JP6046753B2 - 改良された接着特性を有する鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩無機反応系 - Google Patents
改良された接着特性を有する鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩無機反応系 Download PDFInfo
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Description
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IRSに関する。IRSは、導電性ペースト組成物に使用される場合、複数の機能を果たす。まず、IRSは、導電性粒子を焼結し、ペーストから半導体基板の接触面まで移動させることができる、導電性粒子のための送達媒体を提供する。IRS系はまた、高温に供される場合、接触面で物理および化学反応を受けるペースト成分のための反応媒体を提供する。物理反応としては、限定されないが、融解、溶解、拡散、焼結、沈殿および結晶化が挙げられる。化学反応としては、限定されないが、合成(新たな化学結合を形成する)および分解、還元および酸化ならびに相転移が挙げられる。
一実施形態によれば、PBTS IRSは以下の式によって表すことができる:
Pba−Bib−Tec−Sig−Md−Oe (式I)
式中、0<a、b、d、またはg≦1、0≦c≦0.5、0≦d、e≦1であり、a、b、c、dおよびgの合計は1である。Mはガラス生成物質として作用できる1種以上の元素である。変数「e」はPba−Bib−Tec−Mdの成分の荷電の平衡を保つ。
一実施形態において、接触促進IRSは、以下の式によって表される鉛−ビスマス−テルル(PBT)IRSから生成されてもよい:
Pba−Bib−Tec−Md−Oe (式II)
式中、0<a、b、cおよびd≦1、a+b+c+d=1、0≦d≦0.5であり、Mは、ガラス生成物質として作用できる1種以上の追加の元素であり、変数「e」は、Pba−Bib−Tec−Mdの成分の電荷の平衡を保つ。好ましい実施形態において、0≦d≦0.1である。鉛対ビスマス、すなわちa:bの比は、5:95〜95:5である。好ましくは、a:bの比は、10:90〜90:10である。鉛対テルル、すなわちa:cの比は、10:90〜90:10である。より好ましくは、a:cの比は、15:85〜約30:70未満である。ビスマス対テルル、すなわちb:cの比は、好ましくは、5:95〜95:5である。より好ましくは、b:cの比は、10:90〜80:20である。さらに、鉛およびビスマス対テルル、すなわち(a+b)/cの比は、好ましくは、10:90〜90:10、より好ましくは、20:80〜80:20である。
PBTS IRSは、固体状態合成、融解およびクエンチ、または他のChimie Douce(ソフト化学)プロセスを含む、当該分野において公知の任意の方法によって形成され得る。典型的な融解およびクエンチプロセスにおいて、第1の工程は適切な量の出発物質(通常、粉末形態)を混合することである。この混合物は、次いで、融解物を形成するために空気中または酸素含有雰囲気中で加熱される。融解物は、次いで、クエンチされ、次いでそれは、所望の粒径を有する混合物を提供するために、粉砕され、ボールミル加工され、スクリーニングされる。例えば、粉末形態の成分はV−combブレンダー中で一緒に混合されてもよい。混合物は、次いで、約30〜40分間、加熱(例えば約800〜1200℃)され、出発物質は1つのガラス系を形成するように反応できる。IRSは、次いで、クエンチされ、砂状の粘度が得られる。この粗粉末は、微粉が得られるまでボールミルまたはジェットミルのように粉砕される。IRS粒子は、約0.01〜20μm、好ましくは約0.1〜5μmの平均粒径(d50)に粉砕されてもよい。一実施形態において、IRS粒子は、約5〜約100nmの範囲のd50を有するナノサイズの粒子として形成されてもよい。
本発明の1つの態様は導電性ペースト組成物に関する。所望の導電性ペーストは、得られる太陽電池の電気性能を最適化するように高い導電性であるものである。導電性ペースト組成物は一般に、金属粒子、有機ビヒクル、および本明細書に説明されているPBTS IRS組成物からなる。一実施形態によれば、導電性ペーストは、ペーストの全重量を100%として、(i)少なくとも約50wt%かつ約95wt%以下の金属粒子;(ii)少なくとも約0.05wt%かつ約10wt%以下のIRS;および(iii)少なくとも約1wt%かつ約25wt%以下の有機ビヒクルを含む。好ましい実施形態において、ペーストは、ペーストの全重量を100%として、少なくとも約0.1wt%のPBTS IRSを含む。同時に、ペーストは、好ましくは約5wt%以下のPBTS IRS、好ましくは約3wt%以下のPBTS IRSを含む。
導電性ペーストはまた、導電性金属粒子も含む。導電性ペーストは、ペーストの全重量を100%として、少なくとも約50wt%の金属粒子、好ましくは少なくとも約60wt%、より好ましくは少なくとも約70wt%、最も好ましくは少なくとも約80wt%を含んでもよい。同時に、ペーストは好ましくは、ペーストの全重量を100%として、約95wt%以下の金属粒子を含む。
本発明の導電性ペーストはまた、有機ビヒクルを含む。一実施形態において、有機ビヒクルは、ペーストの全重量を100%として、少なくとも約0.01wt%および約50wt%以下、好ましくは約30wt%以下、最も好ましくは約20wt%以下の量で導電性ペースト中に存在する。
別の実施形態によれば、導電性ペーストは、導電性粒子、PBT IRSおよび有機ビヒクルと異なる添加剤を含んでもよい。好ましい添加剤は、導電性ペースト、それらの製造された電極、または得られた太陽電池の向上された性能に寄与する。当業者にとって公知であり、本発明に関して好適と考えられる全ての添加剤は、導電性ペースト中の添加剤として用いられてもよい。好ましい添加剤は、限定されないが、チキソトロピック剤、粘度調整剤、乳化剤、安定剤またはpH調整剤、無機添加剤、増粘剤および分散剤、またはそれらの少なくとも2つの組み合わせであり、無機添加剤が最も好ましい。好ましい無機添加剤は、限定されないが、アルカリおよびアルカリ土類金属、遷移金属、例えば、ニッケル、ジルコニウム、チタン、マンガン、スズ、ルテニウム、コバルト、鉄、銅およびクロムタングステン、モリブデン、亜鉛;ポスト遷移(post−transition)金属、例えば、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、テルル、ガドリニウム、鉛、ビスマス、アンチモン、希土類金属、例えば、ランタン、セリウム、酸化物、混合金属酸化物、錯体化合物、またはこれらの酸化物から形成される非晶質もしくは部分的に結晶化されたガラス、またはこれらの少なくとも2つの任意の組み合わせ、好ましくは亜鉛、アンチモン、マンガン、ニッケル、タングステン、テルルおよびルテニウム、またはこれらの少なくとも2つの組み合わせ、これらの酸化物、焼結するとこれらの金属酸化物もしくはガラスを生成できる化合物、または上述の金属の少なくとも2つの混合物、上述の酸化物の少なくとも2つの混合物、こ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つの混合物、混合金属酸化物、化合物、または焼結による非晶質もしくは部分的なガラス、または上記の任意の2つ以上の混合物を含む。
導電性ペースト組成物を形成するために、IRSは、ペースト組成物を調製するための当該分野において公知の任意の方法を使用して導電性金属粒子および有機ビヒクルと組み合わされてもよい。調製方法は、均一に分散されたペーストを生じる限り、重要ではない。組成物はミキサーなどで混合されてもよく、次いで例えば、分散された均一なペーストを生成するために3本ロールミルを通過する。
別の態様において、本発明は、太陽電池に関する。一実施形態において、太陽電池は半導体基板(例えば、シリコンウエハー)と本明細書に記載された実施形態の何れかに係る導電性ペースト組成物を含から形成される。
好ましいウエハは、太陽電池の領域の中でもとりわけ、高効率で光を吸収し、電子正孔対を生成し、正孔と電子を高効率で境界面、好ましくはp−n接合境界を越えて分離することができる領域である。好ましいウエハは、正面ドープ層と背面ドープ層から作製された単体を含むものである。
いことである。
好ましいドーパントは、Siウエハに添加されたとき、電子または正孔をそのバンド構造に導入してp−n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定および濃度は、そのp−n接合のバンド構造のプロファイルを調整し、その光吸収と導電性プロファイルとを要求どおりにセットするように具体的に選択されることが好ましい。好ましいp型ドーパントは、Siウエハバンド構造に正孔を追加するものである。本発明の当業者に公知であり、本発明に関して適していると考えられる全てのドーパントは、p型ドーパントとして用いられてよい。好ましいp型ドーパントは、限定されないが、三価の元素、特に周期表の13族の元素を含む。好ましい周期表の13族の元素は、限定されないが、B、Al、Ga、In、Tlまたはそれらの少なくとも二つの組み合わせを含み、Bが特に好ましい。
本発明の一態様は本発明の方法から得られる太陽電池である。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割合に関して、高い効率を有するものである。軽量で耐久性のある太陽電池も好ましい。最低でも、太陽電池は典型的に、(i):前面電極、(ii)前面ドープ層、(iii)p−n接合境界、(iv)背面ドープ層、および(v)はんだ付けパッドを含む。太陽電池はまた、化学/機械的保護のための追加の層を含んでもよい。
反射防止層は、電極が太陽電池の前面に塗布される前に外層として塗布され得る。好ましい反射防止層は、前面で反射された入射光の割合を減少させ、前面を横切りウエハに吸収される入射光の割合を増加させるものである。好ましい吸収/反射比は、用いられる導電性ペーストによってエッチングすることで影響を受ける一方で導電性ペーストの焼成に必要とされる温度に耐久性があり、その電極界面の近くで電子と正孔の増加した再結合の原因にならない反射防止層が好ましい。当業者に公知で、本発明において適切と考えられる全ての反射防止層が用いられてもよい。好ましい反射防止層は、限定されないが、SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2また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含む。好ましい実施形態によれば、反射防止層は、特にSiウエハが用いられる場合にはSiNxである。
1以上の保護層が、外層としてシリコンウエハの前面および/または背面に塗布され得る。保護層は、前面電極が形成される前に塗布されてもよく、または存在するなら、反射防止層が塗布される前に塗布されてもよい。好ましい保護層は、電極界面の近くで電子/正孔の再結合の割合を減少させるものである。当業者に公知で、本発明において適切と考えられる任意の保護層が用いられ得る。好ましい保護層は、限定されないが、窒化ケイ素、二酸化ケイ素および二酸化チタンを含む。好ましい実施形態によれば、窒化ケイ素が使用される。少なくとも0.1nm、好ましくは少なくとも約10nm、最も好ましくは少なくとも約30nmの厚さを有する保護層が好ましい。同時に、保護層は、好ましくは約2μm以下、より好ましくは約1μm以下、最も好ましくは約200nm以下である。
太陽電池の主な機能に直接的に寄与する上記の層に加えて、さらなる層は機械的および化学的な保護のために追加され得る。
太陽電池は、前面電極を形成するために、導電性ペースト組成物を、シリコンウエハなどの半導体基板の前面上の窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化チタンまたは酸化アルミニウムなどの反射防止コーティングに塗布することによって調製され得る。本発明の背面導電性ペーストが次いで、はんだ付けパッドを形成するために太陽電池の背面に塗布されてもよい。導電性ペーストは、当業者に公知であり、本発明に関して適していると考えられる任意の方法で塗布されてもよい。例としては、限定されないが、含浸、浸漬、鋳込み、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、ブラッシングまたは印刷またはそれらの少なくとも二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二つの組み合わせである。導電性ペーストが印刷により、好ましくはスクリーン印刷により塗布されるのが好ましい。特に、スクリーンは、好ましくは少なくとも約10μm、より好ましくは少なくとも約20μm、最も好ましくは少なくとも約35μmの直径で開口するフィンガラインを有する。同時に、フィンガライン開口直径は、好ましくは約100μm以下、より好ましくは約80μm以下、最も好ましくは約70μm以下である。
引張力試験
得られた導電性ペーストの、引張力としても知られている、接着強度を測定するために使用される1つの方法は、シリコン太陽電池に印刷される導電性ペースト層にはんだワイヤを適用することである。標準的なはんだワイヤは、Somont Cell Connecting自動はんだ付け機械(Meyer Burger Technology Ltd.によって製造される)などの自動機械によって、または当該分野において公知の方法によるハンドヘルドはんだガンを用いて手動で電極に適用される。本発明において、約20μm 62/36/2はんだコーティングを有する0.20×0.20mmの銅リボンを使用したが、当該分野の工業で一般的で、公知の他の方法が使用されてもよい。具体的には、太陽電池の長さの約2.5倍のリボンの長さが切断される。はんだフラックスは切断リボン上にコーティングされ、1〜5分間乾燥される。次いでセルがはんだ付け固定具に取り付けられ、リボンが電極の上部に並べられる。はんだ付け固定具は予熱ステージにロードされ、セルは150〜180℃にて15秒間予熱される。予熱後、はんだ付けピンが下げられ、リボンが220〜250℃にて0.8〜1.8秒間電極にはんだ付けされる。銅ワイヤを電極の長さにはんだ付けして、GP Solar GP PULL−TEST Advancedなどの引張試験器を使用して接着力を測定する。はんだ付けしたリボンの尾端部は、引張試験器における力測定器に取り付けられ、6mm/sの一定の速度にて約180℃で剥ぎ取られる。力測定器は、100s−1のサンプリングレートで接着力(ニュートン)を記録する。
本発明の別の態様は本発明の太陽電池から形成される太陽電池モジュールである。複数の太陽電池は、モジュールと呼ばれる集合的構成を形成するために空間的に配置され、電気的に接続され得る。好ましいモジュールは、多くの構成、好ましくはソーラーパネルとして知られている矩形の構成を有してもよい。太陽電池を電気的に接触する様々な方法、および集合的構成を形成するためにこのようなセルを機械的に配置し、固定する様々な方法は当該分野において周知である。当該分野において公知であり、本発明に関して好適とみなされる任意のこのような方法が利用されてもよい。好ましい方法は、低い質量対出力比、低い体積対出力比、および高い耐久性を生じるものである。アルミニウムが太陽電池を機械的に固定するための好ましい材料である。
PBTS IRS(G1−G6)を含むIRS組成物のセットを、以下の表1に記載した成分を用いて調製した。表1に記載されるように、接触促進IRSのみを含む対照も調製した。サンプルを、表1に指定した量で個々の酸化物成分を混合することによって100gバッチ中で調製した。酸化物混合物を8.34in3体積のColoradoるつぼに充填した。次いでるつぼを800℃にて40分間オーブンに入れ、酸化物混合物を予熱した。予熱後、るつぼを15分間1300℃にて耐火性オーブン内に動かし、ガラス混合物中に個々の成分を溶解した。次いで溶解したガラスをオーブンから取り除き、急速にクエンチするために脱イオン水を含有するバケツに注いだ。このガラス物質を1Lセラミックボールミル中でさらに処理した。ボールミルを、1/2インチの円筒形アルミナ媒体、または2mm直径のイットリウム安定化ジルコニア(YTZ)粉砕媒体、および脱イオン水でほぼ半分に満たした。ガラスをボールミルに加え、60〜80RPMにて8時間回転させた。フライス加工後、ガラスを325メッシュ篩で濾過し、125℃にて24時間乾燥させた。全ての量はIRSの全重量100%に基づく。
PBTS IRS組成物(G7−G12)の第2のセットを、実施例1に記載されるパラメータに従って、以下の表3に記載される開始物質を用いて調製した。全ての量はIRSの全重量を100%として表す。
別のセットの例示的なペーストを、以下の表5に記載されている異なる接触促進IRSを使用したことを除いて、実施例2A(G7−G12)の同じPBTS IRS組成物を用いて調製した。接触IRS2はM−酸化物として酸化亜鉛を含有した。
第3のセットのPBTS IRS組成物(G13−G18)を、実施例1に記載されるパラメータに従って以下の表7に記載される開始物質を用いて調製した。全ての量はIRSの全重量を100%として表す。
第4のセットのPBTS IRS組成物(G19−G22)を、実施例1に記載されるパラメータに従って以下の表9に記載される開始物質を用いて調製した。全ての量はIRSの全重量を100%として表す。
第5のセットのPBTS IRS組成物(G23−G25)を、実施例1に記載されるパラメータに従って以下の表11に記載される開始物質を用いて調製した。全ての量はIRSの全重量を100%として表す。
別のセットのPBTS IR組成物は、実施例1に記載されるパラメータセットに従って以下の表13に記載される開始物質を用いて調製できる。これらの組成物はLi2Oおよび/またはB2O3をさらに含む。全ての量はIRSの全重量100%に基づく。接触促進IRSのみを含有する対照ペーストと比較して、予測的IRS組成物を用いて調製したペーストの予想される接着性能を以下の表14に記載する。
別のセットのPBTS IRS組成物は、実施例1に記載されるパラメータに従って以下の表15に記載される開始物質を用いて調製できる。これらの組成物の全てはPBTS系のみを含有する。全ての量はIRSの全重量100%に基づく。接触促進IRSのみを含有する対照ペーストと比較して予測的IRS組成物を用いて調製されるペーストの予想される接着性能を以下の表16に記載する。
Claims (29)
- 式(I):
Pba−Bib−Tec−Sig−Md−Oe
(式中、0≦e≦1であり、a、b、c、dおよびgの合計は1であり、0<a≦0.05、0.2<b≦0.95、0<c≦0.5、0<d≦0.2、0<g≦0.5であり、a:bは0.1:99.9〜5:95であり、b:cは50:50〜99:1であり、a:cは1:99〜10:90であり、b:gは50:50〜98:2であり、Mは亜鉛、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、リン、アンチモン、ニオブ、タンタル、バナジウム、チタン、モリブデン、タングステン、クロム、銀、ハロゲン、アルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属からなる群から選択される1以上の元素であり、eは、Pb、Bi、Te、SiおよびMの成分の平衡を保つのに十分な数である)
の鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩組成物を含む、無機反応系。 - aが、0.03以下である、請求項1に記載の無機反応系。
- bが、0.5超である、請求項1または2に記載の無機反応系。
- cが、少なくとも0.05かつ0.3以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の無機反応系。
- dが、少なくとも0.002、かつ0.1以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の無機反応系。
- gが、少なくとも0.05、かつ0.3以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の無機反応系。
- b:cは、70:30〜95:5である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の無機反応系。
- b:gは、60:40〜90:10である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の無機反応系。
- Mが、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、リン、アンチモン、ニオブ、タンタル、バナジウム、チタン、モリブデン、タングステン、クロム、銀、ハロゲン、アルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属からなる群から選択される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の無機反応系。
- 鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩組成物が、無機反応系の全重量を100%として、少なくとも0.05wt%、かつ1wt%以下の鉛含有化合物から形成される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の無機反応系。
- 鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩組成物が、無機反応系の全重量を100%として、少なくとも30wt%、かつ90wt%以下のビスマス含有化合物から形成される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の無機反応系。
- 鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩組成物が、無機反応系の全重量を100%として、少なくとも2wt%、かつ15wt%以下のテルル含有化合物から形成される、請求項1〜11のいずれか一項に記載の無機反応系。
- 鉛−ビスマス−テルル−ケイ酸塩組成物が、無機反応系の全重量を100%として、少なくとも5wt%、かつ55wt%以下のケイ素含有化合物から形成される、請求項1〜12のいずれか一項に記載の無機反応系。
- 金属粒子と、
請求項1〜13のいずれか一項に記載の少なくとも1つの無機反応系と、
有機ビヒクルと、
を含む、導電性ペースト組成物。 - 接触促進無機反応系をさらに含む、請求項14に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記接触促進無機反応系が、鉛−ビスマス−テルル無機反応系である、請求項15に記載の導電性ペースト組成物。
- 導電性ペースト組成物が、ペーストの全重量を100%として、少なくとも50wt%、かつ95wt%以下の金属粒子を含む、請求項14〜16のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記金属粒子が、銀、アルミニウム、金、ニッケル、銅、およびそれらの合金または混合物からなる群から選択される、請求項14〜17のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物。
- 導電性ペースト組成物が、ペーストの全重量を100%として、少なくとも1wt%、かつ10wt%以下の無機反応系を含む、請求項14〜18のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物。
- 導電性ペースト組成物が、ペーストの全重量を100%として、少なくとも0.01wt%、かつ50wt%以下の有機ビヒクルを含む、請求項14〜19のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記有機ビヒクルが、
有機溶媒と、
結合剤、界面活性剤、およびチキソトロピック剤、またはそれらの任意の組み合わせのうちの1つ以上と、
を含む、請求項14〜20のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物。 - 前記有機溶媒が、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、ジメチルアジペートグリコールエーテル、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項21に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記結合剤が、エチルセルロース、フェノール樹脂、ポリアクリル酸、ポリビニルブチラール、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ロジン誘導体、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項21または22に記載の導電性ペースト組成物。
- 前記界面活性剤が、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(エチレングルコール)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、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項21〜23のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物。
- 請求項14〜24のいずれか一項に記載の導電性ペースト組成物の焼成体がシリコンウエハに形成されている太陽電池。
- 前記導電性ペースト組成物の焼成体が、前記シリコンウエハの表面上の反射防止コーティングに形成されている、請求項25に記載の太陽電池。
- 請求項25または26に記載の電気的に相互接続した太陽電池を含む太陽電池モジュール。
- 前面および背面を有するシリコンウエハを準備する工程と、
請求項14〜24のいずれか一項に記載の導電性ペーストを前記シリコンウエハに塗布する工程と、
前記シリコンウエハを焼成する工程と、
を含む、太陽電池を製造する方法。 - 前記導電性ペーストが、前記シリコンウエハの前面に塗布される、請求項28に記載の太陽電池を製造する方法。
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