KR20100111411A - 알루미늄 전극 페이스트 및 이를 이용한 태양전지소자 - Google Patents

알루미늄 전극 페이스트 및 이를 이용한 태양전지소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결정질 실리콘 태양전지의 후면전극으로 사용되는 알루미늄 전극 페이스트에 관한 것으로, 본 발명의 구성은 형상, 입도가 서로 다른 3 종류 이상의 알루미늄분말과 글라스 프릿, 유기바인더를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 형상과 입도, 종류가 각각 다른 알루미늄 분말을 이용하여 혼합형 전극 페이스트를 형성함으로써, 실리콘(Si)웨이퍼와 접촉면적을 증가시키 확산면적을 증가시킴으로써, 후면전계층(BSF)을 효율적으로 형성시키며, 입도가 서로 다른 입자를 혼합하여 알루미늄 분말내에 충진밀도를 높여 전기적 특성을 향상과 아울러 열처리시 금속성분들의 열팽창을 최소화하여 입자들의 수축율을 극소화시킬 수 있는 효과가 있다.
태양전지, 후면전극, 후면 전계층(BSF;Back surface field), Al 분말

Description

알루미늄 전극 페이스트 및 이를 이용한 태양전지소자{Aluminium paste complex and solar battery using the same}
본 발명은 결정질 실리콘 태양전지의 후면전극으로 사용되는 알루미늄 전극 페이스트에 관한 것으로, 후면 전계층(BSF;Back surface field) 향상, 전기 전도도 향상 및 휨(Bowing) 특성 개선을 목적으로 한 알루미늄 페이스트 조성물에 관한 것이다. 특히 구체적으로는 형상과 입도, 종류가 각각 다른 알루미늄 분말을 이용하여 혼합형 전극 페이스트를 형성함으로써, Si웨이퍼와 접촉면적을 증가시키 확산면적을 증가시킴으로써, 후면전계층(BSF)을 효율적으로 형성시키며, 입도가 서로 다른 입자를 혼합하여 알루미늄 분말 내에 충진밀도를 높여 전기적 특성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
지구환경 문제와 유가의 급격한 상승으로 인하여 무한 청정에너지 원인 태양광에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 태양전지란 태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이다. 이 태양전지는 지금까지의 화학전지와는 다른 구조를 가진 것으로 ‘물리전지’라 할 수 있다. 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으키게 된 다. 좀 더 구체적으로는 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 광전효과를 이용하는 전지이다.
태양전지는 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 하는 것으로 크게 나눌 수 있다. 다시 실리콘 반도체에 의한 것은 결정계와 비결정계(amorphous)로 분류된다. 현재 개발 중인 것을 포함하면 더욱 다양하다. 태양전지의 기술 개발에 관해서는 변환 효율의 향상이나 가격 조정 등이 계획되고 있다. 또, 변환 효율 20%를 초월하는 태양전지나 가격을 낮출 수 있는 박막 태양전지 등도 개발하고 있다. 현재, 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용하고 있는 것은 실리콘 반도체가 대부분이다. 특히 결정계 실리콘 반도체의 단결정 및 다결정 태양전지는 변환 효율이 좋고 신뢰성이 높아서 널리 사용하고 있다.
그리고 태양 전지 종류 중에 상업용으로 가장 널리 사용되고 있는 것은 실리콘 웨이퍼를 이용한 결정질 실리콘 태양전지로서 현재 15% 이상의 가장 높은 상용화 효율을 나타내고 있다. 이러한 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법은 여러 방법이 알려져 있으나, 스크린 프린팅으로 전극을 형성하는 방법이 상업용으로 가장 널리 알려져 있다.
도 1을 참조하여 종래의 결정질 태양전지의 제조방법을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상술한 태양전지는 Si 웨이퍼 기판(10) 상에 P-N 접합을 형성하여, 기판의 상부를 N+층(20), 기판의 하부를 P+ 층(30)으로 형성한 다. 그리고 상기 N+층(20) 상면에는 전면전극(40)과 반사방지막을 형성하고, P+층(50)의 하면에는 후면전극(60)을 Al(알루미늄 페이스트)를 이용해 형성한다. 그리고 태양전지 모듈에서 각 태양전지간을 전기적으로 접속시키는 탭(Tab)을 납땜하기 위한 탭(tabbing)전극(70)을 스크린 프린팅으로 형성하고, 900~1000℃열처리를 하여 완성하게 된다. 이러한 구조로 형성된 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하며, 도시된 것처럼 형성된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이다.
이 중에 전극 형성에 사용되는 알루미늄 페이스트는 열처리하는 동안에 실리콘 웨이퍼(Si)로 III족인 알루미늄(Al)이 확산되어 P+층인 후면전계층(BSF;Back surface field)을 형성하며, 실리콘 웨이퍼와 전기적으로 컨택하게 된다. 이 뿐만 아니라 알루미늄 전극은 내부 전계 향상 효과, 전자 재결합 방지 효과, 다수 캐리어인 정공을 집결하는 역할, 그리고 태양광의 장파장광을 반사하는 반사판(Reflector) 의 역할을 하게 된다
따라서, 알루미늄의 전극의 특성인 BSF 특성과 전기적 특성을 향상하기 위해서는 Al 층의 두께를 늘려야 할 필요가 있게 된다. 그러나 이는 소성 후 휨(Bowing)형상을 유발시켜 모듈 어셈블리 형성시에 웨이퍼을 파손시키는 문제가 발생하게 된다.
한국 공개 특허 10-2007-40308호에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 이산화 규소가 포함된 알루미늄 페이스트를 제공하여 이를 해소하고자 하나 이 역시 전 기특성이나 휨특성을 개선시키는데는 한계가 있었다.
일본 공개특허 2004-235272호의 태양전지소자의 제조방법에서는 이러한 특성을 향상하기 위해, 알루미늄 전극페이스트 표면을 초음파 에칭처리를 하여 반사율을 조절하는 기술이 제시되어 있으나, 이 역시 전기적 특성 향상이나 휨특성의 개선의 근본적인 해결책은 되지 못하고 있다.
또한, 이러한 휨특성으로 인한 문제를 해결하기 위해 알루미늄(Al)의 두께를 낮추는 경우, BSF 층이 얇게 형성되며, 이는 개방전압을 낮게 형성되게 하며, 광전환 변환효율을 감소시키는 문제가 발생하게 된다.
또한, 알루미늄 층의 저항이 높으면 효율적으로 태양전지에서 정공을 집결시키지 못하며, 직렬 저항(Series Resistance)이 증가하게 되어 광전환 효율이 낮아지게 되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 형상과 입도, 종류가 각각 다른 알루미늄 분말을 이용하여 혼합형 전극 페이스트를 형성함으로써, 실리콘(Si)웨이퍼와 접촉면적을 증가시키고 확산면적을 증가시킴으로써, 후면전계층(BSF)을 효율적으로 형성시키며, 입도가 서로 다른 입자를 혼합하여 알루미늄 분말내에 충진밀도를 높여 전기적 특성을 향상과 아울러 열처리시 금속성분들의 열팽창을 최소화하여 입자들의 수축율을 극소화시킬 수 있는 알루미늄 전극 페이스트를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트는 형상, 입도가 서로 다른 3 종류 이상의 알루미늄분말과 글라스 프릿, 유기바인더를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 분말 내의 충진밀도를 높여 전기적특성을 향상시키며, 휨특성을 개선시키고, 후면전계층(BSF)의 효율적 형성을 도모할 수 있게 된다.
특히, 상기 알루미늄 분말의 형상은 구형, 판상형, 나노사이즈 중 선택되는 어느 하나 이상의 배합으로 형성될 수 있다. 동일한 형상이라도 그 크기와 직경을 상이하게 하거나, 각각 서로 다른 형상을 가진 종류의 분말로 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 알루미늄 분말은 전체 알루미늄 분말에서, 제1분말 40~50wt%, 제2분말 20~30wt%, 제3분말 0.1~2wt%을 포함하여 이루어지는 것을 특 징으로 할 수 있다.
이 경우 보다 바람직하게는 상기 제1분말은 0.1~2㎛인 구형분말이거나, 상기 제2분말은 0.5~20㎛인 구형 분말, 상기 제3분말은 20~50㎛의 판상형 분말로 형성시키는 바람직한 일 실시예를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 상기 알루미늄 전극페이스트를 형성함에 있어, 알루미늄 분말 이외에 알루미늄 전극 페이스트의 전체 중량 중, 글라스 프릿은 1~20wt%, 유기비히클은 20~50wt%로 형성할 수 도 있다.
본 발명에서는 상술한 알루미늄 전극 페이스트를 이용하여, 후면전극이 상술한 어느 하나의 알루미늄 전극 페이스트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지소자를 제작할 수 있다.
물론 본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트는 태양전지나 광다이오드 등의 수광소자에 특히 효율적이지만, 광범위한 반도체 장치에 적용될수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.
본 발명에 따르면, 형상과 입도, 종류가 각각 다른 알루미늄 분말을 이용하여 혼합형 전극 페이스트를 형성함으로써, Si웨이퍼와 접촉면적을 증가시키고 확산면적을 증가시킴으로써, 후면전계층(BSF)을 효율적으로 형성시키며, 입도가 서로 다른 입자를 혼합하여 알루미늄 분말내에 충진밀도를 높여 전기적 특성을 향상과 아울러 열처리시 금속성분들의 열팽창을 최소화하여 입자들의 수축율을 극소화시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 후면전계층(BSF)을 효율적으로 형성시켜 누설전류를 줄이며, 전자의 재결합 방지를 구현함과 동시에 낮은 저항으로 인해 단락전류가 증가하여 충실도 및 광변환효율을 높일 수 있는 효과도 있다.
또한, 알루미늄 입자들의 충진밀도의 증가로 알루미늄 층의 전기 전도도의 향상을 구현할 수 있으며, 이는 단락전류를 증가시켜 충실도를 높여주며, 열팽창을 방지하여 단일 알루미늄 후면전극 대비 휨(bowing) 현상을 최소화할 수 있는 장점도 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 구성과 작용을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 알루미늄 후면 전극을 형성하는 페이스트에 관한 것으로, 형상과 입도, 종류가 각각 다른 알루미늄 파우더를 이용하여 혼합형 페이스트를 제공하는 것을 그 요지로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 형상, 입도가 서로 다른 3 종류 이상의 알루미늄분말과 글라스 프릿, 유기바인더를 포함하여 이루어진다. 본 실시예에서는 3종류의 알루미늄 분말의 결합을 이용하여 제조하는 공정을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 알루미늄 분말은 3종류를 제1분말, 제2분말, 제3분말이라 하고, 이 3종류의 분말의 형상은 서로 다른 형상으로 형성시키는 것이 바람직하며, 일례로는 상기 알루미늄 분말의 형상은 구형, 판상형, 나노사이즈 중 선택되는 어느 하나 이상의 배합으로 형성시킬 수 있다.
여기에서 배합되는 각 분말의 분포비율과 형상과 입도는, 상기 알루미늄 분말은 전체 알루미늄 분말에서, 제1분말 40~50wt%, 제2분말 20~30wt%, 제3분말 0.1~2wt%의 비율로 형성시킴이 바람직하며, 특히 바람직하게는 상기 제1분말은 상기 제1분말은 0.1~2㎛인 구형분말, 상기 제2분말은 0.5~20㎛인 구형 분말, 상기 제3분말은 20~50㎛의 판상형 분말로 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 알루미늄 전극 페이스트는 글라스 프릿과 유기 비히클을 더 포함하여 형성됨이 바람직하다.
상기 글라스 프릿은 프릿은 PbO-SiO2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2계 및 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2계 중 하나 이상의 조합을 특징으로 하며, 그 조성비는 전체 알루미늄 전극 페이스트 중량 중 1~20wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 글래스 프릿은 연화점이 300~600℃인 것과 평균 입경이 1~10㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 유기 비히클은 에틸셀룰로스계, 아크릴레이트계, 에폭시수지계, 알킬드 수지 등인 유기 바인더와 테피놀, 텍사놀등인 솔벤트로 구성되며, 이 밖에 소포제, 분산제등 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한 그 조성비는 전체 알루미늄 전극 페이스트 중량 중 20~50wt%를 포함하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트의 바람직한 일 실시예로서의 제조공정을 도시한 것이다.
본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트를 제조하기 위해서는, 우선 S 1단계로서, 유기 바인더를 제조하기 위해 유기수지(resin) 과 솔벤트를 용해 한 후, 프리믹싱(Premixing)하여 유기 비히클을 준비한다. 그리고 알루미늄 분말 파우더 3종을 칭량하여 준비하게 된다. 이 경우 제1분말, 제2분말, 제3분말을 각각 별도로 준비한다.
다음으로, 그리고 알루미늄 분말 파우더 3종이상을 40~50wt%, 20~30wt%, 0.1~2wt%, 글래스 프릿 1~20wt%,유기 비히클 20~50wt% 을 칭량하여 프리믹싱(pre-mixing)을 한다(S 2~S 3 단계). 프리믹싱(Pre-mixing) 후에 형성된 혼합물의 입자 분산성을 높이기 위하여 아민계, acid계, 양극성인 분산 첨가제를 혼입하는 것이 효과적이다.
상기 S 3 단계 이후에는 상기 혼합물은 적절한 분산을 위하여 1~12시간 동안 숙성(Aging)시킨다(S 4).
상기 숙성된 혼합물은 페이스트 혼합기(paste mixer), 플레네터리 밀(planetary mill) 및 3롤밀(3 Roll Mill)을 통해 기계적으로 제 2차 혼합, 분산시키는 것이 바람직하며, 최종 공정으로 필터링(Filtering) 및 탈포를 통해 알루미늄 페이스트로 제조된다(S 5~S 7).
도 3을 참조하여 상술한 과정에의해 제조된 본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트를 이용해 태양 전지의 후면전극을 형성하는 공정을 간략히 설명한다.
본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트는 100~500㎛ 두께의 실리콘 웨이퍼 표면에 일정한 압력과 속도를 가지고 스크린 프린팅되며, 혹은 일정 압력과 속도를 가지는 롤러 및 다이(die)를 이용한 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 실릿 코우터(slit coater) 등으로 1회 이상 코팅 되는 방식으로 구현될 수 도 있다.
이와 같은 공정으로 스크린 프린팅 또는 코팅된 상기 알루미늄 전극 페이스트는 80~200℃에서 건조되는 것이 바람직하며, 상기 건조된 페이스트와 실리콘 웨이퍼는 700~900℃에서 IR급속 열처리되어 후면전극을 완성하게 된다.
도 4는 본발명에 따른 3 종 이상의 알루미늄을 혼합하여 알루미늄 전극 페이스트를 형성하여 그 특성을 테스트한 결과를 도시한 것이다. 각 특성치의 조사 항목은 표면저항과 휨(Bowing)특성, 그리고 BSF Layer 특성에 대한 항목이다.
도시된 것 처럼, 3종류의 구형의 제1분말, 구형의 제2분말, 판상형 제3분말을 본 발명에 따라 형성하여 조사한 결과, 제 1분말 40~50wt%, 제2분말 20~30wt%, 제3분말 0.1~2wt%의 혼합시에 가장 좋은 특성 및 휨특성, BSF 특성을 가지는 것으로 확인할 수 있다. 즉 이는 본 발명에 다른 서로 다른 종류의 분말(Flake) 첨가에 따라 내부 광 반사율이 증가되어 cell효율 향상에 영향을 미치게 되는 결과를 극명하게 보여주는 것이라 할 수 있다.
일반적으로, 결정질 태양전지 후면전극에서 요구하는 BSF layer 는 6㎛ 이상으로서 상기 BSF layer 가 두꺼우면 전자의 재결합 방지 및 반사기(reflector) 역할을 하게 되어 광전 효율을 향상시킬 수 있으나, 사실상 두께의 제한이 없는 한은 망대특성(Larger-the-better characteristics)이 요구된다. 따라서 본 발명에 따른 3종류 이상의 알루미늄 분말의 혼합으로 인해, 이러한 BSF layer의 생성 효율성을 높일 수 있으며, 망대특성을 더욱 높일 수 있는 장점이 있게 된다.
아울러 태양전지에서 요구되는 표면 저항 값은 15mΩ/sq 이하이며, 표면 저항 값이 낮으면 전기가 잘 통하는 것을 의미하고, 전기가 잘 통하면 정공을 효율적으로 수집(collecting) 할 수 있기 때문에 효율 향상을 가져 올 수 있다.
또한, 휨(Bowing) 특성의 경우 셀(ell)제작 후 모듈 어셈블리 형성 시 1mm 이상이면 파손이 되기 쉽다. 그러므로 상기 표면 저항 값과 Bowing 특성은 태양전지의 효율면에서 망소특성(Smaller-the-better characteristics)이 요구되어 진다. 그러므로 본 발명에 따른 3 종류 이상의 알루미늄 분말의 혼합으로 인해 표면저항값과 휨특성 지수를 최소화할 수 있는바, 이러한 망소특성을 현저히 낮출 수 있게 되는 장점도 있게 된다.
상기 실험례를 통해 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 3종 이상의 알루미늄 분말(Al powder)를 혼합함으로써, 기존 단일 알루미늄 분말(Al powder) 대비 BSF layer , 전기전도도 특성이 향상 됨을 확인할 수 있으며. 휨(Bowing) 특성을 개선 됨을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 태양전지의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 전극 페이스트의 제조방법을, 도 3은 도 2에서 제조된 알루미늄 전극 페이스트를 이용해 태양전지의 후면전극을 형성하는 방법을 설명한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 특성을 비교한 실험례이다.

Claims (6)

  1. 형상, 입도가 서로 다른 3 종류 이상의 알루미늄분말과 글라스 프릿, 유기바인더를 포함하여 구성되되,
    상기 알루미늄 분말은 제1분말 40~50wt%, 제2분말 20~30wt%, 제3분말 0.1~2wt%
    을 포함하여 이루어지며, 상기 알루미늄 분말의 형상은 구형, 판상형, 나노사이즈 중 선택되는 어느 하나 이상의 배합으로 형성되는것을 특징으로 하는 알루미늄 전극페이스트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1분말은 0.1~2㎛인 구형분말인 것을 특징으로 하는 알루미늄 전극 페이스트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2분말은 0.5~20㎛인 구형 분말인 것을 특징으로 하는 알루미늄 전극 페이스트.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3분말은 20~50㎛의 판상형 분말인 것을 특징으로 하는 알루미늄 전극 페이스트.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 전극페이스트의 중량 중,
    글라스 프릿은 1~20wt%, 유기비히클은 20~50wt%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 전극 페이스트.
  6. P형 및 N형 영역, P-N 형 접합영역을 구비한 실리콘(Si) 기판에 전면전극과 후면전극을 형성하여 이루어지며,
    상기 후면 전극이 청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 알루미늄 전극 페이스트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지소자.
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