KR20090089617A - Metal paste composition for front electrode of silicon solar cell, method of preparing the same and silicon solar cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물 및 그 제조 방법과 이를 포함하는 실리콘 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지의 전면전극을 형성하기 위한 반사방지막과의 계면반응의 반응점을 증대시킬 수 있는 금속 페이스트 조성물 및 그 제조 방법과 이를 포함하는 실리콘 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a metal paste composition for forming a front electrode of a silicon solar cell, a method for manufacturing the same, and a silicon solar cell including the same, and more particularly, a reaction point of an interfacial reaction with an antireflection film for forming a front electrode of a solar cell. The present invention relates to a metal paste composition and a method of manufacturing the same, and a silicon solar cell including the same.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. Recently, as the prediction of depletion of existing energy sources such as oil and coal is increasing, interest in alternative energy to replace them is increasing. Among them, solar cells are particularly attracting attention because they are rich in energy resources and have no problems with environmental pollution.
태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 분류되는데, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전 지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.Solar cells are classified into solar cells that generate steam required to rotate turbines using solar heat, and solar cells that convert photons into electrical energy using the properties of semiconductors. It refers to a solar cell (hereinafter referred to as a solar cell).
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 이러한 3가지 종류의 태양전지 중 태양전지 시장에서는 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.Solar cells are largely classified into silicon solar cells, compound semiconductor solar cells, and tandem solar cells according to raw materials. Of these three types of solar cells, silicon solar cells are the mainstream in the solar cell market.
도 1은 실리콘 태양전지의 기본적인 구조를 보여주는 단면도이다. 도면을 참조하면, 실리콘 태양전지는 p형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)과 n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)을 포함하고, 기판(101)과 에미터층(102)의 계면에는 다이오드와 유사하게 p-n 접합이 형성되어 있다. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a silicon solar cell. Referring to the drawings, a silicon solar cell includes a
위와 같은 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 입사되면, 광기전력효과(photovoltaic effect)에 의해 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 참고로, n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)에서는 전자가 다수 캐리어로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력효과에 의해 발생된 전자와 전공은 각각 n형 실리콘 반도체 및 p형 실리콘 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 기판(101) 하부 및 에미터층(102) 상부와 접합된 전면전극(103) 및 후면전극(104)으로 이동하며, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 된다.When sunlight is incident on a solar cell having the above structure, electrons and holes are generated in a silicon semiconductor doped with impurities by a photovoltaic effect. For reference, electrons are generated as carriers in the
태양전지는 기본적으로 입사광의 세기와 파장분포 등에 영향을 받으므로, 최대한 많은 빛을 흡수하는 것이 관건이다. 그런데, 도 1에 나타난 바와 같이, 태양전지의 가장 상부에는 태양광을 가리게 되는 전면전극이 위치하므로, 전면전극의 기능을 저하시키지 않으면서도, 그 면적을 최소화하는 것이 중요하다.Since solar cells are basically affected by the intensity and wavelength distribution of incident light, it is important to absorb as much light as possible. However, as shown in FIG. 1, since the front electrode is disposed at the top of the solar cell, it is important to minimize the area without degrading the function of the front electrode.
전면전극은 전면전극 형성용 금속 페이스트와 반사방지막과의 계면 반응을 통해서 형성되며, 이 때 상기 금속 페이스트에 포함된 은이 고온에서 액상이 되었다가 다시 고상으로 재결정되면서, 유리 프릿(glass frit)을 매개로 하여 반사방지막을 관통하는 펀치 스루(punch through) 현상을 통해 에미터층과 접촉하게 된다. 이와 관련된 구체적인 메커니즘에 대해서는 J. Hoomstra, et al., 31st IEEE PVSC Florida 2005 에 개시되어 있다.The front electrode is formed through the interfacial reaction between the metal paste for forming the front electrode and the anti-reflection film. At this time, the silver contained in the metal paste becomes liquid at high temperature and recrystallizes into a solid phase, thereby mediating the glass frit. As a result, the film is brought into contact with the emitter layer through a punch through phenomenon penetrating the antireflection film. A specific mechanism is described in J. Hoomstra, et al., 31st IEEE PVSC Florida 2005.
하지만, 종래의 전면전극을 형성하는 반사방지막 상에서의 계면반응에서는 은이 재결정되는 정도에 한계가 존재하여 전면전극의 성능을 개선시키거나 그 면적을 줄이는 것에 문제점이 있었다.However, in the conventional surface reaction on the anti-reflection film forming the front electrode, there is a limit to the degree of recrystallization of silver, there is a problem in improving the performance of the front electrode or reducing its area.
따라서, 전면전극의 성능을 개선시킬 수 있는 기술 개발이 시급하다.Therefore, it is urgent to develop a technology that can improve the performance of the front electrode.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전면전극을 형성하는 재결정된 은의 면적이 종래보다 확장될 수 있는 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물 및 그 제조 방법과 이를 포함하는 실리콘 태양전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal paste composition for forming a front electrode of a silicon solar cell, a method of manufacturing the same, and a silicon solar cell including the same, wherein an area of the recrystallized silver forming the front electrode can be expanded than before. It is.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물은, 은 분말; 유리 프릿 입자와 은 입자가 접합된 다수의 접합입자; 및 유기 바인더를 포함한다. 본 발명은 유리 프릿 입자와 은 입자의 접합입자를 사용함으로써, 은이 반사방지막을 관통하는 매개체가 되는 유리 프릿 입자의 분포도를 개선하여, 계면 반응의 반응점을 극대화할 수 있다. 그 결과 계면 상에서 은이 재결정되는 면적이 비약적으로 증가될 수 있다.In order to solve the above problems, the metal paste composition for forming a front electrode of the silicon solar cell of the present invention, the silver powder; A plurality of bonded particles to which glass frit particles and silver particles are bonded; And organic binders. According to the present invention, by using the bonded particles of the glass frit particles and the silver particles, the distribution of the glass frit particles, which is a medium through which the silver penetrates the antireflection film, can be improved, thereby maximizing the reaction point of the interfacial reaction. As a result, the area where silver is recrystallized on the interface can be significantly increased.
전술한 본 발명의 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물은 예를 들면, 은 분말 100 중량부에 대하여, 접합입자 10~50 중량부 및 유기 바인더 5~30 중량부를 포함할 수 있으나, 이제 한정되는 것은 아니다.The metal paste composition for forming the front electrode of the silicon solar cell of the present invention described above may include, for example, 10 to 50 parts by weight of the bonded particles and 5 to 30 parts by weight of the organic binder, based on 100 parts by weight of the silver powder. It is not limited.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물의 제조방법은, (S1) 유리 프릿 분말과 제 1 은 분말의 혼합물에 대해 교반 및 분쇄를 동시에 수행하여 유리 프릿 입자와 은 입자가 접합된 다수의 접합입자를 제조하는 단계; (S2) 상기 제조된 다수의 접합입자와 제 2 은 분말을 혼합하고 교반하는 단계; 및 (S3) 상기 결과물에 유기 바인더를 첨가하고 교반하는 단계를 포함한다.In addition, in order to solve the above problems, the method of manufacturing a metal paste composition for forming a front electrode of a silicon solar cell of the present invention, (S1) by simultaneously performing agitation and grinding for a mixture of the glass frit powder and the first silver powder Preparing a plurality of bonded particles to which glass frit particles and silver particles are bonded; (S2) mixing and stirring a plurality of the bonded particles and the second silver powder prepared above; And (S3) adding and stirring the organic binder to the resultant.
전술한 본 발명의 제조방법에 있어서, (S1) 단계의 교반 및 분쇄 공정은 예를 들면, 볼밀로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above-described manufacturing method of the present invention, the stirring and grinding process of step (S1) may be performed by, for example, a ball mill, but is not limited thereto.
전술한 본 발명의 금속 페이스트 조성물은 실리콘 태양전지의 전면전극 형성에 사용될 수 있다.The metal paste composition of the present invention described above can be used to form a front electrode of a silicon solar cell.
본 발명의 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물은 유리 프릿 입자의 분포도가 매우 높아 계면 반응의 반응점을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 계면 반응의 반응점이 증대되면 재결정되는 은의 분포 면적이 넓어지게 되므로, 전면전극의 성능이 향상되며, 전면전극의 성능 저하 없이 전면전극의 면적의 감소도 가능하다.The metal paste composition for forming the front electrode of the silicon solar cell of the present invention has a very high degree of distribution of glass frit particles, which can significantly increase the reaction point of the interfacial reaction. As the reaction point of the interfacial reaction increases, the area of silver recrystallized becomes wider, so that the performance of the front electrode is improved and the area of the front electrode can be reduced without degrading the performance of the front electrode.
이하, 본 발명의 연료전지용 전극을 그 제조방법에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the electrode for a fuel cell of the present invention will be described in detail according to the manufacturing method thereof. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
먼저, 유리 프릿 분말과 제 1 은 분말의 혼합물에 대해 교반 및 분쇄를 동시에 수행하여 유리 프릿 입자와 은 입자가 접합된 다수의 접합입자를 제조한다(S1).First, the glass frit powder and the mixture of the first silver powder are simultaneously stirred and pulverized to prepare a plurality of bonded particles in which the glass frit particles and the silver particles are bonded (S1).
도 2의 (a)에 나타난 바와 같이, 종래에는 유리 프릿 분말과 은 분말을 단순히 혼합하여 금속 페이스트를 제조했다.As shown in FIG. 2 (a), conventionally, glass frit powder and silver powder were simply mixed to prepare a metal paste.
하지만 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물은 유리 프릿 입자와 은 입자가 접합된 다수의 접합입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2의 (a)와 (b)를 비교해보면, 접합입자가 형성되었을 경우에 금속 페이스트 조성물 내에서 유리 프릿 입자의 분포도는 더욱 향상될 수 있음을 알 수 있다. 유리 프릿 입자는 은 입자의 펀치 스루 현상의 매개체이므로, 유리 프릿 입자의 분포도의 향상은 전면전극을 형성하는 계면 반응의 반응점이 증대되는 것을 의미한다. 따라서, 동일한 함량의 은을 사용해도 재결정되는 은의 분포 면적도 더욱 넓어지게 되며, 전면전극의 성능은 더욱 향상된다. 또한, 재결정되는 은의 분포 면적이 향상된다면, 전면전극의 성능 저하 없이 은의 사용량을 줄이거나 전면전극의 면적을 감소시키는 것도 가능하다.However, as shown in (b) of Figure 2, the metal paste composition for forming a front electrode of the silicon solar cell of the present invention is characterized in that it comprises a plurality of bonding particles are bonded glass frit particles and silver particles. Comparing FIG. 2 (a) and (b), it can be seen that the distribution of the glass frit particles in the metal paste composition can be further improved when the bonded particles are formed. Since the glass frit particles are mediators of the punch-through phenomenon of the silver particles, the improvement in the distribution of the glass frit particles means that the reaction point of the interfacial reaction forming the front electrode is increased. Therefore, even if the same amount of silver is used, the distribution area of silver to be recrystallized is also wider, and the performance of the front electrode is further improved. In addition, if the distribution area of silver to be recrystallized is improved, it is also possible to reduce the amount of silver used or to reduce the area of the front electrode without degrading the performance of the front electrode.
본 발명에서 사용되는 유리 프릿 분말은 당분야에서 사용되는 유리 프릿이 제한없이 사용될 수 있다. 이러한 유리 프릿 분말의 예를 들면, 납산화물 및/또는 비스무트 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로는 SiO2-PbO계, SiO2-PbO-B2O3계 및 Bi2O3-B2O3-SiO2계 분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Glass frit powder used in the present invention may be used without limitation the glass frit used in the art. Examples of such glass frit powders may include lead oxides and / or bismuth oxides. Specifically, SiO 2 -PbO-based, SiO 2 -PbO-B 2 O 3 type, and Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 based powder may be a one or as mixtures of two or more thereof selected from the group consisting of, It is not limited to this.
유리 프릿 분말이 준비되면, 제 1 은 분말과 혼합하고 교반과 분쇄를 동시에 수행한다. 교반과 분쇄가 동시에 수행되면, 유리 프릿 분말과 제 1 은 분말은 서로 혼합되면서 마찰과 압력을 받게 되어 입자로 분쇄된다. 또한, 은은 연성 및 전성이 매우 우수하지만, 무기물인 유리 프릿은 은에 비해 강도가 높고 연성 및 전성이 현저히 낮으므로, 교반 및 분쇄 과정 중 유리 프릿 입자와 은 입자가 접촉하고 있는 상태에서 강한 압력을 받게 되면, 은 입자에 변형이 발생하고 유리 프릿 입자가 은 입자를 다소간 파고 들게 되어 유리 프릿 입자와 은 입자의 접합입자가 형성될 수 있다.Once the glass frit powder is prepared, the first silver powder is mixed and stirred and pulverized simultaneously. When stirring and grinding are performed simultaneously, the glass frit powder and the first silver powder are mixed with each other and subjected to friction and pressure to be pulverized into particles. In addition, although silver has excellent ductility and malleability, inorganic glass frit has higher strength and significantly lower ductility and malleability than silver. When received, deformation may occur in the silver particles and the glass frit particles may dig into the silver particles somewhat, thereby forming the bonded particles of the glass frit particles and the silver particles.
교반 및 분쇄 처리 시간은 사용되는 장치 또는 혼합된 유리 프릿 분말 및 제 1 은 분말의 양 등에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 접합입자가 충분히 형성된다면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들면, 접합입자가 충분히 형성될 수 있도록 2 시간 이상 교반 및 분쇄를 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 발명자들은 교반 및 분쇄 시간을 증가시켜도 접합입자의 형성 등에 영향을 미치지 않으며, 특히 반사방지막 상에서의 계면 반응을 저하시킬 수 있는 유리 프릿 입자 및 은 입자 사이에 3상이 형성되지 않는 것을 확인했다.The stirring and grinding treatment time may be appropriately selected depending on the apparatus used or the amount of the mixed glass frit powder and the first silver powder and the like, and is not particularly limited as long as the bonded particles are sufficiently formed. For example, agitation and pulverization may be performed for at least 2 hours to sufficiently form the bonded particles, but is not limited thereto. In addition, the inventors of the present invention do not affect the formation of the bonded particles even if the agitation and the pulverization time are increased. Confirmed.
제조된 상기 접합입자의 평균 직경은 0.1~10 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.5~3 ㎛ 일 수 있다. 접합입자의 평균직경이 상기 범위인 경우에 매우 적절한 점도를 갖는 페이스트를 얻을 수 있으며, 동시에 계면반응의 감소를 방지할 수 있다.The average diameter of the bonded particles prepared may be 0.1 ~ 10 ㎛, preferably 0.5 ~ 3 ㎛. When the average diameter of the bonded particles is in the above range, a paste having a very suitable viscosity can be obtained, and at the same time, a decrease in the interfacial reaction can be prevented.
전술한 접합입자를 형성하기 위한 유리 프릿 분말과 제 1 은 분말의 혼합비는 제조환경 등 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 예를 들면 혼합 중량비는 유리 프릿 분말: 제 1 은 분말 = 1:2~10일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유리 프릿 분말 대비 제 1 은 분말의 중량비가 위 범위에 적합하지 않을경우, 혼합 후 혼합 분말의 입도분포가 Bi-modal 형태로 나타나 paste의 인쇄시 국부적으로 혼합분말의 반응 양상이 편중될 수 있다. 이러한 유리 프릿 분말과 제 1 은 분말의 혼합비는 접합입자를 형성하는 유리 프릿 입자와 은 입자의 결합비가 된다.The mixing ratio of the glass frit powder and the first silver powder for forming the above-mentioned bonded particles may be appropriately selected according to the production environment and the like, for example, the mixing weight ratio may be the glass frit powder: first silver powder = 1: 2 to It may be 10, but is not limited thereto. When the weight ratio of the first glass powder to the glass frit powder is not suitable for the above range, the particle size distribution of the mixed powder after mixing may be in a bi-modal form, so that the reaction mode of the locally mixed powder may be biased when the paste is printed. . The mixing ratio of the glass frit powder and the first silver powder is a bonding ratio between the glass frit particles and the silver particles forming the bonded particles.
다음으로, 상기 제조된 다수의 접합입자와 제 2 은 분말을 혼합하고 교반한다(S2).Next, the prepared plurality of bonded particles and the second silver powder are mixed and stirred (S2).
제조된 접합입자와 제 2 은 분말의 혼합 및 교반은 균일한 혼합이 가능하다면 당분야에서 행하는 혼합 및 교반 수단이 제한없이 사용될 수 있다.Mixing and stirring of the prepared bonded particles and the second silver powder can be used without limitation as long as mixing and stirring are carried out in the art.
여기에서 접합입자와 제 2 은 분말의 혼합비는 제조환경에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 예를 들면 제 2 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 접합입자 10 ~50 중량부 가 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 계면반응을 충분히 일으킬 수 있으며, 동시에 지나친 계면반응을 방지하여 태양전지 내 Junction 부분이 파괴되는 것을 막을 수 있다.Herein, the mixing ratio of the bonded particles and the second silver powder may be appropriately selected according to a manufacturing environment. For example, 10 to 50 parts by weight of the bonded particles may be included based on 100 parts by weight of the second silver powder. In the content range can be sufficient to cause an interfacial reaction, and at the same time to prevent excessive interfacial reaction can prevent the junction portion of the solar cell is destroyed.
여기에서 사용되는 제 2 은 분말 입자의 평균 직경은 접합입자와 유사한 수준의 것이 바람직하다. 예를 들면, 0.1~10 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.5~3 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위인 경우에 매우 적절한 점도를 갖는 페이스트를 얻을 수 있으며, 동시에 계면반응의 감소를 방지할 수 있다.It is preferable that the average diameter of the 2nd silver powder particle used here is a level similar to a junction particle. For example, it may be 0.1 to 10 ㎛, preferably 0.5 to 3 ㎛. In the above range, a paste having a very suitable viscosity can be obtained, and at the same time, a decrease in the interfacial reaction can be prevented.
다음으로, 상기 결과물에 유기 바인더를 첨가하고 교반한다(S3).Next, the organic binder is added to the resultant and stirred (S3).
다수의 접합입자와 제 2 은 분말의 혼합물을 페이스트 상으로 제조하기 위해 유기 바인더를 더 첨가하고 상기 혼합물이 균일하게 분산되도록 교반한다.In order to prepare a mixture of the plurality of bonded particles and the second silver powder in the form of a paste, an organic binder is further added and stirred to uniformly disperse the mixture.
여기에서 사용되는 유기 바인더는 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물을 제조하기 위해 당분야에서 사용되는 유기 바인더라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 셀룰로오스(Celluose), 부틸카르비톨(Butyl carbitol) 및 터피네올(terpineol)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The organic binder used herein may be used without limitation as long as it is an organic binder used in the art to manufacture a metal paste composition for forming a front electrode. For example, one or a mixture of two or more selected from the group consisting of cellulose (Celluose), butyl carbitol and terpineol may be used, but is not limited thereto.
여기에서 유기 바인더의 첨가량은 제조환경에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 예를 들면 페이스트 내의 제 2 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 유기 바인더 5~30 중량부가 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 스크린 프린팅이 매우 용이한 적합한 점도를 갖을 수 있을 뿐만 아니라 스크린프린팅 후 페이스트가 흘러내리는 것을 방지하여 적합한 종횡비(Aspect ratio)를 나타낼 수 있다.The amount of the organic binder added may be appropriately selected according to the manufacturing environment. For example, 5 to 30 parts by weight of the organic binder may be included based on 100 parts by weight of the second silver powder in the paste. In the above content range, the screen printing may not only have a suitable viscosity which is very easy, but also prevent the paste from flowing down after screen printing, thereby exhibiting a suitable aspect ratio.
전술한 단계를 거치면, 제 2 은 분말; 유리 프릿 입자와 은 입자가 접합된 다수의 접합입자; 및 유기 바인더를 포함하는 실리콘 태양전지의 전면전극 형성용 금속 페이스트 조성물이 제조될 수 있다.After the above steps, the second silver powder; A plurality of bonded particles to which glass frit particles and silver particles are bonded; And a metal paste composition for forming a front electrode of a silicon solar cell including an organic binder.
본 발명은 상기 본 발명의 금속 페이스트 조성물을 사용하여 제조되는 실리콘 태양전지를 제공한다.The present invention provides a silicon solar cell manufactured using the metal paste composition of the present invention.
도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 구조를 개략적인 단면도가 나타나 있다.3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a silicon solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지는, 실리콘 반도체 기판(201), 상기 기판(201)의 상부에 형성되는 에미터층(202), 상기 에미터층(202) 상에 형성된 반사방지막(203), 상기 반사방지막(203)을 관통하여 에미터층(202)의 상부 표면과 접속된 전면 전극(204), 및 상기 기판(201)의 배면에 접속된 후면 전 극(205)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the silicon solar cell according to the present invention includes a
기판(201)에는 p형 불순물로서 3족 원소인 B, Ga, In 등이 불순물로 도핑될 수 있고, 에미터층(202)에는 n형 불순물로서 5족 원소인 P, As, Sb 등이 불순물로 도핑될 수 있다. 이처럼 기판(201)과 에미터층(202)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(201)과 에미터층(202)의 계면에는 p-n 접합이 형성된다. 한편 p-n 접합은 기판(201)에 n형 불순물을 도핑하고 에미터층(202)에 p형 불순물을 도핑하여 형성해도 무방하다.The
상기 반사방지막(203)은 에미터층(202)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함(예컨대, 댕글링 본드)을 부동화하고 기판(201)의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 에미터층(202)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 p-n 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가한다. 이처럼 반사방지막(203)에 의해 태양전지의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그 만큼 태양전지의 변환효율이 향상된다. The
상기 방사방지막(203)은 예를 들면 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 상기 반사방지막(203)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있다. 하지만 본 발명에 따른 상기 반사방지막(203)의 형성방법이 이 에 한정되는 것은 아니다.The
상기 전면 전극(204)과 후면 전극(205)은 각각 은과 알루미늄으로 이루어진 금속 전극이다. 하지만 본 발명이 전극을 구성하는 물질의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다. 은 전극은 전기 전도성이 우수하고, 알루미늄 전극은 전기 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)과의 친화력이 우수하여 접합이 잘 되는 장점이 있다. The
상기 전면 전극(204)과 후면 전극(205)은 공지된 여러 가지 기술에 의해 제조 가능하지만, 바람직하게는 스크린 인쇄법에 의해 형성된 것이다. 즉, 전면 전극(204)은 전술한 바와 같이 본 발명의 전면 전극용 페이스트를 전면 전극 형성 지점에 스크린 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 열처리가 시행되면 펀치 스루(punch through) 현상에 의해 전면 전극이 반사방지막(203)을 뚫고 에미터층(202)과 접속된다. The
이와 유사하게, 후면 전극(205)은 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가된 후면 전극용 페이스트를 기판(201)의 배면에 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 후면 전극의 열처리 시에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판(201)의 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극(205)과 기판(201)의 경계면에 후면 전계(Back Surface field: 미도시)층이 형성될 수도 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(201)의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압과 충실도가 상승하여 태양전지의 변환효율이 향상된다.Similarly, the
상기 전면 전극(204)과 후면 전극(205)은 스크린 인쇄법 이외에도 통상적인 사진 식각 공정과 금속 증착 공정을 이용하여 형성한 것일 수도 있다. 따라서 본 발명은 전면 전극(204) 및 후면 전극(205)의 형성을 위해 적용되는 공정에 의해 한정되지 않는다.The
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, the scope of the present invention should not be construed as limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
실시예 1Example 1
은 분말 5g, PbO-Bi2O3계 유리 프릿 분말 2g을 planetary mill을 사용하여 2시간 동안 교반 및 분쇄하여 접합입자를 형성시켰다. 상기 접합입자 7g과 은 분말 43g을 혼합하여 균일하게 교반한 후, 셀룰로오스, 부틸카르비톨 및 터피네올이 2:5:5의 중량비로 혼합된 유기 바인더 10g을 첨가하고 교반하여 금속 페이스트 조성물을 제조했다.5 g of silver powder and 2 g of PbO-Bi 2 O 3 -based glass frit powder were stirred and ground for 2 hours using a planetary mill to form a bonded particle. 7 g of the bonded particles and 43 g of the silver powder were mixed and stirred uniformly, and then 10 g of an organic binder in which cellulose, butyl carbitol and terpineol were mixed in a weight ratio of 2: 5: 5 was added and stirred to prepare a metal paste composition. did.
실시예 2 ~ 5Examples 2-5
planetary mill 처리를 5(실시예 2), 13(실시예 3), 24(실시예 4) 및 40(실시예 5) 시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 페이스트 조성물을 제조했다.The metal paste composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the planetary mill treatment was performed for 5 (Example 2), 13 (Example 3), 24 (Example 4) and 40 (Example 5) hours. Manufactured.
비교예Comparative example
접합입자를 형성시키지 않고 은 분말 10g을 직접 유리 프릿 분말 2g과 단순 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 페이스트 조성물을 제조했다.A metal paste composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that 10 g of silver powder was directly mixed with 2 g of glass frit powder without forming bonded particles.
실험예Experimental Example
1. SEM/EDX 측정1. SEM / EDX measurement
상기 실시예 1~5에 따라 제조된 접합입자의 SEM/EDX 사진을 도 4에 나타내었다. SEM / EDX photographs of the bonded particles prepared according to Examples 1 to 5 are shown in FIG. 4.
도 4에 나타난 바와 같이, 유리 프릿 입자와 은 입자가 균일하게 분포되어 있으며, 은 입자와 유리 프릿 입자가 밀착하여 접합입자를 형성하고 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the glass frit particles and the silver particles are uniformly distributed, and the silver particles and the glass frit particles are in close contact with each other to form bonded particles.
2. 접합입자 성분 측정2. Measurement of conjugated particle component
접합입자의 형성을 확인하기 위해, 각 실시예에서 planetary mill 처리 후 결과물 중 임의로 한 입자를 채취하여 구성 성분을 조사하여 도 5에 나타내었으며, 도 6에는 EDX를 이용하여 접합입자의 형태(Total: 전체, Flake: Flake type 분말, Sphere: 구형 분말)에 따라 각 접합입자의 성분을 분석한 결과가 나타나 있다. In order to confirm the formation of the conjugated particles in each embodiment, after the planetary mill treatment, randomly picked one particle from the resultant and irradiated with constituents is shown in FIG. 5, and in FIG. Total, Flake: Flake type powder, and Sphere: spherical powder).
도 5 및 도 6의 결과에서 알 수 있듯이, 한 입자에서 은과 Pb 및 Bi가 동시에 검출되는 것은 접합입자가 형성되었다는 것을 알 수 있으며, 특히 도 6에서 나타난 바와 같이, 분말 형상의 차이가 있어도 성분의 차이가 없음을 알 수 있다.As can be seen from the results of FIGS. 5 and 6, the simultaneous detection of silver, Pb, and Bi in one particle indicates that the bonded particles were formed. In particular, as shown in FIG. It can be seen that there is no difference.
3. XRD 측정3. XRD Measurement
접합입자에서 유리 프릿 입자와 은 입자 사이에 3상이 형성되었는지를 알아보기 위해 XRD 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. XRD analysis was performed to determine whether three phases were formed between the glass frit particles and the silver particles in the bonded particles, and the results are shown in FIG. 7.
도 7에 나타낸 바와 같이, planetary mill 처리 시간이 증가해도 유리 프릿 입자와 은 입자 사이에 3상이 형성되지 않았음을 알 수 있으며, 이는 반사방지막 상에서의 계면 반응이 우수하게 수행될 수 있음을 나타낸다.As shown in FIG. 7, it can be seen that three phases were not formed between the glass frit particles and the silver particles even when the planetary mill treatment time was increased, indicating that the interfacial reaction on the antireflection film can be performed well.
4. 은 전극 형성 측정4. Silver Electrode Formation Measurement
실시예 1 및 비교예에서 제조된 금속 페이스트 조성물을 사용하여 실리콘 질화막 상에서의 계면 반응을 시킨 후, 실시예 1에 관련된 SEM 사진을 도 8(a,b:두께방향 단면사진, c:평면사진)에, 비교예에 관련된 SEM 사진을 도 9(a,b:두께방향 단면사진, c:평면사진)에 나타내었다.After performing the interfacial reaction on the silicon nitride film using the metal paste composition prepared in Example 1 and Comparative Example, SEM images related to Example 1 were shown in Fig. 8 (a, b: thickness cross-sectional photograph, c: planar photograph). The SEM photograph which concerns on a comparative example is shown to FIG. 9 (a, b: thickness direction cross section photograph, c: planar photograph).
도 9에 나타난 비교예 보다 도 8에 나타난 실시예 1의 경우에 계면에 은 결정이 매우 많이 형성되어 있음을 알 수 있다. 특히 계면을 위에서 나타낸 (c)를 살펴보면 도 8에서 재결정된 은이 매우 많이 분포하고 있음을 알 수 있다. 도 8과 도 9의 (c)에서 나타난 재결정된 은의 면적을 비교해보면 도 8의 (c)는 약 55%에 이르지만, 도 9의 (c)는 약 19%에 불과하다.It can be seen that in the case of Example 1 shown in FIG. 8, more silver crystals are formed at the interface than the comparative example shown in FIG. 9. In particular, looking at the interface (c) shown above, it can be seen that the silver recrystallized in FIG. 8 is very much distributed. Comparing the area of the recrystallized silver shown in FIGS. 8 and 9 (c), FIG. 8 (c) is about 55%, while FIG. 9 (c) is only about 19%.
도 1은 종래 기술에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a silicon solar cell according to the prior art.
도 2는 은 분말과 유리 프릿 분말이 단순히 혼합된 종래의 페이스트(a)와 제 2 은 분말과 접합입자를 포함하는 본 발명의 페이스트(b)를 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 2 is a schematic illustration of a paste (b) of the present invention comprising a conventional paste (a) in which silver powder and glass frit powder are simply mixed and a second silver powder and bonded particles.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing the structure of a silicon solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 접합입자의 SEM/EDX 사진이다.Figure 4 is a SEM / EDX photograph of the bonded particles prepared according to Examples 1 to 5 of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 접합입자의 성분을 측정하여 도시한 그래프이다.5 is a graph showing the measurement of the components of the bonded particles prepared according to Examples 1 to 5 of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 접합입자의 형상에 따른 은 성분을 측정하여 도시한 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the measurement of the silver component according to the shape of the bonded particles prepared according to Examples 1 to 5 of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 접합입자의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.7 is a graph showing the results of XRD analysis of the conjugated particles prepared according to Examples 1 to 5 of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 금속 페이스트 조성물을 사용하여 계면 반응을 수행한 결과를 나타낸 SEM 사진이다.8 is a SEM photograph showing the results of performing an interfacial reaction using the metal paste composition prepared according to Example 1 of the present invention.
도 9은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 금속 페이스트 조성물을 사용하여 계면 반응을 수행한 결과를 나타낸 SEM 사진이다.9 is a SEM photograph showing the results of performing an interfacial reaction using a metal paste composition prepared according to a comparative example of the present invention.
<도면의 주요 참조 번호><Main reference number in drawing>
201: 기판 202: 에미터층201: substrate 202: emitter layer
203: 반사방지막203: antireflection film
204: 전면 전극 205: 후면 전극204: front electrode 205: rear electrode
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