KR20210086184A - 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물 및 이를 사용하여 제조된 전극을 포함하는 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트로서, 금속 분말, 유리 프릿, 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트로서, 상기 유리 프릿은 납(Pb) 및 텔루륨(Te)을 포함하고, 안티몬(Sb)의 산화물을 더욱 포함되되, 상기 도전성 페이스트의 총 중량을 기준으로 상기 유리 프릿은 PbO의 함량이 21 mole% 내지 29 mole% 포함하고, TeO2의 함량이 34 mole% 내지 38 mole% 포함하고, 안티몬(Sb) 산화물의 함량이 2 mole% 내지 5 mole% 포함되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전극용 도전성 페이스트로서, 접촉 저항을 줄이고, 개방전압을 높여 태양전지의 변환효율을 향상시키는 동시에 부착 특성 또한 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물 및 이를 사용하여 제조된 전극을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
태양 전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 반도체 소자로서 일반적으로 p-n 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 도 1은 일반적인 태양전지 소자의 구조로서, 태양 전지 소자는 일반적으로 두께가 180~250㎛인 p형 실리콘 반도체 기판(10)을 이용하여 구성된다. 실리콘 반도체 기판의 수광면측에는, 두께가 0.3~0.6㎛인 n형 불순물층(20)과, 그 위에 반사 방지막(30)과 전면 전극(100)이 형성되어 있다. 또한, p형 실리콘 반도체 기판의 이면측에는 배면 전극(50)이 형성되어 있다.
전면 전극(100)은 은을 주성분으로 하는 도전성 입자(silver powder), 유리 프릿(glass frit), 유기 비히클(organic vehicle), 및 첨가제 등을 혼합한 도전성 페이스트를 반사 방지막(30) 상에 도포한 후 소성하여 전극을 형성하고 있으며, 배면 전극(50)은 알루미늄 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 및 첨가제로 이루어지는 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고 건조한 후, 660℃(알루미늄의 융점) 이상의 온도에서 소성함으로써 형성되어 있다. 이 소성시에 알루미늄이 p형 실리콘 반도체 기판의 내부로 확산됨으로써, 배면 전극과 p형 실리콘 반도체 기판 사이에 Al-Si 합금층이 형성됨과 동시에, 알루미늄 원자의 확산에 의한 불순물층으로서 p+층(40)이 형성된다. 이러한 p+층의 존재에 의해 전자의 재결합을 방지하고, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 BSF(Back Surface Field) 효과가 얻어진다. 배면 알루미늄 전극(50) 하부에는 배면 실버 전극(60)이 더 위치될 수 있다.
실리콘 웨이퍼 양면에 금속전극을 형성하는 공정은 스크린 프린트 방식으로 금속 분말 및 유리 프릿 등을 포함하는 페이스트를 인쇄(print)한 후 건조(dry) 및 소성(firing) 공정을 통해 전극을 형성하는 공정이 현재 결정질 태양전지 양산라인에서 가장 많이 쓰이고 있으며, 고온의 소결 과정을 거치면서 태양전지의 특성을 이루게 된다. 특히 전면 전극의 경우 750℃ 이상의 고온 소결 과정에서 유기 비히클 등 유기물의 번 아웃(burn out), 도전성 입자, 유리 프릿 등 무기물의 용융, 팽창, 수축 거동을 거치며 접촉 저항 형성 및 수광 면적 확보에 따른 단락전류(Isc) 형성이 이루어진다.
한편, 소성 시 전면 전극에서는 반사 방지막이 유리 프릿 분말의 산화 환원 반응을 통하여 침식되고, 유리 프릿 분말 내의 도전성 분말 결정이 기판 계면에 석출되는 형태로 도전성 금속 결정립이 석출되고 상기 석출된 금속 결정립이 벌크 전면 전극과 실리콘 기판의 가교 역할을 할뿐만 아니라, 유리 프릿 분말의 두께에 따라 터널링 효과 또는 벌크 전극과의 직접적인 접착에 의한 접촉을 나타내는 것으로 알려져 있다.
종래에는 전극과 고면저항(100 Ω/sq 이상) 웨이퍼와의 접촉(contact) 저항을 개선하기 위하여 유리 플릿에 Pb-Te계(PbO, TeO2) 성분을 포함시켜 구성하는 방법을 사용하였으나, 이 경우에도 고면저항(100 Ω/sq 이상) cell에서 개방전압(Open-Circuit Volt, VOC)이 감소되고, 솔더링(Soldering)이 불리하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 Pe-Te계 유리 플릿을 기본으로 하고, 여기 청징제로 안티몬(Sb) 산화물을 첨가하여 낮은 직렬저항(SeriesResistance, Rs)을 유지하면서 개방전압(Open-Circuit Volt, VOC)가 상승되는 전기적 특성 및 솔더링(Soldering)이 좋아지는 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 태양전지 적극용 도전성 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 일실시예로, 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트로서, 상기 유리 프릿은 납(Pb) 및 텔루륨(Te)을 포함하고, 상기 유리 프릿은 안티몬(Sb)의 산화물을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다.
또한, 언급되지 않은 또 다른 수단들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에서는 태양전지 전극용 전면 도전성 페이스트의 Pb-Te계 유리 프릿에 안티몬(Sb) 산화물을 첨가하여 우수한 접촉 저항 특성을 유지하고, 태양 전지 firing 공정에서 발생하는 전면 전극의 wafer에 대한 소성 데미지를 감소시켜 Voc 특성을 개선할 수 있다. 또한 종래의 Pb-Te계 유리 플릿의 단점인 soldering 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지 소자의 개략 단면도를 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 페이스트는 태양전지 전극 형성에 사용되기 적합한 페이스트로서, Pb-Te 계 유리 프릿에 안티몬(Sb) 산화물을 첨가하여 우수한 접촉 저항 특성을 유지하고, 태양 전지 firing 공정에서 발생하는 전면 전극의 wafer에 대한 소성 데미지를 감소시켜 Voc 특성을 개선할 수 있으며, soldering 특성을 향상시킬 수 있는 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물을 제공한다. 더욱 구체적으로 도전성 페이스트 조성물은 금속분말, 유리 프릿, 금속 산화물, 유기 비히클 등을 포함할 수 있다. 이외에도 다양한 첨가제가 포함될 수 있다.
상기 금속 분말로는 은 분말, 구리 분말, 니켈 분말, 알루미늄 분말 등이 사용될 수 있는데, 전면 전극용의 경우 은 분말이 주로 사용되며, 배면 전극용은 주로 알루미늄 분말이 사용된다. 금속 분말은 상술한 분말 중 하나가 단독으로 사용되거나, 상술한 금속의 합금이 사용되거나, 상술한 분말 중 적어도 두 개가 혼합된 혼합 분말로 사용될 수 있다.
금속 분말의 함량은 인쇄 시 형성되는 전극 두께 및 전극의 선저항을 고려할 때 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 40 내지 95 중량%가 바람직하다. 40 중량% 미만인 경우 형성된 전극의 비저항이 높을 수 있으며, 95 중량% 초과인 경우 다른 성분의 함량이 충분하지 않아 금속 분말이 균일하게 분산되지 않는 문제점이 있다. 더욱 바람직하게는 80 내지 90 중량%로 포함되는 것이 좋다.
태양전지의 전면 전극 형성을 위하여 도전성 페이스트가 은 분말을 포함하는 경우 은 분말은 순은 분말이 바람직하며, 이외에 적어도 표면이 은 층(silver layer)으로 이루어지는 은 피복 복합 분말이나, 은을 주성분으로 하는 합금(alloy) 등을 사용할 수 있다. 또한, 다른 금속 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 예를 들면 알루미늄, 금, 팔라듐, 동, 니켈 등을 들 수 있다.
금속 분말의 평균 입경(D50)은 0.1 내지 10㎛ 일 수 있으며, 페이스트화 용이성 및 소성시 치밀도를 고려할 때 0.5 내지 5㎛가 바람직하며, 그 형상이 구상, 침상, 판상 그리고 무정상 중 적어도 1종 이상일 수 있다. 금속 분말은 평균 입자지름이나 입도 분포, 형상 등이 다른 2종 이상의 분말을 혼합하여 이용해도 좋다.
상기 유리 프릿은 고온 소결 시 용융되어 금속 분말의 치밀화를 유도할 뿐만 아니라 반사 방지막과 계면 반응을 일으켜 반사 방지막을 에칭하여 도전성 금속을 기판에 고착시키는 역할을 하게 되는데, 이는 산화-환원 반응으로서 일부 원소가 환원되어 부산물로 생성된다.
일반적으로 유리 프릿들은 각각은 PbO, TeO2, Bi2O3, SiO2 , B2O3, Al2O3, ZnO, WO3, Sb2O3 , 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물 중 적어도 2종 이상을 포함될 수 있다. 또한, 금속 산화물을 더 포함할 수 있고, 상기 금속 산화물은 NiO, CuO, MgO, CaO, RuO 및 MoO 중에서 선택된 1종 이상을 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유리 프릿은 안티몬(Sb) 산화물을 포함하여 접촉(contact) 저항을 낮추는데 우수한 Pb-Te 계 유리 플릿으로서, 접촉 저항(젖음성, wettability) 및 퍼짐성을 개선할 수 있는 유리 프릿의 조성을 제공한다. 즉, 전극 형성을 위한 고온 소결 시 반사 방지막을 에칭하여 도전성 금속을 기판에 우수하게 고착시켜 접촉 저항을 낮추면서도, 전극의 퍼짐을 줄여 높은 종횡비(선폭에 대한 선고의 비)를 갖는 전극을 형성할 수 있는 유리 프릿의 조성을 제공한다. 특히 고온에서 n층의 소성 데미지를 최소화할 수 있으며 부착력이 개선되어 개방 전압(Voc)을 우수하게 할 수 있다. 또한, 전극의 리본 솔더링 시 발생되는 침식(leaching) 현사을 감소시킬 수 있어 솔더링 특성이 향상된다.
더욱 구체적으로 종래의 Pb-Te계 유리 프릿에서 우수한 접촉 저항을 위하여 납 산화물(PbO) 및 텔루륨 산화물(Te2O)을 각각 30 mol% 이상, 35 mol% 이상으로 포함하여 유리전이온도가 낮아져 낮은 온도에서 용융되기 때문에 접촉 저항을 우수하게 개선할 수 있지만 전극의 리본 솔더링 특성이 불리해지고, 고면저항(100 Ω/sq 이상) cell에서 개방전압(Voc)가 감소되는 문제가 있기 때문에, 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 PbO 및 Te2O를 특정 함량으로 사용함은 물론, 안티몬(Sb) 산화물을 특정 함량으로 포함하여 접촉 저항을 개선 및 개방전압(Voc)이 상승하고 솔더링 특성을 동시에 개설할 수 있는 효과를 제공한다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 유리 프릿의 성분 및 함량은 산화물 환산 기준으로 PbO는 21 ~ 29 mol%, TeO2는 34 ~ 38 mol%, Sb2O3는 2 ~ 5 mol% 포함하고, 나머지 함량은 기타 산화물로 Bi2O3, SiO2, B2O3, Al2O3, ZnO, WO3 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다. 고면저항 cell에서의 직렬저항(Rs)을 낮추고 개방전얍(Voc) 및 Soldering의 상승효과를 제공할 수 있다.
바람직하게는 고면저항(100~110 Ω/sq) PERC cell에서 PbO는 21 ~ 29 mol%, TeO2는 34 ~ 38 mol%, Sb2O3는 2 ~ 5 mol% 포함하고, (Sb2O3 몰비 / PbO 몰비) x 100 값이 10 ~ 25%이고, (Sb2O3 몰비 / TeO2 몰비) x 100 값이 5 ~ 15%인 경우가 좋다.
또한, 바람직하게는 고면저항(120~130 Ω/sq) PERC cell에서 PbO는 21 ~ 29 mol%, TeO2는 34 ~ 38 mol%, Sb2O3는 2 ~ 5 mol% 포함하고, (Sb2O3 몰비 / PbO 몰비) x 100 값이 5 ~ 15%이고, (Sb2O3 몰비 / TeO2 몰비) x 100 값이 5 ~ 15%인 경우가 좋다.
PbO 및 TeO2의 함량이 너무 높으면 친환경적이지 않고, 용융 시 점도가 너무 낮아져서 소성 시 전극의 선폭이 커지는 문제점이 존재하며, 따라서 PbO 및 TeO2는 유리 프릿 내에서 상기 범위 내로 포함되는 것이 좋다.
또한, Sb2O3를 상기 함량 상기 함량 범위 내에서 전극을 형성하는 경우, 전극 내에 유리 프릿이 균일하게 분포될 수 있다. 그 결과, 소성시 우수한 에칭능력을 가지고, 과잉에칭에 의한 션트(shunt) 문제가 발생하지 않으며, 반사방지막과의 반응을 방해하지 않아 접촉 저항을 낮추고 개방전압(Voc)을 높여 태양전지의 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 아울러, 과량의 유리 프릿이 포함되어도 솔더링(sordering) 특성의 강화되어 부착 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 유리 프릿은 접촉 저항 개선에 큰 영향을 미치는 Pb 및 Te의 함량비를 조절하여 접촉 저항 문제를 해결하고, 추가적으로 안티몬(Sb) 산화물을 특정 함량으로 포함하여 고면저항(100 Ω/sq 이상) cell에서 개방전얍(Voc)이 감소되고 솔더링(sordering) 특성이 불리해지는 문제를 해결할 수 있음을 후술할 실시예 및 실험예에 의해 뒷받침될 수 있다.
특히, 안티몬(Sb)산화물을 특정 함량으로 포함함으로써 소성시 반응성이 우수해지고, 특히 고온에서 n층의 데미지를 최소화할 수 있으며 부착력이 개선되고 개방 전압(Voc)을 우수하게 할 수 있다.
상기 조성에 따른 유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 200 내지 300℃ 이다. 본 발명에 따른 유리 프릿은 300℃ 이하의 낮은 유리전이온도를 가져 용융 균일도를 높일 수 있으며, Cell 특성 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 급속 소성시에도 우수한 접촉 특성을 확보할 수 있으며, 고면저항(100 ~ 130Ω/sq) 태양전지에 최적화될 수 있다. 또한 상기 각 성분의 유기적 함량 조합에 의해 전극 선폭 증가를 막고 고면저항(100 ~ 130Ω/sq)에서 접촉저항을 우수하게 할 수 있으며, 단략전류 특성을 우수하게 할 수 있다.
한편, 유리 프릿의 평균 입경은 제한되지 않으나 0.5 ~ 10㎛ 범위 내의 입경을 가질 수 있으며, 평균입경이 다른 다종이 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하기로는 적어도 1종의 유리 프릿은 평균입경이 1㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 1㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 좋다. 이를 통해 소성시 반응성이 우수해지고, 전극의 선폭이 증가하는 것을 감소시킬 수 있다.
유리 프릿의 함량은 도전성 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 1 내지 15중량%가 바람직한데, 1 중량% 미만이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아질 우려가 있고, 15 중량% 초과하면 은 분말의 소성체 내에 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아질 우려가 있다. 바람직하게는 1 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 5 중량%로 포함되는 것이 좋다.
상기 유기 비히클로는 제한되지 않으나 유기 바인더와 용제 등이 포함될 수 있다. 때로는 용제가 생략될 수 있다. 유기 비히클은 제한되지 않으나 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 3 내지 25wt%일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 15 중량%일 수 있다.
유기 비히클은 금속 분말과 유리 프릿 등이 균일하게 혼합된 상태를 유지하는 특성이 요구되며, 예를 들면 스크린 인쇄에 의해 도전성 페이스트가 기재에 도포될 때에, 도전성 페이스트를 균질하게 하여, 인쇄 패턴의 흐려짐 및 흐름을 억제하고, 또한 스크린판으로부터의 도전성 페이스트의 토출성 및 판분리성을 향상시키는 특성이 요구된다.
유기 비히클에 포함되는 유기 바인더는 제한되지 않으나 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 등을 예로 들 수 있으며, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있으며, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 비닐계로는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 아세테이트 그리고 폴리비닐 알코올 등을 예로 들 수 있다. 상기 유기 바인더들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다.
조성물의 희석을 위해 사용되는 용제로서는 알파-터피네올, 텍사놀, 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 시클로헥산, 헥산, 톨루엔, 벤질알코올, 디옥산, 디에틸렌글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트 등으로 이루어진 화합물 중에서 적어도 1종 이상 선택되어 사용되는 것이 좋다.
첨가제로서, 분산제, 증점제, 요변제, 레벨링제 등이 사용이 선택될수 있으며 상기 분산제로는 BYK-110, 111, 108, 180 등을 들 수 있으며, 증점제로는 BYK-410. 411. 420 등이 있으며, 요변제로는 BYK-203, 204,205등을 들 수 있으며, 레벨링제로는 BYK-308, 378, 3440등을 들 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명은 또한 상기 도전성 페이스트를 기재 위에 도포하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다. 본 발명의 태양전지 전극 형성 방법에서 상기와 같이 코팅 처리된 유리 프릿을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 건조 및 소성은 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다. 일 예로 상기 기재는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트를 이용하여 전극을 형성하는 경우 웨팅 특성 및 퍼짐성이 개선되어, 태양전지의 수광면적을 증가시키고 접촉 저항이 개선되어 고면저항(100 Ω/sq 이상) cell에서 개방전압(Voc)을 향상시키는 효과를 제공하여 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극의 리본 솔더링 시 발생되는 침식(leaching) 현상을 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 결정질 태양전지(P-type, N-type), PESC(Passivated Emitter Solar Cell), PERC(Passivated Emitter and Rear Cell), PERL(Passivated Emitter Real Locally Diffused) 등의 구조 및 더블 프린팅(Double printing), 듀얼 프린팅(Dual printing) 등 변경된 인쇄 공정에도 모두 적용이 가능하다.
1.
실험예
1 (
고면저항
(100~
110 Ω
/
sq
)
PERC
cell 특성 측정)
(1)
실시예
및
비교예
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성(예컨대, mole%)으로 혼합된 유리 프릿을 제조하였고, 혼합 용기에 표 2에 바인더, 분산제, 레벨링제, 유리 프릿 등을 하기 표 2에 나타나는 것과 같은 함량으로 넣고 삼본밀을 사용하여 분산한 후, 실버 파우더를 혼합하고 또한 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 탈포하고 도전성 페이스트를 제조하였다.
| 구분 | 유리 프릿 A | 유리 프릿 B | 유리 프릿 C | 유리 프릿 D | 유리 프릿 E | 유리 프릿 F | 유리 프릿 G | 유리 프릿 H | 유리 프릿 I | 유리 프릿 J | |
| 유리 프릿 성분 함량 (mole%) |
PbO (A) | 22.81 | 21.47 | 21.79 | 21.80 | 22.00 | 22.05 | 22.12 | 22.20 | 22.30 | 22.40 |
| TeO2 (B) | 37.88 | 35.66 | 36.16 | 36.21 | 36.54 | 36.61 | 36.74 | 36.87 | 37.03 | 37.20 | |
| Sb2O3 (C) | 0 | 5.87 | 4.47 | 4.42 | 3.54 | 3.35 | 3.03 | 2.68 | 2.26 | 1.80 | |
| 기타 금속 산화물 |
39.31 | 37.00 | 37.58 | 37.57 | 37.92 | 37.99 | 38.11 | 38.25 | 38.41 | 38.60 | |
| C / A | 0 | 27.34 | 20.51 | 20.28 | 16.09 | 15.19 | 13.70 | 12.07 | 10.13 | 8.04 | |
| C / B | 0 | 16.46 | 12.35 | 12.21 | 9.69 | 9.15 | 8.25 | 7.27 | 6.10 | 4.84 | |
(상기 표 1에서 기타 금속 산화물은 Bi2O3, SiO2, B2O3, Al2O3, ZnO, WO3 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다)
| 구분 (성분 함량:g) |
비교예 1 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 | 실시예 7 | 실시예 8 | 실시예 9 |
| EC | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| EFKA-4330 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| BYK180 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
| Texanol | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
| Butyl cellosolve | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
| Thixatrol ST | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Dimethyl adipate | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 실버 파우더 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 |
| 유리 프릿 (A ~ J) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
(상기 표 2에서 비교예 1은 유리 프릿 A를 구성으로 하고, 실시예 1 내지 9는 각각 유리 프릿 B 내지 J를 구성으로 한다)
(2)
태양전지 cell 특성 측정
상기 실시예 1 내지 9와 비교예 1에 따라 제조된 도전성 페이스트를 wafer의 전면에 40㎛ 메쉬의 스크린 프린팅 기법으로 패턴 인쇄하고, 벨트형 건조로를 사용하여 200~350 ℃에서 20초에서 30초 동안 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 Al paste를 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 500 내지 900 ℃사이로 20초에서 30초간 소성을 행하여 태양전지 Cell을 제작하였다.
상기 제조된 Cell은 태양전지 효율측정장비(Halm社, cetisPV-Celltest 3)를 사용하여, 변환효율(Eff), 단락전류(Isc), 개방전압(Voc), 곡선인자(FF) 및 직렬저항(Rs)을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
또한 태양전지 셀들의 제조 후, SnPbAg조성의 리본을 전극에 본딩한 후 인장강도 측정기를 사용하여 본딩된 부분의 한쪽 끝을 잡고 180도 방향으로 잡아 당기면서 전면 전극과 리본이 박리될 때까지의 힘(N)을 측정하였다. 측정된 부착력(Sordering)은 표 3에 나타내었다.
| 구분 | Isc(A) | Voc (V) | Eff (%) | FF (%) | Rs (Ω) | 부착력 (N) |
| 비교예 1 | 9.643 | 0.6657 | 21.24 | 80.79 | 0.00018 | 1.5 |
| 실시예 1 | 8.611 | 0.6682 | 21.18 | 80.54 | 0.00033 | 1.5 |
| 실시예 2 | 9.637 | 0.6685 | 21.32 | 80.82 | 0.00029 | 1.5 |
| 실시예 3 | 9.654 | 0.6668 | 21.30 | 80.82 | 0.00017 | 2.5 |
| 실시예 4 | 9.663 | 0.6662 | 21.35 | 80.98 | 0.00015 | 3 |
| 실시예 5 | 9.645 | 0.6664 | 21.40 | 81.31 | 0.00017 | 3 |
| 실시예 6 | 9.665 | 0.6662 | 21.37 | 81.03 | 0.00017 | 3 |
| 실시예 7 | 9.610 | 0.6674 | 21.31 | 81.16 | 0.00021 | 3 |
| 실시예 8 | 9.658 | 0.6682 | 21.42 | 81.06 | 0.00022 | 2.5 |
| 실시예 9 | 9.634 | 0.6652 | 21.17 | 80.66 | 0.00021 | 1.5 |
상기 표 3에 나타나는 것과 같이, 고면저항(100~110 Ω/sq) PERC cell 특성을 측정한 결과 유리 프릿에 금속산화물 PbO와 TeO2만을 함유한 경우(비교예 1) 보다 추가적으로 금속산화물 Sb2O3를 함유한 경우가 태양전지의 변환효율 및 부착력이 증대된 것을 알 수 있다. 단, 이 경우에도 실시예 1 과 비교예 1의 경우를 살펴보면 Sb2O3 5 mole% 이상, C/A 25% 이상, C/B 15% 이상일 경우에는 개방전압(VOC)은 증가하였지만, 직렬저항(Rs)도 증가하고 부착력은 변화가 없는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 9와 비교예 1의 경우를 살펴보면 Sb2O3 2 mole% 이하, C/A 10% 이하, C/B 5% 이하일 경우에는 개방전압(VOC)이 감소되고 직렬저항(Rs)이 증가하였으며, 부착력은 변하지 않은 것을 알 수 있다. 따라서 바람직하게는 Sb2O3가 2 내지 5 mole%이고, C/A가 10 ~ 25% 범위이며, C/B가 5 ~ 15% 범위를 만족할 경우(실시예 2 내지 8) 경우가 낮은 직렬저항(Rs), 높은 개방전압(VOC) 및 부착력 특성 모두를 만족하는 것을 알 수 있다.
따라서, Sb2O3가 2 내지 5 mole%이고, C/A가 10 ~ 25% 범위이며, C/B가 5 ~ 15% 범위를 만족하는 구성의 유리 프릿을 사용한 경우 고면저항(100~110 Ω/sq) 조건에서 우수한 접촉 저항 조건을 만족하고 부착력이 증가하는 특성 및 태양전지의 변환효율이 우수해지는 것을 확인할 수 있다.
2.
실험예
2 (
고면저항
(120~
130 Ω
/
sq
)
PERC
cell 특성 측정)
(1)
실시예
및
비교예
하기 표 4에 나타낸 바와 같은 조성(예컨대, mole%)으로 혼합된 유리 프릿을 제조하였고, 혼합 용기에 표 4에 바인더, 분산제, 레벨링제, 유리 프릿 등을 하기 표 4에 나타나는 것과 같은 함량으로 넣고 삼본밀을 사용하여 분산한 후, 실버 파우더를 혼합하고 또한 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 탈포하고 도전성 페이스트를 제조하였다.
| 구분 | 유리 프릿 K | 유리 프릿 L | 유리 프릿 M | 유리 프릿 N | 유리 프릿 O | 유리 프릿 P | 유리 프릿 Q | 유리 프릿 R | 유리 프릿 S | 유리 프릿 T | |
| 유리 프릿 성분 함량 (mole%) |
PbO (A) | 29.61 | 27.90 | 28.31 | 28.32 | 28.58 | 28.64 | 28.73 | 28.83 | 28.95 | 29.09 |
| TeO2 (B) | 36.81 | 34.67 | 35.18 | 35.20 | 35.52 | 35.59 | 35.71 | 35.83 | 35.99 | 36.15 | |
| Sb2O3 (C) | 0 | 5.79 | 4.41 | 4.36 | 3.49 | 3.30 | 2.98 | 2.64 | 2.23 | 1.78 | |
| 기타 금속 산화물 |
33.58 | 31.64 | 32.1 | 32.12 | 32.41 | 32.47 | 32.58 | 32.70 | 32.83 | 32.98 | |
| C / A | 0 | 20.75 | 15.58 | 15.40 | 12.21 | 11.52 | 10.37 | 9.16 | 7.70 | 6.12 | |
| C / B | 0 | 16.70 | 12.54 | 12.39 | 9.83 | 9.27 | 8.35 | 7.37 | 6.20 | 4.92 | |
(상기 표 4에서 기타 금속 산화물은 Bi2O3, SiO2, B2O3, Al2O3, ZnO, WO3 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다)
| 구분 (성분 함량:g) |
비교예 2 | 실시예 10 | 실시예 11 | 실시예 12 | 실시예 13 | 실시예 14 | 실시예 15 | 실시예 16 | 실시예 17 | 실시예 18 |
| EC | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| EFKA-4330 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| BYK180 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
| Texanol | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
| Butyl cellosolve | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
| Thixatrol ST | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Dimethyl adipate | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 실버 파우더 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 | 89.5 |
| 유리 프릿 (A ~ J) | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
(상기 표 5에서 비교예 2는 유리 프릿 K를 구성으로 하고, 실시예 10 내지 18은 각각 유리 프릿 K 내지 T를 구성으로 한다)
(2)
태양전지 cell 특성 측정
상기 실시예 10 내지 18와 비교예 2에 따라 제조된 도전성 페이스트를 wafer의 전면에 40㎛ 메쉬의 스크린 프린팅 기법으로 패턴 인쇄하고, 벨트형 건조로를 사용하여 200~350 ℃에서 20초에서 30초 동안 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 Al paste를 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 500 내지 900 ℃사이로 20초에서 30초간 소성을 행하여 태양전지 Cell을 제작하였다.
상기 제조된 Cell은 태양전지 효율측정장비(Halm社, cetisPV-Celltest 3)를 사용하여, 변환효율(Eff), 단락전류(Isc), 개방전압(Voc), 곡선인자(FF) 및 직렬저항(Rs)을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다.
또한 태양전지 셀들의 제조 후, SnPbAg조성의 리본을 전극에 본딩한 후 인장강도 측정기를 사용하여 본딩된 부분의 한쪽 끝을 잡고 180도 방향으로 잡아 당기면서 전면 전극과 리본이 박리될 때까지의 힘(N)을 측정하였다. 측정된 부착력(Sordering)은 표 6에 나타내었다.
| 구분 | Isc(A) | Voc (V) | Eff (%) | FF (%) | Rs (Ω) | 부착력 (N) |
| 비교예 2 | 9.728 | 0.6665 | 21.48 | 80.91 | 0.00023 | 1 |
| 실시예 10 | 9.718 | 0.6644 | 21.23 | 80.31 | 0.00040 | 1 |
| 실시예 11 | 9.722 | 0.6693 | 21.49 | 80.65 | 0.00039 | 1 |
| 실시예 12 | 9.727 | 0.6707 | 21.65 | 81.04 | 0.00030 | 2 |
| 실시예 13 | 9.716 | 0.6715 | 21.66 | 81.09 | 0.00032 | 2.5 |
| 실시예 14 | 9.35 | 0.6707 | 21.68 | 81.11 | 0.00022 | 2.5 |
| 실시예 15 | 9.734 | 0.6699 | 21.61 | 80.92 | 0.00025 | 2.5 |
| 실시예 16 | 9.719 | 0.6691 | 21.62 | 81.20 | 0.00022 | 2.5 |
| 실시예 17 | 9.716 | 0.6710 | 21.63 | 81.01 | 0.00021 | 1.5 |
| 실시예 18 | 9.709 | 0.6666 | 21.53 | 81.23 | 0.00018 | 1 |
상기 표 6에 나타나는 것과 같이, 고면저항(120~130 Ω/sq) PERC cell 특성을 측정한 결과 유리 프릿에 금속산화물 PbO와 TeO2만을 함유한 경우(비교예 2) 보다 추가적으로 금속산화물 Sb2O3를 함유한 경우가 태양전지의 변환효율 및 부착력이 증대된 것을 알 수 있다. 단, 이 경우에도 실시예 10 과 비교예 2의 경우를 살펴보면 Sb2O3 5 mole% 이상, C/A 15%이상, C/B 15%이상일 경우에는 개방전압(VOC)이 감소하고 직렬저항(Rs)은 증가하였으며 부착력은 변화가 없는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 18와 비교예 2의 경우를 살펴보면 Sb2O3 2 mole% 이하, C/B 5% 이하일 경우에는 직렬저항(Rs)이 감소하였으나, 개방전압(VOC) 상승효과가 극히 미약하고, 부착력은 변하지 않은 것을 알 수 있다. 따라서 바람직하게는 Sb2O3가 2 내지 5 mole%이고, C/A가 5 ~ 15% 범위이며, C/B가 5 ~ 15% 범위를 만족할 경우(실시예 11 내지 17) 경우가 낮은 직렬저항(Rs), 높은 개방전압(VOC) 및 부착력 특성 모두를 만족하는 것을 알 수 있다.
따라서, Sb2O3가 2 내지 5 mole%이고, C/A가 5 ~ 15% 범위이며, C/B가 5 ~ 15% 범위를 만족하는 구성의 유리 프릿을 사용한 경우 고면저항(120~130 Ω/sq) 조건에서 우수한 접촉 저항 조건을 만족하고 부착력이 증가하는 특성 및 태양전지의 변환효율이 우수해지는 것을 확인할 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : P형 실리콘 반도체 기판
20 : N형 불순물층
30 : 반사 방지막
40 : P+층(BSF : back surface field)
50 : 배면 알루미늄 전극
60 : 배면 실버 전극
100 : 전면 전극
20 : N형 불순물층
30 : 반사 방지막
40 : P+층(BSF : back surface field)
50 : 배면 알루미늄 전극
60 : 배면 실버 전극
100 : 전면 전극
Claims (12)
- 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트로서,
상기 유리 프릿은 납(Pb) 및 텔루륨(Te)을 포함하고,
상기 유리 프릿은 안티몬(Sb)의 산화물을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 1항에 있어서,
상기 도전성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 상기 유리 프릿은 PbO의 함량이 21 mole% 내지 29 mole% 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 1항에 있어서,
상기 도전성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 상기 유리 프릿은 TeO2의 함량이 34 mole% 내지 38 mole% 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 1항에 있어서,
상기 도전성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 상기 안티몬(Sb) 산화물의 함량이 2 mole% 내지 5 mole% 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 하기 식 1에 의해 계산되는 Sb Oxide / Pb Oxide ratio가 5% 내지 25%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
[식 1]
Sb Oxide / Pb Oxide ratio(%) = (Sb2O3 몰비 / PbO 몰비) X 100
- 제 1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 하기 식 2에 의해 계산되는 Sb Oxide / Te Oxide ratio가 5% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
[식 2]
Sb Oxide / Te Oxide ratio(%) = (Sb2O3 몰비 / TeO2 몰비) X 100
- 제 5항에 있어서,
상기 유리 프릿은 100 ohn/sq 내지 110 ohn/sq 면저항 조건에서 상기 식 1에 의해 계산되는 Sb Oxide / Pb Oxide ratio가 10% 내지 25%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 5항에 있어서,
상기 유리 프릿은 110 ohn/sq 내지 130 ohn/sq 면저항 조건에서 상기 식 1에 의해 계산되는 Sb Oxide / Pb Oxide ratio가 5% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 6항에 있어서,
상기 유리 프릿은 100 ohn/sq 내지 110 ohn/sq 면저항 조건에서 상기 식 2에 의해 계산되는 Sb Oxide / Te Oxide ratio가 5% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 6항에 있어서,
상기 유리 프릿은 110 ohn/sq 내지 130 ohn/sq 면저항 조건에서 상기 식 2에 의해 계산되는 Sb Oxide / Te Oxide ratio가 5% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 제 1항에 있어서,
상기 도전성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 상기 유리 프릿의 함량은 1.0wt% 내지 3.0wt%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
- 기재 상부에 전면 전극을 구비하고, 기재 하부에 배면 전극을 구비한 태양전지에 있어서,
상기 전면 전극은, 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 도포한 후 건조 및 소성시켜 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190179955A KR102342518B1 (ko) | 2019-12-31 | 2019-12-31 | 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물 및 이를 사용하여 제조된 전극을 포함하는 태양전지 |
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|---|---|
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |