TW201445581A - 形成太陽電池電極用的組成物及以該組成物製備的電極 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種形成太陽電池電極用的組成物及以所述組成物製備的電極。所述組成物包含銀粉；煙霧狀二氧化矽；玻璃料；以及有機媒劑。所述組成物藉由引入特定煙霧狀二氧化矽而使電極與矽晶圓之間的接觸效率改良。以所述組成物製備之太陽電池電極展現最小串聯電阻，從而提供極佳填充因子及轉化效率。

Description

形成太陽電池電極用的組成物及以該組成物製備的電極
本發明是關於一種形成太陽電池電極用的組成物及以所述組成物製備的電極。
太陽電池使用p-n接面之光伏效應發電，所述光伏效應將日光之光子轉化為電。在太陽電池中，分別在具有p-n接面之半導體晶圓或基板之上表面及下表面上形成前電極及背電極。隨後，藉由日光進入半導體晶圓來誘導p-n接面處之光伏效應，且藉由p-n接面處之光伏效應產生之電子經由電極向外部提供電流。藉由塗覆、圖案化及烘烤電極組成物而在晶圓上形成太陽電池之電極。
為了改良太陽電池效率而不斷降低發射極厚度會造成分流(shunting)，從而會使太陽電池效能劣化。另外，太陽電池之面積逐漸增大以獲得較高效率。然而，在此情況下，由於太陽電池接觸電阻增大，故可能存在效率劣化之問題。
因此，需要一種形成太陽電池電極用的組成物，其可提高電極與矽晶圓之間的接觸效率以使串聯電阻(serial resistance；Rs)達到最小，從而提供極佳轉化效率。
根據本發明之一個態樣，形成太陽電池電極用的組成物包含銀粉；煙霧狀二氧化矽；玻璃料；以及有機媒劑。所述組成物藉由引入特定煙霧狀二氧化矽而使電極與矽晶圓之間的接觸效率改良。以所述組成物製備之太陽電池電極展現最小串聯電阻，從而提供極佳填充因子及轉化效率。
根據本發明之另一態樣，提供由形成太陽電池電極用的組成物形成之太陽電池電極。
100‧‧‧晶圓或基板
101‧‧‧p層(或n層)
102‧‧‧n層(或p層)
111‧‧‧熔融銀粒子
112‧‧‧玻璃料
113‧‧‧銀晶粒
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
圖1為用於藉由在晶圓上烘烤銀粉及玻璃料形成銀晶粒之製程的概念視圖。
圖2為根據本發明之一個實施例的太陽電池的示意圖。
形成太陽電池電極用的組成物
根據本發明之形成太陽電池電極用的組成物包含銀粉；煙霧狀二氧化矽；玻璃料；以及有機媒劑。所述組成物藉由引入 特定煙霧狀二氧化矽而使電極與矽晶圓之間的接觸效率改良。以所述組成物製備之太陽電池電極展現最小串聯電阻，從而提供極佳填充因子及轉化效率。
現在將更詳細描述根據本發明之形成太陽電池電極用的組成物的各組分。
(A)銀粉
根據本發明之形成太陽電池電極用的組成物包含銀粉作為導電性粉末。銀粉之粒度(particle size)可為奈米或微米級的。舉例而言，銀粉之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之兩種或超過兩種類型之銀粉的混合物。
銀粉可具有球狀、薄片狀或非晶形形狀。
銀粉之平均粒徑(D50)較佳為0.1微米至10微米，更佳為0.5微米至5微米。平均粒徑可在25℃下經由超音波處理將導電性粉末分散於異丙醇(isopropyl alcohol；IPA)中3分鐘後使用例如Model 1064D(CILAS有限公司(CILAS Co.,Ltd.))量測。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。
銀粉可以按組成物之總重量計60重量%至95重量%之量存在。在此範圍內，導電性粉末可防止由於電阻增大所致的轉化效率劣化。導電性粉末宜以70重量%至90重量%之量存在。
(B)煙霧狀二氧化矽
參考圖1，在形成電極之烘烤製程期間，玻璃料112用於蝕刻晶圓之抗反射層，所述抗反射層包含p層(或n層)101及n層(或p層)102(作為發射極)，且用於熔融銀(Ag)粒子111， 以使得熔融之銀粒子滲入晶圓之表面中而形成銀晶粒113，從而得到電極。此處，重要的是確保形成銀晶粒之深度(歐姆接觸)及銀晶粒與晶圓之間的接觸面積。
在本發明中，煙霧狀二氧化矽用於藉由調節玻璃料蝕刻抗反射層之程度來形成最佳化歐姆接觸，及用於形成用於使烘烤製程期間玻璃料向晶圓中之擴散達到最小的流動，所述玻璃料可充當由於蝕刻抗反射層而產生之雜質。
煙霧狀二氧化矽為藉由乾燥法製備之合成二氧化矽，且具有99.9%或大於99.9%之高純度。煙霧狀二氧化矽可藉由例如在氣相中熱分解氯矽烷化合物而製備。
煙霧狀二氧化矽之比表面積可為20平方公尺/公克至500平方公尺/公克，較佳為50平方公尺/公克至200平方公尺/公克。在此範圍內，可調節蝕刻程度且確保用於使烘烤製程期間雜質向晶圓中之擴散達到最小的流動，從而降低由於雜質擴散所產生之串聯電阻，同時改良填充因子及轉化效率。
煙霧狀二氧化矽可以按組成物之總重量計0.1重量%或小於0.1重量%、較佳0.01重量%至0.1重量%之量存在。當煙霧狀二氧化矽之量超過0.1重量%時，組成物可能由於黏度增大而遭受印刷性劣化。
(C)玻璃料
玻璃料用於提高導電性粉末與晶圓或基板之間的黏著性及藉由蝕刻抗反射層及熔融銀粉在發射極區中形成銀晶粒從而降低電極漿液之烘烤製程期間的接觸電阻。此外，在烘烤製程期間，玻璃料軟化且降低烘烤溫度。
當增加太陽電池之面積以改良太陽電池效率時，可能存在太陽電池接觸電阻增大之問題。因此，必須使串聯電阻(Rs)與對p-n接面之影響二者達到最小。另外，因為隨著愈來愈多地使用具有不同薄層電阻之各種晶圓，烘烤溫度在寬廣範圍內變化，故需要玻璃料確保足夠熱穩定性以經受住各種烘烤溫度。
玻璃料可為所屬領域中通常用於形成太陽電池電極用的組成物的含鉛玻璃料及無鉛玻璃料中之任一者。
玻璃料可由至少一種由下列金屬氧化物所構成的族群中選出的金屬氧化物形成：鉛(Pb)、碲(Te)、鉍(Bi)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、硼(B)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、矽(Si)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、釓(Gd)、銻(Sb)、鑭(La)、釹(Nd)、硒(Se)、釔(Y)、磷(P)、鉻(Cr)、鋰(Li)、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)以及鋁(Al)氧化物。
在一個實施例中，玻璃料可為Pb-Si-O、Pb-Si-Al-O、Pb-Si-Al-P-O、Pb-Si-Al-Zn-O、Pb-Bi-O、Zn-Si-O、Zn-B-Si-O、Zn-B-Si-Al-O、Bi-Si-O、Bi-B-Si-O、Bi-B-Si-Al-O、Bi-Zn-B-Si-O、Bi-Zn-B-Si-Al-O、Pb-Te-O、Pb-Te-Bi-O、Pb-Te-Si-O、Pb-Te-Li-O、Bi-Te-O、Bi-Te-Si-O或Bi-Te-Li-O類玻璃料。此處，Pb-Si-O類玻璃料定義為由包含鉛(Pb)氧化物及矽(Si)氧化物之金屬氧化物製備的玻璃料且包含元素鉛及元素矽。上列所有玻璃料以與此定義相同之方式定義。
在另一實施例中，Bi-Te-O類玻璃料可由包含氧化鉍及氧 化碲之金屬氧化物製備。Bi-Te-O類玻璃料可包含元素鉍(Bi)及元素碲。此處，Bi與Te之莫耳比可在1：0.1至1：50範圍內，較佳為1：0.5至1：30，更佳為1：1至1：20。在此範圍內，可確保低串聯電阻及接觸電阻。如本文所用之莫耳比意謂各金屬組分之元素莫耳比。
玻璃料可具有0.1微米至20微米之平均粒徑D50，且可以按組成物之總重量計0.5重量%至20重量%之量存在。玻璃料可具有球狀或非晶形形狀。
在另一實施例中，可將具有不同玻璃轉化溫度之兩種類型玻璃料之混合物用於組成物。舉例而言，可使用玻璃轉化溫度在200℃至320℃範圍內之第一玻璃料與玻璃轉化溫度在300℃至550℃範圍內之第二玻璃料之混合物，其中第一玻璃料與第二玻璃料之重量比可在1：0.2至1：1範圍內。
玻璃料可為市售產品，或為了獲得所要組成物，可藉由熔融例如二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硼(B2O3)、氧化鉍(Bi2O3)、氧化鈉(Na2O)、氧化鋅(ZnO)或類似物製備。
(D)有機媒劑
有機媒劑經由與組成物之無機成分機械混合賦予形成太陽電池電極用的組成物適合於印刷之黏度及流變特徵。
有機媒劑可為太陽電池電極組成物中所用之任何典型有機媒劑，且可包含黏合劑樹脂、溶劑以及類似物。
黏合劑樹脂可由丙烯酸酯樹脂(acrylate resin)或纖維素樹脂中選出。乙基纖維素一般用作黏合劑樹脂。另外，黏合劑樹脂可由下列物質中選出：乙基羥基乙基纖維素、硝化纖維素、乙 基纖維素與酚樹脂之摻合物、醇酸樹脂、酚、丙烯酸酯、二甲苯、聚丁烷、聚酯、尿素、三聚氰胺、乙酸乙烯酯樹脂、木松香、醇之聚甲基丙烯酸酯以及類似物。
溶劑可由下列物質所構成的族群中選出，例如：己烷、甲苯、乙二醇乙醚(ethyl cellosolve)、環己酮、乙二醇丁醚(butyl cellosolve)、丁基卡必醇(butyl carbitol)(二乙二醇單丁醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二乙二醇單丁醚乙酸酯)、丙二醇單甲醚、己二醇、萜品醇(terpineol)、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯、乳酸乙酯及其組合。
有機媒劑可以按組成物之總重量計1重量%至30重量%之量存在。在此範圍內，有機媒劑可向組成物提供足夠黏著強度及極佳印刷性。
(D)添加劑
組成物可視需要更包含典型添加劑以提高流動及處理特性及穩定性。添加劑可包含(但不限於)分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑、耦合劑以及類似物。此等添加劑可單獨使用或以其混合物形式使用。此等添加劑可以(但不限於)約0.1重量%至約5重量%之量存在於組成物中。
太陽電池電極及包含所述太陽電池電極之太陽電池
本發明之其他態樣是關於一種由形成太陽電池電極用的組成物形成的電極及包含所述電極之太陽電池。圖2展示根據本發明之一個實施例的太陽電池。
參考圖2，可藉由在包含p層(或n層)101及n層(或 p層)102(將充當發射極)之晶圓或基板100上印刷及烘烤組成物形成背電極210及前電極230。舉例而言，藉由在晶圓100之後表面上印刷組成物且在約200℃至約400℃下乾燥所印刷組成物約10至60秒執行製備背電極210之初步製程。此外，可藉由在晶圓之前表面上印刷漿液且乾燥所印刷之組成物來執行製備前電極之初步製程。隨後，可藉由在約400℃至約950℃下、較佳在約850℃至約950℃下烘烤晶圓約30秒至50秒形成前電極230及背電極210。
接著，將參考實例更詳細描述本發明。然而，應注意，這些實例僅為說明而提供且不應視為以任何方式限制本發明。
實例1至實例5及比較實例1至比較實例8 實例1
作為有機黏合劑，在60℃下將1.0重量%乙基纖維素(STD4，陶氏化學公司(Dow Chemical Company))充分溶解於6.69重量%特神龍(Texanol)(特神龍酯-醇，伊士曼化學公司(Eastman Chemical Company))中，且向黏合劑溶液中添加89重量%平均粒徑為2.0微米之球狀銀粉(AG-4-8，同和高科技有限公司(Dowa Hightech Co.,Ltd.))、2.5重量%平均粒徑為1.0微米且轉化溫度為350℃之Pb-Si-Al-O類低熔點含鉛玻璃料、0.01重量%BET比表面積為200±25平方公尺/公克之煙霧狀二氧化矽(Aerosil® 200，埃沃尼克有限公司(Evonik Co.,Ltd.))、0.4重量%分散劑(BYK102，畢克化學公司(BYK-chemie))以及0.4重量%觸變劑(Thixatrol®ST，海名斯有限公司(Elementis Co.,Ltd.))，繼而在三輥捏合機中混合且捏合，從而製備形成太陽電池電極用的組成 物。
藉由網版印刷將組成物以預定圖案沈積於薄層電阻為85歐姆/平方之晶圓的前表面上，繼而在IR乾燥爐中乾燥。隨後，在晶圓之後側上印刷鋁漿液且以與上述相同之方式乾燥。將根據此程序形成之電池在帶式烘烤爐中在400℃至900℃下進行烘烤30秒至50秒，且使用太陽電池效率測試器CT-801(帕山有限公司(Pasan Co.Ltd.))關於填充因子(FF，%)及轉化效率(%)進行評估。所量測之填充因子及轉化效率展示於表1中。
實例2至實例3
除以表1中所列之量製備組成物以外，以與實例1相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於填充因子(FF，%)及轉化效率(%)進行評估。結果展示於表1中。
實例4
除以1：2之Pb與Te莫耳比及表1中所列之量使用Pb-Te-Bi類玻璃料製備組成物以外，以與實例1相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於填充因子(FF，%)及轉化效率(%)進行評估。結果展示於表1中。
實例5
除以1：1.5之Pb與Te莫耳比及表1中所列之量使用Pb-Te-Bi類玻璃料製備組成物以外，以與實例1相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於填充因子(FF，%)及轉化效率(%)進行評估。結 果展示於表1中。
比較實例1至比較實例8
除以表1中所列之量製備組成物以外，以與實例1相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於填充因子(FF，%)及轉化效率(%)進行評估。結果展示於表1中。
如表1所示，可見，相較於使用除煙霧狀二氧化矽以外之無機物的比較實例1至比較實例6以及不使用無機物之比較實例7，實例1至實例5中以具有特定比表面積之超細煙霧狀二氧化矽製備的太陽電池電極具有顯著增加之填充因子，因此提供極佳轉化效率。此結果是因為實例中所用之煙霧狀二氧化矽在烘烤製 程期間形成最佳化歐姆接觸且使玻璃料相雜質向晶圓中之滲入或擴散達到最小。另外，可見，對於使用過量煙霧狀二氧化矽之比較實例8之組成物，黏度顯著增加，從而造成印刷性、填充因子及轉化效率劣化。
實例6至實例8及比較實例9至比較實例10 實例6
作為有機黏合劑，在60℃下將1.0重量%乙基纖維素(STD4，陶氏化學公司(Dow Chemical Company))充分溶解於6.69重量%特神龍(Texanol)(特神龍酯-醇，伊士曼化學公司(Eastman Chemical Company))中，且向黏合劑溶液中添加89重量%平均粒徑為2.5微米之球狀銀粉(AG-5-11F，同和高科技有限公司(Dowa Hightech Co.,Ltd.))、2.5重量%具有表2中之組成的Bi-Te-O類玻璃料、0.01重量%BET比表面積為200±25平方公尺/公克之煙霧狀二氧化矽(Aerosil® 200，埃沃尼克有限公司(Evonik Co.,Ltd.))、0.4重量%分散劑(BYK102，畢克化學公司(BYK-chemie))以及0.4重量%觸變劑(Thixatrol® ST，海名斯有限公司(Elementis Co.,Ltd.))，繼而在三輥捏合機中混合且捏合，從而製備形成太陽電池電極用的組成物。
藉由網版印刷將組成物以預定圖案沈積於薄層電阻為85歐姆/平方之晶圓的前表面上，繼而在IR乾燥爐中乾燥。隨後，在晶圓之後側上印刷鋁漿液且以與上述相同之方式乾燥。將根據此程序形成之電池在帶式烘烤爐中在400℃至900℃下進行烘烤30秒至50秒，且使用太陽電池效率測試器CT-801(帕山有限公司(Pasan Co.Ltd.))關於填充因子(FF，%)及轉化效率(%)進行 評估。所量測之填充因子及轉化效率展示於表3中。
實例7至實例8
除以表3中所列之量製備組成物以外，以與實例6相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於特性進行評估。結果展示於表2中。
比較實例9
除以表3中所列之量製備組成物以外，以與實例6相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於特性進行評估。結果展示於表3中。
比較實例10
除使用Bi與Te莫耳比為1：60之Bi-Te-O類玻璃料製備組成物以外，以與實例6相同之方式製備形成太陽電池電極用的組成物。藉由印刷組成物形成太陽電池電極，隨後關於特性進行評估。結果展示於表3中。
如表3所示，可見，相較於不使用煙霧狀二氧化矽之比較實例9及鉍與碲之莫耳比高於1：50之比較實例10，實例6至實例8中由使用包含煙霧狀二氧化矽以及元素鉍(Bi)及元素碲(Te)之玻璃料製備之組成物製備的太陽電池電極具有極佳填充因子及轉化效率。
應瞭解，所屬領域中具通常知識者可在不背離本發明之精神及範疇的情況下進行各種修改、變化、改變以及獲得等效實施例。
101‧‧‧p層(或n層)
102‧‧‧n層(或p層)
111‧‧‧熔融銀粒子
112‧‧‧玻璃料
113‧‧‧銀晶粒

Claims (9)

  1. 一種形成太陽電池電極用的組成物，包括：銀粉；煙霧狀二氧化矽；玻璃料；以及有機媒劑，其中所述煙霧狀二氧化矽以按所述組成物之總重量計0.01重量%至0.1重量%之量存在。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，包括：60重量%至95重量%所述銀粉；0.01重量%至0.1重量%所述煙霧狀二氧化矽；0.5重量%至20重量%所述玻璃料；以及1重量%至30重量%所述有機媒劑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，其中所述煙霧狀二氧化矽之比表面積為20平方公尺/公克至300平方公尺/公克。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，其中所述玻璃料包括Pb-Si-O、Pb-Si-Al-O、Pb-Si-Al-P-O、Pb-Si-Al-Zn-O、Pb-Bi-O、Zn-Si-O、Zn-B-Si-O、Zn-B-Si-Al-O、Bi-Si-O、Bi-B-Si-O、Bi-B-Si-Al-O、Bi-Zn-B-Si-O、Bi-Zn-B-Si-Al-O、Pb-Te-O、Pb-Te-Bi-O、Pb-Te-Si-O、Pb-Te-Li-O、Bi-Te-O、Bi-Te-Si-O或Bi-Te-Li-O類玻璃料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，其中所述玻璃料為Bi與Te之莫耳比為1：0.1至1：50之Bi-Te-O類玻璃料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，其中所述玻璃料由至少一種由下列金屬氧化物所構成的族群中選出的金屬氧化物形成：鉛、碲、鉍、鍺、鎵、硼、鈰、鐵、矽、鋅、鉭、釓、銻、鑭、釹、硒、釔、磷、鉻、鋰、鎢、鎂、 銫、鍶、鉬、鈦、錫、銦、釩、鋇、鎳、銅、鈉、鉀、砷、鈷、鋯、錳以及鋁氧化物。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，其中所述玻璃料之平均粒徑D50為0.1微米至20微米。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之形成太陽電池電極用的組成物，更包括：至少一種由下列物質所構成的族群中選出的添加劑：分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑以及耦合劑。
  9. 一種太陽電池電極，由如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述之形成太陽電池電極用的組成物製備。
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