[发明专利]用于硅太阳能电池的多元素金属粉末

说明书

发明领域

本发明涉及制备包含一种或多种活性金属和一种或多种非活性金属的多元素的、细分的、球形金属粉末。具体地讲，本发明涉及制备包含至少一种活性金属和至少一种非活性金属的多元素细分金属粉末的方法以及这些粉末在硅太阳能电池中的使用。

发明技术背景

常规的地面太阳能电池一般由薄的硅(Si)晶片制成，在晶片中已生成整流结或p-n结，并且随后已在晶片的两侧上形成导电的电极触点。具有p型硅基极的太阳能电池结构在基极或背面上具有正极触点，在处于电池正面或光照面的n型硅或发射极上具有负极触点。“发射极”是硅层，并且与p型硅基极相比较薄，所述硅层经过掺杂以便产生整流结或p-n结。众所周知，在半导体的p-n结上入射的合适波长的辐射充当在该半导体中产生空穴-电子对的外部能量源。由于p-n结处存在电势差，空穴和电子以相反的方向跨过该结移动。电子移动到负极触点，空穴移动到正极触点，从而产生能向外部电路输送电力的电流。太阳能电池的电极触点对于电池的性能很重要。高电阻的硅/电极触点界面将阻碍电流从电池转移到外部电极，从而会降低效率。

在太阳能发电电池的大规模生产中，工艺流程一般要求实现最大程度的简化和尽量降低制造成本。具体地讲，电极触点一般通过丝网印刷包含金属的糊剂以及玻璃料而制成。

在氮化硅薄膜上丝网印刷用于正面电极的银糊剂，然后干燥。此外，接着在衬底的背面上丝网印刷背面银或银/铝糊剂和铝糊剂，并随后进行干燥。然后在红外加热炉中，在约700℃至975℃的温度范围的空气中共烧正面和背面糊剂几分钟到几十分钟。

在共烧期间，形成正面电极的银糊剂在烧制时使氮化硅薄膜烧结并渗透过氮化硅薄膜，从而能与n型层产生电接触。这类方法一般称作氮化硅的“烧透”或“蚀刻”。

常规正面电极银糊剂包含银粉末、有机粘合剂、溶剂、玻璃料，并且可以包含各种添加剂。银粉末用作电极触点的主材料并提供低电阻。玻璃料可包含铅或其他低熔点组分以获得约300至600℃的软化点，以便在烧制期间玻璃料变得熔融并且用作“烧透”剂，其中氮化硅被穿透以允许银与n型硅接触。玻璃料还使烧结的银粘合到硅。添加剂可用作另外的掺杂剂以修改n型传导性。

人们正在持续改进工业化硅太阳能电池的效率。一个重要的关注点在于降低正面电极触点的接触电阻。一般认为，将银糊剂常规地丝网印刷到太阳能电池的正面以形成触点的过程涉及到玻璃、银、氮化硅与硅之间一系列复杂的交互作用。烧制过程中发生的反应的顺序和速率是形成银糊剂与硅之间的接触的因素。烧制后的界面结构由多个相组成：衬底硅、银-硅岛、绝缘玻璃层内的银沉淀，以及烧结的块状银。因此，接触机理为银-硅岛和银沉淀的直接欧姆接触与隧道式穿透玻璃薄层这两种形式的混合。结构中这些组分中每一个的程度取决于多个因素，例如玻璃的组成、组合物中玻璃的量以及烧制的温度。对银糊剂的组成和烧制温度曲线进行了优化以使电池效率最大化。然而，玻璃在金属-硅界面处的存在必然导致所得的接触电阻比由纯金属与硅接触可以达到的接触电阻高。

与双极硅器件形成良好接触的问题是熟知的。所有金属半导体触点均具有使接触整流的势垒。势垒高度越低，与硅的接触就越好。存在多个控制势垒高度的变量，包括金属的功函数、硅-金属界面的结晶或无定形性质，以及界面与固定半导体费米能级的电荷载体陷阱相关的程度。例如，使用肖特基极限情况预测能带排列时，就n型硅而言，如果金属的功函数大于硅的功函数，则这二者之间的接触为整流型。然而，如果金属的功函数低于硅的功函数，则接触为欧姆型。金属无法同时在n型和p型半导体上具有低势垒高度或零势垒高度。在n型硅上具有低势垒高度的金属在p型硅上具有高势垒高度，反之亦然。因此，针对硅的类型来优化与硅的电触点。与n型硅半导体器件的低肖特基势垒高度硅化物触点是为人熟知的。例如，美国专利3,381,182、3,968,272和4,394,673公开了当金属被放置为与硅接触并被加热时各种会形成与双极硅器件的低肖特基势垒高度触点的硅化物。然而，到目前为止，此类方式对于硅太阳能电池而言尚不可行，因为氮化硅防反射涂层阻挡了金属与硅的反应。

本发明人已发明出一种制备用于形成硅太阳能电池正面电极触点的多元素金属粉末的新型方法，该方法消除了玻璃界面的存在，提供了优异的接触电阻并且保持粘附性。

发明概述