DE102017003604A1 - Conductive paste composition and semiconductor devices made therewith - Google Patents
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Abstract
Diese Erfindung stellt eine Dickfilmpasten-Zusammensetzung zum Bedrucken der Vorderseite einer Solarzellenvorrichtung mit einer oder mehreren Isolierschichten bereit. Die Dickfilmpaste umfasst ein elektrisch leitfähiges Metall und eine doppelt-gesinterte Oxidzusammensetzung dispergiert in einem organischen Medium.This invention provides a thick film paste composition for printing the front of a solar cell device with one or more insulating layers. The thick film paste comprises an electrically conductive metal and a double-sintered oxide composition dispersed in an organic medium.
Description
QUERVERWEIS ZU ENTSPRECHENDEN ANWENDUNGENCROSS REFERENCE TO APPROPRIATE APPLICATIONS
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung der Serien-Nr. 62/321,995, eingereicht am 16. April 2016 mit dem Titel „Conductive Paste Composition and Semiconductor Devices Made Therewith”. Diese Anmeldung ist hierin in ihrer Gesamtheit zu allen Zwecken durch Bezugnahme darauf aufgenommen.This application claims the benefit of US Serial No. provisional patent application Ser. 62 / 321,995, filed April 16, 2016, entitled "Conductive Paste Composition and Semiconductor Devices Made Therewith." This application is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes.
BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Diese Offenbarung bezieht sich auf eine leitfähige Pastenzusammensetzung, die in der Konstruktion einer Vielfalt von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen nützlich ist, und spezifischer auf eine Pastenzusammensetzung, die beim Schaffen leitfähiger Strukturen, einschließlich Elektroden für photovoltaische Vorrichtungen, Vorrichtungen, die mit solchen Pastenzusammensetzungen konstruiert sind, und ein Verfahren zum Konstruieren dieser Vorrichtungen nützlich sind.This disclosure relates to a conductive paste composition useful in the construction of a variety of electrical and electronic devices, and more particularly to a paste composition useful in creating conductive structures, including electrodes for photovoltaic devices, devices constructed with such paste compositions. and a method of constructing these devices are useful.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Eine konventionelle Solarzelle integriert eine Halbleiterstruktur mit einer Verbindung zwischen halbleitenden Materialien mit verschiedenen Majoritätsträger-Leitfähigkeitstypen, wie z. B. eine p-n-Verbindung, die zwischen einem n-dotierten Halbleiter und einem p-dotierten Halbleiter gebildet ist. Spezifischer werden kristalline Si-Solarzellen normalerweise durch Hinzufügen kontrollierter Unreinheiten (bezeichnet als Dotierungen) zu aufgereinigtem Silicium, das ein intrinsischer Halbleiter ist, angefertigt. Dotierungen aus der IUPAC-Gruppe 13 (z. B. B) werden als „Akzeptor-Dotierungen” bezeichnet und erzeugen p-dotiertes Material, in dem die Majoritätsladungsträger positive „Löcher” oder Elektronleerstellen sind. Dotierungen aus der IUPAC-Gruppe 15 (z. B. P) werden als „Donator-Dotierungen” bezeichnet und erzeugen n-dotiertes Material, in dem die Majoritätsladungsträger negative Elektronen sind. Die Dotierungen können den Schüttmaterialien durch die direkte Inklusion in die Schmelze während des Siliciumkristallwachstums hinzugefügt werden. Das Dotieren einer Fläche erfolgt oft durch Bereitstellen des Dotierstoffs an der Fläche in flüssiger oder gasförmiger Form, und dann Wärmebehandeln des Basishalbleiters, um zu verursachen, dass sich die Dotierstoffe einwärts diffundieren. Auch Ionenimplantation, möglicherweise mit einer weiteren Wärmebehandlung, wird zur Flächendotierung verwendet.A conventional solar cell integrates a semiconductor structure with a connection between semiconducting materials having different majority carrier conductivity types, such as, e.g. A p-n junction formed between an n-type semiconductor and a p-type semiconductor. More specifically, crystalline Si solar cells are normally prepared by adding controlled impurities (referred to as dopants) to purified silicon which is an intrinsic semiconductor. Dopants from IUPAC group 13 (e.g., B) are referred to as "acceptor dopants" and produce p-doped material in which the majority charge carriers are positive "holes" or electron vacancies. Dopants from IUPAC group 15 (e.g., P) are referred to as "donor dopants" and produce n-doped material in which the majority charge carriers are negative electrons. The dopants may be added to the bulk materials by direct inclusion in the melt during silicon crystal growth. Doping a surface often occurs by providing the dopant on the surface in liquid or gaseous form, and then heat treating the base semiconductor to cause the dopants to diffuse inward. Also ion implantation, possibly with another heat treatment, is used for surface doping.
Wenn die Zelle durch eine elektromagnetische Strahlung einer geeigneten Wellenlänge beleuchtet wird, wie z. B. Sonnenlicht, entwickelt sich durch die p-n-Verbindung ein potentieller (Spannungs-)Unterschied, wenn die Ladungsträger aus Elektron-Loch-Paaren in die Region des elektrischen Felds der Verbindung migrieren und getrennt werden. Die räumlich getrennten Ladungsträger werden von Elektroden gesammelt, die in Kontakt mit dem Halbleiter auf einer oder beiden Flächen sind. Damit ist die Zelle angepasst, elektrischen Strom an eine elektrische Last zu liefern, die an die Elektroden angeschlossen ist, und dadurch elektrische Energie bereitzustellen, die aus Sonnenenergie umgewandelt wurde, die nützliche Arbeit leisten kann. Da die Lichtquelle fast immer Sonnenlicht ist, sind photovoltaische Zellen allgemein als „Solarzellen” bekannt. Idealerweise gibt es eine Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen jeder Elektrode und der assoziierten Vorrichtung und die Elektrode an sich hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, sodass die Effizienz der Quelle beim Umwandeln einfallender Lichtenergie in nutzbare elektrische Energie mit minimalen Ohmverlusten innerhalb der Vorrichtung maximiert ist.When the cell is illuminated by electromagnetic radiation of a suitable wavelength, e.g. For example, sunlight, a potential (voltage) difference develops through the p-n junction as the charge carriers from electron-hole pairs migrate into the region of the electric field of the compound and are separated. The spatially separated carriers are collected by electrodes in contact with the semiconductor on one or both surfaces. Thus, the cell is adapted to supply electrical power to an electrical load connected to the electrodes and thereby provide electrical energy that has been converted from solar energy that can do useful work. Since the light source is almost always sunlight, photovoltaic cells are commonly known as "solar cells". Ideally, there is a low resistance connection between each electrode and the associated device and the electrode per se has high electrical conductivity so that the efficiency of the source is maximized in converting incident light energy into usable electrical energy with minimal ohmic losses within the device.
Industrielle Solarzellen werden üblicherweise in Form einer planaren Struktur bereitgestellt, wie z. B. eine, die auf einem dotierten kristallinen Silicium-Wafer beruht, der metallisiert wurde, d. h. mit Elektroden in Form von elektrisch leitfähigen Metallkontakten, durch die erzeugter Strom fließen kann. Am üblichsten werden diese Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer generell planaren Struktur bereitgestellt. Konventionell werden sie durch Anwenden geeigneter leitfähiger Metallpasten auf die jeweiligen Flächen des Halbleiterkörpers und danach Brennen der Pasten, um eine dünne Metallschicht zu bilden, hergestellt.Industrial solar cells are usually provided in the form of a planar structure, such. One based on a doped crystalline silicon wafer that has been metallized, i. H. with electrodes in the form of electrically conductive metal contacts through which generated current can flow. Most commonly, these electrodes are provided on opposite sides of a generally planar structure. Conventionally, they are made by applying suitable conductive metal pastes to the respective surfaces of the semiconductor body and then firing the pastes to form a thin metal layer.
In der üblichen planaren p-basierten Konfiguration befindet sich eine negative Elektrode auf der Seite der Zelle, die an eine Lichtquelle ausgesetzt werden soll (die „Vorderseite”,” „lichterhaltende” Seite oder „Sonnenseite”, was im Fall einer gewöhnlichen Solarzelle die Seite ist, die an Sonnenlicht ausgesetzt ist); eine positive Elektrode befindet sich auf der anderen Seite der Zelle (die „Rückseite” oder „nicht beleuchtete” Seite). Es sind auch Zellen mit einer planaren n-basierten Konfiguration bekannt, in denen die p- und n-dotierten Regionen von der p-basierten Konfiguration vertauscht sind. Mit Solarenergie versorgte Photovoltaiksysteme werden dahingehend als vorteilhaft für die Umwelt betrachtet, dass sie die Notwendigkeit zum Verbrennen fossiler Brennstoffe in konventionellen Stromwerken reduzieren.In the usual planar p-based configuration, a negative electrode is located on the side of the cell to be exposed to a light source (the "front", "light-retaining" side or "sun-side", which is the side in the case of an ordinary solar cell is exposed to sunlight); a positive electrode is on the other side of the cell (the "back" or "non-illuminated" side). Also known are cells having a planar n-based configuration in which the p- and n-doped regions are interchanged from the p-based configuration. Solar powered photovoltaic systems are considered to be beneficial to the environment in that they reduce the need to burn fossil fuels in conventional power plants.
Photovoltaikzellen werden üblicherweise mit einer Isolierschicht auf ihrer Vorderseite gefertigt, um eine entspiegelte Eigenschaft zu erhalten, die die Nutzung des einfallenden Lichts maximiert. Allerdings muss in dieser Konfiguration ein Teil der Isolierschicht normalerweise entfernt werden, um zu ermöglichen, dass die überlagerte vorderseitige Elektrode Kontakt mit der darunterliegenden Halbleiterfläche herstellt. Leitfähige Metallpasten, die zum Herstellen vorderseitiger Elektroden bestimmt sind, enthalten normalerweise eine Glassinterung und eine leitfähige Spezies (z. B. Silberpartikel), die in einem organische Medium getragen wird, das als Vehikel zum Drucken funktioniert. Die Elektrode kann durch Aufbringen der Pastenzusammensetzung in einem geeigneten Muster (beispielsweise durch Siebdruck) und danach Brennen der Pastenzusammensetzung und des Substrats, um die isolierende, entspiegelte Schicht aufzulösen oder anderswie zu penetrieren das Metallpulver zu sintern, derart, dass eine elektrische Verbindung mit der Halbleiterstruktur geformt ist.Photovoltaic cells are typically fabricated with an insulating layer on their front surface to obtain an anti-reflective property that maximizes the use of incident light. However, in this configuration, a portion of the insulating layer must normally be removed to allow the overlaid front-side electrode to make contact with the underlying semiconductor surface. Conductive metal pastes intended for producing front-side electrodes typically contain a glass sintering and a conductive species (e.g., silver particles) carried in an organic medium which functions as a vehicle for printing. The electrode may be sintered by applying the paste composition in a suitable pattern (eg, by screen printing) and then firing the paste composition and the substrate to dissolve or otherwise penetrate the insulating, anti-reflective layer to sinter the metal powder such that an electrical connection with the semiconductor structure is shaped.
Die spezifische Formulierung der Pastenzusammensetzung hat eine starke, aber hoch unvorhersehbare Auswirkung auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Elektroden, die damit konstruiert werden. Um gute elektrische Merkmale für die fertige Zelle zu erlangen (z. B. hohe Lichtumwandlungseffizienz und niedriger Widerstand), muss die Zusammensetzung während des Brennens vollständig durch die entspiegelte Schicht penetrieren oder ätzen, sodass ein guter elektrischer Kontakt hergestellt ist, aber ohne den darunterliegenden Halbleiter zu beschädigen. Allerdings wird gewünscht, dass beim Brennen eine stark anhaftende Bindung zwischen der Elektrode und dem Substrat gebildet wird. Mit vielen konventionellen Pastenzusammensetzungen hat es sich nicht als möglich erwiesen, die gedruckten Wafer zuverlässig zu brennen, sodass gleichzeitig eine gute Adhäsion und gute elektrische Eigenschaften erlangt werden.The specific formulation of the paste composition has a strong but highly unpredictable effect on the electrical and mechanical properties of electrodes constructed therewith. In order to obtain good electrical characteristics for the finished cell (eg, high light conversion efficiency and low resistance), the composition must completely penetrate or etch through the coated layer during firing so that good electrical contact is made but without the underlying semiconductor to damage. However, it is desired that a strong bond be formed between the electrode and the substrate during firing. With many conventional paste compositions, it has not been found possible to reliably burn the printed wafers, while at the same time achieving good adhesion and good electrical properties.
Obwohl verschiedene Verfahren und Zusammensetzungen bekannt sind, die beim Bilden von Vorrichtungen wie z. B. Solarzellen nützlich sind, besteht dennoch noch ein Bedarf nach Zusammensetzungen, die die Herstellung strukturierter leitfähiger Strukturen ermöglichen, die eine insgesamt verbesserte elektrische Leistung der Vorrichtung bereitstellen und die die schnelle und effiziente Herstellung solcher Vorrichtungen mit konventionellen und neuen Architekturen ermöglichen.Although various methods and compositions are known which are used in forming devices such as, for. For example, when solar cells are useful, there is still a need for compositions that enable the fabrication of patterned conductive structures that provide overall improved electrical performance of the device and that enable the rapid and efficient fabrication of such devices with conventional and novel architectures.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Eine Ausführungsform dieser Offenbarung stellt eine Pastenzusammensetzung bereit, die Folgendes umfasst:
einen anorganischen Feststoffteil, der umfasst:
- (a) 85 bis 99,75 Gew.-% der Feststoffe einer Quelle von elektrisch leitfähigem Metall, und
- (b) 0,25 bis 15 Gew.-% der Feststoffe einer oxidbasierten Komponente umfassend ein erstes schmelzbares Material und ein separates zweites schmelzbares Material, und ein organisches Vehikel, in dem die Bestandteile des anorganischen Feststoffteils dispergiert sind, und wobei das erste schmelzbare Material ein Blei-Tellur-basiertes Oxid ist und das zweite schmelzbare Material ein Wismut-Silicium-Oxid ist, das nach Gewichtsprozent umfasst: 30 bis 80% Bi2O3, 1 bis 50% SiO2, 0 bis 40% ZnO, 0 bis 22% TeO2, 0 bis 12% B2O3, 0 bis 6% 0 bis 9% CaO, 0 bis 15% BaO, 0 bis 7% Al2O3, 0 bis 12% Na2O, 0 bis 8% Li2O, und 0 bis 4% Fe2O3.
an inorganic solid part comprising:
- (a) 85 to 99.75 weight percent of the solids of a source of electrically conductive metal, and
- (b) 0.25 to 15% by weight of the solids of an oxide-based component comprising a first meltable material and a separate second meltable material, and an organic vehicle in which the inorganic solid component components are dispersed, and wherein the first meltable material is a lead-tellurium-based oxide and the second fusible material is a bismuth-silicon oxide comprising by weight percent: 30 to 80% Bi 2 O 3 , 1 to 50% SiO 2 , 0 to 40% ZnO, 0 to 22% TeO 2 , 0 to 12% B 2 O 3 , 0 to 6% 0 to 9% CaO, 0 to 15% BaO, 0 to 7% Al 2 O 3 , 0 to 12% Na 2 O, 0 to 8 % Li 2 O, and 0 to 4% Fe 2 O 3 .
Eine andere Ausführungsform stellt eine Pastenzusammensetzung bereit, die Folgendes umfasst:
einen anorganischen Feststoffteil, der umfasst:
- (a) 85 bis 99,75 Gew.-% einer Quelle von elektrisch leitfähigem Metall, und
- (b) 0,25 bis 15 Gew.-% einer oxidbasierten Komponente umfassend ein erstes schmelzbares Material mit einer ersten Glasübergangstemperatur (Tg1) und einem ersten Erweichungspunkt (Ts1), und ein separates zweites schmelzbares Material mit einer zweiten Glasübergangstemperatur (Tg2) und zweiten Erweichungspunkt (Ts2), wobei Tg2 höher als Tg1 ist und Ts2 höher als Ts1 ist, und ein organisches Vehikel, in dem die Bestandteile des anorganischen Feststoffteils dispergiert sind.
an inorganic solid part comprising:
- (a) from 85 to 99.75 weight percent of a source of electrically conductive metal, and
- (b) 0.25 to 15% by weight of an oxide-based component comprising a first fusible material having a first glass transition temperature (T g1 ) and a first softening point (T s1 ), and a separate second fusible material having a second glass transition temperature (T g2 ) and second softening point (T s2 ), wherein T g2 is higher than T g1 and T s2 is higher than T s1 , and an organic vehicle in which the components of the inorganic solid part are dispersed.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zum Bilden einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfasst:Another embodiment provides a method of forming an electrically conductive structure on a substrate, the method comprising:
(a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats umfassend eine Isolierschicht, die sich auf mindestens einer Fläche des Halbleitersubstrats befindet;(a) providing a semiconductor substrate comprising an insulating layer located on at least one surface of the semiconductor substrate;
(b) Anwenden einer Pastenzusammensetzung auf mindestens einen Teil der Isolierschicht, und(b) applying a paste composition to at least a portion of the insulating layer, and
(c) Brennen des Halbleitersubstrats, der Isolierschicht und der Pastenzusammensetzung derart, dass die Isolierschicht penetriert wird und das elektrisch leitfähige Metall gesintert wird, wodurch eine Elektrode gebildet wird, die elektrisch das Halbleitersubstrat kontaktiert,
wobei die Pastenzusammensetzung umfasst:
einen anorganischen Feststoffteil, der umfasst:
- (a) 85 bis 99,75 Gew.-% der Feststoffe einer Quelle von elektrisch leitfähigem Metall, und
- (b) 0,25 bis 15 Gew.-% der Feststoffe einer oxidbasierten Komponente umfassend ein erstes schmelzbares Material und ein separates zweites schmelzbares Material, und ein organisches Vehikel, in dem die Bestandteile des anorganischen Feststoffteils dispergiert sind, und wobei das erste schmelzbare Material ein Blei-Tellur-basiertes Oxid ist und das zweite schmelzbare Material ein Wismut-Silicium-Oxid ist, das nach Gewichtsprozent umfasst: 30 bis 80% Bi2O3, 1 bis 50% SiO2, 0 bis 40% ZnO, 0 bis 22% TeO2, 0 bis 12% B2O3, 0 bis 6% MgO, 0 bis 9% CaO, 0 bis 15% BaO, 0 bis 7% Al2O3, 0 bis 12% Na2O, 0 bis 8% Li2O, und 0 bis 4% Fe2O3.
wherein the paste composition comprises:
an inorganic solid part comprising:
- (a) 85 to 99.75 weight percent of the solids of a source of electrically conductive metal, and
- (b) 0.25 to 15% by weight of the solids of an oxide-based component comprising a first meltable material and a separate second meltable material, and an organic vehicle in which the inorganic solid component components are dispersed, and wherein the first meltable material is a lead-tellurium-based oxide and the second fusible material is a bismuth-silicon oxide comprising by weight percent: 30 to 80% Bi 2 O 3 , 1 to 50% SiO 2 , 0 to 40% ZnO, 0 to 22% TeO 2 , 0 to 12% B 2 O 3 , 0 to 6% MgO, 0 to 9% CaO, 0 to 15% BaO, 0 to 7% Al 2 O 3 , 0 to 12% Na 2 O, 0 to 8% Li 2 O, and 0 to 4% Fe 2 O 3 .
Eine noch andere Ausführungsform stellt ein Verfahren zum Bilden einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einem Substrat bereit, wobei das Verfahren umfasst:
- (a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats umfassend eine Isolierschicht, die sich auf mindestens einer Fläche des Halbleitersubstrats befindet;
- (b) Anwenden einer Pastenzusammensetzung auf mindestens einen Teil der Isolierschicht, und
- (c) Brennen des Halbleitersubstrats, der Isolierschicht und der Pastenzusammensetzung derart, dass die Isolierschicht penetriert wird und das elektrisch leitfähige Metall gesintert wird, wodurch eine Elektrode gebildet wird, die elektrisch das Halbleitersubstrat kontaktiert, wobei die Pastenzusammensetzung umfasst: einen anorganischen Feststoffteil, der umfasst:
- (a) 85 bis 99,75 Gew.-% einer Quelle von elektrisch leitfähigem Metall, und
- (b) 0,25 bis 15 Gew.-% einer oxidbasierten Komponente umfassend ein erstes schmelzbares Material mit einer ersten Glasübergangstemperatur (Tg1) und einem ersten Erweichungspunkt (Ts1), und ein separates zweites schmelzbares Material mit einer zweiten Glasübergangstemperatur (Tg2) und einem zweiten Erweichungspunkt (Ts2), wobei Tg2 höher als Tg1 ist und Ts2 höher als Ts1 ist, und ein organisches Vehikel, in dem die Bestandteile des anorganischen Feststoffteils dispergiert sind.
- (a) providing a semiconductor substrate comprising an insulating layer located on at least one surface of the semiconductor substrate;
- (b) applying a paste composition to at least a portion of the insulating layer, and
- (c) firing the semiconductor substrate, the insulating layer and the paste composition such that the insulating layer is penetrated and the electrically conductive metal is sintered, thereby forming an electrode that electrically contacts the semiconductor substrate, the paste composition comprising: an inorganic solid portion comprising :
- (a) from 85 to 99.75 weight percent of a source of electrically conductive metal, and
- (b) 0.25 to 15% by weight of an oxide-based component comprising a first fusible material having a first glass transition temperature (T g1 ) and a first softening point (T s1 ), and a separate second fusible material having a second glass transition temperature (T g2 ) and a second softening point (T s2 ), wherein T g2 is higher than T g1 and T s2 is higher than T s1 , and an organic vehicle in which the components of the inorganic solid part are dispersed.
In bestimmtem der vorstehenden Ausführungsformen ist die Differenz ΔTg mindestens 100°C und/oder ist die Differenz ΔTs mindestens 100°C.In certain of the above embodiments, the difference ΔT g is at least 100 ° C and / or the difference ΔT s is at least 100 ° C.
Ausführungsformen dieser Pastenzusammensetzung enthalten eine, in der das erste schmelzbare Material im Wesentlichen siliciumfrei ist und/oder das zweite schmelzbare Material im Wesentlichen frei von Tellur und/oder Bor ist, was in jedem Fall bedeutet, dass keine Verbindung, die das jeweilige Element enthält, beim Formulieren des schmelzbaren Material verwendet wird, und jedes vorhandene Element ist eine Unreinheit, die von den rohen Bestandteilsmaterialien abgeleitet ist, wie es in der normalen industriellen Praxis bekannt ist. Embodiments of this paste composition include one in which the first fusible material is substantially free of silicon and / or the second fusible material is substantially free of tellurium and / or boron, which in each case means that no compound containing the respective element is used in formulating the fusible material, and any element present is an impurity derived from the raw constituent materials as known in normal industrial practice.
Auch werden Artikel offenbart, die unter Verwendung dieser Pastenzusammensetzung in der Durchführung der vorherstehenden Verfahren gebildet werden. Solche Artikel enthalten Halbleitervorrichtungen und Solarzellen. Diese Verfahren können zum Bilden von Elektroden verwendet werden, die Silicium-Halbleiter kontaktieren, die Elektroden umfassend elektrisch leitfähige Strukturen, die durch eines der hierin beschriebenen Verfahren gebildet werden.Also disclosed are articles formed using this paste composition in the practice of the foregoing processes. Such articles include semiconductor devices and solar cells. These methods can be used to form electrodes that contact silicon semiconductors, the electrodes comprising electrically conductive structures formed by any of the methods described herein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die Erfindung wird vollständiger verstanden und weitere Vorteile erschließen sich, wenn Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und die begleitenden Zeichnungen genommen wird, wobei ähnliche Referenznummer ähnliche Elemente in den mehreren Ansichten bezeichnen, und worin:The invention will be more fully understood and further advantages will be understood by reference to the following detailed description of the preferred embodiments of the invention and the accompanying drawings, wherein like reference numerals designate like elements throughout the several views, and wherein:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- p-dotiertes Substrat;p-doped substrate;
- 1212
-
erste größere Fläche (Vorderseite oder lichterhaltende Seite) des Substrats
10 ;first larger area (front or light-retaining side) of thesubstrate 10 ; - 1414
-
zweite größere Fläche (Rückseite) des Substrats
10 ;second larger area (back side) of thesubstrate 10 ; - 2020
- n-dotierte Diffusionsschicht;n-doped diffusion layer;
- 3030
- Isolierschicht;insulating layer;
- 4040
- p+ Schicht;p + layer;
- 6060
- gebildete Aluminiumpaste auf der Rückseite;formed aluminum paste on the back;
- 6161
- Aluminiumelektrode auf der Rückseite (erlangt durch Brennen der rückseitigen Aluminiumpaste);Aluminum electrode on the back (obtained by burning the back aluminum paste);
- 7070
- auf der Rückseite gebildete Silber- oder Silber-/Aluminiumpaste;silver or silver / aluminum paste formed on the back;
- 7171
- Silber- oder Silber-/Aluminiumelektrode auf der Rückseite (erlangt durch Brennen der rückseitigen Paste);Silver or silver / aluminum electrode on the back (obtained by burning the back paste);
- 9090
- leitfähige Paste, wie sie hierin bereitgestellt und auf der Vorderseite gebildet ist; undconductive paste as provided herein and formed on the front side; and
- 9191
- leitfähige vorderseitige Elektrode, gebildet durch Brennen der vorderseitigen leitfähigen Paste).conductive front-side electrode formed by firing the front-side conductive paste).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Verschiedene Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf den Bedarf nach Hochleistungshalbleitern und anderen elektronische Vorrichtungen, die mechanisch robuste und haltbare Elektroden mit hoher Leitfähigkeit haben, sowie auf Verfahren, die für ihre Herstellung geeignet sind.Various aspects of this disclosure address the need for high power semiconductors and other electronic devices that have mechanically robust and durable high conductivity electrodes, as well as methods suitable for their fabrication.
Ein Aspekt stellt eine Pastenzusammensetzung bereit, die eine funktionelle leitfähige Komponente umfasst, wie z. B. eine Quelle von elektrisch leitfähigem Metall; eine oxidbasierte Komponente umfassend zwei schmelzbare Materialien; und ein organisches Vehikel. In einem anderen Aspekt wird die Pastenzusammensetzung vorteilhaft in der Fertigung von hochwertigen Elektroden von photovoltaischen Vorrichtungen eingesetzt. Idealerweise fördert die Pastenzusammensetzung die Bildung einer Metallisierung, die: (a) einen Kontakt mit relativ niedrigem Widerstand mit dem Substrat bereitstellt; (b) die elektrischen Merkmale des darunterliegenden Substrats beibehält; und (c) stark am darunterliegenden Halbleitersubstrat anhaftet. Es wird angenommen, dass geeignete Pastenzusammensetzungen beim Ätzen der Fläche von Isolierschichten hilfreich zu sein, die normalerweise in Halbleiterstrukturen, wie z. B. Solarzellen, enthalten sind, was zum Herstellen eines guten Kontakts zwischen der leitfähigen Elektrode und dem darunterliegenden Halbleiter erforderlich ist.One aspect provides a paste composition comprising a functional conductive component, such as e.g. B. a source of electrically conductive metal; an oxide-based component comprising two fusible materials; and an organic vehicle. In another aspect, the paste composition is advantageously used in the manufacture of high quality electrodes of photovoltaic devices. Ideally, the paste composition promotes the formation of a metallization that: (a) provides a relatively low resistance contact with the substrate; (b) maintains the electrical characteristics of the underlying substrate; and (c) strongly adhered to the underlying semiconductor substrate. It is believed that useful paste compositions help to etch the surface of insulating layers normally used in semiconductor structures, such as silicon dioxide. As solar cells, are included, which is required for establishing a good contact between the conductive electrode and the underlying semiconductor.
Weitere Ausführungsformen stellen eine Solarzelle bereit, die eine oder mehrere leitfähige Strukturen enthält, die mit dieser Pastenzusammensetzung gefertigt sind. Solche Zellen können in einigen Implementierungen jede Kombination einer oder mehrerer Zellen mit hoher photovoltaischer Umwandlungseffizienz, hohem Füllfaktor, niedrigem Serienwiderstand und guter mechanischer Adhäsion zwischen der Elektrode und dem Substrat bereitstellen. Further embodiments provide a solar cell containing one or more conductive structures fabricated with this paste composition. Such cells, in some implementations, may provide any combination of one or more cells with high photovoltaic conversion efficiency, high fill factor, low series resistance, and good mechanical adhesion between the electrode and the substrate.
Wie es ferner unten beschrieben ist, wirkt das organische Vehikel der Pastenzusammensetzung als ein Träger für die anorganischen Bestandteile, die darin dispergiert sind. Zusammen mit dem Lösungsmittel kann das organische Vehikel eine oder mehrere Komponenten enthalten, wie z. B. Polymere, Benetzungsmittel, Verdicker, Thixotrope und Binder, die wünschenswerte funktionelle Eigenschaften verleihen können, einschließlich, ohne Beschränkung, Eigenschaften, die in Aufbringungs- und Elektrodenbildungsverfahren wünschenswert sind.As further described below, the organic vehicle of the paste composition acts as a carrier for the inorganic ingredients dispersed therein. Together with the solvent, the organic vehicle may contain one or more components, such as e.g. Polymers, wetting agents, thickeners, thixotropes and binders which can impart desirable functional properties, including, without limitation, properties desirable in application and electrode forming processes.
Normalerweise werden Elektroden oder andere ähnliche leitfähige Linien durch Siebdrucken der Pastenzusammensetzung auf ein Substrat bereitgestellt, obwohl alternativ auch andere Aufbringungsverfahren verwendet werden können, einschließlich, ohne Beschränkung, Plattieren, Extrusion oder Coextrusion, Ausgeben aus einer Spritze, Tintenstrahl-, geformtes, vielfaches oder Band-Drucken. Nach dem Aufbringen wird die Zusammensetzung bei einer erhöhten Temperatur gebrannt. Vor dem eigentlichen Brennen wird optional ein separater Trocknungsschritt durchgeführt.Typically, electrodes or other similar conductive lines are provided by screen printing the paste composition onto a substrate, although other methods of application may alternatively be used including, without limitation, plating, extrusion or coextrusion, dispensing from a syringe, ink jet, molded, multiple, or belt -To Print. After application, the composition is fired at an elevated temperature. Before the actual firing, a separate drying step is optionally carried out.
Diese Zusammensetzung kann auch dazu verwendet werden, um leitfähige Spuren für andere Zwecke zu bilden, wie z. B. jene, die in einem Halbleitermodul eingesetzt werden, das in eine elektrische oder elektronische Vorrichtung integriert werden soll. Wie es sich einem Fachmann erschließen würde, kann die hierin beschriebene Pastenzusammensetzung als „leitfähig” bezeichnet werden, was bedeutet, dass die Zusammensetzung in einer Struktur gebildet und danach verarbeitet werden kann, um eine elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen, die zum Leiten elektrischen Stroms zwischen Vorrichtungen und daran angeschlossenen Schaltungen ausreichend ist.This composition can also be used to form conductive traces for other purposes, such as e.g. For example, those used in a semiconductor module to be integrated into an electrical or electronic device. As one skilled in the art would appreciate, the paste composition described herein may be referred to as "conductive", which means that the composition can be formed in a structure and then processed to have electrical conductivity necessary to conduct electrical current between devices and connected circuits is sufficient.
I. Anorganische KomponentenI. Inorganic components
A. Elektrisch leitfähiges MetallA. Electrically conductive metal
Diese Pastenzusammensetzung enthält eine Quelle eines elektrisch leitfähigen Metalls. Beispielhafte Metalle enthalten ohne Beschränkung Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Palladium, Platin, Aluminium und Legierungen und Gemische davon. In einigen Ausführungsformen ist das elektrisch leitfähige Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ag, Cu, und Pd; alternativ besteht das elektrisch leitfähige Metall im Wesentlichen aus Silber, was vorteilhaft für seine Verarbeitbarkeit und hohe Leitfähigkeit ist. Allerdings kann eine Zusammensetzung enthaltend mindestens einige Nichtedelmetalle verwendet werden, um Kosten zu senken oder andere Eigenschaften zu modifizieren.This paste composition contains a source of electrically conductive metal. Exemplary metals include, without limitation, silver, gold, copper, nickel, palladium, platinum, aluminum, and alloys and mixtures thereof. In some embodiments, the electrically conductive metal is selected from the group consisting of Ag, Cu, and Pd; alternatively, the electrically conductive metal consists essentially of silver, which is advantageous for its processability and high conductivity. However, a composition containing at least some non-noble metals can be used to reduce costs or modify other properties.
Das leitfähige Metall kann in dieser Pastenzusammensetzung direkt als ein Metallpulver aufgenommen werden. In einer anderen Ausführungsform ist ein Gemisch aus zwei oder mehreren solcher Metalle oder eine Legierung direkt aufgenommen. Alternativ wird das Metall von einem Metalloxid oder Salz geliefert, das sich bei Aussetzung an die Wärme des Brennens zersetzt, um das Metall zu bilden. Wie er hierin verwendet wird, ist der Begriff „Silber” so zu verstehen, dass er sich auf elementares Silbermetall, Silberlegierungen und Gemische davon bezieht, und ferner von Silberoxid (Ag2O oder AgO) oder Silbersalzen, wie z. B. AgCl, AgNO3, AgOOCCH3 (Silberacetat), AgOOCF3 (Silbertrifluoracetat), Ag3PO4 (Silberorthophosphat) abgeleitetes Silber oder Gemische davon enthalten kann. Ebenso kann jede andere Form von leitfähigem Metall, das mit den anderen Komponenten der Pastenzusammensetzung kompatibel ist, in bestimmten Ausführungsformen verwendet werden. Andere Metalle, die in dieser Paste für das funktionelle leitfähige Material verwendet werden, können auf ähnliche Weise abgeleitet werden.The conductive metal may be incorporated directly in this paste composition as a metal powder. In another embodiment, a mixture of two or more such metals or an alloy is directly incorporated. Alternatively, the metal is provided by a metal oxide or salt which decomposes upon exposure to the heat of firing to form the metal. As used herein, the term "silver" is to be understood as referring to elemental silver metal, silver alloys and mixtures thereof, and also to silver oxide (Ag 2 O or AgO) or silver salts, such as. B. AgCl, AgNO 3 , AgOOCCH 3 (silver acetate), AgOOCF 3 (silver trifluoroacetate), Ag 3 PO 4 (silver orthophosphate) derived silver or mixtures thereof may contain. Likewise, any other form of conductive metal that is compatible with the other components of the paste composition may be used in certain embodiments. Other metals used in this paste for the functional conductive material can be derived in a similar manner.
Elektrisch leitfähige Metallpulver, die in dieser Pastenzusammensetzung verwendet werden, können als fein unterteilte Partikel geliefert werden, die jede Morphologie haben, einschließlich, ohne Beschränkung, eine oder mehrere der folgenden Morphologien: eine Pulverform, eine Flockenform, eine Kugelform, ein Stabform, eine Granulatform, eine Knotenform, eine geschichtete oder beschichtete Form, andere unregelmäßige Formen oder Gemische davon. Das elektrisch leitfähige Metall oder die Quelle davon kann auch in einer kolloidalen Suspension bereitgestellt werden, in welchem Fall der kolloidale Träger nicht in einer Berechnung der Gewichtsprozente der Feststoffe, wovon das kolloidale Material Teil ist, nicht enthalten ist.Electrically conductive metal powders used in this paste composition can be supplied as finely divided particles having any morphology including, without limitation, one or more of the following morphologies: a powder form, a flake form, a spherical shape, a rod shape, a granular form , a knot shape, a layered or coated shape, other irregular shapes or mixtures thereof. The electrically conductive metal or source thereof may also be provided in a colloidal suspension, in which case the colloidal carrier is not included in a calculation of the weight percents of the solids of which the colloidal material is part.
Die Partikelgröße des Metalls unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Wie es hierin verwendet wird, soll sich „Partikelgröße” auf eine „mittlere Partikelgröße” oder d50 beziehen, was die Volumenverteilungsgröße von 50% bedeuten soll. Die Partikelgrößenverteilung kann auch durch andere Parameter gekennzeichnet sein, wie z. B. d90, was bedeutet, dass 90 Vol.-% der Partikel kleiner als d90 sind. Die Volumenverteilungsgröße kann durch eine Reihe von Verfahren bestimmt werden, die von einem Fachmann auf dem Gebiet verstanden werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Laserdiffraktion und Dispersionsverfahren, die von einem Partikelgröße-Analysegerät von Microtrac (Montgomeryville, PA) verwendet werden. Auch eine Laserlichtstreuung, z. B. unter Verwendung eines Partikelgröße-Analysegeräts Model LA-910, das kommerziell bei Horiba Instruments, Inc. (Irvine, CA) erhältlich ist, kann verwendet werden. In mehreren Ausführungsformen ist die mittlere Größe der Metallpartikel größer als 0,2 μm und weniger als 10 μm oder größer als 0,5 μm und weniger als 10 μm oder größer als 0,4 μm und weniger als 5 μm oder größer als 0,5 μm und weniger als 10 μm, gemessen unter Verwendung des Analysegeräts Horiba LA-910. The particle size of the metal is not particularly limited. As used herein, "particle size" shall refer to an "average particle size" or d 50 , which is intended to mean the volume distribution size of 50%. The particle size distribution can also be characterized by other parameters, such as. D 90 , which means that 90% by volume of the particles are smaller than d 90 . The volume distribution size may be determined by a variety of methods understood by one skilled in the art, including, but not limited to, laser diffraction and dispersion methods used by a Microtrac Particle Size Analyzer (Montgomeryville, PA). Also, a laser light scattering, z. Using a Particle Size Analyzer Model LA-910 commercially available from Horiba Instruments, Inc. (Irvine, CA) may be used. In several embodiments, the mean size of the metal particles is greater than 0.2 μm and less than 10 μm or greater than 0.5 μm and less than 10 μm or greater than 0.4 μm and less than 5 μm or greater than 0.5 μm and less than 10 μm, measured using the Horiba LA-910 analyzer.
Wie es unten weiter beschrieben wird, kann das elektrisch leitfähige Metall oder eine Quelle davon in einem organischen Vehikel, das als Träger für die Metallphase wirkt, und anderen in der Formulierung vorhandenen Bestandteilen dispergiert sein. Das elektrisch leitfähige Metall kann jeden einer Vielfalt von Prozentsätzen der Zusammensetzung der Pastenzusammensetzung umfassen. Um in einer fertiggestellten leitfähigen Struktur eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen, ist es generell bevorzugt, dass die Konzentration des elektrisch leitfähigen Metalls so hoch wie möglich ist, während andere erforderliche Merkmale der Pastenzusammensetzung, die sich auf die Verarbeitung oder Endbenutzung beziehen, beibehalten werden, wie z. B. die Notwendigkeit eines gleichförmigen, robusten und adhärenten Kontakts und einer geeigneten Penetration einer Flächenpassivierung und/oder entspiegelten Beschichtung, die auf dem Substrat vorhanden ist. Ein Minimieren des Volumenwiderstands und des Kontaktwiderstands zwischen der leitfähigen Struktur und der darunterliegenden Vorrichtung tendiert vorteilhaft zu einer Verringerung des Innenwiderstands einer Vorrichtung.As further described below, the electrically conductive metal or source thereof may be dispersed in an organic vehicle which acts as a carrier for the metal phase and other ingredients present in the formulation. The electrically conductive metal may comprise any of a variety of percentages of the composition of the paste composition. In order to achieve high conductivity in a finished conductive structure, it is generally preferred that the concentration of the electrically conductive metal be as high as possible while retaining other required characteristics of the paste composition related to processing or end use, such as z. The need for uniform, robust and adherent contact and suitable penetration of surface passivation and / or anti-reflective coating present on the substrate. Minimizing the volume resistivity and the contact resistance between the conductive structure and the underlying device advantageously tends to reduce the internal resistance of a device.
In einer Ausführungsform umfasst das elektrisch leitfähige Metall oder die Substanz, aus dem das Metall abgeleitet ist, von ca. 85 bis ca. 99,75 Gew.-% der Feststoffkomponenten der Dickfilmpasten-Zusammensetzung. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Quelle des elektrisch leitfähigen Metalls von ca. 85, 90, 92 oder 95 Gew.-% bis ca. 98, 99 oder 99,75 Gew.-%, beruhend auf den Feststoffkomponenten der Dickfilmpasten-Zusammensetzung.In one embodiment, the electrically conductive metal or substance from which the metal is derived comprises from about 85 to about 99.75 weight percent of the solid components of the thick film paste composition. In further embodiments, the source of the electrically conductive metal comprises from about 85, 90, 92 or 95 wt.% To about 98, 99 or 99.75 wt.% Based on the solid components of the thick film paste composition.
In einer Ausführungsform enthält der Feststoffteil der Dickfilmpasten-Zusammensetzung ca. 85% bis ca. 99,5% kugelförmiger Silberpartikel nach Gewicht der Feststoffe. In einer Ausführungsform enthält der Feststoffteil der Dickfilmpasten-Zusammensetzung ca. 85 bis ca. 90 Gew.-% Silberpartikel und ca. 1 bis ca. 9,5 Gew.-% Silberflocken.In one embodiment, the solids portion of the thick film paste composition contains about 85% to about 99.5% spherical silver particles by weight of the solids. In one embodiment, the solid portion of the thick film paste composition contains about 85 to about 90 weight percent silver particles and about 1 to about 9.5 weight percent silver flake.
In einer anderen Ausführungsform kann der Feststoffteil der Pastenzusammensetzung ca. 80 Gew.-% bis ca. 90 Gew.-% Silber Partikel und ca. 1 Gew.-% bis ca. 9 Gew.-% Silberflocken nach Gewicht der Feststoffe enthalten. In einer Ausführungsform kann der Feststoffteil der Pastenzusammensetzung ca. 70 Gew.-% bis ca. 90 Gew.-% Silberpartikel und ca. 1 Gew.-% bis ca. 9 Gew.-% Silberflocken enthalten. In einer anderen Ausführungsform kann der Feststoffteil der Pastenzusammensetzung ca. 70 Gew.-% bis ca. 90 Gew.-% Silberflocken und ca. 1 Gew.-% bis ca. 9 Gew.-% kolloidales Silber enthalten. In einer weiteren Ausführungsform kann der Feststoffteil der Pastenzusammensetzung ca. 60 Gew.-% bis ca. 90 Gew.-% Silberpartikel oder Silberflocken und ca. 0,1 Gew.-% bis ca. 20 Gew.-% kolloidales Silber enthalten. Üblicherweise werden Silberflocken durch ein Mahlverfahren aus größeren Partikeln erzeugt, während Partikel, die ungefähr kugelförmig sind, aus Ausfällungsprozessen entstehen.In another embodiment, the solid portion of the paste composition may contain from about 80% to about 90% by weight of silver particles and from about 1% to about 9% by weight of silver flakes by weight of the solids. In one embodiment, the solid portion of the paste composition may contain about 70% to about 90% by weight of silver particles and about 1% to about 9% by weight of silver flakes. In another embodiment, the solid portion of the paste composition may contain about 70% to about 90% by weight of silver flake and about 1% to about 9% by weight of colloidal silver. In another embodiment, the solid portion of the paste composition may contain about 60% to about 90% by weight of silver particles or silver flakes and about 0.1% to about 20% by weight of colloidal silver. Typically, silver flakes are produced from larger particles by a milling process, while particles which are approximately spherical arise from precipitation processes.
Das hierin verwendete elektrisch leitfähige Metall kann, besonders wenn es in Pulverform ist, beschichtet oder unbeschichtet sein; zum Beispiel kann es mindestens teilweise mit einem Netzmittel beschichtet sein, um die Verarbeitung zu erleichtern. Geeignete Beschichtungsnetzmittel enthalten beispielsweise Stearinsäure, Palmitinsäure, ein Salz von Stearat, ein Salz von Palmitat und Gemische davon. Andere Netzmittel, die auch verwendet werden können, enthalten Laurinsäure, Oleinsäure, Caprinsäure, Myristinsäure, Linolsäure und Gemische davon. Noch andere Netzmittel, die auch verwendet werden können, enthalten Polyethylenoxid, Polyethylenglycol, Benzotriazol, Poly(ethylenglycol)essigsäure und andere ähnliche organische Moleküle. Geeignete Gegenionen zur Verwendung in einem Beschichtungsnetzmittel enthalten ohne Beschränkung Wasserstoff, Ammonium, Natrium, Kalium und Gemische davon. Wenn das elektrisch leitfähige Metall Silber ist, kann es beispielsweise mit einer phosphorhaltigen Verbindung beschichtet sein.The electrically conductive metal used herein, especially when in powder form, may be coated or uncoated; for example, it may be at least partially coated with a wetting agent to facilitate processing. Suitable coating wetting agents include, for example, stearic acid, palmitic acid, a salt of stearate, a salt of palmitate and mixtures thereof. Other wetting agents which may also be used include lauric acid, oleic acid, capric acid, myristic acid, linoleic acid and mixtures thereof. Still other wetting agents that can be used include polyethylene oxide, polyethylene glycol, benzotriazole, poly (ethylene glycol) acetic acid, and other similar organic molecules. Suitable counterions for use in a coating wetting agent include, without limitation, hydrogen, ammonium, sodium, potassium, and mixtures thereof. For example, when the electrically conductive metal is silver, it may be coated with a phosphorus-containing compound.
B. Oxidkomponente B. oxide component
Diese Pastenzusammensetzung umfasst eine Oxidkomponente, die so zu verstehen ist, dass sie sich auf eine Zusammensetzung bezieht, die Anionen eines oder mehrerer Typen enthält, wovon mindestens 80% Sauerstoffanionen und -kationen sind. In mehreren Ausführungsformen sind mindestens 90%, 95%, 98% oder im Wesentlichen alle Anionen der Oxidkomponente Sauerstoffanionen.This paste composition comprises an oxide component which is understood to refer to a composition containing anions of one or more types of which at least 80% are oxygen anions and cations. In several embodiments, at least 90%, 95%, 98% or substantially all of the anions of the oxide component are oxygen anions.
Die in dieser Pastenzusammensetzung integrierte Oxidzusammensetzung umfasst ein Gemisch aus fein verteilten Pulvern aus mindestens zwei separaten schmelzbaren Materialien, die unterschiedliche chemische Zusammensetzungen haben. Der Begriff „schmelzbar”, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich die Fähigkeit eines Materials, bei Erhitzen flüssig zu werden, wie z. B. das eingesetzte Erhitzen in einem Brennvorgang. Jedes der schmelzbaren Materialien kann unabhängig kristallin oder teilweise oder vollständig glasig oder amorph sein. Zum Beispiel kann die Oxidzusammensetzung zwei oder mehr Glasmaterialien umfassen. Glasmaterial in Form eines feinen Pulvers, z. B. als Resultat eines Zerkleinerungsvorgangs, wird oftmals als „Fritte” bezeichnet und lässt sich einfach in dieser Pastenzusammensetzung verwenden. In den meisten Ausführungsformen ist mindestens das erste schmelzbare Material ein Glasfritte-Material. Die mindestens zwei schmelzbaren Materialien haben verschiedene Erweichungs- und/oder Schmelzmerkmale. In einer Ausführungsform dient das verschiedene Verhalten dazu, die elektrischen und mechanischen Merkmale, die nach dem Brennen des Solarzellen-Ausgangsstoffs zu verbessern.The oxide composition incorporated in this paste composition comprises a mixture of finely divided powders of at least two separate fusible materials having different chemical compositions. As used herein, the term "meltable" refers to the ability of a material to become fluid upon heating, such as by heating. B. the heating used in a burning process. Each of the fusible materials may be independently crystalline or partially or fully glassy or amorphous. For example, the oxide composition may comprise two or more glass materials. Glass material in the form of a fine powder, for. B. as a result of a crushing process, is often referred to as "frit" and can be easily used in this paste composition. In most embodiments, at least the first fusible material is a glass frit material. The at least two fusible materials have different softening and / or melting characteristics. In one embodiment, the various behaviors serve to improve the electrical and mechanical characteristics that are after firing the solar cell feedstock.
Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Glas” auf eine partikelförmige Feststoffform, wie z. B. ein Oxid oder Oxyfluorid, das mindestens vorherrschend amorph ist, was bedeutet, dass in der direkten Umgebung eines ausgewählten Atoms, d. h. in der ersten Koordinationsschale eine kurze atomare Größenordnung beibehalten ist, die sich aber in größeren Abstände auf Atomebene dissipiert (d. h. es gibt keine lange periodische Ordnung). Somit weist ein Röntgendiffraktionsbild eines vollständig amorphen Materials breite, diffuse Spitzen auf, und nicht die gut definierten schmalen Spitzen eines kristallinen Materials auf. Im letztgenannten entstehen aus dem regelmäßigen Abstand charakteristischer kristallografischer Ebenen die schmalen Spitzen, deren Position im reziproken Raum gemäß der Bragg'schen Gleichung ist.As used herein, the term "glass" refers to a particulate solid form, such as e.g. An oxide or oxyfluoride that is at least predominantly amorphous, meaning that in the immediate vicinity of a selected atom, i. H. a short atomic order is maintained in the first coordination shell, but dissipates at longer distances at the atomic level (that is, there is no long periodic order). Thus, an X-ray diffraction image of a fully amorphous material has broad, diffuse peaks rather than the well-defined narrow peaks of a crystalline material. In the latter, the regular peaks of characteristic crystallographic planes give rise to the narrow peaks whose position is in reciprocal space according to Bragg's equation.
Es ist zu verstehen, dass ein schmelzbares Material, das teilweise oder vollständig kristallin ist, abhängig von seinem Elementargehalt und seiner Zubereitungsvorgeschichte eine einzige oder vielfache Kristallphasen umfassen kann. Ein Fachmann wird erkennen, dass ein Schmelzen und dann Verfestigen einer Zusammensetzung, die nicht einer einzigen kristallinen Phase entspricht, in einigen Beispielen in einer Mikrostruktur resultieren kann, die Regionen mit verschiedenen Zusammensetzungen und atomarer Struktur haben, obwohl die verschiedenen Bestandteilelemente anfangs durch vollständiges Schmelzen eng vermischt waren. Ein Röntgendiffraktionsbild eines solchen wiederverfestigten Materials würde eine Überlagerung der Spitzen entsprechend der kristallinen Phasen darin aufweisen. Das wiederverfestigte Material wird als ein homogenes, enges Gemisch gesehen, selbst wenn es eine polykristalline Mikrostruktur hat, in der Körner der zwei kristallinen Bestandteile, obgleich vermischt, identifizierbar vorhanden sind, solange die einzelnen Atome während des Schmelzvorgangs chemisch eng gemischt werden.It is to be understood that a fusible material that is partially or fully crystalline may include a single or multiple crystal phases, depending on its elemental content and preparation history. One skilled in the art will recognize that melting and then solidifying a composition that does not correspond to a single crystalline phase may, in some instances, result in a microstructure having regions of different compositions and atomic structure, although the various constituent elements are initially tight by complete melting were mixed. An X-ray diffraction image of such a reconsolidated material would have an overlay of the peaks corresponding to the crystalline phases therein. The resolidified material is considered to be a homogeneous, tight mixture, even though it has a polycrystalline microstructure in which grains of the two crystalline constituents, though mixed, are identifiable as long as the individual atoms are chemically mixed intimately during the melting process.
Eine mittlere Partikelgröße der schmelzbaren Materialien in dieser Zusammensetzung kann im Bereich von ca. 0,5 bis 10 μm oder ca. 0,8 bis 5 μm oder ca. 1 bis 3 μm sein, gemessen unter Verwendung des Analysegeräts Horiba LA-910.An average particle size of the fusible materials in this composition may be in the range of about 0.5 to 10 μm or about 0.8 to 5 μm or about 1 to 3 μm, as measured using the Horiba LA-910 analyzer.
In mehreren Ausführungsformen kann die Dickfilmpaste die Oxidzusammensetzung in einer Menge von 0,25 bis 8%, 0,5 bis 5% oder 1 bis 3 Gew.-% beruhend auf Feststoffen enthalten.In several embodiments, the thick film paste may contain the oxide composition in an amount of 0.25 to 8%, 0.5 to 5% or 1 to 3% by weight based on solids.
Erstes schmelzbares MaterialFirst fusible material
In einer Ausführungsform besteht ein erstes schmelzbares Material, das nützlich in dieser Oxidzusammensetzung integriert ist, im Wesentlichen aus, oder besteht aus einem Blei-Tellur-basierten Oxid, wie z. B. einer Zusammensetzung aus Blei-Tellur-Oxid-(Pb-Te-O), einer Zusammensetzung aus Blei-Tellur-Bor-Oxid (Pb-Te-B-O), einer Zusammensetzung aus Blei-Tellur-Lithium-Oxid-(Pb-Te-Li-O) oder jeder Kombination davon. Repräsentative Beispiele solcher Zusammensetzungen enthalten jene, die in gemeinsamen
In einer Ausführungsform ist das erste schmelzbare Material eine Zusammensetzung aus Blei-Tellur-Oxid (Pb-Te-O), wobei das Molverhältnis von Blei zu Tellur im Blei-Tellur-Oxid zwischen 5/95 und 95/5 ist. Beispielsweise kann das Blei-Tellur-Oxid aus einem Gemisch aus PbO- und TeO2-Pulvern zubereitet werden, die 5 bis 95 Mol-% PbO und 5 bis 95 Mol-% TeO2 beruhend auf den kombinierten Pulvern enthalten. In anderen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung aus Pb-Te-O 25 bis 85 Mol-%, 30 bis 70 Mol-% oder 35 bis 60 Mol-% PbO und 15 bis 70 Mol-%, 20 bis 70 Mol-% oder 35 bis 60 Mol-% TeO2 beruhend auf den kombinierten Pulvern.In one embodiment, the first fusible material is a lead tellurium oxide (Pb-Te-O) composition wherein the lead to tellurium mole ratio in the lead tellurium oxide is between 5/95 and 95/5. For example, the lead tellurium oxide can be prepared from a mixture of PbO and TeO 2 powders containing 5 to 95 mole percent PbO and 5 to 95 mole percent TeO 2 based on the combined powders. In other embodiments, the composition of Pb-Te-O comprises 25 to 85 mole%, 30 to 70 mole% or 35 to 60 mole% PbO and 15 to 70 mole%, 20 to 70 mole% or 35 to 60 mol% TeO 2 based on the combined powders.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung Pb-Te-O ferner mindestens einen zusätzlichen Bestandteil, einschließlich, ohne Beschränkung, jedes von TiO2, Li2O, B2O3, SiO2, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Al2O3, MgO, CaO, SrO, BaO, V2O5, ZrO2, HfO2, MoO3, Ta2O5, RuO2, WO3, Mn2O3, Ag2O, ZnO, Ga2O3, GeO2, In2O3, SnO2, Sb2O3, Bi2O3, P2O5, CuO, NiO, Cr2O3, Fe2O3, CoO, Co2O3, Co3O4, Y2O3 das Lanthanidoxid oder Gemische davon. (Der Begriff „Lanthanid” ist so zu verstehen, dass er sich kollektiv auf die Elemente des Periodensystems mit den Atomzahlen von 57 bis 71, d. h. La – Lu bezieht.) Die Gesamtmenge dieser zusätzlichen Bestandteile kann von einer Untergrenze zu einer Obergrenze reichen, wobei die Untergrenze 0, 0,25, 0,5, 1, 2 oder 5 Gew.-% ist und die Obergrenze 10, 15, 20 oder 30 Gew.-% beruhend auf der gesamten Zusammensetzung aus Pb-Te-O reichen. Zum Beispiel kann die Zusammensetzung aus Pb-Te-O aus einem Gemisch zubereitet werden, das PbO- und TeO2-Pulver und Pulver von einem oder mehreren der vorstehenden Oxide zubereitet werden. In einer anderen Ausführungsform ist der zusätzliche Bestandteil eines oder mehrere aus SiO2, B2O3, Bi2O3, Li2O, SnO2, Ag2O, ZnO, V2O5, Al2O3, Na2O, MgO, TiO2, Cr2O3, CuO, ZrO2, WO3 oder CeO2.In some embodiments, the composition Pb-Te-O further comprises at least one additional ingredient including, without limitation, each of TiO 2 , Li 2 O, B 2 O 3 , SiO 2 , Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O. , Cs 2 O, Al 2 O 3 , MgO, CaO, SrO, BaO, V 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , MoO 3 , Ta 2 O 5 , RuO 2 , WO 3 , Mn 2 O 3 , Ag 2 O, ZnO, Ga 2 O 3 , GeO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 , Sb 2 O 3 , Bi 2 O 3 , P 2 O 5 , CuO, NiO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CoO , Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , Y 2 O 3, the lanthanide oxide or mixtures thereof. (The term "lanthanide" is to be understood as referring collectively to the elements of the periodic table having atomic numbers from 57 to 71, ie, La - Lu.) The total amount of these additional constituents may range from a lower limit to an upper limit the lower limit is 0, 0.25, 0.5, 1, 2 or 5 wt% and the upper limit is 10, 15, 20 or 30 wt% based on the total composition of Pb-Te-O. For example, the composition of Pb-Te-O may be prepared from a mixture, the PbO and TeO 2 powder and powder of one or more of the above oxides are prepared. In another embodiment, the additional constituent is one or more of SiO 2 , B 2 O 3 , Bi 2 O 3 , Li 2 O, SnO 2 , Ag 2 O, ZnO, V 2 O 5 , Al 2 O 3 , Na 2 O, MgO, TiO 2 , Cr 2 O 3 , CuO, ZrO 2 , WO 3 or CeO 2 .
Die Zusammensetzung aus Pb-Te-O kann auch mindestens ein Oxid aus einem oder mehreren aus Si, B, Sn, Li, Ti, Ag, Na, K, Rb, Cs, Ge, Ga, In, Ni, Zn, Mg, Ca, Sr, Ba, Se, Mo, W, Bi, Ta, V, Fe, Hf, Cr, Cd, Sb, Ru, Zr, Mn, P, Cu, Nb, Y, die Lanthanid-Elemente oder Gemische davon umfassen, wobei die Gesamtmenge dieser zusätzlichen Oxide von einer Untergrenze zu einer Obergrenze reicht, wobei die Untergrenze 0, 0,25, 0,5, 1, 2 oder 5 Gew.-% ist und die Obergrenze 10, 15, 20 oder 30 Gew.-% beruhend auf der gesamten Zusammensetzung aus Pb-Te-O ist.The composition of Pb-Te-O may also contain at least one oxide of one or more of Si, B, Sn, Li, Ti, Ag, Na, K, Rb, Cs, Ge, Ga, In, Ni, Zn, Mg, Ca, Sr, Ba, Se, Mo, W, Bi, Ta, V, Fe, Hf, Cr, Cd, Sb, Ru, Zr, Mn, P, Cu, Nb, Y, the lanthanide elements or mixtures thereof , wherein the total amount of these additional oxides ranges from a lower limit to an upper limit, wherein the lower limit is 0, 0.25, 0.5, 1, 2 or 5 wt .-% and the
In einer anderen Ausführungsform ist das erste schmelzbare Material eine Zusammensetzung aus Blei-Tellur-Bor-Oxid (Pb-Te-B-O), wobei das Molverhältnis von Blei zu Tellur zwischen 5/95 und 95/5 ist. Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O enthalten jene, die 25 bis 80 Gew.-%, 30 bis 75 Gew.-%, 30 bis 60 Gew.-% oder 30 bis 50 Gew.-% PbO; 10 bis 70 Gew.-%, 20 bis 65 Gew.-% oder 25 bis 60 Gew.-% TeO2; und 0,1 bis 15 Gew.-%, 0,25 bis 5 Gew.-% oder 0,4 bis 2 Gew.-% B2O3 (beruhend auf der gesamten Zusammensetzung) umfassen. Einige Ausführungsformen umfassen ferner mindestens einen zusätzlichen Bestandteil, einschließlich, ohne Beschränkung, jedes von TiO2, Li2O, SiO2, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Al2O3, MgO, CaO, SrO, BaO, V2O5, ZrO2, MoO3, WO3, Ta2O5, Mn2O3, Ag2O, ZnO, Ga2O3, GeO2, In2O3, SnO2, Sb2O3, Bi2O3, P2O5, CuO, NiO, Cr2O3, Fe2O3, CoO, Co2O3, Y2O3, die Lanthanid-Oxide oder Gemische davon, wobei die Gesamtmenge der zusätzlichen Bestandteile von einer Untergrenze zu einer Obergrenze reicht, wobei die Untergrenze 0, 0,25, 0,5, 1, 2 oder 5 Gew.-% ist und die Obergrenze 10, 15, 20 oder 30 Gew.-% beruhend auf der gesamten Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O ist. Der zusätzliche Bestandteil kann auch einer oder mehrere aus SiO2, Bi2O3, Li2O, SnO2, AgO2, ZnO, V2O5, Al2O3, Na2O, MgO, TiO2, Cr2O3, CuO, ZrO2, HfO2, WO3 oder CeO2 sein.In another embodiment, the first fusible material is a lead tellurium boron oxide (Pb-Te-BO) composition wherein the lead to tellurium molar ratio is between 5/95 and 95/5. Composition of Pb-Te-BO include those containing 25 to 80% by weight, 30 to 75% by weight, 30 to 60% by weight or 30 to 50% by weight of PbO; 10 to 70% by weight, 20 to 65% by weight or 25 to 60% by weight of TeO 2 ; and 0.1 to 15 wt%, 0.25 to 5 wt%, or 0.4 to 2 wt% B 2 O 3 (based on the total composition). Some embodiments further include at least one additional ingredient including, without limitation, each of TiO 2 , Li 2 O, SiO 2 , Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, Al 2 O 3 , MgO, CaO , SrO, BaO, V 2 O 5 , ZrO 2 , MoO 3 , WO 3 , Ta 2 O 5 , Mn 2 O 3 , Ag 2 O, ZnO, Ga 2 O 3 , GeO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 , Sb 2 O 3 , Bi 2 O 3 , P 2 O 5 , CuO, NiO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CoO, Co 2 O 3 , Y 2 O 3 , the lanthanide oxides or mixtures thereof, wherein the total amount of the additional ingredients ranges from a lower limit to an upper limit, wherein the lower limit is 0, 0.25, 0.5, 1, 2 or 5 wt .-% and the
In einer Ausführungsform können eine oder mehrere der vorstehenden Komponenten 0 bis 20 Gew.-%, 0 bis 15 Gew.-% oder 0 bis 10 Gew.-% oder Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O sein. In Aspekten dieser Ausführungsform (beruhend auf dem Gewicht des gesamten Ausgangsgemischs):
kann SiO2 0 bis 11 Gew.-%, 0 bis 5 Gew.-%, 0,25 bis 4 Gew.-% oder 0 bis 0,5 Gew.-% sein;
kann SnO2 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 2 Gew.-% oder 0,5 bis 1,5 Gew.-% sein;
kann ZnO 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 2 bis 3 Gew.-% sein;
kann V2O5 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 1 Gew.-% oder 0,5 bis 1 Gew.-% sein;
kann Na2O 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 0,1 bis 1,5 Gew.-% sein;
kann CuO 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 2 bis 3 Gew.-%
kann ZrO2 0 bis 3 Gew.-%, 0 bis 2 Gew.-% oder 0,1 bis 1 Gew.-% sein;
kann CeO2 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 0,1 bis 2,5 Gew.-% sein;
kann Li2O 0 bis 5 Gew.-%, 0,1 bis 3 Gew.-% oder 0,25 bis 2 Gew.-% sein;
kann Bi2O3 0 bis 18 Gew.-%, 5 bis 18 Gew.-% oder 5 bis 10 Gew.-% sein;
kann TiO2 0 bis 5 Gew.-%, 0,25 bis 5 Gew.-% oder 0,25 bis 2,5 Gew.-% sein;
kann Al2O3 0 bis 3 Gew.-%, 0 bis 2 Gew.-% oder 0,1 bis 2 Gew.-% sein, und
kann Ag2O 0 bis 10 Gew.-%, 1 bis 10 Gew.-% oder 1 bis 8 Gew.-% sein.In one embodiment, one or more of the above components may be 0 to 20 wt%, 0 to 15 wt%, or 0 to 10 wt%, or Pb-Te-BO composition. In aspects of this embodiment (based on the weight of the total starting mixture):
SiO 2 may be 0 to 11% by weight, 0 to 5% by weight, 0.25 to 4% by weight or 0 to 0.5% by weight;
SnO 2 may be 0 to 5% by weight, 0 to 2% by weight or 0.5 to 1.5% by weight;
ZnO may be 0 to 5% by weight, 0 to 3% by weight or 2 to 3% by weight;
V 2 O 5 may be 0 to 5% by weight, 0 to 1% by weight or 0.5 to 1% by weight;
Na 2 O may be 0 to 5 wt .-%, 0 to 3 wt .-% or 0.1 to 1.5 wt .-%;
CuO 0 to 5 wt .-%, 0 to 3 wt .-% or 2 to 3 wt .-%
ZrO 2 may be 0 to 3% by weight, 0 to 2% by weight or 0.1 to 1% by weight;
CeO 2 may be 0 to 5% by weight, 0 to 3% by weight or 0.1 to 2.5% by weight;
Li 2 O may be 0 to 5% by weight, 0.1 to 3% by weight or 0.25 to 2% by weight;
Bi 2 O 3 may be 0 to 18% by weight, 5 to 18% by weight or 5 to 10% by weight;
For example, TiO 2 may be 0 to 5% by weight, 0.25 to 5% by weight or 0.25 to 2.5% by weight;
Al 2 O 3 may be 0 to 3% by weight, 0 to 2% by weight or 0.1 to 2% by weight, and
For example, Ag 2 O may be 0 to 10% by weight, 1 to 10% by weight or 1 to 8% by weight.
Die Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O kann auch ferner mindestens ein Oxid aus einem oder mehreren aus Si, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, V, Zr, Mo, Hf, Nb, W, Ru, Mn, Zn, B, P, Se, Sn, Ga, Ge, In, Sb, Bi, Ce, Cu, Ni, Cr, Fe, Co, Ag, Y, die Lanthanid-Elemente oder Gemische davon umfassen, wobei eine Gesamtmenge solcher Oxide von einer Untergrenze zu einer Obergrenze reicht, wobei die Untergrenze 0, 0,25, 0,5, 1, 2 oder 5 Gew.-% ist und die Obergrenze 10, 15, 20 oder 30 Gew.-% beruhend auf der gesamten Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O ist.The composition of Pb-Te-BO may also further comprise at least one oxide of one or more of Si, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, V, Zr, Mo, Hf, Nb, W, Ru , Mn, Zn, B, P, Se, Sn, Ga, Ge, In, Sb, Bi, Ce, Cu, Ni, Cr, Fe, Co, Ag, Y, the lanthanide elements or mixtures thereof, wherein a total amount of such oxides ranges from a lower limit to an upper limit, wherein the lower limit is 0, 0.25 Is 0.5, 1, 2 or 5% by weight and the upper limit is 10, 15, 20 or 30% by weight based on the total composition of Pb-Te-BO.
In einer Ausführungsform können PbO, TeO2 und B2O3 zusammen 80 bis 100 Gew.-% der Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O sein. In weiteren Ausführungsformen können PbO, TeO2, und B2O3 zusammen 85, 90 oder 92 Gew.-% bis 95, 98 oder 100 Gew.-% der Zusammensetzung aus Pb-Te-B-O sein.In one embodiment, PbO, TeO 2, and B 2 O 3 may together comprise 80 to 100 weight percent of the composition of Pb-Te-BO. In further embodiments, PbO, TeO 2 , and B 2 O 3 may together be 85, 90 or 92 wt.% To 95, 98 or 100 wt.% Of the composition of Pb-Te-BO.
In einer Ausführungsform hat sich Pb-Te-O, das Li2O enthält, als effektiv erwiesen, um dem Glas zu ermöglichen, durch SiNx:Hy und ähnliche Passivierung oder entspiegelte Schichten auf Solarzellen-Wafer zu ätzen. Die anderen Alkalimetalloxide (Na2O, K2O, Cs2O, und Rb2O) sind normalerweise weniger effektive Ätzmittel, obwohl sie andere Eigenschaften des Glases verbessern können und somit auch vorteilhaft enthalten sein können. In mehreren Ausführungsformen kann der gesamte Alkalimetalloxid-Gehalt 0 bis 5 Gew.-%, 0,1 bis 3 Gew.-% oder 0,25 bis 3 Gew.-% sein.In one embodiment, Pb-Te-O containing Li 2 O has been found to be effective in allowing the glass to etch through SiN x : H y and similar passivation or anti-reflective coatings on solar cell wafers. The other alkali metal oxides (Na 2 O, K 2 O, Cs 2 O, and Rb 2 O) are usually less effective etchants, although they may improve other properties of the glass and thus may be advantageously included. In various embodiments, the total alkali metal oxide content may be 0 to 5 wt%, 0.1 to 3 wt%, or 0.25 to 3 wt%.
Eine andere mögliche Ausführungsform des ersten schmelzbaren Materials ist durch eine Zusammensetzung aus Blei-Tellur-Lithium-Oxid (Pb-Te-Li-O) bereitgestellt, wobei das Molverhältnis von Blei zu Tellur zwischen 5/95 und 95/5 ist. In einer Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung 25 bis 50 Mol-% PbO und 50 bis 75 Mol-% TeO2. Zusammensetzungen aus Pb-Te-Li-O enthalten auch solche, die Folgendes umfassen: PbO in einer Menge von ca. 30, 35, 40 oder 45 Gew.-% bis 50, 55, 60 oder 65 Gew.-%; TeO2 in einer Menge von ca. 30, 35, 40, 45 oder 50 Gew.-% bis 55, 60 oder 65 Gew.-%; und Li2O in einer Menge von ca. 0,1, 0,2 oder 0,3 Gew.-% bis 1, 3 oder 5 Gew.-%, beruhend auf Gewichtsprozenten in der Oxidzusammensetzung.Another possible embodiment of the first fusible material is provided by a lead-tellurium lithium oxide (Pb-Te-Li-O) composition wherein the lead to tellurium molar ratio is between 5/95 and 95/5. In one embodiment, the composition comprises 25 to 50 mole percent PbO and 50 to 75 mole percent TeO 2 . Compositions of Pb-Te-Li-O also include those comprising: PbO in an amount of about 30, 35, 40 or 45% by weight to 50, 55, 60 or 65% by weight; TeO 2 in an amount of about 30, 35, 40, 45 or 50 wt .-% to 55, 60 or 65 wt .-%; and Li 2 O in an amount of about 0.1, 0.2 or 0.3 wt% to 1, 3 or 5 wt%, based on weight percent in the oxide composition.
In einer anderen Ausführungsform kann die Zusammensetzung aus Pb-Te-Li-O ferner eines oder mehrere aus SiO2, SnO2, Sb2O3, B2O3, Ag2O, TiO2, ZnO, Ga2O3, GeO2, In2O3, V2O5, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, MgO, CaO, SrO, BaO, ZrO2, Bi2O3, Nb2O5, Ta2O5, K2O, MgO, P2O5, SeO2, Co3O4, PdO, RuO2, WO3, HfO2, MoO3, Ta2O5, CuO, Fe2O3, NiO, MnO, Cr2O3, Al2O3, Y2O3, die Lanthanid-Oxide oder Gemische davon umfassen. Die Gesamtmenge dieser zusätzlichen Bestandteile kann von einer Untergrenze zu einer Obergrenze reichen, wobei die Untergrenze 0, 0,25, 0,5, 1, 2 oder 5 Gew.-% ist und die Obergrenze 10, 15, 20 oder 30 Gew.-% beruhend auf der gesamten Zusammensetzung aus Pb-Te-O reichen.In another embodiment, the composition of Pb-Te-Li-O may further comprise one or more of SiO 2 , SnO 2 , Sb 2 O 3 , B 2 O 3 , Ag 2 O, TiO 2 , ZnO, Ga 2 O 3 , GeO 2 , In 2 O 3 , V 2 O 5 , Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, ZrO 2 , Bi 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , K 2 O, MgO, P 2 O 5 , SeO 2 , Co 3 O 4 , PdO, RuO 2 , WO 3 , HfO 2 , MoO 3 , Ta 2 O 5 , CuO, Fe 2 O 3 , NiO, MnO, Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , which include lanthanide oxides or mixtures thereof. The total amount of these additional ingredients may range from a lower limit to an upper limit, where the lower limit is 0, 0.25, 0.5, 1, 2 or 5 weight percent and the upper limit is 10, 15, 20 or 30 weight percent. % based on the total composition of Pb-Te-O.
In einer anderen Ausführungsform ist der zusätzliche Bestandteil einer oder mehrere aus SiO2, B2O3, Bi2O3, SnO2, Ag2O, ZnO, V2O5, Al2O3, Na2O, MgO, TiO2, Cr2O3, CuO, ZrO2, WO3 oder CeO2. In Aspekten dieser Ausführungsform (beruhend auf dem Gewicht des gesamten Ausgangsgemischs):
kann SiO2 0 bis 11 Gew.-%, 0 bis 5 Gew.-%, 0,25 bis 4 Gew.-% oder 0 bis 0,5 Gew.-% sein;
kann SnO2 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 2 Gew.-% oder 0,5 bis 1,5 Gew.-% sein;
kann B2O3 0 bis 10 Gew.-%, 0 bis 5 Gew.-% oder 0,5 bis 5 Gew.-% sein;
kann Ag2O 0 bis 30 Gew.-%, 0 bis 20 Gew.-%, 3 bis 15 Gew.-% oder 1 bis 8 Gew.-% sein;
kann TiO2 0 bis 5 Gew.-%, 0,25 bis 5 Gew.-% oder 0,25 bis 2,5 Gew.-% sein;
kann ZnO 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 2 bis 3 Gew.-%
kann V2O5 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 1 Gew.-% oder 0,5 bis 1 Gew.-% sein;
kann Na2O 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 0,1 bis 1,5 Gew.-% sein;
kann CuO 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 2 bis 3 Gew.-% sein;
kann ZrO2 0 bis 3 Gew.-%, 0 bis 2 Gew.-% oder 0,1 bis 1 Gew.-% sein;
kann CeO2 0 bis 5 Gew.-%, 0 bis 3 Gew.-% oder 0,1 bis 2,5 Gew.-% sein;
kann Bi2O3 0 bis 20 Gew.-%, 2 bis 18 Gew.-%, 3 bis 15 Gew.-% oder 5 bis 8 Gew.-% sein; und
kann Al2O3 0 bis 3 Gew.-%, 0 bis 2 Gew.-% oder 0,1 bis 2 Gew.-% sein.In another embodiment, the additional constituent is one or more of SiO 2 , B 2 O 3 , Bi 2 O 3 , SnO 2 , Ag 2 O, ZnO, V 2 O 5 , Al 2 O 3 , Na 2 O, MgO, TiO 2 , Cr 2 O 3 , CuO, ZrO 2 , WO 3 or CeO 2 . In aspects of this embodiment (based on the weight of the total starting mixture):
SiO 2 may be 0 to 11% by weight, 0 to 5% by weight, 0.25 to 4% by weight or 0 to 0.5% by weight;
SnO 2 may be 0 to 5% by weight, 0 to 2% by weight or 0.5 to 1.5% by weight;
B 2 O 3 may be 0 to 10% by weight, 0 to 5% by weight or 0.5 to 5% by weight;
For example, Ag 2 O may be 0 to 30% by weight, 0 to 20% by weight, 3 to 15% by weight or 1 to 8% by weight;
For example, TiO 2 may be 0 to 5% by weight, 0.25 to 5% by weight or 0.25 to 2.5% by weight;
ZnO may be 0 to 5% by weight, 0 to 3% by weight or 2 to 3% by weight.
V 2 O 5 may be 0 to 5% by weight, 0 to 1% by weight or 0.5 to 1% by weight;
Na 2 O may be 0 to 5% by weight, 0 to 3% by weight or 0.1 to 1.5% by weight;
CuO may be 0 to 5% by weight, 0 to 3% by weight or 2 to 3% by weight;
ZrO 2 may be 0 to 3% by weight, 0 to 2% by weight or 0.1 to 1% by weight;
CeO 2 may be 0 to 5% by weight, 0 to 3% by weight or 0.1 to 2.5% by weight;
Bi 2 O 3 may be 0 to 20% by weight, 2 to 18% by weight, 3 to 15% by weight or 5 to 8% by weight; and
For example, Al 2 O 3 may be 0 to 3% by weight, 0 to 2% by weight or 0.1 to 2% by weight.
Wie oben gesagt ist Li2O normalerweise ein effizienteres Ätzmittel als die anderen Alkalimetalloxide, allerdings können diese noch immer in der Zusammensetzung aus Pb-Te-Li-O enthalten sein. In einigen Ausführungsformen kann der gesamte Alkalimetalloxid-Gehalt 0,1 bis 5 Gew.-%, 0,1 bis 3 Gew.-% oder 0,25 bis 3 Gew.-% sein.As stated above, Li 2 O is normally a more efficient etchant than the other alkali metal oxides, but they may still be included in the Pb-Te-Li-O composition. In some embodiments, the total alkali metal oxide content may be 0.1 to 5 wt%, 0.1 to 3 wt%, or 0.25 to 3 wt%.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung aus Pb-Te-Li-O ferner mindestens einen zusätzlichen Bestandteil einschließlich, ohne Beschränkung, jedes aus GeO2, Ga2O3, In2O3, NiO, CoO, ZnO, CaO, MgO, SrO, MnO, Na2O, BaO, SeO2, B2O3, MoO3, WO3, Y2O3, As2O3, La2O3, Nd2O3, Bi2O3, Ta2O5, V2O5, Fe2O3, HfO2, Cr2O3, CdO, Sb2O3, ZrO2, Mn2O3, P2O5, CuO, Y2O3, die Lanthanid-Oxide, SnO, SiO2, Ag2O, Nb2O5 oder TiO2, wobei die Gesamtmenge der zusätzlichen Bestandteile 0,05 bis 20 Gew.-%, 0,1 bis 15 Gew.-% oder 0,25 bis 10 Gew.-% (beruhend auf der gesamten Zusammensetzung) ist.In yet another embodiment, the composition of Pb-Te-Li-O further comprises at least one additional ingredient including, without limitation, each of GeO 2 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , NiO, CoO, ZnO, CaO, MgO , SrO, MnO, Na 2 O, BaO, SeO 2 , B 2 O 3 , MoO 3 , WO 3 , Y 2 O 3 , As 2 O 3 , La 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Bi 2 O 3 , Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Fe 2 O 3 , HfO 2 , Cr 2 O 3 , CdO, Sb 2 O 3 , ZrO 2 , Mn 2 O 3 , P 2 O 5 , CuO, Y 2 O 3 , the lanthanide oxides, SnO, SiO 2 , Ag 2 O, Nb 2 O 5 or TiO 2 , the total amount of the additional constituents being 0.05 to 20% by weight, 0.1 to 15% by weight or 0, 25 to 10% by weight (based on the total composition).
In anderen Ausführungsformen umfasst das Blei-Tellur-Lithium-Oxid ferner mindestens ein Oxid von Si, Sn, Ti, Ag, Na, K, Rb, Cs, Ge, Ga, In, Ni, Zn, Ca, Mg, Sr, Ba, Se, Mo, W, Y, die Lanthanid-Element, Bi, Ta, V, Fe, Hf, Cr, B, Cd, Sb, Zr, Mn, P, Cu oder Nb. In other embodiments, the lead-tellurium lithium oxide further comprises at least one oxide of Si, Sn, Ti, Ag, Na, K, Rb, Cs, Ge, Ga, In, Ni, Zn, Ca, Mg, Sr, Ba , Se, Mo, W, Y, the lanthanide element, Bi, Ta, V, Fe, Hf, Cr, B, Cd, Sb, Zr, Mn, P, Cu or Nb.
Zweites schmelzbares MaterialSecond fusible material
In einer Ausführungsform ist ein zweites schmelzbares Material, das nützlich in die vorliegende Oxidzusammensetzung integriert ist, ein Wismut-Silicium-basiertes Oxid. Einige solcher Materialien umfassen, bestehen im Wesentlichen aus oder bestehen aus:
ca. 30 bis 80 Gew.-%, 40 bis 60 Gew.-% oder 45 bis 55 Gew.-% Bi2O3;
ca. 1 bis 50 Gew.-%, ca. 5 bis 45 Gew.-%, ca. 10 bis 40 Gew.-%, ca. 15 bis 35 Gew.-% oder ca. 1 bis 10 Gew.-% SiO2;
0 bis ca. 40 Gew.-%, ca. 2 bis 40 Gew.-% oder ca. 5 bis 30 Gew.-% ZnO;
0 bis ca. 25 Gew.-%, 0 bis ca. 22 Gew.-%, 0 bis ca. 15 Gew.-% oder 0 bis ca. 10 Gew.-% TeO2;
0 bis ca. 12 Gew.-%, 0 bis ca. 9 Gew.-%, 0 bis ca. 3 Gew.-% oder ca. 3 bis 10 Gew.-% B2O3;
0 bis ca. 7 Gew.-%, 0 bis ca. 5 Gew.-%, 0,1 bis ca. 4 Gew.-% oder ca. 0,25 bis 3 Gew.-% Al2O3;
0 bis ca. 12 Gew.-%, 0 bis ca. 5 Gew.-% oder 0 bis ca. 3 Gew.-% Na2O;
0 bis ca. 6 Gew.-%, ca. 0,1 bis 6 Gew.-% oder ca. 1 bis 5 Gew.-% MgO;
0 bis ca. 9 Gew.-%, 0,1 bis ca. 6 Gew.-% oder ca. 1 bis 5 Gew.-% CaO;
0 bis ca. 15 Gew.-%, ca. 0,1 bis 10 Gew.-% oder ca. 1 bis 5 Gew.-% BaO;
0 bis ca. 8 Gew.-%, 0 bis ca. 4 Gew.-% oder 0 bis ca. 2 Gew.-% Li2O; und
0 bis ca. 4 Gew.-%, ca. 0,1 bis 4 Gew.-%, ca. 0,5 bis 3 Gew.-% oder ca. 1 bis 2 Gew.-% Fe2O3.In one embodiment, a second fusible material that is usefully incorporated into the present oxide composition is a bismuth-silicon based oxide. Some such materials include, consist essentially of or consist of:
about 30 to 80 wt .-%, 40 to 60 wt .-% or 45 to 55 wt .-% Bi 2 O 3 ;
about 1 to 50 wt .-%, about 5 to 45 wt .-%, about 10 to 40 wt .-%, about 15 to 35 wt .-% or about 1 to 10 wt .-% SiO 2 ;
0 to about 40% by weight, about 2 to 40% by weight, or about 5 to 30% by weight of ZnO;
0 to about 25 wt%, 0 to about 22 wt%, 0 to about 15 wt%, or 0 to about 10 wt% TeO 2 ;
From 0 to about 12 weight percent, from 0 to about 9 weight percent, from 0 to about 3 weight percent, or from about 3 to 10 weight percent B 2 O 3 ;
0 to about 7 wt%, 0 to about 5 wt%, 0.1 to about 4 wt%, or about 0.25 to 3 wt% Al 2 O 3 ;
0 to about 12% by weight, 0 to about 5% by weight, or 0 to about 3% by weight of Na 2 O;
0 to about 6 wt%, about 0.1 to 6 wt% or about 1 to 5 wt% MgO;
0 to about 9 wt%, 0.1 to about 6 wt%, or about 1 to 5 wt% CaO;
0 to about 15% by weight, about 0.1 to 10% by weight or about 1 to 5% by weight of BaO;
0 to about 8 wt%, 0 to about 4 wt%, or 0 to about 2 wt% Li 2 O; and
0 to about 4 wt .-%, about 0.1 to 4 wt .-%, about 0.5 to 3 wt .-% or about 1 to 2 wt .-% Fe 2 O 3 .
Der Gesamtgehalt an Erdalkalioxid (d. h. MgO, CaO, SrO und BaO) in einiger solcher Ausführungsformen ist höchstens 3, 5, 8 oder 10 Gew.-%.The total content of alkaline earth oxide (i.e., MgO, CaO, SrO and BaO) in some such embodiments is at most 3, 5, 8 or 10 wt%.
In mehreren Ausführungsformen umfasst das zweite schmelzbare Material von 0,5%, 1% oder 5% bis 10%, 25% oder 40% der oxidbasierten Komponente nach Gewicht.In several embodiments, the second fusible material comprises from 0.5%, 1%, or 5% to 10%, 25%, or 40% by weight of the oxide-based component.
Thermische Charakterisierung der schmelzbaren MaterialienThermal characterization of fusible materials
In einer Ausführungsform unterscheiden sich die zwei schmelzbaren Materialien hierin bedeutend in ihrem Erweichungs- und/oder Schmelzverhalten, was sich z. B. in der Differenz zwischen ihren jeweiligen Glasübergangs- und/oder Erweichungspunkten (Temperaturen) ausdrückt.In one embodiment, the two fusible materials herein differ significantly in their softening and / or melting behavior, which may be e.g. B. in the difference between their respective glass transition and / or softening points (temperatures) expresses.
Differenzkalorimetrie (DSC) und Differenzthermoanalyse (DTA) sind Techniken, die allgemein zur Analyse von Glasmaterialien verwendet werden, einschließlich der Bestimmung von Glasübergangs- und Erweichungspunkten. Charakteristische Merkmale der DSC- oder DTA-Daten werden verwendet, um endotherme Ereignisse (aufgenommene Wärme), wie z. B. Schmelzen, und exotherme Ereignisse (freigesetzte Wärme), wie z. B. Kristallisation zu beschreiben. Einige DSC- und DTA-Instrument können zusätzlich und gleichzeitig Daten einer Thermogravimetrie-Analyse (TGA) bereitstellen. Die Kombination dieser Daten wird häufig als „simultane thermische Analyse” oder STA bezeichnet.Differential scanning calorimetry (DSC) and differential thermal analysis (DTA) are techniques commonly used to analyze glass materials, including the determination of glass transition and softening points. Characteristic features of the DSC or DTA data are used to detect endothermic events (absorbed heat), such as heat. B. melting, and exothermic events (released heat), such. B. to describe crystallization. Some DSC and DTA instruments can additionally and simultaneously provide data from a Thermogravimetric Analysis (TGA). The combination of these data is often referred to as "simultaneous thermal analysis" or STA.
Beim anfänglichen Erhitzen unterliegen Glasmaterialien bestimmten strukturellen Veränderungen, die normalerweise als der Glasübergang bezeichnet werden. Generell, und ohne an eine beliebige Theorie gebunden zu sein, versteht man, dass es einen Übergang von einem Niedertemperaturzustand, in dem die einzelnen Atome fest gebunden sind, in einen zähflüssigen Zustand, in dem Wärmeenergie ermöglicht, dass die Atome beweglicher werden, gibt. Der Glasübergang manifestiert sich in Änderungen, die in Messungen einer Vielzahl von physikalischen Phänomenen zu sehen sind, einschließlich, ohne Beschränkung, kalorimetrische und mechanische Messungen.Upon initial heating, glass materials undergo certain structural changes, commonly referred to as the glass transition. Generally, and without being bound by any theory, it is understood that there is a transition from a low temperature state in which the individual atoms are tightly bound to a viscous state in which thermal energy allows the atoms to become more mobile. The glass transition manifests itself in changes seen in measurements of a variety of physical phenomena including, without limitation, calorimetric and mechanical measurements.
Gemäß einer typischen Verwendung auf dem Gebiet der Glaschemie wird der Begriff „Glasübergangstemperatur” oder „Tg” hierin so verwendet, dass er sich auf die Einsetztemperatur für diesen Übergang bezieht, die kalorimetrisch gemessen wird. Wie es im
Die hierin angegebenen Tg-Werte werden gemäß diesem Verfahren aus Daten erhalten, die unter Verwendung eines Netzsch STA 449 F1 mit der Probenerhitzung bei konstanter Erhitzungsrate von 10°C/Min. und mit einer Aluminiumoxidpulver-Referenz für die DTA-Messungen aufgenommen werden. The T g values reported herein can be obtained according to this method from data using a Netzsch STA 449 F1 with the sample heated at a constant heating rate of 10 ° C / min. and with an alumina powder reference for the DTA measurements.
Ein Beispiel für eine solche Bestimmung von Tg unter Verwendung dieser Technik und dieses Geräts ist in
Der Erweichungspunkt eines schmelzbaren Materials ist hierin so verstanden, dass er die Temperatur (Ts) darstellt, über der der Logarithmus (Basis-10) der Viskosität des Materials η (gemessen in Pa-s) unter 6,6 fällt, gemäß der konventionellen Verwendung, z. B. wie dargelegt in
Die Viskositätsdaten können für einige Materialien in einem Temperaturregime erlangt werden, das die Temperatur einschließt, bei der log(η) = 6,6, was eine direkte Bestimmung von Ts ermöglicht. Allerdings muss für die meisten der hierin betrachteten schmelzbaren Materialien Ts durch Extrapolation von niedrigeren Temperaturdaten abgeleitet werden. Eine Methodik zum Durchführen dieser Extrapolation wurde ursprünglich präsentiert von
Die Techniken zum Implementieren der erforderlichen Messungen und Analysen beruhend auf dem MYEGA-Modell sind auf dem Gebiet bekannt, z. B. in zwei Referenzen, (i)
Die erforderlichen Messungen werden in geeigneter Form unter Verwendung eines thermomechanischen Analysegeräts (TMA) TA Q400 zum Montieren der Proben und Festlegen der aktiven Last durchgeführt, mit gemessenen Zeit- und Höhenvariablen, Probenvolumen, Temperatur- und Verformungsdaten. Die Proben werden normalerweise in Form eines Pellets aus verdichtetem Pulver mit einem Durchmesser von ca. 6 mm und einer Höhe von 3–10 mm zubereitet. Die Daten werden unter einer geeigneten kleinen aktiven Last (z. B. 0,1–0,5 N) erfasst. Eine geeignete Erhitzungsrate kann von einem Fachmann gewählt werden.The required measurements are suitably made using TA Q400 Thermomechanical Analyzer (TMA) for mounting the samples and determining the active load, with measured time and altitude variables, sample volume, temperature and strain data. The samples are usually prepared in the form of a pellet of compacted powder having a diameter of about 6 mm and a height of 3-10 mm. The data is collected under a suitable small active load (eg 0.1-0.5 N). A suitable heating rate can be chosen by a person skilled in the art.
Der anfängliche Teil des Erhitzens stellt das Sintern der Probe dar, was ein Schrumpfen der Höhe verursacht. Danach wird die Probe zähflüssig, was Daten bereitstellt die unter Verwendung der MYEGA-Extrapolation analysiert werden, um Ts zu bestimmen.The initial part of the heating represents the sintering of the sample, which causes a height shrinkage. Thereafter, the sample becomes viscous, providing data that is analyzed using the MYEGA extrapolation to determine T s .
Eine andere Technik kann verwendet werden, um sich einer genaueren Bestimmung von Ts, die mit der MYEGA-Extrapolation gemacht wurde, anzunähern. Hier wird dasselbe TMA-Instrument wieder mit einer verdichteten Pelletprobe verwendet, um die Höhe der Pellets unter einer konstanten Erhitzungsrate von 10°C/Min. und mit einer Last von 0,1–0,5 N zu messen. Ein Beispiel einer solchen Bestimmung wird in
Ein Fachmann wird erkennen, dass es wegen der erforderlichen Konstruktion der Tangenten eine gewisse Unsicherheit bei der Bestimmung von Tg und Ts gibt, normalerweise ±5–10°C.One skilled in the art will recognize that there is some uncertainty in the determination of T g and T s , usually ± 5-10 ° C, because of the required tangent design.
In einer Ausführungsform umfasst die oxidbasierte Komponente dieser Pastenzusammensetzung ein erstes schmelzbares Material mit einer ersten Glasübergangstemperatur (Tg1) und einem ersten Erweichungspunkt (Ts1), und ein separates zweites schmelzbares Material mit einer zweiten Glasübergangstemperatur (Tg2) und einem zweiten Erweichungspunkt (Ts2), wobei Tg2 höher als Tg1 ist und Ts2 höher als Ts1 ist. In bestimmten Ausführungsformen sind die zwei Materialien derart, dass eine Differenz ΔTg = Tg2 – Tg1 mindestens 100, 125, 150, 200, 250 oder 300°C ist. In anderen Ausführungsformen sind die zwei Materialien derart, dass eine Differenz ΔTs = Ts2 – Ts1 mindestens 100, 150, 200, 250, 300, 350 oder 400°C ist. Noch andere Ausführungsformen weisen eine Kombination einer großen Differenz in Glasübergangstemperaturen und Erweichungspunkten auf, z. B. eine Kombination von einer ΔTg von mindestens 100, 125, 150, 200, 250 oder 300°C und einer ΔTs von mindestens 100, 150, 200, 250, 300, 350 oder 400°C. In one embodiment, the oxide-based component of this paste composition comprises a first fusible material having a first glass transition temperature (T g1 ) and a first softening point (T s1 ), and a separate second fusible material having a second glass transition temperature (T g2 ) and a second softening point (T s2 ), where T g2 is higher than T g1 and T s2 is higher than T s1 . In certain embodiments, the two materials are such that a difference ΔT g = T g2 -T g1 is at least 100, 125, 150, 200, 250 or 300 ° C. In other embodiments, the two materials are such that a difference ΔT s = T s2 -T s1 is at least 100, 150, 200, 250, 300, 350 or 400 ° C. Still other embodiments have a combination of a large difference in glass transition temperatures and softening points, e.g. B. a combination of a ΔT g of at least 100, 125, 150, 200, 250 or 300 ° C and a ΔT s of at least 100, 150, 200, 250, 300, 350 or 400 ° C.
Zubereitung und Charakterisierung von schmelzbaren MaterialienPreparation and characterization of fusible materials
In einer Ausführungsform können die schmelzbaren Materialien, die in dieser Oxidzusammensetzung enthalten sind durch konventionelle Glasherstellungstechniken und -geräte hergestellt werden. Zum Beispiel können die Zutaten in den geforderten Anteilen gewogen und gemischt und dann in einem Tiegel aus Aluminiumlegierung in einem Schmelzofen erhitzt werden. Die Zutaten können auf eine Spitzentemperatur erhitzt werden (z. B. eine Temperatur im Bereich 800°C bis 1400°C oder 1000°C bis 1200°C oder 900°C bis 1100°C) und für eine Zeit gehalten werden, sodass das Material eine Schmelze bildet, die im Wesentlichen flüssig und homogen ist (z. B. 20 Minuten bis 2 Stunden). Die Schmelze wird optional entweder intermittierend oder kontinuierlich gerührt. In einer Ausführungsform resultiert das Schmelzverfahren in einem Material, in dem die einzelnen chemischen Elemente auf atomarer Ebene homogen und eng gemischt sind. Das geschmolzene Material wird dann normalerweise auf jede geeignete Art abgeschreckt, einschließlich, ohne Beschränkung, Durchleiten durch gegenläufige Edelstahlrollen, um Plättchen mit einer Stärke von 0,25 bis 0,50 mm zu bilden, Gießen auf eine dicke Edelstahlplatte oder Gießen in eine geeignete Abschreckflüssigkeit. Die resultierenden Partikel werden dann gemahlen, um eine Pulver oder eine Fritte zu bilden, das/die normalerweise einen d50 von 0,2 bis 3,0 μm haben kann.In one embodiment, the fusible materials contained in this oxide composition can be prepared by conventional glassmaking techniques and apparatus. For example, the ingredients may be weighed and mixed in the required proportions and then heated in an aluminum alloy crucible in a melting furnace. The ingredients can be heated to a peak temperature (eg, a temperature in the
Für diese schmelzbaren Materialien und andere oxidbasierte Materialien können auch andere Herstellungstechniken verwendet werden. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung solcher Materialien könnte daher alternative Synthesetechniken einsetzen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Schmelzen in Tiegeln aus Nichtedelmetall, Schmelzen in Keramiktiegeln, Sol-Gel, Sprühpyrolyse oder andere geeignete Techniken zum Herstellen von Pulverformen von Glas.For these fusible materials and other oxide-based materials, other manufacturing techniques may be used. One skilled in the art of making such materials could therefore employ alternative synthetic techniques, including, but not limited to, melting in non-precious metal crucibles, melting in ceramic crucibles, sol-gel, spray pyrolysis, or other suitable techniques for making powdered glass.
Zum Reduzieren der Partikelgröße der Bestandteile dieser Pastenzusammensetzung auf einen gewünschten Wert kann jedes Größenreduzierungsverfahren eingesetzt werden, das den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist. Solche Prozesse enthalten, ohne Beschränkung, Mahlen mit Kugelmühle, Rührwerksmühle, Strahlmühle, Vibrationsmühle u. ä. oder ohne Anwesenheit von einem Lösungsmittel. Wenn ein Lösungsmittel verwendet wird, ist Wasser das bevorzugte Lösungsmittel, es können aber auch andere Lösungsmittel eingesetzt werden, wie z. B. Alkohole, Ketone und aromatische Lösungsmittel. Dem Lösungsmittel können, wenn gewünscht, Netzmittel hinzugefügt werden, um bei der Dispersion der Partikel zu unterstützen.To reduce the particle size of the ingredients of this paste composition to a desired level, any size reduction method known to those skilled in the art may be employed. Such processes include, without limitation, ball milling, agitator mill, jet mill, vibration mill, and the like. Ä. Or without the presence of a solvent. When a solvent is used, water is the preferred solvent, but other solvents can be used, such as. As alcohols, ketones and aromatic solvents. If desired, wetting agents may be added to the solvent to aid in dispersion of the particles.
Ein normaler Fachmann auf dem Gebiet der Glaschemie würde erkennen, dass die schmelzbaren Materialien hierin so beschrieben sind, dass sie Prozentsätze von bestimmten Komponenten enthalten. Spezifisch wird die Zusammensetzung dieser Substanzen durch Nennen individueller Komponenten spezifiziert, die in den spezifizierten Prozentsätzen kombiniert werden können, um eine Ausgangsmaterial zu bilden, das danach verarbeitet wird, wie z. B. hierin beschrieben, um ein Glas oder ein anderes schmelzbares Material zu bilden. Diese Nomenklatur ist für einen Fachmann auf dem Gebiet konventionell. In anderen Worten gesagt, enthalten die schmelzbaren Materialien bestimmte Komponenten, und die Prozentsätze dieser Komponenten können als Gewichtsprozente des entsprechenden Oxids oder anderer Formen ausgedrückt werden.One of ordinary skill in the art of glass chemistry would recognize that the fusible materials herein are described as containing percentages of certain components. Specifically, the composition of these substances is specified by naming individual components that can be combined in the specified percentages to form a starting material that is subsequently processed, such as, e.g. As described herein to form a glass or other fusible material. This nomenclature is conventional to one of ordinary skill in the art. In other words, the fusible materials contain certain components and the percentages of these components can be expressed in terms of weight percent of the corresponding oxide or other forms.
Alternativ werden einige der Zusammensetzungen hierin durch Kation-Prozentsätze dargelegt, die auf den gesamten Kationen beruhen, die im jeweiligen Material enthalten sind, es sei denn, der Kontext bestimmt anderweitig. Natürlich enthalten die damit spezifizierten Zusammensetzungen den Sauerstoff oder andere Anionen assoziiert mit den verschiedenen Kationen in den erforderlichen Mengen für ein Ladungsgleichgewicht. Ein Fachmann würde erkennen, dass Zusammensetzungen äquivalent durch Gewichtsprozente der Bestandteile spezifiziert werden könnten, und wäre in der Lage, die erforderlichen numerischen Umwandlungen durchzuführen.Alternatively, some of the compositions herein are set forth by cation percentages, which are based on the total cations contained in the particular material, unless the context otherwise dictates. Of course, the compositions specified therein contain the oxygen or other anions associated with the various cations in the amounts required for charge balance. One skilled in the art would recognize that compositions could be equivalently specified by weight percentages of ingredients and would be able to perform the required numerical conversions.
Ein Fachmann würde erkennen, dass jedes der schmelzbaren Materialien hierin, unabhängig davon, ob es durch Gewichtsprozente, Mol-Prozentsätze oder Kation-Prozentsätze, z. B. der einzelnen Oxide spezifiziert ist, alternativ durch Zuführen der erforderlichen Anionen und Kationen in geforderten Mengen aus verschiedenen Komponenten zubereitet werden kann, die bei Mischen und Brennen die gleiche gesamte Zusammensetzung ergeben. Zum Beispiel könnte in verschiedenen Ausführungsformen Lithium für die Verbindung Li2O entweder direkt aus dem Oxid oder alternativ aus einer geeigneten organischen oder anorganischen lithiumhaltigen Verbindung (wie z. B. Li2CO3) zugeführt werden, das sich bei Erhitzen zersetzt, um Li2O zu ergeben. Der Fachmann würde auch erkennen, dass ein bestimmter Teil flüchtiger Spezies, z. B. Kohlendioxid, während des Verfahrens zum Herstellen eines schmelzbaren Materials freigesetzt werden kann. One skilled in the art would recognize that any of the fusible materials herein, whether by weight percent, mole percentages or cation percentages, e.g. Alternatively, for example, as specified for the individual oxides, it may be prepared by adding the required anions and cations in required amounts from various components which upon blending and firing give the same overall composition. For example, in various embodiments, lithium could be added to the compound Li 2 O either directly from the oxide or alternatively from a suitable organic or inorganic lithium-containing compound (such as Li 2 CO 3 ) that decomposes on heating to Li 2 o. One skilled in the art would also recognize that a certain portion of volatile species, e.g. As carbon dioxide, during the process for producing a fusible material can be released.
Den Fachleuten auf dem Gebiet ist auch bekannt, dass die Kationen einiger der hierin beschriebenen Oxide in mehr als einer stabilen Valenz oder Oxidationszustand vorkommen. Zum Beispiel kann Kobalt in vielfachen möglichen Oxidationszuständen vorkommen, wozu Kobalt(II)-, Kobalt(III)- und Kobalt(II, III)-Oxiden, die jeweils die Formeln CoO, Co2O3 und Co3O4 angeführt wird. Die schmelzbaren Materialien hierin, die solche Kationen enthalten, können unter Verwendung von jedem der bekannten Oxide oder Verbindungen, die bei Erhitzung in Luft Oxide bilden, zubereitet werden.It is also known to those skilled in the art that the cations of some of the oxides described herein occur in more than one stable valence or oxidation state. For example, cobalt may exist in multiple possible oxidation states, including cobalt (II), cobalt (III), and cobalt (II, III) oxides, each of which is represented by the formulas CoO, Co 2 O 3, and Co 3 O 4 . The fusible materials herein containing such cations can be prepared using any of the known oxides or compounds that form oxides upon heating in air.
Obwohl Sauerstoff normalerweise das vorherrschende Anion in beiden schmelzbaren Materialien dieser Pastenzusammensetzung ist, kann ein Teil des Sauerstoffs chemisch durch Fluorin- oder andere Halogen-Anionen ersetzt sein, um bestimmte Eigenschaften, wie z. B. chemische, thermische oder rheologische Eigenschaften der Oxidkomponente, die das Brennen beeinflusst, zu verändern. In einer Ausführungsform können bis zu 10% der Sauerstoffanionen der Oxidzusammensetzung in jeder der Formulierungen dieser Pastenzusammensetzung durch ein oder mehrere Halogen-Anionen, einschließlich Fluorin, ersetzt sein. Zum Beispiel können bis zu 10% der Sauerstoffanionen durch Fluorin ersetzt sein. Halogenanionen können durch aus Haliden von jedem der Kationen der Zusammensetzung zugeführt werden.Although oxygen is normally the predominant anion in both fusible materials of this paste composition, a portion of the oxygen may be chemically replaced by fluorine or other halogen anions to provide certain properties, e.g. B. chemical, thermal or rheological properties of the oxide component that affects the burning change. In one embodiment, up to 10% of the oxygen anions of the oxide composition in each of the formulations of this paste composition may be replaced by one or more halogen anions, including fluorine. For example, up to 10% of the oxygen anions may be replaced by fluorine. Halogen anions can be supplied to the composition from halides of any of the cations.
Ein Fachmann würde auch erkennen, dass ein schmelzbares Material, wie z. B. eines, das durch eine hierin beschriebene Schmelztechnik zubereitet ist, durch bekannte analytische Verfahren charakterisiert werden kann, die die folgenden enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind: Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-ES), Atomemissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES) u. ä. Zusätzlich können die folgenden beispielhaften Techniken verwendet werden: Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR), Mößbauer-Spektroskopie, Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) mit Elektronenmikrosonde, Wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie (WDS) mit Elektronenmikrosonde und Kathodolumineszenz (CL). Ein Fachmann könnte Prozentsätze der Ausgangskomponenten berechnen, die verarbeitet werden könnten, um ein besonderes schmelzbares Material zu ergeben, beruhend auf erlangten Versuchen mit solchen analytischen Verfahren.A person skilled in the art would also recognize that a fusible material, such. For example, one prepared by a refining technique described herein may be characterized by known analytical methods including, but not limited to, inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-ES), inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP -AES) u. In addition, the following exemplary techniques may be used: X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), nuclear magnetic resonance (NMR), electron spin resonance spectroscopy (EPR), Mössbauer spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) with electron microprobe, electron microprobe wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDS) and cathodoluminescence (CL) , One skilled in the art could calculate percentages of the starting components that could be processed to give a particular fusible material based on attempts made with such analytical methods.
Additiveadditives
Der anorganische Feststoffteil dieser Pastenzusammensetzung enthält optional eine kleine Menge anderer bekannter, anorganischer Additive. Ein solches Additiv, das sich als nützlich erwiesen hat, ist eine Lithium-Ruthenium-Oxid, wie es im
II. Organisches VehikelII. Organic vehicle
Die anorganischen Komponenten dieser Zusammensetzung sind normalerweise mit einem organischen Vehikel gemischt, um ein relativ zähflüssiges Material zu bilden, das als eine „Paste” oder eine „Farbe” bezeichnet wird, die eine Konsistenz und Rheologie hat, die sie für Druckprozesse geeignet machen, einschließlich Siebdruck.The inorganic components of this composition are normally blended with an organic vehicle to form a relatively viscous material, referred to as a "paste" or "paint," which has a consistency and rheology that make it suitable for printing processes, including Screen printing.
Die organischen Vehikel stellen normalerweise ein Medium bereit, in dem die anorganischen Komponenten mit einem guten Stabilitätsgrad der chemischen und funktionellen Eigenschaften der Pastenzusammensetzung dispergierbar sind. Besonders hat die Pastenzusammensetzung vorzugsweise eine Stabilität, die nicht nur mit der notwendigen Herstellung, dem Transport und der Lagerung kompatibel ist, sondern auch mit den Bedingungen, die während des Aufbringens, z. B. durch ein Siebdruckverfahren, vorgefunden werden. Idealerweise sind die rheologischen Eigenschaften des Vehikels derart, dass sie der Pastenzusammensetzung gute Anwendungseigenschaften verleihen, einschließlich stabile und gleichförmige Dispersion der Feststoffe, geeignete Viskosität und Thixotropie zum Drucken, geeignete Benetzbarkeit der Pastenfeststoffe und des Substrats, auf dem das Drucken erfolgen wird, eine schnelle Trocknungsrate nach Aufbringen und stabile Brenneigenschaften. Wie es hierin definiert ist, wird das organische Medium nicht als ein Teil der anorganischen Feststoffe betrachtet, die in der Dickfilmpasten-Zusammensetzung enthalten sind.The organic vehicles normally provide a medium in which the inorganic components are dispersible with a good degree of stability of the chemical and functional properties of the paste composition. In particular, the paste composition preferably has a stability which is compatible not only with the necessary preparation, transportation and storage, but also with the conditions encountered during application, e.g. B. by a screen printing process can be found. Ideally, the rheological properties of the vehicle are such as to impart good application properties to the paste composition, including stable and uniform dispersion of the vehicle Solids, suitable viscosity and thixotropy for printing, suitable wettability of the paste solids and the substrate on which printing will occur, a rapid rate of drying after application and stable firing properties. As defined herein, the organic medium is not considered to be a part of the inorganic solids contained in the thick film paste composition.
Eine große Vielfalt von inerten Materialien kann optional in ein organisches Medium in dieser Pastenzusammensetzung beigemischt werden, einschließlich, ohne Beschränkung, einer inerten, nicht-wässrigen Flüssigkeit, die optional Verdickungs-, Binde- und/oder Stabilisierungsmittel enthalten. Mit „inert” ist ein Material gemeint, das durch einen Brennvorgang entfernt werden kann, ohne einen bedeutenden Rest zu hinterlassen, und das keine anderen nachteiligen Auswirkungen auf die Eigenschaften der Paste oder der abschließenden Leiterlinie hat.A wide variety of inert materials may optionally be incorporated into an organic medium in this paste composition, including, without limitation, an inert, non-aqueous liquid optionally containing thickening, binding and / or stabilizing agents. By "inert" is meant a material that can be removed by a firing process without leaving a significant amount of residue, and that has no other detrimental effect on the properties of the paste or the final conductor line.
Nützliche Substanzen bei der Formulierung des organischen Vehikels dieser Pastenzusammensetzung enthalten, ohne Beschränkung, eines oder mehrere der Substanzen, die im
Ein bevorzugter Esteralkohol ist das Monoisobutyrat aus 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol, das kommerziell von Eastman Chemical (Kingsport, TN) als TEXANOLTM erhältlich ist. Einige Ausführungsformen können auch flüchtige Flüssigkeiten im organischen Vehikel enthalten, um ein schnelles Aushärten nach Anwendung auf dem Substrat zu fördern. Verschiedene Kombinationen dieser und anderer Lösungsmittel sind formuliert, um die gewünschte Viskosität und Flüchtigkeit bereitzustellen. Diese Pastenzusammensetzung kann bei Bedarf auf eine vorbestimmte, siebdruckfähige Viskosität eingestellt werden, z. B. durch Hinzufügen zusätzlicher Lösungsmittel.A preferred ester alcohol is the monoisobutyrate of 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol, which is commercially available from Eastman Chemical (Kingsport, TN) as TEXANOL ™ . Some embodiments may also include volatile liquids in the organic vehicle to promote rapid cure after application to the substrate. Various combinations of these and other solvents are formulated to provide the desired viscosity and volatility. If desired, this paste composition can be adjusted to a predetermined, screen printable viscosity, e.g. By adding additional solvents.
In einer Ausführungsform kann das organische Vehikel eine oder mehrere Komponenten enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: bis(2-(2butoxyethoxy)ethyl)-Adipat, dibasische Ester, Octylepoxytallat, Isotetradecanol und ein Pentaerythritolester aus hydriertem Harz. Die Pastenzusammensetzung können auch zusätzliche Additive oder Komponenten enthalten.In one embodiment, the organic vehicle may contain one or more components selected from the group consisting of bis (2- (2-butoxyethoxy) ethyl) adipate, dibasic esters, octylepoxytallate, isotetradecanol, and a hydrogenated resin pentaerythritol ester. The paste composition may also contain additional additives or components.
Der nützliche dibasische Ester in dieser Pastenzusammensetzung kann ein oder mehrere Dimethylester umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dimethylester aus Adipinsäure, Dimethylester aus Glutarsäure und Dimethylester aus Succinylsäure. Verschiedene Formen solcher Materialien, die unterschiedliche Anteile von Dimethylestern enthalten, sind unter der Handelsbezeichnung DBE® von Invista (Wilmington, DE) verfügbar. Für diese Pastenzusammensetzung wird eine bevorzugte Version als DBE-3 vertrieben und der Hersteller gibt an, dass es 85 bis 95 Gewichtsprozent Dimethyladipat, 5 bis 15 Gewichtsprozent Dimethylglutarat und 0 bis 1,0 Gewichtsprozent Dimethylsuccinat beruhend auf dem Gesamtgewicht des dibasischen Esters enthält.The useful dibasic ester in this paste composition may comprise one or more dimethyl esters selected from the group consisting of dimethyl ester of adipic acid, dimethyl ester of glutaric acid and dimethyl ester of succinylic acid. Various forms of such materials containing varying proportions of dimethyl esters are available under the tradename DBE® from Invista (Wilmington, DE). For this paste composition, a preferred version is marketed as DBE-3 and the manufacturer states that it contains 85 to 95 weight percent dimethyl adipate, 5 to 15 weight percent dimethyl glutarate and 0 to 1.0 weight percent dimethyl succinate based on the total weight of the dibasic ester.
Weitere Zutaten können optional in den organischen Vehikeln enthalten sein, wie z. B. Verdickungsmittel, Stabilisierungsmittel und/oder andere allgemeine Additive, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Das organische Vehikel kann eine Lösung aus einem oder mehreren Polymeren in einem Lösungsmittel sein. Zusätzlich können wirksame Mengen von Additiven, wie z. B. Netzmittel oder Benetzungsmittel ein Teil des organischen Vehikels sein. Solche hinzugefügten Netzmittel können in den organischen Vehikeln zusätzlich zu jedem Netzmittel als eine Beschichtung auf dem leitfähigen Metallpulver der Pastenzusammensetzung enthalten sein. Geeignete Benetzungsmittel enthalten Phosphatester und Sojalecithin. Es können auch anorganische und organische Thixotrope vorhanden sein.Other ingredients may optionally be included in the organic vehicles, such as. Thickeners, stabilizers and / or other general additives known to those skilled in the art. The organic vehicle may be a solution of one or more polymers in a solvent. In addition, effective amounts of additives, such as. Wetting agents or wetting agents may be part of the organic vehicle. Such added surfactants may be included in the organic vehicles in addition to any surfactant as a coating on the conductive metal powder of the paste composition. Suitable wetting agents include phosphate esters and soy lecithin. There may also be inorganic and organic thixotropes.
Unter den üblicherweise verwendeten organischen thixotropischen Mitteln sind hydriertes Rizinusöl und Derivate davon, es können aber auch andere geeignete Mittel anstelle oder zusätzlich zu diesen Substanzen verwendet werden. Es ist natürlich nicht immer notwendig, ein thixotropisches Mittel aufzunehmen, da die Lösungsmittel- und Harzeigenschaften in Verbindung mit der Strukturviskosität, die jedes Suspension inhärent ist, allein in diesem Sinne geeignet sein können.Among the commonly used organic thixotropic agents are hydrogenated castor oil and derivatives thereof, but other suitable agents can be used instead of or in addition to them Substances are used. It is, of course, not always necessary to include a thixotropic agent since the solvent and resin properties, in conjunction with the intrinsic viscosity inherent in each suspension, may be suitable solely in this sense.
Das organische Medium kann flüchtige Flüssigkeiten umfassen, um ein schnelles Aushärten nach Anwenden der Dickfilmpasten-Zusammensetzung auf einem Substrat zu fördern.The organic medium may include volatile liquids to promote rapid cure after applying the thick film paste composition to a substrate.
Die optimale Menge an organischem Medium in der Dickfilmpasten-Zusammensetzung hängt vom Anwendungsverfahren der Paste und dem jeweils verwendeten organischen Medium ab.The optimum amount of organic medium in the thick film paste composition depends on the method of application of the paste and the organic medium used in each case.
Die Anteile des organischen Vehikels und der anorganischen Komponenten in dieser Pastenzusammensetzung kann je nach Anwendungsverfahren der Paste und der Art des organischen Vehikels variieren. In einer Ausführungsform enthält diese Pastenzusammensetzung normalerweise ca. 50 bis 95 Gew.-%, 76 bis 95 Gew.-% oder 85 bis 95 Gew.-% der anorganischen Komponenten und ca. 5 bis 50 Gew.-%, 5 bis 24 Gew.-% oder 5 bis 15 Gew.-% des organischen Vehikels und damit assoziierte Substanzen.The proportions of the organic vehicle and the inorganic components in this paste composition may vary depending on the methods of application of the paste and the nature of the organic vehicle. In one embodiment, this paste composition normally contains about 50 to 95% by weight, 76 to 95% by weight or 85 to 95% by weight of the inorganic components and about 5 to 50% by weight, 5 to 24% by weight % or 5 to 15% by weight of the organic vehicle and associated substances.
Zubereitung der Dickfilmpasten-ZusammensetzungPreparation of thick film paste composition
Diese Pastenzusammensetzung wird normalerweise durch Kombinieren der Zutaten mit einem mechanischen System hergestellt. Die Bestandteile können in jeder Reihenfolge kombiniert werden, solange sie gleichförmig dispergiert sind und die Endformulierung solche Merkmale hat, dass sie erfolgreich während einer Endverwendung angewendet werden kann. Mischverfahren, die ein hohes Abscheren bereitstellen, können nützlich sein.This paste composition is usually made by combining the ingredients with a mechanical system. The ingredients can be combined in any order as long as they are uniformly dispersed and the final formulation has such characteristics that it can be successfully used during end-use. Blending techniques that provide high shear can be useful.
III. Bildung von leitfähigen StrukturenIII. Formation of conductive structures
A. SubstratA. substrate
Ein Aspekt der Offenbarung stellt ein Verfahren bereit, das verwendet werden kann, um eine leitfähige Struktur auf einem Substrat zu bilden. Für gewöhnlich beinhaltet das Verfahren zuerst die Fertigung einer Ausgangsstruktur jeder gewünschten Konfiguration, generell umfassend die Schritte eines Bereitstellens des Substrats und Anwenden einer Pastenzusammensetzung darauf in einem geeigneten Muster. Dann werden die angewendete Pastenzusammensetzung und das Substrat gebrannt, um die leitfähige Struktur zu erzeugen, die häufig als „Metallisierung” bezeichnet wird. In den meisten Fällen ist das Substrat planar und relativ dünn, und definiert damit eine sich gegenüberliegende erste und zweite größere Fläche auf den jeweiligen Seiten. Diese Pastenzusammensetzung kann verwendet werden, um eine Elektrode auf einer oder beiden dieser größeren Flächen zu bilden.One aspect of the disclosure provides a method that can be used to form a conductive structure on a substrate. Usually, the process involves first producing an initial structure of any desired configuration, generally comprising the steps of providing the substrate and applying a paste composition thereon in a suitable pattern. Then, the applied paste composition and the substrate are fired to produce the conductive structure, often referred to as "metallization". In most cases, the substrate is planar and relatively thin, defining an opposing first and second major surface on the respective sides. This paste composition can be used to form an electrode on one or both of these larger surfaces.
B. IsolierschichtB. insulating layer
In einigen Ausführungsformen wird diese Pastenzusammensetzung in Verbindung mit einem Substrat verwendet, wie z. B. ein Halbleitersubstrat, das eine Isolierung oder Passivierung oder entspiegelte Schicht hat, die sich auf einer oder mehreren der größeren Flächen des Substrats befindet. Die Schicht kann, ohne Beschränkung, eine oder mehrere Komponenten umfassen, ausgewählt aus Aluminiumoxid; Titanoxid; Siliciumnitrid; SiNx:Hy (nicht-stoichiometrisches Siliciumnitrid, das zur Passivierung während der anschließenden Brennverarbeitung Wasserstoff enthält); Siliciumoxid; Siliciumnitrid, oxid- oder oxynitridhaltiger Kohlenstoff und Siliciumoxid/Titanoxid. Es kann eine einzelne homogene Schicht oder es können vielfache aufeinanderfolgende Unterschichten aus jedem dieser Materialien vorhanden sein. Siliciumnitrid und SiNx:Hy werden häufig verwendet. Passivierungsschichten mit einer Stärke zwischen 1 und 200 nm sind für typische Anwendungen geeignet.In some embodiments, this paste composition is used in conjunction with a substrate, such as e.g. A semiconductor substrate having an insulation or passivation or anti-reflective layer located on one or more of the larger areas of the substrate. The layer may include, without limitation, one or more components selected from alumina; titanium oxide; silicon nitride; SiN x : H y (non-stoichiometric silicon nitride containing hydrogen for passivation during subsequent firing); silica; Silicon nitride, oxide or oxynitride containing carbon and silica / titania. It may be a single homogenous layer or multiple sequential sublayers of any of these materials. Silicon nitride and SiN x : H y are widely used. Passivation layers with a thickness between 1 and 200 nm are suitable for typical applications.
In Implementierungen zur Fertigung von Solarzellen ist die Isolierschicht normalerweise strukturiert, um eine entspiegelte Eigenschaft bereitzustellen, um die Menge an einfallendem Licht, die von der Fläche der Zelle reflektiert wird, zu verringern. Ein Verringern der Menge an Lichtverlust wegen Reflexion verbessert die Verwendung des einfallenden Lichts der Zelle und erhöht den elektrischen Strom, den sie erzeugen kann. Daher wird die Isolierschicht oftmals als eine entspiegelte Beschichtung (ARC) bezeichnet. Die Stärke der Schicht ist vorzugsweise gewählt, um die entspiegelte Eigenschaft gemäß der Zusammensetzung des Schichtmaterials und dem Brechungsindex zu maximieren. Zum Beispiel kann die isolierende ARC-Schicht eine Stärke zwischen 1 und 200 nm haben. In einem Ansatz werden die Verarbeitungsbedingungen der Aufbringung eingestellt, um die Stöchiometrie der Schicht zu variieren, wodurch Eigenschaften wie z. B. der Brechungsindex auf einen gewünschten Wert zu variieren. Für eine Siliciumnitridschicht mit einem Brechungsindex von ca. 1,9 bis 2,0 ist eine Stärke von ca. 700 bis 900 Å (70 bis 90 nm) geeignete.In solar cell fabrication implementations, the insulating layer is typically patterned to provide an anti-reflective property to reduce the amount of incident light reflected from the surface of the cell. Reducing the amount of light loss due to reflection enhances the use of the incident light of the cell and increases the electrical current that it can generate. Therefore, the insulating layer is often referred to as an anti-reflective coating (ARC). The thickness of the layer is preferably chosen to maximize the anti-reflective property according to the composition of the layer material and refractive index. For example, the insulating ARC layer may have a thickness between 1 and 200 nm. In one approach, the processing conditions of the application are adjusted to vary the stoichiometry of the layer, thereby improving properties such as e.g. B. the refractive index to vary to a desired value. For a silicon nitride layer having a refractive index of about 1.9 to 2.0, a thickness of about 700 to 900 Å (70 to 90 nm) is suitable.
Die Isolierschicht kann auf das Substrat durch Verfahren aufgebracht werden, die auf dem Gebiet der Mikroelektronik bekannt sind, wie z. B. jede Form von chemischem Dampfauftrag (CVD), einschließlich Plasma-verstärktem CVD (PECVD) und thermischem CVD, thermische Oxidation oder Sputtern. In einer anderen Ausführungsform wird das Substrat mit einem flüssigen Material beschichtet, das sich unter Wärmebehandlung zersetzt oder mit dem Substrat reagiert, um die Isolierschicht zu bilden. In noch einer anderen Ausführungsform wird das Substrat in der Anwesenheit einer sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Atmosphäre wärmebehandelt, um eine Isolierschicht zu bilden. Alternativ wird keine Isolierschicht spezifisch auf das Substrat angewendet, sondern eine sich natürlich bildende Substanz, wie z. B. Siliciumoxid auf einem Silicium-Wafer kann als eine Isolierschicht funktionieren.The insulating layer may be applied to the substrate by methods known in the microelectronics art, such as, for example, US Pat. Any type of chemical vapor deposition (CVD) including plasma enhanced CVD (PECVD) and thermal CVD, thermal oxidation or sputtering. In another embodiment, the substrate is coated with a liquid material which decomposes under heat treatment or reacts with the substrate to form the insulating layer. In yet another embodiment, the substrate is heat treated in the presence of an oxygen or nitrogen containing atmosphere to form an insulating layer. Alternatively, no insulating layer is specifically applied to the substrate, but a naturally-forming substance such. For example, silicon oxide on a silicon wafer may function as an insulating layer.
Dieses Verfahren enthält optional den Schritt des Bildens der Isolierschicht auf dem Halbleitersubstrat vor der Anwendung der Pastenzusammensetzung.This method optionally includes the step of forming the insulating layer on the semiconductor substrate prior to application of the paste composition.
In einigen Implementierungen dieses Verfahrens ist die Pastenzusammensetzung unabhängig davon nützlich, ob die Isolierschicht spezifisch angewendet wird oder natürlich auftritt. Die Oxid- und nicht-Oxidkomponenten der Paste können zusammenwirken, um die gesamte Stärke von jedem Isolierschichtmaterial während des Brennens zu kombinieren, aufzulösen oder sonst wie penetrieren.In some implementations of this method, the paste composition is useful regardless of whether the insulating layer is specifically applied or naturally occurring. The oxide and non-oxide components of the paste may cooperate to combine, dissolve, or otherwise penetrate the entire thickness of each insulating layer material during firing.
C. AnwendungC. Application
Diese Zusammensetzung kann als eine Paste auf einen vorgewählten Abschnitt einer größeren Fläche eines Halbleitersubstrats in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen oder Muster je nach Architektur der Vorrichtung und dem besonderen Substratmaterial, das verwendet wird, angewendet werden. Der vorgewählte Abschnitt kann jede Fraktion der Oberfläche der größeren Fläche umfassen. Die abgedeckte Oberfläche kann von einer kleinen Fraktion bis hin zu der im Wesentlichen gesamten Oberfläche reichen. In einer Ausführungsform wird die Paste auf eine Halbleitersubstrat angewendet, das Einkristall-, gegossenes mono-, multikristall-, polykristallines oder Band-Silicium oder jedes andere Halbleitermaterial sein kann.This composition can be applied as a paste to a preselected portion of a larger area of a semiconductor substrate in a variety of different configurations or patterns depending on the architecture of the device and the particular substrate material used. The preselected portion may comprise any fraction of the surface of the larger area. The covered surface can range from a small fraction to substantially the entire surface. In one embodiment, the paste is applied to a semiconductor substrate, which may be single crystal, cast mono-, multicrystalline, polycrystalline or ribbon silicon or any other semiconductor material.
Die Anwendung kann unter Verwendung einer Vielfalt von Aufbringungsprozessen erfolgen, einschließlich Siebdruck und andere beispielhafte Aufbringungsprozesse, die oben beschrieben sind. In einer Ausführungsform kann die Pastenzusammensetzung über jeder Isolierschicht angewendet werden, die auf der entsprechenden größeren Fläche auf dem Substrat vorhanden ist.The application can be made using a variety of application processes, including screen printing and other exemplary application processes described above. In one embodiment, the paste composition may be applied over any insulating layer present on the corresponding larger area on the substrate.
Die leitfähige Zusammensetzung kann in jedem nützlichen Muster gedruckt werden. Zum Beispiel kann die Anwendung der leitfähigen Paste verwendet werden, um einen Solarzellen-Ausgangsstoff zu bilden, wobei die Paste auf einen vorgewählten Abschnitt eines Halbleitersubstrats in einer Konfiguration aufgebracht wird, die sich durch einen Brennvorgang in eine elektrisch leitfähige Struktur verwandeln soll, die mindestens eine Elektrode in elektrischem Kontakt mit dem Substrat enthält. In einer Implementierung ist die mindestens eine Elektrode konfiguriert, um an eine externe elektrische Schaltung angeschlossen zu werden, zu der elektrische Energie zugeführt werden soll.The conductive composition can be printed in any useful pattern. For example, the application of the conductive paste may be used to form a solar cell feed, wherein the paste is applied to a preselected portion of a semiconductor substrate in a configuration that is to be burned into an electrically conductive structure having at least one Contains electrode in electrical contact with the substrate. In one implementation, the at least one electrode is configured to be connected to an external electrical circuit to which electrical power is to be supplied.
Das verwendete Elektrodenmuster für eine vorderseitige Elektrode einer Solarzelle enthält generell eine Vielzahl von schmalen Rasterlinien oder Fingern, die sich von einer oder mehreren breiteren Sammelschienen erstrecken. Ein solches Muster ermöglicht, dass der in der Zelle erzeugte Strom von der Vorderseite ohne übermäßigen resistiven Verlust abgenommen wird, während die von der Metallisierung verdunkelte Oberfläche minimiert wird, die inhärent die μ einfallender Lichtenergie, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann, reduziert. Idealerweise sollten die Merkmale des Elektrodenmusters gut definiert sein, eine vorgewählte Stärke und Form aufweisen, und eine hohe elektrische Leitfähigkeit und niedrigen Kontaktwiderstand mit der darunterliegenden Struktur haben. Finger, die gleichförmig sind und hohes Höhen-Breiten-Verhältnis haben, sind von Vorteil beim Erhöhen der effektiven Leiterquerschnittsoberfläche (wodurch der elektrische Widerstand verringert wird), während die verdunkelte Oberfläche minimiert wird. In einer Ausführungsform kann die Breite der Linien der leitfähigen Finger 20 bis 200 μm; 25 bis 100 μm; oder 35 bis 75 μm oder 15 bis 35 μm sein. In einer Ausführungsform kann die Stärke der Linien der leitfähigen Finger 5 bis 50 μm; 10 bis 35 μm; oder 15 bis 30 μm sein.The electrode pattern used for a front side electrode of a solar cell generally includes a plurality of narrow grid lines or fingers extending from one or more wider bus bars. Such a pattern allows the current generated in the cell to be removed from the front without undue resistive loss while minimizing the surface darkened by the metallization, which inherently reduces the incident energy of light that can be converted into electrical energy. Ideally, the features of the electrode pattern should be well defined, have a preselected strength and shape, and have high electrical conductivity and low contact resistance with the underlying structure. Fingers that are uniform and high in height-to-width ratio are beneficial in increasing the effective conductor cross-sectional surface area (thereby reducing electrical resistance) while minimizing the darkened surface. In an embodiment, the width of the lines of the conductive fingers may be 20 to 200 μm; 25 to 100 μm; or 35 to 75 μm or 15 to 35 μm. In one embodiment, the thickness of the lines of the conductive fingers may be 5 to 50 μm; 10 to 35 μm; or 15 to 30 microns.
D. Brennen D. burning
Ein Wärmebehandlungsvorgang, der oft als „Brennen” bezeichnet wird, kann in diesem Verfahren verwendet werden, um die Bildung einer leitfähigen Struktur zu fördern, die eine Elektrode enthält, die einen hochwertigen elektrischen Kontakt mit einem darunterliegenden Substrat bereitstellt, wie z. B. ein Halbleiter-Wafer in einer PV-Zelle (photovoltaisch, PV). Ein Trocknungsvorgang ist optional dem Brennvorgang vorangestellt und wird bei einer maßvollen Temperatur ausgeführt, um die Pastenzusammensetzung zu härten, was ein Entfernen seiner flüchtigsten organischen Bestandteile umfassen kann.A heat treatment process, often referred to as "firing," may be used in this process to promote the formation of a conductive structure that includes an electrode that provides high-quality electrical contact with an underlying substrate, such as an electrode. B. a semiconductor wafer in a PV cell (photovoltaic, PV). A drying process is optionally preceded by firing and is carried out at a moderate temperature to cure the paste composition, which may include removal of its fugitive organics.
Vom Brennvorgang wird angenommen, dass es ein im Wesentlichen vollständiges Verbrennen des organischen Vehikels aus der aufgebrachten Paste durch Verflüchtigung und/oder Pyrolyse der organischen Materialien bewirkt. Während dieser Erfindung nicht auf eine besondere Ablauftheorie beschränkt ist, wird angenommen, dass während des Brennens das erste und zweite schmelzbare Material zusammenwirken, um effizient die Isolierschicht zu penetrieren, die normalerweise auf dem Wafer vorhanden ist, wie z. B. eine natürlich eintretende oder absichtlich geformte Passivierungsschicht und/oder eine entspiegelte Beschichtung. Ein solches Resultat wird häufig als „Durchbrennen” bezeichnet. Die verschiedenen Pastenkomponenten sind auch dazu gedacht, ein Sintern des leitfähigen Metallpulvers zu fordern, z. B. Silber, das die Elektrode bildet.The firing process is believed to cause substantially complete combustion of the organic vehicle from the applied paste by volatilization and / or pyrolysis of the organic materials. While this invention is not limited to any particular flow theory, it is believed that during firing, the first and second fusible materials cooperate to efficiently penetrate the insulating layer that is normally present on the wafer, such as e.g. B. a naturally occurring or intentionally formed passivation layer and / or an anti-reflective coating. Such a result is often referred to as "burn through". The various paste components are also intended to require sintering of the conductive metal powder, e.g. B. silver, which forms the electrode.
Besonders, und ohne an eine beliebige Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass weil Substrat und die aufgebrachte Paste sich während des Brennvorgangs, das erste schmelzbare Material vor dem zweiten schmelzbaren Material zu wirken beginnt, wegen des höheren Erweichungs- oder Schmelzverhaltens des letztgenannten, was sich z. B. in höheren Glasübergangs- und Erweichungstemperaturen bekundet. Als Resultat kann die entspiegelte Isolierschicht bei einer relativ niedrigeren Temperatur durch Wirkung des weniger hitzebeständigen ersten schmelzbaren Materials penetriert werden, was die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung an der p-n-Verbindung in der Zelle verringert. Nachdem das zweite schmelzbare Material ausreichend fluid geworden ist, um eine atomare Mobilität zu ermöglichen, kann es weiter wirken. Als Resultat kann der Temperaturbereich, während dem eine geeignete Penetration und Anhaftung an die gesinterte leitfähige Spur erreicht wird, ausgeweitet werden, was den Brennvorgang beständiger gegen die unvermeidlichen Temperaturschwankungen macht, die während eines industriellen Verfahrens auf großer Skala erfahren werden.In particular, and without being bound by any theory, it is believed that because the substrate and applied paste begin to act before the second fusible material during firing, the first fusible material acts because of the higher softening or melting behavior of the latter, what is z. B. in higher glass transition and softening temperatures. As a result, the non-reflective insulating layer can be penetrated at a relatively lower temperature by the action of the less heat-resistant first fusible material, which reduces the likelihood of damage to the p-n junction in the cell. After the second fusible material has become sufficiently fluid to allow atomic mobility, it may continue to act. As a result, the temperature range during which appropriate penetration and adhesion to the sintered conductive trace is achieved can be increased, making the firing process more consistent with the inevitable temperature variations experienced during a large scale industrial process.
In einer Ausführungsform wird das wegen seiner niedrigen Viskosität bei Temperatur und Fähigkeit gewählt, die Isolierschicht, die normalerweise auf einer oder beiden Flächen einer Solarzelle vorhanden ist, zu ätzen. Das zweite schmelzbare Material kann gewählt werden, um sich langsam mit dem ersten schmelzbaren Material zu vermischen, um seine chemische Aktivität zu verändern. Vorzugsweise ist die Zusammensetzung derart, dass die Isolierschicht in geeigneter Form entfernt wird, aber ohne die darunterliegende emitterdiffundierte Region schädlich anzugreifen, was die Vorrichtung potenziell parallelschaltet, wo sich die korrosive Wirkung unkontrolliert fortsetzt. Solche schmelzbaren Materialien können so charakterisiert werden, dass sie eine ausreichend hohe Viskosität haben, um ein stabiles Herstellungsfenster zum Entfernen von Isolierschichten ohne Beschädigung an der diffundierten p-n-Verbindungsregion eines Halbleitersubstrat bereitzustellen.In one embodiment, this is chosen because of its low viscosity in temperature and ability to etch the insulating layer, which is normally present on one or both surfaces of a solar cell. The second fusible material may be chosen to slowly mix with the first fusible material to alter its chemical activity. Preferably, the composition is such that the insulating layer is properly removed, but without damaging the underlying emitter-diffused region, potentially connecting the device in parallel where the corrosive action continues uncontrollably. Such fusible materials can be characterized as having a sufficiently high viscosity to provide a stable manufacturing window for removing insulating layers without damage to the diffused p-n junction region of a semiconductor substrate.
Idealerweise resultiert das Brennverfahren in einer im Wesentlichen vollständigen Entfernung der Isolierschicht ohne weitere Kombination mit dem darunterliegenden Si-Substrat oder der Bildung von bedeutenden Mengen von nichtleitenden oder schlecht leitenden Einschlüssen. Es wird weiter gewünscht, dass das Brennen eine Elektrode bereitstellt, die gute elektrische Eigenschaften hat, einschließlich einer hohen Volumenleitfähigkeit und einer Verbindung mit einer niedrigen Flächenresistivität mit dem darunterliegenden Halbleiter Material, wodurch die Quellenimpedanz der Zelle reduziert wird. Während einige Ausführungsformen mit einem elektrischen Kontakt funktionieren können, der auf leitfähige Domänen beschränkt ist, die über die gedruckte Oberfläche dispergiert sind, ist es bevorzugt, dass der Kontakt über im Wesentlichen die gesamte gedruckte Oberfläche gleichförmig ist. Es ist auch vorteilhaft für die leitfähige Metallstruktur, mechanisch robust und fest am Substrat befestigt zu sein, wobei eine metallurgische Bindung über im Wesentlichen die gesamte Oberfläche auf dem Substrat, das durch das leitfähige Element abgedeckt ist, gebildet ist.Ideally, the firing process results in substantially complete removal of the insulating layer without further combination with the underlying Si substrate or the formation of significant amounts of nonconductive or poorly conductive inclusions. It is further desired that the firing provide an electrode having good electrical properties, including high volume conductivity and a low area resistivity compound with the underlying semiconductor material, thereby reducing the source impedance of the cell. While some embodiments may function with an electrical contact confined to conductive domains dispersed throughout the printed surface, it is preferred that the contact be uniform over substantially the entire printed surface. It is also advantageous for the conductive metal structure to be mechanically robust and fixedly attached to the substrate, with a metallurgical bond formed over substantially the entire surface on the substrate covered by the conductive element.
Eine solche Paste würde ferner ermöglichen, dass Siebdruck-Solarzellen aus kristallinem Silicium eine reduzierte Sättigungsstromdichte an der vorderseitigen Fläche (J0e) und ein begleitendes erhöhtes Voc und Jsc, und somit eine verbesserte Solarzellenleitung haben. Andere wünschenswerte Merkmale einer Paste würden eine hohe Volumenleitfähigkeit und die Fähigkeit enthalten, schmale Kontaktlinien mit hohem Seitenverhältnis in einem Metallisierungsmuster, um einen Serienwiderstand ferner zu reduzieren und ein Abdecken von einfallendem Licht durch die Elektroden zu minimieren, sowie eine gute Anhaftung am Substrat zu bilden.Such a paste would further allow screen-printed crystalline silicon solar cells to have a reduced front surface area saturation current density (J0e) and a concomitant increased Voc and Jsc, and thus an improved solar cell line. Other desirable features of a paste would include high bulk conductivity and the ability to form narrow high aspect ratio contact lines in a metallization pattern to further reduce series resistance and minimize masking of incident light by the electrodes, as well as good adhesion to the substrate.
In einer Ausführungsform kann die Vorgabetemperatur des Ofens oder Schmelzofen zum Brennen im Bereich zwischen ca. 300°C und ca. 1000°C oder zwischen ca. 300°C und ca. 525°C oder zwischen ca. 300°C und ca. 650°C oder zwischen ca. 650°C und ca. 950°C sein. Das Brennen kann unter Verwendung jeder geeigneten Wärmequelle durchgeführt werden, und kann in einer Atmosphäre ausgeführt werden, die aus Luft, Stickstoff, einem inerten Gas oder einem sauerstoffhaltigen Gemisch, wie z. B. ein Mischgas aus Sauerstoff und Stickstoff besteht. In one embodiment, the default temperature of the furnace or furnace for firing may range between about 300 ° C and about 1000 ° C or between about 300 ° C and about 525 ° C or between about 300 ° C and about 650 ° C or between about 650 ° C and about 950 ° C. The firing may be carried out using any suitable heat source, and may be carried out in an atmosphere consisting of air, nitrogen, an inert gas or an oxygen-containing mixture, such as e.g. B. is a mixed gas of oxygen and nitrogen.
In einer Ausführungsform erfolgt das Brennen unter Verwendung eines Bandschmelzofens. Das Substrat, das das gedruckte Pastenzusammensetzungsmuster trägt, wird auf ein Band gelegt, das mit hohen Förderraten, z. B. zwischen ca. 100 bis ca. 500 cm pro Minute, mit resultierenden Haltezeiten zwischen ca. 0,05 bis ca. 5 Minuten, durch den heißen Bereich des Schmelzofens gefördert wird. Es können vielfache Temperaturzonen verwendet werden, um das gewünschte thermische Profil im Schmelzofen zu kontrollieren, und die Anzahl der Zonen kann beispielsweise zwischen 3 bis 11 Zonen variieren. Die Temperatur eines Brennvorgangs, der unter Verwendung eines Bandschmelzofens durchgeführt wird, wird generell durch den Vorgabewert des Schmelzofens in der heißesten Zone des Schmelzofens spezifiziert, es ist aber bekannt, dass die erreichte Spitzentemperatur durch das durchlaufende Substrat in einem solchen Verfahren etwas niedriger ist, als der höchste Vorgabewert. Andere Chargen- und schnelle Brennschmelzofen-Konstruktionen, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, sind auch vorgesehen.In one embodiment, the firing is done using a ribbon melting furnace. The substrate carrying the printed paste composition pattern is placed on a belt which is conveyed at high delivery rates, e.g. B. between about 100 to about 500 cm per minute, with resulting hold times between about 0.05 to about 5 minutes, is promoted through the hot area of the furnace. Multiple temperature zones may be used to control the desired thermal profile in the furnace, and the number of zones may vary, for example, between 3 to 11 zones. The temperature of a firing operation performed using a belt furnace is generally specified by the default value of the furnace in the hottest zone of the furnace, but it is known that the peak temperature achieved by the passing substrate in such a process is somewhat lower than the highest default value. Other batch and rapid refractory furnace constructions known to those skilled in the art are also contemplated.
E. Halbleitervorrichtung-HerstellungE. Semiconductor Device Manufacturing
Eine Ausführungsform dieser Offenbarung bezieht sich auf eine Vorrichtungsstruktur umfassend ein Substrat und eine leitfähige Elektrode, die durch das oben beschrieben Verfahren gebildet werden kann.One embodiment of this disclosure relates to a device structure comprising a substrate and a conductive electrode that may be formed by the method described above.
Leitfähige Strukturen, wie sie hierin bereitgestellt sind, können nützlich in einem großen Bereich elektrischer, elektronischer und Halbleitervorrichtungen eingesetzt werden. Solche Vorrichtungen enthalten ohne Einschränkung Photodioden, Solarzellen und Solarplatten oder andere ähnliche Artikel, wobei eine oder mehrere leitfähige Strukturen als Elektroden fungieren, durch die die Vorrichtung an eine andere elektrische Schaltung angeschlossen werden kann. Vorrichtungen, die individuell oder kollektiv unter Verwendung der hierin offenbarten Verfahren gefertigt werden, können in größere Strukturen integriert werden, wie z. B. eine Solarplatte, die Vielzahl von untereinander verbundenen Solarzellen enthält.Conductive structures as provided herein can be usefully employed in a wide range of electrical, electronic and semiconductor devices. Such devices include, without limitation, photodiodes, solar cells, and solar panels, or other similar articles, with one or more conductive structures functioning as electrodes by which the device may be connected to another electrical circuit. Devices that are manufactured individually or collectively using the methods disclosed herein may be integrated into larger structures, such as the like. As a solar panel containing a plurality of interconnected solar cells.
Ein möglicher Ablauf von Schritten zum Implementieren dieses Verfahren zum Herstellen einer Solarzellen-Vorrichtung wird in
In
Nach Schützen einer Fläche der n-dotierten Diffusionsschicht
Als nächstes wird, wie in
Als nächstes werden Elektroden auf beiden größere Flächen
Wie in
Das Brennen verursacht ferner, dass Aluminium aus der rückseitigen Aluminiumpaste
Eine wie oben beschrieben gefertigte Halbleitervorrichtung kann in eine Solarzelle integriert werden. In einer anderen Ausführungsform enthält eine Solarzellen-Anordnung eine Vielzahl der vorstehend erwähnten Halbleitervorrichtungen, wie sie beschrieben sind. Die Vorrichtungen der Anordnung können unter Verwendung eines hierin beschriebenen Verfahrens gefertigt werden.A semiconductor device fabricated as described above may be integrated into a solar cell. In another embodiment, a solar cell array includes a variety of the aforementioned Semiconductor devices as described. The devices of the assembly may be fabricated using a method described herein.
Es wird offensichtlich, dass zur Herstellung leitfähiger Strukturen in Solarzellen, die andere Architekturen oder andere elektrische, elektronische, und Halbleitervorrichtungen, ähnliche Prozesse verwendet werden können, die im Geltungsbereich dieser Offenbarung vorgesehen sind.It will be apparent that in order to fabricate conductive structures in solar cells, other architectures, or other electrical, electronic, and semiconductor devices, similar processes may be used that are within the scope of this disclosure.
BEISPIELEEXAMPLES
Der Betrieb und die Wirkungen bestimmter Ausführungsformen dieser Erfindung wird anhand einer Reihe von Beispielen (Beispiele 1–6), die unten beschrieben sind, und einem Vergleich dieser Beispiele mit den Vergleichsbeispielen 1–2 umfassender verständlich. Die Ausführungsformen, auf denen diese Beispiele beruhen, sind nur repräsentativ, und die Auswahl dieser Ausführungsformen, um Aspekte der Erfindung zu veranschaulichen, geben nicht an, dass Materialien, Komponenten, Reagenzien, Zustände, Techniken und/oder Konfigurationen, die nicht in den Beispielen beschrieben sind, nicht für die Verwendung hierin geeignet sind, oder dass ein Gegenstand, der nicht in den Beispielen beschrieben ist, vom Geltungsbereich der angehängten Ansprüche und Entsprechungen davon, ausgenommen ist.The operation and effects of certain embodiments of this invention will be more fully understood from a number of examples (Examples 1-6) described below and a comparison of these examples with Comparative Examples 1-2. The embodiments on which these examples are based are merely representative, and selection of these embodiments to illustrate aspects of the invention do not indicate that materials, components, reagents, conditions, techniques, and / or configurations not disclosed in the examples are not suitable for use herein, or that an article not described in the examples is excluded from the scope of the appended claims and equivalents thereof.
Zubereitung der OxidkomponentePreparation of the oxide component
Die schmelzbaren Materialien für die Oxidkomponente dieser leitfähigen Paste können unter Verwendung jeder geeigneten Technik zubereitet werden, einschließlich jener, die generell in der Glasherstellungstechnik eingesetzt werden. Generell gesagt, werden die schmelzbaren Materialien, die in den folgenden Pastenzubereitungen hierin verwendet werden, durch Mischen der notwendigen Feststoffoxidoxide oder anderer geeigneter Ausgangsstoffe (z. B. Karbonate) zubereitet. Das Gemisch wird dann in einem Pt-Tiegel erhitzt und auf einer ausreichenden Temperatur gehalten, um die Bestandteile zusammen zu verschmelzen, und danach wird es auf eine Abschreckplatte aus Edelstahl gegossen. Die verfestigte Masse wird zu einem groben Pulver zermahlen und dann in einer Kugelmühle gemahlen, um die gewünschte kleine Partikelgröße zu erreichen, wie z. B. ein d90 (gemessen unter Verwendung eines Analysegeräts Horiba LA-910) von 2 bis 3 μm. Normalerweise wird das Mahlen in einem Polyethylen-Behälter mit Zirkonoxid-Medium und Isopropylalkohol oder Wasser durchgeführt, der optional 0,5 Gew.-% TRITONTM X-100 Octylphenolethoxylat-Netzmittel (erhältlich von Dow Chemical Company, Midland, MI) enthält. Das zerkleinerte Pulver wird durch Zentrifugation oder Filtration aufgefangen und dann getrocknet.The fusible materials for the oxide component of this conductive paste can be prepared using any suitable technique, including those generally used in glassmaking technology. Generally speaking, the fusible materials used in the following paste formulations herein are prepared by mixing the necessary solid oxide oxides or other suitable starting materials (e.g., carbonates). The mixture is then heated in a Pt crucible and kept at a temperature sufficient to fuse the ingredients together, and then it is poured onto a stainless steel quenching plate. The solidified mass is ground to a coarse powder and then ground in a ball mill to achieve the desired small particle size, such as. A d 90 (measured using a Horiba LA-910 analyzer) of 2 to 3 μm. Typically, the milling is carried out in a polyethylene container with zirconia medium and isopropyl alcohol or water optionally containing 0.5% by weight TRITON ™ X-100 octylphenol ethoxylate surfactant (available from Dow Chemical Company, Midland, MI). The crushed powder is collected by centrifugation or filtration and then dried.
Silberpulversilver powder
Das Ag-Pulver, das in den beispielhaften Pastenzusammensetzungen verwendet wird, ist fein unterteilt und kann eine vorherrschend kugelförmige Form mit einer Partikelgrößenverteilung mit einem d50 von ca. 2 μm (gemessen in einer Isopropylalkohol-Dispersion unter Verwendung eines Analysegeräts Horiba LA-910) haben.The Ag powder used in the exemplary paste compositions is finely divided and may be a predominantly spherical form having a particle size distribution with a d 50 of about 2 μm (measured in an isopropyl alcohol dispersion using a Horiba LA-910 analyzer). to have.
Organisches VehikelOrganic vehicle
Das organische Vehikel wird als ein Masterbatch unter Verwendung eines zentrifugalen Planetenmischers Thinky® (erhältlich von Thinky® USA, Inc., Laguna Hills, CA) zum Mischen der Zutaten zubereitet. Eine geeignete Formulierung wird in Tabelle I aufgelistet, worin die Prozentsätze nach Gewicht angegeben sind. Das Esteralkohol-Lösungsmittel TEXANOLTM ist von Eastman Chemical Company, Kingsport, TN erhältlich. In einigen Implementierungen werden bestimmte der Vehikelkomponenten (z. B. Harz oder Zellulose) optional zuerst mit einem Teil des Lösungsmittels gemischt und erhitzt, um eine Auflösung zu bewirken, und dann zum Rest der Masterbatch hinzugefügt. Ein kleiner Prozentsatz des Lösungsmittelnenngehalts wird normalerweise zurückgehalten, um eine spätere Viskositätsanpassung zu ermöglichen, wie es unten weiter beschrieben ist. Tabelle I Zusammensetzung des organischen Vehikels
Pastenzubereitungpaste preparation
Generell gesagt, werden die Pastenzusammensetzungen hierin durch Kombinieren der notwendigen Mengen der anorganischen Feststoffe, einschließlich der Oxidkomponente und des Ag-Pulvers in einem Glasgefäß und deren Mischen in einem Taumelmischer über ca. 15 Min. Dieses Gemisch wird in Dritteln in ein Gefäß gegeben, das organisches Vehikel aus dem vorstehend erwähnten Masterbatch enthält und nach jedem Hinzufügen unter Verwendung des vorstehend erwähnten Mischers Thinky® 1 Minute bei 2000 U/min gemischt, wodurch die Zutaten gut im organischen Vehikel dispergiert sind.Generally speaking, the paste compositions herein are made by combining the necessary amounts of the inorganic solids, including the oxide component and the Ag powder, in a glass jar and mixing them in a tumble mixer for about 15 minutes. This mixture is placed in a jar in thirds contains organic vehicle of the aforementioned master batch and mixed after each addition using the above-mentioned mixer Thinky ® 1 minute at 2000 rev / min, so that the ingredients are well dispersed in the organic vehicle.
Nach dem letzten Hinzufügen wird die Paste abgekühlt und die Viskosität durch Hinzufügen von Lösungsmittel und Mischen mit Thinky über 1 Minute bei 2000 U/min auf zwischen ca. 300 und 400 Pa-s eingestellt. Die Paste wird dann wiederholt durch einen Dreiwalzenstuhl geleitet (z. B. ein Dreiwalzenstuhl von Charles Ross und Son, Hauppauge, New York, mit einem Abstand von 25 μm unter Verwendung von 3 Durchgängen ohne Druck und 3 Durchgängen mit 100 psi (0,7 MPa)).After the last addition, the paste is cooled and the viscosity is adjusted to between about 300 and 400 Pa-s over 1 minute at 2000 rpm by adding solvent and mixing with Thinky. The paste is then passed repeatedly through a three-roll mill (e.g., a three-roll mill by Charles Ross and Son, Hauppauge, New York, with a pitch of 25 microns using 3 passes without pressure and 3 passes at 100 psi (0.7 MPa)).
Jede Pastenzusammensetzung wird nach dem Durchlauf durch den Dreiwalzenstuhl mindestens 16 Stunden setzen gelassen und dann wird ihre Viskosität mit zusätzlichem Lösungsmittel TEXANOLTM auf ~300 Pa-s eingestellt, um sie für den Siebdruck geeignet zu machen. Die Viskosität wird in geeigneter Form unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters (Brookfield Inc., Middleboro, MA) mit einer Spindel Nr. 14 und einem Becher Nr. 6 gemessen. Die Viskositätswerte können nach 3 Minuten bei 10 U/min genommen werden. Normalerweise wird für eine Viskosität von ca. 300 Pa-s festgestellt, dass sie gute Siebdruckresultate ergibt, aber eine gewisse Variation, z. B. ±50 Pa-s oder mehr wäre akzeptabel, je nach den genauen Druckparametern.Each paste composition is allowed to set for at least 16 hours after passing through the three-roll mill, and then its viscosity is adjusted to ~300 Pa-s with additional solvent TEXANOL ™ to make it suitable for screen printing. Viscosity is measured in a suitable manner using a Brookfield viscometer (Brookfield Inc., Middleboro, MA) with a
Der Dispersionsgrad von jeder Pastenzusammensetzung kann unter Verwendung von Messgeräten für kommerziellen Mahlgrad-Messgeräten (fineness of grind, FOG) (Precision Gage und Tool, Dayton, Ohio) gemäß dem
Das vorstehende Verfahren dient dazu, ein Pastenzusammensetzungsmaterial zu erzeugen, das ausreichend homogen ist, um eine wiederholbare Solarzellenleistung zu erreichen.The above method serves to produce a paste composition material that is sufficiently homogeneous to achieve repeatable solar cell performance.
Zellenfertigungcell production
Generell gesagt, werden die Elektroden für die beispielhaften Solarzellen unten durch Drucken der gewünschten Pastenzusammensetzung mit Siebdruck in einem vorgewählten Muster auf die gegenüberliegenden größeren Seiten eines dünnen Silicium-Wafers unter Verwendung eines Siebdruckers, wie z. B. ein halbautomatischer Siebdrucker MSP-485 von AMI-Presco (AMI, North Branch, NJ). Die vorderseitigen Elektroden werden in einem wabenförmigen Muster, umfassend eine große Anzahl von Fingern, die sich senkrecht von Sammelschienen erstrecken, gebildet (nachfolgenden bezeichnet als Konfiguration „Sammelschiene/Finger”). Die rückseitigen Elektroden werden durch Siebdruck einer Al-haltigen Paste Solamet® PV35C (kommerziell erhältlich von E. I. DuPont, Wilmington, DE) oder äquivalent gebildet, um einen vollflächigen eutektischen Al-Si-Rückseitenkontakt beim Brennen zu erzeugen.Generally speaking, the electrodes for the exemplary solar cells below are printed by printing the desired paste composition screen printed in a preselected pattern on the opposite major sides of a thin silicon wafer using a screen printer such as a screen printer. For example, a semi-automatic screen printer MSP-485 from AMI-Presco (AMI, North Branch, NJ). The front-side electrodes are formed in a honeycomb pattern comprising a large number of fingers extending vertically from busbars (hereinafter referred to as a "busbar / finger" configuration). The back-surface electrode are formed (commercially available from EI DuPont, Wilmington, DE) or, equivalently, by screen printing of an Al-containing paste Solamet ® PV35C to produce a full-area eutectic Al-Si-back contact during firing.
Nach dem Druck und Trocknen werden die Zellen in einem Multizonen-Bandschmelzofen, wie z. B. ein Ofen, der von BTU International, North Billerica, MA bereitgestellt wird, in einer schnellen thermischen Verarbeitung gebrannt. Für jede Paste werden mindestens 9 Zellen gedruckt, sodass 3 Zellen bei jeder von mindestens 3 Spitzenvorgabetemperaturen des Gitterschmelzofens gebrannt werden können. Man wird verstehen, dass die Spitzentemperatur, die von jeder Zelle beim Durchlauf durch den Brennofen in einem solchen Verfahren ca. 140 bis 150°C niedriger als die Zonen-Spitzentemperatur sein kann.After printing and drying, the cells are incubated in a multizone belt melting furnace, such as. For example, a furnace provided by BTU International, North Billerica, MA is fired in a rapid thermal process. For each paste, at least 9 cells are printed so that 3 cells can be fired at each of at least 3 peak preset temperatures of the grid furnace. You will Understand that the peak temperature of each cell as it passes through the kiln in such a process may be about 140 to 150 ° C lower than the peak zone temperature.
Elektrische TestsElectrical tests
Ohne anderslautende Angabe werden die hierin angegebenen elektrischen Eigenschaften unter Verwendung eines gepulsten Solarsimulators PSS 10II Zellentester von Berger Lichttechnik GmbH & Co. KG gemessen. Die Xe-Bogenlampe im I-V-Tester simuliert Sonnenlicht mit einer bekannten Intensität und bestrahlt die vordere Fläche der Zelle. Die Tests werden mit Photovoltaikzellen bei 25 ± 1,0°C mit einer Lichtintensität von 1,0 Sun durchgeführt. Der Tester verwendet eine 4-Kontakt-Methode zum Messen der Stromstärke (I) und Spannung (V) bei vielfachen Lastwiderstandeinstellungen zur Bestimmung der I-V-Kurve der Zelle. Lichtenergieumwandlungseffizienz (Eff), Füllfaktor (FF), und Schein-Serienwiderstand (Ra) werden anhand der I-V-Kurve für jede Zelle erlangt. Ra wird auf konventionelle Weise als das Negative des Kehrwerts der örtlichen Steigung der I-V-Kurve nahe der Leerspannung definiert. Wie es von einem normalen Fachmann erkannt wird, wird Ra auf geeignete Weise bestimmt und ist eine enge Annäherung für Rs, dem wahren Serienwiderstand der Zelle.Unless otherwise specified, the electrical properties reported herein are measured using a Pulsed Solar Simulator PSS 10II Cell Tester from Berger Lichttechnik GmbH & Co. KG. The Xe arc lamp in the IV tester simulates sunlight at a known intensity and illuminates the front surface of the cell. The tests are performed with photovoltaic cells at 25 ± 1.0 ° C with a light intensity of 1.0 Sun. The tester uses a 4-contact method to measure the current (I) and voltage (V) at multiple load resistor settings to determine the IV curve of the cell. Light energy conversion efficiency (Eff), fill factor (FF), and apparent series resistance (R a ) are obtained from the IV curve for each cell. R a is conventionally defined as the negative of the inverse of the local slope of the IV curve near the vacant voltage. As will be appreciated by one of ordinary skill in the art, R a is suitably determined and is a close approximation for R s , the true series resistance of the cell.
Die Tests werden nach dem Brennen der Solarzellen durchgeführt. Für jede Kombination aus Pasten- und Wafer-Typ wird eine optimale Brenntemperatur als die Temperatur identifiziert, die im höchsten Mittelwert oder in der mittleren Effizienz beruhend auf einer 3-Zellen-Testgruppe resultiert. Durchschnittliche oder mittlere elektrische Resultate ergaben sich für die Zellengruppen, die mit der dadurch bestimmten optimalen Temperatur gebrannt wurden. Für jeden Schmelzofenzustand und Durchgangszyklus werden Zellen mit bekannten kommerziellen Wafer-Proben und leitfähigen Pasten angefertigt. Die Kontrollzellen sind in jedem Brennen enthalten und werden danach getestet. Die Verarbeitung und die elektrischen Tests gelten als gültig, solange die Resultate für die Kontrollzellen innerhalb der festgelegten Grenzwerte liegen. Natürlich sind die vorstehenden Protokolle beispielhaft und andere Geräte und Verfahren, die zur Wärmebehandlung und zum Testen von Wirkungen und anderer relevanten elektrischen Eigenschaften geeignet sind, werden von einem normalen Fachmann auf dem Gebiet erkannt.The tests are performed after burning the solar cells. For each combination of paste and wafer type, an optimal firing temperature is identified as the temperature that results in the highest mean or average efficiency based on a 3-cell test group. Average or mean electrical results were obtained for the cell groups fired at the optimum temperature determined thereby. For each furnace condition and cycle, cells are made with known commercial wafer samples and conductive pastes. The control cells are included in each burn and are then tested. The processing and electrical tests are considered valid as long as the results for the control cells are within the specified limits. Of course, the foregoing protocols are exemplary and other apparatus and methods suitable for heat treatment and for testing effects and other relevant electrical properties will be recognized by one of ordinary skill in the art.
Die Adhäsion der vorderseitigen Elektroden wird durch einen Zugtest wie folgt auf geeignete Weise gemessen. Ein Kupferband, beschichtet mit einem Sn/Pb-Lot (Ulbrich Stainless Steels & Special Metals, Inc.), wird in ein Flussmittel (Kester-952s, Kester, Inc.) getaucht und dann fünf Sekunden an der Luft getrocknet. Die Hälfte des mit Lot beschichteten Kupferbands wird auf der Sammelelektrode platziert und das Löten erfolgt unter Verwendung eines Lötsystems (SCB-160, SEMTEK Corporation Co., Ltd.), wobei die Löteisentemperatur auf 190 bis 240°C eingestellt ist. Der restliche Teil des Kupferbands, der nicht an der Elektrode anhaftet, wird horizontal gefaltet und unter Verwendung einer Prüfmaschine (Peel Force 606, MOGRL Technology Co., Ltd.) mit 120 mm/Min. gezogen. Die Stärke (in Newton, N), bei der sich das Kupferband ablöst, wird als die Lotadhäsion aufgezeichnet.The adhesion of the front-side electrodes is suitably measured by a tensile test as follows. A copper tape coated with a Sn / Pb solder (Ulbrich Stainless Steels & Special Metals, Inc.) is dipped in a flux (Kester-952s, Kester, Inc.) and then air-dried for five seconds. Half of the solder-coated copper tape is placed on the collecting electrode, and soldering is performed using a soldering system (SCB-160, SEMTEK Corporation Co., Ltd.) with the soldering iron temperature set at 190 to 240 ° C. The remainder of the copper tape, which does not adhere to the electrode, is folded horizontally and set at 120 mm / min using a testing machine (Peel Force 606, MOGRL Technology Co., Ltd.). drawn. The thickness (in Newton, N) at which the copper tape peels off is recorded as the solder adhesion.
Beispiele 1–3Examples 1-3
Vergleichsbeispiel CE1Comparative Example CE1
Unter Verwendung der oben beschriebenen werden die Pastenzusammensetzungen als die Beispiele 1–3 formuliert. Die schmelzbaren Materialien FM-A und FM-B, die die angegebenen Zusammensetzungen in Tabelle II bzw. Tabelle III haben, werden verwendet, um die Oxidkomponente bereitzustellen. Wie durch die Techniken hierin gemessen, hat FM-A eine Glasübergangstemperatur von ca. 270°C und einen Erweichungspunkt von ca. 290°C; FM-B hat eine Glasübergangstemperatur von ca. 550°C und einen Erweichungspunkt von ca. 725°C. Tabelle II FM-A: Blei-Tellur-Wismut-basiertes Oxid
Die Paste für Vergleichsbeispiel 1 wird unter Verwendung der Blei-Tellur-Wismut-Oxidzusammensetzung FM-A, aber ohne ein zweites schmelzbares Material.The paste for Comparative Example 1 is made using the lead-tellurium bismuth oxide composition FM-A but without a second fusible material.
Die Zusammensetzungen der Beispiele 1–3 und Vergleichsbeispiel CE1 werden in Tabelle IV mit den Mengen der Bestandteile in Gewichtsprozent der ganzen Pastenzusammensetzung gezeigt. Diese Zusammensetzungen werden mit Siebdruck auf 6 × 6 Zoll (15 × 15 cm) große monokristalline p-dotierte Si-Wafersubstrate mit einem Widerstand von ca. 80 Ω/Quadrat gedruckt. Eine konventionell angewendete entspiegelte Beschichtung (anti-reflective coating, ARC) aus SiNx:Hy mit einer Stärke von ca. 70 nm ist auf der vorderen (sonnenseitigen) größeren Fläche der Wafer, die von Solar Tech (Taiwan) erlangt werden können, vorhanden. Die Paste wird in einem Muster mit 100 Fingern (40 μm breit) angewendet, die sich von 3 Sammelschienen (1,5 mm breit) erstrecken. Die Rückseitenelektroden werden unter Verwendung einer aluminiumhaltigen Pastenzusammensetzung zubereitet, die kommerziell unter der Handelsbezeichnung SOLAMET® PV35C von E. I. du Pont de Nemours und Co., Wilmington, DE erhältlich sind. Die Wafer und beide Pastenzusammensetzungen werden in einem Bandschmelzofen mit 6 Zonen mit einer Durchlaufzeit von 1,5 Min. gebrannt, wobei die heißeste Zone auf 945°C eingestellt ist, sodass die Wafers eine Spitzentemperatur von ca. 720 bis 730°C erreichen.The compositions of Examples 1-3 and Comparative Example CE1 are shown in Table IV with the amounts of ingredients in weight percent of the whole paste composition. These compositions are screen printed on 6 × 6 inch (15 × 15 cm) monocrystalline p-doped Si wafer substrates having a resistivity of about 80 Ω / square. A conventionally applied anti-reflective coating (ARC) of SiN x : H y having a thickness of about 70 nm is on the front (sun-side) larger area of the wafers, which can be obtained from Solar Tech (Taiwan), available. The paste is applied in a pattern of 100 fingers (40 μm wide) extending from 3 busbars (1.5 mm wide). The back electrodes are prepared using an aluminum-containing paste composition, Wilmington, DE commercially available under the trade name Solamet ® PV35C of EI du Pont de Nemours and Co.. The wafers and both paste compositions are fired in a 6 zone belt melting furnace with a 1.5 minute run time with the hottest zone set at 945 ° C so that the wafers reach a peak temperature of about 720 to 730 ° C.
Die gemessenen Werte der Lichtenergieumwandlungseffizienz (EFF) und der Adhäsion für Zellen, die mit Pasten des Beispiels 1–3 gefertigt wurden, werden in Bezug auf die Werte gezeigt, die Zellen aufweisen, die der Paste des Vergleichsbeispiels 1 gefertigt wurden. Tabelle IV Pastenzusammensetzungen und Zelleigenschaften
Die Daten von Tabelle IV belegen, dass eine Konstruktion von vorderseitigen Elektroden mit Pastenzusammensetzungen, in die ein zweites schmelzbares Material aus Bi-Si-Zn-O hinzugefügt wird, die Adhäsion der Elektrode um bis das Zweifache des Werts erhöhen kann, der ohne das zweite schmelzbare Material erreicht wird, während die relative elektrische Effizienz um höchstens ca. 1% verringert wird.The data of Table IV demonstrate that a construction of front-side electrodes with paste compositions into which a second fusible material of Bi-Si-Zn-O is added can increase the adhesion of the electrode by up to twice the value without the second fusible material is achieved, while the relative electrical efficiency is reduced by at most about 1%.
Beispiele 4–6Examples 4-6
Vergleichsbeispiel CE2Comparative Example CE2
Die Pastenzusammensetzungen für die Beispiele 4–6 werden unter Verwendung der schmelzbaren Materialien FM-C und FM-D formuliert, die die angegebenen Zusammensetzungen in den Tabellen V und VI haben.The paste compositions for Examples 4-6 are formulated using the fusible materials FM-C and FM-D, which have the indicated compositions in Tables V and VI.
Wie durch die Techniken hierin gemessen, hat FM-C eine Glasübergangstemperatur von ca. 270°C und einen Erweichungspunkt von ca. 332°C; FM-D hat eine Glasübergangstemperatur von ca. 400°C und einen Erweichungspunkt von ca. 450°C.As measured by the techniques herein, FM-C has a glass transition temperature of about 270 ° C and a softening point of about 332 ° C; FM-D has a glass transition temperature of approx. 400 ° C and a softening point of approx. 450 ° C.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Mahltechniken werden Pulver des Materials FM-D mit d50-Werten von 0,6, 1,0 und 1,2 gemessen durch Laserlichtstreuung zubereitet und verwendet, um jeweils die Beispiele 4–6 mit 1,6 Gew.-% des ersten schmelzbaren Materials FM-C und 0,2 Gew.-% des zweiten schmelzbaren Materials FM-D zu formulieren. Eine Pastenzusammensetzung wird als Vergleichsbeispiel CE2 mit 1,8 Gew.-% FM-C, aber ohne FM-D formuliert. Tabelle V FM-C: Blei-Tellur-Wismut-basiertes Oxid
Die Zusammensetzungen der Beispiele 4–6 und Vergleichsbeispiel CE2 werden in Tabelle VII mit den Mengen der Bestandteile in Gewichtsprozent der ganzen Pastenzusammensetzung gezeigt. Das Additiv Lithiumruthenat (Li2RuO3) gemäß Beschreibung in
Die gemessenen Werte der Lichtenergieumwandlungseffizienz (EFF) und der Adhäsion für Zellen, die mit Pasten des Beispiels 4–6 gefertigt wurden, werden in Bezug auf die Werte gezeigt, die Zellen aufweisen, die mit der Paste des Vergleichsbeispiels 2 gefertigt wurden. Tabelle VII Pastenzusammensetzungen und Zelleigenschaften
Die Daten von Tabelle VII belegen, dass eine Konstruktion von vorderseitigen Elektroden mit Pastenzusammensetzungen, in die ein zweites schmelzbares Material aus Bi-B-Zn-O hinzugefügt wird, die Adhäsion der Elektrode um bis das Zweifache seines Werts ohne das zweite schmelzbare Material erhöhen kann, während die relative elektrische Effizienz um höchstens ca. 1% verringert wird. Ein Ändern der Partikelgröße des zweiten schmelzbaren Materials hat höchstens eine kleine Wirkung auf die Effizienz und Adhäsion.The data of Table VII demonstrate that a construction of front electrodes with paste compositions to which a second fusible material of Bi-B-Zn-O is added can increase the adhesion of the electrode up to twice its value without the second fusible material while the relative electrical efficiency is reduced by at most about 1%. Changing the particle size of the second fusible material has at most a small effect on the efficiency and adhesion.
Nachdem die Erfindung somit recht umfassend beschrieben wurde, wird man verstehen, dass dieses Detail nicht strikt eingehalten werden muss, sondern dass sich einem Fachmann auf dem Gebiet Änderungen und Modifikationen erschließen können, die alle in den Geltungsbereich der Erfindung fallen, die durch die unten angehängten Ansprüche definiert ist.Having thus fairly broadly described the invention, it will be understood that this detail is not to be strictly adhered to, and that those skilled in the art may appreciate changes and modifications that are all within the scope of the invention, which are appended below Claims is defined.
Zum Beispiel würde ein Fachmann erkennen, dass die Auswahl der Rohmaterialien unbeabsichtigt Unreinheiten enthalten könnte, die während der Verarbeitung in die Oxidzusammensetzung oder andere Pastenbestandteile gelangt sein können. Diese zufälligen Unreinheiten können im Bereich von Hundertsteln bis Tausendsteln von Anteilen pro Million vorhanden sein. Unreinheiten, die üblicherweise in industriellen Materialien, wie sie hierin verwendet werden, auftreten, sind einem normalen Fachmann bekannt.For example, one skilled in the art would recognize that the selection of raw materials could inadvertently contain impurities that may have come into the oxide composition or other paste ingredients during processing. These random impurities can range anywhere from hundreds to Millions of shares per million exist. Impurities commonly found in industrial materials as used herein are known to one of ordinary skill in the art.
Das Vorhandensein von Unreinheiten würden die chemischen und rheologischen Eigenschaften der Oxidkomponente, der schmelzbaren Materialien darin, der gemachten Pastenzusammensetzungen mit dem Oxid oder den elektrischen Eigenschaften einer gebrannten Vorrichtung, die unter Verwendung der Pastenzusammensetzung gefertigt ist, nicht im Wesentlichen verändern. Zum Beispiel kann eine Solarzelle, die eine leitfähige Struktur einsetzt, die unter Verwendung dieser Pastenzusammensetzung gemacht wurde, die Effizienz und andere elektrische Eigenschaften haben, die hierin beschrieben sind, selbst wenn die Pastenzusammensetzung Unreinheiten enthält.The presence of impurities would not substantially alter the chemical and rheological properties of the oxide component, the fusible materials therein, the pasted paste compositions with the oxide, or the electrical properties of a fired device made using the paste composition. For example, a solar cell employing a conductive structure made using this paste composition may have the efficiency and other electrical properties described herein even if the paste composition contains impurities.
Die Ausführungsformen der Oxidzusammensetzungen und die einzelnen schmelzbaren Materialien, die hierin beschrieben sind, einschließlich der Beispiele hierin, sind nicht beschränkend; es ist vorgesehen, dass ein normaler Fachmann auf dem Gebiet der Glaschemie geringfügige Ersetzungen zusätzlicher Zutaten vornehmen könnte und die gewünschten Eigenschaften der Oxidzusammensetzung, einschließlich ihrer Interaktion mit einem Substrat und jeder Isolierschicht darauf nicht im Wesentlichen ändert.The embodiments of the oxide compositions and the individual fusible materials described herein, including the examples herein, are not limiting; it is contemplated that one of ordinary skill in the art of glass chemistry could make minor substitutions of additional ingredients and not substantially alter the desired properties of the oxide composition, including its interaction with a substrate and any insulating layer thereon.
Wo hierin ein Bereich numerischer Werte angegeben oder festgelegt wird, enthält der Bereich die Endpunkte davon und alle individuellen Ganzzahlen und Fraktionen innerhalb des Bereichs, und enthält auch jeden der engeren Bereiche, die darin durch alle verschiedenen, möglichen Kombinationen dieser Endpunkte und internen Ganzzahlen und Fraktionen gebildet sind, um Untergruppen der größeren Wertegruppe innerhalb des angegebenen Bereichs mit derselben Reichweite zu bilden, so als ob diese engeren Bereiche ausdrücklich angegeben worden wären. Wo hierin ein Bereich numerischer Werte so angegeben ist, dass er größer als ein angegebener Wert ist, ist der Bereich dennoch endlich und ist an seinem oberen Ende durch einen Wert gebunden, der im Kontext der Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, operierbar ist. Wo hierin ein Bereich numerischer Werte so angegeben ist, dass er kleiner als ein angegebener Wert ist, ist der Bereich dennoch seinem unteren Ende durch einen Wert ungleich null gebunden.Where a range of numerical values is specified or specified herein, the range includes the endpoints thereof and all individual integers and fractions within the range, and also includes each of the narrower ranges therein through all the various possible combinations of these endpoints and internal integers and fractions are formed to form subgroups of the larger value group within the specified range with the same range, as if these narrower ranges had been explicitly stated. Where herein a range of numerical values is stated to be greater than a specified value, the range is still finite and is bound at its upper end by a value operable in the context of the invention as described herein. Where herein a range of numerical values is stated to be less than a specified value, the range is still bounded to its lower end by a nonzero value.
Wo in dieser Beschreibung ohne ausdrückliche anderslautende Angabe oder gegensätzliche Vorgabe durch den Verwendungskontext eine Ausführungsform des Gegenstands hiervon so angegeben oder beschrieben ist, dass sie bestimmte Merkmale oder Elemente umfasst, einschließt, enthält, hat oder daraus oder davon besteht, können ein oder mehrere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu den hierin ausdrücklich angegebenen oder beschriebenen in der Ausführungsform vorhanden sein. Eine alternative Ausführungsform des Gegenstands hiervon kann jedoch so angegeben oder beschrieben werden, dass sie im Wesentlichen aus bestimmten Merkmalen oder Elementen besteht, wobei in der Ausführungsform Merkmale oder Elemente nicht vorhanden sind, die Durchführungsprinzip oder die unterscheidenden Merkmale der Ausführungsform materiell verändern würden. Eine weitere alternative Ausführungsform des Gegenstands hiervon kann so angegeben oder beschrieben werden, dass sie aus bestimmten Merkmalen oder Elementen besteht, wobei in der Ausführungsform oder in unwesentlichen Variationen davon nur die Merkmale oder Elemente vorhanden sind, die spezifisch angegeben oder beschrieben sind. Zusätzlich soll der Begriff „umfassend” Beispiele enthalten, die durch die Begriffe „im Wesentlichen bestehend aus” und „bestehend aus” umschlossen sind. Auf ähnliche Weise soll der Begriff „im Wesentlichen bestehend aus” Beispiele enthalten, die vom Begriff „bestehend aus” umschlossen sind.Where in this specification, unless expressly stated otherwise or otherwise dictated by the context of use, an embodiment of the subject matter hereof is described or described to include, include, contain, consist of, consist of, or consist of, certain features or elements, one or more features, or Elements in addition to those expressly specified or described herein may be present in the embodiment. However, an alternative embodiment of the subject matter hereof may be stated or described as consisting essentially of particular features or elements, which features or elements are not present in the embodiment that would materially alter the implementation principle or features of the embodiment. A further alternative embodiment of the subject matter hereof may be indicated or described as consisting of particular features or elements, with only those features or elements specifically indicated or described being present in the embodiment or in insubstantial variations thereof. In addition, the term "comprising" is intended to include examples encompassed by the terms "consisting essentially of" and "consisting of". Similarly, the term "consisting essentially of" is intended to include examples encompassed by the term "consisting of".
Wenn eine Menge, Konzentration oder ein anderer Wert oder Parameter als ein Bereich, bevorzugter Bereich oder eine Liste oberer bevorzugter Werte und unterer bevorzugter Werte angegeben wird, muss dies als spezifische Angabe aller Bereiche verstanden werden, die von jedem Paar aus einer oberen Bereichsgrenze oder einem bevorzugten Wert und einer unteren Bereichsgrenze oder einem bevorzugten Wert gebildet wird, unabhängig davon, ob Bereiche separat angegeben werden. Wo hierin ein Bereich numerischer Werte rezitiert wird, soll der Bereich außer bei anderslautender Angabe die Endpunkte davon und alle Ganzzahlen und Fraktionen innerhalb des Bereichs einschließen. Es ist nicht beabsichtigt, dass die Reichweite der Erfindung auf die spezifischen rezitierten Werte beschränkt ist, wenn ein Bereich definiert wird.When an amount, concentration, or other value or parameter is given as an area, preferred range, or list of upper preferred values and lower preferred values, this must be understood as specifying all areas of each pair from an upper bound or one preferred value and a lower range limit or a preferred value is formed, regardless of whether ranges are specified separately. Where recited herein is a range of numerical values, unless otherwise specified, the scope should include the endpoints thereof and all integers and fractions within the range. It is not intended that the scope of the invention be limited to the specific recited values when defining a range.
In dieser Beschreibung können ohne ausdrückliche anderslautende Angabe oder gegensätzliche Vorgabe durch den Verwendungskontext die hierin angeführten Mengen, Größen, Bereiche, Formulierungen, Parameter und anderen Quantitäten und Merkmale, besonders wenn sie durch den Ausdruck „ca.” modifiziert sind, exakt sein, müssen es aber nicht, und können auch ungefähr und/oder größer oder kleiner (beliebig) als angegeben sein, Toleranzen, Umwandlungsfaktoren, Abrunden, Messfehler u. ä. widerspiegeln, sowie die Einbindung in einen angegeben Wert von jenen Werten außerhalb davon, die im Kontext dieser Erfindung eine funktionelle und/oder operierbare Äquivalenz zum angegeben Wert haben.In this description, unless expressly stated otherwise or as otherwise dictated by the context of use, the amounts, sizes, ranges, phrases, parameters, and other quantities and features set forth herein, particularly as modified by the term "approx.", Must be exact but not, and may also be approximately and / or greater or lesser (arbitrary) than specified, tolerances, conversion factors, rounding, measurement errors, and the like. and incorporating into a given value those values outside of which, in the context of this invention, have a functional and / or operable equivalence to the indicated value.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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