TWI473119B - 含有玻璃熔塊之導電銀膠及其用以提升太陽能電池背部電極拉力之方法 - Google Patents
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Description
本發明係大體上關於含有玻璃熔塊之導電銀膠,特別係關於用太陽能電池之背部電極之導電銀膠,其中包含玻璃熔塊成分係由鉍氧化物、硼氧化物、矽氧化物、鋅氧化物及鋁氧化物所組合而成。
近年來,由於能源短缺以及人們意識到環保的重要性,人們對於替代性能源的需求越來越大,也越來越迫切。目前被認為較具有潛力之替代性能源計有風力、水力、海洋能、地熱、生質能、燃料電池以及太陽能等,其中,於各種替代性能源當中最重要的莫過於太陽能,具有取之不盡用之不竭且毫無污染的特性,致使太陽能變成未來能源的主流。
一般來說,太陽能電池是利用單結晶矽或是多結晶矽等矽基材作為半導體基板材料,近年來亦發展出化合物半導體或是玻璃基板等基板材料。太陽能電池係於半導體基板上形成一層P型擴散層與一層N型擴散層,且於P型擴散層與N型擴散層的接面上形成一P/N接面。於P/N接面上具有一內建之電場,再藉由入射之太陽光的能量使得P/N接面之電子-電洞分離,再分別於P型擴散層及N型擴散層上形成歐姆接觸之電極作為導電電極,以將分離的電子-電洞對分別導出至半導體基板的外部,即完成將太陽光轉換成電力的過程。
於一般太陽能電池的製作上,通常是利用磷原子(以形成N型擴散層的元素)或是利用硼原子(以形成P型擴散層的元素)的擴散來製作N型以及P型的擴散層,以形成P/N接面。並且,利用特殊的表面處理以形成具有紋理(texture)結構的抗反射層,並且,透過降低太陽光的反射以增加太陽光入射光的強度。
導電電極一般常利用網印(screen printing)、塗佈或是真空鍍膜的方式於半導體基板的兩側形成電極,亦可稱之為正面電極與背面電極。由於基材受光面(即正面)之金屬電極會檔住受光面而阻礙太陽光之吸收,故太陽能電池的正面電極面積越小越好,以增加太陽能電池的受光區域。因此,現今一般的金屬電極主要是利用網印方式於太陽能電池的兩正反面印製出網狀電極結構。所謂網印電極備製,即為利用網印的方法把導電金屬漿料(例如銀膠)依照所設計之圖案印刷在已經過摻雜的矽基材上,並在適當的燒結條件下將導電金屬漿料中的有機溶劑揮發,使金屬顆粒與表面的矽形成矽合金,形成矽材之間良好的歐姆接觸,進而成為太陽能電池的正反面金屬電極。
再者,一般太陽能電池矽基材之背部電極通常包含兩個部分,分別為銀電極部分及鋁電極部分,目前一般業界的作法通常為先於矽基材的背面以網印方式製作銀電極圖形,之後在於其上方形成鋁電極層。
目前,因為單一太陽能電池的轉換效率尚不足以達到實際使用上需求之電力之故,因此,實際使用之太陽能電
池通常會先製作多個太陽能電池模組後,再利用串聯或並聯等電性連接方式來增加整體太陽能電池之轉換效率。但是,由於鋁的可焊性(solderability)很差之故,因此,很難直接以焊接方式將多個太陽能電池模組進行串聯或並聯之連結。於此情況下,一般業者會使用數條焊接帶(soldering ribbon)焊在太陽能電池背部部分的銀電極區域上,以達到將各個太陽能電池模組彼此電性連結整合。
然而,由上可知,只有各個太陽能電池模組彼此間的連結具有可靠性時,才能使包含太陽能電池達到良好的轉換效率。因此,上述之焊接帶拉力大小則與所使用之導電銀膠關係密切,導電銀膠之成分、含量、比例、製程參數等都會影響到最後電極產物之性能。也因此,若導電銀膠本身所具備之拉力過低時,則極容易致使焊接帶脫落或斷裂、並導致整個太陽能電池的電性連結失效而無法有效地產生電力。
本發明之目的在於增加導電銀膠之拉力(或黏著力),因而,應用於焊接其他金屬材質時(例如:太陽能電池背部電極以接合焊接帶)可具有良好的可靠度。
為了達到上述之目的,本發明提供一種含有玻璃熔塊之導電銀膠,其係包含:銀粉、及玻璃熔塊,其中該玻璃熔塊含有52.2~94.6重量百分比(wt%)之鉍氧化物、0.4~6.7 wt%之硼氧化物、0.5~14.4 wt%之矽氧化物、2.3~25.7 wt%之鋅氧化物、及0.8~5.1 wt%之鋁化物。
以本發明上述之組成所備製的導電銀漿具有優良拉力或黏合力,於本發明之部分實施例中,所述之導電銀膠經燒結(例如:於935℃下進行燒結)後,其拉力介於1.41牛頓(N)~4.45N之間,使得太陽能電極具有較佳拉力而大幅提升良率。
於本發明之一些實施例中,所述之玻璃熔塊具有玻璃轉移溫度介於310℃~481℃之間;所述之玻璃熔塊具有玻璃軟化溫度介於320℃~521℃之間。
於本發明之較佳實施例中,所述之鉍氧化物為二氧化二鉍(Bi2
O3
),佔所述玻璃熔塊約為50~95重量百分比;較佳為79~95重量百分比。
再者,於本發明之一些實施例中,所述之導電銀膠進一步包含:有機載體、及添加劑等,並用以形成太陽能電池之背部電極。
綜上所述,本發明所揭露之含有玻璃熔塊之導電銀膠具有高拉力(1.41N~4.45N之間),特別於其中鉍氧化物(Bi2
O3
)的含量為94.6重量百分比時,可將所述之導電銀膠拉力提升高達至4.45N。如此,應用於接合其他金屬(例如:含鉛之焊接帶)時,則可藉由如此之高拉力以維持與焊接之其他金屬間良好的可靠度,亦即具有高可焊性。
下方之詳細說明係包含本發明之實施例等實施方式之範例並搭配圖式來進行說明,這些圖式應理解為範例之說明,而非用以限制本發明。同樣地,使用於此之圖式元件
符號於一或多個「實施例」係用以理解包含於本發明中至少一實施方式所描述之特定架構、結構或特徵。因此,如「於一實施例中」或「於另一實施例中」等用語在此係用以描述本發明之各種不同實施例及實施方式,而非必須參照於同一實施例,不過,這些實施例亦不應視為彼此相互排斥。
之後所詳細描述之實施例及細節係包含圖式之說明,其可被描述於下方之一些實施例中或全部實施例中,係如同在此所呈現發明概念之其他潛在之實施例或實施方式。本發明之實施例的概述係提供如下之詳細說明,並請參照圖式來說明。
本發明主要之觀點在於提高導電銀膠之拉力(或黏著力),以致使應用導電銀膠於焊接接合其他金屬材料時可具有良好的可靠度。特別是應用於太陽能電池中各個太陽能電池模組之背部電極透過焊接條以串聯方式或並聯方式連結時,可令焊接條與背部電極間具有良好的可靠度(或穩定性)。
於本發明中,係提供一種含有玻璃熔塊之導電銀膠,主要包含下列成分:銀粉及玻璃熔塊,其中玻璃熔塊係由鉍氧化物、硼氧化物、矽氧化物、鋅氧化物及鋁氧化物所組合而成。
再者,本發明之含有玻璃熔塊之導電銀膠亦包含:有機載體(vehicle)及各種添加劑(additives)。
於本發明之一些實施例中,有機載體可由有機溶劑與
樹脂調配而成,其中,有機溶劑可由二種以上的溶劑混合而成,例如:醇醚類的二甘醇一丁醚(Butyl Carbitol,DB)、α-松油醇(alpha-Terpineol)、Texanol成膜劑等;並且,樹脂亦可由二種以上不同分子量的纖維素混合為佳,如乙基纖維素(Ethyl Cellulose,EC)、木松香、聚丙烯腈或其混合物。然而,須說明的是,對於本領域中具有通常知識者而言,係可依據實際使用需求而應用其他具有相似特性之有機溶劑以及樹脂以製程有機載體,因此,不應僅由上述列舉之特定材料來限定本發明之範疇。
另外,本發明所提供之含有玻璃熔塊之導電銀膠亦可依據各種不同需求而添加一定含量之添加劑,例如:分散劑(dispersant)、流平劑(leveling agent)、觸變劑(thixotropic agent)、穩定劑(stabilizer)、黏度調節劑(viscosity adjuster)、以及介面活性劑(surfactant)等助劑,但並不以此為限。上述之添加劑會在有機載體作成後添加,其主要作用係為調整膠體之黏度且具有潤濕與粒子均勻分散的功能,亦可增進燒結後金屬粒子的緊密度、導電度,因此,添加二種以上的添加物能達到更佳的效果。
在此,須說明的是,本發明所提供之含有玻璃熔塊之導電銀膠中所含之有機載體及添加物之比例係可由依據實際使用需求而調整其含量,而不應有所限定。
為了讓本發明所提供之含有玻璃熔塊之導電銀膠更為清楚、明確。本發明提供八組實施例,係具有不同成分之玻璃熔塊之導電銀膠來進行說明(請參見下表一)。
於表一所列之各個實施例中,於玻璃熔塊中鉍氧化物係使用三氧化二鉍(Bi2
O3
)、硼氧化物係使用氧化硼(B2
O3
)、矽氧化物係使用二氧化矽(SiO2
)、鋅氧化物係使用氧化鋅(ZnO)、以及鋁氧化物係使用氧化鋁(Al2
O3
)之任意組合。在此,須說明的是,對於本領域中具有通常知識者而言,亦可針對各個金屬化合物使用不同價數之氧化物,因此,不應僅以說明書中所揭示之實施例來限定本發明之範疇。
其中,第1組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有52.2重量百分比(wt%)、B2
O3
含有6.7 wt%、SiO2
含有14.4 wt%、ZnO含有24.2 wt%、以及Al2
O3
含有2.5 wt%;第2組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有58.8 wt%、B2
O3
含有6.2 wt%、SiO2
含有6.3 wt%、ZnO含有25.7 wt%、以及Al2
O3
含有3 wt%;第3組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有79.5 wt%、B2
O3
含有4 wt%、SiO2
含有1.5 wt%、ZnO含有12.7 wt%、以及Al2
O3
含有2.3 wt%;第4組導
電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有82.6 wt%、B2
O3
含有2.7 wt%、SiO2
含有1.4 wt%、ZnO含有8.3 wt%、以及Al2
O3
含有5.1 wt%;第5組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有85.4 wt%、B2
O3
含有3.4 wt%、SiO2
含有1.3 wt%、ZnO含有9.1 wt%、以及Al2
O3
含有0.8 wt%;第6組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有88.5 wt%、B2
O3
含有2.2 wt%、SiO2
含有1.1 wt%、ZnO含有7.1 wt%、以及Al2
O3
含有1.1 wt%;第7組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有92.2 wt%、B2
O3
含有1.8 wt%、SiO2
含有1.0 wt%、ZnO含有3.9 wt%、以及Al2
O3
含有1.1 wt%;以及第8組導電銀膠之玻璃熔塊成分為Bi2
O3
含有94.6 wt%、B2
O3
含有0.4 wt%、SiO2
含有1.5 wt%、ZnO含有2.3 wt%、以及Al2
O3
含有2.2 wt%。
上述八組具有Bi2
O3
、B2
O3
、SiO2
、ZnO、及Al2
O3
不同含量之玻璃熔塊之實施例中,各組玻璃熔塊經測量,其玻璃轉移溫度(Glass Transition Temperature,Tg)及玻璃軟化溫度(Glass Softening Temperature)分別如表二所示。
其中,玻璃轉移溫度係指高分子材料加熱時,分子逐漸由局部振動變成大規模滑動,且這個變化會特定溫度區
間迅速發生,此溫度即為玻璃轉移溫度,於實際測量時,則會由相轉換前後的物理性質不同(如熱容量)等方式來定義玻璃轉移溫度。另外,玻璃軟化溫度亦稱為玻璃之軟化點,也就是撓曲溫度(Deflection Temperature),係指高分子材料加熱時,材料變軟而機械能變差時的溫度,於實際測量時,會透過將樣品於承受負荷的狀態下加熱,當樣品形變值達到某一界限時測量所對應之溫度。
請參閱第1圖所示之本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物含量與玻璃轉移溫度之關係圖;以及第2圖所示之本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物含量與玻璃軟化溫度之關係圖。由第1圖與第2圖所示之關係圖可得知鉍氧化物之含量與玻璃轉移溫度及玻璃軟化溫度具相關性,藉由本發明實驗可觀察得知當導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物之含量越高的情況下,其玻璃轉移溫度及玻璃軟化溫度則越低。換言之,當玻璃熔塊中的鉍氧化物(Bi2
O3
)含量越高的時候,則玻璃熔塊可於較低的溫度下即達到軟化(或相變)現象,亦即於較低溫度下達到較大黏度。
再者,由於導電銀膠接合其他金屬材料時係需經過燒結的動作,因此,於本發明中,對於各個實施例進行拉力測量之前,亦先經過燒結之動作。
於本發明中,係先針對上述八組實施例經過高溫燒結,其中所使用之溫度為935℃。並且,對於上述八組實施例所進行拉力之測量如表三所示。
請參閱第3圖所示之本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物含量與拉力之關係圖。由第3圖可知,當玻璃熔塊中鉍氧化物(Bi2
O3
)含量越高的時候,則所測量的拉力即越高,亦可呼應於第1圖及第2圖所示之玻璃轉移溫度及玻璃軟化溫度之關係圖之結果。
綜上所述,本發明所揭露之含有玻璃熔塊之導電銀膠具有高拉力(1.41N~4.45N之間),特別於其中鉍氧化物(Bi2
O3
)的含量為94.6重量百分比時,所述之導電銀膠更可具有拉力達到4.45N。如此,應用於接合其他金屬時,則可藉由如此之高拉力以維持與焊接之其他金屬間良好的可靠度,即具有高可焊性。
接著,請參閱第4圖,係顯示應用本發明所含玻璃熔塊之導電銀膠之太陽能電池模組背部電極之示意圖。其中,太陽能電池模組之背部電極100包含一矽基板101,於此矽基板101背部電極結構包含了銀電極部分103及鋁電極部分105。當此太陽能電池模組需與其它的太陽能電池模組進行串接時,由於鋁的可焊性不佳之故,而於銀電極103上方設置焊接帶107來達到各個太陽能電池模組間之電性連結等功能。
於本發明之一些實施例中,所述之焊接帶107係為含鉛之焊接帶,但並不以此為限。
舉例而言,當上述含鉛之焊接帶107為1.5微米(mm)具有2N以上的強度,因此,導電銀膠(即銀電極103)的拉力高於此焊接帶107的強度則可有效地維持銀電極103與焊接帶107間的可靠度(或穩定度)。
因此,由前文中所顯示之八組實施例中,其中第3組至第8組(即為鉍氧化物含量介於79.5 wt%~94.6 wt%之間)的導電銀膠具有介於2.28N~4.45N之間的拉力之特性。雖本發明未列出所有之實驗數據,然經本發明人之實驗觀察可知,鉍氧化物含量與玻璃轉移溫度及玻璃軟化溫度具相關性,且拉力與鉍氧化物含量呈現正相關性。因此,於此範例中,利用本發明所揭露之含有玻璃熔塊之導電銀膠於太陽能電池模組之背部電極時,其中鉍氧化物含量介於50 wt%~95 wt%之間具有良好拉力,在較佳實施例中,鉍氧化物含量介於79 wt%~95 wt%之間,其具有極優良之拉力表現,基於此高拉力之故,可以致使銀電極103與焊接帶107間之焊接具有良好的可靠度(或穩定度)。
本發明所提出一種提升太陽能電池背部電極拉力之方法包含備製含有玻璃熔塊之導電銀膠,玻璃熔塊包含50~95重量百分比之鉍氧化物以利提升拉力,其中拉力與鉍氧化物含量具相關性。
除描述於此之外,可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式,皆應涵蓋於本發明之範
疇中。因此,揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明,本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。
100‧‧‧太陽能電池模組之背部電極
101‧‧‧矽基板
103‧‧‧銀電極
105‧‧‧鋁電極
107‧‧‧焊帶條
第1圖為本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物含量與玻璃轉移溫度之關係圖。
第2圖為本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物含量與玻璃軟化溫度之關係圖。
第3圖為本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠中玻璃熔塊所含鉍氧化物含量與拉力之關係圖。
第4圖為應用本發明含有玻璃熔塊之導電銀膠之太陽能電池模組背部電極之示意圖。
Claims (15)
- 一種含有玻璃熔塊之導電銀膠,係包含:銀粉;及玻璃熔塊,其中該玻璃熔塊包含79.5~94.6重量百分比之鉍氧化物以利提升拉力,其中該拉力與該鉍氧化物具相關性。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該玻璃熔塊更包含0.4~6.7重量百分比之硼氧化物。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該玻璃熔塊更包含0.5~14.4重量百分比之矽氧化物。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該玻璃熔塊更包含2.3~25.7重量百分比之鋅氧化物。
- 如請求項第4項所述之導電銀膠,其中該玻璃熔塊更包含0.8~5.1重量百分比之鋁氧化物。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該鉍氧化物為三氧化二鉍(Bi2 O3 )。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該玻璃熔塊之玻璃轉移溫度介於310℃~380℃之間。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該玻璃熔塊之玻璃軟化溫度介於320℃~401℃之間。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,其中該導電銀膠經燒結後,該拉力介於2.28N~4.45N之間。
- 如請求項第1項所述之導電銀膠,進一步包含:有機載體;及添加劑;該導電銀膠係用以形成太陽能電池之背部電極。
- 一種提升太陽能電池背部電極拉力之方法,包含:備製含有玻璃熔塊之導電銀膠,該玻璃熔塊包含79.5~94.6重量百分比之鉍氧化物以利提升拉力,其中該拉力與該鉍氧化物具相關性。
- 如請求項第11項所述之提升太陽能電池背部電極拉力之方法,其中該玻璃熔塊更包含0.4~6.7重量百分比之硼氧化物。
- 如請求項第11項所述之提升太陽能電池背部電極拉力之方法,其中該玻璃熔塊更包含0.5~14.4重量百分比之矽氧化物。
- 如請求項第11項所述之提升太陽能電池背部電極拉力之方法,其中該玻璃熔塊更包含2.3~25.7重量百分比之鋅氧化物。
- 如請求項第11項所述之提升太陽能電池背部電極拉力之方法,其中該玻璃熔塊更包含0.8~5.1重量百分比之鋁氧化物。
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