KR20180004166A - Perc형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PERC형 태양전지 셀에 높은 변환 효율을 부여할 수 있는 동시에, 실리콘 기판에 대한 밀착성이 뛰어나고 고온, 고습 환경에서도 전기적 특성 저하 및 소성 후 공극의 발생도 억제할 수 있는 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 유리 프릿을 포함하는 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물이다. 상기 유리 프릿은, Pb 및 알칼리 금속을 포함하지 않고, B2O3 성분을 포함한다.

Description

PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물
본 발명은 이면(후면)에 패시베이션 막을 갖는 결정질 태양전지 셀용 알루미늄 페이스트 조성물에 관한 것이다.
결정계 태양전지 셀의 변환 효율(발전 효율) 및 신뢰성 등을 향상시키는 것을 목적으로 여러가지 연구 개발이 실시되고있으며, 그 하나로 PERC(Passivated emitter and rear cell)형 고변환 효율 셀이 알려져 있다. 이러한 PERC형 고변환 효율 셀에서는 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄 등으로 형성되는 반사 방지막이 태양전지 셀의 수광면과 반대측의 면에 형성된다. 이 반사 방지막에 레이저로 구멍을 형성하고, 이 구멍을 통해 실리콘 기판과 전기적으로 접촉하도록 알루미늄 전극층이 형성된다. 이러한 PERC 구조에서는 상기 알루미늄 전극층에서 알루미늄 원자의 확산에 의해 형성된 p+층이 존재한다. 이 p+층의 존재로 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 BSF(Back Surface Field) 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 반사 방지막은 이른바 패시베이션 막으로 작용하기 때문에, 실리콘 기판 표면에서의 전자의 재결합이 억제됨으로써, 발생한 캐리어의 재결합을 줄일 수 있게 된다. 그 결과, 높은 전압을 얻을 수 있어 태양전지 셀의 변환 효율을 높일 수 있다.
최근에는 상기 PERC형 고변환 효율 셀의 이면에 알루미늄 전극층(이면전극)을 형성하기 위한 알루미늄 페이스트 조성물이 다양하게 고안되고 있다. PERC형 고변환 효율 셀의 알루미늄 페이스트 조성물에 필요한 기능으로는, 1) 균일한 BSF층 형성에 의한 변환 효율의 향상, 2) 실리콘 기판 및 패시베이션 막과의 충분한 박리 강도의 확보, 3) 고온, 고습한 환경에서의 장기적 신뢰성의 확보이다.
예를 들어, 특허문헌1은, 페이스트 조성물에 포함되는 유리 프릿에 대해, 납 30 ~ 70 양이온 몰 퍼센트, 실리콘 1 ~ 40 양이온 몰 퍼센트, 붕소 10 ~ 65 양이온 몰 퍼센트, 알루미늄 1 ~ 25 양이온 퍼센트를 포함한 유리 프릿이 제안되고 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 0 ~ 12 wt%의 SiO2, 3 ~ 10 wt%의 Al2O3, 65 ~ 75 wt%의 Bi2O3를 포함하고, Pb를 포함하지 않은 유리 프릿을 포함하는 페이스트 조성물이 제안되었다. 또한, 특허문헌 3에는, SiO2와, B2O3와, ZnO 및/또는 PbO와, Al2O3와, 적어도 1종의 알칼리 금속 산화물을 포함하는 유리 프릿을 첨가한 알루미늄 페이스트 조성물이 제안되고 있으며, 이를 통해 실리콘 기판과 전극의 밀착성을 향상시키고 있다.
특개 2013-145865호 공보 미국특허출원공개 2013/0192670호 국제공개 제2012/165167호
그러나, 상기 특허문헌 1에 개시된 페이스트 조성물을 PERC형 고변환 효율 셀에 적용해도 충분한 변환 효율을 얻을 수 있다고 말하기 어렵고, 개선의 여지가 남아있다. 또한, Pb를 함유하기 때문에 환경적 영향도 문제가 될 수 있다. 또한, 상기 특허문헌 2에 개시된 페이스트 조성물도 마찬가지로 변환 효율에 개선의 여지가 남아있으며, 또한 소성에 의해 형성된 알루미늄 전극의 박리 강도에 대해서도 개선이 요구되었다. 특허문헌 3에 개시된 페이스트 조성물은 확실히 실리콘 기판에 대한 밀착성은 향상되지만, 고온 고습 환경에서 신뢰성 측면에 과제가 남아 있었다. 또한, 어느 특허문헌에 공개된 페이스트 조성물에서도 소성에 의해 형성된 Al-Si 합금 층에 공극이 형성되며, 태양전지 셀의 기계적 강도가 낮다는 문제점도 확인된다. 이러한 관점에서, 상기 문제점을 해결할 수 있는 페이스트 조성물의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 이루어진 것이며, PERC형 태양전지 셀에 높은 변환 효율을 부여할 수 있는 동시에, 실리콘 기판에 대한 밀착성이 뛰어나고, 고온/고습 환경에서도 전기 특성의 저하 및 소성 후의 공극의 발생도 억제할 수 있는 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 알루미늄 페이스트 조성물에 첨가하는 유리 프릿을 특정 조성으로 조정함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 하기의 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물에 관한 것이다. 제 1항은, 적어도 유리 프릿을 구성 성분으로 포함하는 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물이며, 상기 유리 프릿이, Pb 및 알칼리 금속을 포함하지 않고, B2O3 성분을 포함하는 알루미늄 조성물.
제 2항은, 상기 유리 프릿이 Bi2O3, ZnO, SiO2, Al2O3, BaO, CaO, SrO, V2O5, SbO3, WO3, P2O5 및 TeO2 중 적어도 1종의 성분을 더 포함하는, 상기 제 1항의 페이스트 조성물.
제 3항은, 상기 유리 프릿이 B2O3 및 Bi2O3 성분을 포함하는 제1 유리 프릿; 및 V2O5 및 BaO 성분을 포함하는 제2 유리 프릿;을 포함하는, 상기 제 1항 또는 제 2항에 기재된 페이스트 조성물.
제 4항은, 상기 제1 유리 프릿이 B2O3 성분과 Bi2O3 성분의 몰비(B2O3/Bi2O3)가 0.8 이상 4.0 이하이고, 상기 제2 유리 프릿이 V2O5 성분과 BaO 성분의 몰비(V2O5/BaO)가 1.0 이상 2.5 이하인, 상기 제 3항의 페이스트 조성물.
제 5항은, 알루미늄 분말과 알루미늄-실리콘 합금 분말 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 필러를 더 포함하는, 상기 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 기재된 페이스트 조성물.
제 6항은, 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말의 실리콘 함량이 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말에 알루미늄 100 중량부 당 3.0 내지 30.0 중량부이고, 상기 페이스트 조성물에 있어서 실리콘의 함량이 상기 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 3.0 내지 15.0 중량부인, 상기 제 5항의 페이스트 조성물.
제 7항은, 덤프 히트 시험 전후의 발전 효율(Eff)의 저하율이 5% 이내인, 상기 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 페이스트 조성물.
본 발명에 따른 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물은 적어도 유리 프릿을 구성 성분으로 포함하는 것으로, 상기 유리 프릿이, Pb 및 알칼리 금속을 포함하지 않고, B2O3 성분을 포함한다. 따라서, 상기 페이스트 조성물을 PERC형 태양전지 셀에 적용하면, 상기 태양전지 셀에 높은 변환 효율을 부여할 수 있다. 또한, 페이스트 조성물의 소성에 의해 형성되는 전극(이면 전극)은 실리콘 기판과의 밀착성이 뛰어나 이면 전극과 실리콘 기판 사이의 공극의 발생도 억제될 수 있다. 게다가, 상기 페이스트 조성물을 PERC형 태양전지에 적용하여, 상기 PERC형 태양 전지가 고온/고습 환경에서도 전기적 특성의 저하가 발생하기 어려워지는 장점이 있다.
도 1은 일 예에 따른 PERC형 태양전지 셀의 단면 구조를 나타내는 모식도이다.
이하, PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물의 실시 예에 대해 상세하게 설명한다.
본 실시 형태의 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물(이하, "페이스트 조성물"로 지칭)은 PERC형 고변환 효율 셀의 뒷면 전극을 형성하는 데 사용할 수 있다.
우선, 본 실시 형태의 페이스트 조성물을 적요할 수 있는 PERC형 태양전지 셀에 대한 일 예를 설명한다.
도 1은 PERC형 태양전지 셀의 일반적인 단면 구조를 도식으로 나타낸다. 도 1에 나타난 바와 같이, 태양전지 셀은, 예를 들어, 두께가 180 ~ 250 μm인 p형 실리콘 반도체 기판(1)을 이용하여 구성될 수 있다. 실리콘 반도체 기판(1)의 수광면 측에는, 두께가 0.3 ~ 0.6 μm의 n형 불순물 층(2)과 그 상부에, 예를 들어, 질화 실리콘 막으로 이루어진 반사 방지막(3, 소위 패시베이션 막(3))과, 그리고 그리드 전극(4)이 형성될 수 있다.
또한, 실리콘 반도체 기판(1)의 수광면과 반대측의 이면에는, 예를 들어, 질화 실리콘 막으로 이루어진 반사 방지막(3, 소위 패시베이션 막(3))이 형성될 수 있다. 이 반사 방지막(3)을 관통하여 실리콘 반도체 기판(1)의 표면에 도달하는 콘텍트 홀이 형성되고, 상기 콘텍트 홀을 통해 실리콘 반도체 기판(1)의 표면에 접촉하도록 소정의 패턴 형상에 따른 알루미늄 전극층(5)가 형성될 수 있다.
상기 알루미늄 전극층(5)은, 후술하는 페이스트 조성물을 스크린 프른트 등에 의해 도포하고 건조시킨 후, 660℃(알루미늄의 융점) 이상의 온도에서 단시간 소성함으로써 형성될 수 있다. 이러한 소성 시에 알루미늄이 실리콘 반도체 기판(1)의 내부에 확산됨으로써 알루미늄 전극층(5)과 실리콘 반도체 기판(1) 사이에 알루미늄-실리콘(Al-Si) 합금층(6)이 형성되며, 동시에 알루미늄 원자의 확산에 의해 불순물 층으로 p+층(7, BSF층(7))이 형성될 수 있다. 이 p+층(7)의 존재에 의해 전자의 재결합이 방지되고, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 BSF 효과를 얻을 수 있다. 실리콘 반도체 기판(1)의 이면 측에 상기와 같은 알루미늄 전극층(5)과 알루미늄-실리콘 합금층(6)으로 구성된 이면 전극(8)이 형성될 수 있다. 태양전지 셀이 상기 구조를 가지고 있기때문에, PERC 구조의 셀을 갖춘 백컨텍트형 태양전지가 구성될 수 있다.
본 실시 형태의 페이스트 조성물은 상기 이면 전극(8)을 형성하기 위해 반사 방지막(3, 패시베이션 막(3))에 코팅하기 위한 전도성 페이스트이다. 페이스트 조성물은 반사 방지막(3)에 형성된 컨텍트 홀을 통해 실리콘 반도체 기판(1)의 표면에 접착되도록 코팅될 수 있다. 상세하게는, 본 실시 형태의 페이스트 조성물은 LCO(Laser contact opening)이라 불리는 구조의 태양전지용 이면 전극으로 사용될 수 있다. 이 경우, 페이스트 조성물은 Laser 등을 이용하여 형성된 개구부의 실리콘과 반응하며, 이를 통해 BSF 층(7)이 형성될 수 있다. 이렇게 BSF 층이 형성되는 것으로, 태양전지의 전기적 특성의 향상을 도모할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 페이스트 조성물의 구성을 상세히 설명한다.
본 실시 형태의 페이스트 조성물은 적어도 유리 프릿을 구성 성분으로 포함한다.
상기 유리 프릿은 Pb 및 알칼리 금속을 포함하지 않고, B2O3 성분을 포함한다.
여기서 말하는 "Pb를 포함하지 않고"의 기재는, 페이스트 조성물이 납(Pb)을 포함하지 않는 것을 나타내지만, 불가피하게 불순물로서 함유된 납(Pb)을 제외하는 것은 아니다.
또한, 여기서 말하는 "알칼리 금속을 포함하지 않고"의 기재는, 페이스트 조성물이 알칼리 금속, 즉 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프란슘을 포함하지 않는 것을 나타내지만, 불가피하게 불순물로서 포함되는 알칼리 금속을 제외하는 것은 아니다.
또한, 이하에서, 상술한 바와 같이 "유리 프릿이 Pb를 포함하지 않고"의 기재를 "Pb-free(프리)"로, "유리 프릿이 알칼리 금속을 포함하지 않고"의 기재를 "알칼리 금속 프리"로도 기재하였다.
유리 프릿은 B2O3를 필수 구성 성분으로 포함한다. 따라서, 페이스트 조성물은 PERC형 태양전지에 대한 좋은 BSF 층을 형성할 수 있어 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
유리 프릿은 Pb-free하며, 알칼리 금속 프리하고, 성분으로 B2O3를 함유하는 한은 기타 다른 성분이 포함될 수 있다.
상기 기타 성분으로는, B2O3 외에, Bi2O3, SrO, BaO, Sb2O3, V2O5, P2O5, ZnO, SiO2, Al2O3, CaO, WO3, TeO2, TiO2, ZrO2, CuO, Ag2O, SnO 및 CeO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 유리 프릿이 이러한 여러 금속 산화물 중 1종 이상을 구성 성분으로 함유하는 경우에는, 각각의 금속 산화물이 서로 혼합된 혼합물의 형태일 수 있고, 혹은 여러 종의 금속 산화물로 이루어진 이른바 복합 산화물의 형태로 존재할 수 있다. 또한, 상기 혼합물 및 상기 복합 산화물이 모두 유리 프릿 중에 혼재할 수 있고, 그 형태는 제한되지 않는다.
유리 프릿은 B2O3 및 Bi2O3 성분을 포함하는 제1 유리 프릿과, V2O5 및 BaO 성분을 포함하는 제2 유리 프릿을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 유리 프릿은 상기 제1 유리 프릿과 상기 제2 유리 프릿의 2종류의 유리 프릿의 혼합물일 수 있다.
이와 같이 유리 프릿이 제1 유리 프릿과 제2 유리 프릿을 포함한다면, 페이스트 조성물은 PERC형 태양전지에 대해 더 좋은 BSF 층을 형성할 수 있어 태양전지의 발전 특성, 특히 발전 효율(변환 효율)을 향상시킬 수 있다. 게다가, 페이스트 조성물로부터 형성된 전극과 태양전지의 실리콘 기판과의 밀착성도 향상시킬 수 있다.
유리 프릿이 제1 유리 프릿과 제2 유리 프릿을 포함하는 경우에, 제1 유리 프릿 및 제2 유리 프릿 모두에서 각각의 유리 프릿에 포함된 각 성분의 몰비에 제한은 없다. 바람직하게, 제1 유리 프릿에서 B2O3 성분과 Bi2O3 성분의 몰비(즉, Bi2O3 성분의 몰수에 대한 B2O3 성분의 몰수의 비(B2O3의 몰수 / Bi2O3의 몰수))가 0.8 이상 4.0 이하, 제2 유리 프릿에서 V2O5 성분과 BaO 성분의 몰비(즉, BaO 성분의 몰수에 대한 V2O5 성분의 몰수의 비율(V2O5의 몰수 / BaO의 몰수))가 1.0 이상 2.5 이하일 수 있다. 이 경우, 페이스트 조성물은 PERC형 태양전지에 대해 더 좋은 BSF 층을 형성하여 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 페이스트 조성물로부터 형성된 전극과 태양전지의 실리콘 기판과의 밀착성이 더욱 향상될 수 있다.
제1 유리 프릿은 B2O3 및 Bi2O3 성분 이외의 성분이 포함될 수 있고, 제2 유리 프릿은 V2O5 및 BaO 성분 이외의 성분이 포함될 수 있다. 이 경우, 제1 유리 프릿 및 제2 유리 프릿 중에서도, 상술한 혼합물의 상태에서 각 성분이 존재할 수 있고, 상술한 복합 산화물의 상태에서 각 성분이 존재할 수 있다.
유리 프릿에 있어서, 상기 제1 유리 프릿과, 상기 제2 유리 프릿의 혼합 비율은 특별히 한정되지 않으며, 어떠한 혼합 비율도 포함될 수 있다. 바람직하게는 제2 유리 프릿에 포함된 V2O5와, 제1 유리 프릿에 포함된 B2O3와의 몰비, 즉 V2O5의 몰수/B2O3의 몰수, 의 값이 1.0 ~ 10.0 범위가 되도록 제1 유리 프릿 및 제2 유리 프릿이 혼합될 수 있다. 이 경우, 페이스트 조성물은 PERC형 태양전지에 대해 더 좋은 BSF 층을 형성하여 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가 페이스트 조성물로부터 형성된 전극과 태양전지의 실리콘 기판과의 밀착성이 더욱 향상될 수 있다.
본 실시 형태의 페이스트 조성물은 상기 유리 프릿을 함유하고 있는 한, 기타 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 페이스트 조성물은 유리 프릿의 다른 전도성 코팅, 실리콘 분말과 유기 베히클(vehicles)을 포함할 수 있다.
페이스트 조성물에 포함되는 도전성 필러는 페이스트 조성물을 소성하여 형성된 알루미늄 전극층에 도전성을 발휘시킬 수 있다.
도전성 필러를 구성하는 재료는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도전성 필러는 알루미늄 분말 및 알루미늄-실리콘 합금 분말 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 알루미늄 분말 및 알루미늄-실리콘 합금 분말로 이루어지는 것이 바람직하다.
알루미늄 분말을 구성하는 알루미늄 입자의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 특히, 알루미늄 입자의 형상이 구형이면, 알루미늄 전극층의 알루미늄 입자의 충전성이 증가함에 따라, 전극의 전기 저항을 효과적으로 저하시킬 수 있다. 또한, 알루미늄 입자의 형상이 구형이면, 실리콘 반도체 기판 및 알루미늄 입자와의 접점이 증가하여 양호한 BSF 층을 형성할 수 있다.
알루미늄 분말을 구성하는 알루미늄 입자의 평균 입자 직경은 1μm 이상 10μm 이하인 것이 바람직하며, 이 경우 알루미늄 입자끼리 응집할 가능성이 낮아지면서 페이스트 조성물 중에서 분산성이 향상될 수 있고, 게다가 높은 반응성을 유지할 수 있다. 알루미늄 분말의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 아토마이즈 법으로 제조할 수 있다.
도전성 필러로서 알루미늄 분말이 페이스트 조성물에 포함되면, 페이스트 조성물을 소성하여 이면 전극을 형성하고, 이면 전극과 실리콘 반도체 기판 사이에 알루미늄-실리콘 합금층과 p+층을 형성하기 때문에 BSF 효과를 얻을 수 있는 장점도 있다.
알루미늄-실리콘 합금 분말을 구성하는 알루미늄-실리콘 합금 입자의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 알루미늄-실리콘 합금 분말을 구성하는 알루비늄-실리콘 합금 입자의 평균 입자 직경은 1μm 이상 10μm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 알루미늄 입자끼리 응집할 가능성이 낮아지면서 페이스트 조성물 중에서 분산성이 향상될 수 있고, 게다가 높은 반응성을 유지할 수 있다. 알루미늄-실리콘 합금 분말의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 아토마이즈 법으로 제조할 수 있다.
알루미늄-실리콘 합금 분말도 페이스트 조성물을 소성하여 형성된 알루미늄 전극층에서 도전성을 발휘할 수 있다. 또한, 알루미늄-실리콘 합금 분말과 아래의 실리콘 분말이 페이스트 조성물에 포함되면 실리콘 분말 중의 실리콘과, 알루미늄-실리콘 합금 분말 중의 실리콘에 의해서, 페이스트 조성물 중의 알루미늄과, 실리콘 반도체 기판 중의 실리콘의 과도한 반응이 제어되기 용이할 수 있다. 이는, 알루미늄 전극층과 실리콘 반도체 기판과의 계면에서의 공극(공동)의 생성을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 페이스트 조성물에 포함된 알루미늄-실리콘 합금 분말의 함유 비율은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 알루미늄 분말 100 중량부에 대하여, 알루미늄-실리콘 합금 분말이 10 중량부 이상 500 중량부 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 페이스트 조성물에 알루미늄과 실리콘 반도체 기판 중 실리콘의 과도한 반응을 보다 효과적으로 제어할 수 있다.
페이스트 조성물 중에 실리콘 분말이 포함되는 경우, 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말에 함유된 실리콘과 실리콘 분말 중의 실리콘에 의해서, 페이스트 조성물에 알루미늄과 실리콘 반도체 기판 중의 실리콘의 과잉 반응이 제어될 수 있다. 이는, 알루미늄 전극층과 실리콘 반도체 기판과의 계면에서의 공극(공동)의 생성을 억제할 수 있다.
실리콘 분말을 구성하는 실리콘 입자의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 실리콘 분말을 구성하는 실리콘 입자의 평균 입자 직경은 1μm 이상 10μm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 실리콘 입자끼리의 응집이 억제되어 페이스트 조성물 중에서 분산성이 향상될 수 있고, 게다가 반응성의 저하도 억제할 수 있다.
실리콘의 함량은 특별히 제한되지 않고, 적절하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄-실리콘 합금 분말의 실리콘 함량이 알루미늄-실리콘 합금 분말에 알루미늄 100 중량부당 3.0 ~ 30.0 중량부이고, 한편, 페이스트 조성물 중에서 실리콘의 함량이 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 3.0 ~ 15.0 중량부일 수 있다. 이 경우, 페이스트 조성물에 의해 좋은 BSF 층을 형성할 수 있기 때문에 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 동시에, 알루미늄 전극층과 실리콘 반도체 기판과의 계면에서의 공극(공동)의 생성도 억제될 수 있다.
유기 베히클은 용제에 필요한 각종 첨가제 및 수지를 용해시킨 것이 사용될 수 있다. 용제는 공지의 것이 사용될 수 있으며, 구체적으로는, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 등을 들 수 있다. 각종 첨가제로서는, 예를 들면, 산화 방지제, 부식 방지제, 소포제, 증점제, 택키파이어(tackifier), 커플링제, 정전 부여제, 중합 억제제, 틱소트로피(thixotropy)제, 침강 방지제 등을 사용할 수 있다. 첨가제의 구체적인 예로는 폴리에틸렌 글리콜 에스테르 화합물, 폴리 에틸렌 글리콜 에테르 화합물, 폴리 옥시 에틸렌 솔비탄 에스테르 화합물, 솔비탄 알킬 에스테르 화합물, 지방족 다가 카르복실산 화합물, 인산 에스테르 화합물, 폴리에스테르산의 아마이드아민 소금, 산화 폴리에틸렌계 화합물, 지방산 아마이드 왁스 등을 사용할 수 있다. 수지로는 공지의 것이 사용 가능하며, 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 폴리비닐부티랄, 페놀 수지, 멜라닌 수지, 요소 수지, 크실렌 수지, 알키드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 푸란 수지, 우레탄 수지, 이소시아네이트 화합물, 시아네이트 화합물 등의 열경화성 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, ABS 수지, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리4불화에틸렌, 실리콘 수지 등 중 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 유기 베히클에 포함된 수지는 용제에 용해시키지 않고 사용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 페이스트 조성물에 포함되는 유기 베히클의 함유 비율은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 알루미늄 분말 100 중량부에 대하여 유기 베히클의 함유 비율이 70 중량부 이상 500 중량부 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 페이스트 조성물의 인쇄성 저하가 발생하기 어렵다.
본 실시 형태의 페이스트 조성물은 소량의 각 성분을 적절한 방법으로 혼합하여 제조할 수 있다. 혼합 방법은 특별히 한정되지 않고, 디스퍼(disper), 3개의 롤 등의 주지된 혼합 방법을 사용할 수 있다.
본 실시 형태의 페이스트 조성물을 이용하여, 예를 들어, 도 1과 같은 PERC형 태양전지 셀의 이면 전극을 형성할 수 있다.
상기 페이스트 조성물은 Pb-free 및 알칼리 금속이 포함되지 않으며, 한편, B2O3 성분을 포함한 유리 프릿을 포함한다. 따라서, 상기 페이스트 조성물을 PERC형 태양전지 셀에 적용하면, 상기 태양전지 셀에 높은 변환효율을 부여할 수 있다. 또한, 페이스트 조성물은, 특히 알칼리 금속이 포함되지 않은(불가피하게 포함된 알칼리 금속은 제외) 상태로 구성되기 때문에, 페이스트 조성물의 소성에 의해 형성되는 이면 전극은 실리콘 기판과의 밀착성이 우수하고, 게다가, 알칼리 금속이 포함되지 않으면, 고온/고습한 환경에서도 전기 특성의 저하가 발생하기 어렵기 때문에, 고온/고습 환경에서의 안정성이 우수할 수 있다. 또한, 상기 페이스트 조성물을 PERC형 태양전지 셀에 적용하면, 태양전지 셀의 이면 전극과 실리콘 반도체 기판 사이에 형성되는 소성 후 공극의 발생도 억제될 수 있다. 게다가, 페이스트 조성물은 Pb-free(불가피하게 포함되는 Pb는 제외)로 구성되기 때문에 환경적 영향도 작을 수 있다.
본 실시 형태의 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 PERC형 태양전지 셀에서는 덤프 히트 시험 전, 후의 발전 효율(이하 "Eff"로 칭함)의 저하율을 억제할 수 있으며, 예를 들어, 덤프 히트 시험 전, 후의 Eff는 5% 이내로 억제될 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 페이스트 조성물을 이용하여 PREC형 태양전지 셀을 제조하면, 상기 태양전지 셀의 장기적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
[ 실시예 ]
이하, 실시 예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시 예1>
B2O3-Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3이 각각 43/22/18/12/5 (mol%)의 조성 비율로 구성된 제1 유리 프릿과, V2O5-BaO-P2O5-B2O3-SrO가 각각 39/26/18/10/7 (mol %)의 조성 비율로 구성된 제2 유리 프릿을 준비했다.
상기 제1 유리 프릿 1.0 중량부와, 제2 유리 프릿 2.0 중량부와, 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 D50이 6.0μm인 알루미늄 분말 100 중량부와, 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 D50이 6.0μm인 알루미늄-15%실리콘 합금 분말 25 중량부와, 에틸셀룰로오스를 부틸글리콜에 용해시킨 수지액 35 중량부를, 디스퍼 또는 3개 롤 등의 주지된 믹서에 의해 혼합시켜 페이스트 조성물을 제조하였다. 이 페이스트 조성물에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 3.0 중량부(Si/Al의 양이 3.0 wt%)가 되도록 제조되었다.
한편, 태양전지 셀은 다음과 같이 제작하였다. 우선, 미리 레이저 등을 이용하여 구멍이 형성된 저항값 3Ω·cm 의 이면 패시베이션 형 단결정 실리콘 기판을 준비했다. 그리고, 상기와 같이 제조된 페이스트 조성물을 상기 실리콘 기판의 이면측(수광면과 반대면)에 1.0 - 1.1 g/pc 가 되도록 인쇄했다. 이어서, 상기 실리콘 기판의 수광면에 공지된 기술에 미리 준비해둔 Ag 페이스트를 인쇄했다. 그 후, 상기와 같이 처리된 실리콘 기판을 800 ℃로 설정한 적외선 벨트로를 이용하여 실리콘 기판의 수광면과 이면 측에 전극을 형성하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예2>
알루미늄 분말의 사용량을 조절함으로써, 페이스트 조성물에 포함된 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물 중의 알루미늄 100 중량부 당 7.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예3>
알루미늄 분말의 사용량을 조절함으로써, 페이스트 조성물에 포함된 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물 중의 알루미늄 100 중량부 당 15.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예4>
알루미늄-15%실리콘 합금 분말 대신에 알루미늄-3%실리콘 합금 분말을 사용하여, 페이스트 조성물 중에 포함되는 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물 중의 알루미늄 100 중량부당 3.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예5>
알루미늄-15%실리콘 합금 분말 대신에 알루미늄-20%실리콘 합금 분말을 사용하여, 페이스트 조성물 중에 포함되는 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물 중의 알루미늄 100 중량부당 7.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예6>
알루미늄-15%실리콘 합금 분말 대신에 알루미늄-30%실리콘 합금 분말을 사용하여, 페이스트 조성물 중에 포함되는 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물 중의 알루미늄 100 중량부당 7.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예7>
제1 유리 프릿의 B2O3-Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3의 조성비율을 각각 40/40/10/5/5 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예8>
제1 유리 프릿의 B2O3-Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3의 조성비율을 각각 58/15/9/13/5 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예9>
제2 유리 프릿의 V2O5-BaO-P2O5-B2O3-SrO의 조성비율을 각각 37/18/24/15/6 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예10>
제2 유리 프릿의 V2O5-BaO-P2O5-B2O3-SrO의 조성비율을 각각 30/30/20/15/5 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예11>
페이스트 조성물에 포함된 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 0 중량부(즉, 도전성 필러는 알루미늄 분말만)가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예12>
알루미늄 분말의 사용량을 조절함으로써, 페이스트 조성물에 포함된 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 1.5 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예13>
알루미늄 분말의 사용량을 조절함으로써, 페이스트 조성물에 포함된 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 20.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예14>
알루미늄-15%실리콘 합금 분말 대신에 알루미늄-35%실리콘 합금 분말을 사용하여, 알루미늄 분말의 사용량을 조절함으로써, 페이스트 조성물 중에 포함되는 실리콘(Si)의 함량을, 페이스트 조성물 중의 알루미늄 100 중량부당 7.0 중량부가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예15>
제2 유리 프릿을 사용하지 않은 것을 제외하고는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예16>
제1 유리 프릿을 사용하지 않은 것을 제외하고는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예17>
제1 유리 프릿의 B2O3-Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3의 조성비율을 각각 40/8/25/15/12 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예18>
제1 유리 프릿의 B2O3-Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3의 조성비율을 각각 25/50/12/8/5 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예19>
제2 유리 프릿의 V2O5-BaO-P2O5-B2O3-SrO의 조성비율을 각각 65/20/5/5/5 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<실시 예20>
제2 유리 프릿의 V2O5-BaO-P2O5-B2O3-SrO의 조성비율을 각각 25/35/25/10/5 (mol%)로 변경한 것 외에는 <실시 예2>와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<비교 예1>
제1 유리 프릿의 조성을 B2O3-Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3이 각각 40/15/15/15/15 (mol%)의 조성비율로 구성된 유리 프릿으로 변경하고, 또한, 제2 유리 프릿은 사용하지 않고, 또한, 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 0 중량부(즉, 도전성 필러는 알루미늄 분말만)가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<비교 예2>
제1 유리 프릿의 조성을 PbO-B2O3-Al2O3-SiO이 각각 57/24/4/15 (mol%)의 조성비율로 구성된 유리 프릿으로 변경하고, 또한, 제2 유리 프릿은 사용하지 않고, 또한, 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 0 중량부(즉, 도전성 필러는 알루미늄 분말만)가 되도록 변경한 것 외에는 <실시 예1>과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하여 태양전지 셀을 획득하였다.
<발전 효율( Eff )의 측정>
각 실시 예 및 비교 예에서 획득한 태양전지 셀에 대해, 와콤전창의 솔라 시뮬레이터: WXS-156S-10 과 I-V 측정장치 : IV15040-10을 사용하여, I-V 측정을 실시했다. I-V 측정에 의해 측정된 Isc(A), Voc(V) 및 FF(Fill Factor)값에 의해 발전 효율(Eff)을 산출했다.
<수학식1>
발전 효율 Eff(%)=(Isc * Voc * FF)/ 셀면적
<밀착성 평가>
페이스트 조성물로부터 형성된 이면 전극과 실리콘 기판과의 밀착성은, 3M 사의 수선 테이프(CAT NO.810-1-18)을 이용하여 실시하였다. 구체적으로는, 수선 테이프를 페이스트 조성물로부터 형성된 이면 전극에 붙인 뒤, 테이프를 박리하고, 박리 후 테이프의 접착면을 육안으로 확인하여 다음 기준에 따라 밀착성 평가를 수행하였다.
◎: 테이프 전면에 걸쳐 부착이 전혀 없고, 전극의 박리가 확인되지 않음
○: 테이프 전면에 30% 미만의 부착이 있고, 전극의 박리가 약간 확인됨
△: 테이프 전면에 30% 이상 60% 미만의 부착이 있고, 전극의 박리가 확인됨
X: 테이프 전면에 60% 이상 부착이 있고, 전극의 박리가 다량 확인됨
<공극 평가>
페이스트 조성물을 도포하여 소성한 후 실리콘 기판의 단면을 광학 현미경(200배)에 의해 임의로 정한 20개를 관찰하고, 실리콘 기판과 이면 전극층의 계면에서의 결함 유무를 하기의 판정기준에 따라 평가했다.
○: 공극이 전혀 형성되지 않음
△: 1 ~ 9개의 공극이 형성됨
X: 10~ 20개의 공극이 형성됨
<고온/ 고습환경에서 내구성>
고온/고습환경에서 내구성은 덤프 히트 시험 후(이하 "DH 후"로 칭함)의 Eff 저하율의 값에 따라 판단하였다. 덤프 히트 시험은 IEC-61215/JIS C 8990 10.13 의 규격에 준하여 온도 85℃, 습도 85% RH, 시험시간은 1000시간을 수행하였다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 1]은 각 실시 예 및 비교 예의 유리 프릿의 조성, 알루미늄-실리콘 합금 분말 중의 알루미늄에 대한 실리콘의 함유량(Al-Si 합금 분말), 페이스트 조성물 중에 있어서의 알루미늄에 대한 실리콘의 함량(Si/Al 양) 및 평가(Eff 밀착성 평가, 공극 평가, DH 후 Eff의 저하율)을 나타낸다. 또한, 알루미늄-실리콘 합금 분말의 실리콘 함량 및 페이스트 조성물에 있어서 실리콘의 함량은 중량%(wt%)로 표기하고 있다.
각 실시 예에서 획득한 태양전지 셀에서는 사용한 페이스트 조성물의 유리 프릿이 Pb-free 및 알칼리 금속이 포함되지 않으며, 적어도 B2O3 성분을 포함하기 때문에 발전 효율이 높고, 이면 전극과 실리콘 기판과의 밀착성이 뛰어나며, 또한 공극의 발생도 억제됨을 확인할 수 있다. 이로써 고온/고습 환경에서 내구성도 뛰어남을 확인할 수 있다.
한편, <비교 예1>에서, 사용한 페이스트 조성물의 유리 프릿이 알칼리 금속을 포함하기 때문에, 이면 전극과 실리콘 기판과의 밀착성이 낮고, 공극의 발생도 많음을 확인할 수 있다. 또한, <비교 예1>에서는 고온/고습 환경 하에서 내구성이 낮은 것을 확인할 수 있다. <비교 예2>에서 사용한 페이스트 조성물의 유리 프릿은 Pb를 포함하기 때문에, 이면 전극과 실리콘 기판과의 밀착성이 낮고, 공극의 발생도 많으며, 이 때문에 전기적 특성의 장기적 신뢰성도 낮게 확인되었다.
1: p형 실리콘 반도체 기판
2: n형 불순물 층
3: 반사 방지막(패시베이션 막)
4: 그리드 전극
5: 알루미늄 전극층
6: 알루미늄-실리콘 합금층
7: p+층
8: 이면 전극

Claims (7)

  1. 유리 프릿을 포함하는 PERC형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물에 있어서,
    상기 유리 프릿은,
    Pb 및 알칼리 금속을 포함하지 않고 B2O3을 포함하는, 페이스트 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리 프릿은,
    Bi2O3, ZnO, SiO2, Al2O3, BaO, CaO, SrO, V2O5, SbO3, WO3, P2O5 및 TeO2 중 적어도 1종의 성분을 더 포함하는, 페이스트 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 프릿은,
    B2O3 및 Bi2O3 성분을 포함하는 제1 유리 프릿; 및
    V2O5 및 BaO 성분을 포함하는 제2 유리 프릿;을 포함하는, 페이스트 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 유리 프릿은, B2O3 성분과 Bi2O3 성분의 몰비(B2O3/Bi2O3)가 0.8 이상 4.0 이하이고,
    상기 제2 유리 프릿은, V2O5 성분과 BaO 성분의 몰비(V2O5/BaO)가 1.0 이상 2.5 이하인, 페이스트 조성물.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 분말과 알루미늄-실리콘 합금 분말 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 필러를 더 포함하는, 페이스트 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 알루미늄-실리콘 합금 분말의 실리콘 함량은,
    상기 알루미늄-실리콘 합금 분말에 알루미늄 100 중량부 당 3.0 내지 30.0 중량부이고,
    상기 페이스트 조성물에 있어서 실리콘의 함량은,
    상기 페이스트 조성물에 알루미늄 100 중량부 당 3.0 내지 15.0 중량부인, 페이스트 조성물.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    덤프 히트 시험 전후의 발전 효율(Eff)의 저하율이 5% 이내인, 페이스트 조성물.

KR1020177033505A 2015-05-01 2016-04-26 Perc형 태양전지용 알루미늄 페이스트 조성물 KR102524339B1 (ko)

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