KR101257242B1 - 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 집광형 구상 실리콘 태양전지 - Google Patents
저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 집광형 구상 실리콘 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 도전성 입자로 나노 크기의 나노 금속 입자와 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자를 포함하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크린 프린팅법에 의하여 집광형 구상 실리콘 태양전지의 전극을 형성함에 있어서, 100 ~ 200 ℃의 저온에서 소성이 가능한 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 p형 타입의 구상 실리콘 반도체와 알루미늄 집광판 간의 접촉 저항을 낮추고, 에너지 소요량을 현저히 줄일 수 있는 효과를 가지며, 통상적으로 사용이 어려웠던 연질 고분자 기재에서도 손쉽게 전극을 형성할 수 있어 차세대 기능성 소재로 사용하는데 매우 유용하다.
나노 금속 입자, 마이크로 금속 입자, 저온 소성, 페이스트, 집광형, 태양전지
Description
본 발명은 도전성 입자로 나노 크기의 나노 금속 입자와 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자를 포함하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 관한 것으로, 스크린 프린팅법에 의하여 집광형 구상 실리콘 태양전지의 전극을 형성함에 있어서, 100 ~ 200 ℃의 저온에서 소성이 가능한 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
금속 입자를 바인더 수지 조성물에 분산시켜 이루어지는 도전성 페이스트는 가열에 의해 경화되어 도전성 피막이 형성되므로 인쇄 회로 기판 상의 도전성 회로의 형성, 저항기나 콘덴서 등 각종 전자 부품 및 각종 표시 소자의 전극 형성, 전자파 실드용 도전성 피막의 형성, 콘덴서, 다이오드, 메모리, 연산소자 등의 칩 부품 기판의 접착 태양전지, 특히 고온 처리가 불가능한 비정질 실리콘 반도체를 이용한 태양전지 등 박막 태양전지의 전극 형성, 적층 세라믹 콘덴서, 적층 세라믹 인덕터, 적층 세라믹 액추에이터 등의 칩 형 세라믹 전자 부품의 외부 전극 형성 등에 사용되고 있다.
한편 칩 부품, 플라즈마 디스플레이 패널 등의 전극이나 회로를 고밀도, 고정밀도, 고신뢰성으로 형성할 수 있는 도전성 페이스트의 제조에 적합한 고분산성 구형 금속 입자 및 그것을 이용한 금속 페이스트가 공개되어 있다. 또한 회로판에 도전성 페이스트의 도포 방법으로써 스크린 프린팅법 뿐만 아니라 잉크젯법이 사용되기 시작하고 있다.
최근 무공해, 설비의 간편성, 내구성 향상 등 여러 가지 이유로 인하여 태양전지의 보급이 급속도로 확산되고 있으며 태양전지 제조기술 개발은 주로 신뢰성 및 에너지변환효율 향상, 저가화에 주된 요지를 두고 기술개발을 추진하고 있다. 이에 따라 태양전지의 효율을 높이고 양산성이 우수한 태양전지의 제조방법이 다양하게 연구되고 있다.
일반적으로 종래 실리콘 태양전지의 전극 형성은 금속 입자와 바인더 수지, 용매 및 필요에 의해 첨가제를 함유하는 도전성 페이스트를 반사 방지막 위에 도포하고 소성하는 스크린 프린팅법을 사용하고 있다.
소성은 통상 800 ~ 950 ℃의 고온으로 이루어지며 이러한 스크린 프린팅법에 의해 전극이 형성된 태양전지는 생산을 위한 공정이 비교적 빠르고 간단하며 대기 중에서 대면적으로 대량생산이 가능하다는 장점이 있으나, 고온에서 짧은 시간 동안 소성할 경우, 소결성이 떨어지고 소성 수축률이 크며 해상도가 떨어지는 문제가 있다.
최근 실리콘 태양전지용 웨이퍼의 물량 부족과 가격 급등으로 인하여 차세대 박막형 태양전지의 개발 연구가 이루어지고 있는 가운데, 종래의 고온 소성 태양전지 전극용 페이스트로는 박막 태양전지 제조에 흔히 사용되는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 필름, 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름, 폴리이미드(polyimide, PI) 필름 등과 같은 연질 고분자 기재에 적용하는데 문제가 있다. 따라서 고효율, 고해상도에 적합할 뿐만 아니라 저온 소성에 적합한 태양전지 전극용 페이스트의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도전성 입자로 나노 크기의 나노 금속 입자와 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자를 포함하는 태양전지의 발전 효율 개선을 위한 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공하는데 목적이 있다.
보다 구체적으로는 구형의 나노 금속 입자와 판상형 마이크로 금속입자를 혼합하여 도전성 입자로 사용함으로써 저온에서 소성이 가능하며 기재와의 접착력이 우수하고, 소성 공정에서의 에너지 소모량을 현저히 줄일 수 있으며, 고온에서 변형이 일어나는 연질 고분자 기재에서도 사용 가능한 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 도전성 입자로 나노 크기의 나노 금속 입자와 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자를 포함하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다. 구체적으로 본 발명은 스크린 프린팅법에 의하여 집광형 구상 실리콘 태양전지의 전극을 형성함에 있어서, 100 ~ 200 ℃의 저온에서 소성이 가능한 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은, 도전성 입자로 나노 크기의 나노 금속 입자와 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자를 포함하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 관한 것으로, 나노 금속 입자는 그 입자의 크기가 미세화 될수록 표면에 노출된 원자수의 비율이 급격히 증가하고, 표면 특성이 변화되어 기존의 소재에서는 얻을 수 없는 새로운 특성을 나타낸다. 즉, 입자 크기가 작고 표면에너지가 높을수록 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자에 비해 소성 온도가 낮아지는 현상이 발생하는데 이를 이용하여 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 필름, 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름, 폴리이미드(polyimide, PI) 필름 등과 같은 연질 고분자 기재 상에서도 전극 형성이 가능하게 된다.
본 발명에서는 도전성 입자로 나노 크기의 나노 금속 입자와 마이크로 크기의 마이크로 금속 입자를 혼합하여 사용하는 것이 특징이며, 도전성 입자로 나노 금속 입자만 사용하는 경우에는 점도가 낮아 실리콘 반도체와의 접착성이 떨어지는 문제가 있고, 태양전지 전극의 충분한 두께를 얻을 수 없어 전도도가 낮아지는 문제가 있으며, 제조 경비가 많이 들어 상당히 비경제적이다.
본 발명의 나노 금속 입자는 입경이 1 ~ 50 nm인 것을 사용하며, 더 좋게는 5 ~ 20 nm를 사용하는 것이다. 상기 범위의 나노 금속 입자를 사용할 경우, 패킹성이 좋아져 전도도를 높일 수 있고, 저온 소결이 가능한 이점이 있다.
상기 나노 금속 입자의 입경이 1 nm 미만인 경우, 마이크로 금속 입자와 혼합하였을 때 패킹성이 떨어져 전도도가 낮아지게 되는 문제가 있으며, 50 nm를 초과하는 경우에는 마이크로 금속 입자와 혼합하였을 때 낮은 온도에서 소결되지 않아 본 발명에서 목적하는 저온 소성을 달성할 수 없다.
또한 상기 마이크로 금속 입자는 입경이 0.1 ~ 20 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 가장 좋게는 입경이 0.1 ~ 1.0 ㎛인 것과 입경이 1 ~ 20 ㎛인 것을 혼합하여 사용하는 것이다. 상기 범위의 마이크로 금속 입자를 사용할 경우, 마이크로 금속입자 간의 패킹성이 우수하게 되어 전도성이 크게 향상되는 이점이 있다.
상기 나노 금속 입자와 마이크로 금속 입자의 입경은 주사전자현미경(SEM) 또는 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 후 이미지 분석기로 분석하여 측정한 수치이다.
본 발명에 있어서, 나노 금속 입자는 구형이고, 마이크로 금속 입자는 판상형을 사용하는 것이 바람직하며, 판상형 마이크로 금속 입자들이 접촉 면적을 넓게 하여 구형의 나노 금속 입자가 저온에서 소결되면서 전체의 접촉 면적을 넓게 하여 전도성을 높이는 효과를 갖는다.
본 발명에 기재된 「구형」은 입자의 형상이 원형인 것으로 x, y, z축의 길이가 거의 비슷한 입자를 뜻하고, 「판상형」은 x, y축의 길이가 0.1 ~ 20 ㎛이고, z축의 길이가 30 ~ 100 nm의 형상을 가진 입자를 뜻한다.
또한 상기 도전성 입자는 나노 금속 입자와 마이크로 금속 입자를 1 ~ 20 : 80 ~ 99 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 상기 범위의 중량비로 혼합할 경우, 접착면적이 넓게 되고 패킹성을 좋게 하여 전도성을 높이는 이점이 있다. 상기 나노 금속 입자가 1 중량비 미만일 경우, 마이크로 금속 입자와의 혼합에 따른 접착면적이 불충분하여 패킹성이 떨어져 전도도 증가의 효과가 없으며, 저온 소성의 효과를 갖기 어렵게 되고, 20 중량비를 초과할 경우, 제조 경비가 고가인 나 노 금속 입자를 사용함으로써 경제성이 떨어지고, 제조된 조성물의 점도가 떨어져 균일한 도전성 도막을 얻기 어렵게 된다.
본 발명의 나노 금속 입자와 마이크로 금속 입자는 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 주석(Sn)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 나노 금속 입자는 입자 표면에 고급 지방산, 고급 지방산 아민 또는 이들의 유도체에서 선택되는 어느 하나로 피복된 것을 특징으로 한다.
상기 고급 지방산으로는 선형 또는 분지형 C6-C22의 포화지방산 또는 불포화지방산으로부터 선택되는 1종 단독으로, 혹은 2종 이상 조합하여 사용할 수 있으며, 예를 들어 헥산산, 옥탄산, 데칸산, 도데칸산, 테트라데칸산, 올레인산, 리노렌산 등에서 선택될 수 있다. 상기 고급 지방산 유도체로는 메틸, 에틸, 부틸, 헥실 등의 에스테르류 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 고급 지방산 아민으로는 선형 또는 분지형 C6-C22의 지방족 아민으로부터 선택되는 1종 단독으로, 혹은 2종 이상 조합하여 사용할 수 있으며, 예를 들어 헥실 아민, 옥틸 아민, 데실 아민, 도데실 아민, 테트라데실 아민, 올레일 아민, 리노레일 아민 등에서 선택될 수 있다. 상기 고급 지방산 아민 유도체로는 모노-메틸, 모노-에틸, 모노-부틸, 모노-헥실, 디-메틸, 디-에틸, 디-부틸, 메틸-에틸, 메틸-부틸, 에틸-부틸 등의 아마이드류 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 입자 표면에 고급 지방산, 고급 지방산 아민 또는 이들의 유도체에서 선택되는 어느 하 나로 피복된 나노 금속 입자를 사용할 경우, 바인더 및 용매와의 혼화성이 좋아지며 페이스트 내에서의 분산성이 좋아지는 이점이 있다.
본 발명의 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 도전성 입자 60 ~ 90 중량%와 바인더 수지 조성물 10 ~ 40 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하며, 도전성 입자가 60 중량% 미만일 경우, 충분한 도전성 확보가 어렵게 되며, 바인더 수지 조성물이 40 중량%를 초과할 경우에는 충분한 도전성 확보가 어렵게 되는 문제가 있다.
상기 바인더 수지 조성물은 통상적으로 페이스트에 적용 가능한 것으로, 특별히 제한되지는 않으나 중량평균분자량(Mw) 10,000 ~ 50,000인 폴리에스테르계 수지, 에폭시계 수지 또는 폴리우레탄계 수지에서 선택되는 바인더 수지 25 ~ 50 중량%, 용매 40 ~ 70 중량%, 경화제 5 ~ 10 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 바인더 수지가 25 중량% 미만일 경우, 페이스트의 점도가 낮아 접착성이 저하되며, 50 중량%를 초과할 경우에는, 페이스트의 점도가 높아져 스크린 프린팅 작업 시 인쇄 적성이 나빠지고, 전도성 또한 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 바인더 수지로 사용될 수 있는 폴리에스테르계 수지, 에폭시계 수지 또는 폴리우레탄계 수지는 다양한 피인쇄체에 적용이 가능하며, 기후나 온도, 습도에 비교적 우수한 내구성을 가질 뿐만 아니라 저온에서도 경화가 가능하여 바인더 수지로 사용되기 적합한 특성을 갖고 있다.
상기 폴리에스테르계 수지로는 폴리[(1,2-디메톡시카보닐)에틸렌]에스테르, 폴리[(1,2-디에톡시카보닐)에틸렌]에스테르, 폴리[(1,2-디프로폭시카보닐)에틸렌] 에스테르, 폴리(옥시카보닐펜타메틸렌)에스테르, 폴리(옥시카보닐메틸펜타메틸렌)에스테르, 폴리(옥시카보닐디메틸펜타메틸렌)에스테르 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정된 것은 아니며, 에폭시계 수지로는 비스페놀 A의 글리시딜 에테르 유도체 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정된 것은 아니고, 폴리우레탄계 수지로는 폴리(옥시카보닐이미노헥사메틸렌이미노카보닐옥시헥사데카메틸렌), 폴리(옥시카보닐이미노헥사메틸렌이미노카보닐옥시헥사데카메틸렌), 폴리(옥시카보닐이미노데카메틸렌이미노카보닐옥시헥사데카메틸렌) 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정된 것은 아니며, 통상적으로 페이스트에 적용 가능한 것이면, 특별히 제한되지는 않는다.
용매는 불활성 또는 비수성 용매를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 바인더 수지가 100 ~ 200 ℃의 온도에서 1시간 이내에 건조될 수 있도록 비점이 120 ~ 240 ℃인 것을 사용하는 것이 좋다. 구체적으로 상기 용매는 테르피네올, N-메틸피롤리돈, 부틸 셀로솔브, 에틸렌글리콜 모노부틸에테르 아세테이트, 에틸 카비톨, 에틸 카비톨 아세테이트 및 부틸 카비톨, 에톡시에틸 아세테이트, 에틸 셀로솔브, 부틸 아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한 경화제로는 디시안 디아마이드, 페놀 레진 또는 이들의 혼합물에서 선택될 수 있으며, 경화제가 5 중량% 미만일 경우, 충분한 경화가 이루어지지 않아 접착력 및 도전성 경로 형성에 문제가 있으며, 10 중량%를 초과할 경우에는 잔여 경화제가 불순물로 남게 되어 전도성을 떨어뜨리게 되는 문제가 있다.
본 발명의 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 스크린 프린팅 시 인쇄 적성 및 작업성을 고려할 때 5,000 ~ 100,000 cP(centipoise)의 점도를 갖는 것이 좋으며, 상기 범위의 점도를 갖는 경우, 인쇄적성 및 인쇄 후에 도막의 레벨링성이 우수하게 된다는 이점이 있다. 점도가 5,000 cP 미만일 경우에는 인쇄 시 핸들링이 어려우며 배선 형성 후 퍼지는 현상으로 정밀한 배선 폭을 보장하기 어렵다. 점도가 100,000 cP를 초과할 경우에는 스크린 인쇄 시 인쇄적성이 나쁘게 되고 레벨링성이 나빠진다.
상기 저온 소성은 100 ~ 200 ℃의 온도 범위에서 이루어지며, 상기 온도 범위에서 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 스크린 프린팅하여 형성한 전극의 비저항은 1.5 ~ 3μΩcm의 값을 갖는다.
또한 본 발명에 따른 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 p형 타입의 구상 실리콘 반도체와 알루미늄 집광판의 접합부에 스크린 프린팅법으로 도포한 후, 100 ~ 200 ℃에서 소성시켜 집광형 구상 실리콘 태양전지를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로 용융적하 장치를 통해서 제조된 p형 타입의 구상 실리콘 반도체 표면에 인을 기상 확산시켜 n형 확산층을 형성한다. 구상 실리콘 반도체의 아랫부분을 연마하여 p형 실리콘 부분을 노출시킨다. 입사되는 광을 집광시켜 구상 실리콘 반도체의 흡광도를 높이는 기능을 하는 집광판은 알루미늄 판 위에 은(Ag)이 증착되어 있어 높은 반사율을 통해 반사된 태양광을 실리콘 쪽으로 집광시키는 반사경 및 (-)전극의 기능을 하게 된다. 집광판 위에 연마된 구상 실리콘 반도체가 실장될 때 구상 실리콘 반도체와 집광판이 접하는 접합부에 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트를 도포하게 되고, 소정의 건조 온도를 거친 전면 전극은 수집된 전자를 외부의 부하로 전달하는 전극으로서의 기능 및 구상 실리콘 반도체를 고정하는 접착제 기능을 하게 된다. 따라서 상기 제조방법으로 집광형 구상 실리콘 태양전지를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 저온 소성 공정을 도입함에 따라 수축률 차이에 의한 기재의 휘어짐을 방지할 수 있고, 고온 소성에서 견디지 못하는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 필름, 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름, 폴리이미드(polyimide, PI) 필름 등과 같은 연질 고분자 기재에 사용할 수 있어 차세대 기능성 소재로 사용하는데 매우 유용하다. 또한 본 발명의 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 인쇄 적성, 인쇄 피막의 접착성, 유연성 및 전기 전도성이 우수하며, 집광형 구상 실리콘 태양전지에 적용 시 저온 소성으로 도막 형성이 가능하게 되어 생산 공정비용이 감소할 뿐만 아니라 스크린 프린팅 시 매우 효율적으로 적용 가능하여 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이는 발명의 구성 및 효과를 이해시키기 위한 것 일뿐, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
시험방법
1. 접착성
접착성은 KSM ISO 2409(도료의 밀착성 시험방법)에 의거하여 인쇄된 전극을 십자가 모양으로 크로스 커팅(cross-cutting)한 후, 셀로판테이프로 부착한 뒤 인쇄된 패턴 셀이 떨어지는 개수로 양호한지 아닌지를 판단하였다.
2. 전기 전도성
형성된 전극패턴에 대한 전기 전도성은 전극 패턴의 표면을 표면저항 측정기(CMT-series, Korea)를 이용하여 4-point probe 방식에 의해 면저항을 측정하고, SEM 촬영을 하여 두께를 측정한 뒤 이를 비저항으로 환산하여 측정하였다.
3. 태양전지의 성능평가
태양전지의 성능평가는 일본 NPC사의 셀 테스터를 사용하였으며, 이로부터 태양전지의 변환효율을 측정하였다. 도 5는 태양전지 성능평가 시스템을 나타낸 것으로, 전류-전압 측정은 태양전지의 전면과 이면의 전극에 전압원을 설치한 회로를 연결하여 행하였다. 이 회로 내에는 측정을 위한 전압계와 전류계가 설치되어 있으며, 실제 측정에서는 태양전지에 모의태양광을 비추고 그 때의 전류치와 전압치를 전압원의 전압을 바꿔가며 계측하였다. 모의태양광(솔라 시뮬레이터)은 제논 램프 등의 광원으로 만들어진 유사한 태양광으로 통상의 태양전지측정에는 강도 0.1 W/㎠의 모의태양광이 사용되었다. 또한 태양전지 특성은 온도에 의해서도 바뀌기 때문에 측정은 일반적으로 표준조건(25 ℃)으로 행하였다.
[제조예] 나노 금속 입자의 합성
나노 크기의 은 입자를 합성하기 위해 출발원료로 은 아세테이트를 사용하였고, 환원제로는 하이드라진을 사용하였으며, 은 콜로이드 입자의 용액 내 안정성을 위하여 캡핑제로 올레인산을 사용하였다. 먼저 은 아세테이트 100 g을 톨루엔 200 g에 녹인 후, 올레인산 200 g을 혼합하였다. 여기에 하이드라진 300 g을 적가하여 평균입경 15 nm인 구형의 나노 크기의 은 입자를 제조하였다.
[실시예 1 내지 실시예 7]
저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물 제조 시 도전성 입자로는 제조예에서 제조된 평균 입경이 15 nm인 구형의 나노 크기의 은 입자, 입경이 0.1 ~ 1.0 ㎛의 분포를 가지는 판상형 마이크로 크기의 은 입자(A, (주)FP사, F11) 및 입경이 2 ~ 7 ㎛의 분포를 가지는 판상형 마이크로 크기의 은 입자(B, (주)FP사, F27)를 혼합하여 사용하였다.
본 발명에서 은 입자의 원활한 페이스트화와 페이스트 조성물의 우수한 접착력, 전도성, 내구성을 위해 바인더 수지로서 폴리에스테르계 수지, 에폭시계 수지 및 폴리우레탄계 수지를 사용하였다. 상기 폴리에스테르계 수지는 제품명 FH-102(N)HS(애경화학(주))로, 중량평균분자량(Mw)은 20,000, 점도는 8,000 ~ 9,000 cP(25 ℃, Rheometer), 고형분 62 %, Tg 40 ℃인 것을 사용하였다. 에폭시계 수지는 EA6615(SK Cytec(주))로, 당량은 1750 ~ 2100 g/eq, 점도는 8,000 ~ 9,000 cP(25 ℃, Rheometer), 고형분 50 %, Ts 115 ~ 125 ℃인 것을 사용하였다. 폴리우 레탄계 수지는 AUP-220(애경화학(주))로, 중량평균분자량(Mw)은 15,000, 점도는 10,000 ~ 11,000 cP(25 ℃, Rheometer), 고형분 50 %, Tg 45 ℃인 것을 사용하였다.
또한 상기 바인더 수지와 은 입자가 페이스트가 되어 원활한 스크린 프린팅 작업이 이루어지기 위해 적정한 비점을 갖고, 바인더 수지와 혼화성이 좋은 에틸 셀로솔브를 용매로 사용하였으며, 경화제로는 디시안 디아마이드(일본 준세이사)를 사용하였다. 상기에서 제시된 나노 크기의 은 입자, 마이크로 크기의 은 입자, 바인더 수지, 용매 및 경화제를 혼합하여 3롤 밀에서 분산도가 6 ㎛가 될 때까지 혼화 처리하였다.
상기 실시예 1 내지 실시예 7에 따라 제조된 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트를 스크린 판 위에 스크래퍼로 롤링(rolling)하여 도포시킨 다음, 스퀴지로 판의 화선부에 토출시켜 판 분리 한 후, 피인쇄체에서 레벨링되면서 스크린 프린팅을 한 다음, 이를 200 ℃에서 30분 간 소성시켜 전극을 형성하였다.
[비교예 1]
도전성 입자로 입경이 0.1 ~ 1.0 ㎛의 분포를 가지는 판상형 마이크로 크기의 은 입자(A,(주)FP사, F11)와 입경이 2 ~ 7 ㎛의 분포를 가지는 판상형 마이크로 크기의 은 입자(B, (주)FP사, F27)를 혼합하여 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 실시예 7, 비교예 1의 각 조성에 대한 첨가량은 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
하기 표 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 따라 제조된 태양전지 전극용 페이스트의 접착성 결과를 나타낸 것이다.
[표 2]
상기 표 2를 통하여 실시예 및 비교예로 제조된 태양전지 전극용 페이스트로 스크린 프린팅하여 전극으로 형성된 100개의 셀이 크로스 커팅(cross-cutting) 후 에도 100개 모두 부착되어 있어 접착성이 우수함을 확인할 수 있었다.
하기 표 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 따라 제조된 태양전지 전극용 페이스트의 전기 전도성을 나타낸 것이다.
[표 3]
상기 표 3을 통하여 비교예에 따라 제조된 인쇄 피막에 비하여 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 7에 따라 제조된 인쇄 피막의 전기 전도성이 우수함을 확인할 수 있었으며, 이는 전극패턴으로 사용하기에 양호한 물성인 것으로 판단된다.
하기 표 4는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 따라 제조된 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 사용한 태양전지의 성능평가 결과로서, 상기 페이스트를 스크린 프린팅으로 인쇄한 후, 단락전류, 개방전압, 전류밀도를 측정하여, 도 6에 나타낸 바와 같이 곡선인자와 변환 효율을 계산한 결과를 나타낸 것이다. 도 6은 태양전지의 전류-전압 특성곡선을 나타낸 것으로, 특히 전압이 0 V일 때의 전류는 단락전류(short-circuit current, Isc)라고 불리고 태양전지에 전류가 흐르지 않을 때의 전압을 개방전압(open-circuit voltage, Voc)이라고 한다. 태양전지로부터 나온 전력은 전류와 전압을 곱하는 것으로 구해지고, 최적 동작점에서 발생한 전력이 그 태양전지의 최대 출력이 된다.
[표 4]
상기 표 4를 통하여 실시예 1 내지 실시예 7의 효율이 비교예 1에 비하여 2.0 ~ 2.5 % 높은 것을 확인할 수 있었으며, 특히 실시예 4 내지 실시예 6에서의 효율이 더욱 우수하였다. 이러한 결과는 입도 크기가 다른 은 입자를 혼합하는 경우, 은 입자 간의 공극을 줄여 밀도를 치밀하게 함으로써 전도성을 향상시키고, 입경이 5 ~ 20 nm인 나노 크기의 은 입자가 200 ℃ 이내의 온도에서 녹기 시작하여 입경이 0.1 ~ 1.0 ㎛인 마이크로 크기의 은 입자(A)와 입경이 2 ~ 7 ㎛인 마이크로 크기의 은 입자(B) 사이에서 가교 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.
도 1은 집광형 태양전지의 개략도를 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10: 전면전극
20: 구형 실리콘
30: 반사막
40: 후면전극
도 2는 입경이 20 nm인 구형 나노 크기의 은 입자의 TEM(transmission electron microscope) 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 입경이 0.1 ~ 1.0 ㎛인 판상형 마이크로 크기의 은 입자(A)의 SEM(scanning electron microscope) 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 입경이 2 ~ 7 ㎛인 판상형 마이크로 크기의 은 입자(B)의 SEM(scanning electron microscope)을 나타낸 것이다.
도 5는 태양전지 성능평가 시스템을 나타낸 것이고, 도 6은 태양전지의 전류-전압 특성곡선을 나타낸 것이다.
Claims (17)
- 태양전지 전극용 페이스트 조성물로,도전성 입자 60 ~ 90 중량%와 바인더 수지 조성물 10 ~ 40 중량%로 이루어지며;상기 도전성 입자는 입경이 0.1 ~ 1.0 ㎛인 것과 입경이 1 ~ 20 ㎛인 것이 혼합된 판상형의 마이크로 금속 입자와 입경이 1 ~ 50 nm인 구형의 나노 금속 입자를 포함하되,나노 금속 입자와 마이크로 금속 입자가 1 ~ 20 : 80 ~ 99 중량비로 혼합되며;상기 바인더 수지 조성물은 중량평균분자량(Mw) 10,000 ~ 50,000인 폴리에스테르계 수지, 에폭시계 수지 또는 폴리우레탄계 수지에서 선택되는 바인더 수지 25 ~ 50 중량%, 용매 40 ~ 70 중량%, 경화제 5 ~ 10 중량%를 포함하고;200 ℃의 온도에서 30분간 소성시켰을 때 비저항이 1.5 ~ 3 μΩcm인;저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
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- 제 1항에 있어서,상기 나노 금속 입자와 마이크로 금속 입자는 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 주석(Sn)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
- 제 7항에 있어서,상기 나노 금속 입자는 입자 표면에 고급 지방산, 고급 지방산 아민 또는 이들의 유도체에서 선택되는 어느 하나로 피복된 것을 특징으로 하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
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- 제 1항에 있어서,상기 용매는 테르피네올, N-메틸피롤리돈, 부틸 셀로솔브, 에틸렌글리콜 모노부틸에테르 아세테이트, 에틸 카비톨, 에틸 카비톨 아세테이트 및 부틸 카비톨, 에톡시에틸 아세테이트, 에틸 셀로솔브, 부틸 아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
- 제 11항에 있어서,상기 경화제는 디시안 디아마이드, 페놀 레진 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
- 제 12항에 있어서,상기 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 5,000 ~ 100,000 cP(centipoise)의 점도를 갖는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
- 제 13항에 있어서,상기 저온 소성은 100 ~ 200 ℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
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- 제 1 항, 제 7항, 제 8항 및 제 11항 내지 제 14항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 저온 소성 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 p형 타입의 구상 실리콘 반도체와 알루미늄 집광판의 접합부에 스크린 프린팅법으로 도포한 후, 100 ~ 200 ℃에서 소성시키는 것을 특징으로 하는 집광형 구상 실리콘 태양전지의 제조방법.
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