KR101960466B1 - 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
도전성 분말, 금속 유리, 그리고 유기 비히클을 포함하고, 상기 금속 유리는 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 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.
그러나 도전성 페이스트에 사용하여 전극을 형성하는 경우, 도전성 페이스트에 포함되어 있는 유리 프릿에 의해 전극의 도전성이 떨어질 수 있다.
일 구현예는 전극의 도전성을 개선할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.
다른 일 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 금속 유리, 그리고 유기 비히클을 포함하고, 상기 금속 유리는 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 도전성 페이스트를 제공한다.
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전의 비저항보다 약 1% 내지 약 95% 감소한 비저항을 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화될 수 있다.
상기 금속 유리는 적어도 둘 이상의 원소를 포함할 수 있고, 상기 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소가 우선적으로 결정화될 수 있다.
상기 도전성이 가장 높은 원소는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 유리의 유리 전이 온도는 약 100℃ 이상일 수 있다.
상기 도전성 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 30중량% 내지 약 99중량%, 약 0.1중량% 내지 약 20중량% 및 잔량으로 포함될 수 있다.
다른 일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화될 수 있다.
상기 금속 유리는 적어도 둘 이상의 원소를 포함할 수 있고, 상기 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소가 우선적으로 결정화될 수 있다.
상기 도전성이 가장 높은 원소는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 전자 소자에서, 상기 전극은 결정화된 금속 유리를 포함하는 도전성 버퍼층, 그리고 전극부를 포함할 수 있다.
상기 도전성 버퍼층은 결정화된 도전성 분말을 포함할 수 있다.
또 다른 일 구현예에 따르면, 반도체 층, 그리고 상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 도전성 분말, 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화될 수 있다.
상기 금속 유리는 적어도 둘 이상의 원소를 포함할 수 있고, 상기 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소가 우선적으로 결정화될 수 있다.
상기 도전성이 가장 높은 원소는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도전성 분말은 상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 상기 금속 유리 및 상기 반도체 층 중 적어도 하나에 확산되어 유입될 수 있다.
상기 태양 전지에서, 상기 전극은 반도체 층과 인접하는 영역에 위치하며 결정화된 금속 유리를 포함하는 도전성 버퍼층, 그리고 상기 도전성 버퍼층 이외의 영역에 위치하는 전극부를 포함할 수 있다.
상기 도전성 버퍼층은 결정화된 금속 유리 및 결정화된 도전성 분말을 포함할 수 있다.
도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극의 도전성을 개선하고 하부막과의 접촉 저항을 낮출 수 있다. 이에 따라 상기 전극을 적용한 전자 소자의 전기적 특성을 개선하는 한편 태양 전지의 경우 전하를 효과적으로 모으고 전극 측으로 이동할 수 있어서 효율을 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 반도체 기판에 적용한 경우 금속 유리가 소성 변형되어 반도체 기판과 접촉하는 예를 도시한 개략도이고,
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 'A' 부분을 확대하여 도시한 개략도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 'A' 부분을 확대하여 도시한 개략도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 6은 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 '원소'는 금속 및 반금속을 포괄하는 용어이다.
먼저 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 도전성 페이스트는 도전성 분말, 금속 유리(metallic glass) 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 도전성 분말은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 알루미늄(Al) 함유 금속, 은 또는 은 합금과 같은 은(Ag) 함유 금속, 구리(Cu) 또는 구리 합금과 같은 구리(Cu) 함유 금속, 니켈(Ni) 또는 니켈 합금과 같은 니켈(Ni) 함유 금속 또는 이들의 조합일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다른 종류의 금속일 수도 있으며 상기 금속 외에 다른 첨가물을 포함할 수도 있다.
상기 도전성 분말은 약 1nm 내지 약 50㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 둘 이상의 원소가 무질서한 원자 구조를 가지는 비정질 상태의 합금으로, 비정질 금속(amorphous metal)이라고도 부른다. 금속 유리는 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낸다.
상기 금속 유리는 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소한다. 구체적으로는 상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전의 비저항보다 약 1% 내지 약 95% 감소한 비저항을 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 10% 내지 약 60% 감소한 비저항을 가질 수 있다.
상기 유리 전이 온도는 예컨대 약 100℃ 이상일 수 있다. 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도는 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)와 금속 유리의 결정화 온도(crystalline temperature, Tc) 사이의 온도일 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 소성 변형(plastic deformation)을 일으켜 액체와 같은 거동을 보인다. 한편, 상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 일정 시간 유지되는 경우 결정화 온도 이하의 온도인 경우에도 결정화가 천천히 일어나 부분적으로 결정화가 일어날 수 있다. 이에 따라 상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화될 수 있다.
이때 상기 금속 유리를 이루는 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소 또는 상기 도전성이 가장 높은 원소의 합금이 우선적으로 결정화될 수 있다. 이러한 도전성이 가장 높은 원소로는 예컨대 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예컨대 금속 유리가 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 티타늄(Ti)을 포함하는 합금인 경우, 도전성이 가장 높은 원소인 구리(Cu) 또는 상기 구리(Cu)의 합금인 구리-지르코늄(CuZr) 등이 우선적으로 결정화될 수 있다. 이와 반대로, 만일 도전성이 높은 원소인 구리(Cu)가 결정화되기 전에 산화되어 구리 산화물을 형성하는 경우, 산화물 형태로 결정화되기 때문에 금속 유리의 비저항은 높아져 도전성이 감소될 수 있다.
따라서 금속 유리의 성분 중 도전성이 가장 높은 원소 또는 상기 도전성이 가장 높은 원소의 합금이 우선적으로 결정화됨으로써 열처리 후 금속 유리의 비저항을 낮추고 도전성을 개선할 수 있다.
상기 유기 비히클은 상술한 도전성 분말 및 금속 유리와 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 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 30중량% 내지 약 99중량%, 약 0.1중량% 내지 약 20중량% 및 잔량으로 포함될 수 있다.
상술한 도전성 페이스트는 스크린 인쇄 등의 방법으로 형성되어 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있다.
상술한 도전성 페이스트의 열 처리에 따른 변화를 도 1 내지 도 4c를 참고하여 설명한다.
도 1 내지 도 3은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 반도체 기판에 적용한 경우 금속 유리가 소성 변형되어 반도체 기판과 접촉하는 예를 도시한 개략도이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 3의 'A' 부분을 확대하여 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 반도체 기판(110) 위에 도전성 분말(120a) 및 금속 유리(115a)를 포함하는 도전성 페이스트를 적용한다. 도전성 분말(120a) 및 금속 유리(115a)는 각각 입자 형태로 존재할 수 있다.
도 2를 참고하면, 금속 유리(115a)의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 열처리하는 경우, 금속 유리(115a)는 소성 변형되어 액체 거동(liquid-like)의 금속 유리(115b)로 변하며, 이러한 액체 거동의 금속 유리(115b)는 복수의 도전성 분말(120a) 사이의 틈을 채우거나 금속 입자를 적셔 금속 입자의 표면에 층을 형성할 수 있다. 이때 금속 유리(115a)의 유리 전이 온도(Tg)는 도전성 분말(120a)의 소결 온도보다 낮으므로, 도전성 분말(120a)이 소결되기 전에 금속 유리(115a)가 먼저 연화된다. 한편, 금속 유리(115a)의 적어도 일부는 결정화가 일어날 수 있다.
액체 거동의 금속 유리(115b)는 반도체 기판(110) 위에서 퍼지면서 넓은 영역에 걸쳐 젖음성을 나타낸다. 젖음성이 나타나는 영역은 후술하는 더 높은 온도에서 도전성 분말이 반도체 기판(110) 측으로 침투할 수 있는 면적인 동시에 금속 유리(115b)와 반도체 기판(110)이 접촉하는 면적이다. 따라서, 금속 유리의 젖음성이 클수록 최종적으로 형성되는 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 면적이 넓어져 이들 사이의 접착성이 개선될 뿐만 아니라, 태양 광에 의해 반도체 기판에서 생성된 전하가 전극으로 이동할 수 있는 통로가 넓어져 태양 전지의 효율 또한 개선될 수 있다.
도 3을 참고하면, 도전성 페이스트의 소결 온도(Ts) 이상으로 열처리하는 경우, 도전성 분말(120a)은 소결되어 이웃하는 도전성 분말(120a)과 서로 단단히 밀착되어 도전성 분말 덩어리(120b)가 형성된다.
도 4a를 참고하면, 도전성 분말 덩어리(120b)의 일부 도전성 입자(120c)는 액체 거동의 금속 유리(115b) 내로 확산될 수 있다.
도 4b를 참고하면, 더욱 높은 온도로 승온하는 경우, 액체 거동의 금속 유리(115b)로 확산된 도전성 입자(120c)가 반도체 기판(110) 내로 침투한다. 이때 상술한 바와 같이 액체 거동의 금속 유리(115b)는 젖음성을 가짐으로써 금속 유리(115b)와 반도체 기판(110) 사이의 접촉 면적을 넓힘으로써 도전성 입자(120c)가 반도체 기판(110)으로 침투할 수 있는 면적을 확보할 수 있다.
도 4c를 참고하면, 반도체 기판(110)을 냉각하는 경우, 반도체 기판(110)으로 침투한 도전성 입자(120c)는 재결정화되어 반도체 기판(110)의 표면에서 재결정화된 도전성 입자(120d)가 형성된다. 한편 액체 거동의 금속 유리(115b) 또한 재결정화되어 결정성 금속 유리(115c)를 형성하며, 금속 유리 내에 존재하는 도전성 입자(120c) 또한 재결정화되어 결정성 도전성 입자(120e)를 형성한다.
이에 따라 도전성 분말(120b)로 이루어진 전극부(120)가 형성되는 한편, 전극부(120)와 반도체 기판(110) 사이에는 결정성 금속 유리(115c) 및 결정성 도전성 입자(120e)를 포함하는 도전성 버퍼층(conductive buffer layer)(115)이 형성될 수 있다. 즉, 전극부(120), 그리고 전극부(120)와 반도체 기판(110) 사이에 위치하는 도전성 버퍼층(115)을 포함하는 전극이 형성될 수 있다. 도 4c에서 도전성 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 도전성 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한, 상기 도전성 버퍼층(115)은 상기 반도체 기판(110) 위의 일부분에만 형성될 수도 있다.
도전성 버퍼층은 상기와 같이 결정성 금속 유리(115c) 및 결정성 도전성 입자(120e)를 포함함으로써 전극부(120)와 반도체 기판(110) 사이에서 접촉 저항의 증가 없이 도전성을 개선할 수 있다. 더구나 전술한 바와 같이, 금속 유리가 결정화시 금속 유리의 성분 중 도전성이 가장 높은 원소 또는 도전성이 가장 높은 원소의 합금이 우선적으로 결정화됨으로써 도전성을 더욱 개선할 수 있다.
상기 전자 소자가 태양 전지인 경우, 상기 도전성 버퍼층(115) 및 상기 반도체 기판(110) 표면에 존재하는 재결정화된 도전성 입자(120d)는 태양 광에 의해 반도체 기판(110)에 생성된 전하를 전극부(120)로 효과적으로 이동시킬 수 있도록 하는 동시에 반도체 기판(110)과 전극부(120) 사이의 접촉 저항을 낮추어 태양 전지의 전하 손실을 줄일 수 있다. 이에 따라 궁극적으로 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
상기 전자 소자가 태양 전지인 경우에 대하여 도 5를 참고하여 보다 상세하게 설명한다.
도 5는 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 경우뿐만 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 5를 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. 이때 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 전극이 형성되어 있다. 전면 전극은 기판의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극은 상부 반도체 층(110b)과 인접하는 영역에 위치하는 도전성 버퍼층(115), 그리고 상기 도전성 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하는 전면 전극부(120)를 포함할 수 있다. 도 5에서 도전성 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 도전성 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한, 상기 도전성 버퍼층(115)은 상기 상부 반도체 층(110b)과 인접하는 영역의 일부분에만 위치할 수도 있다.
전면 전극은 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다. 도전성 페이스트는 전술한 바와 같다.
전면 전극부(120)는 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 은(Ag) 등의 저저항 도전성 물질로 만들어질 수 있다.
도전성 버퍼층(115)은 전술한 바와 같으며, 금속 유리를 포함하여 도전성을 가진다. 도전성 버퍼층(115)은 전면 전극부(120)와 접촉하는 부분과 상부 반도체 층(110b)과 접촉하는 부분을 가지므로, 상부 반도체 층(110b)과 전면 전극부(120) 사이에서 전하가 이동할 수 있는 통로(path)의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
도전성 버퍼층(115)에 포함되어 있는 금속 유리는 전면 전극부(120)의 도전성 페이스트에 포함된 성분으로, 공정 중 전면 전극부(120)의 도전성 물질보다 먼저 용융되어 전면 전극부(120)의 하부에 위치할 수 있다.
전면 전극부(120) 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 전극이 접촉할 수 있다.
유전막(130)은 예컨대 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으며, 약 100Å 내지 약 2000Å의 두께를 가질 수 있다.
유전막(130) 하부에는 후면 전극이 형성되어 있다. 후면 전극은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극은 전면 전극과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
후면 전극은 전면 전극과 마찬가지로 하부 반도체 층(110a)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층(115), 그리고 상기 버퍼층 이외의 영역에 위치하는 후면 전극부(140)를 포함할 수 있다. 도 5에서 도전성 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 도전성 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한, 상기 도전성 버퍼층(115)은 상기 하부 반도체 층(110a)과 인접하는 영역의 일부분에만 위치할 수도 있다.
이하 상기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 5를 참고하여 설명한다.
먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이때 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 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다. 스크린 인쇄는 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 상술한 도전성 페이스트를 전극이 형성될 위치에 도포하고 건조하는 단계를 포함한다.
도전성 페이스트는 상술한 바와 같이 금속 유리를 포함할 수 있으며, 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 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있으며, 예컨대 약 200℃ 내지 약 1000℃, 구체적으로는 약 400℃ 내지 약 1000℃에서 수행할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도 6을 참고하여 설명한다.
도 6은 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 후면 측에 형성되어 있으며 서로 다른 불순물로 도핑된 복수의 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 포함한다. 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 조직화되어 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 200Å 내지 약 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 제1 전극과 제2 도핑 영역(111b)에 연결되어 있는 제2 전극이 각각 형성되어 있다. 제1 전극은 관통부를 통하여 제1 도핑 영역(111a)과 접촉할 수 있으며, 제2 전극은 관통부를 통하여 제2 도핑 영역(111b)과 접촉할 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 교대로 배치될 수 있다.
제1 전극은 제1 도핑 영역(111a)과 인접하는 영역에 위치하는 도전성 버퍼층(115) 및 상기 도전성 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하는 제1 전극부(121)를 포함하고, 제2 전극은 제2 도핑 영역(111b)과 인접하는 영역에 위치하는 도전성 버퍼층(115) 및 상기 도전성 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하는 제2 전극부(141)를 포함할 수 있다. 도 6에서 도전성 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 도전성 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한 상기 도전성 버퍼층(115)은 상기 제1 도핑 영역(111a)과 인접한 영역의 일부, 상기 제2 도핑 영역(111b)과 인접한 영역의 일부, 또는 이들의 조합에만 위치할 수도 있다.
제1 전극과 제2 전극은 전술한 구현예와 마찬가지로, 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있으며, 상세한 설명은 전술한 바와 같다.
도전성 버퍼층(115)은 전술한 바와 마찬가지로 금속 유리를 포함하므로 도전성을 가지며, 제1 전극부(121) 또는 제2 전극부(141)와 접촉하는 부분과 제1 도핑 영역(111a) 또는 제2 도핑 영역(111b)과 접촉하는 부분을 가지므로, 제1 도핑 영역(111a)과 제1 전극부(121) 사이 또는 제2 도핑 영역(111b)과 제2 전극부(141) 사이에서 전하가 이동할 수 있는 통로의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다. 또한 도전성 버퍼층(115)은 제1 전극부(121) 또는 제2 전극부(141)를 이루는 물질이 제1 또는 제2 도핑 영역(111a, 111b) 내로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 제1 전극 및 제2 전극이 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 6을 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, 150)을 형성한다. 절연막(112, 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 제1 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 제2 도핑 영역(111b)에 대응하는 영역에 제2 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 제1 전극용 도전성 페이스트 및 제2 전극용 도전성 페이스트는 각각 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있으며, 각각 전술한 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용할 수 있다.
이어서 제1 전극용 도전성 페이스트 및 제2 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 소자에 적용할 수 있다.
이하 실시예를 통해서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
금속 유리의 제조
구리(Cu)와 지르코늄(Zr)을 포함하고, 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 티타늄(Ti)를 더 포함하는 표 1에 나열한 다양한 조성의 금속 유리를 제조한다.
상기 금속 유리의 비저항을 상온(약 25℃)에서 측정한다. 비저항은 4-포인트 프로브(4-point probe)를 사용하여 측정한다.
이후 상기 금속 유리를 600℃까지 급격히 승온한 후 600℃에서 약 30분간 열처리한 후 비저항을 다시 측정한다.
상기 금속 유리의 조성, 상온에서 비저항 값 및 열처리 후 비저항 값의 변화는 다음과 같다.
| 금속유리 | Tg(K) | Tc(K) | 비저항(μΩ㎝) | |
| 열처리전 | 600℃ 열처리후 | |||
| Cu50Zr50 | 697 | 738 | 232 | 167 |
| Cu46Zr46Al8 | 728 | 791 | 207 | 161 |
| Cu58 .1Zr35 .9Al6 | 764 | 805 | 256 | 192 |
| Cu45Zr45Ag10 | 693 | 752 | 195 | 167 |
| Cu43Zr43Al7Ag7 | 727 | 788 | 218 | 186 |
| Cu34Zr48Al8Ag8Ni2 | 718 | 806 | 533 | 456 |
| Cu28Zr48Al8Ag8Ni8 | 720 | 781 | 205 | 137 |
| Cu 18.7Zr53Al 16.3Ni12 | 739 | 820 | 268 | 242 |
표 1을 참고하면, 구리(Cu)를 포함하는 상기 금속 유리는 유리 전이 온도 이상의 온도로 열처리시 열처리전의 비저항보다 약 10% 내지 약 33% 감소한 비저항을 가지는 것을 알 수 있다.
표 1에 나열된 금속 유리는 도전성이 가장 높은 금속인 구리(Cu) 또는 상기 구리(Cu)의 합금인 구리-지르코늄(CuZr) 등이 우선적으로 결정화됨으로써 금속 유리의 비저항을 낮추고 도전성을 개선할 수 있다.
도전성 페이스트의 제조
실시예
1
은(Ag) 분말 및 금속 유리 Cu43Zr43Al7Ag7 를 에틸셀룰로오스 바인더 및 부틸 카르비톨 용매를 포함한 유기 비히클에 첨가한다. 이때 은(Ag) 분말, 금속 유리 Cu43Zr43Al7Ag7 및 유기 비히클은 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 87 중량%, 약 4 중량% 및 약 9 중량%로 혼합한다.
이어서 3-롤 밀을 사용하여 반죽하여 도전성 페이스트를 제조한다.
비교예
1
금속 유리 대신 PbO-SiO2계 유리 프릿(glass frit)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트를 제조한다.
전극 형성
실리콘 웨이퍼 위에 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 각각 도포한다. 이어서 벨트 퍼니스(belt furnace)를 사용하여 약 600℃까지 급격히 가열한 후 약 850℃까지 서서히 가열한다. 이 후 냉각하여 전극을 형성한다.
평가
실시예 1 및 비교예 1에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극의 비저항 값 및 접촉저항 값을 측정한다. 비저항은 4-포인트 프로브(4-point probe)를 사용하여 측정하고, 접촉저항은 transfer length method(TLM)으로 측정한다.
그 결과는 표 2와 같다.
| 비저항(Ω㎝) | 접촉저항(mΩ㎠) | |
| 실시예 1 | 2.6 * 10-6 | 33 |
| 비교예 1 | 5.41 * 10-6 | 57 |
표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1에 따른 도전성 페이스트를 사용한 전극은 비교예 1에 따른 도전성 페이스트를 사용한 전극과 비교하여 비저항 및 접촉저항이 모두 개선되었음을 알 수 있다. 이는 실시예 1에 따른 도전성 페이스트가 비교예 1에 따른 도전성 페이스트와 비교하여 열처리 후 비저항이 낮아짐으로써 도전성이 개선되었음을 의미한다.
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 115a: 금속 유리
115b: 액체 거동의 금속 유리 115c: 결정성 금속 유리
120a: 도전성 분말 120b: 도전성 분말 덩어리
120c: 도전성 입자 120: 전극부
115b: 액체 거동의 금속 유리 115c: 결정성 금속 유리
120a: 도전성 분말 120b: 도전성 분말 덩어리
120c: 도전성 입자 120: 전극부
Claims (20)
- 도전성 분말,
금속 유리, 그리고
유기 비히클
을 포함하고,
상기 금속 유리는 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전의 비저항보다 1% 내지 95% 감소한 비저항을 가지는 도전성 페이스트.
- 제1항에서,
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화되는 도전성 페이스트.
- 제3항에서,
상기 금속 유리는 적어도 둘 이상의 원소를 포함하고,
상기 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소가 우선적으로 결정화되는
도전성 페이스트.
- 제4항에서,
상기 도전성이 가장 높은 원소는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
- 삭제
- 제1항에서,
상기 도전성 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 30 내지 99중량%, 0.1 내지 20중량% 및 잔량으로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
- 도전성 분말, 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자.
- 제8항에서,
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화되는 전자 소자.
- 제9항에서,
상기 금속 유리는 적어도 둘 이상의 원소를 포함하고,
상기 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소가 우선적으로 결정화되는
전자 소자.
- 제10항에서,
상기 도전성이 가장 높은 원소는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 소자.
- 제8항에서,
상기 전극은 결정화된 금속 유리를 포함하는 도전성 버퍼층, 그리고 전극부를 포함하는 전자 소자.
- 제12항에서,
상기 도전성 버퍼층은 결정화된 도전성 분말을 포함하는 전자 소자.
- 반도체 층, 그리고
상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 도전성 분말, 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 열처리시 열처리전보다 비저항이 감소하는 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극
을 포함하는 태양 전지.
- 제14항에서,
상기 금속 유리는 상기 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 적어도 일부가 결정화되는 태양 전지.
- 제14항에서,
상기 금속 유리는 적어도 둘 이상의 원소를 포함하고,
상기 적어도 둘 이상의 원소 중 도전성이 가장 높은 원소가 우선적으로 결정화되는
태양 전지.
- 제16항에서,
상기 도전성이 가장 높은 원소는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
- 제14항에서,
상기 도전성 분말은 상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 상기 금속 유리 및 상기 반도체 층 중 적어도 하나에 확산되어 유입되는 태양 전지.
- 제14항에서,
상기 전극은 반도체 층과 인접하는 영역에 위치하며 결정화된 금속 유리를 포함하는 도전성 버퍼층, 그리고 상기 도전성 버퍼층 이외의 영역에 위치하는 전극부를 포함하는 태양 전지.
- 제19항에서,
상기 도전성 버퍼층은 결정화된 금속 유리 및 결정화된 도전성 분말을 포함하는 태양 전지.
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| A201 | Request for examination | ||
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| GRNT | Written decision to grant |