(57)【要約】  太陽電池セルにおける金属基複合材料コンタクトをスクリーン印刷するための金属基複合材料ペーストが提供される。金属基複合材料ペーストは、金属ペースト内に複数の官能化多層カーボンナノチューブを含む。金属基複合材料ペーストは金属ペーストと同等の機械的及び化学的特性を有し得るため、標準的な金属被覆処理に取り込まれ得る。金属基複合材料ペーストから形成された金属基複合材料コンタクトは、バスバー又はグリッド線の物理的破壊によってもたらされるギャップを電気的に架橋する増加した延性及び自己修復能力を有し得る。
2021530118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された反射防止コーティングと、
前記反射防止コーティング上に配置された金属基複合材料コンタクトであって、
金属、及び
前記金属内に分散された複数の多層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
を備える金属基複合材料コンタクトと、
を備え、
前記金属基複合材料コンタクトの前記金属は、前記反射防止コーティングを介して前記基板に電気的に接続する、太陽電池セル。
【請求項２】
前記金属基複合材料コンタクトの靭性の係数は、前記複数の多層カーボンナノチューブを有さない実質的に前記金属からなる金属コンタクトよりも１６％〜２００％高い、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項３】
前記金属基複合材料コンタクトは、約５０μｍ未満、約１５〜約４０μｍ又は約４〜約２０μｍの幅のギャップを電気的に架橋することができる、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項４】
前記複数の多層ＣＮＴは、前記金属基複合材料コンタクトの約０．１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％である、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項５】
前記複数の多層ＣＮＴは、前記金属基複合材料コンタクトの約１ｗｔ％である、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項６】
前記金属基複合材料コンタクトの前記金属は、銀、銅、金、アルミニウム又はこれらの組合せからなる、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項７】
前記複数の多層ＣＮＴは、約１０〜約１００μｍの長さを有する、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項８】
前記コンタクトは、太陽電池デバイスのグリッド線又はバスバーである、請求項１に記載の太陽電池セル。
【請求項９】
前記複数の多層ＣＮＴが、前記グリッド線又はバスバーに対してランダムに配向された、請求項８に記載の太陽電池セル。
【請求項１０】
コンタクトをスクリーン印刷するためのペーストを形成する方法であって、
複数の多層カーボンナノチューブを提供するステップと、
前記複数の多層カーボンナノチューブの表面を官能化して複数の官能化多層カーボンナノチューブを形成する、官能化するステップと、
前記複数の官能化多層カーボンナノチューブを金属ペーストと混合して金属基複合材料（ＭＭＣ）ペーストを形成する、混合するステップと
を備える方法。
【請求項１１】
前記複数の官能化多層カーボンナノチューブを金属ペーストと混合するステップの前に、前記複数の官能化多層カーボンナノチューブ及び溶媒を備える溶液を形成するステップをさらに備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属基複合材料ペーストを加熱して、前記金属基複合材料ペーストの粘度を前記金属ペーストの粘度に一致させ、又は前記金属基複合材料ペーストの前記粘度を増加させるステップをさらに備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の多層カーボンナノチューブの前記表面を官能化するステップは、前記複数の多層カーボンナノチューブの前記表面をカルボキシル官能基又はアミン官能基で官能化するステップを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の多層カーボンナノチューブの前記表面をカルボキシル官能基で官能化するステップが、
前記多層カーボンナノチューブ及び１以上の酸からなる混合物を形成するステップと、
前記混合物を加熱し、該混合物を超音波処理するステップと、
前記混合物に水を添加することによって溶液を形成するステップと、
前記溶液をフィルタ処理して前記多層カーボンナノチューブを収集するステップと、
前記多層カーボンナノチューブを洗浄して残留酸を除去するステップと、
前記多層カーボンナノチューブを乾燥させてカルボキシル化カーボンナノチューブを形成するステップと
を備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記１以上の酸は、硝酸（ＨＮＯ３）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）又はこれらの組合せからなる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
金属ペーストと、
複数の多層カーボンナノチューブであって、該複数の多層カーボンナノチューブの表面がカルボキシル官能基又はアミン官能基で官能化された、複数の多層カーボンナノチューブと、
を備える金属基複合材料ペースト。
【請求項１７】
前記金属ペーストは、銀、銅、金、アルミニウム又はこれらの組合せからなる、請求項１６に記載の金属基複合材料ペースト。
【請求項１８】
前記複数の多層カーボンナノチューブは、前記金属基複合材料ペーストの約０．１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％である、請求項１６に記載の金属基複合材料ペースト。
【請求項１９】
太陽電池デバイスにおける電気コンタクトを形成する方法であって、
基板を提供するステップと、
前記基板上に誘電体層を堆積させるステップと、
金属ペースト及び複数の多層カーボンナノチューブを備える金属基複合材料ペーストを前記誘電体層上にスクリーン印刷するステップであって、前記多層カーボンナノチューブの表面がカルボキシル官能基又はアミン官能基で官能化される、スクリーン印刷するステップと、
前記金属基複合材料ペーストを焼き付けて電気コンタクトを形成する、焼き付けるステップと、
を備える方法。
【請求項２０】
前記電気コンタクトは、金属基内に分散された複数の多層カーボンナノチューブを備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記焼き付けるステップが、前記金属基複合材料ペーストが前記基板に電気的に接続するように前記誘電体層を介してエッチングするステップをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記基板はシリコンからなり、前記金属ペーストは銀からなる、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年７月５日出願の米国仮特許出願第６２／６９４，３３７号の優先権を主張し、その全体において参照によりここに取り込まれる。
【０００２】
（政府出資）
本発明は、許可番号ＡＧＪ−８−７０３２５−０１の下でエネルギー省によって提供された政府の援助によってなされた。政府は、本発明に所定の権利を有する。
【０００３】
本開示は、印刷可能な金属コンタクトに向けられ、より詳細には、スクリーン印刷可能な金属基複合材料及びそれらを形成する方法に向けられる。
【背景技術】
【０００４】
宇宙船は、多接合太陽電池によって主に給電される。それは、１−ｓｕｎでエアマス０（ＡＭ０）のスペクトルの下での３０％近くの効率での高い性能及び宇宙環境における良好な耐照射性によるものである。多接合電池は高い効率を与えるが、成長欠陥、格子不一致による膜応力、並びに作製、出荷、設置、発射及び運用中にもたらされる機械的応力を含む種々の理由に起因してクラック（ここではマイクロクラックともいう）が結晶性太陽電池（ＰＶ）セルにおいて発生し得る。これらのクラックはＰＶセルの分離された部分を電気的に絶縁させ、それはその後に実質的な電力喪失をもたらし得る。地上のシリコン系ＰＶセルについても同様に、クラックは、セル及びモジュールレベルの双方において機械的安定性を減少させ、性能を大幅に劣化させることを示してきた。太陽光発電が化石燃料による発電との競合に勝つためには、非常に耐久性の高いＰＶモジュールが必要となる。ＰＶモジュールの耐久性は、一般に、それらの劣化率、性能の経時的な緩やかな喪失によって評価される。劣化率が高いと、結果として発電が低下し、したがって費用対効果が低下することになる。太陽光電力の費用対効果を高める１つの態様は、ＰＶセル及びモジュールの劣化率を減少させてそれらの寿命を延ばすことである。
【０００５】
ＰＶセル及びモジュールのための印刷金属コンタクトは、スクリーン印刷、インクジェット印刷及び押出しを含む幾つかの技術によって形成され得る。これらの技術の各々において、通常、印刷可能な金属ペーストが、金属被覆処理中に使用される。スクリーン印刷では、例えば、グリッド線及びバスバーなどの金属コンタクトが、金属ペーストをシリコン（Ｓｉ）基板上に印刷及び焼き付けることによって形成される。今日のＰＶモジュールの一般的な劣化メカニズムは、ＰＶセルの金属コンタクトにおけるクラックによって誘発されることが多く、陰影及び汚れによっても引き起こされるホットスポットである。グリッド線及びバスバーにクラックが入り、又はそれらが分断されると、電気的連続性が瞬時かつ回復不能に失われてしまう。ホットスポットとなる前であっても、これらのクラックは、高い直列抵抗、効率の低減及びエネルギーの喪失をもたらす。
【０００６】
したがって、太陽電池セルのためのより耐久性の高いコンタクトを形成するための、より耐久性の高いコンタクト及び改善された印刷可能なペーストが望まれる。
【発明の概要】
【０００７】
本教示によると、太陽電池セルが提供される。太陽電池セルは、基板と、基板上に配置された反射防止コーティングと、反射防止コーティング上に配置された金属基複合材料コンタクトとを含む。金属基複合材料コンタクトは、金属及び該金属内に分散された複数の多層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含み、金属基複合材料コンタクトの金属は反射防止コーティングを介して基板に電気的に接続する。
【０００８】
本教示によると、スクリーン印刷コンタクトのためのペーストを形成する方法が提供される。方法は、複数の多層カーボンナノチューブを提供するステップと、複数の多層カーボンナノチューブの表面を官能化するステップとを含む。方法は、複数の官能化多層カーボンナノチューブを金属ペーストと混合して金属基複合材料（ＭＭＣ）ペーストを形成するステップをさらに含む。選択的に、方法は、複数の官能化多層カーボンナノチューブを金属ペーストと混合するステップの前に、複数の官能化多層カーボンナノチューブ及び溶媒を備える溶液を形成するステップをさらに含み得る。
【０００９】
本教示によると、金属基複合材料ペーストが提供される。金属基複合材料ペーストは、金属ペーストと、複数の多層カーボンナノチューブとを含み、複数の多層カーボンナノチューブの表面はカルボキシル官能基又はアミン官能基で官能化される。
【００１０】
本教示によると、太陽電池デバイスにおいて電気コンタクトを形成する方法が提供される。方法は、基板を提供するステップと、基板上に誘電体層を堆積させるステップとを含む。方法は、金属ペースト及び複数の多層カーボンナノチューブを備える金属基複合材料ペーストを誘電体層上にスクリーン印刷するステップであって、多層カーボンナノチューブの表面がカルボキシル官能基又はアミン官能基で官能化される、ステップと、金属基複合材料ペーストを焼き付けて電気コンタクトを形成するステップとをさらに含む。
【００１１】
添付図面は、本明細書に取り込まれてその一部を構成するものであり、本開示を示し、その説明とともに、本開示の原理を説明するように作用する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本教示による金属基複合材料ペーストを形成する方法を概略的に示す図である。
【図２】本教示による金属基複合材料から形成されるバスバー及びグリッド線を含むＰＶセルの一部分を概略的に示す図である。
【図３】本教示による、クラックを含む金属基複合材料から形成されるグリッド線の一部分を概略的に示す図である。
【図４】本教示による３個のスクリーン印刷された金属基複合材料コンタクトについての焼付けプロファイルをプロットする図である。
【図５】電気抵抗をギャップのサイズの関数としてプロットすることによって、本教示による金属基複合材料コンタクトのギャップ架橋能力を示す図である。
【図６Ａ】変位に対する歪−故障及び閉ギャップのサイクルをプロットすることによって、本教示によるペーストＡを含む金属基複合材料コンタクトの自己修復能力を示す図である。
【図６Ｂ】変位に対する歪−故障及び閉ギャップのサイクルをプロットすることによって、本教示によるペーストＢを含む金属基複合材料コンタクトの自己修復能力を示す図である。
【図６Ｃ】変位に対する歪−故障及び閉ギャップのサイクルをプロットすることによって、本教示によるペーストＣを含む金属基複合材料コンタクトの自己修復能力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで本開示の例示的実施形態について詳細に参照し、その実施例が添付図面に示される。可能である場合には、同一又は類似の部分を言及するのに図面を通じて同一の符号を用いる。以下の説明では、参照が、その部分を構成する添付図面に対してなされ、そこにおいて、本開示が実施され得る具体的な例示的実施形態が例示として示される。これらの実施形態は当業者が本開示を実施することを可能とするのに充分な詳細で記載され、他の実施形態が利用され得ること、及び本開示の範囲から逸脱することなく変形がなされ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の説明は、単なる例示である。
【００１４】
太陽電池（ＰＶ）発電が化石燃料による発電との競合に勝つためには、耐久性の高いＰＶモジュールが必要となる。金属被覆、例えば、グリッド線及びバスバーにおけるクラックは、ＰＶセル及びモジュールにおける一般的な劣化モードである。クラックに耐えてクラック発生後に自己修復する改善された特性の金属基複合材料コンタクトを形成するのに使用可能な金属基複合材料（ＭＭＣ）ペーストが、ここに開示される。開示される金属基複合材料ペーストは、金属ペーストに取り込まれた官能化カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む。金属基複合材料ペーストは従来の金属ペーストと類似の化学的及び機械的特性を有し得るため、開示される金属基複合材料ペーストは、確立された金属被覆作業フローにおいて、処理に対する変更なしに又は最小限の変更で使用可能である。
【００１５】
太陽電池デバイスでの用途のための金属基複合材料コンタクトも、ここに開示される。開示される金属基複合材料ペーストを用いる金属被覆法は、ＰＶセル及びモジュールのためのグリッド線（ここではフィンガーともいう）及びバスバーなどの金属基複合材料コンタクトを高められた靭性で形成することができる。さらに、開示される金属基複合材料で形成されたコンタクトは、バスバー又はグリッド線の物理的破壊によってもたらされるギャップを電気的に架橋する増加した延性及び自己修復能力を発揮する。これは、ＰＶセル、モジュール及びシステムにおいて使用される場合に長寿命化を可能とし、これは太陽光エネルギーのコストを低減する。
【００１６】
ここで使用される「金属基複合材料」とは、複数の多層カーボンナノチューブ及び金属基を備える材料のことをいう。
【００１７】
図１は、本開示による金属基複合材料ペーストを作製する方法１００を示す。方法１００の１１０において、複数の多層カーボンナノチューブが提供され、１以上の酸と合成されて混合物を形成する。１以上の酸は、これに限定されないが、硝酸（ＨＮＯ３）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）又はこれらの組合せを含み得る。例えば、複数の多層カーボンナノチューブは、１以上の酸との体積混合比１：３で合成され得る。複数の多層カーボンナノチューブは、約２〜約１００μｍ又は約１０〜約３０μｍの長さを有し得る。複数の多層カーボンナノチューブは、約３〜約１７０ｎｍ、６〜約８０ｎｍ又は約３０〜約５０ｎｍの外径を有し得る。
【００１８】
方法１００の１２０において、混合物は、超音波処理及び加熱され得る。例えば、混合物は、２５℃〜約４０℃の温度で約０．１時間〜約３時間にわたって約４０ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚで超音波処理され得る。超音波処理及び加熱後に、混合物は、方法１００の１３０において溶液を形成するのに使用され得る。溶液は、例えば、混合物を脱イオン水に滴下して添加することによって形成され得る。
【００１９】
方法１００の１４０において、溶液はフィルタ処理可能であり、複数の多層カーボンナノチューブが収集され得る。フィルタ処理は、例えば、ポリプロピレン濾紙を用いる真空フィルタ処理によるものであり得る。複数の多層カーボンナノチューブは、残留酸を除去するように方法１００の１５０において洗浄されてから乾燥され得る。結果として得られる官能化されたカーボンナノチューブは、複数の多層カーボンナノチューブの外層及び端部に付着した化学基を含む。例えば、カルボキシル化のために−ＣＯＯＨがナノチューブに付着可能であり、アミノ化のために−ＮＨ２がナノチューブに付着可能である。複数の多層カーボンナノチューブの表面をカルボキシル官能基又はアミノ官能基で官能化することによって、官能化多層カーボンナノチューブが懸濁可能な極性溶媒などの種々の周囲媒体に対する多層カーボンナノチューブの濡れ性が高まる。多層カーボンナノチューブを含有する極性溶液の選択は、結果として得られる金属基複合材料ペーストの流動学的特性を適切に調整しつつ、金属ペーストとの溶液混和性を増加させることを可能とする。表面の官能化はまた、多層カーボンナノチューブと焼付け後の周囲の金属基との間の密着力、及びカーボンナノチューブ間の相互作用に影響を与える。さらに、多層カーボンナノチューブの官能化は、それらの本来の官能化されていない形態とは異なる機械的及び電気的特性をもたらし得る。
【００２０】
選択的に、方法１００の１６０において、官能化多層カーボンナノチューブは、液体に懸濁され得る。例えば、官能化多層カーボンナノチューブは、これに限定されないが、イソプロパノールを含む高蒸気圧溶媒に懸濁され、約４０〜約６０ｋＨｚで超音波処理され得る。
【００２１】
方法１００の１７０において、官能化多層カーボンナノチューブは、金属ペーストに添加されて金属基複合材料ペーストを形成し得る。官能化多層カーボンナノチューブが高蒸気圧溶媒に懸濁される場合、混合物は金属ペーストに添加されて金属基複合材料ペーストを形成し得る。金属ペーストは、例えば、銀、金、銅又はアルミニウムであり得る。官能化多層カーボンナノチューブは、金属基複合材料ペーストの約０．１〜約１０重量パーセントであり得る。官能化多層カーボンナノチューブはさらに、金属基複合材料ペーストの約１重量パーセントであり得る。
【００２２】
方法１００の１８０において、金属基複合材料ペーストを形成する官能化多層カーボンナノチューブ及び金属ペーストが混合され得る。混合によって、もしあれば高蒸気圧溶媒が蒸発し、金属ペーストの化学的及び機械的特性にナノチューブを添加することの影響を最小化することが可能となる。例えば、自転公転撹拌機及び／又は３ロールミル型撹拌機が使用され得る。金属基複合材料ペーストは、多層カーボンナノチューブのない金属ペーストと同等又は同じ粘度を有し得る。
【００２３】
選択的に、方法１００の１９０において、過剰な溶媒を除去し又は金属基複合材料ペーストの粘度を調整するのに低加熱が用いられ得る。例えば、金属基複合材料ペーストの粘度を多層カーボンナノチューブのない金属ペーストの粘度に一致させるのに加熱が用いられ得る。金属基複合材料ペーストの粘度を増加させてスクリーン印刷を容易化するのにスクリーン印刷中に加熱が用いられてもよい。粘度は、約１３〜約２２５パスカル−秒（Ｐａｓ）の範囲であり得る。
【００２４】
ここに開示される金属基複合材料ペーストは、スクリーン印刷され、焼き付けられて金属基複合材料ＰＶコンタクトを形成することができる。またさらに、ここに開示される金属基複合材料ペーストは、スクリーン印刷などの確立された金属被覆処理に取り込まれて、増加した耐クラック性及び自己修復能力を有するシリコン太陽電池セルのためのコンタクトを形成することができる。
【００２５】
金属基複合材料ペーストの実施例
各々が銀ペースト及び複数の官能化多層カーボンナノチューブを含む３種の金属基複合材料ペーストを本教示に従って形成した。外径３０〜５０ｎｍ及び長さ１０〜２０μｍの多層カーボンナノチューブを、Ｃｈｅａｐ  Ｔｕｂｅｓ  Ｉｎｃ．（ケンブリッジポート、バーモント州）から入手した。Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ウィルミントン、デラウェア州）によって製造された３種の銀ペースト：（１）ｎ＋エミッタを有するｐ型シリコン（Ｓｉ）についてＰａｓｔｅ  Ａ−  Ｄｕｐｏｎｔ  ＰＶ１９Ｌ、（２）ｎ＋エミッタを有するｐ型ＳｉについてＰａｓｔｅ  Ｂ−  Ｄｕｐｏｎｔ  ＰＶ７６Ａ、及び（３）ｐ＋エミッタを有するｎ型ＳｉについてＰａｓｔｅ  Ｃ−  Ｄｕｐｏｎｔ  ＰＶ３Ｎ２、を使用した。
【００２６】
多層カーボンナノチューブを高濃度ＨＮＯ３及びＨ２ＳＯ４と体積混合比１：３で合成することによって混合物を形成した。その混合物を４０℃で３時間にわたって４０ｋＨｚで超音波処理した。その後、混合物を脱イオン水に滴下で添加し、結果として得られた溶液をＭｉｌｌｉｐｏｒｅ  Ｓｉｇｍａ（バーリントン、マサチューセッツ州）製の孔径０．２μｍのＰｏｌｙｐｒｏ濾紙を用いて真空フィルタ処理した。多層カーボンナノチューブを、残留酸を除去するまで完全に洗浄した。乾燥形態のカルボキシル化された多層カーボンナノチューブを超音波処理槽においてイソプロパノール内に再懸濁した。超音波処理を、２５〜３５℃において約０．５〜１時間にわたって４０ｋＨｚにおいて行った。その後、多層カーボンナノチューブ−溶媒混合物を、３種の銀（Ａｇ）ペーストに約１重量パーセント（ｗｔ％）で添加し、自転公転撹拌機を用いて混合した。カルボキシル化された多層カーボンナノチューブを高蒸気圧溶媒に再懸濁することによって混合を促進した。高蒸気圧溶媒は、蒸発して銀ペーストの機械的及び化学的特性に対するＣＮＴ添加の影響を最小限にすることを可能とする。その後、過剰な溶媒を、約８０〜約９５℃の低加熱を用いてペーストから放出させてペーストの当初の粘度を回復させた。結果として得られた３種の金属基複合材料ペーストは、多層カーボンナノチューブのない対応の銀ペーストと同じ粘度を有していた。
【００２７】
図２は、本開示によるＰＶモジュールを構成する太陽電池セル上の金属基複合材料コンタクトを概略的に示す。ＰＶセル２００は、バスバー２１０及びグリッド線２２０などの電気コンタクトを含み得る。グリッド線をここではフィンガーともいう。バスバー２１０及びグリッド線２２０は、誘電体層２３０上に配置される。誘電体層２３０は、基板２４０上に配置される。基板２４０は、例えば、シリコンで構成され得る。基板２４０上に配置された誘電体層２３０は、二酸化シリコン、窒化シリコン又はその組合せで構成された反射防止（ＡＲ）コーティングであり得る。グリッド線２２０は、誘電体層２３０を介して基板２４０に電気的に接続される。これは、通常は、スクリーン印刷されたＰＶセルの焼付け中のエッチングに伴って行われる。
【００２８】
グリッド線２２０は、電気を収集してバスバー２１０に通電する。バスバー２１０は、ＰＶセルを他のものに電気的に接続する。グリッド線２２０及び／又はバスバー２１０は、金属基及び複数のカーボンナノチューブからなる金属基複合材料で構成され得る。金属基は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム又はそれらの混合物を含む金属ペーストであり得る。カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブであり得る。単層カーボンナノチューブが使用可能であるが、それらは製造が難しく、それゆえより高価なものとなる。多層カーボンナノチューブは、約１０μｍ〜約１００μｍ、約１５μｍ〜約５０μｍ又は約１５μｍ〜約２０μｍの長さを有し得る。多層カーボンナノチューブは、金属基を通じてランダムに分散され、金属基複合材料の約０．１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％を構成し得る。選択的に、多層カーボンナノチューブは、金属基複合材料の約１ｗｔ％〜約４ｗｔ％を構成し得る。
【００２９】
金属基複合材料コンタクトは、金属のみで形成されたコンタクトと比較して１６％〜２００％の増加した係数の靭性を有し得る。金属基複合材料コンタクトはさらに、金属のみで形成されたコンタクトよりも９倍高い弾性係数を有し得る。そして、金属基複合材料コンタクトは、金属のみで構成されたコンタクトと比較して１０倍高い破壊強度を有し得る。
【００３０】
金属基複合材料コンタクトはまた、自己修復能力を与える。図３は、ギャップ３２９によってグリッド線３２０を物理的に分離するクラックを含むグリッド線３２０を概略的に示す。ギャップ３２９は、グリッド線３２０の第１の部分３２１をグリッド線３２０の第２の部分３２２から物理的及び／又は電気的に分離する。クラックは、輸送、設置及び運用中の熱機械的応力によって発生し得る。その後、これらのクラックは、モジュール動作中のホットスポットをもたらし得る。しかし、グリッド線３２０を構成する金属基複合材料の複数の多層カーボンナノチューブ３２５によって、グリッド線３２０が電気的連続性を維持することが可能となる。複数の多層カーボンナノチューブ３２５は、約５０μｍ以上、又は約４μｍ〜約２０μｍのギャップを電気的に架橋することができる。
【００３１】
金属基複合材料コンタクトの実施例
特性の向上、ギャップの架橋及び自己修復能力を示すために、参照コンタクト及び金属基複合材料コンタクトをスクリーン印刷して試験した。金属基複合材料コンタクトを、上記に開示した金属基複合材料ペーストを用いて形成した。多層カーボンナノチューブは、Ｃｈｅａｐ  Ｔｕｂｅｓ  Ｉｎｃ．（ケンブリッジポート、バーモント州）から入手され、外径３０〜５０ｎｍ及び長さ１０〜２０μｍを有していた。Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ウィルミントン、デラウェア州）によって製造された３種の銀ペースト：（１）Ｐａｓｔｅ  Ａ−  Ｄｕｐｏｎｔ  ＰＶ１９Ｌ、（２）Ｐａｓｔｅ  Ｂ−  Ｄｕｐｏｎｔ  ＰＶ７６Ａ、及び（３）Ｐａｓｔｅ  Ｃ−  Ｄｕｐｏｎｔ  ＰＶ３Ｎ２、を使用した。多層カーボンナノチューブ及び銀ペーストを用いて、金属基複合材料ペーストをここに記載するように形成した。
【００３２】
そして、２インチ×２インチの寸法を有する試験セル及び参照セルを、スクリーン印刷によって形成した。銀ペーストＡ、Ｂ及びＣを用いて参照コンタクトを参照セル上にスクリーン印刷した。試験コンタクトを３種の金属基複合材料ペーストを用いて試験セル上にスクリーン印刷した。スクリーン印刷を、Ａｒｅｍｃｏ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．（バレーコテージ、ニューヨーク州）製のＡｃｃｕ−Ｃｏａｔ３２３０半手動スクリーンプリンタ及びＣｅｆａｒ  Ｉｎｃ．製のステンレス鋼ワイヤスクリーンを用いて完了した。スクリーンは、４００メッシュ数、０．７ミルワイヤ径、２２．５度のワイヤ角及びＳ２４エマルジョンタイプを有していた。２．４ｍｍ及び６０μｍの線幅を有する試験コンタクト及び参照コンタクトをリン酸インジウム（ＩｎＰ）基板上に印刷した。スクリーン印刷後、試験セル及び参照セル上のコンタクトを、図４に示す加熱プロファイルを用いて石英管炉内で焼き付けた。
【００３３】
ギャップ架橋を評価するために、試験セル及び参照セルを印刷回路基板に実装し、ダイアモンドスクライブを用いてクラックをコンタクトの垂直方向に向けてＩｎＰ基板の背面に発生させた。そして、クラックの入った試験セル及び参照セルをリニアステージに移し、エポキシ接着剤を用いて固定した。硬化期間後、試験コンタクト及び参照コンタクトの各々をＤＣ電源に電力抵抗（定格が最大消費電力２５Ｗで１０Ω）を介して接続した。全ての試験配線は、共通のグランドを有していた。データ取得ユニットＮａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｏｄｕｌｅ、型名ＮＩ−９２２８（オースティン、テキサス州）を用いて試験コンタクト及び参照コンタクトの各々にわたる電圧降下をモニタした。電圧降下を記録して個々の試験コンタクト及び参照コンタクトを流れる電流を特定した。アセンブリ全体にわたる印加バイアスは、６ＶＤＣであった。電位が印加されると、試験コンタクト及び参照コンタクトは、電気的連続性が失われるまでミクロン未満の増分で歪んだ。
【００３４】
銀ペーストＡ、Ｂ及びＣから形成されたコンタクトを有する参照セルについては、電気的連続性は、クラックが形成すると即座にかつ回復不能に失われた。図５に、金属基複合材料で形成された試験セルについての電気抵抗−変位（ここではクラック又はギャップサイズともいう）をプロットする。図５から明らかなように、金属基複合材料コンタクトは、クラック発生後に電気的連続性を維持することができた。ペーストＡを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトを有する試験セルは、５０μｍにわたってギャップを架橋した。ペーストＢを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトを有する試験セルは、２７μｍにわたってギャップを架橋した。そして、ペーストＣを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトを有する試験セルは、３２μｍにわたってギャップを架橋した。
【００３５】
これらの結果は、金属基複合材料から形成されるコンタクトは、埋め込まれた多層カーボンナノチューブの長さ（１０〜２０μｍ）を充分に超えて（５０μｍ超の）ギャップを電気的に架橋することができることを示している。何らかの特定の理論にとらわれることを望まないものの、これは３つの可能な理由から導かれ得る。第１に、多層カーボンナノチューブは、緩んだ状態で堆積され、堅いチューブではなく柔軟な糸状繊維となる傾向にある。多層カーボンナノチューブは、引き延ばされると直線状となり、場合によっては伸びる。第２に、多層カーボンナノチューブはグラファイトシートの同心筒状層からなり、シェル間相互作用は弱いファンデルワールス力によって支配される。個々の筒状の多層カーボンナノチューブは、機械的に引っ張られると相互に対してスライド又は回転して伸縮的挙動をもたらすことができる。第３に、金属基複合材料コンタクトは、従来の金属被覆法よりも延性を有し、最終的には繊維の引き出し中にプラスチック変形をもたらす。すなわち、カーボンナノチューブのアンカーポイントにおける金属は、引き伸ばされ得る。これらの特徴の一部又は全部は、金属基複合材料コンタクトが引き延ばされる場合にカーボンナノチューブの個々の長さを超えるギャップ架橋能力の強化に貢献することになる。
【００３６】
ギャップ架橋能力に加えて、金属基複合材料から形成されるコンタクトは、ギャップが閉じられると「自己修復」し、それらの電気的接続を再確立する。これに対して、単に銀ペーストから形成されたコンタクトを有する参照セルは、クラックの形成が発生すると不可逆的に故障し、ギャップが閉じられた場合に電気的連続性を回復しなかった。図６Ａ〜Ｃは、歪−故障及び閉ギャップ自己修復のサイクルが、金属基複合材料から形成されたコンタクトについて反復可能であることを示す。例えば、図６Ａは、ペーストＡを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトについて、複数回の歪−故障及び閉ギャップのサイクル後に約１５〜約２０μｍのギャップを自己修復によって架橋できることを示す。図６Ｂは、ペーストＢを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトについて、複数回の歪−故障及び閉ギャップのサイクル後に約１０〜約１５μｍのギャップを自己修復によって架橋できることを示す。そして、図６Ｃは、ペーストＣを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトについて、複数回の歪−故障及び閉ギャップのサイクル後に約１５μｍのギャップを自己修復によって架橋できることを示す。
【００３７】
破壊強度、弾性係数及び靭性の係数を評価するために、自立型参照コンタクト及び金属基複合材料コンタクトを、自立形態において３種の銀ペースト及び３種の金属基複合材料ペーストから形成した。３種の銀ペースト及び３種の金属基複合材料ペーストの各々を、長さ１０〜２２ｍｍ及び幅２．５ｍｍとなるようにシリコン（Ｓｉ）基板上にスクリーン印刷した。スクリーン印刷された参照コンタクト及び金属基複合材料の試験コンタクトをＳｉ基板から剥離して、窒素が豊富な雰囲気下でそれらを焼き付けることによって自立型金属基複合材料の試験コンタクト及び銀の参照コンタクトを形成した。そして、参照コンタクト及び金属基複合材料の試験コンタクトを動的機械分析（ＤＭＡ）セットアップに実装した。上部クリップが固定されるとともに底部クリップが解放されたＤＭＡセットアップ上で引張クランプを用いて、歪を参照コンタクト及び金属基複合材料の試験コンタクトに付加した。０．０５％／分の一定の歪率を、参照コンタクト及び金属基複合材料の試験コンタクトが故障するまで、底部クリップに付加した。０．０１％の事前負荷歪及び０．００１Ｎの事前負荷力を最初に付加して参照コンタクト及び金属基複合材料の試験コンタクトにおける緩みを取り除いた。これらの測定は、Ａｇ参照コンタクト及び金属基複合材料の試験コンタクトの弾性係数及び靭性の係数をＣＮＴ充填の関数として抽出するのに使用される応力−歪曲線を与えた。
【００３８】
ペーストＡを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトについて、ペーストＡのみから形成されるコンタクトと比較して、靭性の係数は１６％増加した。ペーストＢを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトについて、ペーストＢのみから形成されるコンタクトと比較して、靭性の係数及び破壊強度は１０倍増加し、弾性係数は９倍増加した。ペーストＣを含む金属基複合材料から形成されたコンタクトについて、ペーストＣのみから形成されるコンタクトと比較して、弾性係数は４７％増加した。
【００３９】
ＰＶセルの前面又は上部コンタクトを参照して金属基複合材料コンタクトをここに説明するが、当業者であれば、金属基複合材料コンタクトはＰＶセル、モジュール又はシステム全体にわたって使用され得ることを理解するはずである。
【００４０】
本教示を１以上の実施形態に関して示したが、代替例及び／又は変形例が、添付の特許請求の範囲の主旨及び範囲から逸脱することなく例示に対してなされ得る。例えば、処理が一連の動作又はイベントとして記載されたが、本教示は、そのような動作又はイベントの順序によっては限定されないことが分かるはずである。ある動作は、ここに記載するものとは別に、異なる順序で及び／又は他の動作若しくはイベントと同時に起こり得る。例えば、方法のステップが、第１、第２、第３などとして記載された。ここに用いるように、これらの用語は、例えば、第１が第２の前に起こるといったように、相互に対する相対的な順序に言及するにすぎない。また、全ての処理段が、本教示の１以上の態様又は実施形態による方法を実施するのに必須ではないこともある。構造的構成要素及び／若しくは処理段が追加され得ること、又は既存の構造的構成要素及び／若しくは処理段が削除若しくは変形され得ることが分かるはずである。また、ここに図示される動作の１以上が、１以上の別個の動作及び／又は段階において実施され得る。またさらに、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」、「ｈａｓ」、「ｗｉｔｈ」又はその変化形が詳細な説明及び特許請求の範囲のいずれかにおいて使用される程度において、そのような用語は用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」と同様に包括的なものである。用語「〜の少なくとも１つ」は、列挙された項目の１以上が選択可能であることを意味するのに用いられる。ここに用いられるように、例えば、Ａ及びＢなどの項目の列挙に関して用語「〜の１つ以上」は、Ａのみ、Ｂのみ、又はＡ及びＢを意味する。用語「〜の少なくとも１つ」は、列挙された項目の１以上が選択可能であることを意味するのに用いられる。また、ここでの記載及び特許請求の範囲において、２つの材料に関して使用される用語「上（ｏｎ）」（他方「上」の一方）はそれらの材料間の少なくとも幾らかの接触を意味し、「上（ｏｖｅｒ）」はそれらの材料は付近に存在するが、接触は可能であっても必須ではないようにおそらくは１以上の追加の介在する材料を有して存在することを意味する。「ｏｎ」も「ｏｖｅｒ」も、ここに使用されるようないずれの方向性も示唆するものではない。用語「約」は、説明する実施形態に対して変更が処理又は構造の不一致をもたらさない限り、挙げられた値が幾らか変更され得ることを示す。最後に、「例示の」は、説明が理想であることを示唆するのではなく、説明が例として用いられることを示す。本教示の他の実施形態が、明細書の検討及びここでの開示の実施から当業者には明らかとなる。本教示の真の範囲及び主旨は以下の特許請求の範囲によって示されており、明細書及び実施例は例示のみとしてみなされることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
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