導電糊劑及包含此導電糊劑的太陽能電池的製作方法

2023-09-18 22:02:50

專利名稱：導電糊劑及包含此導電糊劑的太陽能電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種導電糊劑(conductive paste),特別是涉及一種高反射率的導電糊劑及包含此導電糊劑的太陽能電池。
背景技術：
由於印刷製程具有生產快速、低汙染及設備成本低廉等優勢，近年來印刷式導電糊劑的使用量具有大幅增加的趨勢，其可廣泛應用在製作觸控元件、電子線路、功能元件及薄膜按鍵等範圍。金屬導電糊劑的設計會根據應用領域及應用場所的不同而有所差異，例如應用於柔性電子材料的配方須具備可彎曲性及與柔性基材附著性良好等特性，因此各種具功能性導電糊劑陸續被開發出來。隨著近來環保意識抬頭，太陽能電池及發光二極體(LED)等替代能源及節能等產品逐漸受到重視，因此相對應的導電糊劑開發也刻不容緩。太陽能電池的功用主要是將光能轉換成電能，當陽光照射在太陽能電池時，其光能可提升半導體中的原子外層電子的勢能，使電子-空穴對分開，此時分離的電子空穴即可形成電流(電能)。傳統太陽能電池在底部濺鍍(sputter)(或網印)一層金屬(銀或鋁)當作電極，使所產生的電子傳送至外界。其雖具有較佳導電效果，但因太陽能電池為了使光線有較長的路徑以增加光吸收機率，多半會使用具有微米結構的基板(TCO Glass)，會使濺鍍於此基板上的銀也具有相似的微米結構而產生表面等離子體效應(plasma effect),造成不必要的光吸收，因此其反射性效果較差，而表面等離子體效應所產生的吸收除了無法轉為電能利用之外，同時會以熱的形式傳導至電池上，造成效率的降低，故無法使陽光被有效利用。Oerlikon公司為增加太陽能電池效率，在太陽能基板底部塗上一層白漆使光線可以在進入太陽能電池內部激發電子-空穴對分離後再次反射回去做第二次激發。此技術雖可解決因界面問題所造成的光損，但其透明導電層的厚度需增加(> 1.5μπι)使其具有足夠的導電性且透明導電層的載流子會有吸收長波長光線的問題。由上述可知，入射光的反射再利用對於太陽能電池的效率提升具有重要作用。

發明內容本發明的一實施例，提供一種導電糊劑，包括高分子基材；以及填充物，混摻於該高分子基材中，其中該填充物為非球狀，且該填充物至少一個維度的尺寸大於或等於λ/2η,其中λ為該導電糊劑所反射光線的波長，η為該填充物的折射率,其中該聞分子基材與該填充物的重量比為3 7至7 3。該填充物包括金、銀、銅、鋁、鈦或其混合物。該填充物包括管狀、線狀、棒狀、片狀填充物或其組合。該導電糊劑所反射光線的波長介於200 1，200nm。本發明的一實施例，提供一種太陽能電池，包括基板；第一導電層，形成於該基板上；光電轉換層，形成於該第一導電層上；第二導電層，形成於該光電轉換層上；以及導電反射層，形成於該第二導電層上，其中該導電反射層包括上述的導電糊劑。為讓本發明的上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，作詳細說明如下

圖I是根據本發明一實施例的一種太陽能電池結構；圖2是根據本發明一實施例，不同填充物材料在欲反射光源的波長為200 1200nm時，該波長範圍對應填充物某一維度特徵長度(λ/(2η))的關係圖；圖3是根據本發明一實施例的各種塗層在平板基板上(表面粗糙鍍小於5nm)的反射率；圖4是根據本發明一實施例的各種塗層在霧化基板上(表面粗糙度 IOOnm)的反射率；以及圖5是根據本發明一實施例的薄膜型太陽能電池光電轉換效率的比較。主要附圖標記說明10 太陽能電池；12 基板；14 第一導電層；16 光電轉換層；18 第二導電層；20 導電反射層。
具體實施方式本發明的一實施例，提供一種導電糊劑，包括高分子基材，以及填充物，混摻於高分子基材中。值得注意的是，上述混摻於高分子基材中的填充物為非球狀的(non-spherical),且填充物至少一維度的尺寸大於或等於λ/2η,其中λ為導電糊劑所反射光線的波長，介於200 1，200nm，n為填充物的折射率。在導電糊劑中，高分子基材與填充物的重量比為3 7至7 3或7 3至6 4。上述高分子基材可包括壓克力樹脂、乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene vinylacetate)樹脂、聚碳聚酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、環氧樹脂、氨基甲酸酯(urethane)樹脂、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、聚乙烯基卩比卩比咯燒酮(polyvinyl pyrrolidone)、纖維素(cellulose)或其類似物。上述纖維素可包括甲基纖維素、乙基纖維素或羥基乙基纖維素。上述填充物可包括金、銀、銅、鋁、鈦或其混合物，其形狀可包括管狀、線狀、棒狀、片狀或其組合。在一實施例中，片狀銀與線狀銀的重量比例如為I : I至7 : I或3 : I。本發明導電糊劑還包括助劑，該助劑混摻於高分子基材中。上述助劑可包括消泡劑或流變控制劑(rheology control agent)。消泡劑例如醇類化合物、聚醚類化合物、醯胺類化合物、脂肪酸酯類化合物、有機矽高分子類化合物、酮類化合物、芳香族類化合物或其混合物。醇類化合物例如為烷基醇類化合物(如辛醇或異戊醇)，聚醚類化合物例如為乙二醇丁醚，酮類化合物例如為二異丁基甲酮。在一實施例中，含有乙二醇丁醚的助劑例如為BYK020(乙二醇丁醚、乙基乙醇與溶劑汽油的混合物)或BYKET0L WS (乙二醇丁醚主溶劑8%)，含有二異丁基甲酮的助劑例如為BYK066N或BYK060N，含有高沸點芳香族的助劑例如為BYK055 (高沸點芳香族/丙二醇甲醚醋酸酯)、BYK057 (高沸點芳香族/丙二醇甲醚醋酸酯)。流變控制劑例如N-甲基吡咯烷酮、聚丙二醇或其混合物。含有N-甲基吡咯烷酮的流變控制劑例如BYK410或BYK420，含有聚丙二醇的流變控制劑例如BYK425。本發明的導電糊劑還包括至少一種溶劑,例如酮類、醇類、醚類、酯類、水、其他合適的有機溶劑或其混合物。在一實施例中，酮類可包括丙酮、環己酮、異佛爾酮或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。醇類可包括乙醇、松油醇、乙二醇或異丙醇。醚類可包括乙二醇甲醚、丙二醇二甲醚或乙二醇丁醚。酯類可包括乙酸乙酯、或乳酸丁酯丙二醇乙醚乙酸酯(propyleneglycol monoether acetate)、碳酸二甲酯或丁內酯。其他合適的有機溶劑例如二甲基亞碸(Dimethyl sulfoxide)。在一實施例中，溶劑為N-甲基卩比卩比咯燒酮(N-methyl pyrrol idone, NMP)與另一酮類、醇類、醚類、酯類或水的混合物。在一實施例中，溶劑為丁內酯(butyrolactone)與另一酮類、醇類、醚類、酯類或水的混合物。在一實施例中，溶劑為松油醇(terpineol)與另一醇類的混合物。在一實施例中，導電糊劑所添加的溶劑主要以一種或一種以上的低揮發性液體搭配相容的低沸點溶劑以降低糊劑成型溫度及揮發速度。上述添加於導電糊劑中的溶劑其沸點或共沸點大體介於攝氏90 150度或90 110度。請參閱圖I，根據本發明的一實施例，說明一種太陽能電池結構。太陽能電池10包括基板12、第一導電層14、光電轉換層16、第二導電層18以及導電反射層20。第一導電層14形成於基板12上。光電轉換層16形成於第一導電層14上。第二導電層18形成於光電轉換層16上。導電反射層20形成於第二導電層18上。值得注意的是，導電反射層20包括上述的導電糊劑。上述基板可為玻璃基板，根據本發明的一實施例，基板可具有霧化結構(例如為具有霧化結構的玻璃基板)。上述第一導電層與第二導電層可包括氧化銦錫(indium tin oxide, ITO)、氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide, FT0)、氧化鋒(ZnO)、嫁慘雜氧化鋒(gallium-dopedzinc oxide, GZ0)、氧化銦嫁鋒(indium-galIium-zinc oxide, IGZ0)、招慘雜氧化鋒(aluminum doped zinc oxide, ΑΖ0)或其類似物。上述光電轉換層可包括結晶矽、非晶矽、砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)或銅銦鎵硒(copper indium gallium selenide, CIGS)。上述第二導電層的厚度大體介於50 100nm。本發明導電糊劑亦可應用於發光二極體(LED)的PCB板。本發明主要是利用不可衍射材料(non-diffractive material)或上述材料的混合物當作導電填充物製作高反射率的可網印式導電糊劑，使其在太陽能電池底部可經加熱或於自然常溫下成型(成型溫度大體介於攝氏50 150度)。本發明導電糊劑應用於太陽能電池具有可降低界面所導致的光吸收及光散射問題、降低製作成本及減少透明導電層的厚度等優點。本發明所定義的光的不可衍射材料的至少有一個維度須滿足d ^ λ /(2n)，其中d為填充物某一維度的特徵長度，λ為欲反射光源的波長及η為材料的折射率。本發明所使用的不可衍射材料形狀可為管狀、線狀、棒狀或片狀，其中線狀及片狀具有較佳效果。本發明填充物材料例如為金、銀、銅或鋁，而欲反射光源的波長介於200 1，200nm。本發明填充物某一維度的特徵長度d須滿足d > λ / (2η)，請參閱圖2，當填充物材料為金時，d ^ 2. 3 μ m,當填充物材料為銀時，d ^ 2. 8 μ m,當填充物材料為銅時，d ^ I. 7 μ m,當填充物材料為鋁時，d ^ O. 8μπι0 此外，本發明具有高反射率的金屬導電糊劑也可應用在LED板上的線路製作。傳統LED的PCB板上線路可通過導電糊劑進行圖案製作。本發明所開發的導電糊劑具高反射率，其可使LED所產生的光大都反射至外界，減少因材料散射或吸收所造成的光損失。各種糊劑的製備及電性實施例I以納米銀片及納米銀線作為填充物的糊劑將20克壓克力樹脂(公司DSM ;型號ΝΕ0 B890)溶入35克N-甲基吡咯烷酮(NMP)及15克丙酮中，並以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將30克納米銀片(長、寬為5μπι;厚度約為70nm)、10克納米銀線(直徑約為80 IOOnm ;長度10 25 μ m)、0· 5克穩泡劑(公司=BYK ;型號ΒΥΚ390)及O. 5克消泡劑(公司=BYK ;型號BYK-WS)加入糊劑內並以200rpm的轉速持續攪拌30分鐘。攪拌完的糊劑再移至滾軋機進行三次滾碾分散。將所得的糊劑塗布於玻璃基材表面，經10分鐘、100°C加熱後成型。利用四點探針檢測成型後的導電層，其片電阻為O. 0054ohm/Sq。實施例2將17克乙基纖維素(ethyl cellulose)溶入45克松油醇(terpineol)中，並以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將20克納米銀片(長、寬為5μπι;厚度約為70nm)及20克納米銀線(直徑約為80 IOOnm ;長度10 25 μ m)及O. 4克消泡劑(公司BYK ;型號BYKetoh-0K)加入糊劑內並以200rpm的轉速持續攪拌30分鐘。攪拌完的糊劑再移至滾軋機進行三次滾碾分散。將所得的糊劑塗布於玻璃基材表面，經10分鐘、100°C加熱後成型。利用四點探針檢測成型後的導電層，其片電阻為O. 0042ohm/Sq。實施例3將20克壓克力樹脂(公司DSM ;型號ΝΕ0 B890)溶入35克N-甲基吡咯烷酮(NMP)及15克丙酮中，並以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將35克納米銀片(長、寬為5μπι;厚度約為70nm)、5克納米銀線(直徑約為80 IOOnm;長度10 25 μ m)、0· 5克穩泡劑(公司=BYK ;型號ΒΥΚ390)及O. 5克消泡劑(公司=BYK ;型號BYK-WS)加入糊劑內並以200rpm的轉速持續攪拌30分鐘。攪拌完的糊劑再移至滾軋機進行三次滾碾分散。將所得的糊劑塗布於玻璃基材表面，經10分鐘、100°C加熱後成型。利用四點探針檢測成型後的導電層，其片電阻為O. 0417ohm/Sq。本發明實施例利用不可衍射的納米導電材料作為糊劑的填充物，以減少材料對光的散射及吸收損失，從而製作兼顧導電特性的高反射率可網印式導電糊劑。使用具高反射率的納米銀片及可增加接觸機率降低接觸電阻的納米銀線作為導電糊劑的填充物，通過兩種材料的特性製作出高導電及高反射率的導電糊劑。比較實施例I以二氧化鈦粒子作為填充物的糊劑將20克壓克力樹脂(公司DSM ;型號ΝΕ0 B890)溶入45克N-甲基吡咯烷酮(NMP)中。然後，置於空氣中攪拌，使其冷卻至室溫。接著，將30克、粒徑IOOnm的二氧化鈦粒子加入壓克力糊劑內，以200rpm速度持續攪拌30分鐘後，移至滾軋機進行三次滾碾分散。將所完成的糊劑分別塗布在平面玻璃及具有霧化(haze)結構的玻璃進行反射率及電性檢測。經由四點探針檢測結果顯示，利用二氧化鈦粒子作為填充物的反射層不具導電性。比較實施例2
·
以納米銀粒子作為填充物的糊劑太陽能電池背電極除須考慮反射外，導電性也是影響太陽能電池轉換效率因素之一。以20nm的納米銀粒子作為糊劑填充物，使所製作出的糊劑具有反射效果及導電效果。首先，將20克壓克力樹脂(公司DSM ;型號ΝΕ0 B890)溶入40克N-甲基吡咯烷酮(NMP)及15克丙酮中，使溶劑的共沸點下降及降低揮發速度。將所製作出的糊劑以攪拌機於空氣中攪拌30分鐘直至冷卻至室溫。接著，將35克的納米銀(粒徑20nm)及O. 5克辛醇加入糊劑內並以200rpm的轉速持續攪拌30分鐘後，移至滾軋機進行三次滾碾分散。將所得的糊劑塗布於玻璃基材表面，經10分鐘、100°C加熱後成型。利用四點探針檢測成型後的導電層，其片電阻為O. 25ohm/sq。比較實施例3以濺鍍銀作為背電極目前薄膜太陽能電池常以濺鍍銀作為背電極，其厚度約為200nm，片電阻約為O.0036ohm/sq。上述各種糊劑的組成及電性如表I所示。表I
權利要求
1.一種導電糊劑，包括聞分子基材；以及填充物，混摻於該高分子基材中，其中該填充物為非球狀，且該填充物的至少一個維度的尺寸大於或等於λ/2n，其中λ為該導電糊劑所反射的光線的波長，η為該填充物的折射率，其中該高分子基材與該填充物的重量比為3 : 7至7 : 3。
2.如權利要求I所述的導電糊劑，其中該高分子基材包括壓克力樹脂、乙烯-醋酸乙烯酯樹脂、環氧樹脂、氨基甲酸酯樹脂、纖維素等。
3.如權利要求I所述的導電糊劑，其中該填充物包括金、銀、銅、鋁、鈦或其混合物。
4.如權利要求I所述的導電糊劑，其中該填充物包括管狀、線狀、棒狀、片狀或其組合。
5.如權利要求I所述的導電糊劑，還包括助劑，該助劑混摻於該高分子基材中。
6.如權利要求I所述的導電糊劑，還包括至少一種溶劑，其沸點或共沸點為90 150。。。
7.如權利要求I所述的導電糊劑，其中該導電糊劑所反射光線的波長為200 1200nm。
8.一種太陽能電池，包括基板；第一導電層，形成於該基板上；光電轉換層，形成於該第一導電層上；第二導電層，形成於該光電轉換層上；以及導電反射層，形成於該第二導電層上，其中該導電反射層包括如權利要求I所述的導電糊劑。
9.如權利要求8所述的太陽能電池，其中該第二導電層的厚度為50 lOOnm。
10.如權利要求8所述的太陽能電池，其中該光電轉換層包括結晶矽、非晶矽、砷化鎵、 碲化鎘或銅銦鎵硒。
11.如權利要求8所述的太陽能電池，其中該基板具有霧化結構。
全文摘要
本發明提供一種導電糊劑，包括高分子基材；以及混摻於該高分子基材中的填充物，其中該填充物為非球狀，且該填充物至少一個維度的尺寸大於或等於λ/2n，其中λ為該導電糊劑所反射的光線的波長，n為該填充物的折射率，其中該高分子基材與該填充物的重量比為3∶7至7∶3。本發明另提供一種太陽能電池，包括基板；第一導電層，形成於該基板上；光電轉換層，形成於該第一導電層上；第二導電層，形成於該光電轉換層上；以及導電反射層，形成於該第二導電層上，其中該導電反射層包括上述的導電糊劑。
文檔編號H01B1/22GK102930920SQ20111041064
公開日2013年2月13日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年8月8日
發明者王裕銘, 張高德, 黃建福, 吳建良, 劉俊岑 申請人:財團法人工業技術研究院