KR20100042766A - 도전성 페이스트 조성물, 이를 이용한 전극의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 전극 제조에 유용한 도전성 페이스트 조성물에 관한 것으로, 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말의 혼합분말, 무기바인더 수지 및 유기 비히클을 포함하는 본 발명의 도전성 페이스트 조성물은, 전극 제조시 높은 소결 밀도와 소성 후 낮은 소결 수축율을 나타내어 전극의 낮은 선저항 및 접촉저항을 제공함으로써 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다.
Description
본 발명은 도전성 페이스트 조성물, 이를 이용한 전극의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서, 이의 전극 재료는 도전성 페이스트 조성물을 일반적인 스크린 프린팅 방법 등에 의해 기판에 도포하여 특정 형상의 전극 회로를 형성하고, 건조 및 열처리함으로써 도전성이 부여된다.
상용화된 인쇄타입의 태양전지용 전극재료는 미시적인 관점에서 열처리 공정시 유기물의 제거(burn out)로 인해 전극 내부에 결함이 발생하거나, 짧은 시간의 열처리 공정으로 인해 소결 밀도가 낮아져서, 선저항이 증가하고 실리콘 기판과의 접촉저항(contact resistance)이 높아지는 문제가 있다. 일반적으로 전극 내부의 결함은 대기중의 산소 또는 황성분과 결합하여 은산화물 또는 은황화물을 형성하기 때문에 전도성이 낮아져 시간 경과에 따른 실리콘 기판 태양전지의 효율이 점진적으로 낮아지는 문제가 야기될 수 있다.
이를 해결하기 위한 방법으로, 예를 들어 대한민국 특허공개 제2006-0108545호에는 유리(glass) 또는 옥사이드(oxide) 형태의 첨가제를 혼합하여 사용함으로써 은 분말 사이의 결함을 메꾸어 주어 소결 밀도와 실리콘 기판과의 접착력을 증가시키는 방법을 개시한다. 그러나, 상기 방법은 유리와 옥사이드 첨가제를 과다 사용하는 경우, 도체와 실리콘 기판과의 접촉저항을 증가시킬 수 있고, 특히 유리는 실리콘 기판의 N 층에 도핑(dopping)되어 있는 도펀트의 전극재료로의 확산을 유발시켜 태양전지의 효율에 악영향을 미칠 수 있다.
또한, 대한민국 특허공개 제2005-0087249 호에서는, 100nm 이하의 은 분말로 구성된 페이스트를 사용하여 유리 및 옥사이드 첨가제의 사용을 제한하였으나, 이는 전극의 소결수축으로 인해 선저항을 증가시킬 수 있으며, 소성 후에 크랙과 같은 물리적인 결함이 발생하여 소결 밀도가 낮아져 장기 신뢰성에 취약한 문제를 유발시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 전극 제조시 높은 소결 밀도와 소성 후 낮은 소결 수축율을 나타내어 전극의 낮은 선저항 및 접촉저항을 제공함으로써 태양전지의 효 율을 증대시킬 수 있는 도전성 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물을 이용한 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명에 따른 전극 제조방법으로 제조된 전극을 포함하는 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명에서는 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말의 혼합분말, 무기바인더 수지 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물은 전극 제조시 높은 소결 밀도와 소성 후 낮은 소결 수축율을 나타내어 전극의 낮은 선저항 및 접촉저항을 제공함으로써 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물은 도전성 분말로서 평균 입자 크기 가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말의 혼합분말을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 본 발명에 따른 조성물은 조성물 전체 중량에 대해 55 내지 90 중량%의 도전성 금속 분말의 혼합분말, 0.5 내지 8 중량%의 무기바인더 수지 및 5 내지 40 중량%의 유기 비히클을 포함할 수 있다.
이하에서는 각 성분에 대하여 설명한다.
(1) 도전성 금속 분말의 혼합분말
본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물에 사용되는 도전성 금속 분말의 혼합분말은 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만, 바람직하게는 0.01 내지 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛인 도전성 금속 분말의 혼합분말을 사용한다. 상기 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말의 혼합비는 10 중량% 내지 70 중량%:90 중량% 내지 30 중량%, 바람직하게는 10 중량% 내지 50 중량%:90 중량% 내지 50 중량%의 범위이다.
본 발명에 따른 페이스트 조성물에 사용되는 도전성 금속 분말은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 분말을 사용 할 수 있는데, 그 중에서 은 분말이 가장 바람직하다. 예를 들어 은 분말을 사용할 경우, 그 형상이 무정형, 구형, 각형 및 플레이크형 중 하나 또는 둘 이상의 형태로 혼합된 것을 사용할 수 있다.
평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말은 입자간의 결합제 역할을 하여 낮은 온도와 짧은 열처리 조건에서도 쉽게 메탈라이징(metalizing)을 가능하게 하고, 표면 에너지가 커서 페이스트의 칙소성(thixotrophic index)을 증가시킴으로써 인쇄 후 페이스트의 형상의 변형이 적으므로, 실리콘 기판에서 차지하는 전극재료의 도포면적 비율을 최소로 할 수 있어 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 평균 입자 크기가 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말은 소성 후 수축을 억제시킬 수 있어 고밀도의 저수축 전극을 형성 할 수 있게 해준다.
상기 도전성 금속 분말의 혼합분말의 함량은 조성물 전체 중량에 대해 55 내지 90 중량%를 사용할 수 있으며, 55 중량% 미만인 경우 적은 도전성분으로 전극의 두께가 얇아져 소결 수축율이 커져 선저항값이 높아질 수 있고, 인쇄성이 부족하여 저항값 편차의 문제가 발생할 수 있으며, 90 중량%를 초과하는 경우 페이스트화 하기에 어려움이 있다.
(2) 무기바인더 수지
본 발명에서 사용되는 무기바인더 수지는 통상적으로 사용되는 유리프릿을 사용할 수 있으며, 연화 온도가 300 내지 800도, 바람직하게는 400 내지 700도이고, 평균 입경이 0.5 내지 10㎛인 레드-보로-실리케이트계 유리분말 또는 비스무스-보로 실리케이트계 유리분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 무기바인더 수지의 함량은 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 8 중량%를 사용할 수 있으며, 0.5 중량% 미만인 경우 실리콘 기판과의 접착력이 약한 문제 가 발생할 수 있으며, 8 중량%를 초과하는 경우 전극의 선저항 및 접촉저항이 높아질 수 있다.
(3) 유기 비히클
본 발명의 페이스트 조성물에 포함되는 유기 비히클은 특별히 한정되지 않지만, 테르피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨아세테이트, 텍사놀, 에틸렌글리콜, 아세톤, 파인오일, 이소프로필알콜 및 에탄올 중에서 선택된 하나 이상의 용매를 사용하거나, 상기 용매 중에 에틸셀룰로스, 메틸셀룰로스, 니트로셀룰로스 등의 셀룰로스계 수지, 아크릴산 에스테르 등의 아크릴계 수지 및 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 부티랄 등의 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가하여 사용할 수 있다. 유기 비히클의 함량은 조성물 전체 중량에 대해 5 내지 40 중량%의 양을 사용할 수 있으며, 40 중량%를 초과하는 경우, 페이스트의 점도가 증대될 뿐만 아니라, 과잉의 유기 비히클의 존재로 소성 중 유기물이 완전히 제거(burn out)되지 않고 잔탄이 전극에 남아 있는 문제가 발생할 수 있다.
(5) 기타 첨가제
본 발명에 따른 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 첨가제, 예를 들면, 칙소제, 탈포제, 레벨링제 및 요변제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이 중, 칙소제는 미세 인쇄 패턴의 레졸루션을 향상시키고, 인쇄 후 페이스트의 형상 유지를 증대시킬 수 있다. 본 발명에서 사용되는 칙소제의 예로는 비표면적 1.5㎠/g 이상, 바람직하게는 1.5 내지 10㎠/g의 옥사이드계 칙소제 또는 왁스계 칙소제를 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 에어로실, 아마이드 왁스(amide wax)를 들 수 있다.
상기 첨가제의 함량은 도전성 금속 혼합분말의 함량과 종류에 따라 달라질 수 있어 특별히 제한되지 않지만, 3 중량% 이하로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물은 점도가 50,000 내지 500,000cps의 점도(브룩필드 DVII 점도계, 스핀들 #14)로서, 태양전지의 표면 전극을 제조하는데 이용될 수 있으며, 본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물을 사용하여 전극을 제조하는 방법은 페이스트 조성물을 기판상에 도포하는 단계, 도포된 페이스트를 건조시키는 단계, 및 건조된 페이스트를 소성시켜 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물은 스크린 프린팅 또는 특정한 직경의 노즐, 예를 들면 직경 50 내지 500㎛의 노즐을 이용한 분출 방식 등 다양한 코팅법을 사용하여 기판 상에 5 내지 50㎛의 두께로 도포될 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물로 도포된 전극 페이스트는 60 내지 300℃에서 수분간 건조되고, 600 내지 850℃의 온도에서 수초간 소성될 수 있다. 이러한 방법으로 제조된 전극은 페이스트의 건조두께 대비 소성두께를 나타내는 소결 수축율이 -6.5 내지 +2%이고, 소성 후 소결 밀도가 8g/cm3 이상이고, 면적저항이 알루미나 기판에서 7mΩ/sq. 미만인 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명에 따른 도전성 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 전 극은 통상적인 방법으로 태양전지의 표면 전극으로 유용하게 이용할 수 있다.
실시예
이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<도전성 페이스트 조성물의 제조>
실시예 1
평균 입자 크기 0.05㎛인 구형의 은 분말 16 중량%, 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 65 중량%, 연화온도가 500℃이고, 평균 입자 크기 1.5㎛인 레드-보로-실리케이트계 유리프릿 4 중량%, 에틸셀룰로스 수지를 부틸카비톨아세테이트 용제에 용해하여 제조한 유기 비히클 14 중량%, 아마이드 왁스 칙소제 및 유기산 레벨링제 1 중량%를 혼합하여, 이를 3축롤로 분산 및 분쇄하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도(브룩필드 DVII 점도계, 스핀들 #14)를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 2
평균 입자 크기 0.05㎛인 구형의 은 분말 20 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 61 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하 여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 3
평균 입자 크기 0.05㎛인 구형의 은 분말 5 중량%, 평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 20 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 56 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 4
평균 입자 크기 0.05㎛인 구형의 은 분말 5 중량%, 평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 30 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 46 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 5
평균 입자 크기 0.05㎛인 구형의 은 분말 10 중량%, 평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 20 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 51 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 6
평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 22 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 59 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 7
평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 28 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 53 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 8
평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 34 중량% 및 평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 47 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 9
평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 13 중량%, 평균 입자 크기 0.8㎛인 구형의 은 분말 19 중량% 및 평균 입자 크기 1.5㎛인 구형의 은 분말 49 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 1
평균 입자 크기 0.05㎛인 구형의 은 분말 81 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 2
평균 입자 크기 0.2㎛인 구형의 은 분말 81 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 3
평균 입자 크기 0.8㎛인 구형의 은 분말 81 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 4
평균 입자 크기 1.5㎛인 구형의 은 분말 81 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 5
평균 입자 크기 3.5㎛인 판형의 은 분말 81 중량%를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 점도 150,000 내지 250,000cps의 점도를 갖는 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예 6
페로사의 CN 33-462 페이스트 조성물을 구입하여 물성을 평가하였다.
페이스트 물성의 절대값은 실리콘 기판의 상태, 인쇄조건, 건조조건, 소성조건에 따라 다를 수 있다.
물성 평가
실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 6에서 얻은 페이스트 조성물을 아래와 같은 방법으로 수행하여 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다:
1) 변환 효율
페이스트 조성물을 스크린 프린팅 방법으로 두께가 200㎛, 크기가 127mm × 127mm인 n형 실리콘 반도체 기판상에 325 메쉬의 스크린 인쇄판을 이용하여 소성두께가 10 내지 20㎛가 되도록 도포하고 건조시켰다.
상기 페이스트가 도포된 n형 실리콘 반도체 기판을 200 ℃에서 건조한 후 최 고온도 740 내지 790℃인 소성로에서 약 10초 동안 소성하여 전극을 형성시켜 태양전지 셀을 제작했다.
제작된 태양전지 셀을 효율측정기(PASAN사)를 이용하여 변환효율을 측정하였다:
2) 소결 수축율은 건조두께 대비 소성두께의 증감비로 계산하였다.
3) 소결 밀도는 페이스트를 막으로 형성하여 상기 조건으로 건조 및 소결하여 페이스트 소결막을 형성한 후 아르키메데스법을 이용하여 부피와 질량을 측정하여 계산하였다.
4) 면적저항(Rs)은 폭/길이의 비가 1/500인 패턴으로 알루미나 기판에 325 메시 스크린 인쇄판으로 인쇄하고 상기 조건으로 건조 및 소성한 후 저항 측정기(키슬리 2470)로 선저항값을 측정하고 아래와 같은 공식으로 계산하였다.
상기 표 1의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 9에서 얻은 본 발명의 페이스트 조성물은 전극 제조시 소결 수축율이 +2 내지 -6%로서 비교예 1 내지 6에서 얻은 페이스트 조성물에 비해 상대적으로 낮고, 소결 밀도가 8g/cm3 이상이며, 면적저항이 낮아 태양전지 셀의 중요 특성인 변환효율이 우수하였다.
Claims (18)
- 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말의 혼합분말, 무기바인더 수지 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 있어서,조성물 전체 중량에 대해 55 내지 90 중량%의 도전성 금속 분말의 혼합분말, 0.5 내지 8 중량%의 무기바인더 수지 및 5 내지 40 중량%의 유기 비히클을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 평균 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 미세 도전성 금속 분말과 0.5 내지 10㎛인 도전성 금속 분말의 혼합비가 10 중량% 내지 70 중량%:90 중량% 내지 30 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 도전성 금속 분말이 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 분말인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 도전성 금속 분말이 은(Ag) 분말인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 5 항에 있어서,상기 은 분말이 무정형, 구형, 각형 및 플레이크형 중 하나 또는 둘 이상의 형태로 혼합된 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 무기바인더 수지가 유리프릿인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 7 항에 있어서,상기 유리프릿이 0.5 내지 10㎛의 평균 입경을 갖고 300 내지 800도의 연화온도를 갖는 레드-보로-실리케이트계 유리분말 또는 비스무스-보로 실리케이트계 유리분말인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 유기 비히클이 테르피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨아세테이트, 텍사놀, 에틸렌글리콜, 아세톤, 파인오일, 이소프로필알콜 및 에탄올 중에서 선택된 하나 이상 의 용매이거나, 상기 용매 중에 셀룰로스계 수지, 아크릴계 수지 및 폴리비닐계 수지 중에서 선택된 하나 이상의 수지를 첨가한 것임을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,칙소제, 탈포제, 레벨링제 및 요변제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 10 항에 있어서,상기 칙소제가 비표면적 1.5㎠/g 이상의 옥사이드계 칙소제 또는 왁스계 칙소제인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,50,000 내지 500,000cps의 점도(브룩필드 DVII 점도계)를 갖는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트 조성물.
- 제 1 항에 따른 도전성 페이스트 조성물을 기판상에 도포하는 단계, 도포된 페이스트를 건조시키는 단계, 및 건조된 페이스트를 소성시켜 전극을 형성하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 도전성 페이스트 조성물이 스크린 프린팅 또는 노즐을 이용하여 분출 방식으로 기판 상에 도포 되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 건조된 페이스트가 600 내지 850℃의 온도에서 소성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 전극이 5 내지 50㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 전극이 태양전지의 표면 전극인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 13 항에 따른 전극의 제조방법으로 제조된 전극을 표면 전극으로 포함하는 태양전지.
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