KR101633192B1

KR101633192B1 - 태양전지의 전면 전극 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101633192B1
Application number: KR1020140186015A
Authority: KR
Inventors: 오민경; 강성구; 김기훈
Original assignee: 오씨아이 주식회사
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-24

Abstract

본 발명은 태양전지의 전면 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 본 발명에 따른 태양전지의 전면 전극은 다층 구조를 가지며, 또한 본 발명은 이러한 다층 구조를 가지는 태양전지의 전면 전극을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

태양전지의 전면 전극 및 이의 제조 방법{FRONT ELECTRODE OF SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

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 p형과 n형처럼 서로 다른 전도성 타입 (conductive type)을 가지는 반도체로 이루어진 반도체 기판(semiconductor substrate) 및 반도체 에미터층 (semiconductor emitter layer), 반도체 에미터층 위에 형성되어 있는 반사방지막, 상기 반사방지막 위에 형성된 도전성 전극층, 도전성 전극층 위에 형성된 전면 전극 (front electrode), 반도체 기판 위에 형성된 후면 전극 (rear electrode)을 구비한다. 따라서 반도체 기판과 반도체 에미터층의 계면에는 p-n 접합이 형성이 된다.

기존 실리콘 태양전지의 생산에서 웨이퍼의 원가 비중 외에 전도성 패턴의 형성에 소모되는 전극 재료 또한 높은 원가 비중을 차지하며, 소재 비용의 절감을 통해 원가경쟁력을 높일 필요성이 대두되었다.

기존 결정질 실리콘 태양전지 전극 형성 공정은 압력이 인가되는 스크린 프린팅 방식이 사용되어 왔으나, 결정질 실리콘 웨이퍼가 점차 박형화됨에 따른 파손율 증가가 문제시되고 있다.

잉크젯 프린팅 방식은, 기존의 다른 기술들과 비교하여, 재료의 활용률이 극대화된 기술이며, 스크린 제판 등의 소모성 부품을 요구하지 않는 디지털 프린팅 방식이다.

따라서, 고가의 은으로 구성된 전극 재료의 소모량을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 스크린 제판 등의 소모성 운용 비용을 절감할 수 있다.

그러나, 잉크젯 프린팅 방식은, 노즐 사이즈보다 큰 크기의 잉크 토출이 불가능하며, 점도가 높은 잉크을 적용할 경우 토출시 노즐의 측면에 달라붙어 노즐이 막힐 수 있는 우려가 있어 점도의 제한이 있다.

따라서, 고가의 은의 사용량을 줄이기 위한 획기적인 방안의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

상기와 같은 기술적 배경 하에서, 본 발명자들은 태양전지의 전면 전극을 형성하기 위한 페이스트 내 고가의 은을 대체하기 위한 방안과 은의 대체 소재의 부적합성에 따라 발생할 수 있는 여러 가지 문제점들을 동시에 해결하기 위한 기술 개발을 위해 수년간 다양한 연구를 수행하였다.

그 결과, 본 발명자들은 은으로 코팅된 구리 복합체 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체를 포함하는 페이스트를 태양전지의 전면 전극을 제조하기 위한 방법을 개발하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 목적은 고가의 은의 사용량을 줄이기 위해 은으로 코팅된 구리 복합체 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체를 포함하는 페이스트를 이용하여 다층 구조를 가지는 태양전지의 전면 전극을 제조하는 방법과 이에 따라 제조된 태양전지의 전면 전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 은 분말, 글래스 프릿 및 유기 수송체를 포함하는 제1 페이스트 조성물로 형성된 제1 전극층; 및 상기 제1 전극층 상에 형성되며, 은으로 코팅된 구리 분말 및 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말로부터 선택되는 적어도 하나와 유기 수송체를 포함하는 제2 페이스트 조성물로 형성된 제2 전극층;을 포함하는 태양전지의 전면 전극이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 제1 전극층은 기판과의 접촉 저항을 형성하며, 제2 전극층은 배선과의 접합을 형성할 수 있다.

여기서, 상기 은 분말은 제1 은 미립자와 상기 제1 은 미립자의 직경의 1/4 이하의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 은 분말은 0.5 ~ 3 μm 범위의 직경을 가지는 제1 은 미립자와 10 ~ 300 nm 범위의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 은 미립자는 상기 은 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 50 중량%로 포함될 수 있다.

여기서, 상기 은으로 코팅된 구리 분말은 0.5 ~ 3 μm의 직경을 가지는 구리의 표면에 상기 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 40 wt%의 은이 코팅될 수 있다.

여기서, 상기 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말은 0.5 ~ 3 μm의 직경을 가지는 구리-니켈 복합체의 표면에 상기 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 40 wt%의 은이 코팅될 수 있다.

여기서, 상기 구리-니켈 복합체 분말은 상기 복합체 분말의 반직경이 R 이고, 상기 복합체 분말의 중심부로부터 상기 복합체 분말 내의 특정 지점까지의 거리를 r 이라 할 때, 0 < r < 0.8R인 영역보다 0.8R ≤ r ≤ R인 영역에서 니켈의 함량이 높은 것일 수 있다.

여기서, 상기 구리-니켈 복합체 분말의 0.8R ≤ r ≤ R인 영역에 포함된 니켈의 함량은 상기 복합체 분말에 포함된 전체 니켈의 함량의 80 ~ 99 중량%일 수 있다.

여기서, 상기 구리-니켈 복합체 분말의 산화 온도는 200 ℃ 이상일 수 있다.

여기서, 상기 제2 페이스트 조성물은 10 ~ 300 nm 범위의 직경을 가지는 은 미립자를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 은 미립자는 상기 제2 페이스트 조성물의 전체 중량 대비 10 ~ 50 wt%로 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면, 은 코팅층과 내부 금속 코어의 분리의 억제를 위해 다층 구조를 가지는 태양전지의 전면 전극을 형성함에 은으로 코팅된 구리 복합체 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체를 포함하는 페이스트를 이용하여 태양전지의 전면 전극의 제조가 가능하다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양전지의 전극을 형성하기 위해 사용되는 페이스트에 포함된 글래스 프릿에 의해 소결 시 금속이 용융점이 낮아짐에 따른 은 코팅층과 구리 코어의 분리 현상을 효과적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지의 전기적 특성 역시 종래보다 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명은 기판과의 접촉 저항을 형성하는 제1 전극층과 배선과의 접합을 형성하는 제2 전극층을 포함하는 태양전지의 전면 전극을 형성함으로써, 하나의 전극층으로만 이루어진 경우보다 더 높은 종횡비를 가지는 전면 전극을 형성할 수 있다.

또한, 은으로 코팅된 구리 분말 및 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체와 같이 코어-쉘 구조를 가지는 복합체와 글래스 프릿이 동시에 포함될 경우, 코어가 노출되어 산화되는 문제를 해결할 수 있다.

게다가, 글래스 프릿이 포함되지 않는 페이스트로 전극을 형성하는 경우, 기판과의 접촉 저항을 형성할 수 없는 문제도 해결할 수 있다.

도 1은 마이크로미터 단위의 은 미립자만을 포함하는 페이스트를 소결시켰을 때의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 마이크로미터 단위의 제1 은 미립자와 나노미터 단위의 제2 은 미립자의 혼합물을 포함하는 페이스트를 소결시켰을 때의 SEM 사진을 나타낸 것이다.

본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다.

또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 다양한 양태를 상세히 설명하도록 한다.

태양전지의 전면 전극을 제조하는데 있어서, 고가의 은의 사용량을 줄이기 위한 방법은 여러가지 방법이 있다.

그 중 하나는 은으로 코팅된 구리 복합체(즉, 은-구리 코어-쉘 복합체)를 이용한 전도성 페이스트이다.

다만, 글래스 프릿을 포함하는 은-구리 코어-쉘 복합체의 경우 소결 후 은 코팅층과 구리 코어가 분리되어, 구리 코어가 노출되는 문제를 수반한다.

노출된 구리 코어는 표면이 산화되어 전도성이 확보되지 않기 때문에 태양전지의 전면 전극을 제조하는데 있어서 기존의 은 페이스트를 대체하기에 부적합하다.

은 코팅층과 구리 코어의 분리 현상은 페이스트에 포함된 글래스 프릿에 의해 소결 시 금속의 용융점이 낮아짐에 따른 것이다.

즉, 소결 온도 하에서 은 코팅층과 구리 코어가 모두 용융되어 높은 표면에너지를 가지는 은은 서로 뭉치게 되며, 구리 코어는 원래의 구조를 상실하기 때문에, 은 코팅층과 구리 코어가 분리되는 것이다.

이에 따라, 은 코팅층과 구리 코어의 분리 현상을 해결하기 위해 페이스트 내 글래스 프릿을 포함시키지 않을 수도 있다.

다만, 글래스 프릿이 포함되지 않은 페이스트를 이용하여 전극을 제조할 경우, 페이스트 내 전도성 금속이 기판과의 접촉 저항을 형성하지 못하고, 실리콘 기판과의 접착력 역시 확보되지 않는다.

따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 고가의 은의 사용량을 줄이기 위해 은의 대체 소재로서 구리를 사용량을 증가시키되, 은 코팅층과 구리 코어의 분리 현상을 방지하기 위해 글래스 프릿이 포함된 페이스트와 포함되지 않은 페이스트를 분리하여 사용한다.

본 발명의 일 측면에 따른 태양전지의 전면 전극은 다층 구조로 형성된다.

일 예에 있어서, 전면 전극은 기판 상에 접촉 저항을 형성하는 제1 전극층과 제1 전극층 상에 형성되며, 배선과의 접합을 형성하는 제2 전극층으로 형성될 수 있다.

여기서, 제1 전극층은 은 분말, 글래스 프릿 및 유기 수송체를 포함하는 제1 페이스트 조성물로 형성될 수 있다.

또한, 제2 전극층은 은으로 코팅된 구리 분말 및 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말로부터 선택되는 적어도 하나와 유기 수송체를 포함하는 제2 페이스트 조성물로 형성될 수 있다.

우선, 제1 페이스트 조성물에 대하여 설명한다.

은 분말은 태양전지의 전면 전극을 형성하기 위한 전도성 금속으로서, 페이스트 조성물의 주 성분이다.

제1 페이스트 조성물 중 은 분말의 함량은 60 ~ 90 wt%인 것이 바람직하다. 은 분말의 함량이 과도하게 높을 경우, 페이스트 조성물의 도포성이 저하되는 반면, 은 분말의 함량이 60 wt% 미만인 경우, 전극으로서의 충분한 도전성을 확보하는 것이 어렵다.

여기서, 은 분말은 서로 직경이 상이한 은 미립자를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 은 분말은 마이크로미터 단위의 직경을 가지는 제1 은 미립자와 상기 제1 은 미립자의 직경의 1/4 이하의 직경을 가지되, 나노미터 단위의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 포함할 수 있다.

서로 다른 단위의 직경을 가지는 은 미립자를 혼합하여 사용하는 것은 태양전지의 전극 제조를 위해 페이스트를 소결한 경우 발생하는 공극 비율을 감소시켜 팩킹 밀도(packing density)를 향상시키기 위함이다.

즉, 제2 은 미립자는 상대적으로 입자의 크기가 큰 제1 은 미립자로 제1 전극층이 형성되는 경우보다 제1 전극층의 치밀도를 향상시키기 위해 추가적으로 첨가된다.

도 1 및 도 2의 SEM 사진을 참고하면, 마이크로미터 단위의 직경을 가지는 제1 은 미립자만을 포함하는 페이스트를 소결한 경우보다, 마이크로미터 단위의 직경을 가지는 제1 은 미립자와 나노미터 단위의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 혼합하여 사용한 경우, 팩킹 밀도가 현저히 개선된 것을 확인할 수 있다.

구체적인 예에 있어서, 은 분말은 0.5 ~ 3 μm 범위의 직경을 가지는 제1 은 미립자와 10 ~ 300 nm 범위의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 포함한다.

여기서, 제1 은 미립자의 직경이 0.5 μm 미만인 경우, 입자의 비표면적이 상대적으로 넓음에 따라 페이스트 점도가 상승하기 때문에, 인쇄성이 떨어진다.

반면, 제1 은 미립자의 직경이 3 μm 초과인 경우, 페이스트 내 은 미립자의 치밀도가 떨어져 전극 내 공극이 발생할 가능성이 높아진다.

전극 내 공극은 전극의 저항 상승과 관련된다.

마찬가지로, 제1 페이스트 조성물 중 은 분말, 즉 제1 은 미립자와 제2 은 미립자의 전체 함량은 60 ~ 90 wt%으로 유지될 것이다.

이 때, 은 분말 중의 제1 은 미립자와 제2 은 미립자의 함량은 제1 은 미립자와 제2 은 미립자의 직경 차이에 따라 달라질 것이나, 대체적으로 제2 은 미립자는 은 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

제2 은 미립자의 함량이 과도하게 많을 경우, 전체 페이스트의 점도가 상승하여 인쇄성이 떨어지게 된다.

반면, 제2 은 미립자의 함량이 과도하게 적을 경우, 제2 은 미립자에 의한 치밀도 향상 효과가 미미하다.

글래스 프릿은 유연계와 무연계가 모두 사용될 수 있으며, 환경을 고려할 때 무연계가 보다 바람직하다.

무연계 글래스 프릿의 조성은 기본적인 성분으로 비스무스 산화물인 Bi₂O₃와 ZnO, B₂O₃, SiO₂ 및 Al₂O₃로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 이 이외에도 태양전지의 광전변환 효율을 향상할 수 있는 MgO, TiO₂, SrO, BaO, ZrO, Fe₂O₃, Cr₂O₃, Co₂O₃, CoO, MnO₂ 등 다양한 물질을 더 포함할 수 있다.

유기 수송체는 전극 제조를 위한 인쇄에 적합한 페이스트 조성물의 점도 및 유변학적 특성을 부여하기 위한 성분이다.

유기 수송체는 유기 용매에 고분자 수지와 필요에 따라 다양한 첨가제를 용해시켜 사용한다.

유기 수송체는 고분자 수지, 용매 및 첨가제가 일정 비율로 혼합된 혼합물로 구성된다.

여기서, 첨가제는 소포제, 분산제, 가소제, 요변성 재료 및 이들의 조합 중 어느 하나로 이루어진다.

일반적으로 유기 수송체는 용매에 용해된 고분자 수지 용액이며, 약 80 wt%의 유기 용매와 약 5 wt% 이하의 열가소성 고분자 수지, 약 15 wt% 이하의 첨가제를 포함한다.

페이스트 조성물 중 유기 수송체는 10 ~ 40 wt%로 포함될 수 있으며, 유기 수송체의 양이 너무 적거나 많을 경우, 페이스트 조성물의 인쇄성이 저하된다.

유기 수송체 중 고분자 수지로는 알데하이드, 아크릴계 수지, 셀룰로오스계 수지 및/또는 알키드 수지 등이 사용될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

알데하이드 수지는 진한 알칼리 용액에 의하여 일어난 축합 반응에 의한 하나 이상의 지방족 알데하이드로부터 생성된 임의의 수지, 특히 임의의 알데하이드(예를 들어, 포름알데하이드 또는 퍼퓨랄)와 또 다른 물질(예를 들어, 페놀 또는 요소)의 상호작용에 의하여 만들어진 임의의 수지성 생성물이다.

유기 수송체 중 용매로는 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 헥실렌 글리콜, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노 이소부티레이트, 알콜 에스테르, 케로센, 디부틸프탈레이트, 테르펜 및/또는 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 등이 사용될 수 있다.

또한, 일반적으로 사용되는 분산제, 계면 활성제 및 유동 개질제가 포함될 수 있는데, 이들 조성물로 상업적으로 판매되는 Texanol® (Eastman Chemical Company, Kingsport, TN), Dowanol®, Carbitol® (Dow Chemical Co., Midland, MI), Triton® (Union Carbide Division of Dow Chemical Co., Midland, MI), Thixatrol® (Elementis Company, Hightstown, NJ) 및 Diffusol® (Transene Co. Inc., Danvers, MA) 등이 사용될 수 있다.

이어서, 제2 페이스트 조성물에 대하여 설명한다.

제2 페이스트 조성물은 은으로 코팅된 구리 분말 및 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말로부터 선택되는 적어도 하나와 유기 수송체를 포함한다.

이 때, 제2 페이스트 조성물은 은으로 코팅된 구리 분말 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말을 단독으로 포함하거나, 둘 다 포함할 수 있다.

은으로 코팅된 구리 분말은 0.5 ~ 3 μm의 직경을 가지는 구리의 표면에 상기 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 40 wt%의 은이 코팅되어 형성된다.

또한, 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말은 0.5 ~ 3 μm의 직경을 가지는 구리-니켈 복합체의 표면에 상기 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 40 wt%의 은이 코팅되어 형성된다.

은으로 코팅된 구리 분말 또는 구리-니켈 복합체 분말의 전체 직경이 3 μm 보다 클 경우, 페이스트 내 분말의 분산성이 감소되므로, 분산성을 증가시키기 위한 계면활성제 등과 같은 보조적 성분을 추가적으로 사용해야 한다.

반대로, 복합체의 직경이 수 ~ 수십 나노미터에 불과할 경우, 배선이나 전극을 형성하기 위해 금속 분말을 적층(stacking)하는 것이 어렵다.

여기서, 은으로 코팅된 구리 분말 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말은 코어-쉘 구조를 가진다.

코어-쉘 구조란 금속 또는 금속 복합체 분말의 모든 표면 또는 적어도 절반 이상의 표면에 이종의 금속이 코팅된 구조를 의미한다.

구리-니켈 복합체란 이종의 금속인 구리와 니켈의 합금, 즉 복합체 내의 일부분 또는 전체에 걸쳐 합금을 구리 및 니켈이 정해진 비율로 존재하는 구조의 복합체를 의미할 수 있다.

또한, 구리-니켈 복합체란 복합체의 중심부보다 표면에서의 니켈의 함량이 높은 불균일 구리-니켈 복합체일 수 있다.

여기서, 불균일 구리-니켈 복합체란 복합체의 반직경이 R 이고, 상기 복합체 분말의 중심부로부터 상기 복합체 분말 내의 특정 지점까지의 거리를 r 이라 할 때, 0 < r < 0.8R인 영역보다 0.8R ≤ r ≤ R인 영역에서 니켈의 함량이 높은 것을 의미한다.

보다 상세하게는, 구리-니켈 복합체의 중심부로부터 상기 복합체 내의 특정 지점까지의 거리를 r이라 할 때, 0.8R ≤ r ≤ R인 영역은 상기 복합체의 표면과 매우 인접한 영역에 해당하며, 상기 영역 내에 포함된 니켈의 함량은 전체 니켈의 함량의 80 ~ 99 중량%, 바람직하게는 85 ~ 99 중량%, 보다 바람직하게는 90 ~ 99 중량%일 수 있다.

또한, 다른 실시예에 있어서, 0.85R ≤ r ≤ R인 영역 내에 포함된 니켈의 함량이 전체 니켈의 함량의 80 ~ 99 중량%, 바람직하게는 0.9R ≤ r ≤ R인 영역 내에 포함된 니켈의 함량이 전체 니켈의 함량의 80 ~ 99 중량%일 수 있다.

순수한 구리 입자의 산화 온도는 약 150 ℃이며, 전체 복합체의 중량 대비 20 중량%의 니켈을 포함하는 합금 복합체의 산화 온도는 약 200 ℃인 반면, 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 불균일 구리-니켈 복합체의 산화 온도는 250 ℃ 이상이다.

이와 같이 불균일 구리-니켈 복합체의 내산화성의 증가는 단순히 구리보다 내산화성이 높은 니켈을 복합체 내에 포함시키는 것만으로는 충분하지 않다(합금 복합체의 산화 온도는 구리 단일 입자보다 약 50 ℃ 밖에 증가하지 않음).

따라서, 본 발명의 일 실시예와 같이 복합체의 일정 영역 내에서 니켈을 특정 함량으로 포함시킬 경우에 한하여 가능한 것으로 봄이 바람직하다.

또한, 구리-니켈 복합체는 복합체의 표면에서 은과의 접착력이 상대적으로 우수한 니켈의 함량을 높게 유지함으로써 소결 과정에서 코어와 쉘의 분리 현상을 저감시킬 수 있다.

한편, 구리-니켈 복합체는 구리의 부족한 내산화성을 보완하기 위하여 니켈이 더 포함되나, 니켈(20 ℃에서의 전기 저항성 = 69.3 nΩ·m)의 경우 은(20 ℃에서의 전기 저항성 = 15.87 nΩ·m)과 구리(20 ℃에서의 전기 저항성 = 16.78 nΩ·m)보다 전기 전도성이 현저히 낮다.

따라서, 전체 복합체의 중량 대비 니켈의 함량이 일정 수준을 초과할 경우, 내산화성은 증가하나 전기 전도성이 감소한다는 문제가 있다.

이에 따라, 구리-니켈 복합체 분말은 전체 복합체의 중량 대비 0.1 ~ 30 중량%, 바람직하게는 0.1 ~ 20 중량%의 니켈을 포함하는 것이 바람직하다.

추가적으로, 제2 페이스트 조성물은 10 ~ 300 nm 범위의 직경을 가지는 은 미립자를 더 포함할 수 있다.

은 미립자는 제1 페이스트 조성물 중 제2 은 미립자와 마찬가지로, 상대적으로 입자의 크기가 큰 은으로 코팅된 구리 분말 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말로 제2 전극층이 형성될 때, 제2 전극층의 치밀도를 향상시키기 위해 추가적으로 첨가된다.

이 때, 은 미립자는 제2 페이스트 조성물의 전체 중량 대비 10 ~ 50 wt%로 포함될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

실시예

우선, 제1 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼(Wafer) 전면에 일정한 패턴으로 스크린 프린팅하여 인쇄하고, 건조시켜 제1 전극층을 형성하였다.

이어서, 제1 전극층 상에 제2 페이스트 조성물을 스크린 프린팅하여 인쇄하고, 건조시켜 제2 전극층을 형성하였다.

제1 페이스트 조성물과 제2 페이스트 조성물의 성분비는 하기의 표 1에 기재되어 있다.

성분	제1 페이스트 조성물(wt%)	제2 페이스트 조성물(wt%)
은 미립자(직경=1 μm)	30	-
은 미립자(직경=20 mm)	10	20
Ag/Cu 분말+Ag/Cu-Ni 분말	-	30
글래스 프릿	10	-
유기 수송체	50	50

※ Ag/Cu 분말 : 은으로 코팅된 구리 분말

※ Ag/Cu-Ni 분말 : 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말

비교예

하기의 표 2에 기재된 성분비를 가지는 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼(Wafer) 전면에 일정한 패턴으로 스크린 프린팅하여 인쇄하고, 건조시켜 단일 전극층을 형성하였다.

성분	제1 페이스트 조성물(wt%)
은 미립자(직경=1 μm)	25
은 미립자(직경=20 mm)	5
Ag/Cu	15
글래스 프릿	5
유기 수송체	50

※ Ag/Cu 분말 : 은으로 코팅된 구리 분말

태양전지의 전기적 특성 평가

상기 실시예 및 비교예에 따라 형성된 태양전지의 전면 전극은 400 내지 900 ℃ 사이로 40초 동안 소성되었으며, 태양전지 효율 측정장비(Pasan社, CT-801)를 사용하여 개방전압(Voc), 단락전류(Isc), 셀 효율(%)을 측정하였다.

여기서 개방전압(Voc)는 일정한 온도와 일조 강도에서 부하가 연결되지 않은 개방 상태에서 셀 양단에 걸리는 전압을 가리키며, 단락전류(Isc)는 일정 온도와 일조 강도에서 단락상태로 셀에서 출력되는 전류를 가리키며, 셀 효율(%)은 태양으로부터 입사된 태양에너지[Watt]를 기준으로 셀이 얼마만큼의 에너지[Watt]를 만들 수 있는 지를 측정한 수치이다.

하기 표 3에는 총 5회의 측정값에 대한 평균값을 기재하였다.

구분	실시예	비교예
개방전압	0.631	0.618
단락전류	8.692	8.587
셀 효율	17.35%	17.12%

상기 표 3에 기재한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 태양전지의 경우, 통상적인 방법(비교예)에 따라 제조된 태양전지보다 셀 효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 은 코팅층과 내부 금속 코어의 분리의 억제를 위해 다층 구조를 가지는 태양전지의 전면 전극을 형성함에 은으로 코팅된 구리 복합체 또는 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체를 포함하는 페이스트를 이용하여 태양전지의 전면 전극의 제조가 가능하다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims

은 분말, 글래스 프릿 및 유기 수송체를 포함하는 제1 페이스트 조성물로 형성된 제1 전극층; 및
상기 제1 전극층 상에 형성되며, 은으로 코팅된 구리 분말 및 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말로부터 선택되는 적어도 하나와 유기 수송체를 포함하는 제2 페이스트 조성물로 형성된 제2 전극층;을 포함하며,
상기 제2 페이스트 조성물은 글래스 프릿을 포함하지 않음에 따라 구리 또는 구리-니켈 복합체의 표면으로부터 은 코팅층이 분리되는 것을 억제하는,
태양전지의 전면 전극.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극층은 기판과의 접촉 저항을 형성하며, 제2 전극층은 배선과의 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제1항에 있어서,
상기 은 분말은 제1 은 미립자와 상기 제1 은 미립자의 직경의 1/4 이하의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제3항에 있어서,
상기 은 분말은 0.5 ~ 3 μm 범위의 직경을 가지는 제1 은 미립자와 10 ~ 300 nm 범위의 직경을 가지는 제2 은 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제4항에 있어서,
상기 제2 은 미립자는 상기 은 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 50 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제1항에 있어서,
상기 은으로 코팅된 구리 분말은 0.5 ~ 3 μm의 직경을 가지는 구리의 표면에 상기 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 40 wt%의 은이 코팅된 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제1항에 있어서,
상기 은으로 코팅된 구리-니켈 복합체 분말은 0.5 ~ 3 μm의 직경을 가지는 구리-니켈 복합체의 표면에 상기 분말의 전체 중량 대비 10 ~ 40 wt%의 은이 코팅된 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제7항에 있어서,
상기 구리-니켈 복합체 분말은,
상기 복합체 분말의 반직경이 R 이고, 상기 복합체 분말의 중심부로부터 상기 복합체 분말 내의 특정 지점까지의 거리를 r 이라 할 때, 0 < r < 0.8R인 영역보다 0.8R ≤ r ≤ R인 영역에서 니켈의 함량이 높은 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제8항에 있어서,
상기 구리-니켈 복합체 분말의 0.8R ≤ r ≤ R인 영역에 포함된 니켈의 함량은 상기 복합체 분말에 포함된 전체 니켈의 함량의 80 ~ 99 중량%인 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제7항에 있어서,
상기 구리-니켈 복합체 분말의 산화 온도는 200 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제1항에 있어서,
상기 제2 페이스트 조성물은 10 ~ 300 nm 범위의 직경을 가지는 은 미립자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.
제11항에 있어서,
상기 은 미립자는 상기 제2 페이스트 조성물의 전체 중량 대비 10 ~ 50 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는,
태양전지의 전면 전극.