TW201812791A - 用於將電導體機械及電連接至太陽能電池之電觸點之作為導電性黏著劑的導電性組合物 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種導電性組合物，其包含 (A) 2至35體積%之銀粒子，該等銀粒子具有1至25 µm範圍內之平均粒度且呈現5至30:1範圍內之縱橫比， (B) 10至63體積%之非金屬粒子，該等非金屬粒子具有1至25 µm範圍內之平均粒度，呈現1至3:1範圍內之縱橫比， (C) 30至80體積%之熱塑性聚合物系統， (D) 0至25體積%之至少一種添加劑， 其中粒子(A)與(B)之體積%的總和總計為25至65體積%。
Description
本發明係關於一種用於將電導體機械及電連接至太陽電池之電觸點之作為導電性黏著劑的導電性組合物。
太陽能電池可將光(諸如日光)轉化成電能。有可能自單一太陽能電池收集電能。為了使單個太陽能電池所輸送之電壓增加至適合之位準，習知地將複數個太陽能電池串聯電連接在一起，以形成可併入至光伏打模組中的太陽能電池陣列。通常經由電導體進行電能之收集及太陽能電池之電連接，該等電導體機械且同時電連接至太陽能電池之發射極觸點及集電極觸點。通常藉由焊接或藉由黏接來進行該等電導體與電池觸點之機械及同時電連接，在黏接之情況下使用導電性黏著劑。 本文中所使用之術語「電導體」意謂習知的電導體，如(例如)線、條、帶或導電性背板箔片(背部接觸箔片)。 本文中所使用之術語「發射極觸點」意謂將太陽能電池之發射極連接至電導體的電觸點，而本文中所使用之術語「集電極觸點」意謂將太陽能電池之集電極連接至電導體的電觸點。該等電觸點採取金屬化之形式。 大部分現今的光伏打模組中，太陽能電池具有位於該等電池之相對側上的發射極觸點及集電極觸點。發射極觸點位於正面(亦即暴露於日光之表面)，而集電極觸點位於背面。一個實例為H型電池，該電池在其正面上通常具有稱為發射極匯電條(busbar)的兩個發射極觸點，且在其背面上具有亦稱為集電極匯電條的兩個集電極觸點。技術人員應認識到發射極觸點與集電極觸點極性相反。 已研發新的電池類型，其中發射極觸點已自太陽能電池之正面移動至背面，以便釋放正面之額外部分且增加可由電池所產生之電能的量。此類發射極及集電極觸點均位於電池之背面上之太陽能電池的常用名稱為「背觸點電池」，該名稱包括金屬穿透式背電極(metallization wrap-through，MWT)電池、背面接合(back-junction，BJ)電池、整合式背觸點(integrated back-contact，IBC)電池及發射極貫穿式背電極(emitter wrap-through，EWT)電池。就此等背觸點電池而言，發射極觸點為位於電池背面上之所謂的「通孔」或「背面發射極觸點」，同時集電極觸點亦位於此處。 大部分現今之太陽能電池為矽太陽能電池。 習知之導電性黏著劑包含具有約80重量%(weight%/wt.%)之數量級的大量銀粒子。由於高銀價，已研發出所謂的低銀之替代方式，其係依據由鍍銀粒子(例如鍍銀之銅粒子)替換相當大量之銀粒子。然而，對於使用此種類型之含銅導電性黏著劑於將電導體黏接至太陽能電池觸點存在擔憂，尤其係在矽太陽能電池之情況下。理由係太陽能電池意欲為長期使用的，此放大了在太陽能電池使用壽命期間銅擴散進入該太陽能電池塊材中，且因此形成不期望的降低效率之再結合中心或甚至毀壞該太陽能電池之p-n或n-p轉變的風險。在矽太陽能電池之情況下尤其有此擔憂。然而，該等擔憂不僅適用於銅之情況，且亦適用於其他具有與銅類似之效應之元素的情況。此類元素之實例包括磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鋯、鈮、鉬、鉭及鎢，參見「Energy research Centre of the Netherlands, Gianluca Coletti, Sensitivity of crystalline silicon solar cells to metal impurities, 2011年9月14日」或「J.R. Davis, IEEE Trans El. Dev. ED-27, 677(1980)」。
本發明藉由使用特定的導電性低銀類型黏著劑將太陽能電池之觸點與電導體機械且同時電連接來防止該風險。在一實施例中，該導電性黏著劑中基本上或完全避免呈元素或金屬形式或呈合金形式之元素銅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鋯、鈮、鉬、鉭、鋁及鎢。 因此，本發明係關於一種適用於將太陽能電池(較佳矽太陽能電池)之至少一個觸點與電導體機械且同時電連接之作為導電性黏著劑的導電性組合物，其中該至少一個觸點係選自由發射極觸點及集電極觸點組成之群，其特徵在於該導電性組合物包含 (A) 2至35體積%( volume%/vol.%)之銀粒子，該等銀粒子具有1至25 µm範圍內之平均粒度且呈現5至30:1範圍內之縱橫比， (B) 10至63體積%之非金屬粒子，該等非金屬粒子具有1至25 µm範圍內之平均粒度，呈現1至3:1範圍內之縱橫比， (C) 30至80體積%之熱塑性聚合物系統，及 (D) 0至25體積%之至少一種添加劑， 其中粒子(A)與(B)之體積%的總和總計為25至65體積%。
在實施方式及申請專利範圍中使用術語「太陽能電池」。其不應意謂對於某一類型之太陽能電池的任何限制。其包括任何類型之太陽能電池，尤其包括矽太陽能電池。舉例而言，該等電池可具有前文所提及之H型或背觸點電池類型。 在一實施例中，(A)、(B)、(C)及(D)(若存在)之體積%之總和可總計為該導電性組合物之100體積%。 在實施方式及申請專利範圍中所揭示之體積%係指導電性組合物，或甚至更精確地，係指在其根據本發明應用或使用之前的導電性組合物。 在實施方式及申請專利範圍中使用術語「平均粒度」。其應意謂藉助於雷射繞射所測定的平均初始粒子直徑(d50
)。可利用粒度分析器，例如來自Malvern Instruments之Mastersizer 3000進行雷射繞射量測。 在實施方式及申請專利範圍中，關於該導電性組合物中所包括之該等粒子(A)及(B)之形狀使用術語「縱橫比」。縱橫比意謂粒子之最大尺寸與最小尺寸之比且其係藉由以下方式來測定：進行掃描電子顯微術(SEM)，且藉由量測具統計意義數量之個別粒子之尺寸來評估電子顯微影像。 該導電性組合物包含2至35體積%、較佳2至30體積%且最佳2至20體積%之銀粒子(A)，該等銀粒子(A)具有1至25 µm、較佳1至20 µm、最佳1至15 µm範圍內之平均粒度，且呈現5至30:1、較佳6至20:1、最佳7至15:1範圍內之縱橫比。該等銀粒子(A)可具有包含至少一種有機化合物(尤其C8至C22脂肪酸或其如鹽或酯之衍生物)之塗層。該體積%值包括該塗層在銀粒子(A)上之體積貢獻率。 該等銀粒子(A)包括銀及銀合金之粒子；亦即本文中所使用之術語「銀粒子」應意謂純銀之粒子及/或銀合金之粒子。在銀合金之情況下，合金用金屬之總比例為(例如)＞0至5重量%，較佳＞0至1重量%。該等銀合金可包含銀與另一種金屬之二元合金，或銀與超過一種除銀之外的金屬之合金。可用作銀之合金用金屬的金屬實例尤其包括鋅、銠、鈀、銦、錫、銻、錸、鋨、銥、鉑、金、鉛及鉍。在一個實施例中，排除銅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鋯、鈮、鉬、鉭、鋁、及鎢作為合金用元素。 該等銀粒子(A)呈現5至30:1、較佳6至20:1、最佳7至15:1範圍內之縱橫比。該縱橫比將表示該等銀粒子(A)為(例如)針狀粒子(針)或薄片(薄層)，與(例如)具有球形、基本上球形、橢圓形或卵形之粒子相反。 該導電性組合物可包含一種類型之銀粒子(A)或兩種或超過兩種不同類型之銀粒子(A)的組合。在任何情況下，導電性組合物中所含有的銀粒子(A)之所有類型均滿足前文所提及之平均粒度及縱橫比條件。為了對此進行說明，可設想以下理論實例：導電性組合物可包含以下兩種不同類型之銀粒子作為僅有的粒子(A)，即X體積%的d50值為x µm且縱橫比為y:1之銀粒子，及Y體積%的d50值為v µm且縱橫比為w:1之銀粒子，其中X+Y位於該2至35體積%範圍內，x與v獨立地位於該1至25 µm範圍內，且y與w獨立地位於該5至30:1範圍內。 (A)型之銀粒子為市售可得的。此類銀粒子之實例包括來自Ames Goldsmith之SF-3、SF-3J；來自Ferro之Silver Flake #80；來自Metalor之RA-0101、AA-192N。 在一個實施例中，該導電性組合物可包含一部分，例如10至30體積%的除(A)型之彼等銀粒子之外的銀粒子，尤其為具有例如1至＜5:1或1至3:1範圍內之縱橫比之銀粒子。此類銀粒子之一個市售可得之實例為來自Metalor之FA-3162。 該導電性組合物包含10至63體積%、較佳15至63體積%且最佳15至60體積%之非金屬粒子(B)，該等非金屬粒子(B)具有1至25 µm、較佳1至20 µm、最佳1至15 µm範圍內之平均粒度，且呈現1至3:1、較佳1至2:1、最佳1至1.5:1範圍內之縱橫比。適用的(B)型粒子之實例包括石墨粒子及非導電非金屬粒子，其在各情況下滿足該等平均粒度及縱橫比條件。本文中所用之術語「非導電非金屬粒子」應意謂電導率為＜ 10- 5
S/m的材料之非金屬粒子。此類材料之實例包括玻璃、陶瓷、塑膠、鑽石、氮化硼、二氧化矽、氮化矽、碳化矽、鋁矽酸鹽、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、碳酸鈣、硫酸鋇、滑石、矽石、聚合物微球及二氧化鈦。 該非金屬粒子(B)呈現1至3:1、較佳1至2:1、最佳1至1.5:1範圍內之縱橫比。該縱橫比將表示該等粒子(B)具有真球形或基本上球形之形狀，與如(例如)針狀粒子或薄片之粒子相反。在電子顯微鏡下觀看時，個別粒子(B)具有球狀或接近球狀之形狀，亦即，其可為正圓形或近乎圓形、橢圓形或其可具有卵形形狀。 導電性組合物可包含一種類型之粒子(B)，或兩種或超過兩種不同類型之粒子(B)的組合。在任何情況下，導電性組合物中所含有的粒子(B)之所有類型均滿足前文所提及之平均粒度及縱橫比條件。 (B)型粒子為市售可得的。實例包括來自Admatechs之AE9104；來自AMG Mining之EDM99,5；來自Almatis之CL4400、CL3000SG；來自Sigma Aldrich之Glass Spheres；來自Microbeads®
之Spheromers®
CA6、CA10、CA15。 在一較佳實施例中，該等銀粒子(A)之平均粒度在非金屬粒子(B)之平均粒度的0.2至2倍之範圍內。 銀粒子(A)及非金屬粒子(B)之體積%之總和總計為25至65體積%。 該導電性組合物包含30至80體積%、較佳30至75體積%且最佳30至70體積%之熱塑性聚合物系統(C)。 該熱塑性聚合物系統(C)包含導電性組合物中在塗覆之後嵌入有(A)粒子及(B)粒子的彼等成分。 熱塑性聚合物系統(C)包含一種或多種熱塑性聚合物。本發明之熱塑性聚合物系統呈現100℃-350 ℃範圍內之熔化溫度。 寡聚材料與聚合材料之間的區別可由重量平均莫耳質量來界定，該重量平均莫耳質量藉由凝膠滲透層析法(GPC；經二乙烯苯交聯之聚苯乙烯作為固定相，四氫呋喃作為液相，聚苯乙烯標準物)來加以測定。寡聚材料具有≤500之重量平均莫耳質量，而聚合材料之重量平均莫耳質量為＞500。 適用之熱塑性聚合物之實例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、非晶形聚-α-烯烴(APAO)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVAC)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、聚乳酸(聚乳酸交酯)、聚醯胺(PA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚碳酸酯(PC)、聚己內酯(PCL)、聚醚碸(PES)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚乙烯(PE)、聚伸苯醚(PPO)、聚苯硫(PPS)、聚丙烯(PP)、聚吡咯(PPY)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、熱塑性聚酯(TPE-E)、熱塑性聚胺甲酸酯(TPE-U)。 導電性組合物包含0至25體積%之至少一種添加劑(D)。 添加劑之實例包括非聚合增黏樹脂(例如萜類，脂族、環脂族及芳族樹脂，氫化烴類樹脂，萜類-苯酚-樹脂)、助黏劑(例如有機矽烷、有機硫化合物、有機胺化合物)、蠟(例如微晶蠟、費托蠟(Fischer-Tropsch wax))、塑化劑(例如苯甲酸酯，諸如1,4-環己烷二甲醇二苯甲酸酯、三苯甲酸甘油酯或季戊四醇四苯甲酸酯、鄰苯二甲酸酯、石蠟油、聚異丁烯)、抗氧化劑(位阻苯酚，如N,N'-二-2-丁基-1,4-苯二胺、亞磷酸酯、受阻芳胺)、UV穩定劑(例如二苯甲酮，如N,N'-二-2-丁基-1,4-苯二胺之位阻胺)、抗靜電劑(脂族胺及醯胺、季銨鹽、聚乙二醇、磷酸酯、多元醇、氧化銦錫、乙氧化胺、甘油酯、長鏈烷基苯酚)、除A中之彼等金屬以外的金屬粉末。 導電性組合物可藉由混合組分(A)、(B)、(C)及(視情況) (D)而製得。在完成混合後，可儲存如此製造之導電性組合物直到根據本發明對其加以使用為止。 根據本發明使用導電性組合物，亦即將其作為導電性黏著劑用於將太陽能電池之至少一個觸點與電導體機械且同時電連接，其中該至少一個觸點係選自由太陽能電池發射極觸點及太陽能電池集電極觸點組成之群。 為此目的，將導電性組合物塗覆至該太陽能電池之至少一個觸點之接觸表面及/或塗覆至欲與該太陽能電池之至少一個觸點黏接之電導體之接觸表面。通常，如前文已在解釋發射極及集電極觸點之段落中所提及的，太陽能電池之觸點之接觸表面為金屬化物。電導體之接觸表面可為線、條或帶的末端及/或其他適合之位置。在呈導電性背板箔片形式之電導體之情況下，其接觸表面通常呈經設計以適合於該太陽能電池之至少一個觸點的圖案形式。 導電性組合物可藉由各種塗覆方法塗覆。可例如藉由印刷(例如，網版印刷或模板印刷)、噴射、施配或擠壓來進行導電性組合物之塗覆。經塗覆之導電性組合物之典型厚度處於例如20至500 µm範圍內。 熱塑性聚合物系統可以熔化、溶解或分散狀態存在於導電性組合物中。 在塗覆導電性組合物之後，將該一個或多個太陽能電池觸點與欲黏接到其上的一個或多個電導體放置在一起，其中其接觸表面上具有處於兩者之間的導電性組合物。 在塗覆之後，且在將該一個或多個太陽能電池觸點與一個或多個電導體放置在一起之前或之後，可進行視情況選用之乾燥步驟，以自導電性組合物移除最終存在之揮發性化合物，如(例如)有機溶劑。若進行該乾燥步驟，則乾燥參數為在例如60℃至160℃之目標溫度下進行例如1至120分鐘。 如此所形成之包含導電性組合物之總成隨後經固化。 在塗覆導電性組合物之後，具有附接至其觸點之電導體的太陽能電池或藉由電導體彼此連接的太陽能電池之陣列可以用於產生電能，或其尤其可併入至習知光伏打模組中。為此目的，可裝配光伏打堆疊或光伏打模組，例如藉由在習知背板上置放習知背面封裝層，在該背面封裝層頂部上置放該太陽能電池或太陽能電池之陣列，在該一個或多個太陽能電池頂部上置放習知正面封裝層，且隨後在該正面封裝層之頂部上置放習知前板。通常，隨後在層壓裝置中藉由以下使如此裝配之光伏打堆疊固結：加熱該堆疊且使該經加熱之光伏打堆疊經受與堆疊平面垂直之方向上的機械壓力，且降低層壓裝置中之周圍壓力。該加熱允許正面封裝劑及背面封裝劑軟化，在周圍流動且黏著於該一個或多個太陽能電池。最後，使該光伏打堆疊冷卻至周圍溫度且釋放機械壓力，且在該層壓裝置中重新建立常壓。實例
實例1a (導電性熱塑性材料之製備)： 將高密度聚乙烯(HDPE)引入至經加熱的δ葉片狀混合器中。將該裝置加熱至160℃。當聚合物熔融時，歷經15 min之時程將來自Metalor之AA-192N銀粒子((A)型粒子)及31體積% (40重量%)之來自Admatechs的AE9104 Al2O3 ((B)型粒子)引入至物料中，且隨後添加其他添加劑。將該組合物再混合10 min。之後使該組合物冷卻至室溫且固化。將經研磨之固體組合物在可加熱輥筒研磨機上再熔化且在150℃之輥筒溫度下研磨。 實例1b (導電性熱塑性材料之製備)： 將乙烯-乙酸乙烯酯引入至經加熱的δ葉片狀混合器中。將該裝置加熱至130℃。當聚合物熔融時，歷經15 min之時程將來自Metalor之AA-192N ((A)型粒子)及31體積% (40重量%)之來自Admatechs之AE9104 ((B)型粒子)引入至物料中，且隨後添加其他添加劑。將該組合物再混合10 min。之後使該組合物冷卻至室溫且固化。將經研磨之固體組合物在可加熱輥筒研磨機上再熔化且在140℃之輥筒溫度下研磨。 實例2 (光伏打堆疊之生產)： 將實例1之導電性組合物在液態中經由模板印刷以400 µm之厚度塗覆至MWT太陽能電池(來自JA Solar之JACP6WR-0)之背面發射極及集電極觸點。 同時將來自Coveme之打孔Ebfoil®
電介質層置放於導電性背板箔片(來自Coveme之Ebfoil®
背觸點背板)上以形成堆疊。其後，將該太陽能電池以其裝備有導電性組合物之背面面向堆疊之打孔Ebfoil®電介質層的方式置放。將來自3M™之太陽能封裝薄膜EVA9100之薄片置放在太陽能電池正面的頂部上。將玻璃板(來自vetro solar™之vsol)置放於封裝薄膜之頂部上。 隨後在施加熱及機械壓力下層壓整個堆疊。首先，將溫度以13℃/min之速率提高至150℃。在80℃下，將1巴之機械壓力平緩且均勻地施加於堆疊之頂部及底部面上。在150℃下9分鐘之後，使該堆疊以25℃/min之速率冷卻直至該堆疊達到20℃。達到80℃之後，將機械壓力減少至0。
Claims (10)
- 一種導電性組合物，其包含 (A) 2至35體積%之銀粒子，該等銀粒子具有1至25 µm範圍內之平均粒度且呈現5至30:1範圍內之縱橫比， B) 10至63體積%之非金屬粒子，該等非金屬粒子具有1至25 µm範圍內之平均粒度，呈現1至3:1範圍內之縱橫比， (C) 30至80體積%之熱塑性聚合物系統， (D) 0至25體積%之至少一種添加劑， 其中粒子(A)與(B)之體積%的總和總計為25至65體積%。
- 如請求項1之導電性組合物， 其中(A)、(B)、(C)及(D) (若存在)之體積%的總和總計為該導電性組合物之100體積%。
- 如請求項1或2之導電性組合物， 其中該等銀粒子(A)為純銀之粒子及/或銀合金之粒子。
- 如前述請求項中任一項之導電性組合物， 其中該等非金屬粒子(B)係選自由以下組成之群：石墨粒子、玻璃粒子、陶瓷粒子、塑膠粒子、鑽石粒子、氮化硼粒子、二氧化矽粒子、氮化矽粒子、碳化矽粒子、鋁矽酸鹽粒子、氧化鋁粒子、氮化鋁粒子、氧化鋯粒子、二氧化鈦粒子、碳酸鈣粒子、硫酸鋇粒子、滑石粒子及聚合物微球。
- 如前述請求項中任一項之導電性組合物， 其中該等銀粒子(A)之平均粒度在該等非金屬粒子(B)之平均粒度的0.2至2倍之範圍內。
- 如前述請求項中任一項之導電性組合物， 其中熱塑性聚合物系統(C)包含該導電性組合物中在該塗覆之後嵌入有該等粒子(A)及(B)的彼等成分。
- 如前述請求項中任一項之導電性組合物， 其中將該導電性組合物塗覆至該太陽能電池之至少一個觸點之接觸表面及/或塗覆至電導體中欲與該太陽能電池之至少一個觸點黏接的接觸表面。
- 如前述請求項中任一項之導電性組合物， 其中藉由印刷、噴射、施配或擠壓來進行該導電性組合物之該塗覆。
- 如前述請求項中任一項之導電性組合物， 其中在塗覆該導電性組合物之後，將該一個或多個太陽能電池觸點與欲黏接到其上之該(等)電導體放置在一起，使其接觸表面具有介於其間的導電性組合物以形成總成。
- 一種如前述請求項中任一項之導電性組合物作為用於將太陽能電池之至少一個觸點與電導體機械及電連接之導電性黏著劑的用途，其中該至少一個觸點係選自由發射極觸點及集電極觸點組成之群。
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