KR20150114451A - Lead-free electrically conductive composition for solar cell electrode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지 전극용 도전성 조성물에 관한 것으로, 특히 무연이면서도 우수한 계면저항특성을 갖는 태양전지 전극용 무연 도전성 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a conductive composition for a solar cell electrode, and more particularly, to a lead-free conductive composition for a solar cell electrode having an excellent interface resistance property despite being lead-free.
최근 신 재생 에너지에 대한 관심이 급증하면서 특히 태양광을 이용하여 에너지를 얻는 Si 태양전지에 대한 연구가 급속화되고 있다. 이러한 Si 태양전지는 이미 상용화되어 널리 보급되어왔으나, 아직 효율이 그다지 높지는 않기 때문에, 이러한 효율을 증가시키기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다.In recent years, interest in renewable energy has been rapidly increasing, and research on Si solar cells that obtain energy using solar light has been accelerated. Such Si solar cells have been widely commercialized and widely used, but since efficiency is not so high yet, active research is under way to increase such efficiency.
이러한 Si 태양전지는 일반적으로 도 1과 같은 개략 구조를 갖는다.Such a Si solar cell generally has a schematic structure as shown in Fig.
도 1을 참조하면, 일반적인 Si 태양전지는 n형 Si층(4), 광흡수층(3), p형 Si층(2)이 순차적으로 적층되고 이러한 적층체의 상면 및 하면에는 각각 전면전극(1)과 후면전극(5)이 형성된다. 그리고, 전면전극(1)의 상면에는 반사 방지막(6)이 형성된다.1, an ordinary Si solar cell includes an n-
이러한 구조에 있어서, 태양광이 반사 방지막(6)과 p형 Si층(2)을 지나 광흡수층(3)에 도달하면, Si층 내부에는 전자-정공 쌍이 생성된다. 그리고, p형 Si층(2)과 n형 Si층(4)에 의해 형성되는 내부 전계에 의해 정공은 p형 Si층(2)에, 전자는 n형 Si층(4)에 각각 축적된다. 그리고, p형 Si층(2) 및 n형 Si층(4)에 각각 연결된 전면전극(1) 및 후면전극(5)에 외부 전기회로가 연결되면, 상기 전자와 정공이 상기 회로에 흘러 상기 외부 전기회로에 전류가 흐르게 된다.In this structure, when sunlight reaches the
한편, 상기 전면전극(1) 재료로서는 Ag 페이스트가 주로 사용된다. 이러한 Ag 페이스트는 소성 후 전극에 의한 저항을 최소화하기 위하여 높은 전기전도도를 요구하며 전극의 장기 신뢰성 확보를 위하여 Si 기판과의 부착력이 충분히 확보되어야 한다. 그리고, 광흡수 면적을 최대화하기 위하여 인쇄 공정에서 미세한 인쇄 패턴 형성이 가능해야 하며 비교적 큰 인쇄 두께를 요구한다. 이를 만족하기 위하여 Ag 페이스트는 일반적으로 전도성이 우수한 Ag 분말과 Si 기판과의 부착력을 확보하기 위한 글라스 프릿을 주 재료로 하며, 부가적으로 양호한 인쇄성을 확보하기 위하여 솔벤트 및 각종 유기 첨가제가 더 포함된다.On the other hand, as the material of the
특히, 전면전극(1) 조성 중의 상기 글라스 프릿은 Si층(2) 기판 표면에 코팅되어 있는 반사 방지막(6: 일반적으로 SiNx)을 식각하여 이로써 p형 Si층(2)과 전면전극(1)의 Ag가 상호 오믹컨택(ohmic contact)을 형성하게 함으로써 태양전지의 회로를 형성하고 효율을 증가시키며 부착력을 증대하여 신뢰성을 확보하는 역할을 한다. Particularly, the glass frit in the composition of the
이러한 글라스 프릿은 태양전지의 제조공정에서 가능한 열처리 온도가 낮음을 고려하여 주로 저융점 조성인 Pb계열의 조성물로 제조되고 있다. 이의 일 예로는 국내공개특허 제10-2011-52212호(2011. 5. 18자 공개)에 상세히 개시되어 있다. 그러나, 이러한 Pb계열의 글라스 프릿 조성물은 PbO 조성을 함유하여 환경오염을 일으키고 인체에 유해하므로 그 사용이 제한되는 경향이 있기 때문에, 최근에는 이를 대체하기 위하여 무연인 Bi계열의 조성물이 개발되고 있다. Such glass frit is mainly made of a Pb-based composition having a low melting point composition in consideration of the low possible heat treatment temperature in the solar cell manufacturing process. An example of this is disclosed in detail in Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-52212 (published on Aug. 18, 2011). However, such a Pb-based glass frit composition contains a PbO composition and causes environmental pollution and is harmful to the human body, so its use tends to be restricted. Recently, a lead-free Bi-based composition has been developed to replace this.
이러한 전면전극(1) 조성으로 포함된 글라스 프릿은 매우 소량으로 사용됨에도 불구하고 Si층과의 계면저항과 이어서 태양전지의 발전효율에 지대한 영향을 미친다. 그러나, 이러한 글라스 프릿에 대해 계면저항을 개선하기 위한 소재의 조성적 관점에서의 연구가 아직 충분히 되지 않아 검증을 통한 최적의 조성 개발이 아직 이루어지지 않고 있다.The glass frit included in the composition of the front electrode (1) greatly influences the interface resistance with the Si layer and subsequently the power generation efficiency of the solar cell, although it is used in a very small amount. However, studies on the compositional properties of the glass frit to improve the interfacial resistance have not yet been sufficiently conducted, so that the optimum composition has not yet been developed through the verification.
이에 따라, 본 발명은 무연이면서도 우수한 계면저항특성을 갖는 태양전지 전극용 무연 도전성 조성물을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention is to provide a lead-free conductive composition for a solar cell electrode which is free from lead and has excellent interfacial resistance characteristics.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 무연 도전성 조성물은 도전성 분말과 글라스 프릿을 포함하고, 상기 글라스 프릿은 Bi2O3, ZnO, B2O3 및 SiO2로 이루어진 주성분에 Na2O 또는 PbO로 되는 제1첨가제가 첨가된 조성물을 포함하되, 상기 제1첨가제가 Na2O인 경우 상기 글라스 프릿은 Ba2O3, K2O2 및 LiCl 중에서 선택된 제2첨가제를 더 포함할 수 있고, 상기 글라스 프릿은 CaO는 포함하지 않는다.The lead-free conductive compositions of the present invention for achieving the objects, comprising a conductive powder and glass frit, the glass frit is Na 2 O or of the main component consisting of Bi 2 O 3, ZnO, B 2
이때, 상기 글라스 프릿의 주성분은 Bi2O3 50~90 wt%, ZnO 35%wt% 이하, B2O3 5~20 wt%, SiO2 10wt% 이하의 함량으로 될 수 있다. 또한, 상기 제1첨가제는 상기 글라스 프릿의 총량대비 1~5 wt% 첨가될 수 있다. At this time, the main component of the glass frit is Bi 2 O 3 50 to 90 wt%, ZnO 35 wt% or less, B 2 O 3 5 to 20 wt%, SiO 2 10 wt% or less. The first additive may be added in an amount of 1 to 5 wt% based on the total amount of the glass frit.
또한, 상기 제1첨가제는 Na2O로 되고, 상기 글라스 프릿은 Ba2O3, ZrO, K2O2 및 LiCl 중에서 하나 이상 선택된 제2첨가제를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2첨가제는 상기 주성분의 총량대비 1~3 wt% 첨가될 수 있다.The first additive may be Na 2 O, and the glass frit may further include a second additive selected from the group consisting of Ba 2 O 3 , ZrO 2 , K 2 O 2, and LiCl. At this time, the second additive may be added in an amount of 1 to 3 wt% based on the total amount of the main components.
또한, 상기 글라스 프릿은 상기 도전성 분말 대비 10wt% 이하 포함될 수 있다. 또한, 상기 글라스 프릿의 전이온도(Tg)는 350~550℃ 범위이고, 용융온도는 800~1200℃ 범위로 될 수 있다. 또한, 상기 글라스 프릿은 0.5~10㎛ 크기범위의 평균입경을 가질 수 있다.The glass frit may be contained in an amount of 10 wt% or less based on the conductive powder. The transition temperature (T g ) of the glass frit may range from 350 to 550 ° C, and the melting temperature may range from 800 to 1200 ° C. The glass frit may have an average particle size ranging from 0.5 to 10 mu m.
본 발명은 주 조성을 Bi-Zn-B-Si-O로 하고 이에 첨가제로서 Na2O, Al2O3 및 PbO 중의 하나 이상을 포함하되, CaO는 함유하지 않는 글라스 프릿 조성물과, 또한 이에 부가하여 Ba2O3, ZrO, K2O2 및 LiCl 중의 하나 이상이 첨가된 글라스 프릿 조성물을 개시한다. 이들 글라스 프릿 조성물은 낮은 계면저항값을 갖고 특히 태양전지에 있어서 반사 방지막이 코팅된 Si 기판상에 전면전극으로서 형성될 때 상기 반사 방지막에 대한 우수한 식각특성을 보이고 Si 기판과의 우수한 오믹컨택을 형성함으로써 우수한 계면저항특성을 나타낸다.In the present invention, the main composition is Bi-Zn-B-Si-O and Na 2 O, Al 2 O 3 And PbO, wherein the glass frit composition does not contain CaO, and additionally at least one of Ba 2 O 3 , ZrO 2 , K 2 O 2 and LiCl is added. These glass frit compositions have a low interfacial resistance value and exhibit excellent etching properties for the antireflection film and excellent ohmic contact with the Si substrate when formed as a front electrode on an Si substrate coated with an antireflection film, Thereby exhibiting excellent interfacial resistance characteristics.
도 1은 일반적인 태양전지의 개략 구조도.
도 2는 본 발명에 의한 Ag 페이스트로 형성한 전면전극과 Si 기판 간의 계면저항을 측정하는 방법을 설명하는 도면.
도 3a~3d는 본 발명의 구현예에 의한 Ag 페이스트로 형성한 각 전면전극의 전자현미경사진 및 EDS 분석결과를 각각 나타내는 것으로,
도 3a~3b는 첨가제가 없는 주 조성인 표 1의 시료조성물(G6)에 의한 전면전극이고,
도 3c~3d는 Ca가 3% 첨가된 시료조성물(G6-Ca3)에 의한 전면전극.1 is a schematic structural view of a general solar cell.
2 is a view for explaining a method of measuring an interface resistance between a front electrode and a Si substrate formed of an Ag paste according to the present invention.
3A to 3 D are electron micrographs and EDS analysis results of each front electrode formed of an Ag paste according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are front electrodes of the sample composition (G6) of Table 1, which is the main constituent without additives,
Figs. 3C to 3D show the front electrode by the sample composition (G6-Ca3) in which 3% Ca was added.
본 발명에서는 최적의 태양전지 전면전극용 글라스 프릿 조성을 얻기 위해 저융점 글라스 조성물로서 Bi계 글라스 조성에 다양한 첨가제들을 첨가한 신규의 조성들을 제시한다.In the present invention, new compositions in which various additives are added to a Bi-based glass composition as a low melting point glass composition for obtaining an optimal glass frit composition for a front electrode of a solar cell are presented.
이에 따라, 본 발명에 의한 글라스 프릿은 주 조성을 Bi-Zn-B-Si-O로 하고 이에 첨가제로서 Na2O, Al2O3 및 PbO 중의 하나 이상을 포함하되, CaO는 함유하지 않는 조성으로 될 수 있다. 그리고, 이러한 첨가제는 글라스 프릿 총량대비 1~5 wt% 첨가됨이 바람직하다. Accordingly, the glass frit according to the present invention is a glass frit having a main composition of Bi-Zn-B-Si-O and Na 2 O, Al 2 O 3 And PbO, but may be a composition that does not contain CaO. The additive is preferably added in an amount of 1 to 5 wt% based on the total amount of the glass frit.
전술했듯이, 도 1을 참조하면, 전면전극(1), 즉 Ag 페이스트로 되는 전면전극 중의 글라스 프릿은 Si 기판(2) 표면에 코팅되어 있는 반사 방지막(6: SiNx)을 식각함으로써 Ag가 Si 기판(2)과 전면전극(1) 간에 오믹컨택을 형성하도록 하는 기능을 한다. 그러나, 아래에서 상세히 설명하겠지만, 본 발명에 의하면, 글라스 프릿 조성에 CaO가 포함되면, Ca의 영향으로 인하여 글라스 프릿이 Si 기판(2) 쪽으로 이동하지 않고 오히려 Ag 전극(1) 내에 잔류함으로써 SiNx을 식각하지 못하고 결과적으로 오믹컨택을 이루지 못하게 함을 알아냈다. 이리하여, CaO의 함유로 인해 전면전극(1)과 Si 기판(2) 간의 계면저항이 급격히 상승하게 된다.1, the glass frit in the
또한, 본 발명에 의하면, 주 조성 Bi-Zn-B-Si-O에 Na와 함께 Ba를 추가하여 첨가하면, Ba가 반사 방지막의 식각작용을 도와 전면전극과 Si 기판 간의 계면저항을 더더욱 낮출 수 있음을 알아냈다.Further, according to the present invention, when Ba is added to the main composition Bi-Zn-B-Si-O together with Na, Ba helps the etching effect of the antireflection film to further lower the interface resistance between the front electrode and the Si substrate .
위와 같은 본 발명의 신규한 글라스 프릿 조성물은 0.5~10㎛ 크기범위의 평균입경을 갖는다. 또한, 이러한 글라스 프릿 조성물은 Ag 등의 도전성 분말과 혼합하여 전극 페이스트로 제조되며, 바람직하게는 이러한 글라스 프릿 조성물은 상기 도전성 분말 대비 10wt% 이하로 포함될 수 있다. 상기 도전성 분말은 Ag를 포함한 Cu, Al, Pd 등 기타 공지된 모든 도전성 물질로 될 수 있고 본 발명은 Ag 분말에 한정되지 아니한다. 그리고, 이러한 도전성 페이스트를 반사 방지막(SiNx)이 코팅된 Si 기판 표면상에 인쇄함으로써 태양전지의 전면전극을 형성할 수 있다. The novel glass frit composition of the present invention as described above has an average particle size ranging from 0.5 to 10 mu m. In addition, such a glass frit composition is mixed with a conductive powder such as Ag to prepare an electrode paste. Preferably, such a glass frit composition may be contained in an amount of 10 wt% or less based on the conductive powder. The conductive powder may be any known conductive material such as Cu, Al, Pd including Ag, and the present invention is not limited to the Ag powder. The front electrode of the solar cell can be formed by printing this conductive paste on the surface of the Si substrate coated with the anti-reflection film (SiN x ).
또한, 이러한 전극 페이스트 조성물은 인쇄공정 중 페이스트의 건조를 방지하고 유동성을 조절할 수 있도록 통상의 유기 비히클 용액을 포함할 수 있고, 이러한 유기 비히클 용액은 솔벤트, 분산제 및 바인더를 포함할 수 있다. 이러한 솔벤트, 분산제 및 바인더는 본 분야의 공지된 해당물질들이라면 모두 사용 가능하며, 예를 들자면 솔벤트로는 α-테르피네올 및 디에틸렌글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 분산제로는 BYK-111(BYK-chemie, Germany), 바인더로는 에틸 셀룰로스가 각각 사용될 수 있다.In addition, such an electrode paste composition may include a conventional organic vehicle solution to prevent drying of the paste during the printing process and to control fluidity, and the organic vehicle solution may include a solvent, a dispersant, and a binder. These solvents, dispersants and binders can be used as all known materials in the art, for example, α-terpineol and diethylene glycol monobutyl ether acetate as solvents and BYK-111 (BYK-111 , Germany), and ethyl cellulose may be used as the binder.
주 조성Casting
전술했듯이, 본 발명은 주 조성을 Bi-Zn-B-Si-O로 한다. 특히, 본 발명에 있어서, B와 Si는 유리 내에서 망상구조(network)를 형성하는 원소로 통상 많은 양을 사용해야 하나, 본 발명과 같이 글라스 프릿의 전이온도(Tg)가 350~550℃ 범위이고 용융온도가 800~1200℃ 범위인 저융점의 용도에서는 이들의 사용량을 줄여서 글라스 내에 치밀한 망상조직이 형성될 수 없도록 함이 바람직하다. 그리고, 상대적으로 결합을 끊어주는 개질제(modifier) 역할을 할 수 있는 Bi나 이들 양자 간의 역할이 불분명한 ZnO의 량을 높이는 것이 바람직하다. 이를 위한 본 발명의 일 구현예로서 글라스 프릿은 주 조성으로서 Bi2O3 50~90 wt%, ZnO 0~35% wt%, B2O3 5~20 wt% 및 SiO2 0~10 wt%를 포함함이 바람직하다.As described above, the present invention assumes that the main composition is Bi-Zn-B-Si-O. Particularly, in the present invention, B and Si are elements that form a network in the glass, but a transition temperature (T g ) of the glass frit is preferably in the range of 350 to 550 ° C And the melting point is in the range of 800 to 1200 DEG C, it is preferable to reduce the amount of these used so that dense network structure can not be formed in the glass. Further, it is desirable to increase the amount of Bi, which can serve as a modifier for releasing the bond relatively, or the amount of ZnO whose role between them is unclear. For this purpose, as an embodiment of the present invention, glass frit has Bi 2 O 3 50 to 90 wt%,
표 1은 본 발명의 위와 같은 주 조성에 대한 실시예들로서 Si 함량과 B 함량의 합에 대한 Bi와 Zn의 함량비율을 설정하고 특히 Si 함량과 B 함량은 고정한 상태에서 Bi와 Zn의 함량비율을 변화시킨 여러 시료들에 대해 측정된 계면저항들을 나타낸 것이다.Table 1 shows examples of the main composition of the present invention. The ratio of Bi and Zn to the sum of the Si content and the B content is set. Particularly, in the case where the Si content and the B content are fixed, The measured interfacial resistances for various samples varied.
이들 시료 조성물은 산화물혼합법 등을 포함한 공지된 모든 제조방법으로 제조가능하며 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 위와 같이 Si와 B의 함량을 고정하면, 다양한 Bi와 Zn의 함량비율 변화에도 글라스의 전이온도(Tg)가 크게 증가하지 않아서 저융점이어야 한다는 기본 조건을 만족할 수 있다. 이러한 조건하의 Bi2O3, ZnO, B2O3 및 SiO2 조성을 갖는 표 1의 위 조성 시료들은 900℃ 이상의 온도에서 원료를 용융한 후 급랭 및 분쇄하고 Ag 분말 등과 혼합하여 Ag 페이스트로 제조되었다. 그리고, 이러한 Ag 페이스트를 이용하여 SiNx층이 코팅된 Si 기판에 전면전극으로 인쇄하여 각 조성에 대해 전면전극 및 Si 기판 간의 계면저항을 측정하였다. 이러한 제조 및 측정공정에 대한 상세한 일 실시예를 들면, 다음 i)~iii)과 같다:These sample compositions can be prepared by any known production method including an oxide mixing method and the present invention is not limited thereto. If fixed, the content of Si and B as above, in the content ratio changes in a variety of Bi and Zn did not increase the glass transition temperature (T g) may largely satisfy the basic requirements that must be a low melting point. The above composition samples having the compositions of Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 and SiO 2 under these conditions were prepared by melting the raw materials at a temperature of 900 ° C. or higher, rapidly quenching and pulverizing them, mixing them with Ag powder or the like, . Then, the Ag paste was printed on the Si substrate coated with the SiN x layer as the front electrode, and the interfacial resistance between the front electrode and the Si substrate was measured for each composition. One detailed embodiment of this manufacturing and measuring process is as follows i) to iii):
i) 먼저 글라스 원료로서 Bi2O3, ZnO, B2O3, SiO2 (99.9%, Daejung chemical and metals Co. Ltd., Korea)를 사용하여 위 표 1의 각 조성에 따라 칭량하여 900℃의 용융로에서 2시간 용융하였다. 그리고, 결정성이 없는 글라스를 얻기 위하여 900℃ 용융 글라스를 냉각 롤러를 이용하여 급랭하고, Φ10 지르코니아 볼을 사용하여 2시간 동안 건식밀링하였다. 이렇게 얻어진 글라스 프릿은 #63 시브로 걸러낸 후 24시간 습식밀링하여 비정질의 글라스 프릿을 각각 얻었다.i) First, Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 and SiO 2 (99.9%, Daejung chemical and metals Co. Ltd., Korea) were used as glass raw materials, Lt; / RTI > for 2 hours. Then, in order to obtain a glass having no crystallinity, 900 deg. C melting glass was quenched by using a cooling roller and dry-milled for 2 hours using? 10 zirconia balls. The glass frit thus obtained was filtered through # 63 sieve and wet milled for 24 hours to obtain amorphous glass frit, respectively.
ii) 그리고, 이러한 글라스 프릿을 이용하여 솔벤트로서 α-테르피네올(99.5%, Daejung chemical and metals Co. Ltd., Korea)과 디에틸렌글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트(98.0%, Junsei chemical Co. Ltd., Japan) 20vol%, 분산제 BYK-111 (BYK-chemie, Germany) 2vol% 및 바인더로서 에틸 셀룰로스(Acros Organics, USA) 24 vol%를 칭량하여 100℃ 오븐에서 용해하고, Ag 분말 30g에 각각의 글라스 프릿을 Ag 분말 대비 7.5vol% 첨가하여 컨디셔닝 진공챔버(ARV-200, Thinky, Japan)를 이용하여 1차 혼합하고 3-롤 밀을 이용하여 페이스트 혼합을 진행하여 최종 Ag 페이스트를 제조하였다. ii) Using this glass frit, α-terpineol (99.5%, Daejung chemical and metals Co. Ltd., Korea) and diethylene glycol monobutyl ether acetate (98.0%, manufactured by Junsei chemical Co. Ltd., Japan) as a solvent. , 20 vol% of dispersant BYK-111 (BYK-chemie, Germany) and 24 vol% of ethyl cellulose (Acros Organics, USA) as a binder were weighed and dissolved in an oven at 100 ° C., The frit was added in an amount of 7.5 vol% based on the Ag powder, primary mixing was performed using a conditioning vacuum chamber (ARV-200, Thinky, Japan) and paste mixing was performed using a 3-roll mill to prepare a final Ag paste.
iii) 그리고, 이와 같이 제작한 Ag 페이스트를 도 2와 같이 80㎚ 두께의 SiNx층이 코팅된 Si 기판에 전면전극으로서 스크린 인쇄하여 750~800℃로 열처리하였다. 열처리 후 이러한 전면전극과 Si 기판 간의 계면저항을 디지털 멀티미터를 이용하여 측정하였다. iii) The Ag paste thus prepared was screen-printed as a front electrode on a Si substrate coated with a SiN x layer having a thickness of 80 nm as shown in Fig. 2, and then heat-treated at 750 to 800 ° C. After the heat treatment, the interfacial resistance between the front electrode and the Si substrate was measured using a digital multimeter.
이상과 같이 측정한 계면저항값들은 표 1을 참조하면, 750℃ 소결의 경우 Bi2O3의 첨가량이 증가할수록 계면저항의 값이 낮아지는 경향이 관찰되고, 800℃ 소결의 경우에는 계면저항이 비슷하면서도 명확한 경향을 보이지는 않지만, 두 소결온도 모두에서 Bi2O3가 78wt% 첨가된 G6 시료의 계면저항이 100Ω대로 상대적으로 가장 낮아 태양전지 전면전극용 글라스 프릿 조성으로 적합한 수준임을 알 수 있다. The interfacial resistance values measured as above are shown in Table 1. As the addition amount of Bi 2 O 3 increases, the value of interfacial resistance tends to be lowered at 750 ° C. sintering. In the case of sintering at 800 ° C., Although it does not show a similar tendency, it can be seen that the interface resistance of G6 sample with 78wt% of Bi 2 O 3 is the lowest at 100 Ω in both sintering temperatures and is suitable as the glass frit composition for the front electrode of solar cell .
주 조성+첨가제Casting + Additive
이어서, 표 2는 계면저항 특성을 개선하기 위해 전술한 주 조성에 Na, Pb, Al 등의 첨가제를 첨가한 여러 조성 시료들을 제조한 후 이의 측정된 계면저항값들을 나타낸다.Table 2 shows the measured interfacial resistance values of various composition samples prepared by adding additives such as Na, Pb and Al to the above-mentioned main composition in order to improve the interfacial resistance characteristic.
표 2에서 각 조성에 첨가되는 첨가제는 일반 유리에 가장 많이 사용하는 개질제인 Na와, 저온유리조성에 많이 사용하는 Pb와, 2가 및 3가 이온으로 유리에 많이 사용되는 Ca 및 Al이다. 이들의 원료는 예를 들어 NaHCO3, PbO, CaCO3, Al2O3를 포함한 해당 분야에서 공지된 물질이 사용될 수 있고, 표 1과 동일한 제조공정 및 측정공정으로 수행하여 각 조성에 대해 계면저항값을 얻었다.In Table 2, the additives added to each composition are Na, which is the most commonly used modifier for general glass, Pb, which is widely used for low-temperature glass composition, and Ca and Al, which are commonly used for glass as di- and trivalent ions. Materials known in the field including NaHCO 3 , PbO, CaCO 3 , and Al 2 O 3 can be used as the raw materials, and the same manufacturing process and measurement process as those in Table 1 can be used. As a result, Value.
표 2를 참조하면, 측정된 계면저항은 Na 첨가 시료조성물(G6-Na)이 가장 낮음이 관찰된다. 특히 3% Ca 첨가 시료조성물(G6-Ca3)의 경우, 계면저항이 급격히 증가하며, Ca가 첨가된 시료조성물들(G6-Ca1 ~ G6-Ca3)은 모두 Ca를 첨가하지 않은 표 1의 시료조성물(G6)에 비해 약 10배 이상으로 계면저항값이 증가함이 관찰된다. Referring to Table 2, it is observed that the Na-added sample composition (G6-Na) has the lowest measured interfacial resistance. Particularly, the sample composition (G6-Ca1 to G6-Ca3) to which Ca was added showed a sharp increase in interfacial resistance in the case of 3% Ca addition sample composition (G6-Ca3) It is observed that the interfacial resistance value is increased by about 10 times or more as compared with the case (G6).
이와 관련하여, 3% Ca 첨가 시료조성물(G6-Ca3)과 Ca를 첨가하지 않은 표 1의 시료조성물(G6)로써 각각 Ag 페이스트를 제조하고 이러한 Ag 페이스트로 반사 방지막(SiNx)이 코팅된 Si 기판상에 전면전극을 인쇄하고 소결하였을 때, 이들 2종류의 전면전극에 있어서 상기 Ca의 글라스 프릿 조성 첨가가 계면저항 증가에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴볼 필요가 있다. 즉, 도 3a~3d는 이렇게 형성한 각 전면전극의 전자현미경사진 및 EDS 분석결과를 각각 나타내는 것으로, 도 3a~3b는 첨가제가 없는 주 조성인 표 1의 시료조성물(G6)에 의한 전면전극에 대한 것이고, 도 3c~3d는 Ca가 3% 첨가된 시료조성물(G6-Ca3)에 의한 전면전극에 대한 것이다.In this regard, 3% Ca added to the sample composition (G6-Ca3) and each producing an Ag paste by the sample composition (G6) shown in Table 1 without addition of Ca and the anti-reflection film in such a Ag paste (SiN x) with the coated Si It is necessary to examine how the addition of the glass frit composition of Ca affects the increase of the interface resistance in these two types of front electrodes when the front electrodes are printed and sintered on the substrate. 3A and 3B show electron microscope photographs and EDS analysis results of the front electrodes formed as described above. FIGS. 3A to 3B show the results of EDS analysis of the front electrodes formed by the sample composition (G6) , And Figs. 3C to 3 D are for the front electrode by the sample composition (G6-Ca3) in which 3% of Ca is added.
도 3a은 전면전극의 소결이 비교적 잘 이루어졌음을 보인다. 또한, 도 3b의 경우 전면전극의 표면에서 Si 기판 방향으로 라인 스캔하였을 때 Ag의 분포량이 일정하고 접촉면 부분에서 다량의 Si이 검출됨이 관찰되어 Si는 Si 기판에서 전면전극 쪽으로 확산되었음을 알 수 있다.FIG. 3A shows that the sintering of the front electrode is performed relatively well. In addition, in FIG. 3B, when the line scan was performed from the front electrode surface toward the Si substrate, a large amount of Si was detected at the contact portion and the distribution of Ag was constant, indicating that Si was diffused from the Si substrate toward the front electrode .
반면, 도 3c에서는 전면전극의 소결이 충분히 진행되지 않은 형상을 보인다. 또한, 도 3d의 EDS 분석결과는 전면전극의 표면에서 Si 기판 방향으로 라인 스캔하였을 때 Ag의 검출량이 급격히 감소하며 Bi와 Si이 대량 검출됨이 관찰된다. Bi는 글라스의 주조성이므로, 이의 검출은 글라스 프릿이 덩어리 형태로 존재함을 의미한다. 즉, 동일량의 글라스 프릿 조성물이 Ag 페이스트에 포함됨에도 불구하고, Ca의 영향으로 인하여 글라스 프릿은 Si 기판 쪽으로 이동하지 않고 오히려 Ag 전극 내에 잔류함으로써 SiNx층이 식각되지 않고 결과적으로 오믹컨택이 일어나지 않은 것을 나타낸다. 즉, 글라스 프릿 조성에 Ca가 첨가되면 계면저항이 급격히 상승하게 된다.On the other hand, in FIG. 3C, the sintering of the front electrode does not proceed sufficiently. The results of the EDS analysis in FIG. 3D show that when the line scan is performed from the surface of the front electrode toward the Si substrate, the amount of Ag is drastically reduced and a large amount of Bi and Si are detected. Since Bi is the main constituent of the glass, its detection means that the glass frit is present in a lump shape. In other words, although the same amount of glass frit composition is contained in the Ag paste, the glass frit does not move toward the Si substrate due to the effect of Ca, but rather remains in the Ag electrode, so that the SiN x layer is not etched, resulting in an ohmic contact . That is, when Ca is added to the glass frit composition, the interface resistance rapidly increases.
또한, 아래 표 3은 가장 낮은 계면저항을 갖는 표 2의 Na 첨가 조성(G6-Na)에 부가적인 첨가제를 추가 첨가한 글라스 프릿 조성물들의 계면저항값들을 나타낸다.Table 3 below also shows the interfacial resistance values of the glass frit compositions to which an additional additive is added to the Na addition composition (G6-Na) of Table 2 having the lowest interface resistance.
표 3의 추가 첨가제 조성의 원료는 예를 들어 Ba2O3, ZrO, K2O2, LiCl을 포함한 해당 분야에서 공지된 물질이 사용될 수 있고, 표 3은 표 1~2와 동일한 제조공정 및 측정공정으로 수행하여 각 조성에 대해 계면저항값을 얻었다. 표 3의 추가 첨가제의 첨가량은 상기 주성분의 총량대비 1~3 wt%로 됨이 바람직하다. The materials of the additional additive composition in Table 3 can be materials known in the art including, for example, Ba 2 O 3 , ZrO 2 , K 2 O 2 and LiCl, and Table 3 shows the same manufacturing process as in Tables 1 and 2 The measurement was carried out to obtain the interfacial resistance values for each composition. The addition amount of the additive in Table 3 is preferably 1 to 3 wt% based on the total amount of the main components.
표 3을 참조하면, Ba를 추가첨가한 경우, Na의 첨가로 얻은 계면저항보다 더 낮은 계면저항을 가짐이 관찰된다. 이는 Ba가 Na와 같이 Si 기판에 코팅된 반사방지막의 식각을 도와 Ag 페이스트와 Si 기판 간의 접착면적을 넓혀 낮은 계면저항을 얻었다고 판단된다. Referring to Table 3, it is observed that when Ba is further added, the interface resistance is lower than the interface resistance obtained by adding Na. It is considered that Ba has obtained a low interfacial resistance by widening the adhesion area between Ag paste and Si substrate by etching the antireflection film coated on Si substrate like Na.
한편으로, Zr, K, Li가 추가 첨가된 Ag 페이스트에서는 약간 계면저항이 증가하는 결과를 보이나 마찬가지로 모두 글라스 프릿 조성물로서 사용가능한 수준이다. On the other hand, in the case of the Ag paste to which Zr, K, and Li are further added, the interface resistance slightly increases, but all of them can be used as a glass frit composition.
이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 열처리 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.In the above-described embodiments and examples of the present invention, the powder characteristics such as the average particle size, distribution and specific surface area of the composition powder, and the purity of the raw material, the amount of the impurity added, and the heat treatment conditions, It is quite natural for a person of ordinary skill in the field to have such a possibility.
아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the present invention and the advantages thereof, , Changes, additions, and the like are to be regarded as falling within the scope of the claims.
Claims (12)
상기 글라스 프릿은 Bi2O3, ZnO, B2O3 및 SiO2로 이루어진 주성분에 Na2O 또는PbO로 되는 제1첨가제가 첨가된 조성물을 포함하되, 상기 제1첨가제가 Na2O인 경우 상기 글라스 프릿은 Ba2O3, K2O2 및 LiCl 중에서 선택된 제2첨가제를 더 포함하고,
상기 글라스 프릿은 CaO는 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.A lead-free conductive composition comprising a conductive powder and a glass frit,
Wherein the glass frit comprises a composition comprising a main component consisting of Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 and SiO 2 to which a first additive consisting of Na 2 O or PbO is added, wherein the first additive is Na 2 O the glass frit further comprises a second additive selected from the group consisting of Ba 2 O 3, K 2 O 2 , and LiCl,
Wherein the glass frit does not contain CaO.
상기 글라스 프릿의 주성분은 다음 함량으로 되는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.
Bi2O3 50~90 wt%;
ZnO 35% wt% 이하;
B2O3 5~20 wt%; 및
SiO2 10 wt% 이하.The method according to claim 1,
Wherein the main component of the glass frit has the following content.
Bi 2 O 3 50 to 90 wt%;
ZnO 35% wt% or less;
B 2 O 3 5 to 20 wt%; And
10 wt% or less of SiO 2 .
상기 제1첨가제는 상기 글라스 프릿의 총량대비 1~5 wt% 첨가되는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first additive is added in an amount of 1 to 5 wt% based on the total amount of the glass frit.
상기 제2첨가제는 상기 주성분의 총량대비 1~3 wt% 첨가되는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the second additive is added in an amount of 1 to 3 wt% based on the total amount of the main component.
상기 글라스 프릿은 상기 도전성 분말 대비 10wt% 이하 포함되는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the glass frit is contained in an amount of 10 wt% or less based on the conductive powder.
상기 무연 도전성 조성물은 유기 비히클 용액을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the lead-free conductive composition further comprises an organic vehicle solution.
상기 글라스 프릿의 전이온도(Tg)는 350~550℃ 범위인 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Transition temperature of the glass frit (T g) is a lead-free conductive compositions, characterized in that in the range 350 ~ 550 ℃.
상기 글라스 프릿의 용융온도는 800~1200℃ 범위인 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the melting temperature of the glass frit is in the range of 800 to 1200 占 폚.
상기 글라스 프릿은 0.5~10㎛ 크기범위의 평균입경을 갖는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the glass frit has an average particle size ranging from 0.5 to 10 mu m.
상기 도전성 분말은 Ag, Cu, Al 및 Pd 중의 하나 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the conductive powder is at least one of Ag, Cu, Al and Pd.
상기 유기 비히클 용액은 솔벤트와 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 도전성 조성물.The method according to claim 6,
Wherein the organic vehicle solution comprises a solvent and a dispersant.
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