KR20170078981A - 구리 합금을 활용한 전도체 페이스트 - Google Patents

구리 합금을 활용한 전도체 페이스트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지의 전극 제조를 위한 전도성 페이스트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인(P)을 소정의 비율로 포함하는 구리-인 합금 분말, 은(Ag) 분말, 용제, 바인더 및 글래스 프릿을 포함하며, 구리의 산화 특성을 보다 효과적으로 억제하기 위하여 소정의 비율로 플럭스 재료를 더 포함할 수 있고, 구리-인 합금 분말의 각각의 입자 표면에 인산염 코팅층을 형성할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 전도성 페이스트 조성물을 대기 중에서 소정의 온도로 소결시켜 태양전지 전극을 제조하는 방법을 제공하여 태양전지의 제조단가 절감 및 양산성 향상에 기여하고자 한다.

Description

구리 합금을 활용한 전도체 페이스트{Conductive paste comprising copper alloy}
본 발명은 태양전지의 전극 제조를 위한 전도성 페이스트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저가의 구리-인 합금 분말을 소정의 비율로 포함하는 전도성 페이스트 조성물을 대기 중에서 소결시켜 태양전지의 전극을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조되는 전극을 구비하는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 일반적으로 태양광이 입사되는 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 상부에 형성된 전면 전극과 및 반도체 기판의 하부에 형성된 후면 전극을 갖는다. 또한, 반도체 기판의 표면에는 입사되는 태양광의 반사 손실을 방지하기 위한 반사 방지막이 코팅되어 있다. 반도체 기판은 N형 실리콘층과 P형 실리콘층을 가지는 실리콘 웨이퍼로 구성되며, 후면 전극은 주로 알루미늄(Al) 막으로 구성된다. 구체적으로, 후면 전극은 알루미늄 분말을 주재료로 한 페이스트(paste)가 P형 실리콘층에 인쇄된 다음, 소결하는 과정에서 P형 실리콘층 내부에 Al 이온이 확산되어, P형 실리콘층과 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성한다.
또한, 반사 방지막은 주로 태양광의 반사 손실을 방지하기 위한 유효 성분으로서 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride)를 포함한다. 전면 전극은 주로 은(Ag) 분말을 주성분으로 하는 은 페이스트가 반사 방지막상에 인쇄된 다음, 소결되어 형성된다.
한편, 종래의 태양전지는 전도도가 높은 고가의 은을 주성분으로 하는 은 페이스트를 사용하여 태양전지의 전극을 제조함에 따라 원가 절감에 근본적인 한계가 있었다. 이와 같은 어려움을 해소하고자 은과 유사한 수준의 전기 전도성을 가지면서 저가인 구리 페이스트에 관한 기술이 제안된 바 있다.
그러나, 구리의 경우에는 은과 달리 대기상태에서 쉽게 산화되는 특성이 있으며, 구리 입자의 표면적이 넓은 경우나 고온의 조건에서 더욱 쉽게 산화되는 문제점이 있어 대기 중에서는 소결하는 경우에는 산업적으로 유용한 전기 전도성을 구현하기에 어려움이 있었다.
따라서, 구리 페이스트를 이용하여 전극을 형성하는 경우에는 구리의 고산화 특성을 제어할 수 있도록 구리 입자의 표면에 부동태층이 형성된 구리 분말을 적용하거나, 구리 페이스트를 소결할 때, 질소나 아르곤과 같은 비활성기체 분위기 혹은 수소와 같은 환원성 기체 분위기하에서 소결이 이루어짐에 따라 공정 처리 비용이 높아져 저가의 구리 분말을 적용하더라도 전극 제조비용을 절감하는데 있어 어려움이 있었다. 또한, 이러한 복잡한 공정 단계를 거침에 따라 구리 페이스트를 이용한 태양전지의 전극 제조 공정의 양산성이 떨어지는 문제점도 있었다.
이와 관련하여 대한민국 등록특허 제10-1381870호(발명의 명칭: 태양전지 전극용 저온 소성 페이스트 및 그를 이용하여 제조된 태양전지 전극, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 태양전지 전극용 저온 소성 페이스트 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 각각의 표면에 주석으로 피복된 구리분말, 유기비히클, 바인더 및 분산제를 포함하는 페이스트 조성물을 제공하며, 이를 350℃에서 소결하여 태양전지 전극을 제조하는 기술에 관하여 개시하고 있다.
또한, 관련하여 미국 등록특허 제8647815호(발명의 명칭: Method of manufacturing copper electrode, 이하 종래기술 2라고 한다.)는 구리 전극을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물로 코팅된 100 중량부의 구리 분말, 5 내지 30 중량부의 붕소 분말, 0.1 내지 10 중량부의 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하여 이루어지는 전도성 페이스트를 기재상에 적용하여 전도성 페이스트 층을 형성하는 단계 및 전도성 페이스트를 공기 중에서 소결하는 단계를 포함하는 구리 전극의 제조방법에 관한 기술을 개시한바 있다.
KR 10-1381870 US 8647815
종래기술 1은 각각의 표면이 주석으로 피복되어 산화 특성이 제어된 구리분말을 사용하여 제조된 페이스트를 350℃에서 소결하여 태양전지의 전극을 제조하는 기술에 관하여 개시하고 있으나, 종래기술1과 같이 페이스트를 저온에서 소결하는 경우에는 상대적으로 소결 시간이 길어지면서 공정처리 비용을 절감하기에 어려움이 있으며, 태양전지 전극 제조 공정의 양산성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술 2는 구리의 산화 특성을 제어하기 위하여 금속산화물로 코팅된 구리분말 및 붕소분말을 포함하여 이루어지는 전도성 페이스트를 대기 중에서 소결하여 구리 전극을 제조하는 기술에 관하여 개시하고 있으나, 상기와 같이 붕소 분말을 전도성 페이스트 조성물에 포함하는 경우에는 구리의 산화특성을 제어하는데 있어서는 효과적일 수 있으나, 페이스트를 소결하는 동안에 붕소가 산화되고 용출되면서 전극 내 불순물의 함량이 증가하고 전극의 결함을 야기할 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 태양전지 전극용 페이스트에 있어서, 고가인 은 함량을 줄이고 저가의 구리계 합금을 적용하는 동시에 구리의 산화 특성을 효과적으로 제어하면서도 대기 중에서 소결이 가능하여 태양전지의 제조 단가 절감 및 양산성을 향상에 기여하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 전극을 제조하기 위한 전도성 페이스트 조성물에 관한 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 전도성 페이스트 조성물은 인을 소정의 비율로 포함하는 구리-인 합금 분말 20 내지 45wt%, 은(Ag) 분말 20 내지 45wt%, 용제 0.1 내지 30wt%, 바인더 0.1 내지 20wt%, 글래스 프릿(glass frit) 0.1 내지 10wt%를 포함할 수 있고, 전도성 페이스트 조성물은 대기 중에서 소결되어 전극을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 구리-인 합금 분말의 입자는, 인을 5 내지 20wt%로 포함하고, 평균입경이 0.1 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 구리의 산화성 제어를 위하여 구리-인 합금 분말의 입자의 표면에 인산염 코팅층이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 전도성 페이스트 조성물은 구리의 산화성 제어를 위하여 구리-인 합금 분말 100 중량부 대비 0.05 내지 10 중량부의 플럭스(flux) 재료를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 플럭스 재료는 지방산, 붕산 화합물, 불화 화합물, 붕불화 화합물 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 은(Ag) 분말의 입자는 평균입경이 0.1 내지 10㎛인 구형의 입자일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 구리-인 합금 분말을 사용하는 전도성 페이스트 조성물을 이용한 태양전지의 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 태양전지의 전극은 전도성 페이스트 조성물을 기재의 일면에 인쇄하고 소결하여 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 전도성 페이스트 조성물의 소결은 대기 중에서 700 내지 950℃의 온도로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양전지의 전극 제조용 전도성 페이스트 내에 저가의 구리계 합금을 적용함으로써 태양전지의 제조단가를 절감할 수 있다는 제1효과, 구리의 산화 특성을 억제하기 위하여 환원성 물질인 인을 포함하는 구리-인 합금 분말을 금속필러로 적용하며, 구리의 산화 특성을 보다 효과적으로 억제하기 위하여 구리-인 합금 입자의 표면에 인산염 코팅층 형성 및/또는 구리-인 합금 분말 100 중량부 대비 소정의 비율로 플럭스 재료를 더 포함함에 따라 고품질의 전극을 형성할 수 있다는 제2효과, 전도성 페이스트를 대기 중에서 고온(700 내지 950℃) 소결함에 따라 전극을 제조하는데 있어서, 공정처리 비용을 절감할 수 있고 양산성이 향상될 수 있다는 제3효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 태양전지 전극용 은 페이스트의 소결 전후 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 전극용 전도성 페이스트의 소결 전후 단면 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 “대기 중에서 소결”은 소결이 이루어지는 공간의 분위기를 산소가 없거나 산소가 적은 기체로 치환하지 않는 소결을 지칭한다. 일 실시예에서는, 소결 시 기체 분위기를 다른 기체로 치환하지 않고 소결이 이루어지는 장비 주위의 공기가 소결 시의 기체 분위기로서 적용된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 태양전지 전극용 은 페이스트의 소결 전후 단면 모식도를 나타내며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 전극용 전도성 페이스트의 소결 전후 단면 모식도를 나타낸다. 도1을 참조하면, 종래기술에 따른 은 페이스트는 은 분말(11) 및 유기 비히클(12)를 포함하여 이루어지고, 이를 소정의 조건으로 소결시킴으로써 은 전극(10)을 제조할 수 있다. 또한, 도2를 참조하면 본 발명에 따른 전도성 페이스트는 크게 유기 비히클(22)과 금속필러를 포함하여 이루어지되, 금속필러로써 종래기술 대비 소량의 은 분말(21) 및 저가의 구리-인 합금 분말(23)을 포함하고, 구리의 산화성을 제어하기 위하여 구리-인 합금 입자의 표면에 인산염 코팅층(24)이 형성되며 소정의 비율로 플럭스 재료(25)를 더 포함하여 이루어지며, 이를 대기 중에서 소결하여 태양전지용 전극(20)을 형성할 수 있다.
종래기술에 따른 태양전지 전극용 페이스트는 고가의 은 분말을 다량 함유하여 이루어지는데, 본 발명에 따른 전도성 페이스트는 고가의 은 분말을 종래기술 대비 소량포함하고, 산화 특성이 억제된 저가의 구리-인 합금 분말을 혼용함에 따라 전극의 제조 단가를 절감할 수 있다는 이점을 갖는다.
또한, 구리는 높은 산화 특성을 가짐에 따라 낮은 저항값을 가지는 전극을 형성하기 위하여 소결 시, 질소, 수소, 아르곤과 같은 비활성 기체 분위기 혹은 환원성 기체 분위기 하에서 소결하여야 함에 따라 종래기술에서는 단가가 낮은 구리를 페이스트 조성물로 적용하더라도 산화방지를 위한 추가 공정을 수행함에 따라 공정 비용이 높아지는 문제점이 있었는데, 본 발명에 따른 전도성 페이스트 조성물은 구리의 산화성을 억제하기 위한 수단(플럭스 재료 첨가, 구리-인 합금 입자의 표면에 인산염 코팅층 형성)을 구비함으로써 대기 중에서 소결하여도 우수한 품질의 전극을 제조할 수 있다는 이점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 전도성 페이스트 조성물의 각 성분 별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 전기적 특성을 제공하는 금속필러로서 구리-인 합금 분말을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 전술한 바와 같은 구리는 대기 중 200℃ 이상의 온도에서 쉽게 산화되는 특성을 가짐에 따라 전기적 특성이 우수한 전극을 형성하기 위해서는 구리의 고산화성을 억제하는 것이 필수적이다. 본 발명에서는 구리의 고산화성을 제어하기 위하여 환원성을 가지는 인을 소정의 비율로 함유하는 구리-인 합금 분말을 전도성 페이스트 조성물로 적용하였다. 인은 구리 산화물에 대한 환원성을 가짐에 따라 내산화성이 우수하면서도 저항이 낮은 전극을 형성하는 것을 가능케 할 수 있다.
본 발명에서 구리-인 합금 분말에 포함된 인의 함량은 5 내지 20wt%인 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 다만, 구리-인 합금 분말에 포함된 인의 함량이 5wt% 미만일 경우, 환원 특성을 가지는 인의 함량이 구리의 고산화성을 억제하기에 불충분하여 대기 중에서 전도성 페이스트를 소결할 시, 구리의 산화가 억제되는 효과가 미비하여 최종적으로 제조되는 전극의 저항이 높아지는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 인의 함량이 20wt%를 초과하는 경우에는, 상대적으로 인의 함량이 높아 소결 시, 구리의 산화를 억제하는데 있어서는 효과적일 수 있으나, 전기적 특성을 제공하는 구리의 함량이 상대적으로 적기 때문에 낮은 저항을 확보하기에 곤란할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에서 전도성 페이스트는 인의 함량이 상이한 구리-인 합금 분말을 2종 이상 포함하는 것도 가능할 수 있을 것이다.
본 발명에서 구리-인 합금 분말은 인과 구리를 포함하는 합금이나, 은(Ag), 망간(Mn), 규소(Si), 칼륨(K), 나트륨(Na), 바륨(Ba), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 납(Pb), 티타늄(Ti) 등의 다른 금속 원자를 더 포함할 수도 있음을 명시한다.
본 발명에서 구리-인 합금 분말의 입자는 평균입경이 0.1 내지 10㎛일 수 있는데, 구리-인 합금 분말의 입자의 평균입경이 0.1㎛ 미만일 경우, 입자간의 응집 특성이 커서 균일한 분산이 어렵고, 페이스트의 보관 및 저장안정성이 저하되는 문제점이 있으며, 이로 인하여 페이스트를 소결하여 제조되는 전극의 각 국부별로 물성의 차이가 증가할 수 있어 바람직하지 않을 수 있다. 한편, 구리-인 합금 분말의 입자의 평균입경이 10㎛를 초과하는 경우에는, 상대적으로 비표면적이 감소하면서 입자간의 접촉면적을 충분히 확보하기에 곤란할 수 있으며, 페이스트의 점도가 과도하게 증가하여 전극 제조 시, 작업성이 저하되는 문제점이 있을 수 있어 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명에서 구리-인 합금 입자의 형태는 구상, 편상, 불규칙형, 블록형상, 인편상 등 제한되지 않으며, 전도성 페이스트 조성물로 형태가 상이한 구리-인 합금 분말을 2종 이상 포함하는 것도 가능할 수 있을 것이다. 구리-인 합금 입자의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니나, 소결 시에 전도성을 제공하는 입자간의 접촉 면적을 증대시켜 낮은 저항을 가지는 전극을 형성하기 위하여 구상 또는 편상인 것이 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 구리-인 합금 분말의 입자는 고온조건에서 구리의 산화 특성을 제어하기 위하여 환원 특성을 가지는 인산염을 코팅하여 전도성 페이스트 조성물로 적용할 수 있다. 인산염 코팅은 특정 금속의 표면에 고착성이 높은 인산염의 불용성 부식생성물로 이루어지는 피막을 물리화학적으로 형성시키는 공정인데, 본 발명에서는 고산화성 금속인 구리를 전도성 페이스트 조성물로 적용함에 따라 이의 산화성 억제를 위해 구리-인 합금 입자의 표면에 인산염 코팅을 수행할 수 있다.
본 발명에서 인산염 코팅층은 아연계 인산염, 망간계 인산염, 철계 인산염, 아연-칼슘계 인산염을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 실시예에서 인산염 코팅은 상기 인산염을 소정의 비율로 포함하는 코팅용액을 제조한 뒤, 습식법(스프레이 코팅, 딥 코팅 등)을 통해 구리-인 합금 입자의 표면에 인산염 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 인산염 코팅층이 과도하게 두꺼운 경우에는 구리의 내산화성을 확보하는데 있어서는 유리할 수 있으나, 최종적으로 제조되는 전극의 전기적 특성 즉, 낮은 저항을 확보하는 것이 곤란할 수 있어 인산염 코팅층 형성 시, 인산염 코팅제의 농도 및 코팅 시간을 고려하여 코팅층의 두께를 제어하는 것이 바람직할 수 있으며, 구체적으로 인산염은 구리-인 합금 분말의 비표면적 대비 1% 이하로 코팅되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 전기적 특성을 제공하는 금속필러로서 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에서 은 분말의 입자는 구형일 수 있고, 평균입경이 0.1 내지 10㎛일 수 있다. 은 분말의 입자의 형상은 특별히 제한되지 않으나, 입자간의 접촉면적을 향상시킬 수 있는 구상 또는 편상인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 은 분말의 입자의 평균입경이 10㎛를 초과하는 경우에는 소결을 통해 전극 제조 시, 입자간의 접촉면적이 충분히 확보되지 않아 저항이 높아지는 문제점이 있을 수 있으며, 평균입경이 0.1㎛ 미만일 경우에는, 입자간의 응집 특성이 증대되어 균일하게 분산시키기 곤란할 수 있기 때문에 은 분말의 입자의 평균입경은 상기 범위를 가지는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 구리의 산화성 제어를 위하여 소정의 비율로 플럭스 재료를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 플럭스 재료는 전도성 페이스트 조성물을 대기 중에서 소결시키는 동안에 구리-인 합금 입자에 형성되는 산화막을 제거하여 환원을 촉진시킬 수 있다. 또한, 플럭스 재료는 소결 시, 용융체 형성을 용이하게 하여 금속필러 입자간의 접촉점을 향상시킴으로써 낮은 저항을 갖는 전극을 형성할 수 있도록 하며, 기재와의 접착 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 플럭스 재료는 지방산, 붕산 화합물, 불화 화합물, 붕불화 화합물 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물일 수 있고, 구체적으로는 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 스테아롤산, 소르브산, 미리스트산, 산화붕소, 붕산칼륨, 붕산나트륨, 붕불화칼륨, 붕불화나트륨, 붕불화리튬, 불화칼륨, 불화나트륨, 불화리튬, 불화칼륨 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
본 발명에서 전도성 페이스트 조성물에 포함되는 용제와 바인더는 조성물에 포함되는 고형분(구리-인 합금 분말 및 은 분말을 포함하는 금속필러이다.)을 균일하게 분산시키고, 페이스트의 유동성을 조절하여 전극을 제조하기 위한 공정의 작업성을 향상시키기 위해 첨가될 수 있다. 본 발명에서 용제 및 바인더는 당업에서 통상적으로 전도성 페이스트 제조에 활용하는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 용제는 탄화수소계 용제, 염화탄화수소계 용제, 사이클릭 에테르계 용제, 아미드계 용제, 설폭사이드계 용제, 케톤계 용제, 알코올계 용제, 다가 알코올계 용제, 아세테이트계 용제, 다가 알코올의 에테르계 용제, 테르펜계 용제 등을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로는, 헥산, 시클로헥산, 디클로로에탄, 디클로로벤젠 테트라하이드로푸란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에탄올, 2-프로판올, 부틸아세테이트, 부틸셀로솔브, α-테르피넨, α-테르피네올일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
바람직하게 전도성 페이스트 조성물에 적용되는 용제는 α-테르피네올(비점: 218℃)과 같이 비점이 높은 용제를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 전도성 페이스트를 기판에 도포한 뒤, 고온에서 소결하는 과정에서 용제의 비점이 낮은 경우에는 급속도로 휘발되어 전도성 페이스트 조성물에 포함된 금속필러가 소결되기 이전에 제거되어 낮고 균일한 저항 값을 가지는 전극을 제조하기 곤란할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에서 용제는 최종적으로 제조되는 전도성 페이스트 조성물의 점도 및 소결 특성 등을 복합적으로 고려하여 혼합용제를 적용하는 것도 가능할 수 있다.
본 발명에서 바인더는 구리-인 합금 분말 및 은 분말의 균일한 분산, 전도성 페이스트 조성물의 점도 조절 및 페이스트가 도포되는 기판과의 접착성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 바인더는 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합 수지, 부티랄 수지, 페놀 변성 알키드 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 로진에스테르계 수지, 폴리에스테르계 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함하거나, 2종 이상의 공중합물을 포함할 수 있으며, 구체적으로 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 폴리비닐부티랄, 피마자유 지방산 변성 알키드 수지 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 글래스 프릿(glass frit)을 소정의 비율로 포함한다. 글래스 프릿은 전도성 페이스트 조성물을 기재에 도포한 뒤, 소결하는 과정에서 융점을 낮춰 금속필러 입자의 소결을 용이하게 하고, 전도성 페이스트 조성물의 소결로 형성되는 전도성 도막과 기재와의 접착성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 글래스 프릿은 당업에서 통상적으로 전도성 페이스트 제조에 적용되는 소재를 적용할 수 있으며, 구체적으로는 이산화규소(SiO2), 산화인(P2O5), 산화알루미늄(Al2O3), 산화붕소(B2O3), 산화바나듐(V2O5), 산화칼륨(K2O), 산화비스무트(Bi2O3), 산화나트륨 (Na2O), 산화아연(ZnO), 산화납(PbO), 산화지르코늄 (ZrO2), 산화마그네슘(MgO), 산화티타늄(TiO2) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 또한, 본 발명의 일실시예에서 글래스 프릿은 상기 화합물 중에서 선택되는 2종 이상의 화합물을 포함하는 것도 가능할 수 있음을 명시한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전도성 페이스트를 구성하는 각각의 조성물들의 조성비에 관하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 전도성 페이스트 조성물은 전기적 특성을 제공하는 금속필러로써 구리-인 합금 분말 20 내지 45wt% 및 은(Ag) 분말 20 내지 45wt%를 포함한다. 상기 구리-인 합금 분말은 종래기술에서 적용하였던 귀금속 분말을 일부 대체하여 제조 단가를 절감하면서도 우수한 전기적 특성 및 공정상의 이점을 제공할 수 있는데, 이의 함량이 20wt% 미만으로 낮은 경우에는, 상기와 같은 효과를 확보하기에 불충분하여 바람직하지 않을 수 있으며, 구리-인 합금 분말의 함량이 45wt%를 초과하는 경우에는 페이스트 내에 상대적으로 고형분의 함량이 증가하여 점도가 증가함에 따라 전극 제조 공정의 작업성이 저하될 수 있어 바람직하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에서 은(Ag) 분말의 함량이 20wt% 미만일 경우에는, 전극의 전기적 특성을 제공하는 금속필러의 함량이 낮아져 저항이 높아지는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 은(Ag) 분말의 함량이 45wt%를 초과하는 경우에는 상기와 같이 점도의 증가로 전극 제조 공정의 작업성이 저하될 수 있고, 고가인 은 분말의 함량이 상대적으로 높기 때문에 저가의 구리-인 합금 분말을 적용하는 것 대비 제조 단가 절감 효과가 미비하여 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 용제를 0.1 내지 30wt%로 포함할 수 있으며, 상기 용제의 함량이 0.1wt% 미만일 경우, 고형분인 금속필러의 함량비율이 상대적으로 증가하여 점도가 과도하게 증가하면서, 전극 제조 시 작업성을 저하시킬 수 있고, 용제의 함량이 30wt%를 초과하는 경우에는 상기와는 반대로 고형분의 함량비율이 상대적으로 감소하여 최종적으로 제조되는 전극의 저항이 높아지는 문제점이 있을 수 있고 전극 제조 공정의 작업성을 저하시킬 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 바인더를 0.1 내지 20wt%로 포함하는 것이 바람직할 수 있는데, 바인더의 함량이 0.1wt% 미만일 경우, 전극과 기판 사이의 접착성이 충분하지 못하여 기판으로부터 전극이 박리되거나 결함을 유발 수 있는 가능성이 증가하여 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 바인더의 함량이 20wt%를 초과하는 경우에는, 점도가 너무 낮거나 페이스트 내에 포함된 금속필러의 소결이 어려울 수 있어 바람직하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전도성 페이스트 조성물은 글래스 프릿을 0.1 내지 10wt%로 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 글래스 프릿의 함량이 0.1wt% 미만일 경우에는, 전도성 페이스트의 소결로 형성되는 전도성 도막과 기재와의 접착성을 충분히 확보하기 곤란할 수 있으며, 글래스 프릿의 함량이 10wt%를 초과하는 경우에는, 소결 후 유리 성분의 용출로 국부적으로 저항이 높아지는 문제점이 있을 수 있어 상기와 같은 범위로 첨가되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 구리-인 합금의 산화성 제어를 위하여 구리-인 합금 분말 100 중량부 대비 0.05 내지 10 중량부로 플럭스 재료를 더 포함할 수 있다. 이때, 플럭스 재료의 함량이 구리-인 합금 분말 100 중량부 대비 0.05 중량부 미만일 경우에는, 이를 첨가함으로써 유도되는 구리-인 합금의 산화성 제어 효과가 미비하여 바람직하지 않으며, 10 중량부를 초과하는 경우에는 이의 함량이 과도하여 최종적으로 제조되는 전극의 저항이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 전도성 페이스트 조성물은 기본적으로 구리-인 합금 분말 20 내지 45wt%, 은(Ag) 분말 20 내지 45wt%, 용제 0.1 내지 30wt%, 바인더 0.1 내지 20wt% 및 글래스 프릿을 0.1 내지 10wt%로 포함하고, 선택적으로 플럭스 재료를 소정의 비율로 더 포함하여 균일하게 혼합하여 전도성 페이스트의 제조가 가능할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 조성물들은 3롤 밀(3 roll mill)등의 분쇄기를 사용하여 균일하게 혼합될 수 있다.
본 발명의 구리-인 합금 분말을 포함하는 전도성 페이스트 조성물은 태양전지의 전극 제조에 적용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 전도성 페이스트 조성물을 사용하여 제조되는 태양전지의 전극은, 전도성 페이스트 조성물을 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 롤투롤 프린팅 등을 포함하는 후막 공정으로 기판 상에 인쇄한 뒤, 대기 중에서 700 내지 950℃의 온도로 소결시켜 제조될 수 있다. 또한, 기판에 전도성 페이스트 조성물을 인쇄하는 공정은 공정비용이 저렴하면서도 대량생산에 용이한 스크린 프린팅 방법을 적용하는 것이 바람직할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다.
[실시예 1]
1. 전도성 페이스트 조성물의 제조
평균입경 4㎛ 이고, 인을 15%의 비율로 포함하는 구형의 구리-인 합금 및 평균입경 4㎛인 구형의 은 입자의 분말을 금속필러로 사용하였다.
바인더는 에틸셀룰로오스계 수지를 사용하였으며, 용제는 α-터피네올과 부틸 카비톨 아세테이트을 2:1의 부피비로 혼합하여 사용하였다.
글래스 프릿으로 비납계 글래스 프릿 조성물을 사용하였으며, 상기 조성물들을 3롤 밀을 사용하여 3 회 혼합하여 전도성 페이스트 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 1에 따른 전도성 페이스트 조성물의 함량은 표 1에 기재하였다.
2. 전도성 페이스트 조성물의 인쇄
스크린 프린팅 장치를 통해 결정계 실리콘 웨이퍼에 상기 전도성 페이스트 조성물을 인쇄하였다. 구체적으로는 400 메쉬의 스크린을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 전도성 페이스트 조성물을 인쇄하였다.
3. 전도성 페이스트의 소결
전도성 페이스트 조성물이 인쇄된 실리콘 웨이퍼를 대기 중에서850℃의 온도로 1분간 소결시켜 전극을 형성하였다.
[실시예 2]
1. 전도성 페이스트 조성물의 제조
구리의 산화성을 억제하기 위하여 입자의 표면에 인산염 코팅층이 형성된 구리-인 합금 분말을 사용하는 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 전도성 페이스트를 제조하였다. 인산염 코팅층은 H3PO4계 인산염 화합물을 포함하는 인산염 코팅용액 100 중량부 대비 구리-인 합금 분말을 200중량부로 혼합하여 교반하고, 건조시킴으로써 형성되었다.
상기 실시예 2에 따른 전도성 페이스트 조성물의 함량은 표 1에 기재하였다.
2. 전도성 페이스트 조성물의 인쇄
실시예 1과 동일한 조건으로 전도성 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼 상에 인쇄하였다.
3. 전도성 페이스트의 소결
실시예 1과 동일한 조건으로 소결하여 전극을 제조하였다.
[실시예 3]
1. 전도성 페이스트 조성물의 제조
플럭스 재료로써 붕불화칼륨을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 전도성 페이스트 조성물을 제조하였으며, 조성물의 함량은 표1에 기재하였다.
2. 전도성 페이스트 조성물의 인쇄
상기 전도성 페이스트 조성물을 실시예 1과 동일한 조건으로 실리콘 웨이퍼 상에 인쇄하였다.
3. 전도성 페이스트의 소결
실시예 1과 동일한 조건으로 소결하여 전극을 제조하였다.
[비교예 1]
1. 전도성 페이스트 조성물의 제조
금속필러로 실시예 1과 동일한 은 분말만을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 전도성 페이스트 조성물을 제조하였으며, 비교예 1에 따른 전도성 페이스트 조성물의 함량을 표1에 기재하였다.
2. 전도성 페이스트의 소결
실시예 1과 동일한 조건으로 전도성 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼 상에 인쇄하였다.
3. 전도성 페이스트의 소결
실시예 1과 동일한 조건으로 소결하여 전극을 제조하였다.
[실험예 1]
본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 전도성 페이스트 조성물을 사용하여 제조되는 전극의 전기적 특성을 평가하고자, 4-point probe를 사용하는 면저항 측정기를 이용하여 면저항을 측정하였다. 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조되는 전극의 면저항을 표1에 기재하였다.
실시예 1
실시예 2
실시예 3
비교예 1

구리-인 합금 분말 [wt%]
40
40
40
-

은 분말 [wt%]
40
40
40
80

글래스 프릿 [wt%]
4
4
4
4

바인더 [wt%]
0.5
0.5
0.5
0.5

용제 [wt%]
15.5
15.5
15.5
15.5

플럭스 재료
(합금 분말 100 중량부 대비)

-

-

10 중량부

-

인산염 코팅 여부
-
O
-
-

면저항 [Ω/sq]
0.18
0.05
0.1
0.05
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 전극은 고산화 특성을 가지는 구리 소재를 금속필러로 적용하였음에도 불구하고, 0.18 Ω/sq 의 양호한 면저항 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조되는 전극은 실시예 1의 전극 대비 저항값이 낮은 것을 확인할 수 있는데, 이는 구리의 산화 특성을 억제할 수 있는 인산염 코팅층 형성 또는 플럭스 재료 첨가에 의한 것으로 볼 수 있다. 또한, 실시예 2와 실시예 3을 비교하였을 때, 구리의 산화성 억제 효과는 플럭스 재료를 첨가하는 경우보다 인산염 코팅층을 형성하는 경우에 효과적임을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예 2 따른 전극은 고산화 특성을 가지는 구리를 금속필러로 적용하였음에도 불구하고, 고가의 은 분말을 적용하여 형성된 비교예 3의 전극과 동일한 수준의 전기적 특성을 가지는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전도성 페이스트는 태양전지의 전극 제조에 적용되어 제조 단가를 절감하면서도 고품질의 전극 제조가 가능할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 20: 태양전지용 전극
11, 21: 은 분말
12, 22: 유기 비히클
23: 구리-인 합금 분말
24: 인산염 코팅층
25: 플럭스 재료

Claims (9)

  1. 전극을 제조하기 위한 전도성 페이스트 조성물에 있어서,
    인(P)을 소정의 비율로 포함하는 구리-인 합금 분말 20 내지 45wt%;
    은(Ag) 분말 20 내지 45wt%;
    용제 0.1 내지 30wt%;
    바인더 0.1 내지 20wt%;
    글래스 프릿(glass frit) 0.1 내지 10wt%; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 전도성 페이스트 조성물은 대기 중에서 소결되어 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구리-인 합금 분말의 입자는,
    인을 5 내지 20wt%로 포함하고, 평균입경이 0.1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구리-인 합금 분말의 입자의 표면은,
    구리의 산화성 제어를 위하여 인산염 코팅층이 형성된 것임을 특징으로 하는 전도성 페이스트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 페이스트 조성물은,
    구리의 산화성 제어를 위하여 상기 구리-인 합금 분말 100 중량부 대비 0.05 내지 10 중량부의 플럭스(flux) 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트 조성물.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 플럭스 재료는 지방산, 붕산 화합물, 불화 화합물, 붕불화 화합물 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 은 분말은,
    평균입경이 0.1 내지 10㎛ 인 구형의 은 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트 조성물.
  7. 청구항 1에 따른 전도성 페이스트 조성물을 이용하여 태양전지의 전극 제조방법에 있어서,
    상기 전도성 페이스트 조성물을 기재의 일면에 인쇄하고, 소결하여 제조되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 소결은 대기 중에서 700 내지 950℃의 온도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 제조방법.
  9. 청구항 7에 따른 태양전지의 전극 제조방법으로 제조되는 전극을 구비하는 태양전지.
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