TW201229160A - Solderable polymer thick film silver electrode composition for use in thin-film photovoltaic cells and other applications - Google Patents

Description

201229160 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於薄膜光伏電池之可焊聚合物厚 膜(PTF)銀導體組成物。在一實施例中，將PTF銀組成 物用作透明導電氧化物(TCO)(例如’氧化銦錫）頂部 上之一網板印刷栅極/匯流排。 【先前技術】 薄膜光伏(PV)電池的特徵通常在於吸光半導體（例 如，非晶矽、銅銦鎵二硒(CIGS)或碲化鎘）。此一特徵 使得其與傳統結晶矽基PV電池有所區別。薄膜指的是 半導體的厚度’對照用於結晶梦(c石夕）電池的30至50 微米，用於薄膜電池的厚度典型約為2微米。薄膜pv 電池與c矽PV電池的另一個區別在於所涉及的溫度限 制。因為薄膜中所使用的半導體與/或基材不能财高 温，因此薄膜電池必須在200°C以下的環境中處理之。 傳統的c矽PV電池可在高達80(TC的溫度下處理。因 此，需要使用聚合物厚膜(PTF)銀組成物作為前側（向 陽側）電極柵極/匯流排。PTF組成物本身僅在至高到 约略20(TC下穩定。此外，PTF組成物本身通常不=與 焊接，因為這要在200至26CTC的溫度下完成。另^卜了 大多數（若非所有）當前PTF電極組成物均無法^劑 良好潤濕且在焊接後對太陽能電池不具有良好的黏合 性。 4 口 201229160 因此，本發明之一主要目標為製邊一可焊PTF銀組 . . . . ... . . . ..... 成物，甚至在焊接之後其仍以合理的黏合性黏合至下方 基材。V. . · ... ... ..... . . . . -· ...... · · ' ：： .-- .r/ ... . . : \ . . 【發明内容】 : 本發明係冊於 π 可

⑻一導電銀粉末;及 V ........ ..... ... . (b) —有機#貧，其包持三種不同樹脂及有一 . .... .. :广::

：Γ; ... . ： ： V 其中該導電銀粉末之重量對該三種不同樹脂之總重量 ..... ....... ..... . .. ........ . .. 的比介於5:Γ和45:1之間。 . .. . ... . ... .. 3 :該導電滅 - - -： " . . . .. ：；-.； . . . . ' ‘‘ 莫混合物所翁成的群紐:。在一實施例中，銀金屬粉末蕃 由銀片構成。 . ........ . ............ . ' :::在一實施例中，談三撞不同掛脂為苯氧樹脂、聚醋 樹脂及盼樹脂。 … - ......... ....... 以該組成物的總童量為基#，該銀片為60至90重 量百分比，該三種樹脂:的巍童量為2至12重量百分比 ..... ... ........ ..... . ·.... . ； ...... . ......... ... . . . • . . . ..... . . ..... .... . . · '. 且該有機介質為10至40重量百分比。 ： . .... . ... . ......... . . .... ... 組合物可在除去所有溶劑所必須之時間與溫度下 • .. -. . · ... · ... - . . ... · ..... - · 本發明進一步係關於一種使用該組成物在薄膜光 伏電池上形成電極栅極及/或匯流排的方法，並關於由 諸方法與該鉞成物所袷成的電池。 【實施方式】 201229160 本發明係關於一種用於薄膜光伏電池中之可焊聚 合物厚膜銀組成物。其典型用於改善電池之電效率並透 過焊接與電池相連。可焊聚合物厚驗組成物之一桃狀 圖案及/或匯流排係印刷在-透明導電氧化物的頂部 上。 -般而言，-厚膜組合物包含—個功能相，其能夠 賦予該組合物適當的電功能雜。該魏相包含分散在 一有機介質中的電功能性粉末，而該有機介質則充當功 倉^相的載體。該有機介質典型包括聚合物樹脂及一有機 溶劑。一般而言，藉由燒製該組合物以、燒除有機物，進 =賦予其電功能特性❶不過，在聚合物厚膜的情況中， =合物樹脂在乾燥後仍作為組成物之不可分割的一部 分。在燒製之前，一處理需求可包括一選擇性的熱處理 (例如，乾燥、固化、回流及那些熟悉厚膜技術者已知 的其他熱處理）。 速成之厚膜導體組成物的主要成分是分散在一有 機介質中的導電粉末’該有機介質包括聚合物樹脂和溶 劑。 A•導電粉末 曾在一實施例中，在本厚膜組成物中的導電粉末為銀 導，粉末，並選自包括銀金屬粉末、銀金屬合金粉末或 其混合物的群組。預料可使用金屬粉末的各種粒徑和形 狀。在—實施例中，導電粉末包括任何形狀的銀粉末， 其包括球狀粒子、片狀（棒狀、錐狀、板狀）及其混合 物。在另一實施例中，導電粉末包括銀片。 201229160 在一實施例中，導電粉末的粒徑分布係從1至100 微米4在另一實施例中，導電粉末的粒徑分布係從2至 ........ . - - · . -

10微米。在一實施例中，導電粉末之粒子的表面積/重 . . . ... ... ...... .... . ... ........ ... 量比位於0.1至2.〇1112/^的範圍内。在另一實施例中， '........ .. ... . . ... .... . ... ..... .... ... .... .. 導電粉末之粒子的表面積/重量比位於0.3至1.0 m2/g的 旎圍内。表奶有另一實施例中，導電粉末之粒子的表治 ...... .......... . ........ . ' . ' 積/重量比位於0.4至0 J m2/g的範圍内。 ........... ... . ,. ... .... · · . · 此外，已知薄將少董其他金屬添如到妓導艟組合物 . ..... ..... .... 中，以改善導體的特性。此類金屬的一些實例包括:金、 銀、銅、鎳、銘、銘、、錮、鎢、短、韻、銦、猶、 '..· ....... ； .' '. . ：. 乳、硼、舒、銘、鈦、i乙、銪、鎵、氣、鋅、石夕、鎂、 - ' "； .. . - -.... . 鋇、鈽、想、錯、銻、導電ί炭，以及這些金屬的多後組 ..... ........... ...... ........ .... 合形式與其厚膜組合物所屬技術領域中其他常見物 質ν辕外赛加之‘屬含臺可包▲至多接總組舍物之太約 1.0重量百分比！ 在一實施例中，銀片係以被成緣之龜重量之60直 ........ ...... ..... .. .... . ...... 90重量百分比存在。在另一實施例中，銀片係以組成 ..,.-....+ .+ .. . 物之總重量之65至85重量百分比存在。在仍有另一實 .. . ： . ....... . . . .... 施例中，銀片係以組成物之總重量之68至重量百分 ::V 比:存在。Λ:::: ^ 有機介質 典型藉由機械混合#粉末與一有機介質(亦即，有 機劑）混合，冗形成稱為「膏」的膏狀組成物，其具 有通於印刷之稠度及流變性。有機介質係由三種不同樹 脂及一有機溶劑構成。 201229160 有機介質必須使得固體能夠以適當的穩定度在直 =散。介質的流變性質必須能辭M合物良好的應用 物類性質包括具適當穩定度之固體分散性、組成 t良好施用、適當黏度、觸變性、基材與固體之適當 =性、良好的乾燥速率及足以耐受粗處理之乾燥薄膜 —實施例中所需的聚合物樹脂包括苯氧樹脂，亦 即’多經基醚樹脂，其允許銀片之高重量負載，從而幫 助達成對氧化銦錫(ITO)基材之良好黏合性及低接觸電 阻這兩者，這兩者對薄膜光伏電池中的銀電極而言為關 鍵性質。為了高溫穩定性從而是焊接後之黏合性，在此 實施例中所需之另一聚合物樹脂為酚樹脂。尚需一第三 樹脂’其為熱塑性聚酯樹脂，且作用如助熔劑並幫助以 焊錫潤濕銀。在這一類實施例中，苯氧樹脂為該組成物 總重量之0 1至1 0重量百分比。在另一實施例中，苯 氧樹脂為該組成物總重量之0.2至0.9重量百分比。在 仍有另一實施例中，苯氧樹脂為該組成物總重量之〇 25 至0.45重量百分比。在一實施例中，驗樹脂為總組成 物之0.3至3.0重量百分比，而聚醋樹脂為總組成物之 1-6至8.0重量百分比。 本領域專業人員可識別適用於聚合物厚膜組合物 的溶劑，此類溶劑包括乙酸酯和萜烯(terpene)，例如α-或β-萜品醇(alpha- or beta-terpineol)或其與其他溶劑的 混合物，例如與煤油、鄰苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、 丁基卡必醇乙酸酯、己二醇以及高沸點醇和醇酯的混合 物。在一實施例中，溶劑為一或多種選自由下列所構成 201229160 之群組的成分：二乙二醇乙基醚醋酸醋（卡必醇醋酸酯） 及二元醋與C-11酮。此外，為了促進施用於基材後的 快速硬化，在有機媒劑中可包括揮發性液體。在本發明 .. . .. ... _ . 許多實施雜中，可使用之溶劑如乙二醇峻類、酮類、酯 類與其他真類似彿點(範圍為介於180°C至250Ϊ )的 .., . . ...- . . .-. 溶劑與其混合稼。較％的介質係以乙二酵醚及-蘇:品醇 ... ... . ... . . ...... .... ..... ..…:. ... . ； ..... ..... . 為赫礎。配製這些和其地溶劑的不同組合，以獲得所需 .. ·. ' - . . . - 的·度和性需求。 .. ..... . .. .... 雖然預期網板印刷為一用於沉積聚合物厚膜銀的 厂.... ... ... . . .. ..... . ...... ' '·. ....... ·' ... . ..... 常用方法，仍可利用包括刻板印刷、注射器备概或其他 ...... . . .. . ... . ..... ...... :. .... 沉積或塗覆技術的其他習知方法。 在一實施#中，有機介質係以組成物之總重量之 ...... ....... , ... . ........ 10至40重量百分比存在。在另一實施例中，有機介質 .. . ... . . . ...... .... . ..... ...... · ·· ·. .1 ... 傣供組成搞之總重量之25至35重量百分比#在。在仍 有另一實％例中，有機介質係以組成物之總重量之28 ..:......... · '.... .... ..... ·.··；' ' - ... . .. ;·.. . ... 至32重量吉分比存在。 厚膜之施用 . ......... :. ..... ......... ...... : 該聚合物厚膜銀組成物或「膏」奐型係沉積於氣體 ........ ... ... ·....... ... .......... .... . ..... .... 和濕氣不可滲違的基材乏上(例如，經藏鍍聚酯）y基 . ..... . ； .. .... . 材亦可為撓性材料薄板。撓性材料可以是例遍聚藤之不 可豪透的_膠(例如，聚對苯二甲酸乙二酯)或是i i ... ..... .. .. : . ... 膠身板與與積在其上之趣擇性金羼或介電層之組舍所 構成的複合材料。在一實施例中，基材可為薄膜光伏電 池之形式，亦即，具有金屬化(例如，不鏽鋼）聚酯接 著半導體層（例如，CIGS)接著一 CdS薄層，接著經 s 201229160 濺鍍之氧化銦錫的一積層物。可焊聚合物厚膜銀組成物 係沉積至位於薄膜光伏電池之前側上之ITO上。 雖然可採用其他沉積技術’例如刻板印刷、注射分 配或塗覆技術，但採用網板印刷來沉積聚合物厚膜銀組 成物是較佳的方式。以網板印刷進行時，網目尺寸控制 沉積厚膜之厚度。 讓所沉積之厚膜銀組成物乾燥，亦即，藉由暴露至 熱以使溶劑蒸發（典型在180°C下暴露15至30分鐘）， 從而形成在設有銀金屬化之前侧上具有經乾燥之銀組 成物的薄膜光伏電池。在此乾燥或固化步驟之後，將— 組成典型為62/36/2 Sn/Pb/Ag之焊接帶以加熱至約略 270°C的焊搶附接至經印刷之銀金屬化。 實例 將藉由提供一個實際範例而進一步詳細討論本發 明。不過，本發明的範圍不以任何方式受限於此實際範 例0 使用ASTM膠帶法來測量對氧化鋁的黏合性。將 600等級的膠帶施用至PTF銀導體組成物之經印刷/乾 燥的圖案。以連續方式移除膠帶，所移除之銀墨水材^ 的量係基於1至5的假定標度進行估計，其中5代表未 移除任何材料，亦即，優越的黏合性。

實例1、比較試驗A & B 藉由將具有5 μηι之平均粒度且粒度範圍為2至 微米的銀片與-有機介f混合來製備pTF銀電極膏，該 201229160 有機介質倖由多經基醚樹脂，亦即，苯氧樹脂（可購自

Phenoxy Associates，Inc)、聚酯樹脂（可購自 shell .... ..... . -

Chemical.灰齡聲叙脂（可靖.自· Q；eorgia paC丨構成 該些樹脂的分子量約略為2〇,〇〇〇。在溱加銀片乏前，使 J寧劑乘使樹脂完全淳解那些溶劑為卡必醇醋酸腾 (可購自 Eastm辑n Chemical f 及^

Eastman Chemical Invista) ° 實倒丨之聚会:物厚膜銀組成物的組成為7_〇重董 . " " , ., ..1 ... .. . . --. ： . ... 百分比的片狀銀暴:30. Q0重董百分比的有機介質。有機 介質含有〇·25重量百分比的革氧樹脂、_8重量百分 敏蚱聚酯樹維、0:50重4苺分比的酚醛樹脂友22.奸t 量百分tb的溶劑。所賓重暈百分比均以組展 :為:基礎丨 . k ......... . . . * . * .. .. ·_ ..... 乂 : 此組合S;你於行星式戚合器身混备30分#。然後 將組合杨轉餐盖三轉獻:，使其輕癃1的ps丨和 ..... . , ...... .... .... . . ... ... . ; 'Λ. : 兩道工序Ά時Ί用缸成物耷氧化鋁基掎的頂部之土 . * .... *· 網粗印碗一 k柵極圖素。使用28Q篩目的不鏽辦網板印 刷―系列的線’装在迫風全爐中ώ Ί 7 O t： :持績對銀膏進 行3〇命鐘的乾輝。秦著测章電阻率為 /sq/mil °以62/36/2 Sn/pb/Ag痒接會得到良好潤濕輿對 基材的良妤黏合性。 ^了進行出救’將各自僅含有一鐘榭脂铪兩種榛準 .:. ...... ..... ............. .... :....... &成物用於比較試驗A與B中。:用於此較試驗甚中的 標丰組成物含有聚酶樹脂，ifE不含實桃1中所用的其他 ....... .... ....... :圓 雨種樹腊。觀察到在焊接之後，其對基材具有不良的黏 ...... . ... . . ... ..... . ... ..... . 合性。用於比較試驗B中的標準組成物含有苯氧樹月旨，

S 11 201229160 但不含實例i中所㈣其他_樹脂。結果顯示其電阻 率接近15 mohm/sq/mil但無法焊接，且結果顯示其對基 材之黏合性不良。 對試驗1之銀導體而言，在可焊性及黏合性（薄膜 PV銀組成物之關鍵性質）上的大程度改善使其能夠用 於大多數應用並改善PV電池的效率。須注意比較試驗 A及B含有與實例1相同的銀粉末。結果摘要示於表1 表1 銀組成物_對氧化鋁之焊接黏合性 電阻率 比較試驗A (不良） 20 mohm/sq/mil 比較試驗B (不良） 15 mohm/sq/mil 實例1 (良好） 15 mohm/sq/mil 針對黏合性之標度為1(完全喪失黏合性）至5(無 材料移除）。 【圖式簡單說明】 【主要元件符號說明】 (B： 12

Claims (1)

1. 201229160 . · · · - . ... . · - · . ··-... ...... ... 七、申請專利範圍: 1. 一種組成物，其包括： (a) —導電銀粉末；及 .. .... .. +.... . '： .... .... . ... . .:. (b) —有:機介質，其包括三種不同樹脂及一有機溶劍， .. . ..... .... ..... ........ ... . . 其中該導電銀粉末之重量對該三種不同樹脂之總重量的 ... ....... ... ...... ... < .. .. . . . . ....... ..... ’ ： ' . . ..... . . . . . . . . . ... . ........ ' :' 2:如請表項1所述之E成敏，其中該導電娘粉末選自由銀金 ...... . .,. ..... .... ..... ..... . .. .... ^粉末、銀全屬合全粉末及其混合物所構成的群組，且該 ·'. 三種不同樹脂為一苯氧樹脂、一聚醋樹脂及；紛樹脂。 ..... ..... :... .. .-·. ... .. . ... ....... ； ...... ..... ... . ... .... ... ..... .. ..... ..... ... .. . .... .......... .. ...... ...... ...... : . ....... ..... . ..... ... .... . .... . ..... ...... ....... . -11 · · . · ·.- · ... .1. . .. . . · · - · . ... .... ...... . . .. ....... ...- .... . .... ..... . . ..... ..； .... . \' . .. . t .... . . ... 4:如請采項3所述之叙成物，其申該有機溶割包餐一或多種 ....... .... Λ ......... ...... 選自由下列辦構成之群組的成分:二乙二醇乙蓋醚醋酸酯 及二：元:酯 W ........ .... ..... .... ....... ...... ... ..... ...... : ..... . ...... ' . . . : 1 1 5. 如請表項3所述之組成物，其中，以該知；成物乏總重量為 .. . . . ... .. .:.... ... ':. .... .... 基礎，該銀片為60至90重量百分比、該三種不同榭脂之 ............ .. ... ...... · . . .: .... ·......... ....... 總童量為2至12重量百分比且該有機介質為10至40重 ..... . : ..... ... ..... ..... .... ..... .... .ν量.百:分比 • - ·. . ... .... .... .... .. ' ...... , . ... ... .... .'. . . .. . . ..... . . ........ ； .· ...... -. . ..... ... ..... ;. ι . ...... 6. —種在一傳嫉光伏電池上形成一銀柵極的方法，該方法包 ... . . . ...... · ... .... ·· ..... . · ..... . .. ...... ..... .... \ . ; , ： 含以下:步驟 (a)將一組成物施用至該薄膜光伏電池之前側，該 - ' ... ... . ' - . - . . . .· . 組成物包括· 201229160 (i) 一導電銀粉末；及 W-有機介質，其包括三種不同樹脂及有〆 機溶劑， 其中該導電銀粉末之重量種不同樹脂之 /總、重量的比介於5:1和45之間，·及 (b)使該組成物乾燥。 方法’其中該導電銀粉末係選自由銀金 :二=合金粉末及其混合物所構成的群組，且該 —不_脂為-苯氧樹脂…聚S旨翻旨及1樹脂。 銀片 π求項7所述之方法，該銀金屬粉末包括 9之方法，其，機溶劑包括1多種選 二元酯。之群組的成/刀.〜乙二醇乙基醚醋酸酯及 ίο.如請來ΤΕ。 月衣項8所述之方法，其中，以 ::重:2為60至90重量“ 40重i百^ 重量百分比且該有機介質為 薄臈光伏電 池之前侧 係 、=求項6所述之方法，其中讀 以氧化銦錫濺鍍。 14 201229160 12·—種薄膜光伏電池，其包括一含有經乾燥之如請求,1 所述之組成物的銀栅線及/或匯流排。 . ... · . . . ..... . . . . . . . . .... .... ....... . .. .......... . ... .. . ' - .......... ...... ..... ....... ... . . . . 13, 一種薄膜光伏電池，其包括一含有經乾燥之如請求項！ 所述之組成物的銀柵線及/或匯流棑。 ... .. ..... ..... . . ... .. ..... ..... .. .. .... .V . ....... .. ........ ； ...... ... : ... . ...... ........ .... . ... ... ....... . . . ' . ...... —種薄膜患樣電池，其包括 所ii之組成物的銀概線及/或匯流排。^ ' ... ......... . . . ... .... .... . . . _ 4 5 W.一種薄膜*伏電池，其包捂一含有經乾燥之如r請求項 所述之組成物的銀柵線及/或匯流排。 V 16- —種薄膜光伏電池’其包括二含有經乾_之如請求項 所述之組成物的銀柵辕及/或匯流妹。 17.—項薄膜光伏電池’其係藉由如請求項6所述支方法本 :......:.- ......:.... .... ........... :----v ..... .... ..... ........ .............. :. ; ..... : .. v ............ ....... 18· —種薄膜光伏電池，其係藉由如請求項7所述之方法, • ： ... . . . .... ... ....... ： ... ... ； .. ：. . .. .. . ... ： .. . . . · . . - ..... ： ... .；. - . 19.—稚薄膜光伏電难’其係藉电如請求項3所述之方法介 成（。 形 20.—種薄概光伏電池’其係藉由如請求項1〇所述之方法 成0 201229160 四、指定代表圖： ' (一)本案指定代表圖為：第（無）圖 . . ... . . '(二)本代表圖之元件符號簡單說明： 五、本案若有化學式時，請撮示最能顯示發明特徵的& 子凡 • .... 無.：....：