專利名稱：太陽能電池電極用漿料和使用其的電極及太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池電極用漿料和使用其的太陽能電池。更具體而言，本發(fā)明涉及一種太陽能電池電極用漿料，其包括納米和微米級金屬氧化物顆粒并示出優(yōu)異的可印刷性和轉換效率，同時本發(fā)明還涉及使用這種漿料的太陽能電池。
背景技術：
隨著化石燃料如石油和煤不久將會枯竭，利用太陽光作為替代能源的太陽能電池已經引起了人們的關注。形成太陽能電池以利用將光子轉化成電的p-n結的光伏效應產生電能。在太陽能電池中，前電極和后電極分別形成于具有P-n結的半導體晶片或基底的前表面和后表面上。然后，利用射入晶片的引發(fā)p-n結的光伏效應而由p-n結的光伏效應所產生的電子提供電流，該電流通過電極流至外部。太陽能電池的電極通過涂布、圖案化和燒結電極用漿料而形成于晶片上。評價太陽能電池質量的一個標準是轉換效率。太陽能電池的轉換效率是一個指示入射光轉換成電能的轉換量的值，表示為最大輸出與入射能量的比。電極特性是改進太陽能電池轉換效率的一個重要因素，設計為接收入射陽光的前電極用漿料通常包括導電顆粒、玻璃粉粉末和提供作為液體載體的載體。近來，改進太陽能電池轉換效率的大多數努力都集中于漿料的這些組分上。然而，傳統(tǒng)上在將太陽能電池漿料印刷在晶片前后側上并干燥之后，在燒結期間， 銀離子滲透硅晶片，而使所制備的太陽能電池由于電極上的離子低分布而遭致串聯(lián)和并聯(lián)電阻變差，由此太陽能電池的轉換效率不能顯著改善。另一傳統(tǒng)方法采用7 IOOnm平均直徑的氧化鋅粉末，具有一些缺點，如漿料的粘度增加，由于可印刷性差而造成圖案損失，以及轉換效率降低。因為，本發(fā)明人開發(fā)了一種太陽能電池電極用漿料和使用這種漿料的太陽能電池，其具有改善的漿料可印刷性并同時顯示出優(yōu)異的轉換效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明一方面提供了一種太陽能電池電極用漿料。這種太陽能電池電極用漿料包括(a)導電性粉末、(b)玻璃粉、(c)有機載體、和(d)具有納米和微米級顆粒的金屬氧化物顆粒，該納米級顆粒的平均粒徑(D50)為15-50nm，該微米級顆粒的平均粒徑(D50)為 0. 1-2 μ m0導電性粉末包括選自由銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷 (Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(1 )、鎢(W)、鉬(Mo)、 鎳(Ni)和氧化銦錫(ITO)組成的組中的至少之一。玻璃粉可以包括含鉛玻璃粉、無鉛玻璃粉或其混合物。而且，這種玻璃粉可以選自結晶玻璃粉、非結晶玻璃粉及其混合物。 有機載體可以包括有機粘合劑和溶劑。
金屬氧化物顆?？梢园ㄟx自由氧化鋅(SiO)、氧化鉛( 、氧化銅(CuO)、氧化硅(SiO2)、和氧化鈦(TiO2)顆粒組成的組中的至少之一。金屬氧化物顆?？梢园ň哂屑{米級平均粒徑(D50)的顆粒和具有微米級平均粒徑(D50)的顆粒。納米級顆?？梢跃哂?5 50nm的平均粒徑(D50)，而優(yōu)選為20 40nm，并且所述微米級顆粒可以具有0. 1 2 · ·的平均粒徑(D50)，而優(yōu)選為0. 1 1. 5 μ m。在一個實施方式中，納米級顆粒的存在量相對于金屬氧化物顆粒的總量為5wt% 50wt%。在一個實施方式中，太陽能電池電極用漿料可以包括(a)60wt% 90wt%的導電性粉末，(b) Iwt % IOwt %的玻璃粉，(c)8wt% 20襯％的有機載體，和(d)lwt% 10wt%的納米和微米級金屬氧化物顆粒。太陽能電池電極用漿料可以進一步包含添加劑， 如增塑劑、分散劑、觸變劑、粘度穩(wěn)定劑、消泡劑、顏料、UV穩(wěn)定劑、抗氧化劑、偶聯(lián)劑等，其可以根據本領域技術人員眾所周知的用量加入。另一方面提供了由這種漿料形成的電極。還有一方面提供了包括這種電極的太陽能電池。


圖1是采用根據本發(fā)明一個示例性實施方式的漿料生產的太陽能電池的示意圖。
具體實施例方式根據一個實施方式，太陽能電池電極用漿料包括(a)導電性粉末、(b)玻璃粉、(C) 有機載體、和(d)納米和微米級金屬氧化物顆粒。(a)導電性粉末導電性粉末可以包含導電性有機物質、導電性無機物質或其組合。在一個實施方式中，導電性粉末是無機粉末，而優(yōu)選為金屬粉末。所述導電性粉末的實例可以包括但不限于，銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁 (Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、銥(Ir)、鋨(Os)、銠(1 )、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni) 和氧化銦錫(ITO)。這些導電性粉末可以單獨使用或作為其兩種或多種類型的合金使用。 這些導電性粉末也可以單獨使用或其兩種或多種類型組合使用。在一個實施方式中，導電性粉末包括銀(Ag)顆粒并可以進一步包含鎳(Ni)、鈷 (Co)、鐵0 )、鋅(Zn)或銅(Cu)顆粒。導電性粉末可以具有球形形狀、薄片狀、無固定形狀(amorphous shape)、或其組合。在一個實施方式中，導電性粉末可以具有球形而進一步改善填充系數、燒結密度和UV 透過率。導電性粉末可以具有0. 1 10 μ m的平均粒徑(D50)，優(yōu)選0. 2 7 μ m，更優(yōu)選 0. 5 5 μ m，而更加優(yōu)選1 3 μ m。在導電性粉末于室溫下超聲波分散于異丙醇(IPA)中持續(xù)3min之后通過Model 1064D (CILAS Co.，Ltd.)測定平均粒徑。導電性粉末可以存在的量相對于漿料總重量為60wt% 90wt%。導電性粉末用量在該范圍內，就可能防止由于電阻增加而使轉換效率變差并避免了由于有機載體的量相對降低而在形成漿料中的困難。導電性粉末優(yōu)選按照70wt% 88wt%的量存在，而更優(yōu)選為 75wt% 82wt%。(b)玻璃粉玻璃粉可以增強導電性粉末與其下基底之間在燒制工藝過程中的附著力并在燒結時變軟而進一步降低燒結溫度。玻璃粉可以包含結晶的玻璃粉或非結晶的玻璃粉。玻璃粉可以是任何類型的含鉛玻璃粉、無鉛玻璃粉及其混合物。例如，這種玻璃粉可以包括但不限于選自以下物質的至少之一氧化鋅-氧化硅(SiO-SiO2)、氧化鋅-氧化硼-氧化硅(ZnO-B2O3-SiO2)、氧化鋅-氧化硼-氧化硅-氧化鋁(ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3)、氧化鉍-氧化硅(Bi2O3-SiO2)、氧化鉍-氧化硼-氧化硅(Bi2O3-B2O3-SiO2)、氧化鉍-氧化硼-氧化硅-氧化鋁(Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3)、 氧化鉍-氧化鋅-氧化硼-氧化硅(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2)、和氧化鉍-氧化鋅-氧化硼-氧化硅-氧化鋁(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3)玻璃粉。玻璃粉可以具有0. 1 5 μ m的平均粒徑(D50)，優(yōu)選為0. 5 3 μ m。在該范圍內， 在形成電極時通過UV輻射的深部固化不會中斷，而在顯影工藝過程中不會產生針孔。在玻璃粉于室溫下超聲波分散于異丙醇(IPA)中持續(xù):3min之后通過Model 1064D(CILAS Co.， Ltd.)測定平均粒徑。在一個實施方式中，玻璃粉可以具有300 600°C的軟化點，而優(yōu)選為400 550 "C。玻璃粉相對于漿料總重量按照Iwt % IOwt %的用量存在，而優(yōu)選為Iwt % 7wt%。在此范圍內，就可能由于導電性粉末的電阻、燒結性能和附著力的改善而防止轉換效率變差，而同時避免燒制之后存在過量的玻璃粉，這些過量的玻璃粉能夠導致電阻增加且可潤濕性變差。(c)有機載體(載體)有機載體可以包括為漿料提供液體性能的有機粘合劑。在一個實施方式中，有機載體(c)可以包括有機粘合劑和溶劑。具體而言，有機載體(c)可以包括5wt% 40wt%的有機粘合劑和60wt% 95wt%的溶劑。在另一實施方式中，有機載體(c)可以包括5wt% 30wt %的有機粘合劑和70wt % 95wt %的溶劑。有機粘合劑的實例包括但不限于，通過與親水性丙烯酸單體如羧基發(fā)生共聚而獲得的丙烯酸聚合物；纖維素聚合物，如乙基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素和羥乙基羥丙基纖維素等。這些粘合劑可以單獨使用或以其兩種或多種類型的混合物使用。溶劑可以是具有120°C或更高沸點的有機溶劑。溶劑的實例包括但不限于甲基溶纖劑、乙基溶纖劑、丁基溶纖劑、脂肪醇、α-松油醇、β-松油醇、二氫松油醇、乙二醇、乙二醇單丁醚、丁基乙酸溶纖劑(butyl cellosolve acetate)、2，2，4_三甲基-1，3_戊二醇單異丁酸酯(texanol)等。這些溶劑可以單獨使用或以其兩種或多種類型的混合物使用。有機載體相對于漿料的總重量可以按照8wt % 20wt %的用量存在，優(yōu)選為 IOwt % 15wt %。在此范圍內，就可能防止?jié){料制備之后的分散不足或粘度過度增加，這可能導致印刷困難，并可能防止電阻增加以及在燒制工藝過程中可能發(fā)生的其它問題。(d)金屬氧化物顆粒金屬氧化物顆粒改善電極的接觸電阻，并促進漿料的結晶化。金屬氧化物顆?？梢园ǖ幌抻谘趸\(SiO)、氧化鉛( 、氧化銅(CuO)、氧
5化硅(SiO2)、和氧化鈦(TiO2)中的至少之一。金屬氧化物顆?？梢园{米級平均粒徑(D50)的顆粒和微米級平均粒徑(D50) 的顆粒的混合物。在一個實施方式中，納米級金屬氧化物顆?？梢跃哂?5 50nm的平均粒徑050)，而優(yōu)選為20 40nm。在一個實施方式中，微米級金屬氧化物顆粒可以具有0. 1 2 · ·的平均粒徑(D50)，優(yōu)選為0. 1 1. 5 · ·。在將金屬氧化物顆粒于室溫下超聲波分散于異丙醇(IPA)中持續(xù)!Brnin之后，通過Model 1064D (CILAS Co.，Ltd.)測定平均粒徑。 在此范圍內，漿料就可以獲得良好的填充系數和轉換效率。由納米級顆粒和微米級顆粒構成的金屬氧化物顆粒相對于漿料的總重量可以按照Iwt% IOwt%的用量存在，而優(yōu)選為lwt% 8wt%。在此范圍內，就可能防止由于在燒制工藝過程期間燒結性能變差而使得電阻和轉換效率變差，并防止由于電阻和漿料粘度增加而造成的印刷性差。另外，納米級顆粒相對于金屬氧化物顆?？傊亓靠梢园凑?wt% 50wt%的用量存在，優(yōu)選為25wt % 50wt %，而更加優(yōu)選為25wt % 40wt %。在此范圍內，金屬氧化物顆粒的比表面積和體積增加而為與玻璃粉的反應提供更多空間，由此提供所需的效應。太陽能電池電極用漿料按照所需可以進一步包括典型的添加劑而增強流動性能、 加工性能和穩(wěn)定性。添加劑可以包括但不限于增塑劑、分散劑、觸變劑、粘度穩(wěn)定劑、消泡劑、顏料、UV穩(wěn)定劑、抗氧化劑、偶聯(lián)劑等。這些添加劑對于本領域技術人員而言是眾所周知的，并可以商購獲得。這些添加劑相對于漿料的總重量可以按照0. 5wt%的用量加入，但是這些用量可以按照所需進行變化。本發(fā)明的其它方面提供了由太陽能電池電極用漿料形成的電極和包含這種電極的太陽能電池。圖1顯示了根據本發(fā)明一個示例性實施方式的太陽能電池。參照圖1，后電極210和前電極230可以通過將漿料印刷并燒制于包含ρ-層101 和η-層102的晶片或基底100上而形成，其將起到發(fā)射極的作用。例如，制備后電極210 的預備工藝過程通過將漿料印刷在晶片100的后表面上并在200 400°C下干燥該印刷的漿料持續(xù)10 60s而完成。另外，制備前電極230的預備工藝過程可以通過將漿料印刷于晶片100的前表面上并干燥所印刷的漿料而完成。隨后，前電極230和后電極210可以通過在400 900°C下燒制晶片100持續(xù)30 50s的時間而形成。接著，本發(fā)明將參照實施例更詳細地進行描述。然而，應該注意這些實施例僅以舉例說明之目的提供而非意欲限制本發(fā)明的范圍。為了清晰起見，本文中對于本領域技術人員顯而易見的細節(jié)的闡述將被省去。實施例在以下實施例和比較例中所用的組分詳細說明如下 (a)導電性粉末球形Ag粉末，具有2. 0 · ·的平均粒徑(D50) (AG-4-8，Dowa HighTech Co. , Ltd.)(b)玻璃粉(bl)低熔點含鉛玻璃粉，具有1. 0 · ·的平均粒徑和451°C的轉化點(Leaded Glass, PSL1004C, Particlogy Co.，Ltd.)(b2)低熔點無鉛玻璃粉，具有1.7 · ·的平均粒徑和317°C的轉化點(CSF-6，Phoenix PDE)(c)有機載體60°C下溶解于松油醇(Nippon Terpine Co.，Ltd.)中的乙基纖維素(Dow Chemical Co. , Ltd. , STD4)(d)金屬氧化物顆粒(dl)ZnO 粉末(Kanto Chemical Co.，Ltd.)，具有 1. 2 · ·的平均粒徑(D50)(d2) ZnO 粉末(SB Chemical Co.，Ltd.)，具有 30nm 的平均粒徑(D50)實施例1 4以表1中所給的比率使用上述制備的成分，另外向其中加入0.3重量份的分散劑BYKlll (BYK-chemie)，0. 3重量份的觸變劑BYK430 (BYK-chemie)，0. 1重量份的消泡劑 BYK053 (BYK-chemie)并與之混合，接著采用三輥研磨機碾磨，由此制備成太陽能電池電極用漿料。比較例1除了不使用納米級金屬氧化物顆粒之外，按照與實施例1的相同方法進行實施。比較例2除了不使用微米級金屬氧化物顆粒之外，按照與實施例1的相同方法進行實施。表 權利要求
1.一種太陽能電池電極用漿料，包含(a)導電性粉末；(b)玻璃粉；(c)有機載體； 和(d)具有納米和微米級顆粒的金屬氧化物顆粒，所述納米級顆粒的平均粒徑(D50)為 15-50nm，所述微米級顆粒的平均粒徑(D50)為0. 1-2 μ m0
2.根據權利要求1所述的漿料，其中所述金屬氧化物顆粒包括選自由氧化鋅(ZnO)、氧化鉛(PbO)、氧化銅(CuO)、氧化硅(SiO2)、和氧化鈦(TiO2)顆粒組成的組中的至少之一。
3.根據權利要求1所述的漿料，其中所述納米級顆粒存在量相對于所述金屬氧化物顆?？傊亓繛?wt% 50wt%。
4.根據權利要求1所述的漿料，其中所述導電性粉末包含選自由銀(Ag)、金(Au)、 鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鋁(Al)、錫(Sn)、鉛(1 )、鋅(Si)、鐵(Fe)M (Ir)、鋨(Os)、銠(Rh)、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、和氧化銦錫(ITO)組成的組中的至少之一。
5.根據權利要求1所述的漿料，其中所述玻璃粉包括含鉛玻璃粉、無鉛玻璃粉、或其混合物。
6.根據權利要求1所述的漿料，其中所述有機載體包含有機粘合劑和溶劑。
7.根據權利要求1所述的漿料，其中所述漿料包含(a)60wt% 90wt%的所述導電性粉末，(b) Iwt % IOwt %的所述玻璃粉，(c)8wt% 20wt%的所述有機載體，和 (d) Iwt % IOwt %的所述納米和微米級金屬氧化物。
8.根據權利要求1所述的漿料，進一步包含選自由增塑劑、分散劑、觸變劑、粘度穩(wěn)定劑、消泡劑、顏料、UV穩(wěn)定劑、抗氧化劑和偶聯(lián)劑組成的組中的至少一種類型的添加劑。
9.一種電極，所述電極由根據權利要求1所述的太陽能電池電極用漿料形成。
10.一種太陽能電池，包含根據權利要求9所述的電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能電池電極用漿料，該漿料顯示出優(yōu)異的可印刷性和轉換效率。這種漿料包括(a)導電性粉末、(b)玻璃粉、(c)有機載體、和(d)具有納米和微米級粒徑分布的金屬氧化物顆粒，該納米級顆粒的平均粒徑(D50)為15-50nm，該微米級顆粒的平均粒徑(D50)為0.1-2μm。本發(fā)明還公開了一種電極，該電極由太陽能電池電極用漿料形成，以及一種包含該電極的太陽能電池。使用該漿料的電極以及電池具有改善的漿料可印刷性并同時顯示出優(yōu)異的轉換效率。
文檔編號H01L31/0224GK102403047SQ201010597609
公開日2012年4月4日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2010年9月15日
發(fā)明者岡本珍范, 李廷喆, 鄭錫鉉, 金載昊 申請人:第一毛織株式會社