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TWI506650B - 銀漿及其用於製造光伏元件之用途 - Google Patents

銀漿及其用於製造光伏元件之用途 Download PDF

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TWI506650B
TWI506650B TW102100821A TW102100821A TWI506650B TW I506650 B TWI506650 B TW I506650B TW 102100821 A TW102100821 A TW 102100821A TW 102100821 A TW102100821 A TW 102100821A TW I506650 B TWI506650 B TW I506650B
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Wei Ting Chen
Tein I Chang
Kun Chang Hsu
Cheng Ling Shih
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Darfon Materials Corp
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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

銀漿及其用於製造光伏元件之用途
本發明關於一種銀漿(silver paste)及其用於製造光伏元件(photovoltaic device)之用途，並且特別地，關於用於製造光伏元件之正面電極時，可促進形成利於穿隧導電性(tunneling conductivity)的微結構之銀漿。
光伏元件(photovoltaic device)因為其將發自光源(例如，太陽光)中容易取得的能量轉換成電力，以操控例如，計算機、電腦、加熱器…，等電子裝置，所以光伏元件已被廣泛地使用。最常見的光伏元件即為矽基太陽能電池。
矽基太陽能電池係指利用取自單晶矽晶棒或多晶矽鑄錠之結晶矽基材所製作的太陽能電池。在矽基太陽能電池上形成電極的先前技術，先在矽基太陽能電池的正表面及背表面上利用網版印刷等製程塗佈金屬漿料後，需要執行兩次燒結程序，才能形成具有良好的歐姆接觸之金屬電極。典型的矽基太陽能電池，其正表面塗佈導電銀漿，其背表面塗佈導電鋁漿以及導電銀漿(或導電銀鋁漿)。
已有共燒技術(co-firing)運用在矽基太陽能電池的電極之行程，共燒技術則只需執行一次燒結程序，即同時形成具有良好的歐姆接觸的正面電極以及供焊接用的匯流排電極(bus bar)、鋁形成的背面電極以及供焊接用的背面匯流排電極。正面電極包含線寬較細的網柵電極以及線寬較粗且供焊接用的正面匯流排電極。鋁局部擴散至矽基太陽能電池的 背表面裡，形成了背表面電場(back surface filed,BSF)。背表面電場反射少數載子並增加多數載子的收集再傳輸至銀或銀鋁形成的背面電極，進而提升矽基太陽能電池的整體效能。
請參閱圖1，為現有矽基太陽能電池1的局部截面視圖。圖1僅繪示矽晶圓10以及利用銀漿塗佈在矽晶圓10的正表面102上且燒結而成的正面電極12。在燒結製程後，一層介面玻璃層14會形成在矽晶圓10與正面電極12之間。顯見地，介面玻璃層14降低了載子傳輸至正面電極12的導電性。現有矽基太陽能電池1利用改變銀漿的成分，讓銀漿燒結成的正面電極12包含團塊電極122(或稱燒結的銀電極)、成長在介面玻璃層14與矽晶圓10之間介面處的銀微結晶(Ag crystallite)126及/或成長在介面玻璃層14內的奈米銀微粒(nano-Ag colloid)124。藉由銀微結晶126及/或奈米銀微粒124，可以提升正面電極12與矽晶圓10間的穿隧導電性。
然而，目前尚未見到有效地促進形成利於穿隧導電性的微結構之銀漿被提出。
因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種銀漿及其用於製造光伏元件之用途，並且本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，可以促進利於穿隧導電性的微結構形成。
本發明之一較佳具體實施例之一種銀漿，包含有機載體(organic vehicle)、玻璃粉末(glass frit)以及含銀材料粉末(material particle containing silver)。含銀材料粉末可以是銀粉末、有機金屬銀化合物粉末或氧化銀粉末。特別地，本發明之銀漿還包含重量百分比為約0.01~0.6之一銀微結晶析出促進劑。藉此，讓本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，在介面玻璃層與矽晶圓之間介面處有不少銀微結晶析 出，在介面玻璃層內也有不少奈米銀微粒析出，以提升利用本發明之銀漿所製造的光伏元件的整體效能。
於一具體實施例中，銀微結晶析出促進劑可以是Te或Bi2 Te3 。
於一具體實施例中，有機載體佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~10，玻璃粉末佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~5，銀微結晶析出促進劑佔本發明之銀漿的重量百分比為約0.01~0.6，以及含銀材料粉末佔本發明之銀漿的重量百分比的其餘部分。
於一具體實施例中，玻璃粉末可以是PbO-SiO玻璃粉末、PbO-B2 O3 玻璃粉末或PbO-SiO2 -B2 O3 玻璃粉末。
於一具體實施例中，有機載體包含約10 wt.%的固態纖維素聚合物(solid cellulose polymer)、約0~20 wt.%的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯以及佔有機載體之重量百分比的其餘部分的松油醇(Terpineol)。
本發明之一較佳具體實施例之一種製造光伏元件之方法首先係先製備半導體結構組合。半導體結構組合包含至少一p-n接面，並且具有正表面。接著，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾本發明揭示的銀漿於正表面上，以形成多條平行的第一導電條於正表面上。接著，本發明之方法係選擇性塗佈並烘乾金屬漿於正表面上，以形成至少一條與多條第一導電條垂直的第二導電條於正表面上。最後，本發明之方法係燒結多條第一導電條以及至少一條第二導電條，以形成正面電極於正表面上。
於一具體實施例中，於正面電極與正表面之間係形成介面玻璃層。正面電極包含形成在介面玻璃層上之團塊電極、在介面玻璃層與正表面之間之多個銀微結晶以及在介面玻璃層內之多個奈米銀微粒。
於一具體實施例中，半導體結構組合並且包含抗反射層。反射層提供半導體結構組合的正表面。
於一具體實施例中，半導體結構組合還包含鈍化層。鈍化層提供半導體結構組合的正表面。
於一具體實施例中，金屬漿係本發明揭示的銀漿。
與先前技術相較，根據本發明之銀漿料用於製造光伏元件之正面電極時，在介面玻璃層與矽晶圓之間介面處有不少銀微結晶析出，在介面玻璃層內也有不少奈米銀微粒析出，讓利用本發明之銀漿所製造的光伏元件的整體效能有明顯地提升。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧光伏元件
10‧‧‧矽晶圓
102‧‧‧正表面
12‧‧‧正面電極
122‧‧‧團塊電極
124‧‧‧奈米銀微粒
126‧‧‧銀微結晶
14‧‧‧介面玻璃層
2‧‧‧光伏元件
20‧‧‧半導體結構組合
201‧‧‧結晶矽基材
202‧‧‧正表面
204‧‧‧背表面
206‧‧‧p-n接面
208‧‧‧鈍化層
22‧‧‧正面電極
222‧‧‧網柵電極
221‧‧‧第一導電條
224‧‧‧正面匯流排電極
223‧‧‧第二導電條
226‧‧‧團塊電極
227‧‧‧奈米銀微粒
228‧‧‧銀微結晶
229‧‧‧介面玻璃層
24‧‧‧背面電極
242‧‧‧導電層
26a、26b‧‧‧背面匯流排電極
262、264‧‧‧第三導電條
28‧‧‧抗反射層
圖1係現有矽基太陽能電池的局部截面視圖。
圖2係根據本發明之方法所製造之光伏元件的頂視圖。
圖3係根據本發明之方法所製造之光伏元件的底視圖。
圖4A至圖4D係示意地繪示根據本發明之一較佳具體實施例之製造如圖2沿A-A線的剖面視圖所示之光伏元件的方法。
圖4E係圖4D中正面電極與鈍化層之介面處的局部放大圖。
圖5係對照組、電池A、電池B之正面電極未經燒結的SEM照片。
圖6係對照組、電池A、電池B之正面電極經630℃燒結後的SEM照片。
圖7係對照組、電池A、電池B之正面電極經810℃燒結後的SEM照片。
本發明之一較佳具體實施例之一種銀漿，包含有機載體、玻璃粉末以及含銀材料粉末。含銀材料粉末可以是銀粉末、有機金屬銀化合物粉末或氧化銀粉末。特別地，本發明之銀漿還包含重量百分比為約0.01~0.6之一銀微結晶析出促進劑。藉此，讓本發明之銀漿用於製造光伏元件之正面電極時，在介面玻璃層與矽晶圓之間介面處有不少銀微結晶析出，在介面玻璃層內也有不少奈米銀微粒析出，以提升利用本發明之銀漿所製造的光伏元件的整體效能。
於一具體實施例中，銀微結晶析出促進劑可以是Te或Bi2 Te3 。
於一具體實施例中，有機載體佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~10，玻璃粉末佔本發明之銀漿的重量百分比為約1~5，銀微結晶析出促進劑佔本發明之銀漿的重量百分比為約0.01~0.6，以及含銀材料粉末佔本發明之銀漿的重量百分比的其餘部分。
於一具體實施例中，玻璃粉末可以是PbO-SiO玻璃粉末、PbO-B2 O3 玻璃粉末或PbO-SiO2 -B2 O3 玻璃粉末。
於一具體實施例中，有機載體包含約10 wt.%的固態纖維素聚合物、約0~20 wt.%的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯以及佔有機載體之重量百分比的其餘部分的松油醇。
請參閱圖2、圖3及圖4A至圖4D，圖2係根據 本發明之方法所製造光伏元件2(例如，矽基太陽能電池)的頂視圖。圖3係根據本發明之方法所製造光伏元件2的底視圖。圖4A至圖4D係以截面視圖繪示本發明之方法之一較佳具體實施例來製造如圖2沿A-A線的剖面視圖所示之光伏元件2。
如圖2及圖3所示，根據本發明之方法所製造光伏元件2包含半導體結構組合20、正面電極22、背面電極24以及至少一背面匯流排電極(26a、26b)。半導體結構組合20具有正表面202以及背表面204。
正面電極22係形成在半導體結構組合20之正表面202上。如圖2所示，正面電極22包含線寬較細的網柵電極(grid)222以及線寬較粗的至少一正面匯流排電極224。至少一正面匯流排電極224係沿圖2中Y方向排列，並且供光伏元件2串聯時焊接之用。一般光伏元件2(例如，矽基太陽能電池)會有兩條或三條正面匯流排電極224。
至少一背面匯流排電極(26a、26b)係形成在半導體結構組合20之該背表面204上，並且供光伏元件1串聯時焊接之用。於如圖3所示的案例中，兩條平行的背面匯流排電極(26a、26b)成對稱排列，且沿圖3中Y方向排列。
背電極24係形成在半導體結構組合20之背表面204上，並且覆蓋背表面204上形成至少一背面匯流排電極(26a、26b)以外的區域。
如圖4A所示，本發明之方法，首先，係製備半導體結構組合20。半導體結構組合20包含至少一p-n接面206並且具有正表面202以及背表面204。根據本發明之方法所製造的光伏元件2在使用過程，正表面202朝上，將面向太陽。為降低入射太陽光的反射率，如圖4A所示，正表面202經粗紋化處理成粗糙表面為佳。
接著，如圖4B所示，本發明之方法係選擇性塗 佈並烘乾本發明揭示的銀漿於半導體結構組合20的正表面202上，以形成多條平行的第一導電條221於正表面202上。接著，本發明之方法再次選擇性塗佈並烘乾第一金屬漿於正表面202上，以形成至少一條與多條第一導電條221垂直的第二導電條223。
同樣示於圖4B，本發明之方法係在半導體結構組合20之背表面204上，塗佈並烘乾第二金屬漿，以形成導電層242。
於一具體實施例中，第二金屬漿可以是由鋁、銀、銅、金、鉑、鈀、鋁合金、銀合金、銅合金、金合金、鉑合金、鈀合金或其混合物形成之粉末混合成的導電漿，或其他商用導電金屬漿料。實務上，第二金屬漿係由鋁粉末混合成的導電漿料為佳。
同樣示於圖4B，本發明之方法係在半導體結構組合20之背表面204上，選擇性塗佈並烘乾第三金屬漿，以形成至少一條平行的第三導電條(262、264)於背表面204上。
於一具體實施例中，第三金屬漿可以由鋁、銀、銅、金、鉑、鈀、鋁合金、銀合金、銅合金、金合金、鉑合金、鈀合金或其混合物形成之粉末混合成的導電漿，或其他商用導電金屬漿料。實務上，第三金屬漿係由銀粉末與鋁粉末混合成的導電漿為佳。
最後，如圖4C所示，本發明之方法係燒結多條第一導電條221以及至少一條第二導電條223，以形成正面電極22於正表面202上。也就是說，正面電極22是由第一導電條221燒結成的網柵電極222以及由第二導電條223燒結成的正面匯流排電極224所構成。本發明之方法並且燒結導電層242，即燒結成背面電極24，並且燒結至少一條第三導電條(262、264)，即燒結成至少一背面匯流排電極(26a、26b)。正 面電極22與背面電極24、至少一背面匯流排電極(26a、26b)可以藉由不同的燒結製程分別形成，也可以藉由共燒製程一次形成。
於一具體實施例中，半導體結構組合20包含p型態結晶矽基材201，並且在p型態結晶矽基材201的表面植佈n型態摻雜以形成n型態區域。如圖4A所示，本發明之方法形成鈍化層208覆蓋該n型態區域，鈍化層208提供正表面202。如圖4D所示，本發明之方法進一步形成抗反射層28，抗反射層28覆蓋鈍化層208。於另一具體實施例中，反射層28提供正表面202。
於另一具體實施例中，半導體結構組合20包含n型態結晶矽基材201，並且在n型態結晶矽基材201的表面植佈p型態摻雜以形成p型態區域。如圖4A所示，本發明之方法形成鈍化層208覆蓋該p型態區域，鈍化層208提供正表面202。如圖4D所示，本發明之方法進一步形成抗反射層28，抗反射層28覆蓋鈍化層208。於另一具體實施例中，抗反射層28提供正表面202。
於另一具體實施例中，半導體結構組合20即為如美國專利公告號第5,935,344號所揭示的矽異質接面太陽能電池(silicon heterojunction solar cell)其結構。矽異質接面太陽能電池的結構請參考美國專利公告號第5,935,344號，在此不再贅述。
請參閱圖4D及圖4E，係以截面視圖繪示本發明之一較佳具體實施例的光伏元件2。圖4E為圖4D中正面電極22與鈍化層208之介面處的局部放大圖。如圖4E所示，本發明揭示的導電漿料塗佈在正表面202上且經燒結後，於正面電極22與鈍化層208之正表面202之間係形成介面玻璃層229。正面電極22包含形成在介面玻璃層229上之團塊電 極226、在介面玻璃層229與正表面202之間之多個銀微結晶228以及在介面玻璃層229內之多個奈米銀微粒227。
請參閱表1，為兩種根據本發明揭示的銀漿(銀微結晶析出促進劑不同)以及不含銀微結晶析出促進劑的銀漿的成份列表。這些銀漿用於製造矽基太陽能電池(對照組、電池A、電池B)的正面電極且在810℃、840℃下燒結成正面電極。電池A所採用的銀漿包含0.5wt.% Te做為銀微結晶析出促進劑。電池B所採用的銀漿包含0.5wt.% Bi2 Te3 做為銀微結晶析出促進劑。製成的該等太陽能電池測得的光電轉換效率(η)以及綜合性評估指標-填充因子(fill factor,FF)也列於表1。該等太陽能電池的背面電極是使用市售的鋁漿塗佈、燒結製成，其背面匯流排電極是使用市售的銀漿塗佈、燒結製成。
對照組、電池A、電池B塗佈製成正面電極的銀漿在未燒結、經630℃燒結後、經810℃燒結後，其正面電極利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察，觀察結果的照片，請見圖 5、圖6及圖7。於圖5中，(a)為對照組，(b)為電池A，(c)為電池B。於圖6中，(a)為對照組，(b)為電池A，(c)為電池B。於圖7中，(a)為對照組，(b)為電池A，(c)為電池B。
圖5、圖6及圖7所示照片證實，添加Te與Bi2 Te3 此類銀微結晶析出促進劑會與銀反應，溶解銀並向半導體結構組合的正表面擴散流動，經燒結、降溫後會析出銀微結晶以及奈米銀微粒。
從表1的測試數據與圖5、圖6及圖7所示照片，可以清楚看出本發明之銀漿用於電池A、電池B的正面電極，會析出銀微結晶以及奈米銀微粒，可以提升正面電極與矽晶圓間的穿隧導電性，這也反映在光電轉換效率及填充因子的增加。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
202‧‧‧正表面
208‧‧‧鈍化層
22‧‧‧正面電極
226‧‧‧團塊電極
227‧‧‧奈米銀微粒
228‧‧‧銀微結晶
229‧‧‧介面玻璃層

Claims (10)

  1. 一種銀漿，包含一有機載體、一玻璃粉末以及一含銀材料粉末，該含銀材料粉末係一銀粉末、一有機金屬銀化合物粉末或一氧化銀粉末，其特徵為該銀漿還包含重量百分比為約0.01~0.6之一銀微結晶析出促進劑。
  2. 如請求項1所述之銀漿，其中該銀微結晶析出促進劑係Te或Bi2 Te3 。
  3. 如請求項2所述之銀漿，其中該有機載體佔該銀漿之重量百分比為約1~10，該玻璃粉末佔該銀漿之重量百分比為約1~5，該銀微結晶析出促進劑佔該銀漿之重量百分比為約0.01~0.6，以及該含銀材料粉末佔該銀漿之重量百分比的其餘部分。
  4. 如請求項3所述之銀漿，其中該玻璃粉末為PbO-SiO玻璃粉末、PbO-B2 O3 玻璃粉末或PbO-SiO2 -B2 O3 玻璃粉末。
  5. 如請求項3所述之銀漿，其中該有機載體包含約10 wt.%的固態纖維素聚合物、約0~20 wt.%的2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯以及佔該有機載體之重量百分比的其餘部分的松油醇。
  6. 一種製造一光伏元件之方法，包含下列步驟：製備一半導體結構組合，該半導體結構組合包含至少一p-n接面且具有一正表面；選擇性塗佈並烘乾如請求項1至5中任一項所述之銀漿於該正表面上，以形成多條平行的第一導電條於該正表面上； 選擇性塗佈並烘乾一金屬漿於該正表面上，以形成至少一條與該多條第一導電條垂直的第二導電條於該正表面上；以及燒結該多條第一導電條以及該至少一條第二導電條，以形成一正面電極於該正表面上。
  7. 如請求項6所述之方法，其中於該正面電極與該正表面之間係形成一介面玻璃層，該正面電極包含形成在該介面玻璃層上之一團塊電極、在該介面玻璃層與該正表面之間之多個銀微結晶以及在該介面玻璃層內之多個奈米銀微粒。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該半導體結構組合還包含一抗反射層，該反射層提供該正表面。
  9. 如請求項7所述之方法，其中半導體結構組合還包含一鈍化層，該鈍化層提供該正表面。
  10. 如請求項7所述之方法，其中該金屬漿係如請求項1至5中任一項所述之銀漿。
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