TW201335949A - 用於導電性漿料之有機載體 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於製備導電性銀漿料之有機載體。該有機載體包含有機黏合劑、界面活性劑及有機溶劑。本發明之較佳實施例使用PVP、PMMA或PVB中之至少一者作為有機黏合劑，允許與金屬顆粒高度相容，且產生黏度低而可進行細線印刷之導電性漿料。本發明之另一態樣係關於一種導電性漿料組合物。該較佳實施例使用金屬顆粒、玻璃料以及包含黏合劑(亦即PVP、PMMA或PVB中之至少一者)、界面活性劑及有機溶劑之有機載體。

Description

用於導電性漿料之有機載體 相關申請案之交叉引用
本申請案主張2011年11月4號提交之美國臨時專利申請案第61/555,858號的優先權。該申請案之揭示內容以全文引用的方式併入本文中。
本發明係關於如用於太陽電池板技術中之導電性漿料。特定言之，在一個態樣中，本發明係關於一種用於調配導電性漿料之有機載體。本發明之另一態樣係關於一種導電性漿料組合物。本發明之另一態樣係關於一種太陽能電池，其係藉由塗覆由金屬顆粒、玻璃料及有機載體構成之導電性漿料產生。
太陽能電池為使用光伏打效應將光能轉換成電之裝置。太陽能為極具吸引力之綠色能源，因為其具有可持續性，且其產生之副產物無污染性。因此，目前大量的研究致力於開發更加有效之太陽能電池同時又不斷地降低材料及製造成本。當光照射至太陽能電池時，一部分入射光被表面反射而剩餘的光則透射至太陽能電池中。透射光中之光子被太陽能電池吸收，太陽能電池通常由諸如矽之半導體材料製成。來自吸收之光子的能量激發半導體材料原子中的電子，產生電子-電洞對。接著此等電子-電洞對被p-n接面分離且由施加在太陽能電池表面上之導電電極收集。
最常見之太陽能電池為基於矽之太陽能電池，更尤其為由矽製成之P-N接面，其係藉由將n型擴散層施加至p型矽基板上，與兩個電接觸層或電極耦接而成。在p型半導體中，摻雜劑原子添加至半導體中以增加自由電荷載流子之數量(正電洞)。在矽之情況下，三價原子取代至晶格中。本質上，摻雜材料自半導體原子中取走結合微弱之外圍電子。p型半導體之一個實例為具有硼或鋁摻雜劑之矽。太陽能電池亦可由n型半導體製成。在n型半導體中，摻雜劑原子提供了額外的電子至主基板，產生過量的負電子電荷載流子。該等攙雜原子通常比一種類型主基板原子具有更多的價電子。最常見之實例為用含有五個結合鬆散之價電子之第V族元素(磷、砷、銻)的原子來取代含有四個價電子之第IV族固體(矽、鍺、錫)。n型半導體之一個實例為具有磷摻雜劑之矽。
為了將太陽能電池對太陽光之反射降至最低，在n型擴散層或p型擴散層上塗覆抗反射塗料(ARC)，諸如氮化矽、氧化矽、氧化鋁或氧化鈦，以增強偶合至太陽能電池中之光的量。ARC通常不導電，且亦可鈍化矽基板之表面。
通常矽太陽能電池在其正表面及反表面塗覆導電性漿料。作為金屬化製程之一部分，背面接觸通常先塗覆至矽基板上，諸如藉由將銀漿料或銀/鋁漿料網版印刷至反面，以形成焊接墊。下一步，將鋁漿料塗覆至基板之整個反面以形成反表面電場(BSF)，然後使電池乾燥。下一步，用一種不同類型之導電性漿料，可將金屬接觸網版印刷至正面抗反射層上作為正面電極。電池表面或正面上光進入之此電接觸層通常以由「手指線」及「匯流條」製成之網格圖案存在，而非完整的一層，此係因為該等金屬網格材料通常不透光。接著將正面與反面均印刷有漿料之矽基板在700-975℃之溫度下燒製。燒製之後，正面漿料蝕刻穿過抗反射層，在金屬網格與半導體之間形成電接觸，且 將金屬漿料轉換成金屬電極。在反面，鋁擴散至矽基板中，作為產生BSF之摻雜劑。所得到之金屬電極可使電流在太陽電池板中連接之太陽能電池中流進流出。
舉例而言，典型太陽能電池之描述及其製造方法可見於歐洲專利申請公開案第1 713 093號。
為組裝太陽電池板，將多個太陽能電池串聯及/或並聯連接在一起，且第一個電池及最後一個電池之電極末端較佳連接至輸出配線。太陽能電池通常囊封於透明的熱塑性樹脂中，諸如矽橡膠或乙烯醋酸乙烯酯。在進行囊封之透明熱塑性樹脂的正表面上置放一層透明玻璃。在進行囊封之熱塑性樹脂下置放反面保護材料，例如具有優良機械性能及優良耐候性之塗有聚氟乙烯膜之一層聚對苯二甲酸伸乙酯。該等層疊材料可在適當真空爐裏加熱以移除空氣，然後藉由加熱及擠壓形成一體。此外，因為太陽能電池通常會置於空氣中很長一段時間，所以最好用由鋁或相似材料組成之框架材料覆蓋太陽能電池的周圍。
典型導電性漿料含有金屬顆粒、玻璃料(玻璃顆粒)及有機載體。此等組分必須仔細挑選以充分利用所得到之太陽能電池的潛能。舉例而言，需要使金屬漿料與矽表面之間以及金屬顆粒本身之間最大程度地接觸，使得電荷載流子可流過界面及指紋線至匯流條。組合物中之玻璃顆粒蝕刻穿過抗反射塗層，以幫助金屬與n+型矽之間建立接觸。另一方面，玻璃之侵蝕性不可過強以免在燒製之後分流P-N結。因此，需要將接觸電阻降至最低，同時要保持P-N接面完整，以提高效率。由於在金屬層與矽晶圓之界面中存在玻璃之絕緣效應，所以已知之組合物具有高接觸電阻，以及其他不利方面，諸如在接觸區域具有高重組。此外，有機載體之組成亦可影響所得到之太陽能電池的潛能。有機載體可影響導電性漿料之黏度，從而影響其可印刷性。其亦 可影響印刷線之性能，從而影響所產生之太陽能電池的總效率。因此，需要一種最優化導電性漿料之黏度的有機載體組合物。
本發明提供一種用於導電性漿料之有機載體，該有機載體包含含有聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丁酸乙烯酯(PVB)中之至少一種的黏合劑、界面活性劑及有機溶劑。根據另一實施例，有機載體進一步包含搖變劑。
根據本發明之一個態樣，黏合劑為約1-10 wt.%。
根據本發明之另一態樣，界面活性劑為有機載體之約1-20 wt.%。根據另一實施例，界面活性劑為有機載體之約1-10 wt.%。根據本發明之另一態樣，界面活性劑為DISPERBYK®-108、DISPERBYK®-116、TEGO® DISPERS 665或TEGO® DISPERS 662 C中之至少一者。根據另一態樣，界面活性劑為含有色素親和基團之羥基官能羧酸酯、含有色素親和基團之丙烯酸酯共聚物、含有色素親和基團之改質聚醚或含有色素親和基團之化合物中的至少一者。
根據本發明之另一態樣，有機溶劑為卡必醇、萜品醇、己基卡必醇、特沙酯醇(texanol)、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯或己二酸二甲酯中之至少一者。
本發明亦提供一種用於太陽能電池技術之導電性漿料，其包含金屬顆粒、玻璃料及有機載體，該有機載體包含含有PVP、PMMA或PVB中之至少一者的黏合劑、界面活性劑及有機溶劑。
根據本發明之一個態樣，金屬顆粒為漿料之約60-90 wt.%。金屬顆粒較佳為漿料之約80 wt.%。根據本發明之另一態樣，金屬顆粒為銀、金、銅及鎳中之至少一者。
根據本發明之另一態樣，玻璃料為漿料之約1-10 wt.%。玻璃料較佳為約5 wt.%。
根據本發明之另一態樣，其中有機載體為漿料之約1-20 wt.%。有機載體較佳為漿料之約15 wt.%。根據本發明之另一態樣，有機載體進一步包含搖變劑。
根據本發明之另一態樣，有機載體包含1-10 wt.%(佔有機載體)黏合劑。
根據本發明之另一態樣，有機載體包含1-20 wt.%(佔有機載體)界面活性劑。根據另一實例，有機載體包含1-10 wt.%(佔有機載體)界面活性劑。
本發明進一步提供一種太陽能電池，其係藉由將本發明之導電性漿料塗覆於矽晶圓且燒製該矽晶圓來產生。
圖1A為印刷於矽晶圓上之根據實例1之示例導電性漿料的乾燥銀手指線之俯視相片。
圖1B為如圖1A中所示之乾燥銀手指線的側視相片，與手指線垂直。
圖2A為印刷於矽晶圓上之根據實例2之示例導電性漿料的燒製銀手指線之俯視相片。
圖2B為如圖2A中所示之乾燥銀手指線的側視相片，與手指線垂直。
本發明教示一種如用於導電性漿料中之有機載體。導電性漿料組合物通常包含：金屬顆粒、玻璃料及有機載體。雖然不侷限於此類應用，但該等漿料可用於形成太陽能電池中之電接觸層或電極。特定言之，該等漿料可應用於太陽能電池之正面或太陽能電池之反面。
本發明之一個態樣係關於導電性漿料之有機載體組分的組成。理想的有機載體為黏度低，可進行細線印刷，且在與金屬顆粒組合時 穩定性最佳者。有機載體通常由有機黏合劑、有機溶劑及界面活性劑構成。
根據一個實施例，有機載體包含黏合劑、界面活性劑及有機溶劑。黏合劑包含聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丁酸乙烯酯(PVB)中之至少一者。
有機載體之較佳實施例由約1-10 wt.%作為有機黏合劑，較佳分子量為5000至5000000道爾頓(Dalton)之聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、約1-10 wt.%界面活性劑及約50-70 wt.%有機溶劑組成。有機載體可包括約1-10 wt.%乙基纖維素作為額外黏合劑。所有重量百分比均以有機載體之重量百分比表示。包括PVP可提高漿料的均勻擴散能力，且其與銀顆粒高度相容。根據另一較佳實施例，界面活性劑可為以下任何物質：含有色素親和基團之羥基官能羧酸酯(包括但不限於BYK USA Inc.製造之DISPERBYK®-108)、含有色素親和基團之丙烯酸酯共聚物(包括但不限於BYK USA Inc.製造之DISPERBYK®-116)、含有色素親和基團之改質聚醚(包括但不限於Evonik Tego Chemie GmbH製造之TEGO ® DISPERS 655)或含有高度色素親和基團之界面活性劑(包括但不限於Evonik Tego Chemie GmbH製造之TEGO® DISPERS 662 C)。此外，有機溶劑可為任何以下物質：卡必醇、萜品醇、己基卡必醇、特沙酯醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯或己二酸二甲酯。有機載體亦可包含搖變劑。一般技術者熟悉之任何搖變劑均可用於本發明之有機載體。舉例而言(而不侷限於)，搖變劑可來源於天然來源，例如蓖麻油，或其可為合成的。市售搖變劑亦可用於本發明中。根據較佳實施例之有機載體通常展示140-200 kcPs之黏度及5-10之搖變指數。
有機載體之另一較佳實施例包含約1-10 wt.%作為有機黏合劑，較佳分子量為5000至5000000道爾頓之聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、約1-20 wt.%界面活性劑及約50-70 wt.%有機溶劑。有機載體可包括約1-10 wt.%乙基纖維素作為額外黏合劑。所有重量百分比均以有機載體之重量百分比表示。
其他有機黏合劑亦展現用於導電性漿料所需要之可印刷性及相容性。有機載體可包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丁酸乙烯酯(PVB)中之至少一者作為有機黏合劑。在另一實施例中，有機載體包含約1-10 wt.%作為有機黏合劑之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丁酸乙烯酯(PVB)，以及約1-10 wt.%界面活性劑、約50-70 wt.%有機溶劑，以及約1-10 wt.%作為額外黏合劑之乙基纖維素。所有重量百分比均以有機載體之重量百分比表示。有機載體亦可包含如熟習此項技術者已知之搖變劑。
在另一實施例中，有機載體包含約1-10 wt.%作為有機黏合劑之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丁酸乙烯酯(PVB)，以及約1-20 wt.%界面活性劑，及約50-70 wt.%有機溶劑。另外，有機載體可包含約1-10 wt.%乙基纖維素作為額外黏合劑。所有重量百分比均以有機載體之重量百分比表示。有機載體亦可包含熟習此項技術者已知之搖變劑。
本發明之另一態樣係關於一種導電性漿料。導電性漿料組合物包含約80 wt.%(佔漿料)金屬顆粒、約5 wt.%(佔漿料)玻璃料及約15 wt.%(佔漿料)有機載體。導電性漿料中之有機載體包含約1-10 wt.%(佔有機載體)黏合劑、約1-10重量%(佔有機載體)界面活性劑及約50-70 wt.%(佔有機載體)有機溶劑。根據一個實施例，黏合劑可為PVP、PMMA或PVB中之任一者。熟習此項技術者已知之搖變劑亦可包括於有機載體中。金屬顆粒較佳為銀，但亦可為鋁、金顆粒、銅、鎳顆粒或熟習此項技術者已知之其他導電性金屬顆粒，或其組合。
根據另一實施例，金屬顆粒佔總漿料之約60-90 wt.%，且較佳為銀。
玻璃料為漿料之約1-10 wt.%，且可係基於鉛或無鉛。基於鉛之玻璃料包含氧化鉛或其他基於鉛之化合物，包括但不限於：鹵化鉛、硫屬化鉛、碳酸鉛、硫酸鉛、磷酸鉛、硝酸鉛之鹽類及有機金屬鉛化合物或可在熱分解期間形成氧化鉛或鹽之化合物。無鉛玻璃料可包括熟習此項技術者已知之其他氧化物或化合物。舉例而言，可使用矽、硼、鋁、鉍、鋰、鈉、鎂、鋅、鈦或鋯的氧化物或化合物。其他玻璃基質成形劑或玻璃改質劑，諸如氧化鍺、氧化釩、氧化鎢、氧化鉬、氧化鈮、氧化錫、氧化銦、其他鹼金屬及鹼土金屬(諸如K、Rb、Cs及Be、Ca、Sr、Ba)化合物、稀土金屬氧化物(諸如La2O3、氧化鈰)、氧化磷或金屬磷酸鹽、過渡金屬氧化物(諸如氧化銅及氧化鉻)或金屬鹵化物(諸如氟化鉛及氟化鋅)亦可為玻璃組合物之一部分。
玻璃料可用熟習此項技術者已知之任何製程製造。舉例而言(而不限於)，將適當量之個別成分的粉末混合，在空氣中或含氧氛圍中加熱粉末混合物，形成熔融質，使熔融質驟冷，研磨且球磨經驟冷之物質，且篩選經碾磨之物質，以得到具有所需粒徑之粉末。舉例而言，玻璃料組分可呈粉末形式用V梳形摻合機混合在一起。接著混合物可加熱(例如至約800-1200℃)約30-40分鐘。玻璃可隨即驟冷，呈現沙樣一致性。此粗玻璃粉可隨即諸如用球磨機或噴射磨機碾磨，直至達到極細的粉末。通常，玻璃料可碾磨至0.01-10 μm，較佳0.1-5 μm之平均粒徑。
在另一實例中，可使用習知固相合成來製備本文所述之玻璃料。在此情況下，原材料真空密封在熔融石英管或鉭管或鉑管中，接著加熱至約700-1200℃。材料在此高溫下停留約12-48小時，隨後緩慢冷卻(約每分鐘0.1℃)至室溫。在某些情況下，固相反應可在氧化鋁坩堝中在空氣中進行。
在另一實例中，可用共沈澱來形成無機反應系統。在此製程 中，藉由調整pH值或者併入還原劑，使金屬元素還原且與其他金屬氧化物或氫氧化物共沈澱，形成含有金屬陽離子之溶液。此等金屬、金屬氧化物或氫氧化物之沈澱隨後乾燥且在真空中在約400-600℃下燒製，形成細粉。
有機載體為總漿料之約1-20 wt.%。有機載體本身包含約1-10 wt.%黏合劑、約1-20 wt.%界面活性劑及約50-70 wt.%有機溶劑。有機載體中亦可包括熟習此項技術者已知之搖變劑。
導電性漿料可藉由此項技術中已知或有待開發之任何製備漿料組合物之方法製備。只要產生均勻分散之漿料，製備方法並非關鍵。舉例而言(但不限於)，漿料組分可接著諸如用混合機混合，通過三輥碾磨機，例如以製成均一分散之漿料。本發明之範疇亦包括呈粉末形式或懸浮於液體介質中之添加劑。此類漿料可隨即用例如網版印刷將其施加於矽基板之抗反射層，然後燒製成矽基板上之電極(電觸層)，用來形成太陽能電池。
實例1
一種有機載體藉由將60 wt.%萜品醇(佔有機溶劑)、5 wt.% PVP、20 wt.% Dispers655、1-10 wt.%乙基纖維素及5 wt.%搖變劑組合來製備。混合物在攪拌的同時加熱至80℃之溫度，接著保持總共30分鐘。載體隨即冷卻且用三輥碾磨機碾磨，直至達到均勻一致性。高達20 wt.%(佔漿料)之載體接著與約80 wt.%(佔漿料)銀顆粒及約5 wt.%(佔漿料)玻璃料用快速混合機混合。混合物隨即用三輥碾磨機碾磨，直至形成均一分散之漿料。所得到之漿料經網版印刷於矽晶圓上，速度150 mm/s，絲網325(目)×0.9(密耳，線直徑)×0.6(密耳，乳膠厚度)×50 μm((手指線開口)(Calendar網)，且經印刷之晶圓隨即以適當輪廓燒製。
實例2
另一有機載體藉由將約60 wt.%(佔有機載體)萜品醇、5 wt.% PVP、20 wt.% BYK662C、1-10 wt.%乙基纖維素及5 wt.%搖變劑組合來製備。混合物在攪拌的同時加熱至80℃，接著保持總共30分鐘。載體隨即冷卻且用三輥碾磨機碾磨，直至達到均勻一致性。高達20 wt.%(佔漿料)載體接著與約80 wt.%(佔漿料)銀顆粒及約5 wt.%(佔漿料)玻璃料用快速混合機混合。混合物隨即用三輥碾磨機碾磨，直至形成均一分散之漿料。所得到之漿料經絲網印刷於矽晶圓上，速度150 mm/s，絲網325(目)×0.9(密耳，線直徑)×0.6(密耳，乳膠厚度)×50 μm((手指線開口)(Calendar網)，且經印刷之晶圓隨即以適當輪廓燒製。
圖1A及1B展示了使用根據例1之示例漿料印刷之乾燥手指線。乾燥之線寬77.3 μm，且高17.7 μm。該等線縱向邊緣非常均一，且手指線之高度變化極小，亦即沒有峰及谷。圖2A及2B中，同樣的手指線在燒製後保持縱向邊緣及高度均一性。燒製之手指線寬80 μm，且高13.0 μm。
使用示例導電性漿料製成之太陽能電池使用I-V測試儀測試。I-V測試儀中之氙弧光燈用於模仿具有已知強度之太陽光且照射太陽能電池之正表面，產生I-V曲線。由此曲線，可確定此量測方法常用之各種參數，該等參數用於比較電性能，包括太陽能電池效率(N電池)、短路電流強度(Isc)、開路電壓(Voc)、填充因子(FF)、串聯電阻(Rs)、三種標準光強下串聯電阻(Rs3)及正面柵極電阻(GRFr3或R正)。所有數據彙編於表1。
如表1中列出之結果所示，示例漿料展現了可行的串聯電阻(Rs)及正面柵極電阻(GRFr3或R正)，獲得較好的導電性及總體太陽能電池效率(N電池)。
熟習此項技術者自前述說明書顯而易見本發明之此等優勢及其他優勢。因此，熟習此項技術者將認識到，在不脫離本發明之廣泛概念下對上述實施例可進行改變或修改。任何特別實施例中之特定尺寸僅出於說明之目的來描述。因此，應瞭解，本發明不侷限於本文所述之特定實施例，而欲包括在本發明之範疇及精神內之所有改變及修改。

Claims (20)

  1. 一種用於導電性漿料之有機載體，其包含：黏合劑，其包含聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丁酸乙烯酯(PVB)中之至少一者；界面活性劑；及有機溶劑。
  2. 如請求項1之有機載體，其中該有機載體進一步包含搖變劑。
  3. 如前述請求項中任一項之有機載體，其中該黏合劑為有機載體之約1-10 wt.%。
  4. 如前述請求項中任一項之有機載體，其中該界面活性劑為有機載體之約1-20 wt.%。
  5. 如前述請求項中任一項之有機載體，其中該界面活性劑為有機載體之約1-10 wt.%。
  6. 如前述請求項中任一項之有機載體，其中該界面活性劑為含有色素親和基團之羥基官能羧酸酯、含有色素親和基團之丙烯酸酯共聚物、含有色素親和基團之改質聚醚或含有色素親和基團之化合物中的至少一者。
  7. 如前述請求項中任一項之有機載體，其中該有機溶劑為卡必醇、萜品醇、己基卡必醇、特沙酯醇(texanol)、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯或己二酸二甲酯中之至少一者。
  8. 一種用於太陽能電池技術中之導電性漿料，其包含：金屬顆粒；玻璃料；及有機載體，其包含含有PVP、PMMA或PVB中之至少一者的黏合劑、界面活性劑及有機溶劑。
  9. 如請求項8之導電性漿料，其中該等金屬顆粒為漿料之約60-90 wt.%。
  10. 如請求項8至9中任一項之導電性漿料，其中該等金屬顆粒為漿料之約80 wt.%。
  11. 如請求項8至10中任一項之導電性漿料，其中該等金屬顆粒為銀、金、銅及鎳中之至少一者。
  12. 如請求項8至11中任一項之導電性漿料，其中該玻璃料為漿料之約1-10 wt.%。
  13. 如請求項8至12中任一項之導電性漿料，其中該玻璃料為漿料之約5 wt.%。
  14. 如請求項8至13中任一項之導電性漿料，其中該有機載體為漿料之約1-20 wt.%。
  15. 如請求項8至14中任一項之導電性漿料，其中該有機載體為漿料之約15 wt.%。
  16. 如請求項8至15中任一項之導電性漿料，其中該有機載體進一步包含搖變劑。
  17. 如請求項8至16中任一項之導電性漿料，其中該有機載體包含1-10 wt.%(佔有機載體)黏合劑。
  18. 如請求項8至17中任一項之導電性漿料，其中該有機載體包含約1-20 wt.%(佔有機載體)界面活性劑。
  19. 如請求項8至18中任一項之導電性漿料，其中該有機載體包含1-10 wt.%(佔有機載體)界面活性劑。
  20. 一種太陽能電池，其係藉由將如請求項8至19中任一項之導電性漿料塗覆於矽晶圓，且燒製該矽晶圓來產生。
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