KR101094197B1 - 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 분산공정을 단축시켜 공정효율을 높일 수 있으며, 페이스트의 분상성 및 요변성을 크게 향상시켜 스크린 프린팅 시에 인쇄선이 번짐없이 희망하는 도포높이를 유지할 수 있는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 및 그 제조방법에 대한 것이다.
본 발명은 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 및 그 제조방법{Conductive silver paste for solar cell electrode and the method thereof}

본 발명은 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 분산공정을 단축시켜 공정효율을 높일 수 있으며, 페이스트의 분상성 및 요변성을 크게 향상시켜 스크린 프린팅 시에 인쇄선이 번짐없이 희망하는 도포높이를 유지할 수 있는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 및 그 제조방법에 대한 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) 상에서 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 기판과 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 전면 전극과 및 상기 반도체 기판의 하부에 형성된 후면 전극을 갖는다.

또한, 상기 반도체 기판의 표면에는 입사되는 태양광의 반사 손실을 방지하기 위한 반사 방지막이 코팅되어 있다.

상기 반도체 기판은 N형 실리콘층과 P형 실리콘층을 가지는 실리콘 웨이퍼로 구성되며, 상기 후면 전극은 주로 알루미늄 막으로 구성된다.

구체적으로, 상기 후면 전극은 알루미늄 분말을 주재료 한 페이스트(paste)가 P형 실리콘층에 코팅된 다음, 소결(sintering)하는 과정에서 P형 실리콘층 내부에 Al 이온이 확산되어, P형 실리콘층과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성한다.

또한, 상기 반사 방지막은 주로 태양광의 반사 손실을 방지하기 위한 유효 성분으로서 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)를 포함한다. 상기 전면 전극은 주로 은(Ag)이 사용되고 있다.

즉, 상기 전면 전극은 은(Ag) 분말을 주재료로 한 페이스트가 반사 방지막상에 그리드 패턴(grid pattern)으로 인쇄된 다음, 소결되어 형성된다.

이때, 전면 전극은 열처리를 통한 소결 과정에서 반사 방지막을 침투하여 N형 실리콘층과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성함으로써, 태양전지의 직렬 저항을 낮춘다.

한편 태양전지의 전극, 구체적으로 태양전지의 전면 및 후면 전극은 위와 같이 전도성 금속(Ag, Al 등)을 주재료로 한 페이스트가 소결되어 형성되고 있다. 또한, 상기 전극용 페이스트는 전도성 금속 성분을 소결을 통해 반도체 기판에 부착하기 위한 무기 소결제로서의 유리 프릿(glass frit), 그리고 이들 고체 성분을 분산하기 위한 분산 매체로서의 유기물(유기 용제 등) 등을 포함하고 있다.

그러나 종래의 페이스트는 태양전지와의 밀착성과 접착력이 떨어지고, 장시간에 따른 분산공정으로 공정효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 분산공정을 단축시켜 공정효율을 높일 수 있으며, 태양전지와의 밀착성과 접착력을 크게 높일 수 있는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트를 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 500 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상이고, 카프릴산으로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트에 플래너터리 믹서와 3롤밀로 혼합 분산시키는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 제조방법에 있어서, 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말, 또는 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 500 ppm 코팅한 은분말, 또는 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상이고, 카프릴산으로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말, 또는 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상 은분말 75 ~ 84 중량%를 준비하는 단계와, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%를 준비하는 단계와, 상기 은분말들 중 어느 하나의 은분말에 상기 에틸셀룰로오스, 유기용제, 글래스 프릿, 첨가제를 혼합 분산시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 혼합 분산 단계는 플래너터리 믹서와 3롤밀로 혼합 분산시키는 단계인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 장시간에 걸친 종래의 분산공정을 단축시켜 공정효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따르면 습식 환원법에 의해 제조된 입도 분포가 넓은 은분말을 다양한 관능기를 지닌 커플링제로 표면을 코팅함으로써 페이스트의 분상성 및 요변성을 크게 향상시켜 스크린 프린팅 시에 인쇄선이 번짐없이 희망하는 도포높이를 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 커플링제가 코팅된 은분말에 의해 제조된 은 페이스트는 스크린 프린팅 시에 태양전지와의 밀착성과 접착력을 크게 높일 수 있다.

도1은 종래 발명에 따른 전극 형성용 전도성 페이스트를 태양전지 전극에 적용한 것을 개략적으로 보여주는 도면.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 조성물로는 은분말, 글래스 프릿, 셀룰로오즈계 바인더, 고비점 유기용제 및 기능성 첨가제를 포함하며, 페이스트 제조에 사용된 은 분말은 커플링제로 단분자 혹은 다분자층을 형성시킴으로써 유기 비이클과의 친화성을 높인 것이며, 이로 인해 분산성이 뛰어나고, 커플링제 종류 및 함량에 따라 전도성 페이스트의 요변성을 쉽게 변화시킬 수 있어 우수한 인쇄적성이 가능함은 물론 고효율, 고해상도에 적합하다.

여기에서 상기 은분말은 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛의 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm으로 코팅하거나, 500 ppm으로 코팅하거나, 카프릴산으로 표면을 300 ppm으로 코팅한 75 ~ 84 중량%가 사용된다.

상기 커플링제로는 일반적인 오가노실레인(organosilane)을 사용할 수 있고, 경우에 따라 중심원자가 Si가 아닌 Al, Zr, Ti, Zn를 이용할 수도 있으며, 최소 2개 이상의 관능기를 지니고, 선상의 분자사슬 구조를 가진다.

또한 상기 커플링제는 중심원자를 중심으로 은분말과 결합할 수 있는 수산기를 반듯이 지녀야하며, 유기 비이클과 반응하는 관능기로 카르복실기, 아미노기, 설포닐기, 에폭시기, 아지리딘기를 갖는 커플링제 등이 사용될 수 있으며, 이들의 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되어 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 은분말 표면 개질을 위해서 사용되는 커플링제의 적정 함량으로는 10 ~ 1000 ppm 이하에서 사용되는 것이 바람직하며, 특히 80 ~150 ppm으로 코팅하는 것이 가장 바람직하다.

왜냐하면, 코팅되는 커플링제의 함량이 100 ppm 미만일 때는 분산성이 떨어지고 요변성이 높지 않아 인쇄선이 쉽게 번지는 문제가 있고, 1000 ppm 이상에서는 은분말과 유기 비히클간의 결합력이 높아져 인쇄선이 쉽게 끊어지고 전극의 표면에 돌기자국 및 핀홀이 다량 발생할 수 있기 때문이다.

또한 인쇄된 전극은 높은 종횡비(aspect ratio)로 인해 태양전지의 빛 흡수 손실을 크게 줄이고 직렬저항을 낮추어 결과적으로 광발전 효율을 높일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 조성물의 유기비이클 상에 은 입자가 쉽게 분산됨에 따라 분산공정을 단축시켜 공정효율을 높일 수 있다.

한편 바인더로는 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose), 니트로셀룰로오스(Nitro cellulose), 하이드록시셀룰로오스(Hydroxy cellulose), 셀룰로오스아세테이트부티레이트(Cellulose acetate butyrate) 등이 사용될 수 있으며, 이들을 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.

유기용제는 바인더를 용해시키는 물질로서 100 ^oC 이상의 비점을 갖는 테르피네올(Terpineol), 텍사놀(Texanol), 디부틸프탈레이트(Dibutyl phthalate), 부틸셀로솔브(Butyl cellosolve), 부틸카비톨(Butyl carbitol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 등이 사용될 수 있으며, 특히 본 발명에서 유기용제로는 바인더를 용해시키는 물질로서 텍사놀이 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 글래스 프릿으로는 ZnO 계 또는 Bi₂O₃ 계 유리 조성물일 수 있고, ZnO 또는 Bi₂O₃ 가 각각 30 내지 50 중량%의 범위로 배합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 유리 조성물은 추가로 BaO, TiO₂을 함유하고 있을 수도 있으며, 바람직한 함유량은 BaO가 5 내지 10 중량%, Al₂O₃, 가 2 내지 5 중량%이다.

또한 본 발명의 태양전지 전극용 은 페이스트는 필요에 따라 첨가제들을 포함할 수 있는데, 예컨데 점도 조정제, 소포제, 분산제, 안정화제 등을 있으며, 0.1 내지 3 중량% 범위 내에서 사용한다.

따라서, 본 발명에 따른 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트에는 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 3 ~ 4 중량%가 혼합 분산되는 것이 바람직하다.

1. 전도성 페이스트 제조

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시 예1>

습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 중량%, 유기용제 10 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 중량%, 첨가제 1 중량%를 플래너터리 믹서와 3롤밀로 혼합 분산시켜 태양전지 전극형성용 페이스트를 제조하였다.

<실시 예2>

습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 500 ppm 코팅한 은분말 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 중량%, 유기용제 10 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 중량%, 첨가제 1 중량%를 플래너터리 믹서와 3롤밀로 혼합 분산시켜 태양전지 전극형성용 페이스트를 제조하였다.

<실시 예3>

습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상이고, 카프릴산으로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 중량%, 유기용제 10 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 중량%, 첨가제 1 중량%를 플래너터리 믹서와 3롤밀로 혼합 분산시켜 태양전지 전극형성용 페이스트를 제조하였다.

<실시 예4>

습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상 은분말 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 중량%, 유기용제 10 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 중량%, 첨가제 1 중량%를 플래너터리 믹서와 3롤밀로 혼합 분산시켜 태양전지 전극형성용 페이스트를 제조하였다.

2. 태양전지 전극형성

하기 표1과 같이 실시예 1 내지 실시예 4를 통하여 제조한 태양전지 전극 형성용 전도성 페이스트를 단결정 태양전지에 스크린 프린팅기법으로 도포하고, 150 ^oC에서 10분간 건조시키며, 600 내지 800 ^oC에서 1분 동안 소성하여 태양전지 전면 은전극을 형성시켰다.

3. 평가

단결정 태양전지의 전기 특성(I-V)을 전지 시험기에 의해 평가하였다.

표 2에서 Eff는 변환 효율, Rs는 직렬저항을 의미하는 것으로 여기서 Eff는 수치가 높을수록 우수한 것이며, Rs는 수치가 낮을수록 태양전지의 발전성능이 우수하다.

결과를 하기 표2에 나타내었으며, 각 수치는 실시예3을 기준으로 상대값으로 표기하였다.

따라서 상술한 실시예2로 제조된 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트가 변환 효율과 직렬저항이 상대적으로 우수한 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허등록청구범위뿐만 아니라 이 특허등록청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트.
2. 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 500 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트.
3. 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상이고, 카프릴산으로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%, 에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트.
4. 삭제
5. 삭제
6. 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 제조방법에 있어서,
   습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말, 또는 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5 ㎛으로 구상이고, 아미노계 커플링제로 표면을 500 ppm 코팅한 은분말, 또는 습식 환원법에 의해 제조된 평균입경이 1.5㎛으로 구상이고, 카프릴산으로 표면을 300 ppm 코팅한 은분말 75 ~ 84 중량%를 준비하는 단계와;
   에틸셀룰로오스 3 ~ 4 중량%, 유기용제 10 ~ 15 중량%, 입경이 2㎛이고 연화점이 520 ^oC인 글래스 프릿 2 ~ 3 중량%, 첨가제 1 ~ 2 중량%를 준비하는 단계와;
   상기 은분말들 중 어느 하나의 은분말에 상기 에틸셀룰로오스, 유기용제, 글래스 프릿, 첨가제를 혼합 분산시키는 단계;
   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 전도성 은 페이스트 제조방법.
7. 삭제

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