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KR102032280B1 - 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물 - Google Patents

태양 전지의 전극용 페이스트 조성물 Download PDF

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KR102032280B1
KR102032280B1 KR1020130045800A KR20130045800A KR102032280B1 KR 102032280 B1 KR102032280 B1 KR 102032280B1 KR 1020130045800 A KR1020130045800 A KR 1020130045800A KR 20130045800 A KR20130045800 A KR 20130045800A KR 102032280 B1 KR102032280 B1 KR 102032280B1
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South Korea
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solar cell
electrode
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conductive powder
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물은, 전도성 분말; 유리 프릿; 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 전도성 분말이 전체 100 중량부에 대하여 50 중량부 이하로 포함되고, 상기 전도성 분말의 평균 입경이 0.3㎛ 내지 1.0㎛이다.

Description

태양 전지의 전극용 페이스트 조성물{PASTE COMPOSITION FOR FORMING ELECTRODE OF SOLAR CELL}
본 발명은 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양 전지에서는 다양한 층 및 전극을 설계에 따라 형성하는 것에 의하여 제조될 수 있다. 그런데 이러한 다양한 층 및 전극의 설계에 따라 태양 전지 효율이 결정될 수 있다. 태양 전지의 상용화를 위해서는 낮은 효율을 극복하여야 하는바, 다양한 층, 전극 등의 특성을 향상하여 태양 전지의 효율을 최대화하는 것이 요구된다.
그런데, 우수한 특성을 가지는 전극을 형성하기 위해서 전극용 페이스트 조성물의 전도성 분말의 양을 증가시키면 비용이 증가되는 문제가 있었다. 비용을 고려하여 전도성 분말의 양을 감소시키면 저항 특성, 커버링 특성 등이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 우수한 특성을 가지면서 절감된 비용으로 생산할 수 있는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물은, 전도성 분말; 유리 프릿; 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 전도성 분말이 전체 100 중량부에 대하여 50 중량부 이하로 포함되고, 상기 전도성 분말의 평균 입경이 0.3㎛ 내지 1.0㎛이다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은 전도성 분말의 함량을 낮춰 제조 비용을 절감할 수 있다. 그리고 전도성 분말의 평균 입경 및 유리 프릿의 유리 전이 온도를 제어하는 것에 의하여 반도체 기판을 커버링하는 특성을 향상할 수 있고 리본과의 부착 특성 또한 향상할 수 있다. 즉, 전도성 분말의 함량을 낮추면서도 부착 특성은 오히려 향상할 수 있어, 우수한 특성의 전극을 낮은 비용으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 2의 II-II 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 3은 도 1의 태양 전지 모듈에서 하나의 태양 전지를 III-III 선을 따라 잘라서 본 부분 단면도이다.
도 4는 실시예 2에 따른 반도체 기판과 후면 전극의 단면을 촬영한 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5는 실시예 3에 따른 반도체 기판과 후면 전극의 단면을 촬영한 주사 전자 현미경 사진이다.
도 6은 비교예 2에 따른 반도체 기판과 후면 전극의 단면을 촬영한 주사 전자 현미경 사진이다.
도 7은 비교예 3에 따른 반도체 기판과 후면 전극의 단면을 촬영한 주사 전자 현미경 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 및 이의 제조 방법, 그리고 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물을 상세하게 설명한다. 먼저, 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈을 설명하고, 태양 전지의 구조를 설명한 다음, 태양 전지에 적용되는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 2의 II-II 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)은 태양 전지(150), 태양 전지(150)의 전면 상에 위치하는 전면 기판(210) 및 태양 전지(150)의 후면 상에 위치하는 후면 시트(220)을 포함할 수 있다. 또한, 태양 전지 모듈(100)은 태양 전지(150)와 전면 기판(210) 사이의 제1 밀봉재(131)와, 태양 전지(150)와 후면 시트(220) 사이의 제2 밀봉재(132)를 포함할 수 있다.
일례로, 본 실시예에서는 실리콘으로 구성된 반도체 기판(도 3의 참조부호 110)에 p형 및/또는 n형의 불순물층을 형성하여 형성된 실리콘 태양 전지를 태양 전지(150)로 사용할 수 있다. 이를 도 3을 참조하여 상세하게 후술한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 태양 전지(150)는 화합물 반도체 태양 전지(compound semiconductor solar cell), 탠덤형 태양 전지(tandem solar cell), 염료 감응형 태양 전지 등 다양한 구조를 가질 수 있다.
이러한 태양 전지(150)는 복수 개가 리본(142)에 의해 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 태양 전지 스트링(140)을 이룬다. 일례로, 도 2에 도시한 바와 같이, 리본(142)은 태양 전지(150)의 전면 상에 형성된 제1 전극(도 3의 참조부호 24)(전면 전극)과, 인접한 다른 태양 전지(150)의 후면 상에 형성된 제2 전극(도 3의 참조부호 34)(후면 전극)을 태빙(tabbing) 공정에 의해 연결할 수 있다. 태빙 공정은 태양 전지(150)의 일면에 플럭스(flux)를 도포하고, 플럭스가 도포된 태양 전지(150)에 리본(142)을 위치시킨 다음, 소성 과정을 거쳐 수행될 수 있다. 플럭스는 솔더링을 방해하는 산화막을 제거하기 위한 것으로, 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다.
또는, 태양 전지(150)의 일면과 리본(142) 사이에 전도성 필름(미도시)을 부착시킨 다음, 열 압착에 의해 복수의 태양 전지(150)를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 전도성 필름(미도시)은 도전성이 우수한 금, 은, 니켈, 구리 등으로 형성된 도전성 입자가 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 폴리카보네이트 수지 등으로 형성된 필름 내에 분산된 것일 수 있다. 이러한 전도성 필름을 열을 가하면서 압착하면 도전성 입자가 필름의 외부로 노출되고, 노출된 도전성 입자에 의해 태양 전지(150)와 리본(142)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이 전도성 필름(미도시)에 의해 복수의 태양 전지(150)를 연결하여 모듈화하는 경우는, 공정 온도를 저하시킬 수 있어 태양 전지(150)의 휘어짐을 방지할 수 있다.
그리고 버스 리본(145)은 태양 전지 스트링(140)의 리본(142) 양끝단을 교대로 연결하여, 태양 전지 스트링(140)을 전기적으로 연결한다. 버스 리본(145)은 태양 전지 스트링(140)의 단부에서 태양 전지 스트링(140)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치될 수 있다. 이러한 버스 리본(145)은 태양 전지(150)가 생산한 전기를 모으며 전기가 역류되는 것을 방지하는 정션 박스(미도시)와 연결된다.
제1 밀봉재(131)는 태양 전지(150)의 수광면에 위치하고, 제2 밀봉재(132)는 태양 전지(150)의 이면에 위치할 수 있으며, 제1 밀봉재(131)와 제2 밀봉재(132)는 라미네이션에 의해 접착하여, 태양 전지(150)에 악영향을 미칠 수 있는 수분이나 산소를 차단하며, 태양 전지의 각 요소들이 화학적으로 결합할 수 있도록 한다.
이러한 제1 밀봉재(131)와 제2 밀봉재(132)는 에틸렌초산비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등이 사용될 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제1 및 제2 밀봉재(131, 132)는 그 외 다양한 물질을 이용하여 라미네이션 이외의 다른 방법에 의하여 형성될 수 있다.
전면 기판(210)은 태양광을 투과하도록 제1 밀봉재(131) 상에 위치하며, 외부의 충격 등으로부터 태양 전지(150)를 보호하기 위해 강화유리인 것이 바람직하다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.
후면 시트(220)은 태양 전지(150)의 이면에서 태양 전지(150)를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 한다. 후면 시트(220)은 TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 후면 시트(220)는 전면 기판(210) 측으로부터 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 후면 시트(220)가 태양광이 입사될 수 있는 투명 재질로 형성되어 양면 태양 전지 모듈(100)을 구현할 수도 있다.
이하에서는 본 실시예에서 하나의 태양 전지(150)의 구조를 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1의 태양 전지 모듈에서 하나의 태양 전지를 III-III 선을 따라 잘라서 본 부분 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(150)는, 기판(일례로, 반도체 기판)(이하 "반도체 기판")(110)과, 반도체 기판(110)에 형성되는 불순물층(20, 30)과, 불순물층(20, 30)에 전기적으로 연결되는 전극(24, 34)을 포함할 수 있다. 불순물층(20, 30)은 에미터층(20)과 후면 전계층(30)을 포함할 수 있고, 전극(24, 34)은 에미터층(20)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(24)과 후면 전계층(30)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(34)을 포함할 수 있다. 이와 함께 태양 전지(150)는 반사 방지막(22), 패시베이션 막(32) 등을 더 포함할 수 있다. 그리고 전극(24, 34) 상에는 다른 태양 전지(150)와의 연결을 위한 리본(142)이 위치한다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
반도체 기판(110)은, 불순물층(20, 30)이 형성되는 영역과 불순물층(20, 30)이 형성되지 않는 부분인 베이스 영역(10)을 포함한다. 베이스 영역(10)은, 일례로 제1 도전형 불순물을 포함하는 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘으로는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘이 사용될 수 있으며, 제1 도전형 불순물은 일례로 n형 또는 p형일 수 있다. 즉, 베이스 영역(10)은 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소가 도핑된 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또는, 베이스 영역(10)은 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소가 도핑된 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면 및 후면은 텍스쳐링(texturing)되어 요철을 가질 수 있다. 텍스쳐링에 의하여 형성된 요철은 일례로 반도체 기판(110)을 구성하는 반도체의 특정한 면(일례로, 실리콘의 경우에는 (111)면)을 따라 형성될 수 있다. 이에 따라 텍스쳐링에 의한 요철은 피라미드 등의 형상을 가질 수 있다.
이와 같은 텍스쳐링에 의해 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 형성된 요철은 표면 거칠기를 증가시켜, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면을 통하여 입사되는 광의 반사율을 낮출 수 있다. 따라서 반도체 기판(110)과 에미터층(20)의 계면에 형성된 pn 접합까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있어, 광 손실을 최소화할 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면 쪽에는 제2 도전형 불순물을 가지는 에미터층(20)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서 에미터층(20)은 반도체 기판(110)과 반대되는 제2 도전형 불순물을 가진다. 3족 원소 또는 5족 원소의 구체적인 예는 반도체 기판(110)에서 설명하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
본 도면에서는 에미터층(20)은 전체적으로 제2 도전형 불순물의 도핑 농도가 균일한 구조(homogeneous structure)를 가지는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니며 에미터층(20)이 고농도 도핑부와 저농도 도핑부를 가지는 선택적 구조(selective structure)를 가질 수도 있다. 그 외 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
반도체 기판(110) 위에, 좀더 정확하게는 반도체 기판(110)에 형성된 에미터층(20) 위에 반사 방지막(22) 및 제1 전극(24)이 형성된다.
반사 방지막(22)은 제1 전극(24)에 대응하는 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(110)의 전면 전체에 형성될 수 있다. 반사 방지막(22)은 반도체 기판(110)의 전면으로 입사되는 광의 반사율을 감소시키고, 에미터층(20)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화 시킨다.
반도체 기판(110)의 전면을 통해 입사되는 광의 반사율이 낮추는 것에 의하여 반도체 기판(110)과 에미터층(20)의 계면에 형성된 pn 접합까지 도달되는 광량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 태양 전지(150)의 단락 전류(Isc)를 증가시킬 수 있다. 그리고 에미터층(20)에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거하여 태양 전지(150)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 반사 방지막(22)에 의해 태양 전지(150)의 개방 전압과 단락 전류를 증가시켜 태양전지(100)의 효율을 향상할 수 있다.
방사 방지막(22)은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 반사 방지막(22)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, 알루미늄 산화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반사 방지막(22)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다. 그리고 반도체 기판(110)과 반사 방지막(22) 사이에 패시베이션을 위한 별도의 전면 패시베이션 막(도시하지 않음)을 더 구비할 수도 있다. 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
제1 전극(24)은 반사 방지막(22)에 형성된 개구부를 통하여(즉, 반사 방지막(22)을 관통하여) 에미터층(20)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제1 전극(24)은 다양한 물질에 의하여 다양한 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 일례로, 제2 전극(24)은 서로 평행하게 형성되는 복수의 핑거 전극과, 이들을 연결하는 버스바 전극을 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면 쪽에는 반도체 기판(110)보다 높은 도핑 농도로 제1 도전형 불순물을 포함하는 후면 전계층(30)이 형성된다. 본 도면에서는 후면 전계층(30)이 전체적으로 제1 도전형 불순물의 도핑 농도가 균일한 구조(homogeneous structure)를 가지는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니며 후면 전계층(30)이 고농도 도핑부와 저농도 도핑부를 가지는 선택적 구조(selective structure)를 가질 수도 있다. 그 외 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
반도체 기판(110)의 후면에는 패시베이션 막(32)과 제2 전극(34)이 형성될 수 있다.
패시베이션 막(32)은 제2 전극(34)이 형성된 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(110)의 후면 전체에 형성될 수 있다. 이러한 패시베이션 막(32)은 반도체 기판(110)의 후면에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(150)의 개방 전압을 증가시킬 수 있다.
일례로, 패시베이션 막(32)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 패시베이션 막(32)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
제2 전극(34)은 패시베이션 막(32)에 형성된 개구부를 통하여(즉, 패시베이션 막(32)을 관통하여) 후면 전계층(30)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제2 전극(34)은 다양한 물질로 구성되며 다양한 형상을 가질 수 있다.
제1 전극(24)에는 이웃한 태양 전지(150)의 제2 전극(34)과 연결되는 리본(142)이 위치하고, 제2 전극(34)에는 이웃한 다른 태양 전지(150)의 제1 전극(24)과 연결되는 리본(142)이 위치한다. 리본(142)은 제1 또는 제2 전극(24, 34)과 솔더링에 의하여 접합될 수 있다.
상술한 제2 전극(34)은 일례로 전도성 물질을 포함하는 페이스트 조성물을 도포한 후에 소성하여 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 본 실시예에서는 반도체 기판(110)의 후면에도 반사도를 낮추기 위한 텍스쳐링에 의한 요철이 형성된다. 이에 따라 반도체 기판(110)의 요철 때문에 제2 전극(34)이 반도체 기판(110)을 충분하게 덮지 못하여 리본(142)과의 부착이 제대로 일어나지 않는 영역이 발생할 수 있다. 이러한 문제는 제2 전극(34)의 전도성 분말 함량을 줄여 비용을 절감하고자 할 때 더 크게 발생할 수 있다.
이를 고려하여 본 실시예에서는 제2 전극(34)을 형성하기 위한 페이스트 조성물의 특성을 조절하여 제2 전극(34)이 반도체 기판(110)을 충분하게 덮을 수 있도록 한다. 이에 의하여 반도체 기판(110)이 노출되거나, 리본(142)과의 부착 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한다. 이하에서는 낮은 전도성 분말 함량을 가지면서도 반도체 기판(110)에 요철을 충분히 덮을 수 있는 제2 전극(34)용 페이스트 조성물(이하 "페이스트 조성물")에 대하여 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은, 전도성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 포함하고, 기타 첨가제 등을 더 포함할 수 있다.
전도성 분말은 금속, 전도성 고분자 물질 등을 포함할 수 있다. 금속으로는 은, 알루미늄, 금, 구리, 이들 중 하나를 포함하는 합금 등을 사용할 수 있고, 전도성 고분자 물질로는 폴리피롤, 폴리아닐린 등을 사용할 수 있다. 이때, 전도성 분말로는 높은 전기 전도도를 가지며 리본(142)과의 부착 특성도 우수한 은을 사용할 수 있다.
본 실시예에서 전도성 분말은 전극용 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부만큼 포함될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에서는 전극용 페이스트 조성물 내에 포함되는 전도성 분말의 양을 줄여서 생산 단가를 낮추고자 한다. 특히, 전도성 분말로 고가의 은 등을 사용하는 경우에는 전도성 분말을 50 중량부 미만으로 포함하도록 하여 생산 단가를 크게 낮출 수 있다. 이때, 전도성 분말이 30 중량부 미만으로 포함되면 전도성 분말의 양이 너무 적어 제조된 제2 전극(34)의 전기 전도도가 충분하지 않을 수 있다.
이때, 본 실시예에서는 전도성 분말의 평균 입경을 한정하여 요철이 형성된 반도체 기판(110)을 충분하게 커버할 수 있도록 한다. 즉, 전도성 분말의 평균 입경을 조절하여 비표면적을 증가시켜서 전도성 분말을 낮은 함량으로 포함한 경우에도 요철이 형성된 반도체 기판(110)을 충분하게 커버할 수 있도록 한다.
일례로, 전도성 분말의 평균 입경은 0.3㎛ 내지 1.0㎛일 수 있다. 평균 입경이 0.3㎛ 미만인 경우에는, 전도성 분말 사이에 위치하는 공극의 크기가 작아져서 유기물이 들어갈 수 있는 공간이 적어 분산이 원활하지 않을 수 있다. 또한, 전도성 분말 사이의 공극의 크기는 작아지지만 그 공극의 전체 부피비는 커져서 반도체 기판(110)의 거친 표면을 충분하게 커버링하기 어려워진다. 또한, 평균 입경이 0.3㎛ 미만인 전도성 분말은 그 제조가 어려워서 오히려 가격이 비싼 문제가 있다. 그리고 평균 입경이 1.0㎛를 초과하는 경우에는 전도성 분말의 비표면적이 작아 전도성 분말이 낮은 함량으로 포함될 경우에 제2 전극(34)이 반도체 기판(110)을 충분하게 커버링하지 못할 수 있다.
이러한 전도성 분말은 구형 또는 비구형(판형, 종형 또는 플레이크형) 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 여기서, 구형 분말의 경우에는 그 입경을 기준으로, 비구형 분말의 경우에는 장변의 길이를 기준으로 하여 전도성 분말의 평균 입경을 구할 수 있다. 전도성 분말로는 단일 입자를 사용할 수도 있고, 또는 서로 다른 입경 등을 가지는 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 실시예에서 유리 프릿은 리본(142)과의 부착력을 높일 수 있는 유리 전이 온도(Tg)를 가질 수 있다. 즉, 전도성 분말의 함량을 낮추는 대신 유리 프릿의 유리 전이 온도를 조절하여 리본(142)과의 부착력을 향상한다. 좀더 구체적으로는 종래보다 낮은 유리 전이 온도를 가지는 유리 프릿을 사용하여 전도성 분말의 함량의 저하에 따른 부착력 저하를 보상한다.
일례로, 유리 프릿의 유리 전이 온도는 280℃ 내지 350℃일 수 있다. 유리 프릿의 유리 전이 온도가 350℃를 초과하면 리본(142)과의 부착력이 저하될 수 있고, 280℃ 미만이면 쉽게 결정화 되어 유리 상태를 유지하기 어려울 수 있다.
유리 프릿이 상술한 바와 같은 유리 전이 온도를 가지도록 하는 방법으로는 다양한 방법이 있다. 일례로, 유리 프릿의 조성을 제어하는 것에 의하여 원하는 유리 전이 온도를 가질 수 있다. 구체적으로 본 실시예에서는 유리 프릿으로 납(Pb)를 포함하지 않는 무연 유리 프릿을 사용하되, 비스무스(Bi)를 포함하는 물질(일례로, 비스무스, 또는 비스무스를 포함하는 산화물계, 불화물계, 질화물계, 황화물계, 인산염계 물질)을 주 성분으로 포함하고, 그 외에 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 바륨(Ba), 보론(B), 아연(Zn), 인(P), 리튬(Li), 소듐(Na), 텔루륨(Te), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 또는 세륨(Ce), 망간(Mn)를 포함하는 물질(일례로, 이들 원소 또는 이들을 포함하는 산화물계, 불화물계, 질화물계, 황화물계, 인산염계 물질)을 포함한다. 이때, 주 성분이라 함은 최소한 50 중량부 이상으로 포함된 것을 의미하는 것으로서 본 실시예에서는 비스무스를 포함하는 물질을 50 중량부 이상 포함한다.
좀더 구체적으로, 본 실시예에서는 일례로 비스무스를 포함하는 물질(일례로, 비스무스 산화물)을 70 내지 90 중량부로 포함하여 유리 프릿의 유리 전이 온도가 280℃ 내지 350℃되도록 할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 유리 프릿의 유리 전이 온도를 조절할 수 있다.
유리 프릿은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 1 내지 5 중량부만큼 포함될 수 있다. 유리 프릿은 1 내지 5 중량부의 범위 내에서 접착력, 소결성 및 태양 전지(150)의 후가공 공정 특성을 향상할 수 있다.
유기 비히클은 용매에 바인더가 용해된 것일 수 있으며, 소포제, 분산제 등을 더 포함할 수 있다. 용매로는 테르피네올, 카르비톨 등의 유기 용매를 사용할 수 있다. 바인더로는 셀룰로오스 계열의 바인더를 사용할 수 있다.
유기 비히클은 분말은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 45 중량부 내지 69 중량부만큼 포함될 수 있다. 여기서, 유기 비히클이 69 중량부를 초과하여 포함되면, 제2 전극(34)의 전기 전도도가 낮아질 수 있다. 유기 비히클이 45 중량 미만으로 포함되면, 전도성 분말의 양이 상대적으로 많아져서 페이스트 조성물의 비용이 증가될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 유기 비히클의 양은 유리 프릿과 전도성 분말의 양에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
그 외에 첨가제로 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제 등을 더 포함할 수도 있다. 칙소제는 우레아계, 아마이드계, 우레탄계 등의 고분자/유기물이 사용되거나 무기계의 실리카 등이 사용될 수 있다.
이러한 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
바인더를 용매에 용해한 후 프리 믹싱(pre-mixing)하여 유기 비히클을 형성한다. 전도성 분말, 유리 프릿 및 첨가제를 유기 비히클에 첨가하여 일정 시간 동안 숙성(aging) 시킨다. 숙성된 혼합물을 3롤밀(3 roll mill) 등을 통해 기계적으로 혼합 및 분산시킨다. 혼합물을 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 제조한다. 그러나 이러한 방법은 일례로 제시한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 제조된 페이스트 조성물을 반도체 기판(110) 위에 다양한 방법(일례로, 스크린 인쇄 등)에 의하여 도포한 후에 소성하는 것에 의하여 제2 전극(34)을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은 전도성 분말의 함량을 낮춰 제조 비용을 절감할 수 있다. 그리고 전도성 분말의 평균 입경 및 유리 프릿의 유리 전이 온도를 제어하는 것에 의하여 반도체 기판(110)을 커버링하는 특성을 향상할 수 있고 리본(142)과의 부착 특성 또한 향상할 수 있다. 즉, 본 실시예의 페이스트 조성물을 사용하면 전도성 분말의 함량을 낮추면서도 부착 특성은 오히려 향상할 수 있어, 우수한 특성의 제2 전극(34)을 낮은 비용으로 제조할 수 있다. 일례로, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 사용하여 제조된 제2 전극(34)은 인발 시험기에서 5m/sec의 속도로 인발하여 측정한 부착력이 3.78N 이상의 우수한 특성을 가질 수 있다. 일례로, 상기 부착력은 4.75N 내지 4.96N일 수 있다.
상술한 설명에서는 반도체 기판(110)의 후면에 위치하는 제2 전극(34)을 형성하기 위한 페이스트 조성물에 대하여 설명하였다. 이는 반도체 기판(110)의 후면에 위치하는 제2 전극(34)이 제1 전극(24)보다 효율에 미치는 영향이 크지 않을 수 있음을 고려한 것이다. 그러나 본 발명의 페이스트 조성물이 반도체 기판(110)의 전면에 위치하는 제1 전극(24)을 형성하기 위한 페이스트 조성물로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 페이스트 조성물은 그 외의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
용매에 바인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 용매로는 α-테르피네올을 사용하였으며, 바인더로는 셀룰로오스 계열을 사용하였다. 유기 비히클에 전도성 분말, 유리 프릿 및 첨가제를 첨가한 후 혼합하였다. 이를 12 시간 동안 숙성한 후 3롤 밀을 이용하여 2차로 혼합 및 분산하였다. 이를 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 형성하였다.
이때, 페이스트 조성물은, 58 중량부의 유기 비히클, 40 중량부의 전도성 분말, 2 중량부의 유리 프릿을 포함하였다. 전도성 분말은 평균 입경이 0.3㎛인 은 분말을 포함하였고, 유리 프릿은 유리 전이 온도가 326℃였다.
이러한 페이스트 조성물을 인쇄법에 의하여 텍스쳐링에 의한 요철을 가지는 반도체 기판 상에 도포한 후에 소성하여 전극을 형성하였다.
실시예 2
전도성 분말로 사용된 은 분말의 평균 입경이 0.5㎛라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 형성하였다.
실시예 3
전도성 분말로 사용된 은 분말의 평균 입경이 0.8㎛라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 형성하였다.
실시예 4
전도성 분말로 사용된 은 분말의 평균 입경이 1.0㎛라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 형성하였다.
비교예 1
전도성 분말로 사용된 은 분말의 평균 입경이 0.2㎛라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 형성하였다.
비교예 2
전도성 분말로 사용된 은 분말의 평균 입경이 1.5㎛라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 형성하였다.
비교예 3
전도성 분말로 사용된 은 분말의 평균 입경이 3.0㎛라는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 형성하였다.
비교예 4
유리 프릿의 유리 전이 온도가 272℃라는 점을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 후면 전극을 형성하였다.
비교예 5
유리 프릿의 유리 전이 온도가 382℃라는 점을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 후면 전극을 형성하였다.
실시예 1 내지 4, 그리고 비교예 1 내지 5에 따라 형성된 전극에 솔더링에 의하여 리본(60 중량%의 주석 및 40 중량%의 납)을 부착한 다음 인발 시험기(pull test)에서 5m/sec의 속도로 인발하여 부착력을 측정하였다. 그리고 전극이 형성된 부분에서 반도체 기판의 요철이 노출되었는지 여부를 확인하여, 반도체 기판의 요철이 노출되지 않은 경우를 커버링 특성이 양호하다고 판정하고, 반도체 기판의 요철이 일부라고 노출된 경우에는 커버링 특성이 불량으로 판정하였다. 부착력 및 커버링 특성에 대한 결과를 표 1에 나타내었다. 그리고 실시예 2 및 3, 비교예 2 및 3에 따른 반도체 기판과 후면 전극의 단면을 촬영한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도 4 내지 도 7에 각기 나타내었다.
부착력[N] 커버링 특성
실시예 1 3.78 양호
실시예 2 4.75 양호
실시예 3 4.96 양호
실시예 4 4.32 양호
비교예 1 2.24 불량
비교예 2 1.89 불량
비교예 3 0.96 불량
비교예 4 0.87 불량
비교예 5 2.45 불량
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따른 전극은 부착력이 3.78N 이상(특히, 은 분말의 평균 입경이 0.5㎛ 내지 0.8㎛인 실시예 2 및 3의 경우에는 4.75N 이상)의 우수한 값을 가지는 것을 알 수 있다. 반면 비교예 1 내지 5에서는 전극의 부착력이 2.45N 이하로 매우 낮은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 4에서는 반도체 기판의 요철을 전체적으로 우수하게 덮어 커버링 특성이 양호한 반면, 비교예 1 내지 5에서는 반도체 기판의 요철이 외부로 노출되어 커버링 특성이 좋지 않음을 알 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5를 참조하면 실시예 2 및 3에서는 전극이 반도체 기판의 요철을 덮으면서 형성되어 커버링 특성이 우수함을 확인할 수 있다. 반면, 도 6 및 도 7을 참조하면 비교예 2 및 3에서는 반도체 기판의 요철이 외부로 노출되어 전극이 반도체 기판을 전체적으로 덮지 못하는 것을 알 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 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.
150: 태양 전지
110: 반도체 기판
20: 에미터층
30: 후면 전계층
24: 제1 전극
34: 제2 전극

Claims (11)

  1. 전도성 분말;
    유리 프릿; 및
    유기 비히클을 포함하고,
    상기 전도성 분말이 전체 100 중량부에 대하여 50 중량부 이하로 포함되고,
    상기 전도성 분말의 평균 입경이 0.3㎛ 내지 1.0㎛이고,
    상기 전도성 분말은 폴리피롤 또는 폴리아닐린을 포함하며,
    상기 유리 프릿은 비스무스를 포함하는 불화물계, 질화물계, 황화물계 또는 인산염계를 포함하며,
    상기 유리 프릿의 유리 전이 온도(Tg)가 280℃ 내지 350℃인 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 분말의 평균 입경이 0.5㎛ 내지 0.8㎛인 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿이 상기 비스무스를 포함하는 물질을 전체 100 중량부에 대하여 70 내지 90중량부로 포함하는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 분말이 전체 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부로 포함되는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 분말이 은 분말을 포함하는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유리 프릿이 상기 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부로 포함되는 포함하는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유기 비히클이 상기 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 45 내지 69 중량부로 포함되는 포함하는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물이 상기 태양 전지의 후면 전극으로 사용되는 태양 전지의 전극용 페이스트 조성물.
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