結晶シリコン太陽電池用銀ペーストの銀粉末の製造方法と制御性については、国内外で多くの研究が行われてきた。一般的な合成方法としては、化学還元法、マイクロエマルジョン法、電気還元法、メカニカルボールミル法、物理蒸着法などがある。中でも、化学還元法は、操作が簡便で装置もシンプル、かつ制御性が高いことから、現在、結晶シリコン太陽電池電極用銀粉末の製造において最も広く用いられている方法である。.
しかしながら、一般的に用いられる化学還元法で製造された原料粉末でさえ、結晶シリコン太陽電池用銀ペーストに使用される銀粉末の性能要件を満たすことはできません。第一に、銀粉末は粒子が小さく表面エネルギーが高いため、乾燥中に凝集しやすい性質があります。一度凝集すると、機械的に破壊することが困難になります。このため分散性が悪くなり、銀粉末の物理的特性や機能に深刻な影響を与えます。.
さらに深刻な問題として、未処理の銀粉末粒子はキャリア中で容易に凝集塊を形成します。これにより、ペーストの分散性、安定性、スクリーン印刷時のレオロジー特性、成膜性、硬化性が低下します。また、導電性銀ペーストの性能と保管にも悪影響を及ぼします。.
したがって、調製した銀粉末の後処理は、その応用において重要なステップである。主な後処理方法は、 銀粉の表面改質. 現在、銀粉末の表面改質に関する研究は体系化されておらず、関連技術を習得しているメーカーはごく少数にとどまっている。このため、銀粉末や銀ペーストの価格が高騰し、結晶シリコン太陽電池のさらなる発展にも深刻な影響を与えている。.
銀粉の表面改質を行う主な方法には、以下のものがある。
有機コーティング法
有機コーティング法とは、銀粉の表面を特定の有機表面改質剤でコーティングおよび改質する方法を指します。有機物質と粉末表面との吸着または化学反応により、有機分子が粉末表面にグラフトされます。これにより、超微細銀粉は親水性から疎水性に改質されます。その結果、粉末粒子への溶媒の濡れ性が向上し、調製したペーストの印刷性およびレベリング性が向上します。さらに、極性基を導入することで、銀粉の表面エネルギーを効果的に低減できます。また、粒子間の静電障壁が強化され、ペーストの分散性と安定性が向上し、沈殿を防ぐことができます。.
有機コーティング改質の一般的なプロセスは、有機改質剤を粉末と混合し、一定時間攪拌した後、分離、洗浄、乾燥を行うというものです。この方法は操作が簡単で効率的であり、ミクロン、サブミクロン、ナノメートルサイズの球状または薄片状の銀粉末に適しています。.
結晶シリコン太陽電池電極用銀粉末の有機コーティング改質において、有機コーティング剤の選択は極めて重要である。一般的に、有機改質剤の最も重要な特性は、ヘッド基の電荷、分子鎖の長さ、およびサイズである。これらの要因は、コーティング効果、疎水性、およびペースト中の有機担体との適合性に影響を与える。.
さらに、界面活性剤の水溶性または油溶性は、その選択における重要な基準となる。銀粉末の表面化学修飾に用いられる一般的な修飾剤には、有機酸、脂肪族アミンまたはアルカノールアミン、脂質化合物、カップリング剤、長鎖アルコールまたはエーテルなどがある。.
導電性銀ペーストの全体的な性能と適用性を向上させるために、有機酸、有機アミン、および脂質化合物が表面改質のために組み合わせて使用されることが多い。.
機械的複合法
機械的複合化法は、機械的な手段を用いて銀粉末を粉砕・破砕し、特定の表面形態または構造を得る方法である。機械的処理の過程で、粉末の分散性や表面化学特性を向上させるために、有機添加剤が添加されることが多い。.
この方法は効率的で、低コストで、シンプルで、工業化しやすい。ボールミル法とエアジェットミル法は、銀粉末の表面改質に最も一般的に使用される方法である。 三本ローラーコーティング機, ピンミルコーティング機、 そして ターボミルコーティングマシン これらの装置も使用可能です。これらの装置は、機械的な衝突、せん断、摩擦によって銀粉の表面を均一に改質します。これにより、分散性と表面機能がさらに向上します。.
ボールミル法は、ジルコニアや瑪瑙などの硬質ボールを回転または振動させることで、粉末に強い衝撃を与え、押し出し、粉砕する処理です。この方法により、粒子の微細化と焼結活性の向上を図ることができます。しかし、押し出しと粉砕によって、ほぼ球状の銀粉末の球状構造が破壊される可能性があります。そのため、通常は薄片状の銀粉末の製造や改質に適しています。.
エアジェットミル法は、高圧気流を用いて粉砕室内の粉末を循環させる方法です。これにより、粒子同士および粒子と壁面との衝突と摩擦が生じ、粉砕、分散、球形度の向上が実現します。この方法は添加剤を必要としません。処理された粉末は滑らかで均一に分散しており、不純物を含みません。ボールミル法と比較すると、エアジェットミル法は球状粉末の表面処理により適しています。粉末の形態や構造への影響が最小限で、凝集を防ぎ、効率も高くなります。結晶シリコン太陽電池電極用銀粉末の機械的表面改質方法として最も一般的に用いられています。.
表面粒子コーティング方法
TOPConやHJTといった新しい高効率セル技術の開発に伴い、銀粉末には結晶シリコン太陽電池の焼結プロセスに対応するため、より低い温度でより高い焼結活性を持つことが求められている。一般的な解決策は、サブミクロンサイズやフレーク状の銀粉末を導電性充填材として使用することである。.
さらに、ナノシルバーとマイクロシルバーを複合化すること、特にナノシルバーをマイクロシルバーの表面にコーティングすることを提案する研究もある。これにより、微細構造レベルでの均一な混合が確保され、マイクロシルバーに新たなナノスケールの表面構造が付与され、高い導電性と高い焼結活性の両方が得られる。ナノ粒子の表面コーティングの一般的な方法としては、物理的方法（機械的コーティング）と化学的方法（その場での粒子生成）がある。.
機械的コーティングは、強力な機械的攪拌または高速気流衝撃によってナノ銀粒子とマイクロ銀粒子を混合し、衝突、粉砕、押し出しを引き起こし、最終的にナノ銀をマイクロ銀の表面または空隙に埋め込む方法です。この方法は添加剤を必要とせず、シンプルで、環境汚染もありませんが、高品質の事前分散されたナノ銀およびマイクロ銀粉末が必要です。ナノ銀の均一性と分散性は、コーティングの一貫性に大きく影響します。使用される装置には、3本ローラーコーティング機、ピンミル、ターボミルなどがあり、システムの複雑さとコストが増加します。.
その場粒子生成法では、化学還元によってマイクロまたはサブミクロンサイズの銀粉末の表面にナノ銀粒子を形成する。これにより複合導電システムが構築される。ナノ表面構造は低温焼結後の導電粒子間の接触を強化し、より完全な導電ネットワークを形成して銀ペーストの導電率を向上させる。.
機械的コーティングと比較して、その場での粒子生成は、より均一なコーティングと優れた分散性を実現します。しかし、そのプロセスはより複雑であり、技術的な難易度が高いため、工業規模での生産にはまだ大きな課題が残っています。.
結論
要約すると、結晶シリコン太陽電池用銀ペーストの性能を最適化するには、調製技術と後処理技術の組み合わせが不可欠です。化学還元によってベースとなる粉末が得られますが、高性能銀ペーストには表面改質が欠かせません。表面改質の方法としては、有機コーティング、機械的複合化、表面粒子コーティングなどがあり、それぞれに利点と限界があります。今後の開発では、効率的かつ制御可能な表面改質プロセスに重点を置くべきです。また、多段階複合銀粉末の工業規模生産も必要です。これらの改良は、コスト削減と導電性ペースト性能の向上を目指し、新たな高効率結晶シリコン太陽電池の要求を満たすことを目的としています。.
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— 投稿者 エミリー・チェン