专利名称：铝-硼太阳能电池接触层的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由导电性铝颗粒、含硼源、无机添加剂和分散在有机体系中的玻璃料制成的铝-硼导体配方。该配方主要用丝网印刷，并且适合用于光伏器件的制造。这些配方还可以通过其他手段例如喷涂、热熔印刷、喷墨印刷、压印以及利用合适的有机物改性的带层压技术。
背景技术：
太阳能电池通常由半导体材料例如硅(Si)制成，它将太阳能转化成有用的电能。 太阳能电池接触层通常由薄的硅片制成，其中所必须的PN结通过将来源于合适磷源的磷 (P)分散到P型Si晶片中来形成。在太阳光入射的硅片侧面上通常涂覆有抗反射涂层 (ARC)，以减少太阳光的反射损失。这种ARC增加了太阳能电池的效率。被称为前接触层 (front contact)的二维电极格栅图形连接到硅的N侧，而主要为铝(Al)构成的涂层连接到硅的P侧(后接触层(back contact))。进一步地，被称为银背面接触层(rear contact) 的接触层由银或者银-铝膏制造，被印刷且烧成在硅的N侧上，以使在太阳能电池组中的每个电池电连接的调节片能够焊接。这些接触层都是从PN结到外部负载的电出口。用于太阳能电池的传统膏包含铅玻璃料。在太阳能电池膏的玻璃组分中，PbO的存具有如下有利的效果(a)降低膏组合物的烧成温度；(b)有利于与硅基底的相互作用， 并且在烧成时，有助于与硅形成低电阻的接触层。出于这些和其它原因，PbO是许多传统太阳能电池膏组合物中的非常重要的组分。然而，出于对环境的考虑，在膏组合物中此0(以及CdO)的使用是尽可能避免。因此，光伏产业中需要无铅无镉的膏组合物，其在太阳能电池的接触层膏中使用无铅和无镉玻璃提供所希望的性能。目前，典型的太阳能电池硅片的厚度是200 300微米，并且发展趋势是向更薄的硅片方向发展。因为硅片的成本为电池制造成本的约60%，所以该产业正寻求甚至更薄的硅片，厚度达到150微米。当硅片厚度降低时，由于烧结应力导致电池弯曲的趋势增加， 所述烧结应力是由于Al热膨胀系数TCEO32X10_7°C @20 300°C )和Si热膨胀系数 TCE(26X IO^V0C §20 300°C ) (TCE)之间的巨大差异而产生的。目前已知的减少硅片弯曲的方法包括减少在丝网印刷过程中的铝含量，其导致不完全形成背表面场(BSF)层，并且为了达到相同的效果而需要更高的烧成温度。化学(酸) 蚀刻已经被用于去除在烧成铝膏之后所形成的Al-Si合金，这只是在制造工艺中导致额外成本的另一个步骤。另一种方法是采用添加剂以减少Al层和硅片之间的热膨胀失配。然而，缺点是背面钝化质量的降低以及伴随的太阳能电池性能的降低。通过将硅片的一部分背面用铝覆盖，这种部分覆盖被应用于背表面场以抵消导致电池性能降低的弯曲。
最后，另一种减少或消除弯曲的传统方法是将制成的太阳能电池在烧成之后于几秒钟之内从室温降到-50°C。利用Al-Si膏基体的塑性变形，极大地消除弯曲，但这也意味着额外的工艺步骤，并且存在由于热应力而破损的高风险。因此，光伏产业中需要一种太阳能电池接触层中的低弯曲、高性能的铝背表面场， 一种制备接触层的方法以及形成所述BSF的铝膏。
发明内容
本发明提供了一种铝-硼膏，其用于涂覆到具有P+和η+层的硅太阳能电池上，从而形成背表面场(BSF)和发射体。通过烧成所述膏而形成的硼掺杂的铝接触层消除了超薄硅片的弯曲或者使超薄硅片的弯曲最小化，从而改善了由此制备的太阳能电池的可靠性和电性能(当测试低串联电阻(Rs)和高并联电阻(Rsh)、高效率(n)、高填充系数(FF)时)以及减少了破损。总体来说，本发明包括一种包含接触层的太阳能电池。所述接触层由混合物制成，该混合物在烧成之前包含至少一种铝源、至少一种硼源以及约0. 1 约10wt%的玻璃组分。铝的含量为所述混合物的约50wt% 约85wt%，硼的含量为所述混合物的约 0. 05wt% 约 20wt%o本发明的另一实施方式是包含硅片、铝和硼的太阳能电池，其中，在硅片中约0 约5微米深度处(A1+B)的组合浓度为大约每立方厘米(cm3) IO18 102°个原子。本发明的组合物和方法通过如下方式克服现有技术的缺点，即通过合适配置的铝-硼膏使得后接触层(BSF)部分(通常是硅)与Al之间的相互作用、结合、接触层形成最优化。含有铝、硼和玻璃组分的导电膏被印刷在硅基底上，并且烧成以使玻璃熔合、烧结金属，以及使铝掺杂进入硅片达到几个微米的厚度。在烧成过程中，对于后接触层，形成了被Al-Si共晶层覆盖的ρ+层，反过来其被包含硼的铝层所覆盖。本发明的前述和其他特征将在下文更全面地进行描述，并且在权利要求中特别指出，以下说明书详细阐述了本发明的一些示例性实施方式，但是，这些实施方式只是表示了本发明的原则可以被应用的几个不同的方式。
图1是显示在根据本发明的太阳能电池接触层中铝和硼的组合浓度作为进入硅片的深度的函数关系图。
具体实施例方式广泛地，本发明提供了一种包含接触层的太阳能电池。所述接触层由混合物制成， 其中该混合物在烧成之前包括至少一种铝源、至少一种硼源以及约0. 1 约10wt%的玻璃组分。铝的含量为所述混合物的约50wt% 约85wt%，并且硼的含量为所述混合物的约 0. 05 约 20wt%o本发明的另一实施方式是包含硅片、铝和硼的太阳能电池，其中，在硅片中约0 约5微米深度处(A1+B)的组合浓度为大约每立方厘米(cm3) IO18 102°个原子。本发明的另一实施方式是包含硅片、铝和硼的太阳能电池，其中，在硅片中约0 约5微米深度处(A1+B)的组合浓度为大约每立方厘米(cm3) IO18 102°个原子。铝后接触层与Si和Ag/Al背面接触层二者连接。在后接触层中，金属组分优选包含铝和硼，玻璃组分可以是几种类型中之一。当应用于太阳能电池后接触层时，铋基玻璃和碱性硅酸钛玻璃每个都相对于现有技术具有某些优点。广泛地，含铝和玻璃料的厚膜膏被用于制造硅基太阳能电池的后接触层，从而将通过曝光所产生的电流传导至外部负载。虽然所述膏通常通过丝网印刷来涂覆，但是可以采用诸如挤出、压印、喷墨印刷以及热熔印刷。进一步地，利用合适的有机物改性，本发明的混合物可以通过带层压技术(tape laminationtechnique)来涂覆。具有丝网印刷的前接触层的太阳能电池在相对较低的温度(550°C 850°C硅片温度，设定的炉温为650°C IOOO0C )下烧成，以在铝掺杂的硅片的P侧和铝基膏之间形成低电阻接触层。此处也可设想用于制备太阳能电池的方法。 含铝和玻璃的后接触层被用来在太阳能电池后侧上形成低电阻欧姆接触层，这是由于Al掺杂的(P+)外延生长硅层的大面积熔化和再凝固，而其由于改善了背表面场而提高了太阳能电池性能。为了获得最佳的性能，厚的P+再生长区域被认为是理想的。还认为的是，将金属杂志排斥出外延生长的P+层导致高的载流子寿命。以上两个因素被认为增加了开路电压，更为重要的是，当体电阻率增加时，开路电压仅略微下降。因此，由于在Al后接触层上实质性外延再生长P+层的形成，改善了太阳能电池的性能。对于后接触层，在烧成过程中，ρ+层通过液相外延生长在下面的硅上。这在 (Al-Si)熔体的再固化过程中发生。在前接触层的制备中，高铋含量的无铅无镉玻璃允许低的烧成温度，这是由于它们在相对低的温度下具有优异的流动性。碱性硅酸钛玻璃是实现较低的烧成温度的又一个途径。尽管出于环境原因经常避免使用铅玻璃，但是由于目前它们是获得某些特性例如极低的熔点和润湿性的玻璃的唯一途径，有时候使用它们。相对高的硅含量、低铋的无铅无镉玻璃为后接触层提供了合适的性能，而与背后的Si没有过多的相互作用。类似地，高铋含量的无铅无镉玻璃允许在背后的Si上形成合适的无铅银背面接触层，而其与Si和后接触Al层具有最佳的相互作用。广泛分析，本发明的膏包含铝、硼和玻璃料。下面将详细说明每个组分。膏玻璃。该膏包含约0. 1 约IOwt %，优选约0. 2 约5wt%的玻璃组分。该玻璃组分在烧成之前包含一种或多种玻璃组合物。每种玻璃组合物都包含氧化物玻璃料，在一个实施方式中，其包括Bi2O3^2O3和Si02。在另一个实施方式中，该玻璃组合物包含碱金属氧化物、Ti02*Si02。在第三个实施方式中，该玻璃组合物包含此0。具体地，在本发明的不同实施方式中，用于后接触层的玻璃组合物可以表1-3中找到。表中的词条“20种三价氧化物”是指一种或多种以下元素的三价氧化物，所述元素选自由Al、Ga、In、Sc和Y以及原子序数为57 71的元素。在配制膏中，所述玻璃料的典型粒径为约0. 5 约10微米， 尽管正如在本技术领域中所熟知的可以使用其他的粒径。参见表1-3，可以使用一种以上的玻璃组合物，还可以设想包含在相同表中的不同栏中的量的组合物。如果使用第二玻璃组合物，该玻璃组合物的比例将进行变化，从而控制膏与硅相互作用的程度，并且由此控制所获得的太阳能电池性能，而且控制硅片的弯曲。举例来说，在玻璃料组分内，第一和第二玻璃组合物可以以约1 20 20 1的重量比，优选约1 5 5 1的重量比存在。该玻璃组分优选不含铅或铅的氧化物，也不含镉或镉的氧化物。然而，在某些实施方式中，PbO的特性是不可替代的，所述实施方式有利地包含 PbO0表中例如“Li20+N￡i20+K20”词条表示Li20、Na2O和K2O的总量落在特定的范围内。表1.用于铋基后接触层玻璃的氧化物玻璃料成分(以摩尔百分数计)
权利要求
1.一种包含由混合物制成的接触层的太阳能电池，其中，所述混合物在烧成之前包含a.至少一种铝源；b.至少一种硼源；以及c.0. 1 IOwt%的无铅的玻璃组分，所述玻璃组分包含i.5 85摩尔％的Bi2O3，和ii.5 75 摩尔 ％的(Si&+B203)，禾口iii.aiO，其中SiO的含量不超过55摩尔％，其中，铝的含量为所述混合物的50wt 85wt%，并且，其中硼的含量为所述混合物的 0. 05 20wt%。
2.一种包含由混合物制成的接触层的太阳能电池，其中，所述混合物在烧成之前包含a.至少一种铝源，条件是铝的含量为所述混合物的50wt% 85wt%；b.至少一种硼源，条件是硼的含量为所述混合物的0.25wt% 20wt%；以及c.0.1 10wt%的玻璃组分，其包含至少第一玻璃组合物，其中，该第一玻璃组合物包含15 75摩尔%的PbO和5 50摩尔%的(B203+Si02)。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中，所述玻璃组分进一步包含1 20摩尔％ 的选自由以下元素所组成的组的元素的三价氧化物原子序数为57 71的元素、Al、Ga、 In, Sc和Y以及它们的组合。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物包含a.50 65摩尔％的I^bO ；b.24 45 摩尔 ％的(B203+Si02)；以及c.进一步包含至少一种选自由以下物质所组成的组的氧化物25摩尔％&ι0、5摩尔％ 和0. 1 8摩尔％的Al2O3，其中所述氧化物的含量不超过所给出的以摩尔％计的含量。
5.一种包含由混合物制成的接触层的太阳能电池，其中，所述混合物在烧成之前包含a.至少一种铝源；b.至少一种硼源；以及c.0. 1 IOwt %的玻璃组分； 其中，所述玻璃组分包含.1.第一玻璃组合物，其包含 1.5 85摩尔％的Bi2O3，和.2.5 75摩尔％的(Si02+B203)；以及 .第二玻璃组合物，其包含.1.5 55 摩尔 ％的(Li2CHNa2CHK2O)；.2.2 洸摩尔％的TiO2 ；以及.3.5 75 摩尔 % 的(Si02+B203)，其中，铝的含量为所述混合物的50wt 85wt%，并且，其中硼的含量为所述混合物的 0. 05 20wt%。
6.根据权利要求5的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物与第二玻璃组合物以 1 20到20 1的重量比存在。
7.根据权利要求5的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物进一步包括&10，条件是在该第一玻璃组合物中SiO的含量不超过55mol%。
8.根据权利要求5的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物进一步包括 (Sb205+Nb205)，条件是在该第一玻璃组合物中6b205+Nb205)的含量不超过40mol %。
9.根据权利要求5的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物进一步包含选自由以下元素所组成的组的元素的三价氧化物原子序数为57 71的元素、Al、Ga、In、&和Y以及它们的组合，条件是该三价氧化物的组合总含量不超过25mol %。
10.根据权利要求5的太阳能电池，其中，所述第二玻璃组合物进一步包含 (V205+P205+Sb205)，条件是在该第二玻璃组合物中(V205+P205+Sl3205)总含量不超过30mol%。
11.根据权利要求5的太阳能电池，其中，所述第二玻璃组合物进一步包含 (MgO+CaO+BaO+SrO)，条件是在该第二玻璃组合物中(Mg0+Ca0+Ba0+Sr0)的总含量不超过 30mol%。
12.一种包含由混合物制成的接触层的太阳能电池，其中，所述混合物在烧成之前包含a.至少一种铝源，条件是铝的含量为所述混合物的50wt% 85wt%；b.至少一种硼源，条件是硼的含量为所述混合物的0.25wt% 20wt%；以及c.0. 1 IOwt%的玻璃组分，其包含第一玻璃组合物和第二玻璃组合物，其中，该第一玻璃组合物包含i.15 75摩尔％的I^bO和ii.5 50 摩尔 ％的(B203+Si02)，以及其中，该第二玻璃组合物包含i.5 55 摩尔 ％的(Li2CHNa2CHK2O)；ii.2 26摩尔％的TiO2 ；以及iii.5 75 摩尔 ％的(Si02+B203)。
13.根据权利要求12的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物和第二玻璃组合物以 1 20到20 1的重量比存在。
14.根据权利要求12的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物进一步包含&10，条件是在该第一玻璃组合物中ZnO的含量不超过55mol%。
15.根据权利要求12的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物进一步包括 (Sb205+Nb205)，条件是在该第一玻璃组合物中6b205+Nb205)的含量不超过40mol %。
16.根据权利要求12的太阳能电池，其中，所述第一玻璃组合物进一步包含选自由以下元素所组成的组的元素的三价氧化物原子序数为57 71的元素、Al、fe、ln、k和Y以及它们的组合，条件是该三价氧化物的组合总含量不超过25mol %。
17.根据权利要求12的太阳能电池，其中，所述第二玻璃组合物进一步包含 (V205+P205+Sb205)，条件是在该第二玻璃组合物中(V205+P205+SId205)总含量不超过30mol%。
18.根据权利要求12的太阳能电池，其中，所述第二玻璃组合物进一步包含 (MgCMMKBaCKSrO)，条件是在该第二玻璃组合物中(MgCMMKBaCKSrO)的总含量不超过30mol %。
全文摘要
本发明涉及铝-硼太阳能电池接触层，具体涉及一种包含由混合物制成的接触层的太阳能电池，其中，所述混合物在烧成之前包含至少一种铝源；至少一种硼源；以及0.1～10wt％的无铅的玻璃组分，其中，铝的含量为所述混合物的50wt～85wt％，并且，其中硼的含量为所述混合物的0.05～20wt％。
文档编号H01B1/16GK102214704SQ20111014758
公开日2011年10月12日 申请日期2006年12月3日 优先权日2006年3月20日
发明者史蒂夫·S.·基姆, 斯里尼瓦桑·斯里德哈兰, 贾拉尔·萨拉米, 阿齐兹·S.·谢克 申请人:费罗公司