TW201303895A - 用於形成電極之銀膠組成物及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於形成電極之銀膠組成物及其製備方法，其中該用於形成電極之銀膠組成物可形成用於太陽能電池之電極，並表現出良好的印刷適性、優秀的電性質、以及能量轉換效率。該用於形成電極之銀膠組成物包括：銀粉、玻璃燒結粉、有機黏結劑、以及碳黑，其中該碳黑的表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高。

Description

用於形成電極之銀膠組成物及其製備方法
本發明係關於一種用於形成電極之銀膠組成物及其製備方法。尤其是，本發明係關於一種用於形成電極之銀膠組成物、其製備方法、一種用於太陽能電池之前電極、以及一種由該銀膠組成物所形成之矽太陽能電池，其中該用於形成電極之銀膠組成物可形成用於太陽能電池之電極，並表現出良好的印刷適性、優秀的電性質、以及能量轉換效率。
近年來，隨著電子工業的發展，對於電子產品及裝置的微型化與高可靠性產生要求。為了符合此要求，出現各種不同針對形成需要高積體化之電子產品的電路板圖案或電極的嘗試。在此情況下，由於導電金屬膠在製程中不易產生副產物或雜質，使導電金屬膠的使用成為關注的焦點。
典型的金屬膠包括一導電金屬、一玻璃燒結粉、以及一有機黏結劑，且該導電金屬包括：銀、鋁、或諸如此類等。目前，導電金屬膠主要係用於安裝混合積體電路或半導體積體電路，或者用於形成各種不同的電容器或電極，且最近其應用範圍擴大至高科技電子產品，例如：印刷電路板(PCBs)、電致發光材料(ELs)、觸控式平板、無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification，RFID)、液晶顯示器(LCDs)、電漿顯示面板(plasma display panel， PDP)、或太陽能電池。隨著相關產業的擴張與發展，對導電金屬膠的需求也隨之增加。
尤其是，預期到像是石油或煤碳等傳統能源將被耗盡，對替代能源的關注正亦趨增加。在替代能源中，太陽能電池具有充足的能源且不會造成環境汙染，因此成為關注的目標。
太陽能電池分為利用太陽光熱能以產生運轉渦輪所需之蒸氣的太陽能熱電池，以及利用半導體的性質將光子轉換成電能的太陽能光電池。一般而言，太陽能光電池(在本說明書中，稱為太陽能電池)代表太陽能電池。
依據原料，太陽能電池主要分為矽太陽能電池、化合物半導體太陽能電池、以及串聯太陽能電池。在上述三類太陽能電池中，矽太陽能電池主導了太陽能電池的市場。
圖1顯示一矽太陽能電池之基本結構的截面圖。參閱圖1，矽太陽能電池包括一由p型矽半導體所組成之基板101，以及一由n型矽半導體所組成之發射極層102。以與二極體相似的方法，在基板101與發射極層102之間的介面處形成一p-n接面。此外，圖2顯示在太陽能電池結構中的一前電極之構造。如圖2所示，前電極主要係由銀電極形成於太陽能電池基板的前表面上，而背電極係由鋁電極和銀電極形成於基板的背表面上。如此一來，在形成矽太陽能電池時，上述前電極(圖未示)係透過一抗反射膜連接至上述發射極層。
當太陽光入射至具有上述結構之太陽能電池時，藉由光伏打效應(photovoltaic effect)於摻雜有雜質的矽半導體中產生電子及電洞。據此，電子產生於上述由n型矽半導體所組成之發射極層102中以作為複數個載子，而於此同時電洞則產生上述於由p型矽半導體所組成之基板101中以作為複數個載子。上述由光伏打效應所產生之電子及電洞分別被拉向上述n型及p型矽半導體，並且分別移動至在發射極層102上的前電極103以及在基板101下的背電極104。接著，藉由電線連接這些電極103、104，使電流流通。
除了上述其他電子產品之各種不同的電極，導電金屬膠還可用來形成在太陽能電池中的前電極或背電極。藉由網印製程形成市售矽晶太陽能電池的前電極。為了透過上述製程進一步改善能量轉換效率，需進一步改善在前銀電極與矽發射極層之間的接觸性質。為了提高前電極的導電性，需形成線寬薄線高長的前電極。此外，為了改善太陽能電池中的填充因子，包含在第一電極中的銀應在太陽能電池的發射極層中穩定地再結晶。
然而，當使用習知的銀膠以形成該前電極時，難以完全改善在前銀電極與矽發射極層之間的接觸性質，且在形成線寬薄線高長的前電極上有所限制。因此，太陽能電池的能量轉換效率之改善乃受到限制。尤其是，近來針對能量轉換效率的研究甚至聚焦在0.1%的成長上。
本發明提供一種用於形成電極之銀膠組成物及其製備方法，其中該用於形成電極之銀膠組成物可形成用於太陽能電池之電極，並表現出良好的印刷適性、優秀的電性質、以及能量轉換效率。
此外，本發明另提供一種由該銀膠組成物所形成之用於太陽能電池的前電極以及一種矽太陽能電池。
本發明提供一種用於形成電極之銀膠組成物，包括：一銀粉、一玻璃燒結粉、一有機黏結劑、以及碳黑，其中該碳黑的表面氧/碳原子比(O/C ratio)約為0.4或更高，例如約0.4至0.45。
此外，本發明提供一種用於形成電極之銀膠組成物的製備方法，包括下列步驟：製備一銀膠，其包括一銀粉、一玻璃燒結粉、一有機黏結劑、以及次級粒子型碳黑，其中該次級粒子型碳黑的表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高且直徑為1至5 μm；以及分散該銀膠。
再者，本發明提供一種用於太陽能電池之前電極，係由上述銀膠組成物所形成。
此外，本發明提供一種矽太陽能電池，包括：一矽半導體基板；一發射極層形成於該基板上；一抗反射膜形成於該發射極層上；一前電極透過該抗反射膜連接至該發射極層；以及一背電極連接至一該基板的背面，其中藉由以一預定的圖案將上述銀膠組成物塗佈於該抗反射膜上，並且燒結該銀膠組成物，以形成該前電極。
本發明之用於形成電極的銀膠組成物包括碳黑，當該碳黑被印刷而形成該用於太陽能電池之電極時，其具有特定的物理性質可進一步改善銀和矽之間的接觸性質。此外，該銀膠組成物表現出良好的印刷適性，並且可形成具有薄線寬長線高之用於太陽能電池的電極。
因此，該銀膠組成物可用來形成具有良好電性質及能量轉換性質的太陽能電池，並且有效率地形成其電極。
下文中，將進一步詳細描述依據本發明實施例之用於形成電極的銀膠組成物、其製備方法、以及電極與由其所形成之太陽能電池。
依據本發明之一實施例，提供一種用於形成電極之銀膠組成物，包括：一銀粉、一玻璃燒結粉、一有機黏結劑、以及碳黑，其中該碳黑的表面氧/碳原子比(O/C ratio)為約0.4或更高。
實施例之銀膠組成物包括碳黑，其中該碳黑的表面氧/碳原子比(O/C ratio)為約0.4或更高，例如約0.35至0.5、約0.4至0.45、或約0.41至0.44。藉由在碳黑表面之X光電子光譜儀(x-ray photoelectron spectroscopy，XPS)的頻譜中原子氧及碳的峰值之相對強度(氧原子：O1s峰；碳原子：C1s峰)，可量測及檢驗該氧/碳原子比。
當藉由印刷並燒結該銀膠組成物以形成該用於太陽能電池之前電極時，包含該具有相對較高之氧/碳原子比的碳 黑以進一步改善基板之銀與矽之間的接觸性質。此乃導因於在燒結時，該具有特定性質的碳黑可有效率地融化於銀粉的基板上，因而使銀粒子於較低的溫度下融化並且擴散進入該發射極層。因此，當燒結時，燒結(fire-through)越穩定則銀與矽之間的接觸性質越好，並且在基板與前電極之間形成穩定的歐姆接觸。因此，改善了太陽能電池的填充因子，並且可提供具有良好電性質及能量轉換性質的太陽能電池。
此外，由於實施例之銀膠組成物包括上述碳黑，故具有良好的流變特性。因此，透過網印技術可進一步改善印刷適性，以及有效率地形成具有薄線寬長線高的電極。據此，利用該實施例之銀膠組成物可有效率地形成具有良好性質的矽太陽能電池及其前電極。
如果該碳黑的表面氧/碳原子比太低，將難以增進太陽能電池的電性質及量轉換效率，就像是習知的太陽能電池及其前電極一樣。此外，如果該碳黑的表面氧/碳原子比太高，則會使該銀膠的流變特性劣化而不適用於網印技術，並且當燒結以形成電極時，燒結變得不穩定，而難以改善該填充因子。
下文中，將進一步詳細描述實施例之銀膠組成物的個別成分。
在該銀膠組成物中，藉由複數個初級粒子的附著或聚集使該碳黑成為次級粒子的形式。此外，該碳黑的直徑為約0.02至2 μm、或約0.03至1 μm、或約30至800 nm。在此情 形下，上述碳黑的初級粒子可定義為單一粒子形式之碳黑粒子，而該次級粒子定義為藉由複數個該碳黑之單一粒子(即，初級粒子)之附著與聚集。在上述次級粒子型碳黑中，可藉由在各個次級粒子的表面上之任兩點之間的最大直線距離來定義該直徑。利用SEM影像分析該碳黑可決定該次級粒子型碳黑的直徑。
若該碳黑以該初級粒子的形式包含於該銀膠組成物中，或其直徑太小，將難以製備出黏度範圍適當的銀膠組成物，且可能會降低該銀膠組成物的印刷適性及加工性。若該碳黑的直徑太大，則該碳黑將無法充分地分散於該銀膠組成物中，反而會呈現大量聚集的形式。因此，將難以藉由該碳黑來改善電性質，且可能會降低該銀膠組成物的印刷適性。
為了在實施例的銀膠組成物中包含具有上述次級粒子形式及直徑的碳黑，將該碳黑的初級粒子聚集以形成該碳黑的次級粒子(市售商品或直接合成)，並且將該碳黑與其他成分混合以形成一銀膠混合物，然後當在分散步驟期間調整該碳黑之次級粒子的微細粉末化時，分散各個成分，上述過程將於下文中進一步詳細描述之。
為了製備具有適當表面氧/碳原子比的碳黑，將碳黑經過一表面熱處理、表面電漿處理、或表面酸處理，以控制在碳黑表面上產生之含氧官能基的數量。在該銀膠的製備方法中，碳黑的處理製程將於下文中更詳細地描述。
以該銀膠組成物的總重量為基準，該碳黑的含量約為1至10重量百分比、或約2至8重量百分比、或約3至7重量百分比。若該碳黑的含量太低，該銀膠組成物具有低搖變度(thixotropic index，T.I)而降低了印刷適性或加工性，且將無法藉由碳黑使電性質獲得充分改善。相反的，若該碳黑的含量太高，可能會降低在網印期間的印刷適性或加工性，以及可能會使遮罩阻塞。
同時，實施例的該銀膠組成物包括銀粉作為導電粉末。在該銀膠組成物中，該銀粉的粒子形式及直徑可考量製程條件而進行調整，在該製程條件下，當為了形成電極而進行燒結時，會出現穩定的燒結，以及均勻的最終燒結。例如，該銀粉可包括一非球形的銀粉，例如薄片狀，但較佳為平均直徑約1至3 μm或約2至3 μm的球形銀粉。
若該銀粉的平均值徑太小，將不足以發生歐姆接觸。若該銀粉的平均值徑太大，會使該銀膠組成物的黏度變低，因而無法充分遞增加該電極的線高。
此外，以該銀膠組成物的總重量為基準，該銀粉的含量為約70至90重量百分比、或約75至85重量百分比。若該銀粉的含量太高，可能會使該銀膠組成物的流動性及印刷適性劣化。若該銀粉的含量太低，可能會使該電極的電阻增加而導致電性質劣化。
此外，實施例的銀膠組成物包括一玻璃燒結粉。當燒結時，該玻璃燒結粉融化於該銀粉的表面上，用來使基板上的銀和矽之間相接觸。
該玻璃燒結粉可使用任何一般用在該用來形成電極的膠劑中之玻璃燒結粉，而非僅限於此。該玻璃燒結粉可包括，例如：含有PbO之含鉛玻璃燒結粉或不含Pb之鉍系無鉛玻璃燒結粉。然而，為了進一步改善該電極的性質，例如銀和矽之間的接觸性質，較佳可使用含鉛玻璃燒結粉。
該含鉛玻璃燒結粉的例子可包括：PbO-ZnO-Al2O3-TiO2、PbO-SiO2-B2O3、PbO-SiO2-B2O3-ZnO、或PbO-SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO，而該無鉛玻璃燒結粉的例子可包括：Bi2O3-B2O3-SiO2、Bi2O3-B2O3-ZnO、或Bi2O3-TlOx-B2O3-SiO2。此外，可使用各種不同的玻璃燒結粉，以及可使用兩個或多個上述之混合物、或該含鉛及無鉛玻璃燒結粉之混合物。
同時，實施例之該銀膠組成物包括一有機黏結劑。在藉由將該銀粉、玻璃燒結粉、及碳黑混合以製備該膠劑的過程中，使用該有機黏結劑以均勻地分散上述成分。任何一般常用來製備導電膠組成物的有機黏結劑皆可用來作為該有機黏結劑，而不僅限於此。例如，該有機黏結劑可包括兩者以上的混合物，係擇自由下列所組成之群組：纖維素樹脂、丙烯酸樹脂、丁基卡必醇(butyl carbitol)、以及松脂醇(terpineol)，但不僅限於此。例如，藉由將乙基纖維素或丙烯酸樹脂溶解於一或多個有機溶劑中可使用該有機黏結劑，其中該有機溶劑係擇自丁基卡必醇(butyl carbitol)及松脂醇(terpineol)所組成之群組。
此外，可將上述玻璃燒結粉及有機黏結劑調整至適當的範圍內，使實施例之該銀膠組成物的黏度與性質適合用於網印及電極形成，並且將流動性最佳化以形成具有較高線高的電極。
例如，以該銀膠組成物的總重量為基準，該玻璃燒結粉的含量可為約1至5重量百分比、或約2至3重量百分比。若該有機黏結劑係以樹脂溶解於有機溶劑中的形式，則以該銀膠組成物的總重量為基準，該液態有機黏結劑的含量可為約5至15重量百分比、或約8至12重量百分比。就此情形而言，用來獲得該液態有機黏結劑所使用之該樹脂以及該有機溶劑的含量並沒有特別限制，但可為能適當地溶解該樹脂且使該液態有機黏結劑能夠適當地分散其他成分的含量。
實施例之該銀膠組成物可視需要更包括一添加劑。必要時，除了該銀粉以外，該銀膠組成物更可包括例如：導電金屬粒子、消泡劑、分散劑、或塑化劑。各個添加劑的類型或含量係以為所屬技術領域中具有通常知識者所知悉，且必要時，該銀膠組成物可更包括一有機溶劑。
實施例之上述銀膠組成物的黏度可為約100,000至400,000 cP、或約200,000至300,000 cP(布氏黏度計，心軸14，量測溫度25℃，轉速10 rpm)。當該銀膠組成物具有上述黏度，其可表現出更好的印刷適性。此外，可使用該銀膠組成物以形成一線寬較薄且線高較高的電極。
同時，依據本發明之另一實施例，提供一種上述銀膠組成物的製備方法。此製備方法可包括下列步驟：製備一銀膠，其包括一銀粉、一玻璃燒結粉、一有機黏結劑、以及次級粒子型碳黑，其中該次級粒子型碳黑的表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高且直徑為1至5 μm；以及分散該銀膠。
此外，在製備該銀膠之前，該製備方法可更包括下列步驟：藉由直徑為20至50 nm的初級粒子型碳黑之表面處理，形成表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高的碳黑；以及聚集該經表面處理之碳黑以製備直徑為1至5 μm的該次級粒子型碳黑。
在藉由初級粒子型碳黑之表面處理，形成表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高的碳黑之後，該碳黑聚集以製備該次級粒子型碳黑，接著將該次級粒子型碳黑與其他成分混合，以及將其粉末化並分散，進而有效率地製備該表現出良好的印刷適性、優秀的電性質、以及能量轉換效率之銀膠組成物。
另一實施例之該銀膠組成物的製備方法中的各個步驟如下所述。
首先，在該碳黑的表面處理中，將市售的初級粒子型碳黑經過熱、電漿、或酸表面處理，以增加暴露在該碳黑表面之氧原子的數量。就此情形而言，該初級粒子型碳黑的直徑為約20至50 nm、或約20至30 nm。在經過適當的表面處理後，該初級粒子型碳黑聚集成為次級粒子型碳黑。
在該碳黑的表面處理中，例如，將該碳黑放入一超音波電漿處理裝置中，並且藉由供應約5至20 W的電力可進行約100至300分鐘、或約110至120分鐘的電漿表面處理；或將該碳黑放入一熔爐中，並且可在約600至1000℃或約700至900℃的溫度下進行約10分鐘至1小時、或約20至50分鐘的熱表面處理。
就此情形而言，該初級粒子型碳黑的BET比表面積(Brunauer-Emmett-Teller specific surface area)可為約100至200 m2/g、或約100至150 m2/g，並且利用該初級粒子型碳黑以進行合適的表面處理，進而製備滿足上述氧/碳原子比的碳黑。此外，其能夠使碳黑更有利地分散於該最終銀膠組成物中，以及能夠使該銀膠組成物表現出更好的印刷適性。
在上述表面處理後，將該初級粒子型碳黑聚集以製備該直徑為約1至5 μm、或約2至4 μm的次級粒子型碳黑。可依據已知的方法在一預定的溶劑中進行此聚集。在聚集後，將該次級粒子型碳黑與其他成分混合以製備膠劑混合物，以及藉由分散步驟製備該銀膠組成物。最後，該銀膠組成物更容易被調整為合適的黏度，且該最終銀膠組成物可表現出更好的印刷適性及加工性。
接著，將該次級粒子型碳黑與其他成分，例如該銀粉、該玻璃燒結粉、該有機黏結劑等，混合以形成該銀膠混合物。將此銀膠混合物分散以製備該銀膠組成物。
就此情形而言，可在一典型的攪拌機中混合各個成分，並且將這些成分加入該攪拌機中以及適當地進行混合。
透過分散步驟，可將該碳黑的直徑調整至約0.02至2 μm、約0.03至1 μm、或約30至800 nm，以及將該碳黑所包含的各個成分均勻分散以製備實施例之該銀膠組成物。透過分散步驟，亦可改善與該銀膠之黏度與黏附性有關的流變特性。因此，可利用實施例所得之銀膠組成物來製備該線寬較薄且線高較高的電極。再者，該銀膠組成物表現出較好的印刷適性及加工性。
可藉由使用一3輥磨機、一球磨機、或一鎚磨機重複三至六次地進行該分散步驟，但不僅限於此。
同時，根據另一實施例，提供一種用於太陽能電池之前電極係由上述銀膠組成物所形成，以及一種包括該前電極之矽太陽能電池。該矽太陽能電池，包括：一矽半導體基板；一發射極層形成於該基板上；一抗反射膜形成於該發射極層上；一前電極透過該抗反射膜連接至該發射極層；以及一背電極連接至一該基板的背面，其中藉由以一預定的圖案將上述銀膠組成物塗佈於該抗反射膜上，並且燒結該銀膠組成物，以形成該前電極。
如此一來，當利用該銀膠組成物來形成該前電極時，該矽太陽能電池包括該前電極，上述前電極具有一薄線寬約60至90 μm、或約70至80 μm、或約60至70 μm、以及一高線高約20至35 μm、或約25至30 μm、或約20至25 μm。由於此高線高，可降低該前電極的電阻，並改善電性質。
如上文所述，當利用包括滿足該預定物理性質(例如，表面氧/碳原子比或合適的粒子形式或直徑範圍)之碳黑的銀膠組成物來形成該電極時，該太陽能電池在該前電極的銀與該發射極層的矽之間具有較好的接觸性質，故表現出良好的能量轉換效率。
同時，利用該銀膠組成物之前電極的形成可包括以一預定的圖案將該銀膠組成物印刷至一基板上，以及燒結該銀膠組成物。
就此情形而言，該基板可包括一抗反射膜以及一發射極層。此外，該基板可包括一用於製造典型半導體裝置的基板，例如，可適當地使用一矽基板。
藉由運用一網印法、刮刀印刷法、平版印刷法、或噴墨印刷法可印刷實施例之該銀膠組成物。
此外，在該印刷製程後，為了使銀粉穩定地再結晶於該發射極層上，可將該銀膠組成物在約700至900℃、或約750至850℃之一廣範圍的波峰溫度下進行燒結30秒至1分鐘。透過該燒結製程，可改善該碳黑及該有機黏結劑，並且將該玻璃燒結粉融化至該銀粉的表面上，進行燒結與歐姆接觸以形成該表現出良好接觸性質的前電極。
圖2顯示該包括前電極之矽太陽能電池的一結構示意圖。參閱圖2，該矽太陽能電池可包括一矽基板201、一發射極層(圖未示)形成於該基板201上、一抗反射膜202形成於該發射極層上、一前電極203透過該抗反射膜202連接至該發射極層的一上表面、以及一背電極205連接至該基板 201的一背面。此外，一p+背場(BSF)層204可形成於該背電極與該基板之間的介面處，且該背電極可包括一預定的銀電極圖案206。
基板201可摻雜有週期表中之3族元素，例如B、Ga、及In，以作為一p型雜質。該發射極層可摻雜有週期表中之5族元素，例如，P、As、及Sb，以作為一n型雜質。當該基板201與發射極層如上所述摻雜有相反的導電型雜質時，一p-n接面形成於基板201與發射極層之間的介面處。同時，該p-n接面可形成於具有n型摻雜之基板201與具有p型摻雜之發射極層之間的介面處。
該抗反射膜202可鈍化出現在發射極層之表面上或分佈於其中的缺陷(例如，一戴格寧鍵(dangling bond))，以及減少在基板201之表面上的入射光。若該發射極層的缺陷被鈍化，則將疏水性載子的再結合位移除以增加該太陽能電池的開路電壓。當對太陽光的反射率降低時，到達p-n接面的光線會增加，然後太陽能電池的短路電流也會增加。據此，藉由該抗反射膜202使太陽能電池的轉換效率與該開路電壓及該太陽能電池的短路電流同步增加。
該抗反射膜202可具有，例如，兩個以上材料之一單層或多層結構，該材料係擇自由下列所組成之群組：氮化矽薄膜、包括氫的氮化矽薄膜(SiNx)、氧化矽薄膜、氮氧化矽薄膜、MgF2、ZnS、MgF2、TiO2、以及CeO2，但不僅限於此。藉由真空沉積、化學氣相沉積、旋塗、網印、或 噴塗可形成該抗反射膜202。然而，依據本發明之抗反射膜202的形成方法並不僅限於此。
該前電極203與背電極205分別為由銀和鋁所製成的金屬電極。利用實施例之銀膠組成物可形成前電極203。利用典型之用於背電極的鋁膠組成物及銀膠組成物可形成背電極205。
前電極203與背電極205可藉由各種不同已知的方法來形成，但較佳係藉由網印技術來形成。尤其是，藉由將實施例之上述銀膠組成物塗佈於一前電極上、藉由網印形成區域、以及進行熱處理，以形成該前電極203。然後，藉由橫跨該抗反射膜202的穿隧效應(punch through)或燒結，將該前電極203連接至發射極層202。
同樣地，藉由網印技術將用於背電極之鋁膠組成物塗佈於該基板的背面以形成背電極205，並且進行熱處理，其中該背電極包括鋁、石英矽、以及有機黏結劑。在上述熱處理期間，將鋁構成的電極分散穿過該基板201的背面，使背場層204可形成於背電極205與基板201之間的介面處。上述背場(BSF)層可防止載子移動至基板201的背面並且與基板201再結合，進而增加開路電壓與保真度以及改善太陽能電池的轉換效率。此外，當利用鋁膠組成物來形成該鋁電極時，可藉由典型的沉積法或網印法以一預定的圖案來形成一背面銀墊作為一背面銀電極圖案206。
本發明接下來將會提供許多不同的實施例以實施本發明中不同的特徵以及效果。然而，該些實施例僅為了展示本發明，並非用以限定本發明之範圍。
<實施例1>
首先，將直徑為20至30 nm的初級粒子型碳黑(產品名：MA100，背場比表面積：約100 m2/g)置於一超音波電漿處理裝置中，並以10 W的電功率進行一表面熱處理120分鐘以形成表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.42的碳黑。藉由在碳黑表面之X光電子光譜儀(x-ray photoelectron spectroscopy，XPS)的頻譜中原子氧及碳的峰值之相對強度(氧原子：O1s峰；碳原子：C1s峰)，可量測及檢驗該氧/碳原子比，如試驗例2中所述。
接著，聚集該初級粒子型碳黑以形成直徑為1至5 μm的次級粒子型碳黑。
將80重量百分比之平均直徑為1至3 μm的球形銀粉、3重量百分比的玻璃燒結粉(Bi2O3-B2O3-SiO2，平均直徑為10 μm)、以及11.5重量百分比的黏結劑溶液混合，其中該黏結劑溶液係藉由將10 g的有機黏結劑(乙烯纖維素)溶解於61 g的丁基卡必醇(butyl carbitol)中所製備而得；以及將5.5重量百分比之上述次級粒子型碳黑混合入其中以製備一銀膠。然後，藉由一3輥磨機將在該銀膠中的粒子粉末化以製備一包括直徑為約100 nm至1 μm之銀膠組成物的次級粒子型碳黑。該最終銀膠組成物的黏度為250,000 cP。
<實施例2>
銀膠組成物的製備方法如同實施例1，除了改用含有PbO且平均直徑為10 μm的PbO-ZnO-Al2O3-TiO2作為該玻璃燒結粉。在該銀膠組成物中的碳黑呈現直徑為約200 nm至800 nm之次級粒子的形式。該最終銀膠組成物的黏度為260,000 cP。
<實施例3>
銀膠組成物的製備方法如同實施例1，除了改用2.7重量百分比之含有PbO且平均直徑為10μm的PbO-ZnO-Al2O3-TiO2作為該第一玻璃燒結粉，以及0.3重量百分比之平均直徑為10 μm的Bi2O3-TlOx-B2O3-SiO2作為該第二玻璃燒結粉。在該銀膠組成物中的碳黑呈現直徑為約400 nm至1.2 μm之次級粒子的形式。該最終銀膠組成物的黏度為230,000 cP。
<實施例4>
銀膠組成物的製備方法如同實施例1，除了改用80重量百分比之平均直徑為2至3 μm的球形銀粉作為該銀粉。在該銀膠組成物中的碳黑呈現直徑為約300 nm至900 nm之次級粒子的形式。該最終銀膠組成物的黏度為270,000 cP。
<實施例5>
首先，將直徑為0至30 nm的初級粒子型碳黑(產品名：MA77；背場比表面積：約100 m2/g)放入一熔爐中，並且 在800℃下進行熱處理30分鐘以形成表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.41的碳黑。接著銀膠組成物的製備方法如同實施例1。在該銀膠組成物中的碳黑呈現直徑為約300 nm至1 μm之次級粒子的形式。該最終銀膠組成物的黏度為240,000 cP。
<比較例1>
銀膠組成物的製備方法如同實施例1，除了碳黑不經過超音波電漿處理。藉由X光電子光譜儀(XPS)分析該碳黑之氧/碳原子比(O/C ratio)，如試驗例2中所述。該氧/碳原子比係定義為原子氧及碳的峰值之相對強度(氧原子：O1s峰；碳原子：C1s峰)，亦即所謂的O1s峰強度/C1s峰強度<0.01。
<試驗例1>
藉由典型的方法來形成具有圖2結構之矽太陽能電池，其中該矽太陽能電池包括一矽基板201、一發射極層形成於該基板201上、一抗反射膜202形成於該發射極層上、一前電極203透過該抗反射膜202連接至該發射極層的一上表面、以及一背電極205連接至該基板201的一背面。就此情形而言，當前電極形成時，藉由網印技術將實施例1至5及比較例1的銀膠組成物塗佈至基板上，並進行燒結。上述燒結製程係於600至800℃下進行30秒。
接著，藉由一般的方法來量測各個太陽能電池的物理性質(電流密度(Jsc)、光伏打(Voc)、填充因子(FF)、 能量轉換效率)，結果如表1所示。實施例與比較例中所形成之電極的線寬與線高亦顯示於表1中。
此外，於各個立體影像之最佳視角擷取該利用實施例1與比較例1的銀膠組成物所製備之用於太陽能電池的前電極之電子顯微影像，顯示於圖3中。
參閱表1，當利用包含具有良好表面氧/碳原子比之碳黑的銀膠組成物來形成實施例1至5的電極時，發現該太陽能電池表現出更好的能量轉換效率(光轉換效率)。尤其是，考慮到既使能量轉換效率僅有0.1%的增長亦不容易，實施例中在能量轉換效率上的進步可謂十分顯著。
參閱表1及圖3，當使用該實施例1至5的銀膠組成物，將抑制該線寬的寬度，並且形成具有較比較例1更高的線高之電極。尤其是，參閱圖3，發現該實施例1中所形成之電極，其具有較比較例1中所形成之電極更薄的線寬及更高的線高，且該實施例1至5的銀膠組成物相較於比較例1，表現出較好的印刷適性以大幅度地減少線寬的寬度。
<試驗例2>
圖4a及4b顯示用於比較例1及實施例1中的碳黑之X光電子光譜儀(x-ray photoelectron spectroscopy，XPS，Instrument name：ESCALab250)的分析圖。如圖4a及4b所示，發現實施例1的碳黑具有較碳原子更多的表面氧原子，因此其氧/碳原子比為約0.42，而比較例1的碳黑之氧/碳原子比則為約<0.01。
<試驗例3>
圖5係顯示實施例1與比較例1之各6個太陽能電池之間的能量轉換效率對照圖，其中該些太陽能電池係於不同的熱處理條件下製造而得。如圖5所示，實施例1表現出較窄的線寬以及良好的歐姆接觸，進而改善填充因子值，因此表現出較比較例1之太陽能電池更好的能量轉換效率。
101‧‧‧基板
102‧‧‧發射極層
103‧‧‧前電極
104‧‧‧背電極
201‧‧‧基板
202‧‧‧抗反射膜
203‧‧‧前電極
204‧‧‧背電場層
205‧‧‧背電極
206‧‧‧(背)銀電極圖案
以下以實施例並配合圖式詳細說明本發明，其目的在於使人搭配接下來的詳細描述，能夠更進一步瞭解本發明 之範圍。因此，本發明並不囿於下列圖式，而是依據本發明隨附的申請專利範圍定義之。
圖1顯示一典型的矽太陽能電池結構之截面圖。
圖2係根據本發明之一實施例，顯示藉由利用用於形成前電極之銀膠組成物所製造之太陽能電池的示意圖。
圖3係於各個立體影像之最佳視角所擷取之用於太陽能電池之前電極的電子顯微影像，其中該用於太陽能電池之前電極係利用實施例1及比較例1的銀膠組成物所製成。
圖4a係用於比較例1中之碳黑的X光電子光譜儀分析圖。
圖4b係用於實施例1中之碳黑的X光電子光譜儀分析圖。
圖5顯示實施例1與比較例1的太陽能電池之間的能量轉換(光轉換)效率對照圖。

Claims (21)

  1. 一種用於形成電極之銀膠組成物，包括：一銀粉、一玻璃燒結粉、一有機黏結劑、以及碳黑，其中該碳黑具有一表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該碳黑具有一表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4至0.45。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該碳黑係藉由複數個初級粒子的附著或聚集而成為次級粒子的形式。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該次級粒子型碳黑的直徑為0.02至2 μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中將該碳黑經過表面熱處理、表面電漿處理、或表面酸處理，以增加暴露在該碳黑表面之氧原子的數量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中以該銀膠組成物的總重量為基準，該碳黑的含量為1至10重量百分比。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該銀膠組成物的黏度為100,000至400,000 cP(布氏黏度計、心軸14、量測溫度25℃、轉速10 rpm)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該銀粉包括一平均直徑為1至3 μm的球形銀粉。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中以該銀膠組成物的總重量為基準，該銀粉的含量為70至90重量百分比。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該玻璃燒結粉係一含有PbO的含鉛玻璃燒結粉。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中以該銀膠組成物的總重量為基準，該玻璃燒結粉的含量為1至5重量百分比。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中該有機黏結劑包括一或多個擇自由下列所組成之群組：纖維素樹脂、丙烯酸樹脂、丁基卡必醇(butyl carbitol)、以及松脂醇(terpineol)。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成電極之銀膠組成物，其中以該銀膠組成物的總重量為基準，該有機黏結劑的含量為5至15重量百分比。
  14. 一種用於形成電極之銀膠組成物的製備方法，包括下列步驟：製備一銀膠，其包括一銀粉、一玻璃燒結粉、一有機黏結劑、以及次級粒子型碳黑，其中該次級粒子型碳黑具有一表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高且直徑為1至5 μm；以及分散該銀膠。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之用於形成電極之銀膠組成物的製備方法，在製備該銀膠之前，更包括下列步驟：藉由表面處理直徑為20至50 nm的該初級粒子型碳黑，形成表面氧/碳原子比(O/C ratio)為0.4或更高的碳黑；以及聚集該經表面處理之碳黑以製備直徑為1至5 μm的該次級粒子型碳黑。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之用於形成電極之銀膠組成物的製備方法，其中在該分散步驟後的該銀膠包括直徑為0.02至2 μm的該次級粒子型碳黑。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之用於形成電極之銀膠組成物的製備方法，其中該初級粒子型碳黑的BET比表面積(Brunauer-Emmett-Teller specific surface area)為100至200 m2/g。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之用於形成電極之銀膠組成物的製備方法，其中藉由使用一3輥磨機、一球磨機、或一鎚磨機重複三至六次地進行該分散步驟。
  19. 一種用於太陽能電池之前電極，係形成自如申請專利範圍第1項至第13項任何一項所述之用於形成電極之銀膠組成物。
  20. 一種矽太陽能電池，包括：一矽半導體基板；一發射極層形成於該基板上； 一抗反射膜形成於該發射極層上；一前電極透過該抗反射膜連接至該發射極層；以及一背電極連接至該基板的一背面，其中藉由以一預定的圖案將如申請專利範圍第1至13項中任一項所述之銀膠組成物塗佈於該抗反射膜上，並且燒結該銀膠組成物，以形成該前電極。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之矽太陽能電池，其中該前電極具有一線寬為60至90 μm且一線高為20至35 μm。
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