TW201430861A - 用於形成太陽能電池電極之組成物、及使用該組成物所製電極（一） - Google Patents

用於形成太陽能電池電極之組成物、及使用該組成物所製電極（一） Download PDF

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Abstract

一種用於太陽能電池電極的組成物及使用該組成物所製電極。該組成物包括一銀(Ag)粉末；一包含0.1莫耳%至50莫耳%元素銀的玻璃料；及一有機媒劑，其中於元素銀係衍生自鹵化銀(Ag-X)。該組成物可提高在電極與矽晶圓間之接觸效率，因此最小化接觸電阻(Rc)及串聯電阻(Rs)。因此，從該組成物製造的太陽能電池電極提供優良的太陽能電池轉換效率。

Description

用於形成太陽能電池電極之組成物、及使用該組成物所製電極(一) 發明領域
本發明係關於一種用於形成太陽能電池電極之組成物及使用該組成物所製電極。
發明背景
太陽能電池使用p-n接面的光伏打效應產生電力，其中該接面將日光的光子轉換成電力。在太陽能電池中，各別在具有p-n接面的半導體晶圓或基材之上及下表面上形成前端及後端電極。然後，由進入該半導體晶圓的日光在p-n接面處引發光伏打效應，及由該光伏打效應在p-n接面處所產生的電子經由該電極對外部提供電流。該太陽能電池的電極係在晶圓上藉由施用、圖形化及烘烤一電極組成物而形成。
連續減少發射器厚度來改良太陽能電池效率可造成分流，此可降低太陽能電池性能。此外，太陽能電池已逐漸增加面積來達成較高的效率。但是，於此情況中，會有由於太陽能電池接觸電阻增加而效率降低的問題。
因此，對可提高在電極與矽晶圓間之接觸效率以最小化接觸電阻(Rc)及串聯電阻(Rs)，因此提供優良的轉換效率之用於太陽能電池電極的組成物有需求。
發明概要
根據本發明的一個態様，一種用於太陽能電池電極的組成物包括一銀(Ag)粉末；一包含0.1莫耳%至50莫耳%元素銀的玻璃料；及一有機媒劑，其中該元素銀可來自鹵化銀(Ag-X)。
該組成物可包含60%以重量計(重量%)至95重量%的銀粉末；0.1重量%至20重量%的玻璃料；及1重量%至30重量%的有機媒劑。
該玻璃料可包含0.5莫耳%至25莫耳%的元素銀，以該玻璃料的總莫耳數為基準。
該玻璃料可由至少一種金屬氧化物及鹵化銀(Ag-X)形成。
該金屬氧化物可包括至少一種選自於由下列所組成之群的金屬氧化物：鉛(Pb)、鉍(Bi)、碲(Te)、磷(P)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、鋰(Li)、矽(Si)、鋅(Zn)、鎢(W)、鎂(Mg)、銫(Cs)、鍶(Sr)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、錫(Sn)、銦(In)、釩(V)、鋇(Ba)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈉(Na)、鉀(K)、砷(As)、鈷(Co)、鋯(Zr)、錳(Mn)及鋁(Al)的氧化物。
在該鹵化銀(Ag-X)中，X可係選自於由下列所組成之群的元素鹵素：碘(I)、氟(F)、氯(Cl)及溴(Br)。
該玻璃料可具有平均顆粒直徑(D50)係0.1微米至10微米。
該組成物可進一步包括至少一種選自於由下列所組成之群的添加劑：分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、顏料、UV安定劑、抗氧化劑及耦合劑。
根據本發明的另一個態様，提供一種由該用於太陽能電池電極的組成物形成之太陽能電池電極。
100‧‧‧晶圓或基材
101‧‧‧p層(或n層)
102‧‧‧n層(或p層)
210‧‧‧後端電極
230‧‧‧前端電極
圖1係使用根據本發明的一個具體實例之玻璃料所製備的太陽能電池電極之掃描式電子顯微鏡(SEM)圖。
圖2係根據本發明的一個具體實例之太陽能電池的圖式圖。
較佳實施例之詳細說明 用於太陽能電池電極的組成物
根據本發明之用於太陽能電池電極的組成物包括一銀(Ag)粉末(A)；一包含元素銀(B)的玻璃料；及一有機媒劑(C)。
現在，將更詳細地描述根據本發明之用於太陽能電池電極的組成物之每種組分。
(A)銀粉末
根據本發明之用於太陽能電池電極的組成物包括銀(Ag)粉末作為導電粉末。該銀粉末的顆粒尺寸可呈奈米或微米規模。例如，該銀粉末可具有顆粒尺寸數打至數 百奈米，或數個至數打微米。再者，該銀粉末可係二或更多種具有不同顆粒尺寸的銀粉末型式之混合物。
該銀粉末可具有球形、薄片或無定形形狀。
該銀粉末以具有平均顆粒直徑(D50)0.1微米至10微米為較佳，更佳為0.5微米至5微米。該平均顆粒直徑可在25℃下將該導電粉末分散於異丙醇(IPA)中且經由超音波處理3分鐘後，使用例如型號1064D(CILAS Co.,Ltd.)來測量。在此平均顆粒直徑的範圍內，該組成物可提供低接觸電阻及低線電阻。
該銀粉末可以60重量%至95重量%之量存在，以該組成物的總重量為基準。在此範圍內，該導電粉末可防止由於電阻增加之轉換效率降低及由於該有機媒劑的量相對減少之糊狀物形成困難。有利的是，該導電粉末可以70重量%至90重量%之量存在。
(B)玻璃料
該玻璃料提供以提高在導電粉末與晶圓或基材間之黏附力，及藉由蝕刻抗反射層及熔融該銀粉末在發射器區域中形成銀晶粒，以便在該用於電極的組成物之烘烤製程期間減低接觸電阻。再者，在烘烤製程期間，該玻璃料軟化及降低該烘烤溫度。
當太陽能電池的面積係增加以改良太陽能電池效率時，會有太陽能電池接觸電阻增加的問題。因此，需要最小化在p-n接面上的串聯電阻(Rs)及影響二者。此外，當該烘烤溫度係隨著增加使用多種具有不同薄片電阻的晶 圓而在寬廣範圍內改變時，想要該玻璃料保證足夠的熱穩定性以抵擋廣寬範圍的烘烤溫度。
在一個具體實例中，該玻璃料係從鹵化銀(Ag-X)及金屬氧化物形成。特別是，該玻璃料可藉由混合、熔融及研磨具有熔點低於元素銀的熔點且係600℃或較低的鹵化銀與金屬氧化物而製備。該金屬氧化物可包括至少一種金屬氧化物。
在該鹵化銀(Ag-X)中，X可包括碘、氟、氯或溴。較佳的是，X係碘。
該金屬氧化物可包括至少一種選自於由下列所組成之群的金屬氧化物：鉛(Pb)、鉍(Bi)、碲(Te)、磷(P)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、鋰(Li)、矽(Si)、鋅(Zn)、鎢(W)、鎂(Mg)、銫(Cs)、鍶(Sr)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、錫(Sn)、銦(In)、釩(V)、鋇(Ba)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈉(Na)、鉀(K)、砷(As)、鈷(Co)、鋯(Zr)、錳(Mn)及鋁(Al)的氧化物。
該玻璃料可包含0.1莫耳%至50莫耳%的元素銀，較佳為0.5莫耳%至25莫耳%的元素銀，以該玻璃料的總莫耳數為基準。
該元素銀的含量可藉由感應耦合電漿-放射光譜分析儀(ICP-OES)測量。ICP-OES需要非常小的樣品量，因此可縮短樣品建立時間及減少由於樣品之預處理的誤差，同時提供優良的分析靈敏度。
特別是，ICP-OES可包括預處理樣品、製備標準溶液、及藉由測量及轉換元素銀(Ag)的濃度來計算在玻璃 料中的元素銀含量，因此能夠準確測量在該玻璃料中的元素銀含量。
在預處理樣品的操作中，可將預定量的樣品溶解在能溶解分析標的，也就是說，在樣品玻璃料中的銀(Ag)之酸溶液中，然後加熱用以碳化。該酸溶液可包括硫酸(H2SO4)溶液。
該經碳化的樣品可以溶劑，諸如蒸餾水或過氧化氫(H2O2)稀釋至允許元素銀之分析的適當程度。考慮到感應耦合電漿-放射光譜分析儀(ICP-OES)的元素偵測能力，該經碳化的樣品可稀釋10,000倍。
在以ICP-OES測量時，該經預處理的樣品可使用標準溶液來校準，例如，用於測量元素的元素銀標準溶液(Ag+1000毫克/升)。
以實施例說明之，在該玻璃料中的元素銀含量之計算可藉由將該標準溶液引進ICP-OES中及以外部標準方法繪製校準曲線，接著使用ICP-OES測量及轉換在該經預處理的樣品中之元素銀濃度(ppm)而達成。
從根據本發明之玻璃料所製造的太陽能電池電極除了在烘烤後從導電粉末形成的Ag結晶外，可具有Ag結晶析出在該玻璃料上。再者，從氰化銀或硝酸銀取得之元素銀可對玻璃授予導電度，其中該玻璃係在該Ag結晶與晶圓間於該玻璃料上形成及作為在Ag結晶與晶圓間之絕緣器；及該元素銀可填充在該玻璃料上分離的孔洞或空隙中，因此減低該晶圓-銀電極之接觸電阻及串聯電阻。
圖1係使用根據本發明之玻璃料所製備的太陽能電池電極之掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，其中該球形顆粒係在玻璃上析出的Ag結晶。該Ag結晶可均勻地分佈在該玻璃內，因此提高在該銀電極與晶圓間之導電度。
該玻璃料可藉由在技藝中已知的任何典型方法從此金屬氧化物製備。例如，該金屬氧化物可以預定比率混合。該混合可使用球磨機或行星式研磨機進行。該混合物係在700℃至1300℃下熔化，接著淬火至25℃。使用盤式研磨機、行星式研磨機或其類似機器，讓所獲得的產生物接受研磨，因此製備一玻璃料。
該玻璃料可具有平均顆粒直徑(D50)係0.1微米至10微米，及可具有球形或無定形形狀。
該玻璃料可以0.1重量%至20重量%之量存在，較佳為0.5重量%至10重量%，以該組成物的總重量為基準。在此範圍內，可對所提供的不同表面電阻保證p-n接面穩定性同時最小化串聯電阻，以便改良太陽能電池效率。
(C)有機媒劑
該有機媒劑經由與該組成物的無機組分機械混合對該用於太陽能電池電極的組成物授予用於印刷的合適黏度及流變學特徵。
該有機媒劑可係使用在太陽能電池電極組成物中的任何典型有機媒劑，及可包括黏合樹脂、溶劑及其類似物。
該黏合樹脂可選自於丙烯酸酯樹脂或纖維素樹 脂。乙基纖維素係通常使用作為該黏合樹脂。此外，該黏合樹脂可選自於下列當中：乙基羥乙基纖維素、硝基纖維素、乙基纖維素與酚樹脂的摻合物、醇酸樹脂、酚、丙烯酸酯、二甲苯、聚丁烷、聚酯、尿素、蜜胺、醋酸乙烯酯樹脂、木松香、醇的聚甲基丙烯酸酯、及其類似物。
該溶劑可選自於由下列所組成之群：例如，己烷、甲苯、乙二醇單乙醚、環己酮、乙二醇單丁醚、丁基卡必醇(二甘醇單丁基醚)、二丁基卡必醇(二甘醇二丁基醚)、醋酸丁基卡必醇酯(醋酸二甘醇單丁基醚酯)、丙二醇單甲基醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苄醇、γ-丁內酯、乳酸乙酯、及其組合。
該有機媒劑可以1重量%至30重量%之量存在，以該組成物的總重量為基準。在此範圍內，該有機媒劑可對該組成物提供足夠的黏著強度及優良的可印性。
(D)添加劑
如需要的話，該組成物可進一步包括典型的添加劑以提高流動及加工性質及穩定性。該添加劑可包括分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、顏料、UV安定劑、抗氧化劑、耦合劑、及其類似物，不限於此。這些添加劑可單獨或以其混合物使用。這些添加劑可以0.1重量%至5重量%之量存在於該組成物中，不限於此。
太陽能電池電極及包含其之太陽能電池
本發明的其它態樣係關於一種由該用於太陽能電池電極的組成物形成之電極及包含其之太陽能電池。圖2 顯示出根據本發明的一個具體實例之太陽能電池。
參照圖2，後端電極210及前端電極230可藉由在晶圓或基材100上印刷及烘烤該組成物形成，其中該晶圓或基材100包括p層(或n層)101及n層(或p層)102，其將提供作為發射器。例如，製備該後端電極210的初步製程係進行在該晶圓100的後表面上印刷該組成物及在200℃至400℃下乾燥所印刷的組成物10秒至90秒。再者，用以製備該前端電極的初步製程可係進行將該糊狀物印刷在該晶圓的前端表面上及乾燥所印刷的組成物。然後，該前端電極230及後端電極210可藉由在600℃至1000℃下烘烤該晶圓而形成，較佳為在750℃至950℃下30秒至180秒。
其次，將參照實施例更詳細地描述本發明。但是，應注意的是，提供這些實施例僅用於闡明及應該不以任何方式解釋作為本發明之限制。
實施例
玻璃料之製備：根據如在表1中所列出的組成物來製備實施例及比較例之玻璃料。使用感應耦合電漿-放射光譜分析儀(ICP-OES)評估所製備的玻璃料關於在其中的元素銀含量(單位：莫耳%)。其典型的結果係顯示在表3中。
實施例1
作為有機黏著劑，在60℃下，將3.0重量%的乙基纖維素(STD4，Dow Chemical Company)充分溶解在6.5重量%丁基卡必醇中，及將87.1重量%具有平均顆粒直徑2.0微米的球形銀粉末(AG-4-8，Dowa Hightech Co.,Ltd.)、2.9重量 %根據如在表1中列出的組成物所製備之玻璃料、0.2重量%的分散劑BYK102(BYK-Chemie)、及0.3重量%的觸變劑Thixatrol ST(Elementis Co.,Ltd.)加入至該黏著劑溶液，接著在3輥揉捏器中混合及揉捏，因此製備一用於太陽能電池電極的組成物。
實施例2至32及比較例1至2
使用與在實施例1中相同的方法製備用於太陽能電池電極的組成物，除了根據如在表1及2中所列出的組成物來製備玻璃料外。
使用ICP-OES測量在玻璃料中的元素銀含量
樣品之預處理：將0.5克欲分析的玻璃料樣品放置在燒杯中及正確地稱重至在±0.0001克內。將200毫升5莫耳%硫酸(H2SO4)加入至該燒杯，接著使用加熱板在220℃下加熱3小時，因此完全碳化該樣品。將過氧化氫(H2O2)加入至該燒杯直到包含該經碳化的樣品之燒杯變成透明，因此完成該預處理。
標準溶液之製備：製備用於測量元素的元素銀標準溶液(Ag+1000毫克/升)。
元素銀含量之測量：將硝酸加入至包含該經預處 理的樣品之燒杯，接著加熱5分鐘及空氣冷卻。將所製備的標準品引進ICP-OES測試機中及藉由外部標準方法繪製校準曲線，接著使用ICP-OES測試機(PerkinElmer,Inc.)測量及轉換在該樣品中的元素銀濃度(ppm)，因此計算在該玻璃料中的元素銀濃度。
元素銀的含量(%)=元素濃度(ppm)x稀釋因子(DF)/10000
元素銀的莫耳數=元素銀的含量/元素銀的分子量
元素銀的莫耳%=元素銀的莫耳數/全部元素的總莫耳數
接觸電阻及比接觸電阻率的測量方法
藉由絹版印刷，以預定圖案將在實施例及比較例中所製備的組成物沈積到結晶單晶圓之前端表面上，接著在IR乾燥爐中乾燥。在帶狀烘烤爐中，讓根據此程序所形成的電池接受在600℃至900℃下烘烤30至210秒，然後使用 TLM(傳輸長度方法(transfer length method))測試機評估關於接觸電阻(Rs)及比接觸電阻率(ρc)。所測量的接觸電阻及比接觸電阻率係顯示在表4及5中。
串聯電阻、填充因子及轉換效率的測量方法
藉由絹版印刷，以預定圖案將在實施例及比較例中所製備的組成物沈積在結晶單晶圓之前端表面上，接著在IR乾燥爐中乾燥。然後，將該鋁糊狀物印刷在晶圓的後面邊上及使用與上述相同的方法乾燥。在帶狀烘烤爐中，讓根據此程序所形成的電池接受在400℃至900℃下烘烤30秒至180秒，及使用太陽能電池效率測試機CT-801(Pasan Co.,Ltd.)評估關於串聯電阻(Rs)、填充因子(FF，%)及轉換效率(%)。所測量的串聯電阻、填充因子及轉換效率係顯示在表4及5中。
如顯示在表4及5中，可看見在實施例1至32中，使用該組成物所製造的太陽能電池電極具有非常低的接觸電阻、比接觸電阻率及串聯電阻，因此提供優良的填充因子及轉換效率，與比較例1至2的那些比較，其中該組成物係使用包含從鹵化銀取得的元素銀之玻璃料製備。
應要瞭解的是，可由熟習該項技術者製得多種改 質、改變、修改及同等具體實例而沒有離開本發明的精神及範圍。

Claims (9)

  1. 一種用於太陽能電池電極的組成物，其包含：一銀(Ag)粉末；一包含0.1莫耳%至50莫耳%元素銀的玻璃料；及一有機媒劑，其中該元素銀係衍生自鹵化銀(Ag-X)。
  2. 如請求項1之組成物，其包含：60重量%至95重量%的銀粉末；0.1重量%至20重量%的玻璃料；及1重量%至30重量%的有機媒劑。
  3. 如請求項1之組成物，其中該玻璃料包含0.5莫耳%至25莫耳%的元素銀，以該玻璃料的總莫耳數為基準。
  4. 如請求項1之組成物，其中該玻璃料係由至少一種金屬氧化物及鹵化銀(Ag-X)形成。
  5. 如請求項4之組成物，其中該金屬氧化物包含至少一種選自於由下列所組成之群的金屬氧化物：鉛(Pb)、鉍(Bi)、碲(Te)、磷(P)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、鋰(Li)、矽(Si)、鋅(Zn)、鎢(W)、鎂(Mg)、銫(Cs)、鍶(Sr)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、錫(Sn)、銦(In)、釩(V)、鋇(Ba)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈉(Na)、鉀(K)、砷(As)、鈷(Co)、鋯(Zr)、錳(Mn)及鋁(Al)的氧化物。
  6. 如請求項1之組成物，其中在該鹵化銀(Ag-X)中，X係選自於由碘(I)、氟(F)、氯(Cl)及溴(Br)所組成之群的元素鹵素。
  7. 如請求項1之組成物，其中該玻璃料具有平均顆粒直徑(D50)係0.1微米至10微米。
  8. 如請求項1之組成物，更包含至少一種選自於由下列所組成之群的添加劑：分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、顏料、UV安定劑、抗氧化劑及耦合劑。
  9. 一種太陽能電池電極，其係從如請求項1至8中任一項之用於太陽能電池電極的組成物所製備。
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