KR20080099406A - 태양전지 전극 형성용 페이스트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 전극 형성용 페이스트에 관한 것으로, 특히 은(Ag) 분말, 유리 프릿(glass frit) 및, 유기 비히클를 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트에 있어서, 상기 은(Ag) 분말의 Tap density가 적어도 5 g/cc 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트에 관한 것이다.
본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 고효율, 고해상도에 적합할 뿐만 아니라 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양상성에 뛰어난 장점이 있다.
태양전지, 전극, 은 분말, Tap density, 은 아세테이트

Description

태양전지 전극 형성용 페이스트 {A paste for producing electrode of solar cell}
본 발명은 태양전지 전극 형성용 페이스트에 관한 것으로, 특히 고효율, 고해상도에 적합할 뿐만 아니라 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양상성에 뛰어난 장점이 있는 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극 형성방법에 관한 것이다.
최근 무공해, 설비의 간편성, 내구성 향상 등 여러 가지 이유로 인하여 태양전지의 보급이 급속도로 확산되고 있으며, 이에 따라 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 양산성이 우수한 태양전지의 제조방법들이 다양하게 연구되고 있다.
종래 실리콘 태양전지의 전극 형성은 도전성 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트를 실리콘 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하여 전극을 형성하였다. 소성은 저온소성(500 내지 750 ℃)과 고온소성(800 내지 950 ℃)으로 이루어지며, 점차 생산비용의 절감과 양산성이 중요시되고 있어 고온에서 짧은 시간에 소성이 이루어지는 고온소성의 중요성이 더욱 대두되고 있다.
그러나 기존의 실리콘 태양전지의 전극 형성에 사용되었던 페이스트들은 고 온(800 내지 950 ℃)에서 짧은 시간에 소성할 경우 소결성이 떨어지고, 소성수축률이 크며, 해상도가 떨어지는 문제점이 있었으며, 따라서 고효율, 고해상도에 적합할 뿐만 아니라 특히 고온/고속 소성에 적합한 태양전지 전극 형성용 페이스트의 개발이 절실히 요청되고 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 고효율, 고해상도에 적합할 뿐만 아니라 소성수축률이 적어 정밀성을 기할 수 있으며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양상성에 뛰어난 장점이 있는 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 태양전지의 전극형성방법에 있어서 정밀성 높으며, 고효율, 고해상도이며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양상성에 뛰어난 태양전지의 전극형성방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
은(Ag) 분말, 유리 프릿(glass frit) 및, 유기 비히클를 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트에 있어서,
상기 은(Ag) 분말의 Tap density가 적어도 5 g/cc 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제공한다.
바람직하게는 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 Tap density가 적 어도 5 g/cc 이상인 은(Ag) 분말이 60 내지 90 중량%; 유리 프릿(glass frit) 0.5 내지 10 중량%; 및 유기 비히클 5 내지 35 중량%를 포함하는 것이 좋다.
또한 본 발명은 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 소성은 800 내지 950 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 것이 좋다.
또한 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 은(Ag) 분말, 유리 프릿(glass frit) 및, 유기 비히클를 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트에 있어서, 상기 은(Ag) 분말의 Tap density가 적어도 5 g/cc 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 Tap density(충진밀도)는 분말시험기를 이용하여 100 cc(cm3)체적의 컵에 은(Ag) 분말충진하고 100회 탭핑을 실시하고 컵을 제거한 후에, 시료를 100 cc에 정확히 충진하고 분말 질량(g)을 측정하여 분말 질량(g)을 100으로 나눈 값이다.
바람직하게는 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 있어서 상기 은(Ag) 분말의 Tap density는 5 내지 5.5 g/cc인 것이 좋다. 상기 은(Ag) 분말의 Tap density가 5 g/cc 미만인 경우에는 고온(800 내지 950 ℃)에서 짧은 시간에 소성할 경우 소결성이 떨어지고, 소성수축률이 커 정밀성이 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
상기 Tap density가 적어도 5 g/cc 이상인 은(Ag) 분말은 ⅰ) 평균입도가 0.05 내지 0.6 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 10 내지 25 중량부; ⅱ) 평균입도가 1.5 내지 2 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 70 내지 85 중량부; 및 ⅲ) 평균입도가 2.5 내지 5 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 1 내지 15 중량부를 혼합하여 제조될 수 있다. 바람직하기로는 ⅰ) 평균입도가 0.05 내지 0.4 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 12 내지 20 중량부; ⅱ) 평균입도가 1.7 내지 2 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 75 내지 85 중량부; 및 ⅲ) 평균입도가 3 내지 4.5 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 3 내지 10 중량부를 혼합하는 것이 좋다. 이 경우 인쇄의 정밀성 및 태양전지의 Fill Factor(이하 "FF"라 한다)의 값을 크게 향상시켜 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 은(Ag) 분말은 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 60 내지 90 중량%로 포함되는 것이 좋다. 바람직하기로는 70 내지 85 중량%로 포함되는 것이 좋다. 상기 범위 내인 경우 고온/고속 소성에서의 소결성 및 해상도가 뛰어난 장점이 있다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 유리 프릿(glass frit)을 포함한다. 상기 유리 프릿은 통상적으로 태양전지 전극 페이스트에 사용되는 유리 프릿이 사용될 수 있으며, 일예로는 연화점이 400 내지 600 ℃인 봉규산납 유리, 규산납 유리, 비스무스계 유리 또는 리튬계 등을 사용할 수 있다. 입경은 1 내지 10 ㎛인 것을 사용하는 것이 좋다. 바람직하게는 상기 유리 프릿은 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 0.5 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 2 중량% 포함되는 것이 좋다. 상기 범위 내인 경우 접착력, 소결성 및 태양전지의 후가공 공정을 용이하게 하는 장점이 있다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 유기 비히클을 포함한다. 상기 유기 비히클은 태양전지 전극 형성용 페이스트의 무기성분과 기계적 혼합을 통하여 페이스트를 인쇄에 적합한 점도도(consistency) 및 유변학적 특성을 부여한다. 상기 유기 비히클은 통상적으로 태양전지 전극 페이스트에 사용되는 유기 비히클이 사용될 수 있으며, 일예로 중합체와 용매의 혼합물일 수 있다. 상기 중합체로는 에틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스와 페놀수지의 중합체, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 등을 사용할 수 있다. 바람직하기로는 에틸셀룰로오스가 좋다. 또한 상기 용매로는 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 프필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 터핀올, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마부티로락톤, 또는 에틸락테이트 등을 단독 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하기로는 부틸카비톨아세테이트를 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서 상기 비히클은 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 5 내지 35 중량% 포함되는 것이 좋으며, 중합체와 용매는 1-10 : 1-10의 중량비로 혼합된 것을 사용하는 것이 좋다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 은 아세테이트(silver acetate)를 더욱 포함할 수 있다. 바람직하기로는 상기 은 아세테이트는 본 발명의 전극 형성용 페이스트에 0.1 내지 2 중량%로 포함되는 것이 좋으며, 더욱 바람직하기로는 0.5 내지 1 중량%로 포함되는 것이다. 이 경우 소결성 및 소성에 따른 수축에 양호한 작용을 하여 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 인계 도펀트를 더욱 포함할 수 있다. 구체적인 예로 상기 인계 도펀트로는 POCl3를 들 수 있으며, 바람직하기로는 상기 인계 도펀트는 본 발명의 전극 형성용 페이스트에 0.1 내지 3 중량%로 포함되는 것이 좋으며, 더욱 바람직하기로는 1 내지 2 중량%로 포함되는 것이다. 이 경우 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 통상적으로 페이스트에 포함될 수 있는 첨가제들을 필요에 따라 더욱 포함할 수 있다. 상기 첨가제로의 예로는 증점제, 안정화제, 분산제 또는 계면활성제 등을 들 수 있으며, 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트에 0.1 내지 5 중량%의 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 상기 기재한 필수성분과 임의의 성분을 소정의 비율에 따라 배합하고 이를 블렌더 또는 3축 롤 등의 혼련기로 균일하게 분산하여 얻어질 수 있다. 바람직하기로는 본 발명의 태양전지 전극 형성용 페이스트는 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계 및 #14 스핀들을 사용하는 다용도 컵 으로 10 rpm 및 25 ℃에서 측정하는 경우 50 내지 300 PaS의 점도를 가지는 것이 좋다.
또한 본 발명은 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다. 본 발명의 태양전지 전극 형성방법에서 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 건조 및 소성은 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다. 일예로 상기 기재는 Si 기판일 수 있으며, 상기 전극은 실리콘 태양전지의 전면 전극일 수 있으며, 상기 인쇄는 스크린 인쇄일 수 있으며, 상기 건조는 90 내지 250 ℃에서 이루어 질 수 있으며, 상기 소성은 600 내지 950 ℃에서 이루어질 수 있다. 바람직하기로는 상기 소성이 800 내지 950 ℃, 더욱 바람직하게는 850 내지 900 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 고온/고속 소성을 하는 것이 좋으며, 상기 인쇄는 20 내지 50 ㎛의 두께로 인쇄를 하는 것이 좋다. 구체적인 일예로 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0108550호, 제10-2006-0127813호, 일본국 공개특허공보 특개2001-202822 및 특개2003-133567에 기재된 태양전지의 구조 및 이의 제조에 있어서 본 발명의 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 사용하여 태양전지의 전극(상기 공지기술에서는 주로 은(Ag)으로 제조됨.)을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 태양전지 전극형성방법은 정밀성이 높으며, 고효율, 고해상도이며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양상성에 뛰어난 장점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
평균입경이 0.37 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 12.4 중량부, 평균입경이 1.86 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 62.1 중량부, 평균입경이 3.24 ㎛인 구형의 은 분말 6.2 중량부를 혼합하여 Tap density가 5.26 g/cc인 은 분말 80.7 중량부, 입경이 3.36 ㎛이고 연화점이 466 ℃인 저융점 유리 프릿 1.1 중량부, 에틸셀룰로오스 14.1 중량부와 부틸카비톨아세테이트 2.6 중량부, 점도조절제 1.0 중량부 계면활성제를 0.5 중량부를 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 평균입경이 0.37 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 9.3 중량부, 평균입경이 1.86 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 64.9 중량부, 평균입경이 3.24 ㎛인 구형의 은 분말 6.5 중량부를 혼합하여 Tap density가 5.17 g/cc인 은 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 은아세테이트 1.0 중량부를 더욱 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 은아세테이트 0.5 중량부를 더욱 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 2에서 은아세테이트 1.0 중량부를 더욱 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 POCl3 1.0 중량부를 더욱 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 평균입경이 0.37 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 40.35 중량부, 평균입경이 1.86 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 40.35 중량부를 혼합하여 Tap density가 4.54 g/cc인 은 분말을 80.7 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 평균입경이 0.37 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 26.9 중량부, 평균입경이 1.86 ㎛인 구형의 알루미늄 분말 53.8 중량부를 혼합하여 Tap density가 4.83 g/cc인 은 분말을 80.7 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실 시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 3에서 은아세테이트 3.5 중량부를 더욱 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 태양전지 전극 형성용 페이스트를 Wafer의 전면에 스크린프린팅기법으로 전면 인쇄하고 하고, 열풍식건조로를 사용하여 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 알루미늄 페이스트를 패턴 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 500 내지 900 ℃사이로 20초에서 30초간 소성을 행하였으며, 이렇게 제조 완료된 Cell은 여 태양전지효율측정장비(EndeasI社, Quicksun120A)를 사용하여 Isc(A), Voc(mV), Fill Factor 및 태양전지의 효율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
Isc(A) Voc(mV) Fill Factor 효율(%)
실시예 1 5.08 612.2 0.77 16.08
실시예 2 5.07 610.0 0.70 15.67
실시예 3 5.08 613.3 0.78 16.24
실시예 4 5.08 610.5 0.77 16.17
실시예 5 5.07 612.1 0.71 15.93
실시예 6 5.08 613.9 0.78 16.27
비교예 1 4.98 601.3 0.42 8.73
비교예 2 4.93 601.6 0.51 10.43
비교예 3 14.52
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 종래 태양전지에 일반적으로 사용되고 있었던 Tap Density가 5 g/cc 미만인 은 분말을 사용한 비교예 1 및 2의 경우에 비하여 본 발명의 실시예 1 내지 6의 경우 Isc(A), Voc(mV), Fill Factor 및 태양전지의 효율이 모두 현저히 우수한 결과를 나타내었으며, 특히 은아세테이트를 더욱 첨가하고나 인계 도펀트(POCl3)를 첨가할 경우(실시예 3 내지 6) 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다. 또한 은아세테이트 함량이 지나치게 많은 경우(비교예 3)에는 오히려 태양전지의 효율이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 태양전지의 전극형성방법은 고효율, 고해상도의 태양전지의 제조에 적합할 뿐만 아니라 소성수축률이 적어 정밀성을 기할 수 있으며, 특히 고온/고속 소성에 적합하여 양상성에 뛰어난 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 은(Ag) 분말, 유리 프릿(glass frit) 및, 유기 비히클를 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트에 있어서,
    상기 은(Ag) 분말의 Tap density가 적어도 5 g/cc 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 은(Ag) 분말이 60 내지 90 중량%;
    유리 프릿(glass frit) 1 내지 10 중량%; 및
    유기 비히클 5 내지 35 중량%
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 은(Ag) 분말의 Tap density가 5 내지 5.5 g/cc인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 은(Ag) 분말은
    ⅰ) 평균입도가 0.05 내지 0.6 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 10 내지 25 중량부;
    ⅱ) 평균입도가 1.5 내지 2 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 70 내지 85 중량부; 및
    ⅲ) 평균입도가 2.5 내지 5 ㎛인 구형의 은(Ag) 분말 1 내지 15 중량부
    가 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  5. 제 1항에 있어서,
    은 아세테이트(silver acetate)를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  6. 제 1항에 있어서,
    인계 도펀트를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  7. 제 1항에 있어서,
    증점제, 안정화제 또는 분산제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트.
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항 기재의 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 소성은 850 내지 950 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법.
  10. 제 8항 기재의 형성 방법에 의하여 태양전지용 기재 상에 형성되는 태양전지 전극.
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