TW201517057A - 具有增黏玻璃之導電膏 - Google Patents

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Heraeus Precious Metals North America Conshohocken Llc
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Abstract

本發明提供一種用於在太陽能電池上形成背面焊接墊之導電膏組成物，該組成物包括金屬顆粒；包括Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3、及Li2O或Li3PO4中至少一種的玻璃料；及有機媒劑。本發明亦提供一種太陽能電池，該太陽能電池包含具有前面及背面之矽晶圓，及形成於該矽晶圓上的由根據本發明之導電膏製造之焊接墊。本發明另外提供一種太陽能電池模組，該模組包含電互連的根據本發明之太陽能電池。亦提供一種製造太陽能電池之方法，該方法包含以下步驟：提供具有前面及背面之矽晶圓；將根據本發明之導電膏組成物施加於該矽晶圓之背面上，及根據適當輪廓對該矽晶圓進行燒製。

Description

具有增黏玻璃之導電膏
本發明係關於用於太陽能板技術中，尤其是用於形成背面焊接墊之導電膏組成物。具體言之，在一個態樣中，本發明係一種包含導電顆粒、有機媒劑及玻璃料之導電膏組成物。該玻璃料包括Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，以及Li2O或Li3PO4中之至少一種。根據另一具體實例，該導電膏組成物可另外包含一種增黏劑。本發明之另一態樣係一種太陽能電池，該太陽能電池係藉由將本發明之導電膏施加至矽晶圓之背面以形成焊接墊來製造。本發明亦提供一種包含電互連之太陽能電池的太陽能板。根據另一態樣，本發明亦提供一種製造太陽能電池之方法。
太陽能電池為使用光伏打效應將光能轉變成電之裝置。太陽能為一種引人注目之綠色能源，因為其為可持續的且僅產生無污染之副產物。因此，目前許多研究致力於開發具有增強之效率，同時持續地降低材料及製造成本之太陽能電池。
當光照到太陽能電池時，一部分入射光被表面反射且其餘部分透射至太陽能電池中。透射光之光子經太陽能電池吸收，該太陽能電池通常係由諸如矽之半導電材料製成的。來自所吸收之光子的能量激發該半導電材料自其原子產生電子，從而產生電子-電洞對。該等電子-電洞對接著經p-n接面分離且經施加於該太陽能電池表面上之導電電極收集。
最常見之太陽能電池係由矽製成之太陽能電池。具體而言，p-n接面係由矽藉由將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合而製成。在p型半導體中，將摻雜劑原子添加至該半導體以便增加游離載荷子(正電洞)之數量。摻雜材料本質上自半導體原子帶走結合 較弱之外層電子。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，摻雜劑原子將額外電子提供至主基板，從而產生過量之負電子載荷子。n型半導體之一個實例為具有磷摻雜劑之矽。為了使太陽能電池對陽光之反射減至最少，將抗反射塗層(諸如氮化矽)施加至該n型擴散層以增加耦合至該太陽能電池中之光量。
太陽能電池典型地在其前表面及背表面上施加有導電膏。前面膏使得形成傳導由電子交換產生之電的電極(如以上所述)，而背面膏用作焊接接頭以經由塗有焊料之導電線串聯連接太陽能電池。為了形成太陽能電池，首先諸如藉由網版印刷銀膏或銀/鋁膏將後部接觸施加至矽晶圓之背面以形成焊接墊。接下來，將背面鋁膏施加至該矽晶圓之整個背面，與該焊接墊之邊緣略微重疊，且接著對該電池進行乾燥。圖1示出了矽太陽能電池100，其具有橫過該電池之長度的焊接墊110，及印刷在整個表面之上的鋁背面120。最後，使用不同類型之導電膏，典型地為含銀膏，可將金屬接觸網版印刷至該矽晶圓之前面上以用作前電極。當光進入時，在該電池之正面或前部上的這一電接觸層典型地以由指狀線及母線構成之格柵圖案存在，而不是一個完整層，因為金屬格柵材料典型地為對光不透明的。接著，在約700-975℃溫度下，對印刷有前面及背面膏之矽基板進行燒製。在燒製期間，該前面膏蝕刻穿過抗反射層，在金屬格柵與半導體之間形成電接觸，且將金屬膏轉變成金屬電極。在背面上，鋁擴散至矽基板中，充當摻雜劑，從而產生背面電場(back surface field，BSF)。該電場有助於改善該太陽能電池之效率。
所得金屬電極使電能夠流至太陽能板中所連接之太陽能電池及自該等太陽能電池流出。為了組裝太陽能板，將多個太陽能電池串聯及/或并聯連接且第一個電池與最後一個電池之電極末端較佳地連接至輸出接線。太陽能電池典型地被封裝於一種透明熱塑性樹脂中，諸如矽橡膠或乙烯乙酸乙烯酯。將透明玻璃板置放于該封裝用透明熱塑性樹脂之前表面上。背面保護材料，例如塗有聚氟乙烯膜且具有良好機械特性及良好耐候性之聚對苯二甲酸伸乙酯板，被置放于該封裝用熱塑性樹脂下。該等分層材料可以在適當真空爐中加熱以移除空氣，且接著藉由加熱及壓縮而整合 成一體。此外，由於太陽能模組典型地處於露天環境中一段較長時間，故需要用由鋁或類似物組成之框架材料覆蓋太陽能電池之周圍。
供背面使用之典型導電膏含有金屬顆粒、玻璃料及有機媒劑。該等組分必須小心地選擇以充分利用所得太陽能電池之理論電位。由通常包含銀或銀/鋁之背面膏形成的焊接墊特別重要，因為焊接至鋁背面層實際上是不可能的。該等焊接墊可形成為延伸矽基板長度之條棒形式(如圖1中所示)，或沿矽基板之長度佈置之不連續區段的形式。該等焊接墊必須良好地黏附至矽基板，且必須能夠經受住焊接接線之機械操作，同時對太陽能電池之效率無有害影響。
用於測試背面焊接墊之黏著力的典型方法為將焊線施加至銀層焊接墊且接著量測相對於該基板以某一角度(典型地為180度)剝離該焊線所需之力。一般而言，大於2牛頓(Newton)之拉力為最低要求，且力越大被認為越符合需要。因此，需要具有改善之黏著強度的背面膏組成物。
美國專利第7,736,546號及第7,935,279號揭露了包含TeO2、以及Bi2O3、SiO2中之一或多種及其組合的無鉛玻璃料。該等專利亦揭露了包含該等玻璃料之導電墨水及施加有該等導電墨水之物品。‘546及‘279專利之導電膏組成物藉由滲透該矽基板且與其形成歐姆接觸而被用於在太陽能電池上形成前面表面電極。
本發明提供一種用於在太陽能電池上形成背面焊接墊之導電膏組成物，該組成物包括金屬顆粒；包括Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3、及Li2O或Li3PO4中至少一種的玻璃料；及有機媒劑。
本發明另外提供一種太陽能電池，該太陽能電池包括具有前面及背面之矽晶圓，及形成於該矽晶圓上的由本發明之導電膏製造之焊接墊。
本發明之另一態樣係關於一種太陽能模組，其包括電互連之本發明之太陽能電池。
本發明亦提供一種製造太陽能電池之方法，該方法包括以下 步驟：提供具有前面及背面之矽晶圓；將根據本發明之導電膏組成物施加於該矽晶圓之背面上，及根據適當輪廓對該矽晶圓進行燒製。
100‧‧‧矽太陽能電池
110‧‧‧焊接墊
120‧‧‧鋁背面
藉由參照以下實施方式，同時結合以下附圖1考慮，將易於獲得對本發明及其許多伴隨益處之更完整理解及更好地瞭解，該圖為根據本發明之示例性具體實例，在矽太陽能電池之整個長度上印刷有銀焊接墊之電池之背面的平面圖。
本發明係關於一種可用於施加至太陽能電池背面之導電膏組成物。該導電膏組成物較佳地包含金屬顆粒、玻璃料及有機媒劑。該導電膏亦可包含增黏劑。儘管不限於此類應用，但該等導電膏可用於在太陽能電池中形成電接觸層或電極，以及形成用於在一個模組中將太陽能電池互連之焊接墊。
圖1說明了放置於矽太陽能電池100之背面上的示例性焊接墊110。在此特定實例中，網版印刷之銀焊接墊110橫過矽太陽能電池100之整個長度。在其他配置中，該等焊接墊可為不連續區段。該等焊接墊可呈任何形狀及大小，諸如此項技術中已知之形狀及大小。在矽太陽能電池100之背面上亦印刷有第二背面膏，例如含鋁膏，且與焊接墊110之邊緣形成接觸。該第二背面膏當燒製時形成太陽能電池100之BSF 120。
導電膏
本發明之一個態樣係關於用於形成背面焊接墊之導電膏組成物。所需之背面膏為具有高黏著強度以允許最佳太陽能電池機械可靠性，同時亦使太陽能電池之電效能最佳之背面膏。根據本發明之導電膏組成物一般包含金屬顆粒、有機媒劑及玻璃料。該導電膏組成物另外可包含增黏劑。根據一個具體實例，以該膏之總重量為100%計，背面導電膏包含約30-75重量%金屬顆粒、約1-10重量%玻璃料、約20-60重量%有機媒劑及約0.01-5重量%增黏劑。
玻璃料
如與習知膏組成物相比較，本發明之玻璃料使所得導電膏之 黏著強度改善。用於印刷背面焊接墊之導電膏的金屬含量對該膏之黏著強度具有一定影響。以該膏之總重量為100%計，較高之金屬顆粒含量，例如介於60-75重量%之間，提供了較佳之黏著力，因為有較多之可焊接材料可用。當金屬含量低於60重量%時，黏著力急劇降低。因此，該玻璃料甚至變得更重要，因為其補償了黏著強度之降低。此外，用於形成焊接墊之某些膏可與施加於矽太陽能電池之整個背面表面上以形成BSF之鋁膏相互作用。當此情形發生時，在背面焊接膏與表面鋁膏重疊之區域處形成氣泡或缺陷。本發明之玻璃組成物減少了此種相互作用且提供了較低之總後柵極電阻及串聯電阻。
本發明之玻璃料較佳包括Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，以及Li2O或Li3PO4中之至少一種。根據一個具體實例，以玻璃組分之總重量為100%計，該玻璃料包含約30-99.9%，較佳約50-99.9%，更佳約70-90% Bi2O3；約0.01-15%，更佳約1-10% Al2O3；約0.01-15%，更佳約1-10% SiO2；約0.01-10%，更佳約0.01-5% B2O3；及約0.01-20%，更佳約5-15% Li2O及/或Li3PO4。經測定，相對于習知膏，此類組合可改善所得膏組成物之黏著特性。
根據本發明之其他具體實例，導電膏中存在之玻璃料可包含其他元素、氧化物、在加熱時產生氧化物之化合物，或其混合物。在這一情形中，較佳元素為矽、B、Al、Bi、Li、Na、Mg、Pb、Zn、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu、Ba及Cr，或其組合。根據一個具體實例，該玻璃料可包含鉛或可為實質上不含鉛的。可併入玻璃料中之較佳氧化物可包括鹼金屬氧化物、鹼土金屬氧化物、稀土氧化物、第V族及第VI族氧化物、其他氧化物或其組合。在這一情形中，較佳之鹼金屬氧化物為氧化鈉、氧化鋰、氧化鉀、氧化銣、氧化銫或其組合。在這一情形中，較佳之鹼土金屬氧化物為氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇或其組合。在這一情形中，較佳之第V族氧化物為氧化磷(諸如P2O5)、氧化鉍(諸如Bi2O3)或其組合。在這一情形中，較佳之第VI族氧化物為氧化碲(諸如TeO2或TeO3)、氧化硒(諸如SeO2)或其組合。較佳之稀土氧化物為氧化鈰(諸如CeO2)及氧化鑭(諸如La2O3)。在這一情形中，其他較佳之氧 化物為氧化矽(諸如SiO2)、氧化鋅(諸如ZnO)、氧化鋁(諸如Al2O3)、氧化鍺(諸如GeO2)、氧化釩(諸如V2O5)、氧化鈮(諸如Nb2O5)、氧化硼、氧化鎢(諸如WO3)、氧化鉬(諸如MoO3)及氧化銦(諸如In2O3)、以上列為較佳元素之該等元素的其他氧化物，或其組合。亦可使用含有列為玻璃料之較佳元素成分之至少兩種元素的混合氧化物，或藉由將以上提及之至少一種氧化物與以上提及之至少一種金屬一起加熱所形成的混合氧化物。至少兩種以上所列氧化物及混合氧化物之混合物亦可用于本發明之上下文中。
根據本發明之一個具體實例，玻璃料之玻璃態轉化溫度(Tg)必須低於所需之導電膏燒製溫度。當使用熱機械分析法量測時，較佳之玻璃料的Tg在約250℃至約750℃範圍內，較佳在約300℃至約700℃範圍內，且最佳在約350℃至約650℃範圍內。
此項技術中熟知該等玻璃料顆粒可展現多種形狀、表面性質、大小、表面積與體積比，及塗層。熟習此項技術者已知諸多玻璃料顆粒之形狀。一些實例包括球形、角形、伸長形狀(杆狀或針狀)及扁平狀(板狀)。玻璃料顆粒亦可以具有不同形狀之顆粒的組合存在。根據本發明，具有一種形狀或多種形狀之組合的玻璃料顆粒較佳，此促成所製造之電極之有益黏著。
中值粒徑d50為熟習此項技術者熟知之顆粒特徵。D50為粒度分佈之中值直徑或中間值。其為在累積分佈中佔50%之粒徑的值。粒度分佈可經由雷射繞射法、動態光散射法、成像法、電泳光散射法或此項技術中已知之任何其他方法來量測。連接至裝有LA-910軟體程式之電腦的Horiba LA-910雷射繞射粒度分析儀(Laser Diffraction Particle Size Analyzer)被用於測定玻璃料之粒度分佈。該玻璃料顆粒之相對折射率係選自LA-910手冊且經輸入該軟體程式中。測試室以脫離子水填充至罐上之適當填充線。接著，藉由使用該軟體程式中之循環及攪動功能使該溶液循環。一分鐘之後，排出該溶液。將此操作再重複一次以確保該腔室不含任何殘留材料。接著，第三次用脫離子水填充該腔室且使其循環及攪動一分鐘。藉由使用該軟體中之空白功能消除該溶液中之任何背景顆粒。接著開始超音攪 動，且將玻璃料緩慢添加至測試室中之溶液中，直至透射率杆處於該軟體程式中之適當區域中。一旦透射率達到正確水準，即執行雷射繞射分析且量測該玻璃料之粒度分佈並以d50給出。在一個較佳具體實例中，玻璃料之中值粒徑d50在約0.1至約10μm範圍內，較佳在約0.1至約5μm範圍內，更佳在約0.1至約2μm範圍內，且最佳為約0.1至約1μm。
該等玻璃料顆粒可存在表面塗層。此項技術中已知且適於本發明之上下文中之任何此類塗層均可用於玻璃料顆粒上。根據本發明之較佳塗層為促進導電膏之黏著特徵改善的該等塗層。若存在此類塗層，則在每一情形中，以該等玻璃料顆粒之總重量計，該塗層較佳對應於約0.01-10重量%，較佳約0.01-8重量%、約0.01-5重量%、約0.01-3重量%且最佳約0.01-1重量%。
在根據本發明之一個具體實例中，該導電膏以該膏之總重量為100%計包含約0.01-10重量%，較佳約0.01-7重量%，更佳約0.01-6重量%且最佳約0.01-5重量%之玻璃料。在一些情形中，在導電膏中採用了低至約0.02重量%的玻璃料比例。
導電金屬顆粒
本發明之背面導電膏亦包含導電金屬顆粒。金屬顆粒為此項技術中熟知的。在本發明之上下文中，較佳之金屬顆粒為展現導電性且產生具有高黏著力及低串聯電阻及後柵極電阻的金屬顆粒。此項技術中已知且被認為適用于本發明之上下文中的所有金屬顆粒均可在導電膏中用作金屬顆粒。根據本發明之較佳金屬顆粒為金屬元素、合金、金屬衍生物、至少兩種金屬之混合物、至少兩種合金之混合物或至少一種金屬與至少一種合金之混合物。
較佳之金屬包括銀、鋁、金及鎳中之至少一種，及其合金或混合物。在一個較佳具體實例中，該等金屬顆粒包含銀。在另一較佳具體實例中，該等金屬顆粒包含銀及鋁。適合銀衍生物包括例如銀合金及/或銀鹽，諸如鹵化銀(例如氯化銀)、硝酸銀、乙酸銀、三氟乙酸銀、正磷酸銀及其組合。在一個具體實例中，金屬顆粒包含塗有一或多種不同金屬或合金之金屬或合金，例如塗有鋁之銀顆粒。
根據本發明，作為金屬顆粒之額外成分，除以上提及之成分外，促成更有利之接觸特性、黏著力及導電性之該等成分較佳。舉例而言，該等金屬顆粒可存在表面塗層。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中之任何此類塗層均可用於金屬顆粒上。根據本發明之較佳塗層為促進所得導電膏之黏著特徵改善的該等塗層。若存在此類塗層，則根據本發明，以該等金屬顆粒之總重量為100%計，該塗層較佳對應於約0.01-10重量%，較佳約0.01-8重量%，最佳約0.01-5重量%。
金屬顆粒可展現多種形狀、表面、大小、表面積與體積比、氧含量及氧化物層。此項技術中已知諸多形狀。一些實例為球形、角形、伸長形狀(杆狀或針狀)及扁平狀(板狀)。金屬顆粒亦可以具有不同形狀之顆粒的組合存在。根據本發明，具有一種形狀或多種形狀之組合的金屬顆粒較佳，其有利於黏著力。在不考慮該等顆粒之表面性質的情況下表徵該等形狀的一種方式係經由以下參數進行：長度、寬度及厚度。在本發明之上下文中，顆粒之長度係藉由最長空間位移向量之長度得出，其兩個終點均包含在該顆粒範圍內。顆粒之寬度係藉由與以上定義之長度向量垂直的最長空間位移向量之長度得出，其兩個終點均包含在該顆粒範圍內。顆粒之厚度係藉由同時與長度向量及寬度向量垂直的最長空間位移向量之長度得出，其兩個終點均包含在該顆粒範圍內。
在一個較佳具體實例中，使用了形狀盡可能均勻(亦即，在該等形狀中，與長度、寬度及厚度相關之比率盡可能接近於1，較佳所有比率均在約0.7至約1.5範圍內，更佳在約0.8至約1.3範圍內且最佳在約0.9至約1.2範圍內)之金屬顆粒。在該具體實例中，金屬顆粒之較佳形狀的實例為球形及立方體，或其組合，或其中一或多種與其他形狀之組合。
在另一具體實例中，使用了具有較低均勻性之形狀的金屬顆粒，其中與長度、寬度及厚度尺寸相關之比率中至少一種高於約1.5，更佳高於約3且最佳高於約5。根據該具體實例，較佳形狀為薄片狀、杆狀或針狀，或薄片狀、杆狀或針狀與其他形狀之組合。
根據本發明，較佳金屬顆粒之中值粒徑d50(如本文所陳述)在約0.1至約4μm範圍內，較佳在約0.1至約3μm範圍內，更佳在約0.1 至約2μm範圍內，且最佳為約0.1至約1μm。
此外，較佳金屬顆粒具有在約1至約3m2/g範圍內之比表面積。根據一個較佳具體實例，使用了比表面積為約2-3m2/g之銀粉。根據另一具體實例，使用了比表面積為約1.5-2.7m2/g之銀薄片。量測比表面積之方法為此項技術中已知的。如本文所陳述，所有表面積量測均使用BET(Brunauer-Emmett-Teller)法在Horiba SA-9600比表面積分析儀上進行。將金屬顆粒樣品裝載至U型管之底部圓筒中，直至其達到約一半滿。接著量測裝載至U型管中之樣品的質量。將該U型管安裝至儀器中且使用30%氮氣/其餘為氦氣在140℃下脫氣15分鐘。一旦使樣品脫氣，即將其安裝至分析站中。接著使用液氮填充樣品杜瓦瓶浴(sample dewar bath)且藉由該機器量測表面吸附及解吸曲線。一旦藉由該分析儀測定了表面積，即藉由用該值除以用於填充U型管之金屬顆粒樣品的質量來計算比表面積。
以該膏之總重量為100計，金屬導電顆粒典型地為約35-70重量%。在另一具體實例中，該等導電顆粒為約30-60重量%。在又另一具體實例中，該等導電顆粒佔導電膏約30-50重量%。儘管如以上所論述，金屬顆粒含量較低會降低所得導電膏之黏著力，但其亦使所得導電膏之製造成本降低。
有機媒劑
在本發明之上下文中，較佳有機媒劑為基於一或多種溶劑，較佳基於有機溶劑之溶液、乳液或分散液，該一或多種溶劑確保該導電膏之各成分係以溶解、乳化或分散形式存在。較佳有機媒劑為使該導電膏內之成分具有最佳穩定性且賦予該導電膏允許有效印刷性之黏度的媒劑。
在一個具體實例中，該有機媒劑包含有機溶劑及一或多種黏合劑(例如聚合物)、界面活性劑及搖變減黏劑，或其任何組合。舉例而言，在一個具體實例中，該有機媒劑在有機溶劑中包含一或多種黏合劑。
在本發明之上下文中，較佳之黏合劑為有助於形成具有有利穩定性、可印刷性、黏度及燒結特性之導電膏的黏合劑。黏合劑為此項技術中熟知的。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有黏合劑均可在該有機媒劑中用作黏合劑。根據本發明之較佳黏合劑(通常在稱 為「樹脂」之類別內)為聚合物黏合劑、單體黏合劑及作為聚合物與單體之組合的黏合劑。聚合物黏合劑亦可為共聚物，其中在單一分子中含有至少兩個不同的單體單元。較佳之聚合物黏合劑為在聚合物主鏈中帶有官能基之黏合劑、在主鏈外帶有官能基之黏合劑，及在主鏈內及主鏈外均帶有官能基之黏合劑。較佳的在主鏈中帶有官能基之聚合物為例如聚酯、經取代聚酯、聚碳酸酯、經取代聚碳酸酯、在主鏈中帶有環狀基團之聚合物、聚糖、經取代聚糖、聚胺基甲酸酯、經取代聚胺基甲酸酯、聚醯胺、經取代聚醯胺、酚系樹脂、經取代酚系樹脂、一或多種前述聚合物之單體視情況與其他共聚單體之共聚物，或其中至少兩種之組合。根據本發明，該黏合劑可為聚乙烯醇縮丁醛或聚乙烯。在主鏈中帶有環狀基團之較佳聚合物為例如聚丁酸乙烯酯(polyvinylbutylate，PVB)及其衍生物，及聚松脂醇及其衍生物，或其混合物。較佳之聚糖為例如纖維素及其烷基衍生物，較佳為甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、丙基纖維素、羥丙基纖維素、丁基纖維素及其衍生物，及其中至少兩種之混合物。其他較佳之聚合物為纖維素酯樹脂，例如乙酸丙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素及其任何組合。在聚合物主鏈外帶有官能基之較佳聚合物為帶有醯胺基團之聚合物、帶有酸及/或酯基之聚合物(通常稱為丙烯酸樹脂)或帶有以上提及之官能基之組合的聚合物，或其組合。在主鏈外帶有醯胺之較佳聚合物為例如聚乙烯吡咯啶酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)及其衍生物。在主鏈外帶有酸及/或酯基之較佳聚合物為例如聚丙烯酸及其衍生物、聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate，PMA)及其衍生物或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)及其衍生物，或其混合物。根據本發明之較佳單體黏合劑為基於乙二醇之單體、松脂醇樹脂或松香衍生物，或其混合物。基於乙二醇之較佳單體黏合劑為具有醚基、酯基之黏合劑、或具有醚基及酯基之黏合劑，較佳醚基為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基及更高級烷基醚，較佳酯基為乙酸酯基及其烷基衍生物，較佳為乙二醇單丁基醚單乙酸酯，或其混合物。在本發明之上下文中，烷基纖維素，較佳乙基纖維素、其衍生物及其與來自前述黏合劑清單或其他方面之其他黏合劑的混合物為最佳之黏合劑。以有機媒劑之總重量為100%計，該黏合劑 之存在量可介於約0.1與10重量%之間，較佳介於約0.1-8重量%之間，更佳介於約0.5-7重量%之間。
根據本發明之較佳溶劑為在燒製期間自導電膏大量移除之導電膏成分，較佳為燒製後之絕對重量相較於燒製前減少至少約80%，較佳相較於燒製前減少至少約95%的該等溶劑。根據本發明之較佳溶劑為使得形成具有有利黏度、可印刷性、穩定性及燒結特徵之導電膏的該等溶劑。溶劑為此項技術中熟知的。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有溶劑均可在該有機媒劑中用作溶劑。根據本發明，較佳之溶劑為允許達到如以上所述之導電膏之較佳高水準可印刷性的該等溶劑。根據本發明之較佳溶劑為在標準環境溫度及壓力(standard ambient temperature and pressure，SATP)(298.15K，25℃，77℉)、100kPa(14.504psi，0.986atm)下以液體形式存在的該等溶劑，較佳為沸點高於約90℃且熔點高於約-20℃之該等溶劑。根據本發明之較佳溶劑為極性或非極性、質子性或非質子性、芳族或非芳族的。根據本發明之較佳溶劑為一元醇；二元醇；多元醇；單酯；二酯；聚酯；單醚；二醚；聚醚；包含該等類別官能基中至少一種或多種，視情況包含其他類別官能基，較佳環狀基團、芳族基團、不飽和鍵、一或多個O原子經雜原子置換之醇基、一或多個O原子經雜原子置換之醚基、一或多個O原子經雜原子置換之酯基的溶劑；及以上提及之兩種或兩種以上溶劑的混合物。在該情形中，較佳之酯為己二酸二烷基酯，較佳之烷基成分為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基及更高級烷基或兩種不同之該等烷基之組合，較佳為己二酸二甲酯，及兩種或兩種以上己二酸酯之混合物。在該情形中，較佳之醚為二醚，較佳為乙二醇二烷基醚，較佳之烷基成分為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基及更高級烷基或兩種不同之該等烷基之組合，及兩種二醚之混合物。在該情形中，較佳之醇為一級醇、二級醇及三級醇，較佳為三級醇，松脂醇及其衍生物較佳，或為兩種或兩種以上醇之混合物。組合超過一個不同官能基之較佳溶劑為2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯(通常稱為泰諾醇(texanol))及其衍生物、2-(2-乙氧基乙氧基)乙醇(通常稱為卡必醇(carbitol))、其烷基衍生物，較佳為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基及己基卡必醇，較佳為己基卡必醇或 丁基卡必醇，及其乙酸酯衍生物，較佳為丁基卡必醇乙酸酯，或上述至少兩種之混合物。以有機媒劑之總重量為100%計，該有機溶劑之存在量可介於約40與90重量%之間，更佳介於約35與85重量%之間。
該有機媒劑亦可包含界面活性劑及/或添加劑。在本發明之上下文中，較佳之界面活性劑為有助於形成具有有利穩定性、可印刷性、黏度及燒結特性之導電膏的界面活性劑。界面活性劑為熟習此項技術者熟知的。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有界面活性劑均可在該有機媒劑中用作界面活性劑。在本發明之上下文中，較佳之界面活性劑為基於直鏈、分支鏈、芳族鏈、氟化鏈、矽氧烷鏈、聚醚鏈及其組合之界面活性劑。較佳之界面活性劑為單鏈、雙鏈或多鏈的。根據本發明之較佳界面活性劑可具有非離子性、陰離子性、陽離子性、兩親媒性或兩親離子性頭。較佳之界面活性劑為聚合物及單體或其混合物。根據本發明之較佳界面活性劑可具有顏料親和基團(pigment affinic group)，較佳為具有顏料親和基團之羥基官能性羧酸酯(例如由BYK USA,Inc.製造之DISPERBYK®-108)、具有顏料親和基團之丙烯酸酯共聚物(例如由BYK USA,Inc.製造之DISPERBYK®-116)、具有顏料親和基團之改質聚醚(例如由Evonik Tego Chemie GmbH製造之TEGO® DISPERS 655)、具有高顏料親和性基團之其他界面活性劑(例如由Evonik Tego Chemie GmbH製造之TEGO® DISPERS 662 C)。不在以上清單中的根據本發明之其他較佳聚合物為聚氧化乙烯、聚乙二醇及其衍生物、及烷基羧酸及其衍生物或鹽，或其混合物。根據本發明之較佳聚乙二醇衍生物為聚(乙二醇)乙酸。較佳之烷基羧酸為具有完全飽和之烷基鏈之烷基羧酸及具有單不飽和或多不飽和烷基鏈之烷基羧酸，或其混合物。具有飽和烷基鏈之較佳羧酸為烷基鏈長度在約8至約20個碳原子範圍內之羧酸，較佳為C9H19COOH(癸酸)、C11H23COOH(月桂酸)、C13H27COOH(肉豆蔻酸)、C15H31COOH(棕櫚酸)、C17H35COOH(硬脂酸)，或其鹽或混合物。具有不飽和烷基鏈之較佳羧酸為C18H34O2(油酸)及C18H32O2(亞油酸)。根據本發明之較佳單體界面活性劑為苯并三唑及其衍生物。以有機媒劑之總重量為100%計，該界面活性劑之存在量可為約0至10重量%，較佳為約0-8重量%，且更佳為約0.01-6 重量%。
有機媒劑中之較佳添加劑為與以上提及之媒劑組分不同之該等添加劑，且其促成該導電膏之有利特性，諸如有益的黏度及與下伏基板之黏著性。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的添加劑可在該有機媒劑中用作添加劑。根據本發明之較佳添加劑為搖變減黏劑、黏度調節劑、穩定劑、無機添加劑、增稠劑、乳化劑、分散劑或pH調節劑。在該情形中，較佳之搖變減黏劑為羧酸衍生物，較佳為脂肪酸衍生物或其組合。較佳之脂肪酸衍生物為C9H19COOH(癸酸)、C11H23COOH(月桂酸)、C13H27COOH(肉豆蔻酸)、C15H31COOH(棕櫚酸)、C17H35COOH(硬脂酸)、C18H34O2(油酸)、C18H32O2(亞油酸)，或其組合。在該情形中，包含脂肪酸之較佳組合為蓖麻油。
在一個具體實例中，以該導電膏之總重量為100%計，該有機媒劑之存在量為約20-60重量%，更佳為約30-50重量%，且最佳為約40-50重量%。
增黏劑
該導電膏可另外包含增黏劑以改善其黏著強度。增黏劑可包含至少一種選自由以下組成之群之金屬：碲(Te)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、銻(Sb)、鎂(Mg)、鋯(Zr)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銫(Ce)及鋅(Zn)。根據另一具體實例，該增黏劑可包含以下至少一種金屬氧化物：二氧化碲(TeO2)、氧化鎳(NiO)、氧化鎂(MgO)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鎢(WO3)、氧化銀(AgO)、氧化鈷(CoO)及氧化銫(CeO2)。
較佳地，增黏劑包含碲及/或二氧化碲。增黏劑可分散於玻璃料內，或分散於膏組成物內，與該玻璃料無關。當增黏劑包含二氧化碲時，中值粒度d50較佳小於1μm，較佳小於0.6μm。作為一般觀察結果而不限制本發明之範疇，較小之氧化碲粒度有助於在該膏組成物內分散且提供較佳之黏著及電特性。
在一個較佳具體實例中，以導電膏之總重量為100%計，該膏包含約0.01-5重量%、較佳約0.05-2.5重量%、更佳約0.05-1重量%增黏劑。
添加劑
在本發明之上下文中，較佳之添加劑為除清楚提及之其他成分外添加至該導電膏中之成分，其有助於增加導電膏、由其製造之焊接墊或所得太陽能電池之效能。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有添加劑均可在導電膏中用作添加劑。除玻璃料及媒劑中存在之添加劑外，亦可在導電膏中存在添加劑。根據本發明之較佳添加劑為搖變減黏劑、黏度調節劑、乳化劑、穩定劑或pH調節劑、無機添加劑、增稠劑及分散劑或其中至少兩種之組合，而無機添加劑最佳。在該情形中，根據本發明之較佳無機添加劑為Mg、Ni、Te、W、Zn、Mg、Gd、Ce、Zr、Ti、Mn、Sn、Ru、Co、Fe、Cu及Cr，或其中至少兩種之組合，較佳為Zn、Sb、Mn、Ni、W、Te及Ru，或其中至少兩種之組合、其氧化物、在燒製時可產生該等金屬氧化物之化合物，或以上提及之金屬中至少兩種之混合物、以上提及之氧化物中至少兩種之混合物、以上提及的在燒製時可產生該等金屬氧化物之化合物中至少兩種之混合物，或以上提及之任何兩種或兩種以上之混合物。
根據一個具體實例，除玻璃料、金屬顆粒及有機媒劑外，該導電膏組成物另外包含金屬銅、鋁、鉍、鋅、鋰及碲或由其形成之氧化物。在一個較佳具體實例中，添加了金屬化合物，諸如鋁-矽化合物、鋁-磷化合物及銅化合物，來改善該導電膏之總體黏著特性。以該導電膏之總重量為100%計，該等添加劑之存在量為約0.01-1重量%。
形成導電膏組成物
為了形成導電膏組成物，可使用此項技術中已知的用於製備膏組成物之任何方法將玻璃料材料與金屬顆粒及有機媒劑組合。該製備方法並不重要，只要其產生均勻分散之膏即可。可混合各組分(諸如用混合器)，接著使其通過三輥式研磨機，例如以製備均勻分散之膏。
太陽能電池
在另一態樣中，本發明係關於一種太陽能電池。在一個具體實例中，該太陽能電池包含半導體基板(例如矽晶圓)及根據本文所述任何具體實例之導電膏組成物。
在另一態樣中，本發明係關於一種藉由一種方法製備之太陽能電池，該方法包含將根據本文所述任何具體實例之導電膏組成物施加至半導體基板(諸如矽晶圓)上且對該半導體基板進行燒製。
矽晶圓
根據本發明之較佳晶圓在太陽能電池之諸多區域中具有能夠以高效率吸收光以產生電子-電洞對且以高效率橫過邊界，較佳橫過p-n接面邊界分離電洞與電子之區域。根據本發明之較佳晶圓為包含由前部摻雜層及背部摻雜層構成之單一整體的晶圓。
較佳地，該晶圓由適當摻雜之四價元素、二元化合物、三元化合物或合金組成。在該情形中，較佳之四價元素為矽、Ge或Sn，較佳為矽。較佳之二元化合物為兩種或兩種以上四價元素之組合、第III族元素與第V族元素之二元化合物、第II族元素與第VI族元素之二元化合物或第IV族元素與第VI族元素之二元化合物。較佳之四價元素之組合為選自矽、Ge、Sn或C之兩種或兩種以上元素之組合，較佳為SiC。較佳的第III族元素與第V族元素之二元化合物為GaAs。根據本發明之一個較佳具體實例，該晶圓為矽。清楚地提及矽之前述說明亦適用于本文所述之其他晶圓組成物。
p-n接面邊界位於該晶圓之前部摻雜層與背部摻雜層匯合之處。在n型太陽能電池中，背部摻雜層摻雜有供電子n型摻雜劑且前部摻雜層摻雜有受電子或供電洞p型摻雜劑。在p型太陽能電池中，背部摻雜層摻雜有p型摻雜劑且前部摻雜層摻雜有n型摻雜劑。根據本發明之-個較佳具體實例，具有p-n接面邊界之晶圓係藉由以下方式製備：首先提供經摻雜矽基板且接著將相對類型之摻雜層施加至該基板之一面上。
經摻雜矽基板為此項技術中熟知的。經摻雜矽基板可藉由此項技術中已知且被認為適用于本發明之任何方法製備。根據本發明之較佳矽基板來源為單晶矽、多晶矽、非晶形矽及升級冶金矽，最佳為單晶矽或多晶矽。摻雜以形成經摻雜矽基板可在矽基板之製備期間藉由添加摻雜劑同時進行，或其可以一個後續步驟進行。可藉由例如氣相擴散磊晶法在製備矽基板之後進行摻雜。經摻雜矽基板亦易於商購。根據一個具體實例， 矽基板之初始摻雜可藉由添加摻雜劑至矽混合物中而與其形成同時進行。根據另一具體實例，前部摻雜層及高度摻雜之背部層(若存在的話)之施加可藉由氣相磊晶法進行。該氣相磊晶法較佳在約500℃至約900℃，更佳約600℃至約800℃且最佳約650℃至約750℃之溫度範圍內，在約2kPa至約100kPa，較佳約10至約80kPa，最佳約30至約70kPa範圍內之壓力下進行。
此項技術中已知，矽基板可展現多種形狀、表面紋理及大小。該基板之形狀包括例如立方形、盤狀、圓片及不規則多邊形。根據本發明之一個較佳具體實例，該晶圓為具有類似(較佳相等)之兩個尺寸且第三個尺寸明顯小於另兩個尺寸之立方形。該第三個尺寸可為前兩個尺寸之至少1/100。
另外，此項技術中已知多種表面類型。根據本發明，具有粗糙表面之矽基板較佳。評估基板粗糙度之一種方式為評價該基板之次表面的表面粗糙度參數，該次表面比該基板之總表面積小，較佳小於該總表面積之約百分之一，且其基本上平坦。該表面粗糙度參數值係藉由該次表面之面積與藉由使該次表面突出至平坦平面上所形成之理論平面之面積的比率得出，該平坦平面藉由使均方位移最小而與該次表面最佳配合。較高的表面粗糙度參數值指示更粗糙、更不規則之表面且較低表面粗糙度參數值指示更光滑、更平坦之表面。根據本發明，矽基板之表面粗糙度較佳被調節成在多種因素之間產生最佳平衡，該等因素包括(但不限於)光吸收及與表面之黏著力。
該矽基板之兩個較大的尺寸可經改變以適合所得太陽能電池所需之應用。根據本發明，矽晶圓之厚度較佳為約0.01-0.5mm，更佳為約0.01-0.3mm且最佳為約0.01-0.2mm。一些晶圓具有0.01mm之最小厚度。
根據本發明，前部摻雜層較佳比背部摻雜層薄。前部摻雜層之厚度亦較佳在約0.1至約10μm範圍內，較佳在約0.1至約5μm範圍內且最佳在約0.1至約2μm範圍內。
高度摻雜之層可施加至矽基板之背面在背部摻雜層與任何 其他層之間。此類高度摻雜層與背部摻雜層屬於相同摻雜類型且此類層常表示為a+(n+型層施加至n型背部摻雜層且p+型層施加至p型背部摻雜層)。此高度摻雜之背部層用於幫助金屬化且改善導電特性。根據本發明，高度摻雜之背部層(若存在的話)之厚度較佳在約1至約100μm範圍內，較佳在約1至約50μm範圍內且最佳在約1至約15μm範圍內。
摻雜劑
較佳之摻雜劑為當添加至矽晶圓中時藉由將電子或電洞引入能帶結構中而形成p-n接面邊界之摻雜劑。根據本發明，該等摻雜劑之身份及濃度較佳經特定地選擇以調諧p-n接面之能帶結構特徵且視需要設定光吸收及導電性特徵。根據本發明之較佳p型摻雜劑為將電洞添加至矽晶圓能帶結構中之摻雜劑。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有摻雜劑均可用作p型摻雜劑。根據本發明之較佳p型摻雜劑為三價元素，特別是週期表第13族之元素。在該情形中，較佳之週期表第13族元素包括(但不限於)B、Al、Ga、In、Tl或其中至少兩種之組合，其中B尤佳。
根據本發明之較佳n型摻雜劑為將電子添加至矽晶圓能帶結構中之摻雜劑。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有摻雜劑均可用作n型摻雜劑。根據本發明之較佳n型摻雜劑為週期表第15族之元素。在該情形中，較佳之週期表第15族元素包括N、P、As、Sb、Bi或其中至少兩種之組合，其中P尤佳。
如以上所述，p-n接面之各種摻雜量可經改變以調諧所得太陽能電池之所需特性。
根據某些具體實例，該半導體基板(亦即，矽晶圓)展現高於約60Ω/□，諸如高於約65Ω/□、70Ω/□、90Ω/□或95Ω/□之薄層電阻。
太陽能電池結構
藉由可由根據本發明之方法獲得的太陽能電池將有助於達成至少一個上述目的。根據本發明之較佳太陽能電池為就入射光總能量轉變成電能輸出之比例而言具有高效率之太陽能電池，及輕質且耐久之太陽能電池。最低限度上，太陽能電池包括：(i)前電極、(ii)前部摻雜層、(iii)p-n 接面邊界、(iv)背部摻雜層及(v)焊接墊。該太陽能電池亦可包括用於化學/機械保護之其他層。
抗反射層
根據本發明，可在將電極施加至該太陽能電池之前面之前，施加抗反射層作為外層。根據本發明之較佳抗反射層為使該前面反射之入射光之比例降低且使穿過該前面以被晶圓吸收之入射光的比例增加的抗反射層。抗反射層較佳產生有利吸收/反射比率，易於經導電膏蝕刻，另外對燒製導電膏所需之溫度具有抗性且不會使電極界面附近之電子與電洞複合增加。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的所有抗反射層均可使用。根據本發明之較佳抗反射層為SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2或其中至少兩種之混合物及/或其中至少兩層之組合。根據一個較佳具體實例，該抗反射層為SiNx，特別是在使用矽晶圓之情況下。
抗反射層之厚度應適合適當光之波長。根據本發明之一個較佳具體實例，該等抗反射層之厚度在約20至約300nm範圍內，更佳在約40至約200nm範圍內且最佳在約60至約90nm範圍內。
鈍化層
根據本發明，可將一或多個鈍化層施加至該矽晶圓之前面及/或背面作為外層。鈍化層可在形成前電極之前，或在施加抗反射層(若存在該抗反射層)之前施加。較佳之鈍化層為使電極界面附近之電子/電動複合減少的鈍化層。此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中的任何鈍化層均可使用。根據本發明之較佳鈍化層為氮化矽、二氧化矽及二氧化鈦。根據一個最佳具體實例，使用了氮化矽。鈍化層之厚度較佳在約0.1nm至約2μm範圍內，更佳在約10nm至約1μm範圍內且最佳在約30nm至約200nm範圍內。
其他保護層
除以上所述的直接促成太陽能電池之主要功能的層外，亦可添加用於機械及化學保護之其他層。
該電池可經封裝以提供化學保護。封裝為此項技術中熟知的且適於本發明之任何封裝均可使用。根據一個較佳具體實例，若存在此類 封裝，則使用透明聚合物(常稱為透明熱塑性樹脂)作為封裝材料。在該情形中，較佳之透明聚合物為矽橡膠及聚乙烯乙酸乙烯酯(polyethylene vinyl acetate，PVA)。
亦可將透明玻璃板添加至太陽能電池之前部以對該電池之前面提供機械保護。透明玻璃板為此項技術中熟知的且適於本發明之上下文中之任何透明玻璃板均可使用。
可將背面保護材料添加至太陽能電池之背面以提供機械保護。背面保護材料為此項技術中熟知的且被認為適於本發明之上下文中之任何背面保護材料均可使用。根據本發明之較佳背面保護材料為具有良好機械特性及耐候性之材料。根據本發明之較佳背面保護材料為具有一層聚氟乙烯之聚對苯二甲酸伸乙酯。根據本發明，背面保護材料較佳存在于該封裝層之下(在背面保護層及封裝均存在之情況下)。
可將框架材料添加至太陽能電池之外部以提供機械支撐。框架材料為此項技術中熟知的且被認為適於本發明之上下文中之任何框架材料均可使用。根據本發明之較佳框架材料為鋁。
製備太陽能電池之方法
太陽能電池可藉由將導電膏組成物施加至在半導體基板(諸如矽晶圓)前面上之抗反射塗層(諸如氮化矽、氧化矽、氧化鈦或氧化鋁)上來製備。接著將本發明之背面導電膏施加至太陽能電池之背面上以形成焊接墊。導電膏可以此項技術中已知且被認為適於本發明之上下文中之任何方式施加。實例包括(但不限於)浸透、浸漬、傾倒、滴加其上、注入、噴灑、刮刀塗覆、簾幕式塗覆、刷塗或印刷，或其中至少兩種之組合。較佳之印刷技術為噴墨印刷、網版印刷、移動印刷、平版印刷、凸版印刷或模板印刷，或其中至少兩種之組合。根據本發明，較佳藉由印刷，較佳藉由網版印刷來施加導電膏。接著將鋁膏施加至該基板之背面上，與由背面導電膏形成之焊接墊的邊緣重疊，從而形成BSF。接著，根據適當輪廓，對該基板進行燒製。
燒製為燒結印刷之焊接墊所必需的，由此形成固態導電主體。燒製為此項技術中熟知的且可以被認為適於本發明之上下文中之任何 方式實現。燒製較佳在高於玻璃料材料之Tg下進行。
根據本發明，設定用於燒製之最高溫度低於約900℃，較佳低於約860℃。已使用低至約820℃之燒製溫度來獲得太陽能電池。燒製溫度特徵典型地設定成能夠燒盡導電膏組成物中之有機黏合劑材料，以及存在之任何其他有機材料。燒製步驟典型地在帶式鍋爐中於空氣中或在含氧氛圍中進行。根據本發明，在快速燒製製程中進行燒製之總燒製時間在約30秒至約3分鐘之範圍內，更佳在約30秒至約2分鐘之範圍內，且最佳在約40秒至約1分鐘之範圍內。在高於600℃下，時間最佳在約3至7秒之範圍內。基板可達到在約700至900℃範圍內之峰值溫度，持續約1至5秒之時間。該燒製亦可在高輸運速率(例如約100-500cm/min)下進行，且所得滯留時間為約0.05至5分鐘。可使用多個溫度區(例如3-12個區)來控制所需熱特徵。
在前面及背面上之導電膏的燒製可同時或依序進行。若施加至兩個表面上之導電膏具有類似，較佳相同之最佳燒製條件，則同時燒製為適當的。適當時，根據本發明，燒製較佳為同時進行的。在依序進行燒製之情況下，根據本發明，較佳首先施加並燒製背面導電膏，隨後將導電膏施加至前面並燒製。
量測導電性及黏著效能
用於量測所得導電膏之黏著強度(亦稱為拉力)的一種方法為將焊線施加至已經印刷於矽太陽能電池之背面上的導電膏層(焊接墊)上。根據此項技術中已知之方法，藉由自動化機器，諸如Somont電池連接自動焊接機(Somont Cell Connecting automatic soldering machine)(由Meyer Burger Technology Ltd.製造)，或藉由用手持式焊接槍手動將標準焊線施加至焊接墊上。在本發明中，使用了具有約20μm 62/36/2焊料塗層之0.20×0.20mm銅帶，不過亦可使用工業中常用且此項技術中已知的其他方法。具體而言，切下長度為太陽能電池長度之約2.5倍的銅帶。將助焊劑塗覆至切下的銅帶上且使其乾燥1-5分鐘。接著將電池安裝於焊接夾具中且將該銅帶排列在電池母線之頂部上。將焊接夾具裝載至預先加熱之台架上且在150-180℃下將電池預先加熱15秒。預先加熱之後，將焊接銷放下且在 220-250℃下將該銅帶焊接至母線上，保持0.8-1.8秒。在焊接銅線達到焊接墊之長度時，使用拉力測試儀(諸如GP Solar GP PULL-TEST Advanced)量測黏著力。將焊接帶之尾端附接至拉力測試儀之測力計上且在6mm/s恒定速度下以約180°剝離。測力計以100s-1之取樣速率記錄下黏著力(以牛頓為單位)。
當評價示例性導電膏時，在四個獨立之背面焊接墊上典型地完成此焊接及拉動製程四次以使通常自該焊接製程得到之資料的變化減至最少。來自一個實驗之一個別量測值不太可靠，因為在焊接製程中存在之不連續變化會影響結果。因此，獲得來自四次拉動之總體平均值且對導電膏之間之平均拉力進行比較。最少1牛頓之拉力為合乎需要的。可接受的黏著強度工業標準典型地高於2牛頓。拉力為至少3牛頓，或在一些情況下高於5牛頓之較強黏著力為最合乎需要的。
當評價示例性背面導電膏之接觸電阻時，進行了標準電效能測試。使用由Halm Elektronik GmbH商購之IV測試儀「cetisPV-CTL1」來表徵上面印刷有前面及背面導電膏之樣品太陽能電池。在電量測期間，量測設備之所有部件以及待測試之太陽能電池均維持在25℃。在實際量測期間，始終同時藉由溫度探針量測電池表面上之這一溫度。Xe弧光燈模擬在電池表面上之太陽光，其具有1000W/m2之已知AM1.5強度。為了使模擬器達到此強度，使該燈在短時間內閃光若干次，直至IV測試儀之「PVCTControl 4.313.0」軟體監測其達到穩定水準。Halm IV測試儀使用了多點接觸法來量測電流(I)及電壓(V)以測定電池之IV曲線。為此，將太陽能電池置放於多點接觸探針之間，使該探針指針與電池之母線接觸。接觸探針線之數量應調整成電池表面上之母線的數量。由實施軟體包自動得到的該曲線直接測定所有電學值。作為參考標準，對由相同面積尺寸、相同晶圓材料組成且使用相同前面佈置加工的來自ISE Freiburg之經校準太陽能電池進行測試並將資料與經認證值相比較。對以極為相同之方式加工之至少4個晶圓進行量測且藉由計算每個值之平均值來解釋該等資料。軟體PVCTControl 4.313.0提供了效率、填充因數、短路電流、串聯電阻、開路電壓及後柵極電阻之值。
太陽能電池模組
藉由具有至少一個如以上所述獲得之太陽能電池的模組將有助於達成至少一個以上提及之目的。可在空間上佈置複數個根據本發明之太陽能電池且使其電互連以形成一種集中佈置，稱為模組。根據本發明之較佳模組可具有多種佈置，較佳為矩形佈置，稱為太陽能板。電連接太陽能電池之多種方式，以及機械佈置並固定該等電池以形成集中佈置之多種方式為此項技術中熟知的。熟習此項技術者已知且被認為適於本發明之上下文中的任何此類方法均可使用。根據本發明之較佳方法為產生較低質量與功率輸出比、較低體積與功率輸出比及高耐久性的方法。鋁為用於機械固定根據本發明之太陽能電池的較佳材料。
實施例
以下非限制性實施例說明了含有Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3、及Li2O或Li3PO4中至少一種之玻璃料的優化。由具有以上提及之玻璃料之導電膏製備的太陽能電池均展現高於工業標準之良好黏著效能。
實施例1
製備第一組示例性玻璃組成物(稱為G1-G8)且陳述於下表1中。藉由以適當比率混合個別氧化物成分，製備100g的多批玻璃樣品。將氧化物混合物裝載至8.34in3體積之Colorado坩堝中。接著將該坩堝置放於600℃烘箱中保持40分鐘，以對該氧化物混合物預先加熱。預先加熱之後，將該坩堝移至1200℃之高溫烘箱(refractory oven)中保持20分鐘，以使個別組分熔融成為玻璃混合物。接著自烘箱中移出熔融玻璃且傾入含有脫離子水之桶中以迅速驟冷。在1L陶瓷瓶磨中進一步加工該玻璃料。該瓶磨約一半填充有½”圓柱形氧化鋁介質及脫離子水。將玻璃料添加至該瓶磨中且以60-80RPM碾壓8小時。研磨之後，使玻璃料濾過325目篩網且在125℃下乾燥24小時。在所有示例性玻璃組成物中保持Bi2O3及Al2O3之量恒定，同時改變其餘氧化物之量及類型。所有量均以玻璃總重量為100%表示。
表1. 示例性膏P1-P8之玻璃組成
為了形成每種示例性膏P1-P8，將以該膏之總重量為100%計約50重量%銀顆粒、約3重量%每種玻璃組成物G1-G8、約0.1重量%第一增黏劑(TeO2)、約0.13重量%第二增黏劑(ZnO)及約47重量%有機媒劑組合。在此實施例中，使用了比表面積為約2-3m2/g且d50為約0.2-0.3μm之銀粉。比表面積及d50值係根據本文所陳述之程序量測。
一旦該等膏混合達到均勻稠度，即使用250目不銹鋼、5μm EOM以約30μm線直徑將其網版印刷至空白單晶矽晶圓之後部上。印刷背面膏以形成焊接墊，該等焊接墊延伸橫過電池之全長且為約4mm寬。然而，亦可使用此項技術中已知之不同設計及網版參數。接下來，將不同鋁背面膏印刷至電池後部之所有其餘區域上以形成鋁BSF。接著在適當溫度下乾燥該電池。為了進行電效能測試，將標準前面膏印刷於呈兩母線圖案之電池的前面上。接著，在約700-975℃溫度下，對印刷有前面及背面膏之矽基板進行燒製。
接著根據先前描述之程序量測示例性膏之黏著強度以及串聯電阻及後柵極電阻。如以上所陳述，最少1牛頓之拉力(黏著強度)為合乎需要的。可接受的黏著強度工業標準典型地高於2牛頓。拉力為至少3牛頓，或在一些情況下高於5牛頓之較強黏著力為最合乎需要的。在工業上，低於0.007Ω之後柵極電阻為合乎需要的。
示例性膏之黏著效能陳述於下表2中。所有黏著力值均以牛頓為單位報導且後柵極電阻及串聯電阻係以歐姆為單位報導。示例性膏各自展現優良的黏著效能，其中最低拉力為3.25牛頓(高於工業標準)。示例性膏P3及P5展現最佳之黏著效能，同時亦展現可接受之後柵極電阻及串聯電阻。
實施例2
具有玻璃G3之膏P3因其優良之黏著強度而被選擇用於進一步優化。為了確定改變玻璃G3中Bi2O3、Al2O3及Li2O之含量的影響，藉由實施例1中所陳述之程序製備第二組示例性玻璃(稱為G9及G10)。玻璃組成陳述於下表3中。所有量均以玻璃總重量為100%表示。
接著將玻璃G9及G10與銀粉、各種氧化物及有機媒劑組合以形成五種示例性膏P9-P13，如下表4中所陳述。膏P10及P11併入了玻璃G9，而膏P12及P13併入了玻璃G10，如下表3中所陳述。根據實施例1中所陳述之參數，對該等膏進行網版印刷、乾燥及燒製。
為了確定包括添加劑之作用，用玻璃G3形成膏P9，而且亦包括銅添加劑。所有值均以總膏組成物之重量百分比表示。
接著如先前所述來量測示例性膏P9-P13之黏著強度且將其與P3膏以及可商購之膏(「參照物」)相比較。如表5中所示，膏P9-P13 之黏著強度均優於可接受之工業標準，其中最低拉力為4.2牛頓。膏P13之表現與P3及參照物相當(在1牛頓範圍內)，而膏P9及膏P12展現甚至更高之黏著強度。因此，包括添加劑(此處為銅添加劑)(膏P9)明顯地改善了效能。膏P12表現優於膏P3及參照物，其含有玻璃G9，該玻璃具有略微較少之Bi2O3量及略微較高之Al2O3量。
實施例1-2之結果說明，在導電膏之玻璃料中包括Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3、及Li2O或Li3PO4中至少一種產生高於工業標準且相對于可商購膏有所改善的良好黏著效能。更具體而言，包括約79-82重量% Bi2O3、3-5重量% Al2O3、3-5重量% SiO2、1-2重量% B2O3及10-15重量% Li2O被證實為最佳的。金屬銅添加劑之添加進一步改善了所得膏之黏著效能。
熟習此項技術者自前述說明書將對本發明之該等及其他益處顯而易見。因此，熟習此項技術者將認識到，在不偏離本發明之廣泛創造觀念之情況下，可對以上所述之具體實例進行改變或修改。任何特定具體實例之具體尺寸僅出於說明目的描述。因此，應瞭解，本發明不限於本文所述之特定具體實例，而意欲包括在本發明之範疇及精神範圍內之所有改變及修改。
100‧‧‧矽太陽能電池
110‧‧‧焊接墊
120‧‧‧鋁背面

Claims (43)

  1. 一種用於在太陽能電池上形成背面焊接墊之導電膏組成物，包含：金屬顆粒；玻璃料，其包括Bi2O3、Al2O3、SiO2、B2O3，以及Li2O或Li3PO4中之至少一種；及有機媒劑。
  2. 根據申請專利範圍第1項之導電膏組成物，其中該玻璃料包含約30-99.9%，較佳約50-99.9%，更佳約70-90%之該Bi2O3。
  3. 根據申請專利範圍第1項或第2項之導電膏組成物，其中該玻璃料包含約0.01-15%，更佳約1-10%之該Al2O3。
  4. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該玻璃料包含約0.01-15%，更佳約1-10%之該SiO2。
  5. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該玻璃料包含約0.01-10%，更佳約0.01-5%之該B2O3。
  6. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該玻璃料包含約0.01-20%，更佳約5-15%之該至少一種Li2O或Li3PO4。
  7. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該玻璃料之中值粒徑d50為約0.1至約10μm，較佳為約0.1至約5μm，更佳為約0.1至約2μm，最佳為約0.1至約1μm。
  8. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該玻璃料為膏之約0.01-10重量%，較佳約0.01-7重量%，更佳約0.01-6重量%且最佳約0.01-5重量%。
  9. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中以該導電膏組成物之總重量為100%計，該等金屬顆粒為約30-75重量%，較佳為約30-60重量%。
  10. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該等金屬顆粒為該導電膏組成物之約30-50重量%。
  11. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該等金屬顆粒包含銀、鋁、金及鎳中至少一種，或其合金或混合物。
  12. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該等金屬顆粒 較佳包含銀。
  13. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該等金屬顆粒較佳包含銀及鋁。
  14. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該等金屬顆粒之中值粒徑d50為約0.1至約4μm，較佳為約0.1至約3μm，較佳為約0.1至約2μm，最佳為約0.1至約1μm。
  15. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該等金屬顆粒之比表面積為約1至約3m2/g，較佳為約2-3m2/g。
  16. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該有機媒劑為導電膏組成物之約20-60重量%，較佳為約30-50重量%，最佳為約40-50重量%。
  17. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，其中該有機媒劑包含黏合劑、界面活性劑、有機溶劑，及其他化合物，該其他化合物選自由以下組成之群：界面活性劑、搖變減黏劑、黏度調節劑、穩定劑、無機添加劑、增稠劑、乳化劑、分散劑、pH調節劑及其任何組合。
  18. 根據申請專利範圍第17項之導電膏組成物，其中該黏合劑為以下至少一種：聚糖、纖維素酯樹脂、酚系樹脂、丙烯酸系物、聚乙烯醇縮丁醛或聚酯樹脂、聚碳酸酯、聚乙烯或聚胺基甲酸酯樹脂，或松香衍生物。
  19. 根據申請專利範圍第17項或第18項之導電膏組成物，其中該界面活性劑為聚氧化乙烯、聚乙二醇、苯并三唑、聚(乙二醇)乙酸、月桂酸、油酸、癸酸、肉豆蔻酸、亞油酸、硬脂酸、棕櫚酸、硬脂酸鹽、棕櫚酸鹽中至少一種，及其混合物。
  20. 根據申請專利範圍第17項至第19項中任一項之導電膏組成物，其中該有機溶劑為以下至少一種：卡必醇、松脂醇、己基卡必醇、泰諾醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二酸二甲酯或乙二醇醚。
  21. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，另外包含約0.01-1重量%的以下至少一種：鋁、銅、鋁-矽化合物、鋁-磷化合物及銅化合物。
  22. 根據前述申請專利範圍中任一項之導電膏組成物，另外包括含金屬或 金屬氧化物之增黏劑，其中該增黏劑包含至少一種選自由以下組成之群之金屬：碲、鎢、鉬、釩、鎳、銻、鎂、鋯、銀、鈷、銫及鋅，或其氧化物。
  23. 根據申請專利範圍第22項之導電膏組成物，其中該增黏劑為碲。
  24. 根據申請專利範圍第22項之導電膏組成物，其中該增黏劑為二氧化碲。
  25. 根據申請專利範圍第22項至第24項中任一項之導電膏組成物，其中該增黏劑分散於該玻璃料內。
  26. 根據申請專利範圍第22項至第25項中任一項之導電膏組成物，其中該增黏劑分散於該導電膏組成物內，與該玻璃料無關。
  27. 根據申請專利範圍第22項至第26項中任一項之導電膏組成物，其中該增黏劑為該導電膏組成物之約0.01-5重量%，較佳為約0.05-2.5重量%，最佳為約0.05-1重量%。
  28. 一種太陽能電池，包含：具有前面及背面之矽晶圓；及形成於該矽晶圓上之焊接墊，該焊接墊係由根據申請專利範圍第1項至第27項中任一項之導電膏製造。
  29. 根據申請專利範圍第28項之太陽能電池，其中該焊接墊係形成於該太陽能電池之該背面上。
  30. 根據申請專利範圍第28項或第29項之太陽能電池，其中該焊接墊可以等於或大於1牛頓之拉力自該矽晶圓移除。
  31. 根據申請專利範圍第28項至第30項中任一項之太陽能電池，其中該焊接墊可以等於或大於2牛頓之拉力自該矽晶圓移除。
  32. 根據申請專利範圍第28項至第31項中任一項之太陽能電池，其中該焊接墊可以等於或大於3牛頓之拉力自該矽晶圓移除。
  33. 根據申請專利範圍第28項至第32項中任一項之太陽能電池，其中該焊接墊可以等於或大於5牛頓之拉力自該矽晶圓移除。
  34. 根據申請專利範圍第28項至第33項中任一項之太陽能電池，其中該焊接墊係由包含約30-75重量%金屬顆粒之導電膏形成。
  35. 根據申請專利範圍第28項至第34項中任一項之太陽能電池，其中該焊接墊係由包含約30-60重量%金屬顆粒之導電膏形成。
  36. 根據申請專利範圍第28項至第35項中任一項之太陽能電池，其中該焊接墊係由包含約30-50重量%金屬顆粒之導電膏形成。
  37. 根據申請專利範圍第28項至第36項中任一項之太陽能電池，其中在該矽晶圓之該前面上形成電極。
  38. 根據申請專利範圍第28項至第37項中任一項之太陽能電池，其中該矽晶圓之該前面另外包含抗反射層。
  39. 一種太陽能電池模組，包含電互連的根據申請專利範圍第28項至第38項中任一項之太陽能電池。
  40. 一種製造太陽能電池之方法，包含以下步驟：提供具有前面及背面之矽晶圓；將根據申請專利範圍第1項至第27項中任一項之導電膏組成物施加至該矽晶圓之該背面上；及根據適當輪廓對該矽晶圓進行燒製。
  41. 根據申請專利範圍第40項之製造太陽能電池之方法，其中該矽晶圓在該前面上具有抗反射塗層。
  42. 根據申請專利範圍第40項或第41項之製造太陽能電池之方法，另外包含以下步驟：將含鋁膏施加至該矽晶圓之該背面上，與該施加的根據申請專利範圍第1項至第27項之導電膏組成物的邊緣重疊。
  43. 根據申請專利範圍第40項至第42項中任一項之製造太陽能電池之方法，另外包含以下步驟：將含銀膏施加至該矽晶圓之該前面上。
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