JP6626494B2 - 電気モジュール及び電気モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
ところが、特許文献1に記載の光電変換モジュールには、導通材として金属製のワイヤー等が用いられていたため、レーザや超音波融着等でセルを切断する際に、導通材を切断し難く、セルを切断するのに手間がかかるという問題があった。この問題を解決する方法として、接着剤に導電性フィラーを備えた導通ペーストを用いて電気的な接続を図る方法が知られている。
ここで、上記の変動係数は以下の(1)式のように表される。
導電粒子の径寸法の変動係数が25%以下であることで、導電粒子の径寸法は略均一となっている。例えば、電気モジュールを構成する電極間に本発明の導通ペーストを配した際に、電極の延在方向に導電粒子が分散される。そして、これらの電極を備える基材を加圧等して均すことによって、導電粒子が同一面(即ち、電極の一面)上に単層で配されやすくなる。従って、電極同士の間に導通ペーストを固化させた導通材を配したときに、これらの電極同士の厚み方向の隙間に導電粒子が単数(即ち単層で)介在した状態となる。これにより、電極の延在方向の導電粒子の間の接着剤のみの部分は比較的柔らかく、切断し易くなる。切断された際には、電極間の厚み方向では電極間の接点が容易に得られ、電極同士が導通し易くなる。また、電極間の厚み寸法が略一定に保たれる。
また、上述の構成によれば、電気モジュールの電極間のより良好な導通が図られるとともに、電気モジュールの電極間の距離が一定に保たれ易くなる。
また、上述の構成によれば、電極と導電粒子との接触点の個数が良好な導通を図れる程度に確保され、電極間の厚み方向における電極間の接点が容易に得られる。その結果、電気モジュールの電極同士が導通し易くなる。
本実施形態の導通ペーストは、少なくとも接着剤と、導電粒子と、を含んでいる。導通ペーストは、流動性を抑えたもの、又は流動性の低いものであってもよい。
導電粒子の形状は、電極間に配置した際にスペーサーの役割を果たせば、特に制限されない。最大の内包体積を持つと同時に、抵抗が少ない観点から、導電粒子は球状であることが好ましい。導電粒子の球状以外の形状としては、例えば楕円形状、立方形状、多角体形状等が挙げられる。
なお、上記の導電粒子の他に導電性物質が含まれる場合、上記範囲内の平均粒子径を有する導電粒子は、導通ペーストに含まれる複数の導電性物質のうち1質量%以上、好ましくは10重量%以上、より好ましくは40重量%以上、さらに好ましくは70重量%以上含まれている。これにより、導通材を配する電極間の距離が一定に保持され易くなる。
特に、導電粒子は、柔軟性を有する樹脂粒子と、該樹脂粒子の表面を被覆している導電金属層とを有する導電粒子(以下、「樹脂コア導電粒子」と称す)であることが好ましい。樹脂コア導電粒子を使用した場合、特に後述する本発明の製造方法によって電気モジュールを製造することにより、電極間の導通を極めて安定に確保することが可能になる。
樹脂コア導電粒子の樹脂粒子を形成するための樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリアセタール、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン及びポリエーテルスルホン等が挙げられる。樹脂粒子の硬度を好適な範囲に容易に制御できるので、樹脂粒子を形成するための樹脂は、エチレン性不飽和基を有する重合性単量体を1種又は2種以上重合させた重合体であることが好ましい。また、導電金属層としてはニッケル層、パラジウム層、銅層又は金層であることが好ましく、ニッケル層又は金層であることがより好ましく、銅層であることが更に好ましい。
また、導電金属層の厚さは、10nm以上200μm以下であることが好ましく、200nm以上100μm以下であることがより好ましく、1μm以上30μm以下であることが特に好ましい。
前記樹脂コア導電粒子の詳細な構成や調製方法に関しては、国際公開公報第2011/132658号を参照することができる。
導通材における導電粒子の隙間に介在させる目的から、補助導電物質の平均粒子径は、例えば導電粒子の平均粒子径に対し、80%以下であり、より好ましくは50%以下であり、さらに好ましくは30%以下であることが望ましい。これにより、前記目的が果たされ、導通材の導電性がより高められることで、電極間が電気的に安定して導通する。
補助導電物質の材料としては、金、銀、銅、クロム、チタン、白金、ニッケル、錫、亜鉛、鉛、タングステン、鉄、アルミニウム等の金属、これらの金属を含む化合物、導電性樹脂、又はカーボンブラック等の炭素材料からなるものが挙げられる。前記導電粒子と同等の物質であってもよい。
補助導電物質が繊維状の場合は、導電粒子の粒子径に対し、繊維径が45%以下であることが例示できる。より好ましくは30%以下であり、さらに好ましくは15%以下である。前記導電性繊維の繊維長としては、アスペクト比2〜500を例示することができる。繊維径とアスペクト比は、導電粒子の導通性を阻害しないように、適宜調整することができる。
上述の補助導電物質は、形状や大きさが均一でも不均一でもよく、特に限定されない。
次いで、本実施形態の電気モジュール1の一例として色素増感太陽電池(電気モジュール)1Aについて説明する。
なお、以下では色素増感太陽電池1Aについて説明するが、本実施形態の導通材6は第一基材2及び第二基材4の間に形成された複数のセルCの封止と、各セルC,C.…,C同士の電気的な直列接続又は並列接続とを要する種々の電気モジュールに適用可能である。図1又は図2に示すように、色素増感太陽電池1Aは、第一基材2上に設けられた透明導電膜3と、第二基材4上に設けられた対向導電膜5とが、導通材6を介して対向配置された電気モジュールである。
半導体電極7は、第一基材2上に積層された透明導電膜3と、透明導電膜3上に積層された多孔質の半導体層10と、を備えている。
電解質9が接触する半導体層10において多孔質内部を含む表面には、公知の図示しない光増感色素が吸着している。
対向電極8は、第二基材4上に積層された対向導電膜5と、対向導電膜5上に積層された触媒層11とを備えている。
導通材6は、前述したとおり、導通材6に含まれた導電粒子20が略均一な大きさに形成されており、導通材6の塗工又は配設において均したり加圧したりすることで、導電粒子20が厚さ方向に重なることなく単層で配されやすくなっている。即ち、導通材6の導電粒子20は、図3に示すように、透明導電膜3と対向導電膜5との間に、加圧等の均す作業によって厚さ方向に単層で配され易くなっている。
導通材6と封止材12とにより、電極間(即ち、透明導電膜3と対向導電膜5との間)を接着している。一方、前述の一方向(導通材6の延在方向)に交叉する方向には、超音波融着等の手段により絶縁及び接着されている(以下、絶縁された部分を「絶縁部13」とする)。このようにして、それぞれに半導体層10を有するセルCが液密に封止されている。そして、導通材6に含まれた導電粒子20によって、半導体電極7と対向電極8の間には厚み方向に間隙が形成され、その間隙内に電解質9が封止されている。
また、色素増感太陽電池1Aは、導通材6に含まれた導電粒子20が略均一な大きさに形成されているため、透明導電膜3と対向導電膜5との間に、厚さ方向に単一の導電粒子20を配することが容易となる。従って、色素増感太陽電池1Aは、透明導電膜3と対向導電膜5との間の寸法を略一定にし易いという効果を有する。
また、色素増感太陽電池1Aでは、半導体電極7及び対向電極8の単面積あたりの、半導体電極7及び対向電極8の両方に接している導電粒子20の個数が、20個/1mm2以上であるため、単位面積あたりの半導体電極7及び対向電極8と導電粒子との接触点の個数が色素増感太陽電池1Aにおける良好な導通を図れる程度に確保される。
従って、色素増感太陽電池1Aによれば、電極間の厚み方向における電極間の接点が容易に得られるので、色素増感太陽電池1Aの電極同士が導通し易くなる。
次いで、本発明に係る電気モジュール1の製造方法の一実施形態について、色素増感太陽電池1Aの製造方法(以下、単に「製造方法」ともいう。)を例に挙げて説明する。
先ず、ロール・ツー・ロール方式を用いた公知の色素増感太陽電池の製造方法を用いて、所定の方向Pに連続搬送される第一基材2上のセルを形成するための所定の位置に透明導電膜3を形成し、その後、所定の位置に半導体層10を形成し、半導体層10の両側(即ち、周囲)に封止材12を形成した後、電解質9を積層する。これにより、図5に示すように、半導体電極7及び封止材12を備えると共に、適所に隙間Sが形成された貼り合わせ基材31を得る。なお、所定の方向Pは製造上の都合等を勘案して自由に設定すればよく、例えば導通材6の延在方向に平行な方向としてもよい。
続いて図8に示すように、貼り合わせ基材31の半導体層10と貼り合わせ基材32の触媒層11とを対向させ、貼り合わせ基材31と貼り合わせ基材32とを互いに近づける。貼り合わせ基材31,32の厚み方向に所定の間隔をあけた状態で該厚み方向に沿って配置され一対のローラー41,42を用いて、貼り合わせ基材31と貼り合わせ基材32とを互いにより近づけるように押圧する。このとき、半導体電極7の透明導電膜3と対向電極8の対向導電膜5との距離Tを導電粒子20の平均粒子径の70%以上90%以下とし、好ましくは75%以上85%以下とする。また、半導体電極7と対向電極8との距離Tが上述の条件となるように一対のローラー41,42同士の上下方向の間隔及び押圧力等を適切に調整することが好ましい。このように一対のローラー41,42によって距離Tが導電粒子20の平均粒子径よりも短くなるように押圧することで、導電粒子20の材質及び弾性に応じて一部の導電粒子20(即ち、径寸法が距離Tより大きい導電粒子20)は押し潰される。
なお、押し潰されることによる導電粒子20の弾性変形及び弾性復帰による導電粒子20の形状復帰を用いることができる点から、導電粒子20は樹脂製のボール(微粒子)から構成されていることが好ましい。
例えば、導通材6自体が封止材12の役割を担い、封止材12を兼ねていてもよい。
ITOが成膜されたPETフィルムからなる導電性フィルムを用意した。導電性フィルムの大きさは縦寸法10cm、横寸法15cmとし、導電性フィルムの厚み寸法は100μmとした。また、端部から8.3cm内方の箇所に絶縁加工を行った(図8参照)。
続いて、図8に示すように、絶縁加工を行った箇所及び当該箇所近傍に、間隔をあけて平面視線状で幅寸法1.5mmの封止材を配置した。
続いて、図8に示すように、2本の封止材間に上記導通ペーストを塗布した。その後、この導電性フィルムと同じ大きさの対向電極を用意し、導電性フィルムに貼りあわせ、140℃で導通ペーストを熱硬化によって固化させ、導通ペーストを導通材とし、電気モジュールを作製した。
導電粒子として、金めっきを施したミクロパール(登録商標)AU−250に替えて銀粒子を用いること以外は、第一実施例と同様にして電気モジュールを形成した。なお、この銀粒子の平均粒子径及び径寸法の変動係数も第一実施例と同様とした。
導通ペーストの熱硬化後に、導電性フィルムと対向電極との間の電気抵抗値をテスターで測定したところ、第一実施例と同様に、銅線及び銀ペーストと略同等の抵抗値が得られた。
導電粒子として、第一実施例で用いたミクロパール(登録商標)AU−250の表面に無電解ニッケルメッキを施した。その結果、平均粒子径63μm、径寸法の変動係数23%の導電粒子を得た。それ以外は、第一実施例と同様にして電気モジュールを形成した。
導通ペーストの熱硬化後に、導電性フィルムと対向電極との間の電気抵抗値をテスターで測定したところ、第一実施例と同様に、銅線及び銀ペーストと略同等の抵抗値が得られた。
導通材として幅寸法1.5mm、厚さ寸法60μmの導電性粘着テープ(製造元:株式会社寺岡製作所)を用い、封止剤の延在方向に沿って設けること以外は、第一実施例と同様にして電気モジュールを形成した。
1A,1B…色素増感太陽電池(電気モジュール)
2…第一基材
6…導通材
7…半導体電極(第一電極)
8…対向電極(第二電極)
20…導電粒子
21…接着剤
28…補助導電粒子(補助導電物質)
C…セル
Claims (7)
- 第一電極と、第二電極とが、導通ペーストにより形成される導通材によって複数のセルに区画された状態で接着されているとともに、隣接する前記複数のセルが電気的に接続され、
前記導通ペーストは、接着剤と、電極間を導通可能とする導電粒子と、を含み、
前記導電粒子の径寸法の変動係数は25%以下であり、
前記導電粒子のうち、前記第一電極及び前記第二電極の両方に接している導電粒子の個数割合が50%以上である、
電気モジュール。 - 前記導電粒子の平均粒子径は3μm以上500μm以下である、
請求項1に記載の電気モジュール。 - 前記第一電極又は前記第二電極の単面積あたりの、前記第一電極及び前記第二電極の両方に接している導電粒子の個数が、20個/1mm2以上である、
請求項1又は2に記載の電気モジュール。 - 前記導通材は前記第一電極と前記第二電極との間の厚み方向の間隔よりも小さい径寸法の補助導電物質をさらに含む、
請求項1から3の何れか一項に記載の電気モジュール。 - 前記補助導電物質が、粒子状または繊維状である、
請求項4に記載の電気モジュール。 - 前記第一電極又は前記第二電極が光増感色素を含む、
請求項1から5の何れか一項に記載の電気モジュール。 - 請求項1から6の何れか一項に記載の電気モジュールの製造方法であって、
前記第一電極と前記第二電極とを任意の距離を空けて対向させ、前記第一電極と前記第二電極との間に、少なくとも前記導通ペーストを配する第一工程と、
前記第一電極と前記第二電極とを互いの距離が前記導電粒子の平均粒子径の70%以上90%以下になるまで互いに近づけるように押圧し、前記第一電極と前記第二電極とを貼り合わせる第二工程と、を備える電気モジュールの製造方法。
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