TWI598887B - 電極組成物、使用其製造的電極以及太陽電池 - Google Patents

電極組成物、使用其製造的電極以及太陽電池 Download PDF

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Description

電極組成物、使用其製造的電極以及太陽電池
實施例涉及一種電極組成物、一種使用其製造的電極以及一種太陽電池。
太陽電池使用將日光的光子轉化成電的p-n接面的光生伏打效應來產生電能。在太陽電池中，前電極和背電極分別形成於具有p-n接面的半導體晶圓或基底的前表面和後表面上。接著，藉由進入半導體晶圓的日光誘發p-n接面的光生伏打效應，並且由p-n接面的光生伏打效應產生的電子將電流經由電極提供到外部。
太陽電池的電極可以藉由塗佈、圖案化以及燒製（firing）電極組成物而以預定圖案形成於晶圓的表面上。太陽電池的轉化效率已知藉由以下方式改進：改進電極與基底的接觸性質，因此最小化接觸電阻（Rc ）和串聯電阻（Rs ）；或用有機材料將絲網罩幕的圖案線寬調節爲較小，並且因此形成細線並且增加短路電流（Isc ）。然而，用絲網罩幕減小電極圖案的線寬的方法可能會導致串聯電阻（Rs ）增加並且使精細圖案的連續可印刷性退化。
在被製造成最終模組的過程期間，基底上的電極圖案應該經由條帶彼此連接並且附接到基底上，但當電極圖案從基底剝離時，可能出現電連接缺點，並且可能使可靠性退化。因此，需要能夠在電極圖案的形成期間確保電極圖案的可印刷性並且改進其黏著力的電極組成物。
一個實施例提供一種電極組成物，其具有極好的連續可印刷性並且能夠增加基底與電極圖案的黏著力，因此改進太陽電池的效率和可靠性。
另一個實施例提供一種使用所述電極組成物製造的電極。
又一個實施例提供一種包含所述電極的太陽電池。
本發明可以實施其它實施例。
一個實施例提供一種電極組成物，其包含：導電粉末；玻璃料；包含有機黏合劑、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶劑的有機媒劑，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量爲200到500，並且以電極組成物的100重量%計，所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物是以0.15重量%到2重量%的量存在。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以由二(甲基)丙烯酸酯化合物、三(甲基)丙烯酸酯化合物、四(甲基)丙烯酸酯化合物以及其混合物中選出。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以由以下各項中選出：三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯（trimethylolpropane tri(meth)acrylate）、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯（ethylene glycoldi(meth)acrylate）、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯（triethylene glycol di(meth)acrylate）、丁二醇二(甲基)丙烯酸酯（butanediol di(meth)acrylate）、己二醇二(甲基)丙烯酸酯（hexanedioldi(meth)acrylate）、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯（pentaerythritol tri(meth)acrylate）、三羥甲基三(甲基)丙烯酸酯（trimethylol tri(meth)acrylate）、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯（pentaerythritol tetra(meth)acrylate）以及其混合物。
以電極組成物的100重量%計，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以0.15重量%到2重量%的量存在。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量可以是250到400。
電極組成物的多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以在200℃到400℃下熱處理之後殘留在所得膜中。
玻璃料可以由鉍類玻璃料、鉛類玻璃料以及其混合物中選出。
鉍類玻璃料可以是鉍（Bi）-碲（Te）玻璃料。鉍（Bi）-碲（Te）玻璃料可以包含20莫耳%到80莫耳%氧化碲和20莫耳%到80莫耳%氧化鉍。
電極組成物可以包含：60重量%到95重量%導電粉末；0.5重量%到20重量%玻璃料；以及1重量%到30重量%有機媒劑。
電極組成物可以包含由以下各項中選出的至少一個：表面處理劑、分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外（UV）穩定劑、抗氧化劑、偶合劑等。
另一個實施例提供一種使用所述電極組成物製造的電極。
另一個實施例提供一種包含所述電極的太陽電池。
所述電極組成物具有極好的連續可印刷性並且可以增加基底與電極圖案的黏著力並且改進太陽電池的效率。
將參考附圖在下文中更加全面地描述本發明，在這些附圖中展示了本發明的例示性實施例。如所屬領域的技術人員將認識到，可以各種不同的方式修改所描述的實施例，其都是在不脫離本發明的精神或範圍的情况下進行。
在附圖中，爲清楚起見，放大層、膜、面板、區域等的厚度。在整篇說明書中，相同圖式元件符號表示相同元件。應理解，當將一個元件，如層、膜、區域或基底稱爲在另一個元件“上”時，其可以是直接在所述另一個元件上，或還可以存在插入元件。相比之下，當元件被稱作“直接在”另一個元件“上”時，不存在插入元件。
一個實施例提供一種電極組成物，其包含：導電粉末；玻璃料；以及有機媒劑，其包含有機黏合劑、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶劑。
在下文中，對本發明進行詳細描述。
所述電極組成物包含金屬粉末作爲導電粉末。所述金屬粉末可以包含銀（Ag）、金（Au）、鈀（Pd）、鉑（Pt）、釕（Ru）、銠（Rh）、鋨（Os）、銥（Ir）、錸（Re）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鉭（Ta）、鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、釩（V）、鋅（Zn）、鎂（Mg）、釔（Y）、鈷（Co）、鋯（Zr）、鐵（Fe）、鎢（W）、錫（Sn）、鉻（Cr）、錳（Mn）等。
所述導電粉末的粒度可以是奈米級或微米級。舉例來說，所述導電粉末的粒度可以是幾十到幾百奈米或幾到幾十微米。在其它實施例中，所述導電粉末可以是具有不同粒度的兩種或大於兩種類型的銀粉的混合物。
所述導電粉末可以具有球形、薄片形或非晶形的粒子形狀。所述導電粉末的平均粒子直徑（D50）可以是0.1微米到10微米，例如0.5微米到5微米。平均粒子直徑可以在室溫（24℃到25℃）下經由超聲波處理將導電粉末分散於異丙醇（isopropyl alcohol；IPA）中3分鐘後，使用例如型號1064D（西萊斯有限公司（CILAS Co., Ltd.））設備來測量。在這一平均粒子直徑範圍內，所述組成物可以提供低接觸電阻和低線路電阻。
以電極組成物的100重量%計，導電粉末可以60重量%到95重量%的量存在。在此範圍內，可以防止轉化效率由於電阻增加而退化，並且還可以防止由有機媒劑的相對減少導致的硬糊狀物形成。在一個實施例中，導電粉末可以70重量%到90重量%的量存在。
玻璃料可以用以增強導電粉末與晶圓或基底之間的黏著力，並且藉由蝕刻抗反射層和熔融導電粉末在發射極區中形成銀晶粒，以便在電極糊的燒製過程期間減小接觸電阻。此外，在燒結過程期間，玻璃料可以被軟化並且可以減小燒製溫度。
當增加太陽電池的面積以便改進太陽電池效率時，存在太陽電池的接觸電阻可能增加的可能性。因此，需要最小化對p-n接面的影響同時最小化串聯電阻（Rs）。此外，燒製溫度可以隨具有不同薄層電阻的各種晶圓的增加使用而在廣泛範圍內變化。需要玻璃料確保足夠的熱穩定性以耐受廣泛範圍的燒製溫度。
玻璃料可以是通常用於電極組成物中的鉛玻璃料和無鉛玻璃料中的一者或大於一者。
玻璃料可以由鉍類玻璃料、鉛類玻璃料以及其混合物中選出。
玻璃料可以更包含至少一種由以下各項中選出的元素：鉛（Pb）、碲（Te）、鉍（Bi）、鋰（Li）、磷（P）、鍺（Ge）、鎵（Ga）、鈰（Ce）、鐵（Fe）、矽（Si）、鋅（Zn）、鎢（W）、鎂（Mg）、銫（Cs）、鍶（Sr）、鉬（Mo）、鈦（Ti）、錫（Sn）、銦（In）、釩（V）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈉（Na）、鉀（K）、砷（As）、鈷（Co）、鋯（Zr）、錳（Mn）以及鋁（Al）。
鉍類玻璃料可以是鉍（Bi）-碲（Te）玻璃料。
鉍（Bi）-碲（Te）玻璃料可以包含20莫耳%到80莫耳%氧化碲和20莫耳%到80莫耳%氧化鉍。當在所述範圍內使用碲和鉍時，可以同時確保極好的太陽電池轉化效率和電極圖案的黏著強度。
玻璃料可以藉由任何合適的方法由元素的氧化物製備。舉例來說，元素的氧化物可以藉由以下方式獲得：以預定比率混合元素的氧化物，使混合物熔融，對所得物進行淬火，並且接著粉碎經淬火的產物。混合可以使用球磨機或行星式磨機進行。熔融可以在700℃到1300℃下進行，並且淬火可以在室溫（24℃到25℃）下進行。粉碎可以使用（但不限於）盤磨機或行星式磨機進行。
玻璃料的平均粒子直徑（D50）可以是0.1微米到10微米，並且以電極組成物的100重量%計，其可以0.5重量%到20重量%的量存在。在此範圍內，玻璃料可以確保電極圖案的極好的黏著強度同時不會使電極的電特徵退化。
玻璃料可以具有球形或非晶形。
在一個實施例中，可以使用具有不同轉變溫度的兩種不同種類的玻璃料。舉例來說，轉變溫度在高於或等於200℃到低於或等於350℃範圍內的第一玻璃料和轉變溫度在高於350℃到低於或等於550℃範圍內的第二玻璃料可以1:0.2到1:1範圍內的重量比混合。
有機媒劑可以賦予合適的黏度和流變學特徵，以用於藉由與電極組成物的無機組分機械混合來印刷到電極組成物上。有機媒劑包含有機黏合劑、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶劑。
有機黏合劑可以由丙烯酸酯類樹脂或纖維素類樹脂中選出。舉例來說，有機黏合劑可以由以下各項中選出：乙基纖維素、乙基羥乙基纖維素、硝化纖維素、乙基纖維素與酚樹脂（phenolic resin）的混合物、醇酸樹脂、苯酚類樹脂、丙烯酸酯類樹脂、二甲苯類樹脂、聚丁烯類樹脂、聚酯類樹脂、脲類樹脂、三聚氰胺類樹脂、乙酸乙烯酯類樹脂、木松香或醇的聚甲基丙烯酸酯。
有機黏合劑的重量平均分子量（Mw）可以是30,000克/莫耳到200,000克/莫耳，例如40,000克/莫耳到150,000克/莫耳。當重量平均分子量（Mw）在所述範圍內時，可以獲得在可印刷性方面極好的效果。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物具有至少兩個丙烯酸酯基團或甲基丙烯酸酯基團。換句話說，單官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以在本發明中排除。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以是以下中的一個或更多個：二(甲基)丙烯酸酯化合物、三(甲基)丙烯酸酯化合物或四(甲基)丙烯酸酯化合物。多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以是以下中的一個或更多個：三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、己二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、三羥甲基三(甲基)丙烯酸酯或季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量可以是200到500，例如250到400或250到360。當多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量在所述範圍內時，可以藉由確保令人滿意的連續可印刷性來改進效率，並且因此最小化串聯電阻（Rs ）增加量。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在200℃到400℃下熱處理之後不被熱固化，而可以殘留在所得膜中。換句話說，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在熱處理之後不被熱固化而是殘留在所得膜中，並且可以起到改進基底到圖案的黏著性的作用。
以電極組成物的100重量%計，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以0.15重量%到2重量%，例如0.2重量%到2重量%的量存在。當多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在所述範圍內使用時，電極組成物的連續可印刷性可以得到改進，並且電極圖案與基底之間的黏著力可以得到改進。
溶劑可以是例如己烷、甲苯、酯醇（2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯；2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate）、甲基溶纖劑、乙基溶纖劑、環己酮、丁基溶纖劑、脂肪醇、丁基卡必醇（butyl carbitol）（二乙二醇單丁基醚）、二丁基卡必醇（二乙二醇二丁醚）、丁基卡必醇乙酸酯（二乙二醇單丁基醚乙酸酯）、丙二醇單甲基醚、己二醇、松油醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ丁內酯、乳酸乙酯或其組合。
以電極組成物的100重量%計，有機媒劑可以1重量%到30重量%，例如5重量%到15重量%的量存在。當有機媒劑在所述範圍內使用時，電極圖案與基底之間的黏著強度可以得到改進，並且可以確保極好的連續可印刷性。
電極組成物可以按需要更包含典型添加劑以增強流動性質、加工性質以及穩定性。添加劑可以包含表面處理劑、分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外（UV）穩定劑、抗氧化劑、偶合劑等。可以單獨或以其混合物形式使用這些添加劑。
以電極組成物的100重量%計，這些添加劑可以0.1重量%到5重量%的量存在。這量可以按需要改變。添加劑的量可以考慮電極組成物的印刷特徵、分散以及儲存穩定性來選擇。
另一個實施例提供一種由所述電極組成物形成的電極。
電極可以藉由塗佈電極組成物並且接著將其圖案化並且燒製而以晶圓表面上的預定圖案的形式形成。電極組成物的塗佈可以是（但不限於）絲網印刷、間接凹印、圓網印花、剝離等。塗佈的電極組成物具有預定圖案並且厚度在10微米到40微米範圍內。
在以下太陽電池製程中詳細說明圖案化電極組成物的燒製。
另一實施例提供一種包含電極的太陽電池。參考圖1，說明根據一個實施例的太陽電池。圖1是展示根據一個實施例的太陽電池的結構的示意圖。
參考圖1，背電極210和前電極230是藉由將電極組成物印刷在包含p層（或n層）101和n層（或p層）102作爲發射極的基底100上並且接著對其燒製來形成。舉例來說，將電極組成物印刷塗佈在基底100的背側上並且在200℃到400℃下對其進行熱處理10秒到60秒以進行用於背電極的先前製備步驟。本文中，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在熱處理之後不被熱固化而是殘留在電極組成物中。
此外，用於前電極的先前製備步驟可以藉由以下方式進行：將電極組成物印刷在基底100的前表面上，並且接著使其乾燥。接著，可以在400℃到980℃、確切地說700℃到980℃下燒製電極組成物30秒到210秒以形成前電極和後電極。
提供以下實例和比較例以便突出一個或大於一個實施例的特徵，但應理解，實例和比較例不應理解爲限制實施例的範圍，比較例也不應理解爲在實施例的範圍之外。此外，應理解，實施例不限於實例和比較例中所描述的具體細節。
實例
實例 1 到實例 7 和 比較例 1 到比較例 11
如下製備電極組成物：在60℃下充分溶解有機黏合劑（陶氏化學公司（Dow Chemical Company），STD4，Mw = 50,000克/莫耳）和酯醇（伊士曼（Eastman）），向其中添加平均粒子直徑爲2.0微米的球形銀粉（AG-5-11F，多瓦高科技有限公司（Dowa Hightech Co. Ltd.））、鉍-碲無鉛玻璃粉末（平均粒子直徑爲1.0微米）（ABT-1，旭硝子玻璃股份有限公司）、(甲基)丙烯酸酯化合物、分散劑（畢克（BYK）-102，畢克化學（BYK-Chemie））以及觸變劑（希爾克斯特羅ST，海名斯公司（Thixatrol ST, Elementis Co.）），將其混合，並且用三輥研磨機分散所述混合物。
(甲基)丙烯酸酯化合物可以是由美王專業化學有限公司（Miwon Specialty Chemical Co., Ltd.）製成的以下化合物。
使用（A）單官能丙烯酸酯化合物的苯酚（EO）4丙烯酸酯（米拉梅（Miramer）M4144，分子量為324），（B）雙官能丙烯酸酯化合物的聚乙二醇200二丙烯酸酯（米拉梅M282，分子量為308），（C）三官能丙烯酸酯化合物的季戊四醇三丙烯酸酯（米拉梅M340，分子量為298），（D）四官能丙烯酸酯化合物的季戊四醇四丙烯酸酯（米拉梅M420，分子量為352），以及（E）三官能丙烯酸酯化合物的三羥甲基丙烷（EO）15（米拉梅M3150，分子量為956）。
每一組分的量（重量%）在下表1中提供。 （表1）
電極圖案的可印刷性評估 將根據實例1到實例7和比較例1到比較例11的電極組成物分別塗佈在晶圓的前側上，並且用肉眼計數經印刷電極的虛線數量並且根據以下參考標準對其評估。結果在下表2中提供。 5A：0，4A：小於3，3A：小於6，2A：小於12，1A：小於15，以及0A：大於或等於20。
電極圖案的黏著力評估 藉由使用對邊寬爲5公分×5公分的400網篩將根據實例1到實例7和比較例1到比較例11的電極組成物分別印刷在晶圓的前表面上，並且在300℃到400℃下乾燥，從而製造每一樣品。如下評估每一樣品的黏著力：根據晶格黏著力評估（ASTM D3359）用橫切刀製成100個晶格圖案，向其附接金屬黏著膠帶（610號，3M）並且將所述膠帶從其剝落，並且根據以下參考標準轉化隨膠帶剝落的晶格的數量。結果在下表2中提供。 5B：0%；4B：小於5%；3B：大於或等於5%到小於15%；2B：大於或等於15%到小於35%；1B：大於或等於35%到小於65%；以及0B：大於或等於65% （表2）
參考表2，與分別由根據實例1到實例7的電極組成物形成的電極圖案相比，分別由根據比較例1、比較例2、比較例3、比較例5、比較例7以及比較例9的電極組成物形成的電極圖案顯示不充足的黏著力，並且分別由根據比較例4、比較例6、比較例8、比較例10以及比較例11的電極組成物形成的電極圖案顯示令人滿意的黏著力但缺乏可印刷性，並且因此增加了Rs，並且預期對效率具有不良作用。相反，分別由根據實例1到實例7的電極組成物形成的電極圖案顯示極好的黏著力並且確保足夠的可印刷性，並且因此有利於改進效率。
太陽電池的電效率評估 將根據實例1到實例7和比較例1到比較例11的每一電極組成物絲網印刷到晶圓（其爲如下獲得的多晶晶圓：在摻雜有硼的前表面上使p型晶圓紋理化，在其上以POCl3 形成n+ 層，並且以氮化矽（SiNx:H）形成抗反射塗層）的前側上以形成預定圖案，並且藉由使用紅外線乾燥鍋爐在300℃到400℃下乾燥。接著，以與上文相同的方法在晶圓的背側上印刷鋁糊並且使其乾燥。接著在400℃到900℃下在傳送帶型鍋爐中燒製在所述過程中獲得的電池30秒到50秒，從而製造測試電池。
接著藉由使用太陽電池效率測量設備（CT-801，由帕山股份公司（Pasan SA）製造）測量測試電池的電特性（填充因數和效率，Isc）。結果在下表3中提供。 （表3）
參考表3，與由根據比較例1到比較例11的電極組成物製造的太陽電池相比，由根據實例1到實例7的電極組成物製造的太陽電池展示令人滿意的FF和效率。
儘管已結合目前認爲實用的例示性實施例來描述本發明，但應理解，本發明不限於所公開的實施例，而正相反，本發明打算涵蓋包含在所附申請專利範圍的精神和範圍內的各種修改和等效配置。
100‧‧‧基底
101‧‧‧p層
102‧‧‧n層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
圖1是展示根據一個實施例的太陽電池的結構的示意圖。
100‧‧‧基底
101‧‧‧p層
102‧‧‧n層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極

Claims (10)

  1. 一種電極組成物，包括：導電粉末；玻璃料；以及有機媒劑，其包含有機黏合劑、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶劑，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量為200到500，以及以所述電極組成物的100重量%計，所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物是以0.15重量%到2重量%的量存在，其中所述電極組成物包括60重量%到95重量%的所述導電粉末、0.5重量%到20重量%的所述玻璃料以及1重量%到30重量%的所述有機媒劑，其中所述玻璃料是鉍-碲玻璃料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物由二(甲基)丙烯酸酯化合物、三(甲基)丙烯酸酯化合物、四(甲基)丙烯酸酯化合物以及其混合物中選出。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物由以下各項中選出：三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、己二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、三羥甲基三(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯以及其混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中以所述電極組成物的100重量%計，所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物是 以0.2重量%到2重量%的量存在。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量為250到400。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在200℃到400℃下熱處理之後殘留在所得膜中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中所述鉍-碲玻璃料包括20莫耳%到80莫耳%氧化碲以及20莫耳%到80莫耳%氧化鉍。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電極組成物，其中所述電極組成物更包括由以下各項中選出的至少一種添加劑：表面處理劑、分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外穩定劑、抗氧化劑以及偶合劑。
  9. 一種電極，包括如申請專利範圍第1項到第8項中任一項所述的電極組成物。
  10. 一種太陽電池，包括：第一電極；第二電極，位於所述第一電極上，其中所述第一電極以及所述第二電極包括如申請專利範圍第1項到第8項中任一項所述的電極組成物；以及基底，位於所述第一電極以及所述第二電極之間。
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