KR101786077B1 - 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지 - Google Patents

태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물은, 제1 중심 입경을 가지는 제1 분말, 상기 제1 중심 입경보다 큰 제2 중심 입경을 가지는 제2 분말 및 상기 제2 중심 입경보다 큰 제3 중심 입경을 가지는 제3 분말을 포함하는 전도성 분말; 및 유기 비히클을 포함한다.

Description

태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지{PASTE COMPISITION FOR REAR ELECTRODE OF SOLAR CELL, AND SOLAR CELL INCLUDING THE SAME}
본 기재는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 만든 후면 전극을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
최근 화석 연료의 고갈 등으로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중 태양 전지는 공해가 적고, 자원이 무한하며, 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이러한 태양 전지는 실리콘 기판에 형성되는 전면 및 후면 전극들을 포함할 수 있다. 이러한 전극은 전도성 분말을 포함하는 페이스트 조성물을 인쇄한 후 소성하여 형성될 수 있다. 그런데, 페이스트 조성물의 조성이 최적화되지 않으면, 전극 형성 시 전극에 돌기(bump)가 형성되어 실리콘 기판과의 컨택 특성이 저하되어 태양 전지의 효율을 저하시킬 수 있다.
실시예는 효율을 향상할 수 있는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물 및 이 페이스트 조성물에 의해 형성된 후면 전극을 포함하는 태양 전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물은, 제1 중심 입경을 가지는 제1 분말, 상기 제1 중심 입경보다 큰 제2 중심 입경을 가지는 제2 분말 및 상기 제2 중심 입경보다 큰 제3 중심 입경을 가지는 제3 분말을 포함하는 전도성 분말; 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 제1 중심 입경이 1.5~2.5㎛이고, 상기 제2 중심 입경이 4.5~5.5㎛이며, 상기 제3 중심 입경이 9.5~10.5㎛일 수 있다.
상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 제1 분말이 20.1~21.1 중량부, 상기 제2 분말이 29.7~37 중량부, 상기 제3 분말이 12.8~20.1 중량부만큼 포함될 수 있다. 또는, 상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 제1 분말이 12.8~13.8 중량부, 상기 제2 분말이 37~43.3 중량부, 상기 제3 분말이 12.8~20.1 중량부만큼 포함될 수 있다.
상기 전도성 분말이 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 분말은 각기 구형 분말 또는 비구형 분말일 수 있다.
상기 제1 분말은 구형 분말이고, 상기 제2 분말은 비구형 분말, 상기 제3 분말은 구형 분말일 수 있다.
상기 유기 비히클이 상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 20~30 중량부만큼 포함될 수 있다.
상기 페이스트 조성물이 유리 프릿을 더 포함하고, 상기 유리 프릿이 상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 3~5 중량부만큼 포함될 수 있다.
실시예에 따른 태양 전지는, 상술한 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면 전극을 포함한다.
실시예에 따르면, 서로 다른 중심 입경을 가지는 제1 내지 제3 분말을 적절한 조성비로 포함하여 후면 전극에서 돌기(bump)를 제거할 수 있다. 이에 의하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 개방 전압 특성 및 효율을 향상할 수 있다. 그리고 후면 전극에 돌기가 형성된 경우 외관 불량으로 판정될 수 있는데, 본 실시예에서는 후면 전극에서 돌기를 제거하여 불량률을 낮출 수 있다.
도 1은 태양 전지의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진이다.
도 3은 실시예 2에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진이다.
도 4는 실시예 3에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진이다.
도 5는 실시예 4에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진이다.
도 6은 실시예 5에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진이다.
도 7은 비교예에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 태양 전지 및 이 태양 전지의 전면 전극의 형성에 이용되는 후면 전극용 페이스트 조성물(이하 “페이스트 조성물”)을 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 페이스트 조성물이 적용될 수 있는 태양 전지의 일례를 설명한다. 도 1은 태양 전지의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양 전지는 전면에 n형 반도체부(11)를 포함하는 p형의 실리콘 기판(10), n형 반도체부(11)에 전기적으로 연결되는 전면 전극(12) 및 p형 실리콘 기판(10)에 전기적으로 연결되는 후면 전극(13)을 포함한다. 전면 전극(12)을 제외한 n형 반도체부(11)의 상면에는 반사 방지막(14)이 형성될 수 있다. 그리고 후면 전극(13)이 형성된 실리콘 기판(10)에는 후면 전계층(back surface field, BSF)(15)이 형성될 수 있다.
본 발명의 페이스트 조성물은 이러한 태양 전지의 후면 전극(13)을 형성하는 데 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 페이스트 조성물을 실리콘 기판(10)에 도포한 후 건조 및 소성하여 후면 전극(13)을 형성할 수 있다. 일례로, 페이스트의 조성물은 80~200℃에서 1~30분 동안 건조될 수 있으며, 700~900℃에서의 급속 열처리에 의하여 소성될 수 있다.
이러한 페이스트 조성물은 전도성 분말, 유기 비히클, 유리 프릿 및 첨가제를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 전도성 분말은 구형 분말과 비구형 분말을 포함한다. 비구형 분말로는 판형, 종형 또는 플레이크형의 형상을 가지는 분말을 사용할 수 있다.
전도성 분말로는 후면 전극(13)의 주성분을 이루는 알루미늄 분말을 사용할 수 있다.
본 실시예에서 전도성 분말은, 제1 중심 입경을 가지는 제1 분말, 제1 중심 입경보다 큰 제2 중심 입경을 가지는 제2 분말, 그리고 제2 중심 입경보다 큰 제3 중심 입경을 가지는 제3 분말을 포함한다. 즉, 전도성 분말이 서로 다른 중심 입경을 가지는 제1 내지 제3 분말을 포함하여, 전도성 분말의 충진률을 높일 수 있고 이에 의하여 제조된 후면 전극(13)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
일례로, 제1 중심 입경이 1.5~2.5㎛이고, 제2 중심 입경이 4.5~5.5㎛이며, 제3 중심 입경이 9.5~10.5㎛일 수 있다. 이는 서로 구별되는 중심 입경을 가지면서 충진률 향상 효과를 최대화하기 위한 것이다. 여기서, 구형 분말의 경우에는 그 입경을 기준으로, 비구형 분말의 경우에는 장변의 길이를 기준으로 하여, 중심 입경을 구할 수 있다.
즉, 전도성 분말의 중심 입경은 최소 1.5㎛이고, 최대 10.5㎛이다. 이에 대한 이유는 다음과 같다. 중심 입경이 1.5㎛ 미만인 경우에는, 전도성 분말 사이에 유기 비히클 등이 들어갈 수 있는 공간이 적어 분산이 원활하지 않을 수 있다. 그리고 중심 입경이 10.5㎛를 초과하는 경우에는, 전도성 분말 사이에 공극이 많아서 치밀도가 떨어지고 저항이 높아질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 서로 구별되는 중심 입경을 가지는 세 가지의 분말을 사용하면 족하다.
여기서, 제1 분말은 구형 분말, 제2 분말은 비구형 분말, 제3 분말은 구형 분말로 하여, 전도성 분말의 충진도를 좀더 향상할 수 있다. 그러나 이는 제1 내지 제3 분말의 중심 입경 등에 의하여 변화할 수 있는 것이며, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 전도성 분말은 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 62.6~78.2 중량부만큼 포함될 수 있다. 전도성 분말이 78.2 중량부를 초과하여 포함되면 조성물을 페이스트 상태로 형성하기 어려울 수 있다. 전도성 분말이 62.6 중량부 미만으로 포함되면 전도성 분말의 양이 줄어들어 제조된 후면 전극(13)의 전기 전도도가 낮을 수 있다.
이때, 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 제1 분말이 20.1~21.1 중량부, 제2 분말이 29.7~37 중량부, 제3 분말이 12.8~20.1 중량부만큼 포함될 수 있다. 또는, 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 제1 분말이 12.8~13.8 중량부, 제2 분말이 37~43.3 중량부, 제3 분말이 12.8~20.1 중량부만큼 포함될 수 있다. 이러한 범위는 페이스트 조성물을 이용하여 후면 전극(13)을 형성하였을 때, 돌기(bump)가 형성되지 않는 범위로 한정된 것이다.
유기 비히클은 용매에 바인더가 용해된 것일 수 있으며, 소포제, 분산제 등을 더 포함할 수 있다. 용매로는 테르피네올, 카르비톨 등의 유기 용매를 사용할 수 있고, 바인더로는 아크릴계 수지, 셀룰로오스계 수지, 알키드 수지 등을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 유기 비히클을 사용할 수 있음은 물론이다.
이때, 유기 비히클은 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 20~30 중량부만큼 포함될 수 있다. 유기 비히클이 30 중량부를 초과하여 포함되면, 전도성 분말의 양이 작아 제조된 후면 전극(13)의 전기 전도도가 낮아질 수 있고 점도가 낮아져서 인쇄성이 떨어질 수 있다. 유기 비히클이 20 중량부 미만으로 포함되면, 실리콘 기판(10)과의 접합 특성이 저하될 수 있고 점도가 높아져서 인쇄성이 떨어질 수 있다.
유리 프릿으로는 PbO-SiO2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2계, Bi2O3-B2O3-ZbO-SiO2 등이 사용될 수 있다.
이때, 유리 프릿은 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 3~5 중량부만큼 포함될 수 있다. 유리 프릿은 3~5 중량부의 범위 내에서 접착력, 소결성 및 태양 전지의 후가공 공정 특성을 향상할 수 있다.
첨가제로 분산제, 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제 등을 더 포함할 수도 있다. 칙소제는 우레아계, 아마이드계, 우레탄계 등의 고분자/유기물이 사용되거나 무기계의 실리카 등이 사용될 수 있다.
첨가제는 페이스트 조성물 100 중량부 대하여 0.1~10 중량부만큼 포함될 수 있다. 이 범위에서 전도성 분말이 충분한 양으로 첨가되어 전기 전도도를 높은 수준으로 유지할 수 있으며, 첨가제에 의한 효과를 발휘할 수 있다.
이러한 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
바인더를 용매에 용해한 후 프리 믹싱(pre-mixing)하여 유기 비히클을 형성한다. 전도성 분말과 첨가제를 유기 비히클에 첨가하여 1~12시간 동안 숙성(aging) 시킨다. 이때, 유리 프릿을 함께 첨가할 수도 있다. 숙성된 혼합물을 3롤밀(3 roll mill)을 통해 기계적으로 혼합 및 분산시킨다. 혼합물을 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 제조한다. 그러나 이러한 방법은 일례로 제시한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면 전극(13)을 포함하는 태양 전지는 개방 전압이 증가되어 효율이 향상될 수 있다. 그리고 후면 전극에 돌기가 형성된 경우 외관 불량으로 판정될 수 있는데, 본 실시예에서는 후면 전극에서 돌기를 제거하여 불량률을 낮출 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
용매에 바인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 용매로는 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트와 α-테르피네올의 혼합 용매를 사용하였으며, 바인더로는 에틸 셀룰로오스를 사용하였다.
유기 비히클에 전도성 분말, 유리 프릿 및 첨가제를 첨가한 후 혼합하였다. 이를 12 시간 동안 숙성한 후 3롤밀을 이용하여 2차로 혼합 및 분산하였다. 이를 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 형성하였다.
전도성 분말로는 알루미늄 분말을 사용하였으며, 중심 입경이 각기 2㎛, 5㎛, 10㎛인 제1 내지 제3 분말을 혼합하여 사용하였다.
페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 제1 분말이 20.1 중량부, 제2 분말이 37.0 중량부, 제3 분말이 12.8 중량부, 유기 비히클이 21.9 중량부, 유리 프릿이 3.4 중량부, 첨가제가 4.8 중량부였다.
이 페이스트 조성물을 스크린 프린팅법에 의하여 200㎛의 두께의 실리콘 기판에 도포한 다음 200℃에서 2분 동안 건조하였다. 그리고 900℃에서 30초 동안 급속 열처리하여 후면 전극을 제조하였다.
실시예 2
페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 제1 분말이 20.1 중량부, 제2 분말이 29.7 중량부, 제3 분말이 20.1 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 3
페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 제1 분말이 12.8 중량부, 제2 분말이 37.0 중량부, 제3 분말이 20.1 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 4
페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 제1 분말이 13.8 중량부, 제2 분말이 43.3 중량부, 제3 분말이 12.8 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 5
페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 제1 분말이 12.8 중량부, 제2 분말이 43.3 중량부, 제3 분말이 13.8 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
비교예
페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 제1 분말이 15.9 중량부, 제2 분말이 38.1 중량부, 제3 분말이 15.9 중량부인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 후면 전극을 제조하였다.
실시예 1 내지 5, 비교예에 따른 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 후면 사진을 도 2 내지 도 7에 각기 나타내었다. 그리고 실시예 1 내지 5, 비교예 1 내지 6에 따른 후면 전극을 포함하는 태양 전지의 단락 전류(Isc), 개방 전압(Voc), 충밀도(Fill Factor, FF), 효율(Eff)을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
단락전류
[A]		 개방전압
[V]		 충밀도 효율
[%]
실시예1 8.53263 0.61933 0.748 16.54
실시예2 8.50903 0.61733 0.75467 16.59
실시예3 8.4968 0.61767 0.75767 16.6433
실시예4 8.48585 0.619 0.7595 16.7
실시예5 8.45217 0.61967 0.74967 16.4233
비교예 8.40777 0.60967 0.746 16.01
실시예 1 내지 5에 대한 도 2 내지 도 6에는 태양 전지의 후면 전극에 돌기가 형성되지 않은 반면, 비교예에 대한 도 7에는 태양 전지의 후면 전극에 돌기가 형성되었음을 알 수 있다. 즉, 실시예 1 내지 5에서는 페이스트 조성물에서 서로 다른 중심 입경을 가지는 전도성 분말의 비율을 최적화하여 후면 전극의 돌기를 제거할 수 있음을 알 수 있다.
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5은 비교예에 비하여 개방 전압(Voc)이 우수한 값을 가지고 효율(Eff) 또한 우수한 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 후면 전극을 포함하는 태양 전지는 우수한 개방 전압 특성 및 효율 특성을 가질 수 있음을 알 수 있다.
상술한 설명에서의 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은,
    제1 중심 입경을 가지는 제1 분말, 상기 제1 중심 입경보다 큰 제2 중심 입경을 가지는 제2 분말 및 상기 제2 중심 입경보다 큰 제3 중심 입경을 가지는 제3 분말을 포함하는 전도성 분말; 및
    유기 비히클을 포함하고,
    상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 제1 분말이 20.1~21.1 중량부, 상기 제2 분말이 29.7~37 중량부, 상기 제3 분말이 12.8~20.1 중량부만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중심 입경이 1.5~2.5㎛이고,
    상기 제2 중심 입경이 4.5~5.5㎛이며,
    상기 제3 중심 입경이 9.5~10.5㎛인 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 분말이 알루미늄을 포함하는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 분말은 각기 구형 분말 또는 비구형 분말인 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 분말은 구형 분말이고, 상기 제2 분말은 비구형 분말, 상기 제3 분말은 구형 분말인 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기 비히클이 상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 20~30 중량부만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물이 유리 프릿을 더 포함하고,
    상기 유리 프릿이 상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 3~5 중량부만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  10. 삭제
  11. 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은,
    제1 중심 입경을 가지는 제1 분말, 상기 제1 중심 입경보다 큰 제2 중심 입경을 가지는 제2 분말 및 상기 제2 중심 입경보다 큰 제3 중심 입경을 가지는 제3 분말을 포함하는 전도성 분말; 및
    유기 비히클을 포함하고,
    상기 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 상기 제1 분말이 12.8~13.8 중량부, 상기 제2 분말이 37~43.3 중량부, 상기 제3 분말이 12.8~20.1 중량부만큼 포함되는 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물.
  12. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항 및 제11항 중 어느 한 항에 의한 태양 전지의 후면 전극용 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 후면 전극을 포함하는 태양 전지.
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