TWI518709B - 包含細化玻璃顆粒之銀漿及其用於製造光伏元件之用途 - Google Patents

包含細化玻璃顆粒之銀漿及其用於製造光伏元件之用途 Download PDF

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Description

包含細化玻璃顆粒之銀漿及其用於製造光伏元件之用途
本發明關於一種銀漿(silver paste)及其用於製造光伏元件(photovoltaic device)之用途，並且特別地，關於包含細化玻璃顆粒之銀漿及其用於製造光伏元件之用途。
光伏元件(photovoltaic device)因為其將發自光源(例如，太陽光)中容易取得的能量轉換成電力，以操控例如，計算機、電腦、加熱器…，等電子裝置，所以光伏元件已被廣泛地使用。最常見的光伏元件即為矽基太陽能電池。
矽基太陽能電池係指利用取自單晶矽晶棒或多晶矽鑄錠之結晶矽基材所製作的太陽能電池。在矽基太陽能電池上形成電極的先前技術，先在矽基太陽能電池的正表面及背表面上利用網版印刷等製程塗佈金屬漿料後，需要執行兩次燒結程序，才能形成具有良好的歐姆接觸之金屬電極。典型的矽基太陽能電池，其正表面塗佈導電銀漿，其背表面塗佈導電鋁漿以及導電銀漿(或導電銀鋁漿)。
已有共燒技術(co-firing)運用在矽基太陽能電池的電極之行程，共燒技術則只需執行一次燒結程序，即同時形成具有良好的歐姆接觸的正面電極以及供焊接用的匯流排電極(bus bar)、鋁形成的背面電極以及供焊接用的背面匯流排電極。正面電極包含線寬較細的網柵電極以及線寬較粗且供焊接用的正面匯流排電極。鋁局部擴散至矽基太陽能電池的背表面裡，形成了背表面電場(back surface filed,BSF)。背表面電場反射少數載子並增加多數載子的收集再傳輸至銀或銀鋁形成的背面電極，進而提升矽基太陽能電池的整體效能。
然而，現有應用在製造光伏元件的電極之銀漿，其混入的玻璃 顆粒之粒徑皆為微米尺度，未見有部分以細化玻璃顆粒(次微米尺度)取代之，以提升應用其所製造的光伏元件之光電轉換效率。
因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種包含細化玻璃顆粒之銀漿及其用於製造光伏元件之用途。本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，可以提升光伏元件的光電轉換效率。
本發明之一較佳具體實施例之一種銀漿，包含有機載體(organic vehicle)、第一玻璃顆粒(glass frit)、第二玻璃顆粒以及奈米銀顆粒(silver particle)。特別地，本發明之銀漿其第一玻璃顆粒之比表面積為約1.6~1.7m2/g，第二玻璃顆粒之比表面積為約26~27m2/g。第一玻璃顆粒與第二玻璃顆粒混合後之比表面積的範圍為約2~20m2/g。藉此，讓本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，可以提升光伏元件的光電轉換效率。
於一具體實施例中，第二玻璃顆粒佔第一玻璃顆粒加上第二玻璃顆粒之重量百分比為約1~75。
於一具體實施例中，有機載體佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~10，第一玻璃顆粒加上第二玻璃顆粒佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~7，以及銀顆粒佔本發明之銀漿的重量百分比的其餘部分。
於一具體實施例中，玻璃顆粒為Si-Pb-B-O、PbO、PbO-SiO2、PbO-B2O3玻璃顆粒或含碲粉之玻璃顆粒。
於一具體實施例中，有機載體包含約10wt.%的固態纖維素聚合物、約0~20wt.%的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯以及佔有機載體之重量百分比的其餘部分的松油醇。
本發明之一較佳具體實施例之一種製造光伏元件之方法首先係 先製備半導體結構組合。半導體結構組合包含至少一p-n接面，並且具有正表面。接著，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾本發明揭示的銀漿於正表面上，以形成多條平行的第一導電條於正表面上。接著，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾金屬漿於正表面上，以形成至少一條與多條第一導電條垂直的第二導電條於正表面上。最後，本發明之方法係燒結多條第一導電條以及至少一條第二導電條，以形成正面電極於正表面上。
於一具體實施例中，半導體結構組合並且包含抗反射層。反射層提供半導體結構組合之正表面。
於一具體實施例中，半導體結構組合並且包含鈍化層。鈍化層提供半導體結構組合之正表面。
於一具體實施例中，金屬漿即為本發明揭示的銀漿。
與先前技術相較，根據本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，可以提升光伏元件的光電轉換效率。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明之一較佳具體實施例之一種銀漿，包含有機載體、第一玻璃顆粒、第二玻璃顆粒以及銀顆粒。特別地，第一玻璃顆粒微較粗的玻璃顆粒，第二玻璃顆粒為經細化的玻璃顆粒。本發明之銀漿其第一玻璃顆粒之比表面積為約1.6~1.7m2/g，第二玻璃顆粒之比表面積為約26~27m2/g。第一玻璃顆粒與第二玻璃顆粒混合後之比表面積的範圍為約2~20m2/g。藉此，讓本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，可以提升光伏元件的光電轉換效率。
於實際應用中，第二玻璃顆粒之粒徑小於約0.2μm。
於一具體實施例中，第二玻璃顆粒佔第一玻璃顆粒加上第二玻璃顆粒之重量百分比為約1~75。於一案例中，第一玻璃顆之比表面積為約1.6184m2/g，添加比表面積為約26.001m2/g且佔所有玻璃顆粒之75wt.%的第二玻璃顆粒後，整體玻璃顆粒的比表面積變為約19.9053m2/g。
於一具體實施例中，有機載體佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~10，第一玻璃顆粒加上第二玻璃顆粒佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~7，以及銀顆粒佔本發明之銀漿的重量百分比的其餘部分。
於一具體實施例中，玻璃顆粒為Si-Pb-B-O、PbO、PbO-SiO2或PbO-B2O3玻璃顆粒。
於一具體實施例中，有機載體包含約10wt.%的固態纖維素聚合物(solid cellulose polymer)、約0~20wt.%的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯以及佔有機載體之重量百分比的其餘部分的松油醇(Terpineol)。
請參閱圖1、圖2及圖3A至圖3D，圖1係根據本發明之方法所製造光伏元件1(例如，矽基太陽能電池)的頂視圖。圖2係根據本發明之方法所製造光伏元件1的底視圖。圖3A至圖3D係以截面視圖繪示本發明之方法之一較佳具體實施例來製造如圖1沿A-A線的剖面視圖所示之光伏元件1。
如圖1及圖2所示，根據本發明之方法所製造光伏元件1包含半導體結構組合10、正面電極12、背面電極14以及至少一背面匯流排電極(16a、16b)。半導體結構組合10具有正表面102以及背表面104。
正面電極12係形成在半導體結構組合10之正表面102上。如圖 1所示，正面電極12包含線寬較細的網柵電極(grid)122以及線寬較粗的至少一正面匯流排電極124。至少一正面匯流排電極124係沿圖1中Y方向排列，且供光伏元件1串聯時焊接之用。一般光伏元件1(例如，矽基太陽能電池)會有兩條或三條正面匯流排電極124。
至少一背面匯流排電極(16a、16b)係形成在半導體結構組合10之該背表面104上，且供光伏元件1串聯時焊接之用。於如圖2所示的案例中，兩條平行的背面匯流排電極(16a、16b)成對稱排列，且沿圖2中Y方向排列。
背電極14係形成在半導體結構組合10之背表面104上，且覆蓋背表面104上形成至少一背面匯流排電極(16a、16b)以外的區域。
如圖3A所示，本發明之方法，首先，係製備半導體結構組合10。半導體結構組合10包含至少一p-n接面106並且具有正表面102以及背表面104。根據本發明之方法所製造的光伏元件1在使用過程，正表面102朝上，將面向太陽。為降低入射太陽光的反射率，如圖3A所示，正表面102經粗紋化處理成粗糙表面為佳。
接著，如圖3B所示，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾本發明揭示的銀漿於半導體結構組合10的正表面102上，以形成多條平行的第一導電條122’於正表面102上。接著，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾第一金屬漿於正表面102上，以形成至少一條與多條第一導電條122’垂直的第二導電條124’。
於一具體實施例中，形成第二導電條124’的第一金屬漿即為本發明揭示的銀漿。
同樣示於圖3B，本發明之方法係在半導體結構組合10之背表面104上，塗佈並烘乾第二金屬漿，以形成導電層14'。
於一具體實施例中，第二金屬漿可以由鋁、銀、銅、金、鉑、 鈀、鋁合金、銀合金、銅合金、金合金、鉑合金、鈀合金或其混合物形成之顆粒混合成的導電漿，或其他商用導電金屬漿料。第二金屬漿係由鋁顆粒混合成的導電漿料為佳。
同樣示於圖3B，本發明之方法係在半導體結構組合10之背表面104上，選擇性塗佈並烘乾第三金屬漿，以形成至少一條平行的第三導電條(16a'、16b')於背表面104上。
於一具體實施例中，第三金屬漿可以由鋁、銀、銅、金、鉑、鈀、鋁合金、銀合金、銅合金、金合金、鉑合金、鈀合金或其混合物形成之顆粒混合成的導電漿，或其他商用導電金屬漿料。第三金屬漿係由銀顆粒與鋁顆粒混合成的導電漿為佳。
最後，如圖3C所示，本發明之方法係燒結多條第一導電條122’以及至少一條第二導電條124’，以形成正面電極12於正表面102上。也就是說，正面電極12是由經燒結的第一導電條122以及經燒結的第二導電條124所構成。經燒結的第一導電條122即為線寬較細的網柵電極122。經燒結的第二導電條124即為線寬較粗的正面匯流排電極124。本發明之方法並且燒結導電層14'，即燒結成背面電極14，並且燒結至少一條第三導電條(16a'、16b')，即燒結成至少一背面匯流排電極(16a、16b)。正面電極12與背面電極14、至少一背面匯流排電極(16a、16b)可以藉由不同的燒結製程分別形成，也可以藉由共燒製程一次形成。
於一具體實施例中，半導體結構組合10包含p型態結晶矽基材101，並且在p型態結晶矽基材101的表面植佈n型態摻雜以形成n型態區域。如圖3A所示，本發明之方法形成鈍化層108覆蓋該n型態區域，鈍化層108提供正表面102。如圖3D所示，本發明之方法進一步形成抗反射層18，抗反射層18覆蓋鈍化層108。於另一具體實施例中，反射層18提供正表面102。
於另一具體實施例中，半導體結構組合10包含n型態結晶矽基材101，並且在n型態結晶矽基材101的表面植佈p型態摻雜以形成p型態區域。如圖3A所示，本發明之方法形成鈍化層108覆蓋該p型態區域，鈍化層108提供正表面102。如圖3D所示，本發明之方法進一步形成抗反射層18，抗反射層18覆蓋鈍化層108。於另一具體實施例中，抗反射層18提供正表面102。
於另一具體實施例中，半導體結構組合10即為如美國專利公告號第5,935,344號所揭示的矽異質接面太陽能電池(silicon heterojunction solar cell)其結構。矽異質接面太陽能電池的結構請參考美國專利公告號第5,935,344號，在此不再贅述。
請參閱表1，為四種根據本發明揭示的銀漿(第二玻璃顆粒之重量百分比不同)以及不含第二玻璃顆粒之銀漿之成份列表。這些銀漿中的所有玻璃顆粒佔重量百分比皆為約5.5wt.%，且用於製造矽基太陽能電池(對照組一、電池A、電池B、電池C、電池D)的正面電極且在810℃下燒結成正面電極。製成的該等太陽能電池測得的光電轉換效率(η)以及綜合性評估指標-填充因子(fill factor,FF)也列於表1。該等太陽能電池的背面電極是使用市售的鋁漿塗佈、燒結製成，其背面匯流排電極是使用市售的銀漿塗佈、燒結製成。
請參閱表2，為另外四種根據本發明揭示的銀漿(第二玻璃顆粒之重量百分比不同)以及不含第二玻璃顆粒之銀漿之成份列表。這些銀漿中的所有玻璃顆粒佔重量百分比皆為約6wt.%，且用於製造矽基太陽能電池(對照組二、電池E、電池F、電池G、電池H)的正面電極且在810℃下燒結成正面電極。製成的該等太陽能電池測得的光電轉換效率(η)以及綜合性評估指標-填充因子也列於表2。該等太陽能電池的背面電極是使用市售的鋁漿塗佈、燒結製成，其背面匯流排電極是使用市售的銀漿塗佈、燒結製成。
請參閱圖4及圖5。圖4為表1及表2中太陽能電池之光電轉換效率隨著第二玻璃顆粒(經細化的玻璃顆粒)佔所有玻璃顆粒的重量百分比增加之變化。圖5為表1及表2中太陽能電池之填充因子隨著第二玻璃顆粒(經細化的玻璃顆粒)佔所有玻璃顆粒的重量百分比增加之變化。
從圖4及圖5的測試數據，可以清楚看出根據本發明之銀漿用於電池A、電池B、電池C、電池D、電池E、電池F、電池G、電池H的正面電極，隨著第二玻璃顆粒(經細化的玻璃顆粒)佔所有玻璃顆粒的重量百分比增加，光電轉換效率及填充因子逐漸增加再逐漸下降，可能是因第二玻璃顆粒(經細化的玻璃顆粒)過多產生聚集不易分散而導致電轉換效率及填充因子開始下降。做為對照的銀漿，因為不含第二玻璃顆粒，用於對照組一及對照組二的太陽能電池的正面電極，其光電轉換效率及填充因子皆遠低於電池A、電池B、電池C、電池E、電池F、電池G、電池H之數據。由此足以證明，根據本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，能提升光源元件的光電轉換效率以及填充因子。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
1‧‧‧光伏元件
10‧‧‧半導體結構組合
101‧‧‧結晶矽基材
102‧‧‧正表面
104‧‧‧背表面
106‧‧‧p-n接面
108‧‧‧鈍化層
12‧‧‧正面電極
122‧‧‧網柵電極
122’‧‧‧第一導電條
124‧‧‧正面匯流排電極
124’‧‧‧第二導電條
14‧‧‧背面電極
14'‧‧‧導電層
16a、16b‧‧‧背面匯流排電極
16a'、16b'‧‧‧第三導電條
18‧‧‧抗反射層
圖1係根據本發明之方法所製造之光伏元件的頂視圖。
圖2係根據本發明之方法所製造之光伏元件的底視圖。
圖3A至圖3D係示意地繪示根據本發明之一較佳具體實施例之製造如圖1沿A-A線的剖面視圖所示之光伏元件的方法。
圖4係表1中太陽能電池之光電轉換效率隨著第二玻璃顆粒佔所有玻璃顆粒的重量百分比增加之變化。
圖5係表1中太陽能電池之填充因子隨著第二玻璃顆粒佔所有玻璃顆粒的重量百分比增加之變化。
1‧‧‧光伏元件
10‧‧‧半導體結構組合
101‧‧‧結晶矽基材
102‧‧‧正表面
104‧‧‧背表面
106‧‧‧p-n接面
108‧‧‧鈍化層
12‧‧‧正面電極
122‧‧‧網柵電極
124‧‧‧正面匯流排電極
14‧‧‧背面電極
16a、16b‧‧‧背面匯流排電極
18‧‧‧抗反射層

Claims (9)

  1. 一種銀漿，包含一有機載體、一第一玻璃顆粒、一第二玻璃顆粒以及一銀顆粒，其特徵為該第一玻璃顆粒之比表面積的範圍為約1.6~1.7m2/g，該第二玻璃顆粒之比表面積的範圍為約26~27m2/g，該第一玻璃顆粒與該第二玻璃顆粒混合後之比表面積的範圍為約2~20m2/g，該第二玻璃顆粒之粒徑小於0.2μm。
  2. 如請求項1所述之銀漿，其中該第二玻璃顆粒佔該第一玻璃顆粒加上該第二玻璃顆粒之重量百分比為約1~75。
  3. 如請求項2所述之銀漿，其中該有機載體佔該銀漿之重量百分比為約1~10，該第一玻璃顆粒加上該第二玻璃顆粒佔該銀漿之重量百分比為約1~7，以及該銀顆粒佔該銀漿之重量百分比的其餘部分。
  4. 如請求項3所述之銀漿，其中該玻璃顆粒為Si-Pb-B-O、PbO、PbO-SiO2、PbO-B2O3玻璃顆粒或含碲粉之玻璃顆粒。
  5. 如請求項4所述之銀漿，其中該有機載體包含約10wt.%的固態纖維素聚合物、約0~20wt.%的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯以及佔該有機載體之重量百分比的其餘部分的松油醇。
  6. 一種製造一光伏元件之方法，包含下列步驟：製備一半導體結構組合，該半導體結構組合包含至少一p-n接面且具有一正表面；選擇性塗佈並烘乾如請求項1至5中任一項所述之銀漿於該正表面上，以形成多條平行的第一導電條於該正表面上；選擇性塗佈並烘乾一金屬漿於該正表面上，以形成至少一條與該多條第一導電條垂直的第二導電條於該正表面上；以及燒結該多條第一導電條以及該至少一條第二導電條，以形成一正面電極於該正表面上。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該半導體結構組合並且包含一抗反射層，該反射層提供該正表面。
  8. 如請求項6所述之方法，其中半導體結構組合並且包含一鈍化層，該鈍化層提供該正表面。
  9. 如請求項6所述之方法，其中該金屬漿係如請求項1至5中任一項所述之銀漿。
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