発明によるペーストは、好ましくはチャネルの表面と接触するか、もしくはチャネルの表面以外の表面上にあるか、または両方である。
本発明の一実施形態において、太陽電池前駆体は、n型太陽電池への前駆体である。この実施形態の一態様では、nドープ層に対応するウェーハの体積の比率がp型層に対応する比率よりも大きい。この実施形態の別の態様では、ウェーハのサニーサイド(sunny side)と時には呼ばれる表面がp型にドープされる。この実施形態の別の態様では、ウェーハの裏面がn型にドープされる。
本発明の一実施形態において、太陽電池前駆体は、p型太陽電池への前駆体である。この実施形態の一態様では、pドープ層に対応するウェーハの体積の比率がn型層に対応する比率よりも大きい。この実施形態の別の態様では、ウェーハのサニーサイドと時には呼ばれる表面がn型にドープされる。この実施形態の別の態様では、ウェーハの裏面がp型にドープされる。
HIT型太陽電池前駆体が本発明の文脈においては好ましい。この実施形態の一態様では、ウェーハは、非晶質Siの少なくとも1つの層を含む。好ましくは、非晶質Siの少なくとも1つの層は、n型にドープされる。好ましくは、非晶質Siの少なくとも1つの層は、p型にドープされる。好ましくは、非晶質Siの少なくとも1つ、または1つよりも多い、好ましくは2つの層が真性(非ドープ)である。ウェーハは、好ましくはn型にドープされるかまたはp型にドープされ、好ましくはn型にドープされた少なくとも1つの結晶層を含むことが好ましい。
太陽電池前駆体の調製において、好ましいのは、温度が低く、好ましくは100℃未満、より好ましくは約80℃未満、最も好ましくは約60℃未満に維持されることである。
太陽電池を製造するためのプロセス
前述の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、プロセス・ステップとして
i)上記のような、特に上記の実施形態のいずれかを組み合わせた太陽電池前駆体の用意;および
ii)太陽電池を得るために太陽電池前駆体を加熱するステップ
を少なくとも含む太陽電池を製造するためのプロセスによってなされる。
前述の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、プロセス・ステップとして
i)上記のような、特に上記の実施形態のいずれかを組み合わせた太陽電池前駆体の用意;および
ii)太陽電池を得るために太陽電池前駆体を加熱するステップ
を少なくとも含む太陽電池を製造するためのプロセスによってなされる。
好ましいのは、ステップi)における温度が100℃、好ましくは80℃、好ましくは60℃を超えないことである。
印刷
それぞれの電極は、導電性ペーストを塗布して、接着体を得るためにその導電性ペーストを次に加熱することによって設けられることが本発明によれば好ましい。導電性ペーストは、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の方法で塗布でき、これらの方法は、以下には限定されないが、含浸、浸漬、注入、滴下、噴射、噴霧、ナイフコーティング、カーテン塗工、はけ塗りもしくは印刷、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせを含む。好ましい印刷技術は、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、凸版印刷もしくはステンシル印刷、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせである。導電性ペーストは、印刷によって、好ましくはスクリーン印刷によって塗布されることが本発明によれば好ましい。スクリーンは、約20〜100μmの範囲内、より好ましくは約30〜80μmの範囲内、最も好ましくは約40〜70μmの範囲内の直径をもつメッシュ開口を有することが本発明によれば好ましい。太陽電池前駆体の節において詳述されたように、好ましいのは、チャネルに塗布された導電性ペーストが本発明において記載される通りであることである。表面および裏面電極を形成するために用いられる導電性ペーストは、チャネルに用いられるペーストと同じかまたは異なることができ、好ましくは異なり、互いに同じかまたは異なることができる。
それぞれの電極は、導電性ペーストを塗布して、接着体を得るためにその導電性ペーストを次に加熱することによって設けられることが本発明によれば好ましい。導電性ペーストは、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の方法で塗布でき、これらの方法は、以下には限定されないが、含浸、浸漬、注入、滴下、噴射、噴霧、ナイフコーティング、カーテン塗工、はけ塗りもしくは印刷、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせを含む。好ましい印刷技術は、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、凸版印刷もしくはステンシル印刷、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせである。導電性ペーストは、印刷によって、好ましくはスクリーン印刷によって塗布されることが本発明によれば好ましい。スクリーンは、約20〜100μmの範囲内、より好ましくは約30〜80μmの範囲内、最も好ましくは約40〜70μmの範囲内の直径をもつメッシュ開口を有することが本発明によれば好ましい。太陽電池前駆体の節において詳述されたように、好ましいのは、チャネルに塗布された導電性ペーストが本発明において記載される通りであることである。表面および裏面電極を形成するために用いられる導電性ペーストは、チャネルに用いられるペーストと同じかまたは異なることができ、好ましくは異なり、互いに同じかまたは異なることができる。
好ましいのは、印刷が高温ではなく、好ましくは100℃未満、より好ましくは約80℃未満、より好ましくは約50℃未満で実施されることである。
加熱
電極は、最初に導電性ペーストを塗布して、次に固体電極体をもたらすために前記導電性ペーストを加熱することによって形成されることが本発明によれば好ましい。加熱は、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の方法で遂行できる。
電極は、最初に導電性ペーストを塗布して、次に固体電極体をもたらすために前記導電性ペーストを加熱することによって形成されることが本発明によれば好ましい。加熱は、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の方法で遂行できる。
本発明によれば、加熱のために設定される最高温度は、約250℃未満、好ましくは約230℃未満、より好ましくは約210℃未満である。太陽電池を得るために約100℃と低い加熱温度が採用された。
表面および裏面上の導電性ペーストの加熱は、同時または順次に実施できる。同時加熱は、導電性ペーストが同様の、好ましくは同一の最適加熱条件を有する場合に適切である。適切な場合には、加熱が同時に実施されることが本発明によれば好ましい。
太陽電池
上記の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、本発明によるプロセスによって得ることができる太陽電池によってなされる。本発明による好ましい太陽電池は、電気エネルギー出力に変換される入射光の全エネルギーの比率の観点から高効率を有し、軽くて耐久性のある太陽電池である。
上記の目的のうちの少なくとも1つを達成することへの寄与は、本発明によるプロセスによって得ることができる太陽電池によってなされる。本発明による好ましい太陽電池は、電気エネルギー出力に変換される入射光の全エネルギーの比率の観点から高効率を有し、軽くて耐久性のある太陽電池である。
反射防止膜
本発明によれば、太陽電池の表面上の電極より前に、外側の層として、しばしば最外側の層として反射防止膜を塗布できる。本発明による好ましい反射防止膜は、表面で反射される入射光の比率を減少させて、表面を通過しウェーハによって吸収されることになる入射光の比率を増加させる反射防止膜である。好適な吸収/反射比を生じさせ、採用される導電性ペーストによりエッチングされやすいが、別の面では導電性ペーストの加熱に必要とされる温度に耐性があり、かつ電極界面近傍での電子および正孔の再結合の増加に寄与しない反射防止膜が好適である。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての反射防止膜を採用できる。本発明による好ましい反射防止膜は、SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2もしくはそれらの少なくとも2つの混合物、および/またはそれらの少なくとも2つの層の組み合わせであり、とりわけSiウェーハが採用される場合には、SiNxが特に好ましい。特にHITセルでは、金属酸化物が反射防止膜としての役割を果たしうる。好ましい酸化物は、酸化インジウムスズ(ITO:indium tin oxide)、フッ素ドープされた酸化スズ(FTO:fluorine doped tin oxide)またはドープされた酸化亜鉛、好ましくは酸化インジウムスズである。
本発明によれば、太陽電池の表面上の電極より前に、外側の層として、しばしば最外側の層として反射防止膜を塗布できる。本発明による好ましい反射防止膜は、表面で反射される入射光の比率を減少させて、表面を通過しウェーハによって吸収されることになる入射光の比率を増加させる反射防止膜である。好適な吸収/反射比を生じさせ、採用される導電性ペーストによりエッチングされやすいが、別の面では導電性ペーストの加熱に必要とされる温度に耐性があり、かつ電極界面近傍での電子および正孔の再結合の増加に寄与しない反射防止膜が好適である。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考えるすべての反射防止膜を採用できる。本発明による好ましい反射防止膜は、SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2もしくはそれらの少なくとも2つの混合物、および/またはそれらの少なくとも2つの層の組み合わせであり、とりわけSiウェーハが採用される場合には、SiNxが特に好ましい。特にHITセルでは、金属酸化物が反射防止膜としての役割を果たしうる。好ましい酸化物は、酸化インジウムスズ(ITO:indium tin oxide)、フッ素ドープされた酸化スズ(FTO:fluorine doped tin oxide)またはドープされた酸化亜鉛、好ましくは酸化インジウムスズである。
反射防止膜の厚さは、然るべき光の波長に合わされる。本発明によれば、好ましいのは、反射防止膜が約30〜約500nmの範囲内、より好ましくは約50〜約400nmの範囲内、最も好ましくは約80〜約300nmの範囲内の厚さを有することである。
パッシベーション層
本発明によれば、電極より前に、または反射防止層が存在するならばそれより前に、外側の層、または最外側の層として表側および/または裏側に1つ以上のパッシベーション層を付けることができる。好ましいパッシベーション層は、電極界面近傍での電子/正孔再結合レートを低下させるパッシベーション層である。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意のパッシベーション層を採用できる。本発明による好ましいパッシベーション層は、窒化シリコン、二酸化シリコンおよび二酸化チタンであり、窒化シリコンが最も好ましい。本発明によれば、好ましいのは、パッシベーション層が約0.1nm〜約2μmの範囲内、より好ましくは約1nm〜約1μmの範囲内、最も好ましくは約5nm〜約200nmの範囲内の厚さを有することである。HITセルにとって好ましいのは、真性Si層がパッシベーション層として機能することである。反射防止膜およびパッシベーション層の機能を少なくとも部分的または完全に1つの層に結合することができる。
本発明によれば、電極より前に、または反射防止層が存在するならばそれより前に、外側の層、または最外側の層として表側および/または裏側に1つ以上のパッシベーション層を付けることができる。好ましいパッシベーション層は、電極界面近傍での電子/正孔再結合レートを低下させるパッシベーション層である。当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意のパッシベーション層を採用できる。本発明による好ましいパッシベーション層は、窒化シリコン、二酸化シリコンおよび二酸化チタンであり、窒化シリコンが最も好ましい。本発明によれば、好ましいのは、パッシベーション層が約0.1nm〜約2μmの範囲内、より好ましくは約1nm〜約1μmの範囲内、最も好ましくは約5nm〜約200nmの範囲内の厚さを有することである。HITセルにとって好ましいのは、真性Si層がパッシベーション層として機能することである。反射防止膜およびパッシベーション層の機能を少なくとも部分的または完全に1つの層に結合することができる。
透明導電層
本発明の文脈に好ましい透明導電層は、シリコン・ウェーハ上またはシリコン・ウェーハの上方にある高透明性および高導電率を有する層である。層を通過する波長が400nmの光の透過率は、好ましくは約50%超、より好ましくは約80%超、最も好ましくは約90%超である。層の導電率は、好ましくは約1*10−4Ω−1cm−1超、より好ましくは約5*10−3Ω−1cm−1超、最も好ましくは約5*10−2Ω−1cm−1超である。
本発明の文脈に好ましい透明導電層は、シリコン・ウェーハ上またはシリコン・ウェーハの上方にある高透明性および高導電率を有する層である。層を通過する波長が400nmの光の透過率は、好ましくは約50%超、より好ましくは約80%超、最も好ましくは約90%超である。層の導電率は、好ましくは約1*10−4Ω−1cm−1超、より好ましくは約5*10−3Ω−1cm−1超、最も好ましくは約5*10−2Ω−1cm−1超である。
透明導電層の厚さは、好ましくは約30〜約500nmの範囲内、より好ましくは約50〜約400nmの範囲内、最も好ましくは約80〜約300nmの範囲内にある。
透明導電材料は、当業者によく知られ、当業者は、太陽電池の有利な特性、例えば、導電率、透明性および接着性を改善するために材料を選択してもよい。好ましい材料は、酸化物、導電性ポリマーまたはカーボンナノチューブに基づく導体、好ましくは酸化物である。好ましい酸化物は、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素ドープされた酸化スズ(FTO)またはドープされた酸化亜鉛、好ましくは酸化インジウムスズである。好ましい導電性ポリマーは、共役二重結合をもつ有機化合物、好ましくはポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロールもしくはポリチオフェンまたはそれらの誘導体、あるいはそれらの組み合わせである。
一実施形態において、太陽電池は、表面上に透明導電層を有する。
追加保護層
太陽電池の主要機能に直接的に寄与する上記の層に加えて、機械的および化学的保護のためにさらなる層を追加できる。化学的保護を提供するためにセルを封止できる。封止は、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の封止を採用できる。本発明によれば、かかる封止が存在する場合、透明熱可塑性樹脂としばしば呼ばれる透明ポリマーが封止材料として好ましい。本文脈に好ましい透明ポリマーは、例えば、シリコンゴムおよびポリエチレンビニルアセテート(PVA:polyethylene vinyl acetate)である。
太陽電池の主要機能に直接的に寄与する上記の層に加えて、機械的および化学的保護のためにさらなる層を追加できる。化学的保護を提供するためにセルを封止できる。封止は、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の封止を採用できる。本発明によれば、かかる封止が存在する場合、透明熱可塑性樹脂としばしば呼ばれる透明ポリマーが封止材料として好ましい。本文脈に好ましい透明ポリマーは、例えば、シリコンゴムおよびポリエチレンビニルアセテート(PVA:polyethylene vinyl acetate)である。
セルの表面に機械的保護を提供するために、太陽電池の表面に透明ガラスシートを追加できる。透明ガラスシートは、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の透明ガラスシートを太陽電池の表面上の保護として採用できる。
機械的保護を提供するために、太陽電池の裏面に裏面保護材料を追加できる。裏面保護材料は、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意の裏面保護材料を太陽電池の裏面上の保護として採用できる。本発明による好ましい裏面保護材料は、良好な機械的特性および耐候性を有する裏面保護材料である。本発明による好ましい裏面保護材料は、ポリフッ化ビニルの層をもつポリエチレンテレフタレートである。裏面保護材料は、(裏面保護層および封止の両方が存在する場合には)封止層の下に存在することが本発明によれば好ましい。
機械的支持を与えるために太陽電池の外側にフレーム材料を追加できる。フレーム材料は、当業者によく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意のフレーム材料をフレーム材料として採用できる。本発明による好ましいフレーム材料は、アルミニウムである。
ソーラーパネル
上記の目的の少なくとも1つを達成することへの寄与は、上記のように、特に上記の実施形態のうちの少なくとも1つに従って得られた少なくとも太陽電池と、少なくとももう1つの太陽電池とを含むモジュールによってなされる。モジュールと称する集合的な配列を形成するために、本発明による多数の太陽電池を空間的に配列して、電気的に接続することができる。本発明による好ましいモジュールは、多くの形態、好ましくはソーラーパネルとして知られる矩形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多種多様な方法、ならびに集合的な配列を形成するためにかかるセルを機械的に配列して固定するための多種多様な方法が当業者にはよく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意のかかる方法を採用できる。本発明による好ましい方法は、低質量対発電出力比、低体積対発電出力比、および高耐久性を結果として生じる方法である。アルミニウムは、本発明による太陽電池の機械的固定のための好ましい材料である。
上記の目的の少なくとも1つを達成することへの寄与は、上記のように、特に上記の実施形態のうちの少なくとも1つに従って得られた少なくとも太陽電池と、少なくとももう1つの太陽電池とを含むモジュールによってなされる。モジュールと称する集合的な配列を形成するために、本発明による多数の太陽電池を空間的に配列して、電気的に接続することができる。本発明による好ましいモジュールは、多くの形態、好ましくはソーラーパネルとして知られる矩形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多種多様な方法、ならびに集合的な配列を形成するためにかかるセルを機械的に配列して固定するための多種多様な方法が当業者にはよく知られており、当業者に知られ、本発明の文脈に適すると当業者が考える任意のかかる方法を採用できる。本発明による好ましい方法は、低質量対発電出力比、低体積対発電出力比、および高耐久性を結果として生じる方法である。アルミニウムは、本発明による太陽電池の機械的固定のための好ましい材料である。
図1aは、太陽電池のための一般的なn型層構成の断面図を示す。表側から、101は、電極であり、好ましくはフィンガー状で、好ましくは本発明による方法によって本発明によるペーストから得られる。102は、1つ以上の随意的な層、例えば、反射防止層またはパッシベーション層である。103は、pドープ表面層、好ましくはSi層である。104は、nドープ裏面層、好ましくはSi層である。105は、裏面電極であり、好ましくは本発明による方法によって本発明によるペーストから得られる。
図1bは、太陽電池のための一般的なp型層構成の断面図を示す。表側から、101は、電極であり、好ましくはフィンガー状で、好ましくは本発明による方法によって本発明によるペーストから得られる。102は、1つ以上の随意的な層、例えば、反射防止層またはパッシベーション層である。104は、nドープ表面層、好ましくはSi層である。103は、pドープ裏面層、好ましくはSi層である。105は、裏面電極であり、好ましくは本発明による方法によって本発明によるペーストから得られる。
図2は、太陽電池のための一般的なHIT型層構成の断面図を示す。101は、電極であり、好ましくはフィンガー状で、好ましくは本発明による方法によって本発明によるペーストから得られる。201は、1つ以上の随意的な層であり、好ましくは透明導電層、例えば、酸化インジウムスズを含む。202は、第1のドーピング型、n型またはp型、好ましくはp型の非晶質表面層、好ましくはSi層である。203は、真性(非ドープ)非晶質表面層、好ましくはSi層である。204は、結晶層、好ましくはSi層であり、好ましくはn型にドープされる。205は、真性(非ドープ)非晶質裏面層である。206は、非晶質裏面層、好ましくはSi層であり、または第1のドーピング型とは逆のドーピング型、好ましくはn型にドープされる。105は、裏面電極であり、好ましくは本発明による方法によって本発明によるペーストから得られる。
図3a、図3bおよび図3cは、表側電極をもたらすために表側ペーストを焼成するプロセスをともに示す。図3a、図3bおよび図3cは、概略的で一般化されており、pn接合を構成する層へのさらなる追加の層は、さらに詳細な考察なしに随意的な追加の層であると単に見做される。
図3aは、表面電極の塗布前のウェーハ300aを示す。裏面から表面の方へ続けて、表面電極の塗布前のウェーハ300aは、随意的に裏面上の追加の層311、裏面ドープ層106、pn接合境界102、表面ドープ層105、および表面上の追加の層312を含む。裏面上の追加の層311は、裏面電極、裏面パッシベーション層、高濃度ドープ裏面層のいずれかを含むことができるか、または上記のものを何も含まない。表面上の追加の層312は、表面パッシベーション層、反射防止層のいずれかを含むことができるか、または上記のものを何も含まない。
図3bは、導電性ペーストが表面に塗布された焼成前のウェーハ300bを示す。上記の300aに存在する層に加えて、導電性ペースト313が表面上に存在する。
図3cは、表面電極が付けられたウェーハ300cを示す。上記の300aに存在する層に加えて、焼成によって図3bの導電性ペースト313から形成された表面電極103が存在する。
図3bおよび図3cでは、塗布された導電性ペースト313および表面電極103が3つの物体として存在することが概略的に示される。これは、ペースト/電極による表面の不完全なカバレージを表現する純粋に概略的な方法であり、本発明は、ペースト/電極が3つの物体として存在することには限定されない。
図4は、以下の重量減少テスト方法による加熱プロファイルを示す。Δ30の測定に用いられた加熱プロファイルTmediumが破線によって示される。温度Tmediumは、時刻t0=0における25℃から100℃へ10K/分の速度で増加して、時刻t30=30分まで100℃に維持される。Δ30は、t0において測定されたペーストの重量に基づいて重量%として表された、この期間t0からt30にわたる重量減少である。Δhigh30の測定に用いられた加熱プロファイルThighが実線によって示される。温度Thighは、時刻t0=0における25℃から250℃へ10K/分の速度で増加して、時刻t30=30分まで250℃に維持される。Δhigh30は、t0において測定されたペーストの重量に基づいて重量%として表された、この期間t0からt30にわたる重量減少である。Δlow30の測定に用いられた加熱プロファイルTlowが点線によって示される。温度Tlowは、時刻t0=0における25℃から50℃へ10K/分の速度で増加して、時刻t30=30分まで50℃に維持される。Δlow30は、t0において測定されたペーストの重量に基づいて重量%として表された、この期間t0からt30にわたる重量減少である。実際には、保持温度における等温線への平衡化が図に示されるほど急峻でないことがある。図に示される温度プロファイルからの任意の変動は、どの時刻でも10Kを超えてはならず、保持温度に到達した5分以内に、等温線から0.5Kを超えない変動を特徴とする等温線が達成されなければならない。然るべき測定デバイスが上記に従う加熱プロファイルを提供すべきである。
テスト方法
以下のテスト方法が本発明に用いられる。テスト方法がないときには、本出願の最先の出願日に最も近い測定されるべき特徴に対するISOテスト方法が適用される。明確な測定条件がないときには、標準的な周囲温度および圧力(SATP:standard ambient temperature and pressure)(温度298.15Kおよび絶対圧力100kPa)が適用される。
以下のテスト方法が本発明に用いられる。テスト方法がないときには、本出願の最先の出願日に最も近い測定されるべき特徴に対するISOテスト方法が適用される。明確な測定条件がないときには、標準的な周囲温度および圧力(SATP:standard ambient temperature and pressure)(温度298.15Kおよび絶対圧力100kPa)が適用される。
最大重量減少の決定
2cm×2cm平方の開いた領域および100μmのステンシル厚をもつステンシルを用いて、ガラス基板上にペーストの一部分が印刷される。ペースト試料の重量は、秤を用いて決定される。揮発性の部分を100℃の温度で除去するために、ペースト試料がこの温度で12h対流オーブン内に置かれる。乾燥ステップ後に、試料の重量が再び決定されて、最大重量減少が、乾燥ステップ前に測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、乾燥ステップ前後のペースト重量間の差として計算される。
2cm×2cm平方の開いた領域および100μmのステンシル厚をもつステンシルを用いて、ガラス基板上にペーストの一部分が印刷される。ペースト試料の重量は、秤を用いて決定される。揮発性の部分を100℃の温度で除去するために、ペースト試料がこの温度で12h対流オーブン内に置かれる。乾燥ステップ後に、試料の重量が再び決定されて、最大重量減少が、乾燥ステップ前に測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、乾燥ステップ前後のペースト重量間の差として計算される。
第1の重量減少Δ30
ペーストの第1の重量減少Δ30は、試料ホルダHTP40000A69.010、熱電対タイプSおよびプラチナ・オーブンPt S TC:S(すべてNetzschから)が装備されたSTA機器Netzsch STA449 F3 Jupiter(Netzsch)を用いて決定される。測定結果およびデータ評価のために、測定ソフトウェアNetzsch Messung V5.2.1およびProteus Thermal Analysis V5.2.1が適用される。参照および試料のためのパンとして、直径が6.8mm、容積が約85μlの酸化アルミニウム・パンGB399972およびキャップGB399973(ともにNetzschから)が用いられる。試料の量約40〜60mgが0.01mgの精度で試料パン中へ秤量される。空の参照パンおよび試料パンが機器中に置かれて、オーブンが閉じられ、測定が開始される。上記の図面の節で詳述されたように、試料がt0=0において25℃で開始して100℃まで10K/分の速度で加熱される。次に、温度が加熱の開始t0から測定してt30=30分まで100℃に維持される。Δ30は、t0において測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、時刻t0とt30との間のペーストの重量における減少を先に決定された最大重量減少によって除したものである。
ペーストの第1の重量減少Δ30は、試料ホルダHTP40000A69.010、熱電対タイプSおよびプラチナ・オーブンPt S TC:S(すべてNetzschから)が装備されたSTA機器Netzsch STA449 F3 Jupiter(Netzsch)を用いて決定される。測定結果およびデータ評価のために、測定ソフトウェアNetzsch Messung V5.2.1およびProteus Thermal Analysis V5.2.1が適用される。参照および試料のためのパンとして、直径が6.8mm、容積が約85μlの酸化アルミニウム・パンGB399972およびキャップGB399973(ともにNetzschから)が用いられる。試料の量約40〜60mgが0.01mgの精度で試料パン中へ秤量される。空の参照パンおよび試料パンが機器中に置かれて、オーブンが閉じられ、測定が開始される。上記の図面の節で詳述されたように、試料がt0=0において25℃で開始して100℃まで10K/分の速度で加熱される。次に、温度が加熱の開始t0から測定してt30=30分まで100℃に維持される。Δ30は、t0において測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、時刻t0とt30との間のペーストの重量における減少を先に決定された最大重量減少によって除したものである。
第2の重量減少比Δlow30
ペーストの第2の重量減少Δlow30は、試料ホルダHTP40000A69.010、熱電対タイプSおよびプラチナ・オーブンPt S TC:S(すべてNetzschから)が装備されたSTA機器Netzsch STA449 F3 Jupiter(Netzsch)を用いて決定される。測定結果およびデータ評価のために、測定ソフトウェアNetzsch Messung V5.2.1およびProteus Thermal Analysis V5.2.1が適用される。参照および試料のためのパンとして、直径が6.8mm、容積が約85μlの酸化アルミニウム・パンGB399972およびキャップGB399973(ともにNetzschから)が用いられる。試料の量約40〜60mgが0.01mgの精度で試料パン中へ秤量される。空の参照パンおよび試料パンが機器中に置かれて、オーブンが閉じられ、測定が開始される。上記の図面の節で詳述されたように、試料は、t0=0において25℃で開始して50℃まで10K/分の速度で加熱される。次に、温度が加熱の開始t0から測定して時刻t30=30分まで50℃に維持される。Δlow30は、t0において測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、時刻t0とt30との間のペーストの重量における減少を先に決定されたペーストに関する最大重量減少によって除したものである。
ペーストの第2の重量減少Δlow30は、試料ホルダHTP40000A69.010、熱電対タイプSおよびプラチナ・オーブンPt S TC:S(すべてNetzschから)が装備されたSTA機器Netzsch STA449 F3 Jupiter(Netzsch)を用いて決定される。測定結果およびデータ評価のために、測定ソフトウェアNetzsch Messung V5.2.1およびProteus Thermal Analysis V5.2.1が適用される。参照および試料のためのパンとして、直径が6.8mm、容積が約85μlの酸化アルミニウム・パンGB399972およびキャップGB399973(ともにNetzschから)が用いられる。試料の量約40〜60mgが0.01mgの精度で試料パン中へ秤量される。空の参照パンおよび試料パンが機器中に置かれて、オーブンが閉じられ、測定が開始される。上記の図面の節で詳述されたように、試料は、t0=0において25℃で開始して50℃まで10K/分の速度で加熱される。次に、温度が加熱の開始t0から測定して時刻t30=30分まで50℃に維持される。Δlow30は、t0において測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、時刻t0とt30との間のペーストの重量における減少を先に決定されたペーストに関する最大重量減少によって除したものである。
第3の重量減少比Δhigh30
ペーストの第3の重量減少Δhigh30は、試料ホルダHTP40000A69.010、熱電対タイプSおよびプラチナ・オーブンPt S TC:S(すべてNetzschから)が装備されたSTA機器Netzsch STA449 F3 Jupiter(Netzsch)を用いて決定される。測定結果およびデータ評価のために、測定ソフトウェアNetzsch Messung V5.2.1およびProteus Thermal Analysis V5.2.1が適用される。参照および試料のためのパンとして、直径が6.8mm、容積が約85μlの酸化アルミニウム・パンGB399972およびキャップGB399973(ともにNetzschから)が用いられる。試料の量約40〜60mgが0.01mgの精度で試料パン中へ秤量される。空の参照パンおよび試料パンが機器中に置かれて、オーブンが閉じられ、測定が開始される。上記の図面の節で詳述されたように、試料は、時刻t0=0において25℃で開始して250℃まで10K/分の速度で加熱される。次に、温度が加熱の開始t0から測定してt30=30分まで250℃に維持される。Δhigh30は、t0において測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、時刻t0とt30との間のペーストの重量における減少を先に決定されたペーストに関する最大重量減少によって除したものである。
ペーストの第3の重量減少Δhigh30は、試料ホルダHTP40000A69.010、熱電対タイプSおよびプラチナ・オーブンPt S TC:S(すべてNetzschから)が装備されたSTA機器Netzsch STA449 F3 Jupiter(Netzsch)を用いて決定される。測定結果およびデータ評価のために、測定ソフトウェアNetzsch Messung V5.2.1およびProteus Thermal Analysis V5.2.1が適用される。参照および試料のためのパンとして、直径が6.8mm、容積が約85μlの酸化アルミニウム・パンGB399972およびキャップGB399973(ともにNetzschから)が用いられる。試料の量約40〜60mgが0.01mgの精度で試料パン中へ秤量される。空の参照パンおよび試料パンが機器中に置かれて、オーブンが閉じられ、測定が開始される。上記の図面の節で詳述されたように、試料は、時刻t0=0において25℃で開始して250℃まで10K/分の速度で加熱される。次に、温度が加熱の開始t0から測定してt30=30分まで250℃に維持される。Δhigh30は、t0において測定されたペーストの全重量に基づく重量%として表された、時刻t0とt30との間のペーストの重量における減少を先に決定されたペーストに関する最大重量減少によって除したものである。
粘度
粘度測定は、グラウンド・プレートMPC60 Tiおよびコーン・プレートC20/0,5°Tiならびにソフトウェア「Haake RheoWin JobManager4.30.0」が装備されたThermo Fischer Scientific Corp.「Haake Rheostress 600」を用いて行われた。距離のゼロ点を設定した後に、測定に十分なペースト試料がグラウンド・プレート上に置かれた。コーンがギャップ間隔0.026mmの測定位置へ移されて、過剰な材料がスパチュラを用いて除去された。試料が3分間にわたって25℃に平衡化されて、回転測定が開始された。剪断速度が48秒内に50個の等距離測定点内で0から20/秒に増やされて、さらに、312秒内に156個の等距離測定点内で150/秒に増やされた。剪断速度150/秒における60秒の待機時間後に、剪断速度が312秒内に156個の等距離測定点内で150/秒から20/秒に減らされ、さらに、48秒内に50個の等距離測定点内で0に減らされた。微小トルク補正、微小応力制御、および質量慣性補正がアクティブ化された。粘度は、下降剪断ランプ(downward shear ramp)の剪断速度100/秒における測定値として与えられる。
粘度測定は、グラウンド・プレートMPC60 Tiおよびコーン・プレートC20/0,5°Tiならびにソフトウェア「Haake RheoWin JobManager4.30.0」が装備されたThermo Fischer Scientific Corp.「Haake Rheostress 600」を用いて行われた。距離のゼロ点を設定した後に、測定に十分なペースト試料がグラウンド・プレート上に置かれた。コーンがギャップ間隔0.026mmの測定位置へ移されて、過剰な材料がスパチュラを用いて除去された。試料が3分間にわたって25℃に平衡化されて、回転測定が開始された。剪断速度が48秒内に50個の等距離測定点内で0から20/秒に増やされて、さらに、312秒内に156個の等距離測定点内で150/秒に増やされた。剪断速度150/秒における60秒の待機時間後に、剪断速度が312秒内に156個の等距離測定点内で150/秒から20/秒に減らされ、さらに、48秒内に50個の等距離測定点内で0に減らされた。微小トルク補正、微小応力制御、および質量慣性補正がアクティブ化された。粘度は、下降剪断ランプ(downward shear ramp)の剪断速度100/秒における測定値として与えられる。
比表面積
粒子の比表面積を決定するためのBET測定は、DIN ISO9277:1995に従って行われる。SMART法(適応的導入速度を用いた吸着方法(Sorption Method with Adaptive dosing Rate))に従って動作するGemini2360(Micromeriticsから)が測定に用いられる。参照物質としては、BAM(Bundesanstalt fuer Materialforschung und−pruefung)から入手可能なアルファ酸化アルミニウムCRM BAM−PM−102が用いられる。デッドボリュームを減らすために、参照および試料キュベットにフィラーロッドが加えられる。キュベットがBET機器上に取り付けられる。窒素ガス(N25.0)の飽和蒸気圧が決定される。フィラーロッドをもつキュベットを完全に満たして最小限のデッドボリュームしか作り出さない量の試料がガラス・キュベット中へ秤量される。試料が乾燥するように80℃で2時間保持される。冷却後、試料の重量が記録される。試料が入ったガラス・キュベットが測定機器上に取り付けられる。試料を脱ガスするために、ポンプ中に物質が何も吸い込まれないように選択された排気速度で試料が排気される。脱ガス後の試料の質量が計算に用いられる。ヘリウムガス(He4.6)を用いてデッドボリュームが決定される。ガラス・キュベットが液体窒素浴を用いて77Kに冷却される。吸着物質に関しては、77Kで0.162nm2の分子断面積をもつN25.0が計算に用いられる。5つの測定点を用いて多点解析が行われ、結果として生じた比表面積がm2/g単位で示される。
粒子の比表面積を決定するためのBET測定は、DIN ISO9277:1995に従って行われる。SMART法(適応的導入速度を用いた吸着方法(Sorption Method with Adaptive dosing Rate))に従って動作するGemini2360(Micromeriticsから)が測定に用いられる。参照物質としては、BAM(Bundesanstalt fuer Materialforschung und−pruefung)から入手可能なアルファ酸化アルミニウムCRM BAM−PM−102が用いられる。デッドボリュームを減らすために、参照および試料キュベットにフィラーロッドが加えられる。キュベットがBET機器上に取り付けられる。窒素ガス(N25.0)の飽和蒸気圧が決定される。フィラーロッドをもつキュベットを完全に満たして最小限のデッドボリュームしか作り出さない量の試料がガラス・キュベット中へ秤量される。試料が乾燥するように80℃で2時間保持される。冷却後、試料の重量が記録される。試料が入ったガラス・キュベットが測定機器上に取り付けられる。試料を脱ガスするために、ポンプ中に物質が何も吸い込まれないように選択された排気速度で試料が排気される。脱ガス後の試料の質量が計算に用いられる。ヘリウムガス(He4.6)を用いてデッドボリュームが決定される。ガラス・キュベットが液体窒素浴を用いて77Kに冷却される。吸着物質に関しては、77Kで0.162nm2の分子断面積をもつN25.0が計算に用いられる。5つの測定点を用いて多点解析が行われ、結果として生じた比表面積がm2/g単位で示される。
Ag粒子サイズ決定(d10、d50、d90)
Ag粒子の粒子サイズ決定は、ISO:13317−3:2001に従って行われる。エックス線沈降(X−ray gravitational)技術に従って動作するソフトウェアWin5100 V2.03.01(Micromeriticsから)を用いたSedigraph5100が測定に用いられる。約400〜600mgの試料が50mlのガラス・ビーカ中へ秤量されて、40mlのSedisperse P11(Micrometricsから、密度約0.74〜0.76g/cm3および粘度約1.25〜1.9mPa*s)が懸濁液として加えられる。懸濁液に磁気撹拌子が加えられる。懸濁液が撹拌子で同時に攪拌される間に、試料が電力レベル2で動作する超音波プローブSonifer250(Bransonから)を用いて8分間分散される。この前処理された試料が機器中に置かれて、測定が開始される。懸濁液の温度が記録されて(典型的な範囲24℃〜45℃)、計算のために、分散溶液に関してこの温度で測定された粘度のデータが用いられる。試料の密度及び重量(銀では密度10.5g/cm3)を用いて、粒子サイズ分布が決定されて、d50、d10およびd90として示される。
Ag粒子の粒子サイズ決定は、ISO:13317−3:2001に従って行われる。エックス線沈降(X−ray gravitational)技術に従って動作するソフトウェアWin5100 V2.03.01(Micromeriticsから)を用いたSedigraph5100が測定に用いられる。約400〜600mgの試料が50mlのガラス・ビーカ中へ秤量されて、40mlのSedisperse P11(Micrometricsから、密度約0.74〜0.76g/cm3および粘度約1.25〜1.9mPa*s)が懸濁液として加えられる。懸濁液に磁気撹拌子が加えられる。懸濁液が撹拌子で同時に攪拌される間に、試料が電力レベル2で動作する超音波プローブSonifer250(Bransonから)を用いて8分間分散される。この前処理された試料が機器中に置かれて、測定が開始される。懸濁液の温度が記録されて(典型的な範囲24℃〜45℃)、計算のために、分散溶液に関してこの温度で測定された粘度のデータが用いられる。試料の密度及び重量(銀では密度10.5g/cm3)を用いて、粒子サイズ分布が決定されて、d50、d10およびd90として示される。
ドーパント・レベル
ドーパント・レベルは、2次イオン質量分析法を用いて測定される。
ドーパント・レベルは、2次イオン質量分析法を用いて測定される。
効率、フィルファクタ、開回路電圧、接触抵坑、短絡電流密度および直列抵抗
試料太陽電池は、Halm Elektronik GmbHからの市販IVテスタ「cetisPV−CTL1」を用いてキャラクタライズされる。テストされる太陽電池のみならず測定機器のすべての部分が電気的測定中に25℃に保持された。実際の測定中にはこの温度が温度プローブによって常にセル表面上で同時に測定される。キセノンアークランプがセル表面上の1000W/m2の既知のAM1.5強度によって太陽光をシミュレートする。シミュレータをこの強度にするために、ランプがIVテスタの「PVCTControl4.313.0」ソフトウェアによってモニタされる安定レベルに到達するまで短い時間周期内に数回フラッシュされる。Halm IVテスタは、セルのIV曲線を決定するために多点接触法を用いて電流(I)および電圧(V)を測定する。そのために、プローブ・フィンガーがセルのバスバーと接触するように、太陽電池が多点接触プローブ間に置かれる。接触プローブ配線の数は、セル表面上のバスバーの数に合わされる。実装されたソフトウェアパッケージによって、すべての電気的値がこの曲線から直接、自動的に決定された。参照基準として、同じ面積寸法、同じウェーハ材料からなり、かつ同じ表側レイアウトを用いて処理されたISE Freiburgからの校正された太陽電池がテストされて、データが認定値と比較される。まったく同じ方法で処理された少なくとも5つのウェーハが測定されて、データが各値の平均を計算することによって解釈される。ソフトウェアPVCTControl4.313.0は、効率、フィルファクタ、短絡電流密度Jsc、直列抵抗および開回路電圧の値を提供する。
試料太陽電池は、Halm Elektronik GmbHからの市販IVテスタ「cetisPV−CTL1」を用いてキャラクタライズされる。テストされる太陽電池のみならず測定機器のすべての部分が電気的測定中に25℃に保持された。実際の測定中にはこの温度が温度プローブによって常にセル表面上で同時に測定される。キセノンアークランプがセル表面上の1000W/m2の既知のAM1.5強度によって太陽光をシミュレートする。シミュレータをこの強度にするために、ランプがIVテスタの「PVCTControl4.313.0」ソフトウェアによってモニタされる安定レベルに到達するまで短い時間周期内に数回フラッシュされる。Halm IVテスタは、セルのIV曲線を決定するために多点接触法を用いて電流(I)および電圧(V)を測定する。そのために、プローブ・フィンガーがセルのバスバーと接触するように、太陽電池が多点接触プローブ間に置かれる。接触プローブ配線の数は、セル表面上のバスバーの数に合わされる。実装されたソフトウェアパッケージによって、すべての電気的値がこの曲線から直接、自動的に決定された。参照基準として、同じ面積寸法、同じウェーハ材料からなり、かつ同じ表側レイアウトを用いて処理されたISE Freiburgからの校正された太陽電池がテストされて、データが認定値と比較される。まったく同じ方法で処理された少なくとも5つのウェーハが測定されて、データが各値の平均を計算することによって解釈される。ソフトウェアPVCTControl4.313.0は、効率、フィルファクタ、短絡電流密度Jsc、直列抵抗および開回路電圧の値を提供する。
分子量
熱可塑性ポリマーの分子量は、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィ:Gel Permeation Chromatography)に続く光散乱によって決定される。様々な熱可塑性ポリマーのGPC条件、例えば、然るべきカラムの選択、溶離剤、圧力および温度に関しては、2012年8月29日時点で特定の熱可塑性ポリマーに有効なDIN手順が適用されるものとする。DIN手順に逆の指示がなければ、光散乱による分子量の測定のためにPSS Polymer Standards Service GmbHから商業的に入手可能なSECcurityオンライン多角度光散乱装置検出器SLD7000(B)が用いられるものとする。
熱可塑性ポリマーの分子量は、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィ:Gel Permeation Chromatography)に続く光散乱によって決定される。様々な熱可塑性ポリマーのGPC条件、例えば、然るべきカラムの選択、溶離剤、圧力および温度に関しては、2012年8月29日時点で特定の熱可塑性ポリマーに有効なDIN手順が適用されるものとする。DIN手順に逆の指示がなければ、光散乱による分子量の測定のためにPSS Polymer Standards Service GmbHから商業的に入手可能なSECcurityオンライン多角度光散乱装置検出器SLD7000(B)が用いられるものとする。
次に、例示のみが意図され、本発明の範囲を限定すると見做されるべきではない例によって本発明が説明される。
実施例1−ペースト調製
Kenwood Major Titaniumミキサを用いて、熱可塑性ポリマー系のための然るべき量の原料(表1)と、上記のテスト方法によるピーク極大値が0.45μmの球状Ag粉末1(以前Ferro Material Systems;現在Ames Goldsmith Corporationからの銀粉末7000−35)とを均質化することによってペーストを作製した。ステンレス鋼ロールをもつ3本ロールミルExact 80Eの第1のギャップ120μmおよび第2のギャップ60μmを第1のギャップでは20μmおよび第2のギャップでは10μmへギャップを次第に減少させながら、均質になるまで数回ペーストを通過させた。
Kenwood Major Titaniumミキサを用いて、熱可塑性ポリマー系のための然るべき量の原料(表1)と、上記のテスト方法によるピーク極大値が0.45μmの球状Ag粉末1(以前Ferro Material Systems;現在Ames Goldsmith Corporationからの銀粉末7000−35)とを均質化することによってペーストを作製した。ステンレス鋼ロールをもつ3本ロールミルExact 80Eの第1のギャップ120μmおよび第2のギャップ60μmを第1のギャップでは20μmおよび第2のギャップでは10μmへギャップを次第に減少させながら、均質になるまで数回ペーストを通過させた。
実施例2−太陽電池調製およびセル特性の測定
Roth&Rau AGから入手可能な単結晶HIT太陽電池前駆体にペーストを塗布した。ウェーハは、約156×156mm2の寸法を有した。用いた太陽電池は、アルカリ・エッチングによってテクスチャ加工され、表面上にITO(酸化インジウムスズ)層を有した。以下のスクリーン・パラメータ:290メッシュ 、20μmワイヤ太さ、メッシュ上18μm乳剤、72フィンガー、60μmフィンガー開口、3バスバー、1.5mmバスバー幅が設定された、Asys Group,EKRA Automatisierungssystemeからの半自動スクリーン・プリンタX1 SLを用いて、実施例のペーストを、テクスチャを加えたITO層上へスクリーン印刷した。印刷されたパターンをもつデバイスを、印刷後にオーブン中で10分間、200℃で硬化した。
Roth&Rau AGから入手可能な単結晶HIT太陽電池前駆体にペーストを塗布した。ウェーハは、約156×156mm2の寸法を有した。用いた太陽電池は、アルカリ・エッチングによってテクスチャ加工され、表面上にITO(酸化インジウムスズ)層を有した。以下のスクリーン・パラメータ:290メッシュ 、20μmワイヤ太さ、メッシュ上18μm乳剤、72フィンガー、60μmフィンガー開口、3バスバー、1.5mmバスバー幅が設定された、Asys Group,EKRA Automatisierungssystemeからの半自動スクリーン・プリンタX1 SLを用いて、実施例のペーストを、テクスチャを加えたITO層上へスクリーン印刷した。印刷されたパターンをもつデバイスを、印刷後にオーブン中で10分間、200℃で硬化した。
101 表面電極
102 随意的な表面層
103 P型ドープ層
104 n型ドープ層
105 裏面電極
201 随意的な表面層、例えば、酸化インジウムスズ
202 表面ドープ非晶質層
203 表面真性非晶質層
204 結晶層
205 裏面真性非晶質層
206 裏面ドープ非晶質層
300 ウェーハ
311 裏面上の追加の層
312 表面上の追加の層
313 導電性ペースト
214 表面電極フィンガー
215 表面電極バスバー
102 随意的な表面層
103 P型ドープ層
104 n型ドープ層
105 裏面電極
201 随意的な表面層、例えば、酸化インジウムスズ
202 表面ドープ非晶質層
203 表面真性非晶質層
204 結晶層
205 裏面真性非晶質層
206 裏面ドープ非晶質層
300 ウェーハ
311 裏面上の追加の層
312 表面上の追加の層
313 導電性ペースト
214 表面電極フィンガー
215 表面電極バスバー
Claims (16)
- 以下のペースト成分:
a.金属粒子;
b.ポリマー系
を含むペーストであって、
本明細書において提供されるテスト方法に従って決定される、第1の重量減少Δ30は、約0.02〜約0.5の範囲内にある、
ペースト。 - 本明細書において提供される前記テスト方法に従って決定される、第2の重量減少Δlow30は、約0.001〜約0.1の範囲内である、請求項1に記載のペースト。
- 本明細書において提供される前記テスト方法に従って決定される、第3の重量減少Δhigh30は、約0.3〜約1の範囲内である、請求項1〜2のいずれか一項に記載のペースト。
- 前記金属粒子は、銀である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のペースト。
- 前記金属粒子は、前記ペーストの全重量に対して少なくとも約70重量%である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のペースト。
- 前記ポリマー系は、熱可塑性ポリマー系であり、前記熱可塑性ポリマー系は、熱可塑性ポリマーを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のペースト。
- 前記熱可塑性ポリマーは、前記熱可塑性ポリマー系の前記全重量に対して約5〜約45重量%の範囲内の量で前記熱可塑性ポリマー系中に存在する、請求項6に記載のペースト。
- 前記熱可塑性ポリマーは、ポリエステル、アクリレートポリマー、フェノキシポリマーからなる群から選択される、請求項6または7に記載のペースト。
- 以下の前駆体構成要素:
a.基板;
b.前記基板上に重ねられた請求項1〜8のいずれか一項に記載のペースト
を含む、前駆体。 - 前記基板は、シリコン・ウェーハである、請求項9に記載の前駆体。
- 前記ウェーハは、第1のシリコン層を含み、前記第1のシリコン層の50重量%未満が結晶質である、請求項9または10に記載の前駆体。
- 以下の調製ステップ:
a.請求項9〜11のいずれか一項に記載の前駆体を用意するステップ、および
b.前記構成要素を得るために前記前駆体を加熱するステップ
を含む、電気または電子部品の調製のためのプロセス。 - 前記部品は、太陽電池である、請求項12に記載のプロセス。
- ステップiiにおける最高焼成温度は、約50〜約300℃の範囲にある、請求項12または13に記載のプロセス。
- 請求項12〜14のいずれか一項に記載のプロセスによって得ることができる太陽電池。
- その少なくとも1つが請求項15に記載される、少なくとも2つの太陽電池を含む、モジュール。
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