专利名称：用于形成电极的银糊组合物以及使用其的硅太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于形成电极的银糊组合物以及一种使用该银糊组合物的硅太阳能电池。更具体地讲，本发明涉及一种用于形成电极的银糊组合物以及一种使用该银糊组合物的硅太阳能电池，所述银糊组合物在前电极与太阳能电池的发射极之间形成稳定的接触并且实现高宽高比,从而能提高太阳能电池的电特性。
背景技术：
随着电子工业的发展，需要电子产品和设备实现微型化和高可靠性。为了满足这种需求，人们进行了各种尝试来形成需要高度集成的电子产品的电路图案或电极。在这种情况下，导电金属糊剂的使用是关注的焦点，因为在过程中几乎不产生副产品或污染物。典型的金属糊剂包括导电金属、玻璃粉和有机粘结剂。导电金属包括银、铝等。其中，通常使用银。导电金属糊剂主要用于安装混合IC或半导体1C，或形成各种电容器或电极，并且最近扩展应用到高·科技电子产品中，例如，PCB、EL、触控面板、RFID、IXD、PDP或太阳能电池。随着相关行业的延伸和发展，越来越需要导电金属糊剂。具体地讲，据预测，例如石油或木炭等常规能源将会耗尽，人们越来越关注替代能源。其中，太阳能电池具有丰富的能源并不会造成环境污染，因此太阳能电池成为关注的对象。太阳能电池分为太阳能热电池和太阳能光电池，太阳能热电池通过使用太阳能热来产生驱动汽轮机所需的蒸汽，并且太阳能光电池通过利用半导体的特性来将光子转换成电能。一般来讲，太阳能光电池(以下，称为太阳能电池)表示为太阳能电池。根据原材料的不同，太阳能电池主要包括硅太阳能电池、复合半导体太阳能电池和叠层太阳能电池。在这三种太阳能电池中，硅太阳能电池主导太阳能电池市场。图1是剖视图，示出了硅太阳能电池的基本结构。参见此附图，硅太阳能电池包括P型娃半导体的基底101和η型娃半导体的发射极层102。ρ-η结按照与二极管相类似的方式形成在基底101与发射极层102之间的界面。此外，图2是太阳能电池结构中前电极的构造的示意图。如图2所示，太阳能电池的前电极包括形成在前侧的Ag以及形成在基底的后侧的导电的铝和银。就这一点而言，在形成硅太阳能电池的过程中，前电极(图中未示出)通过贯穿抗反射膜而连接到发射极层。当光照在具有上述结构的太阳能电池上时，通过光伏效应，在掺有杂质的硅半导体中产生电子和电子空穴。作为参考，在η型硅半导体的发射极层102中产生作为多个载体的电子，并且在P型硅半导体的基底101中产生作为多个载体的电子空穴。通过光伏效应产生的电子和电子空穴分别被拉向η型硅半导体和P型硅半导体，并且分别移动到发射极层102的前电极103和基底101之下的背电极104。然后，通过导线连接这些电极103、104，使得电流流动。除以上提及的其他电子产品的各种电极之外，使用导电金属糊剂来形成太阳能电池中的前电极和背电极。
商售的单晶硅太阳能电池的前电极(银电极)是由丝网印刷过程形成的。形成在硅基底的前侧上的前电极需要具有更小的线宽和更大的线高，以提高电转换效率。然而，当在基底上通过丝网印刷法形成常规的银糊剂之后，在烧结过程中很难获得小线宽。在所述糊剂的丝网印刷过程之后，在基底的烧结过程中，还很难在太阳能电池的前电极与发射极之间形成稳定的接触。因此，无法进行宽范围的热处理。
发明内容
技术问题本发明的一个目的是提供一种用于形成电极的银糊组合物以及一种使用该银糊组合物的硅太阳能电池，所述银糊组合物在热处理过程中在太阳能电池的前电极与发射极之间形成稳定的接触并且提高可印刷性以实现电极的小线宽和高宽高比，从而提高太阳能电池的电转换效率和电气特性。技术方案本发明提供了一种用于形成电极的银糊化合物，所述银糊组合物包括银粉、玻璃粉、有机粘结剂和炭黑，并·且具有大约90，000至500，OOOcP的粘度(布氏粘度计，转子14，测试温度25。C)，其中炭黑具有大约0.1 μ m至0.5 μ m的平均粒度和大约100至200m2/g的比表面积，并且根据银糊组合物的总重量，所包括的所述炭黑的量大约为I至10重量百分比。在本发明中，银粉优选地包括大约Iym至3μπι的平均粒度的球形银粉和大约I μ m至3 μ m的平均粒度的薄片形银粉。根据银糊组合物的总重量，具有大约I μ m至3 μ m的平均粒度的球形银粉的含量可以是大约70至85重量百分比。此外，基于银糊组合物的总重量，具有大约I μ m至3 μ m的平均粒度的薄片形银粉的含量可以是大约I至5重量百分比。此外，本发明提供了一种用于太阳能电池的前电极，该前电极是通过使用银糊组合物形成的。一种包括所述电极的单晶硅太阳能电池可以具有大约17%至18%的光转换效率。另外，本发明提供了一种硅太阳能电池，包括: 娃半导体基底；形成在所述基底的上表面上的发射极层；形成在所述发射极层上的抗反射膜；前电极，所述前电极通过穿透所述抗反射膜而连接到所述发射极层；以及背电极，所述背电极具有连接到所述基底的背面的铝层，并且其中，所述前电极是通过将所述银糊组合物以预定图案涂覆在所述抗反射膜上并且烧结所述银糊组合物而形成的。有益效果通过添加具有特定参数特性的炭黑到本发明的用于形成电极的银糊组合物中，在印刷了前电极的太阳能电池的热处理过程中，发生稳定的烧穿，从而提高填充因子。此外，当通过丝网印刷法形成图案时，炭黑改进糊剂的触变特性以实现高宽高比，因此提高太阳能电池的电气特性。
以下附示了本发明的优选实施例，并且提供了进一步理解以下将伴随本发明的详细描述一起描述的本发明的技术要点，使得附图所示的技术要点不会被理解为限制本发明。图1是示意性剖视图，示出了常规的硅太阳能电池的结构；图2是示意图，示出了通过使用本发明的用于形成前电极的银糊组合物制造的太阳能电池。图3是曲线图，示出了根据本发明的实例I与比较例I的太阳能电池之间的光转换效率的比较；图4是曲线图，示出了根据本发明的实例I和比较例I的糊剂的触变指数(T.1)，该触变指数是在每分钟I转和每分钟10转下测量所述糊剂的粘度而获得的；图5是电镜图，示出了实例I的太阳能电池的电极具有小线宽和大线高；以及图6是电镜图，示出了·在通过刻蚀去除实例I的硅太阳能电池的电极之后电极与硅之间的界面的放大图。
具体实施例方式以下将更加详细地描述本发明。应当理解，说明书和所附权利要求书中使用的术语或词语不应当理解为限于一般意思和字面意思，而应当根据本发明按照适合于最佳解释的方式限定术语的原则来基于与本发明的技术方面相对应的意义和概念进行解释。本发明提供了一种用于形成前电极的银糊组合物以及一种使用该银糊组合物的硅太阳能电池，所述银糊组合物包括炭黑，所述炭黑在特定数量具有特定的参数特性以在热处理过程中提供稳定性并且改进精细的图案形成的可印刷性，从而改进宽高比和电特性。根据本发明的一个优选实施例，提供了一种用于形成电极的银糊化合物，所述银糊化合物包括银粉、玻璃粉末、有机粘结剂和炭黑并且具有大约90，000至500，OOOcP(布氏粘度计，转子(spindle) 14,测试温度25。C)的粘度，其中炭黑具有大约0.Ιμπι至0.5μηι的平均粒度和大约100至200m2/g的比表面积，并且根据银糊组合物的总重量，所包含炭黑大约是I至10重量％。也就是说，本发明的用于形成电极的银糊组合物的特征在于其包括满足所有参数条件的炭黑，例如，在大约0.1 μ m至0.5 μ m的特定范围内的平均粒度以及大约100至200m2/g的比表面积。更优选地,炭黑可以具有大约0.2μηι至0.4μηι的平均粒度以及大约120至150m2/g的比表面积。就这一点而言，炭黑可以是通过粉碎具有0.5至2 μ m的二次平均粒度的颗粒而获得的炭黑，这种颗粒是通过聚集初次平均粒度为10至50nm并且比表面积为50至400m2/g的颗粒(优选地，初次平均粒度为20至30nm并且比表面积为100至200m2/g)而制备的。因此，最终的银糊组合物包括具有上述平均粒度和比表面积的炭黑细颗粒。当通过丝网印刷使用银糊组合物形成图案时，可以增大线高，从而提高光转换效率。具体地讲，本发明改善了涉及糊剂的粘度和粘性的流变性能。因此，在对通过使用本发明的银糊组合物制造的前电极的进行热处理的过程中，发生稳定的烧穿，从而提高填充因子。此外，当使用通常用于制造电极的丝网印刷过程来形成图案时，容易控制图案，从而实现小线宽和高宽高比。就这一点而言，如果炭黑的平均粒度小于0.1 μ m，则存在糊剂的粘度增大的问题，并且如果粒度大于0.5 μ m，则它与糊剂的其他固态组分的扩散度减小，而降低电气性能。此夕卜，如果炭黑的比表面积小于大约100m2/g，则在扩散过程中与有机载体混合不充分，并且如果比表面积大于大约200m2/g，则糊剂的粘度会有问题地增加。因此，为了获得具有所需粘度的糊剂，包括在银糊组合物中的炭黑应当具有满足上述范围的平均粒度和比表面积。最后，可以获得具有大线高的精细图案。换句话讲，尽管最终的糊剂组合物中的炭黑具有满足本发明的范围的平均粒度，但是当其比表面积不在本发明的范围内时，触变特性会降低。此外，尽管最终的糊剂组合物中的炭黑具有满足本发明的范围的平均粒度，但是当其平均粒度不在本发明的范围内时，糊剂组合物的均匀扩散会变差。另外，基于银糊组合物的总重量，所包含的本发明的炭黑的量可以是大约I至10重量百分比，更优选地，大约3至7重量百分比，并且最优选地，大约3至4重量百分比。如果炭黑的含量小于大约I重量百分比，则糊剂的触变指数(T.1)减小，并且如果含量大于大约10重量百分比，则在丝网印刷过程中，会发生阻塞掩模。在本发明的银糊组合物中，在热处理过程中，具有控制在特定范围内的粒度和形状的银粉的混合物优选地用于·稳定的烧穿和均匀的最终烧结。因此，在本发明中使用的银粉可以是具有大约I μ m至3 μ m的平均粒度的球形银粉和具有大约I μ m至3 μ m的平均粒度的薄片形银粉。根据银糊组合物的总重量，具有大约I μ m至3 μ m的平均粒度的球形银粉的含量优选地是大约70至85重量百分比。此外，基于银糊组合物的总重量，具有大约I μ m至3 μ m的平均粒度的薄片形银粉的含量优选地是大约I至5重量百分比。相对于银粉而言，如果每种银粉的平均粒度小于大约I μ m，则存在烧穿不良的问题，并且如果每种银粉的平均粒度大于大约3 μ m，则糊剂的粘度减小，从而降低图案的宽高t匕。此外，如果具有大约Iym至3μπι的平均粒度的球形银粉的含量小于大约70重量百分t匕，则电极的电阻可以增加，并且如果该含量大于大约85重量百分比，则适合于糊剂的可印刷性的粉末之间的流动性会减弱。如果具有大约Iym至3μπι的平均粒度的薄片形银粉的含量小于大约I重量百分比，则与发射极层的接触变得不好，并且如果该含量大于大约5重量百分比，则适合于印刷的糊剂的流动性会恶化。另外，在本发明中可使用的玻璃粉末可以包括，但不限于，本领域中常规使用的任何玻璃粉。例如，玻璃粉末可以包括，但不限于，基于无铅铋的化合物。具体地讲，玻璃粉末可以包括，但不限于，基于Bi2O3-B2O3-SiO2的粉末或基于Bi2O3-B2O3-ZnO的粉末，并且它们可以单独使用或者使用它们的两种或更多种的组合。可以使用有机粘结剂来制备糊状的银粉、玻璃粉和炭黑。本发明中使用的有机粘结剂可以包括，但不限于，本领域中通常用于制备银糊组合物的任何有机粘结剂。例如，有机粘结剂可以包括，但不限于，选自由以下各项组成的组的任意一种:纤维素树脂、丙烯酰基树脂、丁基卡必醇和萜品醇或它们的两种或更多种的混合物，并且优选为乙基纤维素或基于丙烯酸酯的聚合树脂。另外，玻璃粉和有机粘结剂的含量范围并不受到特别限制，只要含量范围允许容易形成电极并且制备粘度利于丝网印刷的糊剂，从而提供防止在丝网印刷之后糊剂流淌下来的合适的宽高比。例如，基于银糊组合物的总重量，玻璃粉的含量优选地可以是大约I至5重量百分t匕，并且更优选地是大约2至3重量百分比。基于银糊组合物的总重量，有机粘结剂的含量优选地可以是大约5至15重量百分t匕，并且更优选地是大约8至12重量百分比。可选择地，本发明的银糊组合物还可以包括不脱离本发明的精神和范围内的额外的添加剂。例如，如有必要，所述组合物还可·以包括导电金属颗粒、抗泡沫剂、分散剂、塑化剂等。本发明的银糊组合物还可以包括有机溶剂。同时，本发明的银糊组合物的制备方法不受特别限制，并且能够使用本领域公知的方法来制备该银糊组合物。作为一个优选的实施例，银糊组合物可以通过将球形和薄片形银粉、玻璃粉末、粘结剂和炭黑粉末同时放入混合器中并使其混合来制备。此时，提前混合炭黑以使其具有合适的平均粒度，然后可以执行糊剂的粉碎。本发明的所得到的银糊组合物可以具有大约90，000至500，OOOcP的粘度，并且优选地具有大约100，000至500，OOOcP的粘度。此外，粘度表示通过使用布氏粘度计在转子14和25° C的温度的条件下测量到的值。同时，根据本发明的另一个实施例，本发明提供了用于太阳能电池的前电极，该前电极是通过使用银糊组合物制造的，该银糊组合物包括具有上述特定参数的炭黑。此前电极可以通过本领域公知的方法来制造，并且该方法并不受特别限制。将参考一个实例更加详细地描述根据本发明的使用用于形成前电极的银糊来制造前电极的方法。本发明的用于制造前电极的方法可以包括以下步骤:将银糊组合物以预定图案涂覆在基底上并且将其烧结。此时，基底可以包括抗反射膜和发射极层。此外，基底可以是通常用于制造半导体设备的基底，例如，优选为硅基底。涂在基底上的银糊组合物的厚度不受特别限制，在考虑稳定的导电性的情况下，优选为大约20至40 μ mo此外，当烧结基底时，通过满足特定参数条件的包括在银糊组合物中的炭黑提高了银糊的流变特性，因此，可以解决热处理范围限于790° C至820° C的问题。因此，根据本发明，可以在从700° C至900° C的宽的峰值温度宽范围内，优选地从750° C至850° C的峰值温度范围，执行烧结30秒至I分钟。此时，通过烧结基板，炭黑被烧尽，但是有效地用于提高银糊的流变特性，从而提高太阳能电池的电气特性。同时，本发明提供了一种包括前电极的太阳能电池，该前电极是通过使用银糊组合物来制造的。太阳能电池可以是硅太阳能电池。根据优选实施例，本发明提供了一种硅太阳能电池，包括:硅半导体基底；发射极层，所述发射极层形成在所述基底的上表面上；抗反射膜，所述抗反射膜形成在所述发射极层上；前电极，所述前电极通过穿透所述抗反射膜而连接到所述发射极层；以及背电极，所述背电极连接到所述基底的背面，其中所述前电极是通过将所述银糊组合物以预定图案涂覆在所述抗反射膜上并且烧结所述银糊组合物而形成的。作为一个实例，以下将参照图2描述本发明的使用银糊组合物的硅太阳能电池。然而，说明书中描述的实施例以及本文的附图中示出的构造只是用于例示目的的一个优选实例，并非旨在代表本发明的所有技术方面，所以应当理解在提交时可以对其进行各种等同变换和修改。图2是示意图，示出了通过使用本发明的用于形成前电极的银糊组合物制造出的硅太阳能电池。参见图2，根据本发明的硅太阳能电池包括:硅半导体基底201 ;发射极层(未示出)，所述发射极层形成在基底201的上表面上；抗反射膜202，所述抗反射膜形成在所述发射极层上；前电极203，所述前·电极通过抗反射膜202而连接到所述发射极层的上表面；以及背电极205，所述背电极连接到基底201的背面。此外，p+背面电场(BSF)层204可以形成在所述背电极与所述基底之间，并且所述背电极包括预定的银图案206。基底201可以掺有III族元素的P型杂质，例如，B、Ga、In等，并且发射极层可以掺有V族元素的η型杂质，例如，P、As、Sb等。当基底201和发射极层掺有相反导电类型的杂质时，Ρ-η结可以形成在基底201与发射极层之间的界面处。同时，ρ-η结可以形成在掺有η型杂质的基底201与掺有P型杂质的发射极层之间。抗反射膜202可以使存在于发射极层的表面或大部分发射极层中的缺陷(例如，悬键)钝化，并且可以减少在基底201的前表面入射的太阳光线的反射率。当钝化了发射极层上/中的缺陷时，可以消除少数载体发生重组的位点，从而增大太阳能电池的开路电压。另外，减少太阳光线的反射率可以增大到达Ρ-η结的光的量，从而增大太阳能电池的短路电流。因此，通过抗反射膜202来增加太阳能电池的开路电压和短路电流可以有助于提高太阳能电池的转换效率。例如，抗反射膜202可以具有由选自以下各项组成的组的单膜结构:氮化硅膜、含氢的氮化硅膜(SiNx)、二氧化硅膜、氧氮化硅膜、MgF2, ZnS, MgF2, TiO2和CeO2，或可以具有两种或更多种材料膜的多膜结构，但是本发明并不限于此。另外，抗反射膜202可以通过真空沉积、化学气相沉积、旋转涂布、丝网印刷或喷雾涂布来形成。然而，根据本发明的用于形成抗反射膜202的方法并不限于此。前电极203和背电极205可以是分别由银和铝制成的电极。前电极203可以是由本发明的银糊组合物制成的，并且背电极205可以是由典型的铝糊组合物制成的。银电极可以具有良好的导电性，铝电极可以具有良好的导电性和用于硅半导体基底201的高亲和力，以使这两者之间形成良好的连接。前电极203和背电极205可以通过各种公知的技术来形成，并且优选地通过丝网印刷法来形成。也就是说，前电极203是这样形成的:通过丝网印刷使本发明的银糊组合物形成在前电极形成的位置，随后进行热处理。在热处理过程中，由于击穿现象，前电极可以穿透抗反射膜202，并且可以连接到发射极层202。类似地，背电极205是这样形成的:将用于形成背电极的铝糊组合物(包含铝、硅石英、粘结剂等)印刷在基底201的背面上，然后进行热处理。在背电极的热处理过程中，铝作为电极组合物中的一种组分，可以通过基底201的背面扩散，使得背面电场层204可以形成在背电极205与基底201之间的界面处。背面电场层可以防止载体移动到基底201的背面并且进行重组。防止载体重组可以导致增大的开路电压和增大的填充因子，从而提高太阳能电池的转换效率。此外，当使用铝糊形成铝电极时，作为背面银图案206的背面银垫通过典型的沉积或丝网印刷法可以形成为预定图案。就这一点而言，除上述丝网印刷法之外，本发明的前电极和背电极可以通过典型的方法来形成，例如，刮片、喷墨印刷和凹版印刷。[本发明的实施方式]以下，通过本发明的具体实例来更加详细地解释本发明的操作和效果。然而，这些实例仅仅是对本发明进行说明并且本发明的范围不应当被理解为受其限制。< 实例 1 至 4>根据下表I的组分和含量，通过混合所述组分，然后将混合物粉碎(单位:重量百分比)来制备银糊组合物。具体地讲，在每个实例中制备包括炭黑聚集体的银糊，该银糊是通过将炭黑与银粉、玻璃粉末和有机粘结剂混合而制备的。此时，实例I至4所制备的银糊的粘度分别为250，OOOcP,80, OOOcP,40, OOOcP 和 150，OOOcP。此后，使用3辊碾磨机来粉碎每个银糊，使颗粒均匀的分布在银糊中。通过这种方法，制备了包括平均粒度为0.1ym的炭黑的银糊。实例I至4中获得的最终银糊的粘度分别为 300，OOOcP,90, OOOcP,500, OOOcP 和 200，OOOcP。在每个实例中，银粉是80重量百分比的球形银粉和2重量百分比的薄片形银粉的混合物，其中球形银粉的平均粒度为I μ m至3 μ m，薄片形银粉的平均粒度为2 μ m,并且玻璃粉是包括氧化铋并且平均粒度为10 μ m的Bi2O3-B2O3-SiO2,并且有机粘结剂是乙基纤维素。在每个实例中，炭黑是比表面积为100m2/g的炭黑颗粒。在实例4中使用的银粉可以是78重量百分比的平均粒度为Ιμπι至3μπι的球形银粉和5重量百分比的平均粒度为2 μ m的薄片形银粉。<比较例I至5>根据下表I的组分和含量(单位:重量百分比)，通过简单地混合组分来制备银糊组合物。在比较例I中，不使用炭黑。在比较例2和3中，分别使用12重量百分比和0.5重量百分比的炭黑。在比较例4中，使用平均粒度为20nm并且比表面积为70m2/g的炭黑。在比较例5中，使用平均粒度为30nm并且比表面积为200m2/g的炭黑。在比较例6中，使用平均粒度为3μπι并且比表面积为20m2/g的石墨来代替炭黑。在比较例7中，使用平均粒度为0.3 μ m并且比表面积为220m2/g的炭黑。在比较例8中，使用平均粒度为I μ m并且比表面积为200m2/g的炭黑。比较例I至5的银糊组合物分别具有270，OOOcP,600, OOOcP、100，OOOcP、200，OOOcP 和 350，OOOcP 的粘度。[表 I]
权利要求
1.一种用于形成电极的银糊组合物，包括银粉、玻璃粉末、有机粘结剂和炭黑，并且具有90，000至500，OOOcP的粘度(布氏粘度计，转子14，测试温度25。C)， 其中，所述炭黑的平均粒度为0.1 μ m至0.5 μ m并且比表面积为100至200m2/g，基于所述银糊组合物的总重量，所包括的所述炭黑的量为I至10重量百分比。
2.根据权利要求1所述的用于形成电极的银糊组合物，其中，所述银粉包括平均粒度为I μ m至3 μ m的球形银粉以及平均粒度为I μ m至3 μ m的薄片形银粉。
3.根据权利要求2所述的用于形成电极的银糊组合物，其中，基于所述银糊组合物的总重量，平均粒度为I μ m至3 μ m的所述球形银粉的含量为70至85重量百分比。
4.根据权利要求2所述的用于形成电极的银糊组合物，其中，基于所述银糊组合物的总重量，平均粒度为I μ m至3 μ m的所述薄片形银粉的含量为I至5重量百分比。
5.根据权利要求1所述的用于形成电极的银糊组合物，其中，所述玻璃粉末包括基于铋的化合物。
6.根据权利要求1所述的用于形成电极的银糊组合物，其中，所述有机粘结剂是选自以下各项组成的组中和任意一种:纤维素树脂、丙烯酰基树脂、丁基卡必醇和萜品醇，或者是上述两种或更多种的组合。
7.一种使用根据权利要求1至6中任一项所述的银糊组合物来形成的太阳能电池用的前电极。
8.一种太阳能电池，包括: 硅半导体基底； 形成在所述基底的上表面上的发射极层； 形成在所述发射极层上的抗反射膜； 前电极，所述前电极通过穿透所述抗反射膜而连接到所述发射极层；以及 连接到所述基底的背面的背电极； 其中，所述前电极是通过将根据权利要求1至6中任一项所述的银糊组合物以预定图案涂覆在所述抗反射膜上并且烧结所 述银糊组合物而形成的。
全文摘要
本发明涉及一种用于形成电极的银糊组合物以及一种使用该银糊组合物的硅太阳能电池。更具体地讲，本发明涉及一种用于形成电极的银糊组合物以及一种使用该银糊组合物的硅太阳能电池，所述银糊组合物包括炭黑，所述炭黑具有特定的参数特性以提高所述糊剂的流变特性和可印刷性，从而实现高宽高比并且提高电气特性。
文档编号H01L31/042GK103222011SQ201180055844
公开日2013年7月24日 申请日期2011年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者李守熙, 许秀连 申请人:Lg化学株式会社