KR20110069724A - 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 평균입경(D50)이 0.3 내지 1.5㎛이고 구형 또는 판상형인 도전성 은 분말; (b) Bi2O-3-SiO2-Al2O3-B2O3-SrO계 유리 프릿; 및 (c) 유기 비히클을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 2009년 12월 17일에 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10- 2009-0125885호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
실리콘 결정형 태양전지의 제조방법은 하기와 같다.
우선, P형 실리콘 기판의 일면에 인(P) 등의 n형 불순물층을 형성한다. 이때, 상기 P형 실리콘 기판은 두께가 180 내지 220㎛인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 n형 불순물층은 두께가 0.2 내지 0.6㎛인 것이 바람직하다.
이어서, 상기 n형 불순물층 상에 태양빛의 반사손실을 줄이기 위하여 반사방지막을 형성한다. 상기 반사방지막으로는 SiNx층을 이용할 수 있다.
이어서, 상기 반사방지막 상에 전면 전극을 형성한다. 그리고, 상기 n형 불순물층이 형성되지 않은 P형 실리콘 상에 후면 전극을 형성한다. 이때, 상기 전극은 전기전도성 페이스트를 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고, 이를 건조한 후, 저온(약 600℃)과 고온(800-950℃)의 2단계 소성과정을 거쳐 형성될 수 있다. 일반적으로 이러한 소성과정에서 전기전도성 페이스트가 P형 실리콘 기판의 내부로 확산되면서 전기전도성 금속입자-Si 합금층이 형성된다. 그리고, 이러한 확산에 의해, 태양전지에서 생성되는 전자의 재결합을 방지하고 생성된 캐리어(Carrier)의 수집 효율을 향상시키는 BSF(Back Surface Field)가 형성된다. 여기서, BSF층의 두께 및 균일도에 따라 태양전지의 효율이 좌우되는데 두께가 얇아지면 태양전지의 효율이 저하되고, 두꺼워지면 효율이 상승된다.
한편, 상기 태양전지용 후면 전극에 대한 연구 및 개발이 진행되고 있다. 대표적인 예로는 하기 특허를 들 수 있다.
대한민국 등록특허 공개특허 제10-2006-0108550호는 크기가 3 내지 15㎛인 금속 입자, 유리 입자, 유기 비히클을 포함하는 후막 전도성 조성물에 관한 것이다. 상기 등록특허는 금속 입자의 크기가 크기 때문에, 소성 후 금속 입자 사이의 공극이 커져 태양 전지 셀의 저항을 증가시켜 효율이 감소되는 단점이 있다.
그리고, 대한민국 공개특허 제10-2006-0108552호는 전기전도성 금속입자, Pb-무함유 유리 프릿, 유기 매질을 포함하는 전기전도성 후막 조성물에 관한 것이다. 하지만, 상기 등록특허는 열 공정에서 유리 프릿에 결정화가 발생하는 등의 열안정성에 문제가 발생하고, 땜납특성도 우수하지 못한 단점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자, 새로운 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 대한 개발이 절실하다.
본 발명의 목적은 후면 전극의 저항을 감소시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 태양전지 모듈 제조 시 납땜특성을 향상시킬 수 있는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 (a) 평균입경(D50)이 0.3 내지 1.5㎛인 구형 또는 판상형 도전성 은 분말; (b) Bi2O3-SiO2-Al2O3-B2O3-SrO계 유리 프릿; 및 (c) 유기 비히클을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명의 태양전지 후면전극용 은 페이스트 조성물은 후면 전극의 저항을 낮추고, 불순물 함유량을 최소화하여 납땜특성을 향상시켜 태양전지 및 모듈의 효율이 향상시킨다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물은 (a) 도전성 은 분말, (b) 유리 프릿 및 (c) 유기 비히클을 포함한다.
본 발명의 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물에 포함되는 (a) 도전성 은 분말은 평균입경(D50)이 0.3 내지 1.5㎛인 구형 또는 판상형이다. 그리고, 상기 (a) 도전성 은 분말은 최대입경(DMAX)이 4.5㎛이고, 최소입경(DMIN)이 0.1㎛인 것이 바람직하다. 평균입경(D50)과 최소입경(DMIN)이 상술한 범위 미만이면, 은 분말의 비표면적이 넓어지므로 페이스트 점도가 높아진다. 높아진 점도로 인해, 인쇄성이 떨어지고 은 분말의 함량을 높이는데 제한을 받게 된다. 평균입경(D50)과 최대입경(DMAX)이 상술한 범위를 초과하면, 페이스트 내 은 입자의 치밀도가 떨어져 소성공정 후, 배선 내 공극이 다량 발생하게 되어 배선의 저항이 상승하게 된다.
상기 (a) 도전성 은 분말은 조성물 총 중량에 대하여, 65 내지 75 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상술한 범위 미만으로 포함되면, 소성 후 인쇄된 은 배선 층이 얇아져 후면 배선 저항이 증가하고, 납땜특성이 저하될 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, 인쇄두께가 너무 두꺼워지므로 실리콘 웨이퍼의 휨을 초래할 수 있다.
본 발명의 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물에 포함되는 (b) 유리 프릿은 Bi2O-3-SiO2-Al2O3-B2O3-SrO계이다. 상기 (b) 유리 프릿은 용융되어 은 배선 층과 실리콘 웨이퍼 층 사이에서 밀착성을 부여한다.
상기 (b) 유리 프릿에 포함되는 SrO은 알칼리 토금속으로 유리 프릿의 전이온도를 조절하는 역할을 한다. 이때, SrO는 이온 반경의 크기가 크므로, 결정화 등의 열안정성 저하 문제를 억제한다. 그리고, SrO로 인해 땜납특성이 좋아진다. 그리고, 부수적인 효과로 태양전지의 효율이 상승된다.
상기 (b) 유리 프릿은 조성물 총 중량에 대하여 0.01 내지 10중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 0.5 내지 7 중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하고, 1 내지 5 중량%로 포함되는 것이 보다 더 바람직하다. 상술한 범위 미만으로 포함되면, 소성 공정 후 은 배선이 태양전지의 기재인 P형 실리콘 기판과의 부착력이 떨어질 수 있다. 상술한 범위를 초과하여 포함되면, 저항이 높아져 태양전지의 효율이 떨어질 수 있다.
상기 (b) 유리 프릿의 조성비는 특별히 한정되는 것은 아니지만, Bi2O3 20 내지 30mol%, SiO2 25 내지 35mol%, Al2O3 5 내지 15mol%, B2O3 20 내지 40mol% 및 SrO 1 내지 10mol%의 조성을 갖는 것이 바람직하다. 망목 (網目) 형성제인 Si, B 성분과 망목 중간 산화물인 Bi, Al성분 그리고 알칼리 금속 성분인 Sr성분의 적합한 비율에 의해 유리의 물성이 좌우된다. 따라서 상기 수치한정 이내의 조성을 갖는 프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 사용되는 유리 프릿은 연화점(Tg)이 400 내지 500℃인 것이 바람직하다. 상술한 범위 미만이면, 유리 프릿의 열팽창계수가 상대적으로 커지면서, 태양전지 제조 공정 중 소성공정을 거친 후 웨이퍼가 휘어지는 현상이 증가될 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, 소성과정에서 유리 프릿이 충분히 용융되지 않아 밀착성이 저하될 수 있다.
본 발명의 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물에 포함되는 (c) 유기 비히클은 조성물 총 중량에 대하여, 20 내지 34.9 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상술한 범위 미만으로 포함되면, 점도가 너무 높아져 인쇄성이 떨어질 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, 분말 함유량이 떨어져 충분한 은 배선 층의 두께를 확보하기 어려울 수 있다.
상기 (c) 유기 비히클은 유기용매에 고분자 수지를 녹여서 제조하며, 필요에 따라, 요변성제, 습윤제, 첨가제 등을 더 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 상기 (c) 유기 비히클 총 중량에 대하여 1 내지 25 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 5 내지 25 중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상술한 범위 미만으로 포함되면, 본 발명의 조성물로 제조된 은 페이스트의 인쇄성 및 분산 안정성이 저하될 수 있다. 상술한 범위를 초과하면, 페이스트가 인쇄되지 않을 수 있다.
상기 고분자 수지의 예로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 에틸셀룰로오스, 로진, 페놀 수지 또는 아크릴 수지 등을 들 수 있다.
상기 용매는 인쇄공정 중 페이스트의 건조를 막고 유동성을 조절할 수 있도록 약 150 내지 300℃ 범위의 끊는점을 갖는 용매가 적합하다. 상기 용매는 상기 (c) 유기 비히클의 총 중량이 100중량%가 되도록 잔량 포함되는 것이 바람직하다.
상기 용매는 특별히 한정하지 않으나, 글리콜 에테르 계열로 트리프로필렌글리콜 메틸에테르, 디프로필렌글리콜 n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜 n-부틸에테르, 트리프로필렌글리콜 n-부틸에테르, 프로필렌글리콜 페닐에테르, 디에틸렌글리콜 에틸에테르, 디에틸렌글리콜 n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜 헥실에테르, 에틸렌글리콜 헥실에테르, 트리에틸렌글리콜 메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 n-부틸에테르, 에틸렌글리콜 페닐에테르, 터피놀, Texanol®상품명) 또는 에틸렌글리콜 등을 들 수 있다.
상기 요변성제와 습윤제는 상기 (c) 유기 비히클 총 중량에 대하여, 5 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 요변성제와 습윤제는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면, 특별히 한정하지 않는다. 하지만, 상기 요변성제로는 Elementis 사의 THIXATROL@ST, 상기 습윤제는 Momentive사의 Silwet L-77, Silwet L-7500, Silwet L-7280 등이 사용될 수 있다.
상기 첨가제는 상기 (c) 유기 비히클 총 중량에 대하여, 1 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 1 내지 5 중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상기 첨가제로는 분산제 등 이 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 들 수 있다. 상기 분산제로는 시판되는 계면 활성제를 이용할 수 있고, 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 상기 계면 활성제의 예로는 비이온성 계면활성제로서 알킬 폴리옥시에틸렌에테르, 알킬아릴 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리옥시에틸렌 폴리옥시프로필렌 공중합체와 같은 에테르형; 글리세린에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르, 솔비탄 에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르, 솔비톨 에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르 같은 에스테르에테르형; 폴리에틸렌글리콜지방산에스테르, 글리세린에스테르, 솔비탄에스테르, 프로필렌글리콜에스테르, 슈가에스테르, 알킬폴리글루코시드 같은 에스테르형; 지방산알카놀아미드, 폴리옥시에틸렌지방산아미드, 폴리옥시에틸렌알킬아민, 아민 옥사이드 같은 함질소형이 있으며; 고분자계 계면활성제로서 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산-말레인산 공중합체, 폴리 12-히드록시스테아린산 등을 들 수 있다.
또한, 상기 계면활성제로 시판되는 상품으로는 하이퍼머(hypermer) KD(Uniqema 제조), AKM 0531(일본유지㈜ 제조), KP(신에쯔 가가꾸 고교㈜ 제조), 폴리플로우 (POLYFLOW)(교에이샤 가가꾸㈜ 제조), 에프톱(EFTOP)(토켐 프로덕츠사 제조), 아사히가드(Asahi guard), 서플론(Surflon)(이상, 아사히 글라스㈜ 제조), 솔스퍼스(SOLSPERSE)(제네까㈜ 제조), EFKA(EFKA 케미칼스사 제조), PB 821(아지노모또㈜ 제조), BYK-184, BYK-185, BYK-2160, Anti-Terra U(BYK사 제조) 등을 들 수 있다.
본 발명의 태양전지 후면전극용 은 페이스트 조성물은 후면 전극의 저항을 낮추고, 불순물 함유량을 최소화하여 납땜특성을 향상시켜 태양전지 및 모듈의 효율이 향상시킨다.
이하에서, 실시예, 제조예 및 시험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기의 실시예, 제조예 및 시험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예1 내지 실시예3, 비교예1 내지 비교예4: 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물의 제조
하기 표 1에 기재된 구성요소를 하기 표 1에 기재된 함량으로 혼합하였다. 그 후, 자전 및 공전을 동시에 수행하는 믹서를 이용하여 1,000rpm에서 3분간 교반하여 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물의 제조하였다.
한편, 유리 프릿의 조성 및 Tg(전이점), 열팽창계수, Tdsp(연화점)은 표 2에 기재되어 있다.
| 은 분말 | 알루미늄 분말 | 유리 프릿 | 유기 비히클 | ||||||
| 프릿 1 | 프릿 2 | c-1 | c-2 | 총합 | |||||
| 평균입경 (D50) |
중량% | 평균입경 (D50) |
중량% | 중량% | 중량% | 중량% | 중량% | 중량% | |
| 실시예1 | 0.5㎛ | 70 | - | - | 4.5 | - | 21 | 4.5 | 25.5 |
| 실시예2 | 1.0㎛ | 70 | - | - | 4.5 | - | 21 | 4.5 | 25.5 |
| 실시예3 | 1.5㎛ | 70 | - | - | 4.5 | - | 21 | 4.5 | 25.5 |
| 비교예1 | 3㎛ | 70 | - | - | 4.5 | - | 21 | 4.5 | 25.5 |
| 비교예2 | 0.1㎛ | 70 | - | - | 4.5 | - | 21 | 4.5 | 25.5 |
| 비교예3 | 1.0㎛ | 67.5 | 4.5㎛ | 2.5 | 4.5 | - | 21 | 4.5 | 25.5 |
| 비교예4 | 1.0㎛ | 70 | - | - | - | 4.5 | 21 | 4.5 | 25.5 |
c-1: 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르
c-2: 에틸셀룰로오스
|
|
Bi2O3(mol%) | SiO2(mol%) | Al2O3(mol%) | B2O3(mol%) | SrO(mol%) | Tg(℃) | 열팽창계수 (10-7/℃) |
Tdsp(℃) |
| 프릿1 | 26.0 | 32.0 | 6.5 | 30.0 | 5.5 | 453 | 77 | 5 07 |
| 프릿2 | 28.5 | 34.0 | 6.5 | 31.0 | 0 | 462 | 77 | 515 |
제조예1 내지 제조예3, 비교제조예1 내지 비교제조예4: 태양전지의 제조
크기가 156Ⅹ156㎜이고, 두께가 200㎛인 단결정 웨이퍼에 표면 텍스쳐링 공정을 수행하여 피라미드 높이가 약 4 내지 6㎛가 되도록 형성시켰다. 그 후, 웨이퍼의 N-측 상에 SiNx를 코팅하였다. 이어서, 웨이퍼의 후면에 실시예1 내지 실시예3, 비교예1 내지 비교예4의 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물을 이용하여 버스 바(Bus Bar)를 인쇄하고 건조시켰다. 그 후, 동우화인켐㈜사 알루미늄 전극 페이스트(상품명: AMP-BL122C)를 스크린 인쇄판을 이용하여 도포하고 건조시키고, 전면 SiNx측 상에 은-페이스트를 이용하여 핑거 라인(Finger Line)을 인쇄하고 건조하였다. 상기 과정을 거친 실리콘 웨이퍼를 적외선 연속 소성로에서 소성영역의 온도가 800~950℃가 되도록 하여 소성하여 태양전지를 제조하였다. 여기서, 소성공정은 상기 실리콘 웨이퍼를 벨트 로(Belt Furnace) 내로 통과시키면서 전후면 동시 소성으로 수행될 수도 있다. 이때, 벨트 로(Belt Furnace)는 약 600℃의 번-아웃(Burn-out) 구간과 860℃ 부근의 파이어링(Firing) 구간을 포함하며, 페이스트 내 유기물을 태워 없앤 후, 전후면 은 또는 은/알루미늄을 용융시켜서 전극이 형성되게 한다.
한편, 버스 바를 형성할 때 사용한 실시예1 내지 실시예3, 비교예1 내지 비교예4의 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물에 따라, 제조예1 내지 제조예3, 비교제조예1 내지 비교제조예4라 태양전지를 명명하였다.
시험예: 태양전지의 특성 평가
<태양전지 효율 평가>
핏테크(FitTech)사의 태양전지 성능 평가 장치인 SCM-1000을 이용하여 평가하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
<휘어짐 평가>
휘어짐을 평가하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 휘어짐에 대한 척도는 다음과 같다.
양호: 1㎜ 미만, NG: 1 ㎜ 초과
<전지 납땜 특성 평가>
구리에 96.5Sn/3.5Ag조성이 코팅된 재질의 리본과 62Sn/36Pb/2Ag의 조성으로 코팅된 2가지 재질의 리본을 이용하여 태양전지들의 납땜 특성을 평가하였다. Pb-함유(62Sn/36Pb/2Ag) 납땜을 위한 납땜 온도는 230℃이었고, Pb무함유(96.5Sn/ 3.5Ag) 납땜을 위한 납땜온도는 320℃이었고, 납땜 시간은 5 내지 7초였다. 사용된 플럭스는 MF200이었다.
그리고, 납땜 특성은 접착 강도로 평가된다. 접착 강도는 전지의 표면에 대해 90°의 각도로 리본을 잡아당겨 얻었다. 200g 미만의 접착 강도는 낮고, 200g 내지 300g 범위의 값은 적절하며; 300 내지 400g 또는 그보다 큰 값은 양호한 것으로 접착강도를 평가하였고, 결과를 표 3에 나타내었다.
| 제조예1 | 제조예2 | 제조예3 | 비교제조예1 | 비교제조예2 | 비교제조예3 | 비교제조예4 | ||
| 태양전지 효율(%) | 17.5 | 17.6 | 17.5 | 17.3 | 17.1 | 17.1 | 17.4 | |
| 휘어짐 | 양호 | 양호 | 양호 | 양호 | NG | 양호 | 양호 | |
| 납땜특성 (g) |
62Sn/36Pb/2Ag | 564 | 523 | 635 | 453 | 374 | 321 | 380 |
| 96.5Sn/ 3.5Ag | 379 | 321 | 346 | 286 | 223 | 199 | 293 | |
표 3을 참조하면, 본 발명의 따른 제조예들이 비교제조예보다 효율이 0.2~0.5% 차이가 나므로, 효율이 우수하고, 납땜 특성도 우수함을 알 수 있다.
Claims (6)
- (a) 평균입경(D50)이 0.3 내지 1.5㎛이고 구형 또는 판상형인 도전성 은 분말;
(b) Bi2O-3-SiO2-Al2O3-B2O3-SrO계 유리 프릿; 및
(c) 유기 비히클을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
조성물 총 중량에 대하여,
상기 (a) 도전성 은 분말 65 내지 75 중량%;
상기 (b) Bi2O-3-SiO2-Al2O3-B2O3-SrO계 유리 프릿 0.1 내지 10 중량%; 및
상기 (c) 유기 비히클 20 내지 34.9 중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 (a) 도전성 은 분말은 최대입경(DMAX)이 4.5㎛이고, 최소입경(DMIN)이 0.1㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 (b) Bi2O-3-SiO2-Al2O3-B2O3-SrO계 유리 프릿의 조성비는 Bi2O-3 20 내지 30mol%, SiO2 25 내지 35mol%, Al2O3 5 내지 15mol%, B2O3 20 내지 40mol%, 및 SrO 1 내지 10mol%인 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 (c) 유기 비히클은,
상기 (c) 유기 비히클의 총 중량에 대하여, 고분자 수지 1 내지 25 중량% 및 용매 잔량을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
알루미늄 분말을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물.
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