JP2013500572A - 太陽電池電極形成用ペースト｛ａｐａｓｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒｍａｋｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｏｆｓｏｌａｒ−ｃｅｌｌ｝ - Google Patents
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Abstract
高い電気伝導度、低い接触抵抗、高い縦横比、優れた保管安定性および優れた接着力を示し、太陽電池電極形成時に別途の焼成工程を経ず、乾燥温度で硬化が行われて電極が形成されるので太陽電池電極形成の生産性が高い太陽電池電極形成用ペーストを提供する。
Description
本発明は太陽電池電極形成用ペーストに関するものであって、本発明による太陽電池電極形成用ペーストは低い接触抵抗、高い縦横比、優れた保管安定性、および優れた接着力を示し、太陽電池電極形成時に別途の焼成工程を経ず、乾燥温度で硬化が行われて電極が形成されるので太陽電池電極形成の生産性が高い。
従来は太陽電池の電極形成では焼成温度が３５０℃以上の高温であるのでペースト内の有機物が容易に除去された。しかし、焼成温度が３５０℃以下である電極材料を要求する場合には、ペースト内の有機物が残存することによって電気化学的に絶縁体の役割を果たして、電子の流れを妨害するようになった。特に、太陽電池分野のうちの非晶質／結晶質シリコン異種接合太陽電池の場合、非晶質層の結晶化抑制のために低温（２５０℃以下）の焼成条件が要求されている。このような低温焼成用電極では残存有機物によって電気的特性が低下する問題が発生している。
したがって、本発明は低い接触抵抗、高い縦横比、優れた保管安定性、および優れた接着力を示し、太陽電池電極形成時に別途の焼成工程を経ず、乾燥温度で硬化が行われて電極が形成されるので太陽電池電極形成の生産性を高めることができる太陽電池電極形成用ペーストおよびこれを利用した太陽電池電極形成方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明は、
（ａ）銀粉末（ｓｉｌｖｅｒ ｐｏｗｄｅｒ）、
（ｂ）ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン（Ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリ（３−アルキルチオフェン）（Ｐｏｌｙ（３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ））、ポリピロール（Ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）（Ｐｏｌｙ（（２、５ｄｉａｌｋｏｘｙ）−ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（Ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））、およびポリ（ｐ−フェニレン）（Ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ））からなる群より１種以上選択される伝導性高分子、
（ｃ）セルロース誘導体、および
（ｄ）溶剤
を含む太陽電池電極形成用ペーストを提供する。
（ａ）銀粉末（ｓｉｌｖｅｒ ｐｏｗｄｅｒ）、
（ｂ）ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン（Ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリ（３−アルキルチオフェン）（Ｐｏｌｙ（３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ））、ポリピロール（Ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）（Ｐｏｌｙ（（２、５ｄｉａｌｋｏｘｙ）−ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（Ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））、およびポリ（ｐ−フェニレン）（Ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ））からなる群より１種以上選択される伝導性高分子、
（ｃ）セルロース誘導体、および
（ｄ）溶剤
を含む太陽電池電極形成用ペーストを提供する。
また、本発明は、前記太陽電池電極形成用ペーストを用いた太陽電池電極形成方法、前記方法によって形成された太陽電池電極、および前記電極を含む太陽電池を提供する。
本発明による太陽電池電極形成用ペーストは下記のような効果を示す。
第一に、高い生産性：乾燥温度（１００〜２５０℃以下）で短時間に硬化しながら電極を形成するので、別途の焼成工程が必要でない。
第二に、高い電導度および優れた電気比抵抗：乾燥温度（１００〜２５０℃以下）で伝導性高分子がペースト内部に残存して、電気化学的に安定して電子の流れを円滑に誘導する。
第三に、低い接触抵抗：低い接触抵抗特性を示し、特に非晶質／結晶質異種接合太陽電池に適合する。
第四に、熱的保管安定性：有機バインダーおよび溶剤などとの相溶性が優れていて熱的安定性が非常に高くて、物理的化学的状態変化が少ない長所がある。
第五に、高い縦横比：ペーストのレオロジー特性が優れていて高い縦横比（Ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）を実現することができる。
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明による太陽電池電極形成用ペーストは、
（ａ）銀粉末（ｓｉｌｖｅｒ ｐｏｗｄｅｒ）、
（ｂ）ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン（Ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリ（３−アルキルチオフェン）（Ｐｏｌｙ（３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ））、ポリピロール（Ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）（Ｐｏｌｙ（（２、５ｄｉａｌｋｏｘｙ）−ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（Ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ））、およびポリ（ｐ−フェニレン）（Ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ））からなる群より１種以上選択される伝導性高分子、
（ｃ）セルロース誘導体、および
（ｄ）溶剤
を含む。
（ａ）銀粉末（ｓｉｌｖｅｒ ｐｏｗｄｅｒ）、
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（ｃ）セルロース誘導体、および
（ｄ）溶剤
を含む。
好ましくは、本発明による電極ペーストは、（ａ）銀粉末（ｓｉｌｖｅｒ ｐｏｗｄｅｒ）３０〜９５重量％；（ｂ）ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリピロール、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、およびポリ（ｐ−フェニレン）からなる群より１種以上選択される伝導性高分子０．１〜４０重量％；（ｃ）セルロース誘導体０．１〜５０重量％；および（ｄ）残量の溶剤を含む。
本発明の「太陽電池電極形成用電極ペースト」には積層構造体からなる単層または多層からなる配線板のような回路形成用材料として使用されるペーストを含む。したがって、太陽電池に使用される電極だけでなくこれら装置に使用される電気配線もこれに該当する。
以下、各成分について詳細に説明する。
（ａ）銀粉末（ｓｉｌｖｅｒ ｐｏｗｄｅｒ）
本発明の前記銀粉末は、０．０５乃至１０μｍの平均粒度を有することが好ましい。多様な粒子大きさを有する金属粉末を混合して使用することが、印刷の精密性を高め、太陽電池に適用時太陽電池の曲線因子（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）（以下、「ＦＦ」という）を大きく向上させて効率を高めることができるため好ましい。
前記銀粉末はペースト内に３０乃至９５重量％で含まれ、前記銀含有量が３０重量％未満である場合、ペーストの粘度が低くて、プリントスクリーン印刷法で基材に印刷する時にマスクのパターンサイズよりさらに広く印刷される問題点があり、また、銀含有量が９５重量％を超過する場合、粘度が高くて、導電性粉末の均一な分散が難しく、印刷時にマスクでのペースト抜け性が良くなくて電極形成に困難があり、印刷後の基材での表面粗度が良くない。
（ｂ）伝導性高分子
本発明で使用可能な伝導性高分子は、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリピロール、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、およびポリ（ｐ−フェニレン）からなる群より１種以上選択されるものを使用することができる。また、前記伝導性高分子に溶媒が混合されているものを使用することもできる。特に、本発明に使用されるＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリピロール、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、およびポリ（ｐ−フェニレン）からなる群より１種以上選択される伝導性高分子は一般的なポリアニリン（Ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ）のような伝導性高分子と比較して、電気比抵抗、基板付着力、接触抵抗、縦横比および粘度変化率面で顕著な差を示す。
前記伝導性高分子は０．１乃至４０重量％で含むことができる。伝導性高分子含有量が０．１重量％未満である場合、電気伝導度の改善効果を期待するのが難しく、また、伝導性高分子含有量が４０重量％を超過する場合、伝導性高分子の低い粘度によって製造される電極ペーストの粘度が低く形成されて印刷されたパターン線幅の拡散現象をもたらし、これは高解像度パターンの実現が難しく、優れた縦横比の電極パターンを得るのが難しい。
（ｃ）セルロース誘導体
本発明で前記セルロース誘導体はバインダーとして作用し、伝導性高分子および溶剤との相溶性が優れて、本発明の太陽電池電極形成用ペーストの電気伝導度および保管安定性を顕著に向上させる。本発明の前記セルロース誘導体の具体的な例としては、ヒドロキシセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロースおよびエチルセルロースからなる群より１種以上選択されるものを使用することができる。
前記セルロース誘導体は０．１乃至５０重量％で含むことができる。前記セルロース誘導体の含有量が０．１重量％範囲未満である場合、印刷時にマスクの抜け性が良くない。含有量が３０重量％範囲超過である場合、１００〜２５０℃領域で乾燥をすれば多量のセルロース誘導体が残存し、これは電極ペーストの硬化度を阻害させる要素として作用して、基板付着強度を落とす問題を引き起こさせる。
（ｄ）溶媒
前記（ａ）−（ｃ）の成分は溶媒中で混合分散されて使用される。
この時、使用可能な溶媒は沸点が８０〜２５０℃であるものが好ましく、具体的な例としては、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ブチルカルビトール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルプロピオネート、エチルエーテルプロピオネート、テルピネオール、テキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジメチルアミノフォルムアルデヒド、メチルエチルケトン、ガンマブチロラクトン、または乳酸エチルなどを単独または２種以上混合して使用することができる。好ましくは、ブチルカルビトールアセテート、エチレングリコールまたはこれらの混合物を使用することができる。
前記溶媒は（ａ）−（ｃ）の成分を除いた残量を含むことができる。
（ｅ）その他の添加剤
前記以外にも本発明による電極ペーストは通常ペーストに含まれる添加剤を必要によってさらに含むことができる。前記添加剤の例としては増粘剤、安定化剤、分散剤、脱泡剤または界面活性剤などが挙げられ、これら成分は０．１〜５重量％で使用されることが好ましい。
このような組成を有する本発明の太陽電池電極形成用ペーストは、前記記載した必須成分と任意の成分を所定の比率により配合し、これをブレンダーまたは３軸ロールなどの混練機で均一に分散して得ることができる。
好ましくは、本発明による電極ペーストはブルックフィールド（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ）ＨＢＴ粘度系および＃１４スピンドルを使用する多用途カップで１０ｒｐｍおよび２５℃で測定する場合、１乃至３００Ｐａ・Ｓの粘度を有するものが良い。
本発明による太陽電池電極形成用ペーストは別途の焼成工程無しに乾燥工程のみで電極を形成することができる。したがって焼成工程が別途に必要でないので作業性が容易であり、低温乾燥によって伝導性高分子がペースト内部に残存して電気化学的に安定し電子の流れを円滑に誘導するようになる長所がある。特に、非晶質／結晶質シリコン異種接合太陽電池に適用する場合に効果がさらに大きい。
本発明はまた、前記電極ペーストを基材の上に印刷し、乾燥することを特徴とする太陽電池の電極形成方法、前記方法によって製造された太陽電池電極、および前記太陽電池電極を含む太陽電池を提供する。
本発明の太陽電池電極形成方法で前記太陽電池電極形成用ペーストを使用することを除いて、基材、印刷、および乾燥は通常太陽電池の製造に使用される方法を用いることができるのはもちろんである。一例として、前記基材はＳｉ基板であることができ、前記電極はシリコン太陽電池の前面電極であることができ、前記印刷はスクリーン印刷であることができ、前記乾燥は１００〜２５０℃で１０分乃至３０分間行われることができ、前記印刷は任意に調節可能であり、２０乃至５０μｍの厚さに印刷をすることが良い。
本発明の太陽電池電極形成方法は焼成工程が別途に必要でないので作業性および生産性が優れ、精密性が高く、本発明による電極ペーストを利用して製造された電極を含む太陽電池は高効率、高解像度であり、特に低温焼成に適して量産性が優れ、非晶質／結晶質シリコン異種接合太陽電池に適用する場合に効果がさらに良いという長所がある。
以下、本発明の理解のために好ましい実施例を提示するが、下記の実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の範囲が下記の実施例に限定されるのではない。
実施例１乃至４および比較例１、２
下記表１に記載された成分および含有量で混合後、３ロール混練機で混合分散させて電極ペーストを製造した。
下記表１に記載された成分および含有量で混合後、３ロール混練機で混合分散させて電極ペーストを製造した。
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストに対して下記のような方法で特性（比抵抗、基板付着力、接触抵抗、縦横比および粘度変化率）をそれぞれ測定した。その結果を下記表２に示した。
１）比抵抗（＊１０−５Ω．ｃｍ）
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストをそれぞれ基材に印刷した後、１８０℃で１５分、２００℃で１５分、および２２０℃で１５分で硬化した後に４ポイントプローブを用いて比抵抗を測定した。
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストをそれぞれ基材に印刷した後、１８０℃で１５分、２００℃で１５分、および２２０℃で１５分で硬化した後に４ポイントプローブを用いて比抵抗を測定した。
２）基板付着力
格子付着性評価（ＡＳＴＭＤ３３５９）に基づいて、基材上に印刷されて硬化されたペーストにクロスカットナイフ（ｃｒｏｓｓｃｕｔ ｋｎｉｆｅ）で１００個の格子紋を作って、金属付着力専用テープ（３Ｍ、＃６１０）を付けてから取り外し、剥離された格子数を記録した。
格子付着性評価（ＡＳＴＭＤ３３５９）に基づいて、基材上に印刷されて硬化されたペーストにクロスカットナイフ（ｃｒｏｓｓｃｕｔ ｋｎｉｆｅ）で１００個の格子紋を作って、金属付着力専用テープ（３Ｍ、＃６１０）を付けてから取り外し、剥離された格子数を記録した。
３）接触抵抗（ｍΩ．ｃｍ）
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストを太陽電池セル（Ｃｅｌｌ）の後面にスクリーンプリンティング技法で印刷し、熱風式乾燥炉を用いて乾燥させた。そして、前面に線幅１１０μｍの電極パターンを印刷して、１６０℃で５分間乾燥させた。前記過程で製造されたセル（ｃｅｌｌ）を焼成炉を用いて２２０℃で１５分間焼成した。このように製造されたセル（ｃｅｌｌ）に対してコアスキャン（Ｃｏｒｒｅｓｃａｎ）を用いて接触抵抗を測定した。
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストを太陽電池セル（Ｃｅｌｌ）の後面にスクリーンプリンティング技法で印刷し、熱風式乾燥炉を用いて乾燥させた。そして、前面に線幅１１０μｍの電極パターンを印刷して、１６０℃で５分間乾燥させた。前記過程で製造されたセル（ｃｅｌｌ）を焼成炉を用いて２２０℃で１５分間焼成した。このように製造されたセル（ｃｅｌｌ）に対してコアスキャン（Ｃｏｒｒｅｓｃａｎ）を用いて接触抵抗を測定した。
４）縦横比（％）
線幅１１０μｍの電極パターンを印刷、乾燥、焼成後、電極パターンの高さおよびパターン線幅をそれぞれＳＥＭで測定し、パターンの高さ／パターン線幅比率を求めて縦横比（％）を記録した。
線幅１１０μｍの電極パターンを印刷、乾燥、焼成後、電極パターンの高さおよびパターン線幅をそれぞれＳＥＭで測定し、パターンの高さ／パターン線幅比率を求めて縦横比（％）を記録した。
５）粘度変化率（％）
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストを２５℃で１ヶ月間保管後、粘度変化をブルックフィールド（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ）ＨＢＴ粘度計を用いて＃５１スピンドルとして温度２５℃下でせん断速度（ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ）３．８４ｓｅｃ−１条件で測定して、粘度変化率を観察した。
前記実施例１乃至４、および比較例１、２で製造された電極ペーストを２５℃で１ヶ月間保管後、粘度変化をブルックフィールド（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ）ＨＢＴ粘度計を用いて＃５１スピンドルとして温度２５℃下でせん断速度（ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ）３．８４ｓｅｃ−１条件で測定して、粘度変化率を観察した。
前記表２に示されているように、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリピロール、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、およびポリ（ｐ−フェニレン）からなる群より１種以上選択される伝導性高分子を含む本発明による実施例１乃至４による電極ペーストは、伝導性高分子を含まない比較例１−２およびポリアニリンを含む電極ペーストと比較して、電気比抵抗、基板付着力、接触抵抗、縦横比および粘度変化率面で顕著に改善された効果を示した。その中でも特に本発明による実施例１乃至４による電極ペーストは低温焼成時比抵抗改善効果がより顕著であった。
Claims (10)
- （ａ）銀粉末、
（ｂ）ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリピロール、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、およびポリ（ｐ−フェニレン）からなる群より１種以上選択される伝導性高分子、
（ｃ）セルロース誘導体、および
（ｄ）溶剤
を含む太陽電池電極形成用ペースト。 - （ａ）銀粉末３０乃至９５重量％、
（ｂ）伝導性高分子０．１乃至４０重量％、
（ｃ）セルロース誘導体０．１乃至５０重量％、および
（ｄ）残量の溶剤
を含む、請求項１に記載の太陽電池電極形成用ペースト。 - 前記伝導性高分子は、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリピロール、ポリ（（２，５ジアルコキシ）−ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、およびポリ（ｐ−フェニレン）からなる群より１種以上選択されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池電極形成用ペースト。
- 前記セルロース誘導体はヒドロキシセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロースおよびエチルセルロースからなる群より１種以上選択されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池電極形成用ペースト。
- 前記溶剤は沸点が８０〜２５０℃であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池電極形成用ペースト。
- 前記太陽電池は、非晶質／結晶質シリコン異種接合太陽電池であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池電極形成用ペースト。
- 請求項１乃至６から選択されるいずれか一項のペーストを基材の上に印刷し、乾燥することを特徴とする太陽電池電極形成方法。
- 請求項７によって製造された太陽電池電極。
- 前記太陽電池は、非晶質／結晶質シリコン異種接合太陽電池であることを特徴とする、請求項８に記載の太陽電池電極。
- 請求項８記載の太陽電池電極を含む太陽電池。
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