TWI525642B - 導電漿料及其用於製造光伏元件之用途 - Google Patents

Description

導電漿料及其用於製造光伏元件之用途

本發明關於一種導電漿料(conductive paste)及其用於製造光伏元件(photovoltaic device)之用途，並且特別地，關於用於製造光伏元件之正面電極時，可形成利於穿隧導電性(tunneling conductivity)的微結構之導電漿。

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。

請參閱圖1，為現有矽基太陽能電池1的局部截面視圖。圖1僅繪示矽晶圓10以及利用銀漿塗佈在矽晶圓10的正表面102上且燒結而成的正面電極12。在燒結製程後，一層介面玻璃層14會形成在矽晶圓10與正面電極12之間。顯見地，介面玻璃層14降低了載子傳輸至正面電極12的導電性。現有矽基太陽能電池1利用改變銀漿的成分，讓銀漿燒結成的正面電極12包含團塊電極122(或稱燒結的銀電極)、成長在介面玻璃層14與矽晶圓10之間介面處的銀微結晶(Ag crystallite)126及/或成長在介面玻璃層14內的奈米銀微粒(nano-Ag colloid)124。藉由銀微結晶126及/或奈米銀微粒124，可以提升正面電極12與矽晶圓10間的穿隧導電性。

然而，銀漿或導電漿料經燒結在介面玻璃層內形成微結構的型態以及其造成的穿隧導電性仍有改善的空間。

因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種導電漿料及其用於製造光伏元件之用途，並且本發明之導電漿料用於製造光伏元件之正面電極時，可以在介面玻璃層內形成利於穿隧導電性的微結構。

本發明之一較佳具體實施例之一種導電漿料，包含有機載體(organic vehicle)、玻璃顆粒(glass frit)以及銀顆粒(silver particle)。特別地，本發明之導電漿料其玻璃顆粒係金屬玻璃顆粒、金屬高含量玻璃顆粒、Pb-Sn-V-O玻璃顆粒或含碲粉玻璃顆粒。藉此，讓本發明之導電漿料用於製造光伏元件之正面電極時，可在介面玻璃層內形成有利於穿隧導電性的樹枝狀金屬微結構。

於一具體實施例中，有機載體佔本發明之導電漿料的重量百分比為約1~10，玻璃顆粒佔本發明之導電漿料的重量百分比為約1~7，以及銀顆粒佔本發明之導電漿料的重量百分比的其餘部分。

於一具體實施例中，有機載體包含約10 wt.%的固態纖維素聚合物、約0~20 wt.%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導電漿料於正表面上，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本發明揭示的導電漿料於正表面上，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，於正面電極與正表面之間係形成介面玻璃層。正面電極包含形成在介面玻璃層上之團塊電極以及自團塊電極延伸至介面玻璃層內之多個樹枝狀金屬微結構。

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。

本發明之一較佳具體實施例之一種光伏元件，其包含半導體結構組合、正面電極以及介面玻璃層。半導體結構組合包含至少一p-n接面，並且具有正表面。正面電極係形成於正表面上。介面玻璃層係形成在正面電極與正表面之間。特別地，正面電極包含形成在介面玻璃層上之團塊電極以及自團塊電極延伸至介面玻璃層內之多個樹枝狀金屬微結構。

於一具體實施例中，正面電極係利用本發明揭示的導電漿料所形成。

與先前技術相較，根據本發明之導電漿料用於製造光伏元件之正面電極時，可以在介面玻璃層內形成利於穿隧導電性的樹枝狀金屬微結構。

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導電漿料，包含有機載體、玻璃顆粒以及銀顆粒。特別地，本發明之導電漿料其玻璃顆粒係金屬玻璃顆粒、金屬高含量玻璃顆粒、Pb-Sn-V-O玻璃顆粒或含碲粉玻璃顆粒。藉此，讓本發明之導電漿料用於製造光伏元件之正面電極時，可以在介面玻璃層內形成有利於穿隧導電性的樹枝狀金屬微結構。

於一具體實施例中，有機載體佔本發明之導電漿料的重量百分比為約1~10，玻璃顆粒佔本發明之導電漿料的重量百分比為約1~7，以及銀顆粒佔本發明之導電漿料的重量百分比的其餘部分。

於一具體實施例中，有機載體包含約10 wt.%的固態纖維素聚合物(solid cellulose polymer)、約0~20 wt.%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2、圖3及圖4A至圖4D，圖2係根據本發明之方法所製造光伏元件2(例如，矽基太陽能電池)的頂視圖。圖3係根據本發明之方法所製造光伏元件2的底視圖。圖4A至圖4D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2沿A-A線的剖面視圖所示之光伏元件2。

如圖2及圖3所示，根據本發明之方法所製造光伏元件2包含半 導體結構組合20、正面電極22、背面電極24以及至少一背面匯流排電極(26a、26b)。半導體結構組合20具有正表面202以及背表面204。

正面電極22係形成在半導體結構組合20之正表面202上。如圖2所示，正面電極22包含線寬較細的網柵電極(grid)222以及線寬較粗的至少一正面匯流排電極224。至少一正面匯流排電極224係沿圖2中Y方向排列，且供光伏元件2串聯時焊接之用。一般光伏元件2(例如，矽基太陽能電池)會有兩條或三條正面匯流排電極224。

至少一背面匯流排電極(26a、26b)係形成在半導體結構組合20之該背表面204上，且供光伏元件1串聯時焊接之用。於如圖3所示的案例中，兩條平行的背面匯流排電極(26a、26b)成對稱排列，且沿圖3中Y方向排列。

背電極24係形成在半導體結構組合20之背表面204上，且覆蓋背表面204上形成至少一背面匯流排電極(26a、26b)以外的區域。

如圖4A所示，本發明之方法，首先，係製備半導體結構組合20。半導體結構組合20包含至少一p-n接面206並且具有正表面202以及背表面204。根據本發明之方法所製造的光伏元件2在使用過程，正表面202朝上，將面向太陽。為降低入射太陽光的反射率，如圖4A所示，正表面202經粗紋化處理成粗糙表面為佳。

接著，如圖4B所示，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾本發明揭示的導電漿料於半導體結構組合20的正表面202上，以形成多條平行的第一導電條222’於正表面202上。接著，本發明之方法再次選擇性塗佈並烘乾本發明揭示的導電漿料於正表面202上，以形成至少一條與多條第一導電條222’垂直的第二導電條224’。

同樣示於圖4B，本發明之方法係在半導體結構組合20之背表面204上，塗佈並烘乾第一金屬漿，以形成導電層24'。

於一具體實施例中，第一金屬漿可以由鋁、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。第一金屬漿係由鋁顆粒混合成的導電漿料為佳。

同樣示於圖4B，本發明之方法係在半導體結構組合20之背表面204上，選擇性塗佈並烘乾第二金屬漿，以形成至少一條平行的第三導電條(26a'、26b')於背表面204上。

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。第二金屬漿係由銀顆粒與鋁顆粒混合成的導電漿為佳。

最後，如圖4C所示，本發明之方法係燒結多條第一導電條222’以及至少一條第二導電條224’，以形成正面電極22於正表面202上。也就是說，正面電極22是由經燒結的第一導電條222以及經燒結的第二導電條224所構成。經燒結的第一導電條222即為線寬較細的網柵電極222。經燒結的第二導電條224即為線寬較粗的正面匯流排電極224。本發明之方法並且燒結導電層24'，即燒結成背面電極24，並且燒結至少一條第三導電條(26a'、26b')，即燒結成至少一背面匯流排電極(26a、26b)。正面電極22與背面電極24、至少一背面匯流排電極(26a、26b)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20包含p型態結晶矽基材201，並且在p型態結晶矽基材201的表面植佈n型態摻雜以形成n型態區域。如圖4A所示，本發明之方法形成鈍化層208覆蓋該n型態區域，鈍化層208提供正表面202。如圖4D所示，本發明之方法進一步形成抗反射層28，抗反射層28覆蓋鈍化層208。於另一具體實施例中，反射層28提供正表面202。

於另一具體實施例中，半導體結構組合20包含n型態結晶矽基材201，並且在n型態結晶矽基材201的表面植佈p型態摻雜以形成p型態區域。如圖4A所示，本發明之方法形成鈍化層208覆蓋該p型態區域，鈍化層208提供正表面202。如圖4D所示，本發明之方法進一步形成抗反射層28，抗反射層28覆蓋鈍化層208。於另一具體實施例中，抗反射層28提供正表面202。

於另一具體實施例中，半導體結構組合20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。

請參閱圖4D及圖4E，係以截面視圖繪示本發明之一較佳具體實施例的光伏元件2。圖4E為圖4D中正面電極22與鈍化層208之介面處的局部放大圖。如圖4E所示，本發明揭示的導電漿料塗佈在正表面202上且經燒結後，於正面電極22與鈍化層208之正表面202之間係形成介面玻璃層229。正面電極22包含形成在介面玻璃層229上之團塊電極226以及自團塊電極226延伸至介面玻璃層229內之多個樹枝狀金屬微結構228。

請參閱表1，為根據本發明揭示的導電漿料以及做為對照組之導電漿料的成份列表。做為對照組之導電漿料採用Si-Pb-B-O玻璃顆粒。這些導電漿料用於製造矽基太陽能電池(對照組、電池A)的正面電極且在780℃下燒結成正面電極。製成的該等太陽能電池，取介面玻璃層處試片，利用穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察是否成長樹枝狀金屬微結構。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。

對照組電池的TEM試片並未觀察到樹枝狀金屬微結構。電池A的TEM試片則觀察到樹枝狀金屬微結構，請見圖5A、圖5B及圖 5C所示的TEM照片。圖5A、圖5B及圖5C中標號226代表團塊電極，標號228代表樹枝狀金屬微結構，標號229代表介面玻璃層。圖5A、圖5B及圖5C明顯顯示樹枝狀金屬微結構228自團塊電極226延伸至介面玻璃層229內，樹枝狀金屬微結構228的長度範圍為約5~400nm。圖5A、圖5B及圖5C中標示EDX的標籤為利用TEM內X射線能量散佈分析儀(EDX)偵測成份的偵測點，在此不做贅述。

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‧‧‧矽晶圓

102‧‧‧正表面

12‧‧‧正面電極

122‧‧‧團塊電極

124‧‧‧奈米銀微粒

126‧‧‧銀微結晶

14‧‧‧介面玻璃層

2‧‧‧光伏元件

20‧‧‧半導體結構組合

201‧‧‧結晶矽基材

202‧‧‧正表面

204‧‧‧背表面

206‧‧‧p-n接面

208‧‧‧鈍化層

22‧‧‧正面電極

222‧‧‧網柵電極

222’‧‧‧第一導電條

224‧‧‧正面匯流排電極

224’‧‧‧第二導電條

226‧‧‧團塊電極

228‧‧‧樹枝狀金屬微結構

229‧‧‧介面玻璃層

24‧‧‧背面電極

24'‧‧‧導電層

26a、26b‧‧‧背面匯流排電極

26a'、26b'‧‧‧第三導電條

28‧‧‧抗反射層

圖1係現有矽基太陽能電池的局部截面視圖。

圖2係根據本發明之方法所製造之光伏元件的頂視圖。

圖3係根據本發明之方法所製造之光伏元件的底視圖。

圖4A至圖4D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2沿A-A線的剖面視圖所示之光伏元件的方法。

圖4E係圖4D中正面電極與鈍化層之介面處的局部放大圖。

圖5A、圖5B及圖5C係採用本明揭示的導電漿料用於製造矽基太陽能電池取其介面玻璃層處試片的TEM照片。

202‧‧‧正表面

208‧‧‧鈍化層

22‧‧‧正面電極

226‧‧‧團塊電極

228‧‧‧樹枝狀金屬微結構

229‧‧‧介面玻璃層

Claims (9)

1. 一種導電漿料，包含一有機載體、一玻璃顆粒以及一銀顆粒，其特徵為該玻璃顆粒係一Pb-Sn-V-O之金屬玻璃顆粒。
2. 如請求項2所述之導電漿料，其中該有機載體佔該銀漿之重量百分比為約1~10，該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。
3. 如請求項4所述之導電漿料，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。
4. 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3中任一項所述之導電漿料於該正表面上，以形成多條平行的第一導電條於該正表面上；選擇性塗佈並烘乾該導電漿料於該正表面上，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。
5. 如請求項4所述之方法，其中於該正面電極與該正表面之間係形成一介面玻璃層，該正面電極包含形成在該介面玻璃層上之一團塊電極以及自該團塊電極延伸至該介面玻璃層內之多個樹枝狀金屬微結構。
6. 如請求項5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。
7. 如請求項5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。
8. 一種光伏元件，包含：一半導體結構組合，包含至少一p-n接面且具有一正表面；一正面電極，係選擇性地形成於該正表面上；以及一介面玻璃層，係形成在該正面電極與該正表面之間，其中該正面電極包含形成在該介面玻璃層上之一團塊電極以及自該團塊電極延伸至該介面玻璃層內之多個樹枝狀金屬微結構。
9. 如請求項8所述之光伏元件，其中該正面電極係利用如請求項1至3中任一項所述之導電漿料所形成。