Title:
Leitpastenzusammensetzung für Frontelektrode einer Solarzelle und selbige verwendende Solarzelle
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird eine Leitpaste für eine Frontelektrode einer Solarzelle offenbart, die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel, Bor und ein Bindemittel enthält, wobei das Bor in einer Menge von 2,5 bis 11 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Leitpaste enthalten ist.




Inventors:
Kim, Sung Hyun (Gyeonggi-do, Yongin-si, KR)
Yoo, Myong Jae (Seoul, KR)
Park, Ji Sun (Gyeonggi-do, Seongnam-si, KR)
Application Number:
DE102017105453A
Publication Date:
03/01/2018
Filing Date:
03/15/2017
Assignee:
Korea Electronics Technology Institute (Gyeonggi-do, Seongnam-si, KR)



Foreign References:
KR20160108244A2016-09-19
201103152172011-12-29
JP2005243500A2005-09-08
Attorney, Agent or Firm:
Gramm, Lins & Partner Patent- und Rechtsanwälte PartGmbB, 30173, Hannover, DE
Claims:
1. Leitpaste für eine Frontelektrode einer Solarzelle, umfassend Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel, Bor und ein Bindemittel, wobei das Bor in einer Menge von 2,5 bis 11 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Leitpaste enthalten ist.

2. Leitpaste nach Anspruch 1, wobei die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel derart konfiguriert sind, dass Kupfer mit Silber beschichtet ist.

3. Leitpaste nach Anspruch 1, wobei das Silber der Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel in einer Menge von 5 bis 20 Gew.-% verwendet wird.

4. Leitpaste nach Anspruch 1, wobei die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel eine Partikelgröße D50 im Bereich von 0,5 μm bis 10 μm besitzen.

5. Leitpaste nach Anspruch 1, weiterhin umfassend mindestens ein Mittel ausgewählt unter einem Dispergiermittel, einem Thixotropiermittel, einem Antischaummittel, einem Weichmacher, einem Viskositätsstabilisator, einem Pigment, einem UV-Stabilisator, einem Antioxidans, einem Kupplungsmittel und Kombinationen davon.

6. Frontelektrode einer Solarzelle, umfassend die Leitpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Solarzelle, umfassend die Leitpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

8. Solarzelle, umfassend die Frontelektrode nach Anspruch 6.

Description:
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG

Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der am 25. August 2016 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2016-0108244 mit dem Titel ”Conductive paste composition for front electrode of solar cell and solar cell using thereof”, die hiermit in ihrer Gänze durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen ist.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitpastenzusammensetzung für eine Frontelektrode einer Solarzelle und eine selbige verwendende Solarzelle und insbesondere eine Leitpastenzusammensetzung, die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel und Bor enthält.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Eine Solarzelle besteht typischerweise aus einer p-n-Übergangsstruktur und ist so konfiguriert, dass sie eine Antireflexschicht zum effizienten Absorbieren von Licht zur Innenseite einer Solarzelle und eine Frontelektrode und eine Rückelektrode, die das Extrahieren von in dem Silizium gebildeten Elektronen-Loch-Paaren zur Außenseite ermöglichen, enthält.

Eine Frontelektrode fungiert dahingehend, die Solarzelleneffizienz sicherzustellen, und spielt eine wichtige Rolle bei einem Modul zum Verbinden mehrerer Solarzellen. Wenn Licht auf eine Solarzelle auftrifft, kann es mit dem Material für einen Halbleiter der Solarzelle interagieren, und somit entweichen negativ geladene Elektronen aus dem Material, um positiv geladene Löcher zu erzeugen, wodurch durch deren Bewegung ein Strom fließen kann, was als fotoelektrischer Effekt bezeichnet wird. Die Frontelektrode sammelt die generierten Elektronen ohne Verlust, um somit einen Stromweg auszubilden.

Wenn eine Elektrode für eine Solarzelle hergestellt wird, wird sie an der Position ausgebildet, auf der eine Antireflexschicht ausgebildet wird. Die Elektrode wird typischerweise auf eine Weise hergestellt, bei der eine Paste, die aus einem leitfähigen Pulver wie etwa Silberpulver, Glasfritte, einem Harzbindemittel und gegebenenfalls einem Additiv besteht, auf eine Antireflexschicht aufgebracht und dann gebrannt wird.

Um die Stromerzeugungscharakteristika einer Solarzelle zu verbessern, werden die Eigenschaften der Elektroden als wichtig angesehen. Wenn beispielsweise der Reihenwiderstand der Elektrode verringert wird, kann der Stromverlust reduziert werden, wodurch die Stromerzeugungseffizienz erhöht wird. Dazu ist eine Vielzahl von Techniken entwickelt worden.

Eine Frontelektrode zur Verwendung in einer herkömmlichen kristallinen Siliziumsolarzelle besteht hauptsächlich aus einer Silberpaste. Es wurden jedoch viele Versuche unternommen, durch Minimieren des Silbergehalts in der Paste eine Paste herzustellen, um die Zellkosten aufgrund des steigenden Silberpreises zu reduzieren.

Zum Ersetzen von Silber werden Techniken zum Ausbilden einer Elektrode mit einer Ni/Cu/Ag-Struktur unter Verwendung eines Plattierungsprozesses entwickelt. Diese Techniken erfordern jedoch das Entfernen einer Antireflexschicht und werden in Pilotlinien eingesetzt, wurden jedoch aufgrund von Umweltproblemen wie etwa Abwassererzeugung usw. nicht in der Massenproduktion angewendet.

Eine CuP-basierte Paste zur Verwendung in einer Frontelektrode einer Solarzelle wurde von Hitachi hergestellt, doch ist ihr spezifischer Widerstand darin nicht offenbart.

US20110315217A1 offenbart eine Technik zum Herstellen einer Elektrode für eine Solarzelle unter Verwendung von kupferbasierten Partikeln oder Kern-Schale-Partikeln. Obwohl diese Technik im Wesentlichen eine Hochtemperaturverarbeitung erfordert, wenn die Solarzelle hergestellt wird, gibt es keine Offenbarung bezüglich irgendeiner Lösung zum Lösen von Oxidationsproblemen, die während der Hochtemperaturverarbeitung auftreten.

Ein spezifischer Widerstand von 3 × 10–5 wurde von Napra (Japan) unter Verwendung einer Kupferlegierung und LMPA erreicht, ist aber nur in einem Prozess bei 300°C oder darunter möglich und ist somit für einen Hochtemperaturbrennprozess bei 800°C oder mehr ungeeignet. Da der spezifische Widerstand mit der Brenntemperatur steigt, ist es unbekannt, ob ein spezifischer Widerstand von 2 × 10–4, der für eine Frontelektrode gefordert wird, beim Hochtemperaturbrennen erzielt werden kann.

Außerdem offenbart die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-243500 ein Verfahren zum Herstellen einer leitfähigen Elektrode, wobei eine Leitpaste dafür aus einem organischen Bindemittel, einem Lösungsmittel, Glasfritte, einem leitfähigen Pulver und mindestens einem Metall oder einer Metallverbindung ausgewählt unter Ti, Bi, Zn, Y, In und Mo besteht und die mittlere Partikelgröße des Metalls oder der Metallverbindung im Bereich von 0,001 μm bis unter 0,1 μm liegt, wodurch eine hohe Leitfähigkeit mit einem Halbleiter und eine starke Haftung vermittelt werden können. Das Brennen der Paste kann jedoch mit Problemen behaftet sein, bei denen der Kontaktwiderstand aufgrund von Filmschrumpfung zunimmt oder bei denen Feinrissbildung verursacht wird.

Diese Probleme können die Charakteristika von Solarzellen beeinträchtigen. Beispielsweise kann die Gleichförmigkeit von Solarzellen in einer Ebene sich verschlechtern oder die Umwandlungseffizienz von Solarzellen abnehmen.

Um die Verwendung von teurem Silber zu reduzieren, wird zudem eine Leitpaste unter Verwendung eines silberbeschichteten Kupferverbundwerkstoffs (z. B. Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel) bereitgestellt, doch ist eine derartige Kern-Schale-Struktur problematisch, weil der Kupferkern exponiert ist, während die Silberbeschichtungsschicht beim Sintern agglomeriert. Der exponierte Kupferkern wird an seiner Oberfläche oxidiert, wodurch sein spezifischer Widerstand zunehmen kann, was es unmöglich macht, Leitfähigkeit zu erreichen. Somit ist die obige Paste zur Verwendung bei der Herstellung einer Frontelektrode einer Solarzelle anstelle einer herkömmlichen Silberpaste ungeeignet.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der in der verwandten Technik angetroffenen Probleme vorgenommen, und die vorliegende Erfindung soll eine Leitpaste für eine Frontelektrode einer Solarzelle, die anstelle einer teuren Silberpaste verwendet werden kann und den spezifischen Widerstand selbst beim Hochtemperaturbrennen deutlich senken kann, und auch eine Frontelektrode einer Solarzelle, die selbige enthält, bereitstellen.

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leitpaste für eine Frontelektrode einer Solarzelle, umfassend Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel, Bor und ein Bindemittel, wobei das Bor in einer Menge von 2,5 bis 11 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Leitpaste enthalten ist, bereitgestellt.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel derart konfiguriert sein, dass Kupfer mit Silber beschichtet ist.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Silber der Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel in einer Menge von 5 bis 20 Gew.-% verwendet werden.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel eine Partikelgröße D50 im Bereich von 0,5 μm bis 10 μm besitzen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Leitpaste weiterhin mindestens ein Mittel ausgewählt unter einem Dispergiermittel, einem Thixotropiermittel, einem Antischaummittel, einem Weichmacher, einem Viskositätsstabilisator, einem Pigment, einem UV-Stabilisator, einem Antioxidans, einem Kupplungsmittel und Kombinationen davon enthalten.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Frontelektrode einer Solarzelle, umfassend die oben erwähnte Leitpaste, bereitgestellt.

In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle, umfassend die oben erwähnte Leitpaste, bereitgestellt.

In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle, umfassend die oben erwähnte Frontelektrode, bereitgestellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine hauptsächlich aus Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln bestehende Frontelektrode bereitgestellt werden und somit eine ausschließlich aus Silber bestehende Frontelektrode ersetzen und einen niedrigen spezifischen Widerstand selbst in einem Hochtemperaturprozess zum Brennen einer herkömmlichen Silberpaste erreichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt Front- und Rückelektrodenstrukturen einer typischen kristallinen Siliziumsolarzelle unter Verwendung einer Silberelektrode; und

2A ist ein Querschnittsbild, das die kein Bor enthaltende Paste nach dem Hochtemperaturbrennen zeigt, und 2B ist ein Querschnittsbild, dass die Bor enthaltende Paste nach dem Hochtemperaturbrennen zeigt.

BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung behandelt eine Leitpaste für eine Frontelektrode einer Solarzelle, die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel, Bor und ein Bindemittel enthält, wobei das Bor in einer Menge von 2,5 bis 11 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Leitpaste enthalten ist.

Herstellung der Leitpaste für die Frontelektrode einer Solarzelle

Bei der Herstellung einer Leitpaste kann ein Metallpulver mit einem organischen Bindemittel, einem organischen Lösungsmittel usw. zusammengegeben werden, so dass das Metallpulver viskos wird und einem Siebdruck unterzogen werden kann.

Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel sind derart konfiguriert, dass das Kupfer mit dem Silber beschichtet ist, wobei Silber auf mehr als die Hälfte der Oberfläche des Kupfers aufgebracht wird.

Das Kupfer für die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel kann Kupfer, Kupferoxid, eine Kupferlegierung, eine Kupferverbindung oder ein Pulvermaterial beinhalten, das die Abscheidung von Kupfer durch Brennen ermöglicht und allein oder in einer Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden kann.

Das Silber für die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel kann Silber, Silberoxid, eine Silberlegierung, eine Silberverbindung oder ein Pulvermaterial beinhalten, das die Abscheidung von Silber durch Brennen ermöglicht und allein oder in einer Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden kann.

Ein beliebiger Beschichtungsprozess zum Ausbilden der Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel kann ohne besondere Beschränkung verwendet werden, solange er eine Kern-Schale-Struktur ausbilden kann, in der die Kupferkomponente mit der Silberkomponente beschichtet ist. Die Menge an Silber in den Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln ist nicht besonders beschränkt, kann aber in den Bereich von 5 bis 20 Gew.-% fallen. Falls die Menge an Silber 20 Gew.-% übersteigt, wird der durch das Ersetzen von Silber erhaltene wirtschaftliche Vorteil möglicherweise unzureichend. Falls andererseits die Menge davon unter 5 Gew.-% liegt, ist die Reduktion des spezifischen Widerstands beschränkt.

Die Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel besitzen eine Partikelgröße D50 im Bereich von 0,5 μm bis 10 μm.

Beispielsweise kann D50 von 2 bis 4 μm angewendet werden, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Falls die Partikelgröße D50 unter 0,5 μm liegt, sind die Partikel übermäßig klein und es kann zu einem Massenzustand davon kommen, wodurch sie zum Ausbilden einer Paste ungeeignet werden. Falls andererseits die Partikelgröße D50 10 μm übersteigt, ist es schwierig, eine feine Linienbreite zu realisieren.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, dass die Verwendung von Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln alleine zu einem übermäßig hohen spezifischen Widerstand führt, der Zusatz von Bor in einer vorbestimmten Menge aber den spezifischen Widerstand überraschenderweise senken kann.

Die Leitpaste der vorliegenden Erfindung kann einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand von 3,2 × 10–5 oder darunter selbst beim Brennen bei 800°C oder mehr erreichen.

Es wird angenommen, dass Bor die Oxidation beim Hochtemperaturbrennen einer Frontelektrode unterdrückt und somit die Erhöhung des spezifischen Widerstands der Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel verhindert.

Bor kann in Form eines Oxids bereitgestellt werden, und Boroxid kann alle oxidierten Formen von Bor ohne besondere Beschränkung hinsichtlich der Oxidationszahlen von Bor beinhalten. Zu Beispielen für Boroxid können B2O3, B2O und B6O zählen. Diese Boroxide können dann allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr davon verwendet werden. Besonders nützlich als das Boroxid ist B2O3.

Bor wird in einer Menge von 2,5 bis 11 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Leitpaste verwendet. Falls die Menge an Bor unter 2,5 Gew.-% liegt, wird der Effekt des Unterdrückens von Oxidation möglicherweise unbedeutend, was es erschwert, den spezifischen Widerstand zu senken. Falls andererseits die Menge davon 11 Gew.-% übersteigt, kann der spezifische Widerstand möglicherweise etwas erhöht sein. Wenn die Menge an Bor über 11 Gew.-% liegt, kann Bor selbst eine Oxidation bewirken und somit der spezifische Widerstand wieder erhöht werden. In dem Fall, dass die Verwendung von Bor mit großer spezifischer Oberfläche gesteigert wird, wird es schwierig, die Paste zu kneten.

In der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges Harzbindemittel für die Leitpaste für eine Frontelektrode einer Solarzelle verwendet werden und ein cellulosebasiertes Harz, Polyvinylalkohol, ein Acrylharz, ein Butyrylharz, ein Rizinusölfettsäure-modifiziertes Alkylharz, ein Epoxidharz, ein Phenolharz, ein Kolophoniumesterharz, Polymethacrylat und Ethylenglykolmonobutylethermonoacetat beinhalten. Besonders geeignet ist ein cellulosebasiertes Harz oder ein Acrylharz.

In der vorliegenden Erfindung kann ein Lösungsmittel ohne Polymer, beispielsweise Wasser, oder ein organisches Lösungsmittel, als ein Viskositätsregulator verwendet werden. Beispiele dafür können Hexan, Cyclohexan, Cycloether, Amid, Keton, Terpen, mehrwertigen Alkohol enthaltender Ester, Alkohol und Alkoholester-Lösungsmittel sein. Besonders geeignet ist Dihydroterpinylacetat, Terpinol oder Butylketylaceton.

Die Menge des Harzbindemittels beträgt 15 Gew.-% oder weniger auf Basis des Gesamtgewichts der Paste. Falls dessen Menge 15 Gew.-% übersteigt, kann die Viskosität sinken und somit kann die Verdruckbarkeit problematisch werden. Die Menge des Bindemittels muss innerhalb eines Bereichs bestimmt werden, der keine Probleme nicht nur bezüglich Viskosität und Verdruckbarkeit verursacht, sondern auch bezüglich des Knetens einer Paste und des Mischens mit einem Füllstoff und einem Träger.

Die Leitpaste der vorliegenden Erfindung kann mindestens ein Additiv ausgewählt aus einem Verdickungsmittel, einem Stabilisator, einem Dispergiermittel, einem Thixotropiermittel, einem Antischaummittel, einem Weichmacher, einem Viskositätsregulator, einem Pigment, einem UV-Stabilisator, einem Antioxidans, einem Kupplungsmittel und Kombinationen davon enthalten. Die Menge des Additivs kann je nach den Eigenschaften der fertigen Leitpaste bestimmt werden. Die Menge des Additivs kann vom Fachmann angemessen bestimmt werden.

Die Leitpaste der vorliegenden Erfindung kann auf einem gewünschten Abschnitt der Oberfläche einer Solarzelle durch Siebdruck aufgebracht werden. Hierbei muss diese Paste eine vorbestimmte Viskosität besitzen, wenn der obige Druckprozess verwendet wird.

Wie oben erwähnt, wird die Leitpaste der vorliegenden Erfindung zum Ausbilden einer Elektrode verwendet, die hauptsächlich aus Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln besteht und auf der Lichtempfangsoberfläche einer Solarzelle positioniert sein kann. Die Leitpaste der vorliegenden Erfindung wird auf die Lichtempfangsoberfläche einer Solarzelle aufgedruckt und getrocknet. Separat kann eine aus Aluminium oder Silber bestehende Rückelektrode auf der verbleibenden Oberfläche der Solarzelle ausgebildet werden.

Herstellung der Frontelektrode der Solarzelle

1 zeigt eine Front- und Rückelektrodenstruktur einer typischen kristallinen Siliziumsolarzelle unter Verwendung einer Silberelektrode. Hier enthält die Frontelektrode eine Fingerelektrode zum Sammeln von Elektronen und eine Sammelschienenelektrode, die eine Reihen-/Parallelschaltung zwischen Zellen ermöglicht. Die Rückelektrode ist aus Aluminium ausgebildet und enthält die gleiche Sammelschienenelektrode wie die Frontelektrode.

Eine Solarzelle der vorliegenden Erfindung kann einen monokristallinen Siliziumwafer oder einen polykristallinen Siliziumwafer enthalten oder kann einen Dünnschichtsiliziumwafer enthalten. Der monokristalline Siliziumwafer kann durch einen Czochralski-Prozess ausgebildet werden, und der polykristalline Siliziumwafer kann durch einen Gießprozess ausgebildet werden.

Ein durch einen Czochralski-Prozess oder einen Gießprozess ausgebildeter Siliziumingot wird bis zu einer vorbestimmten Dicke geschnitten, wonach seine Oberfläche mit NaOH, KOH oder Fluorsäure geätzt und somit gereinigt wird.

Wenn ein Siliziumwafer vom p-Typ verwendet wird, kann eine n-Schicht durch Diffusion eines fünfwertigen Elements wie etwa Phosphor ausgebildet werden, und die Tiefe der Diffusionsschicht kann je nach der Diffusionstemperatur, der Zeit und dergleichen unterschiedlich eingestellt werden.

Eine Antireflexschicht kann auf der n-Schicht ausgebildet werden. Die Antireflexschicht ist für das Verringern des Reflexionsvermögens von einfallendem Licht von der Oberfläche einer Solarzelle verantwortlich, um die Lichtabsorption zu erhöhen, wodurch die Erzeugung von Strom gesteigert wird.

Die Antireflexschicht kann in Form einer einzelnen Schicht oder mehrerer Schichten unter Verwendung von SiNx, TiO2, SiO2, MgO, ITO, SnO2 oder ZnO bereitgestellt werden. Die Antireflexschicht kann durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess wie etwa Sputtern, CVD (chemische Dampfabscheidung) usw. ausgebildet werden.

Auf der Antireflexschicht kann eine Frontelektrode unter Verwendung der Leitpaste der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden.

Die Leitpaste der vorliegenden Erfindung wird in einem vorbestimmten Muster Siebdruck unterzogen, unter Verwendung eines IR-Ofens getrocknet und gebrannt, so dass sie durch die Antireflexschicht mit der n-Schicht verbunden ist. Dadurch kann eine Frontelektrode einer Solarzelle hergestellt werden.

Herstellung einer Solarzelle

Eine Solarzelle wird unter Verwendung der Leitpaste für eine Frontelektrode hergestellt. Im Einzelnen wird die Frontoberfläche eines Wafers einer Texturierung unterzogen, mit einer N-Schicht ausgebildet, weiterhin mit einer Antireflexschicht ausgebildet, mit der Leitpaste in einem vorbestimmten Muster siebgedruckt und dann in einem IR-Ofen getrocknet. Danach wird die Rückoberfläche des Wafers mit einer Aluminiumpaste oder dergleichen bedruckt und dann auf die gleiche Weise getrocknet. Die so ausgebildete Zelle wird bei 800°C oder mehr 3 bis 5 Sekunden lang in einem Brennofen gebrannt, wodurch eine gewünschte Zelle hergestellt wird.

[Beispiele]Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 4: Herstellung der Leitpaste

Es wurden Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikel mit einer Partikelgröße D50 von 2 bis 4 μm verwendet.

Die Pasten 1 bis 7 wurden unter Verwendung von Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln (Silber 9%, TCSP-0510), eines Borpulvers (B95-1617, Bor, Reinheit 95 bis 97%) und eines Bindemittels (Harz: Ethylcellulose, Lösungsmittel: Butylcarbitol, 1-Dodecanol) in den in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Mengen hergestellt. [Tabelle 1]

Bsp. 1Bsp. 2Bsp. 3Vgl.-Bsp. 1Vgl.-Bsp. 2Vgl.-Bsp. 3Vgl.-Bsp. 4Paste Nr.Paste 1Paste 2Paste 3Paste 4Paste 5Paste 6Paste 7Cu-Ag-Kern-Schale-Partikel (Ag-% 9)82,5 Gew.-%78 Gew.-%70 Gew.-%85 Gew.-%61 Gew.-%54 Gew.-%87 Gew.-%Bor2,5 Gew.-%6 Gew.-%11 Gew.-%1,5 Gew.-%14 Gew.-%17 Gew.-%-Bindemittel15 Gew.-%16 Gew.-%9 Gew.-%13,5 Gew.-%25 Gew.-%28 Gew.-%13 Gew.-%Spezifischer Widerstand (Q·cm)6,4 × 10–61,59 × 10–53,2 × 10–54.3 × 10–56,6 × 10–57,3 × 10–9-a
-a zeigt an, dass der spezifische Widerstand nicht gemessen werden konnte.

Das Bindemittel wurde durch Mischen von Ethylcellulose N300 und Ethylcellulose N22 in einem Verhältnis von 3,76:7,52 mit einer Lösungsmittelmischung umfassend Butylcarbitol und 1-Dodecanol in einem Verhältnis von 53:35 hergestellt, und danach wurde die resultierende Mischung drei Tage lang gerührt und einen Tag lang gealtert, um Schaum davon zu entfernen.

Das so hergestellte Bindemittel wurde mit Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln und Bor gemischt und vordispergiert. Dann wurde eine 3-Walzen-Mühle verwendet, bei der der Abstand zwischen den Walzen eingestellt wurde, und ein Dispersionsprozess wurde fünfmal wiederholt, wodurch eine Paste erhalten wurde, die dann einen Tag lang bei Raumtemperatur gealtert wurde, gefolgt von dem Drucken und gekühlter Lagerung bei 4°C für 60 Tage.

Die so erhaltene Paste wurde unter Verwendung eines Siebs durch einen Dickschichtprozess auf einen Siliziumwafer aufgetragen, in einer Umgebungsatmosphäre thermisch behandelt und hinsichtlich des spezifischen Widerstands gemessen. Die Temperatur der thermischen Behandlung war die gleiche wie bei typischen Sinterbedingungen unter Verwendung einer Silberpaste für eine Solarzelle, und das Brennen wurde bei 800 bis 900°C durchgeführt. Da der spezifische Widerstand der Elektrode aufgrund der Oxidation oder der Bildung einer Verbindung bei einer Zunahme der Temperatur steigt, ist es erforderlich, ein vorbestimmtes Niveau oder weniger zu erzielen.

Messen des spezifischen Widerstands

Der Oberflächenwiderstand einer Elektrode wurde unter Verwendung einer 4-Punkt-Sonde gemessen, und die Dicke der gleichen Elektrode wurde gemessen und mit dem Oberflächenwiderstand multipliziert, um den spezifischen Widerstand zu berechnen. Die Oberflächenwiderstandsmessung wurde unter Verwendung eines Oberflächenwiderstandsmessers LORESTA-GP/MCP-T610, erhältlich von Mitsubishi Chemical, durchgeführt, und die Elektrodendickenemssung wurde unter Verwendung eines Dickenmessers DIGIMICRO MF 501, erhältlich von Nikon Metrology, durchgeführt.

Die Ergebnisse der Messung des spezifischen Widerstands der Pasten 1 bis 7 sind in Tabelle 1 gezeigt. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, fiel der spezifische Widerstand der 2,5 bis 11 Gew.-% Bor enthaltenden Pasten in den Bereich von 6,4 × 10–6 bis 3,2 × 10–5. Die Paste für eine Frontelektrode einer Solarzelle muss einen möglichst niedrigen spezifischen Elektrodenwiderstand und insbesondere 2,0 × 10–4 oder weniger aufweisen. Die Pasten 1 bis 3 wiesen spezifische Widerstandswerte von 6,4 × 10–6, 1,59 × 10–5 bzw. 3,2 × 10–5 auf, die als sehr hervorragend evaluiert werden. Bei den Pasten jedoch, die Bor in einer Menge von über 11 Gew.-% oder unter 2,5 Gew.-% enthalten, war der spezifische Widerstand hoch bis zu einem Niveau von 4,3 × 10–5 bis 7,3 × 10–4. Zusätzlich zu dem Problem des spezifischen Widerstands wurde ferner, wenn die Menge an Bor 11 Gew.-% überstieg, Bor nicht in Tintenform bereitgestellt, sondern lag aufgrund seiner großen spezifischen Oberfläche nach dem Mischen in einer Pulverphase vor, und feine Linienbreiten waren unterbrochen.

Dagegen wies die Paste 7, die kein Bor enthielt, einen hohen spezifischen Widerstand über den Messbereich hinaus auf und war somit zur Verwendung in einer Frontelektrode einer Solarzelle ungeeignet. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass der Fluss von Elektronen aufgrund der Oxidation beim Hochtemperaturbrennen der Frontelektrode behindert wird, und somit fällt der spezifische Widerstand aus dem Messbreich heraus. Wenn bei der vorliegenden Erfindung Bor in einer Menge von 2,5 bis 11 Gew.-% zugesetzt wurde, konnte Bor die Oxidation von Kupfer unterdrücken, um somit einen niedrigen spezifischen Widerstand zu erzielen und die Verdruckbarkeit zu verbessern. Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist ersichtlich, dass die Bor enthaltende Paste 2 verhindert, dass der Kupferkern nach dem Brennen oxidiert wird.

Im Einzelnen zeigt 2A das Querschnittsbild der Elektrode nach dem Hochtemperaturbrennen unter Verwendung der kein Bor enthaltenden Paste 7, und 2B zeigt das Querschnittsbild der Elektrode nach dem Hochtemperaturbrennen unter Verwendung der Bor enthaltenden Paste 2. In 2A erscheint die kein Bor enthaltende Paste aufgrund der Oxidation von Kupfer schwarz, und somit wurde der Elektronentransfer als durch das Kupferoxid CuxO etwas behindert angesehen. Dagegen wurde in 2B die Bor enthaltende Paste zu einer Massenelektrode ohne Oxidation von Kupfer ausgebildet, wodurch sie einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist. Dies liegt wohl daran, dass das Silber in den Kupfer-Silber-Kern-Schale-Partikeln einen Schmelzpunkt unterhalb dem von Kupfer besitzt, und somit ist die Oberflächenoxidation des Kupfers etwas eingeschränkt und das Einschnüren von Kupferpartikeln ist leichter, wodurch eine Massenelektrode ausgebildet wird.

Vergleichsbeispiele 5 bis 8: Paste vor dem Zusatz von Bor

Wie in Tabelle 2 unten gezeigt, wurden Silber enthaltende Pasten auf Basis einer CuP-Legierung bei 500°C und 850°C gebrannt, und ihr spezifischer Widerstand wurde gemessen. Die CuP-Legierungen wurden von Pometon bezogen.

Wie aus dem Ergebnissen der Tabelle 2 hervorgeht, wurde der spezifische Widerstand der Silber enthaltenden Pasten auf Basis von CuP-Legierungen ohne Zusatz von Bor bei Zunahme der Menge an Silber bei Brenntemperaturen von sowohl 500°C als auch 850°C reduziert. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass Silber als eine Hauptkomponente der Elektrode fungiert und somit der Widerstand verringert wird. In den die gleiche Menge an Silber enthaltenden Pasten war der spezifische Widerstand bei 850°C schlechter als bei 500°C. In dem Fall, dass das Silber in einer kleinen Menge enthalten war, variierten die Werte für den spezifischen Widerstand je nach der Brenntemperatur stark. Wenn beispielsweise 27 Gew.-% Silber enthalten waren, betrug der spezifische Widerstand 2,46 × 10–3 bei 500°C und 1,83 × 104 bei 850°C. Auf diese Weise nahm der spezifische Widerstand bei einer Zunahme der Brenntemperatur um das 0,74 × 107-fache zu.

Die Werte für den spezifischen Widerstand der nur CuP umfassenden Paste ohne Zusatz von Bor (Vergleichsbeispiel 8) und der Ag enthaltenden CuP-Pasten (Vergleichsbeispiele 5 bis 7) nach dem Brennen waren nicht niedrig genug, um für Solarzellenelektroden verwendet zu werden. Hier betrug der spezifische Widerstand von Vergleichsbeispiel 5 7,1 × 10–5, was unter den Vergleichsbeispielen der niedrigste war, aber über 3,2 × 10–5 entsprechend dem spezifischen Widerstand der vorliegenden Erfindung lag.

Außerdem betrug die Menge an Silber in Vergleichsbeispiel 5 67 Gew.-%. Folglich genügte in den Pasten auf Basis einer CuP-Legierung selbst ohne Silberzusatz keine Paste dem spezifischen Widerstand von 2,0 × 104, der in der Technik beim Hochtemperaturbrennen bei 850°C erforderlich ist. Da Silber in einer übermäßigen Menge von 67 Gew.-% enthalten war, können zudem durch den Ersatz von Silber keine wirtschaftlichen Vorteile erhalten werden. [Tabelle 2]

PasteZusammensetzung (Gew.-%)BrennbedingungenSpezifischer Widerstand (Ω·cm)CuPAgBindemittelVgl.-Bsp. 5CuP + Ag20 Gew.-%500°C7,1 × 10–567 Gew.-%850°C4,5 × 10–413 Gew.-%Vgl.-Bsp. 6CuP + Ag40 Gew.-%500°C4,1 × 10–447 Gew.-%850°C1 × 10–313 Gew.-%Vgl.-Bsp. 7CuP + Ag60 Gew.-%500°C2,46 × 10–327 Gew.-%850°C1,83 × 10413 Gew.-%Vgl.-Bsp. 8CuP87 Gew.-%500°C1,12 × 1030 Gew.-%850°C-a13 Gew.-%
-a zeigt an, dass der spezifische Widerstand nicht gemessen werden konnte.

Vergleichsbeispiele 9 bis 16: Paste nach Zusatz von Bor

Bor enthaltende Pasten auf Basis einer CuP-Legierung gemäß der folgenden Tabelle 3 wurden gebrannt, und ihr spezifischer Widerstand wurde gemessen. Die CuP-Legierungen wurden von Pometon (Vergleichsbeispiele 9 bis 12) und von Pungsan (Vergleichsbeispiele 13 bis 16) bezogen.

Bei Borzusatz war der spezifische Widerstand bei den Pasten auf Basis einer CuP-Legierung im Vergleich zu Pasten ohne Borzusatz reduziert, aber keine Paste erfüllte 3,2 × 10–5 entsprechend dem spezifischen Widerstand der vorliegenden Erfindung. Die Paste von Vergleichsbeispiel 13 wies den niedrigsten spezifischen Widerstand auf, nämlich 6,24 × 10–3, was über dem der vorliegenden Erfindung lag. Infolgedessen bewirkte das der Paste zugesetzte Bor je nach der Art von Metall andere Reduktionseffekte beim spezifischen Widerstand. [Tabelle 3]

PasteZusammensetzung (Gew.-%)Spezifischer WiderstandCuPBorBindemittelVgl.-Bsp. 9CuP67,82 Gew.-%3,08 × 10–015,35 Gew.-%26,83 Gew.-%Vgl.-Bsp. 10CuP62,30 Gew.-%3,44 × 10–019,84 Gew.-%27,87 Gew.-%Vgl.-Bsp.11CuP55,07 Gew.-%-a13,04 Gew.-%31,88 Gew.-%Vgl.-Bsp. 12CuP50,67 Gew.-%-a16,00 Gew.-%33,33 Gew.-%Vgl.-Bsp. 13CuP67,82 Gew.-%6,24 × 10–035,35 Gew.-%26,83 Gew.-%Vgl.-Bsp. 14CuP62,30 Gew.-%1,14 × 10–019,84 Gew.-%27,87 Gew.-%Vgl.-Bsp. 15CuP55,07 Gew.-%-a13,04 Gew.-%31,88 Gew.-%Vgl.-Bsp. 16CuP50,67 Gew.-%-a16,00 Gew.-%33,33 Gew.-%
-a zeigt an, dass der spezifische Widerstand nicht gemessen werden konnte.

Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Veranschaulichungszwecken offenbart worden sind, versteht der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Schutzbereich und Gedanken der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen offenbart, abzuweichen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • KR 10-2016-0108244 [0001]
  • US 20110315217 A1 [0010]
  • JP 2005-243500 [0012]