TW201527245A - 太陽電池電極用組成物及使用其製作的電極 - Google Patents
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Abstract
一種用於太陽電池電極的組成物和使用其製備的電極。該組成物包括銀Ag粉末;包含元素銀Ag和鉛Pb與鉍Bi中的至少一種元素的玻璃料;和有機載體,其中玻璃料的Ag與Pb的莫耳比範圍為1:0.1至1:50,或者Ag與Bi的莫耳比範圍為1:0.1至1:20。由該組成物製備的太陽電池電極具有最小化的接觸電阻Rc和串聯電阻Rs,從而可提供優異的填充因數和轉換效率。
Description
本申請要求於2013年12月20日在韓國智慧財產局提交的韓國專利申請案第10-2013-0160767號的權益,其全部公開內容結合在此以供參考。
本發明涉及用於太陽電池電極的組成物和使用該組成物製備的電極。
太陽電池採用將太陽光的光子轉換為電的p-n接面的光伏效應發電。在太陽電池中,前電極和背電極分別在具有p-n接面的半導體晶圓或基板的上表面和下表面上形成。然後,在p-n接面處的光伏效應由進入半導體晶圓的太陽光誘發且由p-n接面處光伏效應產生的電子通過電極向外部提供電流。太陽電池的電極藉由塗佈、圖案化和烘烤電極組成物而形成在晶圓上。
為提高太陽電池效率不斷地降低發射極厚度可引起分流,這可能劣化太陽電池性能。此外,為了實現更高效率,太陽電池已經逐漸增加面積。然而,在這樣的情況下,會有由於太陽電池接觸電阻的增加而導致的效率劣化問題。
本發明提供太陽電池電極用組成物,其可增強電極與矽晶圓之間的接觸效率以最小化接觸電阻(Rc)與串聯電阻(Rs)。
根據本發明的一個方面,用於太陽電池的組成物可包括銀(Ag)粉;包含元素銀(Ag)和鉛(Pb)與鉍(Bi)中的至少一種的玻璃料;和有機載體,其中玻璃料的Ag與Pb的莫耳比範圍為1:0.1至1:50,或者Ag與Bi的莫耳比範圍為1:0.1至1:20。
玻璃料可進一步包括選自下列元素的至少一種: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)、釕(Ru)、鋇(Ba)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈉(Na)、鉀(K)、砷(As)、鈷(Co)、鋯(Zr)、錳(Mn)、釹(Nd)、鉻(Cr)、和鋁(Al)。
元素銀可來源於選自以下的至少一種銀化合物:氰化銀、硝酸銀、鹵化銀、碳酸銀、和乙酸銀。
玻璃料可由銀化合物和選自鉛(Pb)氧化物與鉍(Bi)
氧化物的至少一種金屬氧化物形成。
金屬氧化物可進一步包括選自下列的至少一種金屬氧化物:碲(Te)氧化物、磷(P)氧化物、鍺(Ge)氧化物、鎵(Ga)氧化物、鈰(Ce)氧化物、鐵(Fe)氧化物、鋰(Li)氧化物、矽(Si)氧化物、鋅(Zn)氧化物、鎢(W)氧化物、鎂(Mg)氧化物、銫(Cs)氧化物、鍶(Sr)氧化物、鉬(Mo)氧化物、鈦(Ti)氧化物、錫(Sn)氧化物、銦(In)氧化物、釩(V)氧化物、釕(Ru)氧化物、鋇(Ba)氧化物、鎳(Ni)氧化物、銅(Cu)氧化物、鈉(Na)氧化物、鉀(K)氧化物、砷(As)氧化物、鈷(Co)氧化物、鋯(Zr)氧化物、錳(Mn)氧化物、釹(Nd)氧化物、鉻(Cr)氧化物、和鋁(Al)氧化物。
組成物可包括60重量%(wt%)至95wt%的銀粉;0.1wt%至20wt%的玻璃料;和1wt%至30wt%的有機載體。
基於玻璃料的總莫耳數,玻璃料可包含0.1莫耳%至50莫耳%的元素銀(Ag)。
玻璃料的平均粒徑(D50)可為0.1μm至10μm。
該組成物可進一步包括選自以下的至少一種添加劑:分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、防泡劑、色素、紫外穩定劑、抗氧化劑、和偶聯劑。
根據本發明的另一個方面,提供了由用於太陽電池電極的組成物形成的太陽電池電極。
因此,本發明的太陽電池電極用組成物可增強電極與矽
晶圓之間的接觸效率以最小化接觸電阻(Rc)與串聯電阻(Rs),從而提供優異的轉換效率。
100‧‧‧晶圓
101‧‧‧p層
102‧‧‧n層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
圖1是根據本發明一個實施方式的太陽電池的示意圖。
根據本發明的用於太陽電池電極的組成物包含銀(Ag)粉;包含元素銀(Ag)和鉛(Pb)與鉍(Bi)中的至少一種的玻璃料;和有機載體,其中玻璃料的Ag與Pb的莫耳比範圍為1:0.1至1:50,或Ag與Bi的莫耳比範圍為1:0.1至1:20。
下面更詳細地說明根據本發明的用於太陽電池電極的組成物的每種組分。
根據本發明用於太陽電池電極的組成物包含用作導電粉末的銀(Ag)粉。銀粉的粒徑可為奈米或微米尺度。例如,銀粉的粒徑可為幾十奈米到幾百奈米,或幾微米到幾十微米。可替代地,銀粉可為兩種或更多類型不同粒徑的銀粉的混合物。
銀粉可為球形、薄片或無定型形狀。
銀粉的平均粒徑(D50)優選為0.1μm至10μm,更優選
0.5μm至5μm。例如,在25℃下藉由超聲法將導電粉分散在異丙醇(IPA)中3分鐘後,可採用型號1064LD(CILAS有限公司)來測量平均粒徑。在這樣的平均粒度範圍內,該組成物可提供低接觸電阻和低線電阻。
基於組成物的總重量,銀粉存在的量可為60wt%至95wt%。在該範圍內,可防止由於電阻增加導致的導電粉末的轉換效率的劣化,並可防止由於有機載體的量相對降低導致的形成漿料的困難。有利地,導電粉末存在的量可為70wt%至90wt%。
玻璃料用來增強導電粉末和晶圓或基板間的黏附力,並用來藉由刻蝕抗反射層和熔融銀粉在發射極區內形成銀晶粒,以便在用於電極的組成物的烘烤過程中降低接觸電阻。而且,在烘烤過程中,玻璃料軟化且降低了烘烤溫度。
當為提高太陽電池效率而增大太陽電池面積時,可能有太陽電池接觸電阻增加的問題。因此,需要最小化串聯電阻(Rs)和對p-n接面的影響。此外,由於越來越多地使用各種各樣具有不同薄層電阻的晶圓,烘烤溫度在較寬範圍內變化,所以希望玻璃料具備足夠的熱穩定性以承受住烘烤溫度的較寬範圍。
玻璃料可由銀(Ag)化合物和金屬氧化物形成。具體地,玻璃料可藉由混合、熔融和粉碎分解溫度為1000℃或更低(在此分解溫度下銀化合物分解為Ag離子)的銀化合物和金屬氧化物來製備。上述的金屬氧化物可包括至少一種金屬氧化物。
銀化合物為離子化合物且可包括氰化銀(AgCN)、硝酸銀(AgNO3)、鹵化銀(Ag-X)、碳酸銀(Ag2CO3)、醋酸銀和它們的混合物。在鹵化銀中,X可為碘、氟、氯、或溴,且優選碘。
在一個實施例中,金屬氧化物可包括鉛(Pb)氧化物和鉍(Bi)氧化物中的至少一種。
在另一個實施中,金屬氧化物可進一步包括選自下列氧化物的至少一種金屬氧化物:碲(Te)氧化物、磷(P)氧化物、鍺(Ge)氧化物、鎵(Ga)氧化物、鈰(Ce)氧化物、鐵(Fe)氧化物、鋰(Li)氧化物、矽(Si)氧化物、鋅(Zn)氧化物、鎢(W)氧化物、鎂(Mg)氧化物、銫(Cs)氧化物、鍶(Sr)氧化物、鉬(Mo)氧化物、鈦(Ti)氧化物、錫(Sn)氧化物、銦(In)氧化物、釩(V)氧化物、釕(Ru)氧化物、鋇(Ba)氧化物、鎳(Ni)氧化物、銅(Cu)氧化物、鈉(Na)氧化物、鉀(K)氧化物、砷(As)氧化物、鈷(Co)氧化物、鋯(Zr)氧化物、錳(Mn)氧化物、釹(Nd)氧化物、鉻(Cr)氧化物、和鋁(Al)氧化物。
由根據本發明的銀化合物和金屬氧化物形成的玻璃料可包括銀(Ag)和鉛(Pb),且在玻璃料中Ag與Pb的莫耳比範圍為1:0.1至1:50。在該範圍內,可以確保低串聯電阻和接觸電阻。如在此使用的術語莫耳比是指每種金屬的元素莫耳比。
在另一個實例中,玻璃料可包括銀(Ag)和鉍(Bi)。藉由印刷和烘烤包括玻璃料的用於太陽電池電極的組成物而製備的
電極,在玻璃料中Ag與Bi的莫耳比範圍可為1:0.1至1:20。在該範圍內,可以確保低串聯電阻和接觸電阻。
在更進一步的實例的中,玻璃料可包括銀(Ag)和碲(Te)。藉由印刷和烘烤包括玻璃料的用於太陽電池電極的組成物而製備的電極,在玻璃料中Ag與Te的莫耳比範圍可為1:0.1至1:25。在該範圍內,可以確保低串聯電阻和接觸電阻。
在另一個實例中,玻璃料可進一步包括選自下列元素的至少一種元素: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)、和鋁(Al)。
基於玻璃料的總莫耳數,玻璃料可包含0.1莫耳%至50莫耳%的元素銀,優選0.5莫耳%至40莫耳%的元素銀。
玻璃料中以元素形式包含的每種金屬的含量可藉由電感耦合電漿發射光譜法(ICP-OES)測量。ICP-OES需非常小的樣品量,這樣在提供優異的分析靈敏度的同時,可縮短樣品準備時間和減小由預處理樣品引起的誤差。
特別地,ICP-OES可包括預處理樣品、配製標準溶液和藉由測量和轉換目標元素的濃度來計算玻璃料中每種元素的含量,從而能夠精確測量玻璃料中每種元素的含量。
在預處理樣品的操作中,預定量的樣品可溶解在能夠溶
解玻璃料樣品的酸溶液中,然後加熱碳化。酸溶液可包括,例如,硫酸(H2SO4)溶液。
碳化的樣品可用溶劑(例如蒸餾水或過氧化氫(H2O2))稀釋到可以分析待分析的元素的合適程度。鑒於ICP-OES檢測器的元素檢測能力,碳化的樣品可稀釋10,000倍。
在用ICP-OES檢測器進行測量時,預處理的樣品可採用標準溶液校準,例如,用於測量元素的有待分析的元素的溶液。
在實例中,可藉由向ICP-OES檢測器中引入標準溶液且採用外標法繪製校正曲線,隨後採用ICP-OES檢測器測量和轉換預處理樣品中有待分析的元素的濃度(ppm),來計算玻璃料中每種元素的莫耳比。
如上文所述,玻璃料可藉由本領域熟知的任何典型方法,由銀化合物和金屬氧化物製備。例如,銀化合物和金屬氧化物可按照預定的比例混合。混合可採用球磨機或行星式磨機來進行。混合物在800℃至1300℃下熔融,隨後淬火至25℃。獲得的產物採用盤磨機、行星式磨機等進行粉碎,從而製備玻璃料。
玻璃料的平均粒徑(D50)可為0.1μm至10μm,且可為球形或無定型形狀。
基於組成物的總重量,玻璃料存在的量可為0.1wt%至20wt%,優選0.5wt%至10wt%。在該範圍內,可以在最小化串聯電阻以提高太陽電池效率的同時,確保給定不同表面電阻的p-n接面的穩定性。
藉由與組成物的無機組分機械混合,有機載體給予合適印刷至用於太陽電池電極組成物的黏度和流變特性。
有機載體可為用於太陽電池電極組成物的任何典型的有機載體,且可包括黏合劑樹脂、溶劑等。
黏合劑樹脂可選自丙烯酸樹脂或纖維素樹脂。乙基纖維素通常用作黏合劑樹脂。此外,黏合劑樹脂可選自:乙基羥乙基纖維素、硝化纖維素、乙基纖維素和酚醛樹脂的混合物、醇酸樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸酯樹脂、二甲苯酚樹脂、聚丁烯樹脂、聚酯樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、醋酸乙烯酯樹脂、木松香、聚甲基丙烯酸酯等。
溶劑可選自,例如,己烷、甲苯、乙基溶纖素、環己酮、丁基溶纖素、丁基卡必醇(二乙二醇單丁基醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁基醚)、丁基卡必醇醋酸酯(二乙二醇單丁基醚醋酸酯)、丙二醇單甲基醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯、乳酸乙酯和它們的組合。
基於組成物的總重量,有機載體存在的量可為1wt%至30wt%。在該範圍內,有機載體可為組成物提供充足的黏附強度和優異的可印刷性。
根據需要,組成物可進一步包括典型的添加劑以增強流動和加工性能和穩定性。添加劑可包括,但不局限於,分散劑、
觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、防泡劑、色素、紫外穩定劑、抗氧化劑、偶聯劑等。這些添加劑可單獨地或以其混合物使用。這些添加劑在組成物中的存在量可為(但不限於)0.1wt%至5wt%。
本發明的其他方面涉及由用於太陽電池電極的組成物形成的電極和包括該電極的太陽電池。圖1示出了根據本發明一個實施例的太陽電池。
參考圖1,背電極210和前電極230可藉由將組成物印刷和烘烤在用作發射極的包括p層(或n層)101和n層(或p層)102的晶圓100或基板上而形成。例如,製備背電極210的初步加工是藉由將組成物印刷在晶圓100的背表面上並且在200℃至400℃下乾燥印刷的組成物10到60秒來進行。而且,製備前電極的初步加工可藉由將漿料印刷在晶圓的前表面上並且乾燥印刷的組成物來進行。然後,前電極230和背電極210可藉由在400℃至950℃,優選750℃至950℃下,烘烤晶圓30秒至210秒來形成。
下面將參考實施例更詳細地說明本發明。但是,請注意這些實施例僅用作舉例說明來提供,而不應理解為以任何方式限制本發明。
作為有機黏合劑,在60℃下將3.0wt%的乙基纖維素
(STD4,Dow Chemical公司)充分溶解在6.5wt%的丁基卡必醇中,並且將平均粒徑為2.0μm的86.90wt%的球形銀粉(AG-4-8,Dowa Hightech公司)、由作為銀化合物的氰化銀(AgCN)得到並根據表1所列的組成物製備的3.1wt%的玻璃料、0.2wt%的分散劑BYK102(BYK-chemie)和0.3wt%的觸變劑Thixatrol ST(Elementis公司)添加到黏合劑溶液中,隨後在3-輥捏合機中混合並且捏合,從而製備了用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表1所列的組成物製備玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表2所列的組成物製備包含作為銀化合物的硝酸銀(AgNO3)的玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表3所列的組成物製備包含用作銀化合物的碘化銀(AgI)的玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表4所列的組成物製備包含用作銀化合物的硝酸銀(AgNO3)的玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表5所列的組成物製備包含用作銀化合物的碳酸銀(Ag2CO3)的玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表6所列組成物製備包含作為銀化合物的碘化銀(AgI)的玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
除了根據表7所列組成物製備玻璃料之外,採用與實施例1相同方式製備用於太陽電池電極的組成物。
應當理解的是表1至表7表示在進行融化以將銀化合物分解成元素銀之前,根據實施例1至90和比較實施例1和2的玻璃料的組成。
樣品的預處理:將0.5g待分析的玻璃料樣品放置在燒杯中且稱重,精確度為0.0001g。向燒杯中加入5ml硫酸(H2SO4),隨後採用電熱板在220℃下加熱3小時,直到樣品完全碳化。向燒杯中加入過氧化氫(H2O2)直到包含碳化樣品的燒杯變透明,從而完成預處理。
標準溶液的製備:製備作為待分析元素的元素銀(Ag)、
元素鉛(Pb)和元素鉍(Bi)的標準溶液。
Ag:Pb和Ag:Bi的莫耳比的測量:向包含預先處理樣品的燒杯中加入硝酸(HNO3),隨後加熱5分鐘並且空氣冷卻。將製備好的標準溶液引入ICP-OES檢測器(PerkinElmer公司)且藉由外標法繪製校準曲線,隨後採用ICP-OES檢測器測量和轉換樣品中元素銀(Ag)、鉛(Pb)和鉍(Bi)的濃度(ppm),從而計算玻璃料中Ag:Pb和Ag:Bi的莫耳比。表8和表9示出代表性結果。
每種元素的含量(%)=每種元素的濃度(ppm)×稀釋因數(DF)/10,000
每種元素的莫耳數=每種元素的含量/每種元素的分子量
Ag:Pb的莫耳比=1:(Pb的莫耳數/Ag的莫耳數)
Ag:Bi的莫耳比=1:(Bi的莫耳數/Ag的莫耳數)
實施例和比較例中製備的組成物藉由以預定圖案絲網印刷沈積在晶體單層晶圓的前表面上,隨後在IR乾燥爐中乾燥。根據這個步驟形成的電池在帶型烘烤爐中在700℃至950℃下烘烤30秒到210秒,然後採用TLM(轉移長度法)測試儀評估接觸電阻(Rc)。表10至表16示出測量的結果。
實施例和比較例中製備的組成物藉由以預定圖案絲網印刷沉積在晶體單層晶圓的前表面上,隨後在IR乾燥爐中乾燥。然後,將鋁漿料印刷在晶圓的背側上並且用上述相同方式乾燥。根據這個步驟形成的電池在帶型烘烤爐中在700℃至950℃下烘烤30秒到210秒,然後採用太陽電池效率檢測器CT-801(Pasan公司)評估串聯電阻(Rs)、填充因數(FF,%)和轉換效率(%)。表10至表16示出測量的串聯電阻、填充因數和轉換效率。
表10
如表10至表16所示,可看出,與其中採用的玻璃料Ag:Pb與Ag:Bi的莫耳比不在本文說明的範圍內的比較例1和其中採用不包含銀的玻璃料的比較例2相比,採用在實施例1至實施例90中Ag:Pb莫耳比範圍為1:0.1至1:50或Ag:Bi莫耳比
範圍為1:0.1至1:20的玻璃料製備的組成物製造的太陽電池電極具有相當低的接觸電阻和串聯電阻,從而提供優異的填充因數和轉換效率。
應理解,在不偏離本發明的精神和範圍的情況下,本領域技術人員可做出各種各樣的修改、變化、更改和等效實施例。
100‧‧‧晶圓
101‧‧‧p層
102‧‧‧n層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
Claims (10)
- 一種用於太陽電池電極的組成物,包含:銀(Ag)粉;玻璃料,包含元素銀Ag以及鉛Pb與鉍Bi中的至少一種;以及有機載體,其中所述玻璃料的Ag與Pb的莫耳比範圍為1:0.1至1:50,或者Ag與Bi的莫耳比範圍為1:0.1至1:20。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,其中所述玻璃料進一步包括選自下列元素中的至少一種: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)、釕(Ru)、鋇(Ba)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈉(Na)、鉀(K)、砷(As)、鈷(Co)、鋯(Zr)、錳(Mn)、釹(Nd)、鉻(Cr)和鋁(Al)。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,其中所述元素銀Ag來源於選自以下各項的至少一種銀化合物:氰化銀、硝酸銀、鹵化銀、碳酸銀、和乙酸銀。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,其中所述玻璃料由銀化合物以及選自鉛(Pb)氧化物與鉍(Bi)氧化物中的至少一種金屬氧化物形成。
- 如申請專利範圍第4項所述的用於太陽電池電極的組成物,其中所述金屬氧化物進一步包括選自下列各項中的至少一種金屬氧化物:碲(Te)氧化物、磷(P)氧化物、鍺(Ge)氧化物、鎵(Ga)氧化物、鈰(Ce)氧化物、鐵(Fe)氧化物、鋰(Li)氧化物、矽(Si)氧化物、鋅(Zn)氧化物、鎢(W)氧化物、鎂(Mg)氧化物、銫(Cs)氧化物、鍶(Sr)氧化物、鉬(Mo)氧 化物、鈦(Ti)氧化物、錫(Sn)氧化物、銦(In)氧化物、釩(V)氧化物、釕(Ru)氧化物、鋇(Ba)氧化物、鎳(Ni)氧化物、銅(Cu)氧化物、鈉(Na)氧化物、鉀(K)氧化物、砷(As)氧化物、鈷(Co)氧化物、鋯(Zr)氧化物、錳(Mn)氧化物、釹(Nd)氧化物、鉻(Cr)氧化物和鋁(Al)氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,包括:60wt%至95wt%的所述銀粉;0.1wt%至20wt%的所述玻璃料;以及1wt%至30wt%的所述有機載體。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,其中基於所述玻璃料的總莫耳數,所述玻璃料包含0.1莫耳%至50莫耳%的所述元素銀Ag。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,其中所述玻璃料的平均粒徑D50為0.1μm至10μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽電池電極的組成物,進一步包括:選自以下各項中的至少一種添加劑:分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、防泡劑、色素、紫外穩定劑、抗氧化劑和偶聯劑。
- 一種由如申請專利範圍第1到9項中的任一項所述的用於太陽電池電極的組成物製備的太陽電池電極。
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