KR20110026305A - 태양전지용 전극조성물 및 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지용 전극 조성물 및 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 은분말, 나노은, 글래스 프릿, 바인더 및 유기용제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고, 태양전지용 미세 패턴 구현이 가능한 태양전지용 전극 조성물을 제공한다.
태양전지, 전극, 조성물, 은분말, 나노은, 글래스 프릿, 바인더, 유기용제
Description
본 발명은 태양전지용 전극 조성물 및 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지용 미세 패턴 구현이 가능한 태양전지용 전극 조성물과 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 적접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자를 이용한 차세대 전지로서 활발한 연구활동이 이루어지고 있다.
종래에 개발된 태양전지는 주로 비정질 실리콘 태양전지가 많이 이용되었다. 비정질 실리콘 태양전지는 에너지 변환 효율이 높아 일찍이 상용화 되었으며 태양 전지 중에서 가장 널리 보급되어 있다. 그러나 실리콘형 태양전지를 구동하기 위해서는 고순도의 실리콘이 필요하여 상용화에 부담으로 작용하여 왔다. 그래서, 이에 대한 대안으로 새로운 재료 및 구성을 이용하여 효율이 높은 전지를 개발하려는 다 양한 시도가 있어 왔다.
새로운 시도를 통해 개발된 태양전지 중 하나는 은분말과 글래스 프릿 등을 함유한 전극 조성물로 하여 제조되었는데, 미세패턴구현이 가능한 전극 조성물을 개발하여 수입대체 및 수출경쟁력을 강화하고, 상용 결정질 실리콘 태양전지 대비 전면 전극 선폭을 감소하여 원재료 절감 및 수광면적의 증가로 인한 광전변환효율을 향상시켜 에너지 절감을 추구할 필요가 있다.
본 발명의 일실시예는 은분말, 나노은, 글래스 프릿, 바인더 및 유기용제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고, 태양전지용 미세 패턴 구현이 가능한 태양전지용 전극 조성물과 관련된다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 은분말, 나노은, 글래스 프릿, 바인더 및 유기용제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물이 제공된다.
여기서, 은분말 70 내지 80 중량부, 나노은 0.5 내지 1 중량부, 글래스 프릿 2 내지 4 중량부, 바인더 및 유기용제 2 내지 5 중량부, 유기용제 15 내지 25 중량부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 은분말의 입경(D50)은 0.8 ~ 2.5㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, 바인더는 셀룰로오스계인 것이 바람직하다.
또한, 글래스 프릿은 무연(Pb-free)계이며, 유리전이온도가 430 ~ 450℃ 인 것이 바람직하다.
또한, 글래스 프릿에 무기첨가제가 더 첨가될 수 있다.
이때, 무기첨가제는 Ga2O3, In2O3, CH3COOAg 중에서 선택되는 어느 하나 이상 인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 태양전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서, 태양전지용 전극조성물에 스크린프린터를 이용하여 미세패턴을 인쇄하는 인쇄단계, 미세패턴이 인쇄된 태양전지용 전극조성물을 250℃에서 15~20초 동안 건조시키는 건조단계, 및 건조단계 후 890~910℃에서 5.8~6.0m/min으로 소결하는 소결단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 미세패턴구현이 가능한 전극 조성물의 개발로 인해 수입대체 및 수출경쟁력을 강화할 수 있고, 상용 결정질 실리콘 태양전지 대비 전면 전극 선폭을 감소하여 원재료 절감 및 수광면적의 증가로 인한 광전변환효율을 향상시켜 에너지 절감의 효과가 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 전극조성물 및 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
실시예
전극조성물의 구성 및 특성
본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 전극조성물의 구성은 유기 매트릭스(matrix), 은(Ag)분말, 글래스 프릿(glass frit)으로 크게 구성된다.
유기 매트릭스(matrix)는 크게 바인더 폴리머(binder polymer)와 유기용제로 구성되어지며, 공정 특성 향상을 위하여 유기 첨가제(additive)가 첨가될 수 있다.
바인더 폴리머는 은분말 및 글래스 프릿을 고루 분산시켜 주며, 기판과의 접착을 도와 미세패턴의 형성을 가능하게 한다.
바인더 폴리머는 분자량, Tg, 함량이 충분히 검토되어야 하고 특히 고온에서 열분해가 용이하여야 한다.
유기용제(solvent)는 바인더 폴리머의 용해성이 좋아야하고 조성물 제조 및 공정 특성을 만족하기 위해서는 비점을 고려하여야 한다.
전극조성물에서 무기물의 구성은 전기적 특성을 만족시키는 은분말과 글래스 프릿으로 구성되어 진다.
본 실시예에서는 고종횡비(high aspect ratio)가 가능하고 우수한 전기적 특성을 만족시키기 위하여 은의 형상, 입도 및 입도분포에 따른 전극 특성을 평가하였다.
태양전지용 전극에서의 글래스 프릿은 크게 3가지 역할을 한다.
첫째는 무기 바인더로써의 역할로 소성 후 은(Ag)분말과 기판과의 접착을 유도하고 둘째는 미세패턴 형성에 있어서 구조물의 형상을 유지시켜준다.
마지막으로 태양전지의 전기적 특성에 큰 영향을 미치는데, 소성공정중 글래스 프릿이 아크 레이어(ARC layer)를 에칭(etching)하여 은분말의 n층 확산침투를 도와준다.
따라서 본 실시예에서는 글래스 프릿(glass frit)을 개발하고자 성분계, 열적 특성(Tg, Ts, CTE) 등을 검토하였으며 별도의 무기성분을 첨가하여 태양전지의 전기적 특성에의 영향을 조사하였다.
전면 전극조성물용 은분말
전자재료용 전극, 특히 태양전지용 전면 전극 재료로 은분말이 많이 사용되어진다.
이는 전극으로서의 비교적 가격이 저렴하면서도 전기적 특성이 우수하기 때문인데 은분말은 제조법, 순도, 입도, 형상에 따라서 최종 전극 특성이 달리 나타 날 수 있다.
은분말 제조법은 크게 습식제조법, 건식제조법으로 나뉘어진다.
본 실시예에서는 습식환원법과 건식제조법인 열분해법 및 플라즈마법으로 제조된 은분말을 검토해보았다.
습식법으로 제조한 은분말은 수용액 상태에서 실버(silver)염을 화학환원제를 사용하여 얻을수 있는데 첨가된 화학환원제의 종류 및 잔류량에 따라 은의 순도에 영향을 줄수 있으며, 최종 전극 구조물에서 전기적 특성에 영향을 미칠수 있다.
건식법의 하나인 열분해법으로 제조된 은분말 역시 고온에서 질산은 용액을 열분해시켜 환원시켜 얻을 수 있다.
도 1에서와 같이, 습식법으로 제조된 은(Ag)분말의 경우, 대체로 균일한 입도분포를 가지는 단분산 형태의 구형 분말이었으며, 건식법으로 제조된 은(Ag)분말의 경우, 입도분포가 불균일하고 입자밀도가 높은 일그러진 분말이었다.
각 제조법으로 만들어진 은분말을 사용하여 페이스트(paste)를 제조하였을 때 조성물의 특성에도 확연한 차이를 보였다.
특히 동일 함량을 사용하여 습식 분말을 채택하여 페이스트 제조시 분산이 용이하였으며 점도는 12,500cPs였고 건식 분말을 채택하여 페이스트 제조시에는 3 roll mill 작업시 점도 상승으로 분산도가 떨어졌으며 페이스트의 점도도 15,000cPs 이상의 고점도 현상을 보였다.
이러한 차이는 입도 분포 차이, tap density 및 분말의 비표면적 차이에 기 인한 것으로 추정된다(표 1).
표 1. 제조법에 따른 페이스트의 물성 비교
| 습식 제조 은(Ag)분말 사용시 | 건식 제조 은(Ag)분말 사용시 | |
| 입도 분포 | 0.5~1.2㎛ | 0.5~6.5㎛ |
| tap density | 4.2g/cc | 3.5g/cc |
| F.O.G | 10~12㎛ | 15~18㎛ |
| viscosity | 12,500cPs | 16,200cPs |
습식법으로 제조된 은분말에 대하여 사이즈(size)에 대한 영향을 조사하였다.
도 2와 같이 다양한 입도분포를 가지는 미크론 사이즈(micron size)의 은분말을 주재로 미세패턴 형성을 위한 전극조성물를 제조하여 태양전지에서의 전기적인 특성을 평가하여 적정 깊이로 n층의 확산침투를 용이하게 하는 은(Ag)분말의 입도를 확보하고자 하였다.
은(Ag)분말의 사이즈가 D50=2㎛ 이상 큰 입자를 가지거나 D50=1.0㎛ 이하의 작은 입자가 주재로 사용될 경우, 광전변환효율이 10% 이하로 나타나는 등 태양전지의 전기적 특성이 현저하게 저하되어 소성공정 중 은(Ag) 입자가 충분히 n층으로의 확산침투가 이루어지지 않음을 확인하였다.
기존 상용 태양전지의 선폭 100㎛ 이하의 미세 전극 패턴 형성에 유리하고 은(Ag)의 적정 확산침투를 용이하게 하여 태양전지의 전기적인 특성을 만족하기 위한 최적의 은(Ag) 입자는 D50=1~1.8㎛ 영역대이며 Dmax가 2.5㎛ 이상을 넘어서지 않 는 것이 바람직하다.
직렬 저항을 향상시키기 위하여 도 3에서 보는바와 같이 플레이크(flake) 형상을 가지는 은(Ag)분말 첨가유무에 따른 실험을 실시하였다. 은의 형상에 따른 저항차이는 은 플레이크(Ag flake) 단독으로 사용되어졌을 때가 직렬저항이 가장 좋았으나 태양전지에서 필요한 전기적인 특성은 거의 없었으며 광전변환효율 역시 1% 이하의 값을 나타내었으며, 3% 이하 소량의 은 플레이크(Ag flake) 첨가시 전량 분말을 사용하였을 때보다 직렬 저항에서는 유리하였으나 3% 이상의 광전변환효율 저하를 가져왔을 뿐만 아니라 100㎛ 이하의 미세패턴 형성을 위한 스크린 프린팅에도 매우 불리하였다.
또한 도 4와 같이 플라즈마법으로 제조된 100nm 이하의 나노(nano) 은(Ag)분말을 0.5~1wt% 첨가하여 태양전지의 전면 은(Ag) 전극에 적용해 보았을때 미크론 사이즈(micron size)의 은(Ag)분말 단독을 적용해 보았을 때보다 1% 이상의 광전변환효율이 상승하는 것을 볼 수 있었다.
이것은 아크 레이어(ARC layer)와 은(Ag) 전극 계면에 위치한 나노 은(nano Ag)이 고온에 노출되어 소성되는 과정에서 사이즈가 작은 나노 은의 n층 확산침투를 도와 광전변환효율이 상승된 은 사이즈(Ag size) 효과로 보인다.
도 5는 100nm 이하의 나노 은의 추가 함량에 따른 광전변환효율 변화를 보여준다.
미세패턴형성용 바인더 폴리머(binder
polymer
)
본 실시예에서는 미세패턴 형성이 유리하고 저온에서 탈바인더화가 가능한 바인더 폴리머(binder polymer)를 확보하기 위하여 시스템(system), 분자량, 열분해 특성, 함량 등의 물성변화를 살펴보았다.
아래와 같이 바인더 폴리머(binder polymer)의 종류로는 미세패턴 형성 공정을 고려하고 전자도료분야에 많이 사용되어지는 아크릴레이트(acrylate)계와 셀룰로오스(cellulose_계를 적용하여 전극조성물을 제조하였다.
두 조성계 모두 페이스트 특성에서는 우수하였으나, 고온에서 탈바인더화하여 최종 전극 조성물을 형성함에 있어서는 BBO(binder burn-out)가 유리하고 저온에서는 열적 분해성이 좋은 셀룰로오스계 바인더가 적합함을 TGA 분석을 통해서 알 수 있었다.
도 6에서 보는바와 같이 아크릴레이트계 바인더는 400℃ 이상에서 열분해가 일어나고 셀룰로오스계 바인더는 400℃ 이하에서 열분해가 일어나는 결과를 얻을 수 있었다.
따라서 미세패턴 형성을 위한 소성형 페이스트의 바인더로는 셀룰로오스계를 채택하였으며 도 7처럼 분자량에 따른 열분해 거동차이를 볼 수 있었다.
태양전지용 글래스 프릿(glass frit)
현재 개발되고 상용화된 은 페이스트(Ag paste)는 대부분이 Pb계 글래스 프릿(glass frit)을 사용하고 있다.
본 실시예에서는 Pb-free계 조성을 이용하여 미세패턴을 형성하여 16%이상의 광전변환효율을 얻고자 하였다.
본 실시예에서 사용된 Pb-free계 글래스 프릿(glass frit)의 기본 조성계는 Bi-Si-B-Al-O이다. 이들 성분 중에 태양전지의 전기적 특성에 크게 영향을 주는 성분은 Bi2O3였다. Bi의 함량이 증가할수록 태양전지의 전기적 특성, 특히 광전변환효율이 상승하였으며 본 실시예에서의 Bi2O3의 함량은 80%이상에서 열적 특성을 변화시켜 최적의 조성을 얻을 수 있었다.
표 2에서 보는바와 같이 다양한 열특성을 가지는 글래스 프릿(glass frit)를 사용하여 90㎛이하의 미세 은(Ag) 전극을 형성하여 태양전지 소자를 제작하였을 때, 글래스 프릿(glass frit)의 Tg=442℃, Ts=477℃를 가지는 조성에서 최적의 특성을 나타내었다.
표 2. 글래스 프릿(glass frit)의 열적 특성에 따른 광전변환효율 변화
| No. | Tg (℃) | Ts (℃) | Eff. (%) |
| NBTGf01 | 394 | 425 | 2.73 |
| NBTGf02 | 407 | 435 | 8.25 |
| NBTGf03 | 425 | 456 | 6.98 |
| NBTGf04 | 442 | 477 | 13.50 |
| NBTGf05 | 466 | 497 | 7.99 |
글래스 프릿(glass frit)의 최적의 입도를 확보하기 위하여 글래스 프릿(glass frit) 제조시의 D50을 조절하여 다양한 미크론(micron)의 입자를 얻을수 있었고, 미세 입자를 확보하기 위하여 미크론(micron)의 글래스 프릿(glass frit)의 입자를 Ultra Apex Mill(도 8 참조)을 사용하여 1㎛ 이하의 서브 미크론(sub-micron) 입자를 얻을 수 있었다.
Ultra Apex Mill을 이용한 미세분말 분쇄는 분쇄 속도=4500rpm에서 90cc/min의 양으로 2시간 동안 실시하여 도 9에서 처럼 400~900nm 이하의 글래스 프릿(glass frit)를 얻을 수 있었다.
글래스 프릿(glass frit)의 size에 따른 광전변환효율을 표 3에 정리하였다. 미크론 사이즈에 대하여서는 광전변환효율의 뚜렷한 경향성을 볼 수는 없었지만 대체로 사이즈가 작을수록 광전변환효율이 증가되는 추세를 나타내었으며, 본 실시예에서는 D50=2.0㎛의 입자를 가지는 글래스 프릿(glass frit)와 D50=0.7㎛의 입자를 가지는 글래스 프릿(glass frit)를 8:2의 혼합비로 사용하였다.
표 3. 글래스 프릿(glass frit)의 입도별 광전변환효율 변화
| No. | D50 (㎛) | Eff. (%) |
| NBTGf06 | 3.0 | 8.8 |
| NBTGf07 | 2.5 | 8.2 |
| NBTGf08 | 2.0 | 12.8 |
| NBTGf09 | 1.5 | 10.4 |
| NBTGf10 | 0.7 | 14.2 |
글래스 프릿(glass frit)의 기본 조성에서 무기 첨가제(additive)를 소량 첨가하여 90㎛의 미세패턴이 형성된 태양전지의 전기적 특성 평가에 미치는 영향을 조사하였다.
본 실시예에 사용된 무기 첨가제(additive)로는 시약급의 B2O3, As2O3, Ga2O3, GeO2, In2O3, SnO, Sb2O3, Ag2O, CH3COOAg, ZnO, P2O5, P를 사용하였고 글래스 프릿(glass frit) 대비 1% 첨가하여 태양전지의 전기적인 특성을 평가하였다.
Ga2O3, In2O3, CH3COOAg를 소량 첨가하였을 때가 글래스 프릿(glass frit) 단독으로 사용하였을 때보다 전체적인 전기적 특성에 있어서 Isc, Eff.에서 상승 효과를 가져왔다(표 4).
표 4. 무기물 첨가에 따른 광효율변화
| 구분 | Isc (A) | Voc (mV) | F.F | Eff. (%) |
| B2O3 | 8.04 | 594.43 | 0.32 | 6.24 |
| As2O3 | 8.03 | 585.88 | 0.41 | 7.93 |
| Ga2O3 | 8.53 | 593.16 | 0.52 | 10.59 |
| GeO2 | 8.34 | 595.22 | 0.43 | 8.67 |
| In2O3 | 8.60 | 593.58 | 0.43 | 9.03 |
| SnO | 8.50 | 591.00 | 0.34 | 6.88 |
| Sb2O3 | 7.81 | 598.14 | 0.40 | 7.71 |
| Ag2O | 5.75 | 583.53 | 0.33 | 4.48 |
| CH3COOAg | 8.57 | 594.83 | 0.47 | 9.67 |
| ZnO | 8.20 | 575.73 | 0.40 | 7.56 |
| P2O5 | 6.76 | 588.16 | 0.45 | 7.22 |
| P | 8.18 | 588.50 | 0.41 | 8.08 |
전극조성물용 리올로지(rheology)
스크린프린터를 이용하여 미세 패턴을 형성하고 고효율의 태양전지을 얻기 위해서는 고종횡비(high aspect ratio)가 반드시 필요하다.
이는 선폭이 기존 상용품보다 좁아지게 되면 접촉(contact) 저항이 크게 되고 전극이 좁아지므로 직렬저항의 손실도 크기 때문이다. 그러므로 기존 상용 페이스트보다 고점도를 가져야 하고 리올로지(rheology) 특성, 특히 상전이 성질(thixotropic property)이 우수하여야 한다.
본 실시예에서는 셀룰로오스계 바인더의 점도와 유기용제(solvent)의 점성정도, 유기 매트릭스(matrix)내의 수소결합 유도 등을 검토하여 비이클(vehicle) 및 페이스트(paste)의 유동성을 검토하였다.
도 10은 본 실시예에 사용된 바인더 폴리머(binder polymer)와 유기용제(solvent)의 구조이다.
바인더 폴리머(binder polymer)의 분자량에 따른 점도 변화는 도 11과 같고, 태양전지의 전면 은(Ag) 전극의 미세패턴을 형성하기 위해서는 저분자량 셀룰로오스(cellulose) 바인더(binder)가 적합하였다.
고분자량 셀룰로오스(cellulose)는 solubility가 낮아 유기 바인더의 역할을 충분히 감당하지 못하여 70wt% 이상의 무기 고형분을 수용하지 못하여 페이스트 형성이 원활하지 못하였고 저분자량의 셀룰로오스 바인더는 10%이상의 바인더 솔루션 및 70wt% 이상의 무기 고형분을 이용한 페이스트의 제조가 용이하였다.
도 11은 바인더 폴리머(binder polymer)의 분자량에 따른 점도를 나타낸 것이다.
유기 solvent의 선택에 있어서도 자체의 점성을 가지고 있는 terpineol 및 texanol의 사용이 페이스트의 thixotropic property 향상에 도움을 주었고, 본 실시예에서는 terpineol : 2-2-butoxyethoxy ethaol=9:1의 혼합비로 전극조성물를 제조하였다.
도 12는 10% binder solution (terpineol : 2-2-butoxyethoxy ethaol=9:1)을 사용하여 제조한 페이스트의 rheology를 보여준다.
전극조성물의 조성의 최적화
태양전지의 은(Ag)전극의 미세패턴을 형성하기 위한 전극조성물의 조성을 최적화하기 위하여 무기 고형분인 은(Ag) 및 글래스 프릿(glass frit), 유기 비이클(vehicle)에 해당하는 바인더 폴리머(binder polymer) 솔루션(solution)에 대한 포뮬레이션(formulation)을 조사하였다.
미크론 사이즈(micron size)의 은(Ag) 분말(powder)의 함량은 도 13에서 보듯이, 모노 실리콘 웨이퍼(mono Si wafer)를 사용한 소자 테스트에서 74wt%에서 16.4%, 76wt%에서 16.7%를 나타내었으며 페이스트의 분산성, 적정 점도 및 인쇄공정을 고려할 때 은의 함량이 74wt%일 때 적정하였다.
은 함량이 75wt% 이상일 때는 3 roll mill 작업성이 불리하여 고분산의 페이스트 제조가 힘들었으며 점도가 높아 스크린 인쇄 후 미세패턴의 직진성이 좋지 않았다.
또한, 앞서 기술한바와 같이 100nm 이하의 나노(nano) 은(Ag)분말을 0.5~1wt% 첨가하여 태양전지의 전면 은(Ag) 전극에 적용해 보았을때 미크론 사이즈(micron size)의 은(Ag) 분말 단독을 적용해 보았을 때보다 1% 이상의 광전변환효율이 상승하는 것을 볼 수 있었다.
이것은 아크 레이어(ARC layer)와 은(Ag) 전극 계면에 위치한 나노 은(nano Ag)이 고온에 노출되어 소성되는 과정에서 사이즈가 작은 나노 은의 n층 확산침투를 도와 광전변환효율이 상승된 은 사이즈(Ag size) 효과로 보인다.
도 14는 100nm 이하의 nano Ag의 추가 함량에 따른 광전변환효율 변화를 보여준다.
태양전지에서 글래스 프릿(glass frit)는 무기 바인더의 역할뿐 아니라 소성 공정 중에 아크 레이어(ARC layer)를 화학적으로 에칭(chemical etching)하여 에미터(emitter)인 n층으로의 은의 확산 침투를 용이하게 도와준다(도 15).
글래스 프릿(glass frit)의 양이 너무 작게되면 아크(ARC)의 에칭(etching)량이 적어 은의 확산 침투가 불리하게 될수 있으며 소성후 전극 구조물에 기판에서 탈락 현상이 일어날 수 있다. 반면에 은이 너무 많게 되면 에미터(emitter)의 층을 완전히 뚫어 반도체의 성격을 상실하게 되거나 전극 형성에 있어서 높은 저항으로 전류 손실을 가져온다.
도 16은 글래스 프릿(glass frit)의 함량에 따른 광전변환효율 변화이다. mono Si wafer를 이용한 cell 특성 평가에서 글래스 프릿(glass frit)의 함량이 3%일 때 16.3%의 광전변환효율을 얻을 수 있었다.
표 5에서는 90㎛이하의 미세패턴 형성이 가능한 태양전지용 전극조성물의 주요 성분에 대한 포뮬레이션(formulation)을 나타내었고 도 17과 같이 자체 평가에서 16% 이상의 광전변환효율을 얻을 수 있었다.
이는 현 상용품 동등수준 이상의 광전변환효율치로 미세패턴의 계면에서 은(Ag)이 n층으로 0.3㎛ 이하의 적정 깊이만큼 원활하게 침투함을 의미한다.
표 5. 은 페이스트 포뮬레이션(Ag paste formulation)
| 구성 | Inorganic mtl's | Org matl's | 합계 | ||
| micrin Ag | nano Ag | 글래스 프릿(glass frit) | binder solution | ||
| 함량 (wt%) | 73.2 | 0.8 | 3 | 23 | 100 |
미세패턴 형성 공정 특성 평가
미세패턴을 형성하는 공정은 크게 3가지로 인쇄 공정, 건조 공정, 소성 공정으로 이루어 진다.
본 실시예에서는 현재 태양전지 제조 공정에서 채택하고 있는 공법으로 인쇄 공정으로 스크린프린터를 이용한 미세패턴 인쇄, 건조 공정은 IR 건조, 소성공정은 IR 퍼니스(furnace)를 사용하여 단시간에 소결하도록 하였다.
인쇄 공정에 있어서, 현재 태양전지에 사용되는 스크린메쉬의 패턴 선폭은 100~110㎛이며 상용 은(Ag) 전극의 소성후 선폭은 110~120㎛이다.
본 실시예에서는 높은 광전변환효율을 얻기 위하여 수광면적을 늘리고자 스크린메쉬의 패턴의 선폭을 80~85㎛로 설정하고 소성후 은(Ag)의 선폭을 90㎛이하의 미세패턴을 얻고자 하였다.
도 18과 도 19에서 보는바와 같이 고종횡비(high aspect ratio)를 가지는 미세 패턴을 얻기 위하여 페이스트의 점도를 기존 상용품과 대비하여 10,000cps 정도 높이고 스크린메쉬의 선폭을 기존 상용품보다 15㎛줄임으로서 건조후 약 96㎛, 소성후 88㎛의 고정세 선폭을 구현할 수 있었다.
상기 미세패턴 형성을 위하여 건조공정은 IR 드라이어(dryer)를 사용하여 250℃에서 15~20sec 실시하였으며 소성공정은 IR 퍼니스(furnace)를 사용하여 890~910℃에서 5.8~6.0m/min로 실시하여 소형 면저항측정기를 이용하여 1.9mΩ/sq.와 I-V 전기특성평가 장비를 이용하여 16.51%의 광전변환효율을 얻을 수 있었다.
기술개발결과
본 발명의 일실시예에 따라 아래의 표 6과 같은 태양전지용 미세패턴 구현 전극 페이스트를 제조하고, 이를 이용하여 자체 제작한 태양전지의 전기적 특성 평가를 공인기관인 한국에너지기술연구원에 의뢰한 평가성적서를 도 20과 같이 첨부하였다. 본 실시예에서 얻은 광효율치는 16.51%이며, 이는 종래의 것보다 0.5%이상의 우수한 특성을 나타내었다.
표 6. 주요 특징
| 평가항목 | 결과 |
| 1. Ag Paste 분산도 (FOG) | FOG≤12 |
| 2. 은(Ag)분말 입경 | 0.1~1.8㎛ |
| 3. 패턴 선폭 | 90㎛ |
| 4. 소성후 Ag 전극 저항 | 면저항≤2mΩ/sq |
| 5. 소성후 Ag 확산깊이 | 확산깊이 ≤ 0.3 |
| 6. 광효율 | 16.51% |
도 1a는 습식법으로 제조한 은(Ag)분말의 SEM image.
도 1b는 건식법으로 제조한 은(Ag)분말의 SEM image.
도 2a는 Micron Ag(D50=0.6㎛) powder SEM images(x10K).
도 2b는 Micron Ag(D50=1.0㎛) powder SEM images(x10K).
도 2c는 Micron Ag(D50=1.6㎛) powder SEM images(x10K).
도 2d는 Micron Ag(D50=2.3㎛) powder SEM images(x10K).
도 3은 은 플레이크(Ag flake) SEM image.
도 4는 100nm급 Ag powder SEM image(x10K).
도 5는 나노 은 함량에 따른 광효율변화입도 분포.
도 6a와 도 6b는 acrylate계와 cellulose계의 열분석 비교.
도 7a는 저분자 셀룰로오스의 열분해 거동을 도시한 그래프.
도 7b는 중분자 셀룰로오스의 열분해 거동을 도시한 그래프.
도 7c는 고분자 셀룰로오스의 열분해 거동을 도시한 그래프.
도 8은 Ultra Apex Mill.
도 9는 Ultra Apex Mill을 이용하여 분쇄한 글래스 프릿(glass frit)의 입도분포.
도 10은 본 실시예에 사용된 바인더 폴리머(binder polymer)와 유기용제(solvent)의 구조.
도 11은 바인더 폴리머(binder polymer)의 분자량에 따른 점도.
도 12는 NBT Ag paste의 점도 추이.
도 13은 Ag 함량에 따른 광효율변화.
도 14는 nano Ag 함량에 따른 광효율변화.
도 15는 글래스 프릿(glass frit).
도 16은 글래스 프릿(glass frit) 함량에 따른 광효율변화
도 17은 태양전지의 전기적 특성 평가 결과.
도 18(a)는 기존 태양전지의 건조 후 Ag PTN 현미경 사진.
도 18(b)는 기존 태양전지의 신터링(sintering) 후 Ag PTN 현미경 사진.
도 19(a)는 NBT 태양전지의 건조 후 Ag 미세 PTN 현미경 사진.
도 19(b)는 NBT 태양전지의 신터링(sintering) 후 Ag 미세 PTN 현미경 사진.
도 20은 NBT 제작 태양전지의 전기적 특성 평가(한국에너지기술연구원).
Claims (8)
- 은분말, 나노은, 글래스 프릿, 바인더 및 유기용제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 1에 있어서,은분말 70 내지 80 중량부, 나노은 0.5 내지 1 중량부, 글래스 프릿 2 내지 4 중량부, 바인더 및 유기용제 2 내지 5 중량부, 유기용제 15 내지 25 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 1에 있어서,상기 은분말의 입경(D50)은 0.8 ~ 2.5㎛ 인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 1에 있어서,상기 바인더는 셀룰로오스계인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 1에 있어서,상기 글래스 프릿은 무연(Pb-free)계이며, 유리전이온도가 430 ~ 450℃ 인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 1에 있어서,상기 글래스 프릿에 무기첨가제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 6에 있어서,상기 무기첨가제는 Ga2O3, In2O3, CH3COOAg 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극조성물.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 한 항에 기재된 태양전지용 전극조성물을 이용하여 태양전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서,상기 태양전지용 전극조성물에 스크린프린터를 이용하여 미세패턴을 인쇄하 는 인쇄단계;상기 미세패턴이 인쇄된 태양전지용 전극조성물을 250℃에서 15~20초 동안 건조시키는 건조단계; 및상기 건조단계 후 890~910℃에서 5.8~6.0m/min으로 소결하는 소결단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020090084146A KR20110026305A (ko) | 2009-09-07 | 2009-09-07 | 태양전지용 전극조성물 및 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020090084146A KR20110026305A (ko) | 2009-09-07 | 2009-09-07 | 태양전지용 전극조성물 및 이를 이용한 태양전지용 전극 제조방법 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2012148191A2 (ko) * | 2011-04-26 | 2012-11-01 | 엔젯(주) | 태양전지의 전면전극 형성방법 |
| CN104464887A (zh) * | 2014-11-17 | 2015-03-25 | 苏州斯迪克新材料科技股份有限公司 | 一种纳米银线导电银浆及其制备方法 |
| CN112777935A (zh) * | 2019-11-11 | 2021-05-11 | 江西佳银科技有限公司 | 一种含纳米银玻璃粉及其制备方法 |
-
2009
- 2009-09-07 KR KR1020090084146A patent/KR20110026305A/ko not_active Application Discontinuation
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