KR20160128096A

KR20160128096A - 전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극과 태양전지

Info

Publication number: KR20160128096A
Application number: KR1020150059899A
Authority: KR
Inventors: 문성일; 류승철; 박형석; 이영실
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-11-07
Also published as: US20160322520A1; CN106098143B; TW201638974A; KR101816236B1; US9997649B2; TWI592951B; CN106098143A; JP2016213440A; JP6656028B2

Abstract

도전성 분말, 유리 프릿, 유기 바인더 및 용매를 포함하고 상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위를 포함하는 화합물인 전극 형성용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]

상기 화학식 1의 각 치환기의 정의는 상세한 설명에 기재된 바와 같다.

Description

전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극과 태양전지{COMPOSITION FORFORMING ELECTRODE, ELECTRODE MANUFACTURED USING THE SAME AND SOLAR CELL}

전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 태양 전지에 관한 것이다.

태양 전지는 태양광의 광자(photon)를 전기로 변환시키는 pn 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양 전지는 pn 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어있다. 태양 전지는 반도체 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 pn 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다.

이러한 태양 전지의 전극은 전극 형성용 조성물의 도포, 패터닝 및 소성에 의해, 웨이퍼 표면에 일정 패턴으로 형성될 수 있다.

태양 전지의 변환효율을 향상시키기 위하여 웨이퍼와 접촉성을 향상하여 접촉저항(Rc)과 직렬저항(Rs)을 최소화시키거나 유기물로 스크린 마스크(screen mask)의 패턴 선폭을 작게 조절함으로써 미세 선폭(fine line)을 형성하여 단락전류(I_sc)를 높이는 방법이 알려져 있다. 그러나 스크린 마스크를 이용하여 전극 패턴 선폭을 감소시키는 방법은 직렬저항(Rs)의 상승을 유발할 수 있고, 미세 패턴의 연속 인쇄성을 저하시킬 수 있다.

전극 형성용 조성물은 인쇄에 적합한 점도 및 유변학적 특성을 부여하기 위하여 유기 비히클을 사용하는데, 상기 유기 비히클은 통상적으로 유기 바인더와 용제 등을 포함할 수 있다.

전극 형성용 조성물의 인쇄 특성을 향상시킬 수 있는 유기 바인더의 개발이 요청되고 있다.

일 구현예는 고 해상도의 미세 패턴의 형성이 가능하고 인쇄 특성이 우수한 전극 형성용 조성물을 제공한다.

다른 일 구현예는 상기 전극 형성용 조성물로 제조된 전극을 제공한다.

또 다른 구현예는 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.

일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 유리 프릿, 유기 바인더 및 용매를 포함하고 상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위를 포함하는 화합물인전극 형성용 조성물을 제공한다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

R¹, R² 및 R³는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄C1 내지 C15의 알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C15의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 헤테로아릴기 및 하기 화학식 2로 표현되는 치환기에서 선택되고, R¹, R² 및 R³중 적어도 하나는 하기 화학식 2로 표현되는 치환기이다.

[화학식 2]

상기 화학식 2에서,

R^a, R^b, R^c 및 R^d는 각각 독립적으로 수소 또는 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기이고,

m은 1 내지 10의 정수이고 n은 0 내지 10의 정수이며,

X는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C18의 알킬기, 히드록시기(-OH), 할로겐, 카르복실기(-COOH), 에스테르기(COOR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기임), 인산기(phosphoric acid, -O-P(=O)(OH)₂), 인산 에스테르기(-O-P(=O)(OR)₂)(여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기임), 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 N, O, S 및 이들의 조합을 포함하는 5원 또는 6원 복소환기에서 선택되고,

*는 화학식 1의 OR¹, OR² 및 OR³의 산소(O)에 연결되는 위치를 나타낸다.

상기 화학식 2에서, 아미드기와 인접하지 않은 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 메틸렌기(-(C(R^a)(R^b))- 또는 -(C(R^c)(R^d))-)는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)₂-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체(replace)될 수 있다.

상기 치환 또는 비치환된 N, O, S 및 이들의 조합을 포함하는 5원 또는 6원 복소환기는 이미다졸릴기(imiadzolyl group), 이미다졸리닐기(imidazolinyl group), 피라졸릴기(pyrazolyl group), 피라졸리닐기(pyrazolinyl group), 피롤리닐기(pyrrolinyl group), 트리아졸릴기(triazolyl group), 테트라졸릴기(tetrazolyl group), 퍼퓨릴기(furfuryl group) 및 이속사졸릴기(isoxazolyl group)에서 선택될 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물의 중량평균분자량(Mw)은 5,000 내지 200,000g/mol일 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물에서 상기 화학식 2로 표현되는 치환기는 셀룰로오스 구조 단위 당 1개 또는 2개 존재할 수 있다.

상기 화학식 2로 표현되는 치환기는 셀룰로오스 구조 단위의 1번, 2번 또는 3번 위치에 존재할 수 있으며 특정 위치에 한정되지 않는다.

상기 전극 형성용 조성물은 도전성 분말 60 내지 95 중량%; 유리 프릿 0.5 내지 20 중량%; 유기 바인더 1 내지 20 중량% 및 용매를 잔부량으로 포함할 수 있다.

상기 유리 프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 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)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함할 수 있다.

상기 용매는 메틸 셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butylcellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로 터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르(ethylene glycol monobutyl ether), 부틸 셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 및 텍사놀(texanol)에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 유리 프릿은 평균 입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.

상기 전극 형성용 조성물은 표면처리제, 분산제, 요변제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제에서 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함할 수 있다.

다른 구현예는 상기 전극 형성용 조성물로 제조된 전극을 제공한다.

상기 전극 형성용 조성물은 고 해상도의 미세 패턴의 형성이 가능하고 인쇄 특성이 우수하다.

도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.

이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "치환"이란 적어도 하나의 수소 원자가 할로겐(F, Cl, Br, I), 히드록시기, C1 내지 C20의 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 이미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 에테르기, 카르복실기 또는 그것의 염, 술폰산기 또는 그것의 염, 인산기나 그것의 염, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C2 내지 C20의 알키닐기, C6 내지 C30의 아릴기, C3 내지 C20의 사이클로알킬기, C3 내지 C20의 사이클로알케닐기, C3 내지 C20의 사이클로알키닐기, C2 내지 C20의 헤테로사이클로알킬기, C2 내지 C20의 헤테로사이클로알케닐기, C2 내지 C20의 헤테로사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로아릴기 또는 이들의 조합의 치환기로 치환된 것을 의미한다.

또한 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "헤테로"란, 고리기 내에 N, O, S 및 P 중 적어도 하나의 헤테로 원자가 적어도 하나 포함된 것을 의미한다.

일 구현예에 따른 전극 형성용 조성물은 도전성 분말; 유리 프릿; 유기 바인더; 및 용매를 포함할 수 있다. 이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 전극 형성용 조성물은 도전성 분말로서 금속 분말을 사용할 수 있다. 상기 금속 분말은 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 텅스텐(W), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)에서 선택되는 하나 이상의 금속분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 도전성 분말은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 분말일 수 있는데, 예를 들어 수십 내지 수백 나노미터 크기의 도전성 분말, 수 내지 수십 마이크로미터의 도전성 분말일 수 있으며, 2 이상의 서로 다른 사이즈를 갖는 도전성 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.

상기 도전성 분말은 입자 형상이 구형, 판상, 무정형 형상을 가질 수 있다. 상기 도전성 분말의 평균 입경(D50)은 바람직하게는 0.1㎛ 내지 10㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 5㎛이 될 수 있다. 상기 평균 입경은 이소프로필 알코올(IPA)에 도전성 분말을 초음파로 상온(24 내지 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.

상기 도전성 분말은 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 60 내지 95 중량%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 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.

상기 유리 프릿(glass frit)은 전극 형성용 조성물의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 도전성 분말 입자를 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록 에미터 영역에 도전성 분말의 금속 결정 입자를 생성시키고, 도전성 분말과 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키고 소결 시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.

태양 전지의 효율을 증가시키기 위하여 태양 전지의 면적을 증가시키면 태양 전지의 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 유리 프릿을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 유리 프릿은 통상적으로 전극 형성용 조성물에 사용되는 유연 유리 프릿 및 무연 유리 프릿 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.

유리 프릿은 통상의 방법을 사용하여 상기 기술된 금속 원소의 산화물로부터 유래된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 원소의 산화물을 특정조성으로 혼합하여 제조한 혼합물을 용융한 후 ??칭(quenching)한 다음 다시 분쇄하여 얻을 수 있다. 상기 혼합 공정은 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetarymill)을 사용하여 실시할 수 있다. 상기 용융 공정은 700℃ 내지 1300℃의 조건에서 실시할 수 있으며, 상기 ??칭 공정은 상온(24℃ 내지 25℃)에서 실시할 수 있다. 상기 분쇄 공정은 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등에 의해 실시할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것이 사용될 수 있으며, 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 0.5 내지 20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 전극의 전기적 특성을 저해하지 않는 범위에서 전극의 접착 강도(adhesion strength)를 향상시킬 수 있다.

상기 유리 프릿의 형상은 구형이어도 무정형상(non-shape)이어도 무방하다. 일 구현예에서, 전이 온도가 상이한 2종의 유리 프릿을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 전이 온도가 200℃ 이상 350℃ 이하인 제1 유리 프릿과 전이 온도가 350℃ 초과 550℃ 이하인 제2 유리 프릿을 1 : 0.2 내지 1 : 1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

[화학식 2]

상기 화학식 2에서,

R^a, R^b, R^c 및 R^d는 각각 독립적으로 수소 또는 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기, 구체적으로 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기이고,

m은 1 내지 10의 정수이고 n은 0 내지 10의 정수이며,

X는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C18의 알킬기, 히드록시기(-OH), 할로겐(-F, -Cl, -Br, -I), 카르복실기(-COOH), 에스테르기(COOR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기임), 인산기(phosphoric acid, -O-P(=O)(OH)₂), 인산 에스테르기(-O-P(=O)(OR)₂)(여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기임), 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 N, O, S 및 이들의 조합을 포함하는 5원 또는 6원 복소환기에서 선택되고,

상기 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C15 알킬기는 예를 들어 적어나 하나의 히드록시기로 치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C15의 히드록시알킬기일 수 있다.

상기 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C15의 알킬기는, 예를 들어 메틸기, 에틸기, n-프로필기, sec-부틸기, 이소 프로필기, n-아밀기, 이소아밀기(isoamyl group), 이소부틸기 등을 들 수 있다.

상기 화학식 2에서, 아미드기와 인접하지 않은 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 메틸렌기(-(C(R^a)(R^b))- 또는 -(C(R^c)(R^d))-)는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)₂-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체(replace)될 수 있다. 상기 연결기중 둘 이상의 연결기로 교체되는 경우 교체되는 연결기는 서로 인접하여 존재하지 않는다.

상기 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C15의 알킬기의 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 메틸렌기는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)₂-,-C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체될 수 있다. 상기 연결기 중 둘 이상의 연결기로 교체되는 경우 교체되는 연결기는 서로 인접하여 존재하지 않는다. 또한 상기 화학식 2에서 n이 0인 경우 상기 교체된 연결기는 화학식 2의 아미드기와 연속하여 존재하지 않는다.

상기 치환 또는 비치환된 N, O 및 이들의 조합을 포함하는 5원 또는 6원 복소환기는 이미다졸릴기(imiadzolyl group), 이미다졸리닐기(imidazolinyl group), 피라졸릴기(pyrazolyl group), 피라졸리닐기(pyrazolinyl group), 피롤리닐기(pyrrolinyl group), 트리아졸릴기(triazolyl group), 테트라졸릴기(tetrazolyl group), 퍼퓨릴기(furfuryl group) 및 이속사졸릴기(isoxazolyl group)에서 선택될 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 셀룰로오스 또는 셀룰로오스 유도체와 하기 화학식 2a로 표현되는 아미드기를 포함하는 화합물을 반응시켜 제조할 수 있다.

[화학식 2a]

상기 화학식 2a에서,

R^a, R^b, R^c, R^d, m, n 및 X는 화학식 2에서와 동일하고 Y는 셀룰로오스 유도체의 하드록시기 또는 알콕시기와 반응하는 반응성기로 할로겐, 구체적으로 Cl일 수 있다.

상기 아미드기를 포함하는 화합물은 카르복실산기를 가지는 화합물과 아민 화합물을 반응시킴으로써 얻어질 수 있다.

상기 유기 바인더는 셀룰로오스 주쇄에 화학식 2로 표현되는 아미드기를 가지는 치환기를 적어도 하나 포함함으로써 전극 형성용 조성물의 인쇄 특성을 향상시킬 수 있으며, 분산성 및 저장 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 유기 바인더는 전극 형성용 조성물의 구성성분간, 예를 들어 셀룰로오스 주쇄를 가지는 유기 바인더 간 또는 도전성 분말 입자간의 서로 얽힘(entanglement) 구조를 형성하여 구성성분간 긴밀히 접촉하여 존재하도록 한다. 또한 기판의 젖음성을 향상시켜 전극 형성용 조성물과 기판의 친화도를 향상시킬 수 있다. 이로써 전극 형성용 조성물을 기판에 인쇄할 때 전극 형성용 조성물의 번짐으로 인한 전극 패턴의 폭이 증가하는 것을 방지할 수 있으며 전극의 폭을 일정하게 유지할 수 있어 높은 종횡비(전극 패턴의 단면 높이/전극 패턴의 단면 폭)를 가지는 미세 패턴을 구현할 수 있다.

또한, 상기 유기 바인더는 유기 바인더 내 수소결합력을 증대시켜 소성 시 발생하는 열에 의하여 페이스트(paste)가 뭉개지면서 폭(width)이 넓어지는 현상을 줄여 고종횡비의 미세 패턴 구현이 가능하며, 측쇄(side chain)효과로 전단 박화성(shear thinning)이 좋아 고해상도의 전극 패턴을 구현할 수 있다.

또한, 상기 유기 바인더는 후술하는 첨가제들과 유기 바인더의 상용성(compatibility)을 향상시켜 전극 형성용 조성물의 인쇄 특성을 향상시킬 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물의 중량평균분자량(Mw)은 5,000 내지 200,000g/mol일 수 있다. 상기 범위에서 전극 형성용 조성물의 분산성과 인쇄 특성을 개선할 수 있다.

상기 화학식 1로 표현되는 화합물에서 상기 화학식 2로 표현되는 치환기는 셀룰로오스 구조 단위 3개의 당 1개 또는 2개 존재할 수 있다.

이와 같이 상기 화학식 2로 표현되는 치환기가 존재하는 경우 전극 형성용 조성물의 분산안정성을 향상시킬 수 있고 높은 종횡비를 가지는 미세한 전극 패턴을 얻을 수 있다.

상기 화학식 2로 표현되는 치환기는 셀룰로오스 구조 단위의 1번, 2번 또는 3번 위치에 존재할 수 있으며 특정 위치로 한정되지 않는다.

상기 유기 바인더는 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 0.1 내지 20 중량%로, 바람직하게는 0.2 내지 15 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 전극 형성용 조성물의 적절한 점도를 얻을 수 있어 기판과의 접착력 저하를 방지할 수 있으며, 소성 시 유기 바인더의 분해가 원활히 이뤄지지 않아 저항이 높아지고 소성 공정 시 전극의 갈라짐, 오픈, 핀홀 발생 등의 문제점을 방지할 수 있다.

상기 용매로는 100℃ 이상의 비점을 갖는 것으로, 메틸 셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로 터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르(ethylene glycol monobutyl ether), 부틸 셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate), 텍사놀(texanol) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 용매는 전극 형성용 조성물 중 잔부량으로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 충분한 접착강도와 우수한 인쇄성을 확보할 수 있다.

상기 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 표면처리제, 분산제, 요변제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

이들은 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있지만 필요에 따라 함량을 변경할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 전극 형성용 조성물의 인쇄 특성, 분산성 및 저장 안정성을 고려하여 선택될 수 있다.

다른 구현예에 따르면 상기 전극 형성용 조성물로부터 형성된 전극을 제공한다.

또 다른 구현예에 따르면 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.

도 1을 참조하여 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다. 도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.

도 1을 참조하면, p층(또는 n층)(101) 및 에미터로서의 n층(또는 p 층)(102)을 포함하는 웨이퍼(100) 또는 기판 상에, 전극 형성용 조성물을 인쇄하고 소성하여 후면 전극(210) 및 전면 전극(230)을 형성할 수 있다. 예컨대, 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 980℃, 바람직하게는 700℃ 내지 980℃에서 약 30초 내지 210초 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.

유기 바인더의 합성예

< 합성예 1>

1L 둥근 플라스크에 1,4-다이옥산 300 ml와 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose, Dow chemical社, STD200) 50g을 투입하고 60℃까지 천천히 승온 후 30분 동안 교반하여 에틸 셀룰로오스를 완전히 용해시킨 후, 실온으로 온도를 낮추어 트리에틸아민(Aldrich社, TEA)을 23 g 투입하고 10분 동안 교반 후 질소가스(N₂) 분위기 하에서 N-부틸-2-클로로아세트아미드(N-butyl-2-chloroacetamide, Sigma-aldrich社) 11g을 첨가하여 서서히 60℃까지 온도를 상승시켜 온도 도달 후 5시간 동안 교반 후 반응을 종료하였다. 반응 종료 후 정제 및 건조하여 N-부틸-2-클로로아세트아미드로 개질된 에틸 셀룰로오스(CBA-1)를 수득하였다.

< 합성예 2>

N-부틸-2-클로로아세트아미드의 사용량을 달리한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 하여 N-부틸-2-클로로아세트아미드로 개질된 에틸 셀룰로오스(CBA-2)를 수득하였다.

< 합성예 3>

N-부틸-2-클로로아세트아미드의 사용량을 달리한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 N-부틸-2-클로로아세트아미드로 개질된 에틸 셀룰로오스(CBA-3)를 수득하였다.

		에틸 셀룰로오스	N-부틸-2-클로로아세트아미드
합성예 1	CBA-01	50g	11g
합성예 2	CBA-02	50g	15g
합성예 3	CBA-03	50g	26

전극 형성용 조성물의 제조

< 실시예 1>

유기 바인더로서 상기 합성예 1로부터 제조된 N-부틸-2-클로로아세트아미드로 개질된 에틸 셀룰로오스(CBA-1) 0.8 중량%를 용매인 텍사놀(texanol) 8.5 중량%에 50 ℃ 에서 충분히 용해한 후 평균입경이 5.0 ㎛인 구형의 은 분말(Dowa Hightech Co. Ltd, 5-8F) 87.0 중량%, 평균 입경이 1.0 ㎛ 이고 전이점이 341 ℃인 저융점 유연 유리(유연 Glass, (주)파티클로지, CI-124)프릿 3.0 중량%, 첨가제로서 분산제 BYK102(BYK-chemie) 0.2 중량% 및 요변제 Thixatrol ST(Elementis co.) 0.5 중량%를 투입하여 균일하게 믹싱 후 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.

< 실시예 2>

유기 바인더로서 합성예 1 대신 합성예 2로부터 제조된 N-부틸-2-클로로아세트아미드로 개질된 에틸 셀룰로오스(CBA-2)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.

< 실시예 3>

유기 바인더로서 합성예 1 대신 합성예 3로부터 제조된 N-부틸-2-클로로아세트아미드로 개질된 에틸 셀룰로오스(CBA-3)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.

< 비교예 1>

유기 바인더로서 실시예 1 대신 에틸 셀룰로오스(Dow chemical社, STD200)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.

물성 평가방법

(1) 저장　안정성

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 전극형성용 조성물의 하기 수학식 1에 따라 얻은 보관 전후의 점도 변화율로 저장 안정성(백분율, %)을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서,

F₀는 전극 형성용 조성물을 25 ℃, 50±5% 상대 습도 조건에서 1일 보관 후 상온(24 ℃)에서 측정한 점도 값이고 F₁은 전극 형성용 조성물을 25 ℃, 50±5% 상대 습도 상태에서 30일 보관　후 상온(25 ℃)에서 측정한 점도 값이다.

상기 점도 값은　Brookfield社의 점도계(HBDV-2+pro)를 사용하여 SC4-14 스핀들과 SC4-6RP 챔버를 장착하여 25 ℃에서 10rpm으로 30초간 preshear를 가한 뒤 점도 값을 측정하여 얻었다.

(2) 미세패턴 평가

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물을 면 저항 90Ω인 폴리 P 타입 실리콘 웨이퍼(Wafer) 전면에 스크린 마스크를 이용하여 각각 스크린 프린팅하여 전극 패턴을 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 이후 웨이퍼의 후면에 알루미늄을 포함하는 전극 형성용 조성물을 후면 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 400℃ 내지 950 ℃사이로 30초에서 50초간 소성을 행하였으며, 제조된 전극의 단선 여부를 확인하기 위하여 EL tester(MV tech社)를 이용하여 Line open 개수를 측정하였으며, 전극 라인의 선폭 및 두께는 VK 장비(KEYENCE社 VK9710)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

* 스크린 마스크: SUS325 type/Emulsion 두께 15㎛/finger bar 선폭 35㎛, finger bar 개수 90개

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1
조성 (중량%)	은 분말	87	87	87	87
	유리 프릿	3.0	3.0	3.0	3.0
	유기 바인더	0.8 (CBA-01)	0.8 (CBA-02)	0.8 (CBA-03)	0.8 (ethyl cellulose, STD200)
	용매	8.5	8.5	8.5	8.5
	첨가제	0.7	0.7	0.7	0.7
물성	저장 안정성 (%)	3.0	2.5	2.1	7
	소성 후 선폭 (㎛)	56	50	45	66
	소성 후 두께 (㎛)	20	21	22	19
	종횡비 (두께/선폭)	0.36	0.42	0.49	0.29

상기 표 2의 결과값에서 보듯이 유기 바인더로서 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용한 실시예 1 내지 3의 태양전지 전극 형성용 조성물은 에틸 셀룰로오스를 사용한 비교예 1 대비 저장 안정성이 우수하고 종횡비가 우수하며 미세선폭 구현이 가능한 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.

101: p층(또는 n층) 102: n층(또는 p 층)
210: 후면 전극 230: 전면 전극

Claims

도전성 분말, 유리 프릿, 유기 바인더 및 용매를 포함하고,
상기 유기 바인더는 하기 화학식 1로 표현되는 구조단위를 포함하는 화합물인 전극 형성용 조성물:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
R¹, R² 및 R³는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄C1 내지 C15의 알킬기, 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C15의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 헤테로아릴기 및 하기 화학식 2로 표현되는 치환기에서 선택되고, R¹, R² 및 R³중 적어도 하나는 하기 화학식 2로 표현되는 치환기이고,
[화학식 2]

상기 화학식 2에서,
R^a, R^b, R^c 및 R^d는 각각 독립적으로 수소 또는 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기이고,
m은 1 내지 10의 정수이고 n은 0 내지 10의 정수이며,
X는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C18의 알킬기, 히드록시기(-OH), 할로겐, 카르복실기(-COOH), 에스테르기(COOR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기임), 인산기(phosphoric acid, -O-P(=O)(OH)₂), 인산 에스테르기(-O-P(=O)(OR)₂)(여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C6의 알킬기임), 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 N, O, S 및 이들의 조합을 포함하는 5원 또는 6원 복소환기에서 선택되고,
*는 화학식 1의 OR¹, OR² 및 OR³의 산소(O)에 연결되는 위치를 나타낸다.
제1항에 있어서,
상기 화학식 2에서, 아미드기와 인접하지 않은 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 메틸렌기(-(C(R^a)(R^b))- 또는 -(C(R^c)(R^d))-)는 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)₂-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체(replace)되는 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 치환 또는 비치환된 N, O, S 및 이들의 조합을 포함하는 5원 또는 6원 복소환기는 이미다졸릴기(imiadzolyl group), 이미다졸리닐기(imidazolinyl group), 피라졸릴기(pyrazolyl group), 피라졸리닐기(pyrazolinyl group), 피롤리닐기(pyrrolinyl group), 트리아졸릴기(triazolyl group), 테트라졸릴기(tetrazolyl group), 퍼퓨릴기(furfuryl group) 및 이속사졸릴기(isoxazolyl group)에서 선택되는 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표현되는 화합물의 중량평균분자량(Mw)은 5,000 내지 200,000g/mol인 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표현되는 화합물에서 상기 화학식 2로 표현되는 치환기는 셀룰로오스 구조 단위 당 1개 또는 2개 존재하는 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 도전성 분말 60 내지 95 중량%;
상기 유리 프릿 0.5 내지 20 중량%;
상기 유기 바인더 0.1 내지 20 중량%; 및
상기 용매를 잔부량으로 포함하는 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 리튬(Li), 인(P), 게르
마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 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)에서 선택되는 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 용매는 메틸 셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로 터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르(ethylene glycol monobutyl ether), 부틸 셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 및 텍사놀(texanol)에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 평균 입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 전극 형성용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 전극 형성용 조성물은 표면처리제, 분산제, 요변제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함하는 전극 형성용 조성물.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전극 형성용 조성물로 제조된 전극.
제11항에 따른 전극을 포함하는 태양 전지.