(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】2019523129
(43)【公表日】20190822
(54)【発明の名称】太陽電池の電気伝導体の適用方法
(51)【国際特許分類】
   B05D 5/12 20060101AFI20190726BHJP
   B05D 7/00 20060101ALI20190726BHJP
   B05D 7/24 20060101ALI20190726BHJP
   B05D 3/02 20060101ALI20190726BHJP
   B05D 3/12 20060101ALI20190726BHJP
   H01L 31/18 20060101ALI20190726BHJP
   H01L 31/0224 20060101ALI20190726BHJP
【FI】
   !B05D5/12 B
   !B05D7/00 A
   !B05D7/24 303A
   !B05D7/24 301P
   !B05D3/02 Z
   !B05D3/12 C
   !B05D3/12 E
   !H01L31/04 400
   !H01L31/04 260
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】39
(21)【出願番号】2019504700
(86)(22)【出願日】20170728
(85)【翻訳文提出日】20190319
(86)【国際出願番号】IB2017054626
(87)【国際公開番号】WO2018020479
(87)【国際公開日】20180201
(31)【優先権主張番号】1613051.0
(32)【優先日】20160728
(33)【優先権主張国】GB
(31)【優先権主張番号】1709427.7
(32)【優先日】20170614
(33)【優先権主張国】GB
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】512048354
【氏名又は名称】ランダ ラブズ (2012) リミテッド
【住所又は居所】イスラエル, 7612301 レホヴォト, ピー.オー. ボックス 2418
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100173794
【弁理士】
【氏名又は名称】色部 暁義
(72)【発明者】
【氏名】ベンジオン ランダ
【住所又は居所】イスラエル 7405135 ネス ジオナ イタマー ベン−アビ ストリート 35
(72)【発明者】
【氏名】ナオミ エルファシー
【住所又は居所】イスラエル,9727929 エルサレム ハダフ ハヨミ ストリート 621
(72)【発明者】
【氏名】スタニスラフ シゲルバーム
【住所又は居所】イスラエル 5964244 バット ヤム デイビッド ラジエル ストリート 11
【テーマコード(参考)】
4D075
5F151
【Fターム(参考)】
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4D075AC53
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(57)【要約】
電気伝導体を太陽電池に適用する方法であって、その第1の面に溝のパターンが形成された可撓性膜を提供するステップと、導電性粒子を含む組成物を溝に充填するステップと、を含む方法が開示されている。組成物は、導電性であるか、または導電性にすることができる。膜を充填したら、膜の溝のある第1の面を、太陽電池の前面または/および背面に接触させる。次いで、太陽電池と膜との間に圧力を加え、溝に充填された組成物を太陽電池に付着させる。膜と太陽電池を分離して、溝内の組成物を太陽電池表面に残す。次いで、組成物中の導電性粒子を焼結し、あるいは他の方法で融着させて、太陽電池上に伝導体のパターンを形成する。このパターンは、膜に形成されたパターンに対応するものである。
【選択図】図1C
【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽電池の表面によって形成される基板に、電気伝導体のパターンを適用する方法であって、前記方法は、
a)可撓性膜を提供するステップと、
b)前記膜の第1の面に、前記基板に適用される電気伝導体の所望のパターンに少なくとも部分的に対応する、溝のパターンを形成するステップと、
c)前記溝に、組成成分として導電性粒子および接着剤を含む組成物を充填する充填ステップであって、前記充填ステップの完了時に、前記組成物が前記膜の前記第1の面と同じ高さで前記溝を実質的に満たし、かつ前記溝の間の前記第1の面の部分に前記組成物が実質的に含まれないように、1回以上のサブステップで実行される充填する充填ステップと、
d)前記膜の前記第1の面を前記基板に向けて、前記膜を前記基板に接触させるステップと、
e)前記膜に圧力を加えて、前記膜の前記第1の面の前記溝内に充填された前記組成物を、前記基板に付着させるステップと、
f)前記膜を前記基板から分離させて、当該膜の前記第1の面の前記溝から前記基板に前記組成物を転写するステップと、
g)前記溝から前記基板に転写された前記組成物のパターンを導電性にするために、前記導電性粒子を焼結するのに十分なエネルギーを加えるステップと、を含む方法。
【請求項2】
前記溝に充填される前記組成物が、追加の組成成分として液体キャリアを含んで湿潤組成物を形成し、前記充填ステップが、
(i)過剰量の前記湿潤組成物を、前記膜の前記第1の面全体に塗布するステップと、
(ii)前記湿潤組成物を実質的に前記膜の前記第1の面の前記溝内にだけ残すように、前記第1の面から余分な湿潤組成物を除去するステップと、
(iii)前記液体キャリアを除去することにより、前記溝内の前記湿潤組成物を実質的に乾燥させて乾燥組成物を残すステップと、を含む充填サイクルを少なくとも1回実行し、
乾燥組成物が前記膜の前記第1の面と同じ高さで前記溝を実質的に満たすまで、ステップ(i)、(ii)および(iii)を必要に応じて繰り返す、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
少なくとも最後の前記充填サイクルにおけるステップ(iii)の前または後に、前記膜をクリーニングして、前記溝の間の前記膜の部分から組成物を除去する、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記組成物の前記成分の相対比率が充填サイクル間で変動する、請求項2または3に記載の方法。
【請求項5】
前記組成物を前記溝に充填する前に、前記膜の前記溝に剥離コーティングを塗布して、前記溝上で乾燥させる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記剥離コーティングを前記溝の壁上にのみ形成する、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
ステップc)の前に、および任意に剥離コーティングを塗布した後に、
A.前記膜の前記第1の面に光調整コーティングを塗布するステップと、
B.前記第1の面を拭いて、実質的に前記溝内にのみ前記コーティングを残すステップと、
C.前記第1の面を拭く前または後に前記光調整コーティングを乾燥させて、乾燥した前記光調整コーティングを前記溝の壁上にのみ残すステップと、をさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
ステップd)に従って前記膜を前記基板に接触させる前に、前記膜の前記第1の面に接着剤コーティングを塗布して前記溝内に存在するあらゆる組成物を被覆し、前記基板との接触前に前記接着剤コーティングを乾燥させる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記パターンの前記溝が互いに実質的に同一である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記パターン内の少なくとも2つの溝、または同じ溝の2つの異なるセグメントは、深さおよび/または幅が互いに異なる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記基板が半導体ウェハを含み、前記充填ステップの1つ以上のサブステップにおいて充填される前記組成物の少なくとも1つが、追加の組成成分としてガラスフリットを含み、ステップf)に続いて前記基板および前記組成物を加熱して当該組成物を前記基板と融着させる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記組成物を前記基板と融着させるための前記基板および前記組成物の加熱は、前記組成物の前記導電性粒子を焼結する前記ステップg)の前に行う、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記組成物を前記基板と融着させるための前記基板および前記組成物の加熱は、前記組成物の前記導電性粒子を焼結する前記ステップg)の後に行う、請求項11に記載の方法。
【請求項14】
前記可撓性膜が、プラスチックポリマーの予備成形膜および注型されたプラスチックポリマーから選択される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記プラスチックポリマーが、環状オレフィンコポリマー(COC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、およびこれらの組合せからなる群から選択される熱可塑性ポリマーである、請求項14に記載の方法。
【請求項16】
前記予備成形膜が少なくとも2層からなり、前記層の少なくとも1つが前記熱可塑性ポリマーを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記可撓性膜の前記第1の面の平均粗さRzが、1μm以下、500nm以下、250nm以下、または100nm以下である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
導電性材料の粒子が、金属、合金、有機金属、導電性ポリマー、これらの前駆体、これらの塩類、およびこれらの組合せからなる群から選択される化合物からなる、請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
前記接着剤が、a)有機バインダ、b)有機接着剤、およびc)ガラスフリットのうちの少なくとも1つである、請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
前記有機接着剤が感圧接着剤または感熱接着剤である、請求項19に記載の方法。
【請求項21】
圧力を加えるステップe)を、60℃〜200℃の範囲の温度で実行する、請求項1〜20のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
前記可撓性膜の前記溝のパターンが、パターニング要素上のルールの相補的パターンによって形成され、前記可撓性膜と前記パターニング要素とがパターニング中に相対移動し、前記パターニング要素は任意にダイローラであり、前記可撓性膜はさらに任意に連続膜である、請求項1〜21のいずれか一項に記載の方法。
【請求項23】
前記組成物が、ステップg)において、150℃〜800℃の範囲の少なくとも1つの温度で焼結される、請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
【請求項24】
前記溝が連続するまたは個別の直線または曲線を形成し、各線の少なくとも一部が、三角形、台形、多角形、半円形、または半楕円形から選択されるテーパー断面形状を有し、いずれの形状も少なくとも底幅Wおよび高さhを有し、前記高さと前記底幅との間の無次元アスペクト比ASPが、5:1〜1:5、3:1〜1:2、2:1〜1:1、または1.75:1〜1:1.75の範囲である、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
【請求項25】
前記断面形状のテーパー面は、(a)前記膜の前記第1の面とのなす角度が、少なくとも30°、少なくとも40°、少なくとも45°、少なくとも50°、若しくは少なくとも60°であり、かつ任意に最大90°、最大85°、若しくは最大80°であり、および/または、(b)平均勾配が、少なくとも0.75、少なくとも1、若しくは少なくとも1.3であり、かつ任意に最大8、最大4、若しくは最大2である、請求項24に記載の方法。
【請求項26】
前記溝の少なくとも1つが、パンチもしくはレーザビームから選択されるパターニング要素によって形成されるか、またはフォトリソグラフィを含むパターニング技術によって形成される、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
【請求項27】
太陽電池の表面によって形成される基板に電気伝導体のパターンを適用するのに適した可撓性膜であって、請求項1〜26のいずれか一項に記載の方法により作製される、可撓性膜。
【請求項28】
太陽電池の表面によって形成される基板に電気伝導体のパターンを適用するのに適した可撓性膜であって、前記膜は、溝のパターンを含む第1の面を有し、前記溝は、導電性粒子および接着剤を含む組成物で前記膜の表面と実質的に同じ高さになるように充填され、前記組成物は、前記組成物にエネルギーが加えられて焼結すると導電性になるように適合され、前記第1の面の溝でない部分は、前記組成物を実質的に含まず、前記膜は、前記膜と前記基板とが互いに押し付けられると、前記溝内の前記組成物が前記膜よりも前記基板に強力に付着し、その後、前記基板から前記膜を分離すると、前記溝のパターンを反映するパターンで前記組成物が前記基板上に残るようになっている、可撓性膜。
【請求項29】
太陽電池であって、前記太陽電池の集光側に適用された電気伝導体のパターンを含むパターンを有し、前記電気伝導体の少なくとも一部が、
a)電気伝導体の断面プロファイルは、Wが前記太陽電池の前記集光側に接触する、前記プロファイルの底辺の幅を表し、hが前記プロファイルの前記底辺と頂点との間の直交距離(前記プロファイルの高さとも称される)を表し、ASPが前記プロファイルの前記高さと前記底辺の幅との間のアスペクト比(ASP=h/W)を表すとき、
i.Wは、少なくとも5μm、または少なくとも10μmであり、かつ最大50μm、または最大40μm、または最大30μm、または最大20μmであり、
ii.hは、少なくとも3μm、少なくとも5μm、少なくとも10μm、少なくとも15μm、または少なくとも20μmであり、かつ最大80μm、最大60μm、最大50μm、または最大40μmであり、
iii.ASPは、少なくとも1:2、少なくとも1:1.75、少なくとも1:1.5、または少なくとも1:1であり、かつ最大3:1、最大2:1、または最大1.5:1であること、
b)前記電気伝導体の前記断面プロファイルが、前記プロファイルの底辺から立ち上がる少なくとも2つの辺を有し、前記2つの辺の少なくとも1つと前記プロファイルの前記底辺との間に形成される角度の正接値によって評価される、前記底辺の前記幅の半分に沿った傾斜の平均が、少なくとも0.85、または少なくとも1、または少なくとも1.15、または少なくとも1.3であり、かつ最大6、最大4、または最大2であること、
c)前記電気伝導体が、1つ以上の焼結導電性材料からなること、
d)前記太陽電池の前記集光側に垂直な前記電気伝導体の断面スライスが、異なる焼結材料の2つ以上の層を含み、前記層が任意に前記電気伝導体の断面の前記プロファイルに従うこと、
e)前記電気伝導体が外面を有し、前記外面が反射特性を有すること、の1つ以上を満たす太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池への電気伝導体の適用方法に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池上に導体を形成する既知の方法にはいくつかの欠点があり、それらの中には、それらがライン解像度と正確な配置に寄せるという制限がある。多くの場合、この技術は面倒であり、バッチ処理を使用してのみ実施することができ、この技術を使用して太陽電池の反対側に導体を適用する場合、各面を別々に処理しなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
前述の欠点の少なくともいくつかを軽減する目的で、本開示の第1の態様は、太陽電池の表面によって形成される基板に電気伝導体のパターンを適用する方法を提供し、当該方法は:
a)可撓性膜を提供するステップと、
b)膜の第1の面に、基板に適用される電気伝導体の所望のパターンに少なくとも部分的に対応する溝のパターンを形成するステップと、
c)溝に、組成成分として導電性粒子および接着剤を含む組成物を充填するステップであって、充填ステップの完了時に、組成物が膜の第1の面と同じ高さで溝を実質的に満たし、かつ溝の間の第1の面の部分に組成物が実質的に含まれないように、1回以上のサブステップで実行される充填するステップと、
d)膜の第1の面を基板に向けて、膜を基板に接触させるステップと、
e)膜に圧力を加えて、膜の第1の面の溝内に充填された組成物を、基板に付着させるステップと、
f)膜を基板から分離させて、膜の第1の面の溝から基板に組成物を転写するステップと、
g)溝から基板に転写された組成物のパターンを導電性にするために、導電性粒子を焼結するのに十分なエネルギーを加えるステップと、を含む。
【0004】
導体のパターンを形成するときに、組成物の成分に液体キャリアを添加して、液体またはペーストの粘稠度を有する湿潤組成物を形成することができる。液体キャリアは、有機溶媒または水性溶媒からなるものとすることができる。液体キャリアが少なくとも60重量%の水を含む湿潤組成物は、水性または水性系組成物と呼ぶことができ、液体キャリアが少なくとも60重量%の有機溶媒を含む湿潤組成物は、溶媒系組成物と呼ぶことができる。
【0005】
充填ステップ中にドクターブレードを使用して、組成物を溝内に押し込み、かつ溝間の基板部分から組成物を拭き取ることができる。膜に塗布された組成物を溝内に充填するために膜の第1の面に接触する、スキージまたはブレードの先端の相対的な可撓性および/または硬度は、充填される組成物の粘稠度/粘度、充填される溝の寸法、パターン内の組成物を「拭き取る」ために加えられる力、および当業者によって容易に理解される同様の考察に応じて選択して適合させることができる。次いで、熱または真空の適用により液体キャリアを除去し、乾燥組成物を可撓性膜の第1の面またはその中の選択された領域にコーティングすることができる。
【0006】
液体キャリアを除去する(例えば、液体は蒸発によって除去される)と、溝内に残された組成物は収縮する傾向にある。充填ステップ(前述の方法ではステップc)として記載されている)は、溝を1回だけ充填することを含み得るが、繰り返しの充填サブステップのような複数のサブステップを、(例えば、乾燥による)液体除去および(例えば、拭き取りによる)溝間クリーニングの任意のサブステップとともに任意に含み得ることに留意されたい。そのようなサブステップは、乾燥組成物が膜の第1の面と同じ高さで溝を実質的に満たすまで繰り返す必要があり得る。充填ステップが、充填、および/または乾燥、および/またはクリーニングの繰り返しサイクルによって実行される場合、最後のステップは、膜の第1の面上の溝間のスペースに組成物が実質的に含まれないようにする。
【0007】
実質的に含まれないとは、溝間のスペースに残留組成物が存在するとしても、それが転写後に太陽電池の表面を有意にマスキングするには不十分または少なすぎる量/分布にあることを意味する。溝間のスペースの面積の2%未満、または1%未満、または0.5%未満、または0.1%未満の面積に微量の導電性粒子が含まれているとしても、実質的には、溝間のスペースに組成物はないといえる。そのような微量の組成物は、日常的な画像分析によって検出および推定することができる。
【0008】
溝の充填をいくつかのステップで行う場合、組成物の成分の相対比率が充填サイクル間で変化してもよい。最初の工程では、接着剤は導電性粒子を互いに結合させるためだけに役立ち得るが、最後の工程では、接着剤はさらに組成物を基板に付着させるために役立つことができる。この理由から、組成物中の接着剤の割合を、少なくとも最後の充填ステップで任意に増加させてもよい。
【0009】
さらに、および代替的に、接着剤のタイプを充填ステップ間で変更することができ、最後の充填ステップの接着剤は、初期のステップの接着剤よりも強力であり、かつ/あるいは多量であり、基板への接着能力に関して「強力」である。いくつかの実施形態では、可撓性膜の充填された溝上に接着剤コーティングをさらに塗布することができる。
【0010】
より少量の接着剤(および/またはより強力でなく、その後、バインダと見なすことができるもの)と、より多量の導電性粒子と、を有する組成物は、金属ペーストと呼ぶことができ、多量の(および/またはより強力な)接着剤を有し、乾燥組成物を基板へ接着させるのに適した組成物は、接着剤ペーストと呼ぶことができる。「ペースト」という用語は、特定の粘度、または固形分を示すことを意味するものではないが、より低い粘度の組成物においては、当然のことながらより多くのキャリアを蒸発させる必要がある。その後の基板への接着をさらに容易にする目的で、膜の充填された溝を覆うように任意に追加され得る組成物は、接着剤コーティングと呼ぶことができる。
【0011】
あるいは、および付加的に、各充填ステップは、溝に充填される組成物および/または充填条件にそれぞれ適合した異なるタイプのワイパー(例えば、スキージまたはドクターブレード)を使用して実行することができる。
【0012】
適切に適用されたドクターブレードまたはスキージによれば、膜の第1の面の溝のない部分を組成物から十分にクリーンにしておくという所望の結果がもたらされ得るが、そのような目的を達成するべく、任意におよび/または付加的に、溝間の表面に残された組成物を除去するための、例えば、擦り取り、拭き取り、ブラシ掛けを含む別のステップを実行して、充填ステップを完了させてもよい。このようなクリーニングは、充填サブステップの間、あるいは充填ステップの完了前にのみ行うことができ、充填に続いて任意に接着剤コーティングを膜に塗布する場合には、最後の充填サブステップの実行後、かつ接着剤コーティングの塗布前に行うことができる。この任意のクリーニングは、クリーニングされる組成物と膜に適したクリーニングデバイスを使用して実行することが好ましい。
【0013】
いかなるクリーニングステップが実行される場合も、その後の、膜の基板との接触を大幅に低減し、あるいは妨げるような方法で、膜の表面に影響を与えるべきではない。クリーニングサブステップは、組成物を乾燥させる前または後のいずれかに実行できることに留意されたい。クリーニングサブステップが乾燥サブステップ後に実行される場合、必要に応じて、クリーニング液を、クリーニング装置および/またはクリーニングされるべき表面にさらに加えてもよい。
【0014】
例えば、クリーニングは、充填デバイスの下流(例えば、溝に組成物を充填するスキージまたはドクターブレードの上流)に配置されたブレードワイパーによって行うことができる。クリーニングブレードは、膜に対して、充填用ブレードと同じ向きを有することができ、あるいは、反対の角度を形成することができる。クリーニングは、代替的に、柔らかい拭き取り面を有するクリーニングローラを使用して行うことができる。乾燥ステップに続いてクリーニングが行われる場合、クリーニング液を使用して、膜の表面上におけるクリーニングデバイスの移動を容易にすることができる。そのようなクリーニング液が使用される場合、溝間のスペースに乾燥組成物が残留しているとすれば、それらの除去も容易にすることができる。前述の例示的な実施形態において、クリーニング液は、クリーニングブレードの下流に塗布することができ、あるいはクリーニングローダの拭き取り面を含侵させるのに役立ち得る。クリーニング液は、溝のパターン内に既に充填および/または乾燥された組成物に影響を与えないように選択される。例えば、クリーニング液は、可撓性膜とは相溶性があり、組成物の液体キャリアとは相溶性がない溶媒とすることができる。
【0015】
任意の所望のパターンの溝は、例えば、それらの断面プロファイル、それらの上面形状、それらの寸法、それらの互いからの距離、および以下により詳細に記載される要因によって特徴づけることができる。パターンの溝は同一である必要はなく、任意の第1の溝は任意の第2の溝と異なっていてもよい。さらに、いくつかの実施形態において、個々の溝は、それ自体の長さに沿って変化していてもよい。例えば、上面から見た場合、溝の隣接するセグメントが直線状の輪郭を形成し、他のセグメントが湾曲した輪郭を有することができ、あるいは、第1のセグメントが第1の幅を有し、第2のセグメントが第2の幅を有することができる。断面視で、個々の溝は、溝の第1のセグメントに第1のプロファイルを有し、第2のセグメントに第2のプロファイルを有し、かつ/あるいは第1のセグメントに第1の寸法のセットを有し、第2のセグメントに第2の寸法のセットを有することができる。非限定的な例として、個々の溝は、第1の高さ/深さの三角形または台形のプロファイルを有する第1のセグメントと、異なる第2の高さ/深さの半楕円形または半円形のプロファイルを有する第2のセグメントと、を含むことができる。そのような非同一の溝を有する可撓性膜では、個々の溝は、該溝の長さに沿って交互に配置された比較的浅いトレンチセグメントと比較的深い窪みから構成されていてもよく、より深い窪みは、転写後に導電性材料のより高いスポットまたは接触パッドを形成し、これらは、基板の平面に垂直な方向に形成され得る隣接するパターンを相互接続するか、あるいは導電線のパターンを外部回路(例えば、太陽電池によって収集された電気エネルギーを蓄えることができるバッテリー)接続するように機能し得る。
【0016】
いくつかの実施形態における膜は、作業温度(例えば、約23℃の周囲室温)で十分に可撓性であり、可撓性膜のパターニング、本明細書に教示されるような組成物のいずれかによる溝の充填、組成物の乾燥、または基板との接触による膜からの乾燥組成物の剥離、および/もしくは基板からの膜の分離などの他の必要な処理を容易にする。いくつかの実施形態では、可撓性膜はそのように(例えば、ロールまたはシートで)予備形成して供給され得るが、可撓性膜は、代替的に、適切な材料(例えば、冷却すると固化する熱可塑性ポリマーまたは放射線への暴露で硬化するフォトポリマーであり、これらは、本明細書ではプラスチックポリマーと呼ぶことができる)から注型することにより、プロセスの一部として形成されてもよい。エンボス加工または注型され得る成形可能なプラスチックポリマーが当業者に知られている。
【0017】
そのようなポリマーから製造された可撓性膜は、その上に形成される溝(およびパターン)の輪郭およびその中に充填される組成物の形状を維持するのに十分に非弾性であることが好ましい。他方で、膜は、組成物の線を転写するべく基板と十分に密接に接触できるように、基材の表面に適合するのに十分に可撓性であることが好ましい。比較的平滑な表面を有する膜は、処理中の(例えば、溝を充填しているスキージとの、または基板との)インタフェースを改善するという同様の理由から望ましい場合がある。有利には、可撓性膜の第1の面の平均粗さRzは、1μm以下、500nm以下、250nm以下、または100nm以下である。他の望ましい機械的性質(例えば、耐伸張性、耐ストレス性、耐熱性および耐放射性など)は容易に理解することができ、それにより膜を方法およびそれに使用される組成物(例えば、耐化学性、化学的不活性)と適合させることができる。
【0018】
本明細書で開示する方法では、表面エネルギーが低い可撓性膜を使用することができ、環状オレフィンコポリマー(COC)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、および熱可塑性ポリウレタン(TPU)から選択される熱可塑性ポリマーを含む膜が特に適している。
【0019】
可撓性膜は、1つ以上の適切なプラスチックポリマー、特には、前述の1つ以上の熱可塑性ポリマーを含む単層から形成することができる。あるいは、可撓性膜は、2つ以上の別々の膜から形成することができる。例えば、非限定的な例として、膜は、膜の機械的完全性および/または強度(例えば、処理中にその寸法を実質的に保持する能力)を主に提供する第1の支持層と、溝の形成を可能にするように十分に変形可能である第2の層と、膜の中間のパターン化可能コアを「封止」する第3の層と、を備え、第3の層は、例えば、パターンの転写およびそれに続く膜の分離前における膜の基板への接着性を改善し、あるいは本教示による方法にとって好ましい可能性がある任意の他の望ましい(例えば、所望の通りにパターンを維持するのに十分な靭性を提供する)特性を改善する。全てのそのような層は、好ましくは可撓性であり、そのような層により形成された膜全体に所望の可撓性を提供する。膜が2層以上から形成されているこのような実施形態では、支持層の反対側の層が、転写ステップ中に基板の表面と接触する膜の第1の面を構成する。
【0020】
圧力(例えば、約0.1kgF/cm〜約50kgF/cm)を加えることによる、可撓性膜から基板への乾燥組成物の転写は、任意に高温で行うことができる。そのような転写温度は、可撓性膜およびそのように接触させる基板に依存し得る。それはまた、溝内に充填された組成物、ならびに乾燥組成物の可撓性膜からの剥離、および/または、乾燥組成物の基板への接着が、温度のよってどのように促進され得るのかにも依存し得る。例えば、転写温度は、少なくとも60℃、少なくとも80℃、少なくとも100℃、または少なくとも120℃とすることができ、かつ任意に、最大200℃、最大180℃、最大160℃、または最大140℃とすることができる。いくつかの実施形態では、130〜140℃の範囲の転写温度で圧力が加えられる。
【0021】
いくつかの実施形態において、転写温度は、基板および膜を2つのローラの間で接触させてそれらを一緒に加熱することによって達成され、少なくとも1つの円筒が、所望の転写温度を迅速に達成できる温度に加熱される。他の実施形態において、転写温度は、膜をそのままとするかまたは周囲温度に維持する一方で、基板だけを加熱することによって達成される。基板は、伝導(例えば、ホットプレートに通す)、対流(例えば、熱風流を用いる)、放射(例えば、IRランプを用いる)、またはそのような加熱手段の組合せなどの任意の適切な方法によって加熱され得る。
【0022】
いくつかの実施形態では、適切な接触を生じさせるように圧力を加えた後であって、かつ溝の内容物を基板へ転写させるように膜を剥がす前に温度を下げる。この中間段階では、たとえこの付着が分離させるまでの一時的なものであっても、膜が「基板に付着している」、あるいは基板が「膜に付着している」という。冷却は、伝導(例えば、膜が付着した基板を低温表面に通す)、対流(例えば、膜が付着した基板に向けて任意に冷却した空気を吹き付ける)、またはそのような冷却手段の組合せによって行うことができる。
【0023】
基板は、選択されて、そこに転写されるパターンの意図された用途に適合されるが、そのような選択は当業者に知られている。基板は、例えば、剛性または可撓性であり、1層以上の材料で構成されており、その1つ以上の側面上での伝送に役立ち、ドープまたは非ドープであり得る。非限定的な例として、太陽電池の製造に適した基板は、硬質ウェハまたは可撓性フィルムであり得る。基板は、単結晶または多結晶シリコン(モノc−Siまたはマルチc−Si)、アモルファスシリコン(a−Si)、ガリウムヒ素(GaAs)、ポリシリコン(p−Si)、および太陽電池に使用される任意の他の基板と同様の無機材料でできているか、あるいは可撓性ポリマーなどの有機材料でできた太陽電池の面とすることができる。
【0024】
可撓性膜を利用して所望のパターンを形成する本方法は、太陽電池の基板が平坦ではない場合に特に有利であることが理解されよう。特定の用途を達成するのに望まれ得るような、折り曲げおよび折り畳みができ、さらには物体の周囲に巻き付けることさえできる基板は、所望のパターンを含む膜によってワンステップで接触させることができる。例えば、同じボードの左パネルと右パネルの間で斜めに折り畳む必要がある物体があり、電流を一方端から他方端に流すことができるとすると、現在の技術では、各パネルを別々に準備して組み立て、かつ場合によっては中間接続パネルまたは回路さえも必要とされる場合がある。対照的に、本方法では、左パネルと可撓性膜上のパターンの対応する部分と、右パネルとそれぞれのパターンとの連続的な接触を可能にし、左右のパネル(および対応するパターンの左右の部分)間にある中間の「角度」領域により、2つをつなぐ途切れのない回路が提供される。
【0025】
さらなるステップは、金属パターンの意図された用途に応じ得る。
【0026】
太陽電池の製造に使用する場合、基板は半導体ウェハとすることができる。そのような実施形態では、組成物は、有利にはガラスフリットを含むことが好ましく、組成物を導電性にするように該組成物を加熱によって焼結した後に、基板および組成物を焼成して導体を基板と融着させることができる。
【0027】
添付の請求項27〜29に記載の他の態様において、本発明は、太陽電池製造用の膜および本発明の方法によって製造された太陽電池を提供する。そのような膜および太陽電池は、本明細書中に教示されるように、方法の多様な実施形態に関連して本明細書中により詳細に示される様々な特徴によって特徴づけられ得る。
【0028】
本開示の例示的実施形態を、添付の図面を参照してさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】図1A〜1Dは、導電性粒子を含有する組成物の線のパターンを膜上に形成し、次いでそのパターンを基板に転写する、簡略化されたプロセスステップを示す断面図である。図1Eは、図1A〜1Dのプロセスを実施するためのプロセスの簡略図である。
【図2】図2Aは、図1Aに示すプロセスステップの斜視図であり、離散的に間隔を置いたパターン(それぞれ別々の各基板に用いることが意図されており、各パターンが横方向バスバーによって互いに接続された一組の平行な導体を画定している)を有する連続膜を形成することができる、線パターンの設計方法の一例を提供している。図2Bおよび2Cは、図2AにそれぞれBおよびCで示される円の拡大図であり、溝の断面を示す。
【図3】図3Aは、膜の溝に組成物の線を形成するための、単一の組成物の適用方法を示す膜の断面図である。図3Bは、膜の溝に組成物の線を形成するための、2つの異なる組成物の連続的な適用方法を示す膜の断面図である。図3Cは、膜から組成物の線を剥離するのを助けるために、剥離層を最初に適用する方法を示す膜の断面図である。図3Dは、膜から基板に組成物を転写するのを助けるために、膜の表面全体を覆う接着剤コーティングを塗布する方法を示す膜の断面図である。
【図4】図4A〜4Cは、例えば、太陽電池の背面電極のような電極を広域面に形成および適用し得る方法を示す図である。
【図5】図5Aは、本方法によって生成される例示的な金属パターンを概略的に示す図である。図5Bは、転写された接触線の焼結前後の断面と形状が同様であり、溝の断面のネガ画像に匹敵する、突出ダイルールの例示的な断面を概略的に示す図である。図5Cは、共焦点レーザ走査型顕微鏡によって撮影された、導電性粒子を含む組成物で充填された可撓性膜の溝の透視顕微鏡写真である。図5Dは、共焦点レーザ走査型顕微鏡によって撮影された、可撓性膜の溝から基板に転写された接触線の透視顕微鏡写真である。
【図6】複数の溝セットをそれぞれの組成物で充填するための装置の例示的な断面を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下の説明では、図面を参照し、非限定的な例として、本開示の教示がどのように実施され得るのかを当業者に明らかにする。図面は、例示的な説明を目的としており、本開示の基本的な理解に必要とされるよりも詳細に実施形態の構造の詳細を示すことを試みるものではない。明瞭かつ単純に説明するために、図面に描かれるいくつかの物体は一定の縮尺で描かれていない場合がある。
【0031】
簡潔さおよび明瞭さのために、図2Aに示されるようなパターン(その拡大図は、図2Bおよび2Cに示されている)を形成することに関して説明するが、これは単なる例に過ぎない。当業者であれば、溝によって形成されるパターンおよびそれに対応する導体パターンは、任意の形態をとることができ、当面の事項によって決まる技術的選択の問題であることを容易に理解するであろう。
【0032】
[可撓性膜のパターニング]
図1Aには、円筒加圧ローラ104とダイローラ102との間のニップを通過する、プラスチック材料製の膜100が示されている。ダイローラ102は、平滑な表面からルール106および108が突出している円筒で形成することができる。ダイローラ102の形成方法は、基本的に重要ではない。その製造方法の1つは、平滑な円筒のエッチングであり、あるいは円筒の周囲に突出ルール106および108を有するエンボスシム(典型的には、ニッケルまたはクロム製)を取り付けることであり得る。図示しないが、可撓性膜100は、1層以上の個別の可撓性材料から形成することができる。
【0033】
ルール106は、ダイローラ102の円周に平行であり、かつダイローラの軸に沿って互いに整列しており、対向する膜の面に接触すると、膜の移動方向に平行な溝を形成する。図1Aの概略断面図では、そのようなルールの1つだけが見えている。ルール106は、ダイローラの全周をたどっている必要はなく、それらの長さは、溝のパターンにおける長手方向の線の所望の長さに調整される。ルール108は、ダイローラの軸に平行であり、対向する膜100の面に接触すると、膜の移動方向を横切る方向に溝を形成することができ、また、場合によってはルール106によって形成された長手方向溝と直交する方向に溝を形成することができる。ルール108は、ダイローラの全長または膜の幅に沿って延びている必要はなく、それらの長さは、溝のパターンにおいて横断する長手方向の線の任意の所望の数に応じて調整される。ルール106および108はまた、意図される基板の寸法と、任意の特定のパターンを囲むために必要とされ得るマージンとを考慮に入れることができる。ルール106および108は直線として示されているが、ダイローラ102が任意の他の所望の形状を形成するルールを担持していてもよいことが容易に理解される。
【0034】
ルールの縁または輪郭は、膜から基板への組成物線の転写を可能にする、典型的には規則的ないずれの所望の形状を有することができ、したがって、好ましくは先細り形状を有することができる。そのような輪郭は、図1A〜1Dでは、半楕円形で概略的に示されている。ルール106の縁は、例えば、台形であってもよい。すなわち、ルールは、上向きに先細りになる側面と平坦な上面とを有する形状であってもよい。図5Aを参照してより詳細に説明するように、本明細書では、台形の底幅はW、フラットトップ(頂部)幅はW、および2つの間の高さはhで表されている。ルール108は、ルール106と同様の形状の縁を有することができるが、必ずしもそうでなくてもよい。例えば、ルール108は、先にルール106について例示したような台形などの単一の形状からではなく、突起のアセンブリから形成されていてもよい。ルール108は、例えば、メッシュ材料のストリップによって形成することができる。ルール108が後にバスバーの形成に役立ち得る太陽電池の製造では、メッシュストリップの幅は、ルール106の底幅より大きくてもよい。図示例のように、太陽電池の電極の例に適用される金属パターンについては、ルール108の数は、ルール106の数よりも少ない。
【0035】
以下の説明では、台形断面に割り当てられた用語を使用するが、ルールは、同様の範囲を満たす任意の異なる先細り形状を有していてもよい。ルールの断面が三角形、半円形、または半楕円形などである場合、ルールの上端は一点に達し得る。ルールの底幅は、その機能によって異なり得る。バスバーには最大数ミリメートルの幅が適し、太陽電池の背面電極が溝付き膜を使用して作製されている場合、そのような太陽電池の背面電極にはより広幅のルールが適し得る。長手方向の線については、底幅が50マイクロメータ(μm)以下であることが好ましく、Wが、10〜40μm、または10〜30μm、または10〜20μm、または5〜20μmの範囲にあることが特に望ましい。ルールの頂部幅もまた機能に応じて異なり、底幅とほぼ同じであるが、通常は底幅よりも小さい。長手方向の線については、頂部幅が40μm以下であることが好ましく、Wが、5〜25μm、または5〜15μm、または10〜20μmの範囲にあることが特に好ましい。ルールの高さhは、概して50μmを超えず、hが、25〜40μm、または25〜30μm、または15〜25μmの範囲にあることが特に好ましい。ルール106の高さhとその底幅Wとの間のアスペクト比(ASP)は、約5:1〜約1:5の範囲であり、ASPが、3:1〜1.1、または2:1〜1:2、または1.75:1〜1:1.75、または1.5:1〜1:1.5、任意に、約2:1、1.5:1、または少なくとも1:1であることが好ましい。
【0036】
さらに、パターンは、隣接する溝の対向する縁部間の距離dによって特徴づけられ得る。典型的には、そのような距離は、100μm以上である。いくつかの実施形態において、隣接する溝の平行なセグメント間の距離dは、150μm以上、200μm以上、または300μm以上である。長手方向の線については、2つの溝間の最大距離は、意図する用途および/または所望の効率に応じて決まる。例えば、太陽電池の製造に関しては、距離dは、最大2000μm、最大1500μm、最大1000μm、または最大500μmである。任意の特定のルールから生じる溝および線の寸法は、必ずしも元のルールの寸法と同じではないことに留意されたい。そのような変動は、使用される膜およびプロセスの他の変数に依存し得る。有利には、そのような変動は、元の寸法の25%以下である。
【0037】
それにも関わらず、本方法は、一般により低い抵抗を支持する、比較的高いアスペクト比を有する金属線を基板に転写することを可能にする。説明すると、他のすべてのパラメータ(例えば、金属線組成)が同じで、金属トレースが25μmの幅を有し、明らかに線が50μmの高さを有し、したがってアスペクト比が2:1である場合、わずか5μmの高さを有してASPが1:5である場合よりも抵抗が低い。
【0038】
ダイローラ102は、典型的には非常に複雑であり、かつ/あるいはより小さい寸法のルールを有するが、ボール紙を折り目付けするまたは切断するためのダイを製造するのに使用されるのと同じ方法で形成することができる。膜100が加圧ローラ104とダイローラ102との間のニップを通過すると、膜の上面に溝または刻み目110が形成される。ルール106および108は、絶縁体または半導体であり得る基板に適用される、電気伝導体のパターンに対応する溝のパターンを膜に形成するように設計されている。本図では、そして図2Aでより明確に示すように、膜に描かれた溝のパターンを形成するための2組のルールが示されているが、異なる用途では、所望のパターンに関連して1組だけのルールや3組以上のルールを必要する場合があるため、これは限定的ではない。
【0039】
さらに、パターン付け要素は、回転ダイローラとして示されているが、代替的に形成されたルールのアセンブリが、上述のような溝を形成するのに適している場合がある。膜における溝の形成は、例えば、プレートによって達成することができる。溝形成ステーションおよび溝充填ステーションなどの固定ステーションに膜を通過させて組成物を充填することによってプロセスを実施する場合、ステーション間のスラック膜の長さによってプロセスを連続的に実施することが可能になる。充填ステップのサブステップは繰り返すことができるので、組成物を塗布して乾燥させることができる充填ステーションが複数あってもよく、特に、溝に充填する組成物が反復ごとに異なる場合には、各ステーションを異なる条件下で操作することができる。
【0040】
1つ以上の層からなる予備形成された可撓性膜に溝のパターンをエンボス加工することに加えて、膜は、比較的粘性があるが流動状態の材料から注型することができ、この場合、溝はフィルムの硬化前に形成される。プリハードン材料は、「プレ膜」材料と称することができる。例えば、その輪郭の少なくとも一部に突起(硬化時のフィルムに、対応する溝を生じさせ得る)を有するノズルを介して、プレ膜材料を押し出すことによって膜を形成することができる。図1に示すプロセスと同様に、プレ膜材料の流体は、平滑なスロットを通して注型することができ、溝は、回転ダイローラまたは所望のパターンのルールを有するプレートによって形成することができる。本教示に従う、比較的流動性のあるプレ膜材料を、溝のパターンを有する可撓性膜へ硬化させることは、使用される材料に応じて、フィルムの冷却および/またはフィルムの硬化によって達成することができる。このような冷間/熱間エンボス加工およびUVエンボス加工が知られている。
【0041】
プレ膜材料は、例えば、UV硬化材料とすることができ、例えば、回転ダイローラと透明な対向面(例えば、加圧ローラ)との間に注型して、そのフィルムが溝または刻み目を形成するニップを通過するときに、該フィルムをUV硬化させることができる。プレ膜ポリマーまたはそれらの混合物は、単一の自立層として注型することができ、あるいは比較的変形しにくい(例えば、PETフィルムの)支持層上に、パターン化可能な(例えば、CPPでできた)層を形成するように注型することができる。
【0042】
任意に、溝は、指向性レーザビームによって形成されてもよい。そのような実施形態では、レーザビームは、膜の所望の位置に向けられて、膜の一部を切断するか、または膜を加熱して収縮させる。さらに、溝は、膜に圧力を加える1つ以上のパンチによって形成されてもよい。
【0043】
図1Eは、太陽電池を形成することができる基板に電気伝導体のパターンを適用する際のプロセスステップを示す、簡易的なフロー図である。プロセスは、適切な可撓性膜を提供し(305)、膜の第1の面に溝のパターンを形成する(310)ことによって開始し、このパターンは、基板に適用される電気伝導体の所望のパターンに少なくとも部分的に対応している。次いで、導電性粒子および接着剤を含む組成物で溝を充填する(315)。所望の組成物で溝を充填し、次いで、場合によってはそれを乾燥させ、かつ/あるいは溝間のスペースをクリーニングすることを含む充填ステップは、乾燥した組成物が膜の表面と実質的に同じ高さになるまで繰り返すことができる。次いで、膜を基板と接触させ(320)、膜と基板との間に圧力を加え(325)、膜の第1の面の溝に充填された組成物を基板に付着させる。次いで、膜を基板から分離し(330)、膜の第1の面の溝から、いくつかの、好ましくは実質的にすべての組成物を基板に転写し、溝から基板に転写された組成物のパターンを導電性にするために、十分な熱または他の形態のエネルギーを加えて導電性粒子を焼結させるか、そうでなければ融着させる(335)。
【0044】
所望の組成物で溝を充填することを含む充填ステップはまた、組成物を実質的に乾燥させるか、そうでなければ安定化させることを含むことができる。そのようなステップは、十分に乾燥した組成物が膜の表面と本質的に同じ高さになるまで繰り返すことができる。充填ステップはまた、1つ以上の充填ステップと同時に、またはそれとは別に実行することができる、ドクターブレード、スキージ、ワイパーなどの類似物による1つ以上のクリーニングステップを含むことができる。あるいは、または付加的に、膜の第1の面は、拭き取られるか、または他の方法でクリーニングされてもよい。
【0045】
図2Aの斜視図から、膜は、同じ溝のパターンが繰り返し適用される連続膜であることが分かる。パターンは、膜の長さに平行に延びる平行線を含むことができ、これらの長手方向の線は、ダイローラ102上の円周方向のルール106によって形成され、横方向のバスバーは、ローラ102の表面上に軸方向に延びるルール108によって形成される。図2Bに、いくつかの例示的なルール106の拡大断面図を示す。ダイローラ102上の螺旋状のルール(不図示)を使用して、斜めに延びる溝を形成することができ、同様に、比較的湾曲した接続ルールを使用して、以上に説明した直線状のルールを接合することができ、これによって任意の所望のパターンの導体を形成することが可能となる。説明を簡潔にするために、ルール106または108はそれらのグループ間で同じ長さを有するように示されているが、必ずしもそうである必要はない(例えば、図5Aの520および530を参照のこと)。
【0046】
[可撓性膜]
説明したように、膜は、ニップを通過した後に、プレートの下で、あるいは溝が任意の所望の方法で形成された後に、当該膜が元の形状に戻る弾力性を有しないことが要求される。膜は、適切には1つ以上のプラスチックポリマー、特には、環状オレフィンコポリマー(COC)、エチレン酢酸ビニル(EVA)、ポリアミド(PA)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリウレタン(TPU)、ポリ塩化ビニル(PVC)、およびそれらの置換型を含む群から選択された、熱可塑性ポリマーから形成され得る。しかしながら、膜は、代替的に、溝がそれらの材料のいずれかに押し込まれた後に硬化され得る、異なるポリマー、またはフォトポリマーなどの非プラスチック材料から形成され得る。膜は、該膜をコイル状にするのに十分な可撓性を有することが望ましい。膜は、(例えば、基板の)接触面から剥離されるのに十分な柔軟性を有することも重要である。
【0047】
膜のパターンを有する膜を形成する上記の方法が本発明にとって必須ではないことは、強調すべきことである。柔軟で、好ましくは可撓性であり、所望の深さ、幅、および断面(例えば、台形断面または三角形断面)を有する正確な溝を維持することができ、溝がパターン内で所望の形状および間隔で配置される限り、押し出し、スタンピングまたは機械加工によって形成される任意の膜を使用することができる。
【0048】
膜は、シートで、または連続ウェブとして供給することができる。膜の寸法は限定的ではないが、好ましくは、パターニング要素および意図する基板と釣り合っている必要がある。例えば、膜の幅は、ダイローラ102の軸方向の長さにほぼ対応していてもよく、膜の長さは、個別のシートとして提供される場合、移動方向に対して平行な長さが、通常、ローラの円周の低倍数である。膜の厚さは、ルールの高さ(すなわち、溝の深さ)よりも大きく、概して20〜100μmの範囲である。膜が2層以上のポリマーによって形成される場合、膜の厚さは、20〜150μmの範囲とすることができ、各層の厚さは、個々に0.5〜100μmの範囲とすることができる。例えば、支持層(例えば、PET製)は、8〜75μmの厚さを有することができ、パターニング可能/変形可能層(例えば、CPP製)は、10〜75μmの厚さを有することができ、基板との将来的な適切な接触を任意に促進する保護シール層(例えば、Elvax(登録商標)として市販されているエチレン酢酸ビニルコポリマー樹脂製)は、0.5〜5μmの厚さを有することができる。
【0049】
所望の基板に対する膜の積層接触が、最終製品の数に対応する領域上で平行かつ/または連続的に実行されるとしても、ダイローラの1サイクルによって生成されるパターンは、そのような複数の最終製品の製作に十分であり得ることに留意されたい。
【0050】
必要に応じて、可撓性膜の表面特性を(例えば、物理的または化学的処理によって)改変して、以下の任意の材料の適用に対する膜の適合性を改善することができる。例えば、可撓性膜が疎水性ポリマーでできていて、その後に塗布される組成物が膜を十分に湿潤させないか、そうでなければ膜と相互作用し得ない場合、溝壁面の選択的改質のようなポリマー表面の改質、またはその一部の改質を行うことができる。可撓性膜またはその溝の濡れ性を改善するためにその表面を処理(例えば、コロナ処理または濡れ性改善剤による化学処理)して、比較的より親水性にすることができる。組成物はまた、それらの膜の濡れ性を改善する薬剤を含むことができる。したがって、膜またはその一部、およびインタフェース組成物は、得られるパターンを弱める可能性のあるサイズおよび/または量および/または密度を有する気泡の不所望な閉じ込めを十分に防いで、それらの接触が十分に気密である場合、十分に湿潤可能であるかまたは湿潤性である。好ましくは、可撓性膜と相互作用する任意の組成物によって可撓性膜の濡れ性を最適化することにより、その後、実質的に連続的であり、かつ/あるいは気泡を含なまい、組成物の乾燥層がもたらされる。
【0051】
[導電線パターンの組成物]
膜100に溝のパターンを形成した後、プロセスにおける次のステップは、例えば銀などの導電性粒子と、例えばホットメルトポリアミドなどの接着剤(転写が高温で行われる場合)と、を含む組成物で溝を満たすことである。この充填ステップは、図1Bに示されており、ここで膜100が加圧ローラ132とブレードまたはスクレーパー130との間を通過すると、組成物120が溝110に押し込まれて、図1Bのブレード130の右側に示されるように溝が満たされる。満たされた溝は、140として示されている。図2Cに、例示的な溝110の充填前の拡大断面図を示す。
【0052】
以下において、組成物を形成する様々な化合物または薬剤の割合は、重量比(w/w)もしくは体積比(v/v)、もしくは組成物のその部分の百分率で表すことができ、または単一の他の成分に関してさえも、その割合を重量%および体積%で表すことができる。
【0053】
(金属の、またはガラスフリットなどの接着剤の)粒子は、任意の形状を有することができ、例えば、規則的または不規則な球形のビーズ/フレーク/ロッドなどを形成している。個々の金属粒子には、後の段階で適切な焼結または焼成を妨げる可能性のある空洞が存在していないことが好ましい。粒子の最大寸法は、その軸/次元のいずれにおいても、溝の最小寸法よりも小さくある必要がある(例えば、粒子は、約数ミクロンであり、一般に10〜20μmを超えず、著しく小さいことが多い)。大き過ぎる粒子は、それらの形状によっては溝内に十分に埋め込まれない場合があり、このように埋め込みが不十分であると、導電線が適切に形成され難くなるか、または適切に形成されなくなる。より小さい粒子は溝内への埋め込みがより容易であるが、小さすぎる粒子は有益でない場合がある。第一に、それらは、より大きい粒子の焼結温度よりも比較的低い温度(例えば、約135℃の転移温度)で制御されない焼結をする場合がある。小さすぎる粒子のこのような時期尚早な焼結は、その後、ペーストの移動に影響を与え(流れを妨げ)、かつその基盤との界面に影響を及ぼし得る。第二に、多数の小粒子によって表面積が増加すると、追加の接着剤が必要となり、組成物のレオロジーおよびペーストの加工性に影響を及ぼし得る。さらに、接着剤の存在量が増えると、焼結が妨げられる(予想される導電性に影響を与える)可能性がある。そのため、最大寸法が200nm以上であり;任意には最大10μm以下である粒子が好ましい。いくつかの実施形態において、導電性粒子の最大寸法は、0.5〜5μm、または1〜3μmの範囲である。サイズが不均一な粒子の集団は、特定の形状には必須ではないが、溝内の埋め込みを改善することができ、その結果、埋め込まれた粒子間の空隙が減少する。そのような埋め込みは、焼結および場合によっては焼成を容易にし、完成した焼結/焼成線の導電性を改善することができる。
【0054】
粒子サイズに関する情報は、一般に供給者によって提供され、また、例えば動的光散乱(DLS)技術を使用する日常的実験により決定することができ、粒子は等価散乱応答の球および流体力学直径として表されるサイズに近似される。粒子の寸法はまた、顕微鏡的方法、ならびに走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、集束イオンビーム(FIB)、および/または、共焦点レーザ走査型顕微鏡技術によって捕捉された画像の分析により推定され得る。このような方法は当業者に知られており、さらに詳細に説明する必要はない。粒子は典型的には異なる方向に異なるサイズを有するので、完全な球形でない限り、単純化のために、粒子から突出する最大平面における最長寸法を考慮する。粒子が球形であるか、または球形に近い場合、「最長寸法」はおよそDLS法で推定できる直径である。このような場合、粒子の母集団の90%、より一般的には母集団の50%の流体力学的直径が、粒子のサイズを評価するのに役立ち得る。換言すれば、形状に応じて、粒子は、それらの最大長さL、それらの厚さ、それらの流体力学的直径D90、D50、D90、またはD50によって特徴づけられ得る。
【0055】
本明細書で使用されるとき、「導電性粒子」という用語は、金属、金属酸化物、金属塩、有機金属、合金および導電性ポリマーを含む任意の導電性材料からなる粒子、ならびに前述の任意の電気化学的適合性のある組合せ(例えば、2つの金属の混合、アルミニウムと銀)を含む。電気化学的に適合性があるとは、反復される充填サブステップによって溝の充填が行われるときに、任意の層の任意の導電性材料が、同じ層の、もしくは他の層の任意の他の導電性材料に対して化学的に不活性であることを意味する。特に、いずれの材料も意図する効果に有害ではなく、より具体的には、いずれの材料も本方法によって得られる最終的な導電線の導電率および/または導電性に影響を与えず、またそれらを適時に基板に正しく付着させる能力に影響を与えない。
【0056】
金属は、アルミニウム、銅、金、銀、スズ、ニッケル、プラチナ、亜鉛を含む群から選択することができる。合金は、青銅、真鍮およびパラジウム/銀を含む群から選択することができる。有機金属は、ギ酸銅(II)(CCuO)、銅(II)ヘキサン酸(C1222CuO)、銅(I)メシチレン(C11Cu)、ビニルトリメチルシランCu(I)ヘキサフルオロ−アセチルアセトネート、ネオデカン酸銀(C1019AgO)、それらの前駆体、水和物および/または塩類を含む群から選択することができる。
【0057】
組成物120は、導電性粒子に加えて接着剤を含む。選択された方法ステップおよび最終的な基板に応じて、異なるタイプまたは量の接着剤を使用することができる。概して、接着剤は、a)導電性粒子の凝集性を維持するのに十分であるが、基板への十分な付着性を提供するには不十分な有機バインダ(「弱い接着剤」)、b)基板への所望の付着性を提供するのにより適切な有機接着剤(「強力な接着剤」)、ならびに、c)この方法が、例えば太陽電池を製造するために、ガラスおよび/またはガラス受容基板に高温で使用される場合に無機接着剤とみなされ得るガラスフリットのうちの1つ以上とすることができる。第1の組成物がタイプ(b)の強力な有機接着剤を欠いている場合、図3を参照してより詳細に説明されるように、適切な接着剤で強化された第2の組成物が結果として使用される。無機ガラスフリットは、その基本的な活性である接着剤として分類されているが、そのような化合物は、当業者に知られているように、太陽電池の製造においてさらなる役割を果たす場合がある。
【0058】
接着化合物は、転写が圧力下でのみ行われる場合は、例えば感圧接着剤とすることができ、転写条件がさらに高温を含む場合は、感熱接着剤(例えば、ホットメルト接着剤)とすることができる。ホットメルト接着剤は、転写に関連する範囲、例えば60℃〜180℃の範囲内に軟化点を有するポリマーとすることができる。このような範囲の軟化温度は、比較的高い軟化点を有する接着剤を、相転移温度を低下させることができる可塑剤と混合することによって任意に達成することができる。ポリマーの軟化温度は、それらの供給者によって提供されるが、当業者に知られている方法に従い、例えば、示差走査熱量測定(DSC)を使用する日常手的な実験によって評価することができる。
【0059】
接着剤は、組成物の他の成分(例えば、導電性粒子、ガラスフリット、存在する場合は、キャリア)およびプロセス条件と相溶性であり、例えば、溝内の組成物に適切な流動性を提供し、かつ/あるいは膜表面からの過剰分の除去を提供し、パターンの完全性を維持するように脆弱ではなく、適切な形状を維持する量で残るように導電性粒子を焼結するまで十分に「耐熱性」である。接着剤は、好ましくは、可撓性膜に対して比較的低い(例えば、製造および取り扱い中に湿潤または乾燥組成物が溝内に留まるためにのみ十分であり、積層後に基板から膜が剥がされるときに膜から剥離可能である)付着性を有するべきである。その一方で、接着剤は、好ましくは、受容基板に対して比較的高い(例えば、金属パターンの基板への転写を可能にする)付着性を有するべきである。有利には、灰の含有量が少ない接着剤は、金属の焼結を促進し、(場合によっては焼結後の)導電性を向上させることが期待される。そのオープンタイムが、高温転写温度への任意の加熱後に、金属パターンを基板に適切に転写するのに十分に長い一方で、転写後に所望の形状(パターン線の構造的完全性)を維持するのに十分に短い接着剤が適していると考えられる。数秒、1秒、数百または数十ミリ秒未満のオープンタイムが好ましいことに留意されたい。
【0060】
例示的な有機接着剤は、例えば、市販のホットメルトポリアミド接着剤Uni−Rez(登録商標)147、Uni−Rez(登録商標)2620およびUni−Rez(登録商標)2720(以前は、Arizona Chemical,現在はKraton Corporation,米国)、Macromelt(登録商標)6211、Macromelt(登録商標)6238、Macromelt(登録商標)6239、Macromelt(登録商標)6264(Henkel,独国)、Versamid(登録商標)744およびVersamid(登録商標)754(Gabriel Performance Products,米国)を含むポリアミド;Sylvaprint(登録商標)3523およびSylvaprint(登録商標)7002(Arizona Chemical,米国)などのテンペルフェノール樹脂;Foral(商標)AX−E(Eastman Chemical Company,米国)などの水素化ロジン;例えば、E.I.du Pont de Nemours and Company,Inc.の市販のElvax(登録商標)40Wを含む、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA);または、例えば、The Dow Chemical Companyの市販のEthocel(商標)std4、7、10または20を含む、エチルセルロースポリマーであり得る。
【0061】
太陽電池に適したガラスフリットは、一般に、以下のガラスから作られている:i)酸化鉛(PbO)系のガラスで、通常は、鉛ホウケイ酸ガラス:PbO−SiO−B;ii)酸化ビスマス(Bi)系のガラスで、通常は、ビスマスホウケイ酸ガラス:Bi−SiO−B;およびiii)酸化テルル(TlO)系のガラス。
【0062】
上記のガラスの各々はまた、以下の1つ以上を含むことができる:酸化アルミニウム(Al)、酸化ビスマス(Bi)、酸化ホウ酸(B)、酸化鉛(PbO)、酸化モリブデン(MoO)、酸化ケイ素(SiO)、酸化テルル(TlO)、酸化タングステン(WO)、および酸化亜鉛(ZnO)。
【0063】
導電性粒子の(存在する場合は、ガラスフリットを含む)適切な量は、全固形分(例えば、導電性粒子、接着剤、および存在する場合はガラスフリット)に対して30〜95体積%であり、より好ましくは金属ペーストについては65〜90体積%であり、より好ましくは接着剤ペーストについては全固形分から50〜70体積%である。存在する場合のガラスフリットの量は、概して、導電性粒子の約0.5〜15体積%であり、好ましくは、1〜5体積%の範囲である。
【0064】
接着剤の適切な量は:全固形分(例えば、導電性粒子および接着剤、存在する場合はガラスフリットを含む)に対して5〜70体積%であり、好ましくは接着剤ペーストの固形分の30〜50体積%以内であり、好ましくは金属ペーストの固形分の10〜35体積%以内である。
【0065】
任意の可塑剤は、フタレート、ホスフェート、グリセリド、および高級脂肪酸とアミドのエステルであり得る。例えば、必要に応じて、可塑剤は、セバジン酸ジブチル、ステアリン酸ブチル、ココナッツ油脂肪酸のグリコールエステル、リシノール酸ブチル、フタル酸ブチル、ひまし油、ステアリン酸ブチル、フタル酸ジフェニル、フタル酸ジシクロヘキシル、およびフタル酸ジオクチルを含む群のうちの1つ以上とすることができる。存在する場合、可塑剤は、接着剤に対して5〜30重量%で見出すことができる。
【0066】
導電性粒子および接着剤を液体キャリア中で混合して、溝110を充填するために使用する組成物120を形成することができる。好ましくは、キャリアの量は、組成物を乾燥させるときにキャリアの除去に要する時間を短縮するために十分に少なくするべきである。その一方で、キャリアの量は、組成物に適切な流動性を与えるのに十分な量とする必要があり、キャリアの量が十分であれば、溝を組成物で比較的速く満たし、かつ過剰分を膜の表面から比較的容易に除去することができる。典型的には、液体キャリアは、全ペーストの30〜80体積%の範囲で組成物中に存在する。
【0067】
液体キャリアは、水性、有機性とすることができ、またはそれらの混合とすることができる。有機溶媒は、好ましくは揮発性であり、例えば、直鎖状または分枝状のC1−C7アルコールおよびC1−C7アルキルアセテートを含む群から選択することができ、そのような溶媒いずれも、好ましくは95%以上、典型的には98%を超える高純度のものである。そのようなアルコールは、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、ペンタノール、ヘキサノールおよびヘプタノールの1つ以上とすることができる。そのような酢酸アルキルは、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸ヘキシルおよび酢酸ヘプチルの1つ以上とすることができる。
【0068】
説明したように、組成物120は、連続的なステップで適用することができ、そのようなステップ間で液体キャリアを除去すると、湿潤組成物と比較して乾燥組成物に相対的な収縮が生じる。
【0069】
溝を部分的に満たす最初の充填の間における組成物の中間乾燥は、最後の充填ステップに続いて実行される乾燥のように広範囲である必要はないことを理解するべきである。本明細書で使用されるとき、「乾燥した」または「実質的に乾燥した」組成物は、液体キャリアの存在がそのように乾燥されたパターン化された導電線の構造的完全性またはプロセスのいずれの他の態様を妨げない場合に限り、残留量の液体キャリアを保持している場合がある。5体積%未満、好ましくは2体積%未満、または1体積%未満を含む組成物を、「乾燥された」とみなすことができる。
【0070】
乾燥組成物が溝を実質的に満たし(図1Bの140または図3の140a〜dのいずれかを参照)、膜の第1の面と同じ高さになると、金属パターンを有する可撓性膜は、さらなる処理のための準備が整った状態となる。さらなる処理は、同じ主体によって実行される必要はなく、また充填ステップに時間的に近接している必要もない。このような場合、膜の第1の面を太陽電池基板に接触させる前後の工程は、時間的に分離することができる。
【0071】
例えば、膜の製造者によってある長さの膜が製造されると、その膜は、梱包されて、膜を使用して太陽電池上に導体を形成するエンドユーザに送られてもよい。膜は、コイル状に梱包することができる。膜がコイル状にされたときに、組成物が膜の反対側に付着するのを防ぐために、膜の第2の面は、膜の第1の面に対して「非粘着」特性を有することができる。あるいは、好ましくは剥離面(例えば、疎水性)を有する保護シートを膜に張り付けて、プロセスの次のステップの前にそれを膜から剥がしてもよい。
【0072】
図1Cは、膜100を基板150と接触させ、その2つを2つの加圧ローラ152,154の間のニップ156を通過させて、膜の溝内の組成物140を基板150の表面に付着させる(同じまたは異なる主体によって実行され得る)次のステップを示す。転写をさらに容易にするために、加圧ローラ152および154の少なくとも一方を、典型的には60〜200℃の範囲の温度に加熱することができる。そのような場合、転写用組成物は、溶融ペーストとも呼ばれる。この工程は、積層ステージとも称され得る。
【0073】
最後に、図1Dでは、ローラ170によって膜100を基板150に対して分離点で保持しながら、組成物が基板と既に接触している膜100の一部を基板150から矢印160の一般的な方向に引き離し、基板から離れた既知の領域で膜100を剥がして、基板150に付着した組成物の線140’を残す。
【0074】
これらの線140’はまだ導電性ではないが、組成物中の導電性粒子を焼結、融着、またはそうでなければ導電状態に変換することができる。熱焼結、光誘起焼結、マイクロ波焼結、電気焼結および化学焼結を含む異なる焼結方法が存在し、組成および好ましいプロセス条件に応じて焼結方法が選択される。これらは、意図する最終製品によって決定される場合がある。一般に、焼結は、図1Aのダイローラ102上のパターンと一致する導体パターンを形成するように熱を加えることによって行われる。
【0075】
導体パターンを半導体ウェハ(例えば、任意に反射防止コーティングを有する、研磨または非研磨、ドープまたは非ドープのシリコンウェハ)に適用する場合、特定の太陽電池の製造において一般的であるように、半導体の表面上に電気伝導体を配置するだけでは所望の電気的接続を達成するのに不十分であろう。そのような一実施形態において、組成物は、好ましくはガラスフリットをさらに含み、焼成されて導体パターンを基板と融着させる。溶融ガラスは、半導体ウェハの誘電体層をエッチングし、その間に金属イオン(例えば、銀)を、それを介して基板(例えば、シリコンウェハまたは薄いフィルム)に移動させ、表面金属パターンと誘電体または存在する場合パッシベーション層の下のウェハとの間に導電経路を生成する。そのような焼成は、単に導電性粒子を焼結するために利用されるステップとは別々に、あるいはその延長として実行することができる。しかしながら、導体を半導体基板に融着するために必要な温度および時間は、単なる焼結に要するものとは異なる。例えば、導電性粒子の焼結は、約100〜150℃から約800℃の範囲の焼結温度で実行することができるが、基板との電気的接触を形成するための組成物パターンの焼成は、約500℃〜約900℃の範囲の焼成温度で実行することができ、焼成温度は焼結温度よりも高い。
【0076】
膜100の溝110を組成物120で充填する間、場合によっては溶媒を添加することによって組成物をより流動化させることができ、先に詳述したように、溶媒は水性または有機溶液であり得る。このような場合、組成物は乾燥するにつれて収縮し、溝を完全には満たさない。図3A〜3Dは、そのような現象を、解決しかつ任意に利用するための任意選択のステップを概略的に示す。
【0077】
図3Aでは、溝が単一の組成物210で満たされている。このような任意の組成物による実質的に完全な溝の充填は、溝を連続的に充填することによってもたらされ得るものであり、その体積は、同じ組成物の各適用体積部分がそれぞれ乾燥するにつれて減少する。乾燥組成物210が膜100の表面と同じ高さになると、140aとして示される構造が形成される。溝を完全に満たすために必要とされる連続的な充填サイクル数は、組成物、溝寸法およびプロセス処理条件によるが、典型的には5サイクルを超えず、3または4サイクルが好ましい。
【0078】
組成物210が乾燥時に収縮して膜100の表面から離れることの影響は、図3Bによく見ることができるが、図示例では、第1のステップで適用および乾燥された組成物210によって残された窪みは、第2のステップで第2の組成物220を使用して満たされている。必要に応じてこれを繰り返し、最終的には、溝110が実質的に膜100の表面レベルまで満たされることを確実にすることができる。乾燥組成物220が、膜100の表面と実質的に同じ高さになると、140bとして示される構造が形成される。
【0079】
溝を満たすために連続的ステップおよび/またはサイクルを実行するとき、ステップ/サイクル間で組成物の構成成分を変化させることができる。本質的には、基板に対して十分な接着性を有することが要求されているのは、最後に適用される組成物だけであり、初期のステップの接着剤に求められているのは、導電性粒子を一緒に保持することだけである。さらに、あるいは代替的に、反復される各充填の各組成物に使用される導電性粒子またはそれらの混合物は、充填ごとに異なっていてもよい。したがって、図3Aでは、充填溝140aを形成する唯一の組成物である組成物210は、比較的強力な接着剤を含み得るが、図3Bでは、組成物220がこの目的を果たさなければならない。後者の図における組成物210は、「接着力が弱い」バインダまたは強力な接着剤のいずれかを含むことができる。
【0080】
図3Cでは、導電性粒子を含有する組成物で溝を満たす前に、膜100から容易に分離する剥離コーティング230を使用して当該溝を裏打ちすることにより、140cで示される充填溝断面が形成されている。もちろん、これは代替的には、例えば組成物220のような、より高濃度の接着剤を有するさらに異なる組成物層を有する多層構造であり得る。したがって、いくつかの実施形態において、本方法によって得られる導電線は、多層構造を有することができる。
【0081】
剥離コーティング230は、有機溶媒(例えば、ブタノールなどのC1〜C7アルコール)中に比較的希釈されたポリマーからなり得る。「剥離」ポリマーは、膜の表面に対する接着性が低く、好ましくは比較的低い灰分を有し、それが金属線とともに転写されたとしても、後の段階で(例えば、燃焼によって)実質的に完全に除去される。場合によっては、剥離組成物のポリマーは、その上に注がれる組成物と相溶性(例えば、付着性)であり得る。したがって、剥離組成物は、いったん乾燥すると、溝の壁に付着したままであっても、組成物線とともに移動してもよい。
【0082】
「剥離」ポリマーは、そのような剥離コーティングの好ましい媒体に応じて、例えば、非水溶性エチルセルロースポリマーまたは水溶性セルロースとすることができる。ポリマー濃度は、典型的には10重量%を超えないが、5重量%以下からなる組成物が好ましい。他の組成物として、剥離組成物は、スキージで溝を充填するために適用することができ、有機溶媒は乾燥によって除去される。ポリマー含有量が低いことを考慮すると、乾燥剥離組成物は、概して、1〜2μm以下のフィルムとして溝壁上に形成される。必要に応じて、剥離組成物の第2の層を同様に適用することができる。
【0083】
剥離コーティング230は、例えば、1−ブタノール(Sigma Aldrich)中5重量%の水溶性エチルセルロース(Dow Chemical CompanyのEthocel(商標)Std100として入手可能なものなど)からなり得る。あるいは、水性組成物が好ましい場合、剥離コーティングは、脱イオン水中10重量%の水溶性セルロースエーテル(Dow Chemical CompanyのMethocel(商標)E15として入手可能なものなど)からなり得る。
【0084】
溝の充填、ならびに剥離コーティングを伴う選択的なプレコーティングおよび/または接着剤コーティングを伴うポストコーティングに使用される組成物がすべて水性である(例えば、水が組成物の液体キャリアの少なくとも60重量%を構成している)場合、可撓性膜(一般に、疎水性)を処理して、これらの組成物によるその均一な湿潤化を促進することが望ましい場合がある。コロナによって達成され得るこのような処理は、剥離コーティングが存在する場合には、該剥離コーティングを溝内に適用して乾燥させた後に実行することが好ましいが、もし存在するとしても、剥離コーティングの適用前に実行してもよい。
【0085】
図3Dは、溝を満たす組成物210に加えて、膜の全表面を覆う接着剤コーティング250を有する任意の構成140dを示す。接着剤コーティング250は、溝から基板への組成物の転写を助けることを目的としている。続いて、必要に応じて基板の表面を溶媒で洗浄し、接着剤が露出していて、かつ組成物の線の下に位置していないすべての領域から接着剤を除去することができる。しかしながら、接着剤コーティングは、基材に転写された金属線の焼結(および/またはさらなる焼成)の際に燃え尽きるので、多くの場合、溶媒を使用してそれを除去することは不要であることが分かった。
【0086】
構造140dは、単一の組成物210を含むものとして図3Dに示されているが、図3Bおよび図3Cを参照して説明したように、それは複数の層から形成されていてもよい。
【0087】
接着剤コーティング250は、前述したものと同じ強力な有機接着剤(ただし、ガラスフリットを含まない)からなることができ、そのような接着剤は、ここでは溝に充填された乾燥組成物の構造的完全性に悪影響を及ぼさないキャリアに分散または溶解されている。そのような不活性キャリア中の接着剤ポリマーの量は、接着剤コーティング組成物の5〜50重量%の範囲とすることができる。「不活性」キャリアは、先に詳述した有機溶媒のうちの少なくとも1つとすることができ、そのような溶媒の揮発性は、そのような組成物が先に適用された乾燥組成物に影響を及ぼし得る時間を短縮する。その乾燥後、接着剤コーティングの厚さは、好ましくは0.2〜3μmの範囲にあるべきである。
【0088】
接着剤コーティング250は、例えば、5重量%のポリアミドホットメルト接着剤(Uni−Rez(登録商標)2720)、15重量%のブタノール(Sigma Aldrich)および80重量%の酢酸ペンチル(Sigma Aldrich)で構成することができる。あるいは、水性組成物が好ましい場合、接着剤コーティングは、脱イオン水中の、ポリ(2−エチル−2−オキサゾリン)(例えば、Polymer Chemistry InnovationsによるAquazol(登録商標)5として入手可能なもの)で作られた5重量%の水溶性接着剤と、ブタノールなどの1重量%の共溶媒、シリコーン界面活性剤(例えば、BYKによるBYK(登録商標)−349)などの0.25重量%の第1の湿潤剤と、シリコーン界面活性剤(例えば、BYKによるBYK(登録商標)−333)などの0.075重量%の第2の湿潤剤と、で構成することができる。
【0089】
[他の電極]
上述の方法は、薄い導体を形成するのにより適しているが、例えば、太陽電池の背面電極のような広い表面を電極で被覆することが望ましい場合、図4A〜4Cに示すように、方法をかなり単純化することができる。図4Aでは、丸みを帯びた先端を有するドクターブレード400は、膜100が加圧ローラ402とドクターブレード400との間を通過するときに膜100に押し付けられる。ドクターブレード400の上流で過剰な組成物404が膜100に塗布され、組成物がドクターブレードの下を通過するときにその厚さは均一に減少する。その厚さは、ドクターブレード400の先端の曲率半径および加えられる圧力を変えることによって設定することができる。過剰な組成物はドクターブレードの全長に沿って塗布される必要はなく、あるいはドクターブレードは任意に「セグメント化」されていてもよく、組成物は膜の所望の部分に積層されている。次いで、組成物404を乾燥させることができる。
【0090】
次に、図4Bに示すように、乾燥組成物404を担持する膜100を、2つの加圧ローラ406と408との間のニップを通過させることによって基板150に押し付け、図4Cに示すように、膜100を基板150から剥がして該基板上に組成物404のコーティングを残すことができる。加圧ローラ406および408をさらに加熱して、転写温度に軟化点を有する接着剤を含む組成物の転写を容易にすることができる。次いで、この乾燥組成物404のコーティングを焼結(例えば、加熱)してそれを基板150上に導電性にし、また必要に応じて焼成して、太陽電池の背面電極を形成することができる。適切な太陽電池の背面電極は、先に説明したようにウェハに融着させることができるだけでなく、シリコン基板上に高ドープ層(例えば、アルミニウムドープ)を形成することもできる。後方散乱場(BSF)と称されるそのような高ドープ層は、太陽電池のエネルギー変換効率を向上させることができる。そのような考察は当業者に知られており、当業者はそれに応じて、組成物120について先に詳述した原理に従って組成物404を作り出すことができる。
【0091】
図1Cおよび図4Bに示される積層ステップは、同時に実行できることが理解されよう。これにより、大面積の背面電極を半導体ウェハに適用するのと同時に、導電性グリッドパターンをその表面に適用することができる。次いで、ウェハの両面上での組成物の焼結および融着を同時に実施することができる。
【0092】
あるいは、例えばスクリーン印刷などの関連業界で従来使用されている任意の方法によって、背面電極を基板の反対側に適用することができる。そのような方法は、基板の背面側に直接使用することができるが、好ましくは、本開示の組成物の層を可撓性膜上に塗布して、先に詳述した方法に従って「表面」金属パターンおよび「背面」電極の同時転写を可能にするように機能することができる。背面電極を膜上に形成する場合、グラビア印刷はさらに、膜上に組成物の層を形成するものと考えられ得る。
【0093】
[太陽電池の実施例]
図5Aに概略的に要約された導電性の金属パターンを上述の原理に従って作製した。図には、金属パターン500が示されている。このようなパターンは、乾燥組成物が溝を実質的に満たすとき膜の表面の下で「ネガティブ」であり,あるいは転写後の基板(例えば、ウェハ表面)の上に突出する「ポジティブ」であり得る。金属線の長手方向の溝510は、ルール106(図1Aまたは図2A〜2B参照)から生じるが、横断方向の溝または金属線(例えば、バスバー)は、「中断されずに」金属パターンのすべての長手方向の線を横切るものは520として示されており、線510のサブセットだけを横切るものは530として示されている。いずれにせよ、横断方向の溝または線520または530は、ルール108(図1Aまたは図2Aを参照)から生じる。意図された光起電力電池によって生成された電流を収集するための長手方向の線は、グリッド線またはフィンガと呼ばれることもある。
【0094】
本実施例で使用した可撓性膜は、キャストポリプロピレンフィルム(厚さ50μmのCPP;R.O.P.LtdのRollCast(商標)14)であった。その膜を、長手方向の溝を形成するための一連の約85のルール106がニッケルシムでできた回転可能なダイ102でパターン化した。図5Bに示すように、ルール106のエッジは台形であり、底幅Wは20μmであり、頂部幅Wは10μmであり、高さhは32μmであった。隣接するルール間の距離dは、1.8mmであった。ローラ102の円周に沿う各ルールの長さは、金属パターンが転写される固体支持体と適合するように設定した(必要であれば、パターン間の「マージン」を含む)。
【0095】
そのように形成された溝(底幅Wが約25μm、頂部幅Wが約12μm、深さ(高さh)が約25μmであり、2つの隣接する溝の向かい合う端部間の距離が約1,775μmである)を、1−ブタノール(Sigma Aldrich)中5重量%のEthocel(商標)Std.100(Dow Chemical Company)からなる剥離組成物で満たした。表面垂線に対して65〜70°の角度で配置されたドクターブレード(MDC Longlife Multiblade,Daetwyler)を使用して、組成物をパターン化された膜に塗布した。ステンレス鋼斜角刃は、幅20mm、厚さ0.2mm、斜角3°、斜角長さ2.7mm、および先端半径18μmを有していた。3N/cmの力を使用した。ドクターブレードは、回転ダイ102の軸と平行であり、ルール106によって生成された溝に対して垂直であり、そして可撓性膜と相対移動し、移動方向は線510と平行であった。次いで、剥離組成物が実質的に乾燥したフィルムになるまで、膜をホットエアーガンで加熱した。加熱/乾燥温度は、膜の変形を防ぐように選択した(CPPについては、70°未満)。本実施例では、剥離組成物を単一のステップで塗布した。
【0096】
溝壁を被覆する薄い剥離フィルムを形成した後、金属ペーストを溝に充填した。金属ペーストは、a)銀粒子(1〜3μmのビーズ)および酸化鉛系ガラスフリット(1〜3μmの塊)を含み、前述のものは約60体積%の固形分を形成し、ガラスフリットは導電性粒子の約3〜5体積%で存在し;b)固形分の約40体積%を構成するポリアミド接着剤Uni−Rez(登録商標)2720またはUni−Rez(登録商標)147、および全ペーストの40体積%を構成するペンタノールを含んでいた。全組成物の重量%に換算すると、そのような金属ペーストは、87.3〜88.7重量%の銀粒子、1.3〜2.7重量%のガラスフリット、6重量%の接着剤および4重量%のキャリアで構成されていた。
【0097】
金属ペーストの各充填ステップの後に、有機キャリアを実質的に除去し、ホットエアーガンを用いて組成物を乾燥させた。典型的には、それを3回実行して、可撓性膜の表面と同じ高さで溝を完全に埋めた。
【0098】
追加の接着剤コーティング層が望まれる場合、6μmのワイヤバーによって塗布し、乾燥させた接着剤コーティングの厚さは2μm未満である。いくつかの実験において、塗布した接着剤コーティングは、ブタノールおよび酢酸ペンチルからなる溶媒の混合物(重量比1:5)中に、10重量%のUni−Rez(登録商標)2720を含んでいた。追加のポリアミドホットメルト接着剤を用いて、代替的な接着剤コーティングを作製した。追加のポリアミドホットメルト接着剤には、米国のKraton CorporationのUni−Rez(登録商標)2620、独国のHenkelのMacromelt(登録商標)6211、Macromelt(登録商標)6224、Macromelt(登録商標)6238およびMacromelt(登録商標)6239、ならびに米国のGabriel Performance ProductsのVersamid(登録商標)744およびVersamid(登録商標)754が含まれていた。10重量%の各ポリアミドホットメルト接着剤を、90重量%の有機溶媒と混合した。Macromelt(登録商標)およびVersamid(登録商標)ポリアミド接着剤を、プロピレングリコールメチルエーテル(例えば、Dow Chemical CompanyからDowanol(商標)PMとして市販されているもの)中にブレンドした。Uni−Rez(登録商標)2620およびUni−Rez(登録商標)2720ポリアミド接着剤を、さらに追加の溶媒に適用し、それぞれ(a)90重量%のブタノール、(b)90重量%のペンタノール、(c)15重量%のブタノールおよび75重量%のアミルアセテート、ならびに(d)15重量%のペンタノールおよび75重量%のアミルアセテート中で混合した。すべての溶媒は、少なくとも95%の純度レベルでSigma−Aldrich社から提供されている。ポリアミドホットメルト接着剤をベースとした上述の接着剤コーティング組成物はすべて、膜から基板へのパターンの転写に十分であることが分かった。
【0099】
追加の一連の実験では、異なる接着剤ポリマーを試験したところ、それらが同様に適していることが分かった。3つのさらなる代替の接着剤コーティングは、(a)80重量%のDowanol(商標)PM中20重量%の完全水素化ガムロジン(Eastman Chemical CompanyによるForal(商標)AX−E)、および(b)90重量%のDowanol(商標)PM中10重量%のテルペンフェノール樹脂(Arizona ChemicalによるSylvaprint(登録商標)3523またはSylvaprint(登録商標)7002)からなっていた。
【0100】
図5Cは、金属ペーストで充填された可撓性膜の溝を示す、共焦点レーザ走査型顕微鏡によって撮影された顕微鏡写真を示す(例えば、図1Aの140参照)。図から分かるように、溝は可撓性膜の表面のレベルまで実質的に充填されているが、それを取り囲む領域は実質的に乾燥組成物を含んでいない。このような写真では、接着剤コーティングは省略した。
【0101】
乾燥組成物で充填されたパターン化された溝を含む可撓性膜を、蛍光体ドープエミッタ側と窒化ケイ素の反射防止コーティングを有するテクスチャードホウ素ドープシリコンウェハと接触させた。このようなウェハは、様々なサイズ(例えば、156×156mmまたは125×125mm)および厚さ(例えば、150〜300μmの範囲)を想定することができ、本実施例で使用したものは、一辺が156mmの正方形で、約200μmの厚さを有していた。ニップ156を5cm/sの速度で通過させることにより、膜を6Kg/cmの圧力でウェハに押し付けた。加圧ローラ152および154を約130〜140℃まで加熱した。接着剤コーティングがあるとすれば、該接着剤コーティングは、Siウェハ表面のテクスチャに流れ込み、ウェハをおよそ周囲温度に冷却した後に接着した。次に、CPP膜をウェハから剥がしたが、接着剤のコーティング層および金属パターンは、ウェハに転写されて膜の除去後もウェハ上に残った。転写された金属パターンは、ソーラーベルト炉Despatch CDF−SL内で、約750℃のピーク温度に達する温度プロファイルで焼結および焼成された。そのように処理されたパターンは、周囲温度に冷却される前に、典型的には少なくとも5〜20秒間にわたって700℃以上の温度にあった。
【0102】
得られた導電線の接触抵抗(Rc)を、転写長法(Transfer Length Method,TLM)で測定した。Rc値は、0.05〜0.1Ωcmであった。0.2Ω未満の値は非常に満足できると考えられ、ヌルRcを有する最適な接触と比較して0.1%未満の効率の低下を表す。
【0103】
図5Dは、共焦点レーザ走査顕微鏡(オリンパス(登録商標)社のLEXT OLS4000 3D)によって撮影された、ウェハに転写され(例えば、図1Dの140’参照)、かつ上述したように焼結された(図5Cに示す溝を満たすような)金属ペーストで作られた接触線を示す顕微鏡写真である。図から分かるように、焼結された金属線は、それが作製された溝を画定するルールの形状を実質的に保持していた。
【0104】
本開示のプロセスの利点は、比較的高いアスペクト比で評価できるように、十分な高さを維持しながら導体を非常に細く(例えば、約20以下〜25μm以下、典型的な技術値の半分以下)することが可能であることであり、本実施例におけるASPは約1:1である。
【0105】
上記の非水性組成物を水性組成物で置き換えて、同じ膜および溝のパターンを使用して太陽電池を同様に作製した。剥離コーティングは、脱イオン水中に10重量%のMethocel(商標)E15(Dow Chemical Company)を含む剥離組成物を用いて作製した。剥離組成物を2回塗布して乾燥させた後、膜の溝のある面をクロースコロナ処理(Electro−Technic ProductsによるBD−20AC Laboratory Corona Treater)にさらした。
【0106】
次いで、水性金属ペーストを溝内に充填した。金属ペーストは、a)銀粒子(1〜3μmのビーズ)および酸化鉛系ガラスフリット(1〜3μmの塊)を含み、前述のものは約60体積%の固形分を構成し、ガラスフリットは約3〜5体積%の導電性粒子として存在し;b)固形分の約40体積%を構成するポリ(2−エチル−2−オキサゾリン)接着剤、Aquazol(登録商標)5、および全ペーストの40体積%を構成する脱イオン水を含んでいた。全組成物の重量%に換算すると、そのような金属ペーストは、87.3〜88.7重量%の銀粒子、1.3〜2.7重量%のガラスフリット、6重量%の接着剤、および4重量%のキャリアから構成されていた。水性の金属ペーストを、6回の充填/乾燥ステップで充填した。
【0107】
最後に、水性接着剤コーティングを充填膜の表面全体に塗布した。水性接着剤コーティングは、すべてイオン水中5重量%のAquazol(登録商標)5(Polymer Chemistry Innovationsによるポリ(2−エチル−2オキサゾリン))、1重量%のブタノール、0.25重量%のBYK(登録商標)−349、および0.075重量%のBYK(登録商標)−333(両方ともにBYKによる湿潤剤)から構成されていた。
【0108】
[光反射グリッド線]
太陽電池の製造に使用される可撓性膜を製造する、本方法の特定の使用を考慮するとき、任意の追加のステップをさらに実施することができる。光起電力デバイスの製造分野における当業者が知っているように、繰り返し発生する問題は、グリッド線の数とサイズとの間のトレードオフ、およびそれらの遮蔽のために生じ得る光電流量の減少である。
【0109】
導電線のグリッド(フィンガーおよびバスライン)による、そのようなデバイスの集光面の遮蔽率は、最大で当該面の約5〜10%に達することがあり、その結果、光起電力の変換効率が低下する可能性がある。導電線に入射する光は周囲に反射して戻る可能性があり、このエネルギーは、グリッド線に隣接する、遮られていない集光エリアについては失われる。可撓性膜内に溝のプロファイルを形成するルールを適切に選択する(したがって、溝内に作製され得る導電線の結果的な輪郭およびサイズに影響を与える)ことにより、そのような遮蔽を減少させることができる。例えば、ルール(およびそれから生じる導電線)の形状は、将来の基板の遮られていない光起電力集光面(「活性領域」)への入射光の反射を高め、あるいは方向転換を促進し、したがってグリッドの光遮蔽の影響を低減させることができる。同様の理由で、比較的平滑な表面を有するフィンガおよびバスラインは、比較的粗い表面を有する他の同様の導電性ラインよりも、高い反射率/低い光拡散率をもたらすと予想される。そうでなければ導電線の斜面が集光基板の活性領域に入射光を適切に向け直す(例えば、45°以上の角度を形成する)ときの導電線の拡散率がより低いこともまた、グリッドの遮蔽の影響を低減させることができ、入射光のより高い部分が適切に向け直される。その逆に、そうでなければ利用可能な基板領域から入射光を反射するような形状および/または斜面を有する導電線は、より高い拡散性から利益を得て、グリッド線のない光起電力面に向け直される光量を増加させる。好ましくは、ルール/溝/導電線の形状、サイズおよび/または形状は、広範囲の入射光の角度に応じて活性領域への光の方向転換を容易にするか、または向上させる。しかしながら、そのような電池を含むソーラーパネルが太陽の動きに追従する追跡機構を備え、導電線に当たる入射光の角度範囲を制限し、日の進行とともに光起電力面の十分な活性領域が維持される場合、広範囲の角度から入射する光を利用する能力が必須ではない可能性がある。
【0110】
任意の一組の反射グリッド線によって囲まれた容積は、グリッド線のない光起電力領域の露光を増大させ、太陽電池または相互接続された複数のそのような電池によって形成されるソーラーパネルの効率を向上させることによって、実際の遮蔽の影響を低減することができる光漏斗として作用すると考えられ得る。この「漏斗」の形状は、それに接する導電線の形状とそれらの反射面のプロファイルから導かれる。先に説明したように、導電線の面は、それらの意図する用途に適しつつ、ある範囲の光反射特性または拡散特性を有することができる。したがって、グリッド線の「反射表面」または「反射面」という用語は、そのような表面を理想的な鏡のような壁に限定することを意図していない。
【0111】
光線光学の原理を使用して、多くの照明条件に対して、グリッド線の反射面と太陽電池表面との間の角度(0°はウェハ表面に平行、90°はウェハ表面に垂直)が大きいほど、太陽電池の遮られていない領域に反射される可能性のある光量が多いことが理論的に実証できる。例えば、太陽電池の集光面と45°未満の角度をなす、本質的に拡散反射が生じない実質的に平滑で完全な鏡面反射の反射面を有する、理想的な鏡のような逆V字形の格子線を取り上げる。太陽電池表面に対して垂直な入射光線は、(例えば、空気に)反射して戻り、光起電力変換や電流生成には寄与せず、幾何学的遮蔽と同等の有効な光遮蔽が発生する。対照的に、45°を超える角度をなす、理想的に反射性の鏡のような面を有する同様の形状の線は、垂直な入射光線を太陽電池表面に全反射させ、結果として有効な光遮蔽がゼロになる。
【0112】
上記は、非常に特殊な状況を示しており、標準的な太陽電池の動作条件での光損失を計算する際には、以下の要因を考慮する必要がある:
1.日や季節ごとの照明条件に応じて、様々な光の入射角度と強度について損失を積分する必要がある。
2.太陽電池は、通常、保護のために(例えば、ガラスおよび接着剤に)カプセル封入されており、その封入材料は、入射光および反射光の光路と強度を変化させ得る。光線は、グリッド表面から、保護カプセル〜空気界面まで反射され、全内部反射を経て太陽電池表面に向け直され得る。
3.ソーラーグリッドの線の表面は、理想的にはめったに平滑ではなく、光は、通常、拡散的に反射される。様々な入射角における回析光の空間分布および強度は、表面の粗さに依存し得る。
【0113】
上記の要因を考慮して失われる理論的な光は、太陽光集光面に対する導電線の面の角度が大きくなるにつれて有効な光遮蔽が低減され得ることを示唆している、光線光学によって計算することができる。45°を超える角度をなす面の場合、有効な光遮蔽は、全拡散面(ランバート面)に対する実際の幾何学的遮蔽の30%未満であり、そのような遮蔽は角度が増加するにつれて減少する。(例えば、粗さを減少させる/平滑さを増大させることにより)線表面の拡散性が減少すると、有効な光学遮蔽は、先に説明したように理想的な鏡様表面に対して0%までさらに減少させることができる。導線の遮蔽を低減するための上記のアプローチのいずれか(例えば、導電線について好ましいプロファイルを選択する、および/または、反射面によって形成される角度に応じて集光基板の活性領域への入射光の反射率を増加させる、および/または、ウェハ活性領域からの光の拡散率を低減することを含む)は、本教示による可撓性膜を使用して作製された太陽電池の光起電力変換効率を増加させるために望ましい。
【0114】
上記の原理に基づいて、ルール/溝/導電線は、好適には、光損失を低減するように、好ましくは小さな平坦頂部幅W(例えば、Wは5μm以下)を有する台形形状、または三角形状を有することができる。そのようなプロファイルの底部は、有利には、底幅Wが、約10μm〜約25μmである。太陽電池基板の活性集光領域に光の少なくとも一部を向け直すことができる適切な保護ケースに関連してグリッドが使用されるとき、線の面と基板との間の角度(図5Bにαで示される)は、少なくとも25°、少なくとも30°、少なくとも40°、少なくとも45°、少なくとも50°、少なくとも60°または少なくとも70°とすることができる。さらなるカプセル化封入がない場合、導電線の面は、比較的に低拡散性であるかまたは本質的に拡散性ではないことが好ましく、鏡様表面によってもたらされる拡散性の完全な欠如は特に有利である。そのような場合、そのような高鏡面反射性/低拡散性を有する線と基板との間の角度は、少なくとも60°、少なくとも65°または少なくとも70°とすることができる。カプセル化されている否かに関わらず、そのような導電線の面と基板との間の角度は、最大85°、最大82.5°、最大80°、最大77.5°、または最大75°である。有利には、導電線の面と基板とのなす角度は、60°〜85°の間、または65°〜82.5°の範囲、または70°〜80°の範囲である。導電線が太陽電池の製造以外の用途、特に、光反射面を有する用途に供される場合、基板とそこから立ち上がる線の面との間の追加の角度が適切であり得る。したがって、いくつかの実施形態では、この角度は20°〜90°の範囲とすることができる。
【0115】
膜の表面に対して溝の側面によって形成される角度は、充填前の可撓性膜における溝の断面プロファイルの頂点まで一定であるように設計することが可能である一方で、そのような角度は、特に、導体パターンがその基板に転写され、その上に焼結されて最終製品の太陽電池を形成するプロセス中に穏やかに変化する場合があることは理解されよう。例えば、三角形の断面形状を有する溝を想定し、最初に、三角形の面が膜の表面と45°の角度をなしていると仮定すると、そのような溝から生じる太陽電池の導電線は、より不完全な三角形状を有し得る。太陽電池基板のベースから導電線の頂部まで、そのプロファイルの半分だけを考慮した場合、第1のセグメントにおける角度が45°未満であって、線のプロファイルが初期の浅い斜面を有するか、またはその逆で、その角度が45°超であって、線のプロファイルが初期の「階段」斜面を有することができ、そのような角度はさらに、その線の半分のプロファイルが頂点に達するまで変化し得る。プロファイルは、緩やかな凸状もしくは凹状とすることができ、あるいは凸状、凹状および直線状のセグメントを交互に有することができる。得られる導電線のプロファイルを考慮すると、それは、基部と線の頂部との間に形成された斜面に沿った異なる点において考慮されるように可変角度を形成することができ、角度の平均を、テーパー面に沿った各サブセグメントにおけるプロファイルの傾きのtan−1(=導関数)の平均として考えることが好ましい場合がある。そのような値は、平均勾配とも呼ばれる。そのような方法を使用して、前述の例示的な実施例において、異なるサブセグメントに沿ってこの値の上下で変化する場合であっても三角形の角度は平均45°であると仮定すると、半分のプロファイルの平均勾配は1になる。
【0116】
したがって、いくつかの実施形態において、太陽電池基板の基部から線の頂点(すなわち、テーパー面)まで上がる導電線の片側の平均勾配は、少なくとも0.50(約26°)、少なくとも0.75(約37°)、少なくとも0.85(約40°)、少なくとも1(約45°)、少なくとも1.15(約49°)、少なくとも1.3(約53°)、少なくとも1.5(約56°)、または少なくとも1.7(約60°)とすることができる。いくつかの実施形態において、平均勾配は、最大8(約83°)、最大6(約80°)、最大4(約76°)または最大2(約63°)である。
【0117】
導電線の断面についてより好ましい形状を選択することに加えて、またはそれに代えて、任意の剥離層について記載したのと同様の方法で、導電線に光調整コーティングを施すことができる。本明細書で使用されるように、「光調整」という用語は、遮蔽を低減するか、あるいは光起電集光および変換を増大させることができる任意の種類のコーティングに関する。コーティングは、以下のいずれかを実行することができる:導電線の平滑さを増大させるか粗さを低減する、(任意の保護ケースの結果として直接的もしくは間接的に)入射光の活性領域への反射率を増大させる、または活性領域からの光の拡散を低減する。
【0118】
簡潔に言えば、光反射材料を含む反射率向上または拡散率低減組成物を使用して溝の壁を被覆して、基板への転写時に転写された線を反射材料の薄膜で被覆し、遮蔽を低減または防止する。
【0119】
[光反射面を有するパターンの実施例]
本実施形態で使用した可撓性膜は、回転可能なダイ102でパターン化された上述のキャストポリプロピレンフィルム(厚さが50μmのCPP;RollCast(商標)14)であり、ルール106のプロファイルは台形であり、底幅Wが20μm、平坦頂部幅Wが12μm、および高さhが32μmであった。そのようなプロファイルは、理想的には、フィルムの表面と約83°の急な角度を形成する傾斜壁を有する溝を提供するが、結果として得られる溝の断面の実際の寸法およびその後の縦線は、緩やかに発散して、底幅Wが25μm、頂部幅Wが12μm、および高さhが15μmに近い測定値が得られ、反射面とその基盤との間の実際の角度は約75°であった。可撓性膜内で達成されるサイズに基づいて計算されるそのような角度は、積層、焼結および焼成のその後の工程後にわずかに減少し得る。
【0120】
約1.8mmの距離dだけ互いに離間させてこのように形成した溝に、1−ブタノール中5重量%のEthocel(商標)Std.100からなる剥離組成物を充填し、それをパターン化膜に塗布し、続いて上述のように乾燥させた。
【0121】
溝壁を被覆する薄い剥離コーティングを形成した後、100nm未満の粒径を有する約40重量%の銀ビーズを含むナノ銀インクの層を溝内に堆積させた。適切なナノ銀インクの非限定的な例には、NovaCentrix(登録商標)からのナノ銀インクMetalon(登録商標)JS−A101およびJS−A1−2が挙げられるが、適切であり得る約40nm〜200nmの間または約30nm〜100nmの間の平均粒子径(例えば、DLSによって決定されるz平均粒子径)を有する市販の金属ナノインクは多数ある。ナノ銀インクを、上記と同じ方法でドクターブレードを使用して、溝をすでに被覆している剥離フィルムの上に堆積させ、そしてホットエアーガンで約10分間乾燥させ、薄いナノ銀層を形成した。
【0122】
可撓性膜を被覆する剥離フィルムとナノ銀層とで薄く被覆された溝に、導電線のコアを追加した。線の内部は、金属ペーストを3段階で堆積させ、続いて接着剤コーティング層を塗布することによって上述のように作製した。充填された溝を、先の実施例について記載したのと同じ方法で、積層によりSiウェハに転写し、焼結し、そして焼成した。
【0123】
ナノ銀層を欠いた比較例も同様に作製した。ナノ銀層を有する線の焼成グリッドは、ナノ銀インク層なしで作製されたグリッドと比較して低い光拡散率を示した。そのような知見は、各タイプの少なくとも5つのグリッドを一定の光源に対して傾けることによって、独立した訓練された観察者らによって確立されたものであり、グリッドの相対拡散率は盲目的にランク付けされている。したがって、ナノ銀層は、導電線の外面の平滑性を高め/粗さを低減させると仮定され、この仮説は、共焦点レーザ走査顕微鏡(Olympus(登録商標)LEXT OLS4000 3D)を用いた線の反射面の顕微鏡研究により確認された。
【0124】
本実施例では、剥離層の形成後にナノ銀インクを溝に塗布したが、この初期の工程は必須ではないと考えることができ、適切に配合されたインクによれば、将来的な積層時に導電線を可撓性膜から十分に剥離させることができる。上記に例示した銀に加えて、アルミニウム、クロム、コバルト、銅、金、インジウムスズ酸化物、モリブデン、ニッケル、パラジウムおよび白金を含む金属ナノインクも同様に、グリッドの反射性を高める(または、それらの拡散率を低減する)と考えられる。線の面の反射率を改善する材料は、導電性金属、合金または金属酸化物であり得るが、これは必須ではなく、反射増強層が適用される場合、これは主として遮蔽を低減して得られる太陽電池の効率を改善するように働き、導電線の能力は、主にそのコアによって提供される。
【0125】
光反射材料は、銀ナノ粒子で作ることができ、それは、1〜20体積%の量で反射組成物中に存在し得る。乾燥すると、光反射コーティングは、0.2〜10μmの範囲の厚さを有し得る。
【0126】
[複数組の溝]
先に詳述した本発明の実施形態では、1つのパターンの溝が形成され、次いで、乾燥組成物のパターンを転写するのに最適な基板上への積層に先立って対象の組成物が充填される可撓性膜を説明した。(例えば、異なる形状、異なる寸法、異なるプロファイル、異なる組成などの相違点を有する)個別のパターンを同じ基板上に形成する場合、本教示に従う方法は適切であり得る。例えば、第1のパターンを有する第1の膜を基板の第1の面に適用し、第2のパターンを有する第2の膜を該基板の第2の面に適用することができる。基板の第1および第2の面は、基板の同側、典型的には重複しない領域にあり得るが、反対側にあってもよい。さらに、各膜の各パターンは、同じまたは異なる組成物で充填されていてもよい。
【0127】
例として、太陽電池では、集光側(ソーラー面)の導電線を、第1の膜から第1の組成物の第1のパターンを転写することによって形成し、背面電極を、第2の膜から第2の組成物の第2のパターンを転写することによって形成することができる。好ましくは、個別のパターンは、積層ステップの間に付随して転写され、その際、圧力は、基板の各面にそれぞれ面する両方の膜に同時に加えられる。
【0128】
以下に説明するように、基板の同側に転写されることになる個別のパターンは、単一の膜を使用して有利に得ることができる。図6は、それぞれ異なる材料で充填された複数組の溝を有する膜を示す。このような膜は、基板上に異なるパターンの材料を提供するために利用することができる。例として、第1のパターンは、バスバーの形成を可能にし得る一方で、第2のパターンは、フィンガーグリッド線の形成を可能にし得る。このような場合、2つのパターンがいくつかの領域で交差することさえあり得るが、第1および第2のパターンの組成物は、例えば、ガラスフリットの量において異なり得る。この例示的な実施例では、グリッド線を形成するための第2のパターンの組成物は、完成した太陽電池における基板と適切に電気的に接触するためのガラスフリットを含むが、バスラインを形成するための第1のパターンの組成物には、多量のガラスフリットは必要ではない。いくつかの実施形態において、バスラインの作製に供する組成物は、ガラスフリットを含まなくてもよい。バスラインは、基板と電気的に接続するのではなく、むしろグリッド線を相互接続するために主に使用されるからである。
【0129】
図6では、溝110Aによって象徴される溝パターンは、膜110Aにエンボス加工されている。次いで、ドクターブレード130Aを用いて、第1の溝パターンを第1の組成物120Aで充填する。ドクターブレード130Aの作用は、加圧ローラ132Aによって、または任意の他の所望の方法によって支えられる。例えば、図1A〜1D、および図3A〜3Dに関して上記により詳細に説明したように、複数の充填ステップを利用することができ、複数の充填および/または乾燥ステーションおよび/またはドクターブレードを利用することができる(不図示)。同様に、溝間のスペースにおける組成物の除去を容易にするために、クリーニングステーションを任意に含むことができる。
【0130】
例として、140A、140B、140Cなどによって示される第1のパターンの溝を満たしたら、溝112によって象徴される第2の組の溝を膜に形成する。次いで、ドクターブレード130Bを用いて、第2の組の溝を第2の組成物120Bで充填する。ドクターブレード130Bの作用は、加圧ローラ132Bによって、または任意の他の所望の方法によって支えられる。第1のパターンの溝140A、140B、140Cが既に充填されているので、第2の組成物120Bは、第2のパターンの溝に適用される。第2の組の溝は、所望の充填レベル142が達成されるまで、単一または複数の充填ステップ、ドクターブレード、流動助剤などによって充填することができる。したがって、膜は複数の溝パターンを担持していてもよく、溝パターンの各々は所望の特性のセットを提供する組成物を利用することができる。この図では、2つのパターンの溝はそれぞれ溝110Aおよび112で示されており、これらは図に示された視点からは互いに平行に見え得るが、そうである必要はなく、一方のパターンの溝は、第2のパターンの溝に対して任意の所望の配置および向きをとることができる。
【0131】
図6はまた、溝を形成するために様々な方法が利用され得ることを示している。第1の組の溝が、ダイローラ120A(104Aは、対応する加圧ローラを表している)によるエンボス加工によって形成されているように描かれている一方で、第2の組の溝は、符号150によって象徴される代替的な方法を利用して形成されている。そのような溝形成装置は、膜100Aの一部を選択的に切除するための、または特定の場合には加熱によって膜収縮を引き起こすための、専用パンチからレーザ源まで多くの装置の1つであり得る。あるいは、溝のパターンは、フォトリソグラフィなどのパターニング技術によって可撓性膜上に形成することができる。
【0132】
膜の溝を様々な組成物で充填したら、例えば、図3Dに250で示すように接着剤コーティングを塗布し、上述したように、パターン化された組成物を基板に転写するために、膜を基板と接触させることができる。
【0133】
本方法が、様々なパターンと基板との間の適切な位置合わせを容易にし得ることが容易に理解されよう。そのような位置合わせをさらに容易にすることができる方法で、パターンを可撓性膜上で互いに分離することができる。
【0134】
図1Eは、後に基板へ転写するための、複数の組成物を有する膜を製造することを目的としたプロセスステップを反映するいくつかの破線要素を示す。第1のパターン溝を充填した(315)後、任意の所望の方法によって、追加の組の溝を膜上に形成する(340)。次いで、第2の組の溝を第2の組成物で充填する(345)(充填は、任意に、先のパターンの溝を充填するのに使用された組成物のセット、またはその組成物とは異なる組成物のセットの充填および乾燥のサイクルを繰り返して実行される)。第1のパターンとは異なるパターンのためのこれらのプロセスステップは、破線355で示されるように、任意の所望の回数繰り返すことができる。すべての所望のパターンが膜に形成されて所望の材料ペーストで満たされると、プロセスは、膜を基板に接触させ、続いて材料を基板に転写するステップ350(先に説明した320、325、および330を含む)へと続き、最終ステップ335は、すべての転写されたパターンの材料を焼結するようになっている。いくつかの実施形態において、プロセスのステップは、連続的に実行されず、また同じ主体によって実行されない。特定の実施形態では、材料が完全に焼結されていなくてもよく、いくつかの実施形態では、多数の組成物への損傷を防ぐために温度および他の環境条件が調整される。
【0135】
本開示の明細書および特許請求の範囲において、動詞「備える」、「含む」、および「有する」のそれぞれ、ならびにその活用形の使用は、動詞の1つまたは複数の目的語が、該動詞の主語のメンバー、組成物、要素、組成物、ステップまたは部分の完全なリストである必要はないことを示している。
【0136】
本明細書で使用されるとき、単数形の不定冠詞“a”,“an”および定冠詞“the”は、文脈からそうでないことが明らかでない限り複数の言及を含み、「少なくとも1つ」または「1つ以上」を意味する。
【0137】
「上」、「下」、「右」、「左」、「底部」、「下方」、「下げられた」、「低い」、「上部」、「上方」、「上げられた」、「高い」、「垂直」、「水平」、「背方」、「前方」、「上流」、「下流」などの位置または動作を表す用語、ならびにそれらの文法的な変形は、本明細書では、例示的な目的のためだけに使用され得るものであり、特定の構成要素の相対位置、配置、または移動を示すこと、本例における第1および第2の構成要素を示すこと、あるいはその両方を目的としたものである。このような用語は、例えば、「底部」の構成要素が「上部」の構成要素の下にあることを必ずしも示しているわけではなく、そのような方向、構成要素またはその両方は、反転、回転、空間移動され、対角線方向もしくは対角線位置に配置、水平もしくは垂直に配置され得るものであり、あるいは同様に変更され得るものである。
【0138】
特に明記しない限り、選択のための選択肢リストの最後の2つの要素間の「および/または」という表現の使用は、列挙された選択肢のうちの1つまたは複数の選択が適切であり、かつ行われ得ることを示す。
【0139】
本開示において、特に明記しない限り、本技術の実施形態の1つまたは複数の特徴の条件または関係特性を修正する「およそ」および「約」などの形容詞は、その条件または特徴が、それが意図される用途のための実施形態の動作に許容される許容範囲内に定義されるか、または実行されている測定および/もしくは使用されている測定機器から予測される変動内に定義されることを意味するものと理解される。さらに、特に明記しない限り、本開示で使用される用語は、関連する用語の正確な意味から逸脱し得るが、本発明またはその関連部分が説明され、また当業者によって理解されるように動作し機能することを可能にする許容範囲を有するものと解釈されるべきである。
【0140】
本明細書に参照されている特定の商標は、コモンローまたは第三者の登録商標であり得る。これらの商標の使用は一例であって、説明的であると解釈されるべきではなく、本開示の範囲をそのような商標にのみ関連する材料に限定するべきではない。
【0141】
本開示は、特定の実施形態および一般的に関連する方法に関して説明してきたが、実施形態および方法の変更および置換は当業者に明らかであろう。本開示は、本明細書に記載の特定の実施例によっては限定されないと理解されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【国際調査報告】