JP2018190967A - 太陽電池用の導電ペースト、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュール - Google Patents

太陽電池用の導電ペースト、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】焼成の程度を制御するようガラス焼成を抑制し、太陽電池の電気的接続を改善し、また電池効率を高めることができる太陽電池用の導電ペースト、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】太陽電池用の導電ペーストは、銀パウダー、ガラス、有機ビヒクル、及びテルル合金化合物を含み、テルル合金化合物は、ガラスの軟化点よりも少なくとも３００℃高い融点、例えば、９００℃以上の融点を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池用の導電ペースト、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュールに関し、またより具体的には、電気的接続を改善し、電池効率を高めることができる、太陽電池用の導電ペースト、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュールに関する。
太陽電池は、基板に対する可視光照射により電子及び電子ホールを発生する電気エネルギーに太陽光を変換するデバイスであり、電子及び電子ホールは、基板の２つの側面に位置する前面電極（受光面）及び後面電極（非受光面）によって案内され、電流を形成する。これら２つの電極は、スクリーン印刷又はコーティング方法を用いて基板上に導電ペーストを付着させ、次に特定温度範囲で焼結することによって形成することができる。
太陽電池の製造プロセスにおいて主要材料は導電ペーストであり、また導電ペーストの成分、量、及び焼結条件は、すべてがペーストの焼結後における太陽電池の電気的性能に影響し得る。より具体的には、溶融ガラスを過度に焼成するとき電池効率が低下することがある。
上述の点に基づいて、焼成の程度を制御するようガラス焼成を抑制し、太陽電池の電気的接続を改善し、また電池効率を高めることができる前面電極における銀ペーストの焼成進行は研究を要する重要なトピックである。
本発明は、高融点テルル合金化合物を含む太陽電池用の導電ペーストであって、焼成の程度を制御するようガラス焼成を抑制し、太陽電池の電気的接続を改善し、また電池効率を高めることができる導電ペーストを提供する。同時に、本発明は太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュールを提供する。
本発明による太陽電池用の導電ペーストは、銀パウダー、ガラス、有機ビヒクル、及びテルル合金化合物を含み、テルル合金化合物は、ガラスの軟化点よりも少なくとも３００℃高い融点を有する。
本発明の実施形態において、前記テルル合金化合物の前記融点は９００℃以上である。
本発明の実施形態において、前記テルル合金化合物は、テルル化鉛、テルル化亜鉛、テルル化銀、又はそれらの組合せを含む。
本発明の実施形態において、前記ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ケイ素、又はそれらの組合せを含む。
本発明の実施形態において、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、前記ガラスの量は０.０１重量％〜７重量％であり、またテルル合金化合物の量は０.０１重量％〜５重量％である。
本発明の実施形態において、前記ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス、及び酸化亜鉛含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.０１重量％〜３.５重量％である。
本発明の実施形態において、前記ガラスの材料は、酸化鉛及び酸化テルルを含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.２５重量％〜４重量％である。
本発明の実施形態において、前記ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス及び酸化ケイ素を含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.２５重量％〜３.５重量％である。
本発明の実施形態において、前記ガラスの材料は、酸化鉛及び酸化ビスマスを含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.５重量％〜３重量％である。
本発明の太陽電池は、上述した太陽電池用の導電ペーストによって形成した電極を備える。
本発明の太陽電池製造方法は、上述した太陽電池用の導電ペーストを使用して太陽電池の電極を形成する。
本発明の太陽電池モジュールは、上述した太陽電池又は上述した太陽電池製造方法によって形成した太陽電池を備える。
上述したことに基づいて、本発明による太陽電池用の導電ペーストは、ガラスの軟化点よりも少なくとも３００℃高い（例えば、９００℃以上の）融点を有するテルル合金化合物を含む。したがって、ガラスの焼成は、焼成の程度を制御するようガラス焼成を抑制し、太陽電池の電気的接続を改善し、また電池効率を高めることができる。この結果、従来技術におけるＰＮ接合のガラス焼成によって生ずる電池効率低下の問題を解決することができる。
添付図面は、本発明のよりよい理解をもたらすために設けており、本明細書に組み入れられ、かつその一部をなすものである。図面は、本発明の実施形態を示し、またその記載とともに本発明の原理を説明するのに供する。
テルル合金化合物のＴＧＡ分析結果である。 テルル合金化合物及びガラスの混合物のＴＧＡ分析結果である。
本発明は、太陽電池の正（positive）電極を形成するのに使用することができる太陽電池用の導電ペーストを提供する。より具体的には、本発明による太陽電池用の導電ペーストは、銀パウダー、ガラス、有機ビヒクル、及び高融点テルル合金化合物を備えることができる。以下に太陽電池用の導電ペーストにおける各成分を詳細に説明する。
＜テルル合金化合物＞
本発明の実施形態において、高融点テルル合金化合物は、ガラスの軟化点よりも少なくとも３００℃高い融点を有することができ、またその融点は、例えば、９００℃以上である。本発明におけるガラスの軟化点は、例えば３１７℃〜４６５℃であり、また、テルル合金化合物はガラスの軟化点よりも少なくとも３００℃高い融点を有することができ、またしたがって、テルル合金化合物の融点は、例えば６１７℃〜７６５℃である。より具体的には、テルル合金化合物は、テルル化鉛、テルル化亜鉛、テルル化銀、又はそれらの組合せを含むことができ、ここで、テルル化鉛の融点は約９２４℃であり、テルル化銀の融点は約９５５℃であり、テルル化亜鉛の融点は約１２３８℃である。しかし、本発明はそれに限定されず、例えば、９００℃以上の融点を有する他のテルル合金化合物も使用することができ、例えば、テルル化銅、テルル化マンガン、テルル化カドミウム、又はテルル化鉄を使用することができ、ここで、テルル化銅の融点は約１１２５℃であり、テルル化マンガンの融点は約１１５０℃であり、テルル化カドミウムの融点は約１０９０℃であり、テルル化鉄の融点は約９１４℃である。
図１は、テルル合金化合物の熱重量分析（ＴＧＡ：thermogravimetric analysis）分析結果である。図２は、テルル合金化合物及びガラスの混合物のＴＧＡ分析結果である。ＴＧＡにおける温度上昇を制御するとき、材料酸化生起は材料重量増加率曲線から推測することができ、とくに、材料重量増加率が急激に増加するときに推測することができる。
図１に示すように、テルル化ビスマス、テルル化鉛、テルル化亜鉛、及びテルル化銀という４種類のテルル合金化合物のうち、材料重量増加率曲線は、テルル化ビスマスが低い温度で急激に上昇し、これに続いてテルル化鉛、テルル化亜鉛、及びテルル化銀がその順序で上昇することを示す。したがって、高融点を有するテルル化鉛、テルル化亜鉛、及びテルル化銀と比べると、比較的低い融点（５８５℃）を有するテルル化ビスマスがより容易に酸化し易いことが分かる。この現象は、図２におけるテルル合金化合物及びガラスが混合されている場合でも、同様に生起し、質量が増加し始める順番は、先ずテルル化ビスマスを含む混合物であり、それに続いて、テルル化鉛の混合物、テルル化亜鉛の混合物、及びテルル化銀の混合物が続く。したがって、ガラスが混合される場合において、より低い融点を有するテルル化ビスマスに比べると、高い融点を有するテルル化鉛、テルル化亜鉛、及びテルル化銀は、依然として酸化し難いという特性を有する。上述のＴＧＡ結果に基づいて、本発明導電ペーストは、高融点テルル合金化合物を含み、またガラス焼成生起を抑制して焼成の程度を制御し、これにより電気的接続を改善し、また電池効率を向上することができる。
＜ガラス＞
本発明実施形態において、ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ケイ素、又はそれらの組合せを含むことができる。しかし、本発明はそれに限定されず、ガラスの材料は、以下の元素又はそれら元素の酸化物からなるグループのうち１つ又は複数を含むこともでき、すなわち、該元素としては、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、銅（Ｃｕ）、ストロンチウム（Ｓｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、セレン（Ｓｅ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）、ケイ素（Ｓｉ）、エルビウム（Ｅｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、タリウム（Ｔｌ）、ガリウム（Ｇａ）、セリウム（Ｃｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びランタン（Ｌａ）である。
より具体的には、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、ガラス及びテルル合金化合物の総量は、例えば０.０２重量％〜１２重量％であり、好適には０.０２重量％〜１０重量％であり、前記ガラスの量は、例えば０.０１重量％〜７重量％であり、またテルル合金化合物の量は、例えば０.０１重量％〜５重量％である。
例えば、ガラスの材料が酸化鉛及び酸化ビスマスを含むとき、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、ガラスの量は、例えば、０.０１重量％〜２重量％とし、またテルル合金化合物の量は０.５重量％〜３重量％とする。ガラスの材料が、酸化テルル、酸化ビスマス、及び酸化亜鉛を含むとき、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、ガラスの量は、例えば、０.０１重量％〜５重量％とし、またテルル合金化合物の量は０.０１重量％〜３.５重量％とする。代案として、ガラスの材料が酸化鉛及び酸化ビスマスを含むとき、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、ガラスの量は、例えば、０.０１重量％〜６重量％とし、またテルル合金化合物の量は０.２５重量％〜４重量％とする。代案として、ガラスの材料が、酸化ビスマス、酸化テルル、及び酸化ケイ素を含むとき、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、ガラスの量は、例えば、０.０１重量％〜３重量％とし、またテルル合金化合物の量は０.２５重量％〜３.５重量％とする。
＜銀パウダー＞
本発明の実施形態において、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、銀パウダーの量は、例えば６０重量％〜９５重量％とし、また銀パウダーの粒径は、例えば０.０５μｍ〜１０μｍとする。粒子の形状は、フレーク状、球状、円柱状、ブロック状、又はサイズに適合する不特定形状とすることができる。
＜有機ビヒクル＞
本発明の実施形態において、有機ビヒクルは、溶剤、粘着剤、及び添加剤を含むことができ、また有機ビヒクルは、導電ペーストに施す焼結プロセス中に除去することができる。太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、有機ビヒクルの量は、例えば５重量％〜４０重量％とする。より具体的には、溶剤の機能は粘着剤を溶解させて粘性を生ずるようにするものであり、またジエチレン・グリコール・モノブチル・エーテル、テキサノール、αテルピネオール、又はそれらの組合せを含むことができる。粘着剤の機能は溶剤に粘性を付与するものであり、またエチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、酢酸セルロース、ニトロセルロース、又はそれらの組合せを含むことができる。添加剤の機能は導電ペーストの特性を改善するものであり、その例としては、限定しないが、共開始剤、感作物質、結合剤、分散剤、保湿剤、増粘剤、消泡剤、若しくはチキソトロピック剤とすることができ、又はその例としては、以下に限定しないが、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、二酸化セレン（ＳｅＯ２）、酸化鉛（ＰｂＯ）、三酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、三酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、フッ化亜鉛（ＺｎＦ２）、三酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、又は酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）とすることができる。
以下に、本発明により提供される太陽電池用の導電ペーストを実験例により詳細に説明する。しかし、以下の実験例は本発明を限定するものではない。
実験例
本発明の導電ペーストが電気的接続を改善し、また電池効率を向上することを証明するため、以下の実験例を提示する。
導電ペーストの調合及び太陽電池性能評価
太陽電池用の導電ペーストは、以下の表１〜表５に挙げた各成分の量に基づいて調合し、またその太陽電池性能は、曲線因子（FF）及び変換効率（NCell）を含めて測定した。表１〜表５において、テルル合金化合物及びガラスの量は、導電ペーストの総重量に基づき、また重量％の単位である。
調合方法において、約６０ｇ〜約９０ｇの銀パウダー、約０.０１ｇ〜約７ｇのガラス、約５ｇ〜約４０ｇの有機ビヒクル、及び約０.０１ｇ〜約５ｇのテルル合金化合物を３ロールミル内で均一に混合及び分散させて、導電ペーストを形成した。この導電ペーストをスクリーン印刷により太陽電池基板の前面に印刷し、この場合、太陽電池基板の表面は、反射防止剤（窒化ケイ素）印刷によって前処理し、また太陽電池基板の背面電極はアルミ接着剤で前処理した。スクリーン印刷後、乾燥温度は約１００℃〜４００℃であり、乾燥時間は約５秒〜約３０分であった（有機ビヒクルのタイプ及び印刷重量に基づいて異なる）。赤外線コンベアベルト焼結炉を使用する乾燥後に焼成ステップを実施し、また焼結温度は約８００℃〜約９８０℃に設定した。焼成後に太陽電池基板の前面及び背面の双方に固体電極が形成された。
太陽電池性能の測定方法は、ソーラー試験機（ベルガー社のPulsed Solar Load PSL-SCD）上に太陽電池を配置するステップと、ＡＭ1.5Ｇの太陽光状態における太陽電池の曲線因子（FF、単位％）及び変換効率（NCell、単位％）のような電気的特性を測定するステップとを含む。
表１において、ガラスＡは、主に酸化テルル、酸化ビスマス及び酸化亜鉛を含み、また３６５℃の軟化点を有し、またガラスＡで形成した導電ペーストを単結晶基板上に印刷して太陽電池を形成した。表１に示すように、高融点テルル合金化合物（テルル化鉛、テルル化亜鉛、又はテルル化銀）を使用した実験例１〜実験例１２の比較によれば、低融点テルル化ビスマスを使用した比較例１は、相当低い変換効率NCellを有していた。
表２において、ガラスＢは、主に酸化鉛及び酸化テルルを含み、また３１７℃の軟化点を有し、またガラスＢで形成した導電ペーストを単結晶基板上に印刷して太陽電池を形成した。表２に示すように、高融点テルル合金化合物（テルル化鉛、テルル化亜鉛、又はテルル化銀）を使用した実験例１３〜実験例２１の比較によれば、低融点テルル化ビスマスを使用した比較例２は、相当低い変換効率NCellを有していた。
表３において、ガラスＣは、主に酸化ビスマス、酸化テルル及び酸化ケイ素を含み、また４６５℃の軟化点を有し、またガラスＣで形成した導電ペーストを単結晶基板上に印刷して太陽電池を形成した。表３に示すように、高融点テルル合金化合物（テルル化鉛、又はテルル化銀）を使用した実験例２２〜実験例３１の比較によれば、低融点テルル化ビスマスを使用した比較例３は、相当低い変換効率NCellを有していた。
表４において、ガラスＤは、主に酸化鉛及び酸化ビスマスを含み、また４４０℃の軟化点を有し、またガラスＤで形成した導電ペーストを単結晶基板上に印刷して太陽電池を形成した。表４に示すように、高融点テルル合金化合物（テルル化鉛、又はテルル化銀）を使用した実験例３２〜実験例３５の比較によれば、低融点テルル化ビスマスを使用した比較例４は、相当低い変換効率NCellを有していた。
表５において、ガラスＤで形成した導電ペーストを多結晶基板上に印刷して太陽電池を形成した。表５に示すように、高融点テルル合金化合物（テルル化鉛、テルル化亜鉛又はテルル化銀）を使用した実験例３６〜実験例４０の比較によれば、低融点テルル化ビスマスを使用した比較例５は、相当低い変換効率NCellを有していた。
上述の表１〜表５の実験結果は単結晶又は多結晶のうちいずれの基板を使用するかには無関係に、導電ペーストが低融点テルル合金化合物を含むとき、溶融ガラスが早期に焼成し、ＰＮ接合が焼成し、結果として電池効率が低下する。比較において、導電ペーストが９００℃以上の融点を有する高融点テルル合金化合物を含むとき、ガラスの焼成が抑制されて焼成程度を制御することができる。したがって、太陽電池の電気的接続が改善され、また電池効率が向上できる。
上述のことに基づいて、本発明は、太陽電池の正（positive）電極を形成するのに使用することができ、またガラスの軟化点より少なくとも３００℃高い（例えば、９００℃以上の）融点を有する高融点テルル合金化合物を含む太陽電池用の導電ペーストを提供する。したがって、ガラスの焼成が抑制されて焼成程度を制御することができる。したがって、太陽電池の電気的接続が改善され、また電池効率が向上できる。この結果、従来技術における溶融ガラスの過剰焼成によって引き起こされる電池効率低下の問題を解決することができる。
本発明を上述の実施形態につき説明したが、当業者であれば、上述の実施形態に対して発明の精神から逸脱することなく変更を加えることができるのは明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、上述の詳細な説明ではなく、特許請求の範囲によって定義される。
本発明の太陽電池用の導電ペースト、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュールは、異なる分野、例えばエレクトロニクス産業、機械産業、及び自動車産業等に適用することができる。

Claims (12)

  1. 太陽電池用の導電ペーストであって、
    銀パウダーと、
    ガラスと
    有機ビヒクルと、及び
    前記ガラスの軟化点よりも少なくとも３００℃高い融点を有するテルル合金化合物と、
    を備える、太陽電池用の導電ペースト。
  2. 請求項１記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記テルル合金化合物の前記融点は９００℃以上である、太陽電池用の導電ペースト。
  3. 請求項２記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記テルル合金化合物は、テルル化鉛、テルル化亜鉛、テルル化銀、又はそれらの組合せを含む、太陽電池用の導電ペースト。
  4. 請求項１記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化ケイ素、又はそれらの組合せを含む、太陽電池用の導電ペースト。
  5. 請求項１記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、前記ガラスの量は０.０１重量％〜７重量％であり、またテルル合金化合物の量は０.０１重量％〜５重量％である、太陽電池用の導電ペースト。
  6. 請求項４記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス、及び酸化亜鉛含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.０１重量％〜３.５重量％である、太陽電池用の導電ペースト。
  7. 請求項４記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記ガラスの材料は、酸化鉛及び酸化テルルを含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.２５重量％〜４重量％である、太陽電池用の導電ペースト。
  8. 請求項４記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記ガラスの材料は、酸化テルル、酸化ビスマス及び酸化ケイ素を含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.２５重量％〜３.５重量％である、太陽電池用の導電ペースト。
  9. 請求項４記載の太陽電池用の導電ペーストにおいて、前記ガラスの材料は、酸化鉛及び酸化ビスマスを含み、また太陽電池用の導電ペーストの総重量に基づいて、テルル合金化合物の量は０.５重量％〜３重量％である、太陽電池用の導電ペースト。
  10. 請求項１記載の太陽電池用の導電ペーストによって形成した電極を備える、太陽電池。
  11. 請求項１記載の太陽電池用の導電ペーストを使用して前記太陽電池の電極を形成する太陽電池製造方法。
  12. 請求項１０記載の太陽電池又は請求項１１記載の太陽電池製造方法によって形成した太陽電池を備える、太陽電池モジュール。
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