WO2010071363A2 - 태양전지용 전극, 그 제조방법 및 태양전지 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a solar cell electrode, a manufacturing method thereof and a solar cell.
  • a solar cell is a semiconductor device that converts solar energy into electrical energy and has a p-n junction.
  • the basic structure is the same as that of a diode.
  • When light is incident on the solar cell it is absorbed and interacts with the material constituting the semiconductor of the solar cell.
  • the formed minority carriers, electrons and holes, are connected to each other before recombination.
  • the electromotive force is obtained by drift to the electrode.
  • crystalline silicon solar cells can be classified into single crystal and polycrystalline forms.
  • Single crystal is a high-quality material with high purity and low crystal defect density, but of course, high efficiency is relatively high.
  • Expensive and polycrystalline materials are commonly used because they are slightly less efficient than single crystals but are relatively inexpensive.
  • a method of manufacturing a polycrystalline silicon solar cell is a defect of a surface of a polycrystalline silicon substrate which is intended to use a p-type substrate having a constant size (5 or 6 "for a commercially available substrate size) and a thickness (150-250 ⁇ m) by an appropriate etching method.
  • a thermal diffusion method doping the surface of the p-type substrate to a constant thickness (0.1 ⁇ 0.3 ⁇ m) to make an n-type semiconductor.
  • crystalline or amorphous silicon nitride, silicon oxide, titanium oxide, or a combination thereof is deposited by an appropriate thickness (about 70 to 90 ⁇ for silicon nitride) by physical vacuum deposition. Thereafter, the P-type semiconductor layer electrode and the N-type semiconductor layer electrode are printed and dried at a constant line width and height by a printing method (usually screen printing).
  • the solar irradiation surface electrode generally contains silver and the line width is set to about 100 ⁇ m at a height of 100 ⁇ m.
  • the opposite electrode generally screen-prints and dries an electrode made of a combination of aluminum, aluminum and silver to a constant thickness, taking into account bowing of the substrate. Thereafter, it is fired for several seconds to several hundred seconds at a relatively high temperature of 700 to 900 ° C so that the conductive metals of the front and rear electrodes come into contact with each semiconductor layer to have a function as an electrode.
  • a line width of about 80 to 120 ⁇ m is printed by using screen printing during front electrode (bus electrode and / or finger electrode) printing, and the quality of the line shape is not good.
  • front electrode bus electrode and / or finger electrode
  • problems such as poor workability due to platelet blockage during repeated printing, difficulty in multilayer printing, and low aspect ratio during firing.
  • the electrode is printed in a multi-layer, by using a conductive paste in which the glass transition temperature and the solvent boiling point of the binder is different for each layer by printing by printing methods such as gravure offset, the aspect ratio is high and the substrate It is an object of the present invention to provide a solar cell electrode manufacturing method having good contact with a conductive electrode material and a solar cell having high cell efficiency.
  • the present invention provides a method for producing a solar cell electrode through a printing method using a composition for a solar cell electrode comprising a binder polymer, a diluent solvent, a metal electrode material, and a glass powder, the contact between the substrate and the electrode on the substrate
  • Printing the composition of the binder polymer is a low Tg binder polymer for properties; and reinforcing printing the composition of the binder is a high Tg binder polymer to improve the aspect ratio;
  • Tg of the low Tg binder polymer is in the range of -40 ⁇ 10 °C
  • Tg of the high Tg binder polymer is preferably in the range of 50 ⁇ 120 °C.
  • the method may further include printing the composition with the heavy Tg binder polymer between the step of printing with the composition to which the low Tg binder polymer is applied and the step of reinforcing printing with the composition to which the high Tg binder polymer is applied.
  • the Tg of the Tg binder polymer has a value between the Tg of the low Tg binder polymer and the Tg of the high Tg binder polymer.
  • the present invention makes it possible to produce an excellent electrode even with a gravure offset printing method.
  • the electrode aspect ratio (height / width) after the step of reinforcing printing with a composition to which the high Tg binder polymer is applied provides a method for producing an electrode, characterized in that 0.3 ⁇ 1.0.
  • the electrode manufactured by the above manufacturing method has a width of 30 to 100 ⁇ m and a height of 30 to 100 ⁇ m.
  • the present invention also provides a substrate for a solar cell having a bus electrode and a finger electrode on an upper substrate, wherein at least one of the bus electrode and the finger electrode is formed of a lower printed layer and a high printed layer of a conductive paste composition using a low Tg polymer binder.
  • a substrate for a solar cell wherein an electrode including an upper printed layer printed with a conductive paste composition using a Tg polymer binder is fired and formed.
  • At least one of the bus electrode and the finger electrode has an electrode width of 30 to 100 ⁇ m, a height of 30 to 100 ⁇ m, and an electrode aspect ratio (height / width) of 0.3 to 1.0.
  • the present invention also provides a solar cell including a bus electrode and a finger electrode on an upper substrate, and a back electrode on a lower substrate, wherein at least one of the bus electrode and the finger electrode uses the above-described solar cell electrode manufacturing method.
  • the cell efficiency is 17% or more.
  • a low Tg binder (hereinafter referred to as Tg) is first used for good contact between a substrate such as a silicon wafer and a conductive electrode material. Since the electrode is printed and fired using a high binder (hereinafter Tg), the aspect ratio of the electrode is high, the contact between the substrate and the conductive electrode material is good, and the cell efficiency is excellent.
  • FIG. 2 is an electrode cross-sectional photograph obtained through heat treatment at 800 ° C. for 20 seconds after laminating electrode compositions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
  • FIG. 2 is an electrode cross-sectional photograph obtained through heat treatment at 800 ° C. for 20 seconds after laminating electrode compositions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
  • FIG. 3 is a photograph for evaluating contact characteristics between Si wafers and electrodes of Example 1 and Comparative Example 1.
  • Solar cell electrode manufacturing method a method for producing a solar cell electrode through a printing method using a composition for a solar cell electrode comprising a binder polymer, a diluent solvent, a metal electrode material, and glass powder.
  • a composition for a solar cell electrode comprising a binder polymer, a diluent solvent, a metal electrode material, and glass powder.
  • for printing the composition of the binder polymer is a low Tg binder polymer for the contact characteristics of the substrate and the electrode
  • the reinforcement printing of the composition of the binder is a high Tg binder polymer for improving the aspect ratio Characterized in that it comprises a.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an electrode manufactured by a solar cell electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the lower printed layer 20 printed with a conductive paste composition using a low Tg polymer binder on the substrate 10 And an electrode comprising an upper print layer 30 printed with a conductive paste composition using a high Tg polymer binder.
  • any conductive paste composition which can be applied to solar cell electrodes and capable of forming electrodes by a printing method is included.
  • the electrically conductive paste composition containing a binder, a diluent, a conductive metal material, a glass frit, and an inorganic thixotropic agent is mentioned.
  • the selection of the binder included in the composition has a great influence on the characteristics of the electrode and the solar cell efficiency.
  • the glass transition temperature of the binder is controlled among the materials of the conductive paste, and when the high Tg binder polymer having a Tg of 50 ° C. or more and preferably 100 ° C. or more is applied, there is almost no change in aspect ratio before and after firing, unlike the conventional conductive paste. .
  • the present invention solves the problem of changing the aspect ratio after firing by varying the binder Tg of the electrode material of each layer when forming the electrode by the gravure offset method, and at the same time solves the disadvantages of the contact property between the substrate and the electrode due to the high Tg of the binder.
  • This increases the efficiency of the solar irradiation surface is wider. That is, by controlling the binder glass transition temperature of the layered material, unlike the conventional conductive paste, there is almost no change in the aspect ratio before and after firing, thereby increasing the efficiency of the solar irradiation surface.
  • the electrode when the electrode is printed first, the electrode is first printed using the low Tg binder polymer to improve the contact between the electrode and the substrate, and then the aspect ratio of the electrode is increased by reinforcement printing using the high Tg binder polymer.
  • the low Tg binder polymer and the high Tg binder polymer may be divided according to the relative high and low Tg values. More preferably, the Tg of the low Tg binder polymer is preferably in the range of -40 to 10 ° C, and the Tg of the high Tg binder polymer is in the range of 50 to 120 ° C.
  • the method may further include the step of printing with a composition applied with the heavy Tg binder polymer between the step of printing with a composition to which the low Tg binder polymer is applied and the step of reinforcing printing with a composition to which the high Tg binder polymer is applied.
  • the Tg of the heavy Tg binder polymer has a value between the Tg of the selected low Tg binder polymer and the Tg of the selected high Tg binder polymer.
  • the binder used in the conductive paste composition according to the embodiment of the present invention is not limited, cellulose acetate, cellulose acetate butylate, and cellulose ether compound may be ethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxy flophyll cellulose, or hydroxy.
  • at least one or more of the polyvinyl alcohol may be selected and used. It is preferable that the molecular weight of the said acryl-type compound is 5,000-50,000.
  • the low Tg binder used in the conductive paste composition according to the embodiment of the present invention is ethyl acrylate (EA), hydroxy ethyl acrylate (HEA), hydroxy propyl acrylate (HPA), 2-ethyl nuclear chamber acrylate (2 -EHA), butyl acrylate (BA), stearyl methacrylate (SMA), vinyl butyl ether (VBE), vinyl ethyl ether (VEE), vinyl isobutyl ether (VIE), vinyl methyl ether (VME), heavy A binder synthesized of at least one or more kinds may be used, and the high Tg binder used in the conductive paste composition according to the embodiment of the present invention may be acrylic acid (AA), methyl acrylic exit (MAA), methyl methacrylate ( MMA), ethyl methyl acrylate (EMA), isobutyl meth acrylate (i-BMA), 2-hydroxy ethyl methyl acrylate (2-HEMA), st
  • Diluents used in the composition according to one embodiment of the invention alpha-terpineol, texanol, dioctyl phthalate, dibutyl phthalate, cyclohexane, hexane, toluene, benzyl alcohol, dioxane, diethylene glycol, ethylene glycol It is preferable to use at least one selected from compounds consisting of mono butyl ether, ethylene glycol mono butyl ether acetate, diethylene glycol mono butyl ether, diethylene glycol mono butyl ether acetate, and the like.
  • the conductive metal material used in the conductive paste according to the embodiment of the present invention silver powder, copper powder, nickel powder, aluminum powder, and the like may be used, among which silver powder is most preferred.
  • the conductive metal material will be described using silver powder as an example.
  • the silver powder has an average particle diameter of 0.5 to 5 ⁇ m, and the shape may be at least one of spherical, acicular, plate and amorphous.
  • the average particle diameter of the silver powder is preferably 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m in consideration of ease of pasting and density at firing.
  • the content of the silver powder is preferably 60 to 90% by weight based on the total weight of the conductive paste composition in consideration of the electrode thickness and the wire resistance of the electrode formed during printing.
  • Glass frit used in the composition according to an embodiment of the present invention has an average particle diameter of 0.5 ⁇ 5 ⁇ m, its components, PbO 43 ⁇ 91 wt%, SiO2 21 wt% or less, B2O3 + Bi2O3 25 wt% or less, Al2O3 7wt It is preferable to use at least one or more of glass powder having a% or less, 20 wt% or less of ZnO, 15 wt% or less of Na2O + K2O + Li2O, or 15 wt% or less of BaO + CaO + MgO + SrO. It is preferable that a thermal expansion coefficient is 62-110x10 ⁇ -7> / degreeC .
  • the content of the glass frit is preferably 1 to 10% by weight based on the total weight of the conductive paste composition. If the content of the glass frit is less than 1% by weight, incomplete firing may occur to increase the electrical resistivity. There are too many components, and there exists a possibility that an electrical resistivity may also become high.
  • composition according to the present invention may further include additives commonly known as necessary, for example, a dispersant, a defoamer, and a leveling agent.
  • the conductive paste composition according to the present invention is useful for producing surface electrodes of photovoltaic cells.
  • the conductive paste composition according to the present invention can be printed on a substrate using a variety of printing methods such as screen printing, gravure offset method, rotary screen printing method or lift off method, preferably gravure offset method is easy to fine pattern good.
  • the electrode thus formed preferably has a thickness of 10 to 40 ⁇ m.
  • the electrode paste patterned with the conductive paste composition according to the present invention may be dried for several minutes at a temperature of 150 to 250 °C and calcined for several seconds at a temperature of 700 to 900 °C.
  • the conductive paste composition having different Tg properties of the binder is printed by multi-layer printing directly on the substrate, a preferred example will be described below.
  • the electrode paste for solar cells according to the present invention is a front electrode paste for solar cells fired at 700 ⁇ 900 °C, the total paste of the electrode is 49 to 85 wt% metal powder, 1 to 10 wt% glass powder, organic material It has a weight fraction of 7 to 50 wt%, and when the silver metal is used as the metal powder, the average particle diameter is 0.5 to 15 ⁇ m, and its shape is spherical, acicular, and plate-shaped. ) And at least one of amorphous phases, the glass powder has an average particle diameter of 0.5 to 5 ⁇ m, and the component thereof is SiO2.
  • glass powders of 21 wt% or less B2O3 + Bi2O3 25 wt% or less, Al2 O3 7wt% or less, ZnO 20 wt% or less, Na2O + K2O + Li2O 15 wt% or less, BaO + CaO + MgO + SrO 15 wt% or less
  • glass softening temperature is 320 ⁇ 520 °C
  • thermal expansion coefficient is 62 ⁇ 110 ⁇ 10 -7 / °C
  • 7 ⁇ 50wt% of the organic material can be divided into 4 ⁇ 20wt% polymer binder, 1 ⁇ 25wt% diluent solvent, 2 ⁇ 5wt% additive as an example.
  • the electrode paste for solar cells is a 49 to 85 wt% silver metal powder as the main component of the electrical conductivity of the whole paste, glass powder 1 to 10 to promote sintering and improve the interfacial adhesion between the crystalline silicon wafer substrate and the electrode wt%, 7 to 50 wt% of the organic material supporting such powders, and some of the content of the organic material may be substituted with 2 to 5 wt% of additives including other rheology modifiers and dispersants, leveling agents, etc. .
  • the average particle diameter is 0.5 to 15 ⁇ m, and the shape thereof is at least one of spherical, acicular, plate-like, and amorphous. It consists of more than one species. If the average particle diameter of the silver powder is 0.5 ⁇ m or less, it is generally difficult to make a paste. If the average particle size of the silver powder is 15 ⁇ m or more, it is difficult to densify sufficiently during firing and pores are easily generated, resulting in high electrical resistivity.
  • the content of the silver powder is 49 wt% or less, the resistance of the electrode for solar cells is high, and if the content of the silver powder is 85 wt% or more, the viscosity of the electrode is too high, and electrode printing is difficult in a commercially available printing method.
  • the glass powder comprises a weight fraction of 1 to 10 wt% of the total paste, 21 wt% or less of SiO2, 26 wt% or less of B2O3, 25 wt% or less of Bi2O3, 7 wt% or less of Al2O3, 20 wt% or less of ZnO, Na2O + K2O + Li2O 15 wt% or less, BaO + CaO + MgO + SrO It consists of at least one or more of the glass powders.
  • the glass softening temperature is 320 ⁇ 520 °C and the thermal expansion coefficient is 62 ⁇ 110 ⁇ 10- In the 7 / ° C range.
  • SiO2 is 21 wt% or more
  • the softening temperature becomes high, and thus the sintering degree is lowered.
  • B2O3 + Bi2O3 is 25 wt% or more
  • the softening point becomes high and fluidity is inferior.
  • Al2O3 is 7 wt% or more
  • the softening temperature is high
  • ZnO is 35 wt% or more
  • the viscosity change is moderate at high temperatures
  • Na2O + K2O + Li2O is 15 wt% or more
  • crystallinity is lowered
  • BaO + CaO is If the + MgO + SrO is 15 wt% or more, the softening temperature is increased, resulting in poor fluidity.
  • the glass softening temperature of the glass powder is 320 ⁇ 520 °C
  • the thermal expansion coefficient is in the range of 62 ⁇ 110 ⁇ 10 -7 / °C.
  • the thermal expansion coefficient of the glass powder is less than 62 ⁇ 10 -7 if / °C is formed upon firing the electrode of the electrode occurs, and broken, 110 ⁇ 10 -7 of the electrodes is above / °C straightness is reduced.
  • the organic material is largely composed of a binder of 4 to 20 wt%, a diluent of 1 to 25 wt%, and an additive of 2 to 5 wt%.
  • the binder component is a cellulose ester compound, a cellulose acetate, a cellulose acetate butylate, and a cellulose ether compound are ethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxy flophyll cellulose, hydroxy ethyl cellulose, hydroxy propyl methyl cellulose, hydroxy ethyl methyl
  • Cellulose and acryl-based compounds include polyacrylamide, polymethacrylate, polymethylmethacrylate, and polyethylmethacrylate.
  • the vinyl-based compound is composed of at least one of polyvinyl butyral, polyvinyl acetate, and polyvinyl alcohol. .
  • the electrode width in one printing average of the maximum width values of the fired body fired after printing and the minimum width values of the fired body fired after printing, referred to as electrode width hereinafter
  • the ratio of the electrode height to the substrate is printed as low as 4% or less, the number of prints for increasing the line resistance below a certain value increases, and when the binder component is 4 wt% or less, the binder is formed into the shape of the electrode until firing. There is a problem that can not play the original role to maintain.
  • the binder component acts as a master to adjust the viscosity of the entire paste, and the viscosity of the entire paste should be between 5,000 and 300,000 cps. Viscosity has a significant effect on the firing spread rate of the electrode (increase ratio of the average value of the maximum width values of the fired electrode after printing the electrode on the glass substrate with respect to the screen mask electrode pattern width value). Is 5,000 cps or less, the spread ratio is increased to 105% or more, and if the viscosity of the whole paste is 100,000 cps or more, printability is poor and breakage of the electrode frequently occurs.
  • the dilution solvent component is characterized by consisting of at least one or more of compounds consisting of terpineol, cyclohexane, hexane, toluene, benzyl alcohol, dioxane, diethylene glycol and the like.
  • the paste viscosity is very low, it is difficult to print with a commercialized printing equipment, even if printing, shrinkage during curing is too severe to use.
  • the most important physical properties in the pattern formation is characterized in that the viscosity is 5,000 ⁇ 300,000 cps (Measurement conditions HAAKE TT35 Plate, 25 °C, 50rpm) Viscosity 5,000 If it is less than cps, it becomes larger than the existing design line width, If the viscosity of the whole paste is 100,000 cps or more, print workability will fall and breakage of an electrode will occur frequently.
  • Photovoltaic cells produced using the compositions of the present invention may have additional elements to enhance their function.
  • a welding layer may be provided on the surface of the surface electrode to improve the reliability of battery performance.
  • the electrode comprising a top printed layer printed with a conductive paste composition using a high Tg polymer binder is formed by firing, the electrode width is 30 ⁇ 100 ⁇ m prepared in this way, the height can be manufactured in the range of 30 ⁇ 100 ⁇ m And the electrode aspect ratio (height / width) provides 0.3-1.0.
  • the surface electrode formed from the conductive paste according to the present invention can achieve an aspect ratio (height / width) of 0.3 or more, if the surface electrode is applied to a solar cell, the light receiving area of the solar cell can be increased to 93% or more.
  • the conductive paste according to the present invention makes it possible to efficiently use the electromotive force generated by light reception as a current because the line resistance decreases when firing. As a result, more than 17% of solar cell efficiency can be realized.
  • BCA butylcatitol acetate
  • methyl methacrylate (MMA) methyl methacrylate
  • BAM beryl acrylic monomer
  • SM styrene monomer
  • HEMA hydroxy ethyl methacrylate
  • MAA methyl acrylic acid
  • benzylper A solution of 5 g of oxide was added dropwise over 3 hours. After standing for 1 hour, 0.15 g of benzyl peroxide dissolved in 20 g of BCA was added to confirm the exothermic condition. If the exotherm was not obtained, the reaction was considered to be completed.
  • Methacrylate-methacrylic acid) resin binder 2 was prepared.
  • compositions shown in each of the preparation examples are summarized in Table 1 below.
  • Example 3 when the binder glass transition temperature is low, the cross section after firing collapses and the aspect ratio is significantly worse (Comparative Example 3). The higher the binder glass transition temperature, the better the aspect ratio. It can be seen that the cell efficiency is significantly decreased (Comparative Example 1). On the contrary, in the case of Example 1, which was first printed with a low Tg binder polymer and then reinforced with a high Tg binder polymer, the cross-sectional collapse of the print was reduced even after firing, so that the aspect ratio was excellent and the cell efficiency was also excellent. In addition, the present inventors have realized a sufficient thickness of 10 ⁇ m or more and a line width of 50 ⁇ m or less through a characteristic multilayer printing method.
  • the solar cell electrode manufacturing method and solar cell of the present invention have good contact between a substrate such as a silicon wafer and a conductive electrode material, and have an excellent aspect ratio and are excellent in industrial use.

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Abstract

본 발명은 먼저 실리콘 웨이퍼 등의 기판과 도전성 전극 재료와의 접촉이 좋게 하기 위하여 Tg가 낮은 바인더(이하 저 Tg)를 사용하고, 이후 종횡비를 좋게 하기 위하여 Tg가 높은 바인더(이하 고 Tg)를 사용하여 전극을 인쇄하고 소성하므로, 전극의 종횡비가 높고 기판과 도전성 전극 재료와의 접촉이 양호하며, 셀 효율이 우수한 태양전지용 전극, 그 제조방법 및 태양전지를 제공한다.

Description

태양전지용 전극, 그 제조방법 및 태양전지
본 발명은 태양전지용 전극, 그 제조방법 및 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(Solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p-n 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 태양 전지에 빛이 입사되면 흡수되어 빛과 태양전지의 반도체를 구성하고 있는 물질과의 상호작용이 일어나고, 그 결과 형성된 소수 캐리어(minority carrier)인 전자와 정공이 결합(recombination)하기 전 연결된 양쪽의 전극으로 이동(drift)하여 기전력을 얻게 된다.
일반적으로 결정질 실리콘 태양전지(crystalline silicon solar cell)는 크게 단결정(single crystall)과 다결정(polycrystalline)형태로 나눌 수 있으며, 단결정은 순도가 높고 결정 결함 밀도가 낮은 고품위의 재료로서 당연히 높은 효율을 가지나 비교적 고가이고 다결정 재료는 단결정에 비해 효율은 조금 떨어지나 상대적으로 저가이므로 보편적으로 사용되고 있다.
다결정 실리콘 태양전지를 제조하는 방법은 우선, 일정한 사이즈(상용화 기판 사이즈는 5" 혹은 6")와 두께(150~250㎛)의 p형 기판을 적절한 에칭법으로 사용하고자 하는 다결정 실리콘 기판 표면의 결함을 없앤 후, POCl3 혹은 P를 포함하는 물질을 기상 혹은 액상으로 공급하여 열확산(thermal diffusion) 방법으로 일정한 두께(0.1~0.3㎛)로 p형 기판의 표면에 doping하여 n형 반도체를 만든다. 이후 이 과정에서 생성된 인함유 유리질과 같은 부산물을 없애기 위하여 산 혹은 염기를 이용한 웨트 에칭(wet etching) 공정이 포함되며, 빛이 조사되는 부분을 제외한 나머지 부분에 doping된 P를 제거하기위하여 plasma를 이용한 드라이 에칭(dry etching) 공정이 포함된다. 이후 태양전지의 효율을 높이기 위하여 결정질 혹은 비결정질 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 티탄 산화물 혹은 그 조합을 물리적인 진공 증착법으로 적절한 두께(실리콘 질화물의 경우 약 70~90Å)로 증착한다. 그 이후 P형 반도체층 전극과 N형 반도체층 전극을 인쇄법(통상 스크린 프린팅)으로 일정 선폭과 높이로 인쇄, 건조한다. 특히 태양 조사면 전극은 일반적으로 은을 함유하며 선폭은 100㎛ 높이는 30㎛ 전후로 한다. 반대면 전극은 일반적으로 알루미늄, 알루미늄과 은의 조합으로 이루어진 전극을 기판의 보잉(bowing)을 고려하여 일정한 두께로 스크린 프린팅 및 건조시킨다. 이후, 700~900℃의 비교적 고온에서 수초 내지 수백초로 소성하여 전면 및 후면 전극의 도전성 금속이 각 반도체층과 접촉하여 전극으로서의 기능을 가지도록 하고 있다.
상기와 같은 일반적인 태양전지 셀 제조 공정에 있어서, 특히 전면 전극(버스전극 및/또는 핑거전극) 인쇄시 스크린 프린팅을 이용하여 80 내지 120㎛정도의 선폭을 인쇄하는데, 선모양의 품질이 좋지 않고, 반복 인쇄시 제판의 판막힘이 있어서 작업성이 나쁘고, 다층인쇄가 쉽지 않고 소성시 종횡비가 낮아지는 등 다양한 여러 가지의 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여, 전극을 다층으로 인쇄하되, 각층별로 바인더의 유리전이온도와 용제 비점 등을 달리한 도전성 페이스트를 사용하여 그라비어 오프셋 등의 인쇄법으로 인쇄하여 종횡비가 높고 기판과 도전성 전극 재료와의 접촉이 양호한 태양전지용 전극 제조방법 및 이를 이용하여 제조되어 셀 효율이 높은 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 바인더 고분자, 희석용제, 금속 전극 재료, 및 유리 분말을 포함하는 태양전지 전극용 조성물을 이용하여 인쇄법을 통해 태양전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서, 기판 상부에, 기판과 전극의 접촉특성을 위하여 상기 바인더 고분자가 저 Tg 바인더 고분자인 조성물로 인쇄하는 단계;와 종횡비의 향상을 위하여 상기 바인더가 고 Tg 바인더 고분자인 조성물로 보강 인쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법을 제공한다.
상기 저 Tg 바인더 고분자의 Tg는 -40 ~ 10℃ 범위내이고, 상기 고 Tg 바인더 고분자의 Tg는 50 ~ 120℃ 범위내인 것이 좋다.
필요에 따라, 저 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 인쇄하는 단계와 고 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 보강 인쇄하는 단계의 사이에 중 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 인쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 중 Tg 바인더 고분자의 Tg는 저 Tg 바인더 고분자의 Tg와 고 Tg 바인더 고분자의 Tg 사이의 값을 갖는다.
또한, 본 발명은 그라비어 오프셋 인쇄법으로도 우수한 전극을 제조할 수 있도록 한다.
또한, 상기 고 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 보강 인쇄하는 단계를 거치고, 소성한 후의 전극 종횡비(높이/폭)는 0.3 ~1.0인 것을 특징으로 하는 전극 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법으로 제조된 전극은 폭은 30 ~ 100㎛이고, 높이는 30 ~ 100㎛이 가능하다.
본 발명은 또한, 기판 상부에 버스전극 및 핑거전극을 구비한 태양전지용 기판으로서, 상기 버스전극 및 핑거전극 중 적어도 하나 이상은, 저 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 하부 인쇄층과 고 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 상부 인쇄층을 포함하여 구성된 전극이 소성되어 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판을 제공한다.
또한, 상기 버스전극 및 핑거전극 중 적어도 하나 이상은, 전극 폭은 30 ~ 100㎛이고, 높이는 30 ~ 100㎛이며, 전극 종횡비(높이/폭)는 0.3 ~1.0인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 기판 상부에 버스전극 및 핑거전극을 구비하고, 기판 하부에 배면전극을 구비한 태양전지에 있어서, 상기 버스전극 및 핑거 전극 중 적어도 하나 이상이 전술한 태양전지용 전극 제조방법을 이용하여 제조된 태양전지 또는 상기 태양전지 기판을 구비한 태양전지로서, 셀효율이 17% 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 태양전지용 전극 제조방법 및 태양전지는 먼저 실리콘 웨이퍼 등의 기판과 도전성 전극 재료와의 접촉이 좋게 하기 위하여 Tg가 낮은 바인더(이하 저 Tg)를 사용하고, 이후 종횡비를 좋게 하기 위하여 Tg가 높은 바인더(이하 고 Tg)를 사용하여 전극을 인쇄하고 소성하므로, 전극의 종횡비가 높고 기판과 도전성 전극 재료와의 접촉이 양호하며, 셀 효율이 우수하다.
도 1은 본 발명에서 적용하는 Tg가 다른 바인더를 적용한 전극 페이스트 적층 모식도이다.
도 2는 실시예 1, 비교예 1 내지 3의 전극 조성물을 적층 후 800℃ 20초의 열처리를 통하여 얻어진 전극 단면 사진이다.
도 3은 실시예1과 비교예1의 Si wafer와 전극간 접촉특성평가를 위한 사진이다.
** 도면의 주요부호에 대한 설명 **
10 : 기판
20 : 저 Tg 바인더 고분자 전극 페이스트 하부 인쇄층
30 : 고 Tg 바인더 고분자 전극 페이스트 상부 인쇄층
이하에서는 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기의 설명은 본 발명의 구체적 일례에 대한 것이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 전극 제조방법은, 바인더 고분자, 희석용제, 금속 전극 재료, 및 유리 분말을 포함하는 태양전지 전극용 조성물을 이용하여 인쇄법을 통해 태양전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서, 기판 상부에, 기판과 전극의 접촉특성을 위하여 상기 바인더 고분자가 저 Tg 바인더 고분자인 조성물로 인쇄하는 단계와, 종횡비의 향상을 위하여 상기 바인더가 고 Tg 바인더 고분자인 조성물로 보강 인쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 전극 제조방법에 의해 제조된 전극의 단면 모식도로서, 기판(10) 상부에 저 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 하부 인쇄층(20)과 고 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 상부 인쇄층(30)을 포함하여 구성된 전극이 도시되어 있다.
상기 태양전지 전극용 조성물로서는 태양전지 전극에 적용될 수 있으며 인쇄법으로 전극 형성이 가능한 도전성 페이스트 조성물라면 모두 포함된다. 바람직한 일례로는 바인더, 희석제, 도전성 금속 재료, 유리 프릿 및 무기 요변제를 포함하는 도전성 페이스트 조성물을 들 수 있다.
본 발명에서는 조성물에 포함되는 바인더의 선택이 전극의 특성 및 태양전지 효율에 큰 영향을 미치는 것을 발견하였다.
일반적으로 전극 인쇄 후 소성시, 고온 공정에 있어서의 저점도 페이스트 레올로지 특성 및 페이스트 자체 하중에 의해 흐름성이 많아져서, 소성 과정 중 일정 높이 이상의 전극을 유지하는 것이 어려운 문제점 있었다. 본 발명에 있어서 특히 전도성 페이스트의 재료 중 바인더의 유리전이온도를 조절하는데, Tg가 50℃ 이상 바람직하게는 100℃ 이상인 고 Tg 바인더 고분자를 적용시 기존 전도성 페이스트와 달리 소성 전후의 종횡비 변화가 거의 없었다. 그러나 동일 Tg의 바인더가 적용된 페이스트로 인쇄하여 적층시 Si wafer 등의 기판과 전극의 접촉특성이 불리해져 효율이 저하되는 결과가 있었다. 본 발명은 그라비아 오프셋 방식으로 전극 형성시 각 층의 전극재료의 바인더 Tg를 달리하여 소성 후 종횡비가 변하는 문제를 해결함과 동시에 바인더의 높은 Tg로 인한 기판과 전극의 접촉특성 불리를 함께 해결하였다. 이로 인해 태양광 조사면이 넓어지므로써 효율이 높아지게 된다. 즉, 층별 재료의 바인더 유리전이온도를 조절하여 기존 전도성 페이스트와 달리 소성 전후의 종횡비 변화가 거의 없으며 이로 인해 태양 조사면이 넓어짐으로써 효율이 높아지게 된다.
구체적으로, 본 발명에서는 전극 인쇄시 먼저 저 Tg 바인더 고분자를 먼저 사용하여 일차적으로 전극을 인쇄함으로써 전극과 기판과의 접촉을 우수하게 한 후, 고 Tg 바인더 고분자를 사용하여 보강 인쇄함으로써 전극의 종횡비를 현저하게 높일 수 있게 된다. 본 발명에서 저 Tg 바인더 고분자와 고 Tg 바인더 고분자는 Tg 값의 상대적 고저에 따라 나누는 것일 수 있다. 보다 바람직하기로는 상기 저 Tg 바인더 고분자의 Tg는 -40 ~ 10℃ 범위내인 것이 바람직하며, 상기 고 Tg 바인더 고분자의 Tg는 50 ~ 120℃ 범위내인 것이 바람직하다. 필요에 따라서는, 저 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 인쇄하는 단계와 고 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 보강 인쇄하는 단계의 사이에 중 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 인쇄하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 중 Tg 바인더 고분자의 Tg는 선택된 저 Tg 바인더 고분자의 Tg와 선택된 고 Tg 바인더 고분자의 Tg 사이 값을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 사용되는 바인더는 제한되지 않으나 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 비닐계로는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 아세테이트 그리고 폴리비닐 알코올중 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다. 상기 아크릴계 화합물의 분자량은 5,000 내지 50,000 인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 사용되는 저 Tg 바인더는 에틸 아크릴레이트(EA), 하이드록시 에틸 아크릴레이트(HEA), 하이드록시 프로필 아크릴레이트(HPA), 2-에틸 핵실 아크릴레이트(2-EHA), 부틸 아크릴레이트(BA), 스테아릴 메타 아크릴레이트(SMA), 비닐 부틸 에테르(VBE), 비닐 에틸 에테르(VEE), 비닐 이소부틸 에테르(VIE), 비닐 메틸 에테르(VME), 중 적어도 1종 이상으로 합성한 바인더를 사용 할 수 있으며, 또한 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 조성물에 사용되는 고 Tg 바인더는 아크릴릭 엑시드(AA), 메틸 아크릴릭 엑시트(MAA), 메틸 메쓰 아크릴레이트(MMA), 에틸 메틸 아크릴레이트(EMA), 이소 부틸 메쓰 아크릴레이트(i-BMA), 2-하이드록시 에틸 메틸 아크릴레이트(2-HEMA), 스타이렌 모노머(SM), 글리시딜 메타 아크릴레이트(GMA), 아크릴 아마이드(AAM), 아크릴로 나이트릴(AN), 메쓰 아크릴로 나이트릴(MAN)등으로 합성한 아크릴 바인더 외에 에틸 셀룰로오즈(Ethyl cellulose), 히드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose), 히드록시프로필 셀룰로오즈(Hydroxypropyl cellulose) 및 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오즈(Hydroxyethylhydroxypropyl cellulose)의 셀룰로오즈 유도체들 중 어느 하나를 포함하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 조성물에 사용되는 희석제는 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.
본 발명의 일실시예에 따른 도전성 페이스트에 사용되는 도전성 금속 재료로는 은 분말, 구리분말, 니켈 분말, 알루미늄 분말 등이 사용될 수 있는데, 그 중에서 은 분말이 가장 바람직하다. 이하에서는 편의상 은 분말을 예로 들어 도전성 금속재료에 대해 설명한다.
은 분말은 평균입경은 0.5 ~ 5㎛이며, 그 형상이 구상(球狀), 침상(針狀), 판상(板狀) 그리고 무정상(無定狀) 중 적어도 1종 이상일 수 있다. 은 분말의 평균입경은 페이스트화 용이성 및 소성시 치밀도를 고려할 때 0.5㎛ 내지 5㎛이 바람직하다. 그리고, 은 분말의 함량은 인쇄시 형성되는 전극 두께 및 전극의 선저항을 고려할 때 도전성 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 60 내지 90 중량%가 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 조성물에 사용되는 유리 프릿은 평균 입경 0.5 ~ 5㎛ 이며, 그 성분이, PbO 43 ~ 91 wt%, SiO2 21 wt% 이하, B2O3+Bi2O3 25 wt%이하, Al2O3 7wt% 이하, ZnO 20 wt% 이하, Na2O+K2O+Li2O 15 wt% 이하, BaO+CaO+MgO+SrO 15 wt% 이하인 유리분말중 적어도 1종 이상인 것이 바람직하며, 유리 연화온도가 320 ~ 520℃, 열팽창 계수가 62 ~ 110 × 10-7/℃ 인 것이 바람직하다. 유리 프릿의 함량은 도전성 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 1 내지 10중량%가 바람직한데, 1 중량% 미만이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아질 우려가 있고, 10 중량% 초과하면 은 분말의 소성체 내에 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아질 우려가 있다.
본 발명에 의한 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 첨가제, 예를 들면, 분산제, 탈포제, 레벨링제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 도선성 페이스트 조성물은 태양광 전지의 표면 전극 제조에 유용하다.
본 발명에 의한 도전성 페이스트 조성물을 사용하여 전극을 제조하기 위해서는 먼저, 본 발명에 의한 바인더의 Tg 특성이 다른 도전성 페이스트 조성물을 기판 상에 직접 다층 인쇄하여 패터닝하는 단계와, 인쇄된 전극 페이스트를 건조시키는 단계와 상기 인쇄된 전극 페이스트를 소성시켜 전극을 형성하는 단계를 포함하여 전극을 제조한다.
본 발명에 의한 도전성 페이스트 조성물은 스크린 프린팅, 그라비어 오프셋 공법, 로터리 스크린 프린팅 공법 또는 리프트 오프법 등 다양한 인쇄법을 사용하여 기판 상에 인쇄될 수 있으며, 바람직하기로는 미세 패턴에 용이한 그라비어 오프셋 공법이 좋다. 이렇게 형성된 전극은 10 내지 40㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 도전성 페이스트 조성물로 패터닝된 전극 페이스트는 150 내지 250℃ 온도에서 수분간 건조 시키고 700 내지 900℃의 온도에서 수초간 소성될 수 있다.
바인더의 Tg 특성이 다른 도전성 페이스트 조성물을 기판 상에 직접 다층 인쇄하여 패터닝하는 단계에 대해 보다 구체적으로 바람직한 일례를 들어 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 태양 전지용 전극 페이스트는 700 ~ 900℃에서 소성하는 태양전지용 전면 전극 페이스트에 있어서, 전극의 전체 페이스트는 금속 분말이 49 ~ 85 wt%, 유리 분말이 1 ~ 10 wt%, 유기 물질이 7 ~ 50 wt%의 무게 분율을 차지하며, 상기 금속 분말로 은 금속을 사용하는 경우 평균 입경은 0.5 ~ 15㎛이며, 그 형상이 구상(球像), 침상(針像), 판상(板像) 그리고 무정상(無定像) 중 적어도 1종 이상으로 구성되고, 상기 유리 분말은 평균 입경 0.5 ~ 5㎛ 이며, 그 성분이, SiO2 21 wt% 이하, B2O3+ Bi2O3 25 wt%이하, Al2 O3 7wt% 이하, ZnO 20 wt% 이하, Na2O+K2O+Li2O 15 wt% 이하, BaO+CaO+MgO+SrO 15 wt% 이하인 유리 분말중 적어도 1종 이상으로 구성되고, 유리 연화 온도가 320 ~ 520℃, 열팽창 계수가 62 ~ 110 × 10-7/℃ 이며, 상기 유기물질 7 ~ 50wt%는 일실시예로서 다시 고분자 바인더 4 ~ 20 wt%, 희석용 용제 1 ~ 25 wt%, 첨가제 2 ~ 5 wt%로 나눌 수 있다.
먼저 본 실시예에 따른 태양 전지용 전극 페이스트는, 전체 페이스트중 전기 전도성의 주성분으로서 은 금속 분말 49 ~ 85 wt%, 소성을 촉진시키고 결정질 실리콘 웨이퍼기판과 전극의 계면 접착력을 향상시키는 유리분말 1 ~ 10 wt%, 이러한 분말들을 지지하는 유기물질 7 ~ 50 wt%이 포함되며, 상기 유기물질의 함량 중 일부는 기타 레올로지 조절제 및 분산제, 레벨링제 등을 포함하는 첨가물 2 ~ 5wt%로 치환될 수 있다.
상기 금속 분말로 은 금속을 사용하는 경우 평균 입경은 0.5~15㎛이며, 그 형상이 구상(球像), 침상(針像), 판상(板像) 그리고 무정상(無定像) 중 적어도 1종 이상으로 구성된다. 은 분말의 평균입경이 0.5㎛ 이하이면 일반적으로 페이스트를 만들기 어려우며, 15㎛ 이상이면 소성시 충분히 치밀화되기 어렵고 기공이 생기기 쉽기에 전기 비저항이 높아진다. 그리고, 은 분말의 함량이 49 wt% 이하이면, 태양 전지용 전극의 저항이 높아지고, 은 분말의 함량이 85 wt% 이상이면, 상기 전극의 점도가 너무 높아서 상용화된 인쇄 방식으로는 전극 인쇄가 어렵다.
상기 유리 분말은, 전체 페이스트중 1 ~ 10 wt%의 무게 분율을 차지하며, SiO2 21 wt% 이하, B2O3 26 wt%이하, Bi2O3 25 wt%이하, Al2O3 7 wt% 이하,ZnO 20 wt% 이하, Na2O+K2O+Li2O 15 wt% 이하, BaO+CaO+MgO+SrO 15 wt% 이하인 유리 분말중 적어도 1종 이상으로 구성되며, 유리 연화 온도가 320~520℃, 열팽창 계수는 62 ~ 110 × 10-7/℃ 범위에 있다. SiO2 가 21 wt% 이상이면 연화온도가 높아지므로 소성도가 떨어지고, B2O3+ Bi2O3 가 25 wt%이상이면 연화점이 높아져서 유동성이 떨어진다. 또한, Al2O3 가 7 wt% 이상이면 연화온도가 높아지고, ZnO가 35 wt% 이상이면 고온에서 점도변화가 완만해지며, Na2O+K2O+Li2O가 15 wt% 이상이면 결정성이 저하되고, BaO+CaO+MgO+SrO가 15 wt% 이상이면 연화온도가 높아져서 유동성이 떨어진다. 또한, 상기 페이스트에서 전체 페이스트에 대한 유리 분말의 함량이, 1 wt% 이하이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아지고, 10 wt% 이상이면 은 분말의 소성체 내에서 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아진다. 상기 유리 분말의 유리 연화 온도는 320 ~ 520℃, 열팽창 계수는 62 ~ 110 × 10-7/℃ 범위에 있다. 상기 유리 분말의 유리 연화 온도가 520℃ 이상이 되면 유동성이 떨어져서 소성도가 떨어지고, 유리 연화온도가 320℃이하가 되면 유동성이 너무 높아져 소성도가 떨어진다. 상기 유리분말의 열팽창 계수가 62 × 10-7/℃이하가 되면 형성된 전극의 소성시 전극 끊어짐이 발생하며, 110 × 10-7/℃ 이상이면 형성된 전극의 직진도가 저하된다.
상기 유기 물질은, 크게 바인더 4 ~ 20 wt%, 희석용제 1 ~ 25 wt%, 첨가제 2 ~ 5 wt% 로 구성되어 있다. 먼저 바인더 성분은, 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴 아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 비닐계로는 폴리 비닐 부티랄, 폴리 비닐 아세테이트 그리고 폴리 비닐 알코올중 적어도 1종 이상으로 구성되어 있다. 상기 바인더양이 20 wt% 이상이 되면, 1회 인쇄시 전극폭(인쇄 후 소성한 소성체의 최대 폭값들과 인쇄 후 소성한 소성체의 최소 폭 값들 전체의 평균값, 이하 전극 폭이라 함)에 대한 전극 높이의 비율이 4% 이하로 낮게 인쇄되기에, 일정 값 이하의 선저항을 갖게 하기 위한 인쇄 횟수가 증가하며, 상기 바인더 성분이 4 wt% 이하가 되면, 소성시까지 바인더가 전극의 형상을 유지시켜 주는 본래의 역할을 하지 못하는 문제점이 있다.
상기 바인더 성분은, 전체 페이스트의 점도를 조정하는 주인자로서 작용하며, 전체 페이스트의 점도는 5,000 ~ 300,000 cps 사이여야 한다. 점도는 상기 전극의 소성 스프레드율(스크린 마스크 전극 패턴 폭 값에 대한 전극을 글래스기판에 인쇄 후 소성한 소성체 전극의 최대 폭값들의 평균값에 대한 증가비율)에 중요한 영향을 미치는데, 전체 페이스트의 점도가 5,000 cps 이하 이면 스프레드율이 105% 이상으로 커지고, 전체 페이스트의 점도가 100,000 cps 이상이면, 인쇄 작업성이 떨어지고 전극의 끊어짐이 빈번히 발생한다.
상기 희석용제 성분은, 터피네올, 시클로헥산, 헥산, 톨루엔, 벤질알코올, 디옥산, 디에틸렌글리콜 등으로 이루어진 화합물 중에서 적어도 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기 희석용제 성분이 25 wt% 이상이 되면, 페이스트 점도가 매우 낮아 상용화된 인쇄 장비로 인쇄가 어렵고, 설령 인쇄가 되더라도 경화시 수축이 너무 심해서 사용할 수 없다. 또 1 wt% 이하가 되면, 상기 페이스트의 스크린 마스크 빠짐성이 나빠져서 인쇄 전극의 요철이 커짐으로서 인쇄된 면적에 비해 전극의 전기 선저항이 높아지는 문제가 발생한다.
위와 같은 조성을 가지는 페이스트를 가지고 전극 패턴을 형성하는데, 특히 패턴 형성에 있어서 가장 중요한 물성인 점도는 5,000 ~ 300,000 cps인 것을 특징으로 한다.(측정조건 HAAKE사 TT35 Plate, 25℃, 50rpm) 점도가 5,000 cps 이하이면 기존 설계 선폭보다 커지고, 전체 페이스트의 점도가 100,000 cps 이상이면 인쇄 작업성이 떨어지고, 전극의 끊어짐이 빈번히 발생한다. 또한 페이스트의 요변지수(TI= 5rpm에서의 점도/50rpm에서의 점도) 값에 따라서 프린팅후 패턴의 모양유지에 큰 영향을 주게되며 1.5 ~ 5.5의 값을 갖는다.
본 발명의 조성물을 사용하여 제조된 태양광 전지 셀은 그 기능을 향상시키기 위한 추가의 요소를 가질 수 있다. 예를 들면 표면 전극의 표면에 전지 성능의 신뢰성을 향상시키기 위해 용접층을 설치 할 수 있다.
상기의 제조방법에 의해, 기판 상부에 버스전극 및 핑거전극을 구비한 태양전지용 기판으로서, 상기 버스전극 및 핑거전극 중 적어도 하나 이상은, 저 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 하부 인쇄층과 고 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 상부 인쇄층을 포함하여 구성된 전극이 소성되어 형성되게 되며, 이렇게 제조된 전극 폭은 30 ~ 100㎛이고, 높이는 30 ~ 100㎛ 범위로 제조가 가능하고, 전극 종횡비(높이/폭)는 0.3 ~1.0을 제공한다.
본 발명에 의한 도전성 페이스트로 형성되는 표면 전극은 종횡비(높이/폭) 0.3 이상을 실현할 수 있기 때문에 이 표면 전극을 태양전지 셀에 적용한다면 태양전지 셀에 있어서 수광 면적을 93% 이상으로 높일 수 있다. 또한 본 발명에 의한 도전성 페이스트는 소성하는 경우 선 저항이 저하되기 때문에 수광에 의하여 발생한 기전력을 전류로서 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 이로 인해 태양전지 셀효율을 17% 이상이 실현될 수 있다.
[제조예 1]
2L 플라스크에 부틸카티톨아세테이트(BCA) 100g을 넣은 후 교반하면서 100℃로 유지하였다. 여기에, 메틸메타아크릴레이트(MMA) 45.5g, 스타이렌 모노머(SM) 8.5g 하이드록시 에틸 메타 아크릴레이트(HEMA) 30g, 메틸아크릴릭엑시드(MAA) 11g 및 벤질퍼옥사이드 5g를 용해시킨 용액을 3시간에 걸쳐서 적가하였다. 1시간 동안 방치한 후, 0.15g의 벤질퍼옥사이드를 20g의 BCA에 녹인 용액을 후첨하여 발열상태를 확인하고 발열이 되지 않으면 반응이 완결된 것으로 여겨 5,000중량 평균 분자량, Tg 87℃의 폴리(메틸메타아크릴레이트-메타아크릴산) 수지 바인더 1을 제조하였다.
상기 제조된 바인더 1 15g, 분산제(BYK110, BYK chemi사) 1g, 프릿(평균 입경 1㎛) 5g을 넣고 삼본밀을 사용하여 분산하고 은 분말(구상, 평균 입경 1㎛) 38g, 은분말(Flake상, 평균 입경 3㎛) 40g을 혼합하고 또한 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 탈포하고 도전성 페이스트를 제조한다.
[제조예 2]
2L 플라스크에 부틸카티톨아세테이트(BCA) 100g을 넣은 후 교반하면서 100 ℃로 유지하였다. 여기에, 메틸메타아크릴레이트(MMA) 21.5g, 브틸아크릴릭모노머(BAM) 30g, 스타이렌 모노머(SM) 8.5g 하이드록시 에틸 메타 아크릴레이트(HEMA) 20g, 메틸아크릴릭엑시드(MAA) 15g 및 벤질퍼옥사이드 5g를 용해시킨 용액을 3시간에 걸쳐서 적가하였다. 1시간 동안 방치한 후, 0.15g의 벤질퍼옥사이드를 20g의 BCA에 녹인 용액을 후첨하여 발열상태를 확인하고 발열이 되지 않으면 반응이 완결된 것으로 여겨 5,000중량 평균 분자량, Tg 26℃의 폴리(메틸메타아크릴레이트-메타아크릴산) 수지 바인더 2를 제조하였다.
상기 제조된 바인더 2 15g, 분산제(BYK110, BYK chemi사) 1g, 프릿(평균 입경 1㎛) 5g을 넣고 삼본밀을 사용하여 분산하고 은 분말(구상, 평균 입경 1㎛) 38g, 은분말(Flake상, 평균 입경 3㎛) 40g을 혼합하고 또한 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 탈포하고 도전성 페이스트를 제조한다.
[제조예 3]
2L 플라스크에 부틸카티톨아세테이트(BCA) 100g을 넣은 후 교반하면서 100 ℃로 유지하였다. 여기에, 메틸메타아크릴레이트(MMA) 5g, 브틸아크릴릭모노머(BAM) 57g, 스타이렌 모노머(SM) 6g 하이드록시 에틸 메타 아크릴레이트(HEMA) 15g, 아크릴릭엑시드(AA) 7g 및 벤질퍼옥사이드 10g를 용해시킨 용액을 3시간에 걸쳐서 적가하였다. 1시간 동안 방치한 후, 0.15g의 벤질퍼옥사이드를 20g의 BCA에 녹인 용액을 후첨하여 발열상태를 확인하고 발열이 되지 않으면 반응이 완결된 것으로 여겨 5,000중량 평균 분자량, Tg -19℃의 폴리(메틸메타아크릴레이트-메타아크릴산) 수지 바인더 3를 제조하였다.
상기 제조된 바인더 3 15g, 분산제(BYK110, BYK chemi사) 1g, 프릿(평균 입경 1㎛) 5g을 넣고 삼본밀을 사용하여 분산하고 은 분말(구상, 평균 입경 1㎛) 38g,
은분말(Flake상, 평균 입경 3㎛) 40g을 혼합하고 또한 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 탈포하고 도전성 페이스트를 제조한다.
상기 각각의 제조예에서 보여지는 조성을 아래의 표1 에 정리하였다.
표 1
구분 제조예1 제조예2 제조예3
바인더 15 (Tg 87℃) 15 (Tg 26℃) 15 (Tg -19℃)
희석제 2.0 2.0 2.0
슬립제 1.0 1.0 1.0
분산제 1.0 1.0 1.0
은분말 78 78 78
유리분말 3 3 3
합계 100 100 100
또한, 상기 각각의 실시예의 적층인쇄 방법에 대한 정리를 아래 표2에 정리하였으며, 전극의 종횡비 및 선폭, 높이, 셀효율을 측정하여 표 3 및 도 2, 도 3에 나타내었다.
표 2
구분 실시예1 비교예1 비교예2 비교예3
적층횟수 3 3 3 3
1층 전극재료 제조 3 제조 1 제조 2 제조 3
2층 전극재료 제조 1 제조 1 제조 2 제조 3
3층 전극재료 제조 1 제조 1 제조 2 제조 3
표 3
구분 종횡비(높이/폭) 높이[㎛] 선폭[㎛] 셀 효율 (%)
실시예 1 0.428 19.3 45.1 18.9%
비교예 1 0.496 21.2 42.7 8.9%
비교예 2 0.276 13.5 49 15.8%
비교예 3 0.096 6.06 62.8 13.6%
상기 표 3 및 도 2, 3을 보면, 바인더 유리전이온도가 낮은 경우 소성후의 인쇄 단면이 무너져 종횡비가 현저히 나빠지는 것을 볼 수 있고(비교예 3), 바인더 유리전이온도가 높을수록 종횡비는 좋아지지만, 셀 효율이 현저히 떨어지는 것을 볼 수 있다(비교예 1). 이에 반하여, 저 Tg 바인더 고분자로 1차 인쇄한 후 고 Tg 바인더 고분자로 보강 인쇄한 실시예 1의 경우에는 소성 후에도 인쇄 단면 무너짐이 줄어들어 종횡비가 우수할 뿐 아니라 셀 효율에서도 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명자는 10㎛이상의 충분한 두께와 50㎛이하의 선폭을 특징적인 다층 인쇄방식을 통해 구현하였다.
본 발명의 태양전지용 전극 제조방법 및 태양전지는 실리콘 웨이퍼 등의 기판과 도전성 전극 재료와의 접촉이 좋으며, 종횡비가 우수하여 셀 효율이 우수하기 때문에 산업적으로 매우 유용하다.

Claims (14)

  1. 바인더 고분자, 희석용제, 금속 전극 재료, 및 유리 분말을 포함하는 태양전지 전극용 조성물을 이용하여 인쇄법을 통해 태양전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상부에, 기판과 전극의 접촉특성을 위하여 상기 바인더 고분자가 저 Tg 바인더 고분자인 태양전지 전극용 조성물로 인쇄하는 단계;와 종횡비의 향상을 위하여 상기 바인더가 고 Tg 바인더 고분자인 태양전지 전극용 조성물로 보강 인쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저 Tg 바인더 고분자의 Tg는 -40 ~ 10℃ 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고 Tg 바인더 고분자의 Tg는 50 ~ 120℃ 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 저 Tg 바인더 고분자는 에틸 아크릴레이트(EA), 하이드록시 에틸 아크릴레이트(HEA), 하이드록시 프로필 아크릴레이트(HPA), 2-에틸 핵실 아크릴레이트(2-EHA), 부틸 아크릴레이트(BA), 스테아릴 메타 아크릴레이트(SMA), 비닐 부틸 에테르(VBE), 비닐 에틸 에테르(VEE), 비닐 이소부틸 에테르(VIE), 비닐 메틸 에테르(VME), 중 적어도 1종 이상으로 선택되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고 Tg 바인더 고분자는 아크릴릭 엑시드(AA), 메틸 아크릴릭 엑시트(MAA), 메틸 메쓰 아크릴레이트(MMA), 에틸 메틸 아크릴레이트(EMA), 이소 부틸 메쓰 아크릴레이트(i-BMA), 2-하이드록시 에틸 메틸 아크릴레이트(2-HEMA), 스타이렌 모노머(SM), 글리시딜 메타 아크릴레이트(GMA), 아크릴 아마이드(AAM), 아크릴로 나이트릴(AN), 메쓰 아크릴로 나이트릴(MAN)등으로 합성한 아크릴 바인더 외에 에틸 셀룰로오즈(Ethyl cellulose), 히드록시에틸 셀룰로오즈(Hydroxyethyl cellulose), 히드록시프로필 셀룰로오즈(Hydroxypropyl cellulose) 및 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오즈(Hydroxyethylhydroxypropyl cellulose)의 셀룰로오즈 유도체들 중 적어도 1종 이상으로 선택되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 저 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 인쇄하는 단계와 고 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 보강 인쇄하는 단계의 사이에 중 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 인쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중 Tg 바인더 고분자의 Tg는 저 Tg 바인더 고분자의 Tg와 고 Tg 바인더 고분자의 Tg 사이인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인쇄법은 그라비어 오프셋 인쇄법인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고 Tg 바인더 고분자를 적용한 조성물로 보강 인쇄하는 단계를 거치고, 소성한 후의 전극 종횡비(높이/폭)는 0.3 ~1.0인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극 제조방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 태양전지용 전극으로서, 전극 폭은 30 ~ 100㎛이고, 높이는 30 ~ 100㎛이며, 전극 종횡비(높이/폭)는 0.3 ~1.0인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전극.
  11. 기판 상부에 버스전극 및 핑거전극을 구비한 태양전지용 기판으로서, 상기 버스전극 및 핑거전극 중 적어도 하나 이상은, 저 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 하부 인쇄층과 고 Tg 고분자 바인더를 사용한 도전성 페이스트 조성물로 인쇄된 상부 인쇄층을 포함하여 구성된 전극이 소성되어 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판.
  12. 제11항에 있어서, 상기 버스전극 및 핑거전극 중 적어도 하나 이상은, 전극 폭은 30 ~ 100㎛이고, 높이는 30 ~ 100㎛이며, 전극 종횡비(높이/폭)는 0.3 ~1.0인 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판.
  13. 기판 상부에 버스전극 및 핑거전극을 구비하고, 기판 하부에 배면전극을 구비한 태양전지에 있어서,
    상기 버스전극 및 핑거 전극 중 적어도 하나 이상이 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 태양전지용 전극 제조방법을 이용하여 제조되어, 태양전지 셀효율이 17% 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제11항 또는 제12항의 태양전지 기판을 구비한 태양전지로서, 셀효율이 17% 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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