TW201543736A

TW201543736A - 電極形成用糊料組成物以及使用其之電極之製造方法及太陽電池

Info

Publication number: TW201543736A
Application number: TW104107033A
Authority: TW
Inventors: Masaru Abe
Original assignee: Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2015-11-16
Also published as: US20150255643A1; JP2015170548A

Abstract

本發明課題在於提供無需在高達形成BSF層的高溫下進行燒成，仍可提供顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極的電極形成用糊料組成物、使用上述電極形成用糊料組成物之電極之製造方法、及使用上述電極形成用糊料組成物之太陽電池。解決手段為，本發明之電極形成用糊料組成物係用以在矽基板上形成電極者，其係含有：鋁/矽合金粉末、有機高分子、含矽高分子、以及由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑。本發明之電極之製造方法係包含：在矽基板上形成由上述電極形成用糊料組成物構成的組成物層之組成物層形成步驟；及在577℃以下的溫度對上述組成物層進行燒成之燒成步驟。本發明之太陽電池係具備使用上述電極形成用糊料組成物形成於矽基板上的電極。

Description

電極形成用糊料組成物以及使用其之電極之製造方法及太陽電池

本發明係有關於一種電極形成用糊料組成物、使用上述電極形成用糊料組成物之電極之製造方法、及使用上述電極形成用糊料組成物之太陽電池。

太陽電池係具備具有pn接合的矽基板。通常，在矽基板的表面側(受光面側)形成有n⁺層(n型雜質層)，於此n⁺層上設有抗反射膜及表面電極。另一方面，在矽基板的背面側設有背面電極，並於其燒成過程中形成p⁺層(BSF(Back Surface Field)層)。BSF層可例如藉由對塗佈於矽基板的鋁糊料在700℃等的高溫下進行燒成，使其與矽基板進行共晶反應，再實施侵蝕/擴散而形成。藉由形成BSF層，矽基板與背面電極的密著性良好，可提升太陽電池的電特性，並可抑制矽基板的翹曲。例如，專利文獻1中揭示一種包含鋁粉末、媒劑、無機高分子及分散劑之用以製作矽太陽電池之電極的鋁油墨組成物；及一種包含對矽半導體基板的背面上印刷上述鋁油墨組成物而形成BSF層之階段的矽太陽電池之製造方法。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特表2012-508812號公報

然而，因形成BSF層時的高溫燒成、或鋁糊料與矽基板的反應，而有矽基板易受損傷的問題。

本發明係鑑於上述課題而完成者，茲以提供一種無需在高達形成BSF層的高溫下進行燒成，仍可提供顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極的電極形成用糊料組成物、使用上述電極形成用糊料組成物之電極之製造方法、及使用上述電極形成用糊料組成物之太陽電池為目的。

本發明人等發現，透過在電極形成用糊料組成物中使用鋁/矽合金粉末作為導電性材料，並對該電極形成用糊料組成物添加由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑，可解決上述課題，終至完成本發明。

本發明第一形態為一種電極形成用糊料組成物，其係用以在矽基板上形成電極，該組成物係含有：鋁/矽合金粉末、有機高分子、含矽高分子、以及由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑。

本發明第二形態為一種電極之製造方法，其係包含：在矽基板上形成由上述電極形成用糊料組成物構成的組成物層之組成物層形成步驟；及在577℃以下的溫度對上述組成物層進行燒成之燒成步驟。

本發明第三形態為一種太陽電池，其係具備使用上述電極形成用糊料組成物而形成於矽基板上的電極。

根據本發明，可提供一種無需在高達形成BSF層的高溫下進行燒成，仍可提供顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極的電極形成用糊料組成物、使用上述電極形成用糊料組成物之電極之製造方法、及使用上述電極形成用糊料組成物之太陽電池。本發明之電極形成用糊料組成物，藉由在577℃以下，亦即鋁與矽之共晶溫度以下的燒成，可提供顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極。由於無需在超過共晶溫度的溫度下進行燒成即可，因此不會引起鋁/矽合金粉末中的鋁與矽基板的反應，故矽基板不易受損傷。

<電極形成用糊料組成物>

本發明之電極形成用糊料組成物係用以在矽基板上形成電極者，其係含有：鋁/矽合金粉末、有機高分子、含矽高分子、以及由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑。使用本發明之電極形成用糊料組成物，可在矽基板上形成顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極。

[鋁/矽合金粉末]

在本發明之電極形成用糊料組成物中，鋁/矽合金粉末係作為導電性材料使用。鋁/矽合金粉末可單獨或組合2種以上使用。

鋁/矽合金粉末的平均粒徑愈大則燒結速度愈慢。因此，鋁/矽合金粉末的平均粒徑可考量所欲之燒結速度與在形成電極的步驟中所造成的影響來任意地設定。就鋁/矽合金粉末的平均粒徑而言，較佳為1~5μm。此外，在本說明書中，平均粒徑係指藉由雷射繞射法所測得之體積基準的累積平均粒徑(D₅₀)。

作為鋁/矽合金粉末中的矽的比例，不特別限定，較佳為5~25原子%，更佳為10~15原子%。

鋁/矽合金粉末的含量，相對於本發明之電極形成用糊料組成物的總質量，較佳為50~90質量%，更佳為70~80質量%。鋁/矽合金粉末的含量若處於上述範圍內，則容易形成由平滑且均勻的膜構成的背面電極。

[有機高分子]

有機高分子係發揮鋁/矽合金粉末之有機黏合劑的作用，對本發明之電極形成用糊料組成物賦予良好的黏性，同時賦予後述之組成物層形成步驟中所形成的組成物層對矽基板的接著性。有機高分子可單獨或組合2種以上使用。

作為有機高分子之具體例，可舉出聚甲基丙烯酸甲酯、低級醇之聚甲基丙烯酸酯等丙烯酸樹脂；環氧樹脂；酚樹脂；三聚氰胺樹脂；尿素樹脂；二甲苯樹脂；醇酸樹脂；不飽和聚酯樹脂；呋喃樹脂；胺基甲酸酯樹脂；聚乙烯樹脂；聚丙烯樹脂；聚苯乙烯樹脂；聚乙酸乙烯酯樹脂；聚乙烯醇樹脂；聚縮醛樹脂；聚碳酸酯樹脂；聚對苯二甲酸乙二酯樹脂；聚對苯二甲酸丁二酯樹脂；聚苯醚(polyphenylene oxide)樹脂；聚芳酯樹脂；聚醚醚酮樹脂；乙基纖維素、硝基纖維素、乙基羥乙基纖維素等纖維素樹脂；聚乙烯縮丁醛等聚乙烯醇樹脂；木松脂等松脂樹脂等。其中，基於印刷/塗佈性觀點，較佳使用丙烯酸樹脂或纖維素樹脂。

有機高分子的含量，相對於本發明之電極形成用糊料組成物的總質量，較佳為1~20質量%，更佳為4~8質量%。有機高分子的含量若處於上述範圍內，則容易充分發揮添加有機高分子所產生的上述效果。

[含矽高分子]

含矽高分子為用來替代以往使用於太陽電池等的電極的玻璃料之成分，在對鋁/矽合金粉末進行燒結時用以使金屬與基板強力地接著。含矽高分子可單獨或組合2種以上使用。

作為含矽高分子，可舉出例如聚矽氧烷，較佳為聚倍半矽氧烷，更佳為聚苯基倍半矽氧烷。若含矽高分子為具有末端基的高分子時，作為末端基，不特別限定，可舉出例如羥基；甲基、乙基等烷基，而基於所得電極的電特性觀點，較佳為羥基。

含矽高分子的含量，相對於本發明之電極形成用糊料組成物的總質量，較佳為1~20質量%，更佳為4~8質量%。含矽高分子的含量若處於上述範圍內，則對鋁/矽合金粉末進行燒結時金屬易與基板強力地接著。

[由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑]

由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑係發揮鋁/矽合金粉末彼此之密著劑的作用，有助於提升由本發明之電極形成用糊料組成物所形成之電極的電特性。密著劑所產生之作用的細節尚不明瞭，惟可推測為密著劑使鋁/矽合金粉末彼此交聯而形成錯合物，藉此可促進密著作用。上述密著劑可單獨或組合2種以上使用。

作為胺系化合物，不特別限定，可舉出例如十二胺、十三胺、3-胺基-1-丙醇等碳數3~15之單胺系化合物；乙二胺、2-羥乙基乙二胺、2-羥乙基丙二胺、二環己基甲烷二胺等二胺系化合物，以二胺系化合物為佳。其中，更佳為乙二胺、2-羥乙基乙二胺、2-羥乙基丙二胺、及二環己基甲烷二胺。又，作為醯胺系化合物，不特別限定，可舉出例如N,N-二甲基乙醯胺、N,N-二甲基甲醯胺、N-甲基吡咯啶酮等酮醯胺系化合物，其中更佳為N,N-二甲基乙醯胺等二烷基酮醯胺系化合物。

上述密著劑的含量，相對於本發明之電極形成用糊料組成物的總質量，較佳為0.1~10質量%，更佳為1~5質量%。上述密著劑的含量若處於上述範圍內，則容易提升由本發明之電極形成用糊料組成物所形成之電極的電特性。

[羧酸]

本發明之電極形成用糊料組成物亦可含有羧酸。羧酸係發揮助焊劑之作用，藉由從鋁/矽合金粉末表面或矽基板表面等的金屬表面去除氧化膜，使此類金屬表面的電阻降低，而有助於提升由本發明之電極形成用糊料組成物所形成之電極的電特性。羧酸可單獨或組合2種以上使用。

作為羧酸，不特別限定，可為一元羧酸，亦可為二元羧酸、三元羧酸等多元羧酸，較佳為多元羧酸，更佳為二元羧酸。作為一元羧酸，可舉出例如乙醇酸。作為二元羧酸，可舉出例如蘋果酸、己二酸。作為三元羧酸，可舉出例如檸檬酸。

羧酸的含量，相對於本發明之電極形成用糊料組成物的總質量，較佳為0.1~10質量%，更佳為1~5質量%。羧酸的含量若處於上述範圍內，則容易充分發揮添加羧酸所產生的上述效果。

[有機溶劑]

本發明之電極形成用糊料組成物亦可含有適當的有機溶劑，以形成具有適於組成物層形成步驟之物性的糊狀。有機溶劑可單獨或組合2種以上使用。

作為有機溶劑之具體例，可舉出四氫呋喃、呋喃、四氫吡喃、吡喃、二噁烷、1,3-二氧雜環戊烷、三噁烷等環狀醚系化合物；二甲基亞碸、二乙基亞碸等二烷基亞碸系化合物；丙酮、甲基乙基酮、二乙基酮等酮系化合物；乙醇、2-丙醇、1-丁醇、萜品醇等醇系化合物；二氯乙烯、二氯乙烷、二氯苯等氯化烴系化合物；2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單乙酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單丙酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單丁酸酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯、2,2,4-三乙基-1,3-戊二醇單乙酸酯等多元醇之酯系化合物；α-萜品烯、香葉烯、別羅勒烯(alloocimene)、檸檬烯、雙戊烯、α-蒎烯、β-蒎烯、萜品醇、香芹酮(carrone)、羅勒烯(ocimene)、水芹烯等萜烯系化合物；及此等之至少2種以上的混合物。

有機溶劑的含量，相對於本發明之電極形成用糊料組成物的總質量，較佳為1~20質量%，更佳為5~15質量%。有機溶劑的含量若處於上述範圍內，則本發明之電極形成用糊料組成物容易形成具有適於組成物層形成步驟之物性的糊狀。

[其他的成分]

本發明之電極形成用糊料組成物亦可含有各種添加劑作為其他的成分。作為各種添加劑，可舉出例如分散劑、分散安定劑、抗氧化劑、腐蝕抑制劑、消泡劑、塑化劑、增黏劑、偶合劑、靜電賦予劑、聚合抑制劑、黏性控制劑等。此外，作為分散劑，以鋁/矽合金粉末的分散性優良而言，較佳為含羧基聚合物系分散劑，可舉出例如屬含羧基聚合物改質物的FLOWLEN G-700等。

[電極形成用糊料組成物之製造方法]

本發明之電極形成用糊料組成物例如可透過使用自公轉攪拌機等向來周知之混合機將上述成分混合，以形成具有適於組成物層形成步驟之物性的糊狀來製造。

<電極之製造方法>

本發明之電極之製造方法係包含：在矽基板上形成由本發明之電極形成用糊料組成物構成的組成物層之組成物層形成步驟；及在577℃以下的溫度對上述組成物層進行燒成之燒成步驟。在上述燒成步驟中，由於係在577℃以下的溫度進行燒成，因此不會引起鋁/矽合金粉末中的鋁與矽基板的反應，矽基板不易受損傷。在本發明之電極之製造方法中，僅管在577℃以下的低溫下進行燒成，仍可獲得顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極。以下，就組成物層形成步驟及燒成步驟加以說明。

[組成物層形成步驟]

在組成物層形成步驟中，係在矽基板上形成由本發明之電極形成用糊料組成物構成的組成物層。具體而言，例如可藉由將電極形成用糊料組成物塗佈於矽基板上並加以乾燥，形成上述組成物層。此時，可將上述組成物層形成為圖案狀。圖案之形狀不特別限定，可舉出例如平行線狀、格子狀等。作為電極形成用糊料組成物之塗佈方法，可採用網版印刷等在太陽電池的製造中所使用的向來周知之方法。電極形成用糊料組成物係於塗佈後使用電乾燥機等向來周知之乾燥機加以乾燥。在組成物層形成步驟中形成的組成物層係藉由如下之燒成步驟進行燒成，而形成背面電極。

[燒成步驟]

其次，在燒成步驟中，係在577℃以下的溫度對上述組成物層進行燒成。燒成溫度若為577℃以下，則以鋁/矽合金粉末與矽基板的反應不會進行，矽基板不易受損傷之觀點而言係較佳。燒成係使用例如電爐等。燒成可於惰性氣體環境下進行，亦可於空氣環境下進行；可於大氣壓下進行，亦可於減壓下進行。燒成溫度較佳為560℃~577℃。藉由燒成，上述組成物層即轉化為燒成體的鋁/矽層。將上述組成物層形成為圖案狀時，可藉由燒成形成導電性電極圖案。

<太陽電池>

本發明之太陽電池係具備使用本發明之電極形成用糊料組成物形成於矽基板上的電極。本發明之太陽電池中，上述電極之製造方法不特別限定，較佳為本發明之電極之製造方法。本發明之太陽電池具備顯示與矽基板之良好的密著性及優良的電特性之電極，易達高效率。

[實施例]

以下，示出實施例對本發明更具體地加以說明，惟本發明之範圍不受此等實施例所限定。

<糊料組成物的調製>

[比較例1、實施例1~7]

將表1所示鋁/矽合金粉末、有機高分子、含矽高分子、密著劑、羧酸、分散劑、及有機溶劑利用自公轉攪拌機(THINKY公司製THINKY MIXER(除泡練太郎)加以混合，得到糊料組成物。此外，各成分的用量係如表1所示(單位：質量%)。又，鋁/矽合金粉末、有機高分子、含矽高分子、分散劑、及有機溶劑的細節如下：

．鋁/矽合金粉末

Al-Si(Si：12原子%；Al：其餘部分；平均粒徑：1~3μm)

．有機高分子

下述式(P1)所示之丙烯酸系樹脂(下述式(P1)中，l：m=70：30(莫耳比))

．含矽高分子

下述式(P2)所示之聚苯基倍半矽氧烷(數量平均分子量：850。下述式(P2)中，n為使下述式(P2)所示之聚苯基倍半矽氧烷的數量平均分子量成為850的數目)

．分散劑

含羧基之聚合物改質物：FLOWLEN G-700(商品名；共榮社化學股份有限公司製)

．有機溶劑

(S1)：三丙二醇單甲醚

<密著強度的測定>

在絕緣體的氮化矽基板上，將實施例或比較例之組成物藉由網版印刷塗佈成圖案狀。藉由對形成為圖案狀的組成物層，在大氣壓空氣環境下或減壓空氣環境下、577℃下進行10分鐘的燒成，而形成以燒成體的形式獲得之由鋁/矽層(膜厚：10μm)構成的導電性電極圖案(30mm×30mm)。

在所得圖案上藉由鍍敷來層合鎳層(膜厚：5μm)後，對鎳層垂直地安裝附有環氧接著劑的樁銷(stud pin)，在150℃下以60分鐘予以加熱乾燥，將上述樁銷固定。利用島津小型桌上試驗機EZ test(商品名；島津製作所製)以0.5mm/min之速度對上述導電性電極圖案垂直地拉引上述樁銷，以拉伸強度的形式來測量密著強度。將結果示於表1。

<片電阻的測定>

以與上述「密著強度的測定」之場合同樣的方式，形成以燒成體的形式獲得之由鋁/矽層(膜厚：10μm)構成的導電性電極圖案(30mm×30mm)。

利用片電阻測定器(VR-70：國際電氣股份有限公司製)以四探針法測定所得導電性電極圖案的片電阻。將結果示於表1。

<接觸電阻的測定>

在矽基板上，將實施例或比較例之組成物藉由網版印刷塗佈成圖案狀。藉由對形成為圖案狀的組成物層，在大氣壓空氣環境下或減壓空氣環境下、577℃下進行10分鐘的燒成，而形成以燒成體的形式獲得之由鋁/矽層(膜厚：10μm)構成的導電性電極圖案(線與間隙圖案；線寬：1mm；間距：200~1000μm)。

以TLM法測定所得導電性電極圖案中之相鄰線間的接觸電阻。將結果示於表1。

如表1所示，在添加有密著劑的實施例1~4中，與未添加密著劑的比較例1相比，密著強度提升，片電阻及接觸電阻為同等程度、或下降。更者，在添加有羧酸的實施例5~7中，尤其在實施例7中，與實施例4相比，密著強度的提升及接觸電阻的下降更顯著。

Claims

一種電極形成用糊料組成物，其係用以在矽基板上形成電極，該組成物係含有：鋁/矽合金粉末、有機高分子、含矽高分子、以及由胺系化合物及/或醯胺系化合物構成的密著劑。
如請求項1之電極形成用糊料組成物，其中前述胺系化合物為二胺系化合物。
如請求項1之電極形成用糊料組成物，其係進一步含有羧酸。
一種電極之製造方法，其係包含：在矽基板上形成由如請求項1之電極形成用糊料組成物構成的組成物層之組成物層形成步驟；及在577℃以下的溫度對前述組成物層進行燒成之燒成步驟。
一種太陽電池，其係具備使用如請求項1之電極形成用糊料組成物而形成於矽基板上的電極。