用于太阳能电池的前电极的糊剂组合物和包含该组合物的 太阳能电池 相关申请的交叉参考
本申请要求第 10-2010-0106329(2010.10.28) 号韩国专利申请的优先权， 该专利 申请通过引用的方式全部纳入本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池的前电极的糊剂组合物和包含该组合物的太阳能电池。 背景技术 最近， 由于化石能源枯竭， 开发下一代清洁能源正变得日益重要。 太阳能电池产生 很少的污染， 利用无限资源并且具有半永久性寿命。 因此， 期望太阳能电池可以用作一种解 决将来能量受限制的能源。
此种太阳能电池可以包括设置在硅衬底上的电极， 该硅衬底包括 N- 型和 P- 型半 导体。为了通过增强电极和硅衬底之间的粘合来改善电性能， 用于太阳能电池的糊剂组合 物中的玻璃粉内的 Pb 含量应该增加。但是， 因为 Pb 可能污染环境， 所以考虑到环境， 玻璃 粉内的 Pb 含量应该减小。因此， 需要可以保持电极与硅衬底之间优异的粘合同时减小 Pb 含量的技术。
发明内容
本发明实施方案提供了一种用于太阳能电池的电极的糊剂组合物和包括由该糊 剂组合物形成的前电极的太阳能电池， 所述糊剂组合物减小了 Pb 含量且改善了电性能。
在一个实施方案中， 用于太阳能电池的前电极的糊剂组合物包含 ： 导电粉末、 有机 载体玻璃粉和添加剂， 其中所述添加剂包括选自 Zn、 Sb、 V、 W、 Cr、 Cd、 Re、 Sn、 Mo、 Mn、 Ni、 Co、 Cu 和含有上述金属之一的金属氧化物中的至少一种物质。
上述金属氧化物可以包括选自 SnFe2O4、 NiFe2O4、 ZnFe2O4、 CuFe2O4 和 VFe2O4 中的至 少一种物质。
所述糊剂组合物可以包含约 0.1 重量％～约 10 重量％的添加剂。在本发明中， 所述糊剂组合物可以包含约 0.1 重量％～约 5 重量％的添加剂， 且更优选包含约 0.1 重 量％～约 2 重量％的添加剂。
所述糊剂组合物可以包含 ： 约 50 重量％～约 90 重量％的导电粉末， 约 10 重 量％～约 50 重量％的有机载体， 约 1 重量％～约 20 重量％的玻璃粉， 和约 0.1 重量％～约 10 重量％的添加剂。优选地， 所述糊剂组合物可以包含约 0.1 重量％～约 5 重量％的添加 剂， 且更优选包含约 0.1 重量％～约 2 重量％的添加剂。
所述导电粉末可以包括银 (Ag) 粉末。
在另一个实施方案中， 用于太阳能电池的前电极的糊剂组合物包含 ： 导电粉末、 有机载体、 玻璃粉和添加剂， 该添加剂含有不同于上述导电粉末的金属， 其中所述糊剂组合物 包含约 0.1 重量％～约 10 重量％的添加剂。
上述添加剂可以包括选自 Zn、 Sb、 V、 W、 Cr、 Cd、 Re、 Sn、 Mo、 Mn、 Ni、 Co、 Cu 和含有上 述金属之一的金属氧化物中的至少一种物质。
所述金属氧化物可以包括选自 SnFe2O4、 NiFe2O4、 ZnFe2O4、 CuFe2O4 和 VFe2O4 中的至 少一种物质。
所述糊剂组合物可以包含约 0.1 重量％～约 5 重量％的添加剂， 且更优选包含约 0.1 重量％～约 2 重量％的添加剂。
在又一实施方案中， 提供一种太阳能电池， 该太阳能电池包括使用根据本发明实 施方案的用于太阳能电池的前电极的糊剂组合物制造的前电极。
在下面的附图和描述中对一个或多个实施方案的细节进行阐述。 从该描述和附图 以及从权利要求书中其它特征将显而易见。
附图简述
图 1 是根据实施方案的太阳能电池的剖视图。 具体实施方式
在实施方案的描述中， 要理解， 当一层 ( 或膜 )、 区域、 图案或结构被描述为在另一 层 ( 或膜 )、 区域、 衬垫或结构的 “上面” 或 “下面” 时， 用语 “上面” 和 “下面” 包括 “直接” 和 “间接” 这两种含义。此外， 关于在各个层的 “上面” 和 “下面” 的参考将基于附图进行。
在附图中， 为了方便描述和清楚， 可以改变各个层 ( 或膜 )、 区域、 图案或结构的厚 度或尺寸。而且， 各个元件的尺寸不完全反映实际尺寸。 下文， 将详细描述根据本发明实施方案的太阳能电池和用于前电极的糊剂组合物 ( 下文， 称为 “糊剂组合物” )， 该糊剂组合物用于形成所述太阳能电池的前电极。
将参考图 1 描述太阳能电池的示例性实施方案， 根据实施方案的糊剂组合物可应 用于该太阳能电池中。图 1 是根据实施方案的太阳能电池的剖视图。
参考图 1， 太阳能电池包括 ： 在其前表面包括 N- 型半导体元件 11 的 P- 型硅衬底 10， 与 N- 型半导体元件 11 电连接的前电极 12 和与 P- 型硅衬底 10 电连接的后电极 13。抗 反射层 14 可以设置在 N- 型半导体元件除了前电极 12 的上表面上。背场 (BSF) 层可以设 置在包括后电极 13 的硅衬底 10 上。
根据本发明实施方案的糊剂组合物可以用于形成太阳能电池的前电极 12。 也就是 说， 可以将该糊剂组合物涂布在硅衬底 10 上， 然后干燥和烧制， 形成前电极 12。例如， 所述 糊剂组合物可以在约 80℃～约 200℃的温度下干燥约 30 分钟～约 1 小时。此外， 可以在约 700℃～约 900℃的温度下进行快速热处理， 以烧制所述糊剂组合物。
所述糊剂组合物可以包含导电粉末、 有机载体、 玻璃粉和添加剂。
在本发明中， 所述导电粉末可以是银 (Ag) 粉末。但是， 本公开内容不限于此。例 如， 多种金属粉末可以用作导电粉末。所述导电粉末可以具有球形。但是， 本公开内容不限 于此。例如， 所述导电粉末可以包括具有板形、 钟形或薄片形的粉末。
所述导电粉末的平均粒径可以为约 1μm ～约 10μm。 当导电粉末的平均粒径小于 约 1μm 时， 在导电粉末之间插入有机物质的空间可能窄小。因此， 难以分散有机物质。当
导电粉末的平均粒径大于约 10μm 时， 在导电粉末之间产生大量的孔隙， 从而减小了密度 并增加了电阻。
一种单一的粒子可以用作导电粉末。或者， 直径或形状彼此不同的粒子可以互相 混合， 从而该混合粒子可以用作导电粉末。
所述有机载体可以是溶解有粘合剂的溶剂。而且， 所述有机载体可以另外包含消 泡剂和分散剂。例如萜品醇或二甘醇一乙醚的有机溶剂可以用作溶剂。丙烯酸类树脂、 纤 维素类树脂、 醇酸类树脂可以用作粘合剂。但是， 本公开内容不限于此。例如， 可以使用多 种有机载体。
所述有机载体可以另外包含触变剂、 均化剂或消泡剂。 脲类、 酰胺类或氨基甲酸酯 类聚合物 / 有机物质可以用作触变剂。或者， 无机类二氧化硅可以用作触变剂。
P b O - S i O 2 类 、P b O - S i O 2 - B 2 O 3 类 、Z n O - S i O 2 类 、Z n O - B 2 O 3 - S i O 2 类 或 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2 类玻璃料可以用作玻璃粉。
包括金属的金属添加剂， 除了 Ag， 例如 Zn、 Sb、 V、 W、 Cr、 Cd、 Re、 Sn、 Mo、 Mn、 Ni、 Co 或 Cu， 或者含有该金属的金属氧化物可以用作添加剂。SnFe2O4、 NiFe2O4、 ZnFe2O4、 CuFe2O4、 VFe2O4、 FeO·Fe2O3、 MnO·Fe2O3、 ZnO·Fe2O3 或 NiO·Fe2O3 可以用作金属氧化物。 所述添加剂可以包括金属， 该金属在较低的温度下与构成太阳能电池的硅衬底 10( 即， N- 型半导体元件 11) 结合， 形成合金。该添加剂可以增强糊剂组合物与硅衬底 10 之间的粘合。
此外， 所述添加剂可以包括金属， 该金属与作为导电粉末包含的 Ag 反应， 从而促 进固相反应。 而且， 该添加剂可以在低温下促进作为导电粉末的 Ag 粉末的晶粒生长 (grain growth)。因此， 可以扩大所述糊剂组合物的烧制温度范围， 以提高导电性。
由于可以利用添加剂来增强粘合， 所以尽管玻璃粉中含有的 Pb 含量减小， 导电性 和效率仍可以保持在高水平。
例如， 所述糊剂组合物可以包含 ： 约 50 重量％～约 90 重量％的导电粉末， 约 10 重 量％～约 50 重量％的有机载体， 约 1 重量％～约 20 重量％的玻璃粉， 和约 0.1 重量％～约 10 重量％的添加剂。
当上述导电粉末的含量超过约 90 重量％时， 可能难以形成糊剂状态的组合物。当 上述导电粉末的含量小于约 50 重量％时， 该导电粉末的量可能减小， 从而降低所制造的前 电极 12 的导电性。
当上述有机载体的含量超过约 50 重量％时， 所制造的前电极 12 的导电性可能降 低。当上述有机载体的含量小于约 10 重量％时， 糊剂组合物与硅衬底 10 之间的粘合性可 能变差。
当上述玻璃粉的含量为约 1 重量％～约 20 重量％时， 可以提高粘合、 烧结性能和 后处理性能。
当上述添加剂的含量超过约 10 重量％时， 上述导电粉末的量可能减小， 从而增大 使用该糊剂组合物制造的前电极 12 的电阻。因此， 太阳能电池的效率可能降低。当上述添 加剂的含量小于约 0.1 重量％时， 可能难以充分地期望由于添加剂而带来的效果。
在本发明中， 所述糊剂组合物可以包含约 0.1 重量％～约 5 重量％的添加剂。在 这种情况下， 所述导电粉末可以被足够地加入， 从而保持高导电性以及与带 (ribbon) 的高
结合力。为了在 Pb 含量被减至最小的情况下， 使导电性和与带的结合力最大化， 所述糊剂 组合物可以包含约 0.1 重量％～约 2 重量％的添加剂。
可以通过如下方法制备所述糊剂组合物。
将粘合剂溶于溶剂中， 然后进行预混合过程以形成有机载体。 而后， 将导电粉末和 添加剂加入到上述有机载体中， 熟化 (age) 该混合物约 1 小时～约 12 小时。此处， 可以将 玻璃粉与上述导电粉末和添加剂一起加入。将上述经熟化的混合物利用 3 辊研磨剂机械混 合和分散。对该混合物进行过滤和除去气泡， 从而制得糊剂组合物。但是， 前述方法只是一 个实例， 因此本公开内容不限于此。
包括使用所述糊剂组合物制造的前电极 12 的太阳能电池在前电极 12 与硅衬底 10 之间可以具有优异的粘合性， 从而提高其效率。此外， Pb 含量可以减小， 从而使环境污染最 小化。
下文， 将参考实施例详细描述本公开内容。但是， 以下实施例举例说明本公开内 容， 因此本公开内容不限于此。
实施例 1
将粘合剂溶于溶剂中以制备有机载体。二甘醇单丁基醚乙酸酯和 α- 萜品醇的混 合溶剂可以用作溶剂。乙基纤维素类粘合剂可以用作粘合剂。将 Ag 粉末作为导电粉末、 玻 璃粉和添加剂加入到有机载体中， 对该混合物进行混合。SnFe2O4 可以用作添加剂。将得到 的混合物熟化约 12 小时， 然后使用 3 辊研磨剂二次混合和分散。然后， 对该混合物进行过 滤和除去气泡， 从而制得糊剂组合物。
在该实施例中， 该糊剂组合物包含 ： 约 17 重量％的有机载体， 约 80 重量％的 Ag 粉 末， 约 2 重量％的玻璃粉， 和约 1 重量％的添加剂。
进行丝网印刷过程， 以将上述糊剂组合物涂布在厚度为约 200μm 的硅衬底上， 然 后在约 200℃的温度下将该包括糊剂组合物的衬底干燥约 2 分钟。而后， 在约 900℃的温度 下进行快速热处理过程约 30 秒， 从而制得前电极。
实施例 2
除了糊剂组合物包含约 16 重量％的有机载体、 约 80 重量％的 Ag 粉末、 约 2 重量％ 的玻璃粉和约 2 重量％的添加剂之外， 按照与实施例 1 相同的方法制造前电极。
实施例 3
除了糊剂组合物包含约 13 重量％的有机载体、 约 80 重量％的 Ag 粉末、 约 2 重量％ 的玻璃粉和约 5 重量％的添加剂之外， 按照与实施例 1 相同的方法制造前电极。
实施例 4
除了糊剂组合物包含约 12 重量％的有机载体、 约 76 重量％的 Ag 粉末、 约 2 重量％ 的玻璃粉和约 10 重量％的添加剂之外， 按照与实施例 1 相同的方法制造前电极。
实施例 5
除了 NiFe2O4 用作添加剂之外， 按照与实施例 2 相同的方法制造前电极。
实施例 6
除了 ZnFe2O4 用作添加剂之外， 按照与实施例 2 相同的方法制造前电极。
实施例 7
除了 CuFe2O4 用作添加剂之外， 按照与实施例 2 相同的方法制造前电极。实施例 8
除了 VFe2O4 用作添加剂之外， 按照与实施例 2 相同的方法制造前电极。
实施例 9
除了 Zn 用作添加剂之外， 按照与实施例 2 相同的方法制造前电极。
对比例 1
除了糊剂组合物包含约 16 重量％的有机载体、 约 80 重量％的 Ag 粉末和约 4 重 量％的玻璃粉且不包含添加剂之外， 按照与实施例 1 相同的方法制造前电极。
对比例 2
除了糊剂组合物包含约 18 重量％的有机载体、 约 80 重量％的 Ag 粉末和约 2 重 量％的玻璃粉且不包含添加剂之外， 按照与实施例 1 相同的方法制造前电极。
下面表 1 显示， 当将对比例 1 中得到的值定义为 100 时， 通过测量包括实施例 1 ～ 9 以及对比例 1 和 2 制造的前电极的太阳能电池的效率、 填充因数和带的结合力所得到的相 对值。通过如下方法得到与带的结合力 ： 在约 250℃～约 300℃的温度下， 将由 Pb 和 Sn 形 成的带焊接在被印刷在硅衬底上的糊剂组合物上之后， 使用万能试验机测量结合强度。
[ 表 1]
效率 实施例 1 实施例 2 实施例 3 实施例 4 实施例 5 实施例 6 实施例 7 实施例 8 实施例 9 对比例 1 对比例 2
98 101 70 50 86 85 90 88 95 100 65 填充因数 105 100 85 60 95 98 98 95 96 100 50 结合力 99 103 80 60 90 95 92 91 105 100 57参考表 1， 可以看出， 当与其中糊剂组合物含有约 4 重量％的玻璃粉的对比例 1 相 比， 含有约 2 重量％的玻璃粉的对比例 2 中的效率、 填充因数和结合力分别降低至约 65％、 50％和 57％。也就是说， 当在不含有添加剂的情况下， 玻璃粉的量， 即 Pb 含量降低时， 看出 粘合性显著变差。这是由于在前电极和 N- 型半导体元件之间产生肖特基结的少量玻璃粉，导致硅衬底和糊剂组合物之间的反应降低。这从低的填充因数可以获知。
参考实施例 1 ～ 8， 看出， 当与其中糊剂组合物包含与实施例 1 ～ 8 相同量的玻璃 粉的对比例 2 相比时， 填充因数和结合力优异。根据实施例 1 ～ 8， 看出糊剂组合物与硅衬 底彼此欧姆接触， 从而实现了优异的填充因数。
根据实施例 1 ～ 3 和 5 ～ 8， 尽管糊剂组合物包含约 2 重量％的玻璃粉， 可以看出 效率和填充因数与对比例 1 相似。 也就是说， 当糊剂组合物包含约 5 重量％或少于 5 重量％ 的添加剂时， 尽管玻璃粉的量减少一半， 但效率、 填充因数和结合力也可以保持在高水平。 具体而言， 与对比例 1 相比， 其中糊剂组合物包含约 2 重量％的 SnFe2O4 作为添加剂的实施 例 2 具有更优异的效率、 填充因数和结合力。
在根据上述实施例的糊剂组合物中， 尽管 Pb 含量降低， 但可以加入一种可以与构 成导电粉末的金属一起形成化合物的物质， 来提高粘合性。包括使用上述糊剂组合物制造 的电极的太阳能电池在该电极与硅衬底之间具有优异的粘合性， 从而提高效率。 因此， 可以 减小 Pb 含量， 从而使环境污染最小化。
在本说明书中对 “一个实施方案” 、 “实施方案” 、 “示例性实施方案” 等的任何提及 是指结合实施方案描述的具体特征、 结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。这 种用语在本说明书的不同地方出现不一定都指相同的实施方案。此外， 当结合任何实施方 案描述具体的特征、 结构或特性时， 认为结合该实施方案的其它特征、 结构或特性来实现这 种特征、 结构或特性在本领域技术人员的范围内。 尽管已参考许多示例性实施例描述了实施方案， 但应理解本领域技术人员可以设 计多种其它改变和实施例， 该改变和实施例落入本发明原理的精神和范围内。 更具体而言， 在本发明、 附图和所附权利要求书的范围内， 在主题组合排列的组成元件和 / 或排列中多 种变化和改变是可能的。除了组成元件和 / 或排列中的变化和改变之外， 可替代的用途对 于本领域的技术人员也是显而易见的。