TW201308352A - 導電膠體及包含此導電膠體之太陽能電池 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種導電膠體，包括：一高分子基材；以及一填充物，混摻於該高分子基材中，其中該填充物為非球狀，且該填充物至少一維度之尺寸大於或等於λ/2n，其中λ為該導電膠體所反射光線之波長，n為該填充物之折射率，其中該高分子基材與該填充物之重量比為3：7至7：3。本發明另提供一種太陽能電池，包括：一基板；一第一導電層，形成於該基板上；一光電轉換層，形成於該第一導電層上；一第二導電層，形成於該光電轉換層上；以及一導電反射層，形成於該第二導電層上，其中該導電反射層包括上述之導電膠體。

Description

導電膠體及包含此導電膠體之太陽能電池
本發明係有關於一種導電膠體，特別是有關於一種高反射率之導電膠體及包含此導電膠體之太陽能電池。
由於印刷製程具有生產快速、低污染及設備成本低廉等優勢，近年來印刷式導電膠體的使用量具有大幅增加趨勢，其可廣泛應用在製作觸控元件、電子線路、功能元件及薄膜按鍵等範圍。金屬導電膠體之設計會根據應用領域及應用場所的不同而有所差異，例如：應用於軟性電子材料之配方須具備可彎曲性及與軟性基材附著性良好等特性，因此各種具功能性導電膠體陸續被開發出來。隨著近來環保意識抬頭，太陽能電池及發光二極體(LED)等替代能源及節能等產品逐漸受到重視，因此相對應之導電膠體開發也刻不容緩。
太陽能電池的功用主要是將光能轉換成電能，當陽光照射在太陽能電池時，其光能可提升半導體中的原子外層電子之位能，使電子-電洞對分開，此時分離之電子電洞即可形成電流(電能)。傳統太陽能電池於底部會濺鍍(sputter)(或網印)一層金屬(銀或鋁)當作電極，使所產生之電子傳送至外界。其雖具有較佳導電效果，但因太陽能電池為了使光線有較長之路徑以增加光吸收機率，多半會使用具有微米結構之基板(TCO Glass)，會使濺鍍於此基板上的銀也具有相似的微米結構而產生表面電漿效應，造成不必要的光吸收，因此其反射性效果較差，而表面電漿效應所產生的吸收除了無法轉為電能利用之外，同時會以熱的形式傳導至電池上，造成效率的降低，故無法使陽光作有效利用。Oerlikon公司為增加太陽能電池效率，在太陽能基板底部塗上一層白漆使光線可以在進入太陽能電池內部激發電子-電洞對分離後再次反射回去做第二次激發。此技術雖可解決因介面問題所造成之光損，但其透明導電層之厚度需增加(>1.5μm)使其具有足夠的導電性且透明導電層之載子會有吸收長波長光線之問題。由上述可知，入射光的反射再利用對於太陽能電池的效率提升扮演重要的角色。
本發明之一實施例，提供一種導電膠體，包括：一高分子基材；以及一填充物，混摻於該高分子基材中，其中該填充物為非球狀，且該填充物至少一維度之尺寸大於或等於λ/2n，其中λ為該導電膠體所反射光線之波長，n為該填充物之折射率，其中該高分子基材與該填充物之重量比為3：7至7：3。
該填充物包括金、銀、銅、鋁、鈦或其混合物。該填充物包括管狀、線狀、棒狀、片狀或其組合。該導電膠體所反射光線之波長介於200~1,200nm。
本發明之一實施例，提供一種太陽能電池，包括：一基板；一第一導電層，形成於該基板上；一光電轉換層，形成於該第一導電層上；一第二導電層，形成於該光電轉換層上；以及一導電反射層，形成於該第二導電層上，其中該導電反射層包括上述之導電膠體。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，作詳細說明如下：
本發明之一實施例，提供一種導電膠體，包括一高分子基材，以及一填充物，混摻於高分子基材中。值得注意的是，上述混摻於高分子基材中的填充物為非球狀(non-spherical)，且填充物至少一維度的尺寸大於或等於λ/2n，其中λ為導電膠體所反射光線的波長，介於200~1,200nm，n為填充物的折射率。於導電膠體中，高分子基材與填充物的重量比為3：7至7：3或7：3至6：4。
上述高分子基材可包括壓克力樹脂、乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate)樹脂、聚碳聚酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、環氧樹脂、氨酯(urethane)樹脂、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone)、纖維素(cellulose)或其類似物。上述纖維素可包括甲基纖維素、乙基纖維素或羥基乙基纖維素。
上述填充物可包括金、銀、銅、鋁、鈦或其混合物，其形狀可包括管狀、線狀、棒狀、片狀或其組合。在一實施例中，片狀銀與線狀銀的重量比例如為1:1至7:1或3:1。
本發明導電膠體更包括一助劑，混摻於高分子基材中。上述助劑可包括消泡劑，例如醇類化合物、烷基醇類化合物、聚醚類化合物、醯胺類化合物、脂肪酸酯類化合物或有機矽高分子類化合物。
本發明導電膠體更包括至少一溶劑，例如酮類、醇類、醚類、酯類、水、其他合適之有機溶劑或其混合。在一實施例中，酮類可包括丙酮、環己酮或異佛爾酮。醇類可包括乙醇、松油醇或乙二醇。醚類可包括乙二醇甲醚或乙二醇丁醚。酯類可包括乙酸乙酯或乳酸丁酯。在一實施例中，溶劑為N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidone,NMP)與另一酮類、醇類、醚類、酯類或水混合。在一實施例中，溶劑為丁內酯(butyrolactone)與另一酮類、醇類、醚類、酯類或水混合。在一實施例中，溶劑為松油醇(terpineol)與另一醇類混合。在一實施例中，導電膠體所添加的溶劑主要以一種或一種以上之低揮發性液體搭配相容之低沸點溶劑以降低膠體成型溫度及揮發速度。上述添加於導電膠體中的溶劑其沸點或共沸點大體介於攝氏90~150度或90~110度。
請參閱第1圖，根據本發明之一實施例，說明一種太陽能電池結構。太陽能電池10包括一基板12、一第一導電層14、一光電轉換層16、一第二導電層18以及一導電反射層20。第一導電層14形成於基板12上。光電轉換層16形成於第一導電層14上。第二導電層18形成於光電轉換層16上。導電反射層20形成於第二導電層18上。值得注意的是，導電反射層20包括上述之導電膠體。
上述基板可為玻璃基板。
上述第一導電層與第二導電層可包括氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide,FTO)、氧化鋅(ZnO)、鎵摻雜氧化鋅(gallium-doped zinc oxide,GZO)、氧化銦鎵鋅(indium-gallium-zinc oxide,IGZO)、鋁摻雜氧化鋅(aluminum doped zinc oxide,AZO)或其類似物。
上述光電轉換層可包括結晶矽、非晶矽、砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)或銅銦鎵硒(copper indium gallium selenide,CIGS)。
上述第二導電層之厚度大體介於50~100nm。
本發明導電膠體亦可應用於發光二極體(LED)之PCB板。
本發明主要是利用不可繞射材料(non-diffractive material)或上述材料之混合物當作導電填充物製作高反射率之可網印式導電膠體，使其在太陽能電池底部可經加熱或於自然常溫下成型(成型溫度大體介於攝氏50~150度)。本發明導電膠體應用於太陽能電池具有可降低介面所導致之光吸收及光散射問題、降低製作成本及減少透明導電層之厚度等優點。
本發明所定義之光的不可繞射材料其至少有一個維度須滿足d≧λ/(2n)，其中d為填充物某一維度之特徵長度，λ為欲反射光源之波長及n為材料之折射率。本發明所使用之不可繞射材料形狀可為管狀、線狀、棒狀或片狀，其中線狀及片狀具有較佳效果。本發明填充物材料例如為金、銀、銅或鋁，而欲反射光源之波長介於200~1,200nm。本發明填充物某一維度之特徵長度d須滿足d≧λ/(2n)，請參閱第2圖，當填充物材料為金時，d≧2.3μm，當填充物材料為銀時，d≧2.8μm，當填充物材料為銅時，d≧1.7μm，當填充物材料為鋁時，d≧0.8μm。
此外，本發明具高反射率之金屬導電膠體也可應用在LED板上之線路製作。傳統LED之PCB板上線路可藉由導電膠體進行圖樣式製作。本發明所開發之導電膠體具高反射率，其可使LED所產生之光大都反射至外界，減少因材料散射或吸收所造成之光損失。
【各種膠體之製備及電性】
【實施例1】
以奈米銀片及奈米銀線作為填充物之膠體：
將20公克壓克力樹脂(公司：DSM；型號：NEO B890)溶入35公克N-甲基咯烷酮(NMP)及15公克丙酮中，並以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將30公克奈米銀片(長、寬為5μm；厚度約為70nm)、10公克奈米銀線(直徑約為80~100nm；長度10~25μm)、0.5公克穩泡劑(公司：BYK；型號：BYK390)及0.5公克消泡劑(公司：BYK；型號：BYK-WS)加入膠體內並以200rpm之轉速持續攪拌30分鐘。攪拌完之膠體再移至三滾輪進行三次滾輪分散。將所得之膠體塗佈於玻璃基材表面經10分鐘、100℃加熱後成型。利用四點探針檢測成型後之導電層，其片電阻為0.0054ohm/sq。
【實施例2】
將17公克乙基纖維素(ethyl cellulose)溶入45公克松油醇(terpineol)中，並以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將20公克奈米銀片(長、寬為5μm；厚度約為70nm)及20公克奈米銀線(直徑約為80~100nm；長度10~25μm)及0.4公克消泡劑(公司：BYK；型號：BYKetoh-OK)加入膠體內並以200rpm之轉速持續攪拌30分鐘。攪拌完之膠體再移至三滾輪進行三次滾輪分散。將所得之膠體塗佈於玻璃基材表面經10分鐘、100℃加熱後成型。利用四點探針檢測成型後之導電層，其片電阻為0.0042ohm/sq。
【實施例3】
將20公克壓克力樹脂(公司：DSM；型號：NEO B890)溶入35公克N-甲基咯烷酮(NMP)及15公克丙酮中，並以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將35公克奈米銀片(長、寬為5μm；厚度約為70nm)、5公克奈米銀線(直徑約為80~100nm；長度10~25μm)、0.5公克穩泡劑(公司：BYK；型號：BYK390)及0.5公克消泡劑(公司：BYK；型號：BYK-WS)加入膠體內並以200rpm之轉速持續攪拌30分鐘。攪拌完之膠體再移至三滾輪進行三次滾輪分散。將所得之膠體塗佈於玻璃基材表面經10分鐘、100℃加熱後成型。利用四點探針檢測成型後之導電層，其片電阻為0.0417ohm/sq。
本發明實施例利用不可繞射之奈米導電材料作為膠體之填充物，以減少材料對光的散射及吸收損失，以製作兼顧導電特性之高反射率可網印式導電膠體。以具高反射率之奈米銀片及可增加接觸機率降低接觸電阻之奈米銀線作為導電膠體之填充物，藉由兩種材料之特性製作出高導電及高反射率之導電膠體。
【比較實施例1】
以二氧化鈦粒子作為填充物之膠體：
將20公克壓克力樹脂(公司：DSM；型號：NEO B890)溶入45公克N-甲基咯烷酮(NMP)中。然後，置於空氣中攪拌，使其冷卻至室溫。接著，將30公克、粒徑100nm之二氧化鈦粒子加入壓克力膠體內，以200rpm速度持續攪拌30分鐘後，移至三滾輪進行三次滾輪分散。將所完成之膠體分別塗佈在平面玻璃及具有霧化(haze)結構之玻璃進行反射率及電性檢測。經由四點探針檢測結果顯示利用二氧化鈦粒子作為填充物之反射層不具導電性。
【比較實施例2】
以奈米銀粒子作為填充物之膠體：
太陽能電池背電極除須考慮反射外，導電性也是影響太陽能電池轉換效率因素之一。以20nm之奈米銀粒子作為膠體填充物，使所製作出之膠體具有反射效果及導電效果。首先，將20公克壓克力樹脂(公司：DSM；型號：NEO B890)溶入40公克N-甲基咯烷酮(NMP)及15公克丙酮中，使溶劑之共沸點下降及降低揮發速度。將所製作出之膠體以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將35公克之奈米銀(粒徑20nm)及0.5公克辛醇加入膠體內並以200rpm之轉速持續攪拌30分鐘後，移至三滾輪進行三次滾輪分散。將所得之膠體塗佈於玻璃基材表面經10分鐘、100℃加熱後成型。利用四點探針檢測成型後之導電層，其片電阻為0.25ohm/sq。
【比較實施例3】
以濺鍍銀作為背電極：
目前薄膜太陽能電池常以濺鍍銀作為背電極，其厚度約為200nm，片電阻約為0.0036ohm/sq。
上述各種膠體之組成及電性如表1所示。
表1
由表1可知，當高反射率導電膠體之奈米銀線比例提高時，其導電特性也會隨之增加，其原因可能為奈米線材具有連結周圍導電材料之效果，可有效降低接觸電阻。
【各種膠體於平板基材上之反射率】
【實施例4】
為了解不同塗層(膠體)於平板基材上之反射率，本實施例分別將比較例1~2、實施例1所製作之膠體分別塗佈於玻璃基板上並與目前常用於太陽能電池背電極之濺鍍銀(比較例3)進行反射率之光譜分析，如第3圖所示。結果顯示比較例1所製作之膠體在玻璃基板(表面粗糙度小於5nm)表面經加熱100℃、10分鐘後之平均反射率可達95.5%(波長400~1,200nm)，但並無導電效果。
此外，比較例2所製作之膠體在玻璃基板表面經加熱成形後，其雖具有0.25ohm/sq之片電阻，但其在波長400~1,200nm之反射率僅有27.5%，其原因可能為奈米銀粒子具有較強之散射能力及表面電漿之光吸收效應，使反射率大幅下降。而比較例3將銀直接鍍於表面粗糙度小於5nm之玻璃基板上，其平均反射率可達93.5%，僅次於比較例1所製作之白漆。
實施例1以奈米銀片及奈米銀線混合物(3:1)作為導電膠體之填充物(66.7wt%)，其結合片狀物之高反射率效果及線狀物之高導電特性，使該塗層具有反射及導電之特性。結果顯示本發明奈米銀片/奈米銀線混合物塗層在波長400~1,200nm的平均反射率為84.7%。因此可知，本發明膠體相較於奈米銀粒子膠體之反射率及導電特性可高於3倍以上，如表2所示。
表2不同塗層在平板玻璃上之反射率
【各種反射層材料於霧化基板上之反射率】
【實施例5】
太陽能電池會使用霧化結構(表面粗糙度~100nm)來延長光源在電池內之路徑，進而提升太陽能電池效率。而背電極則提供太陽光反射使其再激發光電轉換層，使轉換效率可再次提升。本實施例分別使用比較例1~3、實施例1之塗層(膠體)於霧化基板上。由塗佈後的顏色可發現含比較例3塗層之霧化基板所呈現之顏色為土黃色；含比較例2塗層(膠體)之霧化基板所呈現之顏色為暗灰色；含實施例1奈米銀片/奈米銀線塗層之霧化基板所呈現之顏色為白色，此說明了使用本發明奈米銀片/奈米銀線所製作出之導電膠體於霧化基板上具有較佳之反射。其原因在於使用濺鍍銀方式所製作之基板會使銀隨著表面輪廓成長，其對光而言被視為許多奈米銀粒子於電池表面，並產生強烈之背散射及表面電漿共振之光吸收效應，部分波段之光被吸收導致所看見之散射光為土黃色。而本發明採用奈米銀片及奈米銀線作為填充物，其尺寸會造成共振效應紅移。
第4圖為使用光譜儀檢測比較例1~3、實施例1之塗層(膠體)於塗層於霧化結構上之反射率。結果顯示，塗佈實施例1導電膠體之霧化基板其平均反射率可達56.8%。於霧化結構上濺鍍500nm厚之薄膜(比較例3)在可見光波長範圍之平均反射率為44.6%。而含比較例1及比較例2膠體之霧化基板在波長400~1,200nm之平均反射率分別為42.9%及42.1%，如表3所示。上述實驗證明本發明所開發之導電膠體應用於太陽能電池作為背電極具有提升反射能力之效果。
表3不同塗層在霧化基板上之反射率
【薄膜型太陽能電池光電轉換效率之比較】
【實施例6】
本實施例在同一片非晶形(amorphous)薄膜型太陽能電池背面分別塗上實施例1之導電膠體及使用濺鍍方式鍍銀(比較例3)，並檢測其太陽能電池的轉換效率及電特性，如第5圖所示。根據量子效率及光波長圖顯示使用本發明導電膠體之太陽能電池於波長約550nm以後之效率優於傳統使用濺鍍方法約5%以上，最高可達12%以上。此結果可能為本發明導電膠體之反射率在550nm以後會優於濺鍍銀。此外，濺鍍銀可有效塗佈於太陽能電池表面，而使用本發明導電膠體之技術所塗佈之面積並未完全覆蓋太陽能電池表面，其原因為使用網版印刷過程中需考慮導電膠體溢流問題，因此，在網板設計過程中會預留面積。
表4為實際檢測實施例1導電膠體與比較例3在同一非晶形(amorphous)太陽能電池之電性特性及光電轉換能效。其測試結果中，使用濺鍍銀之太陽能電池可得Voc=0.84V、Jsc=0.013及effic.=8.28%。使用本發明導電膠體之太陽能電池可得Voc=0.85V、Jsc=0.015及effic.=9.02%。由結果可知，本發明導電膠體在覆蓋面積較小的情況下，其光電轉換效率仍優於濺鍍銀的光電轉換效率。其主要原因為導電膠體在介面間具有較佳反射率。比較濺鍍銀及本發明高反射導電膠體之轉換效率結果顯示，使用本發明導電膠體可提升效率約0.742%，其除可降低太陽能電池材料成本10.4%外，更可降低太陽能電池設備成本，並且在製程上可減少一道雷射轟擊程序，增加太陽能電池的產能。
表4本發明含奈米銀片/奈米銀線導電膠體及濺鍍銀之太陽能電池特性
【薄膜型太陽能電池模組光電轉換效率之比較】
【實施例7】
使用實施例1之導電膠體及使用濺鍍方式鍍銀(比較例3)製作薄膜型太陽能電池模組之背電極，並檢測其太陽能電池之特性。採用濺鍍銀方式所製作出之薄膜型太陽能電池模組，其覆蓋面積最高。採用網印方式將實施例1之導電膠體塗佈於薄膜型太陽能電池背面，其覆蓋面積為81%。
檢測兩種不同背電極之太陽能電池特性可發現使用本發明高反射率導電膠體所製作出之薄膜型太陽能電池具有最高之能效，其在覆蓋面積僅有81%時之光電轉換效率可達到6.6%左右。其原因為使用本發明高反射率導電膠體可有效減少短波長之光能被銀所吸收，甚至降低因光熱轉換效應產生之熱，進而提升太陽能電池之效率。而使用濺鍍方式所製作之背電極可能因霧化結構造成銀的表面電漿共振行為導致其轉換能效僅5.99%，如表5所示。本發明已成功開發出可採用網印或轉印方式製作太陽能電池之背電極，除可減少一雷射刻畫製程外，更可提昇轉換效率約0.6%，進而達到降低設備成本及材料成本等優勢。
表5本發明含奈米銀片/奈米銀線導電膠體及濺鍍銀之太陽能電池模組特性
本發明主要是利用不可繞射材料(non-diffractive material)或上述材料之混合物當作導電填充物製作高反射率之可網印式導電膠體，使其在太陽能電池底部可經加熱或於自然常溫下成型(成型溫度大體介於攝氏50~150度)。本發明導電膠體應用於太陽能電池具有可降低介面所導致之光吸收及光散射問題、降低製作成本及減少透明導電層之厚度等優點。
本發明所定義之光的不可繞射材料其至少有一個維度須滿足d≧λ/(2n)，其中d為填充物某一維度之特徵長度，λ為欲反射光源之波長及n為材料之折射率。本發明所使用之不可繞射材料形狀可為管狀、線狀、棒狀或片狀，其中線狀及片狀具有較佳效果。
此外，本發明具高反射率之金屬導電膠體也可應用在LED板上之線路製作。傳統LED之PCB板上線路可藉由導電膠體進行圖樣式製作。本發明所開發之導電膠體具高反射率，其可使LED所產生之光大都反射至外界，減少因材料散射或吸收所造成之光損失。
本發明已將較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．太陽能電池
12．．．基板
14．．．第一導電層
16．．．光電轉換層
18．．．第二導電層
20．．．導電反射層
第1圖係根據本發明之一實施例，一種太陽能電池結構；
第2圖係根據本發明之一實施例，不同填充物材料在欲反射光源之波長為200~1,200nm時，該波長範圍對應填充物某一維度特徵長度(λ/(2n))之關係圖；
第3圖係根據本發明之一實施例，各種塗層在平板基板上(表面粗糙鍍小於5nm)之反射率；
第4圖係根據本發明之一實施例，各種塗層在霧化基板上(表面粗糙度~100nm)之反射率；以及
第5圖係根據本發明之一實施例，薄膜型太陽能電池光電轉換效率之比較。
10．．．太陽能電池
12．．．基板
14．．．第一導電層
16．．．光電轉換層
18．．．第二導電層
20．．．導電反射層

Claims (11)

  1. 一種導電膠體，包括：一高分子基材；以及一填充物，混摻於該高分子基材中，其中該填充物為非球狀，且該填充物至少一維度之尺寸大於或等於λ/2n，其中λ為該導電膠體所反射光線之波長，n為該填充物之折射率，其中該高分子基材與該填充物之重量比為3：7至7：3。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠體，其中該高分子基材包括壓克力樹脂、乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate)樹脂、環氧樹脂、氨酯(urethane)樹脂、纖維素或其類似物。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠體，其中該填充物包括金、銀、銅、鋁、鈦或其混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠體，其中該填充物包括管狀、線狀、棒狀、片狀或其組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠體，更包括一助劑，混摻於該高分子基材中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠體，更包括至少一溶劑，其沸點或共沸點介於90~150℃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠體，其中該導電膠體所反射光線之波長介於200~1,200nm。
  8. 一種太陽能電池，包括：一基板；一第一導電層，形成於該基板上；一光電轉換層，形成於該第一導電層上；一第二導電層，形成於該光電轉換層上；以及一導電反射層，形成於該第二導電層上，其中該導電反射層包括如申請專利範圍第1項所述之導電膠體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池，其中該第一導電層與該第二導電層包括氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide,FTO)、氧化鋅(ZnO)、鎵摻雜氧化鋅(gallium-doped zinc oxide,GZO)、氧化銦鎵鋅(indium-gallium-zinc oxide,IGZO)、鋁摻雜氧化鋅(aluminum doped zinc oxide,AZO)或其類似物。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池，其中該光電轉換層包括結晶矽、非晶矽、砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)或銅銦鎵硒(copper indium gallium selenide,CIGS)。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池，其中該第二導電層之厚度介於50~100nm。
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