TW201438254A - 太陽電池電極用組成物及使用其製造的電極 - Google Patents

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Abstract

本文揭露一種太陽電池電極用組成物。組成物包含：銀粉；氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料；以及有機媒劑，其中玻璃料包含：40 wt%至60 wt%的氧化鉍；0.25 wt%至15 wt%的氧化碲；10 wt%至20 wt%的氧化鎢；以及2 wt%至20 wt%的氧化鋅。由組成物形成的太陽電池電極具有關於條帶的優良黏合強度以及最小化的串聯電阻(Rs)，因此提供高轉換效率。

Description

太陽電池電極用組成物及使用其製造的電極
本發明是關於一種太陽電池電極用組成物、以及使用太陽電池電極用組成物製造的電極。
太陽電池使用p-n接面的光伏打效應(photovoltaic effect)來產生電能，p-n接面的光伏打效應將陽光的光子轉換成電。在太陽電池中，前電極(front electrode)以及後電極(rear electrode)分別形成於具有p-n接面的半導體晶圓或基板的上表面以及下表面上。接著，由進入半導體晶圓的陽光引發p-n接面的光伏打效應，且由p-n接面的光伏打效應產生的電子將電流經由電極而提供至外部。藉由塗覆、圖案化以及烘烤電極用組成物而將太陽電池的電極形成於晶圓上。
連續地縮減發射極厚度(emitter thickness)以改良太陽電池效率可造成分流(shunting)，其可使太陽電池效能劣化。此外，已逐漸地增加太陽電池的面積以達成高效率。然而，在此狀 況下，可存在歸因於太陽電池的接觸電阻增加的效率劣化問題。
太陽電池是藉由條帶(ribbon)而彼此連接以構成太陽電池組(solar cell battery)。在此狀況下，電極與條帶之間的低黏合性可造成大的串聯電阻(serial resistance)、以及轉換效率的劣化。本發明的發明者已基於如下事實而開發一種太陽電池用組成物：使用包含鉛玻璃料的典型組成物製造的太陽電池電極展現關於條帶的不足的黏合強度(adhesive strength)。
根據本發明的一個態樣，一種太陽電池電極用組成物包含：銀粉(silver powder)；氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料(bismuth oxide-tellurium oxide-tungsten oxide-zinc oxide-based glass frit)；以及有機媒劑(organic vehicle)，其中玻璃料包含：40重量百分比(wt%)至60wt%的氧化鉍；0.25wt%至15wt%的氧化碲；10wt%至20wt%的氧化鎢；以及2wt%至20wt%的氧化鋅。
玻璃料可更包含選自由以下各者組成的群組的至少一金屬氧化物：氧化鋰(Li2O)、氧化釩(V2O5)、氧化磷(P2O5)、氧化鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化鍶(SrO)、氧化鉬(MoO3)、氧化鈦(TiO2)、氧化錫(SnO)、氧化銦(In2O3)、氧化鋇(BaO)、氧化鎳(NiO)、氧化銅(Cu2O或CuO)、氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)、氧化銻(Sb2O3、Sb2O4或Sb2O5)、氧化鍺(GeO2)、氧化鎵(Ga2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化砷(As2O3)、氧化鈷(CoO或Co2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化錳(MnO、Mn2O3 或Mn3O4)、以及氧化鋁(Al2O3)。
組成物可包含：60wt%至95wt%的銀粉；0.5wt%至20wt%的氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料；以及1wt%至30wt%的有機媒劑。
玻璃料可具有0.1μm至10μm的平均粒徑(D50)。
組成物可更包含選自由以下各者組成的群組的至少一添加劑：分散劑(dispersant)、觸變劑(thixotropic agent)、塑化劑(plasticizer)、黏度穩定劑(viscosity stabilizer)、消泡劑(anti-foaming agent)、顏料(pigment)、紫外線穩定劑(UV stabilizer)、抗氧化劑(antioxidant)、以及耦合劑(coupling agent)。
根據本發明的另一態樣，提供一種使用太陽電池電極用組成物形成的太陽電池電極。
100‧‧‧晶圓/基板
101‧‧‧p型層
102‧‧‧n型層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極
圖1為使用根據本發明的一個實施例的組成物製造的太陽電池的示意圖。
太陽電池電極用組成物
根據本發明的太陽電池電極用組成物包含：銀粉；氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料；以及有機媒劑。組成物展現關於將太陽電池彼此連接的條帶的高黏合性，且使串聯電阻(Rs)最小化，藉此提供優良轉換效率。
現在，將更詳細地描述本發明。
(A)銀粉
根據本發明的太陽電池電極用組成物包含銀粉作為導電粉(conductive powder)。銀粉的粒度(particle size)可處於奈米或微米尺度。舉例而言，銀粉的粒度可為數十奈米至數百奈米，或數微米至數十微米。或者，銀粉可為具有不同粒度的兩種或兩種以上類型的銀粉的混合物。
銀粉可具有球形、片狀或非晶形形狀。
銀粉的平均粒徑(D50)較佳地為0.1μm至10μm，更佳地為0.5μm至5μm。在經由超音波處理(ultrasonication)而使導電粉在25℃下分散於異丙醇(isopropyl alcohol，IPA)中歷時3分鐘之後，可使用(例如)Model 1064D(CILAS有限公司)來量測平均粒徑。在此平均粒徑範圍內，組成物可提供低接觸電阻及低線路電阻。
基於組成物的總重量，銀粉可以60wt%至95wt%的量存在。在此範圍內，導電粉可防止歸因於電阻增加的轉換效率劣化。有利地，導電粉是以70wt%至90wt%的量存在。
(B)氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料
玻璃料用來藉由蝕刻抗反射層(anti-reflection layer)及使銀粉熔融，以增強導電粉與晶圓或基板之間的黏合性且在發射極區(emitter region)中形成銀晶粒(silver crystal grain)，以便在電極膏(electrode paste)的烘烤製程(baking process)期間減少接觸電阻。另外，在烘烤製程期間，玻璃料軟化，且減低烘烤溫度。
當增加太陽電池的面積以便改良太陽電池效率時，可存在太陽電池的接觸電阻增加的問題。因此，有必要使串聯電阻(Rs)及對p-n接面的影響最小化。此外，由於隨著愈來愈多地使用具有不同薄層電阻(sheet resistance)的各種晶圓而使烘烤溫度在廣泛範圍內變化，故需要使玻璃料保證足夠的熱穩定性以耐受廣泛範圍的烘烤溫度。
太陽電池是藉由條帶而彼此連接以構成太陽電池組。在此狀況下，太陽電池電極與條帶之間的低黏合強度可造成電池分離，或可靠性劣化。在本發明中，為了確保太陽電池具有諸如黏合強度的理想電性及物理性，使用氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅(Bi2O3-TeO2-WO3-ZnO)型的無鉛玻璃料。
在本發明中，氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料可包含：40wt%至60wt%的氧化鉍；0.25wt%至15wt%的氧化碲；10wt%至20wt%的氧化鎢；以及2wt%至20wt%的氧化鋅。在此範圍內，玻璃料可保證優良黏合強度以及優良轉換效率兩者。
在一個實施例中，氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料可更包含選自由以下各者組成的群組的至少一金屬氧化物：氧化鋰(Li2O)、氧化釩(V2O5)、氧化磷(P2O5)、氧化鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化鍶(SrO)、氧化鉬(MoO3)、氧化鈦(TiO2)、氧化錫(SnO)、氧化銦(In2O3)、氧化鋇(BaO)、氧化鎳(NiO)、氧化銅(Cu2O或CuO)、氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)、氧化銻(Sb2O3、Sb2O4或Sb2O5)、氧化鍺(GeO2)、氧化鎵(Ga2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化砷(As2O3)、氧化鈷(CoO或Co2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化錳(MnO、Mn2O3或Mn3O4)、 以及氧化鋁(Al2O3)。
可藉由任何典型方法而自此類金屬氧化物製備玻璃料。舉例而言，可以預定比例來混合金屬氧化物。可使用球磨機(ball mill)或行星式軋機(planetary mill)來進行混合。使所混合的組成物在900℃至1300℃下熔融，接著驟冷至25℃。使所得的材料經受使用盤磨機(disk mill)、行星式軋機或其類似者粉碎(pulverization)，藉此提供玻璃料。
玻璃料可具有0.1μm至10μm的平均粒徑(D50)，且基於組成物的總量，玻璃料可以0.5wt%至20wt%的量存在。玻璃料可具有球形或非晶形形狀。
(C)有機媒劑
有機媒劑經由與太陽電池電極用組成物的無機組份的機械混合而賦予適合於印刷的黏度及流變特性于膏組成物。
有機媒劑可為用於太陽電池電極用組成物的任何典型有機媒劑，且可包含黏合劑樹脂(binder resin)、溶劑以及其類似者。
黏合劑樹脂可選自丙烯酸酯樹脂(acrylate resin)或纖維素樹脂(cellulose resin)。乙基纖維素通常用作黏合劑樹脂。此外，黏合劑樹脂可選自以下各者：乙基羥乙基纖維素、硝化纖維素、乙基纖維素與酚樹脂的摻合物、醇酸樹脂(alkyd)、酚、丙烯酸酯、二甲苯、聚丁烷、聚酯、脲、三聚氰胺、乙酸乙烯酯樹脂、木松香、乙醇的聚甲基丙烯酸酯、以及其類似者。
溶劑可選自由(例如)以下各者組成的群組：己烷、甲苯、乙基溶纖劑、環己酮、丁基溶纖劑、丁基卡必醇(二乙二醇單丁醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇醋酸酯 (二乙二醇單丁醚醋酸酯)、丙二醇單甲醚、己二醇、松脂醇(terpineol)、甲基乙基酮、卡醇(benzylalcohol)、γ-丁內酯、乳酸乙酯、以及其組合。
基於組成物的總重量，有機媒劑可以1wt%至30wt%的量存在。在此範圍內，有機媒劑可向組成物提供足夠黏合強度以及優良印刷性。
(D)添加劑
按需要，組成物可更包含典型添加劑以增強流動性、製程性以及穩定性。添加劑可包含分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線穩定劑、抗氧化劑、耦合劑、以及其類似者，但不限於此等添加劑。此等添加劑可被單獨地使用，或作為其混合物而使用。此等添加劑可以0.1wt%至5wt%的量存在於組成物中，但此量可按需要而改變。
太陽電池電極以及包含太陽電池電極的太陽電池
本發明的其他態樣是關於一種由太陽電池電極用組成物形成的電極以及一種包含所述電極的太陽電池。圖1展示根據本發明的一個實施例的太陽電池。
參看圖1，可藉由將組成物印刷於晶圓或基板100上且烘烤組成物而形成後電極210以及前電極230，晶圓或基板100包含p型層101以及n型層102，n型層102將充當發射極。舉例而言，藉由將組成物印刷於晶圓的後表面上且在200℃至400℃下乾燥所印刷的組成物歷時10秒至60秒而進行用於製備後電極的初步製程。另外，可藉由將膏印刷於晶圓的前表面上且乾燥所印刷的組成物而進行用於製備前電極的初步製程。接著，可藉由在400℃至 950℃下(較佳地在850℃至950℃下)烘烤晶圓歷時30秒至50秒而形成前電極以及後電極。
接著，將參考實例來更詳細地描述本發明。然而，應注意，此等實例是僅出於說明起見而被提供，且不應以任何方式被認作限制本發明。
實例 實例1
根據表1中列出的組成物而混合金屬氧化物，且使金屬氧化物在900℃至1400℃下經受熔融以及燒結，藉此製備平均粒徑(D50)為1.7μm的氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料。
作為有機黏合劑，將0.8wt%的乙基纖維素(STD4，陶氏化學公司(Dow Chemical Company))在60℃下足夠地溶解於9.0wt%的丁基卡必醇中，且將平均粒徑為2.0μm的86wt%的球形銀粉(AG-4-8，同和高科技有限公司(Dowa Hightech Co.Ltd))、3.5wt%的所製備的氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料、0.2wt%的分散劑BYK102(BYK-chemie)以及0.5wt%的觸變劑Thixatrol ST(海名斯有限公司(Elementis Co.Ltd.))添加至黏合劑溶液，接著在3輥捏合機中進行混合以及捏合，藉此製備太陽電池電極用組成物。
藉由以預定圖案進行網狀印刷(screen-printing)而將所製備的組成物沈積於結晶單晶圓的前表面上方，接著在紅外線(IR)乾燥爐中進行乾燥。接著，將包含鋁的電極用組成物印刷於晶圓的後側上，且以相同方式進行乾燥。使根據此程序形成的電池在帶式烘烤爐(belt-type baking furnace)中於910℃下經受烘烤 歷時40秒，且使用太陽電池效率測試器CT-801(潘沙有限公司(Pasan Co.Ltd.))來評估電池的轉換效率(%)、串聯電阻Rs(mΩ)以及開路電壓(Voc)。接著，將助熔劑塗覆至電池的電極，且使用烙鐵(京業有限公司(Hakko Co.Ltd.))而在300℃至400℃下結合至條帶。接著，使用張力器(Tinius Olsen)以180°的剝落角度以及50mm/min的拉伸速率來評估生成物的黏合強度(N/mm)。表1中展示所量測的轉換效率、串聯電阻、開路電壓以及黏合強度。
實例2至5以及比較例1至9
除了以如表1中列出的組成物來製備玻璃料之外，以與實例1中的方式相同的方式來製備太陽電池電極用組成物，且以與實例1中的方式相同的方式來評估太陽電池電極用組成物的物理屬性。表1中展示結果。
如表1所展示，可看出，與使用鉛玻璃料的比較例1的太陽電池以及玻璃料的組成物並不滿足本發明的比較例2至9的太陽電池相比較，使用實例1至5中製備的組成物製造的太陽電池電極展現至條帶的相當高黏合強度、以及低串聯電阻與優良轉換效率。
儘管已描述本發明的一些實施例，但對於本領域具有熟練知識者將顯而易見，此等實施例是僅作為說明而被給出，且可在不脫離本發明的精神及範疇的情況下作出各種修改、改變、變更以及等效實施例。本發明的範疇應僅受到隨附申請專利範圍以及其等效者限制。
100‧‧‧晶圓/基板
101‧‧‧p型層
102‧‧‧n型層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極

Claims (6)

  1. 一種太陽電池電極用組成物，包含：銀粉；氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料；以及有機媒劑，其中所述玻璃料包含：40wt%至60wt%的氧化鉍；0.25wt%至15wt%的氧化碲；10wt%至20wt%的氧化鎢；以及2wt%至20wt%的氧化鋅。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，其中所述玻璃料更包含選自由以下各者組成的群組的至少一金屬氧化物：氧化鋰(Li2O)、氧化釩(V2O5)、氧化磷(P2O5)、氧化鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2)、氧化硼(B2O3)、氧化鍶(SrO)、氧化鉬(MoO3)、氧化鈦(TiO2)、氧化錫(SnO)、氧化銦(In2O3)、氧化鋇(BaO)、氧化鎳(NiO)、氧化銅(Cu2O或CuO)、氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)、氧化銻(Sb2O3、Sb2O4或Sb2O5)、氧化鍺(GeO2)、氧化鎵(Ga2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化砷(As2O3)、氧化鈷(CoO或Co2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化錳(MnO、Mn2O3或Mn3O4)、以及氧化鋁(Al2O3)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，包含：60wt%至95wt%的所述銀粉；0.5wt%至20wt%的所述氧化鉍-氧化碲-氧化鎢-氧化鋅型的玻璃料；以及1wt%至30wt%的所述有機媒劑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，其中所述玻璃料具有0.1μm至10μm的平均粒徑。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，更包含選自由以下各者組成的群組的至少一者：分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線穩定劑、抗氧化劑、 以及耦合劑。
  6. 一種太陽電池電極，由申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的太陽電池電極用組成物製備。
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