KR101276671B1 - 수분산 비히클을 포함하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분산이 가능한 셀룰로오스 수지로 비히클을 형성함으로써, 기존의 유기용제-베이스 비히클 시스템을 대체하고 우수한 레올로지 특성을 확보하며 환경친화적인 태양전지 전극재료를 제공할 수 있는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물 및 이에 의해 형성된 전면전극을 구비한 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분산이 가능한 셀룰로오스 수지로 비히클을 형성함으로써, 기존의 유기용제-베이스 비히클 시스템을 대체하고 우수한 레올로지 특성을 확보하며 환경친화적인 태양전지 전극재료를 제공할 수 있는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물 및 이에 의해 형성된 전면전극을 구비한 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 변환 소자이다. 태양전지, 예컨대 실리콘 태양전지는 빛 반사를 감소시키면서 빛 흡수가 잘 이루어지도록 하는 반사방지막(anti reflection coating, ARC)과 p/n접합, 에미터 및 베이스로 구성된 실리콘 웨이퍼, 빛에 의해 생성된 전기를 외부 회로로 유도하는 전면전극 및 후면전극으로 이루어져 있다. 양단 전극은 버스 바(bus bar), 후면 알루미늄, 전면 은(Ag) 페이스트의 순서로 인쇄와 건조를 번갈아 시행한 후, 600 ~ 950℃의 온도 범위에서 동시소성(co-firing) 과정을 거치면서 형성된다.
이 중 전극 페이스트는 최종적으로 전자의 이동경로인 금속 전극을 형성시키기 위한 소재로서, 특히 전면용 Ag 전극 페이스트는 광전 변환 효율에 큰 영향을 주는 핵심요소이며, 이러한 Ag 전극 페이스트 조성에서 상당 부분을 차지하는 비히클(vehicle)은 페이스트 조성물의 레올로지(rheology) 및 인쇄품질에 중대한 영향을 미치는 성분이다.
현재 Ag 전극 페이스트의 비히클 시스템으로는 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)와 같은 수불용성 셀룰로오스계 수지와 부틸 카르비톨(butyl carbitol), 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate) 및 알파-테르피네올(α-terpineol)과 같은 유기용제 및 기타 첨가제로 이루어진 시스템이 적용되고 있다(한국공개특허 제2010-0031727호 등).
그러나, 이러한 유기용제-베이스 비히클 시스템은 만족할만한 레올로지 특성을 제공하지 못하며 유기용제를 다량 사용하는바 환경오염을 유발하는 문제가 있다.
이에, 유기용제의 사용을 완전배제하거나 최소화하여 친환경성을 높이면서도 종래기술 대비 더욱 우수한 레올로지 특성을 확보할 수 있는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 기존의 유기용제-베이스 비히클 시스템을 대체하는 새로운 비히클 시스템을 적용하여 우수한 레올로지 특성 및 친환경성을 확보할 수 있는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 은(Ag) 분말; 무기 접착제; 및 친수성 그룹을 갖는 셀룰로오스계 수지의 수분산 비히클을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면으로, 상기 조성물에 의해 형성된 태양전지 전면전극 및 이를 구비한 실리콘 태양전지를 제공한다.
본 발명은 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물의 비히클 시스템을 유용성에서 수분산성으로 대체하여 친환경성 및 경제성을 개선함과 동시에 종래의 유기용제-베이스 비히클 시스템보다 향상된 레올로지 특성을 구현하며, 페이스트의 건조 온도를 낮춘 저온 건조형 페이스트를 제공할 수 있게 한다.
도 1은 실시예 및 비교예에 따른 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물의 레올로지 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물을 구성요소 별로 상세히 설명한다.
은 분말(
silver
powder
)
본 발명의 조성물에 포함되는 Ag 분말은 도전성 금속 분말로서 빛에 의해 생성된 전기를 외부 회로로 유도하는 역할을 한다.
Ag 분말의 공급원으로는 순수한 Ag 분말은 물론, 산화은, 은 합금, 은 화합물 또는 소성에 의해 Ag 분말의 석출이 가능한 물질을 사용할 수 있다. 바람직한 일 구체예로, 친수성(hydrophilic) 표면 처리된 Ag 분말을 사용할 수 있으며, 이 경우 물과의 친화성을 높게 만들어 Ag 입자 간의 응집경향을 감소시키고 분산을 원활하게 시킬 수 있는 장점이 있다. 본 발명과 같이 물을 페이스트의 비히클(vehicle)로 사용하는 경우, 친수성 표면 처리된 Ag 분말의 사용이 특히 권장된다.
Ag 분말로는 구형 또는 플레이크(flake) 타입의 것을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 구형의 Ag 분말을 사용한다. 구형의 Ag 분말 사용시, 그 평균입경은 2 ~ 10㎛인 것이 바람직하다. Ag 분말의 평균입경이 2㎛ 미만이면 페이스트 제조시 분산이 어려워지고 고온 소성에 부적합할 수 있으며, 그 평균입경이 10㎛를 초과하면 소결속도 및 인쇄 품질이 저하될 수 있다. 적절한 레올로지, 충진도 및 소결 특성을 얻기 위하여 Ag 분말의 입도 조절이 중요하다.
Ag 분말의 바람직한 함량은 페이스트 조성물 총 중량 기준으로 65 ~ 90 중량%, 보다 바람직하게는 65 ~ 85 중량%이다.
Ag 분말의 함량이 65 중량% 미만이면 상 분리가 되거나 점도가 과도하게 낮아져 인쇄성에 문제가 생길 수 있으며, 그 함량이 90 중량%를 초과하면 분산에 악영향을 미쳐 인쇄성이 저하되고 제조비용이 증가할 수 있다.
무기 접착제
본 발명의 조성물에 포함되는 무기 접착제는 전극과 기판 간의 밀착력을 강화시키는 역할을 한다.
일 구체예에서, 무기 접착제로 글라스 프릿(glass frit)을 사용할 수 있다. 글라스 프릿은 소결온도에서 녹아 전도성의 Ag 분말 필러의 치밀화를 촉진시키는 액상 소결조제로서 작용하며, Ag 입자 간 간극 및 기판과 박막 사이에 침투하여 Ag 입자의 연결도 또한 증가시킨다. 글라스 프릿으로는 페이스트 소결온도에서 용융되는 유리 분말을 주로 사용하는데, 소결공정 중 소자에서의 반응을 억제하기 위해서 융점이 낮은 유리 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
무기 접착제의 바람직한 함량은 페이스트 조성물 총 중량 기준으로 0.1 ~ 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 ~ 8 중량%이다. 무기 접착제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 무기 접착제 첨가에 따른 전극과 기판 간의 밀착력 강화 효과를 보기 어려울 수 있으며, 그 함량이 10 중량%를 초과하면 Ag 분말 및 후술하는 수분산 비히클의 양이 상대적으로 감소하여 레올로지 특성, 분산성 및 인쇄성이 저하될 수 있다.
수분산
비히클
본 발명의 조성물에 포함되는 비히클은 친수성 그룹을 갖는 셀룰로오스(cellulose)계 수지가 분산매(물)에 수분산된 형태의 비히클이다. 이로 인해, 기존의 유기용제를 수성 환경으로 대체할 수 있게 된다.
셀룰로오스계 수지로는 친수성 그룹을 갖는 수분산성 고분자, 예를 들어 하이드록시 메틸 셀룰로오스(hydroxy methyl cellulose), 하이드록시 프로필 셀룰로오스(hydroxy propyl cellulose), 하이드록시 프로필메틸 셀룰로오스(hydroxy propylmethyl cellulose), 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose) 및 카르복시 프로필 셀룰로오스(carboxy propyl cellulose)를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는, 하이드록시 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 셀룰로오스 또는 이들의 혼합물을 사용한다.
본 발명에서의 수분산 비히클에서, 상기 셀룰로오스계 수지의 분산매로는 물, 바람직하게는 탈이온 증류수를 사용한다. 다만, 본 발명의 조성물이 분산매인 물 이외에 유기용제의 사용을 100% 배제하는 것은 아니며, 점도 조절 등을 위해 기존의 통상적인 유기용제(예컨대, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트 및 알파-테르피네올)를 조성물에 추가로 혼합할 수 있다. 이와 같이 물(예컨대, 탈이온 증류수)과 유기용제를 함께 적용할 경우, 물과 유기용제의 총 중량 기준으로 물을 80% 이상, 유기용제를 20% 이하, 보다 바람직하게는 물을 80 ~ 85%, 유기용제를 15 ~ 20% 사용하는 것이 셀룰로오스계 수지의 원활한 수분산 측면에서 바람직하다.
수분산 비히클의 바람직한 함량은 페이스트 조성물 총 중량 기준으로 5 ~ 30 중량%, 보다 바람직하게는 10 ~ 30 중량%이다. 수분산 비히클의 함량이 5 중량% 미만이면 레올로지 특성이 불량해지고 3-롤밀(3-roll mill) 분산공정에서 페이스트의 분산에 문제가 생길 수 있으며, 그 함량이 30 중량%를 초과하면 Ag 분말 및 무기 접착제의 양이 상대적으로 감소하여 Ag 분말 간의 치밀한 결속이 어려워지고 전극과 기판 간의 밀착력이 저하될 수 있다.
본 발명의 조성물에서는 상기 성분들 이외에, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물에 통상적으로 포함가능한 기타의 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 증점제, 수분산 보조제, 분산제(예컨대, 이온성 및 비이온성 분산제), 안정제, 기판과의 젖음성(wettability)을 향상시키기 위한 첨가제(습윤제), 레벨링제, 인쇄시 유동성을 부여하기 위한 첨가제(유동화제) 및 기타 염이 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 첨가될 수 있다.
일 구체예에서, 본 발명의 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물은 다음과 같이 제조될 수 있다. 먼저, Ag 분말, 무기 접착제(글라스 프릿) 및 기타 첨가제를 친수성 그룹을 갖는 셀룰로오스계 수지가 수분산된 비히클에 적정 비율로 배합한다. 투입시 수분산 비히클에 성분들을 첨가하면서 적정 점도를 맞추기 위해 추가적으로 용제를 도입할 수 있다. 혼합된 페이스트 조성물을 플래너터리 믹서(planetary mixer)로 교반하여 선분산한 다음, 3-롤밀(3-roll mill) 롤 갭 조절을 변경하면서 3 ~ 4회 정도 통과시켜 균일하게 분산된 Ag 전극 페이스트로 제조한다. 이렇게 제조된 본 발명의 페이스트 조성물은 다양한 인쇄 방식을 위해 변형하여 적용이 가능하다.
본 발명의 조성물은 주로 스크린 프린팅이 가능하고, 태양전지, 예컨대 (결정질) 실리콘 태양전지의 제조에 있어 전면전극 형성용으로 특히 적합하다. 스크린 프린팅 기법은 현재 실리콘 태양전지에서 전극을 형성하는 보편적인 생산공정이다. 일반적으로 후면 버스용 Ag/Al 전극 페이스트 스크린 프린팅, 후면 Al 전극 페이스트 스크린 프린팅, 전면 Ag 전극 페이스트 스크린 프린팅까지 총 3번의 스크린 인쇄 및 건조 공정을 거친 후, 한 번의 소성공정을 통해 금속 전극을 형성한다. 스크린 인쇄는 인쇄기(printer), 스크린 제판(screen) 및 금속 페이스트(metal paste)의 3가지 요소로 구성되며, 스크래퍼를 이용하여 금속 페이스트를 마스크 위에 도포하고, 스퀴즈로 일정한 압력을 가하면서 이동시켜, 개구부를 통해 페이스트가 빠져나가면서 스크린 하부에 위치한 기판 표면에 패턴을 형성하는 방법이다.
따라서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 바와 같은 조성물에 의해 형성된 태양전지 전면전극 및 이를 구비한 실리콘 태양전지가 제공된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
및
비교예
실시예
1:
수분산된
하이드록시
프로필 셀룰로오스 수지가 단독 적용된
Ag
페이스트 조성물
하이드록시 프로필 셀룰로오스(hydroxy propyl cellulose) 수지를 탈이온 증류수에 분산시켜 수분산 비히클을 제조하였다. 하기 표 1에 나타낸 성분들을 제조된 수분산 비히클에 첨가한 후, 플래너터리 믹서로 교반하고, 3-롤밀을 사용하여 균일하게 분산시켜 Ag 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
2:
수분산된
하이드록시
프로필 셀룰로오스 수지 및 부틸
카르비톨
용제가 적용된
Ag
페이스트 조성물
수분산 비히클에 부틸 카르비톨(butyl carbitol)을 추가로 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Ag 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
3:
수분산된
하이드록시
프로필 셀룰로오스 수지, 부틸
카르비톨
용제 및
Triton
X-100 첨가제가 적용된
Ag
페이스트 조성물
수분산 비히클에 부틸 카르비톨(butyl carbitol) 및 계면활성제로서 Triton X-100을 추가로 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Ag 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
4:
수분산된
하이드록시
메틸
셀룰로오스 수지가 단독 적용된
Ag
페이스트 조성물
하이드록시 프로필 셀룰로오스 수지 대신 하이드록시 메틸 셀룰로오스(hydroxy methyl cellulose) 수지를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Ag 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
: 유용성
비히클
시스템을 가진 종래의
Ag
페이스트 조성물
에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose) 수지를 부틸 카르비톨(butyl carbitol) 에 완전히 용해될 때까지 교반하여 유기 비히클을 제조하였다. 하기 표 1에 나타낸 성분들을 제조된 유기 비히클에 첨가한 후, 플래너터리 믹서로 교반하고, 3-롤밀을 사용하여 균일하게 분산시켜 Ag 페이스트 조성물로 제조하였다.
[표 1] Ag 페이스트 조성물의 성분 및 함량(단위: 중량%)
레올로지
특성 측정
상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예에 따라 제조된 Ag 페이스트 조성물 각각에 대하여, 상온에서 Anton Paar MCR-301 레오미터, 스핀들 CP25를 사용하여 레올로지 특성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 1에 나타내었다.
[표 2] 레올로지 특성
상기 표 2 및 하기 도 1에서 보듯이, 본 발명의 수분산 비히클 시스템을 적용한 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물은 기존의 유기용제-베이스 비히클 시스템을 적용한 경우보다 레올로지 특성이 우수하였다.
Claims (10)
- 은(Ag) 분말 65 ~ 85 중량%; 무기 접착제 0.1 ~ 8 중량%; 및 친수성 그룹을 갖는 셀룰로오스계 수지의 수분산 비히클 10 ~ 30 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서, 은(Ag) 분말의 평균입경이 2 ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서, 무기 접착제가 글라스 프릿(glass frit)인 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서, 친수성 그룹을 갖는 셀룰로오스계 수지가 하이드록시 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 셀룰로오스, 하이드록시 프로필메틸 셀룰로오스, 카르복시 메틸 셀룰로오스, 카르복시 프로필 셀룰로오스 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서, 수분산 비히클에 포함되는 분산매가 탈이온 증류수인 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 제5항에 있어서, 탈이온 증류수와의 합산 중량 기준으로 20% 이하의 유기용제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 제1항에 있어서, 증점제, 분산제, 안정제, 습윤제, 레벨링제 및 유동화제 중에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물.
- 삭제
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 조성물에 의해 형성된 태양전지 전면전극.
- 제9항에 따른 전면전극을 구비한 실리콘 태양전지.
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| KR1020110090106A KR101276671B1 (ko) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | 수분산 비히클을 포함하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20130026745A KR20130026745A (ko) | 2013-03-14 |
| KR101276671B1 true KR101276671B1 (ko) | 2013-06-19 |
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| KR1020110090106A KR101276671B1 (ko) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | 수분산 비히클을 포함하는 태양전지 전면전극용 페이스트 조성물 |
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| KR20160104917A (ko) | 2015-02-27 | 2016-09-06 | 대주전자재료 주식회사 | 은 페이스트 조성물, 이를 이용하여 형성된 태양전지용 전면전극 및 이를 채용한 태양전지 |
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| KR20040107491A (ko) * | 2002-04-10 | 2004-12-20 | 가부시키가이샤후지쿠라 | 도전성 조성물, 도전성 피막 및 도전성 피막의 형성방법 |
| KR20100042766A (ko) * | 2008-10-17 | 2010-04-27 | 대주전자재료 주식회사 | 도전성 페이스트 조성물, 이를 이용한 전극의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 |
| KR20100075218A (ko) * | 2008-12-24 | 2010-07-02 | 제일모직주식회사 | 전극형성용 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 플라즈마 디스플레이 패널용 전극 |
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2011
- 2011-09-06 KR KR1020110090106A patent/KR101276671B1/ko active IP Right Grant
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