KR20130083651A

KR20130083651A - 글래스 프릿, 이를 포함하는 도전성 페이스트 조성물 및 태양전지

Info

Publication number: KR20130083651A
Application number: KR20120004387A
Authority: KR
Inventors: 손원일; 심유진; 백충훈; 김미경
Original assignee: 한화케미칼 주식회사
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-23
Also published as: US9984784B2; KR101350960B1; WO2013105812A1; CN104039728B; EP2802545A4; CN104039728A; JP5916890B2; US20150007880A1; JP2015509899A; EP2802545A1; EP2802545B1; US20160141066A1

Abstract

본 발명은 글래스 프릿, 이를 포함하는 도전성 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 글래스 프릿은 SiO₂, PbO, 및 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 또한 본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 은(Ag) 분말, 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide), 글래스 프릿, 바인더 및 용매를 포함한다. 본 발명의 페이스트 조성물을 이용하여 낮은 접촉 저항 제공하여 광발전 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 태양전지를 제공할 수 있다.

Description

글래스 프릿, 이를 포함하는 도전성 페이스트 조성물 및 태양전지{Glass frits, conductive paste composition comprising the same and solar cell}

본 발명은 글래스 프릿, 이를 포함하는 도전성 페이스트 조성물 및 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 낮은 접촉 저항 및 고효율을 나타내는 글래스 프릿, 이를 포함하는 도전성 페이스트 조성물 및 태양전지에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자를 이용한 차세대 전지로서 각광받고 있다. 태양전지는 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 그 중 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.

한편, 실리콘 태양전지의 고효율화를 위하여 얕은 에미터(shallow emitter) 및 선택적 에미터(selective emitter)등의 다양한 방법이 개발되고 있다. 얕은 에미터는 얕은 에미터는 60 내지 120Ω/sq 의 고(高) 면저항의 에미터층을 말하는데, 재결합율이 낮고 단파장의 태양광을 이용할 수 있는 장점이 있다.

결정질 실리콘 태양전지에서 기판 위에 형성된 에미터층은 기판을 베이스로 하여 pn 접합(pn junction)을 이루는 것인데, High Rs cell은 면저항(Sheet Resistance)이 60 내지 120Ω/sq로서, 종래 결정질 태양전지의 에미터층의 면저항이 40 내지 50Ω/sq인 것에 비해 높기 때문에 광전변환 효율이 우수하다. 즉, 고효율 태양전지는 태양전지의 기판 전면에 형성된 에미터층 중 표면층에 dead layer(생성된 전자가 여분의 반도체 불순물 농도에 의해 전류 형성에 방해를 받는 영역)가 생기는 부분을 작게 하므로 태양전지의 효율을 높인다.

이러한 고효율 태양전지의 에미터층은 두께는 100nm 내지 500nm 이고, 에미터층의 반도체 불순물의 농도는 1×10¹⁶ 내지 1×10²¹atom/cm³일 수 있다. 종래 태양전지의 제조공정에서 에미터의 두께를 초박형으로 상기와 같이 얇게 형성하고 에미터를 이루는 반도체 불순물의 도핑 농도를 낮게 도핑 함으로써 제조할 수 있다.

그러나, 일반적인 태양전지 셀의 에미터층의 두께는 600nm 이상인데 반하여 고효율 태양전지의 에미터층은 두께는 100nm 내지 500nm로서 매우 초박형이기 때문에 고효율 태양전지에 전극을 형성할 때 얇은 두께의 에미터층을 지나 베이스 기판에 전극이 접촉되어 단락되기 쉬운 문제점이 있다. 즉, 얇은 두께를 가지는 에미터층을 포함하는 고효율 태양전지를 상업적으로 이용하기 위해서는 얇아진 에미터층의 접촉을 쉽게 하면서도, 베이스인 실리콘 기판에 전극이 접촉되어 단락되는 상태를 방지하는 공정이 요구된다.

얕은 에미터의 전면 전극을 형성하기 위하여 은(Ag) 페이스트가 사용되고 있는데, 은 페이스트는 은 분말, 유기바인더, 글래스 프릿(glass frits) 등을 함유하고 있다. 그러나, 은 페이스트의 글래스 프릿으로 인하여 저항 접점(Ohmic contact)성이 나쁘고, 심할 경우 단락이 생기는 단점이 있다. 특히 전면 전극의 접촉부를 형성하는 데는 쇼트 기간 동안 대략 800℃의 고온 공정이 필요하다. 이 고온 공정이 정확하게 조정되지 않으면, 높은 직렬 저항(high serial resistance) 및 또는 낮은 션트 저항(lower shunt resistance)이 일어나게 된다.

상기 은 페이스트로는 종래에는 글래스 프릿 분말과 은 분말을 단순히 혼합하여 제조하거나, 여기에 무기 첨가제로 금속 산화물을 첨가하여 사용하였는데, 형성된 전극과 기판과의 사이의 저항의 억제 효과에 한계가 있었다. 따라서, 여전히 전극에 적용 시 고효율을 달성하기 어려움이 있었다.

예를 들어, 전면 전극을 형성하기 위해 무기 첨가제로 아연 산화물을 포함하는 페이스트 조성물이 US 20080223446에 개시되어 있다. 상기 미국공개특허는 SiO₂ 21-29중량%, Al₂O₃0.1-8 중량%, PbO 50-62 중량%, B₂O₃7-10 중량%, ZnO 0-4 중량%, Li₂O 0-0.1 중량%와 TiO₂ 2-7 중량%의 조성을 가지는 글라스 프릿과 무기첨가제로 7~100nm의 ZnO를 포함하는 전도성 페이스트를 개시하고 있다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 페이스트 조성물을 이용한 전면 전극은 태양전지의 반사 방지막으로 주로 사용되고 있는 SiN막과의 관통 소성(fire through)이 불충분하고, 높은 직렬 저항(high serial resistance)에 의하여 고효율 태양전지를 달성하기 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 신규한 조성을 갖는 글래스 프릿을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 글래스 프릿을 포함하며 낮은 접촉 저항을 갖는 도전성 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조되는 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 SiO₂, PbO, 및 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 글래스 프릿(glass frits)을 제공한다.

또한, 본 발명은 은(Ag) 분말, 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide), 글래스 프릿, 바인더 및 용매를 포함하는 도전성 페이스트 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 제1 도전성 타입의 기판; 상기 기판 상에 형성된 제2 도전성 타입의 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되며 상기 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조되는 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.

본 발명에 따르면, 낮은 접촉 저항 제공하여 광발전 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 태양전지를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제조예 2-1에 따른 리튬 티타늄 산화물 입자를 주사현미경(SEM)을 이용하여 5만 배로 확대한 사진이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 글래스 프릿은 SiO₂, PbO, 및 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 은(Ag) 분말, 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide), 글래스 프릿(glass frits), 바인더 및 용매를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 제1 도전성 타입의 기판;상기 기판 상에 형성된 제2 도전성 타입의 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되며 상기 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조되는 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 형성된 후면 전극을 포함한다.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 글래스 프릿, 이를 포함하는 도전성 페이스트 조성물 및 태양전지를 상세하게 설명한다.

글래스 프릿

본 발명의 글래스 프릿(glass frits)은 SiO₂ 및 PbO와 함께 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.

상기 글래스 프릿은 전극을 핀 홀이 없는 소성 패턴으로 효과적으로 만들기 위해 사용하는 것으로, 금속 산화물로써 SiO₂ 및 PbO와 함께 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.

보다 구체적으로,본 발명의 일 실시예에 따르면상기 글래스 프릿은 SiO₂ 5 내지 30중량%, PbO 50 내지 90중량%, Al₂O₃ 0.1 내지 10중량%및 ZrO₂ 0.1 내지 10중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 글래스 프릿은 SiO₂ 5 내지 30중량%, PbO 50 내지 90중량%, Al₂O₃ 0.1 내지 10중량%, ZrO₂ 0.1 내지 10중량%, ZnO 0.1 내지 10중량% 및 Li₂O 0.1 내지 10중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물에 있어서 상기 글래스 프릿에 포함되는 Al₂O₃, ZrO₂,ZnO 및 Li₂O 는 계면 반응시 안정한 유리상을 형성시킬 뿐만 아니라, 저점도를 유지하게 한다. 계면 반응시 유리 성분이 저점도이면 PbO 와 반사방지막 사이의 접촉 확률을 높이므로 더 많은 영역에서 에칭이 일어날 수 있다. 이렇게 에칭이 상대적으로 더 많이 일어나면 은의 재결정으로 형성되는 전면전 극의 영역도 더 넓어지므로, 기판과 전면 전극 사이의 접촉 저항도 종래보다 더 저하시켜 태양전지의 성능을 우수하게 하며, 기판과 전면 전극 사이의 접촉 강도도 더 개선시키게 된다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 글래스 프릿의 평균 입경(D50)은 약 0.5 내지 약 10 um, 바람직하게는 약 0.8 내지 5 um의 범위일 수 있다. 상기 글래스 프릿의 평균 입도가 상기 범위일 때 전극을 핀 홀이 없는 소성 패턴으로 효과적으로 만들 수 있다.

전술한 성분들 외에 통상적으로 글래스 프릿에 사용되는 다른 성분들이 더 포함될 수 있다. 예를 들면, Na₂O를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같은 본 발명의 글래스 프릿의 구성 성분들이 준비되면, 준비된 구성 성분들을 함께 용융시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 글래스 프릿의 구성성 분들을 대기압 하에서 함께 용융시키는 공정을 통해 각 구성 성분들은 분자간의 결합이 끊어지게 되어 금속 산화물로서의 성질은 잃게 되며, 용융 상태에서 각 성분들이 균일하게 혼합되어 이후 냉각 과정을 통해 전체적으로 유리질의 성질을 갖게 된다. 이때 용융 공정에 있어서, 용융 온도는 각 구성 성분들이 모두 충분히 용융되는 온도라면 특별한 제한 없이 선택될 수 있다. 예를 들면, 약 900 내지 약 1,500℃일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 용융 시간도 전술한 용융 온도를 유지하여 모든 성분이 충분히 용융되는 시간이라면 특별한 제한이 없으며, 구성 성분 및 용융 온도에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 약 10분 내지 약 1시간일 수 있으나, 이에 제안되는 것은 아니다.

다음에, 상기 용융된 혼합물을 냉각시킴으로써 고체상의 글래스 프릿을 수득할 수 있다. 냉각 공정을 통해 상기 용융된 각 성분들이 굳어 고체상의 글래스 프릿을 형성하게 된다. 냉각 속도는 상기 글래스 프릿의 구성성분의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있으나, 일반적으로 빠르게 냉각시키는 것이 바람직하다. 구체적인 냉각 조건은 각 성분에 따른 상태도를 참조하여 결정할 수 있다. 냉각속도가 너무 느린 경우, 냉각 도중 결정화가 일어나 유리상을 형성하지 못할 수 있다. 예를 들면, 상기 용융된 혼합물을 대기압 하에서 약 1 내지 약5분 동안 약 25 내지 약50℃까지 냉각시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 빠른 냉각 속도를 얻기 위한 방법으로는 당 분야의 통상적인 방법이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 용융된 혼합물을 판상으로 압출하여 표면적을 넓히거나 물에 침전하는 방법을 채택할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 상기 고체상의 글래스 프릿을 분쇄하여 분말상을 제조한다. 전술한 고체상의 글래스 프릿은 금속 페이스트에 혼합되기에는 부피가 매우 크므로, 분말상으로 분쇄하는 것이 바람직하다. 분쇄 후 분말상의 평균 입경은 예를 들면, 약 1 내지 약 10㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 입경 범위일 때 금속 페이스트 상에 비교적 균일하게 분산되어 계면반응을 매우 효율적으로 일으킬 수 있다. 냉각시켜 얻어진 고체상의 글래스 프릿을 분말상으로 분쇄하는 방법은 당 분야의 통상적인 분쇄방법이 제한 없이 사용될 수 있다. 효율적인 분쇄를 위해 분쇄 공정이 2 단계로 나누어 수행될 수 있다. 이 경우, 1차 및 2차 분쇄가 동일한 공정이 반복될 수도 있고, 1차 분쇄는 조분쇄, 2차 분쇄는 미분쇄로 수행될 수 있다. 여기에서 조분쇄는 일정한 평균 입경으로 제한되는 것이 아니고, 미분쇄의 방법에 따라 미분쇄가 용이하도록 적당한 크기로 전술한 고체상의 글래스 프릿을 분쇄하는 것을 의미한다. 미분쇄는 조분쇄된 글래스 프릿을 원하는 평균 입경을 갖는 글래스 프릿 분말로 분쇄하는 공정이다. 또한, 각 분쇄 공정은 필요에 따라 건식 분쇄 또는 습식 분쇄를 선택적으로 수행할 수 있으며, 습식분쇄에는 당 분야에서 통상적으로 알려진 바와 같이, 물 또는 에탄올 등이 첨가될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도전성 페이스트 조성물

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은, 은(Ag) 분말, 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide), 글래스 프릿(glass frits), 바인더 및 용매를 포함한다.

이하, 본 발명의 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 각각의 성분에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물에 있어서, 전기적 특성을 부여하는 도전성 분말로 은(Ag) 분말을 포함한다. 본 발명에서 상기 은 분말에는 순수한 은(Ag) 분말뿐만 아니라, 산화 은, 은 합금, 은 화합물 또는 기타 소성에 의해 은 분말의 석출이 가능한 물질도 포함한다. 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용될 수 있다.

상기 은 분말은 상업적으로 입수 가능한 구형의 분말 또는 플레이크(flake)형의 분말을 사용할 수 있다. 또는, 플레이크형을 이용하여 공지의 방법에 따라 은 분말로 만들어 사용할 수 있다.

상기 은 분말의 입경은 원하는 소결 속도와 전극을 형성하는 공정에 있어서의 영향 등을 고려하여 적절한 범위로 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 은 분말의 평균 입경(d50)은 약 0.5 내지 약 4um의 크기를 가질 수 있다.

또한, 상기 은 분말의 순도는 전극으로서 통상 요구되는 조건을 만족시키기 위한 순도라면 특별히 한정하지 않으나, 본 발명에 사용되는 은 분말의 경우는 순도가 90% 이상인 은 분말을 사용할 수 있고, 바람직하게는 95% 이상인 은 분말을 사용할 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 상기 은 분말은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 약 60 내지 약 95 중량부, 바람직하게는 약 70 내지 약 85 중량부로 포함될 수 있다. 상기 은 분말이 60 중량부 미만인 경우는 상 분리가 되거나 점도가 낮아져서 인쇄성의 문제가 있고, 95 중량부를 초과할 경우에는 점도가 높아서 인쇄가 어려워지고 가격이 상승되는 문제가 있을 수 있다. 또한 상기 페이스트 조성물 중에서 유기 용매를 제외한 고형분 중에는 고형분 중량 전체에 대하여 상기 은 분말이 92 내지 99중량%로 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 은 분말은 은 분말 표면에 계면활성제로 코팅 처리하여 사용될 수 있다. 코팅에 사용할 수 있는 상기 계면활성제의 예로는, 스테아린산, 팔미틴산, 라우린산, 올레인산, 카프릴산, 미리스틴산, 리놀렌산 및 이들의 염 또는 혼합물 등을 들 수 있지만 이들로만 한정하는 것이 아니다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide, LTO)을 포함한다.

상기 리튬 티타늄 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.

[화학식 1]

Li₄Ti₅ _- _xM_xO₁₂

이 때, x는 각 성분의 몰 비를 나타내는 것으로 0≤x≤0.25를 만족하며, M은 Nb, Zn, Mn, Mg, Fe, Ni, Mg, Ca, Bi, Al, Zr, V, Fe, Cu, Na, K 및 P 로 이루어진 군에서 선택되는 금속이다.

상기 리튬 티타늄 산화물은 금속이 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1에서 x가 0 < X ≤ 0.25인 경우는, 금속 M을 이용하여 도핑(doping)하여 수득되는 화합물이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 티타늄 산화물은 평균 입경이 약 10 내지 약 500nmm, 바람직하게는 약 30 내지 약 200nm의 크기를 가질 수 있다.

상기 리튬 티타늄 산화물은, 상(phase)에 따라 기상법, 액상법, 또는 고상법에 따라 제조하여 수득할 수 있으며 제조방법은 특별히 제한되지 않는다.

이 중, 기상법은 금속 또는 금속 전구체를 기화시킨 후 산소 등과 반응하는 방법을 의미하는데 상기 기상법은 다시 화염연소 분해법(flame combustion pyrolysis), 레이저 기화법, 플라즈마 기화법, 또는 스프레이 열분해법 등으로 나눌 수 있다.

또한 상기 고상법은 소성법(firing) 및 기계화학적 합성법(mechanochemical synthesis) 등이 있다. 상기 소성법은 전통적인 무기 입자 제조법인데, 금속 전구체를 고온의 로(furnace)에서 장시간 열분해, 산화시켜 금속 산화물을 제조한 후 결정화시킨 후 다시 미세입자로 파쇄시키는 방법이다. 상기 기계화학적 합성법은 고속 볼 밀링(ball milling)과 같은 고속 고에너지의 기계적 자극에 의해 표면 금속 전구체 표면을 활성화시켜 반응이 일어나도록 하는 방법이다.

상기 액상법으로는 수열법(hydrothermal synthesis) 및 졸겔법 등이 있다. 상기 액상법 중에서 가장 널리 이용되고 있는 수열법은 물을 반응 매체 또는 반응물로 사용하여 가열 합성하는 방법을 통해 리튬 티타늄 산화물을 제조할 수 있다.

또한, 아임계 내지 초임계 조건하에서 물과 2종 이상의 금속염 수용액을 연속 반응시켜 소성 공정을 요함이 없이 금속 산화물이 고용된 나노 크기의 초미립자 금속 산화물 제조하는 방법을 통하여 상기 리튬 티타늄 산화물을 제조할 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 글래스 프릿을 포함한다.

상기 글래스 프릿은 전극을 핀 홀이 없는 소성 패턴으로 효과적으로 만들기 위해 사용한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 페이스트 조성물 전체 100중량부에 대하여 상기 글래스 프릿을 약 0.1 내지 약 10 중량부로 포함한다. 상기 함량 범위에서 계면 반응시 충분한 저 점도를 유지하며, 기판과 전면전극 사이의 접촉저항을 매우 낮게 하고, 매우 우수한 접촉강도를 유지할 수 있다.

상기 글래스 프릿은 SiO₂ 및 PbO와 함께 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.

상기 글래스 프릿에 대한 보다 상세한 설명은 상기에서 설명한 바와 같다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 무기 첨가제로써 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 페이스트 조성물과 결정질 웨이퍼와의 부착력을 향상시키기 추가할 수 있으며, 상기 무기 첨가제로 추가되는 금속 산화물로는 아연 산화물(Zinc oxide, ZnO), 지르코늄 산화물(Zirconium oxide, ZrO₂) 또는 이들 혼합물로부터 선택할 수 있다.

상기 금속 산화물은 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 약 0.1 내지 약 10중량부, 바람직하게는 약 1 내지 약 5 중량부로 포함할 수 있다. 또한, 평균 입경은(d50)은 약 500 내지 약 1,000nm일 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 바인더를 포함한다.

상기 바인더는 전극 패턴의 소성 전에서의 각 성분의 결합재로 기능하는 것으로, 균일성을 위해 현탁 중합에 의해 제조하는 것이 바람직하다.

상기 바인더로는, 카르복실기를 포함하는 수지, 예를 들어 에틸렌성 불포화 이중 결합을 갖는 카르복실기 함유 감광성 수지 및 에틸렌성 불포화 이중 결합을 갖지 않는 카르복실기 함유 수지를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, 불포화 카르복실산 화합물 및 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체인 카르복실기 함유 감광성 수지, 불포화 카르복실산 화합물 및 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체에 에틸렌성 불포화기를 펜던트기로 부가한 카르복실기 함유 감광성 수지, 또는 불포화 이중 결합을 갖는 산 무수물 및 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체와 수산기와 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 반응에 의해 얻어지는 카르복실기 함유 감광성 수지를 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 바인더는 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 약 1 내지 약 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만인 경우는 형성되는 전극 패턴 중의 바인더의 분포가 불균일해질 수 있어, 선택적 노광, 현상에 의한 패터닝이 곤란해질 수 있다. 반면, 20 중량부를 초과하는 경우는 전극의 소성시 패턴 붕괴를 일으키기 쉽고, 소성 후 유기물 잔탄(carbon ash)에 의해 전극의 저항이 상승할 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 용매를 포함한다.

상기 용매는 상기 바인더를 용해시킬 수 있고, 기타 첨가제와 잘 혼합되는 것으로 사용할 수 있다. 상기와 같은 용매의 예로는 a-터피놀(a-Terpinol), 부틸 카비톨 아세테이트(butyl cabitol acetate), 텍사놀(Texanol), 부틸 카비톨(butyl cabitol), 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(Di-propylene glycol monomethyl ether)등이 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 용매는 페이스트 조성물 전체 100중량부에 대하여, 약 1 내지 약 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 용매의 함량이 1 중량부 미만인 경우는, 페이스트가 균일하게 도포되기 어려울 수 있으며, 반면에 20 중량부 보다 많이 포함되는 경우는, 전극 패턴의 충분한 도전성이 얻어지지 않고, 기재와의 밀착성이 떨어질 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트 조성물은 상기의 구성 성분 외에, 분산제, 증점제, 요변제, 레벨링제 등의 첨가제를 더 포함될 수 있다. 이러한 첨가제의 첨가량은 필요에 따라 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 약 1 내지 약 20 중량부로 할 수 있다.

상기 분산제의 예로는 BYK사의 DISPERBYK-180, 110, 996, 및 997 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

상기 증점제의 예로는 BYK사의 BYK-410, 411, 420 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

상기 요변제의 예로는 BYK사의 ANTI-TERRA-203, 204, 205 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

상기 레벨링제의 예로는 BYK사의 BYK-3932 P, BYK-378, BYK-306, BYK-3440 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

태양전지

본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 제1 도전성 타입의 기판; 상기 기판 상에 형성된 제2 도전성 타입의 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되며 상기 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 형성된 후면 전극을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는, 제1 도전성 타입의 기판(1), 기판(1) 상에 형성된 제2 도전성 타입의 에미터층(2), 에미터층(2) 상에 형성된 반사방지막(3), 반사방지막(3)을 관통하여 에미터층(2)에 접속되며 본 발명의 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조되는 전면 전극(4) 및 기판(1)의 배면에 형성된 후면 전극(5)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(1)은 제1도전성 타입의 실리콘 반도체 기판이며, 예를 들어 P형 불순물로서 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 실리콘은 단결정질 실리콘 또는 다결정 실리콘과 같은 결정질 실리콘이나 비정질 실리콘일 수 있다.

에미터층(2)은 기판(1)과 반대되는 타입의 제2 도전성 타입이며 N형 불순물로서 5족 원소인 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등이 불순물로 도핑될 수 있다

이와 같이 기판(1)과 에미터층(2)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(1)과 에미터층(2)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 에미터층(2)은 광전변환 효율이 고효율인 높은 면저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 태양전지는 약 60 내지 약 120Ω/sq 의 고(高) 면저항의 에미터층(2)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 에미터층(2)의 두께는 약 100 내지 약 500nm 일 수 있다.

반사방지막(3)은 에미터층(2)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화하고 기판(1)의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 에미터층(2)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압(Voc)이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 P-N 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 태양전지의 단락전류(Isc)가 증가한다. 이처럼 반사방지막(3)에 의해 태양전지의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그만큼 태양전지의 변환효율이 향상된다.

방사방지막(3)은 예를 들면 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 반사방지막(3)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있다. 또한 반사방지막(3)의 두께는 약 30 내지 약 100nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

전면 전극(4)은 본 발명의 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성할 수 있다.

상기 도전성 페이스트 조성물은 은(Ag) 분말, 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide), 글래스 프릿(glass frits), 바인더 및 용매를 포함하며, 이에 대한 상세한 설명은 상기 글래스 프릿 및 도전성 페이스트 조성물에서 설명한 바와 같다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 페이스트 조성물을 스크린 프린트한 후 열처리함으로써 전면 전극(4)을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 스크린 프린터를 이용하여 프린팅한 후 적외선 건조로(infrared firing furnace)를 이용하여 약 250 내지 약 350℃에서 약 0.5 내지 약 5 분간 건조한다. 다음으로, 적외선 건조로를 이용하여 약 600 내지 약 900℃에서 약 1 내지 약 5분간 소성과정을 진행함으로써 전면 전극(4)이 형성될 수 있다. 이때 소정과정을 통해 상기 페이스트에 포함된 은이 고온에서 액상이 되었다가 다시 고상으로 재결정되면서, 글래스 프릿 및 리튬 티타늄 산화물을 매개로 하여 반사방지막(3)을 관통하는 펀치 스루(punch through) 현상에 의해 에미터층(2)과 접속하게 된다.

후면 전극(5)은 기판(1)의 배면에 형성되며 알루미늄을 포함할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 페이스트를 기판(1)의 배면에 프린팅한 후 열처리하여 후면 전극(5)을 형성할 수 있다.

후면 전극(5)에 포함된 알루미늄이 기판(1)의 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극(5)과 기판(1)의 경계면에 후면 전계(Back Surface field)층이 형성될 수 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(1)의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압이 상승하여 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 태양전지는, 최적의 조성을 갖는 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 전면 전극을 포함함으로써 낮은 접촉 저항 제공하여 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.

< 실시예 >

글래스 프릿의 제조

제조예 1-1

SiO₂ 17.0 중량%, Al₂O₃ 8.7 중량% PbO 66.0중량%, ZnO 6.0 중량%, Li2O 1.7 중량 %, ZrO₂ 0.6중량%을 볼 밀(ball mill)을 이용하여 혼합하고 80℃에서 건조하였다. 1,000℃에서 용융시킨 후, 상온에서 퀀칭(quenching)하였다. 이를 디스크 밀 방법을 이용하여 조분쇄한 다음, 플라네터리 밀(planetary mill)을 이용하여 미분쇄하여 평균 입경의 크기가 5um인 글래스 프릿(이하, G/F-1으로 표시)을 제조하였다.　

제조예 1-2

SiO₂ 9.3 중량%, Al₂O₃ 2.4 중량% PbO 84.5중량%, ZnO 6.0 중량%, ZrO₂ 3.8중량%를 혼합한 것을 제외하고는 제조예 1-1과 동일한 방법으로 글래스 프릿(이하, G/F-2으로 표시)을 제조하였다.

상기 제조예 1-1 및 1-2에 따른 글래스 프릿의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.

글래스 프릿	SiO₂	Al₂O₃	PbO	ZnO	Li₂O	ZrO₂
제조예 1-1 (G/F-1)	17.0	8.7	66.0	6.0	1.7	0.6
제조예 1-2 (G/F-2)	9.3	2.4	84.5	-	-	3.8

리튬 티타늄 산화물의 제조

제조예 2-1

수열합성법을 이용하여 평균입경이 150nm인 리튬 티타늄 산화물(이하, Li₄Ti₅O₁₂-150으로 표시)를 제조하였다.

구체적으로, Li₂CO₃와 TiO(OH)₂(Sigma Aldrich. Ltd, 99.9%)를 출발물질로 하였다. Li₂CO₃ 및 TiO(OH)₂를 무게비가 Li₂CO₃: TiO(OH)₂ =1.05 : 1이 되도록 100g의 초순수(DI water)에 투입하고, 회전 밀링 장치(rotary mill)의 회전수(rpm)을 100으로 하여 원료를 2시간 동안 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

제조된 슬러리를 회수하여 100℃에서 분무건조기를 이용하여 건조하였다. 건조된 파우더를 고온로를 이용하여 750℃에서 5시간 동안 하소(calcinations)하였다. 다음으로 회전 밀링 장치(rotary mill)에 넣어 24시간 동안 혼합하여 분쇄하였다. 분쇄된 파우더를 고온 소성로에 넣고 1,050℃에서 5시간 동안 소결하여 결정성의 리튬 티타늄 산화물을 제조하였다.

상기 제조예 2-1에서 수득한 리튬 티타늄 산화물 입자를 주사현미경(SEM)을 이용하여 5만 배로 확대하여 입경을 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참조하면, 평균입경이 150nm 인 리튬 티타늄 산화물 입자가 형성됨을 확인할 수 있다.

제조예 2-2

제조예 2-1과 동일하게 수행하되, 회전 밀링 장치의 회전수를 500rpm으로 하고, 4시간 동안 분쇄하여 평균입경이 100nm인 리튬 티타늄 산화물(이하, Li₄Ti₅O₁₂-100으로 표시)를 제조하였다.

제조예 2-3

제조예 2-1과 동일하게 수행하되, 회전 밀링 장치의 회전수를 1,000rpm으로 하고 48시간 동안 분쇄하여 평균입경이 30nm인 리튬 티타늄 산화물(이하, Li₄Ti₅O₁₂-30으로 표시)를 제조하였다.

제조예 2-4

제조예 2-1과 동일하게 수행하되, Nb(OH)₅의 0.1g을 첨가하여 평균입경이 150nm이고 Nb가 도핑된 리튬 티타늄 산화물(이하, Li₄Ti₄ _.75Nb₀ _.25O₁₂-150으로 표시)를 제조하였다.

제조예 2-5

제조예 2-1과 동일하게 수행하되, NaOH의 1.0g을 첨가하여 평균입경이 150nm이고 Na가 도핑된 리튬 티타늄 산화물(이하, Li₄Ti₄ _.75Na₀ _.25O₁₂-150으로 표시)를 제조하였다.

도전성 페이스트 조성물의 제조

실시예 1

은(Ag) 분말은 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 32.0중량%로 사용하였다.

리튬 티타늄 산화물은 제조예 2-1의 Li₄Ti₅O₁₂-150을 1.0중량%로 사용하였다.

글래스 프릿은 제조예 1-2의 G/F-2를 5.0중량% 사용하였다.

바인더로는 에틸셀룰로우즈(ethyl cellulose, Dow사 Std 10) 2.0중량%, 용매로는 BCA(butyl carbitol acetate) 4.0중량%, 첨가제로 요변제(BYK사의 Anti-terra 204) 1.0중량%를 혼합하여 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 2

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 31.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 2.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 3

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 30.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 3.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 4

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 29.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 4.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 5

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 28.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 5.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 1

은(Ag) 분말은 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 33.0중량%로 사용하였다.

글래스 프릿은 제조예 1-2의 G/F-2를 5.0중량% 사용하였다.

실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 페이스트 조성물의 구성 성분 및 조성을 하기 표 2에 정리하였다.

성분	종류	실시예 1 (단위: 중량%)	실시예 2 (단위: 중량%)	실시예 3 (단위: 중량%)	실시예 4 (단위: 중량%)	실시예 5 (단위: 중량%)	비교예 1 (단위: 중량%)
은 분말	평균입경2.0um입자	55.0	55.0	55.0	55.0	55.0	55.0
은 분말	평균입경0.8um입자	32.0	31.0	33.0	29.0	28.0	33.0
리튬 티타늄 산화물	제조예 2-1 (Li₄Ti₅O₁₂-150)	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	0
글래스 프릿	제조예 1-2 (G/F-2)	5.0	5.0	5.0	5.0	5.0	5.0
바인더	에틸셀룰로우즈	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
용매	BCA	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0
유기첨가제	Anti-terra 204	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
합계		100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0

실시예 6

글래스 프릿은 제조예 1-1의 G/F-1을 5.0중량%로 사용하였다.

실시예 7

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 31.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 2.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 8

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 30.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 3.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 9

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 29.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 4.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 10

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 28.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 Li₄Ti₅O₁₂-150을 5.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 6 내지 10의 페이스트 조성물의 구성 성분 및 조성을 하기 표 3에 정리하였다.

성분	종류	실시예 6 (단위: 중량%)	실시예 7 (단위: 중량%)	실시예 8 (단위: 중량%)	실시예 9 (단위: 중량%)	실시예 10 (단위: 중량%)
은 분말	평균입경2.0um입자	55.0	55.0	55.0	55.0	55.0
은 분말	평균입경0.8um입자	32.0	31.0	33.0	29.0	28.0
리튬 티타늄 산화물	제조예 2-1 (Li₄Ti₅O₁₂-150)	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0
글래스 프릿	제조예 1-1 (G/F-1)	5.0	5.0	5.0	5.0	5.0
바인더	에틸셀룰로우즈	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
용매	BCA	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0
유기첨가제	Anti-terra 204	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
합계		100.0	100.0	100.0	100.0	100.0

실시예 11

은(Ag) 분말은 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 30.0중량%로 사용하였다.

리튬 티타늄 산화물로는, 제조예 2-1의 Li₄Ti₅O₁₂-150 2.0중량% 및 제조예 2-3의 Li₄Ti₅O₁₂-30 1.0중량%를 사용하였다.

글래스 프릿은 제조예 1-1의 G/F-1을 5.0중량%로 사용하였다.

실시예 12

(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 31.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 제조예 2-2의 Li₄Ti₅O₁₂-100을 2.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 13

은(Ag) 분말로 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 31.0중량%로 사용하고, 리튬 티타늄 산화물은 제조예 2-3의 Li₄Ti₅O₁₂-30을 2.0중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 11 내지 13의 페이스트 조성물의 구성 성분 및 조성을 하기 표 4에 정리하였다.

성분	종류	실시예 11 (단위: 중량%)	실시예 12 (단위: 중량%)	실시예 13 (단위: 중량%)
은 분말	평균입경2.0um입자	55.0	55.0	55.0
은 분말	평균입경0.8um입자	30.0	31.0	31.0
리튬 티타늄 산화물	제조예 2-1 (Li₄Ti₅O₁₂-150)	2.0	-	-
	제조예 2-2 (Li₄Ti₅O₁₂-100)	-	2.0	-
	제조예 2-3 (Li₄Ti₅O₁₂-30)	1.0	-	2.0
글래스 프릿	제조예 1-1 (G/F-1)	5.0	5.0	5.0
바인더	에틸셀룰로우즈	2.0	2.0	2.0
용매	BCA	4.0	4.0	4.0
유기첨가제	Anti-terra 204	1.0	1.0	1.0
합계		100.0	100.0	100.0

실시예 14

은(Ag) 분말은 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 28.0중량%로 사용하였다.

리튬 티타늄 산화물은 제조예 2-1의 리튬 티타늄 산화물(Li₄Ti₅O₁₂-150)를 2.0중량% 및 제조예 2-3의 리튬 티타늄 산화물(Li₄Ti₅O₁₂-30)를 1.0중량%로 사용하였다.

글래스 프릿은 제조예 1-1의 G/F-1을 5.0중량% 사용하였다.

무기 첨가제로 ZnO 2.0중량%를 사용하였다.

실시예 15

무기 첨가제로 ZrO₂ 2.0중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 14와 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 16

무기 첨가제로 ZnO 1.0중량% 및 ZrO₂ 1.0중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 14와 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 14 내지 16 의 페이스트 조성물의 구성 성분 및 조성을 하기 표 5에 정리하였다.

성분	종류	실시예 14 (단위: 중량%)	실시예 15 (단위: 중량%)	실시예 16 (단위: 중량%)
은 분말	평균입경2.0um입자	55.0	55.0	55.0
은 분말	평균입경0.8um입자	28.0	28.0	28.0
리튬 티타늄 산화물	제조예 2-1 (Li₄Ti₅O₁₂-150)	2.0	2.0	2.0
	제조예 2-2 (Li₄Ti₅O₁₂-100)	-	-	-
	제조예 2-3 (Li₄Ti₅O₁₂-30)	1.0	1.0	1.0
무기 첨가제	ZnO	2.0	-	1.0
무기 첨가제	ZrO₂	-	2.0	1.0
글래스 프릿	제조예 1-1 (G/F-1)	5.0	5.0	5.0
바인더	에틸셀룰로우즈	2.0	2.0	2.0
용매	BCA	4.0	4.0	4.0
유기첨가제	Anti-terra 204	1.0	1.0	1.0
합계		100.0	100.0	100.0

실시예 17

은(Ag) 분말은 Dowa사 평균입경(d50) 2.0um인 은 입자(상품명 4-8F)를 55.0중량%로, 평균입경(d50) 0.8um인 은 입자(상품명 2-1C)를 29.0중량%로 사용하였다.

리튬 티타늄 산화물은 제조예 2-4의 Li₄Ti₄ _.75Nb₀ _.25O₁₂-150를 2.0중량% 로 사용하였다.

글래스 프릿은 제조예 1-1의 G/F-1을 5.0중량% 사용하였다.

무기 첨가제로는 ZnO 1.0중량% 및 ZrO₂ 1.0중량%를 사용하였다.

실시예 18

리튬 티타늄 산화물로 제조예 2-5의 Li₄Ti₄ _.75Na₀ _.25O₁₂-150를 2.0중량% 로 사용한 것을 제외하고는 실시예 17과 동일한 방법으로 도전성 페이스트 조성물을 제조하였다.

실시예 17 및 18의 페이스트 조성물의 구성 성분 및 조성을 하기 표 6에 정리하였다.

성분	종류	실시예 17 (단위: 중량%)	실시예 18 (단위: 중량%)
은 분말	평균입경2.0um입자	55.0	55.0
은 분말	평균입경0.8um입자	29.0	29.0
리튬 티타늄 산화물	제조예 2-4 (Li₄Ti₄ _.75Nb₀ _.25O₁₂-150)	2.0	-
리튬 티타늄 산화물	제조예 2-5 (Li₄Ti₄ _.75Na₀ _.25O₁₂-150)	-	2.0
무기 첨가제	ZnO	1.0	1.0
무기 첨가제	ZrO₂	1.0	1.0
글래스 프릿	제조예 1-1 (G/F-1)	5.0	5.0
바인더	에틸셀룰로우즈	2.0	2.0
용매	BCA	4.0	4.0
유기첨가제		1.0	1.0
합계		100.0	100.0

태양전지의 제조

156mm 다결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 관상로(tube furnace)에서 900℃로 POCL₃을 사용하는 확산 공정 통해 인(P)을 도핑하여 100Ω/sq 시트 저항을 가지는 에미터층을 형성하였다.

상기 에미터층 상에 PECVD 방법으로 실리콘 질화막을 증착하여 80nm 두께로 형성하여 반사방지막을 형성하였다.

알루미늄 페이스트(Toyo Aluminium K. K사 ALSOLAR)를 이용하여 후면에 스크린 프린팅하였다. 이후 300℃의 벨트 소성로(belt firing)에서 60초간 건조한 후 900 ℃의 벨트 소성로에서 60초간 소결하여 후면전극을 형성하였다. 소결 후 형성된 후면전극의 두께는 약 30um로 형성되었다.

반사방지막 표면에 실시예 1에 수득한 도전성 페이스트 조성물을 스크린 프린터를 이용하여 스크린 인쇄한 후 적외선 건조로(infrared firing furnace)를 이용하여 180℃에서 1분간 건조하였다. 다음에, 적외선 건조로를 이용하여 600℃에서 900℃ 사이에서 1분 내지 5분 동안 소성과정을 진행하여 전면 전극을 형성하였다.

실시예 2 내지 18 및 비교예 1 로부터 수득한 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 각각 상기와 같은 과정으로 전면 전극을 형성하였다.

전기적 성능 평가

실시예 1 내지 18 및 비교예 1 로부터 수득한 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조한 태양전지의 전기적 성능을, ASTM G-173-03에 따라 AM 1.5 태양 조건 하에서 미국, NJ, 듀몬트(Dumont)에 소재하는 NPC Incorporated의 solar tester, Model NCT-M-180A를 사용하여 측정하였다.

그 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 여기서, Jsc는 제로 출력 전압에서 측정된 단락 회로 전류 밀도를 의미하고, Voc는 제로 출력 전류에서 측정된 개방 회로 전압을 의미하며, FF(%)는 충전율(fill factor)을, Eta(%)는 효율을 의미한다.

	Eta (단위: %)	Jsc (단위:mA/cm2)	Voc (단위: V)	FF (단위: %)
실시예 1	13.80	34.58	0.61	65.61
실시예 2	14.10	34.48	0.61	66.57
실시예 3	15.30	34.49	0.61	72.40
실시예 4	13.92	34.58	0.61	65.61
실시예 5	14.09	34.91	0.61	65.92
실시예 6	16.53	34.43	0.61	77.34
실시예 7	16.45	35.25	0.61	76.11
실시예 8	16.69	35.04	0.62	76.99
실시예 9	16.20	34.17	0.62	76.77
실시예 10	16.18	34.17	0.62	76.65
실시예 11	16.70	35.05	0.62	76.80
실시예 12	16.64	35.18	0.62	76.39
실시예 13	16.54	35.03	0.62	76.08
실시예 14	16.70	34.98	0.62	77.40
실시예 15	16.70	34.94	0.62	77.50
실시예 16	16.80	34.92	0.62	78.91
실시예 17	17.10	35.40	0.62	77.80
실시예 18	17.20	35.52	0.62	77.90
비교예 1	8.72	34.38	0.61	43.96

상기 표 7에 나타낸 바와 같이 본 발명의 도전성 페이스트 조성물을 이용한 실시예 1 내지 18 은 비교예 1에 비하여 효율 및 충전율이 현저히 증가됨을 확인할 수 있었다.

1: 기판
2: 에미터층
3: 반사방지막
4: 전면 전극
5: 후면 전극

Claims

SiO₂, PbO, 및 Al₂O₃, ZrO₂, ZnO, 및 Li₂O으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 글래스 프릿(glass frits).
제1항에 있어서, 상기 글래스 프릿은 SiO₂ 5 내지 30중량%, PbO 50 내지 90중량%, Al₂O₃ 0.1 내지 10중량%및 ZrO₂ 0.1 내지 10중량%를 포함하는 글래스 프릿.
제1항에 있어서, 상기 글래스 프릿은 SiO₂ 5 내지 30중량%, PbO 50 내지 90중량%, Al₂O₃ 0.1 내지 10중량%, ZrO₂ 0.1 내지 10중량%, ZnO 0.1 내지 10중량% 및 Li₂O 0.1 내지 10중량%를 포함하는 글래스 프릿.
제1항에 있어서, 평균 입경이 0.5 내지 10um인 글래스 프릿.
은(Ag) 분말, 리튬 티타늄 산화물(Lithium titanium oxide), 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 글래스 프릿, 바인더 및 용매를 포함하는 도전성 페이스트 조성물.
제5항에 있어서, 상기 페이스트 조성물 전체 100중량부에 대하여, 상기 은 분말은 60 내지 95 중량부, 상기 글래스 프릿은 0.1 내지 10 중량부, 상기 리튬 티타늄 산화물은 0.1 내지 5 중량부, 상기 바인더는 1 내지 20 중량부 및 상기 용매는 1 내지 20 중량부로 포함하는 도전성 페이스트 조성물.
제 5항에 있어서, 상기 리튬 티타늄 산화물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 도전성 페이스트 조성물.
[화학식 1]
Li₄Ti₅ _- _xM_xO₁₂
상기 화학식 1에서, x는 각 성분의 몰 비를 나타내는 것으로 0≤x≤0.25를 만족하며, M은 Nb, Zn, Mn, Mg, Fe, Ni, Mg, Ca, Bi, Al, Zr, V, Fe, Cu, Na, K 및 P 로 이루어진 군에서 선택되는 금속이다.
제 5 항에 있어서, 상기 리튬 티타늄 산화물은 평균 입경이 10 내지 500nm인 도전성 페이스트 조성물.
제5항에 있어서, ZnO, ZrO₂ 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 더 포함하는 도전성 페이스트 조성물.
제6항에 있어서, ZnO, ZrO₂ 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 0.1 내지 10중량부로 더 포함하는 도전성 페이스트 조성물.
제 5 항에 있어서, 상기 은 분말은 평균 입경이 0.5 내지 4um의 구형 또는 플레이크형 분말인 도전성 페이스트 조성물.
제 5 항에 있어서, 상기 바인더는 불포화 카르복실산 화합물 및 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체인 카르복실기 함유 감광성 수지, 불포화 카르복실산 화합물 및 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체에 에틸렌성 불포화기를 펜던트기로 부가한 카르복실기 함유 감광성 수지, 및 불포화 이중 결합을 갖는 산 무수물 및 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합체와 수산기와 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 반응에 의해 얻어지는 카르복실기 함유 감광성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 카르복실기 함유 감광성 수지인 도전성 페이스트 조성물.
제 5 항에 있어서, 상기 용매는 α-터피놀(a-Terpinol), 부틸 카비톨 아세테이트(butyl cabitol acetate), 텍사놀(Texanol), 부틸 카비톨(butyl cabitol) 및 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(Di-propylene glycol monomethyl ether)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 도전성 페이스트 조성물.
제6항에 있어서, 분산제, 증점제, 요변제 및 레벨링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 0.1 내지 10 중량부로 더 포함하는 도전성 페이스트 조성물.
제1 도전성 타입의 기판;
상기 기판 상에 형성된 제2 도전성 타입의 에미터층;
상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막;
상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되며 제5항 내지 제14항 중 어느 한 항의 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 전면 전극; 및
상기 기판의 배면에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지.
제15항에 있어서,
상기 기판은 P형 불순물로 도핑되고 상기 에미터층은 N형 불순물로 도핑되어 있는 태양전지.
제15항에 있어서,
상기 에미터층은 60 내지 120Ω/sq 의 면저항을 갖는 태양전지.
제15항에 있어서,
상기 반사방지막은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화 질화막, MgF₂막, ZnS막, TiO₂막, CeO₂막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 단일막 또는 상기 단일막 중에서 선택되는 2개 이상의 막이 조합된 다층막인 태양전지.