KR102152842B1 - 요변성 및 슬립성이 향상된 태양전지 전극용 도전성 페이스트 제조방법 - Google Patents

요변성 및 슬립성이 향상된 태양전지 전극용 도전성 페이스트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트로서 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 및 왁스 용액을 포함하며, 상기 왁스 용액은 왁스(wax)계 화합물을 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물에서 액티베이션시킨 용액인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 이를 이용하여 형성된 태양전지 전면 전극의 미세 선폭을 안정적으로 구현함과 더불어 전극의 전기적 특성을 개선시켜 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Description

요변성 및 슬립성이 향상된 태양전지 전극용 도전성 페이스트 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CONDUCTIVE PASTE FOR SOLAR CELL ELECTRODE WITH IMPROVED THIXOTROPIC AND SLIP}
본 발명은 태양전지의 전극 형성에 사용되는 도전성 페이스트의 제조방법에 관한 것으로서 요변성 및 슬립성이 향상된 도전성 페이스트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
태양 전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 반도체 소자로서 일반적으로 p-n 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 태양 전지 소자는 일반적으로 두께가 180~250㎛인 p형 실리콘 반도체 기판을 이용하여 구성된다. 실리콘 반도체 기판의 수광면측에는, 두께가 0.3~0.6㎛인 n형 불순물층과, 그 위에 반사 방지막과 전면 전극이 형성되어 있다. 또한, p형 실리콘 반도체 기판의 이면측에는 배면 전극이 형성되어 있다.
전면 전극은 은을 주성분으로 하는 도전성 입자(silver powder), 유리 프릿(glass frit), 유기 바인더, 용매, 및 첨가제 등을 혼합한 도전성 페이스트를 반사 방지막 상에 도포한 후 소성하여 전극을 형성하고 있으며, 배면 전극은 알루미늄 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 첨가제로 이루어지는 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고 건조한 후, 660℃(알루미늄의 융점) 이상의 온도에서 소성함으로써 형성되어 있다. 이 소성시에 알루미늄이 p형 실리콘 반도체 기판의 내부로 확산됨으로써, 배면 전극과 p형 실리콘 반도체 기판 사이에 Al-Si 합금층이 형성됨과 동시에, 알루미늄 원자의 확산에 의한 불순물층으로서 p+층이 형성된다. 이러한 p+층의 존재에 의해 전자의 재결합을 방지하고, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 BSF(Back Surface Field) 효과가 얻어진다. 배면 알루미늄 전극 하부에는 배면 실버 전극이 더 위치될 수 있다.
한편, 결정질 태양전지의 전면 전극은 수광 면적을 증가시키기 위하여 30μm 이하의 미세 선폭 인쇄 공법을 적용하는 추세이며, 그에 맞추어 전면 전극용 페이스트는 미세 선폭에서 우수한 인쇄특성을 보이고, 높은 종횡비 특성을 갖도록 설계되고 있다. 이를 위하여 왁스 성분을 사용하여 페이스트의 슬립성(slip) 및 요변성(thixotropic)을 향상시킬 수 있다.
왁스류의 경우 태양전지용 전극 재료의 용매(solvent) 선정에 있어서 바인더 용해도(binder solubility), 스웰링(swelling) 특성, 휘발 속도, 도전성 입자의 표면 처리제와의 적합성, 인쇄용 스크린 제판의 유제 및 메쉬(mesh) 적합성 등을 고려해야하는 제한적인 특성에 따라 일반적으로 파우더(powder) 상태의 왁스를 지방족(aliphatic), 방향족(aromatic), 함산소 용매(oxygenated solvent)류에서 액티베이션(activation)시키는 공정(분산 및 안정화)을 적용하여 사용한다. 그러나 액티베이션 공정 시 70℃ 이상의 공정 온도로 인하여 용매가 휘발되고 조성이 불균일해지는 문제점이 있다.
한편, PDMS의 경우 일반적인 용매와는 상용성(solubility)이 없기 때문에 용매와의 상용 개선을 위해 변성 PDMS를 적용하기도 하지만 이러한 비상용성에 의한 상분리가 일어나기 쉬운 문제점이 있다.
본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트의 미세 선폭 인쇄 특성 및 높은 종횡비 구현을 위한 왁스류 화합물 및 PDMS류 화합물 적용시 효과적인 제조방법을 제공하고자 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 및 왁스 용액을 포함하며, 상기 왁스 용액은 왁스(wax)계 화합물 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다.
또한 상기 왁스계 화합물은 아마이드 왁스(amide wax), 폴리아마이드 왁스(polyamide wax), 캐스터 오일 왁스(castor oil wax), 폴리올레핀 왁스(ployolefin wax)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 왁스 용액은 상기 왁스계 화합물이 10 내지 20wt% 포함되고, 상기 폴리디메틸실록산계 화합물이 80 내지 90wt% 포함된 용액인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 왁스계 화합물은 상기 도전성 페이스트 총 중량에 대하여 0.01 내지 0.5wt% 포함되고, 상기 폴리디메틸실록산계 화합물은 상기 도전성 페이스트 총 중량에 대하여 0.1 내지 2wt% 되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 폴리디메틸실록산계 화합물은 분자량이 3000 내지 150000 인 변성 폴리디메틸실록산을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 왁스(wax)계 화합물을 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물에서 액티베이션하여 왁스 용액을 제조하는 액티베이션단계; 및 금속 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 상기 제조된 왁스 용액을 포함하여 혼합하고 분산 및 여과시켜 도전성 페이스트를 제조하는 페이스트 제조단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 액티베이션단계는 상기 왁스계 화합물과 상기 폴리디메틸실록산계 화합물을 포함하는 혼합물을 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하는 교반단계; 상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하면서 온도를 가하는 가열단계; 및 상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하면서 냉각하는 냉각단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 혼합단계는 상기 왁스계 화합물을 5 내지 25 wt%, 상기 폴리디메틸실록산계 화합물을 75 내지 95wt% 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 가열단계는 40 내지 100℃ 범위의 온도를 가하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 기재 상부에 전면 전극을 구비하고, 기재 하부에 배면 전극을 구비한 태양전지에 있어서, 상기 전면 전극은, 상기 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 도포한 후 건조 및 소성시켜 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
본 발명은 왁스류의 액티베이션(activation) 공정에 있어서 적정 액티베이션 온도 설정 및 공정 시 용매 휘발에 의한 고형분 변동 가능성을 확실하게 제어할 수 있으며, 제조시의 공정 온도 마진(margin)을 증가시킬 수 있다. 또한 일반적으로 용매와 상용성이 없는 PDMS를 왁스 액티베이션 공정에 적용함으로써, 유기물과 무기물이 분리되는 상분리 현상을 제어할 수 있고, PDMS의 혼합 특성을 향상시켜 재료 본연의 특성을 극대화 할 수 있다.
또한 안정성 및 최적의 종횡비를 구현할 수 있는 WAX / PDMS 비율을 제공하여, 이를 이용하여 태양전지 전면 전극을 형성하는 경우 미세 선폭에서 우수한 인쇄특성을 보이고, 높은 종횡비 특성을 제공하여 이에 따른 단락전류의 증가 효과로 전극의 전기적 특성을 개선시켜 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 도전성 페이스트의 원심분리 후 상분리 촬영 이미지를 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
도전성 페이스트
본 발명의 일실시예에 따른 도전성 페이스트는 태양전지 전극 형성에 사용되기 적합한 페이스트로서, 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클(유기 바인더 및 용매) 및 왁스 용액을 포함하며, 상기 왁스 용액은 왁스(wax)계 화합물 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물을 포함하는 용액인 것을 일 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트는 점도의 경시변화가 거의 없어 30μm 이하의 미세 선폭 인쇄 특성이 매우 우수하고, 이에 따른 단락전류의 증가 효과로 전극의 전기적 특성을 개선시켜 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다
상기 왁스 용액은 왁스계 화합물이 PDMS계 화합물에서 액티베이션된 용액으로서 왁스계 화합물 및 PDMS계 화합물을 포함한다.
상기 왁스계 화합물은 도전성 페이스트 총 중량에 대하여 0.01 내지 0.5 wt% 포함되고, paste의 우수한 Thixotropy 성질을 구현하기 위하여 아마이드 왁스(amide wax), 폴리아마이드 왁스(polyamide wax), 캐스터 오일 왁스(castor oil wax), 폴리올레핀 왁스(ployolefin wax)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 폴리아마이드 왁스 또는 캐스터 오일 왁스를 사용하는 것이 좋다.
상기 PDMS계 화합물은 상기 폴리디메틸실록산계 화합물은 상기 도전성 페이스트 총 중량에 대하여 0.1 내지 2wt% 포함되고, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 및 평균분자량이 3000 내지 150000인 변성 폴리디메틸실록산(modified polydimethylsiloxane) 중 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 분자량이 3000 미만일 경우 페이스트의 점도가 너무 낮게 형성되어 오히려 인쇄 특성에 좋지 않은 결과를 보이며, 150000 초과일 경우 반대로 페이스트 점도가 너무 높게 형성이 되어 페이스트 제조가 불가능하다. 바람직하게는 평균분자량이 3500 내지 50000인 변성 폴리디메틸실록산을 사용하는 것이 좋다.
상기 왁스 용액은 상기 왁스계 화합물이 5 내지 25 wt% 포함되고, 상기 PDMS계 화합물이 75 내지 95 wt% 포함된다. 바람직하게는 상기 왁스계 화합물이 10 내지 20 wt% 포함되고, 상기 PDMS계 화합물이 80 내지 90 wt% 포함되는 것이 좋다. 상기 왁스계 화합물이 10 wt% 미만으로 포함되는 경우 도전성 페이스트의 점도 경시변화 저해 효과가 떨어져 제조된 전극의 선폭 증가율이 커지고, PDMS계 화합물의 사용량이 높아져 상분리 현상이 나타날 수 있다. 상기 왁스계 화합물이 20 wt% 초과하여 포함되는 경우 도전성 페이스트의 고점도 특성에 의하여 인쇄 단선이 증가하는 문제점이 있다.
상기 금속 분말은 은(Ag) 분말, 구리(Cu) 분말, 니켈(Ni) 분말, 알루미늄(Al) 분말 등이 사용될 수 있다.
금속 분말의 함량은 인쇄 시 형성되는 전극 두께 및 전극의 선저항을 고려할 때 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 40 내지 95 중량%로 포함된다. 더욱 바람직하게는 60 내지 90 중량%로 포함되는 것이 좋다.
금속 분말의 평균 입경은 0.1 내지 10㎛ 일 수 있으며, 페이스트화 용이성 및 소성시 치밀도를 고려할 때 0.5 내지 5㎛가 바람직하며, 그 형상이 구상(球狀), 침상(針狀), 판상(板狀) 그리고 무정상(無定狀) 중 적어도 1종 이상일 수 있다. 금속 분말은 평균 입자지름이나 입도 분포, 형상 등이 다른 2종 이상의 분말을 혼합하여 이용해도 좋다.
상기 유리 프릿의 조성이나 입경, 형상에 있어서 특별히 제한을 두지 않는다. 유연 유리 프릿 뿐만 아니라 무연 유리 프릿도 사용 가능하다. 바람직하기로는 유리 프릿의 성분 및 함량으로서, 산화물 환산 기준으로 PbO는 5 ~ 29 mol%, TeO2는 20 ~ 34 mol%, Bi2O3는 3 ~ 20 mol%, SiO2 20 mol% 이하, B2O3 10 mol% 이하, 알칼리 금속(Li, Na, K 등) 및 알칼리 토금속(Ca, Mg 등)은 10 ~ 20 mol%를 함유하는 것이 좋다. 상기 각 성분의 유기적 함량 조합에 의해 전극 선폭 증가를 막고 고면저항에서 접촉 저항을 우수하게 할 수 있으며, 단략전류 특성을 우수하게 할 수 있다.
유리 프릿의 평균 입경은 제한되지 않으나 0.5 내지 10㎛ 범위 내의 입경을 가질 수 있으며, 평균 입경이 다른 다종이 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하기로는 적어도 1종의 유리 프릿은 평균 입경(D50)이 2㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 좋다. 이를 통해 소성시 반응성이 우수해지고, 특히 고온에서 n층의 데미지를 최소화할 수 있으며 부착력이 개선되고 개방전압(Voc)을 우수하게 할 수 있다. 또한, 소성시 전극의 선폭이 증가하는 것을 감소시킬 수 있다.
유리 프릿의 함량은 도전성 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 1 내지 10 중량%가 바람직한데, 1 중량% 미만이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아질 우려가 있고, 10 중량% 초과하면 은 분말의 소성체 내에 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아질 우려가 있다.
상기 유기 바인더와 용매를 포함하는 유기 비히클(organic vehicle)은 금속 분말과 유리 프릿 등이 균일하게 혼합된 상태를 유지하는 특성이 요구되며, 예를 들면 스크린 인쇄에 의해 도전성 페이스트가 기재에 도포될 때에, 도전성 페이스트를 균질하게 하여, 인쇄 패턴의 흐려짐 및 흐름을 억제하고, 또한 스크린판으로부터의 도전성 페이스트의 토출성 및 판분리성을 향상시키는 특성이 요구된다.
유기 바인더는 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 등을 예로 들 수 있으며, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있으며, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 비닐계로는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 아세테이트 그리고 폴리비닐 알코올 등을 예로 들 수 있다. 상기 유기 바인더들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다.
유기 바인더는 제한되지 않으나 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 1 내지 15 중량%가 바람직하다. 유기 바인더의 함량이 1 중량% 미만이면 조성물의 점도, 형성된 전극 패턴의 접착력이 떨어질 수 있으며, 15 중량% 초과하면 금속 분말, 용매, 분산제 등의 양이 충분하지 않을 수 있다.
용매는 유기 바인더를 용해시키는 물질로서 알파-터피네올, 텍사놀, 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 시클로헥산, 헥산, 톨루엔, 벤질알코올, 디옥산, 디에틸렌글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트(DBA) 등으로 이루어진 화합물 중에서 적어도 1종 이상 선택되어 사용되는 것이 좋다.
본 발명에 의한 도전성 페이스트 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 첨가제, 예를 들면, 분산제, 가소제, 점도 조정제, 계면활성제, 산화제, 금속 산화물, 금속 유기 화합물 등을 더 포함할 수 있다.
도전성 페이스트의 제조방법
상술한 태양전지 전극용 도전성 페이스트는 왁스(wax)계 화합물을 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물에서 액티베이션하여 왁스 용액을 제조하는 액티베이션단계(S1) 및 금속 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 상기 제조된 왁스 용액을 포함하여 혼합하고 분산 및 여과시켜 도전성 페이스트를 제조하는 페이스트 제조단계(S2)를 포함하여 제조된다.
더욱 구체적으로 상기 액티베이션단계(S1)는 상기 왁스계 화합물과 상기 폴리디메틸실록산계 화합물을 포함하는 혼합물을 혼합하는 혼합단계(S11), 상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하는 교반단계(S12), 상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하면서 온도를 가하는 가열단계(S13) 및 상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하면서 냉각하는 냉각단계(S14)를 포함한다.
상기 혼합단계(S11)는 상기 왁스계 화합물을 5 내지 25 wt%, 상기 폴리디메틸실록산계 화합물을 75 내지 95wt% 비율로 혼합, 바람직하게는 상기 왁스계 화합물을 10 내지 20 wt%, 상기 폴리디메틸실록산계 화합물을 80 내지 90 wt% 비율로 혼합하는 단계이고, 이때 왁스계 화합물은 파우더 상태로 포함되기 때문에 용매인 폴리디메틸실록산계 화합물에 혼합될 경우 응집상태가 된다. 혼합단계(S11)에서 왁스계 화합물과 폴리디메틸실록산계 화합물의 구체적인 조성 및 혼합 조건은 전술한 도전성 페이스트 조성과 동일하게 혼합된다.
상기 교반단계(S12)에서는 상기 혼합물에 전단력(shear)을 가하면서 교반하여 용매의 스웰링(swelling) 및 응집을 분쇄한다. 교반은 Dispermat을 이용하여 이루어질 수 있으며, 교반 방법은 용기의 사이즈와 impeller의 사이즈에 따라 달라질 수 있으나, 기본적으로 교반시 vortex를 형성하고, 교반열이 50℃를 초과하지 않는 범위에서 1시간 내지 2시간 동안 이루어진다.
상기 가열단계(S13)에서는 상기 교반된 혼합물에 전단력(shear)을 가하면서 가열하여 분산시킴으로써 1차 액티베이션되는 단계이다. 상기 가열 온도는 40 내지 100℃ 온도 범위로 가열된다. 바람직하게는 50 내지 90℃ 온도 범위로 가열하는 것이 좋다. 상기 온도 범위를 벗어나 가열하는 경우, 즉 너무 낮은 온도 또는 너무 높은 온도로 가열하는 경우 왁스 첨가 특성이 감소되어 점도 안정성이 떨어지고 미세 선폭 형성시 선폭이 증가하는 문제가 있다.
상기 냉각단계(S14)는 상기 가열된 혼합물에 전단력(shear)을 가하면서 냉각하여 안정화시킴으로써 2차 액티베이션되는 단계이다. 상기 냉각은상기 교반단계(S12) 및 상기 가열단계(S13)에서 적용한 교반 속도의 1/5 내지 1/10 수준의 교반속도로 저속 교반을 하며 공냉하는 방법으로 재응집을 방지할 수 있다.
상기 페이스트 제조단계(S2)는 금속 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 상기 제조된 왁스 용액을 포함하여 혼합 및 분산하고 여과하여 도전성 페이스트를 제조하는 단계이다.
더욱 구체적으로 상기 금속 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 상기 제조된 왁스 용액을 상기 도전성 페이스트에서 나타낸 함량 비율로 혼합하고 분산시키는 분산단계(S21) 및 상기 분산된 혼합물을 여과하는 여과단계(S22)를 포함한다.
상기 분산단계(S21)는 3롤밀(Three roll mill)을 이용하여 가압 분산시키는 단계이며, 상기 분산을 1회 내지 5회 반복하여 실시될 수 있다. 바람직하게는 2회 내지 4회 반복하여 분산시키는 것이 좋다.
3롤밀은 3개의 각기 다른 회전수로 회전하는 롤러의 간극으로 상기 고점도의 혼합물을 통과시켜 롤러 속도 차이에 따른 비벼짐(전단력)에 의해 분산 효과를 제공한다. 각각의 롤러는 일정한 비율의 rpm으로 회전을 하게 됨으로 시료에 압력과 전단력(Share)을 가하여 믹싱(Mixing)과 밀링(Milling) 그리고 분산(Dispersion)이 이루어 진다.
상기 여과단계(S22)는 여과망을 이용하여 감압여과하여 이물질 등을 제거함으로써 혼합물 내의 응집체를 분쇄하고 제거하여 균일 상태로 제조할 수 있다.
감압여과는 여과기쪽의 내부 압력을 감소시켜 이때 발생하는 여과액에 대한 흡인력을 이용하는 것으로서, 감압여과를 하면 대기압에 의존하는 여과보다 여과속도를 높일 수 있고, 보다 안정적인 여과 운전이 가능하다. 상기 여과망은 망 크기가 30μm 이하인 것을 사용하는 것이 좋다.
태양전지 전극 형성 방법 및 태양전지 전극
본 발명은 또한 상기 도전성 페이스트를 기재 위에 도포하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다. 본 발명의 태양전지 전극 형성 방법에서 상기와 같이 액티베이션된 왁스 용액을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 건조 및 소성은 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다. 일예로 상기 기재는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트를 이용하여 전극을 형성하는 경우, 점도 경시변화가 거의 없어 전극 형성 시 선폭 퍼짐 현상을 개선시킬 수 있다. 그 결과, 35μm 이하의 미세 선폭을 갖는 전극의 구현이 안정적으로 가능함과 더불어, 미세 선폭에 따른 단락전류(short circuit current, Isc)의 증가 효과로 인한 전극의 전기적 특성이 개선되어 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 결정질 태양전지(P-type, N-type), PESC(Passivated Emitter Solar Cell), PERC(Passivated Emitter and Rear Cell), PERL(Passivated Emitter Real Locally Diffused) 등의 구조 및 더블 프린팅(Double printing), 듀얼 프린팅(Dual printing) 등 변경된 인쇄 공정에도 모두 적용이 가능하다.
실시예 및 비교예
먼저, 도전성 페이스트에 포함되는 왁스 용액을 제조한다. 왁스계 화합물로는 아마이드 왁스(amide wax)를 준비하였고, 본 발명의 실시예에 따른 PDMS계 화합물로 폴리디메틸실록산을 준비하였으며, 본 발명의 비교예에 따른 비PDMS계 화합물로 텍사놀(Texanol) 및 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트(Diethylene glycol monobutyl ether acetate, DBA)를 준비하였다. 준비된 화합물들의 물성은 하기 표 1에 나타낸 것과 같다.
PDMS Texanol DBA
Boiling Point at 760 mm Hg N/A
(Flash point >326℃)		 254℃
(Flash point 120℃)		 235℃
(Flash point 105℃)
Vapor Pressure at 20℃ N/A 0.01 mm Hg 0.04 mm Hg
150℃ - 1시간 건조 후 휘발율 0% 91~92% 98~99%
상기 준비된 아마이드 왁스와 PDMS계 화합물 및 비PDMS계 화합물을 이용하여 하기 표 2에 나타낸 조건 및 조성으로 왁스 용액을 제조하였다. 예를 들어, 제조예 D 의 경우, 아마이드 왁스 20 중량부, 폴리디메틸실록산 80 중량부를 혼합한 후 3롤밀을 이용하여 교반하여 용매의 스웰링(swelling) 및 응집 상태였던 왁스 분말을 분쇄하고, 교반을 계속하면서 가열온도인 70℃로 가열하여 분산시킨 후(제1 액티베이션), 교반을 계속하면서 냉각하여 안정화하여(제2 액티베이션) 액티베이션된 왁스 용액을 제조하였다. 기타 제조예들은 하기 표 2에 나타낸 것과 같이 조성 및 가열온도를 달리한 것을 제외하고 상기 제조예 D의 방법과 동일한 방법으로 액티베이션하였으며, 제조예 A 의 경우 액티베이션되지 않은 분말 상태의 아마이드 왁스를 준비하였다.
조성 가열온도(℃)
A 100% wax powder -
B 20% wax / 80% Texanol 70
C 20% wax / 80% DBA 70
D 20% wax / 80% PDMS 70
E 20% wax / 80% PDMS 40
F 20% wax / 80% PDMS 100
G 20% wax / 80% PDMS 50
H 20% wax / 80% PDMS 90
I 5% wax / 95% PDMS 70
J 10% wax / 90% PDMS 70
K 15% wax / 85% PDMS 70
L 25% wax / 75% PDMS 70
다음으로, 하기 표 3에 나타낸 바와 같은 조성(중량%)으로 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 분산제를 넣고 삼본밀을 사용하여 분산한 후, Octadecyl Amine 을 이용하여 코팅 처리된 실버 파우더(구상, 평균 입경 1㎛)를 혼합하고 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 여과 및 탈포하고 도전성 페이스트를 제조하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 비교예 1 비교예 2 비교예 3
Ag powder 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
A 0.5
B 2.5
C 2.5
D 2.5
E 2.5
F 2.5
G 2.5
H 2.5
I 2.5
J 2.5
K 2.5
L 2.5
Binder 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Texanol 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
DBA 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
PDMS 2 2 2
Additive 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Glass frit 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
실험예
(1) 경시 점도변화 측정
RV1 rheometer(HAAKE)를 이용하여, P35 Ti L spindle, 30 RPM, 25℃ 조건에서 상기 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 도전성 페이스트의 경시점도를 측정한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
1day 3day 7day 14day 30day
실시예 1 50 50 50 50 50
실시예 2 50 50 45 45 42
실시예 3 50 49 50 50 48
실시예 4 50 49 50 50 50
실시예 5 50 50 50 50 50
실시예 6 25 23 25 25 23
실시예 7 40 41 41 40 40
실시예 8 45 45 46 45 45
실시예 9 65 68 67 66 65
비교예 1 50 48 43 35 37
비교예 2 50 50 48 45 45
비교예 3 50 50 48 44 45
상기 표 4에 나타나는 것과 같이 본 발명의 실시예에 따라 제조된 도전성 페이스트는 일부 실시예의 경우 초기 점도(1day 점도) 에 대하여 시간이 경과할수록 점도가 상승하는 경향도 보였다가 30일 경과 후 측정한 점도가 초기 점도대비 100% 유지되어 점도의 경시변화가 거의 없이 점도가 유지되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 비교예에 따라 제조된 도전성 페이스트는 초기 점도(1day 점도) 대비 30일 경과 후 측정한 점도가 최소 90%까지 저하(비교예 3)되었으며, 최대 74%까지 저하(비교예 1)된 것을 확인할 수 있다.
(1) 원심분리 상분리 평가
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3 에 따라 제조된 페이스트에 대하여 동일한 조건으로 원심분리 시 상분리되는지 여부를 평가하였다. 원심분리한 후 촬영한 이미지를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이 비교예 1이 표면에 흐르는 액체가 가장 많아서 상분리가 가장 심한 것을 확인할 수 있고, 가장 우수한 것은 실시예 1, 3인 것을 확인할 수 있다.
(3) 전기적 특성 평가
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 도전성 페이스트를 wafer의 전면에 opening 25㎛의 360-16 메쉬의 스크린 프린팅 기법으로 패턴 인쇄하고, 벨트형 건조로를 사용하여 200~350℃에서 20초에서 30초 동안 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 Al paste를 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 500 내지 900 ℃사이로 20초에서 30초간 소성을 행하여 태양전지 Cell을 제작하였다.
상기 제조된 Cell은 태양전지 효율측정장비(Halm社, cetisPV-Celltest 3)를 사용하여, 단락전류(Isc), 개방전압(Voc), 변환효율(Eff), 곡선인자(FF), 저항(Rser, Rsht) 및 선폭을 측정하여 하기 표 5 및 표 6에 나타내었다.
표 5에는 다양한 액티베이션 온도를 적용한 실시예 1 내지 5 및 비교예에 따라 제조된 도전성 페이스트를 이용한 태양전지 cell에 대한 측정 데이터를 나타내었으며, 표 6에는 액티베이션 용액의 성분 함량을 다양하게 적용한 실시예 1 및 6 내지 9에 따라 제조된 도전성 페이스트를 이용한 태양전지 cell에 대한 측정 데이터를 나타내었다.
구분 Isc
(A)		 Voc
(V)		 Eff
(%)		 FF
(%)		 Rser
(Ω)		 Rsht
(Ω)		 선폭
(μm)
실시예1 10.149 0.6609 22.33 80.63 0.00084 740.3 26.1
실시예2 10.123 0.6603 22.22 80.50 0.00093 1914.2 28.3
실시예3 10.123 0.6601 22.20 80.48 0.00086 521.4 27.6
실시예4 10.140 0.6604 22.30 80.58 0.00085 1240.3 26.5
실시예5 10.141 0.6605 22.31 80.61 0.00085 560.3 26.2
비교예1 10.101 0.6612 22.02 79.86 0.00104 1054.1 32.0
비교예2 10.127 0.6611 22.12 80.01 0.00102 1161.2 28.3
비교예3 10.129 0.6600 22.26 80.62 0.00092 918.5 28.2
구분 Isc
(A)		 Voc
(V)		 Eff
(%)		 FF
(%)		 Rser
(Ω)		 Rsht
(Ω)		 선폭
(μm)
실시예1 10.162 0.6638 22.41 80.45 0.00092 451.3 27.0
실시예6 10.141 0.6634 22.31 80.33 0.00096 1690.5 27.4
실시예7 10.160 0.6638 22.39 80.40 0.00087 796.7 26.1
실시예8 10.173 0.6635 22.41 80.42 0.00093 621.3 26.0
실시예9 10.162 0.6636 22.36 80.29 0.00099 596.9 26.0
상기 표 5에 나타나는 것과 같이, 본원발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트로 형성한 전극의 경우, 비교예의 경우보다 좁은 선폭을 갖도록 구현되어 슬립성이 개선된 것을 알 수 있다.
더욱 구체적으로 실시예 1,4,5,7,8의 경우 선폭 감소로 인하여 비교예 1 내지 3에 비하여 단락전류(Isc)값이 증가하여 변환효율(Eff)이 우수한 것을 확인할 수 있다. 왁스를 25% 함량으로 사용한 실시예 9의 경우 상기 표 4에 나타낸 것과 같이 점도가 60 Pa.s 이상으로 고점도 특성으로 인하여 인쇄 단선 증가에 따라 저항(Rser)값 및 곡선인자(FF)값이 다소 불리한 것을 확인할 수 있어 실시예 1,4,5,7,8과 같이 왁스를 10 내지 20% 함량으로 사용하여 50 내지 90℃ 온도로 액티베이션 하는 것이 바람직하다.
실시예 2 및 3는 PDMS를 이용한 왁스 액티베이션 시 너무 낮은 온도(40℃)나 너무 높은 온도(100℃)로 가열하는 경우 왁스 첨가 특성이 다소 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 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.

Claims (10)

  1. 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 및 왁스 용액을 포함하며,
    상기 왁스 용액은 10 내지 20wt%의 왁스(wax)계 화합물 및 80 내지 90wt%의 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물을 포함하는 용액이고,
    상기 왁스계 화합물은 캐스터 오일 왁스(castor oil wax) 및 폴리올레핀 왁스(Polyolefin wax)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리디메틸실록산계 화합물은 분자량이 3000 내지 150000 인 변성 폴리디메틸실록산을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  6. 왁스(wax)계 화합물을 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물에서 액티베이션하여 왁스 용액을 제조하는 액티베이션단계; 및
    금속 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 상기 제조된 왁스 용액을 포함하여 혼합하고 분산 및 여과시켜 도전성 페이스트를 제조하는 페이스트 제조단계;를 포함하고,
    상기 왁스 용액은 10 내지 20wt%의 왁스(wax)계 화합물 및 80 내지 90wt%의 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)계 화합물을 포함하는 용액이고,
    상기 왁스계 화합물은 캐스터 오일 왁스(castor oil wax) 및 폴리올레핀 왁스(Polyolefin wax)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 태양전지 전극용 도전성 페이스트 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액티베이션단계는 상기 왁스계 화합물과 상기 폴리디메틸실록산계 화합물을 포함하는 혼합물을 혼합하는 혼합단계;
    상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하는 교반단계;
    상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하면서 온도를 가하는 가열단계; 및
    상기 혼합물에 전단력을 가하며 교반하면서 냉각하는 냉각단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가열단계는 40 내지 100℃ 범위의 온도를 가하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트 제조방법.
  10. 기재 상부에 전면 전극을 구비하고, 기재 하부에 배면 전극을 구비한 태양전지에 있어서,
    상기 전면 전극은, 제1항 및 제5항 중 어느 한 항의 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 도포한 후 건조 및 소성시켜 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지.

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