결정질 실리콘 태양전지용 은 페이스트의 제조 및 제어에 관한 국내외 연구가 활발히 진행되어 왔다. 일반적인 합성 방법에는 다음과 같은 것들이 있다. 화학적인 환원, 미세유화, 전기환원, 기계적 볼 밀링, 물리적 증발 등 다양한 방법이 있습니다. 그중에서도 화학적 환원법은 현재 결정질 실리콘 태양전지 전극용 은 분말 제조에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이는 조작이 간편하고 장비가 간단하며 제어가 용이하기 때문입니다.
하지만 일반적으로 사용되는 화학적 환원법으로 제조한 원료 분말조차도 결정질 실리콘 태양전지용 은 페이스트에 사용되는 은 분말의 성능 요구 사항을 충족하지 못합니다. 첫째, 은 분말은 입자 크기가 작고 표면 에너지가 높아 건조 과정에서 응집되는 경향이 있습니다. 일단 응집되면 기계적으로 파쇄하기 어렵습니다. 이로 인해 분산성이 떨어지고 은 분말의 물리적 특성과 기능에 심각한 영향을 미칩니다.
더욱 중요한 것은, 처리되지 않은 은 분말 입자가 담체 내에서 쉽게 뭉쳐진다는 점입니다. 이는 페이스트의 분산성, 안정성, 스크린 인쇄 유동성, 필름 형성 및 경화 특성을 저하시킵니다. 또한 전도성 은 페이스트의 성능과 보관에도 악영향을 미칩니다.
따라서 제조된 은 분말의 후처리는 응용에 있어 핵심적인 단계입니다. 주요 후처리 방법은 다음과 같습니다. 은 분말의 표면 개질. 현재 은 분말 표면 개질에 대한 연구는 아직 체계적이지 못하며, 관련 기술을 보유한 제조업체도 소수에 불과합니다. 이로 인해 은 분말 및 은 페이스트 가격이 상승하고 있으며, 이는 결정질 실리콘 태양전지의 발전에 심각한 악영향을 미치고 있습니다.
은 분말 표면 개질의 주요 방법은 다음과 같습니다.
유기 코팅 방법
유기농 코팅 본 방법은 은 분말의 표면을 특정한 유기 표면 개질제로 코팅 및 개질하는 것을 말합니다. 유기 물질과 분말 표면 사이의 흡착 또는 화학 반응을 통해 유기 분자가 분말 표면에 접합됩니다. 초미세 은 분말은 친수성에서 소수성으로 개질됩니다. 이는 분말 입자에 대한 용매의 젖음성을 향상시켜 제조된 페이스트의 우수한 인쇄성과 평활도를 제공합니다. 또한, 극성기를 도입하면 은 분말의 표면 에너지를 효과적으로 감소시킬 수 있습니다. 이는 입자 간 정전기 장벽을 강화하고 페이스트의 분산성과 안정성을 개선하며 침전을 방지합니다.
유기 코팅 개질의 일반적인 과정은 유기 개질제를 분말과 혼합하고 일정 시간 동안 교반한 후 분리, 세척 및 건조하는 것입니다. 이 방법은 조작이 간단하고 효율적이며 마이크론, 서브마이크론 및 나노미터 크기의 구형 또는 플레이크형 은 분말에 적합합니다.
결정질 실리콘 태양전지 전극 은 분말의 유기 코팅 개질에서 유기 코팅제의 선택은 매우 중요합니다. 일반적으로 유기 개질제의 가장 중요한 특성은 헤드 그룹 전하, 분자 사슬 길이 및 크기입니다. 이러한 요소들은 코팅 효과, 소수성 및 페이스트 내 유기 담체와의 상용성에 영향을 미칩니다.
또한, 계면활성제의 수용성 또는 지용성은 계면활성제 선택의 중요한 기준입니다. 은 분말 표면의 화학적 개질에 일반적으로 사용되는 개질제로는 유기산, 지방 아민 또는 알칸올아민, 지질 화합물, 커플링제, 장쇄 알코올 또는 에테르 등이 있습니다.
전도성 은 페이스트의 전반적인 성능과 적용성을 향상시키기 위해 유기산, 유기아민 및 지질 화합물을 조합하여 표면 개질에 사용하는 경우가 많습니다.
기계적 복합 방법
기계적 복합 방법은 기계적인 수단을 이용하여 은 분말을 분쇄하고 파쇄하여 특정한 표면 형태 또는 구조를 얻는 방법입니다. 기계적 가공 과정에서 분말 분산 및 표면 화학적 성질을 향상시키기 위해 유기 첨가제가 종종 사용됩니다.
이 방법은 효율적이고, 저렴하며, 간단하고, 산업화하기 쉽습니다. 볼 밀링과 에어젯 밀링 은 분말 표면 개질에 가장 일반적으로 사용되는 방법은 다음과 같습니다. 장비는 다음과 같습니다. 3롤러 코팅기, 핀밀 코팅기, 그리고 터보 밀 코팅기 이러한 장비도 사용할 수 있습니다. 이 장비들은 기계적 충돌, 전단 및 마찰을 통해 은 분말의 표면을 균일하게 개질합니다. 이는 분산성과 표면 기능성을 더욱 향상시킵니다.
볼 밀링은 지르코니아나 아게이트 볼과 같은 단단한 볼의 회전 또는 진동을 이용하여 분말에 강한 충격, 압출 및 분쇄를 가하는 공정입니다. 이 방법은 입자 크기를 현저히 미세화하고 소결 활성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 압출 및 분쇄 과정에서 구형에 가까운 은 분말의 구형 구조가 파괴될 수 있습니다. 따라서 볼 밀링은 일반적으로 플레이크 형태의 은 분말 제조 및 개량에 적합합니다.
에어젯 밀링은 고압 공기 흐름을 이용하여 밀링 챔버 내에서 분말을 순환시키는 공정입니다. 이 과정에서 입자 간 충돌 및 입자와 벽면 간의 마찰이 발생하여 파쇄, 분산 및 구형도 향상을 이룹니다. 이 방법은 추가적인 첨가제가 필요하지 않으며, 처리된 분말은 매끄럽고 균일하게 분산되어 있으며 불순물이 없습니다. 볼 밀링과 비교했을 때, 에어젯 밀링은 구형 분말 표면 처리에 더욱 적합하며, 분말의 형태와 구조에 미치는 영향을 최소화하고 응집을 방지하며 효율이 높습니다. 결정질 실리콘 태양전지 전극 은 분말의 기계적 표면 개질에 가장 널리 사용되는 방법입니다.
표면 입자 코팅 방법
TOPCon 및 HJT와 같은 새로운 고효율 셀 기술의 개발로 인해, 결정질 실리콘 태양 전지의 소결 공정을 충족하기 위해서는 은 분말이 저온에서 더 높은 소결 활성을 가져야 합니다. 일반적인 해결책은 서브마이크론 및 플레이크 형태의 은 분말을 전도성 충전재로 사용하는 것입니다.
또한, 일부 연구에서는 나노은과 마이크로은을 복합화하는 방법, 특히 마이크로은 표면에 나노은을 코팅하는 방법을 제안합니다. 이는 미세구조 수준에서 균일한 혼합을 보장하고 마이크로은에 새로운 나노 규모의 표면 구조를 부여하여 높은 전도성과 우수한 소결 활성을 제공합니다. 나노입자의 표면 코팅에 사용되는 일반적인 방법으로는 물리적(기계적 코팅) 방법과 화학적(현장 입자 생성) 방법이 있습니다.
기계적 코팅은 강력한 기계적 교반이나 고속 공기 흐름 충격을 이용하여 나노 및 마이크로 은 입자를 혼합하는 공정으로, 이 과정에서 입자 간 충돌, 분쇄 및 압출이 발생하여 궁극적으로 나노 은이 마이크로 은 입자의 표면이나 공극에 박히게 됩니다. 이 방법은 첨가제가 필요 없고, 공정이 간단하며, 환경 오염을 유발하지 않지만, 고품질의 사전 분산된 나노 및 마이크로 은 분말이 필수적입니다. 나노 은의 균일성과 분산성은 코팅의 질에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 사용되는 장비로는 3롤러 코팅기, 핀 밀, 터보 밀 등이 있으며, 이는 시스템의 복잡성과 비용을 증가시킵니다.
현장 입자 생성 방법은 화학적 환원을 통해 마이크로 또는 서브마이크론 크기의 은 분말 표면에 나노은 입자를 형성합니다. 이를 통해 복합 전도성 시스템이 만들어집니다. 나노 표면 구조는 저온 소결 후 전도성 입자 간의 접촉을 향상시켜 더욱 완전한 전도성 네트워크를 형성하고 은 페이스트의 전도성을 개선합니다.
기계적 코팅과 비교했을 때, 현장 입자 생성 방식은 더욱 균일한 코팅과 우수한 분산성을 제공합니다. 그러나 이 방식은 공정이 더 복잡하고 기술적 난이도가 높아 산업 규모 생산에는 아직 상당한 격차가 존재합니다.
결론
요약하자면, 결정질 실리콘 태양전지용 은 페이스트의 성능 최적화는 제조 및 후처리 기술의 조합에 달려 있습니다. 화학적 환원법으로 기본 분말을 얻을 수 있지만, 고성능 은 페이스트를 위해서는 표면 개질이 필수적입니다. 표면 개질 방법에는 유기 코팅, 기계적 복합화, 표면 입자 코팅 등이 있으며, 각각 장단점이 있습니다. 향후 연구는 효율적이고 제어 가능한 표면 개질 공정에 집중해야 합니다. 또한, 다중 스케일 복합 은 분말의 산업 규모 생산도 필요합니다. 이러한 개선을 통해 비용을 절감하고 전도성 페이스트 성능을 향상시켜 새로운 고효율 결정질 실리콘 태양전지의 요구 사항을 충족할 수 있을 것입니다.
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— 게시자 에밀리 첸