专利名称：太阳能电池集流条与太阳能电池主栅的连接以及由此制得的太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及粘合剂用于连接太阳能电池集流条(tab)到太阳能电池主栅 (busbar)的用途，使粘合剂在定向排列步骤中导电，并涉及由此制得的太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池的表面电极、太阳能电池集流条之间的互连经常通过焊接形成，但是越来越要求用替代方法取代它。这一趋势是由于技术和经济因素及环境因素的驱动。焊接法有以下问题。首先，焊接要求用诸如铅的重金属，而重金属有毒性并且在处理电池时要求昂贵的手段。其次，为了降低材料成本，有减小太阳能电池厚度的趋势。然而， 更薄的层受焊接引起的裂纹的困扰。第三，焊接可能引起连接材料的氧化。克服焊接的缺点有两种可能的新方法。超声波焊接是一种选择，其中局部声振动可产生无铅的固体焊接，另一种选择是使用导电粘合剂。焊接过程中在高温下施用焊剂。当表面冷却时固化的焊剂会造成横跨表面的应力。这对太阳能电池会有有害的影响，因为残余应力会促进表面破裂和翘曲。当生产的太阳能电池越来越薄以减少材料用量和降低成本时，这日益成为问题。因此，导电粘合剂是代替目前使用的焊剂的特别令人感兴趣的技术。在文献WO 2008026356中描述了太阳能电池电极和线元件之间通过导电粘合薄膜的电连接，所述导电粘合薄膜包括至少9 %的橡胶，并且含有直径为薄膜厚度1. 33 0. 06%的导电颗粒，且导电颗粒的体积为总体积的1. 7 15. 6体积％，优选2 12或3 8体积％，以产生能克服电极表面粗糙度影响的含联结导电颗粒的粘合层。提出了用于太阳能电池板生产的导电粘合剂包括相对较高比例(fraction)的诸如银的导电颗粒(> 1.7体积％)，以保证所得薄膜的导电率。这造成了问题，因为高量的导电颗粒削弱了粘合剂的机械性能，并且增加了材料成本。已知的导电粘合剂为导电填料(例如银或碳)与聚合物基体的各向同性的混合物。因此，为了形成宏观尺寸的导电路径，导电颗粒的装填量必须高到足以使颗粒能互相接触而形成这些路径。反映这一导电机理的颗粒填充就是所知的渗滤(percolation)模型。 能发生渗滤的最低颗粒比例表示为渗滤阈值。对于各种球形或主要为三维的颗粒，阈值理论上为1 17体积％，但在实践中，下限通常不足以保证导电性。上述的一个例外是改性CNT，其渗滤阈值可以低至0. 1体积％，原因在于其高度各向异性的棒状形状使其极大地偏离了三维的颗粒。然而，这类CNT的缺点是它们难以以工业规模生产。在 Schwarz 等的 Polymer 43，3079，2002“Alternating electric field induced agglomeration of carbon black filled resins”中，观察到在浸入树脂的铜电极之间施加400V/cm的场时，低于零场渗滤阈值的炭黑(CB)填充树脂如何可以形成CB网络。US 20090038832描述了由分散在可固化聚合物基体中的碳纳米管形成具有所要求电阻的电路径的方法。电极布置成与分散体接触，以介电泳信号形式的电能在8V、lMHz 下施加到电极间隙，并且监测电阻，直到达到所要求的电阻。燃烧掉可能是碳纳米管混合物一部分的金属纳米管，再在沉积后施加电流，可以实现纯的半导电连接。固化聚合物基体， 以固定装置。该说明仅限于碳纳米管，并且使用于处理微电子和电路板中的问题。微电子电路板中的电极-电极接触是点状的或者几乎是点状的，因此仅能在CNT连接中覆盖小的体积和低电流的通道。碳纳米管难以以工业规模生产并且昂贵，所以涉及大体积的应用目前并不现实。此外，CNT难以和聚合物混合而形成高质量的分散体。
发明内容
太阳能电池通常具有表面电极、集流条，其印刷在至少一个或多个单晶、多晶或无定形材料的基底上。太阳能电池主栅应该连接到在太阳能电池之间连接用集流条。导电粘合剂层可以用于所述连接。太阳电池模件中的太阳能电池集流条和主栅之间的互连覆盖大的面积。用于互连的粘合剂必须实现太阳能电池集流条和主栅之间好的机械结合和导电性。如果粘合剂能由工业规模可得到的常规材料制得，那将是一个优点。本发明涉及由包括低浓度导电颗粒的粘合剂形成的太阳能电池集流条和主栅之间的互连。导电颗粒可以是不熔的颗粒，如碳颗粒、金属颗粒或金属氧化物颗粒。当粘合剂位于太阳能电池集流条和主栅之间时，通过在粘合剂上施加电场，可使粘合剂导电。然后使粘合剂稳定。施加电场以及接着的稳定化处理所形成的各向异性粘合剂导电薄膜使粘合剂在较低导电颗粒浓度时就具有导电性能，而各向同性导的电粘合剂则要在较高的导电颗粒浓度下才能够有导电性。较低的导电颗粒浓度使粘合剂有改善的机械性能，而施加电场时发生的导电颗粒的定向排列可保证太阳能电池集流条和主栅之间的粘合剂薄膜有导电性。对粘合剂基体组分没有具体限制。所述粘合剂为基体与导电颗粒的混合物。可用传统方法进行混合。低浓度的导电颗粒可使粘合剂有良好的贮藏性能，因此使粘合剂能在工业环境中容易处理。所述基体可以是任何类型的粘合剂聚合物体系，其可以含有一种或几种组分。粘合剂在定向排列步骤后稳定到高于第一粘度的第二粘度，以便使粘合剂在机械上稳定，并能支撑定向排列的导电颗粒。尤其是，基体可以是热固性聚合物体系，也就是说基体原来是流体的，但是可以通过交联固化。它也可以是热塑性聚合物体系，也就是说聚合物在较低的温度下是固态或粘稠的，但通过提高温度可以可逆地熔融或塑化。它还可以是溶致的聚合物体系，也就是说基体可以通过溶剂塑化，并且可以通过蒸发掉该溶剂固化。它还可以是这些体系的任何组合。例如，热固性聚合物体系可以含有用来将其塑化的溶剂，但是稳定化可以主要基于交联，其次才基于溶剂蒸发。导电颗粒的主要部分有低的纵横比，类似球形炭黑或盘状或锥状碳颗粒。纵横比为1-4，或1-5，1-10，1-20或1-100是典型的，S卩比例为1 N，其中N大于或等于4，并且可高达100或更高。导电颗粒可以是不同碳颗粒的混合物。可以使用其它的导电颗粒，如银、 金或金属氧化物颗粒。
炭黑和碳纳米盘与碳纳米锥及金属或金属氧化物颗粒可以工业规模地生产，因此可以用于涉及大的体积的应用。基体中导电颗粒的浓度可以保持低，而不会对导电率有不利的影响。从大约渗滤阈值直至低于十倍的浓度可以在定向排列步骤之后产生良好的导电率。可以使用0. 2 10 体积％或0. 2 2体积％或0. 2 1. 5体积％的导电颗粒浓度。粘合剂的涂敷可以通过传统的印刷或注射技术实施，这使得能够以有成本效益的方式将粘合剂涂敷到大的表面上。涂敷过程中粘合剂有第一粘度，第一粘度应足够低，从而使导电颗粒在随后的定向排列步骤过程中可以移动。电场可以为约0. 05 10kV/cm，或约0. 05 5kV/cm或0. 1 lkV/cm。也就是说对于ΙΟμπι Imm的典型定向排列距离，施加的电压可以为0. 05 1000V，通常为5 IOOV0电场典型地为交流(AC)场，其频率典型地为IOHz IOkHz。也可以使用直流(DC) 电场。定向排列导电颗粒所要求的电压水平低，使该方法在生产线中易于处理，处理高电压时不要求有必须的特殊安排。电场方向垂直于太阳能电池集流条和主栅的表面，定向排列导电颗粒形成的电连接沿电场方向构成数个导电路径，由此连接太阳能电池集流条和主栅。可以在用本发明粘合剂的层压过程中施加电场，可用于背侧(backside)接触太阳能电池和标准的太阳能电池。一旦太阳能电池放置在含封装箔片的玻璃中，其典型地为 EVA(乙烯醋酸乙烯酯聚合物)和背板，就在层压机中施加外部电场。如果导电路径变得有缺陷或者在第一步骤中没有适当定向，还可以修复定向导电颗粒路径，在基体的稳定化步骤还没有进行或者如果稳定化步骤是可逆的情况下，可以再次进行定向排列步骤。这有以下优点，即对于连接路径制备中的现有薄膜，不要求重新开始所述方法。稳定化步骤可以是，例如热固性聚合物的固化。附图清单图IA-B所示为分散在粘合剂中并通过电场定向排列的0. 2体积％的CNC颗粒的组合体的光学显微图。图IC所示为连接电极(a)和含定向路径(b)的粘合剂的应用的几何结构。图2A-F举例说明了太阳能电池电极通过定向颗粒导电粘合剂的连接。图3绘出了分散在粘合剂中的0. 2体积％的CNC颗粒的DC导电率与定向排列时间的关系曲线图。实线是示意性曲线(guide to eye)。图4A-E以示意性的流程线示出了太阳能电池电极通过定向颗粒导电粘合剂的连接。图5所示为说明修复划痕的光学显微图。图6举例说明了该方法如何可以组合到拾取放置装置中。
具体实施例方式以下通过附图和实施例对本发明进行更详细说明。附图和实施例的目的是说明本发明，然而应当理解，其没有任何限制公开内容范围的意图。实施例1该实施例涉及导电颗粒和聚合物基体混合物的制备，所述聚合物基体在本实施例中为热固化聚合物粘合剂；还涉及作为颗粒装填量的函数的导电率的测定；以及导电率随着颗粒装填量增加而逐步增加的原因可以解释为随着颗粒比例的增加而形成接触点时，在颗粒之间形成了导电路径。进一步，该实施例涉及当颗粒装填量比观察到的渗滤阈值低、例如低10倍时所述混合物的制备，所述渗滤阈值为各向同性的非定向混合物不具导电性时的极限；并且涉及该混合物使用电场的定向排列，这样定向颗粒形成导电路径，从而得到导电材料，例如低于非定向材料的渗滤阈值，所述导电材料的导电率是方向性的。更进一步，该实施例所示为改变这样得到材料的粘度，例如通过固化，由此可保持在定向排列步骤中得到的定向排列和方向性导电率。所使用的导电颗粒为Alfa Aesar的炭黑、η-Tec AS(挪威)的碳锥(CNC)和 Sigma-Aldrich 的氧化铁(Fe0_Fe203)。所使用的聚合物基体为由含低粘度环氧树脂的阿拉代胶Araldite AY105-1 (Huntsman Advanced Materials GmbH)与Ren HY 5160(Vantico AG)组合所形成的双组分低粘度粘合剂。导电颗粒在粘合剂中通过搅拌30分钟混合。这些材料的估算渗滤阈值为 2体积％。混合物高于该阈值时导电，低于该阈值时绝缘。导电性是由于导电颗粒，而聚合物基本上是绝缘体。为了说明定向排列的好处，材料是相同的并与上述类似进行制备，但使用低10倍
的颗粒装填量。
图1使用光学显微图说明了分散在实施例粘合剂中的0. 2体积％的CNC颗粒的组合体(assembly)的混合，其在电场定向排列和固化之前(图1A)和之后(图1B)的情况。图例所示为实施定向排列(平面外)的几何形状(图1C)，其对应于图2中所举例说明的。该定向排列几何形状用来覆盖从10 μ m到几厘米的导电路径距离1，优选到几毫米。对于平面外的定向排列，将2mm χ 15cm宽的材料层注入到太阳能电池主栅3和太阳能电池集流条2之间。使用AC源对混合物进行定向，得到定向路径(b)。在该实施例中，使用IkHz AC场
的定向排列方法，对于< Imm的电极间距使用1分钟的定向。图3所示为作为定向排列时间函数的导电率，其举例说明了导电率增加的数量级。然后立即在100°C时进行固化1分钟。固化后材料保持定向排列，并且保持定向排列所得到的导电率水平。图2A所示为含集流条5的太阳能电池4，集流条5用于收集光电效应产生的电流。 图2B举例说明了有第一粘度的粘合剂7中的导电颗粒6的各向同性分散体8。将分散体8 散布到太阳能电池集流条5上，在每个集流条上形成粘合剂层，如图2C所示。通过在电极 5、10上施加电场，进行了导电颗粒6的定向排列之后，将外电极、主栅10布置在粘合层上， 图2E，用AC符号指示。粘合剂分散体例如通过固化而稳定至高于第一粘度的第二粘度，可以保证粘合剂分散体的机械强度，并支撑定向排列的导电颗粒，因此使粘合剂分散体能导电。因为在粘合剂分散体8中已经形成了导电路径，所以太阳能电池4现在能与主栅10接触。
太阳能电池组合上述举例说明的设置(settings)，其具有平面外几何结构和短的定向排列距离，还有很便利的低的定向排列电压。在典型的实施例中，将Imm χ 8cm宽的含 0. 2体积％的碳装填量的所述各向异性粘合剂层注入在太阳能电池的银电极和铜电极之间。在此情况下，电极被压制在一起，得到的间隔小于ΙΟΟμπι。随后进行电场定向排列和固化，整个程序典型地需要大约10分钟。图4Α-Ε所示为图2所描述顺序的俯视图。含集流条5的太阳能电池4在图4Α中显示，粘合剂7和导电颗粒6的各向同性分散体8散布在太阳能电池集流条上(图4Β)。主栅10放置在粘合剂上(图4C)，在电极5、10上施加电压12对颗粒进行定向排列，图4D。使用例如紫外光或热进行固化，对粘合剂进行稳定，图4Ε。实施例2该实施例所示为所述方法的强固性(robustness)，并且显示了电场如何修复导电颗粒粘合剂混合物中的宏观缺陷。图5所示为在CNC的情况下修复划痕的光学显微图。材料和方法类似于实施例1 中，但是宏观划痕缺陷由锐利的尖状物产生；将电场保持开启。光学显微图所示为修复粘合层中的划痕，开启lkHz、500V/cm的电场，导电路径逐步重新形成。重新形成后，基本上所有的导电颗粒都在基体中形成导电路径。实施例3如图6中举例说明，该实施例显示拾取放置装置如何配备电场涂布机，由此使本发明，如实施例1中所说明的，可以用于含背侧接触电池的太阳能电池板。拾取放置装置将太阳能电池(a)提升到封装箔片上。一旦放置好，从拾取放置头(b)上施加电场。在此阶段，固化可以通过加热或UV固化进行，如果连接带是透明的，或者固化可以在生产线的末端在层压阶段过程中进行。实施例4将根据本发明的导电粘合剂用于使用透明电极的薄膜太阳能电池板的生产。在塑料基底上使用碲化镉P型层和硫化镉η型层，在所述塑料基底上构建软质薄膜太阳能电池。 半导体层可以是无定形的或多晶的。将主栅网状物重叠的透明导电氧化物层沉积在η型层上。将导电金属的背接触层沉积在P型层的下面。如实施例1，涂敷粘合剂并变成导电。实施例5对于太阳能电池，用基体和导电颗粒的分散体制备一个或多个连线(wiring)元件，在太阳能电池中用于收集电流及传输电流。所述导电颗粒的浓度低于渗滤阈值，这样分散体不导电。分散体在收集电流的连线元件与传输电流的连线元件相接的区域有定向排列的导电颗粒。这样直接形成导电连线来连接太阳能电池装置，所以不要求用集流条或主栅来产生回路。本发明的粘合剂分散体可用于一个或多个层状结构，例如一个代替集流条的方向性导电单层和一个代替导电主栅的方向性导电单层。可以减少基体，例如通过使用溶剂，以暴露导电路径，这样下一层可以接触这些路径。在相应的方向施加电场，例如使用掩模和远距离场，或者使用建造中的太阳能电池板的某些部分作为电极，这样基体中的导电颗粒就可定向排列而形成所需要的导电连线。
权利要求
1.粘合剂用于连接太阳能电池集流条与太阳能电池主栅的用途，所述粘合剂包括基体和导电颗粒的分散体，其特征在于，a.粘合剂的大部分导电颗粒具有低的纵横比；b.粘合剂的层被涂敷到太阳能电池集流条上，所述粘合剂具有能够使导电颗粒在层内重新排列的第一粘度；c.太阳能电池主栅被施用到层上；d.在粘合剂的层之上施加电场，用电场定向排列数个导电颗粒，因此在太阳能电池集流条和太阳能电池主栅之间的粘合剂中产生导电路径；e.将粘合剂的粘度改变成第二粘度，所述第二粘度比第一粘度更高，以便使层在机械上稳定，并保护太阳能电池集流条和太阳能电池主栅之间的导电路径。
2.粘合剂用于连接太阳能电池集流条与太阳能电池主栅的用途，所述粘合剂包括基体和导电颗粒的分散体，其特征在于，a.粘合剂中的大部分导电颗粒具有低的纵横比；b.粘合剂的层被注入到太阳能电池集流条和太阳能电池主栅之间的空间中，所述粘合剂具有能够使导电颗粒在层内重新排列的第一粘度；c.在层之上施加电场，用电场定向排列数个导电颗粒，因此在太阳能电池集流条和太阳能电池主栅之间产生导电路径；d.将粘合剂的粘度改变成第二粘度，所述第二粘度比第一粘度更高，以便使层在机械上稳定，并保护太阳能电池集流条和太阳能电池主栅之间的导电路径。
3.权利要求1或2的粘合剂的用途，其特征在于，粘合剂中的导电颗粒为炭黑、碳纳米盘、碳纳米锥、或它们的混合物。
4.权利要求1或2的粘合剂的用途，其特征在于，粘合剂中的导电颗粒包括金属颗粒、 金属氧化物颗粒、含胶体金属的颗粒、或它们的混合物。
5.权利要求1、2、3或4的粘合剂的用途，其特征在于，导电颗粒的纵横比为1 100。
6.权利要求5的粘合剂的用途，其特征在于，导电颗粒的纵横比为1 4或1 5或 1 10或1 20。
7.权利要求1、2、3、4、5或6的粘合剂的用途，其特征在于，粘合剂中的导电颗粒浓度为 0. 2 10体积％或0. 2 2体积％或0. 2 1. 5体积％。
8.权利要求1、2、3、4、5或6的粘合剂的用途，其特征在于，对粘合剂中的导电颗粒进行定向排列所施加的电场为约0. 05 20kV/cm或0. 05 5kV/cm或0. 1 lkV。
9.权利要求7或8的粘合剂的用途，其特征在于，电场的频率为IOHz IMHz或IOHz IOOkHz，或 IOHz IOkHz。
10.前述权利要求之一的粘合剂的用途，其特征在于，如果定向排列步骤后路径变成有缺陷，则该路径可通过另外的电场恢复。
11.太阳能电池，其特征在于，太阳能电池集流条和太阳能电池主栅通过权利要求1 9之一的各向异性粘合剂连接。
12.权利要求11的太阳能电池，其特征在于，太阳能电池是背侧接触电池。
13.权利要求11的太阳能电池，其特征在于，太阳能电池是薄膜太阳能电池。
14.太阳能电池，其特征在于，用于在太阳能电池中收集电流及传输电流的一个或多个连线元件由基体和导电颗粒的分散体制成，所述导电颗粒的浓度接近或低于渗滤阈值，并且分散体在收集电流的连线元件与传输电流的连线元件相接的区域具有定向排列的导电颗粒。
全文摘要
本发明涉及粘合剂用于连接或替换太阳能电池集流条与太阳能电池主栅的用途，其中所述粘合剂包括基体和导电颗粒的分散体，并且该粘合剂在其被涂覆之后在定向步骤中使其导电。
文档编号B81B1/00GK102483969SQ201080033252
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年6月22日
发明者E·斯瓦桑德, G·赫尔格森, M·克纳皮拉, M·布坎南 申请人:孔达利恩股份有限公司