TWI636030B - 鉛－碲無機反應系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種無機反應系統，其包含式(I)之鉛-碲-鋅組成物：Pba-Teb-Znf-Md-Oe，其中0<a、b、d或f1，a、b、d與f之總和為1，0d0.5，0<f

Description

鉛-碲無機反應系統
本發明係關於鉛-碲-鋅(PTZ)、鉛-碲-鹼土金屬(PTM)及鉛-碲-鹼土金屬-鋅(PTMZ)無機反應系統(IRS)。在本發明之一個態樣中，在太陽能面板技術中所利用，尤其用於形成前側電接觸之導電膏組成物包括導電粒子、有機媒劑及本發明之PTZ、PTM及/或PTMZ IRS。
太陽能電池為使用光伏打效應將光能轉化成電的器件。太陽能為受關注的綠色能源，因為其為可持續的且僅產生無污染副產物。因此，當前大量研究正致力於研發具有增強效率之太陽能電池同時不斷降低材料及製造成本。在操作中，當光射中太陽能電池時，一部分入射光由表面反射且其餘部分傳輸至太陽能電池中。透射光之光子被太陽能電池吸收，該太陽能電池通常由諸如矽之半導體材料製成。來自被吸收之光子之能量自半導體材料之原子激發其電子，從而產生電子-電洞對。此等電子-電洞對隨後由p-n接面分離且由施加在太陽能電池表面上的導電電極收集。
太陽能電池通常具有施加於其前表面與背表面兩者之導電膏。前側膏體(其通常包括銀)經網版印刷至基板之前側上以充當前電極。典型的導電膏含有導電金屬粒子、玻璃料及有機媒劑。在一些情況下，玻璃料在燃燒之後蝕穿矽基板之表面上的抗反射塗層，諸如氮化矽塗層，從而幫助建立導電粒子與矽基板之間的電接觸。另一方面， 需要玻璃料不具過高侵蝕性以使其在燃燒之後分流p-n接面。舉例而言，包括相對較高量之氧化鉛及氧化鉍之玻璃料可損害抗反射層且使基板之p-n接面退化。因此，可能降低太陽能電池之電效能。另外，已知玻璃料具有較廣泛熔融溫度範圍，從而使得其性能強烈依賴於其組成及處理參數。因而，對於已知玻璃料，在快速燃燒製程下預測玻璃處理參數及性能之能力為困難的。
因此，需要使導電膏與下伏基板之間的接觸最佳化以便達成改良的太陽能電池效率而不具使其損害抗反射層及p-n接面之過高侵蝕性的IRS。此外，亦需要具有更加可預測之處理性能之IRS。
本發明提供一種含有鋅及/或鹼土金屬之鉛無機反應系統(IRS)，其在用於導電膏時改良與下伏基板之電接觸。此外，歸因於由IRS中包括鋅及/或鹼土金屬所產生之改良之接觸效能，鉛含量可降低且可達成更加可預測之處理參數。
本發明之一個態樣為一種無機反應系統，其包含式(I)之鉛-碲-鋅組成物：Pba Teb-Znf-Md-Oe，其中0<a、b、d或f1，a、b、d與f之總和為1，0d0.5，0<f0.2，a：b在約10：90與約90：10之間，(a+f+d)：b在約10：90與約90：10之間，M為一或多種元素，且e為足以平衡Pb、Te、Zn與M組分之數值。
一種無機反應系統，其包含式(II)之鉛-碲-鎂組成物：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)-Md-Oe，其中0<a、b或d1，0w、x、y、z1，w+x+y+z=c，w、x、y及z中之至少一者大於零，a、b、c與d之總和為1，0<c0.2，0d0.5，a：b在約10：90與約90：10之間，(a+c+d)：b在約10：90與約90：10之間，M為一或多種元素，且e為足以平衡Pb、Te、Mg-Ca-Sr-Ba與M組分之數值。
一種無機反應系統，其包含式(III)之鉛-碲-鎂-鋅組成物：Pba- Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)-Znf-Md-Oe，其中0<a、b、d或f1，0w、x、y、z1，w+x+y+z=c，w、x、y及z中之至少一者大於零，a、b、c、d與f之總和為1，0<c0.2，0<f0.2，0d0.5，a：b在約10：90與約90：10之間，(a+c+f+d)：b在約10：90與約90：10之間，M為一或多種元素，且e為足以平衡Pb、Te、Mg-Ca-Sr-Ba、Zn與M組分之數值。本發明之另一態樣為一種太陽能電池，其藉由將本發明之導電膏施加於矽晶圓且燒製該矽晶圓而生產。
本發明亦提供一種太陽能電池模組，其包含電互連之根據本發明之太陽能電池。
本發明之另一態樣為一種生產太陽能電池之方法，其包括以下步驟：提供具有前側及背側之矽晶圓、向該矽晶圓施用本發明之導電膏及燒製該矽晶圓。
本發明係關於PTZ、PTM及PTMZ無機反應系統。儘管不限於該應用，IRS組成物或其組合可用於導電膏組成物，諸如用於矽太陽能電池之導電膏組成物。導電膏組成物較佳包含導電金屬粒子、有機媒劑及PTZ、PTM或PTMZ IRS組成物中之至少一者。導電膏組成物可包含一或多種額外添加劑。
在其他實施例中，IRS可包括以下之組合：多種PTZ、PTM及PTMZ玻璃組成物、具有含PTZ、PTM及PTMZ化合物之PTZ、PTM及PTMZ玻璃組成物，或在物理處理(例如，機械化學處理、碾磨、研磨)或化學處理(例如，燒製、熱分解、光或放射性化學分解)期間形成PTZ、PTM及PTMZ IRS之含PTZ、PTM及PTMZ化合物(例如，有機金屬化合物、鹽)。在其他實施例中，形成PTZ、PTM及PTMZ之元素可 以單一組分形式存在或分佈在兩種或兩種以上組分中，其可為非晶形或結晶或部分結晶。
當施加於矽太陽能電池時，該等膏可用於在矽晶圓之前側或背側上形成電接觸層或電極。
在一個較佳實施例中，導電膏在用於太陽能電池之矽晶圓之前側上使用且包括銀導電粒子、一或多種本發明之IRS組成物及有機媒劑。
無機反應系統
本發明係關於一種用於供例如導電膏組成物之IRS。IRS在用於導電膏組成物時發揮多種功能。首先，IRS為導電粒子提供傳遞介質，從而允許該等導電粒子自膏體遷移至半導體基板之界面。IRS系統亦為膏組分提供反應介質以供其在經受高溫時在界面處經歷物理及化學反應。物理反應包括(但不限於)熔融、溶解、擴散、燒結、沈澱及結晶。化學反應包括(但不限於)合成(形成新化學鍵)及分解、還原及氧化及相轉變。此外，IRS亦充當提供導電粒子與半導體基板之間的結合之黏著介質，藉此在太陽能器件之使用壽命期間改良電接觸效能。儘管意欲達成相同效果，歸因於玻璃之絕緣特性，現有玻璃料組成物可在導電膏與矽晶圓之界面處引起較高接觸抗性。本發明之IRS提供所要傳遞、反應性及黏著介質，且亦降低接觸抗性且改良整體電池效能。
更特定言之，IRS在太陽能電池中提供導電粒子與半導體基板(例如矽基板)之間改良的歐姆(Ohmic)及肖特基(Schottky)接觸。IRS為關於矽之反應性介質且在矽基板上產生改良整體接觸之作用區域，諸如經由直接接觸或隧道傳輸。改良之接觸特性提供較佳歐姆接觸及肖特基接觸，且因此提供較佳整體太陽能電池效能。此外，在不受任何特定理論束縛的情況下，咸信在IRS中包括鋅及/或鹼土金屬可改良導電 膏之接觸特性。此外，該等IRS組分以某些量之組合可提供具有增寬範圍之玻璃轉化溫度、軟化溫度、熔融溫度、結晶溫度及流動溫度之膏體，因此加寬所得膏體之處理範圍。此允許所得導電膏具有改良的與廣泛多種基板之相容性。
IRS可包括一或多種玻璃材料、一或多種陶瓷材料、一或多種此項技術中已知的任何其他化合物以在高溫下形成反應性基質。在一個實施例中，IRS可包括至少一種實質上非晶形之玻璃料。在另一實施例中，IRS可合併結晶相或化合物，或非晶形、部分結晶及/或結晶材料之混合物。IRS亦可包括此項技術中已知的其他氧化物或化合物。 舉例而言，可使用鎂、鎳、碲、鎢、鋅、釓、銻、鈰、鋯、鈦、錳、錫、釕、鈷、鐵、銅及鉻或其中至少兩者之任何組合之氧化物，較佳為鋅、銻、錳、鎳、鎢、碲及釕或其中至少兩者之組合之氧化物；可在燃燒之後產生彼等金屬氧化物之化合物；或前述金屬中之至少兩者之混合物；前述氧化物中之至少兩者之混合物；前述在燃燒後可產生彼等金屬氧化物之化合物中之至少兩者之混合物；或任何上述各者中之兩者或兩者以上之混合物。其他玻璃基質形成劑或玻璃修飾劑，諸如氧化鍺、氧化釩、氧化鉬、氧化鈮、氧化銦；其他鹼金屬及鹼土金屬(例如K、Rb、Cs、Ca、Sr及Ba)化合物；稀土氧化物(例如La2O3、鈰氧化物)；磷氧化物或金屬磷酸鹽；及金屬鹵化物(例如鉛氟化物及鋅氟化物)亦可用作添加劑以調節IRS之諸如玻璃轉化溫度之特性。在一個實施例中，IRS可含有至少一種玻璃與至少一種氧化物或添加劑之組合。
PTZ無機反應系統
根據一個實施例，PTZ IRS可由下式表示：Pba-Teb-Znf-Md-Oe (式I)
其中0<a、b、d或f1，a、b、d與f之總和為1，0d0.5，0 <f0.2，M為可充當玻璃形成劑之一或多種金屬，且變數「e」電荷平衡Pba-Teb-Znf-Md組分。較佳地，0d0.4。較佳地，0<f0.1。
M可為任何金屬，包括(但不限於)鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、硼、鋁、鎵、矽、鍺、錫、磷、銻、鈮、鉭、釩、鈦、鉬、鎢、鉻、銀、鉛及其任何組合。較佳地，M為鋰、硼、矽或其任何組合。
較佳地，鉛與碲或a：b之比率在約10：90與約90：10之間。更佳地，a：b比率在約20：80與約80：20之間。碲與鋅或b：f之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，b：f比率在約1：1與約20：1之間。此外，鉛及鋅與碲或(a+f+d)：b之比率較佳在約10：90至約90：10之間，更佳在約20：80至約40：60之間。鉛與鋅或a：f之比率較佳在約10：90至約90：10之間。更佳地，a：f比率在約30：70至約70：30之間。
式I較佳調配為單一玻璃組成物，藉此IRS之起始組分(Pb、Te、Zn及額外金屬)均化學反應以形成一種錯合物或複合物而非具有各種氧化物之物理混合物之玻璃。或者，鋅組分可作為IRS之添加劑包括於式I之外部。
根據另一實施例，PTZ IRS可由下式表示：Pba-Teb-Znf-Big-Md-Oe (式IA)
其中a、b、d、e及f及其所有比率，以及M均如其在式I中所定義。關於鉍組分，比率a：g在約10：90與約90：10之間。更佳地，a：g比率在約15：85與約85：15之間。g：b之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，g：b比率在約10：90與約80：20之間。比率f：g較佳在約10：90與約90：10之間。更佳地，f：g比率在約15：85與約85：10之間。
式IA可根據上文關於式I所闡述之相同參數調配為單一玻璃組成物。
PTM無機反應系統
根據一個實施例，PTM IRS可由下式表示：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)-Md-Oe (式II)
其中0<a、b或d1，0w、x、y、z1，w、x、y及z中之至少一者大於零，w+x+y+z=c，0<c0.2，0d0.5，a、b、c與d之總和為1，且變數「e」電荷平衡Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)c-Md組分。較佳地，如上文所闡述，「c」低於或等於0.1且至少為0.005。變數「d」低於或等於0.4。
儘管較佳使用鎂，但可使用鈣、鍶或鋇中之任一者替代鎂或除鎂以外亦使用鈣、鍶或鋇中之任一者。此外，M可為任何元素或組分，包括(但不限於)鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、硼、鋁、鎵、矽、鍺、錫、磷、銻、鈮、鉭、釩、鈦、鉬、鎢、鉻、銀、鹵化物、硫屬化物、鉛及其任何組合。較佳地，M為鋰、硼、矽或其任何組合。
在一個實施例中，鉛與碲或a：b之比率在約10：90與90：10之間。更佳地，a：b比率在約1：10與約10：1之間。碲與Mg-Ca-Sr-Ba組分或b：c之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，b：c比率在約1：1與約20：1之間。此外，鉛及Mg-Ca-Sr-Ba組分與碲或(a+c+d)：b之比率較佳在約10：90至約90：10之間，及更佳在約20：80至約40：60之間。鉛與Mg-Ca-Sr-Ba組分或a：c之比率較佳在約10：90至約90：10之間。更佳地，a：c比率在30：70至約70：30之間。
式II較佳調配為單一玻璃組成物，藉此IRS之起始組分(Pb、Te、Zn、Mg或Ca、Sr、Ba及額外金屬)均化學反應以形成一種錯合物或複合物而非具有各種氧化物之物理混合物之玻璃。或者，Mg-Ca-Sr-Ba組分可作為IRS之添加劑包括於式II之外部。
根據另一實施例，PTM IRS可由下式表示：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)c-Big-Md-Oe (式IIA)
其中a、b、c、d及e及其所有比率，以及M均如其在式II中所定義。關於鉍組分，比率a：g在約10：90與約90：10之間。更佳地，a：g比率在約15：85與約85：15之間。g：b之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，g：b比率在約10：90與約80：20之間。比率f：g較佳在約10：90與約90：10之間。更佳地，f：g比率在約15：85與約85：10之間。
式IIA可根據上文關於式II所闡述之相同參數調配為單一玻璃組成物。
PTMZ無機反應系統
根據一個實施例，PTMZ IRS可由下式表示：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)-Znf-Md-Oe (式III)
其中0<a、b、d或f1，0w、x、y、z1，w+x+y+z=c，w、x、y及z中之至少一者大於零，0<f0.2，0<d0.5，a、b、c、d與f之總和為1，且變數「e」電荷平衡Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)c-Znf-Md組分。較佳地，如上文所闡述之「c」低於或等於約0.2，及較佳低於或等於約0.1。同時，「c」至少為0.05。變數「d」低於或等於0.4。變數「f」較佳低於0.1。
儘管較佳使用鎂，但可使用鈣、鍶或鋇中之任一者替代鎂或除鎂以外亦使用鈣、鍶或鋇中之任一者。此外，M可為任何元素，包括(但不限於)鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、硼、鋁、鎵、矽、鍺、錫、磷、銻、鈮、鉭、釩、鈦、鉬、鎢、鉻、銀、鉛、鹵化物、硫屬化物及其任何組合。較佳地，M為鋰、硼、矽或其任何組合。
在一個實施例中，鉛與碲或a：b之比率在約10：90與約90：10之間。更佳地，a：b比率在約15：85與約30：70之間。碲與Mg-Ca-Sr-Ba組分或b：c之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，b：c比率在約1：1與約20：1之間。鉛與Mg-Ca-Sr-Ba組分或a：c之比率較佳在10：90與90：10之間。更佳地，a：c比率在1：10與10：1之間。Mg-Ca-Sr-Ba組分與鋅組分 或c：f之比率在約1：1與約20：1之間。碲與鋅或b：f之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，b：f比率在約1：1與約20：1之間。此外，鉛及Mg-Ca-Sr-Ba組分及鋅及其他元素與碲或(a+c+d+f)：b之比率較佳在約10：90與約90：10之間，更佳在約20：80與約40：60之間。
式III較佳調配為單一玻璃組成物，藉此IRS之起始組分(Pb、Te、Zn、Mg或Ca、Sr、Ba、Zn及額外金屬)均化學反應以形成一種錯合物或複合物而非具有各種氧化物之物理混合物之玻璃。或者，Mg-Ca-Sr-Ba及/或鋅組分可作為IRS之添加劑包括於式III之外部。
根據又一實施例，PTMZ IRS可由下式表示：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)c-Big-Znf-Md-Oe (式IIIA)
其中a、b、c、d、e及f及其所有比率，以及M均如其在式III中所定義。關於鉍組分，比率a：g在約10：90與約90：10之間。更佳地，a：g比率在約15：85至約85：15之間。g：b之比率較佳在約5：95與約95：5之間。更佳地，g：b比率在約10：90與約80：20之間。比率f：g較佳在約10：90至約90：10之間。更佳地，f：g比率在約15：85至約85：10之間。
式IIIA可根據上文關於式III所闡述之相同參數調配為單一玻璃組成物。
在其他實施例中，IRS可包括多種玻璃組成物之組合，諸如式I、式II或式III、具有含PTZ、PTM或PTMZ化合物之玻璃組成物或在物理處理(例如，機械化學處理、碾磨、研磨)或化學處理(例如，燃燒、熱分解、光或放射性化學分解)期間形成PTZ、PTM或PTMZ IRS之化合物(例如，有機金屬化合物、鹽)之組合。
IRS可由結晶或部分結晶起始材料形成。形成IRS之元素可以單一組分之形式存在或分佈在兩種或兩種以上組分中。較佳地，用於製備IRS組成物之起始材料為氧化鉛(例如，PbO)、氧化碲(例如，TeO2)以及鋅及/或鹼土金屬之氧化物，諸如氧化鋅(例如，ZnO)及氧化鎂 (例如，MgO)。然而，可用於調配根據式I、式II及式III之PTZ、PTM或PTMZ系統之任何已知含鉛、碲、鋅及鎂組成物均可使用。
根據一個實施例，基於IRS之100%總重量，用於製備IRS之起始材料包含至少約5重量%含鉛化合物(例如，PbO)，及較佳至少約8重量%含鉛化合物。同時，組成物包含不超過約45%，較佳不超過約40重量%，及最佳不超過約38重量%含鉛化合物。此外，基於用於製備IRS之起始材料之100%總重量，材料較佳包括至少20重量%，及較佳至少約30重量%含碲化合物(例如，TeO2)。同時，材料較佳包括不超過約70重量%，及較佳不超過約60重量%含碲化合物。關於鋅及鹼土金屬(例如鎂)，基於IRS之100%總重量，起始材料較佳包括不超過約15重量%，及較佳不超過約10重量%該化合物。同時，基於IRS之100%總重量，起始材料可包括至少約0.1重量%，及較佳至少約0.3重量%該化合物。
其他玻璃基質形成劑亦可用於形成PBT IRS，如由式I中之「M」所設計。適合的化合物包括(但不限於)：鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、硼、鋁、鎵、矽、鍺、錫、磷、銻、鈮、鉭、釩、鈦、鉬、鎢、鉻、銀、鹵化物、硫屬化物及其任何組合之化合物。較佳地，含有此等金屬之起始材料為金屬氧化物，例如Li2O、Na2O、SiO2、Al2O3、MoO3、MgO、Cr2O3、P2O5、B2O3及Ag2O。亦可使用金屬鹵化物，諸如AgI或PbF2。在一個較佳實施例中，IRS包括鋰、硼、矽或其任何組合。在另一實施例中，IRS包括鉍，如在本文中更全面地闡述。若存在，IRS之起始材料包括至少約0.1重量%之上文所提及之元素。同時，基於IRS之100%總重量，其包括不超過約30重量%，及較佳不超過約20重量%。
形成IRS組成物
IRS可藉由此項技術中已知之任何方法形成，包括固態合成、熔 融及淬滅，或其他Chimie Douce(軟化學反應)製程。在典型熔融及淬滅製程中，第一步驟為混合適當量之起始材料(通常呈粉末形式)。此混合物隨後在空氣中或在含氧氛圍中加熱以形成熔體。隨後淬滅該熔體，且隨後對其研磨、滾珠碾磨且篩檢以便提供具有所要粒徑之混合物。舉例而言，呈粉末形式之組分可在V-梳狀摻合器中混合在一起。 隨後加熱混合物(例如，加熱至大約800至1200℃)約30至40分鐘以使得起始材料可反應以形成單一玻璃系統。隨後淬滅IRS，使其呈沙狀稠度。碾磨此粗糙粉末，諸如在球磨機或噴射研磨機中，直至產生精細粉末。可將IRS粒子碾磨至約0.01至20μm之平均粒徑(d50)，較佳約0.1至5μm。在一個實施例中，IRS粒子可形成為d50在約5nm至約100nm範圍內之奈米尺寸粒子。
Chimie Douce(軟化學反應)製程係在約20℃至約500℃之溫度下進行。Chimie Douce反應為拓撲的，其意謂反應物之結構元素保留在產物中，但組成變化。該等製程包括(但不限於)溶膠-凝膠製程、沈澱、水熱/溶劑熱製程及熱解。
習知固態合成亦可用於製備本文所描述之IRS系統。在此製程中，原始起始材料在真空下密封在熔合石英試管或鉭或鉑試管中，且隨後加熱至約700至1200℃。使材料保持在此高溫下約12至48小時且隨後緩慢冷卻(約0.1℃/分鐘)至室溫。在一些情況下，固態反應可在空氣中在氧化鋁坩堝中進行。
用於製備IRS系統之又一製程為共沈澱。在此製程中，藉由調節pH值或藉由併入還原劑使金屬元素經還原且與其他金屬氧化物或氫氧化物共沈澱以形成含有金屬陽離子之溶液。此等金屬、金屬氧化物或氫氧化物之沈澱物隨後經乾燥且在真空下在約400至800℃下燒製以形成精細粉末。
導電膏組成物
本發明之一個態樣係關於一種導電膏組成物。所要導電膏為高度導電之導電膏，以便最佳化所得太陽能電池之電效能。導電膏組成物通常包含金屬粒子、有機媒劑及至少一種本文中論述之IRS組成物。根據一個實施例，基於膏體之100%總重量，導電膏包含：(i)至少約50重量%且不超過約95重量%金屬粒子；(ii)至少約1重量%且不超過約10重量%IRS；及(iii)至少約1重量%且不超過約25重量%有機媒劑。
本發明之導電膏包括至少一種本發明之IRS組成物，如本文所闡述。較佳地，導電膏包括至少約0.1重量%，及較佳至少約0.5重量%IRS。同時，基於膏體之100%總重量，膏體包括不超過約10重量%，較佳不超過約5重量%，及最佳不超過約3重量%IRS。
根據本發明之一個實施例，IRS應具有低於導電膏之所要燃燒溫度之玻璃轉化溫度範圍(Tg)。較佳IRS組分具有至少約250℃，較佳至少300℃，及最佳至少350℃之Tg範圍。同時，當使用熱機械分析量測時，較佳IRS材料具有不超過約750℃，較佳不超過約700℃，及最佳不超過約650℃之Tg範圍。特定言之，玻璃轉化溫度可使用DSC裝置TA Instruments SDT Q600 Simultaneous TGA/DSC(TA Instruments)測定。為了量測及資料評估，應用量測軟體TA Universal Analysis 2000，V 4.5A。使用直徑為6.8mm且容量為約90μl之氧化鋁樣品杯(可購自TA Instruments)作為用於參考物及樣品之盤。將約20至50mg之量的樣品稱重入樣品盤中，精確度為0.01mg。將空的參考盤及樣品盤置放在裝置中，關閉烘箱且開始量測。自25℃之起始溫度至1000℃之結束溫度，使用10至50℃/min之加熱速率。儀器中之其餘部分始終用氮氣(N2 5.0)吹掃，且烘箱用合成空氣(80% N2及20% O2，來自Linde)吹掃，流動速率為50ml/min。使用上文所描述之軟體將DSC信號中之第一步驟評估為玻璃轉化，且將經測定之起始值視為Tg之溫 度。
此項技術中熟知IRS固體粒子可展現多種形狀、尺寸及塗層。舉例而言，IRS固體粒子之大量形狀為熟習此項技術者已知。一些實例包括球形、角形、細長形(棒狀或針狀)及平坦的(薄片狀、片狀)。IRS固體粒子亦可以不同形狀(例如，球形及片狀)之粒子之組合的形式存在。具有有利於所產生電極之有利黏著性之形狀或形狀組合的玻璃粒子為較佳的。
中值粒徑d50為熟習此項技術者所熟知的粒子特徵。D50為中值直徑或粒徑分佈之中值。其為在累積分佈中之50%下之粒徑值。粒徑分佈可經由雷射繞射、動態光散射、成像、電泳光散射或此項技術中已知的任何其他方法量測。連接至具有LA-910軟體程式之電腦的Horiba LA-910雷射繞射粒徑分析器用於測定玻璃料之粒徑分佈。玻璃料粒子之相對折射率係選自LA-910手冊且鍵入至軟體程式中。測試腔室用去離子水填充至貯槽上之適當填充線。隨後藉由使用軟體程式中之循環及攪動功能使溶液循環。一分鐘後，排乾溶液。重複此過程一次以確保腔室中無任何殘餘材料。隨後第三次用去離子水填充腔室且使其循環且攪動一分鐘。溶液中之任何背景粒子藉由使用軟體中之空白功能而排除。隨後開始超音波攪動，且將玻璃料緩慢添加至測試腔室中之溶液中直至透射率條柱在軟體程式中處於適當的區域中。一旦透射率處於恰當的程度下，執行雷射繞射分析且量測玻璃之粒徑分佈且將其以d50給出。
在一個較佳實施例中，IRS粒子之中值粒徑d50為至少約0.1μm，且較佳不超過約20μm，更佳不超過約5μm，更佳不超過約2μm，及最佳不超過約1μm。
IRS粒子可以具有表面塗層形式存在。此項技術中已知且在本發明之上下文中適合的任何此類塗層可用於IRS粒子。較佳塗層為促進 導電膏之改良黏著特徵之彼等塗層。若此類塗層存在，則彼塗層較佳以不超過10重量%，較佳不超過約8重量%，更佳不超過約5重量%，更佳不超過約3重量%，及最佳不超過約1重量%之量存在，在各情況下均以IRS組分之總重量計。
較佳地，IRS粒子具有至少約0.1m2/g且不超過約15m2/g，較佳至少約1m2/g且不超過約10m2/g之比表面積。量測比表面積之方法在此項技術中已知。如本文中所闡述，所有表面積量測均使用BET(Brunauer-Emmett-Teller)方法經由Monosorb MS-22分析器(由Florida之Quantachrome Instruments of Boynton Beach製造)進行，該分析器係根據SMART方法運行。製備樣品以用於在內置式脫氣台中分析。流動氣體清掃掉雜質，從而產生潔淨表面，在該潔淨表面上可能發生吸附。樣品可用所供應之加熱套加熱至使用者可選的溫度。數位溫度控制器及顯示器安裝在儀器前面板上。在脫氣完成之後，將樣品電池轉移至分析台。快速連接配件在轉移期間自動密封樣品電池。按下單個按鈕，分析開始。填充有冷卻劑之杜瓦(dewar)瓶自動升高，從而浸沒樣品電池且導致吸附。當吸附完成(2至3分鐘)時，儀器偵測，自動降低杜瓦瓶，且使用內置式熱鼓風機將樣品電池緩緩加熱回至室溫。 由此，解吸附氣體信號在數位儀錶上顯示且表面積直接呈現在前面板顯示器上。整個量測(吸附及解吸附)循環通常需要不到六分鐘。該技術使用高敏感度、熱導率偵測器以在吸附及解吸附進行時量測吸附物/惰性載氣混合物之濃度變化。當藉由機載電子器件整合且與校準比較時，偵測器提供經吸附或解吸附之氣體體積。內置式微處理器確保線性且自動地以m2/g計算樣品之BET表面積。
導電金屬粒子
導電膏亦包含導電金屬粒子。基於膏體之100%總重量，導電膏可包含至少約50重量%金屬粒子，較佳至少約60重量%，更佳至少約 70重量%，及最佳至少約80重量%。同時，基於膏體之100%總重量，膏體較佳包含不超過約95重量%之金屬粒子。
所有此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的金屬粒子均可用作導電膏中之金屬粒子。較佳金屬粒子為展現傳導性且產生具有高效率及填充因數及較低串聯及柵極電阻之電極之金屬粒子。較佳金屬粒子為元素金屬、合金、金屬衍生物、至少兩種金屬之混合物、至少兩種合金之混合物或至少一種金屬與至少一種合金之混合物。
較佳金屬包括銀、鋁、金、銅及鎳以及合金中之至少一者或其混合物。在一個較佳實施例中，金屬粒子包含銀。在另一較佳實施例中，金屬粒子包含銀及鋁。適合的銀衍生物包括例如銀合金及/或銀鹽，諸如銀鹵化物(例如，氯化銀)、硝酸銀、乙酸銀、三氟乙酸銀、正磷酸銀及其組合。在一個實施例中，金屬粒子包含塗覆有一或多種不同金屬或合金之金屬或合金，例如塗覆有鋁之銀粒子。
如IRS粒子，金屬粒子可展現多種形狀、尺寸及塗層。大量形狀在此項技術中已知。一些實例為球形、角形、細長形(棒狀或針狀)及平坦的(薄片狀、片狀)。金屬粒子亦可以不同形狀(例如，球形及片狀)之粒子之組合的形式存在。具有有利於改良之傳導性的形狀或形狀組合之金屬粒子為較佳的。在不考慮粒子之表面性質的情況下表徵該等形狀之一種方式為經由以下參數：長度、寬度及厚度。在本發明之上下文中，粒子長度係藉由最長空間位移向量之長度給出，該向量之兩個端點均含在該粒子內。粒子寬度係藉由垂直於上文所定義之長度向量之最長空間位移向量之長度給出，其兩個端點均含在該粒子內。粒子厚度係藉由垂直於均在上文中經定義之長度向量與寬度向量兩者的最長空間位移向量之長度給出，其兩個端點均含在該粒子內。在一個實施例中，具有儘可能均一的形狀之金屬粒子較佳(亦即，其 中與長度、寬度及厚度相關之比率儘可能接近於1；較佳為至少0.7，更佳至少0.8，及最佳至少0.9，且較佳不超過約1.5，較佳不超過約1.3，及最佳不超過約1.2之形狀)。用於此實施例中之金屬粒子之較佳形狀之實例為球體及立方體或其組合，或其中一或多者與其他形狀之組合。在另一實施例中，具有均一性較低的形狀之金屬粒子為較佳的，較佳地與長度、寬度及厚度之尺寸相關的比率中之至少一者高於約1.5，更佳高於約3及最佳高於約5。根據此實施例之較佳形狀為片形、棒或針形，或片形、棒或針形與其他形狀之組合。
較佳地，金屬粒子之如本文中所闡述之中值粒徑d50為至少約0.1μm，且較佳不超過約10μm，較佳不超過約8μm，更佳不超過約7μm，及最佳不超過約5μm。
此外，較佳金屬粒子具有至少約0.1m2/g且不超過約10m2/g之比表面積。根據一個較佳實施例，使用比表面積為至少約0.2m2/g，較佳至少0.5m2/g且同時不超過約5m2/g之銀粉末。比表面積係根據本文中所闡述之參數量測。
有助於較有利的接觸特性及電導率之額外組分為較佳的。舉例而言，金屬粒子可以具有表面塗層形式存在。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的任何該等塗層均可用於金屬粒子。較佳塗層為促進所得導電膏之黏著特徵之彼等塗層。若此類塗層存在，則基於金屬粒子之100%總重量，該塗層較佳不超過約10重量%，較佳不超過約8重量%，及最佳不超過約5重量%。
有機媒劑
本發明之導電膏亦包含有機媒劑。在一個實施例中，基於膏體之100%總重量，有機媒劑以至少約0.01重量%且不超過約50重量%，較佳不超過約30重量%，及最佳不超過約20重量%之量存在於導電膏中。
在本發明之上下文中之較佳有機媒劑為基於一或多種溶劑，較佳一或多種有機溶劑之溶液、乳液或分散液，其確保導電膏之組分以溶解、乳化或分散形式存在。較佳有機媒劑為提供導電膏之組分之最佳穩定性且賦予膏體允許有效可印刷性之黏度之彼等有機媒劑。
在一個實施例中，有機媒劑包含有機溶劑，及黏合劑(例如，聚合物)、界面活性劑及搖變劑中之一或多者或其任何組合。舉例而言，在一個實施例中，有機媒劑包含有機溶劑中之一或多種黏合劑。
在本發明之上下文中之較佳黏合劑為有助於具有有利穩定性、可印刷性、黏度及燒結特性之導電膏形成的黏合劑。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有黏合劑均可用作有機媒劑中之黏合劑。較佳黏合劑(其常常屬於稱為「樹脂」之類別)為聚合物黏合劑、單體黏合劑及作為聚合物與單體之組合的黏合劑。聚合物黏合劑亦可為在單個分子中含有至少兩種不同的單體單元之共聚物。較佳聚合物黏合劑為在聚合物主鏈中載有官能基之彼等聚合物黏合劑、遠離主鏈載有官能基之彼等聚合物黏合劑及在主鏈內與遠離主鏈兩者均載有官能基之彼等聚合物黏合劑。在主鏈中載有官能基之較佳聚合物為例如聚酯、經取代之聚酯、聚碳酸酯、經取代之聚碳酸酯、在主鏈中載有環狀基團之聚合物、聚糖、經取代之聚糖、聚胺基甲酸酯、經取代之聚胺基甲酸酯、聚醯胺、經取代之聚醯胺、酚系樹脂、經取代之酚系樹脂、前述聚合物中之一或多者之單體視情況與其他輔單體之共聚物，或其中至少兩者之組合。根據一個實施例，黏合劑可為聚乙烯醇縮丁醛或聚乙烯。在主鏈中載有環狀基團之較佳聚合物為例如聚乙烯基丁基化物(PVB)及其衍生物及聚萜品醇及其衍生物，或其混合物。較佳聚糖為例如纖維素及其烷基衍生物，較佳為甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、丙基纖維素、羥丙基纖維素、丁基纖維素及其衍生物及其中至少兩者之混合物。其他較佳聚合物為纖維素酯樹 脂，例如醋酸丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素及其任何組合。遠離主聚合物鏈載有官能基之較佳聚合物為載有醯胺基之彼等聚合物、載有酸及/或酯基團之彼等聚合物(其常常稱為丙烯酸系樹脂)或載有前述官能基之組合的聚合物，或其組合。遠離主鏈載有醯胺之較佳聚合物為例如聚乙烯基吡咯啶酮(PVP)及其衍生物。遠離主鏈載有酸及/或酯基團之較佳聚合物為例如聚丙烯酸及其衍生物、聚甲基丙烯酸酯(PMA)及其衍生物或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生物，或其混合物。較佳單體黏合劑為基於乙二醇之單體、萜品醇樹脂或松香衍生物，或其混合物。較佳基於乙二醇之單體黏合劑為具有醚基、酯基之彼等單體黏合劑或具有一個醚基及一個酯基之彼等單體黏合劑，較佳醚基為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基及高碳烷基醚，較佳酯基為乙酸根及其烷基衍生物，較佳為乙二醇單丁醚單乙酸酯，或其混合物。烷基纖維素(較佳乙基纖維素)、其衍生物及其與來自前述黏合劑清單或另外的其他黏合劑的混合物在本發明之上下文中為最佳黏合劑。基於有機媒劑之100%總重量，黏合劑可以至少約0.1重量%，及較佳至少約0.5重量%之量存在。同時，基於有機媒劑之100%總重量，黏合劑可以不超過約10重量%，較佳不超過約8重量%，更更佳不超過約7重量%之量存在。
較佳溶劑為在燃燒期間以顯著程度自膏體移除之組分。較佳地，其以在燃燒之後與燃燒之前相比絕對重量降低至少約80%之形式存在，較佳與燃燒之前相比降低至少約95%。較佳溶劑為有助於有利黏度、可印刷性、穩定性及燒結特徵之彼等溶劑。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有溶劑均可用作有機媒劑中之溶劑。較佳溶劑為在標準環境溫度及壓力(SATP)(298.15K，25℃，77℉)，100kPa(14.504psi，0.986atm)下以液體形式存在之彼等溶劑，較佳為沸點高於約90℃且熔點高於約-20℃之彼等溶劑。較佳溶劑為 極性或非極性，質子或非質子，芳族或非芳族的。較佳溶劑為單醇、二醇、多元醇、單酯、二酯、多元酯、單醚、二醚、多元醚；包含此等官能基類別中之至少一者或多者、視需要包含其他官能基類別、較佳為環狀基團、芳族基團、不飽和鍵、一或多個O原子經雜原子置換之醇基團、一或多個O原子經雜原子置換之醚基團、一或多個O原子經雜原子置換之酯基團的溶劑，及前述溶劑中之兩者或兩者以上之混合物。在此上下文中之較佳酯為己二酸之二烷基酯，較佳烷基組分為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基及高碳烷基或兩種不同的該等烷基之組合，較佳為己二酸二甲酯，及兩種或兩種以上己二酸酯之混合物。在此上下文中之較佳醚為二醚，較佳為乙二醇之二烷基醚，較佳烷基組分為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基及高碳烷基或兩種不同的該等烷基之組合，及兩種二醚之混合物。在此上下文中之較佳醇為一級、二級及三級醇，較佳為三級醇，其中萜品醇及其衍生物為較佳的，或兩種或兩種以上醇之混合物。合併一種以上不同官能基之較佳溶劑為2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯(其常常稱為德桑醇)及其衍生物2-(2-乙氧基乙氧基)乙醇(其常常稱為卡必醇)，其烷基衍生物，較佳為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基及己基卡必醇，較佳為己基卡必醇或丁基卡必醇，及其乙酸衍生物，較佳為丁基卡必醇乙酸酯，或前述中之至少兩者之混合物。基於有機媒劑之100%總重量，有機溶劑可以至少約60重量%，及更佳至少約70重量%，及最佳至少約80重量%之量存在。同時，基於有機媒劑之100%總重量，有機溶劑可以不超過約99重量%，更佳不超過約95重量%之量存在。
有機媒劑亦可包含一或多種界面活性劑及/或添加劑。較佳界面活性劑為有助於形成具有有利的穩定性、可印刷性、黏度及燒結特性之導電膏之彼等界面活性劑。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有界面活性劑均可用作有機媒劑中之界面活性劑。較佳 界面活性劑為基於直鏈、分支鏈、芳族鏈、氟化鏈、矽氧烷鏈、聚醚鏈及其組合之彼等界面活性劑。較佳界面活性劑包括(但不限於)單鏈、雙鏈或多鏈聚合物。較佳界面活性劑可具有非離子、陰離子、陽離子、兩親媒性或兩性離子頭。較佳界面活性劑可為聚合物及單體或其混合物。較佳界面活性劑可具有顏料親和基團，其較佳為具有顏料親和基團之羥基官能羧酸酯(例如，由BYK USA,Inc製造之DISPERBYK®-108)、具有顏料親和基團之丙烯酸酯共聚物(例如，由BYK USA,Inc製造之DISPERBYK®-116)、具有顏料親和基團之改性聚醚(例如，由Evonik Tego Chemie GmbH製造之TEGO® DISPERS 655)、其他具有高顏料親和力基團之界面活性劑(例如，由Evonik Tego Chemie GmbH製造之TEGO® DISPERS 662 C)。不在以上清單中之其他較佳聚合物包括(但不限於)聚環氧乙烷、聚乙二醇及其衍生物及烷基羧酸及其衍生物或鹽，或其混合物。較佳聚乙二醇衍生物為聚(乙二醇)乙酸。較佳烷基羧酸為具有完全飽和烷基鏈之彼等烷基羧酸及具有單或多不飽和烷基鏈之彼等烷基羧酸，或其混合物。具有飽和烷基鏈之較佳羧酸為烷基鏈長度在約8至約20個碳原子範圍內之彼等羧酸，較佳為C9H19COOH(癸酸)、C11H23COOH(月桂酸)、C13H27COOH(肉豆蔻酸)、C15H31COOH(棕櫚酸)、C17H35COOH(硬脂酸)或其鹽或混合物。較佳具有不飽和烷基鏈之羧酸為C18H34O2(油酸)及C18H32O2(亞麻油酸)。較佳單體界面活性劑為苯并三唑及其衍生物。若存在，則基於有機媒劑之100%總重量，界面活性劑可為至少約0.01重量%。同時，基於有機媒劑之100%總重量，界面活性劑較佳不超過約10重量%，較佳不超過約8重量%，及更佳不超過約6重量%。
有機媒劑中之較佳添加劑為不同於前述組分且有助於導電膏之有利特性之彼等材料，該等特性諸如有利黏度、可印刷性、穩定性及 燒結特徵。可使用此項技術中已知且視為將在本發明之上下文中適合的添加劑。較佳添加劑包括(但不限於)搖變劑、黏度調節劑、穩定劑、無機添加劑、增稠劑、乳化劑、分散劑及pH值調節劑。較佳搖變劑包括(但不限於)羧酸衍生物，較佳為脂肪酸衍生物，或其組合。 較佳脂肪酸衍生物包括(但不限於)C9H19COOH(癸酸)、C11H23COOH(月桂酸)、C13H27COOH(肉豆蔻酸)、C15H31COOH(棕櫚酸)、C17H35COOH(硬脂酸)、C18H34O2(油酸)、C18H32O2(亞麻油酸)及其組合。在此上下文中之包含脂肪酸之較佳組合為蓖麻油。
添加劑
根據另一實施例，導電膏可包括不同於導電粒子、IRS及有機媒劑之添加劑。較佳添加劑有助於導電膏、其所產生之電極或所得太陽能電池之增加的效能。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有添加劑均可用作導電膏中之添加劑。較佳添加劑包括(但不限於)搖變劑、黏度調節劑、乳化劑、穩定劑或pH值調節劑、無機添加劑、增稠劑及分散劑，或其中至少兩者之組合。無機添加劑為最佳的。較佳無機添加劑包括(但不限於)鹼金屬及鹼土金屬；過渡金屬，諸如鎳、鋯、鈦、錳、錫、釕、鈷、鐵、銅及鉻鎢、鉬、鋅；過渡後金屬，諸如硼、矽、鍺、碲、釓、鉛、鉍、銻；稀土金屬，諸如鑭、鈰；氧化物；混合金屬氧化物；錯合物化合物；或由彼等氧化物形成之非晶形或部分結晶玻璃或其中至少兩者之任何組合，較佳為鋅、銻、錳、鎳、鎢、碲及釕或其中至少兩者之組合；其氧化物；在燃燒後可產生彼等金屬氧化物或玻璃之化合物；或前述金屬中之至少兩者之混合物；前述氧化物中之至少兩者之混合物；以上所提及之在燃燒後可產生彼等金屬氧化物、混合金屬氧化物、化合物或非晶形或部分結晶玻璃之化合物中之至少兩者之混合物；或任何上述中之兩者或兩者以上之混合物。
若存在，則基於膏體之100%總重量，導電膏組成物可包括至少約0.1重量%添加劑。同時，基於膏體之100%總重量，膏體較佳包括不超過約10重量%，較佳不超過約5重量%，及更佳不超過約2重量%之一或多種添加劑。
形成導電膏組成物
為了形成導電膏組成物，可使用此項技術中已知之任何方法將IRS與導電金屬粒子及有機媒劑組合以用於製備膏組成物。製備之方法並非至關重要的，只要其產生均勻分散膏體即可。組分可經混合(諸如用混合器)，隨後穿過三輥研磨機(例如)以製成分散均一膏體。
太陽能電池
在另一態樣中，本發明係關於一種太陽能電池。在一個實施例中，太陽能電池係由半導體基板(例如矽晶圓)及根據本文所描述之實施例中之任一者之導電膏組成物形成。
在另一態樣中，本發明係關於一種太陽能電池，其藉由包含向半導體基板施加根據本文所描述之實施例中之任一者之導電膏組成物及燒製半導體基板之製程來製備。
矽晶圓
較佳晶圓在太陽能電池之其他區中具有能夠以高效率吸收光以產生電子-電洞對且以高效率跨邊界分離電洞與電子(較佳跨p-n接面邊界)之區域。較佳晶圓為包含由前摻雜層及背摻雜層組成之單個主體之彼等晶圓。
較佳地，晶圓包含適當摻雜之四價元素、二元化合物、三元化合物或合金。在此上下文中之較佳四價元素為矽、Ge或Sn，較佳為矽。較佳二元化合物為兩種或兩種以上四價元素、第III族元素與第V族元素之二元化合物、第II族元素與第VI族元素之二元化合物或第IV族元素與第VI族元素之二元化合物之組合。四價元素之較佳組合為兩 種或兩種以上選自矽、鍺、錫或碳之元素之組合，較佳為SiC。第III族元素與第V族元素之較佳二元化合物為GaAs。根據一個較佳實施例，晶圓為矽。其中明確提及矽之前述描述亦適用於本文所描述之其他晶圓組成物。
p-n接面邊界位於晶圓之前摻雜層與背摻雜層之相接處。在n型太陽能電池中，背摻雜層摻雜有電子供給n型摻雜劑，且前摻雜層摻雜有電子接收或電洞供給p型摻雜劑。在p型太陽能電池中，背摻雜層摻雜有p型摻雜劑且前摻雜層摻雜有n型摻雜劑。根據一個較佳實施例，藉由首先提供摻雜矽基板且隨後向彼基板之一個面施加相反類型之摻雜層來製備具有p-n接面邊界之晶圓。
摻雜矽基板在此項技術中熟知。摻雜矽基板可藉由此項技術中已知且視為適用於本發明之任何方法製備。矽基板之較佳來源為單晶矽、多晶矽、非晶矽及升級冶金矽，最佳為單晶矽或多晶矽。摻雜以形成摻雜矽基板可在製備矽基板期間藉由添加摻雜劑同時進行，或其可在後續步驟中進行。在製備矽基板之後進行的摻雜可例如藉由氣體擴散磊晶法進行。摻雜矽基板亦可容易地購得。根據一個實施例，矽基板之初始摻雜可藉由向矽混合物添加摻雜劑以與其形成同時進行。 根據另一實施例，施加前摻雜層及高度摻雜背層(若存在)可藉由氣相磊晶法進行。氣相磊晶法較佳在至少約500℃，較佳至少約600℃，及最佳至少約650℃之溫度下進行。同時，氣相磊晶法較佳在不超過約900℃，更佳不超過約800℃，及最佳不超過約750℃之溫度下進行。 磊晶法亦較佳在至少2kPa，較佳至少約10kPa，及最佳至少約30kPa之壓力下進行。同時，磊晶法係在不超過約100kPa，較佳不超過約80kPa，及最佳不超過約70kPa之壓力下進行。
此項技術中已知矽基板可展現多種形狀、表面紋理及尺寸。僅舉幾例，基板之形狀可包括立方體、圓盤、圓片及不規則多面體。根 據一個較佳實施例，圓片為具有兩個類似、較佳相同之維度及顯著小於其他兩個維度之第三維度之立方體。該第三維度可比前兩個維度小至少100倍。
此外，多種表面類型在此項技術中已知。在一個實施例中，具有粗糙表面之矽基板較佳。一種分析基板粗糙度之方式為評估基板次表面之表面粗糙度參數，該次表面比基板之總表面積小，較佳低於總表面積之約一百分之一，且其基本上為平面的。表面粗糙度參數值係藉由次表面之面積與理論表面之面積之比率給出，該理論表面係藉由使均方位移最小化藉由將次表面投影至與次表面最佳擬合之平坦平面上形成。較高表面粗糙度參數值指示表面較粗糙、較不規則，且較低表面粗糙度參數值指示表面較平滑、較平坦。矽基板之表面粗糙度較佳經改良以便產生大量因素之間的最優平衡，該等因素包括(但不限於)光吸收及對表面之黏著性。
矽基板之兩個較大尺寸可變化以適合所得太陽能電池所需之應用。矽晶圓之厚度較佳為至少約0.01mm。同時，該厚度較佳不超過約0.5mm，更佳不超過約0.3mm，及最佳不超過約0.2mm。根據一個實施例，矽晶圓可具有0.01mm之最小厚度。
前摻雜層較佳比背摻雜層薄。亦較佳地，前摻雜層具有至少約0.1μm，且不超過約10μm，較佳不超過約5μm及最佳不超過約2μm之厚度。
高度摻雜層可在背摻雜層與任何其他層之間施加於矽基板之背面。此類高度摻雜層與背摻雜層屬相同摻雜類型，且此類層通常以+指示(n+型層施加於n型背摻雜層且p+型層施加於p型背摻雜層)。此高度摻雜背層用以輔助金屬化及改良導電特性。若存在，則高度摻雜背層較佳具有至少約1μm，且不超過約100μm，較佳不超過約50μm，及最佳不超過約15μm之厚度。
摻雜劑
較佳摻雜劑為在添加至矽晶圓時藉由將電子或電洞引入能帶結構中來形成p-n接面邊界之彼等摻雜劑。較佳地，此等摻雜劑之特性及濃度經特定選擇以便視需要調整p-n接面之能帶結構概況且設定光吸收及傳導性概況。較佳p型摻雜劑為向矽晶圓能帶結構添加電洞之彼等p型摻雜劑。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有摻雜劑均可用作p型摻雜劑。較佳p型摻雜劑包括(但不限於)三價元素，尤其為週期表之第13族之彼等三價元素。較佳週期表之第13族元素包括(但不限於)硼、鋁、鎵、銦、鉈或其中至少兩者之組合，其中硼尤其較佳。
較佳n型摻雜劑為向矽晶圓能帶結構添加電子之彼等n型摻雜劑。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有摻雜劑均可用作n型摻雜劑。較佳n型摻雜劑包括(但不限於)週期表之第15族元素。較佳第15族元素包括(但不限於)氮、磷、砷、銻、鉍或其中至少兩者之組合，其中磷尤其較佳。
如上文所描述，p-n接面之各種摻雜程度可變化以便調節所得太陽能電池之所要特性。
根據某些實施例，半導體基板(亦即，矽晶圓)展現高於約60Ω/□，諸如高於約65Ω/□、70Ω/□、90Ω/□、95Ω/□或100Ω/□之薄層電阻。
太陽能電池結構
本發明之一個態樣為可自本發明之方法獲得之太陽能電池。較佳太陽能電池為就入射光之總能量轉化為電能輸出之比例而言具有高效率之彼等太陽能電池。輕型且耐久之太陽能電池亦較佳。在最低限度下，太陽能電池通常包括：(i)前電極，(ii)前摻雜層，(iii)p-n接面邊界，(iv)背摻雜層及(v)焊接襯墊。太陽能電池亦可包括用於化學/機 械保護之額外層。
抗反射層
抗反射層可在將電極施加於太陽能電池之正面之前作為外層表面施加。較佳抗反射層為降低入射光經正面反射之比例且增加穿過正面之入射光經晶圓吸收之比例的彼等抗反射層。產生有利吸收/反射比、易於由導電膏蝕刻但另外對燒製導電膏所需之溫度具抗性且不使電極界面附近的電子與電洞之再結合增加之抗反射層為較佳的。可使用此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的所有抗反射層。較佳抗反射層包括(但不限於)SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2或其中至少兩者之混合物及/或其至少兩個層之組合。根據一個較佳實施例，抗反射層為SiNx，特定言之其中使用矽晶圓。
抗反射層之厚度適合於適當光之波長。根據本發明之一個較佳實施例，抗反射層具有至少約20nm，較佳至少約40nm，及最佳至少約60nm之厚度。同時，該厚度較佳不超過約300nm，較佳不超過約200nm，及最佳不超過約90nm。
鈍化層
一或多個鈍化層可作為外層表面施加於矽晶圓之前側及/或背側。一或多個鈍化層可在前電極形成之前或在施加抗反射層(若存在抗反射層)之前施加。較佳鈍化層為在電極界面附近減小電子/電洞再結合速率之彼等鈍化層。可使用此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的任何鈍化層。較佳鈍化層包括(但不限於)氮化矽、二氧化矽及二氧化鈦。根據一個較佳實施例，使用氮化矽。鈍化層較佳具有至少0.1nm，較佳至少約10nm，及最佳至少約30nm之厚度。同時，鈍化層較佳不超過約2μm，更佳不超過約1μm，及最佳不超過約200nm。
額外保護層
除上文所描述之直接有助於太陽能電池之基本功能的層之外，可添加其他層以用於機械及化學保護。
電池可經囊封以提供化學保護。囊封在此項技術中熟知且任何適用於本發明之囊封均可使用。根據一個較佳實施例，若該囊封存在，則常常被稱為透明熱塑性樹脂的透明聚合物係用作囊封材料。較佳透明聚合物包括(但不限於)矽橡膠及聚乙烯乙酸乙烯酯(PVA)。
亦可將透明玻璃薄片添加至太陽能電池之前面以為電池之正面提供機械保護。透明玻璃薄片在此項技術中熟知且適合的任何適合之透明玻璃薄片均可使用。
可將背保護材料添加至太陽能電池之背面以提供機械保護。背保護材料在此項技術中熟知且任何適合的背保護材料均可使用。較佳背保護材料為具有良好機械特性及耐候性之彼等背保護材料。較佳背保護材料為具有聚氟乙烯層之聚對苯二甲酸伸乙酯。背保護材料較佳存在於囊封層之下方(在背保護層與囊封兩者均存在之情況下)。
可將框架材料添加至太陽能電池之外部以提供機械支撐。框架材料在此項技術中熟知且視為在本發明之上下文中適合的任何框架材料均可使用。較佳框架材料為鋁。
製備太陽能電池之方法
太陽能電池可藉由將導電膏組成物施加於半導體基板(諸如矽晶圓)之前側上之抗反射塗層(諸如氮化矽、氧化矽、氧化鈦或氧化鋁)以形成前側電極來製備。隨後將本發明之背側導電膏施加於太陽能電池之背側以形成焊接襯墊。導電膏可以此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的任何方式施加。實例包括(但不限於)浸漬(impregnation)、浸塗(dipping)、傾注、滴落、注射、噴灑、刮刀塗法、簾式塗佈、刷塗或印刷，或其中至少兩者之組合。較佳印刷技術為噴墨印刷、網版印刷、移動印刷、平版印刷、凸版印刷或模板印 刷，或其中至少兩者之組合。導電膏較佳藉由印刷施加，較佳藉由網版印刷。特定言之，網版較佳具有直徑為至少約10μm，更佳至少約15μm，更佳至少約20μm及最佳至少約25μm之指線開口。同時，指線開口直徑較佳不超過約100μm，更佳不超過約80μm，及最佳不超過約70μm。
隨後將鋁膏施加於基板之背側，使其與由背側導電膏形成之焊接襯墊之邊緣重疊，以形成BSF。隨後根據由基板及導電膏之組成所決定之適當概況燒製基板。
燒製對燒結印刷電極及焊接襯墊為必要的以便形成固體導電體。燒製在此項技術中熟知且可以視為在本發明之上下文中適合的任何方式實現。燒製較佳在高於IRS材料之Tg下進行。
對燃燒設定之最高溫度低於約900℃，較佳低於約860℃。已使用低至820℃之燃燒溫度以用於獲得太陽能電池。通常設定燃燒溫度量變曲線以便能夠使來自導電膏組成物之有機黏合劑材料以及存在之任何其他有機材料燃盡。燒製步驟通常在空氣中或在帶式鍋爐中於含氧氛圍下進行。燒製較佳在快速燃燒製程中進行，其中總燃燒時間在約30秒至約3分鐘範圍內，更佳在約30s至約2分鐘範圍內及最佳在約40s至約1分鐘範圍內。高於600℃之時間最佳在約3至7s範圍內。基板可持續約1至5s之時間段達到在約700至900℃範圍內之峰值溫度。 燒製亦可以較高輸送速率進行，例如約100至500cm/min，其中所得滯留時間為約0.05至5分鐘。多個溫度區(例如3至12個區)可用於控制所要熱分佈。
燒製在前面及背面上之導電膏可同時或依序進行。若施加導電膏的兩個面具有類似、較佳相同的最優燃燒條件，則同時燒製為適當的。若適當，則燒製較佳同時進行。當燒製依序進行時，背導電膏較佳首先經施加及燒製，隨後將導電膏施加及燒製至正面。
量測導電膏之效能
為量測太陽能電池之效能，進行標準電氣測試。使用來自Halm Elektronik GmbH之商業IV-測試儀「cetisPV-CTL1」來表徵上面印刷有前側與背側膏兩者之樣品太陽能電池。在電氣量測期間，量測設備之所有部分以及待測試之太陽能電池均維持在25℃下。在實際量測期間藉由溫度探針在電池表面上始終同時量測此溫度。Xe電弧燈以1000W/m2之已知AM1.5強度在電池表面上模擬日光。為使模擬器達到此強度，在短時間段內快閃該燈若干次直至其達到由IV-測試儀之「PVCTControl 4.260.0」軟體所監測之穩定程度。Halm IV測試儀使用多點接觸方法以量測電流(I)及電壓(V)以測定電池之IV曲線。為此，將太陽能電池以一定方式置放在多點接觸探針之間以使得探針指與電池之匯流排接觸。接觸探針線之數目經調節為電池表面上之匯流排之數目。所有電值係藉由所實施之軟體套件直接自此曲線自動測定。作為參考標準，測試來自ISE Freiburg之由相同面積尺寸、相同晶圓材料組成且使用相同前側佈局經加工之校準太陽能電池且將資料與認定值相比較。量測了至少五個以極其相同方式加工之晶圓且藉由計算各值之平均值解釋資料。軟體PVCTControl 4.260.0提供效率、填充因數、短路電流、串聯電阻及開路電壓之值。
太陽能電池模組
本發明之另一態樣為由本發明之太陽能電池形成之太陽能電池模組。複數個太陽能電池可在空間上且電互連配置以形成稱為模組之集體配置。較佳模組可具有多種配置，較佳為稱為太陽能面板之矩形配置。多種電連接太陽能電池之方法以及多種機械配置及固定該等電池以形成集體配置之方法在此項技術中熟知。此項技術中已知且視為在本發明之上下文中適合的任何該等方法均可使用。較佳方法為產生較低質量與功率輸出比、較低體積與功率輸出比及較高耐久性之彼等 方法。鋁為用於機械固定太陽能電池之較佳材料。
實例 實例1
用下表1中所闡述之起始材料製備一組IRS組成物(G1及G2)。對照物係使用如G1及G2之相同起始材料(鉛、碲及金屬氧化物)(除基於鋅或鎂之化合物以外)製備。藉由以表1中所指定之量混合個別氧化物組分來以100g批量製備樣品。將氧化物混合物裝載至8.34in3體積Colorado坩堝中。隨後將坩堝置放在600℃下之烘箱中40分鐘以預熱氧化物混合物。在預熱之後，將坩堝移至850℃下之耐火烘箱中15分鐘以使個別組分熔融為玻璃混合物。隨後自烘箱移除熔融玻璃且將其倒入含有去離子水之桶中以快速淬滅。在1L陶瓷瓶研磨機中進一步處理此玻璃材料。用½"圓柱形氧化鋁介質或2mm直徑釔穩定氧化鋯(YTZ)研磨介質及去離子水填充瓶研磨機之約一半。將玻璃添加至瓶研磨機且在60至80RPM下將其輥壓8小時。在碾磨之後，玻璃經325篩孔篩過濾且在125℃下乾燥12小時。所有量均基於IRS之100%總重量。
隨後將IRS組成物與銀粒子及有機媒劑混合以形成例示性導電膏組成物。為形成各例示性膏體(P1及P2)及對照物膏體，基於膏體之100%總重量，將約2.3重量%之各IRS組成物、約88.5重量%銀粒子與約9.2重量%有機媒劑各自合併。
一旦膏體經混合至均一稠度，使用250篩孔不鏽鋼，5μm EOM，以約30μm線直徑將其網版印刷至空白單晶矽晶圓之前側上。 使用市售之背側膏以形成焊接襯墊，其延伸跨越電池之全長且為約4mm寬。隨後，將市售之鋁背側膏印刷遍及電池之後側之其餘區域以形成鋁BSF。隨後在適當溫度下乾燥電池。隨後在大致700至975℃之峰值溫度下燒製具有經印刷之前側及背側膏之矽基板。
例示性膏體及對照物膏體之導電效能在下表2中闡述。效率(η，%)、短路電流(Isc，mΩ)、填充因數(FF，%)、開路電壓(Voc，V)及在三個標準照明強度下之串聯電阻(Rs3，Ω)均係根據本文中所闡述之參數計算，且在以下各表中提供之值已關於對照物膏體校正為1。最值得注意地，與對照物膏體相比，例示性膏體P1及P2具有較低串聯電阻及較高短路電流及填充因數。
實例2
製備一組PTZM、PTZ及PTM IRS組成物(G3-G5)以及另一對照物IRS(對照物2)。用下表3中所闡述之起始材料根據實例1中所闡述之參數製備IRS組成物。各例示性IRS含有MgO、ZnO或其兩者以及Pb、Te及金屬氧化物。所有量均以IRS之100%總重量表示。
隨後將約2重量%之各IRS組成物與約89重量%銀粒子及約9重量% 有機媒劑根據如實例1中所闡述之相同參數混合以形成膏體P3-P5及對照物2膏體。隨後將例示性膏體根據實例1之參數網版印刷在單晶矽晶圓上。導電效能係根據本文所闡述之參數量測且關於對照物2膏體校正為1。如表4中所示，例示性膏體中之每一者優於對照物2，其中效率及填充因數特定改良且串聯電阻降低。
實例3
用下表5中所闡述之起始材料根據實例1中所闡述之參數製備一組PTMZ及PTZ IRS組成物(G6-G9)。所有量均以IRS之100%總重量表示。
將約2重量%之各PTMZ及PTZ IRS組成物與約89重量%銀粒子及約9重量%有機媒劑根據如實例1中所闡述之相同參數混合以形成膏體P6-P9。亦用相同膏體組分製備具有對照物2實例2之IRS之對照物膏體。隨後將膏體根據實例1之參數網版印刷在單晶矽晶圓上。導電效能係根據本文所闡述之參數量測且關於對照物2膏體校正為1。如表6中可見，膏體P6-P9展現改良之填充因數及降低之串聯電阻。
表6. 膏體P6-P9之電效能
實例4
另一組PBZ、PBM及PBMZ IRS組成物可用下表7中所闡述之起始材料根據實例1中所闡述之參數製備。此等組成物進一步包括Li2O及B2O3。所有量均基於IRS之100%總重量。預料電效能在下表8中闡述。
實例5
另一組PBT IRS組成物(X4-X6)可用下表9中所闡述之起始材料根據實例1中所闡述之參數製備。此等組成物均僅含有PTZ、PTM及/或PTMZ系統。所有量均基於IRS之100%總重量。預料電效能在下表10中闡述。
本發明之此等及其他優點將自前述說明書對熟習此項技術者顯而易見。因此，熟習此項技術者將認識到可在不背離本發明之廣泛發明概念的情況下對上述實施例做出變化或修改。任何特定實施例之特定尺寸僅出於說明之目的描述。因此應理解，本發明並非限制於本文所描述之特定實施例，而意欲包括在本發明之範疇及精神範圍內之所有變化及修改。

Claims (23)

  1. 一種導電膏，其包含：金屬粒子；至少一無機反應系統；及有機媒劑；其特徵在於該至少一無機反應系統係式(II)之組成物：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)-Md-Oe，其中0<a、b或d1，0w、x、y、z1，w+x+y+z=c，w、x、y及z中之至少一者大於零，a、b、c與d之總和為1，0<c0.2，0d0.5，a：b在10：90與90：10之間，(a+c+d)：b在10：90與90：10之間，M為任何選自於鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、硼、鋁、鎵、矽、鍺、錫、磷、銻、鈮、鉭、釩、鈦、鉬、鎢、鉻、銀、鉛、鹵化物、硫屬化物或其任何組合之元素，且e為足以平衡該等Pb、Te、Mg-Ca-Sr-Ba與M組分之數值；及其中該導電膏包含至少0.1重量%及不超過3重量%之該無機反應系統。
  2. 一種導電膏，其包含：金屬粒子；至少一無機反應系統；及有機媒劑；其特徵在於該至少一無機反應系統係式(III)之組成物：Pba-Teb-(Mgw-Cax-Sry-Baz)-Znf-Md-Oe，其中0<a、b、d或f1，0w、x、y、z1，w+x+y+z=c，w、x、y及z中之至少一者大於零，a、b、c、d與f之總和為1，0<c0.2，0<f0.2，0d0.5，a：b在10：90與90：10之間， (a+c+f+d)：b在10：90與90：10之間，M為任何選自於鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、硼、鋁、鎵、矽、鍺、錫、磷、銻、鈮、鉭、釩、鈦、鉬、鎢、鉻、銀、鉛、鹵化物、硫屬化物或其任何組合之元素，且e為足以平衡該等Pb、Te、Mg-Ca-Sr-Ba、Zn與M組分之數值；及其中該導電膏包含至少0.1重量%及不超過3重量%之該無機反應系統。
  3. 如請求項1或2之導電膏，其中d為0d0.4。
  4. 如請求項1或2之導電膏，其中a：b在20：80與80：20之間。
  5. 如請求項1或2之導電膏，其中0<c0.1。
  6. 如請求項2之導電膏，其中0<f0.1。
  7. 如請求項1或2之導電膏，其中基於該無機反應系統之100%總重量，該無機反應系統係由至少5重量%且不超過45重量%含鉛化合物形成。
  8. 如請求項1或2之導電膏，其中基於該無機反應系統之100%總重量，該無機反應系統係由至少20重量%且不超過70重量%含碲組成物形成。
  9. 如請求項1或2之導電膏，其中基於該無機反應系統之100%總重量，該無機反應系統係由不超過15重量%之含鋅化合物、含鎂化合物或其兩者形成。
  10. 如請求項1或2之導電膏，其中該無機反應系統進一步包含鉍。
  11. 如請求項1或2之導電膏，其中基於該膏體之100%總重量，該膏體包含至少50重量%且不超過95重量%之金屬粒子。
  12. 如請求項1或2之導電膏，其中該金屬粒子係選自由銀、鋁、金、銅、鎳及其合金或混合物組成之群。
  13. 如請求項1或2之導電膏，其中基於該膏體之100%總重量，該膏 體包含至少0.5重量%且不超過3重量%之該無機反應系統。
  14. 如請求項1或2之導電膏，其中基於該膏體之100%總重量，該膏體包含至少0.01重量%且不超過50重量%之有機媒劑。
  15. 如請求項1或2之導電膏，其中該有機媒劑包含有機溶劑以及黏合劑、界面活性劑及搖變劑中之一或多者或其任何組合。
  16. 如請求項15之導電膏，其中該有機溶劑係選自由以下各者組成之群：卡必醇、萜品醇、己基卡必醇、德桑醇(texanol)、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二酸二甲酯乙二醇醚及其任何組合。
  17. 如請求項15之導電膏，其中該黏合劑係選自由以下各者組成之群：乙基纖維素、酚系樹脂、聚丙烯酸、聚乙烯醇縮丁醛、聚酯樹脂、聚碳酸酯、聚乙烯樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂、松香衍生物及其任何組合。
  18. 如請求項15之導電膏，其中該界面活性劑係選自由以下各者組成之群：聚環氧乙烷、聚乙二醇、苯并三唑、聚(乙二醇)乙酸、月桂酸、油酸、癸酸、肉豆蔻酸、亞麻油酸、硬脂酸、棕櫚酸、硬脂酸鹽、棕櫚酸鹽及其任何組合。
  19. 一種太陽能電池，其藉由將如請求項1至18中任一項之導電膏施加於矽晶圓且燒製該矽晶圓來生產。
  20. 如請求項19之太陽能電池，其中該導電膏施加於該矽晶圓之表面上之抗反射塗層。
  21. 一種太陽能電池模組，其包含電互連之如請求項19或20之太陽能電池。
  22. 一種生產太陽能電池之方法，其包含以下步驟：提供具有前側及背側之矽晶圓；將如請求項1至18中任一項之導電膏施加於該矽晶圓；及 燒製該矽晶圓。
  23. 如請求項22之生產太陽能電池之方法，其中該導電膏施加於該矽晶圓之該前側。
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