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CN106816484B - 形成电极的方法、由其制造的电极以及太阳能电池 - Google Patents

形成电极的方法、由其制造的电极以及太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种形成电极的方法、由其制造的电极以及太阳能电池。形成电极的方法包含涂布包含导电粉末、不含银(Ag)和磷(P)的第一玻璃料以及有机媒剂的用于形成第一电极的组合物，接着将其干燥以形成指状电极图案；涂布包含导电粉末、包含银(Ag)和磷(P)的第二玻璃料以及有机媒剂的用于形成第二电极的组合物，接着将其干燥以形成汇流电极图案；以及烧制所得物。所述形成电极的方法可通过在不增加串联电阻的情况下最多地增加电极的厚度来提高太阳能电池的效率。

Description

形成电极的方法、由其制造的电极以及太阳能电池
技术领域
公开一种形成电极的方法、由其制造的电极以及太阳能电池。
背景技术
太阳能电池可使用可将日光的光子转化成电的p-n结的光生伏特效应产生电能。在太阳能电池中，前电极和背电极可分别形成于具有p-n结的半导体衬底(半导体芯片)的前表面和后表面上。接着，可通过进入衬底的日光诱导p-n结的光生伏特效应，并且通过p-n结的光生伏特效应产生的电子可经由电极提供流向外部的电流。
太阳能电池的电极可通过涂布、图案化以及烧制电极组合物而按预定图案形成于芯片表面上。
太阳能电池可通过减少降低效率的因素而具有高效率。太阳能电池的效率可能因为光损失、电子和空穴的重组损失以及通过电阻组件的损失而大为地降低，且本文中，光损失可由不使用100％的进入太阳能电池的入射光引起且可主要由归因于前电极的阴影损失(shadow loss)引起。
因此，研究通过最多地减少前电极的厚度来增加光吸收速率的方法，但当仅减少厚度时，具有由电极图案的线路中断所致的增加串联电阻的问题。
发明内容
实施例提供一种形成能够通过在不增加串联电阻(Rs)的情况下使电极图案的厚度最小化的提高太阳能电池的效率的电极的方法。
实施例提供使用所述方法制造的电极。
实施例提供包含所述电极的太阳能电池。
根据一个实施例，形成电极的方法包含涂布用于形成第一电极的组合物，接着将其干燥以形成指状电极图案，用于形成第一电极的组合物包含导电粉末、第一玻璃料以及有机媒剂，第一玻璃料不含银(Ag)和磷(P)；
涂布用于形成第二电极的组合物，接着将其干燥以形成汇流电极图案，用于形成第二电极的组合物包含导电粉末、第二玻璃料以及有机媒剂，第二玻璃料包含银(Ag)和磷(P)；以及
烧制所得物。
用于形成第一电极的组合物可包含60重量％到95重量％的导电粉末、0.5重量％到20重量％的第一玻璃料以及余量的有机媒剂。
用于形成第二电极的组合物可包含60重量％到95重量％的导电粉末；0.5重量％到20重量％的第二玻璃料以及余量的有机媒剂。
第二玻璃料可包含按其总量计0.1摩尔％到5摩尔％的银(Ag)和0.1摩尔％到3摩尔％的磷(P)。
第二玻璃料可还包含碲(Te)和锂(Li)。
第二玻璃料可包含30摩尔％到60摩尔％的碲(Te)和3摩尔％到20摩尔％的锂(Li)。
第二玻璃料可包含摩尔比为80∶20到95∶5的碲(Te)和锂(Li)。
第二玻璃料可更包含选自铋(Bi)、铅(Pb)以及其组合的组分。
另一实施例提供通过形成电极的方法制造的电极。
另一个实施例提供一种包含所述电极的太阳能电池。
形成电极的方法可通过在不增加串联电阻的情况下最多地增加电极的厚度来提高太阳能电池的效率。
附图说明
通过参看附图详细描述示例性实施例，特征将对于本领域的技术人员变得清楚，在附图中：
图1为显示根据一个实施例的太阳能电池结构的示意图；
图2为显示根据实例1的前电极的扫描电子显微图(SEM)；
图3为显示根据比较例1的前电极的扫描电子显微图。
具体实施方式
将参考附图在下文中更加全面地描述本发明，在这些附图中示出了本发明的例示性实施例。如本领域的技术人员将认识到，可以各种不同方式来修改所描述的实施例，这些修改均在不脱离本发明的精神或范围的情况下进行。
在附图中，为清楚起见放大了层、膜、面板、区域等的厚度。在本说明书通篇中相同的图式元件符号表示相同的元件。应理解，当如层、膜、区域或衬底的元件被称作在另一元件“上”时，其可直接在另一元件上或还可存在插入元件。相比之下，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在插入元件。
如本文所用，术语“其组合”是指两种或大于两种组分的混合物、掺合物或固溶体化合物。
如本文所用，术语“不含有”是指包括的对应组分的量小于约0.1摩尔％。
根据一个实施例，形成电极的方法包含涂布包含导电粉末、不含银(Ag)和磷(P)的第一玻璃料以及有机媒剂的用于形成第一电极的组合物，接着将其干燥以形成指状电极图案，
涂布包含导电粉末、包含银(Ag)和磷(P)的第二玻璃料以及有机媒剂的用于形成第二电极的组合物，接着将其干燥以形成汇流电极图案，以及
烧制所得物。
在下文中，详细说明一种形成电极的方法。
[制备用于形成第一电极和第二电极的组合物]
用于形成第一电极的组合物可通过混合导电粉末、不含银(Ag)和磷(P)的第一玻璃料以及有机媒剂制备，且用于形成第二电极的组合物可通过混合导电粉末、包含银(Ag)和磷(P)的第二玻璃料以及有机媒剂制备。
导电粉末可为金属粉末。所述金属粉末可包含银(Ag)、金(Au)、钯(Pd)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)、铱(Ir)、铼(Re)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、钒(V)、锌(Zn)、镁(Mg)、钇(Y)、钴(Co)、锆(Zr)、铁(Fe)、钨(W)、锡(Sn)、铬(Cr)、锰(Mn)等。
所述导电粉末的粒度(particle size)可为纳米级或微米级。举例来说，所述导电粉末的粒度可为几十纳米到几百纳米或几微米到几十微米。在实施例中，所述导电粉末可为具有不同粒度的两种或大于两种类型的银粉的混合物。
导电粉末可具有球形、薄片形或非晶形的粒子形状。所述导电粉末的平均粒径(D50)可为0.1微米到10微米，例如0.5微米到5微米。平均粒径可在室温(20℃到25℃)下持续3分钟经由超声波处理将导电粉末分散于异丙醇(isopropyl alcohol；IPA)中之后，使用例如型号1064D(西莱斯有限公司(CILAS Co.，Ltd.))设备来测量。在这一平均粒径范围内，所述组合物可提供低接触电阻和低线路电阻。
按用于形成第一电极的组合物或用于形成第二电极的组合物中的每一者的100重量％计，导电粉末的存在量可为60重量％到95重量％。在一个实施例中，所述导电粉末的存在量可为70重量％到90重量％。在此范围内，可防止转化效率由于电阻增加而退化，并且还可防止由有机媒剂的相对减少导致的硬浆料物形成。
第一玻璃料和第二玻璃料可通过蚀刻抗反射层和熔化导电粉末用以增强导电粉末与衬底之间的粘着且在发射极区中形成银晶体颗粒以减少用于形成电极的第一组合物和第二组合物的烧制工艺期间的接触电阻。在烧制工艺期间，第一玻璃料和第二玻璃料可经软化且可降低烧制温度。
第一玻璃料不含银(Ag)和磷(P)组分。当第一玻璃料包含银(Ag)和磷(P)组分时，可能增加串联电阻。
第一玻璃料可包含选自以下的至少一种元素：铅(Pb)、碲(Te)、铋(Bi)、锂(Li)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、硅(Si)、锌(Zn)、钨(W)、镁(Mg)、铯(Cs)、锶(Sr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)以及铝(A1)。
在一个实施例中，第一玻璃料可为包含铋(Bi)和碲(Te)组分的玻璃料。
按第一玻璃料的总量计，第一玻璃料可包含20摩尔％到80摩尔％范围内的铋(Bi)组分和20摩尔％到80摩尔％范围内的碲(Te)组分。在所述范围内，可同时确保太阳能电池的极好转化效率和电极图案的粘着强度。
第二玻璃料包含银(Ag)和磷(P)组分，且因此可使由电极与衬底之间的不充分接触和串联电阻(Rs)增加产生的开路电压(Voc)损失最小化。另外，串联电阻(Rs)的增加可通过由于衍生自第二玻璃料的Ag离子提高电极的导电性而最小化。
第二玻璃料可包含0.1摩尔％到5摩尔％，例如0.1摩尔％到3摩尔％范围内的银(Ag)和0.1摩尔％到3摩尔％，例如0.1摩尔％到1.5摩尔％范围内的磷(P)。在所述范围内，由电极与衬底之间的不充分接触和串联电阻(Rs)增加产生的开路电压(Voc)损失可最小化。
第二玻璃料中的银(Ag)和磷(P)组分可衍生自偏磷酸银(AgPO3)、正磷酸银(Ag3PO4)、焦磷酸银(Ag4P2O7)、六氟磷酸以及其组合。
第二玻璃料可包含选自以下的至少一种元素：铅(Pb)、碲(Te)、铋(Bi)、锂(Li)、磷(P)、锗(Ge)、镓(Ga)、铈(Ce)、铁(Fe)、硅(Si)、锌(Zn)、钨(W)、镁(Mg)、铯(Cs)、锶(Sr)、钼(Mo)、钛(Ti)、锡(Sn)、铟(In)、钒(V)、钡(Ba)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、钾(K)、砷(As)、钴(Co)、锆(Zr)、锰(Mn)以及铝(Al)。
在一个实施例中，第二玻璃料可为包含碲(Te)和锂(Li)组分的玻璃料。
按第二玻璃料的总量计，第二玻璃料可包含30摩尔％到60摩尔％范围内，例如35摩尔％到55摩尔％范围内的碲(Te)组分和3摩尔％到20摩尔％范围内，例如5摩尔％到15摩尔％范围内的锂(Li)组分。
在第二玻璃料中，碲(Te)和锂(Li)的摩尔比可为80∶20到95∶5。在所述范围内，可同时确保太阳能电池的极好效率和电极图案的粘着强度。
另外，除银(Ag)、磷(P)、碲(Te)以及锂(Li)以外，第二玻璃料可更包含选自以下的元素：铋(Bi)、铅(Pb)以及其组合。
第一玻璃料和第二玻璃料可通过任何适合方法由元素的氧化物制备。举例来说，元素的氧化物可通过以下方式获得：以预定比率混合金属元素的氧化物、熔化混合物、对所得物进行淬火且接着粉碎经淬火的产物。混合可使用球磨机或行星式磨机进行。熔化可在700℃到1300℃下进行，并且淬火可在室温(24℃到25℃)下进行。粉碎可使用(但不限于)盘磨机或行星式磨机进行。
第一玻璃料和第二玻璃料可各自具有0.1微米到10微米的平均粒径(D50)。
第一玻璃料和第二玻璃料可具有球形或非晶形。
按用于形成第一电极的组合物的总量的100重量％计，第一玻璃料可在0.5重量％到20重量％的范围被包含，且按用于形成第二电极的组合物的总量的100重量％计，第二玻璃料可在0.5重量％到20重量％的范围被包含。在所述范围内，可在不劣化电极的电特性的情况下改进电极图案的粘着强度。
有机媒剂可经由与电极组合物的无机组分机械混合赋予用于形成第一电极的组合物和用于形成第二电极的组合物就印刷来说适合的粘度和流变学特征。有机媒剂包含有机粘合剂和溶剂。
有机粘合剂可选自丙烯酸酯类树脂或纤维素类树脂，并且乙基纤维素是通常所用的树脂。举例来说，有机粘合剂可选自以下各者：乙基羟乙基纤维素、硝化纤维素、乙基纤维素与酚醛树脂的混合物、醇酸树脂、酚类树脂、丙烯酸酯类树脂、二甲苯类树脂、聚丁烯类树脂、聚酯类树脂、脲类树脂、三聚氰胺类树脂、乙酸乙烯酯类树脂、木松香或醇的聚甲基丙烯酸酯。
有机粘合剂的重量平均分子量(Mw)可为30,000克/摩尔到200,000克/摩尔，例如40,000克/摩尔到150,000克/摩尔。当重量平均分子量(Mw)在所述范围内时，可获得在可印刷性方面极好的效果。
溶剂可例如为己烷、甲苯、泰萨醇(Texanol)(2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯)、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、环己酮、丁基溶纤剂、脂肪醇、丁基卡必醇(二乙二醇单丁基醚)、二丁基卡比醇(二乙二醇二丁醚)、丁基卡必醇乙酸酯(二乙二醇单丁基醚乙酸酯)、丙二醇单甲基醚、己二醇、萜品醇、甲基乙基酮、苯甲醇、γ丁内酯、乳酸乙酯或其组合。
有机媒剂可以余量存在，例如按用于形成第一电极的组合物或用于形成第二电极的组合物的每100重量％计的1重量％到30重量％，例如5重量％到15重量％存在。在所述范围内，可确保极好的连续印刷。
用于形成第一电极的组合物或用于形成第二电极的组合物可按需要还包含除以上构成元素以外的典型添加剂，以增强流动特性、加工特性以及稳定性。添加剂可包含表面处理剂、分散剂、触变剂、塑化剂、粘度稳定剂、消泡剂、颜料、紫外(UV)稳定剂、抗氧化剂、偶合剂等。这些添加剂可单独使用或以混合物形式使用。按用于形成第一电极的组合物或用于形成第二电极的组合物的每100重量％计，这些添加剂的存在量可为0.1重量％到5重量％。这一量可按需要改变。
[制造电极]
用于形成第一电极的组合物在衬底表面上涂布为预定图案且经干燥，形成指状电极图案。
随后，用于形成第二电极的组合物涂布于具有指状电极图案的衬底上且经干燥，形成汇流电极图案。
用于形成第一电极和第二电极的组合物可以各种方法涂布，如网板印刷、凹版胶印、滚筒筛印刷、剥离(lift-off)等，但本发明不限于此。
由用于形成第一电极和第二电极的组合物形成的电极图案经烧制而获得电极。烧制可在400℃到980℃，例如700℃到980℃下进行。电极可具有0.2到0.35的纵横比和15微米到30微米的厚度。
根据另一实施例，提供包含所述电极的太阳能电池。参看图1，描述根据一个实施例的太阳能电池。
图1是显示根据一个实施例的太阳能电池结构的示意图。
参看图1，背电极210和前电极230是通过将电极组成物印刷在包含p层(或n层)101和n层(或p层)102作为发射极的衬底100上并且接着对其进行烧制来形成。
举例来说，将电极组合物印刷涂布在衬底100的背侧上并且在200℃到400℃下对其进行热处理10秒到60秒以进行用于背电极的先前制备步骤。
前电极230可通过如下预处理：涂布用于形成第一电极的组合物且将其干燥以形成指状电极图案，且接着涂布用于形成第二电极的组合物且将其干燥以形成汇流电极图案。
接着，背电极210和前电极230可经由在400℃到980℃，例如700℃到980℃下烧制30秒到210秒形成。
提供以下实例和比较例以便突出一个或多个实施例的特征，但应理解，实例和比较例不应理解为限制实施例的范围，比较例也不应理解为在实施例的范围之外。此外，应理解，实施例不限于实例和比较例中所描述的具体细节。
制备实例：制备用于形成电极的组合物
制备实例1
如下制备用于形成电极的组合物：在60℃下将1重量％乙基纤维素(陶氏化学公司(Dow Chemical Company)，STD4)充分溶解于6.7重量％萜品醇(日本萜烯(NipponTerpine))中，向其中添加90重量％平均粒径为2.0微米的球形银粉(多瓦高科技有限公司(Dowa Hightech CO.LTD.)，AG-5-11F，3-11F)和2.3重量％平均粒径为2.0微米的玻璃料A(表1中)，且将其均匀混合，且用三辊捏合机混合分散混合物。
制备实例2
根据与制备实例1相同的方法制备用于形成电极的组合物，除了使用表1中的玻璃料B代替玻璃料A。
制备实例3
根据与制备实例1相同的方法制备用于形成电极的组合物，除了使用表1中的玻璃料C代替玻璃料A。
制备实例4
根据与制备实例1相同的方法制备用于形成电极的组合物，除了使用表1中的玻璃料D代替玻璃料A。
(表1)
(单位：摩尔％)
Ag P Te Bi Zn Li Si W Mg
玻璃料A - - 43.9 8.6 14.4 12.2 11.8 9.1 -
玻璃料B - - 58.8 5.0 14.2 12.8 - 9.2 -
玻璃料C 0.8 0.4 48.6 4.4 12.5 12.6 - 6.2 14.5
玻璃料D 1.6 0.8 53.1 4.8 13.7 12.7 - 5.4 7.9
(注：表1的含量(摩尔％)是基于包括对应元素的氧化物)
制造太阳能电池
比较例1
在通过纹理化多结晶芯片(掺杂有硼的p型芯片)的前侧获得的多结晶芯片的背侧上印刷铝浆，形成在上面具有POCl3的n+层，和具有氮化硅(SiNx：H)的抗反射涂层，接着在300℃下将其干燥，且接着在多结晶芯片的前侧上丝网印刷根据制备实例1的用于形成电极的组合物，接着在300℃下将其干燥以形成指状电极和汇流电极图案。在带型炉中在940℃下烧制在以上工艺中制造的电池以获得测试电池。
比较例2
根据与比较例1相同的方法制造测试电池，除了使用根据制备实例2的用于形成电极的组合物代替根据制备实例1的用于形成电极的组合物以形成指状电极和汇流电极图案。
比较例3
根据与比较例1相同的方法制造测试电池，除了使用根据制备实例3的用于形成电极的组合物代替根据制备实例1的用于形成电极的组合物以形成指状电极和汇流电极图案。
实例1
在通过纹理化芯片(掺杂有硼的p型芯片)的前侧获得的多结晶芯片的背侧上印刷铝浆，形成在上面具有POCl3的n+层，和具有氮化硅(SiNx：H)的抗反射涂层，接着在300℃下将其干燥，且接着在多结晶芯片的前侧上丝网印刷根据制备实例1的用于形成电极的组合物，接着在300℃下将其干燥以形成指状电极图案。在经干燥的指状电极图案上，丝网印刷根据制备实例3的用于形成电极的组合物且在300℃下干燥以形成汇流电极图案。在带型炉中在940℃下烧制在以上工艺中获得的电池以制造测试电池。
实例2
根据与实例1相同的方法制造测试电池，除了使用根据制备实例4的用于形成电极的组合物代替根据制备实例3的用于形成电极的组合物。
经由扫描电子显微镜检查根据比较例1到比较例3和实例1和实例2的烧制之后的电极图案。代表性地，图2为显示根据本发明的实例1的前电极的扫描电子显微图且图3为显示根据比较例1的前电极的扫描电子显微图。
参看图2和图3，实例1的前电极具有23微米的厚度和67微米的线宽，且比较例1的前电极具有18微米的厚度和75微米的线宽。因此，实例1的电极较厚且以比比较例1的电极高的纵横比图案化。
通过使用太阳能电池效率测量设备(帕山(Pasan)CT-801，MB系统有限公司(MBSystems Co.Ltd.))测量根据比较例1到比较例3和实例1和实例2的测试电池的电特性(Isc、Voc、Rs、填充因数(FF，％)、转化效率(Eff.，％))。结果提供在表2中。
(表2)
I<sub>sc</sub>(A) V<sub>oc</sub>(mV) R<sub>s</sub>(ohm) FF(％) Eff.(％)
比较例1 8.716 626.5 0.0058 77.49 17.37
比较例2 8.710 626.3 0.0059 77.30 17.35
比较例3 8.726 625.7 0.0063 76.78 17.27
实例1 8.720 627.1 0.0056 77.52 17.41
实例2 8.706 627.2 0.0058 77.47 17.39
参看表2，相较于根据比较例1到比较例3的太阳能电池，根据实例1和实例2的太阳能电池显示全部令人满意的电特性(Voc、Rs、填充因数(FF，％)、转化效率(Eff.，％))。确切地说，通过使用根据比较例3的包含含银(Ag)和磷(P)的玻璃料的用于形成电极的组合物的指状电极和汇流电极图案展现减少的Voc和增加的Rs和因此降低的效率。
实例实施例已在本文中公开，并且尽管采用特定术语，但这些术语只是在一般性和描述性意义上使用并解释，而非为了限制的目的。在一些情况下，如本领域的技术人员自提交本申请案起将显而易见的是，除非另外具体指出，否则结合具体实施例描述的特点/特征和/或元件可单独使用或与结合其它实施例描述的特点、特征和/或元件组合使用。因此，本领域的技术人员应理解，在不脱离如以下权利要求书阐述的本发明的精神和范围的情况下可以对形式和细节作出各种改变。

Claims (9)

1.一种形成电极的方法，包括：
涂布用于形成第一电极的组合物，接着将其干燥以形成指状电极图案，所述用于形成第一电极的组合物包含导电粉末、第一玻璃料以及有机媒剂，所述第一玻璃料不含银和磷；
涂布用于形成第二电极的组合物，接着将其干燥以形成汇流电极图案，所述用于形成第二电极的组合物包含导电粉末、第二玻璃料以及有机媒剂，所述第二玻璃料按其总量计包含0.1摩尔％到5摩尔％的银和0.1摩尔％到3摩尔％的磷；以及
烧制所得物。
2.根据权利要求1所述的形成电极的方法，其中所述用于形成第一电极的组合物包括60重量％到95重量％的所述导电粉末、0.5重量％到20重量％的所述第一玻璃料以及余量的所述有机媒剂。
3.根据权利要求1所述的形成电极的方法，其中所述用于形成第二电极的组合物包括60重量％到95重量％的所述导电粉末、0.5重量％到20重量％的所述第二玻璃料以及余量的所述有机媒剂。
4.根据权利要求1所述的形成电极的方法，其中所述第二玻璃料还包括碲和锂。
5.根据权利要求4所述的形成电极的方法，其中所述第二玻璃料包括30摩尔％到60摩尔％的碲和3摩尔％到20摩尔％的锂。
6.根据权利要求4所述的形成电极的方法，其中所述第二玻璃料包括摩尔比为80:20到95:5的碲和锂。
7.根据权利要求4所述的形成电极的方法，其中所述第二玻璃料还包括选自铋、铅以及其组合的组分。
8.一种用于太阳能电池的电极，其是根据权利要求1到7中任一项所述的形成电极的方法制造。
9.一种太阳能电池，包括根据权利要求8所述的用于太阳能电池的电极。
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