單組分、低溫固化型聚合物組合物及相關(guān)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了可在低于250℃的溫度下固化的導(dǎo)電聚合物組合物。該組合物尤其適合用于形成在特定太陽能電池中使用的電極。
【專利說明】單組分、低溫固化型聚合物組合物及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)電熱固化型聚合物組合物。該組合物廣泛用于形成太陽能電池、特別是用在太陽能電池中的電觸頭。
【背景技術(shù)】
[0002]用于制造基于單晶硅的光伏電池的銀漿需要高溫加工。在大于700°C的燒結(jié)溫度下，Ag電極可以以較低的接觸阻抗形成在單晶硅片上。然而，對于S1:H基太陽能電池，其加工溫度不能超過250°C，以避免這類太陽能電池中的熱敏材料劣化。因此，需要改進(jìn)組合物和方法以在低于250°C的溫度下形成銀電極。
[0003]燒結(jié)操作消耗相對大量的能量。在很多情況下，由于所需的時間周期通常很長，燒結(jié)構(gòu)成了對太陽能電池制造的主要限制。因此，提供可在低于250°C的溫度下在相對較短的時間周期內(nèi)熱固化的導(dǎo)電組合物將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的組合物、觸頭和方法解決了先前已知的組合物、由其形成的電觸頭、以及相關(guān)方法的難點和不足。
[0005]在一個方面，本發(fā)明提供了一種單組分、低溫?zé)峁绦途酆衔锝M合物，其包含約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、約0.05%至約I %的主催化劑、約0.5%至約10%的封端異氰酸酯、約0%至約0.5%的助催化劑、約0%至約4%的一種或多種低粘度稀釋劑、約0%至約15%的一種或多種增韌劑、以及約40%至約90%的導(dǎo)電填料。
[0006]在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于形成太陽能電池用電觸頭的方法。該方法包括提供一種單組分、低溫?zé)峁绦途酆衔锝M合物，該組合物包含約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、約0.05%至約1%的主催化劑、約0.5%至約10%的封端異氰酸酯、約0%至約0.5%的助催化劑、約0%至約4%的一種或多種低粘度稀釋劑、約0%至約15%的一種或多種增韌劑、以及約40%至約90%的導(dǎo)電填料。該方法還包括將有效量的該組合物沉積至基材上。以及，該方法進(jìn)一步包括將該組合物加熱至約70°C至約250°C并保持約I分鐘至約10分鐘，以由此形成電觸頭。
[0007]在又一方面，本發(fā)明提供了一種導(dǎo)電觸頭，其由在燒結(jié)前包含約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、約0.05%至約1%的主催化劑、約0.5%至約10%的封端異氰酸酯、約0%至約0.5%的助催化劑、約0%至約4%的至少一種低粘度稀釋劑、約0%至約15%的至少一種增韌劑、以及約40%至約90%的導(dǎo)電填料的組合物形成。
[0008]將意識到，本發(fā)明能夠具有其它的并且不同的實施方式，并且能夠在各個方面對其多個細(xì)節(jié)進(jìn)行修改而全部不背離本發(fā)明。由此，說明書將被視作實施例性的而非限制性的。
【具體實施方式】[0009]本發(fā)明提供了一種單組分、低溫?zé)峁绦蜐{料組合物，其包含例如銀片的導(dǎo)電填料、脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、陽離子固化劑、以及封端異氰酸酯，其可在短時間內(nèi)在低溫下固化從而提供一種具有良好導(dǎo)電性能的聚合物組合物。
[0010]本發(fā)明還提供了一種導(dǎo)電電極，其在低于250°C的溫度下通過使用優(yōu)選實施方式的漿料形成。所述電極優(yōu)選為銀電極或銀基電極。該漿料可在高于70°C、但低于250°C的溫度下在10分鐘或更少的時間、如約2分鐘內(nèi)熱固化。
[0011]本發(fā)明還提供了所提及組合物的各種使用方法。特別是，本發(fā)明提供了通過對所提及組合物進(jìn)行特定燒結(jié)操作來形成電觸頭的方法。
[0012]優(yōu)選實施方式漿料可廣泛用于多個領(lǐng)域，并主要用于形成薄膜太陽能電池。這些漿料尤其適用于形成S1: H基太陽能電池。除了薄膜太陽能電池，本發(fā)明還可用于其他熱敏基材表面。
[0013]優(yōu)選實施方式的組合物顯示出了下列特性中的全部或大部分:a)分散性良好，b)導(dǎo)電性良好，c)在低于250°C的溫度下在小于10分鐘以內(nèi)快速固化，d)室溫下儲存期長，以及e)對釬料薄帶具有良好的粘合力。特定的有競爭力的材料可能具有所有這些期望特性中的少數(shù)而不是多數(shù)或者全部。
[0014]如同所提及的，電觸頭、電極、或者導(dǎo)體(通常在此將其統(tǒng)稱為“觸頭”)顯示出良好的導(dǎo)電性。重申一點，由在此所述的組合物形成的電觸頭具有相對較低的電阻抗值。優(yōu)選的，按照本文所述形成的電觸頭具有小于0.01 Ω.Cm、優(yōu)選小于0.001 Ω.cm、并且最優(yōu)選小于0.0008 Ω.cm的電阻。
[0015]一般來說，優(yōu)選實施方式的組合物包含約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹月旨、約0.05%至約I %的主催化劑、約0.5%至約10%的封端異氰酸酯、約0%至約0.5%的助催化劑、約0%至約4%的至少一種低粘度稀釋劑、約0%至約15%的至少一種增韌劑、以及約40%至約90%的導(dǎo)電填料。該一種或多種低粘度稀釋劑可以是例如縮水甘油醚、二醇醚、二醇醚酯和二醇醚酮及其組合。低粘度稀釋劑的一個優(yōu)選實例是新戊二醇二縮水甘油醚。低粘度稀釋劑不限于這些試劑中的任何一種。相反，本發(fā)明包括對降低組合物粘度的任一試劑或試劑組合的使用。該一種或多種增韌劑用于增大或提高組合物的韌性和耐久性，尤其是固化后的韌性和耐久性。增韌劑的非限制性實例包括但不限于脂族聚酯二醇、改性丁二烯聚合物、改性丁二烯-丙烯腈聚合物、改性羧基封端丁二烯丙烯腈共聚物、環(huán)氧樹脂和二聚酸的加合物及其組合。
[0016]燒結(jié)之前的優(yōu)選實施方式的組合物通常包含(i)脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，(ii)主催化齊U，(iii) 一種或多種封端異氰酸酯，(iv)任選助催化劑，(V) —種或多種任選縮水甘油醚，(Vi)任選新戊二醇二縮水甘油醚或類似試劑，(Vii) —種或多種任選脂族聚酯二醇，以及(Viii)優(yōu)選為銀片的金屬片。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的各種優(yōu)選實施方式組合物的典型和優(yōu)選濃度在下面的表I中列出。所有百分比都接重量計算并且基于燒結(jié)之前的組合物總重量。
[0018]表1-典型和優(yōu)選組合物
[0019][0020]脂環(huán)族環(huán)氧樹脂優(yōu)選為液態(tài)低粘脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，具有從約100至約150、優(yōu)選為從約130至約145的環(huán)氧當(dāng)量。優(yōu)選脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的實例為可從德州伍德蘭茲的亨斯邁先進(jìn)材料(Huntsman Advanced Materials of Woodlands,TX)獲得的 ARALDITE CY179。該脂環(huán)族環(huán)氧樹脂通常使用的濃度為約5%至約25%，優(yōu)選為約12%至18%。
[0021]主催化劑優(yōu)選為基于六氟化銻的催化劑。該催化劑可從康涅狄格州諾瓦克的金氏工業(yè)(King Industries of Norwalk, CT)購買到，型號為CXC1612。主催化劑通常使用的濃度為約0.05%至約1.0%，優(yōu)選為約0.1 %至約0.4%。
[0022]優(yōu)選實施方式的組合物還包含封端異氰酸酯。優(yōu)選的，封端異氰酸酯的異氰酸酯當(dāng)量為約450至約500，優(yōu)選為約475。優(yōu)選封端異氰酸酯的實例是可從英國蘭開夏的巴辛頓化學(xué)有限公司(Baxenden Chemicals, Ltd.0f Lancashire, United Kingdom)獲得的BI7963。BI7963為異氰酸酯當(dāng)量約477的封端異氰酸酯。解封閉溫度低于250°C的封端異氰酸酯是適合的。封端異氰酸酯通常使用的濃度為約0.5%至約10%，優(yōu)選為約1%至約3%。
[0023]優(yōu)選的組合物還可包含一種或多種任選助催化劑。優(yōu)選的助催化劑是二月桂酸二丁基錫。該化合物可從多個來源購買到，如俄亥俄州沙登的萊茵化學(xué)萊腦有限公司(RheinChemie Rheinau GmbH of Chardon, Ohio)出產(chǎn)的 ADD0CAT201。助催化劑是任選的并且通?？墒褂玫臐舛葹榧sO至約0.5%,優(yōu)選為約O至約0.2%。
[0024]優(yōu)選的組合物還可任選包含縮水甘油醚。該組分用作低粘度稀釋劑。優(yōu)選的縮水甘油醚可來自新澤西州莫里斯城的CVC Specialty Chemicals, Inc.出產(chǎn)的ERYSIS GE8。優(yōu)選的縮水甘油醚為環(huán)氧當(dāng)量約250至約325、優(yōu)選為約275至300的C12-C14縮水甘油醚。典型的，該縮水甘油醚組分的濃度為O至約2%，優(yōu)選濃度范圍為O至約1%。
[0025]優(yōu)選實施方式的組合物還可任選包含新戊二醇二縮水甘油醚。該組分用作低粘度稀釋劑。優(yōu)選的組分可從CVC Specialty Chemicals獲得，型號為ERYSIS GE-20。該新戊二醇二縮水甘油醚的環(huán)氧當(dāng)量為約100至約150，優(yōu)選為約120至約140。該新戊二醇二縮水甘油醚的濃度典型為O至約I %并且優(yōu)選為O至0.5 %。
[0026]優(yōu)選的組合物還可任選包含脂族聚酯二醇，其可從金氏工業(yè)獲得，型號為⑶R-3315。應(yīng)當(dāng)理解該組分用作增韌劑。二醇組分在該組合物中典型的使用濃度為O至約15%，優(yōu)選為O至約6%。
[0027]優(yōu)選的組合物此外還包含一種或多種導(dǎo)電填充材料或有時在此稱作的“導(dǎo)電填料”。填充材料優(yōu)選為顆粒形態(tài)。優(yōu)選的，導(dǎo)電材料為元素形態(tài)的金屬，并且最優(yōu)為如銀的金屬。導(dǎo)電材料的濃度典型為約40%至約90%，并且優(yōu)選為約50%至約80%?？少徺I到的銀片的實例為來自新澤西州南平原鎮(zhèn)的費羅公司(Ferro Corporation of SouthPlainfield, NJ)的銀片80(Silver Flake 80)。導(dǎo)電顆?？删哂懈鞣N形狀和大小。然而，通常而言，優(yōu)選為片狀。此外，導(dǎo)電顆?？删哂卸喾N等級的大小或類型的材料。舉例來說，在一個優(yōu)選方面，可使用兩種不同等級的銀片的組合，如Ferro Silver Flake 80和FerroSilver Flake 9AI。
[0028]在特定應(yīng)用中，優(yōu)選使用如涂銀銅顆粒的包覆顆粒。當(dāng)基于復(fù)合顆粒時，導(dǎo)電填充材料可包括多種材料組合。例如，導(dǎo)電復(fù)合顆粒可選自涂銀玻璃顆粒、涂銀銅顆粒、涂銀鎳顆粒、涂銀石墨顆粒、涂鎳石墨顆粒、涂金玻璃顆粒及其組合。當(dāng)使用復(fù)合顆粒時，優(yōu)選采用包含作為外層的銀以及位于顆粒內(nèi)部的一種或多種其他材料的復(fù)合顆粒。這些內(nèi)部材料的實施例包括但不限于玻璃、石墨、銅、鎳及其組合。外層也可采用除銅之外的或替換銅的材料，例如但不限于鎳、金及其組合。可以理解，復(fù)合顆粒包括兩種或多種材料，僅有位于顆粒外表面并從而構(gòu)成外部材料的材料需要是導(dǎo)電的。這樣，這些復(fù)合顆粒中位于顆粒內(nèi)部的一種或多種材料通?？梢允欠菍?dǎo)電的，如玻璃。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明絕不限于所提及的用于復(fù)合顆粒的材料的任一種組合。相反，本發(fā)明幾乎包括用于導(dǎo)電填充材料的任一材料組合。
[0029]除了使用脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，可通過陽離子機理聚合的環(huán)氧樹脂也是適用的。從而還使用了用于陽離子環(huán)氧聚合的多種催化劑。用于異氰酸脂的催化劑是任選的，但是幾乎可使用任一種用于異氰酸脂的催化劑。
[0030]增韌劑、流變改性劑、粘合增進(jìn)劑、表面活性劑等是任選的，但是也可用在該體系中。
[0031]本發(fā)明還提供了形成電觸頭的方法。這些電觸頭特別適用于太陽能電池。這些方法大概來說包括提供本文所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物。這些方法還包括將有效量的組合物沉積至基材上。以及，這些方法隨后包括將該組合物加熱至約70°C至約250°C的溫度范圍并 保持約I分鐘至約10分鐘的時間，以由此形成一個或多個電觸頭。對于特定的組合物，加熱過程持續(xù)約4分鐘至約6分鐘。
[0032]本發(fā)明還提供了由本文所述的優(yōu)選實施方式組合物形成的電觸頭。正如所提及的，如本文所述那樣對組合物進(jìn)行燒結(jié)。
[0033]實施例
[0034]各種優(yōu)選實施方式漿料被準(zhǔn)備好并隨后被固化并進(jìn)行電阻測量和結(jié)合強度測試。
[0035]以下表2列出了根據(jù)本發(fā)明的各種優(yōu)選實施方式組合物。
[0036]表2_優(yōu)選組合物(重量％ )
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種單組分、低溫固化型聚合物組合物，其包含如下組分: 約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.05%至約I %的主催化劑； 約0.5%至約10%的封端異氰酸酯； 約0%至約0.5%的助催化劑； 約0%至約4%的至少一種低粘度稀釋劑； 約0%至約15%的增韌劑；以及 約40 %至約90 %的導(dǎo)電填料。
2.如權(quán)利要求1所述的單組分、低溫固化型組合物，其中所述導(dǎo)電填料為銀片。
3.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述低粘度稀釋劑包含縮水甘油醚和新戊二醇二縮水甘油醚，所述增韌劑包含脂族聚酯二醇，所述組合物包含如下組分: 約12%至約18%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.01%至約0.4%的主催化劑； 約1%至約3%的封端異氰酸酯； 約O %至約0.2%的助催化劑； 約0%至約I%的縮水甘油醚； 約0%至約0.5%的新戊二醇二縮水甘油醚； 約O %至約6 %的脂族聚酯二醇；以及 約50%至約80%的銀片。
4.如權(quán)利要求3所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其包含如下組分: 約17.5%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.25%的主催化劑； 約3%的封端異氰酸酯； 約0.18%的助催化劑；以及 約79%的銀片。
5.如權(quán)利要求3所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其包含如下組分: 約16.5%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.24%的主催化劑； 約3%的封端異氰酸酯； 約0.18%的助催化劑； 約I %的縮水甘油醚；以及 約79%的銀片。
6.如權(quán)利要求3所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其包含如下組分: 約14%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.2%的主催化劑； 約I %的封端異氰酸酯； 約I %的縮水甘油醚； 約5%的脂族聚酯二醇；以及約79%的銀片。
7.如權(quán)利要求3所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其包含如下組分: 約14%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.2%的主催化劑； 約I %的封端異氰酸酯； 約0.06%的助催化劑； 約0.5%的新戊二醇二縮水甘油醚； 約5.3%的脂族聚酯二醇；以及 約79%的銀片。
8.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述脂環(huán)族環(huán)氧樹脂為環(huán)氧當(dāng)量約100至約150的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。
9.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述主催化劑為基于六氟化銻的催化劑。
10.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述封端異氰酸酯的異氰酸脂當(dāng)量為約450至約500。
11.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述助催化劑為二月桂酸二丁基錫。
12.如權(quán)利要求3所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述縮水甘油醚為環(huán)氧當(dāng)量約250至約325的C12-C14縮水甘油醚。
13.如權(quán)利要求3所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述新戊二醇二縮水甘油醚的環(huán)氧當(dāng)量為約100至約150。
14.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述至少一種低粘度稀釋劑選自縮水甘油醚、二醇醚、二醇醚酯、二醇醚酮及其組合。
15.如權(quán)利要求2所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述增韌劑選自脂族聚酯二醇、改性丁二烯聚合物、改性丁二烯-丙烯腈聚合物、改性羧基封端丁二烯丙烯腈共聚物、環(huán)氧樹脂和二聚酸的加合物及其組合。
16.如權(quán)利要求1所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述導(dǎo)電填料包括導(dǎo)電復(fù)合顆粒。
17.如權(quán)利要求16所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述導(dǎo)電復(fù)合顆粒包括外層的銀。
18.如權(quán)利要求16所述的單組分、低溫固化型聚合物組合物，其中所述復(fù)合顆粒選自涂銀玻璃顆粒、涂銀銅顆粒、涂銀鎳顆粒、涂銀石墨顆粒、涂鎳石墨顆粒、涂金玻璃顆粒及其組合。
19.一種形成太陽能電池用電觸頭的方法，所述方法包括: 提供單組分、低溫固化型聚合物組合物，所述組合物包含約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、約0.05%至約1%的主催化劑、約0.5%至約10%的封端異氰酸酯、約0%至約0.5%的助催化劑、約0%至約4%的至少一種低粘度稀釋劑、約0%至約15%的增韌齊U、以及約40%至約90%的導(dǎo)電填料； 將有效量的所述組合物沉積至基材上；以及將所述組合物加熱至約70°C至約250°C并保持約I分鐘至約10分鐘，以由此形成電觸頭。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述導(dǎo)電填料為銀片。
21.通過如權(quán)利要求19所述的方法制成的電觸頭。
22.在燒結(jié)前包含如權(quán)利要求1所述的組合物的電觸頭。
23.一種導(dǎo)電觸頭，其由在燒結(jié)前包含如下組分的組合物形成: 約5%至約25%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.05%至約I %的主催化劑； 約0.5%至約10%的封端異氰酸酯； 約0%至約0.5%的助催化劑； 約0%至約4%的至少一種低粘度稀釋劑； 約0%至約15%的增韌劑；以及 約40 %至約90 %的導(dǎo)電填料。
24.如權(quán)利要求23所述的電極，其中所述導(dǎo)電填料為銀片。
25.如權(quán)利要求23所述的電極，其中所述觸頭由其中低粘度稀釋劑包含縮水甘油醚和新戊二醇二縮水甘油醚且增韌劑包含脂族聚酯二醇的組合物形成，在燒結(jié)前，所述組合物包含如下組分: 約12%至約18%的至少一種脂環(huán)族環(huán)氧樹脂； 約0.01%至約0.4%的主催化劑； 約1%至約3%的封端異氰酸酯； 約O %至約0.2%的助催化劑； 約0%至約I %的縮水甘油醚； 約0%至約0.5%的新戊二醇二縮水甘油醚； 約O %至約6 %的脂族聚酯二醇；以及 約50%至約80%的銀片。
26.如權(quán)利要求23所述的觸頭，其中所述觸頭表現(xiàn)出的電阻率小于0.01Ω
27.如權(quán)利要求23所述的觸頭，其中所述觸頭表現(xiàn)出的電阻率小于0.001Ω.cm。
【文檔編號】H01B1/00GK103430238SQ201180058510
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2010年10月5日
【發(fā)明者】H·蔣, A·S·沙科赫 申請人:赫勞斯貴金屬北美康舍霍肯有限責(zé)任公司