WO2021194062A1 - 태양전지 전극용 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 - Google Patents

태양전지 전극용 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 Download PDF

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WO2021194062A1
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paste
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김인철
김충호
고민수
장문석
전태현
김화중
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엘에스니꼬동제련 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a conductive paste used for forming an electrode of a solar cell and a solar cell manufactured using the same.
  • Conductive paste is a paste that has applicability to form a coating film and conducts electricity to a dried or fired coating film. It is a fluid composition dispersed with a conductive filler (metal filler) alone or together with a glass frit in a vehicle consisting of a resin-based binder and a solvent, It is widely used in the formation of circuits and the formation of external electrodes of ceramic capacitors.
  • silver paste is the most chemically stable and excellent in conductivity among composite conductive pastes, so its application range is quite wide in various fields such as conductive adhesion and coating and microcircuit formation.
  • electronic components that place special importance on reliability, such as printed circuit boards (PCBs)
  • silver paste is used as an adhesive or coating material for STH (Silver Through Hole), internal electrodes in multilayer capacitors, and recently silicon-based solar cells. It is widely used as an electrode material in
  • the conductive paste containing silver occupies a high proportion in the price of solar cell materials. Accordingly, a method for reducing the amount of silver paste remaining in a mask has been disclosed as a research to reduce the lay-down of the paste for the front electrode in the prior art to reduce the cost.
  • the technique for reducing the discharge amount of the conductive paste does not take into account the variable caused by the area difference between the bus-bar electrode and the finger electrode. There is a problem in that the efficiency of the manufactured solar cell is lowered because a lot of disconnection occurs according to the dramatic decrease in the discharge amount.
  • An object of the present invention is to provide a conductive paste capable of reducing cost and maintaining or improving efficiency by controlling the discharge amount when printing on an electrode.
  • a factor related to the paste discharge amount of the bus bar electrode and a factor related to the paste discharge amount of the finger electrode are developed, and the conditions of each factor are satisfied, thereby reducing the discharge amount of the paste and providing an efficiency equal to or higher than that of the conductive paste. do.
  • the present invention includes a conductive paste including a metal powder, a glass frit, and an organic vehicle, and the discharge amount factor A of a bus-bar electrode can be calculated by Equation 1 below, and a finger
  • the discharge amount factor B of the electrode may be calculated by Equation 2 below, and ⁇ AB ⁇ provides a conductive paste, characterized in that it is 0.100 or less.
  • G' is the elastic value when the shear strain is 1%
  • G" is the elastic value when the shear strain is 90%
  • is characterized in that it is 0.050 or less.
  • A is 0.200 to 0.350
  • B is 0.200 to 0.230.
  • the conductive paste includes an ethyl cellulose-based resin, and the weight of the resin is 0.12 to 0.3% by weight compared to 100% by weight of the conductive paste.
  • the conductive paste contains silicone oil
  • the silicone oil is decamethyltetrasiloxane, dodecamethylpentasiloxane, tetradecamethylhexasiloxane, hexadecamethylheptasiloxane, dodecamethylcyclopentasiloxane, and decamethylcyclopentasiloxane. It is characterized in that it comprises at least one selected from methylcyclohexasiloxane (Dodecamethylcyclohexasiloxane) and tetradecamethylcycloheptasiloxane.
  • the weight of the silicone oil is characterized in that 0.5 to 1.5% by weight compared to 100% by weight of the conductive paste.
  • the present invention provides a conductive paste capable of reducing manufacturing cost by controlling the discharge amount of the paste during electrode printing.
  • a factor related to the paste discharge amount of the bus bar electrode and a factor related to the paste discharge amount of the finger electrode are developed, and the conditions of each factor are satisfied. It provides an easy effect.
  • 1 to 6 are graphs showing storage modulus measurement graphs of conductive pastes prepared according to an embodiment of the present invention.
  • a conductive paste used to form a front electrode of a solar cell more specifically, a paste including a conductive metal powder, a glass frit, and an organic vehicle will be described as an example.
  • the paste according to the present invention satisfies the factor related to the paste discharge amount of the bus bar electrode and the factor related to the paste discharge amount of the finger electrode, maintaining an appropriate level of the paste discharge amount to prevent disconnection of the finger electrode, and An unnecessary discharge amount can be reduced.
  • the discharge amount factor A of the bus bar electrode is calculated as a relative value through Equation 1 below
  • the discharge amount factor B of the finger electrode can be calculated as a relative value through Equation 2 below.
  • G' is the elastic value when the shear strain is 1%
  • G" is the elastic value when the shear strain is 90%
  • a shear strain of 1% is paste strain in a wide opening, ie, a bus bar electrode, and a shear strain of 90% means a paste strain in a narrow opening, ie, a finger electrode.
  • the paste may be prepared so that
  • the amount of paste discharged from the bus bar electrode is decreased, and the amount of paste discharged from the finger electrode is the same or increased, so that the overall amount of paste is reduced.
  • the conversion efficiency has the same or improved effect.
  • the conductive paste according to the present invention includes an organic vehicle, and by varying the content of the organic binder included in the organic vehicle, a conductive paste having a reduced discharge amount during printing can be prepared.
  • the type of the organic binder is not limited.
  • Cellulose ester compounds include cellulose acetate and cellulose acetate butyrate
  • cellulose ether compounds include ethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxy propyl cellulose, hydroxy ethyl cellulose, hydroxy propyl methyl cellulose, and hydroxy ethyl.
  • Methyl cellulose and the like may be mentioned, and examples of the acrylic compound include polyacrylamide, poly methacrylate, polymethyl methacrylate, and polyethyl methacrylate, and the vinyl-based compound includes polyvinyl butyral, polyvinyl acetate, and polyvinyl alcohol.
  • At least one or more organic binders may be selected and used, and most preferably, ethyl cellulose resin may be used.
  • the organic binder may be included in an amount of 0.12 to 0.3% by weight based on 100% by weight of the conductive paste, and specifically, it may be included in an amount of 0.13 to 0.2% by weight based on 100% by weight of the conductive paste.
  • the paste according to the present invention contains silicone oil, and by varying the content of silicone oil, it is possible to prepare a conductive paste with a reduced discharge amount during printing.
  • the type of the silicone oil is not limited, but it is preferable to use a linear molecule, a branched molecule, a cyclic molecule, or a mixture thereof.
  • the silicone oil is a linear molecule and includes decamethyltetrasiloxane, dodecamethylpentasiloxane, tetradecamethylhexasiloxane, hexadecamethylheptasiloxane, and the like.
  • decamethylcyclopentasiloxane dodecamethylcyclohexasiloxane, tetradecamethylcycloheptasiloxane, and the like can be exemplified.
  • At least one of the silicone oils may be selected and used.
  • the silicone oil is at least one selected from the group consisting of phenyl trimethione, dimethicone, cyclomethicone, polydimethylsiloxane, and silicone gum. may be included, and a modified silicone oil may also be used. Preferably, it may be polysiloxane such as polydimethylsiloxane, and it is preferable to use unmodified polysiloxane oil in consideration of slip properties.
  • the molecular weight of the silicone oil is 1-100,000cs.
  • the molecular weight of the silicone oil exceeds 100,000cs, the viscosity is too high, so that it is difficult to prepare a paste.
  • the silicone oil is included in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the conductive paste composition.
  • silicone oil is added in an amount of less than 0.1% by weight, there is a slight problem in improving the slip property, when it is added in excess of 5% by weight, there is a problem in phase separation and storage stability. There is a problem that can lead to a disconnection.
  • it is included in an amount of 0.5 to 1.5% by weight.
  • the conductive paste expected to reduce the discharge amount will be described using the calculated discharge amount factor A of the bus bar electrode and the discharge amount factor B of the finger electrode, and the estimated paste discharge amount and the actual measured paste discharge amount and power generation By comparing the efficiencies, the reduction in the discharge amount of the paste according to the present invention is verified.
  • the elasticity G' and G" according to shear strain were measured by 5ITT (Five interval thixotropy test), and the shear strain was varied in a total of 5 sections.
  • the 5ITT measurement conditions and measuring fixture were Anton at 25 ⁇ 1°C. Measurements were made using Paar MCR302 and PP50/P3, and the measurement gap was 1.2 mm
  • the slip velocity measurement conditions and measurement fixture were measured using Anton Paar MCR302 and PP50/P3 at 25 ⁇ 1°C, and the measurement gap was 0.6 mm, and the measured shear stress was 0 to 800 Pa.
  • Section (II) represents the paste strain at the bus bar electrode with elastic value G' when the shear strain is 1%
  • section (IV) represents 90% shear strain.
  • the paste strain at the finger electrode is represented by the elastic value G" when introduced for accuracy.
  • FIG. 1 is a graph showing the elasticity value according to the content of ethyl cellulose resin
  • FIG. 2 is a graph showing the slip velocity according to the content of the ethyl cellulose resin.
  • section (II) increases as the content of the ethyl cellulose resin increases, and the elasticity of all other sections is maintained constant.
  • the slip velocity is generally constant regardless of the content of the ethyl cellulose resin.
  • Table 1 below shows G', G", slip velocity, and discharge amount factors A and B of the bus bar electrode and the finger electrode calculated according to Equations 1 and 2 according to FIGS. 1 and 2 .
  • Section (II) represents the paste strain at the bus bar electrode with elastic value G' when the shear strain is 1%
  • section (IV) represents 90% shear strain.
  • the paste strain at the finger electrode is represented by the elastic value G" when introduced for accuracy.
  • FIG. 3 is a graph showing the elasticity value according to the PDMS content
  • FIG. 4 is a graph showing the slip velocity according to the PDMS content.
  • Table 3 below shows G', G", slip velocity, and discharge amount factors A and B of the bus bar electrode and the finger electrode calculated according to Equations 1 and 2 according to FIGS. 3 and 4 .
  • the discharge amount factor A of the bus bar electrode is low and the discharge area of the bus bar electrode is reduced, and the discharge amount factor B of the finger electrode is high, and the discharge area of the finger electrode is increased.
  • the total discharge amount is rapidly reduced, and the slip velocity is significantly lowered, causing disconnection, and thus the efficiency may be significantly reduced.

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Abstract

본 발명은 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트로서, 버스 바(bus-bar) 전극의 토출량 팩터(factor) A는 하기 식 1에 의해 계산될 수 있고, 핑거(finger) 전극의 토출량 팩터 B는 하기 식 2에 의해 계산될 수 있고, │A-B│는 0.100 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트에 관한 것으로, 도전성 페이스트의 토출량을 감소하여 제조 단가를 절감할 수 있다. [식 1] A=(Slip velocity X 10) / (G' × 0.01) [식 2] B=1 / (G" × 0.01)

Description

태양전지 전극용 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지
본 발명은 태양전지의 전극 형성에 사용되는 도전성 페이스트 및 이를 이용하여 제조된 태양전지에 관한 것이다.
도전성 페이스트는 도막 형성이 가능한 도포 적성을 갖고 건조 또는 소성된 도막에 전기가 흐르는 페이스트로서, 수지계 바인더와 용매로 이루어지는 비히클 중에 도전성 필러(금속 필러) 단독 또는 글라스 프릿과 함께 분산시킨 유동성 조성물이며, 전기 회로의 형성이나 세라믹 콘덴서의 외부 전극의 형성 등에 널리 사용되고 있다.
특히, 은 페이스트(Silver Paste)는 복합계 도전성 페이스트 중에서 가장 화학적으로 안정하고 도전성이 우수하여 전도성 접착 및 코팅용 그리고 미세회로 형성 등 여러 분야에 있어서 상당히 그 응용범위가 넓다. PCB(Printed Circuit Board) 등과 같은 신뢰성을 특별히 중요시하는 전자부품에 있어서 은 페이스트의 용도는 STH(Silver Through Hole)용 접착 또는 코팅재 등으로 사용되며, 적층 콘덴서에서는 내부전극용으로, 최근에는 실리콘계 태양전지에서 전극 재료로 널리 사용되고 있다.
그러나, 은을 포함한 도전성 페이스트는 태양전지 재료의 가격 중 높은 비중을 차지한다. 이에, 종래에 원가 절감을 위해 전면 전극용 페이스트의 토출량(lay-down)을 감소하고자 하는 연구로서 마스크 내 잔존하는 은 페이스트의 양을 줄이는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 도전성 페이스트의 토출량을 줄이는 기술은 버스 바(bus-bar) 전극과 핑거(finger) 전극의 면적 차이에 의한 변수는 고려하지 않아 버스 바 전극에 과도한 토출량이 발생하거나 토출량을 줄일 경우 핑거 전극의 토출량 극감에 따라 단선이 많이 생겨 제조된 태양전지의 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 전극에 프린팅 시 토출량을 조절하여 비용을 절감하고 효율을 유지 또는 향상시킬 수 있는 도전성 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 버스 바 전극의 페이스트 토출량과 관련된 팩터와 핑거 전극의 페이스트 토출량과 관련된 팩터를 개발하고, 각 팩터의 조건을 만족함으로써 페이스트의 토출량 저감과 동등 이상의 효율을 제공하는 도전성 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 포함하며, 버스 바(bus-bar) 전극의 토출량 팩터(factor) A는 하기 식 1에 의해 계산될 수 있고, 핑거(finger) 전극의 토출량 팩터 B는 하기 식 2에 의해 계산될 수 있고, │A-B│는 0.100 이하인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 제공한다.
[식 1]
A=(Slip velocity × 10) / (G' × 0.01)
[식 2]
B=1 / (G" × 0.01)
(여기서, G'는 shear strain 1%일 때 탄성 값, G"는 shear strain 90%일 때 탄성 값을 의미한다)
또한, 상기 │A-B│는 0.050 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 A는 0.200 내지 0.350이고, 상기 B는 0.200 내지 0.230인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도전성 페이스트는 에틸 셀룰로오스계 수지를 포함하고, 상기 수지의 중량은 도전성 페이스트 100중량% 대비 0.12~0.3중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도전성 페이스트는 실리콘 오일을 포함하며,
상기 실리콘 오일은 데카메틸테트라실록산(Decamethyltetrasiloxane), 도데카메틸펜타실록산(Dodecamethylpentasiloxane), 테트라데카메틸헥사실록산(Tetradecamethylhexasiloxane), 헥사데카메틸헵타실록산(Hexadecamethylheptasiloxane), 데카메틸시클로펜타실록산(Decamethylcyclopentasiloxane), 도데카메틸시클로헥사실록산(Dodecamethylcyclohexasiloxane), 테트라데카메틸시클로헵타실록산(Tetradecamethylcycloheptasiloxane) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실리콘 오일의 중량은 도전성 페이스트 100중량% 대비 0.5~1.5중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전극 프린팅 시 페이스트의 토출량을 조절하여 제조비용을 절감할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.
더욱 구체적으로, 버스 바 전극의 페이스트 토출량과 관련된 팩터와 핑거 전극의 페이스트 토출량과 관련된 팩터를 개발하고, 각 팩터의 조건을 만족함으로써 페이스트의 토출량 저감과 동등 이상의 효율을 제공하는 도전성 페이스트를 제공하는 매우 용이한 효과를 제공한다.
도 1 내지 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 도전성 페이스트의 저장탄성율 측정 그래프를 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 명세서에서는 태양전지 전면전극을 형성하는데 이용하는 도전성 페이스트, 더욱 구체적으로 도전성 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하는 페이스트를 예시로 설명한다.
본 발명에 따른 페이스트는 버스 바 전극의 페이스트 토출량과 관련된 팩터 와 핑거 전극의 페이스트 토출량과 관련된 팩터 조건을 만족하여 핑거 전극의 단선을 방지할 수 있는 적정 수준의 페이스트 토출량을 유지하면서, 버스 바 전극의 불필요한 토출량을 감소시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 페이스트는 하기 식 1을 통해 버스 바 전극의 토출량 팩터(factor) A가 상대적인 수치로 계산되고, 하기 식 2를 통해 핑거 전극의 토출량 팩터 B가 상대적인 수치로 계산될 수 있다.
[식 1]
A=(Slip velocity × 10) / (G' × 0.01)
[식 2]
B=1 / (G" × 0.01)
(여기서, G'는 shear strain 1%일 때 탄성 값, G"는 shear strain 90%일 때 탄성 값을 의미한다)
Shear strain 1%는 넓은 opening, 즉 버스 바 전극에서의 페이스트 변형률이고, shear strain 90%는 좁은 opening, 즉 핑거 전극에서의 페이스트 변형률을 의미한다.
상기 페이스트는 상기 식 1 및 식 2에 의해 계산된 │A-B│가 0.100 이하가 되도록 제조될 수 있다. 더욱 바람직하게는 │A-B│가 0.050 이하가 되도록 제조될 수 있으며, 가장 바람직하게는 │A-B│가 0.010 이하가 되도록 제조될 수 있다. 상기 범위를 만족하여 제조된 도전성 페이스트는 버스 바 전극에서의 페이스트 토출량이 감소하고, 핑거 전극에서의 페이스트 토출량은 동일하거나 증가하여 전체적인 페이스트 토출량이 감소한다. 그러면서도, 태양전지 전극으로 사용되었을 때 변환 효율은 동일하거나 향상되는 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트는 유기 비히클을 포함하며, 유기 비히클에 포함되는 유기 바인더의 함량을 달리하여 프린팅 시 토출량이 감소한 도전성 페이스트를 제조할 수 있다.
상기 유기 바인더의 종류는 제한되지 않는다. 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 등을 예로 들 수 있으며, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있으며, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 비닐계로는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 아세테이트 그리고 폴리비닐 알코올 등을 예로 들 수 있다. 상기 유기 바인더들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 에틸 셀룰로오스 수지가 사용될 수 있다.
또한, 상기 유기 바인더는 도전성 페이스트 100 중량% 대비 0.12 내지 0.3 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 도전성 페이스트 100 중량% 대비 0.13 내지 0.2 중량%로 포함될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 페이스트는 실리콘 오일을 포함하며, 실리콘 오일의 함량을 달리하여 프린팅 시 토출량이 감소한 도전성 페이스트를 제조할 수 있다
상기 실리콘 오일의 종류는 제한되지 않으나, 바람직하게는 선형 분자, 분지형 분자, 고리형 분자 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 좋다.
구체적으로, 상기 실리콘 오일은 선형 분자로서 데카메틸테트라실록산(Decamethyltetrasiloxane), 도데카메틸펜타실록산(Dodecamethylpentasiloxane), 테트라데카메틸헥사실록산(Tetradecamethylhexasiloxane), 헥사데카메틸헵타실록산(Hexadecamethylheptasiloxane) 등을 예로 들 수 있으며, 고리형 분자로서 데카메틸시클로펜타실록산(Decamethylcyclopentasiloxane), 도데카메틸시클로헥사실록산(Dodecamethylcyclohexasiloxane), 테트라데카메틸시클로헵타실록산(Tetradecamethylcycloheptasiloxane) 등을 예로 들 수 있다. 상기 실리콘 오일들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다. 또한, 상기 실리콘 오일은 페닐트리메치콘(Phenyl trimethione), 디메치콘(Dimethicone), 사이클로메치콘(cyclomethicone), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 실리콘검(Silicone Gum)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 변성 실리콘 오일 또한 사용가능하다. 바람직하게는 폴리디메틸실록산 등의 폴리실록산(Polydimethylsiloxane)일 수 있으며, 슬립성을 고려할 때 비변성 폴리실록산 오일을 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 실리콘 오일의 분자량은 1~100,000cs인 것이 바람직하다. 실리콘 오일의 분자량이 100,000cs를 초과할 경우 점도가 너무 높아 페이스트 제조가 어려운 문제가 있다.
상기 실리콘 오일은 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%로 포함된다. 실리콘 오일이 0.1 중량% 미만으로 첨가되는 경우 슬립성 개선 효과가 미미한 문제점이 있고, 5 중량% 초과하여 첨가되는 경우 상분리 및 저장 안정성에 문제가 있으며, 슬립 특성이 과한 경우 인쇄 시 도포 상태가 불량하여 단선으로 이어질 수 있는 문제가 있다. 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%로 포함되는 것이 좋다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 따라 토출량이 감소한 도전성 페이스트를 설명한다.
구체적으로, 상기 계산된 버스 바 전극의 토출량 팩터 A 및 핑거 전극의 토출량 팩터 B를 이용하여 토출량이 감소할 것으로 예상되는 도전성 페이스트를 설명하고, 예측한 페이스트의 토출량과 실제 측정되는 페이스트의 토출량 및 발전 효율을 비교하여 본 발명에 따른 페이스트의 토출량 감소를 검증한다.
실험예 1
(1) 실험예 1a
은 분말 85~95 g, 유리 프릿 1~4 g, 유기 비히클로서 용제 6.02 g, 분산제 0.1~0.4 g, 계면활성제 0.1~0.6 g, 첨가제 0.1~1.2 g, 에틸 셀룰로오스 수지 0.10 g 및 PDMS 0.4~2.0 g를 자전공전식 교반 회전 장치(Condition Mixer)로 혼합한 후 삼본롤(Three Roll Mill)을 사용하여 분산함으로써 도전성 페이스트(100 g)를 얻었다.
(2) 실험예 1b
용제를 6.0 g, 에틸 셀룰로오스 수지를 0.12 g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 1a와 동일한 용량 및 방법으로 제조하였다.
(3) 실험예 1c
용제를 5.98 g, 에틸 셀룰로오스 수지를 0.14 g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 1a와 동일한 용량 및 방법으로 제조하였다.
(4) 실험예 1d
용제를 5.96 g, 에틸 셀룰로오스 수지를 0.16 g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 1a와 동일한 용량 및 방법으로 제조하였다.
G', G'' 측정 및 slip velocity 측정
5ITT(Five interval thixotropy test)에 의하여 shear strain에 따른 탄성 G'와 G"를 측정하였으며, 총 5개 구간으로 shear strain을 다르게 하였다. 구체적으로, 상기 5ITT 측정조건 및 측정치구는 25±1℃에서 Anton Paar MCR302 및 PP50/P3를 이용하여 측정하였으며, 측정갭은 1.2 mm이었다. 또한, Slip velocity의 측정 조건 및 측정치구는 25±1℃에서 Anton Paar MCR302 및 PP50/P3를 이용하여 측정하였으며, 측정갭은 0.6 mm이고, 측정 Shear stress 0~800 Pa이었다.
아울러, 5ITT 각 구간별 Shear strain은 다음과 같다: (II)구간은 Shear strain 1%일 때의 탄성값 G'로 버스 바 전극에서의 페이스트 변형률을 나타내고, (IV)구간은 Shear strain 90%일 때의 탄성값 G"로 핑거 전극에서의 페이스트 변형률을 나타내며, (I), (III) 및 (V)구간은 Shear strain 0.01%일 때의 탄성 값으로 (II) 및 (IV) 의 탄성 값의 정확성을 위하여 도입되었다.
도 1은 에틸 셀룰로오스 수지 함량에 따른 탄성 값을 나타낸 그래프이며, 도 2는 에틸 셀룰로오스 수지 함량에 따른 slip velocity를 나타낸 그래프이다.
도 1에 따르면, 에틸 셀룰로오스 수지의 함량이 증가할수록 (II) 구간의 탄성은 높아지는 것을 알 수 있으며, 다른 구간은 모두 탄성이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 도 2에 따르면, 에틸 셀룰로오스 수지의 함량에 관계없이 대체적으로 slip velocity는 일정한 것을 알 수 있다.
도 1 및 도 2에 따른 G', G", slip velocity, 그리고 상기 식 1 및 식 2에 따라 계산된 버스 바 전극 및 핑거 전극의 토출량 팩터 A 및 B는 하기 표 1과 같다.
구분 Low shear strain
G'(Pa)		 High shear strain
G"(Pa)		 Slip velocity(mm/s) 버스 바 전극 토출량 팩터 A 핑거 전극 토출량 팩터 B
실험예 1a 23863 436.96 8.53 0.357 0.228
실험예 1b 27305 439.12 8.22 0.301 0.227
실험예 1c 31856 435.73 8.72 0.273 0.229
실험예 1d 36872 433.58 8.53 0.231 0.230
도 1, 도 2 및 표 1에 따르면, 에틸 셀룰로오스 수지의 함량이 증가함에 따라 G'는 증가하여 버스 바 전극의 토출량 팩터 A가 줄어드는 반면, slip velocity는 대체로 동일하여 버스 바 전극의 토출 면적이 감소할 것으로 예측할 수 있다. 또한, G"는 대체로 동일하여 핑거 전극의 토출 면적이 동일할 것으로 예측할 수 있다.
상기 예측된 값의 검증을 위하여 실험예 1a 내지 1d를 실제로 스크린 마스크에 인쇄하였을 때 토출량, 측정된 버스 바 전극 및 핑거 전극 면적, 페이스트를 전극으로 사용한 태양전지의 효율은 하기 표 2와 같다.
구분 토출량(mg) 인쇄 후
버스 바 전극
측정 면적(um2)		 인쇄 후
핑거 전극
측정 면적(um2)		 효율(%)
실험예 1a 112 6156 464.13 21.712
실험예 1b 110 5922 463.69 21.752
실험예 1c 108 5627 464.74 21.740
실험예 1d 106 5411 467.52 21.753
표 2에 따르면, 도 1 및 도 2에서 예측한 바와 같이 실제로 에틸 셀룰로오스의 함량이 증가함에 따라 버스 바 전극의 면적은 감소하였고, 핑거 전극의 면적은 동일한 것을 알 수 있으며, 이에 따라 전체 페이스트의 토출량이 감소한 것을 알 수 있다. 반면, 태양전지의 효율은 실험예 1a에 비하여 에틸 셀룰로오스 수지의 함량이 높은 실험예 1b 내지 1d가 향상된 것을 알 수 있다.
실험예 2
(1) 실험예 2a
은 분말 85~95 g, 유리 프릿 1~4 g, 유기 비히클로서 용제 6.2 g, 분산제 0.1~0.4 g, 계면활성제 0.1~0.6 g, 첨가제 0.1~1.2 g, 에틸 셀룰로오스 수지 0.1~0.4 g 및 PDMS 0.6 g를 자전공전식 교반 회전 장치(Condition Mixer)로 혼합한 후 삼본롤(Three Roll Mill)을 사용하여 분산함으로써 도전성 페이스트(100 g)를 얻었다.
(2) 실험예 2b
용제를 6.0 g, PDMS 1.0 g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 2a와 동일한 용량 및 방법으로 제조하였다.
(3) 실험예 2b
용제를 5.8 g, PDMS 1.4 g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 2a와 동일한 용량 및 방법으로 제조하였다.
(4) 실험예 2c
용제를 5.6 g, PDMS 1.8 g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 2a와 동일한 용량 및 방법으로 제조하였다.
G', G'' 측정 및 slip velocity 측정
실험예 1에서와 같이, 5ITT(Five interval thixotropy test)에 의하여 shear strain에 따른 탄성 G'와 G"를 측정하였으며, 총 5개 구간으로 shear strain을 다르게 하였다. 구체적으로, 상기 5ITT 측정조건 및 측정치구는 25±1℃에서 Anton Paar MCR302 및 PP50/P3를 이용하여 측정하였으며, 측정갭은 1.2 mm이었다. 또한, Slip velocity의 측정 조건 및 측정치구는 25±1℃에서 Anton Paar MCR302 및 PP50/P3를 이용하여 측정하였으며, 측정갭은 0.6 mm이고, 측정 Shear stress 0~800 Pa이었다.
아울러, 5ITT 각 구간별 Shear strain은 다음과 같다: (II)구간은 Shear strain 1%일 때의 탄성값 G'로 버스 바 전극에서의 페이스트 변형률을 나타내고, (IV)구간은 Shear strain 90%일 때의 탄성값 G"로 핑거 전극에서의 페이스트 변형률을 나타내며, (I), (III) 및 (V)구간은 Shear strain 0.01%일 때의 탄성 값으로 (II) 및 (IV) 의 탄성 값의 정확성을 위하여 도입되었다.
도 3은 PDMS 함량에 따른 탄성 값을 나타낸 그래프이며, 도 4는 PDMS 함량에 따른 slip velocity를 나타낸 그래프이다.
도 3에 따르면, PDMS의 함량이 증가할수록 (II) 구간의 탄성 G'은 소폭으로 낮아지거나 동일한 것을 알 수 있으며, (IV) 구간의 탄성 G"은 탄성이 소폭 상승하거나 동일한 것을 알 수 있다. 도 4에 따르면, PDMS의 함량이 증가함에 따라 slip velocity는 상승하는 것을 알 수 있다.
도 3 및 도 4에 따른 G', G", slip velocity, 그리고 상기 식 1 및 식 2에 따라 계산된 버스 바 전극 및 핑거 전극의 토출량 팩터 A 및 B는 하기 표 3과 같다.
구분 Low
Shear strain
G'(Pa)		 High shear strain
G"(Pa)		 Slip velocity(mm/s) 버스 바 전극 토출량 팩터 A 핑거 전극 토출량 팩터 B
실험예 2a 36588 343.58 4.04 0.110 0.291
실험예 2b 36872 433.58 8.53 0.231 0.230
실험예 2c 36296 486.61 10.7 0.294 0.205
실험예 2d 36014 520.23 12.2 0.338 0.192
도 3, 도 4 및 표 3에 따르면, PDMS의 함량이 증가함에 따라 G'는 대체로 동일한 반면 slip velocity는 증가하여 인쇄되는 버스 바 전극의 토출 면적이 증가할 것으로 예측할 수 있다. 또한, PDMS의 함량이 증가함에 따라 G"는 증가하여 인쇄되는 핑거 전극의 토출 면적이 감소할 것으로 예측할 수 있다.
아울러, PDMS의 함량이 너무 적으면 버스 바 전극의 토출량 팩터 A가 낮아 버스 바 전극의 토출 면적이 감소하고 핑거 전극의 토출량 팩터 B가 높아 핑거 전극의 토출 면적이 증가하여 이론적으로 효율이 가장 높을 것으로 판단되나 전체 토출량에 대한 급격한 감소되고, Slip velocity가 현저히 낮아져 단선이 발생되어 효율이 현저히 저감될 수 있다.
상기 예측된 값의 검증을 위하여 실험예 2a 내지 2d를 실제로 스크린 마스크에 인쇄하였을 때 토출량, 측정된 버스 바 전극 및 핑거 전극의 면적, 페이스트를 전극으로 사용한 태양전지의 효율은 하기 표 4와 같다.
구분 토출량(mg) 인쇄 후
버스 바 전극
측정 면적(um2)		 인쇄 후
핑거 전극
측정 면적(um2)		 효율(%)
실험예 2a 104 5586 385.37 21.542
실험예 2b 112 6156 464.13 21.753
실험예 2c 113 6386 431.72 21.712
실험예 2d 113 6592 412.88 21.692
표 4에 따르면, 실험예 2a 내지 2d의 경우 도 3 및 도 4에서 예측한 바와 같이 실제로 PDMS의 함량이 증가함에 따라 버스 바 전극의 면적은 증가하였고, 핑거 전극의 면적은 감소 또는 동일한 것을 알 수 있으며, 이에 따라 전체 페이스트의 토출량이 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 실험예 2b 내지 2d의 경우 태양전지의 효율은 실험예 2b 및 2c에 비하여 실험예 2d가 감소한 것을 알 수 있다. 실험예 2a의 경우, PDMS의 양이 페이스트의 인쇄 시 슬립성을 향상시키기에 부족하여 토출량은 감소하였으나 단선 및 단락이 다수 생겨 효율이 감소한 것을 알 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트로서,
    버스 바(bus-bar) 전극의 토출량 팩터 A는 하기 식 1에 의해 계산될 수 있고,
    핑거(finger) 전극의 토출량 팩터 B는 하기 식 2에 의해 계산될 수 있고,
    │A-B│는 0.100 이하인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
    [식 1]
    A=(Slip velocity × 10) / (G' × 0.01)
    [식 2]
    B=1 / (G" × 0.01)
    (여기서, G'는 shear strain 1%일 때 탄성 값, G"는 shear strain 90%일 때 탄성 값을 의미한다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 │A-B│는 0.050 이하인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 A는 0.200 내지 0.350이고, 상기 B는 0.200 내지 0.230인 것을 특징으로 하는, 도전성 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트는 에틸 셀룰로오스계 수지를 포함하고, 상기 수지의 중량은 도전성 페이스트 100중량% 대비 0.12~0.3중량%인 것을 특징으로 하는, 도전성 페이스트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트는 실리콘 오일을 포함하며,
    상기 실리콘 오일은 데카메틸테트라실록산(Decamethyltetrasiloxane), 도데카메틸펜타실록산(Dodecamethylpentasiloxane), 테트라데카메틸헥사실록산(Tetradecamethylhexasiloxane), 헥사데카메틸헵타실록산(Hexadecamethylheptasiloxane), 데카메틸시클로펜타실록산(Decamethylcyclopentasiloxane), 도데카메틸시클로헥사실록산(Dodecamethylcyclohexasiloxane), 테트라데카`메틸시클로헵타실록산(Tetradecamethylcycloheptasiloxane) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 도전성 페이스트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리콘 오일의 중량은 도전성 페이스트 100중량% 대비 0.5~1.5중량%인 것을 특징으로 하는, 도전성 페이스트.
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