專利名稱：低彎曲型高效硅太陽能電池的鋁糊料組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在娃太陽能電池的背表面中形成背面電場(back surfacefield)的鋁糊料組合物，所述鋁糊料組合物包含無鉛玻璃組合物和氧化物添加劑。
背景技術(shù)：
硅太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，其中P型和N型半導(dǎo)體進行接觸，并且其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與p-n結(jié)二極管相同。為了減少反射損失，通過PECVD (等離子體增強型化學(xué)氣相沉積)來將SiNx沉積在硅(Si)晶片表面上以形成抗反射涂層(ARC)。所述晶片的前部通過以柵格圖案絲網(wǎng)印刷銀糊料制成，所述晶片的背部由印刷的鋁糊料制成。為了使各個電池連接成太陽能電池模塊，印刷銀或銀-鋁并將其燒結(jié)成帶狀材料，隨后連接所述帶狀材料以形成模塊。
在涂覆有鋁糊料的背部中形成了鋁背面電場。鋁是元素周期表中的第III族元素，并且在注入硅中時充當(dāng)P型雜質(zhì)。太陽能電池晶片的背電極附近的區(qū)域(該區(qū)域中添加劑濃度較高)中內(nèi)電場的形成防止了鄰近背表面處產(chǎn)生的電子復(fù)合進入鋁背電極中并消失。在進行高溫帶式熱處理時，使鋁金屬與硅接觸，并且使P++區(qū)域形成至鋁已滲透的深度。因內(nèi)部形成的電勢差而產(chǎn)生了壁障，該壁障防止由P型側(cè)所產(chǎn)生的光電子移向鋁引起的復(fù)合損失，并改善了開路電壓(Voc)和填充因子(FF)。用于制造電池的費用的約50%是由晶片成本產(chǎn)生的。目前，正在進行將晶片厚度從目前的180μπι 200μπι厚度降低至約150 μ m的開發(fā)。然而，由于在采用薄晶片時鋁和硅之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異導(dǎo)致彎曲增大，因此有必要在減少晶片厚度的同時改進鋁糊料組合物。也就是說，有必要改善用于形成鋁背面電場的鋁糊料的彎曲性質(zhì)和電性能。本領(lǐng)域中通常報導(dǎo)，基于IOOmW的生產(chǎn)能力，電池效率提高O. I %將使每年的成本降低15億韓
J Li ο在太陽能電池電極用糊料組合物中曾廣泛使用PbO類玻璃，但出于環(huán)境方面的考慮，近來轉(zhuǎn)而正在使用無Pb和無Cd的糊料?？梢源嫱扛睵bO的多種優(yōu)勢的一種材料是Bi2O3類玻璃。已知Bi2O3類玻璃通過與硅基片相互作用而提供了改善接觸電阻的效果。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了解決上述問題而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的在于使因在制造和操作太陽能電池時出現(xiàn)的彎曲所引起的電池毀壞而導(dǎo)致的制造缺陷最小化，從而改進所制造的太陽能電池的電性能。也就是說，本發(fā)明的目的是提供替代性的背電極用材料，以制造低彎曲型高效太陽能電池。
技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了用于太陽能電池背電極的鋁糊料組合物，所述組合物由糊料混合物組成，所述糊料混合物含有a.約60重量％ 80重量％的鋁；b. O. I重量％ 2重量％的無鉛玻璃添加劑；c. O. I重量％ 2重量％的氧化物添加劑；和d.余量的包含樹脂和溶劑的有機載體。此外，本發(fā)明提供了用于太陽能電池背電極的鋁糊料組合物，其中，相對于玻璃組合物的總重量，玻璃組分b包含50重量％ 70重量％的Bi2O3UO重量％ 20重量％的B2O3>5重量％ 20重量％的ZnO、I重量％ 15重量％的Al2O3和I重量％ 5重量％的Na2CO30 另外，本發(fā)明提供了用于太陽能電池背電極的鋁糊料組合物，其特征在于，所述氧化物添加劑包含選自由Al、Si、Zn、Zr、Mg和Ti組成的組中的金屬及其金屬氧化物。此外，本發(fā)明提供了用于太陽能電池背電極的鋁糊料組合物，其中，所述氧化物添加劑以O(shè). I重量％ 2重量％的含量包含Al203、Si02、Zn0、Zr02、Mg0和TiO2中的至少一種。技術(shù)效果為了解決太陽能電池在燒結(jié)后由鋁電極的熱膨脹系數(shù)(CTE) (232X IO-V0C )和硅晶片的熱膨脹系數(shù)(26X10_7/°C )之間的較大差異引起的彎曲問題，本發(fā)明提供如下糊料組合物其中，添加玻璃組合物和陶瓷添加劑來調(diào)整經(jīng)燒結(jié)的鋁電極的熱膨脹系數(shù)，從而使該組合物獲得較低的彎曲性質(zhì)并同時提供較高的光電轉(zhuǎn)化效率。
具體實施例方式通常，糊料可以主要劃分為功能相，其用于形成導(dǎo)電膜從而向該導(dǎo)電膜提供電性質(zhì)并影響最終導(dǎo)電膜的機械性質(zhì)；粘合劑，其用于在所述導(dǎo)電膜和該膜所涂覆的基片之間提供粘附力；和載體，其用于向該糊料提供可加工性。在燒結(jié)型糊料中使用無機粘合劑。糊料中所用的原料可以主要分為用于提供導(dǎo)電性的金屬粉末，用于提供可加工性和導(dǎo)電膜性質(zhì)的載體，和用于改進糊料以具有所需性質(zhì)的添加劑。所述載體可以進一步分為聚合物樹脂和有機溶劑。本發(fā)明的糊料包含鋁、玻璃組合物、氧化物添加劑和有機載體。下文將更詳細地說明各組分。A.導(dǎo)電性鋁粉末導(dǎo)電材料的顆粒形狀可以是球形、無定形或扁平狀，或者是這些形狀的組合。然而，優(yōu)選使用兩種或三種類型的尺寸不同的球形顆粒的混合物，以獲得組合物的均勻性。此外，用作導(dǎo)電材料的鋁粉末的混合比可以優(yōu)選為由激光粒徑分析儀確定的下述值=D5tl為I μ m 3 μ m的顆粒占10重量％ 20重量D5tl為5μηι 9μηι的顆粒占50重量％ 60重量％。如果D5tl為5μπι 9μπι的顆粒占80重量％以上，則基片的彎曲會在燒結(jié)太陽能電池后變得更為明顯。B.糊料玻璃組合物本發(fā)明的糊料包含O. I重量％ 10重量％、優(yōu)選O. I重量％ 2重量％的玻璃組分。相應(yīng)的玻璃組分包含Bi2O3-ZnO-B2O3類氧化物玻璃料，該玻璃料含有Bi203、ZnO、B203、Al2O3和Na2C03。通常，使用尺寸為約O. 5μπι 10 μ m的玻璃組合物，但適當(dāng)?shù)氖荌 μ m 3μπι的粒徑。
對于太陽能電池電極用玻璃組合物，可以使用基于V205-B203、P205、B203-Zn0-Ba0和Bi2O3的玻璃組合物。通過使用上述玻璃組合物制造的玻璃粉末的電極性質(zhì)如下。在P2O5類玻璃的情況中，其高吸濕性會在制備玻璃粉末時的原料混合和熔化過程中以及在儲存過程中產(chǎn)生問題，這是因為水分吸收會引起性質(zhì)變化，從而不能保持最初的粉末性質(zhì)。另外，由于其比重較低，在形成電極時電極導(dǎo)電膜的比重也較低，并且電極的導(dǎo)電性容易劣化。此夕卜，B2O3-ZnO-BaO類玻璃不適合作為太陽能電池電極用玻璃粉末，這是因為其比重較低，并且在制備玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)較低的玻璃粉末時其組合物幾乎不能具有無定形狀態(tài)。因此，吸濕性較低、比重(gravity)較高且能夠在較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下制備的Bi2O3玻璃最適用于本發(fā)明的太陽能電池電極用玻璃粉末。根據(jù)玻璃組合物的適當(dāng)混合比，可以在350°C 500°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下以不同方式制備Bi2O3類玻璃粉末，并且其50重量％ 70重量％的含量是適當(dāng)?shù)摹Ｈ绻鸅2O3的含量過高，則玻璃的軟化溫度會變得較高；如果該含量較小，則在熔融時會在玻璃中出現(xiàn)透明消失。因此，優(yōu)選10重量％ 20重量％的B2O3。ZnO用作玻璃改性劑，用來提高對玻璃透明度損失的抗性和耐化學(xué)性，并且在20重量％以上的含量時結(jié)晶化。Al2O3是玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑。15重量％以下含量的Al2O3適于使用，而在使用大于該含量的情況下，粘附力會因較高的軟化溫度而劣化。當(dāng)以5重量％以上的含量添 加Na2CO3時，其會使玻璃的耐水性和耐酸性變?nèi)?。因此，?yōu)選含量為5重量％以下的Na2C03。Bi2O3是能夠替代(cope with) Pb的穩(wěn)定氧化物，其在添加原料時降低玻璃的軟化溫度并提高熱膨脹系數(shù)。C.氧化物添加劑本發(fā)明的氧化物添加劑可以選自(a)選自由Al、Si、Zn、Zr、Mg和Ti組成的組中的金屬氧化物，(b)選自由Al、Si、Zn、Zr、Mg和Ti組成的組中的金屬，(c)在空氣中燒結(jié)時能夠產(chǎn)生(b)的金屬氧化物的化合物，和(d)上述物質(zhì)的混合物。金屬/金屬氧化物添加劑的平均粒徑為20 μ m以下，且優(yōu)選為10 μ m以下。優(yōu)選
的是，該金屬/金屬氧化物添加劑以相對于全部組合物的O. I重量％ 2重量％的含量存在。D.樹脂應(yīng)仔細選擇樹脂以使組合物能夠顯示出根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的所需性質(zhì)。由于聚合物樹脂在經(jīng)燒結(jié)的糊料(如太陽能電池用糊料)中在最后燒結(jié)時燃燒，因此主要選擇具有良好的可印刷性、可分散性和導(dǎo)電膜可干燥性等的樹脂，并且通常使用纖維素樹脂。優(yōu)選使用O. 5重量％ 10重量％的樹脂，所述樹脂由選自乙基纖維素、硝基纖維素、羥丙基纖維素、乙基羥乙基纖維素、羥乙基羥丙基纖維素、乙酸丁酸纖維素、乙酸丙酸纖維素、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚酯丙烯酸樹脂和酚醛樹脂材料中的一種或兩種以上不同的材料構(gòu)成。在使用相對于組合物全部內(nèi)容物的含量為小于O. 5重量％的樹脂時，粘附力和可印刷性不佳。在使用含量為大于10重量％的樹脂時，燒結(jié)密度因少量灰分的存在而降低。E.溶劑對于太陽能電池電極糊料用溶劑，可以使用沸點在150°C以上的一種或多種溶劑。由于糊料中所用的有機溶劑應(yīng)當(dāng)滿足多種特定的必備性質(zhì)，因此應(yīng)當(dāng)選擇一種滿足相應(yīng)載體性質(zhì)的有機溶劑。基本上，溶劑應(yīng)當(dāng)對將使用的樹脂具有良好的溶解能力。特別地，在絲網(wǎng)印刷時，溶劑可能因擠壓器和篩目間的摩擦所產(chǎn)生的熱而揮發(fā)，并且此時可加工性可能會因粘度增加而較差。因此，主要使用揮發(fā)性較低且沸點較高的溶劑。然而，由于極慢的干燥會妨礙導(dǎo)電膜的性質(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)在仔細考慮揮發(fā)性、沸點等后選擇溶劑。此外，出于對工人安全和環(huán)境安全的考慮，優(yōu)選選擇無毒無味的溶劑。作為通常且廣泛使用的有機溶劑，可以使用芳香烴溶劑、醚溶劑、酮溶劑、內(nèi)酯溶劑、醚醇溶劑、酯溶劑和二酯溶劑?？梢允褂靡环N溶劑或兩種以上溶劑的組合。玻璃組合物的制備將基于Bi2O3玻璃粉末的玻璃組合物投入鉬坩堝中，在1200°C 1500°C熔化I小時，隨后快速冷卻以制備玻璃樣品。使用盤磨機在700rpm以上對由此制得的玻璃樣品進行干式研磨，從而制得最終平均粒徑為200 μ m的玻璃粉末。隨后，在混合600克直徑為2毫米 的氧化錯球、200克純水和100克所述玻璃粉末后,使用單罐球磨機(mono mill)在300rpm對混合物進行濕式研磨30分鐘，從而制得玻璃粉末漿體。隨后，該漿體在IOOrpm干燥12小時，從而制得尺寸為10 μ m以下的玻璃粉末。將由此獲得的尺寸為10 μ m以下的玻璃粉末與600克直徑為O. 5毫米的氧化鋯球和160克純水混合，并且使用單罐球磨機在300rpm對該混合物進行濕式研磨30分鐘，隨后在200rpm以下干燥12小時，從而制得最終平均粒徑為I μ m 2 μ m的玻璃粉末。由此獲得的玻璃粉末的組成、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和軟化點如下表I中所示。表I
實施例I 實施例II 實施例III 比較例I 比較例II Bi2O3 ~ 60.5 54 52 47 72 ~ ZnO 17 18.5 19 21 6 B2O3 — 12 15 15 — 13 9 玻璃 I 成 Al2O3__6__9__Π__16__2
Na2COT" 4.5 — 3.5 — 3 — 311
____100__1 0__1 0__1 0__100
Tg(0C) 350__402__438__457__340
Ts(°C) 411__458__481__493__395
玻璃性質(zhì) D50 (μηι) ~ 1.86 ~ 1.99 ~ 1.541.421.45 ~
CTE
(10-yc) 135115109107139糊料的制備制造本發(fā)明的導(dǎo)電性糊料組合物的方法如下。首先，將有機粘合劑和溶劑一起投入混合器中，攪拌并溶解混合物以制備載體。隨后，將導(dǎo)電性金屬粉末、玻璃組合物、陶瓷添加劑和上述載體投入行星式混合器中并進行攪拌。使用三輥研磨機對經(jīng)混合的糊料進行機械混合和分散。隨后，通過過濾除去諸如大粒徑顆粒和粉塵等雜質(zhì)，并使用消泡劑除去糊料中的泡沫。由此，可以制得太陽能電池用鋁糊料組合物。太陽能電池的制備在覆蓋有抗反射涂層(面積為243cm2且厚度為180 μ m)的硅晶片上制成印刷物。對于背表面中的招糊料,使用了具有36 μ m的預(yù)傾度(pretilt)、5 μ m的乳劑膜和200目的不銹鋼絲網(wǎng)。將印刷速度調(diào)整至200毫米/秒 250毫米/秒，并將印刷量調(diào)整為使鋪展量為1.6克±0. 05克。對于前表面中的銀糊料，使用了指線(finger line)寬為IOOym且柵格線寬為2毫米的絲網(wǎng)。作為銀糊料，印刷了得自Heraeus的前接觸糊料(即S0L-9235H)。同時在將晶片的最大溫度在750°C以上保持3秒鐘的條件下，使用帶速率為4米/分鐘的4段式紅外線(IR)帶式爐燒結(jié)上述前接觸糊料。測試程序-評估制得的玻璃的性質(zhì)使用差示掃描量熱法(DSC STA449C, Netzsch，德國)在10°C /分鐘的加熱速率 下測量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和軟化溫度(Ts)。使用膨脹計(DIL402，Netzsch，德國)在10°C /分鐘的加熱速率下測量熱膨脹系數(shù)。由40°C 300°C范圍內(nèi)的斜率測得熱膨脹系數(shù)。使用粒徑分析儀(S3000, Microtrac,美國)測得平均粒徑。測試稈序-彎曲度隨著激光位移測量儀在燒結(jié)后的太陽能電池的平坦表面上移動，測得相對于該平坦表面的最大位移值和最小位移值之差(即，晶片厚度)，并將其表示為各個樣品的彎曲度。以與韓國專利公開第10-2010-0088131號中的公開相同的方式測量彎曲度。等式(I) 彎曲度(mm)=最小位移值(X2)-最小位移值(Xl)測試稈序-效率在AM I. 5太陽光的條件下使用日光模擬器系統(tǒng)(Oriel Instrument Co·,型號94063A)對根據(jù)上述過程制得的太陽能電池進行測量。在以下表2、表3和表4中，F(xiàn)F表示得自I-V曲線的填充因子，Eff表示光電轉(zhuǎn)化效率。此外，Voc表示開路電壓，Isc表示短路電流，Jsc表不電流密度，Pmax表不最大輸出，Rsh表不并聯(lián)電阻器，Rs表不串聯(lián)電阻器。表2
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能電池背電極的鋁糊料組合物，所述糊料組合物包含 (a)約60重量％ 80重量％的招， (b)0.I重量％ 2重量％的無鉛玻璃添加劑， (c)0.I重量％ 2重量％的氧化物添加劑，和 (d)余量的包含樹脂和溶劑的有機載體。
2.如權(quán)利要求I所述的組合物，其中，相對于玻璃組合物的總重量，所述玻璃組分(b)含有 50重量％ 70重量％的Bi2O3, 10重量％ 20重量％的B2O3, 5重量％ 20重量％的2110， I重量％ 15重量％的Al2O3,和 I重量％ 5重量％的Na2CO315
3.如權(quán)利要求I所述的用于太陽能電池背電極的鋁糊料組合物，其特征在于，所述氧化物添加劑包含選自由Al、Si、Zn、Zr、Mg和Ti組成的組中的金屬及其金屬氧化物。
4.如權(quán)利要求I所述的組合物,其中，所述氧化物添加劑以O(shè).I重量％ 2重量％的含量包含 Al203、Si02、Zn0、Zr02、Mg0 和 TiO2 中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在硅太陽能電池的背表面中形成背面電場的鋁糊料組合物。本發(fā)明的目的在于在將玻璃組合物和陶瓷添加劑添加到鋁粉末中時改進太陽能電池的彎曲，從而實現(xiàn)高效率的太陽能電池。本發(fā)明的鋁糊料組合物包含60重量％～90重量％的鋁粉末、1重量％～10重量％的粘合劑樹脂、0.1重量％～10重量％的無鉛玻璃添加劑和0.1重量％～10重量％的陶瓷添加劑，并且包含60重量％～90重量％的具有一種或兩種不同尺寸的導(dǎo)電材料。根據(jù)本發(fā)明，能夠改進太陽能電池的彎曲，使得能夠降低因在制造和操作太陽能電池時出現(xiàn)的損壞而導(dǎo)致的產(chǎn)率下降。此外，通過改進彎曲，能夠減小太陽能電池的內(nèi)應(yīng)力，從而改進太陽能電池的效率。
文檔編號H01B1/06GK102971803SQ201180003567
公開日2013年3月13日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者樸成容, 鄭仁范, 梁承鎮(zhèn), 李正雄, 樸起范 申請人:株式會社昌星