KR101231344B1 - 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지 - Google Patents

태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물은, 구형 분말 및 비구형 분말을 포함하는 전도성 분말; 용매와 바인더를 포함하는 유기 비히클; 유리 프릿을 포함한다. 상기 바인더가 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate, CAB) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 제1 바인더를 포함한다.

Description

태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지{PASTE COMPISITION FOR REAR ELECTRODE OF SOLAR CELL INCLUDING THE SAME, AND SOLAR SELL}
본 기재는 태양 전지의 전면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지에 관한 것이다.
최근 화석 연료의 고갈 등으로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중 태양 전지는 공해가 적고, 자원이 무한하며, 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이러한 태양 전지는 실리콘 기판에 형성되는 전면 및 후면 전극들을 포함할 수 있다. 그리고 효율 등을 향상하기 위하여 실리콘 기판의 후면에 반사를 위한 별도의 반사층을 더 구비할 수 있다. 그러나, 이러한 반사층을 별도로 형성하는 것은 공정을 복잡하게 하고 제조 비용을 상승시키는 문제가 있다.
실시예는 높은 반사도를 가지는 후면 전극을 형성할 수 있는 페이스트 조성물 및 이에 의해 제조된 후면 전극을 구비한 태양 전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물은, 구형 분말 및 비구형 분말을 포함하는 전도성 분말; 용매와 바인더를 포함하는 유기 비히클; 유리 프릿을 포함한다. 상기 바인더가 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate, CAB) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 제1 바인더를 포함한다.
상기 비구형 분말은 알루미늄, 구리, 니켈, 금, 은, 팔라듐, 백금 및 이를 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 구형 분말이 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 비구형 분말은 상기 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~10 중량%만큼 포함될 수 있다. 이때, 상기 비구형 분말은 상기 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~5 중량%만큼 포함될 수 있다.
상기 유기 비히클은 상기 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 전체에 대하여 15~25 중량%만큼 포함될 수 있다. 상기 바인더는 상기 유기 비히클 전체에 대하여 5~15 중량%만큼 포함될 수 있다.
상기 바인더가 에틸 셀룰로오스를 포함하는 제2 바인더를 포함할 수 있다. 상기 제1 바인더가 상기 바인더 전체에 대하여 50~70 중량%만큼 포함될 수 있다.
삭제
실시예에 따른 태양 전지는 상술한 후면 전극용 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면 전극을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 전도성 분말이 비구형 분말들을 포함하고 바인더가 CAB 또는 CAP를 포함하여, 페이스트 조성물의 소결 시 CAB 또는 CAP가 비구형 분말들의 자기 정렬(self arrangement)시켜 후면 전극의 반사도를 향상할 수 있다. 특히, 장파장 영역의 빛을 투과하지 않고 후면에서 반사할 수 있다.
이에 따라, 전체적인 광전류가 증가하고 캐리어의 재결합 속도가 작아져 효율을 향상할 수 있다.
또한, 후면 전극 자체의 반사도를 향상할 수 있으므로 반사를 향상하기 위한 별도의 반사층을 형성하지 않아도 되므로 제조 공정 및 제조 비용을 추가하지 않고도 반사도를 향상할 수 있다.
도 1은 태양 전지의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예 1 내지 4, 비교예에 따라 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 반사도를 나타내는 그래프이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 태양 전지 및 이 태양 전지의 후면 전극의 형성에 이용되는 후면 전극용 페이스트 조성물(이하 “페이스트 조성물”)을 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 페이스트 조성물이 적용될 수 있는 태양 전지의 일례를 설명한다. 도 1은 태양 전지의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양 전지는 전면에 n형 반도체부(11)를 포함하는 p형의 실리콘 기판(10), n형 반도체부(11)에 전기적으로 연결되는 전면 전극(12) 및 p형 실리콘 기판(10)에 전기적으로 연결되는 후면 전극(13)을 포함한다. 전면 전극(12)을 제외한 n형 반도체부(11)의 상면에는 반사 방지막(14)이 형성될 수 있다. 그리고 후면 전극(13)이 형성된 실리콘 기판(10)에는 후면 전계층(back surface field, BSF)(15)이 형성될 수 있다.
본 발명의 페이스트 조성물은 이러한 태양 전지의 후면 전극(13)을 형성하는 데 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 페이스트 조성물을 실리콘 기판(10)에 도포한 후 건조한 후 소성하여 후면 전극(13)을 형성할 수 있다. 일례로, 페이스트의 조성물은 80~200℃에서 1~30분 동안 건조될 수 있으며, 700~900℃에서의 급속 열처리에 의하여 소성될 수 있다.
이러한 페이스트 조성물은 전도성 분말, 유기 비히클, 유리 프릿 및 첨가제를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 전도성 분말은 구형 분말과 비구형 분말을 포함한다. 비구형 분말로는 판형, 종형 또는 플레이크형의 형상을 가지는 분말을 사용할 수 있다. 비구형 분말은 후면 전극(13)의 반사도를 향상하기 위하여 첨가되는데, 이에 대해서는 추후에 좀더 상세하게 설명한다.
구형 분말로는 후면 전극(13)의 주성분을 이루는 알루미늄 분말을 사용할 수 있다. 그리고 비구형 분말로는 반사율이 우수한 알루미늄, 구리, 니켈, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이를 포함하는 합금 등이 사용될 수 있다.
전도성 분말의 평균 입경은 0.1~30 ㎛일 수 있다. 평균 입경이 0.1㎛ 미만인 경우에는, 전도성 분말 사이에 유기물이 들어갈 수 있는 공간이 적어 분산이 원활하지 않을 수 있다. 그리고 평균 입경이 30㎛를 초과하는 경우에는, 전도성 분말 사이에 공극이 많아서 치밀도가 떨어지고 저항이 높아질 수 있다. 분산 특성 및 치밀도를 고려하면 전도성 분말의 평균 입경은 0.1~10㎛일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 입경의 전도성 분말을 사용할 수 있음은 물론이다.
여기서, 구형 분말의 경우에는 그 입경을 기준으로, 비구형 분말의 경우에는 장변의 길이를 기준으로 하여 전도성 분말의 평균 입경을 구할 수 있다.
전도성 분말로는 단일 입자를 사용할 수도 있고, 또는 서로 다른 입경 등을 가지는 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다.
이러한 전도성 분말은 페이스트 조성물 전체에 대하여 50~90 중량%만큼 포함될 수 있다. 전도성 분말이 90 중량%를 초과하여 포함되면 조성물을 페이스트 상태로 형성하기 어려울 수 있다. 전도성 분말이 50 중량% 미만으로 포함되면 전도성 분말의 양이 줄어들어 제조된 후면 전극(13)의 전기 전도도가 낮을 수 있다.
그리고 비구형 분말은 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~10 중량%만큼 포함될 수 있다. 여기서, 비구형 분말이 10 중량%를 초과하여 포함되면 페이스트 조성물의 전체적인 점도가 높아져서 페이스트 형태를 이루는 것이 어려울 수 있으며, 이에 따라 인쇄 특성이 저하될 수 있다. 비구형 분말이 0.1 중량% 미만으로 포함되면 후면 전극(13)의 반사도를 향상하는 효과를 충분히 구현하기 어려울 수 있다.
인쇄 특성을 좀더 고려하면, 비구형 분말은 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~5 중량%만큼 포함될 수 있으며, 좀더 바람직하게는 비구형 분말이 0.1~2 중량%만큼 포함될 수도 있다.
유기 비히클은 용매에 바인더가 용해된 것일 수 있으며, 소포제, 분산제 등을 더 포함할 수 있다. 용매로는 테르피네올, 카르비톨 등의 유기 용매를 사용할 수 있다. 바인더로는 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate, CAB), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP) 등을 제1 바인더로 사용할 수 있다. 이 CAB 또는/및 CAP와 함께 아크릴계 수지, 셀룰로오스계 수지, 알키드 수지 등을 제2 바인더를 더 사용할 수 있다. 제1 바인더인 CAB, CAP 등은 수산화기(OH)를 구비하지 않아 점도가 낮을 수 있으므로, 수산화기를 구비하여 점도를 높일 수 있는 에틸 셀룰로오스(EC) 등의 제2 바인더를 첨가하여 페이스트 조성물이 원하는 점도를 가지도록 할 수 있다. 제2 바인더는 필수적인 것은 아니며 원하는 점도 등에 따라 필요에 따라 추가할 수 있는 것이다.
여기서, CAB, CAP의 제1 바인더는 페이스트 조성물이 소결될 때 용매가 증발되는 과정에서 바인더에 존재하는 관능기에 의하여 비구형 분말들을 자기 정렬(self arrangement)시켜 비구형 분말을 배열하는 역할을 한다. 이에 의하여 후면 전극(13)의 반사도를 향상할 수 있다. 특히, 장파장 영역의 빛의 반사도를 향상하여 후면 전극(13)의 반사도를 향상할 수 있다.
유기 비히클은 분말은 페이스트 조성물 전체에 대하여 10~50 중량%만큼 포함될 수 있다. 여기서, 유기 비히클이 50 중량%를 초과하여 포함되면, 후면 전극(13)의 전기 전도도가 낮아질 수 있다. 유기 비히클이 10 중량% 미만으로 포함되면, 실리콘 기판(10)과의 접합 특성이 저하될 수 있다. 이때, 전기 전도도 및 접합 특성을 좀더 고려하면, 유기 비히클이 페이스트 조성물 전체에 대하여 15~25 중량%만큼 포함될 수 있다.
바인더는 유기 비히클 전체에 대하여 5~15 중량%만큼 포함될 수 있다. 여기서, 바인더가 15 중량%를 초과하여 포함되면, 바인더가 용매에 잘 녹지 않을 수 있다. 바인더가 5 중량% 미만으로 포함되면, 실리콘 기판(10)과의 결합 특성이 저하될 수 있다.
제1 바인더와 함께 제2 바인더를 포함하는 경우에는, 제1 바인더가 바인더 전체에 대하여 50 내지 70 중량%만큼 포함될 수 있다. 이는 CAB, CAP 등의 제1 바인더가 비구형 분말을 자기 정렬하는 효과를 최대화하면서, 페이스트 조성물 점도를 최적화하기 위함이다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제2 바인더 없이 제1 바인더만 사용하는 것도 가능하다.
유리 프릿으로는 PbO-SiO2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2계, Bi2O3-B23-ZbO-SiO2 등이 사용될 수 있다.
유리 프릿은 페이스트 조성물 전체에 대하여 1~20 중량%만큼 포함될 수 있다. 유리 프릿은 1~20 중량%의 범위 내에서 접착력, 소결성 및 태양 전지의 후가공 공정 특성을 향상할 수 있다.
첨가제로 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제 등을 더 포함할 수도 있다. 칙소제는 우레아계, 아마이드계, 우레탄계 등의 고분자/유기물이 사용되거나 무기계의 실리카 등이 사용될 수 있다.
첨가제는 페이스트 조성물 전체에 대하여 0.1~10 중량%만큼 포함될 수 있다. 이 범위에서 전도성 분말이 충분한 양으로 첨가되어 전기 전도도를 높은 수준으로 유지할 수 있으며, 첨가제에 의한 효과를 발휘할 수 있다. 이때 첨가제는 페이스트 조성물 전체에 대하여 0.2~5 중량%만큼 포함되는 것이 바람직하다.
이러한 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
바인더를 용매에 용해한 후 프리 믹싱(pre-mixing)하여 유기 비히클을 형성한다. 전도성 분말과 첨가제를 유기 비히클에 첨가하여 1~12시간 동안 숙성(aging) 시킨다. 이때, 유리 프릿을 함께 첨가할 수도 있다. 숙성된 혼합물을 3롤밀(3 roll mill)을 통해 기계적으로 혼합 및 분산시킨다. 혼합물을 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 제조한다. 그러나 이러한 방법은 일례로 제시한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면 전극(13)을 포함하는 태양 전지는 반사도가 향상되어 전체적인 광전류가 증가하고 캐리어의 재결합 속도가 작아져 효율을 향상할 수 있다.
또한, 후면 전극(13) 자체의 반사도를 향상할 수 있으므로 반사를 향상하기 위한 별도의 반사층을 형성하지 않아도 되므로 제조 공정 및 제조 비용을 추가하지 않고도 반사도를 향상할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
용매에 바인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 용매로는 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트와 α-테르피네올의 혼합 용매를 사용하였으며, 바인더로는 CAP를 사용하였다.
유기 비히클에 전도성 분말, 유리 프릿 및 첨가제를 첨가한 후 혼합하였다. 이를 12 시간 동안 숙성한 후 3롤밀을 이용하여 2차로 혼합 및 분산하였다. 이를 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 형성하였다.
이때, 페이스트 조성물은, 20 중량%의 유기 비히클[90 중량%의 유기 용매, 10 중량%의 바인더], 75 중량%의 전도성 분말, 5 중량%의 유리 프릿을 포함하였다. 전도성 분말로는, 전체 페이스트 조성물에 대하여 70 중량%의 구형 알루미늄 분말과, 5 중량%의 비구형 알루미늄 분말을 사용하였다.실시예 2
바인더 전체에 대하여 CAP가 50 중량%, EC가 50 중량%인 바인더를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 3
바인더로 CAP 대신 CAB를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 4
바인더 전체에 대하여 CAB가 70 중량%, EC가 30 중량%인 바인더를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
비교예
바인더로 EC를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 1 내지 4, 그리고 비교예에 의해 제조된 전면 전극을 포함하는 태양 전지에 대하여 합선전류(ISC), 개방전압(VOC), 충진률(fill factor), 효율을 표 1에 나타내었다. 그리고 실시예 1 내지 4, 비교예에 따른 반사도를 측정하여 도 2에 나타내었다. 반사도는 자외선-가시광선 분광 광도계(UV-visible spectrophotometer)를 이용하여 300nm에서 1200nm의 빛의 0˚ 반사를 측정하였다.
합선전류[A] 개방전압[V] 충진률 효율[%]
실시예 1 8.52 0.626 0.768 17.15
실시예 2 8.49 0.628 0.764 17.01
실시예 3 8.51 0.625 0.76 16.92
실시예 4 8.52 0.624 0.761 16.93
비교예 8.51 0.625 0.739 16.43
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따른 태양 전지가 비교예에 비하여 우수한 충진률 및 효율을 가짐을 알 수 있다. 그리고 도 2를 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따른 태양 전지가 비교예에 비하여 우수한 반사도, 특히 1000nm 이상의 파장에서 우수한 반사도를 가짐을 알 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 구형 분말 및 비구형 분말을 포함하는 전도성 분말;
    용매와 바인더를 포함하는 유기 비히클; 및
    유리 프릿을 포함하고,
    상기 바인더는 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate, CAB)를 포함하는 제 1 바인더를 포함하며,
    상기 비구형 분말 및 상기 구형 분말은 알루미늄을 포함하고,
    상기 비구형 분말은 상기 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~10 중량%만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비구형 분말은 상기 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~5 중량%만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기 비히클은 상기 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 전체에 대하여 15~25 중량%만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 유기 비히클 전체에 대하여 5~15 중량%만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바인더가 에틸 셀룰로오스를 포함하는 제2 바인더를 포함하는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 바인더가 상기 바인더 전체에 대하여 50~70 중량% 만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  10. 삭제
  11. 후면 전극용 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면 전극을 포함하고,
    상기 후면 전극용 페이스트 조성물은
    구형 분말 및 비구형 분말을 포함하는 전도성 분말;
    용매와 바인더를 포함하는 유기 비히클; 및
    유리 프릿을 포함하고,
    상기 바인더는 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate, CAB)를 포함하는 제 1 바인더를 포함하며,
    상기 비구형 분말 및 상기 구형 분말은 알루미늄을 포함하고,
    상기 비구형 분말은 상기 전도성 분말 전체에 대하여 0.1~10 중량%만큼 포함하는 태양 전지.
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