KR100987533B1 - 환경친화형 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 환경친화형 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체 성분과 분산 매체를 포함하고, 상기 고체 성분은 금속 및 금속 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상의 전도성 분말; 납(Pb) 성분을 함유하지 않은 유리 프릿; 및 비스무스(Bi) 및 비스무스(Bi) 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상의 비스무스(Bi) 성분을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트, 및 이를 전면 전극으로 이용한 태양전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 유해성 납(Pb) 성분이 사용되지 않아 친환경적인 태양전지를 제조할 수 있으며, 열처리 시 반사 반사막의 침투 효과가 우수하고, 반도체 기판과의 결합력이 향상되어 낮은 직렬 저항(Rs) 및 높은 분로(shunt) 저항(Rsh)을 가져 우수한 전기적 특성을 갖는다.
태양전지, 전극, 컨택, 납(Pb), 은(Ag), 비스무스(Bi)
Description
본 발명은 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유해성 납(Pb, 鉛)의 사용을 배제함으로써, 친환경적인 전극을 제조할 수 있으면서, 낮은 직렬 저항(Rs) 및 높은 분로(shunt) 저항(Rsh)을 갖게 할 수 있는 환경친화형 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것이다.
광을 이용한 반도체 장치, 예를 들어 태양전지는 태양광을 유용한 전기적 에너지로 변환시켜 클린 에너지 자원으로서 각광을 받고 있으며, 현재 실용화가 진행되고 있다. 태양전지 등과 같이 광을 이용한 반도체 장치는, 일반적으로 전극이 형성되고 있다. 이때, 전극은 가능한 한 빛을 차단하지 않도록 수광면(受光面) 상 에서 점유 면적이 작아야 한다. 이에 따라, 태양전지의 전극은, 예를 들어 격자 모양의 그리드 패턴(grid pattern) 등으로 형성되고 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 웨이퍼형 태양전지의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 태양전지는 일반적으로 태양광이 입사되는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10)의 상부에 형성된 전면 전극(20); 및 상기 반도체 기판(10)의 하부에 형성된 후면 전극(30)을 갖는다. 그리고 상기 반도체 기판(10)의 표면에는 입사되는 태양광의 반사 손실을 방지하기 위한 반사 방지막(12)이 코팅되어 있다.
상기 반도체 기판(10)은 n형 실리콘층(10a)과 p형 실리콘층(10b)을 가지는 실리콘 웨이퍼로 구성된다. 상기 후면 전극(30)은 주로 알루미늄(Al) 막으로 구성된다. 구체적으로, 상기 후면 전극(30)은 알루미늄(Al) 분말을 주재료 한 페이스트(paste)가 p형 실리콘층(10b)에 코팅된 다음, 소결(sintering)하는 과정에서 p형 실리콘층(10b) 내부에 Al 이온이 확산되어, p형 실리콘층(10b)과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성한다. 또한, 상기 반사 방지막(12)은 주로 태양광의 반사 손실을 방지하기 위한 유효 성분으로서 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride ; Si3N4)를 포함한다. 상기 전면 전극(20)은 주로 은(Ag)이 사용되고 있다. 구체적으로, 전면 전극(20)은, 은(Ag) 분말을 주재료로 한 페이스트가 반사 방지막(12) 상에 그리드 패턴(grid pattern)으로 인쇄된 다음, 소결되어 형성된다. 이때, 전면 전극(20)은 열처리를 통한 소결 과정에서 반사 방지막(12)을 침투하여 p형 실리콘 층(10a)과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성함으로써, 태양전지의 직렬 저항을 낮춘다.
태양전지의 전극, 구체적으로 태양전지의 전면 전극(20) 및 후면 전극(30)은 위와 같이 전도성 금속(Ag, Al 등)을 주재료로 한 페이스트가 소결되어 형성되고 있다. 또한, 상기 전극(20)(30)용 페이스트는 전도성 금속 성분을 소결을 통해 반도체 기판(10)에 부착하기 위한 무기 소결제로서의 유리 프릿(glass frit), 그리고 이들 고체 성분을 분산하기 위한 분산 매체로서의 유기물(유기 용제 등) 등을 포함하고 있다.
후면 전극(30)용 페이스트와 관련한 선행 문헌으로서, 예를 들어 일본 공개특허 제2001-202822호(선행 특허문헌 1) 및 대한민국 공개특허 제2004-0025609호(선행 특허문헌 2) 등에는 알루미늄(Al) 분말, 유리 프릿, 유기물 등을 포함하는 페이스트가 제시되어 있다. 또한, 전면 전극(20)용 페이스트와 관련한 선행 문헌으로서, 대한민국 공개특허 제2007-0066938호(선행 특허문헌 3), 대한민국 공개특허 제2007-0067636호(선행 특허문헌 4) 및 대한민국 공개특허 제2007-84100호(선행 특허문헌 5) 등에는 은(Ag) 분말, 유리 프릿, 유기물(수지 결합제) 등을 포함하는 페이스트가 제시되어 있다.
상기 선행 특허문헌들에 제시된 바와 같이, 무기 소결제로서의 유리 프릿은 저융점의 납(Pb, 鉛) 성분이 함유된 것이 사용되고 있다. 납 성분은 유리 프릿의 융점을 낮춰 전도성 금속(Ag, Al 등)과 반도체 기판(10)과의 부착력을 향상시켜 전극(20)(30) 배선의 강도를 증대시킬 수 있다. 특히, 전면 전극(20)용 페이스트의 경우, 유리 프릿 내에 함유된 납 성분이 반사 방지막(12, ARC)인 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 박막층을 침투하여 오믹 컨택(ohmic contact)을 부여한다. 구체적으로, 소결 과정에서 납 성분은 실리콘 나이트라이드(Si3N4)와 반응하여 반사 방지막(12)을 부식시킴으로써, 은(Ag) 전극이 반사 방지막(12)을 침투하게 하여 n형 실리콘층(10a)과의 오믹 컨택(ohmic contact)이 형성되게 한다. 이러한 이유로, 전극(20)(30)용 페이스트를 구성하는 유리 프릿으로는 납 성분을 함유한 것을 사용하고 있다. 특히, 전면 전극(20)용 페이스트의 경우 납 성분은 n형 실리콘층(10a)과의 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성하는 침투제의 역할을 하므로, 납 성분의 함유는 필수적이다.
그러나 상기 선행 특허문헌들을 포함한 종래 기술에 따른 전극(20)(30)용 페이스트에는 상당량의 유해성 납 성분이 포함되어 환경에 치명적인 문제점을 일으킨다. 구체적으로, 특히 전면 전극(20)에 있어서 납 성분은 필수적이며, 납 성분이 유리 프릿 내에 상당량 함유되어만 그의 함유에 따른 역할(침투제의 역할)을 발휘할 수 있다. 예를 들어, 상기 선행 특허문헌 5에는 고체 성분 전체 중량 기준에 유리 프릿이 1 내지 15 중량퍼센트(wt%)를 차지하고, 상기 유리 프릿 내에는 15 내지 75 몰퍼센트(mole%)의 PbO와 5 내지 50 몰퍼센트(mole%)의 SiO2가 포함된 페이스트가 제시되어 있다. 이때, 납 성분(Pb)을 중량 기준으로 환산하면, 납 성분(Pb)은 고체 성분 전체 100 중량부 내에 대략적으로 최대 14.8 중량퍼센트(wt%)로 포함되고 있다. 이와 같이, 종래 기술에 따른 태양전지 전극용 페이스트에는 유해성 납이 높은 함량으로 포함되어 있어 환경에 치명적인 문제점을 일으키는 결점이 있다.
[선행 특허문헌 1] 일본 공개특허 제2001-202822호
[선행 특허문헌 2] 대한민국 공개특허 제2004-0025609호
[선행 특허문헌 3] 대한민국 공개특허 제2007-0066938호
[선행 특허문헌 4] 대한민국 공개특허 제2007-0067636호
[선행 특허문헌 5] 대한민국 공개특허 제2007-84100호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유해성 납(Pb)의 사용을 배제함으로써, 친환경적인 전극을 제조할 수 있는 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 유해성 납(Pb)을 사용하지 않고서도 열처리 시 반사 방지막(Si3N4 박막)을 침투하여 반도체 기판(N형 실리콘층)과 우수한 결합력을 갖게 함으로써, 낮은 직렬 저항(Rs) 및 높은 분로(shunt) 저항(Rsh)을 가지는 환경친화형 태양전지 전극용 페이스트, 및 이를 전면 전극으로 이용한 태양전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
고체 성분과 분산 매체를 포함하고,
상기 고체 성분은 금속 및 금속 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상의 전도성 분말;
납(Pb) 성분을 함유하지 않은 유리 프릿; 및
비스무스(Bi) 및 비스무스(Bi) 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상의 비스무스(Bi) 성분을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트를 제공한다.
상기 비스무스(Bi) 성분은 비스무스(Bi) 단일 금속; 비스무스(Bi) 합금; 비스무스(Bi) 산화물; 비스무스(Bi) 알콕사이드; 비스무스(Bi) 축중합 폴리머; 및 비스무스(Bi)와 베타디케톤류의 착물;로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
이때, 상기 비스무스(Bi) 성분이 비스무스(Bi), 비스무스(Bi) 합금 및 비스무스(Bi) 산화물 등과 같은 입자상인 경우 1 ~ 1,000 나노미터(㎚) 크기의 미립자인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1 ~ 200 나노미터(㎚) 크기의 미립자인 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따라서 상기 고체 성분은, 고체 성분 전체 중량기준으로 전도성 분말 40.0 ~ 99.0 중량부; 납(Pb)을 함유하지 않은 유리 프릿 0.1 ~ 57.0 중량부; 및 비스무스(Bi) 성분 0.1 ~ 3.0 중량부를 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 코팅된 반사 방지막; 상기 반사 방지막의 상부에 형성된 후, 소결에 의해 상기 반도체 기판과 컨택된 전면 전극; 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 후면 전극;을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 전면 전극이, 상기 본 발명에 따른 페이스트의 소결체를 포함하는 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 유해성 납(Pb) 성분의 사용을 배제할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 납(Pb) 성분의 대체 성분으로서 비스무스(Bi) 성분이 포함 되어, 상기 비스무스(Bi) 성분이 열처리 시 반사 반사막을 부식시켜 침투하고, 반도체 기판과의 결합력을 향상시킨다. 이에 따라, 본 발명은 유해성 납(Pb) 성분의 사용이 배제되어 무납(無鉛)형의 환경 친화적인 전극을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 반사 반사막의 침투 효과와 반도체 기판과의 결합력이 향상되어 낮은 직렬 저항(Rs) 및 높은 분로(shunt) 저항(Rsh)을 갖게 되며, 이에 따라 태양전지의 전기적 성능이 향상되는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전극용 페이스트는 고체 성분과, 상기 고체 성분을 분산시키는 분산 매체를 포함한다. 이때, 상기 고체 성분은 전도성 분말과, 상기 전도성 분말을 반도체 기판에 결합시키기 위한 무기 소결제로서의 무납(無鉛)형 유리 프릿(glass frit)과, 소결 과정에서 반사 방지막을 침투하여 오믹 컨택(ohmic contact)을 부여하는 침투제로서의 비스무스(Bi) 성분을 포함한다.
상기 전도성 분말은 금속 및 금속 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 여기서, 금속은 단일 금속 및 합금을 포함하며, 상기 금속 함유 화합물은 금속산화물 및 금속염 등을 예로 들 수 있다. 상기 전도성 분말은, 보다 구체적인 예를 들어 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt) 및 알루미늄(Al) 등의 금속으로부터 선택된 하나 이상(하나 또는 2 이상의 혼합) 또는 이들의 합금을 사용 할 수 있다. 또한, 상기 전도성 분말은 금속 함유 화합물로서, 예를 들어 은(Ag)이나 알루미늄(Al)의 산화물, 또는 은(Ag)이나 알루미늄(Al)의 염(유기염 및 무기염을 포함한다) 등으로부터 선택될 수 있다. 이러한 전도성 분말은 페이스트 내에 구형이나 박편 상의 입자 형태, 또는 이들이 분산된 콜로이드 형태로 포함될 수 있다. 아울러, 상기 전도성 분말은 위와 같은 금속 또는 금속 함유 화합물로부터 선택된 입자 표면에 유기물이 코팅된 것을 사용할 수 있다.
상기 전도성 분말은, 태양전지의 전면 전극용으로 바람직하게는 은(Ag), 은(Ag) 합금 및 은(Ag) 화합물(은 산화물이나 은 염) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 좋다. 은(Ag) 화합물은 예를 들어 은(Ag) 산화물로서 산화은(Ag2O), 은(Ag) 염으로서 염화은(AgCl), 질산은(AgNO3), 은 아세테이트(AgOOCCH3) 등으로부터 선택될 수 있다. 전면 전극용으로서의 전도성 분말은, 가장 바람직하게는 은(Ag) 입자가 좋다. 또한, 후면 전극용으로서의 전도성 분말은, 바람직하게는 알루미늄(Al), 알루미늄(Al) 합금 및 알루미늄(Al) 화합물(알루미늄 산화물이나 알루미늄염) 등을 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 알루미늄(Al) 입자가 좋다.
상기 전도성 분말은 0.01 마이크로미터(㎛) ~ 30.0 마이크로미터(㎛)의 크기를 가지는 것이 좋으며, 입경이 작을수록 소결성에 유리하므로 상기 전도성 분말은 바람직하게는 100 나노미터(㎚) ~ 500 나노미터(㎚)의 크기를 가지는 것이 좋다.
또한, 위와 같은 전도성 분말은 고체 성분 전체 중량 기준으로, 즉 고체 성 분 전체 100 중량부에 대하여 40.0 ~ 99.0 중량부로 포함되는 것이 좋다. 이때, 전도성 분말의 함량이 40.0 중량부 미만이면, 전도성이 떨어져 전기적 성능이 저하되어 바람직하지 않고, 99.0 중량부를 초과하면 상대적으로 유리 프릿과 비스무스(Bi) 성분의 함량이 작아져 이들 함유에 따른 소결성 및 침투력 등의 효과가 미미하여 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는, 상기 전도성 분말은 고체 성분 전체 중량 기준으로 70.0 ~ 99.0 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 유리 프릿은 본 발명에 따라서 납(Pb) 성분을 함유하지 않은 무납(無鉛)형이 사용된다. 본 발명에서, 상기 유리 프릿은 열처리에 의해 소결될 수 있으면서, 납(Pb) 성분을 함유하지 않고, 적어도 규소(Si) 성분을 함유하는 것이면 어떠한 것이든 사용 가능하다. 상기 유리 프릿은, 예를 들어 SiO2계, SiO2-ZnO계(Si-Zn-O계), SiO2-B2O3계(Si-B-O계) 및 SiO2-Bi2O3계(Si-Bi-O계) 등을 사용할 수 있다. 여기서, SiO2계란 유리 프릿의 주성분이 SiO2인 것을 의미하고, SiO2-ZnO계란 유리 프릿의 주성분이 SiO2이고 부성분으로서 ZnO가 함유된 것을 의미한다. 또한, 상기 유리 프릿은 상기와 같은 주성분 및 부성분 외에 기타 성분으로서의 산화물을 더 포함할 수 있다. 이러한 산화물은 예를 들어 Al2O3, Ta2O5, Sb2O5, ZrO2, HfO2, In2O3, Ga2O3, Y2O3, 및 Yb2O3 등으로 선택된 하나 또는 둘 이상으로부터 선택될 수 있다. 유리 프릿은, 바람직하게는 저융점을 갖는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 유리 프릿은 전도성 분말로서 은(Ag)을 사용하는 경우 450 ~ 550℃의 연화점을 가 지면 좋다. 전도성 분말로서 은(Ag)을 사용하는 경우, 열처리(소결)는 대략 600 ~ 800℃ 범위에서 진행될 수 있는데, 이때 유리 프릿의 연화점이 450℃ 보다 낮으면 유리 프릿의 빠른 용융으로 인하여 은(Ag)의 소결이 어려우며, 유리 프릿의 연화점이 450℃ 보다 높으면 유리 프릿의 양호한 용융 및 유동이 발생하지 않아 은(Ag)과 반도체 기판과의 양호한 결합 강도가 나타나지 않을 수 있다.
또한, 상기 유리 프릿은 고체 성분 전체 중량 기준으로, 즉 고체 성분 전체 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 57.0 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 이때, 유리 프릿의 함량이 0.1 중량부 미만이면, 결합력이 떨어져 반도체 기판과의 양호한 결합력을 도모하기 어려우며, 57.0 중량부를 초과하면 과잉 함유에 따른 효과가 그다지 크지 않고 상대적으로 전도성 분말과 비스무스(Bi) 성분의 함량이 작아져 이들 함유에 따른 효과가 미미하여 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는, 유리 프릿은 고체 성분 전체 중량 기준으로 1.0 ~ 20.0 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 비스무스(Bi) 성분은, 종래의 납(Pb) 성분을 대체하여 본 발명에 따라서 반사 방지막(Si3N4 박막)을 침투하여 반도체 기판(N형 실리콘층)과의 오믹 컨택(ohmic contact)을 부여하는 침투제로서 작용한다. 본 발명에 따르면, 비스무스(Bi) 성분이 종래의 납(Pb) 성분과 동일한 역할을 하여, 이러한 비스무스(Bi) 성분의 사용에 의해 납(Pb) 성분의 사용은 배제된다.
상기 비스무스(Bi) 성분은 비스무스(Bi) 및 비스무스(Bi) 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 비스무스(Bi)는 Bi 단일 금속 및 Bi 합금을 포함하며, 상기 Bi 함유 화합물은 Bi 전구체로서 Bi 산화물(수산화물을 포함하다), Bi 무기염, Bi 함유 폴리머, Bi 착물 등으로부터 선택된 하나 이상을 예로 들 수 있다.
구체적으로, 상기 비스무스(Bi) 성분은 하기 화학식 1로 표기되는 Bi 산화물을 유용하게 사용할 수 있다.
[화학식 1]
BipOqHr
(위 식에서, p와 q는 0보다 큰 정수 또는 소수이고, r은 0이거나 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
또한, 상기 비스무스(Bi) 성분은 하기 화학식 2로 표기되는 Bi 알콕사이드를 유용하게 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Bia(OR)b
(위 식에서, R은 수소 또는 탄화수소이고, a와 b는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
아울러, 상기 비스무스(Bi) 성분은 하기 화학식 3으로 표기되는 Bi 축중합 폴리머를 유용하게 사용할 수 있다.
[화학식 3]
BixOy(OR)z
(위 식에서, R은 수소 또는 탄화수소이고, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
또한, 상기 비스무스(Bi) 성분은 Bi와 하기 화학식 4로 표기되는 베타디케톤류의 착물을 유용하게 사용할 수 있다.
[화학식 4]
(위 식에서, R 및 R'는 수소 또는 탄화수소이다.)
상기 화학식 2 내지 4에서, R과 R'이 탄화수소인 경우, 상기 R과 R'은 사슬 내에 알킬 그룹, 아릴 그룹 등의 다양한 관능기를 가진 탄화수소가 될 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에서, 비스무스(Bi) 성분은 상기한 바와 같이 Bi; Bi 합금; 상기 화학식 1로 표기되는 Bi 산화물; 상기 화학식 2로 표기되는 Bi 알콕사이드; 상기 화학식 3으로 표기되는 Bi 축중합 폴리머; 및 Bi와 상기 화학식 4로 표기되는 베타디케톤류의 착물로부터 선택된 어느 하나를 유용하게 사용하거나, 또는 이들을 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로 Bi, Bi 합금, Bi 산화물(화학식 1), Bi 알콕사이드(화학식 2), Bi 축중합 폴리머(화학식 3) 및 착물(Bi와 화학식 4의 착화합물)로부터 선택된 어느 하나를 사용하거나, Bi와 Bi 산화물(화학식 1)의 혼합, Bi 산화물(화학식 1)과 Bi 축중합 폴리머(화학식 3)의 혼합, 또는 Bi 산화물(화학식 1)와 착물(Bi와 화학식 4의 착화합물)의 혼합 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 비스무스(Bi) 성분은 입자상일 경우 1 ~ 1,000 나노미터(㎚) 크기의 미립자로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 200 나노미터(㎚) 이하, 구체적으로는 1 ~ 200 ㎚ 크기의 미립자인 것이 좋다. 상기 비스무스(Bi) 성분의 크기는 본 발명의 목적 달성을 위한 중요 요건으로 작용한다. 입자상의 비스무스(Bi) 성분이 1,000 ㎚를 초과하여 너무 크면 활성이 떨어져 종래 납 성분의 대체 효과, 즉 반사 방지막(Si3N4 박막)에 대한 우수한 침투력과 반도체 기판과의 우수한 결합력을 도모하지 못할 수 있다. 구체적으로, 비스무스(Bi) 성분은 1,000 ㎚ 이하의 미립자의 크기(바람직하게는, 200 ㎚ 이하)를 가짐으로 인하여, 활성이 우수해져 표면적과 반응성이 향상되고 우수한 소결성을 갖는다. 또한, 상기 비스무스(Bi) 성분이 상기 화학식 형태의 화합물(화학식 2 내지 3, 화학식 4와 비스무 스(Bi)의 착물)인 경우 납 성분을 효과적으로 대체하여 반사 방지막(Si3N4 박막)에 대한 우수한 침투력과 반도체 기판과의 우수한 결합력을 도모한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 비스무스(Bi) 성분이 유리 프릿과는 별도의 성분으로서 페이스트 내에 포함되어지되, 1,000 ㎚ 이하의 미립자 또는 상기 화학식 형태의 화합물(화학식 2 내지 3, 화학식 4와 비스무스(Bi)의 착물)인 경우, 표면적과 반응성이 향상되어 반사 방지막(Si3N4 박막)에 대한 우수한 침투력을 가지며, 이와 함께 소결성이 향상되어 반도체 기판과의 우수한 결합력을 도모한다. 아울러, 이와 같이 우수한 침투력 및 결합력으로 인하여 낮은 직렬 저항(Rs) 및 높은 분로(shunt) 저항(Rsh)을 가져 전지의 전기적 성능을 향상시킨다.
따라서 본 발명에 따르면, 비스무스(Bi) 성분에 의해, 유해성 납(Pb) 성분의 사용을 배제할 수 있어 환경 친화적인 전극을 제조할 수 있으며, 이와 함께 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 비스무스(Bi) 성분은 고체 성분 전체 중량 기준으로, 즉 고체 성분 전체 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 3.0 중량부로 포함되는 것이 좋다. 이때, 비스무스(Bi) 성분의 함량이 0.1 중량부 미만이면, 이의 함유에 따른 침투력과 결합력의 향상 등을 도모하기 어려우며, 3.0 중량부를 초과하면 과잉 함유에 따른 효과가 그다지 크지 않을 수 있다. 여기서, 비스무스(Bi) 성분의 함량은 비스무스(Bi) 원소 기준이다. 즉, 비스무스(Bi) 성분이 예를 들어 Bi2O3 이나 Bi(OH)3 등의 산화물(수 산화물)로 포함되는 경우, Bi 원소의 함량 기준으로 0.1 ~ 3.0 중량부로 포함되는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 상기 비스무스(Bi) 성분은 고체 성분 전체 중량 기준으로 0.1 ~ 1.5 중량부로 포함되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 전극용 페이스트는, 이상에서 설명한 고체 성분과, 상기 고체 성분을 분산시키는 분산 매체를 포함하는 데, 이때 상기 분산 매체는 고체 성분을 분산시킬 수 있는 것이면 어떠한 것이든 사용 가능하다. 상기 분산 매체는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 고체 성분과의 중량비로 1 : 0.05 ~ 60.0(즉, 중량 기준으로, 고체 성분 : 분산 매체 = 1 : 0.05 ~ 60.0)으로 포함될 수 있으며, 이러한 분산 매체는, 예를 들어 물 또는 유기 용제(알콜류, 글리콜류 등) 등의 용매를 적어도 포함하되, 고체 입자의 분산성을 향상시키기 위한 분산제를 더 포함할 수 있다. 이러한 분산제는, 예를 들어 알킬 아민, 카르복실산아미드, 아미노카르복실산염, 시트르산염 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 전극용 페이스트는 고체성분 및 분산매체 외에, 통상적으로 사용되는 수지 결합제 및 첨가제 등을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 수지 결합제는 유기물로부터 선택될 수 있으며, 특별히 한정하는 것은 아니지만 예를 들어 폴리메타크릴레이트, 에틸 셀룰로오즈, 에틸 하이드록시 에틸 셀룰로오즈, 로진(rosin), 에틸렌클리콜모노부틸에테르모노아세테이트 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 첨가제는 안정화제, 점도 조절제 등을 예로 들 수 있으며, 이들의 구체적인 종류는 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 것으로부터 선택될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 전극용 페이스트는 10 ~ 500 Paㆍs의 점도 를 가질 수 있으며, 태양전지의 전면 전극이나 후면 전극으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 페이스트는 특히 태양전지의 전면 전극용으로 유용하게 사용될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 전극용 페이스트는 태양전지의 반도체 기판(보다 구체적으로는, 반사 방지막) 상에 인쇄기법을 통하여 패터닝될 수 있다. 여기서, 인쇄기법은 스크린 프린팅, 롤투롤 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프세트 프린팅, 잉크젯 프린팅 등을 예로 들 수 있으며, 전면 전극의 경우 바람직하게는 격자 모양의 그리드 패턴으로 형성되는 것이 좋다. 이와 같이 패터닝된 후에는 600 ~ 800℃의 온도에서 열처리되어 소결되는 것이 좋다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지는, 전면 전극이 이상에서 설명한 본 발명에 따른 무연(無鉛) 페이스트의 소결체를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 태양전지는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 코팅된 반사 방지막; 상기 반사 방지막의 상부에 형성된 후, 소결에 의해 상기 반도체 기판과 컨택된 전면 전극; 및 상기 반도체 기판(실리콘 웨이퍼)의 하부에 형성된 후면 전극;을 포함하되, 상기 전면 전극은 전술한 바와 같은 본 발명의 페이스트의 소결체를 적어도 포함하여 구성된다.
상기 반도체 기판 및 반사 방지막은 통상과 같이 구성될 수 있다. 아울러, 상기 후면 전극은 통상과 같은 Al 페이스트가 소결되어 구성되거나, 또는 전술한 바와 같은 본 발명의 페이스트가 소결되어 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1] - Ag 분말
(주)나노신소재(대한민국 충청북도 청원군 부용면 금호리 부용공단 소재)에서 판매하는 평균 입경 200㎚ 크기를 가지며, 표면이 유기물로 코팅된 구형 타입의 Ag 분말(전도성 금속 분말)을 준비하였다. 상기 Ag 분말의 사진을 도 2에 나타내었다.
[제조예 2] - Bi(OH)3 분산 용액
(주)나노신소재(대한민국 충청북도 청원군 부용면 금호리 부용공단 소재)에서 판매하는 평균 입경 50㎚의 크기를 갖는 Bi(OH)3 나노 분말을 용매(톨루엔)을 사용하여 25중량%의 농도로 볼밀을 진행하여 분산 평균 입경 80㎚의 크기를 갖는 Bi(OH)3 분산 용액을 제조하였다. Bi(OH)3 나노 분말을 위와 같이 볼밀을 진행하여 분산 용액으로 제조한 경우, 페이스트 제조과정에서 Bi(OH)3 나노 분말을 균일하게 분포시킬 수 있는 장점이 있다. 이때, 용매로서 사용된 톨루엔은 삼본밀을 이용해 페이스트를 제조하는 과정에서 대부분 휘발되어 페이스트 내에 존재하지 않게 된다. 상기 나노 크기의 Bi(OH)3 분산 용액의 사진을 도 3에 나타내었다.
[제조예 3] - Bi2O3 분산 용액
(주)나노신소재(대한민국 충청북도 청원군 부용면 금호리 부용공단 소재)에서 판매하는 Bi(OH)3 나노 분말을 600℃에서 소결을 진행하여 베이지색을 띠는 Bi2O3 분말을 제조하였다. 소결 과정을 통해 제조된 Bi2O3 분말을 분쇄 과정을 거친 후, 용매로서 톨루엔을 사용하여 30중량%의 농도로 볼밀을 진행하여 분산 평균 입경 50㎚의 크기를 갖는 Bi2O3 분산 용액을 제조하였다. 상기 나노 크기의 Bi2O3 분산 용액의 사진을 도 4에 나타내었다.
[실시예 1]
제조예 1에서의 평균 입경 200㎚ 크기의 Ag 분말(powder)에 납이 함유되지 않은 평균 입경 0.7~3.0㎛의 크기를 갖는 Si-B-O계 유리 프릿을 전체 무게의 3.0중량%로 첨가한 혼합물을 준비하였다. 바인더 역할을 하는 에틸 셀룰로오스는 Terpineol을 이용해 30중량%의 농도로 용해를 하여 준비된 혼합물에 첨가하여 균일하게 분포하도록 하였다. 제조예 2의 분산입경 80nm의 크기를 갖는 Bi(OH)2 분산용액을 고형분을 고려하여 전체무게의 0.5중량%를 추가로 가하고, 혼합기를 사용하여 예비 혼합을 한 후, 삼본밀을 이용해 반복 분산하여 페이스트화를 진행하였다. 삼본밀 과정 중 페이스트의 점도가 높아 Terpineol을 첨가하여 점도를 조정함으로서 스크린 프린트에 적합한 태양전지 전극용 페이스트를 제조하였다. 제조된 페이스트를 Brookfield LVDV-Ⅱ+Pro CPE-51 스핀들을 이용하여 점도를 측정해본 결과 0.4rpm에서 195,000cps의 점도를 나타내었다. 본 실시예에 따른 페이스트의 구성 성분(및 함량) 및 점도를 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 표 1에서 함량은 페이스트 전체를 기준으로 한 중량%이며, 나머지 잔량은 바인더 및 점도 조절을 위한 용제 등이다.
[실시예 2]
실시예 1과 비교하여 제조예 2의 분산 입경 80㎚의 크기를 갖는 Bi(OH)2 분산용액을 고형분을 고려하여 페이스트 전체무게의 1.0중량%로 조정한 것 외에는 동일한 방법으로 삼본밀을 이용하여 Terpineol을 첨가하며, 점도 조절 하에 페이스트를 제조하였다. 본 실시예에 따른 페이스트의 구성 성분(및 함량) 및 점도를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[실시예 3]
실시예 1과 비교하여 Bi(OH)2 분산용액 대신 제조예 3의 분산 입경 50㎚의 크기를 갖는 Bi2O3 분산용액을 고형분을 고려하여 페이스트 전체무게의 0.5중량%로 조정한 것 외에는 동일한 방법으로 삼본밀을 이용하여 Terpineol을 첨가하며, 점도 조절 하에 페이스트를 제조하였다. 본 실시예에 따른 페이스트의 구성 성분(및 함 량) 및 점도를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[실시예 4]
실시예 3과 비교하여 제조예 3의 분산 입경 50㎚의 크기를 갖는 Bi2O3 분산용액을 고형분을 고려하여 페이스트 전체무게의 0.8중량%로 조정한 것 외에는 동일한 방법으로 삼본밀을 이용하여 Terpineol을 첨가하며, 점도 조절 하에 페이스트를 제조하였다. 본 실시예에 따른 페이스트의 구성 성분(및 함량) 및 점도를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[비교예 1]
제조예 1에서의 200㎚ 크기의 Ag 분말(powder)와 납 화합물이 80중량% 포함된 평균 입경 0.5~3.5㎛의 크기를 갖는 Si-Pb-O계 유리 프릿을 페이스트 전체 무게의 3.0중량%로 첨가한 혼합물을 준비하였다. 바인더 역할을 하는 에틸 셀룰로오스는 Terpineol을 이용해 30중량%의 농도로 용해를 하여 준비된 혼합물에 첨가하여 균일하게 분포하도록 하였다. 혼합기를 사용하여 예비 혼합을 한 후, 삼본밀을 이용해 반복 분산하여 페이스트화를 진행하였다. 삼본밀 과정 중 페이스트의 점도가 높아 Terpineol을 첨가하여 점도를 조정함으로서 스크린 프린트에 적합한 태양전지용 페이스트를 제조하였다. 본 비교예에 따른 페이스트의 구성 성분(및 함량) 및 점도를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[비교예 2]
비교예 1과 비교하여 납 화합물이 80% 포함된 평균 입경 0.5~3.5㎛의 크기를 갖는 Si-Pb-O계 유리 프릿을 페이스트 전체 무게의 0.5중량%로 조정하고, 여기에 납이 함유되지 않은 평균 입경 0.7~3.0㎛의 크기를 갖는 Si-B-O계 유리 프릿을 페이스트 전체 무게의 3.0중량%로 더 첨가 조정한 것 외에는 동일한 방법으로 삼본밀을 이용하여 Terpineol을 첨가하며, 점도 조절 하에 페이스트를 제조하였다. 본 비교예에 따른 페이스트의 구성 성분(및 함량) 및 점도를 하기 [표 1]에 나타내었다.
| 비 고 |
실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 비교예 1 | 비교예 2 |
| Ag 분말 |
80.7 | 80.1 | 81.0 | 80.6 | 81.2 | 80.4 |
| 에틸 셀룰로오스 |
1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.1 |
| Si-B-O계 유리 프릿 |
3 | 3 | 3 | 3 | - | 3 |
| Si-Pb-O계 유리 프릿 |
- | - | - | - | 3 | 0.5 |
| 80nm Bi(OH)3 |
0.5 | 1.0 | - | - | - | - |
| 50nm Bi2O3 |
- | - | 0.5 | 0.8 | - | - |
| 점 도 cps (@ 0.4rpm) |
195,000 | 193,000 | 205,000 | 201,000 | 199,000 | 204,000 |
< 태양전지 셀 제조 및 전기적 특성 평가 >
후면에 알루미늄이 도포된 6인치 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 상기 실시예 및 비교예에 따른 페이스트를 스크린 인쇄방법으로 도포하고, 150℃에서 건조를 하였다. 인쇄에 사용된 마스크는 Metallic 325mesh로 사용하였으며, 평가용 패턴은 120㎛ 폭의 핑거라인과 2㎜폭의 버스라인으로 구성되게 하였다. 얻어진 기판은 적외선 소성로에서 피크온도 약 780℃에서 IN-OUT 약 4분의 조건으로 도포된 페이스트를 소성하여 태양전지 기판(셀)을 제작하였다. 제작된 기판(셀)의 전기적 특성(I-V) 평가는 PASAN CT801 셀 테스터기를 사용하여 측정하였다. 각각의 실시 예와 비교 예에 따른 페이스트를 적용한 태양전지 셀의 변환효율(Eff %), 충전요소(FF %), 개방전압(Voc), 단락 전류 (Isc), 최대 전압(Vmp) 및 최대 전류(Imp) 등의 전기적 특성 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
| 비 고 |
Voc (V) | Isc ( A) | Vmp (V) | Imp (A) | FF (%) | Eff (%) |
| 실시예 1 |
0.608 | 8.086 | 0.501 | 7.014 | 71.477 | 15.130 |
| 실시예 2 |
0.604 | 8.094 | 0.509 | 6.998 | 72.860 | 15.336 |
| 실시예 3 |
0.612 | 8.084 | 0.501 | 7.091 | 71.807 | 15.296 |
| 실시예 4 |
0.614 | 8.106 | 0.502 | 7.093 | 71.542 | 15.331 |
| 비교예 1 |
0.620 | 8.154 | 0.505 | 7.087 | 70.793 | 15.409 |
| 비교예 2 |
0.607 | 7.751 | 0.402 | 6.450 | 55.122 | 11.161 |
상기 [표 2]에 나타난 바와 같이, 납 화합물 대신에 비스무스(Bi) 화합물을 사용한 본 발명의 페이스트(실시예 1 내지 4)의 경우에도 전극의 효율적인 접촉으로 우수한 전기적 특성을 구현함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 우수한 전기적 특성을 구현함은 물론 납(Pb)의 사용 배제로 친환경성을 도모함을 알 수 있다. 또한 비교예 2에서와 같이 납 화합물의 사용 감소를 위해 Si-Pb-O계 유리 프릿을 적은 양(0.5중량%)으로 사용한 경우 전기적 특성(특히, FF % 및 Eff %)이 매우 낮음을 알 수 있었다.
도 1은 일반적인 태양전지의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 평균 입경 200 nm의 나노 Ag 분말 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 사용된 나노 크기의 Bi(OH)3 분산 용액의 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 사용된 나노 크기의 Bi2O3 분산 용액의 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 반도체 기판 10a : n형 실리콘층
10b : p형 실리콘층 12 : 반사 방지막
20 : 전면 전극 30 : 후면 전극
Claims (8)
- 고체 성분과 분산매체를 포함하고,상기 고체 성분은,금속 및 금속 화합물로부터 선택된 하나 이상의 전도성 분말;납(Pb) 성분을 함유하지 않은 유리 프릿; 및비스무스(Bi) 및 비스무스(Bi) 함유 화합물로부터 선택된 하나 이상의 비스무스(Bi) 성분을 포함하되,상기 비스무스 성분은 하기 화학식 1로 표기되는 비스무스(Bi) 알콕사이드; 하기 화학식 2로 표기되는 비스무스(Bi) 축중합 폴리머; 및 비스무스(Bi)와 하기 화학식 3으로 표기되는 베타디케톤류의 착물 중 어느 하나 이상이 선택되고, 1~1000nm 크기의 미립자로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트.[화학식 1]Bia(OR)b(위 식에서, R은 수소 또는 탄화수소이고, a와 b는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)[화학식 2]BixOy(OR)z(위 식에서, R은 수소 또는 탄화수소이고, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)[화학식 3]
(위 식에서, R 및 R'는 수소 또는 탄화수소이다.) - 제1항에 있어서,비스무스(Bi) 성분은 1 ~ 200 나노미터(㎚) 크기의 미립자인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 제1항에 있어서,전도성 분말은 은(Ag), 은(Ag) 합금 및 은(Ag) 화합물로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 제1항에 있어서,전도성 분말은 0.01 ~ 30.0㎛ 크기의 은(Ag) 입자인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 제1항에 있어서,고체 성분은,전도성 분말 40.0 ~ 99.0 중량부;납(Pb)을 함유하지 않은 유리 프릿 0.1 ~ 57.0 중량부; 및비스무스(Bi) 성분 0.1 ~ 3.0 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 코팅된 반사 방지막; 상기 반사 방지막의 상부에 형성된 후, 소결에 의해 상기 반도체 기판과 컨택된 전면 전극; 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지에 있어서,상기 전면 전극은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 페이스트의 소결체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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