TWI503385B - 導電性糊組成物 - Google Patents
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Description
本專利案主張提申日期2009年11月16日提申之美國臨時專利申請案編號61/261,508之優先權，其之揭示係以其之全體於本文中併入以作為參考資料。
本發明係有關於一種導電性糊組成物。
太陽電池為使用光伏打效應將太陽能量轉換成電的裝置。太陽能為一有吸引力的能源，因為其係永續的以及非污染性的。於是，現在大量的調查致力於發展具有增強的效率同時維持低的材料及製造成本之太陽電池。非常簡單地，當太陽光中的光子碰撞一太陽面板時，其等係藉由半導體材料，例如矽予以吸收。電子係從其等之原子而被敲鬆開，允許其等流動通過太陽面板的導電性部件以及生產電。
最普遍的太陽電池為以矽為主的該等，更特別地，一個藉由塗敷n-型的擴散層至一p-型的矽基材上而由矽製成之p-n接面，與2個電接觸層或電極耦合。為了最小化被太陽電池反射的太陽光，一抗反射塗料，例如氮化矽，被塗敷至n-型的擴散層以增加耦合至該太陽電池的光量。使用一銀糊，舉例而言，一類網格的金屬接點可以被網板印刷至該抗反射層上以作為一前電極。於該電池的正面或前方(光進入)之此電接觸層，典型地存在以“手指線(finger lines)”以及“匯流排(bus bars)”構成的一網格的圖型而非一完整層，因為金屬網格的材料是不透光的。最後，一背面接點被塗敷至該矽基材，例如藉由塗敷一背面銀或銀/鋁糊接著一鋁糊至該基材的整個背面。該裝置接而於高溫下燃燒以轉換金屬糊成金屬電極。典型的太陽電池及其之製造方法的說明可以，舉例而言，於歐洲專利申請案公開號1 713 093中找到。
一種典型的銀糊包含銀顆粒、玻璃料(玻璃顆粒)、一金屬氧化物添加劑(例如氧化鋯或氧化錫)以增強該組成物的結合至該太陽面板，以及一有機載體。此等組分必須小心地選擇以充分地善用該產生的太陽電池之電位。舉例而言，必須要使介於銀顆粒及Si表面之間的接點最大化以便電荷載體可以流動通過手指線至匯流排。設若阻力太高，電荷載體受阻隔。因而，使接觸電阻最小化為所欲的。此外，於該組成物中的玻璃顆粒蝕刻通過該抗反射塗層，導致Ag顆粒及Si表面之間的接觸。然而，玻璃必須為非那麼侵蝕性而會穿透該p-n接面的。最後，已知的組成物由於銀層及Si晶圓的介面中之玻璃的絕緣效應，以及其他的缺點，例如接觸區中之高的復合，而具有高的接觸電阻。於是，可以克服此等已知的缺點之銀糊組成物會是值得嚮往的。
一種依據本發明的一具體例之導電性糊組成物，其包含：
(a) 銀顆粒；
(b) 玻璃料；
(c) 細緻的、導電性、較佳選自於由以下所構成的群組之金及/或鉑族金屬顆粒：金、鈀，及鉑，其中該等金屬顆粒具有大約1 nm至大約1微米的顆粒大小以及以該糊組成物的重量為基準係以大約0.0001至少於0.01 wt%的一量存在；以及
(d) 一有機載體。
一種依據本發明的第二個具體例之導電性糊組成物，其包含：
(a) 銀顆粒；
(b) 玻璃料；
(c) 具有少於大約5微米的顆粒大小之五氧化二鉭顆粒；以及
(d) 一有機載體。
一種依據本發明的第三個具體例之導電性糊組成物，其包含：
(a) 銀顆粒；
(b) 玻璃料；
(c) 細緻的、導電性、金顆粒，其中該等金顆粒具有大約1 nm至大約1微米的顆粒大小以及以該糊組成物的重量為基準係以大約0.0001至少於0.1 wt%的一量存在；以及
(d) 一有機載體。
一種依據本發明的第一個具體例之太陽電池電極係藉由塗敷一種導電性糊組成物至一基材以及燃燒該糊以形成該電極而形成，其中該導電性糊組成物包含：
(a) 銀顆粒；
(b) 玻璃料；
(c) 細緻的、導電性、選自於由金及鉑族金屬所構成的群組之金屬顆粒，其中該等金屬顆粒具有大約1 nm至大約1微米的顆粒直徑以及以該糊組成物的重量為基準係以大約0.0001至少於0.01 wt%的一量存在；以及
(d) 一有機載體。
一種依據本發明的第二個具體例之太陽電池電極係藉由塗敷一種導電性糊組成物至一基材以及燃燒該糊以形成該電極而形成，其中該導電性糊組成物包含：
(a) 銀顆粒；
(b) 玻璃料；
(c) 具有少於大約5微米的顆粒直徑之五氧化二鉭顆粒；以及
(d) 一有機載體。
一種依據本發明的第三個具體例之太陽電池電極係藉由塗敷一種導電性糊組成物至一基材以及燃燒該糊以形成該電極而形成，其中該導電性糊組成物包含：
(a) 銀顆粒；
(b) 玻璃料；
(c) 細緻的、導電性、金顆粒，其中該等金顆粒具有大約1 nm至大約1微米的顆粒直徑以及以該糊組成物的重量為基準係以大約0.0001至少於0.1 wt%的一量存在；以及(d) 一有機載體。
當結合附隨的圖示閱讀時，將會更佳的了解前述的概要，以及下列的本發明之詳細說明。為了闡釋本發明的目的，目前喜好的係顯示於圖示具體例中。然而，應該了解到，本發明不受限制於所顯示之精確的配置以及工具。於圖示中：第1圖為依據本發明的一具體例之填充因子vs.添加劑濃度的一圖。
依據本發明的導電性糊組成物包含4種必要的組分：銀顆粒、玻璃料、至少一個微粒狀添加劑，以及一有機載體。該添加劑可以包含特定的細微金屬顆粒及/或五氧化二鉭(TaO5
)顆粒。如以下更詳盡說明的，此等添加劑提供了提高的電子發送以及較佳的附著該糊組成物至一基材。儘管不限制於此一應用，此一糊可以使用來形成一太陽電池中的一接觸層或電極。
於導電性糊組成物內各個組分現在將更詳盡予以說明。
銀顆粒作用為於導電性糊組成物內的一導電性金屬。使用其他的導電性金屬代替銀或是除了銀之外尚有，例如銅，以及含有銀、銅、金、鈀，及/或鉑的混合物亦是落於本發明的範疇內。任擇地，此等金屬的合金亦可以使用作為導電性金屬。銀顆粒可以以粉末形式或薄片形式被包括於該組成物中，例如具有大約0.3至大約10微米的顆粒直徑之銀粉末。除非於本文中以其他方式指示出，於本文中所述之所有的顆粒大小為d50
的顆粒直徑係藉由雷射繞射予以測量的。如同該等熟悉此藝者所相當了解的，d50
的直徑代表了個別的顆粒(以重量計)的一半係比具體指定的直徑為更小的之尺寸。此等直徑提供了銀合適的燒結行為以及當形成一太陽電池時該導電性糊於該抗反射層上之擴展，以及適當的接觸形成以及產生的太陽電池之傳導性。該等銀顆粒較佳地以該組成物的總重量為基準以大約40至大約95%的一量，更佳地大約70至90 wt%的一量存在於該組成物中。
玻璃料(玻璃顆粒)作用為一無機的黏合劑於該導電性糊組成物內以及在燃燒的期間作為運輸媒介以使銀沉積至基材上。玻璃系統對於控制沉積至該基材上的銀之大小及深度是重要的。特定的玻璃類型的不是關鍵性的但有條件是其可以提供該糊組成物所欲的性質。較佳的玻璃包括硼矽酸鉛及硼矽酸鉍，但是其他的無鉛的玻璃，例如硼矽酸鋅，也會是適當的。玻璃顆粒較佳地具有大約0.1至大約10微米的顆粒大小，更佳地少於大約5微米的顆粒大小，以及較佳地以該糊組成物的總重量為基準以大約0.5至大約6重量%的一量，更佳地少於大約5重量%的一量包含於該組成物中。此等量提供了該組成物適當的附著強度以及燒結的性質。
特別的有機載體或是黏合劑不是關鍵性的以及可以為此本藝中所知道的一者或是此類型的應用待發展的。舉例而言，一較佳的有機載體含有一纖維素樹脂以及一溶劑，例如乙基纖維素於一溶劑中，例如萜品醇。有機載體較佳地以該組成物的總重量為基準以大約5至大約30%以重量計，更佳地少於大約20%以重量計的一量存在於該導電性糊組成物內。
依據本發明的導電性糊組成物可以包括2種不同類型的添加劑；此等添加劑可以單獨地或是組合地被包括。
依據本發明之一種第一類型的添加劑包含了細緻的、導電性、金屬顆粒，較佳地高度傳導性的貴金屬(noble metal)或貴金屬(precious metal)的顆粒。較佳地，金屬係選自於金及鉑族金屬，例如鈀以及鉑。更佳地，添加劑包含細緻的金顆粒及/或鉑顆粒。細微的金屬顆粒較佳地具有大約1 nm至少於3微米的直徑，更佳地大約1 nm至大約1微米的直徑，甚至更佳地少於大約1微米的直徑，最佳地大約1至大約500 nm的直徑。於一較佳具體例中，細微的金屬顆粒具有少於大約100 nm的直徑。然而，使用一貴金屬(noble metal)或貴金屬(precious metal)樹脂有機化合物，例如一松脂酸金，作為糊組成物內的添加劑亦是落於本發明的範疇內的。細微的金屬顆粒較佳地以大約0.0001 wt%(1 ppm)至大約5重量%的一量，更佳地大約0.0001至大約2 wt %的一量，甚至更佳地大約0.0001至大約0.5 wt%的一量包含於該導電性糊組成物之內，以該糊組成物的總重量為基準。於較佳具體例中，係包含有大約0.0001 wt%至少於大約0.1 wt%的一量，或是少於大約0.01 wt%的一量之細微的金屬顆粒。
細微的金屬顆粒係被包括於該組成物之內以提供提高的電子發送。已經發現到因為小的顆粒大小，金，舉例而言，容易地分散於該玻璃層內以及幫助獲得玻璃的傳導性。玻璃在根本上為一絕緣體，以及太陽電池電荷載體必須通過Ag電極及晶圓的介面之玻璃層以使电荷損失最小化。然而，金為良好的導體，以至於均勻地分散的細微的金顆粒可以創造出電穿隧效應通過玻璃絕緣層。如以上所說明的，要包括細微的金屬顆粒及氧化鉭顆粒二者於依據本發明的導電性糊組成物中亦落於本發明的範疇內。
第二型的添加劑包含五氧化二鉭(Ta2
O5
)顆粒，其等較佳地以該糊組成物的總重量為基準以大約0.1至大約5重量%的一量，較佳地少於大約2 wt%的一量，更佳地少於大約1 wt%的一量存在於該導電性糊組成物內。五氧化二鉭顆粒較佳地具有少於5微米的顆粒大小。
Ta2
O5
提供了較佳的附著導電性組成物至矽表面。一種典型的太陽電池具有一SiN抗反射層，其具有一紋理的表面來防止反射。通常，添加SiOx
作為介於SiN及p-n接面之間的一鈍化層以固定表面缺陷於紋理層。據信Ta2
O5
係與SiOx
及SiN反應以幫助銀糊穿透通過鈍化層，因而改善銀及p-n接面之間的接觸。
要包括額外的添加劑於該導電性糊組成物內亦落於本發明的範疇內。舉例而言，要單獨或組合地包括增稠劑(增粘劑)、安定劑、分散劑、黏度調整劑，等等化合物可以是值得嚮往的。此等組分為熟悉此藝者所熟知的。此等組分的量。設若包括的話，可以取決於所欲的導電性糊的性質、藉由例行的實驗法來決定的。
該導電性糊組成物可以藉由熟悉此藝者所知道的或是待發展的製備一糊組成物之任何的方法予以製備；製備的方法不是關鍵性的。舉例而言，玻璃顆粒可以塗覆以細微的金屬顆粒(選擇性地懸浮於一液體媒介中，例如：二乙二醇或丁基卡必醇醋酸酯)以至於小的金屬顆粒附著至較大的玻璃顆粒。經塗覆的玻璃顆粒接而可以混合乙銀顆粒以及有機載體以形成一糊。任擇地，細微的金屬顆粒可以懸浮於一液體媒介中，例如：二乙二醇或是丁基卡必醇醋酸酯。糊組分接而可以予以混合，例如用一混合器，接而通經一個三滾筒研磨機，舉例而言，以製造一分散均勻的糊。要包括添加劑以粉末形式或是予以懸浮於一液體媒介中係落於本發明的範疇內的。
此一糊接而可以使用來形成一太陽電池，其係藉由塗敷該糊至一基材上的之抗反射層，例如藉由網板印刷，以及接而燃燒以形成一電極(電接點)於該矽基材上。此一製造方法為熟悉此藝者所熟知的以及說明於舉例而言，EP 1 713 093之中。
已經發現到本發明導電性糊之使用提供了具有改善的性質、較高的轉換效率之一太陽電池。
本發明現在將結合下列、非限制性實施例來說明。
實施例1：金添加劑位準的變異
4種導電性糊係藉由使一商業上可得的銀傳導性糊之組分(銀粉末、玻璃、添加劑，以及有機物)，SOL953，商業上可得自於的Heraeus Materials Technology LLC(W. Conshohocken,PA)，以及具有4 nm的顆粒大小(d50
)之一金添加劑(商業上可得自於的Heraeus)組合予以製備。懸浮於作為一液體媒介的丁基卡必醇醋酸酯之內的金係被塗覆於商業的糊中的玻璃顆粒之上。糊1-4含有不同量的金：16 ppm(糊1)、40 ppm(糊2)、80 ppm(糊3)，或是160 ppm(糊4)，所有的量係以所產生的糊的總重量為基準。
6種類型的太陽電池係製備如下：於具有100Ω/□(mc)或是55 Ω/□(sc)的薄片電阻之立即可金屬化的P-型的多晶(mc)或單晶(sc)太陽晶圓的背面上，一鋁糊(RuXing 8252X)被印刷的以及於150℃下乾燥。將選自於糊1-4的一銀糊塗敷至該晶圓的的前側、印刷，以及於150℃下予以乾燥。將糊1塗敷至一個多晶晶圓以及將糊2-4塗敷至一單晶晶圓。接而於750-800℃的溫度下於一爐中共燒該等電池歷時數秒。複數個太陽電池係使用糊1-4的各個予以製備。2種額外的類型的太陽電池係使用商業上可得的糊且無任何添加劑來製備作為對照：一對照有關單晶太陽晶圓以及一對照有關多晶太陽晶圓。
所產生的太陽電池係使用一I-V測試器予以測試。於I-V測試器內的Xe弧光燈係模擬使用具一已知的強度之太陽光以及該太陽電池的前表面被照射以產生I-V曲線。使用此曲線，決定了提供了電氣性能的比較之下列的參數：短路電流密度(Jsc)、短路電流(Isc)、斷路電壓(Voc)、填充因子(FF)、分路電阻(Rsh)、串聯電阻(Rs)，以及能量轉換效率(EFF)。填充因子的資料係使用於比較：使對照電池的填充因子相等於“100%”以及本發明電池的填充因子係根據適當的對照電池之填充因子相應地予以計算。亦即，對照電池I的填充因子被使用作為使用糊1來製備的電池之基線，以及對照電池II的填充因子被使用作為使用糊2-4來製備的電池之基線。
使用糊1-4來製備的電池之電氣性能的資料，以及比較的電池，係列表顯示於以下的表1中以及通過圖表描繪於第1圖中。可以看出非常低的添加劑位準，由16至150 ppm的金，提供了正向的效應。再者，較高量的金導致了改善的性能。
實施例2：添加劑來源的變異
2種糊(“糊A”及“糊B”)係如於實施例1中所說明的予以製備。糊B含有具有4 nm之d50
的顆粒大小之40 ppm的金，其係如於實施例1中所說明的以懸浮形式添加。糊A含有40 ppm的金(商業上也可得自於的Heraeus)，其係以粉末形式添加，以及具有100 nm的d50
。太陽電池係使用一單一(單)晶(sc)太陽晶圓如於實施例1中所說明的予以製備。所產生的太陽電池，以及使用商業的SOL953糊予以製備的一電池作為一對照，係如於實施例1中所說明的來分析。使用糊A、B來製備的電池，以及對照之電氣性能的資料，以及各個糊的平均值係列表顯示於表2中。可以看出發明糊A及糊B二者相關於比較的糊均展現出優秀的結果：較高的填充因子、較高的效率，以及較低的串聯電阻。再者，糊B，含有具有4 nm的顆粒大小之一金添加劑，係比糊A優秀的，糊A中金具有100 nm的顆粒大小。
該等熟悉此藝者會了解到以上所說明的具體例可以做出變化而不背離其之廣闊的發明概念。因而，了解到本發明不限制於所揭示的特定的具體例，而是意欲涵蓋落於附隨的申請專利範圍所定義之本發明的精神及範疇之內的修飾。
第1圖為依據本發明的一具體例之填充因子vs.添加劑濃度的一圖。
Claims (22)
- 一種導電性糊組成物，其包含：(a)銀顆粒；(b)玻璃料；(c)細緻的、導電性、選自於由金及鉑金屬所構成的群組之金屬顆粒，其中該等金屬顆粒具有1nm至1微米的顆粒直徑且以該糊組成物的重量為基準係以0.0001至少於0.01wt%的一量存在；以及(d)一有機載體。
- 如申請專利範圍第1項之組成物，其中該等金屬顆粒為選自於由以下所構成的群組之至少一者：金、鈀，以及鉑。
- 如申請專利範圍第1項之組成物，其包含40至95%的銀顆粒，0.5至6%的玻璃料，0.0001至少於0.01wt%的細微的金屬顆粒，以及5至30%的有機載體，全部的百分率係以該組成物的總重量為基準以重量計。
- 如申請專利範圍第1項之組成物，其進一步包含0.1至5重量%的五氧化二鉭顆粒。
- 如申請專利範圍第4項之組成物，其中該等五氧化二鉭顆粒具有少於5微米的顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第1項之組成物，其中該等細微的金屬顆粒具有1nm至500nm的顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第1項之組成物，其中該等細微的金屬顆粒包含金。
- 如申請專利範圍第1項之組成物，其中該等細微的金屬顆粒呈一金屬有機化合物的形式。
- 一種導電性糊組成物，其包含：(a)40至95%的銀顆粒；(b)0.5至6%的玻璃料；(c)0.1至2%的五氧化二鉭顆粒，其具有少於5微米的顆粒直徑；以及(d)5至30%的有機載體；其中，全部的百分率係以該組成物的總重量為基準以重量計。
- 如申請專利範圍第9項之組成物，其進一步包含0.0001至5重量%之細緻的、導電性、選自於由金及鉑族金屬所構成的群組之金屬顆粒。
- 如申請專利範圍第10項之組成物，其中該等細微的金屬顆粒具有1nm至1微米的顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第10項之組成物，其中該等金屬顆粒包含選自於由以下所構成的群組之至少一者：金、鈀，以及鉑。
- 如申請專利範圍第10項之組成物，其中該等細微的金屬顆粒呈一金屬有機化合物的形式。
- 一種導電性糊組成物，其包含：(a)銀顆粒；(b)玻璃料；(c)細緻的、導電性、金顆粒，其中該等金顆粒具 有1nm至1微米的顆粒直徑且以該糊組成物的重量為基準係以0.0001至少於0.1wt%的一量存在；以及(d)一有機載體。
- 如申請專利範圍第14項之組成物，其包含40至95%的銀顆粒，0.5至6%的玻璃料，0.0001至少於0.1wt%的金，以及5至30%的有機載體，全部的百分率係以該組成物的總重量為基準以重量計。
- 如申請專利範圍第14項之組成物，其進一步包含0.1至5重量%的五氧化二鉭顆粒。
- 如申請專利範圍第16項之組成物，其中該等五氧化二鉭顆粒具有少於5微米的顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第14項之組成物，其中該等金顆粒具有1nm至500nm的顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第14項之組成物，其中該等金顆粒呈一金屬有機化合物的形式。
- 一種太陽電池電極，其係藉由塗敷一導電性糊組成物至一基材以及燃燒該糊以形成該電極而形成，其中該導電性糊組成物包含：(a)銀顆粒；(b)玻璃料；(c)細緻的、導電性、選自於由金及鉑金屬所構成的群組之金屬顆粒，其中該等金屬顆粒具有1nm至1微米的顆粒直徑且以該糊組成物的重量為基準係以0.0001至少於0.01wt%的一量存在；以及 (d)一有機載體。
- 一種太陽電池電極，其係藉由塗敷一導電性糊組成物至一基材以及燃燒該糊以形成該電極而形成，其中該導電性糊組成物包含：(a)40至95%的銀顆粒；(b)0.5至6%的玻璃料；(c)0.1至2%具有少於5微米的顆粒直徑之五氧化二鉭顆粒；以及(d)5至30%的有機載體；其中，全部的百分率係以該組成物的總重量為基準以重量計。
- 一種太陽電池電極，其係藉由塗敷一導電性糊組成物至一基材以及燃燒該糊以形成該電極而形成，其中該導電性糊組成物包含：(a)銀顆粒；(b)玻璃料；(c)細緻的、導電性、金顆粒，其中該等金顆粒具有1nm至1微米的顆粒直徑且以該糊組成物的重量為基準係以0.0001至少於0.1wt%的一量存在；以及(d)一有機載體。
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