説明

太陽電池セル用の接着剤

【課題】本発明は、短時間で接続可能であり、且つ凝集による接続抵抗の増大を抑制しうる接続体及びその接続体の製造方法、並びにその接続体を含む太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】導電粒子と、有機バインダーとを含む、太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤であって、前記導電粒子を0.01〜1.6体積%含有し、前記導電粒子中の1μm以下の導電粒子の含有比率が0.1〜50体積%であることを特徴とする前記接着剤。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤、該硬化性接着剤を硬化させて表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続している太陽電池セル用の接続体、及び該接続体を含む太陽電池モジュール、並びに該接着剤の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池モジュールは、通常、複数の太陽電池セルがその表面電極と電気的に接続されたタブ線(配線部材)を介して、直列及び/又は並列に接続された構造を有している。一般的に、太陽電池セルの表面電極には銀を含有したペーストが用いられ、タブ線には銅成分を主体とした材料が用いられている。
【0003】
この太陽電池モジュールを作製する際に、太陽電池セルの表面電極とタブ線との接続には、従来、はんだが用いられてきた。はんだは、導通性、固着強度等の接続信頼性に優れ、安価で汎用性があることから広く用いられている。
【0004】
一方、特許文献1及び2には、太陽電池における半導体構造等の部材が加熱されること、及び/又ははんだの体積収縮による影響が半導体構造等に及ぶことを防ぐ観点で、はんだの代わりに導電性接着フィルムを用いる配線の接続方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−158302号公報
【特許文献2】特開2011−49612号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1及び2に示したような、導電性接着フィルムを用いた接続方法では、はんだを用いた場合に生じる太陽電池セルへの悪影響をある程度抑制することができる。しかし、過酷な環境で用いられる太陽電池モジュールの場合、熱履歴による膨張収縮のため接続部にクラックが発生し、接続信頼性が低いという課題があった。
【0007】
また、特許文献1に記載の通り、このような用途に用いられる導電性接着フィルムには、一般的に、平均粒子径が10μm〜20μm程度の導電粒子を5体積%程度で用いることが検討されている。しかし、このような比較的大きな粒子をこのような量で用いると、導電粒子を充填するために多量の接着剤が必要になる。そのため、接着剤の硬化に時間がかかり、短時間で接着することが困難であった。
【0008】
また、比較的小さな粒径の導電粒子を用いて接続を行うと、導電粒子が凝集し、凝集した導電粒子のために接続抵抗が大きくなるという課題があった。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、短時間で接続可能であり、且つ凝集による接続抵抗の増大を抑制しうる接着剤、及びその製造方法、並びにその接着剤を用いた接続体、その接続体を含む太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者等は、小粒径の粒子を比較的高い割合で含む導電粒子を、比較的少量でのみ用いることで、接続抵抗が低くなり且つ接着剤の熱伝導性が向上することを見出し、本発明に到達した。
【0011】
すなわち、本発明は下記のとおりである。
[1] 導電粒子と、有機バインダーとを含む、太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤であって、上記導電粒子を0.01〜1.6体積%含有し、上記導電粒子中の1μm以下の導電粒子の含有比率が0.1〜50体積%であることを特徴とする上記接着剤。
[2] 上記導電粒子は、銅、銀、ニッケル、金、及びすずから選ばれる1種類以上の成分を含む、[1]に記載の接着剤。
[3] 上記導電粒子は、銀成分及び銅成分を含む、[2]に記載の接着剤。
[4] 表面電極導電配線、タブ線、及びそれらを電気的に接続している硬化した[1]〜[3]のいずれか1つに記載の硬化性接着剤を含む、太陽電池セルの接続体。
[5] 上記表面電極導電配線は、0.01μm以上150μm以下の厚みを有する、[4]に記載の接続体。
[6] 上記表面電極導電配線は、銀を含み、且つ上記タブ線は、銅を含む、[4]又は[5]に記載の接続体。
[7] [4]〜[6]のいずれか1つに記載の接続体、及び太陽電池セル基板を有する、太陽電池モジュール。
[8] 上記太陽電池セル基板は、シリコン、ガラス、CIGS、窒化アルミ、サファイア基板である、[7]に記載の太陽電池モジュール。
[9] 太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤の製造方法であって、以下の工程:
1μm以下の導電粒子の体積%が0.1〜50体積%である導電粒子を、0.01〜1.6体積%で、有機バインダーに含有させる工程
を含む、上記接着剤の製造方法。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、短時間で接続可能であり、且つ凝集による接続抵抗の増大を抑制しうる太陽電池セル用の接着剤、及びそれを用いた接続体、並びにその接続体を含む太陽電池モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」と略記する。)について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
【0014】
(硬化性接着剤)
本発明において、接着剤は、太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤であって、少なくとも導電粒子と有機バインダーとを含む。
【0015】
(硬化性接着剤−導電粒子)
導電粒子は、本分野で従来知られている種類導電粒子の中でも、銅、銀、ニッケル、金、すずから選ばれた1種類以上の成分を有するものが好ましく、良好な熱伝導性と接続時導電性を与えるものが好ましい。本発明の一実施形態であるこのような金属製の導電粒子は、樹脂を金属コーティングしたような導電粒子と比較して硬いため、接着剤中で有機バインダーを排除する効果が高く、比較的少量の添加で導電粒子が十分接触して安定した電気的接続をもたらすことができるため好ましい。
【0016】
とくに、1μm以下の導電粒子も電気的な接続に用いるため、導電粒子の表面の導電性が優れていることが好ましく、銅―銀成分、金―銅成分、金―ニッケル成分、すず―銅成分を有している導電粒子が好ましい。
【0017】
上記導電粒子は、銅成分と銀成分とを含んでいることがさらに好ましい。このことにより、銀の表面電極導電配線と銅成分を主体とするタブ線とを導電粒子を介して接続した太陽電池モジュールにおいて、各配線の成分が濃度勾配により接続時に導電粒子側に拡散してしまう(食われる)ことを防止できる。
【0018】
また、銅成分と銀成分とを含む上記導電粒子には10ppm以上10000ppm以下の酸素を含有していることがさらに好ましく、5000ppm以上9000ppm以下の酸素を含有していることがより好ましい。10ppm以上の酸素が含有されていることで、導電粒子への銀や銅成分の拡散を抑え、銀電極導電配線と銅成分を主体とするタブ線の食われをさらに防止する効果が得られる。また、導電粒子中の酸素濃度が10000ppm以下であることで、電気的な接続性を良好な状態に維持することができる。
【0019】
上記導電粒子に含まれる銅と銀の成分の結晶サイズは、50オングストローム以上5000オングストローム以下であることが、銀電極導電配線及び銅成分を主体とするタブ線と安定した導電接続ができるため好ましい。50オングストローム以上であることで安定した接続が可能な結晶粒界サイズとなる。5000オングストローム以下の結晶サイズであることで、導電粒子中の銅、銀のそれぞれの接続点がどちらかの成分に偏ることを防止できる。
【0020】
上記硬化性接着剤の導電粒子の含有量は、十分な電気的接合を得る観点から、0.01体積%以上であることが好ましく、0.05体積%以上であることがより好ましく、0.1体積%以上であることがさらに好ましい。また、低荷重で接続させた場合でも十分な接合面積を得られ、導通安定性を良好にする観点から1.6体積%以下であることが好ましく、1.3体積%以下であることがより好ましく、1.1体積%以下であることがさらに好ましい。
【0021】
上記導電粒子には、平均粒子径1μm〜100μmの粒子を用いることができる。平均粒子径は、好ましくは1.5〜50μmであり、より好ましくは2.0〜30μmである。また、粒子形状は、球や擬球、非球でもとくに制限されない。また、粒子径が混合していてもよい。ここで用いる平均粒子径とは、体積積算50%での粒子径をいう。
【0022】
また、本発明の一実施形態において、用いる導電粒子は、微細な粒子により熱伝導性を高めることで、短時間で良好な接続を可能とする観点から、1μm以下の導電粒子を、全導電粒子中に0.1体積%以上含有していることが好ましく、0.5体積%以上含有していることがより好ましく、さらには1体積%以上、又は5体積%以上含有していることが好ましい。また、1μm以下の導電粒子が、全導電粒子中に含まれる含有率は、微細な導電粒子が凝集し、接続が不安定になることを防止する観点から、50体積%以下であることが好ましく、40体積%以下であることがより好ましく、さらには30体積%以下又は20体積%以下であることがさらに好ましい。
【0023】
全導電粒子中に対して1μm以下の導電粒子が含まれる含有率は、以下の通り測定される。
【0024】
接着剤中の導電粒子について、0.01〜100μmの粒子の体積積算分布を、気流粒度分布計で測定し、得られた体積積算分布中のサイズ1μm以下の粒子の積算体積存在率(体積%)を含有率とする。
【0025】
上記導電粒子の調製方法としては、例えば、所定量の銅、銀、および必要に応じて第3成分を不活性雰囲気中において高温度(融点より100℃以上高い温度)で溶融させ、十分攪拌した後、溶融金属をヘリウム、窒素、水素、アルゴンガスを吹き付けて微粉末化しながら急冷凝固する方法が挙げられる。また、蒸着、CVD、焼結、沈殿、メッキなどの化学方法、物理方法など用いることができる。
【0026】
上記導電粒子の平均粒径は、精密分級することによって制御することができる。1μm以下の粒子の量は、一般的な分級方法及び粒子を混合することによっても制御することができる。
【0027】
また、導電粒子に凝固させる際に、ヘリウム、窒素、アルゴン雰囲気中に酸素を少量含有させることで、導電粒子に均一に酸素濃度を含有させることができる。導電粒子に適切な量の酸素を含有させるため、不活性雰囲気中に0.1%程度の酸素を含有させておくことが好ましい。また、急冷凝固する際に溶融金属と冷却ガスとの供給速度量を調整することで、急冷速度が調整でき、導電粒子の結晶サイズをコントロールすることができる。
【0028】
(硬化性接着剤−有機バインダー)
上記接着剤の有機バインダーとしては、単独で、または混合して用いることができる。例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、シリコーン樹脂や変性樹脂などから選ばれた1種類以上を含有する有機バインダーが好ましい。
【0029】
(硬化性接着剤−他の成分)
上記接着剤には密着性の点から、必要に応じてシランカップリング剤、アルミカップリング剤、チタンカップリング剤、シリコーン粘着剤などを加えても良い。さらに、導電粒子用の分散剤、銀や銅マイグレーションなどを抑制するためのキレート剤、樹脂の流動性やフィルムの物性を制御するためのゴム成分、増粘剤、消泡剤、密着助剤等の添加剤を加えても良い。
【0030】
(硬化性接着剤−製造方法)
上記接着剤の製造方法としては、例えば、導電粒子を溶剤に溶解させた有機バインダー中に分散させ、そこに必要に応じて、添加剤を混ぜる。これらを十分に混合し、導電粒子を分散させる。
【0031】
上記接着剤は、必要に応じてペースト状のまま、あるいは分散液を塗膜、乾燥して、フィルム状にする。ペースト状の場合には、適当な溶剤を必要に応じて加えて、表面電極導電配線上やタブ線上に印刷やディスペンサにより塗布し、表面電極導電配線とタブ線とを加熱、加圧などで接続することが好ましい。
【0032】
短時間で十分に樹脂を硬化させるためにフィルム状にする場合のフィルムの厚みは、100μm以下であることが好ましく、75μm以下であることがより好ましく、さらには50μm以下又は40μm以下であることが好ましい。また、良好な接着強度を得る観点から、1μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、さらには10μm以上又は20μm以上であることが好ましい。
【0033】
また、厚みが比較的薄い場合(10μm〜40μm)、フィルムとして扱いやすくするためにポリエステルフィルムなどの多少の剛性を有するフレキシブルフィルム上に塗工乾燥しておいて、使用時にそのフレキシブルフィルムを剥離して用いることが好ましい。このとき、カバーフィルムで接着剤を挟んでもよい。フィルム状の接着剤は、必要に応じて長さ数mから1000mの単位で作製することができる。
【0034】
(接続体)
本発明の実施形態において、接続体は、上記の硬化性接着剤を硬化させて、表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続したものである。
【0035】
(接続体−硬化した硬化性接着剤)
上記硬化性接着剤を硬化して、太陽電池セル用の接続体を形成する。硬化後の上記接着剤は20℃〜40℃における弾性率(ヤング率)が0.1GPa〜4GPa程度であることが好ましい。
【0036】
硬化後の接着剤の線膨張率は6ppm〜200ppm/℃、吸水率は0.01%〜5%が好ましく、基板によって使い分けることができる。
【0037】
また、接着剤の硬化方法としては、必要に応じて、公知の熱、電子線、光、カチオン、ラジカルでの硬化反応又は重合開始反応を利用して硬化する方法が挙げられる。エポキシ樹脂を有機バインダーとして用いて接着剤を硬化させる場合には、潜在性硬化剤を用いるのが好ましい。また、アニオン、カチオン、ラジカル重合を利用する場合には、重合開始剤、カチオン発生剤、アニオン発生剤など公知の材料を用いても良い。
【0038】
中でも、熱硬化させること好ましく、加熱温度は50〜230℃、加熱時間は1秒〜1時間などが生産性の点から好ましく、接着剤に熱風、超音波、加熱ヘッドにより熱供給して硬化する方法が好ましい。このとき、接着剤の接続を良くするため、0.1MPa〜50MPaで加圧をしてもよい。
【0039】
(接続体−表面電極導電配線)
本発明の一実施形態において表面電極導電配線は、銀を含み、好ましくは本質的に銀からなるが、表面電極導電配線として有効に機能するものであればその材料は問われない。また、一実施形態において、厚みは、0.01μm以上150μm以下が好ましい。また、電極の食われを防止する観点から0.01μm以上であることが好ましく、導体配線表面の凹凸を小さくする観点から、150μm以下であることが好ましい。上記接着剤を用いて表面電極導電配線とタブ線と電気的に接続する際には、表面電極導電配線は、事前に基板の上に作成されているのが好ましい。
【0040】
表面電極導電配線の幅には特に指定はなく、0.1μm幅から10mm幅など幅広い配線幅で用いることができる。
【0041】
(接続体−タブ線)
また、本発明の一実施形態において、タブ線は、銅を含み、好ましくは本質的に銅からなるが、タブ線として有効に機能するものであればその材料は問われない。タブ線は、その上にスズ、銀、銅、パラジウム、インジウム、ビスマスから選ばれた1種以上からなる成分で被覆されていることが、タブ線の酸化防止のために好ましい。タブ線は、例えば厚さは1μm〜2000μmのものが用いられる。
【0042】
(太陽電池モジュール)
本発明の実施形態において、太陽電池モジュールは、太陽電池セル基板、並びに上記接続体を含む太陽電池セルを1つ以上有し、好ましくはその接続体によって太陽電池セルが直列及び/又は並列に複数接続された構造となっているものである。
【0043】
(太陽電池モジュール−太陽電池セル基板)
本発明で用いられる太陽電池セル用の基板としては、結晶シリコン、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、カドミウム−テルル、CIGS,サファイア、ガラス、ITO、IZO、ガリウム、窒化アルミ、窒化ホウ素、ガラスエポキシ、ポリイミドなどの透明又は非透明の基板があげられる。
【0044】
次に、実施例及び比較例を挙げて本実施の形態をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【0045】
作成した導電粒子の物性は、下記に示す方法で測定した。
【0046】
(1)導電粒子の平均粒径、および導電粒子中の1μ以下の体積%
平均粒子径:レーザー回折型測定器HEROS&RODOS SR型により体積積算平均値を測定し、体積積算50%になるときの粒子径を平均粒径値とした。
全導電粒子中の、1μ以下の導電粒子の体積%:上記レーザー回折型測定器で求めた、導電粒子の体積積算分布のうち1μm以下の体積積算%を求めた。
【0047】
(2)導電粒子の金属組成
導電粒子組成、平均粒子径、全導電粒子中の1μm以下の体積%を表1に示す。
【0048】
【表1】

【0049】
<実施例1〜5>、<比較例1〜2>
[表2]の組成1〜4及び6〜9に示す割合の接着剤組成物を、50質量%の濃度で酢酸エチル溶剤に溶解し、厚み50μmのPET上に塗布し、空気中で60℃10分間乾燥して酢酸エチルの溶剤をとばし、35μm厚みのフィルム状接着剤を作成した。また、組成5に示す割合の接着剤組成物を、50質量%の濃度で酢酸エチル/トルエン溶剤に溶解し、ペースト状接着剤を作成した。
【0050】
接着剤の有機バインダーには下記のものを用いた。
a.ビスフェノールA型エポキシ樹脂(旭化成ケミカルズ(株)製AER2600)
b.ビスフェノールF型エポキシ樹脂(日本化薬(株)製RE−303S)
c.ナフタレン型エポキシ樹脂(大日本インキ(株)製HP−4032D)
d.ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂(大日本インキ(株)製HP7200)
e.ビスフェノールA型フェノキシ樹脂(InChem Corporation(ロックヒル、サウスカロライナ州、米国)製PKHC)
f.ポリオール変性フェノキシ樹脂(InChem Corporation(ロックヒル、サウスカロライナ州、米国)製PKHM301)
g.潜在性硬化剤(旭化成エポキシ(株)製HX3941HPマイクロカプセル型イミダゾール(潜在性硬化剤))
h.シランカップリング剤(信越化学(株)製KBM403)
i.シリコーン粘着剤(東レダウコーニング(株)製SD4580)
【0051】
【表2】

【0052】
<接続試験(10秒接続時)>
各組成のフィルム状接着剤を用いて、以下の通り接続体を作成した。下記に示す基材の銀の表面電極導電配線上に、接着剤を軽く貼り付けた後、接着剤をPETフィルムから剥離した。下記に示す銅成分を有するタブ線を、接着剤の付着している表面電極導電配線に向かい合わせ、1.5mmの加熱ヘッドを用いて、180℃、10秒、1.7MPaの接合条件でタブ線を加熱加圧することによって硬化させた。
【0053】
また、各組成のペースト状接着剤を用いて、以下の通り接続体を作成した。まず、ペーストをディスペンサ、印刷などで、銀の表面電極導電配線上に塗布した。次に、下記に示す銅成分を有するタブ線を、接着剤を塗布した表面電極導電配線に向かい合わせ、1.5mmの加熱ヘッドを用いて、180℃、2.5MPaの条件で、10秒間の接続時間で、タブ線を加熱加圧することによって硬化した。
【0054】
<接続試験(3秒接続時)>
各組成のフィルム状、ペースト状接着剤を用いて、接続時間を10秒から3秒に変更する以外は同じ条件で接続試験を行った。
【0055】
このようにして得た接続体について、下記方法により性能試験を行った。その結果を表3に示す。
【0056】
(表面電極導電配線を有する基板)
基材1:結晶シリコン基板に銀配線(10μm厚み、100μm幅)を印刷したもの
基材2:アモルファスシリコン基板に銀配線(2μm厚み、200μm幅)を印刷したもの
基材3:単結晶シリコン基板に銀配線(50μm厚み、300μm幅)を印刷したもの
基材4:CIGS基板上に銀配線(140μm厚み、300μm幅)を印刷したもの
基材5:ガラス基板に銀配線(0.5μm厚み、300μm幅)を印刷したもの
【0057】
(タブ線)
配線1:銅線(200μm厚み)にCu−Sn−Agコートしたもの
配線2:銅線(100μm厚み)にSn−Pbコートしたもの
配線3:銅線(300μm厚み)にSn−Agコートしたもの
配線4:銅線(300μm厚み)にSn−Ag−Bi−Inコートしたもの
【0058】
<性能試験法>
1.10秒接続時の接続抵抗値信頼性評価、及び3秒接続時の接続抵抗値信頼性評価
日置9455型マルチメータを用いて、接続体の信頼性テスト(85℃85%RHで3000時間長時間放置)後における、表面電極導電配線とタブ線間の抵抗を4端子法で測定した。
【0059】
判定基準(10秒接続時も3秒接続時も同じ)
信頼性試験後の接続抵抗値R
◎:R<20mΩ、○:20mΩ≦R<50mΩ、×:50mΩ≦R
【0060】
<凝集の判断方法>
接続時の接着剤中の凝集粒子を、100個無作為に抽出し、光学顕微鏡で100倍で観察することで、用いた接着剤に含有される導電粒子の凝集性を判断した。
◎:平均粒子径に対して、平均3倍未満の大きさの凝集であった場合
○:平均粒子径に対して、平均3倍以上10倍未満の大きさの凝集であった場合
×:平均粒子径に対して、平均10倍以上の大きさの凝集であった場合
【0061】
【表3】

【0062】
表3に示されるように、各実施例の製造方法により製造された接続体は、3秒で接続した場合においても信頼性試験後の安定した接続抵抗が得られ、各比較例の製造方法により製造された接続体は、3秒で接続した場合に信頼性試験後の接続抵抗が高いことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【0063】
本発明の接着剤を用いることで、短時間の接続でも安定導通を確保した太陽電池セル及びそれを用いた太陽電池モジュールを提供することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電粒子と、有機バインダーとを含む、太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤であって、前記導電粒子を0.01〜1.6体積%含有し、前記導電粒子中の1μm以下の導電粒子の含有比率が0.1〜50体積%であることを特徴とする前記接着剤。
【請求項2】
前記導電粒子は、銅、銀、ニッケル、金、及びすずから選ばれる1種類以上の成分を含む、請求項1に記載の接着剤。
【請求項3】
前記導電粒子は、銀成分及び銅成分を含む、請求項2に記載の接着剤。
【請求項4】
表面電極導電配線、タブ線、及びそれらを電気的に接続している硬化した請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬化性接着剤を含む、太陽電池セルの接続体。
【請求項5】
前記表面電極導電配線は、0.01μm以上150μm以下の厚みを有する、請求項4に記載の接続体。
【請求項6】
前記表面電極導電配線は、銀を含み、且つ前記タブ線は、銅を含む、請求項4又は5に記載の接続体。
【請求項7】
請求項4〜6のいずれか一項に記載の接続体、及び太陽電池セル基板を有する、太陽電池モジュール。
【請求項8】
前記太陽電池セル基板は、シリコン、ガラス、CIGS、窒化アルミ、サファイア基板である、請求項7に記載の太陽電池モジュール。
【請求項9】
太陽電池セルの表面電極導電配線とタブ線とを電気的に接続するための硬化性接着剤の製造方法であって、以下の工程:
1μm以下の導電粒子の体積%が0.1〜50体積%である導電粒子を、0.01〜1.6体積%で、有機バインダーに含有させる工程
を含む、前記接着剤の製造方法。

【公開番号】特開2013−46014(P2013−46014A)
【公開日】平成25年3月4日(2013.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−184780(P2011−184780)
【出願日】平成23年8月26日(2011.8.26)
【出願人】(309002329)旭化成イーマテリアルズ株式会社 (771)
【Fターム(参考)】