KR20130110960A - 도전성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents

도전성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 Download PDF

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KR20130110960A KR1020120033343A KR20120033343A KR20130110960A KR 20130110960 A KR20130110960 A KR 20130110960A KR 1020120033343 A KR1020120033343 A KR 1020120033343A KR 20120033343 A KR20120033343 A KR 20120033343A KR 20130110960 A KR20130110960 A KR 20130110960A
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Abstract

도전성 페이스트 조성물이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은, 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함하며, 2 내지 7의 요변지수, 및 50,000 내지 300,000cps의 점도(온도 25℃)를 갖는다.

Description

도전성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지{Conductive paste composition and solar cell using the same}
본 발명은 도전성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 종횡비를 갖는 전면전극을 형성하는 도전성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈과 환경 문제에 대응하기 위한 대체에너지의 개발이 요구되는 추세에서 재생 가능한 에너지(Renewable energy)를 대표하는 태양광 발전의 중요성이 증가하고 있다. 이러한 태양광 발전에서는 태양전지의 개발을 핵심 기술로 하고 있으며, 태양 전지는 태양 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 무한한 에너지원 및 긴 수명을 장점으로 갖는다. 태양전지에서 전면전극은 스크린 프린팅 방법을 이용하여 형성할 수 있으나, 스크린 프린팅 방법에 의하는 경우 선폭을 줄이는데 한계가 있어 태양광을 가리는 면적(shadowing area)이 크고, 작은 종횡비로 인해 전면전극의 저항이 커지는 문제점이 있다. 또한, 상기 면적 및 종횡비의 편차 또한 크기 때문에 태양전지의 효율을 높이는데 어려움이 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 좁은 선폭과 작은 종횡비가 개선된 전면전극을 형성하는 도전성 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 광효율이 개선된 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물이 제공된다. 상기 도전성 페이스트 조성물은, 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함하며, 2 내지 7의 요변지수, 및 50,000 내지 300,000cps의 점도(온도 25℃)를 갖는다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 도전성 입자는, 금속계 물질, 산화금속계 물질 또는 탄소계 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 도전성 입자는, 0.05 내지 25㎛의 크기일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 도전성 입자는, 평균입자직경(D50)이 0.5 내지 1.5㎛이고, 최대입자직경(Dmax)이 15 내지 25㎛일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 도전성 입자는, 상기 조성물의 전체 중량의 70 내지 95중량%일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 증점제는 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 또는 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 5중량%일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 분산제는 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 공중합체, 비이온성 계면활성제 또는 아마이드 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 10중량%일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 요변성제는 케스터 왁스류, 산화폴리에틸렌 왁스류, 아마이드 왁스류, 린시드 오일류, 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 10중량%일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 유기용제는 테르피네올, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 부틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브 아세테이트, 텍사놀, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 이소프로필 알콜 또는 에탄올 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 5 내지 40중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지가 제공된다. 상기 태양전지는, 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함하며, 2 내지 7의 요변지수 및 50,000 내지 300,000cps의 점도(온도 25℃)를 갖는 도전성 페이스트 조성물로 형성되는 전면전극을 포함한다
본 발명의 기술적 사상에 따른 도전성 페이스트 조성물에 따르면, 선폭을 줄이고 종횡비가 큰 전면전극을 형성하는데 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양전지에 따르면,　선폭이 작고 종횡비가 큰 전면전극을 이용함으로써 전면전극의 저항을 개선함은 물론, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실리콘 태양전지를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 절단하였을 때의 실리콘 태양전지를 개략적으로 도시하는 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물 중 도전성 입자의 크기 및 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 입자의 분포에 따라 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물의 점도에 따라서 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물의 점도 및 요변지수의 변화에 따라 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물의 점도 및 요변지수의 크기에 따라서 디스펜싱 방법에서 사용되는 도전성 페이스트 조성물의 영역을 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7의 타원형 영역(A) 내에 도시된 서로 다른 점도 및 요변지수를 갖는 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 전면전극을 나타내는 SEM 이미지이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
도 1은 실리콘 태양전지를 개략적으로 도시하는 평면도이고, 도 2는 도 1의 II-II' 선을 따라 절단하였을 때의 실리콘 태양전지를 개략적으로 도시하는 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 태양전지(10)는 제1 반도체층(101), 상기 제1 반도체층(101) 상에 형성된 제2 반도체층(103), 상기 제2 반도체층(103) 상에 형성된 전면전극(105) 및, 상기 제1 반도체층(101)의 후면에 형성된 후면전극(109)을 포함한다.
상기 제1 반도체층(101)은 제1 도전형의 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형은 p형일 수 있다. 상기 제2 반도체층(103)은 상기 제1 반도체층(101)의 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형은 n형일 수 있다.
서로 다른 도전형을 갖는 상기 제1 반도체층(101) 및 상기 제2 반도체층(103)을 형성하여 p-n 접합 구조가 형성된다.
또한, 상기 제2 반도체층(103) 상에 반사방지막(107)이 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(107)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위한 것으로서, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 전면전극(105)은 제1 방향으로(D1)으로 형성된 복수의 핑거라인(finger line, 105a) 및 상기 제1 방향(D1)과 실질적으로 수직하는 제2 방향(D2)으로 형성된 복수의 버스바(bus bar, 105b)를 포함할 수 있다. 상기 전면전극(105)은 상기 제2 반도체층(103) 상에 형성될 수 있으며, 상기 반사방지막(107)을 관통하면서 상기 제2 반도체층(103)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전면전극(105)은 도전성 페이스트 조성물을 상기 반사방지막(107) 상에 소정 패턴에 따라 도포한 후 열처리 공정에 의해 형성될 수 있다. 열 처리를 통해 상기 전면전극(105)은 상기 반사방지막(107)을 뚫고 들어가 상기 제2 반도체층(103)과 연결될 수 있다. 상기 전면전극(105)을 형성하는 상기 도전성 페이스트 조성물은 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함할 수 있다. 상기 도전성 페이스트 조성물은 2 내지 7의 요변지수(thixotropic index, TI= (10 rpm에서의 점도) / (100 rpm에서의 점도)) 및 50,000 내지 300,000cps의 점도(10rpm, 25℃에서 브룩필드 점도계로 측정)일 수 있다.
상기 도전성 입자는 금속계 물질, 산화금속계 물질 또는 탄소계 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 도전성 입자는 0.05 내지 25㎛의 크기를 가지며 평균입자직경(D50)이 0.5 내지 1.5㎛이고, 최대입자직경(Dmax)이 15 내지 25㎛일 수 있다. 상기 도전성 입자는 상기 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량의 70 내지 95중량%일 수 있다.
상기 증점제는 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 또는 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 5중량%일 수 있다.
상기 분산제는 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 공중합체, 비이온성 계면활성제 또는 아마이드 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 10중량%일 수 있다.
상기 요변성제는 케스터 왁스류, 산화폴리에틸렌 왁스류, 아마이드 왁스류, 린시드 오일류, 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 10중량%일 수 있다.
상기 유기용제는 테르피네올, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 부틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브 아세테이트, 텍사놀, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 이소프로필 알콜 또는 에탄올 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량의 5 내지 40중량%일 수 있다.
태양전지(10)에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 (+) 전하를 띤 정공이 발생된다.
상기 제2 반도체층(103)으로 이동한 전자는 전면전극(105)으로 이동하며, 상기 제1 반도체층(101)으로 이동한 정공은 후면전극(109)으로 이동한다. 상기 전극(105, 109)을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
상기 제2 반도체층(103)에서 생성된 전자를 상기 전면전극(105)으로 원할하게 이동시키기 위해서는 상기 제2 반도체층(103) 상에 형성되는 상기 전면전극(105), 특히 핑거라인(105a)의 선폭을 증가시켜야 한다. 그러나, 상기 제2 반도체층(103) 상에 형성되는 상기 전면전극(105)의 선폭을 증가시키면, 상기 제2 반도체층(103)으로 투과되는 빛의 양이 감소하여 태양전지(10)의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있으므로 선폭은 줄이면서 전극의 높이를 증가시켜야 한다.
따라서, 상기 도전성 페이스트 조성물을 디스펜싱 방법으로 디스펜싱 노즐을 이용하여 상기 전면전극(105)을 형성하는 경우, 좁은 선폭과 높은 종횡비를 구현할 수 있다. 상기 디스펜싱 노즐의 니들(needle) 내경은 50 내지 100㎛일 수 있으며, 상기 전면전극(105)은 45 내지 65㎛ 의 선폭 및 적어도 0.4 이상의 종횡비를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물 중 도전성 입자의 크기 및 분포를 나타내는 그래프이다.
스크린 프린팅 방법처럼 실리콘 웨이퍼 상에 압력을 가하여 전면전극을 형성하는 접촉식 인쇄 방법과 달리, 디스펜싱 방법은 비접촉 인쇄 방법으로서, 실리콘 웨이퍼에 가해지는 압력이 없으므로 전면전극을 형성하는 과정에서 실리콘 웨이퍼의 손상 또는 파손을 방지할 수 있으며, 선 폭을 줄이고 높이를 증가시켜 전면전극의 종횡비(Aspect ratio)를 개선할 수 있다.
다만, 상기 디스펜싱 방법은 노즐을 통하여 토출되는 페이스트를 이용하여 전극 패턴을 형성하므로, 상기 노즐이 막히는 것을 방지하기 위하여 스크린 프린팅 방법과는 다른 조성비를 갖는 도전성 페이스트 조성물이 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디스펜싱 방법을 이용하여 태양전지의 전면전극을 형성하는 도전성 페이스트 조성물은 도전성 입자를 포함할 수 있으며, 상기 도전성 입자는 0.05 내지 25㎛의 크기일 수 있으며, D50(평균입자직경)=0.5~1.5㎛, Dmax(최대 입자 직경)=15~25㎛ 로 산포될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 사용되는 도전성 입자는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속 입자일 수 있다. 또한, 도전성 입자로서 산화금속계 물질을 사용할 수 있으며, 산화 금속계 물질은 예를 들어, ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), ZnOx, SnO2 , -TiO----2- 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다. 또한, 도전성 입자로서 탄소계 물질을 사용할 수 있으며, 탄소계 물질은 예를 들어, CNT(carbon nanotube) 또는 그래핀(graphene)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성을 가진 물질이라면 상기 도전성 페이스트 조성물의 도전성 입자로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에서 상기 도전성 입자는 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량에 대해서 70 내지 95 중량%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 증점제는 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 또는 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 상기 셀룰로스계 수지는 에틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 니트로 셀룰로즈 또는 히드록실 에틸 셀룰로즈일 수 있다. 또한, 상기 아크릴계 수지는 아크릴산 에스테르일 수 있다. 또한, 상기 폴리비닐계 수지는 폴리비닐 알코올 또는 폴리비닐 부티랄일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 증점제의 함량은 도전성 페이스트 조성물 전체 중량에 대해서 0.1 내지 5중량%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 분산제는 비이온성 계면활성제일 수 있다. 예를 들어, 상기 비이온성 계면활성제는 1급, 2급 알코올 에톡실레이트, 로릴알콜 에톡실레이트, 로릴알콜 알콕실레이트, 또는 올레일 알코올 에톡실레이트일 수 있다. 또한, 상기 분산제는 에틸렌옥사이드와 프로필렌옥사이드의 공중합체일 수 있다. 또한, 상기 분산제는 아마이드형으로서 디에탄올아마이드, 모노에탄올아마이드, 또는 모노에탄올아마이드 에톡실레이트일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 분산제의 함량은 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량에 대해서 0.1 내지 10 중량%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 요변성제는 케스터 왁스류, 산화폴리에틸렌 왁스류, 아마이드 왁스류, 린시드 오일류, 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 요변성제의 함량은 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량에 대해서 0.1 내지 10 중량%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 유기용제는 테르피네올, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 부틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브 아세테이트, 텍사놀, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 이소프로필 알콜 또는 에탄올 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 유기용제의 도전성 페이스트 조성물의 전체 중량에 대해서 5 내지 40 중량%일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 입자의 분포에 따라 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타내는 그래프이다. 여기서는 니들 내경이 50㎛ 이고, 토출 압력이 0.8Mpa 인 디스펜싱 노즐을 이용하여 토출량을 측정하였다.
도 4를 참조하면, 디스펜싱 방법에 의해서 전면전극 특히, 핑거라인을 형성하는 경우, 도전성 입자의 분포에 따라 도전성 페이스트 조성물의 토출량이 달라지는 것을 알 수 있다. 즉, 도전성 입자가 D50=1㎛, Dmax=50㎛의 입자 크기 및 분포를 가지는 경우, 약 10 분이 경과된 이후부터, 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량이 급감하여, 약 13분에는 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 양이 0이 됨을 알 수 있다. 이는 D50=1㎛, Dmax=50㎛의 도전성 입자 크기 및 분포를 갖는 도전성 페이스트 조성물를 사용하는 경우, 디스펜싱 노즐이 막히게 되어 핑거라인 형성에 적합하지 않음을 보여준다.
반면에, 도전성 입자가 D50=1㎛, Dmax=20㎛의 입자 크기 및 분포를 가지는 도전성 페이스트 조성물을 사용하는 경우, 시간에 따라 토출되는 도전성 페이스트 조성물을 정량 또는 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 도전성 페이스트 조성물에 포함되는 도전성 입자의 크기 및 분포에 따라 핑거라인 형성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 디스펜싱 방법에 의한 핑거라인을 형성함에 있어서, 도전성 입자들의 크기는 0.05 내지 25㎛일 수 있으며, D50=0.5~1.5㎛, Dmax=15~25㎛일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물의 점도에 따라서 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타내는 그래프이다. 여기서는 니들 내경이 50㎛ 이고, 토출 압력이 0.8Mpa 인 디스펜싱 노즐을 이용하여 토출량을 측정하였다.
도 5를 참조하면, 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용(10rpm, 25℃)하여 측정한 도전성 페이스트 조성물의 점도에 따라서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타낸다.
도전성 페이스트 조성물의 점도가 커질수록 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량은 점점 감소하는 것을 알 수 있으며, 점도가 200,000cps인 경우, 상기 도전성 페이스트 조성물이 토출되지 않는 것을 알 수 있다.
따라서, 0.1g/min 이상의 토출량을 갖는 도전성 페이스트 조성물을 확보하기 위해서는 10rpm 및 25℃에서 약 150,000cps 이하의 점성을 갖는 도전성 페이스트 조성물을 이용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물의 점도 및 요변지수의 변화에 따라 디스펜싱 노즐에서 토출되는 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 나타내는 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 50 내지 100㎛의 니들 내경을 갖는 디스펜싱 노즐을 이용하여 전면전극을 형성할 수 있다. 여기서는 니들 내경이 50㎛ 이고, 토출 압력이 0.8Mpa 인 디스펜싱 노즐을 이용하여 도전성 페이스트 조성물의 토출량을 측정하였다.
상기 도전성 페이스트 조성물의 점도는 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용(10rpm, 25℃)하여 측정하였다. 상기 도전성 페이스트 조성물의 요변지수(thixotropic index, TI= (10 rpm에서의 점도) / (100 rpm에서의 점도))는 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용하여 25℃에서 측정하였다.
요변지수는 전단 속도(shear rate)에 따른 점도 변화를 나타내며, 요변지수가 클수록 도전성 페이스트 조성물이 디스펜싱 노즐에서 토출된 후, 높은 종횡비를 얻을 수 있다. 그러나, 시간이 지남에 따라 디스펜싱 노즐 내의 도전성 페이스트 조성물의 점도가 점점 증가하여 상기 도전성 페이스트 조성물의 토출량은 감소하게 되고, 결국 상기 디스펜싱 노즐은 상기 도전성 페이스트 조성물로 막히게 된다.
그러나, 요번 지수가 낮은 도전성 페이스트 조성물을 사용하는 경우, 디스펜싱 노즐이 막히는 것을 방지할 수 있지만, 토출된 도전성 페이스트 조성물에서 원하는 종횡비를 얻을 수가 없다.
도 6을 참조하면, 점도가 120,000cps이고, 요변지수가 4.0인 도전성 페이스트 조성물을 사용하는 경우, 디스펜싱 시간에 따른 도전성 페이스트 조성물의 토출량이 균일한 것을 알 수 있다. 그러나, 요변지수가 6.0 이고, 점도가 250,000 또는 350,000인 도전성 페이스트 조성물을 사용하는 경우, 디스펜싱 시간에 따라 도전성 페이스트 조성물의 토출량이 급감하여 디스펜싱 노즐이 막히는 것을 알 수 있다.
따라서 입사된 빛에 의하여 전하 또는 정공을 발생시키는 반도체층의 면적이 감소되는 것을 최소화하고, 전하 또는 정공의 이동을 향상시키기 위해서는 전면전극의 선폭을 줄이고 종횡비를 높여야 하며, 이를 위해서는 도전성 페이스트 조성물의 점도 및 요변지수의 크기를 고려해야 한다. 하지만, 태양전지의 효율만을 고려하려 점도 및 요변지수를 결정하는 경우, 전술한 바와 같이 도전성 페이스트 조성물의 토출량 지속성 및 균일성을 확보할 수가 없으므로 생산성이 떨어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물의 점도 및 요변지수의 크기에 따른 디스펜싱 방법에서 사용되는 도전성 페이스트 조성물의 영역을 나타내는 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 50 내지 100㎛의 니들 내경을 갖는 디스펜싱 노즐을 이용하여 전면전극을 형성할 수 있다. 여기서는 니들 내경이 50㎛ 이고, 토출 압력이 0.8Mpa 인 디스펜싱 노즐을 이용하여 도전성 페이스트 조성물의 적합성을 측정하였다. 상기 도전성 페이스트 조성물의 점도(10rpm) 및 요변지수(TI= (10 rpm에서의 점도) / (100 rpm에서의 점도))는 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용(10rpm, 25℃)하여 25℃에서 측정하였다.
상기 도전성 페이스트 조성물의 적합성에서는 도전성 페이스트 조성물이 디스펜싱 노즐에서 토출되지 않는 경우, 토출이 시작되고 소정의 시간이 경과한 후 노즐이 막혀서 토출이 되지 않는 경우 또는 형성된 전면전극의 종횡비가 0.3을 초과하지 않는 경우를 부적합한 경우로 보아, 적절한 점도 및 요변지수의 범위에서 제외하였다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 타원형 영역(A) 내에 해당하는 점도 및 요변지수의 값을 가질 수 있다. 즉, 상기 타원형 영역 내에 해당하는 도전성 페이스를 이용하여 디스펜싱 방법에 의해서 전면전극을 형성하는 경우, 점도는 약 50,000 내지 약 300,000cps일 수 있으며, 요변지수는 약 2 내지 약 7의 범위일 수 있다. 도전성 페이스트 조성물의 점도가 작을수록, 도전성 페이스트 조성물의 점도가 큰 경우의 요변지수보다 더 큰 값의 요변지수를 갖는 도전성 페이스트 조성물을 이용할 수 있다. 또한, 도전성 페이스트 조성물의 점도가 클수록, 도전성 페이스트 조성물의 점도가 작은 경우의 요변지수보다 더 작은 값의 요변지수에 해당하는 도전성 페이스트 조성물을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 점도와 요변지수가 서로 반비례하는 경향을 가지며, 상기 타원형 영역 내의 점도 및 요변지수를 선택하여, 디스펜싱 방법에 의해서 전면전극, 특히 핑거라인을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 상기 타원형 영역(A) 내에 해당하는 점도 및 요변지수의 값을 가지므로, 태양전지의 효율뿐만 아니라 생산성을 증가시킬 수 있다. 상기 타원형 영역 내에 표시된 실시예 1 내지 실시예 5에 해당하는 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 전면전극은 이하, 표 1, 2 및, 도 8a 내지 8e을 참조하여 설명한다.
도 8a 내지 도 8e는 도 7의 타원형 영역(A) 내에 도시된 서로 다른 점도 및 요변지수를 갖는 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 전면전극을 나타내는 SEM 이미지이다. 여기서는 니들 내경이 50㎛ 이고, 토출 압력이 0.8Mpa 인 디스펜싱 노즐을 이용하여 전면전극을 형성하였다. 또한, 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용(10rpm, 25℃)하여 점도 및 요변지수(TI= (10 rpm에서의 점도) / (100 rpm에서의 점도))를 측정하였다.
도 8a는 도 7의 타원형 영역(A) 내에 표시된 실시예 1의 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 전면전극을 나타낸다. 실시예 1(도 7 참조)의 도전성 페이스트 조성물은 110,000cps의 점도 및 6.0의 요변지수를 가진다. 상기 점도 및 요변지수를 갖는 도전성 페이스트 조성물을 형성하기 위하여, 도전성 페이스트 조성물은 80중량%의 도전성 입자, 1중량%의 증점제, 1.7중량%의 요변성제, 15중량%의 유기용제, 및 2중량%의 유리 프릿을 포함한다.
도 8a의 전면전극은 상기 도전성 페이스트 조성물을 니들 내경이 50㎛, 토출 압력이 0.8Mpa 인 디스펜싱 노즐을 이용하여 기판 상에 도포하고, 건조, 버닝아웃(burning-out) 및 소성 과정을 통하여 형성된다. 상기 전면전극은 선폭이 60±2 ㎛ 이며, 종횡비는 0.5±0.01에 해당한다.
아래 표 1은 도 7의 타원형 영역(A) 내에 표시된 실시예 1 내지 실시예 5의 도전성 페이스트 조성물을 형성하기 위한 각 물질의 중량%를 나타낸다. 아래 표 2는 표 1에 나타난 실시예 1 내지 5에 따른 도전성 페이스트 조성물을 사용하여 형성된 도 8(a) 내지 도 8(e)의 전면전극의 선폭 및 종횡비를 나타낸다. 표 2의 실시예 1 내지 실시예 5는 도 8(a) 내지 도 8(e)와 각각 대응된다.
점도
(cps)		 요변
지수		 도전성
입자(Ag)
(중량%)		 증점제
(중량%)		 분산제
(중량%)		 요변성제
(중량%)		 유기용제
(중량%)		 유리프릿
(중량%)		 비고
실시예1 110,000 6.0 80 1 0.5 1.5 15 2 디스펜싱방법
실시예2 120,000 4.0 80 0.7 1.2 1.1 15 2 디스펜싱방법
실시예3 260,000 3.0 80 1.3 0.9 0.8 15 2 디스펜싱방법
실시예4
 200,000 4.5 80 0.9 1 1.1 15 2 디스펜싱방법
실시예5 158,000 5.2 80 0.7 1 1.3 15 2 디스펜싱방법
선폭(㎛) 종횡비 비고
실시예1 60±2 0.5±0.01 디스펜싱 방법
실시예2 50±2 0.5±0.01 디스펜싱 방법
실시예3 60±3 0.5±0.02 디스펜싱 방법
실시예4 55±3 0.55±0.02 디스펜싱 방법
실시예5 55±3 0.58±0.02 디스펜싱 방법
도 8(b) 내지 도 8(e)의 전면전극은 도 8(a)을 참조하여 전술한 바와 같이, 표 1에 나타난 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 형성될 수 있으며, 도 8(b) 내지 도 8(e)의 전면전극 각각에 대한 선폭 및 종횡비는 표 2에 기재된 바와 같으므로 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 8(a) 내지 도 8(e) 및, 표 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물은 디스펜싱 방법을 이용하여, 45 내지 65㎛ 의 선폭, 0.4 이상의 종횡비를 갖는 전면전극을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물을 이용하여, 선폭은 줄이고 더 높은 종횡비를 갖는 전면전극을 형성할 수 있다. 또한, 도 7의 타원형 영역(A)에 해당하는 요변지수 및 점도를 갖는 도전성 페이스트 조성물을 사용하여 원하는 선폭 및 종횡비를 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 디스펜싱 방법을 사용하여 전면전극을 형성하는 도전성 페이스트 조성물을 제공하므로, 접촉식 인쇄 방법에 의한 웨이퍼의 파손 및 손상을 방지할 수 있다. 또한, 전면전극의 선폭 및 높이를 용이하게 조절하여 종횡비를 개선할 수 있으므로 전면전극 저항의 감소 및 전면전극의 치수 균일성의 확보는 물론, 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
10: 태양전지 101: 제1 반도체층
103: 제2 반도체층 105: 전면전극
105a: 핑거라인 105b: 버스바
107: 반사방지막 109: 후면전극

Claims (10)

  1. 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함하며, 2 내지 7의 요변지수, 및 50,000 내지 300,000cps의 점도(온도 25℃)를 갖는 도전성 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 입자는,
    금속계 물질, 산화금속계 물질 또는 탄소계 물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 입자는,
    0.05 내지 25㎛의 크기인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 입자는,
    평균입자직경(D50)이 0.5 내지 1.5㎛이고, 최대입자직경(Dmax)이 15 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 입자는,
    상기 조성물의 전체 중량의 70 내지 95중량% 인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증점제는 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 또는 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 5중량% 인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분산제는 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 공중합체, 비이온성 계면활성제 또는 아마이드 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 요변성제는 케스터 왁스류, 산화폴리에틸렌 왁스류, 아마이드 왁스류, 린시드 오일류, 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 0.1 내지 10중량% 인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유기용제는 테르피네올, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 부틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브 아세테이트, 텍사놀, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 이소프로필 알콜 또는 에탄올 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 상기 조성물의 전체 중량의 5 내지 40중량%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
  10. 도전성 입자, 증점제, 분산제, 요변성제, 유기용제 및 유리 프릿(glass frit)을 포함하며, 2 내지 7의 요변지수 및 50,000 내지 300,000cps의 점도(온도 25℃)를 갖는 도전성 페이스트 조성물로 형성되는 전면전극을 포함하는 태양전지.
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