TWI740684B - 玻璃料及包括其的太陽能電池電極用漿料組合物 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種玻璃料及包括其的太陽能電池用漿料組合物,本發明的一實施例的玻璃料基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3且還包括Ag 2O和鉈化合物。

Description

玻璃料及包括其的太陽能電池電極用漿料組合物
本發明關於一種玻璃料及包括其的太陽能電池電極用漿料組合物。
近年來,預測對石油和煤炭等現有自然資源的枯竭,提出對火力發電的環境問題和對核能發電的安全問題,從而人們對替換它們的太陽能、太陽能和風能等可再生能源的興趣日益加深。其中,光伏發電可以利用無窮的太陽能資源並且對環境友好,因此最近已對光伏發電進行大量的研究和開發,且在許多現場安裝和運行光伏發電。
用於光伏發電的光伏發電裝置包括多個太陽能電池模塊(面板),並且該太陽能電池模塊由多個太陽能電池(solar cell)構成。
太陽能電池是將來自太陽的光能轉換為電能的半導體器件,並且根據原材料大致分為矽太陽能電池和化合物半導體太陽能電池,其中矽太陽能電池被廣泛使用。
通過在矽晶片形成P-N結,並在矽晶片的正面和後面分別形成正面電極和背面電極來構成矽太陽能電池,使得內部電子可以流到外部。當光照射到上述太陽能電池上時,由於光電效應,在矽晶片中產生自由電子,並且電子通過P-N結移動到N型半導體且通過在矽晶片的表面上形成的電極流到外部電路而產生電流。另外,在矽晶片的表面上形成抗反射膜以減少照射的太陽光的反射損失,從而可以提高將太陽光轉換成電能的效率。
太陽能電池的電極通過在矽晶片的一面上塗覆導電漿料而形成。導電漿料(以下稱為太陽能電池電極用漿料)組合物包括導電粉、玻璃料(glass frit)及有機載體(organic vehicle),在塗覆太陽能電池電極用漿料後的燒結過程中,玻璃料分解並去除防反射膜的預定部分,附着於矽晶片,從而使電極與矽晶片導電。
如上所述將矽晶片和電極結合的方法稱為燒穿(fire-through),太陽能電池的轉換效率可能受到燒穿的影響。例如,若過度進行燒穿,則電極可能會侵蝕到矽晶片內部,導致電池劣化。若不充分進行燒穿,則作為太陽能電池的基本性能可能降低。
另一方面,當在高溫下進行燒穿時,如防反射膜等除電極之外的部分會受到熱損傷。因此,太陽能電池電極用漿料較佳含有能夠進行低溫燒結的玻璃料。
眾所周知,為了降低玻璃料的轉變點以能夠進行低溫燒結,玻璃料包含鹼性氧化物。然而,由於鹼性氧化物起變網劑(network modifier)的作用以切斷網絡結構,因此存在玻璃穩定性可能劣化的問題。
[發明所欲解決之問題]
本發明是為了解決上述現有問題而研製的,其目的在於提供能夠低溫燒結且具有穩定結構的玻璃料及包括其的太陽能電池電極用漿料。
並且,本發明的目的在於提供一種能夠改善太陽能電池電極的接觸特性並提高轉換效率的玻璃料及包括其的太陽能電池電極用漿料。 [解決問題之技術手段]
本發明的一實施例的玻璃料為用於太陽能電池電極用漿料,上述玻璃料基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3,且還包括Ag 2O和鉈化合物。
根據本發明的一實施例,鉈化合物可以為Tl 2O 3
根據本發明的一實施例,玻璃料可以包括15莫耳%至35莫耳%的PbO、20莫耳%至40莫耳%的TeO 2、1莫耳%至10莫耳%的Bi 2O 3、1莫耳%至10莫耳%的Ag 2O及0.5莫耳%至20莫耳%的Tl 2O 3
本發明的一實施例的玻璃料還可包括SiO 2、ZnO、Li 2O、Na 2O、K 2O、MgO、CaO、SrO、BaO、V 2O 5、Al 2O 3、WO 3、Ga 2O 3、SnO 2、Sb 2O 3及Sb 2O 5中的至少一種。
本發明的另一實施例的玻璃料為用於太陽能電池電極用漿料,上述玻璃料包括:第一玻璃料,基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3,還包括Ag 2O;及第二玻璃料,基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3,還包括鉈化合物。
根據本發明的另一實施例,鉈化合物可以為Tl 2O 3
並且,根據本發明的另一實施例,第一玻璃料可以包括20莫耳%至35莫耳%的PbO、25莫耳%至40莫耳%的TeO 2、1莫耳%至10莫耳%的Bi 2O 3及1莫耳%至10莫耳%的Ag 2O,上述第二玻璃料可以包括15莫耳%至30莫耳%的PbO、20莫耳%至35莫耳%的TeO 2、3至10莫耳%的Bi 2O 3及0.5莫耳%至20莫耳%的Tl 2O 3
本發明的一實施例的太陽能電池電極用漿料組合物包括導電粉、玻璃料及有機載體。其中,玻璃料基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3且還包括Ag 2O和鉈化合物。
本發明的一實施例的太陽能電池電極用漿料組合物包括導電粉、玻璃料及有機載體。其中,玻璃料包括第一玻璃料和第二玻璃料,第一玻璃料基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3且還包括Ag 2O,第二玻璃料還包括基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3且還包括鉈化合物。 [對照先前技術之功效]
根據本發明的一實施例,基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3的玻璃料包括Ag 2O和鉈化合物,從而在形成太陽能電池時,能夠低溫燒結且具有穩定結構。 並且,根據本發明的一實施例,可以改善太陽能電池的接觸特性,提高轉換效率。
在下文中,參考圖式,會對本發明的較佳實施例進行詳細描述,使得本發明可被本領域技術人員容易地實施。為了說明的簡潔,在圖式中,與描述無關的部件被省略。 [太陽能電池的結構]
圖1為示意性示出本發明的一實施例的太陽能電池的結構的截面圖。
參照圖1,太陽能電池100包括矽晶片110和分別形成在矽晶片110的正面和後面的正面電極130及背面電極140。並且,太陽能電池100還包括形成在矽晶片110與正面電極130之間的防反射膜120。
矽晶片110包括P型半導體111和N型半導體113。P型半導體111可以對於矽摻雜如B、Ga、In等III族元素作為P型雜質而成,N型半導體113可以對於矽摻雜如P、As、Sb等Ⅴ族元素作為N型雜質而成。在P型半導體111和N型半導體113之間形成P-N結,使得當光入射在P-N結時,由光電效應產生的自由電子移動到N型半導體113以能夠產生光伏電力。
防反射膜120形成在矽晶片110的N型半導體113上,以減小入射在矽晶片110的正面的光的反射率,並起到絕緣層的作用,還可以起到使在矽晶片110表面或內部所存在的缺陷失活的作用。當通過防反射膜120減少入射的光的反射率時,到達P-N結的光量增加,因此太陽能電池100的短路電流增加,從而可以提高太陽能電池100的轉換效率。防反射膜120可以由例如氮化矽膜、氧化矽膜或氮氧化矽膜中的一種形成,或者可以由兩個或更多個膜堆疊而成的多層膜形成,除此之外,還可以由具有已知組成的膜形成。
太陽能電池100的正面電極130用來收集由光電效應產生並移動到N型半導體113的電子並將該電子移動到外部以使電流流動。正面電極130形成在矽晶片110的正面上,且如圖所示,可以形成為穿透防反射膜120並連接到矽晶片110的N型半導體113。具體而言,正面電極130可以形成如下:在防反射膜120上塗覆電極用漿料後,通過燒結對防反射膜120進行蝕刻,以使漿料組合物滲透到防反射膜120中,使得電極用漿料與矽晶片110的N型半導體113連接。
在矽晶片110的背面即形成有正面電極130的一面的相反側的表面上形成背面電極140,在背面電極140與矽晶片110的界面上可以形成背面電場層150。背面電極140可以由包含鋁的導電漿料組合物形成,並且在形成背面電極140的過程中,鋁通過矽晶片110的背面被擴散而形成後背面電場層150。背面電場層150可以防止載流子移動到矽晶片110的背面並重新結合,從而提高太陽能電池100的轉換效率。
另一方面,根據本發明的一實施例,太陽能電池的電極用漿料組合物可以通過使用特定組成的玻璃料來達到上述本發明本來的效果,下面將對太陽能電池電極用漿料組合物和用於其的玻璃料進行詳細說明。 [太陽能電池電極用漿料組合物]
本發明的一實施例的太陽能電池電極用漿料包括導電粉、玻璃料及有機載體。
太陽能電池電極用漿料組合物的導電粉用於向漿料組合物賦予電特性,根據本實施例,可以使用Ag粉作為導電粉。基於漿料組合物的總重量,Ag粉的含量可以為80重量%至90重量%。銀粉可以具有奈米級至微米級的粒徑,並且還可以混合和使用具有兩種或更多種不同尺寸的Ag粉。
太陽能電池電極用漿料組合物的玻璃料起到在太陽能電池電極用漿料的燒結製程中對防反射膜120進行蝕刻來使漿料與矽晶片110接觸的作用。根據本實施例,基於漿料組合物的總重量,玻璃料的含量可以為0.5重量%至5重量%。
根據本發明的一實施例,玻璃料可以基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3而成。
PbO用於增加通過太陽能電池電極用漿料組合物的對防反射膜的蝕刻性能,其含量基於玻璃料可以為15莫耳%至35莫耳%。PbO使蝕刻並貫穿防反射膜的燒穿製程順利進行,並滲透到防反射膜中以使電極與矽晶片連接。
TeO 2用於在太陽能電池正面電極用漿料的燒結時通過調節漿料與防反射膜之間的反應性來防止過度蝕刻,其含量基於玻璃料可以為20莫耳%至40莫耳%。由此,防止由於PbO引起的過度蝕刻,從而可以防止電池特性的劣化和分流(Shunt)的發生。
Bi 2O 3用於提高太陽能電池的轉換效率,其含量基於玻璃料可以為1莫耳%至10莫耳%。
除PbO、TeO 2及Bi 2O 3之外,根據本實施例的玻璃料還包括Ag 2O和Tl 2O 3
Ag 2O是用於提高導電性的成分,根據本實施例,其含量基於玻璃粉可以為1莫耳%至10莫耳%。
Ag 2O不僅在燒結過程中改善漿料組合物與導電粉(Ag粉)的燒結性,還增加Ag的固溶度以獲得更多的Ag沉澱物。如上所述,Ag 2O可以通過增加Ag的沉澱量來改善電導率並改善填充係數(fill factor; FF)。另外,Ag 2O是較強的變網劑之一,因此可以通過降低玻璃化轉變點來改善低溫燒結特性。
然而,Ag 2O降低玻璃化轉變點並增加鋪展性,因此可以導致在漿料燒結後電極的線寬增加的現象。這可能會減小太陽能電池的受光面積,從而導致開路電壓Voc和短路電流Isc減小,從而導致轉換效率降低。
在本實施例中,玻璃料通過進一步包括Tl 2O 3來解決由於Ag 2O可能引起的問題。
像上述的鹼氧化物一樣,Tl 2O 3起到切斷網絡結構的變網劑的作用,但還起到通過Tl元素使切斷的網絡結構重新連接的成網劑(network former)的作用。因此,Tl 2O 3還用於連接通過Ag 2O和鹼性氧化物切斷的網絡結構,從而可以形成更穩定的玻璃結構。即,玻璃粉通過包含Tl 2O 3來可以在降低鹼性氧化物的同時大大降低玻璃化轉變點,還可以使玻璃結構穩定。從而,通過改善作為低溫燒結玻璃的缺點的耐化學性來提高產品可靠性。
並且,當玻璃料包含少量的Tl 2O 3時,玻璃化轉變點降低,容易進行結晶。因此,當玻璃粉包含Ag 2O時,可以解決由於鋪展性增加而線寬增加的問題。
Tl 2O 3的含量基於玻璃料可以為0.5莫耳%至20莫耳%。當Tl 2O 3的含量小於0.5莫耳%時,無法充分達到上述效果,當Tl 2O 3的含量大於20莫耳%時,不僅變得難以玻璃化,隨着玻璃化轉變溫度過度降低,在燒成時可能出現漿料鋪展的形狀。此外,較佳地,基於玻璃粉,Tl 2O 3的含量可以為1莫耳%至15莫耳%,更較佳為1莫耳%至10莫耳%。
在本實施例中,雖然玻璃料包含鉈氧化物,但本發明不限於此,也可以使用如鉈氮化物、鉈氟化物和鉈碳化物等含有Tl元素的其他鉈化合物。
除了上述成分之外,根據本實施例的玻璃料還可包括SiO 2、ZnO、Li 2O、Na 2O、K 2O、MgO、CaO、SrO、BaO、V 2O 5、Al 2O 3、WO 3、Ga 2O 3、SnO 2、Sb 2O 3及Sb 2O 5中的至少一種。
另一方面,雖然在上述實施例中基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3的玻璃料包括Ag 2O和Tl 2O 3,但可以通過將分別包括Ag 2O和Tl 2O 3的基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3的玻璃料混合使用。
本發明的另一實施例的玻璃料包括第一玻璃料和第二玻璃料,第一玻璃料基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3且還包括Ag 2O,第二玻璃料基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3且還包括Tl 2O 3。具體而言,第一玻璃料可以包括20莫耳%至35莫耳%的PbO、25莫耳%至40莫耳%的TeO 2、1莫耳%至10莫耳%的Bi 2O 3及1莫耳%至10莫耳%的Ag 2O,第二玻璃料可以包括15莫耳%至30莫耳%的PbO、20莫耳%至莫耳%的TeO 2、3莫耳%至10莫耳%的Bi 2O 3及0.5莫耳%至20莫耳%的Tl 2O 3
如上所述,玻璃料包括分別含有Ag 2O和Tl 2O 3的兩種玻璃料,從而可以改善低溫燒結特性並保持穩定性,提高電導率和填充係數,抑制鋪展性,從而可以獲得優異的轉換效率。
太陽能電池電極用漿料組合物的有機載體用於向漿料組合物賦予適合於印刷的黏度,其含量為在總漿料中除導電粉和玻璃料的量之外的殘量。通常,有機載體可以包括黏合劑樹脂和溶劑。例如,黏合劑樹脂可以包括丙烯酸酯類或纖維素類樹脂、乙基纖維素、乙基羥乙基纖維素、硝化纖維素、乙基纖維素和酚醛樹脂的混合物、醇酸樹脂、酚醛類樹脂、丙烯酸酯類樹脂、二甲苯類樹脂、聚丁烯類樹脂、聚酯類樹脂、尿素類樹脂、三聚氰胺類樹脂、乙酸乙烯酯類樹脂、木松香(rosin)和聚甲基丙烯酸酯,溶劑的實例可以包括至少一種己烷、甲苯、乙基溶纖劑、環己酮、丁基溶纖劑、丁基卡必醇(二乙二醇單丁基醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁基醚)、乙酸丁基卡必醇酯(二乙二醇單丁基醚乙酸酯)、丙二醇單甲基醚、己二醇、萜品醇(Terpineol)、甲基乙基酮、苯甲醇、γ-丁內酯或乳酸乙酯等。
除此之外,為了提高流動特性和製程特性等,本發明的太陽能電池電極用漿料組合物還可包含常規的添加劑。作為添加劑,可以使用至少一種分散劑、增塑劑、黏度穩定劑、抗氧化劑等。 [實驗例]
在下文中,將基於對用於太陽能電池電極用漿料組合物中的玻璃料的成分的玻璃化轉變點和轉化效率進行測定的實驗結果,具體說明本發明的效果。
表1示出在形成太陽能電池電極時根據各實施例和比較例的漿料組合物的玻璃粉的組成。在本實驗例中,漿料組合物包含89重量%的Ag粉作為導電粉、3重量%的玻璃料以及殘餘的有機載體。 [表1]
分類 成分比(莫耳%)
PbO Bi 2O 3 TeO 2 SiO 2 B 2O 3 ZnO Al 2O 3 CaO WO 3 Li 2O Tl 2O 3 Ag 2O
實施例1 15.2 7.8 24.7 15.8 1.0 3.8 0.7 1.2 1.8 8.8 17.7 1.5
實施例2 19.3 6.9 27.2 14.7 1.0 3.5 0.7 1.1 1.7 7.6 14.3 2.0
實施例3 21.1 6.1 30.7 13.5 1.0 3.3 0.6 1.0 1.6 6.1 11.6 3.4
實施例4 22.2 5.3 33.3 12.4 0.9 3.0 0.6 1.0 1.5 5.6 8.3 5.9
實施例5 24.0 4.5 36.8 11.2 0.9 2.7 0.5 0.9 1.3 5.1 4.7 7.4
實施例6 19.4 6.0 26.5 14.0 0.9 3.5 0.6 1.0 1.6 8.1 16.6 1.8
實施例7 22.7 5.2 29.7 13.1 0.9 3.4 0.6 0.9 1.4 6.9 12.9 2.3
實施例8 25.7 4.3 32.4 12.3 0.9 3.2 0.5 0.8 1.2 5.6 9.4 3.7
實施例9 27.0 3.5 35.0 11.5 0.9 3.1 0.5 0.8 1.0 4.5 5.9 6.3
實施例10 28.3 2.8 38.9 10.7 0.8 2.8 0.4 0.7 0.8 3.4 2.3 8.1
比較例1 24.8 7.2 36.1 15.9 1.2 3.9 0.7 1.2 1.9 7.2 - -
比較例2 23.9 6.9 34.7 15.3 1.1 3.7 0.7 1.1 1.8 6.9 - 3.8
比較例3 21.8 6.3 31.8 14.0 1.0 3.4 0.6 1.0 1.7 6.3 12.0 -
比較例4 19.2 5.5 27.9 12.3 0.9 3.0 0.5 0.9 1.5 5.5 10.5 12.3
比較例5 18.6 5.4 27.1 11.9 0.9 2.9 0.5 0.9 1.4 5.4 22.0 3.0
表2示出對各實施例和比較例的玻璃料的玻璃化轉變點以及由包括該玻璃料的太陽能電池電極用漿料組合物形成的太陽能電池的轉換效率進行測定的結果。 [表2]
分類 玻璃化轉變點 (℃) 填充係數 (%) 接觸電阻 (mΩ) 轉換效率 (%) 黏合力 (N)
實施例1 248 79.90 0.057 21.05 2.0
實施例2 240 80.15 0.051 21.23 2.4
實施例3 226 80.28 0.053 21.43 2.6
實施例4 217 80.17 0.060 21.34 2.2
實施例5 203 79.93 0.063 21.17 1.8
實施例6 251 79.83 0.059 21.02 1.9
實施例7 244 80.11 0.052 21.17 2.2
實施例8 236 80.24 0.055 21.32 2.5
實施例9 227 80.14 0.063 21.21 2.0
實施例10 211 79.97 0.067 21.08 1.6
比較例1 284 79.23 0.075 20.05 2.2
比較例2 258 79.48 0.070 20.37 2.3
比較例3 263 79.55 0.058 20.51 1.6
比較例4 196 79.63 0.074 20.62 2.0
比較例5 183 79.40 0.062 20.13 1.8
參照表1和表2,首先,可以確認在玻璃料不包含Ag 2O及Tl 2O 3的情況(比較例1)下,與根據本發明的其他實施例相比,玻璃化轉變溫度相對較高,轉換效率也較低。在玻璃料僅包含Ag 2O的情況(比較例2)下,與不包含Ag 2O的情況相比,玻璃化轉變點降低,但存在轉換效率比實施例更低的問題。據認為,這是由於在僅包含Ag 2O時在燒結時由於過度鋪展性而線寬增加且受光面積減少而導致的。並且,當玻璃料僅包含Tl 2O 3的情況(比較例3)下,存在轉換效率相對低的問題。據認為,這是因為,由於Tl 2O 3而玻璃化轉變溫度過度降低,從而玻璃黏度變低,流動性增加,導致由於在矽晶片和電極之間形成玻璃層(絕緣層)引起的電阻增加,使得填充係數變得相對較低,結果,轉換效率降低。
此外,可以確認即使玻璃料包含Ag 2O和Tl 2O 3,也當其含量在上述範圍之外(比較例4、5)時,玻璃化轉變溫度也過度減少,轉化效率降低。
相反,在由具有本發明的一實施例的組成的玻璃料和包括其的太陽能電池電極用漿料形成的太陽能電池的情況下,可以確認在具有較低玻璃化轉變溫度的同時,具有優異的填充係數和相對較低的接觸電阻,因此轉換效率優異。
如上所述,用於本發明的一實施例的太陽能電池電極用漿料的玻璃料通過在基於PbO-TeO 2-Bi 2O 3的玻璃料中進一步包括Ag 2O和Tl 2O 3來可以改善低溫燒結特性並保持穩定性,有利於低溫燒結,因此具有在燒結製程時可燒結範圍擴大的優點。並且,根據本發明的一實施例,通過Tl 2O 3和Ag 2O的互補,可以提高電導率和填充係數,抑制鋪展性,以獲得優異的效率特性。
以上雖參照圖式對本發明的較佳實施例進行了描述,但是本發明所屬技術領域中具有常識的技術人員可以理解,在不改變本發明的技術思想或必須特徵的前提下可將其實施為其他具體形態。因此,應該理解,上述實施例在所有方面都是示例性的和非限制性的。
100:太陽能電池 110:矽晶片 111:P型半導體 113:N型半導體 120:防反射膜 130:正面電極 140:背面電極 150:背面電場層
圖1為示意性示出本發明的一實施例的太陽能電池的結構的截面圖。
100:太陽能電池 110:矽晶片 111:P型半導體 113:N型半導體 120:防反射膜 130:正面電極 140:背面電極 150:背面電場層

Claims (7)

  1. 一種玻璃料,其為用於太陽能電池電極用漿料,所述玻璃料的特徵在於,基於PbO-TeO2-Bi2O3,且還包括1莫耳%至10莫耳%的Ag2O和0.5莫耳%至20莫耳%的Tl2O3
  2. 如請求項1所述之玻璃料,其中,所述玻璃料包括:15莫耳%至35莫耳%的PbO;20莫耳%至40莫耳%的TeO2;及1莫耳%至10莫耳%的Bi2O3
  3. 如請求項1所述之玻璃料,其中,所述玻璃料還包括SiO2、ZnO、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、V2O5、Al2O3、WO3、Ga2O3、SnO2、Sb2O3及Sb2O5中的至少一種。
  4. 一種玻璃料,其為用於太陽能電池電極用漿料,所述玻璃料的特徵在於,包括:第一玻璃料,基於PbO-TeO2-Bi2O3,還包括1莫耳%至10莫耳%的Ag2O;及第二玻璃料,基於PbO-TeO2-Bi2O3,還包括0.5莫耳%至20莫耳%的Tl2O3
  5. 如請求項4所述之玻璃料,其中,所述第一玻璃料包括20莫耳%至35莫耳%的PbO、25莫耳%至40莫耳%的TeO2及1莫耳%至10莫耳%的Bi2O3,所述第二玻璃料包括15莫耳%至30莫耳%的PbO、20莫耳%至35莫耳%的TeO2及3莫耳%至10莫耳%的Bi2O3
  6. 一種太陽能電池電極用漿料組合物,其特徵在於,包括:導電粉;玻璃料;及有機載體, 其中,所述玻璃料基於PbO-TeO2-Bi2O3且還包括1莫耳%至10莫耳%的Ag2O和0.5莫耳%至20莫耳%的Tl2O3
  7. 一種太陽能電池電極用漿料組合物,其特徵在於,包括:導電粉;玻璃料;及有機載體,其中,所述玻璃料包括第一玻璃料和第二玻璃料,所述第一玻璃料基於PbO-TeO2-Bi2O3且還包括1莫耳%至10莫耳%的Ag2O,所述第二玻璃料基於PbO-TeO2-Bi2O3且還包括0.5莫耳%至20莫耳%的Tl2O3
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