TWM512217U - 太陽能電池 - Google Patents

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TWM512217U
TWM512217U TW103210865U TW103210865U TWM512217U TW M512217 U TWM512217 U TW M512217U TW 103210865 U TW103210865 U TW 103210865U TW 103210865 U TW103210865 U TW 103210865U TW M512217 U TWM512217 U TW M512217U
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Brian Hardin
Stephen T Connor
James Randy Groves
Craig H Peters
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Plant PV
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Description

太陽能電池
本創作涉及太陽能電池，並且更具體地說，涉及了使用金屬化焊膏(paste)和共燒工藝來形成電極之太陽能電池。本揭露之實施方式涉及了用於基於矽的太陽能電池之導電金屬化焊膏和墨水。
絲網可印刷金屬化焊膏被用於製造與矽光伏(PV)電池之電接觸並將PV電池連接在一起。該等電池係藉由在金屬化層與塗布焊料的Cu互聯條之間形成電接觸進行串聯連接。在基於矽的PV電池中使用了三種主要的焊膏配製物：1)後側鋁焊膏、2)後側銀互聯焊膏及3)前側銀焊膏。第1圖係一示意圖，示出了基於銀的金屬化焊膏100的一實例。焊膏100具有銀粒子110、玻璃粉120及混有溶劑的有機黏合劑130。由杜邦公司(DuPontTM )(Solamet® PV505)和由賀立士公司(Heraeus)(SOL230H)製造的純銀、後部互聯焊膏的實例含有以重量計45%-66%的導電粒子，並且被設計成減少銀負載並在絲網印刷、乾燥並且共燒之後所得厚度介於4與10μm之間。在一些實例中，該等銀粒子係直徑為1到3μm之銀薄片與直徑的大小分佈在從100nm到5μm的範圍內的銀球的混合物。由杜邦公司(Solamet® PV17x)和賀立士公司(SOL9235H)製造的純銀、前部金屬化焊膏的實例含有以重量計超過90%的導電粒子。此類前部金屬化焊膏含有大小在介於300nm與5μm之間的範圍內的球狀銀粒子。此類焊膏被配製用 於印刷多條線，該等線具有高縱橫比，緊密地壓實以改善體積導電率並且與矽太陽能電池的發射極層形成歐姆接觸。
在最廣泛商業化的Si太陽能電池架構中，在>90%的背面上使用了鋁焊膏以與p型Si形成歐姆接觸，從而建立一背表面場以改善PV性能。後側銀互聯焊膏佔據了未被鋁焊膏塗布的區域，並且被用於促進與Si的較強黏附以及與塗有焊料的Cu互聯條的可焊性，因為與鋁焊膏直接地焊接係富有挑戰的。前側銀焊膏被配製成穿透抗反射塗層以與前部n型矽形成歐姆接觸。在矽PV電池加工期間，依次地絲網印刷每一焊膏層並且在低溫(例如約150℃)下乾燥。一旦印刷了這三個層，就在空氣中將整個晶圓共燒到超過750℃，保持約一秒，以形成歐姆接觸並促進焊膏與矽的黏附。
歸因於所需的Ag量和Ag之商品價格(在2014年接近$625/kg)，使得基於矽的金屬化焊膏自然地很昂貴。基於矽的金屬化焊膏係SiPV模組的第二大材料花費，並且據估算，PV工業當前的用量係每年銀總產量的超過5%。PV電池生產的持續、大量增加將使用越來越多的銀，銀可能變得驚人地昂貴，並且從長遠來看是無法承受的。
 相關申請之交叉引用
本申請涉及2013年6月20日提交的美國臨時專利申請61/837,575、2013年9月23日提交的美國臨時專利申請61/881,394、2013年4月29日提交的美國臨時專利申請61/986,020、2013年4月29日提交的美國臨時專利申請61/986,025及2013年6月12日提交的美國臨時專利申請62/011,496，該等專利申請全部以引用方式結合於此。
有關政府支持之聲明
在此描述並要求的創作係部分地利用了由國家科學基金會(National Science Foundation)依據SBIR合同號IIP-1315284所提供之基金而作出。美國政府在本創作中享有某些權利。
揭露了一種核-殼型粒子。該粒子具有一鎳合金核以及包圍該核的至少一個第一殼。該第一殼係由一與該核不同的材料製成。該第一殼可以包含以下各物中的一種或多種：錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳合金及其組合。在一種安排中，該粒子核係純鎳。在另一種安排中，該粒子核係一鎳合金，該合金包含鎳以及以下各物中的一種或多種：鈷(Co)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、硼(B)、磷(P)。
在本創作的一個實施方式中，該第一殼包含一Ni：B合金。該Ni：B合金可以具有以重量計超過1%的硼。該第一殼可以具有一奈米結晶形態。該第一殼可以包含一鎳合金，該合金含有以重量計介於50%-100%之間的鎳以及以重量計介於0%與50%之間的以下元素中的一種或多種：鈷(Co)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、硼(B)、磷(P)。
在一種安排中，該粒子具有一球形的形狀並且可以具有介於約300nm與3μm之間之平均直徑。該第一殼可以具有介於0.005μm與1μm之間，或介於0.005μm與0.3μm之間，或介於0.005μm與0.1μm之間之厚度。
在另一種安排中，該粒子具有一薄片狀、樹枝狀或細絲狀的形狀。該薄片可以具有介於1與10μm之間的直徑和介於100nm與500nm之間之厚度。該細絲可以具有介於200μm與1000nm之間的直徑和大於1μm的長度。
在本創作的另一個實施方式中，該核-殼型粒子具有一包圍該第一殼的第二殼。該第二殼係由一與該第一殼和該核都不同的材料製成的。該第二殼可以包含以下各物中的一種或多種：銀(Ag)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb) 及鎳合金，以及其組合。該第二殼可以具有介於約0.005μm與1μm之間，或介於約0.005μm與0.1μm之間之厚度。
揭露了一種金屬化焊膏。該焊膏含有多個如以上所描述的核-殼型鎳粒子、銀粒子及玻璃粉，全部一起混合於一有機媒劑中。該焊膏可以具有以重量計至少20%的核-殼型鎳粒子。該焊膏可以具有以重量計至少10%的銀粒子。在一種安排中，該金屬化焊膏包含以重量計30%的核-殼型Ni粒子、以重量計50%的銀粒子、以重量計4%的玻璃粉及以重量計16%的有機媒劑。在另一種安排中，該金屬化焊膏包含以重量計30%的核-殼型Ni粒子、以重量計30%的銀粒子、以重量計4%的玻璃粉及以重量計36%的有機媒劑。在另一種安排中，該金屬化焊膏包含以重量計40%的核-殼型Ni粒子、以重量計20%的銀粒子、以重量計2%的玻璃粉及以重量計38%的有機媒劑。在又另一種安排中，該金屬化焊膏包含以重量計30%的核-殼型Ni粒子、以重量計30%的銀粒子、以重量計5%的玻璃粉及以重量計35%的有機媒劑。銀與核-殼型鎳粒子的比率以重量計可以為1：9或1：1或4：1。
揭露了一種太陽能電池。該太陽能電池具有一矽襯底，該襯底在其前表面上具有多個細格線。在該前表面上存在至少一個前部匯流條層，並且該等前部匯流條層與該多個細格線電接觸。在該襯底的後側上存在一鋁層和至少一個後部互聯層。細格線、前部匯流條及後部互聯層中的至少一者具有一燒結並且壓實之銀基質，該銀基質含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子。該燒結並且壓實的銀基質可以具有1：9或1：1或4：1的銀與核-殼型鎳重量比。
具有了含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子的一燒結並且壓實之銀基質的後部互聯層當使用基於錫的焊料和助焊劑焊接於塗有錫的銅互聯條時，可以具有超過1N/mm的剝離強度。該後部互聯層可以具有介於4與15μm之間之厚度和比塊體銀低2到10倍之導電率。
具有了含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子的一燒結並且壓實之銀基質之前部匯流條層當使用基於錫的焊料和助焊劑焊接於塗有錫的銅互聯條時，可以具有超過1N/mm之剝離強度。該前部匯流條層可以具有介於4μm與50μm之間之厚度和比塊體銀低2到10倍之導電率。該等前部匯流條可以彼此平行，並且在其間可以存在一段不到4cm的距離。
該矽襯底的前表面可以具有一抗反射塗層。在一種安排中，該等前部匯流條層不穿透該抗反射塗層，並且不與該矽襯底形成電接觸。
在一種安排中，該前部匯流條層與該矽發射極層形成電接觸。
具有了含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子的一燒結並且壓實之銀基質的細格線可以具有介於20μm與50μm之間之厚度和比塊體銀低1.5到7倍之導電率。該等細格線可以與該矽發射極層形成電接觸，並且接觸電阻小於100毫歐-平方釐米。
在一種安排中，在該等細格線與該矽襯底之間和/或在該等細格線之上存在一另外的金屬層。該另外的金屬層可以由銀組成。
100‧‧‧焊膏
110‧‧‧銀粒子
120‧‧‧玻璃粉
130‧‧‧有機黏合劑
200‧‧‧金屬粒子
210‧‧‧核粒子
220‧‧‧殼
225‧‧‧外表面
400‧‧‧金屬粒子
410‧‧‧核粒子
420‧‧‧第一殼
425‧‧‧表面
430‧‧‧第二殼
500‧‧‧金屬化焊膏
510‧‧‧核-殼型Ni粒子
520‧‧‧銀粒子
530‧‧‧玻璃粉
540‧‧‧有機媒劑
600‧‧‧矽太陽能電池
610‧‧‧細格線
620‧‧‧前側匯流條線
700‧‧‧矽太陽能電池
710‧‧‧矽晶圓
720‧‧‧後部互聯層
730‧‧‧鋁後部接觸
740‧‧‧後側互聯層
900‧‧‧太陽能電池
910‧‧‧抗反射塗層
920‧‧‧細格線
930‧‧‧第二細格線層
1000‧‧‧太陽能電池
1020‧‧‧第二層
1030‧‧‧第一細格線層
第1圖係為銀金屬化焊膏(先前技術)之示意圖。
第2圖係為根據本創作一實施方式的具有塗層的金屬粒子之示意圖。
第3圖係為本創作一實施方式中的核-殼型粒子的掃描電子顯微鏡圖像。
第4圖係為根據本創作一實施方式的具有兩個塗層的金屬粒子之示意圖。
第5圖係為示出了根據本創作另一個實施方式的金屬化焊膏之示意圖。
第6圖係為示出了矽太陽能電池的前(或被照明的)側之示意圖。
第7圖係為示出了矽太陽能電池的後側之示意圖。
第8圖係為本創作一實施方式中的基於Ni的層的凝聚粒子形態之掃描電子顯微鏡圖像。
第9圖係為示出了在太陽能電池的前面上的金屬化層的一實施方式之示意性剖面圖。
第10圖係為示出了在太陽能電池的前面上的金屬化層的另一個實施方式的示意性剖面圖。
應理解，為了提供對在此描述的多個實施方式之充分瞭解，陳述了眾多具體細節。然而，熟習該項技術者應瞭解，在此描述的實施方式可以在無該等具體細節情況下實行。在其他情形中，眾所周知的方法、程式及組分未作詳細描述，這樣不會使在此描述之實施方式不清楚。此外，這一說明不應被視為以任何方式限制在此描述的實施方式之範圍，而是僅僅描述了在此描述的不同實施方式之實施方式。
金屬化焊膏被用於在太陽能電池上形成三個不同的層：後部互聯、細格線及前部匯流條。該等層具有不同的材料特性，該等材料特性分為四個主要類別：
￭可焊性
￭剝離強度，
￭與矽的歐姆接觸的電阻率，及
￭導電率。
可焊性係在低於400℃的溫度下，藉由一熔融金屬焊料在兩個金屬表面之間流動而在其間形成較強物理結合能力。在太陽能電池上的所有焊接都是在空氣中加熱到超過750℃保持約一秒之後進行，並且術語“高溫可焊性，，在此用於指在空氣中加熱到超過750℃之後進行焊接的能力。高溫可焊性具有一比可焊性更嚴格的標準，並且排除了在加熱到750℃時形成較厚的氧化物層的金屬之使用。高溫可焊性涉及助焊劑的使用，該助焊劑係在熔融焊料回流之前清潔或蝕刻一個或兩個表面的任何化學試劑。由於許多金屬氧化物在高於750℃下氧化之後對常用的助焊劑具有抗性，使得這變得甚至更難。
對於直接地接觸互聯條的層，剝離強度大於1N/mm(牛頓/毫米)時是有用的。該剝離強度定義為以與焊接方向呈180°角剝離焊接條所需的力除以該焊接條的寬度。在可商購的太陽能電池中，在與互聯條的接觸上介於2與4N/mm之間的剝離強度係常見的。剝離強度係太陽能電池的焊接點強度的一度量。
太陽能電池的導電率係藉由直接地測量該太陽能電池上個別層的電阻來確定。梅爾(Meier)等描述了如何使用一四點探針電性測量來測定每一金屬化層的電阻率(參見：梅爾等，“藉由對成品電池進行測量來確定串聯電阻的分量(Determining components of series resistance from measurements on a finished cell)”,IEEE(2006)第1315頁)。由於基於Ag的金屬化層相對緻密(即，具有較低孔隙率)，故該金屬化層的體積電阻率通常被認為是一比該等金屬化層自身的實際電阻率更有用的度量。然而，對於一些類型的金屬化焊膏來說，該等膜未完全地壓實。因此，該體積電阻率無法在具有相同印刷厚度的不同類型金屬化焊膏之間提供一準確比較，並且為了準確比較，最好是以梅爾等描述的方法測量個別層之電阻。當描述基於鎳與基於銀的金屬化層之間的電阻率差異時，意思係絕對最小比率，無論是比較體積電阻率還是如使用梅爾等所描述 的四點探針法所測量的個別層的總電阻率測量值。歐姆接觸電阻率係燒制的金屬膜與矽表面之間的接觸電阻率的一量度。該接觸電阻率可以藉由TLM(轉移長度法)測量，並且它在1到100mΩ-cm2 之範圍內。
當前在太陽能電池上使用的所有銀中約75%係在矽襯底的前部(暴露於陽光的一側)上的銀焊膏中作為細格線和匯流條；剩餘25%被用在背面上作為後部互聯層。先前技術水準的前側金屬化焊膏含有銀、玻璃粉、黏合劑及一溶劑。一些實例焊膏含有以重量計超過80%的純銀粒子。該等焊膏混合物被配製成經由絲網印刷直接地印刷到太陽能電池上，隨後乾燥，並且然後在一氧化環境中進行燒制以使有機分子汽化並氧化，以便達到更高的導電率。在一些實例中，前部匯流條和細格線層係在該絲網印刷步驟期間沈積的。
該等細格線的目的在於收集來自太陽能電池前側的電流並將其傳輸到匯流條。因此，重要的是，將高導電性的材料(例如銀)用於細格線。這在使用兩匯流條或三匯流條式架構時尤為重要，因為電流在到達匯流條之前在細格線中行進的距離可以超過一釐米。甚至當細格線為銀時，具有兩匯流條式架構的太陽能電池的總串聯電阻中約75%來自流過該等細格線的電流。
在燒制該前側之後，該銀焊膏被設計成凝聚而具有極少量的空隙並且達到的體積電阻率係純銀的體積電阻率(1.5E-8 ohm-m)的1.2-1.5倍。前側銀焊膏還被設計成印刷而具有高縱橫比以形成20-60μm寬並且20-50μm高的細格線。減小該等格線的寬度可以藉由使更多的矽暴露於太陽光而改善PV電池的光吸收。增加該等細格線的高度可以進一步減小串聯電阻。細格線還與矽形成歐姆接觸；當該等歐姆接觸具有的電阻小於約100mΩ-cm2 時是有用的。應當注意的是，該等細格線不是物理地連接到互聯條，因此可焊性和剝離強度對於細格線來說不是重要的度量。
該等匯流條之目的相當不同。該等匯流條與細格線和互聯條都形成歐姆接觸。重要的是，前部匯流條層係高溫可焊接的並且與太陽能電池的前側黏附良好。前側匯流條將電流從該等細格線轉移到銅互聯條以連接一模組中的多個太陽能電池。重要地是，電流傳輸係垂直地穿過一連續地互聯的匯流條層的厚度(該層為10-20μm厚)發生，而不是如在細格線的情形中那樣橫向地傳輸。因此，儘管可能不明顯，但匯流條可以具有比銀低100倍之體積導電率，而不會顯著地影響太陽能電池的性能。前部匯流條層在焊接於互聯條之後具有大於1N/mm之剝離強度時是有用的。
在當前的PV電池架構中，匯流條和細格線係使用相同的前側金屬化焊膏同時印刷的。在兩個層乾燥之後，在與以上所描述相同的條件下對其進行燒制，此時，它們部分地分解氮化矽(抗反射)層並且與下伏的矽形成電接觸。該等匯流條與該矽形成歐姆接觸，並且接觸電阻小於100mΩ-cm2 。
在一些情形中，浮動匯流條係所希望的。浮動匯流條係不與矽而僅與在矽太陽能電池前側上的細電網格線形成顯著的直接電接觸的一匯流條。這意味著燒制的浮動金屬匯流條與矽表面之間的接觸電阻率超過0.1Ω-cm2 。對於此類匯流條，配製了在燒制之後不會完全地穿透抗反射塗層的金屬化焊膏。
截至目前，減少矽太陽能電池前側上的銀用量的嘗試涉及了完全地重新設計前部接觸沈積方法及改變工藝流程。目前實施的一種方法係連續電鍍鎳、銅及銀層以形成多層網格。這一工藝需要鐳射劃線穿過氮化矽抗反射塗層以暴露矽發射極區的表面，隨後電鍍基底金屬以形成細格線和匯流條。首先，電鍍一薄鎳層以促進與矽的黏附。然後，在該鎳層上電鍍一更厚的導電銅層。然後，將該疊層用一薄銀層覆蓋，以焊接於銅互聯條。這一方法需要新的非標準的加工步驟和設備。此外，這種疊層可能針對在太陽能電池的常規使用期間的溫度波動無彈性，這可能導致銅氧化及銅擴散到矽中。銅擴散尤其成問題， 因為它會引起局部分流通過發射極區。利用這一方法的另一個問題係當鎳與矽反應時，可能形成矽化鎳。太陽能電池的發射極區較薄(例如50-500nm)，並且有矽化鎳可能消耗整個發射極層並使太陽能電池分流的風險。該等問題，除資本支出和廢物處置要求外，還限制了在矽太陽能電池製造中電鍍工藝之採用。
後部互聯層的目的係與在矽背面上的Al層形成歐姆接觸。該Al層從太陽能電池的後側收集電流。當後部互聯層係高溫可焊接的並且與矽黏附良好時是有用的。該後部互聯層被焊接於銅互聯條以便將電流從太陽能電池的後側傳輸到該互聯條。重要地是，電流傳輸係垂直地穿過後部互聯層的厚度(該層為4-10μm厚)發生，而不是如在細柵線的情形中那樣橫向地傳輸，如以上所論述。因此，儘管可能不明顯，但後部互聯層可以具有比銀低100倍的體積導電率，而不會顯著地影響太陽能電池的性能。一般來說，該後部互聯層不與太陽能電池的後側形成歐姆接觸。後部互聯層在焊接於互聯條之後具有大於1N/mm之剝離強度時是有用的。
鎳比銀便宜得多並且更豐富；開發基於Ni之金屬化焊膏有可能減少PV模組的成本並且大量供應於日益增長的PV工業。鎳係一低成本的基底金屬，不幸的是，它在富氧條件中有氧化的傾向，該等條件在加工基於矽的PV電池是典型的。截至目前，已經將純鎳粒子以相對較小的濃度(例如以重量計5%-10%)混入用於太陽能電池的金屬化焊膏中，因為它們在共燒期間有氧化的傾向，這使其具有減小的剝離強度及降低的高溫可焊性。在基於Ag的金屬化焊膏中顯著地增加鎳負載而不損害性能和可靠性係不可能的。
塗有銀的鎳粒子係可商購的，並且被用於低溫應用，如電磁干擾塗層、黏合劑、墊片及密封劑。不幸的是，已知在高溫下，在空氣中Ag會電化學地攻擊Ni，這增加了Ni的氧化速率。極厚的Ag塗層在如750℃等溫度下將減少這一反應，但這不會實質上減少金屬化焊膏中的銀量。數位研究人員也已經對 基於銅和基於塗有銀的銅的金屬化焊膏進行研究，該等金屬化焊膏具有高導電率。不幸的是，Cu在Si中是一高移動性雜質並且任何Cu擴散到矽中都會引起電池可靠性和發電量問題。特別重要的是，替代性金屬化焊膏不會降低裝置性能、製造產率或可靠性。
本創作之實施方式中揭露了用於矽太陽能電池的前側細格線、前側匯流條及後側互聯金屬化層中的基於鎳的金屬化焊膏。該等不同實施方式之目的在於充當用於絲網印刷的基於銀的接觸的一低成本直接代用品。
出於本揭露之目的，術語“標準燒制條件”用於指在環境空氣條件中，使用IR帶式爐或類似工具加熱到介於750℃與900℃之間，保持約0.5到3秒。
術語球形粒子的“平均粒徑”定義為粒子的最薄尺寸之算術平均值。這一測量係典型地用一鐳射粒度分析儀(如堀場(Horiba)LA-300)進行的。將粒子分散於一溶劑中，在該溶劑中，它們充分地分開並且透射光的散射與平均粒徑相關。
在本創作的一個實施方式中，提供了一基於鎳的金屬化焊膏。該焊膏具有多個核-殼型鎳粒子，該等粒子可以經受住標準PV電池燒制條件。該焊膏與矽具有較強黏附性並且具有高溫可焊性。在這一上下文中，高溫可焊性意思指，在PV電池經歷了標準燒制條件之後，可以用太陽能電池製造商所利用的技術焊接金屬表面。
第2圖係根據本創作一實施方式的核-殼型或經塗布的金屬粒子200的示意圖。存在一核粒子210，它被第一殼220所包圍。還指示了該殼220的外表面225。該核粒子210可以由鎳或鎳合金製成。該第一殼220可以由錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳合金或其組合製成，這樣使得它具有一與該核不同的組成。鎳合金定義為由以重量計50%-100%的鎳以及以重量計0%-50%的以下元素 中的一種或多種組成的一金屬：鈷(Co)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、硼(B)、磷(P)。
在一個實施方式中，這一殼含有>5% Sn。在另一個實施方式中，這一殼含有>5% Zn。在另一個實施方式中，這一殼含有>5% Pb。該核粒子210可以具有介於約0.01與50μm之間，或介於約0.1與10μm之間，或介於約0.3與3μm之間之平均粒徑。該第一殼220可以具有介於約5與1000nm之間，或介於5與300nm之間，或介於5與100nm之間之平均厚度。
在一些實施方式中，該等粒子標稱地呈球形，但在任一特定粒子中及多個粒子之間直徑可以存在變化。在其他實施方式中，核-殼型粒子不是球形的。可能的粒子形狀包括但不限於，樹枝狀、薄片狀及細絲狀。Ni薄片可以具有介於約1與3μm之間的直徑和介於約50與500nm之間之厚度。Ni樹枝狀物和細絲可以具有在介於約100與1000nm之間的範圍內的直徑和大於約1μm之長度。樹枝狀和細絲狀材料的每一指定質量具有更高的粒子間連線性，並且尤其適用於太陽能電池應用，其中高機械強度和導電率係有益的。
在本創作的一個實施方式中，該第一殼220含有以重量計介於1%與8%之間的硼和介於92%與99%之間的鎳。如在SEM、能量色散X射線光譜及俄歇電子能譜中可以看出，該形態係具有一些非晶形區的奈米結晶。奈米結晶微結構定義為結晶材料安排於最小尺寸不到20nm的域或晶粒中並且在個別晶粒之間發現晶粒邊界。奈米結晶形態另外定義為包括結晶和非晶形相域的緊密混合物，二者都具有不到20nm的最小尺寸。不希望受任何特定理論的束縛，這樣一種奈米結晶形態可能允許硼尤其是在第一鎳：硼(Ni：B)殼內移動。術語“Ni：B”在此用於指包含以重量計92%-99%的Ni和以重量計1%-8%的B的一金屬合金(並且不是Ni-B中間金屬化合物)。該等合金具有金屬性質。第3圖係在奈米結晶Ni：B殼中塗布的鎳粒子的掃描電子顯微鏡圖像。在奈米結晶微結構中的較小晶粒大 小產生較大體積分數的晶粒邊界並且使非晶形與結晶域能夠精細混合。應瞭解的是，由於如晶粒變粗糙、低氧擴散及沿晶粒邊界的選擇性擴散等效應，奈米結晶微結構可以被設計成具有與其塊體結晶對應物不同的特性。
加熱時，硼可以擴散到該第一殼的外表面225並氧化，從而防止氧擴散通過該殼並進入該核粒子中。該等殼在防止快速燒制期間發生氧化特別有效。藉由在具有奈米結晶形態的鎳合金中塗布金屬粒子，有可能顯著地減少氧化並提供高溫可焊性。應當注意的是，該鎳中硼的濃度對於確定該殼的形態和在該表面上形成的硼氧化物相很重要。舉例來說，對於更低的硼濃度，產生具有大得多的晶粒的非奈米結晶形態。對於更高的硼濃度，形成一些硼氧化物相並且藉由常用R和RMA助焊劑不容易將其溶解，這可能不利於可焊性。
在該核粒子210周圍的第一殼220可以使用非電鍍鎳或電化學置換(galvanic replacement)來製造。在一個實例中，鎳硼(Ni：B)可以在一水溶液中經由非電鍍沈積共形地塗布到純鎳粒子上。術語“Ni：B”在此用於指包含以重量計92%-99%的Ni和以重量計1%-8%的B的一金屬合金(並且不是Ni-B中間金屬化合物)。該等合金具有金屬性質。第二殼530可以包括以下各物中的一種或多種：銀(Ag)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)及鎳合金(不同於該第一殼)。非電鍍沈積係藉由還原劑(例如次磷酸鉀、硼氫化鈉、二甲胺硼烷錯合物)在一水溶液中於一金屬鹽(例如氯化鎳、硫酸鎳)上反應，將金屬或金屬合金沈積到一表面上。如果需要一金屬合金塗層，那麼將該等金屬鹽的混合溶液(例如對於鎳合金，氯化鎳與氯化鉛)與該還原劑結合使用。朱(Zhu)等傳授了一種用約5nm的Ni：B合金塗布平均粒度為2μm的B4 C粉末之方法。熟習該項技術者將知曉如何使用適當的試劑濃度和反應時間以一類似的方式在特定金屬粒子上製造所希望的殼厚度。
第4圖係根據本創作一實施方式的具有兩個塗層的金屬粒子400之示意圖。存在一核粒子410，它被第一殼420和第二殼430所包圍。還指示了該核粒子410的表面425。該核粒子410係由鎳或鎳合金製成。該第一殼420可以由錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳合金或其組合製成，這樣使得其組成不同於該核的組成。在一個實例中，該第一殼420係奈米結晶Ni：B。術語“Ni：B”和“鎳硼”在此用於指包含以重量計92%-99%的Ni和以重量計1%-8%的B的一金屬合金(並且不是Ni-B中間金屬化合物)。該等合金具有金屬性質。第二殼430可以包括以下各物中的一種或多種：銀(Ag)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)及鎳合金(不同於該第一殼)。該第二殼430係由與該核和該第一殼都不同的材料構成的。在一個實例中，該第二殼430係銀。該核粒子410可以具有介於約0.01與50μm之間，或介於約0.1與10μm之間，或介於約0.3與3μm之間之平均粒徑。該第一殼420可以具有介於約5與1000nm之間，或介於5與300nm之間，或介於5與100nm之間之平均厚度。該第二殼530還可以具有介於約5與1000nm之間，或介於5與300nm之間，或介於5與100nm之間之平均厚度。
在一些實施方式中，僅具有第一奈米結晶Ni：B殼的核-殼型奈米粒子在玻璃粉存在下燒制期間不會變形。這對於以使得粒子彼此或與矽保持較強黏附性的方式加工的核/殼(Ni/Ni：B)粒子製成的焊膏來說可以是挑戰。在Ni：B之上添加由Ag構成的第二殼可以促進在複合粒子周圍Ag的表面擴散並且可以加強該等複合粒子間的燒結。
如以上所論述，已知Ag在高溫下會電化學地攻擊Ni，從而增加Ni的氧化速率。這一效應在過去已經藉由使用極厚的Ag塗層來減輕。然而，在一些實施方式中，Ag不會電化學地攻擊Ni：B。因此，在一些實施方式中，有可能僅使用極薄的Ag層作為第二殼430的材料。這一重要的效應使得有可能在核粒子上僅使用極少量的銀，並且進一步降低了金屬化焊膏中的總體Ag負載。
在一個實施方式中，該第二殼係銀，並且該第一殼充當一屏障以防鎳合金核與銀殼之間的侵蝕。在這一實施方式中，選擇的該第一殼材料具有一對侵蝕具有高度惰性的合金組成，如包含以重量計超過1%的B、以重量計超過1%的P、以重量計超過1%的Sn或以重量計超過1%的Cr或其組合的鎳合金。
有一點要澄清，該等殼可以各自為金屬或合金，並且該核/殼粒子的總體形態稱為複合物。在對由該等複合粒子構成的金屬化焊膏進行燒制之後，所得形態也稱為複合物。
電化學置換係可以用於以由銀構成的第二殼塗布粒子的一項技術。在一個實例中，用Ni：B殼包圍的鎳核粒子可以分散於銀鹽(例如，硝酸銀或氰化銀)的水溶液中。在一段足夠時間之後，去除銀溶液，並且所得粒子將有數奈米的表面Ni：B殼被銀殼置換。這一反應係由銀離子還原與鎳金屬氧化之間的電位差驅動的，並且因此將在大多數條件下自發地發生。
可以理解的是，可以使用超過兩個層來塗布一Ni粒子。可以使用替代性的基於溶液或幹式合成方法來製造第2圖和第4圖中所示的該核-殼型結構，包括但不限於，噴霧熱裂解、溶膠-凝膠塗布及化學氣相沈積。
在一種安排中，金屬化層主要由在呈一凝聚粒子形態的銀基質中的核-殼型鎳粒子構成。在施加了基於核-殼型Ni粒子的焊膏並且然後在標準燒制條件下對其進行燒制之後，該膜凝聚該等組成粒子，由此使孔隙率降低。在一示例實施方式中，該等核-殼型Ni粒子在燒制期間不會熔融或變形，從而在該膜內部留下混合的兩個相(例如Ag和Ni)。退火步驟對該等粒子進行燒結或凝聚，從而降低了金屬化的孔隙率。Ni合金複合粒子在燒制期間不會熔融。
基於核-殼型粒子的金屬化焊膏
與第1圖相比較，第5圖係根據本創作一實施方式的基於鎳的金屬化焊膏500之示意圖。該金屬化焊膏500含有核-殼型Ni粒子510、銀粒子520、玻 璃粉530及有機媒劑540。在該焊膏中，該核-殼型Ni粒子510可以在以重量計從20%到80%間變化。在又另一種安排中，該焊膏可以具有以重量計介於約30%與55%之間的核-殼型Ni粒子。在另一種安排中，該焊膏可以具有以重量計介於約40%與50%之間的核-殼型Ni粒子。總金屬負載(即，核-殼型鎳粒子與銀粒子兩者)在總焊膏重量的介於約45%與90%之間。取決於希望的黏附強度和高溫可焊性，銀粒子520與核-殼型鎳粒子510的比率可以在從以重量計1：9(即，10%的Ag粒子和90%的基於Ni的粒子)到以重量計5：1(即，80%的Ag粒子和20%的基於Ni的粒子)間變化。在另一個實施方式中，銀粒子520與核-殼型鎳粒子510的比率可以在從以重量計1：1(即，50%的Ag粒子和50%的基於Ni的粒子)間變化。
金屬化焊膏的其餘非銀部分係由有機媒劑和玻璃粉構成的。可商購的玻璃粉(例如，賽瑞丹公司(Ceradyne)產品#V2079)和其他添加劑可以被用於前側金屬化焊膏中以穿透抗反射塗層，改善銀燒結並與摻雜的矽形成歐姆接觸。玻璃粉可以是鉍、鋅、鉛及矽的氧化物的混合物，並且最終的比率和組成被改變以達到介於500℃與800℃之間的熔點。在該矽中的發射極區和在該金屬化焊膏中的添加劑的摻雜密度可以相對於彼此進行調整以優化電接觸。該有機媒劑係有機溶劑與黏合劑的混合物。有機媒劑可以取決於確切的焊膏沈積條件進行調整。金屬化焊膏的黏度可以藉由調整有機媒劑中有機黏合劑和溶劑的量並且藉由包括搖變減黏添加劑、有機黏合劑及溶劑來進行調諧。以這種方式，可以製成不同的焊膏以施加燒制厚度可以在介於4與15μm之間(例如，對於後部互聯層)及介於約20-50μm之間(例如，對於前部匯流條和細格線)範圍內的塗層。應當注意的是，藉由在先前印刷的線之上再三地進行印刷，有可能製成更厚的膜。常用的塗布溶劑包括松油醇和二醇醚家族(二乙二醇單丁基醚、三乙二醇單丁基醚及泰克諾(texanol))。常用的有機溶劑包括乙基纖維素、羧甲基纖維素、聚(乙烯醇)、聚(乙烯醇縮丁醛)及聚(乙烯吡咯啶酮)。在一 個實施方式中，該基於Ni的焊膏可以具有以重量計介於約2%與10%之間的玻璃粉530。在另一種安排中，該基於Ni的焊膏可以具有以重量計約3%和6%的玻璃粉530。互聯焊膏的其餘部分係有機媒劑540。
根據本創作一些實施方式，用於PV電池的金屬化焊膏具有相同的基本組分：核-殼型Ni粒子、銀粒子、玻璃粉、有機媒劑。但該等組分的比例取決於電池架構及在該電池中何處使用該焊膏而變化。表I中示出了用於不同目的的個別組分的示例實施方式。該等係示例實施方式並且不打算限制金屬粒子、玻璃粉及有機媒劑濃度的範圍。
基於Ni之細格線焊膏
參照第5圖，在不同實施方式中，細格線焊膏中核-殼型鎳粒子510的分數以重量計介於約80%與20%之間、以重量計介於約70%與30%之間、以重量計介於約60%與40%之間，或以重量計介於約60%與50%之間。對於細格線，總金屬負載(即，核-殼型鎳粒子與銀粒子兩者)在絲焊膏重量的介於70%與90%之間。在不同實施方式中，如使用範德堡型(Van der Pauw type)方法藉由四點探針所測量，經由絲網印刷並且共燒基於鎳的細網格金屬化焊膏製造的層具有 的電阻率比塊體銀(1.5 E-8 ohms-m)高出介於1.5與7倍之間。基於Ni的細格線焊膏被配製成達到介於約30與80μm之間之印刷厚度，此使得燒制的膜厚度介於20與50μm之間。取決於所希望的導電率並且基於一給定架構中匯流條的數目，銀粒子520與核-殼型鎳粒子510的比率可以在從以重量計1：9(即，10%的銀粒子和90%的核-殼型鎳粒子)到以重量計4：1(即，以重量計80%的Ag粒子和20%的基於Ni合金的粒子)間變化。應當注意的是，用於細格線的基於Ni的焊膏也可以用於前部匯流條，直接地代替以上所描述的Ag前側焊膏。
在一示例性實施方式中，基於Ni的細格線焊膏具有以下組成：以重量計30%的核-殼型鎳粒子，該等粒子係由覆蓋有奈米結晶Ni：B殼的1μm鎳核構成；以重量計50%的Ag粒子；以重量計4%的玻璃粉，並且其餘重量由有機媒劑組成。在另一個示例性實施方式中，基於Ni的細格線焊膏具有以下組成：以重量計55%的核-殼型鎳粒子，該等粒子係由覆蓋有奈米結晶Ni：B第一殼和0.5μm厚的銀制第二殼的1μm鎳核構成；以重量計35%的導電Ag粒子；以重量計4%的玻璃粉，並且其餘重量由有機媒劑組成。
基於Ni的前部匯流條焊膏
參照第5圖，在不同實施方式中，前部匯流條焊膏中核-殼型鎳粒子510的分數以重量計介於約80%與20%之間、以重量計介於約70%與30%之間、以重量計介於約60%與40%之間，或以重量計介於約60%與50%之間。對於細格線，總金屬負載(即，核-殼型鎳粒子與銀粒子兩者)在總焊膏重量的介於50%與90%之間。取決於所希望的導電率和剝離強度，銀粒子520與核-殼型鎳粒子510的比率可以在從以重量計1：9(即，10%的銀粒子和90%的核-殼型鎳粒子)到以重量計4：1(即，以重量計80%的Ag粒子和20%的基於Ni合金的粒子)間變化。在不同實施方式中，如使用範德堡型方法藉由四點探針所測量，經由絲網印刷並且共燒基於鎳的前部匯流條金屬化焊膏製造的層具有的電阻率比塊體銀(1.5 E-8 ohms-m)高出介於2與10倍之間。基於Ni的前部匯流條焊膏被配製成達到介於約8與25μm之間的印刷厚度，此使得燒制的膜厚度介於4與15μm之間。
在一示例性實施方式中，基於Ni的前部互聯焊膏具有以下組成：以重量計30%的核-殼型鎳粒子，該等粒子係由帶有奈米結晶Ni：B殼的1μm鎳核構成；以重量計30%的導電Ag粒子；以重量計4%的玻璃粉，並且其餘重量由有機媒劑組成。在另一個示例實施方式中，前部匯流條焊膏具有以下組成：以重量計40%的核-殼型鎳粒子，該等粒子係由帶有奈米結晶Ni：B第一殼和由銀構成的第二殼的1μm鎳核構成；以重量計20%的Ag粒子；4%的玻璃粉，並且其餘重量由有機媒劑組成。在另一個實施方式中，如美國專利號5,279,682(以引用的方式包括於此)中維爾(Wale)等所傳授的，使用了低活性玻璃粉代替基於Ni的前部匯流條焊膏中的標準玻璃粉，以防止該等匯流條與矽襯底之間的歐姆接觸。浮動匯流條焊膏可以含有比傳統前側焊膏更少的銀。
基於Ni之後部互聯焊膏
參照第5圖，在不同實施方式中，後部互聯焊膏中核-殼型鎳粒子510的分數以重量計介於約60%與20%之間、以重量計介於約60%與30%之間、以重量計介於約50%與30%之間，或以重量計介於約50%與40%之間。對於細格線，總金屬負載(即，核-殼型鎳粒子與銀粒子兩者)在總焊膏重量的介於45%與60%之間。取決於所希望的導電率並且基於一給定架構中匯流條的數目，銀粒子520與核-殼型鎳粒子510的比率可以在從以重量計1：9(即，10%的銀粒子和90%的核-殼型鎳粒子)到以重量計5：1(即，以重量計80%的Ag粒子和20%的基於Ni合金的粒子)間變化。在不同實施方式中，如使用範德堡型方法藉由四點探針所測量的，經由絲網印刷並且共燒基於鎳的後部互聯金屬化焊膏製造的層具有的電阻率比塊體銀(1.5 E-8 ohms-m)高出介於2與10倍之間。基於Ni的後部互 聯焊膏被配製成達到介於約8與25μm之間之印刷厚度，此使得燒制的膜厚度介於4與15μm之間。
在一示例性實施方式中，基於Ni的後部互聯焊膏具有以下組成：以重量計30%的核-殼型鎳粒子(覆蓋有奈米結晶Ni：B殼的1μm鎳核)、以重量計30%的Ag粒子、以重量計5%的玻璃粉，並且其餘重量由有機媒劑組成。在另一個示例性實施方式中，基於Ni的後部互聯焊膏具有以下組成：以重量計50%的核-殼型鎳粒子(覆蓋有奈米結晶Ni：B第一殼和銀第二殼的1μm鎳核)、以重量計10%的導電Ag粒子、以重量計5%的玻璃粉，並且其餘重量由有機媒劑組成。使用多殼Ni粒子架構可以改善Ag的表面擴散以及基於Ni的粒子之間的燒結，從而允許更低的總體Ag重量負載。
使用基於Ni之後部互聯焊膏製造太陽能電池
為參考用於太陽能電池的金屬化層的以下論述，包括以下附圖。第6圖係示出了矽太陽能電池600的前(或被照明的)側的示意圖。該矽太陽能電池600具有一抗反射塗層(未示出)，該矽晶圓具有細格線610和較寬的前側匯流條線620。第7圖係示出了矽太陽能電池700的後側的示意圖。該後側塗有鋁後部接觸730並且具有後側互聯層740。在太陽能電池上的金屬化層係藉由首先印刷前側銀焊膏，隨後銀後部互聯焊膏，並且然後鋁焊膏來製造。每一焊膏個別地在150℃下乾燥幾分鐘，並且然後在超過750℃下共燒約一秒。
在一些實施方式中，矽太陽能電池係藉由將塗有錫焊料的銅互聯條焊接於前部匯流條和後部互聯層來彼此連接。將商業上命名為RMA(例如Kester® 186)或R(例如Kester® 952)的助焊劑沈積於該等前部匯流條和後部互聯層上。然後將介於1.3與3mm之間寬度並且100-300μm厚度的鍍錫銅條放在該太陽能電池上，並在介於200℃與400℃的溫度下，用焊鐵使其與前部匯流條和 後部互聯層接觸。在這一工藝期間形成的焊接點具有大於1N/mm的平均剝離強度(例如，2mm的互聯條將需要超過2N的剝離力來移除該互聯條)。
基於鎳的後部互聯焊膏可以用作商業上基於Ag的焊膏的直接代用品以形成後部互聯層。在一個實施方式中，對可商購的前側金屬化焊膏進行絲網印刷並在150℃下乾燥以形成細格線610和匯流條620層。然後，對基於Ni的後部互聯焊膏進行絲網印刷並在150℃下乾燥以形成後部互聯層720。隨後，對後部鋁焊膏進行印刷並乾燥，並且將整個晶圓在空氣中共燒到超過750℃，保持約一秒。
混合的銀和核-殼型鎳金屬化層的形態可以在不存在任何加工的情況下描述為凝聚粒子形態，該形態定義為一燒結並且壓實之銀基質，該基質含有分散的鎳、來自玻璃粉的元素和/或來自玻璃粉的反應產物以及Ni複合粒子殼(例如硼)和矽。燒結並且壓實的銀膜定義為已緊密地充填的呈球形或扭曲球形的銀區，並且其孔隙率小於隨機地充填的硬球體，並且多個銀區之間的接觸面積高於緊密地充填的硬球體的情形。一些實施方式的形態還可以描述為分散有核-殼型鎳粒子的一燒結並且壓實之銀基質。在該等情形中，該等核-殼型鎳粒子具有易於辨別的核層和殼層。在另外的實施方式中，含鎳和銀的金屬化層也可以描述為分散有鎳粒子的一燒結並且壓實之銀基質。在該等情形中，在標準燒制期間，由於擴散和反應而無法在核層與殼層之間進行辨別。
此類材料和相組成可以使用x射線衍射進行鑒別，並且個別元素組成可以藉由能量色散x射線光譜進行測定。鎳與銀彼此是不可混合的並且無法形成合金。第8圖係由分散於銀基質中的核-殼型Ni粒子組成的凝聚粒子形態的掃描電子顯微鏡圖像。所得膜形態係一銀/鎳複合物。取決於所希望的導電率和剝離強度，所得後部互聯層可以具有1：9，或1：1，或4：1的銀與鎳(Ag：Ni)重量比。
在數個實施方式中，該基於Ni的後部互聯層具有的體積導電率比塊體銀的導電率低2到10倍，該塊體銀具有的體積電阻率為約1.5E-8 ohms-m。該後部互聯層當在介於200℃與400℃之間，使用基於Sn的焊料和含有松香的基於醇的助焊劑焊接於塗有焊料的基於Cu的互聯條時，其厚度介於4-15μm之間並且剝離強度介於1與6N/mm之間。該剝離強度係藉由以180°角度以1mm/sec恒定地拉伸並且測量由此產生的去除互聯條必需的力來測定。在另一個實施方式中，所得基於Ni的後部互聯層具有的剝離強度大於1N/mm。
使用基於Ni之前部匯流條焊膏製造太陽能電池
基於鎳的前部匯流條焊膏可以用作商業上基於Ag的焊膏的直接代用品以形成前部匯流條層。第6圖係示出了根據本創作一實施方式的矽太陽能電池的前(或被照明的)側的示意圖。在一個實施方式中，對可商購的前側金屬化焊膏進行絲網印刷並在150℃下乾燥以形成細格線610。然後，對基於Ni的前部匯流條焊膏進行絲網印刷並在150℃下乾燥以形成前部匯流條層620。隨後，如以上所描述，對後部互聯焊膏和後部鋁焊膏進行印刷並乾燥，並且將整個晶圓在空氣中共燒到超過750℃，保持約一秒。在一種安排中，絲網印刷的前部匯流條塗層在共燒之後厚度在介於約4與15μm之間的範圍內。前部匯流條層具有的體積導電率比塊體銀的導電率低2到10倍，該塊體銀具有的體積電阻率為約1.5E-8 ohms-m。所得前部匯流條層的形態係一凝聚粒子形態，如先前所定義。取決於所希望的導電率和剝離強度，所得前部匯流條層可以具有1：9，或1：1，或5：1的銀與鎳(Ag：Ni)重量比。
第9圖係示出了根據本創作一實施方式，在太陽能電池的前側上的金屬化的示意性剖面圖。第9圖示出了太陽能電池900，該電池在其前側上塗有一抗反射塗層910。將銀焊膏施加於該抗反射塗層910上以形成細格線920，該等細格線燒穿該抗反射塗層。該等格線可以具有介於約10μm與50μm之間之厚 度。該等細格線920在橫剖面上看到並且伸入並伸出該頁面。然後，對基於Ni的前部匯流條焊膏進行絲網印刷並在150℃下乾燥以在該等細格線層920之上形成第二細格線層930，並且另外地形成前部匯流條層(未示出)。因此，兩個層在太陽能電池的前側910上構成堆疊的細網格層。該等堆疊的細網格層具有一在抗反射塗層的表面上的Ag膜920，及一可用於接觸互聯條的Ni合金複合膜930。當電流在該等層之間平行地行進時，在該銀細格線920上的適度地導電的Ni層930可以進一步減小該等細格線之總串聯電阻。在一示例性實施方式中，具有20μm厚度並且體積電阻係純Ag體積電阻的Ag層以及20μm厚度並且體積電阻係純Ag體積電阻的2倍的Ni複合層的堆疊細網格層具有的總電阻比僅單個Ag層的電阻低67%。
第10圖係示出了根據本創作另一個實施方式，在太陽能電池1000的前側上的金屬化層和晶圓的示意性剖面圖，其中沈積的次序顛倒。將基於Ni的前部匯流條焊膏絲網印刷到太陽能電池1000上，並且然後在150℃下乾燥以形成前部匯流條層(未示出)並且形成了堆疊的細格線結構的第一細格線層1030。隨後，將銀焊膏施加於該細格線層1030之上以形成第二層1020。因此，所得堆疊的細格線層具有一在太陽能電池1000的表面上的Ni複合膜，及一可用於接觸互聯條的銀膜。此外，當電流在該等層之間平行地行進時，適度地導電的Ni層1030使該等細格線的總串聯電阻減小。
其他PV電池架構
基於鎳合金的焊膏可以用於其他更複雜的SiPV架構中，如發射極環繞穿通和選擇性發射極電池架構。其他實例包括僅印刷細格線而無匯流條的架構及使用細線網路技術連接一模組中的多個電池的那些。以上描述的金屬化焊膏還可以用於金屬環繞穿通以及鈍化發射極背接觸(PERC)太陽能電池。在 此描述的基於鎳合金的焊膏可以用作當前使用Ag焊膏的任何地方的基於Ag的焊膏的直接代用品。
太陽能電池上的細格線負責與矽發射極層形成良好的電接觸並且將電流從該發射極經一段數釐米的距離傳輸到該太陽能電池的匯流條。兩個重要的材料特性影響了太陽能電池上的細格線設計：體積電阻率以及在細格線與發射極層之間的接觸電阻。當該等細格線具有高導電性(例如，在塊體Ag的兩倍範圍內，該塊體Ag係導電性最強的元素)時，那麼可以使該等格線更薄以減少遮光損失。可以在金屬化焊膏中使用玻璃粉和其他添加劑以燒穿抗反射塗層並與摻雜的矽形成歐姆接觸。該等金屬化焊膏中的添加劑決定了形成良好電接觸所需的該發射極的最小摻雜密度。發射極的摻雜密度還影響了矽太陽能電池上的最佳網格間距。
對於當前的標準兩匯流條和三匯流條式矽太陽能電池，該太陽能電池的總串聯電阻可以由個別細格線的串聯電阻支配。作為一實例，對於一個兩匯流條式電池(15%多結晶PV電池)，來自多個細格線的串聯電阻占總串聯電阻的73%(D.L.梅爾(D.L.Meier)“藉由對成品電池進行測量來確定串聯電阻的分量”,IEEE(2006)第1315頁)。細網格層已由純Ag粒子構成並且具有的體積導電率比塊體銀的導電率低1.1到2倍，該塊體銀具有的體積電阻率為約1.5E-8 ohms-m。細格線的串聯電阻與匯流條之間的間距(a)、體積電阻率(pf )、細格線厚度(t)及細格線寬度(w)成比例，如方程(1)中所示。應當注意的是，使匯流條的數量增加兩倍將使細格線串聯電阻減小四倍。
下表突出顯示了匯流條的數量對細格線的串聯電阻之影響。對於較大的匯流條數量(例如，>4)，串聯電阻顯著地降低。當六英吋的太陽能電池具有四個或更多個匯流條時，該等匯流條之間的間距小於4cm或小於2cm。
藉由向太陽能電池添加另外的匯流條，可以使每一互聯條的電流減少，由此使該模組的總功率損失減少。藉由增加太陽能電池上的匯流條密度， 電流必須沿細格線行進的平均距離可以明顯地減小，這可以降低該電池的總串聯電阻。這還允許對於導電性比銀更低的細格線使用金屬化層。如果使用的細格線具有略高於銀的體積電阻率，那麼有可能藉由添加更高密度的匯流條來抵消該等損失。
使用基於Ni之細格線製造太陽能電池
在一個實施方式中，對基於Ni的焊膏進行絲網印刷並在150℃下乾燥以形成細格線和前部匯流條層。隨後，對後部Ag焊膏及後部鋁焊膏層進行印刷並乾燥，並且在空氣中將整個晶圓燒制到超過750℃，保持約一秒，以形成歐姆接觸並促進黏附。所得細格線層的形態係一凝聚粒子形態，它包含了可以含有來自玻璃粉的元素和來自殼的一些元素(例如硼)的一銀相，及一純鎳相。該等相可以使用x射線衍射進行測量，並且可以使用能量色散x射線光譜觀察個別元素組成。取決於所希望的導電率和剝離強度，所得細格線層可以具有1：9，或1：1，或4：1的銀與鎳(Ag：Ni)重量比。
在一種安排中，絲網印刷的塗層的厚度在介於約20與50μm之間的範圍內並且在150℃下進行乾燥。應當注意的是，藉由使用依次印刷步驟，有可能製造更厚的膜。所得細格線層具有的導電率比純銀的體積導電率低1.5到7倍。
金屬化焊膏的主要組分已於上文描述。取決於不同應用所希望的導電率，銀粒子與核-殼型鎳粒子的比率可以在從以重量計1：9(即，以重量計10%的Ag粒子和90%的核-殼型Ni粒子)到以重量計4：1(即，以重量計80%的Ag粒子對20%的基於Ni合金的粒子)間變化。在不同實施方式中，核-殼型鎳粒子的分數以重量計介於約80%與20%之間，以重量計介於約70%與30%之間，或以重量計介於約60%與40%之間。在不同實施方式中，銀粒子與核-殼型鎳粒子的重量比介於約1：9與4：1之間、約1：5與4：1之間、介於約3：7與7：3之間、介於約2：3與3：2之間，或為約1：1。當絲網印刷，在150℃下乾燥約三分鐘並在空 氣中迅速地燒制到超過750℃時，該等焊膏在襯底上形成一凝聚粒子網路，也就是說，在燒制期間，其體積藉由一種或多種方法(如蒸發載體、燒結等)降低。在一些實施方式中，膜厚度介於約4與50μm之間並且在絕緣襯底上使用四點範德堡測量，體積電阻率比純Ag的體積電阻率高1.5到10倍。體積電阻率取決於Ni：Ag重量比和玻璃粉的選擇。在另一種安排中，該等膜具有的體積電阻率比銀的體積電阻率(1.5E-8 ohms-m)高1.5到7倍。在另一種安排中，該等膜具有的體積電阻率介於約2 E-8與10 E-8 ohms-m之間。
在另一個實施方式中，對於兩個前側同時地印刷相同的焊膏組合物並且此在技術上將被視為前側焊膏。還存在許多不同的基於Ni和Ag的焊膏組合，它們都可以沈積到矽太陽能電池上。一個實例係使用基於Ni的焊膏來形成前部匯流條和後部互聯電極，而細格線係用Ag焊膏製成。可以使用以上描述的三種類型的基於Ni的金屬化焊膏來製造許多不同的架構。
在此已相當詳細地描述了本創作以為本領域技術人員提供有關應用該等原理以及根據需要構造並使用此類專用的組分的資訊。然而，應瞭解的是，本創作可以藉由不同的設備、材料和器件進行，並且在不背離本創作自身的範圍的情況下，可以針對設備和操作程式實行不同修改。
200‧‧‧金屬粒子
210‧‧‧核粒子
220‧‧‧殼
225‧‧‧外表面

Claims (16)

  1. 一種太陽能電池，包括了具有一前表面和一背表面的一矽襯底，其特徵在於，該太陽能電池包括：在該矽襯底的該前表面上的多個細格線；在該矽襯底的該前表面上的至少一個前部匯流條層，該等前部匯流條層與該多個細格線電接觸；在該矽襯底的該背表面上的一鋁層；及在該襯底的後側上的至少一個後部互聯層；其中該等細格線、該等前部匯流條層或該等後部互聯層中的至少一者包括：一燒結並且壓實之銀基質，該銀基質含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子；其中每個核-殼型鎳粒子包括：一鎳合金核；和一包圍該核的第一殼，該第一殼由一不同於該核的材料製成，該第一殼包含選自下組的一種或多種材料，該組由以下各項組成：錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎳合金及其組合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該後部互聯層具有介於4與15μm之間之厚度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之太陽能電池，其中該前部匯流條層具有介於4μm與50μm之間之厚度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該矽襯底的該前表面具有一抗反射塗層，並且該等前部匯流條層不會穿透該抗反射塗層並且不與該矽襯底形成電接觸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該矽襯底的該前表面具有一矽發射極層，並且該等前部匯流條層與該矽發射極層形成電接觸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該等前部匯流條層彼此平行並且該等前部匯流條層之間的距離小於4cm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該等細格線具有介於20μm與50μm之間之厚度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該矽襯底的該前表面具有一矽發射極層，並且該等細格線與該矽發射極層形成電接觸，並且接觸電阻小於100毫歐-平方釐米。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該等細格線具有介於20μm與50μm之間之厚度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該等細格線在含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子的該燒結並且壓實的銀基質與該矽襯底之間另外包括一另外的金屬層，並且其中該另外的金屬層由銀組成。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該等細格線在含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子的該燒結並且壓實的銀基質之上另外包括一另外的金屬層，並且其中該另外的金屬層由銀組成。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該前部匯流條層包括一燒結並且壓實之銀基質，該銀基質含有呈一凝聚粒子形態之核-殼型鎳粒子。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該矽襯底的該前表面具有一抗反射塗層，並且該等前部匯流條層不會穿透該抗反射塗層並且不與該矽襯底形成電接觸。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該矽襯底的該前表面具有一矽發射極層，並且該等前部匯流條層與該矽發射極層形成電接觸。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該前部匯流條層具有介於4μm與50μm之間之厚度。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該等前部匯流條層彼此平行並且該等前部匯流條層之間的距離小於4cm。
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