KR20120007517A - 금속 페이스트 및 규소 태양 전지의 제조시의 그 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고, 11 내지 33 중량%의 SiO2, 0 초과 내지 7 중량%의 Al2O3 및 2 내지 10 중량%의 B2O3 를 함유하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿, 및 (c) 유기 비히클을 포함하는 금속 페이스트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 금속 페이스트 및 규소 태양 전지의 제조시의 그 용도에 관한 것이다.
p형 베이스(base)를 갖는 종래의 태양 전지 구조물은 전형적으로 전지의 전면 또는 태양측 면(sun side) 상에 있는 음극과 후면 상에 있는 양극을 갖는다. 반도체 몸체의 p-n 접합부로 떨어지는 적합한 파장의 방사선이 그 몸체에서의 정공-전자 쌍을 생성하기 위한 외부 에너지원으로서 작용한다는 것은 잘 알려져 있다. p-n 접합부에 존재하는 전위차로 인해, 정공 및 전자가 접합부를 가로질러 반대 방향으로 이동함으로써, 외부 회로에 전력을 전달할 수 있는 전류의 흐름을 야기한다. 대부분의 태양 전지는 금속화되어 있는, 즉 전기 전도성인 금속 접점을 구비하고 있는 규소 웨이퍼 형태로 되어 있다.
현재 사용되는 대부분의 전력 발생 태양 전지는 규소 태양 전지이다. 특히, 전극은 금속 페이스트로부터 스크린 인쇄와 같은 방법을 사용함으로써 제조된다.
전형적으로, 규소 태양 전지의 제조는 인(P) 등의 열 확산에 의해 역방향 전도성 유형의 n형 확산층이 그 위에 형성된 규소 웨이퍼 형태의 p형 규소 기재에서 출발한다. 옥시염화인(POCl3)이 기체 인 확산 공급원으로서 일반적으로 사용되며, 다른 액체 공급원은 인산 등이다. 임의의 특정 변형 없이, 확산층이 규소 기재의 표면 전체에 걸쳐 형성된다. p형 도펀트의 농도가 n형 도펀트의 농도와 같아지는 곳에서 p-n 접합부가 형성되며; 태양측 면 가까이에 p-n 접합부를 갖는 종래의 전지는 0.05 내지 0.5 ㎛의 접합부 깊이를 갖는다.
이 확산층의 형성 후에, 플루오르화 수소산과 같은 산에 의한 에칭에 의해 나머지 표면들로부터 과도한 표면 유리가 제거된다.
다음으로, n형 확산층 상에, 예를 들어 플라즈마 CVD (chemical vapor deposition, 화학 증착)와 같은 공정에 의해 0.05 내지 0.1 ㎛ 의 두께로 TiOx, SiOx, TiOx/SiOx, 또는 특히 SiNx 또는 Si3N4의 ARC (antireflective coating) 층 (반사방지 코팅 층)이 형성된다.
p형 베이스를 갖는 종래의 태양 전지 구조물은 전형적으로 전지의 전면 또는 태양측 면 상에 있는 음극 그리드 전극과 후면 상에 있는 양극 전극을 갖는다. 전형적으로, 그리드 전극은 전지의 전면 상의 ARC 층 상에 전면의 은 페이스트(전면 전극 형성 은 페이스트)를 스크린 인쇄하고 건조시킴으로써 적용된다. 전형적으로, 전면의 그리드 전극은 (i) 가는 평행 핑거 라인(finger line)(컬렉터(collector) 라인) 및 (ii) 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개의 버스바(busbar)를 포함하는 이른바 H 패턴으로 스크린 인쇄된다. 추가적으로, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트 및 알루미늄 페이스트가 기재의 후면 상에 스크린 인쇄 (또는 어떤 다른 적용 방법으로 인쇄)되고 연이어 건조된다. 통상, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트는 상호 접속 스트링 (사전 납땜된 구리 리본)을 납땜하도록 준비된 2개의 평행 버스바로서 또는 직사각형체 (탭)로서 먼저 규소 웨이퍼의 후면 상에 스크린 인쇄된다. 이어서, 알루미늄 페이스트가 후면 은 또는 은/알루미늄 위에 약간 중첩된 상태로 노출 영역(bare area)에 인쇄된다. 어떤 경우에, 알루미늄 페이스트가 인쇄된 후에 은 또는 은/알루미늄 페이스트가 인쇄된다. 이어서, 전형적으로 1 내지 5분의 기간 동안 벨트 소성로(belt furnace) 내에서 소성이 수행되는데, 이때 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달한다. 전면 그리드 전극 및 후면 전극은 순차적으로 소성되거나 동시 소성(cofiring)될 수 있다.
알루미늄 페이스트는 일반적으로 규소 웨이퍼의 후면 상에 스크린 인쇄되고 건조된다. 웨이퍼는 알루미늄의 융점보다 높은 온도에서 소성되어 알루미늄-규소 용융물(melt)을 형성하고, 연이어 냉각 단계 동안 알루미늄으로 도핑된 에피택셜 성장된 규소층이 형성된다. 이러한 층은 일반적으로 후면 전계(back surface field, BSF) 층이라 불린다. 알루미늄 페이스트는 소성에 의해 건조 상태로부터 알루미늄 후면 전극으로 변환된다. 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트가 동시에 소성되어, 은 또는 은/알루미늄 후면 전극이 된다. 소성 동안, 후면 알루미늄과 후면 은 또는 은/알루미늄 사이의 경계는 합금 상태를 나타내고, 마찬가지로 전기적으로 접속된다. 알루미늄 전극은 후면 전극의 대부분의 영역을 차지하는데, 이는 p+ 층의 형성에 대한 필요성에 일부 기인한다. 은 또는 은/알루미늄 후면 전극은 사전 납땜된 구리 리본 등에 의해 태양 전지들을 상호 접속시키기 위한 전극으로서 (흔히 2 내지 6 ㎜ 폭의 버스바로서) 후면의 일부에 걸쳐 형성된다. 추가적으로, 전면 그리드 전극으로서 인쇄된 전면 은 페이스트는 소성 동안 소결되어 ARC 층을 통해 침투하며, 그럼으로써 n형 층과 전기적으로 접촉할 수 있다. 이러한 유형의 공정은 일반적으로 "관통 소성"(firing through)이라고 불린다.
국제특허 공개 WO 92/22928호는 전면 그리드 전극이 두 단계로 인쇄되는 방법을 개시하는데; 핑거 라인의 인쇄와 버스바의 인쇄가 분리된다. 핑거 라인은 은 페이스트로부터 인쇄되며, 은 페이스트는 ARC 코팅을 관통 소성할 수 있지만, 이는 버스바를 인쇄하는 데 사용되는 은 페이스트에 대한 경우는 아니다. 버스바를 인쇄하는 데 사용되는 은 페이스트는 관통 소성 능력을 갖지 않는다. 소성 후에는, 관통 소성된 핑거 라인과 이른바 비접촉 버스바(플로팅(floating) 버스바, 즉 ARC 층을 관통 소성되지 않은 버스바)로 이루어진 그리드 전극이 얻어진다. 단지 핑거 라인만이 관통 소성된 그리드 전극의 이점은 금속/반도체 계면에서의 정공과 전자의 재결합의 감소이다. 재결합의 감소는 개방 회로 전압(open circuit voltage)의 증가 및 따라서 그러한 유형의 전면 그리드 전극을 갖는 규소 태양 전기의 전기적 수율(electrical yield)의 증가로 이어진다.
개선된 땜납 침출 저항성 및 규소 태양 전지의 전면 표면 상의 ARC 층에 대한 우수한 점착력을 가지면서, 관통 소성 능력이 불충분하거나 또는 심지어는 전혀 없고, 규소 기재와 접촉하지 않거나 또는 단지 불충분하게 접촉하는 버스바의 제조를 가능하게 하는 후막 전도성 조성물의 제공에 대한 요망이 있다. 우수한 점착력은 규소 태양 전지의 내구성 또는 사용 수명의 연장을 의미한다.
본 발명은 후막 전도성 조성물에 관한 것으로, 이 조성물은 (a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도(유리 전이 온도, 10 K/min의 가열 속도로 시차 열분석 (DTA)에 의해 측정됨)가 550 내지 611℃의 범위이고, 11 내지 33 중량% (wt.-%)의 SiO2, 0 초과 내지 7 중량%의 Al2O3 및 2 내지 10 중량%의 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿, 및 (c) 유기 비히클을 포함한다.
본 발명의 후막 전도성 조성물은 인쇄, 특히 스크린 인쇄에 의해 적용될 수 있는 금속 페이스트의 형태를 갖는다. 하기의 상세한 설명에서 그리고 특허청구범위에서, 후막 전도성 조성물은 "금속 페이스트"라고도 또한 불릴 것이다.
본 발명의 금속 페이스트는 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말을 포함한다. 은 분말이 바람직하다. 금속 또는 은 분말은 코팅되지 않거나 계면활성제로 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다. 계면활성제는 스테아르산, 팔미트산, 라우르산, 올레산, 카프르산, 미리스트산 및 리놀산 및 그 염, 예를 들어 암모늄, 나트륨 및 칼륨 염으로부터 선택될 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
전기 전도성 금속 분말 또는 특히 은 분말의 평균 입자 크기는 예컨대 0.5 내지 5 ㎛의 범위이다. 본 발명의 금속 페이스트 내의 전기 전도성 금속 분말 또는 특히 은 분말의 전체 함량은 예컨대 50 내지 92 중량%이거나 또는 일 실시 형태에서는 65 내지 84 중량%이다.
상세한 설명 및 특허청구범위에서는, 용어 "평균 입자 크기"가 사용된다. 이는 레이저 산란에 의해 측정된 평균 입자 직경(d50)을 의미한다. 평균 입자 크기와 관련하여 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에 행해진 모든 언급은 금속 페이스트에 존재하는 관련 물질들의 평균 입자 크기에 관한 것이다.
일반적으로, 본 발명의 금속 페이스트는 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말만을 포함한다. 그러나, 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 작은 비율의 전기 전도성 금속을 하나 이상의 다른 미립자 금속으로 대체하는 것이 가능하다. 그러한 다른 미립자 금속(들)의 비율은, 예를 들어 전도성 금속 페이스트 내에 함유된 미립자 금속 전체를 기준으로 0 내지 10 중량%이다.
본 발명의 금속 페이스트는 무기 결합제로서 하나 이상의 무연 유리 프릿을 포함한다. 상기 적어도 하나의 무연 유리 프릿은 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고, 11 내지 33 중량%의 SiO2, 0 초과 내지 7 중량%, 특히 5 내지 6 중량%의 Al2O3 및 2 내지 10 중량%의 B2O3를 함유한다. SiO2, Al2O3 및 B2O3의 중량 백분율은 전체가 100 중량%가 되지 않으며, 부족한 중량%는 특히 하나 이상의 다른 산화물, 예를 들어 Na2O와 같은 알칼리 금속 산화물, MgO와 같은 알칼리 토금속 산화물 및 Bi2O3, TiO2 및 ZnO와 같은 금속 산화물에 의해 공여된다.
일 실시 형태에서, 적어도 하나의 무연 유리 프릿은 40 내지 73 중량%, 특히 48 내지 73 중량%의 Bi2O3를 함유한다. 여기서, Bi2O3, SiO2, Al2O3 및 B2O3 의 중량 백분율은 전체가 100 중량%일 수 있거나 또는 아닐 수도 있다. 중량 백분율이 전체가 100 중량%가 되지 않는 경우에, 부족한 중량%는 특히 하나 이상의 다른 산화물, 예를 들어 Na2O와 같은 알칼리 금속 산화물, MgO와 같은 알칼리 토금속 산화물 및 TiO2 및 ZnO와 같은 금속 산화물에 의해 공여될 수 있다.
적어도 하나의 무연 유리 프릿의 평균 입자 크기는, 예를 들어, 0.5 내지 4 ㎛의 범위이다. 본 발명의 금속 페이스트 내의 적어도 하나의 무연 유리 프릿의 전체 함량은 예컨대 0.25 내지 8 중량%이거나 또는 일 실시 형태에서는 0.8 내지 3.5 중량%이다. 본 발명의 금속 페이스트는 어떠한 유연 유리 프릿도 함유하지 않는다.
무연 유리 프릿의 제조는 잘 알려져 있으며, 예를 들어 성분들의 산화물 형태로 되어 있는 무연 유리의 성분들을 함께 용융시키고 그러한 용융된 조성물을 물에 부어 프릿을 형성하는 것으로 이루어져 있다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 용융물이 완전히 액체로 되어 균질해 지는 시간 동안 피크 온도까지 가열을 수행할 수 있다.
프릿의 입자 크기를 감소시키고 실질적으로 균일한 크기의 프릿을 얻기 위해, 유리가 볼밀(ball mill)에서 물 또는 낮은 점도, 낮은 비점의 불활성 유기 액체로 밀링될 수 있다. 이어서, 유리가 미세 가루(fine)를 분리시키기 위해 물 또는 상기 유기 액체에서 침전될 수 있고, 미세 가루를 포함하는 상청액 액체가 제거될 수 있다. 다른 분류 방법들도 역시 사용될 수 있다.
본 발명의 금속 페이스트는 유기 비히클을 포함한다. 아주 다양한 불활성 점성 물질이 유기 비히클로서 사용될 수 있다. 유기 비히클은 미립자 성분(전기 전도성 금속 분말, 무연 유리 프릿)이 적절한 정도의 안정성을 갖고서 분산가능한 것일 수 있다. 유기 비히클의 특성들, 특히 유동학적 특성들은 불용성 고형물의 안정한 분산, 적용, 특히 스크린 인쇄에 적절한 점도 및 요변성(thixotropy), 규소 웨이퍼 및 페이스트 고형물의 전면 상의 ARC 층의 적절한 습윤성(wettability), 우수한 건조 속도, 및 우수한 소성 특성들을 비롯한 우수한 적용 특성들을 금속 페이스트에 제공하는 그러한 것일 수 있다. 본 발명의 금속 페이스트에 사용되는 유기 비히클은 비수성 불활성 액체일 수 있다. 유기 비히클은 유기 용매 또는 유기 용매 혼합물일 수 있으며; 일 실시 형태에서, 유기 비히클은 유기 중합체(들)가 유기 용매(들)에 들어 있는 용액일 수 있다. 증점제, 안정화제 및/또는 기타 통상의 첨가제를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있는 임의의 다양한 유기 비히클의 사용이 행해질 수 있다. 일 실시 형태에서, 유기 비히클의 성분으로서 사용되는 중합체는 에틸 셀룰로오스일 수 있다. 단독으로 또는 결합하여 사용될 수 있는 중합체의 다른 예들은 에틸하이드록시에틸 셀룰로오스, 나무 로진, 페놀 수지 및 저급 알코올의 폴리(메트)아크릴레이트를 포함한다. 적합한 유기 용매의 예는 알파- 또는 베타-터핀올 또는 그와 다른 용매들(등유, 다이부틸프탈레이트, 다이에틸렌 글리콜 부틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트, 헥실렌 글리콜 및 비점이 높은 알코올 등)의 혼합물과 같은 터펜 및 에스테르 알코올을 포함한다. 추가적으로, 금속 페이스트의 적용 후 신속한 경화를 촉진시키기 위한 휘발성 유기 용매가 유기 비히클 내에 포함될 수 있다. 원하는 점도 및 휘발성 요건을 달성하기 위해 이들 및 기타 용매의 다양한 조합들이 조제될 수 있다.
본 발명의 금속 페이스트 내의 유기 비히클 대 무기 성분 (전기 전도성 금속 분말 + 무연 유리 프릿 + 선택적으로 존재하는 다른 무기 첨가제)의 비는 금속 페이스트의 적용 방법 및 사용되는 유기 비히클의 종류에 좌우되며, 이 비는 변할 수 있다. 보통, 금속 페이스트는 58 내지 95 중량%의 무기 성분 및 5 내지 42 중량%의 유기 비히클을 함유할 것이다.
본 발명의 금속 페이스트는 점성 조성물이며, 이는 전기 전도성 금속 분말(들) 및 무연 유리 프릿(들)을 유기 비히클과 기계적으로 혼합함으로써 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 종래의 롤 밀링과 동등한 분산 기법인, 파워 믹싱(power mixing)이라는 제조 방법이 사용될 수 있으며, 롤 밀링 또는 기타 혼합 기법도 사용될 수 있다.
본 발명의 금속 페이스트는 그대로 사용될 수 있거나 또는 예를 들어 추가 유기 용매(들)의 첨가에 의해 희석될 수 있으며; 따라서, 금속 페이스트의 다른 모든 성분들의 중량 백분율이 감소될 수 있다.
본 발명의 금속 페이스트는 규소 태양 전지의 전면 그리드 전극의 제조에 또는 규소 태양 전지의 제조에 각각 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 그러한 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 전면 그리드 전극 및 규소 태양 전지에 관한 것이다.
전면 그리드 전극의 제조 방법은 (1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계, (2) 본 발명의 금속 페이스트를 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 인쇄, 특히 스크린 인쇄하고 건조시켜 둘 이상의 평행 버스바를 형성하는 단계, (3) 관통 소성 능력을 가진 금속 페이스트를 ARC 층 상에 인쇄, 특히 스크린 인쇄하고 건조시켜 버스바를 직각으로 교차하는 가는 평행 핑거 라인을 형성하는 단계, 및 (4) 인쇄되고 건조된 금속 페이스트를 소성하는 단계에 의해 수행될 수 있다. 이 방법의 결과, 관통 소성된 핑거 라인 및 비접촉 버스바로 이루어진 전면 그리드 전극이 얻어진다.
그러나, 그러한 전면 그리드 전극의 제조 방법은 또한 반대 순서로, 즉 (1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계, (2) 관통 소성 능력을 가진 금속 페이스트를 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 인쇄, 특히 스크린 인쇄하고 건조시켜 가는 평행 핑거 라인을 형성하는 단계, (3) 본 발명의 금속 페이스트를 ARC 층 상에 인쇄, 특히 스크린 인쇄하고 건조시켜 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개 이상의 평행 버스바를 형성하는 단계, 및 (4) 인쇄되고 건조된 금속 페이스트를 소성하는 단계에 의해 수행될 수 있다. 이 방법의 결과, 관통 소성된 핑거 라인 및 비접촉 버스바로 이루어진 전면 그리드 전극이 얻어진다.
앞의 두 단락에 개시된 공정들 중 단계 (1)에서, ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼가 제공된다. 규소 웨이퍼는 규소 태양 전지의 제조에 통상적으로 사용되는 종래의 단결정 또는 다결정 규소 웨이퍼이며, 즉 이는 전형적으로 p형 영역, n형 영역 및 p-n 접합부를 갖는다. 규소 웨이퍼는 그의 전면 상에 예컨대 TiOx, SiOx, TiOx/SiOx, 또는, 특히 SiNx 또는 Si3N4의 ARC 층을 갖는다. 그러한 규소 웨이퍼는 당업자에게 잘 알려져 있으며; 간략함을 이유로 "배경기술" 부분을 참고한다. 규소 웨이퍼에는 "배경기술" 부분에 전술된 바와 같이 종래의 후면 금속 배선(metallization), 즉 후면 알루미늄 페이스트 및 후면 은 또는 후면 은/알루미늄 페이스트가 이미 제공되어 있을 수 있다. 후면 금속 페이스트의 적용은 전면 그리드 전극이 완성되기 전이나 후에 수행될 수 있다. 후면 페이스트는 개별적으로 소성되거나 동시 소성되거나 또는 심지어는 단계 (2) 및 단계 (3)에서 ARC 층 상에 인쇄된 전면 금속 페이스트와 동시 소성될 수 있다.
상세한 설명 및 특허청구범위에서, "관통 소성 능력을 가진 금속 페이스트"라는 용어가 사용된다. 이는 ARC 층을 관통 소성하여 규소 기재의 표면과 전기 접촉하는 종래의 금속 페이스트를 의미하는 것으로, 그렇게 하지 않는 본 발명의 금속 페이스트와 대비되는 것이다. 그러한 금속 페이스트는 특히 관통 소성 능력을 가진 은 페이스트를 포함하며; 이들은 당업자에게 알려져 있으며, 이들은 다양한 특허 문헌에 기재되어 있는데, 그의 일례가 미국 특허 출원 공개 제2006/0231801 A1호이다.
단계 (2) 및 단계 (3)에서 금속 페이스트의 적용 후, 금속 페이스트는 예컨대 1 내지 100분의 기간 동안 건조되며, 이때 규소 웨이퍼는 100 내지 300℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 된다. 예를 들어, 벨트, 회전식 또는 고정식 건조기, 특히 IR (적외선) 벨트 건조기를 사용하여 건조가 수행될 수 있다.
단계 (2) 및 단계 (3)에 이어지는 소성 단계 (4)는 동시 소성 단계이다. 그러나, 바람직하지는 않더라도 단계 (2)와 단계 (3) 사이에 추가 소성 단계를 수행하는 것이 또한 가능하다. 아무튼, 단계 (1) 내지 단계 (4)를 포함하는 제조 방법의 결과, 관통 소성된 핑거 라인 및 비접촉 버스바로 이루어진 그리드 전극이 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 제조된다. 평행한 관통 소성된 핑거 라인들은 그들 사이의 거리가 예컨대 2 내지 5 ㎜이고, 층 두께가 예컨대 3 내지 30 ㎛이고, 폭이 예컨대 50 내지 150 ㎛이다. 소성되었지만 비접촉 상태인 버스바는 층 두께가 예컨대 20 내지 50 ㎛이고, 폭이 예컨대 1 내지 3 ㎜이다.
단계 (4)의 소성은, 예를 들어 1 내지 5분의 기간 동안 수행될 수 있으며, 이때 규소 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 된다. 예를 들어, 소성은 단일 또는 다중-구역 벨트 소성로, 특히 다중-구역 IR 벨트 소성로를 사용하여 수행될 수 있다. 소성은 불활성 기체 분위기에서 또는 산소의 존재 하에서, 예를 들어 공기의 존재 하에서 일어난다. 소성 동안, 건조 단계 동안 증발되지 않은 비휘발성 유기 재료 및 유기 부분을 비롯한 유기 물질이 제거, 즉 연소 및/또는 탄화될 수 있고, 특히 연소될 수 있으며, 유리 프릿은 전기 전도성 금속 분말과 함께 소결된다. 가는 평행 핑거 라인을 인쇄하는 데 사용되는 금속 페이스트는 ARC 층을 에칭하고 관통 소성하여 핑거 라인이 규소 기재와 전기 접촉하게 되지만, 이는 버스바를 인쇄하는 데 사용되는 본 발명의 금속 페이스트에 대한 경우는 아니다. 버스바는 소성 후 "비접촉" 버스바로서 여전히 남게되며, 즉 ARC 층이 적어도 본질적으로 버스바와 규소 기재 사이에 잔존하게 된다.
본 발명의 금속 페이스트를 사용하여 상기 방법들에 의해 제조되는 그리드 전극 또는 규소 태양 전지는 관통 소성된 버스바와 달리 규소 기재와의 비접촉 버스바 또는 단지 불충분한 접촉을 하는 버스바와 관련된 유리한 전기 특성을 나타낸다. 본 발명의 방법에 의해 제조되는 버스바는 우수한 땜납 침출 저항성 및 규소 태양 전지의 전면에 대한 또는 더 정확하게는 상기 전면 상의 ARC 층에 대한 우수한 점착력에 의해 구별된다.
실시예
본 명세서에 언급된 실시예들은 전면 n형 이미터(emitter) 상의 질화규소 ARC 층 및 p형 규소 베이스를 갖는 종래의 태양 전지 상에 소성된 금속 페이스트에 관한 것이다.
아래의 논의는 본 발명의 조성물을 이용하여 태양 전지를 어떻게 형성하는지, 그리고 태양 전지를 그 기술적 특성(technological property)에 대하여 어떻게 시험하는지를 설명한다.
(1) 태양 전지의 제조
태양 전지를 다음과 같이 형성하였다:
(i) 후방 표면 상에 30 ㎛ 두께의 알루미늄 전극 (이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E. I. Du Pont de Nemours and Company)로부터 구매가능한 Al 조성물인 PV381로 스크린 인쇄됨) 및 2개의 5 ㎜ 폭의 버스바 (이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니로부터 구매가능한 Ag 조성물인 PV505로 스크린 인쇄되고, 전기적 연속성(electrical continuity)을 확보하기 위해서 양쪽 에지에서 1 ㎜에 대해 알루미늄 필름으로 중첩됨)를 갖는 Si 기재 (면적 243 ㎠, p형 (붕소) 벌크 규소의 200 ㎛ 두께의 다결정 규소 웨이퍼로, n형 확산된 POCl3 이미터, 산으로 텍스처링된 표면, CVD에 의해 적용된 웨이퍼의 이미터 상의 SiNx ARC 층을 가짐)의 전면 상에, 전면 은 페이스트 (이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니로부터 구매가능한 PV142)를 서로 간의 거리가 2.2 ㎜인, 100 ㎛ 폭 및 20 ㎛ 두께의 가는 평행 핑거 라인으로서 스크린 인쇄하고 건조시켰다. 이어서, 전면 버스바 은 페이스트를 핑거 라인을 직각으로 교차하는, 2개의 2 ㎜ 폭 및 25 ㎛ 두께의 두꺼운 평행 버스바로서 스크린 인쇄하였다. 모든 금속 페이스트는 동시 소성 전에 건조시켰다.
본 실시예의 전면 버스바 은 페이스트는 81 중량%의 은 분말 (평균 입자 크기 2㎛), 19 중량%의 유기 비히클 (유기 중합체 수지 및 유기 용매) + 유리 프릿 (평균 입자 크기 1.8 ㎛)을 포함하였다. 유리 프릿은 연화점 온도가 557℃이며 11.9 중량%의 SiO2, 6.2 중량%의 Al2O3, 9.7중량%의 B2O3 및 72.2 중량%의 Bi2O3로 이루어졌다.
(ii) 이어서, 인쇄된 웨이퍼를 구역 온도가 구역 1에서 500℃, 구역 2에서 525℃, 구역 3에서 550℃, 구역 4에서 600℃, 구역 5에서 925℃ 및 마지막 구역에서 890℃로 설정된 데스패치 소성로(Despatch furnace) 내에서 3000 ㎜/min의 벨트 속도로 소성하였고, 따라서 웨이퍼는 800℃의 피크 온도에 도달하였다. 소성 후에, 금속화된 웨이퍼는 기능적인 광전지 소자가 된다.
전면 버스바와 SiNx ARC 층 사이의 전기 성능 및 소성 점착력(fired adhesion)의 측정을 실시하였다. 더욱이, 관통 소성 능력을 측정하였다.
(2) 시험 절차
효율
광변환 효율을 측정할 목적으로, 전술한 방법에 따라 형성한 태양 전지를 시판용 I-V 테스터 (에이치.에이.엘.엠 엘렉트로닉 게엠베하(h.a.l.m. elektronik GmbH)에 의해 공급됨) 내에 넣었다. I-V 테스터에 있는 램프가 기지의 세기 (대략 1000 W/㎡)의 태양광을 시뮬레이트하였고 전지의 이미터를 조명하였다. 이어서, 전지 상의 금속 배선을 전기 프로브(probe)에 접촉시켰다. I-V 응답 곡선을 계산하기 위해, 태양 전지에 의해 발생된 광전류 (Voc, 개방 회로 전압; Isc, 단락 회로 전류)를 다양한 저항들에 걸쳐 측정하였다.
관통 소성 능력
전면 버스바 은 페이스트를 핑거 라인 및 버스바 (핑거 라인 인쇄를 위한 PV142 전면 은 페이스트는 사용하지 않음!)를 포함하는 전술한 H 패턴으로 스크린 인쇄하고 소성하였다. 이어서, 전지의 효율을 측정하였다. 관통 소성 능력을 갖지 않거나 단지 불충분한 관통 소성 능력을 갖는 전면 버스바 페이스트의 경우, 태양 전지의 전기 효율은 0 내지 4%의 범위 (= 관통 소성이 전무하거나 단지 제한적임; 오늘날의 최신 전지는 전기 효율이 15 내지 17 % 범위에 이른다)이다.
점착성 시험
점착력 시험을 위하여, 리본 및 전면 버스바 둘 모두를 액체 플럭스(flux)로 습윤시키고, 웨이퍼의 전체 길이를 따라 일정 속도로 움직이는 수동식 납땜 인두를 사용하여 납땜하였다. 납땜 인두 선단을 325℃의 특정 온도로 조절하였다. 납땜 전에 플럭스의 사전 건조 또는 사전 가열은 없었다.
이 시험에 사용된 플럭스 및 땜납 리본은 각각 케스터(Kester)(등록상표) 952S 및 62Sn-36Pb-2Ag (62 중량%의 주석, 36 중량%의 납 및 2 중량%의 은으로 이루어진 금속 합금)였다.
멕메신(Mecmesin) 점착력 테스터를 사용하여 100 ㎜/s의 속도 및 90°의 당김 각도(pull angle)로 버스바를 따른 다수의 지점에서 땜납 리본을 잡아당김으로써 점착력을 측정하였다. 버스바를 제거하기 위한 힘을 그램 단위로 측정하였다.
표 1에 언급된 실시예 A 내지 실시예 D는 페이스트가 함유하는 유리 프릿의 비율의 함수로서의 전면 버스바 은 페이스트의 전기 특성을 보여준다. 표 1의 데이터는 실시예 A 내지 실시예 D에 따른 전면 버스바 은 페이스트를 사용하여 제조된 태양 전지의 전기 성능이 우수하고, 개방 회로 전압 (Voc)이 높고, 점착력이 충분하며, 저항이 낮음을 확인시켜 준다.
Claims (13)
- (a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고, 11 내지 33 중량%의 SiO2, 0 초과 내지 7 중량%의 Al2O3 및 2 내지 10 중량%의 B2O3 를 함유하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿, 및 (c) 유기 비히클을 포함하는 금속 페이스트.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 무연 유리 프릿은 40 내지 73 중량%의 Bi2O3를 함유하는 금속 페이스트.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말의 전체 함량은 50 내지 92 중량%인 금속 페이스트.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말은 은 분말인 금속 페이스트.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 무연 유리 프릿의 전체 함량은 0.25 내지 8 중량%인 금속 페이스트.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 58 내지 95 중량%의 무기 성분 및 5 내지 42 중량%의 유기 비히클을 함유하는 금속 페이스트.
- (1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계,
(2) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 금속 페이스트를 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 인쇄하고 건조시켜 2개 이상의 평행 버스바(busbar)를 형성하는 단계,
(3) 관통 소성 능력(fire through capability)을 가진 금속 페이스트를 ARC 층 상에 인쇄하고 건조시켜 버스바를 직각으로 교차하는 가는 평행 핑거 라인(finger line)을 형성하는 단계, 및
(4) 인쇄되고 건조된 금속 페이스트를 소성하는 단계를 포함하는 전면 그리드 전극의 제조 방법. - (1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계,
(2) 관통 소성 능력을 가진 금속 페이스트를 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 인쇄하고 건조시켜 가는 평행 핑거 라인을 형성하는 단계,
(3) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 금속 페이스트를 ARC 층 상에 인쇄하고 건조시켜 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개 이상의 평행 버스바를 형성하는 단계, 및
(4) 인쇄되고 건조된 금속 페이스트를 소성하는 단계를 포함하는 전면 그리드 전극의 제조 방법. - 제7항 또는 제8항에 있어서, ARC 층은 TiOx, SiOx, TiOx/SiOx, SiNx 또는 Si3N4 ARC 층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
- 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (2)와 단계 (3) 사이에 추가 소성 단계를 수행하는 방법.
- 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (2) 및 단계 (3)에서의 인쇄는 스크린 인쇄인 방법.
- 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 전면 그리드 전극.
- ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼 및 제12항의 전면 그리드 전극을 포함하는 규소 태양 전지.
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