(57)【要約】【課題】本発明は、負電極を形成するための非常に細いラインおよび空間的分離を得る方法で使用される繊維またはリボンを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、太陽電池構造体の前側表面上への電極の製造に使用するための繊維またはリボンに関する。この繊維またはリボンは、紡糸可能な分散物を形成するのに適したポリマーと組み合わせて導電性無機材料を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紡糸可能な分散物を形成するのに適したポリマーと組み合わせて導電性無機材料を含む、太陽電池構造体の電極の製造に使用するための繊維またはリボン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ポリマーおよび無機材料を含む繊維またはリボンを指向する。さらに本発明は、そのような繊維またはリボンを用いる太陽電池構造体の特徴部分を組み立てる方法を指向する。
【背景技術】
【０００２】
ｐ−型基板を有する従来の太陽電池構造体は、典型的には、前側または電池の太陽側に負電荷を有する。太陽電池はこの前側表面に近接してキャリア収集接合部を有する。この前側表面は、現在、１フィンガーあたり約１４０ミクロンの幅である、平行なフィンガーと接触している。このフィンガーは、フィンガーに対して垂直な２つのバスバーによって接続されている。典型的には、５インチ平方の電池では、約２．１ｍｍ間隔で隔たれた約５５のフィンガーがある。太陽電池で保存するために集められる電流は、金属接続部によって前側表面のドープされた領域、および、第２の接続部によって裏側で反対の極性にドープされた領域に集められる。
【０００３】
特許文献１から４には、種々の太陽電池デバイスおよび製造方法が開示されている。
【特許文献１】米国特許第３，６８６，０３６号明細書
【特許文献２】米国特許第４，０８２，５６８号明細書
【特許文献３】米国特許第４，３４７，２６２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，２３５，６４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スクリーン印刷、スパッタリングまたは化学エッチング法のような従来のパターンニング技術を適用した場合、負電極を形成するための非常に細いラインおよび空間的分離を得ることは困難である。現在、陰影損失は太陽電池構造体の約９％の損失に相当する。細いラインはこのような損失を実質的に減少する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、太陽電池構造体の前側表面上への電極の製造に使用するための繊維またはリボンであって、紡糸可能な懸濁物を形成するのに適したポリマーと組み合わせて導電性粒子、誘電体粒子またはこれらの混合物を含むものを指向する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、導電性金属粒子を繊維またはリボンに組み込んだ繊維またはリボンを使用して、太陽電池構造体の前側表面に電極を形成することを可能にする。この繊維またはリボンは、高さ方向の厚みが増加した細いラインを可能にし、この細いラインは、ラインの抵抗を高めることなく、電池の陰影損失を減少することによって電池のパワーを増加させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、紡糸可能な繊維形成用分散物と組み合わされた導電性金属粒子を担持した繊維またはリボンを使用した太陽電池構造体の製造方法を指向する。
【０００８】
繊維またはリボンの無機材料が導電性金属粒子である場合、繊維またはリボンの適用例には、太陽電池構造体の特徴部分、例えば負電極またはエミッタの製造が含まれる。
【０００９】
本発明での使用に適したポリマーは、導電性金属粒子のような無機材料の粒子と紡糸可能な懸濁物を形成するものである。このポリマーは、ポリマーと無機材料粒子を含む分散物が形成されうるように、適切な溶媒中に溶解されなければならない。得られた、無機材料を担持したポリマー分散物は、可撓性の繊維に紡糸されるか、または可撓性のリボンに押し出し成形される。本明細書で使用される「繊維」の語は、一本の可撓性フィラメント；互いに撚り合わされるか若しくは互いに束ねられた可撓性フィラメントの集合体；または互いに平行に置かれ束を形成した可撓性フィラメントを意味する。この束は繊維を保護するためのコーティングが施されていてもよく、または施されていなくてもよい。繊維または束は、断面では、円形、楕円、正方形、長方形、三角形および任意の他の形状でありうる。「リボン」の語は、可撓性の細片を意味し、１つの均質なリボンであってもよく、または同じ面に１を越える繊維を置くことによって構成されていてもよく、または幾つかの均質なリボン若しくは繊維の面若しくはこれらの組み合わせを、互いの最上部に重ねてリボン状の構造体を形成したものであってもよい。各繊維またはリボンは同じ化学的特性を有していることが好ましいが、個々の繊維またはリボンの異なる化学特性を組み合わせることを考慮した幾つかの応用がある。繊維の直径は、典型的には、２０ミクロンから１００ミクロンの範囲であるが、幾つかの応用ではこの範囲を越えていてもよい。リボンの大きさは、典型的には、幅２００ミクロンまで、高さ１００ミクロンまでの範囲であるが、幾つかの応用ではこの範囲を越えていてもよい。繊維またはリボンの長さは、連続であることが好ましいが、コンポーネントを形成するための非連続な繊維またはリボンは適切である。さらに、ポリマーは、きれいに軟化または溶融するように選択されなければならない。例えば、ポリマーはいずれの残渣も後に残すことなく、きれいに焼き尽くされなければならない。無機材料の存在下で、ポリマーは分解する前に融点を示さなければならない。選択されたポリマーから生じるポリマー溶融物は、太陽電池を構成する材料を湿潤させなければならない。上記の選択手順に合致したポリマーの例には、商品名ＥＬＶＡＸ（登録商標）としてデュポン社（デラウェア州、ウィルミントン）から入手可能なエチレン／酢酸ビニルコポリマーが含まれる。また、ポリメチルメタアクリレートポリマーも本発明に適しており、商品名ＥＬＶＡＣＩＴＥ（登録商標）としてデュポン社（デラウエア州、ウィルミントン）から入手可能である。追加の、適切なエチレン／酢酸ビニルコポリマーおよびポリメチルメタクリレートポリマーは、ダウおよびエクソンのような製造業者から入手可能である。
【００１０】
紡糸可能な無機材料／ポリマー分散物の調製に使用するための有機溶媒は、ポリマーにとって高溶解性であること、および紡糸温度で高い蒸気圧を有し、無機材料をポリマー繊維またはリボンに紡糸するのを容易にすることを特徴とする。適切な溶媒の幾つかの例には、テトラクロロエチレン、トルエン、およびキシレンが含まれる。乾式紡糸が繊維またはリボンを形成するための好ましい技術である。しかし湿式紡糸、溶融またはゲル紡糸を使用することができる。全ての技術は、繊維技術の分野の者に周知である。
【００１１】
湿式紡糸は最も古い方法である。これは、溶媒に溶解されている繊維形成用物質に使用される。紡糸口金は、化学浴中に沈められ、フィラメントが出て来ると、これらが溶液から沈殿し、固化する。溶液が沈殿用の液体に直接に押し出されるので繊維を作製するためのこの方法は湿式紡糸と呼ばれる。
【００１２】
乾式紡糸も溶液中の繊維形成用物質に使用される。しかし、希釈または化学反応によってポリマーを沈殿させる代わりに、空気または不活性ガスの気流中で溶媒を蒸発させることにより固化を達成する。フィラメントは沈殿用の液体と接触することはなく、乾燥の必要性がなく、且つ、溶媒の回収が容易である。
【００１３】
溶融紡糸では、繊維形成用物質は紡糸口金を通して押し出すために溶融され、次いで冷却することで直接に固化される。
【００１４】
ゲル紡糸は、高強度又は他の特別な繊維の性質を得るのに使用される特別な方法である。ポリマーは押出の間、真の液体状態にはない。完全に分離はされていないが、これらは真の溶液ではないのでポリマー鎖は液晶形態で様々な点で互いに結合されている。これは、得られた繊維に、繊維の引っ張り強度を十分に高める、強い鎖内の力をもたらす。加えて、液晶は、押出の間の剪断力によって繊維の軸に沿って配列される。フィラメントは、お互いに対して通常高い配向度を持って生じ、強度がさらに高められる。この方法はまた、フィラメントがまず空気に通され、次いで液体浴中でさらに冷却されるので、乾式−湿式紡糸とも称される。
【００１５】
本発明の方法で使用可能な粉末形態の導電性金属材料は、エレクトロニクス産業の者によく知られたものである。適切な導電性金属の例には、ソーラーデバイスで一般に使用されるものが含まれ、それは以下の通りである：Ａｕ、Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｃｕ、Ａｕ／Ｔａ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ａｕ／インジウム・スズ・オキシド、Ｃｕ、ＡｇおよびＮｉ。Ａｇは好ましい導電性金属である。
【００１６】
７０〜８０重量％の導電性金属粒子を含む繊維またはリボが好ましいが、無機粒子の導入量は９０重量％まで適切である。無機固形物の導入を最大にすると焼成の間の繊維の収縮が最小になる。しかし、ポリマー含量は、可撓性で均一な繊維またはリボンを形成するのに十分高く保たれなければならない。
【００１７】
形成された繊維またはリボンを太陽電池表面（基板）に貼付する方法は、手動での配置手段から機械化された配置手段までの範囲の任意の方法である。太陽電池表面は、太陽電池の製造で使用するのに適した表面であればよいが、好ましい表面は加工されたＳｉウェハ、ＣｕＩｎＳｅ基板、またはアモルファスシリコン、Ｃｄ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ若しくはＣｄＴｅの薄膜フィルムで覆われた基板である。
【００１８】
繊維またはリボンを配置した後、第１の加熱段階は、太陽電池構造体を加熱し、貼付された繊維またはリボンを、繊維またはリボンの有機ポリマー成分の融点を超える温度に保持する。これは、無機材料／ポリマー繊維またはリボンを基板材料に接着する。一実施形態では、加熱源は押圧プレートに組み込まれてもよい。他の実施形態では、加熱源は押圧プレートと独立であってよい。
【００１９】
繊維またはリボンから有機ポリマーを実質的に完全に焼き尽くす第２の加熱段階は、基板材料上に接着した無機材料をもたらす。導電性無機材料を焼結することが好ましい。焼成温度プロファイルは、１つの連続した加熱で行われる２段階の加熱または別個の２工程に分けられた加熱でありうる。例えば、繊維および／またはリボンの配置と初期加熱段階を組み合わせることができる。配置の段階中に基板および／または繊維／リボンを加熱することにより、基板の必要な位置に繊維／リボンを固定することができる。これは、繊維および／またはリボンを適所に保持する機械的支持構造体がない場合でも、機能的な特徴をもたらす好ましい位置決め方法である。繊維および／またはリボンを加熱することなく適所に固定する他の代替法は、（繊維を基板に接着させるために）配置の直前に溶媒蒸気で繊維または基板表面をぬらすことであろう。
【００２０】
具体的には、図１は、太陽電池上に導電性材料の細い繊維（１０１）を複数配置することによって最上面を金属化する例である。
【００２１】
この繊維は非常に細く、幅が約２０から８０μの寸法である。この繊維は環状の細い棒または長方形状のリボンとして押し出し成形される。これらのアスペクト比は、典型的には約１である。
【００２２】
この繊維は、ルーム（ｌｏｏｍ）（１０２）のような固定具によって配置されるか、または、加工された結晶性Ｓｉウェハ（１０３）のような太陽電池基板上に配置される。適した位置決め（図１に示されるＸ−Ｙの位置決め）は、正確に行われなければならない。図１の断面を図２に示す。図２は、加熱されたＴＥＦＬＯＮ（登録商標）プレート（２０１）で押圧する前にＳｉウェハ表面に近接して繊維を配置している。
【００２３】
繊維の数および間隔は、太陽電池の設計の関数として変化する。幾つかの設計では、図１に例示したように、ラインの間の間隔をつめることがある。幾つかのデザインでは、ラインの間の間隔をより広くとることがある。
【００２４】
繊維の配置は重要な操作である。細い繊維は、これらが壊れやすいだろうから支持体が必要であろう。これらは、繰り返して実施しても正確に位置決めされる必要がある。
【００２５】
繊維を電池の上または上方に置いたら、押圧プレートで繊維を押圧および加熱し、電池の表面にこれらを接着する（図２）。ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）プレートは繊維を掴まないので、繊維を引っ張ることなくプレートを取り除くことができる。プレートを引き上げる前に、典型的には、繊維は切断される。他の実施形態では、独立の加熱源を電池の下面から用いることができる。
【００２６】
電池は、その上面に、薄膜のＳｉＮｘ（２０２）の反射防止コーティングを有する。ＳｉＮｘの下側は、ｎ＋Ｓｉ（２０３）（典型的には、［負のエミッタ用の］高濃度のＰｎ−型ドーパントのＳｉ）の分散層である。電池の基板はｐ−型Ｓｉ（１０３）である。
【００２７】
図３は、押圧プレートを除いた後の図２の電池の断面図を示す。繊維（１０１）は、押圧および加熱の間にわずかに変形し、ＳｉＮｘ層（２０２）の最上面（電池の最も外側の面）に接着される。
【００２８】
図４は、図３の電池の断面図であるが、繊維（１０１）の焼成後のものを表す。繊維はＳｉＮｘ層（２０２）に入り込むことによりｎ＋Ｓｉ層（２０３）と接触する。ＳｉＮｘは非導電性の層であるから、このことは必須である。図４はまた、焼成後に繊維が同じＸ−Ｙの位置に残っていることを示す。
【実施例】
【００２９】
実施例１
銀粒子を含む均質な繊維を形成するペーストを以下のように作製した。まず、５．０ｇのＥＬＶＡＸ（登録商標）２６５  エチレン酢酸ビニル樹脂（デュポン、デラウェア州、ウィルミントン）を１００ｍｌのビーカー中で３０ｍｌのテトラクロロエチレン（ＴＣＥ）に３０分間浸漬した。円形の帯状のヒーターで包んだビーカーをベル型のジャーに入れた。ビーカー内の混合物を攪拌するために、空気駆動式の攪拌機を、ベル型のジャーの中心に配置した。ポリマーが溶解するまで、混合物を１００℃に加熱した。この溶液へ、１５．０ｇの銀粉末（銀粉末、公称サイズ〜２μｍ  Ｄ５０［〜０．５μｍ  Ｄ１０、〜７μｍ  Ｄ９０］、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ、デラウエア州、ウィルミントン）から入手可能）および０．４ｇのガラスフリットを添加した。これを約４時間攪拌した。混合物が非常に均質に見えたら、ベルジャーを真空にし、伸長可能な粘度が得られるまで混合物を濃化した。次に混合物をスパチュラで試験し、均質で濃いペーストから繊維が引き出されることを確認した。均質な液体混合物が得られたら、押し出し成形用の、〜０．５ｍｍの直径を有する皮下注射用のプラスチックシリンジにそれを移した。ペーストは、連続繊維を形成するためのＴＥＦＬＯＮ（登録商標）フルオロポリマーシート（デュポン、デラウエア州、ウィルミントン）に押し出されている間、〜８０℃に保持されなければならない。１００から３００ミクロンの範囲の繊維を得た。得られた繊維は弾力があり、壊れることなく容易にハンドリングすることができた。このことは更なる加工を可能にする。厚さを５０ミクロンまで下げた薄いリボンは、薄膜の押し出し物が固化される前に、押し出し物をＴＥＦＬＯＮ（登録商標）フルオロポリマーシート（デュポン、デラウエア州、ウィルミントン）と接触させる場合に得られる。
【００３０】
ガラスフリット組成物（重量％で与えられる）
Ｂｉ２Ｏ３      ８２．０
ＰｂＯ          １１．０
Ｂ２Ｏ３          ３．５
ＳｉＯ２          ３．５
５．５ｍ２／ｇの標準Ｓ．Ａ．まで粉砕した。
【００３１】
実施例２
実施例１で得た銀繊維をシリコンウェハに貼付し、赤外線炉中において９００℃（設定値）で焼成した。繊維は、これらの元の寸法を維持していなかった。焼成された繊維は、４０ミクロン×高さ８ミクロンと測定された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】太陽電池の頂部表面金属化を表す図である。
【図２】押圧プレートを含む、図１の断面図である。
【図３】押圧後の繊維の配置を示す図である。
【図４】焼成後の太陽電池の構造体を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１    細い繊維
１０２    ルーム
１０３    シリコンウェハ
２０１    テフロン（登録商標）プレート
２０２    ＳｉＮｘ
２０３    ｎ＋Ｓｉ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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