KR20120078875A - 태양전지용 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 점착 필름을 이용한 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 전극을 형성함으로써, 60 ㎛이하의 미세선폭의 구현이 가능하고, 높은 종횡비(high aspect ratio)를 나타내며 롤의 압력에 의한 기판 파손 문제를 해결할 수 있는, 태양전지용 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 태양전지용 전극에 관한 것이다.
Description
본 발명은 60 ㎛ 이하의 미세 선폭을 갖는 태양전지용 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 전극에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.
또한 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 광전변환 소자로서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합형태를 가지며, 그 기본구조는 다이오드와 유사하다. 상기 태양전지는 일반적으로 소재에 따라 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 이러한 3가지 종류의 태양전지 중 태양전지 시장에서는 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다. 또한, 상기 태양전지는 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉠 수 있다.
이중에서 태양광 발전용으로 널리 쓰이고 있는 것은 기판형 결정질 실리콘 태양전지는, 실리콘 기판의 전면에 에미터(emitter)로 작용하는 n형 층을 형성하고, 후면에는 p형 층을 각각 형성하고, 빛의 반사를 최소화하기 위한 실리콘 질화막 또는 산화막 등의 반사방지층을 포함하는 형태이다. 또한, 상기 n형 반도체층과 전기적으로 연결되는 전면전극 및 상기 p형 반도체층과 전기적으로 연결되는 후면전극을 포함할 수 있다.
한편, 상기 실리콘 태양전지의 구조에서 전면전극은 일반적으로 스크린 인쇄 공정에 의해 제작되고 있다. 또한, 전면전극은 은이 일반적으로 포함되며, 구리는 열처리 공정 후 실리콘에 큰 오염을 일으켜 보편적으로 은 페이스트를 사용한다. 이러한 페이스트는 점성의 성질을 지니고 있어 100~200 ℃에서 건조공정(firing)을 거쳐 실리콘 웨이퍼 위에 금속 패턴을 형성한다. 또한 상기 실리콘 태양전지의 후면전극은 스크린 인쇄 공정으로 은과 알루미늄 등을 사용하여 전극 형성 후 건조공정을 거쳐 제조될 수 있다.
그런데, 상기 태양전지의 전극 형성에 많이 사용되는 스크린 인쇄 방법은 스크린 마스크를 통하여 페이스트를 기재 상에 직접 인쇄하는 방식으로서, 인쇄속도가 빠르고, 공정비용이 적게 드는 장점이 있으나, 패턴의 직진성이 떨어지고, 80㎛ 이하의 선폭 조절 및 선 두께의 조절에 어려움이 있어, 정밀패턴 형성에는 적합하지 않다. 더욱이, 상기 스크린 인쇄 공정은 Ag 전극의 선폭이 60 ㎛까지 밖에 되지 않으므로, 미세 선폭을 형성할 수 없으며, 또한 고 종횡비를 실현하는데 한계가 있고 양산성에 있어서 균일성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
또한, 종래의 기술은 상용화된 결정형 실리콘 태양전지의 전면 Ag 전극을 형성하기 위해, 롤-투-플레이트(roll-to-plate) 인쇄방법과 같이 실리콘 기판에 직접 패턴을 전사하는 방법이 있다. 하지만, 상기 롤-투-플레이트에 의한 기판 직접 인쇄 방법은 기판이 롤의 압력에 의해 파손될 위험이 높으며, 양산성에도 문제가 있다.
이에, 본 발명은 실리콘 태양전지의 전면 전극을 구성하는 전극 패터닝시 점착 필름을 이용한 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 전극을 형성함으로써, 60 ㎛ 이하의 미세선폭의 구현이 가능하고, 높은 종횡비(high aspect ratio)를 나타내며 롤의 압력에 의한 기판 파손 문제를 해결할 수 있는, 태양전지의 전극용 전사필름(기재필름)의 형성 방법과 이를 이용한 태양전지용 전극의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 태양전지용 전극과 이를 전면 전극으로 포함하는 실리콘 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은
(a) 롤-투-롤 방법을 이용하여 이형필름 위에 금속 패턴을 형성하는 단계;
(b) 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하여 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름의 광경화를 통해 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조하는 단계;
를 포함하는 태양전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 태양전지용 전극의 제조방법은,
(a) 롤-투-롤 방법을 이용하여 이형필름 위에 금속 페이스트를 인쇄하여 금속 패턴을 형성하는 단계;
(b) 상기 이형필름 위에 형성된 금속 패턴 상에 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 합착하여 이형필름 위에 금속 패턴, 점착 필름 및 고분자 수지를 포함하는 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름에서 이형필름을 제거하고, 상기 금속 패턴이 형성된 면이 기판과 마주보도록 전사필름을 배치한 후, 광경화를 통해 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 이형필름, 금속 패턴, 광경화성 점착 필름 및 고분자 수지 필름을 포함하는 태양전지의 전극용 전사 필름을 제공한다.
상기 금속 패턴은 은, 구리, 금, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 도전성 금속을 포함할 수 있으며, 바람직하게 은을 포함한다.
상기 금속 패턴은 60 ㎛ 이하의 선폭을 가지며, 바람직하게 최소 30 ㎛ 내지 최대 60㎛의 미세 선폭을 가질 수 있다.
상기 고분자 수지 필름은 두께 50 내지 200㎛의 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 실리콘 수지 필름 또는 불소 수지 필름일 수 있다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 60 ㎛이하의 선폭을 가지며, 두께 10 내지 30㎛의 금속 패턴을 포함하는 태양전지용 전극을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전극을 전면전극으로 포함하는 실리콘 태양전지를 제공한다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 롤-투-롤 코팅 방식과 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하여 실리콘 태양전지의 전면 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기에서 제조된 태양전지용 전극과 이를 전면 전극으로 포함하는 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 이형필름 위에 형성된 금속 패턴과, 점착 필름 및 고분자 수지 필름을 포함하는 태양전지의 전극용 전사 필름을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 전사 필름을 이용하여 광경화를 통해 기판에 금속 패턴을 용이하게 전사함으로써 실리콘 태양전지용 전극을 제조하는 것을 특징으로 한다.
특히, 본 발명은 기존의 스크린 인쇄를 이용한 패턴 형성방법과 비교하여, 양산 공정에서 선폭을 60 ㎛ 이하, 바람직하게는 최소 30 ㎛까지 전사하는 것이 가능하여 미세 선폭을 가지며 높은 종횡비(high aspect ratio)의 전극 패턴을 양산할 수 있다. 따라서 본 발명은 전극 패턴의 폭을 좁혀 60 ㎛ 이하의 미세 선폭을 형성함으로써 태양전지의 광흡수 면적을 증가시켜 셀 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 방법은 금속 패턴의 직진성이 우수하고 정확한 선폭을 가지며 균일성이 우수한 효과가 있다.
더욱이, 기존의 롤-투-플레이트(roll-to-plate) 방식의 기판 직접 인쇄 방법은 연속 공정의 장점을 살릴 수 없고 양산성을 저하시키며 기판 파손 문제가 있었으나, 본 발명은 제거 가능한 이형필름과 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용해서 손쉽게 롤-투-롤 방식으로 금속 패턴을 갖는 전극을 형성하므로, 양산성의 장점을 살릴 수 있다. 또한 본 발명은 기판에 직접 패턴을 형성하는 것이 아니라 이형필름에 금속 패턴을 전사한 후 이를 기판에 전사시키는 방법을 이용하므로, 롤에 가해지는 압력에 의해 기판이 파손되지 않는다. 즉, 본 발명의 경우 롤에 의한 압력이 이형필름에 가해지더라도 이형필름이 완충작용을 하여 이형 필름 상에서 금속 패턴이 균일하게 유지될 수 있어서, 이것을 별도의 기판에 전사하면 손쉽게 대량으로 태양전지용 전극을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 이형필름에 형성된 금속 패턴을 그대로 기판에 전사하는 것이 아니라, 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하여 전극용 전사용 필름을 제공할 수 있다. 바람직하게, 상기 전사 필름은 이형필름, 금속 패턴, 광경화성 점착 필름 및 고분자 수지 필름을 포함하는 구조일 수 있다.
이러한 본 발명의 방법은, Ag함유 페이스트를 롤-투-롤 방식으로 이형필름 상에 인쇄하여 금속 패턴을 형성한 후, UV 경화성 점착 필름이 구비된 고분자 수지필름에 전사하고 합착하여 전사 필름을 제조하고, 이를 경화하여 점착필름의 점착성을 최소화한 다음, 이를 기판에 전사하여 Ag 패턴을 형성하고 소성을 거쳐 태양전지용 전극을 제조하는 방법을 포함할 수 있다.
그러면, 도면을 참고하여 본 발명의 롤-투-롤 방식을 이용한 태양전지용 전극의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 전극의 제조공정에 대하여 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명의 태양전지의 전극의 제조과정에서 사용하는 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름의 단면도를 간략히 나타낸 것이다. 도 3은 본 발명의 태양전지의 전극의 제조과정에서 제조된 전극용 전사 필름의 단면도를 간략히 나타낸 것이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지용 전극의 제조방법은
(a) 롤-투-롤 방법을 이용하여 이형필름 위에 금속 패턴을 형성하는 단계; (b) 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하여 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름의 광경화를 통해 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조하는 단계;를 포함한다.
구체적으로, 본 발명은 (a) 롤-투-롤 방법을 이용하여 이형필름 위에 금속 페이스트를 인쇄하여 금속 패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 이형필름 위에 형성된 금속 패턴 상에 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 합착하여 이형필름 위에 금속 패턴, 점착 필름 및 고분자 수지를 포함하는 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름에서 이형필름을 제거하고, 상기 금속 패턴이 형성된 면이 기판과 마주보도록 전사필름을 배치한 후, 광경화를 통해 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 (a) 금속 패턴을 형성하는 단계에 있어서, 롤-투-롤(roll-to-roll) 방법은, 기존의 평판 기재상에 패턴을 직접 형성하는 롤-투-플레이트(roll-to-plate) 방법에 대응되는 용어로서, 서로 반대의 회전 방향을 나타내어 그 사이에 공급되는 이형필름을 원하는 진행방향으로 이송시키고 또한 상기 이형필름 상에 금속 페이스트를 전사하여 패터닝으로 금속 패턴을 형성하기 위한 인쇄용 코팅롤과 그 하부에 위치하는 주행롤을 구비한 장치를 이용하는 방법을 의미한다. 다만, 상기 인쇄용 코팅롤과 주행롤의 진행 방향은 특별히 한정되지 않고, 기기 설치시 작업환경 등을 고려하여 이형필름의 공급 방향에 따라 변경될 수 있고, 좌 또는 우측으로 원하는 방향으로 적절히 선택할 수 있다. 바람직하게는 상기 진행방향은 이형필름이 왼쪽에서 공급되어 오른쪽으로 이동되도록 할 수 있다. 따라서, 이러한 경우 상기 인쇄용 코팅롤은 시계 반대 방향으로 회전시, 상기 주행롤은 시계 방향으로 회전할 수 있다.
따라서 상기 금속 패턴을 형성하는 단계에서, 롤-투-롤 방법은, 회전에 의해 이형 필름에 금속 패턴을 형성하기 위한 금속 페이스트가 공급되는 인쇄용 코팅롤과, 공급되는 이형필름이 통과되는 두께만큼 상기 코팅롤의 하부에 위치하며, 상기 금속 패턴 형성 전, 후의 이형 필름을 오른쪽 진행방향으로 이송하기 위해 상기 코팅롤의 회전 방향에 대해 역방향으로 진행하는 주행롤이 구비되는 있는 롤-투-롤 장치를 이용할 수 있다.
즉, 본 발명은 도 1의 롤-투-롤 장치(10)에 있어서, 인쇄용 코팅롤(2)의 상부에 연결 설치된, 금속 페이스트 공급기(3)로 미리 제조된 금속 페이스트 조성물을 공급하고, 상기 인쇄용 코팅롤(2)과 그 하부의 주행롤(1)을 서로 반대 방향으로 회전시켜 그 사이를 통과하는 이형필름(4) 상에 상기 인쇄용 코팅롤로부터 전사되는, 금속 페이스트로부터 금속 패턴을 형성한다.
여기서 도면에는 구체적으로 도시하지 않았지만, 상기 인쇄용 코팅롤(2)은 롤 표면에 패턴 형성을 위한 블랭킷(blanket)이 부착될 수 있다. 따라서, 상기 블랭킷 표면에는 패턴 홈이 형성되며, 회전하는 코팅롤과 하부의 주행롤에 의해, 상기 블랭킷 패턴 홈에 주입된 금속 페이스트를 이형필름 상에 그대로 전사하는 할 수 있다. 이때, 상기 방법은 음각 방식의 인쇄법이라는 점에서 그라비아(gravure) 인쇄와 유사하나, 고점도의 페이스트를 사용하며, 그라비아 인쇄보다 인쇄속도가 느린 점에 차이가 있을 수 있다. 또한 상기 코팅롤과 주행롤 사이에는 필요에 따라 금속 페이스트가 이형필름 상에 보다 쉽게 전사되어 패터닝되도록 일정의 압력이 가해질 수 있다.
바람직하게, 상기 인쇄용 코팅롤은 선폭 60 ㎛ 이하이고 홈 깊이가 30㎛ 이하, 보다 바람직하게 20㎛인 패턴홈을 가지는 금속 패턴 형성을 위한 블랭킷이 구비될 수 있다. 또한 상기 블랭킷은 선폭이 최소 30 ㎛ 내지 최대 60㎛일 수 있다.
또한, 상기 금속 페이스트를 금속 페이스트 공급기(3)의 노즐을 통해 인쇄용 코팅롤에 주입시, 회전하는 롤의 상부에서 일정 속도로 주입되며, 상기 페이스트의 공급은 패턴 홈 내에만 한정적으로 되는 것이 아니라 연속적으로 공급되므로, 상기 패턴 홈내에 주입될 뿐만 아니라 롤의 회전에 의해 패터닝되지 않은 블랭킷 부분까지 도포될 수 있으며, 이는 후술할 닥터링(doctoring) 단계에서 제거될 수 있다. 또한, 주입량은 상기 블랭킷 패턴 홈의 부피를 모두 채울 수 있을 만큼 충분히 공급되는 것이 바람직하다.
상기 금속 페이스트 공급기(3)는 금속 페이스트를 주입하기 위한 노즐을 구비하고 있으며, 노즐의 크기가 특별히 한정되지 않는다.
상기 블랭킷은 용이하게 패턴 형성이 가능한 탄성체이면 특별히 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등이 있다. 그러므로, 최종적으로 형성하고자 하는 전극 패턴과 같은 형태의 패턴을, 상기 PDMS 등의 평판 블랭킷에, 포토마스크 등의 다양한 방법으로 음각 패터닝하여 패턴 홈을 형성한 후, 패턴 홈 형성된 블랭킷을 롤 표면에 감아서 부착하여 전극 패턴 인쇄용 코팅롤(2)을 제작할 수 있다. 또한 블랭킷 표면은 금속 페이스트의 조성에 따라 패턴 전사시 분리가 용이하도록 표면 처리, 예를 들어 발수처리 되어 있는 형태일 수도 있으며, 이러한 표면처리는 당업자에게 알려진 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 인쇄용 코팅롤에는 통상의 방법으로 롤의 측면에 닥터 블레이드(6)가 설치되어 표면에 잔류하는 페이스트를 닥터링할 수 있다. 예를 들면, 상기 닥터링(doctoring) 방법은 상기 블랭킷 부착된 롤의 일측에 근접하여 위치하고 있는 닥터블레이드(doctor blade)에 의해 상기 블랭킷 표면에 도포된 잉여의 페이스트를 제거할 수 있다.
따라서 상기 닥터링에 의해 블랭킷 패턴 홈 내부에만 페이스트가 남아 있게 되므로, 이를 이형 필름에 전사하면 블랭킷 패턴과 동일한 형태의 페이스트 패턴이 만들어진다. 즉, 상기 블랭킷 패턴을 갖는 코팅롤을 압착하면서 회전시키고 하부의 주행롤을 역방향으로 회전시키면, 블랭킷의 요부는 압력에 의해 눌려지게 되고, 블랭킷 패턴 홈 내부에 있는 페이스트가 상기 두 코팅롤 사이를 통과하는 이형필름에 접착되며, 동시에 상기 패턴 홈과 분리됨으로써 이형필름 상에 금속 패턴의 전사가 이루어진다.
또한 본 발명에서 상기 금속 페이스트는 50,000 cps ~ 500,000 cps 범위의 점도를 나타낼 수 있다. 상기 금속 페이스트는 기본적으로 도전성 금속 입자, 바인더 및 유기용매를 포함하고, 또한 분산제, 레벨링제, 글래스 프릿을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 바인더, 유기용매, 분산제 및 레벨링제는 유기 비히클(organic vehicle)을 의미한다.
또한 상기 금속 페이스트 조성물에서, 상기 금속 분말은 평균입경 0.1 내지 10㎛의 도전성 입자로서, 당업자에게 잘 알려진 것을 사용할 수 있고, 예를 들면 은, 구리, 금, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철, 백금 등을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 금속 분말은 은 입자를 사용한다.
또한 상기 바인더는 유기 바인더이며, 셀룰로오스계 및 아크릴계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 금속 페이스트 조성물은 유동성과 점도를 조절하기 위해 통상의 함량으로 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 유기용매는 텍사놀, 터피네올, 시클로헥산 및 디에틸렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
또한 상기 금속 페이스트 조성물의 조성은 특별히 한정되지 않고, 상술한 범위내, 바람직하게 100,000 내지 300,000 cps의 점도를 가지도록 통상의 범위 내로 사용할 수 있다. 바람직한 일 예를 들면, 상기 금속 페이스트 조성물은 은 입자 100 중량부에 대하여, 바인더 2 내지 10 중량부 및 용매 3 내지 20 중량부를 포함할 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 금속 페이스트는 접착강도 향상 및 에미터(emitter)층과의 오옴 저항 (ohmic-contact)을 위해 글래스 프릿 분말 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 글래스 프릿 분말은 당분야에서 사용되는 것이면 큰 제한 없이 사용될 수 있다. 이러한 글래스 프릿 분말의 예를 들면, 납산화물 및/또는 비스무트 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로는 SiO2-PbO계, SiO2-PbO-B2O3계 및 Bi2O3-B2O3-SiO2계 분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한 그 함량도 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들면 상기 은 입자 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 사용될 수 있다.
또한 상기 분산제 및 레벨링제는 통상의 이 분야에 잘 알려진 방법으로 사용할 수 있고, 그 종류와 함량이 한정되지는 않는다.
그 밖에, 도면에는 편의상 도시하지 않았지만, 상기 금속 패턴이 형성된 이형 필름의 하부에는 오른쪽 진행방향으로 이송 벨트가 구비될 수도 있다. 상기 이형 필름 위에 금속 패턴이 형성된 후, 필요에 따라 이형필름의 상부에는 건조 장치가 더 구비되어 금속 패턴에 대한 열처리를 진행할 수 있다.
또한, 상기 (b) 전사 필름을 제조하는 단계는, 보다 용이한 방법으로 기판에 금속 패턴을 전사하기 위해, 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하는 특징이 있다.
따라서, 본 발명은 상기에서 제조된 이형 필름 위에 형성된 금속 패턴 상에 상기 점착 필름(20)이 구비된 고분자 수지 필름(22)을 합착하여, 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조한다. 즉, 본 발명은 상기 과정으로 이형필름(4), 금속 패턴(5), 광경화성 점착 필름(20) 및 고분자 수지 필름(20)을 포함하는 태양전지의 전극용 전사 필름을 제조할 수 있다(도 3). 상기 전사 필름은 광경화를 통한 방법에 의해 기판에 금속 패턴이 용이하게 전사되므로, 실리콘 태양전지의 전면전극의 양산성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 금속 패턴은 60 ㎛ 이하의 선폭을 가지며, 바람직하게 최소 30 ㎛ 내지 최대 60㎛의 미세 선폭을 가질 수 있다.
상기 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름은 도 2에 도시된 바와 같이, 점착 필름(20)을 사이에 두고 그 상하부로 각각 고분자 수지 필름(22)과 이형지(24)를 포함하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 이형 필름 위에 형성된 금속 패턴 상에 상기 고분자 수지 필름을 합착시에는 이형지(24)를 제거하여 사용한다. 즉, 이형지(24)를 도 2의 구조에서 제거한 후, 점착 필름(20) 면이 금속 패턴(5) 면으로 향하도록 마주보게 배치한 후 점착 필름층과 금속 패턴이 접착되도록 한다.
이때, 상기 점착 필름은 후술한 전극을 제조하는 단계에서, 기판에 금속 패턴을 전사하여 패턴을 부착하는데 사용될 수 있으며, 광경화 후에 점착성이 줄어들어 기판에 전사된 금속 패턴으로부터 쉽게 박리된다. 따라서, 본 발명에서는 기판의 손상 없이 신뢰성 있게 금속 패턴을 기판 위에 용이하게 형성할 수 있다.
이러한 점착필름은 필름형상의 아크릴계 접착제 조성물 또는 테이프 형태로부터 형성될 수 있고, 한면 또는 양면이 점착성을 나타낼 수 있으며, 바람직하게 양면 점착성을 나타낸다. 따라서, 상기 점착필름이 구비된 고분자 수지 필름은 상기 점착 필름 하부에 별도의 이형지가 부착되어, 아래로부터 이형지, 점착 필름 및 고분자 수지 필름을 포함하는 구조일 수 있다.
또한 상기 점착필름이 구비된 고분자 수지 필름은 금속 패턴과 합착시, 점착 필름 하부의 이형지를 제거하여 사용한다. 또한, 점착 필름의 점착성을 나타내는 면을 이형 필름 위에 형성된 금속 패턴의 면과 마주보도록 배치하여 합착하는 것이 바람직하다.
상기 점착 필름은 UV 조사와 같은 광경화에 의해 경화도를 높임으로써, 점착성이 최소화될 수 있는 것이면, 그 종류가 특별히 한정되지 않고 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 점착필름의 예를 들면, 비닐기를 포함하는 아크릴계 점착 바인더에 하이드록실기 및 비닐기를 포함하는 UV 경화형 아크릴레이트를 첨가하여, 광경화 후 점착층 및 접착층 사이의 박리력을 효과적으로 감소시킬 수 있는 다이싱 다이본딩 필름 등을 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 점착 필름의 두께는 50 내지 200㎛일 수 있다. 또한 상기 이형지의 두께는 50 내지 200㎛일 수 있다.
상기 고분자 수지 필름은 상기 점착 필름 상부에 형성되며, 지지기재로 작용할 수 있으며, 기판에 금속 패턴을 전사 후 점착 필름과 함께 박리될 수 있다. 상기 고분자 수지 필름은 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 실리콘 수지 필름, 불소 수지 필름 등을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름, 폴리에틸렌 필름, 또는 폴리프로필렌 필름을 사용한다. 또한 본 발명에서 점착 필름의 두께는 5 내지 30㎛일 수 있다.
또한 본 발명에서 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 제조하는 일례를 들면, 고분자 수지 필름 위에 건조 후의 두께가 5 ~ 20㎛가 되도록 광경화성 조성물을 도포하고 그 위에 이형지를 붙이는 과정을 거쳐 열경화성 접착 필름을 얻을 수 있다. 또한, 상기 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 제조하는 또 다른 일례를 들면, 고분자 수지 필름 위에 통상의 점착성을 갖는 양면 테이프를 붙이는 과정을 거쳐 열경화성 접착 필름을 얻을 수도 있다.
상기 (c) 전극을 제조하는 단계는, 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름에 포함되는 점착 필름의 광경화를 통해, 전사 필름으로부터 60 ㎛이하의 미세 선폭을 갖는 금속 패턴을 기판으로 전사하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 상기 전사 필름에서 이형필름을 제거하고, 상기 금속 패턴이 형성된 면이 기판과 마주보도록 전사필름을 배치한 후, 광경화를 진행하여 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조한다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 광경화시 점착 필름층은 빠르게 경화되어 고경화도를 나타냄으로써 점착성이 최소화되고, 또한 경화시 어느 정도의 수축도 발생한다. 따라서, 광경화를 통해 라미네이션(lamination) 후 금속 패턴을 기판에 전사하는 과정에서 상기 경화된 점착 필름을 포함하는 고분자 수지 필름은, 금속 패턴으로부터 쉽게 분리될 수 있으며, 60 ㎛이하의 미세 선폭을 가지며 높은 종횡비를 나타내는 태양전지용 전극을 제조할 수 있다. 따라서, 상기 전극은 직진성이 우수하고 정확한 미세 선폭을 가지며 균일성이 우수한 금속 패턴을 포함하므로, 이를 전면전극으로 사용하여 실리콘 태양전지를 제조할 경우, 태양전지의 광흡수 면적을 증가시켜 셀 효율을 향상시킬 수 있다.
이때 본 발명은 기판 위에 금속 패턴을 전사하기 위해, 전사 필름을 기판 위에 라미네이션할 때, 그 방법이 한정되지는 않으며, 예를 들면 핫 프레스를 이용하여 기판 위에 적층할 수 있다.
상기 광경화는 고압 수은 등의 조도와 조사 시간을 고려하여 100 내지 300 mJ/㎠의 UV를 조사하여 진행할 수 있다.
상기 전극 제조시 사용하는 기판은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 것을 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 기판은 플라스틱 기판, 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판 또는 금속 기판 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 방향족 폴리에스테르 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 60 ㎛이하의 선폭을 가지며, 두께 10 내지 30㎛의 금속 패턴을 포함하는 태양전지용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 롤-투-롤 방식과 점착필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하여 제조되는 태양전지용 전극을 전면전극으로 포함하는 실리콘 태양전지를 제공한다. 여기서, 상기 전극을 제조하는 방법을 제외하고는, 실리콘 태양전지의 제조방법은 당업자에게 잘 알려진 방법에 의해 제조될 수 있으므로, 각 공정에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
예를 들어, 상기 실리콘 태양전지는 실리콘 반도체 기판, 상기 기판의 위에 형성되는 에미터층, 상기 에미터층 위에 형성된 반사방지막, 상기 반사방지막을 관통하여 에미터층의 상부 표면과 접속되며, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 상기 전면 전극, 및 상기 실리콘 반도체 기판의 배면에 접속된 후면 전극을 포함하는 적층형 구조일 수 있다. 상기 반사 방지막은 질화규소 등을 이용할 수 있고, 상기 후면 전극은 은과 알루미늄을 사용하여 형성할 수 있다.
본 발명은 실리콘 태양전지의 전면 전극을 구성하는 전극 패터닝시 점착 필름을 이용한 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 Ag 전극 형성용 기재필름을 제조함으로써, 기존의 스크린 인쇄를 이용한 전사 패턴 형성방법과 비교하여, 양산 공정에서 선폭을 60 마이크로 이하로 전사하는 것이 가능하여 미세 선폭을 갖는 전극 패턴을 양산할 수 있다. 또한 기존의 단순한 롤-투-플레이트 방식의 기판 직접 인쇄 방법과 달리, 본 발명은 권취 가능한 이형필름 등을 이용한 롤-투-롤 방식을 적용하므로, 필름의 양산성의 장점을 확보하고, 롤의 압력에 의한 기판의 파손 문제도 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 전극의 제조공정에 대하여 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 태양전지의 전극의 제조과정에서 사용하는 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름의 단면도를 간략히 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 태양전지의 전극의 제조과정에서 제조된 전극용 전사 필름의 단면도를 간략히 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 만들어진 Ag 전극의 두께와 선폭을 측정하여 그 종횡비(두께/선폭)를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 Ag 전극을 형성하였을 때 태양전지가 나타내는 전기변환효율을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 태양전지의 전극의 제조과정에서 사용하는 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름의 단면도를 간략히 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 태양전지의 전극의 제조과정에서 제조된 전극용 전사 필름의 단면도를 간략히 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 만들어진 Ag 전극의 두께와 선폭을 측정하여 그 종횡비(두께/선폭)를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 Ag 전극을 형성하였을 때 태양전지가 나타내는 전기변환효율을 비교한 그래프이다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상세히 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
[실시예 1]
롤-투-롤 방법과 전사 필름에 의한 태양전지용 전극 제조
도 1과 같이, Ag 함유 페이스트가 공급되는 롤-투-롤 장치를 이용하여 롤의 회전에 의해 이형 필름을 통과시키며, 상기 Ag 함유 페이스트가 공급되는 코팅롤의 블랭킷을 통해 이형 필름 위에 상기 페이스트를 코팅하여 Ag 패턴을 형성하였다.
즉, 상기 블랭킷은 통상의 포토마스크 방법으로 선폭 50 ㎛, 홈 깊이 28 ㎛의 패턴 홈을 갖도록 제작하고, 상기 인쇄용 코팅롤의 표면에 부착하였다. 또한 Ag 함유 페이스트는 평균입경 1㎛의 은 입자 40 중량부와 평균입경 3㎛의 은입자 60 중량부에 대해, 글래스 프릿(Bi2O3-B2O3-SiO2계) 2 중량부와, 에틸셀룰로오스 1 중량부와 터피네올과 부틸 카비톨이 각각 1 중량부, 9 중량부로 이루어진 유기 비히클(organic vehicle)을 포함하는 조성을 이용하였다(점도 200,000cps). 또한 상기 Ag 함유 페이스트는 인쇄용 코팅롤의 상부에 위치한 주입 노즐을 통해 블랭킷 패턴 홈내로 주입되며, 상기 롤의 측면에서 닥터 블레이드(doctor blade)를 통해 표면에 잔류하는 페이스트를 닥터링(doctoring) 하였다. 상기 회전하는 인쇄용 코팅롤의 하부에는 일정 간격을 두고 상기 코팅롤의 회전 방향에 대하여 역방향으로 회전하는 이송롤이 위치하고, 상기 코팅롤과 이송롤의 일정 간격에는 이형 필름이 위치하여 상기 닥터링된 블랭킷 패턴 홈 내의 페이스트가 상기 이형 필름 표면의 소정의 위치에 전사되도록 하여 전극 패턴을 형성하였다.
이후, 점착 필름의 상하에 PET 필름과 이형지가 형성되어 있는 전사 필름을 준비하고, 상기 전자 필름에서 하부의 이형지를 제거한 다음, 점착 필름 면이 Ag 패턴이 형성된 이형 필름의 Ag 패턴 면과 마주보도록 배치한 후, 두 필름을 서로 합착시켰다. 이어서, 상기 합착 필름에서 제일 아래의 이형 필름을 제거하고, 전사 필름의 Ag 패턴 면을 실리콘 기판(두께: 200㎛)에 대면한 후, 150 mJ/㎠의 UV를 조사하여 광경화를 통해 실리콘 기판은 파손 없이 Ag 패턴이 실리콘 기판으로 전사되도록 하였다.
상기와 같은 방법으로 실리콘 기판에 형성된 Ag 패턴은 13㎛의 두께를 가지고, 50 ㎛의 미세 선폭을 나타내어 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성할 수 있었다.
[실시예 2]
글래스 프릿 함량을 4 중량부로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 기판 위에 Ag 패턴을 형성하였다. 상기와 같은 방법으로 실리콘 기판에 형성된 Ag 패턴은 15㎛의 두께를 가지고, 55㎛의 미세 선폭을 나타내어 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성할 수 있었다.
[실시예 3]
Ag 페이스트에 포함된 유기 비히클의 함량을 “에틸셀룰로오스 2 중량부, 터피네올 2 중량부 및 부틸카비톨 10 중량부”로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 기판 위에 Ag 패턴을 형성하였다. 상기와 같은 방법으로 실리콘 기판에 형성된 Ag 패턴은 14㎛의 두께를 가지고, 45㎛의 미세 선폭을 나타내어 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성할 수 있었다.
[비교예 1]
롤-투-플레이트 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
실시예 1에서 롤-투-롤 장치에 이형필름 대신 실리콘 기판을 이동시키면서 상기 실리콘 기판에 Ag 패턴을 직접 형성시켰다. 이후, 830℃의 온도에서 30초 동안 상기 실리콘 기판 위에 형성된 Ag 패턴에 대하여 열처리하였다.
상기와 같은 방법으로 형성된 Ag 패턴은 10㎛의 두께를 가지고, 50㎛의 선폭을 나타내고, 패턴의 직진성이 균일하지 못한 문제가 발생하였다.
[비교예 2]
스크린 인쇄 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
통상의 스크린 인쇄 방법을 이용하여, Ag 함유 페이스트를 실리콘 기판에 두께 40㎛로 도포하여 상기 실리콘 기판 상에 Ag 패턴을 형성하였다.
상기와 같은 방법으로 형성된 Ag 패턴은 20㎛의 두께를 가지고, 70㎛의 선폭을 나타내어 미세 선폭의 구현이 어렵고 직진성과 정확한 선폭의 패터닝이 되지 않아 종횡비에 한계가 있고, 특히 균일성이 현저히 떨어졌다.
[비교예 3]
롤-투-플레이트 방법에 의한 태양전지용 전극 제조
Ag 함유 페이스트를 선폭 50㎛, 홈 깊이 25㎛인 패턴 홈을 갖는 블랭킷이 부착된 인쇄용 코팅롤에 공급하고, 상기 인쇄용 코팅롤의 측면에서 닥터 블레이드(doctor blade)를 통해 표면에 잔류하는 페이스트를 닥터링(doctoring) 하였다.
상기 회전하는 인쇄용 코팅롤의 하부에는 태양전지용 실리콘 기판이 압착되어 위치하고, 상기 닥터링된 블랭킷 패턴 홈 내의 페이스트를 상기 기판 표면의 소정의 위치에 전사시켜 전극 패턴을 형성하였다.
상기와 같은 방법으로 형성된 Ag 패턴은 15㎛의 두께를 가지고, 60㎛의 선폭을 나타내어 미세 선폭의 구현이 어렵고 직진성과 정확한 선폭의 패터닝이 되지 않아 종횡비에 한계가 있고, 특히 균일성이 현저히 떨어졌다. 더욱이, 상기 방법의 경우 페이스트를 기판에 전사하는 과정에서 롤의 압력에 의해 기판에 균열이 일어났다.
[실험예]
실시예 및 비교예에 대하여 통상적인 방법으로 측정된 그 종횡비와 태양전지의 광전환효율의 결과를 도 4 및 5에 나타내었다. 즉, 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 만들어진 Ag 전극의 두께와 선폭을 측정하여 그 종횡비(두께/선폭)를 비교한 그래프이다. 또한 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 Ag 전극을 형성하였을 때 태양전지가 나타내는 전기변환효율을 비교한 그래프이다.
도 4 및 5의 결과로부터, 본 발명의 실시예 1 내지 3이, 비교예 1 내지 3보다 미세 선폭을 나타내고 광전환 변환효율이 우수함을 확인하였다. 이때, 비교예 2가 본원과 유사한 종횡비를 보이긴 하나, 비교예 2는 70 ㎛의 선폭을 나타내어 정확한 선폭 패터닝에 한계가 있어 광전환 효율이 불량하였다. 또한, 비교예 3도 본원과 유사한 종횡비를 보여도, 이것은 롤-투-플레이트 방법을 이용하여 기판이 롤의 압력에 의해 파손될 우려가 있고 이에 따라 패턴 균일성이 떨어져 역시 광전환 효율이 불량하였다.
10: 롤-투-롤 장치
1: 주행롤 2: 인쇄용 코팅롤
3: 금속 페이스트 공급기 4: 이형필름
5: Ag 패턴 6: 닥터블레이드
20: 점착 필름 22: 고분자 수지 필름
24: 이형지
1: 주행롤 2: 인쇄용 코팅롤
3: 금속 페이스트 공급기 4: 이형필름
5: Ag 패턴 6: 닥터블레이드
20: 점착 필름 22: 고분자 수지 필름
24: 이형지
Claims (20)
- (a) 롤-투-롤 방법을 이용하여 이형필름 위에 금속 패턴을 형성하는 단계;
(b) 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 이용하여 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름의 광경화를 통해 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조하는 단계;
를 포함하는 태양전지용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 방법은
(a) 롤-투-롤 방법을 이용하여 이형필름 위에 금속 페이스트를 인쇄하여 금속 패턴을 형성하는 단계;
(b) 상기 이형필름 위에 형성된 금속 패턴 상에 점착 필름이 구비된 고분자 수지 필름을 합착하여 이형필름 위에 금속 패턴, 점착 필름 및 고분자 수지를 포함하는 금속 패턴이 형성된 전사 필름을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 금속 패턴이 형성된 전사 필름에서 이형필름을 제거하고, 상기 금속 패턴이 형성된 면이 기판과 마주보도록 전사필름을 배치한 후, 광경화를 통해 금속 패턴을 기판에 전사하여 전극을 제조하는 단계;
를 포함하는 태양전지용 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 금속 패턴을 형성하는 단계에서, 롤-투-롤 방법은
회전에 의해 이형 필름에 금속 패턴을 형성하기 위한 금속 페이스트가 공급되는 인쇄용 코팅롤과,
공급되는 이형필름이 통과되는 두께만큼 상기 코팅롤의 하부에 위치하며, 상기 금속 패턴 형성 전, 후의 이형 필름을 오른쪽 진행방향으로 이송하기 위해 상기 코팅롤의 회전 방향에 대해 역방향으로 진행하는 주행롤이 구비되는 있는 장치를 이용하는, 제조방법. - 제3항에 있어서, 상기 인쇄용 코팅롤은
선폭 60 ㎛ 이하이고 홈 깊이가 30㎛ 이하인 패턴홈을 가지는 금속 패턴 형성을 위한 블랭킷이 구비되어 있는, 제조방법. - 제2항에 있어서, 상기 금속 페이스트는 도전성 금속 입자, 바인더 및 용매를 포함하는 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 금속 페이스트는 글래스 프릿 입자를 더 포함하는 제조방법.
- 제5에 있어서, 상기 도전성 금속 입자는 은, 구리, 금, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는, 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전극을 제조하는 단계에서,
금속 패턴은 60 ㎛ 이하의 선폭을 가지는 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 전극을 제조하는 단계에서,
금속 패턴은 최소 30 ㎛ 내지 최대 60㎛의 선폭을 가지는 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 전극을 제조하는 단계에서,
광경화는 100 내지 300 mJ/㎠ 동안 UV를 조사하여 진행하는 제조방법. - 이형필름, 금속 패턴, 광경화성 점착 필름 및 고분자 수지 필름을 포함하는 태양전지의 전극용 전사 필름.
- 제11항에 있어서, 상기 금속 패턴이 은, 구리, 금, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 철 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 도전성 금속을 포함하는 전사 필름.
- 제12항에 있어서, 상기 금속 패턴은 은을 포함하는 전사 필름.
- 제11항에 있어서, 상기 금속 패턴은 60 ㎛ 이하의 선폭을 가지는 전사 필름.
- 제14항에 있어서, 상기 금속 패턴은 최소 30 ㎛ 내지 최대 60㎛의 선폭을 가지는 전사 필름.
- 제11항에 있어서, 상기 고분자 수지 필름은 두께 50 내지 200㎛의 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 실리콘 수지 필름 또는 불소 수지 필름인 전사 필름.
- 제16항에 있어서, 상기 고분자 수지 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름인 전사 필름.
- 제11항에 있어서, 상기 이형 필름은 두께 50 내지 200㎛을 가지는 전사 필름.
- 제1항에 따른 방법으로 제조된 60 ㎛이하의 선폭을 가지며, 두께 10 내지 30㎛의 금속 패턴을 포함하는 태양전지용 전극.
- 제19항에 따른 전극을 전면전극으로 포함하는 실리콘 태양전지.
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| KR1020110000166A KR101657260B1 (ko) | 2011-01-03 | 2011-01-03 | 태양전지용 전극의 제조방법 및 이로부터 제조된 전극 |
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