TWI576861B - 導電鋁膠及其製造方法、太陽能電池及其模組 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種導電膠，尤指一種應用於光電裝置之導電鋁膠。
近年來，由於能源短缺以及人們意識到環保的重要性，人們對於潔淨能源的需求越來越大，也越來越迫切。目前被認為較具有潛力之潔淨能源計有風力、水力、海洋能、地熱、生質能、燃料電池以及太陽能等，在各種潔淨能源當中最重要的莫過於太陽能，具有取之不盡用之不竭且毫無污染的特性，因此太陽能變成未來能源的主流。
一般來說，太陽能電池是利用單結晶矽或是多結晶矽等矽基材做為半導體基板材料，近年來亦發展出化合物半導體或是玻璃基板等基板材料。太陽能電池係於半導體基板上形成一層P型擴散層與一層N型擴散層，且於P型擴散層與N型擴散層的接面上形成一P/N接面。於P/N接面上具有一內建之電場，再藉由入射之太陽光的能量使得P//N接面之電子-電洞分離，再分別於P型擴散層及與N型擴散層上形成歐姆接觸之電極作為導電電極，以將分離的電子-電洞對分別導出至半導體基板的外部，即完成由太陽光轉換成電力的過程。
於一般太陽能電池的製作上，是利用磷原子(以形成N型擴散層的元素)或是利用硼原子(以形成P型擴散層的元素)的擴散來製作N型以及P型的擴散層，以形成P//N接面。並且，利用特殊的表面處理以形成具有texture結構的抗反射層，透過降低太陽光的反射以增加太陽光入射光的強度。
導電電極一般常利用網版印刷、塗佈或是真空鍍膜的方式於半導體基板的兩側形成電極，即是光入射側電極與背面電極。其中，光入射側電極包含輔助電極(bus electrode)與指針電極(finger electrode)，且一般常用銀膠來製作，由於需要盡量增加光入射的面積以增加太陽能電池光電轉換效率，因此，於光入射側的電極需盡量縮小其表面積以增加太陽光入射的面積。背面電極則因光線不會照射至半導體基板的背面，因此背面電極可分布於整個半導體基板的背面，且常利用鋁膠與銀鋁膠來製作。於光入射側電極與背面電極塗佈完成後，則可進行燒結製程，利用高溫進行燒結(通常為600至1000℃)，以使得鋁膠中的鋁原子擴散進入P型半導體形成P+層，可增加電路中的開路電壓Voc值，並產生背面電場效應(BSF)以增加太陽能電池的光電轉換效率。值得一提的是，導電電極與半導體基板之間需保持良好的歐姆接觸，並且其本身也必須保持低電阻值，才能夠使得太陽能電池的光電轉換效率增加。
其中，導電電極對於太陽能電池的轉換效率的穩定性影響較大。於電極性能之標準，有太陽能電池之填充係數(fill factor,FF)。若太陽能電池之串聯電阻較高，則FF有變小的傾向，而串聯電阻之構成要素為P型擴散層及N型擴散層分別與其對應導電電極之歐姆接觸的電阻值以及導電電極其本身之電阻值。
因此，為了獲得較高的太陽能電池的轉換效率以及其穩定性，需要針對電極的原料，即是對銀膠與銀鋁膠等導電鋁膠做更進一步的改善。
根據本發明之實施例提供一種導電鋁膠，其組成包括：一有機載體、一鋁粉末以及一玻璃熔塊；以及一金屬奈米粒子的混合，以形成一呈糊狀物之導電鋁膠。且該金屬奈米粒子的添加呈現降低導電鋁膠之面電阻值與提升該導電鋁膠之黏結拉力的特性。其中，該有機載體係由一有機溶劑、一樹脂以及一觸變助劑所組成。
根據本發明之實施例提供一種導電鋁膠的製造流程，包括：將一有機溶劑、一樹脂以及一觸變助劑混合成一有機載體；再將一鋁粉末、一玻璃熔塊以及金屬奈米粒子與該有機載體混合以形成該導電鋁膠。
根據本發明之實施例提供一種太陽能電池模組，包括：一基板；一覆板，置放於該基板之上；以及一太陽能電池包覆於一EVA材料中，且置放於該基板與該覆板之間；其中，該太陽能電池具有一光入射側電極以及一背面電極，且該背面電極係利用一導電鋁膠所形成，且該導電鋁膠具有一金屬奈米粒子混合於其中。
根據本發明之實施例提供一種太陽能電池，包括：一半導體基板，其上具有一N型擴散層與一P型擴散層；一抗反射層以及一光入射測電極，形成於該N型擴散層表面；以及一背面電極，形成於該P型擴散層表面；其中，該光入射側電極與該背面電極係利用一導電鋁膠所形成，且該導電鋁膠具有一金屬奈米粒子混合於其中。
本案發明人提出本案之發明概念，本發明之機制係與公知技術截然不同，俾以提供一種混合入金屬奈米粒子之導電鋁膠以應用於矽基材太陽能電池，可大幅度地提升太陽能電池的特性，以促進產業升級。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取之方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
第一圖所示為根據本發明實施例之太陽能電池之結構剖面圖。
太陽能電池1係為於一半導體基板上形成一N型擴散層13以及一層P型擴散層14，N型擴散層13與P型擴散層14相互接觸，因此會於N型擴散層13與P型擴散層14之邊界形成一P/N接面。
太陽能電池1的光入射側，於本實施例為N型擴散層13的表面，常利用氮化矽(SiN)來形成抗反射層12，能有效的減少入射光的反射，而且還有具有保護與表面鈍化的作用，能夠防刮傷、防濕氣等功能。並且於抗反射層12之表面經過texture的處理，以在表面形成複數個如同大大小小的金字塔(pyramid)結構，讓入射光至少要經過晶片表面的二次反射，因此就大大的減低入射光經過第一次反射就折回的機率。如此可以減少太陽能電池1之光線入射面之入射陽光的反射，以增加太陽能電池1的光電轉換效率。
於半導體基板上完成N型擴散層13、P型擴散層14以及抗反射層12等製程後，太陽能電池1還需要製作導電電極來與外界的電路連接，並將太陽光入射之光電效應所產生的電子與電洞分別導出至太陽能電池1外部。一般而言，太陽能電池1之不照光側和光入射側的表面，都有二條平行條狀導電電極來提供與外界連接的焊接處。於不照光側通常會形成一層背面電極15，且背面電極15通常會佈滿整個不照光側以形成所謂的背面電場(back surface field,BSF)電極層；而光入射側的表面，則會製作一光入射側電極11，包括輔助電極(bus electrode)與指針電極(finger electrode)，且輔助電極與指針電極皆具有極細小之線寬，以避免遮擋太陽光的入射面積。
背面電極層15可以增加載子的收集，還可回收沒有被吸收的光子。由於光入射側電極11通常會遮蔽3至5%的入射光，因此光入射側電極11之輔助電極以及指針電極的設計，除了要能有效地收集載子，而且要儘量減少光入射側電極11遮蔽入射光的比例。於本實施例，於光入射側電極11通常是利用導電鋁膠之銀膠來製作，而背面電極15則是利用導電鋁膠之銀膠、鋁膠或者並用兩者來製作，且可利用網版印刷的技術於太陽能電池1之光入射側形成線寬極小之輔助電極與指針電極，以避免影響到太陽光入射的面積。
於完成光入射側電極11以及背面電極15後，即可利用680℃至850℃之燒結溫度進行燒結製程，於本實施例，利用鍊條傳送以進行燒結製程，鏈條速度為4至6m/min，所形成之導電電極的厚度約為30至50um。經過燒結製程，可將光入射側電極11與背面電極15之導電鋁膠所內含的有機溶劑等介質揮發，並且使得背面電極15之鋁粉末的原子擴散進入半導體基板內，以使得背面電場(BSF)具有更佳的效果，以更進一步增加太陽能電池1之光電效應轉換效率。
由於單個太陽能電池1之光電轉換效率不高，因此作為導電電極之光入射側電極11與背面電極15之製程與材料特性就變得極度重要，其面電阻值、電流值、電壓值、歐姆接觸阻值等參數的些許差異都會對於太陽能電池1的光電效應轉換效率有極大的影響，因此本發明提出一種導電鋁膠，可有效地增加太陽電池的光電轉換效率。
第二圖所示為根據本發明實施例之導電鋁膠之製作流程圖。
本發明實施例之導電鋁膠係利用有機溶劑、樹脂(或纖維素)、觸變助劑、鋁粉末、金屬奈米粒子以及玻璃熔塊等調製組合而成。其中，有機溶劑含量約15至25重量%，樹脂(或纖維素)含量約1至3重量%，觸變助劑含量約0.2至0.5重量%，鋁粉末含量約65至85重量%，金屬奈米粒子含量約0.1至10重量%，玻璃熔塊含量約0.1至6重量%，如表1所示。且金屬奈米粒子之含量可為10重量%以下，最佳比例約為2重量%，於本實施例中，金屬奈米粒子為銀奈米粒子，且導電鋁膠中之銀膠則是利用銀粉末取代鋁粉末。
於本實施例，有機溶劑可包括醇醚類有機溶劑或其他溶劑，且醇醚類有機溶劑包含二乙二醇丁醚；樹脂(或纖維素)可為乙基纖維素或其他材料；觸變助劑可包括氫化篦麻油或其他材料；金屬奈米粒子可為金、銀、銅、鋅和鉛等金屬；玻璃熔塊可選用PbO-B2O3-SiO2等Pb系玻璃熔塊或是其他系屬的玻璃熔塊，如表2所示。上述所列之各種材料僅為本發明之導電鋁膠成份的參考舉例，本發明並不限制各種材料的種類。其中，金屬奈米粒子的粒徑D50範圍為10至1000nm，且其最佳粒徑為30nm。
如步驟S21所示，本實施例之導電鋁膠需先將有機溶劑、樹脂(或纖維素)、觸變助劑等進行混合攪拌與溶解，以使得這些材料能夠均勻地混合，並且適當地調整其所佔之重量百分比例，以形成一有機載體，如步驟S22所示。接著，需要對此有機載體進行黏度的測量，以保證本實施例之導電鋁膠具有一最佳黏度，以適合導電鋁膠之相關製程以及調整其黏附效果，如步驟S23所示。然後，將鋁粉末、金屬奈米粒子以及玻璃熔塊等混合入此有機載體中，如步驟S24所示。經過仔細的攪拌與混合，即可形成本發明實施例之呈糊狀物的導電鋁膠之導電漿料，如步驟S25所示。
如第一圖所示之太陽能電池，即可利用本發明之導電鋁膠製作背面電極15，並可利用塗佈或是網版印刷的技術於太陽能電池1之不照光側形成一背面電極15。再利用680℃至850℃之燒結溫度進行燒結製程，並且使得背面電極15之鋁原子擴散進入矽半導體基板內，形成背面電場，使太陽能電池具有更佳的轉換效率。
第三A圖與第三B圖所示為根據本發明實施例之太陽能電池之封裝模組示意圖。
於太陽能電池模組2的封裝製程當中，由於單個太陽能電池1之電能的輸出功率不高，因此需利用數十個太陽能電池1以串聯或是並聯的方式連接以達到足夠的電能輸出。並且太陽能電池模組2通常置放於室外環境，為了保
護太陽能電池1對抗機械應力、曝曬和濕氣，串聯或是並聯的數十個太陽能電池1被嵌進一透明的封裝材料內，該封裝材料能對太陽能電池1產生電絕緣的作用，並且具有抗紫外光、抗潮溼以及抗機械撞擊等功能。
為了結構上的穩定性與可靠性，太陽能電池模組2的封裝係應用一覆板31覆蓋於太陽能電池1之上，覆板31一般使用玻璃或是強化玻璃，但同時也可使用壓克力板、金屬薄片或塑膠薄板，於本實施例，以玻璃為例。在太陽能電池1光入射面之上的覆蓋物以透明材料來製造是很重要的，因為越透明的材料能使更多的太陽光投射在太陽能電池1上。基於這個理由，低鐵玻璃常當作覆板31來使用，因為它能夠讓91%的光線通過。該玻璃係經過回火處理的，以便強化其對抗高熱能應力的特性。另外，一種新型的抗反射玻璃，係使用燒熔製程或浸染塗佈，因而具有抗反射塗層，能達成96%之光穿透率，亦可作為太陽能電池模組2之覆板31。使用此抗反射玻璃的太陽電池模組所吸收的能量比使用普通玻璃者多出約3.5%。
接下來，於覆板31下方，太陽能電池1的上下側分別放置一層EVA(乙烯/醋酸乙烯酯共聚物，Ethylene Vinyl Acetate)材料32，該EVA材料32為一種熱塑性的塑膠材料，其具有良好的透明性，並且可於一較高溫度條件下熔融變為具有一定黏度的液體，並且可於常溫下恢復且維持於固體型態，且具有抗紫外線的特性，因此適合於封裝此太陽能電池1。另外，利用一不透明基板33置放於底部，即可組成整個太陽能電池模組2。此不透明基板33可利用金屬基板、玻璃基板、塑膠基板或是其他種類的基板，或是透明基板與一不透明層的組合以形成此不透明基板33，以承載太陽能電池1。
最後，將覆板31、EVA材料32、太陽能電池1、以及不透明基板33層疊對準後，即可於真空環境中利用高溫高壓製程將EVA材料32熔融，以將整個太陽能電池1封裝起來，即完成太陽能電池模組2。封裝後之太陽能電池模組2即可具備抗機械應力、抗曝曬和抗濕氣等特性，使得太陽能電池模組2具有良好的可靠度以及穩定性，以利於室外環境的裝設與應用。
由於太陽能電池1的性能高低取決於光電效應的轉換效率，而影響轉換效率的因子包括：太陽光強度及角度、環境溫度、光入射側電極11與背面電極15之面電阻值、線高、線寬、歐姆接觸的電阻值、太陽能電池之半導體基板的品質、P型擴散層與N型擴散層的濃度、表面抗反射層12的抗反射率等等，其中任何一個因子都會嚴重地影響光電效應的轉換效率。本發明實施例即針對背面電極15之面電阻值以及其對太陽能電池1之基板的拉力以及翹曲影響程度提出一種新的配方組成之導電鋁膠。
將依照上述製造流程及配方組成所產出之導電鋁膠進行分組對照，分為對照例以及比較例1、比較例2，其配方與組成比例如表3所示。其中，對照例與比較例1、比較例2的差異點在於鋁粉末以及金屬奈米粒子之重量百分比例的不同：對照例為傳統配方之導電鋁膠，其中並未添加金屬奈米粒子；而比較例1則為添加1重量%金屬奈米粒子於導電鋁膠，並且其鋁粉末所占有之重量%則較對照例減少1重量%；比較例2則為添加2重量%金屬奈米粒子之導電鋁膠，並且其鋁粉末則較對照例減少2重量%。本發明欲以不同的金屬奈米粒子所佔之重量百分比例的不同，對照於對照例之傳統的導電鋁膠之組成重量百分比例，即可明顯比較出本發明實施例之添加金屬奈米粒子與傳統的導電鋁膠於各項數據上的差異。
對照例與比較例1、比較例2之相關的測試結果如表4所示。對照例之傳統配方的導電鋁膠所具有之光電效應轉換效率為16.4343%，而利用本發明實施例之比較例1則可提升至16.5142%、比較例2則可提升至16.4465%，因此，使用本發明之導電鋁膠，即可增加太陽能電池之光電轉換效率。而對照例之面電阻值為1.58至2.22m歐姆，比較例1之面電阻值為1.33至1.63m歐姆，比較例2之面電阻值則為1.15至1.52m歐姆，也可比較得出比較例1與比較例2較對照例之傳統配方的導電鋁膠具有更低的面電阻值，因此可使得電力傳導過程當中的損耗更進一步地降低。
由於單個太陽能電池1之電能輸出不高，因此通常都需要串聯或是並聯許多的太陽能電池1以形成一個太陽能電池模組2。而這些太陽能電池1係利用焊接的方式來連接，所以，導電鋁膠所形成背面電極15與太陽能電池1之基板的黏結強度就變得相當重要，若是背面電極15與太陽能電池1之基板的粘附性不好，則背面電極15就會產生電壓或是電流不穩定的狀況，嚴重的還可能發生電極剝離的狀況使得太陽能電池模組2斷路損壞。因此，如表4所示，根據本發明實施例之導電鋁膠於比較例1可承受至少大於3N/cm的拉力，與傳統配方之對照例相同，於比較例2則可承受大於5N/cm的拉力，明顯地優於傳統配方之對照例。因此，本實施例之增加2重量%金屬奈米粒子之導電鋁膠可具備更佳的黏結強度。
由於背面電極15形成於太陽能電池1之不照光側的表面。而導電鋁膠之膨脹係數與半導體基板的不同，常會造成於燒結製程後半導體基板的翹曲。若是導電鋁膠所形成之背面電極15造成整個太陽能電池1之翹曲，則於後續的模組封裝製程上，即會視太陽能電池1之翹曲程度產生不同程度的破片問題，影響製程的良率。由表4所示，不管是添加1重量%金屬奈米粒子之比較例1或是添加2重量%金屬奈米粒子之比較例2，其讓太陽能電池1翹曲的程度皆與對照例之傳統配方的導電鋁膠相近，因此可證實應用本實施例之導電鋁膠並不會造成太陽能電池1嚴重地翹曲，至少維持與傳統配方之導電鋁膠相同的翹曲規格，於後續模組封裝製程上不會造成良率上的影響。
表4所示為對照例與比較例1、比較例2之測試結果：
因此，粽上所述，本發明實施例之添加一定比例金屬奈米粒子之導電鋁膠可呈現優良的面電阻值，並且還能夠與半導體基板具有較高的黏結性，且不會使得半導體基板產生翹曲。除了能夠提升整個太陽能電池1之光電效應轉換效率外，更可以有效提升其太陽能電池模組2之封裝穩定度與良率。
惟，以上所述，僅為本發明的具體實施例之詳細說明及圖式而已，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案所界定之專利範圍。
1．．．太陽能電池
2．．．太陽能電池模組
11．．．光入射側電極
12．．．抗反射層
13．．．N型擴散層
14．．．P型擴散層
15．．．背面電極
31．．．覆板
32．．．EVA材料
33．．．不透光基板
S21-S25．．．導電鋁膠的製造流程
第一圖所示為根據本發明實施例之太陽能電池之結構剖面圖。
第二圖所示為根據本發明實施例之導電鋁膠之製作流程圖。
第三A圖與第三B圖所示為根據本發明實施例之太陽能電池之封裝模組示意圖。
S21-S25．．．導電鋁膠的製造流程
Claims (14)
- 一種導電鋁膠，其組成包括：一有機載體、65至85重量%之一鋁粉末以及0.1至6重量%之一玻璃熔塊；以及0.1至10重量%之一金屬奈米粒子，與該有機載體、該鋁粉末以及該玻璃熔塊混合以形成一呈糊狀物之該導電鋁膠；其中，該有機載體係包括15至25重量%之一有機溶劑、1至3重量%之一樹脂以及0.2至0.5重量%之一觸變助劑等組成；其中，該金屬奈米粒子包括金、銀、銅、鋅及鉛之任一種金屬或以上之混合物，且該金屬奈米粒子之D50粒徑範圍為10至300nm，該有機溶劑包含醇醚類有機溶劑，該樹脂包含乙基纖維素，該觸變助劑包含氫化篦麻油。
- 如申請專利範圍第1項所述之導電鋁膠，其中該玻璃熔塊為Pb系玻璃熔塊。
- 如申請專利範圍第1項所述之導電鋁膠，其中該金屬奈米粒子於該導電鋁膠中所佔比例為2重量%，以及該金屬奈米粒子之D50粒徑為30nm。
- 一種導電鋁膠的製造方法，包括：將15至25重量%之一有機溶劑、1至3重量%之一樹脂以及0.2至0.5重量%之一觸變助劑混合成一有機載體，其中該有機溶劑包含醇醚類有機溶劑，該樹脂包含乙基纖維素，該觸變助劑包含氫化篦麻油；以及將65至85重量%之一鋁粉末、0.1至10重量%之一金屬奈米粒子以及0.1至6重量%之一玻璃熔塊與該有機載體 混合以形成一呈糊狀物之該導電鋁膠，其中該金屬奈米粒子包括金、銀、銅、鋅及鉛之任一種金屬或以上之混合物，且該金屬奈米粒子之D50粒徑範圍為10至300nm。
- 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該玻璃熔塊為Pb系玻璃熔塊。
- 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該金屬奈米粒子於該導電鋁膠中所佔比例為2重量%，以及該金屬奈米粒子之D50粒徑為30nm。
- 一種太陽能電池模組，包括：一基板；一覆板，置放於該基板之上；以及一太陽能電池包覆於一乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料中，且置放於該基板與該覆板之間；其中，該太陽能電池具有一光入射側電極以及一背面電極，且該背面電極係利用一導電鋁膠所形成，且該導電鋁膠的組成包括：一有機載體、65至85重量%之一鋁粉末以及0.1至6重量%之一玻璃熔塊，該有機載體係包括15至25重量%之一有機溶劑、1至3重量%之一樹脂以及0.2至0.5重量%之一觸變助劑等組成，其中該有機溶劑包含醇醚類有機溶劑，該樹脂包含乙基纖維素，該觸變助劑包含氫化篦麻油；以及0.1至10重量%之一金屬奈米粒子，與該有機載體、該鋁粉末以及該玻璃熔塊混合以形成一呈糊狀物之該導電鋁膠，其中該金屬奈米粒子包括金、銀、銅、鋅 及鉛之任一種金屬或以上之混合物，且該金屬奈米粒子之D50粒徑範圍為10至300nm。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池模組，其中該玻璃熔塊為Pb系玻璃熔塊。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池模組，其中該金屬奈米粒子於該導電鋁膠中所佔比例為2重量%，以及該金屬奈米粒子之D50粒徑為30nm。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池模組，其中該基板係為一不透光基板，或是一透明基板與一不透光層的結合，且該基板為一金屬基板、一玻璃基板及一塑膠基板的其中之一，該覆板為一透明材料，且為一壓克力板、一金屬薄板、一玻璃、一強化玻璃及一塑膠薄板的其中之一。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池模組，其中該模組更包括於一真空環境下利用高溫高壓製程以將該乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料熔融，並將該太陽能電池封裝於該基板與該覆板之間，且該太陽能電池包覆於該乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料之中。
- 一種太陽能電池，包括：一半導體基板，其上具有一N型擴散層與一P型擴散層；一抗反射層以及一光入射側電極，形成於該N型擴散層表面；以及一背面電極，形成於該P型擴散層表面；其中，該背面電極係利用一導電鋁膠所形成，且該導電鋁膠的組成包括一有機載體、65至85重量%之一鋁粉末以及0.1至6重 量%之一玻璃熔塊，該有機載體係包括15至25重量%之一有機溶劑、1至3重量%之一樹脂以及0.2至0.5重量%之一觸變助劑等組成，其中該有機溶劑包含醇醚類有機溶劑，該樹脂包含乙基纖維素，該觸變助劑包含氫化篦麻油；以及0.1至10重量%之一金屬奈米粒子，與該有機載體、該鋁粉末以及該玻璃熔塊混合以形成一呈糊狀物之該導電鋁膠，其中該金屬奈米粒子包括金、銀、銅、鋅及鉛之任一種金屬或以上之混合物，且該金屬奈米粒子之D50粒徑範圍為10至300nm。
- 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該玻璃熔塊為Pb系玻璃熔塊。
- 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該金屬奈米粒子於該導電鋁膠中所佔比例為2重量%，以及該金屬奈米粒子之D50粒徑為30nm。
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