專利名稱：用于制造太陽(yáng)能電池的纖維和窄帶材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含有有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)材料的纖維或窄帶材。本發(fā)明還涉及使用這種纖維或窄帶材制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)特征構(gòu)件的方法。
背景技術(shù)：
p-型基常規(guī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)具有通常在電池正面或者朝向太陽(yáng)一面上的負(fù)極和背面的正極。所述太陽(yáng)能電池具有靠近其正表面的載流子(carrier)收集結(jié)點(diǎn)。所述正表面和相互平行的指針(finger)接觸，各指針通常寬度約為140微米。所述指針通過(guò)兩條匯流條(bus bar)連接，所述匯流條和所述指針垂直。通常，5平方英寸的電池具有約55個(gè)指針，它們之間相互間隔約2.1毫米。通過(guò)太陽(yáng)能電池收集儲(chǔ)存的電流可以通過(guò)正表面上摻雜區(qū)域的金屬觸點(diǎn)并通過(guò)和背表面上反向摻雜區(qū)域的二次接觸來(lái)收集。
當(dāng)通過(guò)常規(guī)圖案形成技術(shù)如絲網(wǎng)印刷、濺射或化學(xué)蝕刻方法進(jìn)行施涂時(shí)，很難獲得用于形成負(fù)極的很細(xì)的線路和間隔分辨率。本發(fā)明允許使用纖維或窄帶材，其中導(dǎo)電金屬顆粒集成在纖維或窄帶材中，在太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的正表面形成這種電極。所述纖維和窄帶材允許具有厚度提高的更窄線路，這可以通過(guò)降低電池遮蔽損失來(lái)提高電池能量，而不會(huì)提高線路的電阻。目前，遮蔽損失占太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中損失的約9％。更窄的線路將充分降低這種損失。
美國(guó)專利No.3,686,036、4,082,568、4,347,262和4,235,644揭示了各種太陽(yáng)能電池裝置和制造方法。
發(fā)明概述本發(fā)明提供制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)上的電極的方法，所述方法包括將包含有機(jī)聚合物和導(dǎo)電材料的纖維或窄帶材以形成太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)所需的取向粘附在基底如硅晶片上；將所述結(jié)構(gòu)加熱至所述有機(jī)聚合物熔點(diǎn)以上的溫度；并將所述結(jié)構(gòu)加熱至能充分有效地幾乎完全除去有機(jī)聚合物的溫度，使無(wú)機(jī)材料以所需的取向粘附在所述基底上。
本發(fā)明也涉及用于制造位于太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)正表面上的電極的纖維或窄帶材，所述纖維或窄帶材包含混合有適于形成可紡分散體的聚合物的導(dǎo)電顆粒、絕緣顆?；蛘咚鼈兊幕旌衔?。


圖1是太陽(yáng)能電池上表面金屬化的圖例。
圖2是具有壓盤的圖1的截面圖。
圖3是顯示加工后纖維排布的圖例。
圖4是燃燒后太陽(yáng)能電池的圖例。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及使用纖維或窄帶材制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的方法，所述纖維或窄帶材包含混合有可紡纖維形成分散體的導(dǎo)電金屬顆粒。
當(dāng)所述纖維或窄帶材的無(wú)機(jī)材料為導(dǎo)電金屬顆粒時(shí)，使用纖維或窄帶材的例子包括制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)上的特片構(gòu)件，例如負(fù)極或發(fā)射板。
適用于本發(fā)明的聚合物包括那些形成含有無(wú)機(jī)材料如導(dǎo)電金屬顆粒的可紡分散體的聚合物。所述聚合物必須可溶于合適的溶劑中，以制備包含聚合物和無(wú)機(jī)材料顆粒的分散體。所得含有無(wú)機(jī)材料的聚合物分散體必須能紡成柔韌的纖維或擠出成柔韌的窄帶材。如本文所用的，術(shù)語(yǔ)“纖維”是指單個(gè)柔韌的細(xì)絲、纏繞或者綁在一起的一組柔韌的細(xì)絲、或者相互并排放置形成一捆的一組柔韌的細(xì)絲。所述成捆纖維可以進(jìn)行涂覆以提供對(duì)纖維的保護(hù)，或者不進(jìn)行涂覆。從橫截面來(lái)看，所述纖維或纖維捆可以是圓形、橢圓形、正方形、矩形、三角形以及其它的形狀。術(shù)語(yǔ)“窄帶材”是指柔韌的條帶且可以是一種均勻的窄帶材；或者可以通過(guò)在相同平面上平鋪一層以上的纖維來(lái)制造；或者可以是若干均勻的窄帶材或纖維面或者它們的復(fù)合物，將它們相互疊放形成窄帶狀的結(jié)構(gòu)。雖然優(yōu)選各纖維或窄帶材具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但是有一些應(yīng)用可以認(rèn)為是各纖維或窄帶材不同化學(xué)性能的綜合。纖維直徑通常為20-100微米，但是對(duì)一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以超過(guò)這一范圍。窄帶材尺寸通常寬度可高達(dá)200微米、高度可達(dá)到100微米，但是對(duì)一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可以超過(guò)這一范圍。纖維或窄帶材的長(zhǎng)度優(yōu)選為連續(xù)的，但是不連續(xù)的纖維或窄帶材長(zhǎng)度也適于形成組件。而且，必須選擇聚合物，使之能軟化且完全熔化，例如，所述聚合物必須燃盡，不留下任何殘留物。在無(wú)機(jī)材料存在下，所述聚合物在分解之前必須具有熔點(diǎn)。由所選聚合物形成的聚合物熔融物必須潤(rùn)濕其上安裝有太陽(yáng)能電池的材料。符合上述選擇程序的聚合物例子包括乙烯/乙酸乙烯酯共聚物，可從DuPont Company(Wilmington DE)以商品名ELVAX購(gòu)得。而且，聚甲基丙烯酸甲酯適于本發(fā)明且可從DuPont Company(Wilmington DE)以商品名ELVACITE購(gòu)得。其它合適的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物和聚甲基丙烯酸甲酯可從制造廠家如Dow和Exxon購(gòu)得。
用于制備可紡無(wú)機(jī)材料/聚合物分散體的有機(jī)溶劑以對(duì)聚合物的高溶解性和在便于將無(wú)機(jī)材料紡成聚合物纖維或窄帶材的紗紡溫度下具有高蒸汽壓為特征。一些合適的溶劑例子包括四氯乙烯、甲苯和二甲苯。干紡是形成纖維或窄帶材用的優(yōu)選技術(shù)。但是，可以使用濕紡、熔紡或凝膠紡。纖維技術(shù)領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員對(duì)所有技術(shù)都熟知。
濕紡是最古老的工藝，可用于已溶解在溶劑中的形成纖維的物質(zhì)。所述紡絲頭浸沒(méi)在化學(xué)浴中，且當(dāng)出現(xiàn)細(xì)絲時(shí)，它們從溶液中析出并固化。因?yàn)樗鋈芤褐苯訑D到所述沉析液中，這種制造纖維的方法稱為濕紡。
干紡也可以用于在溶液中形成纖維的物質(zhì)。但是，它不是通過(guò)稀釋或化學(xué)反應(yīng)來(lái)析出所述聚合物，而是通過(guò)在空氣或惰性氣體流中蒸發(fā)所述溶劑來(lái)達(dá)到固化。所述細(xì)絲并不和沉析液接觸，消除了對(duì)干燥的要求并便于溶劑回收。
在熔紡中，熔化所述形成纖維的物質(zhì)，通過(guò)紡絲頭擠出，然后直接通過(guò)冷卻進(jìn)行固化。
凝膠紡是用于獲得高強(qiáng)度或其它特殊纖維性能的特殊方法。在擠出過(guò)程中所述聚合物并不是處于真正的液體狀態(tài)。如同它們處于真正的溶液中那樣，所述聚合物鏈不完全分離，而是從液晶形式在各點(diǎn)處粘結(jié)在一起。這在所得細(xì)絲中形成強(qiáng)鏈間作用力，可以顯著提高所述纖維的拉伸強(qiáng)度。此外，所述液晶在擠出過(guò)程中通過(guò)剪切力沿纖維軸對(duì)齊。所述細(xì)絲以相互之間異常高的取向程度出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了其強(qiáng)度。這種方法也可以描述為干-濕紗紡，因?yàn)樗黾?xì)絲首先經(jīng)過(guò)空氣，然后進(jìn)一步在液體浴中冷卻。
用于本發(fā)明工藝中呈粉末狀的導(dǎo)電金屬材料是那些為電子工業(yè)中的技術(shù)人員所熟知的材料。合適的導(dǎo)電金屬例子包括那些通常用于太陽(yáng)能裝置中的材料，如下Au、Ni、Au/Cr、Au/Cu、Au/Ta、Cu/Cr、Au/氧化銦錫、Cu、Ag和Ni。Ag是優(yōu)選的導(dǎo)電金屬。
優(yōu)選含有70-80重量％導(dǎo)電金屬顆粒的纖維或窄帶材，雖然無(wú)機(jī)顆粒負(fù)載量高達(dá)90重量％是合適的。使無(wú)機(jī)固體負(fù)載量最大將會(huì)使纖維在燃燒過(guò)程中的收縮最小。但是所述聚合物含量必須保持足夠高，以形成柔韌且均勻的纖維或窄帶材。
將所形成的纖維或窄帶材粘附到太陽(yáng)能電池表面(基底)上的方法可以為從手動(dòng)放置到機(jī)械放置方式范圍內(nèi)的任何方法。所述太陽(yáng)能電池表面可以是任何適合于太陽(yáng)能電池制造的表面，但是優(yōu)選的表面為加工后的硅晶片、CuInSe基底或者涂覆有無(wú)定形硅薄膜的基底、CD-In-Ga-Se、CdS、ZnS或CdTe。
平鋪所述纖維或窄帶材之后，在第一加熱階段加熱所述將粘附纖維或窄帶材的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)至高于所述纖維或窄帶材有機(jī)聚合物組分熔點(diǎn)以上的溫度。這將所述無(wú)機(jī)材料/聚合物纖維或窄帶材粘附到所述基底材料上。在另一實(shí)施方案中，所述熱源可以和壓板分開(kāi)。
在第二加熱階段充分或完全地?zé)M所述纖維或窄帶材的有機(jī)聚合物，使所述無(wú)機(jī)材料粘附到基底材料上。優(yōu)選所述導(dǎo)電無(wú)機(jī)材料被燒結(jié)。所述燃燒溫度曲線可以是在一個(gè)連續(xù)加熱區(qū)域或者兩個(gè)不連續(xù)加熱階段進(jìn)行的兩個(gè)加熱階段。例如，可以合并所述纖維和/或窄帶材放置和起始加熱階段。在放置步驟中加熱所述基底和/或纖維/窄帶材可以用于將所述纖維/窄帶材固定在基底上的所需位置。這將是形成功能特性的優(yōu)選定位方法，此處不存在將所述纖維和/或窄帶材固定在位的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)。另一供選的方法無(wú)需通過(guò)加熱就可將纖維和/或窄帶材粘結(jié)到位，它是在定位之前立即用溶劑蒸汽潤(rùn)濕所述纖維或基底表面(使纖維粘附到所述基底上)。
更加具體的說(shuō)，圖1說(shuō)明通過(guò)將導(dǎo)電材料的多重細(xì)纖維(101)放置到太陽(yáng)能電池上的上表面金屬化。
所述纖維很窄，尺寸約為20-80微米寬。所述纖維可以作為圓條或矩形窄帶材擠出。它們的縱橫比通常約為1。
所述纖維可以通過(guò)夾具如織機(jī)(102)放置，并定位在太陽(yáng)能電池基底如加工后的晶體硅晶片(103)上。正確的定位需要精確地進(jìn)行(如圖1所示X-Y定位)。圖1的截面圖示于圖2。在用加熱后的TEFLON板(201)擠壓之前，圖2將所述纖維定位在靠近硅晶片表面的位置。
纖維數(shù)和間隔隨太陽(yáng)能電池裝置的功能而變化。一些裝置可以如圖1所示在線路之間具有接近的間隔。一些裝置可以在線路之間具有更寬的間隔。
所述纖維放置是關(guān)鍵的操作。由于它們是易碎的，所述窄纖維需要有支撐。它們需要精確定位，以具有重復(fù)性能。
一旦所述纖維置于電池上或以上，壓板可以擠壓和加熱所述纖維，使它們粘附到所述電池表面(圖2)。所述TEFLON板將不會(huì)咬住所述纖維，從而允許取出所述壓板，而不會(huì)拖動(dòng)纖維。在提升所述壓板之前，通常會(huì)切割所述纖維。在另一實(shí)施方案中，在電池的下方可以使用單獨(dú)的熱源。
所述電池在其上表面上具有SiNx(202)薄膜防反射涂層。在SiNx下是n+Si(203)(通常為具有高濃度Pn-型摻雜物的Si[用于負(fù)極發(fā)射極])漫射層。所述電池的基體為p-型Si(103)。
圖3顯示當(dāng)除去所述壓板之后圖2電池的截面。所述纖維(101)在擠壓和加熱過(guò)程中輕微變形，并已經(jīng)粘附到SiNx層(202)的上部(電池的最外層)。
圖4說(shuō)明在燃燒所述纖維(101)之后圖3電池的截面。所述纖維通過(guò)穿透所述SiNx層(202)和所述n+Si層(203)接觸。當(dāng)所述SiNx是非導(dǎo)電層時(shí)，這一點(diǎn)是需要的。圖4也說(shuō)明了燃燒后保持相同X-Y位置的纖維。
實(shí)施例實(shí)施例1如下所述制備含有銀顆粒的光滑纖維形成糊劑。首先在100ml燒杯中用30ml四氯乙烯(TCE)浸泡5.0gELVAX265乙烯/乙酸乙烯酯樹(shù)脂(DuPont，Wilmington，DE)半小時(shí)。在用圓形帶狀加熱裝置包圍的燒杯置于鐘罩中。空氣驅(qū)動(dòng)攪拌器位于鐘罩的中心，攪拌燒杯中的混合物。所述混合物加熱至100℃，直到所述聚合物溶解。往所述溶液中加入15.0g銀粉(銀粉，正常尺寸～2微米D50[～0.5微米D10，～7微米D90]，從E.I.du Pont de Nemours andCompany，Wilmington，DE購(gòu)得)和0.4g玻璃粉。攪拌約4小時(shí)。一旦所述混合物看起來(lái)很光滑，對(duì)鐘罩抽真空，使所述混合物增稠直到獲得可伸縮的粘度。然后用刮刀測(cè)試所述混合物，確保所述纖維可以從光滑稠密的糊劑中抽出。一旦獲得光滑的流體混合物，它就可以轉(zhuǎn)移到具有直徑為～0.5mm的擠出用皮下注射針的塑料注射器。在將其擠出到TEFLON含氟聚合物薄片(DuPont，Wilmington，DE)上形成連續(xù)纖維時(shí)，所述糊劑必須保持在～80℃?？梢垣@得100-300微米的纖維。所得纖維有彈性，并可以輕易進(jìn)行處理而不會(huì)斷裂，可以進(jìn)一步加工。在所述擠出物的表層已經(jīng)固化之前，若所述擠出物和所述TEFLON含氟聚合物薄片(DuPont，Wilmington，DE)接觸，就可以獲得厚度低至50微米的薄窄帶材。
玻璃粉組成(以重量％計(jì))Bi2O382.0PbO11.0B2O33.5SiO23.5研磨成正常的S.A.，為5.5m2/g實(shí)施例2將實(shí)施例1所得的銀纖維粘附到硅晶片上，并在IR烘箱中在900℃(設(shè)定點(diǎn))下燃燒。所述纖維并不保持其最初的尺寸。測(cè)得燃燒后的纖維為40微米×8微米高。
權(quán)利要求
1.在太陽(yáng)能電池制造中將纖維或窄帶材粘附到基底的方法，所述方法包括以下步驟a)將包含有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)材料的纖維或窄帶材以形成制品所需的取向粘附在基底上；b)將所述制品加熱至能有效除去有機(jī)聚合物的溫度，使無(wú)機(jī)材料以所需的取向粘附在所述基底上。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括在基底上形成包含有機(jī)聚合物和必定要沉積的無(wú)機(jī)材料的纖維或窄帶材。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)材料是選自Au、Ni、Au/Cr、Au/Cu、Au/Ta、Cu/Cr、Au/氧化銦錫、Cu、Ag和Ni的導(dǎo)電金屬顆粒。
4.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述基底為硅晶片。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括以下步驟將所述制品加熱至所述有機(jī)聚合物熔點(diǎn)以上的溫度。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖維或窄帶材沉積為電極。
7.用于制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)用特征構(gòu)件的纖維或窄帶材，所述纖維或窄帶材包含混合有適于形成可紡分散體的聚合物的導(dǎo)電無(wú)機(jī)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用包含有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)材料的纖維或窄帶材在硅晶片上制造特征構(gòu)件的方法。
文檔編號(hào)B05D3/02GK1471176SQ0314274
公開(kāi)日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者A·F·卡羅爾, A F 卡羅爾, C·J·羅奇, 羅奇 申請(qǐng)人:E.I.內(nèi)穆?tīng)柖虐罟?br>