TWI591650B - 具有改質金屬粒子的導電膠及其製造方法暨太陽能電池元件 - Google Patents

Description

具有改質金屬粒子的導電膠及其製造方法暨太陽能電池元件

本發明係有關一種太陽能電池用之導電膠，特別有關一種具有改質金屬粒子的導電膠。

近年來，由於全球暖化、化石能源污染的排放、核廢料及新電廠場址選擇等問題，新型式的替代能源引起世人高度重視。其中，直接將太陽能轉換成電能且無污染的太陽能電池的研發已有長足的進展。

目前廣泛使用的太陽能電池係於受光面附近成形有一p-n接面，且於太陽能電池吸收光能時會產生電子流。常見的電池設計，係在電池前後二側分別形成電極。通常為了供電於大電壓電器，該等電池係以串聯方式電性連接以增加電壓。

傳統的太陽能電池係採用p型的基板，然後再利用高溫熱擴散的處理，使p型的基板上形成一層薄薄的n型半導體。在進行擴散程序前，會在表面上形成一織狀結構(Texturing)，並加入抗反射層，以減少光的反射量。接著，進行網印程序，將製作完成的晶圓，塗佈銀(Ag)膠及鋁(Al)膠，以一網印機將一種預設圖形印刷在晶圓的兩面。然後，進行共同燒結程序，將印刷有銀膠及鋁膠之晶圓，共同通過高溫燒結爐，使得銀膠及鋁膠可分別與晶圓之對應 面產生共晶結構，而與晶圓因此具有一定之歐姆接觸(ohmic contact)。如此，便可於晶圓之表面接出導電電極，以完成一個簡單的太陽電池面板。

上述用於太陽能電池的導電膠主要可分為銀膠及鋁膠，銀膠主要用來當作電池的電極，其優異的導電率，可提高太陽能電池轉換效率。銀膠又可分為止面銀膠與背面銀膠，分別應用在太陽能電池的止/反面。而鋁膠則是於背面銀電極印在矽晶圓後，再印上燒結後作為背面電場。均勻的背面電場透過鋁膠匯集止極電洞，並串連止銀、背銀電極的負極電子，達到導引電流並增加電池效率功能。

目前，導電膠的主要成份為金屬粉及玻璃料，其中金屬粉的金屬粒子大小只有2-3微米，金屬粒子與金屬粒子之間皆有相互吸引力使其團聚，因而在形成粒徑大小不一的金屬粒子，若不改善其團聚情形，經過固化或是高溫燒結後，因為粒徑大小不一，堆疊緻密性就會不佳，因而導電性會因堆疊空隙多而下降。

本發明係提供一種具有改質金屬粒子的導電膠，包含：改質金屬粒子、玻璃料、樹脂及有機溶劑，金屬粒子經過改質，可形成金屬粒子之間的立體障礙，減少團聚情形發生，改善導電膠的導電性。

為達上述之目的，本發明提供一種具有改質金屬粒子的導電膠，包含：改質金屬粒子、玻璃料、樹脂及有機溶劑，該改質金屬粒子係以0.5wt%-5wt%的耦合劑改質。

本發明之一態樣，耦合劑可為矽烷類、鈦烷類或鋯烷類等。金屬粒子可為銀粒子或銀合金粒子。上述玻璃料的軟化點溫度範圍為330-500℃。樹 脂為甲基纖維素或乙基纖維素。有機溶劑包括但不限於沸點小於等於200℃的低沸點有機溶劑、沸點大於200℃的高沸點有機溶劑或上述兩種之混合物。低沸點有機溶劑分別為異丙醇、止丁醇或異丁醇；乙醚、異丙醚或二乙二醇單丁醚；或者醋酸、丁酸或己酸。高沸點有機溶劑例如為聯苯、松油醇、二苯醚、丙三醇。本發明具有改質金屬粒子的導電膠的軟化點溫度範圍為285-310℃。由該導電膠形成的金屬電極的體積電阻範圍為10^-6~10^-7ohm‧cm。

本發明另提供太陽能電池元件，包含藉由燒結上述具有改質金屬粒子的導電膠所形成的金屬電極。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

S10-S18‧‧‧步驟

圖1係本發明之一實施例具有改質金屬粒子的導電膠之製備方法的步驟流程圖。

圖2係本發明之一實施例金屬粒子與耦合劑結合的示意圖，其中X包括但不限於Ti、Si或Zr，R是指烷基。

以下將詳細說明本發明之有改質金屬粒子的導電膠之製備方法。請參考圖1，圖1係本發明之一實施例具有改質金屬粒子的導電膠之製備方法的步驟流程圖。改質金屬粒子的製備方法包含以下步驟：S10，使用酸洗劑清洗以去除金屬粒子表面的氧化物，此金屬粒子例如銀粒子或銀合金粒子，酸洗劑可 為甲苯溶液；S12，將金屬粒子烘乾，例如放置在烘箱中以溫度50-80℃烘乾；S14，添加耦合劑，均勻反應在金屬粒子的表面上，較佳是完全包覆金屬粒子；S16，加入玻璃料，與金屬粒子均勻混合，此時耦合劑也會包覆玻璃料，本實施例提供的玻璃料的軟化點溫度範圍為330-500℃；及S18，加入樹脂及有機溶劑均勻攪拌形成導電膠。

本實施例中，耦合劑可以是絕緣熱塑性矽烷類、鈦烷類或鋯烷類，但不限於以上烷類有機物。耦合劑均勻塗佈在金屬粒子的表面上可降低金屬粒子之間的吸引力。因此，具有耦合劑改質的金屬粒子的導電膠經過固化或高溫燒結，可減少團聚情形發生，堆疊緻密性較佳，故導電性會因此而上升。本實施例中，樹脂係用於作為導電組成物乾燥後燒結前的支撐物，為避免燒結後影響電性，以燒結後不殘留碳者為佳。可使用樹脂作為黏合劑，以熱塑性樹脂為佳，且較佳係選自纖維素、丙烯酸類樹脂、聚酯樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂、醇酸樹脂、環氧樹脂或其混合物，更佳為纖維素、丙烯酸類樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂或其混合物。

本實施例所使用之纖維素可為甲基纖維素(methyl cellulose)、乙基纖維素(ethyl cellulose)、木松香、聚丙烯腈或其混合物。可用於本實施例的丙烯酸類樹脂之種類，例如包括，但不限於：聚胺基甲酸酯丙烯酸酯，如脂肪族聚胺基甲酸酯丙烯酸酯；聚環氧丙烯酸酯，如聚酚醛環氧丙烯酸酯(novolac epoxy acrylate)；聚酯丙烯酸酯；以聚酯多元醇為主之丙烯酸酯(polyester polyol based acrylate)；丙烯酸酯均聚物或共聚物；或彼等之混合物。

有機溶劑係用於調整導電膠至適當黏度，有機溶劑包括但不限於沸點小於等於200℃的低沸點有機溶劑、沸點大於200℃的高沸點有機溶劑或上述兩種之混合物。低沸點有機溶劑分別為異丙醇、正丁醇或異丁醇；乙醚、異丙 醚或二乙二醇單丁醚；或者醋酸、丁酸或己酸。高沸點有機溶劑例如為聯苯、松油醇、二苯醚或丙三醇。

圖2係本發明之一實施例金屬粒子與耦合劑結合的示意圖，其中X表示Ti、Si或Zr，R是指烷基。金屬粒子表面的氫氧基與耦合劑的烷氧基作用而結合，可形成金屬粒子之間的立體障礙，減少團聚情形發生，改善塗佈效果並增加導電膠的導電性。

另外，玻璃料因為表面有耦合劑參與燒結，其耦合劑軟化點小於玻璃放熱峰溫度，故由微差掃描熱量儀(DSC)量測，其接近耦合劑軟化點溫度時會有其放熱峰，放熱後會加速玻璃料熔融，故其玻璃軟化點會降低。因此，可節省燒結所使用的能源，提高燒結效率。

(實施例)

將100g的銀粉置入甲苯溶液中均勻攪拌，時間大約1小時，之後置入烘箱以溫度50-80℃烘乾，將烘乾的銀粒子取出數克，並加入1wt%(以銀粉總重為基準)熱塑性鈦烷類耦合劑，將其均勻攪拌，然後加入少量玻璃料，與銀粒子跟耦合劑均勻攪拌融合，之後添加有機溶劑至100g，攪拌後移至三滾筒分散形成導電膠。

實施例2的導電膠除了鈦烷類耦合劑以矽烷類耦合劑代替外，其餘步驟與實施例1相同。又，實施例3的導電膠除了鈦烷類耦合劑以鋯烷類耦合劑代替外，其餘步驟與實施例1相同。將實施例1-3與比較例之導電膠分別網印，經過溫度750℃-900℃高溫燒結，形成金屬電極。形成的金屬電極經由四點探針測試得知電阻。此外，將實施例1-3與比較例之導電膠分別經過DSC量測儀測試得知軟化點。

比較結果如表1。由表1看出添加矽烷類、鈦烷類或鋯烷類耦合劑確實可降低金屬電極的電阻及導電膠的軟化點。

另外，矽烷類耦合劑改質銀粒子之導電膠中耦合劑含量對其電阻及軟化點的影響，如表2所示。表2中實施例4、5及6係使用矽烷類耦合劑改質銀粒子之導電膠，其中矽烷類耦合劑含量分別為1wt%、3wt%及5wt%。將實施例4-6與比較例之導電膠分別網印，經過溫度750℃-900℃高溫燒結，形成金屬電極。形成的金屬電極經由四點探針測試得知電阻。此外，將實施例4-6與比較例之導電膠分別經過DSC量測儀測試得知軟化點。

由表2中數據可看出，實施例4-6與比較例之金屬電極的電阻隨著矽烷類耦合劑含量增加而降低。實施例4-6與比較例之導電膠的軟化點也是隨著矽烷類耦合劑含量增加而降低。

本發明具有改質金屬粒子的導電膠可應用於任何習知的太陽能電池取代習知的導電膠，作為電陽能電池元件中的金屬電極。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，非用以限定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。

S10-S18‧‧‧步驟

Claims (8)

1. 一種具有改質金屬粒子的導電膠，包含：改質金屬粒子、玻璃料、樹脂及有機溶劑，該改質金屬粒子係以1wt%-3wt%的耦合劑改質並於該改質金屬粒子表面上具有連結耦合劑的官能基所形成的一立體障礙，其中該耦合劑為鈦烷類或鋯烷類，以及該導電膠的軟化點溫度範圍為285-310℃。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠，其中該有機溶劑係沸點小於等於200℃的低沸點有機溶劑、沸點大於200℃的高沸點有機溶劑或上述兩種之混合物。
3. 如申請專利範圍第2項所述之導電膠，其中該低沸點有機溶劑為異丙醇、正丁醇或異丁醇；乙醚、異丙醚或二乙二醇單丁醚；或者醋酸、丁酸或己酸。
4. 如申請專利範圍第2項所述之導電膠，其中該高沸點有機溶劑為聯苯、松油醇、二苯醚或丙三醇。
5. 如申請專利範圍第1項所述之導電膠，其中由該導電膠形成的金屬電極的體積電阻範圍為1x10^-6-1x10^-7Ω‧cm。
6. 一種太陽能電池元件，包含藉由燒結申請專利範圍第1至5項中任一項之導電膠所形成的金屬電極。
7. 一種具有改質金屬粒子的導電膠之製造方法，包含以下步驟：(a)使用酸洗劑清洗以去除金屬粒子表面的氧化物；(b)添加一耦合劑，使該耦合劑與金屬粒子的表面均勻反應，讓金屬粒子表面的氫氧基與耦合劑的烷氧基結合而使得耦合劑之官能基在金屬粒子表面上形成立體障礙，其中該耦合劑為鈦烷類或鋯烷類； (c)加入玻璃料，與金屬粒子均勻混合；及(d)加入樹脂及有機溶劑均勻攪拌形成導電膠。
8. 如申請專利範圍第7項所述的導電膠之製造方法，其中該步驟(b)係藉由金屬粒子表面的氫氧基與耦合劑的烷氧基作用而結合。