TWI556457B - 銀膠組合物、使用彼形成之用於太陽能電池的前電極、以及利用彼之太陽能電池 - Google Patents

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Description

銀膠組合物、使用彼形成之用於太陽能電池的前電極、以及利用彼之太陽能電池
本發明係關於一種銀膠組合物、一種使用彼形成之用於太陽能電池的前電極(front electrode)、以及一種利用彼之太陽能電池。
太陽能電池，其為一種由太陽能產生電能的電池，其因太陽能為一種環境友善能源(eco-friendly energy source)且無窮盡而具有長壽命。同時，傳統能源如石油或煤的耗竭係可預期的，且因此太陽能電池作為一種取代彼等傳統能源之能源近來已受到最大注意。
太陽能電池大致上被劃分為矽太陽能電池(silicon solar cell)、化合物半導體太陽能電池(compound semiconductor solar cell)、依據一源材料(source material)之串聯太陽能電池(tandem solar cell)。在彼等之中，矽太陽能電池為一主流。
太陽能電池包括：一由一使光吸收良好同時減少光 反射之抗反射塗層(anti reflection coating，ARC)所構成的矽晶圓、一由一p/n接面所構成的矽晶圓、一發射體(emitter)、與一基底(base)、以及將由光產生之電誘導至外部電路中之一前電極與一後電極(rear electrode)。該二個電極係依匯流排(bus bar)、後鋁(rear aluminum)、及前銀(Ag)(front silver(Ag))膠之順序藉由交互地執行印刷與乾燥並隨後在600至950℃之溫度範圍內實施共燒(co-firing)而形成。
矽太陽能電池之前電極係藉由一用於形成前電極之金屬膠(metal paste)與抗反射塗層之界面反應(interfacial reaction)而形成。在此情形中，包括於金屬膠中的銀係在高溫下於液體狀態時藉由一經由玻璃熔料(glass frit)穿透抗反射塗層之衝穿現象(punch through phenomenon)而接觸一發射層(emitter layer)，且隨後再次再結晶至固體狀態。
玻璃熔料係產生與抗反射塗層之界面反應以蝕刻抗反射塗層，且玻璃熔料之部分元素係藉由一氧化還原反應而還原從而被產生為產物。現有玻璃熔料係使用氧化鉛(PbO)作為一主要組分且因此經受界面反應而隨後鉛被還原，其造成環境問題。
為了解決上述問題，已提出使用氧化鉍(Bi2O3)來代替氧化鉛之無鉛玻璃熔料(lead-free glass frit)。然而，相較於包括氧化鉛之現有玻璃熔料，氧化鉍系玻璃熔料可具有在電極與一基材之間較低的接觸電阻(contact resistance)。
因此，可製造一種相較於現有太陽能電池更為環境 友善且具有更優異性能的太陽能電池之玻璃熔料亟需迫切發展。
[相關技術文件]
[專利文件]
韓國專利第10-1276671號。
本發明之一目的在於提供一種用於一用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物，其能夠形成用於太陽能電池之前電極。
本發明之另一目的在於提供一種藉由使用一用於一用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物所形成的用於太陽能電池的前電極。
本發明之又一目的在於提供一種利用一用於太陽能電池的前電極之太陽能電池。
本發明提供一種用於一用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物，其具有優異的蝕刻能力從而在一寬廣範圍內產生蝕刻以擴展前電極的區域，具有低接觸電阻，且具有高轉化效率(conversion efficiency)。
在一通常態樣中，一銀膠組合物包括：(a)銀粉末(silver powder)；(b)無鉛玻璃熔料，包括Bi2O3、TeO2、與V2O5；以及(c)一有機載體(organic vehicle)，其中該玻璃熔料不包括 鉛(Pb)，尤其是PbO。
該玻璃熔料可包括選自以下群組之至少一者：SiO2、ZnO、Li2O、B2O3、Al2O3、CuO、Na2O、ZrO2、MgO、P2O5、CaO、BaO、SnO、SrO、K2O、TiO2、以及MnO2。
該玻璃熔料可包括40至80重量%之Bi2O3、1至30重量%之TeO2、以及1至30重量%之V2O5。
該玻璃熔料可包括40至80重量%之Bi2O3、1至30重量%之TeO2、1至30重量%之V2O5、0.1至10重量%之ZnO、0.1至15重量%之SiO2、0.1至10重量%之Li2O、以及0.1至10重量%之B2O3。
該玻璃熔料可能以0.1至15重量%被包括於該銀膠組合物。
該玻璃熔料可具有等於或低於420℃的玻璃轉換溫度(glass transition temperature)以及等於或低於550℃的熔點。
該有機載體可經由如下製備：將選自以下群組之至少一者：纖維素樹脂(cellulose resin)，如乙基纖維素、甲基纖維素、硝化纖維素、與纖維素酯(cellulose ester)；丙烯酸樹脂(acrylic resin)，如松香或醇式聚甲基丙烯酸酯(alcoholic polymethacrylate)、與丙烯酸酯(acrylic ester)；以及聚乙烯系樹脂(polyvinyl-based resin)，如聚乙烯醇與聚乙烯丁醛(polyvinyl butyral)，添加至選自以下群組之至少一者：三甲基戊二醇二異丁酸酯(trimethyl pentanyl diisobutylate，TXIB)、二元酯(dibasic ester)、丁卡必醇(butyl carbitol，BC)、丁卡必醇乙酸酯(butyl carbitol acetate)、丁氧乙醇(butyl cellosolve)、丁氧乙醇乙酸酯(butyl cellosolve acetate)、丙二醇單甲基醚(propylene glycol monomethyl ether)、二丙二醇單甲基醚、己二酸二甲酯(dimethyl adipate)、二甲基戊二酸酯(dimethyl glutarate)、丙二醇單甲基醚丙酸酯(propylene glycol monomethyl ether propionate)、乙醚丙酸酯(ethyl ether propionate)、萜品醇(terpineol)、丙二醇單甲基醚乙酸酯、二甲胺基甲醛(dimethyl amino formaldehyde)、甲基乙基酮、γ-丁內酯(gamma butyrolactone)、乳酸乙酯、以及特沙諾(Texanol)。
一種用於太陽能電池的前電極係由根據本發明之例示性實施態樣之用於該用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物所形成。
提供一種利用根據本發明之例示性實施態樣之用於太陽能電池的前電極之太陽能電池。
根據本發明之例示性實施態樣，該銀膠組合物具有低的與抗反射塗層之接觸電阻同時具有優異的蝕刻能力，且因此利用該使用該銀膠組合物而形成之用於太陽能電池的前電極之太陽能電池可具有高效率。
亦即，根據本發明之例示性實施態樣的銀膠組合物可改善基材與前電極之間的黏著性，具有優異的蝕刻能力從而在 一寬廣範圍內實施蝕刻俾使擴展藉由使銀再結晶而形成的前電極區域，且具有低的與抗反射塗層之接觸電阻及高開路電壓(open circuit voltage)以改善太陽能電池之效率。
本發明提供一種用於一用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物。根據本發明之例示性實施態樣的銀膠組合物包括：(a)銀粉末；(b)無鉛玻璃熔料，包括Bi2O3、TeO2、與V2O5；以及(c)一有機載體。
根據本發明之例示性實施態樣的銀膠組合物藉由包括Bi2O3來代替鉛(尤其是PbO)而具有優異的蝕刻能力且因無PbO而為環境友善的。
再者，根據本發明之例示性實施態樣的銀膠組合物藉由包括TeO2與V2O5以及Bi2O3而更改善蝕刻能力同時增進基材與前電極之間的黏著性，且降低與抗反射塗層之接觸電阻從而增進開路電壓。
根據本發明之例示性實施態樣的玻璃熔料可包括40至80重量%之Bi2O3、1至30重量%之TeO2、以及1至30重量%之V2O5。
為了降低與抗反射塗層之接觸電阻同時具有較高的 蝕刻能力，根據本發明之例示性實施態樣的玻璃熔料較佳可更包括選自以下群組之至少一者：SiO2、ZnO、Li2O、B2O3、Al2O3、CuO、Na2O、ZrO2、MgO、P2O5、CaO、BaO、SnO、SrO、K2O、TiO2、以及MnO2，且更佳可更包括ZnO、SiO2、Li2O、與B2O3，以及玻璃熔料可包括40至80重量%之Bi2O3、1至30重量%之TeO2、1至30重量%之V2O5、1至10重量%之ZnO、0.1至10重量%之SiO2、0.1至10重量%之Li2O、以及0.1至10重量%之B2O3。
為了增進轉化效率，根據本發明之例示性實施態樣的玻璃熔料可較佳包括Bi2O3、TeO2、V2O5、ZnO、SiO2、Li2O、與B2O3。更詳細言之，玻璃熔料可包括40至70重量%之Bi2O3、5至20重量%之TeO2、1至20重量%之V2O5、1至10重量%之ZnO、3至10重量%之SiO2、0.5至5重量%之Li2O、以及1至8重量%之B2O3。
根據本發明之例示性實施態樣的銀(Ag)粉末是導電性金屬、其提供電器特性給該用於形成該用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物，且亦包括氧化銀、銀合金、銀化合物、以及一可藉由除純銀粉末外之其他燒成(firing)而誘導銀粉末的材料，其中可單獨使用該材料或者可使用至少二個該材料之混合物。
只要銀粉末具有對本發明所屬技術領域而言已知的形狀，則銀粉末之形狀可不受特殊限制而應用。舉例而言，銀粉末可包括但不限於：球形形狀、薄片(flake)形狀、或其組合。在考慮到所欲燒結速度、形成電極之製程的效果等情形下，銀粉末之晶粒尺寸可控制至一適當範圍。根據本發明之例示性實施態 樣的銀粉末的平均晶粒尺寸d50可具有但不限於範圍在約0.5至4.0微米的尺寸。
可使用純度等於或高於80%、較佳95%或更高的銀粉末，但銀粉末並不受特殊限制，只要其具有滿足電極通常需求的條件的純度。
考慮到不引起低劣的印刷能力之經濟方面，每100重量%之銀膠組合物可包括有約60至95重量%之銀粉末，較佳有約70至約85重量%，在此情形下膠的黏度為低的或者製造出相分離。
每100重量%之固體內容物可包括有約80至99重量%之銀粉末，在銀膠組合物中一有機溶劑被排除在固體內容物之外。
根據本發明之例示性實施態樣的玻璃熔料可能以0.1至15重量%被包括於該銀膠組合物。
根據本發明之例示性實施態樣的玻璃熔料可較佳具有等於或低於420℃的玻璃轉換溫度以及等於或低於550℃的熔點。
亦即，根據本發明之例示性實施態樣的銀膠組合物係包括每100重量%之銀膠組合物有60至95重量%之銀粉末、0.1至15重量%之玻璃熔料、以及剩餘量的有機載體。
關於根據本發明之例示性實施態樣的有機載體，使用於用於太陽能電池的電極膠(electrode paste)中之有機載體可通常被使用且可為，例如，聚合物與一溶劑的混合物。較佳地，有機載體可經由如下製備：將選自以下群組之至少一者：纖維素 樹脂，如乙基纖維素、甲基纖維素、硝化纖維素、與纖維素酯；丙烯酸樹脂，如松香或醇式聚甲基丙烯酸酯、與丙烯酸酯；以及聚乙烯系樹脂，如聚乙烯醇與聚乙烯丁醛，添加至選自以下群組之至少一者：三甲基戊二醇二異丁酸酯(TXIB)、二元酯、丁卡必醇(BC)、丁卡必醇乙酸酯、丁氧乙醇、丁氧乙醇乙酸酯、丙二醇單甲基醚、二丙二醇單甲基醚、己二酸二甲酯、二甲基戊二酸酯、丙二醇單甲基醚丙酸酯、乙醚丙酸酯、萜品醇、丙二醇單甲基醚乙酸酯、二甲胺基甲醛、甲基乙基酮、γ-丁內酯、乳酸乙酯、以及特沙諾。
為了輕易地分散銀粉末且防止太陽能電池的轉化效率因燒成後剩餘碳的存在的增加而衰退，根據本發明之例示性實施態樣的有機載體可較佳以介於4重量%至35重量%之範圍被包括於每100重量%之組合物。
根據本發明之例示性實施態樣的銀膠組合物可更包括有機添加物，其中有機添加物可選自一分散劑、一增稠劑(thickener)、一觸變劑(thixotropic agent)、一調平劑(leveling agent)等。分散劑可包括但不限於由路博潤公司(LUBRIZOL Co.)製造的SOLSPERSE、由BYK公司製造的DISPERBYK-180、110、996、與997等。增稠劑可包括但不限於由BYK公司製造的BYK-410、411、420等。觸變劑可包括但不限於由海名斯公司(ELEMENTIS Co.)製造的THIXATROL MAX、與由BYK公司製造的ANTI-TERRA-203、204、205等。調平劑可包括但不限於由 BYK公司製造的BYK-3932 P、BYK-378、BYK-306、BYK-3440等。每100重量%之銀膠組合物可包括約1至20重量%之有機添加物。
再者，本發明提供藉由使用銀膠組合物所形成之用於太陽能電池的前電極。
前電極係藉由於晶圓基材上印刷、乾燥、及燒成銀膠組合物的製程而形成。印刷方法可使用網版印刷等，但並不受特殊限制。
再者，本發明係提供包括該用於太陽能電池的前電極之太陽能電池。
根據本發明之例示性實施態樣的太陽能電池係包括一第一導電型基材(first conductivity type substrate)、一第二導電型發射層形成於該基材上、一抗反射塗層形成於該發射層上、一前電極穿透該抗反射塗層以連接至該發射層且使用該銀膠組合物而製成、以及一後電極形成於該基材之一後表面上。
第一導電型基材可選自P型或N型。第二導電型發射層可經選擇以具有與基材相反的導電型。用雜質摻雜3族元素以形成一P+層，以及用雜質摻雜5族元素以形成一N+層。舉例而言，可摻雜B、Ga、與In以形成P+層，以及可摻雜P、As、與Sb以形成N+層。P-N接面係形成於介於基材與發射層之間的介面且為一接收太陽光以使用光伏打效應(photovoltaic effect)而產生電流之部件。藉由光伏打效應產生的電子與電洞係各自被吸引到P層與N層且因此移動至結合於基材之下部與發射層之上部的電極之各者， 以及可藉由施加一負載至電極而產生電力。
抗反射塗層係減少入射於太陽能電池之前表面上的太陽光的反射。當太陽光的反射被減少時，到達P-N接面的光通量(light quantity)係增加，且因此太陽能電池的短路電流(short-circuit current)係增加而太陽能電池的轉化效率係經改善。
舉例而言，抗反射塗層可具有一選自氮化矽膜、包括氫的氮化矽膜、氧化矽膜、與氮氧化矽膜之任一者的單一層，或者上述之至少二者的多層，但並不限於此。
前電極與後電極可藉由已知的多種技術製造，但較佳為藉由一網版印刷方法而形成。前電極係於前電極形成點(front electrode forming point)上藉由網版印刷根據本發明之銀膠組合物並熱處理銀膠組合物而形成。當實施熱處理時，前電極係藉由一衝穿現象而衝擊抗反射塗層且因此接觸發射層。
後電極係於基材之一後表面上藉由印刷包括鋁做為導電金屬之膠組合物並隨後熱處理膠組合物而形成。在熱處理後電極時，鋁係擴散至基材之後表面，且因此一背場層(backside field layer)可形成於一介於後電極與基材之間的邊界面(boundary surface)。當背場層形成時，載子(carrier)可藉由移動至基材的後表面而防止再結合，由此改善太陽能電池的轉化效率。
以下，將詳細描述本發明之詳細實施態樣。本說明書及申請專利範圍中所使用的用語及單詞係不應被理解為一般意義或字典意義，而應被理解為基於一原則其中本發明人可適當地 定義用語之概念以符合本發明所屬技術思想的意義與概念從而描述其擁有之最佳模式的發明。
[實施例1至11]玻璃熔料之製備
於以下表1中所描述的組分係依所指比例(重量%)混合，在1100℃下熔化30分鐘，在純水(H2O)淬火(quench)，且隨後迅速冷卻(rapidly cooled)。經迅速冷卻的玻璃熔料係藉由一球磨粉碎機(ball-mill pulverizer)粉碎以製備具有平均晶粒尺寸為1至3微米的玻璃熔料。
對應於各實施態樣之玻璃熔料的組分及含量係顯示於以下表1中。
[比較實施例1至2]玻璃熔料之製備
比較實施例1至2藉由與實施例1至11相同的方法製備玻璃熔料，惟使用以下表2中所描述的組分及含量。
[實施例12至22及比較實施例3與4]銀膠組合物之製備
銀膠組合物係各自使用根據實施例1至11及比較實施例1與2所製備的玻璃熔料而製備。
銀粉末之三種類係基於平均晶粒尺寸所選擇且使用具有0.3微米與2重量%、1.6微米與43.5重量%、及2.2微米與43.5重量%之銀粉末的組合。玻璃熔料使用2重量%之示於上述表1的實施 例1至11以及比較實施例1與2之組合物。作為有機黏合劑(organic binder)，係各自以1重量%使用纖維素酯(由伊士曼公司(EASTMAN Co.)製造的CAB-382-20)與乙基纖維素樹脂(由亞跨龍公司(AQUALON Co.)製造的ECN-50)；作為有機溶液，係使用2.0重量%之三甲基戊二醇二異丁酸酯(TXIB)、3.0重量%之二元酯(由TCI公司所製造的己二酸二甲酯/二甲基戊二酸酯/丁二酸二甲酯(dimethyl succinate)之混合物)、1.0重量%之丁卡必醇(BC)；以及作為添加劑，係添加0.5重量%之觸變調節劑(thixotropic adjuster)(由海名斯公司製造的THIXATROL MAX)與0.5重量%之分散劑(由路博潤公司製造的SOLSPERSE)，由此製備銀膠組合物。
[實施例23至33及比較實施例5與6]太陽能電池之製造
關於太陽能電池之製造，係使用156毫米之單晶矽晶圓，以及具有片電阻為100歐姆/平方(Ω/sq)的發射層係藉由在管式爐(tube furnace)中於810℃下經由一使用POCl3的擴散製程(diffusion process)摻雜磷而形成，以及抗反射塗層係經由藉由使用前驅物SiH4與NH3之電漿加強化學氣相沉積(PECVD)而沉積氮化矽膜於發射層上以形成為70奈米之厚度。
使用具有3微米之尺寸的鋁粉末與無鉛玻璃粉末、作為有機黏合劑的乙基纖維素(由陶氏公司(DOW Co.)製造的STD-10)、以及作為溶劑的萜品醇。75重量%之鋁粉末(金昊公司 (JINHAO Co.))及2重量%之無鉛玻璃粉末係與23重量%之有機黏合劑混合且隨後混合物係在2000rpm之攪拌速度下分散4小時，由此製備鋁膠(aluminum paste)。鋁膠係藉由網版印刷方法而以30微米之厚度塗覆在形成有抗反射塗層之基材的後表面上，且隨後塗覆有鋁膠的基材係在250℃的乾燥爐中乾燥60秒。前電極係經由藉由網版印刷方法而以20微米之厚度塗覆本發明之實施例12至22以及比較實施例3至4中所製備的銀膠組合物、且隨後在200℃的乾燥爐中乾燥60秒而製造。
印刷有前電極之基材係在820℃的帶式燒成爐(belt firing furnace)中燒成1分鐘以製造太陽能電池。
<光轉化效率的測量>
所得太陽能電池之電氣性能(electrical performance)係使用一電池模擬器(cell simulator)所測量，一由奧立歐公司(Oriel Co.)製造的光源係施加至該模擬器。太陽能電池的性能係在1.0太陽條件(1.0 sun condition)下測量且所測得數值係藉由以下表3之光轉化效率(%)所代表。

Claims (9)

  1. 一種用於一用於太陽能電池的前電極(front electrode)之銀膠組合物(silver paste composition)，包含：(a)銀粉末(silver powder)；(b)無鉛玻璃熔料(lead-free glass frit)，包括Bi2O3、TeO2、與V2O5；以及(c)一有機載體(organic vehicle)。
  2. 如請求項1之銀膠組合物，其中該玻璃熔料包括選自以下群組之至少一者：SiO2、ZnO、Li2O、B2O3、Al2O3、CuO、Na2O、ZrO2、MgO、P2O5、CaO、BaO、SnO、SrO、K2O、TiO2、以及MnO2。
  3. 如請求項1之銀膠組合物，其中該玻璃熔料包括40至80重量%之Bi2O3、1至30重量%之TeO2、以及1至30重量%之V2O5。
  4. 如請求項1之銀膠組合物，其中該玻璃熔料包括40至80重量%之Bi2O3、1至30重量%之TeO2、1至30重量%之V2O5、0.1至10重量%之ZnO、0.1至15重量%之SiO2、0.1至10重量%之Li2O、以及0.1至10重量%之B2O3。
  5. 如請求項1之銀膠組合物，其中該玻璃熔料具有等於或低於420℃的玻璃轉換溫度(glass transition temperature)以及等於或低於550℃的熔點。
  6. 如請求項1之銀膠組合物，其中該玻璃熔料係以0.1至15重量%被包括於該銀膠組合物。
  7. 如請求項1之銀膠組合物，其中該有機載體係經由如下製備：將選自以下群組之至少一者：纖維素樹脂(cellulose resin)、丙烯酸樹脂(acrylic resin)、以及聚乙烯系樹脂(polyvinyl-based resin)，添加至選自以下群組之至少一者：三甲基戊二醇二異丁酸酯(trimethyl pentanyl diisobutylate，TXIB)、二元酯(dibasic ester)、丁卡必醇(butyl carbitol，BC)、丁卡必醇乙酸酯(butyl carbitol acetate)、丁氧乙醇(butyl cellosolve)、丁氧乙醇乙酸酯(butyl cellosolve acetate)、丙二醇單甲基醚(propylene glycol monomethyl ether)、二丙二醇單甲基醚、己二酸二甲酯(dimethyl adipate)、二甲基戊二酸酯(dimethyl glutarate)、丙二醇單甲基醚丙酸酯(propylene glycol monomethyl ether propionate)、乙醚丙酸酯(ethyl ether propionate)、萜品醇(terpineol)、丙二醇單甲基醚乙酸酯、二甲胺基甲醛(dimethyl amino formaldehyde)、甲基乙基酮、γ-丁內酯(gamma butyrolactone)、乳酸乙酯、以及特沙諾(Texanol)。
  8. 一種用於太陽能電池的前電極，由請求項1至7中任一項之用於該用於太陽能電池的前電極之銀膠組合物所形成。
  9. 一種太陽能電池，利用如請求項8之用於太陽能電池的前電極。
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