TWI593728B - 抗氧化導電銅膠及其製備方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種銅膠及其製備方法，尤指一種應用於適用於製作異質接面太陽電池之電極，兼具低成本、良好導電性及具有抗氧化特性之導電銅膠及其製備方法。
太陽能電池的研究是再生能源中受眾人期待的一個方向，其發電過程中不會伴隨產生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等溫室效應氣體及污染性氣體，而是利用光電效應直接將太陽能轉換為電能之非消耗非再生資源的技術優勢，在資源逐漸耗竭、能源價格水漲船高的近代受到相當程度的重視。
在太陽能電池的電極製作技術上，目前主要是由銀或是其複合材料為漿料組成。奈米銀膠的導電性能良好，不過由於銀為貴重金屬，成本相對較高，且在生產上需要提供較高的溫度才能製作奈米銀粒子，且其所製成的電極易產生離子遷移。因此有開發其他奈米金屬粒子取代奈米銀粒子之動機存在。
成本遠較奈米銀粒子為低的奈米銅粒子即是較有潛力的選擇之一。奈米銅粒子的製作方法相當多，較早期係使用聯胺類還原劑，但此製程具有較高的毒性與危險性，而若使用硼氫化鈉或是磷氫
化鈉為還原劑，又會產生難以純化的不純物，或者是必須於真空下合成，反而使成本提高。因此各種較新穎的方法也逐漸被開發，例如以氫氧化銅為前驅鹽，採用L-抗壞血酸作為還原劑，此種濕式化學還原法具有避免使用有毒材料之優點，並可進一步使用高分子保護劑使產物不易氧化；另外，也可另使用水熱法製備奈米銀包覆銅粒子，其係以奈米銅粒子為中心體，外側包覆2~5奈米之銀層，不但可減少銀的使用量，也可提升奈米銅粒子的抗氧化性。
在使用奈米銅粒子取代奈米銀粒子作為導電膠之材料時，最需要考慮的就是奈米銅料極易氧化的問題，而透過前述或其他方式所製作之奈米銅粒子在製作為奈米銅膠時，其也需要透過使用特定之溶劑，使奈米銅粒子良好分散於溶劑中，防止奈米銅粒子聚集，另外此溶劑也須防止促使奈米銅粒子氧化。若奈米銅膠本身發生氧化，其經各種習知方式印刷、塗佈、網印而形成矽晶太陽能電池之電極及可印式電子材料，會導致矽晶太陽能電池及可印式電子材料的品質不良；而即便是在形成電極後才發生氧化，電極快速上升的電阻值也會嚴重降低太陽能電池的工作效率。
中華民國專利公開號TW 201330305曾揭示一種帶有鈍化膜的半導體基板及其製造方法、以及太陽電池元件及其製造方法，其係使用有機鋁化合物作為太陽電池的鈍化層，而背電極係使用市面上可買到的銅漿，其銅漿的成分並未揭示。
中國專利申請號CN 201210260679.9則曾揭示一種厚膜電路用導體漿料、應用該漿料的厚膜電路板及其製造方法，其銅漿料中使用玻璃粉作為無機黏合劑，並係應用於鋼化玻璃基板。
本發明之主要目的，係提供一種抗氧化導電銅膠，其所含之奈米銅粒子不但成本低，並且受特定之混和成分影響而不易氧化形成奈米氧化銅粒子，這對於銅膠本身，或者是經印刷、塗佈、噴墨等程序所形成之電極而言，都具有相當良好的穩定性，其電阻值不會隨時間增加而顯著上升。
本發明之更一目的，係提供一種抗氧化導電銅膠，其也適合應用於各種可印式電子元件領域，例如電子產品中的PCB板，或者是諸如RFID等無線智慧標籤。
本發明之又一目的，係提供一種抗氧化導電銅膠，其具相當之黏稠度，可維持網印線路維持一定厚度已形成電極，並確保電極的厚度足夠而有較佳的傳導率。
本發明之再一目的，係提供一種抗氧化導電銅膠之製作方法，其有特定之步驟順序及成分配製，以製作兼具有良好抗氧化性、奈米銅粒子分散均勻之抗氧化導電銅膠。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種抗氧化導電銅膠，其係包含：重量百分比40%~80%之一導電粒子材料，其係奈米銅粒子或奈米銅合金粒子；重量百分比1%~10%之一黏稠劑，其係乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂；以及重量百分比10%~59%之一溶劑，其係松油醇、乙二醇或二甘醇。
而在製備方法上，則包含步驟為：混合一導電粒子以及無水乙醇，形成一導電粒子溶液，該導電粒子係奈米銅粒子或奈米銅合金粒子；依序於該導電粒子溶液中混合入、一黏稠劑以及一溶劑，
形成一混合溶液，該黏稠劑係乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂，該溶劑係松油醇、乙二醇或二甘醇；使用超音波均質機均質該混合溶液；以及抽乾該混合溶液中所包含之無水乙醇，形成抗氧化導電銅膠。
S1~S4‧‧‧步驟
第1圖：其係為本發明之一較佳實施例之製備方法之步驟流程圖。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：本發明之抗氧化導電銅膠之組成，係包含重量百分比40%~80%之導電粒子材料、重量百分比1%~10%之黏稠劑、重量百分比10%~59%之一溶劑。
在上述的組成中，所使用之導電粒子材料係為成本較奈米銀粒子為低的奈米銅粒子或奈米銅合金粒子，本發明係使用銅本身的導電性達成作為異質接面太陽能電池之電極之目的，或是進一步延伸應用為其他可印式電子材料之傳導線路之目的。本發明並不限制奈米銅粒子或奈米銅合金粒子的製備方法或是購買來源，也不會受上述之條件影響成品之特性。本發明所使用之奈米銅粒子或奈米銅合金粒子之粒徑係小於1微米。
由於導電銅膠需維持需具備一定程度的黏稠度，以作為適合用於印刷之膠體，因此本發明選用乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂作為黏稠劑。本發明作為具導電性之膠體，其透過奈米銅
粒子或奈米銅合金粒子就可達到導電的目的，故並不限定使用具良好導電性的高分子作為黏稠劑。例如在使用乙基纖維素或環氧樹脂即可，而不必然需要使用單位價格較昂貴的聚二氧乙基噻吩，以維持本發明之抗氧化導電銅膠成本較低的顯著優勢。
本發明所使用之溶劑係為松油醇、乙二醇或二甘醇，其並非含水溶液，可避免溶劑與易氧化之奈米銅粒子或奈米銅合金粒子在與溶劑接觸後形成氧化銅。再者，松油醇、乙二醇或二甘醇也可提供隔絕空氣的效果，進一步降低奈米銅粒子或奈米銅合金粒子氧化的機會。
由於上述成分之混和物的黏度較低，使用者在透過印刷、塗佈、噴墨等方法將之設置於標的物表面時，並不能有效控制其擴散範圍，因此其並不適合單獨作為導電粒子材料應用為銅膠時之載體。故本發明係使用黏稠劑改善銅膠之黏度。於一較佳實施例中，係使用乙基纖維素或環氧樹脂作為黏稠劑，而在另一較佳實施例中，則係使用聚二氧乙基噻吩為黏稠劑。而其中的乙基纖維素或環氧樹脂遠較聚二氧乙基噻吩的成本為低，因此若兼顧效能與成本的考量，乙基纖維素或環氧樹脂是其中較佳之選擇。乙基纖維素是一種白色或淺灰色的流動性粉末，其在與銅膠其它成分混和前會先溶於無水乙醇，因此當其被摻入導電銅膠當中，其也不會導致奈米銅粒子或奈米銅合金粒子快速氧化，仍維持混合後之混合物具有抗氧化之特性。
本發明於抗氧化導電銅膠之製備方法上係包含步驟：步驟S1：混合一導電粒子以及無水乙醇，形成一導電粒子溶液，該導電粒子係奈米銅粒子或奈米銅合金粒子；
步驟S2：依序於該導電粒子溶液中混合入一黏稠劑以及一溶劑，形成一混合溶液，該黏稠劑係乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂，該溶劑係松油醇、乙二醇或二甘醇；步驟S3：使用超音波震盪該混合溶液；以及步驟S4：抽乾該混合溶液中所包含之無水乙醇，形成抗氧化導電銅膠。
在上述的步驟中，其所混合之材料即為先前所提及之奈米銅粒子或奈米銅合金粒子、作為黏稠劑之乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂，以及作為溶劑之松油醇或、乙二醇或二甘醇。
在一實際操作例中，係使用6克之奈米銅粒子分散於60毫升之無水乙醇，形成導電粒子溶液。而之後所要所混入之黏稠劑係以黏稠度範圍5~15MPA或30~60MPA之乙基纖維素0.35克溶於14克的無水乙醇，透過磁石攪拌而混和至透明，同時將之加熱到80℃幫助溶解，以形成黏稠劑。上述導電粒子溶液以及黏稠劑係可分別同時製作，以縮短製程所需時間。另外，導電粒子溶液以及黏稠劑在混和前，可先利用超音波均質機而經過超音波震盪的程序處理，達到均質、分散成分的目的。本發明於一較佳實施例中，超音波震盪的頻率為震盪兩秒後停止三秒，以此反覆進行共計兩分鐘。
經前述處理之導電粒子溶液以及黏稠劑在混和後，還可再經過一次超音波震盪的處理，然後才加入由松油醇所構成之溶劑，然後再作一次超音波震盪。此些超音波震盪的頻率與時間與前述相同。
待導電粒子溶液、黏稠劑以及溶劑均勻混和後，接著使用迴旋濃縮機將無水乙醇抽乾，使抗氧化導電銅膠成品當中不包含無水乙醇。在此步驟中，係於40℃之環境下抽乾無水乙醇，過程中的氣體壓力係由110hPa緩慢下降至約80hPa，溫度則一直維持40℃無變化。移除無水乙醇後，最後可再執行一步驟為使用滾輪研磨抗氧化導電銅膠，使銅膠內的氣泡得被移除，而其中的奈米銅粒子或奈米銅合金粒子也可分散地更加均勻，研磨所使用的滾輪可為三滾輪機。
本發明所揭示之抗氧化導電銅膠之特性除了排除銀之使用而具備低成本的特性，製備過程及成品也排除水之參與而避免奈米銅粒子發生氧化。在兼具上述所列舉之低成本及優越效益之下，本發明無疑為一種具實用與經濟價值之抗氧化導電銅膠及其製備方法。
S1~S4‧‧‧步驟
Claims (9)
- 一種抗氧化導電銅膠，係以無水的方式製備，其係包含：重量百分比40%~80%之一導電粒子材料，其係奈米銅粒子或奈米銅合金粒子；重量百分比1%~10%之一黏稠劑，其係乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂；以及重量百分比10%~59%之一無水溶劑，其係乙二醇或二甘醇。
- 如申請專利範圍第1項所述之抗氧化導電銅膠，其中該抗氧化導電銅膠係用於印刷形成異質接面太陽電池之電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之抗氧化導電銅膠，其中該奈米銅粒子或該奈米銅合金粒子之粒徑係小於1微米。
- 一種製備如申請專利範圍第1項所述之抗氧化導電銅膠之方法，其係包含步驟：混合一導電粒子以及無水乙醇，形成一導電粒子溶液，該導電粒子係奈米銅粒子或奈米銅合金粒子；依序於該導電粒子溶液中混合入一黏稠劑以及一溶劑，形成一混合溶液，該黏稠劑係乙基纖維素、聚二氧乙基噻吩或環氧樹脂，該溶劑係乙二醇或二甘醇；使用超音波震盪該混合溶液；以及抽乾該混合溶液中所包含之無水乙醇，形成抗氧化導電銅膠。
- 如申請專利範圍第4項所述之抗氧化導電銅膠，其中於形成該導電粒子溶液之步驟後，進一步包含步驟：使用超音波震盪該導電 粒子溶液。
- 如申請專利範圍第4項所述之抗氧化導電銅膠，其中於抽乾該混合溶液中所包含之無水乙醇之步驟中，係於40℃之環境抽乾無水乙醇。
- 如申請專利範圍第6項所述之抗氧化導電銅膠，其係使用迴旋濃縮機抽乾無水乙醇。
- 如申請專利範圍第4項所述之抗氧化導電銅膠，其中該抗氧化導電銅膠係用於印刷於異質接面太陽電池矽基板之表面，以作為電極。
- 如申請專利範圍4項所述之抗氧化導電銅膠，其中於抽乾該混合溶液中所包含之無水乙醇之步驟後，進一步包含步驟：使用滾輪研磨抗氧化導電銅膠。
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