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TWI419177B - 漿料組成物與使用漿料組成物之太陽能電池電極 - Google Patents

漿料組成物與使用漿料組成物之太陽能電池電極 Download PDF

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Description

漿料組成物與使用漿料組成物之太陽能電池電極
本發明係主張關於2009年09月03日申請之韓國專利案號10-2009-0082748之優先權，藉以引用的方式併入本文用作參考。
本發明係有關於於一種漿料組成物與使用漿料組成物之太陽能電池電極。
最近，因為石化燃料的缺乏，開發下一代潔淨能源已成為更重要的課題。在下一代潔淨能源之中，作為解決未來能源的問題，太陽能電池是備受矚目的能源，因為太陽能電池鮮少造成環境污染、具有半永久性的壽命和取之不盡、用之不竭的太陽光資源。
經由具有N型半導體(射極)以及P型半導體(背表面場(BSF)層)的矽基板上形成上(top)電極和背(rear)電極而製作出太陽能電池。在太陽能電池技術中，如何控制翹曲特性(bowing characteristics)是非常重要的課題。為了改善翹曲特性，提出了減少背電極厚度的方法。然而，根據上述方法，因為背電極厚度變薄可能導致背電極的電阻特性(resistance characteristic)變差，從而可能會使光電轉換效率(photoelectronic transformation efficiency)降低。
本發明之實施例提供一種漿料組成物(paste composition)，其藉由降低背電極厚度來改善翹曲特性，且不會使光電轉換效率降低，以及使用該漿料組成物的太陽能電池電極。
根據實施例，用於太陽能電池電極的漿料組成物包括一鋁粉(aluminum powder)；一玻璃料(glass frit)；一有機載體(organic vehicle)；以及一無機填料(inorganic filler)。無機填料包括金屬氧化物(metal oxide)。
金屬氧化物可包括至少一或兩個係選自由鐵、鉻、鈷、鋁、鈦、錳、銻、鈦及鋅所組成的群組。
無機填料可包括至少一或兩個係選自由鐵基氧化物、鐵鉻基氧化物、鈷鋁基氧化物、鈷鋁鈦基氧化物、鈷鉻鋁基氧化物、鈷鋁基氧化物、錳銻鈦基氧化物、鐵鋅鈦基氧化物及鈷鎳鋅鈦基氧化物所組成的群組。
無機填料的量可佔漿料組成物總量的1至10 wt%(重量百分比)。
鋁粉可包括粒徑為0.1至2 μm的球形(spherical)鋁粉與粒徑為0.5至20 μm的球形鋁粉。此外，鋁粉可包括粒徑為0.1至2 μm的球形鋁粉、粒徑為0.5至20 μm的球形鋁粉和平均側邊尺寸(mean size of lateral sides)間為20至50 μm的板型(plate type)鋁粉。
鋁粉可包括佔鋁粉34至50 wt%且粒徑為0.1至2 μm的球形鋁粉、佔鋁粉17至50 wt%且粒徑為0.5至20 μm的球形鋁粉和佔鋁粉0至33 wt%且平均長側邊尺寸20至50 μm的板型鋁粉。
玻璃料可包括至少一選自由氧化鉛-二氧化矽基材料、氧化鉛-二氧化矽-三氧化二硼基材料、氧化鋅-二氧化矽基材料、氧化鋅-三氧化二硼-二氧化矽基材料和三氧化二鉍-三氧化二硼-氧化鋅-二氧化矽基材料所組成之群組。
玻璃料的量佔漿料組成物總量的1到10 wt%。
有機載體的量佔漿料組成物總量的20到30 wt%。
本發明之實施例提供一種太陽能電池電極，該太陽能電池電極之製造可使用上述之漿料組成物。
太陽能電池電極可包括一背電極。
使用根據本發明實施例之漿料組成物的太陽能電池電極就基板(例如，矽基板)而言具有優越的機械強度與較佳的粘接特性。另外，即使較薄的太陽能電池電極其背面電場(BSF)也可起足夠的功效達成太陽能電池發電的需求，並且防止烘烤製程(baking process)後的太陽能電池的翹曲的狀況。此外，太陽能電池的光電轉換效率可以得到改善。
下文中，將詳細描述與說明本發明之實施例用於太陽能電池電極的漿料組成物。
用於太陽能電池電極的漿料組成物包括一鋁粉、一玻璃料、一有機載體、以及一無機填料。無機填料可包括金屬氧化物。
根據本發明之實施例，鋁粉可為一球形(spherical shape)、一板形(plate shape)、一鐘形(bell shape)或一片狀(flake shape)。金屬粉末可由形狀相同或形狀不同的顆粒所組成。
鋁粉可混合至少兩種不同粒徑尺寸或形狀的粉末而製備。例如，鋁粉的製備可混合具有粒徑0.1至2 μm的球形鋁粉與粒徑0.5至20 μm的球形鋁粉。此外，鋁粉的製備可混合具有粒徑0.1至2 μm的球形鋁粉與粒徑0.5至20 μm的球形鋁粉和平均長側邊尺寸(mean size of long lateral sides) 20至50 μm間的板形鋁粉。
如果鋁粉的製備混合兩種或三種具有多種特徵的鋁粉粉末，將可擴大漿料組成物與太陽能電池矽基板之接觸面積。在這種情況下，鋁粉在漿料組成物的擴散區域變得更大，這樣可以有效地形成背面電場(BSF)層。
此外，當具有不同粒徑尺寸/形狀的粉末相互混合，可使鋁粉間充填密度增加，從而使電氣特性(electric characteristic)可以得到改善。此外，在熱處理製程(heat treatment process)中，粉末很少會膨脹，所以粒子的壓縮率(the compression rate of the particles)可以能夠最小。
此外，如果鋁粉混合兩種或三種具有不同粒徑尺寸/形狀的粉末，表面電阻和翹曲特性可以得到改善。舉例而言，當太陽能電池進行模組組裝時，如果翹曲特性不小於1mm，太陽能電池可能很容易碎裂損壞，而本發明之實施例可以避免太陽能電池的碎裂損壞。
鋁粉的量約佔漿料組成物總量的60至90 wt%。如果鋁粉的量約佔漿料組成物總量超過90 wt%以上時，則漿料組成物將無法被製備成膏狀。如果鋁粉的量約佔漿料組成物總量小於60 wt%時，因導電材料量的減少，從而使背電極的電阻增加。也就是說，當太陽能電池具有上述組成物的比率，漿料組成物的燒結性可望改善，而太陽能電池的效率也可以得到改善。
例如，鋁粉可包括佔鋁粉34至50 wt%且粒徑0.1至2 μm的球形鋁粉、佔鋁粉17至50 wt%且粒徑0.5至20 μm的球形鋁粉，佔鋁粉0至33 wt%且平均長側邊尺寸為20至50 μm間的板形鋁粉。
玻璃料包括至少一係選自由氧化鉛-二氧化矽基材料、氧化鉛-二氧化矽-三氧化二硼基材料、氧化鋅-二氧化矽基材料、氧化鋅-二氧化三硼-二氧化矽基材料和三氧化二鉍-三氧化二硼-氧化鋅-二氧化矽基材料所組成之群組。
玻璃料的量可佔漿料組成物總量的1至20 wt%，最好是佔漿料組成物的1至10 wt%。如果玻璃料的量佔漿料組成物總量小於1 wt%時，黏性和翹曲特性可能會降低。反之，如果玻璃料的量佔漿料組成物總量超過20 wt%時，電氣特性可能降低、從而使效率降低。
最佳的是，玻璃料之軟化點(softening point)為300至600℃、平均粒徑尺寸為1至10 μm。在這種情況下，填充因子和燒結密度得以改善。
有機載體使漿料組成物具有黏性和流變性，使得漿料組成物可適用於印刷的製程。有機載體常被用於漿料組成物。例如，有機載體可包括一溶劑和一聚合物的一混合物。
聚合物可包括丙烯酸樹脂(acrylate resin)、乙基纖維素(ethylcellulous)、硝基纖維素(nitrocellulous)、乙基纖維素和酚樹脂之高分子(polymer of ethylcellulous and phenol resin)、木松香(wood rosin)、聚甲基丙烯酸酯醇(polymethacrylate of alcohol)。最好是該聚合物是使用乙基纖維素(ethylcellulous)。
溶劑可包括至少一或兩個係選自由乙酸丁基二甘醇脂(butylcarbitolacetate)、二乙二醇單丁醚(butylcarbitol)、乙二醇丁醚(butylcellosolve)、乙二醇丁醚醋酸酯(butylcellosolve acetate)、丙二醇單甲醚(propyleneglycolmonomethylether)、二丙二醇單甲醚(dipropyleneglycolmonomethylether)、propyleneglycolmonomethylpropionate、ethyletherpropionate、松油醇(terpineol)、丙二醇單甲醚醋酸酯(propyleneglycolmonomethyletheracetate)、二甲胺(dimethylamino)、甲醛(formaldehyde)、methylethylketone、γ-丁內酯(gamma-butyrolactone)、ethyl actate、及2,3,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯(texanol)所組成的群組。最好是該溶劑使用乙酸丁基二甘醇脂(butylcarbitolacetate)。
有機載體可包括磷基分散劑(phosphorus based dispersing agent)、搖變劑(thixotropic agent)、勻染劑(leveling agent)和反發泡劑(anti-foaming agent)。有機載體還可包括摻雜擴散溶液(dopant diffusion solution)。
搖變劑可包括尿素類(urea type)、醯胺類(amide type)或聚氨酯類聚合物(urethane type polymer)/有機物(organic substance)或無機矽(inorganic silica)。
有機載體的量佔漿料組成物總量約20至50wt%。如果有機載體的量佔漿料組成物總量小於20wt%時，因有機物質的量減少而使印刷特性降低。如果有機載體的量佔漿料組成物總量超過50wt%時，粘度降低，印刷製程完成的膜層可能會破損。
無機填料可包括金屬氧化物。具體而言，無機填料是金屬氧化物，其中金屬氧化物包括至少一或兩個係選自由鐵、鉻、鈷、鋁、鈦、錳、銻、鈦及鋅所組成的群組。例如，無機填料可包括至少一或兩個係選自由鐵基氧化物、鐵鉻基氧化物、鈷鋁基氧化物、鈷鋁鈦基氧化物、鈷鉻鋁基氧化物、鈷鋁基氧化物、錳銻鈦基氧化物、鐵鋅鈦基氧化物及鈷鎳鋅鈦基氧化物所組成的群組。無機填料可包括一預定顏色的顏料。
無機填料的功用為調整漿料組成物的熱膨脹係數。具體而言，無機填料調整鋁和矽晶圓之間的熱膨脹係數，以減少烘烤製程後太陽能電池的翹曲以及改善導電率。因此，背電極的導電率得以改善，這樣可以提高太陽能電池的效率。
表1為本發明之實施例的無機填料特性，
請參考圖1，鈷鎳鋅鈦基氧化物、鈷鋁鈦基氧化物、以及鐵氧化物表現出低熱膨脹係數與極佳的導電率。
最好無機填料的量佔漿料組成物總量的1至10 wt%。如果無機填料的量佔漿料組成物總量超過10 wt%，鋁粉的含量將減少以致於電氣特性跟著減少。此外，如果無機填料的量佔漿料組成物總量低於1 wt%，無機填料的功用可能無法實現。
下文中，將詳細說明用於太陽能電池之漿料組成物的製造方法。
首先，將如丙烯酸樹脂(acrylate resin)、乙基纖維素(ethylcellulous)、或硝基纖維素(nitrocellulous)的高分子樹脂溶解於如乙酸丁基二甘醇脂(butylcarbitolacetate)的溶劑之中，然後預混成有機載體。
然後，將有機載體、三種類型的鋁粉和無機填料進行預混。在此之後，將一胺基、一酸基或一雙極分散劑添加到混合物之中，藉以改善分散性。
最好是將混合物靜置熟化1至12小時以達到製程所需的分散性。熟化的混合物再次以錫膏攪拌機、行星研磨機或3輥軋機充分混合。然後，經過濾和消泡製程而產製出鋁漿料。
下文中，請參考圖1所示，將舉例詳細說明太陽能電池使用該漿料組成物的本發明之實施例。圖1是一太陽能電池之剖視圖。
請參考圖1所示，太陽能電池包括上表面有一N型半導體11的一P型矽基板10、一上電極12電性連接到N型半導體11、以及一背電極13電性連接到P型矽基板10。一抗反光層14可形成除形成上電極12以外區域的射極11的上表面。另外，一背面電場(BSF)層15形成於矽基板10的背電極13。
在太陽能電池電極之漿料組成物印刷在如矽晶圓的基板上後，執行乾燥和烘烤製程以製造太陽能電池的背電極13。
乾燥製程在90至250℃溫度下進行和烘烤製程在600至950℃的溫度下進行。最好是高溫/快速烘烤製程在5秒到1分鐘於溫度850至950℃左右條件下執行。此外，以漿料組成物印刷的厚度約在20至60 μm。以上技術詳細揭露於韓國公開專利申請第10-2006-0108550號、第10-20060127813號、日本公開專利申請公開號第2001-202822號及第2003-133567號文件的內容。上述專利申請案內容藉以引用的方式作為參考。
下文中，將詳細描述本發明之實施例的實驗範例與比較範例。這些例子僅作為說明之用，並不用以限定本發明。
[範例1]
漿料組成物的製備使用65公克(65 wt%)的鋁粉，5公克(5 wt%)鈷鎳鈦鋅基氧化物的無機填料，26公克(26 wt%)的有機載體和4公克(4 wt%)的玻璃料。
[範例2]
範例2與範例1相似，但除了無機填料的量(鈷鎳鈦鋅基氧化物)為2公克(2wt%)和玻璃料的量為3公克(3 wt%)之外。
[範例3]
範例3與範例1相似，但除了無機填料的量(鈷鎳鈦鋅基氧化物)為3公克(3wt%)和玻璃料的量為2公克(2 wt%)之外。
[範例4]
範例4與範例1相似，但除了無機填料的量(鈷鎳鈦鋅基氧化物)為1公克(1wt%)和玻璃料的量為4公克(4wt%)之外。
[範例5]
範例5與範例1相似，但除了無機填料的量(鈷鎳鈦鋅基氧化物)為2公克(2wt%)和玻璃料的量為3公克(3wt%)之外。
[範例6]
範例6與範例1相似，但除了無機填料的量(鈷鎳鈦鋅基氧化物)為3公克(3wt%)和玻璃料的量為2公克(2wt%)之外。
[範例7]
範例7與範例1相似，但除了無機填料的量(鐵基氧化物)為1公克(1wt%)和玻璃料的量為4公克(4 wt%)之外。
[範例8]
範例8與範例1相似，但除了無機填料的量(鐵基氧化物)為2公克(2wt%)和玻璃料的量為3公克(3 wt%)之外。
[範例9]
範例9與範例1相似，但除了無機填料的量(鐵基氧化物)為3公克(3wt%)和玻璃料的量為2公克(2 wt%)之外。
[比較範例]
漿料組成物的製備類似範例1，除了沒有使用無機填料和玻璃料的量是5公克(5 wt%)之外。
使用範例1到9的漿料組成物與比較範例的漿料成份以網印製程印刷在矽基板上並以溫度160℃進行乾燥製程。此外，再以快速熱處理製程進行溫度在850℃後製造太陽能電池之背電極。
透過上述方法所製造的太陽能電池的背電極其性能和效率，請見表2和3。
在表2和表3，效率(efficiency)是產製出的太陽能電池後之光電轉換效率，ISC 是在無電阻下之短路電流(short current)，Voc 是量測開路電極接頭的開路電壓(open circuit voltage)，FF是填充因子(fill factor)，填充因子是太陽能電池之實際輸出功率與最大輸出功率的比值。
光電轉換效率的量測利用太陽光模擬器(solar simulator)，表面電阻和背面電場(BSF)電阻之量測使用四點探針量測儀(4-point probe)。此外，量測太陽能電池中心的翹曲特性是使用針盤指示器(dial gauge)。
如表2所示，範例1至例3代表翹曲特性較優於沒有添加金屬氧化物無機填充料的比較範例。如果增加無機填料的量，翹曲特性可以更加改善。
導電特性為15 mΩ/□或更佳，這足夠用於的太陽能電池。
如果添加1 wt%鈷鎳鈦鋅基氧化物比沒有添加鈷鎳鈦鋅基氧化物之效率提高了1.02倍。
另外，當漿料組成物添加無機填料時，可改善背面電場(BSF)特性。如果背面電場(BSF)層增厚，可防止電子再復合(electronic recombination)與背面電場(BSF)層可作為一反射器(reflector)，這樣光電轉換效率得以改善。
10．．．P型矽基板
11．．．N型半導體
12．．．上電極1
13．．．背電極
14．．．抗反光層
15．．．背面電場層
圖1　為太陽能電池之剖視圖。
10．．．P型矽基板
11．．．N型半導體
12．．．上電極
13．．．背電極
14．．．抗反光層
15．．．背面電場層

Claims (9)

  1. 一種用於太陽能電池電極之漿料組成物，其中該漿料組成物包括有：一鋁粉；一玻璃料；一有機載體；以及一無機填料，包括有一金屬氧化物，其中該鋁粉的量佔該漿料組成物總量為約60至90wt%，其中玻璃料的量佔該漿料組成物總量為約1至20wt%，其中有機載體的量佔該漿料組成物總量約20至50wt%，其中無機填料的量佔該漿料組成物總量的1至10wt%，其中該金屬氧化物包括至少一或兩個係選自由鐵、鉻、鈷、鋁、錳、銻、鈦及鋅所組成的群組，其中該無機填料包括至少一或兩個係選自鐵基氧化物、鐵鉻基氧化物、鈷鋁基氧化物、鈷鋁鈦基氧化物、鈷鉻鋁基氧化物、鈷鋁基氧化物、錳銻鈦基氧化物、鐵鋅鈦基氧化物及鈷鎳鋅鈦基氧化物所組成的群組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該無機填料的量佔該漿料組成物總量的1至10wt%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該鋁粉包括有一粒徑為0.1至2μm的球形鋁粉與一粒徑為0.5至20μm的球形鋁粉， 其中具有該粒徑為該0.1至2μm之該球形鋁粉的粒徑與具有該粒徑為該0.5至20μm粒徑之該球形鋁粉的粒徑不會相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該鋁粉包括一粒徑為0.1至2μm的球形鋁粉、一粒徑為0.5至20μm的球形鋁粉和一平均長側邊尺寸為20至50μm間的板型鋁粉，其中具有該粒徑為0.1至2μm之球形鋁粉之粒徑與具有該粒徑為0.5至20μm之球形鋁粉的粒徑不會相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該鋁粉包括34至50wt%之一粒徑為0.1至2μm的球形鋁粉、17至50wt%一粒徑為0.5至20μm的球形鋁粉和0至33wt%之一平均長側邊尺寸20至50μm間的板型鋁粉，其中具有該粒徑為0.1至2μm之球形鋁粉之粒徑與具有該粒徑0.5至20μm之球形粉末的粒徑不會相同。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該玻璃料包括至少一係選自由氧化鉛-二氧化矽基材料、氧化鉛-二氧化矽-三氧化二硼基材料、氧化鋅-二氧化矽基材料、氧化鋅-二氧化三硼-二氧化矽基材料及三氧化二鉍-三氧化二硼-氧化鋅-二氧化矽基材料所組成之群組。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該玻璃料的量佔該漿料組成物總量的1至10wt%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該有機載體的量佔該漿料組成物總量的20至30wt%。
  9. 一種太陽能電池背電極，該太陽能電池背電極之製造使用如申請專利範圍第1項所述之該漿料組成物。
TW099129386A 2009-09-03 2010-09-01 漿料組成物與使用漿料組成物之太陽能電池電極 TWI419177B (zh)

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