KR101888054B1 - 전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지 - Google Patents

전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게, 특정 조성 및 함량비를 가지는 유리프릿을 사용함으로써 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수하며, 전극 부착력이 뛰어난 알루미늄 전극 및 태양전지의 제조가 가능한 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.

Description

전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지 {Paste composition for electrode, and aluminium electrode and solar cell prepared using the same}
본 발명은 전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게, 특정 조성 및 함량비를 가지는 유리프릿을 사용함으로써 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수하며, 전극 부착력이 뛰어난 알루미늄 전극 및 태양전지의 제조가 가능한 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구의 환경적인 문제를 해결하기 위해 재생 가능하며, 청정한 태양에너지, 풍력, 수력 등과 같은 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양광으로부터 직접 전기 에너지를 생산하는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
태양전지는 태양광의 광자(photon)를 전기로 변환시키는 pn 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양전지는 pn 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어 있다. 태양전지는 반도체 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 pn 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다. 이러한 태양전지의 전극은 전극용 페이스트의 도포, 패터닝 및 소성에 의해 웨이퍼 표면에 형성될 수 있다.
가장 일반적인 태양전지인 무기 반도체 기반 태양전지의 광전변환효율(PCE, power conversion efficiency)에 영향을 미치는 요소는 크게 세 가지로 구분될 수 있다.
태양전지의 광전변환효율을 높이기 위한 첫 번째 요소로, 광의 흡수를 극대화할 수 있는 구조의 디자인적 요소이다. 구체적인 일 예로, 결정질 실리콘 태양전지는 표면을 요철 형태로 조직화(texturing) 하여 반사율을 낮추는 구조, 전극의 면적을 최소화하는 전극 구조 등을 들 수 있다.
태양전지의 광전변환효율을 높이기 위한 두 번째 요소는, 광에 의해 여기된 전자와 정공의 재결합에 의한 손실을 최소화하는 것이다. 구체적인 일 예로, 기판의 불순물 및 표면의 결함에 의해 전자와 정공이 재결합되어 소멸되는 것을 방지하기 위해, 불순물을 제거하는 게더링 공정 및 표면의 결함을 제거하는 부동태화(passivation) 공정을 등을 들 수 있다.
태양전지의 광전변환효율을 높이기 위한 세 번째 요소는, 태양전지는 전기소자이기 때문에 캐리어의 이동 및 외부전극과의 접촉 과정에서 각종 전기적인 저항 손실을 최소화할 수 있는 전극의 형성 및 소재 개발을 들 수 있다.
태양전지에 사용되는 전극은 태양전지의 발전 특성에 크게 영향을 미치는데, 일본 공개특허공보 제2015-041741호와 같이, 유리프릿의 조성 및 염기성도 등을 조절하여 전극을 반도체 기판에 균일하게 접촉시킴으로써 태양전지의 발전 특성을 향상시키는 등, 다양한 연구가 지속되고 있으나, 단락전류(Isc), 개방전압 (Voc) 및 충진율(fill factor; FF) 등의 전기적 특성과 전극 부착력을 모두 높일 수 있는 전도성 페이스트에 대한 요구는 계속되고 있는 실정이다.
일본 공개특허공보 제2015-041741호 (2015.03.02)
본 발명은 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수하며, 전극 부착력이 뛰어난 전극용 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전극용 페이스트 조성물로부터 제조되어, 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수하며, 전극 부착력이 뛰어난 알루미늄 전극 및 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 대하여 간략하게 설명하며, 보다 구체적인 사항은 후술하는 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용]에서 상세히 설명하도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 알루미늄 전도성 분말, Bi2O3, B2O3, SiO2, ZnO 및 Sb2O3를 포함하는 유리프릿, 및 유기 비히클을 포함하는, 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 30 내지 60 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Sb2O3 5 내지 20 중량% 및 ZnO 5 내지 20 중량%를 포함하는 제1유리프릿을 포함할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 5 내지 25 중량%, B2O3 15 내지 30 중량%, SiO2 1 내지 10 중량%, Sb2O3 0 내지 5 중량%, ZnO 1 내지 10 중량%, BaO 10 내지 30 중량% 및 V2O5 2 내지 20 중량%를 포함하는 제2유리프릿을 포함할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 30 내지 60 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Sb2O3 5 내지 20 중량% 및 ZnO 5 내지 20 중량%를 포함하는 제1유리프릿, 및 전체 중량 중 Bi2O3 5 내지 25 중량%, B2O3 15 내지 30 중량%, SiO2 1 내지 10 중량%, Sb2O3 0 내지 5 중량%, ZnO 1 내지 10 중량%, BaO 10 내지 30 중량% 및 V2O5 2 내지 20 중량%를 포함하는 제2유리프릿을 포함할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 제1유리프릿 및 제2유리프릿은 서로 독립적으로 평균입경(D50)이 1 내지 5 ㎛일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유리프릿은 염기성도가 0.4 내지 0.7일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 전극용 페이스트 조성물은 전체 중량 중 0.1 내지 5 중량%의 유리프릿을 포함할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유리프릿은 Al2O3, Na2O, K2O, CaO, SrO, P2O5 및 WO3에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경(D50)이 0.5 내지 10 ㎛일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유기 비히클은 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 유기 바인더가 용매에 용해된 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 양태는 상기 전극용 페이스트 조성물로부터 제조된 태양전지용 알루미늄 전극에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 양태는 상기 태양전지용 알루미늄 전극을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전극용 페이스트 조성물은 특정 조성 및 함량비를 가지는 유리프릿을 사용함으로써 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수할 뿐만 아니라 전극 부착력이 뛰어난 알루미늄 전극 및 태양전지를 제조할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 전극용 페이스트 조성물은 제1유리프릿을 사용함으로써 전극의 휨 특성을 향상시킬 수 있으며, 제2유리프릿을 사용함으로써 전극의 내수성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 제1유리프릿 및 제2유리프릿을 적절하게 혼합하여 사용함으로써, 전기적 특성, 광전변환효율 및 전극 부착력 등의 성능을 저하시키지 않으면서도, 전극의 휨 특성과 내수성을 모두 강화할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
기존, 태양전지의 광전변환효율을 높이기 위한 하나의 방법으로, 캐리어의 이동 및 외부전극과의 접촉 과정에서 각종 전기적인 저항 손실을 최소화할 수 있는 전극 형성 및 소재 개발을 위한 연구가 지속되고 있으나, 단락전류(Isc), 개방전압 (Voc) 및 충진율(fill factor; FF) 등의 전기적 특성과 전극 부착력을 모두 높일 수 있는 전도성 페이스트에 대한 요구는 계속되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수하면서도 전극 부착력 또한 뛰어난 전극용 페이스트 조성물을 제시하고자 한다.
상세하게, 본 발명에 따른 전극용 페이스트 조성물은 알루미늄 전도성 분말, Bi2O3, B2O3, SiO2, ZnO 및 Sb2O3를 포함하는 유리프릿, 및 유기 비히클을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 유리프릿은 특정 조성 및 함량을 가진 유리프릿을 단독으로 사용하거나, 또는 서로 상이한 조성 및 함량을 가진 둘 이상의 유리프릿을 서로 혼합하여 사용할 수 있다.
구체적인 일 예로, 본 발명의 일 예에 따른 유리프릿의 제1양태는 전체 중량 중 Bi2O3 30 내지 60 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Sb2O3 5 내지 20 중량% 및 ZnO 5 내지 20 중량%를 포함하는 제1유리프릿을 포함하는 것일 수 있으며, 보다 좋게는, 상기 제1유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 35 내지 50 중량%, B2O3 10 내지 15 중량%, SiO2 10 내지 15 중량%, Sb2O3 12 내지 18 중량%, ZnO 5 내지 15 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
이와 같은 특정 조성 및 함량비를 가지는 제1유리프릿을 사용함으로써 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수할 뿐만 아니라 전극 부착력이 뛰어날 수 있으며, 특히 전극의 휨 특성을 향상시킬 수 있다.
또 다른 일 예에 따른 유리프릿의 제2양태는 전체 중량 중 Bi2O3 5 내지 25 중량%, B2O3 15 내지 30 중량%, SiO2 1 내지 10 중량%, Sb2O3 0 내지 5 중량%, ZnO 1 내지 10 중량%, BaO 10 내지 30 중량% 및 V2O5 2 내지 20 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 보다 좋게는, 상기 제2유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 13 내지 20 중량%, B2O3 15 내지 20 중량%, SiO2 3 내지 8 중량%, Sb2O3 0.5 내지 3 중량%, ZnO 3 내지 8 중량%, BaO 18 내지 25 중량%, V2O5 5 내지 15 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
이와 같은 특정 조성 및 함량비를 가지는 제2유리프릿을 사용함으로써 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수할 뿐만 아니라 전극 부착력이 뛰어날 수 있으며, 특히 전극의 내수성을 향상시킬 수 있다.
특히 바람직하게는, 서로 상이한 조성 및 함량을 가진 제1유리프릿과 제2유리프릿을 적절한 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 즉, 상기 유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 30 내지 60 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Sb2O3 5 내지 20 중량% 및 ZnO 5 내지 20 중량%를 포함하는 제1유리프릿, 및 전체 중량 중 Bi2O3 5 내지 25 중량%, B2O3 15 내지 30 중량%, SiO2 1 내지 10 중량%, Sb2O3 0 내지 5 중량%, ZnO 1 내지 10 중량%, BaO 10 내지 30 중량% 및 V2O5 2 내지 20 중량%를 포함하는 제2유리프릿을 포함하는 것일 수 있다.
이처럼, 전극의 휨 특성을 향상시킬 수 있는 제1유리프릿과 전극의 내수성을 향상시킬 수 있는 제2유리프릿을 적절하게 혼합하여 사용함으로써, 태양전지 제조 시, 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능이 우수할 뿐만 아니라 전극 부착력이 뛰어날 수 있으며, 전극의 휨 특성 및 내수성을 모두 강화할 수 있다.
이때, 상기와 같은 특성을 달성하기 위한, 제1유리프릿과 제2유리프릿의 바람직한 혼합 비율은, 예를 들면, 제1유리프릿:제2유리프릿이 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합될 수 있으며, 보다 좋게는 3:7 내지 7:3의 중량비로 혼합될 수 있다.
또는, 제1유리프릿과 제2유리프릿의 혼합 비율은 총 중량에 대하여, 각각의 성분이 하기 중량% 범위를 만족할 수 있도록 조절하는 것이 좋다.
구체적으로, 제1유리프릿과 제2유리프릿을 혼합할 시, 유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 10 내지 50 중량%, B2O3 5 내지 30 중량%, SiO2 3 내지 30 중량%, ZnO 1 내지 13 중량% BaO 3 내지 20 중량%, Sb2O3 1 내지 20 중량%, V2O5 2 내지 20 중량%를 포함할 수 있으며, 보다 좋게는, 상기 유리프릿은 전체 중량 중 Bi2O3 15 내지 40 중량%, B2O3 8 내지 25 중량%, SiO2 3 내지 20 중량%, ZnO 3 내지 13 중량% BaO 4 내지 20 중량%, Sb2O3 3 내지 18 중량%, V2O5 2 내지 15 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
이와 같은 유리프릿은 인쇄 용이성 향상을 위하여 적절한 크기를 가진 것일 수 있으며, 바람직한 일 예로 상기 제1유리프릿 및 제2유리프릿은 서로 독립적으로 평균입경(D50)이 1 내지 5 ㎛일 수 있으며, 보다 좋게는 1 내지 4 ㎛, 더욱 좋게는 1 내지 3 ㎛일 수 있다. 이를 만족함으로써 미세 구조의 전극을 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 유리프릿은 염기성도가 0.4 내지 0.7일 수 있으며, 보다 좋게는 0.43 내지 0.65, 더욱 좋게는 0.45 내지 0.6일 수 있다. 이때 염기성도는 산소 공여 능력 값을 나타내는 것으로, 염기성도가 너무 작으면 산소의 공여가 어려워, 알루미늄 입자의 주위에 부동태막(Al2O3) 형성이 어려울 수 있으며, 이에 따라 전극을 물에 침지할 시 알루미늄 입자와 물 분자가 반응하여 수소 기체가 발생되어 전극, 이를 포함하는 태양전지의 내수성이 저하될 수 있다. 아울러, 염기성도가 너무 크면, 전극의 표면 산화가 촉진되므로 표면에 산화물피막이 형성될 수 있으며, 이 산화물피막과 전극의 팽창 계수 차이에 의해 전극이 휘는 등의 변형이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 전극용 페이스트 조성물은 전체 중량 중 0.1 내지 5 중량%의 유리프릿을 포함하는 것일 수 있으며, 보다 좋게는 0.5 내지 3.0 중량%, 더욱 좋게는 0.5 내지 2.0 중량%의 유리프릿을 포함하는 것일 수 있다. 유리프릿의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우, 전극의 접착 강도가 충분히 구현되지 않을 수 있으며, 유리프릿과 무기 반도체 간의 반응성이 부족하여 접촉 저항이 증가할 수 있다. 또한, 유리프릿의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우, 과도한 유리프릿의 함량에 의해, 유리프릿이 전극 표면에 용출될 위험이 있다.
이 뿐만 아니라, 본 발명의 일 예에 따른 유리프릿은 본 발명의 목적을 헤치지 않는 한도 내에서 당업계에서 통상적으로 사용되는 다른 금속산화물을 더 포함할 수 있으며, 예를 들면 상기 유리프릿은 Al2O3, Na2O, K2O, CaO, SrO, P2O5 및 WO3 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 산화물을 더 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 금속산화물은 유리프릿 전체 중량 중 0.1 내지 15 중량%로 첨가될 수 있으며, 보다 좋게는 1 내지 10 중량%로 첨가될 수 있다. 이때, 상기 금속산화물은 제1유리프릿 및/또는 제2유리프릿에 포함되는 것일 수 있다.
덧붙여 본 발명에 따른 유리프릿은 환경보호 등의 이유에서 PbO를 함유하지 않을 수 있으며, 본 명세서에 있어서 PbO를 적극적으로 첨가하지는 않지만, 불가피하게 불순물에 의한 혼입에 의해 실질적으로 미량 함유되는 것까지 배제하는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 일 예에 따른 알루미늄 전도성 분말은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 바람직하게는 적절한 크기를 가지는 알루미늄 입자를 사용함으로써 소결 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경(D50)이 0.5 내지 10 ㎛일 수 있으며, 보다 좋게는 1 내지 9 ㎛, 더욱 좋게는 3 내지 9 ㎛일 수 있다. 이를 만족함으로서 치밀하고 균일한 알루미늄 전극을 제조할 수 있으며, 이를 통해 전극의 저항을 낮추어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 본 발명이 상기 크기 범위를 벗어나는 알루미늄 전도성 분말을 배제하는 것은 아니다. 또한, 이때, 평균입경은 프리츠사 ANALYSETTE 22 입도 분석 장비에 의해 측정된 입경 분포 누적 값으로부터 계산된 50% 지점의 입경 값일 수 있다.
상기 알루미늄 전도성 분말의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 구형, 막대형, 판상형, 플레이크형, 응집형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 전극용 페이스트 조성물은 전체 중량 중 55 내지 95 중량%, 보다 좋게는 60 내지 90 중량%, 더욱 좋게는 65 내지 80 중량%의 알루미늄 전도성 분말을 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 전극 형성을 위한 소성 공정 시 치밀한 조직을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 유기 비히클은 전극용 페이스트 조성물의 점도를 조절하는 역할 및 고상 입자들의 분산매 역할을 하는 것으로, 유기 바인더가 용매에 용해된 바인더 용액일 수 있으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 유기 비히클은 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 유기 바인더가 용매에 용해된 것을 사용할 수 있다. 유기 바인더와 용매의 혼합 비율은 전극용 페이스트 조성물의 인쇄 방법을 고려하여, 해당 인쇄 방법에 적절하도록 조절될 수 있다. 구체적인 일 예로, 유기 비히클은 5 내지 30 중량%의 유기 바인더를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 상기 유기 바인더는 셀룰로오스계 수지는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 하이드록시셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 아크릴계 수지는 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트 및 폴리부틸아크릴레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 폴리비닐계 수지는 폴리비닐 알콜(PVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리비닐 피롤리돈(PVP), 폴리불화 비닐리덴(PVDF) 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
이 외에도 에폭시 수지, 페놀 수지, 알키드 수지, 로진 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 수지, 우레탄 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리페닐렌 옥사이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지 또는 실리콘 수지 등 종래 유기 바인더로써 사용되는 수지는 특별히 한정하지 않고 사용 가능하다.
본 발명의 일 예에 따른 상기 용매는 유기 바인더를 용해하기 위한 것으로, 유기 바인더가 효과적으로 용해되며, 알루미늄 전도성 분말 및 유리프릿이 효과적으로 분산될 수 있는 것이라면 종래 사용되던 용매를 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 보다 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 용매는 유기용매일 수 있으며, 트리프로필렌글리콜메틸에테르, 트리프로필렌글리콜n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜n-부틸에테르, 프로필렌글리콜페닐에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디에틸렌글리콜n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜헥실에테르, 에틸렌글리콜헥실에테르, 트리에틸렌글리콜메틸에테르, 트리에틸렌글리콜에틸에테르, 트리에틸렌글리콜n-부틸에테르, 에틸렌글리콜페닐에테르, 에틸렌글리콜, 테르피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨아세테이트 및 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트(texanol) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 전극용 페이스트 조성물은 전체 중량 중 3 내지 40 중량%, 보다 좋게는 10 내지 30 중량%의 유기 비히클을 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 전극용 페이스트 조성물이 전극 형성을 위한 충분한 점도를 가질 수 있으며, 이때, 점도는 브룩필드 HB 점도계로 #14 스핀들을 사용하고 홀더 컵(Sample Adaptor)을 이용하여 10 rpm 및 25℃에서 측정한 경우 250 내지 350 kcps일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 페이스트 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 첨가제를 더 함유할 수 있다. 첨가제는 일 예로 증점제, 안정화제, 분산제 및 칙소제 등에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 들 수 있다. 첨가제의 양은 최종적으로 얻어지는 도전성 페이스트의 특성에 의존하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 전극용 페이스트 조성물은 알루미늄 전도성 분말, 유리프릿, 및 유기 비히클을 포함하는 원료를 물리적으로 혼합하여 제조될 수 있으며, 물리적 혼합은 3본롤 및 플래너터리(Planetary) 믹서를 이용하여 수행될 수 있으나, 본 발명이 전극용 페이스트 조성물의 구체적 제조방법에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 페이스트 조성물은 태양전지 전극용 페이스트 조성물일 수 있으며, 보다 특징적으로, 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물일 수 있다.
본 발명은 상술한 전극용 페이스트 조성물로부터 제조된 태양전지용 알루미늄 전극을 포함하며, 보다 특징적으로, 태양전지 후면전극용 알루미늄 전극을 포함한다.
이와 같은 태양전지용 알루미늄 전극은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 통해 제도될 수 있으며, 예를 들면, 기판 상, 예컨대 은(Ag) 전면전극이 형성된 실리콘 웨이퍼 기판 상에 전극용 페이스트 조성물을 인쇄하고 소성하여 제조될 수 있다.
이때, 인쇄 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정되지 않으며, 구체적으로 예를 들면 스크린 프린팅, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 롤투롤 인쇄, 잉크젯 인쇄 또는 제트 프린팅에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법을 병행하여 수행될 수 있으며, 공정 단가 및 양산성 측면에서 스크린 프린팅으로 수행될 수 있다.
상기 소성 방법은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정되지 않으며, 600 내지 950℃의 온도에서 수초 동안 수행될 수 있으나, 본 발명이 이에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
또한, 본 발명은 상술한 전극용 페이스트 조성물로부터 제조된 태양전지용 알루미늄 전극을 포함하는 태양전지를 포함한다. 즉, 본 발명은 상술한 전극용 페이스트 조성물로부터 제조된 알루미늄막을 전극으로써 포함하는 태양전지를 포함한다. 이와 같이 전극용 페이스트 조성물로부터 제조된 태양전지용 알루미늄 전극은 태양전지 소자의 후면전극으로 적용되어, 뛰어난 전극 부착력을 가질 수 있으며, 태양전지 소자의 내구성 및 내수성을 향상시키고 태양전지 소자의 전기적 특성 및 광전변환효율 등의 성능을 증가시킬 수 있다.
이때, 태양전지는 이에 반드시 한정되는 것은 아니나, 일반형(conventional type)의 구조를 갖는 태양전지 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type)의 구조를 갖는 태양전지일 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 전극용 페이스트 조성물, 이로부터 제조된 알루미늄 전극 및 태양전지에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[제조예 1 내지 6]
하기 표 1에 기재된 조성 및 함량(중량%)으로 제1유리프릿 및 제2유리프릿을 각각 제조하였다. 상세하게, 표 1에 나타내는 조성이 되도록 원료 분말을 배합하고, 약 1200℃의 전기로에서 백금 도가니를 이용해 1시간 동안 용융시킨 후, 판형 유리로 성형하였다. 그 후 평균입경(D50)이 소정의 범위가 되도록 판형 유리를 볼밀로 분쇄함으로써, 제조예 1 내지 6의 제1유리프릿 및 제2유리프릿을 각각 제조하였다.(이하, 제1유리프릿 각각을 P-1, P-2, P-3으로, 제2유리프릿 각각을 P-4, P-5, P-6으로 표기함.)
[비교제조예 1 내지 6]
하기 표 1에 기재된 조성 및 함량(중량%)으로 제조예 1과 동일한 방법을 통해 비교제조예 1 내지 6의 유리프릿을 각각 제조하였다. (이하, 비교제조예 1 내지 6의 유리프릿 각각을 C-1, C-2, C-3, C-4, C-5, C-6으로 표기함.)
Figure 112017025914261-pat00001
[ 실시예 1 내지 9, 및 비교예 1 내지 6]
하기 표 2를 만족하도록 유리프릿을 사용하였으며, 실시예 1 내지 9, 및 비교예 1 내지 6 각각 알루미늄 전도성 분말 70 중량%, 유리프릿 2 중량%, 에틸셀룰로오스 수지 2 중량% 및 부틸카비톨아세테이트 26 중량%를 혼합하여 전극용 페이스트 조성물을 제조하였다.
다음으로, 실시예 1 내지 9, 및 비교예 1 내지 6을 통해 제조된 전극용 페이스트 조성물 각각을 이용하여 태양전지를 제조하였다.
상세하게, 두께가 200 ㎛이며, 크기가 156 ㎜인 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 9 및 비교예 1 내지 6에서 제조된 알루미늄 페이스트 조성물을 각각을 스크린 프린팅하여 건조기(JT社 DA-700)를 이용하여 250℃에서 120초간 건조하였다. 건조 후 형성된 알루미늄 전극의 두께는 약 20 ㎛로 형성되었다.
이후 평균입경이 0.25 ㎛인 제1은(Ag) 분말 2 중량%, 평균입경이 1.25 ㎛인 제2은(Ag) 분말 44 중량%, 평균입경이 2.25 ㎛인 제3은(Ag) 분말 44 중량%, 평균입경이 1.5 ㎛이며, 조성 PbO-TeO-BiO인 유리프릿 2 중량%, 및 에틸셀룰로오스 수지 10 중량%를 부틸카비톨에 용해시킨 유기 비이클 8 중량%를 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 770℃의 벨트 소성로(REHM社 RFS-D250)에서 약 60초간 소성(co-firing)하여 태양전지를 제작하였다.
[물성 평가]
1) 광변환 효율 측정
제조된 태양전지 기판의 전기적 특성(I-V특성)을 ORIEL사 제조의 솔라 시뮬레이터 (SOL3A)를 사용하여 테스트하였다. 각 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 6의 알루미늄 페이스트 조성물 당 각 10매의 샘플을 제조하고, 10매 샘플의 평균치를 산출하였으며, 이를 통해 측정된 변환 효율(Eff, [%]) 및 개방전압(Voc, [V]) 값을 하기 표 2에 표기하였다.
2) 후면전극 휨의 측정
소성된 태양전지 셀의 수광면 측을 위로하여 수평면에 두고, 하면과 기판 간의 높이 차이를 휨 크기로 측정하여 그 값을 하기 표 2에 표기하였다.
3) 전극 부착력 측정
소성된 태양전지 셀의 알루미늄 전극면에 테이프(3M社 810-ROK)를 5 ㎝ 정도로 잘라 완전하게 부착시킨다. 부착된 테이프를 180° 각도로 빠르게 떼어낸다.
테이프에 전극이 전혀 묻어나지 않는 경우는 ○로, 희미하게 묻어나오는 경우에 △ (20% 이하), 그 이상으로 묻어나오는 경우는 ×로 하여 하기 표 2에 표기하였다.
4) 열탕 시험(HOT WATER TEST)
소성된 태양전지 셀을 75±5℃의 탈이온수(DI water)에서 담가 알루미늄 전극 표면에 기포가 발생하기 시작하는 시간을 확인하여 하기 표 2에 표기하였다.
기포 발생 시작이 빠른 경우는 수분에 대한 안정성이 낮으며 태양전지 모듈 의 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
유리프릿 Eff
(%) 		V OC
(V) 		휨 크기 (㎜) 전극 부착력 기포 발생시점
실시예 1 P-1 20.52 0.655 1.2 ○ 15분 이후
실시예 2 P-2 20.35 0.654 1.0 ○ 15분 이후
실시예 3 P-3 20.30 0.653 1.0 ○ 15분 이후
실시예 4 P-4 20.71 0.656 1.7 ○ 20분 이후
실시예 5 P-5 20.55 0.655 1.8 ○ 20분 이후
실시예 6 P-6 20.61 0.657 1.9 ○ 20분 이후
실시예 7 P-1:P-4 = 5:5 20.70 0.656 1.2 ○ 20분 이후
실시예 8 P-1:P-4 = 7:3 20.50 0.656 1.2 ○ 20분 이후
실시예 9 P-1:P-4 = 3:7 20.75 0.657 1.2 ○ 20분 이후
비교예 1 C-1 19.54 0.645 2.8 ○ 3분
비교예 2 C-2 19.83 0.649 1.5 × 1분
비교예 3 C-3 19.62 0.647 1.5 × 15분 이후
비교예 4 C-4 19.91 0.649 2.7 ○ 5분
비교예 5 C-5 20.10 0.650 2.5 ○ 15분 이후
비교예 6 C-6 19.55 0.643 1.5 × 5분
(상기 표 2의 실시예 7 내지 9에서 P-1:P-4의 비율은 중량비로 표기되었다.)
표 2에 표기한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 9의 태양전지는 변환효율 20% 이상으로 높고, 개방전압이 0.650 이상으로 높을 뿐만 아니라 전극의 부착력 특성이 우수하다. 특히, 제1유리프릿과 제2유리프릿을 혼합하여 제조된 페이스트 조성물로부터 제조된 태양전지는 전극의 휨 정도가 작으며, 기포 발생 시간이 늦어 내수성 또한 우수함을 알 수 있었다.
반면, 비교예 1 내지 6의 태양전지는 변환효율 및 개방전압이 너무 낮고, 전극의 휨 정도가 너무 크거나, 전극 부착력이 너무 약하거나 또는 내수성이 좋지 않는 등 특성이 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 알루미늄 전도성 분말, 2종의 유리 프릿 성분 및 유기 비히클을 포함하며,
    상기 2종의 유리 프릿 성분은
    Bi2O3 35 내지 50 중량%, B2O3 10 내지 15 중량%, SiO2 10 내지 15 중량%, ZnO 5 내지 15 중량% 및 Sb2O3 12 내지 18 중량%를 포함하는 제1 유리 프릿 및
    Bi2O3 13 내지 20 중량%, B2O3 15 내지 20 중량%, SiO2 3 내지 8 중량%, ZnO 3 내지 8 중량%, Sb2O3 0.5 내지 3 중량%, BaO 18 내지 25 중량% 및 V2O5 5 내지 15 중량%를 포함하는 제2 유리 프릿을 포함하고,
    상기 제1 유리 프릿 및 제2 유리 프릿 중 어느 하나 이상은 Na2O 및 K2O을 더 포함하는 것인 전극용 페이스트 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 제1 유리 프릿 및 제2 유리 프릿의 혼합 중량비가 2:8 내지 8:2인 전극용 페이스트 조성물.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1유리프릿 및 제2유리프릿은 서로 독립적으로 평균입경(D50)이 1 내지 5 ㎛인, 전극용 페이스트 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유리프릿은 염기성도가 0.4 내지 0.7인, 전극용 페이스트 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전극용 페이스트 조성물은 전체 중량 중 0.1 내지 5 중량%의 유리프릿을 포함하는, 전극용 페이스트 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 유리프릿은 Al2O3, Na2O, K2O, CaO, SrO, P2O5 및 WO3에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 산화물을 더 포함하는, 전극용 페이스트 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경(D50)이 0.5 내지 10 ㎛인, 전극용 페이스트 조성물.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 비히클은 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 유기 바인더가 용매에 용해된 것인, 전극용 페이스트 조성물.
  11. 제 1항, 제 3항, 제 5항 내지 제 10항 중에서 선택되는 어느 한 항의 전극용 페이스트 조성물로부터 제조된 태양전지용 알루미늄 전극.
  12. 제 11항의 태양전지용 알루미늄 전극을 포함하는 태양전지.
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