CN102559090B

CN102559090B - 具有表面活性剂的导电胶

Info

Publication number: CN102559090B
Application number: CN201010576195.6A
Authority: CN
Inventors: 赵钜隆; 张育甄; 郑仲杰; 卢盈志; 林正勋; 黄文瑞
Original assignee: Giga Solar Materials Corp
Current assignee: Giga Solar Materials Corp
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: CN102559090A

Abstract

本发明提供具有表面活性剂的导电胶，其包含：至少一种金属粉末、有机载体、玻璃料以及表面活性剂。所述表面活性剂具有以下结构：M_x(R)_y(Q)_z，其中M选自金属元素或半导体元素，R为与M键结的亲水基团，该亲水基团能够水解产生另一对应的亲水性官能团，以及Q为疏水基团。本发明的表面活性剂中的R亲水基团水解后会附着于导电胶中的金属粉末的表面，而另一端的疏水基团则可溶解于有机载体中所含的有机溶剂中并且其中包含可与其它高分子反应接枝的官能团。如此一来，金属粉末就可以良好地分散，从而避免金属粉末的聚集。

Description

具有表面活性剂的导电胶

技术领域

本发明涉及导电胶，尤其涉及具有表面活性剂的导电胶。

背景技术

近年来，由于网络与电子信息相关产业技术的发展越来越快，各式各样的电子相关产品陆续地推陈出新且快速地小型化；因此，在电子相关产品中，电路图案之间或电路图案与组件之间的连接组件的尺寸也由此朝轻薄短小的方向迈进，其中导电胶由于具有可瞬间或快速固化、施工方便、所形成的胶层比已知的连接组件如接脚(pin)的体积小的优点，因此经常被用在电子产品上。

除此之外，在使用单晶或多晶硅作为主要半导体基板材料的太阳能电池中，其电极则是使用通过将金属粉末与有机载体混合而制成的导电胶，通过网版印刷法涂布该导电胶于太阳能硅基板上，并且在烧结炉中高温烧结而形成的。因此，导电胶的组成及烧结条件对于太阳能电池的特性而言特别重要。

一般而言，导电胶包含有机载体、导电性粉末、玻璃料，以及根据需求可向导电胶中添加其它添加物。导电胶中的成分起着控制印刷后的形状、控制电极的导电性、保持与半导体基板的密着性、控制抗反射膜的蚀穿等作用。

上述玻璃料中通常含有一些化学成分，其用来在高温烧结时蚀穿抗反射层和帮助熔融烧结，然而这些化学成分和玻璃本身在生产和使用过程中皆会对环境造成污染和危害。

因此，目前急需一种环保的导电胶，其不但可维持太阳能电池的高转换效率及稳定的特性，并且在使用时能降低对环境的危害。

发明内容

本发明提供一种应用于电子产品的导电胶，并且本发明的导电胶特别适合用于太阳能电池的电极。

本发明提供一种导电胶，其包含：至少一种粉末状的金属材料、有机载体、玻璃料以及表面活性剂。该表面活性剂具有以下代表式：

M_x(R)_y(Q)_z

其中，

M为金属元素或半导体元素，例如铝、钛、锆或硅等；

R为直接与M键结的亲水基团，该亲水基团能够水解而产生另一对应的亲水性官能团，R可以为烷氧基、酰基、酰氧基、烷氧羰基或酰胺基(amido group)；

Q为与M键结的疏水基团，其具有碳原子数约为1～24个的分子链，可以单纯为较稳定的反应性低的脂肪族烃基或醚基，或包含可与其它高分子单体或基团反应的官能团，例如乙烯基、脂肪族基环氧基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪族基氨基、氯丙基、脂肪族基巯基、脂肪族基硫离子基(aliphatic sulfido group)、异氰酸基(异氰酸酯基，isocyanato group)、脂肪族基脲基、脂肪族基羧基、脂肪族基羟基、环己基、苯基和脂肪族基甲酰基、乙酰基或苯甲酰基。由于具有上述这些可与其它高分子单体反应的官能团，本发明所公开的表面活性剂可出现多个M_x(R)_y(Q)_z分子连接至一条高分子链上的情况，该高分子链上的表面活性剂M_x(R)_y基团不限于一种。

在本发明的表面活性剂的代表式M_x(R)_y(Q)_z中，x、y、z皆为自然数。

由于本发明的导电胶使用特殊的表面活性剂，该表面活性剂的亲水基团R在与水发生水解反应后产生另一亲水性官能团，而疏水基团Q则易溶解于有机载体中或与高分子反应。由于所产生的亲水性官能团会附着于导电胶中的金属粉末的表面，而另一端的疏水基团Q则会溶解于有机载体中所含的有机溶剂中，如此一来，金属粉末就可达到良好的分散。再者，在导电胶中加入表面活性剂后，与已知的导电胶相比，其中的玻璃料的使用量可以下降，因而降低污染。

附图说明

图1绘示的是本发明的表面活性剂与高分子的侧链键结的反应式。

图2绘示的是化学式1的化合物的水解反应式。

图3绘示的是化学式2的化合物的水解反应式。

图4表示本发明实施例中进行拉力测试所使用的拉力机的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种导电胶，其包含：至少一种粉末状的金属材料、有机载体、任选地加入的玻璃料、以及表面活性剂。该金属材料可以为铝粉末或银粉末；该有机载体是通过将树脂溶于有机溶剂中并且任选地添加油脂或其它辅助材料而制成的，所述树脂例如为乙基纤维素或甲基丙烯酸甲酯树脂；该玻璃料可以为含有多种不同氧化态的金属的非结晶相化合物，其主要的功能是用来在高温烧结时蚀穿太阳能电池的抗反射层和帮助熔融烧结。根据产品要求的特性不同，也可选择加入不同种类的玻璃料或者不加入玻璃料。不同种类的玻璃料的用量不同，通常，玻璃料占导电胶的1～5重量％。

为达到本发明的目的，本发明提供的表面活性剂具有以下的代表式，如下列代表式1：

[代表式1]

M_x(R)_y(Q)_z

其中，x为1至6的整数，y为1至20的整数，z为1至20的整数；M为金属元素或半导体元素，例如铝、钛、锆或者硅、锗或者其它金属及半导体元素；R为亲水基团，R直接与M键结且可与水分子反应而水解从而产生对应的亲水性官能团。根据本发明的R可以独立地为选自如下的基团：碳原子数为1-6的直链或支链烷氧基或者碳原子数为3-6的环烷基氧基；式-(C＝O)-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-O-(C＝O)-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-(C＝O)O-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-(C＝O)NH-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-O-R’-O-的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链亚烷基或者碳原子数为3-6的亚环烷基；和式-O-(C＝O)-R’-O-的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链亚烷基或者碳原子数为3-6的亚环烷基。其中，烷氧基可以例如为异丙氧基、乙氧基，式-O-R’-O-的基团可以例如为式-O-CH₂-CH₂-O-的基团，式-O-(C＝O)-R’-O-的基团可以例如为式-O-(C＝O)-CH₂-O-的基团、式-O-(C＝O)-CH₂-CH₂-O-的基团。换言之，根据本发明的R可以独立地为选自如下的基团：烷氧基(-O-C_mH_n，alkyl oxide group)、酰基(-(C＝O)-C_mH_n)、酰氧基(-O-(C＝O)-C_mH_n)、烷氧羰基(-(C＝O)-O-C_mH_n)、酰胺基(-(C＝O)-NH-C_mH_n，amido group)、亚烷氧基(-O-C_mH_n-O-，alkoxylene group)和亚烷氧羧基(-O-(C＝O)-C_mH_n-O-)。一般来说，上述m为1～6的整数，n为3～13的整数，并且C_mH_n可为直链或支链的烷类或环烷类基团。其中，烷氧基可以例如为异丙氧基、乙氧基，亚烷氧基可以例如为亚乙氧基(-O-CH₂-CH₂-O-)，亚烷氧羧基可以例如为亚甲氧羧基(-O-(C＝O)-CH₂-O-)、亚乙氧羧基(-O-(C＝O)-CH₂-CH₂-O-)。

Q为与M键结的疏水基团，可以为含有约1～24个碳原子的分子链，可以单纯为较稳定的反应性低的脂肪族烷基或烷氧基，或包含可与其它高分子单体或基团反应的官能团。Q选自：乙烯基、脂肪族基环氧基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪族基氨基、氯丙基、脂肪族基巯基、脂肪族基硫离子基(aliphatic sulfido group)、异氰酸基(异氰酸酯基)、脂肪族基脲基、脂肪族基羧基、脂肪族基羟基、环己基、苯基和脂肪族基甲酰基、乙酰基或苯甲酰基。其中上述的脂肪族基具有1至24个碳原子，该脂肪族基可以例如为直链烃基，特别是直链烷基。Q包含氮、氧、磷或硫。

此外，Q还可以为其它包含氮、氧、磷或硫及其组合的基团。在某些情况下，如当M为金属元素时，Q可具有能够被M接受的孤对电子，使得此时Q成为配位基。再者，Q还可以经由这些官能团与高分子链反应从而成为高分子链上的侧链或将高分子链封端；亦即高分子链可变成连接有一个或多个表面活性剂M_x(R)_y基团。该高分子链上的表面活性剂M_x(R)_y基团不限于一种。前述的高分子链不限定为何种高分子，这取决于其是否能与Q上的官能团反应。另外，高分子链的重复聚合单元数为1至10000个。

图1绘示的是本发明的表面活性剂与高分子的侧链键结的反应式。如图1所示，高分子侧端具有羟基(-OH)，该高分子可以是聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，在图1中，以高分子为PVB为例，该高分子可以与具有异氰酸基(-NCO)的Q反应生成氨基甲酸酯基团(-NH-CO-O-)，该氨基甲酸酯基团则会将M_x(R)_y与高分子链连接在一起。

本发明的代表式1的优选实例可为下列化学式1、化学式2、化学式3或化学式4的化合物。然而，这些具体实例仅供说明之用，而不因此限制本发明的范围。

[化学式1]

在化学式1中，例示M为铝，因此，x为1。R为与Al元素键结的异丙氧基((CH₃)₂CHO-)，上述的异丙氧基有两个，因此y为2。Q则为(O-C(CH₃)＝CH-CO-O-C₁₈H₃₅)，因此，z为1。在化学式1中，一方面，Q会和M有键结。另一方面，Q也可作为配位基，例如双齿配体，使得Q和M有配位键结，此外，根据不同的产品需要，R可以独立地选自不同的亲水基团，例如，其中一个为异丙氧基，另一个可以为其它基团，例如酰基、酰氧基等。

[化学式2]

在化学式2中，M为硅，因此，x为2。R为乙氧基(-O-C₂H₅)，因此y为6。Q则为(C₃H₆S₂)，因此，z为2。Q为二价基团，与两个独立的M键结，并且Q中含有杂原子，例如硫。

[化学式3]

在化学式3中，M为钛，因此，x为1。R为[-OCH(CH₃)₂]，因此y为1。Q则为(-OC₂H₄NHC₂H₄NH₂)，因此，z为3。

[化学式4]

在化学式4中，M为钛，因此，x为1。R为[-OCH(CH₃)₂]，因此y为1。Q则为-P₂O₅H-(OC₈H₁₇)₂，因此，z为3。

图2绘示的是化学式1的化合物的水解反应式。如图2所示，以化学式1的化合物为例，当化学式1的化合物与有机载体接触时，有机载体内所含的水便会和化学式1的化合物发生水解反应。原来R为((CH₃)₂CO-)₂，在和水分子反应后成为与((CH₃)₂CO-)₂对应的亲水性官能团(HO-)₂，此时，(HO-)₂则会吸附在金属粉末的表面，而疏水基团Q则溶解于有机载体中。

图3绘示的是化学式2的化合物的水解反应式。如图3所示，化学式2的化合物中的R为(-O-C₂H₅)，在和水分子反应之后，成为与(-O-C₂H₅)对应的亲水性官能团(HO-)₂，此时，(HO-)₂则会吸附在金属粉末的表面，而疏水基团Q(C₃H₆S₂)则溶解于有机载体所含的有机溶剂中。

值得指出的是，由于大多数的工业级溶剂和树脂本身即含有少量的水(一般视为不纯物)，而这些少量的水足以与本发明的表面活性剂发生反应，因此本发明并不添加任何的水，而是利用有机载体的溶剂或树脂中所含的水。

实施例

在常温常压下，将有机载体、金属粉末、表面活性剂、玻璃料和其它助剂按照表1至表3中所示的比例混合均匀，再以三滚筒进行分散，从而制得各对照例、实施例和比较例的导电胶。在所用原料中，采用乙基纤维素作为所述有机载体中的有机树脂，采用乙酸乙酯作为空白试剂。

表1.对照例1、比较例1-1至1-2以及实施例1的配方

表2.对照例2、比较例2-1至2-2以及实施例2的配方

表3.对照例3、比较例3-1至3-2以及实施例3的配方

表4中示出了对表1至表3中的各实施例、比较例和对照例的导电胶进行电气特性、拉力及翘曲测试所获得的结果，其中，电性能测试使用Solar Simulator和IV-tester(Quicksun 120CA)进行；拉力测试方法为将硅太阳能电池片封装成模块，在背面以刀具割出两条水平线，深度仅破坏封装膜，而不破坏导电铝胶，两线间距10mm，由一端垂直拉起，速度为水平方向360mm/min，以拉力计测试导电铝胶被拉起所需的力道，拉力单位为N/cm，其意义为每单位宽度的强度，本实验的数据为拉100mm，85个点的平均数据。本实验所用拉力机的示意图见图4。

表4.电气特性、拉力及翘曲测试结果

如表4中所示，由对照例1～3可看出，玻璃熔块的使用量减少，导电胶的效率和拉力都会降低。另外，实施例1～3的转换效率皆高于相应对照例的转换效率，而且，实施例1～3的拉力都比对照例1～3的拉力高，这表明本发明的表面活性剂有辅助玻璃料提升转换效率和拉力的作用。此外，当玻璃料含量高(为4％)的时候，加入的表面活性剂(化学式1的化合物)，可以提升拉力。当玻璃料含量降低时(为2％或1％)，表面活性剂也可以在不影响电学效果的情况下提升拉力以达到业界要求的标准。

因此，通过本发明的表面活性剂可有效地分散金属粉末，此外，本发明的表面活性剂占导电胶的0.1重量％～10重量％，优选为0.1重量％～5重量％，即可发挥其功效，并且已知为了强化太阳能电池的电极与半导体基板的结合，除了在导电胶中外加玻璃料之外，并无其它有效方式，但使用本发明的导电胶之后，可减少玻璃料的使用量，降低对环境造成不良影响的物质的含量，而对电极与半导体基板的结合并无不良的影响，而且，也维持了太阳能电池的效能。

另外，本发明的导电胶不限于用在太阳能电池中，其它电子组件例如陶瓷电容、半导体封装、印刷电路板等都可使用本发明的导电胶。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，凡是按照本发明的权利要求所进行的等同变化和修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种导电胶，包含：

至少一种金属粉末；

有机载体；

玻璃料；和

表面活性剂，其具有以下代表式1的结构：

[代表式1]

M_x(R)_y(Q)_z

其中：

M为铝；

R为与M键结的亲水基团，该亲水基团能够水解产生对应的亲水性官能团；

Q为与M键结的疏水基团；和

x为1至6的整数，y为1至20的整数，z为1至20的整数，

其中R为选自如下的基团：碳原子数为1-6的直链或支链烷氧基或者碳原子数为3-6的环烷基氧基；式-(C＝O)-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-O-(C＝O)-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-(C＝O)O-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-(C＝O)NH-R’的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链烷基或碳原子数为3-6的环烷基；式-O-R’-O-的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链亚烷基或者碳原子数为3-6的亚环烷基；和式-O-(C＝O)-R’-O-的基团，其中R’为碳原子数为1-6的直链或支链亚烷基或者碳原子数为3-6的亚环烷基，

其中Q选自：乙烯基、脂肪族基环氧基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪族基氨基、氯丙基、脂肪族基巯基、脂肪族基硫离子基、异氰酸基、脂肪族基脲基、脂肪族基羧基、脂肪族基羟基、环己基、苯基和脂肪族基甲酰基、乙酰基和苯甲酰基，或者Q为(O-C(CH₃)＝CH-CO-O-C₁₈H₃₅)。

2.权利要求1所述的导电胶，其中该脂肪族基具有1至24个碳原子。

3.权利要求1所述的导电胶，其中该导电胶包含0.1重量％～10重量％的该表面活性剂。