制備mwt太陽能電池電極中的包含粗無機氧化物顆粒的導電漿料的制作方法
【專利說明】制備MWT太陽能電池電極中的包含粗無機氧化物顆粒的導 電漿料 發明領域
[0001 ] 本發明涉及一種制備太陽能電池中的電極，特別是制備MffT太陽能電池中的電 極，特別是制備該類太陽能電池中的金屬穿孔卷繞(metal wrap through)或插入式(plug) 電極且包含粗無機氧化物顆粒的導電漿料。特別地，本發明涉及一種太陽能電池前體、一種 制備太陽能電池的方法、一種太陽能電池和一種包含太陽能電池的組件。
[0002] 發明背景
[0003] 太陽能電池是利用光伏效應將光能轉化成電力的裝置。太陽能是有吸引力的綠色 能源，因為其可持續且僅產生非污染性副產物。因此，目前已進行了大量研究以開發具有提 高的效率，同時持續降低材料和生產成本的太陽能電池。當光照在太陽能電池上時，一部分 入射光被表面反射，而剩余部分傳遞至太陽能電池中。傳遞的光子被太陽能電池吸收，太陽 能電池通常由半導電材料制成，例如通常被適當摻雜的硅。吸收光子的能量激發半導電材 料的電子，從而產生電子-空穴對。然后，這些電子-空穴對被p-n結分離且被太陽能電池 表面上的導電電極收集。圖2顯示了簡單太陽能電池的最小結構。
[0004] 太陽能電池非常普遍地基于硅（通常呈Si晶片形式）。此處，P-n結通常通過提 供η型摻雜的Si襯底并在一個面上施加 p型摻雜層，或者通過提供p型摻雜的Si襯底并 在一個面上施加 η型摻雜層而制備，從而在兩種情況下均獲得所謂的p-n結。具有所施加 的摻雜劑層的面通常作為電池的正面，具有初始摻雜劑的Si相對側作為背面。η型和p型 太陽能電池都是可能的，且已工業開發。設計成在兩面上均利用入射光的電池也是可能的， 但其應用并不廣泛。
[0005] 為了使太陽能電池正面上的入射光進入并吸收，正面電極通常設置成兩組垂直的 直線，分別稱為"柵線（finger)"和"匯流條"。柵線形成與正面的電接觸，而匯流條將這些 柵線連接，從而允許有效地將電荷提取到外部電路中。對柵線和匯流條的該設置而言，通常 以導電漿料的形式施加，將其焙燒以形成固體電極體。背面電極通常也以導電漿料的形式 施加，然后將其焙燒以獲得固體電極體。
[0006] 制備太陽能電池的另一種方法是借助正面電極的背接觸而提高正面吸收的入射 光比例。在所謂的MWT("金屬穿孔卷繞"）太陽能電池中，太陽能電池正面上的電極通過連 接正面和背面且包含電極材料的通道與背面接觸，這通常稱為金屬穿孔卷繞電極或插入式 電極。
[0007] 典型的導電漿料包含金屬顆粒、無機反應體系和有機載體。
[0008] 本領域需要具有改進的性能的太陽能電池，尤其是具有改進的性能的MffT太陽能 電池。
[0009] 發明簡述
[0010] 本發明通常基于如下目的：克服與太陽能電池有關，尤其是與金屬穿孔卷繞太陽 能電池有關，尤其是與金屬穿孔卷繞電極的機械和電性能有關的現有技術中所遇到的至少 一個問題。
[0011] 更具體地，本發明進一步基于提供一種金屬穿孔卷繞電極的目的，其顯示出與MffT 太陽能電池中通道的Si表面的低電接觸和優選還有高物理粘合性，優選同時顯示出太陽 能電池的其他有利的電和物理性能。
[0012] 對實現至少一個上述目的的貢獻由構成本發明權利要求的主題類別作出。其他貢 獻由代表本發明具體實施方案的本發明從屬權利要求的主題作出。
[0013] 詳細描述
[0014] 對實現至少一個上述目的的貢獻由一種太陽能電池前體作出，其至少包含如下作 為前體部件：
[0015] i)具有至少一個孔的晶片，其中所述孔具有Si表面；
[0016] ii)由所述孔包含的導電漿料，其至少包含如下作為漿料成分：
[0017] a)金屬顆粒；
[0018] b)無機反應體系；
[0019] c)有機載體；和
[0020] d)無機氧化物顆粒，其
[0021] 不具有低于約750°C，優選低于約900°C，更優選低于約1100°C的玻璃化轉變溫 度，
[0022] 或者具有比所述無機反應體系的玻璃化轉變溫度高至少約50K，優選高至少約 100K，更優選高至少約200K的玻璃化轉變溫度；和
[0023] e)添加劑。
[0024] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述無機氧化物顆粒以約0. 1-約 22重量％，優選約1-約15重量％，更優選約3-約10重量％存在，基于漿料的總重量。
[0025] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述漿料進一步包含含釩化合物。 在該實施方案的一個方面中，所述含釩化合物的釩含量為約〇. 05-約12重量％，優選約 0. 05-約8重量％，更優選約1-約5重量％，基于漿料的總重量。在該實施方案的另一方面 中，所述含釩化合物的釩含量與所述無機氧化物顆粒中的除氧之外的元素含量的重量比為 約7:1-約2:1，優選為約6:1-約3:1，更優選為約5:1-約7:2。在該實施方案的另一方面 中，所述含釩化合物為V 2O5。
[0026] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述漿料進一步包含選自如下組的 含磷物質：元素磷、含磷化合物或二者。在該實施方案的一個方面中，所述含磷物質的磷含 量以約0. 1-約22重量％，優選約0. 1-約15重量％，更優選約0. 2-約5重量％存在于所 述漿料中，基于該漿料的總重量。在該實施方案的另一方面中，所述含磷物質的磷含量與所 述無機氧化物顆粒中除氧之外的元素含量的重量比為約1:9-約2:1，更優選為約1:7-約 1:1，最優選為約1:5-約1:2。在該實施方案的另一方面中，所述含磷物質為紅磷或磷氧化 物。
[0027] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述無機反應體系以約0. 1-約5重 量％，優選0. 3-3重量％，更優選0. 5-2重量％存在于所述漿料中。
[0028] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述無機氧化物顆粒為SiO2顆粒。
[0029] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述無機氧化物顆粒具有大于約 8 μ m，優選大于約10 μ m，更優選大于約12 μ m的d5。值。在一些情況下，無機氧化物的d5。值 高達20mm或更小。
[0030] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述無機反應體系為玻璃料。
[0031] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，至少一個孔為連接晶片正面和背面 的通道。
[0032] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，至少一個孔中的Si表面包含至少 一個P型摻雜的部分和至少一個η型摻雜的部分。
[0033] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述金屬顆粒為Ag顆粒。
[0034] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，所述漿料與孔的Si表面直接接觸。
[0035] 在本發明太陽能電池前體的一個實施方案中，在所述晶片的正面上存在其他導電 漿料。在另一實施方案中，在所述晶片的背面上存在至少一種其他導電漿料。在又一實施 方案中，在所述晶片的背面和正面上均存在其他導電漿料。
[0036] 在所述太陽能電池前體的一個實施方案中，至少50重量％，優選至少70重量％， 更優選至少90重量％的無機氧化物顆粒保留在230目篩上。
[0037] 對實現至少一個上述目的的貢獻由一種制備太陽能電池的方法作出，其至少包括 如下步驟：
[0038] i)提供本發明的太陽能電池前體；
[0039] ii)焙燒所述太陽能電池前體以獲得太陽能電池。
[0040] 在該實施方案的一個方面中，步驟i)的提供至少包括如下步驟：
[0041] a)提供具有呈相反摻雜類型的背面摻雜層和正面摻雜層的Si晶片；
[0042] b)在所述晶片中產生至少一個孔；
[0043] c)將導電漿料引入至少一個孔中以獲得本發明太陽能電池前體。
[0044] 對實現至少一個上述目的的貢獻由可通過本發明方法獲得的太陽能電池實現。
[0045] 在本發明太陽能電池的一個實施方案中，所述太陽能電池至少包含如下作為太陽 能電池部件：
[0046] i)具有至少一個孔的晶片，所述孔具有Si表面；
[0047] ii)由所述孔包含的電極，
[0048] 其中電極與Si表面接觸的表面處的電極中的玻璃濃度高于電極主體中的濃度。
[0049] 對實現至少一個上述目的的貢獻由一種包含至少一個本發明太陽能電池和至少 一個其他太陽能電池的組件作出。
[0050] 晶片
[0051] 根據本發明，優選的晶片為相對于太陽能電池的其他區域，尤其能以高效率吸收 光，從而產生電子-空穴對，且以高效率通過邊界，優選通過所謂的p-n結邊界分離空穴和 電子的區域。根據本發明，優選的晶片為包含由正面摻雜層和背面摻雜層組成的單一物體 的那些。
[0052] 優選晶片由適當摻雜的四價元素、二元化合物、三元化合物或合金組成。就此而 言，優選的四價元素為Si、Ge或Sn，優選Si。優選的二元化合物為兩種或更多種四價元素 的組合、第III族元素與第V族元素的二元化合物、第II族元素與第VI族元素的二元化合 物或第IV族元素與第VI族元素的二元化合物。優選的四價元素組合為兩種或更多種選自 Si、Ge、Sn或C的元素的組合，優選SiC。優選的第III族元素與第V族元素的二元化合物 為GaAs。根據本發明，最優選晶片基于Si。作為最優選的晶片材料，Si在本申請的其余部 分明確指出。其中明確提及Si的下文文本部分也適用于上述其他晶片組成。
[0053] 晶片的正面摻雜層與背面摻雜層相遇之處即為p-n結邊界。在η型太陽能電池中， 背面摻雜層摻雜有給電子性η型摻雜劑，且正面摻雜層摻雜有電子接受性或給空穴性ρ型 摻雜劑。在P型太陽能電池中，背面摻雜層摻雜有P型摻雜劑，且正面摻雜層摻雜有η型摻 雜劑。根據本發明，優選通過首先提供摻雜的Si襯底，然后在該襯底的一面施加相對類型 的摻雜層而制備具有p-n結邊界的晶片。
[0054] 摻雜的Si襯底是本領域技術人員所公知的。摻雜的Si襯底可以以本領域技術人 員所已知且認為適于本發明上下文中的任何方式制備。本發明Si襯底的優選來源為單晶 Si、多晶Si、無定形Si和升級冶金級Si，其中最優選單晶Si或多晶Si。用于形成摻雜Si襯 底的摻雜可通過在制備Si襯底期間添加摻雜劑而同時進行，或者可在隨后步驟中進行。Si 襯底制備后的摻雜可例如通過氣體擴散外延生長進行。摻雜Si襯底也可容易地市購。根 據本發明，一種選擇是首先在其形成的同時通過將摻雜劑添加至Si混合物中而摻雜Si襯 底。根據本發明，一種選擇是通過氣相外延生長施加正面摻雜層和存在的話高度摻雜的背 面層。該氣相外延生長優選在約500-約900 °C，更優選約600-約800 °C，最優選約650-約 750°C的溫度和約2-約lOOkPa，優選約10-約80kPa，最優選約30-約70kPa的壓力下進行。
[0055] 本領域技術人員已知Si襯底可具有許多種形狀、表面織構和尺寸。所述形狀可為 許多不同形狀之一，尤其包括立方體、盤狀、晶片和不規則多邊形。根據本發明，優選的形狀 為晶片狀，其中晶片為具有兩個類似，優選相等的尺寸和顯著小于其他兩個尺寸的第三尺 寸的立方體。就此而言，"顯著小于"優選小至少約100倍。
[0056] 各種表面類型是本領域技術人員所已知的。根據本發明，優選具有粗糙表面的Si 襯底。一種評價襯底粗糙度的方式是評估襯底子表面（sub-surface)的表面粗糙度參數， 該子表面與襯底的總表面積相比較小，優選小于總表面積的約百分之一，且基本上是平面 的。表面粗糙度參數的值由子表面的面積與通過將所述子表面投射至與該子表面最佳擬合 (通過使均方位移最小化而擬合）的平面上而形成的理論表面的面積之比給出。表面粗糙 度參數的值越高，則表明越粗糙、越不規則的表面，而表面粗糙度參數的值越小，則表明越 光滑、越平整的表面。根據本發明，優選對Si襯底的表面粗糙度進行調節以使得在許多因 素之間產生最佳平衡，所述因素包括但不限于光吸收和柵線與表面的粘合性。
[0057] 可改變Si襯底的兩個較大尺寸以適應所得太陽能電池所需的應用。根據本發明， 優選Si晶片的厚度小于約0. 5_，更優選小于約0. 3_，最優選小于約0. 2_。一些晶片具 有約0.0 lmm或更高的最小尺寸。
[0058] 根據本發明，優選正面摻雜層比背面摻雜層薄。根據本發明，優選正面摻雜層具有 約0· 1-約10 μ m，優選約0· 1-約5 μ m，最優選約0· 1-約2 μ m的厚度。
[0059] 可將高度摻雜的層在背面摻雜層和任何其他層之間施加至Si襯底的背面。該高 度摻雜的層具有與背面摻雜層相同的摻雜類型，且該層通常標記為+ (n+型層施加至η型背 面摻雜層，P+型層施加至P型背面摻雜層）。該高度摻雜的背面層用于輔助金屬化和改善 襯底/電極界面區域處的導電性能。根據本發明，優選該高度摻雜的背面層（如果存在的 話）具有約1-約100 μ m，優選約1-約50 μ m，最優選約1-約15 μ m的厚度。
[0060] 摻雜劑
[0061] 優選的摻雜劑為在添加至Si晶片中時通過在能帶結構中引入電子或空穴而形成 p-n結邊界的那些。根據本發明，優選這些摻雜劑的確定和濃度可經特別選擇，從而根據需 要調節p-n結的能帶結構輪廓并設定光吸收和導電性譜。根據本發明，優選的p型摻雜劑為 將空穴添加至Si晶片能帶結構中的那些。它們是本領域技術人員所公知的。可使用本領 域技術人員所已知且認為適于本發明上下文的所有摻雜劑作為P型摻雜劑。根據本發明， 優選的P型摻雜劑為三價元素，特別是周期表第13族的那些。