KR101711149B1 - Aluminium paste composition and solar cell device using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2의 함량이 특정 조건을 만족하도록 최적화됨으로써 수분과의 반응을 방지하여 태양전지 소자 자체의 내구성을 증진시킬 수 있으며 환경 친화적인 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것이다.The present invention is an aluminum paste composition and as it relates to a solar cell element using the same, more particularly to prevent the reaction with the moisture by being optimized to a content of Bi 2 O 3, B 2 O 3, ZnO and SiO 2 satisfies a specific condition To an environmentally friendly aluminum paste composition and a solar cell device using the same.
Description
본 발명은 친환경적이며 내수성이 우수하여 태양전지 소자의 내구성을 증진시킴과 동시에 전극의 손상을 억제할 수 있는 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to an aluminum paste composition which is environmentally friendly and excellent in water resistance to improve durability of a solar cell element and to suppress damage to an electrode, and a solar cell element using the same.
최근 들어 급속하게 보급되고 있는 태양전지는 차세대 에너지원으로서 클린 에너지인 태양 에너지를 직접 전기로 변환하는 전자 소자이다.Solar cells, which are rapidly spreading in recent years, are next-generation energy sources, and are electronic devices that convert solar energy, which is clean energy, directly to electricity.
태양전지 소자는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 기판(10)의 수광면측에 N+층(20), 반사방지막(30)과 전면전극(40)이 형성되어 있고, 기판(10)의 반대면측에 P+층(50)과 후면전극(60)이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조의 태양전지 소자에 태양광을 비추면 내부에서 전자(-)와 정공(+)이 발생하고, 발생된 전자(-)는 N+층(20)으로 정공(+)은 P+층(50)으로 각각 이동하게 된다. 이 현상에 의해 P+층(50)과 N+층(20) 사이에 전위차가 발생하며, 이때 부하를 연결하면 전류가 발생하게 되는 원리로 태양 에너지가 전기 에너지로 변환된다.1, an N +
이 중 후면전극(60)은 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 도포하고 건조한 후 소성함으로써 형성되는데, 소성 시 알루미늄이 실리콘 웨이퍼 기판(10)의 내부로 확산됨으로써 후면전극(60)과 기판(10) 사이에 Al-Si 합금층이 형성됨과 동시에 알루미늄 원자의 확산에 의한 P+층(50)이 형성된다. 이러한 P+층(50)은 전자의 재결합을 방지하고 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 후면전계(back surface field, BSF)의 작용을 할 뿐만 아니라 태양광의 장파장광을 반사하는 반사판의 역할도 한다.The
이러한 후면전극(60)을 형성하기 위한 알루미늄 페이스트 조성물은 알루미늄 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클(vehicle)을 포함하여 구성된다. 이 중 유리 프릿은 실리콘 웨이퍼 기판(10)과의 결합을 더욱 강화시키기 위한 성분으로서 통상 주성분으로 PbO-B2O3-SiO2계, PbO-B2O3-Al2O3계, PbO-B2O3-ZnO계 산화물을 포함하는 것이 주로 사용되었다.The aluminum paste composition for forming such a
최근에는 환경 문제로 인해 PbO 성분을 함유하지 않으면서도 상기 PbO계 산화물과 유사한 특성을 갖는 Bi2O3계 산화물을 포함하는 것이 제안되었다(한국공개특허 제2008-0104179호, 한국등록특허 제0890866호). 그러나, Bi2O3 성분이 함유된 유리 프릿은 연화점이 500℃ 미만으로 낮으면서 Bi2O3 성분이 과다하게 함유되는 경우 알루미늄층의 알루미늄 분말 표면의 산화막을 열에칭시켜 수분과 반응성을 증가시키고, 이로 인해 이로 인해 태양전지 소자 자체의 내구성이 크게 저하되는 단점이 있다. 이로 인해 연화점이 500℃ 이상이 되도록 구성하여 Bi2O3 성분과 알루미늄 산화막의 반응성을 낮출 수도 있으나, 최근에는 다양한 공정 온도에서 작업이 이루어지고 있으므로 연화점이 낮은 유리 프릿에 대한 사용은 불가피한 실정이다.
In recent years, it has been proposed that Bi 2 O 3 -based oxides having properties similar to those of the PbO-based oxide are included without containing PbO components due to environmental problems (Korean Patent Publication No. 2008-0104179, Korean Patent No. 0890866 ). However, the glass frit contains the Bi 2 O 3 component when the flew the softening point is low, less than 500 ℃ contains the Bi 2 O 3 component is too much by thermal etching of the aluminum powder, the surface of the layer of aluminum oxide to increase the moisture and reactive and , Which causes a disadvantage that the durability of the solar cell element itself is significantly lowered. Accordingly, the reactivity between the Bi 2 O 3 component and the aluminum oxide film can be lowered by forming the softening point at 500 ° C. or higher. However, since the work is performed at various process temperatures, it is inevitable to use a glass frit having a low softening point.
본 발명은 PbO 성분을 함유하지 않아 친환경적인 동시에 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 함량비를 최적화함으로써 열에칭에 의한 수분과의 반응을 방지할 수 있는 알루미늄 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to an aluminum paste composition which does not contain a PbO component and is eco-friendly and at the same time can optimize the content ratio of Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 components to prevent reaction with moisture by thermal etching The purpose is to provide.
또한, 본 발명은 상기 알루미늄 페이스트 조성물로부터 형성된 전극을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide an electrode formed from the aluminum paste composition.
또한, 본 발명은 상기 전극이 구비된 태양전지 소자를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a solar cell element having the electrode.
1. 하기 수학식 1 및 2를 만족시키는 유리 프릿을 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물:1. An aluminum paste composition comprising glass frit which satisfies the following equations (1) and (2):
2. 위 1에 있어서, 유리 프릿은 Bi2O3 1-40몰%, B2O3 1-50몰%, ZnO 0-70몰% 및 SiO2 0.1-45몰%를 함유하는 알루미늄 페이스트 조성물.2. The aluminum paste composition according to 1 above, wherein the glass frit contains 1-40 mol% of Bi 2 O 3 , 1-50 mol% of B 2 O 3 , 0-70 mol% of ZnO and 0.1-45 mol% of SiO 2 .
3. 위 2에 있어서, 유리 프릿은 Al2O3, 알칼리금속 산화물 및 알칼리토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 함유하는 알루미늄 페이스트 조성물.3. The aluminum paste composition according to 2 above, wherein the glass frit further contains at least one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , an alkali metal oxide and an alkaline earth metal oxide.
4. 위 3에 있어서, 유리 프릿은 연화점이 300℃ 이상이고 500℃ 미만인 알루미늄 페이스트 조성물.4. The aluminum paste composition of 3 above, wherein the glass frit has a softening point of at least 300 캜 and less than 500 캜.
5. 위 1에 있어서, 알루미늄 분말 65-75중량%; 유리 프릿 0.01-5중량%; 및 유기 비히클 20-34.9중량%를 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물.5. The composition of
6. 위 5에 있어서, 알루미늄 분말은 평균 입자 크기가 4-6㎛인 분말 60-95중량%와 평균 입자 크기가 2-4㎛인 분말 5-40중량%가 혼합된 것인 알루미늄 페이스트 조성물.6. The aluminum paste composition of
7. 위 5에 있어서, 유기 비히클은 고분자 수지 1-25중량%와 유기 용매 75-99중량%가 혼합된 것인 알루미늄 페이스트 조성물.7. The aluminum paste composition according to 5 above, wherein the organic vehicle is a mixture of 1-25% by weight of a polymer resin and 75-99% by weight of an organic solvent.
8. 위 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 페이스트 조성물로 형성된 전극.8. An electrode formed from an aluminum paste composition according to any one of
9. 위 8의 전극이 구비된 태양전지 소자.
9. A solar cell element comprising the above eight electrodes.
본 발명에 따른 알루미늄 페이스트 조성물은 환경 문제로 인하여 사용에 제약이 있는 PbO 성분을 함유하지 않아 친환경적이며, Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분을 최적의 함량비로 함유함으로써 500℃ 미만의 연화점을 가지면서도 열에칭성이 저하되어 수분과의 반응을 방지할 수 있다. 이를 통하여, 태양전지 소자 자체의 내구성을 증진시키고 전극의 손상을 억제할 뿐만 아니라 최대출력전류(Isc)를 높이고 효율도 향상시킬 수 있다.
The aluminum paste composition according to the present invention is eco-friendly because it contains no PbO component which is restricted by its use due to environmental problems, and contains Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 at an optimum content ratio, The thermal etchability is lowered and the reaction with moisture can be prevented. Through this, it is possible to enhance the durability of the solar cell element itself, suppress damage of the electrode, increase the maximum output current Isc, and improve the efficiency.
도 1은 태양전지 소자의 단면도를 모식적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 태양전지 소자의 내수성을 시험한 도면이며,
도 3은 비교예 1에서 제조된 태양전지 소자의 내수성을 시험한 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 태양전지 소자의 효율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a diagram schematically showing a sectional view of a solar cell element,
2 is a graph showing the water resistance of the solar cell element manufactured in Example 1 of the present invention,
3 is a graph showing the water resistance of the solar cell element manufactured in Comparative Example 1,
4 is a graph showing the efficiency measurement result of the solar cell device manufactured in Example 1 of the present invention.
본 발명은 친환경적이며 내수성이 우수한 알루미늄 페이스트 조성물 및 이를 이용한 태양전지 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to an aluminum paste composition which is environmentally friendly and excellent in water resistance, and a solar cell device using the same.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 알루미늄 페이스트 조성물은 알루미늄 분말; 유리 프릿; 및 유기 비히클을 포함하되, 특히 유리 프릿을 구성하는 성분의 함량을 최적화한 데 특징이 있다.The aluminum paste composition of the present invention comprises aluminum powder; Glass frit; And an organic vehicle, in particular, for optimizing the content of constituents of the glass frit.
보다 상세하게, 유리 프릿은 하기 수학식 1 및 2의 조건을 동시에 만족시키는 것을 특징으로 한다:More specifically, the glass frit is characterized by simultaneously satisfying the following conditions (1) and (2):
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2]&Quot; (2) "
알루미늄 분말은 후면전극을 형성하기 위한 페이스트 조성물의 주성분인 전도성 금속으로서, 평균 입자 크기가 상이한 2종의 혼합 분말을 사용하는 것이 바람직하다.The aluminum powder is preferably a conductive metal as a main component of the paste composition for forming the rear electrode, and it is preferable to use two kinds of mixed powders having different average particle sizes.
후면전극을 형성하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판은 태양광의 수광 면적을 증가시키기 위해 양 표면을 텍스쳐링하여 표면에 미세 피라미드가 형성된 구조를 갖는다. 통상 형성된 미세 피라미드의 높이는 2-15㎛이고 폭은 2-20㎛가 되며, 불규칙한 미로 형태를 나타낸다. 이러한 표면 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼 기판 상에 알루미늄 페이스트 조성물을 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 옵셋 인쇄 등의 방법으로 인쇄하고 건조한 후 소성하는 공정을 거쳐 후면전극을 형성하게 된다. 이때, 알루미늄 분말의 입자 크기가 너무 큰 경우 알루미늄 페이스트 조성물과 실리콘 웨이퍼 기판의 접촉이 잘 이루어지지 않으며 인쇄 및 건조 후에 이들의 사이에 공극이 형성되게 된다. 이러한 공극은 소성 공정을 진행하는 동안 알루미늄 페이스트층을 통과하여 표면을 분출되는데, 이로 인해 알루미늄 범프(bump)와 기포가 발생한다. 따라서, 평균 입자 크기가 상이한 2종의 알루미늄 분말을 혼합 사용함으로써 공극의 크기를 최소화하는 것이 바람직하다.The silicon wafer substrate for forming the back electrode has a structure in which fine pyramids are formed on the surface by texturing both surfaces in order to increase the light receiving area of sunlight. Usually, the height of the fine pyramid formed is 2-15 탆, the width is 2-20 탆, and it shows an irregular maze shape. The aluminum paste composition is printed on a silicon wafer substrate having such a surface structure by a method such as screen printing, gravure printing, or offset printing, followed by drying and baking to form a rear electrode. At this time, when the particle size of the aluminum powder is too large, the aluminum paste composition and the silicon wafer substrate are not in contact with each other, and voids are formed between the aluminum paste composition and the silicon wafer substrate after printing and drying. These voids are ejected through the aluminum paste layer during the firing process, resulting in aluminum bumps and bubbles. Therefore, it is preferable to minimize the size of the pores by mixing two kinds of aluminum powders having different average particle sizes.
알루미늄 분말은 평균 입자 크기가 4-6㎛인 분말 60-95중량%와 평균 입자 크기가 2-4㎛인 분말 5-40중량%가 혼합된 것이 바람직하다. 평균 입자 크기가 4-6㎛인 분말은 소성 후 실리콘 웨이퍼 기판의 수축을 억제하여 고밀도 저수축 전극의 형성을 가능하게 하며, 평균 입자 크기가 2-4㎛인 분말은 알루미늄 분말 간의 결합제 역할을 하며 기판의 텍스쳐링된 표면에 페이스트가 깊숙하고 고르게 침투하게 한다. 이와 같이 혼합된 경우에는 기판과 페이스트 간의 공극률이 감소되며 후면전계(BSF)가 균일하게 형성되고 후면전극의 저항도 낮아지며 기판의 휨도 억제된다. 따라서, 태양전지 소자의 최대출력전류(Isc)를 높이고 효율도 증가시킬 수 있으며, 소성 공정 후 후면전극에서 발생하는 황변 현상도 방지할 수 있다.The aluminum powder is preferably a mixture of 60-95 wt% powder having an average particle size of 4-6 탆 and 5-40 wt% powder having an average particle size of 2-4 탆. Powders having an average particle size of 4-6 μm suppress the shrinkage of the silicon wafer substrate after firing to enable the formation of a high-density low-shrinkable electrode. Powders having an average particle size of 2-4 μm serve as a binder between aluminum powders Allowing the paste to penetrate deeply and evenly onto the textured surface of the substrate. In this case, the porosity between the substrate and the paste is reduced, the rear electric field (BSF) is uniformly formed, the resistance of the rear electrode is lowered, and the warpage of the substrate is also suppressed. Therefore, the maximum output current Isc of the solar cell device can be increased and the efficiency can be increased, and the yellowing phenomenon occurring in the rear electrode after the firing process can be prevented.
알루미늄 분말은 알루미늄 페이스트 조성물 총 함량 100중량%에 대하여 65-75중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 함량이 65중량% 미만인 경우 소성 후 인쇄된 알루미늄 후면전극의 두께가 얇아져 후면전계(BSF)가 충분히 형성되지 않고 효율이 저하될 수 있으며, 75중량% 초과인 경우 인쇄 두께가 너무 두꺼워져 실리콘 웨이퍼 기판의 휨을 초래할 수 있다.The aluminum powder is preferably contained in an amount of 65 to 75% by weight based on 100% by weight of the aluminum paste composition. When the content is less than 65 wt%, the thickness of the aluminum back electrode printed after baking becomes thin, the back electric field (BSF) is not sufficiently formed and the efficiency may be lowered. When the content exceeds 75 wt%, the printing thickness becomes too thick, Which may result in warpage.
본 발명에서는 유리 프릿으로 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2를 함유하는 것을 사용하되, 이들의 함량이 하기 수학식 1 및 2를 동시에 만족시키도록 최적화한 것을 특징으로 한다:In the present invention, glass frit containing Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 is used, and its content is optimized so as to satisfy the following equations (1) and (2) simultaneously:
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2]&Quot; (2) "
통상 PbO 성분을 함유하는 유리 프릿은 융점 제어가 용이하고 열팽창계수가 낮은 장점이 있으나 환경 문제로 인해 사용이 제한되고 있으며, 이와 유사한 특성을 갖는 Bi2O3 성분을 함유하는 유리 프릿은 연화점이 500℃ 미만인 경우 액상 소성 과정에서 용융된 유리 프릿 성분의 반응성이 너무 커지기 때문에 알루미늄 분말의 표면에 산화알루미늄 층과 반응하여 알루미늄 전극의 내수성을 저하시키고 결과적으로 태양전지 소자의 내구성을 떨어뜨리기 쉽다. 이로 인해 연화점이 500℃ 이상이 되도록 구성하여 Bi2O3 성분과 산화알루미늄층의 반응성을 낮출 수도 있으나, 최근에는 다양한 공정 온도에서 작업이 이루어지고 있으므로 연화점이 낮은 유리 프릿에 대한 사용은 불가피한 실정이다.In general, glass frit containing a PbO component is easy to control the melting point and has a low thermal expansion coefficient. However, its use is limited due to environmental problems, and a glass frit containing a Bi 2 O 3 component having similar properties has a softening point of 500 ° C., the reactivity of the glass frit component melted in the liquid firing process becomes excessively large, so that the aluminum powder reacts with the aluminum oxide layer on the surface of the aluminum powder to lower the water resistance of the aluminum electrode, and as a result, the durability of the solar cell element tends to be deteriorated. As a result, the reactivity between the Bi 2 O 3 component and the aluminum oxide layer can be lowered by setting the softening point to be 500 ° C. or higher. However, since the work is performed at various process temperatures, it is inevitable to use a glass frit having a low softening point .
이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 유리 프릿에 함유되는 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 함량을 최적화하여 알루미늄 분말의 산화막과의 반응성을 제어하는데 특징이 있다. Bi2O3 성분은 알루미늄 산화물의 식각에 가장 큰 영향을 주는 성분으로서 망목형성제인 B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 총 함량에 대하여 수학식 1을 만족시키는 함량으로 함유되어야 한다. 이와 동시에, 망목형성제인 B2O3, ZnO 및 SiO2 성분 중 안정화제인 B2O3 및 ZnO 성분의 총 함량은 SiO2 성분의 함량에 대하여 수학식 2를 만족시키는 함량으로 함유되어야 한다.In consideration of this point, the present invention is characterized in that the content of Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 components contained in the glass frit is optimized to control the reactivity of the aluminum powder with the oxide film. The Bi 2 O 3 component should be contained in a content which satisfies the formula (1) with respect to the total content of the B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 components which are the network forming agents as the components which have the greatest influence on the etching of the aluminum oxide. At the same time, the total content of the B 2 O 3 and ZnO components, which are stabilizers among the network forming agents B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 , should be contained in an amount satisfying the formula (2) with respect to the content of the SiO 2 component.
유리 프릿에 함유되는 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 함량은 수학식 1 및 2의 조건을 동시에 만족한다면 특별히 그 범위가 한정되지는 않는다. 예컨대, 유리 프릿 총 100몰%에 대하여 Bi2O3 1-40몰%, B2O3 1-50몰%, ZnO 0-70몰% 및 SiO2 0.1-45몰%로 함유될 수 있다.The range of the content of Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 components contained in the glass frit is not particularly limited as long as it satisfies the conditions of the formulas (1) and (2) simultaneously. For example, it may be contained in an amount of 1-40 mol% of Bi 2 O 3 , 1-50 mol% of B 2 O 3 , 0-70 mol% of ZnO and 0.1-45 mol% of SiO 2 based on 100 mol% of the total glass frit.
유리 프릿은 Al2O3; K2O, Na2O 및 Li2O로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 알칼리금속 산화물; MgO, CaO, SrO 및 BaO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 알칼리토금속 산화물 등을 더 함유할 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상의 혼합물로 함유될 수 있다. 이때, 유리 프릿 총 100몰%에 대하여 Al2O3은 1-20몰%, 알칼리금속 산화물은 2-10몰%, 알칼리토금속 산화물은 2-10몰%로 함유될 수 있다.The glass frit is made of Al 2 O 3 ; At least one alkali metal oxide selected from the group consisting of K 2 O, Na 2 O, and Li 2 O; MgO, CaO, SrO, and BaO, and the like, and they may be contained alone or in a mixture of two or more. At this time, Al 2 O 3 may be contained in an amount of from 1 to 20 mol%, alkali metal oxide in an amount of from 2 to 10 mol%, and alkaline earth metal oxide in an amount of from 2 to 10 mol% based on 100 mol% of the total glass frit.
유리 프릿은 연화점이 500℃ 미만, 바람직하게 300℃ 이상 500℃ 미만인 것이 바람직하다.The glass frit has a softening point of less than 500 캜, preferably 300 캜 Or more and less than 500 ° C.
유리 프릿은 알루미늄 페이스트 조성물 총 함량 100중량%에 대하여 0.01-5중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5-5중량%인 것이 좋다. 함량이 0.01중량% 미만인 경우 소성 후 알루미늄 후면전극과 실리콘 웨이퍼 기재의 밀착력이 떨어질 수 있으며, 5중량% 초과인 경우 저항이 높아져 태양전지 소자의 효율이 저하될 수 있다.The glass frit is preferably contained in an amount of 0.01-5% by weight, more preferably 0.5-5% by weight, based on 100% by weight of the total content of the aluminum paste composition. If the content is less than 0.01% by weight, adhesion between the aluminum back electrode and the silicon wafer substrate may be deteriorated after firing. If the content is more than 5% by weight, the resistance may increase and the efficiency of the solar cell device may be deteriorated.
이와 같은 성분이 함유된 유리 프릿은 PbO 성분을 함유하지 않아 친환경적인 동시에 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 함량이 최적화되어 연화점이 500℃ 미만, 바람직하게 300℃ 이상 500℃ 미만인 경우에도 열에칭에 의한 내수성의 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.The glass frit containing such a component does not contain a PbO component and is eco-friendly, and at the same time, the content of Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 components is optimized and the softening point is less than 500 ° C., Lt; 0 > C, it is possible to effectively prevent deterioration of the water resistance by thermal etching.
유기 비히클은 알루미늄 페이스트 조성물에 인쇄에 적합한 점조도 및 유변학적 특성을 부여하기 위한 성분으로서, 유기 용매에 고분자 수지와 필요에 따라 각종 첨가제를 용해시킨 용액일 수 있다.The organic vehicle may be a solution for imparting viscoelasticity and rheological properties suitable for printing on an aluminum paste composition, and may be a solution in which a polymer resin and various additives are dissolved in an organic solvent.
유기 비히클은 유기 용매 75-99중량%와 고분자 수지 1-25중량%가 혼합된 것일 수 있으며, 여기에 첨가제 1-15중량%가 더 혼합된 것일 수도 있다.The organic vehicle may be a mixture of 75-99% by weight of an organic solvent and 1-25% by weight of a polymer resin, and may further contain 1-15% by weight of an additive.
유기 용매로는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 인쇄 공정 중 페이스트 조성물의 건조를 방지하고 유동성을 조절할 수 있도록 끓는점이 150-300℃인 용매를 사용할 수 있다. 구체적으로, 트리프로필렌글리콜메틸에테르, 트리프로필렌글리콜n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜n-부틸에테르, 프로필렌글리콜페닐에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디에틸렌글리콜n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜헥실에테르, 에틸렌글리콜헥실에테르, 트리에틸렌글리콜메틸에테르, 트리에틸렌글리콜에틸에테르, 트리에틸렌글리콜n-부틸에테르, 에틸렌글리콜페닐에테르, 에틸렌글리콜, 테르피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨아세테이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트(texanol) 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.As the organic solvent, a known solvent may be used, and a solvent having a boiling point of 150-300 DEG C may be used so as to prevent the paste composition from drying and control the flowability during the printing process. Specific examples thereof include tripropylene glycol methyl ether, tripropylene glycol n-butyl ether, dipropylene glycol n-propyl ether, dipropylene glycol n-butyl ether, propylene glycol phenyl ether, diethylene glycol ethyl ether, diethylene glycol n- But are not limited to, ether, diethylene glycol hexyl ether, ethylene glycol hexyl ether, triethylene glycol methyl ether, triethylene glycol ethyl ether, triethylene glycol n-butyl ether, ethylene glycol phenyl ether, ethylene glycol, terpineol, butyl carbitol, Carbitol acetate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate (texanol), etc. These may be used alone or in admixture of two or more.
유기 용매는 유기 비히클 총 함량 100중량%에 대하여 75-99중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 이 함량 범위에서는 페이스트 조성물에 최적의 유동성을 부여할 수 있다.The organic solvent is preferably contained in an amount of 75-99% by weight based on 100% by weight of the total amount of the organic vehicle. In this content range, an optimum fluidity can be imparted to the paste composition.
고분자 수지로는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 예컨대 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 페놀, 아크릴, 로진, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐부티랄, 우레아, 자일렌, 알키드, 불포화 폴리에스테르, 폴리이미드, 퓨란, 우레탄, 이소시아네이트, 시아네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리비닐아세테에트, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 폴리에테르에테르케톤, 실리콘 등의 수지를 들 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.As the polymer resin, those known can be used, and examples thereof include ethylcellulose, nitrocellulose, phenol, acrylic, rosin, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, polyvinylbutyral, urea, xylene, alkyd, unsaturated Butadiene-styrene (ABS), polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene chloride, A resin such as acetates, polyacetals, polycarbonates, polyethylene terephthalates, polybutylene terephthalates, polyphenylene oxides, polysulfones, polyimides, polyether sulfone, polyarylates, polyether ether ketones, . These may be used alone or in combination of two or more.
고분자 수지는 유기 비히클 총 함량 100중량%에 대하여 1-25중량%, 바람직하게 5-25중량%로 포함되는 것이 좋다. 함량이 1중량% 미만인 경우 페이스트 조성물의 인쇄성과 분산 안정성이 저하될 수 있고, 25중량% 초과인 경우 페이스트 조성물이 인쇄되지 않을 수 있다.The polymer resin may be contained in an amount of 1-25% by weight, preferably 5-25% by weight based on 100% by weight of the total amount of the organic vehicle. If the content is less than 1% by weight, the printing property and dispersion stability of the paste composition may be deteriorated, and if more than 25% by weight, the paste composition may not be printed.
유기 비히클은 상기 성분들과 함께 첨가제로 분산제를 더 포함할 수 있다.The organic vehicle may further comprise a dispersant as an additive with the above components.
분산제로는 공지된 계면활성제를 사용할 수 있으며, 예컨대 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌알킬아릴에테르, 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌-폴리옥시프로필렌 알킬에테르 등의 에테르계; 글리세린에스테르 부가형 폴리옥시에틸렌에테르, 소르비탄에스테르 부가형 폴리옥시에틸렌에테르, 소르비톨에스테르 부가형 폴리옥시에틸렌에테르 등의 에스테르에테르계; 폴리에틸렌글리콜지방산에스테르, 글리세린에스테르, 소르비탄에스테르, 프로필렌글리콜에스테르, 슈가에스테르, 알킬폴리글루코시드 등의 에스테르계; 지방산알카놀아미드, 폴리옥시에틸렌지방산아미드, 알킬기의 탄소수가 6-30인 폴리옥시에틸렌알킬아민, 아민옥사이드 등의 질소함유계; 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산-말레인산 공중합체, 폴리12-히드록시스테아린산 등의 고분자계 화합물 등을 들 수 있다. 또한, 시판되고 있는 제품으로서 하이퍼머(hypermer) KD(Uniqema), AKM 0531(일본유지㈜), KP(신에쯔 가가꾸 고교㈜), 폴리플로우(POLYFLOW)(교에이샤 가가꾸㈜), 에프톱(EFTOP)(토켐 프로덕츠사), 아사히가드(Asahi guard)(아사히 글라스㈜), 서플론(Surflon)(아사히 글라스㈜), 솔스퍼스(SOLSPERSE)(제네까㈜), EFKA(EFKA 케미칼스사), PB 821(아지노모또㈜), BYK-184, BYK-185, BYK-2160, Anti-Terra U(BYK사 제조) 등을 사용할 수도 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.As the dispersing agent, known surfactants can be used. Examples thereof include polyoxyethylene alkyl ethers having 6 to 30 carbon atoms in the alkyl group, polyoxyethylene alkylaryl ethers having 6 to 30 carbon atoms in the alkyl group, Ether type such as polyoxyethylene-polyoxypropylene alkyl ether; Ester ethers such as glycerin ester addition type polyoxyethylene ether, sorbitan ester addition type polyoxyethylene ether and sorbitol ester addition type polyoxyethylene ether; Esters such as polyethylene glycol fatty acid esters, glycerin esters, sorbitan esters, propylene glycol esters, sugar esters and alkylpolyglucosides; Nitrogen-containing systems such as fatty acid alkanolamide, polyoxyethylene fatty acid amide, polyoxyethylene alkylamine having 6 to 30 carbon atoms in the alkyl group, and amine oxide; And polymeric compounds such as polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylic acid, polyacrylic acid-maleic acid copolymer, and poly 12-hydroxystearic acid. Also, commercially available products such as hypermer KD (Uniqema), AKM 0531 (Nippon Kayaku Co., Ltd.), KP (Shinetsugaku Kagaku Co., Ltd.), POLYFLOW (Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) Asahi guard (Asahi Glass Co.), Surflon (Asahi Glass Co., Ltd.), SOLSPERSE (Geneka Co., Ltd.), EFKA (EFKA Chemical Co., Ltd.) ), PB 821 (Ajinomoto Co., Ltd.), BYK-184, BYK-185, BYK-2160 and Anti-Terra U (manufactured by BYK). These may be used alone or in combination of two or more.
분산제는 유기 비히클 총 함량 100중량%에 대하여 1-10중량%, 바람직하게 1-5중량%로 포함되는 것이 좋다.The dispersant may be contained in an amount of 1-10% by weight, preferably 1-5% by weight based on 100% by weight of the total amount of the organic vehicle.
유기 비히클은 분산제 이외에도 요변성제, 습윤제, 산화방지제, 부식억제제, 소포제, 증점제, 분산제, 점착부여제, 커플링제, 대전방지제, 중합금지제, 침강방지제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.The organic vehicle may further contain additives such as a thixotropic agent, a humectant, an antioxidant, a corrosion inhibitor, a defoamer, a thickener, a dispersant, a tackifier, a coupling agent, an antistatic agent, a polymerization inhibitor and a sedimentation inhibitor.
유기 비히클은 알루미늄 페이스트 조성물 총 함량 100중량%에 대하여 20-34.9중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 함량이 20중량% 미만인 경우 알루미늄 페이스트 조성물의 점도가 너무 높아져 유동성이 저하되고 인쇄성을 떨어뜨릴 수 있으며, 34.9중량% 초과인 경우 알루미늄 분말의 함유량이 상대적으로 적어져 충분한 페이스트층의 두께를 확보하기 어렵다.The organic vehicle is preferably included in an amount of 20-34.9% by weight based on 100% by weight of the total content of the aluminum paste composition. When the content is less than 20% by weight, the viscosity of the aluminum paste composition becomes too high, and the fluidity is deteriorated and the printing property may be deteriorated. When the content exceeds 34.9% by weight, the content of aluminum powder is relatively decreased, it's difficult.
상기한 바와 같은 성분을 포함하는 알루미늄 페이스트 조성물은 환경 문제로 인하여 사용에 제약이 있는 PbO 성분을 함유하지 않아 친환경적일뿐만 아니라 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 함량이 최적화되어 내수성의 저하도 방지할 수 있다.The aluminum paste composition containing the above components is not only environmentally friendly because it does not contain a PbO ingredient that is restricted by its use due to environmental problems, but also optimizes the content of Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 And deterioration of the water resistance can be prevented.
본 발명은 상기 알루미늄 페이스트 조성물로부터 형성된 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode formed from the aluminum paste composition.
전극은 알루미늄 페이스트 조성물을 기재, 예컨대 Ag 전면전극이 형성된 실리콘 웨이퍼 기판 상에 인쇄하고 건조 및 소성하는 공정을 통하여 형성된다. 인쇄방법은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄 등을 이용할 수 있다. 건조는 60-300℃에서 수초-수분 동안 수행되며, 소성은 600-950℃에서 수초 동안 수행될 수 있다.The electrode is formed through a process of printing and drying and firing an aluminum paste composition on a substrate, for example, a silicon wafer substrate on which an Ag front electrode is formed. The printing method is not particularly limited, and for example, screen printing, gravure printing, offset printing, and the like can be used. Drying is carried out at 60-300 ° C for a few seconds and firing can be carried out at 600-950 ° C for several seconds.
이와 같이 형성된 전극은 태양전지 소자의 후면전극으로 적용되어, 태양전지 소자의 내구성을 향상시키고 태양전지 소자의 최대출력전류(Isc)를 높이고 효율을 증가시킬 수 있다.The electrode thus formed is applied to the back electrode of the solar cell element, thereby improving the durability of the solar cell element, increasing the maximum output current Isc of the solar cell element and increasing the efficiency.
본 발명은 상기 알루미늄 페이스트 조성물로부터 형성된 전극이 구비된 태양전지 소자를 제공한다.The present invention provides a solar cell element provided with an electrode formed from the aluminum paste composition.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be illustrative of the invention and are not intended to limit the scope of the claims. It will be apparent to those skilled in the art that such variations and modifications are within the scope of the appended claims.
실시예Example
제조예 1-6. 유리 프릿Ⅰ-Ⅵ의 제조Production Example 1-6. Preparation of glass frit Ⅰ-Ⅵ
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 및 함량으로 유리 프릿을 제조하였다.Glass frit was prepared with the components and contents shown in Table 1 below.
(℃)Softening point
(° C)
실시예Example 1 One
평균 입자 크기가 4-6㎛인 알루미늄 분말과 평균 입자 크기가 2-4㎛인 알루미늄 분말이 90:10의 중량비로 혼합된 혼합 분말 74중량%, 제조예 1의 유리 프릿Ⅰ 0.5중량%, 트리프로필렌글리콜메틸에테르에 에틸셀룰로오스 수지가 용해된 유기 비히클 25.5중량%를 첨가한 후 자전 및 공전을 동시에 수행하는 믹서를 이용하여 1,000rpm으로 3분 동안 교반하여 알루미늄 페이스트 조성물을 제조하였다.
Aluminum powder having an average particle size of 4-6 占 퐉 and aluminum powder having an average particle size of 2-4 占 퐉 were mixed in a weight ratio of 90:10 by mixing 74 weight% of the mixed powder, 0.5 weight% of the glass frit I of Preparation Example 1, 25.5% by weight of an organic vehicle in which ethylcellulose resin was dissolved in propylene glycol methyl ether was added, and the mixture was stirred at 1,000 rpm for 3 minutes using a mixer that simultaneously performs rotation and revolution to prepare an aluminum paste composition.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 2의 유리 프릿Ⅱ를 사용하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the glass frit II of Production Example 2 was used.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 3의 유리 프릿Ⅲ을 사용하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the glass frit III of Production Example 3 was used.
비교예 2Comparative Example 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 4의 유리 프릿Ⅳ를 사용하였다.
The glass frit IV of Production Example 4 was used in the same manner as in Example 1 above.
비교예 3Comparative Example 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 5의 유리 프릿Ⅴ를 사용하였다.
The glass frit V of Production Example 5 was used in the same manner as in Example 1.
참고예 1Reference Example 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 6의 유리 프릿Ⅵ를 사용하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the glass frit VI of Production Example 6 was used.
시험예Test Example
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 알루미늄 페이스트 조성물의 물성을 하기 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The properties of the aluminum paste compositions prepared in Examples and Comparative Examples were measured by the following methods, and the results are shown in Table 2 below.
- 크기가 156㎜×156㎜이고 두께가 200㎛이며 텍스쳐링 공정에 의해 높이가 약 4-6㎛인 피라미드 구조가 형성된 단결정 실리콘 웨이퍼 기판의 후면에 제조된 알루미늄 페이스트 조성물을 250메쉬(mesh)의 스크린 인쇄판을 이용하여 도포하였다. 이때, 도포량은 건조 전 1.4±0.1g이 되도록 하였다. 도포된 페이스트를 200℃에서 건조시킨 후 온도가 720-900℃인 적외선 연속 소성로에서 약 10초 동안 소성하였다. 소성 공정은 실리콘 웨이퍼 기판을 약 600℃의 번-아웃(burn-out) 구간과 800-950℃의 소성(firing) 구간을 포함하는 벨트 로(belt furnace) 내로 통과시키면서 전후면 동시 소성으로 수행하여, 페이스트 내 유기물을 태워 없앤 후 알루미늄을 용융시켜 전극이 형성되도록 하여 태양전지 소자를 제조하였다.- Aluminum paste composition on the backside of a monocrystalline silicon wafer substrate having a size of 156 mm x 156 mm and a thickness of 200 microns and a pyramid structure having a height of about 4-6 microns formed by a texturing process was applied to a 250 mesh screen Using a printing plate. At this time, the coating amount was adjusted to 1.4 ± 0.1 g before drying. The coated paste was dried at 200 캜 and then fired in an infrared continuous firing furnace having a temperature of 720 - 900 캜 for about 10 seconds. The firing process is performed by front and back co-firing while passing the silicon wafer substrate through a belt furnace including a burn-out zone at about 600 ° C and a firing zone at 800-950 ° C , Organic materials in the paste were burned off, and aluminum was melted to form an electrode, thereby manufacturing a solar cell device.
(1) 내수성(1) Water resistance
제조된 태양전지 소자를 80℃의 증류수가 채워진 항온조에 넣고 10분 동안 방치하였다. 항온조 내에서 형성된 알루미늄 전극과 수분의 반응에 의한 수소기체의 발생 여부를 육안으로 관찰한 후 하기 기준에 의거하여 평가하였다.The manufactured solar cell element was placed in a thermostatic chamber filled with distilled water at 80 캜 and left for 10 minutes. Whether or not the hydrogen gas was generated by the reaction of the aluminum electrode formed in the thermostatic chamber with water was visually observed and then evaluated based on the following criteria.
<평가기준><Evaluation Criteria>
○: 기포 발생 없음(양호).○: No bubbles were generated (good).
×: 기포 발생 있음(불량).×: bubble occurred (poor).
(2) 전극 손상(2) Electrode damage
위 (1)에서 시험된 태양전지 소자에서 박리 또는 부스러짐 등의 현상이 있는지를 육안으로 관찰하고, 하기 기준에 의거하여 평가하였다.The photovoltaic devices tested in (1) above were visually observed for any phenomena such as peeling or brittleness, and evaluated based on the following criteria.
<평가기준><Evaluation Criteria>
○: 박리 및 부스러짐 없음(양호).?: No peeling and no flaking (Good).
×: 박리 또는 부스러짐 있음(불량).X: peeling or blemish (poor).
(3) 효율(%)(3) Efficiency (%)
제조된 태양전지 소자의 효율을 평가장치(SCM-1000, FitTech)를 이용하여 평가하였다.The efficiency of the manufactured solar cell device was evaluated using an evaluation device (SCM-1000, FitTech).
수학식 2: 150 초과인 경우 ○, 150 미만인 경우 ×Formula 1:? When the value is less than 30?,?
(2): & cir & over 150, x
위 표 2 및 도 2 내지 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 PbO 성분을 함유하지 않고 수학식 1 및 2의 조건을 동시에 만족하도록 Bi2O3, B2O3, ZnO 및 SiO2 성분의 함량이 최적화된 유리 프릿을 포함하는 실시예 1 및 2의 알루미늄 페이스트 조성물을 이용한 태양전지 소자는 친환경적인 동시에 연화점이 500℃ 미만임에도 내수성이 우수하여, 도 2에 나타낸 바와 같이 수분과 태양전지 소자의 경계면에서 기포가 발생하는 등의 반응이 없으며 반응 후에도 박리 또는 부스러짐이 없어 태양전지 소자의 내구성을 향상시킬 수 있었다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 낮은 Rs 수치와 안정적인 Rsh 수치를 나타내며 높은 Isc, Voc값으로 높은 FF를 가지므로 태양전지의 효율도 우수하였다. 이는 연화점이 500℃ 초과인 참고예 1에서와 동등 이상의 효과를 나타낸 것임을 알 수 있다.As shown in the above Table 2 and Figs. 2 to 4, according to the present invention, it is possible to use a composition containing Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO and SiO 2 components The solar cell device using the aluminum paste composition of Examples 1 and 2 including the glass frit having optimized contents is environmentally friendly and has excellent water resistance even though the softening point is less than 500 ° C. As shown in FIG. 2, There is no reaction such as generation of air bubbles at the interface and there is no peeling or shattering even after the reaction, so that the durability of the solar cell device can be improved. In addition, as shown in FIG. 4, the low Rs value and the stable Rsh value are shown, and the high efficiency of the solar cell is obtained because the high Isc and Voc values have high FF. This shows that the same effect as that in Reference Example 1 in which the softening point is higher than 500 占 폚 is exhibited.
반면, 비교예 1 내지 3의 알루미늄 페이스트 조성물을 이용한 태양전지 소자는 수학식 1 및 2의 조건을 동시에 만족하지 못하여, 도 3에 나타낸 바와 같이 수분과 태양전지 소자의 경계면에서 수분과의 반응에 의해 기포가 발생하였으며 이로 인하여 내구성이 저하되었다.
On the other hand, the solar cell devices using the aluminum paste compositions of Comparative Examples 1 to 3 do not satisfy the conditions of
10: 실리콘 웨이퍼 기판 20: N+층
30: 반사방지막 40: 전면전극
50: P+층 60: 후면전극10: silicon wafer substrate 20: N + layer
30: antireflection film 40: front electrode
50: P + layer 60: rear electrode
Claims (9)
[수학식 1]
[수학식 2]
(수학식 1 및 수학식 2에서 Bi2O3 , B2O3, ZnO, SiO2 는 각각 몰%를 나타냄).An aluminum paste composition comprising glass frit which satisfies the following equations (1) and (2):
[Equation 1]
&Quot; (2) "
(Bi 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO, and SiO 2 in the formulas (1) and (2) represent mol%, respectively).
The aluminum paste composition according to claim 1, wherein the glass frit contains 1-40 mol% of Bi 2 O 3 , 1-50 mol% of B 2 O 3 , 0-70 mol% of ZnO and 0.1-45 mol% of SiO 2 .
The aluminum paste composition according to claim 2, wherein the glass frit further contains at least one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , an alkali metal oxide, and an alkaline earth metal oxide.
The aluminum paste composition according to claim 3, wherein the glass frit has a softening point of 300 ° C or more and less than 500 ° C.
The method of claim 1, further comprising: 65-75 wt% aluminum powder; 0.01-5% by weight of glass frit; And 20-34.9% by weight of an organic vehicle.
The aluminum paste composition according to claim 5, wherein the aluminum powder is a mixture of 60-95 wt% powder having an average particle size of 4-6 탆 and 5-40 wt% powder having an average particle size of 2-4 탆.
The aluminum paste composition according to claim 5, wherein the organic vehicle is a mixture of 1-25% by weight of a polymer resin and 75-99% by weight of an organic solvent.
The aluminum paste composition of claim 1, wherein the composition is used to form a backside electrode in contact with a P + layer of a solar cell element.
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