KR20140022511A - 태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지 - Google Patents

태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 도전성 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 유리 프릿은 PbO, Bi2O3 및 TeO2를 포함하고, 상기 유리 프릿 중 상기 Bi2O3는 5~55중량%, 상기 TeO2는 10~40중량%, 상기 PbO는 잔량으로 포함되는 태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.

Description

태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지{ELECTRODE PASTE FOR SOLAR CELL, ELECTRODE PREPARED FROM THE SAME AND SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고 면저항 하에서 pn 접합(pn junction)에 대한 피해를 최소화하고 접촉 저항을 줄임으로써 태양전지 효율을 높인 태양전지 전극용 페이스트, 이로부터 제조된 전극 및 이를 포함하는 태양전지를 제공하였다.
태양전지는 태양광의 포톤(photon)을 전기로 변환시키는 pn 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양전지는 pn 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상·하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어 있다. 태양전지는 반도체 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 pn 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다. 이러한 태양전지의 전극은 전극용 페이스트 조성물의 도포, 패터닝 및 소성에 의해, 웨이퍼 표면에 형성될 수 있다.
최근 태양전지의 효율을 증가시키기 위해 에미터(emitter)의 두께가 지속적으로 얇아짐에 따라, 태양전지의 성능을 저하시킬 수 있는 션팅(shunting) 현상을 유발시킬 수 있다. 또한, 태양전지의 효율을 증가시키기 위해 태양전지의 면적을 점차 증가시키고 있는데, 이는 태양전지의 접촉저항을 높여 태양전지의 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 다양한 면저항의 웨이퍼의 증가에 따라 소성 온도의 변동폭이 커지고 이에 따라 넓은 소성 온도에서도 열안정성을 확보할 수 있는 페이스트에 대한 요구가 높아지고 있다. 예를 들면, 한국공개특허 2012-0002974호는 납산화물과 비스무트 산화물을 포함하는 유리 프릿을 포함하는 페이스트를 개시하고 있다.
따라서, 다양한 면저항 하에서 pn 접합에 대한 피해를 최소화함으로써 pn 접합 안정성을 확보할 수 있고 태양전지 효율을 높일 수 있는 전극용 페이스트 를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 고 면저항 하에서 pn 접합에 대한 피해를 최소화하는 전극의 구현이 가능한 전극 페이스트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고 면저항 하에서 접촉 저항을 줄임으로써 태양전지 효율을 높인 전극의 구현이 가능한 전극 페이스트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 태양전지의 효율을 높인 전극의 구현이 가능한 전극 페이스트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전극 페이스트로 제조된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점인 태양전지 전극용 페이스트는 도전성 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 유리 프릿은 유리 프릿 중 Bi2O3를 5~55중량%, TeO2를 10~40중량% 및 PbO를 잔량으로 포함될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 Bi2O3와 PbO의 합은 상기 유리 프릿 중 20~70중량%가 될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 유리 프릿은 Al2O3, ZrO2, P2O5, ZnO, SiO2, Na2O, B2O3, Ta2O5, Fe2O3, Cr2O3, Co2O3, Li2O, Li2CO3, MgO 및 MnO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛~5㎛가 될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 페이스트는 도전성 분말 60~90중량%, 유리 프릿 1~10중량% 및 유기 비히클 7~30중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 전극은 상기 태양전지 전극용 페이스트로 형성될 수 있다.
본 발명은 다양한 면저항 하에서도 pn 접합에 영향을 주지 않는 태양전지 전극용 페이스트를 제공하였다. 본 발명은 다양한 면저항 하에서도 태양전지 효율이 높은 태양전지 전극용 페이스트를 제공하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트를 이용하여 제조되는 태양전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
본 발명의 일 관점인 태양전지 전극용 페이스트는 도전성 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 페이스트는 도전성 분말 60~90중량%, 유리 프릿 1~10중량%, 유기 비히클 7~30중량%를 포함할 수 있다.
도전성 분말
도전성 분말은 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 철(Fe), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 등이 사용될 수 있다. 상기 도전성 분말은 1종 또는 2종 이상의 혼합 형태를 사용할 수 있고, 2종 이상이 합금된 형태를 사용할 수도 있다. 바람직하게는, 도전성 분말은 은 입자를 포함하고, 은 입자 이외에 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 아연(Zn) 또는 구리(Cu)를 추가로 포함할 수 있다.
도전성 분말은 입자 형상이 구형, 판상형, 무정형 형상을 가질 수 있다. 도전성 분말은 서로 다른 입자 형상을 갖는 도전성 분말의 혼합물을 사용할 수도 있다.
도전성 분말은 평균입경(D50)이 0.1㎛~3㎛일 수 있다. 상기 평균입경은 이소프로필알코올(IPA)에 도전성 분말을 초음파로 25℃에서 3분 동안 분산시킨 후 CILAS社에서 제작한 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다. 상기 범위 내에서, 접촉 저항과 선 저항이 낮아지는 효과를 가질 수 있다. 바람직하게는 0.5㎛~2㎛가 될 수 있다. 도전성 분말은 서로 다른 평균입경(D50)을 갖는 도전성 분말의 혼합물을 사용할 수도 있다.
도전성 분말은 페이스트 중 60~90중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 저항의 증가로 변환 효율이 낮아지는 것을 막을 수 있고, 유기 비히클 양의 상대적인 감소로 페이스트화가 어려워지는 것을 막을 수 있다. 바람직하게는 70~88중량%로 포함될 수 있다.
유리 프릿
유리 프릿은 페이스트의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭하고, 도전성 입자를 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록 에미터 영역에 도전성 입자의 결정을 생성시키고, 도전성 분말이 웨이퍼 또는 기판에 강하게 접착할 수 있도록 하는 역할을 한다.
유리 프릿은 PbO, Bi2O3, TeO2를 포함하는 3성분 유리 프릿('PbO-Bi2O3-TeO2'으로 표시될 수 있음)이 될 수 있다. 상기 유리 프릿에서 Bi2O3는 5~55중량%, TeO2는 10~40중량%, PbO는 잔량으로 포함될 수 있다.
Bi2O3가 5중량% 미만이면, 접촉저항이 나빠지는 경향이 있고, Bi2O3가 55중량% 초과이면, junction에 damage를 입히는 문제점이 있을 수 있다. 바람직하게는 6~52중량%로 포함될 수 있다.
TeO2가 10중량% 미만이면, TeO2에 의한 Ag 고형도가 작아져서 접촉저항이 증가할 수 있다. TeO2가 40중량% 초과이면, TeO2 과량 투입에 의해 실리콘 계면과의 반응성이 약해져서 접촉저항이 증가할 수 있다. 바람직하게는 30~40중량%, 더 바람직하게는 34-37중량%로 포함될 수 있다.
상기 3성분 유리 프릿에서, Bi2O3와 PbO의 합은 상기 유리 프릿 중 20~70중량%가 될 수 있다. 상기 범위에서, pn 접합(pn junction)에 대한 피해를 최소화하고 접촉 저항을 줄일 수 있다. 바람직하게는 30-70중량%, 더 바람직하게는 30-66중량%가 될 수 있다.
상기 3성분 유리 프릿에서, 상기 Bi2O3와 TeO2의 합은 상기 유리 프릿 중 20~90중량%, 바람직하게는 40-88중량%가 될 수 있다.
상기 3성분 유리 프릿에서, PbO는 Bi2O3와 TeO2를 제외한 잔량으로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 10~60중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위인 경우, 다양한 면저항 하에서 pn 접합 안정성을 확보할 수 있고 태양전지 효율을 높일 수 있다.
유리 프릿은 PbO, Bi2O3 및 TeO2 이외에 Al2O3, ZrO2, P2O5, ZnO, SiO2, Na2O, B2O3, Ta2O5, Fe2O3, Cr2O3, Co2O3, Li2O, Li2CO3, MgO 및 MnO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 유리 프릿에 포함되는 각 성분의 조성은 전극의 효율 또는 고온에서의 안정성을 고려하여 조절할 수 있다.
유리 프릿은 결정화 유리 프릿 또는 비결정화 유리 프릿을 사용할 수 있고, 유연 유리 프릿, 무연 유리 프릿 또는 이들의 혼합물 중 어느 것도 사용가능 하다.
유리 프릿은 통상의 방법을 사용하여 상기 기술된 PbO, Bi2O3 , TeO2 등의 금속 산화물로부터 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 기술된 PbO, Bi2O3 , TeO2 등을 상기 함량 범위로 혼합한다. 혼합은 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetary mill)을 사용하여 혼합할 수 있다. 혼합된 조성물을 900℃-1300℃의 조건에서 용융시키고, 25℃에서 켄칭(quenching)한다. 얻은 결과물을 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등에 의해 분쇄하여 유리 프릿을 얻을 수 있다.
유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛~5㎛, 바람직하게는 0.5㎛~3㎛가 될 수 있다. 평균입경(D50)은 이소프로필알코올(IPA)에 유리 프릿을 초음파로 25℃에서 3분 분산 후 CILAS 社 에서 제작한 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다.
유리 프릿은 페이스트 중 1~10중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 전도성 분말의 소결성, 부착력 및 저항이 높아져 변환효율이 저하되는 것을 막을 수 있고, 소성 후 남아 있는 유리 프릿의 양이 과다하게 분포되어 저항 상승 및 납땜성을 저하시킬 수 있는 가능성을 막을 수 있다. 바람직하게는 1~7중량%로 포함될 수 있다.
유기 비히클
유기 비히클(vehicle)은 페이스트에 액상 특성을 부여하는 유기 바인더(binder)를 포함할 수 있다.
유기 바인더로는 에틸셀룰로오즈, 히드록시에틸셀룰로오즈, 히드록시프로필 셀룰로오즈 또는 히드록시에틸히드록시프로필셀룰로오즈 등의 셀룰로오즈계 고분자, 카르복실기 등의 친수성을 가지는 아크릴 단량체로 공중합시킨 아크릴계 공중합체, 폴리비닐계 수지 등 이들 각각 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있지만, 이들에 제한되는 것은 아니다.
유기 비히클은 용제를 더 포함할 수 있다. 이 경우 유기 비히클은 용제에 유기 바인더를 용해시킨 용액이 될 수 있다. 유기 비히클은 유기 바인더 5중량%~40중량%와 용제 60중량%~95중량%를 포함할 수 있다. 바람직하게는 유기 바인더 6중량%~30중량%와 용제 70중량%~94중량%를 포함할 수 있다.
용제로는 120℃ 이상의 비점을 갖는 유기 용제가 사용될 수 있다. 구체적으로는, 카비톨 용매, 지방족 알코올류, 에스테르계, 셀로솔브 용매, 탄화수소 용매 등 전극 제조에 통상적으로 사용하는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 용매는 부틸 카비톨, 부틸 카비톨 아세테이트, 메틸 셀로솔브, 에틸 셀로솔브, 부틸 셀로솔브, 지방족 알코올, 터핀올(terpineol), 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 부틸셀로솔브 아세테이트, 텍사놀(texanol) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
유기 비히클은 페이스트 중 7~30중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 분산이 원활히 되지 않거나 페이스트 제조 후 점도가 너무 높아져 인쇄가 불가능하게 되는 것을 막을 수 있고, 저항이 높아지고 소성 공정시 발생할 수 있는 문제점을 차단할 수 있다. 바람직하게는 5~15중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 페이스트 중 상기한 구성 요소 외에 유동 특성, 공정 특성 및 안정성을 향상시키기 위하여 필요에 따라 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이들은 페이스트 중 0.1~5중량%로 첨가되지만 필요에 따라 변경할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 태양전지 전극용 페이스트로부터 형성된 전극 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, p층(101) 및 에미터로서의 n층(102)을 포함하는 웨이퍼(100) 또는 기판 상에, 상기 페이스트들을 인쇄하고 소성하여 후면 전극(210) 및 전면 전극(230)을 형성할 수 있다. 예컨대, 페이스트를 웨이퍼의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 200℃~400℃ 온도로 대략 10~60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 전면에 페이스트를 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 이후에, 400℃~950℃, 바람직하게는 850℃~950℃에서 30초~50초 정도 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
하기 실시예와 비교예에서 사용한 성분의 구체적인 사양은 다음과 같다.
A.도전성 분말로 평균입경(D50)이 2㎛인 구형의 은 분말(Dowa Hightech社, AG-4-8)을 사용하였다.
B.유리 프릿으로 PbO, Bi2O3 및 TeO2 성분을 포함하는 유리 프릿을 사용하였다.
C.유기 비히클로 에틸셀룰로오스(Dow Chemical社, STD4)와 부틸 카비톨을 사용하였다.
실시예 및 비교예 : 전극용 페이스트 제조
PbO, Bi2O3 및 TeO2를 하기 표 1에 기재된 함량(단위:중량% 또는 중량부)으로 혼합하고 1200℃에서 용융시키고, 25℃에서 켄칭하였다. 얻은 결과물을 디스크 밀로 분쇄하여 평균입경(D50)이 2㎛인 유리 프릿을 얻었다.
얻은 유리 프릿 4중량%에 도전성 분말 85중량%, 및 에틸셀룰로오스 1중량%를 부틸 카비톨 10중량%에 넣고 60℃에서 용해시켜 제조된 유기 비히클 11중량%를 투입하여 믹싱한 후, 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜, 태양전지 전극용 페이스트를 제조하였다.
PbO Bi2O3 TeO2 합계
실시예 1 59.2 6.7 34.1 100
실시예 2 47.6 15.8 36.6 100
실시예 3 12.8 51.3 35.9 100
실시예 4 38.9 26.0 35.1 100
비교예 1 73.8 - 26.2 100
비교예 2 14.4 15.2 70.4 100
비교예 3 25.7 58.2 16.1 100
실험예: 페이스트로 형성된 전극의 물성 평가
상기 실시예와 비교예에서 제조한 페이스트를 스크린 인쇄판 위에서 스크래퍼로 롤링하여 도포시켰다. 스퀴즈로 스크린 인쇄판의 화선부로 토출시키면서 평균 면저항 65Ω의 단결정(monocrystalline) 형태의 웨이퍼에 인쇄하였다. 상기 인쇄된 웨이퍼를 300℃에서 20 초 정도 건조한 후 BTU 소성로 6 zone 온도 940℃, belt speed 250 ipm에서 소성하였다. 소성 후 효율(%)을 산출하였다. 또한, dark-IV 측정 방법을 통해 데이타를 얻은 후 single diode model을 사용하여 이상 계수(ideality factor) n1과 n2를 구하여 n2-n1을 통한 junction quality를 구하였다. 또한, corescan potential을 통해 접촉저항을 구하였다. corescan potential은 Mechatronic-BV社의 corescan장비를 사용하여 실리콘 웨이퍼의 접촉 저항을 측정한 것으로, 실리콘 기판에 전류를 가하고 그 표면을 금속팁이 지나감으로써 측정되는 전류값을 corescan potential로 변환시켜 구한 것이다.
효율(%) n2-n1 corescan potential (mV)
실시예 1 17.96 2.97 14.04
실시예 2 17.89 2.56 12.00
실시예 3 18.08 3.06 10.13
실시예 4 18.02 2.81 10.41
비교예 1 16.88 2.05 34.25
비교예 2 9.12 0.34 168.22
비교예 3 4.24 측정불가 154.11
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 전극 페이스트로 구현된 전극은 n2-n1 값이 높아 태양전지 효율이 높고 접촉 저항이 낮았다. 반면에, Bi2O3 및 TeO2의 함량 범위를 벗어난 유리 프릿을 포함하는 전극 페이스트로 구현된 전극은 태양전지 효율이 현저하게 낮거나 접촉저항이 높아져 본 발명의 효과가 없었다.
본 발명은 실시예와 도면을 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 도전성 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트에 있어서, 상기 유리 프릿은 유리프릿 중 Bi2O3 5~55중량%, TeO2 10~40중량%, PbO를 잔량으로 포함하여 이루어진 것인 태양전지 전극용 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Bi2O3와 상기 PbO의 합은 상기 유리 프릿 중 20~70중량%인 태양전지 전극용 페이스트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 PbO는 상기 유리 프릿 중 10~60중량%로 포함되는 태양전지 전극용 페이스트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은 Al2O3, ZrO2, P2O5, ZnO, SiO2, Na2O, B2O3, Ta2O5, Fe2O3, Cr2O3, Co2O3, Li2O, Li2CO3, MgO 및 MnO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛~5㎛인 태양전지 전극용 페이스트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 도전성 분말은 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 납(Pb), 아연(Zn), 철(Fe), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Nickel) 및 ITO(인듐틴옥사이드)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유기 비히클은 셀룰로오즈계 고분자, 아크릴계 공중합체, 폴리비닐계 수지, 용제 또는 이들의 혼합물을 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 페이스트는 상기 도전성 분말 60~90중량%, 상기 유리 프릿 1~10중량% 및 상기 유기 비히클 7~30중량%를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
  9. 제1항에 있어서, 상기 페이스트는 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함하는 태양전지 전극용 페이스트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 태양전지 전극용 페이스트로 제조된 전극.
  11. 제10항의 전극을 포함하는 태양전지.
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