TWI687386B - 製造太陽能電池指狀電極的方法以及太陽能電池指狀電極 - Google Patents

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Abstract

一種製造太陽能電池的指狀電極的方法以及一種通過所述方法製造的太陽能電池的指狀電極。所述方法包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷罩幕在基底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤經印刷的導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體，且在所述玻璃料中，鋰氧化物對鎢氧化物的重量比介於0.5到5.5範圍內。

Description

製造太陽能電池指狀電極的方法以及太陽能電池指狀電極
本申請主張在2018年4月9日提出申請的韓國專利申請10-2018-0041155的權益，所述韓國專利申請的全部公開內容併入本申請供參考。
本發明涉及一種製造太陽能電池的指狀電極的方法以及一種通過所述方法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接面（p-n junction）的光伏打效應（photovoltaic effect）來產生電力。在太陽能電池中，分別在具有p-n接面的半導體晶圓或基底的上表面及下表面上形成前電極及後電極。然後，由進入半導體晶圓的日光誘發p-n接面處的光伏打效應，且通過p-n接面處的光伏打效應而產生的電子經由電極向外部提供電流。
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罩幕放置於半導體基底上，將導電膏放置於印刷罩幕上，並經由印刷罩幕的開口將導電膏以電極的形式印刷於半導體基底上，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罩幕的圖像。參照圖1，此種典型印刷罩幕10是通過以下方式製造：將感光性樹脂14施加至相對於印刷罩幕的縱向方向傾斜佈置的網格12，並選擇性地移除感光性樹脂的將利用光阻製程印刷電極的部分，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罩幕具有45%到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具體來說具有小的線寬度並具有大的高度以增大日光接收面積。然而，當使用具有45%到60%的開口率的典型印刷罩幕時，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%的開口率的印刷罩幕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罩幕中的導電膏組成物應用於具有高開口率的印刷罩幕時，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，需要一種製造太陽能電池電極的方法，其可在使用具有65%或大於65%的高開口率的印刷罩幕的同時抑制烘烤期間線寬的增大以及電特性的劣化。
本發明的背景技術的一個實例公開於日本專利第4,255,248號中。
本發明旨在提供一種製造可具有精細線寬及高的高寬比且表現出良好電性質的太陽能電池的指狀電極的方法以及一種通過所述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製造太陽能電池的指狀電極的方法。
所述方法包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷罩幕在基底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤經印刷的導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體，且在所述玻璃料中，鋰（Li）氧化物對鎢（W）氧化物的重量比介於0.5到5.5的範圍內。
所述印刷罩幕可包括：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，且可具有65%到90%的開口率。
在所述玻璃料中可存在1重量%到10重量%的量的所述鋰氧化物。
在所述玻璃料中可存在1重量%到10重量%的量的所述鎢氧化物。
所述玻璃料還可包含以下中的至少一者：鉛（Pb）氧化物、鋅（Zn）氧化物、碲（Te）氧化物、鎂（Mg）氧化物、鉍（Bi）氧化物、鈉（Na）氧化物、鉬（Mo）氧化物及矽（Si）氧化物。
所述導電膏可包含60重量%到95重量%的所述導電粉、0.5重量%到10重量%的所述玻璃料以及1重量%到30重量%的所述有機載體。
所述導電膏還可包含以下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。
本發明的另一方面涉及一種太陽能電池的指狀電極。
所述指狀電極是通過以上所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法來製造。
本發明提供一種可實現精細電極線寬且改善電極的高寬比及電性質的製造太陽能電池的指狀電極的方法以及一種通過所述方法製造的太陽能電池的指狀電極。
在作出大量研究以開發一種使用具有65%或大於65%的開口率的印刷罩幕以及導電膏來製造太陽能電池的指狀電極的方法之後，本發明人發現了可使用包含其中鋰氧化物對鎢氧化物的重量比介於0.5到5.5範圍內的玻璃料的導電膏來製造具有精細線寬及高的高寬比且表現出良好電性質的太陽能電池的指狀電極。
以下，將詳細闡述本發明的實施例。
根據本發明的一種製造太陽能電池的指狀電極的方法包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷罩幕在基底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤經印刷的導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體，且在所述玻璃料中，鋰（Li）氧化物對鎢（W）氧化物的重量比（鋰氧化物/鎢氧化物）介於0.5到5.5的範圍內。
首先，將參照圖2闡述根據本發明的印刷罩幕。圖2示出根據本發明的印刷罩幕100的實例。參照圖2，印刷罩幕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%到90%的開口率。此處，開口率是根據方程式1計算： [方程式1] 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。
使用包括具有高開口率的電極印刷部分的印刷罩幕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。
在印刷罩幕100中，網格的經線相對於印刷罩幕的縱向方向呈80°到105°、具體來說85°到100°的角度佈置。當網格的經線的角度落在此範圍內時，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到印刷罩幕的張力而降低。
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
導電粉包含平均粒徑（D50）為0.1 µm到10 µm的導電粉。在此範圍內，導電粉可改善電極的高寬比及電性質。此處，可在經由超音波作用在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細微性分析儀（西萊斯有限公司（CILAS Co., Ltd.））來測量平均粒徑（D50）。導電膏可包括一種類型的導電粉或具有不同平均粒徑（D50）的兩種或更多種類型的導電粉。
導電粉可包括通常用於太陽能電池電極中的任何典型導電粉，例如銀、鋁、鎳、銅或其組合，對此並無限制。尤其是，在電性質方面優選的是銀粉。
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。
在導電膏中可存在60重量%到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。
玻璃料
玻璃料用於通過對減反射層進行刻蝕並在電極膏的烘烤製程期間對導電粉進行熔融而在射極區中形成銀晶粒。此外，玻璃料會改善導電粉與晶圓的黏附力，且被軟化以降低在烘烤製程期間的烘烤溫度。
當增大太陽能電池的片電阻以提高太陽能電池效率時，可能存在太陽能電池接觸電阻及漏電流增大的問題。因此，需要在最大化開路電壓的同時使串聯電阻（Rs）及對p-n接面的影響二者最小化。此外，由於烘烤溫度隨著對具有不同片電阻的各種晶圓的使用的增多而在廣泛範圍內變化，因此使玻璃料確保足夠的熱穩定性以承受寬範圍的烘烤溫度是可取的。
玻璃料包含鋰氧化物及鎢氧化物，其中鋰（Li）氧化物對鎢（W）氧化物的重量比可介於0.5到5.5的範圍內。在此範圍內，即使當使用具有65%或大於65%的高開口率的印刷罩幕時，由導電膏形成的電極仍可在具有精細線寬的同時表現出良好的電性質。具體來說，鋰（Li）氧化物對鎢（W）氧化物的重量比可介於0.8到5.0、更具體來說0.9到4.5的範圍內。
在玻璃料中可存在1重量%到10重量%、具體來說2重量%到8重量%的量的鋰氧化物。在此範圍內，在導電膏可實現精細電極線寬且減小太陽能電池的電阻的同時，可易於製備玻璃料。
在玻璃料中可存在1重量%到10重量%、具體來說1重量%到8重量%的量的鎢氧化物。在此範圍內，在導電膏可實現精細電極線寬且具有良好黏附力的同時，可易於製備玻璃料。
玻璃料中的鋰氧化物及鎢氧化物的總量可介於5重量%到20重量%、具體來說7重量%到15重量%的範圍內。在此範圍內，即使當使用具有65%或大於65%的高開口率的印刷罩幕時，由導電膏形成的電極仍可易於控制高寬比，且可在具有精細線寬的同時表現出良好的電性質。
鋰氧化物可為Li 2O。鎢氧化物可包括WO 2、WO 3、W 2O 3及W 2O 5中的至少一者，具體來說為WO 3。
在一個實施例中，玻璃料還可包含以下中的至少一者：鉛（Pb）、鋅（Zn）、碲（Te）、鎂（Mg）、鉍（Bi）、鈉（Na）、鉬（Mo）及矽（Si）、以及其組合。
在另一個實施例中，玻璃料還可包含以下中的至少一者：鉛（Pb）氧化物、鋅（Zn）氧化物、碲（Te）氧化物、鎂（Mg）氧化物、鉍（Bi）氧化物、鈉（Na）氧化物、鉬（Mo）氧化物、矽（Si）氧化物、以及其組合。
舉例來說，在玻璃料中可存在1重量%到40重量%、具體來說5重量%到30重量%的量的鉛（Pb）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在1重量%到20重量%、具體來說5重量%到20重量%的量的鋅（Zn）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在30重量%到80重量%、具體來說35重量%到75重量%的量的碲（Te）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在0.01重量%到5重量%、具體來說0.01重量%到1重量%的量的鎂（Mg）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在20重量%或小於20重量%、具體來說5重量%到20重量%的量的鉍（Bi）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在5重量%或小於5重量%、具體來說0.01重量%到1重量%的量的鈉（Na）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在5重量%或小於5重量%、具體來說0.01重量%到5重量%的量的鉬（Mo）或其氧化物。舉例來說，在玻璃料中可存在1重量%或小於1重量%、具體來說0.01重量%到1重量%的量的矽（Si）或其氧化物。當上述金屬或其氧化物的量落在這些範圍內時，導電膏可在改善電極的電性質的同時表現出良好的黏附力。
玻璃料還可包含以下中的至少一者：磷（P）、鍺（Ge）、鎵（Ga）、鈰（Ce）、鐵（Fe）、硼（B）、銫（Cs）、鍶（Sr）、鈦（Ti）、錫（Sn）、銦（In）、釩（V）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉀（K）、砷（As）、鈷（Co）、鋯（Zr）、錳（Mn）、以及鋁（Al）、以及其氧化物。
可通過所屬領域中已知的任何典型方法由上述金屬或其氧化物來製備玻璃料。舉例來說，可以預定比率混合上述金屬或其氧化物。混合可利用球磨機或行星式磨機執行。接著，在900℃到1300℃下對所述混合物進行熔融，然後將經熔融混合物冷卻（quenching）到25℃。利用盤磨機、行星式磨機等將所得材料粉碎，從而製備玻璃料。
玻璃料可具有0.1 µm到10 µm的平均粒徑（D50），且可具有球形或非晶形形狀。此處，玻璃料的平均粒徑（D50）可以與導電粉的方式相同的方式來測量。
在導電膏中可存在0.5重量%到10重量%、例如1重量%到7重量%的量的玻璃料。在此範圍內，玻璃料可確保p-n接面在各種片電阻下的穩定性，最小化串聯電阻，並最終提高太陽能電池效率。
有機載體
有機載體通過與用於太陽能電池電極的組成物的無機成分進行機械混合而對所述組成物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組成物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。作為另外一種選擇，黏合劑樹脂可為乙基羥乙基纖維素、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、聚丁烷樹脂（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。
溶劑可為以下中的一者或多者：例如，己烷、甲苯、乙基溶纖劑、環己酮、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯、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。
在導電膏中可存在1重量%到30重量%的量的有機載體。在此範圍內，有機載體可對導電膏提供良好的可印刷性。
添加劑
根據本發明的導電膏可視需要還包含任何典型添加劑以增強流動性、製程性質及穩定性。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。以用於太陽能電池電極的組成物的總重量計，可存在0.1重量%到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序執行，在所述程序中，在將具有65%或大於65%的開口率的印刷罩幕設置在基底的前表面上並將導電膏設置在印刷罩幕上之後，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罩幕的開口而印刷在基底的前表面上。
然後，在150℃到400℃、具體來說200℃到400℃下對導電膏進行乾燥。此處，乾燥可在紅外線（IR）乾燥爐等中執行。另外，乾燥可執行10秒到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℃到1000℃下執行10秒到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製造太陽能電池的指狀電極的方法來製造。
太陽能電池的指狀電極具有50 µm或小於50 µm、具體來說20 µm到50 µm、更具體來說20 µm到48 µm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高轉換效率。
接下來，將參照實例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。
另外，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成分的詳細說明如下： （A）導電粉：平均粒徑（D50）為2.0 µm的球形銀（Ag）粉（4-11F，同和高級技術有限公司（Dowa Hightech Co., Ltd.）） （B）玻璃料：表1中所列出的玻璃料（平均粒徑（D50）：2.0 µm） （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）（2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯）（伊士曼化學公司（Eastman Chemical Company）） （E）分散劑：迪高（TEGO） ®狄思帕（Dispers）656（贏創工業公司（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
在60℃下將1.5重量%的有機黏合劑（C）充分溶解在6.0重量%的溶劑（D）中以製備有機載體，且接著向所述有機載體中添加了89重量%的導電粉（A）、2.5重量%的玻璃料（表1中的製備例1）、0.5重量%的分散劑（E）及0.5重量%的觸變劑（F），然後在3輥捏合機中進行混合及捏合，從而製備導電膏。此處，通過將金屬氧化物以表1中所述的重量比（單位：重量%）混合而製備了製備例1的玻璃料。
製備例 2 到製備例 17
除了使用表1所列玻璃料取代製備例1的玻璃料以外，以與製備例1相同的方式製備了導電膏。
表1
Figure 107145511-A0305-0001
*在表1中，重量比是指每一玻璃料中的Li 2O/WO 3。
實例 1
將具有82%的開口率並包括線寬為26 µm的電極印刷部分的印刷罩幕（三利精密工業有限公司（Samlip Precision Ind.））放置在半導體基底上，且將在製備例1中製備的導電膏放置在印刷罩幕上並接著利用刮板進行印刷，然後在紅外線乾燥爐中進行乾燥。接著，在半導體基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℃下將根據此程序而形成的電池烘烤了45秒，從而製作太陽能電池。
實例 2 到實例 11 以及比較例 1 到比較例 6除了使用表2所列導電膏取代製備例1的導電膏以外，以與實例1相同的方式製作了導電膏。
比較例 7除了使用具有63%的開口率並包括線寬為26 µm的電極印刷部分的印刷罩幕（村上有限公司（Murakami Co., Ltd.））以外，以與實例1相同的方式製作了太陽能電池。
針對以下性質對在實例1到實例11以及比較例1到比較例7中製作的每一太陽能電池進行了評價。結果示出於表2中。
性質評價
（1）線寬及厚度：使用共焦顯微鏡（VK-9700，基恩士公司（Keyence Corp.））測量了電極線寬及厚度。
（2）電性質：使用太陽能電池效率測試儀（CT-801，帕桑有限公司（Pasan Co., Ltd.））針對短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）、接觸電阻（Rs）、填充因數（FF）及轉換效率（Eff.）對在實例1到實例11以及比較例1到比較例7中製備的每一太陽能電池進行了評價。
表2
Figure 107145511-A0305-0002
如表2所示，可以看出，各自使用具有本文所述的開口率的印刷罩幕以及根據本發明的導電膏製備的實例1到實例11的太陽能電池電極在表現出良好電性質的同時具有高的高寬比。
相反，各自使用具有根據本發明的開口率的印刷罩幕及包含其中金屬氧化物之間的含量比率處於本文所述範圍之外的導電膏製備的比較例1到比較例6的太陽能電池電極具有大的線寬且表現出差的電性質。
另外，對於利用根據本發明的導電膏以及具有低開口率的印刷罩幕製備的比較例7的太陽能電池電極，所述膏在印刷製程期間因印刷罩幕的開口率低而無法平穩地注入，從而造成嚴重的圖案斷開並增大太陽能電池電阻。
儘管，本文中已闡述了一些實施例，然而應理解，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修改、變型及改變。因此，應理解，提供上述實施例僅用於說明，而不應以任何方式被視為限制本發明。
10、100：印刷罩幕 12、120：網格 14：感光性樹脂 16、160：電極印刷部分 140：感光性樹脂層
圖1是示出用於形成太陽能電池的指狀電極的典型印刷罩幕的圖。 圖2是示出根據本發明的具有高開口率的印刷罩幕的圖。
100：印刷罩幕 120：網格 140：感光性樹脂層 160：電極印刷部分

Claims (7)

  1. 一種製造太陽能電池的指狀電極的方法，包括：使用具有65%或大於65%的開口率的印刷罩幕在基底的前表面上印刷導電膏；以及烘烤經印刷的所述導電膏，其中所述導電膏包含導電粉、玻璃料以及有機載體，且在所述玻璃料中，鋰氧化物對鎢氧化物的重量比介於0.5到5.5的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法，其中所述印刷罩幕包括網格、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，且具有65%到90%的開口率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法，其中在所述玻璃料中存在1重量%到10重量%的量的所述鋰氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法，其中在所述玻璃料中存在1重量%到10重量%的量的所述鎢氧化物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法，其中所述玻璃料還包含以下中的至少一者：鉛氧化物、鋅氧化物、碲氧化物、鎂氧化物、鉍氧化物、鈉氧化物、鉬氧化物及矽氧化物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法，其中所述導電膏包含60重量%到95重量%的所述導 電粉、0.5重量%到10重量%的所述玻璃料以及1重量%到30重量%的所述有機載體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的製造太陽能電池的指狀電極的方法，其中所述導電膏還包含以下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。
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