KR101849400B1 - 태양전지 소자의 제조 방법 및 태양전지 소자 - Google Patents

Abstract

스크린인쇄 공정에서 형성하는 집전극의 막 두께를 두껍게 하여 그 저항값의 저감을 도모하고, 변환 효율의 향상에 기여할 수 있는 태양전지 소자의 제조 방법을 제공한다. 도전성 페이스트의 스크린인쇄에 의해, 태양전지 소자의 집전극을 형성할 때에, 그 스크린인쇄 처리를 복수회 반복한다. 이때, 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도를 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도 이상으로 빠르게 한다. 2회째 이후의 스크린인쇄는 1회째에 인쇄된 집전극 위에 겹쳐서 행해지기 때문에, 스퀴지 속도가 빠른 편이 페이스트와 하지의 판 분리가 좋아져, 페이스트의 도포량이 증대하여, 형성되는 집전극의 막 두께가 두꺼워진다.

Description

태양전지 소자의 제조 방법 및 태양전지 소자{METHOD FOR MANUFACTURING SOLAR CELL ELEMENT AND SOLAR CELL ELEMENT}

본 발명은 태양전지 소자의 제조 방법 및 이것에 의해 얻어지는 태양전지 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 태양전지 소자는 도 1에 도시하는 구조를 갖는다. 도 1에 있어서, 1은, 예를 들면, 크기가 가로세로 100∼150mm, 두께가 0.1∼0.3mm의 판 형상이며, 또한, 다결정이나 단결정 실리콘 등으로 이루어지고, 보론 등의 p형 불순물이 도핑된 p형의 반도체 기판이다. 이 기판(1)에, 인 등의 n형 불순물을 도핑하여 n형 확산층(2)을 형성하고, SiN(질화 실리콘) 등의 반사방지막(3)을 설치하고, 스크린인쇄법을 사용하여, 이면에 도전성 알루미늄 페이스트를 인쇄한 후, 건조·소성함으로써 이면 전극(6)과 BSF(Back Surface Field)층(4)을 동시에 형성하고, 표면에 도전성 은 페이스트를 인쇄 후, 건조해서 소성하여, 집전극(표면 전극)(5)을 형성함으로써 제조된다. 또한, 이하, 태양전지의 수광면측이 되는 기판의 면을 표면, 수광면측과 반대측이 되는 기판의 면을 이면으로 한다.

이러한 스크린인쇄법에 의한 집전극 형성에 있어서는, 1회의 인쇄 처리로 100㎛의 선폭에 대하여 30㎛의 두께가 한계이며, 두께의 편차(차이)도 크다. 이 때문에, 저항이 높아져 버려, 변환 효율의 향상을 저해하는 요인이 되고 있다.

상기한 바와 같은 집전극의 저항값의 저감화를 도모하기 위하여, 복수회의 스크린인쇄에 의해 집전극을 형성할 때에, 복수회의 스크린인쇄 처리마다, 사용하는 스크린 메시의 패턴을 달라지게 하는 것과 같은 방법이 검토되어 있다(예를 들면, 일본 특개 2010-103572호 공보 참조). 이러한 방법에 의해 제조되는 태양전지 소자는 일반적으로 도 2에 나타내는 구조를 갖는다. 중첩 인쇄를 행함으로써, 표면 전극의 높이가 높아져 있다. 또한, 도면 중 7은 2층째의 표면 전극을 나타낸다.

그러나, 스크린 메시의 패턴이 상이하면, 각각의 패턴에 의해 인쇄압을 걸었을 때의 퍼짐의 상태 등이 상이하기 때문에, 인쇄 정밀도에 악영향이 생겨, 집전극을 정확하게 포개는 것이 곤란하게 된다. 그 때문에 집전극의 벗어남이 발생하여, 결과적으로 태양전지 소자의 변환효율이 저하되거나, 집전극의 부분적인 커짐에 의한 외관상의 문제가 발생하거나 한다.

(발명의 개요)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 집전극을 정밀도 좋게 인쇄할 수 있음과 아울러, 저항값을 저감시킬 수 있어, 양호한 전기 특성을 가지며, 게다가 제조 택트 타임을 단축할 수 있는 태양전지 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 행한 결과, 복수회의 스크린인쇄에 의한 집전극 형성에 있어서, 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도를, 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도 이상으로 빠르게 함으로써, 집전극의 저항값의 저감을 가능하게 하는 것을 발견했다. 이것에 의해, 스크린 메시의 패턴 변경에 의한 집전극의 벗어남 등을 발생시키지 않고, 또한 제조 택트 타임을 단축하는 것이 가능하게 되어, 이러한 신뢰성 및 외관을 손상시키지 않고, 또한 제조 택트 타임을 단축할 수 있는 스크린인쇄 방법에 의해 집전극을 형성하는 것이, 태양전지 소자의 제조에 유리한 것을 발견하고, 본 발명을 이루게 되었다.

따라서, 본 발명은 집전극을 갖는 태양전지 소자의 제조 방법이며, 상기 집전극의 형성을, 집전극 형성 위치에서의 도전성 페이스트의 스크린인쇄의 중첩을 복수회 행함과 아울러, 이 도전성 페이스트의 복수회의 중첩 인쇄에 있어서, 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도를 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도 이상으로 행하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법, 및 이것에 의해 얻어진 태양전지 소자를 제공한다.

이 경우, 상기 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값으로부터, 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값을 뺀 결과가 0mm/초 이상 300mm/초 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 태양전지 소자에 대하여 집전극의 스크린인쇄를 행할 때에, 1회째의 집전극 인쇄 속도 이상의 속도로 2회째 이후의 집전극 인쇄를 행함으로써 신뢰성 및 외관을 손상시키지 않고 태양전지의 전기 특성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지 소자의 제조 택트 타임을 단축할 수 있다. 이것은 높은 전기 특성을 갖는 태양전지 소자의 제조 방법에 널리 이용할 수 있다.

도 1은 태양전지 소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 복수회의 스크린인쇄에 의해 표면 전극을 형성한 태양전지 소자의 구조를 도시하는 단면도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 하기 설명에 더하여 광범위한 다른 실시형태에서 실시하는 것이 가능하며, 본 발명의 범위는 하기에 제한되는 것은 아니고, 특허청구범위에 기재되는 것이다. 또한 도면은 원치수에 비례하여 도시되어 있지 않다. 본 발명의 설명이나 이해를 보다 명료하게 하기 위하여, 관련 부재에 따라서는 치수가 확대되어 있고, 또한 중요하지 않은 부분에 대해서는 도시되어 있지 않다.

전술한 바와 같이, 도 1은 태양전지 소자의 일반적인 구조를 도시하는 단면도이다. 도 1에 있어서, 1은 반도체 기판, 2는 확산층(확산 영역), 3은 반사방지막겸 패시베이션막, 4는 BSF층, 5는 집전극(표면 전극), 6은 이면 전극을 나타낸다.

여기에서, 도 1에 도시하는 태양전지 소자의 제조 공정을 설명한다.

우선, 반도체 기판(1)을 준비한다. 이 반도체 기판(1)은 단결정 또는 다결정 실리콘 등으로 이루어지고, p형, n형의 어떤 것이어도 된다. 반도체 기판(1)은 보론 등의 p형의 반도체 불순물을 포함하고, 비저항은 0.1∼4.0Ω·cm의 p형 실리콘 기판이 사용되는 경우가 많다.

이하, p형 실리콘 기판을 사용한 태양전지 소자의 제조 방법을 예로 들어 설명한다. 크기는 가로세로 100∼150mm, 두께는 0.05∼0.30mm의 판 형상의 것이 적합하게 사용된다. 그리고, 태양전지 소자의 수광면이 되는 p형 실리콘 기판의 표면에, 예를 들면, 산성 용액 중에 침지하여 슬라이스 등에 의한 표면의 데미지를 제거하고나서, 또한 알칼리 용액으로 화학 에칭하고 세정, 건조함으로써 텍스처라고 불리는 요철 구조를 형성한다. 요철구조는 태양전지 소자 수광면에서 광의 다중반사를 생기게 한다. 그 때문에 요철구조를 형성함으로써, 실효적으로 반사율이 저감되어, 변환효율이 향상된다.

그 후, 예를 들면, POCl₃ 등을 포함하는, 약 850℃ 이상의 고온 가스 중에 p형 실리콘 기판을 설치하고, p형 실리콘 기판의 전체면에 인 등의 n형 불순물 원소를 확산시키는 열확산법에 의해, 시트저항이 30∼300Ω/□ 정도의 n형 확산층(2)을 표면에 형성한다. 또한, n형 확산층을 열확산법에 의해 형성하는 경우에는, p형 실리콘 기판의 양면 및 끝면에도 n형 확산층이 형성되는 경우가 있지만, 이 경우에는, 필요한 n형 확산층의 표면을 내산성 수지로 피복한 p형 실리콘 기판을 불질산 용액 중에 침지함으로써, 불필요한 n형 확산층을 제거할 수 있다. 그 후에, 예를 들면, 희석한 불산 용액 등의 약품에 침지시킴으로써, 확산시에 반도체 기판의 표면에 형성된 유리층을 제거하고, 순수로 세정한다.

또한 상기 p형 실리콘 기판의 표면측에 반사방지막겸 패시베이션막(3)을 형성한다. 이 반사방지막겸 패시베이션막은, 예를 들면, SiN 등으로 이루어지고, 예를 들면, SiH₄와 NH₃의 혼합 가스를 N₂로 희석하고, 글로우 방전 분해로 플라즈마화시켜 퇴적시키는 플라즈마 CVD법 등으로 형성된다. 이 반사방지막겸 패시베이션막은, p형 실리콘 기판과의 굴절률차 등을 고려하여, 굴절률이 1.8∼2.3 정도가 되도록 형성되고, 두께 500∼1,000Å 정도의 두께로 형성되어, p형 실리콘 기판의 표면에서 광이 반사하는 것을 방지하고, p형 실리콘 기판 내에 광을 유효하게 받아들이기 위하여 설치된다. 또한 이 SiN은 형성 시에 n형 확산층에 대하여 패시베이션 효과가 있는 패시베이션막으로서도 기능하여, 반사방지의 기능과 아울러 태양전지 소자의 전기 특성을 향상시키는 효과가 있다.

다음에 이면에, 예를 들면, 알루미늄과 유리 플리트(frit)와 바니시 등을 포함하는 도전성 페이스트를 스크린 인쇄하고, 건조시킨다. 그런 뒤, 표면에, 예를 들면, 은과 유리 플리트와 바니시 등을 포함하는 도전성 페이스트를 스크린 인쇄하고, 건조시킨다. 이 후, 각 전극용 페이스트를 500∼950℃ 정도의 온도에서 소성함으로써 BSF층(4)과 표면 전극(즉 집전극)(5)과 이면 전극(6)을 형성한다.

상기한 바와 같은 전형적인 결정 실리콘 태양전지 소자의 제조 방법에서는, 집전극의 저항값이 높기 때문에, 높은 전기 특성을 갖는 태양전지 소자가 얻어지지 않는다. 본 발명에 따른 태양전지 소자의 제조 방법은, 상기 스크린인쇄법에 의한 집전극 형성 공정 후에, 또한 집전극 형성 위치에서의 도전성 페이스트의 스크린인쇄를, 1회째의 스퀴지 속도 이상으로 빠른 스퀴지 속도로 복수회 행함으로써 형성함으로써, 상기 태양전지 소자의 전기 특성을 높이는 것을 특징으로 한다. 이러한 스크린인쇄 공정에 의한 전기 특성의 향상은 이하의 이유에 의한 것이다.

전형적인 스크린인쇄법의 경우, 은 등을 포함하는 도전성 페이스트에 의해 1회째에 집전극을 형성할 때의 스퀴지 속도는 50∼300mm/초이다. 이것보다 느리면, 인쇄 대상물인 실리콘 기판과 페이스트의 판 분리가 나빠져서 페이스트가 번지거나, 막 두께가 불균등하게 되거나 하는 문제가 생긴다. 한편, 이것보다 빠르면, 상기 판 분리가 급속하게 발생하여 페이스트가 충분하게 실리콘 기판에 전사되지 않고, 집전극이 형성되지 않는 부분이 생기거나, 막 두께가 얇아지거나 하는 문제가 생긴다. 그러나, 스크린인쇄의 겹침에 의한 집전극의 형성을 2회째 이후에 행하는 경우에는, 인쇄 대상물이 실리콘 기판이 아니고 1층째의 집전극이기 때문에, 인쇄 대상물과 페이스트의 판 분리의 상태가 1회째 시점과 상이하다. 실리콘 기판 표면과 비교하면, 1층째의 집전극은 표면상태가 거칠어, 페이스트에 포함되는 바니시 등이 친화되기 쉽게 되어 있다. 그 때문에 1층째의 집전극을 인쇄했을 때 이상으로 스퀴지 속도를 빠르게 하여 인쇄함으로써 페이스트와 하지의 판 분리가 좋아져, 페이스트 도포량이 증대하고, 결과적으로 집전극의 막 두께가 두꺼워져 저항값이 저감되어, 태양전지 소자의 전기 특성을 높게 할 수 있다.

이 경우, 상기 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값으로부터, 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값을 뺀 결과가 0mm/초 이상 300mm/초 이하, 바람직하게는 10mm/초∼100mm/초, 더 바람직하게는 40mm/초∼80mm/초이다.

또한 3회째 이후의 스크린인쇄를 행하는 경우, 그 전의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도와의 차도 마찬가지로, 바람직하게는 10mm/초∼100mm/초, 더욱 바람직하게는 40mm/초∼80mm/초이다.

또한 스크린인쇄에 사용하는 스크린 메시의 패턴은 각 회의 스크린인쇄에 있어서 동일하게 하는 것이 바람직하다.

또한, 스크린인쇄에 있어서의 집전극의 형성에 있어서, 각 스크린인쇄에 의해 형성하는 집전극의 두께는 5∼50㎛, 특히 8∼35㎛가 되도록 형성하는 것이 바람직하고, 또한 집전극의 총 두께는 3층 형성의 경우에는 25∼70㎛, 4층 형성의 경우에는 30∼90㎛가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한 스크린인쇄에 사용하는 잉크로서는 공지의 도전성 은 페이스트 등, 공지의 잉크를 사용할 수 있고, 상기 스퀴지 속도를 상기한 바와 같이 조정하는 이외는 통상의 방법에 의해 스크린인쇄를 행할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예 및 비교예를 제시하여, 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1, 비교예 1]

우선, 보론이 도핑되고, 두께 0.2mm로 슬라이스 하여 제작된 비저항이 약 1Ω·cm의 p형의 단결정 실리콘으로 이루어지는 p형 실리콘 기판에 외경 가공을 행함으로써, 1변 15cm 가로세로의 정방형의 판 형상으로 했다. 그리고, 이 p형 실리콘 기판을 불질산 용액 중에 15초간 침지시켜 데미지 에칭하고, 또한 2질량%의 KOH와 2질량%의 IPA를 포함하는 70℃의 용액으로 5분간 화학 에칭한 후에 순수로 세정하고, 건조시킴으로써 p형 실리콘 기판 표면에 텍스처 구조를 형성했다. 다음에 이 p형 실리콘 기판에 대하여, POCl₃ 가스 분위기 중에서, 870℃의 온도에서 30분간의 조건으로 열확산법에 의해, p형 실리콘 기판에 n층을 형성했다. 여기에서, n층의 시트저항은 약 40Ω/□, 깊이는 0.4㎛이었다. 그리고, n층 위에 내산성 수지를 형성한 후에, p형 실리콘 기판을 불질산 용액 중에 10초간 침지함으로써, 내산성 수지가 형성되어 있지 않은 부분의 n층을 제거했다. 그 후에 내산성 수지를 제거함으로써, p형 실리콘 기판의 표면에만 n층을 형성했다. 계속해서, SiH₄와 NH₃, N₂를 사용한 플라즈마 CVD법에 의해, p형 실리콘 기판의 n층이 형성되어 있는 표면상에, 반사방지막겸 패시베이션막이 되는 SiN을 두께 1,000Å으로 형성했다. 다음에 p형 실리콘 기판의 이면에 도전성 알루미늄 페이스트를 인쇄하고, 150℃에서 건조시켰다.

그 후에 p형 실리콘 기판에 대하여, 표면에 스크린인쇄법에 의해, 도전성 은 페이스트를 사용하여, 집전극을 스퀴지 속도 150mm/초로 20㎛ 형성하고, 150℃에서 건조시켰다. 또한 집전극의 중첩 인쇄를 100mm/초로 행한 비교예와, 200mm/초로 행한 실시예를 제작하고, 각각 150℃로 건조시키고, 최종적인 인쇄 전극 두께 30㎛를 얻었다. 소성로에 지금까지의 처리가 끝난 기판을 투입함으로써, 최고온도 800℃에서 도전성 페이스트를 소성하여 전극을 형성함으로써 태양전지 소자를 제작했다. 이들 태양전지 소자의 전기 특성과 인쇄 택트 타임을 측정했다.

표 1에, 상기 방법에서 실시예와 비교예 각각 10매씩의 태양전지 소자를 제작했을 때의 태양전지 소자의 전기 특성과 인쇄 택트 타임의 평균을 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 의한 스크린인쇄법을 사용함으로써 비교예와 비교하면 태양전지 소자의 전기 특성의 상승이 확인된다(변환효율의 절대값으로 하여 0.3%). 이 경우, 스퀴지 속도 조건의 변경만으로 0.3%의 변환효율을 개선한 것은, 여러 조건을 쌓아 포갬으로써 효율 상승을 초래하는 소자 변환 효율에 있어서, 큰 공헌이라고 평가할 수 있다. 또한 인쇄 택트 타임도 길어지지 않으므로, 제조 비용의 저감으로도 연결된다.

[실시예 2, 비교예 2]

실시예 1과 동일하게 하여 p형 실리콘 기판을 제작하고, 표면에 스크린인쇄법에 의해, 도전성 은 페이스트를 사용하여 집전극을 형성했다. 이 경우, 1층째는 스퀴지 속도 150mm/초로 20㎛를 형성하고, 2층째는 스퀴지 속도 200mm/초로 12㎛를 형성하고, 3층째는 스퀴지 속도 250mm/초로 8㎛를 형성하고, 그 최종적인 인쇄 전극 두께는 40㎛로 했다.

얻어진 태양전지 소자의 전기 특성과 인쇄 택트 타임은 표 2와 같았다.

또한, 비교를 위해, 1층째의 스퀴지 속도 150mm/초, 2층째의 스퀴지 속도 100mm/초, 3층째의 스퀴지 속도 90mm/초로 총 두께 40㎛의 전극을 인쇄, 형성했다. 얻어진 전기 특성과 인쇄 택트 타임의 결과를 표 2에 나타낸다.

Claims (6)

1. 집전극을 갖는 태양전지 소자의 제조 방법으로서, 상기 집전극의 형성을 집전극 형성 위치에서의 도전성 금속과 유리 플리트와 바니시를 포함하는 도전성 페이스트의 스크린인쇄의 중첩을 복수회 행함과 아울러, 이 도전성 페이스트의 복수회의 중첩 인쇄에서, 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도를 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도보다 빠르게 하여 행한 후, 인쇄한 도전성 페이스트를 500∼950℃의 온도에서 소성하여 상기 집전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값으로부터, 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값을 뺀 결과가 10mm/초 이상 300mm/초 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 2회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값으로부터, 1회째의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도의 값을 뺀 결과가 10mm/초 이상 100mm/초 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 3회째 이후의 스크린인쇄를 행하는 경우, 3회째 이후의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도를 그 전의 스크린인쇄시의 스퀴지 속도보다도 빨리하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 스크린인쇄에 사용하는 스크린 메시의 패턴은 각 회의 스크린인쇄에서 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 페이스트의 복수회의 중첩 인쇄는, 집전극 형성 위치에 상기 도전성 페이스트를 스크린인쇄 하는 것과, 이 인쇄한 도전성 페이스트를 건조하는 것을 이 순서로 반복하여 복수회 행하는 것을 특징으로 하는 태양전지 소자의 제조 방법.

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