WO2021080244A1 - 글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물 - Google Patents

글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물 Download PDF

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solar cell
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박태호
차명룡
홍성준
권태성
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a glass frit and a paste composition for a solar cell electrode comprising the same.
  • a photovoltaic device for photovoltaic power generation includes a plurality of solar cell modules (panels), and the solar cell module includes a plurality of solar cells.
  • Solar cells are semiconductor devices that convert light energy from the sun into electrical energy, and are largely classified into silicon solar cells and compound semiconductor solar cells according to raw materials, among which silicon solar cells are widely used.
  • a silicon solar cell is formed by forming a P-N junction on a silicon wafer and forming front and rear electrodes on the front and rear surfaces of the silicon wafer, respectively, so that internal electrons can flow to the outside.
  • free electrons are generated in the silicon wafer due to the photoelectric effect, and electrons move to the N-type semiconductor by the P-N junction, and current is generated by flowing to an external circuit through an electrode formed on the surface of the silicon wafer.
  • an antireflection film is formed on the surface of the silicon wafer to reduce reflection loss of irradiated sunlight, thereby improving the efficiency of converting sunlight into electrical energy.
  • the electrode of a solar cell is formed by coating a conductive paste on one surface of a silicon wafer.
  • the conductive paste hereinafter, paste for solar cell electrode
  • the conductive paste includes conductive powder, glass frit, and organic vehicle, and the glass frit is reflected during firing after applying the solar cell electrode paste.
  • a predetermined portion of the prevention film is disassembled and removed, and adhered to the silicon wafer to conduct both.
  • the method of bonding the silicon wafer and the electrode in this way is called fire-through, and the conversion efficiency of the solar cell may be affected by the fire-through. For example, if the plastic penetration proceeds excessively, the electrode may be eroded inside the silicon wafer to cause deterioration of the battery, and if the plastic penetration proceeds insufficiently, the basic performance as a solar cell may be deteriorated.
  • the solar cell electrode paste contains a glass frit capable of low-temperature firing.
  • the glass frit contains an alkali oxide.
  • the alkali oxide functions as a network modifier and breaks the network structure, so there is a problem that glass stability may be deteriorated.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art described above, it is an object of the present invention to provide a glass frit having a stable structure and capable of low-temperature firing, and a paste for a solar cell electrode including the same.
  • an object of the present invention is to provide a glass frit capable of improving contact characteristics of a solar cell electrode and improving conversion efficiency, and a paste for a solar cell electrode including the same.
  • the glass frit according to an embodiment of the present invention is a glass frit used in a paste for a solar cell electrode, and is a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system, and further includes Ag 2 O and a thallium compound.
  • the thallium compound may be Tl 2 O 3 .
  • the glass frit is 15 to 35 mol% of PbO, 20 to 40 mol% of TeO 2 , 1 to 10 mol% of Bi 2 O 3 , 1 to 10 mol% of Ag 2 O and 0.5 to 20 mol% of TI 2 O 3 .
  • Glass frit according to an embodiment of the present invention is SiO 2 , ZnO, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, V 2 O 5 , Al 2 O 3 , WO 3 , Ga 2 O 3 , SnO 2 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 5 It may further include one or more of.
  • the glass frit according to another embodiment of the present invention is a glass frit used in a paste for a solar cell electrode, and is a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system, and a first glass frit further comprising Ag 2 O and PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system and includes a second glass frit further comprising a thallium compound.
  • the thallium compound may be Tl 2 O 3 .
  • the first glass frit is 20 to 35 mol% of PbO, 25 to 40 mol% of TeO 2 , 1 to 10 mol% of Bi 2 O 3 and 1 to 10 mol% of Ag 2 O may be included, and the second glass frit is 15 to 30 mol% of PbO, 20 to 35 mol% of TeO 2 , 3 to 10 mol% of Bi 2 O 3 and 0.5 to 20 mol% of TI 2 O 3 may be included.
  • the paste composition for a solar cell electrode according to an embodiment of the present invention includes a conductive powder, a glass frit, and an organic vehicle.
  • the glass frit is a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system and further includes Ag 2 O and a thallium compound.
  • the paste composition for a solar cell electrode includes a conductive powder, a glass frit, and an organic vehicle.
  • the glass frit includes a first glass frit and a second glass frit
  • the first glass frit is a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system and further includes Ag 2 O
  • the second glass frit is PbO-TeO. It is a 2- Bi 2 O 3 system and further contains thallium compounds.
  • the PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 -based glass frit contains Ag 2 O and a thallium compound, it is possible to perform low-temperature firing when forming a solar cell electrode and have a stable structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the solar cell 100 includes a silicon wafer 110 and a front electrode 130 and a rear electrode 140 formed on the front and rear surfaces of the silicon wafer 110, respectively.
  • the solar cell 100 further includes an antireflection film 120 formed between the silicon wafer 110 and the front electrode 130.
  • the silicon wafer 110 includes a P-type semiconductor 111 and an N-type semiconductor 113.
  • the P-type semiconductor 111 may be doped with a group III element such as B, Ga, and In as a P-type impurity in silicon
  • the N-type semiconductor 113 is an N-type impurity in silicon. Group elements may be doped.
  • a PN junction is formed between the P-type semiconductor 111 and the N-type semiconductor 113, and when light is incident on the PN junction, free electrons generated by the photoelectric effect move to the N-type semiconductor 113 to generate photovoltaic power. I can.
  • the antireflection film 120 is formed on the N-type semiconductor 113 of the silicon wafer 110 to reduce the reflectance of light incident on the front surface of the silicon wafer 110, function as an insulating layer, and also the silicon wafer ( 110) It can play a role of inactivating defects existing on the surface or inside.
  • the reflectivity of light incident by the anti-reflection film 120 decreases, the amount of light reaching the PN junction increases, and accordingly, the short-circuit current of the solar cell 100 increases, so that the conversion efficiency of the solar cell 100 can be improved. have.
  • the antireflection film 120 may be formed of, for example, one of a silicon nitride film, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or a multilayer film in which two or more are stacked, and may be formed of a film having a known composition.
  • the front electrode 130 of the solar cell 100 collects electrons generated by the photoelectric effect and moves to the N-type semiconductor 113 and moves them to the outside to flow current.
  • the front electrode 130 is formed on the entire surface of the silicon wafer 110, and may be formed to penetrate the antireflection film 120 and connect to the N-type semiconductor 113 of the silicon wafer 110 as shown.
  • the front electrode 130 is a silicon wafer 110 by coating the electrode paste on the antireflection film 120 and then etching the antireflection film 120 through firing to penetrate the paste composition into the antireflection film 120. It can be formed so as to be connected to the N-type semiconductor 113 of.
  • a rear electrode 140 is formed on the rear surface of the silicon wafer 110, that is, on the opposite surface of the surface on which the front electrode 130 is formed, and a rear electric field layer 150 is formed on the interface between the rear electrode 140 and the silicon wafer 110.
  • the rear electrode 140 may be formed of a conductive paste composition containing aluminum, and in the process of forming the rear electrode 140, aluminum diffuses through the rear surface of the silicon wafer 110 to form the rear electric field layer 150 Can be.
  • the rear electric field 150 may prevent carriers from moving to the rear surface of the silicon wafer 110 and being recombined, thereby improving conversion efficiency of the solar cell 100.
  • the paste composition for an electrode of a solar cell can achieve the above-described effect of the present invention by using a glass frit having a specific composition.
  • the paste composition for a solar cell electrode and The glass frit used for this will be described in detail.
  • the paste for a solar cell electrode according to an embodiment of the present invention includes a conductive powder, a glass frit, and an organic vehicle.
  • the conductive powder of the paste composition for solar cell electrodes is for imparting electrical properties to the paste composition, and according to the present embodiment, Ag powder may be used as the conductive powder. Ag powder may be included in 80 to 90% by weight based on the total paste composition. The silver powder may have a nano-sized to micro-sized particle diameter, and it is also possible to mix and use Ag powders having two or more different sizes.
  • the glass frit of the solar cell electrode paste composition serves to contact the paste with the silicon wafer 110 by etching the antireflection film 120 during the firing process of the solar cell electrode paste.
  • the glass frit may be included in an amount of 0.5 to 5% by weight based on the total paste composition.
  • the glass frit is made of a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system.
  • PbO is for increasing the etching performance of the antireflection film by the solar cell electrode paste composition, and may contain 15 to 35 mol% based on the glass frit. PbO etch the anti-reflective film and allow the plastic penetration process to pass through the anti-reflective film to occur easily and penetrate the anti-reflective film so that the electrode can be connected to the silicon wafer.
  • TeO 2 is for preventing excessive etching by controlling the reactivity between the paste and the anti-reflective layer when firing the paste for the front electrode of the solar cell, and may contain 20 to 40 mol% based on the glass frit. Through this, excessive etching by PbO can be prevented, thereby preventing deterioration of battery characteristics and occurrence of shunt.
  • Bi 2 O 3 is for improving the conversion efficiency of the solar cell, and may contain 1 to 10 mol% based on the glass frit.
  • the glass frit according to this embodiment further includes Ag 2 O and TI 2 O 3 in addition to PbO, TeO 2 , and Bi 2 O 3.
  • Ag 2 O is a component for improving conductivity, and according to the present embodiment, Ag 2 O may contain 1 to 10 mol% based on the glass frit.
  • Ag 2 O not only improves the sinterability of the paste composition with the conductive powder (Ag powder) during the sintering process, but also increases the Ag solubility to obtain more Ag precipitates. As such, Ag 2 O may improve conductivity and improve fill factor (FF) by increasing the amount of Ag precipitation. In addition, Ag 2 O is one of the strong network modifiers, and can improve low-temperature firing properties by lowering the glass transition point.
  • the glass frit further includes TI 2 O 3 , thereby solving a problem that may be caused by Ag 2 O.
  • TI 2 O 3 acts as a network modifier that breaks the network structure like the alkali oxide described above, but also acts as a network former in which the Tl element reconnects the broken network structure. Accordingly, Tl 2 O 3 also serves to connect Ag 2 O and a network structure broken by an alkali oxide, thereby forming a more stable glass structure. That is, since the glass frit contains TI 2 O 3 , the glass transition point can be greatly reduced while reducing alkali oxides, and at the same time, the glass structure can be stabilized. This can lead to improved product reliability by improving chemical resistance, which is a disadvantage of low temperature fired glass.
  • the glass frit contains a small amount of TI 2 O 3 , the glass transition point is lowered and crystallization is easily performed. Accordingly, when the glass frit contains Ag 2 O, it is possible to solve the problem of increasing the line width by increasing the spreadability.
  • TI 2 O 3 may contain 0.5 to 20 mol% based on the glass frit. When TI 2 O 3 is contained in less than 0.5 mol%, the above-described effect cannot be sufficiently achieved, and when it is included in more than 20 mol%, it is difficult to vitrify and the glass transition point is excessively low, so that the paste is not produced during firing. A smearing shape may occur. Further, preferably, TI 2 O 3 may be included in 1 to 15 mol% based on the glass frit, more preferably 1 to 10 mol%.
  • the glass frit includes thallium oxide, but the present invention is not limited thereto, and other thallium compounds including the Tl element may be used, such as thallium nitride, thallium fluoride, and thallium carbide.
  • the glass frit according to this embodiment is SiO 2 , ZnO, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, V 2 O 5 , Al 2 O 3 , WO 3 , It may further include one or more of Ga 2 O 3 , SnO 2 , Sb 2 O 3 , and Sb 2 O 5.
  • the PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 -based glass frit includes Ag 2 O and TI 2 O 3 , but PbO-TeO 2 -including Ag 2 O and TI 2 O 3, respectively. It is also possible to mix and use Bi 2 O 3 glass frit.
  • the glass frit according to another embodiment of the present invention includes a first glass frit and a second glass frit, and the first glass frit is made of a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system and further includes Ag 2 O. 2
  • the glass frit is made of a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system and further includes TI 2 O 3.
  • the first glass frit may include 20 to 35 mol% of PbO, 25 to 40 mol% of TeO 2 , 1 to 10 mol% of Bi 2 O 3 and 1 to 10 mol% of Ag 2 O, and ,
  • the second glass frit may include 15 to 30 mol% of PbO, 20 to 35 mol% of TeO 2 , 3 to 10 mol% of Bi 2 O 3 and 0.5 to 20 mol% of TI 2 O 3 .
  • the glass frit includes two types of glass frit each including Ag 2 O and TI 2 O 3 , stability can be maintained while improving low-temperature firing characteristics, and excellent conversion due to improvement in conductivity and fill factor and suppression of spreadability Efficiency can be obtained.
  • the organic vehicle of the paste composition for solar cell electrodes is for imparting a viscosity suitable for printing of the paste composition, and may be included in the entire paste in the amount of the remaining amount excluding conductive powder and glass frit.
  • the organic vehicle may contain a binder resin and a solvent.
  • an acrylate or cellulose resin ethyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, nitro cellulose, a mixture of ethyl cellulose and a phenol resin, alkyd resin, phenol resin, acrylic ester resin, xylene resin Resin, polybutene resin, polyester resin, urea resin, melamine resin, vinyl acetate resin, wood rosin or polymethacrylate of alcohol
  • a binder resin an acrylate or cellulose resin, ethyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, nitro cellulose, a mixture of ethyl cellulose and a phenol resin, alkyd resin, phenol resin, acrylic ester resin, xylene resin Resin, polybutene resin, polyester resin, urea resin, melamine resin, vinyl acetate resin, wood rosin or polymethacrylate of alcohol
  • the paste composition for solar cell electrodes may further include conventional additives to improve flow characteristics, process characteristics, and the like.
  • the additive may include one or more of a dispersant, a plasticizer, a viscosity stabilizer, an antioxidant, and the like.
  • Table 1 shows the composition of the glass frit of the paste composition according to each Example and Comparative Example in forming a solar cell electrode.
  • the paste composition includes 89% by weight of Ag powder, 3% by weight of glass frit, and the remainder of the organic vehicle as conductive powder.
  • Table 2 shows the glass transition points of the glass frit of each Example and Comparative Example and the result of measuring the conversion efficiency in a solar cell formed of a paste composition for solar cell electrodes including the same.
  • Example 1 248 79.90 0.057 21.05 2.0
  • Example 2 240 80.15 0.051 21.23 2.4
  • Example 3 226 80.28 0.053 21.43 2.6
  • Example 4 217 80.17 0.060 21.34 2.2
  • Example 5 203 79.93 0.063 21.17 1.8
  • Example 6 251 79.83 0.059 21.02 1.9
  • Example 7 244 80.11 0.052 21.17 2.2
  • Example 8 236 80.24 0.055 21.32 2.5
  • Example 9 227 80.14 0.063 21.21 2.0
  • Example 10 211 79.97 0.067 21.08 1.6
  • Comparative Example 1 284 79.23 0.075 20.05 2.2
  • Comparative Example 258 79.48 0.070 20.37 Comparative Example 3 263 79.55 0.058 20.51 1.6
  • Comparative Example 4 196 79.63 0.074 20.62 2.0 Comparative Example 5
  • the glass frit contains only Tl 2 O 3 (Comparative Example 3)
  • the conversion efficiency is relatively low.
  • the glass transition point is excessively reduced by Tl 2 O 3 , it has a low glass viscosity, resulting in increased fluidity, which causes an increase in resistance due to the formation of a glass layer (insulation layer) between the silicon wafer and the electrode.
  • the glass frit contains Ag 2 O and Tl 2 O 3
  • the glass transition point is excessive even when it is out of the above-described range (Comparative Examples 4 and 5). And it can be seen that the conversion efficiency decreases.
  • a solar cell formed of a glass frit having a composition according to an embodiment of the present invention and a paste for a solar cell electrode including the same it has a low glass transition point, but has an excellent fill factor and a relatively low contact resistance. It can be seen that the efficiency is excellent.
  • the glass frit used in the solar cell electrode paste according to an embodiment of the present invention further includes Ag 2 O and TI 2 O 3 in a PbO-TeO 2 -Bi 2 O 3 system glass frit, thereby providing low temperature firing characteristics. It is advantageous in low-temperature firing because it can maintain stability while improving, and accordingly, there is an advantage that the firing range is widened during the firing process. In addition, according to an embodiment of the present invention, excellent efficiency characteristics may be obtained by improving conductivity and fill factor and suppressing spreadability through mutual complementation of Tl 2 O 3 and Ag 2 O.

Abstract

본 발명은 글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스 조성물에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고, Ag2O 및 탈륨화합물을 더 포함한다.

Description

글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물
본 발명은 글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 천연 에너지 자원의 고갈이 예측되고 화력 발전에 대한 환경 문제, 원자력 발전에 대한 안전성 문제가 제기되면서 이들을 대체할 태양광, 태양열, 풍력 등 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양광 발전은 무궁한 태양 에너지 자원을 활용할 수 있고 환경 친화적이라는 점에서 최근 많은 연구 개발이 이루어지고 현장에 설치, 운용되고 있다.
태양광 발전을 위한 태양광 발전 장치는 다수의 태양전지 모듈(패널)을 포함하고, 태양전지 모듈은 복수의 태양전지(solar cell)로 이루어진다.
태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 반도체 소자로서, 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지로 구분되며, 이 중 실리콘 태양전지가 많이 사용되고 있다.
실리콘 태양전지는 실리콘 웨이퍼에 P-N 접합을 형성시키고 내부의 전자가 외부로 흐를 수 있도록 실리콘 웨이퍼의 전면과 후면에 각각 전면전극 및 후면전극을 형성하여 이루어진다. 이러한 태양전지에 빛이 조사되면 광전효과에 의해 실리콘 웨이퍼 내에 자유전자가 발생하며, P-N 접합에 의해 전자가 N형 반도체로 이동하고 실리콘 웨이퍼 표면에 형성된 전극을 통해 외부 회로로 흘러 전류가 발생한다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 표면에는 반사 방지막이 형성되어 조사되는 태양광의 반사 손실을 줄여 태양광이 전기 에너지로 변환되는 효율을 향상시킬 수 있다.
태양전지의 전극은 실리콘 웨이퍼의 일면에 도전성 페이스트가 도포되어 형성된다. 도전성 페이스트(이하, 태양전지 전극용 페이스트) 조성물은 도전성 분말, 글라스 프릿(glass frit) 및 유기 비히클(organic vehicle)을 포함하며, 태양전지 전극용 페이스트를 도포한 후 소성하는 과정에서 글라스 프릿이 반사 방지막의 소정 부분을 분해 및 제거하여 실리콘 웨이퍼와 부착됨으로써 양자를 도통시킨다.
이와 같이 실리콘 웨이퍼와 전극을 접착시키는 방법을 소성 관통(fire-through) 이라 부르며, 태양전지의 변환 효율은 소성 관통에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 소성 관통이 과도하게 진행되면 전극이 실리콘 웨이퍼 내부에 침식되어 전지의 열화를 초래할 수 있고, 소성 관통이 불충분하게 진행되면 태양 전지로서의 기본 성능이 저하될 수 있다.
한편, 소성 관통을 고온에서 진행하는 경우 반사 방지막 등 전극 이외의 부분에 열적 손상이 가해질 수 있다. 따라서, 태양전지 전극용 페이스트는 저온 소성이 가능한 글라스 프릿을 포함하는 것이 바람직하다.
저온 소성이 가능하도록 글라스 프릿의 전이점을 낮추기 위해, 글라스 프릿이 알칼리 산화물을 포함하는 것이 알려져 있다. 하지만, 알칼리 산화물은 망목 수식제(network modifier)로서 기능하여 네트워크 구조를 끊기 때문에 유리 안정성이 저하될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저온 소성이 가능하면서도 안정된 구조를 갖는 글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양전지 전극의 컨택 특성을 향상시키고 변환 효율을 향상시킬 수 있는 글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 글라스 프릿은 태양전지 전극용 페이스트에 사용되는 글라스 프릿으로서, PbO-TeO2-Bi2O3계이고, Ag2O 및 탈륨화합물을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 탈륨화합물은 Tl2O3일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 글라스 프릿은 15 내지 35 mol%의 PbO, 20 내지 40 mol%의 TeO2, 1 내지 10 mol %의 Bi2O3, 1 내지 10 mol %의 Ag2O 및 0.5 내지 20 mol%의 TI2O3을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 글라스 프릿은 SiO2, ZnO, Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, V2O5, Al2O3, WO3, Ga2O3, SnO2, Sb2O3, Sb2O5 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 글라스 프릿은 태양전지 전극용 페이스트에 사용되는 글라스 프릿으로서, PbO-TeO2-Bi2O3계이고 Ag2O를 더 포함하는 제1 글라스 프릿 및 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 탈륨화합물을 더 포함하는 제2 글라스 프릿을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 탈륨화합물은 Tl2O3일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1 글라스 프릿은 20 내지 35 mol%의 PbO, 25 내지 40 mol%의 TeO2, 1 내지 10 mol %의 Bi2O3 및 1 내지 10 mol %의 Ag2O을 포함할 수 있고, 상기 제2 글라스 프릿은 15 내지 30 mol%의 PbO, 20 내지 35 mol%의 TeO2, 3 내지 10 mol %의 Bi2O3 및 0.5 내지 20 mol %의 TI2O3을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 도전성 분말, 글라스 프릿 및 유기 비이클을 포함한다. 여기서, 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 Ag2O 및 탈륨화합물을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 도전성 분말, 글라스 프릿 및 유기 비이클을 포함한다. 여기서, 글라스 프릿은 제1 글라스 프릿 및 제2 글라스 프릿을 포함하며, 제1 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 Ag2O를 더 포함하고, 제2 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 탈륨화합물을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, PbO-TeO2-Bi2O3계 글라스 프릿이 Ag2O 및 탈륨화합물을 포함함으로써, 태양전지 전극 형성 시 저온 소성이 가능하면서도 안정된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양전지 전극의 컨택 특성을 향상시키고 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명과 관계없는 부분의 설명은 생략한다.
태양전지의 구조
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지(100)는 실리콘 웨이퍼(110)와, 실리콘 웨이퍼(110)의 전면과 후면에 각각 형성되는 전면전극(130) 및 후면전극(140)을 포함한다. 또한, 태양전지(100)는 실리콘 웨이퍼(110)와 전면전극(130) 사이에 형성되는 반사 방지막(120)을 더 포함한다.
실리콘 웨이퍼(110)는 P형 반도체(111)와 N형 반도체(113)를 포함한다. P형 반도체(111)는 실리콘에 P형 불순물로서 B, Ga, In 등의 3족 원소가 도핑될 수 있고, N형 반도체(113)는 실리콘에 N형 불순물로서 P, As, Sb 등의 5족 원소가 도핑될 수 있다. P형 반도체(111)와 N형 반도체(113) 사이에는 P-N 접합이 형성되고, P-N 접합에 빛이 입사되면 광전효과에 의해 발생하는 자유전자가 N형 반도체(113)로 이동하여 광기전력이 발생할 수 있다.
반사 방지막(120)은 실리콘 웨이퍼(110)의 N형 반도체(113) 상에 형성되어, 실리콘 웨이퍼(110)의 전면으로 입사되는 빛의 반사율을 감소시키고, 절연층으로 기능하며, 또한 실리콘 웨이퍼(110) 표면 또는 내부에 존재하는 결함을 비활성화시키는 역할을 수행할 수 있다. 반사 방지막(120)에 의해 입사되는 빛의 반사율이 감소되면 P-N 접합까지 도달하는 광량이 증대되고, 이에 따라 태양전지(100)의 단락전류가 증가하여 태양전지(100)의 변환 효율이 향상될 수 있다. 반사 방지막(120)은 예를 들어, 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막 중 어느 하나로 이루어지거나 둘 이상이 적층된 다층막으로 이루어질 수 있으며, 이들 외에 공지의 조성을 갖는 막으로 이루어질 수도 있다.
태양전지(100)의 전면전극(130)은 광전효과에 의해 발생하여 N형 반도체(113)로 이동하는 전자를 수집하고 외부로 이동시켜 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 전면전극(130)은 실리콘 웨이퍼(110)의 전면에 형성되며, 도시된 바와 같이 반사 방지막(120)을 관통하여 실리콘 웨이퍼(110)의 N형 반도체(113)와 접속하는 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로, 전면전극(130)은 반사 방지막(120) 상에 전극용 페이스트를 도포한 후 소성을 통해 반사 방지막(120)을 에칭하여 페이스트 조성물을 반사 방지막(120) 내로 침투시킴으로써 실리콘 웨이퍼(110)의 N형 반도체(113)와 접속하도록 형성할 수 있다.
실리콘 웨이퍼(110)의 후면, 즉 전면전극(130)이 형성된 면의 반대면에는 후면전극(140)이 형성되며, 후면전극(140)과 실리콘 웨이퍼(110)의 경계면에 후면 전계층(150)이 형성될 수 있다. 후면전극(140)은 알루미늄을 포함하는 도전성 페이스트 조성물로 형성될 수 있으며, 후면전극(140)을 형성하는 과정에서 알루미늄이 실리콘 웨이퍼(110)의 후면을 통해 확산되어 후면 전계층(150)이 형성될 수 있다. 후면 전계층(150)은 캐리어가 실리콘 웨이퍼(110)의 후면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해 태양전지(100)의 변환 효율이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양전지의 전극용 페이스트 조성물은 특정 조성의 글라스 프릿을 사용함으로써 상술한 본 발명 본연의 효과를 달성할 수 있는바, 이하에서는 태양전지 전극용 페이스트 조성물과 이에 사용되는 글라스 프릿에 대해 상세히 설명한다.
태양전지 전극용 페이스트 조성물
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극용 페이스트는 도전성 분말, 글라스 프릿 및 유기 비이클을 포함한다.
태양전지 전극용 페이스트 조성물의 도전성 분말은 페이스트 조성물에 전기적 특성을 부여하기 위한 것으로서, 본 실시예에 따르면 도전성 분말로 Ag 분말을 사용할 수 있다. Ag 분말은 전체 페이스트 조성물을 기준으로 80 내지 90 중량% 포함될 수 있다. 은 분말은 나노 사이즈 내지 마이크로 사이즈의 입경을 가질 수 있으며, 2 이상의 다른 사이즈를 갖는 Ag 분말을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
태양전지 전극용 페이스트 조성물의 글라스 프릿은 태양전지 전극용 페이스트의 소성 공정 중 반사 방지막(120)을 에칭하여 페이스트와 실리콘 웨이퍼(110)를 접촉시키는 역할을 수행한다. 본 실시예에 따르면, 글라스 프릿은 전체 페이스트 조성물을 기준으로 0.5 내지 5 중량% 만큼 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계로 이루어진다.
PbO는 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 의한 반사 방지막의 에칭 성능을 증가시키기 위한 것으로, 글라스 프릿을 기준으로 15 내지 35 mol%가 포함될 수 있다. PbO는 반사 방지막을 에칭하고 이를 관통하는 소성 관통 공정이 쉽게 일어날 수 있도록 하고 반사 방지막에 침투하여 전극이 실리콘 웨이퍼와 접속할 수 있도록 한다.
TeO2는 태양전지 전면 전극용 페이스트 소성 시 페이스트와 반사 방지막 사이의 반응성을 조절하여 과도한 에칭을 방지하기 위한 것으로, 글라스 프릿을 기준으로 20 내지 40 mol%가 포함될 수 있다. 이를 통해, PbO에 의한 과잉 에칭을 방지하여 전지 특성의 열화 및 션트(Shunt)의 발생을 방지할 수 있다.
Bi2O3는 태양전지의 변환 효율을 향상시키기 위한 것으로, 글라스 프릿을 기준으로 1 내지 10 mol%가 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 글라스 프릿은 PbO, TeO2, Bi2O3 이외에 Ag2O 및 TI2O3를 더 포함한다.
Ag2O은 전도성을 향상시키기 위한 성분으로, 본 실시예에 따르면 Ag2O은 글라스 프릿을 기준으로 1 내지 10 mol%가 포함될 수 있다.
Ag2O은 소성 공정 동안 페이스트 조성물의 도전성 분말(Ag 분말)과의 소결성을 향상시킬 뿐만 아니라 Ag 고용성을 증가시켜 더욱 많은 Ag 석출물을 얻을 수 있게 한다. 이처럼, Ag2O은 Ag 석출량을 증대시킴으로써 전도성을 향상시키고 필 팩터(FF; fill factor)를 향상시킬 수 있다. 또한, Ag2O은 강력한 망목 수식제 중 하나로서, 유리 전이점을 낮추어 저온 소성 특성을 향상시킬 수 있다.
다만, Ag2O은 유리 전이점을 낮춤과 동시에 퍼짐성을 증가시켜 페이스트 소성 후 전극의 선폭이 번지는 현상이 발생할 수 있다. 이는 태양전지의 수광 면적을 감소시켜 결국 개방 전압(Voc) 및 단락 전류(Isc)의 저하를 가져와 변환 효율의 저하를 야기할 수 있다.
본 실시예에서는 글라스 프릿이 TI2O3를 더 포함함으로써 Ag2O에 의해 야기될 수 있는 문제를 해결한다.
TI2O3는 상술한 알칼리 산화물과 같이 네트워크 구조를 끊어주는 망목 수식제 역할을 하면서도 끊어진 네트워크 구조를 Tl 원소가 재연결하는 망목 형성제(network former)의 역할도 한다. 이에 따라, Tl2O3는 Ag2O와 알칼리 산화물에 의해 끊어진 네트워크 구조를 연결하는 역할도 하여 보다 안정적인 유리 구조를 형성할 수 있다. 즉, 글라스 프릿이 TI2O3를 포함함으로써 알칼리 산화물을 줄이면서도 유리 전이점을 크게 낮출 수 있고, 동시에 유리 구조를 안정화할 수 있다. 이는 저온 소성 유리의 단점인 내화학성을 개선하여 제품 신뢰성 향상으로 이어질 수 있다.
또한, 글라스 프릿이 TI2O3를 소량 포함하는 경우 유리 전이점을 낮춤과 동시에 결정화가 쉽게 이루어지는 특성을 갖는다. 이에 따라, 글라스 프릿이 Ag2O를 포함할 때 퍼짐성이 증가하여 선폭이 증가하는 문제를 해결할 수 있다.
TI2O3은 글라스 프릿을 기준으로 0.5 내지 20 mol%가 포함될 수 있다. TI2O3이 0.5 mol% 미만 포함되는 경우에는 상술한 효과를 충분히 달성할 수 없으며, 20 mol%를 초과하여 포함되는 경우에는 유리화되기 어려울 뿐만 아니라 유리 전이점이 과도하게 낮아짐에 따라 소성 시 페이스트가 번지는 형상이 발생할 수 있다. 나아가, 바람직하게는 TI2O3은 글라스 프릿을 기준으로 1 내지 15 mol% 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 mol% 포함될 수 있다.
본 실시예에서는 글라스 프릿이 탈륨산화물을 포함하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니며 탈륨질화물, 탈륨불화물, 탈륨탄화물과 같이 Tl 원소를 포함하는 다른 탈륨화합물이 사용될 수도 있다.
본 실시예에 따른 글라스 프릿은 상술한 성분 이외에 SiO2, ZnO, Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, V2O5, Al2O3, WO3, Ga2O3, SnO2, Sb2O3, Sb2O5 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는 PbO-TeO2-Bi2O3계 글라스 프릿이 Ag2O 및 TI2O3를 포함하고 있으나, Ag2O 및 TI2O3를 각각 포함하는 PbO-TeO2-Bi2O3계 글라스 프릿을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 글라스 프릿은 제1 글라스 프릿 및 제2 글라스 프릿을 포함하고, 제1 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계로 이루어지고 Ag2O를 더 포함하며, 제2 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계로 이루어지고 TI2O3를 더 포함한다. 구체적으로, 제1 글라스 프릿은 20 내지 35 mol%의 PbO, 25 내지 40 mol%의 TeO2, 1 내지 10 mol %의 Bi2O3 및 1 내지 10 mol %의 Ag2O을 포함할 수 있고, 제2 글라스 프릿은 15 내지 30 mol%의 PbO, 20 내지 35mol%의 TeO2, 3 내지 10 mol %의 Bi2O3 및 0.5 내지 20 mol %의 TI2O3을 포함할 수 있다.
이처럼, 글라스 프릿이 각각 Ag2O 및 TI2O3를 포함하는 2종의 글라스 프릿을 포함함으로써, 저온 소성 특성을 향상시키면서도 안정성을 유지할 수 있고, 전도성 및 필 팩터 향상과 퍼짐성 억제에 따라 우수한 변환 효율을 얻을 수 있다.
태양전지 전극용 페이스트 조성물의 유기 비이클은 페이스트 조성물의 인쇄에 적합한 점도를 부여하기 위한 것으로서, 전체 페이스트에서 도전성 분말과 글라스 프릿을 제외한 잔량만큼 포함될 수 있다. 통상적으로 유기 비이클은 바인더 수지와 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 바인더 수지로는 아크릴레이트계 또는 셀룰로오스계 수지, 에틸 셀룰로오스, 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 수 있으며, 용매로는 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 적어도 하나 포함하여 사용할 수 있다.
이밖에 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 유동 특성, 공정 특성 등을 향상시키기 위하여 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 분산제, 가소제, 점도 안전화제, 산화방지제 등을 하나 이상 포함하여 사용할 수 있다.
실험예
이하에서는 태양전지 전극용 페이스트 조성물에 사용되는 글라스 프릿의 성분에 따른 유리 전이점 및 변환 효율을 측정한 실험 결과를 바탕으로 본 발명의 효과를 구체적으로 설명한다.
표 1은 태양전지 전극을 형성함에 있어서, 각 실시예와 비교예에 따른 페이스트 조성물의 글라스 프릿의 조성을 나타낸다. 본 실험예에서 페이스트 조성물은 도전성 분말로서 89 중량%의 Ag 분말, 3 중량%의 글라스 프릿 및 잔부의 유기 비이클을 포함한다.
구분 성분비 (mol%)
PbO Bi2O3 TeO2 SiO2 B2O3 ZnO Al2O3 CaO WO3 Li2O Tl2O3 Ag2O
실시예1 15.2 7.8 24.7 15.8 1.0 3.8 0.7 1.2 1.8 8.8 17.7 1.5
실시예2 19.3 6.9 27.2 14.7 1.0 3.5 0.7 1.1 1.7 7.6 14.3 2.0
실시예3 21.1 6.1 30.7 13.5 1.0 3.3 0.6 1.0 1.6 6.1 11.6 3.4
실시예4 22.2 5.3 33.3 12.4 0.9 3.0 0.6 1.0 1.5 5.6 8.3 5.9
실시예5 24.0 4.5 36.8 11.2 0.9 2.7 0.5 0.9 1.3 5.1 4.7 7.4
실시예6 19.4 6.0 26.5 14.0 0.9 3.5 0.6 1.0 1.6 8.1 16.6 1.8
실시예7 22.7 5.2 29.7 13.1 0.9 3.4 0.6 0.9 1.4 6.9 12.9 2.3
실시예8 25.7 4.3 32.4 12.3 0.9 3.2 0.5 0.8 1.2 5.6 9.4 3.7
실시예9 27.0 3.5 35.0 11.5 0.9 3.1 0.5 0.8 1.0 4.5 5.9 6.3
실시예10 28.3 2.8 38.9 10.7 0.8 2.8 0.4 0.7 0.8 3.4 2.3 8.1
비교예1 24.8 7.2 36.1 15.9 1.2 3.9 0.7 1.2 1.9 7.2 - -
비교예2 23.9 6.9 34.7 15.3 1.1 3.7 0.7 1.1 1.8 6.9 - 3.8
비교예3 21.8 6.3 31.8 14.0 1.0 3.4 0.6 1.0 1.7 6.3 12.0 -
비교예4 19.2 5.5 27.9 12.3 0.9 3.0 0.5 0.9 1.5 5.5 10.5 12.3
비교예5 18.6 5.4 27.1 11.9 0.9 2.9 0.5 0.9 1.4 5.4 22.0 3.0
표 2는 각 실시예와 비교예의 글라스 프릿의 유리 전이점과 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트 조성물로 형성된 태양전지에서의 변환 효율을 측정한 결과를 나타낸다.
구분 유리 전이점
(℃)		 Fill Factor
(%)		 접촉저항
(mΩ)		 변환 효율
(%)		 접착력
(N)
실시예1 248 79.90 0.057 21.05 2.0
실시예2 240 80.15 0.051 21.23 2.4
실시예3 226 80.28 0.053 21.43 2.6
실시예4 217 80.17 0.060 21.34 2.2
실시예5 203 79.93 0.063 21.17 1.8
실시예6 251 79.83 0.059 21.02 1.9
실시예7 244 80.11 0.052 21.17 2.2
실시예8 236 80.24 0.055 21.32 2.5
실시예9 227 80.14 0.063 21.21 2.0
실시예10 211 79.97 0.067 21.08 1.6
비교예1 284 79.23 0.075 20.05 2.2
비교예2 258 79.48 0.070 20.37 2.3
비교예3 263 79.55 0.058 20.51 1.6
비교예4 196 79.63 0.074 20.62 2.0
비교예5 183 79.40 0.062 20.13 1.8
표 1 및 표 2를 참조하면, 우선 글라스 프릿이 Ag2O 및 Tl2O3를 포함하지 않는 경우(비교예 1)에는 본원발명에 따른 실시예들에 비하여 유리 전이점이 상대적으로 높고, 변환 효율도 낮음을 확인할 수 있다. 글라스 프릿이 Ag2O만을 포함하는 경우(비교예 2)에는 Ag2O를 포함하지 않는 경우에 비하여 유리 전이점은 낮아지나 변환 효율은 실시예들에 비해 낮다는 문제가 있다. 이는 Ag2O만을 포함할 때 소성 시 과도한 퍼짐성으로 인해 선폭이 번지고 수광 면적이 줄어들게 되어 발생하는 것으로 파악된다. 또한, 글라스 프릿이 Tl2O3만을 포함하는 경우(비교예 3)에는 상대적으로 변환 효율이 낮다는 문제가 있다. 이는 Tl2O3에 의해 유리전이점이 과도하게 감소됨에 따라 낮은 유리 점성을 가져 유동성이 커지게 되고, 이는 실리콘 웨어퍼와 전극 사이에 유리층(절연층) 형성에 따른 저항 상승을 야기하여 상대적으로 필 팩터가 낮게 되고, 결과적으로 변환 효율이 저하되는 것으로 파악된다.뿐만 아니라, 글라스 프릿이 Ag2O 및 Tl2O3를 포함하더라도 상술한 범위를 벗어나는 경우(비교예 4 및 5)에도 유리 전이점이 과도하게 감소하고 변환 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이에 비하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 조성을 갖는 글라스 프릿 및 이를 포함하는 태양전지 전극용 페이스트로 형성된 태양전지의 경우, 낮은 유리 전이점을 가지면서도 우수한 필 팩터와 상대적으로 낮은 접촉 저항을 가져 변환 효율이 우수한 것을 확인할 수 있다..
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극용 페이스트에 사용되는 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계의 글라스 프릿에 Ag2O 및 TI2O3를 더 포함함으로써 저온 소성 특성을 향상시키면서도 안정성을 유지할 수 있어 저온 소성에 유리하고, 이에 따라 소성 공정 시 소성 가능 범위가 넓어지는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Tl2O3와 Ag2O의 상호 보완을 통해 전도성 및 필 팩터를 향상시키고 퍼짐성을 억제하여 우수한 효율 특성을 얻을 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims (9)

  1. 태양전지 전극용 페이스트에 사용되는 글라스 프릿으로서,
    PbO-TeO2-Bi2O3계이고,
    Ag2O 및 탈륨화합물을 더 포함하는
    글라스 프릿.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈륨화합물은 Tl2O3인, 글라스 프릿.
  3. 제2항에 있어서,
    15 내지 35 mol%의 PbO,
    20 내지 40 mol%의 TeO2,
    1 내지 10 mol %의 Bi2O3,
    1 내지 10 mol %의 Ag2O 및
    0.5 내지 20 mol%의 TI2O3
    을 포함하는
    글라스 프릿.
  4. 제1항에 있어서,
    SiO2, ZnO, Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, V2O5, Al2O3, WO3, Ga2O3, SnO2, Sb2O3, Sb2O5 중 하나 이상을 더 포함하는 글라스 프릿.
  5. 태양전지 전극용 페이스트에 사용되는 글라스 프릿으로서,
    PbO-TeO2-Bi2O3계이고 Ag2O를 더 포함하는 제1 글라스 프릿 및
    PbO-TeO2-Bi2O3계이고 탈륨화합물을 더 포함하는 제2 글라스 프릿
    을 포함하는
    글라스 프릿.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탈륨화합물은 Tl2O3인, 글라스 프릿.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 글라스 프릿은 20 내지 35 mol%의 PbO, 25 내지 40 mol%의 TeO2, 1 내지 10 mol %의 Bi2O3 및 1 내지 10 mol %의 Ag2O을 포함하고,
    상기 제2 글라스 프릿은 15 내지 30 mol%의 PbO, 20 내지 35 mol%의 TeO2, 3 내지 10 mol %의 Bi2O3 및 0.5 내지 20 mol %의 TI2O3을 포함하는,
    글라스 프릿.
  8. 도전성 분말,
    글라스 프릿 및
    유기 비이클
    을 포함하고,
    상기 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 Ag2O 및 탈륨화합물을 더 포함하는,
    태양전지 전극용 페이스트 조성물.
  9. 도전성 분말,
    글라스 프릿 및
    유기 비이클
    을 포함하고,
    상기 글라스 프릿은 제1 글라스 프릿 및 제2 글라스 프릿을 포함하며,
    상기 제1 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 Ag2O를 더 포함하고,
    상기 제2 글라스 프릿은 PbO-TeO2-Bi2O3계이고 탈륨화합물을 더 포함하는,
    태양전지 전극용 페이스트 조성물.
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