薄膜光電池およびその他の用途に使用するためのはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性電極組成物

 

本発明は、(a)銀被覆銅導電性粉末と、(b)2つの異なった樹脂と有機溶剤とを含む有機媒体とを含むポリマー厚膜導電性組成物に関し、銀被覆銅導電性粉末の重量の、2つの異なった樹脂の全重量に対する比が5:1〜45:1である。本発明はさらに、組成物を使用して薄膜光電池上に電極格子および/または母線を形成する方法と、方法および組成物から形成される電池とに関する。

 

 

本発明は、薄膜光電地に使用するためのはんだ付け可能なポリマー厚膜(PTF)銀被覆銅導電性組成物に関する。一実施形態において、PTF銀組成物は、酸化インジウムスズなどの透明導電性酸化物(TCO)上でスクリーン印刷された格子/母線として使用される。
薄膜光(PV)電池は通常、非晶質シリコン、二セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)、またはテルル化カドミウムなどの光吸収半導体を特徴としている。この特徴から、薄膜光電池は従来の結晶シリコン系PV電池から区別される。薄膜は、結晶シリコン(c−シリコン)電池の30〜50ミクロンとは対照的に、薄膜電池にとって典型的である約2ミクロンの半導体の厚さを意味する。薄膜電池およびc−シリコンPV電池における別の相違点は、必要とされる温度制限である。薄膜内に使用される半導体および/または基材が高温に耐えることができないので、薄膜電池は200℃未満で加工されなければならない。従来のc−シリコンPV電池は、800℃までの温度で加工することができる。したがって、前面(太陽側の面)の電極格子/母線としてポリマー厚膜(PTF)導電性組成物を使用することが必要とされる。PTF組成物自体は、約200℃までしか安定していない。さらに、PTF組成物は通常、200〜260℃の温度において行われるはんだ付けには向いていない。さらに、全てではないが、現状のPTF電極組成物のほとんどは、はんだとよく馴染まず、はんだ付けした後に太陽電池への良好な接着性を有していない。
したがって、はんだ付けした後にも適度な接着性によって下部の基材に付着する、はんだ付け可能なPTF組成物を製造することが本発明の主な目的である。
本発明は、
(a)導電性銀被覆粉末と、
(b)2つの異なった樹脂と有機溶剤とを含む有機媒体と
を含むはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物に関し、導電性銀被覆銅粉末の重量の、2つの異なった樹脂の全重量に対する比が5:1〜45:1である。
一実施形態において、2つの異なった樹脂がフェノキシ樹脂およびフェノール樹脂である。
組成物の全重量に基づいて、銀被覆銅粉末は、はんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物の60〜93重量パーセントであり、2つの樹脂の全重量が2〜12重量パーセントであり、有機媒体が7〜40重量パーセントである。
全ての溶剤を除去するために必要な時間および温度で組成物を加工することができる。
本発明はさらに、組成物を使用して薄膜光電地上に電極格子および/または母線を形成する方法、ならびに方法および組成物から形成される電池に関する。
本発明は、薄膜光電地に使用するためのはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物に関する。電池の電気的効率を改良し且つはんだ付けによって電池への接続を形成するために典型的に使用される。はんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物の格子状パターンおよび/または母線を透明導電性酸化物の上に印刷することができる。
一般的に、厚膜組成物は、適切な電気的機能性を組成物に与える機能相を含む。機能相は、機能相のためのキャリアとして作用する有機媒体中に分散された電気的機能性粉末を含む。有機媒体は典型的に、ポリマー樹脂と有機溶剤とを含む。一般的に、組成物を焼成して有機化合物を焼尽し、電気的機能性を与える。しかしながら、ポリマー厚膜の場合、ポリマー樹脂は乾燥後に組成物の一体部分として残る。焼成する前に、加工要件は、乾燥、硬化、リフロー、および厚膜技術の当業者に公知であるその他の熱処理など、任意選択的である熱処理を含めてもよい。
本厚膜導電性組成物の主成分は、2つの異なったポリマー樹脂と溶剤とを含有する、有機媒体中に分散された導電性粉末である。
A.導電性粉末
当該厚膜組成物中の導電性粉末は銀被覆銅導電性粉末である。
銀被覆銅粉末は、約3ミクロンの平均粒度を有するフレーク状構造である。銀のパーセンテージは約10%である。好ましい銀被覆銅は、Ferro Inc.(Columbus,OH)から入手可能な銀被覆銅フレーク0204である。粒度は2〜4ミクロンである。
一実施形態において、銀被覆銅は、組成物の全重量の60〜93重量%で存在している。別の実施形態において、銀被覆銅は、組成物の全重量の75〜93重量%で存在している。さらに別の実施形態において、銀被覆銅は、組成物の全重量の85〜92重量%で存在している。
B.有機媒体
粉末は典型的に、機械混合によって有機媒体、すなわち有機ビヒクルと混合されて、印刷のための適した稠度およびレオロジーを有する「ペースト」と呼ばれるペースト状組成物を形成する。有機媒体は、2つの異なった樹脂および有機溶剤からなる。
有機媒体は、十分な安定度を有して固形分が分散し得る有機媒体でなければならない。媒体のレオロジー性質は、それらが組成物に良好な適用性を与えるものでなければならない。このような性質には、十分な安定度を有する固形分の分散、組成物の良好な適用、適切な粘度、チキソトロピー、基材および固形分の適切な湿潤性、良好な乾燥速度、および荒っぽい取扱いに耐える十分な乾燥膜強度などがある。
必要とされるポリマー樹脂には、フェノキシ樹脂、すなわち、ポリヒドロキシエーテル樹脂があり、この樹脂は銀被覆銅の高重量配合量を可能にし、ひいては酸化インジウムスズ(ITO)基材への良好な接着性と低い接触抵抗率との両方、薄膜光電地の導電性電極の2つの重要な特性を達成するのに役立つ。高温安定性のために、ひいてははんだ付けした後の接着性のために、この実施形態において必要とされる別のポリマー樹脂はフェノール樹脂である。一実施形態において、フェノキシ樹脂は、組成物の全重量の0.1〜5.0重量%である。別の実施形態において、フェノキシ樹脂は、組成物の全重量の0.2〜4.0重量%である。さらに別の実施形態において、フェノキシ樹脂は、組成物の全重量の2.0〜3.0重量%である。一実施形態において、フェノール樹脂は、全組成物の0.20〜1.0重量パーセントである。2つの樹脂の全重量は、組成物の全重量に基づいて0.3〜6重量パーセントである。
ポリマー厚膜組成物に使用するために適した溶剤は当業者によって認識され、アセテートおよびアルファ−もしくはベータ−テルピネオールなどのテルペン、またはそれらとケロシン、ジブチルフタレート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ヘキシレングリコール、高沸点アルコールおよびアルコールエステルなどの他の溶剤との混合物が挙げられる。一実施形態において、溶剤は、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート(カルビトールアセテート)およびブチルカルビトールからなる群から選択される1つまたは複数の成分である。さらに、基材上に適用した後で急速な硬化を促進するための揮発性液体が有機ビヒクル中に含有されてもよい。本発明の多くの実施形態において、グリコールエーテル、ケトン、エステルなどの溶剤および同様な沸点を有する(180℃〜250℃の範囲)その他の溶剤、ならびにそれらの混合物を用いてもよい。好ましい媒体は、グリコールエーテルおよびβ−テルピネオールをベースとしている。これらとその他の溶剤との様々な組み合わせを調合することで、所望の粘度および所望の揮発性の要件が得られる。
スクリーン印刷はポリマー厚膜導電性組成物の堆積のための一般的な方法であると思われるが、スクリーン印刷、ステンシル印刷、シリンジ分配または他の堆積またはコーティング技術などの他の慣例的な方法を利用してもよい。
一実施形態において、有機媒体は組成物の全重量の7〜40wt%で存在している。別の実施形態において、有機媒体は組成物の全重量の7〜25wt%で存在している。さらに別の実施形態において、有機媒体は組成物の全重量の8〜15wt%で存在している。
厚膜の適用
ポリマー厚膜導電性組成物または「ペースト」は典型的に、ガスおよび湿気に対して不透過性であるスパッタされたポリエステルなどの基材上に堆積される。基材は軟質材料のシートであってもよい。軟質材料はポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレートなどの不透過性プラスチック、もしくはプラスチックシートとその上に堆積された任意選択的である金属または誘電体層との組み合わせから構成された複合材料であってもよい。一実施形態において、基材は薄膜光電地の形態、すなわち、金属化された例えばステンレス鋼、ポリエステル、その次に、半導体層、例えばCIGS、その次に、薄いCdS層、その次に、スパッタされた酸化インジウムスズを有する堆積された層の形態であってもよい。はんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物を薄膜光電地の前面のITO上に堆積する。
ポリマー厚膜導電性組成物の堆積は好ましくはスクリーン印刷によって行われるが、ステンシル印刷、シリンジ分配またはコーティング技術などの他の堆積技術を利用することができる。スクリーン印刷の場合、スクリーン網目の大きさが、堆積された厚膜の厚さを制御する。
堆積された厚膜導電性組成物を乾燥させ、すなわち、溶剤を典型的に15〜30分間180℃において熱暴露によって蒸発させ、このように、乾燥された厚膜導電性組成物を前面に有する薄膜光電地を形成し、導電性金属被覆を提供する。この乾燥または硬化工程の後に、組成が典型的に62/36/2Sn/Pb/Agであるはんだリボンを、約270℃に加熱されたはんだごてで、印刷された導電性金属被覆に付着させる。
本発明は実用的な実施例を示すことによってさらに詳細に説明される。しかしながら、本発明の範囲はこの実用的な実施例に一切限定するものではない。
アルミナへの接着性はASTMテープ方法を用いて測定された。600銘柄テープをPTF導電性組成物の印刷/乾燥されたパターンに適用した。テープを連続して除去し、除去された導電性材料の量を1〜5の任意尺度に基づいて評価したが、5は材料が除去されないこと、すなわちすぐれた接着性を示す。
実施例1 比較実験AおよびB
PTF銀被覆銅電極ペーストを調製するために、銀被覆銅フレーク0204(Ferro Corp.(Columbus,OH)から得られた)を、ポリヒドロキシエーテル樹脂、すなわち、フェノキシ樹脂(Phenoxy Associates,Incから入手可能)およびフェノール樹脂(Georgia Pacificから入手可能)から構成される有機媒体と混合した。樹脂の分子量は約20,000であった。銀被覆銅を添加する前に、溶剤を用いて樹脂を完全に溶解した。溶剤はカルビトールアセテート(Eastman Chemicalから入手可能)であった。
実施例1のポリマー厚膜導電性組成物の組成は87.25重量%の銀被覆銅フレーク、10.78重量%の有機媒体、および1.97重量%の添加された有機溶剤であった。有機媒体は、2.45重量%のフェノキシ樹脂、0.39重量%のフェノール樹脂および7.94重量%の溶剤を含有した。全ての重量%は組成物の全重量に基づいていた。
この組成物を遊星形ミキサーで30分間混合した。次に、組成物を三本ロール練り機に移し、そこで100および200psiで二回の工程に供した。この時点において、組成物を用いて導電性格子パターンをアルミナ基材の上にスクリーン印刷した。280メッシュのステンレス鋼スクリーンを用いて、一連の線を印刷し、導電性ペーストを強制空気箱形炉内で30分間、170℃で乾燥させた。そして抵抗率が100mohm/sq/milとして測定された。62/36/2Sn/Pb/Agによるはんだ付けは、基材への良好な浸潤および良好な接着性をもたらした。
比較として、各々一つだけ樹脂を含有する2つの標準組成物を比較実験AおよびBにおいて使用した。比較実験Aにおいて使用された標準組成物は5μmの平均粒度および2〜12ミクロンの粒度の範囲を有する銀フレークと、ポリエステル樹脂ポリエステル樹脂(Shell Chemicalから入手可能)とを含有したが、実施例1において使用された2つの樹脂を含有していなかった。それは約20mohm/sq/milの抵抗率を示したが、はんだ付けした後に基材への不十分な接着性を有することが観察された。比較実験Bにおいて使用された標準組成物は、比較実験Aにおいて使用された同じ銀フレークと、実施例1において使用されたフェノキシ樹脂とを含有したが、実施例1において使用されたフェノール樹脂を含有していなかった。それは約15mohm/sq/milの抵抗率を示したが、はんだが付かず、基材への不十分な接着性を示した。
薄膜PV導電性組成物の基本性質である、実験1の導電性導体のはんだ付け適性および接着性の大きな改良によって、それをほとんどの用途において使用可能にし、PV電池の効率を改良する。結果の概要を表1に示す。




  1. (a)銀被覆銅導電性粉末と、
    (b)2つの異なった樹脂と有機溶剤とを含む有機媒体と
    を含むはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物であって、前記銀被覆銅導電性粉末の重量の、前記2つの異なった樹脂の全重量に対する比が5:1〜45:1である、はんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物。

  2. 前記銀被覆銅導電性粉末が銀被覆銅フレークであり、前記2つの異なった樹脂がフェノキシ樹脂およびフェノール樹脂である、請求項1に記載のはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物。

  3. 前記有機溶剤がジエチレングリコールエチルエーテルアセテートおよびブチルカルビトールからなる群から選択される1つまたは複数の成分を含む、請求項2に記載のはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物。

  4. 前記組成物の全重量に基づいて、前記銀被覆銅粉末が前記はんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物の60〜93重量パーセントであり、前記2つの樹脂の全重量が0.3〜6重量パーセントであり、前記有機媒体が7〜40重量パーセントである、請求項1に記載のはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物。

  5. 導電性格子を薄膜光電池上に形成する方法であって、
    (a)
    (i)銀被覆銅導電性粉末と、
    (ii)2つの異なった樹脂と有機溶剤とを含む有機媒体と
    を含むはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物であって、前記銀被覆銅導電性粉末の重量の、前記2つの異なった樹脂の全重量に対する比が5:1〜45:1であるはんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物を、前記薄膜光電池の前面に適用する工程と、
    (b)前記組成物を乾燥させる工程と
    を含む方法。

  6. 前記銀被覆銅導電性粉末が銀被覆銅フレークであり、前記2つの異なった樹脂がフェノキシ樹脂およびフェノール樹脂であり、前記有機溶剤がジエチレングリコールエチルエーテルアセテートおよびブチルカルビトールからなる群から選択される1つまたは複数の成分を含む、請求項6に記載の方法。

  7. 前記組成物の全重量に基づいて、前記銀被覆銅粉末が前記はんだ付け可能なポリマー厚膜導電性組成物の60〜93重量パーセントであり、前記2つの樹脂の全重量が0.3〜6重量パーセントであり、前記有機媒体が7〜40重量パーセントである、請求項6に記載の方法。

  8. 前記薄膜光電池の前記前面が酸化インジウムスズでスパッタされる、請求項6に記載の方法。

  9. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の乾燥された組成物を含む導電性格子線および/または母線を含む薄膜光電池。

  10. 請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法によって形成される薄膜光電池。

 

 

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