TWI422547B - A conductive paste and a solar cell element using the conductive paste - Google Patents
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Description
本發明係關於一種可用作形成於矽半導體太陽電池中之電極的不含鉛之導電性膏。
作為使用半導體矽基板之電子零件，已知有圖1所示之太陽電池元件。如圖1所示，太陽電池元件係於厚度為200 μm左右之p型半導體矽基板1之受光面側形成n型半導體矽層2，且於受光面側表面形成有用以提昇受光效率之氮化矽膜等防反射膜3，進而於該防反射膜3上形成有與半導體連接之表面電極4。
又，於p型半導體矽基板1之背側均勻地形成有鋁電極層5。該鋁電極層5一般而言藉由使用網版印刷等塗佈鋁膏材料，且於600~900℃左右之溫度下短時間煅燒而形成，上述鋁膏材料矽含有包含鋁粉末、玻璃料、乙基纖維素或丙烯酸系樹脂等黏合劑之有機媒劑。
於該鋁膏材料之煅燒中，藉由鋁擴散至p型半導體矽基板1，而於鋁電極層5與p型半導體矽基板1之間，形成稱作BSF(Back Surface Field，背面電場)層6之Si-Al共晶層，進而形成鋁擴散之雜質層p+
層7。該p+
層7係發揮抑制因pn接面之光電動勢效應而生成之載子之復合造成之損失之效果，從而有助於太陽電池元件之轉換效率提昇。關於該BSF效果，揭示有例如專利文獻1或專利文獻2等所揭示，作為包含於鋁膏材料中之玻璃料，可藉由使用含鉛之玻璃而獲得較高之效果。
專利文獻1：日本專利特開2007-59380號公報
專利文獻2：日本專利特開2003-165744號公報
一般而言，p+
層之表面電阻與BSF效果存在相關性，p+
層之表面電阻越低BSF效果越高，且作為太陽電池元件之轉換效率越高。
上述含鉛成分之玻璃料可藉由使用於如鋁膏材料之導電性膏中而獲得較高之BSF效果，進而於使上述導電性膏成為低熔點之方面為重要之成分，但對人體或環境會造成較大危害。上述專利文獻1及專利文獻2存在於導電性膏中包含鉛成分之問題。
因此，本發明之目的在於獲得一種可用作形成於矽半導體太陽電池之電極之不含鉛之導電性膏。
本發明之導電性膏之特徵在於：其係使用半導體矽基板之太陽電池用導電性膏，且該導電性膏中所含之玻璃料之組成實質上不含鉛成分，且以質量%計包含5~15之SiO2
、20~40之B2
O3
、0~10之Al2
O3
、30~45之ZnO、5~30之RO(選自由MgO、CaO、SrO、及BaO所組成之群中之至少1種之合計)、及0.1~6之R2
O(選自由Li2
O、Na2
O、及K2
O所組成之群中之至少1種之合計)。
於利用使用含鉛玻璃料之導電性膏情形時，由於p+
層之表面電阻呈現20~30 Ω/□左右，故使用本發明之導電性膏時之p+
層之表面電阻較佳為30 Ω/□下。該表面電阻越低，則用作太陽電池元件之情形時，轉換效率越高。
於本發明中，可藉由使玻璃料中含有之R2
O量增加，而使p+
層之表面電阻變為低於30 Ω/□值，但於包含超過6質量%之該R2
O情形時，由於存在因該R2
O之鹼性成分變多而呈現潮解性之情形，故於本發明中使該R2
O為6質量%以下。
又，本發明之上述玻璃料之特徵在於：30℃~300℃下之熱膨脹係數為(55~85)×10-7
/℃，且軟化點為550℃以上650℃以下。又，於本發明中，上述熱膨脹係數係指線性膨脹係數。
可藉由本發明，而獲得包含不含鉛之玻璃料之導電性膏。可藉由將本發明之導電性膏用作太陽電池元件，而獲得較高之BSF效果。又，可獲得與半導體矽基板良好之密接性。進而，由於實質上不包含鉛成分，故不會對人體或環境造成危害。
本發明之導電性膏係不僅包含含有鋁粉末與乙基纖維素或丙烯酸系樹脂等黏合劑之有機媒劑，而且包含玻璃料，且該玻璃料實質上不含鉛成分，且以質量%計包含5~15之SiO2
、20~40之B2
O3
、0~10之Al2
O3
、30~45之ZnO、5~30之RO(選自由MgO、CaO、SrO、及BaO所組成之群中之至少1種之合計)、及0.1~6之R2
O(選自由Li2
O、Na2
O、及K2
O所組成之群中之至少1種之合計)。
於本發明之玻璃料中，SiO2
為玻璃形成成分，且可藉由使其與作為其他之玻璃形成成分之B2
O3
共存而形成穩定之玻璃，並使其含有5~15%(質量%，以下亦相同)。若超過15%，則玻璃之軟化點上升，難以用作導電性膏。更佳為7~13%之範圍。
B2
O3
係玻璃形成成分，且使玻璃熔融變得容易，抑制玻璃之熱膨脹係數之過度上升，且於煅燒時對玻璃賦予流動性，使玻璃之介電係數降低，且使其於玻璃中含有20~40%。若未達20%，則會因玻璃之流動性變得不充分而損及燒結性，另一方面若超過40%，則玻璃之穩定性下降。又，更佳為25~35%之範圍。
Al2
O3
係抑制玻璃結晶化之成分。使其於玻璃中含有0~10%，但若超過10%，則會導致玻璃之軟化點上升，難以用作導電性膏。
ZnO係使玻璃之軟化點降低之成分，且使其於玻璃中含有30~45%。若未達30%則無法發揮上述作用，若超過45%則玻璃變得不穩定，易產生結晶。又，更佳為35~42%之範圍。
RO(選自由MgO、CaO、SrO、及BaO所組成之群中之至少1種之合計)係使玻璃之軟化點降低者，且使其於玻璃中含有5~30%。若未達5%則玻璃之軟化點之下降變得不充分，使燒結性受損。另一方面，若超過30%則存在玻璃之熱膨脹係數變得過高之情形。更佳為10~27%之範圍內。
R2
O(選自由Li2
O、Na2
O、及K2
O所組成之群中之至少1種之合計)係使玻璃之軟化點降低，將熱膨脹係數調整於適當範圍者，並使其包含於0.1~6%之範圍內。若未達0.1%則玻璃之軟化點之下降變得不充分，使燒結性受損。另一方面，若超過6%則存在導致熱膨脹係數過度地上升之情形。更佳為2~6%之範圍。再者，較佳為至少包含K2
O作為R2
O。
其他亦可添加由普通之氧化物表示之CuO、TiO2
、In2
O3
、Bi2
O3
、SnO2
、及TeO2
等。
可藉由實質上不含鉛(以下亦存在記載為PbO之情形)，而消除對人體或環境造成之影響。此處，所謂實質上不包含PbO係指PbO作為雜質混入至玻璃原料中之程度的量。例如，若為低熔點玻璃中之0.3%以下之範圍，則上述之危害、即對人體、環境之影響、以及對絕緣特性等造成之影響幾乎不存在，從而實質上不會受到PbO之影響。
可藉由使用上述玻璃料，而獲得30℃~300℃下之熱膨脹係數為(55~80)×10-7
/℃且軟化點為550℃以上650℃以下之導電性膏。若熱膨脹係數偏離(55~85)×10-7
/℃，則於電極形成時會產生剝離、基板之翹曲等問題。較佳為(60~75)×10-7
/℃之範圍。又，若軟化點超過650℃，則煅燒時未充分地流動，故而會產生與半導體矽基板之密接性變差等問題。較佳為上述軟化點為580℃以上630℃以下。
本發明之導電性膏可以上述方式用於太陽電池元件。又，進而該導電性膏可以低溫煅燒，故亦可用作使用銀或鋁等之配線圖案之形成材料或各種電極等電子材料用基板。
以下，基於實施例進行說明。
(導電性膏)
首先，玻璃料末係以達到實施例中記載之特定組成之方式，將各種無機原料秤量後進行混合，製作原料配料。將該原料配料投入至鉑坩堝，於電加熱爐內以1000~1300℃加熱熔融1~2小時，獲得表1之實施例1~5、表2之比較例1~4所示組成之玻璃。使玻璃之一部分流入模具中，成為塊狀，供熱物性(熱膨脹係數、軟化點)測定用。利用驟冷雙輥成形機，使剩餘之玻璃成為薄片狀，並使用粉碎裝置，整粒為平均粒徑1~4 μm、最大粒徑未達10 μm之粉末狀。
再者，上述軟化點係使用熱分析裝置TG-DTA(Rigaku股份有限公司製造)進行測定。又，上述熱膨脹係數係使用熱膨脹計，根據以5℃/分鐘進行升溫時30~300℃下之伸長量求出線性膨脹係數。
繼而，以特定比例將作為黏合劑之乙基纖維素與上述玻璃粉、又作為導電性粉末之鋁粉末混合於包含α松脂醇與丁基卡必醇醋酸酯之膏油中，製備黏度為500±50泊左右之導電性膏。
其次，準備p型半導體矽基板1，且對其上部網版印刷上述製作之導電性膏。使該等試驗片於140℃之烘箱內乾燥10分鐘，繼而，使用電爐於800℃條件下進行1分鐘煅燒，獲得於p型半導體矽基板1上形成有鋁電極層5與BSF層6之構造。
繼之，為分析鋁電極層5之與p型半導體矽基板1之密接性，而將背膠牽條(NICHIBAN公司製造)黏貼於鋁電極層5，以目視觀察評價剝離時鋁電極層5之剝落狀態。
其後，將形成有鋁電極層5之p型半導體矽基板1浸漬於氫氧化鈉水溶液中，藉由蝕刻鋁電極層5及BSF層6而使p+
層7露出於表面，利用4探針式表面電阻測定器測定p+
層7之表面電阻。
(結果)
無鉛低熔點玻璃組成及各試驗結果示於表中。
再者，於表1及2之接著強度之欄中，A表示接著強度良好，B表示接著強度尚且良好，C表示接著強度不充分。
如表1中之實施例1~5所示，於本發明之組成範圍內，軟化點為550℃~650℃，且具有較佳之熱膨脹係數(55~85)×10-7
/℃，與p型半導體矽基板1之密接性亦良好。進而，與太陽電池元件之轉換效率相關之p+
層7之電阻值亦達到26 Ω/□下，可用作矽半導體太陽電池用導電性膏。
另一方面，偏離本發明之組成範圍之表2中之比較例1~4無法獲得與p型半導體矽基板1良好之密接性，且p+
層7之電阻值高，或者溶解後玻璃呈現潮解性等，而無法應用作矽半導體太陽電池用導電性膏。
1．．．p型半導體矽基板
2．．．n型半導體矽層
3．．．防反射膜
4．．．表面電極
5．．．鋁電極層
6．．．BSF層
7．．．p+
層
圖1係普通之矽半導體太陽電池組電池之概略剖面圖。
1．．．p型半導體矽基板
2．．．n型半導體矽層
3．．．防反射膜
4．．．表面電極
5．．．鋁電極層
6．．．BSF層
7．．．p+
層
Claims (4)
- 一種導電性膏，其特徵在於：其係使用半導體矽基板之太陽電池用導電性膏，且該導電性膏中所含之玻璃料之組成實質上不包含鉛成分，且以質量%計包含：5~15之SiO2 、20~40之B2 O3 、0~10之Al2 O3 、30~45之ZnO、5~30之RO(選自由MgO、CaO、SrO、及BaO所組成之群中之至少1種之合計)、及0.1~6之R2 O(選自由Li2 O、Na2 O、及K2 O所組成之群中之至少1種之合計)。
- 如請求項1之導電性膏，其中上述玻璃料係30℃~300℃下之熱膨脹係數為(55~85)×10-7 /℃，且軟化點為550℃以上650℃以下。
- 一種太陽電池元件，其特徵在於使用如請求項1或2之導電性膏。
- 一種電子材料用基板，其特徵在於使用如請求項1或2之導電性膏。
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