KR20100051075A - 태양전지에서 화이어 쓰루 적용을 위한 후막 페이스트 - Google Patents

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Abstract

태양 전지를 제조하기 위한 조성물 및 방법 그리고 그것을 갖는 전지가 기술된다. 본 발명은 전면 컨택, 후면 컨택 및 이면 컨택을 포함하는 태양 전지를 제공한다. 후면 컨택은 소성전에 알루미늄 및 유리 성분을 을 포함하는 페이스트로 도포된 패시베이션 층을 포함하며, 알루미늄 페이스트는 알루미늄 또 다른 임의적인 금속, 유리 성분 및 비히클을 포함한다. 후면 컨택은 소성 전에 알루미늄 페이스트가 도포된 패시베이션 층을 포함하는데, 알루미늄 페이스트는 알루미늄, 유리 성분 및 비히클을 포함한다.

Description

태양전지에서 화이어 쓰루 적용을 위한 후막 페이스트{Thick Film Pastes for Fire Through Applications in Solar Cells}
본 발명은 알루미늄 원, 적어도 하나의 다른 금속 원 및 유기 시스템에 분산된 유리 프리트(frit)로 이루어진 알루미늄 컨덕터 조성물에 관한 것이다. 이 조성물은 패시베이션 층(passivation layer)을 화이어-쓰루(fire-through)할 수 있고, 이에 의해 실리콘 웨이퍼계 태양 전지(photovolatic cell)의 후면 상에 패시베이션 층의 사용이 가능해진다. 이 조성물은 스크린 프린팅 가능하고, 태양광 장치, 특히 태양 전지의 후면 측의 제작에 사용하기에 적합하다.
태양 전지는 일반적으로 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질로 이루어지는데, 태양광을 유용한 전기적 에너지로 변환시킨다. 태양 전지는 일반적으로, 요구되는 PN 접합(junction)이 적절한 인의 원으로부터 p-타입 Si 웨이퍼로 인(P)을 확산시키므로서 형성되는 Si의 얇은 웨이퍼로 이루어진다. 태양 광이 입사되는 실리콘 웨이퍼 측은 일반적으로 태양 광의 반사 손실을 방지하기 위하여 항-반사 코팅물(ARC)로 코팅된다. 이 ARC는 태양 전지 효율을 증가시킨다. 전면(front) 컨택으로서 알려진 이차원 전극 그리드 패턴은 실리콘의 n-측으로의 연결부를 만들고, 주로 알루미늄(Al)의 코팅은 실리콘의 p-측으로의 연결부(후면 컨택)를 만든다. 또한, 은 이면(rear) 접촉부로 알려져 있으며, 은 또는 은-알루미늄 페이스트(paste)로 만들어진 컨택은 실리콘의 P-측 상에 프린트되고 소성되어 태양 전지 모듈에서 하나의 셀을 다음 것에 전기적으로 연결하는 탭의 납땜을 가능하게 한다. 이 컨택들은 PN 접합부로부터 외측 로드(load)로의 전기적 아웃렛(outlet)이다.
실리콘 웨이퍼의 후면 측은 일반적으로 Al 페이스트를 포함하지만 일반적으로 ARC가 없다. 통상적인 후면-측 Al 페이스트는 SiNX, SiO2 및 TiO2와 같은 일반적인 ARC 물질을 화이어 쓰루 하지 않는다. 역으로, 실리콘의 전면 측 상에서 잘 화이어 쓰루 하는 페이스트는 후면 전계(Back Surface Field(BSF)) 층을 형성하지 않으며, 따라서, 태양 전지 후면 컨택에 사용하기에 부적절하다.
따라서, (1) 패시베이션 층(SiNX 또는 SiO2 또는 TiO2)을 화이어 쓰루할 수 있으며, (2) 동시에 실리콘의 후면 측상에 우수한 BSF 형성을 이룰 수 있는 후면측 페이스트에 대한 본 기술의 여지가 있다.
현재, 일반적인 태양 전지 실리콘 웨이퍼는 약 200-300 미크론 두께이고, 더 얇은 웨이퍼로 가는 것이 트렌드이다. 전지 제작 비용의 약 60%가 웨이퍼 비용이므로, 업계에서는 150 미크론에 접근하는 더 얇은 웨이퍼를 원하고 있다. 웨이퍼 두께가 감소하면 소결 스트레스로 인한 전지의 굽힘(휨)의 정도가 증가하는데 이것은 알루미늄(232x10-7/℃ @ 20-300℃) 및 실리콘 (26x10-7/℃ @ 20-300℃) 사이의 팽창의 열 계수(TCE)의 큰 차이에 의해 발생한다.
실리콘 웨이퍼의 굽힘을 감소시키기 위한 공지의 방법으로는 BSF 층의 불완전 형성을 야기하고 동일한 결과를 얻기 위하여 보다 높은 소성 온도를 요구하는, 스크린-프린팅 중의 알루미늄 함량의 감소를 포함한다. 화학적 (산) 에칭이 소성 후 알루미늄 페이스트를 형성하는 Al-Si 합금을 제거하는데 사용되어 왔다. 이것은 단지 제조 공정에서 추가적인 비용을 들이는 또 다른 단계일 뿐이다.
또 다른 접근은 Al 층과 실리콘 웨이퍼 사이의 열 팽창 부조화를 감소하기 위하여 첨가제를 사용하는 것이다. 그러나, 이것의 단점은 후면 패시베이션 품질의 감소 및 동반하는 태양 전지 성능의 감소이다. 웨이퍼의 후방 측 일부만이 알루미늄으로 코팅되는 경우에는 부분적인 커버가 전지 성능의 감소를 가져오는 휨을 없애기 위하여 BSF를 형성하는데 사용되어 왔다.
마지막으로, 휨을 감소 또는 제거하기 위한 또 다른 통상적인 방법은 소성 후 수 초 동안 실온에서 ca. -50℃로 최종 태양 전지를 냉각시키는 것이다. Al-Si 페이스트 매트릭스의 그러한 가소성 변형으로 휨이 상당히 제거되지만 이것은 추가적인 공정 단계를 나타내고 열 스트레스로 인하여 파손될 위험이 매우 크다.
따라서, 태양 전지 산업에서는 태양 전지 컨택, 그러한 컨택을 제조하기 위한 방법 및 패시베이션 층을 화이어 쓰루 하는 Al 페이스트에서 충분한 BSF 층을 형성하는 저-휨, 고 성능 Al 페이스트의 필요성이 존재한다.
본 발명은 후면 컨택을 갖는 실리콘 웨이퍼를 포함하는 태양 전지을 제공하는데, 이 후면 컨택은 알루미늄과 유리 성분을 포함하는 소성된 후면측 페이스트로 적어도 부분적으로 코팅된 패시베이션 층을 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 태양 전지로서, 이 태양 전지는
(a) 소성 전에 은, 유리 성분 및 비히클을 포함하는 은 페이스트가 도포된 패시베이션 층을 포함하는 전면 컨택, 및
(b) 소성 전에 알루미늄, 유리 성분 및 비히클을 포함하는 알루미늄 페이스트가 도포된 패시베이션 층을 포함하는 후면 컨택
을 포함한다.
본 발명의 다른 구현예로는 태양 전지 제조 방법을 포함하는데, 이 방법은
(a) 제1 측 및 제 2 측을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제공하고,
(b) 실리콘 웨이퍼의 제 1 측에 인의 원을 도포하며,
(c) 웨이퍼를 소성하여 실리콘 웨이퍼의 제 1 측 상에 인 유리 층을 형성하고,
(d) 실리콘 웨이퍼의 제 1 측으로부터 인 유리층의 적어도 일부를 제거하며,
(e) 실리콘 웨이퍼의 제 2 측을 연마하고,
(f) 웨이퍼의 제 1 및 제 2 측에 패시베이션 층을 도포하며,
(g) 소성전에, 은, 유리성분 및 비히클을 포함하는 은 페이스트를 제 1 측에 도포하고,
(h) 소성전에, 알루미늄, 유리성분 및 비히클을 포함하는 알루미늄 페이스트를 제 2 측에 도포하는데, (g)와 (h)는 어떤 순서로도 수행될 수 있으며, 그리고,
(i) 은을 전면 측에 그리고 알루미늄을 후면 측에 점착하기에 충분한 시간 및 온도로 웨이퍼를 소성시키므로서 전면 및 후면 컨택을 형성하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 구현예는 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 약 0.1-50 wt%의 은을 포함하는 후막 페이스트 조성물을 제공한다.
마지막으로, 본 발명의 구현예는 후면 컨택을 포함하는 태양 전지로서, 이 후면 컨택은 소성 전에, 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 약 0.1-50 wt%의 은을 포함하는 후막 페이스트 조성물을 포함한다.
본 발명의 페이스트는 태양 전지 이외의 적용 및 예를 들면, 유리, 세라믹, 에나멜, 알루미나 및 금속 코어 기판 과 같은 다른 기판을 사용하는 적용에서 컨덕터를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 구현예는 알루미늄, 유리 성분 및 팔라듐, 은, 백금, 금, 보론, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 마그네슘, 포타슘, 티타늄,바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 다른 금속을 포함하는 전자 회로를 포함하는 장치로서, 이 장치는 MCS 히터, LED 조명 , 후막 하이브리드, 연료 전지 시스템 및 자동차 전자장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 조성물 및 방법은 후면 컨택 성분들, 일반적으로 실리콘 과 알루미늄 사이의 상호작용, 접합 및 컨택 형성을 최적화할 뿐만 아니라 태양 전지 효율을 더 개선하는 후면 컨택 패시베이션 층을 사용할 수 있게 함으로서 선행 기술의 단점을 극복한다.
본 발명의 상기한 그리고 다른 특징들은 하기에서 보다 충분히 설명되고 특히 청구범위에서 지적되는데 하기 설명은 본 발명의 설명을 위한 특정 구현예를 나타내는 것이지만 이들은 단지 본 발명의 원리가 사용되는 다양한 방법들 중 일부를 나타낸다.
도 1-5는 반도체 장치의 제조를 개략적으로 설명하는 공정 흐름도이다. 도 1 및 도 5에 도시된 참고 번호는 하기에 설명된다.
10: p-타입 실리콘 기판
20: n-타입 확산 층
30: 전면측 패시베이션 층/항-반사 코팅물(예를 들면, SiNX, TiO2, SiO2 막)
35: 후면측 패시베이션 층(예를 들면, SiNX, TiO2, SiO2 막)
40: p+ 층(후면 전계, BSF)
60: 후면측에 형성된 알루미늄-(16-금속들) 페이스트
61: 패시베이션 층의 화이어 쓰루 및 BSF 형성을 나타내는, 소성 후의 알루미늄-(16-금속들) 후면 전극
70: 후면측에 형성된 은 또는 은/알루미늄 페이스트
71: 은 또는 은/알루미늄 후면 전극(후면 측 은 페이스트를 소성시켜 얻어진)
80: 은 알루미늄 후면 페이스트 또는 전극에서의 갭
500: 전면 측상에 형성된 은 페이스트
501: ARG를 화이어 쓰루한 후의 은 전면 전극
본 발명은 일반적으로 알루미늄 및 유리 또는 알루미늄, 유리 및 적어도 하나의 다른 금속을 포함하는 전도성 페이스트 조성에 관한 것으로서, 이 조성물은 일반적으로 태양전지로서 알려진, 태양광(PV) 전지와 같은 실리콘 반도체 장치를 포함하는 다양한 적용에 유용하다. 특히, 태양 전지의 후막 전극의 형성에 사용되는 전기-전도성 조성물, 즉 페이스트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 실리콘 태양 전지에서 후면 ARC의 화이어 쓰루를 달성하기 위한 Al 전기-전도성 후막 조성물에 관한 것이다. ARC는 SiNx, SiO2, 또는 TiO2 중 하나 또는 모두를 포함하여 패시베이션 층으로도 제공된다. 용어 "ARC" 및 "패시베이션 층"은 여기에서 상호교환적으로 사용된다. 이 조성물은 일반적으로 스크린 프린팅 가능하고 태양광 장치에 사용하기에 적합하지만, 스프레이, 고온 용융 프린팅, 패드 프린팅, 잉크-젯 프린팅 및 유기물의 적절한 변형을 갖는 테이프 라미네이션 기술과 같은 다른 도포 과정이 사용될 수 있다. 본 발명은 태양 전지 제조자가 신규한 태양 전지 디자인을 사용하고, 높은 효율성을 제공하며, 대규모 제조에서 실질적인 비용 절감을 가져올 수 있는 보다 얇은 웨이퍼의 사용을 가능하게 한다. 본 발명은 또한 통상적인 태양 전지와 비교할 때, 특정 전지 디자인에서 훨씬 적은 후면 측 Al 페이스트를 사용하게 하여 추가적인 비용 절감을 가져온다.
본 발명의 전도성 후막 조성물은 Al 페이스트에 의한 후면측 패시베이션 층의 우수한 화이어 쓰루 및 실리콘-알루미늄 인터페이스에서 2-10 미크론의 BSF 층의 효과적인 형성을 허용한다. 실리콘 웨이퍼의 후면 측 상에 SiNX과 같은 패시베이션 층의 사용은 얇고 큰 영역의 웨이퍼 상에서 태양 전지 효율성에서 더이상 제한 인자가 아닌 것으로 믿어진다. 대안적으로, 본 발명의 페이스트는 제어된 BSF 영역이 요구되는 특정의 비-화이어 쓰루 적용에 사용될 수 있다. 후면 컨택에서 알루미늄의 사용은 은 이동의 감소를 돕는 것으로 믿어진다.
본 발명의 페이스트는 또한, 오염된 후면측 패시베이션 층을 화이어 쓰루 하기 위하여 실리콘 웨이퍼의 전면 측에 도포된 패시베이션 층이 후면 측을 오염시키는 상황(즉, 후면 측 패시베이션이 의도되지 않음)에서 유용하다.
실리콘-알루미늄 인터페이스에서 효과적인 BSF 층을 생성하기 위하여, 본 발명은 소성 전에, 알루미늄 입자, 은, 구리, 니켈 및 실리콘 도판트와 같은 다른것과 같은 다른 금속의 입자, 유리 입자 및 유기 비히클을 포함하는 전도성 후막 페이스트를 제공한다. 이 페이스트는 일반적으로 SiNX 또는 SiO2 또는 TiO2와 같은 패시베이션 층으로 이미 코팅된 p-타입 실리콘 기판의 후면 표면에 도포된다.
본 발명은 후면 컨택을 갖는 실리콘 웨이퍼를 포함하는 태양광 전지를 제공하는데 후면 컨택은 알루미늄과 유리 성분을 포함하는, 소성된 후면 측 페이스트로 적어도 부분적으로 코팅된 패시베이션 층을 포함한다.
본 발명의 추가적인 구현예는 태양광 전지로서, 이 전지는:
(a) 소성 전에, 은, 유리 성분 및 비히클을 포함하는 은 페이스트가 도포된 패시베이션 층을 포함하는 전면 컨택, 및
(b) 소성 전에, 알루미늄, 유리 성분 및 비히클을 포함하는 알루미늄 페이스트가 도포된 패시베이션 층을 포함하는 후면 컨택
을 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 태양광 전지를 제조하기 위한 방법을 포함하는데, 이 방법은:
(a) 제1 측 및 제 2 측을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제공하고,
(b) 실리콘 웨이퍼의 제 1 측에 인의 원을 도포하며,
(c) 웨이퍼를 소성하여 실리콘 웨이퍼의 제 1 측 상에 인 유리 층을 형성하고,
(d) 실리콘 웨이퍼의 제 1 측으로부터 인 유리층의 적어도 일부를 제거하며,
(e) 실리콘 웨이퍼의 제 2 측을 연마하고,
(f) 웨이퍼의 제 1 및 제 2 측에 패시베이션 층을 도포하며,
(g) 소성전에, 은, 유리성분 및 비히클을 포함하는 은 페이스트를 제 1 측에 도포하고,
(h) 소성전에, 알루미늄, 유리성분 및 비히클을 포함하는 알루미늄 페이스트를 제 2 측에 도포하는데, (g)와 (h)는 어떤 순서로도 수행될 수 있으며, 그리고,
(i) 은을 전면 측에 그리고 알루미늄을 후면 측에 점착하기에 충분한 시간 및 온도로 웨이퍼를 소성시키므로서 전면 및 후면 컨택을 형성하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 구현예는 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 약 0.1-50 wt%의 은을 포함하는 후막 페이스트 조성물을 제공한다.
본 발명의 구현예는 후면 컨택을 포함하는 태양 전지로서, 이 후면 컨택은 소성 전에, 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 약 0.1-50 wt%의 은을 포함하는 후막 페이스트 조성물을 포함한다. 팔라듐, 백금, 금, 보론, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 마그네슘, 티타늄, 포타슘, 바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다른 금속들도 은 대신에 또는 은에 추가로 알루미늄과 함께 포함될 수 있다.
본 발명의 페이스트는 태양 전지 이외의 적용 및 예를 들면, 유리, 세라믹, 에나멜, 알루미나 및 금속 코어 기판 과 같은 다른 기판을 사용하는 적용에서 컨덕터를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 구현예는 알루미늄, 유리 성분 및 팔라듐, 은, 백금, 금, 보론, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 마그네슘, 포타슘, 티타늄,바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 다른 금속을 포함하는 전자 회로를 포함하는 장치로서, 이 장치는 MCS 히터, LED 조명 , 후막 하이브리드, 연료 전지 시스템 및 자동차 전자장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 또 다른 구현예는 패시베이션 층을 화이어 쓰루할 수 있는, 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 약 0.5-10 wt%의 유리를 포함하는 후막 페이스트 조성물을 제공한다.
마지막으로, 본 발명은 여기에 기술된 어떤 후면 측 알루미늄 페이스트를 포함하는, 여기에 기술된 태양 전지를 포함하는 태양 전지 어레이 또는 패널이다.
본 발명의 바람직한 구현예는 하기와 같은 금속들의 그룹을 포함한다: 팔라듐, 은, 백금, 금 및 이들의 조합(고 전도성 또는 전기 전도성 개질제); 보론, 갈륨, 인듐 및 이들의 조합(p 타입 실리콘용 삼가 도판트); 아연, 주석, 안티몬 및이들의 조합(저 용융 금속); 및 마그네슘, 티타늄, 포타슘, 바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합(그레인 개질제/refiners).
넓게는, 알루미늄 및 유리 프리트를 함유하는 후막 페이스트가 광에 노출에 의해 생성된 전류를 외부 로드로 전도하기 위한 실리콘-계 태양 전지용 후면 컨택을 만드는데 사용된다. 스크린- 프린팅된 알루미늄 후면 컨택을 갖는 태양 전지는 보론 도핑된 실리콘 웨이퍼의 P-측과 알루미늄 계 페이스트 사이의 저 저항 컨택을 형성하도록 상대적으로 낮은 온도(550-850℃의 웨이퍼 온도; 650-1000℃의 로 설정 온도)로 소성된다. 태양 전지를 제조하는 방법도 여기에 제시된다.
알루미늄 및 유리를 함유하는 페이스트는 넓은 영역의 용융, 및 개선된 BSF로 인하여 태양전지 성능을 증가시키는, 알루미늄 도핑되어 (p+) 에피택시얼적으로(epitaxially) 성장된 Si 층의 재 고형화로 인하여 태양 전지의 후면 측 상에 저 저항 오믹 컨택을 형성하도록 사용된다. 최적의 성능을 위하여 두꺼운 p+ 재-성장 영역이 이상적인 것으로 믿어진다. 소성 중에는, p+ 층이 알루미늄-실리콘(Al-Si) 용융물로부터 실리콘의 액상 에피택셜 성장에 의해 하부 실리콘 상에 형성된다. 또한, 에피택셜적으로 성장하는 p+ 층에서 금속성 불순물을 거부하는 것은 높은 캐리어 수명을 가져오는 것으로 믿어진다. 이러한 두 개의 요인들은 개방 회로 전압을 증가시키는 것으로 믿어지고, 보다 중요하게, 개방 회로 전압은 벌크 저항성이 증가할 때 단지 약간 떨어진다. 따라서, 태양 전지 성능은 Al 후면 컨택에서 실질적인 에피택셜 재성장 p+ 층의 형성으로 인하여 개선된다.
유연 유리는 일반적으로 우수한 웨팅(wetting) 특성과 결합된 우수한 저 용융 특성으로 인하여 페이스트에 사용된다. 환경적인 이유로 인하여, 무연 및 무 카드뮴 유리, 또는 납과 카드뮴이 적어도 거의 없는 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 고-비스무스, 무연 및 무 카드뮴 유리는 상대적으로 낮은 온도에서의 우수한 흐름 특성으로 인하여 전면 컨택을 제조하는데 있어서 낮은 소성 온도를 허용한다. 알칼리-티타늄-실리케이트 유리는 보다 낮은 소성 온도를 이루기 위한 또 다른 경로이다.
페이스트는 개별적인 성분들(즉, 금속들, 유리 프리트 및 유기 비히클)을 혼합하거나 또는 Al에 기초한 페이스트(주 성분)과 은 또는 원하는 목적을 달성하는 다른 금속(들) 또는 급속들의 합금(부 성분)을 블렌딩하므로서 제조될 수 있다. 넓게 해석하면, 본 발명 페이스트는 적어도 알루미늄, 유리 및 비히클을 포함하는 전도성 물질을 포함한다. 각 성분이 하기에 상세히 설명된다.
금속 성분. 화이어 쓰루 페이스트의 주 금속 성분은 알루미늄이다. 알루미늄은 p+/p 표면을 형성하고, 태양 전지 성능을 강화하기 위한 BSF를 제공하기 때문에 사용된다. 본 발명의 후면측 화이어 쓰루 페이스트는 약 40-80 wt%의 알루미늄, 바람직하게는60-80 wt%의 알루미늄, 보다 바람직하게는 65-75 wt%의 알루미늄을 포함한다. 그러나, Al 자체는 패시베이션 층을 화이어 쓰루할 수 없고, 비-전도성 패시베이션 층을 침투하기 위해 다른 금속을 요구한다.
페이스트의 약 0.5-50 wt%의 다른 금속 또는 합금은 패시베이션 층의 알루미늄 화이어-쓰루의 달성을 돕는다. 금속 페이스트가 말하자면, 총 후면 컨택 표면적의 약 10% 이하를 커버하는 국소적인 도포에서, 굽힘은 중요하지 않으며, 구형 분말 형태가 은 및 알루미늄에 대하여 사용될수 있다. 그러나, 전체 후면 컨택이 Al 페이스트로 완전히 커버될 때, 플레이크와 같은 수축을 최소화하는 형태가 바람직하다. 알루미늄 입자는 일반적으로 약 2-20 미크론, 바람직하게는 약 3-10 미크론이다. 다른 금속 입자들은 약 2-20 미크론, 보다 바람직하게는 약 2-8 미크론이다. 태양 전지 전기 성능을 최적화하기 위하여 Al 및 99+% 순도의 다른 금속/합금을 갖는 것이 바람직하다.
금속들의 물리적 및 화학적 형태. 본 발명의 모든 금속들은 몇 가지 물리적 및 화학적 형태 중 하나 이상으로 제공될 수 있다. 넓게는, 금속 분말, 플레이크, 염, 산화물, 유리, 콜로이드 및 오르가노금속이 적절하다. 일반적으로, 금속 분말 크기는 약 0.1-40 미크론, 바람직하게는 약 10 미크론 이하이다. 보다 바람직하게는, 금속 입자 크기는 후면 컨택에서 본 발명의 알루미늄과 은 입자의 크기와 일치한다. 또한, 일반적으로, 16 금속은 해당 금속의 할라이드, 카보네이트, 하이드록사이드, 포스페이트, 니트레이트, 설페이트 및 설파이트와 같은 이온성 염의 형태로 제공될 수 있다. 아세테이트, 포르메이트, 카르복실레이트, 프탈레이트, 이소프탈레이트, 테레프탈레이트, 푸마레이트, 살리실레이트, 타르트레이트, 글루코네이트 또는 에틸렌디아민(en) 또는 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA)과 같은 킬레이트를 포함하는 금속들 중 어떤 것의 오르가노금속성 화합물이 사용될 수도 있다. 다른 적절한 분말, 염, 산화물, 유리, 콜로이드 및 오르가노금속들도 본 기술에서 숙련된 자들에게 쉽게 명백할 것이다. 일반적으로, 알루미늄 및 16 금속들은 금속 분말 또는 플레이크로서 제공된다.
예를 들면, 페이스트는 약 80-99 wt%의 구형 금속 입자들 또는 대안적으로 약 35-70 wt%의 금속 입자 및 약 29-55 wt%의 금속 플레이크를 포함한다. 대안적으로, 페이스트는 약 75-90 wt%의 금속 플레이크 및 약 5-9 wt%의 콜로이드성 금속, 또는 약 60-95 wt%의 금속 분말 또는 플레이크 및 약 4-20 wt%의 콜로이드성 금속을 포함할 수 있다.
상기한 금속들의 입자, 플레이크 및 콜로이드성 형태들의 상기한 조합들은 제한할 의도가 아니고, 본 기술에서 숙련된 자들은 다른 조합도 가능하다는 것을 알 것이다. 알루미늄 입자의 적절한 상업적인 예는 미국 펜실베니아 피츠버그의 알코아 인코포레이티드(Alcoa, Inc.); 미국 뉴저지 플레밍톤의 암팔 인코포레이티드(Ampal Inc.); 및 독일 페르스의 엑카 그래뉼레이트 게임베하 운트 코 카게(ECKA Granulate GmbH & Co. KG)로부터 입수 가능하다.
알루미늄 이외의 전도성 금속(들)의 함량은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 양인 한 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 바람직하게는, 본 발명의 페이스트 조성물은 원하는 특성을 얻기 위하여, 은, 구리, 니켈 또는 마그네슘과 같은 알루미늄 이외의 금속 또는 합금을 약 0.1-50 wt% 포함한다. 특히, 특정 구현예는 약 0.1-50 wt%, 1-25 wt%, 보다 바람직하게는 약 2-10 wt%의 은을 포함한다. 또한, 구현예는 약 3-50 wt%, 바람직하게는 약 3-15 wt%, 보다 바람직하게는 약 3-10 wt%의 구리를 포함한다. 또한, 구현예는 약 1-50 wt%, 바람직하게는 약 5-25 wt%, 보다 바람직하게는 약 5-15 wt%의 니켈을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 페이스트는 약 1-50 wt%, 바람직하게는 약 3-25 wt%, 보다 바람직하게는 약 5-15 wt%의 마그네슘을 포함한다. 페이스트는 약 1-50 wt%, 바람직하게는 약 5-15 wt%의 보론을 포함한다. 상기 금속들을 포함하는 컨택 및 태양 전지가 여기에 기술된다.
실리콘의 은 도핑은 본 발명에서 하나의 바람직한 경로이지만, (a) 팔라듐, 은, 백금, 금 및 이들의 조합(고 전도성 또는 전기 전도성 개질제); (b) 보론, 갈륨, 인듐 및 이들의 조합(p 타입 실리콘용 삼가 도판트); (c) 아연, 주석, 안티몬 및 이들의 조합(저 용융 금속); 및 (d) 마그네슘, 티타늄, 포타슘, 바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합(그레인 개질제/refiners)과 같은 그룹으로부터의 다른 전도성 물질고 가능하다. 또한, Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Zn, 및 Al-Ag, 및 Ag-Pd, Pt-Au, Ag-Pt와 같은 합금도 실리콘 도핑을 위해 사용될 수 있다. 이 16 금속들의 혼합물도 본발명의 페이스트, 컨택 및 태양 전지에 사용될 수 있다.
페이스트 유리. 이 페이스트는 분말 유리 성분의 약 0.5-10 wt%, 바람직하게는 약 0.5-8 wt%, 보다 바람직하게는, 0.5-5 wt%, 더 바람직하게는 0.5-2.5 wt%를 포함한다. 유리 성분은 소성 전에 하나 이상의 유리 조성물을 포함한다. 각 유리 조성물은 하나의 구현예에서, Bi2O3, 알칼리 산화물, B2O3 및 SiO2를 포함하는 산화물 프리트를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 유리 조성물은 알칼리 산화물, TiO2 및 SiO2를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 유리 조성물은 PbO를 포함한다. 특히, 본 발명의 다양한 구현예에서, 후면 컨택용 유리 조성물은 표 1-3에서 발견될 수 있다. 엔트리 "20 3가 옥사이드"는 Al, Ga, In, Sc, Y 및 57-71의 원자 수를 갖는 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소의 하나 이상의 3가 산화물을 의미한다. 페이스트의 조성시에 다른 입자크기가 선행기술에서 알려진 바와 같이 사용될 수 있지만 유리 프리트는 일반적으로 약 0.2-10 미크론의 입자 크기를 갖는다. 페이스트 조성물에 사용된 유리 분말은 300-700℃, 바람직하게는 400-550℃의 범위의 Tg를 갖는 것이 바람직하다.
표 1-3에서 하나 이상의 유리 조성물이 사용될 수 있으며, 같은 표의 다른 란에 있는 양을 포함하는 조성물도 생각할 수 있다. 두 번째 유리 조성물이 사용되면 유리 조성물의 비율이 실리콘과의 페이스트 상호작용의 정도 및 이에 따른 결과적인 태양전지 특성을 조절하고, 실리콘 웨이퍼의 휨을 조절하도록 변화될 수 있다. 예를 들면, 유리 성분 내에 제 1 및 제 2 유리 조성물은 약 1:20-20:1, 바람직하게는 약 1:5-5:1의 중량비로 존재할 수 있다. 바람직하게는, 유리 성분은 납 또는 납 산화물을 함유하지 않고, 카드뮴 또는 카드뮴 산화물을 함유하지 않는다. 그러나, PbO의 특성이 복사될 수 없는 적용에서, 그러한 구현예는 바람직하게는 PbO 를 포함한다. "Li2O + Na2O + K2O"와 같은 엔트리는 Li2O 및 Na2O 및 K2O의 총 함량이 특정 범위 내에 있다는 것을 의미한다. 0의 하한(lower bound) 범위를 갖는 각 범위에서, 바람직한 구현예는 0.1%의 하한을 갖는 동일한 범위이다.
몰 퍼센트로의 비스무스-계 후면 컨택 유리용 산화물 프리트 성분
유리 조성물 I II III
성 분
Bi2O3 5-85 10-75 12-50
B2O3 + SiO2 5-75 15-75 34-71
ZnO 0-55 5-20 0-12
Li2O + Na2O + K2O 0-40 0-30 10-30
20 3가 산화물 0-25 0-20 3-10
Sb2O5 + Nb2O5 0-40 0-30 0-20
TiO2 + ZrO2 0-20 0-10 1-6
몰 퍼센트로의 알칼리-티타늄-실리케이트 후면 컨택 유리용 산화물 프리트 성분
유리 조성물 IV V VI
성분
Li2O + Na2O + K2O 5-55 15-50 30-40
TiO2 2-26 10-26 15-22
B2O3 + SiO2 5-75 25-70 30-52
V2O5 + Sb2O5 + P2O5 0-30 0.25-25 5-25
MgO + CaO + BaO + SrO 0-20 0-15 0-10
F 0-20 0-15 5-13
몰 퍼센트로의 납-계 후면 컨택 유리용 산화물 프리트 성분
유리 조성물 VII VIII IX
성분
PbO 15-75 25-66 50-65
B2O3 + SiO2 5-75 20-60 24-45
ZnO 0-55 0.1-35 0.1-25
Li2O + Na2O + K2O 0-40 0-30 0-10
TiO2+ZrO2 0-20 0-10 0.1-5
20 3가 산화물 0-25 0.1-20 1-10
바람직한 구현예에서, 유리 성분은 약 12-50 mole% Bi2O3; 약 25-65 mole% SiO2; 약 5-15 mole% B2O3; 약 4-26 mole% K2O; 약 10 mole%를 초과하지 않는 함량의 TiO2; 및 Li, Na, K, Rb 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소의 산화물을 포함하는데, 그러한 산화물의 조합된 양은 조합물의 약 40 mol%, 바람직하게는 적어도 약 1 mol%를 초과하지 않는다. 알칼리 산화물을 함유하는 바람직한 구현예에서, 유리 성분은 약 1-15 mole% Li2O, 약 8-25 mole% Na2O, 약 3-25 mole% K2O, 약 8-22 mole% TiO2, 약 25-50 mole% SiO2, 약 2-18 mole% V2O5, 및 약 0.25-5 mole% P2O5를 포함하며, 약 20 mol%를 초과하지 않는 플루오라이드를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에서, 이 조성물은 하기 산화물의 함량이 mol%로 지시된 양을 초과하지 않는 한 하나 이상의 하기를 포함할 수 있다: Li2O (15%), Na2O (25%), K2O (25%), Rb2O (25%), TiO2 (22%), SiO2 (60%), V2O5 (18%), (Sb2O5+V2O5+P2O5)의 합 (25%), 및 F (15%).
가장 바람직한 구현예는 상기한 무연 및 무 카드뮴 유리를 사용하는 것들이다. 그러나, 유연 유리 이외의 것에 의해 달성 불가능한 특성들이 요구될 때, 유리 성분은 하기 산화물의 함량이 mol%로 지시된 양을 초과하지 않는 한 하나 이상의 하기를 포함할 수 있다: PbO (75%), SiO2 (55%), B2O3 (55%), ZnO (25%) 및 Al, Ga, In, Sc, Y, La로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소들의 3가 산화물(25%) 및 (TiO2+ZrO2) (5%), 단 (B2O3+SiO2)의 합은 45%를 초과하지 않는다. 납-함유 유리 성분은 약 0.1-약 10 mol% Al2O3를 더 포함할 수 있다.
비히클. 본 발명의 페이스트는 일반적으로 용매에 용해된 수지의 용액이고, 주로 수지와 틱소트로픽제(thixotropic agent) 둘 모두를 함유하는 용매 용액인 비히클 또는 캐리어를 포함한다. 페이스트의 유기물 부분은 (a)적어도 약 80 wt%의 유기 용매; (b) 약 15 wt% 이하의 열가소성 수지; (c) 약 4 wt% 이하의 틱소트로픽제; 및 (d) 약 2 wt% 이하의 습윤제를 포함한다. 하나 이상의 용매, 수지, 틱소트로프 및/또는 습윤제의 사용도 가능하다.
에틸 셀룰로오스가 일반적으로 사용되는 수지이다. 그러나, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 목재 수지, 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 저급 알콜의 폴리메타크릴레이트 및 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르와 같은 수지도 사용될 수 있다. 약 130-350℃의 비등점(1 atm)을 갖는 용매가 적합하다. 널리 사용되는 용매로는 부틸 Carbitol®(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르); 디부틸 Carbitol®(디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르); 부틸 Carbitol® 아세테이트(디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트), 헥실렌 글리콜, Texanol®(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트)뿐만 아니라 알콜 에스테르, 케로센 및 디부틸 프탈레이트와 같은 다른 용매들과 함께 알파- 또는 베타-터피네올과 같은 테르펜 또는 Dowanol®(디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르)와 같은 고 비등 알콜 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 이 비히클은 오르가노금속성 화합물, 예를 들면, 컨택을 변성시키기 위한 알루미늄 또는 보론에 기초한 것들을 함유할 수 있다. N-Diffusol®이 원소 인과 유사한 확산 계수를 갖는 n-타입 확산제를 함유하는 안정화된 액체 제제이다. 이들 및 다른 용매들의 다양한 조합이 각각의 적용을 위한 소정의 점도 및 휘발성 요건을 얻도록 제형화될 수 있다. 후막 페이스트 조성에 일반적으로 사용되는 다른 분산제, 계면 활성제 및 유동 개질제가 포함될 수 있다. 그러한 제품의 상업적인 예로는 하기 상표하에서 판매되는 것들을 포함한다: Texanol®(Eastman Chemical Company, Kingsport, TN); Dowanol®및 Carbitol®(Dow Chemical Co., Midland, MI); Triton®(Union Carbide Division of Dow Chemical Co., Midland, MI), Thixatrol®(Elementis Company, Hightstown, NJ) 및 Diffusol®(Transene Co. Inc., Danvers, MA).
일반적으로 사용되는 유기 틱소트로픽제는 수소화된 캐스터(castor) 유 및 이들의 유도체이다. 틱소트로프는 항상 필요하지는 않은데 이는 어떤 현탁액에 본래부터 있는 유막 감소(shear thinning)와 결합된 용매가 이와 관련하여 단독으로 적합할 수 있기 때문이다. 또한, 지방산 에스테르, 예를 들면, N-탈로우(tallow)-1,3-디아미노프로판 디올레이트; N-탈로우 트리메틸렌 디아민 디아세테이트; N-코코 트리메틸렌 디아민, 베타 디아민; N-올레일 트리메틸렌 디아민; N-탈로우 트리메틸렌 디아민; N-탈로우 트리메틸렌 디아민 디올레이트 및 이들의 조합과 같은 습윤제가 사용될 수 있다.
다른 첨가제. 다른 무기 첨가제가 소성전에 페이스트의 중량에 대하여 약 1-30 wt%, 바람직하게는 약 2-25 wt%, 보다 바람직하게는 약 5-20 wt%의 범위로 페이스트에 첨가될 수 있다. 클레이, 미세 실리콘, 실리카 또는 카본 또는 이들의 조합과 같은 다른 첨가제도 실리콘과 알루미늄의 반응성을 조절하기 위하여 첨가될 수 있다. Pb, Bi, In, Zn 및 Sb 그리고 각각의 합금들과 같은 저 용융 금속 첨가제(즉, 금속 산화물과 다른 원소 금속 첨가제)의 미세 입자가 저 소성 온도에서 컨택을 제공하거나 또는 소성 범위를 넓히기 위하여 첨가될 수 있다.
(a) 유리의 혼합물 또는 (b) 결정성 첨가제와 유리의 혼합물 또는 (c) 하나 이상의 결정성 첨가제의 혼합물이 소정의 조성범위로 유리 성분을 제형화 하는데 사용될 수 있다. 목표는 휨을 감소시키고 태양전지 전기 성능을 개선시키는 것이다. 예를 들면, SiO2, ZnO, MgO, ZrO2, TiO2, Al2O3, PbO, Bi2O3, V2O5, MoO3, WO3, Sb2O3, SnO 및 In2O3 및 이들의 반응 생성물 그리고 이들의 조합과 같은 제 2-상 결정성 세라믹 물질이 컨택 특성을 조정하기 위하여 유리 성분에 첨가될 수 있다. 그러나, 상기 산화물의 총 양은 본 명세서에 기술된 다양한 구현예에 있는 범위내에 있어야 한다. 세라믹 첨가제로는 헥토라이트(hectorite), 탈크, 카올린, 애타풀자이트(attapulgite), 벤토나이트, 스멕타이트(smectite), 석영, 운모, 장석(feldspar), 조장석(albite), 정장석(orthoclase), 애노타이트(anorthite), 실리카 및 이들의 조합과 같은 입자를 포함한다. 결정성 및 무정형 실리카가 적절하다.
페이스트 제조. 본 발명에 따른 페이스트는 플래너터리 믹서(planetary mixer)에서 제조될 수 있다. 사용된 유기 비히클의 양 및 타입은 주로 소정의 최종 조성물 점도, 페이스트 그라인드의 미세성 및 소정의 습윤 프린트 두께에 의해 결정된다. 일반적으로, 습윤 페이스트는 약 15-40 wt%, 바람직하게는, 약 20-35 wt%의 유기 비히클을 포함한다. 유기 비히클은 하기 표 4에 있는 바와 같은, 예를 들면, 알킬 에스테르 알콜, 터피네올 및 디알킬 글리콜 에테르 및/또는 여기에 기술된 다른 유기물들을 포함할 수 있다.
본 발명의 후면 후막 페이스트 조성물의 제조시에, 미립자 무기 고형물이 비히클과 혼합되고, 플래터너리 믹서와 같은 적절한 장치로 분산되어 현탁액을 형성하므로서 점도가 25℃에서 브룩필드(Brookfield) 점도계 HBT, 스핀들 14로 측정했을 때 9.6 sec-1의 전단 속도에서 약 200-400 포이즈, 바람직하게는 약 500-1500 포이즈, 보다 바람직하게는 800-1200 포이즈가 된다. 일반적으로, 후면 컨택이 페이스트로 부분적으로만 커버될 때는 점도가 더 높아야 한다. 본 발명에 따른 페이스트의 일반적인 조성 범위를 표 4에 제시하였다.
화이어 쓰루 컨덕터용의 넓은 페이스트 조성
성분-wt% 1 2 3 4 5 6 7
알루미늄 40-80 60-80 65-75 40-80 40-80 40-80 40-80
은 0.5-50 1-25 2-10
니켈 3-50
구리 3-50
AlMg 합금 1-50
알킬 에스테르 알콜 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20
터피네올 5-15 5-15 5-15 5-15 5-15 5-15 5-15
디알킬 글리콜 에테르 0-5 0-5 0-5 0-5 0-5 0-5 0-5
유리 성분 0.5-10 0.5-10 0.5-10 0.5-10 0.5-10 0.5-10 0.5-10
금속 에톡사이드 0-10 0-10 0-10 0-10 0-10 0-10 0-10
에탄올 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5
실리카 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5 0-0.5
페이스트의 프린팅 및 소성. 태양전지 후면 컨택을 제조하기 위한 본 발명 방법은 (1) Ag 또는 Ag/Al 후면 컨택 페이스트를 도포하고, (2) 페이스트를 건조시키며. (3) 패시베이션 층이 이미 도포된 실리콘 웨이퍼의 P-측에 Al-함유 페이스트를 도포하고, 4) 페이스트를 건조시키며, 5) 전면 컨택 은 페이스트를 도포하고, 6) 페이스트를 건조시키며, 그리고 (7) 페이스트를 동시 소성시켜 실리콘에 대한 컨택을 만드는 것을 포함한다.
Al-페이스트는 16 금속들 일부 또는 전부를 함유할 수 있거나 가능하게는, 특정 유리가 존재하는 한 아무것도 없을 수 있다. 특히, Al은 유리가 납을 함유하는 한 단독으로 유용하다. 은 이면 컨택 Ag-페이스트, Al-후면페이스트 및 Ag-전면 컨택 페이스트로 프린트된 태양전지는 약 650-1000℃의 로 설정 온도; 또는 약 550-850℃의 웨이퍼 온도와 같은 적절한 온도에서 소성된다. 소성 중에, ARC는 유리와 Al/Ag 페이스트의 조합에 의해 공격되어 부식; 즉 "화이어 쓰루"된다. 웨이퍼 온도가 577℃의 Al/Si 공융 온도 이상으로 상승할 때의 소성 중에는 후면 컨택 Al 및 (16 금속들)이 기판상의 Si를 용해시켜 Al-Si 및(16 금속들)의 액체 층을 형성한다. 웨이퍼 온도가 다른 금속 각각을 갖는 Al의 다양한 공융 온도 이상으로 상승할 때의 소성 중에는 후면 컨택 Al 및 (16 금속들)이 기판상의 Si를 용해시켜 액체 Al-(16 금속들)-Si 층이 형성된다. 이 Al-(16 금속들)-Si 층은 피크 온도로 추가 가열 중에 기판 Si를 계속 용해시킨다. 냉각 기간 중에, Si는 Al-(16 금속들)-Si 용융물로부터 다시 침전한다. 이 침전 Si는 하부 Si 기판상에 에피택셜 층으로서 성장하여 p+ 층을 형성한다. 냉각 용융물이 Al-Si-금속 용융물의 가장 낮은 공융 온도에 도달했을 때 나머지 액체는 Al-Si-금속 공융 층으로서 동결된다. p+ 층은 태양 전지 성능을 증가시키는, BSF를 제공하는 것으로 믿어진다. Al-(16 금속들) 후면컨택의 유리는 효율적인 BSF 층의 형성에 원하지 않는 영향을 미치지 않고 Al 및 Si 둘 모두와 최적으로 상호작용 하여야 한다.
전면 및 후면 컨택 제조 방법. 도 1-5를 참고로 할 때, 본 발명에 따른 태양 전지 전면 컨택은 일반적으로 태양 전지 등급의 Si 웨이퍼에 은-계 페이스트를 도포하므로서 제조될 수 있다. 특히, 도 1은 단일-결정 실리콘 또는 다결정 실리콘의 기판이 일반적으로 광 반사를 감소시키는 구조화된 표면을 갖도록 제공되는 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 태양 전지의 경우에, 기판은 종종 풀링(pulling) 또는 캐스팅 공정으로부터 형성된 잉곳(ingots)으로부터 슬라이스된 상태로 사용된다. 슬라이싱을 위해 사용된 와이어 소우와 같은 공구에 의해 야기된 기판 표면 손상 및 웨이퍼 슬라이싱 단계로부터의 오염은 일반적으로 KOH 또는 NaOH와 같은 수성 알칼리 용액 또는 HF 와 HNO3의 혼합물을 사용하여 기판 표면을 약 10-20 미크론 에칭하므로서 제거된다. 기판은 HCl 및 H2O2의 혼합물로 세척되어 기판 표면에 점착될 수 있는 철과 같은 중금속을 제거한다. 항 반사성의 구조화 표면은 종종 예를 들면, 수성 포타슘 하이드록사이드 또는 수성 소듐 하이드록사이드와 같은 수성 알칼리 용액을 사용하여 그 후에 형성된다. 이것은 일반적인 실리콘 웨이퍼가 ca. 200 미크론 두께이므로 두께 치수를 확대하여 도시한 기판(10)을 제공한다.
도 2는 p-타입 기판이 사용될 때, n-타입 층(20)이 p-n 접합부를 생성하도록 형성되는 것을 개략적으로 도시한 것이다. 인 확산 층은 인 옥시클로라이드(POCl3), 오르가노인 화합물 및 여기에 기술된 다른 것들을 포함하여, 어떤 다양한, 적절한 형태로 공급된다. 인의 원은 실리콘 웨이퍼의 한 쪽면에만 선택적으로 도포된다. 확산층의 깊이는 확산 온도 및 시간을 조절하므로서 다양할 수 있는데, 일반적으로 약 0.3-0.5 미크론이고, 스퀘어 당 약 40-100 오옴의 시트 저항성을 갖는다. 인의 원은 포스포실리케이트 유리(PSG)와 같은 인-함유 액체 코팅 물질을 포함할 수 있는데, 스핀 코팅과 같은 공정에 의해 기판의 한 쪽면에만 도포되고, 확산은 적절한 조건하에서의 어닐링에 의해 수행된다.
다음에, 도 3에서는, SiNX, TiO2 or SiO2일 수 있는, 일반적으로 패시베이션 막으로도 제공되는 항반사 코팅(ARC)(30)이 상기한 n-타입 확산층(20) 상에 형성된다. 패시베이션 막(35)이 실리콘 웨이퍼(10)의 후면 측에 유사하게 도포된다. 실리콘 니트라이드는 종종 수소에 의한 패시베이션화를 강조하기 위하여 SiNX:H로서 표현된다. ARC(30)는 입사광에 대한 태양 전지의 표면 반사율을 감소시켜 광 흡수량을 증가시키고, 이에 의해 전류 발생을 증가시킨다. 패시베이션 층(30, 35)의 두께는 도포된 물질의 굴절율에 좌우되지만 약 700-900Å의 두께가 약 1.9-2.0의 굴절율에 있어서 적합하다. 패시베이션 층은 저압 CVD, 플라즈마 CVD 또는 열 CVD를 포함하는 다양한 과정에 의해 형성될 수 있다. SiNX 코팅을 형성하기 위해 열 CVD가 사용될 경우, 출발 물질은 종종 디클로로실란(SiCl2H2) 및 암모니아(NH3) 가스이고, 막 형성은 적어도 700℃의 온도에서 수행된다. 열 CVD가 사용될 때, 고온에서 출발 가스의 열 분해는 실리콘 니트라이드 막에서 수소가 실질적으로 없게 하여 실리콘과 질소사이에 실질적인 화학양론적 조성비를 제공한다-Si3N4. ARC를 형성하기 위한 다른 방법도 본 기술에서 알려져 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 후면 측 은 또는 알루미늄 페이스트(70) 및 Al(16 금속들) 페이스트(60)은 이후 선택적으로 스크린 프린트되어 기판의 후면 측 상에서 연속적으로 건조된다. 개별적으로 라벨링되지는 않았지만, 도 4는 실리콘 웨이퍼(10)의 후면 측에 도포된 페이스트(60)의 6 개의 세그먼트를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 페이스트(60)의 세그먼트들 사이의 갭(80)은 후면측 패시베이션 층(35)을 커버되지 않은 상태로 남긴다. Al-(16 금속들) 페이스트는 표 1, 2, 또는 3으로부터 하나 이상의 유리 프리트를 포함할 수 있다. 전면 전극 용의 은 페이스트(500)는 ARC(30) 상에 스크린 프린트되어 건조된다. 소성은 약 일 분에서 약 수 분 사이의 시간 동안 약 700-1000℃의 온도 범위에서 적외선 벨트 로에서 수행된다.
따라서, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, Al-(16 금속들) 페이스트로부터의 알루미늄은 용융하여, 소성 중에 실리콘 기판(10)과 반응한 후 고 농도의 알루미늄 도판트를 함유하는 p+ 층(40)을 형성하도록 고형화한다. 이 층은 일반적으로 후면 전계(BSF) 층으로 불리고, 태양 전지의 에너지 전환율의 개선을 돕는다. 도 5는 도 4에소 도포된 알루미늄 페이스트(60)의 6 세그먼트에 상응하는 층(40)의 6 세그먼트를 도시한 것이다. 부동화 층(35)은 기본적으로 도 4에서 알루미늄 페이스트(60)에 의해 커버되지 않은 영역에서 소성 후 변하지 않은 상태를 유지한다(도 5).
Al-(16 금속들) 페이스트는 건조 상태(60)에서 16 금속들 중 적어도 적어도 하나를 포함하는 알루미늄 후면 컨택(61)으로 소성에 의해 변형된다. 후면 은 또는 알루미늄 페이스트(70)는 동시에 소성되어 은 또는 알루미늄 후면 컨택(71)이 된다. 소성시에, 후면 측 Al-(16 금속들) 및 후면 측 은 또는 알루미늄 사이의 경계는 합금 상태인 것으로 추정되는데, 역시 전기적으로 접속된다. 후면 컨택은 부분적으로 보다 두꺼운 p+ 층(40)을 형성할 필요성으로 인하여 약 30-50 미크론의 습윤 두께까지 Al-(16 금속들) 페이스트로 널리 커버된다. 후면 은 페이스트 영역은 모듈 제작 중에 탭 부착용으로 사용된다. 또한, 전면 전극-형성 은 페이스트(500)는 소결하여 소성 중에 실리콘 니트라이드 막(30)으로 침투(즉, 그것을 통하여 소성)하므로서 도 5에서 전면 전극(501)으로 도시된 바와 같이 n-타입 층(20)과 전기적으로 접촉할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 태양 전지 후면 컨택은 표 1, 2 또는 3의 유리 조성물과 알루미늄 분말을 혼합하므로서 제조된 Al 페이스트를 은 이면 컨택 페이스트로 미리 코팅된 실리콘 기판의 P-측에 예를 들면 스크린 프린팅으로, 예를 들면 약 30-50 미크론의 소정 습윤 두께로 도포하므로서 제조될 수 있다. 전면 컨택을 제조하기 위하여, 전면 컨택 은 페이스트가 전면 측 상에 프린트된다.
전면 컨택, 후면 컨택 및 이면 컨택의 제조에서 공통적인 것은 하기와 같다. 자동 스크린-프린팅 기법이 200-325 메쉬 스크린을 사용하여 사용될 수 있다. 프린트된 패턴은 소성 전 약 5-15분 동안 200℃ 이하, 바람직하게는 약 120℃에서 건조된다. 본 발명의 건조 프린트된 Al(16-금속들) 후면 컨택 페이스트는 대기 중의 벨트 콘베이어 로에서 피크 온도로 1초에서 5분동안 은 이면 컨택 및 전면 컨택 은 페이스트와 함께 동시 소성된다.
원할 경우, 질소(N2) 또는 다른 불활성 분위기가 소성을 위해 사용될 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 소성은 일반적으로 보다 낮은 온도에서 소성될 때는 피크 온도에서 1, 3 또는 5분의 보다 긴 소성시간이 가능하지만 약 1초 동안 지속하는, 약 650-1000℃의 피크 로 설정온도의 시간 동안 약 300-550℃에서 유기물질을 태울 수 있는 온도 프로파일에 따른다. 예를 들면, 분당 약 1-4 미터(40-160 인치)의 벨트 속도로 세-구역 소성 프로파일이 사용될 수 있다. 당연히, 4, 5, 6, 또는 7 이상의 구역을 포함하는데 각 구역이 약 5-20 인치의 길이를 가지며 650-1000℃의 소성 온도를 포함하는, 3 이상의 구역을 갖는 소성 배치도 본 발명에 의해 가능하다.
[실시예]
조성되어 시험된, 예시적인 페이스트 조성물을 표 5에 도시하였다. 표 6은 표준 이면 컨택 및 전면 측 컨택 페이스트를 프린팅하는 것 이외에 웨이퍼의 패시베이션화된 후면측 상에 후면 Al 화이어-쓰루 페이스트로 웨이퍼를 프린팅 및 소성한 후(780-830-930℃ 로 설정 온도를 갖는 세 구역 소성 프로파일을 사용하여)의 태양 전지의 성능을 도시한 것이다. 하기 실시예들에 사용된 다결정성 실리콘 웨이퍼들은 243 cm2 의 면적, 약 180 미크론의 두께 및 스퀘어당 60 오옴의 시트 저항성을 가졌다. 웨이퍼의 후면 패시베이션화된 측 상에 후면 측 Al 화이어-쓰루 페이스트를 프린트하고, 건조시킨 후 780-830-930℃의 설정 점을 갖는 세-구역 로에서 소성시켰다. BSF의 Sun Voc 측정 및 가로 구역의 SEM에 의한 검사를 사용하여 전기적 특성화를 수행했다. 페이스트 제조, 프린팅, 건조 및 소성의 상세한 사항은 여기에 참고로 도입된, 공유 미국 특허 출원 공게 제 US2006/0102228 및 US 2006/0289055호에 기술되어 있다.
표 5에 있는 예시적인 알루미늄 계 조성물을 상업적을 입수가능한, 기술된유리에 상업적으로 입수 가능한, 4-10 미크론의 알루미늄 분말 및 상업적으로 입수 가능한, 2-5 미크론의 은 분말 또는 플레이크를 더하여 제조하였다. 추가적인 페이스트 성분으로는 Cabosil®, Min-U-Sil®, 보론 에톡사이드 및/또는 테트라에틸 오르소티타네이트, Anti-Terra® 204, 유기 비히클 및 Texanol®을 포함한다. 클레이는 수분을 없애도록 소결되고, 통상적인 수단으로 분쇄(볼-밀(ball-milled))되며, 40 wt%의 소결된 클레이, 59 wt% 터피네올 및 1 wt%의 Anti-Terra® 204의 비율로 습윤되는 Na0.3(Mg,Li)3Si4O10(OH)2이다. Anti-Terra® 204는 독일의 베젤(Wesel)에 소재하는 BYK-Chemie GmbH로부터 상업적으로 입수가능한 습윤제이다. Cabosil®는 미국, 매사츄세츠, 빌레리카(Billerica)에 소재하는 Cabot Corporation으로부터 상업적으로 입수가능한 훈연(fumed) 실리카이다. Min-U-Sil®는 미국, 웨스트 버지니아, 버클리 스프링스(Berkeley Springs)에 소재하는 U.S. Silica Company로부터 입수가능한 결정성 실리카이다. 보론 에톡사이드 및 테트라에틸 오르소티타네이트는 미국, 텍사스, 댈러스에 소재하는 Sigma-Aldrich로부터 입수가능하다. 비히클 131, 132, 205, 402, 450, 및 473 뿐만 아니라 모든 기술된 유리 조성물(문자 EG, GL, IP로 시작하는)은 미국, 오하이오, 클리블랜드에 소재하는 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수가능하다.
Al 화이어-쓰루 적용을 위한 예시적인 페이스트 조성물
페이스트 I II III IV V VI
성분(wt%)
알루미늄 70.38 65.41 68.46 72.31 66.31 69.08
은 2.19 7.2 2.1
구리 3.98
Min-U-Sil 0.39 0.36 0.4
Cabosil 0.34 0.33 0.38
Hectorite 4.75
보론 에톡사이드 1.52
테트라에틸 오르소티타네이트 1.43
Glass Ferro EG 2050 0.58 0.54 0.60
Glass Ferro IP 510 0.97 0.90 1.0
Glass Ferro EG 9014 0.23 0.23
Glass Ferro GL 4317 0.49
Glass Ferro EG 2761 0.89
Glass Ferro EG 2760 0.6
Glass Ferro EG 9063 0.15 0.22
Glass Ferro EG 9322 0.76
Glass Ferro EG 9152 0.76
Glass Ferro EG 9294 0.5
비히클 205 6.11 5.67 9.45 6.27 9.22 5.8
비히클 450 4.85 4.5 5.1 4.98 4.99 5.7
비히클 131 0.37
비히클 132 0.2 0.2
비히클 402 1.69
비히클 473 0.61 0.5
터피네올 12.24 11.25 7.70 8.63 3.49 5.2
Anti Terra 0.96 0.89 1.12 0.98 1.1 0.95
Texanol 0.51 0.70 3.98 0.52 3.88 1.62
Dowanol DB 0.02 0.02 0.06 0.3
Thixatrol 0.30 0.29
표 5의 알루미늄 페이스트를 미국, 오하이오, 클리블랜드의 페로 코포레이션(Ferro Corporation)으로부터 입수가능한 후면측 은/알루미늄 페이스트 CN33-451로 예비코팅된, 실리콘 태양 전지 상에 프린트했다. 알루미늄은 Ampal ULT 3510 분말이었다. 약 1.7 그램의 각 페이스트를 200 메쉬 스크린을 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에 프린트했다. 후면 컨택 페이스트를 건조한 후, 핑거 라인에 대한 100 미크론 개구를 가지며 라인 사이에 2.8 mm 공간을 갖는 280 메쉬 스크린을 사용하여 미국, 오하이오, 클리블랜드의 페로 코포레이션으로부터 입수가능한 전면 컨택 페이스트 CN33-455를 프린트했다. 분당 약 3 미터(120")의 벨트 속도를 갖는 3-구역 적외선(IR) 벨트 로를 사용하여 각각 780℃, 830℃ 및 920℃의 설정 온도로 프린트된 웨이퍼들을 동시 소성했다. 구역들은 각각 7", 16" 및 7" 길이였다.
표 5의 예시적인 페이스트로 제조된 태양 전지의 특성
페이스트 I II III
태양 Voc (V) 0.589 0.585 0.552
휨 (mm) 0.928 1.245 0.305
소성된 표면 외관 매우 평탄 매우 평탄 매우 평탄
BSF 형성되는가? 예 예 예
이 태양전지들의 전기적 특성을 미국, 코네티컷, 스트랫포드(Stratford)에 소재하는 Oriel Instrument Co.의 솔라 테스터(solar tester), Model 91193-1000으로 ASTM G-173-03에 따라 AM 1.5 태양 조건하에서 측정했다. 결과적인 태양전지의 전기적 특성을 표 6에 제시하였는데 이것은 선행기술 저 휨 Al 페이스트 및 본 발명의 페이스트의 비교를 위하여 유사한 웨이퍼에 대한 일반적인 태양전지의 전기적 특성 및 휨을 도시한 것이다. Jsc는 전류밀도를 의미하고; Isc단락 회로 전류를 의미하며, Voc는 제로 출력 전류에서 측정된 개방 회로 전압을 의미하며; 효율(Eff) 및 채움 인자(FF)는 선행기술에서 알려져 있다. 웨이퍼 휨은 밀리미터로 측정된다. 네 실시예 모두 우수한 BSF를 형성했다.
추가적인 이점 및 변형은 본 기술에서 숙련된 자들에게 쉽게 발생할 것이다. 따라서, 넓은 의미에서 본 발명은 여기에 도시되고 기술된 상세한 설명 및 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 일반적인 본 발명 개념의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (25)

  1. 후면 컨택을 갖는 실리콘 웨이퍼를 포함하는 태양 전지에 있어서, 후면 컨택이 소성된 후면 측 페이스트로 적어도 부분적으로 코팅된 패시베이션 층을 포함하며, 페이스트가 소성전에 알루미늄 및 유리 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  2. 제 1항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 팔라듐, 은, 백금, 금, 보론, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 마그네슘, 포타슘, 티타늄,바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된, 적어도 하나의 다른 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  3. 제 1항에 있어서, 후면 컨택의 약 10% 이하의 영역이 소성된 알루미늄 페이스트로 코팅되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  4. 제 1항에 있어서, 후면 측 페이스트가 소성 전에,
    a. 약 40-80 wt%의 알루미늄,
    b. 약 0.1-10 wt%의 유리, 및
    c. 약 15-40 wt%의 유기 비히클
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  5. 제 1항에 있어서, 후면 측 페이스트가 약 0.1-50 wt%의 은을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  6. 제 5항에 있어서, 후면 측 페이스트가 소성 전에,
    a. 약 60-80 wt%의 알루미늄,
    b. 약 0.5-8 wt%의 유리,
    c. 약 1-25 wt%의 은, 및
    d. 약 15-40 wt%의 유기 비히클
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  7. 제 4항에 있어서, 후면 측 페이스트가 약 1-50 wt%의 구리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  8. 제 7항에 있어서, 후면 측 페이스트가 소성 전에,
    a. 약 60-80 wt%의 알루미늄,
    b. 약 0.5-8 wt%의 유리,
    c. 약 3-15 wt%의 구리, 및
    d. 약 15-40 wt%의 유기 비히클
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  9. 제 4항에 있어서, 후면 측 페이스트가 약 1-50 wt%의 니켈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  10. 제 4항에 있어서, 후면 측 페이스트가 약 1-50 wt%의 마그네슘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  11. 제 1항에 있어서, 유리 성분이 납과 카드뮴 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  12. 제 1항에 있어서, 유리 성분은 납과 카드뮴이 거의 없는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  13. 제 1항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 SiO2, ZnO, MgO, ZrO2, TiO2, Al2O3, PbO, Bi2O3, V2O5, MoO3, WO3, Sb2O3, SnO, In2O3, 헥토라이트, 탈크, 카올린, 애타풀자이트(attapulgite), 벤토나이트, 스멕타이트(smectite), 석영, 운모, 장석(feldspar), 조장석(albite), 정장석(orthoclase), 애노타이트(anorthite), 실리카 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 세라믹 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  14. (a) 소성 전에,
    i. 상부에 하기 은 페이스트가 도포된 패시베이션 층,
    ii. 1. 은,
    2. 유리 성분, 및
    3. 비히클
    을 포함하는 은 페이스트
    를 포함하는 전면 컨택, 및
    (b) 소성 전에
    i. 상부에 하기 알루미늄 페이스트가 도포된 패시베이션 층
    ii. 1. 알루미늄,
    2. 유리 성분, 및
    3. 비히클
    을 포함하는 알루미늄 페이스트
    를 포함하는 후면 컨택
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  15. 태양 전지를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    a. 제1 측 및 제 2 측을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제공하고,
    b. 실리콘 웨이퍼의 제 1 측에 인의 원을 도포하며,
    c. 웨이퍼를 소성하여 실리콘 웨이퍼의 제 1 측 상에 인 유리 층을 형성하고,
    d. 실리콘 웨이퍼의 제 1 측으로부터 인 유리층의 적어도 일부를 제거하며,
    e. 실리콘 웨이퍼의 제 2 측을 연마하고,
    f. 웨이퍼의 제 1 및 제 2 측에 패시베이션 층을 도포하며,
    g. 소성전에,
    i. 은,
    ii. 유리성분, 및
    iii. 비히클
    을 포함하는 은 페이스트를 제 1 측에 도포하고,
    h. 소성전에,
    i. 알루미늄,
    ii. 유리성분, 및
    iii. 비히클
    을 포함하는 알루미늄 페이스트를 제 2 측에 도포하는데, (g)와 (h)는 어떤 순서로도 수행될 수 있으며, 그리고,
    i. 은을 전면 측에 그리고 알루미늄을 후면 측에 점착하기에 충분한 시간 및 온도로 웨이퍼를 소성시키므로서 전면 및 후면 컨택을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 마그네슘, 니켈, 티타늄, 포타슘, 바나듐, 구리 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 팔라듐, 은, 백금, 금, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 보론, 갈륨, 인듐 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 아연, 주석, 인듐, 안티몬 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 1-50 wt%의 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 16항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 1-50 wt%의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 17항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 0.1-50 wt%의 은을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 18항에 있어서, 알루미늄 페이스트가 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 0.5-50 wt%의 보론을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 후면 컨택을 포함하는 태양 전지에 있어서, 후면 컨택이 소성전에, 제 18항에 있어서, 약 40-80 wt%의 알루미늄 및 0.1-50 wt%의 은을 포함하는 후막 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  25. 전자 회로를 포함하는 장치에 있어서, 알루미늄, 유리 성분 및 팔라듐, 은, 백금, 금, 보론, 갈륨, 인듐, 아연, 주석, 안티몬, 마그네슘, 포타슘, 티타늄,바나듐, 니켈, 구리 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 다른 금속을 포함하고, 이 장치는 MCS 히터, LED 조명 , 후막 하이브리드, 연료 전지 시스템 및 자동차 전자장치로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
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