KR20220047405A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 태양전지를 개시하고, 상기 태양전지는 전면 및 후면을 갖는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 핑거 전극으로서, 여기서, 상기 핑거 전극은 상기 실리콘 기판과 전기적으로 접촉하고, 상기 핑거 전극은 은 요소 및 유리 결합제를 포함하고, 상기 핑거 전극에는 상기 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없는, 핑거 전극; 및 상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 버스바 전극을 포함하고, 여기서, 상기 버스바 전극은 상기 핑거 전극과 전기적으로 접촉하고, 상기 버스바 전극은 은 요소; 니켈, 구리, 이들의 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 제2 금속; 및 유리 결합제를 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지용 전도성 페이스트에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양전지용 전도성 페이스트에서 은 소모량 저감에 관한 것이다.
태양전지 산업에서는 발전 효율을 높이기 위한 경쟁이 점점 치열해지고 있다. 효율이 이론적인 한계에 가까워짐에 따라 효율의 0.1% 개선도 추구된다.
동시에, 태양전지 제조업체들도 비용 절감을 탐구하고 있다. 일반적으로 핑거 전극과 부스바 전극에 사용되는 은은 고가이므로 전극의 은 사용량을 줄이거나 저렴한 금속으로 은을 대체하는 것이 유리할 것이다. 그러나 효율을 손상시키지 않고 은 함량을 줄이는 것은 불가능하다.
US20100096014는 전도성 입자, 유리 프릿, 유기 결합제 및 용매를 포함하는 태양전지용 전도성 페이스트를 개시하며, 여기서, 상기 전도성 입자는 (A)은, 및 (B)구리, 니켈, 알루미늄, 아연 및 주석으로 구성된 그룹에서 선택되는 일종 또는 다종의 금속을 포함하고, 중량 비율 (A):(B)는 5:95 내지 90:10이다.
US20140026953은 (a)전도성 금속 입자; (b)유리 프릿; 및 (c)유기 비히클을 포함하는 전도성 페이스트 조성물을 개시하며; 여기서, 상기 전도성 금속 입자는 은 분말과 니켈 분말, 주석(IV) 산화물 분말, 및 니켈 및/또는 주석(IV) 산화물의 코어 및 은 셸을 포함하는 코어-셸 입자로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 일종의 혼합물을 포함한다.
일 양태는 태양전지를 제공하고, 상기 태양전지는 전면 및 후면을 갖는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 핑거 전극으로서, 여기서, 상기 핑거 전극은 상기 실리콘 기판과 전기적으로 접촉하고, 상기 핑거 전극은 은 요소 및 유리 결합제를 포함하고, 상기 핑거 전극에는 상기 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없는, 핑거 전극; 및 상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 버스바 전극을 포함하고, 여기서, 상기 버스바 전극은 상기 핑거 전극과 전기적으로 접촉하고, 상기 버스바 전극은 은 요소; 니켈, 구리, 이들의 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 제2 금속; 및 유리 결합제를 포함한다.
다른 양태는 태양전지의 제조방법을 제공하고, 상기 태양전지의 제조방법은, 전면 및 후면을 갖는 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판의 전면에 버스바 전극을 형성하기 위한 제1 전도성 페이스트를 도포하는 단계로서, 여기서, 상기 제1 전도성 페이스트는 (a)68 내지 88 중량%의 은 요소; (b)1 내지 30 중량%의 니켈, 구리, 이들의 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 금속 분말; (c)0.1-3.3 중량%의 유리 결합제, 및 (d)3 내지 23 중량%의 유기 비히클을 포함하고; 여기서, 중량%는 페이스트 조성물의 총 중량을 기준으로 하는, 단계; 상기 실리콘 기판의 전면에 핑거 전극을 형성하기 위한 제2 전도성 페이스트를 도포하는 단계로서, 여기서, 전도성 페이스트는 (a)70 내지 95 중량%의 은 요소; (b)0.6 내지 7 중량%의 유리 결합제, 및 (c)3 내지 23 중량%의 유기 비히클을 포함하고; 여기서, 중량%는 페이스트 조성물의 총 중량을 기준으로 하고; 여기서, 상기 핑거 전극을 위한 상기 제2 전도성 페이스트는 상기 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없는, 단계; 및 상기 실리콘 기판의 전면에 상기 핑거 전극과 상기 버스바 전극을 형성하기 위해 도포된 전도성 페이스트를 소성하는 단계를 포함한다.
도 1a 내지 도 1f는 태양전지 전극의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a는 p형 실리콘 기판(10)을 도시한다. 도 1b는 n층(20)으로 코팅된 실리콘 기판을 도시한다. 도 1c는 전면에만 n층을 갖는 실리콘 기판을 도시한다. 도 1d는 패시베이션 층(30)을 갖는 실리콘 기판을 도시한다. 도 1E는 전면에 전도성 페이스트(50), 후면에 알루미늄 페이스트(60) 및 은 페이스트(70)를 갖는 실리콘 기판을 도시한다. 도 1f는 소성 후의 실리콘 기판을 도시한다.
도 2는 다수의 핑거 전극(50a) 및 다수의 버스바 전극(50b)을 갖는 태양전지의 전면을 도시한다.
도 2는 다수의 핑거 전극(50a) 및 다수의 버스바 전극(50b)을 갖는 태양전지의 전면을 도시한다.
이하는 태양전지의 실시예 및 태양전지의 제조공정을 나타낸다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다. 이해해야 할 것은, 본 발명은 바람직한 실시예에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 발명의 선택적 특징, 수정, 개선 및 변형은 통상의 기술자에 의해 채용될 수 있고, 이러한 수정, 개선 및 변경은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
(태양전지의 제조방법)
태양전지의 제조방법은 실리콘 기판을 제공하는 단계, 페이스트를 인쇄하여 전극을 형성하는 단계, 및 도포된 전도성 페이스트를 소성하는 단계를 포함한다. 이중 단계 인쇄 기술이 일반적으로 사용되며, 실리콘 기판의 전면에 버스바 전극을 형성하기 위해 제1 전도성 페이스트가 도포되고, 그 다음, 실리콘 기판의 전면에 핑거 전극을 형성하기 위해 제2 전도성 페이스트가 도포된다. 대안적으로, 핑거 전극이 먼저 인쇄된 다음 버스바 전극이 인쇄될 수 있다.
도 1a는 본 실시예의 p형 실리콘 기판(10)을 도시한다. 본 발명은 다른 유형의 태양전지에도 적용될 수 있다. 예를 들어, n형 실리콘 기판이 사용될 수 있으며, 이러한 상황에서, 반대 유형의 도핑은 일반적으로 이하의 프로세스에 사용된다.
실리콘 기판은 전면과 후면이 있다. 전면은 완성된 태양전지가 발전을 위해 배치되는 태양광을 받는 면으로 정의된다.
도 1b에서, 역전도성 유형의 n층(20)은 본 특정 실시예에서 인(P) 등의 열확산에 의해 형성된다. 옥시염화인(POCl3)은 일반적으로 인 확산 소스로 사용된다. 특별한 수정이 없을 때, n층(20)은 실리콘 기판(10)의 전체 표면에 걸쳐 형성된다. 실리콘 웨이퍼는 p형 기판(10)으로 구성되며, 일반적으로 n층(20)은 1제곱미터당 수십 옴(ohm/m2) 정도의 시트 저항을 갖는다.
n층의 일면을 레지스트 등으로 보호한 후, n층(20)은 대부분의 면에서 에칭에 의해 제거되어 도 1c에 도시된 바와 같이 하나의 주요(전면 또는 태양광을 받는) 표면에만 남아 있다.
다음, 도 1d에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 플라즈마 화학 기상 증착(CVD)과 같은 공정에 의해 n층(20) 상에 패시베이션 층(30)이 형성될 수 있다. SiNx, TiO2, Al2O3, SiOx 또는 인듐 주석 산화물(ITO)이 패시베이션 층의 재료로 사용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 재료는 Si3N4이다. 패시베이션 층은 경우에 따라서 반사 방지층이라고 하며, 특히 패시베이션 층은 실리콘 기판의 전면, 수광면에 형성되는 경우이다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 알루미늄 페이스트(60)와 은 페이스트(70)를 기판(10)의 뒷면에 스크린 인쇄하고, 인쇄된 페이스트를 건조시키기 위해 60~300℃에서 연속적으로 가열한다. 후면 전극 형성은 전면 전극 형성 이후에 이루어질 수 있다.
패시베이션 층(30)에 전도성 페이스트(50)를 도포한 후 건조시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 태양전지의 전면에는 일반적으로 두 가지 유형의 전극이 형성된다. 하나는 핑거 전극(50a)이라고한다. 통상적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 핑거 전극(50a)을 포함한다. 다른 하나는 버스바 전극(50b)이라고 하며, 일반적으로 하나 또는 하나 이상이 사용된다. 핑거 전극의 중요한 기능은 실리콘 기판에서 생성된 전기를 수집하는 것이다. 수집된 전기는 외부 입출력용 부스바 전극을 통해 흐른다. 핑거 전극은 실리콘 기판 표면에 형성된 도핑층과 전기적으로 접촉해야 한다. 도 1의 실시예에서, 핑거 전극은 n층(20)과 전기적으로 접촉한다. 버스바 전극과 실리콘 기판의 전기적 접촉이 반드시 필요한 것은 아니다. 즉, 핑거 전극은 패시베이션 층(30)을 관통할 필요가 있는 반면 버스바 전극은 반드시 관통할 필요는 없다.
본 발명에서, 핑거 전극과 버스바 전극에는 서로 다른 유형의 전도성 페이스트가 사용된다. 핑거 전극용 전도성 페이스트는 전도성을 높이기 위해 은 요소를 다량 함유하고 있으며, 실리콘 기판과의 전기적 연결을 위해 일정량의 유리 결합제를 함유하고 있다.
핑거 전극에는 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없다. 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 1 중량% 미만을 의미하고, 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 0.5 중량% 미만을 의미하고, 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 0.1 중량% 미만을 의미하고, 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 추적 불가능을 의미한다. 일 실시예에서, 은 요소 이외의 전도성 금속은 의도적으로 첨가되지 않는다. 유리 결합제는 기본적으로 전도성이 낮은 무기 산화물로 구성된 유리 결합제로 전도성 금속의 정의에 포함되지 않는다.
일 실시예에서, 핑거 전극은 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 이들의 합금 및 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 금속 원소를 포함하지 않는다.
다른 실시예에서, 핑거 전극은 은 요소 외에 293 켈빈에서 1.00x107 지멘스 (S)/m 또는 그 이상의 전기 전도도를 갖는 전도성 요소를 포함하지 않는다. 이러한 전도성 금속에는, 예를 들어, 철(Fe; 1.00x107 S/m), 알루미늄(Al; 3.64x107 S/m), 니켈(Ni; 1.45x107 S/m), 구리(Cu; 5.81 x1O7 S/m), 금(Au; 4.17x107 S/m), 몰리브덴(Mo; 2.10x107 S/m), 마그네슘(Mg; 2.30x107 S/m), 텅스텐(W; 1.82x107 S/m), 코발트(Co; 1.46x107 S/m) 및 아연(Zn; 1.64x107 S/m)이 포함된다.
일 실시예에서, 소성 후의 핑거 전극은 핑거 전극의 총 중량을 기준으로 80 내지 99.5 중량%의 은 요소 및 0.5 내지 20 중량%의 유리 결합제를 포함한다. 일 실시예에서, 은 요소의 함량은 90 내지 99 중량%이고, 다른 실시예에서, 은 요소의 함량은 95 내지 98.5중량%이다. 일 실시예에서, 유리 결합제의 함량은 1 내지 10 중량%이고, 다른 실시예에서, 유리 결합제의 함량은 1.5 내지 5 중량%이다.
또한, 버스바 전극은 은 요소와 제2 금속을 포함한다. 일 실시예에서, 제2 금속은 니켈이다. 일 실시예에서, 제2 금속은 구리이다. 다른 실시예에서, 니켈과 구리는 모두 합금 또는 혼합물로 사용된다. 일 실시예에서, 버스바 전극은 핑거 전극보다 적은 함량의 유리 결합제를 포함할 수 있어 버스바 전극을 더 전기적으로 전도성으로 만든다. 버스바 전극은 손가락 전극과 전기적으로 접촉한다.
일 실시예에서, 소성 후의 버스바 전극은 버스바 전극의 총 중량을 기준으로 74 내지 98 중량%의 은 요소, 2 내지 25 중량%의 제2 금속 및 0.1 내지 3 중량%의 유리 결합제를 포함한다. 일 실시예에서, 은 요소의 함량은 80 내지 97 중량%이고, 다른 실시예에서, 은 요소의 함량은 85 내지 95중량%이다. 일 실시예에서, 제2 금속의 함량은 3 내지 20 중량%이고, 다른 실시예에서, 제2 금속의 함량은 5 내지 15중량%이다. 일 실시예에서, 유리 결합제의 함량은 0.15 내지 2 중량%이고, 다른 실시예에서, 유리 결합제의 함량은 0.2 내지 1 중량%이다.
핑거 또는 버스바 전극의 유리 및 금속의 중량%는 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(ICP-MS)로 측정할 수 있다.
일반적으로, 4~12개의 버스바 전극 라인이 실리콘 기판에 형성된다. 일반적으로, 실리콘 기판의 크기에 따라 수십 개의 핑거 전극이 실리콘 기판에 형성된다. 태양전지의 고효율화를 위해, 핑거 전극 및 버스바 전극으로 덮인 실리콘 기판의 면적의 비율이 최소화되는 것이 바람직한다. 일반적으로, 핑거 전극의 선폭은 좁고 버스바 전극은 더 넓은 패턴을 가지고 있다. 일 실시예에서, 핑거 전극의 폭은 10 내지 45㎛일 수 있고, 다른 실시예에서, 핑거 전극의 폭은 20 내지 43㎛일 수 있고, 다른 실시예에서, 핑거 전극의 폭은 30 내지 41㎛일 수 있다. 일 실시예에서, 버스바 전극의 폭은 0.3 내지 1.5mm일 수 있고, 다른 실시예에서, 버스바 전극의 폭은 0.4 내지 1.2mm일 수 있고, 다른 실시예에서, 버스바 전극의 폭은 0.5 내지 1mm일 수 있다.
전극은 인쇄된 전도성 페이스트를 가열하여 형성된다. 일 실시예에서, 가열은 벨트형 퍼니스와 같은 적외선 퍼니스에서 450℃ 내지 1000℃ 범위의 피크 온도에서 수행되며, 이를 소성(firing)이라고 한다. 벨트 퍼니스에게, 피크 온도는 퍼니스의 가장 뜨거운 영역의 설정점으로 이해된다. 일 실시예에서, 퍼니스의 입구에서 출구까지의 총 가열 시간은 30초 내지 5분일 수 있다. 이러한 가열 조건에서 실리콘 기판은 열에 의한 손상을 덜 받을 수 있다. 일 실시예에서, 가열 프로파일은 400℃ 초과에서 10 내지 60초 및 600℃ 초과에서 2 내지 10초일 수 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 소성시, 알루미늄은 알루미늄 페이스트로부터 불순물로서 후면의 실리콘 기판(10)으로 확산되어 높은 알루미늄 도펀트 농도를 포함하는 p+층(40)을 형성한다. 소성은 건조된 알루미늄 페이스트(60)를 알루미늄 후면 전극(61)으로 전환시킨다. 후면 은 페이스트(70)가 동시에 소성되어 은 후면 전극(71)이 된다. 소성시, 후면 알루미늄과 후면 은의 변계가 합금 상태를 취하여 전기적 연결이 이루어진다. 일 실시예에서, 후면 전극의 대부분의 영역은 부분적으로 p+층(40)을 형성할 필요가 있기 때문에 알루미늄 전극이 차지한다. 동시에, 일 실시예에서, 알루미늄 전극에 솔더링이 용이하지 않으므로 은 페이스트(70)는 구리 리본 등으로 태양전지 셀을 상호 연결하기 위한 전극으로서 후면의 제한된 영역에 후면 전극(71)을 형성하는 데 사용된다.
전면에서, 전면 전극(51)은 전도성 페이스트(50)로 만든다. 적어도 핑거 전극(50a)은 도 1f에 도시된 바와 같이 n형 층(20)과의 전기적 접촉을 달성하기 위해 소성시 패시베이션 층(30)을 통해 소성할 수 있다. 전도성 페이스트의 침투 기능을 '파이어 스루'라고 한다. 일 실시예에서, 버스바 전극(50b)은 패시베이션 층(30)을 통해 점화하지 않는다. 버스바 전극에서 감소된 유리 결합제의 양으로 인해 버스바 전극은 더 높은 전도성을 가질 수 있으며, 버스바 전극에서 전도성이 덜하고 값이 저렴한 다른 금속을 사용할 수 있다.
p-베이스형의 태양전지를 예로 보여주지만, 본 발명은 n-베이스형의 태양전지 또는 전도성 페이스트를 사용하는 임의의 다른 유형의 태양전지에 적용될 수 있다.
다음, 본 발명의 태양전지 제조에 사용되는 제1 전도성 페이스트 및 제2 전도성 페이스트에 대해 설명한다.
(핑거 전도성 페이스트)
핑거 전극을 형성하기 위한 핑거 전도성 페이스트는 은 요소; (b)유리 결합제; 및 (c)유기 비히클을 포함한다.
(i) 은 요소
은 요소는 페이스트가 전류를 전달할 수 있도록 한다. 은 요소는 높은 전도성 벌크 재료를 제공하기 위해 공기 중에서 소성한 후 산화물을 형성하지 않고 소결될 수 있다. 은 요소는 모양이 박편이거나 구형인 분말, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 은 요소는 실질적으로 은 분말이다. 은 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 은 분말에는 90% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은 분말에는 95% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은 분말에는 99% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있다.
일 실시예에서, 은 요소는 은-함유 합금이다. 은-함유 합금의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 은-함유 합금에는 50% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-함유 합금에는 70% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-함유 합금에는 90% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있다. 일 실시예에서, 은-함유 합금은 은-구리 합금, 은-금 합금, 은-백금 합금, 은-구리-금 합금 또는 은-구리-게르마늄 합금이다.
일 실시예에서, 은 요소는 은-구리 코어-셸 입자와 같은 은-코팅 분말이다. 은-코팅 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 은-코팅 분말에는 50% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-코팅 분말에는 70% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-코팅 분말에는 90% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있다.
은 분말, 은-함유 합금 및 은-코팅 분말의 2종 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 은 요소는 70 내지 95 중량%(wt%)이고, 다른 실시예에서, 은 요소는 75 내지 93 중량%이고, 다른 실시예에서, 은 요소는 80 내지 91 중량%이다. 전도성 페이스트에 이러한 양의 은 요소는 태양전지 응용 분야에 충분한 전도성을 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 은 요소의 입자 직경은 0.1 내지 10㎛이고, 다른 실시예에서, 은 요소의 입자 직경은 0.5 내지 7㎛이고, 다른 실시예에서, 은 요소의 입자 직경은 1 내지 4㎛이다. 이러한 입경을 갖는 은 요소는 유기 결합제 및 용매에 적절히 분산되어 기판에 원활하게 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 은 요소는 상이한 입자 직경 또는 상이한 입자 형상을 갖는 2종 또는 2종 이상의 유형의 은 요소의 혼합물일 수 있다.
입자 직경은 레이저 회절 산란법을 사용하여 입자 직경의 분포를 측정하여 얻어지며 D50으로 지정할 수 있으며, 이는 직경의 50% 누적 점(또는 분포에서 50%의 통과 입자 크기를 의미한다. 입자 크기 분포는 Microtrac 모델 X-100과 같은 상업적으로 이용 가능한 장치로 측정할 수 있다.
핑거 전극에는 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없다. 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 1 중량% 미만을 의미하고, 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 0.5 중량% 미만을 의미하고, 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 0.1 중량% 미만을 의미하고, 일 실시예에서, ‘실질적으로 없다’는 추적 불가능을 의미한다. 유리 결합제는 일반적으로 전도성이 거의 또는 전혀 없는 무기 산화물로 구성되기 때문에 아래에 설명된 유리 결합제는 전도성 금속의 정의에 포함되지 않는다.
일 실시예에서, 핑거 전극용 전도성 페이스트는 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 금속 원소를 포함하지 않는다.
다른 실시예에서, 핑거 전극용 전도성 페이스트는 은 요소 외에 293 켈빈에서 1.00x107 지멘스 (S)/m 또는 그 이상의 전기 전도도를 갖는 전도성 요소를 포함하지 않는다. 이러한 전도성 금속에는, 예를 들어, 철(Fe; 1.00x107 S/m), 알루미늄(Al; 3.64x107 S/m), 니켈(Ni; 1.45x107 S/m), 구리(Cu; 5.81 x1O7 S/m), 금(Au; 4.17x107 S/m), 몰리브덴(Mo; 2.10x107 S/m), 마그네슘(Mg; 2.30x107 S/m), 텅스텐(W; 1.82x107 S/m), 코발트(Co; 1.46x107 S/m) 및 아연(Zn; 1.64x107 S/m)이 포함된다.
(ii) 유리 결합제
페이스트에 혼합될 때 종종 유리 프릿이라고 불리는 유리 결합제는 결과적인 소성 과정에서 패시베이션 층을 통해 전기 접촉을 형성하는 데 도움이 된다. 또한, 유리 결합제는 전극과 실리콘 기판의 결합을 용이하게 한다. 유리 결합제는 무기 산화물을 포함한다. 일 실시예에서, 유리 결합제는 90중량% 또는 그 이상의 무기산화물로 구성되고, 다른 실시예에서, 유리 결합제는 95중량% 또는 그 이상의 무기산화물로 구성되고, 다른 실시예에서, 유리 결합제는 98중량% 또는 그 이상의 무기산화물로 구성되고, 다른 실시예에서, 유리 결합제는 100중량%의 무기 산화물로 구성된다. 일 실시예에서, 유리 결합제는 전도성 분말의 소결도 촉진할 수 있다.
일 실시예에서, 전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 유리 결합제의 함량은0.6 내지 7 중량%이다. 전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 다른 실시예에서, 그 함량은 0.8 내지 6 중량%이고, 다른 실시예에서, 그 함량은 1 내지 5 중량%이다. 이러한 다량의 유리 결합제를 첨가함으로써 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
유리 결합제의 구성은 특정 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 무연 유리 또는 납 함유 유리를 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 유리 결합제는 산화납 및 산화텔루르(TeO2) 및 산화비스무트(BbO3)로 구성된 그룹에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 산화물을 함유하는 납 함유 유리 프릿을 포함한다. 유리 결합제의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 산화납(PbO)은 17 내지 47 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화납(PbO)은 22 내지 42 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화납(PbO)은 25 내지 39 중량%이다.
유리 결합제의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 텔루륨 산화물(TeO2)은 17 내지 47 중량%이고, 다른 실시예에서, 텔루륨 산화물(TeO2)은 22 내지 42 중량%이고, 다른 실시예에서, 텔루륨 산화물(TeO2)은 25 내지 39 중량%이다.
유리 결합제의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 산화비스무트(Bi2O3)는 8 내지 24 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화비스무트(Bi2O3)는 11 내지 25 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화비스무트(Bi2O3)는 13 내지 23 중량%이다.
다른 실시예에서, 유리 결합제는 SiO2, Li2O, Na2O, B2O3, WO3, CaO, Al2O3, ZnO, MgO, TiO2, ZrO2, BaO, MgO, K2O, CuO, AgO, 및 이들의 임의의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 무기 산화물을 추가로 포함한다.
유리 결합제는 통상의 기술자에 잘 알려진 방법에 의해 준비될 수 있다. 예를 들어, 유리 결합제 또는 유리 프릿은 산화물, 수산화물, 탄산염과 같은 원료를 혼합 및 용융하고 급랭하여 파유리로 만든 후 기계적 분쇄(습식 또는 건식 밀링)하여 준비할 수 있다. 그후에, 필요에 따라 원하는 입자 크기로 분류된다.
(iii) 유기 비히클
전도성 페이스트는 유기 결합제 및 용매를 포함하는 유기 비히클을 포함한다.
일 실시예에서, 유기 결합제는 에틸 셀룰로오스, 에틸히드록시에틸 셀룰로오스, 수소화된 로진의 펜타에리트리톨 에스테르(ForalynTM), 담마르 검, 우드 로진, 페놀 수지, 아크릴 수지, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 용매는 알파- 또는 베타-테르피네올 또는 이들의 혼합물과 같은 테르펜, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트(TexanolTM), 등유, 디부틸프탈레이트, 부틸 CarbitolTM, 부틸 CarbitolTM 아세테이트, 헥실렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 디부틸 에스테르, 비스(2-(2-부톡시에톡시)에틸)아디페이트, 인비스타의 DBE®, DBE®-2, DBE®-3, DBE®-4, DBE®-5, DBE®-6, DBE®-9 및 DBE®-1 B와 같은 이염기성 에스테르, 옥틸 에폭시 탈레이트, 이소테트라데칸올, 및 석유 나프타, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 유기 비히클의 양은 3 내지 23 중량%이고, 다른 실시예에서, 유기 비히클의 양은 5 내지 20 중량%이고, 추가 실시예에서, 유기 비히클의 양은 7 내지 18 중량%이다.
유기 비히클은 소성 단계 동안 연소될 수 있으므로 형성된 전극에는 이상적으로는 유기 잔류물이 포함되지 않는다. 그러나 전기적 특성을 저하시키지 않는 결과 전극에 일정량의 잔류물이 남을 수 있다.
(iv) 첨가제
전도성 페이스트에는 필요에 따라 증점제, 안정제, 분산제, 점도 조정제, 및 계면 활성제 등의 첨가제를 첨가할 수 있다. 첨가제의 양은 생성된 전도성 페이스트의 원하는 특성에 따라 달라지며 통상의 기술자가 선택할 수 있다. 여러 종류의 첨가제를 전도성 페이스트에 첨가할 수 있다.
이상에서 핑거 전극용 전도성 페이스트의 성분에 대해 설명하였지만, 전도성 페이스트는 원료로부터 유래하는 불순물이나 제조 과정에서의 오염을 포함할 수 있다. 불순물의 존재는 전도성 페이스트의 예상되는 특성을 크게 변경하지 않는 한 허용된다(양성으로 정의됨). 전도성 페이스트로 제조된 핑거 전극은 전도성 페이스트가 양성 불순물을 포함하더라도 본 발명에서 설명하는 충분한 전기적 특성을 달성할 수 있다.
(v) 점도 및 고체 함량
일 실시예에서, 전도성 페이스트의 점도는 100 내지 600 Pa·s이고, 다른 실시예에서, 전도성 페이스트의 점도는 150 내지 500 Pa·s이고, 추가 실시예에서, 전도성 페이스트의 점도는 200 내지 400 Pa·s이다. 이러한 점도는 일반적으로 우수한 인쇄성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명에서, 전도성 페이스트의 점도는 #14 스핀들 및 SC4-14/6R 유틸리티 컵이 있는 브룩필드 HBT 점도계를 사용하여 25℃, 10rpm에서 측정한 값으로 정의된다.
전도성 페이스트의 무기 고체 함량은 전도성 페이스트의 총 중량에 대한 무기 고체의 백분율(wt%)로 계산된다. 무기 고체는 일반적으로 전도성 금속/합금 분말 및 유리 결합제로 구성된다. 전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 무기 고체의 함량은 68.5 내지 96.7 중량%이고, 다른 실시예에서, 무기 고체의 함량은 85 내지 94 중량%이다.
(버스바 전도성 페이스트)
버스바 전극을 형성하기 위한 버스바 전도성 페이스트는 은 요소; (b)제2 금속, (c)유리 결합제; 및 (d)유기 비히클을 포함한다.
(i) 은 요소
은 요소는 페이스트가 전류를 전달할 수 있도록 한다. 은 요소는 높은 전도성 벌크 재료를 제공하기 위해 공기 중에서 소성한 후 산화물을 형성하지 않고 소결될 수 있다. 은 요소는 모양이 박편이거나 구형인 분말, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 은 요소는 실질적으로 은 분말이다. 은 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 은 분말에는 90% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은 분말에는 95% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은 분말에는 99% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있다.
일 실시예에서, 은 요소는 은-함유 합금이다. 은-함유 합금의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 은-함유 합금에는 50% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-함유 합금에는 70% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-함유 합금에는 90% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있다. 일 실시예에서, 은-함유 합금은 은-구리 합금, 은-금 합금, 은-백금 합금, 은-구리-금 합금 또는 은-구리-게르마늄 합금이다.
일 실시예에서, 은 요소는 은-구리 코어-셸 입자와 같은 은-코팅 분말이다. 은-코팅 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 은-코팅 분말에는 50% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-코팅 분말에는 70% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있고, 다른 실시예에서, 은-코팅 분말에는 90% 또는 그 이상의 은 원소가 함유되어 있다.
은 분말, 은-함유 합금 및 은-코팅 분말의 2종 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 은 요소는68 내지 88 중량%(wt%)이고, 다른 실시예에서, 은 요소는 72 내지 87 중량%이고, 다른 실시예에서, 은 요소는 77 내지 85 중량%이다. 전도성 페이스트에 이러한 양의 은 요소는 버스바 전극에 필요한 충분한 전도성을 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 은 요소의 입자 직경은 0.1 내지 10㎛이고, 다른 실시예에서, 은 요소의 입자 직경은 0.5 내지 7㎛이고, 다른 실시예에서, 은 요소의 입자 직경은 1 내지 4㎛이다. 이러한 입경을 갖는 은 요소는 유기 결합제 및 용매에 적절히 분산되어 기판에 원활하게 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 은 요소는 상이한 입자 직경 또는 상이한 입자 형상을 갖는 2종 또는 2종 이상의 유형의 은 요소의 혼합물일 수 있다.
입자 직경은 레이저 회절 산란법을 사용하여 입자 직경의 분포를 측정하여 얻어지며 D50으로 지정할 수 있으며, 이는 직경의 50% 누적 점(또는 분포에서 50%의 통과 입자 크기를 의미한다. 입자 크기 분포는 Microtrac 모델 X-100과 같은 상업적으로 이용 가능한 장치로 측정할 수 있다.
(ii) 제2 금속
전지의 성능을 유지하면서, 제2 금속을 사용하면, 버스바 전극은 고가의 귀금속이 필요한 양을 줄여 현재의 태양전지를 더 낮은 비용으로 만들 수 있다. 제2 금속은 니켈, 구리, 이들의 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된다. 제2 금속 요소는 모양이 박편이거나 구형인 분말, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 금속 분말은 실질적으로 니켈 분말이다. 제2 금속 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 제2 금속 분말은 90% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말은 95% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말은 99% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함한다.
일 실시예에서, 제2 금속 분말은 실질적으로 구리 분말이다. 제2 금속 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 제2 금속 분말은 90% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말은 95% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말은 99% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함한다.
일 실시예에서, 제2 금속 분말은 니켈-함유 합금 또는 구리-함유 합금이다. 니켈-함유 합금의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 니켈-함유 합금은 50% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 니켈-함유 합금은 70% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 니켈-함유 합금은 90% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함한다. 구리-함유 합금의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 구리-함유 합금은 50% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 구리-함유 합금은 70% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 구리-함유 합금은 90% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함한다.
일 실시예에서, 제2 금속 분말은 니켈-코팅 분말 또는 구리-코팅 분말이다. 니켈-코팅 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 니켈-코팅 분말은 50% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 니켈-코팅 분말은 70% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 니켈-코팅 분말은 90% 또는 그 이상의 니켈 원소를 포함한다. 구리-코팅 분말의 총 함량을 기준으로, 일 실시예에서, 구리-코팅 분말은 50% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 구리-코팅 분말은 70% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함하고, 다른 실시예에서, 구리-코팅 분말은 90% 또는 그 이상의 구리 원소를 포함한다.
2종 또는 2종 이상의 제2 금속 분말을 병용할 수 있다.
전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 제2 금속 분말은 1 내지 30 중량%(wt%)이고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말은 5 내지 20 중량%이고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말은 7 내지 15 중량%이다. 전도성 페이스트에 이러한 양의 제2 금속 분말은 태양전지 응용 분야에 충분한 전도성을 유지하면서 제조된 태양전지의 경쟁력에 기여할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 금속 분말의 입자 직경은 0.1 내지 10㎛이고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말의 입자 직경은 0.5 내지 7㎛이고, 다른 실시예에서, 제2 금속 분말의 입자 직경은 1 내지 4㎛이다. 이러한 입경을 갖는 제2 금속 분말은 유기 결합제 및 용매에 적절히 분산되어 기판에 원활하게 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 금속 분말은 상이한 입자 직경 또는 상이한 입자 형상을 갖는 2종 또는 2종 이상의 유형의 제2 금속의 혼합물일 수 있다.
입자 직경 측정은 25 내지 30개의 입자의 SEM 이미지 분석에 의해 얻어진다. 평균 입자 크기는 25~35개의 1차 입자 직경을 측정하고 4000x 크기 SEM 이미지에서 평균수를 취하여 계산할 수 있다. SEM 이미지는 Hitachi SEM 모델 3500과 같은 상용 장치로 얻을 수 있다.
(iii) 유리 결합제
페이스트에 혼합될 때 종종 유리 프릿이라고 불리는 유리 결합제는 결과적인 소성 과정에서 패시베이션 층을 통해 전기 접촉을 형성하는 데 도움이 된다. 유리 결합제는 전극과 실리콘 기판의 결합을 용이하게 한다. 유리 결합제는 무기 산화물을 포함한다. 일 실시예에서, 유리 결합제는 90중량% 또는 그 이상의 무기 산화물로 구성되고, 다른 실시예에서, 유리 결합제는 95중량% 또는 그 이상의 무기 산화물로 구성되고, 다른 실시예에서, 유리 결합제는 98중량% 또는 그 이상의 무기 산화물로 구성되고, 다른 실시예에서, 유리 결합제는 100중량%의 무기 산화물로 구성된다. 일 실시예에서, 유리 결합제는 전도성 분말의 소결도 촉진할 수 있다.
일 실시예에서, 전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 유리 결합제의 함량은0.1 내지 3.3 중량%이다. 핑거 전극을 통해 실리콘 기판과의 충분한 전기적 연결이 이루어지기 때문에 버스바 전극에서 유리 바인더의 함량을 줄일 수 있다. 전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 다른 실시예에서, 그 함량은 0.15 내지 2.2 중량%이고, 다른 실시예에서, 그 함량은 0.2 내지 1.2 중량%이다.
유리 결합제의 구성은 특정 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 무연 유리 또는 납 함유 유리를 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 유리 결합제는 산화납 및 산화규소(SiO2) 및 산화붕소(B2O3)로 구성된 그룹에서 선택된 하나 또는 하나 이상의 산화물을 함유하는 납 함유 유리 프릿을 포함한다.
유리 결합제의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 산화납(PbO)은 30 내지 80 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화납(PbO)은 37 내지 73 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화납(PbO)은 45 내지 68 중량%이다.
유리 결합제의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 산화규소(SiO2)는 5 내지 25 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화규소(SiO2)는 8 내지 20 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화규소(SiO2)는 10 내지 18 중량%이다.
유리 결합제의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 산화붕소(B2O3)는 2 내지 15 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화붕소(B2O3)는 3 내지 12 중량%이고, 다른 실시예에서, 산화붕소(B2O3)는 5 내지 10 중량%이다.
다른 실시예에서, 유리 결합제는 TeO2, Li2O, Na2O, Bi2O3, WO3, CaO, Al2O3, ZnO, MgO, TiO2, ZrO2, BaO, MgO, K2O, CuO, AgO, 및 이들의 임의의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 무기 산화물을 추가로 포함한다.
유리 결합제는 통상의 기술자에 잘 알려진 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 유리 결합제 또는 유리 프릿은 산화물, 수산화물, 탄산염과 같은 원료를 혼합 및 용융하고 담금질하여 파유리로 만든 후 기계적 분쇄(습식 또는 건식 밀링)하여 제조할 수 있다. 그후에, 필요에 따라 원하는 입자 크기로 분류된다.
(iv) 유기 비히클
전도성 페이스트는 유기 결합제 및 용매를 포함하는 유기 비히클을 포함한다.
일 실시예에서, 유기 결합제는 에틸 셀룰로오스, 에틸히드록시에틸 셀룰로오스, 수소화된 로진의 펜타에리트리톨 에스테르(ForalynTM), 담마르 검, 우드 로진, 페놀 수지, 아크릴 수지, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 용매는 알파- 또는 베타-테르피네올 또는 이들의 혼합물과 같은 테르펜, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트(TexanolTM), 등유, 디부틸프탈레이트, 부틸 CarbitolTM, 부틸 CarbitolTM 아세테이트, 헥실렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 디부틸 에스테르, 비스(2-(2-부톡시에톡시)에틸)아디페이트, 인비스타의 DBE®, DBE®-2, DBE®-3, DBE®-4, DBE®-5, DBE®-6, DBE®-9 및 DBE®-1 B와 같은 이염기성 에스테르, 옥틸 에폭시 탈레이트, 이소테트라데칸올, 및 석유 나프타, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 유기 비히클의 양은 3 내지 23 중량%이고, 다른 실시예에서, 유기 비히클의 양은 5 내지 20 중량%이고, 추가 실시예에서, 유기 비히클의 양은 7 내지 18 중량%이다.
유기 비히클은 소성 단계 동안 연소될 수 있으므로 형성된 전극에는 이상적으로는 유기 잔류물이 포함되지 않는다. 그러나 전기적 특성을 저하시키지 않는 결과 전극에 일정량의 잔류물이 남을 수 있다.
(v) 첨가제
전도성 페이스트에는 필요에 따라 증점제, 안정제, 분산제, 점도 조정제, 및 계면 활성제 등의 첨가제를 첨가할 수 있다. 첨가제의 양은 생성된 전도성 페이스트의 원하는 특성에 따라 달라지며 통상의 기술자가 선택할 수 있다. 여러 종류의 첨가제를 전도성 페이스트에 첨가할 수 있다.
이상에서 버스바 전극용 전도성 페이스트의 성분에 대해 설명하였지만, 전도성 페이스트는 원료로부터 유래하는 불순물이나 제조 과정에서의 오염을 포함할 수 있다. 불순물의 존재는 전도성 페이스트의 예상되는 특성을 크게 변경하지 않는 한 허용된다(양성으로 정의됨). 전도성 페이스트로 제조된 버스바 전극은 전도성 페이스트가 양성 불순물을 포함하더라도 본 발명에서 설명하는 충분한 전기적 특성을 달성할 수 있다.
(vi) 점도 및 고체 함량
일 실시예에서, 전도성 페이스트의 점도는 100 내지 600 Pa·s이고, 다른 실시예에서, 전도성 페이스트의 점도는 150 내지 500 Pa·s이고, 추가 실시예에서, 전도성 페이스트의 점도는 200 내지 400 Pa·s이다. 이러한 점도는 일반적으로 우수한 인쇄성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
전도성 페이스트의 무기 고체 함량은 전도성 페이스트의 총 중량에 대한 무기 고체의 백분율(wt%)로 계산된다. 무기 고체는 일반적으로 전도성 금속/합금 분말 및 유리 결합제로 구성된다. 전도성 페이스트의 총 중량을 기준으로, 일 실시예에서, 무기 고체의 함량은 68.5 내지 96.7 중량%이고, 다른 실시예에서, 무기 고체의 함량은 85 내지 94 중량%이다.
[실시예]
본 발명은 이하의 실시예에 의해 예시되지만 이에 제한되지는 않는다. 실시예에서, ‘부’는 중량부를 의미한다.
제1 실시예
1. 부스바 페이스트의 준비
부틸 CarbitolTM 아세테이트, DBE-3, TexanolTM, 에틸 셀룰로오스, 포랄린 및 첨가제로 구성된 유기 비히클을 점도 조절제와 15분간 혼합한다. 균일한 분산이 가능하도록 0.6부의 유리 프릿을 17.4부의 유기 비히클에 분산시키고 15분간 혼합한다. 유리 프릿은 Pb0-SiO2-B2O3형이었다. 이어서, 8.2부의 니켈(Ni) 분말을 증분 첨가한 후, 73.8부의 은 분말을 증분 첨가한다. Ni 분말의 입자 직경(평균수)은 SEM 이미지 분석으로 측정한 4㎛이다. Ni 분말의 형상은 거친 입방체이다. Ag 분말은 레이저 회절 산란법으로 측정한 입자 직경(D50)이 1.2㎛인 구형 분말이다. 혼합물을 0에서 400psi로 점진적으로 증가하는 압력에서 3-롤 밀을 통해 반복적으로 통과시킨다. 롤의 간격은 1mil로 조정된다.
마지막으로 추가 유기 매질 또는 희석제를 혼합하여 페이스트의 점도를 조정한다. 브룩필드 HBT 점도계 및 #14 스핀들 및 SC4-14/6R 유틸리티 컵을 사용하여 25℃, 10rpm에서 측정한 점도는 300Pa·s이다.
2. 태양전지의 제조
인쇄 작업은 Baccini 프린터로 수행했다(도포된 재료로 제조). 상기에서 얻은 버스바 페이스트와 시판되는 핑거 페이스트(DuPont PV22A)를 웨이퍼 상에 원하는 버스바 및 핑거 패턴으로 순차적으로 스크린 인쇄하였다. 핑거 페이스트 PV22A는 다른 전도성 성분을 포함하지 않는 은 페이스트이다. 웨이퍼는 Inventec 태양 에너지 공사에서 입수한 P형 단결정 패시베이션된 이미터 후면 셀(Passivated Emitter Rear Cell, PERC) 전지이다. 버스바 스크린은 400메시, 18㎛ 와이어 직경, 10㎛ 에멀젼 두께(Murakami 스크린으로 제조)이다. 핑거 스크린은 440메시, 13㎛ 와이어 직경, 12㎛ 에멀젼 두께(Murakami 스크린으로 제조)이다.
인쇄된 페이스트는 벨트 퍼니스에서 200°C에서 30초 동안 건조되었으며, 다음 895°C의 피크 온도 설정에서 IR 가열식 벨트 퍼니스(CF-7210B, Despatch 산업)에서 소성하여 핑거 전극과 버스바 전극을 형성한다. 퍼니스 설정 온도 895°C는 728°C의 실리콘 기판 상면에서 측정된 온도에 해당한다. 퍼니스 입구에서 출구까지의 소성 시간은 72초이다. 소성 프로파일은 400°C에서 600°C까지 7초 동안의 램핑율, 및 4.7초 동안 600°C를 초과하는 기간을 가졌다. 온도는 K형 열전대를 사용하여 실리콘 기판의 상부 표면에서 측정하고 환경 데이터 로거(Datapaq® 퍼니스 트랙커® 시스템, 모델 DP9064A, Datapaq Ltd.)를 사용하여 기록한다. 퍼니스의 벨트 속도는 860 cpm이다.
3. 시험 절차
3-1. IV 특성
제조된 태양전지는 상용 IV 테스터(FRIWO®, BERGER 기업)를 사용하여 효율을 테스트한다. IV 테스터의 Xe Arc 램프는 n-베이스 태양전지의 p-형 에미터 측을 조사하기 위해 1.5의 기단 값을 갖는 알려진 강도 및 스펙트럼으로 태양광을 모의한다. 테스터는 ‘4점 프로브 방법’을 사용하여 약 400개의 부하 저항 설정에서 전류(I) 및 전압(V)을 측정하여 전지의 I-V 곡선을 결정한다. 전지의 전면에 형성된 부스바를 IV 테스터의 다중 프로브에 연결하고 프로브를 통해 전기 신호를 데이터 처리 컴퓨터로 전송하여 단락 전류, 개방 회로 전압, 필-팩터(FF), 직렬 저항 및 전지 효율을 포함하는 태양전지의 l-V 특성을 획득한다.
3-2. 박리력
구리 리본은 952-S 솔더링 플럭스(Kester)를 사용하여 180°C에서 테스트 태양전지의 버스바에 납땜된다. 다음 180도 박리 접착력 테스트가 수행된다. 평균 박리력을 계산하기 위해 최소 3개의 샘플을 테스트한다.
제2 실시예
사용된 니켈(Ni) 분말의 입자 직경(평균수)이 4㎛가 아닌 2.5㎛인 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방법으로 태양전지를 제조한다. Ni 분말의 형상은 거칠고 불규칙하다. 태양전지는 제1 실시예에 사용된 절차에 따라 IV 특성 및 박리력에 대해 테스트된다.
제3 실시예
Ni 분말 대신 입자 직경(평균수)이 2㎛인 구리(Cu) 분말을 사용한 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방법으로 태양전지를 제조한다. Cu 분말의 형상은 매끄러운 구형이다. 태양전지는 제1 실시예에 사용된 절차에 따라 IV 특성 및 박리력에 대해 테스트된다.
제1 비교예
제2 금속을 사용하지 않은 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방법으로 태양전지를 제조한다. 태양전지는 제1 실시예에 사용된 절차에 따라 IV 특성 및 박리력에 대해 테스트된다.
제2 비교예
Ni 분말 대신 입자 직경(평균수)이 3㎛인 알루미나(Al2O3) 분말을 사용한 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방법으로 태양전지를 제조한다. Al2O3 분말의 형상은 매끄러운 구형이다. 태양전지는 제1 실시예에 사용된 절차에 따라 IV 특성 및 박리력에 대해 테스트된다.
제3 비교예
Ni 분말 대신 입자 직경(평균수)이 5㎛인 알루미나(Al2O3) 분말을 사용한 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방법으로 태양전지를 제조한다. Al2O3 분말의 형상은 매끄러운 구형이다. 태양전지는 제1 실시예에 사용된 절차에 따라 IV 특성 및 박리력에 대해 테스트된다.
제4 비교예
입자 직경(평균수)이 1.5㎛인 알루미늄(Al) 분말을 사용한 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 방법으로 태양전지를 제조한다. Al분말의 형상은 매끄러운 구형이다. 태양전지는 제1 실시예에 사용된 절차에 따라 IV 특성 및 박리력에 대해 테스트된다.
아래의 표 1은 실시예 및 비교예의 시험 결과를 나타낸다. 제1 실시예, 제2 실시예, 및 제3 실시예는 제2 금속을 함유하지 않는 제1 비교예와 비교하여 비교 가능한 효율에 도달한다. Ag를 Ni 또는 Cu 분말로 10wt% 대체하여(즉, 제1 비교예에서 82wt% Ag의 8.2wt%), 효율과 박리력의 손실을 최소화하면서 귀금속인 Ag의 사용량을 크게 줄인다. 제2 비교예 및 제3 비교예 각각은 FF 다운그레이드로 인한 상당한 효율 손실을 본다. 제4 비교예는 전극에 리본이 부착되지 않았기 때문에, 값이 너무 낮아 박리력을 측정할 수 없어 IV 특성을 측정할 수 없다.
[표 1]
Claims (11)
- 전면 및 후면을 갖는 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 핑거 전극으로서, 여기서, 상기 핑거 전극은 상기 실리콘 기판과 전기적으로 접촉하고, 상기 핑거 전극은 은 요소 및 유리 결합제를 포함하고, 상기 핑거 전극에는 상기 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없는, 핑거 전극; 및
상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 버스바 전극으로서, 여기서, 상기 버스바 전극은 상기 핑거 전극과 전기적으로 접촉하고, 상기 버스바 전극은 은 요소; 니켈, 구리, 이들의 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 제2 금속; 및 유리 결합제를 포함하는, 버스바 전극
을 포함하는, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 금속은 니켈인, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 금속은 구리인, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 핑거 전극은 상기 핑거 전극의 총 중량을 기준으로 80 내지 99.5 중량%의 상기 은 요소 및 0.5 내지 20 중량%의 상기 유리 결합제를 포함하는, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 버스바 전극은 상기 버스바 전극의 총 중량을 기준으로 74 내지 98 중량%의 상기 은 요소, 2 내지 25 중량%의 상기 제2 금속 및 0.1 내지 3 중량%의 상기 유리 결합제를 포함하는, 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 핑거 전극의 상기 유리 결합제의 함량은 상기 버스바 전극의 상기 유리 결합제의 함량보다 높은, 태양전지. - 전면 및 후면을 갖는 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 실리콘 기판의 전면에 버스바 전극을 형성하기 위한 제1 전도성 페이스트를 도포하는 단계로서, 여기서, 상기 제1 전도성 페이스트는 (a) 68 내지 88 중량%의 은 요소; (b) 1 내지 30 중량%의 니켈, 구리, 이들의 합금 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 금속 분말; (c) 0.1-3.3 중량%의 유리 결합제, 및 (d) 3 내지 23 중량%의 유기 비히클을 포함하고; 여기서, 중량%는 페이스트 조성물의 총 중량을 기준으로 한 것인, 단계;
상기 실리콘 기판의 전면에 핑거 전극을 형성하기 위한 제2 전도성 페이스트를 도포하는 단계로서, 여기서, 전도성 페이스트는 (a) 70 내지 95 중량%의 은 요소; (b) 0.6 내지 7 중량%의 유리 결합제, 및 (c) 3 내지 23 중량%의 유기 비히클을 포함하고; 여기서, 중량%는 페이스트 조성물의 총 중량을 기준으로 한 것이고; 여기서, 상기 핑거 전극을 위한 상기 제2 전도성 페이스트에는 상기 은 요소 이외의 다른 전도성 금속이 실질적으로 없는, 단계; 및
상기 실리콘 기판의 전면에 상기 핑거 전극과 상기 버스바 전극을 형성하기 위해 도포된 전도성 페이스트를 소성하는 단계
를 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 핑거 전극을 위한 상기 제2 전도성 페이스트의 상기 유리 결합제의 함량은 상기 버스바 전극을 위한 상기 제1 전도성 페이스트의 상기 유리 결합제의 함량보다 높은, 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
제2 금속 분말의 평균 직경은 0.1㎛ 내지 10㎛인, 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 전도성 페이스트는 상기 제2 전도성 페이스트의 도포 후에 도포되는, 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제2 전도성 페이스트는 상기 제1 전도성 페이스트의 도포 후에 도포되는, 태양전지의 제조방법.
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