KR101183943B1 - 무연 태양 전지 컨택트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 전지의 포뮬레이션 및 제조 방법을 개시한다. 일반적으로, 본 발명은 고체 부분과 유기 화합물 부분을 포함하는 혼합물로 만들어지는 태양 전지 컨택트로서, 상기 고체 부분은 약 85 중량% 내지 약 99 중량%의 전도성 금속 성분 및 약 1 중량% 내지 약 15 중량%의 무연 유리 성분을 포함하는 태양 전지 컨택트를 제공한다. 전방 컨택트 및 후방 컨택트가 모두 개시된다.
태양 전지 컨택트, 무연 유리, 무카드뮴 유리, 은 배면 컨택트, 페이스트

Description

무연 태양 전지 컨택트{LEAD FREE SOLAR CELL CONTACTS}
본 발명은 무연(lead-free) 및 무카드뮴(cadmium-free) 페이스트 조성물, 태양 전지용 컨택트(contact) 및 광전지(photovoltaic cell)의 제조에 사용되는 기타 관련 성분의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 햇빛을 유용한 전기 에너지로 전환시키는 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질로 만들어지는 것이 일반적이다. 태양 전지는 일반적으로 인(P)을 적절한 인 공급원으로부터 P형 Si 웨이퍼 내부로 확산시킴으로써 필요로 하는 PN 접합(junction)이 형성되는 Si의 얇은 웨이퍼로 만들어진다. 햇빛이 입사되는 실리콘 웨이퍼측은 햇빛의 반사 손실을 방지하기 위한 반사방지 코팅(anti-reflective coating; ARC)으로 코팅되어, 태양 전지의 효율을 증대시킨다. 전방 컨택트(front contact)로 알려져 있는 2차원 전극 그리드 패턴이 실리콘의 N측에 접속되고, 알루미늄(Al)의 코팅이 실리콘의 P측(후방 컨택트(back contact))에 접속된다. 또한, 태양 전지 모듈에서 하나의 전지를 다음 전지에 전기적으로 접속시키는 탭(tab)을 납땜할 수 있도록 하기 위해, 실리콘의 N측에는 은 배면 컨택트(silver rear contact)로 알려져 있는, 은 또는 은-알루미늄 페이스트로 만들어진 컨택트가 인쇄되고 소성되어(fired) 있다. 이들 컨택트는 PN 접합으로부터 외부 로드(load)로 나가는 전기적 출구이다.
태양 전지 컨택트에 사용되는 종래의 페이스트는 납 프릿(lead frit)을 함유한다. 태양 전지 페이스트의 유리 성분 중에 PbO를 포함시키는 것은 다음과 같은 바람직한 효과를 가진다: (a) 페이스트 조성물의 소성 온도를 낮추고, (b) 실리콘 기판과의 상호작용을 촉진하여, 소성시 실리콘과 저저항(low resistance) 컨택트를 형성하는 데 도움을 준다. 이러한 이유와 그 밖의 이유로 해서, PbO는 많은 종래의 태양 전지 페이스트 조성물에서 중요한 성분이다. 그러나 환경 문제에 비추어 볼 때, 오늘날 페이스트 조성물에서의 PbO(및 CdO)의 사용은 가능한 대부분의 경우에 기피하고 있다. 따라서, 광전기 산업에서는 태양 전지 컨택트 페이스트에 무연 및 무카드뮴 유리를 사용하여 바람직한 성질을 제공하는 무연 및 무카드뮴 페이스트 조성물에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은, 태양 전지 컨택트 페이스트 재료에 사용되는 무연 및 무카드뮴 유리 조성물로서, 효율(η) 및 충전 인자(fill factor)(FF)에 의해 측정했을 때 고성능 태양 전지를 형성하도록 낮은 직렬 저항(series resistance)(Rs) 및 높은 분로 저항(shunt resistance)(Rsh)를 제공하는 조성물을 제공한다. 일반적으로, 본 발명은 혼합물로 만들어진 컨택트를 포함하는 태양 전지로서, 상기 혼합물은 소성되기 전에 고체 부분과 유기 화합물 부분(organics portion)을 포함하는 태양 전지를 포함한다. 상기 고체 부분은 약 85 중량% 내지 약 99 중량%의 전도성 금속 성분 및 약 1 중량% 내지 약 15 중량%의 무연 유리 성분을 포함한다.
본 발명의 조성물 및 방법은, 무연 유리 매체를 통해, 전형적으로 실리콘과 Ag(전방 컨택트) 또는 Al(후방 컨택트) 또는 Ag(은 배면 컨택트) 중 어느 하나인 컨택트 성분들간의 상호작용, 본딩 및 컨택트 형성을 최적화함으로써, 종래 기술의 문제점을 극복한다. 유리와 은, 또는 유리와 알루미늄을 함유하는 전도성 페이스트는 실리콘 기판 상에 인쇄되고, 소성되어 유리를 용융시키고 용융 유리 내에 금속을 소결(sinter)시킨다. 은 배면 컨택트에 있어서, 상기 금속 성분은 은, 또는 은과 알루미늄의 분말 및/또는 플레이크(flake)의 조합을 포함할 수 있다. 소성시, 전방 컨택트에 있어서, Ag/Si 전도성 아일랜드(island)가 형성되어 벌크 페이스트와 실리콘 웨이퍼 사이에 전도성 가교를 제공한다. 전방 컨택트에서, 온도의 함수로서 일어나는 유리, 금속 및 실리콘의 반응 순서 및 반응 속도는, 은 페이스트와 실리콘 웨이퍼 사이에 저저항 컨택트를 형성하는 공정에서의 인자들이다. 계면 구조는 다중상(multiple phase), 즉 기판 실리콘, Ag/Si 아일랜드, 절연 유리층 내의 Ag 침전물 및 벌크 은으로 구성된다. 유리는 실리콘 계면과 벌크 은 사이에 거의 연속적인 층을 형성한다. 후방 컨택트에 있어서, 소성시 액상 에피택시(liquid-phase epitaxy)에 의해 p+ 층이 하부 실리콘 표면에 형성된다. 이것은 알루미늄-실리콘(Al-Si) 용융물(melt)이 재응고되는 동안 일어난다. 고농도 비스무트(high-bismuth) 무연 및 무카드뮴 유리는 비교적 낮은 온도에서 그것이 가지는 우수한 유동 특성으로 인해 배면 컨택트의 제조에서 낮은 소성 온도를 가능하게 한다. 비교적 고농도 실리콘, 저농도 비스무트의 무연 및 무카드뮴 유리는 후방 Si와의 과도한 상호작용 없이도 후방 컨택트에 대해 적합한 성질을 제공한다. 마찬가지로, 고농도 비스무트 무연 및 무카드뮴 유리는 Si와 후방 컨택트 Al 층 양자의 최적의 상호작용에 의해 이면 Si 상에 적합한 무연 은 배면 컨택트의 형성을 가능하게 한다.
본 발명의 이상과 같은 특징 및 그 밖의 특징들을 이하에서 보다 충분히 설명하고, 청구의 범위에서 구체적으로 지적하는데, 이하의 설명은 본 발명의 특정한 실시예를 구체적으로 제시하는 것이지만, 이들 실시예는 본 발명의 원리가 활용될 수 있는 다양한 방식 중 단지 몇 가지만을 나타내는 것이다.
대체로, 본 발명은 혼합물로 만들어진 태양 전지 컨택트로서, 상기 혼합물은 소성되기 전에 고체 부분과 유기 화합물 부분을 포함하고, 상기 고체 부분은 약 85 중량% 내지 약 99 중량%, 바람직하게는 약 88 중량% 내지 약 96 중량%의 전도성 금속 성분 및 약 1 중량% 내지 약 15 중량%, 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 9 중량%, 보다 바람직하게는 약 3 중량% 내지 약 8 중량%의 유리 성분을 포함하고, 상기 유리 성분은 무연 및 무카드뮴 물질인 태양 전지 컨택트를 제공한다. 본 발명에서 임의의 태양 전지를 포함하는 태양 전지판(solar panel)도 생각할 수 있다. 상기 태양 전지 컨택트가 전방 컨택트일 경우, 상기 금속 성분은 은을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 유리 성분은 약 5～약 85 mol% Bi2O3 및 약 1～약 70 mol% SiO2를 포함하는 것이 바람직하다. 전방 컨택트의 제조에 사용되는 조성물은 태양 전지 후방 컨택트용 버스바(busbar)(은 배면 컨택트)의 제조에서도 유용하게 사용된다. 후방에 있는 은(또는 은-알루미늄) 배면 컨택트는 후방 컨택트의 Al이 Si에도 직접 접촉하더라도, Si 및 Al 후방 컨택트층 모두와 접촉한다. 후방 컨택트에서의 은 배면 컨택트는 태양 전지 모듈에서 하나의 전지를 다음번 전지에 접속하는 접속 탭을 태양 전지에 납땜하는 데 도움을 준다. 후방 컨택트에서, 금속 성분은 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하고, 유리 성분은 약 5～약 55 mol% Bi2O3, 약 20～약 70 mol% SiO2 및 약 0.1～약 35 mol% B2O3를 포함하는 것이 바람직하다.
대체로, 실리콘계 태양 전지용 전방 컨택트가 빛에 노출됨으로써 발생되는 전류를 포집하도록 하기 위해 은-함유 및 유리-함유 후막(thick film) 페이스트가 사용된다. 상기 페이스트는 일반적으로 스크린 인쇄에 의해 적용되지만, 압출, 패드(pad) 인쇄 및 핫 멜트(hot melt) 인쇄와 같은 방법을 사용할 수도 있다. 스크린 인쇄된 전방 컨택트를 구비한 태양 전지는 비교적 낮은 온도(550～850℃의 웨이퍼 온도; 650～1,000℃의 가열로 설정 온도)에서 소성되어 인 도핑된 실리콘 웨이퍼의 N측과 은계 페이스트 사이에 저저항 컨택트를 형성한다. 여기서 태양 전지의 제조 방법도 생각할 수 있다.
향상된 후방 표면 필드(surface field)에 따라 태양 전지 성능을 증대시키는 Al 도핑된(p+) 에피택셜 성장시킨 Si 층의 대면적 용융 및 재응고로 인해, 태양 전지의 후면측에 저저항 옴 컨택트(ohmic contact)를 형성하기 위해, 알루미늄-함유 및 유리-함유 후방 컨택트가 사용된다. 최적의 성능을 위해서는 두꺼운 p+ 재성장 영역(re-grown region)이 이상적이라고 생각된다. 또한, 에피택셜 방식으로 성장하는 p+ 층으로부터의 금속성 불순물을 배제하는 것이 캐리어의 높은 수명으로 이어진다고 생각된다. 이들 두 인자는 개방 회로 전압을 증가시킨다고 생각되며, 보다 중요한 것은 벌크 저항률(bulk resistivity)이 증가됨에 따라 개방 회로 전압이 단지 미약하게 떨어진다는 사실이다. 따라서, 태양 전지 성능은 Al 후방 컨택트에서 실질적인 에피택셜 방식으로 재성장된 p+ 층의 형성으로 인해 향상된다. 따라서, 후방 컨택트 페이스트의 무연 및 무카드뮴 유리와 Si의 상호작용은 최소라야 하고, 상기 유리와 Al의 상호작용은 비드화(beading) 없이 연속적인 Al 층을 형성하기에 충분해야 한다.
페이스트 유리. 페이트의 유리 성분은 소성 이전에 하나 이상의 유리 조성물을 포함한다. 각각의 유리 조성물은 최소한도 Bi2O3 및 SiO2를 포함하는 산화물 프릿을 포함한다. 특히, 본 발명의 여러 가지 실시예에서, 전방 컨택트용 유리 조성물은 표 1에서 찾을 수 있다. 후방 컨택트용 유리 조성물은 표 2에서 찾을 수 있다. 2종 이상의 유리 조성물을 사용할 수 있으며, 동일한 표에서 상이한 행으로부터의 양을 포함하는 조성물도 구상된다. 사용되는 유리 조성물의 수와는 무관하게, 유리 성분에 있는 Bi2O3 및 SiO2의 총함량은 약 5～약 85 mol% Bi2O3 및 약 1～약 70 mol% SiO2인 범위에 들어가는 것이 바람직하다. 제2의 유리 조성물이 사용될 경우, 그 유리 조성물의 비율은 실리콘과의 페이스트 상호작용의 정도를 제어함으로써 얻어지는 태양 전지 성질을 제어하도록 변동될 수 있다. 예를 들면, 유리 조성물 내에 제1 및 제2 유리 조성물이 약 1:20 내지 약 20:1의 중량비, 바람직하게는 약 1:3 내지 약 3:1의 중량비로 존재할 수 있다. 상기 유리 성분은 납 또는 납의 산화물, 카드뮴 또는 카드뮴의 산화물을 함유하지 않는 것이 바람직하다.
표 1. 전방 컨택트 유리에 사용되는 산화물 프릿 성분(단위: mol%)
유리 조성물 I II III
성분
Bi2O3 5～85 15～80 50～80
SiO2 1～70 2～45 15～35
ZnO 0～55 0.1～25 1～15
V2O5 0～30 0.1～25 1～15
표 2. 후방 컨택트 유리에 사용되는 산화물 프릿 성분(단위: mol%)
유리 조성물 IV V VI
성분
Bi2O3 5～65 5～55 10～40
SiO2 15～70 20～70 30～65
B2O3 0～35 0.1～35 3～20
알칼리 산화물 0～35 0.1～25 5～25
표 1 및 표 2의 산화물에 부가하여, 추가적 산화물이 유리 성분에 포함될 수 있는데, 그 예를 들면 Al, B, La, Y, Ga, In, Ce 및 Cr 중 하나 이상의 3가 산화물 약 1～약 20 mol%; Ti, Zr 및 Hf 중 하나 이상의 4가 산화물 약 0.1～약 15 mol%; P, Ta, Nb 및 Sb 중 하나 이상의 5가 산화물 약 0.1～약 20 mol%이다. 은의 공급원으로서 은 페이스트 유리에 Ag2O를 약 0.1～약 12 mol% 포함시킬 수 있다.
금속 성분. 태양 전지 컨택트에서, 금속은 반드시 전도성이라야 한다. 전 방 컨택트에서, 금속 성분은 은을 포함한다. 은의 공급원은 1종 이상의 은 금속 또는 은의 합금의 미세 분말일 수 있다. 은의 일부분은 산화은(Ag2O)으로서, 또는 염화은(AgCl), 질산은(AgNO3) 또는 아세트산은(AgOOCCH3)와 같은 은염으로서 첨가될 수 있다. 페이스트에 사용되는 은 입자는 구형, 플레이크형일 수 있고, 또는 콜로이드 현탁액으로 제공될 수 있고, 이들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들면, 페이스트의 고체 부분은 약 80～약 99 중량%의 구형 은 입자, 또는 대안적으로 약 75～약 90 중량%의 은 입자 및 약 1～약 10 중량%의 은 플레이크를 포함할 수 있다. 이와는 달리, 상기 고체 부분은 약 75～약 90 중량%의 은 플레이크와, 약 1～약 10 중량%의 콜로이드성 은, 또는 약 60～약 95 중량%의 은 분말 또는 은 플레이크 및 약 0.1～약 20 중량%의 콜로이드성 은을 포함할 수 있다. 은 입자의 적합한 상업적 예는 구형 은 분말인 Ag3000-1, 은 플레이크인 SF-29, 및 콜로이드성 은 현탁액인 RDAGCOLB이고, 이들 모두는 미국 오하이오주 클리블랜드 소재 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수 가능하다.
후방 컨택트에서, 금속 성분은 알루미늄 또는 알루미늄의 합금을 포함한다. 알루미늄 금속 성분은, 전방 컨택트에서의 은에 대해 앞에서 언급한 것들을 포함하는 임의의 적합한 형태로 제공될 수 있다.
은 배면 컨택트에 있어서, 금속 성분은 앞에서 개시한 바와 같이, 은 또는 은과 알루미늄 페이스트 양자의 조합을 포함할 수 있다.
그 밖의 첨가제. 필요에 따라서 약 30 중량% 이하, 바람직하게는 약 25 중 량% 이하, 보다 바람직하게는 약 20 중량% 이하의 다른(즉, 무기) 첨가제를 포함시킬 수 있다. 전방 컨택트의 저항을 감소시키기 위해 다양한 방식으로 페이스트에 인을 첨가할 수 있다. 예를 들면, 특정한 유리를 분말화되거나 프릿화된 산화물 형태의 P2O5로 개질할 수 있고, 또는 인산염 에스테르 또는 다른 유기 인 화합물을 이용하여 인을 페이스트에 첨가할 수 있다. 보다 간단하게는, 페이스트를 만들기 전에 은 입자에 대한 코팅으로서 인을 첨가할 수 있다. 그 경우에, 페이스트화 이전에, 은 입자를 액상의 인 및 용매와 함께 혼합한다. 예를 들면, 약 85～약 95 중량%의 은 입자, 약 5～약 15 중량%의 용매 및 약 0.5～약 10 중량%의 액상 인으로 된 블렌드를 혼합하고, 용매를 증발시킨다. 인 코팅된 은 입자는 본 발명의 은 페이스트에서 인과 은의 철저한 혼합을 보장하는 데 도움을 준다.
금속 성분과 실리콘의 반응성을 제어하기 위해 미세 실리콘 또는 탄소 분말, 또는 그 두 가지 모두와 같은 다른 첨가제를 첨가할 수 있다. 예를 들면, 이러한 미세 실리콘이나 탄소 분말을 은의 환원 및 침전 반응을 제어하기 위해 전방 컨택트 은 페이스트에 첨가할 수 있다. 전방 컨택트 및 은 배면 컨택트 모두에서의 은 페이스트에 있어서, Ag/Si 계면 또는 벌크 유리에서의 은 침전도 소성 압력(예를 들면, 유동하는 N2 또는 N2/H2/H20 혼합물 중에서의 소성)을 조절함으로써 제어할 수 있다. 보다 낮은 온도에서의 접촉을 제공하기 위해, 또는 소성 윈도우(firing window)를 확대하기 위해, Pb, Bi, In, Ga, Sn 및 Zn과 같은 저융점 금속 첨가제(즉, 금속 산화물과 구별되는 원소 상태의 금속성 첨가제), 및 이들 각각의 금속과 1종 이상의 다른 금속의 합금을 첨가할 수 있다. 아연이 바람직한 금속 첨가제이며, 전방 컨택트용으로는 아연-은 합금이 가장 바람직하다.
유리 성분을 조제하기 위해, (a) 유리, 또는 (b) 결정질 첨가제와 유리의 혼합물, 또는 (c) 하나 이상의 결정질 첨가제들의 혼합물을 원하는 조성 범위에서 사용할 수 있다. 지향하는 목표는 접촉 저항을 감소시키고, 태양 전지의 전기적 성능을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 접촉 성질을 조절하기 위해서, Bi2O3, Sb2O3, In2O3, Ga2O3, SnO, ZnO, SiO2, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Ta2O5와 같은 제2상 결정질 물질, 다양한 알루미노-실리케이트, 12Bi2O3·SiO2, 2Bi2O3·SiO2, 3BI2O3·5SiO2 및 Bi2O3·4SiO2와 같은 비스무트 보레이트, 6Bi2O3·SiO2, Bi2O3·SiO2, 2Bi2O3·3SiO2와 같은 비스무트 실리케이트, Bi2O3·2TiO2, 2Bi2O3·3TiO2, 2Bi2O3·4TiO2 및 6Bi2O3·TiO2와 같은 비스무트 티타네이트, MgO·V2O5, SrO·V2O5, CaO·V2O5, BaO·V2O5, ZnO·V2O5, Na2O·17V2O5, K2O·4V2O5, 2Li2O·5V2O5와 같은 다양한 바나데이트, 6Bi2O3·V2O5, BiVO4, 2Bi2O3·3V2O5 및 BiV3O9과 같은 비스무트 바나데이트, 6.5Bi2O3·2.5V2O5·TiO2와 같은 비스무트 바나듐 티타네이트, 2ZnO·3TiO2와 같은 티탄산아연, ZnO·SiO2와 같은 규산아연, ZrO2·SiO2와 같은 지르코늄 실리케이트, 및 이들의 반응 생성물 및 이들의 조합을 유리 성분에 첨가할 수 있다. 그러나, 상기 산화물의 총량은 본 명세서의 다른 항목에 개시된 여러 가지 실시예에 있어서 특정한 범위 내에 들어가야 한다.
유기 매개체(organic vehicle). 여기서의 페이스트는 전형적으로 용매에 용해된 수지의 용액, 빈번하게는 수지와 요변성제(thixotropic agent)를 모두 함유하는 용매 용액인 매개체 또는 캐리어에 포함된다. 페이스트의 유기물 부분은 (a) 적어도 80 중량%의 유기 용매; (b) 약 15 중량% 이하의 열가소성 수지; (c) 약 4 중량% 이하의 요변성제; 및 (d) 2 중량% 이하의 습윤제(wetting agent)를 포함한다. 하나 이상의 용매, 수지, 요변성제 및/또는 습윤제의 사용을 생각할 수도 있다. 유기물 부분에 대한 고체 부분의 다양한 중량비를 생각할 수 있지만, 일 실시예는 약 20:1 내지 약 1:20, 바람직하게는 약 15:1 내지 약 1:15, 보다 바람직하게는 약 10:1 내지 1:10인 고체 부분 대 유기물 부분의 중량비를 포함한다.
에틸 셀룰로오스는 통상적으로 사용되는 수지이다. 그러나, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 목질 수지(wood resin), 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트와 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르의 혼합물을 사용할 수도 있다. 비등점(1기압)이 약 130～약 350℃인 용매가 적합하다. 널리 사용되는 용매로는, 알파- 및 베타-테르핀올과 같은 테르펜류, 또는 Dowanol®(디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르)과 같은 비등점이 더 높은 알코올, 또는 이들과 다른 용매, 예를 들면 부틸 Carbitol® (디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르), 디부틸 Carbitol®(디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르), 부틸 Carbitol® 아세테이트(디 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트), 헥실렌 글리콜, Texanol®(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트)와 같은 용매의 혼합물, 및 다른 알코올 에스테르, 케로센 및 디부틸 프탈레이트가 포함된다. 상기 매개체는 상기 컨택트를 개질하기 위해 유기금속 화합물, 예를 들면 니켈, 인 또는 은을 기재로 하는 것을 함유할 수 있다. N-DIFFUSOL®은 원소 상태의 인과 유사한 확산 계수를 가진 n형 확산제를 함유하는 안정화된 액체 제조물이다. 각각의 응용에 대해 원하는 점도 및 휘발성 요건을 맞추도록 이러한 화합물과 그 밖의 용매의 다양한 조합물을 조제할 수 있다. 후막 페이스트 포뮬레이선에 통상적으로 사용되는 다른 분산제, 계면활성제 및 레올로지 개질제(rheology modifier)를 포함할 수 있다. 그러한 제품의 상업적 예는 다음과 같은 상표 중 어느 하나로 판매되는 것들을 포함한다: Texanol®(미국 테네시주 킹스포트 소재 Eastman Chemical Company); Dowanol® 및 Carbitol®(미국 미시간주 미들랜드 소재 Dow Chemical Co.); Triton®(미국 미시간주 미들랜드 소재 Union Carbide Division of Dow Chemical Co.), Thixatrol®(미국 뉴저지주 하이츠타운 소재 Elementis Company) 및 Diffusol®(미국 매사추세츠주 댄버스 소재, Transene Co., Inc).
통상적으로 사용되는 유기 요변성제 중에는 수소첨가 피마자유 및 그의 유도체가 있다. 어느 현탁액에서나 고유한 면찰 담화(shear thinning)와 결부된 용매 는 이와 관련하여 단독으로 적합할 수 있기 때문에, 요변성제가 항상 필요한 것은 아니다. 또한, 습윤제로서는 지방산 에스테르, 예를 들면, N-탤로우-1,3-디아미노프로판 디올레이트; N-탤로우 트리메틸렌 디아민 디아세테이트; N-코코 트리메틸렌 디아민, 베타 디아민; N-올레일 트리메틸렌 디아민; N-탤로우 트리메틸렌 디아민; N-탤로우 트리메틸렌 디아민 디올레이트, 및 이들의 조합을 사용할 수 있다.
염두에 두어야 할 것은, 전술한 조성물의 범위는 바람직한 범위이지만, 최종 제품의 처리 및 성형을 위한 특정한 응용, 특정한 성분 및 조건에 따라 이들 범위가 변동될 수 있다고 당업자가 인식하는 경우에는 이들 범위에 한정되지 않는다.
페이스트 제조. 본 발명에 따른 페이스트는 3롤 밀을 사용하여 편리하게 제조될 수 있다. 사용되는 캐리어의 양과 형태는 주로 최종적으로 수망되는 포큘레이션 점도, 페이스트 미분의 미세정도(fineness) 및 원하는 습윤 프린트 두께에 의해 결정된다. 본 발명에 따른 조성물의 제조에서, 입자상 무기 고체를 매개체와 혼합하고, 3롤 밀과 같은 적합한 장치로 분산시켜 현탁액을 형성함으로써, Brookfield 점도계 HBT, spindle 14를 사용하여 25℃에서 측정한 값으로서, 전단율 9.6 sec-1에서 점도가 약 100～약 500 kcps, 바람직하게는 약 300～약 400 kcps 범위인 조성물을 얻는다.
페이스트의 인쇄 및 소성. 전술한 페이스트 조성물은 태양 전지 컨택트 또는 그 밖의 태양 전지 구성 요소를 만드는 공정에 사용될 수 있다. 본 발명의 태양 전지 전방 컨택트 제조 방법은, (1) 은-함유 페이스트를 실리콘 기판에 도포하 는 단계, (2) 상기 페이스트를 건조하는 단계, 및 (3) 상기 페이스트를 소성하여 금속을 소결시키고 실리콘에 대한 컨택트를 만드는 단계를 포함한다. 상기 페이스트의 인쇄된 패턴은 약 650～950℃의 가열로 설정 온도, 또는 약 550～850℃의 웨이퍼 온도와 같은 적합한 온도에서 소성된다. 바람직하기로는, 상기 가열로 설정 온도는 750～930℃이고, 페이스트는 공기 중에서 소성된다. 소성시 반사방지 SiNx 층은 산화되어 유리에 의해 침식되어, Si 기판과 반응하여 실리콘에 에피택셜 방식으로 결합되는 Ag/Si 아일랜드가 형성되는 것으로 생각된다. 소성 조건은 실리콘/페이스트 계면에서 실리콘 웨이퍼 상에 Ag/Si 아일랜드의 충분한 밀도가 생성되어 낮은 저항률, 높은 효율, 고도 충전 인자의 전방 컨택트 및 태양 전지가 얻어지도록 선택된다.
여기서 무연 은 페이스트는 또한 이면 Ag 은 배면 컨택트를 형성하는 데 사용될 수 있다. 이면 Ag 은 배면 컨택트의 제조 방법은, (1) 버스-바 형태의 실리콘 웨이퍼의 P측에 은 페이스트를 도포하는 단계, (2) 상기 페이스트를 건조하는 단계, (3) Al-후방 컨택트 페이스트를 인쇄하고 건조하는 단계, (4) 전술한 은 전방 컨택트 페이스트를 도포하고 건조하는 단계, 및 (5) 약 650～950℃의 가열로 설정 온도 또는 약 550～850℃의 웨이퍼 온도와 같은 적합한 온도에서 세 가지 페이스트 모두를 동시 소성(co-firing)하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 태양 전지 후방 컨택트의 제조 방법은, (1) 후방 은 배면 컨택트 페이스트가 이미 도포되고 건조되어 있는 실리콘 웨이퍼의 P측에 Al 함유 페 이스트를 도포하는 단계, (2) 상기 페이스트를 건조하는 단계, (3) 전방 컨택트 은 페이스트를 도포하는 단계, 및 (4) 상기 전방 컨택트, 은 배면 컨택트 및 Al 후방 컨택트를 동시 소성하는 단계를 포함한다. 은 배면 컨택트의 Ag 페이스트, Al 후방 컨택트 페이스트 및 Ag 전방 컨택트 페이스트로 인쇄된 태양 전지는 약 650～950℃의 가열로 설정 온도 또는 약 550～850℃의 웨이퍼 온도와 같은 적합한 온도에서 소성된다. Al을 소성하는 동안, 웨이퍼 온도가 Al-Si 공융 온도(eutectic temperature)인 577℃ 이상으로 올라가면, 후방 컨택트 Al은 기판으로부터 Si를 용해하여 액상의 Al-Si 층이 형성된다. 이 Al-Si 액체는 피크 온도까지 더욱 가열되는 동안 기판의 Si를 계속 용해시켜 액체에 혼입시킨다. 냉각시키는 동안 Si는 Al-Si 용융물로부터 침전되어 나온다. 이렇게 침전되는 Si는 하부 Si 기판 상에 에피택셜 층으로서 성장하여 순도가 더 높은 p+ 층을 형성한다. 냉각되는 용융물이 Al-Si 공융 온도에 도달하면, 나머지 액체는 Al-Si 공융층으로서 동결된다. 순도가 더 높은 p+ 층은 후방 표면 필드(back surface field; BSF)를 제공하며, 이에 따라 태양 전지의 성능이 증대되는 것으로 생각된다. 따라서, Al 후방 컨택트에서의 유리는 효율적인 BSF 층의 형성에 불필요한 영향을 주지 않고 Al과 Si 양자와 최적으로 상호작용해야 한다.
전형적인 ARC는 질화규소와 같은 실리콘 화합물, 일반적으로는 SiNx, 예컨대 Si3N4로 만들어지고, 일반적으로 실리콘 기판의 전방 컨택트층 상에 있다. 이 ARC 층은 접촉 저항을 증가시키는 경향을 가진 절연체로서 작용한다. 따라서 유리 성분으로 상기 ARC 층을 침식시키는 것은 전방 컨택트 형성에서 필요한 단계이다. 실리콘 웨이퍼와 페이스트 사이의 저항 감소는 태양 전지의 효율을 향상시키고, 전방 컨택트 Ag/Si 계면에 에피택셜 은/실리콘 전도성 아일랜드를 형성함으로써 촉진된다. 즉, 실리콘 상의 은 아일랜드는 실리콘 기판에서 확인되는 것과 동일한 결정 구조를 가진다. 이제까지는, 저저항 에피택셜 은/실리콘 계면을 달성하는 처리 조건이 납 혼입 유리를 함유하는 Ag 페이스트의 사용을 수반했다. 여기서 무연 Ag 페이스트 및 제조 방법에 의하면, 폭 넓은 처리 조건 - 약 650℃의 낮은 소성 온도 및 약 850℃의 높은 웨이퍼 온도 - 하에서 낮은 저항을 가진 컨택트를 형성하게 되는 에피택셜 은/실리콘 계면을 생성하여 무연 전방 컨택트를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 무연 페이스트는 공기중에서 소성될 수 있다. 즉, 특별한 분위기 조건을 필요로 하지 않는다.
실리콘 태양 전지 상에 저저항 무연 전방 컨택트를 형성하는 것은 기술적으로 용이하지 않다. 페이스트 성분들(은 금속, 유리, 첨가제, 유기 화합물)간의 상호작용과 페이스트 성분 및 실리콘 기판간의 상호작용은 모두 복잡하면서도 반드시 제어되어야 한다. 가열로 처리가 매우 빠르기 때문에 모든 반응은 반응속도(kinetics)에 크게 의존하게 된다. 또한, 관심의 대상인 반응은 P-N 접합을 보존하기 위해 실리콘의 매우 좁은 영역(＜0.5㎛) 내에서 일어나야 한다. 마찬가지로 무연 후방 컨택트의 형성도 기술적으로 용이하지 않다.
전방 컨택트의 제조 방법. 본 발명에 따른 태양 전지 전방 컨택트는 은 분 말과 표 1에 제시되어 있는 무연 및 무카드뮴 유리의 혼합에 의해 제조된 임의의 Ag 페이스트를, Ag 배면 컨택트 페이스트와 Al 후방 컨택트 페이스트로 예비 코팅된 실리콘 기판의 N측에, 예를 들어 스크린 인쇄에 의해 원하는 습윤 두께(예컨대, 약 40～80㎛)로 도포함으로써 제조될 수 있다.
은 배면 컨택트의 제조 방법. 본 발명에 따른 태양 전지 은 배면 컨택트는 은 또는 은 합금 분말과 표 1에 제시되어 있는 무연 유리의 혼합에 의해 제조된 임의의 Ag 페이스트를, 실리콘 기판의 P측에, 예를 들어 스크린 인쇄에 의해, 원하는 습윤 두께(예컨대, 약 40～80㎛)로 도포함으로써 제조될 수 있다.
후방 컨택트의 제조 방법. 본 발명에 따른 태양 전지 후방 컨택트는 알루미늄 분말과 표 2에 제시되어 있는 무연 유리의 혼합에 의해 제조된 임의의 Al 페이스트를, 은 배면 컨택트 페이스트로 예비 코팅된 실리콘 기판의 P측에, 예를 들어 스크린 인쇄에 의해, 원하는 습윤 두께(예컨대, 약 30～50㎛)로 도포함으로써 제조될 수 있다.
전방 컨택트, 후방 컨택트 및 은 배면 컨택트의 제조에 공통점은 다음과 같다. 자동 스크린 인쇄 기술을 200～325 메쉬 스크린을 사용하여 이용할 수 있다. 그런 다음, 인쇄된 패턴을 소성하기 전에 200℃ 이하, 바람직하게는 약 120℃에서 5～15분간 건조한다. 건조된 인쇄 패턴을 은 배면 컨택트 및 Al 후방 컨택트 페이스트와 함께 통기 상태의 벨트 컨베어 가열로에서 피크 온도로 1초 내지 약 5분 동안 동시 소성할 수 있다.
필요할 경우에는 질소(N2) 또는 다른 불활성 분위기를 이용할 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 소성은 일반적으로 약 300℃ 내지 약 550℃, 약 650℃ 내지 약 1,000℃의 최고 가열로 설정 온도에서 짧게는 약 1초 동안 유기 물질을 소각시킬 수 있는 온도 프로파일에 따르지만, 더 낮은 온도에서 소성할 경우에는 1분, 3분 또는 5분에 달하는 더 긴 소성 시간도 가능하다. 예를 들면, 벨트 속도가 1분당 약 1～약 4m(40～160in)인 3-존(zone) 소성 프로파일을 이용할 수 있다. 당연히, 본 발명에 의하면, 4개, 5개, 6개, 또는 7개의 존 또는 그 이상의 존을 포함하고 각 존의 길이가 약 5～약 20in이고 소성 온도가 650～1,000℃인, 3-존보다 많은 소성 설비를 생각할 수 있다.
실시예 . 치수가 12.5cm×12.5cm이고, 두께가 250～300㎛인 다결정질 실리콘 웨이퍼를 Si의 N측 상에 질화규소 반사방지 코팅으로 코팅했다. 이 웨이퍼의 시트 저항률은 약 1 Ω-cm였다. 본 발명의 예시적인 무연 및 무카드뮴 유리를 표 3에 수록한다.
표 3: 예시적인 유리 조성물
Figure 112007086851616-pct00001
통상적으로 사용되는 2～5㎛ 은 분말 또는 플레이크 및 4～10㎛ 알루미늄 분말 및 오하이오주 클리블랜드 소재 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수 가능한 유기 매개체 V131, V132, V148, V205 및 V450을 사용하여, 표 4의 예시적인 Ag-페이스트 또는 Al-페이스트 포뮬레이션을 만들었다. N-Diffusol은 매사추세츠주 댄버스 소재 Transene Co. Inc.로부터 상업적으로 입수 가능하다. Anti-Terra 204는 독일 베젤 소재 BYK-Chemie GmbH로부터 상업적으로 입수 가능한 습윤제이다. Cabosil®은 흄드 실리카로서, 매사추세츠주 빌레리카 소재 Cabot corporation으로부터 상업적으로 입수 가능하다. 표 4의 모든 양은 고체 부분과 유기 화합물 부분을 포함하는 페이스트의 중량%로 나타낸 것이다.
표 4: 예시적인 무연 페이스트 포뮬레이션
페이스트 → 1 2 3 4
형태 전방 전방 후방 은 배면 컨택트
성분 (단위: 중량%)
유리 성분 I J L M
페이스트 내 유리 성분 4.7 4.5 1.6 5
은 80.9 78.0 69.9
알루미늄 78.2
Cabosil 0.4
매개체 V131 1.1 3.5 10.4
매개체 V132 8.8 13.5 14.7
매개체 V148 4.1
매개체 V205 7.25
매개체 V450 3.75
Texanol 7.8
Anti-Terra 204 1.0
N-Diffuson 0.4 0.5
표 4의 예시적 무연 페이스트를 실리콘 태양 전지 상의 전방 컨택트, 또는 후방 은 배면 컨택트 또는 후방 컨택트 중 어느 하나로서 인쇄하고, 그의 태양 전지 성질을 표 5에 제시된 종래 기술의 납 함유 페이스트와 비교했다. 따라서, 다른 두 가지 페이스트는 오하이오주 클리블랜드 소재 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수 가능한 전방 컨택트(CN33-462) 또는 은 배면 컨택트(3368, 33-451. 또는 33-466) 또는 Al 후방 컨택트(FX53-038 또는 CN53-100 또는 CN53-101) 페이스트였다. 전방 컨택트 패턴은 핑거 라인(finger line)을 위한 100㎛ 개구부 및 상기 라인들 사이에 약 2.8 mm의 간격을 가진 280 메쉬 스크린을 사용하여 인쇄했다. 은 배면 컨택트와 후방 컨택트 페이스트는 200 메쉬 스크린을 사용하여 인쇄했다. 인쇄된 웨이퍼를 벨트 속도가 1분당 약 3m(120")이고, 3개 존에 대한 온도 설정이 780℃, 810℃ 및 930～970℃인 3-존 적외선(IR) 벨트 가열로를 사용하여 동시 소성했다. 상기 존의 길이는 각각 7", 16" 및 7"였다. 전방 컨택트 Ag 라인에 대해, 대부분의 샘플에 대한 소성된 핑거 폭은 약 120～170㎛였고, 소성된 두께는 약 10～15㎛였다.
이들 무연 페이스트와 그의 비교용 종래 기술의 납 함유 페이스트를 전술한 소성 프로파일에 따라 나란히 소성했다. 이들 태양 전지의 전기적 성능을, ASTM G-173-03에 따라 AM 1.5 일광 조건 하에, 솔라 테스터(solar tester)인 코네티컷주 스트랫포드 소재 Oriel Instrument Co.사의 Model 91193-1000으로 측정했다. 얻어진 태양 전지의 전기적 성질을 표 5에 제시한다.
표 5: 대응하는 종래 기술의 납 함유 페이스트와 비교한 표 4의 무연 페이스트로 제조된 태양 전지의 성질.
페이스트 → 1 종래기술
CN33 -462 		2
종래기술
CN33 -462 		3 종래기술
FX53 -038 		4 종래기술
3398
페이스트 형태→ 무연 납함유 납함유 납함유 납함유
유리→ I J L M
유리 형태→ 무연 Pb 무연 Pb 무연 Pb 무연 Pb
Isc, A 5.653 5.718 5.087 5.177 4.966 5.079 4.942 4.920
Voc, mV 601 609 610 609 600 606 606 603
효율, % 13.10 15.49 14.91 15.18 13.96 13.39 13.6 13.4
충전 인자, % 59.8 69.0 75.0 75.1 73.1 67.7 70.6 70.5
Rs, mΩ 21 10.0 8.8 8.0 11.0 14.0 14.0 13.0
Rsh, Ω 3.47 4.12 12.8 17.3 9.45 5.88 8.0 6.7
종래 기술의 페이스트 3398, CN33-462, FX53-038은 오하이오주 클리블랜드 소재 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수 가능하다. Isc는 출력 전압 제로(0)에서 측정한 단락 전류(short circuit current)를 의미하고; Voc는 출력 전류 제로(0)에서 측정한 개방회로 전압(open circuit voltage)을 의미하고; Rs 및 Rsh는 앞에서 정의한 바와 같다. 효율 및 충전 인자라는 용어는 해당 기술 분야에 공지 되어 있다.
표 5는 본 발명의 무연 페이스트가 시판되는 종래 기술의 납 함유 페이스트에 필적하는 성질을 제공하는 것을 명백히 나타낸다.
부가적 이점 및 변형은 당업자에 의해 용이하게 실행될 것이다. 따라서, 보다 광의의 측면에서 본 발명은 본 명세서에 제시되고 설명된 특정한 상세사항 및 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구의 범위 및 그의 등가물에 의해 정의되는 본 발명의 일반적 개념의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 실리콘 반도체 웨이퍼 및 상기 실리콘 반도체 웨이퍼 상에 증착된 조성물을 포함하는 태양 전지 컨택트로서,
    상기 조성물은 소성(firing) 단계 이전에,
    a. 고체 부분 및
    b. 유기 화합물 부분
    을 포함하고,
    c. 상기 고체 부분은,
    i. 85 중량% 내지 99 중량%의 전도성 금속 성분인 은, 및
    ii. 1 중량% 내지 15 중량%의, 무연(lead-free) 및 무카드뮴(cadmium-free)인, 유리 성분으로서, 50 mol% 내지 80 mol%의 Bi2O3, 15 mol% 내지 35 mol%의 SiO2, 1 mol% 내지 15 mol%의 ZnO, 및 1 mol% 내지 15 mol%의 V2O5를 포함하는 유리 성분
    을 포함하며,
    상기 유리 성분은 알루미노-실리케이트, 비스무트 보레이트, 비스무트 실리케이트, 비스무트 티타네이트, 바나데이트, 비스무트 바나데이트, 비스무트 바나듐 티타네이트, 붕산아연, 티탄산아연, 규산아연, 지르코늄 실리케이트, 및 이들의 반응 생성물 및 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 제2상 결정질 물질을 포함하는 태양 전지 컨택트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 반도체 웨이퍼는 N측 및 P측을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조성물은 실리콘 반도체 웨이퍼의 N측에 증착된 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 조성물은 실리콘 반도체 웨이퍼의 P측에 증착된 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유리 성분이, P, Ta, Nb 및 Sb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소의 5가 산화물 0.1 mol% 내지 20 mol%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 비스무트 보레이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 6Bi2O3·SiO2, Bi2O3·SiO2, 2Bi2O3·3SiO2, 12Bi2O3·SiO2, 2Bi2O3·SiO2, 3Bi2O3·5SiO2, 및 Bi2O3·4SiO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 비스무트 실리케이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 Bi2O3·2TiO2, 2Bi2O3·3TiO2, 2Bi2O3·4TiO2 및 6Bi2O3·TiO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 비스무트 티타네이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 MgO·V2O5, SrO·V2O5, CaO·V2O5, BaO·V2O5, ZnO·V2O5, Na2O·17V2O5, K2O·4V2O5, 및 2Li2O·5V2O5로 이루어진 군으로부터 선택되는 바나데이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 6Bi2O3·V2O5, BiVO4, 2Bi2O3·3V2O5 및 BiV3O9로 이루어진 군으로부터 선택되는 비스무트 바나데이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 6.5Bi2O3·2.5V2O5·TiO2인 비스무트 바나듐 티타네이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 2ZnO·3TiO2인 티탄산아연인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 ZnO·SiO2인 규산아연인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 ZrO2·SiO2인 지르코늄 실리케이트인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2상 결정질 물질이 ZnO·B2O3인 붕산아연인 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 1초 내지 5분 동안 소성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 조성물은 1초 내지 3분 동안 소성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 은 성분은, 은의 플레이크(flake), 분말 또는 콜로이드 입자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고체 부분은 인을 추가로 포함하고, 상기 인의 적어도 일부는 상기 은의 플레이크, 분말 또는 콜로이드 입자의 적어도 일부분 상에 코팅으로서 존재하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 고체 부분은 3 중량% 내지 8 중량%의 유리 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 컨택트.
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