KR101387139B1 - 태양전지의 전면전극용 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 전면전극 형성용 잉크 조성물, 더욱 자세하게는 태양전지의 전면전극에서 제1도전층을 형성하는 잉크 조성물, 이를 적용하여 인쇄된 전면전극 및 이를 구비한 태양전지에 관한 것으로서, 물리적 충격을 최소화 할 수 있는 비접촉 인쇄공정에 적용되어 실리콘 태양전지의 전극 패턴을 형성할 수 있어 공정의 단순화 및 생산성 향상을 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지의 전면전극 형성용 전도성 잉크 조성물, 더욱 자세하게는 태양전지의 전면전극에서 제1도전층을 형성하는 전도성 잉크 조성물, 이를 적용하여 인쇄된 전면전극 및 이를 구비한 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 수 있는 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자를 이용한 차세대 전지로서 각광받고 있다.
태양전지는 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 그 중 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.
이와 같은 태양전지는 일반적으로 실리콘 기판의 전면에 n형 반도체층과 후면에 p형 반도체층을 형성하여 pn 접합계면을 포함하도록 제조되며, 전면의 n형 반도체층은 에미터(emitter)로 작용하고, 조사되는 빛의 반사를 최소화시키기 위하여 반사방지막층을 도포한 후 전면전극을 배선한다.
기존 결정질 실리콘 태양전지의 생산에서 웨이퍼의 원가 비중 외에 전도성 패턴의 형성에 소모되는 전극재료 또한 높은 원가비중을 차지하며, 소재 비용의 절감을 통해 원가경쟁력을 높일 필요성이 대두되었다. 기존 결정질 실리콘 태양전지 전극형성 공정은 압력이 인가되는 스크린 인쇄 방식이 사용되어 왔으나, 결정질 실리콘 웨이퍼가 점차 박형화됨에 따른 파손율 증가가 문제시되고 있다.
잉크젯 인쇄 방식은 기존의 다른 기술들과 비교하여 재료의 활용률이 극대화된 기술이며, 스크린 제판 등의 소모성 부품을 요구하지 않는 디지털 인쇄 방식이다. 따라서, 값비싼 은으로 구성된 전극재료의 소모량을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 스크린 제판 등의 소모성 운용비용을 절감할 수 있다.
따라서, 태양전지의 전면전극에서 제2도전층인 은층과 접착력이 높으며, 실리콘 기판과 전극간의 접촉저항 낮추고, 잉크젯 인쇄법을 적용하여 전극 형성이 가능한 전도성 잉크 조성물을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 분산 안정성이 우수하고, 잉크젯 인쇄가 용이하고, 태양전지의 전면전극의 Ag 층과의 접착력이 높은 전극을 제조할 수 있는 전도성 잉크 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 전도성 잉크 조성물을 사용하여 실리콘 기판과 전극간의 접촉저항을 낮춘 태양전지용 전면전극, 및 상기 전면전극을 구비한 태양전지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 달성하고자, 본 발명의 일 구현예는 금속입자, 용매, 바인더 및 분산제를 포함하는 태양전지의 전면전극 형성용 전도성 잉크 조성물로서,
상기 용매는 비점이 130 내지 210℃을 갖는 저비점 글리콜 에테르와, 말단에 히드록시기를 가지며 비점이 240 내지 300℃을 갖는 고비점 용매를 포함하는 태양전지의 전면전극 형성용 전도성 잉크 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 결정질 실리콘 태양전지의 실리콘 반도체 기판, 상기 기판 상부에 형성되는 에미터층, 상기 에미터층에 형성되는 반사방지막, 상기 반사방 지막에 상기 전도성 잉크 조성물을 인쇄하고, 상기 제1도전층의 상부에 형성되는 제2도전층을 포함하는 태양전지 전면전극에 관한 것이다.
본 발명의 추가 구현예는 상기 전도성 잉크 조성물을 인쇄하여 형성된 제1도전층과 그 상부에 형성되는 제2도전층을 포함하는 태양전지 전면전극을 구비한 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 의한 태양 전지용 전도성 잉크 조성물은 박형 실리콘 기판위에 물리적 충격을 최소화할 수 있는 비접촉 인쇄공정에 적용되어 실리콘 태양전지의 전극 패턴을 형성할 수 있어 공정의 단순화 및 생산성 향상을 기대할 수 있으며, 또한, 본 발명은 패턴 마스크와 같은 보조 수단이 필요없이 직접 인쇄법을 이용하여 전면전극을 형성하여 전면전극의 선폭을 줄일 수 있어, 전극 물질의 손실을 최소화함으로써 생산 비용을 절감할 수 있어 경제적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 3는 본 발명의 실시예 2의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 비교예 1의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 6는 비교예 2의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 10는 비교예 2의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 11는 비교예 2의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 12는 전도성 잉크 조성물로 인쇄된 전극에 대한 실리콘 기판과 전극간의 접촉저항 를 분석하기 위한 TLM 패턴이다.
도 13은 전도성 잉크 조성물로 인쇄된 전극에 대한 접촉비저항을 도출하기 위한 계산이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 3는 본 발명의 실시예 2의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 비교예 1의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 6는 비교예 2의 잉크 조성물을 사용한 Ni 층의 접착력 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 10는 비교예 2의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 11는 비교예 2의 잉크 조성물을 사용하여 전기수력학 인쇄법을 기판에 실시한 후 얻어진 인쇄면에 대한 사진이다.
도 12는 전도성 잉크 조성물로 인쇄된 전극에 대한 실리콘 기판과 전극간의 접촉저항 를 분석하기 위한 TLM 패턴이다.
도 13은 전도성 잉크 조성물로 인쇄된 전극에 대한 접촉비저항을 도출하기 위한 계산이다.
이하, 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명에 잉크의 용매로 고비점 용매를 첨가하여 잉크젯 인쇄, 바람직하게는 전기수력학 (Electrohydrodynamics (EHD) Inkjet Print) 인쇄법으로 안정적으로 인쇄가 가능하다. 또한, 본 발명은 제1도전층에 니켈입자에 은 입자를 첨가한 잉크 조성물을 적용하여, 은이 함유된 니켈 입자를 사용하여 제2 도전층인 은층과의 접착력을 높였다. 바람직하게는, 본 발명의 전도성 잉크 조성물은 전극 형성시에 비접촉식의 전기수력학(Electrohydrodynamics;EHD) 인쇄법으로 인쇄할 수 있다. 상기 전기수력학 인쇄법은 전기장을 이용하여 액적을 토출하는 기술로서 분사노즐과 기판사이에 일정 전압을 인가하면 전기장이 발생하며, 동시에 노즐 근처의 유체의 표면에 전하가 집중된다. 이때 유체 표면에 발생되는 전하와 전기장에 의해 노즐의 유체가 분사되려는 압력이 유체의 표면장력보다 커지는 경우 구형이던 표면이 Taylor Cone 형상으로 변형되면서 노즐의 크기보다 훨씬 작은 실제트 또는 스프레이가 발생한다. 전기장에 의한 Taylor Cone 형성으로 상대적으로 수십 nm- 수백 마이크로미터의 큰 노즐로부터 수백nm-수 마이크로미터 크기의 실제트 또는 단일 액적을 발생시킬 수 있으므로 선폭 해상도 향상과 Clogging 빈도 감소라는 두 가지 장점을 동시에 구현 가능하며, 또한 전기장을 최적화함으로써 토출된 액적의 직진성 향상이 가능하다.
전기수력학 인쇄법은 스크린 인쇄와 같이 실리콘 기판에 압력을 가하여 전극을 형성할 필요가 없어 기판에 물리적 손상을 최소화시킬 수 있으며, 낭비되는 원료의 양이 적으며, EHD 프린팅 공정은 전극물질의 점도에 크게 영향을 받지 않아, 넓은 점도 범위의 전극 물질을 활용하여 전극을 형성 할 수 있다. 이로 인해, 얇은 층의 전극이 도포되어야 하는 니켈 층의 경우, 저점도 잉크를 활용하여 인쇄함으로써 얇은 층을 형성할 수 있고, 높은 종횡비를 가져야 하는 Ag 전극의 경우, 고점도 잉크를 활용하여 Ag 전극을 형성 할 수 있다. 이로 인해 잉크젯과 스크린 인쇄의 한계를 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크 조성물에 사용되는 용매는 바인더를 용해시킬 수 있고, 기타 첨가제와 잘 혼합되는 것을 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서 용매는 주용매인 저비점 용매와 고비점 용매를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 주용매인 저비점 용매는 말단기에 히드록실기가 있으며, 비점이 130 ℃ 내지 210℃, 바람직하게는 170 내지 210℃ 인 저비점 글리콜 에테르류일 수 있다. 상기 저비점 용매의 비점이 130℃ 미만이면 젯팅 특성이 나빠지며, 210℃를 초과하는 경우에는 젯팅 후 건조속도가 낮아 퍼짐 현상이 심해진다.
이러한 저비점 용매는 잉크 조성물의 총 중량을 기준으로 30 내지 70 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 용매의 함량이 30 중량% 미만이면 잉크가 균일하게 도포되기 어려울 수 있으며, 반면에 70 중량%를 초과하는 경우는 전극 패턴의 충분한 도전성이 얻어지지 않고, 기재와의 밀착성이 떨어지기 때문에 바람직하지 않다.
바람직한 저비점 용매의 예는 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르(Diethylene Glycol Monomethyl Ether(methyl carbitol)), 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르(Diethylene Glycol Monoethyl Ether(ethyl carbitol)), 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르(Diethylene Glycol Monobutyl Ether(butyl carbitol)) 등의 디에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르; 또는 에틸렌 글리콜 에틸 에테르(Ethylene glycol ethyl ether (ethyl Cellosolve)), 에틸렌 글리콜 프로필 에테르(Ethylene glycol propyl ether (propyl Cellosolve)), 에틸렌 글리콜 n-부틸 에테르(Ethylene glycol n-butyl ether (n-Butyl Cellosolve))과 같은 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르 등이 포함되며, 상기 알킬은 탄소수 1 내지 6의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.
고비점 용매는 말단기에 히드록실기가 있으며, 비점이 240~300℃, 바람직하게는 240 내지 270℃인 용매로서, 예를 들면, 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 글리세롤(glycerol), 트리프로필렌글리콜메틸에테르(tripropyleneglycolmethylether)를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고비점 용매의 함량은 전체 잉크 조성물 기준으로 3 내지 10 중량%일 수 있으며, 상기 함량이 3 중량% 미만이면 젯팅 특성이 나빠지며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 젯팅 후 건조속도가 느려서 퍼짐 현상이 심해진다.
본 발명에 따른 도전성 잉크 조성물에 포함된 도전성 물질로서 금속입자를 포함할 수 있다. 태양전지의 전극 형성을 위해 니켈 잉크를 인쇄한 후 추가적으로 은 잉크를 인쇄하여 전도성을 높여 주어야 하는데, 니켈 잉크에 은 성분이 포함된 금속입자를 잉크 조성물에 사용하는 경우 니켈층과 은층 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
상기 잉크 조성물 총 중량 기준으로, 금속입자는 20 내지 60 중량%로 함유될 수 있으며, 상기 금속입자의 함량이 20 중량% 미만인 경우에는, 너무 얇게 도포되어 충분한 전도성을 얻을 수 없고 60중량%를 초과하는 경우에는 잉크의 분산 안정성이 떨어지게 된다.
상기 금속입자는 니켈입자와 은입자의 혼합물, 니켈-은 합금, 또는 금속 입자의 일부분에 은을 포함하는 니켈 입자일 수 있다. 금속입자는 니켈입자와 은입자의 혼합물, 은 핵에 니켈 쉘을 갖는 은-니켈 합금 금속입자, 또는 니켈입자에 은이 부착된 금속입자일 수 있다. 구체적으로, 은을 함유하는 니켈입자는 은을 핵으로 하여 액상 환원법으로 합성된 은을 핵으로 포함하는 니켈 입자 또는 치환도금법으로 니켈 입자의 표면에 은으로 도금한 니켈입자일 수 있다.
본 발명의 전도성 잉크 조성물에서, 은 함량은 니켈 함량 100 중량부 기준으로 2 내부 10 중량부로 포함될 수 있다. 은의 함량이 니켈의 2 중량부 미만이면 니켈층과 은층 사이의 충분한 접착력을 얻기 어려우며, 10 중량부를 초과하는 경우에는 니켈과 실리콘층 사이의 접착력이 나빠질 우려가 있다.
상기 금속입자는 바람직한 입경은 5 내지 200nm일 수 있으며, 금속입자의 제조방법으로는 액상 환원법등을 들 수 있으나 이에 한정되는 의도는 아니다. 상기 금속입자의 입경이 5nm 미만이면 잉크의 산화 안정성이 낮아지며, 200nm를 초과하는 경우에는 잉크의 분산 안정성이 낮아진다.
본 발명의 전도성 잉크 조성물에 사용 가능한 바인더는, 전극패턴의 소성 전의 성분들의 결합재로 사용되는 것으로, 균일성을 위해 현탁중합에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 이러한 바인더로는, 상기 주용매에 용해될 수 있는 고분자면 사용 가능하며, 구체적으로 카르복실기를 포함하는 수지, 구체적으로는 그 자체가 에틸렌성 불포화 이중 결합을 갖는 카르복실기 함유 감광성 수지 및 에틸렌성 불포화 이중 결합을 갖지 않는 카르복실기 함유 수지를 포함할 수 있다. 상기 바인더의 예를 들면, i) 불포화 카르복실산과 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합에 의해 얻어지는 카르복실기 함유 감광성 수지, ii) 불포화 카르복실산과 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체에 에틸렌성 불포화기를 팬던트로 부가시킴으로써 얻어지는 카르복실기 함유 감광성 수지, iii) 불포화 이중 결합을 갖는 산 무수물과 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체에, 수산기와 불포화 이중 결합을 갖는 화합물을 반응시켜 얻어지는 카르복실기 함유 감광성 수지를 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 이들은 1종 이상 사용 가능하다. 상기 바인더의 바람직한 예는 알킬 페놀-포름알데히드 공중합체, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알코올(PVA), 및 에틸 셀룰로스(ethyl cellulose) 등을 포함한다
상기 바인더는 잉크 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 바인더의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우 형성되는 전극 패턴 중의 바인더의 분포가 불균일해질 수 있어, 선택적 노광, 현상에 의한 패터닝이 곤란해질 수 있으며, 5 중량%를 초과하는 경우는 전극의 소성시 패턴 붕괴를 일으키기 쉽고, 소성 후 유기물 잔탄(Carbon ash)에 의해 전극의 저항이 상승할 수 있다.
분산제는 전체 전도성 조성물중 0.5 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 분산제는 산가 50 mg KOH/g 이상이고 아민가가 100 mg KOH/g 이하인 산성기를 갖는 공중합체일 수 있다. 상기 분산제의 일 예로, 상기 산가와 아민가를 충족하는 상용제품인 BYK Chemie사의 BYK102(산가: 101mg KOH/g, 아민가 : 0mg KOH/g), BYK110(산가 : 53mg KOH/g, 아민가 : 0mg KOH/g), BYK145(산가 : 76mg KOH/g, 아민가 : 71mg KOH/g), BYK180(산가 : 94mg KOH/g, 아민가 : 94mg KOH/g), BYK995(산가 : 53mg KOH/g, 아민가 : 0mg KOH/g), BYK996(산가 : 71mg KOH/g, 아민가 : 0mg KOH/g)을 분산제로 사용할 수 있다.
기타 본 발명에 따른 전면전극을 형성하기 위한 잉크 조성물은 증점제, 요변제 및 레벨링제 등을 포함하는 첨가제 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함될 수 있으며, 이러한 첨가제의 첨가량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
상기 본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물은 제조방법에 있어서, 교반 및 분쇄 단계의 공정은 볼밀링 등의 공정을 이용할 수 있고, 유리 프릿의 나노 입자를 제조하기 위하여 밀링 공정을 사용할 수 있으며, 추가로 여과고정을 통하여 응집되거나 입경 범위가 벗어나는 입자들을 제거하여 사용할 수 있다. 보다 바람직하게 화염분무열분해, 플라즈마 처리 등의 공정을 통하여 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 잉크 조성물은 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용으로 사용될 수 있으며, 니켈과 실리콘의 결합에 의해서 니켈실리사이드가 형성되어 실리콘 기판과 전극간의 접촉저항 낮출 수 있는 잇점이 있다.
본 발명에 따른 태양전지 전면전극은 상기 전도성 잉크 조성물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 태양전지 전면전극은 실리콘 반도체 기판(1), 상기 기판 상부에 에미터층(2), 상기 에미터층에 형성되는 반사방지막(3), 상기 반사방지막에 제1도전층(4)을 패턴화하고, 상기 제1도전층의 상부 전면에 형성하는 제2도전층(5), 및 후면전극(6)을 포함한다.
이때, 상기 제1도전층 및 제2도전층의 형성은 직접 인쇄법으로 형성되며, 전도성 잉크 조성물을 잉크젯 인쇄법 또는 전기수력학 인쇄법 등의 비접촉 직접 인쇄 공정을 통하여 패턴화할 수 있다.
본 발명에서는 상기 제1도전층은 비접촉식 인쇄 공정, 예를 들면 잉크젯 인쇄법 또는 전기수력학 인쇄법을 통하여 제1도전층을 형성할 수 있다. 상기 제2도전층의 형성은 다양한 인쇄법으로 제조할 수 있으며, 접촉식 인쇄법 및 비접촉식 인쇄법을 모두 사용할 수 있으며, 구체적인 예로는 디스펜싱 인쇄법, 잉크젯 인쇄법 또는 전기수력학 인쇄법과 같은 비접촉식 인쇄법일 사용할 수 있다. 상기 제1도전층을 비접촉식 인쇄 공정으로 형성하기 때문에 도전층의 폭을 현저히 줄일 수 있어 전면전극이 태양전지의 전면을 가림으로 인하여 나타날 수 있는 광학적 손실을 줄일 수 있어 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 태양전지 전면 형성 공정으로 반사방지막(Anti-reflection layer:ARC)이 형성된 웨이퍼에 전극 모양으로 사진식각법, 레이져 식각법 또는 스크린 인쇄에 의한 식각법에 의해 개구부를 형성하고, 상기 잉크 조성물을 이용하여 전기수력학 인쇄 공정으로 Ni 층을 형성한다. Ni 전극 형성 후, Ni전극 위에 Ag 전극을 전기수력학 인쇄 공정으로 Ag 전극을 형성한다. 그 뒤는 일반적 태양전지 공정과 비슷하게 후면전극을 형성하고, co-firing을 통해 태양전지를 제조한다. Firing 공정을 통해 Ni층과 Emitter층의 계면에서 접촉저항이 낮은 NiSi가 형성이 되며, 이로 인해 높은 효율을 가지는 태양전지를 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 실리콘 반도체 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 에미터층; 상기 에미터층의 상부에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막의 상부에서부터 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속된 제1도전층과 제2도전층을 구비한 전면전극; 및 상기 기판의 하부에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지로서, 상기 전면전극의 제1도전층은 상술한 잉크 조성물을 이용하여 형성되는 태양전지가 제공된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 간략히 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는, 실리콘 반도체 기판(1)(이하 기판이라 함), 기판(1)의 상부에 형성되는 에미터층(2), 에미터층(2) 상에 형성된 반사방지막(3) 및 반사방지막(3)을 관통하여 에미터층(2)과 접속되며 제1도전층(4)과 제2도전층(5)을 포함하는 전면전극을 포함하고, 또한 기판(1)의 배면에 접속된 후면 전극(6)을 포함할 수 있다.
상기 기판(1)은 P형 불순물로서 3족 원소인 B, Ga, In 등이 불순물로 도핑될 수 있고, 에미터층(2)에는 N형 불순물로서 5족 원소인 P, As, Sb 등이 불순물로 도핑될 수 있다. 이처럼 기판(1)과 에미터층(2)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(1)과 에미터층(2)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성된다.
상기 반사방지막(3)은 에미터층(2)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화하고 기판(1)의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 에미터층(2)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압(Voc)이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 P-N 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 태양전지의 단락전류(Isc)가 증가한다. 이처럼 반사방지막(3)에 의해 태양전지의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그만큼 태양전지의 변환효율이 향상된다. 방사방지막(3)은 예를 들면 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 반사방지막(3)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있다.
전면전극은 제1도전층(4)과 제2도전층(5)을 구비한다. 상기 제1도전층(4)은 비접촉신 직접 인쇄법(direct writing) 으로 형성된다. 여기서, 비접촉식 직접 인쇄법은 스크린 인쇄법과 같이 패턴 마스크와 같은 보조 수단을 이용하여 패턴을 형성 하지 않으며, 원하는 전면전극의 패턴을 반사방지막 위에 직접 형성하는 것으로, 비접촉식 직접 인쇄법의 예는 전기수력학 인쇄법, 잉크젯 인쇄법 등을 포함할 수 있다.
제1도전층(4)은 본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물을 패터닝하여 형성된다. 형성된 제1도전층의 폭은 사용되는 재료에 따라 가변 되고, 또한 전면전극의 패턴, 형상 또는 크기 등에 따라 달라질 수 있다.
제2도전층(5)은 제1도전층(204) 위에만 형성되어 있다. 이때, 제2도전층을 형성하기 위해 사용되는 전도성 금속 물질로서, 전도성 금속 물질은 은(Ag)일 수 있다. 본 발명에서 제2도전층(5)은 다양한 방법, 예를 들면 디스펜싱 인쇄법, 잉크젯 인쇄법과 전기수력학 인쇄법과 같은 비접촉식 직접 인쇄법, Silver Light induced plating(LIP), 무전해도금법과 같은 다른 도금법을 사용하여 형성될 수 있으며, 바람직하게는 비접촉식 직접 인쇄법을 사용할 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 전면전극은 태양전지의 가장 상부에 위치하여 태양광을 가리게 된다. 이에, 전면전극의 기능을 저하시키지 않으면서 그 면적을 최소화하는 것이 중요하다.
또한 상기 후면 전극(6)은 알루미늄을 포함하여 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 후면 전극(6)은 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가된 후면 전극용 잉크를 기판(1)의 배면에 인쇄한 후 열처리를 행하여 형성할 수 있다. 후면 전극(6)의 열처리 시에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판(1)의 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극(6)과 기판(1)의 경계면에 후면 전계(Back Surfacefield)층이 형성될 수 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(1)의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압이 상승하여 태양전지의 효율이 향상된다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
잉크 조성물은 니켈 입자 40g, 은 입자 2g, 주용매로 ethyl cellosolve 48g, 고비점 용매로 tripropyleneglycolmethylether 7g, 바인더로 알킬 페놀-포름알데히드 공중합체 1g, 분산제로 BYK996 2g를 혼합하였으며, 상기 혼합물을 볼밀을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 잉크 조성물을 제조하였다.
<실시예 2>
잉크 조성물은 5% 은을 함유한 니켈 입자 40g, 주용매로 ethyl cellosolve 50g, 고비점 용매로 tripropyleneglycolmethylether 7g, 바인더로 알킬 페놀-포름알데히드 공중합체 1g, 분산제로 BYK996 2g를 혼합하였으며, 상기 혼합물을 볼밀을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 잉크 조성물을 제조하였다.
상기 5% 은을 함유한 니켈 입자로는 에칠렌글리콜 용매하에서 환원법으로 제조된 니켈 입자에 친환도금법으로 5% 은을 도금한 것을 사용하였다.
<실시예 3>
잉크 조성물은 5% 은을 함유한 니켈 입자 40g, 주용매로 ethyl carbitol 50g, 고비점 용매로 tripropyleneglycolmethylether 7g, 바인더로 PVP 1g, 분산제로 BYK996 2g를 혼합하였으며, 상기 혼합물을 볼밀을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 잉크 조성물을 제조하였다.
상기 5% 은을 함유한 니켈 입자로는 에칠렌글리콜 용매하에서 환원법으로 제조된 니켈 입자에 치환도금법으로 5% 은을 도금한 것을 사용하였다.
<실시예 4-6>
상기 실시예 1-3에서 제조된 잉크 조성물을 사용하여 태양전지의 전면전극을 제조하고자, 156mm 다결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 관상로(tube furnace)에서 880℃로 POCL3을 사용하는 확산 공정 통해 인(P)을 도핑하여 80Ω/sq 시트 저항을 가지는 에미터층을 형성하였다. 상기 에미터층 상에 플라즈마 강화 화학증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)으로 실리콘 질화막을 증착하여 80nm 두께로 형성하여 반사방지막을 형성하였다. 상기 반사방지막을 에칭 잉크를 이용한 스크린 인쇄 방식으로 60um크기의 폭으로 제거하여 개구부를 형성하였다.
상기 실시예 1 내지 3에서 제조된, 전기수력학용 Ni 잉크를 전기수력학 인쇄 공정으로 제1 도금층을 형성하였다. 60 ℃에서 건조한 후, 형성된 니켈층에 은 층을 제조하고자, SiO2-PbO-B2O3인 유리 프릿 0.5중량%, 부틸 카비톨 아세테이트 10 중량%, 바인더(ethyl Cellouse 수지, 상품명 Ethocel, Dow사, Standard 100) 3 중량%, 평균 입도(D50)은 3.21㎛인(Dowa사) 은 분말 79 중량%로 혼합 분산하였다. 혼합분산액을 3-롤 밀링에 의하여 분산하여 은 페이스트를 제조하였다. 제조된 페이스트를 이용하여 디스펜싱 인쇄기를 이용하여 상기 형성된 니켈층상에 인쇄 후 700 ℃ 벨트 소성(belt firing)로에서 20초간 소결하여 도 1의 전면전극을 형성하였다. 상기 디스펜싱 인쇄기는 인가되는 압력에 의해 페이스트가 노즐을 통해 배출되는 형태로 100만 cPs 내외의 높은 점도를 갖는 페이스트를 비접촉 방법으로 인쇄할 수 있다.
<비교예 1>
잉크 조성물은 니켈 입자 40g, 주용매로 ethyl cellosolve 50g, 고비점 용매로 tripropyleneglycolmethylether 7g, 바인더로 알킬 페놀-포름알데히드 공중합체 1g, 분산제로 BYK996 2g를 혼합하였으며, 상기 혼합물을 볼밀을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 잉크 조성물을 제조하였다.
<비교예 2>
잉크 조성물은 니켈 입자 40g, 글래스프릿 2%, 주용매로 에탄올 48g, 고비점 용매로 tripropyleneglycolmethylether 7g, 바인더로 알킬 페놀-포름알데히드 공중합체 1g, 분산제로 BYK996 2g를 혼합하였으며, 상기 혼합물을 볼밀을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 잉크 조성물을 제조하였다.
<비교예 3>
잉크 조성물은 니켈 입자 40g, 은 입자 2g, 주용매로 ethyl cellosolve 55g, 바인더로 알킬 페놀-포름알데히드 공중합체 1g, 분산제로 BYK996 2g를 혼합하였으며, 상기 혼합물을 볼밀을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 잉크 조성물을 제조하였다.
<비교예 4 내지 6>
상기 실시예 4에서 사용된 잉크 조성물 대신에, 비교예 1 내지 3에서 제조된 잉크 조성물을 사용하여 제1도금층을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 4와 실질적으로 동일한 방법으로 도 1의 전면전극을 형성하였다.
<실험예>
상기 실시예 1-3 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 잉크 조성물과, 실시예 4-6 및 비교예 4-6에서 제조한 태양전지용 전면전극에 대해서 하기와 같은 실험을 수행하고 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
1) 분산안정성 평가
분산안정성은 잉크 제조 7일 후 잉크 상층부를 채취하여 TGA로 solid 함량을 분석한 후, 제조 당일 solid 함량과 비교하여 95% 이상이면 '양호', 95% 이하이면 '불량'으로 평가하였다.
2)인쇄 젯팅성 평가
인쇄 젯팅성은 내경 100㎛ 인 sus 재질 노즐로 인쇄한 후 선 끊김이 없고 선폭이 균일하면 '양호', 선 끊김이 있거나 선폭이 불균일하면 '불량'으로 평가하였다.
3)제1 도금층과 제2도금층(은층)과의 접착성 평가
접착성은 스카치 테이프를 전극이 인쇄된 웨이퍼에 붙인 후 띄어 내어 전극이 테이프와 같이 떨어지면 '약'으로, 떨어지지 않으면 '강'으로 평가하였다.
접착성 평가와 관련하여 실시예 1 내지 3의 조성물 및 비교예 1 과 2의 조성물에 대해서 접착성 평가 결과를 보여주는 사진을 도 2 내지 6에 나타냈다.
| 잉크 조성물 | 분산안정성 | EHD 젯팅성 | 은층과의 접착성 |
| 실시예 1 | 양호 | 양호 | 강 |
| 실시예 2 | 양호 | 양호 | 강 |
| 실시예 3 | 양호 | 양호 | 강 |
| 비교예 1 | 양호 | 양호 | 약 |
| 비교예 2 | 불량 | 불량 | 약 |
| 비교예 3 | 양호 | 불량 | 강 |
도 2 내지 6에 나타낸 바와 같이, 접착성 평가결과, 니켈과 은을 혼합하여 사용하거나 은이 포함된 니켈을 사용한 잉크의 경우 테이프 peel test에서 강한 접착력을 나타내었으며, 은 대신 Ag 페이스트에서 접착력을 부여하는 것으로 알려진 글래스프릿을 포함한 경우는 오히려 접착력이 약하게 나타났다.
도 7 내지 11에 나타낸 바와 같이, EHD 인쇄젯팅성 평가결과,주용매로 비점이 130~210℃인 에틸렌글리콜 에테르계 유기용매를 사용하고 고비점 용매를 사용한 경우 젯팅이 끊김이 없고 선폭이 균일하게 인쇄되었으며, 이와 비교해서 비점이 130℃ 이하인 에탄올을 사용하거나, 고비점 용매를 사용하지 않는 경우 젯팅이 끊기거나 선폭이 불균일하게 인쇄되었다.
4)실리콘 기판과 전극간의 접촉저항 평가
도 12에 나타낸 바와 같이, EHD 프린터를 이용하여 면저항 75Ω/□인 웨이퍼에 선폭 100㎛인 선분을 간격이 0.025㎝부터 0.3㎝까지 0.025㎝ 씩 증가하도록 Ni잉크를 인쇄하였다. 똑같은 모양으로 Ag 잉크를 Ni 패턴 위에 인쇄한 후 레이저를 이용하여 폭 1㎝로 잘라서 패턴을 제작하였다. 건조/소성한 후 각 선분 사이의 저항을 측정한 후 접촉저항을 계산하였다.
실시예1의 잉크를 이용하여 접촉저항을 측정한 결과 0.5mΩcm2으로 나타났으며, 이 값은 상업적으로 사용되고 있는Ag 페이스트를 이용하였을 때 얻어진 20mΩcm2보다 훨씬 개선된 것으로 본 발명에 의해 Si웨이퍼와 전극사이의 접촉저항을 개선할 수 있음을 확인하였다.
1: 실리콘 반도체 기판
2: 에미터층
3: 반사방지막
4: 전면전극의 제1 도전층
5: 전면전극의 제2 도전층
6: 후면 전극
2: 에미터층
3: 반사방지막
4: 전면전극의 제1 도전층
5: 전면전극의 제2 도전층
6: 후면 전극
Claims (13)
- 금속입자, 용매, 바인더 및 분산제를 포함하는 태양전지의 전면전극 형성용 전도성 잉크 조성물로서,
상기 용매는 비점이 130 내지 210℃를 갖는 저비점 글리콜 에테르와, 말단에 히드록시기를 가지며 비점이 240 내지 300℃를 갖는 고비점 용매를 포함하고,
상기 저비점 글리콜 에테르는 전체 전도성 잉크 조성물중 30 내지 70 중량%, 상기 고비점 용매는 전체 전도성 잉크 조성물중 3 내지 10 중량%로 포함되는,
태양전지의 전면전극 형성용 전도성 잉크 조성물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 저비점 글리콜 에테르는 디에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르 또는 에틸렌 글리콜 모노알킬 에틸렌이며, 상기 알킬은 탄소수 1 내지 6을 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬인 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고비점 용매는 디에틸렌 글리콜, 글리세롤 또는 트리프로필렌글리콜메틸에테르인 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속입자는 입경이 5 내지 200 nm인 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속입자는 상기 전도성 잉크 조성물 총 중량기준으로 20 내지 60 중량%로 포함되는 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속입자중 니켈과 은을 포함하고, 은의 함량은 니켈 100 중량부에 대해서 2 내지 10 중량부인 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속입자는 니켈입자와 은입자의 혼합물, 은 핵에 니켈 쉘을 갖는 은-니켈 합금 금속입자, 또는 니켈입자에 은이 부착된 금속입자인 태양전지의 전면전극 형성용 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분산제는 산가가 50 mg KOH/g 이상이고, 아민가가 100 mg KOH/g 이하인 산성기를 갖는 공중합체인 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분산제는 상기 전도성 잉크 조성물 총 중량기준으로 0.5 내지 5중량%로, 상기 바인더는 0.1 내지 5 중량%로 포함되는 전도성 잉크 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 잉크 조성물은 결정질 실리콘 태양전지의 전면전극의 형성용인 것인, 전도성 잉크 조성물.
- 결정질 실리콘 태양전지의 실리콘 반도체 기판, 상기 기판 상부에 형성되는 에미터층, 상기 에미터층에 형성되는 반사방지막, 상기 반사방지막에 상기 제1항 및 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전도성 잉크 조성물을 이용하여 인쇄되는 제1도전층, 상기 제1도전층의 상부에 형성되는 제2도전층을 포함하는 태양전지 전면전극.
- 제 12 항에 있어서, 상기 제1도전층의 인쇄는 전기수력학 젯트 인쇄법에 의해 형성되는 것인 태양전지 전면전극.
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