TWI716760B - 太陽能電池電極用導電漿料及使用其之太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種太陽能電池電極用導電漿料，其包含金屬粉末、玻璃熔塊、有機黏接劑以及溶劑，且上述金屬粉末的表面經碳原子數為6至24個的烷基胺類物質塗佈處理。藉由利用低溶解性塗佈劑對金屬粉末的表面進行塗佈，能夠利用上述導電漿料穩定地形成太陽能電池正面電極的微細線寬，同時能夠藉由改善電極的電氣特性而提升太陽能電池的發電效率。
Description
本發明涉及一種用於形成太陽能電池的電極的導電漿料及使用其之太陽能電池。
太陽能電池(solar cell)是用於將太陽能轉換成電能的半導體元件，通常採用p-n接面形態，其基本結構與二極體相同。第1圖為一般的太陽能電池元件的結構，太陽能電池元件通常利用厚度為180~250μm的p型矽半導體基板10構成。在p型矽半導體基板10的受光面一側，形成有厚度為0.3~0.6μm的n型摻雜層20和位於其上方的反射防止膜30以及正面電極100。此外，在p矽型半導體基板10的背面一側形成有背面鋁電極50。
正面電極100是將由主成分為導電的銀粉末(silver powder)、玻璃熔塊(glass frit)、有機黏接劑、溶劑以及添加劑等混合而得的導電漿料塗佈到反射防止膜30上之後以燒結方式形成，而背面鋁電極50是將由鋁粉末、玻璃熔塊、有機黏接劑、溶劑以及添加劑構成的鋁漿料組合物藉由如絲網印刷等進行塗佈和乾燥之後在660℃(鋁的熔點)以上的溫度下的以燒結方式形成。在上述燒結過程中，鋁將被擴散到p型矽半導體基板10的內部，從而在背面鋁電極50
與p型矽半導體基板10之間形成Al-Si合金層的同時作為鋁原子擴散的摻雜層而形成p+層40。借助於如上所述的p+層40能夠防止電子的再結合，並實現可提升對所生成的載流子的收集效率的BSF(Back Surface Field，背面電場)效果。在背面鋁電極50的下部，還能夠配備背面銀電極60。
此外，太陽能電池的正面電極主要是藉由絲網印刷工程形成。因此，正面以及背面的電極漿料組合物也需要在考慮到絲網印刷工程的印刷性能的前提下製造，但是目前在正面電極中很難有效地實現所需要的線寬以及良好的解析度。
尤其是在現有的結晶質太陽能電池中所使用的銀粉末(silver powder)，通常使用塗佈有如硬脂酸(stearic acid)或油酸(oleic acid)等脂肪酸的粉末。因為上述塗佈劑與溶劑的相容性非常優秀，因此可選用的溶劑範圍比較寬泛，但是因為受到過高的溶解度的影響而需要在漿料中包含大量的溶劑，並因此在需要形成微細線寬時導致線寬擴散的問題發生。
本發明的目的在於藉由利用低溶解性塗佈劑對太陽能電池電極用導電漿料組成中的金屬粉末的表面進行塗佈，能夠利用上述導電漿料穩定地形成太陽能電池正面電極的微細線寬，同時能夠藉由改善電極的電氣特性而提升太陽能電池的發電效率。
但是，本發明的目的並不限定於如上所述的目的，所屬技術領域中具有通常知識者將能夠藉由下述記載進一步明確理解未被提及的其他目的。
本發明提供一種太陽能電池電極用導電漿料，其包含金屬粉末、玻璃熔塊、有機黏接劑以及溶劑，且上述金屬粉末的表面經碳原子數為6至24個的烷基胺類物質塗佈處理。
此外，在本發明中，上述烷基胺類物質包含選自三乙胺(Triethylamine)、庚胺(Heptylamine)、十八胺(Octadecylamine)、十六胺(Hexadecylamine)、癸胺(Decylamine)、辛胺(Octylamine)、二癸胺(Didecylamine)以及三辛胺(Trioctylamine)中的至少一種。
此外，在本發明中，上述溶劑包含選自α-松油醇、十二碳醇酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二丁酯、環己烷、己烷、甲苯、苯甲醇、二氧六環、二甘醇、乙二醇單丁醚、乙二醇單丁醚乙酸酯、二乙二醇單丁醚以及乙二醇單丁醚乙酸酯中的至少一種，且上述烷基胺類物質的溶解度在上述溶劑中的溶解度低於脂肪酸在上述溶劑中的溶解度。
此外，在本發明中，上述脂肪酸包含選自月桂酸、油酸、硬脂酸、棕櫚酸以及乙酸中的至少一種。
此外，在本發明中，上述金屬粉末為第一金屬粉末，上述導電漿料還包含第二金屬粉末，上述第二金屬粉末的表面沒有經塗佈處理或經脂肪酸塗佈處理。
此外，在本發明中，上述導電漿料在25℃的條件下具有40至60Pa．s的黏度。
此外，本發明提供一種太陽能電池，其中在基材的上部配備正面電極並在基材的下部配備背面電極的太陽能電池中，上述正面電極是藉由在塗佈上述太陽能電池電極用導電漿料之後進行乾燥以及燒結而製造。
本發明的導電漿料藉由被包含在溶劑中的溶解度特性較低的烷基胺類物質塗佈的金屬粉末，能夠利用上述導電漿料形成太陽能電池正面電極的微細線寬，同時能夠借助於優秀的振實密度特性降低線性電阻並借助於微細線寬提升短路電流，從而藉由改善電極的電氣特性而提升太陽能電池的發電效率。
10:P型矽半導體基板
20:N型摻雜層
30:反射防止膜
40:P+層(BSF：back surface field，背面電場)
50:背面鋁電極
60:背面銀電極
100:正面電極
第1圖為一般的太陽能電池元件的概要性截面圖。
第2a圖至第2d圖為向代表性溶劑添加不同類型的塗佈劑之後拍攝的照片，顯示出對添加塗佈劑之後的溶液的透明度進行評估的結果。
在對本發明進行詳細的說明之前需要理解的是，在本說明書中所使用的術語只是為了對特定的實施例進行描述，本發明的範圍並不因為所使用的術語而受到限定，本發明的範圍應僅藉由所附的申請專利範圍做出定義。除非另有明確的說明，否則在本說明書中所使用的所有技術術語以及科學術語的含義與具有通常知識者所普遍理解的含義相同。
在整個本說明書以及申請專利範圍中，除非另有明確的說明，否則術語“包含(comprise、comprises、comprising)”表示包含所提及的物件、步驟或一系列的物件以及步驟，但並不代表排除其他任何物件、步驟或一系列物件或一系列步驟存在的可能性。
此外，除非另有明確的相反說明，否則本發明的各個實施例能夠與其他某些實施例結合。尤其是被記載為較佳或有利的某個特徵，也能夠與被記載為較佳或有利的其他某個特徵以及某些特徵結合。接下來，將結合圖式對本發明的實施例以及相關的效果進行說明。
本發明一實施例的漿料，是適合於在形成太陽能電池電極時使用的漿料，提供一種包含經碳原子數為6至24個的烷基胺類物質塗佈處理的金屬粉末(metal powder)的導電漿料。具體而言，本發明的導電漿料包含金屬粉末、玻璃熔塊、有機黏接劑、溶劑以及其他添加劑。
作為上述金屬粉末，能夠使用如銀(Ag)粉末、銅(Cu)粉末、鎳(Ni)粉末或鋁(Al)粉末等，其表面能夠經碳原子數為6至24個的烷基胺類物質塗佈處理。較佳地，上述金屬粉末的表面能夠經碳原子數為10至20個的烷基胺類物質塗佈處理。作為上述烷基胺類物質，能夠使用在上述溶劑中的溶解度低於脂肪酸在上述溶劑中的溶解度的物質。例如，上述烷基胺類物質能夠包含選自三乙胺(Triethylamine)、庚胺(Heptylamine)、十八胺(Octadecylamine)、十六胺(Hexadecylamine)、癸胺(Decylamine)、辛胺(Octylamine)、二癸胺(Didecylamine)以及三辛胺(Trioctylamine)中的至少一種，上述脂肪酸能夠包含選自月桂酸、油酸、硬脂酸、棕櫚酸以及乙酸中的至少一種。
較佳地，在適用於正面電極時主要使用經十八胺塗佈處理的銀粉末，在適用於背面電極時主要使用沒有經塗層處理或經十八胺塗佈處理的鋁粉末。上述十八胺在金屬粉末的表面被塗佈成0.1nm至50nm的厚度為宜。上述十八胺的塗佈處理，能夠藉由在向溶解有十八胺的有機溶劑中投入如銀粉末(Ag powder)等金屬粉末並攪拌一定的時間之後過濾的方法執行。
藉由利用在溶劑中的溶解度特性較低的烷基胺類物質對金屬粉末的表面進行塗佈處理，能夠在滿足所需要的漿料特性(例如黏度)的同時有效地降低導電漿料組合物內的溶劑的含量。這起因於在溶劑中的塗佈劑的吸油特性，塗佈劑的溶解度越低，經塗佈劑吸油的溶劑的量就越少，從而能夠利用較少量的溶劑製造出滿足所需特性的導電漿料組合物。
作為本發明又一實施例，上述第一金屬粉末能夠使用經上述烷基胺類物質塗佈處理的金屬粉末，上述第二金屬粉末能夠使用沒有經塗佈處理的金屬粉末。
在考慮到印刷時所形成的電極的厚度以及電極的線性電阻的情況下，金屬粉末的含量能夠以導電漿料組合物的總重量為基準包含40至95重量%。較佳地，包含60至90重量%為宜。
為了形成太陽能電池的正面電極而使用包含銀粉末的導電漿料時，銀粉末使用純銀粉末為宜，此外，也能夠使用至少其表面由銀層(silver layer)構成的鍍銀複合粉末或將銀作為主成分的合金(alloy)等。此時，上述銀粉末的外表面能夠被上述烷基胺類物質塗佈處理。此外，還能夠混合其他金屬粉末進行使用。例如，作為其他金屬粉末能夠使用如鋁、金、鈀、銅或鎳等。
金屬粉末的平均粒徑能夠是0.1至10μm，而在考慮到漿料化的簡易性以及燒結時的緻密度的情況下為0.5至5μm為宜，其形狀能夠是球狀、針狀、板狀以及非特定形狀中的至少一種以上。金屬粉末也能夠對平均粒徑或細微性分佈以及形狀等不同的兩種以上的粉末進行混合使用。
上述玻璃熔塊的組成或粒徑、形狀並不受到特殊的限制。不僅能夠使用含鉛玻璃熔塊，也能夠使用無鉛玻璃熔塊。較佳地，作為玻璃熔塊的成分以及含量，以氧化物換算標準包含5~29mol%的PbO、20~34mol%的TeO2、3~20
mol%的Bi2O3、20mol%以下的SiO2、10mol%以下的B2O3、10~20mol%的鹼金屬(Li、Na、K等)以及鹼土金屬(Ca、Mg等)為宜。藉由對上述各個成分的有機含量組合，能夠防止電極的線寬增加、優化高表面電阻中的接觸電阻特性並優化短路電流特性。
玻璃熔塊的平均粒徑並不受限，能夠是0.5至10μm的範圍，還能夠對平均粒徑不同的多種粒子進行混合使用。較佳地，所使用的至少一種玻璃熔塊的平均粒徑(D50)為2μm以上10μm以下為宜。藉此，能夠優化燒結時的反應性，尤其是能夠將高溫狀態下的n層的損壞最小化，還能夠改善黏接力並優化開路電壓(Voc)。此外，還能夠減少燒結時的電極線寬的增加。
玻璃熔塊的含量以導電漿料組合物的總重量為基準包含1至10重量%為宜，當含量小於1重量%時，可能會因為非完全燒結而導致電氣比電阻過高的問題，而當含量大於10重量%時，可能會因為銀粉末的燒結體內部的玻璃成分過多而同樣導致電氣比電阻過高的問題。
對於上述包含有機黏接劑以及溶劑的有機載體(organic vehicle)，要求具有能夠使金屬粉末和玻璃熔塊等維持均勻混合狀態的特性，例如在藉由絲網印刷將導電漿料塗佈到基材上時，應能夠實現導電漿料的均質化，從而抑制印刷圖案的模糊以及流動，同時應能夠提升導電漿料從絲網印刷版的流出性以及印刷版的分離性。
作為有機黏接劑，纖維素酯類化合物的實例包括乙酸纖維素以及乙酸丁酸纖維素等，纖維素醚類化合物的實例包括乙基纖維素、甲基纖維素、羥丙基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素以及羥乙基甲基纖維素等，丙烯酸類化合物的實例包括聚丙烯醯胺、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯
以及聚甲基丙烯酸乙酯等，乙烯類的實例包括聚乙烯醇縮丁醛、聚乙酸乙烯酯以及聚乙烯醇等。能夠使用選自上述有機黏接劑中的至少一種以上。
有機黏接劑的含量不受限制，但以導電漿料組合物的總重量為基準包含1至15重量%為宜。當有機黏接劑的含量小於1重量%時，可能會導致組合物的黏度、所形成的電極圖案的黏接力下降的問題，而當含量大於15重量%時，可能會導致金屬粉末、溶劑、分散劑等的含量不充分的問題。
溶劑是用於對有機黏接劑進行溶解的物質，選自由α-松油醇、十二碳醇酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二丁酯、環己烷、己烷、甲苯、苯甲醇、二氧六環、二甘醇、乙二醇單丁醚、乙二醇單丁醚乙酸酯、二乙二醇單丁醚以及乙二醇單丁醚乙酸酯等構成的化合物中的至少一種以上進行使用為宜。
本發明的導電漿料組合物還能夠根據需要包含已知的添加劑，如分散劑、增塑劑、黏度調節劑、表面活性劑、氧化劑、金屬氧化物以及金屬有機化合物等。
如上所述的太陽能電池電極用導電漿料組合物，能夠藉由在對金屬粉末、玻璃熔塊、有機黏接劑、溶劑以及添加劑等進行混合以及分散之後再進行過濾以及脫泡的方式製造。
雖然本發明的導電性漿料組合物中的溶劑含量較少，但是在25℃條件下的黏度能夠達到40至60Pa．s，因此能夠輕易地對組合物的含量進行調整並提供優秀的穩定性。
本發明提供一種將上述導電漿料塗佈在基材上方並對其進行乾燥以及燒結的太陽能電池的電極形成方法以及藉由上述方法製造的太陽能電池
電極。在本發明的太陽能電池的電極形成方法中，除了使用包含上述經塗佈處理的金屬粉末的導電漿料之外，基材、印刷、乾燥以及燒結能夠使用通常在太陽能電池的製造中所使用的方法。作為一實例，上述基材能夠是矽晶圓。
藉由利用本發明的導電漿料形成電極，能夠有效地減少導電漿料內的溶劑的含量，從而改善在形成電極時的線寬擴散的現象。藉此，不僅能夠穩定地實現具有微細線寬的電極，同時能夠借助於優秀的振實密度(tap density)特性降低線性電阻並借助於微細線寬提升短路電流(short circuit current，Isc)，從而藉由改善電極的電氣特性而提升太陽能電池的發電效率。
此外，本發明的導電漿料還能夠適用於如結晶質太陽能電池(P-型、N-型)、PESC(Passivated Emitter Solar Cell，鈍化發射極太陽能電池)、PERC(Passivated Emitter and Rear Cell，鈍化發射極和背電極太陽能電池)、PERL(Passivated Emitter Rear Locally Diffused，鈍化發射極背面局部擴散太陽能電池)等結構以及二次印刷(Double printing)、分步印刷(Dual printing)等變更的印刷工程。
實施例1至實施例5以及比較例1至比較例4
按照如下述表1所示的組成(例如重量%)添加玻璃熔塊、有機黏接劑、溶劑以及分散劑並利用三輥式滾軋機進行分散之後，再混合塗佈處理的銀粉末(球狀、平均粒徑1μm)並利用三輥式輥軋機進行分散。接下來藉由減壓脫泡製造出導電漿料。在實施例1至實施例5以及比較例1至比較例4中所使用的銀粉末的塗佈劑類型以及振實密度的測定值如表2所示。
實施例6至實施例10以及比較例5至比較例8
按照如下述表3所示的組成(例如重量%)添加玻璃熔塊、有機黏接劑、溶劑以及分散劑並利用三輥式滾軋機進行分散之後，再混合塗佈處理的銀粉末(球狀、平均粒徑1μm)並利用三輥式輥軋機進行分散。接下來藉由減壓脫泡製造出導電漿料。在實施例6至實施例10以及比較例5至比較例8中所使用的銀粉末的塗佈劑類型以及振實密度的測定值如下述表4所示。
試驗例
(1)在溶劑中的塗佈劑的溶解度評估
在向各個代表性溶劑添加不同類型的塗佈劑之後對溶解度進行比較評估。溶解度的比較評估是藉由對添加塗佈劑的溶液的透明度進行肉眼觀察的方式實施。第2a圖至第2d圖是向代表性溶劑添加不同類型的塗佈劑之後拍攝的照片，顯示出對添加塗佈劑之後的溶液的透明度進行評估的結果。其結果如表5所示。
如第2a圖至第2d圖以及表5所示，可以發現添加塗佈劑8的溶液與添加塗佈劑1、4、5以及6的其他溶液相比更加不透明。即，可以確認在各個代表性溶劑中的十八胺的溶解度低於在各個代表性溶劑中的脂肪酸的溶解度。藉此，可以類推出在代表性溶劑中烷基胺類的溶解度低於脂肪酸的溶解度。
(2)黏度(Viscosity)測定
在表1中給出了利用RV1流變儀(HAAKE)在P35 Ti L錠子(spindle)、30RPM以及25℃條件下對按照實施例1至實施例5以及比較例1至比較例4製造出的導電漿料的黏度進行測定的結果。如表1所示，可以發現在利用相同的組成(例如等量的溶劑)製造漿料時的黏度會根據所使用的塗佈劑而發生變化。例如，實施例1的導電漿料的黏度約為20Pa．s，低於比較例1至比較例4的黏度。
(3)獲得相同黏度所需要的溶劑的用量測定
在按照上述實施例6至實施例10以及比較例5至比較例8製造導電漿料時，藉由對溶劑的含量進行調整而使得各個漿料具有一定水準的黏度(在25℃條件下約為50Pa．s)。在表3中給出了獲得相同黏度所需要的溶劑的組成(例如重量%)。如表3所示，可以發現在將碳原子數為6至24個的烷基胺類物質作為塗佈劑使用時(實施例6至實施例10)，與將脂肪酸作為塗佈劑使用的情況(比較例5至比較例8)相比獲得相同黏度所需要的溶劑的用量較少。藉此，可以確
認在溶劑中的塗佈劑的溶解度越低，製造具有一定黏度水準的漿料所需要的溶劑的量越少。
(4)轉換效率以及電阻測定
利用按照上述實施例6至實施例10以及比較例5至比較例8製造出的導電漿料，藉由開口為32μm的360-16目絲網印刷工藝在晶圓的正面進行圖案印刷，再利用帶式乾燥爐在200~350℃下進行20秒至30秒的乾燥處理。接下來在晶圓的背面印刷鋁漿料之後利用相同的方法進行乾燥處理。藉由將在上述過程中形成的電池利用帶式燒結爐在500至900℃下進行20秒至30秒的燒結而製造出太陽能電池。
利用太陽能電池效率測定裝置(Halm公司，cetisPV-Celltest 3)對上述所製造出的電池的短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、轉換效率(Eff)、填充因數(FF)、串聯電阻(Rs)、線性電阻(Rline)以及線寬進行測定，其結果如下述表6所示。
如上述表6所示，可以發現在利用本發明實施例的導電漿料(實施例6至實施例10)形成電極時與比較例5至比較例8相比，在形成較窄的線寬的同時還能夠實現較低的線性電阻，因此可以確認所製造出的太陽能電池的電導特性也比較優秀。
此外，還可以發現實施例6至實施例10與比較例5至比較例8相比，短路電流以及轉換效率較高，因此可以確認太陽能電池的發電效率也比較優秀。
在如上所述的各個實施例中所介紹的特徵、結構以及效果等，能夠由本發明所屬技術領域中具有通常知識者與其他實施例進行組合或變形實施。因此，如上所述的組合或變形相關的內容也應解釋為包含在本發明的申請專利範圍之內。
Claims (5)
- 一種太陽能電池電極用導電漿料，其包含金屬粉末、玻璃熔塊、有機黏接劑以及溶劑，該金屬粉末的表面係選自由三乙胺(Triethylamine)、庚胺(Heptylamine)、十八胺(Octadecylamine)、十六胺(Hexadecylamine)、癸胺(Decylamine)、辛胺(Octylamine)、二癸胺(Didecylamine)及三辛胺(Trioctylamine)所組成之群組中的至少一種的烷基胺類物質塗佈處理，其中，該溶劑佔該太陽能電池電極用導電漿料的5~6wt%，且利用RV1流變儀(HAAKE)在P35 TiL錠子(spindle)、30RPM以及25℃條件下黏度(Viscosity)測定該太陽能電池電極用導電漿料時黏度為40至60Pa．s。
- 如請求項1所述的太陽能電池電極用導電漿料，其中該溶劑包含選自α-松油醇、十二碳醇酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二丁酯、環己烷、己烷、甲苯、苯甲醇、二氧六環、二甘醇、乙二醇單丁醚、乙二醇單丁醚乙酸酯、二乙二醇單丁醚以及乙二醇單丁醚乙酸酯中的至少一種，且該烷基胺類物質的溶解度在該溶劑中的溶解度低於脂肪酸在該溶劑中的溶解度。
- 如請求項2所述的太陽能電池電極用導電漿料，其中該脂肪酸包含選自月桂酸、油酸、硬脂酸、棕櫚酸及乙酸中的至少一種。
- 如請求項1所述的太陽能電池電極用導電漿料，其中該金屬粉末為第一金屬粉末，該導電漿料還包含第二金屬粉末，該第二金屬粉末的表面沒有經塗佈處理或經脂肪酸塗佈處理。
- 一種太陽能電池，其中在基材的上部配備一正面電極並在基材的下部配備一背面電極的該太陽能電池中，該正面電極是藉由在塗佈如請求項1至請求項4中的任一項所述的太陽能電池電極用導電漿料之後進行乾燥以及燒結而製造。
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