WO2014098351A1 - 태양전지 전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극 - Google Patents

태양전지 전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 은(Ag) 분말; PbO를 포함하는 제1 유리프릿과 V2O5와 TeO2를 포함하는 제2 유리프릿; 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물에 관한 것으로, 상기 조성물은 PbO계 및 V2O5-TeO2계 2 종의 유리프릿을 도입하여 접촉저항과 실리콘 태양전지의 pn 접합(pn junction)에 의한 폐해를 최소화하였다.

Description

태양전지 전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극
본 발명은 태양전지 전극 형성용 조성물 및 이로부터 제조된 전극에 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 전극 형성용 조성물의 도포, 패터닝 및 소성에 의해, 웨이퍼 표면에 형성될 수 있다.
또한, 다양한 면저항의 웨이퍼의 증가에 따라 소성 온도가 변동폭이 커지고 이에 따라 넓은 소성 온도에서도 열안정성을 확보할 수 있는 조성물에 대한 요구가 높아지고 있다.
본 발명자는 다양한 면저항 하에서 pn 접합에 대한 피해를 최소화함으로써 pn 접합 안정성을 확보할 수 있고 태양전지 효율을 높일 수 있는 태양전지 전극 형성용 조성물을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 접촉저항과 직렬저항을 최소화할 수 있는 태양전지 전극 형성용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 변환효율이 우수한 태양전지 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물로 제조된 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 일 관점인 태양전지 전극 형성용 조성물은 은(Ag) 분말; PbO를 포함하는 제1 유리프릿과 V2O5와 TeO2를 포함하는 제2 유리프릿; 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 조성물은 은(Ag) 분말 60 중량% 내지 95 중량%; 제1 및 제2 유리프릿 0.1 중량% 내지 20 중량%; 및 상기 유기 비히클 1 중량% 내지 30 중량%를 포함할 수 있다.
상기 제2 유리프릿과 제1 유리프릿은 1 : 2 내지 1 : 3의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 제1 유리프릿은 산화납(PbO)을 50 중량% 내지 90 중량%로 포함할 수 있다.
상기 제2 유리프릿은 산화바나듐(V2O5)과 산화텔루륨(TeO2)을 1 : 2 내지 1 : 3 의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 제1 및 제2 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다.
상기 조성물은 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점인 태양전지 전극은 상기 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조될 수 있다.
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 PbO계 및 V2O5-TeO2계 2 종의 유리프릿을 도입하여 접촉저항과 실리콘 태양전지의 pn 접합(pn junction)에 의한 폐해를 최소화하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
태양전지 전극 형성용 조성물
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 은(Ag) 분말(A); PbO를 포함하는 제1 유리프릿과 V2O5와 TeO2를 포함하는 제2 유리프릿 을 포함하는 유리프릿(B); 및 유기 비히클(C)을 포함한다. 이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
(A) 은 분말
본 발명의 태양전지 전극 형성용 조성물은 도전성 분말로서 은(Ag) 분말을 사용한다. 상기 은 분말은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 분말일 수 있는데, 예를 들어 수십 내지 수백 나노미터 크기의 은 분말, 수 내지 수십 마이크로미터의 은 분말일 수 있으며, 2 이상의 서로 다른 사이즈를 갖는 은 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
은 분말은 입자 형상이 구형, 판상, 무정형 형상을 가질 수 있다.
은 분말의 평균입경(D50)은 바람직하게는 0.1㎛ 내지 3㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 2㎛이 될 수 있다. 상기 평균입경은 이소프로필알코올(IPA)에 도전성 분말을 초음파로 25℃에서 3분 동안 분산시킨 후 CILAS社에서 제작한 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다. 상기 범위 내에서, 접촉 저항과 선 저항이 낮아지는 효과를 가질 수 있다.
은 분말은 조성물 전체 중량 대비 60 중량% 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 저항의 증가로 변환 효율이 낮아지는 것을 막을 수 있고, 유기 비히클 양의 상대적인 감소로 페이스트화가 어려워지는 것을 막을 수 있다. 바람직하게는 70 중량% 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.
(B) 유리프릿
유리프릿(glass frit)은 전극 형성용 조성물의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 은 입자를 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록 에미터 영역에 은 결정 입자를 생성시키고, 전도성 분말과 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키고 소결시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
태양전지의 효율을 증가시키기 위하여 태양전지의 면적을 증가시키면 태양전지의 접촉저항이 높아질 수 있으므로 pn 접합(pn junction)에 대한 피해를 최소화함과 동시에 직렬저항을 최소화시켜야 한다. 또한, 다양한 면저항의 웨이퍼의 증가에 따라 소성 온도가 변동폭이 커지므로 넓은 소성 온도에서도 열안정성을 충분히 확보될 수 있는 유리프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 유리프릿은 PbO를 포함하는 제1 유리프릿과 V2O5와 TeO2를 포함하는 제2 유리프릿을 포함한다. 상기 제1 유리프릿인 PbO계 유리프릿은 금속산화물인 산화납(PbO)을 필수적으로 포함하며, 상기 PbO 이외에 산화규소, 산화비스무스, 산화아연, 산화붕소, 산화리튬, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화텅스텐 및 이들 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 금속산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유리프릿은 산화납(PbO)을 50 중량% 내지 90 중량%로 포함할 수 있으며, 상기 범위에서 유리제조가 용이하고, 이를 포함하는 조성물은 부착력이 우수할 수 있다.
상기 제2 유리프릿인 V2O5-TeO2계 유리프릿은 금속산화물인 산화바나듐(V2O5)과 산화텔루륨(TeO2)을 필수적으로 포함하며, 산화규소, 산화비스무스, 산화아연, 산화붕소, 산화리튬, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화텅스텐 및 이들 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 금속산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 유리프릿에서 산화바나듐(V2O5)과 산화텔루륨(TeO2)은 1 : 2 내지 1 : 3의 중량비로 포함될 수 있으며, 상기 범위에서 유리제조가 용이하고, 이를 포함하는 조성물은 전극 형성 후 전극탈락 현상이 발생하지 않을 수 있다.
상기 제1 및 제2 유리프릿은 통상의 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 기술된 금속산화물을 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetary mill)로 혼합하고, 혼합된 조성물을 900℃ 내지 1300℃의 조건에서 용융시키고, 25℃에서 퀀칭(quenching)한다. 얻은 결과물을 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등으로 분쇄하여 유리프릿을 얻을 수 있다.
상기 제1 및 제2 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것이 사용될 수 있으며, 유리프릿의 형상은 구형이어도 부정형상이어도 무방하다.
본 발명에서 상기 제1 및 제2 유리프릿은 조성물 전체 중량 대비 0.5 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있다. 또한, 상기 제2 유리프릿과 제1 유리프릿은 1 : 1.2 내지 1 : 3의 중량비로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 : 2 내지 1 : 3으로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 우수한 부착력을 가지며, 전극탈락 현상을 방지할 수 있다.
(C) 유기 비히클
유기 비히클은 태양전지 전극 형성용 조성물의 무기성분과 기계적 혼합을 통하여 조성물에 인쇄에 적합한 점도 및 유변학적 특성을 부여한다.
상기 유기 비히클은 통상적으로 태양전지 전극 형성용 조성물에 사용되는 유기 비히클이 사용될 수 있고, 통상의 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, 부틸센로솔브, 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 유기 비히클은 태양전지 전극 형성용 조성물 전체 중량 대비 1 중량% 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 충분한 접착강도와 우수한 인쇄성을 확보할 수 있다.
(D) 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 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있지만 필요에 따라 함량을 변경할 수 있다.
태양전지 전극 및 이를 포함하는 태양전지
본 발명의 다른 관점은 상기 태양전지 전극 형성용 조성물로부터 형성된 전극 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, p층(또는 n층)(101) 및 에미터로서의 n층(또는 p층)(102)을 포함하는 웨이퍼(100) 또는 기판 상에, 전극 형성용 조성물을 인쇄하고 소성하여 후면 전극(210) 및 전면 전극(230)을 형성할 수 있다. 예컨대, 전극 형성용 조성물을 웨이퍼의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 200℃ 내지 400℃ 온도로 대략 10초 내지 60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 전면에 전극 형성용 조성물을 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 이후에, 400℃ 내지 950℃, 바람직하게는 850℃ 내지 950℃에서 30초 내지 50초 정도 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
상기 제조된 태양전지 전극은 직렬저항(Rs)이 0.01 mΩ 이하일 수 있으며, 변환 효율이 15% 이상일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
하기 실시예 및 비교예에서 사용된 각 성분의 사양은 다음과 같다:
(A) 은 분말: AG-4-8 (Dowa Hightech CO. LTD)를 사용하였다.
(B) 유리프릿 : 하기 표 1의 조성을 갖는 유리프릿을 사용하였다.
(C) 유기 비히클 : 에틸셀룰로오스 (Dow chemical company, STD4)를 용매인 부틸 카비톨 (Butyl Carbitol)에 60℃에서 용해시켜 사용하였다.
(D) 첨가제 : 분산제 BYK102(BYK-chemie)와 요변제 Thixatrol ST (Elementis co.)를 사용하였다.
표 1
PbO V2O5 TeO2 ZnO Li2O3 MgO ZrO2 SiO2 WO3
제1유리프릿 (B1) 86.2 - - 4.1 2.3 1 1.4 5 -
제2유리프릿 (B21) - 20 60 - - - - - 20
(B22) - 30 50 - - - - - 20
(B23) - 30 60 - - - - - 10
제3유리프릿 (B3) 40 50 10 - - - - -
(단위: 중량%)
실시예 1-3 및 비교예 1-7
실시예 1
유기 바인더로서 에틸셀룰로오스 (Dow chemical company, STD4) 0.95 중량%를 용매인 부틸 카비톨 (Butyl Carbitol) 8.55 중량%에 60℃에서 충분히 용해한 후 평균입경이 2.0㎛인 구형의 은 분말(Dowa Hightech CO. LTD, AG-4-8) 87 중량%, 상기 표 1의 조성을 갖는 제1 유리프릿(B1) 2 중량% 및 제2 유리프릿(B21) 1 중량%, 및 첨가제로서 분산제 BYK102(BYK-chemie) 0.2 중량% 및 요변제 Thixatrol ST (Elementis co.) 0.3 중량%를 투입하여 골고루 믹싱 후 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 태양전지 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
실시예 2
제1 유리프릿(B1) 2 중량% 및 제2 유리프릿(B22) 1 중량%를 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
실시예 3
제1 유리프릿(B1) 2 중량% 및 제2 유리프릿(B23) 1 중량%를 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 1
유리프릿으로 상기 표 1의 제1 유리프릿(B1)만을 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 2
유리프릿으로 상기 표 1의 제2 유리프릿(B21)만을 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 3
유리프릿으로 상기 표 1의 제2 유리프릿(B22)만을 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 4
유리프릿으로 상기 표 1의 제2 유리프릿(B23)만을 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 5
하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 6
유리프릿으로 상기 표 1의 제3 유리프릿(B3)만을 사용하고 하기 표 2의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
비교예 7
하기 표 1의 함량으로 각 성분을 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 조성물을 준비하였다.
물성 평가 방법
상기 실시예 및 비교예에서 준비된 조성물을 결정계 모노 웨이퍼(Wafer) 전면에 일정한 패턴으로 스크린 프린팅하여 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 600℃ 내지 900 ℃사이로 60초에서 210초간 소성을 행하였으며, 이렇게 제조 완료된 Cell은 태양전지효율 측정장비 (Pasan社, CT-801)를 사용하여 태양전지의 변환효율(%)과, 직렬저항(Rs)을 측정하였으며 접촉저항은 Correscan Potential을 이용하여 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
표 2
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7
은(Ag) 분말 87 87 87 87 87 87 87 87 87 87
제1 유리프릿 (B1) 2 2 2 3 - - - 2.5 - 1.7
제2 유리프릿(B2) (B21) 1 - - - 3 - - 0.5 - 1.3
(B22) - 1 - - - 3 - - - -
(B23) - - 1 - - - 3 - - -
제3 유리프릿 (B3) - - - - - - - - 3 -
유기비히클 바인더 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95
용매 8.55 8.55 8.55 8.55 8.55 8.55 8.55 8.55 8.55 8.55
첨가제 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Efficiency(%) 16.82 16.24 16.87 2.52 7.96 8.92 11.28 5.32 1.2 15.87
직렬저항(Rs)(mΩ) 0.0068 0.0059 0.0054 0.162 0.0588 0.00476 0.0263 0.113 0.65 0.0084
Correscan Potential 16.08 14.03 12.11 218.23 63.25 54.53 44.24 120.3 350.6 21.60
(단위: 중량%)
상기 표 2에서 보듯이, 실시예 1-3 은 1 종의 유리프릿만 사용한 비교예 1-4 및 6과 제1 유리프릿을 과량 사용한 비교예 5, 제2 유리프릿을 과량 사용한 비교예 7에 비하여 직렬저항 및 Correscan potential 값이 낮고 변환효율이 우수한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (8)

  1. (A) 은(Ag) 분말;
    (B) PbO를 포함하는 제1 유리프릿(b-1)과 V2O5와 TeO2를 포함하는 제2 유리프릿(b-2) 를 포함하는 유리프릿; 및
    (C) 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (A) 은(Ag) 분말 60 중량% 내지 95 중량%;
    상기 (B) 유리프릿 0.1 중량% 내지 20 중량%; 및
    상기 (C)유기 비히클 1 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유리프릿과 제1 유리프릿은 1 : 2 내지 1 : 3의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유리프릿은 산화납(PbO)을 50 중량% 내지 90 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유리프릿은 산화바나듐(V2O5)과 산화텔루륨(TeO2)을 1 : 2 내지 1 : 3 의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유리프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 분산제, 요변제, 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 태양전지 전극 형성용 조성물로 제조된 태양전지 전극.
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