KR20170066716A - 태양전지용 전극 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 - Google Patents

태양전지용 전극 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도전성 금속 분말,유리 프릿,및 유기 비히클을 포함하여 이루어진 태양전지 전극용 페이스트 조성물로서,상기 유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 200℃ 이상 300℃ 미만의 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.

Description

태양전지용 전극 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지{Electrode Paste For Solar Cell's Electrode And Solar Cell}
본 발명은 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 이를 사용하여 제조된 태양전지에 관한 것이다.
태양 전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 일반적으로 p-n 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다.
도 8은 일반적인 태양전지 소자의 구조로서, 태양 전지 소자는 일반적으로 두께가 180~250㎛인 p형 실리콘 반도체 기판을 이용하여 구성된다. 실리콘 반도체 기판의 수광면측에는, 두께가 0.3~0.6㎛인 n형 불순물층과, 그 위에 반사 방지막과 전면 전극이 형성되어 있다. 또한, p형 실리콘 반도체 기판의 이면측에는 배면 전극이 형성되어 있다. 전면 전극은 은을 주성분으로 하는 도전성 입자, 글래스 프릿, 유기 비히클 등을 혼합한 도전성 페이스트를 이용하여, 스크린 인쇄 등의 방법에 의해서 전극을 형성하고 있으며, 배면 전극은 알루미늄 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클(organic vehicle)로 이루어지는 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고 건조한 후, 660℃(알루미늄의 융점) 이상의 온도에서 소성함으로써 형성되어 있다. 이 소성시에 알루미늄이 p형 실리콘 반도체 기판의 내부로 확산됨으로써, 배면 전극과 p형 실리콘 반도체 기판 사이에 Al-Si 합금층이 형성됨과 동시에, 알루미늄 원자의 확산에 의한 불순물층으로서 p＋층이 형성된다. 이러한 p＋층의 존재에 의해 전자의 재결합을 방지하고, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 BSF(Back Surface Field) 효과가 얻어진다.
한편, 소성시 전면 전극에서는 반사 방지막이 글래스 프릿 분말의 산화 환원 반응을 통하여 침식되어지고, 글래스 프릿 분말 내의 도전성 분말 결정이 기판 계면에 석출되는 형태로 도전성 금속 결정립이 석출되고 상기 석출된 금속 결정립이 벌크 전면 전극과 실리콘 기판의 가교 역할을 할뿐만 아니라, 유리 프리트 분말의 두께에 따라 터널링 효과 또는 벌크 전극과의 직접적인 접착에 의한 컨택을 나타내는 것으로 알려져 있다.
종래의 결정질 태양전지는 후면 Al, 후면 Ag, 전면 Ag의 조성 특성상 실측온도 750℃ 이상의 고온 소성공정이 일반적이나 최근 활발히 연구중인 Passivated Emitter 구조 태양전지(PESC, PERC, PERL)의 경우 박막 passivation 공정 특성상 소성 온도를 낮추거나 급격한 소성이 필요하다. 그래서 초기 연구는 전극 자체를 도금으로 증착하는 방식을 사용하였으나 투자비가 높고, 공정이 복잡한 단점이 있으며, 최근 전극을 인쇄공정으로 도입하는 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나, 750℃ 이하의 소성 조건에서 기존 전극 페이스트 조성물은 에미터(emitter)와의 컨택이 불안정하며, 고면저항(100Ω/sq 이상)에서의 접촉저항이 좋지 않고, 유리프릿의 용융이 불균일한 문제점이 있어, 이에 적합한 전극 페이스트 조성물이 요구된다.
본 발명은 용융 균일도를 높일 수 있으며, Cell 특성 균일도를 향상시킬 수 있고, 저온/급속 소성시에도 우수한 접촉 특성을 확보할 수 있으며, 고면저항 태양전지에도 우수하게 적용 가능한 태양전지용 전극 페이스트 조성물 및 고효율 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 도전성 금속 분말,유리 프릿,및 유기 비히클을 포함하여 이루어진 태양전지 전극용 페이스트 조성물로서, 상기 유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 200℃ 이상 300℃ 미만의 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 상기 유리 프릿의 DSC 데이터 상에서 결정화 피크가 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 상기 유리 프릿의 DSC 데이터 상에서 결정화 피크가 500℃ 미만에서 발생하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 상기 유리 프릿의 DSC 데이터 상에서 최초 결정화 피크가 400℃ 미만에서 발생하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 상기 유리 프릿의 평균입경(D50)은 0.5 ~ 10㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 상기 유리 프릿의 PbO 함량은 유리 프릿 전체 대비 10 ~ 29 mol% 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 기재 상부에 전면 전극을 구비하고, 기재 하부에 배면 전극을 구비한 태양전지에 있어서, 상기 전면 전극은, 상기 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 도포한 후 소성시켜 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
상기의 구성적 특징을 갖는 본 발명은 유리 프릿의 용융 균일도를 높일 수 있으며, Cell 특성 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 저온/급속 소성시에도 우수한 접촉 특성을 확보할 수 있으며, 고면저항(90~120Ω/sq) 태양전지에 특히 우수하게 적용될 수 있다.
도 1은 유리프릿의 열적거동을 나타내는 DSC(시차주사열량계법) 데이터 개념도이며,
도 2 내지 도 4는 제조예 및 비교제조예의 유리 프릿 DSC 데이터이며,
도 5 내지 도 7은 실시예 및 비교예의 성능 평가 데이터이며,
도 8은 일반적인 태양전지 소자의 개략 단면도이다.
이하에서는 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기의 설명은 본 발명의 구체적 일례에 대한 것이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 도전성 금속 분말,유리 프릿,및 유기 비히클을 포함하여 이루어진 태양전지 전극용 페이스트 조성물로서,상기 유리 프릿은 특수한 열적 거동을 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
이하 각 성분을 구체적으로 설명한다.
<도전성 금속 분말>
도전성 금속 분말로는 은 분말, 구리분말, 니켈 분말, 알루미늄 분말 등이 사용될 수 있는데, 전면 전극의 경우 은 분말이 주로 사용되며, 배면 전극은 주로 알루미늄 분말이 사용된다. 이하에서는 편의상 은 분말을 예로 들어 도전성 금속재료에 대해 설명한다. 하기의 설명은 다른 금속 분말에도 동일하게 적용될 수 있다.
은 분말은 순은 분말이 바람직하며, 이외에, 적어도 표면이 은층으로 이루어지는 은피복 복합 분말이나, 은을 주성분으로 하는 합금 등을 사용할 수 있다. 또한, 다른 금속 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 예를 들면 알루미늄, 금, 팔라듐, 동, 니켈 등을 들 수 있다. 은 분말의 평균입경은 0.1 ~ 10㎛ 일 수 있으며, 페이스트화 용이성 및 소성시 치밀도를 고려할 때 0.5 ~ 5㎛가 바람직하며, 그 형상이 구상(球狀), 침상(針狀), 판상(板狀) 그리고 무정상(無定狀) 중 적어도 1종 이상일 수 있다. 은 분말은 평균 입자지름이나 입도 분포, 형상 등이 다른 2종 이상의 분말을 혼합하여 이용해도 좋다. 은 분말의 함량은 인쇄시 형성되는 전극 두께 및 전극의 선저항을 고려할 때 전극용 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 60 내지 98 중량%가 바람직하다.
<유기 비히클>
유기 비히클에는 제한되지 않으나 유기 바인더와 용제 등이 포함될 수 있다. 때로는 용제가 생략될 수 있다. 유기 비히클은 제한되지 않으나 전극용 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 1~10 중량%가 바람직하다.
유기 비히클은 금속분말과 유리프릿 등이 균일하게 혼합된 상태를 유지하는 특성이 요구되며, 예를 들면 스크린인쇄에 의해 도전성 페이스트가 기재에 도포될 때에, 도전성 페이스트를 균질하게 해서, 인쇄패턴의 흐려짐 및 흐름을 억제하고, 또한 스크린판으로부터의 도전성 페이스트의 토출성 및 판분리성을 향상시키는 특성이 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 전극용 페이스트 조성물에 사용되는 바인더는 제한되지 않으나 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 등을 예로 들 수 있으며, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있으며, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 비닐계로는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 아세테이트 그리고 폴리비닐 알코올 등을 예로 들 수 있다. 상기 바인더들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다.
조성물의 희석을 위해 사용되는 용제로서는 알파-터피네올, 텍사놀, 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 시클로헥산, 헥산, 톨루엔, 벤질알코올, 디옥산, 디에틸렌글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트 등으로 이루어진 화합물 중에서 적어도 1종 이상 선택되어 사용되는 것이 좋다.
<유리 프릿>
사용되는 유리 프릿은 제한되지 않는다. 유연 유리 프릿뿐만 아니라 무연 유리 프릿도 사용 가능하다.
유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 제한되지 않으나 200 ~ 600℃ 일 수 있으며, 바람직하기로는 유리전이온도는 200℃ 이상 300℃ 미만의 범위내가 좋다. 300℃ 미만의 낮은 유리전이온도의 유리 프릿을 사용함으로써 용융 균일도를 높일 수 있으며, Cell 특성 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 저온/급속 소성시에도 우수한 접촉 특성을 확보할 수 있으며, 고면저항(90~120Ω/sq) 태양전지에 최적화될 수 있다.
또한, 유리 프릿의 결정화 특성은 중요한 인자로 다루어질 수 있다.
도 1은 유리프릿의 열적거동을 나타내는 DSC 데이터로서, 유리전이온도(Tg), 연화점(Ts), 결정화 피크 등을 관찰할 수 있다.
기존의 유리 프릿은 DSC 측정시 최초의 결정화 온도는 대체로 550℃ 이상에서 일어나는데, 본 발명에서는 유리 프릿의 DSC 측정 데이터 상 최초 결정화 피크가 400℃ 미만에서 이루어지도록 함으로써 소성시 보다 빨리 결정화가 일어나 소성 과정 중에 에미터 파괴 및 전극의 선폭이 커지는 것을 현저히 감소시킴으로써 전기적 특성을 우수하게 할 수 있다. 결정화 피크가 두 개 이상일 수 있으며, 그 경우에는 바람직하기로는 DSC 데이터 상에서 결정화 피크가 400℃ 미만에서 최초 발생하고, 2차 결정화 피크가 400℃ 이상 500℃ 미만에서 발생하는 것이 좋다. 더 좋기로는 DSC 데이터 상에서 500℃ 미만에서, 특히 400℃ 미만에서 결정화 피크가 모두 발생하는 것이 바람직하다.
한편, 유리 프릿의 조성이나 입경, 형상에 있어서 특별히 제한을 두지 않는다. 바람직하기로는 유리 프릿의 성분 및 함량으로서, 산화물 환산 기준으로 PbO는 10 ~ 29 mol%, TeO2는 20 ~ 34 mol%, Bi2O3는 3 ~ 20 mol%, SiO2 20 mol% 이하, B2O3 10 mol% 이하, 알칼리 금속(Li, Na, K 등) 및 알칼리 토금속(Ca, Mg 등)은 10 ~ 20 mol%를 함유하는 것이 좋다. 상기 각 성분의 유기적 함량 조합에 의해 전극 선폭 증가를 막고 고면저항에서 접촉저항을 우수하게 할 수 있으며, 단략전류 특성을 우수하게 할 수 있다.
특히, PbO의 함량이 너무 높으면 친환경적이지 않고, 용융시 점도가 너무 낮아져서 소성시 전극의 선폭이 커지는 문제점이 존재하며, 따라서 PbO는 유리프릿내에서 상기 범위내로 포함되는 것이 좋다. 더 나아가 PbO가 30mol%를 넘고, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 함량이 상기 범위에 미달하는 경우에는 절연층 중 Al2O3층 제거 성능이 떨어져 바람직하지 않다.
한편, 유리 프릿의 평균 입경은 제한되지 않으나 0.5 ~ 10㎛ 범위내의 입경을 가질 수 있으며, 평균입경이 다른 다종이 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하기로는 적어도 1종의 유리프릿은 평균입경(D50)이 3㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 좋다. 이를 통해 소성시 반응성이 우수해지고, 특히 고온에서 n층의 데미지를 최소화할 수 있으며 부착력이 개선되고 개방전압(Voc)을 우수하게 할 수 있다. 또한, 소성시 전극의 선폭이 증가하는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 평균입경이 3㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 유리프릿의 유리전이온도(Tg)는 300℃ 미만인 것이 바람직하다. 비교적 입경이 큰 입자를 사용하므로 유리전이온도를 낮춤으로써 소성시 불균일하게 용융되는 등의 문제점을 방지할 수 있다.
유리 프릿의 함량은 도전성 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 1 내지 15중량%가 바람직한데, 1 중량% 미만이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아질 우려가 있고, 15 중량% 초과하면 은 분말의 소성체 내에 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아질 우려가 있다.
<기타 첨가제>
본 발명에 의한 전극용 페이스트 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 첨가제, 예를 들면, 분산제, 가소제, 점도 조정제, 계면활성제, 산화제, 금속 산화물, 금속 유기 화합물 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 태양전지 전극용 페이스트를 기재 위에 도포하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다. 본 발명의 태양전지 전극 형성방법에서 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 건조 및 소성은 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다. 일예로 상기 기재는 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 본 발명의 페이스트로 제조되는 전극은 전면의 핑거 전극, 버스바 전극일 수 있으며, 상기 인쇄는 스크린 인쇄, 옵셋 인쇄일 수 있으며, 상기 건조는 90 내지 250 ℃에서 이루어 질 수 있으며, 상기 소성은 600 내지 950 ℃에서 이루어질 수 있다. 바람직하기로는 상기 소성이 800 내지 950 ℃, 더욱 바람직하게는 850 내지 900 ℃에서 5초 내지 1분간 이루어지는 고온/고속 소성을 하는 것이 좋으며, 상기 인쇄는 20 내지 60 ㎛의 두께로 인쇄를 하는 것이 좋다. 구체적인 일예로 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0108550호, 제10-2006-0127813호, 일본국 공개특허공보 특개2001-202822 및 특개2003-133567에 기재된 태양전지의 구조 및 이의 제조방법을 들 수 있다.
이하 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
<실시예>
유리 프릿의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성으로 유리 프릿을 제조하였고, 그 DSC 데이터를 측정하여 도 2(제조예 1), 도 3(제조예 2)에 나타내었다. 한편, 비교 제조예의 유리 프릿으로 Viox社의 유리 프릿을 준비하였으며, 그 DSC 데이터를 측정하여 도 4(비교제조예 1)에 나타내었다.
구성 성분 제조예 1
(mol%)		 제조예 2
(mol%)
PbO 29 25
TeO2 34 34
Bi2O3 10 15
SiO2 10 5
Li2O 5 7
Na2O 5 5
K2O 5 5
ZnO 1 2
Al2O3 2
TIO2 1
페이스트 조성물의 제조
하기 표 2에 나타낸 바와 같은 조성으로 바인더, 용제, 첨가제, 유리 프릿 등을 넣고 삼본밀을 사용하여 분산한 후, 실버 파우더(구상, 평균 입경 1~2㎛)를 혼합하고 또한 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압/가압 탈포하고 도전성 페이스트를 제조하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예1
Ethyl Cellulose 0.5 0.5 0.5
Texanol 2.4 2.4 2.4
DBA 2 2 2
DB 1.8 1.8 1.8
BYK-108 0.5 0.5 0.5
Amide Wax 0.5 0.5 0.5
DPGDB 0.2 0.2 0.2
실버 파우더 90 90 90
유리 프릿
(제조예 1)
(Tg 265℃)		 2.1
유리 프릿
(제조예 2)
(Tg 255℃)		 2.1
유리 프릿
(비교제조예 1)
(Tg 340℃)		 2.1
<실험예> Cell의 제조 및 특성 테스트
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에서 제조한 페이스트 조성물을 Wafer의 후면에 스크린 프린팅 기법으로 Al paste를 인쇄한 후 IR 건조로를 사용하여 200~300 ℃에서 20초 동안 건조시켰다. 이후 Wafer의 전면에 스크린 프린팅 기법으로 40㎛ 선폭의 패턴 인쇄를 하고, 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 500 내지 900 ℃사이로 20초에서 30초간 소성을 행하되, 최대 피크 온도를 740℃, 770℃, 800℃로 하여 각각 소성을 수행하였으며, 이렇게 제조 완료된 Cell은 태양전지효율측정장비(H.a.l.m社, Cetis PV-celltester3)를 사용하여, Isc, Voc, Rs, Fill Factor, 효율성능을 관찰하여 하기 표 3 및 도 5 내지 도 7에 나타내었다.
소성온도 Isc Voc Eff FF Rs
740℃ 비교예 1 9.29 0.64 19.28 76.95 0.00215
실시예 1 9.35 0.65 19.59 77.64 0.00203
실시예 2 9.32 0.65 19.60 77.87 0.00198
770℃ 비교예 1 9.32 0.65 19.62 77.98 0.00189
실시예 1 9.33 0.65 19.70 78.23 0.00177
실시예 2 9.35 0.65 19.74 78.20 0.00181
800℃ 비교예 1 9.30 0.64 19.57 78.05 0.00187
실시예 1 9.30 0.65 19.67 78.38 0.00175
실시예 2 9.32 0.64 19.58 78.08 0.00179
표 3 및 도 5 내지 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 비교예에 비하여, 여러 전기적 특성이 좋아진 것을 확인할 수 있다. 특히 저온 소성에서 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
상기의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일례이므로, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 가할 수 있는 구성의 변형, 치환, 수정, 생략 등은 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : P형 실리콘 반도체 기판
20 : N형 불순물층
30 : 반사 방지막
40 : P+층(BSF : back surface field)
50 : 배면 알루미늄 전극
60 : 배면 실버 전극
100 : 전면 전극

Claims (7)

  1. 도전성 금속 분말,유리 프릿,및 유기 비히클을 포함하여 이루어진 태양전지 전극용 페이스트 조성물로서,
    상기 유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 200℃ 이상 300℃ 미만의 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿의 DSC 데이터 상에서 결정화 피크가 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿의 DSC 데이터 상에서 결정화 피크가 500℃ 미만에서 발생하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿의 DSC 데이터 상에서 최초 결정화 피크가 400℃ 미만에서 발생하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿의 평균입경(D50)은 0.5 ~ 10㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿의 PbO 함량은 유리 프릿 전체 대비 10 ~ 29 mol% 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  7. 기재 상부에 전면 전극을 구비하고, 기재 하부에 배면 전극을 구비한 태양전지에 있어서,
    상기 전면 전극은, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 태양전지 전극용 페이스트 조성물을 도포한 후 소성시켜 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지.
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