CN109313958A - 用于将电导体机械和电连接到太阳能电池电触点的作为导电性粘着剂的导电性组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种导电性组合物,其包含(A)2至35体积%的银粒子,所述银粒子具有1至25μm范围内的平均粒度并且呈现5至30:1范围内的纵横比,(B)10至63体积%的非金属粒子,所述非金属粒子具有1至25μm范围内的平均粒度,呈现1至3:1范围内的纵横比,(C)30至80体积%的热塑性聚合物系统,(D)0至25体积%的至少一种添加剂,其中粒子(A)与(B)的体积%总和总计为25至65体积%。
Description
本发明涉及一种用于将电导体机械和电连接到太阳电池电触点的作为导电性粘着剂的导电性组合物。
太阳能电池可以将光(如日光)转化成电能。有可能从单一太阳能电池收集电能。为了使单个太阳能电池所输送的电压增加到合适的水平,常规地将多个太阳能电池串联电连接在一起,以形成可以并入到光伏打模块中的太阳能电池阵列。通常经由电导体进行电能的收集和太阳能电池的电连接,所述电导体机械并且同时电连接到太阳能电池的发射极触点和集电极触点。通常通过焊接或通过粘接来进行所述电导体与电池触点的机械和同时电连接,在粘接的情况下使用导电性粘着剂。
本文中所使用的术语“电导体”意味着常规的电导体,如(例如)线、条、带或导电性背板箔片(背部接触箔片)。
本文中所使用的术语“发射极触点”意味着将太阳能电池的发射极连接到电导体的电触点,而本文中所使用的术语“集电极触点”意味着将太阳能电池的集电极连接到电导体的电触点。所述电触点采取金属化的形式。
大部分现今的光伏打模块中,太阳能电池具有位于所述电池相对侧面上的发射极触点和集电极触点。发射极触点位于正面(即,暴露于日光的表面),而集电极触点位于背面。一个实例是H型电池,所述电池在其正面上通常具有称为发射极母线(busbar)的两个发射极触点,并且在其背面上具有也称为集电极母线的两个集电极触点。技术人员应认识到发射极触点与集电极触点极性相反。
已研发新的电池类型,其中发射极触点已从太阳能电池得正面移动到背面,以便释放正面的额外部分并且增加可以由电池产生的电能的量。这类发射极和集电极触点都位于电池背面上的太阳能电池的常用名称为“背触点电池”,所述名称包括金属穿孔卷绕(metallization wrap-through,MWT)电池、背面接合(back-junction,BJ)电池、整合式背触点(integrated back-contact,IBC)电池和发射极贯穿式背电极(emitter wrap-through,EWT)电池。就这些背触点电池而言,发射极触点是位于电池背面上的所谓的“通孔”或“背面发射极触点”,同时集电极触点也位于此处。
大部分现今的太阳能电池是硅太阳能电池。
常规的导电性粘着剂包含具有约80重量%(weight%/wt.%)数量级的大量银粒子。由于高银价,已研发出所谓的低银替代方式,其是依据由镀银粒子(例如镀银的铜粒子)替换相当大量的银粒子。然而,对于使用这种类型的含铜导电性粘着剂于将电导体粘接导太阳能电池触点存在担忧,尤其是在硅太阳能电池的情况下。理由是太阳能电池打算是长期使用的,这放大了在太阳能电池使用寿命期间铜扩散进入所述太阳能电池块材中,并且因此形成不期望的降低效率的再结合中心或甚至毁坏所述太阳能电池p-n或n-p转变的风险。在硅太阳能电池的情况下尤其有这一担忧。然而,所述担忧不仅适用于铜的情况,并且还适用于其它具有与铜类似效应的元素的情况。这类元素的实例包括磷、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锆、铌、钼、钽和钨,参见“荷兰能源研究中心(Energy research Centre of theNetherlands),吉安卢卡·科莱蒂(Gianluca Coletti),晶态硅太阳能电池对金属杂志的敏感性(Sensitivity of crystalline silicon solar cells to metal impurities),2011年9月14日”或“J.R.戴维斯(J.R.Davis),电气与电子工程师协会工业电子装置会刊(IEEE Trans El.Dev.)ED-27,677(1980)”。
本发明通过使用特定的导电性低银类型粘着剂将太阳能电池的触点与电导体机械并且同时电连接来防止所述风险。在一个实施例中,所述导电性粘着剂中基本上或完全避免呈元素或金属形式或呈合金形式的元素铜、磷、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锆、铌、钼、钽、铝和钨。
因此,本发明涉及一种适用于将太阳能电池(优选地,硅太阳能电池)的至少一个触点与电导体机械并且同时电连接的作为导电性粘着剂的导电性组合物,其中所述至少一个触点选自由发射极触点和集电极触点组成的群组,其特征在于所述导电性组合物包含
(A)2至35体积%(volume%/vol.%)的银粒子,所述银粒子具有1至25μm范围内的平均粒度并且呈现5至30:1范围内的纵横比,
(B)10至63体积%的非金属粒子,所述非金属粒子具有1至25μm范围内的平均粒度,呈现1至3:1范围内的纵横比,
(C)30至80体积%的热塑性聚合物系统,和
(D)0至25体积%的至少一种添加剂,
其中粒子(A)与(B)的体积%总和总计为25至65体积%。
在说明和权利要求书中使用术语“太阳能电池”。其不应意味着对于某一类型的太阳能电池的任何限制。其包括任何类型的太阳能电池,尤其包括硅太阳能电池。举例来说,所述电池可以是前文所提及的H型或背触点电池类型。
在一个实施例中,(A)、(B)、(C)和(D)(如果存在)的体积%总和可以总计为所述导电性组合物的100体积%。
在说明和权利要求书中所公开的体积%是指导电性组合物,或甚至更精确地,是指在其根据本发明涂覆或使用之前的导电性组合物。
在说明和权利要求书中使用术语“平均粒度”。其应意味着借助激光衍射所测定的平均一次粒径(d50)。可以利用粒度分析器,例如来自马尔文仪器公司(MalvernInstruments)的Mastersizer 3000进行激光衍射测量。
在说明和权利要求书中,关于所述导电性组合物中所包括的所述粒子(A)和(B)的形状使用术语“纵横比”。纵横比意味着粒子的最大尺寸与最小尺寸之比并且其是通过以下方式来测定:进行扫描电子显微镜检查(SEM),并且通过测量具统计意义数量的个别粒子的尺寸来评估电子显微影像。
所述导电性组合物包含2至35体积%、优选地2至30体积%并且最优选地2至20体积%的银粒子(A),所述银粒子(A)具有1至25μm、优选地1至20μm、最优选地1至15μm范围内的平均粒度,并且呈现5至30:1、优选地6至20:1、最优选地7至15:1范围内的纵横比。所述银粒子(A)可以具有包含至少一种有机化合物(尤其C8至C22脂肪酸或其衍生物,如盐或酯)的涂层。所述体积%值包括所述涂层在银粒子(A)上的体积贡献率。
所述银粒子(A)包括银和银合金的粒子;即,本文中所使用的术语“银粒子”应意味着纯银的粒子和/或银合金的粒子。在银合金的情况下,合金用金属的总比例是(例如)>0至5重量%,优选地>0至1重量%。所述银合金可以包含银与另一种金属的二元合金,或银与超过一种除银之外的金属的合金。可以用作银的合金用金属的金属实例尤其包括锌、铑、钯、铟、锡、锑、铼、锇、铱、铂、金、铅和铋。在一个实施例中,排除铜、磷、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锆、铌、钼、钽、铝、和钨作为合金用元素。
所述银粒子(A)呈现5至30:1、优选地6至20:1、最优选地7至15:1范围内的纵横比。所述纵横比将表示所述银粒子(A)是(例如)针状粒子(针)或薄片(小片),与(例如)具有球形、基本上球形、椭圆形或卵形的粒子相反。
所述导电性组合物可以包含一种类型的银粒子(A)或两种或超过两种不同类型的银粒子(A)的组合。在任何情况下,导电性组合物中所含有的银粒子(A)的所有类型都满足前文所提及的平均粒度和纵横比条件。为了对此进行说明,可以设想以下理论实例:导电性组合物可以包含以下两种不同类型的银粒子作为仅有的粒子(A),即X体积%的d50值为xμm并且纵横比为y:1的银粒子,和Y体积%的d50值为vμm并且纵横比为w:1的银粒子,其中X+Y位于所述2至35体积%范围内,x与v独立地位于所述1至25μm范围内,并且y与w独立地位于所述5至30:1范围内。
(A)型的银粒子是可商购的。这类银粒子的实例包括来自艾姆斯戈德史密斯公司(Ames Goldsmith)的SF-3、SF-3J;来自费罗公司(Ferro)的Silver Flake#80;来自美泰乐公司(Metalor)的RA-0101、AA-192N。
在一个实施例中,所述导电性组合物可以包含一部分,例如10至30体积%的除(A)型那些银粒子之外的银粒子,尤其是具有例如1至<5:1或1至3:1范围内的纵横比的银粒子。这类银粒子的一个可商购实例是来自美泰乐公司(Metalor)的FA-3162。
所述导电性组合物包含10至63体积%、优选地15至63体积%并且最优选地15至60体积%的非金属粒子(B),所述非金属粒子(B)具有1至25μm、优选地1至20μm、最优选地1至15μm范围内的平均粒度,并且呈现1至3:1、优选地1至2:1、最优选地1至1.5:1范围内的纵横比。适用的(B)型粒子的实例包括石墨粒子和非导电非金属粒子,其在每一情况下满足所述平均粒度和纵横比条件。本文中所用的术语“非导电非金属粒子”应意味着电导率为<10-5S/m的材料的非金属粒子。这类材料的实例包括玻璃、陶瓷、塑料、金刚石、氮化硼、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、铝硅酸盐、氧化铝、氮化铝、氧化锆、碳酸钙、硫酸钡、滑石、硅石、聚合物微球和二氧化钛。
所述非金属粒子(B)呈现1至3:1、优选地1至2:1、最优选地1至1.5:1范围内的纵横比。所述纵横比将表示所述粒子(B)具有真球形或基本上球形的形状,与如(例如)针状粒子或薄片的粒子相反。在电子显微镜下观看时,个别粒子(B)具有球状或接近球状的形状,即,其可以是完美圆形或近乎圆形、椭圆形或其可以具有卵形形状。
导电性组合物可以包含一种类型的粒子(B),或两种或超过两种不同类型的粒子(B)的组合。在任何情况下,导电性组合物中所含有的粒子(B)的所有类型都满足前文所提及的平均粒度和纵横比条件。
(B)型粒子是可商购的。实例包括来自雅都玛公司(Admatechs)的AE9104;来自AMG矿业公司(AMG Mining)的EDM99,5;来自安迈公司(Almatis)的CL4400、CL3000SG;来自西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich)的Glass Spheres;来自的CA6、CA10、CA15。
在一个优选实施例中,所述银粒子(A)的平均粒度在非金属粒子(B)平均粒度的0.2至2倍范围内。
银粒子(A)和非金属粒子(B)的体积%总和总计为25至65体积%。
所述导电性组合物包含30至80体积%、优选地30至75体积%并且最优选地30至70体积%的热塑性聚合物系统(C)。
所述热塑性聚合物系统(C)包含导电性组合物中在涂覆之后嵌埋(A)粒子和(B)粒子的那些成分。
热塑性聚合物系统(C)包含一或多种热塑性聚合物。本发明的热塑性聚合物系统呈现100℃-350℃范围内的熔化温度。
低聚材料与聚合材料之间的区别可以由重量平均摩尔质量来界定,所述重量平均摩尔质量通过凝胶渗透色谱法(GPC;用二乙烯苯交联的聚苯乙烯作为固定相,四氢呋喃作为液相,聚苯乙烯标准物)来加以测定。低聚材料具有≤500的重量平均摩尔质量,而聚合材料的重量平均摩尔质量是>500。
适用的热塑性聚合物的实例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、非晶形聚-α-烯烃(APAO)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVAC)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、聚乳酸(聚乳酸交酯)、聚酰胺(PA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚碳酸酯(PC)、聚己内酯(PCL)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚乙烯(PE)、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚((PPS)、聚丙烯(PP)、聚吡咯(PPY)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、热塑性聚酯(TPE-E)、热塑性聚氨基甲酸酯(TPE-U)。
导电性组合物包含0至25体积%的至少一种添加剂(D)。
添加剂的实例包括非聚合增粘树脂(例如萜类,脂肪族、环脂族和芳香族树脂,氢化烃类树脂,萜类-苯酚-树脂)、助粘剂(例如有机硅烷、有机硫化物、有机胺)、蜡(例如微晶蜡、费托蜡(Fischer-Tropsch wax))、塑化剂(例如苯甲酸酯,如1,4-环己烷二甲醇二苯甲酸酯、三苯甲酸甘油酯或季戊四醇四苯甲酸酯、邻苯二甲酸酯、石蜡油、聚异丁烯)、抗氧化剂(位阻苯酚类,如N,N'-二-2-丁基-1,4-苯二胺、亚磷酸酯、受阻芳香胺)、UV稳定剂(例如二苯甲酮类,如N,N'-二-2-丁基-1,4-苯二胺的位阻胺)、抗静电剂(脂肪族胺和酰胺类、季铵盐类、聚乙二醇、磷酸酯类、多元醇类、氧化铟锡、乙氧化胺类、甘油酯类、长链烷基苯酚类)、除A中那些金属以外的金属粉末。
导电性组合物可以通过混合组分(A)、(B)、(C)和(任选地)(D)而制得。在完成混合后,可以储存如此制造的导电性组合物直到根据本发明对其加以使用为止。
根据本发明使用导电性组合物,即,将其作为导电性粘着剂用于将太阳能电池的至少一个触点与电导体机械并且同时电连接,其中所述至少一个触点选自由太阳能电池发射极触点和太阳能电池集电极触点组成的群组。
为了这一目的,将导电性组合物涂覆到所述太阳能电池至少一个触点的接触表面和/或涂覆到电导体中欲与所述太阳能电池至少一个触点粘接的接触表面。通常,如前文已在解释发射极和集电极触点的段落中所提及的,太阳能电池触点的接触表面是金属化物。电导体的接触表面可以是线、条或带的末端和/或其它合适的位置。在呈导电性背板箔片形式的电导体的情况下,其接触表面通常呈被设计成适合于所述太阳能电池至少一个触点的图案形式。
导电性组合物可以通过各种涂覆方法涂覆。可以例如通过印刷(例如,网版印刷或模板印刷)、喷射、施配或挤压来进行导电性组合物的涂覆。经过涂覆的导电性组合物的典型厚度处于例如20至500μm范围内。
热塑性聚合物系统可以以熔化、溶解或分散状态存在于导电性组合物中。
在涂覆导电性组合物之后,将所述一或多个太阳能电池触点与待粘接到其上的一个或多个电导体放置在一起,其中其接触表面具有处于其间的导电性组合物。
在涂覆之后,并且在将所述一个或多个太阳能电池触点与一个或多个电导体放置在一起之前或之后,可进行任选的干燥步骤,以从导电性组合物中去除最终存在的挥发性化合物,如(例如)有机溶剂。如果进行所述干燥步骤,则干燥参数是在例如60℃至160℃的目标温度下进行例如1至120分钟。
如此所形成的包含导电性组合物的组合件接着进行固化。
在涂覆导电性组合物之后,具有附接到其触点的电导体的太阳能电池或通过电导体彼此连接的太阳能电池阵列可以用于产生电能,或其尤其可以并入到常规光伏打模块中。为了这一目的,可以装配光电堆叠或光伏打模块,例如通过在常规背板上放置常规背面封装层,在所述背面封装层顶部上放置所述太阳能电池或太阳能电池阵列,在所述一个或多个太阳能电池顶部上放置常规正面封装层,并且接着在所述正面封装层顶部上放置常规前板。通常,接着在层压装置中通过以下使如此装配的光电堆叠固结:加热所述堆叠并且使所述经过加热的光电堆叠经受与堆叠平面垂直的方向上的机械压力,并且降低层压装置中的周围压力。所述加热允许正面封装剂和背面封装剂软化,在周围流动并且粘着于所述一个或多个太阳能电池。最后,使所述光电堆叠冷却至周围温度并且释放机械压力,并且在所述层压装置中重新建立常压。
实例
实例1a(导电性热塑性材料的制备):
将高密度聚乙烯(HDPE)引入到经过加热的δ叶片状混合器中。将所述装置加热到160℃。当聚合物熔融时,历经15min时程将来自美泰乐公司(Metalor)的AA-192N银粒子((A)型粒子)和31体积%(40重量%)的来自雅都玛公司(Admatechs)的AE9104Al2O3((B)型粒子)引入到物料中,并且接着添加其它添加剂。将所述组合物再混合10min。之后使所述组合物冷却至室温并且固化。将经过研磨的固体组合物在可加热的辊筒研磨机上再熔化并且在150℃的辊筒温度下研磨。
实例1b(导电性热塑性材料的制备):
将乙烯-乙酸乙烯酯引入到经过加热的δ叶片状混合器中。将所述装置加热到130℃。当聚合物熔融时,历经15min时程将来自美泰乐公司(Metalor)的AA-192N((A)型粒子)和31体积%(40重量%)的来自雅都玛公司(Admatechs)的AE9104((B)型粒子)引入到物料中,并且接着添加其它添加剂。将所述组合物再混合10min。之后使所述组合物冷却至室温并且固化。将经过研磨的固体组合物在可加热的辊筒研磨机上再熔化并且在140℃的辊筒温度下研磨。
实例2(光电堆叠的生产):
将实例1的导电性组合物在液态中经由模板印刷以400μm的厚度涂覆到MWT太阳能电池(来自晶澳太阳能公司(JA Solar)的JACP6WR-0)的背面发射极和集电极触点。
同时将来自康维明公司(Coveme)的打孔电介质层放置于导电性背板箔片(来自康维明公司(Coveme)的背触点背板)上以形成堆叠。其后,将所述太阳能电池以其具有导电性组合物的背面面向堆叠的打孔电介质层的方式放置。将来自3MTM的太阳能封装薄膜EVA9100的薄片放置在太阳能电池正面的顶部上。将玻璃板(来自vetrosolarTM的vsol)放置于封装薄膜的顶部上。
接着在施加热和机械压力下层压整个堆叠。首先,将温度以13℃/min的速率提高到150℃。在80℃下,将1巴的机械压力平缓并且均匀地施加于堆叠的顶部和底部面上。在150℃下9分钟之后,使所述堆叠以25℃/min的速率冷却直到所述堆叠达到20℃。达到80℃之后,将机械压力减少至0。
Claims (10)
1.一种导电性组合物,其包含
(A)2至35体积%的银粒子,所述银粒子具有1至25μm范围内的平均粒度并且呈现5至30:1范围内的纵横比,
(B)10至63体积%的非金属粒子,所述非金属粒子具有1至25μm范围内的平均粒度,呈现1至3:1范围内的纵横比,
(C)30至80体积%的热塑性聚合物系统,
(D)0至25体积%的至少一种添加剂,
其中粒子(A)与(B)的体积%总和总计为25至65体积%。
2.根据权利要求1所述的导电性组合物,
其中(A)、(B)、(C)和(D)(如果存在)的体积%总和总计为所述导电性组合物的100体积%。
3.根据权利要求1或2所述的导电性组合物,
其中所述银粒子(A)是纯银的粒子和/或银合金的粒子。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物,
其中所述非金属粒子(B)选自由以下组成的群组:石墨粒子、玻璃粒子、陶瓷粒子、塑料粒子、金刚石粒子、氮化硼粒子、二氧化硅粒子、氮化硅粒子、碳化硅粒子、铝硅酸盐粒子、氧化铝粒子、氮化铝粒子、氧化锆粒子、二氧化钛粒子、碳酸钙粒子、硫酸钡粒子、滑石粒子和聚合物微球。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物,
其中所述银粒子(A)的平均粒度在所述非金属粒子(B)平均粒度的0.2至2倍范围内。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物,
其中热塑性聚合物系统(C)包含所述导电性组合物中在涂覆之后嵌埋所述粒子(A)和(B)的那些成分。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物,
其中所述导电性组合物被涂覆到太阳能电池的至少一个触点的接触表面和/或电导体中待与所述太阳能电池的所述至少一个触点粘接的接触表面。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物,
其中所述导电性组合物的所述涂覆通过印刷、喷射、施配或挤压来进行。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物,
其中在涂覆所述导电性组合物之后,将所述一或多个太阳能电池触点与待粘接到其上的所述一或多个电导体放置在一起,其中其接触表面具有处于其间的所述导电性组合物以形成组合件。
10.一种根据前述权利要求中任一权利要求所述的导电性组合物的用途,其作为导电性粘着剂用于将太阳能电池的至少一个触点与电导体机械和电连接,其中所述至少一个触点选自由发射极触点和集电极触点组成的群组。
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