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TWI559335B - 太陽能電池電極用組成物以及使用該組成物製造的電極 - Google Patents

太陽能電池電極用組成物以及使用該組成物製造的電極 Download PDF

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TWI559335B
TWI559335B TW103127631A TW103127631A TWI559335B TW I559335 B TWI559335 B TW I559335B TW 103127631 A TW103127631 A TW 103127631A TW 103127631 A TW103127631 A TW 103127631A TW I559335 B TWI559335 B TW I559335B
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solar cell
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cell electrode
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weight
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TW103127631A
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TW201513134A (zh
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宋大燮
金載昊
梁相賢
崔永郁
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三星Ｓｄｉ股份有限公司
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Description

太陽能電池電極用組成物以及使用該組成物製造的電極
本發明是有關於太陽能電池電極用組成物以及使用該組成物製造的電極。更特別地說，本發明是有關於太陽能電池電極用組成物，其可以藉由網版印刷以精細線寬及高的高寬比的方式被印刷在基板上且具有高的轉換效率(conversion efficiency)，且本發明是有關於使用該組成物製造的電極。
太陽能電池使用將太陽光的光子轉換為電力的p-n接合的光伏打效應(photovoltaic effect)來產生電力。在太陽能電池中，前電極及背電極分別形成在具有p-n接合的半導體晶圓或基板的上表面及下表面上。接著，藉由進入半導體晶圓的太陽光來誘發p-n接合處的光伏打效應，且p-n接合處的光伏打效應所產生的電子透過電極將電流提供至外側。藉由塗佈、圖案化及烘烤電極組成物將太陽能電池的電極形成在晶圓上。
一般來說，在基板上印刷太陽能電池電極用組成物的方 法可以分為凹版印刷(gravure offset printing)及網版印刷。特定言之，使用可以以精細線寬及高的高寬比的方式印刷在基板上的太陽能電池電極用組成物是重要的。凹版印刷顯著地受到組成物的黏度、乾燥度及附著度的影響，而網版印刷顯著地受到流變性(rheology)或觸變性(thixotrophy)的影響。
韓國專利公開案第2011-0040713A號揭露一種組成物，其使用塑化劑調整該組成物的調平程度(leveling level)及觸變性以實現窄的線寬及高的高寬比。韓國專利公開案第2010-0069950A號揭露採用黏合劑之用於雙層電極的凹版印刷，為了實現高的高寬比，該黏合劑具有高的玻璃轉變溫度(Tg)。韓國專利公開案第2007-0055489A號提出調整銀(Ag)粉末的粒徑尺寸以控制觸變性(TI)。然而，實現以精細線寬及高的高寬比的方式印刷圖案仍然是困難的。
本發明的一態樣提供太陽能電池電極用組成物，其可以實現精細線寬及高的高寬比的印刷圖案。
本發明的另一態樣提供太陽能電池電極用組成物，其具有高的轉換效率。
本發明的上述及其他的態樣及特徵可以藉由下文所描述的本發明來完成。
本發明的一態樣是有關於太陽能電池電極用組成物，其 包括導電粉末、玻璃料(glass frit)、有機媒劑及觸變劑(thixotropic agent)，且滿足以下式1至式7。
[式1]3<TI 10=(1rpm下的黏度/10rpm的黏度)<5.5
[式2]4<TI 20=(2rpm下的黏度/20rpm下的黏度)<7
[式3]6<TI 50=(5rpm下的黏度/50rpm下的黏度)<7.5
[式4]6<TI 100=(10rpm下的黏度/100rpm下的黏度)<7.5
[式5]1<|TI 10-TI 20|<2
[式6]0.5<|TI 20-TI 50|<1.5
[式7]0|TI 50-TI 100|<0.8
在式1至式7，觸變指數(thixotropic index；TI)是通過代入使用旋轉黏度計以14號心軸(No.14 spindle)在每一轉/分(rpm)下且在23℃下測量的黏度值來計算。
組成物可包括50wt%至90wt%的導電粉末；1wt%至15wt%的玻璃料；3wt%至40wt%的有機媒劑；以及0.01wt%至2wt%的觸變劑。
導電粉末可包括選自由銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(Rh)、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)及銦錫氧化物(ITO)所構成的群組中的至少一者。
玻璃料可包括含鉛玻璃料、無鉛玻璃料或其混合物。
觸變劑可包括選自由胺類化合物、蓖麻油類化合物(castor oil compound)、碳黑類化合物、脂肪酸醯胺類化合物、燻製二氧化矽類化合物(fumed silica compounds)、有機黏土類化合物及奈米等級的有機/無機顆粒所構成的群組中的至少一化合物。
玻璃料的平均粒徑(D50)可為0.1μm至5μm。
組成物可更包括選自由分散劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、色料、UV穩定劑、抗氧化劑及耦合劑所構成的群組中的至少一添加劑。
使用組成物所印刷出的圖案的線寬為75μm至90μm，線厚度為15μm至20μm，且高寬比(線厚度/線寬)為0.15或更高。
根據本發明的另一態樣，提供由上述太陽能電池電極用組成物所製造的太陽能電池電極。
本發明的太陽能電池電極用組成物可以實現以精細線寬及高的高寬比的方式所印刷的圖案，且此圖案具有高的轉換效率。
100‧‧‧基板
101‧‧‧p型層
102‧‧‧n型層
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
圖1為表示在實例1至實例5及比較例1至比較例3中所量測的TI值的圖表。
圖2為根據本發明一實施例的太陽能電池的示意圖。
太陽能電池電極用組成物
根據本發明的太陽能電池電極用組成物包括導電粉末(A)、玻璃料(B)、有機媒劑(C)及觸變劑(D)，且可以藉由網版印刷以精細線寬的方式被印刷在基板上，且具有高的轉換效率。
現在，將更詳細地描述根據本發明的太陽能電池電極用組成物的各組份。
(A)導電粉末
對導電粉末來說，可使用具有導電性的任何有機或無機粉末。較佳地說，導電粉末包括銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(Rh)、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)或銦錫氧化物(ITO)的粉末。可單獨使用這些導電粉末或將其中的兩者或多於兩者組合使用。導電粉末較佳包括銀(Ag)顆粒，且可更包括鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鋅(Zn)或銅(Cu)顆粒。
導電粉末的平均粒徑(D50)可為0.1μm至10μm。導電粉末的平均粒徑較佳為0.2μm至7μm，更佳為0.5μm至5μm。
基於組成物的全部重量，導電粉末的量可為50wt%至 90wt%。導電粉末的量較佳為70wt%至90wt%。在此範圍內，導電粉末可以避免因電阻增加所致的轉換效率劣化且可以避免因有機媒劑的量相對減少所致的膠狀物不易形成，同時提供組成物適當的分散性、流動性及可印刷性。
(B)玻璃料
玻璃料用於增強導電粉末與晶圓或基板之間的附著度且藉由蝕刻抗反射層及熔化銀粉末以在射極區(emitter region)中形成銀晶粒，從而在用於電極的組成物的烘烤處理期間減少接觸電阻(contact resistance)。此外，在烘烤處理期間，玻璃料軟化並降低烘烤溫度。
當增加太陽能電池的面積以改善太陽能電池效率時，可能存在太陽能電池接觸電阻增加的問題。因此，需要使串聯電阻(Rs)及對p-n接合的影響最小化。此外，隨著烘烤溫度在廣範圍內變動，以及使用具有不同片電阻(sheet resistance)之各種晶圓的頻率增加，期望玻璃料保有足夠的熱穩定性以應付寬範圍的烘烤溫度。
玻璃料可為含鉛玻璃料及無鉛玻璃料中的至少一者，其在本技術領域中通常被用於太陽能電池電極的組成物中。
在一實施例中，玻璃料可包括氧化物，諸如氧化鉛、氧化矽、氧化碲、氧化鉍、氧化鋅、氧化硼、氧化鋁、氧化鎢及上述之組合。舉例來說，玻璃料可包括氧化鋅-氧化矽(ZnO-SiO2)、氧化鋅-氧化硼-氧化矽(ZnO-B2O3-SiO2)、氧化鋅-氧化硼-氧化矽- 氧化鋁(ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3)、氧化鉍-氧化矽(Bi2O3-SiO2)、氧化鉍-氧化硼-氧化矽(Bi2O3-B2O3-SiO2)、氧化鉍-氧化硼-氧化矽-氧化鋁(Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3)、氧化鉍-氧化鋅-氧化硼-氧化矽(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2)、氧化鉍-氧化鋅-氧化硼-氧化矽-氧化鋁(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3)玻璃料及其相似物。
可藉由本技術領域中的任何習知方法從上述氧化物來製備玻璃料。舉例來說，上述氧化物可以預設的比例混合。可使用球磨機或行星式磨機來進行混合。在900℃至1300℃下熔化混合物，並接著被淬火(quenching)至25℃。使用盤磨機、行星式磨機或相似物使所得到的產物經受磨碎製程(pulverization)，從而製備玻璃料。
玻璃料可具有球形或非晶形。
可購買玻璃料，或可藉由選擇性熔化(例如)二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硼(B2O3)、氧化鉍(Bi2O3)、氧化鈉(Na2O)、氧化鋅(ZnO)及相似物來製備玻璃料，從而使得玻璃料具有所需要的組成物。
基於組成物的全部重量，玻璃料的量可為1wt%至15wt%，較佳為2wt%至10wt%。在此含量範圍內，玻璃料可以提供組成物適當的分散性、流動性及可印刷性。
(C)有機媒劑
有機媒劑透過與組成物的無機組分進行機械混合，以賦予太陽能電池電極用組成物用於印刷的適當黏度及流變特徵 (rheological characteristic)。
有機媒劑可為用於太陽能電池電極組成物中的任何習知有機媒劑，且可包括黏合劑樹脂、溶劑及相似物。
黏合劑樹脂可選自丙烯酸樹脂或纖維素樹脂。乙基纖維素通常作為黏合劑樹脂。此外，黏合劑樹脂可為乙基羥乙基纖維素、硝化纖維素、乙基纖維素及酚樹脂的摻合物(blend)、醇酸(alkyd)、酚、丙烯酸酯、二甲苯(xylene)、聚丁烷(polybutane)、聚酯、尿素、三聚氰胺、乙酸乙烯樹脂、木松香(wood rosin)、醇類的聚甲基丙烯酸酯及相似物。
舉例來說，溶劑可選自由己烷、甲苯、乙基纖維素、環己酮、丁基纖維素、丁基卡必醇(二乙二醇單丁醚)、二丁基卡必醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇醋酸酯(二乙二醇單丁醚醋酸酯)、丙二醇單甲醚、己二醇、松脂醇(terpineol)、酯醇(texanol)、甲基乙基酮、卡醇(benzylalcohol)、γ-丁內酯、乳酸乙酯以及其組合物所組成的群組中。
基於組成物的總重量，有機媒劑的量可為3wt%至40wt%。在此範圍內，有機媒劑可以提供組成物足夠的附著強度以及優良的可印刷性。
(D)觸變劑
根據本發明，該組成物包括觸變劑。觸變劑可包括選自由胺類化合物、蓖麻油類化合物、碳黑類化合物、脂肪酸醯胺類化合物、燻製二氧化矽類化合物、有機黏土類化合物及奈米等級 的有機/無機顆粒所構成的群組中的至少一化合物。
舉例而言，胺型觸變劑可為THIXATROL P600(海名斯公司(Elementis))；蓖麻油型觸變劑可為THIXATROL ST(海名斯公司)；碳黑型觸變劑可為VULCAN XC72(卡博特公司(Cabot))；脂肪酸醯胺型觸變劑可為Flownon(共榮社公司(Kyoeisha))；燻製二氧化矽型觸變劑可為A200(贏創公司(Evonik))；且有機黏土型觸變劑可為BENTONE SD-3(海名斯公司)。
基於組成物的全部重量，觸變劑的量可為0.01wt%至2wt%，較佳為0.05wt%至1wt%。在此範圍中，觸變劑可以提供組成物足夠的附著強度及優良的可印刷性。
(E)其他添加劑
添加劑可包括分散劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、色料、UV穩定劑、抗氧化劑、耦合劑及相似物。這些添加劑可單獨使用或作為其混合物使用。基於組成物的全部重量，這些添加劑的量可為0.1wt%至5wt%，但不受限於此。
根據本發明的太陽能電池電極用組成物適用於網版印刷，且滿足以下的式1至式7，其中該組成物可以展現精細的圖案可印刷性及高的轉換效率。
[式1]3<TI 10=(1rpm下的黏度/10rpm下的黏度)<5.5
[式2] 4<TI 20=(2rpm下的黏度/20rpm下的黏度)<7
[式3]6<TI 50=(5rpm下的黏度/50rpm下的黏度)<7.5
[式4]6<TI 100=(10rpm下的黏度/100rpm下的黏度)<7.5
[式5]1<|TI 10-TI 20|<2
[式6]0.5<|TI 20-TI 50|<1.5
在式1至式7中，觸變指數(TI)是通過代入使用旋轉黏度計以14號心軸在每一轉/分下且在23℃下測量的黏度值來計算。
具體來說，在式1至式4中，觸變指數(TI)可定義為旋轉黏度計在不同的轉/分下所量測的黏度值比。舉例來說，觸變指數(TI 10)意指在23℃下使用14號心軸由旋轉黏度計所量測到的1rpm下的黏度對10rpm下的黏度的比，而觸變指數(TI 20)意指在23℃下使用14號心軸由旋轉黏度計所量測到的2rpm下的黏度對20rpm下的黏度的比。旋轉黏度計的實例可包括HBDV-Ⅱ+Pro(布魯克菲爾德有限公司(Brookfield Co.,Ltd.))。
此外，以可印刷性來說，太陽能電池電極用組成物的黏度較佳為200帕．秒(Pa．s)至600帕．秒。此處，黏度是在23℃下及 10rpm下藉由旋轉黏度計量測所得的。
當根據本發明的太陽能電池電極用組成物印刷在基板上時(特別是藉由網版印刷)，印刷出的圖案的線寬可為75μm至90μm且線厚度可為15μm至20μm。此外，組成物可提供的高寬比(線厚度/線寬)為0.15或更高，較佳為0.15至0.20，更佳為0.16至0.18。在此高寬比的範圍中，組成物可以展現優良的可印刷性。
太陽能電池電極及包括該電極的太陽能電池
本發明的其他態樣是有關於由上述太陽能電池電極用組成物所形成的電極及包括該電極的太陽能電池。圖2繪示根據本發明的一實施例的太陽能電池。
參照圖2，可藉由在晶圓或基板100上印刷及烘烤上述組成物來形成背電極210及前電極230，晶圓或基板100包括p型層(或n型層)101及n型層(或p型層)102，p型層(或n型層)101及n型層(或p型層)102將作為射極。舉例來說，藉由在晶圓的背表面上印刷組成物及在200℃至400℃時使所印刷的組成物乾燥持續10秒至60秒來進行製備背電極的初步處理。此外，可藉由在晶圓的前表面上印刷組成物及使所印刷的組成物乾燥來進行製備前電極的初步處理。接著，可藉由在400℃至950℃(較佳為750℃至950℃)下烘烤晶圓持續30秒至50秒來形成前電極及背電極。
接著，將參照實例來更詳細地描述本發明。然而，應注 意的是，這些實例僅提供用於說明而不應以任何方式被視為限制本發明。
實例
實例1至實例5及比較例1至比較例3
實例1
對有機黏合劑來說，將0.7wt%的乙基纖維素(STD4，SDT200，陶氏化學公司(Dow Chemical Company))在60℃下充分地溶解於3.3wt%的Texanol中以製備有機媒劑，且將平均粒徑為2.0μm的88wt%的球形銀粉(AG-4-8，同和高科技有限公司(Dowa Hightech Co.Ltd))、2.7wt%的低熔點結晶玻璃粉末(Pb-Bi-Te-O)(平均粒徑為1.0μm，且轉變點為280℃)及0.6wt%的分散劑BYK145(BYK化學公司(BYK-Chemie))以及0.4wt%的觸變劑Thixatrol ST(海名斯有限公司)添加至有機媒劑，接著在3輥捏合機中進行混合以及捏合，從而製備太陽電池電極用組成物。
藉由網版印刷在晶圓的前表面上以預設的圖案印刷組成物。藉由以下方法量測組成物的性質，並且將結果示於表2中。
實例2至實例5及比較例1至比較例3除了使用表1中列出的用於組成物的組分的量之外，以與實例1相同的方式來製備用於太陽能電池電極的組成物。下文中，藉由網版印刷來印刷組成物。
性質量測
觸變指數(TI)的量測：觸變指數是使用在23℃下使用14號心軸由旋轉黏度計HBDV-Ⅱ+Pro(布魯克菲爾德有限公司)所量測到的黏度值的比來計算。對黏度的量測來說，將樣本杯(sample cup)中裝滿試樣並且配置心軸。在溫度穩定持續5分鐘後，在以下維持時間量測黏度。
基於所量測的黏度值計算式1至式4中的觸變指數及式5至式7中的觸變指數改變速率。將結果表示於表1及圖1。
性質評估
串聯電阻、短路電流及轉換效率的量測：使實例及比較例中所製備的組成物藉由預設圖案的網版印刷沉積在單結晶晶圓(crystalline mono-wafer)的前表面上，接著藉由紅外線(IR)乾燥爐使其乾燥。在帶式烤爐(belt-type baking furnace)中使根據此程序形成的單元在600℃至900℃下經受烘烤持續60秒至210秒，並且使用太陽能電池效率測試儀CT-801(潘森有限公司(Pasan Co.,Ltd.))評估轉換效率(%)、短路電流(Isc)及串聯電阻(Rs)。
可印刷性的量測：藉由網版印刷使用經設計而具有30μm線寬的網罩(screen mask)以預設圖案在晶圓的表面上印刷如上述所製備之用於太陽能電池電極的各組成物。使經印刷的晶圓乾 燥、烘烤，並且透過三維顯微鏡觀察圖案的9個部分，接著透過EL分析儀(EL analyzer)確認圖案的斷點(disconnection)。
高寬比的量測：藉由網版印刷使用經設計而具有30μm線寬的網罩以預設圖案在晶圓的表面上印刷如上述所製備之用於太陽能電池電極的各組成物。使經印刷的晶圓乾燥、烘烤，並且透過三維顯微鏡觀察圖案的9個部分。將所得之高寬比作為平均值。
如表1及圖1中的圖表所示，確定實例1至實例5中所製備的組成物(其滿足式1至式7)具有優良的精細圖案可印刷性，從而提供低的串聯電阻及高的轉換效率。
應理解的是，本發明領域具有通常知識者可以作出各種修改、改變、變更以及等效實施例而不脫離本發明的精神及範疇。

Claims (9)

  1. 一種太陽能電池電極用組成物，包括：導電粉末、玻璃料、有機媒劑及觸變劑，所述太陽能電池電極用組成物滿足以下式1至式7：[式1]3<TI 10=(1rpm下的黏度/10rpm下的黏度)<5.5；[式2]4<TI 20=(2rpm下的黏度/20rpm下的黏度)<7；[式3]6<TI 50=(5rpm下的黏度/50rpm下的黏度)<7.5；[式4]6<TI 100=(10rpm下的黏度/100rpm下的黏度)<7.5；[式5]1<|TI 10-TI 20|<2；[式6]0.5<|TI 20-TI 50|<1.5；以及[式7]0|TI 50-TI 100|<0.8，其中觸變指數(TI)是通過代入使用旋轉黏度計以14號心軸在每一轉/分(rpm)下且在23℃下測量的黏度值來計算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池電極用組成物，包括： 50wt%至90wt%的所述導電粉末；1wt%至15wt%的所述玻璃料；3wt%至40wt%的所述有機媒劑；以及0.01wt%至2wt%的所述觸變劑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池電極用組成物，其中所述導電粉末包括選自由銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(Rh)、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)及銦錫氧化物(ITO)所構成的群組中的至少一者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池電極用組成物，其中所述玻璃料包括含鉛玻璃料、無鉛玻璃料或其混合物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池電極用組成物，其中所述觸變劑包括選自由胺類化合物、蓖麻油類化合物、碳黑類化合物、脂肪酸醯胺類化合物、燻製二氧化矽類化合物、有機黏土類化合物及奈米等級的有機/無機顆粒所構成的群組中的至少一化合物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池電極用組成物，其中所述玻璃料的平均粒徑(D50)為0.1μm至5μm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池電極用組成物，其中所述太陽能電池電極用組成物包括選自由分散劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗發泡劑、色料、UV穩定劑、抗氧化劑及耦合劑所構成的群組中的至少一添加劑。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中的任一者所述的太陽能電池電極用組成物，其中使用所述太陽能電池電極用組成物所印刷出的圖案的線寬為75μm至90μm，線厚度為15μm至20μm，且高寬比為0.15或更高，其中所述高寬比為所述線厚度/所述線寬。
  9. 一種太陽能電池電極，其是由根據申請專利範圍第1項至第7項中的任一者所述的太陽能電池電極用組成物所製造的。
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