TWI671917B - 太陽電池的電極圖案的形成方法、使用其製造的電極及太陽電池 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種太陽電池的電極圖案的形成方法、一種使用其製造的電極、以及一種太陽電池。所述太陽電池的電極圖案的形成方法包括：製備用於形成太陽電池電極的組成物，所述組成物包含導電粉末、玻璃料、有機黏合劑及溶劑；以及將所述用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於具有有機層的網版遮罩上，然後對所述組成物進行乾燥及燒製，其中所述用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與所述具有有機層的網版遮罩的水接觸角的差介於40度至60度的範圍。
Description
本發明揭露一種太陽電池的電極圖案的形成方法、一種使用其製造的電極、以及一種太陽電池。
太陽電池利用將太陽光的光子轉化為電力的p-n接面的光伏打效應而產生電能。在太陽電池中，前電極與後電極分別形成於具有p-n接面的半導體基板（半導體晶圓）的前表面與後表面上。p-n接面的光伏打效應由進入基板的太陽光誘發，且由p-n接面的光伏打效應產生的電子經由電極而向外界提供電流。
藉由將電極組成物塗佈於網版遮罩（screen mask）上並隨後進行乾燥及燒製（firing）製程，太陽電池的電極可在基板的表面上形成預定圖案。
已知太陽電池的轉化效率藉由以下方式而提高：藉由將有機材料塗佈於網版遮罩上而增大短路電流（Isc
），並將圖案線寬調整為更小且因此形成細線。然而，利用具有有機層的網版遮罩來減小電極圖案的線寬的方法會導致串列電阻（Rs）增大且精細圖案的連續可印刷性劣化。
實施例提供一種太陽電池的電極圖案的形成方法，所述方法能夠提高可印刷性、尤其是連續可印刷性。
另一實施例提供一種根據所述方法製造的電極。
又一實施例提供一種包括所述電極的太陽電池。
根據一個實施例，一種太陽電池的電極圖案的形成方法包括：製備用於形成太陽電池電極的組成物，所述組成物包含導電粉末、玻璃料（glass frit）、有機黏合劑及溶劑；以及 將所述用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於具有有機層的網版遮罩上，然後對所述用於形成所述太陽電池電極的組成物進行乾燥及燒製， 其中所述用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與所述具有所述有機層的網版遮罩的水接觸角的差介於40度至60度之間。
所述用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與所述具有所述有機層的網版遮罩的水接觸角的所述差可介於50度至55度的範圍。
所述用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角可小於或等於30度。
所述具有所述有機層的網版遮罩的的水接觸角可大於或等於70度。
所述用於形成太陽電池電極的組成物可包含60重量%至95重量%的所述導電粉末；0.5重量%至20重量%的所述玻璃料；1重量%至20重量%的所述有機黏合劑；以及餘量的所述溶劑。
所述有機黏合劑可包括(甲基)丙烯酸系樹脂或纖維素系樹脂。
所述用於形成太陽電池電極的組成物可更包含選自疏水劑、表面處理劑、分散劑、觸變劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線（UV）穩定劑、抗氧化劑及偶合劑中的至少一者。
另一實施例提供一種使用所述太陽電池的電極圖案的形成方法而製造的電極。
另一實施例提供一種包括所述電極的太陽電池。
所述太陽電池的電極圖案的形成方法可提供高解析度的經精細圖案化的電極，且可改善印刷特性（尤其是連續可印刷性）。根據所述方法製造的電極可提高太陽電池的效率。
以下，將在下文中參照其中示出本發明的示例性實施例的附圖來更充分地闡述本發明。熟習此項技術者將認識到，所述實施例可以各種不同方式進行潤飾，而此皆不背離本發明的精神或範圍。
在圖式中，為清晰起見，誇大了層、膜、板、區等的厚度。在說明書通篇中，相同的參考編號指代相同的元件。應理解，當稱一元件（例如，層、膜、區或基板）「位於」另一元件「上」時，所述元件可直接位於所述另一元件上，抑或亦可存在中間元件。相反，當稱一元件「直接位於」另一元件「上」時，則不存在中間元件。
根據實施例的一種太陽電池的電極圖案的形成方法包括：製備用於形成太陽電池電極的組成物，所述組成物包含導電粉末、玻璃料、有機黏合劑及溶劑；以及 將所述用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於具有有機層的網版遮罩上，然後對所述用於形成太陽電池電極的組成物進行乾燥及燒製，且 其中所述用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與所述具有有機層的網版遮罩的水接觸角的差介於40度至60度的範圍。
在本說明書中，用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角是藉由以下方式而獲得：在室溫下（20℃至25℃）利用刮板將用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於聚合物膜上以形成膜，利用微型注射器將蒸餾水滴在所形成的膜的表面上，並利用接觸角量測裝置（Phoenix 300 Plus，表面電光學公司（SEO））量測在液-固-氣接面處水的切線與膜的表面之間的角度。
聚合物膜可為聚對苯二甲酸乙二酯（PET）膜等，但並非僅限於此。
具有有機層的網版遮罩的水接觸角是藉由以下方式而獲得：將蒸餾水滴在網版遮罩的有機層的表面上，然後利用接觸角量測裝置（Phoenix 300 Plus）量測在液-固-氣接面處蒸餾水的切線相對於有機層的表面的角度。
用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與具有有機層的網版遮罩的水接觸角的差可介於40度至60度的範圍、例如50度至60度的範圍。當水接觸角差位於所述範圍內時，可提高用於形成太陽電池電極的組成物與網版遮罩的有機層之間的界面上的可濕性，可提高用於形成太陽電池電極的組成物的可印刷性，且可形成具有高縱橫比及精細圖案的電極。
用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角可小於或等於30度、例如小於或等於20度，且具有有機層的網版遮罩的水接觸角可大於或等於70度、例如大於或等於75度。在所述範圍內，可輕易地控制用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與具有有機層的網版遮罩的水接觸角的差，且亦可提高可印刷性。
首先，在太陽電池的電極圖案的形成方法中，製備滿足所述範圍內的水接觸角的用於形成太陽電池電極的組成物。
所述用於形成太陽電池電極的組成物可包含導電粉末、玻璃料、有機黏合劑及溶劑。
導電粉末可為金屬粉末。所述金屬粉末可包括選自以下中的至少一種金屬：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）、及錳（Mn），但並非僅限於此。
導電粉末的粒徑可為奈米級或微米級。舉例而言，導電粉末可具有數十奈米至數百奈米、或數微米至數十微米的粒徑。在其他實施例中，導電粉末可為二或更多種具有不同粒徑的銀粉末的混合物。
導電粉末可具有球形、片形或非晶形顆粒形狀。導電粉末可具有0.1微米至10微米、例如0.5微米至5微米的平均顆粒直徑（D50）。所述平均顆粒直徑可在藉由超音波處理在室溫（約24℃至約25℃）下將導電粉末分散於異丙醇（IPA）中達3分鐘之後利用例如型號1064D（西萊斯股份有限公司（CILAS Co., Ltd.））設備來量測。在此範圍內，可降低接觸電阻（contact resistance）及線電阻（line resistance）。
導電粉末可被處理為具有疏水性表面。
導電粉末以液相還原法（liquid reduction method）製造而成，且一般而言，以脂肪酸進行疏水性處理的導電粉末是藉由以下方式而獲得：將硝酸溶解於水溶液中，向其中添加脂肪酸及相變化合物，對所得混合物進行加熱及攪拌，對由此獲得的產物進行過濾及洗滌，並在真空烘箱中對其進行乾燥。
以用於形成太陽電池電極的組成物的100重量%的總量計，可以60重量%至95重量%的量包含所述導電粉末。在所述範圍內，可防止轉化效率因電阻增大而劣化，且亦可防止因有機載體的相對減少而導致難以形成糊膏。較佳地，可以70重量%至90重量%的量包含所述導電粉末。
玻璃料可用以增強導電粉末與晶圓或基板之間的黏著，並藉由蝕刻抗反射層及將所述導電粉末熔融而在射極（emitter）區中形成銀晶粒，以在用於形成太陽電池電極的組成物的燒製製程期間減小接觸電阻。此外，在燒結製程期間，玻璃料可軟化並可降低燒製溫度。
玻璃料可為在用於形成電極的組成物中常用的鉛玻璃料及無鉛玻璃料中的一或多者。
玻璃料可包含選自以下中的至少一種金屬元素：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）及鋁（Al）。
可藉由任意合適的方法而自金屬元素的氧化物製備所述玻璃料。舉例而言，可藉由以下方式而獲得金屬氧化物：以預定比率混合金屬元素的氧化物，對所得混合物進行熔融，使所得物驟冷，然後對經驟冷的產物進行粉碎。所述混合可使用球磨機或行星式磨機來執行。所述熔融可在700℃至1300℃下執行，且所述驟冷可在室溫（20℃至25℃）下執行。所述粉碎可利用碟式磨機或行星式磨機來執行，但無限制。
玻璃料可具有0.1微米至10微米的平均顆粒直徑（D50），且以用於形成太陽電池電極的組成物的100重量%計，所述玻璃料可以0.5重量%至20重量%的量存在。在此範圍內，玻璃料可在不使電極的電性特性劣化的同時確保電極的優異黏著強度。
玻璃料可具有球形狀或非晶形狀。在一個實施例中，可使用具有不同轉化溫度的兩種不同種類的玻璃料。舉例而言，可以介於1:0.2至1:1範圍的重量比而將轉化溫度介於大於或等於200℃至小於或等於350℃範圍的第一玻璃料與轉化溫度介於大於350℃至小於或等於550℃範圍的第二玻璃料混合。
有機黏合劑可包括(甲基)丙烯酸系樹脂或纖維素系樹脂。可使用(甲基)丙烯酸系樹脂或纖維素系樹脂，對此無限製，只要所用的樹脂為用於形成太陽電池電極的組成物中使用的樹脂即可。除所述樹脂以外，亦可使用乙基羥乙基纖維素、硝酸纖維素、乙基纖維素與酚醛樹脂的混合物、醇酸樹脂、酚系樹脂、丙烯酸酯系樹脂、二甲苯系樹脂、聚丁烯系樹脂、聚酯系樹脂、脲系樹脂、三聚氰胺系樹脂、乙酸乙烯酯系樹脂、木松香、或醇類的聚甲基丙烯酸酯。
有機黏合劑的重量平均分子量（Mw）可介於30,000克/莫耳至200,000克/莫耳、較佳地40,000克/莫耳至150,000克/莫耳的範圍。當重量平均分子量（Mw）位於所述範圍內時，可獲得在可印刷性方面的優異效果。
以用於形成太陽電池電極的組成物的100重量%的總量計，可以1重量%至20重量%、較佳地2重量%至15重量%的量包含所述有機黏合劑。當在所述範圍內使用有機黏合劑時，用於形成太陽電池電極的組成物可具有適當的黏度並防止其與基板的黏附劣化，且亦可因在燒製期間有機黏合劑的不順利分解而具有高電阻並防止在燒製期間電極開裂、產生開口、具有針孔等。
溶劑可包括例如己烷、甲苯、酯醇（2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯）、甲基溶纖劑、乙基溶纖劑、環己酮、丁基纖維素、脂肪醇、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、苄醇、γ-丁內酯、及乳酸乙酯，其可單獨使用或以二或更多種的組合形式使用。
以用於形成太陽電池電極的組成物的總量計，以餘量、例如1重量%至30重量%、較佳地5重量%至15重量%使用溶劑。在所述範圍內，可提高電極圖案與基板之間足夠的黏著強度，且可確保優異的連續可印刷性。
除構成元素以外，用於形成太陽電池電極的組成物可更視需要包含添加劑以增強組成物的疏水性、流動性質、處理性質及穩定性。所述添加劑可包括疏水劑、表面處理劑、分散劑、觸變劑、黏度穩定劑、消泡劑、顏料、紫外線（UV）穩定劑、抗氧化劑、及偶合劑，其可單獨使用或以二或更多種的混合物形式使用。
疏水劑的實例可為：氯矽烷，例如甲基氯矽烷、乙基氯矽烷、丙基氯矽烷、乙烯基氯矽烷、苯基氯矽烷等；矽酮聚合物，例如二甲基聚矽氧烷、聚矽氧油等；烷氧基矽烷，例如甲基甲氧基矽烷、甲基乙氧基矽烷、乙基甲氧基矽烷、乙烯基甲氧基矽烷、苯基甲氧基矽烷等；氟化劑，例如二乙基胺基三甲基矽烷、碳醯氟、氟化氫等。
以用於形成太陽電池電極的組成物的100重量%的總量計，可以0.1重量%至5重量%的量使用這些添加劑，但可視需要改變所述量。可考慮到用於形成太陽電池電極的組成物的疏水性、印刷特性、可分散性及儲存穩定性而選擇所述添加劑的量。
將用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於具有有機層的網版遮罩上，然後對所述組成物進行乾燥及燒製。參照圖1闡述所述塗佈。圖1是示出將用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於網版遮罩上的塗佈製程的示意圖。如圖1所示，藉由以下方式而將用於形成太陽電池電極的組成物13塗佈於基板11上：以刮板12擠出用於形成太陽電池電極的組成物13同時將組成物13供應至網版遮罩15上，並在網版遮罩15的網目之中排出用於形成太陽電池電極的組成物13。有機層塗佈於網版遮罩15的表面上，且在本文中，可將所述有機層的水接觸角及所述用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角調整成具有介於40度至60度、例如50度至55度範圍內的差。當水接觸角具有處於所述範圍內的差時，可使用於形成太陽電池電極的組成物13自網版遮罩15很好地分離，且因此可提高連續可印刷性。
經由乾燥製程及燒製製程而將用於形成太陽電池電極的組成物製造成經圖案化的電極。所述乾燥製程可在200℃至400℃的溫度下執行達10秒至60秒左右，且所述燒製製程可在400℃至980℃、且較佳地700℃至980℃的溫度下執行達約30秒至210秒。
根據另一實施例，提供一種包括所述經圖案化的電極的太陽電池。
參照圖2，闡述根據實施例的太陽電池。圖2是示出根據一個實施例的太陽電池的結構的示意圖。
參照圖2，太陽電池包括基板100(包括p層101(或n層)及作為射極的n層102(或p層))以及位於基板100上的後電極210及前電極230。
以下，將參照實例更詳細地說明本發明。然而，這些實例僅為示例性的，且本發明並非僅限於此。
製備用於形成太陽電池電極的組成物
<實例1>
藉由以下方式而製備了用於形成太陽電池電極的組成物：在60℃下將0.5重量%的有機黏合劑（重量平均分子量=50,000克/莫耳，STD4，陶氏化學公司（Dow Chemical Company））充分溶解於7.5重量%的作為溶劑的丁基卡必醇（陶氏化學公司）中，向其中添加88.5重量%的平均顆粒直徑為2.0微米的球形銀粉末（AG-5-11F，同和高科技股份有限公司（Dowa Hightech Co. Ltd.））、3重量%的平均顆粒直徑為1.0微米的鉍-碲系無鉛玻璃料末（ABT-1，旭硝子股份有限公司（Asahi Glass Co., Ltd.））、0.2重量%的分散劑（BYK-102，畢克化學公司（BYK-Chemie））、以及0.3重量%的觸變劑（西克特羅爾（Thixatrol）ST，海名斯公司（Elementis Co.）），並以三輥機使其分散開。將用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於聚對苯二甲酸乙二酯（PET）膜上，且在向上面滴加蒸餾水之後利用接觸角量測裝置（Phoenix 300 plus，表面電光學公司（Surface Electro Optics，SEO））量測時水接觸角為15度。＜ 實例 2＞
除使用7.5重量%的丁基卡必醇乙酸酯（陶氏化學公司）代替丁基卡必醇（陶氏化學公司）作為溶劑以外，根據與實例1相同的方法製備了根據實例2的用於形成太陽電池電極的組成物，其中在根據與實例1相同的方法來量測時水接觸角為20度。＜ 實例 3＞
除使用7.5重量%的丁基卡必醇乙酸酯（陶氏化學公司）代替丁基卡必醇（陶氏化學公司）作為溶劑、且使用88.5重量%的平均顆粒直徑為2.0微米的球形銀粉末（AG-4-8F，同和高科技股份有限公司）代替平均顆粒直徑為2.0微米的球形銀粉末（AG-5-11F，同和高科技股份有限公司）以外，根據與實例1相同的方法製備了根據實例3的用於形成太陽電池電極的組成物，其中在根據與實例1相同的方法來量測時水接觸角為30度。＜ 比較例 1＞
除使用88.5重量%的平均顆粒直徑為2.0微米的球形銀粉末（AG-4-8F，同和高科技股份有限公司）代替平均顆粒直徑為2.0微米的球形銀粉末（AG-5-11F，同和高科技股份有限公司）以外，根據與實例1相同的方法製備了根據比較例1的用於形成太陽電池電極的組成物，其中在根據與實例1相同的方法來量測時水接觸角為44°。精細圖案評估
利用網版遮罩（SUS325型/乳劑有機層的厚度：15微米/指狀條（finger bar）的線寬：35微米，指狀條的數目：90；6-Multi-35 um-90 EA，三本網版公司（Samborn Screen））將根據實例1至實例3以及比較例1的用於形成太陽電池電極的組成物分別網版印刷至薄片電阻（sheet resistance）為90歐姆的聚P型矽晶圓的前表面上以形成電極圖案，然後利用紅外線乾燥爐對其進行乾燥。
在將蒸餾水滴至網版遮罩的有機層上之後，利用接觸角量測設備（Phoenix 300 plus，表面電光學公司）量測了網版遮罩的水接觸角。網版遮罩的水接觸角為70°。
用於形成太陽電池電極的組成物的水接觸角與具有有機層的網版遮罩的水接觸角的差記錄於表1中。
使用VK設備（VK9710，基恩士公司（Keyence Co.））量測了利用根據實例1至實例3以及比較例1的用於形成太陽電池電極的組成物而製造的電極線的線寬及厚度。
利用電致發光（EL）試驗機（MV技術有限公司（MV Tech Inc.））對斷開線路的數目進行了計數，以檢查電極（指狀條）是否斷開。結果示出於表1中。太陽電池的效率評估
將包含鋁的電極形成組成物印刷於具有精細圖案的矽晶圓的後表面上，並利用紅外線乾燥爐進行乾燥。然後將在所述製程中獲得的電池在400℃至950℃下的帶式爐（belt-type furnace）中乾燥了40秒，藉此製造試驗電池。利用太陽電池效率量測設備（CT-801，由帕山（Pasan）公司製造）量測了試驗電池的效率。結果示出於表1中。 （表1）
參照表1，由與具有有機層的網版遮罩的水接觸角的差介於40度至60度範圍內的根據實例1至實例3的用於形成太陽電池電極的組成物形成的電極相較於由水接觸角的差不處於所述範圍內的根據比較例1的用於形成太陽電池電極的組成物形成的電極達成了細線寬，具有高縱橫比，且顯示出了優異的可印刷性及斷開線路的低產生比。此外，相較於包括利用根據比較例1的用於形成太陽電池電極的組成物製造的電極的試驗電池，分別包括利用根據實例1至實例3的用於形成太陽電池電極的組成物製造的電極的試驗電池顯示出了極大提高的效率。
本發明的簡單潤飾及等效配置可由此項技術中具有通常知識者輕易實施，但相反本發明旨在覆蓋包含於隨附申請專利範圍的精神及範圍中的各種潤飾及等效配置。
11‧‧‧基板
12‧‧‧刮板
13‧‧‧組成物
15‧‧‧網版遮罩
100‧‧‧基板
101‧‧‧p層
102‧‧‧n層
210‧‧‧後電極
230‧‧‧前電極
圖1是示出將用於形成太陽電池電極的組成物塗佈於網版遮罩上的塗佈製程的示意圖。 圖2是示出根據一個實施例的太陽電池的結構的示意圖。
Claims (8)
- 一種太陽電池的電極圖案的形成方法，包括：製備用於形成太陽電池電極的組成物，所述組成物包含導電粉末、玻璃料、有機黏合劑及溶劑；以及將用於形成所述太陽電池電極的所述組成物塗佈於具有有機層的網版遮罩上，然後對用於形成所述太陽電池電極的所述組成物進行乾燥及燒製，其中用於形成所述太陽電池電極的所述組成物的水接觸角與具有所述有機層的所述網版遮罩的所述有機層的水接觸角的差介於40度至60度的範圍。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池的電極圖案的形成方法，其中用於形成所述太陽電池電極的所述組成物的水接觸角與具有所述有機層的所述網版遮罩的水接觸角的差介於50度至55度的範圍。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池的電極圖案的形成方法，其中用於形成所述太陽電池電極的所述組成物的水接觸角小於或等於30度。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池的電極圖案的形成方法，其中具有所述有機層的所述網版遮罩的水接觸角大於或等於70度。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池的電極圖案的形成方法，其中用於形成所述太陽電池電極的所述組成物包含60重量%至95重量%的所述導電粉末；0.5重量%至20重量%的所述玻璃料；1重量%至20重量%的所述有機黏合劑；以及餘量的所述溶劑。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池的電極圖案的形成方法，其中所述有機黏合劑包括(甲基)丙烯酸系樹脂或纖維素系樹脂。
- 一種電極，使用如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的太陽電池的電極圖案的形成方法製造而成。
- 一種太陽電池，包括如申請專利範圍第7項所述的電極。
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