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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.4 pp.227-234
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.4.227

Improvement of Solar Cell Efficiency by Modification of Cellulose Acetate Propionate for Ag paste

Dong Min Kim1, Jong Chan Lim2, Jin Hyun Kim2, Sang-Ho Cha3, Jong-Chan Lee1
1Department of Chemical and Biological Engineering, Seoul National University, Gwanak-ro 1, Gwanak-gu, Seoul 08826, Korea
2Daejoo Electronic Materials Co., LTD., 148, Seohaean-ro, Siheung-si, Gyeonggi-do, Korea
3Department of Chemical Engineering, Kyonggi University, 154-42, Gwanggyosan-ro, Yeongtong-gu, Suwon, Gyeonggi 16227, Korea
Corresponding author E-Mail : jongchan@snu.ac.kr (J.-C. Lee, Seoul Nat’l Univ.) E-Mail : sanghocha@kyonggi.ac.kr (S.-H. Cha, Kyonggi Univ.)
October 20, 2017 March 20, 2018 March 20, 2018

Abstract


We investigate the effect of the modification of cellulose acetate propionate as an organic vehicle for silver paste on solar cell efficiency. For the modification of cellulose acetate propionate, poly(ethylene glycol) is introduced to the hydroxyl groups of a cellulose acetate propionate backbone via esterification reaction. The chemical structure and composition of poly(ethylene glycol) functionalized cellulose acetate propionate is characterized by Attenuated total reflectance Fourier transform infrared, 1H nuclear magnetic resonance, differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis. Due to the effect of structural change for poly(ethylene glycol) functionalized cellulose acetate propionate on the viscosity of silver paste, the solar cell efficiency increases from 18.524% to 18.652 %. In addition, when ethylene carbonate, which has a structure similar to poly(ethylene glycol), is introduced to cellulose acetate propionate via ring opening polymerization, we find that the efficiency of the solar cell increases from 18.524% to 18.622%.



전극용 Ag Paste의 Cellulose Acetate Propionate(CAP) 개질에 따른 태양전지 효율 향상

김 동민1, 임 종찬2, 김 진현2, 차 상호3, 이 종찬1
1서울대학교 화학생물공학부
2대주전자재료
3경기대학교 화학공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    전극을 인쇄할 때 사용되는 실버 페이스트의 조성은 태 양전지 효율에 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나이다. 일반적으로 실버 페이스트는 금속분, 유전체분말, 산화물 분말 등의 기능성 원료, 실리콘 웨이퍼와의 접착력을 높 이는 바인더, 그리고 용제 및 첨가제들로 이루어져 있 다. 페이스트는 태양전지의 효율에 직접적으로 영향을 주 는 중요한 요소이기 때문에 관련 연구를 진행하고 있는 대부분의 기업에서 그 구성성분은 기밀로 다루고 있으 며 이에 따라 페이스트에 관한 연구는 많은 어려움을 수 반하고 있다.1)

    실버페이스트의 구성은 크게 은 분말, 무기 필러와 같 은 무기 성분과 유기 비히클, 용제와 같은 유기성분의 두 그룹으로 구분할 수 있다. 이중 상대적으로 구성 비 율이 높은 무기 성분에 대한 연구는 활발히 진행되고 있 는 반면 유기성분 구성비와 실버페이스트의 물성과의 상 관관계와 같은 유기 성분에 관한 체계적인 연구는 아직 까지 미비한 실정이다.2-5) 현재까지 밝혀진 바에 따르면 유기 성분 중 유기 비히클은 실버 페이스트의 점도에 결 정적으로 영향을 준다고 알려져있다.6) 또한 은 분말 사 이의 뭉치려는 성질을 저하시켜 인쇄 성능을 향상시키 며,7) 무기 분말의 적심을 증가시켜 점성에 영향을 준다 고 알려져 있다.8)

    본 연구에서는 유기 비히클로 광범위하게 사용되고 있 는 cellulose acetate propionate(CAP) 기반의 새로운 유 기 비히클을 합성하고 이를 포함하는 실버 페이스트를 제조하여 유기 비히클의 구성성분이 태양전지의 효율에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 새로운 유기 비히클의 합성을 위해 CAP 주쇄에 있는 수산화기를 반응 시작점 으로 하였으며, 에스터화 반응과 개환중합 반응을 이용하 여 ethylene glycol(EG) 작용기와 ethylene carbonate(EC) 작용기를 각각 도입하였다. 첫 번째 에스터화 반응의 경 우 poly(ethylene glycol)(PEG) 그룹을 N,N'-Dicyclohexylcarbodiimide( DCC)와 4-(Dimethylamino)-pyridine(DMAP) 촉매를 사용하여 CAP 주쇄에 도입하였다. 두 번째 개 환중합의 경우에는 potassium hydroxide(KOH) 촉매를 이용하여 EC 고리형 단위체를 CAP 주쇄에 도입하였다. 반응의 성공 여부는 1H NMR, 13C NMR, FT-IR 등 다 양한 분석 장비를 사용하여 정량적으로 분석하였다.

    개질하기 전 CAP와 PEG로 개질된 CAP-PEG, 그리고 EC로 개질된 CAP-EC의 유기 비히클을 각각 이용하여 3종류의 실버 페이스트를 제조하였다. 실버 페이스트의 분당 회전수에 따른 점성을 측정하여 유기 비히클의 종 류에 따른 점도 변화를 분석하였으며, 이를 통해 실버 페이스트에서 유기 비히클의 역할을 규명하였다. 또한 제 조한 3가지 종류의 실버 페이스트를 각각 이용하여 태 양전지 셀을 제조한 후 태양전지의 여러가지 특성변화 (Voc, fill factor(FF), Isc, 효율)를 측정하였다. 이를 통해 유기 비히클의 개질 여부에 따른 실버페이스트의 물성 변화가 태양전지 셀의 효율에 미치는 영향을 확인하였다.

    2. 연구 방법

    본 연구는 결정질 실리콘 태양전지의 유기 비히클로 광 범위하게 사용되는 cellulose acetate propionate(CAP, Sigma-Aldrich, Mn = 75,000 g/mol)를 시작물질으로 선정 하였다. PEG를 이용한 CAP 개질을 위하여 다음의 방 법으로 우선 도입물질을 합성하였다. Polyethylene glycol monomethyl ether 750(mPEG, TCI, 22.5 g, 30 mmol)와 succinic anhydride(SA, Sigma-Aldrich, 3.6 g, 36 mmol) 를 tetrabutylammonium bromide(TBAB, Sigma-Aldrich, 0.172 g, 0.532 mmol) 촉매와 함께 tetrahydrofuran(THF, 30 ml)에 녹인 후 24시간 환류반응시켰다. 그 후 증발기 에서 용매를 모두 증발시키고 유리필터를 통해 침전물 을 제거하였다. 반응하지 않은 단위체를 제거하기 위해 메틸렌 클로라이드와 염산 수용액(1N)을 이용하여 추출 하였다. 황산마그네슘을 이용하여 유기층의 수분을 제거 한 후 증발기를 이용하여 용매를 제거하였다. 이를 통 해 최종 결과물인 α-monocarboxy-ω-monomethoxy poly (ethylene glycol)(FmPEG)를 합성하였다. 이에 대한 합성 과정을 Fig. 1(a)에 나타내었다.

    본 연구에서는 CAP 개질을 위해 두 가지 작용기를 각 각 도입하는 반응을 진행하였다. 첫 번째로 CAP(2 g, 2.24 mmol)와 위에서 합성한 FmPEG(2.95 g, 2.47 mmol) 를 N,N’-dicyclohexyl-carbodiimide(DCC, Sigma-Aldrich, 0.46 g, 2.24 mmol)와 4-(dimethylamino)pyridine(DMAP, Thermo Fisher, 0.07 g, 0.56 mmol)의 촉매와 함께 THF (60 ml)에 녹인 후 환류조건에서 24시간 반응하였다. 반 응 후 DCC의 에스터화 반응 부산물인 diclyclohexylcarbodiurea( DCU)는 유리필터를 통해 제거하였다. 그 후 이소프로필알코올과 헥세인 1 : 1 부피비율을 갖는 용매 를 이용한 침전과정을 통해 FmPEG, DCC, DMAP을 제 거하였다. 침전물을 동결건조하여 최종 결과물인 CAP 주 쇄에 FmPEG가 도입된 CAP-g-poly(ethylene glycol)(CAPPEG) 고분자를 합성하였다[Fig. 1(b)]. 두 번째 개질반응 은 CAP(2 g, 2.24 mmol)와 ethylene carbonate(EC, Sigma- Aldrich, 1 g, 11.36 mmol)를 potassium hydroxide(KOH, DC chemical, 0.06 g, 0.53 mmol) 촉매 조건에서 dimethylacetamide( DMAc, 50 ml)에 녹여 130도 조건에서 1시 간 반응하였다. 반응 후 유리필터를 통해 KOH를 제거 하였으며, 과량의 이소프로필알코올 용매에 대한 침전과 정을 이용하여 미반응 ethylene carbonate(EC)를 제거하 였다. 침전물을 동결건조하여 최종 결과물인 CAP 주쇄 에 EC가 도입된 CAP-g-ethylene carbonate(CAP-EC) 고 분자를 합성하였다[Fig. 1(c)].

    합성한 FmPEG 및 CAP-PEG, CAP-EC 고분자의 분 석을 위하여 아래의 분석법들을 사용하였다. 먼저 양성 자 핵자기 공명 분광법(1H nuclear magnetic resonance, 1H NMR, AscendTM 400 spectrometer, 300 MHz)을 이용하였다. FmPEG, CAP, CAP-PEG 3개의 1H NMR를 이용한 분석을 위해 양성자가 중수소로 치환된 deuterated chloroform(CDCl3, Cambridge Isotope Laboratories) 용 매를 사용하였다. 그리고 CAP-EC의 1H NMR 분석은 deuterated DMSO 용매를 이용하여 진행하였다. 또한 고 체상 핵자기 공명 분광기(solid 13C nuclear magnetic resonance, Bruker Avance 2, German, 500 MHz)를 사 용하였다. Attenuated total reflectance Fourier transform infrared(ATR FT-IR, Jasco FT-IR 200) 분석은 파수 4000 에서 650 cm−1 범위에서 4 cm−1 해상도로 측정하였다. 분 자량 측정을 위한 겔 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC)는 Waters사의 515 HPLC 펌프, Polymer Laboratories사의 컬럼(PLgel 5.0 μm guard, MIXED-C, and MIXED-D), Viscotek사의 LR125 레이 저 굴절계를 이용하여 측정하여 Omnisec 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. 열적 분석을 위한 열중량분석법 (thermogravimetric analysis, TGA, TA Instruments, Q- 5000IR)은 질소 흐름 조건에서 120 °C에서 10분간 물을 증발시킨 후, 500 °C 까지 10 °C/min의 속도로 온도를 올리며 시료의 무게를 측정하였다. 또한 시차 주사 열 량측정법(differential scanning calorimetry, DSC, TA Instruments, DSC-Q1000)은 질소 흐름 조건에서 −50 °C에 서 시작하여 250 °C까지 가열한 후 다시 −50 °C로 냉각 시키는 사이클을 2번 진행하였다. 가열과 냉각은 모두 10 °C/min의 속도로 진행하였다.

    CAP와 합성한 CAP-PEG, CAP-EC를 유기 비히클로 이용하여 실버 페이스트를 제조하였다. 제조는 일반적으 로 알려진 실버페이스트 제조법을 사용하였으며, 로진으 로 사용되는 ST-10(11.25 wt%), SPAD-002(7.5 wt%), TXIB (0.7 wt%), Texanol(29.67 wt%), BCA(43.16 wt%), DCR (3.97 wt%), 유기 비히클(3.75 wt%)을 혼합하여 사용하였 다. 제조한 실버 페이스트를 스크린 프린팅 방법을 통 해 다결정 실리콘 웨이퍼 위에 도포한 후, 800 °C의 고 온에서의 소성공정을 통해 전극에 코팅했다. 태양 전지 의 효율 측정은 Oriel社 Sol3A 모델을 사용하였으며, 태 양광과 유사한 Xe lamp를 8초간 가하여 효율을 측정하 였다. 측정된 6인치 태양광 셀의 전체 면적은 243.5 cm2 이다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 Cellulose acetate propionate-g-poly(ethylene glycol) 합성

    mPEG를 CAP의 주쇄에 도입하기 위하여 TBAB 촉매 를 이용하여 mPEG 말단의 수산화기를 succinic anhydride 와 반응시켜 카르복시기로 치환하는 반응을 진행하였 다.9,10) 위의 반응을 통해 합성된 FmPEG는 Fig. 2(a)1H NMR에서 새로 생성된 카르복시기의 피크인 ‘a’가 검 출되는 것을 통해 확인하였다. 합성된 FmPEG는 DCC/ DMAP 촉매를 이용한 에스터화 반응을 통해 CAP에 도 입하여 CAP-PEG를 합성하였다. 합성된 CAP-PEG는 다 음의 다양한 장비들을 사용하여 화학적 구조, 성분 그 리고 물성을 분석하였다.

    먼저 Fig. 2(b)1H NMR 데이터를 이용하여 CAP 구성성분인 x와 y의 상대적 비율을 계산하였다. 다음 식 을 사용하여 ‘a’ 피크의 프로피오닐기 적분값(Ia)과 ‘c’ 피 크의 CAP 주쇄 적분값(Ic)을 통해 CAP에 포함되어 있 는 프로피오닐기의 비율인 치환도(DSCAP)를 얻었다.11)

    I a / 3 I c / 7 = DS CAP
    (1)

    또한 x 그룹에 3개의 프로피오닐기와 y 그룹에 2개의 프로피오닐기가 있으므로, 다음 식을 통해 x와 y의 상 대적인 비율을 계산할 수 있다.

    3 x + 2 y = DS CAP ( x + y )
    (2)

    계산결과 본 연구에서 사용한 CAP는 cellulose주쇄에 2.65개의 프로피오닐기를 포함하고 있으며(DSCAP= 2.65), 수산화기의 비율을 의미하는 x와 y의 상대적인 비율은 1 : 0.54임을 알 수 있다.

    CAP-PEG 합성을 위해 DCC/DMAP 촉매를 이용한 에 스터화 반응을 통해 FmPEG를 CAP에 도입하였다. Fig. 2(c)1H NMR 데이터에서 ‘c’와 ‘d’ 피크의 검출을 통 해 FmPEG 도입 반응이 성공적으로 진행되었음을 확인 하였다. 또한 FmPEG의 CAP로의 도입 비율인 개질 치 환도(DSFmPEG)를 계산하기 위해 ‘c’ 피크의 적분값을 다 음의 식에 활용하였다.

    DS FmPEG = I c I a × DS CAP
    (3)

    또한 Fig. 2(c)의 CAP-PEG 화학구조에서 볼 수 있듯 이, x 그룹에는 3개의 프로피오닐기, y 그룹에는 2개의 프로피오닐기, 그리고 z 그룹에는 2개의 프로피오닐기가 있으므로 다음 식을 통해 x : y : z 비율을 계산할 수 있다.

    3 x + 2 y + 2 z = DS CAP ( x + y + z )
    (4)
    z=DS FmPEG ( x + y + z )
    (5)

    이를 통해 계산된 DSFmPEG는 0.04이며, x : y : z = 100 : 47 : 7임을 알 수 있다. 즉 연구방법에서 제시한 개질조 건 하에서 CAP 주쇄의 수산화기를 포함하고 있는 y그 룹 54개 중 7개가 FmPEG로 개질되었다. 정확한 분석을 위해 1H NMR과 더불어 GPC, FT-IR, DSC 및 TGA 분석도 수행하였다. GPC 분석을 통해 GPC 피크 형태 의 변화 없이 CAP-PEG의 분자량이 기존 CAP의 75,000 에 비해 88,000으로 증가함을 알 수 있다. 이는 FmPEG 의 도입으로 인해 CAP의 회전 반지름이 증가되었으며 또한 개질반응의 조건하에서 CAP의 주쇄의 분해는 발 생하지 않았음을 의미한다.

    Fig. 3(a)의 FT-IR을 이용한 분석에서 수산화기는 3,500 cm−1 Wavenumbers 에서 수산화기가 검출된다. 개질된 CAP-PEG의 경우 수산화기의 세기가 CAP에 비해 상대 적으로 감소함을 확인할 수 있는데 이를 통해 FmPEG 의 도입이 성공적으로 진행되었음을 알 수 있다. Fig. 3(b)의 DSC 데이터를 살펴보면 유리전이온도(Tg)가 개질 전 CAP에서는 135.6 °C인 것에 비해, 개질 후 CAPPEG에서는 68.3 °C로 감소된 것을 확인할 수 있다.12,13) 또한 197.8 °C에서 확인되는 CAP의 녹는점(Tm)이 CAPPEG에서는 사라지는 것을 알 수 있다. 이는 CAP 주쇄 에 유연한 PEG 사슬이 도입됨에 따라 CAP 주쇄의 상 호작용이 약해졌을 뿐 만 아니라 CAP의 결정성 구조가 비결정성 구조로 변화되었기 때문이라고 판단된다. Fig. 3(c)의 TGA 데이터를 살펴보면 약 350 °C에서 분해가 시작되는 CAP에 비해, FmPEG로 개질된 CAP-PEG의 경우 이보다 더 낮은 300 °C 가량에서 분해가 시작되는 것을 확인할 수 있다. 이는 CAP 주쇄에 비해 열적 안 정성이 낮은 FmPEG의 분해가 더 낮은 온도에서 시작 되기 때문이라고 판단된다.

    3.2 CAP-PEG가 첨가된 태양전지의 효율 측정

    태양전지 전극을 인쇄하는데 사용되는 실버 페이스트 에는 유기 비히클이 첨가되며, 일반적으로 CAP가 사용 된다. 이를 바탕으로 개질하기 전의 CAP를 이용하여 제 조한 실버페이스트인 paste-CAP와 앞에서 CAP를 개질 하여 합성한 CAP-PEG를 이용하여 제조한 paste-CAPPEG의 물성을 비교해보았다.

    Table 2에 paste-CAP와 paste-CAP-PEG의 rpm에 따 른 점도를 비교하여 나타내었다. 1 rpm에서 100 rpm으 로 분당 회전수가 증가함에 따라, CAP를 이용하여 제 조한 paste-CAP의 점도는 증가하다가 감소하는 경향을 가진다. 이에 비해 PEG를 개질한 CAP로 제조한 paste- CAP-PEG는 분당 회전수가 증가함에 따라 점도가 점차 감소하는 경향을 보인다. 스크린 프린팅 방법으로 전극 을 인쇄할 때에는 일반적으로 일정한 그물 크기의 메쉬 위에 실버 페이스트를 올리고 스퀴징 방식으로 짜내듯 이 인쇄한다. 이 때 높은 rpm에서는 낮은 점도를 가져 스퀴징할 때 메쉬를 잘 투과하고, 낮은 rpm에서는 높은 점도를 가져 인쇄된 실리콘 웨이퍼 위에서 직사각형 형 태의 전극 형상을 잘 유지하는 것이 태양전지 효율을 높 이는데 중요하다.14) 따라서 분당회전수가 증가함에 따라 점도가 감소하는 경향을 보이는 paste-CAP-PEG를 이용 한 태양전지가 상대적으로 높은 효율을 갖고 있을 것이 라 예상할 수 있다.

    paste-CAP과 paste-CAP-PEG를 이용하여 만든 태양전 지 Cell-CAP와 Cell-CAP-PEG의 태양전지 성능에 관련한 데이터를 Table 3에 나타내었다. 먼저 무한대의 저항이 걸린 상태에서 태양전지 양단에 형성되는 전위차를 뜻 하는 Voc값을 비교해보면 Cell-CAP과 Cell-CAP-PEG의 값에 큰 차이를 보이지 않는다. 다음으로 fill factor(FF) 값을 살펴보면, Cell-CAP-PEG에서 더 높은 값을 보인 다. 이는 낮은 분당 회전수에서 높은 점도를 지니는 paste-CAP-PEG의 특성으로 전극이 무너지지 않고 인쇄 되었기 때문이다. 이로 인해 실리콘 웨이퍼로 입사되는 빛을 가리는 정도를 뜻하는 shadowing loss가 감소하고, 전자와 정공 형성이 많아져서 태양빛을 받아들이는 정 도를 뜻하는 Isc값이 Cell-CAP-PEG에서 더 크게 나타 났다. 이런 영향으로 최종적으로 태양전지의 효율이 Cell- CAP의 18.524 %에서 Cell-CAP-PEG의 18.652 %로 증 가하는 것을 볼 수 있다. 또한 Fig. 5(a~c)에 나타낸 IV curve를 살펴보면 개질 전, 후의 성능 변화 없이 태 양전지가 구동됨을 확인 할 수 있다.

    3.3 Cellulose acetate propionate-g-ethylene carbonate가 첨가된 태양전지의 효율 측정

    앞에서 FmPEG를 이용하여 CAP를 개질한 페이스트를 적용한 태양전지의 효율이 상승하는 결과를 얻었다. 본 연구에서는 추가적으로 FmPEG와 분자 구조가 비슷하지 만, 에스터화 반응이 아닌 개환중합 방법을 사용하여 중 합한 EC를 CAP에 도입하여 태양전지의 유기 비히클로 적용해보았다. Fig. 1(c)에서 보여주는 합성과정을 통해 EC를 개환중합하여 EG 그룹과 EC 그룹이 m : n의 비 율로 개질된 CAP-EC를 합성하였다. 합성된 CAP-EC의 화학적 구조 및 성분은 다음의 방법을 통해 확인하였다. Fig. 4(a)는 d-DMSO 용매에 녹인 EC의 1H NMR 데이 터를 나타내고, Fig. 4(b)와 Fig. 4(c)에서 CAP와 CAPEC의 고체상 핵자기 공명 분광 데이터를 나타내었다. 앞 에서 구한 CAP의 x : y = 100 : 54 비율을 이용하여, 개 환중합된 m + n 값을 얻을 수 있다. Fig. 4(a)에서 ‘c‘ 피크는 CAP의 주쇄의 수소와 개질된 EC의 수소가 겹 쳐 나타난다. 그리고 CAP의 solid 13C NMR 데이터인 Fig. 4(b)에서 ‘a’ 피크는 프로피오닐 그룹을, ‘b’ 피크는 카르보닐 그룹을 뜻한다. Fig. 4(b)와 Fig. 4(c)의 ‘b‘ 피 크 적분값의 차이를 통해 m과 n이 100 : 25의 비율로 EC가 개환중합되어 CAP에 성공적으로 도입되었음을 확 인할 수 있다.

    합성한 CAP-EC에 대해 CAP-PEG의 경우과 같은 방 법으로 분석을 진행하였다. 먼저 Table 1에서 볼 수 있 듯이 개환중합 전 분자량 75,000 정도의 CAP에서, 개 환중합 후 CAP-EC의 분자량은 91,000 정도로 증가하는 것을 볼 수 있는데 이를 통해 주쇄의 분해 없이 EC가 CAP에 도입되었음을 알 수 있다. Fig. 3(a)의 FT-IR 데 이터를 살펴보면 CAP-PEG의 경우와는 반대로 Wavenumbers 3,500 cm−1 대의 수산화기의 피크의 세기가 EC 를 이용한 개질 후 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 개 질 후에도 수산화기의 농도에는 변화가 없지만, CAP 주 쇄에 직접적으로 결합되어 있던 수산화기가 EC가 개환 중합되면서 주쇄와의 거리가 증가하였기 때문이라고 판 단된다.15) Fig. 3(b)의 DSC 데이터를 살펴보면 개환중합 후의 CAP-EC의 유리전이온도는 개질 전 135.6 °C에서 95.2 °C로 감소한 것을 볼 수 있다. 또한 197.8 °C에서 관찰되는 CAP의 녹는점(Tm)이 CAP-EC에서 사라지는 것 을 확인할 수 있다. 이는 CAP-PEG의 경향과 마찬가지 로 CAP 주쇄의 상호작용이 약해졌을 뿐 만 아니라 유 연한 EC 사슬에 의해 주쇄의 결정성이 비결정성 구조로 변했기 때문이다. 그리고 CAP-PEG의 Tg가 CAP-EC의 Tg보다 더 낮은 이유는, 도입된 PEG 사슬의 길이가 EC 보다 더 길기 때문에 CAP 주쇄사이의 상호작용에 더 큰 영향을 주기 때문이라고 판단된다. Fig. 3(c)의 TGA 데 이터를 살펴보면 CAP-PEG의 경우와 마찬가지로, 개환 중합 후 CAP-EC는 CAP보다 더 낮은 약 250도의 온도 에서 분해가 시작되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 열 적 안정성이 약한 EC 사슬의 분해가 먼지 시작되기 때 문이다. CAP-EC의 분해가 CAP-PEG의 분해에 비해 낮 은 온도에서 일어나는데, 이는 EC의 개환중합으로 개질 된 랜덤 공중합체 사슬의 열적 안정성이 PEG 단일 사 슬보다 약하기 때문이라고 판단된다.

    CAP를 유기 비히클로 사용하여 제조한 실버 페이스트 인 paste-CAP과 CAP-EC를 사용한 paste-CAP-EC의 분 당 회전수에 따른 점도를 Table 2에 나타내었다. CAPPEG의 경향성과 유사하게 rpm이 증가함에 따라 점도가 감소하는 데이터를 볼 수 있다. CAP-EC 역시 분당 회 전수가 증가함에 따라 점성이 감소하여, 실리콘 웨이퍼 위에 전극이 인쇄된 후 전극의 형상이 잘 유지됨을 알 수 있다. 기존 CAP를 이용한 Cell-CAP과 paste-CAPEC를 이용하여 제조한 태양전지 Cell-CAP-EC에 대한 태 양전지 데이터를 Table 3에 나타내었다. 무한대의 저항 이 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지 양단에 형 성되는 전위차를 뜻하는 Voc 값은 Cell-CAP과 Cell-CAPEC 모두 유사한 값을 지닌다. 하지만 낮은 분당 회전 수에서의 높은 점도 값을 지니는 paste-CAP-EC로 제조 한 Cell-CAP-EC에서 fill factor(FF)값이 Cell-CAP에 비 해 더 높은 수치인 78.991 %를 나타내었다. 높은 FF값 으로 인해 실리콘 웨이퍼로 입사되는 빛을 가리는 정도 를 뜻하는 shadowing loss가 감소하였고, 이로 인해 태양 빛을 받아들이는 정도인 Isc 수치가 Cell-CAP의 9.073 A 에서 Cell-CAP-EC의 9.098 A로 증가한 수치를 보였다. 최종적으로 태양전지 효율은 Cell-CAP의 18.524 %에서 Cell-CAP-EC의 18.622 %로 증가하였다. Cell-CAP-EC의 효율(18.622 %)보다 Cell-CAP-PEG의 효율(18.652 %)이 더 높은 이유는 태양빛을 받아들이는 정도를 뜻하는 Isc 의 값이 9.109 A로 더 높게 나타나기 때문이다. 또한 Fig. 5에 나타낸 I-V curve를 살펴보면 개질 전, 후의 성 능 변화 없이 태양전지가 구동됨을 확인 할 수 있다. Table 3

    4. 결 론

    본 연구에서는 개질된 CAP를 유기 비히클로 사용하 여 실버 페이스트를 제조하고, 이를 이용한 태양전지의 효율 변화를 측정하였다. CAP 개질을 위해 FmPEG를 성공적으로 CAP 주쇄에 도입하였으며, 이렇게 제조된 CAP-PEG를 이용하여 실버 페이스트를 제조하였다. 기존 의 CAP로 제조한 실버 페이스트와 비교해보았을 때, 분 당 회전수(rpm)이 증가함에 따라 점도가 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 실리콘 웨이퍼에 인쇄되었을 때 전극 의 형상을 잘 유지할 수 있다는 것을 뜻하며, 이로 인 해 태양전지의 fill factor(FF)값이 증가하였다. 최종적으로 CAP-PEG로 제조한 태양전지의 효율이 18.524 %에서 18.652 %로 증가하는 데이터를 얻었다. 추가적으로 EC 를 개환중합하여 CAP-EC를 합성하였다. CAP-EC를 이 용하여 실버 페이스트를 제조하였고, 이 역시 CAP-PEG 의 경향과 마찬가지로 분당 회전수(rpm)이 증가함에 따라 점도가 낮아지는 결과를 얻었다. 이런 경향으로 태양전 지 셀을 제작했을 때 fill factor(FF) 값이 증가했으며, 최 종적으로 CAP-EC로 제조한 태양전지의 효율이 18.524 % 에서 18.622 %로 증가하였다.

    Acknowledgement

    This research was supported by the World Class 300 (WC300, Development of the electrode materials for high efficiency(21 %) and low cost c-Si solar cell, S2340684) funded by the Small and Medium Business Administration of Korea.

    Figure

    MRSK-28-227_F1.gif

    Synthesis of (a) FmPEG, (b) CAP-PEG and (c) CAP-EC.

    MRSK-28-227_F2.gif

    1H NMR Spectra of (a) FmPEG, (b) CAP, (c) CAP-PEG.

    MRSK-28-227_F3.gif

    (a) FT-IR spectra, (b) DSC thermograms, and (c) TGA data of CAP, CAP-PEG and CAP-EC.

    MRSK-28-227_F4.gif

    1H NMR Spectra of (a) CAP-EC, and solid 13C NMR Spectra of (b) CAP and (c) CAP-EC.

    I-V curve of (a) Cell, (b) Cell-CAP, (c) Cell-CAP-PEG, and (d) Cell-CAP-EC.

    Table

    GPC data of CAP, CAP-PEG and CAP-EC.

    Viscosity properties of paste-CAP, paste-CAP-PEG and paste-CAP-EC in various rpm.

    Solar cell data printed with paste-CAP, paste-CAP-PEG and paste-CAP-EC.

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