KR101352786B1 - 태양전지 전극 형성용 페이스트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 전극 형성용 페이스트에 관한 것으로, 특히 a) Tap density가 적어도 1.28 g/cc 이상인 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부; b) 유리 프릿(glass frit) 1 내지 5 중량부; 및 c) 유기 비히클 20 내지 38 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트에 관한 것이다.
본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 전극의 기계적 강도와 기재와의 밀착성이 우수하면서도 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 소성 후 기재의 휨 현상을 억제할 수 있으며, 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양산성에 뛰어난 장점이 있다.
태양전지, 전극, 알루미늄 분말, Tap density
Description
본 발명은 태양전지 전극 형성용 페이스트에 관한 것으로, 특히 전극의 기계적 강도와 기재와의 밀착성이 우수하면서도 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 소성 후 기재의 휨 현상을 억제할 수 있으며, 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양산성에 뛰어난 장점이 있는 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극 형성방법에 관한 것이다.
최근 무공해, 설비의 간편성, 내구성 향상 등 여러 가지 이유로 인하여 태양전지의 보급이 급속도로 확산되고 있으며, 이에 따라 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 양산성이 우수한 태양전지의 제조방법들이 다양하게 연구되고 있다.
종래 실리콘 태양전지의 전극 형성은 도전성 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트를 실리콘 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하여 전극을 형성하였다. 특히 실리콘 태양전지의 후면전극은 3 내지 10 ㎛의 알루미늄 분말이 일반적으로 사용되고 있다.
또한 소성은 저온소성(500 내지 750 ℃)과 고온소성(800 내지 950 ℃)으로 이루어지며, 점차 생산비용의 절감과 양산성이 중요시되고 있어 고온에서 짧은 시간에 소성이 이루어지는 고온소성의 중요성이 더욱 대두되고 있다.
그러나 기존의 실리콘 태양전지의 전극 형성에 사용되었던 후면 페이스트들은 고온(800 내지 950 ℃)에서 짧은 시간에 소성할 경우 기계적 강도와 기재와의 밀착성이 떨어지고, 소성 후 기재의 휨 현상이 발생하며, 얇게 전극층을 형성할 경우 BSF가 떨어지는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 전극의 기계적 강도와 기재와의 밀착성이 우수하면서도 얇게 전극층을 형성하는 경우에도 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 소성 후 기재의 휨 현상을 억제할 수 있으며, 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양산성에 뛰어난 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지의 전극형성방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
a) Tap density가 적어도 1.28 g/cc 이상인 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부;
b) 유리 프릿(glass frit) 1 내지 5 중량부; 및
c) 유기 비히클 20 내지 38 중량부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제공한다.
바람직하게는 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트의 상기 알루미늄 분말의 Tap density는 1.30 내지 3.50 g/cc인 것이 좋다.
또한 본 발명은 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 소성은 800 내지 950 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 것이 좋다.
또한 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 a) Tap density가 적어도 1.28 g/cc 이상인 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부; b) 유리 프릿(glass frit) 1 내지 5 중량부; 및 c) 유기 비히클 20 내지 38 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 Tap density(충진밀도)는 분말시험기를 이용하여 100 cc(cm3)체적의 메스플라스크에 알루미늄 분말충진하고 2000회 탭핑을 실시하고 메스플라스크를 제거한 후에, 시료를 100 cc에 정확히 충진하고 분말 질량(g)을 측정하여 분말 질량(g)을 100으로 나눈 값이다.
상기 a) 알루미늄 분말의 Tap density가 1.28 g/cc 미만인 경우에는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 없으며, 소성 후 기재의 휨 현상을 억제할 수 없으며, 고온(800 내지 950 ℃)에서 짧은 시간에 소성할 경우 소결성이 떨어지고, 태양전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
바람직하게는 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 있어서 상기 알루미늄 분말의 Tap density는 1.30 내지 3.50 g/cc인 것이 좋으며, 더욱 바람직하기로는 1.30 내지 2.0 g/cc인 것이 좋다. 상기 범위 내인 경우 Fill Factor 값을 향상시켜 태양전지의 효율을 더욱 좋게 한다.
상기 Tap density가 적어도 1.28 g/cc 이상인 알루미늄 분말은 ⅰ) 평균입도가 1.0 내지 2.8 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 40 내지 75 중량부와 ⅱ) 평균입도가 3.0 내지 7.0 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 25 내지 60 중량부를 혼합하여 제조될 수 있다. 바람직하기로는 ⅰ) 평균입도가 1.5 내지 2.7 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 50 내지 70 중량부와 ⅱ) 평균입도가 4.0 내지 6.0 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 30 내지 50 중량부를 혼합하는 것이 좋다. 이 경우 고온/고속 소성에서 소결성이 우수하며 태양전지의 Fill Factor 값을 더욱 향상시켜 태양전지의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 알루미늄 분말은 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 60 내지 75 중량부로 포함되는 것이 좋다. 바람직하기로는 65 내지 70 중량부로 포함되는 것이 좋다. 상기 범위 내인 경우 고온/고속 소성에서 소결성 및 태양전지의 Fill Factor 값을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 b) 유리 프릿(glass frit)을 포함한다. 상기 유리 프릿은 통상적으로 태양전지 전극 페이스트에 사용되는 유리 프릿이 사용될 수 있으며, 일예로는 연화점이 400 내지 600 ℃인 봉규산납 유리, 규산납 유리, 비스무스계 유리 또는 리튬계 등을 사용할 수 있다. 입경은 1 내지 10 ㎛인 것을 사용하는 것이 좋다. 바람직하기로는 Bi2O3-ZnO-SiO2-B2O3-Al2O3계 유리프릿을 사용하는 것이 좋다. 이 경우 15 내지 25 ㎛의 얇은 전극을 형성하여도 기재의 휨 현상을 방지할 수 있다.
또한 상기 유리 프릿은 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 1 내지 5 중량부, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 3 중량% 포함되는 것이 좋다. 상기 범위 내인 경우 접착력, 소결성 및 태양전지의 후가공 공정을 용이하게 하는 장점이 있다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 c) 유기 비히클을 포함한다. 상기 유기 비히클은 태양전지 전극 형성용 페이스트의 무기성분과 기계적 혼합을 통하여 페이스트를 인쇄에 적합한 점도도(consistency) 및 유변학적 특성을 부여한다. 상기 유기 비히클은 통상적으로 태양전지 전극 페이스트에 사용되는 유기 비히클이 사용될 수 있으며, 일예로 중합체와 용매의 혼합물일 수 있다. 상기 중합체로는 아크릴레이트계 수지, 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스와 페놀수지의 중합체, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 등 을 사용할 수 있다. 바람직하기로는 니트로셀룰로오스가 좋다. 또한 상기 용매로는 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 프필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 터핀올, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마부티로락톤, 또는 에틸락테이트 등을 단독 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하기로는 부틸카비톨아세테이트를 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서 상기 비히클은 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 20 내지 28 중량% 포함되는 것이 좋으며, 중합체와 용매는 1-10 : 10-1의 중량비로 혼합된 것을 사용하는 것이 좋다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 통상적으로 페이스트에 포함될 수 있는 첨가제들을 필요에 따라 더욱 포함할 수 있다. 상기 첨가제로의 예로는 소결조제, 증점제, 안정화제, 분산제 또는 계면활성제 등을 들 수 있으며, 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 0.1 내지 10 중량부의 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 상기 기재한 필수성분과 임의의 성분을 소정의 비율에 따라 배합하고 이를 블렌더 또는 3축 롤 등의 혼련기로 균일하게 분산하여 얻어질 수 있다. 바람직하기로는 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계 및 #51 스핀들을 사용하는 다용도 컵으로 5 rpm 및 25 ℃에서 측정하는 경우 50 내지 200 PaS의 점도를 가지는 것이 좋 다.
또한 본 발명은 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다. 본 발명의 태양전지 전극 형성방법에서 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 건조 및 소성은 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다. 일예로 상기 기재는 전면전극(Ag 전극)이 인쇄되어 건조된 Si 기판일 수 있으며, 본 발명에서 상기 전극은 실리콘 태양전지의 후면 전극일 수 있으며, 상기 인쇄는 스크린 인쇄일 수 있으며, 상기 건조는 90 내지 250 ℃에서 이루어 질 수 있으며, 상기 소성은 600 내지 950 ℃에서 이루어질 수 있다. 바람직하기로는 상기 소성이 800 내지 950 ℃, 더욱 바람직하게는 850 내지 900 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 고온/고속 소성을 하는 것이 좋으며, 상기 인쇄는 20 내지 60 ㎛의 두께로 인쇄를 하는 것이 좋다. 구체적인 일예로 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0108550호, 제10-2006-0127813호, 일본국 공개특허공보 특개2001-202822 및 특개2003-133567에 기재된 태양전지의 구조 및 이의 제조에 있어서 본 발명의 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 사용하여 태양전지의 전극을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 태양전지 전극형성방법은 전극의 기계적 강도와 기재와의 밀착성이 우수하면서도 얇게 전극층을 형성하는 경우에도 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 수성 후 기재의 휨 현상을 억제할 수 있으며, 태양전지를 효율을 높을 수 있으며, 특히 고온/고속 소성 에 적합하여 양산성에 뛰어난 장점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
평균입경이 2.68 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 66.7 중량부와 평균입경이 5.28 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 33.3 중량부를 균일하게 혼합하여 Tap density가 1.35 g/cc인 태양전지 전극 형성용 알루미늄 분말을 제조하였다. 상기 Tap density가 1.35 g/cc인 알루미늄 분말 67.5 중량부, 입경이 3.36 ㎛이고 연화점이 466 ℃인 저융점 유리 프릿 3.0 중량부, 에틸셀룰로오스와 니트로셀룰로오스와 부틸카비톨아세테이트를 72:72:131의 중량비로 혼합한 유기 비히클 27.7 중량부, 증점제 1.5 중량부, 계면활성제를 0.5 중량부를 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 평균입경이 2.68 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 50 중량부와 평균입경이 5.28 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 50 중량부를 혼합하여 Tap density가 1.43 g/cc인 알루미늄 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방 법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 평균입경이 2.68 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 74.6 중량부와 평균입경이 5.28 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 25.4 중량부를 혼합하여 Tap density가 1.29 g/cc인 알루미늄 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 유기 비히클을 부틸카비톨아세테이트와 니트로셀룰로오스를 131:144의 중량비로 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 2에서 유기 비히클을 부틸카비톨아세테이트와 니트로셀룰로오스를 131:144의 중량비로 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 평균입경이 5.28 ㎛이고, Tap density가 1.24 g/cc인 구형의 알루미늄 분말 67.5 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 평균입경이 2.68 ㎛이고, Tap density가 1.19 g/cc인 구 형의 알루미늄 분말 67.5 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 태양전지 전극 형성용 페이스트를 이용하여 전극의 표면상태, low bow(mm), Isc(A), Voc(mV), Fill Factor 및 태양전지의 효율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실험방법은 다음과 같다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 페이스트를 Wafer의 후면에 스크린프린팅기법으로 전면 인쇄하고 하고, 열풍식건조로를 사용하여 150 ℃에서 6분 동안 건조시켰다. 이후 Wafer의 전면에 Ag paste를 패턴 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 500 내지 900 ℃사이로 20초에서 30초간 소성을 행하였으며, 이렇게 제조 완료된 Cell은 태양전지효율측정장비(EndeasI社, Quicksun120A)를 사용하여 low bow(mm), Isc(A), Voc(mV), Fill Factor, 효율(%)성능을 관찰하였다. 또한 Cell 표면의 얼룩이나 거침정도는 육안으로 관찰하였으며, 표면의 얼룩이 관찰되지 않은 경우는 "양호", 얼룩이 있는 경우는 "있음"으로 표시하였으며, 표면에 거친 부분이 있는 경우는 "거침", 표면에 거친 부분이 없는 경우는 "양호"로 표시하였다.
| 표면얼룩 | 표면거침 | low bow(mm) | Isc(A) | Voc(mV) | Fill Factor | 효율(%) | |
| 실시예 1 | 양호 | 양호 | < 1 | 5.16 | 610.3 | 0.78 | 16.42 |
| 실시예 2 | 양호 | 양호 | < 1 | 5.19 | 611.5 | 0.76 | 16.20 |
| 실시예 3 | 양호 | 양호 | < 1 | 5.16 | 610.2 | 0.75 | 16.02 |
| 실시예 4 | 양호 | 양호 | < 1 | 5.17 | 610.8 | 0.78 | 16.50 |
| 실시예 5 | 양호 | 양호 | < 1 | 5.19 | 611.6 | 0.77 | 16.65 |
| 비교예 1 | 있음 | 양호 | < 1 | 5.13 | 607.1 | 0.71 | 15.24 |
| 비교예 2 | 양호 | 거침 | < 1 | 5.11 | 607.6 | 0.73 | 15.72 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 종래 태양전지에 일반적으로 사용되고 있었던 Tap Density가 1.25 g/cc 미만인 알루미늄 분말을 사용한 비교예 1 및 2의 경우에 비하여 본 발명의 실시예 1 내지 5의 경우 전극의 표면얼룩, 표면거침이 거의 발생하지 않아 양호하였으며, Isc(A), Voc(mV), Fill Factor 및 태양전지의 효율이 모두 현저히 우수한 결과를 나타내었으며, 특히 니트로셀룰로오스를 사용한 경우(실시예 4 내지 5) 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 태양전지의 전극형성방법은 전극의 기계적 강도와 기재와의 밀착성이 우수하면서도 얇게 전극층을 형성하는 경우에도 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 수성 후 기재의 휨 현상을 억제할 수 있으며, 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양산성에 뛰어난 장점이 있다.
Claims (9)
- a) 충진밀도가 적어도 1.28 g/cc 이상인 알루미늄 분말 60 내지 75 중량부;b) 유리 프릿(glass frit) 1 내지 5 중량부; 및c) 유기 비히클 20 내지 38 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
- 제 1항에 있어서,상기 알루미늄 분말의 충진밀도가 1.30 내지 3.50 g/cc인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
- 제 1항에 있어서,상기 알루미늄 분말은ⅰ) 평균입도가 1.0 내지 2.8 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 40 내지 75 중량부; 및ⅱ) 평균입도가 3.0 내지 7.0 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 25 내지 60 중량부;가 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
- 제 1항에 있어서,상기 알루미늄 분말은ⅰ) 평균입도가 1.5 내지 2.7 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 50 내지 70 중량부; 및ⅱ) 평균입도가 4.0 내지 6.0 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 30 내지 50 중량부;가 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
- 제 1항에 있어서,상기 유기 비히클이 니트로셀룰로오스와 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
- 제 1항에 있어서,소결조제, 증점제, 안정화제 또는 분산제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
- 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항 기재의 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 소성은 850 내지 950 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
- 제 7항 기재의 형성 방법에 의하여 태양전지용 기재 상에 형성되는 태양전지 전극.
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| JP2012212542A (ja) | ペースト組成物 |
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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