导电浆料中的含Al、Si和Mg的颗粒以及太阳能电池的制备
【专利说明】导电浆料中的含Al、Si和Mg的颗粒以及太阳能电池的制备 发明领域
[0001] -般而言，本发明涉及包含含Al、Si和Mg的颗粒的导电浆料及其在制备光伏太阳 能电池，优选η型光伏太阳能电池中的用途。更具体地，本发明涉及导电浆料、太阳能电池 前体、制备太阳能电池的方法、太阳能电池和太阳能组件。
[0002] 发明背景
[0003] 太阳能电池是利用光伏效应将光能转化成电力的器件。太阳能是有吸引力的绿色 能源，因为其可持续且仅产生非污染性副产物。因此，目前已进行了大量研究以开发具有提 高的效率，同时持续降低材料和生产成本的太阳能电池。当光照在太阳能电池上时，一部分 入射光被表面反射，而剩余部分传递至太阳能电池中。传递的光子被太阳能电池吸收，太阳 能电池通常由半导电材料制成，例如通常被适当掺杂的硅。吸收光子的能量激发半导电材 料的电子，从而产生电子-空穴对。然后，这些电子-空穴对被ρ-η结分离且被太阳能电池 表面上的导电电极收集。图1显示了简单太阳能电池的最小结构。
[0004] 太阳能电池非常普遍地基于硅（通常呈Si晶片形式）。此处，Ρ-η结通常通过提 供η型掺杂的Si衬底并在一个面上施加 ρ型掺杂层，或者通过提供ρ型掺杂的Si衬底并 在一个面上施加 η型掺杂层而制备，从而在两种情况下均获得所谓的ρ-η结。具有所施加 的掺杂剂层的面通常作为电池的正面，具有初始掺杂剂的Si相对侧作为背面。η型和ρ型 太阳能电池都是可能的，且已工业开发。设计成在两面上均利用入射光的电池也是可能的， 但其应用并不广泛。
[0005] 为了使太阳能电池正面上的入射光进入并吸收，正面电极通常设置成两组垂直的 直线，分别称为"栅线（finger)"和"汇流条"。栅线与正面形成电接触，而汇流条将这些栅 线连接，从而允许有效地将电荷提取到外部电路中。对栅线和汇流条的该设置而言，通常以 导电浆料的形式施加，将其焙烧以形成固体电极体。背面电极通常也以导电浆料的形式施 加，然后将其焙烧以获得固体电极体。典型的导电浆料包含金属颗粒、玻璃料和有机载体。
[0006] 最近对其中正面被ρ型掺杂的η型太阳能电池的兴趣日益增加。η型太阳能电池 具有相对于类似的Ρ型电池提高电池性能的潜力，然而存在如下缺陷：由于在焙烧期间电 池受到破坏而导致效率降低。
[0007] 现有技术已进行了一些尝试以改善太阳能电池的性能。ΕΡ2472526Α2描述了一种 该类尝试。
[0008] 因此，本领域需要改进制备η型太阳能电池的方法。
[0009] 发明简述
[0010] 本发明通常基于如下目的：克服与太阳能电池有关，尤其是与基于正面被ρ型掺 杂的晶片的那些太阳能电池（通常称为η型太阳能电池）有关的现有技术中所遇到的至少 一个问题。
[0011] 更具体地，本发明进一步基于如下目的：提供具有改善的电性能，如有利的电池效 率η、填充因子FF、接触电阻、开路电压和串联电阻1?_的太阳能电池，尤其在η型太阳能 电池中。
[0012] 本发明的另一目的是提供制备太阳能电池，尤其是η型太阳能电池的方法。
[0013] 对实现至少一个上述目的的贡献由构成本发明权利要求的主题类别作出。其他贡 献由代表本发明具体实施方案的本发明从属权利要求的主题作出。
[0014] 详细描述
[0015] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种浆料作出，其包含如下作为浆料成分：
[0016] a.至少55重量％，或至少75重量％，或至少80重量％的银粉，基于所述衆料的总 重量；
[0017] b.无机反应体系，优选玻璃料；
[0018] c.有机载体；
[0019] d.包含Al、Mg和Si作为颗粒成分的添加剂颗粒，
[0020] 其中Al、Mg和Si作为元素，或以一种或多种包含一种或多种颗粒成分的元素单 相混合物，或一种或多种元素与一种或多种元素混合物的组合形式存在于所述添加剂颗粒 中。
[0021] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒为约0. 1-约5重量％，或约 0. 2-约3重量％，或约0. 3-约2重量％，基于所述浆料的总重量。
[0022] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒不含大于0. 1重量％，优选不 大于〇. 05重量％，更优选不大于〇. 01重量％的除Al、Mg或Si之外的元素，基于所述添加 剂颗粒的总重量。
[0023] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒包含至少约95重量％，优选 至少约98重量％，更优选至少约99重量％的六1、Mg和Si的至少一种单相混合物，优选 Al-Si-Mg 合金。
[0024] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒具有至少50%，优选至少 75 %，更优选至少80 %的结晶度。就此而言，优选所述单相混合物，优选合金具有上述结晶 度。在一些情况下，当对本发明所用的添加剂颗粒进行如下所示的X射线分析时未观察到 无定形相。
[0025] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒包含至少50重量％，优选至少 70重量％，更优选至少80重量％的A1，基于所述添加剂颗粒的总重量。
[0026] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒包含约1-约20重量％，优选约 5-约17重量％，更优选约8-约15重量％的31，基于所述添加剂颗粒的总重量。
[0027] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒包含约0. 05-约5重量％，优选 约0. 1-约3重量％，更优选约0. 2-约2重量％的Mg，基于所述添加剂颗粒的总重量。
[0028] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述无机反应体为约0. 1-约7重量％，优选约 0. 5-约6重量％，更优选约1-约5重量％，基于所述浆料的总重量。
[0029] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述无机反应体系为玻璃料。
[0030] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒具有约0. 1-约15 μπι，优选约 1-约12 μ m，更优选约1-约7 μ m的d5。值。
[0031] 在本发明浆料的一个实施方案中，所述添加剂颗粒具有约0. 01-约25m2/g，优选约 0. 1-约20m2/g，更优选约1-约15m2/g的比表面积。
[0032] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种太阳能电池前体作出，其包含如下太阳能 电池前体成分：
[0033] a.晶片；
[0034] b.层叠在所述晶片上的本发明浆料。
[0035] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述晶片具有p掺杂层和η掺杂层。
[0036] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述浆料层叠在ρ掺杂层上。
[0037] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，η掺杂层的厚度大于ρ掺杂层的厚 度。
[0038] 在本发明太阳能电池前体的一个实施方案中，所述浆料层叠在所述两个掺杂层的 较薄的那个上。
[0039] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种制备太阳能电池的方法作出，其包括如下 制备步骤：
[0040] a.提供本发明的太阳能电池前体；
[0041] b.焙烧所述太阳能电池前体以获得太阳能电池。
[0042] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种可通过本发明方法获得的太阳能电池作 出。
[0043] 在本发明的一个实施方案中，所述太阳能电池为η型太阳能电池。
[0044] 对实现至少一个上述目的的贡献由一种组件作出，其包含至少两个太阳能电池， 其中至少一个为根据本发明的太阳能电池。
[0045] 上述实施方案可彼此组合。此处，各种可能的组合为本说明书公开内容的一部分。
[0046] 晶片
[0047] 根据本发明，优选的晶片为相对于太阳能电池的其他区域，尤其能以高效率吸收 光，从而产生电子-空穴对，且以高效率通过边界，优选通过所谓的ρ-η结边界分离空穴和 电子的区域。根据本发明，优选的晶片为包含由正面掺杂层和背面掺杂层组成的单一物体 的那些。
[0048] 优选晶片由适当掺杂的四价元素、二元化合物、三元化合物或合金组成。就此而 言，优选的四价元素为Si、Ge或Sn，优选Si。优选的二元化合物为两种或更多种四价元素 的组合、第III族元素与第V族元素的二元化合物、第II族元素与第VI族元素的二元化合 物或第IV族元素与第VI族元素的二元化合物。优选的四价元素组合为两种或更多种选自 Si、Ge、Sn或C的元素的组合，优选SiC。优选的第III族元素与第V族元素的二元化合物 为GaAs。根据本发明，最优选晶片基于Si。作为最优选的晶片材料，Si优选在本申请的其 余部分明确指出。其中明确提及Si的下文文本部分也适用于上述其他晶片组成。
[0049] 晶片的正面掺杂层与背面掺杂层相遇之处即为ρ-η结边界。在η型太阳能电池中， 背面掺杂层掺杂有给电子性η型掺杂剂，且正面掺杂层掺杂有电子接受性或给空穴性ρ型 掺杂剂。在Ρ型太阳能电池中，背面掺杂层掺杂有Ρ型掺杂剂，且正面掺杂层掺杂有η型掺 杂剂。根据本发明，优选通过首先提供掺杂的Si衬底，然后在该衬底的一面施加相对类型 的掺杂层而制备具有Ρ-η结边界的晶片。就本发明而言，优选为η型太阳能电池。在本发明 的另一实施方案中，在晶片的同一面上可设置有Ρ掺杂层和η掺杂层。该晶片设计通常称 为交指背接触（interdigitated back contact)，如 Handbook of Photovoltaic Science and Engineering，第 2 版，John Wiley&Sons，2003,第 7 章所例不。
[0050] 掺杂的Si衬底是本领域技术人员所公知的。掺杂的Si衬底可以以本领域技术人 员所已知且认为适于本发明上下文中的任何方式制备。本发明Si衬底的优选来源为单晶 Si、多晶Si、无定形Si和升级冶金级Si，其中最优选单晶Si或多晶Si。用于形成掺杂Si衬 底的掺杂可通过在制备Si衬底期间添加掺杂剂而同时进行，或者可在随后步骤中进行。Si 衬底制备后的掺杂可例如通过气体扩散外延生长进行。掺杂Si衬底也可容易地市购。根 据本发明，一种选择是首先在其形成的同时通过将掺杂剂添加至Si混合物中而掺杂Si衬 底。根据本发明，一种选择是通过气相外延生长施加正面掺杂层和存在的话高度掺杂的背 面层。该气相外延生长优选在约500-约900 °C，更优选约600-约800 °C，最优选约650-约 750°C的温度和约2-约lOOkPa，优选约10-约80kPa，最优选约30-约70kPa的压力下进行。
[0051] 本领域技术人员已知Si衬底可具有许多种形状、表面织构和尺寸。所述形状可为 许多不同形状之一，尤其包括立方体、盘状、晶片和不规则多边形。根据本发明，优选的形状 为晶片状，其中晶片为具有两个类似，优选相等的尺寸和显著小于其他两个尺寸的第三尺 寸的立方体。就此而言，"显著小于"优选小至少约1〇〇倍。
[0052] 各种表面类型是本领域技术人员所已知的。根据本发明，优选具有粗糙表面的 Si衬底。一种评价衬底粗糙度的方式是评估衬底子表面（sub-surface)的表面粗糙度参 数，该子表面与衬底的总表面积相比较小，优选小于总表面积的百分之一，且基本上是平面 的。表面粗糙度参数的值由子表面的面积与通过将所述子表面投射至与该子表面最佳拟合 (通过使均方位移最小化而拟合）的平面上而形成的理论表面的面积之比给出。表面粗糙 度参数的值越高，则表明越粗糙、越不规则的表面，而表面粗糙度参数的值越小，则表明越 光滑、越平整的表面。根据本发明，优选对Si衬底的表面粗糙度进行调节以使得在许多因 素之间产生最佳平衡，所述因素包括但不限于光吸收和栅线与表面的粘合性。
[0053] 可改变Si衬底的两个较大尺寸以适应所得太阳能电池所需的应用。根据本发明， 优选Si晶片的厚度小于约0. 5_，更优选小于约0. 3_，最优选小于约0. 2_。一些晶片具 有约0. 01mm或更大的最小尺寸。
[0054] 根据本发明，优选正面掺杂层比背面掺杂层薄。在本发明的一个实施方案中，p掺 杂层具有约l〇nm至约4 μ m，优选约50nm至约1 μ m，最优选约100-约800nm的厚度。
[0055] 正面掺杂层通常比背面掺杂层薄。在本发明的一个实施方案中，背面包含厚度大 于P掺杂层的η掺杂层。
[0056] 可将