KR20110128208A - 태양 전지 전극용 전도성 페이스트 - Google Patents

태양 전지 전극용 전도성 페이스트 Download PDF

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타쿠야 콘노
히사시 마츠노
브라이언 제이. 라플린
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명의 목적은 전극에서 양호한 전기적 특성, 예를 들어, 직렬 저항을 얻을 수 있는 전도성 페이스트를 제공하는 것이다. 본 발명의 태양은 전기 전도성 분말과; 유리 프릿의 중량 퍼센트 (중량%)를 기준으로, 8 내지 26 중량%의 SiO2, 0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및 73 내지 90 중량%의 납 화합물 - 여기서, 플루오르화납이 납 화합물의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%의 범위로 포함됨 - 을 포함하는 유리 프릿과; 유기 매질을 포함하는 전도성 페이스트에 관한 것이다.

Description

태양 전지 전극용 전도성 페이스트 {CONDUCTIVE PASTE FOR A SOLAR CELL ELECTRODE}
본 발명의 실시 형태는 태양 전지 소자를 위한 전도체에 사용되는 전도성 페이스트에 관한 것이다.
규소 태양 전지의 전극은 일반적으로 태양 전지의 전기적 특성을 촉진하기 위해 낮은 전기 저항을 필요로 한다.
미국 특허 출원 공개 제2006/0102228호는 혼합물로부터 제조된 태양 전지 접점을 개시하는데, 여기서, 혼합물은 고형물 부분과 유기 부분을 포함하고, 고형물 부분은 약 85 내지 약 99 중량%의 은, 및 약 1 내지 약 15 중량%의 유리 성분을 포함하며, 유리 성분은 약 15 내지 약 75 몰% PbO와 약 5 내지 약 50 몰% SiO2를 포함하되, 바람직하게는 B2O3을 포함하지 않는다.
본 발명의 목적은 태양 전지에 형성된 전극에 양호한 전기적 특성, 예를 들어, 전극에서의 직렬 저항을 부여할 수 있는 전도성 페이스트를 제공하는 것과, 그러한 전도성 페이스트로부터 형성된 전극을 갖는 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 태양은 전기 전도성 분말과; 유리 프릿의 중량 퍼센트(중량%)를 기준으로, 8 내지 26 중량%의 SiO2, 0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및 73 내지 90 중량%의 납 화합물 - 납 화합물은 납 화합물의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%의 플루오르화납을 포함함 - 을 포함하는 하나 이상의 유리 프릿과; 유기 매질을 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트에 관한 것이다.
본 발명의 다른 태양은 반도체 기판을 제공하는 단계; 반도체 기판 상에 전도성 페이스트를 적용하는 단계 - 전도성 페이스트는 전기 전도성 분말과, 유리 프릿의 중량 퍼센트(중량%)를 기준으로, 8 내지 26 중량%의 SiO2, 0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및 73 내지 90 중량%의 납 화합물 - 납 화합물은 납 화합물의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%의 플루오르화납을 포함함 - 을 포함하는 하나 이상의 유리 프릿과; 유기 매질을 포함함 - ; 및 전도성 페이스트를 소성하는 단계를 포함하는 태양 전지 전극의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 태양은 이러한 방법에 의해 제조되는 태양 전지 전극에 관한 것이다. 본 발명의 태양은, 소성 전에, 태양 전지 전극이 전도성 페이스트를 포함하는, 태양 전지 소자에 관한 것이다.
본 발명의 태양은 전기 전도성 분말과; 유리 프릿의 중량 퍼센트(중량%)를 기준으로, 8 내지 26 중량%의 SiO2, 0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및 1 내지 5 원소 중량%의 불소를 포함하는 유리 프릿과; 유기 매질을 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트에 관한 것이다.
본 발명의 태양 전지 전극용 전도성 페이스트는 전기 전도성 분말, 유리 프릿 및 유기 매질을 포함한다. 전도성 페이스트 뿐만 아니라 전도성 페이스트로 제조된 태양 전지 전극의 제조 방법이 하기에서 설명된다.
유리 프릿
본 명세서에 기재된 페이스트에 사용되는 유리 프릿은 전기 전도성 분말의 소결을 촉진하며 또한 기판에 대한 전극의 결합을 용이하게 하는 데 사용된다.
유리 프릿이라고도 하는 유리 조성물은 일정 백분율의 소정 성분들(원소 구성(elemental constituency)이라고도 함)을 포함하는 것으로서 본 명세서에서 설명된다. 구체적으로, 백분율은, 본 명세서에 기재된 바와 같이 후속적으로 처리되어 유리 조성물을 형성하는 시재료에 사용되는 성분들의 백분율이다. 그러한 명명법은 당업자에게 통상적인 것이다. 다시 말하면, 조성물은 소정 성분들을 포함하며, 그러한 성분들의 백분율은 상응하는 산화물 형태의 백분율로서 표시된다. 유리 화학 분야의 당업자에게 인지되는 바와 같이, 유리를 제조하는 공정 동안 휘발성 화학종의 소정 부분이 방출될 수 있다. 휘발성 화학종의 에는 산소이다.
소성된 유리를 사용하여 시작하는 경우, 당업자는 유도 결합 플라즈마 발광 분광법 (ICPES), 유도 결합 플라즈마 원자 발광 분광법 (ICP-AES) 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 당업자에게 알려진 방법을 사용하여, 본 명세서에 기재된 시작 성분들 (원소 구성)의 백분율을 계산할 수 있다. 또한, 다음의 예시적인 기술이 사용될 수 있다: X-선 형광 분광법 (XRF); 핵 자기 공명 분광법 (NMR); 전자 상자성 공명 분광법 (EPR); 뫼스바우어 분광법; 전자 마이크로프로브 에너지 분산 분광법 (EDS); 전자 마이크로프로브 파장 분산 분광법 (WDS); 음극발광 (CL).
하기 표 1에 열거된 것들을 포함하는, 본 명세서에 기재된 유리 조성물은 제한적이지 않다. 유리 화학 분야의 당업자는 추가 성분을 소량 대체할 수 있으며 유리 조성물의 요구되는 특성을 실질적으로 변화시키지 않을 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들어, P2O5 0 내지 3 중량%, GeO2 0 내지 3 중량%, V2O5 0 내지 3 중량%와 같은 유리 형성제의 대체물이 개별적으로 또는 조합으로 사용되어 유사한 성능을 달성할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 중간체 산화물, 예를 들어, TiO2, Ta2O5, Nb2O5, ZrO2, CeO2, 및 SnO2가 유리 조성물 중에 존재하는 다른 중간체 산화물 (즉, Al2O3, CeO2, SnO2)을 대신할 수 있다.
일 태양은 불소의 염, 플루오라이드, 금속 옥시플루오라이드 화합물 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 유리 프릿 조성물과 관련된다. 그러한 불소-함유 성분은 BiF3, AlF3, NaF, LiF, KF, CsF, ZrF4, 및/또는 TiF4를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
일 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 유리 프릿은, 유리 프릿의 총 중량을 기준으로, 8 내지 26 중량%의 이산화규소 (SiO2), 0.1 내지 5 중량%의 산화알루미늄 (Al2O3) 및 73 내지 90 중량%의 납 (Pb) 화합물을 포함한다. 납 화합물은 납 화합물의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%의 플루오르화납을 포함한다. 일 실시 형태에서, SiO2는 10 내지 25 중량%이고, 추가의 실시 형태에서, SiO2는 12 내지 20 중량%이다. 일 실시 형태에서, Al2O3은 0.1 내지 3 중량%, 추가의 실시 형태에서, Al2O3은 0.2 내지 2 중량%이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "납 화합물"은 납을 포함하는 화합물을 의미한다. 비제한적인 실시 형태에서, 납 화합물은 납과 다른 원소, 예를 들어, 산소 또는 불소를 포함한다.
비제한적인 실시 형태에서, 납 화합물은 다른 유리 형성 구성성분들과의 혼합물 중에서 800 내지 1400℃의 피크 온도로 가열하여 용융될 수 있다. 일 실시 형태에서, 납 화합물은 산화납 (PbO), 이산화납 (PbO2), 산화납(IV) (PbO4), 사산화납 (Pb3O4), 플루오르화납(I) (PbF), 플루오르화납(II) (PbF2), 플루오르화납(IV) (PbF4), 브롬화납(II), 염화납 (PbCl2), 브롬화납(II) (PbBr2), 질산납(II) (Pb(NO3)2, 질산납(IV) (Pb(NO3)4, 탄산납 (PbCO3) 및 그 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는 군으로부터 선택될 수 있다. 일 실시 형태에서, 납 화합물은 PbO 및 PbF2을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 일 실시 형태에서, 납 화합물은 유리 프릿의 73 중량% 이상일 수 있으며; 추가의 실시 형태에서, 납 화합물은 유리 프릿의 78 중량% 이상일 수 있다. 일 실시 형태에서, 납 화합물은 유리 프릿의 88 중량% 미만일 수 있으며; 추가의 실시 형태에서, 납 화합물은 유리 프릿의 85 중량% 미만일 수 있다. 일 실시 형태에서, 표 3에 나타난 바와 같이, 납 화합물을 포함하는 유리 프릿은 더 높은 Ts를 가질 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, "플루오르화납"은 납과 플루오라이드를 포함하는 화합물을 의미한다. 비제한적인 실시 형태에서, 플루오르화납은 다른 유리 형성 구성성분들과의 혼합물 중에서 800 내지 1400℃의 피크 온도로 가열하여 용융될 수 있다. 일 실시 형태에서, 플루오르화납은 PbF, PbF2, PbF4 및 그 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는 군으로부터 선택될 수 있다. 일 실시 형태에서, 플루오르화납은 PbF2일 수 있다. 일 실시 형태에서, 플루오르화납은 납 화합물의 7 중량% 이상일 수 있으며; 추가의 실시 형태에서, 플루오르화납은 납 화합물의 10 중량% 이상일 수 있다. 일 실시 형태에서, 플루오르화납은 납 화합물의 20 중량% 미만일 수 있으며; 추가의 실시 형태에서, 플루오르화납은 납 화합물의 18 중량% 미만일 수 있다.
본 명세서에 기재된 유리 조성물의 실시된 실험에서, 납 화합물을 기준으로 약 15 중량%의 플루오르화납을 포함하는 유리 프릿은 0 내지 800℃에서 소성 시에 무정형 유리 (결정성이 결여됨)의 안정성을 나타낸 것으로 밝혀졌다.
다른 실시 형태에서, 본 명세서의 유리 프릿 조성물(들)은 B2O3, Na2O3, Li2O, ZrO2, CuO, TiO2 및 Bi2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 두 번째 세트의 성분들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 유리 프릿 조성물(들)은 B2O3 및 ZrO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, B2O3는 유리 프릿의 0.5 내지 5.0 중량%; 1.0 내지 3.0 중량%; 또는 1.2 내지 2.5 중량%일 수 있다. 일 실시 형태에서, ZrO2는 유리 프릿의 0.1 내지 5.0 중량%; 0.2 내지 2.0 중량%; 또는 0.2 내지 1.0 중량%일 수 있다.
본 명세서에 사용된 유리 조성물이, 총 유리 조성물에 대한 중량%로, 표 1에 나타나있다. 달리 언급되지 않는다면, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 중량%는 오직 유리 조성물만에 대한 중량%를 의미한다. 산화물 및 플루오르화물 염을 기준으로 기재된 납 화합물 함유 유리의 시편이 표 1에 나타나있다.
Figure pct00001
유리 조성물은 표 2에 나타난 바와 같이 유리 조성물의 원소의 중량%로서 대안적으로 기재될 수 있다. 일 실시 형태에서, 유리는, 부분적으로:
규소: 1 내지 15 원소 중량%, 1 내지 10 원소 중량%, 또는 5 내지 9 원소 중량%,
알루미늄: 0.1 내지 1.0 원소 중량%, 0.1 내지 0.75 원소 중량%, 또는 0.2 내지 0.55 원소 중량%,
불소: 0 내지 5 원소 중량%, 1 내지 5 원소 중량%, 또는 1.5 내지 3.5 원소 중량%,
납: 45 내지 85 원소 중량%, 60 내지 80 원소 중량%, 또는 70 내지 80 원소 중량%,
비스무트: 0 내지 10 원소 중량%, 1 내지 9 원소 중량%, 5 내지 7 원소 중량%,
지르코늄: 0 내지 1 원소 중량%, 0 내지 0.5 원소 중량%, 또는 0.25 내지 0.35 원소 중량%,
붕소: 0 내지 3 원소 중량%, 0 내지 1 원소 중량%, 또는 0.25 내지 0.75 원소 중량%,
티타늄: 0 내지 4 원소 중량%, 0.5 내지 4 원소 중량%, 또는 1 내지 3 원소 중량%,
리튬: 0 내지 0.25 원소 중량%, 0.01 내지 0.1 원소 중량%, 또는 0.05 내지 0.1 원소 중량%,
나트륨: 0 내지 0.25 원소 중량%, 0.01 내지 0.1 원소 중량%, 또는 0.05 내지 0.1 원소 중량%, 또는
칼륨: 0 내지 0.25 원소 중량%, 0.01 내지 0.1 원소 중량%, 또는 0.05 내지 0.1 원소 중량%일 수 있다.
이러한 실시 형태에서, 알칼리 원소 (Na, Li, 및 K를 포함하지만 이로 한정되지 않음)의 총량은 0 내지 0.25 원소 중량%, 0.01 내지 0.1 원소 중량%, 또는 0.05 내지 0.111 원소 중량%일 수 있다.
원소 기준으로 기재된 납 화합물 함유 유리의 시편이 표 2에 나타나있다.
Figure pct00002
다른 실시 형태에서, 유리 프릿은 연화점이 300 내지 450℃ 범위일 수 있다. 유리 프릿은 연화점이 435℃ 미만, 또는 400℃ 미만일 수 있다. 본 명세서에서, "연화점"은 시차 열분석 (DTA)에 의해서 결정된다. DTA에 의해 유리 연화점을 결정하기 위하여, 샘플 유리를 분쇄하고 기준 물질과 함께 노(furnace)에 도입하여 분당 5 내지 20℃의 일정한 비율로 가열한다. 둘 사이의 온도 차이를 검출하여 물질로부터의 열의 방출 및 흡수를 조사한다. 일반적으로, 제1 방출 피크는 유리 전이 온도 (Tg)에서 있고, 제2 방출 피크는 유리 연화점 (Ts)에서 있으며, 제3 방출 피크는 결정점에서 있다. 유리 프릿이 비결정질 유리인 경우, DTA에서 결정점은 나타나지 않을 것이다.
다른 실시 형태에서, 유리 프릿은 0 내지 800℃에서 소성 시에 비결정질 유리일 수 있다. 본 명세서에서, "비결정질 유리"는 상기한 바와 같은 DTA에 의해서 결정된다. 비결정질 유리 DTA에서는 0 내지 800℃에서 소성 시 제3 방출 피크가 나타나지 않을 것이다.
본 명세서에 기재된 유리 프릿은 통상적인 유리 제조 기술에 의해서 제조될 수 있다. 하기 절차는 일례이다. 성분들을 원하는 비율로 칭량한 후 혼합하고 노(furnace) 내에서 가열하여 백금 합금 도가니에서 용융물을 형성한다. 본 기술 분야에 잘 알려져 있는 바와 같이, 가열은 용융물이 완전히 액체가 되어 균질해지도록 하는 소정 시간 동안 및 피크 온도(800 내지 1400℃)까지 수행된다. 이어서, 용융된 유리는 역회전하는 스테인레스강 롤러들 사이에서 급랭되어 254 내지 381 마이크로미터(10 내지 15 밀(mil)) 두께의 유리판을 형성한다. 생성된 유리판은 이어서 밀링되어, 50% 부피 분포가 원하는 목표(예를 들어, 0.8 내지 1.5 ㎛)로 설정된 분말을 형성한다. 유리 프릿을 제조하는 분야의 당업자는 수냉, 졸-겔(sol-gel), 스프레이 열분해(spray pyrolysis), 또는 유리의 분말 형태를 제조하기 위한 다른 적절한 기술과 같은 그러나 이에 한정되지 않는 대안적인 합성 기술을 채용할 수 있다. 본 명세서에 기재된 유리 프릿의 제조에 유용한 유리를 제조하는 방법을 개시하는, 미국 특허 출원 제2006/231803호 및 미국 특허 출원 제2006/231800호가 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
당업자는 원료의 선택이 가공 도중 유리에 혼입될 수 있는 불순물을 의도치 않게 포함할 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 불순물은 수백 내지 수천 ppm의 범위로 존재할 수 있다.
불순물의 존재는 유리, 후막 조성물, 또는 소성된 소자의 특성을 변경시키지 않을 것이다. 예를 들어, 후막 조성물이 불순물을 포함하더라도 후막 조성물을 포함하는 태양 전지는 본 명세서에 기재된 효율을 가질 수 있다.
전도성 분말
전도성 페이스트는 조성물을 형성하는 기능성 상에 대한 캐리어로서 작용하는 유기 매질에 분산된 전기 기능성 분말을 포함한다. 조성물은 소성되어 유기 상을 번아웃(burn out)시키고, 무기 결합제 상을 활성화하고, 전기 기능성 특성을 부여한다.
일 실시 형태에서, 전도성 분말은 은 (Ag)을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 전도성 분말은 은 및 알루미늄 (Al)을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 전도성 분말은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: Cu, Au, Ag, Pd, Pt, Al, Pd. 일 실시 형태에서, 전도성 분말은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (1) Cu, Au, Ag, Pd, Pt, Al 및 Pd; (2) Cu, Au, Ag, Pd, Pt, Al 및 Pd의 합금 ; 및 (3) 그 혼합물.
일 실시 형태에서, 전도성 분말은 전기 전도성인, 코팅되거나 코팅되지 않은 은 입자일 수 있다. 은 입자가 코팅되는 실시 형태에서, 은 입자는 계면활성제로 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다. 일 실시 형태에서, 계면활성제는 스테아르산, 팔미트산, 스테아레이트의 염, 팔미테이트의 염, 라우르산, 팔미트산, 올레산, 스테아르산, 카프르산, 미리스트산 및 리놀레산 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 계면활성제의 반대 이온은 수소, 암모늄, 나트륨, 칼륨 및 그 혼합물일 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
일 실시 형태에서, 평균 입자 크기는 10 마이크로미터 미만일 수 있으며; 일 실시 형태에서, 평균 입자 크기는 5 마이크로미터 미만일 수 있다. 평균 입자 크기는 예를 들어 0.1 내지 5 마이크로미터일 수 있다. 평균 입자 크기는 예를 들어, 마이크로트랙(Microtrac) S3500을 사용하여 레이저 회절에 의해서 측정될 수 있다.
전기 전도성 분말은 전도성 페이스트의 40 내지 90 중량%일 수 있다. 은은 조성물 중의 고형물 (즉, 유기 비히클 제외)의 90 내지 99 중량%일 수 있다.
유기 매질
일 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 전도성 페이스트는 유기 매질을 포함할 수 있다 무기 성분을 예를 들어, 기계적 혼합에 의해 유기 매질과 혼합하여, 인쇄에 적합한 주도(consistency) 및 리올로지를 갖는 "페이스트"라 불리는 점성 조성물을 형성할 수 있다.
광범위하게 다양한 불활성 점성 재료가 유기 매질로서 사용될 수 있다. 유기 매질은 충분한 정도의 안정성을 가지고 무기 성분이 분산될 수 있는 것일 수 있다. 매질의 리올로지 특성은 고형물의 안정적인 분산, 스크린 인쇄를 위한 적절한 점도 및 틱소트로피(thixotropy), 기판 및 페이스트 고형물의 적절한 습윤성, 양호한 건조 속도, 및 양호한 소성 특성을 포함하는 소정 적용 특성을 조성물에 부여할 수 있다. 본 발명의 전도성 페이스트에 사용되는 유기 비히클은 비수성 불활성 액체일 수 있다. 증점제, 안정제 및/또는 기타 통상의 첨가제를 함유하거나 함유하지 않을 수 있는 임의의 다양한 유기 비히클의 사용이 고려된다. 유기 매질은 용매(들) 내 중합체(들)의 용액일 수 있다. 유기 매질은 또한 계면활성제와 같은 성분을 하나 이상 포함할 수 있다. 중합체는 에틸 셀룰로오스일 수 있다. 다른 예시적인 중합체에는 에틸하이드록시에틸 셀룰로오스, 우드 로진, 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트, 및 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르, 또는 그 혼합물이 포함된다. 본 명세서에 기재된 전도성 페이스트에 유용한 용매에는 에스테르 알코올 및 테르펜, 예를 들어 알파- 또는 베타-테르피네올, 또는 이들과 다른 용매, 예를 들어, 등유, 다이부틸프탈레이트, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 헥실렌 글리콜 및 고비점 알코올 및 알코올 에스테르의 혼합물이 포함된다. 추가 실시 형태에서, 유기 매질은 기판 상에 적용된 후의 신속한 경화를 촉진하기 위한 휘발성 액체를 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 중합체는, 예를 들어, 유기 매질의 8 중량% 내지 11 중량%의 범위로 유기 매질에 존재할 수 있다. 본 발명의 전도성 페이스트는 유기 매질을 이용하여 소정의 스크린 인쇄가능한 점도로 조정될 수 있다.
일 실시 형태에서, 전도성 페이스트 내의 유기 매질 대 분산물 내의 무기 성분의 비는, 당업자에 의해 결정되는 바와 같이, 사용되는 유기 매질의 종류와 페이스트의 적용 방법에 따라 좌우될 수 있다. 일 실시 형태에서, 분산물은 양호한 습윤성을 얻기 위해 70 내지 95 중량%의 무기 성분 및 5 내지 30 중량%의 유기 매질 (비히클)을 포함할 수 있다.
반도체 소자를 제조하는 방법의 설명
본 발명의 실시 형태는 태양 전지 전극의 제조에 이용될 수 있는 전도성 페이스트에 관한 것이다. 반도체 소자는 접합부를 지닌 반도체 기판 및 그의 주 표면 상에 형성된 질화규소 절연막으로 구성되는 구조 요소로부터 다음 방법에 의해 제조될 수 있다.
태양 전지 전극의 제조 방법은 전도성 페이스트를 반도체 기판 상에 적용 (예를 들어, 코팅 및 인쇄)하는 단계와, 소성하는 단계를 포함한다. 반도체 기판은 규소 기판일 수 있다. 반도체 기판은 절연막을 가질 수 있다. 상기에 기재된 바와 같은 전도성 페이스트가 본 발명의 태양 전지 전극의 제조 방법에 사용될 것이다.
소성 단계에서, 페이스트는 IR 가열 유형의 벨트 노(belt furnace)에서 소성될 수 있다. 소성 시간은 소성 온도 및 벨트 속도에 따라 좌우된다. 그러나, 노의 입구로부터 출구까지 계산된 소성 시간 (인-아웃)은 40초보다 길고 5분 미만이거나, 또는 3분 미만일 수 있다. 반도체 기판이 5분 초과 동안 소성되는 경우, 손상을 가져올 수 있다. 일 실시 형태에서, 소성 온도는 930℃ 미만; 910℃ 미만; 또는 890℃ 미만일 수 있다. 930℃ 초과의 소성 온도는 반도체 기판의 손상을 가져올 수 있다. 일 실시 형태에서, 전도성 페이스트는 용융되고, 절연막으로 침투하고, 소결되어, 반도체 기판과 전기 접촉한다.
일 실시 형태에서, 태양 전지 전극의 제조 방법은 또한, 접합부를 지닌 반도체 기판 및 그의 하나의 주 표면 상에 형성된 절연막 - 상기 절연층은 산화티타늄, 질화규소, SiNx:H, 산화규소, 및 산화규소/산화티타늄 막으로부터 선택됨 - 으로 구성된 구조 요소로 반도체 소자를 제조하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 여기서 본 방법은 절연막 상에, 소정 형상 및 소정 위치에, 절연막과 반응하여 이를 침투할 수 있는 능력을 갖는 금속 페이스트 재료를 형성하는 단계와, 규소 기판과 전기 접촉을 형성하는 단계를 포함한다. 산화티타늄 막은 반도체 기판 상에 티타늄 함유 유기 액체 재료를 코팅하고 소성함으로써, 또는 열 CVD에 의해 형성될 수 있다. 질화규소 막은 전형적으로 PECVD (플라즈마 화학 기상 증착)에 의해 형성된다. 본 발명의 일 실시 형태는 상기에 기재된 방법으로 제조된 태양 전지 전극에 관한 것이다.
일 실시 형태에서, 본 발명의 전도성 페이스트(들)로 형성된 전극은 산소와 질소의 혼합 기체로 구성되는 분위기에서 소성될 수 있다. 이러한 소성 공정은 유기 매질을 제거하고 전도성 페이스트 내의 유리 프릿을 Ag 분말과 소결시킨다. 반도체 기판은, 예를 들어, 단결정 또는 다결정 규소일 수 있다.
본 명세서에 기재된 전도성 페이스트와 함께 사용될 수 있는 추가적인 기판, 소자, 제조 방법 등이 미국 특허 출원 공개 제2006/0231801호, 제2006/0231804호 및 제2006/0231800호에 기재되어 있으며, 이들은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
실시예
본 발명이 하기 실시예에 의해 예시되나 이로 제한되지 않는다.
유리 특성 측정
표 1로부터 선택된 표 3의 유리 프릿을, 본 명세서에서 상기에 설명한 바와 같이 DTA에 의해 연화점 및 결정도를 결정하여 특징지었다. 각각의 유리 프릿에 대한 Ts가 표 3에 나타나있다.
페이스트 제조
페이스트 제조를 다음 절차에 의해 달성하였다. 적절한 양의 유기 매질, Ag 분말 및 유리 프릿을 칭량하였다. 본 명세서에 기재된 유리 프릿을 유기 매질에 첨가하고 15분 동안 혼합하였다. Ag 분말이 본 발명의 고형물의 대부분이었기 때문에, 이를 유리 프릿과 유기 매질의 혼합물에 증분식으로 첨가하여 더 우수한 습윤화를 보장하였다. 잘 혼합되었을 때, 0 ㎪ (0 psi)로부터 2,758 ㎪ (400 psi)로 점진적으로 증가하는 압력에서 페이스트를 3롤 밀에 반복적으로 통과시켰다. 롤들 간의 갭은 25.4 마이크로미터(1 mil)로 조정하였다. 분산도는 FOG(fineness of grind)에 의해 측정하였다. 전형적인 FOG 값은 전도체의 경우에 일반적으로 20/10 이하이다.
시험편의 제조
상기 방법에 의해 얻은 전도성 페이스트를 Si 웨이퍼 (38 ㎜ × 38 ㎜) 상에 스크린 인쇄하였다. 웨이퍼 상에 인쇄된 전도성 페이스트를 대류 오븐에서 150℃로 5분 동안 건조하였다. 그 다음, IR 가열 유형의 벨트 노에서 소결하여 전극을 얻었다. 소결 동안 벨트 속도는 550 cpm이었다. 인-아웃 소결 시간은 60초였다 소결 온도는 900℃ 미만인데, 15초 동안은 400 내지 600℃이었고 6초 동안은 600℃ 초과였다.
테스트 절차-효율
상기에 기재된 방법에 따라 구축된 태양 전지 전극을 직렬 저항(Rs)에 대해 시험하였다. 하기의 방법에 의해서 Rs를 시험하였다. 본 명세서에 기재된 방법에 따라 구축된 태양 전지를 전기적 특성의 측정을 위한 상업용 IV 테스터 (ST-1000)에 배치하였다. IV 테스터의 제논 (Xe) 아크 램프는 기지의 강도로 태양광을 시뮬레이팅하였고 전지의 전면을 조사하였다. 테스터는 전지의 I-V 곡선을 결정하기 위해 대략 400 부하 저항 설정으로 전류(I) 및 전압(V)을 측정하기 위해 4 접촉 방법을 사용하였다. Rs를 I-V 곡선으로부터 계산하였다. 기준물로서 통상적인 전도성 페이스트와 접촉된 전지를 사용하여 얻은 상응하는 값에 대해 Rs를 정규화(normalize)하였다. 표 3에서 "상대 Rs"는, (실시예의 Rs - 기준물의 Rs) / 기준물의 Rs × 100으로 계산하였다.
결과
실시예 1 내지 실시예 5에서, 태양 전지 전극은 더 낮은 Rs를 얻었지만, 비교예들은 더 높은 Rs를 얻었다. 비교예 4 내지 비교예 9의 유리 프릿은 태양 전지 전극에 높은 Rs를 부여한다. 81.53 중량%의 PbO 및 PbF를 포함하되 그러한 81.53 중량% 중의 15.3 중량%가 PbF인, 실시예 2의 유리 프릿이 가장 낮은 Rs를 얻었다. 실시예 1 내지 실시예 5의 태양 전지 전극 모두가 우수한 Rs를 얻었으며, 따라서, 본 발명을 사용하여 형성된 전극을 갖는 태양 전지는 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있었다.
Figure pct00003

Claims (16)

  1. 전기 전도성 분말과;
    유리 프릿의 중량 퍼센트 (중량%)를 기준으로,
    8 내지 26 중량%의 SiO2,
    0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및
    73 내지 90 중량%의 납 화합물 - 여기서, 납 화합물은 납 화합물의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%의 플루오르화납을 포함함 - 을 포함하는 유리 프릿과;
    유기 매질을 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 납 화합물은 산화납 및 플루오르화납을 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  3. 제1항에 있어서, 플루오르화납은 PbF, PbF2, PbF4 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  4. 제3항에 있어서, 유리 프릿은 유리 프릿의 중량을 기준으로 9.45 내지 24.79 중량%의 PbF2를 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  5. 제1항에 있어서, 유리 프릿은 유리 프릿의 중량을 기준으로 0.5 내지 5 중량%의 B2O3를 추가로 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  6. 제1항에 있어서, 유리 프릿은 유리 프릿의 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%의 ZrO2를 추가로 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  7. 제1항에 있어서, 유리 프릿은 연화점이 300 내지 450℃의 범위인 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  8. 제1항에 있어서, 전기 전도성 분말은 전도성 페이스트의 40 내지 90 중량%인 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  9. 제1항에 있어서, 유리 프릿은 전도성 페이스트의 0.5 내지 8 중량%인 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
  10. 반도체 기판을 제공하는 단계;
    전기 전도성 분말과;
    유리 프릿의 중량 퍼센트 (중량%)를 기준으로, 8 내지 26 중량%의 SiO2, 0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및 73 내지 90 중량%의 납 화합물 - 여기서, 납 화합물은 납 화합물의 총 중량을 기준으로 5 내지 28 중량%의 납을 포함함 - 을 포함하는 유리 프릿과;
    유기 매질을 포함하는 전도성 페이스트를 반도체 기판 상에 적용하는 단계; 및
    전도성 페이스트를 소성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지 전극의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 전도성 페이스트는 930℃ 미만의 온도에서 소성되는 태양 전지 전극의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 전도성 페이스트는 2 내지 5분 동안 소성되는 태양 전지 전극의 제조 방법.
  13. 제10항의 방법에 의해서 제조되는 태양 전지 전극.
  14. 제13항의 태양 전지 전극을 포함하는 태양 전지.
  15. 소성 전에 제1항의 전도성 페이스트를 포함하는 태양 전지 전극을 포함하는 태양 전지.
  16. 전기 전도성 분말과;
    유리 프릿의 중량 퍼센트 (중량%)를 기준으로,
    8 내지 26 중량%의 SiO2,
    0.1 내지 5 중량%의 Al2O3, 및
    1 내지 5 원소 중량%의 불소를 포함하는 유리 프릿과;
    유기 매질을 포함하는 태양 전지 전극용 전도성 페이스트.
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