TW201310678A - 太陽能電池單元連接結構體之製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種連接結構體之製造方法，其包括如下之連接步驟：藉由含有維氏硬度為100MPa~600MPa之導電粒子之接著劑而連接基板之厚度為40μm~190μm之太陽能電池單元之表面電極導電配線與引線。
Description
本發明係關於一種連接結構體，更為詳細而言，關於一種太陽能電池單元、太陽能電池模組等與引線之連接結構體之製造方法。
通常，太陽能電池模組具有如下結構：複數個太陽能電池單元經由與該等之表面電極電性連接之引線(配線構件)而串聯及/或並聯地連接。於製作該太陽能電池模組時，太陽能電池單元之表面電極與引線之連接中自先前起使用焊錫。焊錫因導通性、固著強度等連接可靠性優異，價格便宜，且具有通用性，故被廣泛使用。
然而，於將焊錫用於連接中之情形時，由焊錫之熔解凝固而發生體積收縮及熱收縮，由此導致太陽能電池單元中產生翹曲而太陽能電池單元之基板發生破裂的情況多有發生。針對該課題，而揭示有一種利用用以防止加熱太陽能電池中之半導體結構之構件、及/或焊錫收縮之導電性膜的連接方法(例如，專利文獻1及2)。
又，伴隨著最近之太陽能電池之低價格化，特別是於矽結晶系之太陽能電池中，欲使高價之基板變薄之要求正在提高。
如專利文獻1所述，使用導電性接著劑之方法與使用焊錫之方法相比可實現低溫下之連接，因此一般認為其適合經薄型化之太陽能電池單元之電性連接。另一方面，專利
文獻2中揭示有一種經薄型化之太陽能電池單元之連接方法。
[專利文獻1]日本專利特開2007-158302號公報
[專利文獻2]日本專利特開2011-054944號公報
然而，即便使用引用文獻1及2所述之方法，亦難以兼顧連接導電性與破裂之防止。本發明係鑒於此種情況而完成者。因此，本發明之目的在於提供一種即便為於經薄型化之太陽能電池單元中亦顯示良好之連接導電性且不產生基板之破裂的連接結構體。
即，本發明係如下所述。
[1]一種連接結構體之製造方法，其包括如下連接步驟：藉由含有維氏硬度為100 MPa~600 MPa之導電粒子之接著劑而連接基板之厚度為40 μm~190 μm之太陽能電池單元之表面電極導電配線與引線。
[2]如[1]之連接結構體之製造方法，其中上述導電粒子之氧含量為10 ppm~10000 ppm。
[3]如[1]或[2]之連接結構體之製造方法，其中上述導電粒子為具有銀或銅成分之合金。
[4]如[1]至[3]中任一項之連接結構體之製造方法，其中
上述接著劑含有0.1體積%~20體積%之導電粒子。
[5]如[1]至[4]中任一項之連接結構體之製造方法，其中上述接著劑含有熱硬化性樹脂，且於上述連接步驟中被加壓及加熱。
[6]一種太陽能電池模組，其包含藉由如[1]至[5]中任一項之製造方法而製造之連接結構體。
[7]一種連接結構體之製造方法，其係包括太陽能電池單元之表面電極導電配線、引線、及將該等電性連接之硬化之接著劑的連接結構體之製造方法，且包括以下步驟：
藉由使接著劑硬化而使接著劑之硬化率為20%~90%。
[8]如[7]之連接結構體之製造方法，其中上述接著劑硬化後，上述太陽能電池單元之受光部側為凸面，且於50℃下上述凸面之翹曲大小為至上述引線兩端為止之長度之平均1 cm為0.013~0.33 mm。
[9]如[7]或[8]之連接結構體之製造方法，其中上述硬化之接著劑之彈性模數為0.1~6.0 GPa。
[10]如[7]至[9]中任一項之連接結構體之製造方法，其中上述太陽能電池單元之基板之厚度為40 μm~190 μm。
根據本發明，可提供一種連接結構體，其於使用較薄基板之太陽能電池單元與配線構件之連接時，顯示良好之連接導電性，且不產生基板之破裂。
以下，對用來實施本發明之形態(以下，省略為「實施
形態」)進行詳細說明。再者，本發明並不限定於以下實施形態，可進行各種變形而實施。
於本實施形態中，提供一種連接結構體之製造方法，其包括如下連接步驟：藉由含有維氏硬度為100 MPa~600 MPa之導電粒子之接著劑而連接基板之厚度為40 μm~190 μm之太陽能電池單元之表面電極導電配線與引線。
又，亦提供一種上述連接結構體之製造方法，其係包含太陽能電池單元之表面電極導電配線、引線、及將該等電性連接之硬化之接著劑的連接結構體之製造方法，且包括如下步驟：藉由使接著劑硬化而使接著劑之硬化率為20%~90%。
本實施形態中之太陽能電池單元具有基板及表面電極導電配線。基板之厚度較佳為40 μm~190 μm，更佳為50 μm~180 μm，進而較佳為60 μm~175 μm。就連接結構體之性能及成本之觀點而言，若基板之厚度為190 μm以下則較佳。另一方面，就太陽光之利用效率之觀點而言，若基板之厚度為40 μm以上則較佳。
作為基板，例如可列舉：多晶、單晶及非晶質之矽基板、InGaAs基板、GaAs基板、CIGS基板等。又，作為基板之製造方法，例如可列舉熔融、氣相法等。又，可根據需要而進行如下處理：使基板之表面變粗、附上抗反射膜、進行表面賦形處理等。
又，於基板中，可為了製作pn接合部而摻雜少量之添加
物。
本實施形態之太陽能電池單元於基板上具有導電配線作為表面電極。為了適當地調整連接結構體之大小，表面電極導電配線之寬度較佳為0.2 μm~2 mm，更佳為10 μm~1 mm。
又，導電配線亦可自基板之表面通過孔或側面到達背面側而形成。
就減小由熱所致之應力之觀點而言，表面電極導電配線之厚度較佳為0.1 μm~50 μm，更佳為0.1 μm~30 μm。
又，就使適當之導通成為可能之觀點而言，導電配線較佳為含有選自由銀、金、銅及鋁所組成之群中之至少1者。進而，就於導電配線與導電粒子之導電性接合中，抑制形成導電配線及/或導電粒子之成分的擴散而獲得穩定之連接的觀點而言，導電粒子與導電配線之成分更佳為相同或相互近似。
於本實施形態中，形成連接結構體之接著劑含有導電粒子及有機黏合劑。關於導電粒子之含有比率，就獲得更為良好之連接導電性之觀點而言，以接著劑之總體積為基準，較佳為0.1體積%~20體積%，更佳為0.1體積%~2.5體積%，進而較佳為0.1體積%~1.6體積%。
又，作為其他成分，就密接性之觀點而言，例如可將矽烷偶合劑、鋁偶合劑、鈦偶合劑、聚矽氧黏著劑、環氧改
性聚矽氧樹脂等加入接著劑中。又，可根據需要將增黏劑、消泡劑、分散劑等加入接著劑中。其他成分之含量並無特別限制，以接著劑之總體積為基準，較佳為20體積%以下，更佳為0.001體積%~20體積%。
於本實施形態中，導電粒子為具有導電性之粒子。導電粒子之維氏硬度較佳為100 MPa~600 MPa。維氏硬度係藉由金剛石壓頭而對材料施加負荷並根據由金剛石壓頭留下之痕跡之大小算出的硬度。就防止太陽能電池單元之基板之破裂的觀點而言，導電粒子之維氏硬度較佳為600 MPa以下，更佳為550 MPa以下，進而較佳為500 MPa以下。另一方面，就一面排除接著劑中之絕緣樹脂成分一面進行連接，且獲得良好之連接導電性的觀點而言，維氏硬度較佳為100 MPa以上，更佳為200 MPa以上，進而較佳為300 MPa以上，特佳為400 MPa以上。
關於導電粒子之維氏硬度，可製作與導電粒子相同組成之測定用樣品並使用顯微硬度計進行測定。
導電粒子可由單獨成分或複數種成分而形成。導電粒子例如較佳為含有選自銅、銀、金、錫等中之至少1者。又，由複數種成分形成之導電粒子具有適度之硬度及軟度，兼顧所需之導電性與所需之維氏硬度，且可藉由合金化而調整適度之導電性與硬度，因此較佳。因此，導電粒子較佳為包含2~4種成分左右之合金。
具體而言，作為導電粒子之合金組成中之主成分，例
如，較佳為Cu-Ag系、Cu-Au系、Cu-Sn系、Cu-Ag-Au系、Ni-Au系等，其中更佳為Cu-Ag系、Ni-Au系、Cu-Au系及Cu-Sn系。又，亦可使用於具有該等主成分之導電粒子中加入有數體積%左右之添加成分的合金之導電粒子。
又，可藉由適量混合氧進而將導電粒子之硬度設計為較佳值。就對導電粒子賦予硬度並調整為適度之維氏硬度的觀點而言，導電粒子中之氧濃度較佳為10 ppm以上，更佳為200 ppm以上，進而較佳為500 ppm以上，特佳為1000 ppm以上。另一方面，就不使導電粒子之硬度變得過高且維持導電性之觀點而言，氧濃度較佳為10000 ppm以下，更佳為5000 ppm以下，進而較佳為3000 ppm以下，特佳為2000 ppm以下。
就提高接著劑中含有導電粒子時之作業性之觀點而言，導電粒子較佳為含有具有1 μm~30 μm之平均粒徑之粒子。
導電粒子之形狀可使用球狀、大致球狀、不定形、纖維狀、圓板狀等。就提高接著劑中含有導電粒子時之作業性之觀點而言，導電粒子之形狀較佳為球狀或大致球狀。
於本實施形態中，導電粒子例如可使用熔融、化學還原、氣相合成、鍍敷等方法而製作。
特佳之導電粒子之製造方法為使金屬成分熔融並凝固成適度之大小的方法。
具體而言，將含有選自銅、銀、金、鋁、錫中之1種以上的金屬成分以數百度以上、較佳為500℃以上、進而較佳為700℃以上、特佳為900℃以上進行熔解並均勻地混合
一次。通常，藉由已知之惰性氣體而使經熔融混合之該組成之母材急速冷卻凝固成粉碎狀態。使經熔解之母材凝固成導電性合金粒子時，可藉由使惰性氣體環境中含有少量氧而使氧均勻地含於導電性合金粒子中。
又，亦可採用如下方法：藉由對經熔解之母材噴水使其急速冷卻凝固而使氧含於導電粉末中，其後藉由噴出還原性氣體(例如氫氣等)或放置於還原性氣體中而較佳地控制金屬組成之氧濃度。
可藉由適度控制氧濃度而將導電粒子之維氏硬度及導電性設計為較佳水平。
本實施形態中，作為有機黏合劑，例如可列舉選自環氧樹脂、聚醯亞胺樹脂、丙烯酸系樹脂、苯氧樹脂、聚酯樹脂、胺基甲酸酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚矽氧樹脂、改性樹脂、熱硬化性樹脂等中之至少1種。該等可單獨使用1種或將2種以上混合而使用。作為有機黏合劑，特佳為含有環氧樹脂及/或聚矽氧樹脂者。又，為了利用熱、紫外線、電子束等使有機黏合劑硬化，較佳為於有機黏合劑中加入硬化劑。硬化劑可以一液型之形式加入接著劑中，或以二液型之形式於接著劑之硬化時另外加入。
又，就獲得可靠之導電連接之觀點而言，有機黏合劑更佳為含有用以藉由熱而使有機黏合劑硬化之硬化劑。因此，有機黏合劑更佳為熱硬化性樹脂。作為硬化劑，就兼顧反應性與保存性之觀點而言，特佳為環氧系之微膠囊型
之硬化劑。
本實施形態中，作為引線，可使用已知之引線。例如，作為引線，可列舉含有銅、銀、金、錫等之金屬線。又，根據需要可使用例如實施有鍍錫鉛、鍍錫、鍍鋅等之引線。
本實施形態中，就引線之操作性(處理性)之觀點而言，引線之厚度較佳為0.1 μm~500 μm，引線之寬度較佳為0.2 μm~10 mm。
本實施形態中，連接結構體可藉由如下方法製造：藉由含有導電粒子之接著劑而連接形成於太陽能電池單元之基板上之表面電極導電配線與引線。又，接著劑可添加適當之溶劑使導電粒子與有機黏合劑分散並直接以其漿料狀態而使用，或對於接著劑，將漿料(例如分散液等)塗佈於惰性之膜(例如，聚對苯二甲酸乙二酯(PET，Polyethylene terephthalate)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN，Polyethylene naphthalate)、聚苯硫醚(PPS，Polyphenylene sulfide)、聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)等膜)上，並使溶劑乾燥及飛散(揮發)，而以膜狀之接著劑(例如接著劑膜等)之形式使用。作為溶劑，例如可列舉乙酸乙酯、甲苯等。又，亦可使用混合溶劑。
於將接著劑製成膜而使用之情形時，接著劑膜之厚度為1 μm~100 μm之情況於操作上較佳，接著劑膜之寬度為0.5
mm~50 mm之情況於操作上較佳。
接著劑漿料或膜係塗佈或貼附於太陽能電池單元之表面電極導電配線上而使用，較佳為藉由已知之熱、電子束、光、陽離子、自由基硬化反應等而硬化。
接著劑之硬化率較佳為20%~90%之範圍。就使硬化後之接著劑具有適度軟性而防止太陽能電池單元之基板之破裂的觀點而言，接著劑之硬化率較佳為90%以下，更佳為88%以下，進而較佳為85%以下。就實現可靠之連接之觀點而言，接著劑之硬化率較佳為20%以上，更佳為30%以上，進而較佳為40%以上，特佳為50%以上。
關於接著劑之硬化率，例如於熱硬化性之黏合劑時，可藉由加熱溫度及加熱時間而進行調整。
又，就獲得可靠之導電連接之觀點而言，較佳為根據需要，於使接著劑中所含之有機黏合劑硬化時，同時進行加壓。例如，較佳為進行接著劑之加壓及加熱部之每單位接觸面積上為0.2 MPa~5 MPa的加壓。
於加熱接著劑之情形時，就生產性及連接導電性之觀點而言，較佳為於0.1秒~60秒之範圍中進行加熱。作為加熱方法，例如可使用熱風、金屬、陶瓷等加熱體。
作為接著劑之加熱溫度，就防止太陽能電池單元之基板因加熱而破裂，及獲得良好之連接導電性之觀點而言，較佳為接著劑本身之溫度成為100℃~400℃之溫度，更佳為接著劑本身之溫度成為100℃~300℃之溫度，進而較佳為接著劑本身之溫度成為100℃~200℃之溫度。
進而，於連接體上產生翹曲時，連接體之翹曲方向較佳為：為了藉由擴大受光面積而獲得良好之太陽能電池性能而受光部側成為凸面。又，就藉由擴大受光面積而獲得良好之太陽能電池性能的觀點而言，連接體之翹曲量較佳為單元面上之引線兩端間之長度之平均1 cm為0.013 mm以上，更佳為0.067 mm以上，進而較佳為0.10 mm以上，另一方面，就防止單元基板之破裂之觀點而言，較佳為單元面上之引線兩端間之長度之平均1 cm為0.33 mm以下，更佳為0.20 mm以下，進而較佳為0.15 mm以下。再者，所謂單元面上之引線兩端間之長度，係指自單元基板之引線單側朝向引線佈設之方向直至引線之另一端側為止的長度。並不拘泥於理論，但太陽能電池多數情況於室外使用，因此一旦曬到太陽光，立刻成為單元暴露於約50℃下之狀態。因此，與通常之電氣產品不同，約50℃成為通常之太陽能電池單元之常用溫度。因此，本說明書中規定了50℃下之翹曲大小。
又，太陽能電池單元之翹曲量之測定可以下述方式進行：於接著劑硬化後，使單元之凸部在上並設置為平滑面狀，測定自平滑面直至凹部側之具有銅成分之配線為止之距離的最大值，作為翹曲之大小。測定10次，並藉由以其平均翹曲之大小除以單元面上之引線兩端間之長度，而算出平均1 cm之翹曲量。測定可於50℃之環境下實施。
太陽能電池單元之翹曲量可藉由硬化之接著劑之硬化率
及50℃下之彈性模數(楊氏模數)而進行調整。
硬化率之較佳範圍如上所述，可根據硬化之接著劑於50℃下之彈性模數而進行適當調整。
就獲得較佳範圍之翹曲之觀點而言，硬化之接著劑於50℃下之彈性模數較佳為0.1~6.0 GPa，更佳為0.3~5.0 GPa，進而較佳為1.0~4.0 GPa。若為該範圍，則可對應於太陽能電池單元之其他層而將翹曲之大小控制於適當範圍中，藉此可減少破裂。此處，硬化之接著劑於50℃下之彈性模數並非有機黏合劑單體之彈性模數，而指含有導電粒子之接著劑整體之彈性模數，受導電粒子之成分、大小、體積量影響。
本實施形態中，連接結構體可用於即便為經薄型化之太陽能電池單元亦顯示良好之連接導電性且亦不產生破裂的太陽能電池等中。
以下，列舉實施例及比較例對本實施形態更為具體地進行說明，但本發明並不限定於以下實施例。
利用下文所示之方法測定使用之導電粒子之物性。
藉由Sympatec公司(德國)製造之雷射繞射型測定器HEROS&RODOS SR型，測定體積累計平均值，並以體積累計50%時之粒徑作為平均粒徑值。
導電粒子中之氧濃度係加熱至2000℃並藉由EMGA650
(堀場製作所製造)而進行測定。
製作與導電粒子相同組成、相同氧濃度之測定用樣品。測定用樣品之氧濃度係以成為與導電粒子等量(±10%以內)之方式藉由高溫氫還原與空氣氧化而製備。測定用樣品之氧濃度與導電粒子相同地，係利用上述(2)之方法進行測定。
藉由島津製作所公司製造之HMV-1顯微硬度計，於金剛石維氏壓頭對角136度、試驗力0.098~9.8 N自動轉換之條件下，測定上述測定用樣品之維氏硬度。維氏硬度係根據下述式而得。
維氏硬度HV(MPa)=0.1891 F/d2
F：壓頭負荷(N)
d：藉由壓頭而附於金屬材上之痕跡之對角線長度(mm)
將使用之導電粒子之組成、平均粒徑及維氏硬度示於表1。
<實施例1~9>、<比較例1~3>
分別將具有下述表2所示之組成1~10之接著劑組合物以50質量%之濃度溶解於乙酸乙酯溶劑中，塗佈於具有50 μm厚度之PET上，並於空氣中以60℃乾燥10分鐘而使乙酸乙酯溶劑揮發，而製作厚度25 μm之接著劑膜。
導電粒子之體積%表示導電粒子於接著劑(導電粒子+有機黏合劑)整體中所佔之體積%。有機黏合劑之各成分之體積%係設為不含導電粒子之有機黏合劑中之各成分之體積%。
表2中，接著劑中之有機黏合劑之各成分係使用下述者：
a.雙酚A型環氧樹脂(Asahi Kasei Chemicals公司製造之AER2600)
b.二環戊二烯型環氧樹脂(Dainippon Ink公司製造之HP7200)
c.雙酚A型苯氧樹脂(InChem Corporation公司(美國，南卡羅來納州，Rock Hill)製造之PKHC)
d.潛伏性硬化劑(Asahi Kasei Epoxy公司製造之HX3941HP微膠囊型咪唑)
e.聚矽氧黏著劑(Dow Corning Toray公司製造之SD4580)
f.矽烷偶合劑(信越化學公司製造之KBM403)
g.丙烯酸系樹脂(Mitsubishi Rayon公司製造之Dianal)
h.環氧改性聚矽氧樹脂(Dow Corning Toray公司製造之BY16-855)
i.萘型環氧樹脂(Dainippon Ink公司製造之HP-4032)
利用示差掃描熱量測定裝置(DSC，Differential Scanning Calorimeter)使未硬化之接著劑以10℃/min自室溫升溫至250℃為止。以此時產生之發熱量作為接著劑100%發生反應之情形之熱量。繼而，以實際之連接溫度與連接時間，將未硬化之接著劑浸漬於聚矽氧油浴中，藉此使其與實際之硬化程度相同地硬化。然後，將該與實際之硬化程度相同地經硬化之接著劑利用DSC以10℃/min升溫至250℃為止而使其完全硬化，根據此時產生之發熱量以下述方式算出硬化率。
硬化率=(使未硬化接著劑達到250℃為止而硬化之發熱量-浸漬於聚矽氧油浴中後利用DSC達到250℃為止而硬化之
發熱量)/(使未硬化接著劑達到250℃為止而硬化之發熱量)×100%
於接著劑硬化後，使單元之凸部在上並設置為平滑面狀，測定自平滑面直至凹部側之具有銅成分之配線之距離的最大值，作為翹曲之大小。測定10次，並以其平均翹曲之大小除以單元面上之直至引線兩端為止之長度，藉此算出平均1 cm之翹曲量。測定係於50℃之環境下實施。
將接著劑膜輕輕貼附於由銀漿形成於具有下述表3所示厚度之矽基板上之厚度20 μm的表面電極導電配線上，剝離PET膜後，使引線與表面電極導電配線挾持接著劑而相對，一面以表3所示之壓力進行加壓，一面使接著劑之溫度成為表3所示之加熱溫度，以此方式進行16秒而將引線以加壓及加熱而連接。加熱及加壓後，利用光學顯微鏡觀察加壓部位，並以下述基準對基板之破裂程度進行評價。
又，以4端子電阻測定對由引線與基板夾持有接著劑之部分進行測定，並以下述基準對初始導電性進行評價。
進而，於將由引線與基板夾持有接著劑之部分於85℃及85%相對濕度(RH)之環境下放置1000小時前後，以4端子電阻測定對該部分進行測定，並以下述基準對耐久性試驗後之導電性進行評價。
將實施例1~9及比較例1~3之連接體結構性能之評價結果示於表3。
根據表3可明確，實施例1~9中製備之連接結構體具有充分之連接導電性，且基板之破裂防止性亦良好。另一方面，比較例1~3中製備之連接結構體，其連接導電性不充分，及/或基板之破裂不良。
本發明之連接結構體可應用於即便為經薄型化之太陽能電池單元亦顯示良好之連接導電性且亦不產生破裂的太陽能電池等中。
Claims (10)
- 一種連接結構體之製造方法，其包括如下連接步驟：藉由含有維氏硬度為100 MPa~600 MPa之導電粒子之接著劑而連接基板之厚度為40 μm~190 μm之太陽能電池單元之表面電極導電配線與引線。
- 如請求項1之連接結構體之製造方法，其中上述導電粒子之氧含量為10 ppm~10000 ppm。
- 如請求項1或2之連接結構體之製造方法，其中上述導電粒子為具有銀或銅成分之合金。
- 如請求項1至3中任一項之連接結構體之製造方法，其中上述接著劑含有0.1體積%~20體積%之導電粒子。
- 如請求項1至4中任一項之連接結構體之製造方法，其中上述接著劑含有熱硬化性樹脂，且於上述連接步驟中被加壓及加熱。
- 一種太陽能電池模組，其包含藉由如請求項1至5中任一項之製造方法而製造之連接結構體。
- 一種連接結構體之製造方法，其係包括太陽能電池單元之表面電極導電配線、引線、及將該等電性連接之硬化之接著劑的連接結構體之製造方法，且包含以下步驟：藉由使接著劑硬化而使接著劑之硬化率為20%~90%。
- 如請求項7之連接結構體之製造方法，其中上述接著劑硬化後，上述太陽能電池單元之受光部側為凸面，且於50℃下上述凸面之翹曲大小為至上述引線之兩端為止之長度之平均1 cm為0.013~0.33 mm。
- 如請求項7或8之連接結構體之製造方法，其中上述硬化之接著劑之彈性模數為0.1~6.0 GPa。
- 如請求項7至9中任一項之連接結構體之製造方法，其中上述太陽能電池單元之基板之厚度為40 μm~190 μm。
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