KR20170108577A - 태양전지용 무연 도전 페이스트 - Google Patents

태양전지용 무연 도전 페이스트 Download PDF

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KR20170108577A
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Abstract

본 발명은 태양전지용 무연 도전 페이스트에 관한 것으로, 낮은 연화점을 가짐에도 불구하고 접착성이 뛰어나며, 우수한 변환 효율과 저항 특성을 가져 발전 효율을 향상시킬 수 있는 납을 함유하지 않은 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물에 관한 것이다.

Description

태양전지용 무연 도전 페이스트{Lead Free Conductive Paste for solar cell}
본 발명은 태양전지용 도전 페이스트 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 낮은 연화점을 가짐에도 불구하고 접착성이 뛰어나며, 우수한 변환 효율과 저항 특성을 가져 발전 효율을 향상시킬 수 있는 납을 함유하지 않은 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지로부터 광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류, 전압을 생성한다. 이는 pn 접합이 이루어지는 반도체 웨이퍼 또는 기판(substarte)과 에미터층(emmitter layer)를 구비한다. 이때, 에미터는 기판의 광입사면에 위치하며, 기판과 에미턴의 계면에 pn접합이 형성된다.
에미터 상부에는 상기 에미터와 통전되는 전면 전극이 형성되고, 광입사면과 대향되는 다른 면에는 기판과 통전되는 후면 전극이 형성된다.
한편, 전면 전극은 도전 페이스트를 이용하여 반사 방지막과의 계면 반응을 통해 형성된다. 즉, 반도체 기판 상에 형성된 반사 방지막의 표면에 도전 페이스트를 도포하여 패턴을 갖는 도전막을 형성하고, 소성 과정에서 유리 프릿(glass frit)을 매개로 반사 방지막을 관통하는 펀치 스루(punch through) 현상을 통해 에미터층과 접촉하게 된다. 또한, 태양전지의 전기적 접촉층은 광입사되는 곳으로 통상적으로 핑거바(finger bar) 또는 버스바(bus bar)로 이루어진 그리드 패턴에 존재한다.
유리 프릿은 용융 시 도전막 하층의 반사 방지막을 계면 반응에 의해 분해 제거하고 소결되어 전면 전극을 형성하는 동시에 상기 전면 전극과 반도체 기판을 접착시켜 양자가 회로에서 정상적으로 잘 흐르도록 한다. 이때, 계면 반응은 산화 환원 반응으로 일부 원소가 환원되어 부산물이 생성된다. 종래 유리 프릿은 연화점을 낮추기 위하여 납이 함유된 것을 사용해 왔는데, 이는 환원에 의해 납이 부산물로 남게 되어 환경 부하에 큰 문제점을 갖는다.
따라서 납을 함유하지 않고, 낮은 연화점을 가지면서도 전극과 기판 사이의 접착력을 높일 수 있고, 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 재료에 대한 연구가 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-1276671호(2011. 09. 30) 한국공개특허 제10-2015-0131937호(2015.11.25) 한국공개특허 제10-201.0046358호(2011.05.04) 국제공개특허WO2014-102915호(2014.07.03) 일본공개특허 제2004-250276호(2004.09.09)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 납을 함유하지 않고, 낮은 연화점을 가지면서도 접착강도가 우수한 태양전지용 무연 도전 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 태양전지에서 변환효율, 개방전압, 곡선인자 등의 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 태양전지용 무연 도전 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 전도성 분말, (b) TeO2, BaO 및 ZnO를 함유하는 유리 프릿 및 (c) 유기 비히클을 포함하며,
상기 유리 프릿이 납(Pb)를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지용 무연(Pb free) 도전 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 Li2O를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 은(Ag) 산화물 또는 바나듐(V) 산화물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 200 내지 350℃이며, 연화점(Ts)이 250 내지 500℃인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 전도성 분말, (b) TeO2, BaO 및 ZnO를 함유하는 유리 프릿 및 (c) 유기 비히클을 포함하며,
상기 유리 프릿이 납(Pb)를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 TeO2 65 내지 85중량%, BaO 1 내지 25중량% 및 ZnO 1 내지 25중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 TeO2 65 내지 85중량%, BaO 1 내지 25중량% 및 ZnO 1 내지 25중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 Li2O를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 은(Ag) 산화물 또는 바나듐(V) 산화물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 200 내지 350℃이며, 연화점(Ts)이 250 내지 500℃인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물은 조성물은 유리 프릿이 전체 조성물 0.5 내지 10중량% 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 전도성 분말은 은, 금, 구리, 니켈, 알루미늄, 팔라듐, 백금, 크롬, 코발트, 주석, 아연, 철, 이리듐, 로듐, 텅스텐, 몰리브덴 및 이들의 합금 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물에 있어서, 전도성 분말은 구형이며, 평균입경이 0.5 내지 5㎛, BET 0.2~0.8㎡/g 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물은 일반형(Conventional type) 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type) 구조를 갖는 태양전지에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트는 납을 함유하지 않아 환경 부하의 염려가 없으며, 낮은 연화점을 가지면서도 기판과 전극 사이의 접착력이 탁월한 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트는 접촉 저항을 낮추고 변환효율, 개방전압 및 곡선인자를 크게 개선하여 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 태양전지용 무연 도전 페이스트에 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
(a) 전도성 분말
(b) TeO2, BaO 및 ZnO를 함유하는 유리 프릿 및
(c) 유기 비히클을 포함하며,
유리 프릿이 납을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명에서 (a) 전도성 분말은 태양전지 전면전극을 형성하는 데 있어서 전기적 특성을 부여하는 금속의 분말인 것으로, 은(Ag), 금(Au), 구리(Ci), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 크롬(Cr), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn), 철(Fe), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등을 사용할 수 있으며, 양호한 전도성을 가지는 금속 분말이라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다. 바람직하게는 은, 금, 구리, 니켈, 알루미늄 및 이들을 하나 이상 포함하는 합금 중에서 선택된 것이 좋다. 보다 바람직하게는 소성 처리를 대기 중에서 실시하는 경우에도 산화되지 않고, 우수한 전도성을 유지할 수 있는 측면에서 은(Ag)을 사용하는 것이 더욱 좋다.
상기 은 분말은 은 분말 또는 은 분말의 복합금속인 것일 수 있다. 이때, 은(Ag)은 순수한 은 분말 이외에도 산화 은, 은 합금, 은 화합물 및 기타 소성에 의해 은 분말의 석출이 가능한 물질을 포함한다.
상기 전도성 분말의 형상은 구형, 플레이크(flake)형, 판상형, 무정형 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 구형인 것이 더욱 좋다.
또한, 전도성 분말의 입경은 원하는 소결 속도와 전극을 형성하는 공정에 따른 영향 등을 고려하여 적절한 범위로 조절할 수 있다. 보다 바람직하게는 전도성 분말의 평균입경은 0.5 내지 5㎛, 바람직하게는 0.7 내지 2㎛인 것일 수 있다. 더욱 좋게는 서로 다른 평균입경을 갖는 전도성 분말을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전도성 분말의 BET는 0.2 내지 0.8㎡/g, 바람직하게는 0.3 내지 0.5㎡/g인 것이 전기적 특성을 향상시키는데 더욱 좋다.
본 발명의 전도성 분말은 페이스트 조성물 전체 중량에 대하여 60 내지 95중량%, 바람직하게는 65 내지 85중량% 함유될 수 있다. 상기 전도성 분말이 60중량% 미만인 경우에는 페이스트의 점도가 낮아져 상분리가 일어날 수 있고, 전극의 막 두께가 얇아져 저항이 증가할 수 있으며, 95중량%를 초과하는 경우에는 점도가 높아져 인쇄가 어려워지고 비용이 상승되는 문제점이 있다.
본 발명에서 유리 프릿은 전도성 분말과 기판 사이의 접착력을 향상시키고, 소결 시 연화하여 소성 온도를 낮추는 역할을 한다.
특히, 본 발명에 따른 유리 프릿은 태양전지의 전기적 특성을 향상시키는 것뿐만 아니라 접촉 저항을 낮추고, 낮은 연화점을 가지면서도 동시에 우수한 접착강도를 구현할 수 있어, 상기 유리 프릿을 포함하는 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물은 태양전지 전면 전극 또는 후면 전극에 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 나아가 핑거바 또는 버스바를 패턴을 이용하여 형성 시 사용하는 데 더욱 효과적이다.
이때, 상기 유리 프릿은 바람직하게는 TeO2 65 내지 85중량%, BaO 1 내지 25중량% 및 ZnO 1 내지 25중량%를 포함하는 것이 더욱 좋다.
상기 TeO2는 유리 프릿의 점도를 적절하게 유지시켜 주고, 페이스트와 반사 방지막 사이의 반응성을 양호하게 한다. 또한, 유리 프릿의 점도가 낮은 경우 계면 반응 시 보다 넓은 영역에서의 에칭이 일어날 수 있게 한다. 이는 BaO 및 ZnO와의 조합으로 효과를 구현할 수 있으며, 접촉 저항을 낮춰 광변환 효율을 좋게 하고, 계면 반응시 안정한 유리상을 형성시키고, 기판과 전극 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 TeO2의 유리 프릿 내 함량 범위는 40 내지 90중량%, 바람직하게는 65 내지 85중량%인 것일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 점도 특성이 뛰어나며, 우수한 접촉저항 및 접착력을 구현할 수 있다.
더구나, 본 발명의 유리 프릿은 TeO2, BaO 및 ZnO의 조합을 반드시 포함함으로써 종래 PbO를 포함하여 낮은 연화점과 높은 접착력을 부여하는 것을 대체하여 환경 친화적이면서도 우수한 태양전지 전극 특성을 구현할 수 있다.
상기 유리 프릿의 성분 중 BaO 및 ZnO는 각각 유리 프릿 내 함량 범위가 1 내지 25중량%, 바람직하게는 2 내지 18중량%인 것이 더욱 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우 TeO2와의 조합으로 연화점을 낮추면서 우수한 태양전지 전극효율 및 접착강도를 구현할 수 있다.
이때, 상기 ZnO와 BaO의 중량비는 10:1 내지 1:10, 바람직하게는 7:1 내지 1:4인 것이 더욱 좋다. 또한, TeO2와 BaO 및 ZnO의 중량비는 40:60 내지 90:10인 것이 태양전지 효율 측면에서 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 유리 프릿은 Li2O를 더 포함하여 목적하는 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, Li2O는 유리 프릿 내 함량이 1 내지 15중량%일 수 있으며, 보다 바람직한 유리 프릿의 일 실시예는 TeO2 65 내지 85중량%, BaO 1 내지 25중량%, ZnO 1 내지 25중량% 및 Li2O 1 내지 15중량%를 포함하는 것일 수 있다.
나아가, 본 발명은 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O의 성분 조합을 함유한 유리 프릿이 전도성 분말 및 유기 비히클과 조합되어 포함되는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물을 제공한다. 결정질 실리콘 태양전지 전면 전극을 형성하는 도전 페이스트 조성물에 상기 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O의 조합을 함유하는 유리 프릿을 포함하는 경우, 소성 공정시 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 전도성 분말을 용융시켜 저항이 낮아질 수 있도록 에미터(emitter) 영역에 결정 입자를 생성시키는 데 더욱 효과적이다. 또한, 이는 낮은 연화점을 가지면서 동시에 우수한 접착강도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 개방전압(Voc) 및 곡선인자(FF)를 더욱 좋게 개선하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 유리 프릿은 목적하는 효과를 저하시키지 않는 범위에서 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 이러한 금속 산화물로 바람직하게는 은 산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 은 화합물은 이온결합 화합물로 시안화은(AgCN), 질산은(AgNO3), 할로겐화은(Ag-X), 탄산은(Ag2CO3), 초산은(AgC2H3O2), 산화은(Ag2O) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 할로겐화은(Ag-X)은 X가 요오드, 플루오르, 염소 또는 브롬일수 있으며, 바람직하게는 요오드일 수 있다.
상기 은 산화물은 크게 제한되는 것은 아니지만 다른 성분과의 조합으로 목적하는 효과를 구현하기에 바람직하게는 산화은(AgO2)을 사용하는 것이 더욱 좋다.
또한, 본 발명의 유리 프릿은 바나듐 산화물을 더 포함할 수 있다. 상기 바나듐 산화물로는 오산화바나듐(V2O5)을 사용하는 것이 다른 성분과의 조합으로 전기적 특성을 개선할 수 있어 더욱 좋다.
본 발명의 유리 프릿은 상기 은 산화물 또는 바나듐 산화물을 선택적으로 더 포함함으로써 기판과 전면 전극 사이의 접착 강도를 상승시킬 수 있으며, 태양전지의 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유리 프릿은 상기의 금속산화물 이외에 GeO2, Ga2O3, In2O3, NiO, CoO, B2O3, CaO, MgO, SrO, MnO, SeO2, MoO3, WO3, Y2O3, As2O3, La2O3, Nd2O3, Bi2O3, Ta2O5, FeO, HfO2, Cr2O3, CdO, Sb2O3, PbF2, ZrO2, Mn2O3, P2O5, CuO, Pr2O3, Gd2O3, Sm2O3, Dy2O3, Eu2O3, Ho2O3, Yb2OL3, Lu2O3, CeO2, BiF3, SnO, SiO2, Ag2O, Nb2O5, TiO2, Rb2O, Na2O, K2O, Cs2O, Lu2O3, SnO2, Tl2O3 및 금속 할라이드 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 금속 할라이드는 일예로, NaCl, KBr, NaI, ZnF2 등을 들 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 화합물의 함량은 유리 프릿 전체 중량의 30중량% 이하이며, 바람직하게는 10중량% 이하인 것이 더욱 좋다.
또한, 더 좋게는 은 산화물 또는 바나듐 산화물 이외에 SiO2 , B2O3, Al2O3 , Ta2O5, WO3, 및 MoO3 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 구성 성분이 제한되는 유리 프릿의 조합의 일 구현예는 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O에 Ag2O으로 이루어진 것일 수 있으며, 다른 구현예로는 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O에 Ag2O, SiO2 및 B2O3으로 이루어진 것일 수 있다.
또 다른 유리 프릿의 구현예로는 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O에 V2O5로 이루어진 것을 들 수 있으며, 또한, TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O에 Bi2O3로 이루어진 것을 들 수 있다. 또 다른 유리 프릿의 구현예로는 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O에 SiO2 또는 SiO2 및 B2O3을 포함하는 것일 수 있다.
이 중 바람직한 구현예로는 TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O에 Ag2O, SiO2 및 B2O3을 포함하는 것으로, 이는 우수한 변환효율, 개방전압 및 곡선인자로 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 유리전이온도 및 연화점을 가지면서 동시에 접착력이 2N 이상의 탁월한 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 태양전지용 도전 페이스트 조성물은 하나 이상, 즉 단독 혹은 혼합의 형태로 사용될 수 있으며, Pb계 유리 프릿 또는 Pb free계 유리 프릿으로부터 하나 이상을 선택하여 혼합하여 사용할 수 있으나, 납을 함유하지 않는 Pb free계 유리 프릿을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이때, 상기 유리 프릿은 전체 조성물 내 상기 유리 프릿의 함량은 0.5 내지 10중량%, 바람직하게는 1 내지 5중량%일 수 있다. 상기 함량 범위를 만족하는 경우 계면 반응 시 우수한 점도 특성을 유지할 수 있고, 기판과 전면 전극 사이의 접촉저항을 매우 낮게 하면서 우수한 접착강도를 부여할 수 있다. 유리 프릿이 상기 범위를 벗어나는 경우 전도성 분말의소결성, 부착력 및 저항이 높아져 태양전지의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유리 프릿은 다른 성분을 갖는 유리 프릿과 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기의 전도성 페이스트에 ZnO, CuO, MnO, NiO, Fe2O3 등에 화합물을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에서 목적하는 효과의 구현 뿐만 아니라 추가 효과의 이점을 볼 수 있다.
본 발명에서 (b) 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 200 내지 350℃, 바람직하게는 240 내지 310℃인 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 (b) 유리 프릿은 연화점(Ts)이 250 내지 500℃, 바람직하게는 290 내지 350℃인 것일 수 있다. 상기 유리전이온도 및 연화점 범위를 만족하는 경우 목적하는 물성의 효과 달성에 더욱 좋다.
본 발명에서 (b) 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛, 바람직하게는 0.7 내지 3㎛인 것이 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우 전극 형성 시 핀홀 불량을 유발하지 않는다.
본 발명에서 (c) 유기 비히클(vehicle)은 태양전지용 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.
상기 유기 비히클은 페이스트 전체 중량에 대하여 4 중량% 내지 35 중량%, 바람직하게는 5 내지 30중량%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 태양전지용 도전 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 도전 페이스트 조성물 전체 100wt%에 대하여, 약 1 내지 20wt%로 함유될 수 있다.
본 발명은 상술한 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물을 이용하여 형성된 태양전지 전면 전극을 제공할 수 있다. 전면 전극은 상기의 도전 페이스트 조성물을 웨이퍼 기판 상에 인쇄하고 건조 및 소성하는 공정을 통하여 형성된다. 인쇄방법은 스크린 인쇄, 출 혹은 디스펜싱, 패드(pad) 인쇄, 스텐실(stencil) 인쇄, 잉크젯(ink jet) 인쇄, 핫멜트(hot melt) 인쇄 또는 임의의 적절한 마이크로-적층/직접 라이팅(direct writing), 다중 인쇄(dual and/or double and/or multiple printing) 등을 이용할 수 있으며, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
전면 전극은 상기의 도전 페이스트 조성물을 웨이퍼 기판 상에 다중 인쇄 공정을 통하여 전극 형성 시 에는 처음 인쇄하는 전도성 페이스트와 2회 이상의 인쇄에서 사용하는 전도성 페이스트가 동일하거나 상이할 수도 있다. 또한 처음 인쇄하는 부위와 2회 이상의 의해서 인쇄되는 부위가 동일하거나 상이한 것일 수 있다.
본 발명은 상기 태양전지 전면전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 전도성 타입의 기판; 상기 기판상에 형성된 제 2 전도성 타입의 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되며 상술한 본 발명에 따른 도전 페이스트 조성물을 이용하여 제조되는 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 형성된 후면 전극을 포함한다.
제 1 전도성 타입의 기판은 P형 또는 N형에서 선택된다. 제 2 전도성 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.
반사방지막은 태양전지 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 태양광의 반사율이 감소되면 P-N접합까지 도달하는 광량이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가되고, 태양전지의 변환효율이 향상된다.
반사방지막은 예를 들면 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.
전면 전극과 후면 전극은 공지된 여러 가지 기술에 의해 제조 가능하지만, 바람직하게는 스크린 인쇄법에 의해 형성된다. 전면 전극은 본 발명의 은 페이스트 조성물을 이용하여 전면 전극 형성 지점에 스크린 인쇄한 후 열처리를 수행 하여 형성한다. 열처리가 수행되면 펀치 스루 현상에 의해 전면 전극이 반사방지막을 뚫고 에미터층과 접촉된다.
후면 전극은 전도성 금속으로 알루미늄을 포함하는 페이스트 조성물을 기판 배면에 인쇄한 후 열처리를 수행하여 형성한다. 후면 전극 열처리시에는 알루미늄이 기판 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극과 기판 경계면에 후면 전계층이 형성될 수 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있어 태양전지의 변환효율이 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지는 PERC 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 PERC(Passivated Emitter and Rear Cell) 타입의 태양전지는 에미터 뿐만 아니라 후면에도 패시베이션(passivation)을 갖는 것으로, 기판 손상을 줄이면서 개방전압과 단락 전류밀도를 높일 수 있다. 구체적으로, 후면의 패시베이션은 전면 전극과 기판의 접촉면에 에미터 영역에 비해서 인(phosphorous)도핑 수준을 높임(heavy doping)으로써 개방전압을 증가시키고, 열처리를 하지 않아 후면에서의 빛 반사를 높여 light trapping 효과를 향상시킨다. 본 발명에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트는 이러한 PERC 타입의 태양전지의 후면 전극에 적용되어 그 효과를 극대화할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 태양전지용 무연 도전 페이스트에 대한 일예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1 내지 20 및 비교예 1 내지 4)
실시예 1 내지 7 및, 실시예 8 내지 20과 비교예 1 내지 3은 각각 하기 표 1 내지 3의 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. 한편, 비교예 4는 납을 포함하는 것으로, Te-Pb계 유리 프릿(대주전자재료(주)의 DPS-1900V17)을 사용하였다.
(은 페이스트의 제조)
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 유리 프릿을 사용하여 무연 도전 페이스트를 각각 제조하였다. 전도성 분말로는 은 분말을 사용하였다. 은 분말은 평균입경이 1.6㎛인 은 입자(Technic사) 45중량%와 평균입경이 2.1㎛인 은 입자(Technic사) 45중량%를 혼합하여 사용하였고, 유리 프릿은 표 1 내지 3의 조성으로 제조된 것을 2중량% 사용하였다. 바인더로는 셀룰로오스 에스테르(EASTMAN사 CAB-382-20)와 에틸 셀룰로오스 수지(AQUALON사 ECN-50)를 각각 1중량%로 사용하였으며, 용매로는 TXIB(Trimethyl Pentanyl Diisobutylate) 1.5중량% 및 부틸카르비톨(Butyl Carbitol) 3.5중량%를 사용하였으며, 첨가제로는 요변성 조정제(ELEMENTIS사 THIXATROL MAX) 0.5중량%와 분산제(LUBRISOL사 SOLSPERSE) 0.5중량%를 첨가하여 은(Ag)페이스트 조성물을 제조하였다.
(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. 이후, 상기 실리콘 기판 후면에 알루미늄 페이스트(대주전자재료(주), DPA-3110L-3)를 도포한 후 250℃에서 2분 동안 건조하고, 상기 본 발명에 의해 제조된 은(Ag) 페이스트를 태양광이 흡수되는 수광면에 스크린 인쇄(ASYS COMPANY사 인쇄기 이용)하여, 일정한 패턴으로 도포하고 건조하였다. 스크린 인쇄시, 450㎜× 450㎜ 프레임의 스테인레스 와이어 400메쉬를 사용하였다. 스크린 인쇄 패턴은 38㎛ 선폭의 핑거바(finger bar) 100개와 1.5㎜ 폭의 3개의 버스바(bus bar)로 하였다. 스크린 인쇄 후 건조된 도막 두께는 19㎛이었으며, 건조온도는 250℃였다. 얻어진 태양전지 실리콘 기판을 벨트타입 소성로에서 피크온도 약 800℃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 2, 5 및 6에 나타내었다. 실시예 8 내지 19 및 비교예 1 내지 5의 결과는 비교예 1의 변환효율, 개방전압, 곡선인자, 단락전류 및 선저항을 기준으로 하여, 상대적인 값(%)을 기재하였다.
(평가)
(1) 유리전이온도(Tg)와 연화온도(Ts)
열분석기(SDT:Q600, TA Instr㎛ents, 미국)을 사용하여 승온속도 10℃/min으로 1000℃ 까지의 범위에서 측정하였다.
(2) 태양전지의 효율(변환효율, 개방전압, 곡선인자)
제조된 전극은 태양전지효율 측정장비(pasna사, CT-801)을 이용하여 태양전지의 변환효율(Eff, %), 개방전압(Voc, V), 곡선인자(FF, %)를 측정하였다.
(3) 리본접착력(N)
전극 형성 공정 상 형성된 전면전극의 표면에 SnPbAg계 솔더리본(solder ribbon, 2mm 선폭, indi㎛ corporation, SUNTABTM)을 이용하여 200℃의 온도로 열을 가하여 10cm 길이로 부착시키고, 부착된 부분의 한쪽 끝을 잡고 만능시험인장력평가기(COMETECH사 QC-508E)와 180° 방향으로 잡아 당기면서 전극과 솔더리본이 박리될 때까지의 힘(N, newton)을 기준으로 측정하였다.
[표 1]
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002
[표 3]
Figure pat00003
[표 4]
Figure pat00004
[표 5]
Figure pat00005
[표 6]
Figure pat00006
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 (13)

  1. (a) 전도성 분말
    (b) TeO2, BaO 및 ZnO 을 함유하는 유리 프릿 및
    (c) 유기 비히클
    을 포함하는 태양전지용 무연 도전 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 Li2O를 더 포함하는 태양전지 무연 도전 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 은(Ag) 산화물 또는 바나듐(V) 산화물을 더 포함하는 태양전지 무연 도전 페이스트 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 200 내지 350℃이며, 연화점(Ts)이 250 내지 500℃인 태양전지 무연 도전 페이스트 조성물.
  5. (a) 전도성 분말
    (b) TeO2, BaO, ZnO 및 Li2O를 함유하는 유리 프릿 및
    (c) 유기 비히클
    을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 TeO2 65 내지 85중량%, BaO 1 내지 25중량%, ZnO 1 내지 25중량% 및 Li2O 1 내지 15중량%를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 은(Ag) 산화물 또는 바나듐(V) 산화물을 더 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 유리전이온도(Tg)가 200 내지 350℃이며, 연화점(Ts)이 250 내지 500℃인 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 평균입경이 0.5 내지 5.0㎛인 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 조성물은 유리 프릿이 전체 조성물 0.5 내지 10중량% 포함되는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 분말은 은, 금, 구리, 니켈, 알루미늄, 팔라듐, 백금, 크롬, 코발트, 주석, 아연, 철, 이리듐, 로듐, 텅스텐, 몰리브덴 및 이들의 합금 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 분말은 구형이며, 평균입경이 0.5 내지 5㎛, BET 0.2-0.8㎡/g 인 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
  13. 제 1항 내지 12항에 있어서,
    상기 조성물은 일반형(Conventional type) 또는 PERC형(Passivated Emitter and Rear Cell type) 구조의 태양전지에 적용되는 결정질 실리콘 태양전지 전면전극용 무연 도전 페이스트 조성물.
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