制備mwt太陽能電池電極中的包含具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的無機(jī)反應(yīng)體系的導(dǎo)電漿料的制作方法
【專利說明】制備MWT太陽能電池電極中的包含具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 的無機(jī)反應(yīng)體系的導(dǎo)電漿料 發(fā)明領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種制備太陽能電池中的電極，特別是制備MffT太陽能電池中的電 極，特別是制備該類太陽能電池中的金屬穿孔卷繞(metalwrapthrough)或插入式(plug) 電極且包含具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的無機(jī)反應(yīng)體系的導(dǎo)電漿料。特別地，本發(fā)明涉及一種 太陽能電池前體、一種制備太陽能電池的方法、一種太陽能電池和一種包含太陽能電池的 組件。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 太陽能電池是利用光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化成電力的裝置。太陽能是有吸引力的綠色 能源，因?yàn)槠淇沙掷m(xù)且僅產(chǎn)生非污染性副產(chǎn)物。因此，目前已進(jìn)行了大量研究以開發(fā)具有提 高的效率，同時(shí)持續(xù)降低材料和生產(chǎn)成本的太陽能電池。當(dāng)光照在太陽能電池上時(shí)，一部分 入射光被表面反射，而剩余部分傳遞至太陽能電池中。傳遞的光子被太陽能電池吸收，太陽 能電池通常由半導(dǎo)電材料制成，例如通常被適當(dāng)摻雜的硅。吸收光子的能量激發(fā)半導(dǎo)電材 料的電子，從而產(chǎn)生電子-空穴對。然后，這些電子-空穴對被P_n結(jié)分離且被太陽能電池 表面上的導(dǎo)電電極收集。圖2顯示了簡單太陽能電池的最小結(jié)構(gòu)。
[0004] 太陽能電池非常普遍地基于硅（通常呈Si晶片形式）。此處，p-n結(jié)通常通過提 供n型摻雜的Si襯底并在一個(gè)面上施加p型摻雜層，或者通過提供p型摻雜的Si襯底并 在一個(gè)面上施加n型摻雜層而制備，從而在兩種情況下均獲得所謂的p-n結(jié)。具有所施加 的摻雜劑層的面通常作為電池的正面，具有初始摻雜劑的Si相對側(cè)作為背面。n型和p型 太陽能電池都是可能的，且已工業(yè)開發(fā)。設(shè)計(jì)成在兩面上均利用入射光的電池也是可能的， 但其應(yīng)用并不廣泛。
[0005] 為了使太陽能電池正面上的入射光進(jìn)入并吸收，正面電極通常設(shè)置成兩組垂直的 直線，分別稱為"柵線（finger)"和"匯流條"。柵線形成與正面的電接觸，而匯流條將這些 柵線連接，從而允許有效地將電荷提取到外部電路中。對柵線和匯流條的該設(shè)置而言，通常 以導(dǎo)電漿料的形式施加，將其焙燒以形成固體電極體。背面電極通常也以導(dǎo)電漿料的形式 施加，然后將其焙燒以獲得固體電極體。
[0006] 制備太陽能電池的另一種方法是借助正面電極的背接觸而提高正面吸收的入射 光比例。在所謂的MWT("金屬穿孔卷繞"）太陽能電池中，太陽能電池正面上的電極通過連 接正面和背面且包含電極材料的通道與背面接觸，這通常稱為金屬穿孔卷繞電極或插入式 電極。
[0007] 典型的導(dǎo)電漿料包含金屬顆粒、無機(jī)反應(yīng)體系和有機(jī)載體。
[0008] 本領(lǐng)域需要具有改進(jìn)的性能的太陽能電池，尤其是具有改進(jìn)的性能的MffT太陽能 電池。
[0009]發(fā)明簡述
[0010] 本發(fā)明通常基于如下目的：克服與太陽能電池有關(guān)，尤其是與金屬穿孔卷繞太陽 能電池有關(guān)，尤其是與金屬穿孔卷繞電極的機(jī)械和電性能有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中所遇到的至少 一個(gè)問題。
[0011] 更具體地，本發(fā)明進(jìn)一步基于提供一種金屬穿孔卷繞電極的目的，其顯示出與MffT 太陽能電池中通道的Si表面的低電接觸，優(yōu)選同時(shí)顯示出太陽能電池的其他有利的電和 物理性能。
[0012] 對實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)上述目的的貢獻(xiàn)由構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求的主題類別作出。其他貢 獻(xiàn)由代表本發(fā)明具體實(shí)施方案的本發(fā)明從屬權(quán)利要求的主題作出。
[0013] 詳細(xì)描述
[0014] 對實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)上述目的的貢獻(xiàn)由一種太陽能電池前體作出，其至少包含如下作 為前體部件：
[0015]i)具有至少一個(gè)孔的晶片，其中所述孔具有Si表面；
[0016]ii)由所述孔包含的導(dǎo)電漿料（下文也稱為第一漿料），其至少包含如下作為漿料 成分：
[0017]a)金屬顆粒；
[0018]b)無機(jī)反應(yīng)體系；
[0019]c)有機(jī)載體；和
[0020] d)添加劑；
[0021] 其中所述無機(jī)反應(yīng)體系具有高于約550°C，優(yōu)選高于約600°C，更優(yōu)選高于約 650°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在一些情況下，所述玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可高達(dá)約1000°C或更低。
[0022] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，所述無機(jī)反應(yīng)體系以約0. 1-約5重 量％，優(yōu)選約0. 3-約3重量％，更優(yōu)選約0. 5-約2重量％存在于第一漿料中。
[0023] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，所述無機(jī)反應(yīng)體系為玻璃料。
[0024] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)孔為連接晶片正面和背面 的通道。
[0025] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)孔中的Si表面包含至少 一個(gè)P型摻雜的部分和至少一個(gè)n型摻雜的部分。
[0026] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，所述金屬顆粒為Ag顆粒。
[0027] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，所述第一漿料與孔的Si表面直接 接觸。
[0028] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，在所述晶片的正面上存在其他導(dǎo)電 漿料。在另一實(shí)施方案中，在所述晶片的背面上存在至少一種其他導(dǎo)電漿料。在又一實(shí)施 方案中，在所述晶片的背面和正面上均存在其他導(dǎo)電漿料。
[0029] 在本發(fā)明太陽能電池前體的一個(gè)實(shí)施方案中，所述無機(jī)反應(yīng)體系具有低Pb含量， 優(yōu)選小于〇. 5重量％，更優(yōu)選小于0. 3重量％，最優(yōu)選小于0. 1重量％，優(yōu)選無Pb含量，基 于所述無機(jī)反應(yīng)體系的總重量。在另一實(shí)施方案中，所述漿料中的總Pb含量小于0. 025重 量％，優(yōu)選小于〇. 015重量％，更優(yōu)選小于0. 005重量％，優(yōu)選無Pb含量，基于所述漿料的 總重量。
[0030] 對實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)上述目的的貢獻(xiàn)由一種制備太陽能電池的方法作出，其至少包括 如下步驟：
[0031]i)提供本發(fā)明的太陽能電池前體；
[0032] ii)焙燒所述太陽能電池前體以獲得太陽能電池。
[0033] 在所述制備本發(fā)明太陽能電池的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟i)的提供至少包 括如下步驟：
[0034]a)提供具有呈相反摻雜類型的背面摻雜層和正面摻雜層的Si晶片；
[0035] b)在所述晶片中產(chǎn)生至少一個(gè)孔；
[0036]c)將導(dǎo)電漿料引入至少一個(gè)孔中以獲得本發(fā)明的前體。
[0037] 對實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)上述目的的貢獻(xiàn)由可通過本發(fā)明方法獲得的太陽能電池實(shí)現(xiàn)。
[0038] 對實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)上述目的的貢獻(xiàn)由一種具有至少一個(gè)孔的太陽能電池作出，所 述孔包含插入式電極，其中所述插入式電極包含Tg為至少550°C，優(yōu)選至少600°C，更優(yōu) 選至少650°C的無機(jī)反應(yīng)體系。在一些情況下，所述插入式電極包含玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá) 1000 °C或更低的無機(jī)反應(yīng)體系。
[0039] 在本發(fā)明太陽能電池的一個(gè)實(shí)施方案中，所述插入式電極的Pb含量小于0. 03重 量％，優(yōu)選小于0. 015重量％，更優(yōu)選小于0. 005重量％，基于所述插入式電極的總重量。
[0040] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述太陽能電池至少包含如下作為太陽能電池部 件：
[0041] i)具有至少一個(gè)孔的晶片，所述孔具有Si表面；
[0042] ii)由所述孔包含的插入式電極，
[0043] 其中插入式電極與Si表面接觸的表面處的插入式電極中的玻璃濃度高于插入式 電極主體中的濃度。
[0044] 對實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)上述目的的貢獻(xiàn)由一種包含至少一個(gè)本發(fā)明太陽能電池和至少 一個(gè)其他太陽能電池的組件作出。
[0045] 晶片
[0046] 根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的晶片為相對于太陽能電池的其他區(qū)域，尤其能以高效率吸收 光，從而產(chǎn)生電子-空穴對，且以高效率通過邊界，優(yōu)選通過所謂的P_n結(jié)邊界分離空穴和 電子的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的晶片為包含由正面摻雜層和背面摻雜層組成的單一物體 的那些。
[0047] 優(yōu)選晶片由適當(dāng)摻雜的四價(jià)元素、二元化合物、三元化合物或合金組成。就此而 言，優(yōu)選的四價(jià)元素為Si、Ge或Sn，優(yōu)選Si。優(yōu)選的二元化合物為兩種或更多種四價(jià)元素 的組合、第III族元素與第V族元素的二元化合物、第II族元素與第VI族元素的二元化合 物或第IV族元素與第VI族元素的二元化合物。優(yōu)選的四價(jià)元素組合為兩種或更多種選自 Si、Ge、Sn或C的元素的組合，優(yōu)選SiC。優(yōu)選的第III族元素與第V族元素的二元化合物 為GaAs。根據(jù)本發(fā)明，最優(yōu)選晶片基于Si。作為最優(yōu)選的晶片材料，Si在本申請的其余部 分明確指出。其中明確提及Si的下文文本部分也適用于上述其他晶片組成。
[0048] 晶片的正面摻雜層與背面摻雜層相遇之處即為p_n結(jié)邊界。在n型太陽能電池中， 背面摻雜層摻雜有給電子性n型摻雜劑，且正面摻雜層摻雜有電子接受性或給空穴性p型 摻雜劑。在P型太陽能電池中，背面摻雜層摻雜有P型摻雜劑，且正面摻雜層摻雜有n型摻 雜劑。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選通過首先提供摻雜的Si襯底，然后在該襯底的一面施加相對類型 的摻雜層而制備具有P_n結(jié)邊界的晶片。
[0049] 摻雜的Si襯底是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。摻雜的Si襯底可以以本領(lǐng)域技術(shù)人 員所已知且認(rèn)為適于本發(fā)明上下文中的任何方式制備。本發(fā)明Si襯底的優(yōu)選來源為單晶Si、多晶Si、無定形Si和升級冶金級Si，其中最優(yōu)選單晶Si或多晶Si。用于形成摻雜Si襯 底的摻雜可通過在制備Si襯底期間添加摻雜劑而同時(shí)進(jìn)行，或者可在隨后步驟中進(jìn)行。Si 襯底制備后的摻雜可例如通過氣體擴(kuò)散外延生長進(jìn)行。摻雜Si襯底也可容易地市購。根 據(jù)本發(fā)明，一種選擇是首先在其形成的同時(shí)通過將摻雜劑添加至Si混合物中而摻雜Si襯 底。根據(jù)本發(fā)明，一種選擇是通過氣相外延生長施加正面摻雜層和存在的話高度摻雜的背 面層。該氣相外延生長優(yōu)選在約500-約900 °C，更優(yōu)選約600-約800 °C，最優(yōu)選約650-約 750°C的溫度和約2-約lOOkPa，優(yōu)選約10-約80kPa，最優(yōu)選約30-約70kPa的壓力下進(jìn)行。
[0050] 本領(lǐng)域技術(shù)人員已知Si襯底可具有許多種形狀、表面織構(gòu)和尺寸。所述形狀可為 許多不同形狀之一，尤其包括立方體、盤狀、晶片和不規(guī)則多邊形。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的形狀 為晶片狀，其中晶片為具有兩個(gè)類似，優(yōu)選相等的尺寸和顯著小于其他兩個(gè)尺寸的第三尺 寸的立方體。就此而言，"顯著小于"優(yōu)選小至少約1〇〇倍。
[0051] 各種表面類型是本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選具有粗糙表面的Si 襯底。一種評價(jià)襯底粗糙度的方式是評估襯底子表面（sub-surface)的表面粗糙度參數(shù)， 該子表面與襯底的總表面積相比較小，優(yōu)選小于總表面積的約百分之一，且基本上是平面 的。表面粗糙度參數(shù)的值由子表面的面積與通過將所述子表面投射至與該子表面最佳擬合 (通過使均方位移最小化而擬合）的平面上而形成的理論表面的面積之比給出。表面粗糙 度參數(shù)的值越高，則表明越粗糙、越不規(guī)則的表面，而表面粗糙度參數(shù)的值越小，則表明越 光滑、越平整的表面。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選對Si襯底的表面粗糙度進(jìn)行調(diào)節(jié)以使得在許多因 素之間產(chǎn)生最佳平衡，所述因素包括但不限于光吸收和柵線與表面的粘合性。
[0052] 可改變Si襯底的兩個(gè)較大尺寸以適應(yīng)所得太陽能電池所需的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明， 優(yōu)選Si晶片的厚度小于約0. 5_，更優(yōu)選小于約0. 3_，最優(yōu)選小于約0. 2_。一些晶片具 有約0.Olmm或更高的最小尺寸。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選正面摻雜層比背面摻雜層薄。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選正面摻雜層具有 約0? 1-約10ym，優(yōu)選約0? 1-約5ym，最優(yōu)選約0? 1-約2ym的厚度。
[0054] 可將高度摻雜的層在背面摻雜層和任何其他層之間施加至Si襯底的背面。該高 度摻雜的層具有與背面摻雜層相同的摻雜類型，且該層通常標(biāo)記為+ (n+型層施加至n型背 面摻雜層，P+型層施加至P型背面摻雜層）。該高度摻雜的背面層用于輔助金屬化和改善 襯底/電極界面區(qū)域處的導(dǎo)電性能。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選該高度摻雜的