TW201446698A - 太陽電池電極用組成物及使用其製作的電極 - Google Patents
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Abstract
本揭露是一種太陽電池電極用組成物。上述組成物包括銀粉、氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料以及有機載體，其中，玻璃料包括作為第一金屬氧化物之40重量%至60重量%之氧化鉍、作為第二金屬氧化物之0.25重量%至15重量%之氧化碲、作為第三金屬氧化物之10重量%至20重量%之氧化鎢以及與第一金屬氧化物、第二金屬氧化物和第三金屬氧化物不同的15重量%至25重量%之第四金屬氧化物。使用上述組成物所形成的太陽電池電極對於焊帶具有優異的附著強度，同時減少串聯電阻(Rs)，從而提供高的轉換效率。
Description
本發明是有關於一種太陽電池電極用組成物及使用其製作的電極。
太陽電池(solar cell)使用p-n接面之光伏效應來產生電能，光伏效應是將太陽光的光子轉化為電。在太陽電池中，前電極(front electrode)和背電極(rear electrode)分別形成於有p-n接面之半導體晶圓或基板的上表面和下表面上。接著，進入半導體晶圓之太陽光誘發p-n接面之光伏效應，而產生自p-n接面之光伏效應的電子經由電極提供電流給外部。藉由塗布、圖案化與烘烤電極用組成物，將太陽電池之電極形成於晶圓上。
為了改善太陽電池效率而持續減少射極的厚度可能會造成分流(shunting)，而可能使太陽電池性能變差。此外，為了實現高效率，已逐漸增加太陽電池的面積。然而，在此情況下，可能會有太陽電池的接觸電阻增加而導致效率變差的問題。
藉由焊帶(ribbon)將太陽電池彼此連接，以構成太陽電池
組(solar cell battery)。在此情況下，電極與焊帶之間的低附著性可能會造成大的串聯電阻並使轉換效率變差。此外，如果使用包括傳統的含鉛玻璃料(leaded glass frit)的太陽電池電極用組成物來製作電極，電極對於焊帶表現出不足的附著強度。關於此點，發明人開發了一種能夠克服上述問題的太陽電池。
本發明提供一種太陽電池電極用組成物，其對於焊帶具有優異的附著強度，並可減少串聯電阻(Rs)，從而提供優異的轉換效率。本發明還提供一種使用上述組成物製作的太陽電池電極。
根據本發明的一個態樣，太陽電池電極用組成物包括：銀粉、氧化鉍(bismuth oxide)-氧化碲(tellurium oxide)-氧化鎢(tungsten oxide)基玻璃料以及有機載體，其中，玻璃料包括作為第一金屬氧化物之40重量%至60重量%之氧化鉍、作為第二金屬氧化物之0.25重量%至15重量%之氧化碲、作為第三金屬氧化物之10重量%至20重量%之氧化鎢以及與第一金屬氧化物、第二金屬氧化物和第三金屬氧化物不同的15重量%至25重量%之第四金屬氧化物。
第四金屬氧化物可包括氧化鋰、氧化釩、氧化矽、氧化鉍、氧化鋅、氧化鎂、氧化硼和氧化鋁中至少一者的金屬氧化物。
上述組成物可包括60重量%至95重量%之銀粉、0.5重量%至20重量%之氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料以及1重量%至30重量%之有機載體。
上述玻璃料的平均粒徑(D50)可為0.1μm至5μm。
上述組成物可更包括分散劑、觸變劑(thixotropic agent)、塑化劑(plasticizer)、黏度穩定劑(viscosity stabilizer)、消泡劑(anti-foaming agent)、色素、UV穩定劑、抗氧化劑以及偶合劑(coupling agent)中至少一者的添加物。
根據本發明的另一個態樣，提供一種使用上述太陽電池電極用組成物所形成的太陽電池電極。
100‧‧‧晶圓
101‧‧‧p-層
102‧‧‧n-層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
圖1是使用根據本發明的一實施例之組成物所製作之太陽電池的示意圖。
根據本發明的太陽電池電極用組成物包括銀粉、氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料以及有機載體。上述組成物對於將太陽電池彼此連接之焊帶表現出優異的附著強度並減少串聯電阻(Rs)，從而提供優異的填充因子(fill factor)與轉換效率。
現在將更詳細地說明本發明。
根據本發明的太陽電池電極用組成物包括銀粉。作為第一金屬粉末之銀粉為導電性粉末。銀粉之顆粒大小可為奈米或微米尺度。
舉例而言，銀粉可具有數十至數百奈米之顆粒大小或數
個至數十微米之顆粒大小。或者，銀粉可為兩種或更多種具有不同顆粒大小之銀粉的混合物。
銀粉可為球形、片狀或無定形(amorphous)。
銀粉較佳的平均粒徑(D50)為0.1μm至10μm，更佳為0.5μm至5μm。舉例而言，可在25℃下透過超聲波震盪(3分鐘)，將導電性粉末分散於異丙醇(isopropyl alcohol,IPA)中之後，使用型號1064D(CILAS有限公司)來量測平均粒徑。平均粒徑在上述範圍內之組成物可提供低的接觸電阻與低的線電阻(line resistance)。
基於組成物之總重量而言，銀粉的量可為60重量%至95重量%。在上述範圍內的導電性粉末可防止電阻增加而造成轉換效率變差。有利的是，導電性粉末存在的量為70重量%至90重量%。
玻璃料是用來加強導電性粉末與晶圓或基底之間的附著性，並用來在射極區中藉由蝕刻抗反射層與熔化(melting)銀粉來形成銀晶粒，以在電極膏(electrode paste)之烘烤製程期間減少接觸電阻。此外，在烘烤製程期間，玻璃料軟化且降低了烘烤溫度。
當為了改善太陽電池效率而增加太陽電池的面積時，可能會有太陽電池之接觸電阻增加的問題。因此，需要減少串聯電阻(Rs)以及對p-n接面的影響。
此外，隨著增加使用具有不同片電阻之各種晶圓，烘烤溫度會在一寬廣之範圍內變化，而此時玻璃料必須保證有足夠的熱穩定性，以承受一寬廣之範圍的烘烤溫度。
藉由焊帶將太陽電池彼此連接，以構成太陽電池組。在此情況下，太陽電池電極與焊帶之間的低附著性可能會造成電池分離或可靠度變差。
在本發明中，為了確保太陽電池具有理想的電氣性能與物理性能(例如轉換效率與附著強度)，使用無鉛的氧化鉍-氧化碲-氧化鎢(Bi2O3-TeO2-WO3)基玻璃料。
上述無鉛的氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料實質上包括作為第一金屬氧化物之氧化鉍、作為第二金屬氧化物之氧化碲以及作為第三金屬氧化物之氧化鎢，且可更包括與第一金屬氧化物、第二金屬氧化物和第三金屬氧化物不同的第四金屬氧化物。
在一實施例中，玻璃料可包括作為第一金屬氧化物之40重量%至60重量%之氧化鉍、作為第二金屬氧化物之0.25重量%至15重量%之氧化碲、作為第三金屬氧化物之10重量%至20重量%之氧化鎢以及15重量%至25重量%之第四金屬氧化物。在上述範圍內之玻璃料可同時保證有優異的附著強度與優異的轉換效率。
第四金屬氧化物可包括氧化鋰、氧化釩、氧化矽、氧化鉍、氧化鋅、氧化鎂、氧化硼和氧化鋁中之至少一者。
可藉由任何典型的方法，自上述金屬氧化物製備玻璃料。舉例而言，可將金屬氧化物以預先決定好的比例混合。可使用球磨機(ball mill)或行星式磨機(planetary mill)來進行上述混合。將混合好的組成物在900℃至1300℃下熔化，接著冷卻到25℃。使得到的產物經過圓盤粉碎機(disk mill)、行星式磨機等的研磨(pulverization)，從而提供玻璃料。
玻璃料的平均粒徑D50可為0.1μm至10μm，且基於組成物之總重量而言，玻璃料的量可為0.5重量%至20重量%。玻璃料可為球形或無定形。
經由與太陽電池電極用組成物之無機成分機械混合，有機載體賦予膏組成物(paste composition)合適的黏度與流變(rheological)特性，使其適於印刷。
有機載體可為任何用於太陽電池電極用組成物之典型的有機載體，且上述有機載體可包括黏合劑樹脂(binder resin)、溶劑等。
黏合劑樹脂可包括丙烯酸樹脂(acrylate resins)、纖維素樹脂(cellulose resins)等。通常將乙基纖維素使用作黏合劑樹脂。此外，黏合劑樹脂可包括乙基羥乙基纖維素(ethyl hydroxyethyl cellulose)、硝化纖維素(nitrocellulose)、乙基纖維素與酚醛樹脂(phenol resins)之摻合物(blend)、醇酸樹脂(alkyd resins)、酚醛樹脂、丙烯酸酯樹脂(acrylic ester resins)、二甲苯樹脂(xylenic resins)、聚丁烯樹脂(polybutene resins)、聚酯樹脂(polyester resins)、尿素樹脂(urea resins)、三聚氰胺樹脂(melamine resins)、乙酸乙烯酯樹脂(vinyl acetate resins)、木松香(wood rosin)、醇類的聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylates)等。
溶劑的實例可包括己烷、甲苯(toluene)、乙基溶纖劑(ethyl cellosolve)、環己酮(cyclohexanone)、丁基溶纖劑(butyl cellosolve)、丁基卡必醇(butyl carbitol)(二乙二醇單丁醚(diethylene
glycol monobutyl ether))、二丁基卡必醇(dibutyl carbitol)(二乙二醇二丁醚(diethylene glycol dibutyl ether))、丁基卡必醇乙酸酯(butyl carbitol acetate)(二乙二醇單丁醚乙酸酯(diethylene glycol monobutyl ether acetate))、丙二醇單甲醚(propylene glycol monomethyl ether)、己二醇(hexylene glycol)、松油醇(terpineol)、甲基乙基酮(methylethylketone)、芐醇(benzylalcohol)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone)、乳酸乙酯(ethyl lactate)等。可單獨使用這些溶劑或將其組合使用。
基於組成物的總重量而言，有機載體的量可為1重量%至30重量%。在上述範圍內之有機載體可提供組成物足夠的附著強度與優異的可印刷性(printability)。
視需要，組成物可更包括典型的添加物，以加強流動性、加工性與穩定性。
添加物可包括分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、色素、UV穩定劑、抗氧化劑、偶合劑等，且本發明不限於此。可單獨使用這些添加物或將其組合使用。在組成物中，這些添加物的量可為0.1重量%至5重量%，然而可視需要改變上述的量。
本發明之另一態樣是關於由太陽電池電極用組成物形成的電極以及包括此電極之太陽電池。圖1呈現根據本發明的一實
施例之太陽電池。
參照圖1，藉由將組成物印刷於包括p-層101與n-層102(作為射極)之基底或晶圓100上，並進行烘烤，可形成背電極210與前電極230。舉例而言，用於製備背電極210之初步處理是藉由將組成物印刷於晶圓100的背表面，並將印刷之組成物於200℃至400℃下乾燥10秒至60秒來進行。此外，用於製備前電極230之初步處理可藉由將膏(paste)印刷於晶圓的前表面並將印刷之組成物乾燥來進行。接著，可藉由在400℃至950℃下，較佳為850℃至950℃下烘烤晶圓30秒至50秒來形成前電極230與背電極210。
接著，參照實例來更詳細地說明本發明。然而，應理解的是，這些實例僅用來提供作說明用，而不應理解為以任何形式來限制本發明。
實例1
根據表1所列的組成，將作為第一金屬氧化物之氧化鉍、作為第二金屬氧化物之氧化確與作為第三金屬氧化物之氧化鎢以及作為第四金屬氧化物之氧化鋰與氧化釩混合，並在900℃至1400℃下，使其熔化並燒結，從而製備平均粒徑(D50)為2.0μm之氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料。
於60℃下，將0.8重量%之乙基纖維素(STD4，陶氏化學公司)充分溶解於8.5重量%之丁基卡必醇(butyl carbitol)中，作為有機黏合劑。將86.3重量%之平均粒徑為2.0μm之球形銀粉
(AG-4-8，Dowa Hightech有限公司)、3.5重量%之製備好的氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料、0.2重量%之分散劑BYK102(BYK-chemie，BYK有限公司)以及0.5重量%之觸變劑Thixatrol ST(Elementis有限公司)加入上述黏合劑溶液中。接著，將上述溶液於三輥捏合機(3-roll kneader)中混合並捏合(kneading)，從而製備太陽電池電極用組成物。
藉由網印(screen printing)將製備好的組成物以預定的圖案形式沈積於結晶(crystalline)單晶圓的前表面之上方後，於紅外線乾燥爐中將其乾燥。接著，將含鋁之電極用組成物印刷於晶圓的背側上，並以相同方式將其乾燥。
在帶式(belt-type)烘烤爐中，將根據這些步驟所形成的電池在940℃下烘烤40秒，並使用太陽電池效率測試儀CT-801(Pasan有限公司)來評價其轉換效率(%)以及串聯電阻Rs(Ω)。接著，對電池之電極施加焊劑(flux)，並使用焊鐵(Hakko有限公司)，於300℃至400℃下黏接至焊帶。然後，使用張力器(tensioner)(Tinius Olsen有限公司)，在剝離角度為180°且拉伸率為50mm/min的條件下，評價產物之附著強度(N/mm)。將量測之轉換效率、串聯電阻以及附著強度(N/m)示於表1中。
實例2至實例5以及比較例1至比較例6
除了將玻璃料以列於表1中的組成來製備之外，太陽電池電極用組成物是以和實例1相同之方式來製備與評價其物性。其結果示於表1中。
表1
如表1所示，相較於使用鉛玻璃料之比較例1以及玻璃料之組成未滿足本發明之比較例2至比較例6的太陽電池電極而言，使用實例1至實例5製備的組成物所製作的太陽電池電極表現出對於焊帶顯著較高的附著強度以及低的串聯電阻與優異的轉換效率。
應理解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可完成各種修改、改變、更動與均等之實施例。
100‧‧‧晶圓
101‧‧‧p-層
102‧‧‧n-層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
Claims (6)
- 一種太陽電池電極用組成物，包括：銀粉；氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料；以及有機載體，其中所述玻璃料包括作為第一金屬氧化物之40重量%至60重量%之氧化鉍、作為第二金屬氧化物之0.25重量%至15重量%之氧化碲、作為第三金屬氧化物之10重量%至20重量%之氧化鎢以及與第一金屬氧化物、第二金屬氧化物和第三金屬氧化物不同的15重量%至25重量%之第四金屬氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，其中所述第四金屬氧化物包括氧化鋰、氧化釩、氧化矽、氧化鉍、氧化鋅、氧化鎂、氧化硼以及氧化鋁中至少一者的金屬氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，包括：60重量%至95重量%之所述銀粉；0.5重量%至20重量%之所述氧化鉍-氧化碲-氧化鎢基玻璃料；以及1重量%至30重量%之所述有機載體。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，其中所述玻璃料的平均粒徑(D50)為0.1μm至5μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池電極用組成物，更包括：分散劑、觸變劑、塑化劑、黏度穩定劑、消泡劑、色素、UV穩定劑、抗氧化劑以及偶合劑中至少一者的添加物。
- 一種太陽電池電極，由如申請專利範圍第1項至第5項中任一者所述的太陽電池電極用組成物所製備。
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