KR101634488B1 - 개선된 접착 특성을 갖는 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 무기 반응 시스템 - Google Patents

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Abstract

화학식 1: Pba-Bib-Tec-Sig-Md-Oe의 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 조성물을 포함하는 무기 반응 시스템: 여기서, 0 < a, b, d, 또는 g ≤ 1, 0 ≤ d, e ≤ 1, 및 a, b, c, d 및 g의 합은 1, 0 < a ≤ 0.05, 0.2 < b ≤ 0.95, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.2, 0 < g ≤ 0.5, a:b는 약 0.1:99.9 내지 약 5:95 사이, b:c는 약 50:50 내지 99:1 사이, M은 하나 이상의 원소, 및 e는 Pb, Bi, Te, Si, 및 M 성분이 균형을 이루기에 충분한 수이다.

Description

개선된 접착 특성을 갖는 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 무기 반응 시스템 {LEAD-BISMUTH-TELLURIUM-SILICATE INORGANIC REACTION SYSTEM HAVING IMPROVED ADHESION PROPERTIES}
본 발명은 무기 반응 시스템을 함유하는 전기전도성 페이스트의 접착 특성을 개선시키는 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 (lead-bismuth-tellurium-silicate) (PBTS) 무기 반응 시스템 (IRS)에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 관점에 있어서, 태양 전지판 기술 (solar panel technology), 특히 전면 전기적 콘택 (contact)을 형성하기 위해 활용되는, 전기전도성 페이스트 조성물은, 전도성 입자, 유기 비히클, 및 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 무기 반응 시스템을 포함한다.
태양 전지는 광기전력 효과 (photovoltaic effect)를 사용하여 광 에너지를 전기로 전환시키는 장치이다. 태양열 발전은 지속가능하고, 오염 없는 부산물을 생산하기 때문에 매력적인 청정 에너지원이다. 따라서, 연구의 큰 목표는 재료 및 제작 비용을 연속적으로 낮추면서 향상된 효율을 갖는 태양 전지를 개발하는데 최근까지 집중되고 있다. 작동에 있어서, 광이 태양 전지와 부딪치는 경우, 상기 입사광의 일부는 표면에 의해 반사되고, 나머지는 태양 전지로 투과된다. 상기 투과된 광의 광자 (photon)는, 실리콘과 같은 반도체 물질로 일반적으로 만들어진, 상기 태양 전지에 의해 흡수된다. 상기 흡수된 광자로부터 에너지는 반도체 물질의 전자를 이들의 원자로부터 여기시켜, 전자-정공 쌍 (electron-hole pairs)을 발생시킨다. 이들 전자-정공 쌍은 그 다음 p-n 접합 (p-n junction)에 의해 분리되고, 상기 태양 전지 표면상에 적용된 전도성 전극에 의해 수집된다.
태양 전지는 통상적으로 이들의 전 및 후 표면 모두에 적용된 전기전도성 페이스트를 갖는다. 통상적으로 은을 포함하는, 전면 페이스트는, 기판의 전면 상에 스크린 인쇄되어 전면 전극을 제공한다. 통상적인 전기전도성 페이스트는 전도성 금속 입자, 유리 프릿, 및 유기 비히클을 함유한다. 몇몇 경우에 있어서, 상기 유리 프릿은, 소성시 실리콘 기판의 표면상에, 질화규소 코팅과 같은, 반사방지 코팅을 통해 에칭되고, 상기 전도성 입자 및 상기 실리콘 기판 사이의 전기적 콘택을 만들어 내는 것을 돕는다. 동시에, 전기적 콘택을 만드는 것을 돕는, 몇몇 알려진 유리 프릿은, 또한 상기 실리콘 기판에 페이스트의 접착을 악화시키는 데 기여한다. 결과적으로, 상기 태양 전지의 접착 성능 및 신뢰도 (reliability)는 감소될 수 있다.
따라서, 향상된 태양 전지 효율을 달성하기 위하여, 전기전도성 페이스트 및 기저 기판 사이의 개선된 접착력을 제공하는 IRS는 바람직하다.
본 발명은, 전기전도성 페이스트에서 사용된 경우, 하부 실리콘 기판과 페이스트의 접착력을 개선시키는, 무기 반응 시스템은 제공한다.
본 발명은 또한 화학식 1: Pba-Bib-Tec-Sig-Md-Oe의 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 조성물을 포함하는 무기 반응 시스템을 제공하며, 여기서 0 < a, b, c, d, 또는 g ≤ 1, 0 ≤ d, e ≤ 1, 및 a, b, c, d 및 g의 합은 1, 0 < a ≤ 0.05, 0.2 < b ≤ 0.95, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.2, 0 < g ≤ 0.5, a:b는 약 0.1:99.9 내지 약 5:95 사이, b:c는 약 50:50 내지 99:1 사이, a:c는 약 1:99 내지 약 10:90 사이, b:g는 약 50:50 내지 약 98:2 사이, M은 하나 이상의 원소, 및 e는 Pb, Bi, Te, Si, 및 M 성분이 균형을 이루기에 충분한 수이다.
본 발명의 또 다른 관점은 금속 입자, 본 발명의 적어도 하나의 무기 반응 시스템 및 유기 비히클을 포함하는 전기전도성 페이스트에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 관점은 실리콘 웨이퍼에 본 발명의 전기전도성 페이스트를 적용시키는 단계 및 상기 실리콘 웨이퍼를 소성시키는 단계에 의해 생산된 태양 전지이다.
본 발명은 또한 본 발명에 따라 전기적으로 내부연결된 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 또 다른 관점은, 전면 및 배면을 구비한 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계, 상기 실리콘 웨이퍼에 본 발명의 전기전도성 페이스트를 적용시키는 단계, 및 상기 실리콘 웨이퍼를 소성시키는 단계를 포함하는, 태양 전지의 생산방법이다.
본 발명은 PBTS 무기 반응 시스템에 관한 것이다. 이러한 적용에 제한되지는 않지만, 상기 PBTS IRS 조성물은, 단독 또는 다른 IRS 조성물과 조합하여, 실리콘 태양 전지에서 사용된 것과 같은, 전기전도성 페이스트 조성물에 사용될 수 있다. 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 바람직하게는 전도성 금속 입자, 유기 비히클, PBTS IRS 조성물, 및 상기 전기전도성 페이스트 및 하부 실리콘 기판 사이의 콘택을 개선시키는 무기 반응 시스템 (이하 콘택-촉진 무기 반응 시스템이라 한다)과 같은, 하나 이상의 다른 무기 반응 시스템을 포함한다. 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 하나 이상의 부가적인 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 실리콘 태양 전지에 적용된 경우, 이러한 페이스트는 상기 실리콘 웨이퍼의 전면 또는 배면 상에, 전기적 콘택층 또는 전극을 형성하는데 사용될 수 있다.
하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 전기전도성 페이스트는 태양 전지용 실리콘 웨이퍼의 전면 상에 사용되고, 은 전도성 입자, PBTS IRS 조성물, 유기 비히클, 및 선택적으로 콘택-촉진 IRS를 포함한다. 다른 구현 예에 있어서, 상기 IRS는 다중 PBT (납-비스무스-텔루륨) 유리 조성물의 조합, 납 실리케이트 유리 조성물, 납 보로실리케이트 유리 조성물, 비스무스 텔루라이트 유리 조성물, PBTS-함유 화합물을 갖는 PBTS 유리 조성물, 또는 물리적 공정 (예를 들어, 기계화학적 공정, 밀링, 그라인딩) 또는 화학적 공정 (예를 들어, 소성, 열적 분해, 광 또는 방사 화학적 분해) 동안 PBTS IRS를 형성하는 PBTS-함유 화합물 (예를 들어, 유기금속성 화합물, 염)을 포함할 수 있다. 다른 구현 예에 있어서, 상기 IRS를 형성하는 원소는, 비정질 또는 결정질 또는 부분 결정질일 수 있는, 둘 이상의 성분 가운데 분포되거나 또는 단일 성분에 존재할 수 있다.
무기 반응 시스템
본 발명은, 예를 들어, 전기전도성 페이스트 조성물에 사용하기 위한 IRS에 관한 것이다. 상기 IRS는 전기전도성 페이스트 조성물에 사용된 경우 다중 기능을 제공한다. 첫째, 상기 IRS는 상기 전도성 입자를 위한 전달 매체를 제공하여, 이들을 소결시키고 상기 페이스트로부터 상기 반도체 기판의 계면으로 이주하는 것을 허용한다. 상기 IRS 시스템은 또한 상승된 온도에 적용된 경우 계면에서 물리적 및 화학적 반응을 수행하도록 페이스트 성분에 대한 반응 매체를 제공한다. 물리적 반응은, 용융, 용해, 확산, 소결, 침전, 및 결정화를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 화학적 반응은, (새로운 화학 결합을 형성하는) 합성, 및 분해, 환원 및 산화, 및 상 전이를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
더욱이, 상기 IRS는 또한 상기 전도성 입자 및 반도체 기판 사이에 결합을 제공하는 접착 매체로 작용하고, 이에 의해 상기 태양열 장치의 수명 동안 전기적 콘택 성능을 개선시킨다. 어떤 특정 이론에 의해 제한받지는 않지만, 상기 PBTS IRS의 존재는 상기 페이스트의 접착 특성을 개선시키는 것으로 믿어진다.
상기 IRS는 상승된 온도에서 반응 매트릭스를 형성하기 위해 기술분야에서 알려진 어떤 다른 화합물, 유리 물질(들), 세라믹 물질(들)을 포함할 수 있다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 IRS는 적어도 하나의 실질적으로 비정질 유리 프릿을 포함할 수 있다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 IRS는 결정질 상 또는 화합물, 또는 비정질, 부분적으로 결정질, 및/또는 결정질 물질의 혼합물을 혼입할 수 있다. 상기 IRS는 또한 기술분야에서 알려진 다른 산화물 또는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마그네슘, 니켈, 텔루륨, 텅스텐, 아연, 가돌리늄 (gadolinium), 안티몬, 세륨, 지르코늄, 티타늄, 망간, 주석, 루테늄, 코발트, 철, 구리 및 크롬의 산화물, 또는 적어도 이의 둘의 어떤 조합, 바람직하게는 아연, 안티몬, 망간, 니켈, 텅스텐, 텔루륨 및 루테늄, 또는 적어도 이의 둘의 조합, 소성시 이들 금속 산화물들을 발생시킬 수 있는 화합물, 또는 전술된 금속 중 적어도 둘의 혼합물, 상기 전술된 산화물 중 적어도 둘의 혼합물, 소성시 이들 금속 산화물을 발생시킬 수 있는 전술된 화합물 중 적어도 둘의 혼합물, 또는 전술된 것 중 둘 이상의 혼합물은 사용될 수 있다. 산화 게르마늄, 산화 바나듐, 산화 몰리브덴, 산화 니오븀, 산화 인듐, 다른 알칼리 및 알칼리 토 금속 (예를 들어, K, Rb, Cs, Ca, Sr, 및 Ba) 화합물, 희토류 산화물 (예를 들어, La2O3, 산화 세륨), 산화인 (phosphorus oxides) 또는 금속 인산염, 금속 할라이드 (예를 들어, 플루오르화 납 및 플루오르화 아연), 및 금속 칼코겐화물 (chalcogenides) (예를 들어, 황화 아연)과 같은, 다른 유리 매트릭스 형성제 또는 유리 개질제는 또한 IRS의 유리 전이 온도와 같은 특성을 조정하기 위한 첨가제로서 사용될 수 있다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 IRS는 적어도 하나의 유리 및 적어도 하나의 산화물 또는 첨가제의 조합을 함유할 수 있다.
PBTS 무기 반응 시스템
하나의 구현 예에 따르면, 상기 PBTS IRS는 하기 화학 식 1로 표시될 수 있다:
[화학식 1]
Pba-Bib-Tec-Sig-Md-Oe
여기서, 0 < a, b, d, 또는 g ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d, e ≤ 1, 및 a, b, c, d 및 g의 합은 1이다. M은 유리 형성제로서 작용할 수 있는 하나 이상의 원소이다. 변수 "e" 전하 (charge)는 Pba-Bib-Tec-Md 성분의 균형을 이룬다.
바람직하게는, 변수 "a"는 0.05 이하, 바람직하게는 0.03 이하, 더욱 바람직하게는 0.02 이하, 및 가장 바람직하게는 0.01 이하이다. 오직 상대적으로 소량의 납이 상기 PBTS IRS에 포함되는 것이 바람직하다. 변수 "b"는 바람직하게는 0.2 초과, 및 좀더 바람직하게는 0.5 초과이다. 동시에, 변수 "b"는 바람직하게는 0.95 이하이다. 변수 "c"는 바람직하게는 적어도 0.05, 및 좀더 바람직하게는 적어도 0.1이다. 동시에, 변수 "c"는 바람직하게는 약 0.5 이하, 및 바람직하게는 약 0.3 이하이다. 변수 "d"는 바람직하게는 적어도 약 0.002, 및 좀더 바람직하게는 적어도 약 0.01이다. 동시에, 변수 "d"는 바람직하게는 약 0.3 이하, 및 바람직하게는 약 0.1 이하이다. 변수 "e"는 바람직하게는 적어도 0.05, 및 좀더 바람직하게는 적어도 0.1이다. 동시에, 변수 "e"는 바람직하게는 약 0.5 이하, 및 바람직하게는 약 0.3 이하이다. 상기 PBTS IRS는 바람직하게는 비스무스 및 부가적인 금속이 풍부하고, 납 및 텔루륨은 상대적으로 적다.
납 대 비스무스, 또는 a:b의 비는 바람직하게는 약 0.1:99.9 및 약 5:95 사이이다. 좀더 바람직하게는, 상기 a:b 비는 약 1:99 및 약 8:92 사이이다. 비스무스 대 텔루륨, 또는 b:c의 비는 바람직하게는 약 50:50 및 약 99:1 사이이다. 좀더 바람직하게는, 상기 b:c 비는 약 70:30 및 약 95:5 사이이다. 납 대 텔루륨, 또는 a:c의 비는 바람직하게는 약 1:99 내지 약 10:90이다. 좀더 바람직하게는, 상기 a:c 비는 약 1:99 및 약 50:50 사이이고, 좀더 바람직하게는 a:c는 약 20:80 사이 및 약 30:70 미만 사이이다. 비스무스 대 실리콘, 또는 b:g의 비는 약 50:50 내지 약 98:2 사이이고, 바람직하게는 약 60:40 내지 90:10 사이이다.
다른 유리 매트릭스 형성제는 또한, 화학식 1에서 "M"로 나타낸 바와 같이, PBT IRS를 형성하는데 사용될 수 있다. 적절한 화합물은 알칼리 금속, 알칼리 토 금속, 희토류 금속, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 게르마늄, 주석, 인, 안티몬, 니오븀, 탄탈륨, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 은, 및 이의 어떤 조합의 화합물들을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 이들 원소를 함유하는 출발 물질은, 예를 들어, ZnO, WO3, Li2O, Na2O, CaO, Al2O3, MoO3, MgO, Cr2O3, P2O5, B2O3, Li2CO3, V2O5, Ta2O5, 및 Ag2O과 같은, 산화물이다. AgI 또는 PbF2와 같은, 금속 할라이드는 또한 사용될 수 있다.
화학식 1은 바람직하게는 원-유리 조성물 (one-glass composition)로서 조제되고, 이에 의해 상기 IRS의 출발 성분 (즉, Pb, Bi, Te, Si,및 부가적인 원소)은, 다양한 산화물의 물리적 혼합물을 갖는 유리 대신에, 하나의 복합 화합물 또는 합성물을 형성하도록 화학적으로 모두 반응한다. 선택적으로, 상기 부가적인 원소 성분은 화학식 1 이외에 상기 IRS에 첨가제로서 포함될 수 있다.
상기 PBTS IRS는 비정질, 결정질 또는 부분적으로 결정질 출발 물질로 형성될 수 있다. 상기 IRS를 형성하는 원소는 단일 성분 또는 둘 이상의 성분 사이에 분포되어 존재할 수 있다. 바람직하게는, 상기 IRS 조성물을 제조하는데 사용된 출발물질은 산화 납 (예를 들어, PbO), 산화 비스무스 (예를 들어, Bi2O3), 산화 텔루륨 (예를 들어, TeO2), 및 산화규소 (예를 들어, SiO2), 뿐만 아니라 전술된 금속 산화물 중 어느 하나이다. 그러나, 화학식 1에 따른 PBTS 시스템을 조제하는데 사용될 수 있는 어떤 알려진 납, 비스무스, 텔루륨 및 실리콘-함유 조성물들은 사용될 수 있다. 하나의 구현 예에 따르면, 상기 PBTS 조성물을 제조하는데 사용된 출발 물질은, IRS의 100% 총 중량에 기초하여, 약 1 wt% 이하의 납-함유 화합물, 바람직하게는 약 0.5 wt% 이하의 납-함유 화합물을 포함한다. 만약 존재한다면, 상기 출발 물질은 적어도 약 0.05 wt%의 납-함유 화합물을 포함한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 출발 물질은, IRS의 100% 총 중량에 기초하여, 바람직하게는 적어도 약 30 wt%의 비스무스-함유 화합물, 바람직하게는 적어도 약 40 wt%, 좀더 바람직하게는 적어도 약 50 wt%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 60 wt%를 포함한다. 동시에, 상기 출발 물질은 바람직하게는 약 95 wt% 이하의 비스무스-함유 화합물, 및 바람직하게는 약 85 wt% 이하를 포함한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 출발 물질은, 상기 IRS의 100% 총 중량에 기초하여, 바람직하게는 약 20 wt% 이하의 텔루륨-함유 화합물, 및 바람직하게는 약 15 wt% 이하를 포함한다. 만약 존재한다면, 상기 출발 물질은 적어도 약 2 wt%의 텔루륨-함유 화합물, 바람직하게는 적어도 약 3 wt%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 4 wt%를 포함한다. 또 다른 구현 예에 따르면, PBTS IRS를 형성하는데 사용된 출발 물질은, 상기 IRS의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 5 wt% 실리콘-함유 화합물, 바람직하게는 적어도 약 6 wt%, 좀더 바람직하게는 적어도 약 7 wt%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 8 wt%를 포함한다. 동시에, 상기 출발 물질은 바람직하게는 약 55 wt% 이하의 실리콘-함유 화합물, 바람직하게는 약 45 wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 35 wt% 이하를 포함한다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 출발 물질은 바람직하게는 약 10 wt% 이하의 실리콘-함유 화합물을 포함한다.
다른 구현 예에 있어서, 상기 IRS는, 다른 유리 조성물을 갖는 PBTS 유리와 같은, 다중 유리 조성물의 조합, (상기에서 정의된 바와 같은) 다중 PBT 유리 조성물, 납 실리케이트 유리 조성물, 납 보로실리케이트 유리 조성물, 비스무스 텔루라이트 유리 조성물, PBTS-함유 화합물을 갖는 PBTS 유리 조성물, 또는 물리적 공정 (예를 들어, 기계화학적 공정, 밀링, 그라인딩) 또는 화학적 공정 (예를 들어, 소성, 열적 분해, 광 또는 방사 화학적 분해)동안 PBTS IRS를 형성하는 화합물 (예를 들어, 유기금속성 화합물, 염)을 포함할 수 있다. 다른 구현 예에 있어서, 상기 IRS를 형성하는 원소는, 비정질 또는 결정질 또는 부분적으로 결정질일 수 있는, 둘 이상의 성분 가운데 분포되거나 또는 단일 성분에 존재할 수 있다.
바람직한 구현 예에 있어서, 상기 IRS는 최종 전기전도성 페이스트의 콘택 특성 (콘택-촉진 IRS)을 개선하기 위해 포함된 적어도 하나의 다른 IRS 조성물을 갖는 PBTS IRS 조성물을 포함한다.
콘택-촉진 IRS
하나의 구현 예에 있어서, 상기 콘택-촉진 IRS는 하기 화학식 2로 표시되는 납-비스무스-텔루륨 (PBT) IRS로 형성될 수 있다:
[화학식 2]
Pba-Bib-Tec-Md-Oe
여기서, 0 < a, b, c, 및 d ≤ 1, a + b + c + d ≤ 1, 0 ≤ d ≤ 0.5, M은 유리 형성제로서 작용할 수 있는 하나 이상의 부가적 원소, 상기 변수 "e" 전하는 Pba-Bib-Tec-Md 성분의 균형을 이룬다. 바람직한 구현 예에 있어서, 0 ≤ d ≤ 0.1이다. 납 대 비스무스, 또는 a:b의 비는 5:95 및 95:5 사이이다. 바람직하게는 상기 a:b 비는 10:90 및 90:10 사이이다. 납 대 텔루륨, 또는 a:c의 비는 10:90 및 90:10 사이이다. 좀더 바람직하게는, 상기 a:c 비는 15:85 및 약 30:70 미만 사이이다. 비스무스 대 텔루륨, 또는 b:c의 비는 바람직하게는 5:95 및 95:5 사이이다. 좀더 바람직하게는, 상기 b:c 비는 10:90 및 80:20 사이이다. 더욱이, 납 및 비스무스 대 텔루륨, 또는 (a+b)/c의 비는 바람직하게는 10:90 및 90;10 사이, 좀더 바람직하게는 20:80 및 80:20 사이이다.
상기 PBT IRS는 결정질 또는 부분 결정질 물질로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 PBT IRS를 제조하는데 사용된 출발 물질은 산화 납 (예를 들어, PbO), 산화 비스무스 (예를 들어, Bi2O3), 및 산화 텔루륨 (예를 들어, TeO2)이다. 그러나, 화학식 2에 따른 PBT IRS를 조제하는데 사용될 수 있는 어떤 알려진 납, 비스무스, 또는 텔루륨-함유 조성물은 사용될 수 있다. 하나의 구현 예에 따르면, 상기 PBT 조성물을 제조하는데 사용된 출발 물질은, 상기 IRS의 100% 총 중량에 기초하여, 약 45 wt% 이하의 납-함유 화합물 (예를 들어, PbO), 바람직하게는 약 40 wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 38 wt% 이하를 포함한다. 동시에, 상기 물질은 바람직하게는 적어도 약 5 wt%의 납-함유 화합물, 및 바람직하게는 적어도 약 8 wt%를 포함한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 출발 물질은 바람직하게는 적어도 약 10 wt%의 비스무스-함유 화합물 (예를 들어, Bi2O3), 바람직하게는 적어도 약 17 wt% 를 포함한다. 동시에, 상기 출발 물질은 바람직하게는 약 50 wt% 이하의 비스무스-함유 화합물, 바람직하게는 약 40 wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 38 wt% 이하를 포함한다. 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 출발 물질은 적어도 약 10wt%의 텔루륨-함유 화합물, 바람직하게는 적어도 약 15 wt%, 및 가장 바람직하게는 적어도 20 wt%를 포함한다. 동시에, 상기 물질은 바람직하게는 약 70 wt% 이하의 텔루륨-함유 화합물, 바람직하게는 약 60 wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 55 wt% 이하를 포함한다.
다른 유리 매트릭스 형성제는 또한, 화학식 2에서 "M"으로 나타낸 바와 같은, PBT IRS를 형성하는데 사용될 수 있다. 적절한 화합물은 알칼리 금속, 알칼리 토 금속, 희토류 금속, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 실리콘, 게르마늄, 주석, 인, 안티몬, 니오븀, 탄탈륨, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 은, 납 및 이의 어떤 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 이들 금속을 함유하는 출발 물질은 금속 산화물이다. AgI 또는 PbF2와 같은, 금속 할라이드는 또한 사용될 수 있다.
하나의 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 PBT IRS는 리튬, 붕소, 실리콘, 또는 이의 어떤 조합을 포함한다. 만약 존재한다면, 상기 IRS의 출발 물질은 약 0.1 wt%의 전술된 원소를 포함한다. 동시에, 이들은, 상기 출발 물질의 100% 총 중량에 기초하여, 약 30 wt% 이하, 및 바람직하게는 약 20 wt% 이하의 이들 원소를 포함한다.
상기 콘택-촉진 IRS는 또한, 예를 들어, 납-비스무스-텔루륨-아연 IRS, 납-비스무스-텔루륨-마그네슘 IRS, 납 실리케이트 유리, 납 보로실리케이트 유리, 납-부재 비스무스 보로실리케이트 유리, 비스무스 실리케이트 유리, 및 비스무스 텔루라이트 유리와 같은, 다른 IRS 조성물로 형성될 수 있다. 상기 콘택-촉진 IRS는, 다른 유리 조성물을 갖는 PBT 유리와 같은, 다중 유리 조성물의 조합, PBT-함유 화합물을 갖는 유리 조성물, 또는 물리적 공정 (예를 들어, 기계화학적 공정, 밀링, 그라인딩) 또는 화학적 공정 (예를 들어, 소성, 열적 분해, 광 또는 방사 화학적 분해)동안 PBT IRS를 형성하는 화합물 (예를 들어, 유기금속성 화합물, 염)을 포함할 수 있다. 상기 콘택-촉진 IRS는 비정질, 결정질 또는 부분적으로 결정질 출발 물질로 형성될 수 있고, 상기 콘택-촉진 IRS를 형성하는 원소는 단일 성분 또는 둘 이상의 성분 가운데 분포되어 존재할 수 있다.
IRS의 형성
상기 PBTS IRS는 고체 상태 합성, 용융 및 퀀칭, 또는 다른 Chimie Douce ((소프트 화학) 공정들을 포함하는, 기술분야에서 알려진 어떤 방법에 의해 형성될 수 있다. 통상적인 용융 및 퀀칭 공정에 있어서, 제1 단계는 적절한 양의 출발 물질을 (일반적으로 분말 형태로) 혼합시키는 것이다. 이러한 혼합물은 그 다음 용융을 형성하기 위해 산소-함유 분위기에서 또는 대기 중에서 가열된다. 상기 용융은 그 다음 퀀칭되고, 그 다음 원하는 입자 크기를 갖는 혼합물을 제공하기 위하여, 그라인딩되고, 볼 밀되며, 스크린된다. 예를 들어, 분말 형태의 성분은 V-쿰 블랜더 (V-comb blender)에서 혼합될 수 있다. 상기 혼합물은 그 다음 상기 출발 물질이 원-유리 시스템을 형성하기 위해 반응할 수 있도록 약 30-40분 동안 (예를 들어, 대략 800-1200℃에서) 가열된다. 상기 IRS는 그 다음 퀀칭되고, 모래-같은 일관성 (sand-like consistency)을 갖는다. 이러한 조분말 (coarse powder)은 미세 분말 결과물을 얻을 때까지, 볼 밀 또는 젯트 밀에서와 같이, 분쇄된다. 상기 IRS 입자는 약 0.01-20 ㎛, 바람직하게는 약 0.1-5㎛의 평균 입자 크기 (d50)로 분쇄될 수 있다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 IRS 입자는 약 5 내지 약 100 nm 범위의 d50을 갖는 나노 크기의 입자로서 형성될 수 있다.
Chimie Douce (소프트 화학) 공정들은 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행된다. Chimie Douce 반응은, 상기 반응물의 구조적인 원소가 생산물에 보존되지만, 조성은 변화되는 것을 의미하는, 위상 (topotactic) 반응이다. 이러한 공정들은 졸-겔 공정, 침전, 열수 (hydrothermal)/용매열 (solvothermal) 공정, 및 열분해 (pyrolysis)를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래의 고체 상태 합성은 또한 여기에 기재된 IRS 시스템을 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 공정에 있어서, 원료 출발 물질은 진공하에서 용융 석영관, 또는 탄탈륨 또는 플라티늄 튜브에서 밀봉되고, 그 다음 약 700-1200℃로 가열된다. 상기 물질은 약 12-48 시간 동안 상승된 온도에서 머물고, 그 다음 실온까지 느리게 냉각된다 (약 0.1℃/분). 몇몇 경우에 있어서, 고체 상태 반응은 공기에서 알루미나 도가니에서 수행될 수 있다.
상기 IRS 시스템을 제조하기 위한 또 다른 공정은 공-침전이다. 이러한 공정에 있어서, 상기 금속 원소는 pH 수준을 조정하거나 또는 환원제를 혼입시켜 금속 양이온을 함유하는 용액을 형성하기 위해 다른 금속 산화물 또는 수산화물로 환원 및 공-침전된다. 이들 금속들, 금속 산화물 또는 수산화물들의 침전물은 그 다음 미세 분말을 형성하기 위해 약 400-800℃에서 진공하에서 건조 및 소성된다.
전기전도성 페이스트 조성물
본 발명의 하나의 관점은 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 원하는 전기전도성 페이스트는, 최종 태양 전지의 전기적 성능을 최적화하기 위해, 높은 전도성이 있는 것이다. 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 일반적으로 여기에 논의된 금속 입자, 유기 비히클, 및 PBTS IRS 조성물로 구성된다. 하나의 구현 예에 따르면, 상기 전기전도성 페이스트는: 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, (i) 적어도 약 50 wt% 및 약 95 wt% 이하의 금속 입자; (ⅱ) 적어도 약 0.05 wt% 및 약 10 wt% 이하의 IRS; 및 (ⅲ) 적어도 약 1 wt% 및 약 25 wt% 이하의 유기 비히클을 포함한다. 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 페이스트는, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 0.1 wt%의 PBTS IRS를 포함한다. 동시에, 상기 페이스트는 바람직하게는 약 5 wt% 이하의 PBTS IRS, 바람직하게는 약 3 wt% 이하의 PBTS IRS를 포함한다.
상기 페이스트가 플로팅 버스바 (floating busbars)를 형성하는데 사용되거나, 또는 이중-인쇄 적용에서 전기전도성 물질의 제2 층을 인쇄하는데 사용되는, 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 페이스트는, 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 0.05 wt% PBTS IRS, 및 바람직하게는 적어도 약 0.1 wt%를 포함할 수 있다. 동시에, 상기 페이스트는 바람직하게는 약 10 wt% 이하의 PBTS IRS, 및 바람직하게는 약 5 wt% 이하의 PBTS IRS를 포함한다.
본 발명의 하나의 구현 예에 따르면, 상기 IRS는 상기 전기전도성 페이스트의 원하는 소성 온도 이하에서 유리 전이 온도 (Tg)을 가져야 한다. 바람직한 IRS 성분은 적어도 약 250℃, 바람직하게는 적어도 300℃, 및 가장 바람직하게는 적어도 350℃의 Tg를 갖는다. 동시에, 바람직한 IRS 물질은 열기계적 분석 (thermomechanical analysis)을 사용하여 측정된 경우, 약 750℃ 이하, 바람직하게는 약 700℃ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 650℃ 이하의 Tg를 갖는다. 구체적으로, 상기 Tg는 DSC 장치, TA Instruments SDT Q600 Simultaneous TGA/DSC (TA Instruments)를 사용하여 결정될 수 있다. 측정 및 데이터 평가를 위하여, 상기 측정 소프트웨어 TA Universal Analysis 2000, V 4.5A는 적용된다. 기준 및 샘플용 팬 (pan)으로서, (TA Instruments사의 상업적으로 이용가능한) 6.8 mm의 직경 및 약 90 ㎕의 부피를 갖는 알루미나 샘플 컵은 사용된다. 상기 샘플의 약 20-50 mg의 양은 약 0.01 mg의 정확도로 샘플 팬으로 측량된다. 비어있는 기준 팬 및 상기 샘플 팬은 장치에 놓고, 상기 오븐은 닫히며, 측정을 시작한다. 10-50 ℃/min의 가열 속도는 25℃의 출발 온도에서 1000℃의 마지막 온도까지 사용된다. 상기 장비에서 균형은 질소 (N2 5.0)로 항상 퍼지되고, 상기 오븐은 50 ml/min의 유속으로 합성 공기 (Linde로부터 80% N2 and 20% O2)로 퍼지된다. 상기 DSC 신호에서 제1 단계는 전술된 소프트웨어를 사용하여 유리 전이로 평가되고, 결정된 온셋 (onset) 값은 Tg에 대한 온도로 취해진다.
IRS 입자는 다양한 모양, 크기, 및 코팅층들 나타낼 수 있는 것으로 기술분야에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 더 많은 모양의 유리 입자는 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 몇몇 실시 예들은 구형, 각형, (막대 또는 바늘 같은) 장방형, 및 (시트, 플레이크 같은) 평판형을 포함한다. 유리 입자는 또한 다른 모양의 입자의 조합 (예를 들어, 구형 및 플레이크)으로 존재할 수 있다. 생산된 전극의 접착력에 유리한, 모양, 또는 모양의 조합을 갖는 유리 입자는 바람직하다.
평균 입자 직경 d50은 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 입자의 특징이다. D50은 상기 입자 크기 분포의 평균값 또는 평균 직경이다. 이것은 누적 분포 50%의 입자 직경의 값이다. 입자 크기 분포는 레이저 회절 (laser diffraction), 동적 광 산란 (dynamic light scattering), 영상, 전기영동 광 산란 (electrophoretic light scattering), 또는 기술분야에서 알려진 어떤 다른 방법을 통해 측정될 수 있다. LA-910 소프트웨어 프로그램을 갖는 컴퓨터에 연결된 Horiba LA-910 레이저 산란 입자 크기 분석기는 상기 유리 프릿의 입자 크기 분포를 결정하는데 사용된다. 상기 유리 프릿 입자의 상대적 굴절률은 LA-910 설명서로부터 선택되고, 소프트웨어 프로그램으로 입력된다. 상기 시험 챔버는 상기 탱크 상에 적절한 충진 라인에 탈이온수로 채워진다. 상기 용액은 그 다음 상기 소프트웨어 프로그램에서 순환 및 교반 기능을 사용하여 순환된다. 일분 후, 상기 용액은 배출된다. 이것은 상기 챔버가 어떤 잔여 물질의 세정을 보장하기 위해 추가 시간 반복된다. 상기 챔버는 그 다음 3회 동안 탈이온수로 채우고, 일분 동안 순환 및 교반시킨다. 상기 용액에서 어떤 배경 입자는 상기 소프트웨어에서 블랭크 기능을 사용하여 제거된다. 초음파 교반은 그 다음 시작되고, 상기 유리 프릿은 투과율 바 (transmittance bars)가 소프트웨어 프로그램에서 적절한 존에 있을 때까지 시험 챔버에서 용액에 느리게 첨가된다. 상기 투과율이 정확한 수준에 있을 때, 상기 레이저 회절 분석은 운영되고, 상기 유리의 입자 크기 분포는 측정되며, d50으로 제공된다.
바람직한 구현 예에 있어서, 상기 IRS 입자의 평균 입자 직경 d50는 적어도 약 0.1 ㎛, 및 바람직하게는 약 20 ㎛ 이하, 좀더 바람직하게는 약 5 ㎛ 이하, 좀더 바람직하게는 약 2 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 1 ㎛ 이하이다.
상기 IRS 입자는 표면 코팅과 함께 존재할 수 있다. 본 발명의 상황에서 적절하고 기술분야에서 알려진 이러한 코팅은 상기 IRS 입자상에 사용될 수 있다. 바람직한 코팅은 전기전도성 페이스트의 개선된 접착 특징을 촉진하는 코팅들이다. 만약 이러한 코팅이 존재한다면, 이것은, 상기 IRS 성분의 총 중량에 기초한 경우에 있어서, 10 wt% 이하, 바람직하게는 약 8 wt% 이하, 좀더 바람직하게는 약 5 wt% 이하, 좀더 바람직하게는 약 3 wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 1 wt% 이하의 양으로 존재하는 코팅이 바람직하다.
바람직하게는, IRS 입자는 적어도 약 0.1 ㎡/g 및 약 15 ㎡/g 이하, 바람직하게는 적어도 약 1 ㎡/g 및 약 10 ㎡/g 이하의 비표면적을 갖는다. 비표면적을 측정하는 방법은 기술분야에서 알려져 있다. 여기에 서술된 바와 같이, 모든 표면적 측정은 SMART 방법에 따라 작동하는 (Quantachrome Instruments of Boynton Beach, Florida에서 제조된) Monosorb MS-22 분석기를 통한 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 방법을 사용하여 수행된다. 샘플은 내장된 탈가스 스테이션 (built-in degas station)에서 분석하기 위해 준비된다. 유동 가스가 불순물을 완전히 없애어, 흡착이 발생할 수 있는 청정 표면 (clean surface)을 결과한다. 상기 샘플은 공급된 가열 맨틀로 사용자-선택가능한 온도로 가열될 수 있다. 디지털 온도 조절 및 디스플레이는 기구 전면 패널 상에 장착된다. 탈가스가 완성된 후, 상기 샘플 전지는 분석 스테이션으로 전달된다. 빠른 연결 피팅은 상기 샘플 전지를 전달 동안 자동적으로 밀봉시킨다. 단일 버턴을 누르면, 분석은 시작한다. 냉각수로 채워진 듀어병 (dewar flask)은 자동적으로 상승되고, 샘플 전지를 함침하고, 흡착을 일으킨다. 상기 기구는 흡착이 완성된 경우 (2-3분) 검출하고, 상기 듀어병을 자동적으로 낮추며, 내장된 열-기 송풍기 (hot-air blower)를 사용하여 실온으로 샘플 전지 배면을 완만하게 가열한다. 그 결과, 상기 탈착된 가스 신호는 디지털 미터 상에 표시되고, 표면적은 전면 디스플레이 상에 직접 제공된다. 전체 측정 (흡착 및 탈착) 순환은 통상적으로 6 분 미만을 요구한다. 상기 기술은 고 민감도, 열 전도도 검출기를 사용하여, 흡착 및 탈착이 진행에 따른 흡착물/불활성 캐리어 가스 혼합물의 농도의 변화를 측정한다. 온-보드 전자제품에 의해 통합되고, 켈리브레이션 (calibration)과 비교된 경우, 상기 검출기는 가스 흡착되거나 탈착된 부피를 제공한다. 내장된 마이크로프로세서는 선형성 (linearity)을 보장하고, 자동적으로 ㎡/g로 샘플의 BET 표면적을 계산한다.
전도성 금속 입자
전기전도성 페이스트는 또한 전도성 금속 입자를 포함한다. 상기 전기전도성 페이스트는, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 50 wt% 금속 입자, 바람직하게는 적어도 약 60 wt%, 좀더 바람직하게는 적어도 약 70 wt%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 80 wt%를 포함할 수 있다. 동시에, 상기 페이스트는 바람직하게는, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 금속 입자의 약 95 wt% 이하를 포함한다.
본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 금속 입자는, 전기전도성 페이스트에 금속 입자로서 사용될 수 있다. 바람직한 금속 입자는 전도도를 나타내고, 고효율 및 필 팩터 (fill factor), 및 낮은 직렬 및 그리드 저항을 갖는 전극을 산출하는 것이다. 바람직한 금속 입자는 원소 금속들, 합금, 금속 유도체, 적어도 두 금속의 혼합물, 적어도 두 합금의 혼합물 또는 적어도 하나의 합금과 적어도 하나의 금속의 혼합물이다.
바람직한 금속은 은, 알루미늄, 금, 니켈, 및 구리, 및 이의 합금 또는 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다. 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 금속 입자는 은을 포함한다. 또 다른 바람직한 구현 예에 있어서, 상기 금속 입자는 은 및 알루미늄을 포함한다. 적절한 은 유도체는, 예를 들어, 은 합금 및/또는 은 할라이드 (예를 들어, 염화 은), 질화 은, 은 아세테이트, 은 트리플루오로아세테이트, 은 오르토인산염 (orthophosphate), 및 이의 조합과 같은 은 염을 포함한다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 금속 입자는 금속 또는 하나 이상의 다른 금속 또는 합금으로 코팅된 합금, 예를 들어, 알루미늄으로 코팅된 은 입자를 포함한다.
IRS 입자와 같이, 상기 금속 입자는 다양한 모양, 크기, 및 코팅층을 나타낼 수 있다. 다수의 모양은 기술분야에서 알려져 있다. 몇몇 실시 예들은 구형, 각형, (막대 또는 바늘 같은) 장방형 및 (시트 같은, 플레이크) 평판형이다. 금속 입자는 또한 다른 모양의 입자의 조합 (예를 들어, 구형 및 플레이크)으로 존재할 수 있다. 개선된 전도도에 유리한, 모양, 또는 모양들의 조합을 갖는 금속 입자는 바람직하다. 상기 입자의 표면 본질을 고려하지 않고 이러한 모양을 특징화하는 하나의 방법은 길이, 폭, 및 두께의 파라미터를 통해서이다. 본 발명의 상황에 있어서, 입자의 길이는, 가장 긴 공간 변위 벡터의 양말단점이 상기 입자 내에 함유된, 이의 길이에 의해 제공된다. 입자의 폭은 가장 긴 공간 변위 벡터의 양말단점이 상기 입자 내에 함유된 것 이상에서 한정된 길이 벡터에 대해 수직인 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 의해 제공된다. 입자의 두께는 가장 긴 공간 변위 벡터의 말단점이 상기 입자 내 함유된 것 이상에서 모두 한정된 길이 벡터 및 폭 벡터 모두에 대해 수직인 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 의해 제공된다. 하나의 구현 예에 있어서, 가능한 균일한 모양을 갖는 금속 입자는 바람직하다 (즉, 길이, 폭 및 두께와 연관된 비가 가능한 1에 가까운 모양; 바람직하게는 적어도 0.7, 좀더 바람직하게는 적어도 0.8, 및 가장 바람직하게는 적어도 0.9, 및 바람직하게는 약 1.5 이하, 바람직하게는 약 1.3 이하, 및 가장 바람직하게는 약 1.2 이하이다). 이러한 구현 예에서 금속 입자에 대한 바람직한 형상의 예로는 구형 및 큐브, 또는 이의 조합, 또는 다른 형상과 이의 하나 이상의 조합이다. 또 다른 구현 예에 있어서, 금속 입자는 낮은 균일성 (low uniformity)의 형상, 바람직하게는 약 1.5 이상, 좀더 바람직하게는 약 3 이상 및 가장 바람직하게는 약 5 이상의 길이, 폭 및 두께의 치수와 연관된 비들 중 적어도 하나를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구현 예에 따른 바람직한 형상은 플레이크 형상, 막대 또는 바늘 형상, 또는 다른 형상과 플레이트 형상, 막대 또는 바늘 형상의 조합이다.
여기에 서술된 바와 같은, 금속 입자의 평균 입자 직경 d50이 적어도 약 0.1 ㎛, 및 바람직하게는 약 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 8　㎛ 이하, 좀더 바람직하게는 약 7　㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
더욱이, 바람직한 금속 입자는 적어도 약 0.1 ㎡/g 및 약 10 ㎡/g 이하의 비표면적을 갖는다. 바람직한 구현 예에 따르면, 적어도 약 0.2 ㎡/g 및 약 5 ㎡/g 이하의 비표면적을 갖는 은 분말은 사용된다. 상기 비표면적은 여기에 서술된 파라미터에 따라 측정된다.
좀더 유리한 콘택 특성 및 전기 전도도에 기여하는 부가적인 성분은 바람직하다. 예를 들어, 상기 금속 입자는 표면 코팅과 함께 존재할 수 있다. 본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 이러한 코팅은, 상기 금속 입자상에 사용될 수 있다. 바람직한 코팅은 최종 전기전도성 페이스트의 부착 특성을 촉진하는 코팅들이다. 만약 이러한 코팅이 존재한다면, 금속 입자의 100% 총 중량에 기초하여, 약 10　wt% 이하, 바람직하게는 약 8　wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 5　wt% 이하인 코팅이 바람직하다.
유기 비히클
본 발명의 전기전도성 페이스트는 또한 유기 비히클을 포함한다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 유기 비히클은, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 0.01 wt% 및 약 50 wt% 이하, 바람직하게는 약 30 wt% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 20 wt% 이하의 양으로 상기 전기전도성 페이스트에 존재한다.
본 발명의 상황에 바람직한 유기 비히클은, 상기 전기전도성 페이스트의 성분이 용해, 에멀젼화 또는 분산 형태로 존재하는 것을 보장하는, 하나 이상의 용매, 바람직하게는 유기 용매에 기초한 용액, 에멀젼, 또는 분산액이다. 바람직한 유기 비히클은 전기전도성 페이스트의 성분의 최적 안정성을 제공하고, 효과적인 인쇄적성 (printability)을 허용하는 점도를 갖는 페이스트를 부여하는 것들이다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 유기 비히클은 유기 용매 및 바인더 (예를 들어, 중합체), 계면활성제 및 요변성제 (thixotropic agent), 또는 이의 어떤 조합 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 하나의 구현 예에 있어서, 상기 유기 비히클은 유기 용매에 하나 이상의 바인더를 포함한다.
본 발명의 상황에서 바람직한 바인더는 안정성, 인쇄적성, 점도 및 소결 특성을 갖는 전기전도성 페이스트의 형성에 유리하게 기여하는 것들이다. 본 발명의 상황에서 적절하다고 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 바인더는 상기 유기 비히클에서 바인더로서 사용될 수 있다. ("수지"라 칭하는 범주 내에 종종 속하는) 바람직한 바인더는 중합체 바인더, 단량체 바인더, 및 중합체 및 단량체의 조합인 바인더이다. 중합체 바인더는 또한 공중합체일 수 있고, 여기서 적어도 두 개의 다른 단량체 유닛이 단일 분자에 함유된다. 바람직한 중합체 바인더는 상기 중합체 주사슬로 관능기를 운반하고, 상기 주사슬 밖으로 관능기를 운반하며, 상기 주사슬 내로 및 밖으로 모두 관능기를 운반하는 것들이다. 상기 주사슬에 관능기를 운반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리에스테르 (polyesters), 치환된 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 치환된 폴리카보네이트, 주사슬에 환형기 (cyclic group)을 운반하는 중합체, 폴리-당 (poly-sugars), 치환된 폴리당, 폴리우레탄, 치환된 폴리우레탄, 폴리아미드, 치환된 폴리아미드, 페놀 수지, 치환된 페놀 수지, 전술된 중합체 중 하나 이상의 단량체의 공중합체, 선택적으로 다른 공-단량체의 공중합체, 또는 적어도 이의 둘의 조합이다. 하나의 구현 예에 따르면, 상기 바인더는 폴리비닐 부티랄 또는 폴리에틸렌일 수 있다. 주사슬에 환형기를 운반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리비닐부틸레이트 (PVB) 및 이의 유도체 및 폴리-테르피네올 및 이의 유도체 또는 이의 혼합물이다. 바람직한 폴리-당은, 예를 들어, 셀룰로오스 및 이의 알킬 유도체, 바람직하게는 메틸 셀롤루오즈, 에틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀롤루오즈, 프로필 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 부틸 셀룰로오스 및 이들의 유도체 및 적어도 이의 둘의 혼합물이다. 다른 바람직한 중합체는 셀룰로오스 에스테르 수지, 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 및 어떤 이의 조합이다. 주요 중합체 사슬의 밖으로 관능기를 운반하는 바람직한 중합체는 아미드기를 운반하는 것들, 산 및/또는 종종 아크릴수지로 불리는, 에스테르기를 운반하는 것들, 또는 전술된 관능기의 조합을 운반하는 중합체, 또는 이의 조합이다. 상기 주사슬의 밖으로 아미드를 운반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리비닐 피롤리돈 (PVP) 및 이의 유도체이다. 주사슬 밖으로 산 및/또는 에스테르기를 운반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리아크릴산 및 이의 유도체, 폴리메타아크릴레이트 (PMA) 및 이의 유도체 또는 폴리메틸메타아크릴레이트 (PMMA) 및 이의 유도체, 또는 이의 혼합물이다. 바람직한 단량체 바인더는 에틸렌 글리콜계 단량체, 테르피네올 수지 또는 로진 유도체, 또는 이의 혼합물이다. 에틸렌 글리콜에 기초한 바람직한 단량체 바인더는 에테르기들, 에스테르기들을 갖는 것, 또는 에테르기 및 에스테르기를 갖는 것이고, 바람직한 에테르기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 헥실 및 고급 알킬 에테르이며, 바람직한 에스테르기는 아세테이트 및 이의 알킬 유도체, 바람직하게는 에틸렌 글리콜 모노부틸에테르 모노아세테이트 또는 이의 혼합물이다. 알킬 셀룰로오스, 바람직하게는 에틸 셀룰로오스, 이의 유도체 및 바인더의 전술된 목록에서 다른 바인더 또는 전술하지 않은 바인더와 이의 혼합물은 본 발명의 상황에서 가장 바람직한 바인더이다. 상기 바인더는, 유기 비히클의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 0.1 wt%, 및 바람직하게는 적어도 약 0.5 wt%의 양으로 존재할 수 있다. 동시에, 상기 바인더는, 상기 유기 비히클의 100% 총 중량에 기초하여, 약 10 wt% 이하, 바람직하게는 약 8 wt% 이하, 및 좀더 바람직하게는 약 7 wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
바람직한 용매는 소성 동안 상당한 정도로 상기 페이스트로부터 제거되는 성분이다. 바람직하게는, 이들은 소성 전과 비교하여 적어도 약 80% 감소된, 바람직하게는 소성 전과 비교하여 적어도 약 95% 감소된 절대 중량으로 소성 후 존재한다. 바람직한 용매는 점도, 인쇄적성, 안정성 및 소결 특징에 유리하게 기여하는 것들이다. 본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 용매는 유기 비히클에서 용매로서 사용될 수 있다. 바람직한 용매는 표준 대기 온도 및 압력 (SATP) (298.15 K, 25 ℃, 77 ℉), 100 kPa (14.504 psi, 0.986 atm) 하에서 액체로 존재하는 것들, 바람직하게는 약 90 ℃ 이상의 비등점 및 약 -20 ℃ 이상의 용융점을 갖는 것들이다. 바람직한 용매는 극성 또는 비-극성, 양성자성 (protic) 또는 비양성자성 (aprotic), 방향족 또는 비-방향족이다. 바람직한 용매는 모노-알코올, 디-알코올, 폴리-알코올, 모노-에스테르, 디-에스테르, 폴리-에스테르, 모노-에테르, 디-에테르, 폴리-에테르, 이들 범주의 적어도 하나 이상의 관능기를 포함하는 용매, 선택적으로, 다른 범주의 관능기, 바람직하게는 환형기, 방향족기, 불포화 결합, 이종원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 알코올기, 이종원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 에테르기, 이종원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 에스테르기를 포함하는 용매, 및 둘 이상의 전술된 용매의 혼합물이다. 이러한 상황에서 바람직한 에스테르는 아디프산의 디-알킬 에스테르이고, 바람직한 알킬 구성분은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 및 고급 알킬기 또는 이러한 알킬기의 두 개의 다른 조합, 바람직하게는 디메틸아피프산염, 및 둘 이상의 아디프산염 에스테르의 혼합물이다. 이러한 상황에서 바람직한 에테르는, 디에테르, 바람직하게는 에틸렌 글리콜의 디알킬 에테르, 바람직한 알킬 구성분은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 고급 알킬기 또는 이러한 알킬기의 두 개의 다른 조합, 및 두 개의 디에테르의 혼합물이다. 이러한 상황에서 바람직한 알코올은 1차, 2차 및 3차 알코올, 바람직하게는 3차 알코올, 테르피네올, 및 이의 유도체가 바람직하며, 또는 둘 이상의 알코올의 혼합물이다. 하나 이상의 다른 관능기를 조합한 바람직한 용매는 종종 텍사놀로 불리는, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트, 및 이의 유도체, 종종 카비톨로서 알려진, 2-(2-에톡시에톡시)에탄올, 이의 알킬 유도체, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 및 헥실 카비톨, 바람직하게는 헥실 카비톨 또는 부틸 카비톨, 및 이의 아세테이트 유도체, 바람직하게는 부틸 카비톨 아세테이트, 또는 전술된 것 중 적어도 둘의 혼합물이다. 상기 유기 용매는, 유기 비히클의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 60 wt%, 및 좀더 바람직하게는 적어도 약 70 wt%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 80wt%의 양으로 존재할 수 있다. 동시에, 상기 유기 용매는, 유기 비히클의 100% 총 중량에 기초하여, 약 99 wt% 이하, 좀더 바람직하게는 약 95 wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
상기 유기 비히클은 또한 하나 이상의 계면활성제 및/또는 첨가제를 포함할 수 있다. 바람직한 계면활성제는 안정성, 인쇄적성, 점도 및 소결 특성을 갖는 전기전도성 페이스트의 형성에 유리하게 기여하는 것들이다. 본 발명의 상황에 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 계면활성제는 상기 유리 비히클에서 계면활성제로서 사용될 수 있다. 바람직한 계면활성제는 선형 사슬, 분지형 사슬, 방향족 사슬, 플루오르화 사슬, 실록산 사슬, 폴리에테르 사슬 및 이의 조합에 기초한 것들이다. 바람직한 계면활성제는 단일 사슬, 이중 사슬 또는 다중 사슬 중합체를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 계면활성제는 비-이온성 (non-ionic), 음이온성 (anionic), 양이온성 (cationic), 양친매성 (amphiphilic) 또는 쌍성이온성 (zwitterionic) 머리를 가질 수 있다. 바람직한 계면활성제는 중합체 및 단량체 또는 이의 혼합물일 수 있다. 바람직한 계면활성제는 안료 친화기 (pigment affinic group), 바람직하게는 안료 친화기를 갖는 하이드록시관능성 (hydroxyfunctional) 카르복실산 에스테르 (예를 들어, BYK USA, Inc에서 제작된, DISPERBYK®-108), 안료 친화기를 갖는 아크릴레이트 공중합체 (예를 들어, BYK USA, Inc.에서 제조된, DISPERBYK®-116), 안료 친화기를 갖는 변형된 폴리에테르 (예를 들어, Evonik Tego Chemie GmbH에 의해 제조된, TEGO®DISPERS 655), 높은 안료 친화기를 갖는 다른 계면활성제 (예를 들어, Evonik Tego Chemie GmbH에 의해 제조된, TEGO®DISPERS 662 C)를 가질 수 있다. 전술되지 않은 다른 바람직한 중합체는 산화 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 글리콜 및 이의 유도체, 및 알킬 카르복실산 및 이들의 유도체 또는 염, 또는 이의 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 폴리에틸렌 글리콜 유도체는 폴리(에틸렌글리콜)아세트산이다. 바람직한 알킬 카르복실산은 전체적으로 포화된 것 및 단일 또는 다중 불포화된 알킬 사슬 또는 이의 혼합물을 갖는 것이다. 포화된 알킬 사슬을 갖는 바람직한 카르복실산은 약 8 내지 약 20 탄소 원자의 범위인 알킬 사슬 길이를 갖는 것이고, 바람직하게는, C9H19COOH (카프르산), C11H23COOH (라우르산), C13H27COOH (미리스트산) C15H31COOH (팔미트산), C17H35COOH (스테아르산), 또는 이의 혼합물 또는 염이다. 불포화 알킬 사슬을 갖는 바람직한 카르복실산은 C18H34O2 (올레산) 및 C18H32O2 (리놀레산)이다. 바람직한 단량체 계면활성제는 벤조트리아졸 및 이의 유도체이다. 만약 존재하면, 상기 계면활성제는, 상기 유리 비히클의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 0.01 wt%일 수 있다. 동시에, 상기 계면활성제는, 상기 유리 비히클의 100% 총 중량에 기초하여, 바람직하게는 약 10 wt% 이하, 바람직하게는 약 8 wt% 이하, 및 좀더 바람직하게는 약 6 wt% 이하이다.
유기 비히클에서 바람직한 첨가제는, 전술된 성분과 구별되고, 이로운 점도, 인쇄적성, 안정성 및 소결 특징과 같은, 전기전도성 페이스트의 유리한 특성에 기여하는 물질이다. 본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 첨가제는 사용될 수 있다. 바람직한 첨가제는 요변성제, 점도 조절제, 안정화제, 무기 첨가제, 증점제, 유화제, 분산제 및 pH 조절제를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 요변성제는 카르복실산 유도체, 바람직하게는 지방산 유도체 또는 이의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 지방산 유도체는 C9H19COOH (카프리산), C11H23COOH (라우르산), C13H27COOH (미리스트산) C15H31COOH (팔미트산), C17H35COOH (스테아르산) C18H34O2 (올레산), C18H32O2 (리놀레산) 및 이의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 상황에서 지방산을 포함하는 바람직한 조합은 피마자유 (castor oil)이다.
첨가제
또 다른 구현 예에 따르면, 상기 전기전도성 페이스트는 전도성 입자, PBT IRS, 및 유기 비히클과 구별된 첨가제를 포함할 수 있다. 바람직한 첨가제는 상기 전기전도성 페이스트의, 이의 생산된 전극의, 또는 최종 태양 전지의 성능 증가에 기여한다. 본 발명의 상황에 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 첨가제는 상기 전기전도성 페이스트에서 첨가제로서 사용될 수 있다. 바람직한 첨가제는 요변성제, 점도 조절제, 유화제, 안정화제 또는 pH 조절제, 무기 첨가제, 증점제 및 분산제, 또는 적어도 이의 둘의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 무기 첨가제는 가장 바람직하다. 바람직한 무기 첨가제는, 알칼리 및 알칼리 토 금속들, 니켈, 지르코늄, 티타늄, 망간, 주석, 루테늄, 코발트, 철, 구리 및 크롬 텅스텐, 몰리브덴, 아연과 같은, 전이 금속; 붕소, 실리콘, 게르마늄, 텔루륨, 가돌리늄 (gadolinium), 납, 비스무스, 안티몬과 같은 전이-후 금속 (post-transition metals), 란타늄, 세륨과 같은 희토류 금속, 산화물, 혼합된 금속 산화물, 복합 화합물, 또는 비정질 또는 이들 산화물로부터 형성된 부분적으로 결정화된 유리, 또는 적어도 이의 둘의 어떤 조합, 바람직하게는 아연, 안티몬, 망간, 니켈, 텅스텐, 텔루륨, 및 루테늄, 또는 적어도 이의 둘의 조합, 이의 산화물, 소성시 이들 금속 산화물 또는 유리를 발생시킬 수 있는 화합물, 또는 전술된 금속의 적어도 둘의 혼합물, 전술된 산화물 중 적어도 둘의 혼합물, 소성시 이들 금속 산화물, 혼합된 금속 산화물, 화합물들 또는 비정질 또는 부분적으로 유리를 발생할 수 있는 전술된 화합물의 적어도 둘의 혼합물, 또는 전술된 것 중 둘 이상의 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
만약 존재한다면, 상기 전기전도성 페이스트 조성물은, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 약 0.1 wt%의 첨가제를 포함할 수 있다. 동시에, 상기 페이스트는 바람직하게는, 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 약 10 wt% 이하, 바람직하게는 약 5 wt% 이하, 및 좀더 바람직하게는 약 2 wt% 이하를 포함한다.
전기전도성 페이스트 조성물의 형성
전기전도성 페이스트 조성물을 형성하기 위하여, 상기 IRS는 페이스트 조성물을 제조하기 위해 기술분야에서 알려진 어떤 방법을 사용하여 전도성 금속 입자 및 유기 비히클과 조합될 수 있다. 상기 제조 방법은 균일하게 분산된 페이스트를 결과하는 한, 임계적이진 않다. 상기 성분은 혼합기 같은 것으로 혼합될 수 있고, 그 다음, 예를 들어, 분산된 균일한 페이스트를 만들기 위해, 3 롤 밀 (three roll mill)을 통해 통과된다.
태양 전지
또 다른 관점에 있어서, 본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 태양 전지는 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 및 여기에 기재된 구현 예들 중 어느 하나에 따른 전기전도성 페이스트 조성물로부터 형성된다.
또 다른 관점에 있어서, 본 발명은 반도체 기판에 여기에 기재된 구현 예 중 어느 하나에 따른 전기전도성 페이스트 조성물을 적용하는 단계 및 상기 반도체 기판을 소성시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조되는 태양 전지에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼
바람직한 웨이퍼는, 태양 전지의 다른 영역 중에서, 전자-정공 쌍을 산출하기 위해 고효율로 광을 흡수할 수 있고, 고효율을 갖는 경계, 바람직하게는 p-n 접합 경계를 가로지르는 전자 및 정공을 분리시키는 영역을 갖는다. 바람직한 웨이퍼는 전면 도핑 층 및 배면 도핑 층으로 구성된 단일 몸체를 포함하는 것이다.
바람직하게는, 상기 웨이퍼는 적절하게 도핑된 4가 원소, 이원 화합물 (binary compound), 삼원 화합물 또는 합금을 포함한다. 이러한 상황에서 바람직한 4가 원소는 실리콘, Ge 또는 Sn이고, 바람직하게는 실리콘이다. 바람직한 이원 화합물은 둘 이상의 4가 원소의 조합, 5족 원소와 3족 원소의 이원 화합물, 6족 원소와 2족 원소의 이원 화합물, 또는 6족 원소와 4족 원소의 이원 화합물이다. 4가 원소의 바람직한 조합은 실리콘, 게르마늄, 주석 또는 탄소, 바람직하게는 SiC로부터 선택된 둘 이상의 원소의 조합이다. 5족 원소와 3족 원소의 바람직한 이원 화합물은 GaAs이다. 바람직한 구현 예에 따르면, 상기 웨이퍼는 실리콘이다. 실리콘이 분명하게 언급된, 전술된 상세한 설명은 또한 여기에 기재된 다른 웨이퍼 조성물에도 적용된다.
상기 p-n 접합 경계는 상기 웨이퍼의 전면 도핑층 및 배면 도핑층이 만나는 곳에 위치된다. n-타입 태양 전지에 있어서, 상기 배면 도핑층은 전자 수여 n-타입 도펀트로 도핑되고, 상기 전면 도핑층은 전자 수용 또는 정공 수여 p-타입 도펀드로 도핑된다. p-타입 태양 전지에 있어서, 상기 배면 도핑층은 p-타입 도펀트로 도핑되고, 상기 전면 도핑층은 n-타입 도펀트로 도핑된다. 바람직한 구현 예에 따르면, p-n 접합 경계를 갖는 웨이퍼는 먼저 도핑된 실리콘 기판을 제공하는 단계 및 그 다음 그 기판의 일 면에 반대 타입의 도핑층을 적용하는 단계에 의해 제조된다.
도핑된 실리콘 기판은 기술분야에서 잘 알려져 있다. 상기 도핑된 실리콘 기판은 본 발명에 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 어떤 방법에 의해 제조될 수 있다. 실리콘 기판의 바람직한 공급원은 단일-결정질 실리콘, 다중-결정질 실리콘, 비정질 실리콘 및 UMS (upgraded metallurgical silicon)이고, 가장 바람직하게는 단일-결정질 실리콘 또는 다중-결정질 실리콘이다. 도핑된 실리콘 기판을 형성하기 위한 도핑은 상기 실리콘 기판의 제조 동안 도펀트를 첨가시켜 동시에 수행될 수 있거나, 또는 이것은 후속 단계에서 수행될 수 있다. 상기 실리콘 기판의 제조에서 후속 도핑은, 예를 들어, 가스 확산 에피텍시 (gas diffusion epitaxy)에 의해 수행될 수 있다. 도핑된 실리콘 기판은 또한 용이하게 상업적으로 이용가능하다. 하나의 구현 예에 따르면, 상기 실리콘 기판의 초기 도핑은 상기 실리콘 혼합물에 도펀트를 첨가하여 이의 형성과 동시에 수행될 수 있다. 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 전면 도핑층의 적용 및 많이 도핑된 배면 층의 적용은, 만약 존재한다면, 가스-상 에피택시에 의해 수행될 수 있다. 상기 가스상 에피택시는 바람직하게는 적어도 약 500℃, 바람직하게는 적어도 약 600℃, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 650℃의 온도에서 수행된다. 동시에, 상기 가스상 에피택시는 바람직하게는 약 900℃ 이하, 좀더 바람직하게는 약 800℃ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 750℃ 이하의 온도에서 수행된다. 상기 에피택시는 또한 적어도 2 kPa, 바람직하게는 적어도 약 10 kPa, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 30 kPa의 압력에서 수행된다. 동시에, 상기 에피택시는 약 100 kPa 이하, 바람직하게는 약 80 kPa 이하, 및 가장 바람직하게는 약 70 kPa 이하의 압력에서 수행된다.
실리콘 기판이 다수의 형상, 표면 직조 및 크기를 나타낼 수 있다는 것은 기술분야에서 알려져 있다. 상기 기판의 형상은 몇 가지 예로서, 장방형 (cuboid), 디스크, 웨이퍼 및 불규칙 다면체를 포함할 수 있다. 바람직한 구현 에에 따르면, 상기 웨이퍼는 유사한, 바람직하게는 동일한, 두 개의 치수, 및 다른 두 개의 치수보다 상당히 더 작은 제3 치수를 갖는 장방형이다. 상기 제3 치수는 상기 제1 두 개 치수보다 적어도 100배 더 작을 수 있다.
더욱이, 다양한 표면 타입은 기술분야에서 알려져 있다. 하나의 구현 예에 있어서, 조도 표면을 갖는 실리콘 기판은 바람직하다. 상기 기판의 조도를 평가하는 하나의 방법은, 상기 기판의 총 표면적과 비교하여 작고, 바람직하게는 상기 총 표면적의 약 100분의 1 미만이며, 필수적으로 평면인, 상기 기판의 서브-표면을 위한 표면 조도 파라미터를 평가하는 것이다. 표면 조도 파라미터의 값은 서브-표면의 면적과 평평한 평면상에 서브-표면이 평균 제곱 변위 (mean square displacement)를 최소화시켜 상기 서브-표면에 가장 적합하도록 투사하여 형성되는 이론적 표면의 면적의 비에 의해 제공된다. 상기 표면 조도 파라미터의 더 높은 값은 더 거칠고, 좀더 불규칙한 표면 및 더 매끄러운, 심지어 균일한 표면을 나타내는 표면 조도 파라미터의 더 낮은 값을 나타낸다. 상기 실리콘 기판의 표면 조도는 바람직하게는 광 흡수 및 표면에 부착을 포함하지만, 이에 제한되지 않는, 다수의 인자들 사이에서 최적 균형을 생산하기 위해 변형된다.
상기 실리콘 기판의 두 개의 더 큰 치수는 최종 태양 전지의 요구된 적용에 적합하도록 변화될 수 있다. 이것은 적어도 약 0.01 mm이 되는 실리콘 웨이퍼의 두께에 대해 바람직하다. 동시에, 상기 두께는 바람직하게는 약 0.5 mm 이하, 좀더 바람직하게는 약 0.3 mm 이하, 및 가장 바람직하게는 약 0.2 mm 이하이다. 하나의 구현 예에 따르면, 상기 실리콘 웨이퍼는 0.01 mm의 최대 두께를 가질 수 있다.
상기 전면 도핑층이 상기 배면 도핑층과 비교하여 박형인 것이 바람직하다. 상기 전면 도핑층이 적어도 약 0.1 ㎛, 및 약 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 5 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 2 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 또한 바람직하다.
많이 도핑된 층은 상기 배면 도핑층 및 어떤 또 다른 층 사이의 실리콘 기판의 배면에 적용될 수 있다. 이러한 많이 도핑된 층은 상기 배면 도핑층 및 이러한 층이 a+로 일반적으로 표시되기 때문에 동일한 도핑 타입의 것이다 (n+-타입 층은 n-타입 배면 도핑층에 적용되고, p+-타입 층은 p-타입 배면 도핑층에 적용된다). 이러한 많이 도핑된 배면층은 금속화를 돕고, 전기전도성 특성들을 개선시키기 위해 제공된다. 만약 존재한다면, 상기 많이 도핑된 배면층은 적어도 약 1 ㎛, 및 약 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 50 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 15 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도펀트
바람직한 도펀트는, 실리콘 웨이퍼에 첨가된 경우, 상기 밴드 구조로 전자 또는 정공을 도입하여 p-n 접합 경계를 형성하는 것이다. 이들 도펀트의 농도 및 동일성은 상기 p-n 접합의 밴드 구조 프로파일을 조정하고, 요구된 바와 같이 광 흡수 및 전도도 프로파일을 설정하기 위해 구체적으로 선택되는 것이 바람직하다. 바람직한 p-타입 도펀트는 실리콘 웨이퍼 밴드 구조에 정공을 부가하는 것이다. 본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 도펀트는 p-타입 도펀트로서 사용될 수 있다. 바람직한 p-타입 도펀트는, 3가 원소, 특히 주기율표의 13족의 것들을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 주기율표의 13족 원소는 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 또는 적어도 이의 둘의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 여기서 붕소는 특히 바람직하다.
바람직한 n-타입 도펀트는 상기 실리콘 웨이퍼 밴드 구조에 전자를 부가하는 것이다. 본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 도펀트는 n-타입 도펀트로서 사용될 수 있다. 바람직한 n-타입 도펀트는 주기율표의 15족의 원소를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 15족 원소는 질소, 인, 비소, 안티몬, 비스무스, 또는 적어도 이의 둘의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 여기서 인은 특히 바람직하다.
전술된 바와 같이, 상기 p-n 접합의 다양한 도핑 수준은 최종 태양 전지의 원하는 특성을 조정하기 위해 변화될 수 있다.
어떤 구현 예들에 따르면, 상기 반도체 기판 (즉, 실리콘 웨이퍼)은 약 65 Ω/□, 70 Ω/□, 90 Ω/□, 95 Ω/□, 또는 100 Ω/□ 이상과 같은, 약 60 Ω/□ 이상의 시트 저항을 나타낸다.
태양 전지 구조
본 발명의 하나의 관점은 본 발명의 방법으로부터 얻을 수 있는 태양 전지이다. 바람직한 태양 전지는, 전기 에너지 출력으로 전환된 입사광의 총 에너지의 비율의 관점에서, 고효율을 갖는 것이다. 경량 및 내구성 있는 태양 전지는 또한 바람직하다. 최소한도로, 태양 전지는 통상적으로: (i) 전면 전극, (ⅱ) 전면 도핑층, (ⅲ) p-n 접합 경계, (ⅳ) 배면 도핑층, 및 (v) 납땜 패드를 포함한다. 상기 태양 전지는 또한 화학적/ 기계적 보호를 위한 부가적인 층들을 포함할 수 있다.
반사방지층
반사방지층은 전극이 태양 전지의 전면에 적용되기 전에 외부 층으로서 적용될 수 있다. 바람직한 반사방지층은 전면에 반사된 입사광의 비율을 감소시키고, 웨이퍼에 의해 흡수되는 전면을 가로지르는 입사광의 비율을 증가시키는 것이다. 유리한 흡착/반사비에 상승을 제공하며, 전기전도성 페이스트에 의해 에칭을 허용하고, 전기전도성 페이스트의 소성에 대해 요구된 온도에 대해 내성이 있으며, 및 전극 계면의 부근에서 전자 및 정공의 증가된 재조합에 기여하지 않는 반사방지 층은 바람직하다. 본 발명의 상황에 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 모든 반사방지층은 사용될 수 있다. 바람직한 반사방지층은 SiNx, SiO2, Al2O3, TiO2 또는 적어도 이의 둘의 혼합물 및/또는 적어도 이의 두 개 층의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 구현 예에 따르면, 상기 반사방지층은, 특히 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우, SiNx이다.
상기 반사방지층의 두께는 적절한 광의 파장에 대해 적합하다. 본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면, 상기 반사방지층은 적어도 약 20 nm, 바람직하게는 적어도 약 40 nm, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 60 nm의 두께를 갖는다. 동시에, 상기 두께는 바람직하게는 약 300　nm 이하, 바람직하게는 약 200　nm 이하, 및 가장 바람직하게는 약 90　nm 이하이다.
패시베이션층 (Passivation Layers)
하나 이상의 패시베이션층은 외부층으로서 실리콘 웨이퍼의 전면 및/또는 배면에 적용될 수 있다. 상기 패시베이션층은 (만약 하나가 존재한다면) 상기 전면 전극이 형성되기 전, 또는 반사방지층이 적용되기 전에 적용될 수 있다. 바람직한 패시베이션층은 전극 계면의 부근에 전자/정공 재조합의 속도를 감소시키는 것이다. 본 발명의 상황에 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 어떤 패시베이션층은 사용될 수 있다. 바람직한 패시베이션층은 질화규소, 이산화규소 및 이산화티타늄을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 구현 예에 따르면, 질화규소는 사용된다. 상기 패시베이션층이 적어도 0.1　nm, 바람직하게는 적어도 약 10 nm, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 30 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 동시에, 상기 패시베이션층은 바람직하게는 약 2　㎛ 이하, 좀더 바람직하게는 약 1　㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 200 nm 이하이다.
부가적인 보호층 (Additional Protective Layers)
태양 전지의 원론적 기능에 직접 기여하는 전술된 층에 부가하여, 또 다른 층은 기계적 및 화학적 보호를 위해 부가될 수 있다.
상기 전지는 화학적 보호를 제공하기 위해 앤캡슐화될 수 있다. 앤캡슐화는 기술분야에서 잘 알려져 있고, 본 발명에 적절한 어떤 앤캡슐화는 사용될 수 있다. 바람직한 구현 예에 따르면, 종종 투명 열가소성 수지라 칭하는, 투명 중합체는, 만약 이러한 앤캡슐화가 존재한다면, 앤캡슐화 물질로서 사용된다. 바람직한 투명 중합체는 실리콘 고무 및 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (PVA)를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
투명 유리 시트는 또한 상기 전지의 전면에 기계적 보호를 제공하기 위해 태양 전지의 전면에 부가될 수 있다. 투명 유리 시트는 기술분야에서 잘 알려져 있고, 어떤 적절한 투명 유리 시트도 적절하게 사용될 수 있다.
배면 보호 물질은 기계적 보호를 제공하기 위해 태양 전지의 배면에 부가될 수 있다. 배면 보호 물질은 기술분야에서 잘 알려져 있고, 어떤 적절한 배면 보호 물질도 사용될 수 있다. 바람직한 배면 보호 물질은 우수한 기계적 특성 및 내후성을 갖는 것이다. 상기 바람직한 배면 보호 물질은 불화폴리비닐의 층을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트이다. 상기 배면 보호 물질은 (배면 보호층 및 앤캡슐화 모두가 존재하는 경우에 있어서) 앤캡슐화층 아래에 존재하는 것이 바람직하다.
프레임 물질은 기계적 지지를 제공하기 위해 태양 전지의 외부에 부가될 수 있다. 프레임 물질은 기술분야에서 잘 알려져 있고, 본 발명의 상황에 적절하게 고려된 어떤 프레임 물질은 사용될 수 있다. 바람직한 프레임 물질은 알루미늄이다.
태양 전지를 제조하는 방법
태양 전지는, 전면 전극을 형성하기 위해, 실리콘 웨이퍼와 같은, 반도체 기판의 전면 상에, 질화규소, 산화규소, 신화티타늄, 또는 산화알루미늄과 같은, 반사방지 코팅에 전기전도성 페이스트 조성물을 적용시켜 제조될 수 있다. 본 발명의 배면 전기전도성 페이스트는 그 다음 납땜 패드를 형성하기 위해 태양 전지의 배면에 적용된다. 상기 전기전도성 페이스트는 본 발명의 상황에서 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 어떤 방식에서 적용될 수 있다. 실시 예들은 함침, 딥핑, 붓기, 드립핑 온, 주입, 분무, 나이프 코팅, 커튼 코팅, 브러싱 또는 인쇄 또는 적어도 이의 둘의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직한 인쇄 기술은 잉크-젯트 인쇄, 스크린 인쇄, 탬폰 인쇄, 오프셋트 인쇄, 철판 인쇄 (relief printing), 또는 스텐실 인쇄 또는 적어도 이의 둘의 조합이다. 상기 전기전도성 페이스트는 인쇄에 의해, 바람직하게는 스크린 인쇄에 의해 적용되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 스크린은 바람직하게는 적어도 약 10 ㎛, 좀더 바람직하게는 적어도 약 20 ㎛, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 35 ㎛의 직경을 갖는 핑거 라인 개구 (finger line opening)를 갖는다. 동시에, 상기 핑거 라인 개구 직경은 바람직하게는 약 100 ㎛ 이하, 좀더 바람직하게는 약 80 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 70 ㎛ 이하이다.
알루미늄 페이스트는 그 다음 기판의 배면에 적용되어, 상기 BSF를 형성하기 위해, 배면 전기전도성 페이스트로부터 형성된 납땜 패드의 엣지를 중첩시킨다. 상기 기판은 그 다음 전기전도성 페이스트의 기판 및 조성물에 의해 결정된 적절한 프로파일에 따라 소성된다.
소성은 고체 전도성 몸체를 형성하기 위하여 인쇄된 전극 및 납땜 패드를 소결시키는데 필수적이다. 소성은 기술분야에서 잘 알려져 있고, 본 발명의 상황에서 적절하게 고려된 어떤 방식에 영향받을 수 있다. 소성은 IRS 물질의 Tg 이상에서 수행되는 것이 바람직하다.
소성을 위해 설정된 최대 온도는 약 900℃ 이하, 바람직하게는 약 860℃ 이하이다. 약 820℃ 만큼 낮은 소성 온도는 태양 전지를 얻기 위해 사용되어 왔다. 소성 온도 프로파일은 통상적으로 전기전도성 페이스트 조성물로부터 유리 바인더 물질뿐만 아니라, 존재하는 어떤 다른 유기 물질의 소진을 가능하도록 설정된다. 상기 소성 단계는 통상적으로 벨트 가열로에서 산소-함유 분위기 또는 공기에서 수행된다. 소성이 약 30 초 내지 약 3 분, 좀더 바람직하게는 약 30 초 내지 약 2 분의 범위, 및 가장 바람직하게는 약 40 초 내지 약 1 분의 범위에서 총 소성 시간으로 빠른 소성 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 600℃ 이상에서 시간은 가장 바람직하게는 약 3 내지 7 초의 범위이다. 상기 기판은 약 1 내지 5 초의 시간 동안 약 700 내지 900℃의 범위에서 피크 온도에 도달할 수 있다. 상기 소성은 또한, 예를 들어, 약 0.05 내지 5 분의 최종 유지 시간으로, 약 100-500 cm/min의 높은 이동률에서 수행될 수 있다. 다중 온도 존, 예를 들어, 3-12 존은 원하는 열적 프로파일을 조절하는데 사용될 수 있다.
상기 전면 및 배면 상에 전기전도성 페이스트의 소성은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 만약 양면에 적용된 전기전도성 페이스트가 유사, 바람직하게는 동일한 경우, 동시 소성은 최적의 소성 조건으로 적절하다. 적절하다면, 소성은 동시에 수행되는 것이 바람직하다. 소성이 순차적으로 수행된 경우, 상기 배면 전기전도성 페이스트가 적용되고, 먼저 소성되며, 상기 전면에 전기전도성 페이스트의 적용 및 소성이 뒤따르는 것이 바람직하다.
전기전도성 페이스트의 성능의 측정
인장력 (Pull Force) 시험
또한 인장력으로 알려진, 최종 전기전도성 페이스트의 접착 강도를 측정하기 위한 하나의 방법은 실리콘 태양 전지 상에 인쇄된 전기전도성 페이스트 층에 땜납 와이어 (solder wire)를 적용하는 것이다. 표준 납땜 와이어는 (Meyer Burger Technology Ltd.에 의해 제작된) Somont Cell Connecting 자동 납땜 기계와 같은 자동화 기계, 또는 기술분야에서 알려진 방법에 따른 휴대용 땜납 건 (solder gun)으로 수동으로 전극에 적용된다. 본 발명에 있어서, 대략 20 ㎛ 62/36/2 땜납 코팅을 갖는 0.20 x 0.20 mm 구리 리본은, 비록 산업에서 일반적 다른 방법 및 기술분야에서 알려진 방법이 사용될지라도, 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 태양 전지의 길이의 대략 2.5 배의 리본 길이로 절단된다. 땜납 플럭스는 상기 절단 리본 상에 코팅되고, 1-5 분 동안 건조하도록 한다. 상기 전지는 그 다음 납땜 픽스쳐 (soldering fixture)에 장착되고, 상기 리본은 상기 전극의 상부에 배열된다. 상기 납땜 픽스쳐는 예열 단계로 적재되고, 상기 전지는 150-180℃에서 15 초 동안 예열된다. 예열 후, 상기 납땜 핀은 내려지고, 상기 리본은 220-250℃에서 0.8-1.8 초 동안 전극 상에 납땜된다. 상기 구리 와이어는 상기 전극의 길이에 납땜한 채, 상기 부착력 (adhesion force)은 GP Solar GP PULL-TEST Advanced와 같은 인장-시험기 (pull-tester)를 사용하여 측정된다. 상기 납땜된 리본의 맨끝 (tailing end)은 인장-시험기 상에 힘 게이지에 부착되고, 6 mm/s의 일정한 속도로 대략 180°로 뒤를 벗긴다. 힘 게이지는 100 s-1의 샘플 속도에서 뉴턴 (Newtons)으로의 접착력을 기록한다.
대표적인 페이스트를 평가하는 경우, 이러한 땜납 및 인장 절차는 통상적으로 상기 납땜 공정으로부터 결과하는 데이터에서 변화를 최소화하기 위해 네 개의 개별 전극 상에 통상적으로 네 번 완성된다. 하나의 실험으로부터 하나의 개별적인 측정은, 상기 납땜 공정에서 개별적 변화가 결과에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 신뢰도가 높지 않다. 따라서, 네 개의 인장으로부터 전체 평균은 얻어지고, 상기 평균 인장력은 페이스트 사이에서 비교된다. 1 뉴턴 인장력의 최소값이 바람직하다. 접착 강도에 대해 허용가능한 산업 표준은 통상적으로 2 뉴턴 이상이다. 적어도 3, 적어도 4, 적어도 5, 또는 적어도 6 뉴턴의 인장력을 갖는 더 강한 접착력은 가장 바람직하다.
태양 전지 모듈
본 발명의 또 다른 관점은 본 발명의 태양 전지로 형성된 태양 전지 모듈이다. 복수의 태양 전지는 모듈로 불리는 집합 배열 (collective arrangement)을 형성하기 위해 공간적 및 전기적으로 내부연결되어 배열될 수 있다. 바람직한 모듈은 다수의 배열, 바람직하게는 태양 패널로 알려진 직사각형 배열을 가질 수 있다. 태양 전지를 전기적으로 연결하기 위한 다양한 방식뿐만 아니라, 집합 배열을 형성하기 위해 이러한 전지를 고정 및 기계적으로 배열하기 위한 다양한 방식은 기술분야에서 잘 알려져 있다. 본 발명의 상황에 적절하게 고려되고, 기술분야에서 알려진 이러한 어떤 방법들은 사용될 수 있다. 바람직한 방법들은 낮은 질량 대 전력 출력비, 낮을 부피 대 전력 출력비, 및 높은 내구성을 결과하는 것들이다. 알루미늄은 태양 전지의 기계적 고정을 위해 바람직한 물질이다.
실시 예
실시 예 1
PBTS IRS (G1-G6)을 함유하는 IRS 조성물의 셋트는 하기 표 1에 서술된 성분으로 제조된다. 대조구는 또한, 표 1에 서술된 바와 같이, 오직 콘택-촉진 IRS를 포함하여 제조된다. 샘플은 표 1에 나타낸 양으로 개별적인 산화물 구성분을 혼합하여 100g 배치로 제조된다. 상기 산화 혼합물 (oxide mixture)은 8.34 in3 부피 콜로라도 (Colorado) 도가니에 적재된다. 상기 도가니는 그 다음 상기 산화 혼합물을 예열하기 위해 800℃에서 40분 동안 오븐에 놓는다. 예열 후, 상기 도가니는 개별적인 성분을 유리 혼합물로 용융시키기 위해 15분 동안 1300℃의 내화성 오븐으로 이동된다. 상기 용융 유리는 그 다음 상기 오븐으로부터 제거되고, 빠르게 퀀칭하기 위해 탈이온수를 함유하는 양동이에 붓는다. 이러한 유리 물질은 1 L 세라믹 자르 밀 (jar mill)에서 더욱 가공된다. 상기 자르 밀은 ½" 원통형 알루미나 매체, 또는 2mm 직경 이트륨 안정화된 지르코니아 (YTZ) 그라인딩 매체, 및 탈이온수로 대략 절반 정도로 채워진다. 상기 유리는 자르 밀에 첨가되고, 60-80RPM에서 8시간 동안 작동된다. 밀링 후, 상기 유리는 325 메쉬 체를 통해 여과되고, 24시간 동안 125℃에 건조된다. 모든 양은 상기 IRS의 100% 총 중량에 기초한다.
대표적인 PBTS IRS 조성물 (G1-G6)
콘택 IRS G1 G2 G3 G4 G5 G6
PbO 28.64 0.334 0.294 0.302 0.300 0.323 0.282
TeO2 48.95 9.556 8.406 4.316 4.292 9.249 8.063
SiO2 - -- 8.994 7.911 9.749 9.695 8.705 7.588
Bi2O3 20.78 55.099 73.008 74.973 74.558 66.832 70.028
M-산화물 1.64 26.02 10.68 10.96 11.46 14.89 14.04
각각의 대표적인 페이스트를 형성하기 위하여 (P1-P6), 약 88 wt% 은 입자, 약 10.3 wt%의 유기 비히클, 약 1.5 wt%의 콘택-촉진 IRS (콘택 IRS), 및 약 0.2 wt%의 각 PBTS IRS 조성물은, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 각각 조합된다. PBTS IRS이 없는 약 1.7 wt%의 콘택 IRS를 갖는 대조구 페이스트 (대조구 1)는 또한 제조된다.
상기 페이스트가 균일한 일관성으로 혼합되자마자, 이들은 약 30 ㎛ 와이어 직경에서, 250 메쉬 스테인레스 스틸, 5 ㎛ EOM을 사용하여 블랭크 단일결정질 (MN) 및 다중결정질 (MC) 실리콘 웨이퍼의 전면 상에 각각 스크린 인쇄된다. 상기 전지는 그 다음 적절한 온도에서 건조된다. 인쇄된 전면 페이스트를 갖는, 실리콘 기판은 그 다음 대략 700-975℃의 피크 온도에서 소성된다.
접착 성능 (뉴턴)은 그 다음 여기에 서술된 파라미터에 따라 측정된다 (인장시험 참조). 데이터는, 하기 표 2에 서술된 바와 같이, 대조구 1에 대하여 1로 명목화된다. 모든 대표적인 페이스트는, 접착-촉진 PBTS IRS 성분을 갖지 않는, 대조구 페이스트를 능가한다.
대조구 1 페이스트 및 페이스트 P1-P6의 접착 성능
대조구 1 P1 P2 P3 P4 P5 P6
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 2.8 3.4 2.8 3.2 3.4 3.8
MN 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 3.2 2.8 3 3 3 4
실시 예 2A
PBTS IRS 조성물의 제2 세트 (G7-G12)는, 실시 예 1에 서술된 파라미터에 따라, 하기 표 3에 서술된 출발 물질로 제조된다. 모든 양은 IRS의 100% 총 중량으로 나타낸다.
대표적인 PBTS IRS 조성물 (G7-G12)
G7 G8 G9 G10 G11 G12
PbO 0.52% 0.55% 0.55% 0.50% 0.54% 0.50%
TeO2 8.24% 7.89% 7.80% 7.10% 7.78% 7.21%
SiO2 - 7.75% 7.43% 8.81% 6.68% 7.61% 6.78%
Bi2O3 71.04% 67.95% 67.22% 71.51% 71.51% 72.57%
M-산화물 12.45% 16.18% 15.62% 14.21% 12.56% 12.94%
약 0.5 wt%의 PBTS IRS 조성물은 그 다음 페이스트 P7-P12를 형성하기 위해 실시 예 1에서 서술된 파라미터에 따라, 약 88 wt%의 은, 약 1.5 wt%의 실시 예 1의 콘택 IRS, 및 약 10 wt%의 유기 비히클과 혼합된다. PBTS IRS 없이 약 2 wt%의 실시 예 1의 콘택 IRS를 갖는 다른 대조구 페이스트 (대조구 2)는 또한 제조된다. 대표적인 페이스트는 그 다음 실시 예 1의 파라미터에 따른 MC 실리콘 웨이퍼 상에 스크린 프린트된다. (대조구 2와 비교한) 상기 페이스트의 명목상 접착 성능은 하기 표 4에 서술된다. 모든 대표적인 페이스트는 대조구 2 페이스트를 능가한다.
대조구 2 페이스트 및 페이스트 P7-P12의 접착 성능
대조구 2 P7 P8 P9 P10 P11 P12
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 4.8 5.8 5.4 5.4 5.6 6
실시 예 2B
대표적인 페이스트의 또 다른 세트는, 하기 표 5에 서술된 바와 같은, 다른 콘택-촉진 IRS가 사용되는 것을 제외하고는, 실시 예 2A의 동일한 PBTS IRS 조성물 (G7-G12)로 제조된다. 콘택 IRS 2는 M-산화물로서 산화 아연을 함유한다.
콘택-촉진 IRS 조성물
콘택 IRS 2
PbO 27.88%
TeO2 47.86%
SiO2 - --
Bi2O3 21.49%
M-산화물 2.77%
이들 대표적인 페이스트는 약 88 wt%의 은, 약 1.5 wt%의 콘택 IRS 2, 약 0.5 wt%의 G7-G12 및 약 10 wt% 유기 비히클을 함유한다. 대조구 페이스트 (대조구 3)는 약 2 wt%의 콘택 IRS 2 및 PBT IRS 조성물 없이 포함하여 제조된다. 이들 페이스트의 명목상 접착 성능은 (대조구 3과 비교하여) 하기 표 6에 서술된다. 다른 콘택-촉진 IRS를 사용하는 경우에서도, 알 수 있는 바와 같이, 상기PBTS IRS 조성물은 접착 성능을 여전히 개선시킨다.
다른 콘택-촉진 IRS (콘택 IRS 2)를 갖는 접착 성능
대조구 3 P7-2 P8-2 P9-2 P10-2 P11-2 P12-2
다중결정질 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 3.88 5.13 4.00 6.00 5.88 5.00
실시 예 3
PBTS IRS 조성물의 제3 세트 (G13-G18)는, 실시 예 1에 서술된 파라미터에 따라, 하기 표 7에 서술된 출발 물질로 제조된다. 모든 양은 IRS의 100% 총 중량으로 나타낸다.
대표적인 PBTS IRS 조성물 (G13-G18)
G13 G14 G15 G16 G17 G18
PbO 0.28% 0.29% 0.27% 0.27% 0.30% 0.27%
Bi2O3 70.0% 71.83% 68.31% 67.58% 62.80% 74.66%
Si2O 7.6% 9.34% 5.92% 6.28% 9.82% 5.01%
TeO2 8.1% 4.14% 11.80% 6.67% 13.04% 5.01%
M-산화물 14.0% 14.40% 13.70% 19.20% 14.04% 15.04%
각각의 IRS 조성물 (약 0.2 wt%)은 그 다음, 실시 예 1에 서술된 파라미터에 따라, 약 88 wt%의 은, 약 1.5 wt%의 실시 예 1의 콘택 IRS, 및 약 10.3 wt%의 유기 비히클과 혼합된다. 대표적인 페이스트는 그 다음 실시 예 1의 파라미터에 따라 MC 및 MN 실리콘 웨이퍼 상에 스크린 인쇄된다. 상기 페이스트의 명목상 접착 성능은 (실시 예 1의 대조구 1과 비교하여) 하기 표 8에 서술된다. 모든 대표적인 페이스트는 실시 예 1의 대조구 1을 능가한다.
페이스트 P13-P18의 접착 성능
대조구 1 P13 P14 P15 P16 P17 P18
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 3 3.2 3.4 3.4 4.2 3.6
MN 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 3.4 3.6 3.2 3.2 4.4 3.8
실시 예 4
PBTS IRS 조성물의 제4 세트 (G19-G22)는, 실시 예 1에 서술된 파라미터에 따라, 하기 표 9에 서술된 출발 물질로 제조된다. 모든 양은 IRS의 100% 총 중량으로 나타낸다.
대표적인 PBTS IRS 조성물 (G19-G22)
G19 G20 G21 G22
PbO 0.29% 2.21% 0.28% 0.28%
TeO2 5.71% 7.89% 7.95% 7.90%
Si2O 7.68% 7.43% 7.48% 7.43%
Bi2O3 70.87% 69.13% 69.04% 68.57%
M-산화물 15.46% 13.34% 15.25% 15.83%
각각의 IRS 조성물 (약 0.2 wt%)은 그 다음, 실시 예 1에서 서술된 파라미터에 따라, 약 88 wt%의 은, 약 1.5 wt%의 실시 예 1의 콘택 IRS, 및 약 10.3 wt%의 유기 비히클과 혼합된다. 상기 대표적인 페이스트는 그 다음 실시 예 1의 파라미터에 따라 MC 실리콘 웨이퍼 상에 스크린 인쇄된다. 대표적인 페이스트의 명목상 접착 성능은 (실시 예 1의 대조구 1과 비교하여) 하기 표 10에 서술된다. 모든 대표적인 페이스트는 실시 예 1의 대조구 1을 능가한다.
페이스트 P7-P12의 접착 성능
대조구 1 P19 P20 P21 P22
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 4.2 3.8 3.6 3.8
실시 예 5
PBTS IRS 조성물의 제5 세트 (G23-G25)는, 실시 예 1에서 서술된 파라미터에 따라, 하기 표 11에 서술된 출발 물질로 제조된다. 모든 양은 상기 IRS의 100% 총 중량으로 나타낸다.
대표적인 PBTS IRS 조성물 (G23-G25)
G23 G24 G25
PbO 0.27% 0.28% 0.25%
TeO2 3.84% 7.99% 7.20%
Si2O 7.60% 9.02% 8.80%
Bi2O3 69.58% 69.41% 78.26%
M-산화물 18.71% 13.30% 5.49%
각각의 IRS 조성물 (약 0.2 wt%)은 그 다음, 실시 예 1에서 서술된 파라미터에 따라, 약 88 wt%의 은, 약 1.3 wt%의 실시 예 1의 콘택 IRS, 및 약 10.5 wt%의 유기 비히클과 혼합된다. 상기 대표적인 페이스트는 그 다음 실시 예 1의 파라미터에 따라 MC 실리콘 웨이퍼 상에 스크린 인쇄된다. 대표적인 페이스트의 명목상 접착 성능은 (실시 예 1의 대조구 1과 비교하여) 하기 표 12에 설명된다. 모든 대표적인 페이스트는 실시 예 1의 대조구 페이스트를 능가한다.
페이스트 P7-P12의 접착 성능
대조구 1 P19 P20 P21
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 1 4.6 5.2 5
실시 예 6
PBTS IRS 조성물의 또 다른 세트는, 실시 예 1에 서술된 파라미터에 따라, 하기 표 13에 서술된 출발 물질로 제조될 수 있다. 이들 조성물은 Li2O 및/또는 B2O3를 더욱 포함한다. 모든 양은 상기 IRS의 100% 총 중량에 기초한다. 오직 콘택-촉진 IRS를 함유하는 대조구 페이스트와 비교하여, 예언적 (Prophetic) IRS 조성물로 제조된 페이스트의 기대 접착 성능은 하기 표 14에 서술된다.
예언적 PBTS IRS 조성물 (X1-X4)
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7
PbO 0.29% 2.21% 0.28% 0.28% 0.27% 0.28% 0.25%
TeO2 5.71% 7.89% 7.95% 7.90% 3.84% 7.99% 7.20%
Si2O 7.68% 7.43% 7.48% 7.43% 7.60% 9.02% 8.80%
Bi2O3 70.87% 69.13% 69.04% 68.57% 69.58% 69.41% 78.26%
Li2O 5.93% 5.73% 5.77% 3.44% 5.58% 5.80% 　--
B2O3 9.53% 7.61% 9.48% 12.38% 13.12% 7.50% 5.49%
X1-X7를 갖는 예언적 페이스트의 접착 성능
대조구 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 - + + + + + + +
실시 예 7
PBTS IRS 조성물의 또 다른 세트는, 실시 예 1에 서술된 파라미터에 따라, 하기 표 15에 서술된 출발 물질로 제조될 수 있다. 이들 조성물은 모두 상기 PBTS 시스템을 오직 함유한다. 모든 양은 상기 IRS의 100% 총 중량에 기초한다. 콘택-촉진 IRS를 오직 함유하는 대조구 페이스트와 비교하여, 예언적 IRS 조성물로 제조된 페이스트의 기대 접착 성능은 하기 표 16에 서술된다.
예언적 PBTS IRS 조성물 (X8-X14)
X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14
PbO 0.66% 0.65% 0.58% 0.62% 0.58% 0.36% 0.36%
Bi2O3 81.07% 79.66% 83.36% 81.78% 83.36% 89.21% 89.21%
SiO2 8.86% 10.45% 7.79% 8.70% 7.79% 5.19% 5.19%
TeO2 9.41% 9.25% 8.28% 8.89% 8.28% 5.24% 5.24%
X8-X14를 갖는 예언적 페이스트의 접착 성능
대조구 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14
MC 웨이퍼 상에 평균 접착력 - + + + + + + +
본 발명의 이들 및 다른 장점들은 전술된 명세서로부터 기술분야의 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 변화 또는 변형이 본 발명의 넓은 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 기재된 구현 예에 의해 만들어질 수 있다는 것은 기술분야의 당업자에 의해 인지될 것이다. 어떤 특정 구현 예의 명시된 치수는 오직 예시의 목적으로 기재된다. 따라서 본 발명은, 본 발명의 범주 및 사상 내에 있는 모든 변화 및 변형을 포함하는 것이지, 여기에 기재된 특정 구현 예로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (31)

  1. 하기 화학식 1의 납-비스무스-텔루륨-실리케이트 조성물을 포함하는 무기 조성물:
    [화학식 1]
    Pba-Bib-Tec-Sig-Md-Oe
    여기서, 0 < a, b, d, 또는 g ≤ 1, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d, e ≤ 1, 및 a, b, c, d 및 g의 합은 1, 0 < a ≤ 0.05, 0.2 < b ≤ 0.95, 0 < c ≤ 0.5, 0 < d ≤ 0.2, 0 < g ≤ 0.5, a:b는 0.1:99.9 내지 5:95 사이, b:c는 50:50 내지 99:1 사이, M은 붕소, 알루미늄, 갈륨, 실리콘, 게르마늄, 주석, 인, 안티몬, 니오븀, 탄탈륨, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 은, 납, 할라이드, 칼코겐화물, 알칼리 금속, 알칼리 토 금속 및 희토류 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소, 및 e는 Pb, Bi, Te, Si, 및 M 성분이 전하 균형을 이루기에 충분한 수이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    a는 0.03 이하인 무기 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    b가 0.5 초과인 무기 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    c는 적어도 0.05, 및 0.3 이하인 무기 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    d는 적어도 0.002, 및 0.1 이하인 무기 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    g는 적어도 0.05, 및 0.3 이하인 무기 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    a:b는 1:99 및 8:92 사이인 무기 조성물.
  8. 청구항 1에 있어서,
    a:c는 1:99 내지 50:50 사이인 무기 조성물.
  9. 청구항 1에 있어서,
    b:c는 70:30 내지 95:5 사이인 무기 조성물.
  10. 청구항 1에 있어서,
    b:g는 60:40 내지 90:10 사이인 무기 조성물.
  11. 청구항 1에 있어서,
    M은 알칼리 금속, 알칼리 토 금속, 희토류 금속, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 게르마늄, 주석, 인, 안티몬, 니오븀, 탄탈륨, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 은, 및 이의 어떤 조합의 화합물로부터 선택되는 원소인 무기 조성물.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 납-비스무스-텔루륨 조성물은, 무기 조성물의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 0.05 wt%의 납-함유 화합물, 및 1 wt% 이하의 납-함유 화합물로 형성되는, 무기 조성물.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 납-비스무스-텔루륨 조성물은, 무기 조성물의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 30 wt% 비스무스-함유 화합물 및 90 wt% 이하의 비스무스-함유 화합물로 형성된, 무기 조성물.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 납-비스무스-텔루륨 조성물은, 무기 조성물의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 2 wt% 텔루륨-함유 화합물, 및 15 wt% 이하의 텔루륨-함유 화합물로 형성된 무기 조성물.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 납-비스무스-텔루륨 조성물은, 무기 조성물의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 5 wt% 실리콘-함유 화합물, 및 55 wt% 이하의 실리콘-함유 화합물로 형성된 무기 조성물.
  16. 금속 입자;
    청구항 1-15에 따른 무기 조성물 중 적어도 하나; 및
    유기 비히클을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 페이스트는 콘택-촉진 무기 조성물을 더욱 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 콘택-촉진 무기 조성물은 납-비스무스-텔루륨 무기 조성물인 전기전도성 페이스트 조성물.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 50 wt% 금속 입자, 및 95 wt% 이하의 금속 입자를 포함하는, 전기전도성 페이스트 조성물.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 금속 입자는 은, 알루미늄, 금, 니켈, 구리, 및 이의 합금 또는 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전기전도성 페이스트 조성물.
  21. 청구항 16에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은, 상기 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 1 wt%의 무기 조성물, 및 10 wt% 이하의 무기 조성물을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  22. 청구항 16에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은, 페이스트의 100% 총 중량에 기초하여, 적어도 0.01 wt%의 유기 비히클, 및 50 wt% 이하의 유기 비히클을 포함하는, 전기전도성 페이스트 조성물.
  23. 청구항 16에 있어서,
    상기 유기 비히클은 유기 용매 및 바인더, 계면활성제, 및 요변성제 중 하나 이상, 또는 이의 어떤 조합을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 유기 용매는 카비톨, 테르피네올, 헥실 카비톨, 텍사놀, 부틸 카비톨, 부틸 카비톨 아세테이트, 디메틸아디프산 글리콘 에테르, 및 이의 어떤 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 전기전도성 페이스트 조성물.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 바인더는 에틸 셀룰로오스, 페놀 수지, 폴리아크릴산, 폴리비닐 부티랄, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 수지, 폴리우레탄 수지, 로신 유도체, 및 이의 어떤 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전기전도성 페이스트 조성물.
  26. 청구항 23에 있어서,
    상기 계면활성제는 폴리에틸렌 산화물, 폴리에틸렌 글리콜, 벤조트리아졸, 폴리(에틸렌글리콜)아세트산, 라우르산, 올레산, 카프르산, 미리스트산, 리놀레산, 스테아르산, 팔미트산, 스테아르산염, 팔미트산염, 및 이의 어떤 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전기전도성 페이스트 조성물.
  27. 실리콘 웨이퍼에 청구항 16에 따른 전기전도성 페이스트를 적용하는 단계 및 상기 실리콘 웨이퍼를 소성시키는 단계에 의해 생산된 태양 전지.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 전기전도성 페이스트는 상기 실리콘 웨이퍼의 표면상의 반사방지 코팅에 적용되는, 태양 전지.
  29. 청구항 27 또는 28에 따른 전기적으로 내부연결된 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈.
  30. 전면 및 배면을 구비한 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼에 청구항 16에 따른 전기전도성 페이스트를 적용시키는 단계; 및
    상기 실리콘 웨이퍼를 소성시키는 단계를 포함하는 태양 전지의 생산방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 전기전도성 페이스트는 상기 실리콘 웨이퍼의 전면에 적용되는, 태양 전지의 생산방법.
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