KR20160102091A - 도전성 페이스트 및 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 도전성 페이스트는 적어도 Ag 분말 등의 도전성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 함유한다. 유리 프릿은 Te를 TeO2로 환산하여 35~90mol%, Zn을 ZnO로 환산하여 5~50mol%, Bi를 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol% 함유하면서, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1~15mol% 함유하고 있다. 이 도전성 페이스트를 사용하여 수광면 전극(3)을 형성한다. 이것에 의해 전극(3)과 반도체 기판(1) 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있는 태양전지의 전극 형성에 적합한 도전성 페이스트를 실현하여, 이 도전성 페이스트를 사용함으로써 에너지 변환 효율이 높고, 전지 특성이 양호한 태양전지를 실현한다.
Description
본 발명은 도전성 페이스트 및 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지의 전극 형성에 적합한 도전성 페이스트, 및 이 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 통상 반도체 기판의 한쪽의 주면에 소정 패턴의 수광면 전극이 형성되어 있다. 또한 상기 수광면 전극을 제외한 반도체 기판상에는 반사 방지막이 형성되어 있고, 입사되는 태양광의 반사 손실을 상기 반사 방지막으로 억제하고, 이것에 의해 태양광의 전기 에너지에의 변환 효율을 향상시키고 있다.
상기 수광면 전극은 통상 도전성 페이스트를 사용하여 이하와 같이 하여 형성된다. 즉, 도전성 페이스트는 도전성 분말, 유리 프릿, 및 유기 비히클을 함유하고 있고, 반도체 기판상에 형성된 반사 방지막의 표면에 도전성 페이스트를 도포하여, 소정 패턴의 도전막을 형성한다. 그리고, 소성 과정으로 유리 프릿을 용융시켜, 도전막 하층의 반사 방지막을 분해·제거하고, 이것에 의해 도전막이 소결되어 수광면 전극을 형성하는 동시에, 상기 수광면 전극과 반도체 기판을 접착시켜 양자를 도통시키고 있다.
이와 같이 소성 과정에서 반사 방지막을 분해·제거하고, 반도체 기판과 수광면 전극을 접착시키는 방법은 파이어 스루(소성 관통)라고 불리우고, 태양전지의 변환 효율은 파이어 스루성에 크게 의존한다. 즉, 파이어 스루성이 불충분하면 변환 효율이 저하하여, 태양전지로서의 기본 성능에 떨어지는 것이 알려져 있다.
또한 이 종류의 태양전지에서는, 수광면 전극과 반도체 기판의 접착 강도를 높이기 위해, 저연화점의 유리 프릿을 사용하는 것이 바람직하다고 되어 있다.
저연화점의 유리 프릿으로서는, 종래부터, 납계의 유리 프릿이 사용되고 있었는데, Pb는 환경 부하가 큰 것 때문에, 납계 유리 프릿을 대신하는 새로운 재료의 출현이 요구되고 있다.
한편, 상술한 바와 같이 태양전지의 변환 효율은 파이어 스루성에 크게 의존하는데, 파이어 스루가 과잉하게 진행하여, 소결된 수광면 전극이 반사 방지막을 꿰뚫고 나가서 반도체 기판에 침식하면, 전지 특성의 열화를 초래할 우려가 있다.
그리하여, 특허문헌 1에서는, 은을 주성분으로 하는 도전성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클과, 용제를 포함하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트이며, 상기 유리 프릿이, 산화텔루르를 그물코 형성 성분으로 한 텔루르계 유리 프릿을 포함하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트가 제안되어 있다.
이 특허문헌 1에서는, 텔루르계 유리 프릿을 함유한 도전성 페이스트는, 소성 처리를 행해도, 소결 후의 수광면 전극이 반도체 기판 내부에 깊이 침식하지 않기 때문에, 파이어 스루성의 제어가 용이하고, 이것에 의해 비납계이면서도 양호한 전지 특성을 가지는 태양전지를 실현하고자 하고 있다.
게다가, 이 특허문헌 1은, 상기 텔루르계 유리 프릿이 산화텔루르 외에 산화텅스텐이나 산화몰리브덴을 포함하면서, 필요에 따라 산화아연, 산화비스무트, 산화알루미늄 등의 어느 1종 이상을 포함함으로써, 유리화 범위의 확대와 안정화 등을 도모하고 있다.
그러나 특허문헌 1에서는, 텔루르계 유리 프릿을 함유한 도전성 페이스트를 사용함으로써, 수광면 전극과 반도체 기판의 접촉 저항을 낮게 하고, 이것에 의해 태양전지의 전지 특성을 개선하고자 하고 있는데, 접촉 저항은 유리 프릿의 조성에 의존한다. 즉, 접촉 저항은 산화텔루르나 그 밖의 첨가물(산화텅스텐이나 산화몰리브덴 등)의 영향을 받기 때문에, 접촉 저항을 안정적으로 낮게 유지하는 것이 곤란하다.
본 발명은 이와 같은 사정에 비추어 이루어진 것으로서, 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있는 태양전지의 전극 형성에 적합한 도전성 페이스트, 및 이 도전성 페이스트를 사용함으로써 에너지 변환 효율이 높고, 전지 특성이 양호한 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 행한 바, 유리 프릿 중에 Te, Zn, Bi, 또한 Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물 환산으로 소정 범위가 되도록 도전성 페이스트를 조제하고, 이 도전성 페이스트를 소결시켜 전극을 형성함으로써, 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있으며, 이것에 의해 에너지 변환 효율이 높고, 전지 특성이 양호한 태양전지를 얻을 수 있다는 지견을 얻었다.
본 발명은 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 따른 도전성 페이스트는, 태양전지의 전극을 형성하기 위한 도전성 페이스트로서, 적어도 도전성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 함유하고, 상기 유리 프릿은 Te를 TeO2로 환산하여 35~90mol%, Zn을 ZnO로 환산하여 5~50mol%, Bi를 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol% 함유하면서, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1~15mol% 함유하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 본 발명자가 더욱 예의 연구를 거듭한 바, 필요에 따라 유리 프릿 중에 Mg, Ca, Sr, 및 Ba 등의 알칼리 토류 금속을 산화물 환산으로 소정 몰량 함유시켜도 소망하는 변환 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
즉, 본 발명의 도전성 페이스트는, 상기 유리 프릿이 Mg, Ca, Sr, 및 Ba 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 소정 몰량 함유하는 동시에, 상기 소정 몰량은, 상기 Mg가 산화물로 환산하여 8mol% 이하, 상기 Ca가 산화물로 환산하여 5mol% 이하이며, 상기 Sr 및 상기 Ba가 각각의 산화물로 환산하여 3mol% 이하인 것이 바람직하다.
또한 본 발명자의 한층 더한 예의 연구의 결과, Mn, Cu, Ag, V, B, P를 산화물 환산으로 소정 몰량 함유시켜도, 소망하는 변환 효율을 얻을 수 있는 것도 알 수 있었다.
즉, 본 발명의 도전성 페이스트는, 상기 유리 프릿이 Mn, Cu, Ag, V, B, 및 P 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 소정 몰량 함유하는 동시에, 상기 소정 몰량은, 상기 Mn 및 상기 Cu가 각각의 산화물로 환산하여 20mol% 이하, 상기 Ag가 산화물로 환산하여 10mol% 이하, 상기 V가 산화물로 환산하여 8mol% 이하이며, 상기 B 및 상기 P가 각각의 산화물로 환산하여 3mol% 이하인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 도전성 페이스트는, 상기 유리 프릿이 Ti, Co, Nb, Fe, Ni, Al, Zr, Ta, Si, Sn, 및 Sb 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 소정 몰량 함유하는 동시에, 상기 소정 몰량은, 상기 Ti가 산화물로 환산하여 10mol% 이하, 상기 Co가 산화물로 환산하여 9mol% 이하이며, 상기 Nb, 상기 Fe, 상기 Ni, 상기 Al, 상기 Zr, 상기 Ta, 상기 Si, 상기 Sn, 및 상기 Sb가 각각의 산화물로 환산하여 3mol% 이하인 것이 바람직하다.
이것에 의해 소성시에 있어서의 유리 프릿의 유동화를 손상하지도 않고, 화학적 내구성의 향상이나 유리 프릿의 열 물성을 용이하게 조정하는 것이 가능해진다.
또한 본 발명의 도전성 페이스트는 상기 유리 프릿의 함유량이 1~10wt%인 것이 바람직하다.
이것에 의해 전극과 반도체 기판 사이의 접합성이 양호하면서 솔더링성이 양호한 도전성 페이스트를 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 도전성 페이스트는 상기 도전성 분말이 Ag 분말인 것이 바람직하다.
이것에 의해 도전성 페이스트를 대기 중에서 소성해도 양호한 도전성을 가지는 전극을 얻는 것이 가능해진다.
또한 본 발명에 따른 태양전지는, 반도체 기판의 한쪽의 주면에 반사 방지막 및 상기 반사 방지막을 관통하는 전극이 형성되고, 상기 전극이 상기 어느 하나에 기재된 도전성 페이스트가 소결되어 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 도전성 페이스트에 의하면, 적어도 도전성 분말과, 유리 프릿, 유기 비히클을 함유하고, 상기 유리 프릿은, Te를 TeO2로 환산하여 35~90mol%, Zn을 ZnO로 환산하여 5~50mol%, Bi를 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol% 함유하면서, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1~15mol% 함유하고 있으므로, 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지에 의하면, 반도체 기판의 한쪽의 주면에 반사 방지막 및 상기 반사 방지막을 관통하는 전극이 형성되고, 상기 전극이 상기 어느 하나에 기재된 도전성 페이스트가 소결되어 이루어지므로, 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있고, 이것에 의해 에너지 변환 효율이 높으며, 전지 특성이 양호한 태양전지를 얻는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 태양전지의 한 실시형태를 나타내는 요부(要部) 단면도이다.
도 2는 수광면 전극측을 모식적으로 나타낸 확대 평면도이다.
도 3은 이면 전극측을 모식적으로 나타낸 확대 바닥면도이다.
도 2는 수광면 전극측을 모식적으로 나타낸 확대 평면도이다.
도 3은 이면 전극측을 모식적으로 나타낸 확대 바닥면도이다.
다음으로, 본 발명의 실시의 형태를 상세히 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 태양전지의 한 실시의 형태를 나타내는 요부 단면도이다.
이 태양전지는 Si를 주성분으로 한 반도체 기판(1)의 한쪽의 주면에 반사 방지막(2) 및 수광면 전극(3)이 형성되는 동시에, 상기 반도체 기판(1)의 다른 쪽의 주면에 이면 전극(4)이 형성되어 있다.
반도체 기판(1)은 p형 반도체층(1b)과 n형 반도체층(1a)을 가지고, p형 반도체층(1b)의 상면에 n형 반도체층(1a)이 형성되어 있다.
이 반도체 기판(1)은, 예를 들면 단결정 또는 다결정의 p형 반도체층(1b)의 한쪽의 주면에 불순물을 확산시켜, 얇은 n형 반도체층(1a)을 형성함으로써 얻을 수 있는데, p형 반도체층(1b)의 상면에 n형 반도체층(1a)이 형성되어 있다면, 그 구조 및 제법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한 반도체 기판(1)은, n형 반도체층의 한쪽의 주면에 얇은 p형 반도체층이 형성된 구조의 것이나, 반도체 기판(1)의 한쪽의 주면의 일부에 p형 반도체층과 n형 반도체층의 양쪽이 형성되어 있는 구조의 것을 사용해도 된다. 어느 쪽이든 반사 방지막(2)이 형성된 반도체 기판(1)의 주면이면, 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 유효하게 사용할 수 있다.
또한 도 1에서는, 반도체 기판(1)의 표면은 플랫상으로 기재하고 있는데, 태양광을 반도체 기판(1)에 효과적으로 가두기 위해, 표면은 미소(微小) 요철 구조를 가지도록 형성되어 있다.
반사 방지막(2)은 질화규소(SiNx) 등의 절연성 재료로 형성되고, 화살표 A에 나타내는 태양광의 수광면에 있어서의 반사를 억제하여, 태양광을 반도체 기판(1)에 신속하면서 효율적으로 이끈다. 이 반사 방지막(2)을 구성하는 재료로서는, 상술한 질화규소에 한정되는 것은 아니며, 다른 절연성 재료, 예를 들면 산화규소나 산화티탄을 사용해도 되고, 2종류 이상의 절연성 재료를 병용해도 된다. 또한 결정 Si계이면 단결정 Si 및 다결정 Si의 어느 것을 사용해도 된다.
수광면 전극(3)은 반도체 기판(1)상에 반사 방지막(2)을 관통하여 형성되어 있다. 이 수광면 전극(3)은 스크린 인쇄 등을 사용하여, 후술하는 본 발명의 도전성 페이스트를 반도체 기판(1)상에 도포하여 도전막을 제작하고, 소성함으로써 형성된다. 즉, 수광면 전극(3)을 형성하는 소성 과정에서, 도전막 하층의 반사 방지막(2)이 분해·제거되어 파이어 스루되고, 이것에 의해 반사 방지막(2)을 관통하는 형태로 반도체 기판(1)상에 수광면 전극(3)이 형성된다.
수광면 전극(3)은, 구체적으로는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 다수의 핑거 전극(5a,5b), …5n이 빗살상으로 병설되는 동시에, 핑거 전극(5a,5b), …5n과 교차상으로 버스바 전극(6)이 마련되고, 핑거 전극(5a,5b), …5n과 버스바 전극(6)이 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 수광면 전극(3)이 마련되어 있는 부분을 제외한 나머지의 영역에 반사 방지막(2)이 형성되어 있다. 이와 같이 하여 반도체 기판(1)에서 발생한 전력을 핑거 전극(5a,5b), …5n에 의해 집전하는 동시에 버스바 전극(6)에 의해 외부로 꺼내고 있다.
이면 전극(4)은, 구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, p형 반도체층(1b)의 이면에 형성된 Al 등으로 이루어지는 집전 전극(7)과, 상기 집전 전극(7)이 전기적으로 접속된 Ag 등으로 이루어지는 취출 전극(8)으로 구성되어 있다. 그리고, 반도체 기판(1)에서 발생한 전력은 집전 전극(7)에 집전되고, 취출(取出) 전극(8)에 의해 전력을 꺼내고 있다.
다음으로, 수광면 전극(3)을 형성하기 위한 본 발명의 도전성 페이스트에 대하여 상세히 기술한다.
본 발명의 도전성 페이스트는 적어도 도전성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 함유하고 있다.
그리고, 상기 유리 프릿은, Te를 TeO2로 환산하여 35~90mol%, Zn을 ZnO로 환산하여 5~50mol%, Bi를 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol% 함유하면서, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1~15mol% 함유하고 있다.
이것에 의해, 수광면 전극(3)과 반도체 기판(1) 사이의 접촉 저항을 낮게 하는 것이 가능해져, 에너지 변환 효율이 높고, 전지 특성이 양호한 태양전지를 얻을 수 있다.
이하에서, 유리 프릿 중의 Te, Zn, Bi, 또한 Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종의 함유 몰량을 상술의 범위로 한정한 이유를 상세히 기술한다.
(1)Te의 함유 몰량
유리는, 비결정질화하여 그물코상의 네트워크 구조를 형성하는 그물코상 산화물과, 그물코상 산화물을 수식하여 비결정질화하는 수식 산화물과, 양자의 중간적인 중간 산화물로 구성된다. 이 중 TeO2는 그물코상 산화물로서 작용하고, 게다가 소결 후의 수광면 전극이 반도체 기판 내부에 깊이 침식하지 않기 때문에, 파이어 스루성의 제어가 용이하여, 중요한 구성 성분이 될 수 있다.
그러나 Te의 함유 몰량이 TeO2로 환산하여 35mol% 미만으로 저하하면, 소망하는 파이어 스루성을 확보하는 것이 곤란해진다. 한편, Te의 함유 몰량이 TeO2로 환산하여 90mol%를 넘으면, 다른 유리 성분의 함유 몰량이 과소가 되어 유리화하는 것이 곤란해진다.
그리하여, 본 실시의 형태에서는, 유리 프릿 중의 Te의 함유 몰량을 산화물인 TeO2로 환산하여 35~90mol%로 하고 있다.
(2)Zn의 함유 몰량
ZnO는, 중간 산화물로서 작용하고, 도전성 페이스트의 소성시에, 반사 방지막(2)의 분해·제거를 촉진하여 원활한 파이어 스루를 가능하게 하고, 수광면 전극(3)과 반도체 기판(1)의 접촉 저항의 저하에 기여한다.
그러나 Zn의 함유 몰량이 ZnO로 환산하여 5mol% 미만으로 저하하면, 소망하는 원활한 파이어 스루성을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, Zn의 함유 몰량이 ZnO로 환산하여 50mol%를 넘으면, Te나 Bi 등의 다른 유리 성분이 상대적으로 감소하기 때문에 바람직하지 않다.
그리하여, 본 실시의 형태에서는, 유리 프릿 중의 Zn의 함유 몰량을 ZnO로 환산하여 5~50mol%로 하고 있다.
(3)Bi의 함유 몰량
Bi2O3은, 수식 산화물로서 유리의 유동성을 조정하는 작용을 가지고, 또한 파이어 스루성의 촉진에도 기여한다.
그리고, 이러한 파이어 스루성을 촉진하기 위해서는, Bi의 함유 몰량은 Bi2O3으로 환산하여 적어도 1mol% 이상은 필요하다. 한편, Bi의 함유 몰량이 Bi2O3으로 환산하여 20mol%를 넘으면 유리화가 곤란해진다.
그리하여, 본 실시의 형태에서는, 유리 프릿 중의 Bi의 함유 몰량을 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol%로 하고 있다.
(4)Li, Na, 및 K의 함유 몰량
Li2O, Na2O, 및 K2O는, Bi2O3과 마찬가지로, 수식 산화물로서 유리의 연화점을 조정하는 기능을 가지고, 적당한 온도 범위에서 결정화를 촉진하기 때문에, 파이어 스루성의 향상에 기여한다.
그리고, 그러기 위해서는 Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1mol% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하고, 15mol%를 넘게 대량으로 함유하면 유리 프릿의 화학적 내구성이 저하할 우려가 있다.
그리하여, 본 실시의 형태에서는, 유리 프릿 중의 Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종의 함유 몰량은 산화물로 환산하여 0.1~15mol%로 하고 있다.
또한 본 발명은 상기 Te, Zn, Bi, Li, Na, 및 K 이외에 필요에 따라 각종 첨가물을 함유시키는 것도 바람직하다.
예를 들면 Mg, Ca, Sr, 및 Ba 등의 알칼리 토류 금속을 함유한 산화물은, 수식 산화물로서 유리의 유동성을 조정하는 작용을 가지고, 파이어 스루성의 촉진에도 기여하기 때문에, 필요에 따라 이들 알칼리 토류 금속 중 적어도 1종 이상을 유리 프릿 중에 함유시키는 것이 바람직하다.
단, Mg를 함유시킬 경우는, MgO 환산으로 8mol% 이하, Ca를 함유시킬 경우, CaO 환산으로 5mol% 이하, Sr이나 Ba를 함유시킬 경우는 각각 SrO 환산 및 BaO 환산으로 3mol% 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 알칼리 토류 금속에 대해서는, 상기 함유 몰량을 넘게 함유시키면, 파이어 스루성이 오히려 저하하여, 접촉 저항이 커져 변환 효율의 저하를 초래할 우려가 있다.
또한 Mn, Cu, Ag, V, B, 및 P 등의 원소도 파이어 스루성의 촉진에도 기여하기 때문에, 필요에 따라 이들 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 유리 프릿 중에 함유시키는 것이 바람직하다.
단, Mn이나 Cu를 함유시킬 경우는, 각각 MnO2 및 CuO로 환산하여 20mol% 이하, Ag를 함유시킬 경우는 Ag2O로 환산하여 10mol% 이하, V를 함유시킬 경우는, V2O5로 환산하여 8mol% 이하, B나 P를 함유시킬 경우는 각각 B2O3 및 P2O5로 환산하여 3mol% 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 이들 첨가 원소에 대해서는, 상기 함유 몰량을 넘게 함유시키면, 오히려 파이어 스루성이 저하하여, 접촉 저항이 커져 변환 효율의 저하를 초래할 우려가 있다.
또한 Ti, Nb, Fe, Co, Ni, Al, Zr, Ta, Si, Sn, 및 Sb 등의 원소는 유리 프릿의 화학적 내구성의 향상에 기여하기 때문에, 필요에 따라 적절히 유리 프릿 중에 함유시키는 것도 바람직하다.
단, Ti를 함유시킬 경우는, TiO2로 환산하여 10mol% 이하, Co를 함유시킬 경우는, CoO로 환산하여 9mol% 이하, Nb, Fe, Ni, Al, Zr, Ta, Si, Sn, 및 Sb를 함유시킬 경우는, 각각 Nb2O5, Fe2O3, NiO, Al2O3, ZrO2, Ta2O5, SiO2, SnO2, 및 Sb2O3으로 환산하여 3mol% 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 이들 첨가 원소에 대해서는, 상기 함유 몰량을 넘게 함유시키면 유리화하지 않게 될 우려가 있다.
또한 이들 첨가물의 첨가 형태는 특별히 한정되는 것은 아니며, 산화물, 수산화물, 과산화물, 할로겐화물, 탄산염, 질산염, 인산염, 황산염, 불화물 등의 형태로 첨가할 수 있다.
또한 도전성 페이스트 중의 유리 프릿의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1~10wt%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1~5wt%이다. 즉, 유리 프릿의 함유량이 1wt% 미만이 되면, 전극과 반도체 기판의 접합성이 저하할 우려가 있고, 유리 프릿의 함유량이 10wt%를 넘으면, 소성 후의 전극 표면에 유리 성분이 과잉하게 존재하여 솔더링성의 저하를 초래할 우려가 있다.
도전성 분말로서는, 양호한 도전성을 가지는 금속 분말이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 소성 처리를 대기 중에서 행한 경우에도 산화되지 않고 양호한 도전성을 유지할 수 있는 Ag 분말을 선호하여 사용할 수 있다. 또한 이 도전성 분말의 형상도 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 구(球)형상, 편평상, 부정형 형상, 혹은 이들의 혼합 분말이어도 된다.
또한 도전성 분말의 평균 입경도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도전성 분말과 반도체 기판(1) 사이에서, 소망하는 접촉점을 확보하는 관점에서는 구형 분말 환산으로 0.5~5.0㎛가 바람직하다.
또한 도전성 페이스트 중의 도전성 분말의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만 80~95wt%가 바람직하다. 도전성 분말의 함유량이 80wt% 미만이 되면, 전극의 막 두께가 얇아져, 라인 저항이 증가하는 경향이 된다. 한편, 도전성 분말의 함유량이 95wt%를 넘으면, 유기 비히클 등의 함유량이 적어져 페이스트화가 곤란해질 우려가 있다.
유기 비히클은, 바인더 수지와 유기 용제가, 예를 들면 체적 비율로 1:9에서 3:7의 범위가 되도록 조제되어 있다. 또한 바인더 수지로서는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 에틸셀룰로오스수지, 니트로셀룰로오스수지, 아크릴수지, 알키드수지, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 또한 유기 용제에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니며, 텍사놀, α-터피네올, 크실렌, 톨루엔, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 등을 단독, 혹은 이들을 조합시켜 사용할 수 있다.
또한 도전성 페이스트에는, 필요에 따라, 프탈산디에틸헥실, 프탈산디부틸 등의 가소제를 1종 또는 이들의 조합을 첨가하는 것도 바람직하다. 또한 지방산 아마이드나 지방산 등의 리올로지 조정제를 첨가하는 것도 바람직하고, 또한 틱소트로픽제, 증점제, 분산제 등을 첨가해도 된다.
그리고, 이 도전성 페이스트는 도전성 분말, 유리 프릿, 유기 비히클, 필요에 따라 각종 첨가제를 소정의 혼합 비율이 되도록 칭량하여 혼합하고, 3본(本) 롤밀 등을 사용하여 분산·혼합반죽함으로써 용이하게 제조할 수 있다.
이와 같이 본 도전성 페이스트는 적어도 Ag 등의 도전성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 함유하고, 상기 유리 프릿은 Te를 TeO2로 환산하여 35~90mol%, Zn을 ZnO로 환산하여 5~50mol%, Bi를 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol% 함유하면서, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1~15mol% 함유하고 있으므로, 수광면 전극(3)과 반도체 기판(1) 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있어, 변환 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한 본 도전성 페이스트는, 소정 몰량의 범위에서 상술한 각종 첨가제를 함유시킨 경우는, 유리 프릿이 양호한 화학적 내구성을 손상하지 않고, 수광면 전극(3)과 반도체 기판(1) 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있어, 변환 효율의 향상을 도모할 수 있다.
그리고, 본 태양전지는, 반도체 기판(1)의 한쪽의 주면에 반사 방지막(2) 및 상기 반사 방지막(2)을 관통하는 수광면 전극(3)이 형성되고, 수광면 전극(3)이 상기 도전성 페이스트가 소결되어 이루어지므로, 수광면 전극(3)과 반도체 기판(1) 사이의 접촉 저항 및 수광면 전극(3)의 라인 저항의 쌍방을 낮게 할 수 있고, 이것에 의해 에너지 변환 효율이 높으며, 전지 특성이 양호한 태양전지를 얻는 것이 가능해진다.
또한 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 도전성 페이스트의 구성 성분에 대해서도 전지 특성에 영향을 주지 않는 한, 각종 무기 첨가제를 함유시켜도 된다.
또한 상기 실시의 형태에서는, 도전성 페이스트를 수광면 전극의 형성용으로 사용했는데, 이면 전극의 형성용으로 사용해도 된다.
다음으로, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
<실시예>
[시료의 제작]
(도전성 페이스트의 제작)
유리 소재로서 TeO2, ZnO, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, MnO2, CuO, Ag2O, B2O3, V2O5, P2O5, TiO2, Nb2O5, Fe2O3, CoO, NiO, Al2O3, ZrO2, Ta2O5, SiO2, SnO2, Sb2O5, 및 MoO3을 준비하였다. 그리고, 이들 유리 소재가 표 1에 나타내는 바와 같은 배합량이 되도록 칭량하여 조제하고, 시료번호 1~26의 유리 프릿을 제작하였다.
또한 도전성 분말로서 평균 입경이 1.6㎛인 구형(球形) Ag 분말을 준비하였다.
다음으로, 바인더 수지로서 에틸셀룰로오스수지 10wt%, 유기 용제로서 텍사놀 90wt%가 되도록 에틸셀룰로오스수지와 텍사놀을 혼합하여 유기 비히클을 제작하였다.
그리고, Ag 분말이 86.0wt%, 유리 프릿이 3.0wt%가 되도록, 이들을 지방산 아마이드나 지방산 등의 리올로지 조정제 및 유기 비히클과 함께 배합하여, 플래니터리 믹서(planetary mixer)로 혼합한 후에, 3본 롤밀로 혼합 반죽하고, 이것에 의해 시료번호 1~26의 도전성 페이스트를 제작하였다.
(태양전지 셀의 제작)
세로 50mm, 가로 50mm, 두께 0.2mm의 단결정의 Si계 반도체 기판의 표면 전역에 막 두께 0.1㎛의 반사 방지막을 플라즈마 화학 기상 성장법(PECVD)으로 형성하였다. 또한 이 Si계 반도체 기판은 p형 Si계 반도체층의 일부에 P를 확산시키고, 이것에 의해 p형 Si계 반도체층의 상면에 n형 Si계 반도체층이 형성되어 있다.
다음으로, Al을 주성분으로 한 Al 페이스트, 및 Ag를 주성분으로 한 Ag 페이스트를 준비하였다. 그리고 상기 Si계 반도체 기판의 이면에 Al 페이스트 및 Ag 페이스트를 적절히 도포하고, 건조시켜 이면 전극용 도전막을 형성하였다.
다음으로, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄를 행하고, 소성 후의 막 두께가 20㎛가 되도록, Si계 반도체 기판의 표면에 도전성 페이스트를 도포하여 수광면 전극용 도전막을 제작하였다.
다음으로, 각 시료를 온도 150℃로 설정한 오븐 중에 넣고 도전막을 건조시켰다.
그 후, 벨트식 근적외 화로(디스패치사 제품, CDF7210)를 사용하여, 시료가 입구~출구간을 약 1분으로 반송하도록 반송 속도를 조정하고, 대기 분위기하에서, 최고 소성 온도 760~800℃에서 소성하여, 도전성 페이스트가 소결되어 수광면 전극이 형성된 시료번호 1~26의 태양전지 셀을 제작하였다. 또한 최고 소성 온도를 760~800℃로 한 것은 페이스트 조성에 따라 최적의 최고 소성 온도가 다르기 때문이다.
[시료의 평가]
시료번호 1~26의 각 시료에 대하여, 솔라 시뮬레이터(에이코 세이키사 제품, SS-50XIL)를 사용하여, 온도 25℃, AM(에어 매스(air mass))-1.5의 조건하에서, 전류-전압 특성 곡선을 측정하고, 이 전류-전압 특성 곡선으로부터 수식(1)로 표시되는 곡선 인자 FF(Fill Factor)를 구하였다.
FF=Pmax/(Voc×Isc)…(1)
여기서, Pmax는 시료의 최대 출력, Voc는 출력 단자를 개방했을 때의 개방 전압, Isc는 출력 단자를 단락했을 때의 단락 전류이다.
또한 최대 출력 Pmax, 수광면 전극의 면적 A, 방사 조도 E로부터, 수식(2)에 근거하여 변환 효율 η을 구하였다.
η=Pmax/(A×E)…(2)
표 2는 시료번호 1~26의 각 시료의 곡선 인자 FF, 변환 효율 η, 및 평가 결과를 나타내고 있다. 여기서, 평가 결과는 곡선 인자 FF가 0.76 이상, 변환 효율 η이 16.40% 이상인 시료를 우수(◎), 곡선 인자 FF가 0.72 이상 0.76 미만, 변환 효율 η이 15.60 이상 16.40 미만인 시료를 양호(○), 곡선 인자 FF가 0.72 미만, 변환 효율 η이 15.60 미만인 시료를 불량(×)으로 하였다.
시료번호 26은 곡선 인자 FF가 0.712로 낮고, 변환 효율 η도 15.12%로 낮았다. 이것은 유리 프릿 중에 ZnO, Li2O, Na2O, 및 K2O의 모두가 함유되어 있지 않고, 본 발명 범위 외의 MoO3이 함유되어 있기 때문에, 파이어 스루성이 떨어지고, 이 때문에 접촉 저항이 커져 전지 특성이 열화한 것으로 생각된다.
이에 대하여 시료번호 1~25는 TeO2의 함유 몰량이 35.0~88.9mol%, ZnO의 함유 몰량이 5.0~50.0mol%, Bi2O3의 함유 몰량이 1.0~19.9mol%, Li2O, Na2O, 또는 K2O의 함유 몰량이 0.1~15.0mol%이며, 모두 본 발명 범위 내이므로, 곡선 인자 FF가 0.736~0.786, 변환 효율 η이 15.74~16.84%로 양호한 결과가 얻어졌다.
특히, 시료번호 1~19는 알칼리 토류 금속 산화물 등의 각종 첨가물도 본 발명의 바람직한 범위로 함유되어 있고, 곡선 인자 FF가 0.775 이상, 변환 효율 η이 16.57% 이상이 되어, 보다 양호한 결과가 얻어졌다.
한편, 시료번호 20~22는 알칼리 토류 금속 산화물의 함유 몰량이 본 발명의 바람직한 범위 외에 있고, 이 때문에 실용성은 확보할 수 있지만, 수광면 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항이 약간 커져, 곡선 인자 FF나 변환 효율이 약간 떨어지는 것을 알 수 있었다.
또한 시료번호 23~25는 B2O3, MnO2 및 CuO의 함유 몰량이 본 발명의 바람직한 범위 외에 있고, 이 때문에 시료번호 20~22와 마찬가지로 실용성은 확보할 수 있지만, 수광면 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항이 약간 커져, 곡선 인자 FF나 변환 효율이 약간 떨어지는 것을 알 수 있었다.
이와 같이 Te, Zn, Bi, 또한 Li, Na, K 중에서 선택된 적어도 1종의 함유 몰량이 본 발명 범위 내이면, 수광면 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항을 저감할 수 있고, 양호한 전지 특성을 얻을 수 있으며, 또한 각종 첨가제를 본 발명의 바람직한 범위로 함유시킴으로써, 보다 양호한 전지 특성이 얻어지는 것을 알 수 있었다.
전극과 반도체 기판 사이의 접촉 저항을 낮게 할 수 있고, 이것에 의해 에너지 변환 효율이 높은 태양전지를 얻을 수 있다.
1: 반도체 기판
2: 반사 방지막
3: 수광면 전극(전극)
2: 반사 방지막
3: 수광면 전극(전극)
Claims (6)
- 태양전지의 전극을 형성하기 위한 도전성 페이스트로서,
적어도 도전성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 함유하고,
상기 유리 프릿은, Te를 TeO2로 환산하여 35~90mol%, Zn을 ZnO로 환산하여 5~50mol%, Bi를 Bi2O3으로 환산하여 1~20mol% 함유하면서, Li, Na, 및 K 중에서 선택된 적어도 1종을 산화물로 환산하여 0.1~15mol% 함유하고 있으며,
상기 유리 프릿은 Mg, Ca, Sr, 및 Ba 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 소정 몰량 더 함유하는 동시에,
상기 소정 몰량은, 상기 Mg가 산화물로 환산하여 8mol% 이하, 상기 Ca가 산화물로 환산하여 5mol% 이하이며, 상기 Sr 및 상기 Ba가 각각의 산화물로 환산하여 3mol% 이하인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트. - 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 Mn, Cu, Ag, V, B, 및 P 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 소정 몰량 더 함유하는 동시에,
상기 소정 몰량은, 상기 Mn 및 상기 Cu가 각각의 산화물로 환산하여 20mol% 이하, 상기 Ag가 산화물로 환산하여 10mol% 이하, 상기 V가 산화물로 환산하여 8mol% 이하이며, 상기 B 및 상기 P가 각각의 산화물로 환산하여 3mol% 이하인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트. - 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 Ti, Co, Nb, Fe, Ni, Al, Zr, Ta, Si, Sn, 및 Sb 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 소정 몰량 더 함유하는 동시에,
상기 소정 몰량은, 상기 Ti가 산화물로 환산하여 10mol% 이하, 상기 Co가 산화물로 환산하여 9mol% 이하이며, 상기 Nb, 상기 Fe, 상기 Ni, 상기 Al, 상기 Zr, 상기 Ta, 상기 Si, 상기 Sn, 및 상기 Sb가 각각의 산화물로 환산하여 3mol% 이하인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트. - 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿의 함유량은 1~10wt%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 분말은 Ag 분말인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트. - 반도체 기판의 한쪽의 주면에 반사 방지막 및 상기 반사 방지막을 관통하는 전극이 형성되고,
상기 전극이 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 도전성 페이스트가 소결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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| Date | Code | Title | Description |
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| A107 | Divisional application of patent | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2019101002813; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20190822 Effective date: 20201008 |