室温稳定的导电1K环氧配制物的制作方法

本发明涉及导电的室温稳定的单组分(1k)环氧粘合剂组合物，其包含导电颗粒和选自硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氧化锌、氢氧化锌、二氧化钛、铁氧化物及它们的混合物的无机颗粒。导电粘合剂组合物可特别用于将太阳能电池一起连接在叠瓦状光伏模块中。

背景技术：

1、太阳能电池或光伏电池是通过光伏效应将光能直接转化为电能的电气设备。太阳能电池是光伏模块的组成部分，也被称为太阳能电池板。

2、如所附图1所示例说明，目前生产的大多数太阳能电池(1)由其上印刷有金属触点——汇流条(2)和指状物(3)——的晶体硅晶片组成，其用于收集由电池产生的电流。仅出于示例说明目的，图1a示出了具有三条汇流条(2)的基本太阳能电池配置，图1b示出了具有四条汇流条(2)的基本太阳能电池配置。

3、直线的、平行的和等间距的细指状物(3)的阵列覆盖每个单独的硅太阳能电池(1)的光接收表面的一小部分。这些指状线(finger line)(3)减小了对光电电流的电阻并提供了较低的电流损耗。此外，指状线(3)收集来自硅太阳能电池表面的电流，并通过汇流条(2)将其传输至互联带(tabbing ribbon)(5)(如所附图2所示)，所述汇流条是电流导线。汇流条(2)彼此平行地布置、等距地间隔并且与指状线(3)阵列正交。互联带(5)被焊接至汇流条的表面，并有助于将电流从连接的硅太阳能电池向前传输至另一个硅太阳能电池、蓄电池或太阳能逆变器。

4、汇流条(2)和指状线(3)常规上包含高温烧制糊状物或低温非烧制型糊状物——用于热敏太阳能电池例如异质结(hjt或hit)或串联(钙钛矿基)太阳能电池——并且通常通过一阶段或两阶段印刷工艺实现，所述印刷工艺在太阳能电池上并且沿着太阳能电池铺设这些金属触点：使用两个连续印刷阶段有助于分别为汇流条和指状线使用不同的材料，并且还反映了需要以比指状线更细的宽度印刷汇流条。当在两个连续阶段中印刷前侧格栅时，通常，首先印刷并干燥指状线(3)，并将汇流条(2)印刷在指状线上。虽然单个印刷步骤将导致汇流条和指状线的高度相似，但在两阶段印刷中，为了在指状线和汇流条之间具有确保的接触，并且由于两个图案之间可能的错位(missalignment)，因此两个图案之间需要重叠。在指状线和汇流条的重叠区域中，高度将不同于仅印刷有指状线或汇流条的区域中。

5、当带状物(5)通过焊接工艺被连接到汇流条(2)上时，这些带状物(5)因此被设置在汇流条之上，并且——在被设置于太阳能电池的前面的情况下——会导致阴影区域在太阳能电池上延伸：该阴影与由汇流条本身实际覆盖的太阳能电池的表面区域相伴随地导致光伏模块的效率降低。

6、与这样的太阳能电池结构相关的其它问题包括：由高电流通过小截面的带状物(5)所产生的电阻损失；带状物(5)和硅晶片的差热收缩，这可能会导致金属化和硅中的高应力；以及由焊接过程中的热和压力的局部效应引起的硅晶片中的应力和微裂纹，这阻碍了更薄晶片的开发。

7、由于这些问题，开发了新的太阳能模块概念，其利用新的互连技术和新的太阳能电池类型：例如，可以注意到无汇流条电池(busbarless cell)上的多线互连和与背接触电池的导电背板互连。然而，本发明更特别地关注使用导电粘合剂代替焊接以及串联连接的电池模块结构，尤其是关注叠瓦状电池模块结构。

8、在图3所示的叠瓦状电池模块结构中，呈现了太阳能条，其形状为矩形或大致矩形。长边的长度通常相当于标准太阳能晶片的边长(历史上为156mm，但目前高达210mm)，而短边的长度只有几厘米。这样的太阳能电池条(21)已被从标准尺寸的加工装置(例如，但不限于，156mm×156mm的装置)上切割下来或切块，在切割或切块过程期间应适当小心避免裂缝和类似的结构故障。电池沿长边缘具有汇流条或成排的焊盘，一个位于前面，一个位于后面。为了创建电池串，施用互连材料以将电池的后汇流条与下一个电池的前汇流条连接起来。电池彼此略微重叠，从而使得前汇流条被相邻电池的边缘区域覆盖，就像屋顶上的瓦片一样。假设：i)与常规模块相比，电池之间没有间隔；ii)由前汇流条遮蔽的电池区域被另一个电池的有效区域覆盖；以及iii)没有带状物覆盖电池的前表面以导致遮蔽，那么这种叠瓦状结构导致模块具有极高的有效面积(x)与总面积之比，从而原则上允许非常高的模块效率。

9、给定串中的相邻电池在太阳能电池的重叠部分(y)处被用导电材料(4)彼此粘合，该导电材料可以被以不同的图案沉积。作为将太阳能电池粘合在一起的材料的导电粘合剂(eca)具有这样的优点：该粘合剂克服了由于光伏组件中使用的不同材料之间的热膨胀系数(cte)不匹配而积累的机械应力。

10、导电粘合剂(eca)是高度填充的材料，其通常特征在于具有至少40重量％且偶尔大于60重量％或甚至80重量％的导电填料颗粒，这是确保多个逾渗通路并提供良好导电性和低接触电阻所需的。不幸的是，导电填料颗粒不能提供增强特性，也不能有助于材料内聚。结果，导电粘合剂的固有机械强度比不含填料的相同材料差得多。

11、需要聚合物基质提供足够的剪切强度是在选择合适的粘合剂时起决定作用的第一参数。剪切模量(g，mpa)是另一个决定因素：在叠瓦状互连中，太阳能电池的移动受到大得多的限制，电池之间的连接处必须允许在承受一些应力的同时通过变形进行一些移动。有机硅导电粘合剂常规上是柔性的(低g)，但通常具有较低的剪切强度。相反，环氧基导电粘合剂显示出高剪切强度，但往往会相当硬(高g)，这可能在向其施加外部应力时会导致光伏模块中的功率输出损失。

12、us2012/0177930a1(henckens)描述了一种尤其可用于太阳能电池和太阳能模块中的粘合剂，所述粘合剂包含：a)至少一种树脂组分，所述树脂组分包含i)至少一种氰酸酯组分和ii)至少一种环氧树脂；b)至少一种含氮的固化剂；c)至少一种在1013mbar下熔点低于300℃的金属填料；以及，d)任选存在的，至少一种不同于所述金属填料的导电填料。

13、us专利号10,000,671(theunissen等人)描述了一种可热固化粘合剂组合物，其尤其可用于太阳能电池和太阳能模块中，所述粘合剂包含：a)至少一种热固性树脂，其选自环氧树脂、苯并噁嗪树脂、丙烯酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚异丁烯树脂和/或它们的组合；b)平均颗粒尺寸为1μm至50μm的导电颗粒，其中基于可热固化粘合剂的总量，所述导电颗粒以80重量％至87重量％的量存在；以及，c)至少一种包含羧酸银与至少一种含伯胺或仲胺的配体的反应产物的银前体，其中所述银前体的分解温度低于所述至少一种热固性树脂的固化温度。

14、认识到，光伏模块在其整个寿命周期内会经受温度变化和高机械应力。在这些因素对光伏模块的寿命有负面影响的同时，它们也对用于将组成太阳能和/或光伏电池粘合在一起的导电粘合剂的热机械特性提出了要求：该粘合剂应克服由于光伏组件中使用的不同材料之间的热膨胀系数(cte)不匹配而积累的机械应力；并且，该粘合剂的聚合物基质理想地不应在模块的工作范围内经过其玻璃化转变温度(tg)以致于使其在强负温度(-10℃以下)下处于玻璃状、脆性状态。

15、除了所获得的经固化的粘合剂的特性之外，粘合剂的固化情况(profile)也非常重要。重要的是：粘合剂在室温下的保质期是可行的；固化时间在不会有害地影响电子部件和金属化特征的温度下是可行的；粘合剂在用于大批量制造的工业生产方法中是可施用的——优选可分配的或可印刷的——且可固化的；并且粘合剂从组成连接处的渗出可以忽略不计。

技术实现思路

1、本发明涉及一种导电单组分(1k)粘合剂组合物，其包含：

2、a)环氧树脂；

3、b)至少一种离子组分作为用于环氧均聚的催化剂；

4、c)导电颗粒；和，

5、d)选自硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氧化锌、氢氧化锌、二氧化钛、铁氧化物及它们的混合物的无机颗粒。

6、该组合物的特征在于在室温下是稳定的。

7、在一个实施方案中，基于组合物的重量，导电单组分(1k)粘合剂组合物包含：

8、20重量％至55重量％、优选25重量％至40重量％的a)所述环氧树脂；

9、0.5重量％至5重量％、优选0.6重量％至4重量％的b)所述至少一种离子组分；

10、40重量％至75重量％、优选45重量％至70重量％的c)所述导电颗粒；和

11、0.5重量％至10重量％、优选1重量％至8重量％的d)所述选自硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化铝、氧化锌、氢氧化锌、二氧化钛、铁氧化物及它们的混合物的无机颗粒。

12、所述环氧树脂优选选自：脂肪族环氧树脂；脂环族环氧树脂；环氧酚醛树脂；双酚-a-环氧树脂；双酚-f-环氧树脂；双酚-a环氧氯丙烷基环氧树脂；聚环氧化物；聚醚多元醇与环氧氯丙烷的反应产物；环氧有机硅共聚物；及它们的混合物。例如，所述环氧树脂可以选自双酚-a环氧氯丙烷基环氧树脂、脂肪族环氧树脂及它们的混合物。

13、所述离子组分b)优选由弱配位阴离子和选自以下的阳离子的至少一种盐组成：铵；吡啶鎓；咪唑鎓；胍鎓；噁唑鎓；噻唑鎓；碘鎓；硫鎓；和磷鎓。根据该术语的标准含义，当阴离子的电荷在整个阴离子表面上离域而不是在特定原子上定域时，该阴离子是弱配位的。

14、不意欲受理论的约束，部分d)所述特定无机颗粒——均匀分散在环氧树脂中——的存在用于在室温下抑制环氧树脂的聚合，该聚合原本会由离子组分b)引发。环氧树脂本身提供低离子强度介质。在该介质中，在室温下，离子组分聚集在存在的所选无机颗粒的亥姆霍兹(helmholtz)层中。因此，离子组分b)的阳离子-阴离子对在该层内保持紧密接近，从而降低了对介质中存在的其它路易斯碱的阳离子活性。

15、当组合物的温度升高时，组合物内增加的颗粒扩散被认为减弱了催化剂b)在引入的颗粒d)周围的这种配位。鉴于催化剂不会因这种稳定化而在分子水平上发生变化，因此固化行为——如起始温度——不会受到影响。

16、根据本发明的另一个方面，提供了如本文中以上和所附权利要求中所限定的导电组合物的固化产物。

17、本发明包括根据本发明的导电组合物或者固化产物用于太阳能电池上和/或光伏模块中的用途，优选用作互连材料以将太阳能电池连接成光伏模块的用途。

18、本发明还包括一种光伏模块，其包括：两个或更多个太阳能电池的呈在所述两个或更多个太阳能电池之间具有导电粘合的叠瓦图案的串联连接串，其中所述导电粘合用上文以及所附权利要求中所限定的导电组合物形成；或者两个或更多个太阳能电池的呈具有连接所述两个或更多个太阳能电池的导电带的图案的串联连接串，其中将所述导电带用上文以及所附权利要求中所限定的导电组合物粘合至所述电池。