KR20110051295A - 태양 전지 전극 - Google Patents

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히데키 아키모토
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 태양 전지를 제조하는 데 유용한 p형 전극을 기술한다.

Description

태양 전지 전극{SOLAR CELL ELECTRODE}
본 발명은 태양 전지에 사용되는 전극에 관한 것이다.
결정질 태양 전지용 전극은 효율 개선을 용이하게 하기 위하여 낮은 전기 저항을 가질 것을 필요로 한다. 금속과 반도체 사이의 접촉의 경우, 그러한 구조에서는 접촉 저항의 상당한 증가를 일으키는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 형성되는 것으로 알려져 있다. 전극의 전기 저항은 도체 저항과 접촉 저항의 합이기 때문에, 전극의 도체 저항을 낮추는 것 외에도 도체와의 접촉 저항을 감소시키는 것이 또한 필요하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 규소 태양 전지는, p형 규소 기재(101) 상에 n형 확산층(n+ 층, 102), p형 확산층 상의 반사방지 코팅 및 n형 전극(104)을 갖는, 소위 P형 베이스 태양 전지(105)이다. n형 전극(104)은 일렬로 형성되며 버스(bus) 또는 핑거(finger) 전극이라 불린다. 후면에서는, p형 전극은 알루미늄 층(106) 및 은 층(107)으로 이루어진다.
도 2는 실용적 용도를 위하여 시험된 N형 베이스 태양 전지(205)를 도시한다. N형 베이스 태양 전지(205)는 p형 규소 기재(201) 상의 p+ 층(202), p+ 층(202) 상의 반사방지 코팅(203) 및 p형 전극(204)을 갖는다. 후면에서는, n형 전극(206)이 형성된다.
제이.이. 코터(J.E. Cotter) 등은 n형 규소 웨이퍼가 p형 규소 웨이퍼보다 화학적 결함 및 결정학적 결함(crystallographic defect)에 대하여 더 저항력을 갖는다고 한다 (문헌[P-type versus n-type Silicon Wafers: Prospects for hi-efficiency commercial silicon solar cell; IEEE transactions on electron devices, VOL. 53, NO.8, august 2006]). 엘. 제이. 지어릭스(L.J. Geerligs) 등은 높고 균일한 캐리어 수명이 n형 규소 웨이퍼에서 관찰되었다고 한다 (문헌[N-TYPE SOLAR GRADE SILICON FOR EFFICIENT P+N SOLAR CELLS: OVERVIEW AND MAIN RESULTS OF THE EC NESSI PROJECT; European photovoltaic solar energy conference and exhibition 4-8th September 2006]).
상대적으로 낮은 도체 저항 및 접촉 저항 둘 모두를 갖는 알루미늄 페이스트가 N형 및 P형 베이스 태양 전지 둘 모두에서 p+ 전극을 형성하는 데 사용되어 왔다. 그러나, 더 낮은 도체 저항 및 접촉 저항을 지금 필요로 한다. 문제는 더 낮은 도체 저항을 갖는 은이 p+ 층과의 접촉시 높은 접촉 저항을 갖기 때문에 거의 사용되지 않는다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위하여, 일본 특허 출원 제2006-93433호는 은 분말, 유기 비히클, 유리 프릿, 및 붕소 분말, 무기 붕소 화합물 및 유기 붕소 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 조성물을 포함하는 전도성 페이스트를 사용함으로써 p형 전도성 층 상에 형성되는 전극을 개시한다.
감소된 접촉 저항뿐만 아니라 감소된 도체 저항을 갖는 p형 전극을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양 전지의 p+ 층 상의 p형 전극은, 소성 전에, (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자(added particle)를 함유하는 전기 전도성 입자, (b) 유리 프릿, 및 (c) 수지 결합제를 포함한다.
상기에 언급된 금속 입자는 바람직하게는 Ru, Rh, Pd, W 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택된다. 상기에 언급된 금속 입자는 더 바람직하게는 Ru, Pd 또는 Pt이다. p형 전극은 바람직하게는 페이스트의 중량을 기준으로 40 내지 90 중량%의 은 입자 및 0.01 내지 10 중량%의 첨가 입자로 구성된 소성된 전도성 페이스트로부터 제조된다.
본 발명의 다른 태양에서, p형 전극을 제조하는 방법은, (1) (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자, (b) 유리 프릿, 및 (c) 수지 결합제를 포함하는 페이스트를 N형 베이스 태양 전지 기재의 수광면의 p+ 층 상으로 적용시키는 단계, 및 (2) 적용된 페이스트를 소성시키는 단계를 포함한다. 상기에 기재된 p형 전극을 제조하는 방법은 바람직하게는 450 내지 900℃에서 소성시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 태양은, (1) (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 (i)의 금속 입자 로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자, (b) 유리 프릿, 및 (c) 수지 결합제를 포함하는 페이스트를 P형 베이스 태양 전지 기재의 수광면의 p+ 층 상으로 적용시키는 단계, 및 (2) 적용된 페이스트를 소성시키는 단계를 포함하는 p형 전극을 제조하는 방법이다. 상기에 기재된 p형 전극을 제조하는 방법은 바람직하게는 450 내지 900℃에서 소성시키는 단계를 추가로 포함한다.
또한, 태양 전지의 p+ 층 상에 p형 전극을 제조하기에 유용한 조성물이 개시되며, 이 조성물은 소성 전에
(a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 (i)의 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자,
(b) 유리 프릿, 및
(c) 수지 결합제를 포함한다.
본 발명의 전극은 규소 태양 전지 내의 p+ 층과의 낮은 접촉 저항을 갖는다. 본 발명의 전극은 N형 베이스 태양 전지의 전면(수광면) 및 P형 베이스 태양 전지의 후면 둘 모두에 형성될 수 있다.
<도 1a 내지 도 1e>
도 1a 내지 도 1e는 P형 베이스 태양 전지의 제조 방법을 설명하는 도면.
<도 2a 내지 도 2e>
도 2a 내지 도 2e는 N형 베이스 태양 전지의 제조 방법을 설명하는 도면.
<도 3a 내지 도 3c>
도 3a 내지 도 3c는 실시예에서 전극의 접촉 저항을 측정하기 위한 샘플의 형상을 보여주는 도면.
본 발명의 제1 실시 형태는 규소 태양 전지, 특히 N형 및 P형 태양 전지의 p+ 층 상에 형성된 p형 전극에 관한 것이다.
종래의 결정질 태양 전지 용도로는 다른 성분의 첨가 및 특히 Pd 또는 Pt와 같은 귀금속의 첨가는 회피되어져 왔는데, 그 이유는 이들이 비용을 증가시키고 전기 전도성을 낮출 수 있기 때문이다. p형 전극 내에 적절한 금속 분말을 넣음으로써 p+ 층과 p형 전극 사이의 접촉 저항이 감소된다. 후방 접촉형 태양 전지의 경우, 바람직한 페이스트는 소정량의 금속을 페이스트에 첨가하여 접촉 저항을 낮춤으로써 얻어진다. 본 발명의 p형 전극을 제조하기 위한 전도성 페이스트가 하기의 논의에서 상세히 설명된다:
1. 은 분말
은 입자는 전기 전도성 금속으로서 사용된다. 은 입자는 플레이크(flake), 구(sphere)의 형상일 수 있거나 또는 그것은 무정형일 수 있다. 은 입자의 입자 직경에 대한 특별한 제한은 없지만, 통상의 전기 전도성 페이스트로서 사용되는 경우에 기술적 효과의 관점에서 보면, 입자 직경은 은의 소결 특성에 영향을 미치며, 예를 들어 큰 입자 직경을 갖는 은 입자는 작은 입자 직경을 갖는 은 입자보다 더 느린 속도로 소결된다. 따라서, 입자 직경 (d50)이 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 10.0 ㎛의 범위 내이더라도, 실제 사용되는 은 입자의 입자 직경은 소성 프로파일에 따라 결정된다. 더욱이, 은 입자는 전기 전도성 페이스트를 적용하는 방법 (예를 들어, 스크린 인쇄)에 적합한 입자 직경을 갖는 것이 필요하다. 본 발명에서는, 상이한 입자 직경을 갖는 둘 이상의 유형의 은 입자들이 혼합물로서 사용될 수 있다. 통상적으로, 은(Ag)은 바람직하게는 고순도 (99% 초과)를 갖는다. 그러나, 전극 패턴의 전기적 요건(electrical requirement)에 따라 더 낮은 순도의 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 목적이 달성될 수 있게 하는 양이라면 은 함량에 대한 특별한 제한은 없지만, 은 입자의 경우, 은 함량은 바람직하게는 페이스트의 중량을 기준으로 40 중량% 내지 90 중량%이다.
2. 첨가 입자
본 발명에서, 주기율표의 6족 내지 11족에 속하는 3d 또는 4d 전이 금속이 은 입자에 더하여 사용된다. 즉, Mo (몰리브덴), Tc (테크네튬), Ru (루테늄), Rh (로듐), Pd (팔라듐), W (텅스텐), Re (레늄), Os (오스뮴), Ir (이리듐) 및 Pt (백금)로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자가 첨가된다. 접촉 저항을 낮춘다는 관점에서 루테늄, 팔라듐 또는 백금이 바람직하다. 본 발명에서는, 상기에 언급된 금속을 함유하는 합금 입자 또는 상기에 언급된 금속 입자로 로딩된 입자가 또한 사용될 수 있다. 금속 입자를 함유하는 합금 (본 명세서에서 첨가 입자로도 불림)의 예에는 Ag/Pd 합금 및 Ni/Mo 합금이 포함된다. 첨가 입자는 플레이크, 구의 형상일 수 있거나 또는 그것은 무정형일 수 있다. 첨가 입자의 입자 직경에 대한 특별한 제한은 없지만, 통상의 전기 전도성 페이스트로서 사용되는 경우에 기술적 효과의 관점에서 보면, 입자 직경은 은의 소결 특성에 영향을 미친다. 예를 들어, 큰 직경을 갖는 첨가 입자는 작은 입자 직경을 갖는 은 입자보다 더 느린 속도로 소결된다. 따라서, 입자 직경 (d50)이 바람직하게는 0.1 내지 10.0 ㎛의 범위 내이더라도, 실제 사용되는 첨가 입자의 입자 직경은 소성 프로파일에 따라 결정된다. 더욱이, 첨가 입자는 전도성 페이스트를 적용하는 방법 (예를 들어, 스크린 인쇄)에 적합한 입자 직경을 갖는 것이 필요하다. 본 발명에서는, 상이한 입자 직경을 갖는 둘 이상의 유형의 은 입자들이 혼합물로서 사용될 수 있다. 본 발명에서는, 탄소 입자에 의해 지지된 상기에 언급된 금속 입자가 바람직하게는 또한 사용될 수 있다. 직경이 작은 금속 입자는 강한 응집력을 갖기 때문에, 직경이 상대적으로 큰 탄소 입자에 의해 지지됨으로써 금속 입자의 양이 감소될 수 있다. 본 발명에 사용되는 탄소 입자는 불활성 분위기에서 열처리된 유기 전구체로부터 제조되는 탄소, 예를 들어 케첸(Ketchen) 블랙, 카본 블랙(carbon black), 활성탄(activated carbon), 코크스(coke), 흑연이다. 탄소 입자의 입자 직경 (d50)은 바람직하게는 1.0 내지 10.0 ㎛의 범위 내이다. 탄소 입자에 의해 지지된 금속 입자의 입자 직경 (d50)은 바람직하게는 0.01 내지 0.2 ㎛의 범위 내이다. 금속 입자의 함량은 바람직하게는 탄소 입자의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%의 범위 내이다.
첨가 입자의 양은 페이스트의 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 범위 및 그 내부에 포함되는 임의의 범위, 그리고 더 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%이다. 첨가 입자의 양이 지나치게 낮다면, 긍정적인 효과가 얻어지지 않는다. 추가적으로, 첨가 입자의 양이 지나치게 높다면, 도체 저항이 증가하고, 소결성이 감소하고 비용이 증가한다. 그리고, 전도성 입자는 바람직하게는 몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐 및 백금으로 코팅된 은 입자일 수 있다. 코팅 두께는 바람직하게는 0.1 ㎛ 초과이다.
3. 유리 프릿
본 발명의 전기 전도성 페이스트는 바람직하게는 유리 프릿의 형태의 무기 결합제를 함유한다. 유리 프릿의 화학적 조성이 본 발명에서 중요하지 않기 때문에, 전자 재료용 전기 전도성 페이스트에 사용되는 유리 프릿이라면 임의의 유리 프릿이 사용될 수 있다. 예를 들어, 붕규산납 유리가 바람직하게는 사용된다. 붕규산납 유리는 연화점의 범위 및 유리 접착성의 관점에서 본 발명에서 우수한 재료이다. 추가적으로, 무연 유리, 예를 들어 규산비스무트 무연 유리가 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 목적이 달성될 수 있게 하는 양이라면 유리 프릿의 형태의 무기 결합제의 함량에 대한 특별한 제한은 없지만, 이는 페이스트의 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 15.0 중량%, 그리고 바람직하게는 1.0 중량% 내지 10.0 중량%이다. 무기 결합제의 양이 0.5 중량% 미만이면, 접착 강도는 불충분해질 수 있다. 무기 결합제의 양이 15.0 중량%를 초과하면, 후속 납땜 단계에서 플로팅 유리(floating glass) 등으로 인해 문제가 발생할 수 있다. 추가적으로, 도체로서의 저항값이 또한 증가된다.
4. 수지 결합제
본 발명의 전극을 제조하기 위한 전기 전도성 페이스트는 수지 결합제를 함유한다. 본 발명에서는, 임의의 선택된 수지 결합제가 사용될 수 있다. 일종의 유기 수지로서, 예를 들어 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 우레탄 개질된 폴리에스테르 수지, 에폭시 개질된 폴리에스테르 수지, 다양한 개질된 폴리에스테르 수지, 예를 들어 아크릴 개질 폴리에스테르 수지, 폴리에테르 우레탄 수지 및 폴리카르보네이트 우레탄 수지가 사용될 수 있다. 폴리올레핀 시스템 수지, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 및 말레인화(maleinized) 폴리올레핀, 개질된 셀룰로오스, 예를 들어 폴리비닐 클로라이드 아세테이트 공중합체, 에폭시 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, 폴리아미도이미드, 에틸 셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 (CAB), 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (CAP)가 또한 사용될 수 있다. 양호한 용매 용해성을 갖는 에틸 셀룰로오스가 바람직하게는 본 발명에 사용된다. 수지 결합제의 함량은 바람직하게는 페이스트의 중량을 기준으로 10 중량% 내지 50 중량%이다.
5. 용매
본 발명에서, 용매는 필요에 따라 점도 조절제로서 추가적으로 사용될 수 있다. 임의의 수지 결합제가 사용될 수 있다. 그러한 용매의 예에는 에스테르 용매, 케톤 용매, 에테르 에스테르 용매, 염소화 용매, 알코올 용매, 에테르계 용매 및 탄화수소 용매가 포함된다. 스크린 인쇄를 실행하는 경우, 고비점 용매, 예를 들어 에틸 카르비톨 아세테이트, 부틸 셀로솔브 아세테이트, 아이소포론, 사이클로헥사논, γ-부티로락톤, 벤질 알코올, N-메틸-2-피롤리돈, 테트라하이드로나프탈렌이 유리하게는 사용된다.
6. 첨가제
증점제(thickener) 및/또는 안정제 및/또는 기타 전형적인 첨가제는 본 발명의 전극을 제조하기 위한 전기 전도성 페이스트에 첨가되거나 첨가되지 않을 수 있다. 첨가될 수 있는 기타 전형적인 첨가제의 예에는 분산제 및 점도 조절제가 포함된다. 첨가제의 양은 궁극적으로 요구되는 전기 전도성 페이스트의 특성에 따라 결정된다. 첨가제의 양은 당업자에 의해서 적합하게 결정될 수 있다. 더욱이, 복수의 유형의 첨가제를 또한 첨가할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 전기 전도성 페이스트는 소정의 범위 내의 점도를 갖는다. 전기 전도성 페이스트에 적합한 점도를 부여하기 위해서 필요에 따라 점도 조절제가 첨가될 수 있다. 첨가되는 점도 조절제의 양이 궁극적인 전기 전도성 페이스트의 점도에 따라 변하더라도, 이는 당업자에 의해 적합하게 결정될 수 있다.
하기는 본 발명의 p형 전극의 제조에 대한 설명을 제공한다. 본 발명의 p형 전극을 제조하기 위한 전기 전도성 페이스트는 롤 혼합 밀 또는 회전 믹서 등을 사용하여 상기에 언급된 성분들의 각각을 혼합함으로써 필요한 대로 생성될 수 있다. 본 발명의 전기 전도성 페이스트는 바람직하게는 스크린 인쇄에 의해 태양 전지의 p+ 층 상의 원하는 부위에 인쇄되지만, 이러한 유형의 인쇄에 의해 인쇄되는 경우 페이스트는 바람직하게는 소정의 점도 범위를 갖는다. 본 발명의 전기 전도성 페이스트의 점도는, 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계와 함께 #14 스핀들(spindle)을 사용하고 10 rpm 및 25℃에서 다용도 컵(utility cup)을 사용하여 측정하는 경우, 바람직하게는 50 PaS 내지 350 PaS이다. 첨가되는 점도 조절제의 양이 궁극적인 전기 전도성 페이스트의 점도에 따라 변하더라도, 이는 당업자에 의해 적합하게 결정될 수 있다. 스크린 인쇄된 페이스트는 약 150℃ 하에서 3 내지 10분 동안 건조된다. 건조된 페이스트는 10 내지 60초 동안 450 내지 900℃, 바람직하게는 450 내지 700℃의 온도에서 소결된다. 저온에서의 소결은 P-N 접합에 대한 손상을 줄여서 열 손상에 의해 생기는 파괴의 발생에 대한 취약성(susceptibility)을 감소시키고 비용을 낮춘다는 이점을 제공한다.
하기는 본 발명의 p형 전극을 이용하는 규소형 태양 전지에 관한 설명 및 도 1에 도시된 구조를 갖는 태양 전지의 예를 이용하는 규소형 태양 전지의 제조 방법에 관한 설명을 제공한다.
도 1a는 p형 규소 기재(101)를 도시한다.
도 1b에서, 인(P) 등의 열 확산에 의해 반대 전도성 유형(reverse conductivity type)의 n형 확산층(102)이 형성된다. 옥시염화인(POCl3)이 인 확산 공급원으로서 일반적으로 사용된다. 임의의 특정 개질이 없이, 확산층(102)이 규소 기재(101)의 전체 표면에 걸쳐 형성된다. 이러한 확산층은 전형적으로 표면 저항(sheet resistivity)이 수십 ohm/sq (Ω/m2) 정도이고 두께가 약 0.3 내지 0.5 ㎛이다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 레지스트 등을 사용하여 이러한 확산층의 한쪽 표면을 보호한 후, n형 확산층(102)이 단지 한쪽 주 표면에만 남아 있도록 에칭함으로써 대부분의 표면으로부터 n형 확산층이 제거된다. 이어서, 유기 용매 등을 사용하여 레지스트가 제거된다.
다음으로, 플라즈마 화학 증착(CVD)과 같은 공정에 의해 도 1d에 도시된 방법으로 전형적으로 약 700 내지 900Å의 두께로 n형 확산층(102) 상에 반사방지 코팅(103)이 형성된다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 전방 전극(105)을 위한 전도성 페이스트가 스크린 인쇄되고, 이어서 질화규소 필름(103) 위에서 건조된다. 전방 전극을 위한 전도성 페이스트는 p형 기재(101)로부터 전기를 얻을 수 있는 임의의 종류의 금속, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Pd 및 그 합금을 포함할 수 있다. 이어서, 본 발명의 전도성 페이스트가 후면 전극(106)으로서 스크린 인쇄되고 계속하여 기재(101)의 후면 상에서 건조된다. 후면 p형 전극은 알루미늄 층(106) 및 은 층(107)으로 이루어진다. 후면 전도성 층은 각각 상이한 금속을 포함하는 2개의 층일 수 있다. 이어서, 수분 내지 수십분 동안 약 700℃ 내지 975℃의 온도 범위에서 적외선 전기로(infrared furnace) 내에서 소성이 수행된다.
도 2a는 n형 규소 기재(201)를 도시한다.
도 2b에서, 붕소(B) 등의 열 확산에 의해 반대 전도성 유형의 p형 확산층(202)이 형성된다. 삼브롬화붕소(BBr3)가 붕소 확산 공급원으로서 일반적으로 사용된다. 임의의 특정 개질이 없이, p형 확산층(202)이 n형 규소 기재(201)의 전체 표면에 걸쳐 형성된다. 이러한 확산층은 전형적으로 표면 저항이 수십 ohm/sq (Ω/m2) 정도이고 두께가 약 0.3 ㎛ 내지 0.5 ㎛이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 레지스트 등을 사용하여 이러한 확산층의 한쪽 표면을 보호한 후, p형 확산층(202)이 단지 한쪽 주 표면에만 남아 있도록 에칭함으로써 대부분의 표면으로부터 p형 확산층이 제거된다. 이어서, 유기 용매 등을 사용하여 레지스트가 제거된다.
다음으로, 플라즈마 화학 증착(CVD)과 같은 공정에 의해 도 2d에 도시된 방법으로 전형적으로 약 700 내지 900Å의 두께로 p형 확산층(202) 상에 반사방지 코팅(203)이 형성된다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전도성 페이스트가 전방 전극(205)으로 스크린 인쇄되고, 이어서 질화규소 필름(203) 위에서 건조된다. 추가적으로, 후면 전도성 페이스트(206)는 이어서 스크린 인쇄되고 계속하여 기재(201)의 후면 상에서 건조된다. 후면 전도성 페이스트는 n형 규소 기재(201)로부터 전기를 얻을 수 있는 임의의 종류의 금속, 예를 들어 Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni, Pd 및 그 합금을 포함할 수 있다. 이 전도성 층은 각각 상이한 금속을 포함하는 2개의 층일 수 있다. 이어서, 수분 내지 수십분 동안 약 700℃ 내지 975℃의 온도 범위에서 적외선 전기로 내에서 소성이 수행된다.
n형 베이스 및 p형 베이스 태양 전지 둘 모두에 있어서, 예를 들어 반도체가 광촉매로서 사용되고 이 반도체의 밴드갭 에너지(band gap energy)보다 더 큰 에너지를 갖는 광이 조사될 때, 가전자대(valence band) 내의 전자가 전도대(conduction band) 내로 광여기되어 전도대에서 자유 전자(free electron)를 생성하며, 대조적으로 정공(positive hole)이 가전자대에서 생성된다. 캐리어라 불리는 이들 자유 전자 및 정공이 재결합되기 전에 더 많은 전자가 전극에 도달할수록, 더 많은 전류가 얻어진다. 따라서, 재결합 감소는 태양 전지의 효율을 상승시키는 데 효과적이다. 이러한 이유로, 상기 캐리어가 생성되는 반도체 기재는 바람직하게는 높은 저항을 갖는 결정 규소 유형이다.
실시예
하기는 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 관한 설명을 제공하지만, 본 발명은 이들 실시예로 제한되지는 않는다.
(I) 은 페이스트의 제조
p형 전극을 제조하기 위한 은 페이스트 1 및 은 페이스트 2를 하기에 나타낸 재료를 사용하여 표 1에 나타낸 조성을 갖도록 제조하였다.
(i) 은 입자
플레이크형 은 입자 [d50 2.7 ㎛ (레이저 산란형 입자 크기 분포 측정 장치를 사용하여 측정됨)]
(ii) 유리 프릿
유연: 붕규산납 유리 프릿
성분: SiO2/PbO/B2O3/ZnO
연화점: 440℃
무연: 무연 비스무트 유리 프릿
성분: SiO2/Al2O3/B2O3/ZnO/Bi2O3/SnO2
연화점: 390℃
( iii ) 수지
에틸 셀룰로오스 수지 (아쿠알론(Aqualon), 허큘레스(Hercules))
(iv) 용매
테르피네올
Figure pct00001
은 입자, 유리 프릿, 수지 및 용매를 각각 칭량하고, 혼합하고, 3-롤 혼련기(kneader)로 혼련하여 은 페이스트를 얻었다.
(II) 첨가 금속 페이스트의 제조
표 2에 나타낸 금속 입자와 이들 각 금속의 금속-로딩된 입자 (첨가 입자라 함), 수지 및 용매를 사용하여 페이스트 A 내지 페이스트 I를 제조하였다. 수지 및 용매는 상기에 기재된 은 페이스트를 제조하는 데 사용된 것들과 동일하였다.
Figure pct00002
금속 입자, 수지 및 용매를 각각 칭량하고, 회전 믹서를 사용하여 2분 동안 혼합 및 교반하여 첨가 금속 페이스트를 얻었다.
(III) 전기 전도성 페이스트 및 샘플의 제조
상기 (I)에서 제조된 은 페이스트 및 상기 (II)에서 제조된 페이스트 A 내지 페이스트 I를 회전 믹서를 사용하여 2분 동안 혼합 및 교반하였다. 페이스트 A 내지 페이스트 I를 은 페이스트에 첨가하는데, 혼합비가 은 페이스트 내의 은의 중량에 대하여 첨가 입자의 중량이 1%가 되도록 하였다 (그렇지만, Pt-로딩된 흑연에 대해서는 혼합비가 1 중량% 및 2 중량%인 2가지 유형의 전기 전도성 페이스트를 제조하였다). 예를 들어, 0.142 중량부의 페이스트 C를 페이스트 1 (10.00 중량부)에 첨가함으로써 Pd 금속 함유 은 페이스트를 제조하였다. 전도성 페이스트를 구매가능한 10.16 ㎝ (4 인치) 단결정 규소 웨이퍼 (미츠비시 머티리얼스 코포레이션(Mitsubishi Materials Corp.), 결정축 (1.0.0), P형 전도성) 상에 스크린 인쇄하고, 150℃에서 5분 동안 건조시키고 소결시켜 p형 전극을 얻었다.
샘플 형상
p형 전극이 그 위에 있는 결정 규소 웨이퍼를 잘라서 샘플을 제조하였다. 한 변이 20 ㎜인 정사각형 형상으로 자른 Si 웨이퍼 상에 1 ㎜의 간격으로 직경이 6 ㎜인 원형 패턴을 형성하였다 (도 3b 참조).
소성 조건
IR 가열 벨트 소성로를 사용하여 하기 조건 하에서 웨이퍼를 소성시켰다.
최대 설정 온도: 600℃
벨트 속도: 370 cpm
소성로 온도 프로파일:
400℃ 이상: 18초
500℃ 이상: 12초
( IV ) 평가 방법
상기에 기재된 방법에 의해 얻어지고 도 3a 및 도 3b에 도시된 각각의 p형 전극 샘플에 대하여 저항값(Ω)을 측정하였다.
저항값 측정 조건
호쿠토 덴코 코포레이션(Hokuto Denko Corp.)으로부터 입수가능한 HSV-100 사이클릭 볼타노메트리(Cyclic Voltanometry) 장치를 사용하여, 상기에 기재된 조건 하에서 형성된 샘플 전극들 사이의 전류 및 전압 특성을 측정하였다. 0.2 내지 0.4 V의 인가된 전압 범위에 걸친 전극간(inter-electrode) 저항의 평균을 저항값으로서 사용하였다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제조된 전극들의 저항은 크기의 관점에서 무시할 수 있을 정도로 충분히 작았기 때문에, 측정된 저항값은 Si 웨이퍼의 저항값과 Si-Ag (전극) 계면에서의 접촉 저항의 합으로 취했다. Si 웨이퍼의 저항값이 일정하기 때문에, 측정된 저항의 크기는 접촉 저항의 크기를 나타낸다.
(V) 결과
각각의 p형 전극의 저항값을 측정한 결과는 표 3 (은 페이스트로 페이스트 1을 사용함) 및 표 4 (은 페이스트로 페이스트 2를 사용함)에 나타나 있다.
Figure pct00003
Figure pct00004
상기의 결과에 기초하여, 니켈 및 금을 제외하고, 은 페이스트에 1 중량%로 텅스텐, 팔라듐, 은/팔라듐 합금, 백금, 루테늄 및 로듐을 첨가함으로써 p+ 층과의 접촉 저항을 낮출 수 있었다. 팔라듐, 백금 및 루테늄이 특히 접촉 저항의 감소에 크게 기여하였다.
심지어 단일 성분으로 이루어지지 않은 분말, 예를 들어 은/팔라듐 합금 및 탄소 입자에 의해 지지된 백금도 p+ 층과의 접촉 저항의 감소에 명백히 기여하였다. 더욱이, 감소된 접촉 저항에 대한 기여의 정도가 단일 금속을 사용하는 경우에 비하여 더 낮은 것에 대한 이유는, 분말 그 자체가 1 중량%로 첨가되었으므로 은 페이스트 내의 팔라듐 또는 백금의 함량이 이에 상응하여 감소되었기 때문인 것으로 여겨진다.
천연 산화 필름으로 불리고 두께가 10 내지 15 옹스트롬인 산화규소 필름은 비처리된 규소 웨이퍼 상에 통상 존재하는 것으로 알려져 있다. 이들 실시예의 페이스트는 이러한 산화규소 필름을 통해 소성되어 반도체 표면과 직접 접촉하는 것으로 여겨진다.

Claims (9)

  1. 소성 전에,
    (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 (i)의 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자,
    (b) 유리 프릿, 및
    (c) 수지 결합제
    를 포함하는, 태양 전지의 p+ 층 상의 p형 전극.
  2. 제1항에 있어서, 금속 입자는 Ru, Rh, Pd, W, 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 p형 전극.
  3. 제2항에 있어서, 금속 입자는 Ru, Pd 또는 Pt 입자인 p형 전극.
  4. 제1항에 있어서, 페이스트의 중량을 기준으로 40 내지 90 중량%의 은 입자 및 0.01 내지 10 중량%의 첨가 입자로 구성된 소성된 전도성 페이스트로부터 제조되는 p형 전극.
  5. (1) (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 (i)의 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자,
    (b) 유리 프릿, 및
    (c) 수지 결합제를 포함하는 페이스트를 N형 베이스 태양 전지 기재의 수광면의 p+ 층 상으로 적용시키는 단계, 및
    (2) 적용된 페이스트를 소성시키는 단계
    를 포함하는, p형 전극을 제조하는 방법.
  6. 제6항에 있어서, 페이스트는 450 내지 900℃에서 소성되는, p형 전극을 제조하는 방법.
  7. (1) (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 (i)의 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자,
    (b) 유리 프릿, 및
    (c) 수지 결합제를 포함하는 페이스트를 P형 베이스 태양 전지 기재의 수광면의 p+ 층 상으로 적용시키는 단계, 및
    (2) 적용된 페이스트를 소성시키는 단계
    를 포함하는, p형 전극을 제조하는 방법.
  8. 제8항에 있어서, 페이스트는 450 내지 900℃에서 소성되는, p형 전극을 제조하는 방법.
  9. 소성 전에,
    (a) 은 입자와, (i) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 입자; (ii) 상기 금속 입자를 함유하는 금속 합금; (iii) Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, W, Re, Os, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 코팅된 은 입자; 및 (iv) 탄소 입자에 의해 지지되는 (i)의 금속 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가 입자를 함유하는 전기 전도성 입자,
    (b) 유리 프릿, 및
    (c) 수지 결합제
    를 포함하는, 태양 전지의 p+ 층 상에 p형 전극을 제조하기에 유용한 조성물.
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