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CN106098139B - 电极组成物、使用其制造的电极以及太阳能电池 - Google Patents

电极组成物、使用其制造的电极以及太阳能电池 Download PDF

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CN106098139B CN201610197376.5A CN201610197376A CN106098139B CN 106098139 B CN106098139 B CN 106098139B CN 201610197376 A CN201610197376 A CN 201610197376A CN 106098139 B CN106098139 B CN 106098139B
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Abstract

本发明提供一种电极组成物、使用其制造的电极以及太阳能电池，其中电极组成物包含：导电粉末；玻璃料；以及包含有机粘合剂、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶剂的有机媒剂，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量为200到500，并且其以所述电极组成物的100重量％计是以0.15重量％到2重量％的量存在。本发明的电极组成物具有极好的连续可印刷性并且可以增加衬底与电极图案的粘着力并且改进太阳能电池的效率。

Description

电极组成物、使用其制造的电极以及太阳能电池
技术领域
实施例涉及一种电极组成物、一种使用其制造的电极以及一种太阳能电池。
背景技术
太阳能电池使用将日光的光子转化成电的p-n结的光生伏打效应来产生电能。在太阳能电池中，前电极和背电极分别形成于具有p-n结的半导体晶片或衬底的前表面和后表面上。接着，通过进入半导体晶片的日光诱发p-n结的光生伏打效应，并且由p-n结的光生伏打效应产生的电子将电流经由电极提供到外部。
太阳能电池的电极可以通过涂布、图案化以及烧制(firing)电极组成物而以预定图案形成于晶片的表面上。太阳能电池的转化效率已知通过以下方式改进：改进电极与衬底的接触性质，因此最小化接触电阻(Rc)和串联电阻(Rs)；或用有机材料将丝网掩模的图案线宽调节为较小，并且因此形成细线并且增加短路电流(Isc)。然而，用丝网掩模减小电极图案的线宽的方法可能会导致串联电阻(Rs)增加并且使精细图案的连续可印刷性退化。
在被制造成最终模块的过程期间，衬底上的电极图案应该经由条带彼此连接并且附接到衬底上，但当电极图案从衬底剥离时，可能出现电连接缺点，并且可能使可靠性退化。因此，需要能够在电极图案的形成期间确保电极图案的可印刷性并且改进其粘着力的电极组成物。
发明内容
一个实施例提供一种电极组成物，其具有极好的连续可印刷性并且能够增加衬底与电极图案的粘着力，因此改进太阳能电池的效率和可靠性。
另一个实施例提供一种使用所述电极组成物制造的电极。
又一个实施例提供一种包含所述电极的太阳能电池。
本发明可以实施其它实施例。
一个实施例提供一种电极组成物，其包含：导电粉末；玻璃料；包含有机粘合剂、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶剂的有机媒剂，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量为200到500，并且以电极组成物的100重量％计，所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物是以0.15重量％到2重量％的量存在。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以由二(甲基)丙烯酸酯化合物、三(甲基)丙烯酸酯化合物、四(甲基)丙烯酸酯化合物以及其混合物中选出。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以由以下各项中选出：三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯(trimethylolpropane tri(meth)acrylate)、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯(ethyleneglycoldi(meth)acrylate)、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯(triethylene glycol di(meth)acrylate)、丁二醇二(甲基)丙烯酸酯(butanediol di(meth)acrylate)、己二醇二(甲基)丙烯酸酯(hexanedioldi(meth)acrylate)、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯(pentaerythritoltri(meth)acrylate)、三羟甲基三(甲基)丙烯酸酯(trimethylol tri(meth)acrylate)、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯(pentaerythritol tetra(meth)acrylate)以及其混合物。
以电极组成物的100重量％计，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以0.15重量％到2重量％的量存在。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量可以是250到400。
电极组成物的多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以在200℃到400℃下热处理之后残留在所得膜中。
玻璃料可以由铋类玻璃料、铅类玻璃料以及其混合物中选出。
铋类玻璃料可以是铋(Bi)-碲(Te)玻璃料。铋(Bi)-碲(Te)玻璃料可以包含20摩尔％到80摩尔％氧化碲和20摩尔％到80摩尔％氧化铋。
电极组成物可以包含：60重量％到95重量％导电粉末；0.5重量％到20重量％玻璃料；以及1重量％到30重量％有机媒剂。
电极组成物可以包含由以下各项中选出的至少一个：表面处理剂、分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外(UV)稳定剂、抗氧化剂、偶合剂等。
另一个实施例提供一种使用所述电极组成物制造的电极。
另一个实施例提供一种包含所述电极的太阳能电池。
所述电极组成物具有极好的连续可印刷性并且可以增加衬底与电极图案的粘着力并且改进太阳能电池的效率。
附图说明
图1是展示根据一个实施例的太阳能电池的结构的示意图。
具体实施方式
将参考附图在下文中更加全面地描述本发明，在这些附图中展示了本发明的例示性实施例。如所属领域的技术人员将认识到，可以各种不同的方式修改所描述的实施例，其都是在不脱离本发明的精神或范围的情况下进行。
在附图中，为清楚起见，放大层、膜、面板、区域等的厚度。在整篇说明书中，相同图式元件符号表示相同元件。应理解，当将一个元件，如层、膜、区域或衬底称为在另一个元件“上”时，其可以是直接在所述另一个元件上，或还可以存在插入元件。相比之下，当元件被称作“直接在”另一个元件“上”时，不存在插入元件。
一个实施例提供一种电极组成物，其包含：导电粉末；玻璃料；以及有机媒剂，其包含有机粘合剂、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶剂。
在下文中，对本发明进行详细描述。
所述电极组成物包含金属粉末作为导电粉末。所述金属粉末可以包含银(Ag)、金(Au)、钯(Pd)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铱(Ir)、铼(Re)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、钒(V)、锌(Zn)、镁(Mg)、钇(Y)、钴(Co)、锆(Zr)、铁(Fe)、钨(W)、锡(Sn)、铬(Cr)、锰(Mn)等。
所述导电粉末的粒度可以是纳米级或微米级。举例来说，所述导电粉末的粒度可以是几十到几百纳米或几到几十微米。在其它实施例中，所述导电粉末可以是具有不同粒度的两种或大于两种类型的银粉的混合物。
所述导电粉末可以具有球形、薄片形或非晶形的粒子形状。所述导电粉末的平均粒子直径(D50)可以是0.1微米到10微米，例如0.5微米到5微米。平均粒子直径可以在室温(24℃到25℃)下经由超声波处理将导电粉末分散于异丙醇(isopropyl alcohol；IPA)中3分钟后，使用例如型号1064D(西莱斯有限公司(CILAS Co.,Ltd.))设备来测量。在这一平均粒子直径范围内，所述组成物可以提供低接触电阻和低线路电阻。
以电极组成物的100重量％计，导电粉末可以60重量％到95重量％的量存在。在此范围内，可以防止转化效率由于电阻增加而退化，并且还可以防止由有机媒剂的相对减少导致的硬糊状物形成。在一个实施例中，导电粉末可以70重量％到90重量％的量存在。
玻璃料可以用以增强导电粉末与晶片或衬底之间的粘着力，并且通过蚀刻抗反射层和熔融导电粉末在发射极区中形成银晶粒，以便在电极糊的烧制过程期间减小接触电阻。此外，在烧结过程期间，玻璃料可以被软化并且可以减小烧制温度。
当增加太阳能电池的面积以便改进太阳能电池效率时，存在太阳能电池的接触电阻可能增加的可能性。因此，需要最小化对p-n结的影响同时最小化串联电阻(Rs)。此外，烧制温度可以随具有不同薄层电阻的各种晶片的增加使用而在广泛范围内变化。需要玻璃料确保足够的热稳定性以耐受广泛范围的烧制温度。
玻璃料可以是通常用于电极组成物中的铅玻璃料和无铅玻璃料中的一者或大于一者。
玻璃料可以由铋类玻璃料、铅类玻璃料以及其混合物中选出。
玻璃料可以更包含至少一种由以下各项中选出的元素：铅(Pb)、碲(Te)、铋(Bi)、锂(Li)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、硅(Si)、锌(Zn)、钨(W)、镁(Mg)、铯(Cs)、锶(Sr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)以及铝(Al)。
铋类玻璃料可以是铋(Bi)-碲(Te)玻璃料。
铋(Bi)-碲(Te)玻璃料可以包含20摩尔％到80摩尔％氧化碲和20摩尔％到80摩尔％氧化铋。当在所述范围内使用碲和铋时，可以同时确保极好的太阳能电池转化效率和电极图案的粘着强度。
玻璃料可以通过任何合适的方法由元素的氧化物制备。举例来说，元素的氧化物可以通过以下方式获得：以预定比率混合元素的氧化物，使混合物熔融，对所得物进行淬火，并且接着粉碎经淬火的产物。混合可以使用球磨机或行星式磨机进行。熔融可以在700℃到1300℃下进行，并且淬火可以在室温(24℃到25℃)下进行。粉碎可以使用(但不限于)盘磨机或行星式磨机进行。
玻璃料的平均粒子直径(D50)可以是0.1微米到10微米，并且以电极组成物的100重量％计，其可以0.5重量％到20重量％的量存在。在此范围内，玻璃料可以确保电极图案的极好的粘着强度同时不会使电极的电特征退化。
玻璃料可以具有球形或非晶形。
在一个实施例中，可以使用具有不同转变温度的两种不同种类的玻璃料。举例来说，转变温度在高于或等于200℃到低于或等于350℃范围内的第一玻璃料和转变温度在高于350℃到低于或等于550℃范围内的第二玻璃料可以1:0.2到1:1范围内的重量比混合。
有机媒剂可以赋予合适的粘度和流变学特征，以用于通过与电极组成物的无机组分机械混合来印刷到电极组成物上。有机媒剂包含有机粘合剂、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶剂。
有机粘合剂可以由丙烯酸酯类树脂或纤维素类树脂中选出。举例来说，有机粘合剂可以由以下各项中选出：乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、硝化纤维素、乙基纤维素与酚树脂(phenolic resin)的混合物、醇酸树脂、苯酚类树脂、丙烯酸酯类树脂、二甲苯类树脂、聚丁烯类树脂、聚酯类树脂、脲类树脂、三聚氰胺类树脂、乙酸乙烯酯类树脂、木松香或醇的聚甲基丙烯酸酯。
有机粘合剂的重量平均分子量(Mw)可以是30,000克/摩尔到200,000克/摩尔，例如40,000克/摩尔到150,000克/摩尔。当重量平均分子量(Mw)在所述范围内时，可以获得在可印刷性方面极好的效果。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物具有至少两个丙烯酸酯基团或甲基丙烯酸酯基团。换句话说，单官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以在本发明中排除。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以是以下中的一个或更多个：二(甲基)丙烯酸酯化合物、三(甲基)丙烯酸酯化合物或四(甲基)丙烯酸酯化合物。多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以是以下中的一个或更多个：三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、己二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基三(甲基)丙烯酸酯或季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量可以是200到500，例如250到400或250到360。当多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量在所述范围内时，可以通过确保令人满意的连续可印刷性来改进效率，并且因此最小化串联电阻(Rs)增加量。
多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在200℃到400℃下热处理之后不被热固化，而可以残留在所得膜中。换句话说，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在热处理之后不被热固化而是残留在所得膜中，并且可以起到改进衬底到图案的粘着性的作用。
以电极组成物的100重量％计，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物可以0.15重量％到2重量％，例如0.2重量％到2重量％的量存在。当多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在所述范围内使用时，电极组成物的连续可印刷性可以得到改进，并且电极图案与衬底之间的粘着力可以得到改进。
溶剂可以是例如己烷、甲苯、酯醇(2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯；2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate)、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、环己酮、丁基溶纤剂、脂肪醇、丁基卡必醇(butyl carbitol)(二乙二醇单丁基醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二乙二醇单丁基醚乙酸酯)、丙二醇单甲基醚、己二醇、松油醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ丁内酯、乳酸乙酯或其组合。
以电极组成物的100重量％计，有机媒剂可以1重量％到30重量％，例如5重量％到15重量％的量存在。当有机媒剂在所述范围内使用时，电极图案与衬底之间的粘着强度可以得到改进，并且可以确保极好的连续可印刷性。
电极组成物可以按需要更包含典型添加剂以增强流动性质、加工性质以及稳定性。添加剂可以包含表面处理剂、分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外(UV)稳定剂、抗氧化剂、偶合剂等。可以单独或以其混合物形式使用这些添加剂。
以电极组成物的100重量％计，这些添加剂可以0.1重量％到5重量％的量存在。这量可以按需要改变。添加剂的量可以考虑电极组成物的印刷特征、分散以及储存稳定性来选择。
另一个实施例提供一种由所述电极组成物形成的电极。
电极可以通过涂布电极组成物并且接着将其图案化并且烧制而以晶片表面上的预定图案的形式形成。电极组成物的涂布可以是(但不限于)丝网印刷、间接凹印、圆网印花、剥离等。涂布的电极组成物具有预定图案并且厚度在10微米到40微米范围内。
在以下太阳能电池工艺中详细说明图案化电极组成物的烧制。
另一实施例提供一种包含电极的太阳能电池。参考图1，说明根据一个实施例的太阳能电池。图1是展示根据一个实施例的太阳能电池的结构的示意图。
参考图1，背电极210和前电极230是通过将电极组成物印刷在包含p层(或n层)101和n层(或p层)102作为发射极的衬底100上并且接着对其烧制来形成。举例来说，将电极组成物印刷涂布在衬底100的背侧上并且在200℃到400℃下对其进行热处理10秒到60秒以进行用于背电极的先前制备步骤。本文中，多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在热处理之后不被热固化而是残留在电极组成物中。
此外，用于前电极的先前制备步骤可以通过以下方式进行：将电极组成物印刷在衬底100的前表面上，并且接着使其干燥。接着，可以在400℃到980℃、确切地说700℃到980℃下烧制电极组成物30秒到210秒以形成前电极和后电极。
提供以下实例和比较例以便突出一个或大于一个实施例的特征，但应理解，实例和比较例不应理解为限制实施例的范围，比较例也不应理解为在实施例的范围之外。此外，应理解，实施例不限于实例和比较例中所描述的具体细节。
实例
实例1到实例7和比较例1到比较例11
如下制备电极组成物：在60℃下充分溶解有机粘合剂(陶氏化学公司(DowChemical Company)，STD4，Mw＝50,000克/摩尔)和醇酯(伊士曼(Eastman))，向其中添加平均粒子直径为2.0微米的球形银粉(AG-5-11F，多瓦高科技有限公司(Dowa HightechCo.Ltd.))、铋-碲无铅玻璃粉末(平均粒子直径为1.0微米)(ABT-1,旭硝子玻璃股份有限公司)、(甲基)丙烯酸酯化合物、分散剂(毕克(BYK)-102，毕克化学(BYK-Chemie))以及触变剂(希尔克斯特罗ST，海名斯公司(Thixatrol ST,Elementis Co.))，将其混合，并且用三辊研磨机分散所述混合物。
(甲基)丙烯酸酯化合物可以是由美王专业化学有限公司(Miwon SpecialtyChemical Co.,Ltd.)制成的以下化合物。
使用(A)单官能丙烯酸酯化合物的苯酚(EO)4丙烯酸酯(米拉梅(Miramer)M4144，分子量为324)，(B)双官能丙烯酸酯化合物的聚乙二醇200二丙烯酸酯(米拉梅M282，分子量为308)，(C)三官能丙烯酸酯化合物的季戊四醇三丙烯酸酯(米拉梅M340，分子量为298)，(D)四官能丙烯酸酯化合物的季戊四醇四丙烯酸酯(米拉梅M420，分子量为352)，以及(E)三官能丙烯酸酯化合物的三羟甲基丙烷(EO)15(米拉梅M3150，分子量为956)。
每一组分的量(重量％)在下表1中提供。
(表1)
电极图案的可印刷性评估
将根据实例1到实例7和比较例1到比较例11的电极组成物分别涂布在晶片的前侧上，并且用肉眼计数经印刷电极的虚线数量并且根据以下参考标准对其评估。结果在下表2中提供。
5A：0，4A：小于3，3A：小于6，2A：小于12，1A：小于15，以及0A：大于或等于20。
电极图案的粘着力评估
通过使用对边宽为5厘米×5厘米的400网筛将根据实例1到实例7和比较例1到比较例11的电极组成物分别印刷在晶片的前表面上，并且在300℃到400℃下干燥，从而制造每一样品。如下评估每一样品的粘着力：根据栅格粘着力评估(ASTM D3359)用横切刀制成100个栅格图案，向其附接金属粘着胶带(610号，3M)并且将所述胶带从其剥落，并且根据以下参考标准转化随胶带剥落的栅格的数量。结果在下表2中提供。
5B：0％；4B：小于5％；3B：大于或等于5％到小于15％；2B：大于或等于15％到小于35％；1B：大于或等于35％到小于65％；以及0B：大于或等于65％
(表2)
参考表2，与分别由根据实例1到实例7的电极组成物形成的电极图案相比，分别由根据比较例1、比较例2、比较例3、比较例5、比较例7以及比较例9的电极组成物形成的电极图案显示不充足的粘着力，并且分别由根据比较例4、比较例6、比较例8、比较例10以及比较例11的电极组成物形成的电极图案显示令人满意的粘着力但缺乏可印刷性，并且因此增加了Rs，并且预期对效率具有不良作用。相反，分别由根据实例1到实例7的电极组成物形成的电极图案显示极好的粘着力并且确保足够的可印刷性，并且因此有利于改进效率。
太阳能电池的电效率评估
将根据实例1到实例7和比较例1到比较例11的每一电极组成物丝网印刷到晶片(其为如下获得的多晶晶片：在掺杂有硼的前表面上使p型晶片纹理化，在其上以POCl3形成n+层，并且以氮化硅(SiNx:H)形成抗反射涂层)的前侧上以形成预定图案，并且通过使用红外线干燥锅炉在300℃到400℃下干燥。接着，以与上文相同的方法在晶片的背侧上印刷铝糊并且使其干燥。接着在400℃到900℃下在传送带型锅炉中烧制在所述过程中获得的电池30秒到50秒，从而制造测试电池。
接着通过使用太阳能电池效率测量设备(CT-801，由帕山股份公司(Pasan SA)制造)测量测试电池的电特性(填充因数和效率，Isc)。结果在下表3中提供。
(表3)
参考表3，与由根据比较例1到比较例11的电极组成物制造的太阳能电池相比，由根据实例1到实例7的电极组成物制造的太阳能电池展示令人满意的FF和效率。
尽管已结合目前认为实用的例示性实施例来描述本发明，但应理解，本发明不限于所公开的实施例，而正相反，本发明打算涵盖包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。

Claims (11)

1.一种电极组成物，包括：
导电粉末；
玻璃料；以及
有机媒剂，其包含有机粘合剂、多官能(甲基)丙烯酸酯化合物以及溶剂，
其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量为200到500，以及以所述电极组成物的100重量％计，所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物是以0.15重量％到0.75重量％的量存在，
其中所述玻璃料由铋类玻璃料、铅类玻璃料以及其混合物中选出，
其中所述铋类玻璃料是铋-碲玻璃料。
2.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物由二(甲基)丙烯酸酯化合物、三(甲基)丙烯酸酯化合物、四(甲基)丙烯酸酯化合物以及其混合物中选出。
3.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物由以下各项中选出：三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、己二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基三(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯以及其混合物。
4.根据权利要求1所述的电极组成物，其中以所述电极组成物的100重量％计，所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物是以0.2重量％到0.75重量％的量存在。
5.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物的分子量为250到400。
6.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述多官能(甲基)丙烯酸酯化合物在200℃到400℃下热处理之后残留在所得膜中。
7.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述铋-碲玻璃料包括20摩尔％到80摩尔％氧化碲以及20摩尔％到80摩尔％氧化铋。
8.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述电极组成物包括60重量％到95重量％的所述导电粉末、0.5重量％到20重量％的所述玻璃料以及1重量％到30重量％的所述有机媒剂。
9.根据权利要求1所述的电极组成物，其中所述电极组成物更包括由以下各项中选出的至少一种添加剂：表面处理剂、分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外稳定剂、抗氧化剂以及偶合剂。
10.一种电极，使用根据权利要求1到9中任一权利要求所述的电极组成物制造。
11.一种太阳能电池，包括根据权利要求10所述的电极。
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