TWI595511B - 用於形成太陽電池電極的組成物及使用該組成物製造的電極 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種用於形成太陽電池電極的組成物及使用所述用於形成太陽電池電極的組成物製造的太陽電池電極。
太陽電池使用將日光的光子轉化成電的p-n接面的光電效應來產生電能。在太陽電池中，分別在具有p-n接面的半導體晶圓或基板的上部表面以及下部表面上形成前電極以及背電極。藉由進入半導體晶圓的日光來誘發p-n接面處的光伏效應，且自其產生的電子提供經由電極流動至外部的電流。太陽電池的電極可藉由塗覆、圖案化以及烘烤用於形成太陽電池電極的組成物而形成於晶圓的表面上。
印刷用於形成太陽電池電極的組成物於基板上的方法主要可分類為凹版轉印（gravure-offset printing）方法及網版印刷方法。在凹版轉印方法的狀況下，組成物的黏度、乾燥性質以及黏性具有極大影響；且在網版印刷方法的狀況下，組成物的流變性質或觸變性具有大影響。因此，當形成太陽電池電極時，使用用於形成可實施具有精細線寬的經印刷圖案且具有高長寬比的太陽電池電極的組成物為重要的。
韓國早期公開專利公開案第2011-0040713號揭露一種使用塑化劑控制用於形成太陽電池電極的組成物的調平性質及觸變性質以實現窄線寬及高長寬比的方法。韓國早期公開專利公開案第2010-0069950號揭露一種使用凹版轉印方法的技術，在所述技術中，具有高玻璃轉化溫度（Tg）的黏合劑用作第二電極以獲得高長寬比；且韓國早期公開專利公開案第2007-0055489號揭露一種藉由經由銀（Ag）粉末的直徑控制觸變性質來改良線寬及長寬比的技術。然而，存在對用於實施精細線寬及高長寬比的上述先前技術的限制。
本發明的目標為提供一種用於形成可實施精細線寬的太陽電池電極的組成物。
本發明的另一目標為提供一種用於形成具有極好轉化效率的太陽電池電極的組成物。
本發明的又一目標為提供一種包含用於形成太陽電池電極的組成物的太陽電池電極。
本發明的所有目標可藉由將在下文中描述的本發明達成。
本發明的態樣是關於一種用於形成太陽電池電極的組成物，所述組成物包含導電粉末、玻璃料以及有機媒劑，且具有由以下算式1表示的約60%至約90%的黏性。 [算式1]其中A表示當藉由施加外力使一對圓形板彼此脫離時所量測的剪應力的最小剪應力值，所述圓形板具有25 mm的直徑且藉由用於形成太陽電池電極的組成物的介質平行於彼此地層壓，且B表示在剪應力的相對於板之間的間隙的瞬時改變速率(d(剪應力)/d(間隙))為0.05的點處的剪應力值。
組成物可包含約50重量%至約90重量%的導電粉末；約1重量%至約15重量%的玻璃料；以及約5重量%至約40重量%的有機媒劑。
組成物可更包含具有約40 mN/m至約65 mN/m的表面張力的表面張力改質劑。
表面張力改質劑可包含由以下各者所構成的族群中選出的一種或多種化合物：乙二醇、二甘醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、碳酸伸丙酯、甲醯胺、甘油以及糠醛。
表面張力改質劑可以用於形成太陽電池電極的組成物的約0.1重量%至約40重量%的量而包含。
導電粉末可包含由以下各者所構成的族群中選出的一或多者：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）以及氧化銦錫（ITO）。
玻璃料可包含含鉛玻璃料、無鉛玻璃料或其混合物。
玻璃料可具有約0.1 μm至約5 μm的平均粒徑D50。
組成物可更包含由以下各者所構成的族群中選出的一者或多者：分散劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗起泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑以及偶合劑。
組成物可具有可在約65%至約90%的範圍內的由算式1表示的黏性。
本發明的另一態樣是關於一種使用用於形成太陽電池電極的組成物所製造的太陽電池電極。
下文將參考附圖對本發明的例示性實施例進行詳細描述。雖然結合本發明的例示性實施例展示並描述本發明，但對於所屬領域中具通常知識者將顯而易見的是，可在不脫離本發明的精神及範疇的情況下進行各種修改。 用於形成太陽電池電極的組成物
本發明的用於形成太陽電池電極的組成物可具有由以下算式1表示的約60%至90%更特定言之約65%至90%的黏性： [算式1]其中A表示當藉由施加外力使一對圓形板彼此脫離時所量測的剪應力的最小剪應力值，所述圓形板具有25 mm的直徑且藉由用於形成太陽電池電極的組成物的介質平行於彼此地層壓，且B表示在剪應力相對於板之間的間隙的瞬時改變速率(d(剪應力)/d(間隙))為0.05的點處的剪應力值。
圖1說明展示根據間隙在藉由施加外力使一對圓形板彼此脫離時所量測的剪應力的曲線圖，所述圓形板具有25 mm的直徑且藉由用於形成太陽電池電極的組成物的介質平行於彼此地層壓。
在圖1的曲線圖中，x軸表示當藉由所施加外力使圓形板彼此脫離時所述板之間的間隙。施加外力之前的間隙為施加於所述板之間的用於形成太陽電池電極的組成物的厚度。y軸表示根據間隙的剪應力值。用於量測黏性的板為具有25 mm的直徑及2 mm的厚度的不鏽鋼，且供應在所述板之間的用於形成太陽電池電極的組成物的含量為20 g。另外，在剪應力的量測期間，浸泡時間為10秒，持續時間為20秒，恆定線性速率為1.0 mm/s且最大間隙改變值為100 mm。
另外，在25℃的溫度及20%的濕度的條件下量測剪應力值。
在圖1的曲線圖中，a點為圓形板彼此脫離開始的點，且b點為剪應力相對於間隙的瞬時改變速率為0.05的點，其表示圓形板之間的分離實質上完成的時刻。在b點之後，幾乎不存在自所述板之間的組成物層伸展的任何拖尾，且幾乎無剪應力值的改變。
根據本發明，在算式1中，A表示圖1的曲線圖中的a點處的剪應力值，即在藉由施加外力使一對圓形板彼此脫離時所量測的最小剪應力值，所述圓形板已藉由本發明的用於形成太陽電池電極的組成物層壓，且B表示在圖1的曲線圖中的b點處的剪應力值，即在剪應力相對於所述板之間的間隙的瞬時改變速率(d(剪應力)/d(間隙))為0.05的點處的剪應力值。
當由算式1表示的黏性在約60%至90%的範圍內時，有可能印刷精細圖案且可獲得極佳轉化效率。當黏性小於約60%時，可能在印刷期間減小印刷遮罩上覆墨（flooding）的程度；且當黏性大於約90%時，圖案線可能因為可印刷性的降低而斷裂。
當將具有在前述範圍內的黏性的本發明的用於形成太陽電池電極的組成物印刷在基板上（尤其使用網版印刷方法）時，印刷圖案的線寬可在約65 μm至90 μm的範圍內，且線厚度可在約15 μm至25 μm的範圍內。另外，為印刷圖案的線厚度與線寬的比率的長寬比（線厚度/線寬）可為約0.15或大於0.15，較佳地在約0.15至0.50的範圍內；且更佳地為約0.20至0.40。當長寬比在此範圍內時，可獲得極佳可印刷性。
本發明的用於形成太陽電池電極的組成物包含導電粉末A、玻璃料B以及有機媒劑C。此外，組成物可進一步選擇性地包含表面張力改質劑D。組成物可在使用網版印刷方法印刷在晶圓基板上期間實施精細線寬，且使用所述組成物所製造的太陽電池電極具有極佳轉化效率。
在下文中，將詳細地描述形成用於形成太陽電池電極的組成物的各組分。（ A ） 導電粉末
具有導電性的有機材料或無機材料可被用作本發明中使用的導電粉末。較佳地，可使用銀（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）或氧化銦錫（ITO）。這些導電粉末可單獨使用或作為其中兩種或超過兩種的混合物使用。導電粉末較佳地包含銀（Ag）粒子，且可更包含除銀（Ag）粒子以外的鎳（Ni）、鈷（Co）、鐵（Fe）、鋅（Zn）或銅（Cu）粒子。
導電粉末可具有約0.1 μm至10 μm較佳地約0.2 μm至7 μm且更佳地約0.5 μm至5 μm的平均粒徑D50。
可以按所述組成物的總重量計約50重量%至90重量%的量且較佳地以約70重量%至90重量%的量包含導電粉末。在此範圍內，可防止歸因於電阻增大而造成的轉化速率的降低，可去除歸因於有機媒劑的量的相對降低而造成的形成漿料上的困難，且可獲得適合的分散性、流動性以及可印刷性。（ B ） 玻璃料
玻璃料起作用以藉由蝕刻抗反射層且熔融銀粉末而在發射極區中形成銀粉末的晶粒，以在電極漿料的烘烤製程期間降低電阻，改良導電粉末與晶圓之間的黏著性，且藉由在烘烤製程期間軟化而降低烘烤溫度。
當增加太陽電池的表面面積以改良太陽電池效率時，可增大太陽電池的接觸電阻，且因此需要使串聯電阻以及對p-n接面的影響降到最小。另外，由於用於烘烤的溫度範圍隨著使具有各種表面電阻的晶圓的使用增加而擴大，因此較佳的是使用可在廣泛範圍的烘烤溫度下確保充分熱穩定性的玻璃料。
通常使用在用於形成太陽電池電極的組成物的含鉛玻璃料或無鉛玻璃料中的一者或多者可被用作玻璃料。
玻璃料可包含由以下各者所構成的族群中選出的金屬氧化物中的一者或其混合物：氧化鉛、氧化矽、氧化碲、氧化鉍、氧化鋅、氧化硼、氧化鋁、氧化鎢等。舉例而言，可使用氧化鋅-氧化矽（ZnO-SiO2
）類、氧化鋅-氧化硼-氧化矽（ZnO-B2
O3
-SiO2
）類、氧化鋅-氧化硼-氧化矽-氧化鋁（ZnO-B2
O3
-SiO2
-Al2
O3
）類、氧化鉍-氧化矽（Bi2
O3
-SiO2
）類、氧化鉍-氧化硼-氧化矽（Bi2
O3
-B2
O3
-SiO2
）類、氧化鉍-氧化硼-氧化矽-氧化鋁（Bi2
O3
-B2
O3
-SiO2
-Al2
O3
）類、氧化鉍-氧化鋅-氧化硼-氧化矽（Bi2
O3
-ZnO-B2
O3
-SiO2
）類或氧化鉍-氧化鋅-氧化硼-氧化矽-氧化鋁（Bi2
O3
-ZnO-B2
O3
-SiO2
-Al2
O3
）類玻璃料或其類似物。
玻璃料可使用常見方法由前述金屬氧化物製備。舉例而言，混合前述金屬氧化物的組成物。混合使用球磨機或行星式磨機執行。混合組成物在約900℃至1300℃的條件下熔融，且在約25℃下淬滅。所得產物由盤磨機、行星式磨機或其類似物研磨，且藉此可獲得玻璃料。
玻璃料的形狀不特定受限，且例如可為球形或不規則形狀。
玻璃料可具有約0.1 μm至5 μm的平均粒徑D50。
作為玻璃料，可購買常用商業玻璃料以供使用，或例如可使用藉由以下操作而製備的玻璃料：選擇性地熔融二氧化矽（SiO2
）、氧化鋁（Al2
O3
）、氧化硼（B2
O3
）、氧化鉍（Bi2
O3
）、氧化鈉（Na2
O）、氧化鋅（ZnO）或其類似物以獲得所要組成物。
可以按所述組成物的總重量計約1重量%至15重量%的量、較佳地以約2重量%至10重量%的量包含玻璃料。在此範圍內，可獲得適合的分散性、流動性以及可印刷性。（ C ） 有機媒劑
有機媒劑藉由與組成物的無機組分機械混合而提供給用於形成太陽電池電極的組成物適合於印刷的黏度及流變性質。
常用於所述用於形成太陽電池電極的組成物的有機媒劑可被用作有機媒劑，且所述有機媒劑可包含常用黏合劑樹脂、溶劑等。
丙烯酸酯類樹脂、纖維素類樹脂或其類似物可被用作黏合劑樹脂，且乙基纖維素為常用樹脂。然而，亦可使用乙基羥乙基纖維素、硝化纖維素、乙基纖維素與酚系樹脂的混合物、醇酸樹脂、酚系樹脂、丙烯酸酯類樹脂、二甲苯類樹脂、聚丁烯類樹脂、聚酯類樹脂、尿素類樹脂、三聚氰胺類樹脂、乙酸乙烯酯類樹脂、木松香、聚甲基丙烯酸酯醇或其類似物。
溶劑的實例包含以下各者中的一者或者兩者或大於兩者的混合物：己烷、甲苯、乙基賽路蘇、環己酮、丁基賽路蘇、丁基卡必醇（二甘醇單丁醚）、二丁基卡必醇（二甘醇二丁醚）、丁基卡必醇乙酸酯（二甘醇單丁醚乙酸酯）、丙二醇單甲醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苄醇、γ丁內酯、乳酸乙酯等。
可以按所述用於形成太陽電池電極的組成物的總重量計約5重量%至40重量%的量包含有機媒劑。在此範圍內，可確保充分黏著強度及極佳可印刷性。（ D ） 表面張力改質劑
本發明的組成物可更包含表面張力改質劑。在本發明中，表面張力改質劑是指在20℃下具有約40 mN/m或大於40 mN/m（例如，約40 mN/m至65 mN/m）的表面張力的共溶劑。本發明中的表面張力可指根據ASTM D 1331標準在20℃下所量測的表面張力值。
作為實例，表面張力改質劑可包含乙二醇、二甘醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、碳酸伸丙酯、甲醯胺、甘油、糠醛等。這些可單獨使用或作為其中兩種或超過兩種的混合物使用。
可以按用於形成太陽電池電極的組成物的總重量計約0.1重量%至40重量%的量、較佳地以約0.1重量%至25重量%的量包含表面張力改質劑。在此範圍內，可獲得適合的流動性及可印刷性。（ E ） 其他添加劑
本發明的用於形成太陽電池電極的組成物可視需要更包含除上文所描述的組分以外的通用添加劑以改良流動性、可加工性以及穩定性。分散劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗起泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑、偶合劑以及其類似物中的一者或者兩者或大於兩者的混合物可被用作添加劑。可以按用於形成太陽電池電極的組成物的總重量計約0.1重量%至5重量%的量包含這些添加劑，但可視需要修改所述添加劑的含量。 太陽電池電極及包含其的太陽電池
本發明的另一態樣是關於一種由用於形成太陽電池電極的組成物形成的電極及一種包含所述電極的太陽電池。圖2說明根據本發明的實例的太陽電池的結構。
參看圖2，可藉由將用於電極的組成物印刷在包含p層（或n層）101及n層（或p層）102（作為發射極）的晶圓100或基板上且烘烤所述組成物而形成背電極210及前電極230。舉例而言，可藉由將用於電極的組成物印刷塗佈在晶圓的後部表面上，且在約200℃至400℃下乾燥組成物約10秒至60秒，以執行背電極的初步處理。另外，可藉由在晶圓的前部表面上印刷用於電極的組成物並乾燥所述組成物來執行前電極的初步處理。此後，可藉由在約400℃至950℃（較佳地約750℃至950℃）下執行烘烤製程30秒至50秒而形成前電極及背電極。
將結合實例詳細地描述本發明，但應理解，僅僅出於說明而提供這些實例，且這些實例不應解釋為以任何方式限制本發明。實例 1
在作為溶劑的6.2重量%的丁基卡必醇（陶氏化學公司）中在60℃下充分混合作為有機黏合劑的1.5重量%的乙基纖維素（STD4及SDT200，陶氏化學（The Dow Chemical）公司），以製備有機媒劑；將具有2.0 μm平均粒徑的85重量%的球形銀粉末（AG-4-8，同和高科技（Dowa Hightech）有限公司）、具有1.0 μm平均粒徑的3重量%的玻璃料（CI-124，貝斯（BASS）有限公司）、作為表面張力改質劑的0.3重量%的四乙二醇（西格瑪奧德里奇（Sigma-Aldrich）公司）以及0.6重量%的甲醯胺（西格瑪奧德里奇公司）、0.2重量%的分散劑（BYK102，畢克化學（BYK-Chemie）有限公司）、0.3重量%的觸變劑（Thixatrol ST，海名斯（Elementis）有限公司）及為塑化劑的2.9重量%的二甲基己二酸酯（西格瑪奧德里奇公司）作為添加劑放入有機媒劑中，且充分地混合，隨後在3輥捏合機中混合及捏合，藉此製備用於形成太陽電池電極的組成物。實例 2 至實例 6 以及 比較實例 1
以與實例1中相同的方式製備用於太陽電池電極的組成物，除如表1中所包含各組分外。 用於量測物理性質的方法 （ 1 ） 黏性的量測
在25℃的溫度及20%的濕度的條件下，藉由根據實例1至實例6及比較實例1所製備的用於形成太陽電池電極的20 g組成物的介質層壓一對圓形板（具有25 mm直徑及2 mm厚度的不鏽鋼），當藉由所施加外力使所述圓形板彼此脫離時量測剪應力值，且藉由將剪應力值代入以下算式1中來量測黏性。結果展示於表1中。 [算式1]其中A表示最小剪應力值，且B表示在剪應力相對於所述板之間的間隙的瞬時改變速率(d(剪應力)/d(間隙))為0.05的點處的剪應力值。（ 2 ） 短路電流及轉化效率的量測
將實例1至實例6及比較實例1中所製備的用於形成太陽電池電極的組成物藉由網版印刷方法印刷在單晶晶圓的前部表面上，且使用紅外線乾燥烘箱乾燥。將由所述製程所製備的電池在600℃至900℃下使用帶式烘烤烘箱烘烤60秒至210秒以製備電池。對於所製備的電池，使用太陽電池效率測試儀（CT-801，巴薩安（Pasan）有限公司）量測太陽電池的短路電流（Isc）以及轉化效率（%），且結果展示於表1中。（ 3 ） 線寬及厚度的量測
將實例1至實例6及比較實例1中所製備的用於形成太陽電池電極的組成物使用經設計以具有約30 μm至50 μm線寬的網版遮罩以均一圖案網版印刷在晶圓的前部表面上。使用VK設備（VK9710，基恩斯（KEYENCE）有限公司）量測所製備的電極（指形桿）在乾燥及烘烤所印刷的晶圓之後的線寬及厚度，且結果展示於以下表1中。 [表1]
[單位：重量%]
參看表1中的結果，可判定，藉由算式1所計算的黏性在約60%至90%的範圍內的實例1至實例6的用於太陽電池電極的組成物具有極佳可印刷性以用於形成精細圖案，且使用所述組成物所製造的太陽電池電極具有優良轉化效率。
本發明的用於形成太陽電池電極的組成物可實施具有精細線寬的印刷圖案，且具有極佳轉化效率。
可由所屬領域中具通常知識者容易地執行對本發明的簡單修改及更改，且所有修改及更改均在本發明的範疇內。
100‧‧‧晶圓
101‧‧‧p層（或n層）
102‧‧‧n層（或p層）
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
101‧‧‧p層（或n層）
102‧‧‧n層（或p層）
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
對於一般所屬領域中具通常知識者而言，藉由參考附圖詳細描述例示性實施例，本發明的上述及其他目標、特徵以及優點將變得更加顯而易見，其中： 圖1為展示根據間隙在藉由施加外力使一對圓形板彼此脫離時所量測的剪應力值的曲線圖，所述圓形板具有25 mm的直徑且藉由用於形成太陽電池電極的組成物的介質平行於彼此地層壓。 圖2為根據本發明的實例的示意性地說明太陽電池的結構的概念圖。
100‧‧‧晶圓
101‧‧‧p層(或n層)
102‧‧‧n層(或p層)
210‧‧‧背電極
230‧‧‧前電極
Claims (8)
- 一種用於形成太陽電池電極的組成物，其包括50重量%至90重量%的導電粉末、1重量%至15重量%的玻璃料、0.1重量%至約40重量%的表面張力改質劑以及5重量%至40重量%的有機媒劑，其中所述表面張力改質劑具有40mN/m至65mN/m的表面張力，且所述用於形成太陽電池電極的組成物具有由以下算式1表示的60%至90%的黏性：
- 如申請專利範圍第1項所述的用於形成太陽電池電極的組成物，其中所述表面張力改質劑包含由以下各者所構成的族群中選出的一種或多種化合物：乙二醇、二甘醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、碳酸伸丙酯、甲醯胺、甘油以及糠醛。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於形成太陽電池電極的組成物，其中所述導電粉末包含由以下各者所構成的族群中選出的一者或多者：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)以及氧化銦錫(ITO)。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於形成太陽電池電極的組成物，其中所述玻璃料包含含鉛玻璃料、無鉛玻璃料或其混合物。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於形成太陽電池電極的組成物，其中所述玻璃料具有0.1μm至5μm的平均粒徑D50。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於形成太陽電池電極的組成物，更包括由以下各者所構成的族群中選出的一者或多者：分散劑、塑化劑、黏度穩定劑、抗起泡劑、顏料、UV穩定劑、抗氧化劑以及偶合劑。
- 如申請專利範圍第1項所述的用於形成太陽電池電極的組成物，其中由算式1表示的所述黏性在65%至90%的範圍內。
- 一種使用如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的用於形成太陽電池電極的組成物所製造的太陽電池電極。
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