KR20180097887A - 태양 전지 전극 형성용 유리 프릿, 상기 유리 프릿을 포함하는 페이스트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 구현예들에서는, 산화납(PbO)이 배제된 유리 프릿 및 이를 포함하는 페이스트 조성물을 제공한다.
Description
태양 전지 전극 형성용 유리 프릿 조성물, 및 이를 포함하는 페이스트 조성물에 관한 것이다.
태양 전지는, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는, 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 하는 것이 중요하며, 대면적화하는 것이 하나의 방법이 될 수 있다.
그러나, 태양전지를 대면적화함에 따라, 반도체 기판과 전극 사이의 라인 저항 및 접촉 저항이 상승하여, 오히려 전지의 효율이 감소되는 문제가 될 수 있다.
본 발명의 구현예들에서는, 산화납(PbO)이 배제된 유리 프릿 및 이를 포함하는 페이스트 조성물을 통해 전술한 문제를 해소하고자 한다.
일반적으로, 태양 전지의 전극은, 도전성 분말, 유리 프릿(glass), 및 유기 비히클을 혼합하고, 필요에 따라 첨가제를 더 첨가하여 페이스트(paste) 조성물을 제조하고, 이러한 페이스트 조성물을 반도체 기판의 일면 또는 양면에 도포하며 패터닝한 후, 도포된 페이스트 조성물을 소성하여 건조하는 일련의 공정에 따라 형성될 수 있다.
이러한 전극 형성 공정을 고려하면, 반도체 기판 및 그 위에 형성되는 전극 사이의 접촉성을 향상시킴으로써 라인 저항 및 접촉 저항을 낮추는 것이, 태양전지의 효율을 높이는 중요한 요인이 됨을 알 수 있다.
구체적으로, 유리 프릿은, 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 도전성 분말을 용융시켜 에미터 영역에 금속 결정 입자를 생성시키며, 이를 통해 전극(특히, 금속 결정 입자) 및 반도체 기판 사이의 접착력을 향상시켜 라인 저항 및 접촉 저항이 낮추는 역할을 할 뿐만 아니라, 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
이와 관련하여, 일반적으로 사용되는 유리 프릿에는, 산화납(PbO)이 포함된 경우가 많다. 그러나, 본 발명의 구현예들에서는, 산화납(PbO)이 배제된 유리 프릿 및 이를 포함하는 페이스트 조성물을 제시한다.
이하, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
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 경우 뿐만 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.
태양 전지의 전극 형성용 유리
프릿
조성물
우선, 본 발명의 일 구현예에서는, 총량(100 중량%)에 대해, 제1 금속 산화물인 산화텔루륨(TeO2)이 26 내지 39 중량% 포함되고, 제2 금속 산화물인 산화비스무스(Bi2O3)가 30 내지 45 중량% 포함되고, 제3 금속 산화물인 산화탈륨(Tl2O3)이 5 내지 30 중량% 포함되고, 잔부로는 제4 금속 산화물이 포함되는, 텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿(glass frit)인 태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿을 제공한다.
다시 말해, 본 발명의 일 구현예에서 제공하는 유리 프릿은, 산화납(PbO)을 포함하지 않으면서도, 상기 제1 금속 산화물인 산화텔루륨(TeO2), 상기 제2 금속 산화물인 산화비스무스(Bi2O3), 및 상기 제3 금속 산화물인 산화탈륨(Tl2O3)을 주요 성분으로 하며, 잔부로는 상기 주요 성분과 상이한 유리 프릿 원료 물질인 제4 금속 산화물을 포함하는, 텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿(glass frit)이다.
상기 제1 내지 제4 금속 산화물의 각 함량 범위를 만족하는 텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿(glass frit)은, 태양 전지의 전극 형성에 사용되어, 전극 및 반도체 기판 사이의 라인 저항 및 접촉 저항을 낮추면서도, 열 안정성을 확보하는 데 기여한다. 이러한 사실은, 후술되는 실시예 및 이에 대한 평가예를 통해 뒷받침된다.
이하, 본 발명의 일 구현예에서 제공하는 유리 프릿을 상세히 설명한다.
주요 성분의 함량 관계
상기 유리 프릿은, 그 주요 성분의 함량과 관련하여, 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1] 0.69≤([TeO2]+[Tl2O3])/[Bi2O3] ≤2.30
상기 식 1에서, [TeO2], [Tl2O3], 및 [Bi2O3]는 각각, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대한 상기 산화텔루륨(TeO2)의 함량(중량%), 상기 산화비스무스(Bi2O3)의 함량(중량%), 및 상기 산화탈륨(Tl2O3)의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 식 1과 관련하여, ([TeO2]+[Tl2O3])/[Bi2O3] 값이 2.30 초과일 경우 접촉저항이 증가하는 문제가 있고, 0.69 중량% 미만인 경우 라인 비저항이 증가하며 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)와 전도성 분말(예를 들어, 은 분말) 의 계면에서 접착력이 저하되어 전지 효율이 저하되는 문제가 있다.
이와 달리, 상기 식 1을 만족할 경우, 그렇지 못한 경우에 비하여 접촉력이 높고, 그에 따라 라인 비저항 및 접촉 저항이 낮을 수 있다. 또한, 적정 연화점(구체적으로, 220 ℃ 초과 350 ℃ 미만)에서 연화하여, 소성 온도를 낮출 수 있다. 이처럼 식 1을 만족하면, 라인 비저항과 접촉저항 모두 적절히 제어되어, 전지 효율이 향상될 수 있다.
예를 들어, 후술되는 실시예에서는, ([TeO2]+[Tl2O3])/[Bi2O3] 값이 0.86 이상 1.62 이하일 때, 접촉성이 높아 라인 비저항 및 접촉 저항이 낮고, 더욱 향상된 향상된 전지 효율이 나타나는 것이 확인되었다.
제4 금속 산화물
한편, 상기 제4 금속 산화물은, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 포함된 것일 수 있다.
예를 들어, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물만을 사용하거나, 이들 중 2 이상의 금속 산화물을 혼합하여 사용할 수 있다.
후자의 경우와 관련하여, 이하의 설명들이 각각 독립적으로 적용될 수 있다.
상기 제4 금속 산화물은, 산화규소(SiO2)가 필수적으로 포함된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화규소(SiO2)가 3 내지 10 중량% 포함되고, 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함될 수 있다.
이와 독립적으로, 상기 제4 금속 산화물은, 산화리튬(Li2O)가 필수적으로 포함된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화리튬(Li2O)이 1 내지 3 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함될 수 있다.
상기 제4 금속 산화물은 산화아연(ZnO)이 필수적으로 포함된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화아연(ZnO)이 1 내지 5 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 잔부로 포함될 수 있다.
상기 제4 금속 산화물은 산화텅스텐(WO3)이 필수적으로 포함된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화텅스텐(WO3)이 1 내지 7.5 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함될 수 있다.
상기 제4 금속 산화물은 산화붕소(B2O3)가 필수적으로 포함된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화붕소(B2O3)가 0.1 내지 3 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함될 수 있다.
상기 제4 금속 산화물은 산화알루미늄(Al2O3) 가 필수적으로 포함된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화알루미늄(Al2O3)이 0.1 내지 3.0 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 및 산화붕소(B2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함될 수 있다.
한편, 상기 유리 프릿은, 상기 제1 내지 제4 금속 산화물 외에도, 제5 금속 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)을 더 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 유리 프릿은 상기 제5 금속 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)을 더 포함하지 않아도 무방하다. 다만, 상기 제5 금속 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)이 포함될 경우, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해 0.1 내지 2 중량% 포함될 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 금속 산화물은, 산화몰리브덴(MoO3)을 제외하고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3)이 포함된 것일 수 있다.
상기 유리 프릿은, 총량(100 중량%)에 대해, 산화텔루륨(TeO2)이 26.6 내지 36.4 중량% 포함되고, 산화비스무스(Bi2O3)가 32.4 내지 44.7 중량% 포함되고, 산화탈륨(Tl2O3)이 5.7 내지 26.0 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2)는 3.5 내지 9.3 중량% 포함되고, 산화리튬(Li2O)은 1.2 내지 2.4 중량% 포함되고, 산화아연(ZnO)은 1.1 내지 4.5 중량% 포함되고, 산화텅스텐(WO3)은 1.1 내지 5.9 중량% 포함되고, 산화붕소(B2O3)는 0.4 내지 2.7 중량% 포함되고, 산화알루미늄(Al2O3)은 잔부로 포함된 것일 수 있다.
다만, 상기 제5 금속 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)이 포함될 경우, 상기 유리 프릿은, 총량(100 중량%)에 대해, 산화텔루륨(TeO2)이 26.6 내지 36.4 중량% 포함되고, 산화비스무스(Bi2O3)가 32.4 내지 44.7 중량% 포함되고, 산화탈륨(Tl2O3)이 5.7 내지 26.0 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2)는 3.5 내지 9.3 중량% 포함되고, 산화리튬(Li2O)은 1.2 내지 2.4 중량% 포함되고, 산화아연(ZnO)은 1.1 내지 4.5 중량% 포함되고, 산화텅스텐(WO3)은 1.1 내지 5.9 중량% 포함되고, 산화붕소(B2O3)는 0.4 내지 2.7 중량% 포함되고, 산화알루미늄(Al2O3)은 0.6 내지 2.7 중량% 포함되고, 산화몰리브덴(MoO3)이 잔부로 포함된 것일 수 있다.
다만, 상기 제4 및 제5 금속 산화물의 구성 성분 및 함량에 관련된 설명은 예시일 뿐, 이에 제한되지 않는다.
유리
프릿의
D50 입경
상기 유리 프릿은, D50 입경이 2.5 ㎛ 이하(단, 0 ㎛ 제외)인 것일 수 있다.
상기 유리 프릿의 D50 입경이 2.5 ㎛ 초과인 경우, 접촉저항이 증가와 부착력이 증가하는 문제가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 상기 유리 프릿의 D50 입경이 .5 ㎛ 이하(단, 0 ㎛ 제외)로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다만, 상기 유리 프릿의 D50 입경이 1.0 내지 2.0 ㎛일 때, 접촉성이 높아 라인 비저항 및 접촉 저항이 낮고, 더욱 향상된 향상된 전지 효율이 나타나는 것이 확인되었다.
유리
프릿의
접촉 저항, 라인 비저항, 및 접착력
전술한 바와 같이, 상기 제1 내지 제4 금속 산화물의 각 함량 범위를 만족하는 텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿(glass frit)은, 태양 전지의 전극 형성에 사용되어, 전극 및 반도체 기판 사이의 라인 저항 및 접촉 저항을 낮추면서도, 열 안정성을 확보하는 데 기여한다.
보다 구체적으로, 상기 유리 프릿은, 이하에서 설명되는 접촉 저항, 라인 비저항, 및 접착력의 각 범위를 만족할 수 있다.
상기 유리 프릿은, 접촉 저항(Contact Resistivity, ρc)이 2 mohm ㆍ㎠ 이하(단, 0 mohm ㆍ㎠ 제외), 예를 들어 0.7 내지 1.9 mohm ㆍ㎠ 이고, 라인 비저항(Line Specific Resistivity, ρL)이 3 μΩ ㆍ㎝(단, 0 μΩ ㆍ㎝ 제외), 예를 들어 2.8 내지 3.0 μΩ ㆍ㎝이고, 접착력(Adhesion)이 3 N 이상, 예를 들어 3.2 내지 5.8 N인 것일 수 있다.
유리
프릿의
제조 방법
한편, 상기 유리 프릿은, 통상의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 내지 제4 금속 산화물의 각 함량 범위를 만족하도록 혼합한 후, 이를 900℃ 내지 1300℃의 온도 범위에서 용융시키고, 상온(25℃)에서 담금질(quenching)한 다음, 분쇄함으로써 최종적으로 입경이 조절된 유리 프릿을 수득할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 금속 산화물의 혼합은, 볼 밀(ball mill), 플라네터리 밀(planetary mill) 등을 사용하여 수행될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
또한, 최종적으로 입경이 조절된 유리 프릿을 수득하기 위한 분쇄는, 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등을 사용하여 수행될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 최종적으로 수득되는 유리 프릿은, 전술한 D50 입경을 만족할 수 있고, 그 형상은 구형이거나 무정형 중 어떠한 것이든 무방하다.
태양 전지의 전극 형성용
페이스트
(paste) 조성물
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿(glass frit); 도전성 분말; 및 유기 비히클;을 포함하는, 태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물을 제공한다.
단, 상기 유리 프릿은, 전술한 것과 동일한 것으로, 총량(100 중량%)에 대해, 제1 금속 산화물인 산화텔루륨(TeO2)이 26 내지 39 중량% 포함되고, 제2 금속 산화물인 산화비스무스(Bi2O3)가 30 내지 45 중량% 포함되고, 제3 금속 산화물인 산화탈륨(Tl2O3)이 5 내지 30 중량% 포함되고, 잔부로는 제4 금속 산화물이 포함되는 것이다.
이하, 상기 페이스트(paste) 조성물을 상세히 설명하되, 전술한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도전성 분말의 종류 및 입경
상기 도전성 분말은, 도전성을 가지며, 광생성된 전하를 수집하는 기능을 수행할 수 있는 도전성 분말이라면, 특별히 한정되지는 않는다.
예를 들어, 상기 도전성 분말은, 은(Ag) 분말, 은(Ag) 함유 합금 분말, 알루미늄(Al) 분말, 알루미늄(Al) 함유 합금 분말, 구리(Cu) 분말, 알루미늄(Al) 함유 합금 분말, 니켈(Ni) 분말, 및 니켈(Ni) 함유 합금 분말을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 도전성 분말을 포함하는 것일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다른 종류의 금속 분말일 수도 있으며, 상기 금속 분말 외에 다른 첨가물을 포함할 수도 있다.
또한, 상기 도전성 분말은, 서로 다른 입경을 가진 도전성 입자들이 집합된 것일 수 있고, 그 평균 입경은 0.01 내지 50 ㎛일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 도전성 분말이 은(Ag) 분말인 경우, 0.1 내지 5 ㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 이때, 상기 도전성 입자들의 형상은 구형, 판상, 및 무정형 중 어떠한 형상도 가능하다.
유기
비히클의
종류
상기 유기 비히클은, 상기 도전성 분말과 혼합되어 적절한 점도를 부여함으로써 페이스트화 하는 것으로, 유기 바인더 및 이를 용해시키는 유기 용매를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 유기 바인더로는, 에틸 셀룰로오스, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 아크릴산 에스테르계 수지 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 유기 용매로는, 2,2,4-트리메틸-모노이소부티레이트(텍사놀, Texanol), 부틸 카비톨 아세테이트(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트), 톨루엔, 에틸셀로솔브, 부틸센로솔브, 부틸 카비톨(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르), 디부틸 카비톨(디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르), 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 등의 글라이콜 에테르 류의 용매, 헥실렌 글리콜, 터핀올(Terpineol), 메틸에틸케톤, 3-펜탄디올 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
각 구성 성분의 함량
상기 유리 프릿은, 상기 페이스트 조성물의 총량(100 중량%)에 대해, 1 내지 5 중량%, 구체적으로는 1.5 내지 4.0 중량%로 포함될 수 있다. 상기 유리 프릿이 상기 함량 범위 내로 포함될 경우, 전극과 반도체 기판 사이의 접착력이 향상되어, 효율이 우수한 태양 전지를 구현할 수 있다.
또한, 상기 도전성 분말은, 상기 페이스트 조성물의 총량(100 중량%)에 대하여 80 내지 95 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 86 내지 90 중량%로 포함될 수 있다. 상기 도전성 분말이 상기 함량 범위 내로 포함되는 경우, 소성 시 상기 도전성 분말의 적절한 충진 밀도에 의해 우수한 전기 전도성을 가질 수 있고, 페이스트 조성물 제조 시 분산성이 우수해질 수 있다,
한편, 상기 페이스트 조성물의 총량(100 중량%)에 대해, 상기 유기 비히클은 5 내지 40 중량%, 구체적으로는 5 내지 15 중량%로 포함될 수 있다. 상기 유기 비히클이 상기 함량 범위 내로 포함되는 경우, 적절한 점도를 가진 페이스트 조성물이 제조될 수 있다.
종합적으로, 상기 페이스트 조성물 총량(100 중량%)에 대해, 상기 도전성 분말은 86 내지 90 중량% 포함되고, 상기 유리 프릿은 1.5 내지 4.0 중량% 포함되고, 상기 유기 비히클은 7 내지 12.5 중량% 포함되는 것일 수 있다.
첨가제
상기 페이스트(paste) 조성물은, 첨가제를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 첨가제는, 필요에 따라, 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 페이스트 조성물 총량(100 중량%)에 대해, 상기 첨가제는 0.1 내지 5 중량% 포함되는 것일 수 있다.
무기 입자
한편, 상기 상기 페이스트(paste) 조성물은, 상기 유리 프릿(glass frit)과 별도로 무기 입자를 더 포함할 수 있다. 물론, 상기 유리 프릿(glass frit)과 별도의 무기 입자를 포함하지 않아도 무방하다.
다만, 상기 유리 프릿(glass frit)과 별도로 무기 입자를 포함할 경우, 상기 무기 입자는 산화탈륨(Tl2O3)을 포함할 수 있고, 상기 페이스트(paste) 조성물 총량 100 중량% 중 함량이 0.1 내지 0.3 중량%일 수 있다.
태양 전지의 전극
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 전술한 페이스트(paste) 조성물을 사용하여 형성된 태양 전지용 전극을 제공한다.
상기 전극은 전면 전극일 수 있고, 후면 전극이어도 무방하며, 전술한 유리 프릿 조성물 또는 이를 포함하는 페이스트 조성물을 사용하여 제조됨으로써, 태양 전지의 효율을 향상시키면서도 열 안정성을 확보할 수 있다.
전술한 유리 프릿 조성물 또는 이를 포함하는 페이스트 조성물에 관한 중복되는 설명은 생략하고, 상기 전극 및 그 형성 방법에 대해서는 이하의 설명에 따른다.
태양 전지
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 반도체 기판;을 포함하고, 전술한 전극이 상기 반도체 기판의 적어도 일면에 위치하는 태양 전지를 제공한다.도 1은, 상기 태양 전지의 단면도를 예시한 것이다.
이하, 도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다. 다만, 이며, 이는 단지 예시에 불과할 뿐, 상기 태양 전지가 도 1에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 설명의 편의 상 상기 반도체 기판(10)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 반도체 기판(10) 중 태양 에너지를 받는 면을 전면(front side)이라 하고, 상기 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지는 하부 반도체 층(10a) 및 상부 반도체 층(10b)을 포함하는 반도체 기판(10)을 포함한다.
상기 반도체 기판(10)은 반도체 물질로 만들어질 수 있다. 상기 반도체 물질은 구체적으로 결정질 규소 또는 화합물 반도체일 수 있고, 상기 결정질 규소로는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
이때, 상기 하부 반도체 층(10a) 및 상기 상부 반도체 층(10b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 예컨대, 상기 하부 반도체 층(10a)은 상기 p형 불순물로 도핑된 반도체 층이고, 상기 상부 반도체층(10b)은 상기 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이 때 상기 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, 상기 n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.
한편, 상기 반도체 기판(10)의 적어도 일면에는, 전극이 형성된다. 상기 전극은 전면 전극(20) 및 후면 전극(30)을 포함할 수 있으나, 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 반도체 기판(10)의 전면에는 반사방지막(12)이 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(12)은 태양 에너지를 받는 반도체 기판(10)의 전면에 형성되어 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시킬 수 있다. 또한 상기 반도체 기판(10)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
이에, 상기 반사방지막(12)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있다. 상기 반사방지막의 예를 들면, 질화규소(SiNx), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다.
상기 반사방지막(12)은 200 내지 1500Å의 두께를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반사방지막(12) 위에는, 복수의 전면 전극(20)이 형성될 수 있다. 상기 전면 전극(20)은 상기 반도체 기판(10)의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있을 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
이때, 상기 전면 전극(20)은 전술한 유리 프릿 조성물 또는 이를 포함하는 페이스트 조성물을 사용하여 형성될 수 있으며, 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 형성될 수 있다. 이때의 조성물에 포함된 도전성 분말은, 은(Ag) 등의 저저항 도전성 분말일 수 있다.
상기 전면 전극(21) 위에는 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 버스 바 전극은, 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이다.
상기 반도체 기판(10)의 하부에는 후면 전극(30)이 형성될 수 있다. 상기 후면 전극(30)은 역시, 전술한 유리 프릿 조성물 또는 이를 포함하는 페이스트 조성물을 사용하여, 스크린 인쇄 방법으로형성될 수 있다. 이때의 조성물에 포함된 도전성 분말은, 알루미늄(Al) 등과 같은 불투명 금속을 사용할 수 있다.
상기 구조를 가진 태양 전지는, 다음과 같은 과정에 따라 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저 반도체 기판(10)을 준비한다. 이때 사용되는 반도체 기판(10)으로는, 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있고, 여기에는 p형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
그 다음, 상기 반도체 기판(10)에 n형 불순물을 도핑한다. 여기서 n형 불순물은, POCl3, H3PO4 등을 고온에서 확산시킴으로써 도핑할 수 있다. 이에 따라, 상기 반도체 기판(10)은, 다른 불순물로 도핑된 하부 반도체 층(10a) 및 상부 반도체 층(10b)을 포함하게 될 수 있다.
이후, 상기 상부 반도체 층(10b) 위에 반사방지막(12)을 형성할 수 있다. 상기 반사방지막(12) 위에 전술한 유리 프릿 조성물 또는 이를 포함하는 페이스트 조성물을 도포한 뒤 건조하여, 전면 전극(20)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 조성물 내 유리 프릿이 용융되면서 상기 반사방지막(12)을 관통함에 따라, 상기 전면 전극(20)은 상기 상부 반도체 층(10b)과 접촉하게 된다.
그 다음, 상기 하부 반도체 층(10a) 위에도, 전술한 유리 프릿 조성물 또는 이를 포함하는 페이스트 조성물을 도포한 뒤 건조하여, 후면 전극(30)을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전면 전극(20) 및 상기 후면 전극(30) 형성 시, 각각의 조성물을 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 도포한 다음, 이를 소성하여 건조할 수 있다.
상기 소성은 소성로 내에서 수행될 수 있고, 상기 각각의 조성물 내 도전성 분말의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온시킬 수 있다. 예컨대, 상기 소성은 약 700 내지 900 ℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 산화납(PbO)이 배제된 유리 프릿 및 이를 포함하는 페이스트 조성물을 통해, 태양 전지의 효율 및 열 안정성을 개선할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들, 이에 대비되는 비교예들, 및 이들을 비교하여 평가한 평가예들을 기재한다. 그러나 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부일 뿐, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1 내지 17
(1) 유리
프릿의
제조
무중력 혼합기 내에서, 하기 표 1을 만족하는 각각의 조성으로 금속 산화물 분말을 혼합하였다. 이는, 모든 금속 산화물 분말이 완전히 혼합이 되도록, 충분한 시간을 두고 수행되었다.
이후, 혼합물을 백금 도가니에 투입하고, 950 내지 1,250℃의 온도에서 30 분(min) 동안 용융시켰다.
그 다음, 용융된 물질을 건식 및 습식 퀀칭(Quenching)을 통해 급냉시킨 후, 하기 표 2의 D50 입경을 각각 만족하도록 젯트 밀 및 파인 밀로 분쇄하였다. 이로써, 실시예 1 내지 17의 각 유리 프릿을 수득하였다.
(2)
페이스트
조성물의 제조
(1)에서 수득된 실시예 1 내지 17의 각 유리 프릿에 도전성 분말, 유기 비히클, 및 첨가제를 투입하고 혼합하여, 각각의 페이스트 조성물을 제조하였다.
구체적으로, 각각의 페이스트 조성물 총량(100 중량%)에 대해, 유리 프릿은 2.5 중량%, 도전성 분말은 88.5 중량%, 유기 비히클은 6.5 중량%, 첨가제는 2.5 중량%가 되도록 하였다.
이때, 상기 도전성 분말로는 은(Ag) 분말(D50 입경: 2.0 ㎛)을 사용하고, 상기 유기 비히클로는 유기 바인더인 에틸 셀룰로오스 및 유기 용매인 (2,2,4-트리메틸-모노이소부티레이트가 3:97의 중량비(기재 순서는, 유기 바인더: 유기 용매)로 혼합된 것을 사용하고, 상기 첨가제로는 요변제(CRAYVALLAC)및 분산제(Duomeen TDO)를 사용하였다.
(3) 태양 전지의 제작
전면 전극을 형성하기 전에, 반도체 기판의 일종인 실리콘 웨이퍼(면저항: 85 Ω/sq.)의 후면에, 알루미늄 페이스트 조성물을 도포한 후 건조하여 후면 전극을 형성하였다.
구체적으로, 상기 알루미늄 페이스트 조성물은, 상용 제품인 DSCP-A151(동진쎄미켐) 페이스트를 사용하여 인쇄-건조 한 후 전면 전극을 형성하였다. 상기 건조는, 적외선 건조로 내에서 130 ℃ 에서 4 분(min) 유지 후 냉각시키는 방법으로 수행되었다.
이후, (2)에서 제조된 실시예 1 내지 17의 각 페이스트 조성물을 사용하여, 각각의 전면 전극을 형성하였다.
구체적으로, 상기 후면 전극이 형성된 실리콘 웨이퍼 전면에, 상기 각각의 페이스트 조성물을 도포하였다. 상기 도포는, 일정한 패턴으로 스크린 프린팅 하여 인쇄하는 방법으로 수행되었다.
상기 후면 전극 및 상기 전면이 모두 형성된 상태에서, 벨트형 소성로를 사용하여 245 inch/min의 속도로 770℃까지 승온하여 소성을 하였다.
| 유리 프릿 성분 함량(중량%, 총량 100 중량% 기준) | ||||||||||
| TeO2 | Bi2O3 | Tl2O3 | SiO2 | Li2O | ZnO | WO3 | B2O3 | Al2O3 | MoO3 | |
| 청구범위 | 26~39 | 30~45 | 5~30 | 3~10 | 1~3 | 1~5 | 1~7.5 | 0.1~3 | 0.1~3.0 | 0.1~2 |
| 실시예-1 | 30.6 | 43.1 | 8.7 | 5.3 | 2.4 | 3.1 | 3.5 | 0.7 | 2.6 | |
| 실시예-2 | 29.3 | 43.5 | 8.8 | 5.9 | 2.4 | 3.2 | 3.5 | 0.7 | 2.6 | |
| 실시예-3 | 30.5 | 41.4 | 12.9 | 7.0 | 2.4 | 3.0 | 1.3 | 0.7 | 0.7 | |
| 실시예-4 | 32.9 | 44.7 | 5.7 | 5.9 | 1.4 | 4.5 | 2.0 | 0.7 | 0.7 | 1.5 |
| 실시예-5 | 32.9 | 38.2 | 18.5 | 5.1 | 1.4 | 1.2 | 1.2 | 0.7 | 0.7 | |
| 실시예-6 | 29.6 | 43.1 | 13.7 | 3.9 | 1.3 | 2.1 | 3.5 | 1.7 | 1.0 | |
| 실시예-7 | 31.7 | 35.2 | 16.8 | 4.9 | 1.4 | 1.3 | 5.5 | 1.7 | 1.6 | |
| 실시예-8 | 26.6 | 32.4 | 26.0 | 3.5 | 1.2 | 1.9 | 5.9 | 1.9 | 0.6 | |
| 실시예-9 | 35.2 | 43.9 | 6.9 | 6.0 | 1.4 | 2.2 | 1.1 | 0.7 | 2.6 | |
| 실시예-10 | 34.7 | 43.3 | 6.8 | 5.9 | 1.4 | 2.1 | 3.5 | 0.7 | 1.5 | |
| 실시예-11 | 33.0 | 39.9 | 7.2 | 8.1 | 1.5 | 2.2 | 2.6 | 2.7 | 2.7 | |
| 실시예-12 | 29.9 | 40.7 | 16.0 | 5.7 | 1.3 | 2.0 | 2.3 | 0.7 | 1.4 | |
| 실시예-13 | 28.8 | 42.0 | 13.0 | 9.3 | 1.4 | 2.1 | 1.4 | 0.7 | 1.5 | |
| 실시예-14 | 31.7 | 33.2 | 19.8 | 5.9 | 1.4 | 2.1 | 1.4 | 0.4 | 2.1 | 2.0 |
| 실시예-15 | 29.3 | 41.6 | 13.0 | 6.0 | 1.5 | 1.2 | 3.6 | 1.7 | 2.1 | |
| 실시예-16 | 36.4 | 34.9 | 17.8 | 3.5 | 1.6 | 1.4 | 1.8 | 1.8 | 0.8 | |
| 실시예-17 | 29.9 | 41.4 | 16.8 | 4.9 | 1.6 | 1.1 | 1.5 | 1.7 | 1.0 | |
| Max | 36.4 | 44.7 | 26.0 | 9.3 | 2.4 | 4.5 | 5.9 | 2.7 | 2.7 | 2.0 |
| Min | 26.6 | 32.4 | 5.7 | 3.5 | 1.2 | 1.1 | 1.1 | 0.4 | 0.6 | 1.5 |
| ([TeO2]+[Tl2O3])/[Bi2O3] | D50입경 (㎛) | |
| 청구범위 | 0.69~2.30 | (제한하지 않음) |
| 실시예-1 | 0.91 | 1.5 |
| 실시예-2 | 0.88 | 1.9 |
| 실시예-3 | 1.05 | 1.4 |
| 실시예-4 | 0.86 | 1.5 |
| 실시예-5 | 1.34 | 1.4 |
| 실시예-6 | 1.01 | 1.5 |
| 실시예-7 | 1.38 | 1.6 |
| 실시예-8 | 1.62 | 1.4 |
| 실시예-9 | 0.96 | 1.6 |
| 실시예-10 | 0.96 | 1.4 |
| 실시예-11 | 1.01 | 1.4 |
| 실시예-12 | 1.13 | 1.5 |
| 실시예-13 | 1.00 | 1.8 |
| 실시예-14 | 1.55 | 1.5 |
| 실시예-15 | 1.02 | 1.4 |
| 실시예-16 | 1.55 | 1.4 |
| 실시예-17 | 1.13 | 1.4 |
| Max | 1.62 | 1.9 |
| Min | 0.86 | 1.4 |
단, 표 2에서, [TeO2], [Tl2O3], 및 [Bi2O3]는 각각, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대한 상기 산화텔루륨(TeO2)의 함량(중량%), 상기 산화비스무스(Bi2O3)의 함량(중량%), 및 상기 산화탈륨(Tl2O3)의 함량(중량%)을 의미한다
비교예
1 내지 15
(1) 유리
프릿의
제조
하기 표 3 을 만족하는 각각의 조성으로 금속 산화물 분말을 혼합하였다. 이는, 모든 금속 산화물 분말이 완전히 혼합이 되도록, 충분한 시간을 두고 수행되었다.
이후, 혼합물을 백금 도가니에 투입하고, 950 내지 1,250℃의 온도에서 30 분(min) 동안 용융시켰다.
그 다음, 용융된 물질을 건식 및 습식 퀀칭(Quenching)을 통해 급냉시킨 후, 하기 표 4의 D50 입경을 각각 만족하도록 젯트 밀 및 파인 밀로 분쇄하였다. 이로써, 비교예 1 내지 15의 각 유리 프릿을 수득하였다.
(2)
페이스트
조성물의 제조
(1)에서 수득된 비교예 1 내지 15의 각 유리 프릿을 사용하여, 실시예와 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하였다.
(3) 태양 전지의 제작
(2)에서 제조된 비교예 1 내지 15의 각 페이스트 조성물을 사용하여, 실시예와 동일한 방법으로 전면 전극을 형성하고, 태양 전지를 제작하였다.
| 유리 프릿 성분 함량(중량%, 총량 100 중량% 기준) | ||||||||||
| TeO2 | Bi2O3 | Tl2O3 | SiO2 | Li2O | ZnO | WO3 | B2O3 | Al2O3 | MoO3 | |
| 비교예-1 | 24.3 | 53.2 | 5.9 | 1.3 | 2.0 | 8.5 | 0.7 | 0.7 | 3.6 | - |
| 비교예-2 | 19.2 | 49.0 | 5.3 | 2.2 | 1.8 | 8.0 | 0.6 | 0.6 | 13.3 | - |
| 비교예-3 | 29.1 | 44.0 | 8.5 | 2.4 | 3.2 | 9.0 | 3.1 | 0.7 | - | - |
| 비교예-4 | 28.3 | 44.7 | 12.8 | 4.5 | - | 6.1 | 0.7 | 0.7 | 2.1 | - |
| 비교예-5 | 31.6 | 51.5 | 10.2 | 1.5 | 2.3 | - | 0.8 | 0.8 | 1.3 | - |
| 비교예-6 | 34.5 | 13.2 | 7.9 | 1.3 | 2.0 | 5.5 | 0.7 | 0.7 | 34.2 | - |
| 비교예-7 | 18.2 | 19.5 | 7.3 | 1.2 | 1.8 | 5.1 | 0.6 | 0.6 | 45.6 | - |
| 비교예-8 | 56.7 | 19.7 | 8.6 | 0.4 | 2.2 | 6.0 | 0.7 | 0.7 | 5.0 | - |
| 비교예-9 | 42.1 | 21.6 | 6.0 | 0.5 | 2.2 | 6.0 | 0.7 | 0.7 | 20.1 | - |
| 비교예-10 | 37.6 | 20.3 | 6.7 | 0.5 | 2.2 | 6.1 | 0.7 | 0.7 | 25.1 | - |
| 비교예-11 | 24.2 | 53.0 | 5.7 | - | 2.1 | 3.4 | 0.7 | 1.4 | 9.5 | - |
| 비교예-12 | 26.7 | 45.0 | 10.2 | 1.4 | 5.1 | 5.3 | - | 2.6 | 3.7 | - |
| 비교예-13 | 25.1 | 53.0 | 2.9 | 0.4 | 4.5 | 3.4 | 0.7 | - | 10.0 | - |
| 비교예-14 | 23.9 | 49.8 | 5.8 | 1.4 | 2.1 | 5.9 | 0.7 | 0.7 | 9.7 | - |
| 비교예-15 | 26.1 | 52.0 | 5.7 | 1.4 | 2.1 | 3.4 | 0.7 | - | 8.6 | - |
| ([TeO2]+[Tl2O3])/[Bi2O3] | D50입경 (㎛) | |
| 비교예-1 | 0.52 | 1.7 |
| 비교예-2 | 0.66 | 1.6 |
| 비교예-3 | 0.66 | 1.7 |
| 비교예-4 | 0.68 | 1.9 |
| 비교예-5 | 0.64 | 2.0 |
| 비교예-6 | 5.19 | 1.6 |
| 비교예-7 | 3.27 | 1.5 |
| 비교예-8 | 3.13 | 1.7 |
| 비교예-9 | 2.88 | 1.7 |
| 비교예-10 | 3.09 | 1.6 |
| 비교예-11 | 0.64 | 1.5 |
| 비교예-12 | 0.68 | 1.7 |
| 비교예-13 | 0.66 | 1.5 |
| 비교예-14 | 0.67 | 1.6 |
| 비교예-15 | 0.67 | 1.5 |
단, 표 4에서, [TeO2], [Tl2O3], 및 [Bi2O3]는 각각, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대한 상기 산화텔루륨(TeO2)의 함량(중량%), 상기 산화비스무스(Bi2O3)의 함량(중량%), 및 상기 산화탈륨(Tl2O3)의 함량(중량%)을 의미한다
평가예
1: 접착력, 라인 비저항, 접촉 비저항, 및 효율 평가
실시예 1 내지 17, 및 비교예 1 내지 15에 대해, 접착력, 라인 비저항, 및 접촉 비저항을 평가하여, 각각의 평가 결과를 하기 표 5(실시예) 및 표 6(비교예)에 나타내었다. 이때, 구체적인 평가 조건은 다음과 같다.
접착력 : 태양 전지 전면 전극의 아일랜드 형(Island type) 버스 바(bus bar)에, 리본(폭 1.5 ㎜, 두께 0.2 ㎜)을 일직선으로 맞춘 후, 태빙(Tabbing) 기기를 사용하여 500℃의 뜨거운 공기(hot air)를 가하면서 본딩(bonding)을 실시하였다. 각 본딩(Bonding)된 웨이퍼에 대해, 만능재료시험기(NTS technology社)를 사용하여 박리 시험(peel test, 180도 조건)를 실시하였다. 이와 관련하여, 하기 표 5(실시예) 및 표 6(비교예)에 기록된 접착력은, 상기 박리 시험에서의 측정값의 최고점이다.
라인 비저항 : 길이 20000 ㎛ 및 폭 60 ㎛인 인쇄 제판에, 상기 각 은 분말이 포함된 전극 페이스트 조성물을 인쇄, 건조 및 소성한 후, 멀티미터(Tektronix DMM 4020 device)를 사용하여 라인 저항을 측정하였다. 이와 별도로, 레이저 현미경(laser microscope, KEYENCE VK-X100)을 사용하여, 면적을 측정하였다. 이후, 아래의 계산식 1에 각각의 측정값을 넣어 라인 비저항을 계산하고, 하기 표 5(실시예) 및 표 6(비교예)에 기록하였다.
[계산식 1] 라인 비저항=(저항x면적)/길이
접촉 저항 : 접촉 저항은 널리 알려진 방법 중 하나인 TLM (Transfer Length Method)을 이용하여 측정하였다. 구체적으로, 우선 상기 각 은 분말이 포함된 전극 페이스트 조성물을, 웨이퍼에 바(Bar) 패턴(L*Z, 500㎛*3000㎛)으로 인쇄한 후, 건조, 및 소성 공정을 진행한다. 이때, 접촉 저항 측정 시 간섭 현상을 억제하기 위하여, 레이저 에칭 기기(Laser Etching Machine, hardram社)으로 진동수(Frequency) 200㎑ 조건, 펄스 폭(Pulse Width) 50% 조건의 레이저(Laser)를 2회 조사하여, 바(Bar) 패턴의 테두리를 절연(isolation)하였다. 이 후에 멀티미터(Tektronix DMM 4020 device)로 저항을 측정하고 간격에 따른 저항의 기울기 및 절편을 측정하여 유효길이(Effective length, LT)를 구하였다. 또한 저항의 기울기와 패턴의 Z축 값을 계산식2에 넣어, 각 실리콘 웨이퍼 의 면저항(sheet resistance, ρs) 측정하였다. 접촉 비저항은 유효길이 및 면저항 값을 계산식3에 넣어 계산하고, 하기 표 5(실시예) 및 표 6(비교예)에 기록하였다.
[계산식 2] 
= 기울기 x Z
[계산식 3] 
효율(Efficiency): 실리콘 웨이퍼의 후면에 알루미늄 페이스트 조성물을 도포한 후 건조하여 후면 전극을 형성시킨 후 제조된 실시예 1 내지 17의 각 페이스트 조성물을 사용하여, 각각의 전면 전극을 일정한 패턴으로 인쇄하여 형성하였다. 후면 전극 및 상기 전면이 모두 형성된 상태에서 벨트형 소성로를 사용하여 770℃까지 승온하여 소성을 하였다. 이렇게 제조된 cell은 효율측정장비(HALM社, cetiwPV-celltest3)을 사용하여 측정하였다. 소성된 cell을 Jig에 장착한 후 암실에 Flash type 광을 입사시켜 효율(η)을 측정하였다. 효율은 입사된 에너지(Pinput)에 대한 출력 에너지 비로 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc) 및 FF의 곱을 입사된 에너지로 나누어서 효율을 계산한다.
| ρc (mohm ㆍ㎠) |
ρL (μΩ ㆍ㎝) |
Adhesion (N) |
Efficiency (%) |
|
| 청구범위 | 2이하 | 3이하 | 3이상 | 19.45이상 |
| 실시예-1 | 1.1 | 2.91 | 3.94 | 19.45 |
| 실시예-2 | 1.3 | 2.92 | 5.77 | 19.48 |
| 실시예-3 | 1.3 | 2.96 | 3.71 | 19.49 |
| 실시예-4 | 1.1 | 2.90 | 4.50 | 19.53 |
| 실시예-5 | 1.9 | 2.95 | 3.20 | 19.57 |
| 실시예-6 | 0.9 | 2.94 | 5.23 | 19.45 |
| 실시예-7 | 0.7 | 2.94 | 4.99 | 19.54 |
| 실시예-8 | 1.0 | 2.92 | 3.96 | 19.55 |
| 실시예-9 | 1.1 | 2.97 | 4.73 | 19.55 |
| 실시예-10 | 1.5 | 2.84 | 5.09 | 19.61 |
| 실시예-11 | 1.6 | 3.01 | 4.99 | 19.47 |
| 실시예-12 | 0.9 | 2.91 | 4.52 | 19.54 |
| 실시예-13 | 0.8 | 2.90 | 4.53 | 19.56 |
| 실시예-14 | 0.8 | 2.92 | 5.37 | 19.49 |
| 실시예-15 | 1.9 | 3.00 | 5.02 | 19.49 |
| 실시예-16 | 1.5 | 2.92 | 3.43 | 19.57 |
| 실시예-17 | 1.3 | 3.03 | 5.66 | 19.61 |
| Max | 1.9 | 3.0 | 5.8 | 19.61 |
| Min | 0.7 | 2.8 | 3.2 | 19.45 |
| ρc (mohm ㆍ㎠) |
ρL (μΩ ㆍ㎝) |
Adhesion (N) |
Efficiency (%) |
|
| 비교예-1 | 102.7 | 2.64 | 7.1 | 6.96 |
| 비교예-2 | 111.4 | 2.63 | 6.1 | 7.40 |
| 비교예-3 | 42.9 | 2.81 | 3.5 | 8.98 |
| 비교예-4 | 4.1 | 2.89 | 3.5 | 18.16 |
| 비교예-5 | 4.1 | 2.82 | 2.9 | 18.78 |
| 비교예-6 | 1.7 | 3.05 | 0.5 | 18.96 |
| 비교예-7 | 1.8 | 3.10 | 1.0 | 19.04 |
| 비교예-8 | 3.3 | 2.79 | 5.4 | 19.10 |
| 비교예-9 | 1.5 | 2.90 | 2.2 | 19.48 |
| 비교예-10 | 1.4 | 2.81 | 2.8 | 19.47 |
| 비교예-11 | 2.1 | 2.89 | 4.5 | 19.13 |
| 비교예-12 | 2.5 | 2.94 | 5.1 | 19.40 |
| 비교예-13 | 2.9 | 2.93 | 5.4 | 19.39 |
| 비교예-14 | 2.5 | 2.89 | 5.9 | 19.41 |
| 비교예-15 | 2.2 | 2.97 | 2.8 | 19.42 |
실시예들과 비교예들은 공통적으로, 산화납(PbO)이 배제된 유리 프릿을 기반으로 한다. 그러나, 상기 표 5(실시예) 및 표 6(비교예)에 따르면, 구체적인 유리 프릿 성분과 각 성분의 함량에 따라 접착성, 라인 비저항, 접촉 저항, 및 전지 효율이 달라지는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 상기 표 5(실시예) 및 표 6(비교예)에 따르면, 비교예 1 내지 15의 경우, 실시예 1 내지 17에 미치지 못하는 낮은 접착성이 나타나거나, 라인 비저항이 높거나, 접촉 저항이 높은 것으로 나타났다.
이와 달리, 실시예 1 내지 17의 경우, 모두 3 N을 초과하는 우수한 접착성이 나타나면서도, 3.0 uΩㆍ㎝ 이하의 낮은 라인 비저항 및 2 mΩㆍ㎠ 이하의 낮은 접촉 저항이 나타나는 것으로 나타났다.
이러한 결과는, 유리 프릿 조성의 차이에 기인한 것으로, 비교예 1 내지 15과 달리, 실시예 1 내지 17에서는 표 1의 조성을 만족함에 따라, 전극과 반도체 기판 사이의 접착성이 우수하게 나타나고, 이에 따라 라인 저항 및 접촉 저항이 낮아진 것을 의미한다.
나아가, 실시예 1 내지 17에서는 표 1의 조성을 만족함과 동시에, 표 2의 주요 성분 함량 관계 및 D50 입경을 만족함에 따라, 비교예 1 내지 15에 대비하여 더욱 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.
평가예
2: 유리 전이 온도 및 결정화 온도 평가
실시예 1 내지 17, 및 비교예 1 내지 15에 대해, 연화점 및 결정화 온도를 평가하여, 각각의 평가 결과를 하기 표 7(실시예) 및 표 8(비교예)에 나타내었다. 이때, 구체적인 평가 조건은 다음과 같다.
유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg ): 알루미늄 팬(pan)에 각 유리 파우더를 20mg 넣고, 시차주사열량계 (Differential Scanning Calorimeter, DSC, TA社)를 이용하여 10℃/min의 승온 속도로 580℃까지 온도를 증가시키면서 측정하였다. 측정 시 첫 번째 기울기가 변하는 구간의 접선을 구해서 Tg 온도를 측정 하였다.
결정화 온도 : 상기 전이점 측정시 사용된 것과 동일한 기기를 사용하고, 동일한 승온 속도 및 온도 조건을 부과하되, 측정 시 발열 반응이 끝나는 피크 점을 분석하여, Tc 온도를 측정하였다.
| 구분 | DSC | ||
| Tg | Tc1 | Tc2 | |
| 실시예-1 | 252.9 | 313.1 | - |
| 실시예-2 | 253.4 | 314.5 | - |
| 실시예-3 | 275.6 | 315.0 | 325.6 |
| 실시예-4 | 296.4 | 327.4 | 340.8 |
| 실시예-5 | 276.8 | 317.5 | 326.5 |
| 실시예-6 | 253.3 | 320.9 | 347.1 |
| 실시예-7 | 251.2 | 312.2 | |
| 실시예-8 | 248.2 | 309.6 | - |
| 실시예-9 | 287.1 | 310.4 | 329.8 |
| 실시예-10 | 284.5 | 330.0 | 342.2 |
| 실시예-11 | 276.5 | 341.3 | 326.6 |
| 실시예-12 | 251.8 | 319.8 | 359.8 |
| 실시예-13 | 258.1 | 298.8 | 315.6 |
| 실시예-14 | 250.1 | 308.0 | 355.8 |
| 실시예-15 | 251.8 | 319.5 | 346.5 |
| 실시예-16 | 246.9 | 337.2 | 345.0 |
| 실시예-17 | 248.0 | 285.2 | 298.5 |
| Max | 296.40 | 341.30 | 359.80 |
| Min | 246.90 | 285.20 | 298.50 |
| 구분 | DSC | ||
| Tg | Tc1 | Tc2 | |
| 비교예-1 | 329.6 | 362.3 | 401.0 |
| 비교예-2 | 253.0 | 295.3 | 330.0 |
| 비교예-3 | 318.3 | 359.8 | 389.2 |
| 비교예-4 | 276.1 | 339.6 | 367.8 |
| 비교예-5 | 306.6 | 350.4 | 361.1 |
| 비교예-6 | 226.8 | 235.8 | 289.3 |
| 비교예-7 | 251.8 | 210.3 | 278.3 |
| 비교예-8 | 310.6 | 342.1 | 367.4 |
| 비교예-9 | 247.5 | 309.2 | 358.5 |
| 비교예-10 | 257.7 | 328.8 | - |
| 비교예-11 | 266.4 | 341.5 | 370.2 |
| 비교예-12 | 304.1 | 349.1 | 357.9 |
| 비교예-13 | 300.1 | 352.4 | 358.5 |
| 비교예-14 | 298.8 | 329.3 | 348.4 |
| 비교예-15 | 295.2 | 341.6 | 347.7 |
상기 표 7(실시예) 및 표 8(비교예)에 따르면, 유리 프릿 조성의 차이에 기인한 것으로, 비교예 1 내지 15와 달리, 실시예 1 내지 17에서는 적정 연화점에서 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도하고, 우수한 열 안정성을 발현하는 효과가 있음을 의미한다.
실시예
18 내지 21
(1) 유리
프릿의
제조
실시예 10과 동일하게 유리 프릿을 제조하였다.
(2)
페이스트
조성물의 제조
(1)에서 실시예 10과 동일하게 제조된 유리 프릿에, 하기 표 9(실시예 18 내지21)와 같이 도전성 분말, 유기 비히클, 첨가제, 및 상기 유리 프릿과 별도의 무기 입자를 투입하고 혼합하여, 각각의 페이스트 조성물을 제조하였다.
상기 유리 프릿과 별도의 무기 입자로는, Tl2O3을 포함하고, 그 D50 입경이 0.8 ㎛인 것을 사용하였다.
이 외, 도전성 분말, 유기 비히클, 및 첨가제는 실시예 10과 동일한 것을 사용하였다.
(3) 태양 전지의 제작
(2)에서 제조된 각각의 페이스트 조성물을 사용하여, 실시예 10과 동일한 방법으로 태양 전지를 제작하였다.
비교예
16
(1) 유리
프릿의
제조
실시예 10과 동일하게 유리 프릿을 제조하였다.
(2)
페이스트
조성물의 제조
(1)에서 실시예 10과 동일하게 제조된 유리 프릿에, 하기 표 9(비교예 16)와 같이 도전성 분말, 유기 비히클, 첨가제, 및 상기 유리 프릿과 별도의 무기 입자를 투입하고 혼합하여, 각각의 페이스트 조성물을 제조하였다.
상기 유리 프릿과 별도의 무기 입자로는, Tl2O3을 포함하고, 그 D50 입경이 0.8 ㎛인 것을 사용하였다.
이 외, 도전성 분말, 유기 비히클, 및 첨가제는 실시예 10과 동일한 것을 사용하였다.
(3) 태양 전지의 제작
(2)에서 제조된 각각의 페이스트 조성물을 사용하여, 실시예 10과 동일한 방법으로 태양 전지를 제작하였다.
| 도전성 분말 | 유기 비히클 | 첨가제 | 유리 프릿 | 무기 입자 (Tl2O3) |
|
| 실시예-10 | 88.5 | 6.5 | 2.5 | 2.5 | - |
| 실시예-18 | 88.4 | 6.5 | 2.5 | 2.5 | 0.1 |
| 실시예-19 | 88.3 | 6.5 | 2.5 | 2.5 | 0.2 |
| 실시예-20 | 88.5 | 6.5 | 2.5 | 2.5 | 0.2 |
| 실시예-21 | 88.2 | 6.5 | 2.5 | 2.5 | 0.3 |
| 비교예-16 | 88.1 | 6.5 | 2.5 | 2.5 | 0.4 |
평가예
3 : 접착력, 라인 비저항, 접촉 비저항, 및 효율 평가
실시예 18 내지 21, 비교예 16, 및 실시예 10에 대해, 접착력, 라인 비저항, 및 접촉 비저항을 평가하여, 각각의 평가 결과를 하기 표 10에 나타내었다. 이때, 구체적인 평가 조건은 평가예 1과 같다.
| ρc (mohm ㆍ㎠) |
ρL (μΩ ㆍ㎝) |
Adhesion (N) |
Efficiency (%) |
|
| 실시예-10 | 1.5 | 2.84 | 5.09 | 19.61 |
| 실시예-18 | 1.4 | 2.93 | 5.18 | 19.62 |
| 실시예-19 | 1.2 | 2.95 | 5.22 | 19.64 |
| 실시예-20 | 1.4 | 2.89 | 4.80 | 19.64 |
| 실시예-21 | 1.3 | 3.00 | 4.65 | 19.62 |
| 비교예-16 | 1.5 | 3.10 | 4.30 | 19.55 |
표 10을 참고하면, 실시예 18 내지 21은 실시예 10에 대비하여 전지 효율이 상승하는 효과가 있고, 유리 프릿과 별도의 무기 입자가 포함된 페이스트 조성물을 사용함에 따른 효과로 볼 수 있다.
다만, 비교예 16은, 실시예 18 내지 21보다 과량의 무기 입자가 포함된 페이스트 조성물을 사용함에 따라, 오히려 전지 효율이 감소된 것으로 보인다.
이로써, 유리 프릿과 별도의 무기 입자를 사용하지 않더라도 상당한 전지 효율을 낼 수 있지만, 유리 프릿과 별도의 무기 입자를 적정량 사용할 경우 전지 효율을 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 반도체 기판
10a: 하부 반도체 층
10b: 상부 반도체 층
12: 반사방지막 20: 전면 전극 30: 후면 전극
12: 반사방지막 20: 전면 전극 30: 후면 전극
Claims (24)
- 총량(100 중량%)에 대해,
제1 금속 산화물인 산화텔루륨(TeO2)이 26 내지 39 중량% 포함되고,
제2 금속 산화물인 산화비스무스(Bi2O3)가 30 내지 45 중량% 포함되고,
제3 금속 산화물인 산화탈륨(Tl2O3)이 5 내지 30 중량% 포함되고,
잔부로는 상기 제1 내지 제3 금속 산화물과 상이한 유리 프릿 원료인 제4 금속 산화물이 포함되는,
텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿(glass frit)인 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 하기 식 1을 만족하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿:
[식 1]
0.69≤ ([TeO2]+[Tl2O3])/[Bi2O3] ≤2.30
상기 식 1에서, [TeO2], [Tl2O3], 및 [Bi2O3]는 각각, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대한 상기 산화텔루륨(TeO2)의 함량(중량%), 상기 산화비스무스(Bi2O3)의 함량(중량%), 및 상기 산화탈륨(Tl2O3)의 함량(중량%)을 의미한다.
- 제1항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제3항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은 산화규소(SiO2)가 포함된 것이고,
상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화규소(SiO2)가 3 내지 10 중량% 포함되고, 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제3항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은 산화리튬(Li2O)이 포함된 것이고,
상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화리튬(Li2O)이 1 내지 3 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3)중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제3항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은 산화아연(ZnO)이 포함된 것이고,
상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화아연(ZnO)이 1 내지 5 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화텅스텐(WO3), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3)중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제3항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은 산화텅스텐(WO3)이 포함된 것이고,
상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화텅스텐(WO3)이 1 내지 7.5 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화붕소(B2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3)중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제3항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은 산화붕소(B2O3)가 포함된 것이고,
상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화붕소(B2O3)가 0.1 내지 3 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제3항에 있어서,
상기 제4 금속 산화물은 산화알루미늄(Al2O3)이 포함된 것이고,
상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해, 상기 제4 금속 산화물의 산화알루미늄(Al2O3)이 0.1 내지 3.0 중량% 포함되고, 산화규소(SiO2), 산화리튬(Li2O), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3), 및 산화붕소(B2O3) 중 1종 이상의 유리 프릿 원료 물질이 잔부로 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은,
제5 금속 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)을 더 포함하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제10항에 있어서,
상기 제5 금속 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)은, 상기 유리 프릿 총량(100 중량%)에 대해 0.1 내지 2 중량% 포함된 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
산화몰리브덴(MoO3)
- 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 접촉 저항(Contact Resistivity, ρc)이 2 mohm ㆍ㎠ 이하(단, 0 mohm ㆍ㎠ 제외)인 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 프릿의 라인 비저항(Line Specific Resistivity, ρL)이 3 μΩ ㆍ㎝(단, 0 μΩ ㆍ㎝ 제외)인 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 접착력(Adhesion)이 3 N 이상인 것인,
태양 전지의 전극 형성용 유리 프릿.
- 유리 프릿(glass frit);
도전성 분말; 및
유기 비히클;을 포함하되,
상기 유리 프릿은, 총량(100 중량%)에 대해, 제1 금속 산화물인 산화텔루륨(TeO2)이 26 내지 39 중량% 포함되고, 제2 금속 산화물인 산화비스무스(Bi2O3)가 30 내지 45 중량% 포함되고, 제3 금속 산화물인 산화탈륨(Tl2O3)이 5 내지 30 중량% 포함되고, 잔부로는 상기 제1 내지 제3 금속 산화물과 상이한 유리 프릿 원료인 제4 금속 산화물이 포함된, 텔루륨(Te)-비스무스(Bi)-탈륨(Tl)계 유리 프릿인 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제15항에 있어서,
상기 도전성 분말은,
은(Ag) 분말, 은(Ag) 함유 합금 분말, 알루미늄(Al) 분말, 알루미늄(Al) 함유 합금 분말, 구리(Cu) 분말, 알루미늄(Al) 함유 합금 분말, 니켈(Ni) 분말, 및 니켈(Ni) 함유 합금 분말을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 도전성 분말을 포함하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제15항에 있어서,
상기 유기 비히클은,
유기 바인더 및 유기 용매를 포함하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제15항에 있어서,
분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제, 또는 이들의 조합인 첨가제를 더 포함하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제15항에 있어서,
무기 입자를 더 포함하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제19항에 있어서,
상기 무기 입자는 산화탈륨(Tl2O3)을 포함하는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제19항에 있어서,
상기 무기 입자는, 상기 페이스트(paste) 조성물 총량 100 중량% 중, 0.1 내지 0.3 중량% 포함되는 것인,
태양 전지의 전극 형성용 페이스트(paste) 조성물.
- 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항의 조성물을 사용하여 형성된 태양 전지용 전극.
- 반도체 기판; 및
상기 반도체 기판의 적어도 일면에 위치하고, 제22항에 따른 전극;을 포함하는,
태양 전지.
- 제23항에 있어서,
상기 태양 전지는, 효율(Efficiency)이 19.45 % 이상인 것인,
태양 전지.
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