KR101985929B1 - 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지 - Google Patents

도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지 Download PDF

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Abstract

도전성 분말, 알루미늄(Al) 및 상기 알루미늄(Al)과 고용체를 이루는 제1 원소를 포함하는 금속 유리, 그리고 유기 비히클을 포함하는 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 전지{CONDUCTIVE PASTE AND ELECTRONIC DEVICE AND SOLAR CELL INCLUDING AN ELECTRODE FORMED USING THE CONDUCTIVE PASTE}
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, 광 활성층에서 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 도전성 분말과 유리 프릿(glass frit)을 포함한다. 그러나 유리 프릿은 비저항이 높아 전극의 도전성을 높이는데 한계가 있다.
근래 유리 프릿 대신 금속 유리(metallic glass)를 사용한 도전성 페이스트에 대하여 연구되고 있다.
그러나 금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트를 사용하는 경우, 금속 유리를 이루는 일 원소와 반도체 기판을 이루는 실리콘의 화학적 반응에 의해 과도한 두께의 산화막이 형성될 수 있다. 이러한 산화막은 반도체 기판과 전극 사이의 도전성을 저하시킬 수 있다.
일 구현예는 반도체 기판과 전극 사이의 도전성을 개선할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.
다른 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 알루미늄(Al) 및 상기 알루미늄(Al)과 고용체를 이루는 제1 원소를 포함하는 금속 유리, 그리고 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 제공한다.
상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계(solid solubility limit)를 초과하는 양으로 포함될 수 있다.
상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계가 약 0.1at% 이상일 수 있다.
상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계가 약 0.1at% 내지 99.9at%일 수 있다.
상기 제1 원소는 실리콘(Si), 베릴륨(Be), 망간(Mn), 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 은(Ag) 및 아연(Zn)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 원소는 실리콘(Si)일 수 있고, 상기 실리콘(Si)은 알루미늄(Al)에의 고용 한계인 1.65at%를 초과하는 양으로 포함될 수 있다.
상기 금속 유리는 전이 원소에서 선택된 제2 원소 및 희토류 원소에서 선택된 제3 원소를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 유리는 알루미늄(Al), 제1 원소로서 실리콘(Si), 제2 원소로서 니켈(Ni), 그리고 제3 원소로서 이트륨(Y)을 포함할 수 있다.
상기 실리콘(Si)은 상기 금속 유리의 총 함량에 대하여 약 1.5 내지 3at%로 포함될 수 있다.
상기 제1 원소의 상기 알루미늄(Al)에의 고용 한계는 약 200 내지 1000℃의 열처리 온도를 기준으로 할 수 있다.
상기 제1 원소의 상기 알루미늄(Al)에의 고용 한계는 약 500℃ 내지 900℃의 열처리 온도를 기준으로 할 수 있다.
상기 금속 유리는 약 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 약 10 내지 400℃의 유리전이온도를 가질 수 있다.
상기 도전성 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도전성 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 30 내지 99중량%, 약 0.1 내지 20중량% 및 잔량으로 포함될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
상기 전극은 약 1mΩcm2 이하의 접촉 저항을 가질 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되어 있고 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성되는 전극을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
상기 태양 전지는 상기 반도체 기판과 상기 전극 사이에 위치하는 산화막을 더 포함할 수 있고, 상기 산화막은 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 전극은 약 1mΩcm2 이하의 접촉 저항을 가질 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 반도체 기판, 상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되어 있고 금속 유리를 포함하는 전극, 그리고 상기 반도체 기판과 상기 전극 사이에 위치하며 약 10nm 이하의 두께를 가지는 산화막을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트를 사용할 때 반도체 기판과 전극 사이에 과도한 두께의 산화막이 형성되는 것을 방지하여 도전성을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 2 내지 도 6은 각각 실시예 1 내지 4와 비교예에 따른 전극 샘플의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
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'(element)는 금속 및 반금속을 포괄하는 용어이다.
먼저, 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 도전성 페이스트는 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 도전성 분말은 은 또는 은 합금과 같은 은(Ag) 함유 금속, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 알루미늄(Al) 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 있으며, 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
상기 도전성 분말은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 약 30 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
상기 금속 유리는 두 종류 이상의 원소가 무질서한 원자 구조를 가지는 비정질 상태의 합금으로, 비정질 금속(amorphous metal)이라고도 부른다. 이 때 비정질 부분은 상기 금속 유리의 약 50 내지 100부피%일 수 있고, 그 중에서 약 70 내지 100부피%일 수 있고, 그 중에서 약 90 내지 100부피%일 수 있다. 상기 금속 유리는 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낸다.
상기 금속 유리는 알루미늄(Al), 그리고 상기 알루미늄(Al)과 고용체를 형성하는 제1 원소를 포함한다.
알루미늄(Al)은 상기 금속 유리의 주성분을 이루며, 여기서 주성분이란 금속 유리의 성분 중 가장 많은 몰 비율을 차지하는 성분을 말한다.
상기 제1 원소는, 상기 도전성 페이스트로부터 전극을 형성하는 소성 온도, 예컨대 약 200 내지 1000℃, 그 중에서도 약 500℃ 내지 900℃로 승온되었을 때, 상기 알루미늄(Al)과 고용체를 형성할 수 있는 성분이다.
상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계(solid solubility limit) 이상으로 포함될 수 있다. 상기 고용 한계는 소성 온도, 예컨대 약 200 내지 1000℃, 그 중에서도 약 500℃ 내지 900℃에서 알루미늄(Al)에 의해 고용될 수 있는 최대 함량을 의미한다.
상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계가 약 0.1at% 이상, 그 중에서 약 0.1 내지 99.9at%인 금속 및/또는 반금속 중에서 선택될 수 있다. 이러한 예로는 실리콘(Si), 베릴륨(Be), 망간(Mn), 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 은(Ag) 및 아연(Zn)을 들 수 있으며, 이들 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
표 1은 알루미늄(Al)과 상기 나열된 제1 원소의 예들의 고용 한계를 보여준다.
제1 원소 고용한계(at%) 제1 원소 고용한계(at%)
베릴륨(Be) 1 갈륨(Ga) 9
망간(Mn) 1 리튬(Li) 15
실리콘(Si) 1.65 마그네슘(Mg) 19
게르마늄(Ge) 2 은(Ag) 35
구리(Cu) 2.5 아연(Zn) 67
표 1에서, 고용 한계는 알루미늄(Al)과 제1 원소의 합을 100at%로 환산했을 때의 제1 원소의 고용량을 말하는 것으로, 예컨대 실리콘(Si)의 경우 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)의 합을 100at%로 환산했을 때 실리콘(Si)의 고용량이 1.65at% 임을 가리킨다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계 이상의 함량으로 포함될 수 있다. 이와 같이 상기 제1 금속이 알루미늄(Al)과의 고용 한계 이상의 함량으로 포함됨으로써 반도체 기판 위에 상기 도전성 페이스트를 사용하여 전극을 형성할 때 고온에서 반도체 기판을 이루는 실리콘(Si)이 연화된 금속 유리 내로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
이에 대하여 구체적으로 설명한다.
반도체 기판의 표면에는 자연적으로 형성된 매우 얇은 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이 형성되어 있다. 상기 실리콘 산화막(SiO2) 위에 상기 도전성 페이스트를 도포하고 열처리하는 경우, 하기 반응식 1과 같이 금속 유리의 알루미늄(Al)에 의해 상기 실리콘 산화막(SiO2)이 환원되면서 알루미늄 산화막(Al2O3)이 형성될 수 있다.
[반응식 1]
3/4Al + SiO2 --> 2/3Al2O3 + Si
이와 같은 반응에 의해 실리콘 산화막(SiO2)의 일부분이 제거되고 그 제거된 부분을 통하여 금속 유리와 반도체 기판이 직접 접촉할 수 있다.
만일, 상기 금속 유리에 상기 제1 원소를 포함하지 않는 경우를 가정하면, 상기 도전성 페이스트가 도포된 반도체 기판을 더 높은 온도, 예컨대 전극의 소성 온도까지 승온하는 경우, 금속 유리의 알루미늄(Al)과 반도체 기판의 실리콘(Si)이 고용체를 이루면서 금속 유리의 알루미늄(Al)은 반도체 기판 측으로 확산되고 반도체 기판의 실리콘(Si)은 금속 유리 내로 확산될 수 있다. 이어서 금속 유리 내로 확산된 실리콘(Si)이 산화되면서 약 15nm 이상의 두꺼운 실리콘 산화막(SiOx)이 형성될 수 있다.
이와 같은 메커니즘에 의해 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 유리를 사용하여 전극을 형성하는 경우 반도체 기판으로부터 확산되어 유입된 실리콘(Si)에 의해 반도체 기판과 전극 사이에 약 15nm 이상의 과도한 두께의 실리콘 산화막(SiOx)이 형성될 수 있다.
본 구현예에서는 상술한 바와 같이, 상기 금속 유리에 알루미늄(Al)과 고용체를 이루는 제1 원소를 포함함으로써 금속 유리의 알루미늄(Al)과 반도체 기판의 실리콘(Si)이 고용체를 형성하기 전에 알루미늄(Al)과 제1 원소가 먼저 고용체를 형성할 수 있다. 따라서 알루미늄(Al)이 반도체 기판 측으로 확산되는 것을 방지할 수 있고 이에 따라 반도체 기판의 실리콘(Si) 또한 금속 유리 내로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 상술한 두꺼운 실리콘 산화막의 형성을 방지할 수 있으며, 예컨대 약 10nm 이하의 비교적 얇은 두께의 실리콘 산화막이 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 원소가 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계를 초과하는 충분한 양으로 포함되는 경우, 알루미늄(Al)과의 고용체 형성에 더욱 유리하다.
특히, 상술한 제1 원소의 예들 중 실리콘(Si)을 사용하는 경우, 알루미늄(Al)과 고용체를 형성하고 남은 실리콘 원자들이 연화된 금속 유리 내에 분포함으로써 반도체 기판의 실리콘(Si)이 금속 유리 내로 확산되는 것을 더욱 방지할 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 알루미늄 및 상기 제1 원소 외에 전이 원소(transition elements)에서 선택된 제2 원소 및 희토류 원소(rare earth elements)에서 선택된 제3 원소를 더 포함할 수 있다.
제2 원소는 예컨대 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au) 및 수은(Hg)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제3 원소는 예컨대 란타늄(La), 세륨(Ce), 프로세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리뮴(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 톨륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu), 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예컨대 제1 원소가 실리콘(Si)이고 제2 원소가 니켈(Ni)이고 제3 원소가 이트륨(Y)인 경우, 상기 금속 유리는 AlxSiyNizYw (x+y+z+w=100)으로 표현되는 합금일 수 있다.
상기 금속 유리는 약 10 내지 400℃의 유리전이온도(Tg)를 가지고 약 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간(ΔTx)을 가질 수 있다. 상기 유리전이온도(Tg)는 상기 금속 유리가 소성 변형(plastic deformation)을 일으키기 시작하는 온도이며, 상기 금속 유리는 상기 유리전이온도(Tg) 이상의 온도에서 연화되어 액체와 같은 거동을 보인다. 상기 액체와 같은 거동은 유리 전이 온도(Tg)와 결정화 온도(crystalline temperature, Tx) 사이의 온도 구간인 상기 과냉각 액체구간(ΔTx)에서 유지될 수 있다.
상기 금속 유리는 과냉각 액체 구간(ΔTx)에서 반도체 기판에 대하여 젖음성을 나타낼 수 있고, 이에 따라 도전성 페이스트와 반도체 기판의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 20중량%로 포함될 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, 분산제, 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 유기 비히클은 고형 성분을 제외한 잔량으로 포함될 수 있다.
상술한 도전성 페이스트는 스크린 인쇄(screen printing) 등의 방법으로 형성되어 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있다.
상기 전자 소자는 예컨대 액정 표시 장치(LCD), 플라즈시 표시 장치(PDP), 유기발광표시장치(OLED), 태양 전지 등일 수 있다.
상기 전극은 상술한 과도한 산화막 형성을 방지함으로써 약 1mΩcm2 이하의 접촉 저항을 가질 수 있다.
상기 전자 소자 중의 하나인 태양 전지에 대하여 도면을 참고하여 예시적으로 설명한다.
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.
이하 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 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.
반도체 기판(110) 위에는 얇은 두께의 실리콘 산화막(111)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막(111)은 반도체 기판(110)이 자연적으로 산화되어 형성된 것으로, 약 10nm 이하의 얇은 두께를 가진다.
실리콘 산화막(111) 위에는 복수의 전면 전극(120)이 형성되어 있다. 전면 전극(120)은 반도체 기판(110)의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극(120)은 상부 반도체 층(110b)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층(115), 그리고 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하고 도전성 물질을 포함하는 전면 전극부(121)를 포함한다. 그러나 버퍼층(115)은 생략될 수도 있고, 상부 반도체 층(110b)과 인접한 영역의 일부분에만 위치할 수도 있다.
전면 전극(120)은 전술한 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있으며, 도전성 페이스트는 전술한 바와 같이 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함할 수 있다.
전면 전극부(121)는 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합과 같은 저저항 도전성 물질로 만들어질 수 있다.
버퍼층(115)은 전술한 도전성 페이스트에 포함된 금속 유리가 공정 중 유리 전이 온도(Tg) 이상에서 연화되어 하나의 층을 형성한 것이다. 버퍼층(115)은 금속 유리를 포함함으로써 도전성을 가지며, 전면 전극부(121)에 접촉하는 부분과 상부 반도체 층(110b)에 접촉하는 부분을 가지므로 상부 반도체 층(110b)과 전면 전극부(121) 사이에서 전하가 이동할 수 있는 통로(path)의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
전면 전극부(121)와 버퍼층(115) 사이 및 버퍼층(115)과 상부 반도체 층(110b) 사이에는 각각 제1 공융층(117) 및 제2 공융층(118)이 형성되어 있다. 제1 공융층(117)은 전면 전극부(120)를 이루는 도전성 물질과 버퍼층(115)을 이루는 금속 유리가 공융된 공융물을 포함하며, 제2 공융층(118)은 버퍼층(115)을 이루는 금속 유리와 상부 반도체 층(110b)을 이루는 실리콘이 공융된 공융물을 포함한다.
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) 하부에는 얇은 두께의 실리콘 산화막(111)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막(111)은 반도체 기판(110)이 자연적으로 산화되어 형성된 것으로, 약 10nm 이하의 얇은 두께를 가진다.
실리콘 산화막(111) 하부에는 후면 전극(140)이 형성되어 있다. 후면 전극(140)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극(140)은 전면 전극과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
후면 전극(140) 또한 전면 전극(120)과 마찬가지로 하부 반도체 층(110a)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층(125)과 상기 버퍼층(125) 이외의 영역에 위치하고 도전성 물질을 포함하는 후면 전극부(141)를 포함한다. 또한 후면 전극부(141)와 버퍼층(125) 사이 및 하부 반도체 층(110a)과 버퍼층(125) 사이에는 각각 제1 공융층(127) 및 제2 공융층(128)이 형성될 수 있다.
전면 전극(120)과 반도체 기판(110) 및 후면 전극(140)과 반도체 기판(110) 사이에는 상술한 바와 같이 과도한 산화막이 형성되는 것이 방지됨으로써 약 1mΩcm2 이하의 비교적 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다.
이하 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 예시적으로 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.
이어서 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.
이어서 반도체 기판(110)의 전면에 전면 전극(120)이 형성될 위치에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 건조하는 스크린 인쇄 방법으로 형성한다.
도전성 페이스트는 전술한 바와 같이 금속 유리를 포함하며, 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 반도체 기판(110)의 후면에 후면 전극(140)이 형성될 위치에 후면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 건조하는 스크린 인쇄 방법으로 형성한다.
그러나 스크린 인쇄 방법에 한정되지 않고 잉크젯 인쇄 또는 압인 인쇄(imprinting) 등의 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
이어서 후면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트가 도포된 반도체 기판(110)을 고온의 소성로(furnace)에 두고 소성(firing)한다. 소성은 도전성 페이스트의 용융 온도보다 높은 온도에서 수행할 수 있으며, 예컨대 약 200 내지 1000℃, 그 중에서 약 500 내지 900℃에서 수행할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트를 각각 소성할 수 있으며, 이 때 소성 온도는 같거나 다를 수 있다.
상기에서는 전술한 도전성 페이스트를 태양 전지의 전극으로 적용한 예만 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 전극을 포함하는 모든 전자 소자에 적용할 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예　및 비교예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예　및 비교예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
은(Ag) 분말 및 금속 유리 Al83Ni5 .5Y10Si1 . 5을 에틸셀룰로오스 바인더, 계면활성제 및 부틸카르비톨/부틸카르비톨아세테이트 혼합용매를 포함한 유기 비히클에 첨가한다. 이 때 은(Ag) 분말, 금속 유리 Al83Ni5 .5Y10Si1 .5 및 유기 비히클은 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 82.58중량%, 3.93 중량% 및 13.49 중량%로 혼합한다.
이어서 3-롤 밀을 사용하여 반죽하여 도전성 페이스트를 제조한다.
이어서 실리콘 웨이퍼 위에 상기 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 도포한다. 이어서 벨트 퍼니스(belt furnace)를 사용하여 약 600℃까지 가열한다. 이후 냉각하여 전극 샘플을 형성한다.
실시예 2
Al83Ni5 .5Y10Si1 .5 대신 Al82 .5Ni5 .5Y10Si2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트를 제조하고 전극 샘플을 형성한다.
실시예 3
Al83Ni5 .5Y10Si1 .5 대신 Al82Ni5 .5Y10Si2 .5를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트를 제조하고 전극 샘플을 형성한다.
실시예 4
Al83Ni5 .5Y10Si1 .5 대신 Al81 .5Ni5 .5Y10Si3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트를 제조하고 전극 샘플을 형성한다.
비교예
Al83Ni5 .5Y10Si1 .5 대신 Al84 .5Ni5 .5Y10 를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 페이스트를 제조하고 전극 샘플을 형성한다.
평가 1
실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 전극 샘플을 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 관찰한다.
그 결과에 대하여 도 2 내지 도 6과 표 2를 참고하여 설명한다.
도 2 내지 도 6은 실시예 1 내지 4와 비교예에 따른 전극 샘플의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
Al84 .5- xNi5 .5Y10Six Al대비Si함유량(at%) 산화막두께(nm)
실시예 1 x = 1.5 1.78 10
실시예 2 x = 2.0 2.37 9.5
실시예 3 x = 2.5 2.96 7.5
실시예 4 x = 3.0 3.55 6
비교예 x = 0 0 17
도 2 내지 6과 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 전극 샘플은 약 10nm 이하의 비교적 얇은 두께의 산화막이 형성되는데 반해, 비교예에 따른 전극 샘플은 훨씬 두꺼운 산화막이 형성되었음을 알 수 있다. 이로부터 금속 유리에 실리콘(Si)이 포함됨으로써 산화막 형성을 억제하는 것을 확인할 수 있다.
평가 2
실시예 1 내지 4와 비교예에 따른 전극 샘플의 접촉 저항을 측정한다.
접촉 저항은 투과선 방법(transmission line method, TLM)으로 측정한다.
그 결과는 표 3과 같다.
Al84 .5- xNi5 .5Y10Six Al대비Si함유량(at%) 접촉저항(mΩ㎠)
실시예 1 x = 1.5 1.78 0.7
실시예 2 x = 2.0 2.37 0.69
실시예 3 x = 2.5 2.96 0.67
실시예 4 x = 3.0 3.55 0.65
비교예 x = 0 0 2.19
표 3을 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 전극 샘플은 비교예에 따른 전극 샘플과 비교하여 접촉 저항이 낮은 것을 알 수 있다.
이로부터 알루미늄(Al)과 고용체를 이루는 실리콘(Si)을 포함하는 금속 유리를 사용하는 경우 과냉각 액체 구간 등의 금속 유리의 특성은 유지하면서 산화막이 과도하게 두껍게 형성되는 것을 방지하여 반도체 기판과의 접촉 저항이 개선되는 것을 알 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 111: 실리콘 산화막
115, 125: 버퍼층 120: 전면 전극
121: 전면 전극부 140: 후면 전극
141: 후면 전극부 117, 118, 127, 128: 공융층

Claims (21)

  1. 도전성 분말,
    알루미늄(Al), 상기 알루미늄(Al)과 고용체를 이루는 제1 원소, 전이 원소에서 선택된 제2 원소 및 희토류 원소에서 선택된 제3 원소를 포함하는 금속 유리, 그리고
    유기 비히클
    을 포함하는 도전성 페이스트.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계(solid solubility limit)를 초과하는 양으로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 제1 원소는 상기 알루미늄(Al)과의 고용 한계가 0.1at% 내지 99.9at%인 도전성 페이스트.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 원소는 실리콘(Si), 베릴륨(Be), 망간(Mn), 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 은(Ag) 및 아연(Zn)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 도전성 페이스트.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 원소는 실리콘(Si)이고,
    상기 실리콘(Si)은 알루미늄(Al)에의 고용 한계인 1.65at%를 초과하고 99.9at% 이하의 양으로 포함되어 있는
    도전성 페이스트.
  7. 삭제
  8. 제1항에서,
    상기 금속 유리는
    알루미늄(Al),
    상기 제1 원소로서 실리콘(Si),
    상기 제2 원소로서 니켈(Ni), 그리고
    상기 제3 원소로서 이트륨(Y)
    을 포함하는 도전성 페이스트.
  9. 제8항에서,
    상기 실리콘(Si)은 상기 금속 유리의 총 함량에 대하여 1.5 내지 3at%로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 원소의 상기 알루미늄(Al)에의 고용 한계는 200 내지 1000℃의 열처리 온도를 기준으로 하는 도전성 페이스트.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 원소의 상기 알루미늄(Al)에의 고용 한계는 500℃ 내지 900℃의 열처리 온도를 기준으로 하는 도전성 페이스트.
  12. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 5 내지 200K의 과냉각 액체 구간을 가지는 도전성 페이스트.
  13. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 10 내지 400℃의 유리전이온도를 가지는 도전성 페이스트.
  14. 제1항에서,
    상기 도전성 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
  15. 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.
  16. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 및 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자.
  17. 제16항에서,
    상기 전극은 0 초과 1mΩcm2 이하의 접촉 저항을 가지는 전자 소자.
  18. 반도체 기판, 그리고
    상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되어 있고 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 및 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성되는 전극
    을 포함하는 태양 전지.
  19. 제18항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 전극 사이에 위치하는 산화막을 더 포함하고,
    상기 산화막은 0 초과 10nm 이하의 두께를 가지는
    태양 전지.
  20. 제18항에서,
    상기 전극은 0 초과 1mΩcm2 이하의 접촉 저항을 가지는 태양 전지.

  21. 삭제
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