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CN109673169A - 太阳电池电极图案形成方法、用其制造的电极及太阳电池 - Google Patents

太阳电池电极图案形成方法、用其制造的电极及太阳电池 Download PDF

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CN109673169A
CN109673169A CN201780044236.7A CN201780044236A CN109673169A CN 109673169 A CN109673169 A CN 109673169A CN 201780044236 A CN201780044236 A CN 201780044236A CN 109673169 A CN109673169 A CN 109673169A
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Abstract

本发明提供一种太阳电池的电极图案的形成方法、一种使用其制造的电极、以及一种太阳电池。所述太阳电池的电极图案的形成方法包括：制备用于形成太阳电池电极的组成物，所述组成物包含导电粉末、玻璃料、有机粘合剂及溶剂；以及将所述用于形成太阳电池电极的组成物涂布于具有有机层的丝网遮罩上，然后对所述组成物进行干燥及烧制，其中所述用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与所述具有有机层的丝网遮罩的水接触角的差介于40度至60度的范围。

Description

太阳电池电极图案形成方法、用其制造的电极及太阳电池
技术领域
本发明揭示一种太阳电池的电极图案的形成方法、一种使用其制造的电极、以及一种太阳电池。
背景技术
太阳电池利用将太阳光的光子转化为电力的p-n接面的光伏打效应而产生电能。在太阳电池中，前电极与后电极分别形成于具有p-n接面的半导体基板(半导体晶片)的前表面与后表面上。p-n接面的光伏打效应由进入基板的太阳光诱发，且由p-n接面的光伏打效应产生的电子经由电极而向外界提供电流。
通过将电极组成物涂布于丝网遮罩(screen mask)上并随后进行干燥及烧制(firing)制造，太阳电池的电极可在基板的表面上形成预定图案。
已知太阳电池的转化效率通过以下方式而提高：通过将有机材料涂布于丝网遮罩上而增大短路电流(Isc)，并将图案线宽调整为更小且因此形成细线。然而，利用具有有机层的丝网遮罩来减小电极图案的线宽的方法会导致串行电阻(Rs)增大且精细图案的连续可印刷性劣化。
发明内容
技术问题
实施例提供一种太阳电池的电极图案的形成方法，所述方法能够提高可印刷性、尤其是连续可印刷性。
另一实施例提供一种根据所述方法制造的电极。
又一实施例提供一种包括所述电极的太阳电池。
解决问题的手段
根据一个实施例，一种太阳电池的电极图案的形成方法包括：制备用于形成太阳电池电极的组成物，所述组成物包含导电粉末、玻璃料(glass frit)、有机粘合剂及溶剂；以及
将所述用于形成太阳电池电极的组成物涂布于具有有机层的丝网遮罩上，然后对所述用于形成所述太阳电池电极的组成物进行干燥及烧制，
其中所述用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与所述具有所述有机层的丝网遮罩的水接触角的差介于40度至60度之间。
所述用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与所述具有所述有机层的丝网遮罩的水接触角的所述差可介于50度至55度的范围。
所述用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角可小于或等于30度。
所述具有所述有机层的丝网遮罩的水接触角可大于或等于70度。
所述用于形成太阳电池电极的组成物可包含60重量％至95重量％的所述导电粉末；0.5重量％至20重量％的所述玻璃料；1重量％至20重量％的所述有机粘合剂；以及余量的所述溶剂。
所述有机粘合剂可包括(甲基)丙烯酸系树脂或纤维素系树脂。
所述用于形成太阳电池电极的组成物可还包含选自疏水剂、表面处理剂、分散剂、触变剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外线(UV)稳定剂、抗氧化剂及偶合剂中的至少一者。
另一实施例提供一种使用所述太阳电池的电极图案的形成方法而制造的电极。
另一实施例提供一种包括所述电极的太阳电池。
发明的有益效果
所述太阳电池的电极图案的形成方法可提供高解析度的经精细图案化的电极，且可改善印刷特性(尤其是连续可印刷性)。根据所述方法制造的电极可提高太阳电池的效率。
附图说明
图1是示出将用于形成太阳电池电极的组成物涂布于丝网遮罩上的涂布制造的示意图。
图2是示出根据一个实施例的太阳电池的结构的示意图。
具体实施方式
以下，将在下文中参照其中示出本发明的示例性实施例的附图来更充分地阐述本发明。本领域技术人员将认识到，所述实施例可以各种不同方式进行润饰，而此皆不背离本发明的精神或范围。
在附图中，为清晰起见，夸大了层、膜、板、区等的厚度。在说明书通篇中，相同的参考编号指代相同的元件。应理解，当称一元件(例如，层、膜、区或基板)“位于”另一元件“上”时，所述元件可直接位于所述另一元件上，抑或也可存在中间元件。相反，当称一元件“直接位于”另一元件“上”时，则不存在中间元件。
根据实施例的一种太阳电池的电极图案的形成方法包括：制备用于形成太阳电池电极的组成物，所述组成物包含导电粉末、玻璃料、有机粘合剂及溶剂；以及
将所述用于形成太阳电池电极的组成物涂布于具有有机层的丝网遮罩上，然后对所述用于形成太阳电池电极的组成物进行干燥及烧制，且
其中所述用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与所述具有有机层的丝网遮罩的水接触角的差介于40度至60度的范围。
在本说明书中，用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角是通过以下方式而获得：在室温下(20℃至25℃)利用刮板将用于形成太阳电池电极的组成物涂布于聚合物膜上以形成膜，利用微型注射器将蒸馏水滴在所形成的膜的表面上，并利用接触角量测装置(Phoenix 300Plus，表面电光学公司(SEO))量测在液-固-气接面处水的切线与膜的表面之间的角度。
聚合物膜可为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜等，但并非仅限于此。
具有有机层的丝网遮罩的水接触角是通过以下方式而获得：将蒸馏水滴在丝网遮罩的有机层的表面上，然后利用接触角量测装置(Phoenix 300Plus)量测在液-固-气接面处蒸馏水的切线相对于有机层的表面的角度。
用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与具有有机层的丝网遮罩的水接触角的差可介于40度至60度的范围、例如50度至60度的范围。当水接触角差位于所述范围内时，可提高用于形成太阳电池电极的组成物与丝网遮罩的有机层之间的界面上的可湿性，可提高用于形成太阳电池电极的组成物的可印刷性，且可形成具有高纵横比及精细图案的电极。
用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角可小于或等于30度、例如小于或等于20度，且具有有机层的丝网遮罩的水接触角可大于或等于70度、例如大于或等于75度。在所述范围内，可轻易地控制用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与具有有机层的丝网遮罩的水接触角的差，且也可提高可印刷性。
首先，在太阳电池的电极图案的形成方法中，制备满足所述范围内的水接触角的用于形成太阳电池电极的组成物。
所述用于形成太阳电池电极的组成物可包含导电粉末、玻璃料、有机粘合剂及溶剂。
导电粉末可为金属粉末。所述金属粉末可包括选自以下中的至少一种金属：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)、及锰(Mn)，但并非仅限于此。
导电粉末的粒径可为纳米级或微米级。举例而言，导电粉末可具有数十纳米至数百纳米、或数微米至数十微米的粒径。在其他实施例中，导电粉末可为二或更多种具有不同粒径的银粉末的混合物。
导电粉末可具有球形、片形或非晶形颗粒形状。导电粉末可具有0.1微米至10微米、例如0.5微米至5微米的平均颗粒直径(D50)。所述平均颗粒直径可在通过超音波处理在室温(约24℃至约25℃)下将导电粉末分散于异丙醇(IPA)中达3分钟之后利用例如型号1064D(西莱斯股份有限公司(CILAS Co.,Ltd.))设备来量测。在此范围内，可降低接触电阻(contact resistance)及线电阻(line resistance)。
导电粉末可被处理为具有疏水性表面。
导电粉末以液相还原法(liquid reduction method)制造而成，且一般而言，以脂肪酸进行疏水性处理的导电粉末是通过以下方式而获得：将硝酸溶解于水溶液中，向其中添加脂肪酸及相变化合物，对所得混合物进行加热及搅拌，对由此获得的产物进行过滤及洗涤，并在真空烘箱中对其进行干燥。
以用于形成太阳电池电极的组成物的100重量％的总量计，可以60重量％至95重量％的量包含所述导电粉末。在所述范围内，可防止转化效率因电阻增大而劣化，且也可防止因有机载体的相对减少而导致难以形成糊膏。较佳地，可以70重量％至90重量％的量包含所述导电粉末。
玻璃料可用以增强导电粉末与晶片或基板之间的粘着，并通过蚀刻抗反射层及将所述导电粉末熔融而在射极(emitter)区中形成银晶粒，以在用于形成太阳电池电极的组成物的烧制制造期间减小接触电阻。此外，在烧结制造期间，玻璃料可软化并可降低烧制温度。
玻璃料可为在用于形成电极的组成物中常用的铅玻璃料及无铅玻璃料中的一或多者。
玻璃料可包含选自以下中的至少一种金属元素：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)及铝(Al)。
可通过任意合适的方法而自金属元素的氧化物制备所述玻璃料。举例而言，可通过以下方式而获得金属氧化物：以预定比率混合金属元素的氧化物，对所得混合物进行熔融，使所得物骤冷，然后对经骤冷的产物进行粉碎。所述混合可使用球磨机或行星式磨机来执行。所述熔融可在700℃至1300℃下执行，且所述骤冷可在室温(20℃至25℃)下执行。所述粉碎可利用碟式磨机或行星式磨机来执行，但无限制。
玻璃料可具有0.1微米至10微米的平均颗粒直径(D50)，且以用于形成太阳电池电极的组成物的100重量％计，所述玻璃料可以0.5重量％至20重量％的量存在。在此范围内，玻璃料可在不使电极的电性特性劣化的同时确保电极的优异粘着强度。
玻璃料可具有球形状或非晶形状。在一个实施例中，可使用具有不同转化温度的两种不同种类的玻璃料。举例而言，可以介于1:0.2至1:1范围的重量比而将转化温度介于大于或等于200℃至小于或等于350℃范围的第一玻璃料与转化温度介于大于350℃至小于或等于550℃范围的第二玻璃料混合。
有机粘合剂可包括(甲基)丙烯酸系树脂或纤维素系树脂。可使用(甲基)丙烯酸系树脂或纤维素系树脂，对此无限制，只要所用的树脂为用于形成太阳电池电极的组成物中使用的树脂即可。除所述树脂以外，也可使用乙基羟乙基纤维素、硝酸纤维素、乙基纤维素与酚醛树脂的混合物、醇酸树脂、酚系树脂、丙烯酸酯系树脂、二甲苯系树脂、聚丁烯系树脂、聚酯系树脂、脲系树脂、三聚氰胺系树脂、乙酸乙烯酯系树脂、木松香、或醇类的聚甲基丙烯酸酯。
有机粘合剂的重量平均分子量(Mw)可介于30,000克/摩尔至200,000克/摩尔、较佳地40,000克/摩尔至150,000克/摩尔的范围。当重量平均分子量(Mw)位于所述范围内时，可获得在可印刷性方面的优异效果。
以用于形成太阳电池电极的组成物的100重量％的总量计，可以1重量％至20重量％、较佳地2重量％至15重量％的量包含所述有机粘合剂。当在所述范围内使用有机粘合剂时，用于形成太阳电池电极的组成物可具有适当的粘度并防止其与基板的粘附劣化，且也可因在烧制期间有机粘合剂的不顺利分解而具有高电阻并防止在烧制期间电极开裂、产生开口、具有针孔等。
溶剂可包括例如己烷、甲苯、酯醇(2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯)、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、环己酮、丁基纤维素、脂肪醇、丁基卡必醇(二乙二醇单丁醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二乙二醇单丁醚乙酸酯)、丙二醇单甲醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苄醇、γ-丁内酯、及乳酸乙酯，其可单独使用或以二或更多种的组合形式使用。
以用于形成太阳电池电极的组成物的总量计，以余量、例如1重量％至30重量％、较佳地5重量％至15重量％使用溶剂。在所述范围内，可提高电极图案与基板之间足够的粘着强度，且可确保优异的连续可印刷性。
除构成元素以外，用于形成太阳电池电极的组成物可还视需要包含添加剂以增强组成物的疏水性、流动性质、处理性质及稳定性。所述添加剂可包括疏水剂、表面处理剂、分散剂、触变剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外线(UV)稳定剂、抗氧化剂、及偶合剂，其可单独使用或以二或更多种的混合物形式使用。
疏水剂的实例可为：氯硅烷，例如甲基氯硅烷、乙基氯硅烷、丙基氯硅烷、乙烯基氯硅烷、苯基氯硅烷等；硅酮聚合物，例如二甲基聚硅氧烷、聚硅氧油等；烷氧基硅烷，例如甲基甲氧基硅烷、甲基乙氧基硅烷、乙基甲氧基硅烷、乙烯基甲氧基硅烷、苯基甲氧基硅烷等；氟化剂，例如二乙基胺基三甲基硅烷、碳酰氟、氟化氢等。
以用于形成太阳电池电极的组成物的100重量％的总量计，可以0.1重量％至5重量％的量使用这些添加剂，但可视需要改变所述量。可考虑到用于形成太阳电池电极的组成物的疏水性、印刷特性、可分散性及储存稳定性而选择所述添加剂的量。将用于形成太阳电池电极的组成物涂布于具有有机层的丝网遮罩上，然后对所述组成物进行干燥及烧制。参照图1阐述所述涂布。图1是示出将用于形成太阳电池电极的组成物涂布于丝网遮罩上的涂布制造的示意图。如图1所示，通过以下方式而将用于形成太阳电池电极的组成物13涂布于基板11上：以刮板12挤出用于形成太阳电池电极的组成物13同时将组成物13供应至丝网遮罩15上，并在丝网遮罩15的网目之中排出用于形成太阳电池电极的组成物13。有机层涂布于丝网遮罩15的表面上，且在本文中，可将所述有机层的水接触角及所述用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角调整成具有介于40度至60度、例如50度至55度范围内的差。当水接触角具有处于所述范围内的差时，可使用于形成太阳电池电极的组成物13自丝网遮罩15很好地分离，且因此可提高连续可印刷性。
经由干燥制造及烧制制造而将用于形成太阳电池电极的组成物制造成经图案化的电极。所述干燥制造可在200℃至400℃的温度下执行达10秒至60秒左右，且所述烧制制造可在400℃至980℃、且较佳地700℃至980℃的温度下执行达约30秒至210秒。
根据另一实施例，提供一种包括所述经图案化的电极的太阳电池。
参照图2，阐述根据实施例的太阳电池。图2是示出根据一个实施例的太阳电池的结构的示意图。
参照图2，太阳电池包括p层101(或n层)及作为射极的n层102(或p层)、以及位于基板100上的后电极210及前电极230。
发明的形式
以下，将参照实例更详细地说明本发明。然而，这些实例仅为示例性的，且本发明并非仅限于此。
制备用于形成太阳电池电极的组成物
<实例1>
通过以下方式而制备了用于形成太阳电池电极的组成物：在60℃下将0.5重量％的有机粘合剂(重量平均分子量＝50,000克/摩尔，STD4，陶氏化学公司(Dow ChemicalCompany))充分溶解于7.5重量％的作为溶剂的丁基卡必醇(陶氏化学公司)中，向其中添加88.5重量％的平均颗粒直径为2.0微米的球形银粉末(AG-5-11F，同和高科技股份有限公司(Dowa Hightech Co.Ltd.))、3重量％的平均颗粒直径为1.0微米的铋-碲系无铅玻璃料末(ABT-1，旭硝子股份有限公司(Asahi Glass Co.,Ltd.))、0.2重量％的分散剂(BYK-102，毕克化学公司(BYK-Chemie))、以及0.3重量％的触变剂(西克特罗尔(Thixatrol)ST，海名斯公司(Elementis Co.))，并以三辊机使其分散开。将用于形成太阳电池电极的组成物涂布于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜上，且在向上面滴加蒸馏水之后利用接触角量测装置(Phoenix 300plus，表面电光学公司(Surface Electro Optics，SEO))量测时水接触角为15度。
<实例2>
除使用7.5重量％的丁基卡必醇乙酸酯(陶氏化学公司)代替丁基卡必醇(陶氏化学公司)作为溶剂以外，根据与实例1相同的方法制备了根据实例2的用于形成太阳电池电极的组成物，其中在根据与实例1相同的方法来量测时水接触角为20度。
<实例3>
除使用7.5重量％的丁基卡必醇乙酸酯(陶氏化学公司)代替丁基卡必醇(陶氏化学公司)作为溶剂、且使用88.5重量％的平均颗粒直径为2.0微米的球形银粉末(AG-4-8F，同和高科技股份有限公司)代替平均颗粒直径为2.0微米的球形银粉末(AG-5-11F，同和高科技股份有限公司)以外，根据与实例1相同的方法制备了根据实例3的用于形成太阳电池电极的组成物，其中在根据与实例1相同的方法来量测时水接触角为30度。
<比较例1>
除使用88.5重量％的平均颗粒直径为2.0微米的球形银粉末(AG-4-8F，同和高科技股份有限公司)代替平均颗粒直径为2.0微米的球形银粉末(AG-5-11F，同和高科技股份有限公司)以外，根据与实例1相同的方法制备了根据比较例1的用于形成太阳电池电极的组成物，其中在根据与实例1相同的方法来量测时水接触角为44°。
精细图案评估
利用丝网遮罩(SUS325型/乳剂有机层的厚度：15微米/指状条(finger bar)的线宽：35微米，指状条的数目：90；6-Multi-35um-90EA，三本丝网公司(Samborn Screen))将根据实例1至实例3以及比较例1的用于形成太阳电池电极的组成物分别丝网印刷至薄片电阻(sheet resistance)为90欧姆的聚P型硅晶片的前表面上以形成电极图案，然后利用红外线干燥炉对其进行干燥。
在将蒸馏水滴至丝网遮罩的有机层上之后，利用接触角量测设备(Phoenix300plus，表面电光学公司)量测了丝网遮罩的水接触角。丝网遮罩的水接触角为70°。
用于形成太阳电池电极的组成物的水接触角与具有有机层的丝网遮罩的水接触角的差记录于表1中。
使用VK设备(VK9710，基恩士公司(Keyence Co.))量测了利用根据实例1至实例3以及比较例1的用于形成太阳电池电极的组成物而制造的电极线的线宽及厚度。
利用电致发光(EL)试验机(MV技术有限公司(MV Tech Inc.))对断开线路的数目进行了计数，以检查电极(指状条)是否断开。结果示出于表1中。
太阳电池的效率评估
将包含铝的电极形成组成物印刷于具有精细图案的硅晶片的后表面上，并利用红外线干燥炉进行干燥。然后将在所述制造中获得的电池在400℃至950℃下的带式炉(belt-type furnace)中干燥了40秒，藉此制造试验电池。利用太阳电池效率量测设备(CT-801，由帕山(Pasan)公司制造)量测了试验电池的效率。结果示出于表1中。
[表1]
参照表1，由与具有有机层的丝网遮罩的水接触角的差介于40度至60度范围内的根据实例1至实例3的用于形成太阳电池电极的组成物形成的电极相较于由水接触角的差不处于所述范围内的根据比较例1的用于形成太阳电池电极的组成物形成的电极达成了细线宽，具有高纵横比，且显示出了优异的可印刷性及断开线路的低产生比。此外，相较于包括利用根据比较例1的用于形成太阳电池电极的组成物制造的电极的试验电池，分别包括利用根据实例1至实例3的用于形成太阳电池电极的组成物制造的电极的试验电池显示出了极大提高的效率。
本发明的简单润饰及等效配置可由本领域技术人员轻易实施，但相反本发明旨在覆盖包含于随附权利要求的精神及范围中的各种润饰及等效配置。
<符号说明>
11：基板
12：刮板
13：组成物
15：丝网遮罩
100：基板
101：p层
102：n层
210：后电极
230：前电极

Claims (8)

1.一种太阳电池的电极图案的形成方法，包括：
制备用于形成太阳电池电极的组成物，所述组成物包含导电粉末、玻璃料、有机粘合剂及溶剂；以及
将用于形成所述太阳电池电极的所述组成物涂布于具有有机层的丝网遮罩上，然后对用于形成所述太阳电池电极的所述组成物进行干燥及烧制，
其中用于形成所述太阳电池电极的所述组成物的水接触角与具有所述有机层的所述丝网遮罩的水接触角的差介于40度至60度的范围。
2.根据权利要求1所述的太阳电池的电极图案的形成方法，其中用于形成所述太阳电池电极的所述组成物的水接触角与具有所述有机层的所述丝网遮罩的水接触角的差介于50度至55度的范围。
3.根据权利要求1所述的太阳电池的电极图案的形成方法，其中用于形成所述太阳电池电极的所述组成物的水接触角小于或等于30度。
4.根据权利要求1所述的太阳电池的电极图案的形成方法，其中具有所述有机层的所述丝网遮罩的水接触角大于或等于70度。
5.根据权利要求1所述的太阳电池的电极图案的形成方法，其中用于形成所述太阳电池电极的所述组成物包含60重量％至95重量％的所述导电粉末；0.5重量％至20重量％的所述玻璃料；1重量％至20重量％的所述有机粘合剂；以及余量的所述溶剂。
6.根据权利要求1所述的太阳电池的电极图案的形成方法，其中所述有机粘合剂包括(甲基)丙烯酸系树脂或纤维素系树脂。
7.一种电极，使用如权利要求1至6中任一所述的太阳电池的电极图案的形成方法制造而成。
8.一种太阳电池，包括如权利要求7所述的电极。
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