KR20090110739A - 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전극 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 은 분말과 은 나노 입자의 하이브리드 형태로 이루어져 저온에서의 소성이 가능하도록 이루어진 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 이루어지는 인쇄법에 의해 단시간의 소성공정을 거쳐 전극을 형성하는 전극형성방법에 관한 것이다.
태양전지, 전극, 은, 나노, 소성, 하이브리드
Description
본 발명은 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지의 전극 형성방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 하이브리드 형태로 이루어져 저온에서의 소성이 가능하도록 이루어진 전극 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전극형성방법에 관한 것이다.
태양전지(solar cell 또는 photovoltaic cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 태양전지의 원리는 예컨대 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(band-gap energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 광기전력(photovoltage)이 발생하게 되고, 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이다.
이러한 태양전지에 전극을 형성하는 방법에는 인쇄법(screen printiong method}, 스퍼터링법(sputtering method) 등이 알려져 있다.
이중 인쇄법은 소정의 전극구조로 패턴화된 스크린을 사용하여 인쇄형 전극 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼 표면에 10 내지 20㎛ 정도의 두께로 인쇄를 한 다음, 용제를 건조에 의하여 제거하고, 단시간의 소성공정 조건에서 메탈라이징하여 전극을 형성하고 있다.
이러한 스크린 프린팅을 통한 전극형성은 스퍼터링법에 비해 공정이 간단하고 설비 및 재료비를 절감할 수 있으나, 실제 태양전지용 전극 형성에 적용하기 위해서는, 단시간의 소성공정 조건에서 은 입자가 소성이 가능하고, 소성공정 후에 발생하는 실리콘 웨이퍼 표면의 보우(bow)현상 방지 등의 기술적인 사항이 해결되어야 한다.
그런데, 일반적으로 사용되고 있는 입자크기 1~5㎛의 은 분말을 이용한 전극 페이스트의 경우에는 실리콘 웨이퍼 표면의 보우(Bow)현상을 방지할 수 있는 조건인 650~900℃, 10~20초 정도의 소성공정에서는 소성이 제대로 이루어지지 않아 고저항치 특성을 나타내어 태양에너지 효율성이 떨어진다.
즉 일반적인 마이크로 단위의 입자경을 갖는 은 분말을 포함한 전극 페이스트로 인쇄법에 의해 태양전지용 전극을 형성할 적용하는 경우, 단시간의 소성공정조건에서는 충분한 메탈라이징이 이루어지지 않아 상대적으로 높은 저항치 특성을 나타내고, 태양에너지의 효율성이 떨어져 우수한 성능의 태양전지의 제조가 어려운 현실이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 인쇄법에서 요구되는 단시간의 소성공정 조건에서도 은 분말의 충분한 메탈라이징이 가능하여, 저저항치 특성과 높은 태양에너지 효율성을 확보할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼의 휨 또는 파손을 방지되는 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 이를 이용한 인쇄법에 의한 태양전지 전극 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 전극 페이스트 조성물의 구성은, 바인더 수지 및 용제를 포함한 비이클 18~38중량%와 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 은 하이브리드 복합체 60~80중량%, 1~5중량%의 글라스 프릿 및 1~5중량%의 첨가제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 태양전지의 전극형성방법은, 상술한 바와 같은 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 은 하이브리드 복합체를 포함하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 실리콘 웨이프상에 10~30㎛의 두께의 막으로 인쇄하는 패턴 인쇄단계; 패턴이 인쇄된 실리콘 웨이프를 205~300℃의 온도로 가열하여 용제를 휘발시켜 인쇄된 막을 건조하는 건조단계; 및 상기 건조된 전극형성 막을 650~900℃의 온도로 5초 내지 20초간 열처리하여 소성시켜 전극을 형성하는 소성단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 이를 이용한 전극 형성방법을 이용하면, 스퍼터링법에 의한 전극 형성과는 달리 작업공정이 간단하고, 공정 중 연속적으로 전극 형성이 용이할 뿐만 아니라, 짧은 소성공정에 의해 제조되면서도, 제조된 태양전지의 전극은 매우 우수한 저저항치 특성과 높은 태양전지 효율을 달성할 수 있기 때문에, 생산성 향상과 고품질을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명에 따른 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 이용하여 인쇄법에 의해 전극을 형성하는 경우, 소성공정 후에 발생하는 실리콘 웨이퍼의 휨 현상을 최소화할 수 있으며, 균일한 모양의 전극을 수득할 수 있어 우수한 효능의 태양전지의 제조기술을 확보할 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 태양전지용 전극 페이스트 조성물은, 비이클과 은 마이크로 입자와 은 나노입자의 하이브리드 복합체, 글라스 프릿 및 각종 첨가제를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 비이클에는 바인더 수지 및 용제가 포함되며, 이들 성분중 상기 바인더 수지는 전극을 형성하는 은 하이브리드 복합체를 분산시켜 결합하는 역할 및 점도를 조절하는 역할을 하는 것으로서, 용제와의 혼화성이 좋은 고분자 수지들이 사용될 수 있다.
이러한 고분자 수지로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 셀룰로오스아세 테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스아세테이트나이트레이트(cellulose acetate nitrate), 셀룰로오스나이트레이트(cellulose nitrate)와 같은 셀룰로오스에스테르(cellulose ester)계통의 수지와 히드록시에틸셀룰로오스(hydroxyethyl cellulose) 또는 히드록시프로필셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 또는 히드록시에틸히드록시프로필셀룰로오스(hydroxyethylhydroxypropyl cellulose) 등의 셀룰로오스에테르(cellulose ether) 계통의 수지와 같은 셀룰로오스 유도체 및 파라핀류를 들 수 있다. 이들 셀룰로오스 유도체 및 파라핀류들은 은 하이브리드 복합체와의 혼화성과 젖음성이 우수하여 실리콘 웨이퍼 표면에 우수한 도포 특성을 나타내어 균일한 전극 형성을 가능하게 하기 때문이다.
이들 바인더 수지는 한 종류를 단독으로 사용할 수도 있고, 상용성 있는 2종류 이상의 고분자 수지를 혼용할 수도 있으며, 전체 조성물의 5~10중량%의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 용제로서는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알콜, 부틸알코올, 이소부틸알코올, 벤질알코올, 2-부톡시 에톡시 에탄올, 2-에톡시 에탄올, 3-메톡시-3-메틸 부탄올, α-테르피네올(α-terpineol)과 같은 알코올계 화합물; 에틸린글로콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸 에테르와 같은 폴리알킬렌글리콜계 화합물; 벤젠, 톨루엔, 자일렌과 같은 방향족 탄화수소계 화합물; 에틸아세테이트, 부틸아세테이트와 같은 에스테르계 화합물; 및 N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 순수(water)와 같은 용제 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 단독으로 또는 상용성 있는 두 종류 이상을 혼용할 수도 있다.
이들 중에서도 특히, 100℃ 이상의 끓는점을 갖는 2-부톡시에톡시에탄올, 2-메톡시-3-메틸부탄올, α-테르피네올, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 텍사놀 및 디메틸아세트아미드 중에서 선택하여 단독으로 또는 두 종류 이상 혼합하여 사용하는 것이 장기 안정성 및 공정 특성에 있어 바람직하다.
제조된 태양전지용 전극 페이스트 조성물이 700 내지 1,600 Pa.s의 점도와 요변지수(Thixotropic Index, TI) 8 내지 12를 갖도록 하는 범위로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 페이스트 조성물의 점도가 700 미만으로 너무 낮아지면 실리콘 웨이퍼에 퍼짐성이 강해 도포가 어려우며, 반대로 1600을 초과하여 너무 높아지면 도포특성이 나쁘고, 거품발생이 심하여 전극 형성이 어려워 전극이 제대로 형성되지 않는 문제점이 있을 수 있다.
한편, 상기 첨가제는 본 발명에 따른 인쇄형 전극 페이스트 유동 특성 및 공정 특성을 향상시키기 위하여 사용되는 분산제, 소포제, 평활제, 산화방지제, 확산방지제 등으로서, 전체 중량의 1 내지 5중량%의 범위로 사용한다.
상기 첨가제 중, 분산제로는 Alcosperse 602-N과 같은 아크릴계 분산제, 소포제로는 BYK 307과 같은 실리콘계 소포제를 들 수 있으며, 평활제로는 BYK 320 혹은 SK-UCB사의 HS-70, 산화방지제로는 Ciba-geigy사의 Iganox 1010, 확산방지제로는 ZnO 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 하이브리드 복합체는 구형 혹은 파쇄형 입자형태를 가지며, 은 마이크로 입자의 입자크기는 1 내지 5㎛, 은 나노 입자의 입자 크기는 30 내지 100㎚의 범위의 것이 사용되며, 전체 하이브리드 복합체의 80~95중량%는 은 마이크로 입자가 차지하고, 은 나노 입자는 5 내지 20중량%의 범위로 포함시킨다.
상기 은 마이크로 입자는 건식 혹은 습식방법으로 제조된 통상의 은 분말을 모두 사용 가능하며, 은 나노 입자의 경우, 표면에너지가 높아 바인더 내에서 쉽게 응집되기 때문에 단분산이 이루어질 수 있도록 표면처리가 이루어진 은 나노 입자분말을 사용하는 것이 바람직하다.
은 나노 입자의 표면처리는 표면처리용 코팅액을 코팅할 은 나노 입자가 유동되고 있는 유동층 코팅장비의 챔버 내로 분무하여 코팅할 입자의 표면에 상기 코팅액을 균일하게 코팅함으로써 이루어질 수 있다. 상기 코팅액은, 코팅할 은 나노 입자의 총중량 대비 0.1 내지 2.0중량%의 코팅재를 용매에 용해시키거나 분산시켜 이루어진 것으로서, 상기 코팅재는 예컨대 트리페닐포스파이트(triphenylphosphite) 6~12중량%, 바인더 수지 7~12 중량%, 탄소수 8-15의 알칸티올류 화합물 2~3중량%, 필요한 첨가제 및 용제를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 글라스 프릿(glass frit)은 소성 공정후 실리콘 웨이퍼에 은이 잘접착되게 하기 위해 사용되는 것으로서, 1~5중량%의 범위로 사용된다. 상기 글라스 프릿은, SiO2-PbO-ZnO-Al2O3-TiO2, SiO2-PbO-B2O3-Al2O3, SiO2-PbO-B2O3-Al2O3-ZrO2, SiO2-PbO-ZnO-B2O3-Al2O3, SiO2-SrO-B2O3, 또는 SiO2-PbO-ZnO-B2O3-Al2O3 유리를 포함하며, 밀도 5.25~6.25g/cc, 연화점(SP) 440~600℃, 열팽창계수(CTE)가 82×10-7/℃ 내 지 96×10-7/℃이며, 유리전이온도(Tg) 340~400℃, Ts 500~550℃인 봉착 유리조성물로 이루어진다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 이용하여 인쇄법에 의해 태양전지의 전극을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 공정도이다. 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지의 전극형성방법을 설명하면, 상술한 것과 같은 본 발명에 따른 전극 페이스트 조성물(11)을 실리콘 웨이퍼(10) 상에 10~30㎛의 두께의 막으로 인쇄하고(패턴 인쇄단계), 이 패턴을 250~300℃의 온도로 10~20초간 가열하여 막(12)을 건조한 후(건조단계), 650~900℃의 온도에서 5~20초 이내의 시간동안 소성하여 전극(13)을 형성하는 과정(소성단계)을 포함하여 이루어지게 된다.
이러한 과정을 통해, 전체 전극 페이스트 조성물의 약 65~80중량%를 차지하는 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 하이브리드 복합체를 포함한 10~20㎛의 두께의 막이 짧은 소송공정 조건에서도 소성이 이루어져 전극의 형성이 이루어지게 된다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 설명한다.
실시예
1
바인더 수지로서 에틸셀룰로오스 10중량%, 용제로서 텍사놀(Texanol)과 테르핀올(terpinol)의 혼합 용제 13중량%, 확산방지제로서 ZnO 1중량%, 분산제인 Alcosperse 602N 1중량% 및 전극을 형성하는 무기 전극재료인 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 하이브리드 복합체 73중량%, 및 글라스프릿 2중량%를 혼합기(Kneader)를 이용하여 균일하게 혼합 분산시켜 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 제조하였다.
이 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼 상에 인쇄기를 사용하여 20㎛의 두께의 막으로 패턴 인쇄한 다음, 300℃의 온도에서 10초간 건조하고, 최고온도 700℃의 소성온도에서 10초간 소성하여 은의 메탈라이징이 이루어지고 무기물 성분만으로 구성된 전극을 얻었다.
이 전극의 면저항을 측정한 결과, 7.271×10-3Ω으로 나타났으며, 태양전지의 효율은 12~14%정도를 얻을 수 있었다.
비교예
1
바인더 수지로서 에틸셀룰로오스 10중량%, 용제로서 텍사놀(Texanol)과 테르핀올(terpinol)의 혼합용제 13중량%, 확산방지제로서 ZnO 1중량%, 분산제인 Alcosperse 602N 1중량%, 무기 전극재료인 은 마이크로 분말 73중량%, 및 글라스프릿 2중량%를 혼합기(Kneader)를 이용하여 균일하게 혼합 분산시켜 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 제조하였다.
상기 전극 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼 상에 20㎛ 두께의 막으로 패턴 인쇄한 다음, 250~300℃의 온도에서 10초간 건조하여 용제인 텍사놀(texanol)과 테르핀올(terpinol)을 제거하고, 최고온도 700℃의 소성온도에서 10초간 소성하여 전 극을 얻었다.
그러나, 얻어진 전극은 은의 메탈라이징이 제대로 이루어지지 않아, 이 전극의 면저항을 측정한 결과, 1.553×10-1Ω의 높은 저항치로 나타났으며, 태양전지의 효율도 4~6%정도밖에 얻을 수 없었다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 이용하여 인쇄법에 의해 태양전지의 전극을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
10: 실리콘 웨이퍼
11: 전극 페이스트 조성물
12: 막
13: 전극
Claims (8)
- 바인더 수지 및 용제를 포함한 비이클 18~38중량%와 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 은 하이브리드 복합체 60~80중량%, 1~5중량%의 글라스프릿 및 1~5중량%의 첨가제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 바인더 수지는 셀룰로오스 에스테르(cellulose ester)계, 셀룰로오스에테르(cellulose ether)계의 셀룰로오스 유도체 및 파라핀류 중에서 선택되는 하나 또는 2종 이상이 혼용된 것임을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 은 하이브리드 복합체는 입자크기 1~5㎛ 범위의 은 마이크로 입자 분말 80~95중량%와 입자크기 30~100㎚의 은 나노 입자 분말 5~20중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 은 나노 입자는 바인더 수지 7~12중량%와 탄소수 8~15의 알칸티올류 화합물 2~3중량% 및 용제를 포함하여 구성된 코팅재 조성물에 의해 표면이 코팅되어 단분산 처리된 상태인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 글라스 프릿은, SiO2-PbO-ZnO-Al2O3-TiO2, SiO2-PbO-B2O3-Al2O3, SiO2-PbO-B2O3-Al2O3-ZrO2, SiO2-PbO-ZnO-B2O3-Al2O3, SiO2-SrO-B2O3, 또는 SiO2-PbO-ZnO-B2O3-Al2O3 유리 중에서 선택되며, 밀도 5.25~6.25g/cc, 연화점(SP) 440~600℃, 열팽창계수(CTE)가 82×10-7/℃ 내지 96×10-7/℃, 유리전이온도(Tg) 340~400℃, Ts 500~550℃인 봉착 유리 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 점도 700~1,600 Pa.s, 요변지수 8~12인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 첨가제는 분산제, 소포제, 평활제, 산화방지제, 확산방지제 중에서 선택되는 어느 한 종이 사용되거나 또는 2 종 이상이 혼용되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물.
- 은 마이크로 입자와 은 나노 입자의 은 하이브리드 복합체를 포함하는 태양전지용 전극 페이스트 조성물을 실리콘 웨이프상에 10~30㎛의 두께의 막으로 인쇄하는 패턴 인쇄단계; 패턴이 인쇄된 실리콘 웨이프를 205~300℃의 온도로 가열하여 용제를 휘발시켜 인쇄된 막을 건조하는 건조단계; 및 상기 건조된 전극형성 막을 650~900℃의 온도로 5초 내지 20초간 열처리하여 소성시켜 전극을 형성하는 소성단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 형성방법.
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