АЛЮМИНИЕВАЯ ПАСТА ДЛЯ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ALUMINIUM PASTE FOR SILICON SOLAR CELLS

Область техники
Изобретение относится к толстопленочной микроэлектронике, а именно к материалам для изготовления электропроводящих слоев методом трафаретной печати, и может быть использовано в производстве кремниевых солнечных элементов для формирования тыльного электрода на кремниевых подложках p-типа.
Предшествующий уровень техники
Солнечные элементы относятся к категории фотопреобразователей, то есть это приборы, преобразующие энергию солнечного излучения в электрическую энергию, и используются как источники эдс.
В основе работы солнечных элементов лежит фотогальванический эффект - явление возникновения фото-эдс. при облучении полупроводника световым потоком, сущность которого состоит в том, что при освещении солнечным светом p-n-перехода, генерированные светом электронно-дырочные пары разделяются полем перехода, так что p-область получает дополнительный положительный заряд, а n-область - отрицательный, то есть на концах p-n-перехода возникает разность потенциалов. Если к p-n-переходу, освещаемому солнечным светом, подключить сопротивление нагрузки, то через него потечет электрический ток и соответственно будет выделяться определенная мощность.
Конструктивно солнечные элементы выполняются в виде подложки полупроводникового материала, например, кремния, в которой создается мелкий p-n-переход. Контакты на лицевой и тыльной поверхности кремниевой подложки могут быть получены нанесением токопроводящей толстопленочной пасты методом трафаретной печати.
Известна алюминиевая паста для тыльного электрода солнечного элемента (публикация международной заявки W02011028058, кл. МПК H01B 31/0224, H01B 31/042, опубл. 10.03.2011). Паста содержит: 65-75 мас.% алюминиевого порошка, имеющего среднее распределение размеров частиц 0,01-5 мкм; стеклофритты 0,01-5 мас.% и органического связующего 20,0-34,9 мас.%.
Недостатком известной алюминиевой пасты является относительно большое количество полимера в органическом связующем, что, во-первых, влечет за собой повышение себестоимости продукта, во-вторых, за короткое время вжигания, которое используется для формирования тыльного электрода, полимер не успевает полностью разложиться и/или дает большой остаток после вжигания в виде золы, что существенно влияет на ток короткого замыкания и как следствие ведет к снижению КПД. Использование порошка с размером частиц не более 5 мкм может вызвать плохую спекаемость алюминиевого слоя и как следствие снижение адгезионных свойств.
Известна композиция пасты для солнечного элемента (публикация международной заявки W02011028036, кл. МПК H01B 1/22, H01L 31/042, опубл. 10.03.2011). Композиция пасты включает: алюминиевый порошок, стеклофритту, органическое связующее и неорганическую добавку в виде оксида металла.
Недостатком известной композиции является использование алюминиевого порошка несферической формы с размером частиц от 20 до 50 мкм. Для печати такой пасты необходимо использовать трафарет с размером ячейки не менее 100 мкм, что приведет к большому расходу пасты на пластину и как следствие увеличению прогиба солнечного элемента после вжигания. Также описано использование неорганических наполнителей (оксид железа, кобальта, хрома), с существенно более низкой проводимостью по сравнению с алюминием. Их использование может привести к снижению проводимости в солнечном элементе и, как результат, снижению КПД.
Известна композиция для печати электродов на полупроводниковых подложках, используемая при производстве солнечных элементов (публикация международной заявки W02011026852, кл. МПК H01B 1/02, Н01В 1/22, H01L 21/28, H01L 21/288, H01L 31/0224, опубл. 10.03.2011). Композиция для печати содержит: электропроводящие частицы 30-90 мас.%, стеклянную фритту 0-7 мас.%, по крайней мере, один абсорбент для лазерного излучения 0,1-5 мас.%, по крайней мере, один материал матрицы 0-8 мас.%, по крайней мере, одно металлоорганическое соединение 0-8 мас.%, растворитель 3-50 мас.%, по крайней мере, один удерживающий агент 0-65 мас.% и по крайней мере, одну добавку 0-5 мас.%. В качестве электропроводящих частиц может использоваться, в том числе, алюминий.
Недостатком известной композиции является то, что лазерный метод нанесения слоя требует достаточно дорогостоящего оборудования. Кроме того, абсорбент лазерного излучения может ухудшать электрические свойства солнечного элемента.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту - прототип - является проводящая композиция, используемая при формировании толстопленочных электродов солнечных элементов (патент США №7,718,092, кл. МПК H01B 1/22, H01L 31/00, H02N 6/00, опубл. 18.05.2010). Композиция включает: алюминийсодержащий порошок, аморфный диоксид кремния и одну или нескольких дополнительных композиций стеклофритты, рассредоточенных в органической среде. Аморфный диоксид кремния присутствует в диапазоне от 0,05 до 0,3 мас.% на основе общего веса композиции. Композиция может дополнительно содержать серебросодержащий порошок. Композиция стеклянной фритты может быть безсвинцовой. Органическая среда включает в себя полимерное связующее и летучие органические растворители. Для формирования тыльного электрода пасту наносят на тыльную поверхность кремниевого солнечного элемента методом трафаретной печати. Вжигание напечатанного слоя проводят при температуре 500-990°C.
Недостатками известной композиции являются:
- использование диоксида кремния для снижения прогиба одновременно негативно сказывается на адгезионных свойствах вожженного алюминиевого слоя. Несмотря на то, что не наблюдается образования пыли после вжигания, уровень адгезии после ламинации при изготовлении солнечных модулей значительно ниже, в связи с низкой спекаемостью твердых компонентов в объеме алюминиевого слоя,
- не определен размер частиц диоксида кремния, что очень важно, при использовании слишком крупных частиц наблюдается резкое падение адгезии вожженных слоев и снижение проводимости тыльного контакта.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании композиции алюминиевой токопроводящей пасты, позволяющей улучшить потребительские характеристики и свойства пасты, увеличить эффективность и качество солнечных элементов.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении тока короткого замыкания, снижении последовательного сопротивления солнечного элемента, что приводит к повышению КПД. При этом используются материалы относительно низкой стоимости, что ведет к существенному снижению затрат при изготовлении пасты и самого солнечного элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что алюминиевая паста для кремниевых солнечных элементов включает частицы порошка алюминия, органическое связующее и стеклофритту, причем в пасте используют мелкодисперсный алюминиевый порошок, частицы которого имеют сферическую форму, причем используется сочетание алюминиевых порошков со средним размером частиц D50 не более 3,0 мкм и 4,0-6,0 мкм в соотношении (10:50):(90:50) соответственно, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: алюминиевый порошок 70-80; органическое связующее 15-30; стеклофритта 0-5.
В качестве стеклофритты может использоваться смесь висмутатного и свинцово-боросиликатного стекла со средним размером частиц D50 не более 10,0 мкм, предпочтительно 2,0-3,0 мкм.
Алюминиевая паста может дополнительно содержать металлоорганическое соединение и/или кремнийорганическое соединение и/или сополимер в количестве 0-2 мас.%.
2
Алюминиевая паста может дополнительно содержать наночастицы аморфного диоксида кремния, имеющие размер не более 200 нм и удельную поверхность 100-400 м/г в количестве 0-2 мас.%.
Соотношение частиц алюминиевого порошка различного размера специально подобрано для повышения плотности упаковки и увеличения площади контакта с текстурированной кремниевой поверхностью, что ведет к снижению последовательного сопротивления солнечного элемента и как следствие к повышению фактора заполнения (филфактор FF). Смесь стеклофрит с различной температурой размягчения/плавления и коэффициентом термического расширения позволяет получать слои с высокими адгезионными свойствами и сниженным прогибом. Органическое связующее подобрано таким образом, что позволяет сушить пасту, нанесенную на кремниевую подложку за очень короткое время, что очень актуально в настоящее время, когда все производители солнечных элементов стремятся уменьшить время цикла изготовления продукции.
Осуществление изобретения
В настоящем изобретении используется сочетание порошков алюминия, имеющих сферическую форму частиц, средний размер частиц составляет D50 не более 3 мкм и D50 4-6 мкм в соотношении (10-50):(90-50) соответственно. Если средний размер частиц D50 порошка превышает 6,0 мкм, то возникает тенденция к ухудшению печатных свойств пасты и снижению электрических параметров солнечных элементов. И наоборот; если размер частиц D50 порошка значительно менее 1,0 мкм, то увеличивается его маслоемкость и, соответственно, повышается вязкость пасты и ухудшаются ее печатно-технические свойства. Такое повышение вязкости негативно сказывается на печатных свойствах пасты. Использование очень мелких порошков также может вызывать увеличение прогиба за счет повышенного спекания, вызванного усиленной активностью порошков.
Согласно изобретению порошки алюминия используются в соотношении (10-50):(90-50). Такое соотношение порошков позволяет достичь оптимальной плотности упаковки частиц, что повышает электропроводность слоя и повышает площадь контакта с текстурированной кремниевой подложкой при сохранении необходимых реологических и печатно-технических свойств состава.
Содержание стеклофритты в токопроводящей пасте должно находиться в диапазоне 0-5 мас.%. Стеклофритта обеспечивает адгезионные свойства пасты к кремниевой структуре. Содержание стеклофритты в составе пасты, превышающем 5%, приводит к чрезмерному увеличению прогиба кремниевой пластины после вжигания. Достаточное количество стекла обеспечивает спекание частиц металла и материала подложки для формирования контакта. В качестве стеклофритты используется смесь висмутатного и свинцово-боросиликатного стекла, размер частиц D50 не более 10 мкм, предпочтительно 2-3 мкм. Если средний размер частиц D50 превышает 10 мкм, то снижается скорость оплавления стекла, что может вызвать ухудшение адгезии.
Используемые стекла должны иметь разную температуру размягчения, что позволит обеспечить хороший контакт к кремниевой пластине и повысить когезию алюминиевых частиц в объеме алюминиевого слоя, одновременно не давая сильно спекаться алюминиевому порошку. Определенная смачиваемость стеклофритты позволяет получить вожженные слои с небольшим прогибом.
Т размягчения висмутатного стекла 200-400 град, Т размягчения свинцово-боросиликатного стекла 400-600 град.
Содержание органического связующего в токопроводящей пасте должно находиться в диапазоне 15-30 мас%. Органическое связующее включает в себя полимер (этилцеллюлоза, акрилатные полимеры, полиметилметакрилаты, поливинибутираль, полиэтиленгликоль и др.) в качестве пленкообразующего, связующее получают путем растворения полимера в высококипящих органических растворителях. В роли растворителей может быть использован терпинеол, тексанол, дибутилфталат, бутилкарбитолацетат, бутилкарбитол, изоамилсалицилат и др. В качестве добавок в составе органического связующего возможно применение дисперсантов, смачивателей и тиксотропных агентов. Органическое связующее подобрано таким образом, что позволяет сушить напечатанный слой пасты при температуре 200-350 град за 20-50 сек.
В токопроводящей пасте данного изобретения могут быть использованы специальные добавки, такие как смачиватели поверхности, диспергаторы, стабилизаторы/корректоры вязкости. Количество используемых добавок определяется в соответствии с характеристиками полученной токопроводящей пасты. Также возможно использование нескольких типов добавок:
- металлоорганические соединения, (например, алкоксиды, тэтраэтоксититан и др.), кремнийорганические соединения, сополимеры в количестве 0-2 мас.%,
2
- наночастицы аморфного диоксида кремния с размером частиц не более 200 нм и удельной поверхностью 100-400 м/г в количестве 0-2 мас.%.
Оптимальность количественного состава пасты подтверждается тем, что при введении входящих в нее компонентов в количествах выше или ниже заявляемых пределов не обеспечиваются требуемые эксплуатационные и реологические свойства.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «новизна».
Сравнительный анализ показал, что в уровне техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, а также не подтверждена известность влияния этих признаков на технический результат. Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Пример 1
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 10:90 в количестве 75 мас.%, смесь висмутатного и свинцово-боросиликатного стеклопорошков в соотношении 1:1 в количестве 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты и слоев на ее основе приведены в таблице 1 и 2.
Пример 2
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 20:80 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 1:1 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Пример 3
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 30:70 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 1:1 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Пример 4
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 50:50 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 1:1 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Пример 5
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 50:50 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 1:1 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Пример 6
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 20:80 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 1:2 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Пример 7
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 20:80 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 1:3 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Пример 8
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок алюминия с размером частиц не более 3 мкм и 4-6 мкм в соотношении 20:80 в количестве 75 мас.%, смесь стеклофритт в соотношении 2:3 общим содержанием 2,0 мас.%, остальное - органическое связующее, обычно 10% раствор 8 этилцеллюлозы в терпинеоле или бутилкарбитоле. Печатные, механические и электрофизические свойства полученной токопроводящей пасты приведены в таблице 1 и 2.
Таблица 1
Печатные свойства пасты и механические параметры вожженного слоя
№ примера
соотношение фракций Al порошка
соотношение стекол
печатные свойства
адгезия после сушки
адгезия после вжигания
прогиб
1
0:100
0:1
отл
отл
отл
1,86
2
0:100
1:0
отл
отл
удовл
1,15
3
0:100
1:1
отл
отл
удовл
1,25
4
20:80
1:0
отл
отл
удовл
1,35
5
20:80
1:1
отл
отл
отл
1,43
6
50:50
1:2
отл
отл
отл
1,34
7
20:80
1:2
отл
отл
отл
1,28
8
80:20
1:1
отл
отл
отл
1,54
Таблица 2
Электрофизические параметры солнечных элементов
№ примера
соотношение фракций Al порошка
соотношение стекол
Uoc, mV
JSC,mA/cm<sup>2</sup>
Rs, mOhm
FF,%
Ncell, %
1
0:100
0:1
629,94
36,29
2,15
79,62
18,22
2
0:100
1:0
630,31
36,35
2,05
80,09
18,35
3
0:100
1:1
629,66
36,24
2,06
79,85
18,27
4
20:80
1:0
630,57
36,25
1,94
80,21
18,25
5
20:80
1:1
631,43
36,76
2,05
79,93
18,55
6
50:50
1:2
631,71
36,36
2,03
80,18
18,43
7
20:80
1:2
632,29
36,44
2,07
80,28
18,50
8
80:20
1:1
632,18
36,37
2,04
80,35
18,47
Влияние воженного слоя исследуемых образцов алюминиевых паст на коробление солнечных элементов оценивалось путем измерения прогиба кремниевых подложек, на которые были предварительно нанесены тестируемые композиции. Для измерения прогиба использовали лазерную оптическую систему «Кеуепсе» (Япония). Погрешность измерения не более ±0,025 мм.
Когезию и спекаемость исследуемых составов с кремнием оценивали визуально по остатку слоя на ленте с липким слоем после отрыва по трехбалльной шкале («отлично», «хорошо», «удовлетворительно»). Для оценки применялся эталон - цветовая шкала с оттенками серого цвета.
Исследование электрических свойств алюминиевых паст производилось путем измерения электрофизических параметров солнечных элементов, тыльный контакт к которым формировали с применением испытуемых образцов. Для измерения вольт-амперных характеристик использовали установку «Pasan» STCLAB906 Pro (Швейцария).
Промышленная применимость
В алюминиевой пасте для кремниевых солнечных элементов, согласно изобретению, используется сочетание порошков алюминия сферической формы с различным средним размером частиц в определенном соотношении, что отличает ее от известных паст. Данная композиция токопроводящей пасты обеспечивает повышение тока короткого замыкания, снижение последовательного сопротивления солнечного элемента, что в свою очередь приводит к повышению КПД.
Алюминиевая паста для кремниевых солнечных элементов, изготовленная в соответствии с изобретением, может быть использована в производстве кремниевых солнечных элементов для формирования тыльного электрода на кремниевых подложках p-типа.