KR102306435B1 - 태양 전지 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 전극에 사용되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물은, 탈륨 화합물을 포함한다. 이때, 상기 태양 전지 전극용 페이스트 조성물이 탈륨 산화물을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 태양 전지 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양 전지에서는 다양한 층 및 전극을 설계에 따라 형성하는 것에 의하여 제조될 수 있다. 그런데 이러한 다양한 층 및 전극의 설계에 따라 태양 전지 효율이 결정될 수 있다. 태양 전지의 상용화를 위해서는 낮은 효율을 극복하여야 하는바, 다양한 층, 전극 등의 특성을 향상하여 태양 전지의 효율을 최대화하는 것이 요구된다.
여기서, 태양 전지의 전극을 형성하기 위한 태양 전지 전극용 페이스트 조성물의 조성에 따라 전극의 다양한 특성, 제조 비용 등이 달라지게 된다. 이에 따라 전극의 특성을 우수하게 할 수 있는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물을 개발하는 것이 요구된다.
본 발명은 전극의 특성을 향상할 수 있는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 우수한 특성을 가지는 전극을 구비하는 태양 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 전극에 사용되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물은, 탈륨 화합물을 포함한다. 이때, 상기 태양 전지 전극용 페이스트 조성물이 탈륨 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부에 연결되는 전극을 포함하고, 상기 전극은 납 및 탈륨을 포함한다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은, 납 산화물에 의하여 파이어 스루가 원활하게 이루어지도록 하고 전극과 반도체 기판 또는 도전형 영역의 컨택 특성을 우수한 수준으로 유지할 수 있다. 그리고 탈륨 화합물(특히, 탈륨 산화물)을 포함하여 납 산화물의 함량을 줄이면서도 유리 프릿의 유리 전이 온도를 낮출 수 있고 낮은 온도에서의 유리 안정성을 향상할 수 있다. 이에 의하여 낮은 온도에서 소성이 이루어지는 경우에도 균일하고 우수하게 전극과 반도체 기판 또는 도전형 영역의 컨택 특성을 구현할 수 있다.
이러한 페이스트 조성물은 태양 전지의 전극에 적용되어 전극의 컨택 특성 등을 향상할 수 있다. 특히 소성 온도가 낮은 n형의 베이스 영역과 p형의 에미터 영역을 구비하는 태양 전지에서 에미터 영역에 연결되는 전면 전극으로 이용되면, 낮은 온도에서 유리 안정화 효과를 최대화할 수 있어 페이스트 조성물에 의한 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 전극용 페이스트 조성물, 그리고 이를 사용하여 제조된 태양 전지를 상세하게 설명한다. 먼저, 태양 전지의 일 예를 설명한 후에 이의 제조에 사용되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물을 좀더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(150)는, 기판(일례로, 반도체 기판)(이하 "반도체 기판")(110)과, 반도체 기판(110)에 형성되는 도전형 영역(20, 30)과, 도전형 영역(20, 30)에 전기적으로 연결되는 전극(24, 34)을 포함할 수 있다. 도전형 영역(20, 30)은 에미터 영역(20)과 후면 전계 영역(30)을 포함할 수 있고, 전극(24, 34)은 에미터 영역(20)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(24)과 후면 전계 영역(30)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(34)을 포함할 수 있다. 이와 함께 태양 전지(150)는 반사 방지막(22), 패시베이션막(32) 등을 더 포함할 수 있다. 그리고 전극(24, 34) 상에는 다른 태양 전지(150)와의 연결을 위한 리본(도시하지 않음)이 위치할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
반도체 기판(110)은 결정질 반도체로 구성될 수 있다. 일 예로, 반도체 기판(110)은 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 특히, 반도체 기판(110)은 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 반도체 웨이퍼, 좀더 구체적으로는, 단결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다. 이와 같이 반도체 기판(110)이 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 실리콘)로 구성되면, 태양 전지(150)가 단결정 반도체 태양 전지(예를 들어, 단결정 실리콘 태양 전지)를 구성하게 된다. 이와 같이 결정성이 높아 결함이 적은 결정질 반도체로 구성되는 반도체 기판(110)을 기반으로 하는 태양 전지(150)는 우수한 전기적 특성을 가질 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면 및/또는 후면은 텍스쳐링(texturing)되어 요철을 가질 수 있다. 요철은, 일 예로, 반도체 기판(110)의 (111)면으로 구성되며 불규칙한 크기를 가지는 피라미드 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 텍스쳐링에 의해 반도체 기판(110)의 전면 등에 요철이 형성되어 표면 거칠기가 증가되면, 반도체 기판(110)의 전면 등을 통하여 입사되는 광의 반사율을 낮출 수 있다. 따라서 베이스 영역(10)과 에미터 영역(20)에 의하여 형성된 pn 접합까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있어, 광 손실을 최소화할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 텍스쳐링에 의한 요철이 형성되지 않는 것도 가능하다.
반도체 기판(110)은 제2 도전형 도펀트를 상대적으로 낮은 도핑 농도로 포함하여 제2 도전형을 가지는 베이스 영역(10)을 포함할 수 있다. 일 예로, 베이스 영역(10)은 에미터 영역(20)보다 반도체 기판(110)의 전면으로부터 좀더 멀리, 또는 후면에 좀더 가까이 위치할 수 있다. 그리고 베이스 영역(10)은 후면 전계 영역(30)보다 반도체 기판(110)의 전면에 좀더 가까이, 후면으로부터 좀더 멀리 위치할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스 영역(10)의 위치가 달라질 수 있음은 물론이다.
여기서, 베이스 영역(10)은 제2 도전형 도펀트를 포함하는 결정질 반도체로 구성될 수 있다. 일 예로, 베이스 영역(10)은 제2 도전형 도펀트를 포함하는 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 특히, 베이스 영역(10)은 제2 도전형 도펀트를 포함하는 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 반도체 웨이퍼, 좀더 구체적으로는, 단결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다.
제2 도전형은 n형 또는 p형일 수 있다. 베이스 영역(10)이 n형을 가지는 경우에는 베이스 영역(10)이 5족 원소인 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등이 도핑된 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어질 수 있다. 베이스 영역(10)이 p형을 가지는 경우에는 베이스 영역(10)이 3족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등이 도핑된 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어질 수 있다. 일 예로, 본 실시예에서 베이스 영역(10)은 n형을 가질 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스 영역(10) 및 제2 도전형 도펀트가 다양한 물질로 구성될 수 있다.
일 예로, 베이스 영역(10)은 n형일 수 있다. 그러면, 베이스 영역(10)과 pn 접합을 이루는 에미터 영역(20)이 p형을 가지게 된다. 이러한 pn 접합에 광이 조사되면 광전 효과에 의해 생성된 전자가 반도체 기판(110)의 제2 면(이하 "후면") 쪽으로 이동하여 제2 전극(34)에 의하여 수집되고, 정공이 반도체 기판(110)의 전면 쪽으로 이동하여 제1 전극(24)에 의하여 수집된다. 이에 의하여 전기 에너지가 발생한다. 그러면, 전자보다 이동 속도가 느린 정공이 반도체 기판(110)의 후면이 아닌 전면으로 이동하여 변환 효율이 향상될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스 영역(10) 및 후면 전계 영역(30)이 p형을 가지고 에미터 영역(20)이 n형을 가지는 것도 가능하다.
반도체 기판(110)의 전면 쪽에는 베이스 영역(10)과 반대되는 제1 도전형을 가지는 에미터 영역(20)이 형성될 수 있다. 에미터 영역(20)은 베이스 영역(10)과 pn 접합을 형성하여 광전 변환에 의하여 캐리어를 생성하는 에미터 영역을 구성한다.
본 실시예에서는 에미터 영역(20)이 반도체 기판(110)의 일부를 구성하는 도핑 영역으로 구성될 수 있다. 이에 의하여 에미터 영역(20)이 제1 도전형 도펀트를 포함하는 결정질 반도체로 구성될 수 있다. 일 예로, 에미터 영역(20)이 제1 도전형 도펀트를 포함하는 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 특히, 에미터 영역(20)은 제1 도전형 도펀트를 포함하는 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 반도체 웨이퍼, 좀더 구체적으로는, 단결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다. 이와 같이 에미터 영역(20)이 반도체 기판(110)의 일부를 구성하면 베이스 영역(10)과의 접합 특성을 향상할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 에미터 영역(20)이 반도체 기판(110)의 위에서 반도체 기판(110)과 별개로 형성될 수 있다. 이 경우에 에미터 영역(20)은 반도체 기판(110) 위에 쉽게 형성될 수 있도록 반도체 기판(110)과 다른 결정 구조를 가지는 반도체층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 에미터 영역(20)은 증착 등의 다양한 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있는 비정질 반도체, 미세 결정 반도체, 또는 다결정 반도체(일 예로, 비정질 실리콘, 미세 결정 실리콘, 또는 다결정 실리콘) 등에 제1 도전형 도펀트를 도핑하여 형성될 수 있다. 그 외의 다양한 변형이 가능하다.
제1 도전형은 p형 또는 n형일 수 있다. 에미터 영역(20)이 p형을 가지는 경우에는 에미터 영역(20)이 3족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등이 도핑된 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어질 수 있다. 에미터 영역(20)이 n형을 가지는 경우에는 에미터 영역(20)이 5족 원소인 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등이 도핑된 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 물질이 제1 도전형 도펀트로 사용될 수 있다.
도면에서는 에미터 영역(20)이 전체적으로 균일한 도핑 농도를 가지는 균일한 구조(homogeneous structure)를 가지는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 다른 실시예로, 에미터 영역(20)이 선택적 구조(selective structure)를 가질 수 있다. 선택적 구조에서는 에미터 영역(20) 중에서 제1 전극(24)과 인접한 부분에서 높은 도핑 농도, 큰 정션 깊이 및 낮은 저항을 가지며, 그 외의 부분에서 낮은 도핑 농도, 작은 정션 깊이 및 높은 저항을 가질 수 있다. 에미터 영역(20)의 구조로는 이 외에도 다양한 구조가 적용될 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면 쪽에는 베이스 영역(10)과 동일한 제2 도전형을 가지되, 베이스 영역(10)보다 높은 도핑 농도로 제2 도전형 도펀트를 포함하는 후면 전계 영역(30)이 형성될 수 있다. 후면 전계 영역(30)은 후면 전계(back surface field)를 형성하여 반도체 기판(110)의 표면(좀더 정확하게는, 반도체 기판(110)의 후면)에서 재결합에 의하여 캐리어가 손실되는 것을 방지하는 후면 전계 영역을 구성한다.
본 실시예에서는 후면 전계 영역(30)이 반도체 기판(110)의 일부를 구성하는 도핑 영역으로 구성될 수 있다. 이에 의하여 후면 전계 영역(30)이 제2 도전형 도펀트를 포함하는 결정질 반도체로 구성될 수 있다. 일 예로, 후면 전계 영역(30)이 제2 도전형 도펀트를 포함하는 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 특히, 후면 전계 영역(30)은 제2 도전형 도펀트를 포함하는 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 반도체 웨이퍼, 좀더 구체적으로는, 단결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다. 이와 같이 후면 전계 영역(30)이 반도체 기판(110)의 일부를 구성하면 베이스 영역(10)과의 접합 특성을 향상할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 후면 전계 영역(30)이 반도체 기판(110)의 위에서 반도체 기판(110)과 별개로 형성될 수 있다. 이 경우에 후면 전계 영역(30)은 반도체 기판(110) 위에 쉽게 형성될 수 있도록 반도체 기판(110)과 다른 결정 구조를 가지는 반도체층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 후면 전계 영역(30)은 증착 등의 다양한 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있는 비정질 반도체, 미세 결정 반도체, 또는 다결정 반도체(일 예로, 비정질 실리콘, 미세 결정 실리콘, 또는 다결정 실리콘) 등에 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 형성될 수 있다. 그 외의 다양한 변형이 가능하다.
제2 도전형은 n형 또는 p형일 수 있다. 후면 전계 영역(30)이 n형을 가지는 경우에는 후면 전계 영역(30)이 5족 원소인 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등이 도핑된 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어질 수 있다. 후면 전계 영역(30)이 p형을 가지는 경우에는 후면 전계 영역(30)이 3족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등이 도핑된 단결정 또는 다결정 반도체로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 물질이 제2 도전형 도펀트로 사용될 수 있다. 그리고 후면 전계 영역(30)의 제2 도전형 도펀트는 베이스 영역(10)의 제2 도전형 도펀트와 동일한 물질일 수도 있고, 이와 다른 물질일 수도 있다.
본 실시예에서 후면 전계 영역(30)이 전체적으로 균일한 도핑 농도를 가지는 균일한 구조(homogeneous structure)를 가지는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 다른 실시예로, 후면 전계 영역(30)이 선택적 구조(selective structure)를 가질 수 있다. 선택적 구조에서는 후면 전계 영역(30) 중에서 제2 전극(34)과 인접한 부분에서 높은 도핑 농도, 큰 정션 깊이 및 낮은 저항을 가지며, 그 외의 부분에서 낮은 도핑 농도, 작은 정션 깊이 및 높은 저항을 가질 수 있다. 또 다른 실시예로, 후면 전계 영역(30)이 국부적 구조(local structure)를 가질 수 있다. 국부적 구조에서는 후면 전계 영역(30)이 제2 전극(34)이 형성된 부분에 대응하여 국부적으로 형성될 수 있다. 후면 전계 영역(30)의 구조로는 이 외에도 다양한 구조가 적용될 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면 위에, 좀더 정확하게는, 반도체 기판(110)에 또는 이 위에 형성된 에미터 영역(20) 위에 반사 방지막(22)이 형성되고, 제1 전극(24)이 패시베이션막(22)을 관통하여(즉, 개구부를 통하여) 에미터 영역(20)에 접촉하여 형성된다.
반사 방지막(22)은 제1 전극(24)에 대응하는 개구부를 제외하고 실질적으로 반도체 기판(110)의 전면 전체에 형성될 수 있다.
반사 방지막(22)은 에미터 영역(20)에 접촉하여 형성되어 에미터 영역(20)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화 시킨다. 이에 의하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거하여 태양 전지(150)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 또한, 반사 방지막(22)은 반도체 기판(110)의 전면으로 입사되는 광의 반사율을 감소시킨다. 이에 의하여 반도체 기판(110)의 전면을 통해 입사되는 광의 반사율이 낮추는 것에 의하여 베이스 영역(10)과 에미터 영역(20)에 의하여 형성된 pn 접합까지 도달되는 광량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 태양 전지(150)의 단락 전류(Isc)를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 반사 방지막(22)에 의해 태양 전지(150)의 개방 전압과 단락 전류를 증가시켜 태양 전지(150)의 효율을 향상할 수 있다.
반사 방지막(22)은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 반사 방지막(22)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, 알루미늄 산화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 반사 방지막(22)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반사 방지막(22)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다. 그리고 반사 방지막(22) 이외의 다양한 막이 반도체 기판(110) 위에 형성될 수도 있다. 그 외에도 다양한 변형이 가능하다.
제1 전극(24)은 반사 방지막(22)에 형성된 개구부를 통하여(즉, 반사 방지막(22)을 관통하여) 에미터 영역(20)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제1 전극(24)은 다양한 물질에 의하여 다양한 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 일례로, 제2 전극(24)은 서로 평행하게 형성되는 복수의 핑거 전극과, 이들을 연결하는 버스바 전극을 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 패시베이션막(32)과 제2 전극(34)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 태양 전지(150)가 베이스 영역(10)이 n형을 가져 제2 전극(34)이 제1 전극(24)과 유사한 형상을 가지는 것을 예시하였다. 즉, 제2 전극(34)이 복수의 핑거 전극과 이들을 연결하는 버스바 전극을 가지는 등과 같이 소정의 패턴을 가지면서 형성될 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(150)가 후면을 통하여 입사한 빛을 함께 사용할 수 있는 양면 수광형(bi-facial) 태양 전지 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(34)이 제1 전극(24)과 다른 형상을 가지는 것도 가능하다.
패시베이션막(32)은 제2 전극(34)이 형성된 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(110)의 후면 전체에 형성될 수 있다. 이러한 패시베이션막(32)은 반도체 기판(110)의 후면에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(150)의 개방 전압을 증가시킬 수 있다.
일례로, 패시베이션막(32)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 패시베이션막(32)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
제2 전극(34)은 패시베이션막(32)에 형성된 개구부를 통하여(즉, 패시베이션막(32)을 관통하여) 후면 전계 영역(30)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제2 전극(34)은 다양한 물질로 구성되며 다양한 형상을 가질 수 있다.
이때, 제1 및 제2 전극(24, 34)은 일 예로 전도성 물질을 포함하는 페이스트 조성물을 도포한 후에 소성하여 형성될 수 있다. 특히, 반도체 기판(110)의 전면(前面)에 위치하는 전면 전극인 제1 전극(24)은 후술할 본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용한 파이어 스루(fire-through) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 파이어 스루라 함은, 도전형 영역(일 예로, 에미터 영역(20)) 위에 위치한 절연막(일 예로, 반사 방지막(22)) 위에 페이스트 조성물을 도포하고, 열처리에 의하여 페이스트 조성물을 소성하면 페이스트 조성물이 소성되면서 절연막을 에칭하여 절연막을 관통하여 도전형 영역에 연결되는 공정을 말한다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 제1 전극(24)은 납과 탈륨을 포함할 수 있다. 납은 납 산화물 형태로 유리 프릿으로 포함되어 제1 전극(24)의 파이어 스루를 돕는 역할을 하며, 탈륨은 탈륨 화합물 형태로 유리 프릿 또는 별개로 포함되어 유리 전이 온도를 낮추고 유리 안정성을 향상하는 역할을 한다. 이에 대해서 좀더 상세하게 설명한다.
이하, 제1 전극(24)에 적용될 수 있는 페이스트 조성물을 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은, 전도성 분말과, 유리 프릿과, 유기 비히클을 포함하고, 기타 첨가제 등을 더 포함할 수 있다. 이때, 페이스트 조성물은 탈륨 화합물을 포함한다. 일 예로, 탈륨 화합물은 탈륨 산화물일 수 있다. 탈륨 화합물 또는 탈륨 산화물은 유리 프릿을 구성하는 다양한 산화물 중에 하나로 포함되거나 유리 프릿과 별개로 단독으로 페이스트 조성물에 포함될 수 있다. 탈륨 또는 탈륨 산화물은 다양한 방법에 의하여 검출될 수 있는데, 일 예로, 유도결합 플라스마 분광계(ICP) 등에 의하여 검출될 수 있다.
이하에서는 일 실시예로 탈륨이 유리 프릿에 포함되어 페이스트 조성물에 포함된 경우를 상세하게 설명한 후에, 다른 실시예로 유리 프릿과 다른 별개의 물질로 첨가제의 형태로 페이스트 조성물에 포함된 경우를 상세하게 설명한다.
일 실시예로, 탈륨이 유리 프릿에 포함되어 페이스트 조성물에 포함된 경우에는 페이스트 조성물이 다음과 같다.
전도성 분말은 금속, 전도성 고분자 물질 등을 포함할 수 있다. 금속으로는 은, 알루미늄, 금, 구리, 이들 중 하나를 포함하는 합금 등을 사용할 수 있고, 전도성 고분자 물질로는 폴리피롤, 폴리아닐린 등을 사용할 수 있다. 이때, 전도성 분말로는 높은 전기 전도도를 가지며 리본과의 부착 특성이 우수한 은을 사용할 수 있다.
본 실시예에서 전도성 분말은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 40 내지 95 중량부만큼 포함될 수 있다. 전도성 분말의 중량부가 40 중량부 미만이면, 페이스트 조성물 내의 전도성 물질의 함량이 적어 전기적 특성이 좋지 않을 수 있다. 전도성 분말의 중량부가 95 중량부를 초과하면, 유리 프릿 및 유기 비히클이 충분하게 포함되지 못하여 전극과 반도체 기판(110)의 부착력이 저하되어 전극의 컨택 저항이 좋지 않을 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전도성 분말의 중량부는 다양하게 달라질 수 있다.
이러한 전도성 분말은 구형 또는 비구형(판형, 종형 또는 플레이크형) 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 전도성 분말로는 단일 입자를 사용할 수도 있고, 또는 서로 다른 입경 등을 가지는 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다.
유리 프릿은 일정한 유리 전이 온도(Tg) 이상에서 유리화되어 전도성 분말의 소결이 이루어지도록 하고 전도성 분말과 반도체 기판(110) 또는 에미터 영역(20)이 양호한 컨택을 이루도록 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 본 실시예에서 유리 프릿은 소성 공정 중에 파이어스루에 의하여 절연막인 반사 방지막(22)을 관통할 수 있도록 한다.
본 실시예에서 유리 프릿은 납 산화물(예를 들어, PbO)과 탈륨 산화물(예를 들어, Tl2O)를 포함하여, 유리 전이 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
여기서, 납 산화물은 반사 방지막(22)을 식각하여 이를 관통하는 파이어 스루 공정이 쉽게 일어날 수 있도록 하며, 전도성 분말의 소결 특성을 향상하여 반도체 기판(110)과 우수한 컨택 특성을 가지도록 하는 역할을 한다. 그리고 납 산화물은 전도성 분말(일 예로, 은)의 고용도가 높아 소성 후 제1 전극(24)의 전도도를 향상시킬 수 있다. 일 예로, 납 산화물은 비스무스 산화물보다 은의 고용도가 높다. 또한, 유리 프릿의 유리 전이 온도를 저하시킬 수 있다.
그리고 탈륨 산화물은 유리 프릿의 유리 전이 온도를 저하시키며 안정적인 유리 상태를 유지할 수 있도록 한다. 이와 같이 유리 전이 온도를 저하시키면 유리 프릿이 소성 시 충분한 유동성을 가질 수 있으므로 반도체 기판(110)과 제1 전극(24)의 컨택이 고르고 균질하게 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 납 산화물 또는 비스무스 산화물 등의 경우에는 유리 전이 온도를 낮출 수는 있으나 안정적인 유리 상태를 유지하기에는 어려움이 있으나, 탈륨 산화물은 유리 전이 온도를 낮추면서도 안정적인 유리 상태를 유지할 수 있도록 한다. 이와 같이 탈륨 산화물에 의하여 낮은 온도에서도 안정적인 유리 상태를 구비하게 되면, 안정적인 유리 결정성과 낮은 온도 대비 우수한 유리 형성 능력을 가질 수 있다. 이에 따라 소성 시 안정적인 특성 재현이 가능하여 공정 안정성을 크게 향상할 수 있어, 태양 전지(150)의 제1 전극(24)의 특성을 우수하고 고르게 유지할 수 있도록 한다. 반면, 유리 프릿이 안정적인 유리 상태를 가지지 않으면 결정질과 비정질이 혼재한 상태를 가지게 되므로, 소성 시 유리 프릿이 전도성 분말을 균일하게 소결하지 못하여 태양 전지(150)의 제1 전극(24)의 특성이 저하될 수 있다.
본 발명에서는 탈륨 화합물로 유리 프릿의 유리 안정성을 최대화할 수 있는 탈륨 산화물을 예시하고 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 탈륨 질화물, 탈륨 불화물, 탈륨 탄화물과 같은 다양한 탈륨 화합물이 사용되어 유리 안정성을 향상할 수도 있다.
본 실시예에서와 같이 유리 프릿이 납 산화물과 함께 탈륨 산화물을 포함하면, 납 산화물의 양을 줄이면서도 낮은 온도에서도 안정적인 유리 형성에 의하여 반도체 기판(110)과의 컨택 특성을 향상할 수 있다.
이때, 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 탈륨 산화물이 1 내지 90 mol%로 포함될 수 있다. 탈륨 산화물이 1 mol% 미만이면 탈륨 산화물에 의한 효과가 충분하지 않을 수 있고, 90 mol%를 초과하면 유리화되기 어려울 수 있고 납 산화물의 함량이 충분하지 않아 페이스트 조성물에 의하여 파이어 스루가 충분하게 이루어지지 않을 수 있다. 유리 프릿 내에서 납 산화물의 함량을 확보하기 위하여 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 탈륨 산화물이 1 내지 50 mol%(좀더 구체적으로는, 1 내지 40 mol%)로 포함될 수 있다. 그리고 탈륨 산화물의 효과를 좀더 향상하기 위하여 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 탈륨 산화물이 10 내지 90 mol%(일 예로, 10 내지 50 mol%, 좀더 구체적으로, 10 내지 40mol%)로 포함될 수 있다.
유리 프릿은 탈륨 산화물 이외에 나머지를 납 산화물로 포함할 수 있다. 일 예로, 유리 프릿 전체 100 mol% 대하여 납 산화물이 10 내지 99 mol%로 포함될 수 있다. 납 산화물이 10 mol% 미만으로 포함되면, 페이스트 조성물이 반사 방지막(22) 등의 절연막을 충분하게 에칭하지 않아 파이어 스루가 원활하게 일어나지 않을 수 있다. 납 산화물이 99 mol%를 초과하여 포함되면, 결정화가 많이 일어나서 유리화가 일어나기 어려울 수 있다.
이때, 납 산화물의 함량을 확보하기 위하여 탈륨 산화물의 함량을 조절하는 것에 의하여 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 납 산화물이 10 내지 50 mol% 또는 10 내지 60 mol%로 포함될 수 있다. 이러한 납 산화물의 함량에서 유리 프릿의 결정화가 좀더 안정적으로 이루어질 수 있다. 그리고 탈륨 산화물의 효과를 좀더 향상하기 위하여 탈륨 산화물을 10 mol% 이상 포함하게 되면, 납 산화물이 10 내지 90 mol% (일 예로, 10 내지 50 mol% 또는 10 내지 60mol%)로 포함될 수 있다. 이와 같은 납 산화물의 함량은 탈륨 산화물의 함량을 충분하게 확보하면서도 파이어스루가 안정적으로 일어날 수 있도록 하는 범위로 결정된 것이다.
특히, 탈륨 산화물의 10 내지 20 mol%로 포함되고, 납 산화물이 80 mol% 내지 60 mol%로 포함되면, 탈륨 산화물에 의한 유리 안정화 효과와 납 산화물에 의한 에칭 효과가 충분하게 발휘되어 제1 전극(24)의 컨택 저항을 최소화할 수 있다.
유리 프릿이 탈륨 산화물과 납 산화물로만 이루어지면 유리 프릿의 조성을 단순화하여 재료 비용을 저감하고 공정을 단순화할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 유리 프릿이 탈륨 산화물 및 납 산화물 이외의 다양한 기타 유리 프릿 물질을 포함할 수 있다. 이 경우에도 납 산화물과 탈륨 산화물이 유리 프릿의 주 성분으로 포함하도록 할 수 있다. 여기서, 주 성분이라 함은 50 mol% 이상으로 포함된 것을 의미한다. 즉, 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 납 산화물과 탈륨 산화물이 50 mol% 이상(일 예로, 50 내지 99 mol%)으로 포함될 수 있고, 기타 유리 프릿 물질이 총 1 내지 50 mol%로 포함될 수 있다. 그러면, 납 산화물과 탈륨 산화물에 의한 효과를 좀더 향상할 수 있고, 기타 유리 프릿 물질에 의한 효과도 충분하게 구현될 수 있다.
기타 유리 프릿 물질로 유리를 형성하는 유리 형성제(glass former)(또는 망목 형성제(network former)), 유리 수식제(glass modifier)(또는 망목 수식제(network modifier)), 중간제 등을 포함할 수 있다.
유리 형성제는 유리 또는 망목 구조를 형성하는 역할을 하는 물질로, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 붕소 산화물(B2O3), 인 산화물(P2O5) 등을 들 수 있다. 유리 수식제는 망목 구조를 절단하여 녹는점(연화 온도)를 낮추는 역할을 하는 물질로, 리튬 산화물(Li2O), 나트륨 산화물(Na2O), 칼륨 산화물(K2O) 등을 들 수 있다. 중간제는 유리 수식제에 영향을 받아서 유리 형성제의 역할을 할 수도 있고 유리 수식제의 역할을 할 수 있는 물질로, 아연 산화물(ZnO), 알루미늄 산화물(Al2O3) 등을 들 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 기타 유리 프릿 물질로 다양한 물질이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 유리 프릿의 유리 전이 온도는 200 내지 400℃ 일 수 있다. 유리 프릿의 유리 전이 온도가 200℃ 미만이면, 유리 프릿이 쉽게 결정화되어 유리 상태를 유지하기 어려울 수 있다. 그러면 소성 시 페이스트 조성물 내의 유동성이 저하되면서 제1 전극(24)을 반도체 기판(110) 상에 고르고 균일하게 컨택시키기 어려울 수 있다. 유리 프릿의 유리 전이 온도가 400℃를 초과하면, 유리 프릿의 유동성이 낮아 제1 전극(24)을 반도체 기판(110) 상에 고르고 균일하게 컨택시키기 어려울 수 있다. 특히, 유리 프릿의 유리 전이 온도가 200 내지 300℃ 일 수 있다. 이는 납 산화물의 함량을 종래보다 줄이더라도 탈륨 산화물에 의하여 유리 프릿의 유리 전이 온도를 충분하게 낮출 수 있기 때문이다. 즉, 본 실시예에서는 탈륨 산화물을 포함하여 납 산화물의 함량을 낮춰 유리 불안정성을 줄이면서도 유리 전이 온도를 낮추면서 유리 안정성을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 유리 프릿의 유리 전이 온도가 다양한 값을 가질 수 있다.
상술한 유리 프릿은 유리 프릿을 구성하는 물질(예를 들어, 납 산화물, 탈륨 산화물, 및/또는 기타 유리 프릿 물질 등)의 분말을 혼합한 후에 용융한 다음 이를 일정한 형태를 가지는 상태로 냉각한 후에 분쇄하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 유리 프릿을 구성하는 물질의 분말을 혼합한 후에 1000 내지 1300℃의 온도에서 용융한 다음 방울 형태로 떨어뜨린 후에 두 개의 롤 사이를 통과하도록 하여 판상 형태의 유리 프릿을 제조한 다음, 이를 분쇄할 수 있다.
이렇게 제조된 유리 프릿은 3um 이하(예를 들어, 0.5um 내지 3um)의 중심 입경(D50)을 가질 수 있고, 일 예로, 0.5um 내지 2um(좀더 구체적으로는 0.5um 내지 1.7um)의 중심 입경을 가질 수 있다. 중심 입경이 0.5um 미만인 유리 프릿은 제조가 어려울 수 있으나, 제조 상의 어려움이 없다면 0.5um 미만의 유리 프릿을 사용할 수도 있다. 유리 프릿의 중심 입경이 3um를 초과하면, 유리 프릿의 최대 입경이 커지게 되어 소성 시 쉽게 유리화되지 않아 유동성이 좋지 않을 수 있다. 유리 프릿 및 이를 포함하는 페이스트 조성물이 좀더 우수한 특성을 가질 수 있도록, 유리 프릿의 중심 입경을 2um 이하, 좀더 구체적으로는, 1.7um 이하로 할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
유리 프릿은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부만큼 포함될 수 있다. 유리 프릿은 0.1 내지 10 중량부의 범위 내에서 접착력, 소결성 및 태양 전지(150)의 후가공 공정 특성을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 유리 프릿의 함량이 다양한 값을 가질 수 있다.
유기 비히클은 용매에 바인더가 용해된 것일 수 있으며, 소포제, 분산제 등을 더 포함할 수 있다. 용매로는 테르피네올, 카르비톨 등의 유기 용매를 사용할 수 있다. 바인더로는 셀룰로오스 계열의 바인더를 사용할 수 있다.
유기 비히클은 전도성 분말, 유리 프릿 외의 나머지를 구성할 수 있다. 일 예로, 유기 비히클은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 2 내지 60 중량부만큼 포함될 수 있다. 여기서, 유기 비히클이 2 중량 미만으로 포함되면, 전도성 분말의 양이 상대적으로 많아져서 페이스트 조성물의 비용이 증가될 수 있다. 유기 비히클이 60 중량부를 초과하여 포함되면, 제1 전극(24)의 전기 전도도가 낮아질 수 있다. 일 예로, 유기 비히클이 8 내지 30 중량부로 포함될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 유기 비히클의 양은 유리 프릿과 전도성 분말의 양에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
그 외에 첨가제로 분산제, 칙소제(thixotropic agent), 레벨링(levelling)제, 소포제 등을 더 포함할 수도 있다. 분산제는 전도성 분말, 유리 프릿 등의 분산 특성을 향상할 수 있는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 칙소제는 우레아계, 아마이드계, 우레탄계 등의 고분자/유기물이 사용되거나 무기계의 실리카 등이 사용될 수 있다. 레벨링제, 소포제 등으로는 알려진 다양한 물질을 사용할 수 있다. 이러한 첨가제는 총 0.1 내지 5 중량부만큼 포함될 수 있다. 첨가제가 총 0.1 중량부 미만으로 포함되면 첨가제에 의한 효과를 충분하게 발휘하기 어려울 수 있고, 5 중량부를 초과하여 포함되면 지나치게 많은 양이 포함되어 전도성 분말의 함량이 줄어들 수 있다.
그리고 페이스트 조성물은 상술한 전도성 분말, 유리 프릿, 유기 비히클 외에 유리 또는 결정질 무기물을 더 포함할 수 있다. 이러한 유리 또는 결정질 무기물은 페이스트 조성물의 열 특성, 소성 특성, 부착력, 그리고 전도성 분말의 소결 특성, 치밀성 등을 개선하기 위하여 첨가될 수 있다. 일 예로, 유리로는 납 산화물(PbO) 계 유리를 사용할 수 있고, 결정질 무기물로 납 산화물, 붕소 산화물, 아연 산화물 등을 더 포함할 수 있다. 그 외에도 알려진 다양한 물질이 사용될 수 있다. 이러한 별도의 유리 또는 결정질 무기물은 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 총 0.01 내지 5 중량부만큼 포함될 수 있다. 중량부가 총 0.01 미만이면 효과가 충분하지 않을 수 있고, 중량부가 총 5를 초과하면 전도성 페이스트을 구성하는 다른 물질의 함량이 줄어 특성이 오히려 저하될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 별도의 유리 또는 결정질 무기질의 함량은 다양하게 변형될 수 있다.
이와 같은 페이스트 조성물은 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
바인더를 용매에 용해한 후 프리 믹싱(pre-mixing)하여 유기 비히클을 형성한다. 전도성 분말, 유리 프릿 및 첨가제를 유기 비히클에 첨가하여 일정 시간 동안 숙성(aging) 시킨다. 숙성된 혼합물을 3롤밀(3 roll mill) 등을 통해 기계적으로 혼합 및 분산시킨다. 혼합물을 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 제조한다. 그러나 이러한 방법은 일례로 제시한 것에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 제조된 페이스트 조성물을 반도체 기판(110) 위에 다양한 방법(일례로, 스크린 인쇄 등)에 의하여 반사 방지막(22) 위에 도포한 후에 소성하는 것에 의하여 파이어 스루에 의하여 에미터 영역(20)에 연결되는 제1 전극(24)을 형성하게 된다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은 유리 프릿이 납 산화물과 탈륨 산화물을 포함한다. 이에 따라, 납 산화물에 의하여 파이어 스루가 원활하게 이루어질 수 있고 제1 전극(24)과 반도체 기판(110) 또는 에미터 영역(20)의 컨택 특성을 우수한 수준으로 유지할 수 있다. 그리고 탈륨 산화물을 포함하여 납 산화물의 함량을 줄일 수 있고 유리 프릿의 유리 전이 온도를 낮추면서도 낮은 온도에서의 유리 안정성을 향상할 수 있다. 이에 의하여 낮은 온도에서 소성이 이루어지는 경우에도 균일하게 제1 전극(24)과 에미터 영역(20)의 컨택 특성을 구현할 수 있다.
특히, n형의 베이스 영역(10)과 p형의 에미터 영역(20)을 가지는 경우에는 제1 전극(24)의 소성 온도가 낮을 수 있으므로, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물이 p형 에미터 영역(20)에 연결되는 제1 전극(24)으로 사용되면 그 효과가 배가될 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물이 n형 에미터 영역(20)에 연결되는 제1 전극(24)에 사용될 수 있다. 또한, 상술한 설명 등에서는 본 실시예에 따른 페이스트 조성물이 에미터 영역(20)에 연결되는 제1 전극(24)에 적용되는 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물은, 패시베이션막(32)을 에칭하여 파이어스루하는 것에 의하여 후면 전계 영역(30)에 연결되는 제2 전극(34)에 적용될 수도 있고, 그 외의 다양한 변형이 가능하다.
다른 실시예로, 탈륨 화합물(특히, 탈륨 산화물)이 유리 프릿과 별개의 첨가제로 포함된 페이스트 조성물을 상세하게 설명한다.
유리 프릿과 별도의 첨가제로 첨가된 탈륨 화합물을 제외한 다른 물질, 전도성 분말, 유기 비히클, 분산제, 칙소제 등의 첨가제, 그리고 별도로 첨가된 유리 또는 결정질 무기물에 대한 설명은 상술한 실시예에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있다.
본 실시예에서 유리 프릿은 상술한 실시예에서의 유리 프릿과 동일한 조성을 가질 수 있다. 또는, 상술한 실시예와는 다른 알려진 다양한 조성의 유리 프릿이 사용될 수도 있다. 즉, 본 실시예에서 유리 프릿은 특별히 한정되지 않으며 다양한 조성이 포함될 수 있다.
탈륨 화합물로는 탈륨 산화물이 적용되어 유리 상태의 안정화 효과를 최대화할 수 있으며, 탈륨 산화물 이외의 다양한 화합물(예를 들어, 탈륨 질화물, 탈륨 불화물, 탈륨 탄화물 등)이 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물에는 전체 100 중량부에 대하여 탈륨 산화물이 0.01 내지 5 중량부로 포함된다. 이렇게 포함된 탈륨 산화물이 페이스트 조성물 내에서 유리 프릿의 유리 전이 온도를 저하시키고 유리 안정성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 탈륨 산화물이 0.01 중량부 미만이면, 탈륨 산화물에 의한 효과가 충분하지 않을 수 있다. 탈륨 산화물이 5 중량부를 초과하면, 페이스트 조성물의 다른 물질 등의 함량을 줄여 페이스트 조성물 및 이에 의하여 제조된 전극의 특성을 오히려 저하시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
80 mol%의 납 산화물(PbO), 10 mol%의 탈륨 산화물(Tl2O), 5 mol%의 실리콘 산화물(SiO2), 5 mol%의 붕소 산화물(B2O3)을 혼합한 후에 1200℃의 온도에서 용융한 다음 방울 형태로 떨어뜨린 후에 두 개의 롤 사이를 통과하도록 하여 판상 형태로 제조한 다음, 이를 분쇄하여 중심 입경이 1um인 유리 프릿을 제조하였다.
전체 100 중량부에 대하여, 8 중량부의 부틸 카르비톨(용매)에 0.5 중량부의 에틸 셀룰로오스계 비인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 유기 비히클에 86 중량부의 은 분말(전도성 분말), 3.5 중량부의 상술한 유리 프릿, 2 중량부의 분산제를 첨가한 후 혼합하였다. 이를 12 시간 동안 숙성한 후 3롤 밀을 이용하여 2차로 혼합 및 분산하였다. 이를 여과 및 탈포하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
2
유리 프릿 제조 시 70 mol%의 납 산화물, 20 mol%의 탈륨 산화물, 5 mol%의 실리콘 산화물, 5 mol%의 붕소 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
3
유리 프릿 제조 시 60 mol%의 납 산화물, 30 mol%의 탈륨 산화물, 5 mol%의 실리콘 산화물, 5 mol%의 붕소 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
4
유리 프릿 제조 시 50 mol%의 납 산화물, 40 mol%의 탈륨 산화물, 5 mol%의 실리콘 산화물, 5 mol%의 붕소 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예
5
유리 프릿 제조 시 30 mol%의 납 산화물, 60 mol%의 탈륨 산화물, 5 mol%의 실리콘 산화물, 5 mol%의 붕소 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
1
유리 프릿 제조 시 89.5 mol%의 납 산화물, 0.5 mol%의 탈륨 산화물, 5 mol%의 실리콘 산화물 및 5 mol%의 붕소 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
2
유리 프릿 제조 시 5 mol%의 납 산화물 및 95 mol%의 탈륨 산화물을 사용하고 실리콘 산화물 및 붕소 산화물을 사용하지 않았다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
3
유리 프릿 제조 시 80 mol%의 납 산화물, 10 mol%의 탈륨 산화물, 5 mol%의 실리콘 산화물, 5 mol%의 붕소 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
4
유리 프릿 제조 시 89.5 mol%의 납 산화물, 8 mol%의 실리콘 산화물, 2 mol%의 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 0.5 mol%의 구리 산화물(CuO)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
5
유리 프릿 제조 시 79.5 mol%의 납 산화물, 18 mol%의 실리콘 산화물, 2 mol%의 알루미늄 산화물 및 0.5 mol%의 구리 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
6
유리 프릿 제조 시 69.5 mol%의 납 산화물, 28 mol%의 실리콘 산화물, 2 mol%의 알루미늄 산화물 및 0.5 mol%의 구리 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
7
유리 프릿 제조 시 88.8 mol%의 납 산화물, 8 mol%의 실리콘 산화물, 2 mol%의 알루미늄 산화물, 0.2 mol%의 구리 산화물 및 1 mol%의 리튬 산화물(Li2O)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
8
유리 프릿 제조 시 88.8 mol%의 납 산화물, 8 mol%의 실리콘 산화물, 2 mol%의 알루미늄 산화물, 0.2 mol%의 구리 산화물 및 1 mol%의 나트륨 산화물(Na2O)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
9
유리 프릿 제조 시 79.5 mol%의 납 산화물, 10 mol%의 비스무스 산화물, 8 mol%의 실리콘 산화물, 2 mol%의 알루미늄 산화물 및 0.5 mol%의 구리 산화물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 유리 프릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 유리 프릿을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 1 내지 5, 그리고 비교예 1 내지 9에 따른 페이스트 조성물을 인쇄에 의하여 반도체 기판 위에 형성된 질화막 위에 도포한 후에 소성하여 유리 프릿 조성물이 질화막을 에칭 특성을 판단하였다. 그리고 실시예 1 내지 5, 그리고 비교예 1 내지 9에 따른 페이스트 조성물을 반도체 기판 위에 도포한 후에 소성하여 형성된 전극과 반도체 기판의 컨택 저항을 측정하였다. 이때, 컨택 저항은 DENKEN 사의 측정기에 의하여 측정되었다.
상술한 측정 및 판단의 결과를 표 1에 나타내었다.
| 유리 프릿 조성(mol%) | 에칭 특성 | 컨택 저항 [옴] |
비고 | |
| 실시예 1 | PbO(80), Tl2O(10), SiO2(5), B2O3(5) |
우수 | 4.1 | |
| 실시예 2 | PbO(70), Tl2O(20), SiO2(5), B2O3(5) |
우수 | 4.4 | |
| 실시예 3 | PbO(60), Tl2O(30), SiO2(5), B2O3(5) |
우수 | 5.1 | |
| 실시예 4 | PbO(50), Tl2O(40), SiO2(5), B2O3(5) |
우수 | 5.8 | |
| 실시예 5 | PbO(30), Tl2O(60), SiO2(5), B2O3(5) |
보통 | 6.0 | |
| 비교예 1 | PbO(99.5), Tl2O(0.5) | - | - | 결정화 (유리화 어려움) |
| 비교예 2 | PbO(5), Tl2O(95) | 불량 (컨택 불가) |
- | |
| 비교예 3 | PbO(79.5), Bi2O3(10), SiO2(5), B2O3(5) |
우수 | 8.2 | |
| 비교예 4 | PbO(89.5), SiO2(8), Al2O3(2), CuO(0.5) | 우수 | 5.6 | |
| 비교예 5 | PbO(79.5), SiO2(18), Al2O3(2), CuO(0.5) | 우수 | 7.9 | |
| 비교예 6 | PbO(69.5), SiO2(28), Al2O3(2), CuO(0.5) | 우수 | 8.3 | |
| 비교예 7 | PbO(88.8), SiO2(8), Al2O3(2), CuO(0.5), Li2O(1) | 우수 | 6.1 | |
| 비교예 8 | PbO(88.8), SiO2(8), Al2O3(2), CuO(0.5), Na2O(1) | 우수 | 6.4 | |
| 비교예 9 | PbO(79.5), Bi2O3(10), SiO2(8), Al2O3(2), CuO(0.5) |
우수 | 6.3 |
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5에 따른 유리 프릿은 납 산화물에 의하여 충분하여 질화막을 충분하게 에칭할 수 있다. 이때, 납 산화물 mol%가 상대적으로 적은 실시예 5는 에칭 특성이 보통으로 에칭 특성이 우수한 실시예 1 내지 4에 비하여 에칭 특성이 다소 저하될 수 있다. 따라서 에칭 특성을 고려하면 납 산화물이 50 mol% 이상으로 포함될 수 있고, 공정 마진 등을 고려하여 좀더 안정적인 에칭 특성을 위하여 납 산화물이 60 mol% 이상으로 포함될 수 있다.
그리고 실시예 1 내지 5에서는 납 산화물과 탈륨 산화물에 의하여 낮은 유리 전이 온도를 가지면서도 소성 온도에서 충분하게 유리화되어 전극을 반도체 기판 상에 균일하고 우수한 특성을 가지도록 컨택시킬 수 있다. 이때, 탈륨 산화물이 10 mol% 내지 40mol%로 포함된 실시예 1 내지 4에서는 저항 값이 6.0 옴 이하로 낮은 수준을 가질 수 있다. 그 중에서도 탈륨 산화물이 10 mol% 내지 30mol%로 포함된 실시예 1 내지 3에서는 저항 값이 5.1 옴 이하로 낮은 수준을 가지며, 탈륨 산화물이 10 mol% 내지 20mol%로 포함된 실시예 1 및 2에서는 저항 값이 4.1 및 4.4로 매우 낮은 수준을 가짐을 알 수 있다. 이는 탈륨 산화물에 의한 유리 안정화 효과 및 납 산화물에 의한 에칭 효과가 충분히 발휘되었기 때문으로 예상된다.
반면, 납 산화물이 99.5 mol%만큼 포함된 비교예 1에서는 결정화가 많이 일어나서 유리 프릿의 유리화가 어려운 상태이므로 실제로 사용되는 데 어려움이 있다. 납 산화물이 5 mol% 미만으로 포함된 비교예 2에서는 에칭 특성이 매우 불량하여 질화물이 그대로 잔존하여 전극과 반도체 기판의 전기적 연결이 어려운 것을 알 수 있다.
그리고 탈륨 산화물을 사용하지 않은 비교예 3 내지 9에서는 저항이 실시예 1 내지 5에 비하여 높은 수준임을 알 수 있다. 특히, 실시예 1의 조성에서 탈륨 대신 비스무스 산화물을 사용한 비교예 3은 매우 높은 저항을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 비스무스 산화물을 사용하면 유리 전이 온도를 낮출 수는 있으나, 유리 안정성이 저하되어 유리에 의한 은 분말의 소결 특성이 저하되기 때문으로 예상된다. 비교예 4 내지 9는 유리 안정성을 향상하기 위하여 유리 프릿의 조성을 최적화시킨 것으로서, 대체로 비교예 3보다는 낮은 컨택 저항을 가지지만 실시예 1 내지 5에 비해서는 높은 저항을 가지는 것을 알 수 있다.
실시예
6
페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 8 중량부의 부틸 카르비톨(용매)에 0.5 중량부의 에틸 셀룰로오스계 비인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 유기 비히클에 84 중량부의 은 분말(전도성 분말), 3.5 중량부의 상술한 비교예 7에 따른 유리 프릿, 2 중량부의 분산제, 2 중량부의 탈륨 산화물을 첨가한 후 혼합하는 것에 의하여, 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
10
페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 8 중량부의 부틸 카르비톨(용매)에 0.5 중량부의 에틸 셀룰로오스계 비인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 유기 비히클에 85.95 중량부의 은 분말(전도성 분말), 3.5 중량부의 상술한 비교예 7에 따른 유리 프릿, 2 중량부의 분산제, 0.05 중량부의 탈륨 산화물을 첨가한 후 혼합하는 것에 의하여, 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예
11
페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 8 중량부의 부틸 카르비톨(용매)에 0.5 중량부의 에틸 셀룰로오스계 비인더를 용해하여 유기 비히클을 준비하였다. 유기 비히클에 76 중량부의 은 분말(전도성 분말), 3.5 중량부의 상술한 비교예 7에 따른 유리 프릿, 2 중량부의 분산제, 10 중량부의 탈륨 산화물을 첨가한 후 혼합하는 것에 의하여, 페이스트 조성물을 제조하였다.
실시예 6, 그리고 비교예 10 및 11에 따른 페이스트 조성물을 반도체 기판 위에 도포한 후에 소성하여 형성된 전극과 반도체 기판의 컨택 저항을 측정하였다.
상술한 측정 및 판단의 결과를 비교예 7의 결과와 함께 표 2에 나타내었다.
| 에칭 특성 | 컨택 저항 [옴] | |
| 실시예 6 | 우수 | 5.2 |
| 비교예 7 | 우수 | 6.1 |
| 비교예 10 | 우수 | 6.0 |
| 비교예 11 | 우수 | 6.8 |
표 2를 참조하면, 유리 프릿과 별개로 탈륨 산화물을 첨가한 실시예 6은, 유리 프릿과 별개로 탈륨 산화물을 첨가하지 않은 비교예 7보다 낮은 컨택 저항을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 페이스트 조성물에 탈륨 산화물을 첨가하는 것에 의하여 유리 프릿의 유리 안정성을 향상하였기 때문으로 예상된다. 다만, 비교예 10과 같이 탈륨 산화물의 양이 너무 작으면 탈륨 산화물에 의한 유리 프릿의 유리 안정성을 향상하는 효과가 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있고, 비교예 11과 같이 탈륨 산화물의 양이 너무 많으면 전도성 분말의 함량이 줄어 오히려 저항이 증가될 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
150: 태양 전지
110: 반도체 기판
10: 베이스 영역
20: 에미터 영역
30: 후면 전계 영역
22: 반사 방지막
32: 패시베이션막
24: 제1 전극
34: 제2 전극
110: 반도체 기판
10: 베이스 영역
20: 에미터 영역
30: 후면 전계 영역
22: 반사 방지막
32: 패시베이션막
24: 제1 전극
34: 제2 전극
Claims (18)
- 태양 전지 전극에 사용되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물에 있어서,
상기 페이스트 조성물이, 전도성 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하고,
상기 유리 프릿이 납 산화물 및 탈륨 산화물을 포함하며,
상기 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 상기 탈륨 산화물이 20 내지 40 mol%로 포함되고,
상기 유리 프릿의 유리 전이 온도가 200 내지 300℃인 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿이 상기 납 산화물 및 상기 탈륨 산화물로 이루어지고,
상기 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 상기 탈륨 산화물이 1 내지 90 mol%로 포함되고, 상기 납 산화물이 10 내지 99mol%로 포함되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 유리 프릿이 상기 납 산화물 및 상기 탈륨 산화물 이외의 기타 유리 프릿 물질을 더 포함하는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 제8항에 있어서,
상기 기타 유리 프릿 물질이 실리콘 산화물, 붕소 산화물, 인 산화물, 리튬 산화물, 나트륨 산화물, 칼륨 산화물, 아연 산화물 및 알루미늄 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 제8항에 있어서,
상기 납 산화물과 상기 탈륨 산화물의 합이 상기 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 50 mol% 이상으로 포함되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 제8항에 있어서,
상기 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 상기 기타 유리 프릿 물질이 총 1 내지 50 mol%로 포함되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탈륨 산화물이 상기 유리 프릿과 별개로 상기 페이스트 조성물에 포함되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 제14항에 있어서,
상기 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대하여 탈륨 산화물이 0.01 내지 5 중량부로 포함되는 태양 전지 전극용 페이스트 조성물. - 광전 변환부; 및
상기 광전 변환부에 연결되는 전극
을 포함하고,
상기 전극은 페이스트 조성물을 이용하여 형성되며,
상기 페이스트 조성물은, 전도성 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하고,
상기 유리 프릿이 납 산화물 및 탈륨 산화물을 포함하며,
상기 유리 프릿 전체 100 mol%에 대하여 상기 탈륨 산화물이 20 내지 40 mol%로 포함되고,
상기 유리 프릿의 유리 전이 온도가 200 내지 300℃인 태양 전지. - 제16항에 있어서,
상기 광전 변환부는,
반도체 기판; 및
상기 반도체 기판에 형성되는 에미터 영역
을 포함하고,
상기 전극이 상기 에미터 영역에 전기적으로 연결되는 전면 전극인 태양 전지. - 제17항에 있어서,
상기 에미터 영역이 p형을 가지는 태양 전지.
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| KR1020140110620A KR102306435B1 (ko) | 2014-08-25 | 2014-08-25 | 태양 전지 전극용 페이스트 조성물 및 태양 전지 |
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| JP2009200276A (ja) | 2008-02-22 | 2009-09-03 | Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd | 電極形成用導電性組成物及び太陽電池の形成方法 |
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