KR20120100698A - 전도성 조성물, 이를 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

전도성 조성물, 이를 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20120100698A
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최광성
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Abstract

본 발명은 금속 분말; 솔더 분말; 경화성 수지; 환원제; 및 경화제를 포함하는, 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바 제조에 쓰이는 조성물을 제공한다. 본 발명은 또한 위하여 실리콘 태양전지 전면 전극 핑거라인이 형성된 실리콘 태양전지 전면에 종래의 실버 페이스트 대신에 상기 조성물을 적용하여 상기 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바에 상기 조성물을 인쇄하고 건조하는 단계; 및 상기 기판을 솔더 분말의 융점 이상에서 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바 제조 방법을 제공하며, 상기 전도성 조성물로 형성된 전면 전극 버스바를 포함하는 기판을 제공한다. 본 발명은 또한 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 전도성 조성물로 형성된 전면 전극의 버스바를 함유하는 실리콘 태양전지를 제공한다. 본 발명은 또한 금속 분말과 유리프릿을 포함하는 조성물로 제1전극 어레이를 형성하는 단계, 제2전극을 형성하는 단계, 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 조성물로 제3전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.

Description

전도성 조성물, 이를 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법{Conducting composition, silicon solar cell comprising the conducting composition, and its preparation for the same}
본 발명은 전도성 조성물, 이를 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 화석 연료의 사용량이 증가하고, 이로 인하여 에너지 자원이 고갈되고, 지구 온난화가 일어나 기후가 변화하는 등의 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 무한 청정 에너지인 태양 에너지를 에너지원으로 하는 태양광 발전에 대한 연구, 개발이 전세계적으로 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고 지금까지의 태양광 발전은 기존의 화석 연료로 인한 발전에 비하여 가격이 비싸서 경제성이 떨어진다는 문제가 있었다. 그러므로 태양광 발전에 있어서는 기존의 발전 비용과 태양광 발전 비용이 동일해 지는 그리드 패러티(Grid parity)를 목표로 태양광 발전의 저가화를 위한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
태양광 발전을 위해 사용되는 태양전지는 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지, 적층형 태양전지 등으로 분류할 수 있다. 현재에는 이 중 신뢰성이 보장된 실리콘 태양전지가 주로 (80% 이상) 사용되고 있다. 그러나 실리콘 태양전지는 기판으로 실리콘을 사용하고, 전극으로 은 페이스트를 사용하는 등 고가의 재료를 사용하고 있기 때문에 그리드 패러티를 이루기 위하여 소재들을 저가화하거나 저가의 소재로 전환할 필요가 있다.
종래의 일반적인 실리콘 태양전지의 구조 및 제조 과정은 다음과 같다.
(1) p-type 실리콘 웨이퍼 기판 형성: 먼저 p-type 실리콘 웨이퍼 기판을 형성한다.
(2) p-n 접합 구조 형성: p-type 실리콘 웨이퍼 기판상에 인(phosphorus) 등의 5가 원소를 열 확산시켜 실리콘 웨이퍼 기판의 전체 표면에 n-type 층을 형성한다. 이로써 p-type 실리콘 웨이퍼와 n-type층간의 p-n 접합이 형성된다.
(3) 후면의 n-type층 제거: 실리콘 웨이퍼 기판 전면의 n-type 층을 포토레지스터로 보호하고 후면의 n-type 층을 식각을 통하여 제거한 다음, 유기용매를 이용하여 n-type층의 포토레지스터를 제거한다.
(4) 반사방지막 형성: n-type층 위에 반사방지막으로서 실리콘 질화막 (SiNx)을 PECVD (Plasma-Enhanced Chmical Vapor Deposition)로 증착한다.
(5) 전극 형성: 실리콘 웨이퍼 기판의 전면 전극은 통상적으로 H-pattern으로 형성되는데 이 H-pattern은 여러 개의 평행선으로 이루어진 핑거라인(finger line)과, 이 핑거라인과 직각이며 두 개의 너비가 1.5~2 mm인 버스바(busbar)로 구성된다. 스크린 프린팅에 의하여 전면 전극용 은 페이스트로 핑거라인과 버스바들을 동시에 인쇄하고 건조시킨다. 이에 더하여 실리콘 웨이퍼의 후면 전체에는 후면 전극용으로 알루미늄 페이스트를 도포하고 건조시킨다. 다른 실리콘 태양전지와 연결하기 위하여 사용하는 솔더를 입힌 구리 리본과 접착하기 위하여 너비가 1~2mm인 후면 버스바용 알루미늄/은 페이스트를 상기 알루미늄 후면 전극 위에 스크린 프린팅으로 인쇄하고 건조시킨다. 건조된 전면 전극과 후면 전극을 700℃ 이상의 고온으로 소성(Firing)한다. 소성에 의하여 후면 전극용 알루미늄 페이스트의 알루미늄이 실리콘 기판으로 확산되어 P+ 층을 형성한다. 또한 소성에 의하여 알루미늄 페이스트는 알루미늄 후면 전극으로 변형되고, 알루미늄/은 페이스트는 알루미늄/은 후면전극 버스바로 변형된다. 동시에 소성에 의하여 전면 전극용 은 페이스트가 실리콘 질화막을 뚫고 들어가는 fire-through 현상이 나타나 n-type 층과 전기적으로 연결 되게 되며 핑거라인과 버스바는 전면 전극으로 변형된다.
은 전면 전극의 핑거라인, 버스바와 알루미늄/은 후면 전극 버스바에 들어 가는 은은 고가의 희귀 금속으로 가격이 급속히 상승하고 있다. 특히 매년 30 ~ 40% 이상 증가하는 태양전지에 사용 되고 있어서 가격이 더욱더 급등 할 것으로 예상된다. 따라서 실리콘 태양전지를 널리 사용하기 위해서는 고가의 은 페이스트 재료의 사용량을 줄이거나 이를 다른 재료로 대체할 필요가 있다.
WO92/22928은 전면 전극 버스바로서 은 페이스트를 사용한 종래의 태양전지를 개시하고 있다. 상기 문헌에서 전면 전극은 두 단계로 인쇄된다. 전면 전극 핑거라인은 실리콘 질화막 등의 반사방지막을 뚫고 들어(Fire-through) 갈 수 있는 소재(예를 들면, 은과 유리프릿입자를 함유하는 페이스트)로 인쇄하고 전면 전극 버스바는 반사방지막을 뚫고 들어(Fire-through) 가지 않는 소재로 된 은 페이스트(예를 들면, 은-에폭시 페이스트)로 인쇄하고 소성한다. 전면 전극 버스바 아래에 금속/실리콘 접촉면을 형성하지 않기 때문에 전자와 정공의 재결합이 최소화되어 실리콘 태양 전지의 open-circuit voltage가 증가하고 이에 따라 실리콘 태양전지의 변환 효율이 우수하다.
이때 전면 전극 버스바에는 은 페이스트가 사용된다. 소성시 은 페이스트로부터 은 산화물이 생성되는데 은 산화물이 전도체이므로 페이스트 내의 금속 입자간 또는 태양전지 모듈 제작시 여러 실리콘 태양전지를 서로 연결하는 솔더를 입힌 구리 리본과의 전기적 접착이 잘 이루어진다는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 은 소재가 고가라는 점을 고려하여 전극 버스바의 소재로서 은 이외의 다른 금속 분말 (구리, 니켈, 솔더 등)의 페이스트를 사용하여 인쇄하고 소성하면 이들 금속의 산화막이 생성되는데 이들은 부도체이므로 페이스트 내의 금속 입자간 또는 태양전지 모듈 제작시 여러 실리콘 태양전지를 서로 연결하는 솔더를 입힌 구리 리본과의 기계적, 전기적 접착이 잘 되지 않는 문제점이 있다.
WO 92/22928
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한 이러한 전도성 조성물로 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이러한 전도성 조성물로 형성된 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바를 포함하는 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 전도성 조성물을 함유하는 실리콘 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기 실리콘 태양전지를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속 분말; 솔더 분말; 경화성 수지; 환원제; 및 경화제를 포함하는, 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바 제조에 쓰이는 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 실리콘 태양전지 전면 전극 핑거라인이 형성된 실리콘 태양전지 전면에 종래의 실버 페이스트 대신에 상기 조성물을 적용하여 상기 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바에 상기 조성물을 인쇄하고 건조하는 단계; 및 상기 기판을 솔더 분말의 융점 이상에서 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바 제조 방법을 제공하며, 상기 전도성 조성물로 형성된 전면 전극 버스바를 포함하는 기판을 제공한다.
본 발명은 또한 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 전도성 조성물로 형성된 전면 전극의 버스바를 함유하는 실리콘 태양전지를 제공한다. 전면 전극 버스바용 전도성 조성물에 환원제를 첨가함으로써 소성시 전도성 조성물 안의 전도성 분말에 의하여 형성되는 산화막을 제거함으로써 금속 분말들이 전기적인 접촉을 이루게 하여 전기적 비접촉 문제를 해결하였다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속 분말과 유리프릿을 포함하는 조성물로 제1전극 어레이를 형성하는 단계, 제2전극을 형성하는 단계, 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 조성물로 제3전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따라 광전환 효율이 우수하거나, 광전환 효율은 동등한 수준이면서 경제적인 새로운 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지는 전면 전극의 버스바의 소재로서 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 전도성 조성물을 사용함으로써 금속 산화막 생성으로 인한 비접착 문제를 해결할 뿐 아니라, 전도성 조성물 자체가 실리콘 질화막을 뚫고 들어가 n-type층과 접촉면을 형성하지 않으므로 전지의 open circuit voltage를 증가시켜 전지의 광전환 효율을 증가시킨다. 더욱이, 금속 페이스트로서 구리 및 니켈을 함유하는 경우 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의해서 제조된 실리콘 태양전지의 평면도이다.
도 2a~2g는 본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 판형(flake) 구리 분말의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 솔더 분말의 SEM 사진이다.
본 발명은 금속 분말; 솔더 분말; 경화성 수지; 환원제; 및 경화제를 포함하는, 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바 제조에 쓰이는 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한 실리콘 태양전지 전면 전극 핑거라인이 형성된 실리콘 태양전지 전면에 종래의 실버 페이스트 대신에 상기 조성물을 적용하여 상기 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바에 상기 조성물을 인쇄하고 건조하는 단계; 및 상기 기판을 솔더 분말의 융점 이상에서 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바 제조 방법을 제공하며, 상기 전도성 조성물로 형성된 전면 전극 버스바를 포함하는 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은,
p-n 접합구조를 갖는 실리콘 기판,
상기 실리콘 기판 전면에 형성된 반사 방지막층,
상기 반사 방지막층을 관통하여 상기 실리콘 기판 전면에 전기적, 기계적으로 접합되는 제1전극 어레이,
상기 실리콘 기판 후면에 형성된 제2전극,
상기 제1전극 어레이에 전기적, 기계적으로 접합되고 상기 실리콘 기판의 전면에는 연결되지 않으며 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 전도성 조성물을 함유하는 하나 이상의 제3전극
을 포함하는 실리콘 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은,
(1) p-n 접합구조를 형성하는 실리콘 기판을 형성하는 단계,
(2) 상기 실리콘 기판 전면에 반사 방지막층을 형성하는 단계,
(3) 상기 반사 방지막층 위에 금속 분말과 유리프릿을 포함하는 제1 전도성 조성물을 인쇄하고 건조, 소성하여 제1전도성 조성물이 반사 방지막을 관통하여(fire-through) 상기 실리콘 기판 전면에 전기적, 기계적으로 접합하여 제1전극 어레이를 형성하는 단계,
(4) 상기 실리콘 기판 후면에 금속 분말과 유리프릿을 포함하는 제2 전도성 조성물을 인쇄하고 소성하여 제2 전극을 형성하는 단계,
(5) 상기 반사 방지막과 상기 제1전극 어레이 위에 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 제3전도성 조성물을 인쇄하고 건조하고 소성하여 상기 반사 방지막에 기계적으로 접합하고 상기 제1전극에 전기적, 기계적으로 접합되며 상기 실리콘 기판의 전면에는 연결되지 않는 제3전극을 형성하는 단계
를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 의하여 제조된 실리콘 태양전지(1)의 평면도이다.
실리콘 태양전지의 전면에는 빛의 의해 생성된 전자를 수집하는 핑거라인(51)과, 이 핑거라인(51)을 다른 실리콘 태양전지와 연결하기 위하여 사용하는 솔더를 입힌 구리 리본과 접착하기 위한 버스바(80)를 포함하는 전극이 있다. 종래의 실리콘 태양전지는 전면 전극 핑거라인과 버스바를 은 페이스트로 인쇄하고 건조한 다음 700℃ 이상의 고온에서 소성하는 과정을 거친다. 소성에 의하여 은 페이스트는 실리콘 질화막을 뚫고 들어가 (Fire-through) n-type 층에 전기적으로 연결된다. 반면, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지는 전면 전극 버스바를 종래의 은 페이스트 대신 전도성 분말 및 환원제를 포함하는 전도성 조성물로 인쇄하고 건조한 다음 낮은 온도에서 소성한다. 전도성 분말로서 구리 등을 사용할 경우 전통적으로 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바 제작에 사용되고 있는 고가의 은 페이스트를 저가의 전도성 조성물로 대체할 수 있어 실리콘 태양전지의 저가화를 기할 수 있다. 또한 본 발명의 버스바용 전도성 조성물은 실리콘 질화막을 뚫고 들어가지 않아서 n-type 층과 접촉면을 형성하지 않기 때문에 버스바 아래 영역에서 전자와 전공의 재결합을 최소화할 수 있다. 이에 따라 실리콘 태양전지의 Open circuit voltage를 증가시켜서 실리콘 태양전지의 변환 효율을 증가시킨다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실리콘 태양전지의 일 예의 제조과정을 나타낸다. 도 2a 내지 도 2g를 참조하여 본 발명의 실리콘 태양전지의 제조과정을 구체적으로 설명한다.
(1) p-type 실리콘 웨이퍼 기판 형성: 먼저 p-type 실리콘 웨이퍼 기판(2)을 형성한다. 도 2a는 태양전지제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2)을 나타낸다
(2) p-n 접합 구조 형성: 상기 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2)에 인(phosphorus) 등의 5가 원소를 열 확산시켜 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(2)의 전체 표면에 n-type 층(20)을 형성한다. 이에 따라 p-type 실리콘 웨이퍼와 n-type층간의 p-n 접합이 형성된다. 도 2b는 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2) 상에 n-type 층(20)이 형성되어 p-n 접합이 이루어진 모습을 나타낸다.
(3) 후면의 n-type층 제거: 상기 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2) 전면의 n-type 층(20)을 포토레지스터로 보호하고 상기 기판(2) 후면의 n-type 층(20)을 식각을 통하여 제거한 다음, 유기 용매를 사용하여 n-type 층(2)을 보호하는 포토레지스터를 제거한다. 이에 따라 도 2c에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2) 전면에 n-type층(20)만이 남게 된다.
(4) 반사방지막 형성: 다음 단계에서는 도 2d에 도시된 바와 같이 전면의 n-type 층(20) 위에 반사방지막(30)으로서 실리콘 질화막 (SiNx)을 PECVD (Plasma-Enhanced Chmical Vapor Deposition)로 증착한다.
(5) 전극 형성: 도 2e에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2) 전면에는 전면 전극 핑거라인을 구성할 전면 전극용 은 페이스트(50)만을 스크린 프린팅으로 인쇄하고 건조시킨다. 본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 제조 과정에서는 종래의 제조 과정과는 달리 전면 전극 버스바는 고온 소성 후 전면 전극용 은 페이스트 대신에 전도성 조성물로 인쇄된다.
또한 실리콘 웨이퍼 p-type 기판(2) 후면에는 후면 전극용으로 알루미늄 페이스트(60)를 도포하고 건조시킨다. 이 알루미늄 후면 전극 위에 후면 버스바용으로 알루미늄/은 페이스트(70)를 스크린 프린팅으로 인쇄하고 건조시킨다. 이 알루미늄/은 페이스트(70)는 다른 실리콘 태양전지와 연결하기 위하여 사용하는 솔더를 입힌 구리 리본과 접착하기 위하여 사용되며 주로 너비가 1.5~2mm인 것을 사용한다.
(6) 소성: 다음 단계에서는 전면 전극 핑거라인, 후면 전극, 후면 전극 버스바를 형성하기 위하여 상술한 전지를 섭씨 700℃ 이상의 고온으로 소성(Firing)한다. 소성 시 후면 전극용 알루미늄 페이스트(60)의 알루미늄은 실리콘 기판으로 확산되어 p+ 층(40)을 형성하고, 알루미늄 페이스트(60)는 알루미늄 후면 전극(61)으로 변형되고, 알루미늄/은 페이스트(70)는 알루미늄/은 후면 전극 버스바(71)로 변형된다. 동시에 전면 전극 핑거라인용 은 페이스트(50)는 소성시 실리콘 질화막을 뚫고 들어가(fire-through) n-type 층(20)에 전기적으로 연결되며 전면 전극 핑거라인(51)으로 변형된다(도 2f 참조).
(7) 전면 전극 버스바 형성: 고온 소성한 다음 도 2g에 도시된 바와 같이 너비가 1.5 ~ 2mm인 전면 전극 버스바(80)를 본 발명의 전도성 조성물로 스크린 프린팅하여 인쇄하고 건조시킨 후 저온 소성하여 본 발명에 따른 실리콘 태양전지를 제조한다.
본 발명의 실리콘 태양전지 전면 전극의 버스바를 제조하는데 사용되는 전도성 조성물은 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함한다. 상기 전도성 분말은 금속 분말과 솔더 분말을 포함한다.
본 발명의 전도성 조성물에 포함되는 금속 분말은 전자 이동의 경로로 작용할 수 있으며 기계적으로 지탱하는 역할을 하고 전면 전극의 버스바에 필요한 강도, 인성(toughness)을 제공한다. 이러한 금속 분말은 융점이 500℃ 이상이고 솔더 분말과 금속간 화합물을 형성할 수 있는 금속 물질이 사용될 수 있다. 이러한 금속 물질로는 구리, 니켈, 금, 은, 및 이들의 조합물 등이 사용될 수 있다. 광전환 효율 및 경제성을 고려할 때 이들 중 니켈 또는 구리가 바람직하며, 구리가 특히 더 바람직하다.
금속 분말의 형태는 판형(flake), 구형, 구형에 돌기가 있는 형태 등 일 수 있다. 일례로서 판형의 구리 분말에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이 도 3에 도시되어 있다. 분말 형태가 솔더와의 반응성 및 조성물의 점도에 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 형태의 금속 분말을 선택하도록 한다.
금속 분말은 전도성 조성물의 총 체적(volume)을 기준으로 1 내지 50 체적%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위를 충족할 경우 공정에 유리한 점도를 확보할 수 있고 우수한 전기 전도도를 얻을 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 전도성 조성물에 포함되는 솔더 분말은 금속 분말과 금속간 화합물을 형성하여 전기적 통로를 제공하고 접착력을 높임으로써 기계적 강도와 인성을 높이는 역할을 하며, 구리 리본의 솔더와도 접착하여 솔더를 입힌 구리 리본과 금속 분말, 금속 분말과 금속 분말을 전체적으로 이어주어 전기 저항을 감소시키고 강도를 증가시키는 역할을 한다. 또한, 전면 전극의 버스바용 전도성 조성물의 소성 공정 온도는 솔더 분말의 융점 이상이므로 공정에 필요한 낮은 점도를 보여주며 소성 공정 이후에는 낮은 온도의 솔더가 모두 금속간 화합물로 변하고 잔류 솔더가 없거나 혹은 반응에 참여하지 않은 고융점의 금속만이 남으므로 소성 공정 이후의 고온 공정에서 전면 전극의 버스바용 전도성 조성물 소재의 상(phase) 변화가 일어나지 않아 소자의 신뢰성을 보장할 수 있다.
이러한 솔더 분말로는 금속분말 및 솔더를 입힌 구리 리본과 금속간 화합물을 형성할 수 있는 Sn, In, Bi, PB, Zn, Ga, Te, Hg, To, Sb, 및 Se로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질일 수 있으며, 바람직하게는 Sn, In, SnBi, SnAgCu, SnAg, Sn, In, AuSin, 및 InSn로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질일 수 있다.
솔더 분말도 판형, 구형, 구형에 돌기가 있는 형태 등일 수 있으며, 입도는 IPC 표준, J-STD-005 "Requirements for soldering Paste"에 의해 정의된다. 솔더 분말의 평균 입경은 환원제의 환원력과 함량에 영향을 미칠 수 있으므로 두 물질의 상관관계를 고려하여 적절하게 선택되어야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 솔더 분말의 SEM 사진을 나타낸다. 솔더 분말은 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물의 총 체적을 기준으로 1 내지 50 체적%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위를 충족할 경우 공정에 유리한 점도를 확보할 수 있고 우수한 전기 전도도를 얻을 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 전도성 조성물에 포함되는 환원제는 금속 분말, 솔더 분말, 솔더를 입힌 구리 리본의 산화막을 제거하여 솔더 분말과 금속 분말, 구리 리본의 솔더가 반응하여 금속간 화합물을 형성하는 역할을 한다.
이러한 환원제의 비제한적인 예로는 알데히드계, 아민계, 또는 카복실기를 포함하는 산을 들 수 있다. 이들 중 카복실기를 포함하는 산이 바람직하다. 예를 들면, 글루타르산(glutaric acid), 말산(malic acid), 아젤레익산(azelaic acid), 아비에트산(abietic acid), 아디프산(adipic acid), 아스코르브산(ascorbic acid), 아크릴산(acrylic acid), 시트르산(citric acid) 등일 수 있다. 환원제는 경화성 수지 대비 중량비로 0.5 내지 20 phr일 수 있다. 상기 함량 범위를 충족할 경우 금속간 화합물 형성도중 기포발생을 최소화할 수 있다.
본 발명의 조성물에 포함되는 경화성 수지는 금속 분말, 솔더 분말, 환원제, 경화제 등을 운반하고 전체적인 점도를 결정하는 중요한 인자로서, 온도가 상승할수록 점도가 떨어지는 특성을 나타낸다. 또한, 경화제와 반응하여 경화함으로 금속의 응력이나 열팽창 계수에 따른 변위를 흡수하는 역할을 한다. 특히, 금속간 화합물은 취성(brittleness)이 높아 충격에 의해 쉽게 파괴되지만 경화된 수지로 인해 금속간 화합물은 높은 인성을 가질 수 있으며 이로 인해 기계적으로 전기적으로 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 또한, 흡습 신뢰성 시험시 금속이나 금속간 화합물에 수분이 침투하는 것을 방지하는 역할도 수행한다.
이러한 경화성 수지로는 당업계에 통상적으로 알려진 에폭시 수지 및 페놀 수지를 사용할 수 있다. 특히, 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 비스페놀 A-형 에폭시 수지(예: DGEBA), 4관능성 에폭시 수지(TGDDM), 3관능성 에폭시 수지(TriDDM), 이소시아네이트(Isocyanate), 비스말레 이미드(Bismaleimide) 등 일 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 최근의 친환경 기술 개발 경향에 맞추어 할로겐(halogen)을 포함하지 않은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 할로겐을 포함할 경우, 전기화학적인 이동(migration)이 쉽게 발생하고 이로 인해 전기적 단락(short)과 같은 불량이 발생할 수 있기 때문이다.
경화성 수지는 전도성 조성물의 총 체적을 기준으로 50 내지 95 체적%로 포함될 수 있다. 상기 함량범위를 충족할 경우 공정에 유리한 점도를 확보할 수 있고 우수한 전기 전도도를 얻을 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 전도성 조성물에 포함되는 경화제는 경화성 수지와 반응하여 수지를 경화시키는 역할을 한다. 이러한 경화제의 비제한적인 예로는 통상적으로 알려진 페놀계 경화제, 아미드계 경화제, 아민계 경화제 및 무수물(anhydride)계 경화제 등이 있으며, 바람직하게는 MPDA(Meta Phenylene Diamine), DDM(Diamino Diphenyl Methane), DDS(Diamino Diphenyl Sulfone) 등과 같은 아민(amine)계 경화제, MNA(methyl nadic anhydride), DDSA(Dodecenyl succinicanhydride), MA(Maleic anhydride), SA(Succinic anhydride), MTHPA(Methyltetrahydrophthalic anhydride), HHPA(Hexahydrophthalic Anhydride), THPA(Tetrahydrophthalic anhydride), PMDA(Pyromellitic anhydride) 등과 같은 무수물(anhydride)계 경화제가 사용될 수 있다. 경화성 수지에 대한 경화제의 당량비는 0.4 내지 1.2일 수 있다. 상기 함량범위를 충족할 경우 수지와의 반응 도중 기포 발생을 최소화할 수 있다.
상기 경화성 수지, 환원제 및 경화제는 금속 분말 및 솔더 분말에 개별적으로 첨가되거나 조성물의 형태로 미리 혼합된 후 첨가될 수도 있다.
이외에도, 본 발명에 따른 전도성 조성물은 열팽창 계수가 낮은 실리카, 세라믹 분말 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전도성 조성물은 총 체적을 기준으로 금속 분말을 1 내지 50 체적%, 솔더 분말을 1 내지 50 체적%, 경화성 수지를 50 내지 95 체적%로 포함하고, 환원제를 경화성 수지 대비 중량비 0.5 내지 20 phr로 포함하며, 경화제를 경화성 수지에 대해 0.4 내지 1.2 당량비로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전도성 조성물은 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용으로 사용될 수 있다. 전면 전극 핑거라인이 형성된 실리콘 태양전지 표면에 상기 전도성 조성물을 인쇄하여 적용하고 건조한 다음 상기 실리콘 태양전지를 솔더 분말의 융점 이상에서 가열하여 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바를 형성할 수 있으며, 나아가 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바를 포함하는 기판을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물은 통상의 간단한 스크린 프린팅(screen printing), 금속 마스크 프린팅(metal mask printing), 또는 잉크젯 프린팅(Inkjet printing) 공정을 이용하여 인쇄될 수 있다.
상술한 방법으로 전면 전극 핑거라인이 형성된 실리콘 태양전지 표면에 본 발명에 따른 전면 전극 버스바용 전도성 조성물을 인쇄하고 건조한 다음, 상기 실리콘 태양전지를 솔더 분말의 융점 이상으로 가열한다. 이 과정은 모든 솔더 분말이 금속 분말과 반응하여 금속간 화합물로 전이되는 데 필요한 충분한 시간 동안 수행될 수 있으며, 일반적으로 30초 내지 300분간 수행될 수 있다. 이러한 공정에 의해 솔더 분말은 모두 금속 분말과 반응하여 금속간 화합물로 상 전이되어 후속 공정에서 솔더의 녹음 현상이 관찰되지 않는다.
상기 전도성 조성물은 금속 분말과 솔더 분말에 의해 형성된 금속간 화합물, 상기 금속간 화합물과 금속 분말에 의해 형성된 다공성 매트릭스 및 상기 매트릭스의 기공 내에 채워진 경화된 수지를 포함하도록 구성될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
다음과 같은 공정에 의하여 본 발명에 따른 실리콘 태양전지를 제조하였다.
(1) 180um 두께의 156 X 156 mm p-type(Boron) 단결정 실리콘 기판을 준비하고 이 실리콘 기판의 표면에 POCl3를 열 확산시켜 n-type 에미터를 형성, p-type 실리콘과 p-n 접합을 형성한다.
(2) 실리콘 기판 전면의 n-type 층을 포토레지스터로 보호하고 후면의 n-type 층을 식각을 통하여 제거한다. 실리콘 기판 전면의 포토레지스트를 유기용매를 이용하여 제거하면 실리콘 기판 전면에 n-type 층만 남게 된다.
(3) n-type 층 위에 실리콘 질화막(SiNx)을 PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; 플라즈마에 의한 화학적 기체 증착)를 이용하여 증착하여 반사방지막을 형성한다.
(4) 실리콘 기판 후면 전체에 후면 전극용으로 알루미늄 페이스트(Ferro 33-612)를 도포하고 건조시킨다. 이 알루미늄 후면 전극 위에 너비 2mm 의 후면 버스바용 알루미늄/은 페이스트(Ferro 33-601)를 스크린 프린팅으로 인쇄하고 건조시킨다. 이는 다른 실리콘 태양전지와 연결하기 위하여 사용하는 솔더를 입힌 구리 리본과 접착하기 위함이다.
(5) 전면 전극 핑거라인을 전면 전극용 은 페이스트(Ferro NS33-5D/EX)로 스크린 프린팅 인쇄하고 건조시켰다. 단, 전면 전극 버스바는 전면 전극용 은 페이스트는 인쇄하지 않았다.
(6) 전면 전극과 후면 전극을 형성하기 위하여 상기 기판을 700℃ 이상의 고온으로 소성(Firing)한다.
(7) 소성 후에 너비가 2mm 인 전면 전극 버스바를 본 발명의 전도성 조성물 (경화성 수지로서 에폭시 기반의 디글리시딜에테르 비스페놀 A(DGEBA)를, 금속 분말로서 구리 분말을, 환원제로서 말산(Maleic acid)을, 솔더 분말로서 58Sn/42Bi 솔더를, 경화제로서 DDS(Diamino Diphenyl Sulfone)를 포함함)을 스크린 프린팅 인쇄하고 건조시킨 다음 200℃의 저온에서 소성한다.
<비교예>
실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조단계의 상기 (5)단계에서 전면 전극 핑거라인외에 버스바도 전면전극용 은 페이스트(Ferro NS33-5D/EX)로 스크린 프린팅 인쇄하고 건조하였으며 (7)단계를 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 실시예와 동일한 방식으로 실리콘 태양전지를 제조하였다.
<실험결과>
상기 실시예에 의하여 제조된 본 발명에 따른 실리콘 태양전지와 비교예에 의하여 제조된 종래의 실리콘 태양전지의 특성을 상용 solar simulator(McScience K3000)로 측정하였다. AM 1.5 1 Sun 조명 하에서 저항을 변화시키며 광 전류를 측정하는 I-V curve를 통하여 광전변환 효율을 측정하였다. 측정결과는 하기 표1에 도시되었다.
그룹 광전변환 효율(%)
실시예 12.7
비교예 12.5
실험 결과, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지는 고가의 은을 덜 함유하면서도 종래의 실리콘 태양전지와 비교하여 광전변환 효율이 더 향상되는 것으로 나타났다.
1: 실리콘 태양 전지
2: 실리콘 p-type 웨이퍼 기판
20: 실리콘 n-type 층
30: 반사 방지막
40: 후면 실리콘 p+ 층
50: 전면 전극 핑거라인용 은 페이스트
51: 전면 전극 핑거라인
60: 후면 전극용 알루니늄 페이스트
61: 알루미늄 후면 전극
70: 후면 전극 버스바용 알루미늄/은 페이스트
71: 후면 전극 버스바
80: 전면 전극 버스바

Claims (30)

  1. 금속 분말; 솔더 분말; 경화성 수지; 환원제; 및 경화제를 포함하는, 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바(Busbar)용 전도성 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 융점이 500℃ 이상이고 솔더 분말과 금속간 화합물을 형성할 수 있는 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 구리, 니켈, 은, 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  4. 제1항에 있어서,상기 솔더 분말은 Sn, In, Bi, Pb, Zn, Ga, Te, Hg, To, Sb 및 Se로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 솔더 분말은 Sn, In, Pb, SnBi, SnAgCu, SnAg, Sn, In, AuSin, 및 InSn로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 경화성 수지는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 환원제는 카복실기(COOH-)를 포함하는 산인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 경화제는 아민(amine)계 경화제 및 무수물(anhydride)계 경화제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조성물 총 체적을 기준으로 금속 분말은 1 내지 50 체적%, 솔더 분말은 1 내지 50 체적%, 경화성 수지는 50 내지 95 체적%로 포함되고, 상기 환원제는 경화성 수지 대비 중량비 0.5 내지 20 phr로 포함되며, 상기 경화제는 경화성 수지에 대해 0.4 내지 1.2 당량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 실리카 및 세라믹 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물.
  11. 실리콘 태양전지 전면 전극 핑거라인이 형성된 실리콘 태양전지 전면에 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 적용하여 상기 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바에 상기 조성물을 인쇄하고 건조하는 단계; 및 상기 기판을 솔더 분말의 융점 이상에서 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 조성물로 형성된 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바를 포함하는 기판.
  13. 제12항에 있어서, 상기 실리콘 태양전지 전면 전극 버스바용 전도성 조성물은 상기 조성물의 금속 분말과 솔더 분말에 의해 형성된 금속간 화합물, 상기 금속간 화합물과 금속 분말에 의해 형성된 다공성 매트릭스 및 상기 매트릭스의 기공 내에 채워진 경화된 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판.
  14. p-n 접합구조를 갖는 실리콘 기판,
    상기 실리콘 기판 전면에 형성된 반사 방지막층,
    상기 반사 방지막층을 관통하여 상기 실리콘 기판 전면에 전기적, 기계적으로 접합되는 제1전극 어레이,
    상기 실리콘 기판 후면에 형성된 제2전극,
    상기 제1전극 어레이에 전기적, 기계적으로 접합되고 상기 실리콘 기판의 전면에는 연결되지 않으며 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 전도성 조성물을 함유하는 하나 이상의 제3전극
    을 포함하는 실리콘 태양전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 반사 방지막층은 실리콘 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  16. 제14항에 있어서, 상기 전도성 분말은 금속 분말과 솔더 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 금속 분말은 융점이 500℃ 이상이고 솔더 분말과 금속간 화합물을 형성할 수 있는 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  18. 제16항에 있어서, 상기 금속 분말은 구리, 니켈, 은 및 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 금속 분말은 구리인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  20. 제16항에 있어서,상기 솔더 분말은 Sn, In, Bi, Pb, Zn, Ga, Te, Hg, To, Sb 및 Se로 이루어진 군으로부터 적어도 하나를 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  21. 제16항에 있어서, 상기 솔더 분말은 Sn, In, SnBi, SnAgCu, SnAg, Sn, In, AuSin, 및 InSn로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  22. 제14항에 있어서, 상기 경화성 수지는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  23. 제14항에 있어서, 상기 환원제는 카복실기(COOH-)를 포함하는 산인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  24. 제14항에 있어서, 상기 경화제는 아민(amine)계 경화제 및 무수물(anhydride)계 경화제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  25. 제16항에 있어서, 상기 조성물 총 체적을 기준으로 금속 분말은 1 내지 50 체적%, 솔더 분말은 1 내지 50 체적%, 경화성 수지는 50 내지 95 체적%로 포함되고, 상기 환원제는 경화성 수지 대비 중량비 0.5 내지 20 phr로 포함되며, 상기 경화제는 경화성 수지에 대해 0.4 내지 1.2 당량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  26. 제14항에 있어서, 상기 전도성 조성물은 실리카 및 세라믹 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  27. (1) p-n 접합구조를 형성하는 실리콘 기판을 형성하는 단계,
    (2) 상기 실리콘 기판 전면에 반사 방지막층을 형성하는 단계,
    (3) 상기 반사 방지막층 위에 금속 분말과 유리프릿을 포함하는 제1 전도성 조성물을 인쇄하고 건조, 소성하여 제1전도성 조성물이 반사 방지막을 관통하여(fire-through) 상기 실리콘 기판 전면에 전기적, 기계적으로 접합하여 제1전극 어레이를 형성하는 단계,
    (4) 상기 실리콘 기판 후면에 금속 분말과 유리프릿을 포함하는 제2 전도성 조성물을 인쇄하고 소성하여 제2 전극을 형성하는 단계,
    (5) 상기 반사 방지막과 상기 제1전극 어레이 위에 전도성 분말, 경화성 수지, 환원제 및 경화제를 포함하는 제3전도성 조성물을 인쇄하고 건조하고 소성하여 상기 반사 방지막에 기계적으로 접합하고 상기 제1전극에 전기적, 기계적으로 접합되며 상기 실리콘 기판의 전면에는 연결되지 않는 제3전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 제14항 내지 제26항에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1전도성 조성물의 금속 분말은 은인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제2전도성 조성물의 금속 분말은 알루미늄 또는 은인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
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