TW201303897A - 供薄膜光伏電池及其他應用之可焊接聚合物厚膜導電性電極組合物 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種聚合物厚膜導電組合物，其包含(a)一導電塗銀銅粉末；以及(b)一有機介質，其包含兩種不同樹脂及一有機溶劑，其中該導電塗銀銅粉末之重量對該兩種不同樹脂之總重量的比介於5：1和45：1之間。本發明進一步係關於一種使用該組合物在薄膜光伏電池上形成電極柵極及/或匯流排的方法，並關於由該方法與該組合物所形成的電池。
Description
本發明係關於用於薄膜光伏電池之可焊接聚合物厚膜(PTF)塗銀銅導電導電組合物。在一實施例中，將PTF導電組合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柵極/匯流排棒。
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)。此一特徵使得薄膜PV電池與傳統晶體矽PV電池有所區別。薄膜指的是半導體的厚度，對照用於結晶矽(c矽)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電池與晶體矽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/或基材不能耐高溫，因此薄膜電池必須在200℃以下的環境中處理之。傳統的晶體矽PV電池處理溫度或許可高達800℃。因此，需要使用聚合物厚膜(PTF)導電組合物作為前側(向陽側)電極柵極/匯流排棒。PTF組合物本身僅在高達約200℃下穩定。此外，PTF組合物本身通常不參與焊接，因為這要在200至260℃的溫度下完成。另外，大多數(若非所有)目前PTF電極組合物均無法以焊劑良好潤濕，且在焊接後對太陽能電池不具有良好的黏合性。
因此，本發明之一主要目的為製造一可焊PTF導電組合物，甚至在焊接之後其仍以合理的黏合性黏合至下方基材。
本發明係關於一可焊接聚合物厚膜導電組合物，其包含：(a)一導電塗銀銅粉末；以及(b)一有機介質，其包含兩種不同的樹脂及有機溶劑，其中該導電塗銀銅粉末之重量對該兩種不同樹脂之總重量的比介於5：1和45：1之間。
在一實施例中，該兩種不同的樹脂為苯氧樹脂及酚樹脂以該組合物的總重量為基礎，該塗銀銅粉末為60至93重量百分比，該兩種樹脂的總重量為2至12重量百分比，且該有機介質為該可焊接聚合物厚膜導電組合物之7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進行處理。
本發明進一步係關於一種使用該組合物在薄膜光伏電池上形成電極柵極及/或匯流排的方法，並關於由該方法與該組合物所形成的電池。
本發明係關於一用於薄膜光伏電池中之可焊接聚合物厚膜導電組合物。其典型用於改善電池之電效率並透過焊接與電池相連。可焊接聚合物厚膜導電組合物之一柵狀圖案及/或匯流排棒可印刷在一透明導電氧化物的頂部上。
一般而言，一厚膜組合物包含一個功能相，其中該功能相能夠賦予該組合物適當的電功能特性。該功能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能相的載體。該有機介質典型包含聚合物樹脂及一有機溶劑。一般而言，藉由燃燒該組合物以燒盡有機物，進而賦予其電功能特性。不過，在聚合物厚膜的情況中，聚合物樹脂在乾燥後仍作為組合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)。
速成之厚膜導電組合物的主要成分是分散在一有機介質中的導電粉末，該有機介質包括兩種不同的聚合物樹脂和溶劑。
本厚膜組合物中的導電粉末為一導電塗銀銅粉末。
塗銀銅粉末為一片狀結構，並具有接近3微米的平均粒度。百分比銀約為10%。較佳的塗銀銅為可購自Ferro Inc.，Columbus，OH的塗銀銅片0204。粒度為2至4微米。
在一實施例中，塗銀銅係以組合物總重量的60至93重量百分比存在。在另一實施例中，塗銀銅係以組合物總重量的75至93重量百分比存在。在仍有另一實施例中，塗銀銅係以組合物總重量的85至92重量百分比存在。
典型藉由機械混合將粉末與一有機介質(亦即，有機媒劑)混合，以形成稱為「膏」的膏狀組合物，其具有適於印刷之稠度及流變性。有機介質係由兩種不同樹脂及一有機溶劑組成。
有機介質必須使得固體能夠以適當的穩定度在其中分散。介質的流變性質必須能賦予組合物良好的應用特性。這類性質包括具適當穩定度之固體分散性、組合物之良好施用、適當黏度、觸變性、基材與固體之適當可濕性、良好的乾燥速率及足以耐受粗處理之乾燥薄膜強度。
所需的聚合物樹脂包括苯氧樹脂，亦即，多羥基醚樹脂，其允許塗銀銅的高重量裝載，從而幫助達成對氧化銦錫(ITO)基材之良好的黏合性及低接觸電阻率兩者，此兩者為針對薄膜光伏電池中之導電電極的兩個關鍵性質。在此實施例中，針對高溫安定性從而是焊接後之黏合性所需的其他聚合物樹脂為酚樹脂。在一實施例中，苯氧樹脂為組合物總重量的0.1至5.0重量百分比。在另一實施例中，苯氧樹脂為該組合物總重量之0.2至4.0重量百分比。在仍有另一實施例中，苯氧樹脂為該
組合物總重量之2.0至3.0重量百分比。在一實施例中，酚樹脂為總組合物的0.20至1.0重量百分比。以組合物的總重量為基礎，兩種樹脂的總重量係從0.3至6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(terpenes)，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，溶劑為一或多個選自由下列所構成之群組的成分：二乙二醇乙基醚醋酸酯(卡必醇醋酸酯)及丁基卡必醇。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。在本發明許多實施例中，可使用之溶劑如乙二醇醚類、酮類、酯類與其他具類似沸點(範圍為介於180℃至250℃)的溶劑與其混合物。較佳的介質係基於二醇醚和β-萜品醇。配製這些和其他溶劑的不同組合，以獲得所需的黏度和揮發性需求。
雖預期網版印刷為用於沉積聚合物厚膜導電組合物之一常用方法，但可使用其他包括板印刷、注射式分配或其他沉積或塗佈技術的習知方法。
在一實施例中，有機介質係以組合物總重量之7至40重量百分比存在。在另一實施例中，有機介質係以組合物總重量之7至25重量百分比存在。在仍有另一實施例中，有機介質係以組合物總重量之8至15重量百分比存在。
聚合物厚膜導電組合物或「膏」典型係沉積在氣體和濕氣不可滲透的基材之上(例如，經濺射的聚酯)。基材亦可為撓性材料薄板。撓性材料可以是例如聚酯之不可滲透的塑膠(例如，聚對苯二甲酸乙二酯)或是由塑膠薄板與沉積在其上之選擇性金屬或介電層之組合所構成的複合材料。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，接著經濺鍍之氧化銦錫的一積層物。可焊接聚合物厚膜導電組合物係沉積至位於薄膜光伏電池之前側上的ITO上。
聚合物厚膜導電組合物的沉積較佳的是藉由網板印刷來執行，不過可使用其他沉積技術(例如，板印刷、注射器分配或塗佈技術)。以網板印刷進行時，網目尺寸控制沉積厚膜之厚度。
藉由典型在180℃下暴露至熱持續15至30分鐘來乾燥所沉積的厚膜導電組合物，亦即，使溶劑蒸發，從而形成一薄膜光伏電池，其在設有導電金屬化的前側上具有經乾燥的厚膜導電組合物。在此乾燥或固化步驟後，將組合物典型為62/36/2 Sn/Pb/Ag的焊接帶以加熱至接近270℃的焊槍附接至經印刷的導電金屬化。
將藉由提供一個可實施的實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實例。
使用ASTM膠帶法來測量對氧化鋁的黏合性。將600級捲帶施加至PTF導電組合物之經印刷/經乾燥的圖案。以連續方式移除捲帶，並以1至5的假定標度為基礎來估計經移除的導電材料量，其中5代表未移除任何材料，亦即，優越的黏合性。
藉由混合塗銀銅片0204(自Ferro Corp.，Columbus，OH取得)與一有機介質來製備PTF塗銀銅電極膏，該有機介質係由多羥基醚樹脂，亦即，苯氧樹脂(可購自Phenoxy Associates，Inc)及酚樹脂(可購自Georgia Pacific)所組成。該些樹脂的分子量約略為20,000。溶劑係用來在添加塗銀銅之前完全溶解該些樹脂。溶劑為卡必醇醋酸酯(可購自Eastman Chemical)。
實例1之聚合物厚膜導電組合物的組合物為87.25重量百分比的塗銀銅片、10.78重量百分比的有機介質及1.97重量百分比之添加的有機溶劑。有機介質含有2.45重量百分比的苯氧樹脂、0.39重量百分比的酚樹脂及7.94重量百分比的溶劑。所有重量百分比均以組合物的總重量為基礎。
此組合物係於行星式混合器中混合30分鐘。然後將組合物轉移至三輥磨，使其經歷100 psi和200 psi的兩道工序。此時，使用組合物在氧化鋁基材的頂部之上
網板印刷一導電柵極圖案。使用280篩目的不銹鋼篩網印刷一系列的線，並將導電膏置於迫風盒爐中在170℃下乾燥30分鐘。接著測量電阻率為100 mohm/sq/mil。以62/36/2 Sn/Pb/Ag焊接會得到良好潤濕與對基材的良好黏合性。
為了進行比較，將各自僅含有一種樹脂的兩種標準組合物用於比較試驗A與B中。用在比較試驗A中的標準組合物含有銀片，其具有5 μm的平均粒度及2至12微米的粒度範圍；以及一聚酯樹脂聚酯樹脂(可購自Shell Chemical)，而非在實例1中所用的兩種樹脂。其顯示接近20 mohm/sq/mil的電阻率，但觀察到在焊接後對基材具有差的黏合性。用在比較試驗B中的標準組合物含有比較試驗A中所用的相同銀片與實例1中所用的苯氧樹脂，但無實例1中所用的酚樹脂。其顯示接近15 mohm/sq/mil的電阻率，但無法焊接且對基材表現出差的黏合性。
針對試驗1之導電組合物之可焊性及黏合性(針對薄膜PV導電組合物之關鍵性質)的大改善，使其能夠用於大多數應用並改善PV電池的效率。結果摘要示於表1。
Claims (10)
- 一種可焊接聚合物厚膜導電組合物，其包含：(a)一導電塗銀銅粉末；以及(b)一有機介質，其包含兩種不同的樹脂及有機溶劑，其中該導電塗銀銅粉末之重量對該兩種不同樹脂之總重量的比介於5：1和45：1之間。
- 如請求項1所述之可焊接聚合物厚膜導電組合物，其中該導電塗銀銅粉末為塗銀銅片，且該兩種不同的樹脂為一苯氧樹脂及一酚樹脂。
- 如請求項2所述之可焊接聚合物厚膜導電組合物，其中該有機溶劑包含一或多個選自由下列所構成之群組的成分：二乙二醇乙基醚醋酸酯及丁基卡必醇。
- 如請求項1所述之可焊接聚合物厚膜導電組合物，其中以該組合物的總重量為基礎，該塗銀銅粉末為60至93重量百分比，該兩種樹脂的總重量為0.3至6重量百分比，且該有機介質為該可焊接聚合物厚膜導電組合物之7至40重量百分比。
- 一種在一薄膜光伏電池上形成一導電柵極的方法，該方法包含以下步驟：(a)將一可焊接聚合物厚膜導電組合物施加至該薄膜光伏電池的前側，該可焊接聚合物厚膜導電組合物包含： (i)一導電塗銀銅粉末；以及(ii)一有機介質，其包含兩種不同樹脂及有機溶劑，其中該導電塗銀銅粉末之重量對該兩種不同樹脂之總重量的比介於5：1和45：1之間；以及(b)使該組合物乾燥。
- 如請求項5所述之方法，其中該導電塗銀銅粉末為塗銀銅片，該兩種不同樹脂為一苯氧樹脂及一酚樹脂，且該有機溶劑包含一或多個選自由下列所構成之群組的成分：二乙二醇乙基醚醋酸酯及丁基卡必醇。
- 如請求項6所述之方法，其中以該組合物的總重量為基礎，該塗銀銅粉末為60至93重量百分比，該兩種樹脂的總重量為0.3至6重量百分比，且該有機介質為該可焊接聚合物厚膜導電組合物之7至40重量百分比。
- 如請求項6所述之方法，其中該薄膜光伏電池之前側係以氧化銦錫濺射。
- 一種薄膜光伏電池，其包含一導電柵線及/或匯流排棒，該導電柵線及/或匯流排棒包含經乾燥之如請求項1至4中任一項所述之組合物。
- 一種薄膜光伏電池，其係藉由如請求項5至8中任一項所述之方法所形成。
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