KR20180090245A - 태양 전지의 전극을 제조하는데 이용되는 페이스트 조성물, 태양 전지의 전극 및 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지의 전극을 제조하는 페이스트 조성물, 태양 전지의 전극 및 태양 전지를 제공한다. 그중, 이 페이스트 조성물은 전도성 분말과, 유기 담체와, 유리 분말을 포함하고, 유리 분말은 0.1~20wt%의 PbO와, 30~60wt%의 Bi2O3와, 1.0~15wt%의 TeO2와, 8~30wt%의 WO3를 포함하고, 또한 TeO2와 WO3의 질량비는 0.5:1~1.75:1이다. 본 발명의 페이스트 조성물로 제조한 태양 전지의 전극은 리본과의 양호한 접착 강도를 구비하고 직렬 저항(Rs)을 최소화하며 높은 변환 효율을 제공한다.
Description
본 발명은 태양 전지 제조 기술 분야에 관한 것으로, 특히, 태양 전지의 전극을 제조하는데 이용되는 페이스트 조성물, 태양 전지의 전극 및 태양 전지에 관한것이다.
태양 전지는 p-n 접합을 통하여 광기전력 효과를 이용하여 태양광의 광자를 변환시켜 전기 에너지를 발생한다. 태양 전지에 있어서, 전면 전극과 후면 전극은 각각 p-n 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 베이스의 상하 표면에 형성된다. 그 다음, p-n 접합의 광전 효과가 반도체 웨이퍼로 입사된 태양광에 유도되고, p-n 접합의 광전 효과에 의하여 발생된 전자는 전극을 통하여 외부에 전류를 제공한다. 이러한 태양전지의 전극은 전극용 조성물을 웨이퍼상에 도포, 패터닝및 소성에 의해 태양 전지 표면에 형성되어진다.
최근 태양전지의 효율을 증가시키기 위해 에미터(emitter)의 두께가 지속적으로 얇아짐에 따라, 태양전지의 성능을 저하시킬 수 있는 션팅(shunting)현상이 전극에 의해 유발될 수 있다. 또한, 태양전지의 효율을 증가시키기 위해 태양전지의 면적이 점차 증가하고 있는데, 이는 태양전지와 전극사이의 접촉 저항을 높여 태양전지의 효율을 감소시킬 수 있다.
태양 전지는 리본을 통하여 서로 연결되어 태양 전지 모듈을 구성한다. 현재, 전형적인 납 함유 유리 분말을 포함하는 성분으로 제조된 태양 전지의 전극과 리본과의 접착력이 부족하고 전극과 리본 사이의 낮은 접착력으로 인하여 직렬 저항이 높아지고 변환 효율이 악화될 수 있다.
본 발명은 기존 기술에 있어서 태양 전지의 전극과 리본과의 접착력이 부족하고 전극과 리본 사이의 낮은 접착력으로 인하여 직렬 저항이 높아지고 변환 효율이 악화되는 문제를 해결할 수 있는 태양 전지의 전극을 제조하는데 이용되는 페이스트 조성물, 태양 전지의 전극 및 태양 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 일 관점은, 태양 전지의 전극을 제조하는데 이용되는 페이스트 조성물을 제공하는 것이다. 이 페이스트 조성물은 전도성 분말과, 유기 담체와, 유리 분말을 포함하고, 그중, 유리 분말은 0.1~20wt%의 PbO와, 30~60wt%의 Bi2O3와, 1.0~15wt%의 TeO2와, 8~30wt%의 WO3을 포함하고 또한 TeO2와 WO3의 질량비는 0.5:1~1.75:1이다.
상기 조성물 중, 유리 분말은 Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, P2O5, ZnO, SiO2, B2O3, TiO2, NiO로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 한가지 또는 여러가지 산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 조성물 중, 산화물의 유리 분말중의 첨가량은 1~25wt%이다.
상기 조성물 중, 유리 분말의 평균 입경D50은 0.1~10㎛이다.
상기 조성물 중, 페이스트 조성물은 60~95wt%의 전도성 분말과, 1.0~20wt%의 유기 담체와, 0.1~5wt%의 유리 분말과, 나머지 량의 첨가제를 포함한다.
상기 조성물 중, 첨가제는 분산제, 요변성, 가소제, 접착 안정제, 소포제, 안료, UV 안정제, 산화방지제, 커플링제로 구성되는 군으로부터 선택되는 유기물을 1종 이상 더 포함할 수 있다.
상기 조성물 중, 전도성 분말은 은 분말이다.
상기 조성물 중, 은 분말의 평균 입경D50은 0.1~10㎛이다.
본 발명의 또 다른 관점은 태양 전지의 전극을 제공하는 것이다. 이 태양 전지는 상기한 페이스트 조성물로 제조된다.
본 발명의 또 다른 관점은 전극을 포함하는 태양 전지를 제공하는 것이다. 이 전극은 상기한 본 발명의 페이스트 조성물로 제조된 태양 전지의 전극이다.
본 발명의 페이스트 조성물로 제조한 태양 전지의 전극은 리본과의 양호한 접착 강도를 구비하고 직렬 저항(Rs)을 최소화하여 높은 변환 효율을 제공한다.
본 발명의 일부분을 구성하는 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기위한 것이고 본 발명에 예시적으로 나타낸 실시예 및 그 설명은 본 발명을 해석하기 위한 것으로 본 발명을 한정하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물로 제조한 태양 전지를 나타낸 도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물로 제조한 태양 전지를 나타낸 도이다.
아래 도면을 참조하고 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명은 태양 전지의 전극을 제조하는데 이용되는 페이스트 조성물에 관한 것이다. 이 페이스트 조성물은 전도성 분말, 유기 담체, 유리 분말을 포함하고, 그중, 유리 분말은 0.1~20wt%의 PbO와, 30~60wt%의 Bi2O3와, 1.0~15wt%의 TeO2와, 8~30wt%의 WO3을 포함하며 또한 TeO2와 WO3의 질량비는 0.5:1~1.75:1이다. 전도성 분말이 은 분말인 것이 바람직하다.
본 발명의 페이스트 조성물로 제조된 태양 전지의 전극은 리본과의 양호한 접착 강도를 구비하고 직렬 저항(Rs)을 최소화하여 높은 변환 효율을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유리 분말은 Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, P2O5, ZnO, SiO2, B2O3, TiO2, NiO로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 산화물을 더 포함할 수 있다. 그중, 상기 산화물의 유리 분말 총 중량의 1~25wt%를 차지한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 페이스트 조성물은 60~95wt%의 전도성 분말과, 1.0~20wt%의 유기 담체와, 0.1~5wt%의 유리 분말과, 나머지 량의 첨가제를 포함한다. 그중, 첨가제는 분산제, 요변성, 가소제, 접착 안정제, 소포제, 안료, UV 안정제, 산화방지제, 커플링제로 구성되는 군으로부터 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 태양 전지의 전극에 관한 것이다. 이 전극은 상기한 본 발명의 페이스트 조성물로 제조된 태양 전지의 전극이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양 전지의 전극 성분은 은 분말과, 산화납 - 산화비스무트 - 산화텔루리움 - 산화텅스텐기 유리 분말과, 유기 담체를 포함한다. 아래 본 발명의 태양 전지의 전극의 조성을 더욱 상세하게 설명한다.
(A) 은 분말
본 발명의실시예에 따르면, 태양 전지의 전극을 제조하는데 이용되는 페이스트 조성물은 전도성 분말로 은 분말을 사용한다. 상기 은 분말의 입도는 나노 또는 미크론 수준일 수 있다. 예를 들어 은 분말은 수십 나노 내지 수백 나노, 또는 수 미크론 내지 수십 미크론의 입도일 수 있다. 또는 은 분말은 입경의 서로 다른 1종 이상의 은 분말의 혼합물일 수도 있다.
은 분말은 구형, 플레이크(flake) 또는 무정형 형상을 가질 수 있다.
은 분말은 약 0.1㎛ 내지 약 10㎛의 평균 입경(D50)을 가지는 것이 바람직하고 약 0.5㎛ 내지 약 5㎛의 평균 입경(D50)을 가지는 것이 더 바람직하다. 평균 입경은 예를 들어전도성 분말을 25℃에서 초음파로 이소프로필 알코올(IPA)에 3분간 분산시킨 후 Mastersize 2000(Malvern Co., Ltd.) 등 기기를 이용하여측정할 수 있다. 이러한 평균 입경 범위내에서 조성물은 낮은 접촉 저항과 낮은 선로 저항을 제공할 수 있다.
조성물의 전체 중량 대비, 은 분말은 약 60wt％ 내지 약 95 wt％의 중량으로 포함될 수 있다. 이러한 범위내에 있어서 전도성 분말은 저항 증가로 인한 변환 효율의 악화를 방지할 수 있다. 바람직하게는 전도성 분말이 약 70 wt％ 내지 약 95 wt％의 중량으로 포함될 수 있다.
(B) 산화납 - 산화비스무트 - 산화텔루리움 - 산화텅스텐기 유리 분말
유리 분말은 전도성 분말과 웨이퍼 또는 기판 사이의 접착력을 강화하고 전극 형성물의 소정 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고 은 입자를 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록 에미터 영역에 은 결정 입자를 생성시켜, 접촉 저항을 낮춘다. 그리고, 유리 분말은 소성 공정시 연화되어 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
태양 전지의 효율을 향상시키기 위하여 태양 전지의 면적을 증가시킬 경우, 태양 전지의 접촉 저항이 증가될 가능성이 있다. 따라서 직렬 저항(Rs)과 p-n 접합에 대한 영향을 최소화하여야 한다. 그리고 유리분말은 표면 저항의 서로다른 각종 웨이퍼에 응용될 수 있으므로 넓은 온도 범위에서 충분한 열 안전성을 확보하여야 한다.
태양 전지는 리본을 통하여 서로 연결되어 태양 전지 모듈을 구성한다. 이러한 경우, 태양 전지의 전극과 리본 사이의 접착 강도가 낮으면 전지가 이탈되거나 신뢰성이 저하된다. 본 발명에 있어서, 태양 전지가 필요한 전기 및 접착 강도 등의 물리적 물성을 구비하도록, 산화납 - 산화비스무트 - 산화텔루리움 - 산화텅스텐기 유리 분말(PbO-Bi2O3-TeO2-WO3)기의 유리 분말을 사용한다.
본 발명에 있어서, 산화납 - 산화비스무트 - 산화텔루리움 - 산화텅스텐기 유리 분말은 약 0.1wt% 내지 약 20wt%의 산화납과, 약 30wt% 내지 약 60wt%의 산화비스무트와, 약 1.0wt% 내지 약 20wt%의 산화텔루리움과, 약 5wt% 내지 약 25wt%의 산화텅스텐을 포함하고, 또한 TeO2와 WO3의 질량비는 0.5:1~1.75:1이다. 이러한 범위내에서, 상기 유리 분말은 양호한 접착 강도와 양호한 변환 효율을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 산화납 - 산화비스무트- 산화텔루리움 - 산화텅스텐기 유리 분말은 산화리듐(Li2O), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화스트론튬(SrO), 산화바륨(BaO), 산화인(P2O5), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 산화붕소(B2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화니켈(NiO)로부터 선택된 1종 이상의 산화물을 더 포함할 수 있다.
유리 분말은 산화납 - 산화비스무트- 산화텔루리움 - 산화텅스텐에 상기한 1종 이상의 산화물을 첨가하고 통상의 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 예를 들어 산화물과 산화납 - 산화비스무트- 산화텔루리움 - 산화텅스텐을 일정한 비율로 혼합한다. 혼합은 보올 밀 또는 유성형 볼밀로 수행할 수 있다. 혼합한 조성물을 약 900℃ 내지 약 1300℃에서 용융시키고 그 다음 약 25℃에서 ?칭(quenching)한다. 얻은 결과물을 디스크 밀, 유성 볼 밀 등으로 분쇄하여 유리 분말을 제공한다.
유리 분말의 평균 입경D50은 약 0.1㎛ 내지 약 10㎛일 수 있고, 조성물의 총 중량의 약 0.1wt% 내지 약 5wt%의 중량으로 포함될 수 있다. 유리 분말은 구형 또는 무정형 모양을 가질 수 있다.
(C) 유기 담체
태양 전지의 전극 형성용 조성물 중의 무기 성분과 기계적 혼합을 통하여 유기 담체는 전도성 조성물에 인쇄에 필요한 적합한 점도와 레올로지 특성을 부여한다.
유기 담체는 태양 전지의 전극 조성물에 사용되는 통상의 유기 담체일 수 있고, 바인더 수지, 용제 등을 포함할 수 있다.
바인더 수지는 아크릴산 에스테르 수지 또는 셀룰로오스 수지일 수 있다. 통상적으로, 에칠셀룰로오스를 바인더 수지로 사용한다. 그리고 바인더 수지는 에틸 히드록시 에칠셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 에칠셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 알키드 수지, 페놀, 아크릴레이트, 크실렌, 폴리 부틸 렌, 폴리에스테르, 요소, 멜라민, 아세트산비닐 수지, 우드 로진, 알콜의 폴리메타크릴레이트 등을 사용할 수도 있다.
용제는 예를 들어 헥산, 톨루엔, 에칠세로솔부, 사이클로헥사논, 부털 셀로솔브, 부틸카비톨( 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르), 디부틸카비톨(디에틸렌글리콜 디부틸에테르), 부틸카비톨아세테이트(모노부틸에테르아세테이트), 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 헥실렌글라이콜, 테르피네올, 메틸에틸케톤, 벤질알코올, 또는 γ-부티롤락톤 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
조성물의 총 중량을 기반으로 유기 담체는 약 1wt% 내지 약 20wt%의 중량으로 포함될 수 있다. 이러한 범위내에 있어서 유기 담체는 조성물에 충분한 접착 강도와 양호한 인쇄 가능성을 제공한다.
(D) 첨가제
필요에 따라 조성물은 유동 특성, 가공성, 안전성을 향상시키기 위하여 통상적인 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 분산제, 요변성, 가소제, 접착 안정제, 소포제, 안료, UV 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 첨가제를 단독으로 사용할 수 있고 혼합물로하여 사용할 수도 있다. 이러한 첨가제는 조성물에서 약 0.1wt% 내지 약 5wt%의 량으로 존재하지만 이러한 량은 필요에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 또다른 관점은, 페이스트 조성물로 형성된 태양 전지에 관한 것이다. 도 1에 도시한 바와 같이 뒷면 전극(210)과 전면 전극(230)은 전지 전극 성분을 p층(101)또는 에미터 증인 n층(102)을 포함하는 웨이퍼 또는 기판(100)에 인쇄한후 소성하여 형성된다. 예를 들어 웨이퍼의 뒷면에 조성물을 인쇄하고 약 200℃ 내지 약 400℃에서 인쇄한 조성물을 약 10초 내지 60초 건조시켜 뒷면 전극을 제조하는 사전 준비공정을 수행한다. 그리고 웨이퍼의 앞표면에 조성물을 인쇄하고 인쇄한 조성물을 건조시켜 전면 전극을 제조하는 초기공정을 수행한다. 그 다음, 웨이퍼를 약 400℃ 내지 약 950℃, 바람직하게는 약 850℃ 내지 약 950℃에서 약 30초 내지 50초 소성하여 전면 전극과 뒷면 전극을 형성한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 및 비교예
표 1에 나타낸 조성에 따라 산화물을 혼합하고 900℃~1400℃에서 용융시켜 소결하여 평균 입경(D50)이 2.0㎛인 산화납 - 산화비스무트 - 산화텔루리움 - 산화텅스텐기 유리 분말을 제조하였다.
유기 바인더로 60℃에서 1.0중량％의 에칠셀룰로오스를 9.0중량％의 부틸카비톨에 충분히 용해시키고 86중량％의 평균 입경이 1.5㎛인 구형의 은 분말과, 1.5중량％의 제조된 산화납 - 산화비스무트 - 산화텔루리움 - 산화텅스텐- 산화아연계 유리 분말과, 0.5중량％의 요변성 Thixatrol ST를 바인더 용액에 첨가한 후, 3롤밀로 연마하여 태양 전지의 전극 조성물을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 전극 조성물을 스크리 프린팅 방법으로 소정의 패턴에 따라 단결정 실리콘 웨이퍼의 앞표면에 인쇄 후 적외선 건조기에서 건조시켰다. 그 다음, 뒷면 전극을 제조하는데 이용되는 조성물을 웨이퍼의 뒷면에 인쇄하고 같은 방식으로 건조시켰다. 상기 공정을 통하여 처리된 전지 시트를 벨트식 소성로에서 910℃에서 40초 소결하였다. 태양전지 효율 측정기(CT-801)를 사용하여 전지의 변환 효율(％), 직렬 저항Rs(mΩ), 개회로 전압(Voc) 등을 측정하였다. 그 다음, 용접 인두로 300℃ 내지 400℃에서 플럭스를 이용하여 전지의 전극과 리본을 접합시켰다. 그 다음, 장력기를 사용하여 전지의 전극과 리본의 접착 강도(N/mm)를 180°의 박리각도와 50mm/min의 신장 속도에서 측정하였다. 측정된 변환 효율과 인장력 시험 결과는 표 1에 나타내였다.
실시예1~8과 비교예1~9
실시예1~8과 비교예1~9에 있어서, 표 1에 나타낸 유리 분말 조성에 따라 같은 방식으로 태양 전지의 전극용 조성물을 제조하여 그 전기적, 물리적 성능을 평가하였다. 여기서 표 1중의 실시예와 비교예는 하나 또는 다수의 발명예의 특징을 강조하는 것으로 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니고 비교예가 본 발명의 범위외 임을 설명하는 것 또한 아니다. 그리고 발명의 주체는 실시예와 비교예에서 설명한 특정된 부분에 한정되는 것이 아니다.
표 1
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예1~8에서 제조된 유리 분말 조성물로 제조된 태양 전지의 전극은 비교예1~9에 비하여 리본과의 높은 접착 강도와 양호한 변환 효율을 동시에 나타내였다. 반대로 비교예1~9는 낮은 전지 효율 또는 낮은 인장력을 나타내거나 두가지가 모두 낮은 경우도 있다.
비교예1은 유리 조성에 PbO가 포함되지 않을 경우, 비교예2는 유리 조성에 PbO가 높은 함유량으로 포함되었을 경우, 제조되는 태양 전지의 전극의 효율 및 인장력이 모두 발명 실시예보다 낮음을 나타낸다. 이와 유사하게 비교예3과 4는 유리 분말중의 Bi2O3의 함유량이 낮거나 높을 경우, 제조되는 태양 전지의 효율이 낮음을 나타낸다. 비교예5와 6은 WO3의 함유량이 본 발명의 범위내에 있지 않으면 제조되는 태양 전지는 효율이 낮거나 또는 인장력이 낮고 또는 두가지가 모두 낮음을 나타낸다. 비교예7, 8, 9는 높거나 낮은 TeO2와 WO3의 함유량의 비율이 본 발명의 범위내에 있지 않으면 제조되는 태양 전지는 효율이 낮거나 또는 인장력이 낮고 또는 두가지가 모두 낮음을 나타낸다.
발명 실시예에 따르면, 유리 분말의 성분이 0.1wt%~20wt%의 산화납, 30wt%~60wt%의 산화비스무트, 1.0wt%~20wt%의 산화텔루리움, 5wt%~25wt%의 산화텅스텐이고 TeO2와 WO3의 함유량의 비율이 0.5:1~1.75:1일 경우, 제조되는 태양 전지가 높은 성능을 구비함을 나타낸다.
상기한 내용은 본 발명의 바람직한 실시예로, 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 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.
Claims (10)
- 전도성 분말과, 유기 담체와, 유리 분말을 포함하고, 상기 유리 분말은 0.1~20wt%의 PbO와, 30~60wt%의 Bi2O3와, 1.0~15wt%의 TeO2와, 8~30wt%의 WO3을 포함하며 또한 TeO2와 WO3의 질량비는 0.5:1~1.75:1인 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극 제조용 페이스트 조성물.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유리 분말은 Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, P2O5, ZnO, SiO2, B2O3, TiO2, NiO로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 2에 있어서,
상기 산화물이 상기 유리 분말중의 함량이 1~25wt%인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 유리 분말의 평균 입경D50이 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 페이스트 조성물이 60~95wt%의 상기 전도성 분말과, 1.0~20wt%의 상기 유기 담체와, 0.1~5wt%의 상기 유리 분말과, 나머지 량의 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 5에 있어서,
상기 첨가제가 분산제, 요변성, 가소제, 접착 안정제, 소포제, 안료, UV 안정제, 산화방지제, 커플링제로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상인것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 전도성 분말이 은 분말인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 7에 있어서,
상기 은 분말의 평균 입경D50이 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물. - 청구항 1 내지 8중의 임의의 한 항에 기재된 페이스트 조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 전극.
- 전극을 포함하는 태양 전지에 있어서,
상기 전극이 청구항 9에 기재된 태양 전지의 전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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