TWI401298B - 太陽能電池及其漿料組成物 - Google Patents
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Description
本發明主張於2009年09月02日所申請之韓國專利申請案號10-2009-0082711的優先權，此全文將併入本案以作為參考。
本發明係關於一種太陽能電池及其漿料組成物。
近來，因為石化燃料的缺乏，開發下一代潔淨能源已成為更重要的課題。在下一代潔淨能源之中，作為解決未來能源的問題，太陽能電池是備受矚目的能源，因為太陽能電池鮮少造成環境污染、具有半永久性的壽命和取之不盡、用之不竭的太陽光資源。
上述的太陽能電池的製造乃藉由形成一上電極(front electrode)和一背電極(rear electrode)於一矽基板上，矽基板具有一N型半導體和一P型半導體。在太陽能電池的技術上，提高光電轉化效率(photoelectronic transformation efficiency)是非常重要的課題。為了提高光電轉換效率，目前的方法為控制N型半導體和P型半導體的摻雜濃度(doping density)，另一方法為改進上(top)和背電極的特性(characteristic)。
本發明之實施例係提供一太陽能電池和一太陽能電池電極的漿料組成物(paste composition)，能夠提高太陽能電池的效率。
本發明之實施例係提供一種用於太陽能電池電極之漿料組成物，其中漿料組成物包括有一含磷分散劑(phosphorous-containing dispersing agent)。
含磷分散劑可包括係選自由一雙性聚合物分散劑(amphiphilic polymeric dispersing agent)、一酸性聚合物分散劑(acidic polymeric dispersing agent)、一鹼性聚合物分散劑(basic polymeric dispersing agent)、一中性聚合物分散劑(neutral polymeric dispersing agent)、一陽離子分散劑(cationic dispersing agent)及一陰離子分散劑(anionic dispersing agent)所組成之群組。
含磷分散劑可包括具有金屬親和基(metal-affinitive group)的磷酸酯鹽(phosphoric ester salt)。
漿料組成物可含有0.1至10wt%的含磷分散劑。
漿料組成物包括一金屬粉末(metal powder)、一玻璃料(glass frit)及一有機載體(organic vehicle)，其中有機載體可包括含磷分散劑。
漿料組成物更包括一添加劑(additive)，其中漿料組成物包括60至95 wt%的金屬粉末、0.3至15WT%的玻璃料、4至39 wt%的有機載體和0.1至10 wt%的添加劑。
漿料組成物可包括一金屬粉末，一玻璃料，一有機載體，以及一添加劑，其中添加劑可包括含磷分散劑。
漿料組成物可包括60至95wt%的金屬粉末、0.3至15wt%的玻璃料、4至39wt%的有機載體、以及0.1至10wt%的添加劑。
金屬粉末可包括銀粉末(silver powder)或鋁粉末(aluminum powder)。
根據本發明之實施例係提供一種太陽能電池可包括藉由使用漿料組成物所製造出的一電極。
根據本發明之實施例之一種漿料組成物可包括含磷分散劑，使漿料組成物的分散特性得以改善。因此，漿料組成物中的金屬粉末含量能被增加，這樣使用此漿料組成物所製的電極，其電氣和機械特性得以改善。結果，含有此漿料組成物電極的太陽能電池之效率能得到改善。
此外，由於含磷分散劑，漿料組成物的穩定性得以增強，從而使電極的生產率和可靠度能得到改善。
下文中，將詳細描述與說明本發明實施例之漿料組成物與包括藉由使用漿料組成物所製造的太陽能電池電極之太陽能電池。
用於太陽能電池電極的漿料組成物包括一金屬粉末、一玻璃料以及一有機載體。漿料組成物更包括一添加劑。此外，漿料組成物包括一含磷分散劑，含磷分散劑包括在有機載體或添加劑。
金屬粉末可包括銀粉末或鋁粉末，具有重量輕與優越的導電性。漿料組成物包括銀粉末能被用於製造上電極(front electrode)和鋁粉末可用於製造背電極(rear electrode)，但實施例並不限定於此。
金屬粉末可具有一球形狀、一板形、一鐘形或一片狀。金屬粉末可由形狀相同或形狀不同的粒子所組成。
金屬粉末的平均粒徑約為1.5至10μm。如果平均粒徑小於1.5μm，有機物質可由於金屬粉末的聚集而無法滲入到金屬粉末之中，因此金屬粉末可能不易分散。此外，如果平均粒徑超過10μm，金屬粉末會形成許多孔隙，所以金屬粉末的密度會降低，電極的電阻會增大。
各種材料可用於玻璃料。例如，鉛硼矽玻璃(lead borosilicate glass)具有一軟化點(softening point)在400至600℃、鉛矽酸鹽玻璃(lead silicate glass)、鉍玻璃(bismuth glass)或鋰玻璃(lithium glass)能作為玻璃料。更詳細的說，玻璃料可包括係選自由氧化鉍(Bi2
O3
)、氧化硼(B2
O3
)、二氧化矽(SiO2
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氧化鎘(CdO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋇(BaO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈉(Na2
O)、氧化鋰(Li2
O)、氧化鉛(PbO)及氧化鋯(ZrO)所組成之群組的至少一或兩種材料。如果玻璃料包括氧化鉛-氧化鉍-氧化硼-氧化鋅-二氧化矽(PbO-Bi2
O3
-B2
O3
-ZnO-SiO2
)，形成電極之基板的翹曲是可以防止發生的。例如，即使有一電極厚度約15至25μm，基板翹曲(bowing)是可以防止發生的。此外，玻璃料的晶粒尺寸約1至10μm。
有機載體能使漿料組成物具有黏度與流變性(viscosity and rheological property)，使其能以塗裝在基板上。
有機載體可包括溶劑和溶解於該溶劑的聚合物。此外，有機載體可包括有搖變劑(thixotropic agent)、勻染劑(leveling agent)和反發泡劑(anti-foaming agent)。有機載體可亦包括含磷分散劑，這部份將在後面詳細介紹之。
聚合物可包括丙烯酸樹脂(acrylate resin)、乙基纖維素(ethylcellulous)、硝基纖維素(nitrocellulous)、乙基纖維素和酚樹脂之高分子(polymer of ethylcellulous and phenol resin)、木松香(wood rosin)、聚甲基丙烯酸酯醇(polymethacrylate of alcohol)。最好的是，聚合物為乙基纖維素(ethylcellulous)。
溶劑可包括係選自乙酸丁基二甘醇脂(butylcarbitolacetate)、二乙二醇單丁醚(butylcarbitol)、乙二醇丁醚(butylcellosolve)、乙二醇丁醚醋酸酯(butylcellosolve acetate)、丙二醇單甲醚(propyleneglycolmonomethylether)、二丙二醇單甲醚(dipropyleneglycolmonomethylether)、propyleneglycolmonomethylpropionate、(ethyletherpropionate)、松油醇(terpineol)、丙二醇單甲醚醋酸酯(propyleneglycolmonomethyletheracetate)、二甲胺(dimethylamino)、甲醛(formaldehyde)、(methylethylketone)、γ-丁內酯(gamma-butyrolactone)、ethylactate、2,3,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯(texanol)所組成之群組的至少一或兩種材料。最好的是，溶劑為乙酸丁基二甘醇脂(butylcarbitolacetate)。
搖變劑可包括尿素類(urea type)、醯胺類(amide type)或聚氨酯類聚合物(urethane type polymer)/有機物(organic substance)或無機矽(inorganic silica)。
根據本發明實施例之漿料組成物更可以包括各種添加劑，以改善所需之特性。例如，漿料組成物可能進一步包括燒結添加劑(sintering additive)、增稠劑(thickener)、穩定劑(stabilizer)或介面活性劑(surfactant)。此外，漿料組成物可包括含磷分散劑，這部份將在後面詳細介紹之。
例如，漿料組成物可包括60至95wt%的金屬粉末、0.3至15wt%的玻璃料、4至39wt%的有機載體和0.1至10wt%的添加劑。
如果金屬粉末的含量超過95wt%時，組成物可能無法製備成膏狀。如果金屬粉末的含量小於60wt%時，導電材料量減少，從而使背電極(rear electrode)的電阻增加。也就是說，當太陽能電池具有上述成分配比時，漿料組成物的燒結特性(sinterability)能得到改善及太陽能電池的效率也能得到改善。
如果玻璃料的含量範圍是0.3至15%時，太陽能電池的黏結性(adhesive property)、燒結性(sinterability)和後處理特性(post-process)能得到改善。
如果有機載體的含量超過39%wt時，金屬粉末含量減少，從而使電極的電阻可能會增加，因此降低了太陽能電池的效率。此外，如果有機載體的含量小於4wt%時，金屬粉末可能不容易混合和分散。在這種情況下，金屬粉末可能不容易塗裝在基板上。因此，使用漿料組成物所形成之電極的精細圖案可能會變差。
如果添加劑的含量超過10%wt時，金屬粉末量減少，從而使背電極的電阻可能會增加，因此降低了太陽能電池的效率。此外，如果添加劑的含量小於0.1%wt時，來自添加劑的效果可能會下降。
根據本發明實施例之漿料組成物包括含磷分散劑，含磷分散劑包含在有機載體和/或添加劑之中。也就是說，含磷分散劑可包括在漿料組成物的有機載體之中、和/或含磷分散劑可包括在漿料組成物之中但不包括在有機載體之中。
含磷分散劑強烈地吸附在金屬粉末的表面上，藉以提高漿料組成物的分散性(dispersing property)。如此，當製備漿料組成物時含磷分散劑可以防止金屬粉末結塊。因此，漿料組成物的金屬粉末含量可被提高，而根據本發明實施例之漿料組成物所製出的電極，其電極的電性和機械特性能得到改善。所以，包括使用漿料組成物所製出之電極的太陽能電池，其太陽能電池的效率能得到改善。由於太陽能電池的3個機械特性(mechanical characteristic)可以提高，將能預防太陽能電池矽基板的翹曲。
此外，由於有含磷分散劑，漿料組成物的穩定性得以被增強，當製備漿料組成物時，可以防止漿料組成物變形。因此，當使用漿料組成物製造電極時，電極的生產率可以提高，且電極的可靠性得以提高。
含磷分散劑可包括具有高分子量的共聚物(copolymer)。例如，含磷分散劑可包括含有金屬親和基的磷酸酯鹽(phosphoric ester salt)。由於含磷分散劑包括金屬親和基以及磷強烈吸附在金屬粉末，可以更有效地預防金屬粉末集聚結塊。
根據金屬親和基的類型，含磷分散劑可分為雙性聚合物分散劑、酸性聚合物分散劑、鹼性聚合物分散劑、中性聚合物分散劑、陽離子分散劑、陰離子分散劑。如果含磷分散劑使用雙性聚合物分散劑，漿料組成物的生產率可以更好。
例如，雙性聚合物分散劑可包括金屬親和基羧酸類(carboxylic acid type)、磺酸類(sulfonic acid type)、硫酸鹽類(sulfate type)、磷酸類(phosphoric acid type)或親水活性陰離子官能基之磷酸酯類(hosphoric ester type based on anionic active moiety groups of hydrophilic moieties)。此外，雙性聚合物分散劑可包括有金屬親和基之甜菜鹼類(betaine type)、咪唑啉類(imidazoline type)、β-丙氨酸類(β-alanine type)或氨基類(amino type)。這些金屬親和基可以被包括在磷酸酯鹽的主鏈或附於官能基。
此外，酸性聚合物分散劑可包括金屬親和基羧酸基(carboxylic acid group)、磺酸基(sulfonic acid group)、硫酸基(sulfate group)、磷酸酯基(phosphoric ester group)等，作為一種酸性基(acidic group)。這些金屬親和基可以被包括在磷酸酯鹽的主鏈或附於官能基。
陽離子分散劑可能包括金屬親和基脂族胺鹽(aliphatic amine salt)與四級胺鹽(quaternary ammonium salt)、脂族四級胺鹽(aliphatic quaternary ammonium salt)、和其雜環四級胺鹽(heterocyclic quaternary ammonium salt)。這些金屬親和基可以被包括在磷酸酯鹽的主鏈或附於官能基。
中性分散劑可為塊體共聚物(block copolymer)包括金屬親和基醚類(ether type)、醚酯類(esterether type)、酯類(ester type)或含氮類(nitrogen-containing type)。以醚類(ether type)金屬親和基可能包括塊體共聚物，包括烷基(alkyl)和烷基芳基聚氧乙烯醚(alkyl aryl polyoxyethyleneether)、烷基芳基甲醛縮合聚氧乙烯醚(alkyl aryl formaldehyde-condensated polyoxyethyleneether)，聚氧丙烯(polyoxypropylene)等，作為親油基(oleophilic group)。醚酯類(esterether type)金屬親和基可包括甘油酯聚氧乙烯醚(polyoxyethyleneether of glycerinester)、山梨坦酯聚氧乙烯醚(polyoxyethyleneether of sorbitanester)、山梨糖醇聚氧乙烯醚(polyoxyethyleneether of sorbitolester)等。酯類(ester type)金屬親和基可能包括聚乙二醇脂肪酸酯(polyethyleneglycolfattyacidester)、甘油酯(glycerinester)、山梨坦酯(sorbitanester)、丙二醇酯(propyleneglycolester)、糖酯(sugarester)等。含氮金屬親和基可包括脂肪酸烷基醯胺(fatty acid alkanolamide)、polyoxyethylenefattyacidamid、聚氧乙烯烷基胺(polyoxyethylenealkylamine)、氧化胺(amineoxide)等。
含磷分散劑的含量約占漿料組成物總量的0.1至10 wt%。如果含磷分散劑的含量超過10wt%時，燒製製程(firing process)後會有碳的殘留，過量的含磷分散劑可能會增加漿料組成物的黏度，使得在製程中漿料組成物可能不容易被控制。如果含磷分散劑的含量小於0.1%wt時，分散的效果是不夠的。
上述成分以一預先設定的比例以攪拌機(blgnder)或3軸輥(3-axis roll)互相均勻混合，從而製備漿料組成物。測量時使用布氏指針式黏度計(Brookfield HBT viscometer)與多用途黏度杯(multi-purpose cup)、使用轉軸編號51號(#51 spindle)於溫度25℃、轉數值5rpm，測出的漿料組成物黏度值大約為50至200PaS。
下文中，煩請參考圖1所示，將舉例詳細說明根據本發明實施例之使用漿料組成物的太陽能電池。圖1為太陽能電池之剖視圖。
請參考圖1所示，太陽能電池包括P型矽基板(P type silicon substrate)10及其上表面的N型半導體(N type semiconductor)11，上電極(front electrode)12電性連接到N型半導體11和背電極(rear electrode)13電性連接到P型矽基板10。抗反射層(anti-reflective layer)14可形成在除了形成上電極12以外區域的射極(emitter)11上表面。另外，背面電場(BSF、back surface field)層15形成於矽基板(silicon substrate)10與背電極13間。
根據本發明實施例之漿料組成物能用來形成太陽能電池的上電極(front electrode)12或背電極13。也就是說，以漿料組成物塗裝在矽基板10上，經乾燥(drying)與燒結(firing)製程製出上電極(front electrode)12或背電極13。例如，包括銀粉末的漿料組成物能用於製造上電極(front electrode)12和包括鋁粉末的漿料組成物能用於製造背電極13，但實施例並不限定於此。
具體而言，以漿料組成物塗裝在矽基板10上，經乾燥與燒結製程製出太陽能電池的電極。
漿料組成物可經由塗裝程序(painting scheme)塗裝在矽基板10。更詳細的說，網板塗裝程序(screen paining scheme)可用於漿料組成物塗裝於矽基板上。經由塗裝程序，漿料組成物可塗裝厚度約20至60 μm。以上技術詳細揭露於韓國公開專利申請第10-2006-0108550號與第10-2006-0127813號，日本公開專利申請公開號第2001-202822及第2003-133567號，其中的全部內容納入了參考。
乾燥製程的溫度為90至250℃，燒結製程的溫度為600至950℃。最佳的是，高溫/高速的燒製製程為5秒到1分鐘、溫度約在800至900℃。
根據本發明實施例之漿料組成物能提高金屬粉末的分散性，使金屬粉末的含量可以增加。如此，使用漿料組成物所製成之上電極(front electrode)12或背13電極藉由具有較佳的電氣和機械特性。此外，漿料組成物能得以穩定的儲存，所以使用漿料組成物所製成的上電極(front electrode)12或背電極13的穩定性和可靠性得以被改善。
下文中，將詳細描述本發明之實施例的實驗範例與比較範例。這些例子僅為說明用途，實施例並不限定於此。
漿料組成物是被製備混合80公克的金屬粉末、5公克的玻璃料、15公克的有機載體、以及1公克的含磷分散劑。金屬粉末使用銀粉末，玻璃料是氧化鉛-氧化鉍-氧化硼-氧化鋅-二氧化矽。有機載體的製備為添加10 wt%的聚合物，它是由混合兩種不同類型分子量的乙基纖維素(ethyl cellulous)而彼此的比率為3:1、以及其餘90wt%為溶液，是由混合比例為50:50的乙酸丁基二甘醇脂(butylcarbitolacetate)與松油醇所製備。含磷分散劑使用雙性聚合物分散劑。雙性聚合物分散劑為具有高分子量與金屬親和基的磷酸酯鹽共聚物。
實驗範例2與實驗範例1相似，除了含磷分散劑使用酸性分散劑。酸性共聚物分散劑具有含磷的酸性基(acidic group)。
實驗範例3與實驗範例1相似，除了含磷分散劑使用陽離子分散劑。陽離子分散劑為alkylol ammonium、其具有包括磷的多功能聚合物(multi-functional polymer)。
實驗範例4與實驗範例1相似，除了含磷分散劑使用中性分散劑。中性分散劑是一含磷金屬親和基的塊體共聚物。
漿料組成物的製備類似實驗範例1，除了使用無磷分散劑(phosphorous-free dispersing agent)用於替代含磷分散劑。無磷分散劑是一具有金屬親和基與高分子量的塊體共聚物。
實驗範例1至實驗範例4及比較範例的漿料組成物經由絲網網印製程(silk screen printing process)塗裝於矽基板上，然後以燒結製程製造出上電極(front electrode)。具有此上電極(front electrode)的太陽能電池的效率請見表1所示。
太陽能電池效率的量測利用太陽光模擬器(solar simulator)。
從表1可以了解，相較於比較範例，實驗範例1至實驗範例4具有較優越的效率。具體而言，實驗範例1至實驗範例4中最低的效率為16.56%，實驗範例1至實驗範例4的平均效率為16.77%，但比較範例的效率只有16.37%。在太陽能電池產業領域中，效率等級分類的單位為0.2%，所以效率遞增0.2%具有重大的意義。也就是說，實驗範例1至實驗範例4表現出優越的效率。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動、添加與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
10．．．P型矽基板
11．．．N型半導體
12．．．上電極
13．．．背電極
14．．．抗反射層
15．．．背面電場層
圖1為太陽能電池之剖視圖。
10．．．P型矽基板
11．．．N型半導體
12．．．上電極
13．．．背電極
14．．．抗反射層
15．．．背面電場層
Claims (10)
- 一種漿料組成物用於太陽能電池之電極，其中該漿料組成物包括一含磷分散劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該含磷分散劑包括係選自由一雙性聚合物分散劑、一酸性聚合物分散劑、一鹼性聚合物分散劑、一中性聚合物分散劑、一陽離子分散劑及一陰離子分散劑所組成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該含磷分散劑包括具有金屬親和基的一磷酸酯鹽。
- 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該含磷分散劑佔該漿料組成物總量的0.1至10wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該漿料組成物包括一金屬粉末、一玻璃料、以及一有機載體，其中該有機載體包括該含磷分散劑。
- 如申請專利範圍第5項所述之漿料組成物，更包括一添加劑，其中該漿料組成物包括60至95wt%的該金屬粉末、0.3至15wt%的該玻璃料、4至39wt%的該有機載體、以及0.1以10wt%的該添加劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該漿料組成物包括一金屬粉末、一玻璃料、一有機載體、以及一添加劑，其中該添加劑包括該含磷分散劑。
- 如申請專利範圍第7項所述之漿料組成物，其中該漿料組成物包括60至95 wt%的該金屬粉末、0.3至15wt%的該玻璃料、4至39wt%的該有機載體、以及0.1至10wt%的該添加劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該金屬粉末包括一銀粉末或一鋁粉末。
- 一種太陽能電池包括一電極，該電極藉由使用如申請專利範圍第1項所述之該漿料組成物所製造。
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