TWI523040B - 玻璃料、包含其的用於太陽能電池電極的組合物和使用其製作的電極 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種玻璃料、包含其的用於太陽能電池電極的組合物和使用其製作的電極。
太陽能電池利用p-n接面的光伏效應產生電流，其將太陽光的光子轉變為電流。在太陽能電池中，分別在具有p-n接面的半導體晶圓或基板的上表面和下表面上形成前電極和後電極。然後，由進入半導體晶圓的太陽光引起p-n接面處的光伏效應，並由p-n接面處光伏效應產生的電子會經由電極向外部提供電流。藉由施用、圖案化和焙燒電極組合物，而在晶圓上形成太陽能電池的電極。
連續降低發射極厚度以改善太陽能電池效率會造成分流，其會劣化太陽能電池的性能。此外，已經逐漸增加太陽能電池的面積以實現較高的效率。然而，在這種情況下，由於太陽能電池接觸電阻的增加可能存在效率劣化的問題。
此外，由於隨著越來越多地使用具有不同薄片電阻(sheet resistances)的各種晶圓，會使得焙燒溫度在廣範圍內變化，因此期望玻璃料表現出充分的熱穩定性以經受住廣範圍的焙燒溫度。
因此，現存在有對用於太陽能電池電極的組合物的需求，該組合物即使表面電阻改變也可以使對p-n接面的不利影響最小化以確保p-n接面的穩定性，藉此改善太陽能電池的效率。
本發明的一個方面涉及一種玻璃料。該玻璃料包含選自由以下各項所組成的組中的至少三種金屬氧化物：氧化鉛、氧化矽、氧化碲、氧化鉍、氧化鋅和氧化鎢，其中，在藉由將玻璃料和銀(Ag)粉的混合物以20℃/分鐘的加熱速率加熱到850℃並保持在此10分鐘的等待時間後，在以10℃/分鐘的冷卻速率冷卻混合物的同時的TG-DTA分析中的冷卻曲線上，該玻璃料在300℃至600℃的範圍內顯示出相變峰，且可藉由將玻璃料和銀粉以1：1的重量比混合得到混合物。
本發明的另一方面涉及一種用於太陽能電池電極的組合物，其包含按重量計60%(wt%)至90wt%的導電性粉末；1wt%至10wt%的玻璃料；和5wt%至30wt%的有機載體。
本發明的又一方面涉及一種使用用於太陽能電池電極的組合物形成的電極。
100‧‧‧基板
101‧‧‧p-層
102‧‧‧n-層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極
圖1顯示了冷卻曲線，其是藉由TG-DTA分析中實施例4和比較例1中製備的玻璃料得到的DTA曲線。
圖2是根據本發明的一個實施方式的太陽能電池的示意圖。
現在，將更詳細地描述根據本發明的實施方式的用於太陽能電池電極的組合物的每個組分。
玻璃料係用於增強導電性粉末和晶圓或基板間的黏附力並用於藉由蝕刻(etching)抗反射層並熔融銀粉而在發射極區域內形成銀晶粒以便減少用於電極的組合物的焙燒過程中的接觸電阻。此外，在焙燒過程中，玻璃料軟化並降低焙燒溫度。
當增加太陽能電池的面積以改善太陽能電池的效率時，可能存在太陽能電池接觸電阻增加的問題。因此，必須使串連電阻和對p-n接面的影響最小化。此外，由於隨著越來越多地使用具有不同薄片電阻的各種晶圓，焙燒溫度在廣範圍內變化，因此期望玻璃料確保充分的熱穩定性以經受住廣範圍的焙燒溫度。
玻璃料可以包含選自由以下各項所組成的組中的至少一種金屬氧化物：氧化鉛、氧化矽、氧化碲、氧化鉍、氧化鋅、氧化鎢、和其等的組合。
在一個實施方式中，玻璃料可以包含選自由以下各項所組成的組的至少一種：氧化鉛-氧化矽-氧化碲-氧化鋅(PbO-SiO2-TeO2-ZnO)、氧化矽-氧化碲-氧化鉍-氧化鋅-氧化鎢(SiO2-TeO2-Bi2O3-ZnO-WO3)、氧化鉛-氧化矽-氧化碲-氧化鋅-氧化鎢(PbO-SiO2-TeO2-Bi2O3-ZnO-WO3)、氧化鉛-氧化碲-氧化鉍(PbO-TeO2-Bi2O3)、和氧化矽-氧化碲-氧化鋅-氧化鎢(SiO2-TeO2-Bi2O3-ZnO-WO3)玻璃料。
玻璃料可以包含20wt%至60wt%的氧化碲。玻璃料可以以氧化碲與氧化鉛的1：0.1至1：3的重量比、以及氧化碲與氧化鉍的1：0.1至1：3的重量比進一步包含氧化碲(TeO2)、氧化鉛(PbO)和氧化鉍(Bi2O3)。在此範圍內，可能確保給出不同表面電阻的p-n接面的穩定性並使串連電阻最小化。
可以藉由本領域已知的任何典型方法由這類金屬氧化物製備玻璃料。例如，可以以預定的比例混合金屬氧化物。可以使用球磨機或行星式磨機進行混合。在900℃至1300℃下熔化混合物，隨後淬火至25℃。將得到的生成物在盤式磨機、行星式磨機等下經受粉碎，由此製備玻璃料。
玻璃料可以具有0.1μm至5μm、較佳為0.5μm至3μm的平均顆粒直徑(D50)。在此範圍內，玻璃料既不阻礙藉由紫外線照射的深度固化也不造成針孔狀損壞，其可以發生在電極製作中的顯影過程中。
可以使用如Model 1064D(CILAS Co.，Ltd.)在室溫下藉由超音波粉碎將玻璃料分散在異丙醇(IPA)中3分鐘後測量玻璃料的平均粒徑。
在TG-DTA分析中，玻璃料和銀以1：1的重量比的混合物在從300℃至600℃、較佳為在350℃至550℃的範圍內表現出相變峰，在DTA曲線中在相變峰處形成Ag-微晶。具體而言，將玻璃料與銀粉以1：1的重量比混合。將得到的混合物以20℃/分鐘的加熱速率下加熱到850℃，隨後是十分鐘的等待時間。在以10℃/分鐘的冷卻速率冷卻混合物的同時，藉由TG-DTA分析測量相變峰溫度，在該溫度下形成Ag微晶。圖1示出冷卻曲線，其是藉由TG-DTA分析在實施例4和比較例1中製備的玻璃料得到的DTA曲線。參照圖1，在TG-DTA分析中的冷卻曲線上，根據本發明的玻璃料在從約300℃至約600℃的範圍內具有相變峰，在此形成Ag微晶。
根據本發明的用於太陽能電池電極的組合物包含導電性粉末(A)；玻璃料(B)；有機載體(C)；和添加劑(D)。
導電性粉末的實例可以包括銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(Rh)、鎢(W)、鉬(Mo)和鎳(Ni)粉末，但不限於此。可以單獨或作為其等的兩種或多種的混合物或合金使用這些導電性粉末。較佳地，導電性粉末包含銀粉。在一些實施方式中，除了銀粉，導電性粉末可以進一步包含鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鋅(Zn)或銅(Cu)粉。
導電性粉末可以具有球形、薄片或無定形顆粒的形狀。
導電性粉末可以是具有不同顆粒形狀的導電性粉末的混合物。
導電性粉末可以具有0.1μm至5μm的平均顆粒直徑(D50)。在25℃下藉由超音波破碎將導電性粉末分散到異丙醇(IPA)中3分鐘後，可以使用如Model 1064D細微性分析儀(CILAS Co.，Ltd.)測量平均粒徑。在平均粒徑的此範圍內，糊組合物可以提供低的接觸電阻和線路電阻。較佳地，導電性粉末具有0.5μm至2μm的平均顆粒直徑(D50)。
導電粉末可以是具有不同平均顆粒直徑(D50)的導電性顆粒的混合物。
導電性粉末可以以60wt%至90wt%的量存在於用於太陽能電池電極的組合物中。在此範圍內，由於電阻的增加導電性粉末可以阻止太陽能電池的轉換效率方面的劣化，且可防止由於有機載體量的相對減少導致的在形成糊方面的困難。較佳地，導電性粉末以70wt%至88wt%的量存在。
如上所述，在TG-DTA分析中的冷卻曲線上，玻璃料和銀粉以1：1的重量比的混合物在300℃至600℃範圍內表現出相變峰。玻璃料可以以1wt%至10wt%的量存在於用於太陽能電池電極的組合物中。在此範圍內，可能改善導電粉末的焙燒性能和黏附力，同時防止由於電阻的增加造成的轉換效率的降低。此外，可防止焙燒後剩餘過多玻璃料，其可以造成電阻的增加和可潤濕性劣化。較佳地，玻璃料以1wt%至7wt%的量存在。
有機載體可以包括有機黏合劑，其為用於太陽能電池電極的組合物提供流動性。
有機黏合劑的實例包括纖維素聚合物，如乙基纖維素、羥基乙基纖維素、羥基丙基纖維素、羥基乙基羥基丙基纖維素等；藉由如羧基與親水性丙烯酸類單體的共聚獲得的丙烯酸類共聚物；和聚乙烯樹脂類，但不限於此。可以單獨或以其等的組合使用這些黏合劑。
有機載體可以進一步包含溶劑。在這種情況下，有機載體可以是藉由將有機黏合劑溶解在溶劑中而製備的溶液。有機載體可以包含5wt%至40wt%的有機黏合劑和60wt%至95wt%的溶劑。較佳地，有機載體可以包含6wt%至30wt%的有機黏合劑和70wt%至94wt%的溶劑。
溶劑可以是具有120℃以上沸點的有機溶劑。溶劑可以選自由以下各項所組成的組：卡必醇類溶劑、脂族醇類、酯類溶劑、溶纖劑類溶劑、和烴類溶劑，其等係通常用於電極的生產中。適合於在糊組合物中使用的溶劑的實例包括丁基卡必醇、乙酸丁基卡必醇酯、甲基溶纖劑、乙基溶纖劑、丁基溶纖劑、脂族醇類、萜品醇、乙二醇、乙二醇單丁醚、乙酸丁基溶纖劑酯、Texanol酯醇和其等的混合物。
有機載體可以以5wt%至30wt%的量存在於組合物中。在此範圍內，在製備組合物後可以防止效率低的分散或黏性的過度增加，其可以導致印刷困難，並且可以防止電阻增加和在焙燒過程中可以發生的其他問題。較佳地，有機
載體以10wt%至25wt%的量存在。
根據需要，組合物可以進一步包含典型的添加劑以增強流動性能、加工性能和穩定性。添加劑可以包括分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑、偶聯劑等，但不限於此。可以單獨或以其等的混合物使用這些添加劑。這些添加劑可以以0.1wt%至5wt%的量存在於組合物中，但不限於此。
本發明的其他方面涉及一種由用於太陽能電池電極的組合物形成的電極和包括其的太陽能電池。圖2示出根據本發明的一個實施方式的太陽能電池。
參照圖2，可以藉由在包括p-層101和n-層102的晶圓或基板100上印刷和焙燒組合物形成後電極210和前電極230，其將用作發射極。例如，藉由在晶圓100的後表面上印刷組合物並在200℃至400℃下乾燥印刷的組合物10秒至60秒來實行用於製備後電極210的前期處理。此外，可以藉由在晶圓的前表面上印刷糊並乾燥印刷的組合物來實行用於製備前電極的前期處理。然後，可以藉由在400℃至950℃下、較佳在850℃至950℃下焙燒晶圓30秒至50秒形成前電極230和後電極210。
下面，將參照實施例更詳細地描述本發明。然而，應當理解的是僅為了示例提供這些實施例而不應當以任何方式解釋為限制本發明。
省略了對本領域技術人員顯而易見的內容的描述。
以在表1列出的組合物混合金屬氧化物(單位：wt%)。在1200℃下熔融混合物，隨後淬火至25℃。將得到的生成物在盤式磨粉機下經受粉碎，由此製備具有2μm平均顆粒直徑的玻璃料(GF1至GF7)。
以1：1的重量比將製備的玻璃料與銀(Ag)粉(Dowa 5-11F)混合。使用氧化鋁盤P/N SSC 515D011和EXSTAR6200(EXSTAR Co.，Ltd.)將得到的混合物以20℃/分鐘的加熱速率加熱至850℃，隨後是十分鐘的等待時間。在以10℃/分鐘的冷卻速率冷卻混合物的同時，藉由TG-DTA分析測量相變峰溫度(在該溫度下形成Ag-微晶)。表1示出了測量結果。
如表2所示，將藉由將1g的乙基纖維素溶解在8g的丁基卡必醇中得到的9g有機載體和89g的銀粉(Dowa5-11F，Dowa Hightech Co.,Ltd.)分別加入到2g製備的玻璃料GF1至GF7中，隨後在3-輥捏合機中混合並捏合，由此製備用於太陽能電池電極的組合物。
藉由在其上旋轉粉碎機(scrapper)將每個製備的組合物沉積在絲網印板(screen print plate)上。將每個組合物印刷在具有65Ω平均表面電阻的單晶(mono-crystalline)晶圓上同時將糊組合物擠壓至絲網印板的圖像區域。將印刷的晶圓在300℃下乾燥20秒至30秒，然後在950℃的6-區域溫度和250轉/分的帶速下在BTU焙烤爐中經受焙燒。焙燒後，使用PASSAN電池測試器測量串連電阻(Ω)。表2示出測量的串連電阻。
如表2所示，可以看出與比較例1至2中製備的組合物相比，在實施例1至5中製備的組合物具有低得多的串連電阻。在此，在TG-DTA分析中的DTA曲線上，在實施例1至5中使用的玻璃料GF1至GF5在300℃至600℃範圍內具有相變峰(在此形成Ag-晶體)，然而在比較例1至2中使用的玻璃料GF6至GF7在300℃至600℃的範圍內未顯示相變峰。
雖然已經描述了一些實施方式，但對本領域技術人員顯而易見的是僅作以示例的方式提出這些實施方式，而且可以進行各種修改、改變、變更和等效的實施方式而不背離本發明的精神和範圍。應當僅由隨附的申請專利範圍和其等的等效物限制本發明的範圍。
100‧‧‧基板
101‧‧‧p-層
102‧‧‧n-層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極
Claims (9)
- 一種玻璃料，包含：至少三種選自由以下各項所組成的組的金屬氧化物：氧化鉛、氧化矽、氧化碲、氧化鉍、氧化鋅和氧化鎢，其中，在將該玻璃料和銀(Ag)粉的混合物以20℃/分鐘的加熱速率加熱至850℃並保持在此10分鐘的等待時間後，在以10℃/分鐘的冷卻速率冷卻該混合物的同時，藉由TG-DTA分析獲得的冷卻曲線上該玻璃料在300℃至600℃的範圍內顯示相變峰，且該混合物為藉由以1：1的重量比混合該玻璃料與銀粉得到。
- 如請求項1之玻璃料，包括：選自以下各項中的至少一種：氧化鉛-氧化矽-氧化碲-氧化鋅(PbO-SiO2-TeO2-ZnO)、氧化矽-氧化碲-氧化鉍-氧化鋅-氧化鎢(SiO2-TeO2-Bi2O3-ZnO-WO3)、氧化鉛-氧化矽-氧化碲-氧化鋅-氧化鎢(PbO-SiO2-TeO2-Bi2O3-ZnO-WO3)、氧化鉛-氧化碲-氧化鉍(PbO-TeO2-Bi2O3)和氧化矽-氧化碲-氧化鋅-氧化鎢(SiO2-TeO2-Bi2O3-ZnO-WO3)玻璃料。
- 如請求項1之玻璃料，包含：20%wt至60%wt的氧化碲。
- 如請求項1之玻璃料，包含：氧化碲(TeO2)、氧化鉛(PbO)和氧化鉍(Bi2O3)，其中，氧化碲與氧化鉛的重量比是1：0.1至1：3，且氧化碲與氧化鉍的重量比是1：0.1至1：3。
- 一種用於太陽能電池電極的組合物，包含：(A)60wt%至90wt%的導電性粉末；(B)1wt%至10wt%的如請求項 1至4中任一項之玻璃料；和(C)5wt%至30wt%的有機載體。
- 如請求項5之組合物，其中，該導電性粉末包含選自由以下各項所組成的組中的至少一種：銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(Rh)、鎢(W)、鉬(Mo)和鎳(Ni)。
- 如請求項5之組合物，其中，該玻璃料(B)具有0.1μm至5μm的平均顆粒直徑(D50)。
- 如請求項5之組合物，進一步包含：(D)選自由以下各項所組成的組的至少一種類型的添加劑：分散劑、觸變劑、增塑劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑和偶聯劑。
- 一種太陽能電池電極，係由如請求項5至8中任一項之用於太陽能電池電極的組合物製備。
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