KR20140105644A - 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자 - Google Patents

알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 알루미늄 분말; 유연계 유리 프릿 및 무연계 유리 프릿을 포함하고, 상기 유연계 유리 프릿과 상기 무연계 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)의 차이가 25 내지 30℃인 유리 프릿; 및 유기 비히클;을 포함함으로써, 우수한 내수성 및 휨 현상이 방지되는 전극을 제조하는 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것이다.

Description

알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자 {ALUMINIUM PASTE COMPOSITION AND SOLAR CELL DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 내수성이 우수하고 휨(bowing) 현상이 억제되는 전극을 제조할 수 있는 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것이다.
최근 들어 급속하게 보급되고 있는 태양전지는 차세대 에너지원으로서 클린 에너지인 태양 에너지를 직접 전기로 변환하는 전자 소자이다.
태양전지 소자는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 기판(10)의 수광면측에 N+층(20), 반사방지막(30)과 전면전극(40)이 형성되어 있고, 기판(10)의 수광면측의 반대면측에 P+층(50)과 후면전극(60)이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조의 태양전지 소자에 태양광을 비추면 내부에서 전자(-)와 정공(+)이 발생하고, 발생된 전자(-)는 N+층(20)으로 정공(+)은 P+층(50)으로 각각 이동하게 된다. 이 현상에 의해 P+층(50)과 N+층(20) 사이에 전위차가 발생하며, 이때 부하를 연결하면 전류가 발생하게 되는 원리로 태양 에너지가 전기 에너지로 변환된다.
이 중 후면전극(60)은 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고 건조한 후 소성함으로써 형성되는데, 소성 시 알루미늄이 실리콘 웨이퍼 기판(10)의 내부로 확산됨으로써 후면전극(60)과 기판(10) 사이에 Al-Si 합금층이 형성됨과 동시에 알루미늄 원자의 확산에 의한 P+층(50)이 형성된다. 이러한 P+층(50)은 전자의 재결합을 방지하고 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 후면전계(back surface field, BSF)의 작용을 할 뿐만 아니라 태양광의 장파장광을 반사하는 반사판의 역할도 한다.
이러한 후면전극(60)을 형성하기 위한 알루미늄 페이스트 조성물은 알루미늄 분말, 유리 프릿(glass frit) 및 유기 비히클(vehicle)을 포함하여 구성된다. 이 중 유리 프릿은 실리콘 웨이퍼 기판(10)과의 결합을 더욱 강화시키기 위한 성분으로서 통상 유연계 또는 무연계 유리 프릿이 사용되고 있다.
하지만, 종래 조성으로 제조되는 후면전극은 휨(bowing) 현상이 발생하거나, 내수성이 충분하지 못한 단점이 있다.
본 발명은 내수성이 우수하고 휨(bowing) 현상이 억제되는 전극을 제조할 수 있는 알루미늄 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 알루미늄 페이스트 조성물로부터 형성된 전극을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전극이 구비된 태양전지 소자를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
1. 알루미늄 분말; 유연계 유리 프릿 및 무연계 유리 프릿을 포함하고, 상기 유연계 유리 프릿과 상기 무연계 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)의 차이가 25 내지 30℃인 유리 프릿; 및 유기 비히클;을 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
2. 위 1에 있어서, 상기 유연계 유리 프릿은 PbO, Al2O3, SiO2, 및 B2O3를 포함하는 유리 프릿인 알루미늄 페이스트 조성물.
3. 위 2에 있어서, 상기 유연계 유리 프릿은 R'2O(R': 알칼리 금속), R"O(R": Sr 및 Ba를 제외한 알칼리 토금속), ZnO, SrO 및 P2O5로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더 포함하는 유리 프릿인 알루미늄 페이스트 조성물.
4. 위 1에 있어서, 상기 유연계 유리 프릿은 PbO 50~80중량%, Al2O3 1~15중량%, SiO2 1~20중량%, B2O3 5~40중량%, R'2O(R': 알칼리 금속) 0~10중량%, R"O(R": Sr을 제외한 알칼리 토금속) 0~10중량%, ZnO 0~20중량%, SrO 0~10중량%, P2O5 0~10중량%를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
5. 위 1에 있어서, 상기 무연계 유리 프릿은 Al2O3. SiO2, Bi2O3, BaO, B2O3, ZnO, SrO, Na2O, P2O5, R"'2O(R"': Na를 제외한 알칼리 금속), R""O(R"": Sr 및 Ba를 제외한 알칼리 토금속)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
6. 위 5에 있어서, 상기 무연계 유리 프릿은 Al2O3 1~10중량%, SiO2 1~15중량%, Bi2O3, 0~40중량%, BaO 0.01~0.1중량%, B2O3 20~50중량%, ZnO 0~10중량%, SrO 0~5중량%, Na2O 0~5중량%, P2O5 0~10중량%, Li2O 0~5중량% 및 K2O 0~5중량%를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
7. 위 1에 있어서, 유기 비히클은 고분자 수지 1 내지 25중량%와 유기 용매 75 내지 99중량%가 혼합된 것인 알루미늄 페이스트 조성물.
8. 위 1 내지 7 중 어느 한 항의 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 전극.
9. 위 8의 전극이 구비된 태양전지 소자.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 매우 우수한 내수성을 가지며 실리콘 웨이퍼 기판의 휨 현상도 적은 전극을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물로 제조된 후면전극을 구비하는 태양전지 소자는 향상된 효율을 나타낸다.
도 1은 태양전지 소자의 단면도를 모식적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 알루미늄 분말; 유연계 유리 프릿 및 무연계 유리 프릿을 포함하고, 상기 유연계 유리 프릿과 상기 무연계 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)의 차이가 25 내지 30℃인 유리 프릿; 및 유기 비히클;을 포함함으로써, 우수한 내수성 및 휨 현상이 방지되는 전극을 제조하는 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 알루미늄 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함 한다.
<알루미늄 분말>
알루미늄 분말은 후면전극을 형성하기 위한 페이스트 조성물의 주성분인 전도성 금속이다.
알루미늄 분말은 평균 입자 크기가 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 평균 입경(D50)이 3 내지 10㎛인 것일 수 있다. D50=3㎛ 미만의 알루미늄분말을 사용할 경우, 소성시 열 안정성이 저하되어 범프(bump) 및 휨(bowing) 현상을 유발할 수 있으며, D50=10㎛ 초과의 알루미늄 분말을 사용할 경우 충진율이 낮아져 효율이 저하될 수 있다.
알루미늄 분말은 알루미늄 페이스트 조성물 총 함량 100중량% 중에 60 내지 80중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 함량이 60중량% 미만인 경우 소성 후 인쇄된 알루미늄 후면전극의 두께가 얇아져 후면전계(BSF)가 충분히 형성되지 않고 효율이 저하될 수 있으며, 80중량% 초과인 경우 인쇄 두께가 너무 두꺼워져 실리콘 웨이퍼 기판의 휨을 초래할 수 있다.
<유리 프릿 >
본 발명에 있어서, 유리 프릿은 유연계 유리 프릿과 무연계 유리 프릿을 병용한다. 또한, 유연계 유리 프릿과 무연계 유리 프릿은 그 유리전이온도(Tg)의 차이가 25 내지 30℃이다. 유리전이온도 차이가 25℃ 미만이면 태양전지 제조 공정 중 소성공정을 거친 후 웨이퍼의 휨과 알루미늄 전극 표면에 범프(bump)를 증가시키고 내수성이 저하되며, 30℃ 초과이면 실리콘 웨이퍼의 휨(bowing)이 유발되고 내수성이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명에 있어서, 유연계 유리 프릿과 무연계 유리 프릿의 유리전이온도의 차이 조정은 각 유리 프릿의 성분 및 성분비를 조절하여 제어할 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 유연계 유리 프릿은 예를 들면, PbO, Al2O3, SiO2, 및 B2O3를 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 R'2O(R': 알칼리 금속), R"O(R": Sr 및 Ba를 제외한 알칼리 토금속), ZnO, SrO 및 P2O5로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더 포함할 수도 있다.
보다 구체적으로, 유연계 유리 프릿은 PbO 50~80중량%, Al2O3 1~15중량%, SiO2 1~20중량%, B2O3 5~40중량%, R'2O(R': 알칼리 금속) 0~10중량%, R"O(R": Sr을 제외한 알칼리 토금속) 0~10중량%, ZnO 0~20중량%, SrO 0~10중량%, P2O5 0~10중량%를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용가능한 무연계 유리 프릿은 예를 들면, Al2O3. SiO2, Bi2O3, BaO, B2O3, ZnO, SrO, Na2O, P2O5, R"'2O(R"': Na를 제외한 알칼리 금속), R""O(R"": Sr 및 Ba를 제외한 알칼리 토금속)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, Al2O3 1~10중량%, SiO2 1~15중량%, Bi2O3, 0~40중량%, BaO 0.01~0.1중량%, B2O3 20~50중량%, ZnO 0~10중량%, SrO 0~5중량%, Na2O 0~5중량%, P2O5 0~10중량%, Li2O 0~5중량% 및 K2O 0~5중량%를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 각 유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 구성 성분들의 종류와 이들의 함량에 따라 조절 가능하며, 예컨대 350 내지 500℃일 수 있으며, 바람직하게는 400 내지 460℃인 것이 좋다. 유리 프릿의 Tg가 350℃ 미만인 경우에는 유리 프릿의 열팽창계수가 상대적으로 커져 이로 인해 태양전지 제조 공정 중 소성공정을 거친 후 웨이퍼의 휨을 증가시키는 문제가 발생하며, 500℃를 초과하는 경우에는 유리 프릿이 용융되어 알루미늄 층과 실리콘 웨이퍼 층 사이에서 밀착성을 부여해야 되는데 소성과정에서 유리 프릿이 충분히 용융되지 않아 밀착성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다
본 발명에서 사용되는 각 유리 프릿은 연화점(Ts)와 유리전이온도(Tg)의 차이가 40 내지 80℃ 인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 Ts와 Tg의 차이가 50 내지 70℃의 범위의 값을 갖는다. 상기 범위에서 웨이퍼의 휨과 알루미늄 전극 표면에 범프(bump) 현상의 방지 및 알루미늄 층과 실리콘 웨이퍼 층 사이의 밀착성을 더욱 개선할 수 있다.
유리 프릿은 알루미늄 페이스트 조성물 총 함량 100중량% 중에 0.01 내지 10중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 4중량%인 것이 좋다. 함량이 0.01중량% 미만인 경우 소성 후 알루미늄 후면전극과 실리콘 웨이퍼 기판 간의 밀착력이 떨어질 수 있으며, 10중량% 초과인 경우 실리콘 웨이퍼 기판의 휨 현상이 커질 수 있고 저항이 높아져 태양전지 소자의 효율도 저하시킬 수 있다.
<유기 비히클 >
유기 비히클은 알루미늄 페이스트 조성물에 인쇄에 적합한 점조도 및 유변학적 특성을 부여하기 위한 성분으로서, 유기 용매에 고분자 수지와 필요에 따라 각종 첨가제를 용해시킨 용액일 수 있다.
유기 비히클은 유기 용매 75 내지 99중량%와 고분자 수지 1 내지 25중량%가 혼합된 것일 수 있으며, 여기에 첨가제 1 내지 10중량%가 더 혼합된 것일 수도 있다.
유기 용매로는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 인쇄 공정 중 페이스트 조성물의 건조를 방지하고 유동성을 조절할 수 있도록 끓는점이 150 내지 300℃인 용매를 사용할 수 있다. 구체적으로, 트리프로필렌글리콜메틸에테르, 트리프로필렌글리콜n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜n-부틸에테르, 프로필렌글리콜페닐에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디에틸렌글리콜n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜헥실에테르, 에틸렌글리콜헥실에테르, 트리에틸렌글리콜메틸에테르, 트리에틸렌글리콜에틸에테르, 트리에틸렌글리콜n-부틸에테르, 에틸렌글리콜페닐에테르, 에틸렌글리콜, 터피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨아세테이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트(texanol) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
유기 용매는 유기 비히클 총 함량 100중량%에 대하여 75 내지 99중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 이 함량 범위에서는 페이스트 조성물에 최적의 유동성을 부여할 수 있다.
고분자 수지로는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 예컨대 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 페놀, 아크릴, 로진, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐부티랄, 우레아, 자일렌, 알키드, 불포화 폴리에스테르, 폴리이미드, 퓨란, 우레탄, 이소시아네이트, 시아네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리비닐아세테에트, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 폴리에테르에테르케톤, 실리콘 등의 수지를 들 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
고분자 수지는 유기 비히클 총 함량 100중량%에 대하여 1 내지 25중량%, 바람직하게 5 내지 25중량%로 포함되는 것이 좋다. 함량이 1중량% 미만인 경우 페이스트 조성물의 인쇄성과 분산 안정성이 저하될 수 있고, 25중량% 초과인 경우 페이스트 조성물이 인쇄되지 않을 수 있다.
유기 비히클은 상기 성분들과 함께 첨가제로 분산제를 더 포함할 수 있다.
분산제로는 공지된 계면활성제를 사용할 수 있으며, 예컨대 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌알킬아릴에테르, 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌-폴리옥시프로필렌 알킬에테르 등의 에테르계; 글리세린에스테르 부가형 폴리옥시에틸렌에테르, 소르비탄에스테르 부가형 폴리옥시에틸렌에테르, 소르비톨에스테르 부가형 폴리옥시에틸렌에테르 등의 에스테르에테르계; 폴리에틸렌글리콜지방산에스테르, 글리세린에스테르, 소르비탄에스테르, 프로필렌글리콜에스테르, 슈가에스테르, 알킬폴리글루코시드 등의 에스테르계; 지방산알카놀아미드, 폴리옥시에틸렌지방산아미드, 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌알킬아민, 아민옥사이드 등의 질소함유계; 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산-말레인산 공중합체, 폴리12-히드록시스테아린산 등의 고분자계 화합물 등을 들 수 있다. 또한, 시판되고 있는 제품으로서 하이퍼머(hypermer) KD(Uniqema), AKM 0531(일본유지㈜), KP(신에쯔 가가꾸 고교㈜), 폴리플로우(POLYFLOW)(교에이샤 가가꾸㈜), 에프톱(EFTOP)(토켐 프로덕츠사), 아사히가드(Asahi guard)(아사히 글라스㈜), 서플론(Surflon)(아사히 글라스㈜), 솔스퍼스(SOLSPERSE)(제네까㈜), EFKA(EFKA 케미칼스사), PB 821(아지노모또㈜), BYK-184, BYK-185, BYK-2160, Anti-Terra U(BYK사 제조) 등을 사용할 수도 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
분산제는 유기 비히클 총 함량 100중량%에 대하여 1 내지 10중량%, 바람직하게 1 내지 5중량%로 포함되는 것이 좋다.
유기 비히클은 분산제 이외에도 요변성제, 습윤제, 산화방지제, 부식억제제, 소포제, 증점제, 분산제, 점착부여제, 커플링제, 대전방지제, 중합금지제, 침강방지제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
유기 비히클은 알루미늄 페이스트 조성물 총 함량 100중량%에 대하여 10 내지 35중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 함량이 10중량% 미만인 경우 알루미늄 페이스트 조성물의 점도가 너무 높아져 유동성이 저하되고 인쇄성이 떨어질 수 있으며, 35중량% 초과인 경우 알루미늄 분말의 함유량이 상대적으로 적어져 충분한 페이스트층의 두께를 확보하기 어렵다.
또한, 본 발명은 상기 알루미늄 페이스트 조성물로부터 형성된 전극을 제공한다.
전극은 알루미늄 페이스트 조성물을 기재, 예컨대 Ag 전면전극이 형성된 실리콘 웨이퍼 기판 상에 인쇄하고 건조 및 소성하는 공정을 통하여 형성된다. 인쇄방법은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄 등의 방법을 이용할 수 있다. 건조는 60 내지 300℃에서 수초 내지 수분 동안 수행되며, 소성은 600 내지 950℃에서 수초 동안 수행될 수 있다.
이와 같이 형성된 전극은 태양전지 소자의 후면전극으로 적용되어, 소성 시 표면에서 범프의 발생을 억제하여 외관이 우수하고 실리콘 웨이퍼 기판의 휨 현상도 적을 뿐만 아니라 우수한 내수성을 갖는 전극을 제공할 수 있다.
본 발명은 상기 알루미늄 페이스트 조성물로부터 형성된 전극이 구비된 태양전지 소자를 제공한다. 이하에서는, 본 발명에 따른 태양전지의 제조 방법의 일 구현예를 설명하도록 한다.
본 발명의 태양전지의 제조 방법에 의하면, 먼저 결정성 실리콘 웨이퍼 기판의 텍스쳐 에칭 방법으로 기판의 일면에 요철을 형성한다.
기판은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼 기판으로, P형 불순물로서 3족 원소인 B, Ga, In 등이 도핑된 것일 수 있다.
기판을 에칭액 조성물에 침지하거나 에칭액 조성물을 기판에 분무하면 에칭이 진행되어 기판의 표면에 요철이 형성된다.
요철 형성에 의해 기판의 표면이 거칠어지면 입사되는 광의 반사율이 감소하여 광 포획량이 증가하므로 광학적 손실이 감소된다.
요철의 크기(가로폭) 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 1 내지 20㎛의 크기로 형성될 수 있다. 요철의 높이는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 1 내지 15㎛일 수 있다. 요철의 높이가 상기 범위에 해당하는 경우, 180㎛ 이하의 두께를 가지는 기판에 적용할 수 있으며, 이후에 요철 상에 형성될 수 있는 에미터층이 균일한 도핑 프로필을 가지고 형성되어 기판과 에미터 층의 계면의 p-n접합의 균일도가 향상될 수 있으며, 이후에 전면 전극 형성용 페이스트가 요철의 형상에 따라 형성된 오목한 부분까지 충진되어 도포될 수 있어 반사방지막과의 사이에서 공극이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 전면 전극의 저항이 감소할 수 있다.
요철의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 피라미드형, 정사각형, 삼각형 등을 들 수 있다.
요철 형성 이후에는, 요철 상에 에미터층을 형성하는 단계; 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 반사방지막을 관통하여 에미터층과 접속하는 전면 전극을 형성하는 단계; 및 기판 후면에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
에미터층은 기판 상에 기판과 반대 도전형을 가지고 형성될 수 있다. 일 예로 에미터층은 n형 불순물로서 5족 원소인 P, As, Sb 등으로 도핑될 수 있다. 이와 같이, 기판과 에미터층에 반대 도전형의 불순물이 도핑 되면, 기판과 에미터층의 계면에는 p-n접합(junction)이 형성되고, p-n접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
에미터층은 확산법, 스프레이법, 주입법, 프린팅 공정법 등에 의한 방법에 의해 형성될 수 있다. 일 예로, 에미터층은 p형 반도체 기판에 n형 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다.
이후, 에미터층 상에 반사방지막을 형성한다.
반사방지막은 에미터층의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화하고 기판의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 에미터층에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압(Voc)이 증가하고, 태양광의 반사율이 감소되면 p-n접합까지 도달되는 광량이 증대되어 태양전지의 단락전류(Isc)가 증가하므로 태양전지의 변환효율이 개선된다.
반사방지막은 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 있다.
반사방지막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후에, 반사방지막 상에 전면 전극을 형성한다.
전면 전극은 반사방지막을 관통하여 에미터층과 접하며, 광전효과에 의해 발생하는 캐리어의 이동통로로 사용된다.
전면 전극은 당분야에 공지된 전면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 반사방지막 상에 바 형태로 도포하여 형성할 수 있다. 도포 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 스핀 코팅법, 캐스팅법, 마이크로그라비아 코팅법, 그라비아 코팅법, 바 코팅법, 롤 코팅법, 와이어 바 코팅법, 침지 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 잉크젯 인쇄법, 노즐 프린팅법 등을 들 수 있다.
도포 이후에 통상적인 열처리 과정을 거칠 수 있다. 열처리에 의해 은 분말이 고온에서 액상이 되었다가, 다시 고상으로 재결정되면서, 유리 프릿을 매개로 하여 반사방지막을 관통하는 파이어 스루(fire through) 현상에 의해 전면 전극이 에미터층과 접속하게 된다.
다음으로, 기판 후면에 후면 전극을 형성한다.
후면 전극은 광전효과에 의해 발생하는 또다른 캐리어의 이동통로로 작용한다. 한편, 후면 전극과 기판의 경계면에는 후면 전계(Back Surfacefield)층이 형성될 수 있다. 후면 전계층은 캐리어가 기판의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압이 상승하여 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
후면 전극은 전술한 본 발명에 따른 알루미늄 페이스트 조성물을 기판 후면에 도포하여 형성할 수 있다. 후면 전극은 은 전극과 알루미늄 전극이 형성된 구조를 가질 수 있으며, 이 때 은 전극은 당분야에 공지된 은 페이스트 조성물을 사용하여 제조될 수 있다.
도포 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 스핀 코팅법, 캐스팅법, 마이크로그라비아 코팅법, 그라비아 코팅법, 바 코팅법, 롤 코팅법, 와이어 바 코팅법, 침지 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 잉크젯 인쇄법, 노즐 프린팅법 등을 들 수 있다.
도포 이후에 통상적인 열처리 과정을 거칠 수 있다. 열처리에 의해, 알루미늄 페이스트 조성물 도포부에 포함된 알루미늄이 기판의 후면을 통해 확산함으로써, 후면 전극과 기판의 경계면에서 후면전계층을 형성한다. 후면전계층은 태양광에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 최소화하여 태양전지의 효율 향상에 기여한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예
제조예 1-4. 유리 프릿 Ⅰ-Ⅳ의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 함량으로 유리 프릿을 제조하였다.
금속산화물(중량%) 유리프릿 A 유리프릿 B 유리프릿 C 유리프릿 D 유리프릿 E 유리프릿 F
PbO 71.59 - - 75.36 71.37
Al2O3 2.71 4.76 3.45 5.60 4.03 4.81
SiO2 12.51 4.81 4.79 4.95 13.93 13.51
B2O3 9.44 33.72 29.63 33.39 3.28 10.31
CaO 1.74 - - - - -
Bi2O3 - 35.38 30.55 38.88 - -
K2O 0.01 2.58 1.68 2.59 - -
Na2O 0.03 4.19 3.38 4.33 - -
BaO - 0.08 0.05 0.06 - -
Li2O - 1.91 1.60 2.08 - -
P2O5 - 5.42 3.78 4.60 - -
SrO - 4.35 3.61 0.03 - -
ZnO 0.02 2.79 17.39 3.50 3.40 -
Tg(℃) 404 434 421 438 412 431
실시예 1
입도분포가 3~6㎛인 알루미늄 분말 74 중량%, 유연계 유리 프릿 (A) 1.5 중량%, 무연계 유리 프릿 (B) 1.5 중량%, 하이드록시프로필셀룰로오스를 글리콜 에테르에 녹여 용해시킨 유기 비히클 용액 23 중량%를 순차적으로 첨가한 후, 자전 및 공전을 동시에 수행하는 믹서를 이용하여 1,000rpm에서 3분간 교반을 실시하여 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
실시예 2
유리 프릿으로서 유리 프릿 (A) 2.0 중량%, 유리 프릿 (B) 1.0 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1 과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
실시예 3
유리 프릿으로서 유리 프릿 (A) 1.0 중량%, 유리 프릿 (B) 2.0 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
실시예 4
유리 프릿으로서 유리 프릿 (D) 1.5 중량%, 유리 프릿 (E) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 1
유리 프릿으로서 유리 프릿(A) 1.5 중량%, 글라스프릿(C) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 2
유리 프릿으로서 유리 프릿(A) 1.5 중량%, 글라스프릿(D) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 3
유리 프릿으로서 유리 프릿(B) 1.5 중량%, 글라스프릿(C) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 4
유리 프릿으로서 유리 프릿(C) 1.5 중량%, 글라스프릿(D) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 5
유리 프릿으로서 유리 프릿(B) 1.5 중량%, 글라스프릿(D) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 6
유리 프릿으로서 유리 프릿(A) 1.5 중량%, 글라스프릿(E) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 7
유리 프릿으로서 유리 프릿(A) 1.5 중량%, 글라스프릿(F) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
비교예 8
유리 프릿으로서 유리 프릿(B) 1.5 중량%, 글라스프릿(F) 1.5 중량%를 사용하고, 그 외에는 실시예1과 동일한 방법으로 알루미늄 페이스트를 제조하였다.
시험예
156X156mm, 200㎛ 두께의 단결정 웨이퍼에 표면 텍스쳐링 공정을 수행하여 피라미드 높이가 약 4-6㎛로 형성된 후, 웨이퍼의 N-측 상에 SiNx를 코팅하였다. 이어서, 웨이퍼의 후면에 은-페이스트를 이용하여 Bus Bar를 인쇄 한 후 건조시킨 후, 상기 실시예와 비교예에 예시된 알루미늄 페이스트 조성물을 250mesh의 스크린 인쇄판을 이용하여 도포하고 건조 시켰다. 도포량은 건조전에 1.5±0.1g이 되도록 인쇄한 후 건조시키고, 전면 SiNx측 상에 은-페이스트를 이용하여 Finger Line을 인쇄하고 건조하였다.
상기 과정을 거친 실리콘 웨이퍼를 적외선 연속 소성로에서 소성영역의 온도가 720-900℃가 되도록 하여 소성하여 태양전지를 제조하였다.
상기 소성공정은 상기 실리콘 웨이퍼를 벨트 로(Belt Furnace) 내로 통과 시키면서 수행하였으며, 이때, 벨트 로(Belt Furnace)는 약 600?의 Burn-out 구간과 800-950℃ 부근의 Firing 구간을 포함하며, 페이스트 내 유기물을 태워 없앤 후, 전후면 은과 알루미늄을 용융시켜서 전극이 형성되게 하였다.
1. 휨 측정
상기에서 제조된 태양전지의 네모서리를 바닥과 일치시킨 후, 중앙부의 들뜸정도를 측정하여 태양전지의 휘어짐 정도를 평가하였다. 통상적으로 휨(bowing)이 1.5mm 이하면 양호한 수준이다.
2. 범프 측정
또한, 후면 알루미늄 전극 부위의 범프(bump) 및 알루미늄 기포의 발생은 육안으로 관찰하여 개수를 카운트 하였다.
3. 내수성
소성 후 완성된 셀의 내수성을 평가하기 위하여 항온조에서 80oC의 증류수에 셀을 넣고 10분간 방치하였다. 10분 동안 후면 알루미늄 전극부위에서 수분과 반응하여 수소기체의 발생여부를 확인하였으며, 내수성 척도의 정도는 수소기체가 발생하기 시작하는 시점까지 걸린 시간을 표기하였다. 1분까지 미발생한 경우 양호이다.
4. 효율
태양전지의 효율은 FitTech사의 태양전지 성능 평가 장치인 SCM-1000을 이용하여 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
유리프릿 내수성 Bump 개수 휨(mm) 효율(%)
종류 Tg차이
실시예1 유/무 30℃ 양호 0 1.50 17.70
실시예2 유/무 30℃ 양호 0 1.48 17.68
실시예3 유/무 30℃ 양호 0 1.51 17.69
실시예4 유/무 26℃ 양호 0 1.52 17.60
비교예1 유/무 17℃ 1분 30초 0 2.0 17.41
비교예2 유/무 34℃ 1분 30초 0 1.90 17.35
비교예3 무/무 13℃ 1분 30초 0 2.0 17.01
비교예4 무/무 17℃ 1분 30초 0 1.90 17.10
비교예5 무/무 5℃ 1분 30초 0 2.20 17.15
비교예6 유/유 8℃ 1분 0 1.93 17.30
비교예7 유/유 27℃ 50초 0 2.25 17.35
비교예8 유/무 3℃ 1분 20초 0 1.91 17.01
표 2를 참고하면, 본 발명에 따른 실시예들이 비교예들에 비해 휨 현상 방지 효과 및 내수성 개선 효과가 전체적으로 우수하며, 태양전지의 효율도 개선되는 것을 확인할 수 있다.
10: 실리콘 웨이퍼 기판 20: N+층
30: 반사방지막 40: 전면전극
50: P+층 60: 후면전극

Claims (9)

  1. 알루미늄 분말;
    유연계 유리 프릿 및 무연계 유리 프릿을 포함하고, 상기 유연계 유리 프릿과 상기 무연계 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)의 차이가 25 내지 30℃인 유리 프릿; 및
    유기 비히클;
    을 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유연계 유리 프릿은 PbO, Al2O3, SiO2 및 B2O3를 포함하는 유리 프릿인 알루미늄 페이스트 조성물.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 유연계 유리 프릿은 R'2O(R': 알칼리 금속), R"O(R": Sr 및 Ba를 제외한 알칼리 토금속), ZnO, SrO 및 P2O5로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더 포함하는 유리 프릿인 알루미늄 페이스트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 유연계 유리 프릿은 PbO 50~80중량%, Al2O3 1~15중량%, SiO2 1~20중량%, B2O3 5~40중량%, R'2O(R': 알칼리 금속) 0~10중량%, R"O(R": Sr을 제외한 알칼리 토금속) 0~10중량%, ZnO 0~20중량%, SrO 0~10중량%, P2O5 0~10중량%를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 무연계 유리 프릿은 Al2O3. SiO2, Bi2O3, BaO, B2O3, ZnO, SrO, Na2O, P2O5, R"'2O(R"': Na를 제외한 알칼리 금속), R""O(R"": Sr 및 Ba를 제외한 알칼리 토금속)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 무연계 유리 프릿은 Al2O3 1~10중량%, SiO2 1~15중량%, Bi2O3, 0~40중량%, BaO 0.01~0.1중량%, B2O3 20~50중량%, ZnO 0~10중량%, SrO 0~5중량%, Na2O 0~5중량%, P2O5 0~10중량%, Li2O 0~5중량% 및 K2O 0~5중량%를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서, 유기 비히클은 고분자 수지 1 내지 25중량%와 유기 용매 75 내지 99중량%가 혼합된 것인 알루미늄 페이스트 조성물.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 전극.
  9. 청구항 8의 전극이 구비된 태양전지 소자.
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