KR101711390B1 - 알루미늄 페이스트 조성물, 이를 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극 및 이를 채용한 태양전지 - Google Patents

알루미늄 페이스트 조성물, 이를 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극 및 이를 채용한 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 페이스트 조성물, 이를 이용하여 형성되는 태양전지용 후면전극 및 이를 채용한 태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면전극을 채용한 태양전지는 높은 효율을 가진다.

Description

알루미늄 페이스트 조성물, 이를 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극 및 이를 채용한 태양전지 {Aluminum paste composition, a rear electrode for solar cell formed using it, and a solar cell employing it}
본 발명은 알루미늄 페이스트 조성물, 이를 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극 및 이를 채용한 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적 에너지원인 태양 에너지가 무한할 뿐만 아니라 수명이 긴 장점을 가지고 있어 최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지원으로 가장 큰 관심을 받고 있다.
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지 (silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지 (compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지 (tandem solar cell)로 구분되며, 이 중 주류는 실리콘 태양전지이다.
실리콘 태양전지는 빛 반사를 감소시키면서 빛 흡수가 잘 이루어지도록 하는 반사방지막(anti reflection coating, ARC)과 P/N접합으로 형성되는 에미터 및 베이스로 구성된 실리콘 웨이퍼, 빛에 의해 생성된 전기를 외부 회로로 유도하는 전면전극 및 후면전극으로 이루어져 있다. 태양전지 양면의 전극은 후면 버스 바(bus bar) 은 페이스트, 후면 알루미늄 페이스트, 전면 은(Ag) 페이스트의 순서로 인쇄와 건조를 번갈아 시행한 후, 600 ~ 950℃의 온도 범위에서 동시소성(co-firing) 과정을 거치면서 형성된다.
태양전지의 후면전극을 형성하는 알루미늄 페이스트는 분산성 및 분산 안정성은 태양전지의 제조공정인 페이스트의 인쇄공정과 소성공정을 통해서 형성되는 전극 형성 공정에 매우 큰 영향을 미치게 된다.
양호한 분산성을 얻기 위해서는 태양전지 후면전극 알루미늄 페이스트의 주요 구성인 알루미늄 분말, 무기물, 수지, 용제 간의 상호작용을 적절하게 조절하는 것이 필요하다. 일반적으로, 액상 수지 용액 내에서의 분말 성분의 분산 과정은 초기에 고체 입자 표면에 흡착되어 있는 액체의 적심(wetting) 과정과 분쇄 과정을 통한 기계적인 작용에 의해 응집체들이 미립화(deagglomeration) 되는 과정이 이루어지게 된다. 이와 같은 과정을 거친 분산계는 최종적으로 분산 안정화가 되어야 분산 상태가 유지하게 된다.
또한 태양전지의 형성공정에서 알루미늄 페이스트는 통상 실리콘(Si) 웨이퍼의 후면 측에 스크린 인쇄로 도포한 후 건조된다. 그 후에 웨이퍼를 알루미늄(Al)의 융점을 넘는 온도에서 소성하여 Al-Si 용융물을 형성시키고 이어서 냉각하는 동안에 알루미늄으로 도핑된 규소의 에픽택셜 성장층을 형성시킨다. 이 층은 통상BSF(Back Surface Field)층으로 불리며, 이는 태양전지의 에너지 전환 효율을 개선시키는 데 도움이 된다. 즉, 후면 전극 형성용 알루미늄 페이스트 조성물은 소성에 의해, 건조된 상태에서 알루미늄 후면 전극과 BSF로 전환된다. 실리콘 재료를 사용한 P/N접합형 태양전지의 후면에 BSF(Back Surface Field)라고 불리는 P+층을 형성시킴으로써 좀 더 높은 효율성의 증대를 가져오게 된다.
따라서 분산성이 높으면서도 효율적으로 BSF층을 형성하기 위한 태양전지의 후면전극용 알루미늄 페이스트에 대한 연구가 계속되고 있다.
대한민국등록특허제 10-0801168호
본 발명은 태양전지의 후면전극을 형성할 수 있는 알루미늄 페이스트 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극을 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 태양전지용 후면전극을 채용한 태양전지를 제공한다.
본 발명은 분산성이 우수하고 특히 수분에 대한 안정성이 높아 변환효율이 높은 태양전지 후면전극용 알루미늄 페이스트 조성물을 제공하는 것으로, 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은
(a) 알루미늄 분말
(b) 글래스 프릿
(c) V2O5, Sb2O3 또는 이들의 혼합물인 무기입자 및
(d) 유기 비히클을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무기입자는 알루미늄 페이스트 조성물에 대하여 0.01 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무기입자는 V2O5 및 Sb2O3일 수 있으며, V2O5, 0.01 내지 0.5wt%와 Sb2O3, 0.01 내지 0.5wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 분말은 알루미늄 총 조성물에 대하여 60 내지 90wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 비히클은 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트 및 텍사놀(Texanol) 중에서 선택된 하나 이상의 용매 중에 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가한 것일 수 있다.
또한 본 발명은 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 태양전지용 후면전극을 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 태양전지용 후면전극을 채용한 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 PERC구조일 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 분말, 글래스 프릿, 유기 비히클 및 무기입자를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물은 안정성과 내구성이 우수하여 이를 채용한 태양전지는 높은 변환 효율을 가진다.
또한 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 실리콘 웨이퍼와 밀착력이 우수하다.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 특수한 무기입자를 첨가하여 높은 열안정성으로 범프(Bump) 발생 및 전극의 휨(Bow)을 억제할 수 있다.
또한 본 발명의 알루미늄 페이스 조성물로 제조된 태양전지용 후면전극은 휨이 감소하며, 수분에 대한 안정성이 높아 태양전지 모듈의 변환효율이 저하되는 요인을 감소시킨다. 그러므로 이를 채용한 태양전지는 높은 안정성과 더불어 장기적으로 우수한 에너지 변환효율을 가진다.
본 발명은 태양전지 후면전극용 알루미늄 페이스트 조성물을 제공하는 것으로, 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은
(a) 알루미늄 분말
(b) 글래스 프릿
(c) V2O5, Sb2O3 또는 이들의 혼합물인 무기입자 및
(d) 유기 비히클을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 V2O5, Sb2O3 또는 이들의 혼합물인 무기입자를 첨가함으로써 알루미늄 페이스트 조성물의 분산성을 향상시킬 뿐만 아니라 안정성을 향상시켜 이를 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극을 채용한 태양전지는 신뢰성이 높고 에너지 변환효율이 우수하며, 장수명 특성을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무기입자는 알루미늄 페이스트 총 조성물에 대하여 0.01 내지 10wt%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.01 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 0.01 내지 0.5중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무기입자는 바람직하게는 V2O5와 Sb2O3를 동시에 첨가하여 사용할 시 보다 놀라운 분산성과 안정성의 효과를 얻을 수 있으며, 이 때 바람직한 첨가량은 V2O5, 0.01 내지 0.5wt%와 Sb2O3, 0.01 내지 0.5wt%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 V2O5, 0.01 내지 0.3wt%와 Sb2O3, 0.01 내지 0.3wt%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 분말은 알루미늄 또는, 예를 들어, 아연, 주석, 은 및 마그네슘과 같은 하나 이상의 다른 금속을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어져 있을 수 있다. 알루미늄 합금의 경우, 알루미늄 함량은 예를 들어, 99.7 내지 100 중량% 미만이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 분말은 구 형상 알루미늄 분말일 수 있으며, 덩어리 형상 알루미늄 분말일 수 있으며, 이들이 혼합되어 있을 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구 형상, 덩어리 형상 또는 이들의 혼합물인 알루미늄 분말은 2 내지 12 ㎛의 평균 입자 크기(평균 입자 직경, d50)를 가질 수 있으며, 은 또는 은 합금 분말과 같은 상이한 금속입자를 포함할 수도 있다.
본 발명의 '입자 크기' 또는 'd50'은 '평균 입자 크기'를 의미하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 분말은 알루미늄 페이스트 총 조성물에 대하여 60 내지 90wt%, 바람직하게는 70 내지 80wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 글래스 프릿은 당 기술 분야에서 사용되는 글래스 프릿이라면 모두 가능하나, 일례로, GeO2, Ga2O3, In2O3, NiO, CoO, ZnO, B2O3, CaO, MgO, SrO, MnO, BaO, SeO2, MoO3, WO3, Y2O3, As2O3, La2O3, Nd2O3, Bi2O3, Ta2O5, V2O5, FeO, HfO2, Cr2O3, CdO, Sb2O3, PbF2, ZrO2, Mn2O3, P2O5, CuO, Pr2O3, Gd2O3, Sm2O3, Dy2O3, Eu2O3, Ho2O3, Yb2O3, Lu2O3, CeO2, BiF3, SnO, SiO2, Ag2O, Nb2O5, TiO2, Rb2O, Na2O, K2O, Cs2O, Lu2O3, SnO2, Tl2O3 및 금속 할라이드(예를 들어, NaCl, KBr, NaI, LiF, ZnF2)에서 선택되는 하나 또는 둘이상일 수 있으며, 바람직하게는 SiO2, B2O3, Bi2O3, ZnO, V2O5, BaO, SrO, K2O 및 Sb2O3에서 선택되는 하나 또는 둘이상일 수 있으며, 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물의 안정성을 높이기위한 측면에서 SiO2, B2O3, Bi2O3, ZnO, V2O5, BaO, SrO, K2O 및 Sb2O3일 수 있으며, 알루미늄 페이스트 총 조성물에 대해 0.01 내지 3.0중량%로 포함될 수 있다. 바람직하게는 0.5 내기 1.0중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 글래스 프릿을 제조할 시 의도치 않게 수백 내지 수천 ppm의 범위의 불순물이 포함될 수도 있다.
그러나, 이러한 불순물의 존재는 글래스 프릿, 알루미늄 페이스트 조성물, 또는 소성된 태양전지 소자의 특성을 변화시키지 않을 것이다. 예를 들어, 알루미늄 페이스트 조성물이 불순물을 포함하더라도 알루미늄 페이스트 조성물을 포함하는 태양 전지는 본 명세서에 기재된 효율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 비히클은 통상적으로 알루미늄 페이스트 조성물의 제조, 선적, 보관 동안 및 스크린 인쇄 공정 동안 인쇄 스크린 상에서 무기 성분이 충분한 정도의 안정성을 가지고 분산될 수 있는 것이거나, 태양전지 후면전극 페이스트에 사용되는 유기 비히클이면 모두 사용될 수 있으며, 일예로 고분자와 용매의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는, 유기 비히클은 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트 및 텍사놀(Texanol) 중에서 선택된 하나 이상의 용매 중에 에틸셀룰로스, 메틸셀룰로스, 니트로셀룰로스 등의 셀룰로스계 수지, 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트, 아크릴산 에스테르 등의 아크릴계 수지 및 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 부티랄 등의 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가한 것이다.
알루미늄 분말을 용이하게 분산시키고 소성 후 잔류 탄소에 의한 저항증가로 태양전지의 변환효율이 저하되는 문제점을 발생시키기 않도록 하기위해서 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 비히클은 전체 조성물 대비 4 중량% 내지 35 중량% 범위 이내로 포함된 것이 바람직하다.
본 발명의 유기 비히클은 유기 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 유기 첨가제는 분산제, 증점제, 요변제, 레벨링제 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 분산제로는 BYK사의 DISPERBYK-180, 110, 996, 및 997 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 증점제로는 BYK사의 BYK-410, 411, 420 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 요변제로는 BYK사의 ANTI-TERRA-203, 204, 205 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 레벨링제로는 BYK사의 BYK-3932 P, BYK-378, BYK-306, BYK-3440 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 유기 첨가제는 알루미늄 페이스트 조성물 전체 100wt%에 대하여, 약 0.1 내지 20wt%로 함유될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 알루미늄 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 태양전지용 후면전극을 제공한다.
본 발명의 알루미늄 페이스트는 점성 조성물이며, 이는 알루미늄 분말, 선택적인 무기입자 및 글래스 프릿을 유기 비히클과 기계적으로 혼합함으로써 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 종래의 롤 밀링과 동등한 분산 기법인, 파워 믹싱(power mixing)이라는 제조 방법이 사용될 수 있으며, 롤 밀링 또는 기타 혼합 기법도 사용될 수 있다.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 그대로 사용될 수 있거나, 또는 예를 들어 추가 유기 용매(들)의 첨가에 의해 희석될 수 있으며 따라서 알루미늄 페이스트 조성물의 다른 성분들 모두의 중량%가 감소될 수 있다.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 실리콘 태양 전지의 알루미늄 후면전극의 제조에 또는 실리콘 태양 전지의 제조에 각각 사용될 수 있다. 이러한 제조는 알루미늄 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼의 후면에, 특히 후면 은 또는 은/알
루미늄 페이스트와 같은 다른 후면 금속 페이스트에 의해 덮여 있거나 또는 덮이지 않게 될 그의 표면 일부에 도포함으로써 수행될 수 있다. 실리콘 웨이퍼는 단결정질 또는 다결정질 규소를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 실리콘 웨이퍼는 면적이 100 내지 250 ㎠이고, 두께가 180 내지 300 ㎛일 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 더 크거나 두께가 더 작은 실리콘 웨이퍼, 예를 들어 두께가 180 ㎛ 미만, 특히 140 내지 180 ㎛ 미만의 범위이거나 면적이 250 초과 내지 400 ㎠의 범위인 실리콘 웨이퍼의 후면상에 알루미늄후면 전극을 생성하는 것에도 사용될 수도 있다.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은, 예를 들어 15 내지 60 ㎛의 건조 필름 두께로 도포된다. 통상적으로, 이들은 실리콘 웨이퍼의 후면측에 단일층으로서 도포된다. 알루미늄 페이스트 조성물 도포 방법은 인쇄, 예를 들어, 실리콘 패드 인쇄 또는, 일 실시예에서, 스크린 인쇄일 수 있다. 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물의 점도는, 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계 및 #14 스핀들(spindle)을 사용하여 다용도 컵(utility cup)에 의해 10 rpm의 스핀들 속도 및 25 ℃에서 측정될 때, 20 내지 200 Paㅇ s일 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 후면에 알루미늄 페이스트 조성물의 도포 후, 페이스트 조성물은 예를 들어 1 내지 100분의 시간 동안 건조될 수 있으며, 이때 실리콘 웨이퍼는 100 내지 300 ℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 된다. 예를 들어, 벨트, 회전식 또는 고정식 건조기, 특히 IR(적외선) 벨트 건조기를 사용하여 건조가 수행될 수 있다. 도포 후, 또는 일례로 도포 및 건조 후, 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 소성되어 알루미늄 후면전극을 형성하게 된다. 소성은 예를 들어 1 내지 5분의 시간 동안 수행될 수 있으며, 이때 실리콘 웨이퍼는 700 내지 900 ℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 된다. 예를 들어, 단일 또는 다중-구역 벨트 노(belt furnace), 특히 다중-구역 IR 벨트 노를 사용하여 소성이 수행될 수 있다. 소성은 산소의 존재 시에, 특히 공기의 존재 시에 일어난다. 소성 동안에, 비휘발성 유기 물질 및 있을 수 있는 건조 단계 동안에 증발되지 않는 유기 부분을 포함하는 유기 물질이 제거, 즉 연소 및/또는 탄화, 특히 연소될 수 있다. 소성 동안에 제거되는 유기 물질은 유기 용매(들), 있을 수 있는 유기 중합체(들), 및 있을 수 있는 유기 첨가제(들)를 포함한다. 알루미늄 페이스트 조성물의 글래스 프릿(들)을 포함하는 실시예에서는, 소성 동안 일어나는 추가의 공정, 즉 글래스 프릿(들)의 소결이 있을 수 있다. 실리콘 웨이퍼에 도포되어 있는 추가적인 금속 페이스트, 즉 소성 공정 동안에 웨이퍼의 표면에 전면측 및/또는 후면측 전극을 형성하기 위해 도포되어 있는 전면측 및/또는 후면측 금속 페이스트와 함께 소위 동시 소성(co-firing)으로서 소성이 수행될 수 있다. 일 실시예는 전면측 은 페이스트와 후면측 은 또는 후면측 은/알루미늄 페이스트를 포함하고 있다.
또한 본 발명은 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 후면전극을 채용한 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전성 타입의 기판; 상기 기판상에 형성된 제 2 도전성 타입의 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되며 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 형성된 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 후면 전극을 포함한다.
제 1 도전성 타입의 기판은 P형 또는 N형에서 선택된다. 제 2 도전성 타입의 에미터층은 기판과 반대 도전형을 가지는 것으로 선택된다. P+층의 형성을 위해서는 3족 원소가 불순물로 도핑되고, N+층의 형성을 위해서는 5족 원소가 불순물로 도핑된다. 예를 들어, P+층 형성을 위해 B, Ga, In이 도핑되고, N+층 형성을 위해 P, As, Sb가 도핑될 수 있다. 상기 기판 및 에미터층 사이 계면에 P-N접합이 형성되고, 이는 태양광을 받아 광기전력효과에 의해 전류를 발생시키는 부분이다. 광기전력효과에 의해 발생된 전자와 정공은 각각 P층 및 N층으로 끌어 당겨져 각각 기판 하부 및 에미터층 상부와 접합된 전극으로 이동하며, 전극에 부하를 걸어 여기에서 발생한 전기를 이용할 수 있다.
반사방지막은 태양전지 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 태양광의 반사율이 감소되면 P/N접합까지 도달하는 광량이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가되고, 태양전지의 변환효율이 향상된다.
반사방지막은 예를 들면 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상이 조합된 다중막 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전면 전극과 후면 전극은 공지된 여러 가지 기술에 의해 제조 가능하지만, 바람직하게는 스크린 인쇄법에 의해 형성된다. 전면 전극은 본 발명의 은 페이스트 조성물을 이용하여 전면 전극 형성 지점에 스크린 인쇄한 후 열처리를 수행 하여 형성한다. 열처리가 수행되면 펀치 스루 현상에 의해 전면 전극이 반사방지막을 뚫고 에미터층과 접촉된다.
후면전극은 도전성 금속으로 알루미늄을 포함하는 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물을 기판 배면에 인쇄한 후 열처리를 수행하여 형성한다. 후면전극 열처리시에는 알루미늄이 기판 배면을 통해 확산됨으로써 후면전극과 기판 경계면에 후면 전계층(BSF)이 형성될 수 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있어 태양전지의 변환효율이 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 후면전극을 채용한 태양전지는 PERC(패시베이팅된 에미터 및 후면 접촉, passivated emitter and rear contact)구조일 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예에서 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
[제조예 1 내지 7]글래스 프릿의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 조성비로 각각 조성한 후 원료를 혼합하였다. 이후, 혼합한 원료를 1100 내지 1200℃의 온도로 가열하여 20분동안 용융시켰다. 그 후 유리 용융물을 판상으로 압출하여 5분에 걸쳐 25℃까지 급랭한 후, 유리 상태 물질을 바스켓 밀(Basket mill)을 이용하여 분쇄하여 1~5㎛의 평균입도를 가진 분말형태로 제조하였다.
글래스 프릿의 조성 SiO2 Bi2O3 B2O3 ZnO V2O5 BaO SrO K2O Sb2O3 연화점 (℃)
조성 1 10.0 40.0 15.0 15.0 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 420
조성 2 12.5 40.0 15.0 12.5 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 427
조성 3 15.0 37.5 15.0 12.5 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 480
조성 4 20.0 35.0 15.0 10.0 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 511
조성 5 22.5 32.5 15.0 10.0 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 525
조성 6 25.0 30.0 15.0 10.0 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 557
조성 7 30.0 27.5 15.0 7.5 6.0 5.0 2.0 2.0 5.0 586
[실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 4] 알루미늄 페이스트 조성물의 제조
하기 표 2의 조성에 나타낸 바와 같이 상기에서 조성 1 내지 7에서 제조된 글래스 프릿을 사용하여 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 4의 알루미늄 페이스트 조성물을 각각 제조하였다.
알루미늄 분말은 JINHAO사의 평균입경(d50) 3 내지 5㎛인 알루미늄 입자 60 wt% 와 평균입경(d50) 6 내지 8㎛인 알루미늄 입자 15wt%를 혼합하여 사용하였다.
글래스 프릿은 상기 제조예에서 제조된 글래스 프릿을 표 2에 기재된 바와 같이 0.7 내지 1.0wt%으로 사용하였다. 무기입자인 산화바나듐((V2O5),대정화금(주)Vanadium(V) oxide)) 및 산화안티몬 ((Sb2O3),신원화학 Antimony(Ⅲ) oxide) 또한 하기 표 2에 기재된 바로 사용하였다.
유기비이클로는 에틸셀룰로우즈(ethyl cellulose, Dow사 Std10) 1.5wt%, 유기 비히클로는 BCA(butyl carbitol acetate) 22.0wt%을 첨가제로 분산제(BYK사의 DISPERSE-110) 0.5wt%를 사용하였다.
즉, 에틸셀룰로우즈 및 분산제로 DISPERBYK-110가 포함된 BCA에 알루미늄 분말을 혼합하고 여기에 하기 표 2에 기재된 바의 글래스 프릿 및 무기입자를 혼합하고 DESPA MIXER(나노인텍)를 사용하여 3,000rpm조건에서 4시간 교반하여 분산시켜 알루미늄 페이스트 조성물을 제조하였다.
글래스 프릿의 조성 글래스 프릿의 함량 V2O5 Sb2O3
실시예 1 조성4 0.90wt% 0.10wt%
실시예 2 조성4 0.80wt% 0.20wt%
실시예 3 조성4 0.70wt% 0.30wt%
실시예 4 조성4 0.90wt% 0.05wt% 0.05wt%
실시예 5 조성4 0.80wt% 0.10wt% 0.10wt%
실시예 6 조성4 0.70wt% 0.15wt% 0.15wt%
실시예 7 조성4 0.60wt% 0.20wt% 0.20wt%
비교예 1 조성4 1.00wt% - -
비교예 2 조성4 0.90wt% - -
비교예 3 조성4 0.80wt% - -
비교예 4 조성4 0.70wt% - -
[실시예 8 내지 14 및 비교예 5 내지 8]태양전지의 제조
두께가 160 내지 200㎛이며 크기가 156mm인 P형 단결정 실리콘 기판에 광 흡수율을 높이기 위한 텍스쳐링 공정을 진행하여 요철을 형성하였다. 반도체 소자의 특성을 구현하기 위해서 P/N 접합형태를 가지도록 수광면에 P(인)와 같은 5가 원소를 확산법으로 도핑하여 N형의 특성을 갖는 에미터층을 형성하였다. 광 손실을 줄이기 위하여 수광면 표면에 SiNx를 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 증착하여 반사방지막(ARC)층을 형성시켰다.
상기의 공정으로 준비된 실리콘 태양전지 기판 이면측(수광면의 대향면)에 BSF 형성 용도로 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 프린팅하여 건조기(JT社 DA-700)를 이용하여 250℃에서 120초간 건조하였다. 건조 후 형성된 알루미늄 전극의 두께는 약 30μm로 형성되었다.
이후 평균입경이 0.1-0.5um 2wt% , 1.0-1.5um 44wt% , 2.0-2.5um 44wt%인 Ag 분말, 평균입경이 1.0-2.0um인 글래스 프릿 2wt% , PbO-TeO-BiO의 글래스 조성 및 에틸셀룰로오스 수지 10wt%를 부틸카비톨에 용해시킨 유기 비이클 8wt%을 사용하여 통상적인 페이스트 제조공정의 분산방법을 이용하여 제조된 전면전극 페이스트 조성물을 실리콘 태양전지 기판 전면부에 스크린 프린팅하고 250℃에서 90초간 건조하여 태양전지 소자의 전면전극을 제조하였다.
이후 800 ℃의 벨트 소성로(REHM社 RFS-D250)에서 약 60초간 소성(co-firing)하여 태양전지를 제작하였다.
<광변환 효율 측정>
제조된 태양전지 기판의 전기적 특성(I-V특성)을 ORIEL사 제조의 솔라 시뮬레이터 (SOL3A)를 사용하여 테스트하였다. 각 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 4의 알루미늄 페이스트 조성물 당 각 10매의 샘플을 제조하고 10매 샘플의 평균치를 사용하였으며, 이에 측정된 측정값을 하기 표 3에 변환 효율(%)로 나타내었다.
<범프의 측정>
소성된 태양전지 셀의 알루미늄 전극의 표면을 육안으로 관찰하여 범프 발생 유무를 확인하여 표 3에 나타내었다.
<후면전극 휨의 측정>
소성된 태양전지 셀의 수광면 측을 위로하여 수평면에 두고, 하면과 기판과의 높이 차이를 휨크기로 측정 하였다.
<HOT WATER TEST>
소성된 태양전지 셀을 75±5℃의 water(DI water)에서 담그어 알루미늄 전극 표면에 기포가 발생하는 시작시간을 확인하여 하기 표 3에 나타내었다.
기포 발생 시작이 빠른 경우는 수분에 대한 안정성이 낮으며 태양전지 모듈 의 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
휨(mm) 범프(BUMP) Hot water test (기포발생 시작시간) 변환 효율(%)
실시예 8 1.7 무 5분20초 19.25
실시예 9 1.6 무 6분30초 19.23
실시예 10 1.5 무 8분20초 19.25
실시예 11 1.6 무 7분50초 19.28
실시예 12 1.6 무 10분10초 19.27
실시예 13 1.5 무 11분30초 19.30
실시예 14 1.5 무 15분05초 19.35
비교예 5 2.2 무 2분10초 19.20
비교예 6 2.0 무 1분40초 19.18
비교예 7 1.9 무 1분30초 19.23
비교예 8 1.8 무 1분05초 19.09
표 3에 나타낸 바와 같이, 산화바나듐, 산화안티몬 또는 이들의 혼합물을 포함한 실시예 8 내지 14의 전극의 휨은 1.7mm이하로서, 산화바나듐, 산화안티몬 또는 이들의 혼합물을 포함하지 않는 비교예 5 내지 8에 비해 전극의 휨크기가 감소함을 확인할 수 있었으며, 산화바나듐, 산화안티몬 또는 이들의 혼합물을 무기입자로 포함한 경우에 Hot water test 결과에서 기포 발생시간이 지연됨을 확인할 수 있으며, 산화바나듐 및 산화안티몬을 동시에 혼합하여 사용한 경우에 기포 발생시간이 보다 더 지연되어 수분에 대한 안정성이 매우 높은 것을 알 수 있다.
뿐만 아니라 본 발명의 산화바나듐, 산화안티몬 또는 이들의 혼합물을 무기입자로 포함한 알루미늄 페이스트 조성물을 사용한 태양전지 셀의 변환 효율 또한 높다.
반면 비교예 5 내지 8의 태양전지 셀은 산화바나듐, 산화안티몬 또는 이들의 혼합물인 무기입자를 포함하지 않는 알루미늄 페이스트를 후면 전극으로 사용한 경우 기포가 쉽게 발생하여, 전극의 수분에 대한 안정성이 낮아 태양전지 모듈에서의 신뢰성을 저하시킬 수 있으며 태양전지의 변환효율도 낮게 측정되었다.

Claims (10)

  1. (a) 알루미늄 분말 60 내지 90wt%;
    (b) SiO2, B2O3, Bi2O3, ZnO, V2O5, BaO, SrO, K2O 및 Sb2O3로 이루어지는 글래스 프릿 0.01 내지 3.0중량%;
    (c) V2O5 및 Sb2O3 인 무기입자 0.01 내지 10wt%; 및
    (d) 유기 비히클 4 중량% 내지 35 중량%;를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 비히클은 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트 및 텍사놀(Texanol) 중에서 선택된 하나 이상의 용매 중에 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가한 것인 알루미늄 페이스트 조성물.
  7. 제 1항 또는 제 6항의 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 태양전지용 후면전극.
  8. 제 7항의 태양전지용 후면전극을 채용한 태양전지
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 태양전지는 PERC 타입의 구조인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. SiO2, B2O3, Bi2O3, ZnO, V2O5, BaO, SrO, K2O 및 Sb2O3로 이루어지는 글래스 프릿을 제조한 후 제조된 글래스 프릿 0.01 내지 3.0중량%, 알루미늄 분말 60 내지 90wt%, V2O5 및 Sb2O3 인 무기입자 0.01 내지 10wt% 및 유기 비히클 4 중량% 내지 35 중량%을 첨가하여 알루미늄 페이스트 조성물을 제조하는 방법.
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