TWI655255B - 太陽能電池的指狀電極及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種太陽能電池的指狀電極的製造方法以及一種由此製造的指狀電極。所述方法包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷掩模在襯底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤所述經印刷的導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體，且其中所述導電粉包含粒徑（D50）為0.1微米至1.5微米的第一導電粉以及粒徑（D50）大於1.5微米至5微米或更小的第二導電粉，且所述導電粉整體具有0.5微米或小於0.5微米的粒徑（D10）。

Description

太陽能電池的指狀電極及其製造方法 [相關申請的交叉參考]
本發明主張在2017年2月03日提出申請的韓國專利申請10-2017-0015803的權利，所述韓國專利申請的全部公開內容併入本案供參考。
本發明有關於一種太陽能電池的指狀電極的製造方法，以及一種由此製造的太陽能電池的指狀電極。
太陽能電池利用將日光的光子轉換成電力的p-n結(p-n junction)的光生伏打效應(photovoltaic effect)來產生電力。在太陽能電池中，在半導體晶片或襯底的上表面及下表面上分別形成前電極及後電極，且在所述前電極與所述後電極之間具有p-n結。然後，由進入半導體晶片的日光誘發p-n結處的光生伏打效應，且通過p-n結處的光生伏打效應而產生的電子經由電極提供電流。
此種太陽能電池電極通常通過以下方式進行製造：將用於形成電極的具有開口的印刷掩模放置於半導體襯底上，將導電 膏放置於印刷掩模上，並經由印刷掩模的開口將導電膏以電極的形式印刷於半導體襯底上，然後烘烤經印刷的導電膏。
圖1示出用於形成太陽能電池電極的典型印刷掩模的圖像。參照圖1，此種典型印刷掩模是通過以下方式製造：將感光性樹脂14施加至相對於印刷掩模的縱向方向傾斜設置的網格12，並選擇性地移除感光性樹脂的將在其中利用光致抗蝕工藝印刷電極的部分，從而形成電極印刷部分16。此種用於形成太陽能電池電極的典型印刷掩模具有45%至60%的開口率，其中開口率是指無網格部分佔據的面積占電極印刷部分的總面積的比例。
在太陽能電池的前表面上形成的指狀電極優選地具有小的線寬度、狹窄並具有大的高度以增大日光接收面積。然而，當使用具有45%至60%的開口率的典型印刷掩模時，在增大電極高寬比(高度/線寬)方面受到限制，且因此在提高太陽能電池轉換效率方面受到限制。
近來，已嘗試使用具有65%或大於65%的開口率的印刷掩模來提高指狀電極的高寬比。然而，在將通常用於具有低開口率的典型印刷掩模中的導電膏組合物應用至具有高開口率的印刷掩模時，存在以下問題：在烘烤期間線寬有可能增大，使得高寬比增大不明顯或電性質劣化。
因此，需要一種太陽能電池電極的製造方法，其可在使用具有65%或大於65%的高開口率的印刷掩模的同時抑制烘烤期間線寬的增大以及電特性的劣化。
本發明的背景技術公開於日本專利4,255,248中。
本發明的一個目的是提供一種高寬比高且電性質優異的太陽能電池的指狀電極的製造方法，以及一種由所述製造方法製造的太陽能電池的指狀電極。
本發明的此目的及其他目的可通過以下闡述的本發明的實施例而實現。
本發明的一個方面涉及一種太陽能電池的指狀電極的製造方法。
所述太陽能電池的指狀電極的製造方法包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷掩模在襯底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤所述經印刷的導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料、以及有機載體，且其中所述導電粉包含粒徑(D50)為0.1微米至1.5微米的第一導電粉以及粒徑(D50)大於1.5微米至5微米或更小的第二導電粉，且所述導電粉整體具有0.5微米或小於0.5微米的粒徑(D10)。
所述導電粉整體可具有0.1微米至0.2微米的粒徑(D10)。
所述第一導電粉對所述第二導電粉的重量比可介於1：99至99：1的範圍內。
所述印刷掩模可具有65%至90%的開口率。
所述印刷掩模可包括：網格、與所述網格結合的感光性樹脂層、以及通過移除所述感光性樹脂層而形成的電極印刷部分。
烘烤所述導電膏可在600℃至1,000℃下執行。
所述玻璃料可包含以下元素的氧化物中的至少一者：鉛(Pb)、鉍(Bi)、碲(Te)、磷(P)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、鋰(Li)、硼(B)、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)。
所述導電膏可包含60重量%至95重量%的所述導電粉、0.5重量%至20重量%的所述玻璃料、以及1重量%至30重量%的所述有機載體。
所述導電膏可進一步包含選自由以下組成的群組中的至少一種添加劑：分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線穩定劑、抗氧化劑及偶合劑。
根據本發明的另一方面，提供一種太陽能電池的指狀電極。
所述太陽能電池的指狀電極可通過以上所述太陽能電池的指狀電極的製造方法來製造。
本發明提供一種高寬比高且電性質優異的太陽能電池的指狀電極的製造方法，以及一種由所述製造方法製造的太陽能電池的指狀電極。
10、100‧‧‧印刷掩模
12、120‧‧‧網格
14‧‧‧感光性樹脂
140‧‧‧感光性樹脂層
16、160‧‧‧電極印刷部分
圖1是說明用於形成太陽能電池的指狀電極的典型印刷 掩模的圖式。
圖2是說明根據本發明具有高開口率的印刷掩模的圖式。
本文中所述的D50是指在基於體積的粒徑分佈中從較小顆粒累積測量的體積達到50%的點處的粒徑，且D10是指從較小顆粒累積測量的體積達到10%的點處的粒徑。
以下，將詳細闡述本發明的實施例。
根據本發明的一個實施例，一種太陽能電池的指狀電極的製造方法包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷掩模在襯底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤所述經印刷的導電膏。
首先，將參照圖2闡述根據本發明的印刷掩模。圖2示出根據本發明的印刷掩模100的實例。參照圖2，印刷掩模100包括：網格120、與網格120結合的感光性樹脂層140以及通過移除所述感光性樹脂層而形成的電極印刷部分160，並具有65%或大於65%、具體來說65%至90%的開口率。此處，開口率是根據方程式1計算：開口率(%)={(電極印刷部分的面積-電極印刷部分中網格佔據的面積)/電極印刷部分的面積}×100。
利用包括具有高開口率的電極印刷部分的印刷掩模100所製造的指狀電極可具有減小的線寬。此外，可防止根據本發明的導電膏在印刷後鋪展或在烘烤期間滲出，從而提高電極的高寬比。
在印刷掩模100中，網格的經線優選地相對於印刷掩模的縱向方向呈80°至100°、優選地85°至105°的角度設置。當網格的經線的角度落於此範圍內時，在電極印刷部分中被網格佔據的面積可最小化，從而獲得高的開口率。
此外，如圖2所示，網格的位於電極印刷部分160上方的緯線與網格的位於電極印刷部分160下方的緯線之間的距離可長於網格的位於其他區中的緯線之間的距離。當網格的相鄰於電極印刷部分的緯線之間的距離相對長時，在電極印刷部分160中被網格佔據的面積可最小化，同時防止在導電膏的印刷期間可印刷性因由按壓工具施加至印刷掩模的張力而降低。
接下來，將闡述根據本發明的導電膏。所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體。
導電粉
導電粉包含粒徑(D50)為0.1微米至1.5微米的第一導電粉以及粒徑(D50)大於1.5微米至5微米或更小的第二導電粉。因此，根據本發明的導電粉包含兩種或更多種具有不同粒徑(D50)的導電粉，從而提高電極的高寬比及電性質。關於平均粒徑，可在經由超聲波作用在25℃下將導電粉分散在異丙醇(isopropyl alcohol，IPA)中達3分鐘之後，利用例如型號1064D(西萊斯有限公司(CILAS Co.,Ltd.))來測量。
第一導電粉可具有小於第二導電粉的粒徑(D50)，且可具有例如0.1微米至1.5微米的粒徑D50。第二導電粉可具有大於 第一導電粉的粒徑(D50)，且可具有例如大於1.5微米至5微米或更小的粒徑D50。包含具有不同粒徑的第一導電粉及第二導電粉的導電粉可增大電極圖案的剖視填充密度(packing density)，從而改善電極的電性質、可圖案化性以及高寬比。
第一導電粉對第二導電粉的重量比可介於1：99至99：1、具體來說5：95至95：5、更具體來說10：90至90：10的範圍內。在此重量比範圍內，導電粉可改善電極的電性質以及高寬比。
導電粉整體可具有0.5微米或小於0.5微米、0.3微米或小於0.3微米、例如0.01微米至0.3微米、更具體來說0.1微米至0.2微米的粒徑(D10)。在此粒徑(D10)範圍內，電極可具有高填充密度，且可表現出優異的電性質。
導電粉可包括通常用於太陽能電池電極中的任意典型導電粉，例如銀、鋁、鎳、銅或其組合，對此並無限制。具體來說，在電性質方面優選使用銀粉。
導電粉可具有各種顆粒形狀，例如球形、薄片形或非晶形顆粒形狀，對此並無限制。
以導電膏的總重量計，可存在60重量%至95重量%的量的導電粉。在此範圍內，導電膏可提高太陽能電池的轉換效率，且可易於製備成膏形式。具體來說，以導電膏的總重量計，可存在70重量%至90重量%的量的導電粉。
玻璃料
玻璃料用於通過在導電膏的烘烤工藝期間對抗反射層進 行蝕刻並對導電粉進行熔融而在發射區中形成銀晶粒。此外，玻璃料會改善導電粉與晶片的黏合力，且在烘烤工藝期間被軟化以降低烘烤溫度。
當增大太陽能電池的薄片電阻以提高太陽能電池效率時，可存在太陽能電池接觸電阻及洩漏電流增大的問題。因此，有必要在最大化開路電壓的同時使串聯電阻(Rs)及對p-n結的影響兩者最小化。此外，由於烘烤溫度隨著對具有不同薄片電阻的各種晶片的使用的增多而在廣泛範圍內變化，因此使玻璃料保證足夠的熱穩定性以承受寬範圍的烘烤溫度是可取的。
根據本發明的玻璃料可包含以下元素的氧化物中的至少一者：鉛(Pb)、鉍(Bi)、碲(Te)、磷(P)、鍺(Ge)、鎵(Ga)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、鋰(Li)、硼(B)、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)。
可通過所屬領域中已知的任何典型方法由此類金屬氧化物來製備玻璃料。舉例來說，可以預定比率混合所述金屬氧化物。所述混合可利用球磨機或行星式磨機執行。然後在900℃至1300℃下對所述混合物進行熔融，並將所述經熔融混合物淬火至25℃。利用盤磨機、行星式磨機等將所獲得的材料粉碎，從而製備玻璃料。
玻璃料可具有0.1微米至10微米的平均粒徑(D50)，且 可具有球形或非晶形形狀。
此外，以導電膏的總重量計，可存在0.5重量%至10重量%、例如約1重量%至約7重量%的量的玻璃料。在此範圍內，玻璃料可確保p-n結在各種薄片電阻下的穩定性，最小化串聯電阻，並最終提高太陽能電池效率。
有機載體
有機載體通過與導電膏的無機組分進行機械混合而對所述導電膏賦予適合於印刷的合適的黏度及流變特性。
有機載體可為用於太陽能電池電極的導電膏中所用的任何典型有機載體，且可包含黏合劑樹脂、溶劑等。
黏合劑樹脂可選自丙烯酸酯樹脂或纖維素樹脂。一般使用乙基纖維素作為所述黏合劑樹脂。另外，黏合劑樹脂可選自以下：乙基羥乙基纖維素、硝基纖維素、乙基纖維素與酚樹脂的摻合物、醇酸樹脂、酚樹脂、丙烯酸酯樹脂、二甲苯樹脂、聚丁烯樹脂(polybutane resin)、聚酯樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂、乙酸乙烯酯樹脂、木松香、醇的聚甲基丙烯酸酯等。
溶劑可選自由以下組成的群組：例如，己烷、甲苯、乙基溶纖劑、環己酮、丁基溶纖劑、丁基卡必醇(二乙二醇單丁醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二乙二醇單丁醚乙酸酯)、丙二醇單甲醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯及乳酸乙酯。這些溶劑可單獨使用或作為其混合物形式使用。
以導電膏的總重量計，可存在1重量%至30重量%的量的有機載體。在此範圍內，有機載體可對所述組合物提供足夠的黏合強度及優異的可印刷性。
添加劑
根據本發明的導電膏可視需要進一步包含典型添加劑以增強流動性、以及工藝性質及穩定性。添加劑可包括分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線穩定劑、抗氧化劑、偶合劑等。這些添加劑可單獨使用或作為其混合物形式使用。以導電膏的總重量計，可存在0.1重量%至5重量%的量的添加劑，但所述添加劑的含量可視需要進行改變。
印刷導電膏可經由以下程式執行，在所述程式中，在將具有65%或大於65%的開口率的印刷掩模安置於襯底的前表面上並將導電膏安置於印刷掩模上之後，在導電膏上移動例如刮板或輥等按壓工具以使得導電膏經由印刷掩模的開口而印刷於襯底的前表面上。
然後，在150℃至400℃、優選地在200℃至400℃下對導電膏進行乾燥。此處，乾燥可在紅外(IR)乾燥爐等中執行。此外，乾燥可執行10秒至120秒，但並非僅限於此。
然後，對經印刷的導電膏進行烘烤，從而形成指狀電極。此處，烘烤可在600℃至1000℃下執行10秒至120秒。
太陽能電池的指狀電極
根據本發明的太陽能電池的指狀電極可通過根據本發明 的太陽能電池的指狀電極的製造方法來製造。
太陽能電池的指狀電極具有50微米或小於50微米、具體來說20微米至50微米、更具體來說20微米至48微米的小的線寬，且因此可最大化光接收面積，從而實現太陽能電池的優異的轉換效率。
此外，太陽能電池的指狀電極可具有0.32或大於0.32、例如0.32至0.8、具體來說0.35至0.7、更具體來說0.37至0.6的高寬比。在此高寬比範圍內，電極可在具有細的線寬的同時表現出良好的電性質。
接下來，將參考實例來更詳細地闡述本發明。然而，應注意，提供這些實例僅用於說明，且不應理解為以任何方式限制本發明。
此外，為清晰起見，對所屬領域中的技術人員顯而易見的細節不再予以贅述。
製備例
在以下製備例中使用的組分的詳細說明如下：
(A)導電粉
導電粉I：粒徑(D50)為0.5微米的球形銀(Ag)粉(1-31C，同和高級技術有限公司(Dowa Hightech Co.,Ltd.))
導電粉II：粒徑(D50)為2.5微米的球形銀(Ag)粉(874，技術有限公司(TECHNIC Inc.))
導電粉III：粒徑(D50)為3.5微米的球形銀(Ag)粉 (6-11F，同和高級技術有限公司)
導電粉IV：粒徑(D50)為5.5微米的球形銀(Ag)粉(G35，同和高級技術有限公司)
導電粉V：粒徑(D50)為0.08微米的球形銀(Ag)粉(TWA02，同和高級技術有限公司)
(B)玻璃料：鉍-碲-氧化物(Bi-Te-O)系玻璃料(ABT-1，旭硝子有限公司(Asahi Glass Co,Ltd.))
(C)有機黏合劑：乙基纖維素(STD4，陶氏化學品公司(Dow Chemical Company))
(D)溶劑：特神龍(Texanol)(伊士曼化學公司(Eastman Chemical Company))
(E)分散劑：TEGO® Dispers 656(贏創工業(Evonik Industries))
(F)觸變劑：奇科薩特牢(Thixatrol)ST(海名斯有限公司(Elementis Co.,Ltd.))
製備例1至製備例9
以如表1中所列的量使上述組分彼此混合，從而製備導電膏。具體來說，在60℃下將(C)有機黏合劑充分溶解在了(D)溶劑中以製備有機載體，並將導電粉、玻璃料、分散劑及觸變劑添加到了所述有機載體中，然後在3輥捏合機中進行混合及捏合，從而製備導電膏。
表1
在表1中，粒徑(D10)是指導電粉整體的粒徑(D10)，且在經由超聲波作用在25℃下將導電粉分散在異丙醇(IPA)中達3分鐘之後利用例如型號1064D(西萊斯有限公司)進行測量。
實例1
將具有82%的開口率並包括線寬為26微米的電極印刷部分的印刷掩模(三利精密工業有限公司(Samlip Precision Ind.))放置在了半導體襯底上，並將在製備例1中製備的導電膏放置在了印刷掩模上，然後利用刮板進行印刷，隨後在紅外乾燥爐中進 行乾燥。接著，在半導體襯底的後表面上印刷了鋁膏並以與以上相同的方式進行了乾燥。在帶型(belt-type)烘烤爐中在950℃下對根據此程式而形成的電池進行了烘烤達45秒，從而製作太陽能電池。
實例2
除使用在製備例2中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
實例3
除使用在製備例3中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
實例4
除使用在製備例4中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
比較例1
除使用在製備例5中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
比較例2
除使用在製備例6中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
比較例3
除使用在製備例7中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
比較例4
除使用在製備例8中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
比較例5
除使用在製備例9中製備的導電膏以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
比較例6
除使用具有63%的開口率並包括線寬為26微米的電極印刷部分的印刷掩模(勒邦絲網印刷設備(Lebon Screen Printing Equipment))以外，以與實例1相同的方式製備了太陽能電池。
性質評估
(1)線寬：利用共焦顯微鏡(VK-9700，基恩士公司(Keyence Corp.))測量了電極線寬。
(2)電性質：利用太陽能電池效率測定儀(CT-801，帕桑有限公司(Pasan Co.,Ltd.))在短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、接觸電阻(Rs)、填充因數(FF，%)及轉換效率(Eff.)方面對在實例1至實例4以及比較例1至比較例6中製備的每一太陽能電池進行了評估。結果示出於表2中。
如表2中所示可看出，各自利用根據本發明的具有開口率的印刷掩模以及根據本發明的包括導電粉組合的導電膏製備的實例1至實例4的太陽能電池電極在高寬比及電性質兩方面均表現優異。
相反，可看出，利用不包含第一導電粉或第二導電粉的導電膏或利用細微性(D10)大於0.5微米的導電粉製備的比較例1至比較例5的太陽能電池電極在高寬比及電性質兩方面表現出不良性質。此外可看出，利用具有低開口率的印刷掩模製備的比較例6的太陽能電池電極在所有性質方面相比於實例表現出相對差的性質。
儘管已在本文中闡述了一些實施例，但所屬領域中的技 術人員應理解，這些實施例僅以舉例說明的方式給出且本發明並非僅限於此。此外，應理解，在不背離本發明的精神及範圍的條件下，所屬領域中的技術人員可作出各種潤飾、變型及改變。因此，本發明的範圍應僅受隨附權利要求書及其等效形式的限制。

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池的指狀電極的製造方法，包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷掩模在襯底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤所述經印刷的導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體，且其中所述導電粉包含粒徑(D50)為0.1微米至1.5微米的第一導電粉以及粒徑(D50)大於1.5微米至5微米的第二導電粉，且所述導電粉整體具有0.5微米或小於0.5微米的粒徑(D10)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述導電粉整體具有0.1微米至0.2微米的粒徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述第一導電粉對所述第二導電粉的重量比介於1：99至99：1的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述印刷掩模具有65%至90%的開口率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述印刷掩模包括：網格、與所述網格結合的感光性樹脂層，以及通過移除所述感光性樹脂層而形成的電極印刷部分。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中烘烤所述導電膏是在600℃至1,000℃下執行。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述玻璃料包含以下元素的氧化物中的至少一者：鉛、鉍、碲、磷、鍺、鎵、鈰、鐵、鋰、硼、矽、鋅、鎢、鎂、銫、鍶、鉬、鈦、錫、銦、釩、鋇、鎳、銅、鈉、鉀、砷、鈷、鋯、錳以及鋁。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述導電膏包含60重量%至95重量%的所述導電粉、0.5重量%至20重量%的所述玻璃料以及1重量%至30重量%的所述有機載體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法，其中所述導電膏進一步包含以下中的至少一種添加劑：分散劑、觸變劑、塑化劑、粘度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線穩定劑、抗氧化劑及偶合劑。
  10. 一種太陽能電池的指狀電極，其包括如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述的太陽能電池的指狀電極的製造方法來製造。
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