TWI469946B - 供用於太陽能電池電極的組成物及使用該組成物製造的電極 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種用於太陽能電池電極的組成物及其所製造之電極。
太陽能電池單元產生電能是利用p-n接面的光生伏打效應使太陽光的光子轉換成電能。在太陽能電池單元中，前部和後部電極分別形成於半導體晶片或基材的上表面及下表面，並形成一個p-n接面。之後，p-n接面的光生伏打效應被進入半導體晶片的陽光誘發，並且由p-n接面的光生伏打效應產生的光子經由電極對外部供應電流。該太陽能電池單元的電極是透過一將組成物塗佈、圖案化及烘烤而形成於晶片上。
為提高太陽能電池單元的效率而連續遞減發射厚度可能會導致分流(shunting)而使太陽能電池單元的表現惡化。此外，太陽能電池單元的面積逐漸增加，以實現高效率。然而，在這種情況下，可能有因為太陽能電池單
元的接觸電阻提升而導致效率劣化的問題。
太陽能電池單元由條帶(ribbon)彼此連接而構成
一個太陽能電池。在這種情況下，電極與條帶之間的低黏著力可能導致大的串聯電阻以及轉換效率的劣化。
本發明的發明人開發的太陽能電池，可提供必要
的電氣性能例如轉換效率，以及物理性能例如黏合強度。
根據本發明的一個方面，用於太陽能電池電極的組成物，可以包含一導電粉末、一玻璃料，及一有機載體；其中，該玻璃料是一氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰系玻璃料，包括：約5 wt%至約20 wt%的氧化鉍、約55 wt%至約80 wt%的氧化碲、約0.1 wt%至約15 wt%的氧化鋅，及約0.1 wt%至約10 wt%的氧化鋰。根據本發明的組成物所形成的太陽能電池電極具有低串聯電阻(Rs)以及高開放電壓(Voc)，從而提供高轉換效率以及對條帶的高黏合強度。
100‧‧‧晶片或基材
101‧‧‧p-層
102‧‧‧n-層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極
圖1是一示意圖，是使用根據本發明的一個實施例中之組成物所製造的太陽能電池單元。
根據本發明一種用於太陽能電池電極的組成物，包含一導電粉末、一氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰系
玻璃料，及一有機載體。該組成物使串聯電阻(Rs)最小化，以提供優異的轉換效率，且對於太陽能電池彼此連接的條帶，具有高黏合強度。
現在，本發明將被更詳細地描述。
該導電粉末可包括至少一種選自於是由銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)和銦錫氧化物(ITO)粉末所組成之群組，但並不限於此。優選地，該導電性粉末包括銀粉末，或是包括銀粉末的混合物。
該導電粉末可以具有奈米等級或微米等級的顆粒尺寸。例如，該導電粉末的粒徑可能是幾十奈米到幾百奈米，或是幾個到幾十微米。另外，該導電性粉末可以是兩種或兩種以上具有不同顆粒尺寸的導電粉末的混合物。
該導電粉末的顆粒形狀可以是球形、片狀的或不定形的。
該導電粉末較佳地是具有約0.1μm至10μm的平均粒徑(D50)，更佳地是約0.5μm至5μm。平均粒徑的測量可例如，在25℃下通過超聲波處理3分鐘使將該導電粉末分散在異丙醇(isopropyl alcohol，IPA)，再以Model1064D(CILAS公司製造)測量。當平均粒徑在此範圍內，該組成物可以提供低接觸電阻和低線路電阻。
以該組成物的總重量計，該導電粉末的含量是約60 wt%至約95 wt%。在此範圍內，該導電粉末可以防止因電阻上升而導致的轉換效率劣化。更優選地，該導電粉末
的含量是約70 wt%至約90 wt%。
玻璃料是用於提升導電粉末與晶片或基材之間的黏著性，並且透過蝕刻一抗反射層並熔化該銀粉末，以在一發射區域(emitter region)形成銀晶粒(silver crystal grain)而能夠減少電極糊(electrode paste)在烘烤過程中的接觸電阻。此外，在烘烤過程中，該玻璃料會軟化並降低烘烤溫度。
當為了改善太陽能電池單元的效率而增加面積或太陽能電池單元，可能會有導致該太陽能電池單元有接觸電阻上升的問題。因此，優選地是要在使開放電壓(Voc)最大化的同時，盡量減小串聯電阻(Rs)及其對於p-n接面的影響力。此外，隨著使用了越來越多具有不同薄層電阻的各種晶片而使烘烤溫度在一個廣泛的範圍內變化，玻璃料應確保足夠的熱穩定性，以承受寬廣範圍的烘烤溫度。
太陽能電池單元以條帶彼此連接而構成太陽能電池。在這種情況下，太陽能電池電極與條帶之間的低黏合力會導致電池單元脫離或可靠性下降。
在本發明中，為了確保太陽能電池單元具有理想的電氣和物理性能，例如轉換效率及黏合強度，使用一氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰(Bi2
O3
-TeO2
-ZnO-LiO2
)系玻璃料。
在一個實施例中，該氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰系玻璃料可包含約5wt%至約20wt%的氧化鉍、約55wt%至約80wt%的氧化碲、約0.1wt%至約15wt%的氧化鋅，約
0.1%wt至約10wt%的氧化鋰，較佳地是約60wt%至約80wt%的氧化碲。在此範圍內，該玻璃料可以確保良好的黏合強度及優異的轉換效率。
在另一個實施例中，該玻璃料還包含約0.1wt%至約10wt%的氧化鎢(WO3
)。
在另一個實施例中，該玻璃料還包括至少一種是選自於下列群組的金屬氧化物：氧化磷(P2
O5
)、氧化矽(SiO2
)、氧化鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2
)、氧化鍶(SrO)、三氧化鉬(MoO3
)、二氧化鈦(TiO2
)、氧化錫(SnO)、氧化銦(In2
O3
)、氧化釩(V2
O5
)，氧化鋇(BaO)、氧化鎳(NiO)，氧化銅(Cu2
O或CuO)、氧化鈉(Na2
O)、氧化鉀(K2
O)、氧化銻(Sb2
O3
,Sb2
O4
or Sb2
O5
)、氧化鍺(GeO2
)、氧化鎵(Ga2
O3
)、氧化鈣(CaO)、氧化砷(As2
O3
)、氧化鈷(CoO或Co2
O3
)、氧化鋯(ZrO2
)、氧化錳(MnO、Mn2
O3
或Mn3
O4
)、氧化鋁(Al2
O3
)及氧化硼(B2
O3
)。相對於該玻璃料的總重量，前述金屬氧化物的用量可以是約0.1wt%至約5wt%。
雖然該玻璃料可以進一步包括氧化鉛(PbO)，無鉛玻璃料的有利之處在於提供優良的黏合強度。
該玻璃料可以透過任何典型的方法由這些金屬氧化物製備而得。例如，該金屬氧化物可以以預定的比例混合。混合可以使用球磨機或行星式研磨機進行。該混合組合物是在900℃至1300℃下熔融，然後進行驟冷至25℃。將所得到的生成物以圓盤式研磨機、行星式研磨機或其他類似機台進行粉碎，從而得到一玻璃料。
該玻璃料具有約0.1μm至10μm的平均粒徑(D50)，且以該組成物的總量計，該玻璃料的含量為約0.5 wt%至約20 wt%。該玻璃料是具有球形或無規的形狀。
該有機載體透過與該用於太陽能電池電極的組成物的無機組分進行機械混合，賦予用於打印的該糊狀組成物合適的黏度及流變性質。
該有機載體可以是任何典型的用於太陽能電池電極用組成物的有機載體，且可以包括一黏合劑樹脂、一溶劑，以及類似物。
該黏合劑樹脂可以是選自於丙烯酸酯樹脂或纖維素樹脂。乙基纖維素一般是作為黏合劑樹脂使用。此外，該黏合劑樹脂可以是選自於下列之中：乙基羥乙基纖維素、硝基纖維素、乙基纖維素和酚醛樹脂之共混物、醇酸樹脂、苯酚、丙烯酸酯、二甲苯、聚丁烷、聚酯、尿素、蜜胺、乙烯乙酸酯樹脂、木松香、聚甲基丙烯酸酯之醇等。
該溶劑可以是選自於下列所構成之群組，例如，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(二甘醇單丁基醚乙酸酯)、丙二醇單甲基醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、芐醇、γ-丁內酯、乳酸乙酯，及前述之組合。
以該組成物的總量計，該有機載體的含量為約1 wt%至約30 wt%。在此範圍內，該有機載體可以對該組成
物提供足夠的黏合強度和出色的可印刷性。
該組成物還可以進一步包含典型的，視需要來提升流動性能、加工性能，及穩定性。該添加劑可以包括分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、防沫劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑、偶聯劑等，但並不限於此。前述添加劑可以單獨使用或混合使用。以該組成物的總量計，該添加劑的含量為約0.1 wt%至約5 wt%，但此量可是需要而改變。
本發明的另一方面是關於一種由前述組成物所形成的是用於太陽能電池單元的電極，以及包含該電極的太陽能電池單元。圖1顯示了根據本發明的一個實施例的太陽能電池單元。
參見圖1，一後電極210及一前電極230可以透過於一含有p-層101及n-層102的晶片或基材100上印刷或烘烤該組成物，可作為一激發器。例如，製備該後電極210的初步製程是透過將該組成物印刷於該晶片100的後表面並於約200℃至約400℃下乾燥該被印刷地組成物約10至60秒。此外，製備該前電極230的初步製程是透過將糊狀物印刷於該晶片100的前表面乾燥該被印刷地組成物。然後，前電極230和後電極210可以通過於約400℃至約1000℃下烘烤該晶片而形成，較佳地是於約850℃至約1000℃下，進行30至50秒。
接著，本發明將參照實施例進行更詳細地描述。然而，需注意的是，這些實施例只用於提供說明之目的，不應該以任何方式被解釋為限制本發明。
根據如表1所示的組成物混合金屬氧化物，並於900℃至1400℃下進行熔化和燒結，從而製備具有平均粒徑(D50)2.5μm的氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰系玻璃料。
作為有機黏合劑，0.8wt%的乙基纖維素(STD4，Dow化學公司)，在60℃下充分溶解在8.5wt%丁基卡必醇，以及87wt%具有平均粒徑2.0μm的球形銀粉(AG-4-8，Dowa Hightech股份有限公司)、3wt%所製備的氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰系玻璃料、0.2wt%的分散劑BYK102(BYK-Chemie)，及0.5wt%觸變劑THIXATROL ST(Elementis股份有限公司)被添加至黏合劑溶液中，然後在三輥捏合機中進行混合和捏合，從而製備用於太陽能電池電極的組合物。
透過將預訂的圖形絲網印刷使該所製得的組成物沉積於一結晶的單晶片的前表面上，之後在IR乾燥爐中乾燥。之後，將含鋁的該用於電極的組成物印刷於該晶片的後面並以相同的方式乾燥。將根據這個製程形成的電池單元於980℃的帶式焙燒爐進行烘烤40秒，並以太陽能電池效率測試儀CT-801(Pasan股份有限公司)對轉換效率(%)、串聯電阻Rs(Ω)及開放電壓進行評估。之後，對該等
電池單元的該等電極通入電流並於300℃至400℃下使用烙鐵(Hakko股份有限公司)與一條帶連接。之後，將該製得物以張緊器(Tinius Olsen)於180°的剝離角度為和50mm/min的拉伸率評價黏合強度(N/mm)。所測得的轉換效率、串聯電阻、開放電壓及黏合強度是詳細記載於表1。
用於太陽能電池電極的組成物是以與實施例相同的方式製備及評估物性，除了該玻璃料是以如表1所示的組成來製備。結果顯示於表1。
如表1所示，可以確認的是，相較於含有比較例1
至6之玻璃料的組成物無法滿足本發明的需求，實施例1-20之組成物所製得的太陽能電池電極具有低串聯電阻、高開放電壓，且對於有條帶相當高的黏合強度，因此能提供優異的轉換效率。
儘管已經描述了一些實施例中，對於本技術領域的技術人員該等實施例很明顯地是僅作為示例之用，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以作出各種修改，變化，改變以及等同的實施方案。本發明的範圍應當僅受到所附的申請專利範圍及其等同物的限制。
100‧‧‧晶片或基板
101‧‧‧p-層
102‧‧‧n-層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極
Claims (10)
- 一種用於太陽能電池電極的組成物，包含：一導電粉末、一玻璃料，及一有機載體；其中，該玻璃料是一氧化鉍-氧化碲-氧化鋅-氧化鋰系玻璃料，包括：約5 wt%至約20 wt%的氧化鉍、約55 wt%至約80 wt%的氧化碲、約0.1 wt%至約15 wt%的氧化鋅，及約0.1 wt%至約10 wt%的氧化鋰。
- 如請求項1所述的組成物，其中，該玻璃料還包括約0.1 wt%至約10 wt%的氧化鎢(WO3 )。
- 如請求項1所述的組成物，其中，該玻璃料還包括至少一種是選自於下列群組的金屬氧化物：氧化磷(P2 O5 )、氧化矽(SiO2 )、氧化鎂(MgO)、氧化鈰(CeO2 )、氧化鍶(SrO)、三氧化鉬(MoO3 )、二氧化鈦(TiO2 )、氧化錫(SnO)、氧化銦(In2 O3 )、氧化釩(V2 O5 )，氧化鋇(BaO)、氧化鎳(NiO)，氧化銅(Cu2 O或CuO)、氧化鈉(Na2 O)、氧化鉀(K2 O)、氧化銻(Sb2 O3 ,Sb2 O4 or Sb2 O5 )、氧化鍺(GeO2 )、氧化鎵(Ga2 O3 )、氧化鈣(CaO)、氧化砷(As2 O3 )、氧化鈷(CoO或Co2 O3 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化錳(MnO、Mn2 O3 或Mn3 O4 )、氧化鋁(Al2 O3 )、及氧化硼(B2 O3 )。
- 如請求項1所述的組成物，其中，該玻璃料包括約60 wt%至約80 wt%的氧化碲。
- 如請求項1所述的組成物，包含：約60 wt%至約95 wt%的該導電粉末、約0.5 wt%至約20 wt%的該玻璃料，及約1 wt%至約30 wt%的該有機載體。
- 如請求項1所述的組成物，其中，該玻璃料具有約0.1μm至約10μm的平均粒徑(D50)。
- 如請求項1所述的組成物，其中，該導電粉末包括銀(Ag)粉末。
- 如請求項1所述的組成物，其中，該導電粉末具有約0.1μm至約10μm的平均粒徑(D50)。
- 如請求項1所述的組成物，還包括：至少一種是由分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑，及偶聯劑所組成之群組。
- 一種太陽能電池電極，是由請求項1至9中任一項所述的用於太陽能電池電極的組成物所製得。
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