KR20130024390A - 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 금속 페이스트는 도전성 금속 입자, 유리 프릿(frit), 바인더, 요변성(thixotropy) 부여제 및 유기 용매를 함유하며, 하기의 관계식 1 및 관계식 2를 만족하는 특징이 있다.
(관계식 1)
4 ≤ TI10 ≤ 7
(관계식 2)
20 ≤ TI100 ≤ 30
(상기 관계식 1에서 TI10은 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 10s-1에서의 점도로 나눈 값이며, 상기 관계식 2에서 TI100은 전단 속도 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 100s-1에서의 점도로 나눈 값이다.)
(관계식 1)
4 ≤ TI10 ≤ 7
(관계식 2)
20 ≤ TI100 ≤ 30
(상기 관계식 1에서 TI10은 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 10s-1에서의 점도로 나눈 값이며, 상기 관계식 2에서 TI100은 전단 속도 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 100s-1에서의 점도로 나눈 값이다.)
Description
본 발명은 태양전지의 전극을 형성하기 위한 금속 페이스트에 관한 것으로, 상세하게, 전극에 의해 수광면적이 작아지는 손실(shading loss)이 최소화되면서도 우수한 전기전도도를 갖는 전극이 제조되는 금속 페이스트에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다.
태양전지의 효율감소의 여러 가지 원인 중 빛 흡수 손실(shadowing loss)을 줄이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 빛 흡수 손실은 전면 전극이 태양전지 표면에 인쇄되기 때문에 입사되는 빛을 가리게 되고 이로 인하여 전극의 밑 부분(전극이 인쇄되는 부분)에서는 전자와 정공이 생성되지 못하여, 태양전지의 효율을 감소시킨다.
태양전지의 수광면에 형성되는 전면 전극은 일 방향으로 띠 형상으로 신장되는 버스 바 전극과 상기 버스 바 전극과 접속되고, 버스 바 전극의 신장 방향과 직교하는 방향으로 신장되는 핑거 전극을 포함하여 구성된다. 나아가, 일반적으로 버스 바 전극은 핑거 전극에 비해 20 배 이상의 넓은 면적을 차지하여 핑거 전극과 함께 효율 감소의 큰 원인으로 작용하고 있다.
전극에 의해 수광면적이 작아지는 손실을 줄이기 위해서는 전극을 가늘게 만들어 전극이 차지하는 면적을 줄여야 한다. 하지만 전극을 가늘게만 만들면 전극의 전기전도도가 낮아지기 때문에 또 다른 효율 감소의 원인이 된다.
이를 해결하기 위해서는 전극의 단면적을 일정하게 유지하면서 전극을 가늘게 만들어야 하는데 이는 결국 전극의 종횡비를 높이는 것이다. 따라서, 빛 흡수 손실을 낮춰 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 고 종횡비 (High aspect ratio)를 구현할 수 있는 은 전면 전극 (front silver electrode) 소재 기술 개발이 절실한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제2011-0023776호는 전도성 금속 분말, 비수용매, 고분자 코팅성 향상제를 포함하는 전도성 조성물을 제공하나, 상기 대한민국 공개특허공보 제2011-0023776호는 서로 다른 휘발특성을 갖는 둘 이상의 비수 용매를 혼합하여 전도성 조성물을 점도를 조절하는 것이며, 대한민국 공개특허공보 제2010-0127619호는 유리 프릿 분말, 은 분말, 및 유기 바인더와 함께 탄소계 물질 분말을 더 포함하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물을 제공하나, 상기 대한민국 공개특허공보 제2010-0127619호는 고가의 은의 소모를 최소화하며 전극의 전기적 특성이 실질적으로 감소되지 않는 조성물을 제공할 뿐이다.
본 발명은 빛 흡수 손실(shadowing loss)이 최소화되는 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트를 제공하는 것이며, 상세하게는 유변학 특성이 제어되어 인쇄 공정을 이용하여 고 종횡비의 전극이 형성되는 금속 페이스트를 제공하는 것이다.
이하 본 발명의 금속 페이스트를 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 태양전지 전극 형성용 페이스트인 특징이 있으며, 보다 특징적으로 인쇄, 보다 더 특징적으로 스크린 인쇄에 의해 태양전지 전극을 형성하기 위한 페이스트인 특징이 있다.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 도전성 금속 입자, 유리 프릿(frit), 바인더, 요변성(thixotropy) 부여제 및 유기 용매를 함유하는 특징이 있으며, 하기의 관계식 1 및 관계식 2를 만족하는 금속 페이스트인 특징이 있다.
(관계식 1)
4 ≤ TI10 ≤ 7
(관계식 2)
20 ≤ TI100 ≤ 40
상기 관계식 1에서 TI10은 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 10s-1에서의 점도로 나눈 값이며, 상기 관계식 2에서 TI100은 전단 속도 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 100s-1에서의 점도로 나눈 값이다.
상기 금속 페이스트가 상기 관계식 1 및 관계식 2를 만족함으로써, 인쇄법에 의해 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 전극의 제조가 가능하여 우수한 전기전도도를 가지면서도 전극에 의한 수광 면적의 감소를 최소화하여 태양전지의 효율을 증가시키는 특징이 있다.
상기 금속 페이스트가 상기 관계식 1 및 관계식 2를 만족함으로써, 인쇄, 보다 특징적으로는 스크린 인쇄에 의해, 설계된 전극 패턴의 선폭 확대 없이 우수한 정밀도로 전극이 형성되는 특징이 있으며, 상기 스크린 메쉬를 통한 인쇄시 인쇄 후 망점 막힘 현상을 방지할 수 있으며, 고속으로 대면적의 인쇄가 가능하며, 핀홀을 포함한 인쇄 패턴의 끊김 현상이 방지되는 특징이 있다.
상기 요변성 부여제는 금속 페이스트의 유변학 특성을 제어하는 물질로, 수소 결합 네트워크를 형성하는 물질이다.
스크린 인쇄를 이용하여 전극을 형성하는 경우, 페이스트가 일단 스크린 위로 도포되면 높은 점도 상태가 되며, 스퀴즈(Squeegee)로 100/s 이상의 높은 전단력(shear)이 가해지면 저점도 상태로 변화하게 된다. 저점도 상태가 되면 스크린 메쉬를 통과하여 기재(substrate)에 인쇄가 이루어지는데, 이 때 원형상태(고점도 상태)로 복원되는 시간이 결국 페이스트의 퍼짐성을 결정하여 인쇄된 전극의 종횡비를 결정하게 된다.
페이스트의 유변학적 특성을 제어하기 위해서는 바인더들 간의 수소결합, 전단응력이 가해졌을 때 상기 수소 결합의 깨짐 정도, 및 요변성 부여제와 바인더간의 상호 결합을 조절하는 것이 중요하다. 본 발명에 따른 페이스트는 에틸셀룰로스(ethyl cellulose)를 바인더로 함유하는 특징이 있으며, 하이드록시프로필셀룰로스(hydroxypropyl cellulose)를 요변성 부여제로 함유하는 특징이 있다.
본 발명에 따른 페이스트는 상기 관계식 1 및 관계식 2를 만족함과 동시에 하이드록시프로필셀룰로스(hydroxypropyl cellulose)를 요변성 부여제로 함유함으로써, 망점 막힘 현상, 고속 대면적 인쇄, 인쇄 패턴의 끊김 현상 방지와 함께, 전단력의 변화에 따른 페이스트의 점성 변화 속도가 매우 빨라 페이스트의 퍼짐성이 방지되어, 전극의 종횡비(전극의 선고/전극의 선폭)가 0.3이상, 보다 특징적으로 0.35 이상인 전극의 제조가 가능한 특징이 있다. 이때, 상기 전극의 종횡비는 실질적으로 0.45이하이다.
상기 도전성 입자는 태양전지를 포함한 광소자의 전극물질로 통상적으로 사용되는 도전성 물질이면 사용가능하며, 일 예로, 은, 금, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 주석 및 이들의 합금 물질에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질이다. 태양전지의 전면 전극으로 사용되는 경우, 낮은 비저항 측면에서, 상기 도전성 입자는 은을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 도전성 입자의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5㎛인 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿은 태양전지 전면전극 제조시 통상적으로 사용되는 유리 프릿이면 사용 가능하며, 납 함유 또는 납 무함유(무연) 유리 프릿을 포함한다. 상기 유리 프릿의 일 예로, SiO2-PbO계 유리 프릿, SiO2-PbO-B2O3계 유리 프릿, Bi2O3-B2O3-SiO2계 유리 프릿 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 상기 유리 프릿은 첨가제로 Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, BaO, SrO, ZnO, Al2O3, TiO2, ZrO2, Ta2O5, Sb2O5, HfO2, In2O3, Ga2O3, Y2O3 및 Yb2O3에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 함유할 수 있으며, 상기 유리 프릿의 평균 입경은 0.5㎛ 내지 3㎛인 것이 바람직하다.
상기 유기 용매는 탄화수소류, 알코올류, 에테르류, 에스테르류, 케톤류 또는 글리콜 용매일 수 있으며, 일 예로, 상기 유기 용매는 톨루엔, 벤젠, 옥탄올, 데칸올, 테르피네올 또는 카르비톨을 포함한다. 상기 바인더 및 요변성 부여제와의 혼화성 및 인쇄시 빠른 건조 측면에서 상기 유기 용매는 카르비톨인 것이 바람직하다.
보다 특징적으로, 상기 금속 페이스트는 도전성 금속 입자 100 중량부에 대해, 3 내지 7 중량부의 유리 프릿, 0.5 내지 3 중량부의 바인더, 0.5 내지 3 중량부의 요변성 부여제 및 10 내지 20 중량부의 유기 용매를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿, 바인더, 요변성 부여제 및 유기용매의 함량은 금속 페이스트의 인쇄에 의해 형성되는 전면 전극이 우수한 계면 접합 특성을 가지며, 유변학적 특성이 상기 관계식 1 및 관계식 2를 만족하여 0.3 이상의 매우 큰 종횡비를 갖는 동시에 매우 낮은 비저항을 가지며 계면 접합성이 우수한 전면 전극이 제조되는 함량이다.
본 발명은 상술한 금속 페이스트가 인쇄되어, 바람직하게는 스크린 인쇄되어 형성된 전면 전극이 구비된 태양전지를 포함한다. 상기 태양전지는 전면 전극은 0.3 이상의 높은 종횡비를 가져 전극에 의한 수광 면적 감소가 최소화되면서도 높은 전기 전도도를 가지는 특징이 있으며, 우수한 광전효율을 갖는 태양전지인 특징이 있다.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 인쇄법에 의해 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 태양전지의 전면 전극의 제조가 가능하여 우수한 전기전도도를 가지면서도 전극에 의한 수광 면적의 감소를 최소화하여 태양전지의 효율을 증가시키는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 유기 비이클의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 유기 비이클의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 3은 비교예 1에서 제조된 유기 비이클의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 금속 페이스트의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 금속 페이스트의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 6은 비교예 1에 따른 금속 페이스트의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 금속 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성된 전극을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 8은 비교예1에 따른 금속 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성된 전극을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 유기 비이클의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 3은 비교예 1에서 제조된 유기 비이클의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 금속 페이스트의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 금속 페이스트의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 6은 비교예 1에 따른 금속 페이스트의 유변학 측정결과를 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 금속 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성된 전극을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 8은 비교예1에 따른 금속 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성된 전극을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
에틸셀룰로스 0.675g 및 하이드록시프로필셀룰로스 0.45g을 카르비톨 6.375g에 혼합하여 80℃에서 2시간 동안 교반하여 바인더 및 요변성 부여제가 용해된 유기 비이클(vehicle)을 제조하였다.
평균 입경이 2㎛인 Ag 입자 40g 및 평균 입경이 0.9㎛인 Bi-Si-Al-Pb-B 계 유리 프릿 2g을 제조된 유기 비이클과 혼합하고 30분 동안 교반하였으며, 교반 후, 3-롤 밀(3-roll mill)을 이용하여 30분 동안 밀링하여 금속 페이스트를 제조하였다.
(실시예 2)
에틸셀룰로스 0.3g 및 하이드록시프로필셀룰로스 0.45g을 카르비톨 6.75g에 용해하여 유기 비이클을 제조한 것을 제외하고, 실시예1과 동일하게 금속 페이스트를 제조하였다.
(비교예 1)
에틸셀룰로스 1.125g을 카르비톨 6.375g에 용해하여 유기 비이클을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 금속 페이스트를 제조하였다.
실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조된 유기 비이클과 금속 페이스트에 대한 유변학 특성은 Anton Paar 사의 Physica MCR 301 rheometer를 사용하여 측정하였다. 점도, 요변성 계수(thixotropy index, TI), 손실계수(loss modulus, G") 및 저장계수(storage modulus, G')는 ASTM D4065, D4440, D5279에 따라 측정되었으며, rheometer로 전단 속도(shear rate)를 각각 1 s-1, 10 s-1, 100 s-1으로 변화시키면서 제조된 유기 비이클 및 페이스트의 점도를 측정하였다. 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 유기 비이클과 페이스트 각각의 손실계수(loss modulus) 및 저장계수(storage modulus)는 Rheometer를 사용하여 1000 s-1의 전단 속도를 가하기 전후에 측정하였다.
도 1은 실시예 1에서 제조된 유기 비이클의 전단 속도에 따른 점도 및 1000 s-1의 전단 속도 인가 전/후의 시간에 따른 저장계수 및 손실계수를 측정 도시한 것이며, 도 2는 실시예 2에서 제조된 유기 비이클의 전단 속도에 따른 점도 및 1000 s-1의 전단 속도 인가 전/후의 시간에 따른 저장계수 및 손실계수를 측정 도시한 것이며, 도 3은 비교예 1에서 제조된 유기 비이클의 전단 속도에 따른 점도 및 1000 s-1의 전단 속도 인가 전/후의 시간에 따른 저장계수 및 손실계수를 측정 도시한 것이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 금속 페이스트의 전단 속도에 따른 점도 및 1000 s-1의 전단 속도 인가 전/후의 시간에 따른 저장계수 및 손실계수를 측정 도시한 것이며, 도 5는 실시예 2에서 제조된 금속 페이스트의 전단 속도에 따른 점도 및 1000 s-1의 전단 속도 인가 전/후의 시간에 따른 저장계수 및 손실계수를 측정 도시한 것이며, 도 6은 비교예 1에서 제조된 금속 페이스트의 전단 속도에 따른 점도 및 1000 s-1의 전단 속도 인가 전/후의 시간에 따른 저장계수(△G') 및 손실계수(△G'')를 측정 도시한 것이다.
하기의 표 1은 도 1 내지 도 6에서 측정된 유변학적 특성을 정리한 것이다.
(표 1)
상기 표 1에서 알 수 있듯이 요변성 부여제인 하이드록시프로필셀룰로스가 첨가됨에 따라, 유기 비이클 및 페이스트에서 모두 요변성 계수(T.I.)가 증가함을 알 수 있다.
이는 하이드록시프로필셀룰로스가 첨가되면서 페이스트에 수소결합의 비중이 높아지고, 정지상에서 페이스트는 수소결합을 통해 부분적인 네트워크를 형성하나, 일정한 전단응력이 가해지는 경우 이들 수소결합 네트워크는 깨어지고 점도가 낮아져, 결국 페이스트의 유변학 특성이 개선되는 것이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 페이스트를, 도 8은 비교예 1에서 제조된 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성된 전극을 관찰한 주사전자현미경으로, 도 7 내지 도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 페이스트를 이용하여 전극을 제조하는 경우, 종횡비가 0.35 이상의 전극이 제조되는 반면, 비교예1의 페이스트를 이용하여 전극을 제조하는 경우, 종횡비가 0.17인 전극이 제조됨을 알 수 있다.
상기 표 1 및 도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 금속 페이스트는 관계식 1 및 2를 만족하여, 인쇄 공정을 통해 선 폭이 좁은 미세 금속 패턴을 높은 정확성과 높은 생산성으로 형성할 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (7)
- 도전성 금속 입자, 유리 프릿(frit), 바인더, 요변성(thixotropy) 부여제 및 유기 용매를 함유하며, 하기의 관계식 1 및 관계식 2를 만족하는 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트.
(관계식 1)
4 ≤ TI10 ≤ 7
(관계식 2)
20 ≤ TI100 ≤ 30
(상기 관계식 1에서 TI10은 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 10s-1에서의 점도로 나눈 값이며, 상기 관계식 2에서 TI100은 전단 속도 전단 속도 1s-1에서의 점도를 전단 속도 100s-1에서의 점도로 나눈 값이다.) - 제 1항에 있어서,
상기 요변성 부여제는 하이드록시프로필셀룰로스(hydroxypropyl cellulose)인 것을 특징으로 하는 금속 페이스트. - 제 2항에 있어서,
상기 금속 페이스트는 도전성 금속 입자 100 중량부에 대해, 3 내지 7 중량부의 유리 프릿, 0.5 내지 3 중량부의 바인더, 0.5 내지 3 중량부의 요변성 부여제 및 10 내지 20 중량부의 유기 용매를 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 페이스트. - 제 2항에 있어서,
상기 바인더는 에틸셀룰로스(ethyl cellulose)인 것을 특징으로 하는 금속 페이스트. - 제 1항에 있어서,
상기 도전성 금속 입자는 입경이 0.1㎛ 내지 5㎛인 은 입자인 것을 특징으로 하는 금속 페이스트. - 제 2항에 있어서,
상기 금속 페이스트는 스크린 인쇄용 페이스트인 것을 특징으로 하는 금속 페이스트. - 제 1항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항의 금속 페이스트가 인쇄되어 형성된 전면 전극을 포함하는 태양전지.
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