KR100972014B1 - 태양전지 전극형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 전극형성방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지 전극형성방법은 높은 전기전도도, 낮은 접촉저항, 높은 종횡비, 우수한 보관 안정성 및 우수한 접착력을 나타내며, 태양전지 전극형성시 별도의 소성공정을 거치지 않고, 건조온도에서 경화가 진행되어 전극이 형성되므로 태양전지 전극형성의 생산성이 높다.
저온소성, 열경화성, 전극, 페이스트, 태양전지

Description

태양전지 전극형성방법 {A METHOD FOR MAKING ELECTRODE OF SOLAR-CELL}
본 발명은 태양전지 전극형성방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지 전극형성방법은 낮은 접촉저항, 높은 종횡비, 우수한 보관 안정성 및 우수한 접착력을 나타내며, 태양전지 전극형성시 별도의 소성공정을 거치지 않고, 건조온도에서 경화가 진행되어 전극이 형성되므로 태양전지 전극형성의 생산성이 높다.
종래에는 태양전지의 전극형성에서는 소성온도가 350 ℃ 이상의 고온이어서 페이스트 내 유기물이 쉽게 제거되었다. 그러나 소성온도가 350 ℃이하인 전극재료를 요구하는 경우에는 페이스트 내 유기물이 잔존하게 됨으로써 전기화학적으로 절연체의 역할을 하여 전자의 흐름을 방해하게 되었다. 특히, 태양전지 분야 중에 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지의 경우, 비정질층의 결정화억제를 위하여 저온(250 ℃ 이하)의 소성조건이 요구되고 있다. 이러한 저온소성용 전극에서는 잔존 유기물에 의해 전기적 특성이 저하되는 문제가 나타나고 있다.
따라서, 본 발명은 낮은 접촉저항, 높은 종횡비, 우수한 보관 안정성 및 우수한 접착력을 나타내며 태양전지 전극형성시 별도의 소성공정을 거치지 않고, 건조온도에서 경화가 진행되어 전극이 형성되므로 태양전지 전극형성의 생산성을 높일 수 있는 전극형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
(a) 은 분말(silver power) 30 내지 95 중량%; (b) PEDOT-PSS, Polythiophene, Poly(3-alkylthiophene), Polypyrrole, Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene),Poly(p-phenylene vinylene), 및 Poly(p-phenylene)으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 전도성 고분자 0.1 내지 40 중량%; (c) 셀룰로오스 유도체 0.1 내지 50 중량%; 및 (d) 잔량의 용제를 포함하는 태양전지 전극형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 100-250 ℃에서 건조하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법을 제공한다.
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본 발명에 따른 태양전지 전극형성방법은 하기와 같은 효과를 나타낸다:
첫째, 높은 생산성 : 건조온도 (100-250 ℃ 이하)에서 단시간에 경화되면서 전극을 형성하므로 별도의 소성공정이 필요하지 않다.
둘째, 높은 전도도 및 우수한 전기 비저항 : 건조온도 (100-250 ℃ 이하)에서 전도성 고분자가 페이스트 내부에 잔존하여 전기화학적으로 안정하여 전자의 흐름을 원활히 유도한다.
셋째, 낮은 접촉저항 : 낮은 접촉저항특성을 보이며, 특히 비정질/결정질 이종접합 태양전지에 적합하다.
넷째, 열적 보관안정성 : 유기바인더 및 용제등과 상용성이 우수하여 열적 안정성이 매우 높아서 물리적 화학적 상태변화가 적은 장점이 있다.
다섯째, 높은 종횡비 : 페이스트의 레올로지 특성이 우수하여 높은 종횡비 (Aspect ratio)를 구현할 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 태양전지 전극형성방법은,
(a) 은 분말(silver power) 30 내지 95 중량%; (b) PEDOT-PSS, Polythiophene, Poly(3-alkylthiophene), Polypyrrole, Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene),Poly(p-phenylene vinylene), 및 Poly(p-phenylene)으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 전도성 고분자 0.1 내지 40 중량%; (c) 셀룰로오스 유도체 0.1 내지 50 중량%; 및 (d) 잔량의 용제를 포함하는 태양전지 전극형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 100-250 ℃에서 건조하는 것을 특징으로 한다.
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이하 각 성분에 대하여 상세히 설명한다.
(a) 은 분말(silver powder)
본 발명의 상기 은 분말은 0.05 내지 10 ㎛의 평균 입도를 갖는 것이 바람직하다. 다양한 입자 크기를 갖는 금속 분말을 혼합하여 사용하는 것이 인쇄의 정밀성을 높이고, 태양전지에 적용시 태양전지의 Fill Factor(이하 "FF"라 한다)를 크게 향상시켜 효율을 높일 수 있기 때문에 바람직하다.
상기 은 분말은 페이스트내에 30 내지 95 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 은 함유량이 30 중량% 미만일 경우, 페이스트의 점도가 낮아서 프린트 스크린 인쇄법으로 기재에 인쇄 할 때 마스크의 패턴 사이즈보다 더 넓게 인쇄되는 문제점이 있으며, 또한, 은 함유량이 95 중량%를 초과할 경우, 점도가 높아서 도전성 분말의 균일한 분산이 어렵고, 인쇄 시 마스크에서의 페이스트 빠짐성이 좋지 못하여 전극형성에 어려움이 있으며 인쇄 후의 기재에서의 표면조도가 좋지 못하다.
(b) 전도성 고분자
본 발명에서 사용가능한 전도성 고분자는 PEDOT-PSS, Polythiophene, Poly(3-alkylthiophene), Polypyrrole, Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene),Poly(p-phenylene vinylene), 및 Poly(p-phenylene)으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한 상기 전도성 고분자에 용매가 혼합되어 있는 것을 사용할 수도 있다. 특히 본 발명에 사용되는 PEDOT-PSS, Polythiophene, Poly(3-alkylthiophene), Polypyrrole, Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene),Poly(p-phenylene vinylene), 및 Poly(p-phenylene)으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 전도성 고분자는 일반적인 Polyaniline과 같은 전도성 고분자와 비교하여 전기 비저항, 기판 부착력, 접촉저항, 종횡비 및 점도변화율 면에서 현저한 차이를 나타낸다.
상기 전도성 고분자는 0.1 내지 40 중량%로 포함할 수 있다. 전도성 고분자 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 전기전도도의 개선 효과를 기대하기 힘들며, 또한, 전도성 고분자 함량이 40 중량%를 초과할 경우, 전도성 고분자의 낮은 점도로 인하여 제조되는 전극 페이스트의 점도가 낮게 형성되어 인쇄된 패턴 선폭의 퍼짐 현상을 초래하며, 이는 고해상도 패턴의 구현이 어렵고, 우수한 종횡비의 전극패턴을 얻기 힘들다.
(c) 셀룰로오스 유도체
본 발명에서 상기 셀룰로오스 유도체는 바인더로 작용을 하며, 전도성 고분자 및 용제와 상용성이 우수하여 본 발명의 태양전지 전극형성용 페이스트의 전기전도도 및 보관안정성을 현저히 향상시킨다. 본 발명의 상기 셀룰로오스 유도체의 구체적인 예로는 하이드록시셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 및 에틸셀룰로오스로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 셀룰로오스 유도체는 0.1 내지 50 중량%로 포함할 수 있다. 상기 셀룰 로오스 유도체의 함량이 0.1 중량% 범위 미만일 경우, 인쇄 시 마스크의 빠짐성이 좋지 않다. 함량이 30 중량% 범위 초과일 경우, 100-250 ℃ 영역에서 건조를 하게 되면 다량의 셀룰로오스 유도체가 잔존하게 되며, 이는 전극 페이스트의 경화도를 저해시키는 요소로 작용하여 기판부착강도를 떨어뜨리는 문제를 야기 시킨다.
(d) 용매
상기 (a)-(c)의 성분들은 용매 중에서 혼합 분산되어 사용된다.
이때 사용가능한 용매로는 비점이 80-250 ℃인 것이 바람직하며, 구체적인 예로는 에틸셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 부틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 부틸카비톨, 프필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르프로피오네이트, 에틸에테르프로피오네이트, 테르피네올, 텍사놀, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 트리에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜메틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마부티로락톤, 또는 에틸락테이트 등을 단독 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 부틸카비톨아세테이트, 에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 용매는 (a)-(c)의 성분들은 제외한 잔량을 포함할 수 있다.
(e) 기타 첨가제
상기 외에도 본 발명에 따른 전극 페이스트는 통상적으로 페이스트에 포함될 수 있는 첨가제들을 필요에 따라 더욱 포함할 수 있다. 상기 첨가제로의 예로는 증점제, 안정화제, 분산제, 탈포제 또는 계면활성제 등을 들 수 있으며, 이들 성분들은 0.1-5 중량%로 사용되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 조성을 갖는 본 발명의 태양전지 전극형성용 페이스트는 상기 기재한 필수성분과 임의의 성분을 소정의 비율에 따라 배합하고, 이를 블렌더 또는 3축 롤 등의 혼련기로 균일하게 분산하여 얻어질 수 있다.
바람직하게는 본 발명에 따른 전극 페이스트는 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계 및 #14 스핀들을 사용하는 다용도 컵으로 10 rpm 및 25 ℃에서 측정하는 경우 1 내지 300 Pa·S의 점도를 가지는 것이 좋다.
본 발명에 따른 태양전지 전극형성용 페이스트는 별도의 소성공정 없이 건조공정 만으로 전극을 형성할 수 있다. 따라서 소성공정이 별도로 필요로 하지 않으므로 작업성이 용이하며, 저온 건조로 인하여 전도성 고분자가 페이스트 내부에 잔존하여 전기화학적으로 안정하여 전자의 흐름을 원활히 유도하게 되는 장점이 있다. 특히 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지에 적용할 경우 효과가 더욱 크 다.
본 발명은 또한 상기 전극 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 건조하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극 및 상기 태양전지 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 태양전지 전극 형성방법에서 상기 태양전지 전극 형성용 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 및 건조는 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다. 일예로 상기 기재는 Si 기판일 수 있으며, 상기 전극은 실리콘 태양전지의 전면 전극일 수 있으며, 상기 인쇄는 스크린 인쇄일 수 있으며, 상기 건조는 100-250 ℃에서 10분 내지 30분간 이루어질 수 있으며, 상기 인쇄는 임의로 조절가능하며, 20 내지 50 ㎛의 두께로 인쇄를 하는 것이 좋다.
본 발명의 태양전지 전극형성방법은 소성공정이 별도로 필요로 하지 않으므로 작업성 및 생산성이 우수하며, 정밀성이 높으며, 본 발명에 따른 전극 페이스트를 이용하여 제조된 전극을 포함하는 태양전지는 고효율, 고해상도이며, 특히 저온소성에 적합하여 양산성에 뛰어나며, 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지에 적용할 경우 효과가 더욱 좋은 장점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것 은 아니다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2
하기 표 1에 기재된 성분 및 함량으로 혼합 후, 3롤 혼련기로 혼합 분산시켜 전극 페이스트를 제조하였다.
[표 1]
전극 페이스트(중량부)전극 페이스트(중량부)
실시예
1 		실시예 2 실시예
3 		실시예
4		 비교예
1		 비교예 2 비교예 3비교예 3
도전성
분말		 은 분말 1 10 30 15 45 10 20
은 분말 2 30 30 65 45 30 80 65

전도성
고분자		 PEDOT-PSS 30 - 10 4 - - -
Polypyrrole - 10 - 3 - - -
Poly(p-phenylene vinylene) - 10 - - - - -
Polyaniline - - - - - - 7
셀룰로오스유도체 하이드록시 셀룰로오스 4 3 0.5 0.5 5 1 1
에틸 셀룰로오스 - 1.5 0.5 0.2 4 2 1

용매		 부틸카비톨 아세테이트 12.5 7 4 1 25 8 2
에틸렌 글리콜 12.5 8 4 1 25 8 3
첨가제 탈포제 0.5 0.5 0.5 - 0.5 0.5 0.5
분산제 0.5 - 0.5 0.3 0.5 0.5 0.5
은분말1 : 평균입도 1.5 ㎛의 구상형 은분말
은분말2 : 평균입도 2.5 ㎛의 판상형 은분말
탈포제: 실리콘계 탈포제
분산제: 알킬올 암모늄염
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극 페이스트에 대하여 하기와 같은 방법으로 특성(비저항, 기판 부착력, 접촉저항, 종횡비 및 점도 변화율)을 각각 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 비저항(*10-5Ω.cm)
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극 페이스트를 각각 기재에 인쇄한 후 180 ℃에서 15분, 200 ℃에서 15분 및 220 ℃에서 15분 으로 경화시킨 후 4 point probe를 사용하여 비저항을 측정하였다.
2) 기판 부착력
격자부착성 평가(ASTM D3359)에 의거하여, 기재 위에 인쇄되어 경화된 페이스트에 crosscut knife로 100개의 격자무늬를 만들어서 금속부착력 전용 테이프(3M, #610)를 붙였다가 띄어내어 떨어진 격자수를 기록하였다.
3) 접촉 저항(mΩ.cm)
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극 페이스트를 태양전지셀(Cell)의 후면에 스크린 프린팅기법으로 인쇄하고 열풍식 건조로를 사용하여 건조시켰다. 그리고, 전면에 선폭 110 ㎛의 전극패턴을 인쇄하여 160 ℃에서 5분간 건조시켰다. 상기 과정으로 제조된 셀(cell)을 소성로를 사용하여 220 ℃에서 15분간 소성하였다. 이렇게 제조된 cell에 대해 코어스캔(Correscan)을 이용하여 접촉 저항을 측정하였다.
4) 종횡비(%)
선폭 110 ㎛의 전극 패턴을 인쇄, 건조, 소성 후 전극패턴의 높이 및 패턴 선폭을 각각 SEM으로 측정하고, 패턴의 높이/패턴선폭 비율을 구하여 종횡비(%)를 기록하였다.
5) 점도 변화율(%)
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극 페이스트를25 ℃에서 1개월간 보관후 점도 변화를 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계를 사용하여 #51 스핀들로서 온도 25 ℃하에서 shear rate 3.84 sec-1조건으로 측정하여 점도변화율을 관찰하였다.
[표 2]
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2 비교예 3

비저항
(*10-5Ω·cm)		 180 ℃에서 15분
경화		 4.94 6.96 2.39 1.70 32.50 7.16 7.30
200 ℃에서 15분
경화		 3.61 2.35 1.99 1.19 27.50 5.86 6.02
220 ℃에서 15분
경화		 1.13 1.57 1.01 0.84 8.79 3.24 4.55
기판부착력 테이프 부착력
(ASTM D3359)		 0 0 0 0 5 10 5
접촉저항
(mΩ?cm)		 태양전지 셀 평가 7 7 6 6 9 9 9
종횡비
(%)		 소성후 패턴높이/패턴선폭 비율 21.2 24.7 25 24 13.8 15.5 14.3
점도변화율
(%)		 25 ℃-1개월 보관후 점도 변화율 2.5 4.7 3.2 3.1 6.9 9.3 5
상기 표 2에 나타난 바와 같이 PEDOT-PSS, Polythiophene, Poly(3-alkylthiophene), Polypyrrole, Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene),Poly(p-phenylene vinylene), 및 Poly(p-phenylene)으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 전도성고분자를 포함하는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 따른 전극 페이스트는, 전도성고분자를 포함하지 않는 비교예 1-2 및 Polyaniline를 포함하는 전극 페이스트와 비교하여 전기 비저항, 기판 부착력, 접촉저항, 종횡비 및 점도변화율 면에서 현저히 개선된 효과를 나타내었다. 그중에 서도 특히 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 따른 전극 페이스트는 저온소성시 비저항 개선 효과가 보다 현저하였다.

Claims (10)

  1. (a) 은 분말(silver power) 30 내지 95 중량%; (b) PEDOT-PSS, Polythiophene, Poly(3-alkylthiophene), Polypyrrole, Poly((2,5 dialkoxy)-p-phenylene vinylene),Poly(p-phenylene vinylene), 및 Poly(p-phenylene)으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 전도성 고분자 0.1 내지 40 중량%; (c) 셀룰로오스 유도체 0.1 내지 50 중량%; 및 (d) 잔량의 용제를 포함하는 태양전지 전극형성용 페이스트를 기재 위에 인쇄하고, 100-250 ℃에서 건조하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄의 두께는 20-50 um인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 건조는 10-30분간 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스유도체는 하이드록시셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 및 에틸셀룰로오스로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용제는 비점이 80-250 ℃인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지는 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 전극형성용 페이스트는 200 ℃에서 15분간 경화시키었을 때 비저항이 1.19 - 3.61 × 10-5 Ω.㎝인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극형성방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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