TW201929244A - 用於形成太陽能電池電極的組成物和使用其製備的電極 - Google Patents
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Abstract
本文揭露一種用於太陽能電池電極的組成物及一種太陽能電池電極。所述用於太陽能電池電極的組成物包含：導電粉；玻璃料；有機黏合劑；以及溶劑，其中所述溶劑具有140℃到180℃的閃點。
Description
本發明是關於一種用於太陽能電池電極的組成物及一種使用其形成的電極。
太陽能電池利用將日光的光子轉換成電力的p-n接面（p-n junction）的光生伏打效應（photovoltaic effect）來產生電力。在太陽能電池中，分別在具有p-n接面的半導體晶片或基板的上表面及下表面上形成前電極及後電極。然後，由進入半導體晶片的日光誘發p-n接面處的光生伏打效應，且通過p-n接面處的光生伏打效應而產生的電子經由電極向外部提供電流。通過對用於太陽能電池電極的組成物進行施加、圖案化及烘烤而在晶片上形成太陽能電池的電極。
作為用於太陽能電池電極的組成物，使用包含導電粉、玻璃料、黏合劑及溶劑的導電膏組成物。溶劑通過與用於太陽能電池電極的組成物的其他組分進行混合而對所述組成物賦予適合於印刷的黏度及流變特性。
尤其，溶劑關係到組成物的可印刷性及烘烤適用性，且因此對太陽能電池電極的可靠性、開路電壓及轉換效率產生影響。
本發明的背景技術揭露於日本專利未經審查公開案第2012-084585號中。
本發明的一個目的是提供一種在可印刷性及可靠性方面具有良好性質的用於太陽能電池電極的組成物、以及一種由所述組成物形成的電極。
本發明的另一個目的是提供一種可改善太陽能電池的電特性（例如開路電壓及轉換效率）的用於太陽能電池電極的組成物、以及一種由所述組成物形成的電極。
本發明的這些目的及其他目的可通過以下闡述的本發明來實現。
本發明的一個態樣是關於一種用於太陽能電池電極的組成物。
所述用於太陽能電池電極的組成物包含：導電粉；玻璃料；有機黏合劑；以及溶劑，其中所述溶劑具有140℃到180℃的閃點。
所述溶劑可具有257℃到300℃的沸點。
所述溶劑可具有由方程式1計算得到的為36,000或大於36,000的FB指數： FB指數=溶劑的沸點（單位：℃）×溶劑的閃點（單位：℃）。
所述溶劑可包括2-[1-甲基-1-(4-甲基環己基)乙氧基]乙醇及鄰苯二甲酸二乙酯中的至少一種。
所述溶劑還可包括以下中的至少一種：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、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯、及乳酸乙酯。
所述玻璃料可由金屬氧化物形成，其中所述金屬氧化物可包括以下元素的氧化物中的至少一種：碲（Te）、鋰（Li）、鋅（Zn）、鉍（Bi）、鉛（Pb）、鈉（Na）、磷（P）、鍺（Ge）、鎵（Ga）、鈰（Ce）、鐵（Fe）、矽（Si）、鎢（W）、鎂（Mg）、鉬（Mo）、銫（Cs）、鍶（Sr）、鈦（Ti）、錫（Sn）、銦（In）、釩（V）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉀（K）、砷（As）、鈷（Co）、鋯（Zr）、錳（Mn）、鋁（Al）及硼（B）。
所述有機黏合劑可包括以下中的至少一種：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、酚樹脂、丙烯酸酯樹脂、二甲苯樹脂、聚丁烯樹脂（polybutene resin）、聚酯樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂、乙酸乙烯酯樹脂、木松香及醇的聚甲基丙烯酸酯。
所述組成物可包含：60 wt%到95 wt%的所述導電粉；0.1 wt%到20 wt%的所述玻璃料；0.1 wt%到15 wt%的所述有機黏合劑；以及0.1 wt%到20 wt%的所述溶劑。
所述組成物還可包含：分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線（UV）穩定劑、抗氧化劑及偶合劑中的至少一種添加劑。
本發明的另一個態樣是關於一種太陽能電池電極。
所述太陽能電池電極可使用上述用於太陽能電池電極的組成物來製作。
本發明提供一種在可印刷性及可靠性方面具有良好性質且可改善太陽能電池的電特性的用於太陽能電池電極的組成物、以及一種由所述組成物形成的電極。
以下，將詳細地闡述本發明的實施例。
會不必要地模糊本發明主題的已知功能及構造的詳細說明將被省略。
除非上下文清晰地另外指出，否則本文所使用的單數形式“一（a、an）”及“所述（the）”旨在也包括複數形式。此外，當在本說明書中使用用語“包括及/或包含（comprises、comprising、includes及/或including）”時，是指出存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件、組分、及/或其群組，但並不排除一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組分、及/或其群組的存在或添加。
另外，除非另外陳述，否則在分析組分時會考慮到誤差裕度。
本文所使用的用語“金屬氧化物”可指一種金屬氧化物或多種金屬氧化物。
此外，本文用來表示某些值的範圍的“X到Y”意謂著“大於或等於X且小於或等於Y”。
用於太陽能電池電極的組成物
用於太陽能電池電極的組成物包含導電粉、玻璃料、有機黏合劑以及溶劑，其中所述溶劑具有140℃到180℃的閃點。
現在，將更詳細地闡述根據本發明的用於太陽能電池電極的組成物的每一組分。
導電粉
導電粉用於對用於太陽能電池電極的組成物賦予導電性。根據本發明的用於太陽能電池電極的組成物可包含例如銀（Ag）或鋁（Al）等金屬粉作為所述導電粉。舉例來說，導電粉可為銀粉。導電粉可具有奈米級細微性或微米級細微性。舉例來說，導電粉可為平均粒徑為數十奈米到數百奈米或平均粒徑為數微米到數十微米的銀粉。作為另外一種選擇，導電粉可為具有不同細微性的兩種或更多種類型的銀粉的混合物。
導電粉可具有各種顆粒形狀，例如球形、薄片形、或非晶形顆粒形狀，對此並無限制。
導電粉可具有0.1 µm到10 µm、具體來說0.5 µm到5 µm的平均粒徑（D50）。在此範圍內，所述組成物可減小太陽能電池的接觸電阻及線電阻。此處，可在通過超音波處理（ultrasonication）在25℃下將導電粉分散在異丙醇（isopropyl alcohol，IPA）中3分鐘後，利用1064D型粒徑分析儀（茨拉斯有限公司（CILAS Co., Ltd.））測量平均粒徑。
在用於太陽能電池電極的組成物中，可存在60 wt%到95 wt%、具體來說70 wt%到90 wt%的量的導電粉。在此範圍內，所述組成物可提高太陽能電池的轉換效率且可易於製備成膏形式。
玻璃料
玻璃料用於通過在用於太陽能電池電極的組成物的烘烤製程期間對抗反射層進行蝕刻並對導電粉進行熔融而在射極區中形成銀晶粒。此外，玻璃料會改善導電粉與晶片的黏合力，且在烘烤製程期間被軟化以降低烘烤溫度。
玻璃料可由金屬氧化物形成。所述金屬氧化物可包括以下元素的氧化物中的至少一種：碲（Te）、鋰（Li）、鋅（Zn）、鉍（Bi）、鉛（Pb）、鈉（Na）、磷（P）、鍺（Ge）、鎵（Ga）、鈰（Ce）、鐵（Fe）、矽（Si）、鎢（W）、鎂（Mg）、鉬（Mo）、銫（Cs）、鍶（Sr）、鈦（Ti）、錫（Sn）、銦（In）、釩（V）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉀（K）、砷（As）、鈷（Co）、鋯（Zr）、錳（Mn）、鋁（Al）及硼（B）。
舉例來說，玻璃料可包括以下中的至少一種：Bi-Te-O玻璃料、Bi-Te-Li-O玻璃料、Bi-Te-Li-Zn玻璃料、Pb-Te-O玻璃料、Pb-Te-Li-O玻璃料、Pb-Te-Li-Zn-O玻璃料、Pb-Bi-Te-Li-O玻璃料及Pb-Bi-Te-Li-Zn-O玻璃料。在此種情況下，由所述組成物形成的太陽能電池電極可表現出各電性質之間的良好平衡。
可通過所屬領域中已知的任何典型方法來製備玻璃料。舉例來說，可通過以下方式來製備玻璃料：使用球磨機或行星式磨機將上述組分混合，在900℃到1300℃下熔融此混合物，並將熔融混合物淬火到25℃，然後使用盤磨機、行星式磨機等來粉碎所獲得的產物。
在用於太陽能電池電極的組成物中，可存在0.1 wt%到20 wt%、具體來說為0.5 wt%到10 wt%的量的玻璃料。在此範圍內，玻璃料可確保在各種片電阻下p-n接面的穩定性，使電阻最小化，且最終提高太陽能電池的效率。
有機黏合劑
有機黏合劑樹脂可為丙烯酸酯樹脂或纖維素樹脂中的一種或多種。一般使用乙基纖維素作為所述有機黏合劑。另外，有機黏合劑可包括以下中的至少一種：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、酚樹脂、丙烯酸酯樹脂、二甲苯樹脂、聚丁烯樹脂、聚酯樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂、乙酸乙烯酯樹脂、木松香及醇的聚甲基丙烯酸酯。
在用於太陽能電池電極的組成物中，可存在0.1 wt%到15 wt%、具體來說為0.1 wt%到10 wt%的量的有機黏合劑。在此範圍內，有機黏合劑可對由所述組成物形成的太陽能電池電極提供足夠的黏合強度。
溶劑
根據本發明的溶劑具有140℃到180℃的閃點。在此閃點範圍內，用於太陽能電池電極的組成物可具有良好的連續的可印刷性，且有利於在高溫下進行烘烤，從而提高太陽能電池的轉換效率。
在一個實施例中，溶劑可具有257℃到300℃的沸點。在此沸點範圍內，所述組成物可在印刷製程期間乾燥得最少，從而具有進一步改善的連續的可印刷性，且可在烘烤製程期間進行緩慢烘烤，從而提高開路電壓。
溶劑可具有由方程式1計算得到的為36,000或大於36,000、例如36,000到90,000的FB指數。在此FB指數範圍內，所述組成物可表現出可印刷性與電性質之間的良好平衡。 ＜方程式1＞ FB指數=溶劑的沸點（單位：℃）× 溶劑的閃點（單位：℃）
在一個實施例中，溶劑可包括2-[1-甲基-1-(4-甲基環己基)乙氧基]乙醇及鄰苯二甲酸二乙酯中的至少一種。
在另一實施例中，溶劑還可包括以下中的至少一種：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、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯、及乳酸乙酯。此處，可對構成溶劑的這些化合物的量進行調整，以使得溶劑的閃點、沸點及FB指數可落在本文所述的範圍內。
在用於太陽能電池電極的組成物中，可存在0.1 wt%到20 wt%、具體來說為0.1 wt%到15 wt%的量的溶劑。在此範圍內，溶劑可確保用於太陽能電池電極的組成物的良好可印刷性。
添加劑
根據本發明的用於太陽能電池電極的組成物可視需要還包含任何典型添加劑以增強流動性、可處理性及穩定性。添加劑可包括分散劑、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、偶合劑等。這些添加劑可單獨使用或作為其混合物形式使用。以用於太陽能電池電極的組成物的總重量計，可存在0.1 wt%到5 wt%的量的添加劑，但所述添加劑的含量可視需要進行改變。
太陽能電池電極及包括所述太陽能電池電極的太陽能電池
本發明的其他態樣是關於一種由用於太陽能電池電極的組成物形成的電極以及包括所述電極的太陽能電池。圖1示出根據本發明一個實施例的太陽能電池。
參照圖1，根據本實施例的太陽能電池100包括基板10、形成於基板10的前表面上的前電極23、及形成於基板10的背表面上的後電極21。
在一個實施例中，基板10可為於其上形成有p-n接面的基板。具體來說，基板10可包括半導體基板11及射極12。更具體來說，基板10可為通過利用n型摻雜劑對p型半導體基板11的一個表面進行摻雜以形成n型射極12而製備的基板。作為另外一種選擇，基板10可為通過利用p型摻雜劑對n型半導體基板11的一個表面進行摻雜以形成p型射極12而製備的基板。此處，半導體基板11可為p型基板或n型基板。P型基板可為摻雜有p型摻雜劑的半導體基板11，且n型基板可為摻雜有n型摻雜劑的半導體基板11。
在對基板10、半導體基板11等的說明中，將此種基板的光進入所述基板所透過的表面稱為前表面（光接收表面）。另外，將基板的與前表面相對的表面稱為背表面。
在一個實施例中，半導體基板11可由結晶矽或化合物半導體形成。此處，結晶矽可為單晶體或多晶體。作為結晶矽，例如可使用矽晶片。
此處，p型摻雜劑可為包含例如硼、鋁或鎵等III族元素的材料。另外，n型摻雜劑可為包含例如磷、砷或銻等V族元素的材料。
前電極23及/或後電極21可使用根據本發明的用於太陽能電池電極的組成物來製作。具體來說，前電極23可使用包含銀粉作為導電粉的組成物來製作，且後電極21可使用包含鋁粉作為導電粉的組成物來製作。前電極23可通過將用於太陽能電池電極的組成物印刷到射極12上、然後進行烘烤來形成，且後電極21可通過將用於太陽能電池電極的組成物施加到半導體基板11的背表面、然後進行烘烤來形成。
接下來，將參考實例來更詳細地闡述本發明。然而，應注意，提供這些實例僅用於說明，而不應理解為以任何方式限制本發明。
此外，為清晰起見，對所屬領域中的技術人員顯而易見的細節不再予以贅述。
實例
1
作為有機黏合劑，在60℃下將0.7 wt%的乙基纖維素（STD4，陶氏化學公司（Dow Chemical Company））充分溶解在10 wt%的鄰苯二甲酸二乙酯（閃點：161.1℃，沸點：295℃）中，且接著向黏合劑溶液中添加了86.8 wt%的平均粒徑為2.0 µm的球形銀粉（AG-4-8，同和高級技術有限公司（Dowa Hightech Co., Ltd.））、2 wt%的平均粒徑為1.0 µm的Bi-Te-O玻璃料（BT-653，AGC電子公司（AGC Electronics））、0.2 wt%的分散劑（BYK 102，畢克化學公司（BYK-chemie））及0.3 wt%的觸變劑（奇科薩特牢（Thixatrol）ST，海名斯有限公司（Elementis Co., Ltd.）），然後在3輥捏合機中進行混合及捏合，從而製備用於太陽能電池電極的組成物。
實例
2
除了使用2-[1-甲基-1-(4-甲基環己基)乙氧基]乙醇（閃點：142℃，沸點：259℃）作為溶劑以外，以與實例1相同的方式製備了用於太陽能電池電極的組成物。
實例
3
除了使用7 wt%的鄰苯二甲酸二乙酯（閃點：161.1℃，沸點：295℃）及3 wt%的2-[1-甲基-1-(4-甲基環己基)乙氧基]乙醇（閃點：142℃，沸點：259℃）作為溶劑以外，以與實例1相同的方式製備了用於太陽能電池電極的組成物。
比較例
1
除了使用丁基卡必醇（閃點：93℃，沸點：231℃）作為溶劑以外，以與實例1相同的方式製備了用於太陽能電池電極的組成物。
比較例
2
除了使用α-萜品醇（閃點：82℃，沸點：217℃）作為溶劑以外，以與實例1相同的方式製備了用於太陽能電池電極的組成物。
比較例
3
除了使用特神龍（texanol）（閃點：122℃，沸點：254℃）作為溶劑以外，以與實例1相同的方式製備了用於太陽能電池電極的組成物。
比較例
4
除了使用二丁基卡必醇（閃點：118℃，沸點：256℃）作為溶劑以外，以與實例1相同的方式製備了用於太陽能電池電極的組成物。
性質評價
（1）串聯電阻（Rs，mΩ）、開路電壓（Voc，mV）：通過以預定圖案進行網版印刷、然後在紅外（IR）乾燥爐中進行乾燥，將在實例及比較例中製備的用於太陽能電池電極的組成物中的每一者沉積在晶片的前表面上。使根據此程式而形成的電池在帶型烘烤爐中在600℃到900℃下經受烘烤60秒到210秒，且接著利用傳遞長度方法（transfer length method，TLM）測試儀關於串聯電阻（Rs）及開路電壓（Voc）進行了評價。結果示出於表1中。
（2）效率（%）：通過以預定圖案進行網版印刷、然後在紅外乾燥爐中進行乾燥，將在實例及比較例中製備的用於太陽能電池電極的組成物中的每一者沉積在晶片的前表面上。接著，將鋁膏印刷在晶片的背面上並以與上述相同的方式進行了乾燥。使根據此程式而形成的電池在帶型烘烤爐中在400℃到900℃下經受烘烤30秒到180秒，且接著利用太陽能電池效率測試儀CT-801（帕桑有限公司（Pasan Co., Ltd.））關於填充因數（FF，%）及轉換效率（Eff.，%）進行了評價。結果示出於表1中。
（3）可印刷性（斷線的數目/電池）：使用在實例及比較例中製備的用於太陽能電池電極的組成物中的每一者印刷指狀電極的100條線（線寬：32 µm），然後測量每一電池的斷線的數目。結果示出於表1中。
具有2條或更多條斷線的電極不適合用作太陽能電池電極。
表
1
如表1所示，可以看到，使用其中溶劑的閃點落在本文所述範圍內的實例1到實例3的組成物製作的太陽能電池在表現出高可靠性的同時具有良好的電性質，例如串聯電阻、開路電壓及轉換效率。
相反地，可以看到，使用其中溶劑的閃點處於本文所述範圍之外的比較例1到比較例4的組成物製作的太陽能電池表現出差的電性質及低的可靠性。
儘管本文中已闡述了一些實施例，然而應理解在不背離本發明的精神及範圍的條件下，所屬領域中的技術人員可作出各種修改、變型及改變。因此，應理解，提供前述實施例僅用於說明目的，而不應視為以任何方式限制本發明。
10‧‧‧基板
11‧‧‧半導體基板
12‧‧‧射極
21‧‧‧後電極
23‧‧‧前電極
100‧‧‧太陽能電池
圖1為根據本發明一個實施例的太陽能電池的示意圖。
Claims (10)
- 一種用於太陽能電池電極的組成物，包含： 導電粉；玻璃料；有機黏合劑；以及溶劑， 其中所述溶劑具有140℃到180℃的閃點。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中所述溶劑具有257℃到300℃的沸點。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中所述溶劑具有由方程式1計算得到的為36,000或大於36,000的FB指數： FB指數=所述溶劑的沸點×所述溶劑的閃點 其中所述溶劑的沸點和所述溶劑的閃點的單位為℃。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中所述溶劑包括2-[1-甲基-1-(4-甲基環己基)乙氧基]乙醇及鄰苯二甲酸二乙酯中的至少一種。
- 如申請專利範圍第4項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中所述溶劑還包括以下中的至少一種：己烷、甲苯、乙基溶纖劑、環己酮、丁基溶纖劑、丁基卡必醇、二丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、丙二醇單甲醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯、及乳酸乙酯。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中所述玻璃料是由金屬氧化物形成，所述金屬氧化物包括以下元素的氧化物中的至少一種：碲、鋰、鋅、鉍、鉛、鈉、磷、鍺、鎵、鈰、鐵、矽、鎢、鎂、鉬、銫、鍶、鈦、錫、銦、釩、鋇、鎳、銅、鉀、砷、鈷、鋯、錳、鋁及硼。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中所述有機黏合劑包括以下中的至少一種：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、酚樹脂、丙烯酸酯樹脂、二甲苯樹脂、聚丁烯樹脂、聚酯樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂、乙酸乙烯酯樹脂、木松香及醇的聚甲基丙烯酸酯。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，包含： 60 wt%到95 wt%的所述導電粉； 0.1 wt%到20 wt%的所述玻璃料； 0.1 wt%到15 wt%的所述有機黏合劑；以及 0.1 wt%到20 wt%的所述溶劑。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於太陽能電池電極的組成物，其中還包含：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、抗氧化劑及偶合劑中的至少一種添加劑。
- 一種太陽能電池電極，使用如申請專利範圍第1項到第9項中任一項所述的用於太陽能電池電極的組成物來製作。
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