KR20190068351A - 태양전지 셀 - Google Patents

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KR20190068351A
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김상진
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Abstract

본 발명의 태양전지 셀은 실리콘 기판 및 상기 실리콘 기판 상에 형성된 전극을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 단면에서 5㎛ 길이당 높이(h)가 50nm 이상인 요철이 5개 이상 형성되고, 상기 전극은 도전성 분말, 유기비히클 및 유리전이온도(Tg)가 150℃ 내지 450℃인 유리 프릿을 포함한다.

Description

태양전지 셀{SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 셀에 관한 것이다.
태양전지는 태양광의 포톤(photon)을 전기로 변환시키는 pn 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양전지는 pn 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상·하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어 있다. 태양전지는 반도체 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 pn 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다. 이러한 태양전지의 전극은 태양전지 전극 형성용 조성물의 도포, 패터닝 및 소성에 의해, 웨이퍼 표면에 형성될 수 있다.
태양전지에 입사되는 빛의 반사율을 낮추어 태양전지 효율을 높이기 위해 기판 표면을 텍스쳐링 처리 및/또는 반사방지막을 형성하는 방법을 적용하고 있으나, 반사 방지 효과가 미미하다.
또한, 텍스쳐링을 하는 경우 전극이 기판과의 접촉성이 저하될 수 있는 문제도 있다.
따라서, 태양전지에 입사되는 빛의 반사 방지 효과를 극대화 하면서도, 전극과 기판의 접촉성이 우수하여 저촉저항, 직렬저항, 단락전류 및 변환효율 등의 전기적 특성을 개선시키는 태양전지 셀이 필요한 실정이다.
이와 관련 선행기술은 일본공개특허공보 2012-084585호에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 반사율을 낮추어 변환효율을 개선시킬 수 있는 태양전지 셀을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극과 기판의 접촉성이 우수하여 저촉저항, 직렬저항, 단락전류 등의 전기적 특성이 우수한 태양전지 셀을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 관점은 태양전지 셀에 관한 것이다.
일 구체예에 따르면, 상기 태양전지 셀은 실리콘 기판 및 상기 실리콘 기판 상에 형성된 전극을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 단면에서 5㎛ 길이당 높이(h)가 50nm 이상인 요철이 5개 이상 형성되고, 상기 전극은 도전성 분말, 유기비히클 및 유리전이온도(Tg)가 150℃ 내지 450℃인 유리 프릿을 포함하는 전극 형성용 조성물로 형성된다.
상기 유리 프릿은 결정화 온도(Tc)가 300℃ 내지 650℃일 수 있다.
상기 유리 프릿은 녹는점(Tm)이 350℃ 내지 700℃일 수 있다.
상기 유리 프릿은 금속 산화물로부터 형성될 수 있고, 상기 금속 산화물은 텔루륨(Te), 리튬(Li), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 납(Pb), 나트륨(Na), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 붕소(B)에서 선택되는 하나 이상의 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 유리 프릿은 Bi-Te-O계 유리 프릿, Pb-Bi-O계 유리 프릿, Pb-Te-O계 유리 프릿, Te-B-O계 유리 프릿, Te-Ag-O계 유리 프릿, Pb-Si-O계 유리 프릿, Bi-Si-O계 유리 프릿, Te-Zn-O계 유리 프릿, Bi-B-O계 유리 프릿, Pb-B-O계 유리 프릿, Bi-Mo-O계 유리 프릿, Mo-B-O계 유리 프릿 및 Te-Si-O계 유리 프릿 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 유리 프릿은 입경이 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물은 상기 도전성 분말 60 내지 95중량%, 상기 유리 프릿 0.1 내지 20중량% 및 상기 유기 비히클 1 내지 30중량%를 포함할 수 있다.
상기 조성물은 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 반사율을 낮추어 변환효율을 개선시킬 수 있고, 전극과 기판의 접촉성이 우수하여 저촉저항, 직렬저항, 단락전류 등의 전기적 특성이 우수한 태양전지 셀을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지 셀을 간단히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 요철에 관한 정의를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 태양전지 셀의 요철 기준을 예로 든 전자 현미경 이미지이다.
도 4는 비교예 3(기존의 기판 표면)의 전자 현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기판 표면에 관한 전자 현미경 이미지이다.
이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
또한, 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 명세서에서, '금속 산화물'은 하나의 금속 산화물을 의미할 수도 있고, 복수의 금속 산화물을 지칭할 수도 있다.
또한, 본 명세서에 있어서, 범위를 나타내는 'X 내지 Y'는 'X 이상 Y 이하'를 의미한다.
본 명세서에서 '높이(h)가 50nm 이상인 요철'이란, 실리콘 기판의 단면에서 주위보다 높은 500nm 직경 이내의 부분인 돌출부로서 돌출부 양 끝단을 연결한 직선으로부터 수직으로 가장 높은 부분의 길이가 50nm 이상인 것을 의미(도 2 참조)한다. 도 3은 실제 실리콘 기판의 단면 이미지를 사용하여 요철을 정의한 것이다.
태양전지 셀
도 1을 참고하여 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지 셀을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지 셀의 구조를 간단히 도시한 것이다.
본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지 셀(100)은 실리콘 기판(10), 실리콘 기판(10) 상에 형성된 전극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 실리콘 기판(10)의 전면에 형성된 전면전극(23)을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 기판(10)은 pn접합이 형성된 기판일 수 있고, 실리콘 기판(10)의 후면에는 후면 전극(21)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 실리콘 기판(10)은 반도체 기판(11) 및 에미터(12)를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 실리콘 기판(10)은 p형 반도체 기판(11) 일면에 n형 도펀트를 도핑하여 n형 에미터(12)가 형성된 기판 수 있다. 또는, 실리콘 기판(10)은 n형 반도체 기판(11) 일면에 p형 도펀트를 도핑하여 p형 에미터(12)가 형성된 기판일 수도 있다. 이 때, 반도체 기판(11)은 p형 기판 또는 n형 기판 중 어느 하나를 의미한다. 상기 p형 기판은 p형 도펀트(dopant)로 도핑되는 반도체 기판(11)이고, n형 기판은 n형 도펀트로 도핑되는 반도체 기판(11)일 수 있다.
본 명세서에서, 실리콘 기판(10) 반도체 기판(11) 등을 설명함에 있어서, 광이 입사되는 측의 표면은 전면(수광면)이라 한다. 또한 상기 전면과 대향하는 측의 표면은 후면이라 한다.
일 구체예의, 반도체 기판(11)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있다. 이 때, 결정질 규소는 단결정 또는 다결정일 수 있다. 결정질 규소로는 예를 들면, 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
이러한 경우, p형 도펀트는 보론, 알루미늄, 갈륨과 같은 주기율표 Ⅲ족 원소를 포함하는 물질일 수 있다. 또한, n형 도펀트는 인, 비소, 안티몬과 같은 주기율표 V족 원소를 포함하는 물질일 수 있다.
실리콘 기판(10)의 표면에 형성되는 후면전극(21) 또는 전면전극(23)은 후술될 전극 형성용 조성물로 제조될 수 있다. 구체적으로, 전극은 전극 형성용 조성물을 기판에 인쇄하고, 소성하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지 셀(100)은 실리콘 기판(10) 및 상기 기판(10) 상에 형성된 전극을 포함하고, 상기 실리콘 기판은 단면에서 5㎛ 길이당 높이(h)가 50nm 이상인 요철이 5개 이상 형성되며, 구체적으로는 5개 내지 100개, 더욱 구체적으로 5개 내지 50개가 형성될 수 있다.
요철이 5개 이상 형성된 실리콘 기판은 기존 Si wafer 대비하여 표면의 러프니스(roughness)가 증가하여, 태양광의 반사율을 더욱 낮출 수 있고, 전극과 실리콘 기판의 접촉면적을 증가시켜 접촉저항(Rc) 및 단락전류(Isc)도 개선시킬 수 있다.
상기 실리콘 기판은 나노 텍스처(Nano texture, 요철)를 형성하기 위하여 크게 두 가지의 형성 방법이 있는데 이는 습식 에칭(Wet etching)과 건식 에칭(Dry etching)으로 나눌 수 있다. 대표적인 습식 에칭 방법으로는 MCCE(Metal Catalyzed Chemical Etching)가 있는데, SDR(Saw Damage Removal) 공정을 통하여 다이아몬드 절삭(Diamond Sawing) 공정 중에 발생한 Saw damage를 제거하고 MCCE 공정을 이용하여 나노 텍스처를 형성한다. MCCE는 질산은(AgNO3)를 이용하여 Si 표면을 점진적으로 깎아내고 그 부산물로 발생된 은 나노파티클을 제거시켜 완료하는 공정이다. 또한, 건식 에칭으로는 RIE(Reactive Ion Etching)의 공정을 이용하는 것인데, 상기의 SDR이 된 실리콘 웨이퍼를 Plasma를 이용하여 건식 에칭 하는 것이다. 이때 SF6/O2 gas가 사용되며, Mask로 사용되는 SiOF층의 제거가 필요하다.
본 발명에서는 상기 습식 에칭 방법을 통하여 실리콘 기판의 나노 텍스처 (요철 개수)를 조절한 것을 사용하였다.
다른 구체예에서, 본 발명의 태양전지는 실리콘 기판(10)의 전면에 방사방지막(미도시)를 포함할 수 있다. 또한 실리콘 기판(10)의 후면에는 후면전계층(40), 반사방지막(50), 및 후면전극(21)이 순차대로 형성될 수 있다. 이때, 실리콘 기판(10)에 형성되는 전면 전극(23) 또는 후면 전극(21)은 버스바(bus bar)의 패턴으로 형성될 수 있다.
이하, 설명 편의상 반도체 기판(11)이 p형 기판이라는 전제하에 본 발명 구체예의 각 구성을 설명한다. 그러나, 본 발명의 구체예는 이에 제한되지 않고, 반도체 기판(11)이 p형 기판인 경우도 포함한다.
p형 기판(11) 일면에는 n형 도펀트를 도핑하여 형성된 n형 에미터(12)가 형성되어 pn접합을 이룬다. 이 때, pn접합은 반도체 기판과 에미터의 계면에 형성될 수 있다. pn접합을 통해 생성된 전자는 전면전극(23)에서 수집될 수 있다.
실리콘 기판(10)의 전면에는 텍스쳐링(texturing) 구조가 형성될 수 있다. 텍스쳐링 구조는 기판(10)의 전면 측 표면을 에칭(etching) 등의 공지 기술을 이용하여 표면 처리함으로써 형성될 수 있다. 텍스쳐링 구조는 기판의 전면을 통하여 입사되는 광을 모아주는 기능을 한다. 텍스쳐링 구조는 피라미드 모양, 정사각형 벌집모양, 삼각형 벌집모양 등이 될 수 있다. 이러한 경우, pn접합까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있으며 광의 반사율을 낮추고 광 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실리콘 기판은 텍스쳐링 구조를 형성한 후에도, 요철을 형성시킴으로써, 태양광의 반사율을 더욱 낮출 수 있고, 접촉저항(Rc) 및 단락전류(Isc)을 더욱 개선시킬 수 있다.
상기 p형 기판 후면에는 후면전계(back surface field, BSF) 효과를 유도할 수 있는 후면전계층(BSF layer, back surface field layer)(40)이 형성될 수 있다.
후면전계층(40)은 p형 반도체 기판(11) 후면에 p형 도펀트를 고농도로 도핑하여 추가로 형성된 층을 의미한다. 후면전계층(40)은 p형 반도체 기판(11)보다 고농도로 도핑되기 때문에, 후면전계층(40)과 p형 반도체 기판(11)의 사이에 전위차가 생긴다. 이러한 경우, p형 반도체 기판(11) 내부에서 발생한 전자가 후면 쪽으로 이동하여 금속과 재결합하는 것을 방지할 수 있고, 그 결과, 전자 손실률이 낮아진다. 이를 통해, 개방전압(open-circuit voltage, Voc)이 상승되고 동시에 Fill Factor가 향상되어, 태양전지의 효율 향상 시킬 수 있다.
또한, n형 에미터(12)의 상부 또는 후면전계층(140) 하부에는 제1 반사방지막(미도시) 및/또는 제2 반사방지막(50)이 각각 형성될 수 있다.
제1 및 제2 반사방지막은 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장의 흡수율을 증가시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 반사방지막은 실리콘 기판(10)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 반사방지막은 빛을 적게 반사하고 절연성이 있는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 반사방지막은 표면에 요철구조가 형성되거나, 또는 기판에 형성된 텍스쳐링과 동일한 형태를 가질 수 있다. 이러한 경우, 입사광의 반사손실을 줄일 수 있다.
제1 및 제2 반사방지막은 예를 들면, 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2 또는 TiO4), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물; 질화알루미늄(AlN), 질화규소(SiNx), 질화티타늄(TiN) 또는 이들의 조합을 포함하는 질화물; 산질화알루미늄(AlON), 산질화규소(SiON), 산질화티타늄(TiON) 또는 이들의 조합을 포함하는 산질화물; 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 반사방지효율이 더욱 우수하다.
반사방지막의 형성 방법은 예를 들면, 원자층증착(ALD), 진공증착, 상압 화학 기상 증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법 등일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 반사방지막은 질화규소(SiNx) 등을 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)하여 형성될 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 반사방지막은 산화알루미늄(Al2O3) 등을 ALD(atomic layer deposition)하여 형성될 수 있다.
일 구체예에서, 제1 반사방지막은 실리콘 기판(10)의 전면에 형성될 수 있고, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다.
또한, 다른 구체예에서 p형 반도체 기판(11) 후면에 보론이 도핑되어, 후면전계층 형성된 경우에는, 후면전계층 하부에 제2반사방지막(50)이 추가로 형성될 수 있다. 제2반사방지막(50)의 형성에 의하여 개방전압을 보다 더 향상시킬 수 있다.
반사방지막의 형성 후에는, 상기 n형 에미터층(12)과 통전하는 전면전극(23) 및 상기 p형 기판(11)과 통전하는 후면전극(21)이 형성될 수 있다. 전면전극(23)에는 n형 에미터에서 수집된 전자가 흐를 수 있다. 후면전극(21)은 p형 기판과 통전하여, 전류가 흐르는 통로가 된다.
일 구체예의 전면 전극(23) 및 후면 전극(21)은 전극 형성용 조성물에 의해 제조될 수 있다.
예로서, 전극 형성용 조성물은 pn접합 기판의 후면에 인쇄 도포될 수 있다. 이 후, 대략 200℃ 내지 약 400℃ 온도로 대략 10 내지 약 60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다. 또한, pn접합 기판의 전면에 전극 형성용 조성물을 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 후에, 약 400℃ 내지 약 950℃, 예를 들면, 약 750℃ 내지 약 950℃에서 약 30초 내지 약 180초 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
특히, 본 발명 일 구체예의 전면 전극 또는 후면 전극은 후술하는 전극 형성용 조성물로 제조됨으로써, 요철을 포함하는 실리콘 기판임에도 전극과 실리콘 기판의 접촉성이 우수하여 저촉저항, 직렬저항 등의 전기적 특성을 더욱 개선시킬 수 있다.
전극 형성용 조성물
본 발명의 전극 형성용 조성물은 도전성 분말, 유기비히클 및 유리전이온도(Tg)가 150℃ 내지 450℃인 유리 프릿을 포함한다.
이하, 각 성분들을 자세히 설명한다.
도전성 분말
본 발명의 전극 형성용 조성물은 도전성 분말로서 은(Ag) 분말을 사용할 수 있다. 상기 은 분말은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 분말일 수 있다. 예를 들어, 은 분말은 수십 내지 수백 나노미터 크기, 수 내지 수십 마이크로미터의 크기일 수 있다. 또한, 은 분말은 2 이상의 서로 다른 사이즈를 갖는 은 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
은 분말의 입자 형상은 예를 들면, 구형, 판상, 무정형 형상 등일 수 있다
상기 평균입경은 이소프로필알코올(IPA)에 도전성 분말을 초음파로 25℃에서 3분 동안 분산시킨 후 CILAS社의 입도분석기 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다. 은 분말은 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 약 60중량% 내지 약 95 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 저항을 낮추어 변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 페이스트화가 유리하다. 구체적으로, 은 분말은 전극 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 60중량% 내지 95중량%로 포함될 수 있다. 도전성 분말의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 태양전지의 변화 효율이 우수하게 나타나며, 페이스트화가 원활하게 이루어질 수 있다.
유리 프릿
유리 프릿(glass frit)은 전극 형성용 조성물의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 도전성 분말을 용융시켜 에미터 영역에 금속 결정 입자를 생성시키기 위한 것이다. 또한, 유리 프릿은 도전성 분말과 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키고 소결 시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
본 발명의 전극 형성 조성물에 포함되는 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 150℃ 내지 450℃, 구체적으로 180℃ 내지 400℃일 수 있다. 상기 유리전이온도 범위에서, 조성물은 요철이 형성된 실리콘 기판에 잘 충진되고, 접촉성이 우수하며, 이로써 저촉저항, 직렬저항 등의 전기적 특성을 더욱 개선되는 장점이 있다. 특히, 상기 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 150℃ 미만이면 조성물이 퍼져 전극 형성이 어렵고, 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 450℃ 초과하면 조성물이 요철 내에 충분히 침투하지 못해 접촉성이 낮아져, 전기적 특성이 저하된다.
상기 유리 프릿은 결정화 온도(Tc)가 300℃ 내지 650℃, 구체적으로 300℃ 내지 600℃일 수 있다. 또한, 상기 유리 프릿은 녹는점(Tm)이 350℃ 내지 700℃, 구체적으로 350℃ 내지 650℃일 수 있다. 상기 Tc 및 Tm 범위에서, 조성물로 형성된 전극과 실리콘 기판의 접촉성이 더욱 우수하다.
상기 유리 프릿은 텔루륨(Te), 리튬(Li), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 납(Pb), 나트륨(Na), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 붕소(B) 중 하나 이상의 원소를 포함할 수 있으며, 상기 유리 프릿은 상기 원소의 금속산화물로부터 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 유리 프릿은 Bi-Te-O계 유리 프릿, Pb-Bi-O계 유리 프릿, Pb-Te-O계 유리 프릿, Te-B-O계 유리 프릿, Te-Ag-O계 유리 프릿, Pb-Si-O계 유리 프릿, Bi-Si-O계 유리 프릿, Te-Zn-O계 유리 프릿, Bi-B-O계 유리 프릿, Pb-B-O계 유리 프릿, Bi-Mo-O계 유리 프릿, Mo-B-O계 유리 프릿 및 Te-Si-O계 유리 프릿 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 경우, 태양전지 전극의 전기적 특성의 밸런스가 우수한 장점이 있다.
상기 유리 프릿은 당해 기술 분야에서 사용되는 통상의 방법으로 제조될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 유리 프릿은 상기 기술된 조성을 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetary mill) 등을 사용하여 혼합한 후, 혼합된 조성물을 900℃ 내지 1300℃의 조건에서 용융시키고, 25℃에서 ?칭(quenching)한 다음, 얻은 결과물을 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등에 의해 분쇄하여 얻을 수 있다. 상기 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 사용할 수 있다.
한편, 상기 유리 프릿은 태양전지 전극 형성용 조성물 중 0.1 내지 20 중량%, 구체적으로 0.5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 함유되는 경우, 다양한 면저항 하에서 pn 접합 안정성을 확보할 수 있고 저항을 최소화시킬 수 있으며, 종국적으로 태양전지의 효율을 개선할 수 있다.
유기 비히클
유기비히클은 태양전지 전극 형성용 조성물의 무기성분과 기계적 혼합을 통하여 조성물에 인쇄에 적합한 점도 및 유변학적 특성을 부여한다.
상기 유기비히클은 통상적으로 태양전지 전극 형성용 조성물에 사용되는 유기비히클이 사용될 수 있는데, 통상 바인더 수지와 용매 등을 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지로는 아크릴레이트계 또는 셀룰로오스계 수지 등을 사용할 수 있으며 에틸 셀룰로오스가 일반적으로 사용되는 수지이다. 그러나, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 알키드 수지, 페놀계 수지, 아크릴산 에스테르계 수지, 크실렌계 수지, 폴리부텐계 수지, 폴리에스테르계 수지, 요소계 수지, 멜라민계 수지, 초산비닐계 수지, 목재 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트 등을 사용할 수도 있다.
상기 용매로는 예를 들어, 헥산, 톨루엔, 에틸셀로솔브, 시클로헥사논, 부틸셀로솔브, 부틸 카비톨(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르), 디부틸 카비톨(디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르), 부틸 카비톨 아세테이트(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트), 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 헥실렌 글리콜, 터핀올(Terpineol), 메틸에틸케톤, 벤질알콜, 감마부티로락톤 또는 에틸락테이트 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 유기비히클은 전극 형성용 조성물 중 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 충분한 접착강도와 우수한 인쇄성을 확보할 수 있다.
첨가제
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 상기에서 기술한 구성 요소 외에 유동 특성, 공정 특성 및 안정성을 향상시키기 위하여 필요에 따라 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이들은 태양전지 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있지만 필요에 따라 함량을 변경할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1
유기 바인더로서 에틸셀룰로오스 (Dow chemical company, STD4) 1.6 중량%를 용매인 부틸 카비톨 (Butyl Carbitol) 5.1 중량%에 60℃에서 충분히 용해한 후 평균입경이 2.0㎛인 구형의 은 분말(Dowa Hightech CO. LTD, AG-4-8) 88.9 중량%, 평균 입경이 1.0㎛인 Pb-Te-O계 유리 프릿(Tg: 275℃, Tc: 410℃, Tm: 530℃) 3.1 중량%, 기타 첨가제로서 분산제(BYK-chemie, BYK-102) 0.5 중량% 및 요변제(Elementis Co., Thixatrol ST) 0.8 중량%를 투입하여 골고루 믹싱 후 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
상기 조성물을 기 표 1과 같이 실리콘 기판 요철 개수(평균)가 9개인 실리콘 기판 전면에 일정한 패턴으로 스크린 프린팅 하여 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 600℃ 내지 900℃ 사이로 60초에서 210초간 소성을 수행하여 태양전지 셀을 제조하였다.
실시예 2 내지 6 및 비교예 1 내지 4
실리콘 기판 및 유리프릿을 하기 표 1과 같이 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 셀을 제조하였다.
실리콘 기판 요철 개수(평균) 유리 프릿
실시예 1 9 Pb-Te-O계 유리 프릿
(Tg: 241℃, Tc: 410℃, Tm: 485℃)
실시예 2 14 Te-Ag-O계 유리 프릿
(Tg: 175℃, Tc: 267℃, Tm: 395℃)
실시예 3 19 Mo-B-O계 유리 프릿
(Tg: 445℃, Tc: 505℃, Tm: 668℃)
실시예 4 5 Pb-Si-O계 유리 프릿
(Tg: 271℃, Tc: 420℃, Tm: 630℃)
실시예 5 17 Pb-Te-O계 유리 프릿
(Tg: 246℃, Tc: 395℃, Tm: 565℃)
실시예 6 23 Bi-Te-O계 유리 프릿
(Tg: 296℃, Tc: 419℃, Tm: 611℃)
비교예 1 11 Te-Ag-O계 유리 프릿
(Tg: 146℃, Tc: 327℃, Tm: 441℃)
비교예 2 16 Bi-Mo-O계 유리 프릿
(Tg: 490℃, Tc: 523℃, Tm: 710℃)
비교예 3 2 Pb-Te-O계 유리 프릿
(Tg: 263℃, Tc: 330℃, Tm: 621℃)
비교예 4 0 Pb-Te-O계 유리 프릿
(Tg: 263℃, Tc: 330℃, Tm: 621℃)
물성 측정 방법
(1) 요철 개수(개): 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 셀 단면의 전자현미경 이미지를 사용하여, 5㎛ 길이당 높이(h)가 50nm 이상인 요철 개수를 측정하는 것을 10회 수행하고 이의 평균을 상기 표 1에 나타내었다.
(2) 직렬저항(Rs, Ω), Fill Factor(%) 및 Efficiency(%): 상기 실시예 및 비교예 에서 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물을 Wafer의 전면에 일정한 패턴으로 스크린 프린팅 하여 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 알루미늄 페이스트를 후면 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 400℃ 내지 900℃ 사이로 30초에서 180초간 소성을 행하였으며, 이렇게 제조 완료된 Cell은 태양전지효율측정장비 (Pasan社, CT-801)를 사용하여 태양전지의 직렬저항(Rs, mΩ), Fill Factor (FF, %), 변환효율(Eff., %)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
직렬저항
(Ω)		 FF
(%)		 Eff.
(%)
실시예 1 0.002471 78.85 18.19
실시예 2 0.002962 78.39 18.10
실시예 3 0.003078 78.20 18.03
실시예 4 0.002887 78.43 18.11
실시예 5 0.002349 78.99 18.23
실시예 6 0.002455 78.89 18.20
비교예 1 0.003465 77.56 17.74
비교예 2 0.003381 77.28 17.64
비교예 3 0.004073 77.03 17.45
비교예 4 0.018874 55.89 14.18
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 요철 개수 및 유리 프릿의 유리전이온도가 본 발명 범위 내인 실시예 1 내지 6은 Rs가 우수하여 높은 FF와 Eff.를 구현하는 것을 알 수 있다.
반면에, 유리 프릿의 유리전이온도가 본 발명 범위에 미치지 못하는 비교예 1은 Si와 Ag 전극 사이에 절연체인 유리층이 두껍게 형성되어 높은 Rs를 나타내었고, 유리 프릿의 유리전이온도가 본 발명 범위를 초과하는 비교예 2는 유리의 유동성이 떨어져 ARC etching 능력이 감소되어 높은 Rs를 나타내었다.
실리콘 기판의 요철이 본 발명 범위를 벗어나는 비교예 3 내지 4는 Texture의 요철 수가 너무 적어 높은 Rs로 인해 Eff.가 저하되는 것을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 이해해야 한다.
10: 기판
11: 반도체 기판
12: 에미터
21: 후면전극
23: 전면전극

Claims (8)

  1. 실리콘 기판 및 상기 실리콘 기판 상에 형성된 전극을 포함하고,
    상기 실리콘 기판은 단면에서 5㎛ 길이당 높이(h)가 50nm 이상인 요철이 5개 이상 형성되고,
    상기 전극은 도전성 분말, 유기비히클 및 유리전이온도(Tg)가 150℃ 내지 450℃인 유리 프릿을 포함하는 전극 형성용 조성물로 형성되는 태양전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 결정화 온도(Tc)가 300℃ 내지 650℃인 태양전지 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 녹는점(Tm)이 350℃ 내지 700℃인 태양전지 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 금속 산화물로부터 형성될 수 있고, 상기 금속 산화물은 텔루륨(Te), 리튬(Li), 아연(Zn), 비스무스(Bi), 납(Pb), 나트륨(Na), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 붕소(B)에서 선택되는 하나 이상의 금속 원소를 포함하는 것인 태양전지 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 Bi-Te-O계 유리 프릿, Pb-Bi-O계 유리 프릿, Pb-Te-O계 유리 프릿, Te-B-O계 유리 프릿, Te-Ag-O계 유리 프릿, Pb-Si-O계 유리 프릿, Bi-Si-O계 유리 프릿, Te-Zn-O계 유리 프릿, Bi-B-O계 유리 프릿, Pb-B-O계 유리 프릿, Bi-Mo-O계 유리 프릿, Mo-B-O계 유리 프릿 및 Te-Si-O계 유리 프릿 중 하나 이상을 포함하는 태양전지 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 입경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 태양전지 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 분말 60 내지 95중량%;
    상기 유리 프릿 0.1 내지 20중량%; 및
    상기 유기 비히클 1 내지 30중량%;를 포함하는 태양전지 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제 중 하나 이상을 더 포함하는 것인 태양전지 셀.

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