WO2022075884A1 - Polymeric electrically conductive paste for solar cells with heterojunctions - Google Patents

Polymeric electrically conductive paste for solar cells with heterojunctions Download PDF

Info

Publication number
WO2022075884A1
WO2022075884A1 PCT/RU2021/050132 RU2021050132W WO2022075884A1 WO 2022075884 A1 WO2022075884 A1 WO 2022075884A1 RU 2021050132 W RU2021050132 W RU 2021050132W WO 2022075884 A1 WO2022075884 A1 WO 2022075884A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
paste
conductive paste
conductor
organic binder
silver powder
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050132
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Максим Михайлович ВЛАСЕНКО
Александра Александровна БУЛГАКОВА
Иван Сергеевич МИТЧЕНКО
Нина Ивановна ШАЛЬКО
Илья Алексеевич АГАРКОВ
Алена Геннадиевна ВАРАВИНА
Антон Андреевич ОСТРЫЙ
Мария Александровна ПОНОМАРЕНКО
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научное Предприятие Монокристалл Пасты"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научное Предприятие Монокристалл Пасты" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научное Предприятие Монокристалл Пасты"
Priority to CN202180068473.3A priority Critical patent/CN116325026A/en
Publication of WO2022075884A1 publication Critical patent/WO2022075884A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/24Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to thick-film microelectronics, namely to materials for the manufacture of electrically conductive contact layers by screen printing, and can be used to form a contact grid of solar cells.
  • Semiconductor solar cells are made from a semiconductor material such as silicon. Contacts on the surface of a silicon substrate can be obtained by applying a conductive liquid suspension (hereinafter paste) by screen printing.
  • a conductive liquid suspension hereinafter paste
  • the composition of the paste includes, as a rule, a conductive component, which is a finely dispersed metal powder, a structure-forming component, an organic solvent, and functional additives for various purposes to ensure the specified printing and technical characteristics of a thick-film material.
  • One of the main trends in the production of thick-film solar cells at present is to reduce the width of the conductive contact grid based on conductive paste and, as a result, increase the efficiency of the solar converter by reducing the linear resistance of the conductor.
  • This result is achieved by introducing an integrated approach in the development of the composition of the conductive paste, namely, the use finely dispersed metal powder with specified granulometric parameters that ensure stable printing characteristics of the paste; a solvent or a mixture of solvents that provide the required level of wettability of the solid phase and the substrate and, as a consequence, the relative monodispersity of the final product; a polymer component with a given range of molecular weight and the presence of functional groups; one or more functional additives.
  • composition of the conductive paste may contain the following components:
  • conductive means the property of thermal conductivity and/or electrical conductivity.
  • the conductive filler (A) a powder of silver, platinum, palladium, nickel, copper and/or various compositions of the above is used.
  • the particle shape of the metal powder may be spherical, flake, or a mixture of the above.
  • a component based on a thermosetting and/or thermoplastic resin is used as a structure-forming component (B).
  • the structure-forming component can be polyester resins, phenolic resins, phenol-formaldehyde resins, epoxy resins, polyacrylates and various compositions of the above.
  • dispersants As a functional additive, dispersants, emulsifiers, slip additives, adhesive additives, thixotropic additives, defoamers, rheological additives and various compositions can act. of the above, providing the paste with the required complex of printing technical characteristics.
  • composition of the conductive paste may also contain a solvent (D).
  • glycols such as diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether, esters such as 2,2 ,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanedioldiisobutyrate and the like, ketones such as cyclohexanone and isophorone, terpineol.
  • high boiling solvents include diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether acetate, tripropylene glycol monomethyl ether, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate, terpineol, and the like.
  • a conductive paste is obtained by mixing and then homogenizing components (A), (B) and (C) in a certain proportion using a mixer, a three-roller, a gyromixer.
  • FIG. Figure 1 shows a schematic representation of a section of the front surface of a solar cell (SC) with a part of a conductive contact grid in the form of two parallel conductors, the geometric characteristics are indicated: L - conductor length, h - conductor height, d - conductor width.
  • FIG. 2 shows the dependence of the absolute value of the efficiency on the relative reduction in the width of the conductor d at a constant cross-sectional area of the conductor Seen.
  • FIG. 3 shows the dependence of the absolute value of the efficiency on the relative reduction in the conductor width d at a constant conductor height h.
  • FIG. Figure 4 shows the distribution profile of the velocities of thin layers of metallization paste in its volume along the cross section of the screen opening in the case of turbulent flow: a) when the paste is punched; b) when separating the substrate and stencil.
  • FIG. Figure 5 shows the distribution profile of the velocities of thin layers of metallization paste in its volume along the cross section of the stencil opening in the case of laminar flow: a) when the paste is punched through; b) when separating the substrate and stencil.
  • FIG. Figure 6 shows the topology of conductors made using stencils with different opening widths: a - opening width 60 ⁇ m; b - opening width 40 ⁇ m.
  • FIG. 7 shows the dependence of the linear resistance of the conductor Rline, [Ohm / cm], on the width of the stencil opening, [Ohm].
  • FIG. Figure 8 shows the flow curves of samples of metallization pastes with different nature of interaction with the elements of equipment for screen printing: sample A is highlighted in red, sample B is highlighted in green.
  • FIG. 9 shows photographs of the traces for the samples from Examples 1-4.
  • FIG. 10 shows the results of the track width measurements for the samples from Examples 5-7.
  • FIG. 11 shows the results of measurements of the CVC for the samples from Examples 5-7.
  • FIG. 12 shows micrographs of the SC section with samples from Examples 8-12 after the drying stage (a-8, b-9, c-10, d-11, e-12) and after the sintering stage (al, 61, c1, d1, e1 ).
  • FIG. 13 shows the resistivity measurements for the samples of Examples 8-12 after the drying step (pl) and the sintering step (p2).
  • FIG. 14-15 show the results of measurements of the I-V characteristics for the samples from Examples 8-12.
  • solar-to-electrical energy converters includes one or more conductive contacts.
  • Most types of modern solar cells are characterized by the placement of conductive contacts on a surface that absorbs solar radiation (front surface, front side); in this case, the collection and transfer of electric charge carriers from the generation region to the external electric circuit is ensured by making a conductive contact in the form of a grid of thin parallel conductors (Fig. 1).
  • This design is most widespread, since it provides a significant reduction in costs in the mass production of solar cells, despite the partial shading of the front side by the contact located on it.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section of the front surface of the solar cell with a part of the conductive contact grid in the form of two parallel conductors.
  • the fraction of the solar cell surface, unoccupied by the contact conductor is characterized by an effective area of 8 E ff.
  • 8 E ff effective area
  • the value of 8 eff is at least 95% of the total front surface area.
  • An increase in 8 eff helps to improve the efficiency of the solar cell due to a larger number of photons absorbed by the front surface and, accordingly, a larger number of generated charge carriers.
  • an increase in 8 E ff is possible by reducing the width of the conductors d. In this case, depending on the ratio of the final width d and the height of the conductor h, the value of the linear electrical resistance of the conductor Rune changes due to the well-known relation
  • the Riine parameter which characterizes the contact conductor, is one of the components of the series resistance of the solar cell, and, along with other "parasitic" resistances, has a negative impact on the final efficiency value.
  • a number of technological factors also affect the R line value of the conductor during screen printing.
  • the basis for the design of the most common type of equipment for screen printing - a mesh stencil - is a grid in the form of interlaced threads that form a strictly regular array of cells of a fixed volume. The paste enters the opening area directly through the cells separated from each other by a distance equal to the thickness of the thread.
  • FIG. 6. a shows a photograph of a section of the conductor made using a stencil opening 60 ⁇ m wide. This conductor is characterized by a pronounced linear structure, while the shape of the conductor made using a screen opening 40 ⁇ m wide (Fig.
  • the metallization paste is a liquid highly filled suspension, which, in addition to the electrically conductive filler, includes organic solvents and polymer compounds of various spatial structures with a wide range of molecular weights.
  • Rheological methods are widely used to study the properties of liquid systems whose macroscopic properties are determined by the forces of intermolecular and interparticle interaction.
  • Qualitative determination of the nature of the interaction of the metallization paste with the elements of the technological screen printing tooling is possible with a standard CR rheometer. Constructed in the coordinates “shear rate y [c' 1 ] - shear stress t [Pa]”, the flow curves of samples of metallization pastes A and B (Fig.
  • a metallization paste for high-performance solar cells suitable for applying narrow conductive conductors with stable local S ce4 and low Ri ine by screen printing, when measuring its rheological characteristics in the coordinates "shear rate y [s' 1 ] - shear stress t [Pa ]» is characterized by a negative slope of the flow curve when the threshold value of the shear rate equal to 40 s' 1 is exceeded.
  • polyorganosiloxane is the main component of the organic binder, but the described materials themselves are not intended for the manufacture of an electrically conductive contact similar to this invention.
  • fatty acids with boiling points of 350-400°C are used, which also prevent powder particles from sintering at a temperature of 200°C (the highest possible temperature of the HJT process) and thereby increase the resistivity of the annealed conductor.
  • halogen-containing polymers with a softening point below 200 °C.
  • chlorine-containing polymers in which the chlorine atom has increased mobility.
  • a chlorine-containing polymer is known, the melting point of which is 165-170 ° C, however, when heated above 35 ° C, degradation processes begin in it, accompanied by the elimination of atomic chlorine, followed by the formation of hydrogen chloride, causing intense destruction of macrochains.
  • the objective of the present invention is to provide the required printing, technical and thermal characteristics of the paste, meeting the current trends in the field of "fine” printing. Namely, the preservation of the complex of rheological properties of the paste while reducing the width of the stencil openings due to the optimal ratio of all components and by introducing additives that provide the above-described flow pattern in the screen printing process.
  • halogen-containing polymers with a low temperature of the onset of decomposition, which ensure efficient sintering of silver powder already at the stage of drying the conductive contacts.
  • the technical result consists in increasing the efficiency of the solar converter by reducing the linear resistance of the conductor by reducing the track width on the one hand, and by reducing the resistivity of the conductor by more efficient sintering of fine silver powder on the other.
  • the polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions includes silver powder, an organic binder containing a structure-forming component in the solvent composition, and a functional additive, and a halogen-containing polymer with a softening temperature below 200 ° C is used as a structure-forming component in the composition.
  • a polymeric organosilicon compound is used with the number of siloxane units less than 3000, in the following ratio of components, in wt.%: silver powder - 80-95; organic binder - 4-18; functional additive - 0.1 -2.0.
  • the silver powder may have an average particle size D50 of 0.5-5.0 ⁇ m.
  • the amount of structure-forming component in the composition of the organic binder may be 5-10 wt.%.
  • the functional additive may contain additional components.
  • the flow curve is characterized by a negative slope when the threshold shear rate of 40 s-1 is exceeded.
  • the conductive paste includes finely dispersed silver powder, a structure-forming component in a solvent, and a rheological additive that ensures the optimal topology of the printed track.
  • the content of the silver powder can vary within the range of 80-95 wt.%, preferably the content of silver 85-92 wt.%.
  • the builder may be a polyvalent epoxy resin with two or more epoxy groups per molecule.
  • epoxy resins can be used singly or in combination.
  • a polyamide can be used, namely a non-polar polyamide modified with urea; a polyolefin, in particular an emulsion of polyethylene with a molecular weight of 1000-3000; esters of fatty acids, preferably with 26-30 carbon atoms.
  • polymeric organosilicon compounds can be used, preferably silicone fluids with a number of siloxane units of less than 3000.
  • a halogen-containing polymer with a low degradation temperature namely, a chlorine-containing polymer.
  • a macromolecule of this type of polymer undergoes degradation at a relatively low temperature, as a result of which additional energy is released, which contributes to the thermal catalysis of the sintering of silver particles in the conductor layer and, as a result, a decrease in the resistivity level of the conductor.
  • the technical result is provided by the presence of two key factors of the present invention: a rheological additive from a number of siloxanes and a halogen-containing polymer with a low decomposition temperature.
  • fine silver powder is used, the average particle size of which is D50 0.5-5.0 ⁇ m. If the average particle size D50 of the silver powder exceeds 5.0 ⁇ m, then there is a tendency to reduce the dynamic viscosity of the paste, which, in turn, leads to a deterioration in printing properties, spreading of the conductor track. Otherwise, when the average particle size D50 decreases below 0.5 ⁇ m, dynamic viscosity increases, which can also lead to a decrease in print quality due to uneven distribution of the paste, the appearance of gaps in the conductor tracks. By reducing the dynamic viscosity by reducing the polymer content, there may be a tendency for the adhesive strength to deteriorate.
  • the organic binder contains a mixture of high-boiling solvents and a structure-forming component.
  • a structure-forming component in this invention a halogen-containing thermoplastic polymer with a softening point below 200 ° C is used. If the content of the structure-forming component exceeds 10% of the composition of the organic binder, then the viscosity of the paste increases and, accordingly, its printing characteristics deteriorate. In addition, with an increased content of the structure-forming component, there is a tendency to increase the linear resistance in the composition of the solar cell. When the content of the structure-forming component is below 5% in the composition of the organic binder, there is a deterioration in the printing properties of the conductive paste due to the loss of plasticity.
  • the conductive paste according to the present invention contains a functional rheological additive that reduces the surface tension of the paste and thereby improves the passage of the paste through the stencil during printing to obtain an optimal topology of conductive contacts.
  • Specified rheological additive refers to a series of polymeric organosilicon compounds with less than 3000 siloxane units. In the present invention, it is preferable to use 0.1-2.0% of the above additive. With the introduction of the additive at a concentration below 0.1%, the required printing characteristics are not provided. Exceeding 2.0% siloxane additive leads to an increase in resistivity.
  • the main characteristic of the composition of the conductive paste is the use of a halogen-containing polymer as a structure-forming component, which ensures efficient sintering of silver particles, leading to an increase in the conductivity of the conductive layer, and the introduction of a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds, which improves the printing and technical characteristics of the paste .
  • Conductive paste is prepared as follows. A predetermined amount of all the above components is weighed in the mixer tank, mixed using a planetary mixer. Next, the paste is homogenized by means of a three-roll pasto grater until the required degree of grinding is obtained.
  • the measurement of the degree of grinding is carried out using a Hegman grindometer.
  • the device consists of a measuring plate with a wedge-shaped groove and a scraper. A sample of paste in an amount sufficient to fill the entire groove is placed beyond the upper limit of the scale.
  • the scraper is set perpendicular to the measuring surface and moved at an angle of 90° within a few seconds from the maximum value of the scale to zero.
  • Dynamic viscosity is measured on a rotational viscometer of the "plate-cone" system.
  • the principle of operation is based on the dependence of torque on viscosity, which causes the sample to resist displacement.
  • a conductive paste For the preparation of a conductive paste, the following were used: silver powder, the average particle size of which is 0.5–5.0 ⁇ m, in an amount of 80–95 wt.%, organic binder, including a structure-forming component and a solvent, functional additive A based on a polyacrylate solution in an amount 0.1 -2.0 wt.%.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive B based on polydimethylsiloxane modified with polyester in an amount of 0.1 -2.0 wt.%
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive C based on polydimethylsiloxane modified with polyester in amount of 0.1 -2.0 wt.%
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive D based on polydimethylsiloxane in an amount of 0, 1 -2.0 wt.%.
  • the study of the properties of the above samples was carried out in the composition of solar cells with heterojunctions.
  • the basis of the ST technology is an n-type crystalline silicon substrate, on which thin films of amorphous silicon are deposited by means of plasma-chemical vapor deposition, followed by the formation of heterojunctions, the next step is the deposition of an ITO film, on which current-collecting contacts with silver-containing paste are printed.
  • samples of conductive pastes from Examples 1-4 have a satisfactory degree of grinding and dynamic viscosity, thus providing the required printing performance properties.
  • the sample from Example 4 with a functional additive D based on polydimethylsiloxane has the highest conditional coefficient of surface tension, thereby reducing the degree of friction of the paste against the walls of the openings of the stencil and providing the topologically most optimal contact grid.
  • the sample from Example 4 has the lowest value of line resistance, which confirms the above theoretical part.
  • FIG. 9 shows photographs of the conductor tracks from the examples described above.
  • the improvement in the profile of the conductive track is clearly visible, both from the side of reducing its width, and from the side of reducing the edge "blots" (Fig. 9).
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds in the amount of 0.25 wt.%.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds in an amount of 0.50 wt%.
  • an organic binder including a structure-forming component and a solvent
  • a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds in an amount of 0.50 wt%.
  • FIG. 10 shows the results of measurements of the width of the conductor track for the samples from Examples 5-7.
  • FIG. 11 shows the results of measurements of current-voltage characteristics for samples from Examples 5-7.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on a halogen-containing thermoplastic polymer in the amount of 5-10 wt.% of the composition of the organic binder and solvent.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on phenoxy resin in an amount of 5-10 wt.% of the composition organic binder and solvent.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on acrylate resin in an amount of 5-10 wt.% of composition of the organic binder and solvent.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on epoxy resin in an amount of 5-10 wt.% of composition of the organic binder and solvent.
  • silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 ⁇ m, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on a halogen-containing thermoplastic polymer in the amount of 5-10 wt.% of the composition of the organic binder and solvent.
  • Samples from Examples 8 and 12 based on halogen-containing thermoplastic polymers have a reduced resistivity already after the drying stage (Fig. 13), which confirms the theory of catalytic sintering of silver particles through thermal degradation of the halogen-containing polymer at low temperature. This theory is also indirectly confirmed by the presented microphotographs (Fig. 12), in which samples a) and d) (Example 8 and 12, respectively) show partial sintering of silver powder already at the drying stage.
  • the samples from Examples 8, 10, 11, 12 showed a comparable level of efficiency in the composition of solar cells, while the samples from Examples 10 and 11 did not have sufficient adhesion to the substrate, which also affected the measurement of the short circuit current for these samples.
  • the sample from Example 9 has a high level of series resistance and, as a result, low efficiency (Fig. 14-15).
  • the polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions contains a silver powder with an average particle size of D50 of 0.5-5.0 ⁇ m with a content of 80-95 wt.% in the composition of the paste, an organosilicon polymer additive that reduces the degree of surface tension of the paste and, thereby improving the screen printing process and the topology of the conductive contact and, as a result, reducing the linear resistance conductor, a structure-forming component based on a halogen-containing polymer, which makes it possible to reduce the resistivity of the conductor and increase its conductivity through the process of thermal catalytic sintering of silver particles.
  • This composition allows us to conclude that its composition is unique in comparison with existing analogues.
  • the conductive paste according to the present invention can be used in solar cells with a bake-in temperature below 210°C.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

A polymeric electrically conductive paste for solar cells with heterojunctions comprises silver powder, an organic binder and a functional additive. A halogen-containing polymer with a softening point below 200˚C is used as a structuring component, and a polymeric organosilicon compound with fewer than 3000 siloxane units is used as the functional additive, with the following ratio of components: 80-95 wt% silver powder, 4-18 wt% organic binder and 0.1-2.0 wt% functional additive. The silver powder can have a mean particle size D50 of 0.5-5.0 μm. The quantity of the structuring component included in the organic binder can constitute 5-10 wt%. The technical result is to increase the efficiency of the solar converter, decrease the degree of surface tension of the paste, improve the screen printing process and the topology of the conductive contact, decrease the linear and specific resistance of the conductor, and increase conductor conductivity.

Description

ПОЛИМЕРНАЯ ТОКОПРОВОДЯЩАЯ ПАСТА ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ POLYMERIC CONDUCTIVE PASTE FOR SOLAR CELLS WITH HETERJUNCTIONS
Область техники Technical field
Настоящее изобретение относится к толстопленочной микроэлектронике, а именно к материалам для изготовления электропроводящих контактных слоев методом трафаретной печати, и может быть использовано для формирования контактной сетки солнечных элементов. The present invention relates to thick-film microelectronics, namely to materials for the manufacture of electrically conductive contact layers by screen printing, and can be used to form a contact grid of solar cells.
Предшествующий уровень техники Prior Art
Полупроводниковые солнечные элементы изготавливаются из полупроводникового материала, например, кремния. Контакты на поверхности кремниевой подложки могут быть получены нанесением токопроводящей жидкой суспензии (далее пасты) методом трафаретной печати. Semiconductor solar cells are made from a semiconductor material such as silicon. Contacts on the surface of a silicon substrate can be obtained by applying a conductive liquid suspension (hereinafter paste) by screen printing.
Состав пасты включает в себя, как правило, проводящий компонент, представляющий собой мелкодисперсный металлический порошок, структурообразующий компонент, органический растворитель, функциональные добавки различного назначения для обеспечения заданных печатно-технических характеристик толстопленочного материала. The composition of the paste includes, as a rule, a conductive component, which is a finely dispersed metal powder, a structure-forming component, an organic solvent, and functional additives for various purposes to ensure the specified printing and technical characteristics of a thick-film material.
Одной из основных тенденций в производстве толстопленочных солнечных элементов в настоящее время является снижение ширины проводящей контактной сетки на основе токопроводящей пасты и, как следствие, повышение эффективности солнечного преобразователя за счет снижения величины линейного сопротивления проводника. Данный результат обеспечивается путем внедрения комплексного подхода при разработке состава токопроводящей пасты, а именно, использование мелкодисперсного металлического порошка с заданными гранулометрическими параметрами, обеспечивающими стабильные печатные характеристики пасты; растворителя или смеси растворителей, обеспечивающих требуемый уровень смачиваемости твердой фазы и подложки и, как следствие, относительной монодисперсности конечного продукта; полимерного компонента с заданным диапазоном молекулярной массы и присутствием функциональных групп; одной или нескольких функциональных добавок. One of the main trends in the production of thick-film solar cells at present is to reduce the width of the conductive contact grid based on conductive paste and, as a result, increase the efficiency of the solar converter by reducing the linear resistance of the conductor. This result is achieved by introducing an integrated approach in the development of the composition of the conductive paste, namely, the use finely dispersed metal powder with specified granulometric parameters that ensure stable printing characteristics of the paste; a solvent or a mixture of solvents that provide the required level of wettability of the solid phase and the substrate and, as a consequence, the relative monodispersity of the final product; a polymer component with a given range of molecular weight and the presence of functional groups; one or more functional additives.
Состав токопроводящей пасты может содержать следующие компоненты: The composition of the conductive paste may contain the following components:
(A) минимум один проводящий наполнитель, (A) at least one conductive filler,
(Б) структурообразующий компонент, (B) structure-forming component,
(B) минимум одна функциональная добавка. (B) at least one functional additive.
Термин «проводящий» означает свойство теплопроводности и/или электропроводности. The term "conductive" means the property of thermal conductivity and/or electrical conductivity.
В качестве проводящего наполнителя (А) применяется порошок серебра, платины, палладия, никеля, меди и/или различные композиции вышеуказанного. Форма частиц металлического порошка может быть сферической, чешуйчатой или смесь вышеуказанного. As the conductive filler (A), a powder of silver, platinum, palladium, nickel, copper and/or various compositions of the above is used. The particle shape of the metal powder may be spherical, flake, or a mixture of the above.
В качестве структурообразующего компонента (Б) применяется компонент на основе термореактивной и/или термопластичной смолы. Структурообразующим компонентом могут выступать полиэфирные смолы, фенольные смолы, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, полиакрилаты и различные композиции вышеуказанного. As a structure-forming component (B), a component based on a thermosetting and/or thermoplastic resin is used. The structure-forming component can be polyester resins, phenolic resins, phenol-formaldehyde resins, epoxy resins, polyacrylates and various compositions of the above.
В качестве функциональной добавки могут выступать диспергаторы, эмульгаторы, скользящие добавки, адгезионные добавки, тиксотропные добавки, пеногасители, реологические добавки и различные композиции вышеуказанного, обеспечивающие пасте требуемый комплекс печатнотехнических характеристик. As a functional additive, dispersants, emulsifiers, slip additives, adhesive additives, thixotropic additives, defoamers, rheological additives and various compositions can act. of the above, providing the paste with the required complex of printing technical characteristics.
Состав токопроводящей пасты также может содержать растворитель (Г). The composition of the conductive paste may also contain a solvent (D).
В качестве растворителей могут быть использованы гликоли, такие как монометиловый эфир диэтиленгликоля, моноэтиловый эфир диэтиленгликоля, монобутиловый эфир диэтиленгликоля, монометиловый эфир этиленгликоля, моноэтиловый эфир этиленгликоля, монобутиловый эфир этиленгликоля, монометиловый эфир пропиленгликоля и моноэтиловый эфир пропиленгликоля, сложные эфиры, такие как 2,2,4- триметил-1 ,3-пентандиолмоноизобутират, 2, 2, 4 -триметил- 1 ,3- пентандиолдиизобутират и тому подобное, кетоны, такие как циклогексанон и изофорон, терпинеол. Предпочтительнее использовать высококипящие растворители во избежание проблем, возникающих в процессе трафаретной печати и сушки. Предпочтительные высококипящие растворители включают ацетат моноэтилового эфира диэтиленгликоля, ацетат моно бутилового эфира диэтиленгликоля, монометиловый эфир трипропиленгликоля, моноизобутират 2 ,2 ,4 -триметил- 1 ,3 -пентандиола, терпинеол и тому подобное. As solvents, glycols such as diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether, esters such as 2,2 ,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanedioldiisobutyrate and the like, ketones such as cyclohexanone and isophorone, terpineol. It is preferable to use high boiling solvents to avoid problems during the screen printing and drying process. Preferred high boiling solvents include diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether acetate, tripropylene glycol monomethyl ether, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate, terpineol, and the like.
Токопроводящая паста получается путём смешивания с последующей гомогенизацией компонентов (А), (Б) и (В) в определённой пропорции при помощи смесителя, трёхвалковой пастотёрки, гиромиксера. A conductive paste is obtained by mixing and then homogenizing components (A), (B) and (C) in a certain proportion using a mixer, a three-roller, a gyromixer.
Краткое описание чертежей и иных материалов Brief description of drawings and other materials
На фиг. 1 представлено схематичное изображение участка лицевой поверхности солнечного элемента (СЭ) с частью токопроводящей контактной сетки в виде двух параллельных проводников, геометрические характеристики обозначены: L - длина проводника, h - высота проводника, d - ширина проводника. На фиг. 2 представлена зависимость абсолютной величины КПД от относительного сокращения ширины проводника d при неизменной площади сечения проводника Seen. In FIG. Figure 1 shows a schematic representation of a section of the front surface of a solar cell (SC) with a part of a conductive contact grid in the form of two parallel conductors, the geometric characteristics are indicated: L - conductor length, h - conductor height, d - conductor width. In FIG. 2 shows the dependence of the absolute value of the efficiency on the relative reduction in the width of the conductor d at a constant cross-sectional area of the conductor Seen.
На фиг. 3 представлена зависимость абсолютной величины КПД от относительного сокращения ширины проводника d при неизменной высоте проводника h. In FIG. 3 shows the dependence of the absolute value of the efficiency on the relative reduction in the conductor width d at a constant conductor height h.
На фиг. 4 представлен профиль распределения скоростей тонких слоёв металлизационной пасты в её объёме вдоль поперечного среза трафаретного открытия в случае турбулентного течения: а) при продавливании пасты; б) при разделении подложки и трафарета. In FIG. Figure 4 shows the distribution profile of the velocities of thin layers of metallization paste in its volume along the cross section of the screen opening in the case of turbulent flow: a) when the paste is punched; b) when separating the substrate and stencil.
На фиг. 5 представлен профиль распределения скоростей тонких слоёв металлизационной пасты в её объёме вдоль поперечного среза трафаретного открытия в случае ламинарного течения: а) при продавливании пасты; б) при разделении подложки и трафарета. In FIG. Figure 5 shows the distribution profile of the velocities of thin layers of metallization paste in its volume along the cross section of the stencil opening in the case of laminar flow: a) when the paste is punched through; b) when separating the substrate and stencil.
На фиг. 6 представлена топология проводников, изготовленных с применением трафаретов с различной шириной открытия: а - ширина открытия 60 мкм; б - ширина открытия 40 мкм. In FIG. Figure 6 shows the topology of conductors made using stencils with different opening widths: a - opening width 60 µm; b - opening width 40 µm.
На фиг. 7 представлена зависимость линейного сопротивления проводника Rline, [Ом/см], от ширины трафаретного открытия, [Ом]. In FIG. 7 shows the dependence of the linear resistance of the conductor Rline, [Ohm / cm], on the width of the stencil opening, [Ohm].
На фиг. 8 представлены кривые течения образцов металлизационных паст с различным характером взаимодействия с элементами оснастки для трафаретной печати: красным цветом выделен образец А, зелёным цветом - образец Б. In FIG. Figure 8 shows the flow curves of samples of metallization pastes with different nature of interaction with the elements of equipment for screen printing: sample A is highlighted in red, sample B is highlighted in green.
На фиг. 9 представлены фотографии проводниковых дорожек для образцов из Примеров 1-4. In FIG. 9 shows photographs of the traces for the samples from Examples 1-4.
На фиг. 10 представлены результаты измерений ширины дорожки для образцов из Примеров 5-7. На фиг. 11 представлены результаты измерений ВАХ для образцов из Примеров 5-7. In FIG. 10 shows the results of the track width measurements for the samples from Examples 5-7. In FIG. 11 shows the results of measurements of the CVC for the samples from Examples 5-7.
На фиг. 12 представлены микрофотографии среза СЭ с образцами из Примеров 8-12 после стадии сушки (а- 8, б - 9, в - 10, г -11, д -12) и после стадии впекания (al, 61, в1, г1, д1). In FIG. 12 shows micrographs of the SC section with samples from Examples 8-12 after the drying stage (a-8, b-9, c-10, d-11, e-12) and after the sintering stage (al, 61, c1, d1, e1 ).
На фиг. 13 представлены результаты измерений удельного сопротивления для образцов из Примеров 8-12 после стадии сушки (pl) и стадии впекания (р2). In FIG. 13 shows the resistivity measurements for the samples of Examples 8-12 after the drying step (pl) and the sintering step (p2).
На фиг. 14-15 представлены результаты измерений ВАХ для образцов из Примеров 8-12. In FIG. 14-15 show the results of measurements of the I-V characteristics for the samples from Examples 8-12.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Конструкция преобразователей солнечной энергии в электрическую (солнечных элементов СЭ, ФЭП) включает в себя один или несколько токопроводящих контактов. Для большинства типов современных СЭ (mono/multi/amorphous Si, OPV, thin-film) характерно размещение токопроводящих контактов на поверхности, поглощающей солнечное излучение (лицевая поверхность, лицевая сторона); при этом сбор и перенос носителей электрического заряда из области генерации во внешнюю электрическую цепь обеспечивается за счёт изготовления токопроводящего контакта в виде сетки из тонких параллельных проводников (фиг. 1). Такая конструкция получила наибольшее распространение, так как она обеспечивает значительное снижение издержек при массовом производстве СЭ несмотря на частичное затенение лицевой стороны расположенным на ней контактом. The design of solar-to-electrical energy converters (solar cells, solar cells, solar cells) includes one or more conductive contacts. Most types of modern solar cells (mono/multi/amorphous Si, OPV, thin-film) are characterized by the placement of conductive contacts on a surface that absorbs solar radiation (front surface, front side); in this case, the collection and transfer of electric charge carriers from the generation region to the external electric circuit is ensured by making a conductive contact in the form of a grid of thin parallel conductors (Fig. 1). This design is most widespread, since it provides a significant reduction in costs in the mass production of solar cells, despite the partial shading of the front side by the contact located on it.
С развитием технологии оптимизация геометрических размеров токопроводящего контакта становилась всё более значимым фактором роста коэффициента полезного действия СЭ (КПД). На фиг. 1 представлено схематичное изображение участка лицевой поверхности СЭ с частью токопроводящей контактной сетки в виде двух параллельных проводников. With the development of technology, the optimization of the geometric dimensions of the current-carrying contact has become an increasingly significant factor in the growth of the efficiency of the solar cell (COP). In FIG. 1 shows a schematic representation of a section of the front surface of the solar cell with a part of the conductive contact grid in the form of two parallel conductors.
Доля поверхности СЭ, незанятая контактным проводником, характеризуется эффективной площадью 8Эфф. Например, в случае СЭ с лицевой контактной сеткой, содержащей 5 басбарных шин и порядка 100 параллельных проводников, величина 8эфф составляет не менее 95 % от общей площади лицевой поверхности. Увеличение 8эфф способствует улучшению КПД солнечного элемента за счёт большего количества фотонов, поглощаемых лицевой поверхностью и, соответственно, большего количества генерируемых носителей заряда. Как следует из фиг. 1, увеличение 8Эфф возможно за счёт снижения ширины проводников d. При этом в зависимости от соотношения итоговой ширины d и высоты проводника h величина линейного электрического сопротивления проводника Rune изменяется в силу известного соотношения The fraction of the solar cell surface, unoccupied by the contact conductor, is characterized by an effective area of 8 E ff. For example, in the case of a solar cell with a front contact grid containing 5 busbars and about 100 parallel conductors, the value of 8 eff is at least 95% of the total front surface area. An increase in 8 eff helps to improve the efficiency of the solar cell due to a larger number of photons absorbed by the front surface and, accordingly, a larger number of generated charge carriers. As follows from FIG. 1, an increase in 8 E ff is possible by reducing the width of the conductors d. In this case, depending on the ratio of the final width d and the height of the conductor h, the value of the linear electrical resistance of the conductor Rune changes due to the well-known relation
Inline ~ Р " L / Sce4, (1) где р - удельное сопротивление материала проводника, [Ом см]; Inline ~ P " L / S ce4 , (1) where p is the specific resistance of the conductor material, [Ohm cm];
L - длина проводника, [см]; L - conductor length, [cm];
Sce4 ~ d h - площадь поперечного сечения проводника, [см2] . S ce4 ~ dh - cross-sectional area of the conductor, [cm 2 ] .
Параметр Riine, характеризующий контактный проводник, является одним из компонентов последовательного сопротивления солнечного элемента, и наряду с другими «паразитными» сопротивлениями оказывает негативное влияние на итоговое значение КПД. Достигнутый на сегодняшний день вклад ширины d в величину КПД при условии неизменной площади сечения проводника Sce4 и, соответственно, неизменном Rline, представлен на графике на рисунке 2, согласно которому снижение d на 5 % приводит к росту абсолютной величины КПД на 0.04 % за счёт описанного выше эффекта увеличения количества генерируемых носителей заряда. При снижении d условие сохранения величин Sce4 и, соответственно, Riine постоянными достигается за счёт пропорционального увеличения высоты проводника h. В случае, если при уменьшении d высота проводника h остаётся неизменной (или снижается), то вследствие увеличения Rline (согласно формуле 1) зависимость AEff(d) демонстрирует отрицательный тренд, полностью компенсируя эффект от повышенной генерации носителей (фиг. 3). Следовательно, при разработке и изготовлении высокоэффективных СЭ необходимо как можно точнее соблюдать баланс между величинами площади поперечного сечения и линейного сопротивления проводника Sce4 и Riine- Это обстоятельство накладывает серьёзные требования к стабильности и воспроизводимости метода изготовления токопроводящего контакта. The Riine parameter, which characterizes the contact conductor, is one of the components of the series resistance of the solar cell, and, along with other "parasitic" resistances, has a negative impact on the final efficiency value. The contribution of the width d to the efficiency value achieved to date, provided that the cross-sectional area of the conductor S ce4 is unchanged and, accordingly, R line is unchanged, is shown in the graph in Figure 2, according to which a decrease in d by 5% leads to an increase in the absolute value of the efficiency by 0.04% per due to the above-described effect of increasing the number of generated charge carriers. With a decrease in d, the condition for maintaining the values of S ce4 and, accordingly, Riine constant is achieved due to the proportional increasing the height of the conductor h. If, as d decreases, the conductor height h remains unchanged (or decreases), then due to an increase in R line (according to formula 1), the dependence AEff(d) shows a negative trend, fully compensating the effect of increased carrier generation (Fig. 3). Therefore, in the development and manufacture of high-performance solar cells, it is necessary to balance as accurately as possible between the values of the cross-sectional area and the linear resistance of the conductor S ce4 and Rii ne - This circumstance imposes serious requirements on the stability and reproducibility of the method of manufacturing a conductive contact.
В настоящее время трафаретная печать является наиболее распространённой технологией металлизации, как наиболее полно отвечающая критериям массового промышленного производства. В процессе трафаретной печати геометрические размеры проводника определяются шириной открытия (opening width) в эмульсионном слое трафарета. В ходе процесса металлизационная паста продавливается сквозь открытие трафарета за счёт приложенного со стороны эластичного ракеля давления, формируя таким образом проводник. В общем случае профиль распределения скоростей тонких слоёв пасты в её объёме вдоль поперечного среза трафаретного открытия имеет вид, схематично представленный на фиг. 4, при этом характер течения пасты вдоль стенок открытия является в значительной степени турбулентным. Турбулентность в данном контексте означает наличие сильно выраженных взаимодействий между стенкой открытия и непосредственно прилегающим к стенке тонким слоем пасты. Такое взаимодействие приводит к неравномерному распределению скоростей в объёме пасты как при её продавливании, так и при разделении подложки и трафарета, в результате чего на краях формируемого проводника образуются дефекты в виде брызг, капель и ореола; наличие таких дефектов приводит к значительной вариации локальных значений Sce4 проводника. Поэтапное сужение ширины открытия в ходе оптимизации геометрии токопроводящего контакта усиливает вклад турбулентного течения пасты в вариабельность процесса изготовления проводника. Для трафаретных открытий, ширина которых составляет 50 мкм и менее, предпочтительна металлизационная паста, характеризующаяся преимущественно ламинарным характером течения вблизи стенок открытия (фиг. 5). При ламинарном течении сила взаимодействия между стенкой открытия и прилегающим к ней тонким слоем пасты выражена заметно слабее; при этом тонкий слой пасты скользит вдоль стенки открытия, что приводит к сглаживанию профиля распределения скоростей. В результате дефекты в виде брызг, капель и ореола не образуются, форма проводника полнее воспроизводит форму трафаретного открытия, и проводник характеризуется стабильной и воспроизводимой площадью сечения Sce4. Currently, screen printing is the most common metallization technology, as it most fully meets the criteria for mass industrial production. In the screen printing process, the geometric dimensions of the conductor are determined by the opening width in the emulsion layer of the stencil. During the process, the metallization paste is pressed through the opening of the stencil due to the pressure applied from the side of the elastic squeegee, thus forming a conductor. In the general case, the velocity distribution profile of thin layers of paste in its volume along the cross section of the stencil opening has the form shown schematically in Fig. 4, while the nature of the flow of the paste along the walls of the opening is largely turbulent. Turbulence in this context means the presence of strong interactions between the wall of the opening and the thin layer of paste directly adjacent to the wall. Such an interaction leads to an uneven distribution of velocities in the volume of the paste, both when it is punched through and when the substrate and stencil are separated, as a result of which defects in the form of splashes, drops and halo; the presence of such defects leads to a significant variation in the local values S ce4 of the conductor. Stepwise narrowing of the opening width in the course of optimizing the geometry of the conductive contact enhances the contribution of the turbulent flow of the paste to the variability of the conductor manufacturing process. For stencil openings with a width of 50 μm or less, a metallization paste is preferred, which is characterized by a predominantly laminar flow near the opening walls (Fig. 5). In laminar flow, the force of interaction between the opening wall and the thin layer of paste adjacent to it is much less pronounced; in this case, a thin layer of paste slides along the opening wall, which leads to a smoothing of the velocity distribution profile. As a result, defects in the form of splashes, drops and halo are not formed, the shape of the conductor more fully reproduces the shape of the screen opening, and the conductor is characterized by a stable and reproducible cross-sectional area S ce4 .
Помимо взаимодействия между пастой и стенками открытия трафарета, влияющего на линейное сопротивление проводника Riine через локальные вариации площади его поперечного сечения Sce4, в процессе трафаретной печати на величину Rline проводника также оказывает влияние ряд технологических факторов. Основой конструкции наиболее распространённого вида оснастки для трафаретной печати - сетчатого трафарета - является сетка в виде переплетённых нитей, образующих строго регулярный массив ячеек фиксированного объёма. Поступление пасты в область открытия происходит непосредственно через ячейки, отделённые друг от друга на расстояние, равное толщине нити. В ходе оптимизации геометрических параметров токопроводящего контакта при сужении ширины открытия до 50 мкм и менее структура изготавливаемого проводника в значительной степени начинает воспроизводить периодическую структуру трафаретной сетки, как это видно на представленных ниже фотографиях. Здесь на фиг. 6. а показана фотография участка проводника, изготовленного с применением трафаретного открытия шириной 60 мкм. Данный проводник характеризуется выраженной линейной структурой, в то время как форма проводника, изготовленного с применением трафаретного открытия шириной 40 мкм (фиг. 6.6), не является линейной, а характеризуется чередованием локальных утолщений и сужений (перетяжек), что вносит дополнительный вклад в величину линейного сопротивления проводника Riine- Зависимость Rime проводника от ширины трафаретного открытия, применяемого при его изготовлении, показана на фиг. 7. Как следует из представленного графика, при снижении ширины открытия до величины менее 50 мкм соответствующее увеличение линейного сопротивления изготавливаемого проводника приобретает экспоненциальный характер. Для устранения эффекта образования локальных утолщений/сужений металлизационная паста должна характеризоваться свойством быстрого прохождения сквозь ячейки малого и сверхмалого объёма с последующим равномерным заполнением области трафаретного открытия, чему также способствует описанный выше механизм ламинарного течения. In addition to the interaction between the paste and the opening walls of the stencil, which affects the linear resistance of the conductor Ri ine through local variations in its cross-sectional area S ce4 , a number of technological factors also affect the R line value of the conductor during screen printing. The basis for the design of the most common type of equipment for screen printing - a mesh stencil - is a grid in the form of interlaced threads that form a strictly regular array of cells of a fixed volume. The paste enters the opening area directly through the cells separated from each other by a distance equal to the thickness of the thread. In the course of optimizing the geometric parameters of the current-carrying contact, when the opening width is narrowed to 50 μm or less, the structure of the manufactured conductor largely begins to reproduce the periodic structure of the stencil grid, as can be seen in the photographs below. Here in FIG. 6. a shows a photograph of a section of the conductor made using a stencil opening 60 µm wide. This conductor is characterized by a pronounced linear structure, while the shape of the conductor made using a screen opening 40 μm wide (Fig. 6.6) is not linear, but is characterized by alternating local thickenings and narrowings (constrictions), which makes an additional contribution to the linear conductor resistance Rii ne - The dependence of conductor Rime on the width of the stencil opening used in its manufacture is shown in FIG. 7. As follows from the presented graph, when the opening width is reduced to less than 50 µm, the corresponding increase in the linear resistance of the manufactured conductor becomes exponential. To eliminate the effect of the formation of local thickening/narrowing, the metallization paste should be characterized by the property of rapidly passing through cells of small and ultra-small volume, followed by uniform filling of the screen opening area, which is also facilitated by the laminar flow mechanism described above.
Металлизационная паста представляет собой жидкую высоконаполненную суспензию, в состав которой помимо электропроводящего наполнителя входят органические растворители и полимерные соединения различной пространственной структуры с широким диапазоном молекулярных масс. Для исследования свойств жидких систем, макроскопические свойства которых определяются силами межмолекулярного и межчастичного взаимодействия, широко применяют реологические методы. Качественное определение характера взаимодействия металлизационной пасты с элементами технологической оснастки для трафаретной печати возможно при помощи стандартного CR реометра. Построенные в координатах «скорость сдвига у [с'1] - напряжение сдвига т [Па]» кривые течения образцов металлизационных паст А и Б (фиг. 8) характеризуются участками линейного увеличения напряжения сдвига I, обусловленными постепенным разрушением в ходе испытания структурного каркаса из переплетённых полимерных цепочек в объёме образцов. Изменение наклона кривых после достижения скорости сдвига, равной 40 с'1, свидетельствует о завершении процесса распутывания полимерных молекул и их преимущественном ориентировании по направлению вращения ротора. Расположение участка II кривой течения образца А практически параллельно оси абсцисс указывает на слабо выраженную зависимость сдвигового напряжения от скорости сдвига после 40 с'1. На микроуровне это означает, что механическая энергия вращения ротора при дальнейшем увеличении скорости сдвига полностью переносится в непосредственно прилегающий к нему слой пасты за счёт сил межчастичного взаимодействия и рассеивается в объёме образца при соударениях частиц проводящего наполнителя. Таким образом, характер кривой течения образца А с параллельным оси абсцисс участком II позволяет судить о проявлении сильно выраженных взаимодействий данного образца металлизационной пасты с элементами конструкции реометра. В случае с образцом Б характер кривой течения, после 40 с'1 демонстрирующей отрицательный наклон, свидетельствует о наличии специфических взаимодействий, ответственных за ослабление реакции образца на прилагаемое со стороны ротора усилие по достижении некоторой пороговой величины скорости сдвига. На микроуровне этот эффект объясняется расслоением образца металлизационной пасты, при котором по мере дальнейшего увеличения скорости сдвига в тонком слое между пастой и поверхностью оснастки реометра происходит выделение прослойки полимерных молекул, выступающей в роли смазки. The metallization paste is a liquid highly filled suspension, which, in addition to the electrically conductive filler, includes organic solvents and polymer compounds of various spatial structures with a wide range of molecular weights. Rheological methods are widely used to study the properties of liquid systems whose macroscopic properties are determined by the forces of intermolecular and interparticle interaction. Qualitative determination of the nature of the interaction of the metallization paste with the elements of the technological screen printing tooling is possible with a standard CR rheometer. Constructed in the coordinates “shear rate y [c' 1 ] - shear stress t [Pa]”, the flow curves of samples of metallization pastes A and B (Fig. 8) are characterized by areas of a linear increase in shear stress I, due to the gradual destruction during testing of the structural frame made of intertwined polymer chains in the bulk of the samples. The change in the slope of the curves after reaching a shear rate of 40 s' 1 indicates the completion of the process of disentangling the polymer molecules and their predominant orientation in the direction of rotation of the rotor. The location of section II of the flow curve of sample A is practically parallel to the abscissa axis indicating a weakly pronounced dependence of the shear stress on the shear rate after 40 s' 1 . At the micro level, this means that the mechanical energy of the rotor rotation with a further increase in the shear rate is completely transferred to the paste layer immediately adjacent to it due to the forces of interparticle interaction and is dissipated in the sample volume during collisions of the particles of the conductive filler. Thus, the nature of the flow curve of sample A with section II parallel to the abscissa axis makes it possible to judge the manifestation of strongly pronounced interactions of this sample of metallization paste with the structural elements of the rheometer. In the case of sample B, the nature of the flow curve, which after 40 s' 1 demonstrates a negative slope, indicates the presence of specific interactions responsible for weakening the response of the sample to the force applied from the rotor after reaching a certain threshold value of the shear rate. At the micro level, this effect is explained by the delamination of the metallization paste sample, in which, as the shear rate increases further, in a thin layer between the paste and the tooling surface rheometer, a layer of polymer molecules is released, which acts as a lubricant.
Таким образом, металлизационная паста для высокоэффективных СЭ, пригодная для нанесения узких токопроводящих проводников со стабильной локальной Sce4 и низким Riine методом трафаретной печати, при измерении её реологических характеристик в координатах «скорость сдвига у [с'1] - напряжение сдвига т [Па]» характеризуется отрицательным наклоном кривой течения при превышении пороговой величины скорости сдвига, равной 40 с'1. Thus, a metallization paste for high-performance solar cells, suitable for applying narrow conductive conductors with stable local S ce4 and low Ri ine by screen printing, when measuring its rheological characteristics in the coordinates "shear rate y [s' 1 ] - shear stress t [Pa ]» is characterized by a negative slope of the flow curve when the threshold value of the shear rate equal to 40 s' 1 is exceeded.
Для осуществления описанного механизма проскальзывания, способствующего ламинарному течению металлизационной пасты вдоль элементов технологической оснастки в процессе трафаретной печати, в состав пасты вводятся функциональные добавки, в качестве которых могут выступать силоксаны. To implement the described slip mechanism, which contributes to the laminar flow of the metallization paste along the elements of technological equipment in the process of screen printing, functional additives are introduced into the paste, which can be siloxanes.
Известны заявки W02009035453 (опубл. 19.03.2009) и US20180163063 (опубл. 14.06.2018) на электропроводящую композицию с полисилоксаном в составе, где данный материал может выступать в роли одного из компонентов органического связующего наряду с другими термопластичными и термореактивными полимерами. Но в данных патентных заявках не раскрывается механизм, за счёт которого полисилоксан придаёт преимущества электропроводящим композициям на его основе. Applications W02009035453 (published on March 19, 2009) and US20180163063 (published on June 14, 2018) are known for an electrically conductive composition with polysiloxane in the composition, where this material can act as one of the components of an organic binder along with other thermoplastic and thermosetting polymers. But these patent applications do not disclose the mechanism by which the polysiloxane gives advantages to electrically conductive compositions based on it.
В составе электропроводящих материалов по заявкам US20030107026 (опубл. 12.06.2003) и СА2461011 (опубл. 03.04.2003), полиорганосилоксан является главным компонентом органического связующего, но при этом сами описываемые материалы не предназначены для изготовления электропроводящего контакта, аналогичному данному изобретению. Для минимизации удельного сопротивления необходимо использовать субмикронный порошок, он лучше спекается при низких температурах порядка 200°С. Но с уменьшением размера частиц возрастают силы, приводящие к агломерации из-за возрастания площади поверхности 8Бэт-In the composition of electrically conductive materials according to applications US20030107026 (published on June 12, 2003) and SA2461011 (published on April 3, 2003), polyorganosiloxane is the main component of the organic binder, but the described materials themselves are not intended for the manufacture of an electrically conductive contact similar to this invention. To minimize resistivity, it is necessary to use a submicron powder; it sinters better at low temperatures of the order of 200°C. But with a decrease in the particle size, the forces increase, leading to agglomeration due to an increase in the surface area of 8 B et-
При возрастании площади поверхности порошка 8Бэт активнее протекают процессы, приводящие к образованию оксидной пленки на поверхности частиц серебра и возрастает роль последующей поверхностной обработки порошки для предотвращения окисления и агломерации. With an increase in the surface area of the powder 8 Sbt , the processes leading to the formation of an oxide film on the surface of silver particles are more active and the role of subsequent surface treatment of the powders to prevent oxidation and agglomeration increases.
В качестве поверхностной обработки используют жирные кислоты с температурами кипения 350-400°С, которые также препятствует спеканию частиц порошка при температуре 200 °C (максимальная возможная температура процесса HJT) и тем самым повышают удельное сопротивление отожжённого проводника. As a surface treatment, fatty acids with boiling points of 350-400°C are used, which also prevent powder particles from sintering at a temperature of 200°C (the highest possible temperature of the HJT process) and thereby increase the resistivity of the annealed conductor.
При минимизации удельного сопротивления для более эффективного спекания частиц необходимо нахождение химических элементов, которые позволят очистить поверхность от окисла и остатков жирных кислот и химически активизируют поверхность снижая энергию слияния частиц. Данные химические вещества в процессе отжига должны легко выходить из слоя проводника и не нарушать структуру ITO. When minimizing the specific resistance for more efficient sintering of particles, it is necessary to find chemical elements that will clean the surface of oxide and fatty acid residues and chemically activate the surface by reducing the energy of particle fusion. These chemicals during the annealing process should easily leave the conductor layer and not disturb the ITO structure.
Техническим решением в данном случае возможно использование полимеров, стабилизированных галогенидами. А именно, галогенсодержащих полимеров с температурой размягчения ниже 200 °C. В частности, хлорсодержащих полимеров, в которых атом хлора обладает повышенной подвижностью. Известен хлорсодержащий полимер, температура плавления которого составляет 165-170°С, однако при нагревании свыше 35 °C в нем начинаются процессы деструкции, сопровождающиеся отщеплением атомарного хлора с последующим образованием хлористого водорода, вызывающим интенсивную деструкцию макроцепей. The technical solution in this case is the use of polymers stabilized by halides. Namely, halogen-containing polymers with a softening point below 200 °C. In particular, chlorine-containing polymers, in which the chlorine atom has increased mobility. A chlorine-containing polymer is known, the melting point of which is 165-170 ° C, however, when heated above 35 ° C, degradation processes begin in it, accompanied by the elimination of atomic chlorine, followed by the formation of hydrogen chloride, causing intense destruction of macrochains.
Задача настоящего изобретения сводится к обеспечению требуемых печатно-технических и термических характеристик пасты, отвечающих современным тенденциям в области «тонкой» печати. А именно, сохранение комплекса реологических свойств пасты при снижении ширины открытий трафарета за счет оптимального соотношения всех компонентов и путем введения добавок, обеспечивающих вышеописанный характер течения в процессе трафаретной печати. А также использование галогенсодержащих полимеров с низкой температурой начала разложения, обеспечивающих эффективное спекание порошка серебра уже на стадии сушки токопроводящих контактов. The objective of the present invention is to provide the required printing, technical and thermal characteristics of the paste, meeting the current trends in the field of "fine" printing. Namely, the preservation of the complex of rheological properties of the paste while reducing the width of the stencil openings due to the optimal ratio of all components and by introducing additives that provide the above-described flow pattern in the screen printing process. As well as the use of halogen-containing polymers with a low temperature of the onset of decomposition, which ensure efficient sintering of silver powder already at the stage of drying the conductive contacts.
Технический результат заключается в повышении эффективности солнечного преобразователя за счет снижения линейного сопротивления проводника посредством уменьшения ширины дорожки с одной стороны, и за счет снижения удельного сопротивления проводника путем более эффективного спекания мелкодисперсного порошка серебра с другой. The technical result consists in increasing the efficiency of the solar converter by reducing the linear resistance of the conductor by reducing the track width on the one hand, and by reducing the resistivity of the conductor by more efficient sintering of fine silver powder on the other.
Указанный технический результат достигается тем, что полимерная токопроводящая паста для солнечных элементов с гетеропереходами включает порошок серебра, органическое связующее, содержащее в составе растворителя структурообразующий компонент, и функциональную добавку, причем в составе в качестве структурообразующего компонента используется галогенсодержащий полимер с температурой размягчения ниже 200°С, а в качестве функциональной добавки используется полимерное кремнийорганическое соединение с числом силоксановых звеньев менее 3000, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: порошок серебра - 80-95; органическое связующее - 4-18; функциональная добавка - 0,1 -2,0. Порошок серебра может иметь средний размер частиц D50 0, 5-5,0 мкм. This technical result is achieved by the fact that the polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions includes silver powder, an organic binder containing a structure-forming component in the solvent composition, and a functional additive, and a halogen-containing polymer with a softening temperature below 200 ° C is used as a structure-forming component in the composition. , and as a functional additive, a polymeric organosilicon compound is used with the number of siloxane units less than 3000, in the following ratio of components, in wt.%: silver powder - 80-95; organic binder - 4-18; functional additive - 0.1 -2.0. The silver powder may have an average particle size D50 of 0.5-5.0 µm.
Количество структурообразующего компонента в составе органического связующего может составлять 5-10 мас.%. The amount of structure-forming component in the composition of the organic binder may be 5-10 wt.%.
Функциональная добавка может содержать дополнительные компоненты. The functional additive may contain additional components.
При измерении реологических характеристик токопроводящей пасты в координатах «скорость сдвига у [с-1] - напряжение сдвига т [Па]», кривая течения характеризуется отрицательным наклоном при превышении пороговой величины скорости сдвига, равной 40 с-1. When measuring the rheological characteristics of the conductive paste in the coordinates "shear rate y [s-1] - shear stress t [Pa]", the flow curve is characterized by a negative slope when the threshold shear rate of 40 s-1 is exceeded.
Токопроводящая паста включает в себя мелкодисперсный порошок серебра, структурообразующий компонент в растворителе, реологическую добавку, обеспечивающую оптимальную топологию печатной дорожки. Мелкодисперсный порошок серебра имеет средний размер частиц D50=0,5-5,0 мкм, предпочтительнее D50=l, 0-3,0 мкм. Содержание порошка серебра может варьироваться в пределах 80-95 мас.%, предпочтительнее содержание серебра 85-92 масс.%. Структурообразующий компонент может представлять собой поливалентную эпоксидную смолу с двумя или более эпоксидными группами в одной молекуле. Например, эпихлоргидрин и фенол новолак, крезол новолак, многоатомные фенолы, этиленгликоль и бисфенол А, гидрированный бисфенол А, бисфенол F, бисфенол AD, резорцин. Эти эпоксидные смолы могут использоваться по отдельности или в комбинации. В качестве реологической добавки может быть использован полиамид, а именно неполярный полиамид, модифицированный мочевиной; полеолефин, в частности, эмульсия полиэтилена с молекулярной массой 1000-3000; сложные эфиры жирных кислот, предпочтительнее с числом атомов углерода 26-30. Также в качестве добавки, улучшающей печатные свойства, могут быть использованы полимерные кремнийорганические соединения, предпочтительнее силиконовые жидкости с числом силоксановых звеньев менее 3000. Именно добавка из вышеуказанного ряда кремнийорганических соединений обеспечивает требуемый характер реологического поведения посредством снижения поверхностного натяжения на границе раздела паста-трафарет и придания пасте «скольжения» (снижения трения проводниковой пасты о стенки открытий трафарета), что в результате приводит к равномерному отпечатку пасты в процессе трафаретной печати без эффекта «отлипания», что особенно актуально для современной печати дорожек шириной до 30 микрон. Указанная реологическая добавка является по сути инертной, т.е. не оказывает существенного влияния на электрофизические и механические параметры солнечного преобразователя, но значительно улучшает процесс прохождения пасты через трафарет с минимизацией возможных возникающих дефектов. В качестве структурообразующего компонента предпочтительнее использовать галогенсодержащий полимер с низкой температурой деструкции, а именно хлорсодержащий полимер. Макромолекула данного типа полимера подвергается деструкции при относительно невысокой температуре, вследствие чего выделяется дополнительная энергия, способствующая термокатализу спекания частиц серебра в слое проводника и, как следствие, снижение уровня удельного сопротивления проводника. Таким образом, технический результат обеспечивается наличием двух ключевых факторов настоящего изобретения: реологической добавкой из ряда силоксанов и галогенсодержащим полимером с низкой температурой разложения. The conductive paste includes finely dispersed silver powder, a structure-forming component in a solvent, and a rheological additive that ensures the optimal topology of the printed track. The fine silver powder has an average particle size D50=0.5-5.0 µm, more preferably D50=l, 0-3.0 µm. The content of the silver powder can vary within the range of 80-95 wt.%, preferably the content of silver 85-92 wt.%. The builder may be a polyvalent epoxy resin with two or more epoxy groups per molecule. For example, epichlorohydrin and phenol novolak, cresol novolac, polyhydric phenols, ethylene glycol and bisphenol A, hydrogenated bisphenol A, bisphenol F, bisphenol AD, resorcinol. These epoxy resins can be used singly or in combination. As a rheological additive, a polyamide can be used, namely a non-polar polyamide modified with urea; a polyolefin, in particular an emulsion of polyethylene with a molecular weight of 1000-3000; esters of fatty acids, preferably with 26-30 carbon atoms. Also as additives that improve printing properties, polymeric organosilicon compounds can be used, preferably silicone fluids with a number of siloxane units of less than 3000. It is the additive from the above series of organosilicon compounds that provides the required rheological behavior by reducing the surface tension at the paste-stencil interface and giving the paste "slip ” (reducing the friction of the conductive paste on the walls of the stencil openings), which results in a uniform print of the paste during the screen printing process without the “sticking off” effect, which is especially important for modern printing of tracks up to 30 microns wide. Said rheological additive is essentially inert, i.e. does not significantly affect the electrophysical and mechanical parameters of the solar converter, but significantly improves the process of passing the paste through the stencil, minimizing possible defects. As the structure-forming component, it is preferable to use a halogen-containing polymer with a low degradation temperature, namely, a chlorine-containing polymer. A macromolecule of this type of polymer undergoes degradation at a relatively low temperature, as a result of which additional energy is released, which contributes to the thermal catalysis of the sintering of silver particles in the conductor layer and, as a result, a decrease in the resistivity level of the conductor. Thus, the technical result is provided by the presence of two key factors of the present invention: a rheological additive from a number of siloxanes and a halogen-containing polymer with a low decomposition temperature.
В настоящем изобретении используется мелкодисперсный порошок серебра, средний размер частиц которого составляет D50 0,5 - 5,0 мкм. Если средний размер частиц D50 порошка серебра превышает 5,0 мкм, то возникает тенденция к снижению динамической вязкости пасты, что, в свою очередь, приводит к ухудшению печатных свойств, растеканию дорожки проводника. В противном случае, при уменьшении среднего размера частиц D50 ниже 0,5 мкм, повышается динамическая вязкость, что также может привести к снижению качества печати из-за неравномерного распределения пасты, появлению разрывов в проводниковых дорожках. При снижении динамической вязкости путем уменьшения содержания полимера может возникнуть тенденция к ухудшению адгезионной прочности. In the present invention, fine silver powder is used, the average particle size of which is D50 0.5-5.0 µm. If the average particle size D50 of the silver powder exceeds 5.0 μm, then there is a tendency to reduce the dynamic viscosity of the paste, which, in turn, leads to a deterioration in printing properties, spreading of the conductor track. Otherwise, when the average particle size D50 decreases below 0.5 µm, dynamic viscosity increases, which can also lead to a decrease in print quality due to uneven distribution of the paste, the appearance of gaps in the conductor tracks. By reducing the dynamic viscosity by reducing the polymer content, there may be a tendency for the adhesive strength to deteriorate.
Органическое связующее содержит смесь высококипящих растворителей и структурообразующий компонент. В качестве структурообразующего компонента в данном изобретении используется галогенсодержащий термопластичный полимер с температурой размягчения ниже 200° С. Если содержание структурообразующего компонента превышает 10% от состава органического связующего, то повышается вязкость пасты и, соответственно, ухудшаются ее печатные характеристики. Помимо этого, при повышенном содержании структурообразующего компонента присутствует тенденция к повышению линейного сопротивления в составе солнечного элемента. При содержании структурообразующего компонента ниже 5% в составе органического связующего наблюдается ухудшение печатных свойств токопроводящей пасты вследствие потери пластичности. The organic binder contains a mixture of high-boiling solvents and a structure-forming component. As a structure-forming component in this invention, a halogen-containing thermoplastic polymer with a softening point below 200 ° C is used. If the content of the structure-forming component exceeds 10% of the composition of the organic binder, then the viscosity of the paste increases and, accordingly, its printing characteristics deteriorate. In addition, with an increased content of the structure-forming component, there is a tendency to increase the linear resistance in the composition of the solar cell. When the content of the structure-forming component is below 5% in the composition of the organic binder, there is a deterioration in the printing properties of the conductive paste due to the loss of plasticity.
Кроме того, токопроводящая паста, согласно настоящего изобретения, содержит функциональную реологическую добавку, обеспечивающую снижение поверхностного натяжения пасты и, тем самым, улучшающую прохождение пасты через трафарет в процессе печати с получением оптимальной топологии токопроводящих контактов. Указанная реологическая добавка относится к ряду полимерных кремнийорганических соединений с числом силоксановых звеньев менее 3000. В настоящем изобретении предпочтительно использование 0,1 -2,0% вышеуказанной добавки. При введении добавки в концентрации ниже 0,1% не обеспечиваются требуемые печатные характеристики. Превышение 2,0% силоксановой добавки приводит к повышению удельного сопротивления. In addition, the conductive paste according to the present invention contains a functional rheological additive that reduces the surface tension of the paste and thereby improves the passage of the paste through the stencil during printing to obtain an optimal topology of conductive contacts. Specified rheological additive refers to a series of polymeric organosilicon compounds with less than 3000 siloxane units. In the present invention, it is preferable to use 0.1-2.0% of the above additive. With the introduction of the additive at a concentration below 0.1%, the required printing characteristics are not provided. Exceeding 2.0% siloxane additive leads to an increase in resistivity.
Основная характеристика состава токопроводящей пасты, в соответствии с настоящим изобретением - использование в качестве структурообразующего компонента галогенсодержащего полимера, обеспечивающего эффективное спекание частиц серебра, приводящее к повышению проводимости токопроводящего слоя, и введение функциональной добавки на основе полимерных силоксановых органических соединений, улучшающей печатно-технические характеристики пасты. The main characteristic of the composition of the conductive paste, in accordance with the present invention, is the use of a halogen-containing polymer as a structure-forming component, which ensures efficient sintering of silver particles, leading to an increase in the conductivity of the conductive layer, and the introduction of a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds, which improves the printing and technical characteristics of the paste .
Оптимальность количественного состава пасты подтверждается тем, что при введении входящих в нее компонентов выше или ниже заявляемых пределов, не обеспечиваются требуемые эксплуатационные и реологические свойства. The optimal quantitative composition of the paste is confirmed by the fact that with the introduction of its components above or below the claimed limits, the required operational and rheological properties are not provided.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «новизна». The analysis of the prior art showed that the claimed set of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that the claimed technical solution complies with the condition of patentability "novelty".
Сравнительный анализ показал, что в уровне техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с признаками заявленного изобретения, а также не подтверждена известность влияния этих признаков на технический результат. Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень». Comparative analysis showed that the prior art did not identify solutions that have features that coincide with the features of the claimed invention, and the knowledge of the influence of these features on the technical result has not been confirmed. Thus, the declared technical the solution satisfies the patentability condition "inventive step".
Осуществление изобретения Implementation of the invention
Токопроводящую пасту готовят следующим образом. Взвешивают заданное количество всех вышеуказанных компонентов в емкости смесителя, перемешивают при помощи планетарного смесителя. Далее осуществляют гомогенизацию пасты посредством трехвалковой пастотерки до получения требуемой степени перетира. Conductive paste is prepared as follows. A predetermined amount of all the above components is weighed in the mixer tank, mixed using a planetary mixer. Next, the paste is homogenized by means of a three-roll pasto grater until the required degree of grinding is obtained.
Измерение степени перетира проводят при помощи гриндометра Хегмана. Прибор состоит из измерительной плиты с клинообразным пазом и скребка. Пробу пасты в количестве, достаточном, для заполнения всего паза, помещают за верхний предел шкалы. Скребок устанавливают перпендикулярно к измерительной поверхности и под углом 90° перемещают в течение нескольких секунд от максимального значения шкалы за нуль. The measurement of the degree of grinding is carried out using a Hegman grindometer. The device consists of a measuring plate with a wedge-shaped groove and a scraper. A sample of paste in an amount sufficient to fill the entire groove is placed beyond the upper limit of the scale. The scraper is set perpendicular to the measuring surface and moved at an angle of 90° within a few seconds from the maximum value of the scale to zero.
Динамическую вязкость измеряют на ротационном вискозиметре системы «плита-конус». Принцип действия основан на зависимости вращающего момента от вязкости, вызывающей сопротивление образца смещению. Dynamic viscosity is measured on a rotational viscometer of the "plate-cone" system. The principle of operation is based on the dependence of torque on viscosity, which causes the sample to resist displacement.
Пример 1 Example 1
Для приготовления токопроводящей пасты использовали: порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5 -5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%„ органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель, функциональную добавку А на основе раствора полиакрилата в количестве 0,1 -2,0 мас.%. For the preparation of a conductive paste, the following were used: silver powder, the average particle size of which is 0.5–5.0 μm, in an amount of 80–95 wt.%, organic binder, including a structure-forming component and a solvent, functional additive A based on a polyacrylate solution in an amount 0.1 -2.0 wt.%.
Пример 2 Example 2
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель, функциональную добавку В на основе полидиметилсилоксана, модифицированного полиэфиром в количестве 0,1 -2,0 мас.% To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive B based on polydimethylsiloxane modified with polyester in an amount of 0.1 -2.0 wt.%
Пример 3 Example 3
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель, функциональную добавку С на основе полидиметилсилоксана, модифицированного полиэфиром в количестве 0,1 -2,0 мас.% To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive C based on polydimethylsiloxane modified with polyester in amount of 0.1 -2.0 wt.%
Пример 4 Example 4
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель, функциональную добавку D на основе полидиметилсилоксана в количестве 0,1 -2,0 мас.%. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive D based on polydimethylsiloxane in an amount of 0, 1 -2.0 wt.%.
Исследование свойств вышеописанных образцов проводилось в составе солнечных элементов с гетеропереходами. Основой технологии «ШТ» является подложка из кристаллического кремния n-типа, на которую посредством плазмохимического осаждения из газовой фазы наносятся тонкие пленки аморфрного кремния с последующим формированием гетеропереходов, следующим этапом является нанесение пленки ITO, на которую печатаются токосъемные контакты с серебросодержащей пастой. The study of the properties of the above samples was carried out in the composition of solar cells with heterojunctions. The basis of the ST technology is an n-type crystalline silicon substrate, on which thin films of amorphous silicon are deposited by means of plasma-chemical vapor deposition, followed by the formation of heterojunctions, the next step is the deposition of an ITO film, on which current-collecting contacts with silver-containing paste are printed.
Токосъемные контакты с вышеуказанными образцами наносились на структуры методом трафаретной печати на полуавтоматическом принтере EKRA Е2. Сушка осуществлялась в установке конвейерной сушки «JRT» DT-040-Rk-X, впекание производилось в сушильном шкафу «Heraeus» D- 6450 при температуре 210°С в течение 15 минут. Измерение ширины проводниковых дорожек проводилось на микроскопе «Olympus». Измерение высоты проводниковых дорожек проводилось на микроскопе «Leitz» 512761-20 Current-collecting contacts with the above samples were applied to the structures by screen printing on an EKRA E2 semi-automatic printer. Drying was carried out in a conveyor dryer "JRT" DT-040-Rk-X, baking was carried out in a drying oven "Heraeus" D-6450 at a temperature of 210°C for 15 minutes. The width of the conductor tracks was measured using an Olympus microscope. The measurement of the height of the conductor tracks was carried out on a microscope "Leitz" 512761-20
Печатно-технические и электрофизические параметры полученных токопроводящих паст из примеров 1 -4 приведены в таблице 1. Printing-technical and electrophysical parameters of the obtained conductive pastes from examples 1-4 are shown in table 1.
Figure imgf000023_0001
Как видно из таблицы 1 , образцы токопроводящих паст из Примеров 1-4 имеют удовлетворительную степень перетира и динамическую вязкость, таким образом, обеспечиваются требуемые печатноэксплуатационные свойства. Кроме того, наблюдается прямая зависимость ширины проводниковой дорожки от условного коэффициента поверхностного натяжения. Таким образом, образец из Примера 4 с функциональной добавкой D на основе полидиметилсилоксана обладает наибольшим условным коэффициентом поверхностного натяжения, снижая тем самым степень трения пасты о стенки открытий трафарета и обеспечивая топологически наиболее оптимальную контактную сетку. Помимо этого, образец из Примера 4 имеет наиболее низкое значение линейного сопротивление, что подтверждает вышеописанную теоретическую часть.
Figure imgf000023_0001
As can be seen from table 1, samples of conductive pastes from Examples 1-4 have a satisfactory degree of grinding and dynamic viscosity, thus providing the required printing performance properties. In addition, there is a direct dependence of the width of the conductor track on the conditional coefficient of surface tension. Thus, the sample from Example 4 with a functional additive D based on polydimethylsiloxane has the highest conditional coefficient of surface tension, thereby reducing the degree of friction of the paste against the walls of the openings of the stencil and providing the topologically most optimal contact grid. In addition, the sample from Example 4 has the lowest value of line resistance, which confirms the above theoretical part.
На фиг. 9 представлены фотографии проводниковых дорожек из вышеописанных примеров. Отчетливо видно улучшение профиля токопроводящей дорожки, как со стороны снижения ее ширины, так и со стороны уменьшения краевых «клякс» (фиг. 9). In FIG. 9 shows photographs of the conductor tracks from the examples described above. The improvement in the profile of the conductive track is clearly visible, both from the side of reducing its width, and from the side of reducing the edge "blots" (Fig. 9).
Пример 5 Example 5
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent.
Пример 6 Example 6
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель, функциональную добавку на основе полимерных силоксановых органический соединений в количестве 0,25 мас.%. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds in the amount of 0.25 wt.%.
Пример 7 Example 7
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0, 5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент и растворитель, функциональную добавку на основе полимерных силоксановых органических соединений в количестве 0,50 мас.%. Исследование свойств образцов из Примеров 5-7 проводилось таким же образом, как и для образцов из Примеров 1-4. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component and a solvent, a functional additive based on polymeric siloxane organic compounds in an amount of 0.50 wt%. The study of the properties of the samples from Examples 5-7 was carried out in the same way as for the samples from Examples 1-4.
На фиг. 10 представлены результаты измерений ширины проводниковой дорожки для образцов из Примеров 5-7. In FIG. 10 shows the results of measurements of the width of the conductor track for the samples from Examples 5-7.
На фиг. 11 представлены результаты измерений вольт-амперных характеристик для образцов из Примеров 5-7. In FIG. 11 shows the results of measurements of current-voltage characteristics for samples from Examples 5-7.
Как видно из представленных результатов на фиг. 6 образец из Примера 5 без функциональной добавки имеет наиболее широкую токопроводящую дорожку. При увеличении содержания функциональной добавки наблюдается тенденция к снижению ширины дорожки (Пример 6 и Пример 7). Полученные результаты коррелируют с данными измерения ВАХ (фиг. 11). Введение функциональной добавки, снижающей растекание пасты, позволяет повысить ток короткого замыкания и снизить величину последовательного сопротивления в составе солнечных элементов. As can be seen from the results presented in Fig. 6, the sample from Example 5 without functional additive has the widest conductive path. With an increase in the content of functional additives, there is a tendency to reduce the width of the track (Example 6 and Example 7). The obtained results correlate with the measurement data of the CVC (Fig. 11). The introduction of a functional additive that reduces paste spreading makes it possible to increase the short circuit current and reduce the value of the series resistance in the composition of solar cells.
Пример 8 Example 8
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент на основе галогенсодержащего термопластичного полимера в количестве 5-10 мас.% от состава органического связующего и растворитель. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on a halogen-containing thermoplastic polymer in the amount of 5-10 wt.% of the composition of the organic binder and solvent.
Пример 9 Example 9
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5 -5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент на основе феноксисмолы в количестве 5 - 10 мас.% от состава органического связующего и растворитель. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on phenoxy resin in an amount of 5-10 wt.% of the composition organic binder and solvent.
Пример 10 Example 10
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент на основе акрилатной смолы в количестве 5-10 мас.% от состава органического связующего и растворитель. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on acrylate resin in an amount of 5-10 wt.% of composition of the organic binder and solvent.
Пример 11 Example 11
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент на основе эпоксидной смолы в количестве 5-10 мас.% от состава органического связующего и растворитель. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in an amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on epoxy resin in an amount of 5-10 wt.% of composition of the organic binder and solvent.
Пример 12 Example 12
Для приготовления токопроводящей пасты использовали порошок серебра, средний размер частиц которого составляет 0,5-5,0 мкм, в количестве 80-95 мас.%, органическое связующее, включающее структурообразующий компонент на основе галогенсодержащего термопластичного полимера в количестве 5-10 мас.% от состава органического связующего и растворитель. To prepare a conductive paste, silver powder was used, the average particle size of which is 0.5-5.0 μm, in the amount of 80-95 wt.%, an organic binder, including a structure-forming component based on a halogen-containing thermoplastic polymer in the amount of 5-10 wt.% of the composition of the organic binder and solvent.
Исследование свойств образцов из Примеров 8-12 проводилось таким же образом, как и для образцов из вышеперечисленных Примеров. The study of the properties of the samples from Examples 8-12 was carried out in the same way as for the samples from the above Examples.
Образцы из Примеров 8 и 12 на основе галогенсодержащих термопластичных полимеров имеют пониженное удельное сопротивление уже после стадии сушки (рис.13), что подтверждает теорию о каталитическом спекании частиц серебра посредством термодеструкции галогенсодержащего полимера при пониженной температуре. Данная теория также косвенно подтверждается представленными микрофотографиями (рис.12), на которых у образцов а) и г) (Пример 8 и 12 соответственно) наблюдается частичное спекание порошка серебра уже на стадии сушки. Samples from Examples 8 and 12 based on halogen-containing thermoplastic polymers have a reduced resistivity already after the drying stage (Fig. 13), which confirms the theory of catalytic sintering of silver particles through thermal degradation of the halogen-containing polymer at low temperature. This theory is also indirectly confirmed by the presented microphotographs (Fig. 12), in which samples a) and d) (Example 8 and 12, respectively) show partial sintering of silver powder already at the drying stage.
Образцы из Примеров 8, 10, 11, 12 показали сопоставимый уровень эффективности в составе солнечных элементов, при этом образцы из Примеров 10 и 11 не обладают достаточной адгезией к подложке, что отразилось также на результате измерения тока короткого замыкания для данных образцов. Образец из Примера 9 имеет высокий уровень последовательного сопротивления и, как следствие, низкую эффективность (фиг. 14-15). The samples from Examples 8, 10, 11, 12 showed a comparable level of efficiency in the composition of solar cells, while the samples from Examples 10 and 11 did not have sufficient adhesion to the substrate, which also affected the measurement of the short circuit current for these samples. The sample from Example 9 has a high level of series resistance and, as a result, low efficiency (Fig. 14-15).
Промышленная применимость Industrial Applicability
Полимерная токопроводящая паста для солнечных элементов с гетеропереходами согласно настоящего изобретения содержит порошок серебра со средним размером частиц D50 0,5 -5,0 мкм с содержанием в составе пасты 80-95 мас.%, полимерную кремнийорганическую добавку, снижающую степень поверхностного натяжения пасты и, тем самым, улучшающую процесс трафаретной печати и топологию токопроводящего контакта и, как следствие, снижающую линейное сопротивление проводника, структурообразующий компонент на основе галогенсодержащего полимера, позволяющий снизить удельное сопротивление проводника и повысить его проводимость посредством процесса термокаталитического спекания частиц серебра. Данная композиция позволяет сделать вывод об уникальности ее состава по сравнению с существующими аналогами. The polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions according to the present invention contains a silver powder with an average particle size of D50 of 0.5-5.0 μm with a content of 80-95 wt.% in the composition of the paste, an organosilicon polymer additive that reduces the degree of surface tension of the paste and, thereby improving the screen printing process and the topology of the conductive contact and, as a result, reducing the linear resistance conductor, a structure-forming component based on a halogen-containing polymer, which makes it possible to reduce the resistivity of the conductor and increase its conductivity through the process of thermal catalytic sintering of silver particles. This composition allows us to conclude that its composition is unique in comparison with existing analogues.
Токопроводящая паста согласно настоящего изобретения может быть использована в составе солнечных элементов с температурой впекания ниже 210°С. The conductive paste according to the present invention can be used in solar cells with a bake-in temperature below 210°C.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Полимерная токопроводящая паста для солнечных элементов с гетеропереходами, включающая порошок серебра, органическое связующее, содержащее в составе растворителя структурообразующий компонент, и функциональную добавку, причем в составе в качестве структурообразующего компонента используется галогенсодержащий полимер с температурой размягчения ниже 200°С, а в качестве функциональной добавки используется полимерное кремнийорганическое соединение с числом силоксановых звеньев менее 3000, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: 1. Polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions, including silver powder, an organic binder containing a structure-forming component in the solvent composition, and a functional additive, moreover, a halogen-containing polymer with a softening temperature below 200 ° C is used as a structure-forming component in the composition, and functional additive, a polymeric organosilicon compound is used with the number of siloxane units less than 3000, in the following ratio of components, in wt.%:
Порошок серебра - 80-95 Silver powder - 80-95
Органическое связующее - 4-18 Organic binder - 4-18
Функциональная добавка - 0,1 -2,0 Functional additive - 0.1 -2.0
2. Токопроводящая паста по п. 1, отличающаяся тем, что порошок серебра имеет средний размер частиц D50 0,5 -5,0 мкм. 2. Conductive paste according to claim 1, characterized in that the silver powder has an average particle size D50 of 0.5 -5.0 µm.
3. Токопроводящая паста по и. 1, отличающаяся тем, что количество структурообразующего компонента в составе органического связующего составляет 5-10 мас.%. 3. Conductive paste on and. 1, characterized in that the amount of the structure-forming component in the composition of the organic binder is 5-10 wt.%.
4. Токопроводящая паста по и. 1, отличающаяся тем, что функциональная добавка содержит дополнительные компоненты. 4. Conductive paste on and. 1, characterized in that the functional additive contains additional components.
5. Токопроводящая паста по и. 1, отличающаяся тем, что, при измерении её реологических характеристик в координатах «скорость сдвига у [с'1] - напряжение сдвига т [Па]», кривая течения характеризуется отрицательным наклоном при превышении пороговой величины скорости сдвига, равной 40 с'1. 5. Conductive paste on and. 1, characterized in that, when measuring its rheological characteristics in the coordinates "shear rate y [s' 1 ] - shear stress t [Pa]", the flow curve is characterized by a negative slope when the threshold value of the shear rate equal to 40 s' 1 is exceeded.
27 27
PCT/RU2021/050132 2020-10-06 2021-05-17 Polymeric electrically conductive paste for solar cells with heterojunctions WO2022075884A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202180068473.3A CN116325026A (en) 2020-10-06 2021-05-17 Polymer conductive paste for solar cell with heterojunction

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132861 2020-10-06
RU2020132861A RU2746270C1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022075884A1 true WO2022075884A1 (en) 2022-04-14

Family

ID=75521074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050132 WO2022075884A1 (en) 2020-10-06 2021-05-17 Polymeric electrically conductive paste for solar cells with heterojunctions

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN116325026A (en)
RU (1) RU2746270C1 (en)
WO (1) WO2022075884A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2082237C1 (en) * 1990-03-19 1997-06-20 Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся Compound
US20030107026A1 (en) * 2001-07-17 2003-06-12 Hironao Fujiki Conductive composition
WO2009035453A1 (en) * 2007-09-13 2009-03-19 Henkel Ag & Co. Kgaa Electrically conductive composition
RU2531519C1 (en) * 2013-05-27 2014-10-20 Закрытое акционерное общество "Монокристалл" ЗАО "Монокристалл" Aluminium paste for silicon solar cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2082237C1 (en) * 1990-03-19 1997-06-20 Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся Compound
US20030107026A1 (en) * 2001-07-17 2003-06-12 Hironao Fujiki Conductive composition
WO2009035453A1 (en) * 2007-09-13 2009-03-19 Henkel Ag & Co. Kgaa Electrically conductive composition
RU2531519C1 (en) * 2013-05-27 2014-10-20 Закрытое акционерное общество "Монокристалл" ЗАО "Монокристалл" Aluminium paste for silicon solar cells

Also Published As

Publication number Publication date
RU2746270C1 (en) 2021-04-12
CN116325026A (en) 2023-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1884960B1 (en) Conductive paste and wiring board using it
JP5934336B2 (en) High aspect ratio screen printable thick film paste composition containing wax thixotropic agent
Faddoul et al. Formulation and screen printing of water based conductive flake silver pastes onto green ceramic tapes for electronic applications
KR102117653B1 (en) Conductive paste and conductive film
CA2621788A1 (en) Conductive materials
EP2696352B1 (en) Silver paste composition for forming an electrode, and method for preparing same
JPWO2005015573A1 (en) Conductive paste
CN105008484A (en) Curable silicone compositions, electrically conductive silicone adhesives, methods of making and using same, and electrical devices containing same
Yu et al. Morphology, Electrical, and Rheological Properties of Silane‐Modified Silver Nanowire/Polymer Composites
KR101294593B1 (en) Electrical conductive adhesives and fabrication method therof
JP6235952B2 (en) Conductive paste
CN105225722A (en) A kind of crystal silicon solar batteries aluminium paste of high conduction performance
Tao et al. Novel isotropical conductive adhesives for electronic packaging application
RU2746270C1 (en) Polymer conductive paste for solar cells with heterojunctions
CN103748635A (en) Conductive particles, conductive material, and connection structure
KR20120004122A (en) Electrode paste and electrode using the same
CN1667380A (en) Organic PTC thermistor and production
WO2022231472A1 (en) Method of forming a current-collecting contact on the surface of heterojunction solar cells
JP7335671B1 (en) Conductive pastes, electrodes, electronic components and electronic equipment
KR102234142B1 (en) Metal ink
WO2024042872A1 (en) Conductive paste, electrode, electronic component, and electronic device
WO2024043328A1 (en) Electroconductive paste, electrode, electronic component, and electronic appliance
KR20220147611A (en) Conductive paste and conductive pattern using same
JP6540590B2 (en) Liquid conductive resin composition and electronic component
KR20210012134A (en) Nano silver paste with excellent dispersibility and reduced resistance

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21878100

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21878100

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1