導電糊料及包含用其形成的電極的電子器件和太陽能電池的製作方法
2023-10-11 07:11:09 1
專利名稱：導電糊料及包含用其形成的電極的電子器件和太陽能電池的製作方法
技術領域：
本公開內容涉及導電糊料、及包含使用所述導電糊料形成的電極的電子器件和太陽能電池。
背景技術：
太陽能電池是將太陽能轉化為電能的光電轉換器件。作為潛在地無限的且基本上無汙染的下一代能源，太陽能電池已經吸引了許多關注。太陽能電池包含ρ型和η型半導體。當通過所述半導體的光活性層中吸收的光產生電子-空穴對(「ΕΗΡ」)時，所述太陽能電池通過如下產生電能使電子和空穴分別遷移至所述η型半導體和ρ型半導體，然後在所述太陽能電池的相應電極中收集所述電子和空穴。期望地，太陽能電池具有儘可能高的由太陽能產生電能的效率。為了改善該效率， 太陽能電池期望地以最小的損耗吸收光，使得其可產生儘可能多的電子-空穴對，然後收集所產生的電荷而沒有的顯著損耗。電極可使用沉積方法製造，所述沉積方法可包括複雜的工藝、具有高的成本並且可花費長的時間。因此，已提出了簡化方法，例如對包含導電材料的導電糊料進行絲網印刷。然而，使用導電糊料形成的電極可由於導電糊料中包含的玻璃粉而具有低的導電性。因此，仍需要改進的導電糊料。
發明內容
一個實施方式提供能夠改善電極導電性的導電糊料。另一實施方式提供包含電極的電子器件，所述電極包括燒結的導電糊料。又一實施方式提供包含電極的太陽能電池，所述電極包括燒結的導電糊料。根據一個實施方式，公開導電糊料，其包含導電粉末、金屬玻璃、和有機載體(媒介物，vehicle)。本文中，所述金屬玻璃包括選自如下的至少兩種元素的合金具有低電阻率的元素、與所述導電粉末形成固溶體的元素、具有高氧化電勢的元素，其中所述具有低電阻率的元素具有小於約100微歐-釐米的電阻率，和所述具有高氧化電勢的元素具有約100 千焦/摩爾或更大的氧化物形成吉布斯(Gibbs)自由能絕對值。所述導電粉末可包括銀、鋁、銅、鎳、或者其組合。所述導電粉末可具有約Inm 約50 μ m的尺寸範圍。所述具有低電阻率的元素可具有小於約15微歐-釐米的電阻率。所述具有低電阻率的元素可包括選自如下的至少一種銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、 鋁(Al)、鈣(Ca)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鉬(Mo)、鎢(W)、錫(Sn)、鋅(Zn),If (Ni)、鉀 (K)、鋰(Li)、鐵(Fe)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銣(Rb)、鉻(Cr)、和鍶(Sr)。所述與所述導電粉末形成固溶體的元素可具有小於OkJ/mol的與所述導電粉末的混合熱。
所述與所述導電粉末形成固溶體的元素可包括選自如下的至少一種鑭(La)、鈰 (Ce)、鐠(Pr)、鉕(Pm)、釤(Sm)、鑥(Lu)、釔(Y)、釹(Nd)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、 鉺(Er)、銩(Tm)、釷(Th)、鈣(Ca)、鈧( )、鋇(Ba)、鐿(Yb)、鍶(Sr)、銪(Eu)、鋯(Ir)M (Li)、鉿(Hf)、鎂(Mg)、磷(P)、砷(As)、鈀(Pd)、金(Au)、鈽(Pu)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、鋁(Al)、 鋅(Si)、銻(Sb)、矽(Si)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鎘(Cd)、銦 an)、鉬(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、鈾 (U)、鎳(Ni)、釕(Ru)、鎝(Tc)、錳(Mn)、鈷(Co)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鋨(Os)、釩(V)、鐵(Fe)、 鉻(Cr)、錸(Re)、鉬(Mo)、銀(Ag)、鎢(W)、鈹(Be)、硼(B)、銅(Cu)、和汞(Hg)。所述具有高氧化電勢的元素可包括選自如下的至少一種銅、鈦、釕、鎘、鋅、銠、 鉀、鈉、鎳、鉍、錫、鋇、鍺、鋰、鍶、鎂、鈹、鉛、鈣、鉬、鎢、鈷、銦、矽、鎵、鐵、鋯、鉻、硼、錳、鋁、 鑭、釹、鈮、釩、釔、和鈧。可以約30 約99重量％、約0. 1 約20重量％、和約0. 9 約69. 9重量％的量包括所述導電粉末、所述金屬玻璃和所述有機載體，基於所述導電糊料的總重量。所述金屬玻璃可為基本上無定形的。所述金屬玻璃可具有約5°C 約200°C的過冷液體區域。所述金屬玻璃可包含銅(Cu)和鋯(Zr)。在此情況下，所述金屬玻璃可進一步包含選自如下的至少一種鋁(Al)、銀(Ag)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鐵(Fe),IE (Pd)、和鉿(Hf)。可以約10原子％或更少的量包含選自鋁(Al)、銀(Ag)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、鈀(Pd)、和鉿(Hf)的至少一種，基於所述金屬玻璃的總量。根據另一實施方式，電子器件包含使用所述導電糊料形成的電極。所述電極可具有約Ik Ω cm2或更小的接觸電阻。所述電極可具有約IOm Ω cm或更小的電阻率。根據另一實施方式，太陽能電池包括半導體基底，以及與所述半導體基底電連接並且使用所述導電糊料形成的電極。所述電極可具有約Ik Ω cm2或更小的接觸電阻。所述電極可具有約IOm Ω cm或更小的電阻率，所述電極可包括緩衝層，其位於與所述半導體基底相鄰的區域；和電極部分，其位於除所述緩衝層之外的區域。
通過參照附圖進一步詳細地描述本公開內容的示例性實施方式，本公開內容的以上和其它方面、優點和特徵將變得更加明晰，其中圖1 3是對半導體基底上的導電粉末和金屬玻璃進行熱處理的實施方式的示意圖；圖4A 4C是顯示圖3的區域A的放大圖的示意圖；圖5是太陽能電池的一個實施方式的橫截面圖；和圖6是太陽能電池的另一實施方式的橫截面圖。
具體實施例方式下文中將參照其中示出了各種實施方式的附圖進一步詳細地描述示例性實施方式。然而，本公開內容可體現為許多不同的形式並且不應解釋為限於本文中所闡述的示例性實施方式。如本文中使用的術語「和/或」包括相關列舉項目的一個或多個的任意和所有組合。將理解，雖然術語「第一」、「第二」、「第三」等可在本文中用於描述各種元件、組分、區域、層、和/或部分，但這些元件、組分。區域、層、和/或部分不應受這些術語限制。這些術語僅用於將一個元件、組分、區域、層、或部分與另一元件、組分、區域、層、或部分區分開。因此，以下討論的第一 「元件」、「組分」、「區域」、「層」、或「部分」可稱為第二元件、組分、區域、 層、或部分，而不背離本文中的教導。本文中使用的術語僅用於描述具體實施方式
並且不意圖為限制性的。如本文中使用的單數形式「一個(種)」和「該」還意圖包括複數形式，除非上下文另外清楚地說明。還將理解，術語「包括」和/或「包含」或者「含有」和/或「含」在用於本說明書中時表示存在所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件、和/或組分，但是不排除存在或者增加一個或多個其它特徵、區域、整體、步驟、操作、元件、組分、和/或其集合。術語「至少一個(種)」意味著可使用包括所列組元的一個或多個的組合。為了便於描述，在本文中可使用空間相對術語例如「在......之下」、
「在......下面」、「下部」、「在......上方」、「上部」等來描述如圖中所示的一個元件或特
徵與另外的一個或多個元件或特徵的關係。將理解，除圖中所示的方位以外，空間相對術語還意圖包括在使用或工作中的器件的不同方位。例如，如果圖中的器件翻轉，則描述為「在」 其它元件或特徵「下面」或「之下」的元件將定向「在」其它元件或特徵「上方」。因此，示例
性術語「在......下面」可以包括在...上方和在...下面兩種方位。器件可以其它方式
定向(旋轉90度或在其它方位上)，並且本文中所使用的空間相對描述詞相應地解釋。除非另外定義，在本文中使用的所有術語(包括技術和科學術語)的含義與本公開內容所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同。還將理解，術語例如在常用詞典中定義的那些應被解釋為其含義與它們在相關領域和本公開內容的背景中的含義一致，並且不以理想化或過度形式的意義解釋，除非在本文中清楚地如此定義。在本文中參照橫截面圖描述示例性實施方式，橫截面圖是理想化實施方式的示意圖。因而，預期有由於例如製造技術和/或公差導致的圖示形狀的變化。因此，本文中描述的實施方式不應解釋為限於本文圖示的區域的特定形狀，而是包括由於例如製造導致的形狀上的偏差。例如，圖示或描述為平坦的區域典型地可具有粗糙和/或非線性特徵。而且， 圖示的尖銳的角可為圓化的。因此，圖中所示的區域在本質上是示意性的，並且它們的形狀不意圖說明區域的精確形狀且不意圖限制本發明權利要求的範圍。「烷基」指具有1 12個碳原子、更特別地1 6個碳原子的直鏈或支鏈的飽和脂族烴。本文中，術語『元素』指金屬和半金屬。首先，公開導電糊料。根據一個實施方式的導電糊料包含導電粉末、金屬玻璃和有機載體。所述導電粉末可包括選自如下的至少一種金屬或合金含銀(Ag)金屬例如銀或銀合金；含鋁(Al)金屬例如鋁或鋁合金；含銅(Cu)金屬例如銅(Cu)或銅合金；含鎳(Ni) 金屬例如鎳(Ni)或鎳合金；或者其組合。然而，所述導電粉末不限於此，而是可包括其它金屬、非所述金屬或合金的添加劑。所述導電粉末可具有約1納米(nm) 約50微米(μ m)、特別地約0. 1 μ m 約 40 μ m、特別地約0. 5 μ m 約40 μ m、更特別地約1 μ m 約30 μ m的尺寸(例如平均最大粒徑)。所述導電粉末的顆粒可為不規則的，或者具有球形、棒狀、或者板狀的形狀。所述金屬玻璃包括包含兩種或更多種元素的具有無序原子結構的合金。所述金屬玻璃可為無定形金屬。所述金屬玻璃可具有約50 約100重量％、特別地約70 約100 重量％、更特別地約90 100重量％的無定形含量，基於所述金屬玻璃的總重量。由於所述金屬玻璃具有低電阻率且因而不同於絕緣玻璃例如矽酸鹽，因此可認為其在太陽能電池的電壓和電流下為電導體。所述金屬玻璃為選自如下的至少兩種元素的合金具有低電阻率的元素、能夠與所述導電粉末形成固溶體的元素、具有高氧化電勢的元素。所述具有低電阻率的元素具有小於約100微歐-釐米的電阻率，和所述具有高氧化電勢的元素具有約100千焦/摩爾或更大的氧化物形成吉布斯自由能絕對值。所述具有低電阻率的元素可基本上決定所述導電玻璃的導電性。所述具有低電阻率的元素可具有約0. 001 約90 μ Ω cm、特別地約0. 01 約50 μ Ω cm的電阻率。在一個實施方式中，所述具有低電阻率的元素可具有小於約15 μ Qcm的低電阻率。所述具有低電阻率的元素可包括例如選自如下的至少一種銀(Ag)、銅(Cu)、金 (Au)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鉬(Mo)、鎢(W)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、 鉀(K)、鋰(Li)、鐵(Fe)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銣(Rb)、鉻(Cr)、和鍶(Sr)。當存在於所述金屬玻璃中時，所述與所述導電粉末形成固溶體的元素能夠與所述導電粉末形成固溶體。當將所述金屬玻璃加熱至高於所述金屬玻璃的玻璃化轉變溫度(Tg)的溫度時， 其可為軟的，像玻璃一樣，且顯示出類液行為。本文中，由於所述金屬玻璃包含能夠與所述導電粉末形成固溶體的元素，因此所述導電粉末可擴散到軟化的金屬玻璃中。例如，當將包含所述金屬玻璃的導電糊料設置在半導體基底上以形成太陽能電池的電極時，在熱處理期間，所述金屬玻璃變軟。此外，當所述金屬玻璃中包含所述與所述導電粉末形成固溶體的元素時，在熱處理期間，所述導電粉末的顆粒和所述與所述導電粉末形成固溶體的元素形成固溶體，且因此所述導電粉末的顆粒擴散到軟化的金屬玻璃中。最後，當存在所述與所述導電粉末形成固溶體的元素時，所述導電粉末的顆粒可通過軟化的金屬玻璃擴散到半導體基底中。因此，在冷卻之後，在半導體基底的表面處或附近大量產生所述導電粉末的結晶顆粒。這樣，在半導體基底的表面處或附近形成的所述導電粉末的結晶顆粒可改善由太陽能電池在半導體基底中產生的電荷的遷移，從而改善太陽能電池的效率。所述能夠與導電粉末形成固溶體的元素可選自具有小於0千焦/摩爾(kj/mol)、 特別地小於-0. lkj/mol、更特別地小於-0. 5kJ/mol的與所述導電粉末的混合熱(「Hm」) 的元素。例如，當所述導電粉末包含銀(Ag)時，所述與所述導電粉末形成固溶體的元素可包括例如鑭(La)、鋪(Ce)、鐠(ft·)、鉕(Pm)、釤(Sm)、鑥(Lu)、釔(Y)、釹(Nd)、釓(Gd)、 鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、釷(Th)、鈣(Ca)、鈧( )、鋇(Ba)、鐿(Yb)、銀(Sr)、銪(Eu)、鋯(Zr)、鋰(Li)、鉿(Hf)、鎂(Mg)、磷(P)、砷(As)、鈀(Pd)、金(Au)、鈽(Pu)、 鎵(( )、鍺(Ge)、鋁(Al)、鋅(Si)、銻(Sb)、矽(Si)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鎘(Cd)、銦飾)、鉬 (Pt)、或汞(Hg)。與Ag形成固溶體的元素的代表性組合的混合熱列於下表1中。表 1
X-AgHm(kJ/mol)X-AgHm(kJ/mol)X-AgHm(kJ/mol)La-Ag-30Nd-Ag-29Th - Ag-29Ce-Ag-30Gd-Ag-29Ca-Ag-28Pr - Ag-30Tb - Ag-29Sc-Ag-28Pm-Ag-30Dy-Ag-29Ba-Ag-28Sm-Ag-30Ho-Ag-29Yb - Ag-28Lu-Ag-30Er-Ag-29Sr - Ag-27Y-Ag-29Tm-Ag-29Eu - Ag-27Zr - Ag-20Au - Ag- 6Si-Ag- 3Li-Ag-16Pu - Ag- 6Sn-Ag- 3Hf-Ag-13Ga-Ag- 5Ti-Ag- 2Mg-Ag-10Ge-Ag- 5Cd-Ag- 2P-Ag-10Al-Ag- 4In-Ag- 2As - Ag- 8Zn - Ag- 4Pt-Ag-1Pd - Ag-7Sb-Ag- 4Hg-Ag-1例如，當所述導電粉末包含鋁(Al)時，所述與所述導電粉末形成固溶體的元素可包括例如鈀(Pd)、鋯⑶、鉬(Pt)、釷(Th)、鉕(Pm)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鑥(Lu)、鉿(Hf)、鈧 (Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、 鈽(Pu)、銠(Rh)、鈦(Ti)、銥(Ir)、鈾(U)、鎳(Ni)、金(Au)、釕(Ru)、鈣(Ca)、鎝(Tc)、鋇 (Ba)、鐿(Yb)、錳(Mn)、鈷(Co)、銪(Eu)、鉭(Ta)、鍶(Sr)、鈮(Nb)、鋨(Os)、釩(V)、磷(P)、 鐵飾)、鉻(Cr)、錸(Re)、砷(As)、鉬(Mo)M (Li)、銀(Ag)、鎂(Mg)、矽(Si)、鍺(Ge)、鎢 (W)、或銅(Cu)。與Al形成固溶體的元素的代表性組合的混合熱列於下表2中。表 權利要求
1.導電糊料，包含 導電粉末， 金屬玻璃，和有機載體，其中所述金屬玻璃包括選自如下的至少兩種元素的合金 具有低電阻率的元素， 與所述導電粉末形成固溶體的元素， 具有高氧化電勢的元素，其中所述具有低電阻率的元素具有小於約100微歐-釐米的電阻率，和所述具有高氧化電勢的元素具有約100千焦/摩爾或更大的氧化物形成吉布斯自由能絕對值。
2.權利要求1的導電糊料，其中所述導電粉末包括銀、鋁、銅、鎳、或者其組合。
3.權利要求1的導電糊料，其中所述導電粉末具有約Inm 約50μ m的尺寸範圍。
4.權利要求1的導電糊料，其中所述具有低電阻率的元素具有小於約15微歐-釐米的電阻率。
5.權利要求1的導電糊料，其中所述具有低電阻率的元素包括選自如下的至少一種 銀、銅、金、鋁、鈣、鈹、鎂、鈉、鉬、鎢、錫、鋅、鎳、鉀、鋰、鐵、鈀、鉬、銣、鉻和鍶。
6.權利要求1的導電糊料，其中所述與所述導電粉末形成固溶體的元素具有小於OKJ/ mol的與所述導電粉末的混合熱。
7.權利要求6的導電糊料，其中所述與所述導電粉末形成固溶體的元素包括選自如下的至少一種鑭、鈰、鐠、鉕、釤、鑥、釔、釹、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、釷、鈣、鈧、鋇、鐿、鍶、銪、鋯、 鋰、鉿、鎂、磷、砷、鈀、金、鈽、鎵、鍺、鋁、鋅、銻、矽、錫、鈦、鎘、銦、鉬、銠、銥、鈾、鎳、釕、鎝、 錳、鈷、鉭、鈮、鋨、釩、鐵、鉻、錸、鉬、銀、鎢、鈹、硼、銅和汞。
8.權利要求1的導電糊料，其中所述具有高氧化電勢的元素包括選自如下的至少一種銅、鈦、釕、鎘、鋅、銠、鉀、鈉、鎳、鉍、錫、鋇、鍺、鋰、鍶、鎂、鈹、鉛、鈣、鉬、鎢、鈷、銦、矽、 鎵、鐵、鋯、鉻、硼、錳、鋁、鑭、釹、鈮、釩、釔和鈧。
9.權利要求1的導電糊料，其中以約30 約99重量％、約0.1 約20重量％和約 0. 9 約69. 9重量％的量包括所述導電粉末、所述金屬玻璃和所述有機載體，基於所述導電糊料的總重量。
10.權利要求1的導電糊料，其中所述金屬玻璃是基本上無定形的。
11.權利要求1的導電糊料，其中所述金屬玻璃具有約5°c 約200°C的過冷液體區域。
12.權利要求1的導電糊料，其中所述金屬玻璃包含銅和鋯。
13.權利要求12的導電糊料，其中所述金屬玻璃進一步包含選自鋁、銀、鎳、鈦、鐵、鈀和鉿的至少一種。
14.權利要求13的導電糊料，其中以約10原子％或更少的量包含選自鋁、銀、鎳、鈦、 鐵、鈀和鉿的至少一種，基於所述金屬玻璃的總量。
15.電子器件，包含使用權利要求1的導電糊料形成的電極。
16.權利要求15的電子器件，其中所述電極具有約IkQcm2或更小的接觸電阻。
17.權利要求15的電子器件，其中所述電極具有約IOmQcm或更小的電阻率。
18.太陽能電池，包括 半導體基底，和與所述半導體基底電連接並且使用權利要求1的導電糊料形成的電極。
19.權利要求18的太陽能電池，其中所述電極具有約IkQcm2或更小的接觸電阻。
20.權利要求18的太陽能電池，其中所述電極具有約IOmQcm或更小的電阻率。
21.權利要求18的太陽能電池，其中所述電極包括緩衝層，其位於與所述半導體基底相鄰的區域；和電極部分，其位於除所述緩衝層之外的區域。
全文摘要
本發明涉及導電糊料及包含用其形成的電極的電子器件和太陽能電池。所述導電糊料包含導電粉末、金屬玻璃和有機載體，其中所述金屬玻璃包括選自具有低電阻率的元素、與所述導電粉末形成固溶體的元素、或者具有高氧化電勢的元素的至少兩種元素的合金，其中所述具有低電阻率的元素具有小於約100微歐-釐米的電阻率，和所述具有高氧化電勢的元素具有約100千焦/摩爾或更大的氧化物形成吉布斯自由能絕對值。
文檔編號H01B1/20GK102376379SQ201110232388
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月15日 優先權日2010年8月13日
發明者李殷成, 李相睦, 池尚洙, 金世潤 申請人:三星電子株式會社