專利名稱：用于薄膜光伏電池的聚合物厚膜銀電極組合物的制作方法
用于薄膜光伏電池的聚合物厚膜銀電極組合物發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于薄膜光伏電池的聚合物厚膜(PTF)銀導(dǎo)體組合物。在一個(gè)實(shí)施方 案中，PTF銀組合物用作透明導(dǎo)電氧化物(TCO)(如氧化銦錫)頂部的絲網(wǎng)印刷柵。發(fā)明概述本發(fā)明涉及聚合物厚膜組合物，所述組合物包含(a)銀薄片；(b)有機(jī)介質(zhì)，所述 有機(jī)介質(zhì)包含(1)有機(jī)聚合物粘合劑；( 溶劑；和( 印刷助劑?？稍谝瞥腥軇┧?需的時(shí)間和溫度條件下加工組合物。銀薄片可占總組合物的76. 0至92. 0重量<%，苯氧基 樹脂可占總組合物的2. 0至6. 5重量％，有機(jī)介質(zhì)可占總組合物的8. 0至0重量％。本發(fā)明還涉及用此類組合物在薄膜光伏電池上形成電極柵的一種或多種方法以 及用此類方法和/或組合物形成的制品。發(fā)明詳述本發(fā)明描述了用于薄膜光伏(PV)電池的聚合物厚膜銀組合物。它通常用于提高 電池的電效率。在透明導(dǎo)電氧化物(TCO)頂部印刷銀格柵狀圖案。薄膜PV電池通常以吸 光半導(dǎo)體為特征，如非晶硅、銅銦鎵二硒化物(CIGS)、或碲化鎘。這使它們不同于傳統(tǒng)的基 于晶體硅的PV電池。薄膜是指薄膜電池的半導(dǎo)體厚度通常為2微米左右，而晶體硅的厚度 為30至50微米。薄膜與晶體硅PV電池之間的另一個(gè)不同之處是涉及的溫度限制。薄膜 電池必須在小于200°C下加工，因?yàn)楸∧る姵刂惺褂玫陌雽?dǎo)體和/或基板不能承受高溫。傳 統(tǒng)的晶體硅PV電池可以在最高800°C下加工。因此，需要用PTF銀組合物作為頂部電極柵， 因?yàn)镻TF組合物本身只有在最高大約200°C下才穩(wěn)定?！銇碇v，厚膜組合物包含賦予組合物適當(dāng)電功能性質(zhì)的功能相。功能相包含分 散在有機(jī)介質(zhì)中的電功能粉，所述有機(jī)介質(zhì)充當(dāng)用于功能相的載體。一般通過焙燒組合物 以燒盡有機(jī)物并賦予電功能性質(zhì)。然而，在使用聚合物厚膜的情況下，干燥后，有機(jī)物仍然 為組合物的整體部分。焙燒之前，加工要求可以包括任選的熱處理，如干燥、固化、回流以及 厚膜技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其他處理。“有機(jī)物”包含厚膜組合物的聚合物或樹脂組 分。厚膜導(dǎo)體組合物的主要組分為分散在有機(jī)介質(zhì)中的導(dǎo)電粉末，其中有機(jī)介質(zhì)包含 聚合物樹脂和溶劑。本文下面開始討論各個(gè)組分。A.導(dǎo)電粉末在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明厚膜組合物中的導(dǎo)電粉末為銀導(dǎo)體粉末，其可以包括 銀金屬粉末、銀合金金屬粉末或它們的混合物?？梢栽O(shè)想金屬粉末的多種粒徑和形狀。在 一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電粉末可以包括任何形狀的銀粉，包括球形顆粒、薄片(條、錐體、板)、 以及它們的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電粉末可以包括銀薄片。在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電粉末的粒度分布可為1至100微米；在另一個(gè)實(shí)施方案中 為2至10微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，銀顆粒的表面積/重量比可在0. 1至2. 0m2/g范圍內(nèi)。在另 一個(gè)實(shí)施方案中，銀顆粒的表面積/重量比可在0. 3至1. 0m2/g范圍內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，銀顆粒的表面積/重量比可在0. 4至0. 7m2/g范圍內(nèi)。此外，已知的是，可在銀導(dǎo)體組合物中添加少量其他金屬以提高導(dǎo)體的性能。此 類金屬的一些實(shí)例包括金、銀、銅、鎳、鋁、鉬、鈀、鉬、鎢、鉭、錫、銦、鑭、釓、硼、釕、鈷、鈦、釔、 銪、鎵、硫、鋅、硅、鎂、鋇、鈰、鍶、鉛、銻、導(dǎo)電性碳以及它們的組合，以及厚膜組合物領(lǐng)域中 的其他常見金屬。附加的金屬可占總組合物的最多約1.0重量％。在一個(gè)實(shí)施方案中，銀薄片可占組合物總重量的76-92重量％、77_88重量％、或 78-83 重量 ％。B.有機(jī)介質(zhì)通常將粉末與有機(jī)介質(zhì)(載體)進(jìn)行機(jī)械混合，以形成具有適于印刷的稠度和流 變性的糊狀組合物，稱為“漿料”。多種惰性液體可用作有機(jī)介質(zhì)。有機(jī)介質(zhì)必須使固體能 夠以適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性程度在其中分散。介質(zhì)的流變性質(zhì)必須使得他們賦予組合物良好的應(yīng)用 性能。此類性能包括具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性程度的固體分散、良好的組合物施涂、適當(dāng)?shù)恼扯取?觸變性、基底與固體適當(dāng)?shù)目蓾?rùn)濕性、良好的干燥速率、以及足以抵擋粗糙處理的干燥薄膜 強(qiáng)度。聚合物樹脂可包括苯氧基樹脂，其可允許承載大量的銀薄片，從而有助于獲得與 氧化銦錫基底良好的粘附性以及低接觸電阻率，這是薄膜光伏電池中的銀電極的兩個(gè)主要 性能。在一個(gè)實(shí)施方案中，苯氧基樹脂可占組合物總重量的2. 0-6. 5重量％、2. 2-5. 9重 量％、或2. 5-5. 7重量％。在一個(gè)實(shí)施方案中，苯氧基樹脂可占總組合物的1. 5-6重量％。適用于聚合物厚膜組合物的溶劑是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，包括乙酸酯和萜烯， 如α-或β-萜品醇，或它們與其他溶劑的混合物，如煤油、鄰苯二甲酸二丁酯、丁基卡必 醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸點(diǎn)醇以及醇酯。在一個(gè)實(shí)施方案中，溶劑可包含選自 下列的一種或多種組分二乙二醇乙醚乙酸酯(卡必醇乙酸酯)、二元酯和C-Il酮。此外， 在載體中可包含揮發(fā)性液體以促進(jìn)載體在涂覆到基底上之后快速硬化。在本發(fā)明的多個(gè)實(shí) 施方案中，溶劑可使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸點(diǎn)(在180°C至250°C范圍內(nèi))的其他 溶劑以及它們的混合物。優(yōu)選的介質(zhì)是基于乙二醇醚和β-萜品醇的。對(duì)這些溶劑和其他 溶劑的各種組合進(jìn)行配制以達(dá)到所需的粘度和揮發(fā)性要求。盡管絲網(wǎng)印刷預(yù)期是沉積聚合物厚膜銀的常用方法，但也可使用任何其他常規(guī)方 法，包括孔版印刷、注射式滴涂或者其他沉積或涂覆技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，有機(jī)介質(zhì)可占組合物總重量的8. 0至24. 0重量％、10. 0至 22. 0重量％、或12. 0至21. 0重量％。在一個(gè)實(shí)施方案中，銀與苯氧基樹脂的比率可介于13 1與35 1之間。在另 一個(gè)實(shí)施方案中，銀與苯氧基樹脂的比率可介于15 1與30 1之間。厚膜的涂覆通常將聚合物厚膜銀組合物(也稱為“漿料”)沉積在氣體和水分不可滲透的基 底上，如噴鍍的聚酯。基底也可以是柔性材料片，如不可滲透的塑料，如聚酯，例如聚對(duì)苯二 甲酸乙二醇酯，或者由塑料片與沉積在其上面的任選的金屬或介電層的組合構(gòu)成的復(fù)合材 料。在一個(gè)實(shí)施方案中，基底可以是多層的積聚，各層的順序?yàn)榻饘倩?不銹鋼)聚酯、半 導(dǎo)體層(例如CIGS)、薄CdS層，然后是噴鍍的氧化銦錫。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以用氧化 鋅代替氧化銦錫用作薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)。
優(yōu)選地通過絲網(wǎng)印刷進(jìn)行聚合物厚膜銀組合物的沉積，但也可使用其他沉積技 術(shù)，如孔版印刷、注射式滴涂或涂覆技術(shù)。在使用絲網(wǎng)印刷的情況下，篩網(wǎng)的目尺寸可控制 沉積的厚膜的厚度。通常通過在140°C下加熱10至15分鐘來干燥沉積的厚膜，從而形成薄膜太陽能電 池。將通過給出實(shí)際實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的討論。然而，本發(fā)明的范圍并不以 任何方式受到這些實(shí)際實(shí)施例的限制。實(shí)施例1通過將平均粒度為7μπι(范圍為2至15微米)的銀薄片與由得自Phenoxy Associates, Inc.的聚羥基醚樹脂(也稱為苯氧基樹脂)構(gòu)成的有機(jī)介質(zhì)混合來制備PTF 銀電極漿料。樹脂的分子量為大約20，000。在添加銀薄片之前用溶劑將苯氧基樹脂完全溶 解。溶劑為卡必醇乙酸酯(Eastman Chemical)。銀導(dǎo)體C的組成如下81. 55重量％ 薄片狀銀15. 53重量％ 有機(jī)介質(zhì)0重量％的苯氧基樹脂/77. 0重量％的溶劑)2. 92重量％ 卡必醇乙酸酯溶劑將該組合物放入行星式攪拌器中混合30分鐘。然后將該組合物轉(zhuǎn)移到三輥磨 上，以100和200磅/平方英寸的壓力研磨兩次。這時(shí)，在噴鍍氧化銦錫(80Ω/平方的 電阻率)的聚酯頂部用該組合物絲網(wǎng)印刷銀格柵圖案。用觀0目的不銹鋼篩網(wǎng)印刷一系 列的線條，然后在強(qiáng)制風(fēng)箱爐中將銀漿在150°C下干燥15分鐘。然后測(cè)得接觸電阻率為 2X10-3Qcm2。對(duì)比之下，無法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)組合物(如銀導(dǎo)體A)的接觸電阻率，因?yàn)樗cITO 的粘附性較差。另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(如銀導(dǎo)體B)的接觸電阻率為3X10-1 Ω cm2。銀導(dǎo)體C 在接觸電阻率(薄膜PV銀組合物的關(guān)鍵性能)方面的出乎意料的大幅提高使其能夠用于 大部分應(yīng)用并提高PV電池效率。匯總表如下所示表 權(quán)利要求
1.一種組合物，所述組合物包含(a)包含銀薄片的導(dǎo)電組合物，其中所述銀薄片占所述總組合物的76.0-92. 0重量％ ； 其分散于(b)有機(jī)介質(zhì)，所述有機(jī)介質(zhì)包含以下組分(i)苯氧基樹脂，其中所述苯氧基樹脂占 所述總組合物的2. 0-6. 5重量％，其溶解于(ii)有機(jī)溶劑中。
2.權(quán)利要求1的組合物，其中所述有機(jī)介質(zhì)占所述總組合物的8.0-24. 0重量％。
3.權(quán)利要求1的組合物，其中所述苯氧基樹脂占所述總組合物的2.2-5. 9重量％。
4.權(quán)利要求1的組合物，其中所述有機(jī)溶劑包含選自下列的一種或多種組分二乙二 醇乙醚乙酸酯(卡必醇乙酸酯)、二元酯和C-Il酮。
5.一種組合物，所述組合物包含(a)包含銀薄片的導(dǎo)電組合物；(b)包含以下組分的有機(jī)介質(zhì)(i)苯氧基樹脂，(ii)有機(jī)溶劑，其中銀與苯氧基樹脂 的比率介于13 1和；35 1之間。
6.一種在薄膜光伏電池上形成銀格柵的方法，所述方法包括以下步驟(a)將權(quán)利要求1所述的組合物施用到基底上，其中所述基底為噴鍍的聚酯；(b)干燥所述基底上的組合物。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述聚酯上噴鍍有氧化銦錫。
8.一種具有銀格柵線的薄膜光伏電池，所述銀格柵線包含權(quán)利要求1的組合物。
9.一種用權(quán)利要求6的方法形成的薄膜光伏電池。
10.權(quán)利要求6的方法，其中所述聚酯上噴鍍有氧化鋅。
全文摘要
本發(fā)明涉及聚合物厚膜銀組合物，所述組合物包含(a)導(dǎo)電銀薄片，(b)包含以下組分的有機(jī)介質(zhì)(1)苯氧基有機(jī)聚合物粘合劑，和(2)有機(jī)溶劑?？稍谧阋砸瞥腥軇┑臅r(shí)間和能量條件下加工所述組合物。本發(fā)明還涉及一種或多種在薄膜光伏電池頂部形成格柵的方法。
文檔編號(hào)C08L71/00GK102056973SQ200980122171
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者J·R·多爾夫曼 申請(qǐng)人:E.I.內(nèi)穆爾杜邦公司