KR100801167B1 - 태양전지 제조용 전면 전극재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 제조용 전면 전극재료에 관한 것으로, 인 도펀트가 증착된 웨이퍼의 전,후면에 전면전극 및 후면전극이 형성되는 태양전지를 제조하는데 사용되는 전면 전극재료에 있어서, 아크릴레이트(acrylate)계 또는 셀룰로즈(cellulose)계 수지 0.5~20중량부에 대해서 은분 50~95중량부, 무기바인더 0.5~10중량부, 첨가제 0.1~5중량부의 혼합조성물로 이루어지며, 상기 혼합조성물에 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있도록 확산방지제 0.01~0.3중량부를 더 첨가하는 기술구성이 개시된다.
본 발명에 의하면, 납이 제거된 페이스트를 제공하면서 납이 첨가된 상태의 수준 이상으로 고효율 전극을 형성시킬 수 있게 되어 고효율의 전면 전극을 갖는 태양전지를 제조할 수 있게 될 뿐만 아니라 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전극 제조를 위한 소성시 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
Description
도 1은 일반적인 태양전지의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 태양전지의 원리를 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 태양전지 제조용 전면 전극재료의 제조공정을 보인 블록 흐름도.
도 4는 본 발명과 종래의 전극재료를 전면전극으로 인쇄한 후 단면을 사진 촬영한 도면.
도 5는 본 발명의 전면 전극재료가 인쇄된 전면전극의 확산방지제 침투 농도를 분석한 도면.
도 6은 본 발명과 종래의 전극재료를 사용한 전면전극의 온도별 소성 후 수축률을 비교 분석한 도면.
도 7은 본 발명과 종래의 전극재료를 사용한 전면전극의 인쇄면을 사진 촬영한 도면.
도 8은 본 발명에 의한 전면 전극재료가 적용된 태양전지의 효율을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 실리콘웨이퍼 20: 반사방지막
30: 전면전극 40: 후면전극
본 발명은 태양전지 제조용 전면 전극재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 납이 제거된 전면전극의 생산을 가능하게 하면서 고효율성을 갖도록 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환하는 반도체소자로서 주로 실리콘 소재가 사용되며, 도 1에서 보여주는 바와 같이, 기본적으로 p-n 접합 구조를 이루고 있는 실리콘웨이퍼(10)와 상기 실리콘웨이퍼(10)의 상면에 형성되며 빛이 태양전지의 내부로 잘 흡수될 수 있도록 기능하는 반사방지막(20)과 상기 실리콘웨이퍼(10)의 상면 및 하면에 각각 인쇄 적층되어 실리콘웨이퍼(10)의 내부에서 만들어진 전기를 외부로 끌어내는 전면전극(30) 및 후면전극(40)으로 이루어진다.
상기 전면전극(20)으로는 은(Ag)이 주전극재료로 사용되고, 상기 후면전극(40)으로는 알루미늄(Al)이 주전극재료로 사용된다.
이때, 상기 전면전극(30)의 전극재료에는 납(Pb)이 첨가되는데, 이는 납(Pb) 의 낮은 녹는점을 이용하여 짧은 시간에 행해지는 소성의 효율성을 높여줌과 더불어 재료간의 결합성을 좋게 하며 소성능력을 향상시키는 기능을 하도록 한 것이다.
또한, 상기 반사방지막(20)을 실리콘웨이퍼(10)에 형성시키는 대신 표면을 거칠게 표면 처리하여 입사되는 태양빛의 반사율을 감소되게 구성할 수도 있다.
상기한 구성을 갖는 태양전지는 도 2에 나타낸 바와 같이, 태양빛이 입사되어 실리콘웨이퍼의 내부로 흡수되어지면 이 흡수된 빛에 의해 웨이퍼 내부에 (+)(-) 전하가 생성되고 웨이퍼 내의 p형 실리콘과 n형 실리콘의 p-n 접합에서 만들어진 전위차에 의해 생성된 전하의 전자(-)와 정공(+)이 분리되어 전자는 n형 실리콘쪽으로 이동하고 정공은 p형 실리콘쪽으로 이동하게 되며 이에 의해 전면전극 및 후면전극에 수집되어 후면전극이 양극이 되고 전면전극이 음극이 되어 전기를 공급할 수 있게 되는 것이다.
그런데, 상술한 바와 같은 종래의 기술에 의한 태양전지는 전면전극으로 사용하기 위한 전극재료에 효율성을 위하여 납이 첨가되므로 인하여 환경문제를 유발하는 문제점을 지니고 있다. 첨가되는 납이 소성능력의 향상을 가져오게 하기는 하나 환경 문제점을 지니고 있어 대체 재료의 필요성이 대두되고 있다.
또한, 종래에 의하면, 전면전극의 형성시 인쇄되는 전극재료의 형상 수축 및 감소(shrinkage) 현상이 나타나는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점 등을 감안하여 창출된 것으로서, 그 목적으로 하는 바는 납을 재료에 사용하지 않으면서도 납이 첨가된 제품수준의 고효율을 발휘할 수 있도록 하고 종래 제품의 고온 소성시의 형상 수축 및 감소현상을 방지할 수 있도록 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료를 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명은 고효율의 태양전지 제조를 위한 전면전극의 대체 재료를 제공하고자 하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인 도펀트가 증착된 웨이퍼의 전,후면에 전면전극 및 후면전극이 형성되는 태양전지를 제조하는데 사용되는 전면 전극재료에 있어서, 아크릴레이트(acrylate)계 또는 셀룰로즈(cellulose)계 수지와, 은분과, 유리원료인 무기바인더와, 첨가제의 혼합조성물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합조성물은 아크릴레이트(acrylate)계 또는 셀룰로즈(cellulose)계 수지 0.5~20중량부에 대해서 은분 50~95중량부, 무기바인더 0.5~10중량부, 첨가제 0.1~5중량부의 조성으로 구성되게 한다.
상기 혼합조성물에 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있도록 인요소를 갖는 확산방지제를 더 첨가하여 구성하되, 0.01~0.3중량부가 첨가되게 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 태양전지 제조용 전면 전극재료의 제조공정을 보인 블록 흐름도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 태양전지 제조용 전면 전극재료는 원료투입용기를 세척하는 제1과정(S1)과, 상기 제1과정의 원료투입용기에 다수의 원료를 계량하여 투입하는 제2과정(S2)과, 상기 원료투입용기에 투입된 원료를 믹싱기를 통해 배합하는 제3과정(S3)과, 상기 제3과정을 거친 배합원료를 3롤 밀(3-roll mill)의 분산장치에 투입하여 배합된 원료를 분쇄 혼합하고 압출함으로써 페이스트(paste)화하는 제4과정(S4)과, 상기 제4과정을 거친 페이스트형 재료를 측정하여 물성을 확인하는 제5과정(S5)에 의해 만들어진다.
이렇게 페이스트로 제조되는 원료혼합물의 전면 전극재료는 인(P) 도펀트(dopant)가 증착된 웨이퍼 상에 인쇄 및 건조공정을 행하고 소성공정을 행함에 의해 태양전지를 구성하는 전면전극으로 형성되는 것이다.
이때, 본 발명의 페이스트형 전극재료를 위한 원료는 은분과, 아크릴레이트(acrylate)계 또는 셀룰로즈(cellulose)계 수지와, 무기바인더와, 첨가제의 혼합조성으로 이루어진다.
또한, 웨이퍼 상에 증착되어 있는 인(P) 도펀트가 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있도록 인요소를 갖는 확산방지제를 더 첨가하여 구성함이 바람직하다.
상기 무기바인더는 유리원료(Glass Frit)를 사용함이 바람직하며, 유리원료는 산화티타늄(TiO2), 이산화규소(SiO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 붕소산화물(B2O3), 비스무스산화물(Bi2O3), 나트륨산화물(Na2O), 산화아연(ZnO) 등이 혼합된 화합물로 이루어진다.
이때, 상기 무기바인더는 나열된 원료 중에서 둘 이상의 원료 또는 전체가 혼합되는 화합물로 구성될 수 있다.
상기 첨가제는 티탄산화물(TiO2), 지르코니아산화물(ZrO2), 실리콘질화막(Si3N4), 삼산화안티몬(Sb2O3), 오산화안티몬(Sb2O5), 망간산화물(MnO2), 비스무스산화물(Bi2O3), 산화아연(ZnO), 산화크롬(Cr2O3), 철산하물(Fe2O3), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 칼슘황화합물(CaS), 황화아연(ZnS) 중에서 어느 하나를 선택하여 사용함이 바람직하다.
상기 확산방지제는 인(P), 오산화인(P2O5), 옥시염화인(POCl3), 은인산염(Ag3PO4), 트리페닐 인산염(triphenyl phosphate), 황화인(P2S5), 인염화물(PCl5), 부롬화물인(PBr5), 포스포놀피루브산 모노칼륨염(phosphoenolpyruvic acid monopotassium salt), N-(phosphonomethyl) glycine, 글라이포세이트(Glyphosate)계 화합물 중에서 어느 하나를 선택하여 사용함이 바람직하다.
상기한 구비된 원료들의 조성비는 아크릴레이트계 또는 셀룰로즈계 수지 0.5~20중량부에 대해서 은분 50~95중량부, 무기바인더 0.5~10중량부, 첨가제 0.1~5중량부로 이루어지고, 상기한 수지와 은분과 무기바인더와 첨가제가 혼합된 혼합조성물의 전체 중량부에 대해서 확산방지제가 0.01~0.3중량부로 첨가된다.
여기서, 상기 아크릴레이트계 또는 셀룰로즈계 수지는 0.5중량부 이하로 사 용할 경우 태양전지의 제조에 사용시 원활한 스크린 인쇄작업을 어렵게 하고 특히 인쇄시 균일한 막 두께 및 패턴 형성을 어렵게 하며, 20중량부를 초과할 경우 인쇄작업시 잉크 빠짐이 많아져 번짐현상이 발생하는 등 정밀한 패턴 형성에 어려움이 있게 되고 소성시 불휘발 잔분 및 은분 함량을 저하시키므로 전극 저항의 손실을 가져오게 한다.
상기 은분은 50중량부 이하로 사용할 경우 웨이퍼와의 접촉저항이 증가하게 되므로 효율을 감소시키게 되며, 95중량부를 초과할 경우 태양전지 제조를 위한 인쇄시 인쇄 작업성이 저하되고 정밀한 패턴 형성이 어렵게 될 뿐만 아니라 가격상승의 요인이 된다.
상기 무기바인더는 0.5중량부 이하로 사용할 경우 태양전지의 제조를 위한 소성 작업시 웨이퍼와의 밀착력 형성을 위한 기능발휘가 어렵게 되며, 10중량부를 초과할 경우 웨이퍼와의 밀착력을 증가시킬 수는 있으나 웨이퍼와 페이스트인 전극재료의 접촉저항 값을 증가시키는 작용을 하게 되어 태양전지에 형성되는 전자의 흐름을 방해하게 되므로 변환효율을 떨어뜨리게 된다.
상기 첨가제는 0.1중량부 이하로 사용할 경우 굴절률에 따른 빛의 반사방지효과를 나타낼 수 없게 되며, 5중량부를 초과할 경우 빛의 난반사로 인해 오히려 수집되는 빛의 양보다 반사되어 방출되는 빛의 양을 증가시키게 되므로 효율성이 떨어지게 되고 또한 전극의 저항값 상승을 유발하게 된다.
상기 확산방지제는 0.01중량부 이하로 사용할 경우 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전극으로 확산될 우려가 높고, 0.3중량부 이상으로 사용할 경우 반대로 전극 에 있는 인요소가 웨이퍼로 확산될 우려가 높아 효율성 제고를 위한 농도를 고려하여 제시된 것이다.
한편, 상기한 조성 및 조성비로 이루어지는 본 발명의 페이스트형 전극재료에서 아크릴레이트(acrylate)계 또는 셀룰로즈(cellulose)계 수지는 태양전지의 전면전극 형성을 위한 스크린 인쇄과정에서 유동성을 제공하는 기능을 한다.
상기 은분은 형성전극에 전도성을 부여하며 실리콘웨이퍼와의 접촉저항을 감소시키는 기능을 한다.
상기 무기바인더는 태양전지의 제조를 위한 본 발명의 전극재료를 인쇄한 후 소성시 실리콘웨이퍼에 페이스트인 본 발명의 전극재료가 잘 밀착되어 형성될 수 있도록 밀착력을 부여하는 기능을 한다.
상기 첨가제는 굴절률에 따른 반사방지효과를 위한 것이며, 태양전지의 제조를 위한 인쇄 작업시 소포나 레벨링, 분산안정성 및 빠짐성을 좋게 하는 기능을 한다.
상기 확산방지제는 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 태양전지 제조를 위한 소성 작업시 전극으로 확산되는 것을 방지하는 기능으로 최대전력을 발휘하기 위한 효율 저하를 방지하는 기능을 한다.
한편, 도 4 내지 도 8은 본 발명의 상술한 구성을 갖는 전면전극재료에 대한 각종 측정데이터를 나타낸 것이다.
여기서, 도 4는 본 발명과 종래의 전극재료를 각각 전면전극으로 인쇄한 후 단면을 사진 촬영한 측정데이터로서, (a)는 종래 납을 포함하는 전면 전극재료를 사용한 것이고, (b) 내지 (d)는 본 발명의 전면 전극재료를 사용한 것이다.
이러한 측정데이터는 종래의 전면전극이 형성된 막 두께와 본 발명에 의한 막 두께를 비교한 것으로, 본 발명에 의한 구성요소로도 기존과 동일하게 전극을 위한 막 두께가 형성됨을 보여주고 있다.
도 5는 본 발명의 전면 전극재료가 인쇄된 부위의 확산방지제 침투 농도를 분석한 것으로, 웨이퍼 표면에 형성된 전면전극의 일부분을 화학 약품으로 녹여 내고, 이온을 침투시켜 깊이에 따른 원소의 농도를 분석한 것이며, 본 발명의 전극재료에 함유시킨 인(P) 성분을 갖는 확산방지제가 소성 시 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전면전극으로 확산되는 것을 방지함은 물론 전극 하부에 적절한 깊이와 적절한 농도로 확산 방지제가 분포하고 있는 것을 보여 주고 있다.
도 6은 본 발명과 종래의 전극재료를 사용한 전면전극의 수축률을 비교 분석한 것으로서, 전극재료 인쇄 후 소성온도에 따른 인쇄 폭의 감소를 점들로 나타낸 것이며, 상측에 위치한 본 발명의 그래프에 비해 하측에 위치한 종래의 그래프가 많이 수축되어 초기 인쇄 폭보다 감소함을 보여주고 있으며, 즉 본 발명이 수축률 면에서나 해상도 면에서 우수함을 보여주고 있다.
도 7은 본 발명과 종래의 전극재료를 사용한 전면전극의 인쇄면을 사진 촬영한 것으로서, 왼쪽은 전극재료가 인쇄된 전면전극의 저배율 표면이고, 중간은 700℃ 소성 후 고배율로 전극 해상도를 관찰한 사진이고, 오른쪽은 900℃ 소성 후 고배율로 전극 해상도를 관찰한 사진이다.
상측의 종래기술에서는 가장자리 부분에 수축이 형성「(b) 참조」됨을 보여 주고 있고, 하측의 본 발명에서는 약간의 수축이 진행되었으나 종래와 비교하여 수축현상이 아주 미비함「(d) 참조」을 보여주고 있다.
도 8은 본 발명의 전면 전극재료에 의한 전면전극이 사용된 태양전지의 광변환 효율을 측정한 그래프로서, 왼쪽에 위치한 종래기술에 비해 오른쪽에 위치한 본 발명의 그래프가 더 우수한 효율을 나타냄을 보여주고 있다.
이때, 도 8에서의 표는 인공 태양빛을 본 발명이 적용된 태양전지에 비추어 주었을 때 전압과 전류의 측정치에 의한 효율을 계산한 것으로, 본 발명은 납이 포함된 종래기술에 비해 더 우수한 효율을 나타내고 있다.
따라서, 본 발명의 전면 전극재료는 납이 제거된 페이스트를 제공하면서 납이 첨가된 상태의 수준 이상으로 고효율화가 가능하게 되며, 고효율의 전면 전극을 갖는 태양전지를 제조할 수 있게 될 뿐만 아니라 웨이퍼에 증착된 인 도펀트의 확산현상을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 태양전지 제조용 전면 전극재료는 상술한 바와 같은 구체적인 실시예 및 첨부한 도면을 참조하여 설명하였으나, 이에 특별히 한정된다 할 수 없으며, 당해 기술분야의 해당업자에 의해 이루어지는 다양한 치환, 수정 및 변형 등의 실시는 본 발명의 특허청구범위의 해석에 따른 기술적 사상에 의해 본원 발명의 기술범주 내에 귀속되어질 수 있다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 제조용 전면 전극재료에 의하면, 납이 제거된 페이스트를 제공하면서 납이 첨가된 상태의 수준 이상으로 고효율 전극을 형성시킬 수 있게 되어 고효율의 전면 전극을 갖는 태양전지를 제조할 수 있게 될 뿐만 아니라 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전극 제조를 위한 소성시 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 유용함을 제공한다.
또한, 본 발명은 납을 사용하지 않으므로 환경문제를 없앨 수 있으며 기존 고온 소성시 저하되는 해상도 및 형상 수축이나 감소의 문제점까지 해결할 수 있는 유용함을 제공한다.
Claims (6)
- 인 도펀트가 증착된 웨이퍼의 전,후면에 전면전극 및 후면전극이 형성되는 태양전지를 제조하는데 사용되는 전면 전극재료에 있어서,아크릴레이트(acrylate)계 또는 셀룰로즈(cellulose)계 수지 0.5~20중량부에 대해서 은분 50~95중량부, 무기바인더 0.5~10중량부, 태양광의 굴절률에 대한 반사방지효과를 위한 첨가제 0.1~5중량부가 혼합된 혼합조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료.
- 제 1항에 있어서,상기 혼합조성물에 웨이퍼에 증착된 인 도펀트가 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있도록 확산방지제를 더 첨가하여 구성하되, 상기 혼합조성물의 전체 중량부에 대해서 0.01~0.3중량부가 첨가되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료.
- 제 1항에 있어서,상기 무기바인더는 산화티타늄(TiO2), 이산화규소(SiO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 붕소산화물(B2O3), 비스무스산화물(Bi2O3), 나트륨산화물(Na2O), 산화아연(ZnO) 중에서 둘 이상의 원료 또는 전체가 물리적으로 섞인 혼합물의 유리원료(Glass Frit)를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료.
- 제 1항에 있어서,상기 첨가제는 티탄산화물(TiO2), 지르코니아산화물(ZrO2), 실리콘질화막(Si3N4), 삼산화안티몬(Sb2O3), 오산화안티몬(Sb2O5), 망간산화물(MnO2), 비스무스산화물(Bi2O3), 산화아연(ZnO), 산화크롬(Cr2O3), 철산하물(Fe2O3), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 칼슘황화합물(CaS), 황화아연(ZnS) 중에서 어느 하나를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료.
- 제 2항에 있어서,상기 확산방지제는 인(P), 오산화인(P2O5), 옥시염화인(POCl3), 은인산염(Ag3PO4), 트리페닐 인산염(triphenyl phosphate), 황화인(P2S5), 인염화물(PCl5), 부롬화물인(PBr5), 포스포놀피루브산 모노칼륨염(phosphoenolpyruvic acid monopotassium salt), N-(phosphonomethyl) glycine, 글라이포세이트(Glyphosate)계 화합물 중에서 어느 하나를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 전면 전극재료.
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