WO2022097839A1 - 태양전지 전극용 도전성 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 - Google Patents

태양전지 전극용 도전성 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 Download PDF

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WO2022097839A1
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solar cell
conductive paste
silver
electrode
glass frit
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전태현
김인철
노화영
고민수
장문석
김충호
박강주
김화중
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엘에스니꼬동제련 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a conductive paste used for forming an electrode of a solar cell and a solar cell manufactured using the same.
  • a solar cell is a semiconductor device that converts solar energy into electrical energy, and generally has a p-n junction type and has the same basic structure as a diode.
  • a solar cell device is generally constructed using a p-type silicon semiconductor substrate having a thickness of 160 to 250 ⁇ m. On the light-receiving surface side of the silicon semiconductor substrate, an n-type impurity layer having a thickness of 0.3 to 0.6 mu m, an antireflection film and a front electrode are formed thereon. Further, a back electrode is formed on the back side of the p-type silicon semiconductor substrate.
  • the front electrode forms an electrode by applying a conductive paste mixed with silver powder, glass frit, organic binder, solvent, and additives on the antireflection film and then firing it.
  • the rear electrode is formed by applying an aluminum paste composition comprising aluminum powder, glass frit, an organic binder, a solvent and an additive by screen printing or the like, drying it, and then firing it at a temperature of 660 ° C. (melting point of aluminum) or higher.
  • an Al-Si alloy layer is formed between the rear electrode and the p-type silicon semiconductor substrate, and a p+ layer is formed as an impurity layer by diffusion of aluminum atoms. .
  • a BSF Back Surface Field
  • a rear silver electrode may be further positioned under the rear aluminum electrode.
  • the front electrode of the solar cell penetrates the anti-reflection film as the organic material evaporates during firing, prevents recombination of holes by contacting the inside of the n-type semiconductor substrate, and improves the collection efficiency of generated carriers.
  • the conventional front electrode and the n-type semiconductor substrate have a junction depth of 350 to 500 nm, which has little effect on SCR (space charge region) damage due to penetration of the electrode, but there is a limit to achieving high efficiency.
  • An object of the present invention is to provide a conductive paste and a high-efficiency solar cell capable of lowering the aspect ratio by shortening the lateral length and increasing the lateral length.
  • the present invention relates to a conductive paste for a solar cell electrode, comprising a metal powder, a glass frit, and an organic vehicle, and the aspect ratio of the silver crystals recrystallized during firing of the conductive paste is an average of 0.005 to 0.50 solar cell
  • a conductive paste for electrodes is provided.
  • the average aspect ratio of the silver crystal provides a conductive paste for a solar cell electrode, characterized in that in the range of 0.01 to 0.25.
  • the longitudinal length of the silver crystal provides a conductive paste for a solar cell electrode, characterized in that within the range of 5nm to 100nm.
  • the longitudinal length of the silver crystal provides a conductive paste for a solar cell electrode, characterized in that within the range of 30nm to 90nm.
  • the glass frit includes PbO, and the PbO content provides a conductive paste for a solar cell electrode, characterized in that 15 to 29 mol%.
  • the glass frit further includes TeO 2 , and the content of TeO 2 may be 15 to 34 mol%.
  • the glass frit further includes Bi 2 O 3 , and the content of Bi 2 O 3 may be 6 to 15 mol%.
  • the glass frit may further include Li 2 O, and the content of Li 2 O may be 5 to 15 mol%.
  • the present invention also provides a solar cell having a solar cell electrode manufactured by printing and firing the conductive paste for a solar cell electrode.
  • the conductive paste according to the present invention can reduce the longitudinal length of silver recrystallization formed by the glass frit at the wafer interface after firing by controlling the composition of the glass frit. can have an effect. For this reason, there is an effect of improving efficiency by preventing leakage current due to recombination of electrons and holes during solar cell manufacturing.
  • Example 1 shows an enlarged image of a cross-section of a solar cell according to Example 1 of the present invention.
  • FIG 3 shows an enlarged image of a cross-section of a solar cell according to Comparative Example 2 of the present invention.
  • the term comprise, comprises, comprising is meant to include the stated object, step or group of objects, and steps, and any other object. It is not used in the sense of excluding a step or a group of objects or groups of steps.
  • the conductive paste composition for a solar cell electrode according to an embodiment of the present invention includes a conductive metal powder, a glass frit, an organic vehicle, and an additive.
  • the conductive paste composition for a solar cell electrode according to an embodiment may additionally include silicone oil.
  • the conductive metal powder silver powder, copper powder, nickel powder, aluminum powder, etc. may be used.
  • silver powder is mainly used, and for the rear electrode, aluminum powder is mainly used.
  • the conductive metal material will be described using silver powder as an example. The following description is equally applicable to other metal powders.
  • the silver powder is preferably a pure silver powder, and in addition, a silver-coated composite powder having at least a surface of a silver layer, an alloy containing silver as a main component, or the like can be used. In addition, other metal powders may be mixed and used. For example, aluminum, gold, palladium, copper, nickel, etc. are mentioned.
  • the silver powder may have an average particle diameter of 0.1 to 10 ⁇ m, preferably 0.5 to 5 ⁇ m in consideration of ease of pasting and density during firing, and its shape must be at least one of spherical, needle, plate, and amorphous.
  • the silver powder may be used by mixing two or more types of powders having different average particle diameters, particle size distributions, shapes, and the like.
  • the content of the silver powder is preferably 60 to 98% by weight based on the total weight of the electrode paste composition in consideration of the thickness of the electrode formed during printing and the wire resistance of the electrode.
  • the conductive metal powder is coated using a coating agent, and the coating agent is an alkylamine-based compound having an amine group in an alkyl chain having 8 to 20 carbon atoms or an alkylcarboxy compound having a carboxyl group in an alkyl chain having 8 to 20 carbon atoms.
  • the coating agent is an alkylamine-based compound having an amine group in an alkyl chain having 8 to 20 carbon atoms or an alkylcarboxy compound having a carboxyl group in an alkyl chain having 8 to 20 carbon atoms.
  • the coating agent may be used in which the alkyl chain is saturated or unsaturated.
  • the compound having an amine group in the alkyl chain is triethylamine, heptylamine, octadecylamine, hexadecylamine, decylamine, octylamine, didecyl It may include at least one selected from amine ( Didecylamine) and trioctylamine (Trioctylamine).
  • the compound having a carboxyl group in the alkyl chain is a saturated fatty acid, such as capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid ), arachidic acid, the unsaturated fatty acid may include at least one selected from myristoleic acid, palmitoleic acid, oleic acid, and linoleic acid.
  • a saturated fatty acid such as capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid
  • arachidic acid the unsaturated fatty acid may include at least one selected from myristoleic acid, palmitoleic acid, oleic acid, and linoleic acid.
  • silver powder coated with octadecylamine is used, and the coating agent is preferably coated on the surface of the metal powder to a thickness of 0.1 nm to 50 nm.
  • the coating may be performed by adding a metal powder such as silver powder to an organic solvent in which the coating agent is dissolved, stirring for a predetermined time, and then filtering.
  • an alcohol solution containing an alkylamine-based compound or an alkylcarboxyl-based compound is added to a solution in which the conductive metal powder is dispersed, and the surface is treated by stirring at 2000 to 5000 rpm for 10 to 30 minutes using a stirrer.
  • An alcohol solution containing an alkylamine-based compound or an alkylcarboxyl compound may be an alcohol solution in which 5 to 20% by weight of the compound is dissolved based on the total weight of the solution, and the alcohol is methanol, ethanol, n-propanol, benzyl alcohol , terpineol, etc. may be used, and preferably ethanol may be used.
  • 0.1 to 1.0 parts by weight of the coating agent may be used based on 100 parts by weight of the conductive metal powder.
  • the amount of coating agent adsorbed to the surface of the conductive metal powder is small, so that agglomeration occurs between the powders, the effect of improving the compatibility of the silicone oil may be insignificant, and when mixed in more than 1.0 parts by weight, the conductive metal powder There is a problem in that an excessive amount of the surface treatment agent is adsorbed on the surface to reduce the electrical conductivity of the manufactured electrode.
  • the silicone oil included in the conductive paste can be positioned on the surface of the metal powder, thereby completely preventing phase separation in the vehicle. That is, it is possible to control the degree of movement of the silicone oil to the surface of the conductive metal powder as it is coated by the coating agent.
  • the storage stability of the provided conductive paste can be secured, and excellent slip properties are ensured to provide the effect of realizing ultra-fine line width. .
  • the glass frit according to an embodiment of the present invention makes electrical contact by completely etching the surrounding anti-reflection film during firing and partially etching the n-type semiconductor substrate.
  • the etching depth of the n-type semiconductor substrate may be adjusted to be smaller than the longitudinal length of the n-type semiconductor substrate according to the composition ratio of the glass frit.
  • the glass frit may affect the shape and size of silver recrystallization generated at the wafer interface during firing.
  • the aspect ratio meaning the ratio of the aspect to the aspect in the cross-section of the silver crystal as shown in FIG. 1 by the glass frit has an average value of 0.001 to 0.80. It has a cross-sectional structure such as a rod-shaped or plate-shaped having
  • the average aspect ratio means an average value of the aspect ratio after selecting three silver crystals in the order of the largest length in the longitudinal direction of the silver crystals.
  • the silver recrystallization may have an average aspect ratio of 0.005 to 0.50, or 0.01 to 0.25, and may have a flat plate shape. If the aspect ratio is less than the above range, the contact of the silver crystal may be unstable. If the aspect ratio exceeds the above range, SCR damage increases, resulting in leakage current due to recombination of electrons and holes, resulting in a decrease in efficiency and fill factor. there is.
  • the longitudinal length of the silver recrystallization may be 5 nm to 100 nm, specifically, 30 nm to 90 nm.
  • the longitudinal length of the recrystallized silver may mean an average value of all recrystallized silver crystals; In some cases, it may mean a longitudinal length value for any of the recrystallized silver crystals. In the latter case, silver recrystallization satisfying the range of 5 nm to 100 nm in longitudinal length may be 80% or more of the total silver recrystallization.
  • the etching of the anti-reflection film is insufficient, so that the electrode and the emitter layer cannot be contacted, so there is a problem that the resistance increases.
  • the longitudinal length exceeds 100 nm, the anti-reflection film and The emitter layer is over-etched, so that electrons and holes recombine, thereby reducing power generation efficiency of the solar cell.
  • the glass frit may include at least one composition selected from PbO, TeO 2 , Bi 2 O 3 , SiO 2 , Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, ZnO, Al 2 O 3 , TiO 2 and the like.
  • PbO is preferably 15 to 29 mol% based on oxide conversion. If the content of PbO is too high, it is not environmentally friendly, and there is a problem in that the viscosity at the time of melting is too low, so that the line width of the electrode increases during firing.
  • TeO 2 may contain 15 to 34 mol%, Bi 2 O 3 is 6 to 15 mol%, and Li 2 O may include 5 to 15 mol%, preferably TeO 2 is 28 to 34 mol%, Bi 2 O 3 may include 6 to 9 mol%, and Li 2 O may include 10 to 15 mol%.
  • the aspect ratio of the above-described silver crystal may be more excellently satisfied.
  • the glass frit may contain SiO 2 20 mol% or less, ZnO 10 mol% or less, Al 2 O 3 5 mol% or less, alkali metal (Li, Na, K, etc.) oxide 10-20 mol%, etc. .
  • the glass frit is PbO 23-27 mol%, TeO 2 30-34 mol%, Bi 2 O 3 5-9 mol%, SiO 2 8-12 mol%, Li 2 O 10-14 mol% Na 2 O 2.5- 3.5 mol%, ZnO 3-7 mol%, and Al 2 O 3 0.5 to 1.5 mol% may be included.
  • the etching depth can be appropriately adjusted so that the anti-reflection film is completely etched and the n-type semiconductor substrate is partially etched during firing; A plate-shaped silver recrystallization that satisfies the above aspect ratio may be formed.
  • the average particle diameter of the glass frit is not limited, but may have a particle diameter within the range of 0.5 to 10 ⁇ m, and various types of particles having different average particle diameters may be mixed and used.
  • at least one glass frit having an average particle diameter (D50) of 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less is used.
  • the glass transition temperature (Tg) of the glass frit having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less is less than 300°C. Since particles having a relatively large particle size are used, problems such as non-uniform melting during firing can be prevented by lowering the glass transition temperature.
  • the content of the glass frit is preferably 1 to 15% by weight based on the total weight of the conductive paste composition. If it is less than 1% by weight, there is a risk of incomplete sintering and high electrical resistivity, and when it exceeds 15% by weight, the sintered body of silver powder There is a possibility that too much glass component in the inside increases the electrical resistivity as well.
  • the type of the organic vehicle used in the present invention is not particularly limited, but may include an organic binder and a solvent, and in some cases, a solvent may be excluded.
  • the organic vehicle is not limited, but preferably 1 to 10% by weight based on the total weight of the electrode paste composition.
  • the binder used in the paste composition for an electrode according to an embodiment of the present invention is not limited, but examples of the cellulose ester compound include cellulose acetate and cellulose acetate butyrate, and the cellulose ether compound includes ethyl cellulose, methyl cellulose, Hydroxypropyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, etc. may be mentioned as examples, and the acrylic compound includes polyacrylamide, polymethacrylate, polymethylmethacrylate, polyethyl and methacrylate, and examples of the vinyl type include polyvinylbutyral, polyvinylacetate, and polyvinylalcohol. At least one or more binders may be selected and used.
  • Silicone oil may be included in the conductive paste to maximize slip properties.
  • the type of the silicone oil is not limited, and selected from the group consisting of phenyl trimethione, dimethicone, cyclomethicone, polydimethylsiloxane, and silicone gum. It may include one or more, and a modified silicone oil may also be used. Preferably, it may be polysiloxane such as polydimethylsiloxane, and it is preferable to use unmodified polysiloxane oil in consideration of slip property.
  • the silicone oil is included in an amount of 0.1 to 2% by weight based on the total weight of the conductive paste composition.
  • silicone oil is added in an amount of less than 0.1 wt %, there is a slight problem in the slip improvement effect, and when it is added in an amount exceeding 2 wt %, there is a problem that phase separation may occur even when the coated metal powder and additives are used.
  • it is included in an amount of 0.5 to 1.5% by weight.
  • the additive is octyldodecyl neopentanoate, tridecyl neopentanoate, dimethyl adipate, dioctyl adipate, isotearyl neopentanoate ( isotearyl neopentanoate) and iodopropynyl butylcarbamate (iodopropynyl butylcarbamate).
  • it is possible to very effectively prevent phase separation from organic materials by placing silicone oil containing dimethyl adipate on the surface of the coated conductive metal powder.
  • the additive is included in an amount of 0.5 to 3% by weight based on the total weight of the conductive paste composition.
  • the additive is added in an amount of less than 0.5% by weight, the compatibility of the silicone oil is lowered, and there is a problem in phase separation during the manufacture of the conductive paste, and when it is added in an amount exceeding 3% by weight, there is a problem in composition design.
  • it is included in an amount of 0.5 to 1.5% by weight.
  • the conductive paste composition according to the present invention if necessary, commonly known general additives, for example, a dispersant, a plasticizer, a viscosity modifier, a surfactant, an oxidizing agent, a rheology modifier, a thixotropic agent, a metal oxide, a metal organic compound, etc. may further include.
  • a dispersant for example, a plasticizer, a viscosity modifier, a surfactant, an oxidizing agent, a rheology modifier, a thixotropic agent, a metal oxide, a metal organic compound, etc.
  • a dispersant for example, a plasticizer, a viscosity modifier, a surfactant, an oxidizing agent, a rheology modifier, a thixotropic agent, a metal oxide, a metal organic compound, etc.
  • a thixotropic agent for example, a metal oxide, a metal organic compound, etc.
  • the above-described conductive paste composition for solar cell electrodes may be prepared by mixing and dispersing metal powder, glass frit, organic binder, solvent and additives, and then filtering and defoaming.
  • the present invention also provides a method for forming an electrode of a solar cell, characterized in that the conductive paste is applied on a substrate, dried and fired, and a solar cell electrode manufactured by the method.
  • the method for forming the solar cell electrode of the present invention except for using the conductive paste including the coated metal powder as described above, methods commonly used for manufacturing the solar cell may be used for the substrate, printing, drying and firing. of course there is
  • the present invention provides a solar cell having a solar cell electrode manufactured by printing and firing a conductive paste for a solar cell electrode.
  • the substrate may be a silicon wafer
  • the electrode made of the paste of the present invention may be a front finger electrode or a bus bar electrode
  • the printing may be screen printing or offset printing
  • the drying is It may be made at 90 ⁇ 350 °C
  • the firing may be made at 600 ⁇ 950 °C.
  • the firing is preferably performed at a high temperature/high speed firing at 800 to 950° C., more preferably at 850 to 900° C. for 5 seconds to 1 minute, and the printing is preferably performed in a thickness of 20 to 60 ⁇ m.
  • the structure of the solar cell described in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2006-0108550, No. 10-2006-0127813, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-202822, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-133567, and manufacturing thereof method can be found.
  • the conductive paste according to the present invention has a structure such as a crystalline solar cell (P-type, N-type), a Passivated Emitter Solar cell (PESC), a Passivated Emitter and Rear cell (PERC), and a Passivated Emitter Real Locally Diffused (PERL). And it is possible to apply both to the changed printing process, such as double printing (double printing), dual printing (Dual printing).
  • the conductive pastes prepared in Examples and Comparative Examples were pattern-printed on the entire surface of the wafer by a screen printing technique of 50 ⁇ m mesh, and dried at 200 to 350° C. for 20 to 30 seconds using a belt-type drying furnace. Thereafter, Al paste was printed on the back side of the wafer and dried in the same manner.
  • the cell formed by the above process was calcined using a belt-type calcination furnace at a temperature between 500 and 900° C. for 20 to 30 seconds to manufacture a solar cell.
  • FIGS. 1 to 3 A scanning electron microscope (SEM) analysis was performed on the cross section of the solar cell manufactured by the above method at a magnification of 30,000, and the results are shown in FIGS. 1 to 3 .
  • SEM scanning electron microscope
  • the recrystallized silver of Example 1 has a longitudinal length of 53.0 nm and 75.1 nm, respectively, whereas the recrystallized silver of Comparative Examples 1 and 2 mostly has a longitudinal length exceeding 100 nm.
  • the aspect ratio of the recrystallized silver of Example 1 satisfies the range of 0.01 to 0.25, but in Comparative Examples 1 and 2, the aspect ratio of the recrystallized silver greatly exceeds 0.25, causing a problem in solar cell characteristics to be described later.
  • Example 1 has a large short-circuit current (Isc) and a high charging rate (FF), and thus, has high efficiency compared to Comparative Examples 1 to 3.
  • Example 1 also has smaller recombination characteristics compared to Comparative Examples 1 and 2. Specifically, in Comparative Example 1, it can be seen that the cell efficiency is low as the recombination current of Jo1 is high, the open circuit voltage (Voc) is reduced, and the recombination current density of Jo2 is high, and the charge factor (FF) is decreased, and the cell efficiency is low. 2, it can be seen that the recombination current density of Jo2 is significantly higher than that of Comparative Example 1, and thus the cell efficiency is lower.

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Abstract

본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트에 있어서, 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 및 첨가제를 포함하며, 상기 도전성 페이스트의 소성 시 재결정되는 은 결정의 종횡비는 평균 0.005 내지 0.50 범위내인 것을 특징으로 하여 태양전지 제조 시 전자, 정공의 재결합으로 인한 누설 전류를 방지하여 효율을 향상시키는 효과를 갖는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공할 수 있다.

Description

태양전지 전극용 도전성 페이스트 및 이를 사용하여 제조된 태양전지
본 발명은 태양전지의 전극 형성에 사용되는 도전성 페이스트 및 이를 이용하여 제조된 태양전지에 관한 것이다.
태양 전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 반도체 소자로서 일반적으로 p-n 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 태양 전지 소자는 일반적으로 두께가 160~250㎛인 p형 실리콘 반도체 기판을 이용하여 구성된다. 실리콘 반도체 기판의 수광면측에는 두께가 0.3~0.6㎛인 n형 불순물층과, 그 위에 반사 방지막과 전면 전극이 형성되어 있다. 또한, p형 실리콘 반도체 기판의 이면측에는 배면 전극이 형성되어 있다.
전면 전극은 은을 주성분으로 하는 도전성 입자(silver powder), 유리 프릿(glass frit), 유기 바인더, 용매, 및 첨가제 등을 혼합한 도전성 페이스트를 반사 방지막 상에 도포한 후 소성하여 전극을 형성하고 있으며, 배면 전극은 알루미늄 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 첨가제로 이루어지는 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고 건조한 후, 660℃(알루미늄의 융점) 이상의 온도에서 소성함으로써 형성되어 있다. 이 소성 시 알루미늄이 p형 실리콘 반도체 기판의 내부로 확산됨으로써, 배면 전극과 p형 실리콘 반도체 기판 사이에 Al-Si 합금층이 형성됨과 동시에, 알루미늄 원자의 확산에 의한 불순물층으로서 p+층이 형성된다. 이러한 p+층의 존재에 의해 전자의 재결합을 방지하고, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 BSF(Back Surface Field) 효과가 얻어진다. 배면 알루미늄 전극 하부에는 배면 실버 전극이 더 위치될 수 있다.
한편, 태양전지의 전면 전극은 소성 시 유기물이 증발되면서 반사방지막을 관통하고, n형 반도체 기판의 내부와 접촉함으로써 정공의 재결합을 방지하며, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 효과가 얻어진다. 종래의 전면 전극과 n형 반도체 기판의 접합 깊이(junction depth)는 350~500nm로 전극의 침투로 인한 SCR(space charge region) 손상에 영향이 적었으나, 고효율 달성에 한계가 있다.
또한, 최근 태양전지의 고효율 달성을 위해 전면 전극과 n형 반도체 기판의 접합 깊이를 200nm 이하로 얕게 형성하는 기술이 개발된 바 있으나, 이 경우 전면 전극의 소성 시 전극의 침투에 의한 SCR 손상이 증가하여 전자, 정공의 재결합으로 인한 누설 전류로 효율 및 충전율(fill factor)이 감소되는 한계가 있다.
본 발명은 태양전지 전면 전극과 n형 반도체 기판 사이의 전자, 정공 재결합으로 인한 누설 전류를 방지하기 위해, 태양전지 전극용 도전성 페이스트의 소성 후 전극과 실리콘 계면에서 재결정되는 은 결정의 종방향 길이를 짧게 하고, 횡방향 길이를 길게 하여 종횡비를 낮출 수 있는 도전성 페이스트 및 고효율 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트에 있어서, 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클을 포함하며, 상기 도전성 페이스트의 소성 시 재결정되는 은 결정의 종횡비는 평균 0.005 내지 0.50 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다.
또한, 상기 은 결정의 종횡비 평균은 0.01 내지 0.25 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다.
또한, 상기 은 결정의 종방향 길이는 5nm 내지 100nm범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다.
또한, 상기 은 결정의 종방향 길이는 30nm 내지 90nm범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다.
또한, 상기 유리 프릿은 PbO를 포함하며, 상기 PbO의 함량은 15~29mol%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 제공한다. 상기 유리 프릿은 TeO2를 더 포함하며, 상기 TeO2의 함량은 15~34 mol%일 수 있다. 또한, 상기 유리 프릿은 더 Bi2O3를 포함하며, 상기 Bi2O3의 함량은 6~15 mol%일 수 있다. 또한, 상기 유리 프릿은 Li2O를 더 포함하며, 상기 Li2O의 함량은 5~15mol%일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 인쇄 후 소성하여 제조된 태양전지 전극을 구비한 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트는 유리 프릿의 조성을 제어함으로써 소성 후 웨이퍼 계면에서 유리 프릿에 의해 형성되는 은 재결정의 종방향 길이를 줄일 수 있으므로, 전극의 과도한 침투로 인한 정공, 전자의 재결합 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다. 이로 인해 태양전지 제조 시 전자, 정공의 재결합으로 인한 누설 전류를 방지하여 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 태양전지의 단면을 확대 촬영한 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따른 태양전지의 단면을 확대 촬영한 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따른 태양전지의 단면을 확대 촬영한 이미지를 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물은 도전성 금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 및 첨가제를 포함하여 이루어진다. 또한, 일실시예에 따른 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물은 추가적으로 실리콘 오일을 포함할 수 있다.
이하 각 성분을 구체적으로 설명한다.
<도전성 금속 분말>
도전성 금속 분말로는 은 분말, 구리분말, 니켈 분말, 알루미늄 분말 등이 사용될 수 있는데, 전면 전극의 경우 은 분말이 주로 사용되며, 배면 전극은 주로 알루미늄 분말이 사용된다. 이하에서는 편의상 은 분말을 예로 들어 도전성 금속재료에 대해 설명한다. 하기의 설명은 다른 금속 분말에도 동일하게 적용될 수 있다.
은 분말은 순은 분말이 바람직하며, 이외에, 적어도 표면이 은층으로 이루어지는 은 피복 복합 분말이나, 은을 주성분으로 하는 합금 등을 사용할 수 있다. 또한, 다른 금속 분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 예를 들면 알루미늄, 금, 팔라듐, 동, 니켈 등을 들 수 있다. 은 분말의 평균입경은 0.1~10㎛ 일 수 있고, 페이스트화의 용이성 및 소성 시 치밀도를 고려할 때 0.5~5㎛가 바람직하며, 그 형상은 구상, 침상, 판상 및 무정상 중 적어도 1종 이상일 수 있다. 은 분말은 평균 입자지름이나 입도 분포, 형상 등이 다른 2종 이상의 분말을 혼합하여 이용해도 좋다. 은 분말의 함량은 인쇄 시 형성되는 전극 두께 및 전극의 선 저항을 고려할 때 전극용 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 60 내지 98 중량%가 바람직하다.
상기 도전성 금속 분말은 코팅제를 사용하여 코팅된 것을 사용하는데, 상기 코팅제는 탄소수 8 내지 20의 알킬 사슬에 아민기를 갖는 알킬아민계 화합물 또는 탄소수 8 내지 20의 알킬 사슬에 카르복실기를 갖는 알킬카복시계 화합물을 포함한다. 바람직하게는 탄소수 15 내지 20의 알킬 사슬에 아민기 또는 카르복실기를 갖는 화합물을 포함하는 것이 좋다. 알킬 사슬의 탄소수가 8 미만인 경우 원하는 효과가 발현되지 않는 문제점이 있고, 탄소수가 20을 초과하는 경우 용제에 녹이는데 어려움이 있고, 표면처리가 잘 되지 않는 문제점이 있다. 또한 상기 코팅제는 알킬 사슬이 포화되거나 불포화된 것 모두 사용 가능하다.
상기 알킬 사슬에 아민기를 갖는 화합물은 트리에틸아민(Triethylamine), 헵틸아민(Heptylamine), 옥타데실아민(Octadecylamine), 헥사데실아민(Hexadecylamine), 데실아민(Decylamine), 옥틸아민(Octylamine), 디데실아민(Didecylamine) 및 트리옥틸아민(Trioctylamine) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알킬 사슬에 카르복실기를 갖는 화합물은 포화 지방산으로는 카프릭산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키딘산(Arachidic acid), 불포화 지방산으로는 미리스트올레산(Myristoleic acid), 팔미톨레산(Palmitoleic acid), 올레산(Oleic acid) 및 리놀레산(Linoleic acid) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
가장 바람직하게는 옥타데실아민으로 코팅 처리된 은 분말이 사용되며, 상기 코팅제는 금속 분말의 표면에 0.1nm 내지 50nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 상기 코팅은 코팅제가 녹아있는 유기 용매에 은 분말(Ag powder)과 같은 금속 분말을 넣고 일정시간 교반한 후 여과하는 방법으로 진행될 수 있다.
구체적인 코팅 방법으로는 도전성 금속 분말이 분산된 용액에 알킬아민계 화합물 또는 알킬카복시계 화합물을 포함하는 알코올 용액을 넣고 교반기를 이용하여 2000~5000rpm 10~30분간 교반하여 표면처리할 수 있다. 알킬아민계 화합물 또는 알킬카복시계 화합물을 포함하는 알코올 용액은 용액 전체 중량에 대하여 상기 화합물이 5~20 중량%로 용해된 알코올 용액을 사용할 수 있으며, 알코올은 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 벤질알코올, 테르피네올(Terpineol) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 에탄올을 사용할 수 있다.
도전성 금속 분말 100 중량부에 대하여 코팅제를 0.1~1.0 중량부 사용할 수 있다. 0.1 중량부 미만으로 혼합되는 경우 도전성 금속 분말 표면에 흡착되는 코팅제 양이 적어 분말 간에 응집이 발생하고, 실리콘 오일의 상용성 개선 효과가 미미할 수 있으며, 1.0 중량부 초과하여 혼합되는 경우, 도전성 금속 분말 표면에 과량의 표면처리제가 흡착되어 제조되는 전극의 전기 전도성을 저하시킬 수 있는 문제점이 있다.
상기 코팅제를 이용하여 코팅된 도전성 금속 분말을 사용함으로써 도전성 페이스트에 포함되는 실리콘 오일을 금속 분말 표면으로 위치시킬 수 있어 비히클(vehicle)에서의 상분리를 완전하게 방지할 수 있다. 즉 상기 코팅제에 의해 코팅됨에 따라 실리콘 오일의 도전성 금속 분말 표면으로의 이동 정도를 제어할 수 있다. 실리콘 오일의 유기 비히클(유기 용제 및 유기 바인더 등)과의 비상용에 의한 상분리를 방지함으로써 제공되는 도전성 페이스트의 저장 안정성을 확보할 수 있으며 우수한 슬립성을 확보하여 초미세 선폭 구현이 가능한 효과를 제공한다.
<유리 프릿>
본 발명의 일실시예에 따른 유리 프릿은 소성 시 주변의 반사방지막을 완전히 에칭하고, n형 반도체 기판을 일부 에칭함으로써 전기적으로 접촉한다. 이때, n형 반도체 기판을 에칭하는 깊이는 유리 프릿의 조성비에 따라 n형 반도체 기판의 종방향 길이보다 작도록 조절될 수 있다.
또한, 상기 유리 프릿은 소성 시 웨이퍼 계면에서 생성되는 은 재결정의 형상 및 크기 등에 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따라 소성 시 재결정된 은 결정은 상기 유리 프릿에 의해 종횡비(도 1에서와 같이 은결정 단면에 있어서, 횡에 대한 종의 비율을 의미함)가 평균 0.001 내지 0.80의 값을 갖는 막대상 또는 판상과 같은 단면 구조를 갖는다. 여기서 평균 종횡비란 은결정의 종방향 길이가 가장 큰 순서로 3개의 은 결정을 선택한 후 그들의 종횡비 평균값을 의미한다.
바람직하게, 상기 은 재결정은 종횡비가 평균 0.005 내지 0.50, 또는 0.01 내지 0.25 일 수 있으며, 납작한 판상의 형상일 수 있다. 종횡비가 상기 범위 미만인 경우 은 결정의 컨택이 불안정할 수 있으며, 종횡비가 상기 범위를 초과하는 경우 SCR 손상이 증가하여 전자, 정공의 재결합으로 인한 누설 전류로 효율 및 충전율(fill factor)이 감소할 수 있다.
종래 종횡비가 큰 역피라미드 형상의 은 재결정은 전극을 침투하는 깊이가 깊어 접합으로 인한 손상을 증가시키고, SCR 영역을 파괴하여 누설 전류를 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 태양전지의 효율을 저하시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 경우 재결정되는 은 결정의 형상이 상기의 종횡비를 갖는 판상의 형상이므로, 이러한 문제를 방지하여 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 은 재결정의 종방향 길이는 5nm 내지 100nm이며, 구체적으로는 30nm 내지 90nm일 수 있다. 여기서, 상기 은 재결정의 종방향 길이는 재결정된 전체 은 결정의 평균 값을 의미할 수도 있고; 경우에 따라서, 재결정된 은 결정 중 임의의 은 결정에 대한 종방향 길이 값을 의미할 수도 있다. 후자인 경우, 종방향 길이가 5nm 내지 100nm인 범위를 만족하는 은 재결정은 전체 은 재결정 중 80% 이상일 수 있다.
상기 은 재결정의 종방향 길이가 5 nm 미만인 경우에는 반사방지막에 대한 에칭이 불충분하여 전극과 에미터층에 접촉할 수 없으므로 저항이 증가하는 문제가 있고, 종방향 길이가 100 nm를 초과하면 반사방지막과 에미터층이 과에칭되어 전자와 정공이 재결합하여 태양전지의 발전 효율이 저감될 수 있다.
한편, 상기 유리 프릿은 PbO, TeO2, Bi2O3, SiO2, Li2O, Na2O, K2O, ZnO, Al2O3, TiO2 등으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 조성물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 유리 프릿의 성분 및 함량으로서, 산화물 환산 기준으로 PbO는 15~29 mol%인 것이 좋다. PbO의 함량이 너무 높으면 친환경적이지 않고, 용융 시 점도가 너무 낮아져서 소성 시 전극의 선폭이 커지는 문제점이 존재한다.
또한, TeO2는 15~34 mol%, Bi2O3는 6~15 mol%, 및 Li2O는 5~15mol%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 TeO2는 28~34 mol%, Bi2O3는 6~9 mol%, 및 Li2O는 10~15mol%를 포함할 수 있다. 상기 유리프릿 성분들 및 함량이 상기 범위내인 경우 전술한 은결정의 종횡비를 더욱 우수하게 만족할 수 있다.
추가적으로, 상기 유리 프릿은 SiO2 20 mol% 이하, ZnO 10 mol% 이하, Al2O3 5 mol% 이하, 알칼리 금속(Li, Na, K 등) 산화물 10~20 mol% 등을 함유할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 유리 프릿은 PbO 23~27mol%, TeO2 30~34mol%, Bi2O3 5~9mol%, SiO2 8~12mol%, Li2O 10~14mol% Na2O 2.5~3.5mol%, ZnO 3~7mol% 및 Al2O3 0.5~1.5mol%를 포함할 수 있다.
본 발명은 유리 프릿에 포함된 각 성분의 유기적 함량 조합에 의해, 소성 시 반사방지막은 완전히 에칭되고 n형 반도체 기판은 일부 에칭되도록 에칭 깊이를 적절히 조절할 수 있을 뿐만 아니라; 전술한 종횡비를 만족하는 판상 형태의 은 재결정을 형성할 수 있다.
한편, 유리 프릿의 평균 입경은 제한되지 않으나 0.5~10㎛ 범위 내의 입경을 가질 수 있으며, 평균입경이 다른 다종이 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하기로는 적어도 1종의 유리 프릿은 평균입경(D50)이 2㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 좋다. 이를 통해 소성 시 반응성이 우수해지고, 특히 고온에서 n층의 데미지를 최소화할 수 있으며 부착력이 개선되고 개방전압(Voc)을 우수하게 할 수 있다. 또한, 소성 시 전극의 선폭이 증가하는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 평균입경이 2㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 유리 프릿의 유리전이온도(Tg)는 300℃ 미만인 것이 바람직하다. 비교적 입경이 큰 입자를 사용하므로 유리전이온도를 낮춤으로써 소성 시 불균일하게 용융되는 등의 문제점을 방지할 수 있다.
유리 프릿의 함량은 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 1 내지 15 중량%가 바람직한데, 1 중량% 미만이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아질 우려가 있고, 15 중량%을 초과하면 은 분말의 소성체 내에 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아질 우려가 있다.
<유기 비히클>
본 발명에서 사용되는 유기 비히클은 그 종류가 특별히 제한되지 않으나 유기 바인더와 용제 등이 포함될 수 있으며, 경우에 따라서는 용제가 배제될 수 있다. 유기 비히클은 제한되지 않으나 전극용 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 1~10 중량%가 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 전극용 페이스트 조성물에 사용되는 바인더는 제한되지 않으나 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 등을 예로 들 수 있으며, 셀룰로오스 에테르계 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있으며, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타아크릴레이트, 폴리 메틸메타아크릴레이트, 폴리 에틸메타아크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 비닐계로는 폴리 비닐부티랄, 폴리 비닐아세테이트 및 폴리 비닐알코올 등을 예로 들 수 있다. 상기 바인더들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다.
조성물의 희석을 위해 사용되는 용제로서는 알파-터피네올, 텍사놀, 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 시클로헥산, 헥산, 톨루엔, 벤질알코올, 디옥산, 디에틸렌글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 (또는 부틸 셀로솔브), 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 및 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트 등으로 이루어진 화합물 중에서 적어도 1종 이상 선택되어 사용되는 것이 좋다.
<실리콘 오일>
실리콘 오일은 도전성 페이스트에 포함되어 슬립성을 극대화할 수 있다. 상기 실리콘 오일의 종류는 제한되지 않으며, 페닐트리메치콘(Phenyl trimethione), 디메치콘(Dimethicone), 사이클로메치콘(cyclomethicone), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 및 실리콘검(Silicone Gum)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 변성 실리콘 오일 또한 사용 가능하다. 바람직하게는 폴리디메틸실록산 등의 폴리실록산일 수 있으며, 슬립성을 고려할 때 비변성 폴리실록산 오일을 사용하는 것이 좋다.
상기 실리콘 오일은 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 0.1~2 중량%로 포함된다. 실리콘 오일이 0.1 중량% 미만으로 첨가되는 경우 슬립성 개선 효과가 미미한 문제점이 있고, 2 중량% 초과하여 첨가되는 경우 코팅된 금속 분말 및 첨가제를 사용하더라도 상분리가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 바람직하게는 0.5~1.5 중량%로 포함되는 것이 좋다.
<첨가제>
상기 첨가제는 옥틸도데실 네오펜타노에이트(octyldodecyl neopentanoate), 트리데실 네오펜타노에이트(tridecyl neopentanoate), 디메틸아디페이트(dimethyl adipate), 디옥틸아디페이트(dioctyladipate), 이소테아릴 네오펜타노에이트(isotearyl neopentanoate) 및 이오도프로피닐 뷰틸카바메이트(iodopropynyl butylcarbamate)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 디메틸아디페이트를 포함하여 실리콘 오일을 코팅처리된 도전성 금속 분말 표면으로 위치시킴으로써 유기물과의 상분리를 매우 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 첨가제는 도전성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 0.5~3 중량%로 포함된다. 상기 첨가제가 0.5 중량% 미만으로 첨가되는 경우 상기 실리콘 오일의 상용성이 떨어져 도전성 페이스트 제조 시 상분리 되는 문제점이 있고, 3 중량% 초과하여 첨가되는 경우 조성 설계상 문제점이 있다. 바람직하게는 0.5~1.5 중량%로 포함되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 의한 도전성 페이스트 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 일반 첨가제, 예를 들면, 분산제, 가소제, 점도 조정제, 계면활성제, 산화제, 레올로지 조절제, 칙소제, 금속 산화물, 금속 유기 화합물 등을 더 포함할 수 있다.
상술한 태양전지 전극용 도전성 페이스트 조성물은 금속 분말, 유리 프릿, 유기 바인더, 용매 및 첨가제 등을 혼합 및 분산한 다음 여과 및 탈포하여 제조될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 도전성 페이스트를 기재 위에 도포하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 태양전지 전극을 제공한다. 본 발명의 태양전지 전극 형성 방법에서 상기와 같이 코팅 처리된 금속 분말을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하는 것을 제외하고, 기재, 인쇄, 건조 및 소성은 통상적으로 태양전지의 제조에 사용되는 방법들이 사용될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 인쇄 후 소성하여 제조된 태양전지 전극을 구비한 태양전지를 제공한다.
하나의 예로서, 상기 기재는 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 본 발명의 페이스트로 제조되는 전극은 전면의 핑거 전극, 버스바 전극일 수 있으며, 상기 인쇄는 스크린 인쇄, 옵셋 인쇄일 수 있으며, 상기 건조는 90~350℃ 에서 이루어 질 수 있으며, 상기 소성은 600~950℃ 에서 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 소성은 800~950℃, 더욱 바람직하게, 850~900℃ 에서 5초 내지 1분간 이루어지는 고온/고속 소성을 하는 것이 좋으며, 상기 인쇄는 20~60㎛의 두께로 인쇄를 하는 것이 좋다. 구체적인 하나의 예로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0108550호, 제10-2006-0127813호, 일본 공개특허공보 특개2001-202822호 및 특개2003-133567호에 기재된 태양전지의 구조 및 이의 제조방법을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 결정질 태양전지(P-type, N-type), PESC(Passivated Emitter Solar cell), PERC(Passivated Emitter and Rear cell), PERL(Passivated Emitter Real Locally Diffused) 등의 구조 및 더블 프린팅(Double printing), 듀얼 프린팅(Dual printing) 등 변경된 인쇄 공정에도 모두 적용이 가능하다.
실시예 및 비교예
은 분말 100g을 순수 400mL에 분산시킨 후, 은 분말이 분산된 용액에 옥타데실아민(Octadecylamine) 에탄올 용액 (옥타데실아민 함량 11.25중량%) 2.7g을 첨가하고 4000rpm으로 20분간 교반하여 은 분말을 표면처리한 뒤 교반을 멈추고 혼합액을 원심분리기를 이용하여 여과하였다. 여재를 순수로 세정하고, 70℃에서 12시간 건조하여 1차 표면처리된 은 분말을 얻었다. 이 은 분말을 푸드 믹서기에서 분쇄하고, Jet-mill에서 해쇄하였다.
상기 표면처리된 은 분말 100g을 알코올 400ml과 혼합한 후 실리콘 오일 (Dow coring 의 PMX-200) 2g을 첨가하여 10분간 교반한 후 알코올을 제거하였다. 이후 바인더, 첨가제, 분산제, 레벨링제, 유리 프릿 등을 넣고 삼본밀을 사용하여 분산한 후, 상기 실리콘 오일로 2차 표면처리된 은 분말을 혼합하고 삼본밀을 사용하여 분산하였다. 그 뒤 감압 탈포하여 도전성 페이스트를 제조하였다. 실시예 및 비교예에 사용된 유리 프릿의 성분 및 함량은 표 1과 같고, 제조된 도전성 페이스트의 성분 및 함량은 하기 표 2와 같다.
구성성분(mol%) 실시예 1 비교예 1 비교예 2
PbO 25 20 31
TeO2 32 52.5 35
Bi2O3 7 - 25
SiO2 10 - -
Li2O 12 7 6
Na2O 3 2 3
K2O - - -
ZnO 5 - -
Al2O3 1 - -
TiO2 - 1.5 -
합계 100 100 100
구분 함량(중량부)
은 분말 89.5
유리 프릿 2.5
Ethyl CelluloseEC 0.5
텍사놀 2.5
Butyl cellosolve 2.5
EFKA-4330 0.5
BYK180 0.6
Texanol 2.5
Butyl cellosolve 2.5
Thixatrol ST 0.3
Dimethyl adipate 1.5
실험예
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 도전성 페이스트를 웨이퍼의 전면에 50㎛ 메쉬의 스크린 프린팅 기법으로 패턴 인쇄하고, 벨트형 건조로를 사용하여 200~350℃에서 20~30초 동안 건조시켰다. 이후 웨이퍼의 후면에 Al 페이스트를 인쇄한 후 동일한 방법으로 건조하였다. 상기 과정으로 형성된 셀을 벨트형 소성로를 사용하여 500 ~ 900℃ 사이로 20~30초간 소성을 수행하여 태양전지 셀을 제작하였다.
상기 방법에 의해 제작한 태양전지 셀의 단면에 대하여 30,000배율로 주사전자현미경(SEM) 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 1 내지 3에 나타내었다. 도 1 내지 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1 및 2의 도전성 페이스트를 이용한 태양전지 셀은 재결정이 역피라미드 형태의 은 재결정이 형성되어 종횡비가 큰 것을 확인할 수 있다. 반면, 실시예 1의 도전성 페이스트를 이용한 태양전지 셀은 판상 형태의 은 재결정이 포함하며, 이의 종횡비는 비교예와 비교하여 매우 작은 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1의 은 재결정은 종방향 길이가 각각 53.0nm 및, 75.1nm인데 비하여, 비교예 1 및 2의 은 재결정은 대부분 100nm를 초과하는 종방향 길이를 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 재결정 은의 종횡비는 0.01 내지 0.25의 범위를 만족시키나, 비교예 1 및 2는 재결정 은의 종횡비가 0.25를 크게 초과하여 후술하는 태양전지 특성에 문제를 야기하는 것을 볼 수 있다.
실시예 및 비교예에 의해 따라 제조된 페이스트를 사용하여 제조된 각 태양전지의 단락 전류(Isc), 개방 전압(Voc), 효율(Eff), 충전율 (FF), 직렬 저항(Rs)을 측정하여 표 3에 나타내었으며, 상기 태양전지의 개방 전압(Voc), 표면 재결합 전류밀도(Jo1), 정션 재결합 전류밀도(Jo2) 및 pFF를 측정하여 표 4에 나타내었다.
구분 Isc [A] Voc [V] Eff [%] FF [%] Rs [mΩ]
실시예 1 9.577 0.6632 22.21 81.56 1.1
비교예 1 9.562 0.6617 21.11 81.48 1.1
비교예 2 9.566 0.6632 21.09 81.20 1.0
구분 Voc Jo1 [pA] Jo2 [nA] pFF
실시예 1 0.668 0.18 2.5 0.840
비교예 1 0.665 0.20 5.3 0.835
비교예 2 0.668 0.18 8.5 0.831
표 4에 따르면, 실시예 1은 비교예 1 내지 3에 비해 단락 전류(Isc)가 크고, 충전율(FF)이 높아 효율이 높은 것을 알 수 있다. 또한, 표 5에 따르면 실시예 1은 비교예 1 내지 2에 비해 재결합 특성도 작은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 비교예 1은 Jo1의 재결합 전류가 높아 개방 전압(Voc)이 감소하고, Jo2의 재결합 전류밀도가 높아 충전율 (FF)이 감소함에 따라 셀의 효율이 낮게 나타나는 것을 알 수 있고, 비교예 2는 Jo2의 재결합 전류밀도가 비교예 1과 비교하여도 현저히 높아 셀의 효율이 보다 낮은 것을 알 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 태양전지 전극용 도전성 페이스트에 있어서,
    금속 분말, 유리 프릿, 유기 비히클을 포함하며,
    상기 도전성 페이스트의 소성 시 재결정되는 은 결정의 종횡비는 평균 0.005 내지 0.50 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 은 결정의 종횡비 평균은 0.01 내지 0.25 범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 은 결정의 종방향 길이는 5nm 내지 100nm범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 은 결정의 종방향 길이는 30nm 내지 90nm범위내인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 PbO를 포함하며, 상기 PbO의 함량은 15~29mol%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 TeO2를 포함하며, 상기 TeO2의 함량은 15~34 mol%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 Bi2O3를 포함하며, 상기 Bi2O3의 함량은 6~15 mol%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿은 Li2O를 포함하며, 상기 Li2O의 함량은 5~15mol%인 것을 특징으로 하는 태양전지 전극용 도전성 페이스트.
  9. 제1항의 태양전지 전극용 도전성 페이스트를 인쇄 후 소성하여 제조된 태양전지 전극을 구비한 태양전지.
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