KR20160035700A - 고면저항 기판상에 형성된 전극을 포함하는 태양전지 - Google Patents

고면저항 기판상에 형성된 전극을 포함하는 태양전지 Download PDF

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KR20160035700A
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박민수
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Abstract

p-n 접합 기판 및 상기 p-n 접합 기판의 일면에 형성된 전극을 포함하고, 상기 p-n 접합 기판의 면저항은 85 내지 150 Ω/sq이며, 상기 p-n 접합 기판과 상기 전극의 계면에 인접하여 상기 전극 내 10 내지 1,000 nm의 은 결정이 존재하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 관한 것으로, 상기 태양전지는 고면저항 기판상에 이온 분해온도가 1000℃ 이하인 은 화합물로부터 유래된 유리프릿을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조된 전극을 형성하여 전극과 기판의 접촉성을 개선하였으며, 접촉저항(Rc)과 직렬저항(Rs)이 최소화되어 Fill Factor 및 변환효율이 우수하다.

Description

고면저항 기판상에 형성된 전극을 포함하는 태양전지{SOLAR CELL INCLUDING ELECTRODE FORMED ON HIGH SHEET RESISTANCE WAFER}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로 고면저항 기판상에 형성된 전극을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
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 태양전지 전극 형성용 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 있으며, 변환효율을 증가시키기 위해 태양전지의 면적을 점차 증가시키고 있는데, 이는 태양전지의 접촉저항을 높여 태양전지의 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 웨이퍼와 접촉성을 향상하여 접촉저항(Rc)과 직렬저항(Rs)을 최소화시켜 변환효율이 우수한 태양전지의 개발이 시급히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 전극과 웨이퍼 표면의 접촉성이 우수한 태양전지를 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 접촉저항과 직렬저항을 최소화할 수 있는 태양전지를 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 Fill Factor 및 변환효율이 우수한 태양전지를 제공하기 위함이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 일 관점은 p-n 접합 기판 및 상기 p-n 접합 기판의 일면에 형성된 전극을 포함하고, 상기 p-n 접합 기판의 면저항은 85 내지 150 Ω/sq이며, 상기 p-n 접합 기판과 상기 전극의 계면에 인접하여 상기 전극 내 10 내지 1,000 nm의 은 결정(Ag crystalline)이 존재하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 관한 것이다.
상기 태양전지는 상기 p-n 접합 기판의 전면에 순차적으로 형성된 반사방지막 및 전면전극을 포함하고, 상기 p-n 접합 기판의 후면에 순차적으로 형성된 후면전계층 및 후면전극을 포함할 수 있다.
상기 p-n 접합 기판은 p형 기판의 일면에 n형 불순물이 도핑되어 n형 에미터가 형성된 것일 수 있다.
상기 p-n 접합 기판은 n형 기판의 일면에 p형 불순물이 도핑되어 p형 에미터가 형성된 것일 수 있다.
상기 p-n 접합 기판의 전면에 텍스쳐링 구조가 형성될 수 있다.
상기 전극은 은(Ag) 분말; 은(Ag) 원소 및 텔루륨(Te) 원소를 포함하는 유리프릿; 및 유기비히클;을 포함하고 상기 유리프릿은 Ag와 Te의 몰비가 1 : 0.1 내지 1 : 25인 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조된 것일 수 있다.
상기 유리프릿이 포함하는 은(Ag) 원소는 시안화은, 질산은, 할로겐화은, 탄산은 및 초산은으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 은 화합물로부터 유래된 것일 수 있다.
상기 유리프릿은 유리프릿 전체 몰수 대비 은(Ag) 원소를 0.1 내지 50몰%포함할 수 있다.
상기 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명의 태양전지는 고면저항 기판상에 은(Ag) 이온으로 분해되는 온도가 1000℃ 이하인 은 화합물로부터 유래된 유리프릿을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조된 전극을 형성하여 전극과 기판의 접촉성을 개선하였으며, 개방전압(Voc)이 높고 접촉저항(Rc)과 직렬저항(Rs)이 최소화되어 Fill Factor 및 변환효율이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 태양전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
도 3은 면저항 92.3Ω/sq인 고면저항의 웨이퍼상에 실시예 1의 조성물로부터 제조된 전극 내 형성된 은 결정(Ag crystalline)을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 4는 면저항 100.5Ω/sq인 고면저항의 웨이퍼상에 실시예 1의 조성물로부터 제조된 전극 내 형성된 은 결정(Ag crystalline)을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
태양전지
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지의 개략도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지는 p-n 접합 기판(100), p-n 접합 기판(100)의 전면에 형성된 전면전극(230), 및 p-n 접합 기판(100)의 후면에 형성된 후면전극(210)을 포함한다.
본 발명에서 p-n 접합 기판은 p형 기판 일면에 n형 불순물을 도핑하여 n형 에미터를 형성함으로써 p-n 접합을 이룬 기판 또는 n형 기판 일면에 p형 불순물을 도핑하여 p형 에미터를 형성함으로써 p-n 접합을 이룬 기판으로 정의하기로 한다.
구체적으로, 기판(101)은 광이 입사되는 수광면인 전면 및 상기 전면과 대향하는 후면을 포함하고, 단결정 또는 다결정인 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소의 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 기판(101)으로는 p형 불순물(dopant)로 도핑된 p형 기판을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, n형 불순물로 도핑된 n형 기판을 사용할 수도 있다. 이 때 p형 불순물은 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)과 같은 Ⅲ족 원소를 포함하는 물질일 수 있고, n형 불순물은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)과 같은 V족 원소를 포함하는 물질일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에 따른 p-n 접합 기판(100)은 고 면저항을 갖는 기판으로서, 구체적으로 85 내지 150 Ω/sq의 면저항을 가질 수 있다.
p-n 접합 기판(100)의 전면 또는 후면에 형성되는 전극(210, 230)은 후술될 태양전지 전극 형성용 조성물로 인쇄 및 소성 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지의 전극은 전극과 p-n 접합 기판의 계면에 인접하여 은 결정(Ag crystalline)이 형성되며, 상기 은 결정의 입경은 10 내지 1,000 nm 일 수 있다. 은 결정이 상기 범위인 경우, 고 면저항 기판 상에서도 직렬저항을 최소화시킬 수 있고, 우수한 Fill Factor와 변환효율을 가질 수 있으며, 다양한 면저항 하에서 pn 접합 안정성을 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 태양전지의 개략도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 구체예에 따른 태양전지는 기판(100a) 전면에 에미터(110b)가 형성된 p-n 접합 기판(110), p-n 접합 기판(110)의 전면에 순차적으로 형성된 반사방지막(130) 및 전면전극(160), p-n 접합 기판(100)의 후면에 순차적으로 형성된 후면전계층(140), 반사방지막(150), 및 후면전극(170)을 포함할 수 있다. 하기에서는 설명 편의상 기판(110a)이 p형 기판이라는 전제하에 각 구성을 설명하기로 한다.
p형 기판(110a) 일면에는 n형 불순물을 도핑하여 형성된 n형 에미터(110b)가 형성되어 p-n 접합을 이루며, 생성된 전자는 전면 전극(160)으로 용이하게 수집될 수 있다.
p-n 접합 기판(110)의 전면에는 도면상 미도시하였으나 텍스쳐링(texturing) 구조가 형성될 수 있다. 텍스쳐링 구조는 p-n 접합 기판(110)의 전면 표면을 에칭(etching) 등의 공지 기술을 이용하여 표면 처리함으로써 형성될 수 있다. 텍스쳐링 구조는 기판의 전면을 통하여 입사되는 광의 반사율을 낮추고 광을 모아주는 기능을 하며, 그 모양은 피라미드 모양, 정사각형 벌집모양, 삼각형 벌집모양 등이 될 수 있다. 따라서 p형 기판과 에미터의 계면에 형성된 p-n 접합까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있으며 광 손실을 최소화할 수 있다.
상기 p형 기판 후면에는 후면전계(back surface field, BSF) 효과를 유도할 수 있는 후면전계층(BSF, back surface field)(140)이 형성될 수 있다.
후면전계층(140)은 p형 기판 후면에 p+ 도핑하여 형성된 층을 말하며, 도핑된 농도에 의해 내부 전위차가 생기고 후면 쪽으로 전자의 이동이 어려워져 후면의 금속과 재결합을 막아주게 되어 개방전압(open-circuit voltage, Voc)의 상승과 함께 Fill Factor를 향상시킴으로써 태양전지의 효율 향상 시킬 수 있다.
n형 에미터(110b) 상부 또는 후면전계층(140) 하부에는 반사방지막(130, 150)이 각각 형성될 수 있다.
반사방지막(130)은 태양 에너지를 받는 p-n 접합 기판(110)의 전면에 형성되어 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시킬 수 있다. 또한 p-n 접합 기판(110)의 전면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 따라서, 반사방지막(130)은 빛을 적게 반사하고 절연성이 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2 또는 TiO4), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물, 질화알루미늄(AlN), 질화규소(SiNx), 질화티타늄(TiN) 또는 이들의 조합을 포함하는 질화물, 산질화알루미늄(AlON), 산질화규소(SiON), 산질화티타늄(TiON) 또는 이들의 조합을 포함하는 산질화물을 포함할 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다.
또한, 알루미늄 페이스트를 이용하여 후면전계층을 형성하는 종래기술과 달리, 후면전계층 형성을 위하여 보론(B)이 도핑된 경우에는 반사방지막(150)이 더 형성될 수 있다. 반사방지막(150)의 형성에 의하여 개방전압을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 반사방지막(130, 150)은 질화규소(SiNx) 등을 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의하여 형성하거나, 할 수 있다. 또한, 상기 반사방지막은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)에 의해 질화규소(SiNx)로부터 형성될 수 있고, 또는 ALD(atomic layer deposition)에 의해 산화알루미늄(Al2O3)으로부터 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 n형 에미터층과 통전하는 전면전극(160) 및 상기 p형 기판과 통전하는 후면전극(170)이 형성된다. 전면전극(160)은 상기 n형 에미터층과 통전하며 n형 에미터에서 수집된 전자가 이동하게 되며, 후면전극(170)은 p형 기판과 통전하며 전류가 흐르는 통로가 된다.
예로서, 태양전지 전극 형성용 조성물을 p-n 접합 기판의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 200℃ 내지 400℃ 온도로 대략 10 내지 60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다. 또한, p-n 접합 기판의 전면에 전극 형성용 조성물을 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 이후에, 400℃ 내지 950℃, 바람직하게는 750℃ 내지 950℃에서 약 30초 내지 180초 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
특히, 본 발명의 전면전극 또는 후면전극은 후술될 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조됨으로써 고면저항을 갖는 p-n 접합 기판의 높은 개방전압(Voc)과 은(Ag) 이온으로 분해되는 온도가 1000℃ 이하인 은 화합물로부터 유래된 유리프릿을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물의 낮은 접촉저항(Rc) 및 직렬저항(Rs)의 시너지 효과에 의하여 변환효율 및 Fill Factor를 향상시킬 수 있다.
태양전지 전극 형성용 조성물
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 은(Ag) 분말(A), 은화합물로부터 유래된 유리프릿(B) 및 유기비히클(C)을 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
(A) 은 분말
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 도전성 분말로서 은(Ag) 분말을 사용한다. 상기 은 분말은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 분말일 수 있는데, 예를 들어 수십 내지 수백 나노미터 크기의 은 분말, 수 내지 수십 마이크로미터의 은 분말일 수 있으며, 2이상의 서로 다른 사이즈를 갖는 은 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
은 분말은 입자 형상이 구형, 판상, 무정형 형상을 가질 수 있다
은 분말은 평균입경(D50)은 바람직하게는 0.1㎛ 내지 10㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 5㎛이 될 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, 접촉저항과 선 저항이 낮아지는 효과를 가질 수 있다.
은 분말은 조성물 전체 중량 대비 60 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 저항의 증가로 변환 효율이 낮아지는 것을 막을 수 있고, 유기비히클 양의 상대적인 감소로 페이스트화가 어려워지는 것을 막을 수 있다. 바람직하게는 70 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.
(B) 유리프릿
유리프릿(glass frit)은 태양전지 전극 형성용 조성물의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 은 입자를 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록 에미터 영역에 은 결정 입자를 생성시키고, 전도성 분말과 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키고 소결시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
태양전지의 효율을 증가시키기 위하여 태양전지의 면적을 증가시키면 태양전지의 접촉저항이 높아질 수 있으므로 pn 접합(pn junction)에 대한 피해를 최소화함과 동시에 직렬저항을 최소화시켜야 한다. 또한, 다양한 면저항의 웨이퍼의 증가에 따라 소성 온도가 변동폭이 커지므로 넓은 소성 온도에서도 열안정성을 충분히 확보될 수 있는 유리프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 유리프릿은 은(Ag) 화합물 및 금속 산화물로부터 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 유리프릿은 은(Ag) 이온으로 분해되는 온도가 1000℃ 이하인 은 화합물 및 금속 산화물을 혼합, 용융, 분쇄하여 제조될 수 있다. 상기 금속 산화물은 1종 이상일 수 있다.
상기 은 화합물은 이온결합 화합물로서 시안화은(AgCN), 질산은(AgNO3), 할로겐화은(Ag-X), 탄산은(Ag2CO3), 초산은 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 할로겐화은(Ag-X)에서, X는 요오드, 플루오르, 염소 또는 브롬일 수 있으며, 바람직하게는 요오드일 수 있다.
일 구체예로서, 상기 금속 산화물은 납(Pb) 산화물과 비스무스(Bi) 산화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다른 구체예로서, 상기 금속 산화물은 텔루륨(Te), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 리튬(Li), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)의 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 유리프릿은 은(Ag) 및 텔루륨(Te) 성분을 포함할 수 있고, 상기 유리프릿을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물을 인쇄 후 소성하여 제조된 전극의 유리프릿 내에 존재하는 Ag와 Te의 몰비는 1 : 0.1 내지 1 : 25일 수 있다. 상기 범위에서 낮은 직렬저항 및 접촉저항을 확보할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 유리프릿은 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 리튬(Li), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유리프릿은 유리 프릿 전체 몰수 대비 은(Ag) 원소를 0.1 내지 50 몰% 함유할 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 40 몰% 함유할 수 있다.
상기 유리프릿이 포함하는 각 금속성분의 함량은 유도결합플라즈마-원자방출분광법(ICP-OES; Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometer)에 의하여 측정될 수 있다. 상기 유도결합플라즈마-원자방출분광법(ICP-OES)은 매우 적은 양의 시료를 사용하므로 시료 준비 시간을 단축할 수 있고, 시료 전처리에 의한 오차를 줄일 수 있으며 분석 감도가 우수한 이점이 있다.
구체적으로, 상기 유도결합플라즈마-원자방출분광법(ICP-OES)은 시료를 전처리 하는 단계, 표준 용액을 준비하는 단계, 및 측정 대상 금속성분의 원소 농도를 측정 및 환산하여 유리프릿 내 존재하는 각 금속성분의 원소 함량을 산출하는 단계를 포함하여, 유리프릿 내 함유된 각 금속성분의 함량을 정밀하게 측정할 수 있다.
상기 시료를 전처리하는 단계는 시료인 유리프릿의 분석대상 금속성분을 용해할 수 있는 산성용액을 이용하여 시료를 적당량 용해하고 가열하여 시료를 탄화시킬 수 있다. 상기 산성용액은 예로서 황산(H2SO4) 용액 등을 사용할 수 있다.
상기 탄화된 시료는 증류수, 과산화수소(H2O2) 등의 용매로 분석대상 금속성분의 분석농도 범위까지 적당히 희석할 수 있다. 상기 분석농도 범위는 적용되는 ICP-OES 기기의 원소 검출능력을 고려하여 약 10,000배까지 희석된 상태로 사용할 수 있다.
상기 전처리된 시료는 ICP-OES 기기로 측정시 표준 용액, 예를 들면, 원소 측정용 분석대상 금속성분의 표준용액으로 교정(calibration)할 수 있다.
예로서, 상기 표준용액을 ICP-OES 측정기기에 도입하여 외부 표준법(external standard method)으로 검정곡선(calibration curve)을 작성한 후 상기 ICP-OES 측정기기로 전처리된 시료의 분석대상 금속성분의 원소 농도(ppm)를 측정한 후 환산하여 유리프릿 내 각 금속성분의 함량 및 몰비를 계산할 수 있다.
상기 유리프릿은 통상의 방법을 사용하여 상기 기술된 은 화합물 및 금속 산화물로부터 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 은 화합물 및 금속 산화물의 조성으로 혼합한다. 혼합은 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetary mill)을 사용하여 혼합할 수 있다. 혼합된 조성물을 800℃ 내지 1300℃의 조건에서 용융시키고, 25℃에서 ?칭(quenching)한다. 얻은 결과물을 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등에 의해 분쇄하여 유리프릿을 얻을 수 있다.
상기 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1 내지 10㎛인 것이 사용될 수 있으며, 상기 유리프릿의 형상은 구형이어도 부정형상이어도 무방하다.
상기 유리프릿은 태양전지 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 함유되는 경우, 다양한 면저항 하에서 pn 접합 안정성을 확보할 수 있고 직렬저항 값을 최소화시킬 수 있으며, 종국적으로 태양전지의 효율을 개선할 수 있다.
(C) 유기비히클
유기비히클은 태양전지 전극 형성용 조성물의 무기성분과 기계적 혼합을 통하여 조성물에 인쇄에 적합한 점도 및 유변학적 특성을 부여한다.
상기 유기비히클은 통상적으로 태양전지 전극 형성용 조성물에 사용되는 유기비히클이 사용될 수 있는데, 통상 바인더 수지와 용매 등을 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지로는 아크릴레이트계 또는 셀룰로오스계 수지 등을 사용할 수 있으며 에틸 셀룰로오스가 일반적으로 사용되는 수지이다. 그러나, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 알키드 수지, 페놀계 수지, 아크릴산 에스테르계 수지, 크실렌계 수지, 폴리부텐계 수지, 폴리에스테르계 수지, 요소계 수지, 멜라민계 수지, 초산비닐계 수지, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 등을 사용할 수도 있다.
상기 용매로는 예를 들어, 헥산, 톨루엔, 에틸셀로솔브, 시클로헥사논, 부틸셀로솔브, 부틸 카비톨(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르), 디부틸 카비톨(디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르), 부틸 카비톨 아세테이트(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트), 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 헥실렌 글리콜, 터핀올(Terpineol), 메틸에틸케톤, 벤질알콜, 감마부티로락톤 또는 에틸락테이트 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 유기비히클은 태양전지 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 충분한 접착강도와 우수한 인쇄성을 확보할 수 있다.
(D) 첨가제
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 상기에서 기술한 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 태양전지 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있지만 필요에 따라 함량을 변경할 수 있다.
전극 형성용 조성물을 웨이퍼의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 200℃ 내지 400℃ 온도로 대략 10 내지 60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 전면에 전극 형성용 조성물을 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 이후에, 400℃ 내지 950℃, 바람직하게는 750℃ 내지 950℃에서 약 30초 내지 180초 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1-7 및 비교예 1 : 태양전지 전극 형성용 조성물의 제조
실시예 1
유기 바인더로서 에틸셀룰로오스 (Dow chemical company, STD4) 3.0 중량%를 용매인 부틸 카비톨 (Butyl Carbitol) 6.5 중량%에 60℃에서 충분히 용해한 후 평균입경이 2.0㎛인 구형의 은 분말(Dowa Hightech CO. LTD, AG-4-8) 86.90 중량%, 은 화합물로 AgNO3를 사용하여 하기 표 1의 조성으로 제조된 유리프릿 3.1 중량%, 첨가제로서 분산제 BYK102(BYK-chemie) 0.2 중량% 및 요변제 Thixatrol ST (Elementis co.) 0.3 중량% 투입하여 골고루 믹싱 후 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
실시예 2 내지 7
하기 표 1의 조성으로 제조된 유리프릿을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
비교예 1
하기 표 1의 조성으로 제조된 유리프릿을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
유도결합플라즈마-원자방출분광법(ICP-OES)을 이용한 유리프릿 내 Ag : Te의 몰비 측정
시료의 전처리 : 분석대상 시료인 유리프릿 0.5g을 비커에 담고 0.0001g 단위까지 정확하게 칭량한다. 시료가 담겨진 비커에 황산(H2SO4) 5ml를 투입 후 열판(hot plate)를 이용하여 220℃에서 3시간 동안 가열하여 시료를 완전히 탄화시켰다. 탄화된 시료가 담겨진 비커가 투명하게 될 때까지 과산화수소(H2O2)를 투입하여 전처리를 완료하였다.
표준용액의 준비 : 분석대상 금속성분의 표준용액을 각각 준비하였다.
금속성분의 몰비 측정 : 전처리가 완료된 시료가 담겨진 비커에 질산(HNO3)을 투입하여 5분간 가열 후 공냉하였다. 준비된 표준용액을 ICP-OES 측정기기(PerkinElmer社)에 도입하여 외부 표준법(external standard method)으로 검정곡선(calibration curve)을 작성한 후 상기 ICP-OES 측정기기로 시료 내에 포함되는 금속성분 중 은(Ag) 및 텔루륨(Te)의 원소 농도(ppm)를 각각 측정한 후 환산하여 유리프릿 내 Ag : Te의 몰비를 계산하였다. 결과값은 하기 표 1 각각 나타내었다.
각 금속성분의 함량(%) = 각 금속성분의 원소 농도(ppm)×Dilution Factor(DF)/10000
각 금속성분의 mole = 각 금속성분의 함량 / 각 금속성분의 분자량
각 금속성분의 mole % = 각 금속성분의 mole / 전체 금속성분의 mole 총합
　 유리프릿의 조성 (단위: 중량%)
Ag
Compound		 PbO Bi2O3 TeO2 P2O5 Li2CO3 Na2CO3 SiO2 ZnO WO3 Nd2O3 MgO Cr2O3 측정몰비
(Ag:Te)
실시예 1 21 2 20 40 - 2 - 2 7 - 3 3 - 1:2.43
실시예 2 9 - 30 46 - 2 2 3 5 3 - - - 1:6.77
실시예 3 12 - 33 42 - 3 2 3 5 - - - - 1:6.06
실시예 4 6 23 - 50 3 2 4 3 - 5 - 2 2 1:18.79
실시예 5 15 30 - 47 - 2 1 3 - - - 2 - 1:8.09
실시예 6 30 20 - 40 - 2 - 8 - - - - - 1:3.49
실시예 7 15 - 30 45 - 2 - 3 5 - - - - 1:1.52
비교예 1 - 5 20 60 - 5 - 4 3 3 - - - -
◎ 실시예 1: Ag Compound - Silver Nitrate(AgNO3, Daejung)
◎ 실시예 2: Ag Compound - Silver Oxide(Ag2O, Acros)
◎ 실시예 3: Ag Compound - Silver carbonate(Ag2CO3, Acros)
◎ 실시예 4: Ag Compound - Silver Sulfate(Ag2SO4, Kojima)
◎ 실시예 5: Ag Compound - Silver iodide(AgI, Sigma-Aldrich)
◎ 실시예 6 : Ag Compound - Silver iodide(AgI, Sigma-Aldrich)
◎ 실시예 7: Ag Compound - Silver Cyanide(AgCN, Sigma-Aldrich)
Fill Factor 및 Efficiency 측정방법
상기 실시예 및 비교예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물을 표 2와 같이 면저항이 각각 서로 다른 결정계 모노 웨이퍼(Wafer) 전면에 일정한 패턴으로 스크린 프린팅 하여 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 알루미늄 페이스트를 후면 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 600 내지 1,000℃ 온도 범위에서 30초 내지 180초 동안 소성하였으며, 이렇게 제조 완료된 셀(Cell)은 태양전지효율 측정장비 (Pasan社, CT-801)를 사용하여 태양전지의 개방전압(Voc), 직렬저항(Rs) 및 변환효율(%)을 측정하여 하기 표 2에 각각 나타내었다.
　Wafer　면저항
(Ω/sq)		 Composition Voc　(mV) Rs　(mΩ) Eff.(%)
92.3 실시예 1 624.45 2.7377 17.45
실시예 2 625.01 2.6389 17.51
실시예 3 624.91 2.5951 17.48
실시예 4 625.79 2.5897 17.41
실시예 5 625.17 2.6596 17.41
실시예 6 625.03 2.5225 17.50
실시예 7 625.74 2.6961 17.49
비교예 1 624.63 3.1763 17.30
100.5 실시예 1 631.19 3.0458 17.78
실시예 2 627.67 3.2709 17.77
실시예 3 630.02 3.0813 17.76
실시예 4 629.10 3.0677 17.72
실시예 5 630.19 3.1547 17.76
실시예 6 628.78 3.1636 17.77
실시예 7 627.50 3.1555 17.75
비교예 1 629.64 4.1676 17.39
122.4 실시예 1 635.34 3.8018 17.81
실시예 2 633.00 3.4253 17.83
실시예 3 632.90 3.7588 17.83
실시예 4 633.85 3.5418 17.83
실시예 5 632.33 3.6809 17.89
실시예 6 634.97 3.8582 17.85
실시예 7 632.52 3.5132 17.87
비교예 1 634.42 6.4005 17.11
상기 표 2의 결과 값에서 보듯이, 85 내지 150 Ω/sq의 고면저항 p-n 접합 기판상에 Ag와 Te의 몰비가 1 : 0.1 내지 1 : 25인 유리프릿을 사용한 실시예 1 내지 7의 조성물로 제조된 전극은 은 성분을 포함하지 않는 유리 프릿을 사용한 비교예 1의 조성물로 제조된 전극 대비 직렬저항이 낮고, Fill Factor와 변환효율이 우수한 것을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. p-n 접합 기판 및 상기 p-n 접합 기판의 일면에 형성된 전극을 포함하고,
    상기 p-n 접합 기판의 면저항은 85 내지 150 Ω/sq이며,
    상기 p-n 접합 기판과 상기 전극의 계면에 인접하여 상기 전극 내 10 내지 1,000 nm의 은 결정(Ag crystalline)이 존재하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p-n 접합 기판의 전면에 순차적으로 형성된 반사방지막 및 전면전극을 포함하고,
    상기 p-n 접합 기판의 후면에 순차적으로 형성된 후면전계층 및 후면전극을 포함하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p-n 접합 기판은 p형 기판의 일면에 n형 불순물이 도핑되어 n형 에미터가 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 p-n 접합 기판은 n형 기판의 일면에 p형 불순물이 도핑되어 p형 에미터가 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 p-n 접합 기판의 전면에 텍스쳐링 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 은(Ag) 분말; 은(Ag) 원소 및 텔루륨(Te) 원소를 포함하는 유리프릿; 및 유기비히클;을 포함하고 상기 유리프릿은 Ag와 Te의 몰비가 1 : 0.1 내지 1 : 25인 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유리프릿이 포함하는 은(Ag) 원소는 시안화은, 질산은, 할로겐화은, 탄산은, 황산은 및 초산은으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 은 화합물로부터 유래된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유리프릿은 유리프릿 전체 몰수 대비 은(Ag) 원소를 0.1 내지 50몰%포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
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