制备mwt太阳能电池电极中的包含粗无机氧化物颗粒的导电浆料的制作方法
【专利说明】制备MWT太阳能电池电极中的包含粗无机氧化物颗粒的导 电浆料 发明领域
[0001 ] 本发明涉及一种制备太阳能电池中的电极，特别是制备MffT太阳能电池中的电 极，特别是制备该类太阳能电池中的金属穿孔卷绕(metal wrap through)或插入式(plug) 电极且包含粗无机氧化物颗粒的导电浆料。特别地，本发明涉及一种太阳能电池前体、一种 制备太阳能电池的方法、一种太阳能电池和一种包含太阳能电池的组件。
[0002] 发明背景
[0003] 太阳能电池是利用光伏效应将光能转化成电力的装置。太阳能是有吸引力的绿色 能源，因为其可持续且仅产生非污染性副产物。因此，目前已进行了大量研究以开发具有提 高的效率，同时持续降低材料和生产成本的太阳能电池。当光照在太阳能电池上时，一部分 入射光被表面反射，而剩余部分传递至太阳能电池中。传递的光子被太阳能电池吸收，太阳 能电池通常由半导电材料制成，例如通常被适当掺杂的硅。吸收光子的能量激发半导电材 料的电子，从而产生电子-空穴对。然后，这些电子-空穴对被p-n结分离且被太阳能电池 表面上的导电电极收集。图2显示了简单太阳能电池的最小结构。
[0004] 太阳能电池非常普遍地基于硅（通常呈Si晶片形式）。此处，P-n结通常通过提 供η型掺杂的Si衬底并在一个面上施加 p型掺杂层，或者通过提供p型掺杂的Si衬底并 在一个面上施加 η型掺杂层而制备，从而在两种情况下均获得所谓的p-n结。具有所施加 的掺杂剂层的面通常作为电池的正面，具有初始掺杂剂的Si相对侧作为背面。η型和p型 太阳能电池都是可能的，且已工业开发。设计成在两面上均利用入射光的电池也是可能的， 但其应用并不广泛。
[0005] 为了使太阳能电池正面上的入射光进入并吸收，正面电极通常设置成两组垂直的 直线，分别称为"栅线（finger)"和"汇流条"。栅线形成与正面的电接触，而汇流条将这些 栅线连接，从而允许有效地将电荷提取到外部电路中。对栅线和汇流条的该设置而言，通常 以导电浆料的形式施加，将其焙烧以形成固体电极体。背面电极通常也以导电浆料的形式 施加，然后将其焙烧以获得固体电极体。
[0006] 制备太阳能电池的另一种方法是借助正面电极的背接触而提高正面吸收的入射 光比例。在所谓的MWT("金属穿孔卷绕"）太阳能电池中，太阳能电池正面上的电极通过连 接正面和背面且包含电极材料的通道与背面接触，这通常称为金属穿孔卷绕电极或插入式 电极。
[0007] 典型的导电浆料包含金属颗粒、无机反应体系和有机载体。
[0008] 本领域需要具有改进的性能的太阳能电池，尤其是具有改进的性能的MffT太阳能 电池。
[0009] 发明简述
[0010] 本发明通常基于如下目的：克服与太阳能电池有关，尤其是与金属穿孔卷绕太阳 能电池有关，尤其是与金属穿孔卷绕电极的机械和电性能有关的现有技术中所遇到的至少 一个问题。
[0011] 更具体地，本发明进一步基于提供一种金属穿孔卷绕电极的目的，其显示出与MffT 太阳能电池中通道的Si表面的低电接触和优选还有高物理粘合性，优选同时显示出太阳 能电池的其他有利的电和物理性能。
[0012] 对实现至少一个上述目的的贡献由构成本发明权利要求的主题类别作出。其他贡 献由代表本发明具体实施方案的本发明从属权利要求的主题作出。
[0013] 详细描述
[0014] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种太阳能电池前体作出，其至少包含如下作 为前体部件：
[0015] i)具有至少一个孔的晶片，其中所述孔具有Si表面；
[0016] ii)由所述孔包含的导电浆料，其至少包含如下作为浆料成分：
[0017] a)金属颗粒；
[0018] b)无机反应体系；
[0019] c)有机载体；和
[0020] d)无机氧化物颗粒，其
[0021] 不具有低于约750°C，优选低于约900°C，更优选低于约1100°C的玻璃化转变温 度，
[0022] 或者具有比所述无机反应体系的玻璃化转变温度高至少约50K，优选高至少约 100K，更优选高至少约200K的玻璃化转变温度；和
[0023] e)添加剂。
[0024] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述无机氧化物颗粒以约0. 1-约 22重量％，优选约1-约15重量％，更优选约3-约10重量％存在，基于浆料的总重量。
[0025] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述浆料进一步包含含钒化合物。 在该实施方案的一个方面中，所述含钒化合物的钒含量为约〇. 05-约12重量％，优选约 0. 05-约8重量％，更优选约1-约5重量％，基于浆料的总重量。在该实施方案的另一方面 中，所述含钒化合物的钒含量与所述无机氧化物颗粒中的除氧之外的元素含量的重量比为 约7:1-约2:1，优选为约6:1-约3:1，更优选为约5:1-约7:2。在该实施方案的另一方面 中，所述含钒化合物为V 2O5。
[0026] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述浆料进一步包含选自如下组的 含磷物质：元素磷、含磷化合物或二者。在该实施方案的一个方面中，所述含磷物质的磷含 量以约0. 1-约22重量％，优选约0. 1-约15重量％，更优选约0. 2-约5重量％存在于所 述浆料中，基于该浆料的总重量。在该实施方案的另一方面中，所述含磷物质的磷含量与所 述无机氧化物颗粒中除氧之外的元素含量的重量比为约1:9-约2:1，更优选为约1:7-约 1:1，最优选为约1:5-约1:2。在该实施方案的另一方面中，所述含磷物质为红磷或磷氧化 物。
[0027] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述无机反应体系以约0. 1-约5重 量％，优选0. 3-3重量％，更优选0. 5-2重量％存在于所述浆料中。
[0028] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述无机氧化物颗粒为SiO2颗粒。
[0029] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述无机氧化物颗粒具有大于约 8 μ m，优选大于约10 μ m，更优选大于约12 μ m的d5。值。在一些情况下，无机氧化物的d5。值 高达20mm或更小。
[0030] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述无机反应体系为玻璃料。
[0031] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，至少一个孔为连接晶片正面和背面 的通道。
[0032] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，至少一个孔中的Si表面包含至少 一个P型掺杂的部分和至少一个η型掺杂的部分。
[0033] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述金属颗粒为Ag颗粒。
[0034] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述浆料与孔的Si表面直接接触。
[0035] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，在所述晶片的正面上存在其他导电 浆料。在另一实施方案中，在所述晶片的背面上存在至少一种其他导电浆料。在又一实施 方案中，在所述晶片的背面和正面上均存在其他导电浆料。
[0036] 在所述太阳能电池前体的一个实施方案中，至少50重量％，优选至少70重量％， 更优选至少90重量％的无机氧化物颗粒保留在230目筛上。
[0037] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种制备太阳能电池的方法作出，其至少包括 如下步骤：
[0038] i)提供本发明的太阳能电池前体；
[0039] ii)焙烧所述太阳能电池前体以获得太阳能电池。
[0040] 在该实施方案的一个方面中，步骤i)的提供至少包括如下步骤：
[0041] a)提供具有呈相反掺杂类型的背面掺杂层和正面掺杂层的Si晶片；
[0042] b)在所述晶片中产生至少一个孔；
[0043] c)将导电浆料引入至少一个孔中以获得本发明太阳能电池前体。
[0044] 对实现至少一个上述目的的贡献由可通过本发明方法获得的太阳能电池实现。
[0045] 在本发明太阳能电池的一个实施方案中，所述太阳能电池至少包含如下作为太阳 能电池部件：
[0046] i)具有至少一个孔的晶片，所述孔具有Si表面；
[0047] ii)由所述孔包含的电极，
[0048] 其中电极与Si表面接触的表面处的电极中的玻璃浓度高于电极主体中的浓度。
[0049] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种包含至少一个本发明太阳能电池和至少 一个其他太阳能电池的组件作出。
[0050] 晶片
[0051] 根据本发明，优选的晶片为相对于太阳能电池的其他区域，尤其能以高效率吸收 光，从而产生电子-空穴对，且以高效率通过边界，优选通过所谓的p-n结边界分离空穴和 电子的区域。根据本发明，优选的晶片为包含由正面掺杂层和背面掺杂层组成的单一物体 的那些。
[0052] 优选晶片由适当掺杂的四价元素、二元化合物、三元化合物或合金组成。就此而 言，优选的四价元素为Si、Ge或Sn，优选Si。优选的二元化合物为两种或更多种四价元素 的组合、第III族元素与第V族元素的二元化合物、第II族元素与第VI族元素的二元化合 物或第IV族元素与第VI族元素的二元化合物。优选的四价元素组合为两种或更多种选自 Si、Ge、Sn或C的元素的组合，优选SiC。优选的第III族元素与第V族元素的二元化合物 为GaAs。根据本发明，最优选晶片基于Si。作为最优选的晶片材料，Si在本申请的其余部 分明确指出。其中明确提及Si的下文文本部分也适用于上述其他晶片组成。
[0053] 晶片的正面掺杂层与背面掺杂层相遇之处即为p-n结边界。在η型太阳能电池中， 背面掺杂层掺杂有给电子性η型掺杂剂，且正面掺杂层掺杂有电子接受性或给空穴性ρ型 掺杂剂。在P型太阳能电池中，背面掺杂层掺杂有P型掺杂剂，且正面掺杂层掺杂有η型掺 杂剂。根据本发明，优选通过首先提供掺杂的Si衬底，然后在该衬底的一面施加相对类型 的掺杂层而制备具有p-n结边界的晶片。
[0054] 掺杂的Si衬底是本领域技术人员所公知的。掺杂的Si衬底可以以本领域技术人 员所已知且认为适于本发明上下文中的任何方式制备。本发明Si衬底的优选来源为单晶 Si、多晶Si、无定形Si和升级冶金级Si，其中最优选单晶Si或多晶Si。用于形成掺杂Si衬 底的掺杂可通过在制备Si衬底期间添加掺杂剂而同时进行，或者可在随后步骤中进行。Si 衬底制备后的掺杂可例如通过气体扩散外延生长进行。掺杂Si衬底也可容易地市购。根 据本发明，一种选择是首先在其形成的同时通过将掺杂剂添加至Si混合物中而掺杂Si衬 底。根据本发明，一种选择是通过气相外延生长施加正面掺杂层和存在的话高度掺杂的背 面层。该气相外延生长优选在约500-约900 °C，更优选约600-约800 °C，最优选约650-约 750°C的温度和约2-约lOOkPa，优选约10-约80kPa，最优选约30-约70kPa的压力下进行。
[0055] 本领域技术人员已知Si衬底可具有许多种形状、表面织构和尺寸。所述形状可为 许多不同形状之一，尤其包括立方体、盘状、晶片和不规则多边形。根据本发明，优选的形状 为晶片状，其中晶片为具有两个类似，优选相等的尺寸和显著小于其他两个尺寸的第三尺 寸的立方体。就此而言，"显著小于"优选小至少约100倍。
[0056] 各种表面类型是本领域技术人员所已知的。根据本发明，优选具有粗糙表面的Si 衬底。一种评价衬底粗糙度的方式是评估衬底子表面（sub-surface)的表面粗糙度参数， 该子表面与衬底的总表面积相比较小，优选小于总表面积的约百分之一，且基本上是平面 的。表面粗糙度参数的值由子表面的面积与通过将所述子表面投射至与该子表面最佳拟合 (通过使均方位移最小化而拟合）的平面上而形成的理论表面的面积之比给出。表面粗糙 度参数的值越高，则表明越粗糙、越不规则的表面，而表面粗糙度参数的值越小，则表明越 光滑、越平整的表面。根据本发明，优选对Si衬底的表面粗糙度进行调节以使得在许多因 素之间产生最佳平衡，所述因素包括但不限于光吸收和栅线与表面的粘合性。
[0057] 可改变Si衬底的两个较大尺寸以适应所得太阳能电池所需的应用。根据本发明， 优选Si晶片的厚度小于约0. 5_，更优选小于约0. 3_，最优选小于约0. 2_。一些晶片具 有约0.0 lmm或更高的最小尺寸。
[0058] 根据本发明，优选正面掺杂层比背面掺杂层薄。根据本发明，优选正面掺杂层具有 约0· 1-约10 μ m，优选约0· 1-约5 μ m，最优选约0· 1-约2 μ m的厚度。
[0059] 可将高度掺杂的层在背面掺杂层和任何其他层之间施加至Si衬底的背面。该高 度掺杂的层具有与背面掺杂层相同的掺杂类型，且该层通常标记为+ (n+型层施加至η型背 面掺杂层，P+型层施加至P型背面掺杂层）。该高度掺杂的背面层用于辅助金属化和改善 衬底/电极界面区域处的导电性能。根据本发明，优选该高度掺杂的背面层（如果存在的 话）具有约1-约100 μ m，优选约1-约50 μ m，最优选约1-约15 μ m的厚度。
[0060] 掺杂剂
[0061] 优选的掺杂剂为在添加至Si晶片中时通过在能带结构中引入电子或空穴而形成 p-n结边界的那些。根据本发明，优选这些掺杂剂的确定和浓度可经特别选择，从而根据需 要调节p-n结的能带结构轮廓并设定光吸收和导电性谱。根据本发明，优选的p型掺杂剂为 将空穴添加至Si晶片能带结构中的那些。它们是本领域技术人员所公知的。可使用本领 域技术人员所已知且认为适于本发明上下文的所有掺杂剂作为P型掺杂剂。根据本发明， 优选的P型掺杂剂为三价元素，特别是周期表第13族的那些。