KR101974840B1 - 전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극과 태양전지 - Google Patents
전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극과 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
도전성 분말, 유리 프릿, 유기 바인더 및 용매를 포함하고, 상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 구조단위를 포함하는 고분자인 전극 형성용 조성물을 제공한다.
[화학식 1] [화학식 2] [화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3의 각 치환기의 정의는 상세한 설명에 기재된 바와 같다.
[화학식 1] [화학식 2] [화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3의 각 치환기의 정의는 상세한 설명에 기재된 바와 같다.
Description
전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광의 광자(photon)를 전기로 변환시키는 pn 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양 전지는 pn 접합이 구성되는 반도체 기판(반도체 웨이퍼) 상하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어 있다. 태양 전지는 기판에 입사되는 태양광에 의해 pn 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다.
이러한 태양 전지의 전극은 전극 형성용 조성물의 도포, 패터닝 및 소성에 의해, 기판 표면에 일정 패턴으로 형성될 수 있다.
태양 전지의 변환효율을 향상시키기 위하여 기판과 접촉성을 향상하여 접촉저항(Rc)과 직렬저항(Rs)을 최소화시키거나 유기물로 스크린 마스크(screen mask)의 패턴 선폭을 작게 조절함으로써 미세 선폭(fine line)을 형성하여 단락전류(Isc)를 높이는 방법이 알려져 있다. 그러나 스크린 마스크를 이용하여 전극 패턴 선폭을 감소시키는 방법은 직렬저항(Rs)의 상승을 유발할 수 있고, 미세 패턴의 연속 인쇄성을 저하시킬 수 있다.
전극 형성용 조성물은 인쇄에 적합한 점도 및 유변학적 특성을 부여하기 위하여 유기 비히클을 사용하는데, 상기 유기 비히클은 통상적으로 유기 바인더와 용매 등을 포함할 수 있다.
분산성과 저장 안정성을 높이기 위한 방안으로 유기 바인더의 함량을 높이거나, 고분자량의 유기 바인더를 사용할 수 있다.
유기 바인더의 함량을 높이는 경우에는 전극 형성 시 저항이 높아질 수 있으며, 고분자량의 유기 바인더를 사용하는 경우에는 고전단 속도(high shear rate)에서도 점도가 높아져 테일링(tailing) 현상 및 인쇄 불량이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
일 구현예는 고 해상도의 미세 패턴의 형성이 가능하고 인쇄 특성이 우수하며, 분산성과 저장 안정성이 우수한 전극 형성용 조성물을 제공한다.
다른 일 구현예는 상기 전극 형성용 조성물로 제조된 전극을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 유리 프릿, 유기 바인더 및 용매를 포함하고,
상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 구조단위를 포함하는 고분자인 전극 형성용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R11은 수소 또는 메틸기이고,
X는 -O-, -C(=O)- 및 이들의 조합에서 선택되는 작용기를 적어도 2개 포함하는 C3 내지 C30의 알킬렌기이고,
R12는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R21은 수소 또는 메틸기이고,
R22는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
R31은 수소 또는 메틸기이고,
R32는 수소 또는 C1 내지 C10의 알킬기이고,
n은 0 또는 8의 정수이고,
L은 단일결합 또는 카르보닐기(-C(=O)-)이고,
L'은 단일결합, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬렌기 또는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기를 포함하는 C2 내지 C12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬렌기이다.
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위는 하기 화학식 1A 또는 화학식 1B로 표현될 수 있다.
[화학식 1A] [화학식 1B]
상기 화학식 1A 또는 화학식 1B에서,
CH2 또는 CH3의 수소는 각각 독립적으로 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 티올기, C1 내지 C20의 알킬기 또는 C1 내지 C20의 알콕시기로 치환될 수 있다.
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 상기 화학식 2로 표현되는 구조단위 및 화학식 3으로 표현되는 구조단위는 각각 1 내지 98몰%, 1 내지 98몰% 및 1 내지 98몰%로 존재할 수 있다.
상기 고분자는 하기 화학식 4로 표현되는 구조단위를 더 포함할 수 있다.
[화학식 4]
R41은 수소 또는 메틸기이고,
R42는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C20 알킬렌기; -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기를 적어도 하나 포함하는 직쇄 또는 분지쇄 C3 내지 C20 알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬렌기 및 이들의 조합에서 선택된다.
상기 화학식 4의 구조단위는 상기 고분자 100 몰%에 대하여 1 내지 95 몰%로 포함할 수 있다.
상기 고분자의 중량평균 분자량(Mw)은 1,000 내지 300,000 g/mol일 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 도전성 분말 60 내지 95 중량%; 유리 프릿 0.5 내지 20 중량%; 유기 바인더 1 내지 20 중량%; 및 용매를 잔부량으로 포함할 수 있다.
상기 유리 프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 용매는 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜모노부틸에테르(ethylene glycol monobutyl ether), 부틸셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 및 텍사놀(Texanol, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate)에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 유리 프릿의 평균 입경(D50)은 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 표면처리제, 분산제, 요변제, 점도 안정화제, 가소제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제에서 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함할 수 있다.
다른 구현예는 상기 전극 형성용 조성물로 제조된 전극을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
상기 전극 형성용 조성물은 고해상도의 미세 패턴의 형성이 가능하고 인쇄 특성이 우수하며 분산성과 저장 안정성이 우수하다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "치환"이란 적어도 하나의 수소 원자가 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기, C1 내지 C20의 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 이미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 에테르기, 카르복실기 또는 그것의 염, 술폰산기 또는 그것의 염, 인산기 또는 그것의 염, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C2 내지 C20의 알키닐기, C6 내지 C30의 아릴기, C3 내지 C20의 사이클로알킬기, C3 내지 C20의 사이클로알케닐기, C3 내지 C20의 사이클로알키닐기, C2 내지 C20의 헤테로사이클로알킬기, C2 내지 C20의 헤테로사이클로알케닐기, C2 내지 C20의 헤테로사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로아릴기 또는 이들의 조합에서 선택되는 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "헤테로"란, 고리기 내에 N, O, S 및 P 중 적어도 하나의 헤테로 원자가 적어도 하나 포함된 것을 의미한다.
일 구현예에 따른 전극 형성용 조성물은 도전성 분말; 유리 프릿; 유기 바인더; 및 용매를 포함할 수 있다.
이하, 상기 전극 형성용 조성물의 각 구성성분을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 전극 형성용 조성물은 도전성 분말로서 금속 분말을 사용할 수 있다. 상기 금속 분말은 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 텅스텐(W), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 도전성 분말은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 분말일 수 있는데, 예를 들어 수십 내지 수백 나노미터 크기의 도전성 분말, 수 내지 수십 마이크로미터의 도전성 분말일 수 있으며, 2 이상의 서로 다른 사이즈를 갖는 도전성 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 도전성 분말은 입자 형상이 구형, 판상, 무정형 형상을 가질 수 있다. 상기 도전성 분말의 평균 입경(D50)은 바람직하게는 0.1㎛ 내지 10㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 5㎛이 될 수 있다. 상기 평균 입경은 이소프로필알코올(IPA)에 도전성 분말을 초음파로 상온(20℃ 내지 25℃)에서 3분 동안 분산시킨 후 CILAS社에서 제작한 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다. 상기 범위 내에서, 접촉저항과 선 저항이 낮아지는 효과를 가질 수 있다.
상기 도전성 분말은 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 60 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 저항의 증가로 변환 효율이 낮아지는 것을 막을 수 있고, 유기 비히클 양의 상대적인 감소로 페이스트화가 어려워지는 것을 막을 수 있다. 바람직하게는 70 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.
상기 유리 프릿(glass frit)은 전극 형성용 조성물의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 도전성 분말 입자를 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록에미터 영역에 도전성 분말의 금속 결정 입자를 생성시키고, 도전성 분말과 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키고 소결 시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
태양 전지의 효율을 증가시키기 위하여 태양 전지의 면적을 증가시키면 태양 전지의 접촉저항이 높아질 수 있으므로 pn 접합(pn junction)에 대한 피해를 최소화함과 동시에 직렬저항을 최소화시켜야 한다. 또한, 다양한 면저항을 가지는 기판의 증가에 따라 소성 온도가 변동폭이 커지므로 넓은 소성 온도에서도 열안정성이 충분히 확보될 수 있는 유리 프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿은 통상적으로 전극 형성용 조성물에 사용되는 유연 유리 프릿 및 무연 유리 프릿 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
상기 유리 프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함할 수 있다.
유리 프릿은 통상의 방법을 사용하여 상기 기술된 금속 원소의 산화물로부터 유래된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 원소의 산화물을 특정 조성으로 혼합하여 제조한 혼합물을 용융한 후 급냉(quenching)한 다음 다시 분쇄하여 얻을 수 있다. 상기 혼합 공정은 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetary mill)을 사용하여 실시할 수 있다. 상기 용융 공정은 700℃ 내지 1300℃의 조건에서 실시할 수 있으며, 상기 급냉 공정은 상온(20℃ 내지 25℃)에서 실시할 수 있다. 상기 분쇄 공정은 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등에 의해 실시할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것이 사용될 수 있으며, 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 0.5 내지 20 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 전극의 전기적 특성을 저해하지 않는 범위에서 전극의 접착 강도(adhesion strength)를 향상시킬 수 있다.
상기 유리 프릿의 형상은 구형이어도 무정형상이어도 무방하다. 일 구현예에서, 전이 온도가 상이한 2종의 유리 프릿을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 전이 온도가 200℃ 이상 350℃ 이하인 제1 유리 프릿과 전이 온도가 350℃ 초과 550℃ 이하인 제2 유리 프릿을 1 : 0.2 내지 1 : 1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 유기 바인더로서 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 구조단위를 포함하는 고분자를 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R11은 수소 또는 메틸기이고,
X는 -O-, -C(=O)- 및 이들의 조합에서 선택되는 작용기를 적어도 2개 포함하는 C3 내지 C30의 알킬렌기이고,
R12는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R21은 수소 또는 메틸기이고,
R22는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
R31은 수소 또는 메틸기이고,
R32는 수소 또는 C1 내지 C10의 알킬기이고,
n은 0 또는 8의 정수이고,
L은 단일결합 또는 카르보닐기(-C(=O)-)이고,
L'은 단일결합, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬렌기 또는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기를 포함하는 C2 내지 C12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬렌기이다.
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위는 측쇄 사슬 내에 산소(-O-) 또는 카보닐기(-C(=O)-)를 적어도 2개 함유하는 구조를 가짐으로써 전극 형성용 조성물에 포함되는 도전성 분말과 정전기적 결합을 유도하여 도전성 분말의 분산성을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위는 하기 화학식 1A 또는 화학식 1B로 표현될 수 있다.
[화학식 1A] [화학식 1B]
상기 화학식 1A 또는 화학식 1B에서,
CH2 또는 CH3의 수소는 각각 독립적으로 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 티올기, C1 내지 C20의 알킬기 또는 C1 내지 C20의 알콕시기로 치환될 수 있다.
상기 화학식 2로 표현되는 구조단위를 포함함으로써, 전극 형성용 조성물 내 수소 결합을 유도하여 용매와의 상용성(compatibility)과 용해성(solubility)을 향상시켜 분산성과 저장안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 고분자가 화학식 2로 표현되는 구조단위를 포함하지 않는 경우 후술하는 용매, 특히 유기 용매에 용해되지 않으므로 페이스트 상태의 전극 형성용 조성물을 제조하기 어렵다.
상기 화학식 3으로 표현되는 구조단위를 포함하는 고분자는 측쇄에 산소-함유 링구조를 가짐으로써 전극 형성용 조성물에 포함되는 도전성 분말과 정전기적 결합을 유도하여 도전성 분말의 분산성을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 상기 화학식 2로 표현되는 구조단위 및 화학식 3으로 표현되는 구조단위는 각각 1 내지 98몰%, 1 내지 98몰% 및 1 내지 98몰%로 존재할 수 있으며, 구체적으로는 3 내지 60몰%, 1 내지 40몰% 및 5 내지 95몰%로 존재할 수 있다. 상기 범위에서 도전성 분말의 분산성을 향상시키고 용매와의 상용성을 향상시킬 수 있으며, 미세한 선폭 및 높은 종횡비(aspect ratio, AR)를 가지는 전극 패턴을 얻을 수 있다.
상기 화학식 1의 구조단위를 제공하는 화합물(모노머)의 구체적인 예로는 아세토아세톡시에틸 (메타)아크릴레이트(acetoacetoxyethyl (meth)acrylate), 2-메톡시에톡시에틸 (메타)아크릴레이트(2-methoxyethoxy ethyl (meth)acrylate), 알릴 아세토아세테이트(allyl acetoacetate), 비닐 아세토아세테이트(vinyl acetoacetate) 및 이들의 조합에서 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 2의 구조단위를 제공하는 화합물(모노머)의 예로는 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, n-부틸(메타)아크릴레이트, 이소-부틸(메타)아크릴레이트, t-부틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 이소데실(메타)아크릴레이트, n-라우릴(메타)아크릴레이트, n-트리데실(메타)아크릴레이트, 펜타데실(메타)아크릴레이트, 세실(메타)아크릴레이트,헵타데실(메타)아크릴레이트, 스테아릴(메타)아크릴레이트, n-부톡시에틸(메타)아크릴레이트, 부톡시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시트리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시노닐에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 시클로헥실(메타)아크릴레이트, 테트라하이드로퍼퓨릴(메타)아크릴레이트, 벤질(메타)아크릴레이트, 이소보닐(메타)아크릴레이트, 글리시딜 (메타)아크릴레이트, 2-페녹시에틸(메타)아크릴레이트, 2-페녹시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시트리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시테트라에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시펜타에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시헥사에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시헵타에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시옥타에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시노나에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 2-페녹시데카에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트 및 이들의 조합에서 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 3의 구조단위를 제공하는 화합물(모노머)은 구체적으로 하기 화학식 3-1로 표현될 수 있다.
[화학식 3-1]
상기 화학식 1-1에서,
R12, L' 및 n은 상기 화학식 1에서와 동일하고,
X는 비닐기, 아크릴로일기 또는 메타크릴로일기이다.
상기 화학식 3-1의 X는 중합하여 상기 화학식 1의 L을 제공한다.
상기 고분자는 하기 화학식 4로 표현되는 구조단위를 더 포함할 수 있다.
[화학식 4]
R41은 수소 또는 메틸기이고,
R42는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C20 알킬렌기; -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기를 적어도 하나 포함하는 직쇄 또는 분지쇄 C3 내지 C20 알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬렌기 및 이들의 조합에서 선택된다.
상기 화학식 4로 표현되는 구조단위는 상기 고분자 100 몰%에 대하여 1 내지 95 몰%로 포함할 수 있다. 상기 화학식 4로 표현되는 구조 단위는 히드록실기를 포함하여 수소 결합을 유도하여 용매와의 상용성(compatibility)과 용해성(solubility)을 더욱 향상시켜 분산성과 저장안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 4의 구조단위를 제공하는 화합물(모노머)의 예로는 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 2-히드록시부틸(메타)아크릴레이트 등이 있다.
상기 고분자의 중량평균 분자량(Mw)은 1,000 내지 300,000g/mol일 수 있으며, 구체적으로는 5,000 내지 200,000g/mol 일 수 있다. 상기 범위에서 전극 형성용 조성물의 분산성과 인쇄 특성을 개선할 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 도전성 분말 60 내지 95 중량%; 유리 프릿 0.5 내지 20 중량%; 유기 바인더 1 내지 20 중량%; 및 용매를 잔부량으로 포함할 수 있다. 상기 범위에서 전극 형성용 조성물의 적절한 점도를 얻을 수 있어 기판과의 접착력 저하를 방지할 수 있으며, 소성 시 유기 바인더의 분해가 원활히 이뤄지지 않아 저항이 높아지고 소성공정 시 전극의 갈라짐, 오픈, 핀홀 발생 등의 문제점을 방지할 수 있다.
상기 용매로는 100 이상의 비점을 갖는 것으로, 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜모노부틸에테르(ethylene glycol monobutyl ether), 부틸셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate), 텍사놀(Texanol) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 용매는 전극 형성용 조성물 중 잔부량으로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 충분한 접착강도와 우수한 인쇄성을 확보할 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 상기에서 기술한 구성 요소 외에 유동 특성, 공정 특성 및 안정성을 향상시키기 위하여 필요에 따라 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 표면처리제, 분산제, 요변제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이들은 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있지만 필요에 따라 함량을 변경할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 전극 형성용 조성물의 인쇄 특성, 분산성 및 저장 안정성을 고려하여 선택될 수 있다.
다른 구현예에 따르면 상기 전극 형성용 조성물로부터 형성된 전극을 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
도 1을 참조하여 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다. 도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, p층(또는 n층)(101) 및 에미터로서의 n층(또는 p 층)(102)을 포함하는 기판(100) 상에, 전극 형성용 조성물을 인쇄하고 소성하여 후면 전극(210) 및 전면 전극(230)을 형성할 수 있다. 예컨대, 전극 형성용 조성물을 기판의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 200℃ 내지 400℃의 온도로 대략 10 내지 60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다.
또한, 기판의 전면에 전극 형성용 조성물을 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 이후에, 400℃ 내지 980℃ 바람직하게는 700℃ 내지 980℃에서 약 30초 내지 210초 소성하는 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시 예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
유기 바인더의 합성
합성예
1
질소 분위기의 콘덴서가 설치된 둥근 바닥 플라스크에 디에틸렌 글리콜 에틸에테르(1 eq), 벤질메타크릴레이트(1 eq), 아크릴로일모폴린(acryloylmorpholine, ACMO)(8 eq) 및 디메틸설폭사이드(DMSO) (모노머 총 중량에 대비 2배의 중량)에 넣어 충분히 교반하면서 온도를 60로 상승시켰다. 총 사용될 DMSO를 일정량 덜어내어 AIBN(azobisisobutyronitrile)(모노머 총 몰 함량 대비 0.1 몰)을 완전히 녹인 후 적가깔대기(dropping funnel)를 이용하여 플라스크에 천천히 적하하면서 라디칼 중합(radical polymerization)을 진행시켰다. 적하 완료 후 60, 질소 분위기에서 24시간 반응을 진행 시켰다. 미반응물 및 불순물 제거를 위해 n-헥산(n-hexane)에 3회 재침전한 후 필터하였다. 필터 후 건조하여 최종적으로 중량평균 분자량(Mw)이 75,000인 아크릴 공중합체를 얻었다.
합성예
2
모노머로 디에틸렌 글리콜 에틸에테르(2 eq), 벤질메타크릴레이트(1 eq) 및 아크릴로일모폴린(acryloylmorpholine, ACMO)(7 eq)을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 실시하여 중량평균 분자량(Mw)이 80,000인 아크릴 공중합체를 얻었다.
합성예
3
모노머로 디에틸렌 글리콜 에틸에테르(3 eq), 벤질메타크릴레이트(1 eq) 및 아크릴로일모폴린(acryloylmorpholine, ACMO)(6 eq) 로 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 하여 중량평균 분자량(Mw)이 80,000인 아크릴 공중합체를 얻었다.
합성예
4
모노머로 디에틸렌 글리콜 에틸에테르(10 eq)만 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 하여 중량평균 분자량(Mw)이 70,000인 디에틸렌 글리콜 에틸에테르 호모폴리머를 수득하였다.
합성예
5
모노머로 디에틸렌 글리콜 에틸에테르를 사용하지 않고, 벤질메타크릴레이트(3 eq)와 아크릴로일모폴린(acryloylmorpholine, ACMO)(7 eq)을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1와 동일한 방법으로 하여 중량평균 분자량(Mw)이 75,000인 아크릴 공중합체를 얻었다.
전극형성용 조성물의 제조
<
실시예
1>
유기 바인더로서 상기 합성예 1에서 제조된 유기 바인더 2.0 중량%를 용매인 텍사놀(Texanol) 7.5 중량%에 50℃ 에서 충분히 용해한 후 평균입경이 5.0㎛인 구형의 은 분말(Dowa Hightech Co. Ltd, 5-8F) 87.0 중량%, 평균 입경이 1.0㎛이고 전이점이 341℃인 저융점 유연 유리(유연 Glass, (주)파티클로지, CI-124) 프릿 3.0 중량%, 첨가제로서 분산제 BYK102(BYK-chemie) 0.2 중량% 및 요변제 Thixatrol ST(Elementis Co.) 0.3 중량%를 투입하여 균일하게 믹싱 후 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
<
실시예
2>
유기 바인더로서 합성예 1에서 제조된 중합체 대신 합성예 2에서 제조된 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
<
실시예
3>
유기 바인더로서 합성예 1에서 제조된 중합체 대신 합성예 3에서 제조된 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
<
비교예
1>
유기 바인더로서 합성예 1에서 제조된 중합체 대신 합성예 4에서 제조된 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
<
비교예
2>
유기 바인더로서 합성예 1에서 제조된 중합체 대신 합성예 5에서 제조된 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
물성평가방법
(1) 저장 안정성(
%
)
하기 식 1에 의거하여 제조된 전극 형성용 조성물의 보관 전후의 점도 변화율로 저장 안정성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[식 1]
(F0: 전극 형성용 조성물을 25℃, 50±5% 상대 습도 조건에서 1일 보관 후,
상온(25℃)에서 측정한 점도 값
F1: 전극 형성용 조성물을 25℃, 50±5% 상대 습도 상태에서 30일 보관 후,
상온(25℃)에서 측정한 점도 값)
점도 측정: Brookfield社의 점도계(HBDV-2+pro)를 사용하여 SC4-14 스핀들과 SC4-6RP 챔버를 장착하여 25℃에서 10rpm으로 30초간 preshear를 가한 뒤 그 값을 측정하였다.
(2) 미세패턴 평가
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 및 2에 따른 전극 형성용 조성물을 면 저항 90Ω인 폴리 P 타입 실리콘 웨이퍼(Wafer) 전면에 스크린 마스크를 이용하여 각각 스크린 프린팅하여 전극 패턴(finger bar)을 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 이후 웨이퍼의 후면에 알루미늄을 포함하는 페이스트(RX-8252X-2, Ruxing社)을 후면 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 400℃ 내지 950℃ 에서 30 초 내지 50 초간 소성을 행하여 테스트용 셀을 제조하였다.
제조된 전극(finger bar)의 단선 여부를 확인하기 위하여 EL tester(MV tech 社)를 이용하여 Line opening 개수를 측정하였으며, 전극 라인의 선폭 및 두께는 VK 장비(KEYENCE社 VK9710)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
* 스크린 마스크 : SUS325 type / Emulsion 두께 15㎛ / 핑거바 선폭 45㎛, 핑거바 개수 80개
| 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 비교예1 | 비교예2 | |
| 저장안정성 (%) | 2 | 2 | 2 | 6 | 2 |
| 인쇄 후 선폭 L1 (㎛) | 59 | 58 | 57 | 64 | 58 |
| 건조 후 선폭 L2 (㎛) | 62 | 62 | 60 | 74 | 64 |
| 소성 후 선폭 L3 (㎛) | 66 | 65 | 65 | 92 | 68 |
| 소성 후 두께 D1 (㎛) | 18 | 18 | 19 | 15 | 18 |
| 선폭 (L1-L2) (㎛) | -7 | -4 | -3 | -10 | -6 |
| 종횡비 (D1/L3) | 0.273 | 0.277 | 0.292 | 0.163 | 0.265 |
표 1을 참조하면 실시예 1 내지 3에 따른 전극 형성용 조성물이 비교예 1 및 비교예 2 에 따른 전극 형성용 조성물에 비하여 저장안정성이 우수하고 이로부터 제조된 전극패턴의 선폭 또한 미세하게 형성되고 소성후에도 높은 종횡비를 구현함을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
100: 기판 101: p층(또는 n층)
102: n층(또는 p 층) 210: 후면 전극
230: 전면 전극
102: n층(또는 p 층) 210: 후면 전극
230: 전면 전극
Claims (12)
- 도전성 분말, 유리 프릿, 유기 바인더 및 용매를 포함하고,
상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 구조단위를 포함하는 고분자인 전극 형성용 조성물:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R11은 수소 또는 메틸기이고,
X는 -O-, -C(=O)- 및 이들의 조합에서 선택되는 작용기를 적어도 2개 포함하는 C3 내지 C30의 알킬렌기이고,
R12는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R21은 수소 또는 메틸기이고,
R22는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 및 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기에서 선택되고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
R31은 수소 또는 메틸기이고,
R32는 수소 또는 C1 내지 C10의 알킬기이고,
n은 0 또는 8의 정수이고,
L은 단일결합 또는 카르보닐기(-C(=O)-)이고,
L'은 단일결합, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬렌기 또는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기를 포함하는 C2 내지 C12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬렌기이다. - 제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위는 하기 화학식 1A 또는 화학식 1B로 표현되는 구조단위인 전극 형성용 조성물:
[화학식 1] [화학식 1B]
상기 화학식 1A 또는 화학식 1B에서,
CH2 또는 CH3의 수소는 각각 독립적으로 할로겐, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 티올기, C1 내지 C20의 알킬기 또는 C1 내지 C20의 알콕시기로 치환될 수 있다. - 제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표현되는 구조단위, 상기 화학식 2로 표현되는 구조 단위 및 상기 화학식 3으로 표현되는 구조단위는 상기 고분자 100 몰%에 대하여 각각 1 내지 98몰%, 1 내지 98몰% 및 1 내지 98몰%로 존재하는 전극 형성용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 고분자는 하기 화학식 4로 표현되는 구조단위를 더 포함하는 전극 형성용 조성물:
[화학식 4]
R41은 수소 또는 메틸기이고,
R42는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C20 알킬렌기; -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기를 적어도 하나 포함하는 직쇄 또는 분지쇄 C3 내지 C20 알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬렌기 및 이들의 조합에서 선택된다. - 제4항에 있어서,
상기 화학식 4의 구조 단위는 상기 고분자 100 몰%에 대하여 1 내지 95 몰%로 포함되는 전극 형성용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 고분자의 중량평균 분자량(Mw)은 1,000 내지 300,000 g/mol인 전극 형성용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 전극 형성용 조성물은 도전성 분말 60 내지 95 중량%; 유리 프릿 0.5 내지 20 중량%; 유기 바인더 1 내지 20 중량%; 및 용매를 잔부량으로 포함하는 전극 형성용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 전극 형성용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 용매는 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜모노부틸에테르(ethylene glycol monobutyl ether), 부틸셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 및 텍사놀(Texanol, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate)에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 전극 형성용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 전극 형성용 조성물은 표면처리제, 분산제, 요변제, 점도 안정화제, 가소제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제에서 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함하는 전극 형성용 조성물. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전극 형성용 조성물로 제조된 전극.
- 제11항에 따른 전극을 포함하는 태양 전지.
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