KR20200091284A - 태양전지 전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 태양 전지 - Google Patents

태양전지 전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 태양 전지 Download PDF

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Abstract

도전성 분말; 유리 프릿; 셀룰로오스 중합체; 실리콘 중합체; 요변제; 및 용매를 포함하고, 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec인 태양전지 전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.

Description

태양전지 전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 태양 전지{COMPOSITION FOR FORMING SOLAR CELL ELECTRODE AND ELECTRODE PREPARED USING THE SAME AND SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 전극 형성용 조성물, 이로부터 제조된 전극 및 상기 전극을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
화석 연료 에너지 자원의 고갈에 따라 새로운 대체 에너지원으로 태양광을 활용하는 태양전지가 주목 받고 있다. 태양전지는 태양광의 포톤(photon)을 전기로 변환시키는 p-n 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시키도록 구성된다. 태양전지는 p-n 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상ㆍ하면에 각각 전면 전극과 후면 전극을 형성하여, 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 p-n 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공하도록 작동된다. 이러한 태양전지의 전극은 전극용 페이스트의 도포, 패터닝 및 소성에 의해, 웨이퍼 표면에 형성된다.
이러한 태양전지에서 태양에너지를 전류로 전환시키는 변환 효율을 높이는 것이 중요한데 기존 태양전지 전극용 페이스트 조성물은 주로 도전성 분말의 크기, 표면 처리 방법 또는 혼합 비율을 조정함으로써 태양전지 변환효율을 높여 왔다. 그러나, 이러한 방법만으로는 태양전지 변환효율을 높이는데 한계가 있고, 서로 다른 입경을 갖는 도전성 분말을 혼합하여 소결 밀도 또는 전극 저항을 개선하고자 하는 시도 또한 인쇄성과 패턴성에 한계가 있었다. 따라서, 유기물의 개선을 통해 태양전지 변환효율을 높임과 동시에, 스크린 인쇄시 메쉬로(mesh)로부터의 토출성을 개선하여 선폭이 좁고 선고는 증가되어 종횡비가 높은 전면 전극을 형성할 수 있는 페이스트를 개발할 필요가 있어 왔다.
태양전지 전극용 페이스트의 인쇄성을 개선하기 위해 표면처리된 도전성 입자를 사용하여 분산성을 높이거나 입자크기 또는 혼합 비율을 조정하는 방법들이 제시되는 한편 종래 셀룰로오스(Cellulose)계 바인더 수지 대신 아크릴레이트계 바인더를 사용하는 방법이 제시되고 있다. 그러나 도전성 입자의 표면처리, 입자크기 또는 혼합 비율을 조정하는 방법들은 전기적 특성의 측면에서 한계가 있고, 아크릴계 바인더의 경우 셀룰로오스(Cellulose)계 바인더에 비해 합성공정이 간단하고 다양한 모노머의 조합으로 원하는 물성을 설계할 수 있다는 장점이 있는 한편 잔류 탄소량이 적고 폴리머 사이드 그룹에 극성 작용기가 형성되어 있어 분산성에도 좋은 특성을 나타내지만, 기존의 셀룰로오스계 바인더 수지에 비해 인쇄특성(요변성: Thixotropy)이 약한 문제점이 있다. 기존의 방법들은 재료적인 접근법이 대부분으로 분석을 통한 Rheology적 접근 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 배경 기술은 일본공개특허 제2015-144162호 등에 개시되어 있다.
일 구현예는 선폭 30㎛ 이하의 미세 선폭 인쇄를 할 수 있게 하고, 스크린 인쇄 시 메쉬로부터의 토출성을 개선함과 동시에, 선 폭은 좁고 선 높이를 증가시켜 종횡비를 높임으로써 저항을 감소시키고 효율을 높일 수 있는 태양전지 전극 형성용 조성물을 제공하기 위한 것이다.
다른 일 구현예는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물로 형성된 전극을 제공하기 위한 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공하기 위한 것이다.
일 구현예는 도전성 분말; 유리 프릿; 셀룰로오스 중합체; 실리콘 중합체; 요변제; 및 용매를 포함하고, 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec인 태양전지 전극 형성용 조성물을 제공한다.
상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 11 초과 20 이하일 수 있다.
상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 1,000rad/sec에 있어서 저장 모듈러스가 1,000Pa 내지 10,000Pa일 수 있다.
상기 셀룰로오스 중합체는 50,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
상기 셀룰로오스 중합체는 에틸 셀룰로오스 중합체일 수 있다.
상기 셀룰로오스 중합체는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기 실리콘 중합체는 선형 실록산, 고리형 실록산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 선형 실록산은 3,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
상기 실리콘 중합체는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 요변제는 비스아마이드계 요변제를 포함할 수 있다.
상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 상기 도전성 분말 60 중량% 내지 95 중량%; 상기 유리 프릿 0.5 중량% 내지 20 중량%; 상기 셀룰로오스 중합체 0.1 중량% 내지 10 중량%; 상기 실리콘 중합체 0.1 중량% 내지 5 중량%; 상기 요변제 0.1 중량% 내지 5 중량%; 및 상기 용매 잔부량을 포함할 수 있다.
상기 유리프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 용매는 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜모노부틸에테르(ethylene glycol mono butyl ether), 부틸셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 및 텍사놀(Texanol)에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 분산제를 더 포함하고, 상기 분산제는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제에서 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함할 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물로 형성된 전극을 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상기 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 선폭 30㎛ 이하의 미세 선폭 인쇄를 할 수 있게 하고, 스크린 인쇄 시 메쉬로부터의 토출성을 개선할 수 있으며, 나아가 선 폭은 좁고 선 높이를 증가시켜 종횡비를 높임으로써 저항을 감소시키고 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 간략히 도시한 개략도이다.
이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "치환"이란 적어도 하나의 수소 원자가 할로겐(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기, C1 내지 C20 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 이미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 에테르기, 카르복실기 또는 그것의 염, 술폰산기 또는 그것의 염, 인산기 또는 그것의 염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C3 내지 C20 사이클로알킬기, C3 내지 C20 사이클로알케닐기, C3 내지 C20 사이클로알키닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알케닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로아릴기 또는 이들의 조합에서 선택되는 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "헤테로"란, 고리기 내에 N, O, S 및 P 중 적어도 하나의 헤테로 원자가 적어도 하나 포함된 것을 의미한다.
일 구현예에 따른 전극 형성용 조성물은 도전성 분말; 유리프릿; 유기 바인더; 및 용매를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 도전성 분말; 유리 프릿; 셀룰로오스 중합체; 실리콘 중합체; 요변제; 및 용매를 포함하고, 상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도(겔화점, gelling point)가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec 이다. 상기 범위에서, 선폭 30㎛ 이하의 미세 선폭 인쇄를 가능하게 하고, 스크린 인쇄시 메쉬로부터의 토출성을 개선할 수 있으며, 스크린 인쇄시 선 폭은 좁고 선 높이를 증가시켜 종횡비를 높임으로써 저항을 감소시키고 효율을 높일 수 있다.
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 20 이하, 예컨대 11 초과 20 이하일 수 있다. 상기 범위에서, 미세 선폭 인쇄를 가능하게 하고 종횡비가 높은 전극을 구현하는 효과가 있을 수 있다.
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 1,000rad/sec에 있어서 저장 모듈러스가 1,000Pa 내지 10,000Pa일 수 있다. 상기 범위에서, 미세 선폭 인쇄를 가능하게 하고 종횡비가 높은 전극을 구현하는 효과가 있을 수 있다.
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 100rpm에 있어서 점도가 40KcPs 내지 100KcPs, 예컨대 40KcPs 내지 55KcPs일 수 있다. 상기 점도 범위를 가져야 태양전지 전극 형성용 조성물로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 조성물 중 각 성분들에 대해 상세하게 설명한다.
도전성 분말
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 도전성 분말로서 금속 분말을 사용할 수 있다.
상기 금속 분말은 은(Ag), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 텅스텐(W), 주석(Sn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 도전성 분말은 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 분말일 수 있는데, 예를 들어 수십 내지 수백 나노미터 크기의 도전성 분말, 수 내지 수십 마이크로미터의 도전성 분말일 수 있으며, 2 이상의 서로 다른 사이즈를 갖는 도전성 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 도전성 분말은 입자 형상이 구형, 판상, 무정형 형상을 가질 수 있다. 상기 도전성 분말의 평균 입경(D50)은 바람직하게는 0.1㎛ 내지 10㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 5㎛이 될 수 있다. 상기 평균 입경은 이소프로필알코올(IPA)에 도전성 분말을 초음파로 상온(20℃ 내지 25℃)에서 3분 동안 분산시킨 후 CILAS社에서 제작한 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다. 상기 범위 내에서, 접촉저항과 선 저항이 낮아지는 효과를 가질 수 있다.
상기 도전성 분말은 전극 형성용 조성물 총량 100 중량%에 대하여 60 중량% 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 저항의 증가로 변환 효율이 낮아지는 것을 막을 수 있고, 유기 비히클 양의 상대적인 감소로 페이스트화가 어려워지는 것을 막을 수 있다. 바람직하게는 70 중량% 내지 90 중량%로 포함될 수 있다.
유리 프릿
유리 프릿은 태양전지 전극 형성용 조성물의 소성 공정 중 반사 방지막을 에칭(etching)하고, 도전성 분말을 용융시켜 에미터 영역에 도전성 분말의 결정 입자를 생성시키기 위한 것이다. 또한, 유리 프릿은 도전성 분말과 웨이퍼 사이의 접착력을 향상시키고 소결시에 연화하여 소성 온도를 보다 낮추는 효과를 유도한다.
태양 전지의 효율을 증가시키기 위하여 태양 전지의 면적을 증가시키면 태양 전지의 접촉저항이 높아질 수 있으므로 pn 접합(pn junction)에 대한 피해를 최소화함과 동시에 직렬저항을 최소화시켜야 한다. 또한, 다양한 면저항을 가지는 기판의 증가에 따라 소성 온도가 변동폭이 커지므로 넓은 소성 온도에서도 열안정성이 충분히 확보될 수 있는 유리프릿을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿은 전이점이 200℃ 내지 300℃의 저 융점 유리 프릿을 사용할 수 있다. 상기 범위에서, 우수한 접촉저항을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 전이 온도가 상이한 2종의 유리프릿을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 전이 온도가 200℃ 이상 350℃ 이하인 제1 유리프릿과 전이 온도가 350℃ 초과 550℃ 이하인 제2 유리프릿을 1 : 0.2 내지 1 : 1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 유리 프릿은 통상적으로 전극 형성용 조성물에 사용되는 유연 유리프릿 및 무연 유리프릿 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 유리 프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 유리 프릿은 납을 포함하지 않는 무연 유리 프릿일 수 있다. 구체적으로, 상기 유리 프릿은 비스무트(Bi, 텔루륨(Te), 리튬(Li), 아연(Zn), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 유리 프릿은 비스무스-텔루륨-아연-리튬-산화물(Bi-Te-Zn-Li-O)계 유리 프릿을 사용할 수 있다.
상기 유리 프릿은 형상 및 크기 등은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 유리 프릿은 평균입경(D50)이 0.1㎛ 내지 10㎛ 인 것이 사용될 수 있다. 유리 프릿의 형상은 구형 또는 부정형일 수 있다. 상기 평균입경(D50)은 이소프로필알코올(IPA)에 유리 프릿을 초음파로 25℃에서 3분 동안 분산시킨 후 CILAS社에서 제작한 1064LD 모델을 사용하여 측정된 것이다.
상기 유리 프릿은 통상의 방법을 사용하여 금속 및/또는 금속 산화물로부터 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 텔루륨 산화물, 비스무트 산화물 및 선택적으로 상기 금속 및/또는 금속 산화물을 볼 밀(ball mill) 또는 플라네터리 밀(planetary mill) 등을 사용하여 혼합한 후, 혼합된 조성물을 700℃ 내지 1,300℃의 조건에서 용융시키고, 20℃ 내지 25℃에서 ??칭(quenching)한 다음, 얻은 결과물을 디스크 밀(disk mill), 플라네터리 밀 등에 의해 분쇄하여 얻을 수 있다.
상기 유리 프릿은 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 20 중량%, 예컨대 0.5 중량% 내지 10 중량%, 예컨대 1.5 중량% 내지 2 중량%일 수 있다. 상기 범위로 함유되는 경우, 다양한 면저항 하에서 pn 접합 안정성을 확보할 수 있고 직렬저항 값을 최소화시킬 수 있으며, 종국적으로 태양전지의 효율을 개선할 수 있다.
용매
상기 용매로는 100℃ 이상의 비점을 갖는 것으로, 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butylcellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜모노부틸에테르(ethylene glycol mono butyl ether), 부틸셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate), 텍사놀(Texanol) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 용매는 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 잔부량으로 포함될 수 있으며, 예컨대 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 1 중량% 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 충분한 접착강도와 우수한 인쇄성을 확보할 수 있다.
셀룰로오스 중합체
상기 셀룰로오스 중합체는 에틸 셀룰로오스 중합체일 수 있다.
예컨대, 상기 셀룰로오스 중합체는 50,000 g/mol 내지 200,000 g/mol, 바람직하게는 60,000 g/mol 내지 150,000 g/mol의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 중량평균분자량 범위를 갖는 셀룰로오스 중합체를 후술하는 실리콘 중합체와 함께 사용함으로써 일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec이면서, 동시에 상기 Tan δ 최대값이 11 초과 20 이하의 값을 가질 수 있다.
상기 셀룰로오스 중합체는 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 10 중량%, 예컨대 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위의 셀룰로오스 중합체를 후술하는 실리콘 중합체와 함께 사용함으로써 일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec가 될 수 있다.
실리콘 중합체
일 구현예에서 실리콘 중합체는 선형 실록산, 고리형 실록산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 선형 실록산으로 예컨대 폴리메틸실록산, 폴리에틸실록산, 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산 또는 이들의 조합 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 선형 실록산은 3,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 범위에서, 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각 속도가 0.1rad/sec 내지 80rad/sec이면서, 동시에 상기 Tan δ 최대값이 11 초과 20 이하의 값을 가질 수 있다.
상기 고리형 실록산은 실리콘-산소-실리콘-산소로 된 고리를 갖는 고리형 실록산 화합물로서, 치환 또는 비치환된, 사이클로트리실록산, 사이클로테트라실록산, 사이클로펜타실록산, 사이클로헥사실록산, 사이클로헵타실록산, 사이클로옥타실록산, 사이클로노난실록산, 사이클로데카실록산 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 "치환 또는 비치환된"에서"치환"은 실록산 중 실리콘(Si)에 결합된 하나 이상의 수소 원자가 탄소수 1 내지 5의 알킬기(예: 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 또는 펜틸기), 탄소수 2 내지 5의 알케닐기(예:비닐기), 탄소수 6 내지 10의 아릴기(예:페닐기), 또는 할로겐화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기(예:트리플루오로프로필기)로 치환된 것을 의미한다.
예컨대, 상기 고리형 실록산은 헥사메틸사이클로트리실록산, 옥타메틸사이클로테트라실록산, 데카메틸사이클로펜타실록산, 도데카메틸사이클로헥사실록산, 테트라데카메틸사이클로헵타실록산, 옥타데카메틸사이클로노난실록산, 테트라메틸사이클로테트라실록산, 헥사페닐사이클로트리실록산, 2,4,6,8-테트라메틸-2,4,6,8-테트라비닐사이클로테트라실록산 등을 포함하는 테트라메틸-테트라비닐사이클로테트라실록산, 1,3,5-트리스(3,3,3-트리플루오로프로필)-1,3,5-트리메틸사이클로트리실록산 등을 포함하는 트리스(트리플루오로프로필)-트리메틸사이클로트리실록산, 헥사데카메틸사이클로옥타실록산, 펜타메틸사이클로펜타실록산, 헥사메틸사이클로헥사실록산, 옥타페닐사이클로테트라실록산, 트리페닐사이클로트리실록산, 테트라페닐사이클로테트라실록산, 테트라메틸-테트라페닐사이클로테트라실록산, 테트라비닐-테트라페닐사이클로테트라실록산, 헥사메틸-헥사비닐사이클로헥사실록산, 헥사메틸-헥사페닐사이클로헥사실록산 및 헥사비닐-헥사페닐사이클로헥사실록산 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 실리콘 중합체는 선형 실록산을 단독으로 포함할 수도 있고, 상기 선형 실록산과 고리형 실록산의 혼합물을 포함할 수도 있다. 상기 선형 실록산과 고리형 실록산의 혼합물을 실리콘 중합체로 사용할 경우, 상기 선형 실록산 및 고리형 실록산은 1:5 내지 5:1, 예컨대 1:2 내지 2:1의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 실리콘 중합체는 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함할 수 있다. 상기 범위의 실리콘 중합체를 상기 셀룰로오스 중합체와 함께 사용함으로써 일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각 속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec가 될 수 있으며, 나아가 태양전지 전극 형성용 조성물의 면적 변화율을 낮출 수 있고, 저항값 상승을 막을 수 있다.
요변제
일 구현예에서 요변제는 비스아마이드계 요변제를 포함할 수 있다. 상기 비스아마이드계 요변제는 당업자에게 알려진 통상의 종류를 사용할 수 있지만, 예를 들면 Thixatrol Max(Elementis사) 등을 사용할 수 있다.
요변제는 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 해당 범위에서 일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec가 될 수 있다.
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 캐스터 오일계 요변제는 포함하지 않을 수 있다. 캐스터 오일계 요변제를 포함할 경우, 본 발명의 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec를 달성하기 어려울 수 있다.
분산제
일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 산(acid)계 분산제를 포함할 수 있다. 산계 분산제는 당업자에게 알려진 통상의 종류를 사용할 수 있으나 예를 들면 포화 또는 불포화의 산계 분산제로서 숙신산계 분산제, 트리 이상의 카르복실산계 분산제 등의 폴리카르복실산계 분산제 등을 사용할 수 있다.
상기 분산제는 아민 염(amine salt)계 분산제를 더 포함할 수 있다. 아민 염계 분산제는 당업자에게 알려진 통상의 종류를 사용할 수 있다.
분산제는 태양전지 전극 형성용 조성물 중 0.1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다. 상기 범위에서, 조성물의 면적 변화율을 낮출 수 있고, 저항값 상승을 막을 수 있다.
기타 첨가제
본 발명상의 태양전지 전극 형성용 조성물은 상기에서 기술한 구성 요소 외에 유동 특성, 공정 특성 및 안정성을 향상시키기 위하여 필요에 따라 통상의 다른 첨가제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로는 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이들은 태양전지 전극 형성용 조성물 중 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있지만 필요에 따라 함량을 변경할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 태양전지 전극 형성용 조성물의 인쇄 특성, 분산성 및 저장 안정성을 고려하여 선택될 수 있다.
태양전지 전극 및 이를 포함하는 태양전지
다른 일 구현예는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물로부터 형성된 전극을 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상기 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 태양전지(100)은 p층(또는 n층)(11) 및 에미터로서의 n층(또는 p층)(12)을 포함하는 웨이퍼(10) 또는 기판 상에, 전극 형성용 조성물을 인쇄하고 소성하여 후면 전극(21) 및 전면 전극(23)을 형성할 수 있다. 예컨대, 태양전지 전극 형성용 조성물을 웨이퍼의 후면에 인쇄 도포한 후, 대략 200℃ 내지 400℃ 온도로 대략 10초 내지 60초 정도 건조하여 후면 전극을 위한 사전 준비 단계를 수행할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 전면에 태양전지 전극 형성용 조성물을 인쇄한 후 건조하여 전면 전극을 위한 사전 준비단계를 수행할 수 있다. 이후에, 400℃ 내지 980℃, 바람직하게는 700℃ 내지 980℃에서 약 30초 내지 210초 소성하는 소성 과정을 수행하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다.
실시예 1
은 분말 90 중량부, 유리 프릿 2 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 얻은 혼합물에, 65,000 g/mol의 중량평균분자량을 가지는 에틸 셀룰로오스 중합체 1 중량부를 용매인 텍사놀 5.6 중량부와 함께 첨가하였다. 얻은 혼합물에, 60℃에서, 80,000 g/mol의 중량평균분자량을 가지는 폴리디메틸실록산 중합체 0.35 중량부, 비스아미드계 요변제 0.6 중량부, 폴리카르복실산계 분산제 0.45 중량부를 투입하고, 믹싱한 후 3롤 혼련기로 혼합 및 분산시켜 태양전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 2 내지 실시예 7
실시예 1에서, 각 성분의 함량, 중량부를 하기 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.
비교예 1 내지 비교예 7
실시예 1에서 각 성분의 함량, 중량부를 하기 표 2와 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예와 비교예에서 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물에 대하여 하기의 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
(1) 저장 모듈러스(단위: KPa, @1,000rad/sec): 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물에 대해 TA Instruments사의 ARES G2를 사용하여 저장 모듈러스를 frequency sweep 방법을 사용해서 평가하였다. 저장 모듈러스는 23℃에서 각속도를 0.1rad/sec ~ 1,000rad/sec의 각 주파수에 따라 평가하였다. 이중 각 속도 1,000rad/sec에서의 저장 모듈러스를 구하였다.
(2) Tan δ 최대값(Tan delta max): 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물에 대해 TA Instruments사의 ARES G2를 사용하여 frequency sweep 방법을 사용해서 평가하였다. Tan δ는 23℃에서 각속도를 0.1rad/sec ~ 1,000rad/sec의 각 주파수에 따라 평가하였으며 이로부터 최대 Tan δ 값을 구하였다.
(3) Tan δ 최대값이 나타나는 각속도인 겔화점(gelling point, 단위: rad/sec, @최대 Tan δ): 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물에 대해 frequency sweep 방법으로, Tan δ 값이 최대값이 되는 각속도인 겔화점을 평가하였다.
(4) Tan δ 최소값의 1 초과 여부: Tan δ 의 최소값이 1 이하가 되면, 인쇄성특성 나빠지게 된다. 즉, Tan δ 의 최소값이 1을 초과하지 되지 않으면, 인쇄가 불량해진다.
(5) 점도(단위: KcPs, @100rpm, @23℃): 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물에 대해 100rpm 및 23℃에서 Brookfield 점도계를 사용하여 점도를 평가하였다.
실시예 및 비교예에서 제조한 태양전지 전극 형성용 조성물에 대해 전극 형성시 하기 표 1, 표 2의 물성을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
태양전지 전극 형성용 조성물을 70Ω/sq.의 면저항을 가지는 Wafer의 전면에 28㎛ 스크린 마스크를 사용하여 일정한 패턴으로 스크린 프린팅 하여 인쇄하고, 적외선 건조로를 사용하여 건조시켰다. 이후 Wafer의 후면에 알루미늄 페이스트를 전면 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 Cell을 벨트형 소성로를 사용하여 400℃ 내지 900℃사이로 30초에서 50초간 소성을 행하였다. 이로부터, 하기 기준에 따라 인쇄성, flooding, 패턴성 및 종횡비를 평가하였다.
(6) 인쇄성: 패턴의 단락상태를 확인하고, 이하의 기준으로 인쇄성을 평가하였다.
○ : 라인 단락 5개 미만
X : 라인 단락 5개 이상
(7) flooding: 태양전지 전극 형성용 조성물을 태양전지용 실리콘 웨이퍼상에 스크린 프린팅 기법으로 도포시 Flooding이 균일하게 이루어지는지 여부를 평가하였다.
○ : 100회 Flooding 시 균일하게 이루어짐
△ : 100회 Flooding 시 20% 이하 균일하지 않게 이루어짐
X : 100회 Flooding 시 50% 이상 균일하지 않게 이루어짐
(8) 패턴성: 얻어진 패턴의 폭을 레이저 현미경을 이용하여 관찰하였다.
○: 라인 폭의 표준 편차가 3㎛ 미만이고, Rz 값이 15㎛ 미만
△: 라인 폭의 표준 편차가 3㎛ 이상 5㎛ 미만이고, Rz 값이 15㎛ 이상 20㎛ 미만
×:라인 폭의 표준 편차가 5㎛ 이상이고, Rz 값이 20㎛ 이상
(9) 종횡비: 얻어진 패턴의 높이와 폭을 레이저 현미경을 이용하여 관찰하여 종횡비(폭에 대한 높이의 비)를 계산하였다.
○: 종횡비 값이 25% 이상
△: 종횡비 값이 20% 이상 25% 미만
×: 종횡비 값이 20% 미만
(단위: 중량부)
실시예
1 2 3 4 5 6 7
(A) 90 90 90 90 90 90 90
(B) 2 2 2 2 2 2 2
(C) (C1) 1 - - - - - -
(C2) - 1 - 1 1 1 1
(C3) - - 1 - - - -
(C4) - - - - - - -
(C5) - - - - - - -
(D) 5.6 5.6 5.6 5.35 5.35 5.6 5.6
(E) (E1) 0.35 0.35 0.35 0.4 0.4 0.35 0.35
(E2) - - - 0.2 0.2 - -
(E3) - - - - - - -
(E4) - - - - - - -
(E5) - - - - - - -
(F) (F1) 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 -
(F2) - - - - - - 0.6
(G) 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45
저장 모듈러스 4.1 4.6 4.9 4.6 4.6 4.6 4.3
Tan δ 최대값 11.9 12.5 13.4 12.8 12.2 12.5 12.1
겔화점 125.4 125.4 125.4 88.5 88.5 99.6 99.6
Tan δ 최소값의 1 초과 여부 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
점도 43 48 51 48 45 48 44
인쇄성 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
Flooding ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
패턴성 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
종횡비 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
(단위: 중량부)
비교예
1 2 3 4 5 6 7
(A) 90 90 90 90 90 90 90
(B) 2 2 2 2 2 2 2
(C) (C1) - - - - - - -
(C2) 1 1 1 - - 1 1
(C3) - - - - - - -
(C4) - - - 1 - - -
(C5) - - - - 1 - -
(D) 5.95 5.95 5.35 5.35 5.35 5.35 5.35
(E) (E1) - 0.5 - 0.5 0.5 - -
(E2) - 0.1 - 0.1 0.1 0.1 0.1
(E3) - - 0.6 - - - -
(E4) - - - - - 0.5 -
(E5) - - - - - - 0.5
(F) (F1) 0.6 - 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
(F2) - - - - - - -
(G) 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45
저장 모듈러스 4.6 3.8 4.1 3.2 9.6 4.3 4.9
Tan δ 최대값 9.5 4.5 7.9 8.4 10.8 8.3 12.4
겔화점 15.8 8.1 23.5 62.8 19.9 40 7.9
Tan δ 최소값의 1 초과 여부 × ○ × ○ ○ ○ ○
점도 60 44 56 36 80 58 63
인쇄성 × × × × × ○ ×
Flooding × × △ ○ × ○ ×
패턴성 × × △ △ × △ △
종횡비 △ × △ × △ △ △
(A) 은분말: 평균입경 2.0㎛ (AG-5-11F, Dowa Hightech CO. LTD社)
(B) 유리프릿: 전이점 270℃, 평균입경 2.0㎛ (ABT-1, Ashai Glass社)
(C) 셀룰로오스 중합체
(C1) 에틸셀룰로오스: 중량평균분자량 65,000 g/mol(Dow chemical社)
(C2) 에틸셀룰로오스: 중량평균분자량 115,000 g/mol(Dow chemical社)
(C3) 에틸셀룰로오스: 중량평균분자량 130,000 g/mol(Dow chemical社)
(C4) 에틸셀룰로오스: 중량평균분자량 40,000 g/mol(Dow chemical社)
(C5) 에틸셀룰로오스: 중량평균분자량 300,000 g/mol(Dow chemical社)
(D) 텍사놀(Texanol, Eastman社)
(E) 실리콘 중합체
(E1) 폴리디메틸실록산: 중량평균분자량 80,000 g/mol(신에츠社)
(E2) 사이클로펜타실록산(PMX-245, Dow Corning社)
(E3) 카본계 슬립제 (120-CWP, 일본왁스社)
(E4) 폴리디메틸실록산: 중량평균분자량 2,500 g/mol(신에츠社)
(E5) 폴리디메틸실록산: 중량평균분자량 240,000 g/mol(신에츠社)
(F) 요변제
(F1) 비스아마이드계 요변제(BISAMIDE LA, NIPPON KASEI社)
(F2) 비스아마이드계 요변제(SLIPACKS C, NIPPON KASEI社)
(G) 분산제: Amine salt계(TDO, Akzonovel社)
상기 표 1 및 표 2에서와 같이, 일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec가 될 수 있다. 이를 통해, 일 구현예에 따른 태양전지 전극 형성용 조성물은 미세 선폭 인쇄를 가능하게 하여 인쇄성, 패턴성을 좋게 하고, flooding이 균일하게 되도록 할 수 있다.
반면, 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec를 벗어나는 비교예 1 내지 비교예 7에 따른 조성물은 미세 선폭 인쇄시 인쇄성, 패턴성이 좋지 않고, flooding이 많이 발생하였음을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (16)

  1. 도전성 분말; 유리 프릿; 셀룰로오스 중합체; 실리콘 중합체; 요변제; 및 용매를 포함하고, 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 나타나는 각속도가 80 초과rad/sec 내지 1,000rad/sec인 태양전지 전극 형성용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 0.1rad/sec 내지 1,000rad/sec에 있어서 Tan δ 최대값이 11 초과 20 이하인 태양전지 전극 형성용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 23℃ 및 1,000rad/sec에 있어서 저장 모듈러스가 1,000Pa 내지 10,000Pa인 태양전지 전극 형성용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 중합체는 50,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 중량평균분자량을 가지는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 중합체는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 중합체는 선형 실록산, 고리형 실록산 또는 이들의 조합을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선형 실록산은 3,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 중량평균분자량을 가지는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 중합체는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함되는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 요변제는 비스아마이드계 요변제를 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 전극 형성용 조성물은
    상기 도전성 분말 60 중량% 내지 95 중량%;
    상기 유리 프릿 0.5 중량% 내지 20 중량%;
    상기 셀룰로오스 중합체 0.1 중량% 내지 10 중량%;
    상기 실리콘 중합체 0.1 중량% 내지 5 중량%;
    상기 요변제 0.1 중량% 내지 5 중량%; 및
    상기 용매 잔부량
    을 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유리프릿은 납(Pb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 리튬(Li), 인(P), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 철(Fe), 규소(Si), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 인듐(In), 바나듐(V), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 비소(As), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 메틸셀로솔브(methyl cellosolve), 에틸 셀로솔브(ethyl cellosolve), 부틸 셀로솔브(butyl cellosolve), 지방족 알코올(aliphatic alcohol), α-터피네올(terpineol), β-터피네올, 다이하이드로터피네올(dihydro-terpineol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 에틸렌 글리콜모노부틸에테르(ethylene glycol mono butyl ether), 부틸셀로솔브 아세테이트(butyl cellosolve acetate) 및 텍사놀(Texanol)에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 분산제를 더 포함하고, 상기 분산제는 상기 태양전지 전극 형성용 조성물 총량에 대해 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함되는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 전극 형성용 조성물은 가소제, 점도 안정화제, 소포제, 안료, 자외선 안정제, 산화방지제 및 커플링제에서 선택되는 첨가제를 1종 이상 더 포함하는 태양전지 전극 형성용 조성물.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 태양전지 전극 형성용 조성물로 형성된 전극.
  16. 제15항에 따른 전극을 포함하는 태양 전지.
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