KR101909821B1 - 태양전지의 전극 제조방법 - Google Patents

태양전지의 전극 제조방법 Download PDF

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김동환
강윤묵
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박성은
신승현
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 태양전지의 전극 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법은 (a) 실리콘층으로 형성된 에미터 (emitter, 20)의 상면에 적층된 반사방지막 상부에, 금속분말, 및 유리프릿 (glass frit)을 포함하는 전도성 페이스트(40)를 전극 형태로 패턴화하여 배치하는 단계(S100), (b) 패턴화된 전도성 페이스트(40)를 가열하여 소성하는 단계(S200), 및 (c) 상기 (b) 단계의 소성 진행 중에, 광을 조사하는 단계(S300)를 포함한다.

Description

태양전지의 전극 제조방법{METHOD FOR FABRICATING ELECTRODE OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지의 전극 제조방법에 관한 것이다.
화석연료 고갈 및 환경오염에 대비한 대체 에너지로서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양전지는 청정 에너지원인 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 이러한 태양전지는 간단하게는 시계나 계산기 등의 전원으로, 크게는 이동통신 기지국, 인공위성 등의 전기 에너지원으로 사용되고 있다.
p형과 n형 2종류의 실리콘 반도체를 사용해 전기를 일으키는 실리콘 태양전지는 도 1에 도시된 바와 같이, p형 반도체 기판(1) 상에 n형 반도체 기판 (에미터, 2)이 배치되고, n형 반도체 기판(2)의 상부면, 즉 태양광을 수광하는 수광면에 반사 방지막(3)이 형성되며, 그 수광면에는 전면 전극(4)이, p형 반도체 기판(1)의 하부면에는 후면 전극(5)이 구비되는 구조로 이루어진다. 여기서, p형 반도체 기판(1)과 n형 반도체 기판(2)이 접합하는 p-n 접합부에 태양광이 입사되면, 전자-정공쌍이 생성되고, 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하여 광기전력(전위차)이 발생하므로, 전면 전극(4)과 후면 전극(5)에 부하를 연결하여 전류를 흐르게 할 수 있다.
한편, 실리콘 태양전지를 제조하는 과정에서, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 금속 성분이 포함된 페이스트를 실리콘 반도체 기판 위의 반사 방지막에 인쇄하고 이를 소성하여, 전면 전극을 형성한다. 소성 과정에서 페이스트에 포함된 유리 성분이 절연성 반사 방지막을 식각하므로, 고농도로 도핑된 반도체 기판과 금속전극이 직접 접촉하여 오믹-접촉(Ohmic Contact)을 형성한다.
이때, 최종적으로 형성된 금속전극은 금속성분과 유리성분, 그리고 미세한 금속결정성분으로 이루어지고, 소성 과정에서 용융된 유리성분이 금속성분으로부터 금속이온을 공급받아 기판과의 접촉을 형성시킨다.
여기서, 유리성분의 유동성을 확보하면서 금속이온을 기판 표면으로 이동시키기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하므로, 소성은 850 ~ 950 ℃ 의 고온에서 이루어져야 한다. 그러나 이러한 고온 소성은 전극이 형성되지 않는 반사 방지막의 다른 영역과 기판에 대한 열적 손상을 야기한다.
또한, 기판과의 접촉을 형성하기 위한 금속이온의 환원 효율이 떨어지고, 이로 인해 많은 양의 금속을 소모해야 하는 문제점도 있다. 특히, 고가의 Ag 를 다량 사용하여 금속전극을 제조하는 경우에는 태양전지의 제조원가 상승 원인이 된다.
이에 종래의 태양전지 전극 형성기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2008-0099406 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 금속분말 및 유리프릿을 포함한 전도성 페이스트를 패턴화하여 소성하는 과정에서 광을 조사하는 태양전지의 전극 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법은 (a) 실리콘층로 형성된 에미터 (emitter)의 상(on)에 적층된 반사 방지막 상면에, 금속분말, 및 유리프릿 (glass frit)을 포함하는 전도성 페이스트를 전극 형태로 패턴화하여 배치하는 단계; (b) 패턴화된 상기 전도성 페이스트를 가열하여 소성하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 소성 진행 중에, 광을 조사하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 전도성 페이스트는 용융된 상기 유리프릿으로 형성된 기저층 상에, 상기 금속분말로 형성된 상부층이 적층되는 형태로 배치된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 에미터는 p형 및 n형 중 어느 하나인 제1형 실리콘 기판 상에, 다른 하나인 제2형 실리콘층이 적층되어 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 유리프릿은 상기 (b) 단계의 소성 과정에서 용융되고, 상기 금속분말을 이온화하며, 상기 반사 방지막을 식각하여 관통공을 형성하고, 상기 금속분말이 이온화된 금속이온이 용융된 상기 유리프릿 내에서 이동하여 상기 관통공으로 유입된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 광은 상기 에미터의 상면에 캐리어를 생성하고, 상기 캐리어는 상기 금속이온을 환원시킨다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 광은 300 ~ 800 nm의 파장을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 유리프릿은 PbO, Bi2O3, TeO2, SiO2, Al2O3, 및 ZnO 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법에 있어서, 상기 금속분말은 Ag, Au, Al, Ni, Pt, Cu, Ti, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 금속분말 및 유리프릿을 포함한 전도성 페이스트를 패턴화하여 소성하는 과정에서 광을 조사함으로써, 실리콘층 표면에 더 많은 캐리어를 형성하여 금속이온을 더 효과적으로 환원시킬 수 있고, 나아가 상대적으로 저온에서 소성 공정을 진행할 수 있는바, 반사 방지막 및 실리콘층의 열적 손상을 방지한다.
또한, 광 조사에 따라 실리콘층과 금속전극의 접촉 형성 반응이 촉진되므로, 소모되는 전극소재 금속의 양을 저감하여 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법의 순서도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법의 공정도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법의 순서도이고, 도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법의 공정도이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법은 (a) 실리콘층으로 형성된 에미터 (emitter, 20)의 상(on)에 적층된 반사 방지막(30) 상면에, 금속분말, 및 유리프릿 (glass frit)을 포함하는 전도성 페이스트(40)를 전극 형태로 패턴화하여 배치하는 단계(S100), (b) 패턴화된 전도성 페이스트(40)를 가열하여 소성하는 단계(S200), 및 (c) 상기 (b) 단계의 소성 진행 중에, 광을 조사하는 단계(S300)를 포함한다.
본 발명은 태양전지의 전극 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 p형과 n형 2종류의 실리콘 반도체를 사용하는 실리콘 태양전지의 전면 전극(100)을 형성하는 방법에 관한 것이다. 종래의 실리콘 태양전지 전면 전극은 금속 성분이 포함된 페이스트를 실리콘 기판 위의 반사 방지막에 인쇄하고 이를 고온 소성하여 형성하는데, 이때 반사 방지막과 기판에 대한 열적 손상이 발생하고, 기판에 접촉하는 금속이온의 환원 효율이 떨어지며, 이로 인한 제조원가 상승이 문제되는바, 이를 해결하기 위한 방안으로서 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법이 안출되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 태양전지의 전극 제조방법은 전도성 페이스트 배치단계(S100), 가열 소성단계(S200), 및 광 조사단계(S300)를 포함한다.
먼저, 전도성 페이스트 배치단계(S100)에서 전도성 페이스트(40)를 반사 방지막(30)의 상면에 전극 형태로 배치한다.
여기서, 반사 방지막(30)은 에미터(20)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화하고 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킬 수 있도록 에미터(20)의 상면에 단일막 또는 다층막 형태로 형성된다.
에미터(20)는 불순물이 도핑된 실리콘 반도체로 이루어진 실리콘층으로 형성된다. 이때, 실리콘 태양전지는 p형 또는 n형 불순물로 각각 도핑된 실리콘 반도체가 적층되는 구조를 가지므로, 에미터(20)는 다른 형 (type)의 실리콘 기판(10) 상에 배치된다. 즉, p형 및 n형 중 어느 하나인 제1형 실리콘 기판(10) 상에, 다른 하나인 제2형 실리콘층이 적층되어 에미터(20)가 형성되는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 p형 실리콘 반도체 기판 상에 n형 실리콘 반도체로 에미터(20)를 형성하거나, 또는 n형 실리콘 반도체 기판 상에 p형 실리콘 반도체로 에미터(20)를 형성할 수 있다. 이때, 어느 경우든 계면에서 p-n 접합부가 생성된다.
이러한 에미터(20) 상면에, 전도성 페이스트(40)가 원형 또는 그리드 등 다양한 형태의 패턴으로 도포되는데, 도포 방법으로는 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, blanding, 토출 기법 등을 사용할 수 있다. 다만, 도포 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니므로 어떠한 공지된 도포 기술을 이용하여도 무방하다.
한편, 전도성 페이스트(40)는 금속분말 및 유리프릿을 포함한다.
금속전극은 전도성 페이스트(40)와 반사 방지막(30)과의 계면 반응을 통해서 형성되는데, 여기서 금속분말이 후속 단계인 소성 공정에서 이온화되었다가 반사 방지막(30)을 통과해 금속으로 석출되면서 에미터(20)와 오믹-접촉(Ohmic Contact)을 형성한다. 이러한 금속분말은, 예를 들어 Ag, Au, Al, Ni, Pt, Cu, Ti, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
유리프릿 (glass frit)은 소성 공정 중 반사 방지막(30)을 에칭하고, 석출된 금속과 에미터(20) 사이의 접착력을 향상시키는 중요한 역할을 한다. 이러한 역할을 수행하기 위한 유리프릿은 PbO, Bi2O3, TeO2, SiO2, Al2O3, 및 ZnO 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있는데, 그렇다고 하여 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
전도성 페이스트(40)가 패턴화되어 배치되면, 가열 소성단계(S200)를 수행한다. 소성단계에서는 유리프릿이 용융되어 유동성을 가질 수 있도록 적정한 온도로 가열한다. 이때, 용융된 유리프릿은 전도성 페이스트(40)의 하부로 이동하여 기저층(41)을 형성하는바, 전도성 페이스트(40)는 기저층(41)과 그 위에 금속분말로 형성된 상부층(43)이 적층된 구조로 마련된다. 여기서, 용융된 유리프릿은 상부층(43)의 금속분말을 이온화하고, 동시에 반사 방지막(30)의 일부 영역을 식각하여 관통공(35)을 형성한다. 이때, 관통공(35)을 통해 에미터(20)의 상면 중 일부 영역이 노출되고, 관통공(35) 내부는 용융된 유리프릿으로 채워진다.
한편, 유리프릿에 의해 이온화된 금속이온(45)은 용융된 유리프릿 내에서 이동하여, 관통공(35)으로 유입된다.
마지막으로, 소성 공정이 진행되는 동안에, 광을 조사한다(S300). 이때 사용되는 광원(8)은 램프, LED, 레이저 등 어떠한 형태라도 무방하다.
광원(8)에서 발생한 광은 태양전지의 전면을 향하는 방향으로 조사된다. 따라서, p-n 접합에서 전자-전공쌍이 생성되어, 에미터(20) 표면에 많은 캐리어가 확보된다. 이때, 확보된 캐리어, 특히 전자는 용융된 유리프릿 내에 존재하는 금속이온(45)을 효과적으로 환원시킴으로써, 금속을 석출하여 에미터(20)와의 접촉을 형성하게 한다. 즉, 소성 공정 중 광 조사를 동시에 진행하여, 에미터(20) 표면에 전자를 더 많이 생성함으로써, 잉여 전자가 관통공(35) 내의 산화된 금속이온(45)에 공급되어 환원반응을 통해 금속으로 석출되고, 석출된 금속이 에미터(20)와 접촉하는 것이다.
본 발명에서 에미터(20)는 상술한 바와 같이, p형 실리콘 반도체, 또는 n형 실리콘 반도체를 사용할 수 있는바, p형 실리콘 반도체의 경우에는 소수 캐리어로서의 전자가, n형 실리콘 반도체의 경우에는 다수 캐리어로서의 전자 중 잉여 전자가 금속이온(45)으로 공급된다.
여기서, 잉여 전자를 효과적으로 생성하기 위해서, 조사되는 광을 실리콘 반도체가 흡수 가능한 영역의 파장 중 단파장을 갖는 광으로 제한할 수 있다. 광의 파장이 짧을수록 실리콘 반도체의 침투도가 낮아지고, 표면 근처에서 광이 흡수되어 전자가 생성되므로 그 효과를 극대화시킬 수 있다. 이때, 광의 파장 영역은 300 ~ 800 nm 일 수 있고, 그 영역대에서도 상대적으로 짧은 파장을 사용할 수 있다. 다만, 광의 파장이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 조사단계는 개방 회로 (도 4의 (A) 참조)를 구성하거나, 또는 단락 회로 (도 4의 (B) 참조)를 구성하여 수행할 수 있다. 여기서, 단락 회로는 에미터(20)에 접촉되는 전면 전극(100)과 에미터(20) 하부에 배치된 실리콘 반도체 기판(10)에 배치된 후면 전극(200)을 전기적으로 연결하여 구현할 수 있다.
이때, 단락 회로를 구성하는 이유는 광기전력을 전면 전극(100)과 후면 전극(200) 사이로 제한함으로써, 광생성된 잉여 전자가 전면 전극(100)으로 주로 오리게 되는 효과가 발생하여 효율적으로 본 발명에 따른 금속 이온 환원이 가능하기 때문이다.
종합적으로, 본 발명에 따르면, 금속분말 및 유리프릿을 포함한 전도성 페이스트를 패턴화하여 소성하는 과정에서 광을 조사함으로써, 실리콘층 표면에 더 많은 캐리어를 형성하여 금속이온을 더 효과적으로 환원시킬 수 있고, 나아가 상대적으로 저온에서 소성 공정을 진행할 수 있는바, 반사 방지막 및 실리콘층의 열적 손상을 방지한다.
또한, 광 조사에 따라 실리콘층과 금속전극의 접촉 형성 반응이 촉진되므로, 소모되는 전극소재 금속의 양을 저감하여 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1, 10: 실리콘 기판 2, 20: 에미터
3, 30: 반사 방지막 4, 100: 전면 전극
5, 200: 후면 전극 35: 관통공
40: 전도성 페이스트 41: 기저층
43: 상부층 45: 금속이온

Claims (8)

  1. (a) 실리콘층으로 형성된 에미터 (emitter)의 상(on)에 적층된 반사 방지막 상면에, 금속분말, 및 유리프릿 (glass frit)을 포함하는 전도성 페이스트를 전극 형태로 패턴화하여 배치하는 단계;
    (b) 패턴화된 상기 전도성 페이스트를 가열하여 소성하는 단계; 및
    (c) 상기 (b) 단계의 소성 진행 중에, 광을 조사하는 단계;를 포함하고,
    상기 에미터는, p형 및 n형 중 어느 하나인 제1형 실리콘 기판 상에 적층된 다른 하나인 제2형 실리콘층으로, 상기 제1형 실리콘 기판과의 계면에서 p-n 접합부를 형성하며,
    상기 (c) 단계 이전에, 상기 전도성 페이스트와 상기 제1형 실리콘 기판에 형성된 후면 전극을 전기적으로 연결하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (b) 단계에서, 상기 유리프릿은 용융되고, 상기 금속분말을 이온화하며, 상기 반사 방지막을 식각하여 관통공을 형성하고, 상기 금속분말이 이온화된 금속이온이 용융된 상기 유리프릿 내에서 이동하여 상기 관통공으로 유입되며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 p-n 접합부에서 생성된 전자가 상기 관통공으로 이동하여 상기 금속이온을 환원시켜, 금속으로 석출하는 태양전지의 전극 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 전도성 페이스트는
    용융된 상기 유리프릿으로 형성된 기저층 상에, 상기 금속분말로 형성된 상부층이 적층되는 형태로 배치되는 태양전지의 전극 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광은 300 ~ 800 nm의 파장을 가지는 태양전지의 전극 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리프릿은
    PbO, Bi2O3, TeO2, SiO2, Al2O3, 및 ZnO 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 태양전지의 전극 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속분말은
    Ag, Au, Al, Ni, Pt, Cu, Ti, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 태양전지의 전극 제조방법.
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