Результат интеллектуальной деятельности: ПРОВОДЯЩИЕ ПАСТЫ

Область техники изобретения

Варианты выполнения настоящего изобретения относятся к проводящим пастам, которые по существу не содержат стеклянные фритты, и фотогальваническим элементам, имеющим линии проводящей сетки, образованные из проводящих паст, которые по существу не содержат стеклянные фритты.

Предшествующий уровень техники изобретения

Проводящие пасты или массы используют для формирования металлических контактов, таких как серебряные линии сетки и шины, на поверхности субстратов, таких как кремний. Такие субстраты можно использовать в фотоэлементах или фотогальванических элементах, которые превращают солнечную энергию в электрическую энергию, когда фотоны солнечного света возбуждают электроны из валентной зоны полупроводника в проводящую зону полупроводника. Электроны, которые движутся в проводящую зону полупроводника, собираются в месте металлических контактов. Кристаллические кремниевые фотоэлементы в современной промышленности обычно покрывают просветляющим покрытием для улучшения поглощения света, что повышает эффективность элементов. Однако просветляющее покрытие также действует как изолятор, препятствуя переносу электронов с субстрата к металлическим контактам. Просветляющие покрытия часто содержат нитрид кремния, оксид титана или оксид кремния.

Проводящие пасты обычно содержат стеклянную фритту, частицы металла или проводящий материал и органическую среду. Частицы металла, обычно частицы серебра, придают проводящие свойства и действуют в качестве токоснимателей после формирования металлических контактов. Для формирования металлических контактов проводящие пасты наносят на субстрат методом печати. Субстрат затем обжигают при температуре в диапазоне от около 650°C до около 950°C. В большинстве случаев необходима спекающая добавка, так как применяемая температура обжига ниже, чем эвтектическая точка серебра и кремния, и чем температура плавления серебра. Кроме того, проводящая паста должна проникать через просветляющее покрытие для формирования металлических контактов, имеющих омический контакт с субстратом.

Традиционные проводящие пасты содержат стеклянные фритты для содействия спеканию частиц металла с субстратом и для улучшения адгезии и омического контакта между сформированным металлическим контактом и субстратом. В зависимости от состава, стеклянные фритты могут разжижаться при обжиге при температуре от около 300°C до около 600°C. При разжижении стеклянная фритта приобретает склонность к течению в направлении границы между частицами металла или частицами серебра и просветляющим покрытием, расположенном на субстрате. Расплавленное стекло растворяет вещества просветляющего покрытия, а также часть серебра и субстрата. При снижении температуры расплавленное серебро и расплавленный или растворенный субстрат кристаллизуются из жидкой фазы. В результате, некоторые из кристаллитов серебра способны проникать через просветляющий слой и образовывать омический контакт с субстратом. Данный способ называется "fire-through", он облегчает формирование низкого сопротивления контакта и более прочной связи между серебром и субстратом.

Как будет описано в настоящем тексте далее, стеклянные фритты не считаются идеальными материалами для использования в "fire-through" способе, и, следовательно, существует потребность в замещающих материалах. Использование металлоорганических соединений в проводящих пастах, которые не содержат стеклянную фритту, описано в статье Silver Thick Film Metallization for Photovoltaics Fired at 300°C, CJ. Sabo и др. (в настоящем тексте называемая "статья Сабо"). В статье Сабо конкретно описано использование серебряного металлоорганического компонента, такого как неодеканоат серебра, в проводящей массе или пасте, которую наносят на кремниевую пластину методом трафаретной печати для образования линий сетки. В реферате к статье Сабо указано, что отпечатанные пасты наносили на кремниевые пластины или фотоэлементы, высушивали в течение 30 минут при 65°C и обжигали при максимальной температуре 300°C в течение 70 минут.

Таким образом, все еще существует потребность в других заместителях стеклянной фритты для использования в проводящих пастах, которые содействуют спеканию, снижают удельное сопротивление фотогальванических элементов, а также способны улучшать адгезию и омический контакт через просветляющие покрытия.

Краткое описание

По одному аспекту настоящего изобретения предоставляются проводящие пасты, в которых используются травители, обеспечивающие такие же свойства, как стеклянные фритты, во время обжига. В частности, один или более вариантов выполнения настоящего изобретения относятся к проводящей пасте, которая содержит несколько металлоорганических компонентов и проводящих материалов, где металлоорганические компоненты образуют твердую металлоксидную фазу при обжиге или нагреве. По меньшей мере в одном варианте выполнения изобретения проводящая паста по существу не содержит фритту. При использовании в тексте настоящей заявки термин "по существу не содержит фритту" означает содержание стеклянной фритты в количестве менее около 1 масс.%. Также, при использовании в тексте настоящей заявки термины "масса" и "паста" используются взаимозаменяемо.

Хотя настоящее изобретение не связано с какой-либо теорией, считается, что стеклянные фритты не являются идеальным материалом для "fire-through" способа, так как стекло не является проводником. В частности, стекло имеет склонность окружать кристаллиты серебра на границе металлического контакта и субстрата. Более того, стекло образует изолирующую фазу и препятствует току электронов. Применение проводящих паст, содержащих стеклянные фритты, с помощью способов струйной печати также может быть проблематично, так как крупные частицы фритты могут забивать или блокировать детали механизма.

По одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения проводящая паста может по существу не содержать фритту, а также не требует использования проводящих материалов, вместо которых используются разнообразные предшественники, где один или более данных предшественников при обжиге образуют твердую металлоксидную фазу и один или более проводящих металлических элементов.

В одном варианте выполнения настоящего изобретения проводящие пасты адаптированы для склеивания с поверхностью субстрата при нанесении на субстрат в отсутствие фритты. В другом варианте выполнения изобретения проводящая паста адаптирована для разложения при обжиге металлоорганических компонентов и любой другой органической среды для образования твердой металлоксидной фазы и для формирования проводящим материалом электрического проводника на субстрате. По другому варианту выполнения изобретения при обжиге или нагреве проводящая паста, содержащая несколько предшественников, адаптирована для разложения предшественников и любой органической среды, образует твердую оксидную фазу и вызывает образование электрического проводника на субстрате из одного или более генерируемых проводящих металлических элементов.

Когда проводящую пасту по одному или более вариантам выполнения изобретения наносят на просветляющее покрытие, нанесенное на субстрат, проводящая паста способна проникать через просветляющее покрытие, формируя омический контакт с субстратом.

В другом варианте выполнения изобретения проводящая паста содержит проводящий материал, такой как порошок серебра. В другом варианте выполнения проводящий материал, использованный в проводящей пасте, способен спекаться при температуре выше около 500°C.

В одном или более вариантах выполнения изобретения металлоорганические компоненты присутствуют в проводящих пастах в количестве менее около 40 масс.%. В другом варианте выполнения изобретения несколько предшественников присутствуют в проводящих пастах в количестве менее около 90 масс.%. Металлоорганические компоненты и/или предшественники по одному или более вариантам выполнения изобретения содержат один или более металлических элементов, выбранных из Группы IIIA, Группы IVA, Группы VA, титана, ванадия или цинка. В более частных вариантах выполнения изобретения используют металлоорганические компоненты и/или предшественники, которые включают металлические элементы, выбранные из бора, алюминия, кремния, висмута, цинка, ванадия или титана.

По другому варианту выполнения настоящего изобретения проводящая паста может также включать одно или более фосфорсодержащих веществ, модификаторов, включая оксид металла и/или коллоидные суспензии металлов.

Другой аспект настоящего изобретения касается фотогальванического элемента, включающего полупроводниковый субстрат, просветляющее покрытие и линии проводящей сетки, образованные из проводящей пасты, которая по существу не содержит фритту. В одном варианте выполнения изобретения проводящая паста содержит органическую среду, проводящий материал и несколько металлоорганических компонентов. В другом варианте выполнения проводящая паста содержит один или более предшественников, способных образовывать один или более проводящих металлических элементов при обжиге. Кроме того, проводящую пасту, используемую в одном варианте выполнения фотогальванического элемента, обжигали для образования линий сетки с металлоксидной фазой и проводящим материалом, и обрабатывали для удаления органической среды и спекания проводящего материала. Проводящий материал, используемый в другом варианте выполнения изобретения, представляет собой порошок серебра и/или способен спекаться при температуре выше около 500°C. В другом варианте выполнения изобретения проводящая паста наносится на просветляющее покрытие и способна проникать через просветляющее покрытие, формируя омический контакт с субстратом. Просветляющее покрытие, на которое нанесена проводящая паста, в одном или более вариантах выполнения изобретения демонстрирует высокое удельное сопротивление, что препятствует переносу носителей заряда в цепи.

Выше довольно широко были очерчены некоторые признаки и технические преимущества настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что описанные частные варианты выполнения изобретения можно легко использовать в качестве основы для изменения или разработки других структур или способов в рамках объема настоящего изобретения. Также специалистам в данной области техники будет понятно, что такие эквивалентные конструкции не выходят за рамки сущности и объема настоящего изобретения, описанных в прилагаемой формуле изобретения.

Подробное описание изобретения

Перед описанием некоторых иллюстративных вариантов выполнения настоящего изобретения необходимо понимать, что настоящее изобретение не ограничивается деталями конструкции или стадиями способов, описанными далее в данном тексте.

Возможны другие варианты выполнения настоящего изобретения, которые можно осуществлять или выполнять различными способами.

Аспекты настоящего изобретения включают проводящие материалы и/или предшественники для образования проводящей пасты, по существу не содержащей фритты, которая далее будет описана более подробно. Предшественники могут представлять собой неорганический предшественник, такой как соль металла (например, нитрат серебра) или металлоорганический компонент, который образует проводящий металлический элемент при обжиге.

Предшественники

В некоторых вариантах выполнения изобретения не требуется использование проводящего материала, а вместо этого используются предшественники, которые при обжиге образуют один или более проводящих металлических элементов. При использовании в настоящем тексте термин "проводящие металлические элементы" включает медь, серебро, золото, платину и/или другие благородные металлы и их комбинации. В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения используют и проводящий материал, и предшественники, которые образуют проводящие металлические элементы.

Использование предшественников, которые при обжиге образуют проводящие металлические элементы, может быть полезным для получения паст без частиц металлов для применения в виде тонкой пленки. Хотя настоящее изобретение не связано с какой-либо теорией, считается, что пасты, не содержащие частиц, или пасты, в которых не содержится проводящий материал, предотвращают агломерацию, которая может возникать при нанесении проводящих паст способом прямой печати, таким как разбрызгивание или струйная печать.

Металлорганические компоненты

Один или более вариантов выполнения настоящего изобретения включают проводящие пасты, содержащие более одного металлоорганического предшественника. В целом, металлоорганические соединения представляют собой соединения, содержащие атомы металлов, включая карбоксилаты металлов, такие как неодеканоаты, ацетаты и пропионаты, алкоксиды металлов и металлокомплексы, которые умеренно растворимы или нерастворимы в воде. Металлорганические компоненты также могут содержать любые ароматические или алифатические группы, и иногда их называют резинатами металлов, когда органическая часть состоит из групп, являющихся производными полимеров или других природных продуктов. Другие подходящие металлорганические предшественники включают меркаптиды металлов. Металлорганические компоненты, используемые в одном или более вариантах выполнения, могут содержать более одного атома металла.

Примеры металлоорганических компонентов, используемых с одной или более проводящими пастами, включают комбинацию бор-металлоорганических, алюминий-металлоорганических, кремний-металлоорганических, висмут-металлоорганических, цинк-металлоорганических и ванадий-металлоорганических компонентов. Иногда металлоорганические и органо-металлические соединения определяют как две категории. При использовании в тексте данной заявки, термин "металлоорганическое соединение" включает как металлоорганические, так и органо-металлические соединения.

Без привязки к какой-либо теории, считают, что при обжиге металлоорганические компоненты разлагаются и органические части удаляются из проводящей пасты. Также могут образовываться смеси металлов или металлических сплавов или оксидов металлов. Количество твердого вещества, полученного после обжига, называют "содержание твердого веществ в металлоорганических компонентах в массовых процентах". По одному или более вариантам выполнения изобретения металлоорганические компоненты должны присутствовать в пасте в количестве, достаточном для образования содержания твердого вещества по меньшей мере 0.5 масс.%. Другие варианты выполнения содержат металлоорганические компоненты, имеющие содержание твердого вещества по меньшей мере 2-3 масс.%. Без привязки к какой-либо теории считают, что аналогично использованию стеклянных фритт в проводящих пастах, количество твердого вещества, полученного из металлоорганического компонента, влияет на способность проводящей пасты формировать электрический проводник на субстрате или формировать омический контакт с субстратом. Данная способность, следовательно, способствует производительности устройства, включающего проводящую пасту, такого как полупроводник, фотогальванический элемент или автомобильное стекло. Как указано в настоящем тексте, в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения используется более одного металлоорганического компонента. Без привязки настоящего изобретения к какой-либо теории считают, что использование более одного металлоорганического соединения в проводящей пасте снижает удельное сопротивление в большей степени, чем использование только одного металлоорганического компонента.

В одном или более вариантах выполнения изобретения металлоорганические компоненты включали висмут-металлоорганические соединения, кремний-металлоорганические соединения и бор-металлоорганические соединения. Другие варианты выполнения могут включать по меньшей мере один металлоорганический компонент, выбранный из висмут-металлоорганических соединений, кремний-металлоорганических соединений и/или бор-металлоорганических соединений. Другие варианты выполнения могут включать одно или комбинацию висмут-металлоорганических соединений, кремний-металлоорганических соединений, бор-металлоорганических соединений, алюминий-металлоорганических соединений, цинк-металлоорганических соединений и/или ванадий-металлоорганических соединений.

По одному или более вариантам выполнения изобретения для достижения требуемых свойств отдельный элемент, или оксиды металлов, или коллоидные суспензии металлов можно добавлять к металлоорганическим компонентам в качестве модификаторов для повышения содержания какого-либо элемента или придания новых свойств. Например, можно добавлять фосфор, Р2О5 или другой тип фосфорсодержащего соединения для производства самолегирующих (self-doping) паст для использования в фотоэлементах.

Кроме того, металлоорганические компоненты на основе цветных металлов могут улучшать связывание пленки при низких температурах. Например, порошки серебра, нано-суспензии серебра и металлоорганические компоненты на основе цветных металлов обеспечивают хорошую проводимость и сцепление с керамическим или конформным субстратами. Конформные субстраты могут включать, но не ограничены только ими, мягкие субстраты, такие как Mylar®, Kapton®, Kaladex® и Melinex®.

Известные в данной области техники способы можно использовать для создания готовых форм разнообразных металлоорганических компонентов, используемых в проводящих пастах согласно вариантам выполнения настоящего изобретения.

Для регулирования конечных свойств можно принять во внимание дополнительные факторы в разработке состава металлоорганических компонентов. Один принцип включает контроль агрессивности проводящей пасты на просветляющем покрытии и предотвращение загрязнения субстрата. Другой принцип включает выбор температуры термического разложения в диапазоне от около 200°C до около 500°C или в другом диапазоне в зависимости от профиля распределения температуры при обжиге, чтобы обеспечить достаточно времени и тепла для взаимодействия твердой смеси, образовавшейся при разложении металлоорганических компонентов, с проводящим материалом и просветляющим покрытием. Можно рассмотреть использование карбоксилатов металлов или предшественников низкотемпературного химического осаждения в паровой фазе ("CVD") для регулирования температуры разложения. Третий принцип включает выбор металлоорганических компонентов, которые обладают консистенцией, подходящей для отпечатывания, или которые можно также использовать в качестве модификаторов реологии.

Проводящие материалы

В одном или более вариантов выполнения изобретения в проводящей пасте используется проводящий материал, такой как серебро в порошкообразной или дисперсной форме. Другие неограничивающие примеры подходящих проводящих материалов включают такие проводящие металлы, как золото, медь и платина в порошкообразной или дисперсной форме.

Проводящий материал, используемый в одном или более вариантов выполнения зобретенияи, может иметь вид одного или более тонкоизмельченных порошков серебра или сплавов серебра. По одному или более вариантам выполнения проводящий материал должен обладать способностью к спеканию при температуре выше около 500°C.

Другие компоненты

Проводящая паста по одному или более вариантам выполнения также может включать органический носитель. Органический носитель диспергирует дисперсные компоненты и облегчает перенос композиции пасты на поверхность. По меньшей мере в одном варианте выполнения органический носитель включает любой подходящий инертный растворитель, полимеры и обычно применяемые поверхностно-активные вещества. Конкретно, органический носитель растворяет полимеры и диспергирует проводящий материал и металлоорганические компоненты до образования проводящей пасты с подходящей реологией. Различные органические носители с загустителями, стабилизаторами и/или другими обычными добавками или без них могут использоваться в получении вариантов выполнения настоящего изобретения. Примеры растворителей включают спирты (включая гликоли), а также эфиры таких спиртов, терпены, такие как сосновое масло, терпинеол и другие. Более частные примеры растворителей включают дибутилфталат, монобутиловый эфир диэтиленгликоля, терпинеол, изопропанол, тридеканол и 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноизобутират. В некоторых вариантах выполнения используются носители, которые также содержат летучие жидкости для стимулирования более быстрого высушивания после нанесения на субстрат.

Примеры подходящих полимеров включают этилцеллюлозу, метилцеллюлозу, нитроцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и другие производные целлюлозы. Другие примеры включают такие полимеры, как эфиры акриловой кислоты, эфиры метакри-ловой кислоты, поливиниловые спирты, поливинилбутирали и поликетоны.

В одном частном варианте выполнения изобретения используют растворы полимеров, таких как полиметакрилаты низших спиртов, в то время как в более частном варианте выполнения жидкий носитель включает этилцеллюлозу, растворенную в растворителях, таких как сосновое масло и монобутиловый эфир диэтиленгликоля.

Соотношение органического носителя и твердого вещества в проводящей пасте по одному или более вариантам выполнения изобретения может значительно варьироваться и определяется реологией конечного требуемого состава, которая, в свою очередь, определяется требованиями системы к трафаретной печати. В одном или более вариантах выполнения проводящая паста может содержать от около 50 до около 95 масс.% твердого вещества и от около 5 до около 50 масс.% органического носителя.

Один или более варианты выполнения проводящих паст могут дополнительно содержать другие добавки, известные в данной области техники, такие как красители и красящие вещества, модификаторы реологии, средства, повышающие адгезию, ингибиторы спекания, модификаторы дообжиговой прочности, поверхностно-активные вещества и так далее.

Проводящую пасту по одному или более вариантам выполнения можно получать с помощью подходящего оборудования, такого как трехвалковая мельница. Проводящий материал, металлоорганические компоненты, предшественники, органические носители и любые другие добавки можно предварительно тщательно смешивать, затем диспергируя в трехвалковой мельнице.

Фотогальванические элементы

В другом аспекте настоящего изобретения описаны ФГ элементы, содержащие полупроводниковый субстрат, просветляющее покрытие на субстрате и линии проводящей сетки. По одному или более вариантам выполнения линии проводящей сетки формируются из проводящей пасты, по существу не содержащей фритту. Один или более описанных в данном тексте вариантов выполнения проводящих паст можно использовать для формирования линий проводящей сетки. По одному или более вариантам выполнения изобретения желательно применение более одного металлоор-ганического компонента, так чтобы проводящая паста могла проникать через просветляющее покрытие на субстрате или растворять его, и устанавливать омический контакт.

В одном или более вариантов выполнения изобретения полупроводниковый субстрат может представлять собой кремний. Можно использовать другие подходящие субстраты, известные в данной области техники, такие как легированные полупроводниковые субстраты. По одному или более вариантам выполнения просветляющие покрытия могут содержать оксид титана, нитрид кремния или другие покрытия, известные в данной области техники.

Полупроводниковый субстрат может содержать монокристаллический или поликристаллический кремний. Просветляющие покрытия можно наносить на субстрат с использованием методик химического осаждения из паровой фазы. В некоторых вариантах выполнения изобретения для нанесения просветляющего покрытия на субстрат используют усиленные плазмой методики химического осаждения из паровой фазы. Полупроводниковые субстраты по одному или более вариантам выполнения, также могут быть протравлены или текстурированы для уменьшения отражения солнечного света и повышения степени поглощения. По одному или более вариантам выполнения изобретения после этого на поверхность субстрата или на просветляющее покрытие наносится проводящая паста трафаретной печатью или другими методиками. В одном варианте выполнения субстрат нагревают или обжигают до температуры от около 650° до 950°С для формирования линий сетки. Как описано в данной заявке, обжигание позволяет стеклянной фритте известных проводящих паст плавиться и проникать через просветляющее покрытие. Проводящий материал, используемый в проводящих пастах по одному варианту выполнения изобретения образует кристаллиты на границе проводников и субстрата, что улучшает электрический или омический контакт между проводниками и полупроводниковым субстратом. В вариантах выполнения, в которых используется несколько предшественников, при обжиге один или более предшественников образуют один или более проводящих элементов, которые ускоряют формирование электрических проводников на субстрате.

Не ограничивая настоящее изобретение каким-либо образом, в представленных далее примерах более полно описаны варианты выполнения изобретения.

ПРИМЕРЫ

Тестировали две пасты или массы (Паста А и Паста В), где обе пасты включали порошки серебра, несколько металлоорганических компонентов, полимеры и растворители. Количество металлоорганических компонентов в Пасте А составляло 2 масс.% твердого вещества, а количество металлоорганических компонентов в Пасте В составляло 3 масс.% твердого вещества. Эти пасты наносили методом печати и формировали фронтальные контакты на двух фотоэлементах из кристаллического кремния. Измеряли производительность каждого фотоэлемента, при этом значения стандартизировали относительно Пасты А; значения представлены в Таблице 1.

"Коэффициент заполнения" и "эффективность" являются единицами измерения производительности полупроводника. Термин "коэффициент заполнения" определяют как соотношение максимальной мощности (V_mp×J_mp), деленной на произведение плотности тока короткого замыкания (J_sc) и напряжения разомкнутой цепи (V_oc) в вольт-амперных (I-V) характеристиках для фотоэлементов. Напряжение разомкнутой цепи (Voc) представляет собой максимальное напряжение, получаемое в режиме холостого хода. Плотность тока короткого замыкания (J_sc) представляет собой максимальную плотность тока без нагрузки в режиме короткого замыкания. Коэффициент заполнения (FF), таким образом, определяют как (V_mpJ_mp)/(V_ocT_sc), где J_mp и V_mp представляют собой плотность тока и напряжение при максимальном значении мощности.

Термин "эффективность" представляет собой процентное отношение мощности, превращенной (превращенной из поглощаемого солнечного света в электроэнергию) и собранной в месте соединения фотоэлемента и электрической цепи. Эффективность (η) вычисляют как пиковую мощность (P_m), деленную на произведение общей падающей радиации (E, измеряется в Вт·м^-2) и площади прибора (A, измеряется в м) при "стандартных" условиях испытаний, где η=P_m/(E×A).

Как показано в Таблице 1, Паста В продемонстрировала более высокий коэффициент заполнения и эффективность, чем Паста А. На основании данных результатов считают, что проводящая паста обеспечивает более высокий коэффициент заполнения и эффективность, когда содержащиеся в ней металлоорганические компоненты генерируют более высокое содержание твердого вещества.

Упоминание в настоящем описании "одного варианта выполнения изобретения", "некоторых вариантов выполнения изобретения", "одного или более вариантов выполнения изобретения" или "варианта выполнения изобретения" означает, что конкретный признак, структура, материал или особенность, описанные в связи с данным вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения данного изобретения. Таким образом, такие фразы, как "в одном или более вариантов выполнения изобретения", "в некоторых вариантах выполнения изобретения", "в одном варианте выполнения изобретения" или "в варианте выполнения изобретения" в различных местах настоящего описания необязательно касаются одного и того же варианта выполнения изобретения. Кроме того, частные признаки, структуры, материалы или особенности могут комбинироваться любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.

Несмотря на то, что изобретение в данном тексте было описано со ссылкой на частные варианты выполнения, необходимо понимать, что данные варианты выполнения только иллюстрируют принципы и области применения настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники понятно, что возможны различные модификации и изменения способа и аппаратного оформления настоящего изобретения без выхода за рамки сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение включает модификации и изменения, которые находятся в рамках прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.