KR20110048403A - 도전성 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극 - Google Patents

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박진경
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Abstract

본 발명은 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극에 대한 것으로, 더 상세하게는 알루미늄 분말, 글라스 프릿(glass frit) 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물에 있어서, 구형의 카본 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 전극에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지 전극 형성용 페이스트는 산화도가 높은 알루미늄 분말을 사용하더라도 전극의 기계적 강도 및 인쇄성이 우수하고 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 소성 후 기계적 휨 현상을 억제할 수 있는 장점이 있다.
태양전지, 페이스트, 전극, 알루미늄 분말 산화도, 카본 입자, 휨특성, 표면저항, BSF 저항

Description

도전성 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극{CONDUCTIVE PASTE AND SOLAR-CELL ELECTRODE USING THE PASTE}
본 발명은 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극에 대한 것으로, 특히 산화도가 높은 알루미늄 분말을 사용하더라도 전극의 기계적 강도와 인쇄성이 우수하고 태양전지에서 요구하는 BSF(back surface field) 효과를 충분히 달성할 수 있으며, 소성 후 기계적 휨 현상을 억제할 수 있는 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지 전극에 대한 것이다.
최근, 무공해, 설비의 간편성, 내구성 향상 등 여러가지 이유로 인하여 태양전지의 보급이 급속도로 확산되고 있어, 이에 따라 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 양산성이 우수한 태양전지의 제조방법들이 다양하게 연구되고 있다.
현재 생산되는 태양 전지의 종류 중 실리콘 웨이퍼를 이용한 결정질 실리콘 (벌크형) 태양전지는 그 발전효율이 높아 가장 많이 상용되고 있는 실정이다. 이러한 결정질 태양전지의 제조방법은 아래와 같다.
실리콘의 얇은 웨이퍼에 P-N 접합을 형성하고 이것의 일면에 햇빛 반사손실을 방지하기 위해 반사 방지 코팅을 한다. 이후, 전면전극, 후면전극 및 태양전지 모듈에서 각 셀을 전기적으로 접속시키는 탭을 납땜하기 위한 탭핑전극을 스크린 프린팅으로 형성한 후 900~1000℃에서 열처리함으로써 최종적으로 태양전지를 제조한다. 특히, 태양전지의 전극은 도전성 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트를 실리콘 기재 위에 인쇄하고 건조 및 소성하여 형성된다.
이 과정에서 전극 형성에 사용되는 알루미늄 페이스트는 열처리하는 동안에 실리콘 웨이퍼로 3족인 알루미늄이 확산되어 P층인 BSF층을 형성하고 실리콘 웨이퍼와 전기적으로 컨택하게 된다. 이렇게 형성된 알루미늄 전극은 내부 전계 향상 역할, 전자 재결합 방지 역할, 다수의 캐리어인 정공을 집결하는 역할 그리고 태양광의 장파장광을 반사하는 리플렉터(reflector)의 역할, 휨특성을 조절하는 역할을 수행하게 된다.
태양전지의 효율을 높게 하기 위해서는 확산층의 농도 및 두께가 중요하게 여겨진다. 이를 위해 알루미늄의 순도가 중요한 요소를 이루고 있으나, 고순도의 알루미늄 분말은 고가에 해당하여 비용적인 측면에서 저순도의 알루미늄 분말을 사용하더라도 고순도의 알루미늄 분말과 동일한 특성을 가질 수 있는 알루미늄 페이스트의 개발이 필요하다. 또한 휨 특성이 2mm이상 되면 모듈 어셈블리(module assembly) 제작시 열에 의해 전지 자체가 파손되기 쉽고 소성시에 기계적 강도 및 기재와의 밀착성이 떨어지며 소성 후 기재 자체의 휨 현상이 발생할 수 있는바 이러한 휨 특성의 개선을 위해서는 알루이늄의 두께를 낮추어야 하는데, 이는 BSF층의 특성 감소를 야기하고 전기적 전도도가 떨어져 개방 전압이 낮게 생성되어 광전환 변화효율을 감소시키게 되는 문제점이 있다.
이에 대한 종래기술로서 일본 특허 공개 1998-247418에서는 니트로 셀룰로우스를 이용하여 저순도의 실리콘 태양전지를 사용하여도 고순도의 알루미늄 분말과 동일한 특성을 나타내도록 하는 실리콘 태양전지용 도전성 조성물에 대해 발명하였으나 니트로 셀룰로우스는 인쇄성이 좋지 않기 때문에 균일하게 인쇄하기가 어려워 알루미늄을 동일하게 확산시키기 어려운 문제점이 있다. 또한 한국 특허 공개 2004-0025609에서는 상기 탄소성분을 갖는 입자를 이용하여 웨이퍼의 휨 특성을 개선하는 도전성 페이스트 및 태양전지의 제조방법에 대해 개시하고 있으나 탄소입자를 5㎛의 입자를 적어도 5중량%이상 첨가하여야 하기 때문에 알루미늄 후막내에 공극이 많아지게 되어 후면전개의 균일성이 저하되는 문제점이 존재한다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 저순도의 알루미늄 분말을 사용하는 경우에도 고순도의 알루미늄 분말을 사용한 경우와 동일한 특성을 구현하면서 보다 저렴하면서도 인쇄성이 우수하고, 소성 후 웨이퍼의 휨 현상을 억제함으로써 태양전지의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 우수한 전기적 특성을 갖는 태양전지를 제조하기 위한 태양전지 전극 형성용 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 태양전지 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서,
알루미늄 분말, 글라스 프릿(glass frit) 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물에 있어서, 구형의 카본 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 카본 입자는 다양한 입경을 갖는 카본 입자들이 혼합된 것으로서 평균입경이 0.05 ~ 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 카본 입자는, 전체 조성물 대비 0.1 ~ 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스 트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 카본 입자는, 니트로 셀룰로우스, 카본 블랙, 그라파이트 분말 또는 알루미늄 카바이드계 재료와 같이 저온 영역대에서는 카본상으로 존재하나 고온에서는 열분해하여 사라질 수 있는 재료중에서 선택되어지는 하나 또는 2 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 단일 입자 또는 입경이 다른 두가지 이상의 입자가 혼합된 것으로서 평균입경이 1 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 전체 조성물 대비 50 ~ 90 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 글라스 프릿은 PbO-Sio2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2계 및 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2계에서 선택되어지는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 글라스 프릿은 전체 조성물 대비 1 ~ 20 중량% 포함된 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 글라스 프릿은 연화점이 300 ~ 600℃이고, 평균입경이 0.5 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유기 비히클은, 아크릴레이트계 수지, 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스와 페놀수지의 중합체, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 군에서 선택된 하나의 중합체와 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트, 및 텍사놀(Texanol) 군에서 선택된 단독 또는 2 종 이상이 혼합된 용매로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유기 비히클은, 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제, 젖음성 개선제 (Wetting agent)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유기 비히클은 전체 조성물 대비 10 ~ 30 중량% 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다.
또한, 본 발명의 태양전지 전극에 있어서, 상기 전극은 후면 전극인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극을 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지 전극 형성용 페이스트 및 이를 이용한 태양전지의 전극은 저순도의 알루미늄 분말을 사용하더라도 고순도의 알루미늄을 사용한 경우와 동일한 특성을 구현하고 적은 카본 입자의 사용으로 후면 전개층의 균일성이 유지되며, 웨이퍼의 휨 특성 또한 개선됨에 따라 양호한 저항 접점을 가지면서 높은 효율 특성을 갖는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 알루미늄 분말, 글라스 프릿(glass frit), 유기 비히클 및 카본 입자를 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
일반적인 도전성 페이스트에서 에틸 셀룰로오즈 등으로 구성된 유기 비히클이 무기 고형 성분을 페이스트상으로 하고 스크린 인쇄성에 관여하는 특성만을 갖고 있는 것에 비해, 환원 작용을 할 수 있는 카본으로 구성된 입자는, 상기 페이스트 조성물 내에서 알루미늄 표면에 존재하는 산화물 입자와 산화 환원 작용이 가능하기 때문에 산화도가 높은 알루미늄의 전기적 특성을 향상시키는데 기여한다. 즉, 페이스트 내의 알루미늄 입자 주위에 존재하는 카본 입자는 500 ~ 700℃ 부근에서 산화 연소하지만 이때 일어나는 카본 입자와 알루미늄 분말 표면에 존재하는 알루미늄 산화물 간의 산화 환원 반응에 의해 알루미늄 입자 표면의 산화 피막이 감소하기 때문에 알루미늄 분말 간의 소결이 촉진되고 그 결과 전극이 가지는 고유 저항치가 감소하게 되어 알루미늄의 확산 특성을 향상할 수 있도록 한다.
또한, 상기 카본 입자는 고온에서 소성후 열분해되어 사라지고 공극을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 공극은 알루미늄 후막이 열 수축을 할 때 완충제 역할을 하기 때문에 실리콘 웨이퍼의 휨 특성을 개선하는 역할을 한다. 또한 웨이퍼의 두께가 200 마이크론 이하로 내려간다고 해도 알루미늄 페이스트의 사용이 가능하도록 한다. 따라서 본 발명에 있어서, 상기 카본 입자는 순수한 탄소 입자는 물론 니트로 셀룰로우스, 카본 블랙, 그라파이트 분말 또는 알루미늄 카바이드계 재료 등과 같이 저온 영역대에서는 카본상으로 존재하나 고온에서는 열분해하여 사라질 수 있는 재료중에서 선택되어지는 하나 또는 2 이상의 조합인 것을 사용할 수 있다.
상기 카본 입자는 전체 조성물 대비 0.1 ~ 10 중량% 포함된 것이 바람직하다. 카본 입자가 0.1 중량% 미만인 경우 전극 페이스트내에서 상기와 같은 카본 입자의 혼합 효과가 발휘될 수 없으며, 카본 입자를 전체 조성물 대비 10중량%를 초과하여 혼합하는 경우 소성 후 지나친 공극의 형성으로 후면 전개 층의 균일성이 현저히 저하될 수 있기 때문이다. 이렇듯 소량의 카본 입자를 사용함으로써 니트로 셀룰로우스를 사용한 페이스트에 비해 알루미늄 페이스트의 인쇄성이 개선되는 효과가 있다.
또한 다양한 입경을 갖는 카본 입자를 전극 페이스트에 혼합함으로써 단일 입경의 카본을 넣어주는 것에 비해 소결 촉진에 의한 후면 전개 층의 저항 특성을 개선하는 효과를 극대화할 수 있다. 혼합되는 다양한 입경의 카본 입자의 평균 입경은 0.05 ~ 5 ㎛인 것이 바람직하다. 카본 입자의 평균 입경이 0.05㎛미만이면 휨 특성의 개선 효과가 나타나지 아니하며 5㎛를 초과하는 경우에는 후면 전개 층의 균일성이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 단일 입자 또는 입경이 다른 두가지 이상의 입자가 혼합된 것이 바람직하다. 전극 페이스트를 형성하는 알루미늄 분말을 입경이 다양한 알루미늄 분말을 이용하여 혼합된 상태의 구조를 형성하게 되는 것은, 실리콘 웨이퍼와의 접촉면적을 증가시켜 확산면적을 증가시킴으로써, 후면 전계층(BSF)을 효율적으로 형성시키고, 입도가 서로 다른 입자를 혼합하여 알루미늄 분말 내에 충진 밀도를 높여 전기적 특성의 향상 및 열처리 시에 금속성분들의 열팽창을 최소화하여 입자들의 수축율을 극소화할 수 있게 되는 장점을 구현하게 하기 위함이다. 아울러 입경이 다른 알루미늄 분말의 혼합으로 인해 표면저항 값과 휨특성의 지수를 최소화할 수 있게 되며, 태양전지 내에서의 망소특성(Small-the-better characteristics)을 현저하게 낮출 수 있게 된다. 즉 휨(Bowing) 특성의 경우, 셀 제작 후 모듈 어셈블리 형성시 2mm 이상이면 파손이 되기 쉬운데, 이를 위해 표면 저항값과 휨특성을 태양전지 효율면에서 망소특성을 갖는 것이 바람직하게 된다. 상기와 같은 효과를 위해 다양한 입경의 알루미늄 분말의 혼합은 평균 입경이 1 ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 글라스 프릿은 PbO-SiO2 계, PbO-SiO2-B2O3 계, ZnO-SiO2 계, ZnO-B2O3-SiO2 계, 및 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2 계에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 글라스 프릿은 전체 조성물 대비 1 ~ 20 중량%, 더욱 바람직하게는 1 ~ 10 중량% 포함된 것이 바람직하다. 글라스 프릿이 1 중량% 미만인 경우에는 접착력 및 휨특성이 저해되며, 20 중량% 이상 시에는 전기적 특성이 안좋아 효율특성에 부정적 영향을 미치게 된다. 또한, 상기 글라스 프릿은 연화점이 300 ~ 600℃이고, 평균 입경이 0.5 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 한다. 이 범위의 평균 입경에서는 충진도 및 소결밀도가 최대화되는 장점이 구현된다.
본 발명에 있어서, 유기 비히클은, 태양전지 전극 형성용 페이스트의 무기성분과 기계적 혼합을 통하여, 페이스트가 인쇄에 적합하도록 점도도(consistency) 특성 및 유변학적 특성(viscosity and rheological characteristics)을 부여한다.
상기 유기 비히클은 통상적으로 태양전지 전극 페이스트에 사용되는 유기 비히클이 사용될 수 있으며, 일예로 중합체와 용매의 혼합물일 수 있다.
상기 중합체로는 아크릴레이트계 수지, 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스와 페놀수지의 중합체, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 등을 사용할 수 있다. 바람직하기로는 에틸셀룰로오스가 좋다.
또한 상기 용매로는 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테 르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트 및 텍사놀(Texanol) 등을 단독 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하기로는 부틸카비톨아세테이트를 사용하는 것이 좋다.
또한 상기 유기 비히클은 상기한 인계 분산제, 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제 등을 포함할 수도 있다. 상기 칙소제는 우레아계, 아마이드계, 우레탄계 등의 고분자/유기물이 사용되거나 무기계의 실리카 등이 사용될 수 있다. 상기 유기 비히클은 전체 조성물 대비 20 ~ 30 중량% 포함된 것이 바람직하다. 만일 20 중량% 미만 시에는 유기물량이 너무 적어 인쇄성이 나빠지게 되며, 30 중량% 를 초과하는 경우에는 점도 감소에 의해 인쇄 후 막이 무너지는 문제가 발생하게 된다.
상기한 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기 아크릴레이트계 수지, 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스 등의 중합체 레진을 부틸카비톨아세테이트 같은 용매에 용해한 후 프리믹싱(premixing)하여 유기 비히클을 준비한다. 상기 유기 비히클에 다양한 입경의 카본 입자를 혼합한다.
이후, 상기 유기 비히클, 카본 입자 혼합물에 단일 또는 서로 다른 입경의 알루미늄 분말과 글래스 프릿을 프리믹싱(premixing)한다. 이후 입자의 분산성을 높히기 위해 아민계, acid계, 양극성인 분산 첨가제를 혼입하는 것이 효과적이다.
상기 혼합물은 적절한 분산을 위해 1 ~ 12 시간 동안 숙성되어지는 것이 바람직하다. 숙성된 혼합물은 페이스트 믹서(paste mixer), 플레네터리 밀(planetary mill) 및 3 롤밀(3Roll Mill) 등을 통해 기계적으로 제2차 혼합·분산과정을 거치고, 최종 공정인 필터링 및 탈포공정을 통해 알루미늄 페이스트로 제조된다.
또한, 본 발명은, 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물을 기재 위에 인쇄하고, 건조 및 소성하여 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. 본 발명에서 상기 전극은 실리콘 태양전지의 후면 전극일 수 있으며, 상기 인쇄는 스크린 인쇄일 수 있고, 상기 건조는 80 내지 200 ℃에서 1 내지 30분 동안 건조되는 것이 바람직하다. 상기 소성은 700 내지 900 ℃에서 이루어질 수 있으며 5초 내지 1분간 이루어지는 고온/고속 소성을 하는 것이 좋다. 상기 인쇄는 200㎛ 두께의 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 일정한 압력과 속도로 인쇄되는 스크린 프린터를 사용하여 인쇄된다.
이하, 본 발명에 대하여 실시예 및 실험예를 들어 더 상세히 설명한다. 본 명세서 상의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐이므로 이에 의해 권리범 위를 제한하려는 의도가 없음을 분명히 한다.
실시예 1
산화도가 0.7인 알루미늄 분말 75 중량%에 5㎛ 입경의 카본 입자만을 5 중량% 혼합하고, 글라스 프릿 10 중량%와 나머지 유기 비히클을 사용하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 2
입경 5㎛의 카본 입자를 1 중량% 로 혼합한 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 3
입경 5㎛의 카본 입자를 0.5 중량% 로 혼합한 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 4
입경 5㎛의 카본 입자 대신 0.5㎛ 입경의 카본 입자를 1 중량% 로 혼합한 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 5
입경 5㎛의 카본 입자 대신 5㎛ 입경의 카본 입자 0.75 중량%와 0.5㎛ 입경의 카본 입자를 0.25 중량%를 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 6
입경 5㎛의 카본 입자 대신 5㎛ 입경의 카본 입자 0.5 중량%와 0.5㎛ 입경의 카본 입자를 0.5 중량%를 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 7
입경 5㎛의 카본 입자 대신 5㎛ 입경의 카본 입자 0.25 중량%와 0.5㎛ 입경의 카본 입자를 0.75 중량%를 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 1
카본 입자를 혼합하지 않은 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 2
산화도가 0.2인 알루미늄 분말을 이용하고 카본 입자를 혼합하지 않은 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 페이스트 조성물을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1, 2 의 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼상에 스크린 프린팅한 후, 이를 양 160℃에서 20분동안 건조한 후 이를 다시 약 850℃에서 30초간 급속 열처리하여 태양 전지 후면 전극을 제조하였다.
상기 각 실시예 및 비교예의 결과물과 상기 실험예에 의해 제작된 태양전지 후면전극을 대상으로, 성능 및 효율성 테스트를 하였고, 결과는 하기 표 1 및 표 2와 같았다.
{표 1-단위막 특성}
Al 표면저항 (mΩ) BSF 저항(Ω) 휨 특성(mm)
실험예 1 12.61 5.39 0.99
실험예 2 13.05 5.63 1.19
실험예 3 13.99 6.59 1.23
실험예 4 14.76 7.01 1.27
실험예 5 13.26 6.98 1.17
실험예 6 13.76 6.52 1.35
실험예 7 14.75 6.23 1.24
비교예 1 15.32 8.01 1.52
비교예 2 13.05 5.55 1.45
{표 2-효율 특성}
FF Eff.(ratio)
실시예 1 0.772 1.08
실시예 7 0.761 1.06
비교예 1 0.74 1.00
비교예 2 0.757 1.06
상기 표2의 효율은 셀(Cell) 제작 후 광변환 효율을 의미하는 것이며, 솔라(Solar) 시뮬레이터를 이용하여 측정하였다. FF(Fill Factor)는 충진도로서, 최대 태양전지가 나타낼 수 있는 출력 대비 실제로 작동되는 출력값의 비를 의미한다.
표면 저항 및 BSF 저항은 4-point probe를 이용하여 면저항 특성을 측정하였다. 아울러 휨특성의 경우는 Dial 게이지를 정중앙의 휨 특성으로 측정하였다.
표1에서 알 수 있듯이, 산화도가 높은 알루미늄 분말도 다양한 입경을 갖는 카본 입자를 페이스트 내에 함께 혼합함에 따라서 산화도가 낮은 재료에 비해 동등 혹은 그 이상의 후면 전개 층의 저항 특성이 나타남을 알 수 있다. 이에 비해 카본 입자를 첨가하지 않은 산화도가 높은 알루미늄 분말은 후면 전개층의 저항이 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 알루미늄 분말의 주위에 존재하는 산화물 박 막층에 소결과 확산을 억제하기 때문에 동일 공정을 이용하였더라도 더 높은 저항 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 열분해되어 사라지는 카본 입자의 특성으로 인해 카본 입자의 혼합에 따라 웨이퍼의 휨 특성이 많이 개선되는 것을 알 수 있다. 또한 소량의 카본 입자의 혼합으로 페이스트의 인쇄성 저하를 막을 수 있다.
본 결과를 바탕으로 산화도가 높은 알루미늄 분말을 사용하더라도 입자 주위의 산화막을 제거해 줄 수 있는 카본 입자와 같은 재료를 첨가해 줌으로써 고효율의 알루미늄 페이스트를 제조할 수 있으며 이러한 재료의 입경크기 및 혼합비를 조절함으로써 양호한 저항 접점을 가지면서 높은 효율 특성을 갖는 알루미늄 페이스트를 개발할 수 있다.

Claims (14)

  1. 알루미늄 분말, 글라스 프릿(glass frit) 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물에 있어서, 구형의 카본 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본 입자는 다양한 입경을 갖는 카본 입자들이 혼합된 것으로서 평균입경이 0.05 ~ 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카본 입자는, 전체 조성물 대비 0.1 ~ 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카본 입자는, 니트로 셀룰로우스, 카본 블랙, 그라파이트 분말 또는 알루미늄 카바이드계 재료와 같이 저온 영역대에서는 카본상으로 존재하나 고온에서 는 열분해하여 사라질 수 있는 재료중에서 선택되어지는 하나 또는 2 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 분말은 단일 입자 또는 입경이 다른 두가지 이상의 입자가 혼합된 것으로서 평균 입경이 1 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 분말은 전체 조성물 대비 50 ~ 88.9 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 글라스 프릿은 PbO-Sio2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2계 및 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2계에서 선택되어지는 하나 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서
    상기 글라스 프릿은 전체 조성물 대비 1 ~ 20 중량% 포함된 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 글라스 프릿은 연화점이 300 ~ 600℃이고, 평균입경이 0.5 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유기 비히클은, 아크릴레이트계 수지, 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 에틸셀룰로오스와 페놀수지의 중합체, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 군에서 선택된 하나의 중합체와 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트 및 텍 사놀(Texanol) 군에서 선택된 단독 또는 2종 이상이 혼합된 용매로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유기 비히클은, 인계 분산제, 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유기 비히클은 전체 조성물 대비 10 ~ 30 중량% 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 페이스트 조성물.
  13. 제1항 내지 제12항의 어느 한 청구항의 페이스트 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 전극.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전극은 후면 전극인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극.
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