KR101332429B1 - 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
도전성 물질, 유리 프릿, 유기 비히클(vehicle) 및 산화납(PbO)을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물로서, 산화납을 전체 페이스트 중 0.05 내지 1.5 중량% 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 및 이로 형성된 전극을 포함하는 태양전지를 제시한다.
태양전지, 산화납, 무연 유리, 페이스트
Description
본 발명은 태양전지 기술에 관한 것으로, 특히 전극용 페이스트 및 이를 이용하여 형성된 전극을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
석유나 석탄과 같은 화석 연료의 에너지 자원의 고갈이 예측되며, 새로운 대체 에너지원으로 태양광을 활용하는 태양전지에 대해 주목되고 있다. 태양전지는 태양광의 포톤(photon)을 전기로 변환시키는 p-n 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시키게 구성되고 있다. 태양 전지는 p-n 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼(wafer) 또는 기판 상 하면에 각각 전면 전극과 후면 전극을 형성하여, 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 p-n 접합의 광전 효과가 유도되고, p-n 접합의 광전 효과에 의해 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공하게 구성되고 있다.
태양전지의 전극은 전극용 페이스트(paste)의 도포, 패터닝(patterning) 및 소성에 의해, 웨이퍼 표면에 형성되게 된다. 태양전지의 전극, 특히 태양광이 입사되는 방향에 대면하는 전면 전극을 위한 페이스트는, 은(Ag)과 같은 도전 입자와, 유리 프릿(frit) 분말 및 액상 운송체인 비히클(vehicle)를 포함하여 구성되고 있다. 유리 프릿 분말은 산화비스무트(Bi2O3) 유리 프릿 분말과 같은 무연(Pb-free) 유리 프릿 분말을 이용하는 방안이 모색되고 있다. 무연 유리 프릿 분말을 포함하는 전극 페이스트를 이용하는 경우, 전극과 반도체 기판 간의 접촉 저항이 상대적으로 취약한 문제를 수반하고 있다.
본 발명은 광전 효율을 개선하고 접촉 저항을 개선할 수 있는 전극용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지를 제시하고자 한다.
본 발명의 일관점은, 도전성 물질; 유리 프릿; 유기 비히클(vehicle); 및 산화납(PbO)을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트로서, 상기 산화납을 전체 페이스트 중 0.05 내지 1.5 중량% 포함하는 태양전지 전극용 페이스트를 제시한다.
또한, 이러한 태양전지 전극용 페이스트를 이용한 태양전지를 제시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양전지의 광전 효율을 개선하고 전극의 접촉 저항을 개선할 수 있는 전극용 페이스트를 제공할 수 있고, 이러한 전극용 페이스트를 이용한 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명은 도전성 물질, 유리 프릿 및 유기 비히클(vehicle)을 포함하는 태양전지의 전극용 페이스트에 산화납(PbO)을 0.05 내지 1.5중량%로 첨가함으로써, 전극의 접촉 저항을 개선하고, 또한, 태양 전지의 효율을 개선하는 효과를 구현한다. 본 발명의 전극용 페이스트는 태양전지의 전극 중 태양광이 입사되는 방향에 대면되는 전면 전극 및 이에 대향되는 후면 전극의 형성에 사용될 수 있다.
a) 도전성 물질
도전성 물질은 전극에 도전성을 부여하는 물질로서, 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 철(Fe), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Nickel) 또는 ITO(인듐틴옥사이드)가 사용될 수 있다. 이러한 도전성 물질은 입자 상으로 1종 또는 그 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 보다 유효하게는 도전성 물질은 은(Ag) 입자를 포함하며, 은 입자 외에 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 아연(Zn) 또는 구리(Cu) 입자들이 더 첨가될 수 있다.
도전성 물질은 평균입경(D50)이 0.1 내지 10㎛의 평균 입경을 가지는 것을 사용될 수 있다. 도전성 물질은 페이스트 전체 중 60 내지 90중량%로 포함될 수 있으며, 보다 유효하게는 70 내지 85중량%로 포함될 수 있다.
c) 유리 프릿
유리 프릿(glass frit)은 소성 공정 중 도전성 물질과 하부 기재 사이의 접착력을 향상시키고 소결 시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮출 수 있는 효과를 유도할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 무연 유리 프릿을 이용하는 것이 보다 유효하며, 산화비스무트(Bi2O3)를 주성분으로 하여 바륨탄산염(BaCO3)이나 산화보론(B2O3), 산화아연(ZnO) 등을 더 포함하는 비스무트(Bi)계 유리 프릿이 이용될 수 있다.
예컨대, 산화아연-산화규소계(ZnO-SiO2), 산화아연-산화붕소-산화규소계(ZnO-B2O3-SiO2), 산화아연-산화붕소-산화규소-산화알루미늄계(ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3), 산화비스무스-산화규소계(Bi2O3-SiO2), 산화비스무스-산화붕소-산화규소계(Bi2O3-B2O3-SiO2), 산화비스무스-산화붕소-산화규소-산화알루미늄계(Bi2O3-B2O3-SiO2-Al2O3), 산화비스무스-산화아연-산화붕소-산화규소계(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2), 또는 산화비스무스-산화아연-산화붕소-산화규소-산화알루미늄계(Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2-Al2O3) 유리 프릿이 이용될 수 있다.
유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1 내지 5㎛인 것이 사용되며, 전체 페이스트 중 0.5 내지 20 중량% 포함될 수 있으며, 보다 유효하게 1 내지 10중량%로 포함될 수 있다.
(c) 유기 비히클(vehicle)
유기 비히클(vehicle)은 페이스트에 액상 특성을 부여하는 유기 바인더(binder)일 수 있으며, 셀룰로스(cellulose), 부틸카비톨아세테이트(BCA: Butyl Carbitol Acetate) 또는 터피네올(terpineol)을 포함할 수 있다. 이때, 유기 비히클(vehicle)은 전체 페이스트 중 1 내지 30중량% 또는 1 내지 25중량%로 포함될 수 있으며, 보다 유효하게 5 내지 20 중량%로 포함될 수 있다.
(d) 산화납(PbO)
본 발명의 실시예는 전극의 접촉저항 개선 및 태양 전지의 효율개선을 위해 산화납(PbO)을 포함한다. 산화납(PbO)은 전체 페이스트 중 0.05 내지 1.5중량%로 첨가되며, 유효하게는 0.1 내지 1 중량%로 포함 될 수 있다. 산화납(PbO)은 평균입경(D50)이 0.1 내지 25㎛를 가질 수 있으며, 보다 유효하게는 1.5 내지 10㎛를 가지는 입자를 이용할 수 있다. 또한, 산화납과 함께 사산화삼납(Pb3O4) 분말이 첨가될 수도 있다.
본원 발명의 전극용 페이스트에는 산화납(PbO) 외의 다른 무기 첨가제가 페이스트 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부 더 첨가될 수 있다. 이러한 무기 첨가제로는 산화아연(ZnO) 분말 또는 산화비스무트(Bi2O3) 분말 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예들 및 이에 대한 비교예에 따른 전극용 페이스트는, 도전성 물질로 도와(Dowa)사의 4-11F(Ag 분말), 유기 비히클(vehicle)로 다우사의 STD20(셀룰로오즈 고분자 고형분 10중량%, BCA 27 중량% 및 터피네올 63 중량%), 유리 프릿으로 휘닉스디스플레이사의 55C-2(Bi계 유리)와 산화납 및 무기첨가제로서 산화아연을 혼합하여 사용하고, 각 성분을 계량한 후 C-믹서(mixer)로 100초간 혼합한 후, 3 롤 밀링(roll milling)으로 혼련하여 제조하였다.
표 1은 본 발명의 실시예들 및 이에 대한 비교예의 페이스트 조성을 보여준다.
| 단위: wt % | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | 비교예1 |
| 도전성 물질 | 79 | 79 | 79 | 79 | 79 |
| 유기 비히클 | 16.16 | 15.86 | 15.66 | 15.36 | 16.36 |
| 유리 프릿 | 1.12 | 1.12 | 1.12 | 1.12 | 1.12 |
| PbO | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 1.0 | - |
| 무기첨가제 | 3.52 | 3.52 | 3.52 | 3.52 | 3.52 |
| 합계 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4는 도전성 물질, 유리 프릿 및 무기 첨가제의 조성 함량을 고정하고, PbO의 첨가 함량을 스플릿(split) 변화시켜 제조되어, PbO 첨가 함량의 변화에 따른 페이스트 특성 변화를 유도한다. 이때, 유기 비히클(vehicle)의 함량은 PbO 첨가 함량 변화에 연동되어 감소되게 설정된다. 또한, 비교예 1은 실시예 1 내지 4에 대해, 유리 프릿 및 무기 첨가제의 조성 함량은 대등하게 유지하고, PbO의 첨가를 배제하여 제조되어, PbO 첨가에 따른 페이스트의 특성 변화와 대조되게 유도된다.
이와 같이 실시예 1 내지 4 및 비교예 1로부터 제조된 페이스트에 대해 접촉 저항(Rs) 및 효율 측정을 실시한다. 접촉 저항 및 효율 측정을 위한 시편은 5인치 멀티 웨이퍼(multi wafer)를 이용하여 준비된다. 다결정 실리콘으로 표면에 입계(grain)에 의한 굴곡된 형상들이 존재하는 멀티 웨이퍼는 단결정인 모노 웨이퍼(mono wafer)에 비해 태양전지 제조에 보다 범용적으로 이용될 것으로 기대되고 있다. 본 발명의 실시예들은 멀티 웨이퍼에서 평가되고 있지만, 모노 웨이퍼에도 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 시편들은 p층(101) 및 에미터(emitter)로서의 n층(102)을 포함하는 웨이퍼(100) 또는 기판 상에, 실시예1 내지 4 및 비교예1의 조성을 가지는 페이스트들을 인쇄하고 소성하여 후면 전극(210) 및 전면 전극(230)을 형성하여 준비된다. 예컨대, 페이스트를 각각 웨이퍼(100)의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 300℃ 온도로 대략 20 내지 40초 정도 건조하여 후면 전극(210)을 위한 사전 준비 단계를 수행한다. 이후에, 웨이퍼(100)의 전면에 페이스트를 인쇄한 후 건조하여 전면 전극(230)을 위한 사전 준비단계를 수행한다. 이후에, 대략 755 내지 800℃의 정점 온도(peak temp.)에서 대략 2 내지 5초 정도 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극(230) 및 후면 전극(210)을 형성한다. 이후에, 두 전극들(210, 230)에 대한 저항값 및 광전 유도되는 효율을 측정한다. 효율의 측정은 파산(Pasan)사의 효율 측정기(CT801)로 측정된다.
표 2는 측정된 저항값 및 효율의 결과를 보여주고, 도 2는 표 2의 결과를 도시한 그래프이다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 비교예 1 | |
| 직렬저항(Rs,Ω) | 0.0098 | 0.0099 | 0.0114 | 0.0117 | 0.0177 |
| 효율(%) | 15.19 | 14.85 | 13.75 | 13.66 | 13.83 |
표 2 및 도 2를 참조하면, 비교예 1의 결과 대비, 실시예 1 내지 4의 결과는 접촉저항의 개선 및 효율의 개선을 보여준다. PbO의 첨가에 의해 전극의 접촉저항 개선 및 효율의 개선을 얻을 수 있다. 이때, PbO는 소량 첨가되므로, 납에 의한 환경 문제를 극복할 수 있다. 표 2 및 도 2의 그래프에 제시된 결과를 고려하면, 페이스트의 전체 중 PbO의 함량이 1.5중량% 이하 일 때 특성 개선이 유효하고, 특히, 0.2 내지 0.5 중량%일 때 접촉 저항 개선 및 효율의 개선이 보다 월등히 구현될 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 설명하기 위해서 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 전극용 페이스트의 저항 개선 및 효율 개선 효과를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
Claims (8)
- 도전성 물질, 유리 프릿, 유기 비히클(vehicle) 및 산화납(PbO)을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트로서,상기 산화납은 전체 페이스트 중 0.2 중량% 내지 0.5 중량%로 포함되고,상기 유리 프릿은 무연의 비스무트계 유리 프릿인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 제1항에 있어서,상기 도전성 물질은 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 철(Fe), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Nickel) 및 ITO(인듐틴옥사이드)를 포함하여 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 페이스트 전제 중량% 100을 기준으로,60중량% 내지 90 중량%의 상기 도전성 물질;0.5중량% 내지 20 중량%의 상기 유리 프릿;1중량% 내지 30 중량%의 상기 유기 비히클 ; 및0.2중량% 내지 0.5 중량%의 상기 산화납을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 제1항에 있어서,상기 페이스트 100중량%에 대하여 1중량% 내지 10중량%의 산화 아연 또는 산화 비스무트를 더 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 태양전지 전극용 페이스트로부터 형성된 전극.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 태양전지 전극용 페이스트로부터 형성된 전극을 반도체 웨이퍼 상에 포함하는 태양전지.
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