KR101796658B1 - 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
금속 분말 및 티타늄(Ti)계 금속 유리를 포함하는 도전성 성분을 포함하고, 상기 티타늄계 금속 유리는 5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며 소성 온도에서 중량 증가량이 0.5㎎/㎠ 이하인 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지에 관한 것이다.
Description
도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
한편, 태양 전지의 전극은 증착법으로 형성할 수 있지만 이 경우 공정이 복잡하고 비용 및 시간이 많이 소요된다. 이에 따라 도전성 물질을 포함한 도전성 페이스트를 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 형성하여 공정을 단순화하는 방안이 제안되었다.
도전성 페이스트는 은(Ag)과 같은 저저항 금속으로 이루어진 도전성 분말을 주성분으로 포함한다. 그러나 상기 도전성 분말은 일반적으로 고가의 금속으로 제조 비용 중 높은 비중을 차지한다.
본 발명의 일 측면은 도전성 분말의 함량을 낮추어 제조 비용을 절감할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 분말 및 티타늄(Ti)계 금속 유리를 포함하는 도전성 성분을 포함하고, 상기 티타늄계 금속 유리는 5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며 소성 온도에서 중량 증가량이 0.5㎎/㎠ 이하인 도전성 페이스트를 제공한다.
상기 티타늄계 금속 유리는 약 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가질 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 결정화 후 비저항이 약 200μΩ㎝ 이하일 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 대기 중에서 약 300 내지 800℃로 열처리하여 결정화될 수 있다.
상기 도전성 페이스트의 소성 온도는 약 300 내지 1000℃일 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1, Ti49Cu49Nb2, Ti50Cu35Ni15, Ti50Cu32Ni15Sn3, Ti50Cu30Ni15Sn5, Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5, Ti50Cu42 .5Ni7 .5 Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5, Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 5 내지 95중량% 및 약 5 내지 95중량%로 포함될 수 있다.
상기 범위 내에서 상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 50 내지 95중량% 및 약 5 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
상기 도전성 페이스트는 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 바인더는 유리 프릿(glass frit), 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속 분말 및 티타늄(Ti)계 금속 유리를 포함하는 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하고, 상기 티타늄계 금속 유리는 5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며 소성 온도에서 중량 증가량이 약 0.5㎎/㎠ 이하인 전자 소자를 제공한다.
상기 티타늄계 금속 유리는 약 5 내지 200℃의 과냉각 액체 구간을 가지고, 결정화 후 비저항이 약 200μΩ㎝ 이하일 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1, Ti49Cu49Nb2, Ti50Cu35Ni15, Ti50Cu32Ni15Sn3, Ti50Cu30Ni15Sn5, Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5, Ti50Cu42 .5Ni7 .5 Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5, Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 5 내지 95중량% 및 약 5 내지 95중량%로 포함될 수 있다.
상기 범위 내에서 상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 50 내지 95중량% 및 약 5 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반도체 층, 그리고 상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하고, 상기 도전성 성분은 금속 분말 및 티타늄계 금속 유리를 포함하며, 상기 티타늄계 금속 유리는 5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며 소성 온도에서 중량 증가량이 약 0.5㎎/㎠ 이하인 태양 전지를 제공한다.
상기 티타늄계 금속 유리는 약 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가질 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 결정화 후 비저항이 약 200μΩ㎝ 이하일 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1, Ti49Cu49Nb2, Ti50Cu35Ni15, Ti50Cu32Ni15Sn3, Ti50Cu30Ni15Sn5, Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5, Ti50Cu42 .5Ni7 .5 Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5, Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 반도체 층과 상기 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 버퍼층은 유리 프릿, 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도전성을 확보하면서도 도전성 분말의 함량을 낮추어 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트가 과냉각 액체 구간의 온도로 열처리되는 경우에 금속 분말과 금속 유리의 젖음성을 보여주는 개략도이고,
도 2는 티타늄계 금속 유리의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 3a 및 도 3b는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 기판 위에 적용하고 열처리하는 과정을 보여주는 개략도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.
도 2는 티타늄계 금속 유리의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 3a 및 도 3b는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 기판 위에 적용하고 열처리하는 과정을 보여주는 개략도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
이하에서 '금속'은 금속 및 반금속을 포괄하는 용어이다.
먼저, 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 도전성 페이스트는 도전성 성분 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 도전성 성분은 금속 분말 및 티타늄(Ti)계 금속 유리를 포함한다.
상기 금속 분말은 은 또는 은 합금과 같은 은(Ag) 함유 금속, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 알루미늄(Al) 함유 금속, 구리 또는 구리 합금과 같은 구리(Cu) 함유 금속, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 니켈(Ni) 함유 금속 또는 이들의 조합일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다른 종류의 금속일 수 있으며 상기 금속 외에 다른 첨가물을 포함할 수 있다.
상기 금속 분말은 약 0.1 내지 50㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 티타늄(Ti)을 주요 성분으로 포함하고 상기 티타늄과 티타늄 외 1종 이상의 금속이 무질서한 원자 구조를 가지는 비정질 상태의 합금이다. 여기서 티타늄 외 금속으로는 예컨대 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 니켈(Ni), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 아연(Zn), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr) 및 스트론듐(Sr)에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
금속 유리는 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낼 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 상기 금속 분말의 일부를 대체하여 포함할 수 있다. 상기 은(Ag) 함유 금속과 같은 금속 분말은 일반적으로 고가의 금속으로 제조 비용 중 높은 비중을 차지하므로, 비교적 가격이 저렴한 티타늄계 금속 유리로 일부 대체할 수 있다.
상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 5 내지 95중량% 및 약 5 내지 95중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 50 내지 95중량% 및 약 5 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
이 때 티타늄계 금속 유리가 상기 금속 유리의 일부를 대체하기 위해서는 하기와 같은 조건을 만족하여야 한다.
첫째, 티타늄계 금속 유리는 소정 구간의 과냉각 액체 구간을 가질 수 있다. 과냉각 액체 구간은 금속 유리의 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)와 결정화 온도(crystalline temperature, Tx) 사이의 영역으로, 이 영역에서는 금속 유리의 점도가 낮아지면서 소성 변형(plastic deformation)을 일으켜 액체와 같은 거동을 나타낼 수 있다.
상기 금속 유리는 과냉각 액체 구간에서 액체와 같은 거동을 보이므로 상기 금속 분말에 대하여 젖음성을 나타낼 수 있다.
이에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트가 과냉각 액체 구간의 온도로 열처리되는 경우에 금속 분말과 금속 유리의 젖음성을 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)보다 낮은 온도에서는 금속 분말 및 금속 유리가 각각 입자(particle) 상태로 존재하다가 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 열처리되는 경우, 즉 금속 유리의 과냉각 액체 구간에서 금속 유리는 액체와 같은 거동을 나타내어 인접한 금속 분말 사이를 연결할 수 있다. 이에 따라 도전성 페이스트의 도전성을 확보할 수 있다.
이 때 과냉각 액체 구간은 약 5K 이상일 수 있으며, 그 중에서 약 5 내지 200K 일 수 있다.
하기 표 1은 티타늄(Ti)을 주성분으로 하고 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 니켈(Ni), 주석(Sn) 및 지르코늄(Zr)에서 선택된 금속을 포함하는 티타늄계 금속 유리의 과냉각 액체 구간을 보여준다.
| Tg(℃) | Tx(℃) | ΔTx(℃) | |
| Ti50Cu50 | 403 | 449 | 46 |
| Ti57Cu43 | 394 | 450 | 56 |
| Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5 | 385 | 430 | 45 |
| Ti49 .5Cu49 .5Al1 | 390 | 432 | 42 |
| Ti49Cu49Al2 | 396 | 443 | 47 |
| Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5 | 384 | 435 | 51 |
| Ti49 .5Cu49 .5Nb1 | 387 | 432 | 45 |
| Ti49Cu49Nb2 | 391 | 444 | 53 |
| Ti50Cu35Ni15 | 430 | 464 | 34 |
| Ti50Cu32Ni15Sn3 | 431 | 473 | 42 |
| Ti50Cu30Ni15Sn5 | 439 | 475 | 36 |
| Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5 | 431 | 481 | 50 |
| Ti50Cu42 .5Ni7 .5 | 420 | 447 | 27 |
| Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5 | 407 | 440 | 33 |
| Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 | 436 | 480 | 44 |
둘째, 티타늄계 금속 유리는 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮을 수 있다. 만일 금속 유리가 결정화 후 비저항이 높아지는 경우 도전성 페이스트의 전체적인 도전성을 저하시키므로 금속 분말의 일부를 대체하기 어렵다.
이 때 티타늄계 금속 유리가 대기 중에서 약 300 내지 800℃로 열처리하여 결정화되는 경우, 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 약 50% 이상 낮아질 수 있으며, 이 중에서도 비저항이 약 50 내지 95%로 낮아질 수 있다.
상기 티타늄계 금속 유리는 결정화 후 비저항이 약 200μΩ㎝ 이하일 수 있으며, 그 중에서 약 50 내지 150 μΩ㎝ 일 수 있다.
하기 표 2는 다양한 티타늄계 금속 유리의 결정화 전후의 비저항 변화( ρ)를 보여준다.
| ρ (μΩ㎝,초기) |
ρ’ (μΩ㎝,600℃) |
Δ ρ (ρ’- ρ) |
비저항감소율 (%) |
|
| Ti50Cu50 | 324 | 77 | 247 | 76 |
| Ti57Cu43 | 329 | 99 | 230 | 70 |
| Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5 | 341 | 94 | 247 | 72 |
| Ti49 .5Cu49 .5Al1 | 314 | 96 | 218 | 69 |
| Ti49Cu49Al2 | 330 | 88 | 242 | 73 |
| Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5 | 354 | 94 | 260 | 73 |
| Ti49 .5Cu49 .5Nb1 | 336 | 102 | 234 | 70 |
| Ti49Cu49Nb2 | 358 | 91 | 267 | 75 |
| Ti50Cu35Ni15 | 452 | 126 | 326 | 72 |
| Ti50Cu32Ni15Sn3 | 454 | 119 | 335 | 74 |
| Ti50Cu30Ni15Sn5 | 339 | 142 | 197 | 58 |
| Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5 | 318 | 123 | 195 | 51 |
| Ti50Cu42 .5Ni7 .5 | 323 | 77 | 246 | 76 |
| Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5 | 297 | 63 | 234 | 79 |
| Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 | 325 | 145 | 180 | 53 |
셋째, 티타늄계 금속 유리의 내산화성을 확보할 필요가 있다. 도전성 페이스트는 일반적으로 대기 중에서 공정이 수행되므로 공기 중의 산소에 쉽게 노출될 수 있다. 이 때 금속 유리가 쉽게 산화되는 경우 도전성 페이스트의 도전성이 현저하게 떨어질 수 있으므로, 금속 유리의 내산화성을 확보할 필요가 있다.
상기 금속 유리의 내산화성은 소성 온도까지 열처리 했을 때 중량 증가량에 의해 확인할 수 있다. 여기서 중량 증가량은 산화에 의해 형성된 산화물에 의한 중량 증가분을 말하는 것으로, 중량 증가량이 클수록 내산화성이 낮은 것이고 중량 증가량이 작을수록 내산화성이 높은 것이다.
상기 티타늄계 금속 유리는 도전성 페이스트의 소성 온도, 예컨대 약 300 내지 1000℃에서 중량 증가량이 약 0.5㎎/㎠ 이하일 수 있다.
이에 대하여 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 티타늄계 금속 유리의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이다.
도 2를 참고하면, 티타늄계 금속 유리(Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49.5Cu49.5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1 및 Ti49Cu49Nb2)를 상온에서 약 800℃까지 40K/분의 속도로 가열시 무게 증가량이 약 0.5㎎/㎠ 이하인 것을 알 수 있다.
상기 유기 비히클은 상술한 도전성 성분과 혼합되어 적절한 점도를 부여할 수 있는 유기 화합물과 이들을 용해하는 용매를 포함한다.
유기 화합물은 예컨대 (메타)아크릴레이트계 수지; 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 수지; 페놀 수지; 알코올 수지; 테플론; 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 계면활성제, 증점제 및 안정화제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
용매는 이들을 혼합할 수 있는 형태이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 터피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨 아세테이트, 펜테인디올, 다이펜틴, 리모닌, 에틸렌글리콜 알킬에테르, 디에틸렌글리콜 알킬에테르, 에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트 디에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디에틸렌글리콜 디알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌 글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 페닐에테르, 디프로필렌글리콜 알킬에테르, 트리프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리프로필렌글리콜 알킬 에테르 아세테이트, 디메틸프탈산, 디에틸프탈산, 디부틸프탈산 및 탈염수에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 도전성 페이스트는 바인더(binder)를 더 포함할 수 있다. 바인더는 하부층과의 접착성을 개선하기 위한 성분으로, 예컨대 유리 프릿(glass frit), 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서 금속 유리는 전술한 티타늄계 금속 유리와 별개의 성분이다.
상술한 도전성 페이스트는 스크린 인쇄(screen printing) 등의 방법으로 형성되어 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있다.
이하 도 3a 및 도 3b를 참고하여 상술한 도전성 페이스트를 사용한 경우에 전극이 형성되는 예를 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 기판 위에 적용하고 열처리하는 과정을 보여주는 개략도이다.
도 3a를 참고하면, 기판(110) 위에 금속 분말(120a) 및 티타늄계 금속 유리(120b)를 포함하는 도전성 페이스트(120)를 적용한다. 금속 분말(120a) 및 티타늄계 금속 유리(120b)는 각각 입자 형태로 혼합될 수 있다.
도 3b를 참고하면, 티타늄계 금속 유리(120b)의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 승온하는 경우, 티타늄계 금속 유리(120b)는 연화되어 액체와 같은 거동을 보이고 금속 분말(120a)에 젖음성을 나타낸다. 이러한 액체 거동의 금속 유리(120b')는 금속 분말(120a) 사이의 틈을 채우면서 인접한 금속 분말(120a)들을 전기적으로 연결시킬 수 있다.
이어서 도전성 페이스트(120)를 더 높은 온도로 승온하여 예컨대 약 600 내지 1000℃로 소성하여 전극을 형성할 수 있다.
이러한 전극은 다양한 전자 소자에서 도전성 전극으로 사용될 수 있다.
상기 전자 소자 중의 하나는 태양 전지일 수 있다.
그러면 도 4를 참고하여 일 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 반도체 기판(110) 중 태양 에너지를 받는 면을 전면(front side)이라 하고 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
도 4를 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지는 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b)을 포함하는 반도체 기판(110)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 예컨대 하부 반도체 층(110a)은 p형 불순물로 도핑된 반도체 층이고, 상부 반도체층(110b)은 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이 때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.
상부 반도체 층(110b)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 상부 반도체 층(110b)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 상부 반도체 층(110b)은 빛을 받는 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
상부 반도체 층(110b) 위에는 복수의 전면 전극(121)이 형성되어 있다. 전면 전극(121)은 기판의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극(121)은 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
전면 전극(121) 위에는 전면 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 버스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이다.
반도체 기판(110)의 하부에는 유전막(130)이 형성되어 있다. 유전막(130)은 전하의 재결합을 방지하는 동시에 전류가 새는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 유전막(130)은 복수의 관통부(135)를 가지며, 관통부(135)를 통하여 반도체 기판(110)과 후술하는 후면 전극(141)이 접촉할 수 있다.
유전막(130)은 예컨대 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으며, 약 100 내지 2000Å의 두께를 가질 수 있다.
유전막(130) 하부에는 후면 전극(141)이 형성되어 있다. 후면 전극(141)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al) 과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극(141)은 전면 전극(121)과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
이하 상기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 4를 참고하여 설명한다.
먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이 때 반도체 기판(110)은 예컨대 p형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
이어서 반도체 기판(110)을 표면 조직화한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불산과 같은 강산 또는 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라스마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.
다음 반도체 기판(110)에 예컨대 n형 불순물을 도핑한다. 여기서 n형 불순물은 POCl3 또는 H3PO4 등을 고온에서 확산시킴으로써 도핑할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)은 다른 불순물로 도핑된 하부 반도체 층(110a)과 상부 반도체 층(110b)을 포함한다.
다음 상부 반도체 층(110b) 위에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극용 도전성 페이스트는 전술한 바와 같이 금속 분말 및 금속 유리를 포함하는 도전성 성분과 유기 비히클을 포함할 수 있으며, 이를 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
상술한 티타늄계 금속 유리는 예컨대 용융방사법(melt spinning), 흡입주조법(infiltration casting), 기체분무법(gas atomization), 이온조사법(ion irradiation) 또는 기계적 합금법(mechanical alloying) 등의 공지의 방법으로 제조될 수 있다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
다음 반도체 기판(110)의 후면에 예컨대 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 산화규소(SiO2)를 플라스마 화학 기상 증착 방법으로 적층하여 유전막(130)을 형성한다.
이어서 유전막(130)의 일부에 레이저를 조사하여 복수의 관통부(135)를 형성한다.
다음 유전막(130) 일면에 후면 전극용 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 도포하고 건조한다.
이어서 후면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 공 소성(co-firing)한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트를 각각 소성할 수 있다.
소성은 소성 로에서 상기 도전성 성분의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있으며, 예컨대 약 600 내지 1000℃에서 수행할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도 5를 참고하여 설명한다.
도 5는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 반도체 기판(110)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 포함한다. 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)은 반도체 기판(110)의 후면 측에 형성되어 있으며 서로 다른 불순물로 도핑되어 있다. 제1 도핑 영역(111a)은 예컨대 n형 불순물로 도핑될 수 있고 제2 도핑 영역(111b)은 예컨대 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 도핑 영역(111a)과 제2 도핑 영역(111b)은 반도체 기판(110)의 후면에 교대로 배치될 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면은 표면 조직화 되어 있을 수 있으며, 표면 조직화에 의해 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 절연막(112)이 형성되어 있다. 절연막(112)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 질화규소(SiNx), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다. 절연막(112)은 예컨대 약 200 내지 1500Å의 두께를 가질 수 있다.
절연막(112)은 태양 전지 표면에서 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사 방지막(anti reflective coating) 역할을 하는 동시에 반도체 기판(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 복수의 관통부를 가진 유전막(150)이 형성되어 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 제1 도핑 영역(111a)에 연결되어 있는 전면 전극(121)과 제2 도핑 영역(111b)에 연결되어 있는 후면 전극(141)이 각각 형성되어 있다. 전면 전극(121)은 관통부를 통하여 제1 도핑 영역(111a)과 접촉할 수 있으며, 후면 전극(141)은 관통부를 통하여 제2 도핑 영역(111b)과 접촉할 수 있다. 전면 전극(121)과 후면 전극(141)은 교대로 배치될 수 있다.
전면 전극(121)과 후면 전극(141)은 전술한 구현예와 마찬가지로, 금속 분말 및 금속 유리를 포함하는 도전성 성분과 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성할 수 있으며, 상세한 설명은 전술한 바와 같다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 전면 전극(121) 및 후면 전극(141)이 모두 태양 전지의 후면에 위치함으로써 전면에서 금속이 차지하는 면적을 줄여 빛 흡수 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
이하 본 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 5를 참고하여 설명한다.
먼저, 예컨대 n형 불순물로 도핑되어 있는 반도체 기판(110)을 준비한다. 이어서 반도체 기판(110)을 표면 조직화한 후, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 절연막(112) 및 유전막(150)을 형성한다. 절연막(112) 및 유전막(150)은 예컨대 화학 기상 증착으로 형성할 수 있다.
다음, 반도체 기판(110)의 후면 측에 예컨대 p형 불순물 및 n형 불순물을 차례로 고농도로 도핑하여 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 형성한다.
이어서 유전막(150)의 일면에 제1 도핑 영역(111a)에 대응하는 영역에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 제2 도핑 영역(111b)에 대응하는 영역에 후면 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트는 각각 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있으며, 각각 전술한 금속 분말 및 금속 유리를 포함하는 도전성 성분과 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용할 수 있다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 함께 또는 각각 소성할 수 있으며, 소성은 소성 로에서 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있다.
상기에서는 상술한 도전성 페이스트를 태양 전지의 전극으로 적용한 예만 구체적으로 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 전극을 포함하는 모든 전자 소자, 예컨대 PDP, LCD, OLED 등에 동일하게 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
110: 반도체 기판
111a: 제1 도핑 영역 111b: 제2 도핑 영역
120a: 금속 분말 120b: 금속 유리
120: 전극 121: 전면 전극
130: 유전막 135: 관통부
141: 후면 전극
111a: 제1 도핑 영역 111b: 제2 도핑 영역
120a: 금속 분말 120b: 금속 유리
120: 전극 121: 전면 전극
130: 유전막 135: 관통부
141: 후면 전극
Claims (21)
- 금속 분말 및 티타늄(Ti)계 금속 유리를 포함하는 도전성 성분을 포함하고,
상기 티타늄계 금속 유리는
5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고
결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며
소성 온도에서 중량 증가량이 0.5㎎/㎠ 이하인
도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가지는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 결정화 후 비저항이 200μΩ㎝ 이하인 도전성 페이스트.
- 제3항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 대기 중에서 300 내지 800℃로 열처리하여 결정화되는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 도전성 페이스트의 소성 온도는 300 내지 1000℃인 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1, Ti49Cu49Nb2, Ti50Cu35Ni15, Ti50Cu32Ni15Sn3, Ti50Cu30Ni15Sn5, Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5, Ti50Cu42 .5Ni7 .5 Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5, Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 금속 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 5 내지 95중량% 및 5 내지 95중량%로 포함되는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
바인더를 더 포함하는 도전성 페이스트.
- 제9항에서,
상기 바인더는 유리 프릿(glass frit), 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
- 금속 분말 및 티타늄(Ti)계 금속 유리를 포함하는 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하고,
상기 티타늄계 금속 유리는
5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고
결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며
소성 온도에서 중량 증가량이 0.5㎎/㎠ 이하인
전자 소자.
- 제11항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가지고, 결정화 후 비저항이 200μΩ㎝ 이하인 전자 소자.
- 제11항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1, Ti49Cu49Nb2, Ti50Cu35Ni15, Ti50Cu32Ni15Sn3, Ti50Cu30Ni15Sn5, Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5, Ti50Cu42 .5Ni7 .5 Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5, Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 소자.
- 제11항에서,
상기 금속 분말 및 상기 티타늄계 금속 유리는 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 5 내지 95중량% 및 5 내지 95중량%로 포함되는 전자 소자.
- 반도체 층, 그리고
상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극
을 포함하고,
상기 도전성 성분은 금속 분말 및 티타늄계 금속 유리를 포함하며,
상기 티타늄계 금속 유리는
5K 이상의 과냉각 액체 구간을 가지고
결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 50% 이상 낮아지며
소성 온도에서 중량 증가량이 0.5㎎/㎠ 이하인
태양 전지.
- 제15항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가지는 태양 전지.
- 제15항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 결정화 후 비저항이 200μΩ㎝ 이하인 태양 전지.
- 제15항에서,
상기 티타늄계 금속 유리는 Ti50Cu50, Ti57Cu43, Ti49 .75Cu49 .75Al0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Al1, Ti49Cu49Al2, Ti49 .75Cu49 .75Nb0 .5, Ti49 .5Cu49 .5Nb1, Ti49Cu49Nb2, Ti50Cu35Ni15, Ti50Cu32Ni15Sn3, Ti50Cu30Ni15Sn5, Ti50Cu25Ni15Sn5Zr5, Ti50Cu42 .5Ni7 .5, Ti47 .5Cu42 .5Ni7 .5Zr2 .5, Ti45Cu40Ni5Sn5Zr5 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
- 제15항에서,
상기 금속 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 을 포함하는 태양 전지.
- 제15항에서,
상기 반도체 층과 상기 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 태양 전지.
- 제20항에서,
상기 버퍼층은 유리 프릿, 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
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