KR101226861B1 - 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트 - Google Patents

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Abstract

납을 함유하지 않음에도 불구하고, 양호한 태양전지 특성을 얻을 수 있는 표면 전극을 형성하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트를 제공한다.
은을 주성분으로 하는 도전성 분말과, 글래스 프릿과, 유기 비히클을 포함한 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트로서, 상기 글래스 프릿이, 산화텔루르를 네트워크 형성 성분으로 한 텔루르계 글래스 프릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트. 본 발명의 도전성 페이스트는, 기판측에의 파이어 스루에 의한 문제를 일으키지 않고, 소성 온도에 대한 의존성이 낮은 태양 전지 전극을 형성하여, 여러 특성이 뛰어난 태양전지를 얻는 것을 가능하게 한다.

Description

태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트{CONDUCTIVE PASTE FOR FORMING A SOLAR CELL ELECTRODE}
본 발명은, 은을 주성분으로 하는 도전성 분말과 글래스 프릿(glass frit)을 포함하고, 태양전지의 전극 형성에 이용되는 소성형의 도전성 페이스트에 관한 것이다.
종래에는, 일반적인 태양전지 소자는, 실리콘계의 반도체 기판, 확산층, 반사방지막, 이면 전극, 표면 전극(이하, "수광면(受光面) 전극"이라 칭하기도 한다)을 구비하고 있다. 이 중에서, 특히 표면 전극을 형성할 때에는, 은을 주성분으로 하는 도전성 입자, 글래스 프릿, 유기 비히클 등을 혼합한 도전성 페이스트를 이용하여, 스크린 인쇄나 공판(孔版) 인쇄 등에 의해서 전극을 형성하고 있다.
일례로서 도 1에 나타난 결정계 실리콘 태양전지에 있어서는, 일반적으로 텍스쳐 구조로 불리는 요철 형상을 형성한 p형 결정계 실리콘 기판(4)의 표면(수광면) 영역에 확산층(3)을 형성한다. 여기서 확산층(3)은, 반도체 기판(4)의 수광면으로부터 반도체 기판(4)으로 인(P) 등의 불순물을 확산시키는 것에 의해서 형성되어, 반도체 기판(4)과는 반대의 도전형을 보이는 영역이다(본 예에서 상기 반대의 도전형은 n형으로 설명된다). n형 확산층(3)은, 예를 들면 반도체 기판(4)을 확산로 중에 배치하여 옥시염화인(POCl3) 등의 속에서 가열하는 것에 의해서 형성된다. 이 확산층(3) 상에는, 반사 방지 기능과 아울러 태양전지 소자의 보호를 위해서, 질화규소, 산화규소, 산화티탄 등으로 이루어진 절연성의 반사방지막(2)을 형성한다. 예를 들면 질화규소(이하 "SiN"이라 칭한다)의 경우에는, 실란(SiH4)과 암모니아(NH3)의 혼합 가스를 이용한 플라즈마 CVD법 등으로 형성된다. 반사방지막(2)은, 반도체 기판(4)과의 굴절률차 등을 고려하여, 예를 들면 굴절율이 1.8∼2.3 정도로 5∼100nm 정도의 두께로 형성된다.
그 후, 상술한 도전성 페이스트가 스크린 인쇄법 등에 의해 그리드(grid) 형상으로 인쇄·도포되어 반사방지막(2) 상에 형성되고, 이 페이스트가 500∼900℃ 정도의 온도로 소성됨으로써 표면 전극(1)을 형성한다. 이러한 소성시에, 통상적으로, 도전성 페이스트에 포함되는 글래스 프릿의 작용에 의해, 반사방지막(2)을 용해·제거하는 것에 의해서, 표면 전극(1)과 n형 확산층(3)의 전기적 접촉이 달성된다. 이것은 일반적으로는 "파이어 스루(fire-through)"라 불리고 있다.
한편, 반도체 기판(4)의 이면측에는, 예를 들면 알루미늄 등이 확산한 고농도 p형의 BSF(Back Surface Field)층이 형성됨과 함께 이면 전극(5)이 형성된다.
파이어 스루가 양호하게 이루어지기 위해서는, 도전성 페이스트 중의 글래스 프릿으로서, 반사방지막(2)과의 용해성이 좋은 글래스를 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 종래에는 표면 전극 형성의 도전성 페이스트가 포함되는 글래스 프릿으로서는, 글래스의 연화점을 조정하기 쉽고, 기판과의 밀착성(접착 강도)도 뛰어나며, 비교적 파이어 스루를 양호하게 행할 수 있어, 뛰어난 태양전지 특성을 얻을 수 있다고 하는 이유에서, 산화납을 함유한 글래스가 많이 사용되어 왔다.
예를 들면 특허문헌 1, 2, 4에 기재되어 있는 태양전지 전극 형성용 은 페이스트에서는, 붕규산납 글래스 프릿이 사용되고, 특허문헌 3에서는 붕규산납계 외, 붕산납계 글래스 프릿이 기재되어 있다.
그런데, 상술한 파이어 스루에 있어서, 표면 전극(1)의 소성시에, 글래스 프릿의 작용의 불균일 등에 의해 표면 전극(1)이 반사방지막(2)을 관통하지 않고, 표면 전극(1)과 반도체 기판(4)의 n형 확산층(3)의 사이에서 안정적인 오믹 컨택트 (ohmic contact)를 얻을 수 없거나, 접착 강도도 불균일해진다고 하는 문제가 있었다. 오믹 컨택트가 불충분하면 아웃풋하는 동안 손실이 발생하여, 태양전지의 변환 효율이 저하하거나, 또한 전류 전압 특성이 악화하거나 한다고 하는 문제가 있었다.
한편, 특허문헌 4의 단락[0004]이나 특허문헌 5의 단락[0017] 등에 기재되어 있는 바와 같이, 파이어 스루가 과잉인 경우에도 전압 특성이 열화한다고 하는 문제가 알려져 있다. 상술한 바와 같이 반사방지막(2)의 두께는 겨우 5∼100nm 정도이고, 표면 전극(1)이 반사방지막(2)을 관통하고, 계속해서 그 하층인 n형 확산층 (3)도 관통하여 반도체 기판(4) 내부까지도 침식해 버린 경우에는, p-n접속이 파괴되어, 전류-전압 특성의 측정으로부터 얻어지는 곡선 인자(필 팩터(fill factor), 이하 "FF")에 악영향을 미칠지도 모른다. 또한, 향후, 고효율화를 도모하기 위해서 n형 확산층(3)을 더욱 박층화하고자 하는 경우, 관통이 보다 일어나기 쉬워지기 때문에, 그 제어가 한층 곤란하다.
도 2는, 시판되고 있는 태양전지 기판의 표면 전극과 반도체 기판의 계면을, 투과형 전자현미경(TEM)으로 관찰한 것이다. 한편, 이 시판되고 있는 태양전지에서는, 표면 전극중에 납계의 글래스가 사용되고 있다. 도 2에서 표면 전극층(1a)과, 반사방지막인 SiN층(2)의 사이에는, 도전성 페이스트 중의 은성분을 함유한 납계 글래스층(6)이 존재하고, 이 일부(7)가 SiN층(2)을 뚫고 나가 실리콘 기판(또는 n형 확산층)(4)과 컨택트하고 있지만, 그 일부(8)에서 파이어 스루가 너무 진행되어, 돌기 형상으로 반도체 기판(4)의 내부에까지 깊이 침식하고 있는 모습을 엿볼 수 있다.
이와는 별도로, 최근, 환경 문제에 대한 의식이 높아지고 있기 때문에, 태양전지에 대해서도 납을 사용하지 않는 재료·부품에의 전환이 요망되고 있다. 따라서, 종래 납계 글래스와 같이, 글래스의 연화점을 조정하기 쉽고, 기판과의 밀착성 (접착 강도)도 뛰어나며, 파이어 스루를 양호하게 행할 수 있어, 뛰어난 태양전지 특성을 얻을 수 있는 것을 목표로 하여, 대체 재료·부품의 개발이 진행되어 왔다.
일례로서, 특허문헌 3에서는 붕규산 아연계의 글래스 프릿, 특허문헌 4에서는 붕규산 비스무트계 및 붕규산 아연계의 글래스 프릿, 특허문헌 6에는 붕규산계의 글래스 프릿, 그리고 특허문헌 7에는 붕산 아연계의 글래스 프릿을 이용하여, 표면 전극을 형성하고자 하고 있다. 그러나, 발명자등의 연구에 의하면, 이들 납프리 글래스를 사용했을 경우에도, 파이어 스루가 충분하지 않아, 오믹 컨택트를 얻을 수 없거나, 혹은, 도 2와 마찬가지로, 파이어 스루가 너무 진행되어 표면 전극의 일부가 깊이 반도체 기판에 침식하고 있는 케이스를 종종 볼 수 있는 등, 파이어 스루의 컨트롤이 어려웠다.
한편, 형광 표시관의 봉착 용도(특허문헌 8)나 광파이버 재료 용도(특허문헌 9)에 이용되는 글래스로서, 텔루르계 글래스가 알려져 있다. 일반적으로 텔루르계 글래스는, 저융점이며 고내구성으로 은을 고용하기 쉽다고 하는 성질을 갖춘 것이 알려져 있지만, 그 한편으로 산화규소와의 반응성이 극히 낮고, 최근에는 반사방지막으로서 규소계의 것이 많이 이용되는 경우도 있어, 태양전지의 표면 전극 형성 용도로서는, 과거에는, 거의 검토되지 않았었다.
특허문헌 1 일본 공개특허공보 평성11-213754호 특허문헌 2 일본 공개특허공보2001-093326호 특허문헌 3 일본 공개특허공보2001-118425호 특허문헌 4 일본 공개특허공보 평성10-326522호 특허문헌 5 일본 공개특허공보2004-207493호 특허문헌 6 일본 특표공보2008-543080호 특허문헌 7 일본 공개특허공보2009-194121호 특허문헌 8 일본 공개특허공보 평성10-029834호 특허문헌 9 일본 공개특허공보2007-008802호
본 발명은, 납을 함유하지 않음에도 불구하고, 양호한 태양전지 특성을 얻을 수 있는 전극을 형성할 수 있는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 이하의 구성으로 이루어진다.
(1)은을 주성분으로 하는 도전성 분말과, 글래스 프릿과, 유기 비히클을 포함한 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트로서,
상기 글래스 프릿이, 산화텔루르를 네트워크 형성 성분으로 한 텔루르계 글래스 프릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
(2)상기 텔루르계 글래스 프릿이, 산화텔루르를 25∼90몰% 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
(3)상기 텔루르계 글래스 프릿이, 산화텅스텐, 산화몰리브덴 중의 어느 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
(4)상기 텔루르계 글래스 프릿이, 상기 산화텅스텐, 산화몰리브덴 중의 어느 1종 이상을 합계하여 5∼60몰% 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 기재된 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
(5)상기 텔루르계 글래스 프릿이, 산화아연, 산화비스무트, 산화알루미늄 중의 어느 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
(6)상기 텔루르계 글래스 프릿이 이하의 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
산화텔루르:25∼90몰%
산화텅스텐, 산화 몰리브덴 중의 어느 1종 이상: 합계하여 5∼60몰%
산화아연:0∼50몰%
산화비스무트:0∼25몰%
산화알루미늄:0∼25몰%
(7)상기 텔루르계 글래스 프릿이, 상기 도전성 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
본 발명에 의하면, 종래와 같이 납계 글래스를 함유하지 않고, 태양전지 특성이 양호한 태양전지 전극을 형성할 수 있는 도전성 페이스트를 얻을 수 있다. 이 도전성 페이스트를 이용하여 태양전지를 제조함으로써, 종래와 동등 이상의 성능·특성의 태양전지를 얻을 수 있다.
도 1은 태양전지 소자의 모식도이다.
도 2는 종래의 납계 글래스를 이용한 표면 전극과 기판의 계면의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 Te계 글래스를 이용한 표면 전극과 기판의 계면의 TEM 사진이다
이하에, 본 발명에 관한 도전성 페이스트 및 태양전지 소자의 하나의 실시형태에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명의 범위는 이하에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명에 따른 도전성 페이스트에 대하여 설명한다. 본 발명의 도전성 페이스트는, 은을 주성분으로 하는 도전성 분말 및 글래스 프릿을 유기 비히클에 분산시킨 것이다. 이하에 각 성분에 대하여 설명한다.
도전성 분말로서는 은을 주성분으로 하는 것 외에는 특별히 제한은 없고, 그 형상은, 구상(球狀), 플레이크상, 수지상(樹枝狀) 등, 종래에 이용되고 있는 것이 사용된다. 또한, 순은 분말 외에, 적어도 표면이 은층으로 이루어지는 은피복 복합 분말이나, 은을 주성분으로 하는 합금 등을 이용하여도 좋다. 도전성 분말은, 평균 입자지름이 0.1∼10㎛인 것이 바람직하다. 또한 평균 입자지름이나 입도 분포, 형상 등이 다른 2종 이상의 도전성 분말을 혼합하여 이용해도 좋고, 또한, 은 분말과 은 이외의 하나 이상의 도전성 분말을 혼합하여 이용하여도 좋다. 은 분말과 복합화, 합금화, 혹은 혼합하는 금속으로서는, 본 발명의 작용 효과가 손상되지 않는 한 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 알루미늄, 금, 팔라듐, 동, 니켈 등을 들 수 있다. 다만, 도전성의 관점에서는 순은 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 전극 형성용 도전성 페이스트의 글래스 프릿으로서, 산화텔루르를 네트워크 형성 성분으로 하는 텔루르계 글래스를 사용한 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명은 태양전지의 표면(수광면) 전극 형성에 적합하고, 태양전지 표면의 질화규소 등의 반사방지막에 본 발명의 페이스트를 인쇄·소성하는 것에 의해서, 우수한 태양전지 특성을 발휘하는 전극을 얻을 수 있다.
본 발명에 사용되는 텔루르계 글래스(이하, "Te계 글래스")에 있어서, 산화텔루르는 단독으로는 글래스화하지 않지만 글래스의 주요 구조를 형성하는 네트워크 형성 성분이며, 그 함유량은 글래스 프릿 전체에 대해서 산화물 환산으로 25∼90몰%이다. 25몰% 미만 혹은 90몰%을 넘으면 글래스 형성이 곤란하고, 바람직하게는 30∼80몰%, 더 바람직하게는 40∼70몰%의 범위이다.
본 발명자들의 연구에 의하면, Te계 글래스를 함유한 도전성 페이스트를 태양전지의 표면 전극 형성 용도로서 이용했을 경우에는, 도 2에서 설명한 바와 같은, 표면 전극이 반도체 기판 내부에의 깊은 침식이 거의 생기지 않고, 파이어 스루의 컨트롤이 용이하여, 충분한 오믹 컨택트를 얻을 수 있다.
도 3은, 본 발명의 도전성 페이스트를 이용하여 형성한 표면 전극과 실리콘 기판의 계면의 일부를 투과형 전자현미경(TEM)으로 관찰한 것이다. 표면 전극층 (1a)과 SiN층(2)의 사이에는, 은성분을 함유한 Te계 글래스층(9)과, 미소한 은 입자(11)가 연이어 석출한 산화규소층(10)을 구비한 특유의 구조로 되어 있으며, 본 발명자들은, 이것은 산화 규소와의 반응성이 낮고, 또한, 은을 고용하기 쉽다고 하는 Te계 글래스의 특성에 의한 것으로 생각하고 있다. 즉, 전극 형성시의 소성시에, 은이 이온으로서 Te계 글래스중에 대량으로 고용하고, 그 후, 은이온은 글래스층을 통하여 완만하게 SiN층으로 확산하여, 산화 환원 반응에 의해, 전극과의 계면 부분에서 SiN층의 표층의 일부를 산화 규소로 변화시킴과 동시에, 극히 미세한 은 입자로서 석출했다고 생각된다. 또한, 표면 전극이 반사방지막을 뚫고 나와도, 실리콘 기판(4)에 대해서 깊이 침입하기 어렵기 때문에, 종래의 도전성 페이스트에 비해 소성 온도에 대한 의존성이 낮고, 파이어 스루의 컨트롤이 용이하며, 게다가 향후 예상되는 태양전지의 거듭된 박층화, 나아가서는, 보다 한층 더 n형 확산층의 박층화에 대해서도 대응이 가능하다.
본 발명에 따른 Te계 글래스에서는 산화텔루르가 네트워크 형성 성분으로서 글래스의 네트워크를 형성하고 있지만, 산화텔루르 이외에 글래스 네트워크의 형성을 보충하는 성분으로서, 산화텅스텐, 산화몰리브덴 중의 어느 1종 이상을 함유하는 것이 바람직하다
산화텅스텐과 산화몰리브덴은 모두 Te계 글래스의 글래스화 범위 확대와 글래스 안정화에 기여한다. 산화물 환산으로 5몰% 미만 혹은 60몰%보다 많으면 글래스화가 곤란하다. 바람직하게는 10∼50몰%의 범위로 함유된다.
본 발명에 따른 Te계 글래스에 있어서 바람직하게는, 아연, 비스무트, 알루미늄 중의 어느 1종 이상을 더 함유하고, 특히 이들은 텅스텐 및/또는 몰리브덴과 조합하여 함유되는 것이 바람직하다.
아연은 글래스화 범위 확대와 글래스 안정화에 기여하지만, 산화물 환산으로 50몰%보다 많이 함유되면 글래스화가 곤란하다. 바람직하게는 5∼30몰%의 범위로 함유된다.
비스무트는 글래스화 범위의 확대와 화학적 내구성의 향상에 기여하지만, 산화물 환산으로 25몰%보다 많이 함유되면 결정상이 정출되기 쉬워져 글래스의 안정성을 해친다. 바람직한 함유량은 0.5∼22몰%의 범위이다.
알루미늄은 글래스의 화학적 내구성의 향상에 기여하지만, 산화물 환산으로 25몰%를 넘으면 첨가의 효과가 현저하게 사라진다. 2∼20몰%의 범위로 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 Te계 글래스는, SiN층과의 반응성이나 은의 고용량을 조정하기 위해서, 리튬, 나트륨과 같은 알칼리 금속 원소, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨과 같은 알칼리 토류 금속 원소, 디스프로슘, 이트륨, 니오브, 란탄, 은, 지르코늄, 티탄, 붕소, 게르마늄, 인, 탄탈과 같은 원소를 더 함유하고 있어도 좋고, 그들 산화물 환산으로의 함유량은 바람직하게는 합계하여 50몰% 이하이다.
그 외에, 본 발명에 따른 Te계 글래스로서는, 연화점이 300∼550℃인 것이 바람직하다. 연화점이 300℃보다 낮은 경우는 파이어 스루가 행하여지기 쉬워져, 표면 전극이 SiN층뿐만 아니라, n형 확산층까지도 관통하여 p-n접합이 파괴될 가능성이 높아진다. 또한, 연화점이 550℃보다 높은 경우는 글래스가 표면 전극과 반사방지막의 접합 계면에 충분히 공급되지 않아, 상술한 특유의 구조를 얻을 수 없어, 오믹 컨택트가 손상되고, 또한 전극의 접착 강도도 저하한다.
본 발명에 있어서 도전성 페이스트에는, 상술한 Te계 글래스 프릿 외에, Te계 이외의 글래스 프릿과 병용해도 좋다. 소성 온도나 SiN층에 대한 반응성 등을 제어하여, 태양전지 소자로서의 특성을 컨트롤하기 위해서, Te계 이외의 글래스 프릿으로서, SiO2-B203계, SiO2-B203-ZnO계, SiO2-Bi203계, B203-ZnO계 등, 공지의 글래스중에서, 적절히, Te계 글래스와 조합할 수 있지만, 바람직하게는 SiO2-B203계, SiO2-B203-ZnO계 글래스와 병용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 도전성 페이스트에 함유되는 글래스 프릿은, 태양전지 전극 형성용의 도전성 페이스트에서 통상 함유될 수 있는 양이면 상관없지만, 일례로서 도전성 입자 100중량부에 대해, 0.1∼10중량부인 것이 바람직하다. 글래스 프릿의 배합량이 도전성 분말 100중량부에 대하여, 0.1중량부보다 적으면 밀착성, 전극 강도가 극히 약해진다. 또한 10중량부를 넘으면, 전극 표면에 글래스 부유(glass float)가 생기거나, 계면에 흘러들어간 글래스에 의해 접촉 저항이 증가한다고 하는 문제가 발생한다.
한편, 종래의 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트에서는, 파이어 스루를 양호하게 행하기 위해서, 어느 정도 양의 글래스 프릿을 배합해야 했지만, 본 발명의 도전성 페이스트는, 글래스의 배합량을 억제한 경우에도 충분한 오믹 컨택트를 얻을 수 있기 때문에, 도전성이 높은 전극을 얻을 수 있다. 보다 바람직한 글래스 프릿의 배합량은, 도전성 입자 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부이다.
특별히 한정되지 않지만, 본 발명의 도전성 페이스트에 배합되는 글래스 프릿으로서는, 평균 입자지름 0.5∼5.0㎛인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 도전성 페이스트는 실질적으로 납 성분을 함유하지 않는 것이며, 상세하게는, 도전성 페이스트 속의 납 함유량은 1000ppm 이하이다.
본 발명의 도전성 페이스트에는, 기타 필요에 따라, 본 발명의 효과를 손상하지 않는 범위에서, 첨가제로서 통상적으로 첨가될 수 있는 가소제, 점도 조정제, 계면활성제, 산화제, 금속 산화물, 금속 유기 화합물 등을 하나 이상 적절히 배합할 수 있다.
또한, 본 출원인에 의한 일본 공개특허공보2007-242912호에 기재되어 있는 탄산은, 산화은, 초산은과 같은 은화합물을 배합하여도 좋고, 기타, 소성 온도를 제어하고 태양전지 특성의 개선 등을 위해서, 산화동, 산화아연, 산화티탄 등 중 하나 이상을 적절히 첨가하여도 좋다.
본 발명의 도전성 페이스트는, 상술한 도전성 분말, 글래스 프릿, 적절한 첨가제와 함께 유기 비히클과 혼합되어, 스크린 인쇄 기타 인쇄 방법에 적합한 리올로지(rheology)의 페이스트, 페인트, 또는 잉크 상태가 된다.
유기 비히클로서는 특별히 한정은 없고, 은페이스트의 비히클로서 통상적으로 사용되고 있는 유기 바인더나 용제 등이 적절히 선택되어 배합된다. 예를 들면 유기 바인더로서는, 셀룰로오스류, 아크릴 수지, 페놀 수지, 알키드 수지, 로진 에스테르 등이, 또한 용제로서는 알코올계, 에테르계, 에스테르계, 탄화수소계 등의 유기용제나 물, 이들 혼합 용제를 들 수 있다. 여기서 유기 비히클의 배합량은 특별히 한정되는 것이 아니고, 도전성 분말, 글래스 프릿 등의 무기 성분을 페이스트중에 유지할 수 있는 적절한 양으로, 도포 방법 등에 따라서 적절히 조정되지만, 통상 도전성 분말 100중량부에 대하여 5∼40중량부 정도이다.
본 발명의 도전성 페이스트가 적용되는 태양전지 소자는, 일례로서 이하와 같이 제조된다.
반도체 기판은 바람직하게는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어지며, 예를 들면, 붕소 등을 함유하는 것에 의해, 하나의 도전형(예컨대 p형)을 나타내도록 한 것이다. 수광면측으로부터 반도체 기판으로, 인 원자 등을 확산시켜 확산층을 형성함으로써, 역도전형(예컨대 n형)을 나타내는 영역을 형성하고, 그 위에 질화 실리콘 등의 반사방지막을 더 형성한다. 또한 수광면과 반대측의 기판 표면에는, 이면 전극 및 고농도의 p형의 BSF층을 형성하기 위해서, 알루미늄 페이스트, 은페이스트, 또는 은-알루미늄 페이스트를 도포·건조시킨다. 그리고 상기 반사방지막상에 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄법 등 통상의 방법으로 도포·건조시키고, 그 후, 피크 도달온도 500∼900℃의 고온에서 총 소성 시간 1∼30분간 정도 소성하여 유기 비히클 성분을 분해, 휘산시켜, 표면 전극, 이면 전극, BSF층을 동시에 형성한다. 한편, 표면 전극, 이면 전극은 반드시 동시에 소성할 필요는 없고, 이면 전극의 소성 후에 표면 전극을 형성해도 좋고, 또한 표면 전극 소성 후에 이면 전극을 형성하여도 좋다. 또한, 높은 광전 변환 효율을 얻기 위해서, 반도체 기판의 수광면측의 표면은 요철 형상(혹은 피라미드 형상) 표면의 텍스쳐 구조를 가진 것이 바람직하다.
[실시예]
아래에 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
<1. 예비 실험>
〔시료 1∼11의 제작〕
은 분말 100중량부와, 표 1에 나타내는 조성의 글래스 프릿 2중량부를, 에틸셀룰로오스 1.6중량부, 부틸카르비톨 6.4중량부로 이루어진 유기 비히클중에 분산시켜 도전성 페이스트(시료 1∼11)를 제작하였다. 표중에서, 글래스 조성의 각 성분은 모두 산화물 환산으로의 몰%로 나타나고 있다.
표 중의 "은 분말" 란에 기재된 분말은 이하와 같다. 한편, 이하에서의 평균 입자지름은, 레이저식 입도 분포 측정 장치를 이용하여 측정한 입도 분포의 중량 기준의 적산분율(積算分率) 50%값이다.
은 분말 X : 평균 입자지름 D50=1.8㎛의 구상 분말
은 분말 Y : 평균 입자지름 D50=1.5㎛의 구상 분말
은 분말 Z : 평균 입자지름 D50=2.6㎛의 구상 분말
〔전극 형성과 평가〕
상기 제작한 도전성 페이스트의 초기 평가를 행하기 위해서, 이하와 같이 하여, TLM(transmission line model) 법에 기초하여 접촉 저항을 측정하였다.
먼저 알칼리 에칭법에 의해 피라미드형 텍스쳐를 형성한 2cm×2cm의 정방형상의 p형 실리콘 기판을 각 시료에 대하여 10매씩 준비하여, 각 기판에 대하여, 그 하나의 주면(one principal surface)(수광면)측으로부터 각 기판으로 인을 확산시킨 n형의 영역(확산층)을 형성하고, 그 위에 플라즈마 CVD법에 의해 SiN층을 평균 두께가 75nm가 되도록 더 형성하였다.
다음에 SiN층상에, 상기 제작한 시료 1∼11를 이용하여, 폭 100㎛, 두께 15㎛의 표면 전극을 세선(細線) 형상 전극간 2mm의 피치로 복수개 형성하고, 세선 전극간의 저항치를 디지털 멀티미터(HEWLETT PACKARD사 제품:3458A MULTIMETER)를 이용하여 측정하여, 접촉 저항을 구한 다음 평가를 행하였다.
한편, 본 예에서는, 표면 전극의 소성 온도는 피크 온도 800℃에서 행하였다.
얻어진 결과를 표 1에 아울러 나타낸다. 한편, 표 중의 "접촉 저항"란의 부호는 이하와 같다.
◎:10매의 기판의 접촉 저항의 평균치가 0.05Ωcm2 미만
○:10매의 기판의 접촉 저항의 평균치가 0.O5Ωcm2 이상 0.O8Ωcm2 미만
△:10매의 기판의 접촉 저항의 평균치가 0.O8Ωcm2 이상 0.10Ωcm2 미만
×:10매의 기판의 접촉 저항의 평균치가 0.10Ωcm2 이상
또한,상술한 바와 같이 표면 전극과 실리콘 기판의 계면을 TEM 사진으로 시각적으로 관찰하여, 표면 전극의 SiN층을 통한 실리콘 기판측에의 침식을 이하의 기준으로 평가하였다. 그 결과는 표 중에 "침식(penetration)"란에 나타나 있다.
A:SiN층을 통하여 실리콘 기판측으로 향한 최대의 침식이 100nm 미만
B:최대의 침식이 100nm 이상 200nm 미만
C:최대의 침식이 200nm 이상 300nm 미만
D:최대의 침식이 300nm 이상
이미 설명한 바와 같이, 도전성 페이스트에 포함되는 글래스 프릿으로서 Te계 글래스를 이용했을 경우, 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 대체로 양호한 접촉 저항이 얻어지고 있다.
[표 1]
Figure 112010069752699-pat00001
〔시료 12∼81의 평가〕
도전성 페이스트중에 포함되는 글래스의 조성과, 사용하는 은 분말을 표 2-1, 표 2-2에 나타내는 것으로 한 것 외에는, 시료 1∼11의 경우와 같이 하여 접촉 저항을 구하여 평가하였다. 그 결과를 표 2-1, 표 2-2에 아울러 나타낸다. 표중에서, 글래스 조성의 각 성분은 산화물 환산으로의 몰%로 나타나고 있다.
[표 2-1]
Figure 112010069752699-pat00002

[표 2-2]
Figure 112010069752699-pat00003
〔시료 82∼130의 평가〕
도전성 페이스트중에 포함되는 글래스 조성과 사용하는 은 분말을 표 3-1, 표 3-2에 나타내고, 아울러 페이스트 중의 글래스의 배합량을 동 표에 나타낸 부수(중량부)로 바꾼 것 이외에는, 시료 1∼11의 경우와 마찬가지로 하여 접촉 저항을 구하여 평가하였다. 그 결과를 표 3-1, 표 3-2에 아울러 나타낸다.
〔비교 시료 1∼2의 평가〕
또한, 비교 시료 1, 2로서, 글래스 조성과 그 배합량, 사용하는 은 분말을 표 3-2에 나타낸 것으로 한 도전성 페이스트를 제작하여, 상기와 같이 접촉 저항을 구하여 평가하였다. 그 결과를 표 3-2에 아울러 나타낸다.
표 3-1, 3-2중에서, 글래스의 부수는 은 분말 100중량부에 대한 중량부이며, 글래스 조성의 각 성분은 산화물 환산으로의 몰%로 나타내고 있다.
[표 3-1]
Figure 112010069752699-pat00004
[표 3-2]
Figure 112010069752699-pat00005
상기의 표로부터 명백하듯이, 본 발명의 도전성 페이스트로 형성된 표면 전극은, 상기 전극층이 SiN층을 뚫고나와 실리콘 기판측에 깊이 침입하는 경우가 없는, 전극간의 접촉 저항도 낮은 것이었다. 비교예의 표면 전극에서는, 전극층의 일부가 SiN층을 뚫고나와 실리콘 기판측에 깊이 침입하고 있는 것이 확인되었다.
<2.태양전지 소자의 여러 특성의 평가>
예비 실험과 마찬가지로, 알칼리 에칭법에 의해 피라미드형 텍스쳐를 형성한 2cm×2cm의 p형 실리콘 기판의 하나의 주면(수광면)측에 n형 확산층과 SiN층을 차례로 형성한 후, 또한 반대측의 기판의 이면 상에 알루미늄 페이스트를 이용하여 이면 전극을 형성하고, 그 후, SiN층상에, 상술한 시료 44, 79, 88, 123을 이용하여, 소성후에 선폭 100㎛, 두께 15㎛, 선간(線間) 피치 2mm의 빗형(comb-shaped)의 표면 전극이 얻어지도록 빗형 패턴을 인쇄한 후, 이것을 피크 온도 800℃로 소성하여 표면 전극을 형성하여 태양전지 소자를 준비했다. 또한, 각각의 시료에 대해 마찬가지로 빗형 패턴을 형성한 후, 피크 온도 760℃, 780℃로 소성하고, 소성 온도만이 다른 태양전지 소자를 준비했다.
또한, 비교 시료 1, 2에 대하여 마찬가지로 빗형 패턴을 형성한 후, 피크 온도 800℃로 소성하여 태양전지 소자를 준비했다.
준비한 태양전지 소자에 대해서, 솔러 시뮬레이터(WACOM사 제품:WXS-50S-1.5, AM 1.5G) 및 고전류 소스미터(KEITHLEY 인스트루먼트사 제품:2400형)를 이용하여 I-V커브의 측정을 행하여, 개방 전압(Voc), 단락 전류 밀도(Jsc), 곡선 인자 (FF), 최대 출력점(Pmax), 변환 효율(Eff)을 구했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
[표 4]
Figure 112010069752699-pat00006
본 발명의 도전성 페이스트로 형성된 표면 전극을 구비한 태양전지 소자는, 소성 온도에 대한 의존성이 낮고, 뛰어난 태양전지 특성을 가진 것이 확인되었다.
1 표면 전극
1a 표면 전극
2 반사방지막 또는 SiN층
3 확산층
4 기판
5 이면 전극
6, 9 글래스층
10 산화 규소층
11 은 입자

Claims (7)

  1. 은을 포함하는 도전성 분말과, 글래스 프릿(glass frit)과, 유기 비히클을 포함한 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트로서,
    상기 글래스 프릿이, 산화텔루르를 네트워크 형성 성분으로 하여, 산화텔루르를 25∼90몰% 함유하는 텔루르계 글래스 프릿을 포함하고, 또한 상기 텔루르계 글래스 프릿이, 상기 도전성 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 텔루르계 글래스 프릿이, 산화텅스텐, 산화몰리브덴 중의 어느 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 텔루르계 글래스 프릿이, 상기 산화텅스텐, 산화몰리브덴 중의 어느 1종을 합계하여 5∼60몰% 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 텔루르계 글래스 프릿이, 산화아연, 산화비스무트, 산화알루미늄 중의 어느 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 텔루르계 글래스 프릿이 이하의 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지 전극 형성용 도전성 페이스트.
    산화텔루르:25∼90몰%
    산화텅스텐, 산화몰리브덴 중의 어느 1종 이상:합계하여 5∼60몰%
    산화아연:O∼50몰%
    산화비스무트:0∼25몰%
    산화알루미늄:0∼25몰%
  6. 삭제
  7. 삭제
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