用于太阳能应用的过孔填料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于太阳能应用中的过孔填料，其表现出低的串联电阻和高的旁路电阻。本发明的过孔填料包含银粉、玻璃粉和载剂。
【专利说明】用于太阳能应用的过孔填料
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于太阳能应用中的过孔填料，其具有低的串联电阻和高的旁路电阻。这种新的太阳能电池结构是背接触太阳能电池装置。在该装置中，与P和η表面的接触是在太阳能电池的背面形成的。这种结构利于降低阴影损失，从而提高了太阳能效率。本发明特别涉及关键的金属化，其如图1所示通过孔将太阳能电池的正面与背面相连。
【背景技术】
[0002]太阳能电池有时也被称为光伏电池，通过光伏效应将太阳能转化为电能。最常见的太阳能电池包含大面积的P-N结装置。这种太阳能电池通常包含硅片，该硅片在N侧掺有磷，在P侧掺有硼。在硅片的N侧(通常在抗反射涂层上)形成金属接触网格。在硅片的P侧上形成背接触。当光子撞击太阳能电池时，从硅片的N侧释放出电子。释放的电子不能穿过P-N结，因此流过所述接触网格。接触网格与在所述背接触的绝缘层上形成的收集器网格电连接。接触网格与收集器网格之间的电连接是通过导电的过孔填料来建立的，该填料填充了穿过硅片的过孔。电子流通过外电路(未显示)从收集器网格流向背接触，它们在此填充入硅片P侧的自由“空穴”。流过外电路的电子流提供了电流(“I”)，太阳能电池的电场产生了电压(“V”)，他们的乘积是功率(“P”)。
[0003]众所周知，太阳能电池产生的功率会通过两种寄生电阻而耗散，它们被称为串联电阻(“Rs”)和旁路电阻(“Rsh”)。串联电阻来自于制造太阳能电池的材料对电流(尤其是从硅片N侧流向接触网格的电子流)的固有电阻，和来自于有电阻的触点。旁路电阻会防止电流穿过在太阳能电池中形成的P-N结的电流泄漏。为了使太阳能电池的效率最大化，应当使串联电阻尽可能小，而使旁路电阻尽可能大。
[0004]发明概述
[0005]就处理太阳能电池的寄生电阻而言，通过过孔形成导电通道是特别困难的问题。一方面，希望过孔填料具有低的固有电阻，从而使串联电阻最小。但是由于过孔填料在过孔中与硅片接触，过孔填料也会形成贯穿P-N结的导电通道(旁路)，这不利地造成低的旁路电阻。
[0006]鉴于上述情况，本发明涉及用于太阳能应用中的过孔填料，其具有低的串联电阻和高的旁路电阻。本发明的过孔填料包含银粉、特殊氧化物、玻璃粉和载剂。另选的太阳能电池类型是发射极穿孔卷绕电池(EWT)，其中硅片具有在其中形成的过孔，过孔将η侧(主表面)与P侧(主表面)连接。这些孔可以通过例如化学刻蚀、机械钻孔或激光等形成。然后将过孔衬以电绝缘材料。然后用包含导电材料(通常是金属，例如银)和玻璃粉的糊填充绝缘的过孔。然后将填充有所述糊的硅片烧制，以将金属烧结，将玻璃粉熔融。由此形成从硅片的η侧到P侧的、贯穿硅片厚度的导电通道。由于预先向过孔施用了绝缘材料，因而防止了穿过硅片的侧向导电。制造发射极穿孔卷绕太阳能电池的方法在US2011/0192826中已公开，该文献经引用而合并到本文中。
[0007]特别地，参考图1。图1是EWT太阳能电池的概括的、程式化的图。硅片10具有η侧和P侧。在硅片10中形成过孔(未显示)，在所述η侧和P侧之间提供通道。将绝缘层50施用在过孔的内表面上和娃片10的η侧的至少一部分表面上。过孔填充有含有金属和玻璃粉的糊60。将钝化层70 (例如SiNx和SiO2)施用在硅片10的η侧上的至少一部分绝缘层50上。它也可以覆盖糊60的暴露的部分。
[0008]然后，将过孔中填充了糊60的硅片10烧制，以将糊中的金属烧结、将玻璃熔融，从而形成一个塞。或者，不是仅烧制过孔糊60，也可以由另一种糊在硅片η侧(80)和P (90)上都印刷触点。糊80和糊90各自覆盖糊60的至少一部分暴露的端面。η侧触点80可以覆盖一部分钝化层70。如果之前烧制了糊60，则可以在所述塞的烧制端上印刷触点80和90，并独立烧制。
[0009]本发明开发的糊组合物填充所述过孔，并在烧制时形成固体塞。该固体塞具有低的电阻，并且不在过孔中与发射极反应而造成旁路。发射极是通过使磷扩散到硅片中而形成的ρ-η结。所述糊还是可焊的，并具有高的粘附性。在一些场合，此过孔填料也可以被其它糊覆盖，形成可焊性高的触点。
[0010]本发明具有三个主要特点。第一个特点涉及在烧制过程中控制烧结。这是通过仔细选择具有一定粒度的金属粉末、使用具有特定熔点的玻璃和影响烧结性能的氧化物来实现的。第二个特点涉及旁路特性。通过控制过孔填充糊和周围孔之间的反应实现了优异的旁路性能。这是通过选择玻璃和通过氧化物的比例来控制的。第三个特点涉及被烧制膜的可焊性和粘附性。这是通过选择对硅片具有反应性的玻璃和选择在烧结过程中不把玻璃挤压到表面上的金属粉末来实现的。除此之外，通过选择有机树脂来控制糊的流变性，以产生理想的过孔填充。
[0011]本发明的上述及其它特点将在下文更充分地描述，并特别在权利要求书中指出。下文的描述详细阐述了本发明的一些示例性的实施方案，但它们只是指出了可以采用本发明原理的数种方式中的一部分。
[0012]附图简述
[0013]图1是太阳能电池的程式化的示意性截面图。
[0014]图2 — 4是显示在实施例中形成的过孔的横截面的显微照片。
[0015]发明详述
[0016]本发明的过孔填料在烧制前含有银粉和玻璃粉。银粉和玻璃粉的特殊特点决定了使用由本发明过孔填料制成的塞的太阳能电池的特性。
[0017]本发明的过孔填料优选含有约65重量％至约90重量％的银粉。更优选地，本发明的过孔填料含有约74重量％至约87重量％的银粉。银粉应该具有普通的高纯度(99+ % )。
[0018]相信在使用具有两种或更多种不同D5tl粒度(即，双峰、三峰或者多峰粒度分布)的银粉时，填充密度提高。银粉优选具有在大约0.25微米到大约30微米的范围内的D5tl平均粒度(有时简称为D5tl尺寸)。
[0019]对于第一部分银粉，D50尺寸为0.5到5微米，优选为I到4.5微米，更优选为
1.5-3.5微米，例如2-3微米。对于第二分部银粉，D5tl尺寸为0.5到2.5微米，优选为0.75到2.25微米，更优选为1-2微米，例如1.25-1.75微米。对于第三部分银粉，D5tl尺寸为0.1到1.5微米，优选为0.3到1.3微米，更优选是0.5-1.0微米，例如0.6-0.9微米。
[0020]另选的银粉(在本文中可被称为第一、第二、第三等等)的D5tl尺寸为2到20微米，优选为3到15微米，更优选为4-10微米，更优选为5-9微米，例如6-8微米。
[0021]在本发明的实施方式中，可以使用第一、第二、第三和所述另选银粉的各种比例的组合。
[0022]例如，糊可以含有20-50重量％的所述第一部分银粉、30-50重量％的所述第二部分银粉和0.1-10重量％的所述第三部分银粉。优选地，糊可以含有25-45重量％的所述第一部分银粉、35-45重量％的所述第二部分银粉和2-8重量％的所述第三部分银粉。或者，糊可以含有30-40重量％的所述第一部分银粉、30-40重量％的所述第二部分银粉和3-7重量％的所述第三部分银粉。
[0023]在本发明的另一实施方式中，糊含有40-70重量％的所述另选部分银粉、5-25重量％的所述第二部分银粉和1-20重量％的所述第三部分银粉。优选地，糊含有45-65重量％的所述另选部分银粉、10-20重量％的所述第二部分银粉和5-15重量％的所述第三部分银粉。更优选地，糊含有50-60重量％的所述另选部分银粉、12-18重量％的所述第二部分银粉和6-10重量％的所述第三部分银粉。
[0024]各种银粒子表面积(SSA，用BET方法测量)都适用于本发明。例如，0.01-1.0m2/g>或 0.1-0.5m2/g、或 0.2-0.6m2/g、或 0.3-0.8m2/g、例如 0.22m2/g 或 0.84m2/g 的表面积。
[0025]两种形态的银粉都是可行的:平的薄片和球形。优选的银粉是球形和片状粉末的组合。将两种或三种不同尺寸和形状的银粉掺混，以控制烧结时的收缩率。用脂肪酸及其皂涂覆Ag粒子以实现需要的流变性。
[0026]优选地，本发明的过孔填料还含有大约0.01%到大约10重量％的一种或多种玻璃粉，或1-10重量％。优选地，用于本发明中的玻璃粉具有在大约250°C到650°C、优选大约300°C到大约600°C范围内的 软化点(通过Labino软化点仪测量)。玻璃粉的化学组分对于确保不发生烧穿是关键的。例如，可以使用具有如表I所示组成的磷酸钒铅玻璃(“Pb-V-P”)和铝硅酸铅锌玻璃(Pb-Zn-Al-Si )。
[0027]表I玻璃组成范围,重量％
[0028]
【权利要求】
1.导电糊，包含: a.65-90重量％的银粉； b.0.1-10重量％的至少一种玻璃粉； c.独立和区别部分的选自由锆、铋、铝、及其组合组成的组的金属的至少一种氧化物或粘土，和 d.独立和区别部分的选自由钡、钙、镁、硅及其组合组成的组的金属的至少一种氧化物或粘土。
2.权利要求1的导电糊，其中所述银粉至少具有双峰粒度分布，该双峰粒度分布具有第一 D5tl平均粒度和第二 D5tl平均粒度。
3.权利要求1的导电糊，其中所述银粉至少具有三峰粒度分布，该三峰粒度分布具有具有第一 D5tl平均粒度的第一部分银粉、具有第二 D5tl平均粒度的第二部分银粉和具有第三D50平均粒度的第三部分银粉。
4.权利要求3导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为0.5至5微米，所述第二 D5tl尺寸为0.5至2.5微米，且所述第 三D5tl粒度为0.1至1.5微米，其中所述D5tl尺寸彼此相差至少0.1微米。
5.权利要求4导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为I至4.5微米，所述第二 D5tl尺寸为0.75至2/25微米，且所述第三D5tl尺寸为0.3至1.3微米。
6.权利要求5导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为1.5至3.5微米，所述第二 D5tl尺寸为I至2微米，且所述第三D5tl尺寸为0.5至1.0微米。
7.权利要求6导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为2至3微米，所述第二 D5tl尺寸为1.25至1.75微米，且所述第三D5tl尺寸为0.6至0.9微米。
8.权利要求4至7的导电糊，其中所述银粉含有20-50重量％的所述第一部分、30-50重量％的所述第二部分和0.1-10重量％的所述第三部分。
9.权利要求4至7的导电糊，其中所述银粉含有25-45重量％的所述第一部分、35-45重量％的所述第二部分和2-8重量％的所述第三部分。
10.权利要求4至7的导电糊，其中所述银粉含有30-40重量％的所述第一部分，30-40重量％的所述第二部分和3-7重量％的所述第三部分。
11.权利要求3的导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为2至20微米，所述第二 D5tl尺寸为0.5至2.5微米，且所述第三D5tl粒度为0.1至1.5微米，其中所述D5tl尺寸彼此相差至少0.1微米。
12.权利要求11的导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为3至15微米，所述第二 D5tl尺寸为0.75至2.25微米，且所述第三D5tl尺寸为0.3至1.3微米。
13.权利要求11的导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为4至10微米，所述第二 D5tl尺寸为I至2微米，且所述第三D5tl尺寸为0.5至1.0微米。
14.权利要求11的导电糊，其中所述第一D5tl尺寸为5至9微米，所述第二 D5tl尺寸为1.25至1.75微米，且所述第三D5tl尺寸为0.6至0.9微米。
15.权利要求11至14任一项的导电糊，其中所述银粉含有40-70重量％的所述第一部分，5-25重量％的所述第二部分和1-20重量％的所述第三部分。
16.权利要求11至14任一项的导电糊，其中所述银粉含有45-65重量％的所述第一部分、10-20重量％的所述第二部分和5-15重量％的所述第三部分。
17.权利要求11至14任一项的导电糊，其中所述银粉含有50-60重量％的所述第一部分、12-18重量％的所述第二部分和6-10重量％的所述第三部分。
18.权利要求3的导电糊，其中所述银粉具有3至15微米的第一D5tl平均粒度、0.7至1.5微米的第二 D5tl粒度和I至3微米的第三D5tl平均粒度。
19.权利要求1的导电糊,其中(c)和(d)的和构成所述导电糊的0.01至10重量％。
20.权利要求1的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物构成所述导电糊的0.1至5重量％。
21.权利要求1的导电糊，Cd)的粘土或氧化物构成所述导电糊的0.01至2重量％。
22.权利要求1的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物是选自由锆、铋、铝及其组合组成的组的金属的简单氧化物。
23.权利要求1的导电糊，其中(d)的粘土或氧化物是选自由钡、钙、镁、硅及其组合组成的组的金属的粘土。
24.权利要求5的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物包括氧化锆。
25.权利要求24的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物还包含氧化铝。
26.权利要求24的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物包括Bi203。
27.权利要求24的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物还包含膨润土。
28.权利要求27的导电·糊，其中(d)的粘土或氧化物包括锂蒙脱石。
29.权利要求11的导电糊，其中(c)的粘土或氧化物包括Bi203。
30.权利要求1的导电糊，其中该导电糊含有74-87重量％的银粉。
31.权利要求1的导电糊，其中所述至少一种玻璃粉含有至少一种选自由PbO、P2O5,V2O5, ZrO2, SiO2^Al2O3和Ta2O5组成的组的氧化物。
32.权利要求1的导电糊，其中所述至少一种玻璃粉含有Pb0、P205和V205。
33.权利要求32的导电糊，其中所述玻璃粉含有20-40重量％的Pb0、5_20重量％的P2O5、和 45-70 重量 ％ 的 V2O5。
34.权利要求1的导电糊，其中所述至少一种玻璃粉含有Pb0、Zn0、Si02、Al203和Ta205。
35.权利要求34的导电糊，其中所述至少一种玻璃粉含有45-70重量％的PbO、10-30重量％的Zn0、5-25重量％的Si02、l-15重量％的Al2O3、和1-10重量％的Ta205。
36.权利要求1的导电糊，其中所述至少一种玻璃粉具有250至650°C的软化温度。
37.权利要求1的导电糊，其中所述至少一种玻璃粉的Tg是300至550°C。
38.权利要求1的导电糊，其中至少一种玻璃粉在加热时至少部分结晶。
39.一种电子器件，其具有基底和过孔，所述基底包含第一主表面和第二主表面，所述过孔具有从所述第一主表面延伸到所述第二主表面的侧壁，该过孔填充有能够在所述第一主表面和所述第二主表面之间传导电流的经烧制的导体材料，所述导体材料通过绝缘层与过孔的侧壁电绝缘，所述绝缘层是在所述导体材料的烧制过程中形成的。
40.制造电子器件的方法，包括下述步骤: a.提供基底和过孔，所述基底具有第一表面和相对的第二表面，所述过孔在所述第一表面和所述第二表面之间延伸，所述过孔具有沿所述基底形成的侧壁； b.向所述过孔中施用导电填料，和 c.烧制所述基底，使得所述导电填料形成在该导电填料和所述侧壁之间的电绝缘层和从所述第一表面延伸到所述第二表面的导电通道。
41.权利要求40的方法，其中所述导电填料在烧制过程中不与所述侧壁反应。
42.导电糊，包含: a.65-90重量％的银粉， b.0.1-10重量％的至少一种玻璃粉，和 c.独立和区别部分的选自由锆、铋、铝、及其组合组成的组的金属的至少一种氧化物或粘土，和
43.权利要求42的 导电糊，还包含(d)独立和区别部分的选自由钡、钙、镁、硅及其组合组成的组的金属的至少一种氧化物或粘土。
【文档编号】H01B1/12GK103430240SQ201180052571
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年9月1日 优先权日:2010年9月1日
【发明者】G·E·小格雷迪, C·M·麦金利, A·S·沙科赫 申请人:赫劳斯贵金属北美康舍霍肯有限责任公司