WO2017183881A1 - 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 수분 안정성이 우수하며 전극 부착력을 개선할 수 있어, 높은 변환효율 및 개방전압을 구현할 수 있는 태양전지의 후면전극용 페이스트를 제공한다. 또한, 본 출원은 후면전극용 페이스트 조성물을 이용하여 안정성 및 신뢰성이 탁월하고, 높은 에너지 전환효율을 구현할 수 있는 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 형성된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양에서 발생하는 광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과로 전류, 전압을 생성한다. 이는 pn 접합이 이루어지는 반도체 기판(substarte)과 에미터층(emmitter layer)을 구비하며, 에미터 상부에는 상기 에미터와 통전되는 전면 전극이 형성되고, 광입사면과 대향되는 다른 면에는 기판과 통전되는 후면 전극이 형성된다.
태양전지에 흡수되는 빛은 다양한 파장을 가지고 있어 파장에 따라 굴절률이 다르므로 흡수가 잘 되는 파장 범위가 존재한다. 대체로, 장파장의 빛은 굴절률이 작아 흡수가 잘 되지 않고 태양전지를 투과한다. 이에, 투과되는 빛들을 반사시켜 태양전지를 다시 통과하게 함으로써 빛의 흡수를 증가시키는 역할을 하는 패시베이션층을 구비하기도 한다.
PERC형(Passivated Emitter and Rear Contact Type) 태양전지는 웨이퍼 후면에 패시베이션층(Passivation Layer)을 구비한 것으로, 태양전지에 입사되는 빛의 흡수율을 증가시키고, 생성된 전자와 정공의 재결합에 따른 손실을 방지할 수 있다. 이때, 패시베이션층은 일반적으로 알루미늄산화물 층(Al2O3 LAYER)과 실리콘질화물 층(SiNx LAYER)으로 이루어지며, 알루미늄산화물 층은 태양전지 후면에서 fixed negative charge를 발생시킨다. 상기 음전하(negative charge)는 태양전지에서 발생된 정공을 후면 전극으로 이동하는 것을 도와주고, 이에 따라 발생된 전자와 정공이 재결합되는 양을 줄여주어 더욱 많은 전자와 정공을 수집할 수 있도록 함으로써 개방전압(Voc)을 향상시킬 수 있고, 태양전지 효율을 증대시킨다.
이러한 PERC형 태양전지는 알루미늄 전극이 패시베이션층을 침투할 수 없어 개구부(opening)를 통해 알루미늄 페이스트를 사용하여 국부적인 후면전계층(Back Surface Field Layer, BSF layer)을 형성한다. 이때, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)의 확산 속도 차이에 의해 보이드(void)가 발생하고, 이는 개방전압(Voc)을 떨어뜨려 변환 효율을 저하시킨다. 상기 보이드는 일반적으로 알루미늄보다 실리콘의 확산속도가 빠르기 때문에 발생되는 것으로, 페이스트 내 성분을 변경하는 기술 개발이 요구된다.
또한, 알루미늄 페이스트가 패시베이션층과 반응하지 못하는 경우 알루미늄 전극의 부착력 불량으로 미세 알루미늄 입자가 발생하고, 발생된 입자는 전면부의 오염을 야기하여 변환효율을 떨어뜨린다. 이는 태양전지 모듈을 제작하는 경우에도 문제가 된다. 또한, 종래 알루미늄 페이스트는 수분에 대한 안정성이 취약하다.
따라서, 일정 수준이상의 전극 부착력을 구현할 수 있으면서, 수분 안정성이 우수한 알루미늄 페이스트에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수분 안정성이 우수하며, 전극 부착력을 개선할 수 있어 높은 변환효율 및 개방전압을 구현할 수 있는 태양전지의 후면전극용 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 후면전극용 페이스트를 이용하여 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일양태는
(a) 알루미늄 전도성 분말
(b) SiO2, ZnO, Bi2O3 및 B2O3를 함유한 유리 프릿 및
(c) 유기 비히클
을 포함하는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유리 프릿은 SiO2
5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3
10 내지 60중량% 및 B2O3 5 내지 20중량%를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 양태는
(a) 알루미늄 전도성 분말
(b′) SiO2, ZnO, Bi2O3, B2O3, PbO 및 Al2O3를 함유한 유리 프릿 및
(c) 유기 비히클
을 포함하는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
이때, 상기 양태에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유리 프릿은 SiO2
5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3
10 내지 60중량%, B2O3 5 내지 20중량%, PbO 5 내지 50중량% 및 Al2O3 1 내지 20중량%를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물은 전체 중량에 대하여 상기 유리 프릿을 0.6 내지 20 중량% 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 있어서, 상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경이 2 내지 10㎛인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 있어서, 상기 유기 비히클은 셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 유기 바인더가 용매에 용해된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 일반형(Conventional type) 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type) 구조를 갖는 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물은 수분에 대한 안정성이 뛰어나며, 전극 부착력을 향상시킬 수 있어 높은 변환효율 및 개방전압을 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 페이스트 조성물을 이용하여 안정성 및 신뢰성이 탁월하고, 높은 에너지 전환효율을 구현할 수 있는 태양전지를 제공할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물, 이를 이용하여 제조되는 태양전지에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의해 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.
본 발명은 일반형(Conventional type) 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type) 구조를 갖는 태양전지에 적용 가능한 것이다. 이 중 하기에 예시하는 태양전지는 PERC형인 것으로, 본 발명을 반드시 PERC형 태양전지에 한정하여 적용하는 것은 아니다.
PERC형 태양전지는 후면에 패시베이션(passivation)을 가지고 있어, 장파장 영역의 빛의 흡수율을 높일 수 있고, 전자와 정공의 재결합을 감소시켜 단락전류(Isc) 및 개방전압(Voc)을 높임으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 하지만, 패시베이션의 존재로 국부적인 후면전계층(Local BSF layer)를 형성해야 하는데, 알루미늄 페이스트를 적용하는 경우 알루미늄과 실리콘의 확산 속도의 차이로 인해 보이드(void)가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 이는 전극 부착력을 저하시켜 변환효율을 감소시킬 수 있으며, 모듈의 신뢰성 확보에도 어려움이 있다.
이에, 본 발명자들은 특정 성분의 조합을 포함하는 후면전극용 페이스트 조성물을 제공함으로써 상기와 같은 보이드 발생을 억제하여 태양전지의 효율을 극대화할 수 있으며, 동시에 종래 수분에 대한 안정성이 취약한 알루미늄 페이스트의 물성을 개선할 수 있어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명에서 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물은 일반형 태양전지는 물론 패시베이션층을 포함하는 PERC형 태양전지에 적용하는데 유용하며, 일반적으로 태양전지로 알려진 실리콘 반도체 장치를 포함하는 다양한 작용에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따른 페이스트 조성물은 실리콘 및 알루미늄 계면 사이의 우수한 반응성으로 국부적인 BSF 층을 효과적으로 형성할 수 있으며, 패시베이션층에 따른 오염을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물의 제1 양태는
(a) 알루미늄 전도성 분말,
(b) SiO2, ZnO, Bi2O3 및 B2O3를 함유한 유리 프릿 및
(c) 유기 비히클을 포함하는 것이다.
상기 유리 프릿은 납을 함유하지 않은 조성으로 각 성분들은 수분 안정성, 전극 부착력에 주요 인자로 작용하며, 이들 성분들은 페이스트 조성물 내 다른 성분과의 조합으로 상승 효과를 구현할 수 있다.
본 발명의 제1양태에 따른 유리 프릿은 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서 성분 함량 조절이 가능하며, 바람직하게는 SiO2
5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3
10 내지 60중량% 및 B2O3 5 내지 20중량%를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 성분들의 합계 중량의 부족한 부분은 적어도 하나 이상의 다른 산화물을 더 포함할 수 있다. 구체적인 일예로 P2O5, Na2O, K2O 및 Sb2O3
중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 P2O5, Na2O 및 K2O 중에서 선택되는 어느 하나의 성분은 유리 프릿 내 함량이 0.1 내지 3중량%, 바람직하게는 0.5 내지 2중량% 포함될 수 있다. 또한, 상기 Sb2O3는 유리 프릿 내 함량이 5 내지 20중량%, 바람직하게는 10 내지 16중량% 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 우수한 수분 안정성 및 전극 부착력을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 태양전지 성능 향상 측면에서 더욱 좋다.
앞서 상술한 본 발명의 제1 양태에서 나아가 본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물은 유리 프릿 성분으로 PbO 및 Al2O3
중 어느 하나의 성분을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 태양전지 성능이 다소 저하될 수 있으나, 수분안정성을 확보할 수 있고 전극 부착력을 향상시킬 수 있는 측면에서 좋다.
나아가, 본 발명은 태양전지 성능이 저하되지 않으면서 동시에 수분안정성 및 전극부착력 향상을 구현할 수 있는 것으로서, 하기의 본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물의 제2 양태를 제공한다.
본 발명의 제 2양태에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물은
(a) 알루미늄 전도성 분말,
(b′) SiO2, ZnO, Bi2O3, B2O3, PbO 및 Al2O3를 함유한 유리 프릿 및
(c) 유기 비히클을 포함하는 것이다.
상기 유리 프릿은 납을 함유하는 조성으로, 이를 이루는 성분들의 조합과, 페이스트 조성물 내 다른 성분의 조합에 따라 수분 안정성 및 전극 부착력을 향상시킬 수 있으며, 나아가 품질 안정성, 신뢰성을 확보함으로써 내구성을 증진시킬 수 있어 더욱 좋다.
본 발명의 제2양태에 따른 유리 프릿은 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서 성분 함량 조절이 가능하며, 바람직하게는 SiO2
5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3
10 내지 35중량%, B2O3 5 내지 20중량%, PbO 5 내지 50중량% 및 Al2O3
1 내지 20중량%를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 유리프릿 성분 내 상기 범위를 만족하는 경우 태양전지 성능 향상 측면에서 더욱 효과적이며, 전극부착력 강화로 내구성을 더욱 증진시킬 수 있다.
상기의 본 발명에 따른 페이스트 조성물의 제2 양태는 PbO 및 Al2O3의 조합에 있어서, PbO 및 Al2O3
중 어느 하나의 성분만을 포함하는 것보다는 유리 프릿 내 PbO 및 Al2O3의 조합을 포함하는 것이 변환효율 또는 개방전압 특성에서 우수한 태양전지 성능을 확보할 수 있음은 물론 전극 부착력 등의 물성의 향상을 구현할 수 있어 더욱 좋다.
이때, PbO 및 Al2O3
각각의 유리 프릿 내 성분 함량은 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서 조절가능하며, 바람직하게는 PbO가 5 내지 50중량%, Al2O3가 1 내지 20중량%의 범위 내인 것이 내구성, 전극부착력 또는 기포 발생 저항 성능 측면에서 더욱 좋다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물은 유리 프릿의 성분 조합에 따라 다양한 양태를 구현할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 일구체예로서, SiO2, ZnO, Bi2O3, B2O3, P2O5, Na2O, K2O 및 Sb2O3로 이루어진 것일 수 있으며, 또 다른 구체예로서, SiO2, ZnO, Bi2O3, B2O3, PbO, Al2O3, Na2O, SrO, K2O 및 Sb2O3로 이루어진 것일 수 있다.
이때, 상기 유리 프릿은 바람직하게는 SiO2
5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3
10 내지 60중량%, B2O3 5 내지 20중량%, PbO 0 내지 50중량% 및 Al2O3
0 내지 20중량%를 포함할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 페이스트의 점도를 적절하게 유지시켜주며, 특히 알루미늄 실리콘 사이의 확산 속도 차이를 현저히 줄여줄어 계면에서의 보이드(void) 형성을 방지할 수 있고 전극과의 부착력을 향상시켜 변환효율 및 개방전압이 우수하며 다른 성분과의 조합으로 태양전지의 효율을 극대화할 수 있다.
구체적으로, 상기 SiO2는 유리 프릿 전체 중량에 대하여 5 내지 30중량%, 보다 바람직하게는 7 내지 21중량% 포함될 수 있다. 또한, ZnO는 유리 프릿 전체 중량에 대하여 1 내지 20중량%, 보다 바람직하게는 5 내지 16중량% 포함될 수 있다.
또한, Bi2O3는 유리 프릿 전체 중량에 대하여 10 내지 60중량%, 보다 바람직하게는 12 내지 45중량% 포함될 수 있다. 나아가, 상기 Bi2O3는 유리 프릿 내 납을 포함하는 경우 PbO 및 Al2O3의 조합의 성분과 함께 사용되는 경우에는 10 내지 35중량%, 바람직하게는 15 내지 30중량% 포함되는 것이 태양전지 성능 면에서 더욱 좋다. 일예로, 상기 Bi2O3이 유리 프릿 내 PbO와 함께 사용되는 경우 그 함량이 35중량% 초과인 경우 변환효율 및 개방전압이 저하될 수 있다.
또한, B2O3는 유리 프릿 전체 중량에 대하여 5 내지 20중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 15중량% 포함될 수 있다.
상기 유리 프릿은 PbO 및 Al2O3 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있는데, 이때, PbO는 유리 프릿 전체 중량에 대하여 5 내지 50중량%, 보다 바람직하게는 17 내지 43중량% 포함될 수 있다. 또한, Al2O3는 유리 프릿 전체 중량에 대하여 1 내지 20중량%, 보다 바람직하게는 4 내지 8중량% 포함될 수 있다.
상기 유리 프릿 내 성분들은 각각의 함량 범위를 만족하는 경우 유리 프릿 내 다른 성분들과의 조합은 물론, 페이스트 조성물 내 알루미늄 전도성 분말 및 유기 비히클과의 조합에 따라 본 발명의 목적하는 효과 달성에 더욱 유리하다.
상기 유리 프릿 내 성분들 각각 중 어느 하나 이상의 성분이 상기 함량 범위를 벗어나는 경우 성분 조합에 따른 상승 효과를 기대하기 어렵고, 태양전지 성능이 저하되거나, 혹은 전극 부착력 약화, 수분에 대한 안정성이 저하될 수 있다.
본 발명에서 (a) 전도성 분말은 주 금속 성분이 알루미늄이다. 이러한 알루미늄 전도성 분말은 단일 입자로 형성되거나 서로 다른 특성을 가지는 입자를 혼합하여 사용할 수 있다. 하거나 코어-쉘 구조인 것을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄 전도성 분말은 그 형상이 구형인 것이 바람직하며, 요구되는 기계적 물성에 따르 플레이크(flake)형, 판상형, 무정형 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경이 0.5 내지 10㎛인 것이며, 바람직하게는 1 내지 9㎛인 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 1에서 7㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 분산성 및 치밀성을 확보할 수 있고, 태양전지의 전기적 성능을 최적화하기에 더욱 좋다. 또한, 바람직하게는 서로 다른 평균입경을 갖는 전도성 분말을 혼합하여 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 전도성 분말의 BET는 0.2 내지 3.0 ㎡/g, 바람직하게는 0.4 내지 2.0㎡/g인 것을 사용할 수 있으며, 상기 범위를 만족하는 경우 태양전지의 전기적 특성을 향상시키는데 더욱 좋다.
상기 전도성 분말은 알루미늄 이외의 전도성 금속을 포함할 수 있으며, 이에크게 제한되는 것은 아니다. 일예로, 은, 구리, 니켈, 팔라듐, 백금, 크롬, 코발트, 주석, 아연, 철, 이리듐, 로듐, 텅스텐, 몰리브덴 또는 마그네슘과 같은 알루미늄 이외의 금속 또는 합금을 적정량 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 전도성 분말은 페이스트 조성물 전체 중량에 대하여 60 내지 95중량%, 바람직하게는 65 내지 85중량% 함유될 수 있다. 상기 함량을 만족하는 경우 상분리가 발생하는 것을 억제할 수 있으며, 점성이 좋아 인쇄성이 우수한 이점이 있다.
본 발명에서 유리 프릿은 앞서 제1양태, 제2양태, 제3양태 및 제4양태에서 예시된 바와 같이 특정 성분을 포함하고, 유기 비히클과 페이스트를 이루어 특히 PERC형 태양전지에 적용 시 후면에 패시베이션과의 반응성을 좋게 하고, 전극과의 부착력을 향상시켜 태양전지 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 수분 안정성을 확보할 수 있도록 한다.
본 발명에서 상기 유리 프릿은 본 발명의 후면전극용 페이스트 전체 조성물 내 함량범위가 바람직하게는 0.1 내지 5.0중량%, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2.0중량%일 수 있다. 상기 함량 범위를 만족하는 경우 계면에서의 반응성이 좋고, 전극 부착력이 탁월하여 접촉저항을 낮출 수 있고, 태양전지 효율을 극대화할 수 있다.
상기 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 300 내지 600℃, 바람직하게는 300 내지 500℃인 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 (b) 유리 프릿은 연화점(Ts)이 350 내지 750℃, 바람직하게는 400 내지 650℃인 것일 수 있다. 상기 유리전이온도 및 연화점 범위를 만족하는 경우 목적하는 물성의 효과 달성에 더욱 좋다.
또한, 상기 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛, 바람직하게는 1.0 내지 3.0㎛인 것이 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우 전극 형성 시 핀홀 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있어 좋다.
상기 유리 프릿은 일예로서, 구성 성분들을 대기압하에서 함께 용융시킨 후 냉각 과정을 통해 전체적으로 유리질의 성질을 가질 수 있도록 하여 제조된다. 용융 공정을 통하여 유리 프릿의 각 구성성분들은 분자간의 결합이 끊어지며 금속 산화물로서의 성질을 잃게 되며, 용융 상태에서 각 성분들이 균일하게 혼합되어 냉각을 통해 유리질로 된다. 이때, 용융 온도 및 시간은 크게 제한되지 않지만, 바람직하게는 용융 온도가 800 내지 1500℃이며, 용융 시간은 10분 내지 1시간동안 실시할 수 있다.
본 발명에서 (c) 유기 비히클(vehicle)은 후면전극용 페이스트의 무기성분과 물리적 혼합을 통하여 조성물에 인쇄성을 좋게 하도록 점도 및 유변학적 특성을 부여한다.
상기 유기 비히클은 통상적으로 태양전지 전극 페이스트에 사용되는 유기 비히클이 사용될 수 있으며, 일예로 고분자와 용매의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 TXIB(Trimethyl Pentanyl Diisobutylate), 디베이직 에스테르(Dibasic ester), BC(BUTYL CARBITOL), 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 부틸셀루솔브, 부틸셀루솔브아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 디메틸 아디페이트, 디메틸 글루타레이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올(terpineol), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디메틸아미노포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마 부티로락톤, 에틸락테이트 및 텍사놀(Texanol) 중에서 선택된 하나 이상의 용매 중에 에틸셀룰로스, 메틸셀룰로스, 니트로셀룰로스, 셀룰로오스 에스테르 등의 셀룰로스계 수지, 로진(rosin) 또는 알콜의 폴리메타크릴레이트, 아크릴산 에스테르 등의 아크릴계 수지 및 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 부티랄 등의 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가한 것일 수 있다. 바람직하게는 부틸카르비톨아세테이트, 텍사놀 및 테르틴올의 혼합 용매를 사용하는 것이 더욱 좋다.
상기 유기 비히클은 페이스트 조성물 전체 중량에 대하여 10 중량 내지 40 중량%, 바람직하게는 15 중량 내지 30 중량% 인 것이 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우 전도성 분말을 용이하게 분산시키고, 소성 후 잔류 탄소에 의한 저항증가로 태양전지의 변환효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 태양전지 후면전극용 페이스트는 상술한 구성 요소 이외에 유동 특성, 공정 특성 및 안정성을 향상시키기 위하여 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제로는 분산제, 증점제, 요변제, 레벨링제, 가소제, 점도안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제, 커플링제 등을 들 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분산제로는 LUBRISOL사 SOLSPERSE, BYK사의 DISPERBYK-180, 110, 996, 및 997 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 증점제로는 BYK사의 BYK-410, 411, 420 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 요변제로는 ELEMENTIS사 THIXATROL MAX, BYK사의 ANTI-TERRA-203, 204, 205 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 레벨링제로는 BYK사의 BYK-3932 P, BYK-378, BYK-306, BYK-3440 등을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 유기 첨가제는 후면전극용 페이스트 조성물 전체 100중량%에 대하여, 약 1 내지 20중량%로 함유될 수 있다.
본 발명은 상술한 후면전극용 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 일반형(Conventional type) 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type) 구조를 갖는 태양전지를 제공한다.
이 중, 본 발명의 일 실시예에 따른 PERC형 태양전지는 제1 전도성 타입의 기판; 상기 기판상에 형성된 제2 전도성 타입의 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되는 전면전극과, 상기 기판의 배면에 페이베이션층과 후면전극을 포함한다.
상기 제1 전도성 타입의 기판은 P형 또는 N형에서 선택되며, 제2 도성 타입의 에미터층은 기판과 반대 도전형을 가지는 것으로 선택된다. P+층의 형성을 위해서는 3족 원소가 불순물로 도핑되고, N+층의 형성을 위해서는 5족 원소가 불순물로 도핑된다. 예를 들어, P+층 형성을 위해 B, Ga, In이 도핑되고, N+층 형성을 위해 P, As, Sb가 도핑될 수 있다. 상기 기판 및 에미터층 사이 계면에 P-N접합이 형성되고, 이는 태양광을 받아 광기전력효과에 의해 전류를 발생시키는 부분이다. 광기전력효과에 의해 발생된 전자와 정공은 각각 P층 및 N층으로 끌어 당겨져 각각 기판 하부 및 에미터층 상부와 접합된 전극으로 이동하며, 전극에 부하를 걸어 여기에서 발생한 전기를 이용할 수 있다.
상기 반사방지막은 태양전지 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 태양광의 반사율이 감소되면 P-N접합까지 도달하는 광량이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가되고, 태양전지의 변환효율이 향상된다. 반사방지막은 일예로, 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상이 조합된 다중막 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전면전극은 전면전극용 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄한 후 열처리를 통해 형성되며, 펀치 스루 현상에 의해 전면전극이 반사방지막을 뚫고 에미터층과 접촉된다.
상기 패시베이션층은 기판의 후면에 형성되는 것으로, 알루미늄 산화물(Al2O3)로 형성하며, 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘질화물(SiN)로 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층은 1~50nm의 두께로 형성될 수 있다. 이는 원자층증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 또는 플라즈마강화 화학기상증착법(PECVD, Plasma Enhanced CVD)에 의하여 증착될 수 있다.
후면전극은 패시베이션층의 후면에 스크린 인쇄를 통하여 도포하여 형성될 수 있다. 상기 후면전극은 본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물을 이용한다. 상기 페이스트 조성물을 도포 및 건조한 후 열처리 공정을 통하여 소성되어 형성된다. 상기 후면전극은 기판으로부터 이동하는 전하인 정공을 수집하여 외부 장치로 출력한다.
이하 본 발명에 따른 태양전지 후면전극용 페이스트에 대한 일예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6)
표 1에 따른 조성에 따라 유리 프릿에 해당하는 성분들을 반응기에 투입하여 혼합하고, 이를 1100℃에서 30분 동안 용융하여 순수(H2O)로 켄칭(Quenching)하여 급냉시켰다. 급냉된 유리 용융물은 볼밀(Ball-mill)로 분쇄하여, 2㎛의 평균입경을 갖는 유리 프릿을 제조하였다.
제조된 유리 프릿을 사용하여 본 발명에 따른 태양전지용 페이스트 조성물을 제조하였다.
전도성 분말로는 알루미늄 분말을 사용하였다. 상기 알루미늄 분말은 평균입경이 5.0㎛인 것을 74.0중량% 사용하였다. 또한, 상기 제조된 유리 프릿은 1.0중량% 사용하였으며, 바인더로는 에틸 셀룰로오스 수지(AQUALON사 ECN-50)를 2.0중량% 사용하였다. 용매로는 부틸카르비톨아세테이트(ButylCarbitolAcetate) 10.0중량%, 텍사놀(Texanol) 및 테르핀올(Terpineol)을 각각 5.5중량% 사용하였으며, 첨가제로는 요변성 조정제(ELEMENTIS사 THIXATROL MAX) 1.0중량%와 첨가제(Oleic Acid) 1.0중량%를 첨가하였다.
(실시예 7)
유리 프릿의 함량 범위를 0.5중량%로 하고, 테르핀올(Terpineol)의 함량을 6.0중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
(실시예 8)
실시예 7에서 유리 프릿의 함량을 1.5중량%로 하고, 테르핀올(Terpineol)의 함량을 5.0중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 실시하였다.
(실시예 9)
실시예 7에서 유리 프릿의 함량을 2.0중량%로 하고, 테르핀올(Terpineol)의 함량을 4.5중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 실시하였다.
(실시예 10)
실시예 7에서 유리 프릿의 함량을 2.5중량%로 하고, 테르핀올(Terpineol)의 함량을 4.0중량%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 실시하였다.
(태양전지의 제조)
156mm 결정질 실리콘 웨이퍼를 이용하여 관상로(tube furnace,850℃)에서 POCl3을 사용하는 확산 공정을 통해 인(P)을 도핑하여 80Ω/sq 시트 저항을 가지는 에미터층을 형성하였다. 상기 에미터층 상에 화학기상증착법(PECVD 방법)으로 전구체 SiH4와 NH3를 사용하여 실리콘 질화막을 증착하여 70nm두께로 형성하여 반사방지막을 형성하였다. 반사방지막의 상면에 DPS-1900V7 페이스트(DAEJOO)를 도포하고 건조하였다. 이후, 상기 실리콘 기판 후면에 앞서 제조된 후면전극용 페이스트 조성물을 1.3g 도포한 후 250℃에서 2분 동안 건조하였다. 이때, 전면전극 및 후면전극 도포는 스크린 인쇄(ASYS COMPANY사 인쇄기 이용)하여, 일정한 패턴으로 실시하였다.
스크린 인쇄시, 450㎜× 450㎜ 프레임의 스테인레스 와이어 250메쉬를 사용하였다. 스크린 인쇄 후 건조된 도막 두께는 23㎛이었으며, 건조온도는 250℃였다. 얻어진 태양전지 실리콘 기판을 벨트타입 소성로에서 피크온도 약 780℃에서 IN-OUT 약 1분의 조건으로 동시에 소성하여 목적하는 태양전지를 제조하였다.
제조된 태양전지의 전기적 특성(I-V특성)을 ORIEL사 제조의 솔라 시뮬레이터 (SOL3A)를 사용하여 테스트하였다. 각 페이스트 당 10매의 샘플을 제조하고 10매 샘플의 평균치를 사용하였으며, 제조된 태양전지의 특성을 표 2에 나타내었다.
(평가)
(1) 태양전지의 효율(변환효율, 개방전압)
제조된 전극은 태양전지효율 측정장비(pasna사, CT-801)을 이용하여 태양전지의 변환효율(Eff, %) 및 개방전압(Voc, V)를 측정하였다. 이때, 변환효율 및 개방전압 각각의 측정값에 대하여, 비교예 1에 따른 결과값을 100으로 하여 기준값으로 정하고, 측정한 값을 기준값으로 환산하여 상대 비교한 값을 나타낸 것이다.
(2) 전극 부착력
소성된 태양전지 셀의 알루미늄 전극면에 테이프(Tape, 3M사 810-ROK)를 5cm 정도로 잘라 완전하게 부착시킨 다음 부착된 tape를 180° 각도로 빠르게 떼내었다. 이때, 테이프에 전극이 전혀 묻어나지 않는 경우는 ○로, 희미하게 묻어나오는 경우에 △ (20%이하), 그 이상으로 묻어나오는 경우는 × 로 표기하였다.
(3) 기포발생시간
소성된 태양전지 셀을 75± 5℃의 DI water에서 담궈 알루미늄 전극 표면에 기포가 발생하는 시작시간을 확인하여 기재하고, 15분 이후에 기포가 발생하는 경우에는 ◎로 표기하였다. 기포 발생 시작이 빠른 경우는 수분에 대한 안정성이 낮으며 태양전지 모듈의 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
| 유리프릿성분(wt%) | 실시예 | 비교예 | ||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| SiO2 | 10.8 | 15.8 | 20.8 | 10.7 | 7.5 | 7.5 | 4.5 | 4.5 | 10.8 | - | 10.8 | 4.5 |
| ZnO | 15.4 | 10.0 | 5.0 | 10.0 | 10.0 | 5.0 | 15.0 | - | 10.0 | 12.0 | 10.0 | 15.0 |
| Bi2O3 | 42.6 | 43.0 | 43.0 | 25.1 | 17.8 | 12.8 | - | 65.6 | 61.8 | 60.0 | 61.8 | - |
| B2O3 | 13.8 | 13.8 | 13.8 | 15.0 | 15.0 | 15.0 | 11.5 | 12.5 | - | 12.0 | - | 11.0 |
| PbO | - | - | - | 17.5 | 27.0 | 42.0 | 51.3 | - | - | - | - | 55.0 |
| Al2O3 | - | - | - | 8.0 | 9.0 | 4.0 | 4.0 | - | - | - | - | - |
| P2O5 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | - | - | - | - | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | - |
| Na2O | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1.0 |
| SrO | - | - | - | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | - | - | - | - | 1.0 |
| K2O | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 2.0 |
| Sb2O3 | 15.4 | 15.4 | 15.4 | 10.5 | 10.5 | 10.5 | 10.5 | 15.4 | 15.4 | 14.0 | 15.4 | 10.5 |
| 변환효율(%) | 102.22 | 101.88 | 101.59 | 101.39 | 101.04 | 101.19 | 100.00 | 98.87 | 99.12 | 98.74 | 99.35 | 99.85 |
| 개방전압(FF %) | 100.89 | 100.59 | 100.55 | 100.55 | 100.15 | 100.25 | 100.00 | 98.63 | 98.84 | 98.49 | 98.96 | 99.91 |
| 전극 부착력 | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | △ | X | X | X | X | X |
| 기포 발생시간 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | 1분 | 3분 | 3분 | 4분 | 3분 | 1분 |
| 구분 | 실시예 | ||||
| 1 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| 변환효율(%) | 102.22 | 101.74 | 101.98 | 102.34 | 100.93 |
| 개방전압(FF %) | 100.89 | 100.53 | 100.75 | 101.02 | 100.08 |
| 전극 부착력 | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 기포 발생시간 | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ |
상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3은 무연 유리프릿을 포함하는 페이스트 조성물로서 변환효율이 최대 102.22%에 이르며, 개방전압 또한 100.89%에 이르러 태양전지 효율이 뛰어날 뿐만 아니라 전극 부착력은 물론 기포 발생 시간을 충족시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 실시예 4 내지 6은 PbO 및 Al2O3를 함유하는 유리프릿을 포함하는 페이스트 조성물로서 태양전지 효율, 전극 부착력 및 기포 발생 방지 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 1 내지 5는 본 발명에 따른 유리프릿과 조성의 차이가 있음에 따라 변환효율 및 개방전압이 현저히 떨어질 뿐만 아니라 전극 부착력이 약화되고 기포가 발생하는 등의 문제가 있었다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 7 내지 9는 페이스트 내 유리프릿 함량을 변경한 것으로 우수한 변환효율 및 개방전압은 물론 전극 부착력과 기포 발생 저항성능이 좋았다. 실시예 10은 유리 프릿의 함량이 높은 편이여서 변환효율 및 개방전압 성능이 다소 저하되었다.
이상과 같이 본 발명에서는 한정된 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (11)
- (a) 알루미늄 전도성 분말,(b) SiO2, ZnO, Bi2O3 및 B2O3를 함유한 유리 프릿 및(c) 유기 비히클을 포함하는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 유리 프릿은 SiO2 5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3 10 내지 60중량% 및 B2O3 5 내지 20중량%를 포함하는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- (a) 알루미늄 전도성 분말,(b′) SiO2, ZnO, Bi2O3, B2O3, PbO 및 Al2O3를 함유한 유리 프릿 및(c) 유기 비히클을 포함하는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제3항에 있어서,상기 (b′) 유리 프릿은 SiO2 5 내지 30중량%, ZnO 1 내지 20중량%, Bi2O3 10 내지 60중량%, B2O3 5 내지 20중량%, PbO 5 내지 50중량% 및 Al2O3 1 내지 20중량%를 포함하는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛인 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제3항에 있어서,상기 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛인 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 유리 프릿은 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 5.0중량% 포함되는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제3항에 있어서,상기 유리 프릿은 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 5.0중량% 포함되는 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경이 0.5 내지 10㎛인 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 알루미늄 전도성 분말은 평균입경이 0.5 내지 10㎛인 태양전지 후면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항 내지 제10항 중에서 선택되는 어느 하나의 페이스트 조성물을 이용하여 형성되는 일반형(Conventional type) 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type) 구조를 갖는 태양전지.
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