JP2012531060A - 太陽電池タブの太陽電池母線への接続、及び製造された太陽電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、太陽電池タブ及び太陽電池母線を接続する、または置き換えるための接着剤の使用に関する。マトリクス及び導電性粒子の分散体を含む接着剤は、接着剤が塗布された後に実施される整列ステップにおいて導電性にされる。
Description
本発明は、太陽電池タブを太陽電池母線に接続するための接着剤の使用、整列ステップにおいて接着剤を導電性にする方法、及び製造された太陽電池に関する。
太陽電池の表面電極、太陽電池タブの間の相互接続はしばしば、はんだ付けによって形成されるが、代替法に代えることへの要求が高まっている。この傾向は、技術及び経済だけでなく、環境要因によっても加速されている。
はんだ付けは以下の問題を有している。第１に、はんだ付けには、有毒であり、かつ電池を廃棄する際に高額な費用のかかる方法が必要とされる、鉛などの重金属が必要とされる。第２に、材料費を低下させるために太陽電池の厚さを低減させる傾向にある。しかしながら、より薄い層は、はんだ付けによって生じる亀裂の影響を受ける。第３に、はんだ付けは、接続された材料の酸化を引き起こし得る。
はんだ付けの欠点を克服するための新たな２つの可能性がある。局所的音響振動によって固体無鉛溶接がもたらされる超音波溶接が１つの選択肢であり、もう１つは、導電性接着材を使用するものである。
はんだ付け工程の間、はんだには高温が適用される。表面が冷却されると、固化したはんだは表面にわたって応力を引き起こす。過剰な応力は表面の破損及び反りを促進することになるため、これは太陽電池に有害な影響を及ぼし得る。これは、材料の使用量及びコストを低減するために太陽電池がより薄く作製される場合に、ますます問題となる。従って、導電性接着剤は、現在使用されているはんだに代わる特に興味深い技術である。
特許文献１には、電極の表面粗さの影響を克服する、隣接する導電性粒子を備えた接着剤層を形成するために、少なくとも９％のゴムを含み、膜厚の１．３３〜０．０６％の径を有し、全体積の１．７〜１５．６体積％及び好ましくは２〜１２または３〜８体積％の間の量の導電性粒子を含有する、導電性接着剤膜による太陽電池の電極と配線部材との間の電気的接続が記載されている。
太陽電池パネル製造用に提案された導電性接着剤は、得られる膜の導電性を保証するために、比較的高い割合の銀などの導電性粒子を含む（＞１．７体積％）。多量の導電性粒子は、接着剤の機械的特性を弱め、材料費を増加させるため、問題となる。
周知の導電性接着剤は、導電性フィラー（例えば銀または炭素）及びポリマーマトリクスの等方性混合物である。従って、巨視的次元の導電経路を形成するために、導電性粒子の量は、粒子が互いに接触してこれらの経路を形成するように十分多くなければならない。この伝導機構を映し出す粒子充填は、パーコレーションモデルとして理解される。このことが起こる最も低い粒子の割合が、パーコレーション限界である。多様な球形または主に３次元粒子では、この限界は理論的に１〜１７体積％の間であるが、実際には、下限値は一般的には導電性を保証するために十分ではない。
上記の例外は、修飾されたＣＮＴであり、３次元粒子から大きく逸脱する高い異方性ロッド様形状に起因して、そのパーコレーション限界は０．１体積％であり得る。しかしながら、このようなＣＮＴの欠点は、工業規模で製造することが困難なことである。
非特許文献１では、ゼロ電場パーコレーション限界未満ののカーボンブラック（ＣＢ）充填樹脂が、樹脂に浸された銅電極間に４００Ｖ／ｃｍの電場が印加されたときに、どのようにＣＢネットワークを形成することができるが観察されている。
特許文献２には、硬化性ポリマーマトリクス中に分散されたカーボンナノチューブから所望の抵抗を有する電気経路を形成する方法が記載されている。電極は分散体と接して配置され、電極間に８Ｖ、１ＭＨｚで誘電泳動信号の形態の電気エネルギーが印加され、所望の電気抵抗に達するまで抵抗がモニタされる。堆積後に電流を印加することによってカーボンナノチューブ混合物の一部であり得る金属ナノチューブを燃やすことによって、純半導体接続がもたらされ得る。デバイスを固定するために、ポリマーマトリクスが硬化される。
この記載はカーボンナノチューブに限定され、マイクロエレクトロニクス及び回路基板における問題に対処するものである。マイクロエレクトロニクス回路基板における電極と電極の接続は、点状または略点状であるため、少量のみをカバーし、少量の電流のみがＣＮＴ接続を通過する。カーボンナノチューブは、工業規模で製造するのが困難であり、高価であり、現在のところ多量を含む用途は現実的でない。さらに、高品質の分散体を形成するためにポリマーと混合するのが困難である。
Ｓｃｈｗａｒｚ ｅｔ ａｌ． "Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ ｆｉｌｌｅｄ ｒｅｓｉｎｓ"、Ｐｏｌｙｍｅｒ、２００２、４３、３０７９
太陽電池は一般的に少なくとも１つまたは複数の単結晶、多結晶、またはアモルファス材料の基板上に印刷されたタブと、表面電極と、を備える。太陽電池間を接続するために、太陽電池母線をタブに接続しなければならない。導電性接着剤層をその接続に使用することができる。
太陽電池モジュールにおける太陽電池タブと母線との間の相互接続は、多くの領域を覆う。相互接続に使用される接着剤は、優れた機械的結合、及び太陽電池タブと母線との間の導電性を達成しなければならない。工業規模で入手可能な従来の材料から接着剤を作製することができれば有利である。
本発明は、低濃度の導電性粒子を含む接着剤によって形成される太陽電池タブと母線の間の相互接続に関する。導電性粒子は、炭素粒子、金属粒子、または金属酸化物粒子などの不溶融性粒子とすることができる。接着剤は、太陽電池タブと母線との間に配置された場合に、接着剤に電場を印加することによって導電性となる。接着剤はその後安定化される。
電場の印加及び以下の安定化によって形成される異方性接着剤導電膜は、等方性導電性接着剤で想定され得るものより低い濃度の導電性粒子で、接着剤が導電性を有することを可能にする。より低い濃度の導電性粒子によって、接着剤は向上した機械的特性を有するようになり、電場を印加した場合に起こる導電性粒子の整列によって、太陽電池タブと母線との間の接着膜の導電性が保証される。
接着剤マトリクス成分には特に制限はない。接着剤は、マトリクス及び導電性粒子の混合物である。混合は、従来の手段によって実施することができる。低濃度の導電性粒子は接着剤に優れた保存特性を与えるため、接着剤は産業環境において容易に取扱うことができる。
マトリクスは、任意の種類の接着ポリマー系とすることができ、１つまたは複数の成分を含むことができる。接着剤を機械的に安定化させ、整列した導電性粒子を支持するために、接着剤は、整列ステップの後に第１粘度より高い第２粘度まで安定化され得る。特に、マトリクスは熱硬化性ポリマー系とすることができ、これは、マトリクスが当初は流体であるが架橋によって固化し得ることを意味する。マトリクスはまた、熱可塑性ポリマー系であってもよく、これは、ポリマーが低温で固体または粘性を有するが、温度の上昇によって可逆的に溶融または可塑化することを意味する。さらに、離液性ポリマー系であってもよく、これは、マトリクスが溶媒によって可塑化することができ、この溶媒を蒸発させることによって固化することを意味する。また、これらのポリマー系の任意の組合せであってもよい。例えば、熱硬化性ポリマー系は、可塑化用の溶媒を含んでもよいが、安定化は第１に架橋に基づくものであり、第２にのみ溶媒の蒸発に基づき得る。
導電性粒子の大部分は、球形カーボンブラックまたはディスク、またはコーン状カーボン粒子のように、低アスペクト比を有する。１〜４、１〜５、１〜１０、１〜２０または１〜１００の範囲のアスペクト比が典型的である。すなわち比１：Ｎで、Ｎは４以上であり、１００程度またはそれ以上とすることができる。導電性粒子は、異なる炭素粒子の混合物であってよい。銀、金または金属酸化物粒子など、その他の導電性粒子を使用することもできる。
カーボンブラック及びカーボンナノディスク及びコーン、ならびに金属または金属酸化物粒子は、工業規模で生産されるため、大量の用途に使用可能である。
マトリクス中の導電性粒子の濃度は、導電性に悪影響を与えることなく、低濃度に維持することができる。パーコレーション限界付近から１０分の１までの濃度によって、整列ステップ後に優れた導電性を得ることができる。０．２から１０体積％、または０．２から２体積％または０．２から１．５体積％の範囲の導電性粒子の濃度が有用である。
接着剤の塗布は、従来の印刷またはインクジェット技術によって実施することができ、接着剤を費用効果が高い方法で大きな表面に塗布することが可能である。接着剤は塗布の間は第１粘度を有し、これは、次の整列ステップの間に導電性粒子が移動できる程度に十分低粘度である。
電場は、０．０５から１０ｋＶ／ｃｍ、または０．０５から５ｋＶ／ｃｍまたは０．１から１ｋＶ／ｃｍ程度とすることができる。これは、１０μｍから１ｍｍの範囲の典型的な整列距離では、印加される電圧が０．０５から１０００Ｖの範囲、通常は５〜１００Ｖの範囲であり得ることを意味する。電場は、一般的に１０Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数を有する交流（ＡＣ）電場である。直流（ＤＣ）電場を使用することも可能である。導電性粒子を整列するために要する電圧値は低く、生産ラインにおいて取扱いを容易にし、高電圧を取扱う際に必要な特定の調整を必要としない。
電場の方向は、太陽電池タブ及び母線の表面に垂直であり、整列した導電性粒子によって形成される電気的接続は、電場の方向に沿って多数の導電経路を形成するため、太陽電池タブと母線を接続する。
背面接触太陽電池及び標準太陽電池の両方で、本発明の接着剤でのラミネーションの間に電場が印加され得る。封止箔、典型的にはＥＶＡ（エチレンビニルポリマーアセテート）及び裏紙を備えたガラス内に太陽電池を配置した後に、ラミネータ内に外部電場が印加される。
第１ステップにおいて導電経路に欠陥が生じたり、適当に整列されなかったりした場合には、整列させた導電粒子経路を修復することも可能である。マトリクスの安定化ステップが未だ実施されていない場合、または安定化ステップが可逆的である場合には、整列ステップを再実行することができる。これは、プロセスをもう一度最初から始める必要がないため、接続の調製中の既存の膜にとって有利である。安定化ステップは、例えば熱硬化性ポリマーの硬化であり得る。
図及び実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。図及び実施例は、本発明を例示するためのものであり、開示の範囲を限定することを意図されたものではないことを理解すべである。
この実施例は、導電性粒子及び本実施例では熱硬化ポリマー接着剤であるポリマーマトリクスの混合物の調製、粒子量に応じた導電性の測定、並びに粒子比率の増加によりコンタクトが形成される場合に、粒子量の増加に伴う導電性の段階的増加が粒子間の導電経路の形成によってどのように説明されるかに関係する。
この実施例はさらに、粒子量が少ない場合、例えば、等方性の整列していない混合物が導電性でない限界である、観測されるパーコレーション限界の１０分の１である場合の同じ混合物の調製、整列した粒子が導電経路を形成して導電性材料となり、その導電性が方向性を有し、例えば整列していない材料のパーコレーション限界以下となるように、電場を使用して該混合物を整列することに関係する。実施例はさらに、整列ステップにおいて得られた整列及び方向性導電性が維持されるように、例えば硬化によって、得られる材料の粘度の変化を示す。
使用した導電性粒子は、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ社のカーボンブラック、ｎ−Ｔｅｃ ＡＳ社（ノルウェイ）のカーボンコーン（ＣＮＣ）、及びＳｈｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社の酸化鉄（ＦｅＯ・Ｆｅ２Ｏ３）である。
使用したポリマーマトリクスは、低粘度エポキシ樹脂を有するＡｒａｌｄｉｔｅ（登録商標）ＡＹ １０５−１（Ｈｕｎｔｓｍａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＧｍｂＨ）とＲｅｎ（登録商標）ＨＹ ５１６０ （Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧ）とを組み合わせることによって形成された２成分低粘度接着剤である。
３０分間撹拌することによって、導電性粒子を接着剤中に混合した。
これらの材料の予測パーコレーション限界は、約２体積％である。混合物はこの限界より上で導電性を有し、下で絶縁体である。導電性は、導電性粒子に起因するものであり、ポリマーは基本的に絶縁体である。
整列の利点を示すために、材料は上記と同一であり、同様に調製したが、投入量を１０分の１未満とした。
図１は、光学顕微鏡写真を使用して、実施例の接着剤中に分散された０．２体積％のＣＮＣの集合体の混合物の電場整列及び硬化前（図１Ａ）及び後（図１Ｂ）の状態を示す。
スキームは、図２に示されたものに対応する、適用された整列（面外）配置を示す（図１Ｃ）。この整列配置は、１０μｍから数センチメートルの導電経路距離１をカバーするために使用した。面外整列のために、２ｍｍ×１５ｃｍ幅の材料の層を太陽電池母線３と太陽電池タブ２との間に挿入した。
交流電源を使用して混合物を整列して整列経路（ｂ）を得た。この実施例では、１ｍｍ未満の電極間隔に対して、整列条件１ｋＨｚ交流電場（０．６〜４ｋＶ／ｃｍ（ｒｍｓ値））を１分間使用した。
図３は、導電性増大の大きさを表す、整列時間に応じた導電性を示す。
直後に１００℃で１分間硬化を実施した。
材料は、硬化後も整列を維持し、整列によって得られた導電レベルが維持された。
図２Ａは、光起電効果によって生成された電流を収集するタブ５を備えた太陽電池４を示す。図２Ｂは、第１粘度を有する接着剤７中の導電性粒子６の等方性分散体を示す。分散体８を太陽電池タブ５上に広げ、図２Ｃに示すように各タブ上に接着剤の層を形成する。外部電極、母線１０を接着剤層上に配置し、図２ＥにおいてＡＣ印で示されるように電極５、１０に電場を印加することによって導電性粒子６の整列を行う。接着剤分散体を、第１粘度より高い第２粘度まで安定化、例えば硬化させることによって、接着剤分散体の機械強度が保証され、整列した導電性粒子が支持されるようになるため、接着剤分散体が導電性となる。ここで、接着剤分散体８中に導電経路が形成されたため、太陽電池４は母線１０と接続されるようになる。
太陽電池は、面外配置及び短い整列距離、並びに好都合に低い整列電圧を有する上記の設定を実現する。典型的な例では、記載された０．２体積％の炭素量を有する異方性接着剤の１ｍｍ×８ｃｍ幅の層が太陽電池の銀及び銅電極の間に挿入された。この場合、電極は押し付けられ、得られた間隔は１００μｍ未満であった。その後、電場整列及び硬化が続き、全工程には典型的に数分程度を要する。
図４Ａ〜Ｅは、図２に示された工程の上面図を示す。タブ５を備えた太陽電池４が図４Ａに示される。接着剤７及び導電性粒子６の等方性分散体８が太陽電池タブ上に塗布される（図４Ｂ）。母線１０が接着剤上に配置され（図４Ｃ）、電極５、１０に電圧１２を印加することによって粒子を整列させる（図４Ｄ）。例えばＵＶ光または熱を使用した例えば硬化によって、接着剤を安定化させる（図４Ｅ）。
この実施例は、工程のロバスト性を示し、電場によって導電性粒子接着剤混合物中の巨視的欠陥がどのように修復されるのかを示す。
図５は、ＣＮＣの場合のスクラッチの修復を示す光学顕微鏡写真である。材料及び工程は、実施例１と同様であるが、巨視的スクラッチ欠陥は鋭いくぎによって形成されたものであり、電場が印加された。光学顕微鏡写真は、１ｋＨｚ、５００ Ｖ／ｃｍの電場がかけられ、導電経路が次第に再形成され、接着剤層におけるスクラッチが修復される様子を示している。再形成後、マトリクス中で基本的に全ての導電性粒子が導電経路を形成する。
図６に示されるように、この実施例は、実施例１で説明したように、本願発明が背面接触セルを有する太陽電池で使用できるように、ピックアンドプレース装置が電場印加装置に取り付けられる方法を示す。ピックアンドプレースは、太陽電池（ａ）を封止ホイル（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｉｌ）上に持ち上げる。配置されると、ピックアンドプレースヘッド（ｂ）から電場が印加される。接続リボンが透明であれば、この段階で、加熱またはＵＶ硬化によって硬化を行ってよく、または、製造ラインの最後のラミネーション段階の間に硬化を行ってもよい。
本発明による導電性接着剤は、透明電極が使用される薄膜太陽パネルに使用される。薄膜柔軟性太陽電池は、プラスチック基板上のテルル化カドミウムｐ型層及び硫化カドミウムｎ型層を使用して、プラスチック基板上に構築される。半導体層は、アモルファスまたは多結晶とすることができる。母線ネットワークによって重ねられた透明導電性酸化物層は、ｎ型層の上部に堆積される。導電性金属の背面接触層は、ｐ型層の下部に堆積される。実施例１のように、接着剤が塗布され、導電性となる。
太陽電池に対して、太陽電池における集電用及び送電用の１つまたは複数の配線部材が、マトリクス及び導電性粒子の分散体から作製される。前記導電性粒子の濃度は、分散体が導電性とならないように、パーコレーション限界未満である。分散体は、集電用配線部材と送電用配線部材が交わる領域に、整列した導電性粒子を有する。
このようなやり方で、導電性配線は、タブまたは母線が回路を形成する必要がないように、直接形成されて太陽電池デバイスを接続する。本発明の接着剤分散体は、１層または複数層の構造体、例えば、ある層がタブに代わる方向性導電体であり、別の層が導電性バーに代わるように方向性導電体であるような積層構造体において使用される。次の層と接続することができるように、例えば溶媒を使用してマトリクスを減少させて導電経路を露出することができる。例えばマスク及び遠隔電場を使用して、または電極として形成中の太陽パネルの部分を使用して、対応する方向に電場を印加することによって、マトリクス中の導電性粒子が必要な導電配線を形成するように整列される。
４ 太陽電池
５ タブ
６ 導電性粒子
７ 接着剤
８ 分散
１０ 母線
１２ 電圧
５ タブ
６ 導電性粒子
７ 接着剤
８ 分散
１０ 母線
１２ 電圧
Claims (14)
- 太陽電池タブと太陽電池母線を接続するための接着剤であって該接着剤がマトリクス及び導電性粒子の分散体を含む接着剤の使用において、
ａ．前記接着剤中の前記導電性粒子の過半数が、低アスペクト比を有し、
ｂ．前記太陽電池タブに前記接着剤の層を塗布するステップであって、前記接着剤が前記層内で前記導電性粒子を再配列させることを可能にする第１粘度を有する、ステップと、
ｃ．前記太陽電池母線を前記層上に適用するステップと、
ｄ．前記電場によって多数の前記導電性粒子が整列されるように、前記接着剤の層に電場を印加することによって、前記太陽電池タブと前記太陽電池母線との間の前記接着剤中に導電経路を形成するステップと、
ｅ．前記接着剤の粘度を第２粘度まで変化させるステップであって、前記層を機械的に安定化させ、かつ前記太陽電池タブと前記太陽電池母線との間の前記導電経路を維持するために、前記第２粘度が前記第１粘度より高い、ステップと、
を特徴とする、太陽電池タブと太陽電池母線を接続するための接着剤の使用。 - 太陽電池タブと太陽電池母線を接続するための接着剤であって該接着剤がマトリクス及び導電性粒子の分散を含む接着剤の使用において、
ａ．前記接着剤中の前記導電性粒子の過半数が、低アスペクト比を有し、
ｂ．前記太陽電池タブと前記太陽電池母線との間の空間に前記接着剤の層を挿入するステップであって、前記接着剤が前記層内で前記導電性粒子を再配列させることを可能にする第１粘度を有する、ステップと、
ｃ．前記電場によって多数の前記導電性粒子が整列されるように、前記層に電場を印加することによって、前記太陽電池タブと前記太陽電池母線との間に導電経路を形成するステップと、
ｄ．前記接着剤の粘度を第２粘度まで変化させるステップであって、前記層を機械的に安定化させ、かつ前記太陽電池タブと前記太陽電池母線との間の前記導電経路を維持するために、前記第２粘度が前記第１粘度より高い、ステップと、
を特徴とする、太陽電池タブと太陽電池母線と接続するための接着剤の使用。 - 前記接着剤中の前記導電性粒子が、カーボンブラック、カーボンナノディスク、カーボンナノコーン、またはそれらの混合物であることを特徴とする、請求項１または２に記載の接着剤の使用。
- 前記接着剤中の前記導電性粒子が、金属粒子、金属酸化物粒子、コロイド金属含有粒子、またはそれらの混合物を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の接着剤の使用。
- 前記導電性粒子のアスペクト比が１から１００の範囲であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の接着剤の使用。
- 前記導電性粒子のアスペクト比が１から４、または１から５、または１から１０、または１から２０の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の接着剤の使用。
- 前記接着剤中の前記導電性粒子の濃度が、０．２から１０体積％、または０．２から２体積％、または０．２から１．５体積％の範囲内であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の接着剤の使用。
- 前記接着剤中の前記導電性粒子を整列させるために印加する前記電場が、０．０５から２０ｋＶ／ｃｍ、または０．０５から５ｋＶ／ｃｍ、または０．１から１ｋＶ程度であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の接着剤の使用。
- 前記電場が、１０Ｈｚから１ＭＨｚ、または１０Ｈｚから１００ｋＨｚ、または１０Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数を有することを特徴とする、請求項７または８に記載の接着剤の使用。
- 整列ステップ後に前記経路が欠陥となった場合に、追加の電場によって前記接着剤中の前記導電経路が修復されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の接着剤の使用。
- 前記太陽電池タブと前記太陽電池母線が、請求項１から９のいずれか一項に記載の異方性接着剤によって接続されていることを特徴とする太陽電池。
- 前記太陽電池が背面接触電池であることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池。
- 前記太陽電池が薄膜太陽電池であることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池。
- 太陽電池における集電用及び送電用の１つまたは複数の配線部材が、マトリクス及び導電性粒子の分散から作製され、前記導電性粒子の濃度がパーコレーション限界程度またはそれ未満であり、集電用配線部材と送電用配線部材が交わる領域において、前記分散が整列された導電性粒子を有することを特徴とする太陽電池。
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