CN103563009B - 用于薄膜光伏电池和其它应用中的可焊聚合物厚膜导电性电极组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚合物厚膜导电组合物，其包含(a)涂覆银的导电铜粉；和(b)包含两种不同的树脂和有机溶剂的有机介质，其中所述涂覆银的导电铜粉的重量与所述两种不同的树脂的总重量的比率介于5:1和45:1之间。本发明还涉及使用所述组合物在薄膜光伏电池上形成电极栅和/或汇流条的方法以及由所述方法和所述组合物形成的电池。
Description
技术领域
本发明涉及用于薄膜光伏电池中的可焊聚合物厚膜(PTF)涂覆银的铜导电组合物。在一个实施例中，PTF导电组合物用作透明导电氧化物(TCO)(如铟氧化锡)的顶部上的丝网印刷栅/汇流条。
背景技术
薄膜光伏(PV)电池的特征通常在于吸光半体，如非晶硅、铜铟镓二硒(CIGS)、或碲化镉。这使它们与传统的基于晶体硅的PV电池有所区别。薄膜是指薄膜电池的通常为约2微米的半导体厚度，而晶体硅(c-硅)电池的厚度为30至50微米。薄膜与晶体硅PV电池之间的另一个区别在于所涉及的温度范围。因为薄膜电池中所使用的半导体和/或基板不能耐高温，所以必须在小于200℃下处理。传统的晶体硅PV电池可在最高800℃的温度下处理。因此，需要使用聚合物厚膜(PTF)导电组合物作为正面(光照面)电极栅/汇流条。PTF组合物本身仅在最高约200℃下稳定。另外，PTF组合物通常不参与焊接，因为焊接要在200至260℃的温度下完成。另外，如果不是所有至少也是大多数的当前PTF电极组合物无法用焊料良好润湿并且在焊接之后不具有对太阳能电池的良好粘附性。
因此，本发明的主要目的是制备可焊PTF导电组合物，其甚至在焊接之后仍以合理的粘附性粘附至下方基板。
发明内容
本发明涉及可焊聚合物厚膜导电组合物，其包含：
(a)涂覆银的导电铜粉；和
(b)包含两种不同的树脂和有机溶剂的有机介质，
其中涂覆银的导电铜粉的重量与两种不同的树脂的总重量的比率介于5:1和45:1之间。
在一个实施例中，所述两种不同的树脂为苯氧基树脂和酚醛树脂。
以所述组合物的总重量计，涂覆银的铜粉为60重量％至93重量％，两种树脂的总重量为2重量％至12重量％，并且有机介质为可焊聚合物厚膜导电组合物的7重量％至40重量％。
可在除去所有溶剂所必需的时间和温度下处理所述组合物。
本发明还涉及使用所述组合物在薄膜光伏电池上形成电极栅和/或汇流条的方法以及由所述方法和所述组合物形成的电池。
具体实施方式
本发明涉及用于薄膜光伏电池中的可焊聚合物厚膜导电组合物。其通常用于提高电池的电效率并通过焊接与电池建立连接。可焊聚合物厚膜导电组合物的栅极图案和/或汇流条可印刷在透明导电氧化物的顶部之上。
一般来讲，厚膜组合物包含赋予所述组合物适当电功能性质的功能相。功能相包含分散于有机介质中的电功能粉末，所述有机介质充当功能相的载体。有机介质通常包含聚合物树脂和有机溶剂。一般通过焙烧组合物来烧尽有机物并赋予电功能性质。然而，在使用聚合物厚膜的情况下，聚合物树脂在干燥后仍然为所述组合物的整体部分。焙烧之前，加工要求可包括任选的热处理，如干燥、固化、回流以及厚膜技术领域的技术人员已知的其它热处理。
本发明的厚膜导电组合物的主要组分为分散于有机介质中的导电粉末，所述有机介质包含两种不同的聚合物树脂和溶剂。
A.导电粉末
本厚膜组合物中的导电粉末为涂覆银的导电铜粉。
涂覆银的铜粉为薄片状结构，具有大约3微米的平均粒度。银百分比为大约10％。优选的涂覆银的铜为Silver-CoatedCopperFlake0204，购自FerroInc.,Columbus,OH。粒度为2-4微米。
在一个实施例中，涂覆银的铜的含量为所述组合物总重量的60重量％至93重量％。在另一个实施例中，涂覆银的铜的含量为所述组合物总重量的75重量％至93重量％。在另一个实施例中，涂覆银的铜的含量为所述组合物总重量的85重量％至92重量％。
B.有机介质
通常通过机械混合使粉末与有机介质(即有机载体)混合，以形成具有适于印刷的稠度和流变性的糊状组合物(称为“浆料”)。所述有机介质由两种不同的树脂和有机溶剂构成。
有机介质必须使固体能够以适当的稳定性程度在其中分散。介质的流变性必须使得它们赋予组合物良好的应用性能。此类特性包括具有适当的稳定性程度的固体分散、良好的组合物施用、适当的粘度、触变性、基板与固体适当的可润湿性、良好的干燥速率、以及足以经受粗糙处理的经干燥的膜强度。
所需的聚合物树脂包括苯氧基树脂，即多羟基醚树脂，其允许高重量负载的涂覆银的铜，并因此有助于获得薄膜光伏电池中的导电电极的两个关键特性，即对铟氧化锡(ITO)基板的良好粘附性和低接触电阻率。该实施例中所需的赋予高温稳定性和因而焊接后具有的粘附性的其它聚合物树脂为酚醛树脂。在一个实施例中，苯氧基树脂为所述组合物的总重量的0.1重量％至5.0重量％。在另一个实施例中，苯氧基树脂为所述组合物的总重量的0.2重量％至4.0重量％。在另一个实施例中，苯氧基树脂为所述组合物的总重量的2.0重量％至3.0重量％。在一个实施例中，酚醛树脂为所述总组合物的0.20重量％至1.0重量％。两种树脂的总重量为以所述组合物的总重量计0.3至6重量％。
适用于聚合物厚膜组合物中的溶剂是本领域技术人员已知的，包括醋酸酯和萜烯，如α-或β-萜品醇，或它们与其它溶剂如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、己二醇和高沸点醇以及醇酯的混合物。在一个实施例中，溶剂为选自以下的一种或多种组分：二乙二醇乙醚醋酸酯(卡必醇醋酸酯)和丁基卡必醇。此外，在有机载体中可包含挥发性液体，以促进载体在施用在基板上之后快速硬化。在本发明的多个实施例中，可使用溶剂如乙二醇醚、酮、酯和相似沸点(在180℃至250℃的范围内)的其它溶剂、以及它们的混合物。优选的介质是基于乙二醇醚和β-萜品醇的。对这些溶剂和其它溶剂的各种组合进行配制，以获得所需的粘度和挥发性要求。
尽管期望丝网印刷为沉积聚合物厚膜导电组合物的常用方法，但也可使用任何其它常规方法，包括孔版印刷、注射器分配或者其它沉积或涂覆技术。
在一个实施例中，有机介质的含量为所述组合物总重量的7重量％至40重量％。在另一个实施例中，有机介质的含量为所述组合物总重量的7重量％至25重量％。在另一个实施例中，有机介质的含量为所述组合物总重量的8重量％至15重量％。
厚膜的施用
通常将聚合物厚膜导电组合物或“浆料”沉积在气体和水分不可渗透的基板上，如经溅射的聚酯。基底也可为柔性材料片。柔性材料可为不可渗透的塑料，如聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯，或者由塑料片与沉积在其上的任选金属或介电层的组合构成的复合材料。在一个实施例中，基板可为薄膜光伏电池形式，即层堆积，其中金属化(如不锈钢)、聚酯紧接半导体层(如CIGS)，紧接CdS薄层，紧接经溅射的铟氧化锡。可焊聚合物厚膜导电组合物被沉积到薄膜光伏电池的正面上的ITO上。
优选地，通过丝网印刷进行聚合物厚膜导电组合物的沉积，但也可使用其它沉积技术，如孔版印刷、注射器分配或涂覆技术。在使用丝网印刷的情况下，筛网的目尺寸控制沉积的厚膜的厚度。
通过将沉积的厚膜导电组合物暴露于180℃的热并通常持续15至30分钟来干燥该组合物(即，使溶剂蒸发)，从而形成薄膜光伏电池，其中在提供导电金属化的正面上具有经干燥的厚膜导电组合物。在该干燥或固化步骤之后，使用加热到大约270℃的焊枪将组成通常为62/36/2Sn/Pb/Ag的焊料带附接至经印刷的导电金属化。
实例
将通过给出实际实例而进一步详细讨论本发明。然而，本发明的范围并不以任何方式受到该实际实例的限制。
使用ASTM胶带法来测量对氧化铝的粘附性。将600等级胶带施加至PTF导电组合物的经印刷/干燥的图案。以连续的方式移除胶带，并根据1至5的任意标度来估计经移除的导电材料的量，其中5代表无材料移除，即优异的粘附性。
实例1，比较实验A和B
PTF涂覆银的铜电极浆料通过将涂覆银的铜薄片0204(得自FerroCorp.,Columbus,OH)与有机介质混合来制备，所述有机介质由多羟基醚树脂即苯氧基树脂(购自PhenoxyAssociates,Inc)和酚醛树脂(购自GeorgiaPacific)组成。树脂的分子量为大约20,000。溶剂用于在加入涂覆银的铜之前完全溶解树脂。溶剂为卡必醇醋酸酯(购自EastmanChemical)。
实例1的聚合物厚膜导电组合物的组成为87.25重量％的涂覆银的铜薄片，10.78重量％的有机介质，以及1.97重量％的添加的有机溶剂。有机介质包含2.45重量％的苯氧基树脂、0.39重量％的酚醛树脂、和7.94重量％的溶剂。所有重量％均以所述组合物的总重量计。
将该组合物在行星式搅拌器中混合30分钟。然后将该组合物转移到三辊磨，使其经受100和200psi的两道工序。此时，使用组合物在氧化铝基板的顶部上丝网印刷导电栅极图案。使用280目的不锈钢筛网印刷一系列的线条，然后在强风箱炉中将导电浆料在170℃下干燥30分钟。然后电导率测量为100mohm/sq/mil。用62/36/2Sn/Pb/Ag焊接得到良好的润湿性和对基板的良好粘附性。
作为比较，将各自仅含包含一种树脂的两种标准的组合物用于比较实验A和B中。比较实验A中所用的标准组合物包含银片，其具有5μm的平均粒度和2至12微米的粒度范围；以及聚酯树脂(购自ShellChemical)，但不是实例1中所用的两种树脂。其显示出大约20mohm/sq/mil的电阻率，但是观察到在焊接之后具有不良的粘附性。比较实验B中所用的标准组合物包含比较实验A中所用的相同银片，以及实例1中所用的苯氧基树脂，但不是实例1中所用的酚醛树脂。其显示大约15mohm/sq/mil的电阻率，但不可焊接并显示出对基板不良的粘附性。
实验1的导电组合物的可焊性和粘附性(薄膜PV导电组合物的关键特性)的较大改善使得其能够用于大多数应用并改善PV电池效率。结果汇总示于表1中。
表1
Claims (10)
1.可焊聚合物厚膜导电组合物，包含：
(a)涂覆银的导电铜粉；和
(b)包含两种不同的树脂和有机溶剂的有机介质，
其中所述涂覆银的导电铜粉的重量与所述两种不同的树脂的总重量的比率介于5:1和45:1之间，并且
所述两种不同的树脂为苯氧基树脂和酚醛树脂。
2.根据权利要求1所述的可焊聚合物厚膜导电组合物，其中所述涂覆银的导电铜粉为涂覆银的铜薄片。
3.根据权利要求2所述的可焊聚合物厚膜导电组合物，其中所述有机溶剂包含一种或多种组分，所述组分选自二乙二醇乙醚醋酸酯和丁基卡必醇。
4.根据权利要求1所述的可焊聚合物厚膜导电组合物，其中，以所述组合物的总重量计，所述涂覆银的铜粉为60重量％至93重量％，所述两种树脂的总重量为0.3重量％至6重量％，并且所述有机介质为所述可焊聚合物厚膜导电组合物的7重量％至40重量％。
5.在薄膜光伏电池上形成导电栅极的方法，包括以下步骤：
(a)将可焊聚合物厚膜导电组合物施用至所述薄膜光伏电池的正面，所述可焊聚合物厚膜导电组合物包含：
(i)涂覆银的导电铜粉；和
(ii)包含两种不同的树脂和有机溶剂的有机介质，
其中所述涂覆银的导电铜粉的重量与所述两种不同的树脂的总重量的比率介于5:1和45:1之间；
所述两种不同的树脂为苯氧基树脂和酚醛树脂；以及
(b)干燥所述组合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述涂覆银的导电铜粉为涂覆银的铜薄片，并且所述有机溶剂包含一种或多种组分，所述组分选自：二乙二醇乙醚醋酸酯和丁基卡必醇。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以所述组合物的总重量计，所述涂覆银的铜粉为60重量％至93重量％，所述两种树脂的总重量为0.3重量％至6重量％，并且所述有机介质为所述可焊聚合物厚膜导电组合物的7重量％至40重量％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述薄膜光伏电池的正面用铟氧化锡溅射。
9.包含导电栅线和/或汇流条的薄膜光伏电池，所述导电栅线和/或汇流条包含经干燥的权利要求1-4中任一项所述的组合物。
10.由权利要求5-8中任一项所述的方法形成的薄膜光伏电池。
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