專利名稱：導(dǎo)電漿料組合物的制作方法
導(dǎo)電漿料組合物
相關(guān)申請交叉引用本發(fā)明要求于2009年11月16日遞交的、申請?zhí)枮?1/261508的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在此通過參考方式全文并入中。
背景技術(shù)：
太陽能電池是利用光電效應(yīng)將太陽能量轉(zhuǎn)換為電的裝置。太陽能是具有吸引力的能源，因為它可持續(xù)且無污染。因此，現(xiàn)在大量研究致力于開發(fā)具有增強的效率而保持低材料和制造成本的太陽能電池。非常簡單，當(dāng)陽光中的光子撞擊太陽能電池板時，它們被半導(dǎo)體材料，例如硅吸收。電子從它們的原子中脫離，允許它們流過太陽能電池板的導(dǎo)電部分并
產(chǎn)生電。最普通的太陽能電池是基于硅的那些電池，更具體地，通過將η型擴散層施加到P型娃基底而由娃制造的ρ-η結(jié)(p-n junction),其與兩個電接觸層或電極連接。為了使由太陽能電池反射的陽光減至最少，將抗反射涂料，例如氮化硅施加到η型擴散層，以增加I禹合(couple)到太陽能電池中的光的量。使用銀衆(zhòng)(silver paste),例如，網(wǎng)格狀(grid-like)的金屬接觸(metal contact)可被絲網(wǎng)印刷到抗反射層上作為前電極。這個光線從其進入的位于電池表面或前面的電接觸層，典型地以由“副柵線(finger lines) ”或“主柵線(bus bars)”組成的網(wǎng)格圖案呈現(xiàn)，而不是完整的層，因為金屬網(wǎng)格材料是不透光的。最后，將背接觸(rear contact)施加到基底，例如通過將背面銀或銀/鋁漿料接著鋁漿料施加到基底的整個背面。然后，該裝置在高溫下燒制，以將金屬漿料轉(zhuǎn)換成金屬電極。例如，在公開號為1713093的歐洲專利申請中，可以找到典型的太陽能電池和其制造方法的描述。典型的銀漿包含銀顆粒、玻璃粉(玻璃顆粒)、金屬氧化物添加劑，例如氧化鋯或氧化錫以此增強組合物對太陽能電池板的粘合，以及有機載體。必須仔細挑選這些組分以充分利用所得太陽能電池成品的潛能。例如，最大化所述銀顆粒與Si表面之間的接觸是必要的，由此電荷載體可流過指狀線到達匯流條。如果電阻太高，會阻礙電荷載體。因此期望最小化接觸電阻。另外，在組合物中的玻璃顆粒蝕刻穿過抗反射涂層，導(dǎo)致Ag顆粒和Si表面之間的接觸。然而，不能允許玻璃穿過P-η結(jié)。最終，由于玻璃在銀層和Si晶片的交界面中的絕緣效應(yīng)，以及其它缺點例如接觸區(qū)域中的高復(fù)合率，已知的組合物具有高接觸電阻。因此，需要能夠克服這些已知缺點的銀漿組合物。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的導(dǎo)電漿料組合物包含
(a)銀顆粒；
(b)玻璃粉；
(C)精細的導(dǎo)電金和/或鉬族金屬顆粒，優(yōu)選選自金、鈀和鉬，其中金屬顆粒的粒徑為大約Inm至大約I微米，并且基于漿料組合物的重量是以大約O. 0001至小于O. Olwt %的量存在；以及
(d)有機載體。根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的導(dǎo)電漿料組合物包含
(a)銀顆粒；
(b)玻璃粉； (C)五氧化ニ鉭顆粒，其具有小于大約5微米的粒徑；以及 (d)有機載體。根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的導(dǎo)電漿料組合物包含
(a)銀顆粒；
(b)玻璃粉；
(c)精細的導(dǎo)電金顆粒，其中該金顆粒的粒徑為大約Inm至大約I微米并且以基于漿料組合物的重量大約O. 0001至小于O. Iwt%的量存在；以及
(d)有機載體。根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的太陽能電池電極是通過將導(dǎo)電漿料組合物施加到基底上并且燒制該漿料以形成電極，其中該導(dǎo)電漿料組合物包含
(a)銀顆粒；
(b)玻璃粉；
(C)精細的導(dǎo)電金屬顆粒，選自金和鉬族金屬組成的組，其中所述金屬顆粒的粒徑為大約Inm至大約I微米,并且基于衆(zhòng)料組合物的重量是大約O. 0001至小于O. Olwt % ;以及(d)有機載體。根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的太陽能電池電極是通過將導(dǎo)電漿料組合物施加到基底上并且燒制該漿料以形成電極，其中該導(dǎo)電漿料組合物包含
(a)銀顆粒；
(b)玻璃粉；
(C)五氧化ニ鉭顆粒，其具有小于大約5微米的粒徑；以及 (d)有機載體。根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的太陽能電池電極是通過將導(dǎo)電漿料組合物施加到基底上并且燒制漿料以形成電極，其中該導(dǎo)電漿料組合物包含
(a)銀顆粒；
(b)玻璃粉；
(C)精細的導(dǎo)電金顆粒，其中該金顆粒的粒徑為大約Inm至大約I微米，并且基于漿料組合物的重量是大約O. 0001至小于O. Iwt% ;以及(d)有機載體。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀，可以更好地理解前述的概要以及本發(fā)明下面的詳細描述。為了說明本發(fā)明，在附圖展示當(dāng)前優(yōu)選的實施方案。然而應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于所示的明確的布置和裝置。在圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明ー個實施方案的填充因素vs.添加劑濃度的圖表。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電漿料組合物包含四個重要部分銀顆粒、玻璃粉、至少ー種顆粒添加劑和有機載體。該添加劑可包含特定精細的金屬顆粒和/或五氧化ニ鉭(TaO5)顆粒。如下面更詳細的描述，這些添加劑提供增強的電子傳輸和漿料組合物對基底的更好粘合。然而不限于此應(yīng)用，這種漿料可用于形成太陽能電池中的電接觸層或電極?，F(xiàn)在將更詳細介紹導(dǎo)電漿料組合物中的各部分。
銀顆粒銀顆粒用作導(dǎo)電漿料組合物中的導(dǎo)電金屬。在本發(fā)明的范圍中，也使用其它導(dǎo)電金屬代替銀或與銀一起，所述其它導(dǎo)電金屬例如銅，以及包含銀、銅、金、鈀和/或鉬的混合、物。或者，這些金屬的合金也被用作導(dǎo)電金屬。銀顆粒可以粉末或片(flake)的形式包含在組合物中，例如具有大約O. 3至大約10微米粒徑的銀粉。除非在此另有說明，這里所述的所有粒度是由激光衍射測量的d5(l顆粒直徑。本領(lǐng)域技術(shù)人員也知曉，d5(l直徑表示半數(shù)的單個顆粒(基于重量)小于該特定直徑的尺寸。當(dāng)形成太陽能電池時，該直徑給銀提供合適的燒結(jié)性能和導(dǎo)電漿料在抗反射層上的鋪展，以及合適的接觸形成和所得太陽能電池的導(dǎo)電性。優(yōu)選該銀顆粒以基于組合物總重量大約40至大約95wt%，更優(yōu)選的是大約70至90wt%的量存在于所述組合物中。
玻璃粉玻璃粉(玻璃顆粒)用作導(dǎo)電漿料中的無機粘結(jié)劑，并作為在燒制期間將銀沉積到基底上的傳輸介質(zhì)。玻璃系統(tǒng)對于控制沉積到基底上的銀的尺寸和深度是重要的。假如可為漿料組合物提供期望的特性，玻璃的具體類型是不關(guān)鍵的。優(yōu)選的玻璃包括硼硅酸鉛和硼硅酸鉍，而其他無鉛玻璃，例如硼硅酸鋅也是適合的。玻璃顆粒優(yōu)選具有大約O. I至大約10微米，更優(yōu)選小于大約5微米的粒徑，并且優(yōu)選以基于漿料組合物總重量大約O. 5至大約6wt%,更優(yōu)選小于大約5wt%的量包含在組合物中。該量給組合物帶來了合適的粘結(jié)強度和燒結(jié)性能。
有機載體具體的有機載體或粘結(jié)劑是不是關(guān)鍵的，并且可以是本領(lǐng)域知曉的或為此類型應(yīng)用待開發(fā)的機載體或粘結(jié)劑。例如，優(yōu)選的有機載體包含纖維素樹脂和溶劑，例如こ基纖維素在溶劑，例如松油醇中。有機載體優(yōu)選以基于組合物總重量占大約5至大約30wt%，更優(yōu)選小于大約20wt%的量存在于該導(dǎo)電衆(zhòng)料組合物中。
添加劑根據(jù)本發(fā)明，兩種不同類型的添加劑可包含在導(dǎo)電漿料組合物中，這些添加劑可被單獨或以組合形式包含。根據(jù)本發(fā)明的第一類型添加劑包含精細的導(dǎo)電金屬顆粒，優(yōu)選高導(dǎo)電性的稀有或貴金屬顆粒。優(yōu)選地該金屬選自金或鉬族金屬，例如鈀和鉬。更優(yōu)選地，該添加劑包含精細的金顆粒和/或鉬顆粒。該精細的金屬顆粒優(yōu)選具有大約Inm至小于3微米，更優(yōu)選地大約Inm至大約I微米,甚至更優(yōu)選地小于大約I微米,最優(yōu)選地大約I至大約500nm的直徑。在一個優(yōu)選實施方案中，精細的金屬顆粒具有小于大約IOOnm的直徑。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)也使用稀有或貴金屬樹脂有機化合物，例如樹脂酸金，作為漿料組合物中的添加剤。該精細的金屬顆粒優(yōu)選以基于組合物總重量大約O. 0001wt% (Ippm)至大約5wt%,更優(yōu)選的是大約O. OOOl至大約2wt%，甚至更優(yōu)選大約O. 0001至大約O. 5wt%的量包含在導(dǎo)電漿料組合物中。在優(yōu)選實施方案中，精細的金屬顆粒以大約O. OOOlwt%至小于大約O. lwt%，或小于大約O. OIwt%的量被包含。精細的金屬顆粒包含在組合物中以提供增強的電子傳輸。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于小粒徑，金容易散布在玻璃層中并有助于使玻璃導(dǎo)電。玻璃基本上是絕緣體，而且太陽能電池的電荷載體需要穿過Ag電極和晶片的交界面中的玻璃層，以使電荷損失最小化。然而，金是良好的導(dǎo)體，因此均勻分散的精細的金顆粒能夠創(chuàng)造穿過玻璃絕緣層的電子隧道效應(yīng)。如上面介紹的，在本發(fā)明的范圍中，根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電漿料組合物中也可包括精細的金屬顆粒和氧化鉭顆粒。第二類型添加劑包含五氧化ニ鉭(Ta2O5)顆粒，其優(yōu)選以基于漿料組合物總重量大約O. I至大約5%,優(yōu)選小于大約2wt%,更優(yōu)選小于大約Iwt%的量存在于該導(dǎo)電衆(zhòng)料組合物中。五氧化ニ鉭顆粒優(yōu)選具有小于5微米的粒徑。
Ta2O5提供導(dǎo)電組合物對硅表面的更好的粘合。典型的太陽能電池具有SiN抗反射層，其包括防止反射的織構(gòu)化表面(textured surface)。通常,在SiN和p_n結(jié)之間添加SiOx作為鈍化層，以修復(fù)織構(gòu)化層中的表面缺陷。一般認為Ta2O5與SiOx和SiN反應(yīng)，以助于銀漿穿透通過鈍化層，從而改進銀和p-n結(jié)之間的接觸。在本發(fā)明的范圍中，導(dǎo)電漿料組合物中也包括另外的添加剤。例如，可期望單獨地或以組合形式包括增稠劑(增粘劑)、穩(wěn)定劑、分散劑、粘性調(diào)節(jié)劑等混配料。這些組分在本領(lǐng)域是公知的。如果包括這些成分，其含量由常規(guī)實驗確定，這取決于期望的導(dǎo)電漿料的特性。導(dǎo)電漿料組合物可通過本領(lǐng)域中已知的或待開發(fā)的任何制備漿料組合物的方法來制備；該準備方法不是關(guān)鍵的。例如，玻璃顆?？梢杂删毜慕饘兕w粒(任選地懸浮在液體介質(zhì)，例如ニ甘醇或こ酸丁基原酯(butyl carbitol acetate)中)涂覆,使得小金屬顆粒粘合到更大的玻璃顆粒。然后，涂覆的玻璃顆?？膳c銀顆粒和有機載體混合以形成漿料?？商鎿Q地，精細的金屬顆?？蓱腋≡谝后w介質(zhì)，例如ニ甘醇或こ酸丁基原酯中。然后，漿料組分可例如用混合器混合，接著傳送通過三輥滾壓機，以例如制作分散的均勻漿料。在本發(fā)明的范圍中，包括粉末形式或懸浮在液體介質(zhì)中的添加剤。接著，該漿料可用于通過將該漿料施加到基底上的抗反射層，例如通過絲網(wǎng)印刷，和接著燒制以在硅基底上形成電極(電接觸)，來形成太陽能電池，。這種制造方法是本領(lǐng)域公知的，并且例如在EP1713093中描述。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了利用本發(fā)明的導(dǎo)電漿料為太陽能電池提供了改進的性能、更高的轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)在將結(jié)合下面的非限制性實施例介紹本發(fā)明。
例I :金添加劑含量的改變通過混合市售的購自Heraeus Material Technology LLC 公司(W. Conshohocken,PA)的銀導(dǎo)電漿料S0L953，以及具有4nm粒徑(d5CI)的金添加劑(購自Heraeus)的組分(銀粉、玻璃、添加劑和有機物)，制備四種導(dǎo)電漿料。懸浮在作為液體介質(zhì)的こ酸丁基原酯中的金被涂覆到商業(yè)漿料中的玻璃顆粒上。漿料1-4包含不同量的金16ppm(漿料I)，40ppm (楽;料2), 80ppm (楽;料3)或160ppm (楽;料4),所有的量均基于所得楽;料的總重量。如下制備六種太陽能電池在待金屬化的P-型多晶(me)或單晶(sc)太陽能晶片的背面印刷鋁漿(RuXing 8252X)并在150°C下干燥，該太陽能晶片具有100 Ω / ロ (me)或55Ω/ロ(sc)的薄層電阻。將選自漿料1-4的銀漿施加到該晶片的前面，印刷并在150°C下干燥。將漿料I施加到多晶晶片，漿料2-4施加到單晶晶片。接著，電池在爐中在750-800 V的溫度下共燒制幾秒。使用漿料1-4中的每種制備多個太陽能電池。使用不含添加劑的市售漿料制備另外兩種太陽能電池作為對照一個對照針對單晶太陽能晶片，和ー個對照針對多晶太陽能晶片。使用I-V測試儀測試所得到的太陽能電池。使用具有已知強度的陽光模擬I-V測試儀中的Xe弧光燈，并且照射太陽能電池的前表面以產(chǎn)生I-V曲線。使用該曲線，確定下面的用于電性能比較的參數(shù)短路電流密度(Jsc)，短路電流(Isc)，開路電壓(Voc)、填充 因數(shù)(FF)、分流電阻(Rsh)、串聯(lián)電阻(Rs)和能量轉(zhuǎn)換率(EFF)。使用填充因數(shù)數(shù)據(jù)比較對照電池的填充因數(shù)等于“ 100 %”，基于適合的對照電池的填充因數(shù)相應(yīng)地計算本發(fā)明電池的填充因數(shù)。也就是說，使用對照電池I的填充因數(shù)作為使用漿料I制備的電池的基準，使用對照電池II的填充因數(shù)作為使用漿料2-4制備的電池的基準。使用漿料1-4制備的電池以及比較電池的電性能數(shù)據(jù)列在下面的表I中，并且在圖I中以圖表形式繪出。可以看出非常低的添加劑水平，16至150ppm的金，帶來了積極的作用。進ー步，更高量的金帶來改進的性能。
例子2 :添加劑來源的改變制備如實施例I中描述的兩種漿料(“漿料A”和“漿料B”)。漿料B包含40ppm具有4nm的d5(l粒徑的金,如實施例I描述，其以懸浮液的形式添加。衆(zhòng)料A包含40ppm具有IOOnm的d5(l的金(也是Heraeus市售)，其以粉末的形式添加。如實施例I中所述,使用單(mono)晶(sc)硅晶片制備太陽能電池。所得太陽能電池以及使用商業(yè)S0L953漿料制備的作為對照的電池如實施例I中所述進行分析。使用漿料A、B制備的電池和對照電池的電性能數(shù)據(jù)以及每種漿料的平均值列于表2中?？梢钥闯霰景l(fā)明漿料A和B顯示出相對于比較漿料表現(xiàn)出了優(yōu)異的結(jié)果更高填充因數(shù)、更高效率以及更低的串聯(lián)電阻。進一歩，包含具有4nm粒徑的金添加劑的漿料B優(yōu)于包含粒徑為IOOnm金的漿料A。
權(quán)利要求
1.導(dǎo)電漿料組合物，該組合物包含 (a)銀顆粒； (b)玻璃粉； (c)精細的導(dǎo)電金屬顆粒，其選自金和鉬族金屬，其中所述金屬顆粒的粒徑為大約Inm至大約I微米并且以基于該漿料組合物的重量大約O. OOOl至小于O. 01wt%的量存在；以及 (d)有機載體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物，其中所述金屬顆粒是選自金、鈀和鉬中的至少ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物,包含大約40至大約95%的銀顆粒，大約O.5至大約6%的玻璃顆粒，大約O. 0001至小于O. Olwt %的精細的金屬顆粒，以及大約5至大約30%的有機載體，所有百分比是基于該組合物的總重量的重量百分比。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物，進ー步包含大約O.I至大約5%重量的五氧化ニ鉭顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的組合物，其中該五氧化ニ鉭顆粒具有小于大約5微米的粒徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物，其中該精細的金屬顆粒具有大約Inm至大約500nm的粒徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物，其中該精細的金屬顆粒包含金。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的組合物，其中該精細的金屬顆粒是金屬有機化合物的形式。
9.導(dǎo)電漿料組合物，該組合物包含 (a)銀顆粒； (b)玻璃粉； (C)五氧化ニ鉭顆粒，其具有小于大約5微米的粒徑；以及 (d)有機載體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的組合物，包含大約40至大約95%的銀顆粒，大約O.5至大約6%的玻璃顆粒，大約O. I至大約2%的五氧化ニ鉭顆粒，以及大約5至大約30%的有機載體，所有百分比是基于該組合物的總重量的重量百分比。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的組合物，進ー步包含大約O.0001至小于5%重量的精細的導(dǎo)電金屬顆粒，所述金屬顆粒選自金和鉬族金屬。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的組合物，其中該精細的金屬顆粒具有大約Inm至大約I微米的粒徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的組合物，其中該金屬顆粒包含選自由金、鈀和鉬中的至少ー種。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的組合物，其中該精細的金屬顆粒是金屬有機化合物的形式。
15.導(dǎo)電漿料組合物，該組合物包含 (a)銀顆粒； (b)玻璃粉； (c)精細的金導(dǎo)電顆粒，其中該金顆粒具有大約Inm至大約I微米的粒徑并且以基于該漿料組合物的重量大約O. 0001至小于O. Iwt%的量存在；以及 (d)有機載體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的組合物，包含大約40至大約95%的銀顆粒，大約O.5至大約6%的玻璃顆粒，大約O. 0001至小于O. Iwt %的金，以及大約5至大約30%的有機載體，所有百分比是基于該組合物的總重量的重量百分比。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的組合物，進ー步包含大約O.I至大約5%重量的五氧化ニ鉭顆粒。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的組合物，其中該五氧化ニ鉭顆粒具有小于大約5微米的粒徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的組合物,其中所述金顆粒具有大約Inm至大約500nm的粒徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的組合物，其中所述金顆粒是金屬有機化合物的形式。
21.太陽能電池電極，其通過將導(dǎo)電漿料組合物施加到基底并且燒制該漿料以形成電極而形成，其中所述導(dǎo)電漿料組合物包含 (a)銀顆粒； (b)玻璃粉； (c)精細的金屬導(dǎo)電顆粒，其選自金和鉬族金屬，其中所述金屬顆粒具有大約Inm至大約I微米的粒徑并且以基于該漿料組合物的重量大約O. 0001至小于O. 01wt%的量存在；以及 (d)有機載體。
22.太陽能電池電極，其通過將導(dǎo)電漿料組合物施加到基底并且燒制該漿料以形成電極而形成，其中所述導(dǎo)電漿料組合物包含 (a)銀顆粒； (b)玻璃粉； (c)五氧化ニ鉭顆粒，其具有小于大約5微米的粒徑；以及 (d)有機載體。
23.太陽能電池電極，其通過將導(dǎo)電漿料組合物施加到基底并且燒制該漿料以形成電極而形成，其中所述導(dǎo)電漿料組合物包含 (a)銀顆粒； (b)玻璃粉； (c)精細的導(dǎo)電金顆粒，其中所述金顆粒具有大約Inm至大約I微米的粒徑并且以基于該漿料組合物的重量大約O. 0001至小于O. Iwt%的量存在；以及 (d)有機載體。
全文摘要
導(dǎo)電漿料組合物，特別是用于太陽能電池，包含銀顆粒、玻璃顆粒、有機載體和至少一種添加劑。該添加劑可以是五氧化二鉭或?qū)щ娋毜慕饘兕w粒，例如金和/或鉑族金屬。當(dāng)用于形成太陽能電池上的電接觸時，這種漿料提供該接觸對該電池的增強的粘結(jié)以及改進的電子傳輸。
文檔編號H01B1/22GK102687205SQ201080051755
公開日2012年9月19日 申請日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者T·T·范, 張偉銘 申請人:賀利氏北美肯肖霍肯貴金屬材料有限責(zé)任公司