TWI389323B - 鋁膏組成物及使用其之太陽電池元件 - Google Patents

Description

鋁膏組成物及使用其之太陽電池元件

本發明係關於一般的鋁膏組成物及使用其之太陽電池元件，特定而言，係關於在構成結晶系矽太陽電池的p型矽半導體基板上，形成背面鋁電極之際所使用的鋁膏組成物、及使用其之太陽電池元件。

在矽半導體基板上形成有電極的電子零件，已知有如日本專利特開2000－90734號公報、特開2004－134775號公報中所揭示的太陽電池元件。

圖1所示係太陽電池元件的一般截面構造示意圖。

如圖1所示，太陽電池元件係使用厚度220~300 μ m的p型矽半導體基板1構成。在矽半導體基板1的受光面側，係形成厚度0.3~0.6 μ m的n型雜質層2、以及其上面的抗反射膜3與柵極4。

且，在p型矽半導體基板1之背面側形成鋁電極層5。鋁電極層5係將由鋁粉末、玻璃料(glass flit)及有機質載體所構成之鋁膏組成物，利用網版印刷等施行塗佈，經乾燥後，利用660℃(鋁之融點)以上的溫度施行短時間燒製而形成。在進行燒製之際，因鋁擴散於p型矽半導體基板1之內部，在鋁電極層5與p型矽半導體基板1之間形成Al－Si合金層6，同時因鋁原子的擴散而形成作為雜質層的p^＋ 層7。因該p^＋ 層7的存在，可防止電子再結合，獲得提升生成載子收集效率的BSF(Back Surface Field)效果。

例如日本專利特開平5－129640號公報所揭示，將由鋁電極層5與Al－Si合金層6構成的背面電極8利用酸等去除之後，再利用新的銀膏等形成集電極層的太陽電池元件已實用化。然而，為了將背面電極8去除而所使用的酸必需進行廢棄處理，因而有為了施行該項去除步驟而導致步驟趨於繁雜等問題。為迴避此種問題，最近大多採行留下背面電極8，直接利用作為集電極而構成太陽電池元件。

但是，最近為降低太陽電池的成本，探討削薄矽半導體基板之可能性。可是，若將矽半導體基板削薄，將因矽與鋁之熱膨脹係數差，而導致在鋁膏組成物燒製後，造成形成背面電極層的背面側出現凹狀的矽半導體基板變形，而發生翹曲狀況。為能抑制翹曲的發生，便有減少鋁膏組成物的塗佈量，將背面電極層削薄的方法。然而，若減少鋁膏組成物的塗佈量，於燒製時，容易有在背面電極層上發生起泡(blister)或鋁球之狀況。因而，在太陽電池的製造步驟中將導致矽半導體基板發生龜裂等現象，結果便出現太陽電池製造良率降低的問題。

作為解決該等問題的方法，提案有各種鋁膏組成物。

在日本專利特開2004－134775號公報中揭示，作為在燒製時能縮小電極膜的燒製收縮而抑制Si晶圓翹曲情形的導電性膏劑，係除鋁粉末、玻璃料及有機質載體之外，尚在該有機質載體中含有難溶解性或非溶解性粒子，該粒子係有機化合物粒子或碳粒子中之至少1種。

再者，在日本專利特開2005－191107號公報中揭示太陽電池元件之製造方法，其可獲得能抑制背面電極中鋁球．凸塊形成與電極膨脹現象的高特性背面電極，且降低半導體基板翹曲情形，具有高生產性；在該製造方法中所使用的鋁膏，係含有依體積基準所獲得累積粒度分佈的平均粒徑D_{5 0} 為6~20 μ m，且粒徑為平均粒徑D_{5 0} 一半以下的粒子佔總粒度分佈的比例為15%以下的鋁粉末。

然而，即使使用該等鋁膏，在燒製時仍無法充分抑制背面電極層發生起泡或鋁球情形，而無法充分降低半導體基板的翹曲狀況。

緣是，本發明之目的在於解決上述問題，將提供一種於燒製時可抑制背面電極層發生起泡或鋁球情形，且即便使用較薄的矽半導體基板仍可降低翹曲狀況，可達成高BSF效果與能量轉換效率的鋁膏組成物，以及具有使用該組成物所形成之電極的太陽電池元件。

本發明者等為解決習知技術問題，經深入鑽研，結果發現藉由使用具有特定組成的鋁膏組成物，便可達成上述目的。根據該發現，依照本發明的鋁膏組成物係具備如下的特徵。

依照本發明的鋁膏組成物係供在矽半導體基板上形成電極的膏組成物，包含有：鋁粉末、有機質載體、及可塑劑。

再者，本發明的鋁膏組成物中，可塑劑最好從酞酸酯系、己二酸酯系、磷酸酯系、偏苯三酸(trimellitic acid)酯系、檸檬酸酯系、環氧系及聚酯系所構成群組中選擇之至少1種。

再者，本發明的鋁膏組成物中，可塑劑含有量最好在該膏組成物中含有0.05質量%以上且10質量%以下。

另外，本發明的鋁膏組成物最好進一步含有玻璃料。

依照本發明的太陽電池元件，係具備有：將具有上述任一項特徵的鋁膏組成物塗佈於矽半導體基板上之後，經燒製而形成的電極。

如上述，依照本發明，藉由使用含有可塑劑的鋁膏組成物，便可抑制在矽半導體基板背面所形成的鋁電極層上發生起泡或鋁球等狀況，且即便使用較薄的矽半導體基板仍可降低翹曲情形，可提升太陽電池元件的製造良率。

再者，依照本發明，藉由使用含有可塑劑的鋁膏組成物，便可達成高BSF效果與能量轉換效率。

本發明鋁膏組成物的特徵在於，除鋁粉末與有機質載體之外，尚含有可塑劑。

本發明中，可塑劑係為了能對某個材料賦予柔軟性、或容易進行加工而所添加的物質，主要係為了能將以氯化乙烯為主成分的塑膠軟化而使用，大部分係屬於由酸與醇合成的化合物(一般所謂的「酯」)。

本發明之鋁膏組成物中所含可塑劑並無特別限制，除通用性高的酞酸酯之外，尚可使用諸如己二酸酯系、磷酸酯系、偏苯三酸酯系、檸檬酸酯系、環氧系、聚酯系等任一者。

特別係諸如：酞酸二甲酯(DMP)、酞酸二乙酯(DEP)、酞酸二丁酯(DBP)、酞酸二辛酯(DOP)、酞酸二正辛酯(DnOP)、酞酸二異壬酯(DINP)、酞酸二壬酯(DNP)、酞酸二異癸酯(DIDP)、酞酸丁基苄酯(BBP)等酞酸酯均頗適用作為可塑劑。

該等可塑劑亦可混合使用2種以上。

本發明之鋁膏組成物中所含可塑劑的含有量，最好在該膏組成物中，含有0.05質量%以上、10質量%以下。尤以0.3質量%以上、7質量%以下為佳。若可塑劑含有量未滿0.05質量%，則在燒製時，在抑制背面電極層發生起泡或鋁球狀況，且即便使用較薄的矽半導體基板仍可降低翹曲情形方面，將無法獲得充分的效果。反之，若可塑劑含有量超過10質量%，將頗難達成高BSF效果與能量轉換效率。

本發明之鋁膏組成物中所含鋁粉末的含有量，最好60質量%以上、80質量%以下。若鋁粉末含有量未滿60質量%，燒製後的鋁電極層電阻將增加，恐將導致太陽電池的能量轉換效率降低。若鋁粉末含有量超過80質量%，則施行網版印刷等時的鋁膏劑塗佈性將降低。

本發明可使用平均粒徑1~20 μ m的廣範圍鋁粉末，當調配於鋁膏組成物中之時，最好使用2~15 μ m者尤以3~10 μ m者為佳。若平均粒徑未滿1 μ m，鋁粉末的比表面積將增加，最好避免。若平均粒徑超過20 μ m，當含鋁粉末而構成鋁膏組成物之時，將無法獲得適當的黏度，最好避免。此外，本發明鋁膏組成物中所含之鋁粉末，就粉末形狀與粉末製造方法並無特別的限制。

本發明鋁膏組成物中所含之有機質載體，係使用在溶劑中視需要溶解有各種添加劑及樹脂的物質。

溶劑係可使用周知物，具體可舉例如：二乙二醇單丁醚、二乙二醇單丁醚醋酸酯、二丙二醇單甲醚等。

各種添加劑係可使用諸如：抗氧化劑、腐蝕抑制劑、消泡劑、增黏劑、分散劑、增黏劑、偶合劑、靜電增加劑、聚合終止劑、搖變劑、防沉澱劑等。

具體係可使用諸如：聚乙二醇酯化合物、聚乙二醇醚化合物、聚氧乙烯山梨糖醇酐酯化合物、山梨糖醇酐烷基酯化合物、脂肪族多元羧酸化合物、燐酸酯化合物、聚酯酸的醯胺胺鹽、氧化聚乙烯系化合物、脂肪酸醯胺蠟等。

樹脂係可使用周知物，可使用諸如：乙基纖維素、硝化纖維素、聚乙烯縮丁醛、酚樹脂、三聚氰胺樹脂、脲樹脂、二甲苯樹脂、醇酸(alkyd)樹脂、不飽和聚酯樹脂、丙烯酸系樹脂、聚醯亞胺樹脂、呋喃樹脂、胺基甲酸乙酯樹脂、異氰酸酯化合物、氰酸酯化合物等熱硬化樹脂；聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚縮醛、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚二苯醚(polyphenylene oxide)、聚碸、聚醯亞胺、聚醚碸、聚芳酯、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、矽樹脂等，該等係可組合使用2種以上。另外，在本發明鋁膏組成物所含有機質載體中，亦含有未將樹脂溶解者。

有機質載體含有量最好10質量%以上、40質量%以下。

若有機質載體含有量未滿10質量%、或超過40質量%，將導致膏劑之印刷性降低。

再者，本發明的鋁膏組成物為能更進一步強化鋁電極層與p型矽半導體基板的結合，亦可含有玻璃料。玻璃料含有量最好在5質量%以下。若玻璃料含有量超過5質量%，恐將發生玻璃偏析現象。太陽電池之背面電極形成用鋁膏中所含的玻璃料，已知含有PbO－B₂ O₃ －SiO₂ 系、PbO－B₂ O₃ －Al₂ O₃ 系、PbO－B₂ O₃ －ZnO系、Bi₂ O₃ －B₂ O₃ －SiO₂ 系、Bi₂ O₃ －B₂ O₃ －ZnO系等氧化物作為主成分的物質。玻璃料最好使用不致對環境造成不良影響的無鉛玻璃，亦可使用含鉛玻璃。

本發明鋁膏組成物中的玻璃料含有量並無特別的限制，最好8質量%以下。若玻璃料含有量超過8質量%，將發生玻璃偏析現象，導致鋁電極層的電阻增加，恐將造成太陽電池的發電效率降低。玻璃料含有量的下限值並無特別的限制，通常設定在0.1質量%以上。若玻璃料含有量的下限值未滿0.1質量%，則鋁與矽的反應將嫌不足，恐將無法充分獲得BSF效果。

本發明鋁膏組成物中所含玻璃料粒子的平均粒徑並無特別的限制，最好在20 μ m以下。

(實施例)

以下，針對本發明之一實施例進行說明。

首先，製作含有：鋁粉末60~75質量%、有機載體20~30質量%、玻璃料0.3~5.0質量%範圍內，且添加物依表1所示比例含有的各種鋁膏組成物。

具體而言，在將乙基纖維素溶解於乙二醇醚系有機溶劑中的有機質載體中，添加鋁粉末與B₂ O₃ －SiO₂ －PbO系玻璃料，進一步添加如表1所示各種可塑劑的添加物，並利用周知混合機進行混合，而製成鋁膏組成物(實施例1~13)。此外，依如同上述的方法，如表1所示，製作未含添加物、或雖未含可塑劑作為添加劑但含有其他添加物的習知鋁膏組成物(習知例1~3)。

其中，鋁粉末係就從與p型矽半導體基板間的反應性確保、塗佈性及塗佈膜均勻性的觀點，最好使用由平均粒徑2~20 μ m球形、或接近球形之形狀的粒子所構成之粉末。

將上述各種鋁膏組成物於厚220 μ m、大小155mm×155mm的p型矽半導體基板上，使用165篩目的網版印刷板施行塗佈、印刷，並乾燥。塗佈量係設定為乾燥前呈1.5±0.1g/片的狀態。

在將經鋁膏印刷過的p型矽半導體基板施行乾燥後，便利用紅外線連續燒製爐於空氣環境中進行燒製。將燒製爐的燒製區溫度設定為760~780℃、將基板的滯留時間(燒製時間)設定為8~12秒。經燒製後，再施行冷卻，便獲得如圖1所示之在p型矽半導體基板1上形成鋁電極層5與Al－Si合金層6的構造。

依目視計數在矽半導體基板上所形成的鋁電極層5上，平均鋁電極層5測定表面積150×150mm² 的起泡與鋁球產生量，合計值如表1所示。在製造步驟中，為防止矽半導體基板發生龜裂現象，將起泡與鋁球產生量的目標值設定在5以下。

形成鋁電極層並經燒製後的p型矽半導體基板翹曲量，係在經燒製．冷卻後，如圖2所示，將鋁電極層朝上，並將基板四角的對角二端如箭頭P₁ 與P₂ 所示進行按押，藉由測量其餘二端浮起量(含基板厚度)X₁ 與X₂ ，而進行評估。浮起量X₁ 與X₂ 平均值係如表1中「翹曲(mm)」所示。

利用4端子式表面電阻測定器(Napson公司製RG－5型片電阻測定器)，測量對於電極間的歐姆電阻造成影響的背面電極8之表面電阻。測量條件係設定為電壓4mV、電流100mA、對表面的荷重200grf(1.96N)。測定值係如表1中的背面電極表面電阻(mΩ/□)所示。

然後，將形成有背面電極8的p型矽半導體基板浸漬於鹽酸水溶液中，而將鋁電極層5與Al－Si合金層6溶解去除，再利用上述表面電阻測定器測量形成有p^＋ 層7的p型矽半導體基板之表面電阻。測定值係如表1中的p^＋ 層表面電阻(Ω/□)所示。

p^＋ 層7的表面電阻與BSF效果間係具有相關關係，表面電阻越小，BSF效果將越高。其中，目標的表面電阻值，於背面電極8係設定為18mΩ/□以下，於p^＋ 層7則設定為16Ω/□以下。

由表1所示結果得知，相較於未含可塑劑的習知鋁膏組成物(習知例1~3)之下，藉由使用本發明之含可塑劑的鋁膏組成物(實施例1~13)，便可不致降低鋁電極層的電極功能與BSF效果，並可減少翹曲情形，可抑制鋁電極層中產生起泡與鋁球。

以上所揭示實施形態與實施例均僅止於例示而已，不應視為僅侷限於此。本發明的範圍並非上述實施形態與實施例，而是依申請專利範圍所示，舉凡與申請專利範圍具均等意味與範疇內的所有修正與變形均涵蓋在內。

(產業上之可利用性)

依照本發明，藉由使用含有可塑劑的鋁膏組成物，便可抑制在矽半導體基板背面所形成之鋁電極層上產生起泡與鋁球之情形，且即便使用較薄的矽半導體基板仍可減少翹曲情形，可提升太陽電池元件的製造良率。

1．．．p型矽半導體基板(矽半導體基板)

2．．．n型雜質層

3．．．抗反射膜

4．．．柵極

5．．．鋁電極層

6．．．Al－Si合金層

7．．．p^＋ 層

8．．．背面電極(電極)

P₁ ,P₂ ．．．箭頭

X₁ ,X₂ ．．．浮起量

圖1為一實施形態之應用本發明的太陽電池元件一般截面構造示意圖。

圖2為實施例與習知例中，在形成鋁電極層的燒製後，測量p型矽半導體基板翹曲量的方法示意圖。

1．．．p型矽半導體基板(矽半導體基板)

2．．．n型雜質層

3．．．抗反射膜

4．．．柵極

5．．．鋁電極層

6．．．Al－Si合金層

7．．．p^＋ 層

8．．．背面電極(電極)

Claims (3)

1. 一種鋁膏組成物，係用以在矽半導體基板上形成電極的膏組成物，包含有：鋁粉末、有機質載體、及3.0質量%以上且10.5質量%以下之酞酸酯系之可塑劑。
2. 如申請專利範圍第1項之鋁膏組成物，其中，進一步含有玻璃料(glass flit)。
3. 一種太陽電池元件，係具備有電極，其係將申請專利範圍第1項之鋁膏組成物塗佈於矽半導體基板上之後，經燒製而形成。