KR101854142B1 - 금속 콘택트의 형성방법 - Google Patents

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알렉산드라 페라스
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캘빈 제이. 커티스
알렉산더 미대너
데이비드 에스. 긴리
헤스트 마리누스 프란치스코 안토니우스 마리아 반
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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머트어리얼즈 엘엘씨
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Abstract

광전 소자의 제조시 금속 잉크를 사용하여 금속 콘택트를 형성시키는 방법이 개시된다. 금속 잉크를 잉크젯 및 에어로졸 장치를 사용하여 반도체 코팅재 위에 선택적으로 도금한다. 복합물을 금속 잉크가 코팅을 용락시키는 선택적인 온도로 가열하여 반도체와의 전기적 콘택트를 형성시킨다. 이어서 광유도 또는 광 조력 도금법으로 상기 전기적 콘택트 위에 금속층을 도금한다.

Description

금속 콘택트의 형성방법{IMPROVED METHOD FOR FORMING METAL CONTACTS}
본 출원은 2010년 10월 14일 출원된 미국 임시 출원 제61/393,295호에 대해 35 U.S.C.§119(e)하에 우선권을 주장하며, 이의 전문은 본 원에 참고로 인용된다.
미국 정부는 미국 에너지국과, 국제재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 연락처로 Alliance for Sustainable Energy, LLC 간의 계약 DE-AC36-08GO28308 으로 본 발명에 권리를 갖는다.
광전 소자와 같이, 반도체의 금속 기재 콘택트는 입사광이 비추어지는 전면 또는 한면과 입사광이 비추어지지 않는 배면 또는 한면 상에 전기전도성 콘택트를 형성시킨 것이다. 상기 금속 코팅은 반도체와의 오믹 콘택트를 확립하여 소실없이 장시간 동안 전하 캐리어가 반도체로부터 전기전도성 콘택트로 나오도록 한다. 전류 소실을 피하기 위해서는, 금속화된 콘택트 그리드가 적절한 전기 전도성, 예를 들어, 높은 전도도 또는 도체 트랙 횡단면이 충분히 높아야 한다.
이러한 요구조건을 만족시키기 위하여 태양전지의 배면을 금속 코팅시키기 위한 수많은 공정이 존재한다. 예를 들어, 태양전지의 배면에서의 전류 전도를 향상시키기 위하여, 배면 아래에 직접 p-도핑을 증가시킨다. 이 목적으로 알루미늄이 통상적으로 사용된다. 알루미늄은 예를 들어, 증착법 또는 배면상에 인쇄한 다음 구동시키거나, 또는 각각 합금시켜 도포한다. 전면 또는 비추어진 면을 금속 코팅시킬 경우, 적어도 활성 반도체 표면을 쉐이딩 (shading)시켜 광자를 포획할 수 있도록 표면을 가능한 한 많이 사용할 수 있도록 하는 양을 성취하는 것이 목표이다.
태양전지에서 전면 콘택트를 형성시키기 위하여 상업적으로 사용되는 방법은 스크린 인쇄법으로 금속성 페이스트를 도포하는 것이다. 상기 페이스트는 전기 전도성을 제공하기 위한 금속 입자 (전형적으로 은), 뿐만 아니라 글래스 프리트 (glass frits), 레올로지 개질제, 및 고비등 용매, 예로서 테르피네올을 함유한다. 인쇄 후, 전지를 건조시킨 다음, 전형적으로 약 600 내지 1000 ℃ 범위의 온도의 벨트 퍼니스에서 소성시킨다. 소성 시, 글래스 프리트는 전면의 반사방지막 (전형적으로 질화규소)과 반응하거나, "용락 (burn-through)"되어, 전지에 접촉성을 제공하는데 도움을 준다. 스크린 인쇄된 페이스트를 사용하는 것이 공업 표준이지만 단점이 있다. 스크린 인쇄법은 깨지기 쉬운 실리콘 태양전지를 상당히 조심스럽게 취급하여야 하므로, 사고로 파괴되는 양이 상당한, 접촉식 인쇄법이다. 이는 또한, 화학 폐기물, 생활 폐기물, 및 파괴된 스크린의 형태로 부가되는 비용을 발생시킨다. 마지막으로, 생산 시 발생될 수 있는 최소 라인 폭이 약 80 내지 100 ㎛ 범위인 스크린 기술에 의해 물리적으로 제한된다. 스크린 인쇄에 의해 더 작은 라인 폭이 실험실에서는 물질적으로 가능할 수 있지만, 현재의 대량 생산에서 성취하기에는 더 어렵다.
전면 콘택트를 생산하기 위한 더욱 복잡한 공법은 전류 트랙 구조물을 구획하기 위하여 레이져 또는 사진석판술을 사용한다. 현재 이들 기술은 더 가는 라인을 생산할 수 있지만 생산 비용에 압력을 줄 수 있다. 이어서, 전류 트랙을 금속화시킨다. 일반적으로, 다양한 금속 코팅 단계를 흔히 사용하여 전기전도성을 위하여 충분한 접착 강도와 목적하는 두께를 성취하기 위한 금속 코팅을 도포한다. 예를 들어, 습식-화학적 금속 코팅 공법을 사용할 경우, 팔라듐 촉매를 사용하여 제1 미세 금속 코팅을 전류 트랙에 도금한다. 이는 통상 니켈의 무전해도금으로 강화된다. 전도성을 증가시키기 위하여, 구리를 무전해 또는 전해도금으로 니켈 상에 도금할 수 있다. 이어서 구리를 산화로부터 보호하기 위하여 주석 또는 은의 미세층으로 코팅시킬 수 있다.
달리, 전류 트랙을 광유도 도금법을 사용하여 금속화할 수 있다. 이 금속화 공정은 먼저 태양전지의 배면을 통상의 인쇄법을 사용하여 금속화시키고 전기 전도성 페이스트를 불활성 가스 대기에서 소결시키는 단계를 포함한다. 상기와 같은 페이스트는 은, 알루미늄 및 프리트를 유기 바인더와 함께 포함할 수 있다. 니켈, 팔라듐, 구리, 아연 및 주석과 같은 다른 금속도 상기 페이스트 중에서 연소될 수 있다. 태양전지의 전면은 산화규소 또는 질화규소의 부동태화 (passivation) 또는 반사방지층으로 코팅한다. 전류 트랙용 트렌치를 상기 반사방지층에 형성시키는데 이는 반도체까지 연장된다. 트렌치는 사진석판술, 레이져 라이팅 (laser writing) 또는 기계적 부식법을 사용하여 형성시킬 수 있다. 이어서 전면의 전류 트랙을 광유도 도금법을 사용하여 니켈로 도금한다. 태양전지를 니켈 도금조에 놓고 광을 상기 태양전지에 인가하면 대략 1 내지 2분 후 반도체 물질 상에 니켈층이 발생된다. 구리와 같은, 추가의 금속층을 강화용으로 상기 니켈 층 위에 직접 발생시킬 수 잇다. 구리 층 위에 은 또는 주석의 박막을 도포함으로써 구리층을 산화로부터 보호할 수 있다.
태양전지 상에 금속 콘택트를 형성시키는 다른 방법은 다음과 같다. 레이져를 사용하여 반사방지층 중 일부를 선택적으로 제거하여 하부 반도체 물질을 노출시켜 전류 트랙을 형성시킨다. 그러나, 레이져 인가법은 비용이 많이 들며 일반적으로 산업계에서는 비용이 적게 드는 방법을 선호한다. 약 20 nm 내지 1000 nm 범위의 금속 나노입자를 함유하는 잉크를 상기 노출된 반도체 물질에 잉크젯 또는 에어로졸 장치를 사용하여 도포한다. 용매를 제거하고 금속 콘택트를 형성시키기 위하여 상기 장치를 약 100 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 1초 내지 30분간 가열한다. 이어서 이들 콘택트를 추가의 금속층으로 전기도금법을 사용하여 강화시킨다.
반도체 상에 금속 콘택트를 형성시키는 방법이 있지만, 반도체 상에 초기 금속 콘택트를 만드는 방법을 개선할 필요성이 여전히 존재한다.
일례의 방법은 용락 (burn-through) 금속 잉크를 제공하는 단계; 상기 용락 금속 잉크를 반도체 기판 상의 반사방지 코팅에 선택적으로 도포하는 단계; 반사방지 코팅과 용락 금속 잉크가 있는 반도체 기판을 소성시켜 용락 금속 잉크로부터의 금속과 반도체 기판 사이에 오믹 콘택트를 제공하는 단계; 용락 금속 잉크로부터의 금속 상에 금속층 1개 이상을 광유도 도금법으로 도금하는 단계를 포함한다.
용락 금속 잉크는 1종 이상의 금속 공급원과 소성시 반사방지층을 용락시켜 잉크의 금속이 하부 반도체와의 오믹 콘택트를 형성할 수 있도록 하는 약제 1종 이상을 포함한다. 용매, 계면활성제, 분산제, 바인더, 착화제, 환원제, 레올로지 개질제 및 킬레이트화제와 같은 첨가제가 또한 상기 용락 금속 잉크에 포함될 수 있다.
본 방법에 따라서 제조된 금속 콘택트는 반도체 소자의 성능을 증가시켜 비교할 만한 크기와 유니트 면적을 갖는 수많은 통상의 반도체 소자와 비교하여 증가된 출력을 제공한다. 본 방법은 섀도우를 감소시키고 입사광 흡수율을 향상시키는 미세 라인 금속 콘택트를 형성시킬 수 있다. 용락 공정은 금속 콘택트의 형성에 있어서 사진석판술 및 레이져 라이팅과 같은 단계를 제거함으로써 반도체 제조 단계의 수를 감소시키고 재료의 파괴를 감소시킴으로써 반도체 소자의 전체적인 제조 단가를 절감시킨다. 또한, 금속 씨드층을 형성시키는 용락 공정에 이어 상기 씨드층 상에 추가의 금속층을 광유도 도금함으로써 수많은 통상의 반도체 소자와는 대조적으로 금속층과 반도체 표면 사이에 향상된 오믹 콘택트를 제공한다.
도면 1은 소성된 글라스 프리트 은잉크로 제조된 은 금속 콘택트가 있는 결정질 실리콘 반도체 웨이퍼의 단락 전류 대 실시예에 따라서 추가의 광유도 도금된 은층을 갖는 소성된 글라스 프리트 은잉크로 제조된 은 금속 콘택트가 있는 반도체 웨이퍼의 단락 전류를 설명한다;
도면 2는 소성된 글라스 프리트 은잉크로 제조된 은 금속 콘택트가 있는 결정질 실리콘 반도체 웨이퍼의 효율 대 실시예에 따라서 추가의 광유도 도금된 은층을 갖는 소성된 글라스 프리트 은잉크로 제조된 은 금속 콘택트가 있는 반도체 웨이퍼의 효율을 설명한다;
도면 3은 용락시킨 다음 은을 광유도 도금시켜 제조한 금속 콘택트의 전류 라인의 접촉 저항 (mOhm-cm2) 대 실시예에 따라서 광유도 도금시키지 않고 용락 페이스트를 사용하는 콘택트를 설명한다.
명세서를 통하여 사용되는 용어 "침착" 및 "도금"은 상호교환적으로 사용된다. 용어 "전류 트랙", "전류 라인" 및 "금속 콘택트"는 상호교환적으로 사용된다. 용어 "조성물" 및 "욕 (bath)"은 상호교환적으로 사용된다. 부정관사 "a" 및 "an"은 단수 및 복수 둘 다를 포함시키기 위함이다. 용어 "전면 (front side)"은 반도체 웨이퍼의 빛이 비추어진 면 또는 입사광에 노출되는 면을 의미한다. 용어 "배면 (back side)"은 반도체 웨이퍼의 빛이 비추어지지 않는 면 또는 입사광에 노출되지 않는 면을 의미한다. 용어 "선택적으로 도금"은 기판 상의 특정 목적하는 면적에서 금속 도금이 일어남을 의미한다. 용어 "유니트 면적" 및 "표면적"은 본 명세서를 통하여 상호교환적으로 사용된다. 용어 "오믹 콘택트 (ohmic contact)"는 소자의 전류-전압 (I-V) 곡선이 선형이며 대칭이 되도록 제조된 반도체 소자 상의 영역이다. 용어 "쇼트키 콘택트 (Schottky contact)"는 소자의 전류-전압 (I-V) 곡선이 비-선형이고 비대칭이 되도록 제조된 반도체 소자 상의 영역이다. 완전 전지 효율은 다음과 같이 표시된다: η = Pm/E x Ac
(여기서 Pm은 최대 동력점이고, E는 풀 전지 효율, 와트/㎡이며 Ac는 태양전지의 표면적, ㎡이다). 용어 "소성"은 성분의 용융 또는 반응을 의미하며 일반적으로 약 400 ℃ 이상의 온도에서 수행된다.
하기 약어는 문맥에서 달리 명확하게 표시되지 않는 한 다음과 같은 의미를 갖는다: ℃ = 셀시우스도 (degrees Celsius); g = 그램; mL = 밀리리터; L = 리터; A = 암페어; dm = 데시미터; cm = 센티미터; mm = 밀리미터; ㎛ = 마이크론; nm = 나노미터; cP = 센티포이즈 = 10-2 포이즈 = 10-3 파스칼 초; Hz = 헤르츠; kHz = 킬로헤르츠; UV = 자외선; IR = 적외선; 및 SEM = 주사전자현미경.
모든 퍼센트와 비율은 달리 표시되지 않는 한 중량에 의한 것이다. 모든 범위는 숫자의 범위가 100% 까지 첨가되는 것으로 한정되는 것과 같이 명확한 경우를 제외하고는 포괄적이며 순서에 상관없이 조합가능하다.
광전소자와 태양전지는 단결정, 다결정 또는 무정형 실리콘 반도체 웨이퍼로 이루어질 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 하기 설명이 실리콘 반도체 웨이퍼에 대한 것이지만, 다른 적합한 반도체 웨이퍼, 예로서, 갈륨-아세나이드, 실리콘-게르마늄, 게르마늄과 카드뮴-텔루륨이 또한 사용될 수 있다. 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우, 이들은 전형적으로 p-타입 기재 도핑을 갖는다.
반도체 웨이퍼는 매우 다양한 치수와 표면저항을 가질 수 있다. 그러한 웨이퍼 치수로는 비제한적으로, 원형, 사각형 또는 직사각형이 있거나 기타 적합한 형태일 수 있다. 그러한 웨이퍼는 또한 이들의 빛이 비추어지지 않는 면 상에 인터디지테이트형 (interdigitated) 금속 콘택트를 가질 수 있다.
일반적으로, 웨이퍼의 배면을 금속화시켜 저항이 낮은 웨이퍼를 제공한다. 반도체 웨이퍼의 면저항 (sheet resistance)으로도 알려져 있는, 표면저항의 범위는 40 내지 90 옴/스퀘어, 또는 40 옴/스퀘어 내지 60 옴/스퀘어, 또는 60 옴/스퀘어 내지 80 옴/스퀘어일 수 있다.
실질적으로 배면 전체를 금속 코팅시킬 수 있거나 그리드 형성과 같이 배면의 일부를 금속 코팅시킬 수 있다. 그러한 금속화는 다양한 기술에 의해 제공될 수 있으며, 웨이퍼 전면의 금속화 전에 수행될 수 있다. 하나의 양태로, 금속 코팅이 배면에 전기 전도성 페이스트, 예로서 은-함유 페이스트, 알루미늄-함유 페이스트 또는 은 및 알루미늄-함유 페이스트의 형태로 도포되지만; 니켈, 팔라듐, 구리, 아연 또는 주석과 같은 금속을 포함하는 다른 페이스트도 사용할 수 있다. 그러한 전도성 페이스트는 전형적으로 전도성 입자, 글래스 프리트 및 유기 바인더를 포함한다. 전도성 페이스트는 웨이퍼에 여러가지 기술로, 예를 들어 스크린 인쇄법으로 도포할 수 있다. 페이스트 도포 후, 소성시켜 실리콘과의 전기적 콘택트를 만들고 연소시켜 유기 바인더를 제거한다. 소성시키기 전에, 더 낮은 온도에서의 건조 단계를 임의로 사용할 수 있다. 알루미늄을 함유하는 전도성 페이스트를 사용하는 경우, 알루미늄이 부분적으로 웨이퍼의 배면으로 확산되거나, 은을 또한 함유하는 페이스트 형태로 사용할 경우, 은과 합금될 수 있다. 그러한 알루미늄-함유 페이스트를 사용함으로써 저항 접촉 (resistive contact)을 개선할 수 있으며 "p+"-도핑된 영역을 제공할 수 있다. 알루미늄 또는 붕소를 먼저 도포한 다음 이어서 상호-확산 (inter-diffusion)시켜 두껍게 도핑된 "p+"-타입 영역이 또한 생산될 수 있다. 하나의 양태로, 알루미늄-함유 페이스트를 도포하고 빛을 비추지않은 면에 금속 코팅을 도포하기 전에 소성시킬 수 있다. 소성된 알루미늄-함유 페이스트로부터의 잔류물은 금속 코팅을 도포하기 전에 임의로 제거할 수 있다. 다른 양태로, 씨드층을 웨이퍼의 배면 상에 도금시킬 수 있으며 금속 코팅을 상기 씨드층에 무전해 또는 전해도금법으로 도금시킬 수 있다.
웨이퍼의 전면을 임의로 결정-배향된 텍스쳐 에칭시켜 표면에 반사를 감소시키는 개선된 광 입사 기하학적 구조를 부여할 수 있다. 반도체 접합부를 생산하기 위하여, 인 확산 또는 이온 주입을 웨이퍼의 전면 상에서 일으켜 n-도핑된 (n+ 또는 n++) 영역을 생산하고 웨이퍼에 PN 접합부를 제공한다. 상기 n-도핑된 영역을 에미터층 (emitter layer)이라 언급할 수 있다.
반사방지 코팅 (ARC) 또는 층을 웨이퍼의 전면 또는 에미터층에 부가한다. 또한 반사방지층은 부동태화층으로 작용할 수 있다. 적합한 반사방지층으로는, 제한없이, SiOx와 같은 산화규소층, Si3N4와 같은 질화규소층, 또는 산화규소와 질화규소층의 배합물이 있다. 전형적으로 질화규소가 사용된다. 전술한 식에서, x는 산소 원자의 수이다. 전형적으로 x는 정수 2이다. 상기와 같은 반사방지층은 수많은 기술로, 예를 들어, 다양한 증착법, 예로서, 화학증착법 및 물리적증착법으로 침착시킬 수 있다.
웨이퍼의 전면은 금속화된 패턴을 함유한다. 그러한 금속화된 패턴은 전형적으로 집전 라인과 전류 부스바이지만; 이들은 또한 비제한적으로, 이온화 에칭된 스파이럴 콘택트를 포함할 수 있다. 일반적으로, 집전 라인은 전형적으로 상기 부스바로 가로지르며 전형적으로 상대적으로 미세한-구조, 예를 들어 전류 부스바에 상대적인 치수를 갖는다.
상기 금속화된 패턴은 통상적인 잉크젯 또는 에어로졸 장치를 사용하여 코팅 또는 반사방지층에 선택적으로 도포된 용락 금속 잉크를 사용하여 형성시킨 다음 추가의 금속층을 소성시키고 광유도 도금시켜 전류 트랙을 완성한다. 소성 또는 용락 단계로 용락 잉크로부터의 금속과 반도체 웨이퍼 하부 반사방지층 사이에 안전한 결합이 형성된다. 또한, 용락 공정으로 반도체 웨이퍼와 금속 뿐만 아니라 광유도된 도금에 의해 침착된 추가의 층 사이에 오믹 콘택트가 수립된다.
용락 금속 잉크를 잉크젯 및 에어로졸로 도포하는 것은 비-접촉 방법으로 용락 금속 잉크가 장치의 노즐과 반도체 웨이퍼 사이에서 직접 접촉하지 않고 도포된다. 이는 제조 공정 중 웨이퍼가 손상될 가능성을 감소시킨다. 잉크젯 또는 에어로졸에 의해 용락 금속 잉크를 도포함으로써 좁은 전류 트랙이 형성되도록 하여 섀도우를 감소시키고 입사광 흡수율을 증가시키며 동시에 반도체 웨이퍼 상에 더욱 많은 전류 트랙이 형성될 수 있도록 하여 출력 전류를 증가시킨다. 전류 트랙의 폭은 약 75 ㎛ 미만이거나 이와 등가일 수 있으며, 다른 양태로, 전류 트랙의 폭이 약 50 ㎛ 미만이거나 이와 등가일 수 있고, 또 다른 양태로, 약 20 ㎛ 내지 25 ㎛ 미만이거나 이와 등가일 수 있다.
잉크젯 인쇄법은 연속식 잉크젯 방법 또는 드롭-온-디멘드 (drop-on-demand) 방법일 수 있다. 연속식 방법은 펌프를 사용하여 금속 잉크를 연속적으로 젯팅시키면서 전자기장을 변화시킴으로써 금속 잉크의 방향을 조절하는 인쇄법이다. 드롭-온-디멘드는 전자 신호상으로 필요시에만 금속 잉크가 소비되는 방법이다. 드롭-온-디멘드는 전기로 기계적 변화를 일으키는 압전기판을 사용하여 압력을 발생시키는 압전기 잉크젯 방법과 열에 의해 생성된 버블을 팽창시켜 발생되는 압력을 사용하는 열적 잉크젯 방법으로 나눌 수 있다.
잉크젯 인쇄법과는 대조적으로, 에어로졸은 먼저 금속 잉크의 에어로졸을 형성한다. 가압된 노즐이 프린트 헤드에 장착되어 있는 가압 노즐을 통하여 에어로졸을 반도체 기판으로 안내한다. 에어로졸을 집속가스와 혼합하여 집속된 형태로 가압 노즐로 운반한다. 잉크를 분배하기 위하여 집속가스를 사용함으로써 노즐이 막힐 가능성이 감소되고 또한 잉크젯 장치를 사용하는 경우보다 더 큰 종횡비를 갖는, 더욱 미세한 전류 트랙을 형성시킬 수 있다. 전류 트랙의 종횡비 (높이/폭)의 범위는 프린터 통과 당 약 0.001 내지 0.5, 또는 약 0.002 내지 0.4, 또는 약 0.002 내지 0.04일 수 있다. 통과 당 종횡비가 높으면 높을수록 더욱 효율적인 방법이다.
하나의 양태로 용락 금속 잉크를 공기 또는 불화성 대기 (예, 질소 또는 아르곤)에서 SiOx 또는 질화규소 반사방지층 상에 실온에서 선택적으로 잉크젯 인쇄한다. 100 Hz 내지 20000 Hz의 액적 토출 속도를 사용하여 통과 당 약 0.02 ㎛ 내지 10 ㎛의 도금속도를 생성시킬 수 있다. 더 두꺼운 도금은 잉크젯 인쇄 다중층으로 수득할 수 있다.
용락 금속 잉크는 금속, 금속 전구체, 금속 유기 전구체, 금속 착화합물, 또는 금속 염 중 1종 이상을 포함하여 전도성 재료를 제공할 수 있다. 금속 잉크는 또한 용락제 (burn-through agent)로서 1종 이상의 글래스 프리트, 볼밀 분쇄된 또는 달리 분쇄된 글래스 프리트, 금속 유기 전구체, 또는 금속염을 포함한다. 전형적으로, 전도성 재료와 용락제는 입자형태이다. 바람직하게는 용락 금속 잉크가 금속 입자와 글래스 프리트의 입자를 포함한다.
입자 크기의 범위는 약 5 ㎛ 또는 미만, 또는 약 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, 입자가 나노미터-크기의 입자이다. 나노미터-크기의 입자는 더 큰 벌크 입자와 비교하여 단위 질량 당 표면적이 증가하여 더 큰 직경의 입자와는 다른 생화학적 특성을 나타내기 때문에 더 큰 치수의 입자 보다 개선된 성능을 갖는다. 전형적으로, 금속 나노입자의 직경 범위는 약 1000 nm 또는 미만, 바람직하게는 금속 나노입자의 직경 범위가 약 25 nm 내지 800 nm이고, 다른 양태로, 약 100 nm 내지 400 nm이다. 금속으로는, 비제한적으로, 은, 구리, 니켈, 금, 팔라듐 및 이들의 염과 착화합물이 있다. 전형적으로, 은, 구리, 및 니켈이 사용된다. 상업적으로 입수가능한 금속의 공급원을 사용할 수 있거나 제조할 수 있다. 전형적으로, 용매 매질에 분산되어 있는 금속 입자 (여기서 금속은 이의 금속 상태로 존재한다)가 사용된다. 은 염으로는, 비제한적으로, 질산은, 산화은, 할로겐화은, 시안화은, 은 아세테이트, 은 카보네이트, 은 옥살레이트, 은 트리플루오로아세테이트, 은 아세토닐 아세토네이트, 은 벤조에이트, 은 시트레이트, 은 락테이트, 은 사이클로헥산 부티레이트, 은 테트라플루오로보레이트, 은 펜타플루오로프로피오네이트, 은 p-톨루엔술포네이트, 은 트리플루오로메탄술포네이트가 있다. 니켈 염으로는, 비제한적으로, 니켈 아미디네이트, 니켈 아세틸 아세토네이트, 니켈 아세테이트, 니켈 카보네이트, 니켈 시트레이트, 니켈 사이클로헥산부티레이트, 니켈 타르트레이트, 니켈 옥사이드, 니켈 타르트레이트, 니켈 포르메이트가 있다. 구리 염으로는, 비제한적으로, 구리 아미디네이트, 구리 포르메이트, 구리 옥사이드, 구리 사이클로헥산부티레이트, 구리 2-에틸헥사노에이트, 구리 아세틸 아세토네이트, 및 구리 아세테이트가 있다. 전형적으로, 금속 나노입자는 상기 용락 금속 잉크중에 약 0.1 중량% 내지 10 중량%의 양으로, 다른 양태로 약 0.5 중량% 내지 5 중량%의 양으로 포함된다.
글래스 프리트는 다양한 산화물, 예로서 PbO, SiO2, B2O3, ZnO, Bi2O3, SnO2 및 Al2O3을 포함할 수 있는 조성물이다. 상업적인 글래스 프리트는 전형적으로 독점적으로 유지되지만 1종 이상의 다양한 산화물을 포함하는 것으로 공지되어 있다. 일반적으로, 산화물 구성분을 고온 (예, 약 1000 ℃ 이상)에서 환류시키고 균질화시킨 다음, 상기 글래스를 마쇄 및 분쇄하여 상업적 페이스트로 제공되는 글래스 프리트 분말을 생성시킴으로써 프리트용 글래스를 형성시킨다. 글래스 프리트는 통상적인 볼-밀링 공정을 사용하여 볼-밀 분쇄하여 직경 범위가 약 1000 nm 또는 미만, 다른 양태로 약 50 nm 내지 200 nm인 입자를 수득할 수 있다. 달리, 글래스 프리트는 화염 분무 공법과 같은 합성 기술로 나노미터 범위로 합성할 수 있다. 전형적으로, 글래스 프리트의 나노입자를 용락 금속 잉크중에 약 0.05 중량% 내지 20 중량%의 양으로, 다른 양태로 약 0.5 중량% 내지 5.5 중량%의 양으로 포함시킨다. 달리, 금속 염 또는 금속 유기 (MO) 전구체를 글래스 프리트 또는 나노크기의 글래스 프리트 대신 사용할 수 있다. 상기 대안적인 용락제는 Pb, Si, B, Zn, Bi, Sn, 또는 Al을 함유하는 금속 염 또는 MO 전구체, 또는 이들 물질의 혼합물일 수 있다.
1종 이상의 금속 공급원을 1종 이상의 용락제와 1종 이상의 용매 중에서 혼합하여 잉크젯 인쇄 또는 에어로졸 인쇄에 적합한, 입자, 바람직하게는 나노입자의 액체 현탁액을 형성시킨다. 용락 금속 잉크는 페이스트 또는 겔은 아니지만 실온 뿐만 아니라 잉크젯 온도에서 1종 이상의 용매 중, 입자, 바람직하게는 나노입자의 액체 또는 현탁액이다. 그러한 잉크에 대해 측정된 전형적인 점도 범위는 25 ℃에서 약 1 내지 100 cP이고, 다른 양태로, 25 ℃에서 약 5 내지 75 cP의 범위이다. 용매로는, 비제한적으로, 물, 에틸 락테이트, 알데히드, 알코올, 예로서, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 테르피네올, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 헥실렌 글리콜 또는 글리세린, 폴리에테르, 예로서 디글림, 트리글림, 테트라글림, 에틸렌 글리콜 모노- 및 비스 알킬 에테르, 또는 이들의 혼합물이 있다. 용매는 용락 금속 잉크의 균형량으로 용락 금속 잉크에 포함시킬 수 있거나 첨가되어 약 100 중량%를 제공할 수 있다.
달리, 금속 잉크는 전도성 금속의 공급원 또는 용락제의 공급원으로서 금속 유기 전구체 (MO)와 환원제를 포함할 수 있다. 상기 언급된 바와 같은 용매 1종 이상을 포함시켜 나노입자의 현탁액을 형성시킬 수 있다. 용락 금속 잉크를 제조하기 위하여 다양한 MO 전구체를 사용할 수 있다. MO 전구체로는 환원제의 환원 전위의 전위적 포지티브에서 (예, 포르메이트의 경우 약 -0.20 V), 또는 환원제의 존재하에서 가열시 금속 상태로 환원되는 금속 이온 (M)이다. 금속의 금속 이온으로는, 비제한적으로, 은, 구리, 납, 니켈, 금, 팔라듐 및 백금이 있다.
환원제는 MO 전구체와의 반응을 위한 전자의 공급원을 제공할 수 있다. 실온에서, 환원제는 MO 전구체와 반응하지 않는다. 따라서, MO 전구체는 가용성, 예를 들어, 잉크젯 인쇄에 적합한 금속 잉크 용액에 남아 있을 수 있다. 환원제로는, 비제한적으로, 포르메이트, 할로겐화물, 니트레이트 염, 알코올, 알데히드, 아세탈, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 디포르메이트, 벤즈알데히드, 아세트알데히드 또는 이들의 혼합물이 있다. MO 전구체는 용락 금속 잉크 중에 약 0.1 중량% 내지 70 중량%, 또는 약 15 중량% 내지 50 중량%와 같은 양으로 포함될 수 있다.
용매 외에, 용락 금속 잉크는 금속 잉크가 반사방지층에 침착, 용해 및 접착되는 것을 향상시키기 위하여 다른 첨가제, 예를 들어, 바인더, 분산제 및 계면활성제를 포함할 수 있다. 상업적으로 입수가능한 분산제의 예는 DISPERBYK 분산제, 예로서 DISPERBYK 180, DISPERBYK 181, DISPERBYK 182, 및 DISPERBYK 183, BYK 분산제, 예로서 BYK 301, BYK 302, BYK 306, 및 BYK 320 (이들 모두 Byk Chemie, Wallingford, CT로부터 입수가능), 및 TAMOL™ 분산제, 예로서 TAMOL 681, TAMOL 1124, TAMOL 1254, TAMOL 165A, 및 TAMOL 2002 분산제 (The Dow Chemical Company, Midland, MI로부터 입수가능)이다. 분산제는 0.01 중량% 부터 10 중량% 까지의 범위로 사용할 수 있다. 상업적으로 입수가능한 계면활성제로는, 비제한적으로, TERGITOL™ TMN-10 계면활성제, TERGITOL 15-S-9, TERGITOL TMN-6, TERGITOL 15-S-30, PLURONIC 31R1, PLURONIC 103, 및 PLURONIC 121이 있다. 상업적으로 입수가능한 결합제로는, 비제한적으로, MORCRYL 350, MORCRYL 430 PLUS, 및 LUCIDENE 604가 있다.
용락은 적어도 약 400 ℃에서, 다른 양태로는, 약 400 ℃ 내지 1000 ℃, 다른 양태로는 650 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 수행할 수 있다. 용락 공정은 통상적인 오븐 또는 적외선 (IR) 벨트 퍼니스에서 수행할 수 있다. 용락 공정은 금속화 전에 반지방사층의 일부를 선택적으로 제거하는 통상적인 화상화, 사진석판술, 레이져 라이팅 또는 에칭법을 감소시키거나 이들에 대한 필요성을 제거한다. 그러한 단계의 감소 또는 제거는 통상적인 공정에서 사용되는 재료를 선행함으로써 가공 시간을 감소시킬 뿐만 아니라 제조 단가를 감소시킴으로써 제조방법의 효율성을 향상시킨다.
용락법에 의해 침착되는 금속 씨드층의 범위는 약 0.1 내지 12 ㎛ 또는 약 0.25 내지 2.5 ㎛이다. 이어서 광유도 도금법 (LIP)으로 씨드층에 적어도 1개의 추가의 금속층을 빌드-업시킨다. 추가의 금속층은 비제한적으로, 은, 구리, 니켈, 금, 팔라듐 또는 백금과 같은 금속을 포함할 수 있다. 추가의 금속은 은, 구리 또는 니켈 등일 수 있다. 광유도 도금은 도금된 층의 금속 두께가 적어도 약 1 ㎛, 또는 약 5 내지 20 ㎛, 또는 약 10 내지 15 ㎛에 도달할 때 까지 수행한다.
무전해 및 전해질 금속 도금욕 둘 다 사용하여 추가의 금속층을 침착시킬 수 있다. 무전해 및 전해질 금속 도금욕을 사용할 수 있다. 금속이 은인 경우, 시안화물이 없는 은 전기도금욕을 사용할 수 있다. 금속의 공급원이 무전해욕인 경우, 도금은 외부 전류의 인가없이 수행한다. 금속 공급원이 전해질욕으로 부터 유래되는 경우, 배면 전위 (정류기)를 반도체 웨이퍼 기판에 인가한다. 전류밀도의 범위는 약 0.1 A/dm2 내지 10 A/dm2, 다른 양태로, 약 약 0.5 A/dm2 내지 2 A/dm2 일 수 있다. 전류 요구조건은 사용되는 반도체 웨이퍼의 크기에 따른다. 광은 연속식 또는 펄스식일 수 있다. 반도체를 금속 도금욕에 침지시키고 광을 반도체에 인가한다. 상기 도금 공정에서 사용될 수 있는 광으로는, 비제한적으로, 가시광선, IR, 자외선 (UV) 및 X-선이 있다. 광공급원으로는, 비제한적으로, 백열램프, 발광 다이오드 (LED) 광, IR 램프, 형광 램프, 할로겐 램프 및 레이져가 있다.
도금셀은 금속 도금조에 대해 화학적으로 불활성인 물질로 제조된 것이며 전형적으로 최소 광투과율이 약 40 내지 60%이다. 달리, 웨이퍼를 도금셀에 수평으로 배치하여 위로부터 빛을 비추게 할 수 있는데, 이 경우 도금셀은 적어도 최소의 광투과율을 가질 필요가 없다.
반도체 웨이퍼의 전면 또는 에미터층을 광 에너지로 빛을 비추어줌으로써 반도체 웨이퍼의 에미터층에서 도금이 일어난다. 영향을 주는 광 에너지가 반도체 웨이퍼에서 전류를 발생시킨다. 전면 상에서의 도금 속도는 주로 전류 공급원, 전형적으로 정류기로부터 인가되는 전류에 의해 조정될 수 있다. 광도, 욕의 온도, 환원제 활성, 웨이퍼 출발 조건, 도핑 수준 뿐만 아니라 기타 파라미터를 조절하는 것이 또한 도금 속도에 영향을 줄 수 있다.
본 발명에 따라서 제조된 금속 콘택트는 반도체 소자의 효율을 증가시켜 비교할만한 크기와 유니트 면적을 갖는 수많은 통상의 반도체 소자와 비교하여 증가된 출력을 제공한다. 개방 회로 전류 (ISC), 필팩터 (fill factor; FF) 및 풀 전지 효율과 같은 파라미터는 용락 및 광 유발된 도금법에 따라서 제조된 반도체의 경우가 수많은 통상적인 공정으로 제조된 반도체 소자 보다 더 높다. FF가 더 높으면 높을수록 효율은 더 좋아진다. 용락시키고 LIP 방법으로 제조된 반도체 소자의 FF는 비교할만한 크기와 유니트 면적을 갖는 수많은 통상의 소자 보다 더 높은 FF를 갖는다. 전형적으로, 그러한 파라미터는 솔라 시뮬레이터로 알려진 장치를 사용하여 산업계에서 측정한다. 그러한 시뮬레이터의 예는 QuickSun® 120CA, 540LA 및 700A 전지 솔라 시뮬레이터가 있으며 Endeas Oy, Espoo, Finland로부터 입수가능하다. 그러한 장치는 결정질 및 박막 광전 제품 둘 다의 특성화에도 사용된다.
본 방법은 또한 섀도우를 감소시키는 미세 라인 전류 트랙을 형성시킬 수 있으며 입사광 흡수율을 향상시킨다. 용락과 광유도 도금 공정은 사진석판술 및 레이져 라이팅과 같은 다른 방법에서 그러한 단계를 제거함으로써 반도체 제품의 제조시 단계의 수를 감소시키며 재료가 파괴되는 것을 감소시켜 반도체 소자의 전체적인 제조 단가를 절감시킨다. 또한, 용락 및 광유도 도금 공정은 통상의 반도체 소자와 비교하여 금속층과 반도체 표면 사이에 개선된 오믹 콘택트를 제공한다. 또한, 본 방법은 더 적은 양의 금속을 전지에 도포시켜 전지 물질 단가를 더 절감시킨다. 이는 씨드층 또는 빌드업 금속층용으로 귀금속을 사용하는 경우 특히 바람직하다. 또한, 광유도 도금법을 사용하여 용락 잉크를 인쇄하는 방법은 제조 라인에 있어서 초당 웨이퍼의 스루풋 (throughput)에 더 좋은 결과를 제공한다.
다음 실시예는 설명을 목적으로 포함되는 것이지 범주를 제한하고자 함이 아니다.
실시예 1
용락 금속 잉크는 분말 은 금속 나노 입자 20 중량% (다음 문헌: B.Y. Ahn, E.B. Duoss, M.J. Motala, X. Guo, S.-I. Park, Y. Xiong, J. Yoon, J. Yoon, R.G. Nuzzo, J.A. Rogers, 및 J.A. Lewis, "Omnidirectional Printing of Flexible, Spanning, and Stretchable Silver Microelectrodes," Science, 323, 1590-93 (2009)에 기재된 방법으로 제조), 글래스 프리트를 함유하는 상업적으로 입수가능한 독점적인 PbO 페이스트의 나노입자 5 중량% 및 금속 잉크 조성물을 100 중량%가 되도록 하기에 충분한 양의 에틸렌 글리콜 용매를 혼합하여 제조하고 나노입자의 균일한 현탁액을 형성시킨다. 은 나노입자의 평균 직경 범위는 250 내지 350 nm이고 PbO 글래스 프리트 페이스트의 나노입자의 평균 직경 범위는 50 내지 150 nm이다. PbO 글래스 프리트 페이스트를 에틸렌 글리콜 60 중량%와 물 40 중량%의 혼합물과 배합하여 균일한 현탁액을 형성시킨다. 이어서, 상기 현탁액을 1 내지 0.1-5 mm 지르코니아 비드를 사용하여 상업적으로 입수가능한 TAMOL™681 Dispersant의 존재하에서 24시간 동안 볼 분쇄하여 나노크기의 입자를 제공한다.
전면 상에 피라미드상의 융기부가 있으며 표면적이 243 ㎠인, 60개의 도핑된 단결정질 및 다결정질 실리콘 웨이퍼를 제공한다 (Wafernet, San Jose, CA로부터 상업적으로 입수가능). 각각의 도핑된 실리콘 웨이퍼는 웨이퍼의 전면 상에 n+ 도핑된 영역을 갖고 있으며 이는 에미터층을 형성한다. 각각의 웨이퍼는 상기 에미터층 아래에 pn-접합부를 갖는다. 각 웨이퍼의 전면을 Si3N4로 구성된 부동태화 또는 반사방지층으로 코팅시킨다. 각 웨이퍼의 배면은 p+ 도핑되어 있으며 스크린 인쇄된, 상업적으로 입수가능한 알루미늄 솔라 페이스트 (Electroscience Laboratories, King of Prussia, PA로부터 상업적으로 입수가능)로 코팅시킨다.
은 잉크를 DirectMask™ DoD 65 잉크젯 프린팅 장치 (SCMID GmbH and Co., Freudenstadt, Germany로부터 상업적으로 입수가능)의 저장소에 넣는다. 한번에 20개의 단결정질 도핑된 웨이퍼를 상기 잉크젯 장치의 인가 플레이트 상에 놓고 은 잉크를 Si3N4 반사방지층 위에 선택적으로 침착시켜 다수의 평행한 전류 트랙을 형성시킨다. 각각의 침착 부위 위를 잉크젯 노즐을 5회 통과시키면 전류 트랙이 형성된다. 프린트헤드의 온도는 35 ℃이고, 침착되는 물질의 폭은 80 ㎛이다. 프린트헤드의 드롭 빈도는 5 kHz이다. 플레이튼 (stage)을 70 ℃로 가열한다. 인쇄된 패턴에는 부스바가 2개 (2 mm 폭)인 69개의 전류 라인이 포함되어 있다. 인쇄된 전류 라인의 라인 폭은 80 ㎛이다. 씨드층을 도포한 후, 각 웨이퍼를 공기 건조시킨 다음 IR 벨트 퍼니스 (Sierra Therm, Watsonville, CA로부터 상업적으로 입수가능)에서 소성시킨다. 웨이퍼를 850 ℃로 5초간 가열하여 은 잉크로부터 용매를 제거하고 상기 은 금속 잉크를 용락시켜 Si3N4 반사방지 코팅을 갖도록 하고 반도체 웨이퍼의 하부 에미터층과의 오믹 콘택트를 형성시킨다. 이어서 상기 웨이퍼를 오븐에서 회수하여 실온으로 냉각시킨다.
이어서 각각의 웨이퍼를 Amray 1830 주사전자현미경 (SEM; Amray Inc., Bedford, MA로부터 상업적으로 입수가능)으로 조사하여 각각의 전류 트랙의 은 씨드층의 높이와 폭을 측정한다. 평균 높이는 0.5 ㎛이고 평균 폭은 80 ㎛인 것으로 측정되었다.
전류 트랙을 잉크젯 인쇄하는 방법을 나머지 웨이퍼에 대해서 반복한다. 20개의 웨이퍼에는 은 잉크를 10회 통과시키고 또 다른 20개의 웨이퍼에는 은 잉크를 20회 통과시켜 각 웨이퍼 당 69개의 전류 트랙을 형성시킨다. 10회 통과시킨 웨이퍼의 평균 두께는 1 ㎛이고 평균 폭은 80 ㎛ 이었다. 20회 통과시킨 웨이퍼의 평균 두께는 2 ㎛이고 평균 폭은 80 ㎛ 이었다. 웨이퍼를 850 ℃로 5초간 가열하여 은 잉크로부터 용매를 제거하고 상기 은 금속 잉크를 용락시켜 Si3N4 반사방지 코팅을 갖도록 하고 반도체 웨이퍼의 하부 에미터층과의 오믹 콘택트를 형성시킨다. 상기 웨이퍼를 콘벡션 오븐에 놓고 10분간 800 ℃ 내지 825 ℃에서 가열하여 은 잉크로부터 용매를 제거하고 상기 은 금속이 Si3N4 코팅을 용락시키도록 하고 상기 잉크로부터 은이 웨이퍼의 에미터층과의 오믹 콘택트를 형성하도록 한다. 웨이퍼를 오븐으로부터 회수하여 실온으로 냉각시킨다.
이어서 각각의 웨이퍼를 동일한 SEM으로 조사하여 각 전류 트랙의 높이와 폭을 측정한다. 잉크를 10회 통과시킨 웨이퍼의 평균 높이는 1 ㎛이고 평균 폭은 80 ㎛인 것으로 측정되었다. 잉크를 20회 통과시킨 웨이퍼의 평균 높이는 2 ㎛이고 평균 폭은 80 ㎛이었다.
이어서 하기 표에 기재된 바와 같이 수성 시안화물이 없는 은 금속 전기도금욕을 사용하여 10 ㎛의 은 금속층을 광유도 도금법으로 웨이퍼 절반의 전류 트랙에 도금한다.
성분 양
은 메탄 술포네이트로서 은 9 g/L
메탄 술폰산 용액 (수산화칼륨 용액으로 70% 중화시킨 것) 15 g/L
글리신 10 g/L
보락스(Borax) 25 g/L
4-니트로프탈산 4 g/L
니코틴산 아미드 15 g/L
1,3-디데실-2-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1% 수용액) 5 mL/L
충분한 용적의 은 전기도금욕을 다수의 도금셀에 넣고 셀을 채운다. 도금욕의 pH 범위는 9.5 내지 10.5이다. 욕의 온도는 도금 중 25 ℃ 내지 35 ℃로 유지한다. 도금셀에는 250 와트의 램프와 은 양극이 장착되어 있다. 웨이퍼의 절반을 상기 도금셀에서 도금욕으로 담근다. 통상의 정류기가 전류의 공급원을 제공한다. 욕, 웨이퍼, 은 양극 및 정류기는 서로 전기적으로 소통된다. 램프로부터 빛이 조사됨에 따라 1 내지 5 A/dm2의 전류 밀도가 인가된다. 도금을 15분간 수행하여 은 씨드층 위에 10 ㎛의 전기도금된 은층을 침착시킨다.
이어서 전기도금된 은을 테이프 시험법: IPC-TM-650 2.4.1을 사용하여 접착에 대해 평가한다. 1.27 cm 폭의 3M 600 Brand 테이프의 스트립 (3M Company, St. Paul, MN으로부터 상업적으로 입수가능)을 상기 샘플에 붙인다. 포획된 공기를 제거하고 약간 짧은 시간 동안 접착시킨 후, 테이프를 웨이퍼의 표면에서 90도 각도로 힘차게 제거한다. 테이프 시험 후 웨이퍼로부터 은이 제거되지 않은 것으로 관찰되었다.
실시예 2
이어서 상업적으로 입수가능한 QuickSun® 120 CA 셀 솔라 시뮬레이터를 사용하여 방사조도 감쇄 셀 분석법 (IDCAM)으로 각 웨이퍼의 ISC를 측정한다. 씨드층 두께가 0.5 ㎛, 1 ㎛, 및 2 ㎛인 샘플을 850 ℃에서 5초간 소성시킨다. 각 웨이퍼의 ISC를 암페어로 측정한다. 이어서 샘플을 광유도 도금법으로 실시예 1에 기재된 욕에서 1.5 ASD의 전류밀도로 전기도금한다. 도면 1에 설명된 바와 같이 평균 수치를 그래프상으로 비교한다. 소성시키고 광유도 도금시킨 웨이퍼는 최대 평균 ISC 값을 갖는다. 1 또는 2 ㎛의 씨드층을 갖는 웨이퍼의 최대 평균 ISC 값은 대략 8 암페어인 것으로 나타났다. 상기 씨드층에 광유도 도금되는 은층을 부가하면 광발전된 전류가 향상되었다.
실시예 3
실시예 2에서 논의된 각 웨이퍼의 전지 효율 (CE)을 QuickSun® 120 CA 셀 솔라 시뮬레이터를 사용하여 방사조도 감쇄 셀 분석법 (IDCAM)으로 측정한다. 각 웨이퍼의 CE는 퍼센트로 측정한다. 평균 수치를 도면 2에 설명된 바와 같이 그래프상으로 비교한다. 소성시키고 광유도 도금시킨 웨이퍼는 최대 평균 퍼센트 효율 값을 갖는다. 잉크젯 인쇄 후 씨드층의 두께가 1 내지 2 ㎛인 웨이퍼는 대략 12%의 최대 평균 퍼센트 효율값을 나타냈다. 용락과 광유도 도금 은층의 조합으로 반도체 효율이 향상되었다.
실시예 4
실시예 1에서의 잉크를 Optomec brand single nozzle R&D 등급 에어로졸 프린터 (Optomec, St. Paul, MN으로부터 상업적으로 입수가능)의 저장소에 충진한다. 프린터를 사용하여, 전류 라인이 69개이고 부스바가 2개인 패턴을 실시예 1에서와 동일한 타입의 태양전지 웨이퍼 5개의 표면에 인쇄한다. 각 웨이퍼 위를 프린터가 50회 통과하도록 하여 상기 패턴을 침착시킨다. 인쇄 후, 인쇄된 라인의 폭은 평균 50 ㎛이고 높이는 10 ㎛ 이었다. 상기 웨이퍼를 실시예 1에서와 동일한 조건하에서 소성시키고, 전지를 또한 실시예 4에서와 동일한 은 도금욕에서 동일한 조건하에서 LIP 도금한다.
또한, 상업적 페이스트 샘플 A, B 및 C를 함유하는 것을 스크린 인쇄하여 실시예 1에서 사용되는 것과 동일한 타입의 웨이퍼 상에 2 mm 폭의 부스바 2개가 있는 폭 80 ㎛인 전류 라인 69개를 형성시킨다. 이들 상업적인 페이스트는 대표적인 공업용 제품이며, PbO를 함유하는 글래스 프리트가 있는 커다란 3 내지 5 ㎛의 은 플레이크 입자로 이루어져 있다. 상기 페이스트 샘플의 평균 라인 폭은 80 내지 100 ㎛이고 두께가 8 내지 10 ㎛이다. 이어서 이들 전지를 실시예 1에서의 전지에서와 동일한 조건하에서 소성시키고 전기도금한다. 도금 후, 이들 전지의 2.3 cm 폭의 스트립을 웨이퍼 커터를 사용하여 조심스럽게 회수한다. 유사한 2.3 cm 폭의 스트립을 에어로졸 프린터로 씨드층을 침착시킨 전지로부터 회수한다. 각 경우의 각 전지로부터의 이들 2.3 cm 폭의 스트립을 부스바에 평행한 방향으로 절단하고, 일련의 전기적으로 단리된 2.3 cm 길이의 평행한 라인을 구성한다. 그러한 일련의 라인으로부터, 트랜스퍼 라인법 (transfer line method)으로 접촉 저항을 측정할 수 있다. 쏘스 미터를 사용한 4점 프로브 측정치 (Keithley Series A 2600A SourceMeter, Cleveland, OH로부터 상업적으로 입수가능)와 트랜스퍼 라인법을 사용하여 각 샘플에 대해 접촉 저항을 계산하여, 도면 3에 표시하였다. 에어로졸 인쇄된 전지는 모든 샘플에서 최저 평균 접촉 저항을 나타냈다. 은 광유도 도금된 에어로졸 인쇄된 전지는 광유도 은도금법으로 스크린 인쇄한 전지와 비교하여 향상된 접촉 저항을 갖는다. 에어로졸 인쇄된 씨드층 샘플에 대한 평균 접촉 저항은 3 m-ohm-㎠의 순이었다.
박스는 데이타에 대한 값의 범위를 표시하며 박스의 중앙선은 평균을 나타낸다. 접촉 저항이 더 낮다는 것은 전지의 전체적인 저항이 감소되어 효율이 더 높아짐을 나타낸다.

Claims (10)

  1. a) 50 nm 내지 200 nm의 직경을 갖는 글래스 프리트(glass frit) 나노입자 0.05 중량% 내지 20 중량% 및 용매를 포함하는 용락 (burn-through) 금속 잉크를 제공하는 단계;
    b) 상기 용락 금속 잉크를 잉크젯 또는 에어로졸에 의하여 반도체 기판상의 반사방지 코팅에 선택적으로 도포하는 단계;
    c) 반사방지 코팅과 용락 금속 잉크가 있는 반도체 기판을 650 ℃ 내지 1000 ℃에서 소성시켜 용락 금속 잉크로부터의 금속과 반도체 기판 사이에 옴 접촉 (Ohmic contact)을 제공하는 단계; 및
    d) 광유도 도금법으로 용락 금속 잉크로부터의 금속 위에 금속층 1개 이상을 침착시키는 단계를 포함하는
    금속 콘택트의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 용락 금속 잉크가 금속 분말, 금속염, 금속 유기 화합물, 금속 착화합물 또는 이들의 혼합물의 형태로 금속을 포함하는, 금속 콘택트의 형성방법.
  3. 제2항에 있어서, 금속이 직경 1000 nm 또는 그 미만의 입자인, 금속 콘택트의 형성방법.
  4. 제2항에 있어서, 금속이 은, 금, 팔라듐, 백금, 구리, 주석, 니켈, 코발트, 철 및 납으로부터 선택되는, 금속 콘택트의 형성방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 광유도 도금법으로 침착된 금속층이 은, 금, 팔라듐, 백금, 구리, 주석, 니켈, 코발트, 철 및 납으로부터 선택되는, 금속 콘택트의 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 광유도 도금법으로 도금된 금속의 두께가 5 ㎛ 내지 20 ㎛인, 금속 콘택트의 형성방법.
  10. 삭제
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8889471B2 (en) * 2011-05-09 2014-11-18 Sichuan Yinhe Chemical Co., Ltd. Burnthrough formulations
US9175182B2 (en) * 2012-02-29 2015-11-03 Dip-Tech Ltd. Ink
US8586480B1 (en) 2012-07-31 2013-11-19 Ixys Corporation Power MOSFET having selectively silvered pads for clip and bond wire attach
CN103811581B (zh) * 2012-11-08 2016-05-18 上海神舟新能源发展有限公司 一种喷墨印刷制作晶体硅太阳电池的方法
TW201611198A (zh) * 2014-04-11 2016-03-16 阿爾發金屬公司 低壓燒結粉末
FR3072037B1 (fr) * 2017-10-05 2019-11-08 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede ameliore d'impression d'un substrat par jet d'aerosol, et systeme d'impression pour la mise en œuvre du procede
DE102018001057A1 (de) * 2018-02-07 2019-08-08 Aic Hörmann Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Verbesserung des ohmschen Kontaktverhaltens zwischen einem Kontaktgitter und einer Ermitterschicht einer Siliziumsolarzelle
CN111393893A (zh) * 2020-03-09 2020-07-10 广东四维新材料有限公司 5g介质陶瓷滤波器喷镀用纳米银溶液及其制备、喷镀方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009059302A1 (en) * 2007-11-02 2009-05-07 Alliance For Sustainable Energy, Llc Fabrication of contacts for silicon solar cells including printing burn through layers
CN101562217A (zh) * 2009-05-22 2009-10-21 中国科学院电工研究所 一种太阳电池前电极制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5543333A (en) * 1993-09-30 1996-08-06 Siemens Solar Gmbh Method for manufacturing a solar cell having combined metallization
US7556748B2 (en) * 2005-04-14 2009-07-07 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method of manufacture of semiconductor device and conductive compositions used therein
WO2007085448A1 (de) 2006-01-25 2007-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum herstellen einer metallischen kontaktstruktur einer solarzelle
US20080035489A1 (en) 2006-06-05 2008-02-14 Rohm And Haas Electronic Materials Llc Plating process
US20080003364A1 (en) 2006-06-28 2008-01-03 Ginley David S Metal Inks
US7736546B2 (en) * 2008-01-30 2010-06-15 Basf Se Glass frits
US7833808B2 (en) * 2008-03-24 2010-11-16 Palo Alto Research Center Incorporated Methods for forming multiple-layer electrode structures for silicon photovoltaic cells
US9150966B2 (en) * 2008-11-14 2015-10-06 Palo Alto Research Center Incorporated Solar cell metallization using inline electroless plating

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009059302A1 (en) * 2007-11-02 2009-05-07 Alliance For Sustainable Energy, Llc Fabrication of contacts for silicon solar cells including printing burn through layers
CN101562217A (zh) * 2009-05-22 2009-10-21 中国科学院电工研究所 一种太阳电池前电极制备方法

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