KR0156268B1 - 광기전력소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의하면, 광전변환층과, 상기 광전변환층상에 적어도 전기전도성기재 및 경화성수지를 지닌 페이스트를 경화시켜 형성한 집전전극을 구비한 광기전력소자에 있어서, 상기 전도성기재와 상기 수지는 모두 전도성을 제고하기 위한 배열을 구성하는 것을 특징으로 하는 광기전력소자가 제공된다.
Description
제1도는 본 발명에 의한 집전전극을 구비한 광기전력소자의 전형적인 단면도.
제2도는 실시예 1 및 비교예에 있어서의 집전전극을 이용한 광기전력소자를 통하여 흐르는 누설전류의 일시적인 변화를 표시한 그래프.
제3도는 실시예 2 및 비교예에 있어서의 집전전극을 이용한 광기전력소자를 통하여 흐르는 누설전류의 일시적인 변화를 표시한 그래프.
제4도는 실시예 3에 있어서의 집전전극을 이용한 광기전력소자를 통하여 흐르는 누설전류의 일시적인 변화를 표시한 그래프.
제5도는 집전전극을 이용한 광기전력소자의 수평균분자량과 누설전류간의 관계를 표시한 그래프.
제6도는 종래의 집전전극을 이용한 광기전력소자의 전형적인 단면도.
제7도는 종래의 집전전극을 이용한 광기전력소자의 열화의 원리를 설명하는 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 집전전극 102 : 투명전도성층
103 : 광전변환층 104 : 전기전도성기판
105 : 공극(또는 간극)
본 발명은 내후성이 우수한 집전전극을 구비한 반도체소자에 관한 것으로서, 특히 제작이 용이하고 방수성의 면에서 장기간 신뢰성을 지닌 광기전력소자에 관한 것이다.
최근, 지구의 온난화 또는 몇몇 원자력발전소의 사고에 의하여, 유발된 방사성오염 등을 인하여 환경과 에너지문제에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 상황에서, 광기전력반도체소자(이하 광전변환소자라고도 칭함)를 이용하는 태양전지는 재생할 수 있고 무한한 청정에너지로서 세계 각국에서 기대되어 왔다. 현재, 태양전지로서는, 단결정실리콘형, 다결정실리콘형 및 비정질실리콘형의 3가지 종류가 공지되어 있다. 결정형태양전지보다 변환효율이 열등하여도, 상기 결정형 태양전지와 달리, 비정질실리콘태양전지의 광흡수계수가 큰 것에 기인한 박막의 조작의 용이성 및 대형면적의 형성이 용이한 우수한 특징을 지니고 있기 때문에, 그중에서 비정질실리콘형 태양전지는 가장 유망한 태양전지 중의 하나로서 기대되고 있다. 따라서, 발전량이 수백 MW에 도달하면, 그 제조비용은 결정형보다 상당히 감소하기 때문에 비정질 실리콘형에 대한 많은 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
여기에서는, 종래의 태양전지의 일례를 제6도에 도시하였다. 동도면에 있어서, 전기전도성기판(104)상에는 비정실리콘으로 이루어진 광전변환층(103)이 형성되고, 그위에는 반사방지층으로서 유용한 투명전도성층(102)이 형성되어 있다. 또, 이 투명전도성층상에는, 전류를 보다 효율적으로 모으기 위한 집전격자(collecting grid)전극(101)이 형성되어 있다. 제6도에 도시한 바와 같이, 집전전극(101)축으로부터 광전변환층(103)상에 빛이 입사되면, 이 빛에너지는 광전변환층내에서 전류로 변환되어, 집전전극(101)으로부터 전기전도성기판(104)으로 출력된다. 광전변환층은 적어도 1개이상의 핀접합(pin junction)을 포함하고 있으며, p측은 애노드로서 작용하고, n측은 캐소드로서 작용하고 있다.
일반적으로, 수와트이상의 출력을 지닌 태양전지는 외부에서 사용되므로, 이들 태양전지는 온도 및 습도에 대하여 내구성 또는 내(耐)환경성을 지닐 것이 필요하다. 특히, 집전전극이 비(非)단결성 광기전력반도체상에 형성될 경우, 상기 반도체상의 막의 질을 손상시키지 않는 온도에서 그 면적을 크게 형성해야만 하므로, 광전도성 페이스트를 사용한다.
제6도에 도시한 종래의 태양전지에 있어서는, 집전전극(101)내에 각종 크기의 공극 즉, 간극(105)이 다수있다. 대기중에서 외부로부터의 수분이 태양전지모듈을 통과하여 상기의 공극 또는 간극안으로 침투하여, 태양전지자체의 광기전력에 의해 집전전극에 함유된 은 등의 전기전도성기재(electroconductive base substance)을 용해시킨다. 이와같이 용해된 전기전도성기재는 반도체의 핀홀 등의 결함부분을 통해 확산, 성장되어, 태양전지의 양전극과 음전극 사이에 단락을 유발하여, 그 결과 변환효율을 크게 저감시키는 문제점이 발생된다. 예를들면, 전기전도성기재가 은일 경우, 애노드와 캐소드사이에 이하의 식에 따른 반응이 일어나, 단락을 일으키게 한다.
애노드 Ag20+H20 → 2Ag++20H-
캐소드 Ag++e-→ Ag(수지모양의 결정침전)……[A]
이러한 양태가 제7도에 도시되어 있다. 애노드측의 집전전극(101)내에서 Ag20와 물(H20)간의 반응에 의해 생성된 은이온(605)은 광기전력소자에 의해 생성된 기전력에 의해 광전변환층(103)에 존재하는 핀홀(606)로 들어가서 전기전도성기판(104)에 부착되어 수지모양의 결정(607)을 형성한다. 이러한 수지모양의 결정(607)이 성장하면, 태양전지의 집전전극(101)과 전기전도성기판(104)이 단락되어, 변환효율을 저하시켜 버린다. 또한, 반응이 더욱 진행되면, 태양전지의 출력은 유출될 수 없게 된다.
이러한 전기이동현상은 은으로 한정되지 않고, 구리, 땜납 및 금에 대해서도 발생될 수 있다.
이상의 문제점을 감안해서, 본 발명의 목적은, 내환경성이 우수하고, 특히 수분의 침투에 의해 변환효율이 저하되지 않으며 제조가 용이한 광기전력소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 광전변환층과, 상기 광전변환층상에 적어도 전기전도성기재 및 경화성수지를 지닌 페이스트를 경화시켜 형성한 집전전극을 구비한 광기전력소자에 있어서, 상기 경화성수지의 수평균분자량이 3000이하이고, 또, 상기 집전전극에 대한 상기 전기전도성기재의 중량비가 70%이상이며, 또한, 상기 경화성수지는 우레탄계, 에폭시계, 폴리이미드계, 폴리에스테르계, 페놀계, 비닐계 및 아크릴계중 적어도 1종류를 함유하는 것을 특징으로 하는 광기전력소자가 제공된다.
또, 본 발명에 의하면, 광기전력소자의 형성방법에 있어서, 상기 경화는 120℃~250℃의 범위에서 수행되고, 싱기 전기전도성기재는 은, 은·팔라듐합금, 은과 카본의 혼합물, 구리, 니켈, 알루미늄 및 금 중의 어느 하나이고, 상기 광기전력소자는 비단결정반도체이며, 또한 상기 광전변환층사에 전기전도성기재와 수평균자량이 3000이하인 경화성수지를 지닌 페이스트를 형성하는 공정과, 상기 페이스트를 경화시켜 집전전극을 형성하는 공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 광기전력소자의 형성방법이 제공된다.
전술한 바와 같이, 몇 개의 공극 즉, 간극이 집전전극내에 존재하면, 외부로부터 유입된 수분이 은등의 전기전도성기재와 반응하여, 은이온을 생성해서 전극간의 단락을 일으킬 수 있다.
그러나, 본 발명에 있어서는, 전기전도성 페이스트로서의 경화성수지의 수평균분자량이 3000이하이므로, 수지의 이동도가 향상되어, 집전전극전체에 수지가 전개되므로, 공극 즉 간극을 생성하기 어렵게 된다. 따라서, 함유된 수분이 전기전도성기재와 반응하기가 어렵게 되어, 전술한 화학식[A]의 반응이 억제된다. 따라서 은이온의 생성도 억제될 수 있으므로, 전극간의 단락을 방지하는 것이 가능하다.
또, 은이온이 생성되어도, 수평균분자량이 3000이하인 경화성수지는 수지의 이동도가 훨씬크므로, 수지가 다소 가라앉아, 은이온이 투명전도성층에 도달하기가 어렵게 됨으로써, 단락을 방지할 수 있다.
또한, 수지의 이동도가 크기 때문에, 스크린인쇄에 의해 광전변환층상에 페이스트의 형성이 용이하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 전기이동이 거의 일어나지 않고 내환경성이 우수한 광기전력소자를 제공하는 것이 가능하다. 또, 변환효율이 저하되지 않으므로, 광기전력소자의 총비용을 저감할 수 있다.
본 발명에 의한 태양전지는, 이하와 같이 구성되며, 이때, 전도성기판상에 퇴적된 비정질실리콘이 광전변환반도체층으로서 사용된다.
상기 전도성기판상에는, 적어도 1개이상의 핀접합을 지닌 비정질실리콘층은, 예를들면 실란(Silane)가스를 이용한 플라즈마CVD법에 의하여 형성된다. 상기 전도성기판의 바람직한 예로서는, 스테인레스, 알루미늄, 구리, 티탄, 카본시트 등을 들 수 있으며, 또, 상부에 금속이 퇴적된 수지제기판을 이용해도 된다. 또한, 상기 실리콘층상에는 계속해서 증착법이나 스프레이법 의해 산화인듐 또는 산화주석으로 이루어진 투명전도성층을 형성한다.
또, 전기전도성기재와 경화성수지로 이루어진 전기전도성페이스트는 스크린 인쇄법에 의하여 투명전도성층상에 형성되고 온도가 100℃~200℃의 범위일 때 경화시켜 집전전극을 형성한다.
상기 전기전도성 페이스트내부의 전기전도성기계의 예로서는, 은, 은·팔라듐합금, 은과 카본의 혼합물, 구리 니켈, 알루미늄, 구리 등을 들 수 있다. 또 격자전극은 전류통과에 필요한 전기전도도를 얻기 위해서 바람직하게는 적어도 70Wt%이며, 보다 바람직하게는 적어도 75Wt%이상의 전기전도성기재를 함유한다. 상기 경화성수지의 바람직한 예로서는, 우레탄계, 에폭시계, 폴리이미드계, 폴리에스테르계, 페놀계, 비닐게 및 아크릴계를 들 수 있으며, 이들의 수평균분자량은 3000이하이면 된다. 특히, 에폭시계는 방수성 및 경제성의 관점에서 가장 바람직하다. 전기전도성페이스트내에 함유된 염소 또는 나트륨 등의 불순물은 상기 전기이동반응시 촉매로서 작용하여 금속이온의 생성을 촉진하므로, 가능한 한 불순물의 함량은 최소로 하는 것이 바람직하다.
또, 집전전극내의 공극 또는 간극의 크기는, 일반적으로 집전전극형성시의 온도와 시간뿐만아니라, 집전전극을 형성시키는 수지의 종류에 의존하나, 충분한 경화시간이 120℃이상의 온도에서 부여되면, 수지의 교차결합도가 실제적으로 변하지 않아, 공극이나 간극의 크기는 거의 변하지 않게 된다. 또, 상기 페이스트를 비정질반도체인 광기전력전극용의 집전전극으로서 이용하면, 그 형성온도는 대략 수지의 종류에 따라 120℃~250℃의 범위이다. 120°이하의 온도에서는, 페이스트내의 수지의 교차결합성이 불충분하여, 전기전도도 또는 부착력이 저감될 수 있으나, 온도가 25℃이상으로 되면, 비정질반도체의 막(film)의 질이 저하된다.
이하, 본 발명은 실시예에 의거하여 상세히 설명한다. 단, 본 발명에 있어서 결합성수지의 평균분자량은 겔투과크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC)에 의해 측정하였다. 여기서 사용한 겔투과크로마토그래피는, 흡착제가 분자량이 보다 작은 샘플을 더욱 흡착할 수 있다는 특성을 이용하여, 측정용샘플을 항온이 유지된 칼럼(흡착제의 관(pipe)등)을 통과시켜, 흡착된 양과 시간에 의해 평균분자량을 결정하는 것이다.
[실시예 1]
비정질실리콘으로 이루어진 2개의 핀형광전변환층을 플리즈마CVD법에 의하여 두께 8MIL, 면적 160cm2인 스테인레스스틸기판상에 퇴적시키고 나서, 스퍼터링법에 의해 산화인듐으로 이루어진 투명전도성층을 부착하였다.
그후, 우레탄계수지와 은입자로 이루어진 전기전도성페이스트(전기전도성기재70Wt%, 평균분자량2010인 우레탄수지20Wt%, 용제(메틸에틸케톤)10Wt%)를 바람직한 형상으로 스크린인쇄하고, 130℃에서 1시간동안 경화시켜 본 실시예의 태양전지를 제조하였다. 이 태양전지는 탠덤(tandem)형으로서 지칭되며, 상기 태양전지의 최적동작전압은 1.2V이다. 고온고습조건(85℃, 85%RH)하에서 이 태양전지에 1.2V의 순방향 바이어스를 인가하여 이 태양전지내에 흐르는 누설전류의 일시적변화를 적당히 측정하였다. 상기 순방향 바이어스는 동작상태를 시뮬레이션하기 위하여 인가한 것이며, 그 측정결과를 제2도의 직선A로 표시하였다. 제2도 중의 세로축은 단위면적당의 누설전류, 가로축은 시간을 나타낸다.
[비교예]
비교예로서, 폴리이미드계수지(수평분자량 14400)와 은입자로 이루어진 전기전도성 페이스트 및 폴리에스테르계수지(수평균분자량 31000)와 은입자로 이루어진 전기전도성페이스트를 이용해서, 상기 실시예 1과 마찬가지 조건하에서 태양전지를 제작하고, 마찬가지의 시험을 수행하여, 그 결과를 제2도에 표시하였다. 제2도에 있어서, 일점쇄신B가 폴리이미드계수가(수평균분자량 14400)에 대한 것이고, 점선C가 폴리에스테르수지(수평균분자량 31000)에 대한 것이다.
제2도로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 비교예에 있어서의 태양전지의 누설전류는, 폴리이미드계의 경우 시간당 1.7mA/cm2, 폴리에스테르계의 경우 시간당 2mA/cm2로 크게 증기한 반면, 본 실시예 1의 태양전지는 비교예의 약 1/10정도인 시간당 0.2mA/cm2로서 은의 용리(elution)가 크게 감소되었음을 나타낸다
[실시예 2]
실시예 1에서와 마찬가지로, 에폭시계수지 및 은입자(전기전도성기재 80Wt%, 수평균분자량 540인 에폭시수지 20Wt%, 용제없음)로 이루어진 페이스트를 사용해서 태양전지를 제작하였으며, 이때이 경화조건은 150℃, 3시간이였다.
실시예 1에서와 마찬가지로, 고온고습조건(85℃, 85%RH)하에서 이 태양전지에 순방향바이어스를 인가하여 누설전류의 증가량을 측정하여, 그 결과를 제3도에 비교예에 대한 결과와 함께 표시하였다. 제3도에 있어서, 직선D는 본 실시예에서의 누설전류, 일점쇄신B는 제2도에 도시한 바와 같은 상기 비교예의 폴리이미드계수지(수평균분자량 14400)의 경우의 누설전류의 일시적변화, 점선C는 상기 비교예의 폴리에스테르계수지(수평균분자량 31000)의 경우의 누설전류의 일시적변화를 도시한 것이다.
본 실시예에 있어서의 누설전류의 증가량은 시간당 0.03mA/cm2로서 비교예의 1/100정도였다. 이것은 상기 실시예 1의 약 1/10이므로, 수평균분자량이 작은 수지로 이루어진 전기전도성페이스트를 사용함으로써 보다 큰 효과를 기대할 수 있음을 의미한다.
[실시예 3]
불포화폴리에스테르수지와 은입자로 이루어진 페이스트를 사용해서, 불포화폴리에스테르계수지의 수평분자량이 하기 태양전지X에 대해서는 2900, Y에 대해서는 3350, Z에 대해서는 5000인 점을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지 방식으로 폴리에스테르계수지의 탠덤형 비정질태양전자X, Y, Z를 제작하고, 실시예 1과 마찬가지로, 고온고습조건(85℃, 85%RH)하에서 상기 태양전지에 순방향바이어스를 인가하고 누설전류의 일시적 변화를 측정하였다. 그 결과를 제4도에 도시한다. 제4도에 있어서, 직선X는 불포화폴리에스테르계수지의 수평균분자량이 2900, 일점쇄선 Y는 불포화폴리에스테르계수지의 수평균분자량이 3350, 점선Z는 불포화폴리에스테르계수지의 수평균분자량이 5000인 페이스트를 사용한 경우의 누설전류의 일시적변화를 나타낸다.
누설전류의 증가율은 직선X로 표시한 페이스트를 사용한 경우 0.25mA/cm2등의 매우 작은 값으로, 은의 이동이 매우 적은 반면, 분자량이 보다 큰 일점쇄신Y 및 점선Z로 표시한 페이스트를 사용한 경우의 누설전류량은 증가하였으며, 특히 점선Z의 페이스트를 사용한 경우에는 그 누설전류가 1.1mA/cm2로 직선X로 표시한 페이스트를 사용한 경우의 4~5배 정도임이 판명되었다. 이것은, 동일한 불포화폴리에스테르계수지를 사용하더라도, 은의 분자량이 따라 변하므로 이동저항에 대한 특성이 상이하다는 것을 암시한다.
상기 설명한 바와 같이 실시예 1~3 및 비교예의 결과를 표 1 및 제5도에 요약하여 나타내었다.
제5도로부터 알 수 있는 바와 같이, 수평균분자량이 3000이하인 수지를 사용한 페이스트와 수평균분자량이 3000이상인 수지를 사용한 페이스트간에 누설전류의 증가율에 있어서 차이가 현저하고, 수평균분자량이 3000이하인 페이스트의 경우 이동저항특성이 우수하였다. 또, 수평균분자량이 3000이하인 페이스트의 경우 이동저항특성이 우수하였다. 또, 수평균분자량이 보다 적을 경우 우수한 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명에 의하면, 수평균분자량이 3000이하인 수지로 이루어진 집전전극을 사용하면 함유수분의 침투에 의한 광기전력소자의 전극간의 단락을 방지할 수 있는 동시에, 제작이 용이하고 내환경성이 우수한 태양전지를 제공하는 것이 가능하다.
또, 집전전극은 수지와 전기전도성기재로 이루어져 있기 때문에, 낮은 온도에서 격자를 형성할 수 있어, 태양전지를 저렴하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 수지를 함유하는 격자는 휘어질 수 있는 동시에 기계적충격에 대해 강하므로, 가요성이 있는 단단한 광기전력소자를 제공할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 내환경성이 우수한 태양전지를 저가로 공급할 수 있어, 그의 산업적가치는 상당히 현저하다.
Claims (7)
- 전도성기재와 수지를 가진 광기전력소자는, 전도성을 가진 수지와 전도성기재를 모두 형성하도록 배치된 전도체로 이루어진, 한쪽의 전극과; 광전변환층과; 상기 한쪽의 전극에 대향하도록 배치되어 한쪽의 전극과 다른쪽의 전극 사이에 상기 광전변환층을 샌드위치하는 다른쪽의 전극을 구비한 광기전력소자에 있어서, 상기 전도성기재은 입자형상을 가지고, 상기 전도성기재의 함유량은 70Wt%이상으로 설정되고, 상기 전도성기재와 상기 수지는 모두 전도성을 제공하기 위한 배열을 구성하는 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성기재의 함유량은 75Wt% 이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전도성기재는 은, 필라듐, 동, 니켈, 알루미늄, 카본 및 금으로 이루어진 군 중에서 적어도 한 개가 선택된 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
- 제1항에 있어서, 상기 한 쪽의 전극과 상기 광전변환층의 사이에 있는 투명전도층이 상기 광전변환층상에 균일하게 형성되어 있고, 상기 한 쪽의 전극은 상기 광전변환층상의 일부에 배치되어 있으며, 상기 다른쪽의 전극의 표면은 상기 전도성기판의 표면을 구성하는 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
- 전도성기재와 수지를 가진 광기전력소자는, 전도성을 가진 수지와 전도성기재를 모두 형성하도록 배치된 전도체로 이루어진 한쪽의 전극과; 광전변환층과; 상기 한쪽의 전극에 대향하도록 배치되어 한쪽의 전극과 다른쪽의 전극사이에 상기 광전변환층을 샌드위치하는 다른쪽의 전극을 구비한 광기전력소자에 있어서, 상기 광전변환층은 비정질반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
- 제1항에 있어서, 상기 관전변환층은 적어도 2개의 핀접합형 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
- 제5항에 있어서, 상기 광전변환층은 핀접합형 비정질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력소자.
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