KR101339845B1 - Metal Paste Including Metal Nanowires for Electrode of Solar Cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 금속 페이스트는 도전성 금속 입자, 유리 프릿(frit), 금속 나노와이어 및 유기 비히클을 포함하여 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 태양전지의 전면 전극의 제조가 가능하고 생산성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 페이스트를 포함하여 제조된 태양전지 전극은 우수한 전기전도도를 가지면서도 전극에 의한 수광 면적의 감소를 최소화하여 태양전지의 전환효율을 증가시키는 우수한 효과가 있다. The present invention relates to a metal paste for forming a solar cell electrode, and in detail, the metal paste according to the present invention has a high aspect ratio including conductive metal particles, glass frits, metal nanowires, and organic vehicles. It is possible to manufacture the front electrode of the solar cell having a productivity can be improved, the solar cell electrode prepared by including the metal paste has a good electrical conductivity while minimizing the reduction of the light receiving area by the electrode conversion of the solar cell There is an excellent effect of increasing the efficiency.
Description
본 발명은 태양전지의 전극을 형성하기 위한 금속 페이스트에 관한 것으로, 상세하게 수광 면적이 작아지는 손실(shadowing loss)을 최소화하면서 우수한 전기 전도도를 나타낼 수 있는 갖는 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트에 관한 것이다.The present invention relates to a metal paste for forming an electrode of a solar cell, and more particularly to a metal paste for forming a solar cell electrode having an excellent electrical conductivity while minimizing a shadowing loss (shadowing loss). .
최근 전자 산업의 발달에 따라 전자제품 및 소자의 소형화와 높은 신뢰성이 요구됨에 따른 전자제품의 회로 패턴이나 전극 형성을 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다. 그 중에서 금속 페이스트를 사용하는 것이 공정 중 부산물이나 오염물질의 생성을 줄일 수 있어 관심의 대상이 되고 있다. Recently, with the development of the electronic industry, various methods for forming circuit patterns or electrodes of electronic products have been studied as miniaturization and high reliability of electronic products and devices are required. Among them, the use of metal paste is of interest because it can reduce the generation of by-products or contaminants in the process.
태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 기존 에너지 자원의 대체 에너지로서, 태양 빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성한다.Solar cells are abundant in energy resources and have no problems with environmental pollution. As a substitute for existing energy sources, solar cells generate current-voltage using photovoltaic effects that absorb light energy from sunlight to generate electrons and holes.
태양전지는 결정질 태양전지와 박막형 태양전지, 화합물 태양전지, 유기 태양전지로 구분되며, 현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 결정질 실리콘(Si) 태양전지가 실제 태양광 발전에 주로 사용되고 있다.The solar cell is divided into crystalline solar cell, thin film solar cell, compound solar cell and organic solar cell, and it is possible to manufacture np diode-type silicon (Si) single crystal based solar cell with more than 20% light energy conversion efficiency. (Si) solar cells are mainly used for photovoltaic power generation.
상기 태양전지의 효율감소의 여러 가지 원인 중 빛 흡수 손실(Shadowing loss)을 줄이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 빛 흡수 손실은 전면 전극이 태양전지 표면에 인쇄되기 때문에 입사되는 빛을 가리게 되고, 이로 인해 전극의 밑 부분(전극이 인쇄되는 부분)에서는 전자와 전공이 생성되지 못하여 태양전지의 효율을 감소시킨다.Among various causes of efficiency reduction of the solar cell, researches to reduce shadowing loss have been actively conducted. The light absorption loss covers the incident light because the front electrode is printed on the surface of the solar cell, thereby reducing the efficiency of the solar cell because electrons and holes are not generated at the bottom of the electrode (the electrode is printed).
태양전지의 수광면에 형성되는 전면 전극은 일 방향의 띠 형상으로 형성되는 버스 바(bus-bar) 전극과 버스 바 전극의 형성 방향과 직교하는 방향으로 형성되는 핑거(finger) 전극을 포함하여 구성된다. 나아가, 일반적으로 버스 바 전극은 핑거 전극에 비해 20 배 이상의 넓은 면적을 차지하여 핑거 전극과 함께 효율 감소의 큰 원인으로 작용하고 있다.The front electrode formed on the light receiving surface of the solar cell includes a bus bar electrode formed in a band shape in one direction and a finger electrode formed in a direction orthogonal to the direction in which the bus bar electrode is formed. do. Furthermore, in general, the bus bar electrode occupies a 20 times larger area than the finger electrode, and serves as a large cause of efficiency reduction along with the finger electrode.
따라서 전극에 의해 수광 면적이 줄어드는 손실을 줄이기 위해서는 전극을 가늘게 만들어 전극이 차지하는 면적을 줄여야 한다. 하지만 전극을 가늘게 만들면 단면적 감소에 의해 전극의 전기전도도가 낮아져 또 다른 효율 감소의 원인이 된다. 이를 위해, 전극의 종횡비를 높이는 것이 필요하다. 따라서 빛 흡수 손실을 낮춰 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 고 종횡비 (high aspect ratio)를 구현할 수 있는 은 전면 전극 (front silver electrode) 소재 기술 개발이 절실한 실정이다.Therefore, in order to reduce the loss in which the light receiving area is reduced by the electrode, the electrode must be thinned to reduce the area occupied by the electrode. However, the thinner the electrode, the lower the cross-sectional area, the lower the electrical conductivity of the electrode, causing another efficiency reduction. For this purpose, it is necessary to increase the aspect ratio of the electrode. Therefore, in order to increase solar cell efficiency by lowering light absorption loss, development of front silver electrode material technology capable of realizing high aspect ratio is urgently needed.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 빛 흡수 손실(Shadowing loss)이 최소화되는 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트를 제공 하는 것이며, 상세하게는 유변학 특성이 제어되어 인쇄 공정을 이용함으로써 고 종횡비의 전극이 형성되는 금속 페이스트를 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, to provide a metal paste for forming a solar cell electrode that minimizes the light loss (Shadowing loss), in particular the rheological properties are controlled by using a printing process It is an object to provide a metal paste in which high aspect ratio electrodes are formed.
또한, 본 발명은 전극 단면의 종횡비를 높임으로써 수광 면적을 증가시켜 광전변환효율을 극대화한 태양전지용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a solar cell electrode that maximizes the photoelectric conversion efficiency by increasing the light receiving area by increasing the aspect ratio of the electrode cross-section.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 도전성 금속 입자, 유리 프릿, 금속 나노와이어 및 유기 비히클을 포함하는 것을 특징으로 한다. The metal paste according to the invention is characterized in that it comprises conductive metal particles, glass frits, metal nanowires and organic vehicles.
상기 금속 나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 납(Pd)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 복합 성분인 것을 특징으로 한다.The metal nanowires are any one or two or more complex components selected from silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), rhodium (Rh), and lead (Pd).
상기 금속 나노와이어는 0.01㎛ ~ 1㎛의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.The metal nanowires are characterized by having an average diameter of 0.01㎛ ~ 1㎛.
상기 금속 나노와이어는 1㎛ ~ 100㎛의 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.The metal nanowires are characterized by having a length of 1㎛ ~ 100㎛.
본 발명에서 도전성 입자는 태양전지를 포함한 광소자의 전극물질로 통상적으로 사용되는 도전성 물질이면 사용가능하며, 은, 금, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 주석 및 이들의 합금 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함한다. 상기 도전성 금속입자는 플레이크(flake) 형태 또는 구(Spherical) 형태이며, 입자의 입경은 특별히 제한되지 않지만, 소결성에 영향을 미치므로 평균 입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 것이 바람직하다. In the present invention, the conductive particles may be used as long as they are conductive materials commonly used as electrode materials for optical devices including solar cells, and include silver, gold, platinum, copper, aluminum, nickel, iron, cobalt, palladium, tin, and alloy materials thereof. It includes any one or two or more materials selected from. The conductive metal particles are in the form of flakes or spherical, and the particle diameter of the particles is not particularly limited, but the average particle diameter is preferably 0.1 μm to 5 μm because it affects the sinterability.
본 발명에서 유리 프릿은 납산화물 또는 비스무트 산화물을 포함한다. 일예로, SiO2-PbO계, SiO2-PbO-B2O3계 또는 Bi2O3-B2O3-SiO2계 분말 등이 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 상기 유리 프릿의 평균 입경은 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛인 것이 바람직하다.In the present invention, the glass frit includes lead oxide or bismuth oxide. For example, SiO 2 -PbO-based, SiO 2 -PbO-B 2 O 3- based or Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2- based powder, etc. may be used alone or in combination of two or more, It is not limited. It is preferable that the average particle diameter of the said glass frit is 0.1 micrometer-3 micrometers.
본 발명에 따른 금속 페이스트 조성물은 금속 나노와이어가 요변성 부여제로 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량비 함유되는 것을 특징으로 한다.The metal paste composition according to the present invention is characterized in that the metal nanowires are contained in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive metal particles as a thixotropic agent.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 태양전지 전극 형성용 페이스트인 것으로서, 스크린 인쇄공정에 적용하는 것을 특징으로 하며, 이에 한정되지는 않는다. The metal paste according to the present invention is a paste for forming a solar cell electrode, and is applied to a screen printing process, but is not limited thereto.
본 발명에서 유기 비히클은 탄화수소류, 알코올류, 에테르류, 에스테르류, 케톤류 또는 글리콜 용매일 수 있으며, 일예로, 물(water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 이소프로필 알코올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzen), 옥탄올(octanol), 데칸올(decanol), 테르피네올(terpineol), 카르비톨(carbitol), 에틸 락테이트(ethyl lactate), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(dietylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol), 글리세린 (glycerine)으로 이루어진 군으로부터 선택 되어진 용매 또는 하나 이상을 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이때, 바인더 및 요변성 부여제와의 혼화성이 좋고, 인쇄시 빠른 건조를 위하여 뷰틸 카르비톨 아세테이트를 사용하는 것이 가장 바람직하다. In the present invention, the organic vehicle may be hydrocarbons, alcohols, ethers, esters, ketones or glycol solvents, for example, water, ethanol, methanol, isopropyl alcohol , Toluene, benzene, bentan, octanol, decanol, terpineol, terbitol, carbitol, ethyl lactate, ethylene glycol Selected from the group consisting of diethylene glycol, triethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, hexylene glycol, and glycerine It is characterized by consisting of a solvent or a mixture of one or more. At this time, it is most preferable to use butyl carbitol acetate in order to have a good miscibility with the binder and thixotropic imparting agent, and for quick drying during printing.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여, 3 내지 10 중량부의 유리 프릿, 0.5 내지 3 중량부의 바인더, 0.1 내지 10 중량부의 금속 나노와이어 및 10 내지 20 중량부의 유기 용매를 함유하는 것을 특징으로 한다. The metal paste according to the present invention contains 3 to 10 parts by weight of glass frit, 0.5 to 3 parts by weight of binder, 0.1 to 10 parts by weight of metal nanowires and 10 to 20 parts by weight of an organic solvent based on 100 parts by weight of conductive metal particles. It is characterized by.
본 발명은 상기 금속 페이스트 조성물을 포함하는 태양전지 전극을 제공한다.The present invention provides a solar cell electrode comprising the metal paste composition.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 스크린 인쇄법에 의해 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 태양전지의 전면 전극의 제조가 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The metal paste according to the present invention has the advantage of being able to manufacture the front electrode of the solar cell having a high aspect ratio by screen printing method, thereby improving productivity.
또한, 본 발명에 따른 금속 페이스트를 포함하여 제조된 태양전지 전극은 우수한 전기전도도를 가지면서도 전극에 의한 수광 면적의 감소를 최소화하여 태양전지의 전환효율을 증가시키는 우수한 효과가 있다. In addition, the solar cell electrode prepared by using the metal paste according to the present invention has an excellent effect of increasing the conversion efficiency of the solar cell by minimizing the reduction of the light receiving area by the electrode while having excellent electrical conductivity.
도 1은 본 발명에 따른 은 분말 및 은 나노와이어를 포함하는 금속 페이스트의 SEM 사진을 나타낸 것이다. (A: 은 나노와이어 미첨가, B : 은 나노와이어 5중량부 첨가)
도 2는 스크린 인쇄를 통해 비교예 및 실시예의 금속 페이스트로부터 만들어진 전극의 형태를 현미경 사진을 통해 나타낸 것이다. (A: 은 나노와이어 미첨가, B : 은 나노와이어 5중량부 첨가)
도 3는 스크린 인쇄를 통해 비교예 및 실시예의 금속 페이스트로부터 만들어진 전극의 단면을 그래프로 나타낸 것이다. (A: 은 나노와이어 미첨가, B : 은 나노와이어 5중량부 첨가)
도 4은 전면 전극의 고 종횡비를 달성하기 위한 본 발명에 따른 은 나노와이어의 영향을 개략적으로 나타낸 것이다.1 shows an SEM photograph of a metal paste including silver powder and silver nanowires according to the present invention. (A: no silver nanowires added, B: 5 parts by weight of silver nanowires added)
Figure 2 shows through a micrograph the shape of the electrode made from the metal paste of Comparative Examples and Examples through screen printing. (A: no silver nanowires added, B: 5 parts by weight of silver nanowires added)
3 is a graphical representation of a cross section of an electrode made from the metal paste of Comparative Examples and Examples via screen printing. (A: no silver nanowires added, B: 5 parts by weight of silver nanowires added)
4 schematically illustrates the effect of silver nanowires according to the present invention to achieve a high aspect ratio of the front electrode.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 태양전지 전극을 형성하기 위한 금속 페이스트를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것으로, 본 발명이 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, a metal paste for forming a solar cell electrode of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as an example to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art, the present invention is not limited to the drawings presented below may be embodied in other forms, the drawings presented below These may be exaggerated to clarify the spirit of the invention. Also, throughout the specification, like reference numerals designate like elements.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이와 균등하거나 등가적 변형이 가능한 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 수 있다고 할 것이며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. At this time, if there is no other definitions in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning that is commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, various modifications and variations are possible from this description. Therefore, not only the claims to be described later but also all equivalent or equivalent modifications can be said to belong to the scope of the present invention, which may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in the following description and the accompanying drawings. Description of well-known functions and configurations will be omitted.
이하 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
본 발명의 일 양태는 도전성 금속 입자, 유리 프릿, 금속 나노와이어 및 유기 비히클을 포함하는 태양전지용 금속 페이스트 조성물을 제공한다.One aspect of the present invention provides a metal paste composition for a solar cell including conductive metal particles, glass frit, metal nanowires, and an organic vehicle.
상기 도전성 금속 입자는 은, 금, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 주석 및 이들의 합금 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함하며, 태양전지를 포함한 광소자의 전극물질로 통상적으로 사용되는 것이라면 사용 가능하다. 이때, 태양전지의 전면 전극으로 사용되는 경우에는 비저항이 낮은 측면에서 은 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 입자는 플레이크(flake) 형태 또는 구(Spherical)형태이며, 입자의 입경은 특별히 제한되지 않지만, 소결성에 영향을 미치므로 평균 입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 것이 바람직하다. 평균입경이 상기 범위를 벗어날 경우 스크린인쇄 시 망점막힘이 발생하거나, 소성시 페이스트의 낮은 밀도로 인해 전극형태의 불균일을 발생시킬 수 있다.The conductive metal particles include any one or two or more materials selected from silver, gold, platinum, copper, aluminum, nickel, iron, cobalt, palladium, tin, and alloys thereof, and an electrode material of an optical device including a solar cell. As long as it is conventionally used may be used. In this case, when used as a front electrode of the solar cell, it is preferable to include silver particles in terms of low specific resistance. The particles are in the form of flakes or spherical, and the particle size of the particles is not particularly limited, but the particle size is preferably 0.1 μm to 5 μm because it affects the sinterability. If the average particle diameter is out of the above ranges, clogging of the dots may occur during screen printing, or irregularities in the form of electrodes may occur due to the low density of the paste during firing.
본 발명에서 유리 프릿은 납산화물 또는 비스무트 산화물을 포함한다. 일예로, SiO2-PbO계, SiO2-PbO-B2O3계 또는 Bi2O3-B2O3-SiO2계 분말 등이 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 상기 유리 프릿의 평균 입경은 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛인 것이 바람직하며, 함량은 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여 3 내지 10중량부인 것을 특징으로 한다. 상기 유리 프릿은 함량에 따라 융점, 반응성 및 전극의 접촉저항에 영향을 줄 수 있어 상기 범위를 만족하는 것이 좋다. 상기 범위를 벗어날 시 형성된 전극내 전도성 감소 및 소성 후 전극과 웨이퍼 사이의 접촉저항의 감소를 가져올 수 있다.In the present invention, the glass frit includes lead oxide or bismuth oxide. For example, SiO 2 -PbO-based, SiO 2 -PbO-B 2 O 3- based or Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2- based powder, etc. may be used alone or in combination of two or more, It is not limited. It is preferable that the average particle diameter of the said glass frit is 0.1 micrometer-3 micrometers, and content is 3-10 weight part with respect to 100 weight part of electroconductive metal particles. The glass frit may affect the melting point, the reactivity and the contact resistance of the electrode according to the content, and thus satisfies the above range. When it is out of the above range, the conductivity in the formed electrode may be reduced, and the contact resistance between the electrode and the wafer may be reduced after firing.
본 발명에서 유기 비히클은 유기 바인더 및 유기용매를 포함하는 것으로서, 유기 바인더로는 셀룰로오스계 화합물, 바람직하게는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 유기용매로는 탄화수소류, 알코올류, 에테르류, 에스테르류 및 케톤류 화합물에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이거나 글리콜 용매를 사용할 수 있으며, 일예로, 물(water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 이소프로필 알코올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzen), 옥탄올(octanol), 데칸올(decanol), 테르피네올(terpineol), 카르비톨(carbitol), 에틸 락테이트(ethyl lactate), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(dietylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol), 글리세린 (glycerine)으로 이루어진 군으로부터 선택 되어진 용매 또는 하나 이상을 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In the present invention, the organic vehicle includes an organic binder and an organic solvent, the organic binder is a cellulose compound, preferably ethyl cellulose, the organic solvent is hydrocarbons, alcohols, ethers, esters and One or a mixture of two or more selected from ketone compounds or a glycol solvent may be used. For example, water, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, toluene, benzene (benzen), octanol, decanol, terpineol, terpineol, carbitol, ethyl lactate, ethylene glycol, diethylene glycol ), Consisting of triethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, hexylene glycol, glycerine It is characterized by consisting of a solvent or one or more selected from the group.
본 발명에서 유기 비히클은 에틸셀룰로오스를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 에틸셀룰로오스는 5% 함량의 에틸셀룰로오스와 톨루엔과 에탄올을 각 60:40으로 혼합한 용액의 점도를 측정하였을 때, 41~45CP 범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 유기 비히클은 뷰틸카비톨아세테이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the organic vehicle is characterized in that it comprises ethyl cellulose. At this time, the ethyl cellulose is preferably in the range of 41 ~ 45CP when measuring the viscosity of a solution of 5% content of ethyl cellulose, toluene and ethanol at 60:40. In addition, the organic vehicle is characterized in that it comprises butylcarbitol acetate.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여, 3 내지 10 중량부의 유리 프릿, 0.5 내지 3 중량부의 바인더, 0.1 내지 10 중량부의 요변성 부여제 및 10 내지 20 중량부의 유기 용매를 함유하는 것을 특징으로 한다. 이때, 요변성 부여제로는 페이스트화 될 수 있는 범위에서 금속 나노와이어를 사용하는 것을 특징으로 한다.The metal paste according to the present invention contains 3 to 10 parts by weight of glass frit, 0.5 to 3 parts by weight of binder, 0.1 to 10 parts by weight of thixotropy agent and 10 to 20 parts by weight of organic solvent based on 100 parts by weight of conductive metal particles. Characterized in that. At this time, the thixotropic imparting agent is characterized by using a metal nanowire in the range that can be pasted.
상기 조성물 내 도전성 금속 입자 대비 금속 나노와이어의 함량이 증가할수록 종횡비는 증가하나, 10중량부를 초과하면 인쇄공정에 적용하기가 어렵고, 0.1중량부 미만이면 종횡비 개선 효과를 기대할 수 없다. As the content of the metal nanowires increases with respect to the conductive metal particles in the composition, the aspect ratio increases, but when it exceeds 10 parts by weight, it is difficult to apply to the printing process, and when the content is less than 0.1 parts by weight, the aspect ratio improvement effect cannot be expected.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 태양전지 전극 형성용 페이스트인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 스크린 인쇄법을 통하여 태양전지 전극을 형성하기 위한 것이다.The metal paste according to the present invention is characterized in that the paste for forming a solar cell electrode, preferably for forming the solar cell electrode through a screen printing method.
상기 스크린 인쇄법을 이용하여 전극을 형성하는 경우, 페이스트가 스크린 위로 도포되면 점도가 높아지며, 스퀴즈(squeeze)로 100/s 이상의 전단력(shear stress)이 가해지면 고점도에서 저점도 상태로 변하게 된다. 저점도 상태가 되면 스크린 메쉬를 통과하여 기재(substrate)에 인쇄가 이루어지는데, 원형상태(고점도 상태)로 복원되는 시간이 결국 페이스트의 퍼짐성을 결정하여 이로 인한 인쇄된 전극의 종횡비를 결정하게 된다. 따라서, 상기 페이스트의 유변학적 특성을 제어하기 위하여 바인더들 간의 수소결합, 전단응력이 가해졌을 때 상기 수소 결합의 깨짐 정도 및 요변성 부여제와 바인더 간의 상호 결합을 조절하는 것이 중요하다.When the electrode is formed using the screen printing method, the viscosity is increased when the paste is applied onto the screen, and when a shear stress of 100 / s or more is applied by squeeze, the viscosity is changed from the high viscosity to the low viscosity state. When the low viscosity state is passed through the screen mesh is printed on the substrate (substrate), the time to restore to the circular state (high viscosity state) will eventually determine the spread of the paste, thereby determining the aspect ratio of the printed electrode. Therefore, in order to control the rheological properties of the paste, it is important to control the hydrogen bonding between the binders, the degree of breakage of the hydrogen bonds when the shear stress is applied, and the mutual bonding between the thixotropic agent and the binder.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 바람직하게 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose)를 바인더로 함유하고, 금속 나노와이어(metal nanowires)를 요변성 부여제로 함유하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 바인더 및 요변성 부여제와의 혼화성 및 인쇄시 건조 속도를 높이기 위해 뷰틸 카르비톨 아세테이트를 사용하는 것이 바람직하다. The metal paste according to the present invention is preferably characterized by containing ethyl cellulose as a binder and metal nanowires as a thixotropic imparting agent. In addition, it is preferable to use butyl carbitol acetate in order to increase the miscibility with the binder and thixotropic imparting agent and to increase the drying speed in printing.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 금속 나노와이어를 함유하여 유변성을 정밀 제어할 수 있어 고속 대면적 인쇄, 인쇄 패턴의 끊김 현상 방지 및 전단력 변화에 따른 페이스트의 점성 변화속도를 조절하여 퍼짐성을 적절하게 유지할 수 있다.The metal paste according to the present invention contains metal nanowires to precisely control the rheology so that the spreadability can be properly maintained by controlling the viscosity change rate of the paste according to high speed large area printing, preventing breakage of the printing pattern, and changing the shear force. Can be.
특히, 본 발명에 따른 금속 페이스트를 사용하여 제조되는 전극의 종횡비는 0.25 내지 0.5 인 것을 특징으로 한다. 상기 전극 종횡비는 전극의 선고를 전극의 선폭으로 나눈 값으로, 상기 범위를 벗어나면 본 발명에서 목적하고자 하는 효과를 달성하기 어렵다.In particular, the aspect ratio of the electrode produced using the metal paste according to the present invention is characterized in that 0.25 to 0.5. The electrode aspect ratio is a value obtained by dividing the line height of the electrode by the line width of the electrode. If the electrode aspect ratio is out of the range, it is difficult to achieve the desired effect in the present invention.
본 발명에 따른 금속 페이스트는 인쇄법을 통해 태양전지용 전극을 형성하는데 이용된다. 본 발명은 바람직하게 스크린 인쇄법을 이용한 상기 금속 페이스트를 포함하는 전면 전극을 구비된 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지의 전면 전극은 0.25 내지 0.5의 높은 종횡비를 가져 수광 면적 감소가 최소화되면서도 높은 전기 전도도를 가진다. 또한, 본 발명에 따른 태양전지는 광전효율이 매우 우수한 이점이 있다.
The metal paste according to the present invention is used to form a solar cell electrode through a printing method. The present invention preferably provides a solar cell provided with a front electrode including the metal paste using a screen printing method. The front electrode of the solar cell has a high aspect ratio of 0.25 to 0.5 and has a high electrical conductivity while minimizing the light receiving area. In addition, the solar cell according to the present invention has the advantage that the photoelectric efficiency is very excellent.
이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
The following is described by way of example for the detailed description of the invention, the invention is not limited to the following examples.
본 발명에서 실시예 및 비교예에서 제조된 금속 페이스트에 대한 유변학 특성은 Anton Paar 사의 Physica MCR 301 Rheometer를 사용하여 측정하였다. 점도(Viscosity), 요변성 계수(Thixotropy Index)는 ASTM D4065, D4440, D5279에 따라 측정되었으며, 전단 속도(Shear rate) 10/s, 100/s으로 변화시키면서 제조된 페이스트의 점도를 측정하였다. 비교예 1은 25℃, 10/s에서 87,200 cP, 100/s에서 14,000 cP로 요변성 계수 6.23이었으며, 실시예 1은 10/s에서 103,000 cP, 100/s에서 16,000 cP로 요변성 계수 6.44, 실시예 2는 10/s에서 126,000 cP, 100/s에서 19,500 cP로 요변성 계수 6.46으로 측정되었다.
Rheological properties of the metal pastes prepared in Examples and Comparative Examples in the present invention were measured using a Physica MCR 301 Rheometer from Anton Paar. Viscosity and Thixotropy Index were measured according to ASTM D4065, D4440 and D5279, and the viscosity of the prepared paste was measured while changing the shear rate to 10 / s and 100 / s. Comparative Example 1 had a thixotropic coefficient of 6.23 at 25 ° C. and 10 / s of 87,200 cP and 100 / s of 14,000 cP. Example 2 measured a thixotropic coefficient of 6.46 at 126,000 cP at 10 / s and 19,500 cP at 100 / s.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
에틸셀룰로오스(ETHOCEL STD45, Dow사) 5 g 및 뷰틸카비톨아세테이트(P537535,99.2%, sigma aldrich사) 95 g을 혼합하여 80 ℃에서 2시간 동안 교반하여 유기 비히클(vehicle)을 제조하였다.5 g of ethyl cellulose (ETHOCEL STD45, Dow) and 95 g of butylcarbitol acetate (P537535,99.2%, sigma aldrich) were mixed and stirred at 80 ° C. for 2 hours to prepare an organic vehicle.
하기 표 1의 비교예 1 조성과 같이 평균 입경이 1.5 ㎛인 은 입자 및 유리 프릿(2172, VIOX사)을 상기 유기 비히클과 혼합하여 30분 동안 교반하였으며, 교반 후, 3-롤 밀(3-Roll mill)을 이용하여 30분 동안 밀링하여 금속 페이스트를 제조하였다.
As shown in the composition of Comparative Example 1 in Table 1, silver particles having a mean particle size of 1.5 μm and glass frit (2172, VIOX) were mixed with the organic vehicle and stirred for 30 minutes, and after stirring, a 3-roll mill (3- Roll mill was used for 30 minutes to prepare a metal paste.
(실시예 1)(Example 1)
평균길이 5.5 ㎛, 두께 0.037 ㎛인 은 나노와이어(제품명 : SNW-004e-03, N&B사)를 하기 표 1에서와 같이 조성물 내 은 분말의 함량 대비 0.25 % 첨가한 것 이외에, 비교예1과 동일한 방법으로 제조하였다.Silver nanowires having an average length of 5.5 μm and a thickness of 0.037 μm (product name: SNW-004e-03, N & B Co., Ltd.) were the same as in Comparative Example 1, except that 0.25% of the silver powder was added in the composition as shown in Table 1 below. It was prepared by the method.
(실시예 2)(Example 2)
평균길이 5.5 ㎛, 두께 0.037 ㎛인 은 나노와이어를 하기 표 1에서와 같이 조성물 내 은 분말의 함량 대비 0.5 % 첨가한 것 이외에, 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
Silver nanowires having an average length of 5.5 μm and a thickness of 0.037 μm were prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5% of the silver nanowires were added in the composition as shown in Table 1 below.
도 1은 본 발명에 따른 은 분말 및 은 나노와이어를 포함하는 금속 페이스트의 SEM 사진을 나타낸 것(A: 은 나노와이어 미첨가, B : 은 나노와이어 5중량부 첨가)으로, 금속 나노와이어가 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여 5중량부 첨가된 것(B)은 금속 나노와이어가 첨가하지 않은 것(A)에 비하여 입자사이에 금속나노와이어가 걸쳐 있어 입자간의 물리적 결합력을 보다 상승시킬 수 있으며, 이는 도 4에서 상기 금속페이스트를 인쇄 시 높은 전단력 구간에서 점도가 감소될 때 금속나노와이어로 인해 형상을 유지할 수 있음을 개략적으로 나타낸 것을 통해 확인할 수 있다. 또한, 도2 및 3에서 금속나노와이어를 첨가하지 않은 것(A)보다 금속 나노와이어가 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여 5중량부 첨가된 것(B)은 전체적인 단면적 및 인쇄성이 증가하였음을 육안으로도 확인할 수 있었으며, 인쇄된 전극의 선폭 및 선고는 (A):82㎛/16㎛(종횡비 : 0.195), (B):80㎛/33㎛(종횡비 : 0.401)으로 종횡비가 증가하였다. 1 is a SEM photograph of a metal paste including silver powder and silver nanowires according to the present invention (A: no silver nanowires, B: 5 parts by weight of silver nanowires), wherein the metal nanowires are conductive 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal particles (B) is a metal nanowires interspersed between the particles compared to the (A) is not added to the metal nanowires, it is possible to further increase the physical bonding force between the particles, This can be confirmed by schematically showing that the metal paste can maintain its shape due to metal nanowires when the viscosity is reduced in a high shear force section when printing the metal paste in FIG. 4. 2 and 3, the addition of 5 parts by weight of the metal nanowires to 100 parts by weight of the conductive metal particles (B) increased the overall cross-sectional area and printability compared to the one without addition of the metal nanowires (A). It was also visually confirmed, and the line width and line height of the printed electrode were (A): 82 μm / 16 μm (aspect ratio: 0.195) and (B): 80 μm / 33 μm (aspect ratio: 0.401).
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 금속 페이스트를 이용하여 80 ㎛의 선폭을 갖는 스크린을 이용하여 인쇄 및 소성 후 광전변환효율을 측정한 후, 그 결과를 상기 표 2에 나타내었다. 이를 살펴보면, 은 나노와이어가 금속 페이스트에 도입되면서 전극 단면의 종횡비가 증가하여 Rs가 감소하였다. 또한 수광 면적의 증가로 인한 Isc 값이 상승하였고, Rs 값의 감소로 인한 fill factor 값의 증가와 Isc 값의 상승으로 광전변환효율이 증가함을 확인할 수 있었다. After measuring the photoelectric conversion efficiency after printing and firing using a screen having a line width of 80 ㎛ using the metal paste prepared in Examples and Comparative Examples, the results are shown in Table 2 above. Looking at this, as the silver nanowires are introduced into the metal paste, the aspect ratio of the electrode cross-section increases and Rs decreases. In addition, the Isc value increased due to the increase of the light receiving area, and the photoelectric conversion efficiency increased with the increase of the fill factor value and the Isc value due to the decrease of the Rs value.
Claims (12)
상기 도전성 금속입자는 은, 금, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 주석 및 이들의 합금 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 물질인 스크린 인쇄용 태양전지 금속 페이스트 조성물.The method of claim 1,
The conductive metal particles are silver, gold, platinum, copper, aluminum, nickel, iron, cobalt, palladium, tin, and any one or two or more materials selected from the alloy materials thereof Screen printing solar cell metal paste composition.
상기 유리 프릿은 납산화물, 비스무트 산화물 및 이들의 혼합물을 포함하는 스크린 인쇄용 태양전지 금속 페이스트 조성물.The method of claim 1,
The glass frit includes a lead oxide, bismuth oxide and a mixture thereof.
상기 금속 나노 와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 납(Pd)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 복합 성분인 스크린 인쇄용 태양전지 금속 페이스트 조성물.The method of claim 1,
The metal nanowires are any one or two or more composite components selected from silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), rhodium (Rh), and lead (Pd).
상기 금속 나노와이어는 도전성 금속 입자 100중량부에 대하여 0.1 내지 10중량비를 갖는 스크린 인쇄용 태양전지 금속 페이스트 조성물.The method of claim 1,
The metal nanowire is a solar cell metal paste composition for screen printing having a ratio of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive metal particles.
상기 유기 비히클은 에틸셀룰로오스를 포함하는 스크린 인쇄용 태양전지 금속 페이스트 조성물.The method of claim 1,
The organic vehicle is a solar cell metal paste composition for screen printing containing ethyl cellulose.
상기 유기 비히클은 뷰틸카비톨아세테이트를 포함하는 스크린 인쇄용 태양전지 금속 페이스트 조성물.The method of claim 1,
The organic vehicle is a solar cell metal paste composition for screen printing containing butyl carbitol acetate.
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