KR20120014131A - Metal pastes and use thereof in the production of silicon solar cells - Google Patents

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지오반나 라우디시오
리차드 죤 쉐필드 영
피터 제임스 윌모트
케네스 워렌 행
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 (a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고, 53 내지 57 중량%의 PbO, 25 내지 29 중량%의 SiO2, 2 내지 6 중량%의 Al2O3 및 6 내지 9 중량%의 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 유연 유리 프릿, 및 (c) 유기 비히클을 포함하는 금속 페이스트에 관한 것이다.(A) at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of copper and nickel, (b) softening point temperature in the range of 571 to 636 ° C., 53 to 57% by weight of PbO, 25 to 29 A metal paste comprising at least one leaded glass frit containing wt% SiO 2 , 2 to 6 wt% Al 2 O 3 and 6 to 9 wt% B 2 O 3 , and (c) an organic vehicle. will be.

Description

금속 페이스트 및 규소 태양 전지의 제조시의 그 용도 {METAL PASTES AND USE THEREOF IN THE PRODUCTION OF SILICON SOLAR CELLS}Its use in the manufacture of metal pastes and silicon solar cells {METAL PASTES AND USE THEREOF IN THE PRODUCTION OF SILICON SOLAR CELLS}

본 발명은 금속 페이스트 및 규소 태양 전지의 제조시의 그 용도에 관한 것이다.The present invention relates to its use in the manufacture of metal pastes and silicon solar cells.

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.Conventional solar cell structures having a p-type base typically have a cathode on the front or sun side of the cell and an anode on the back. It is well known that radiation of suitable wavelength falling to the p-n junction of a semiconductor body acts as an external energy source for generating hole-electron pairs in the body. Due to the potential difference present in the p-n junction, holes and electrons move in opposite directions across the junction, resulting in a current flow that can deliver power to external circuitry. Most solar cells are in the form of silicon wafers that are metallized, i.e., have metal contacts that are electrically conductive.

현재 사용되는 대부분의 전력 발생 태양 전지는 규소 태양 전지이다. 특히, 전극은 금속 페이스트로부터 스크린 인쇄와 같은 방법을 사용함으로써 제조된다.Most of the power generating solar cells in use today are silicon solar cells. In particular, the electrode is produced from a metal paste by using a method such as screen printing.

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.Typically, fabrication of silicon solar cells starts with a silicon wafer type p-type silicon substrate in which an n-type diffusion layer of reverse conductivity type is formed thereon by thermal diffusion such as phosphorus (P). Phosphorus oxychloride (POCl 3 ) is commonly used as the gaseous phosphorus diffusion source, other liquid sources are phosphoric acid and the like. Without any particular modification, a diffusion layer is formed over the surface of the silicon substrate. a pn junction is formed where the concentration of the p-type dopant is equal to the concentration of the n-type dopant; Conventional cells with pn junctions near the solar side have junction depths of 0.05 to 0.5 μm.

이 확산층의 형성 후에, 플루오르화 수소산과 같은 산에 의한 에칭에 의해 나머지 표면들로부터 과도한 표면 유리가 제거된다.After formation of this diffusion layer, excess surface glass is removed from the remaining surfaces by etching with an acid such as hydrofluoric acid.

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.Next, on the n-type diffusion layer, TiO x , SiO x , TiO x / SiO x , or especially SiN x in a thickness of 0.05 to 0.1 μm by a process such as plasma CVD (chemical vapor deposition). Or an ARC (antireflective coating) layer (antireflective coating layer) of Si 3 N 4 is formed.

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(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.Conventional solar cell structures having a p-type base typically have a cathode grid electrode on the front or solar side of the cell and an anode electrode on the back. Typically, the grid electrode is applied by screen printing and drying the front side silver paste (front electrode forming silver paste) on the ARC layer on the front side of the cell. Typically, the front grid electrode is screen printed in a so-called H pattern comprising (i) thin parallel finger lines (collector lines) and (ii) two busbars that intersect the finger lines at right angles. . In addition, backside silver or silver / aluminum paste and aluminum paste are screen printed (or printed by some other application method) on the backside of the substrate and subsequently dried. Typically, the backside silver or silver / aluminum paste is first screen printed onto the backside of the silicon wafer as two parallel busbars or rectangular bodies (tabs) prepared to solder the interconnect string (pre-soldered copper ribbon). The aluminum paste is then printed in the bare area with a slight overlap on the backside silver or silver / aluminum. In some cases, silver or silver / aluminum paste is printed after the aluminum paste is printed. Subsequently, firing is typically performed in a belt furnace for a period of 1 to 5 minutes, with the wafer reaching a peak temperature in the range of 700 to 900 ° C. The front grid electrode and back electrode may be fired sequentially or cofiring.

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.Aluminum paste is generally screen printed and dried on the backside of the silicon wafer. The wafer is baked at a temperature above the melting point of aluminum to form an aluminum-silicon melt, which subsequently forms an epitaxially grown silicon layer doped with aluminum during the cooling step. This layer is commonly referred to as a back surface field (BSF) layer. The aluminum paste is converted from the dry state to the aluminum back electrode by firing. The backside silver or silver / aluminum paste is fired simultaneously to become a silver or silver / aluminum backside electrode. During firing, the boundary between the back side aluminum and the back side silver or silver / aluminum indicates an alloy state and is likewise electrically connected. Aluminum electrodes occupy most of the area of the back electrode, due in part to the need for the formation of the p + layer. The silver or silver / aluminum back electrode is formed over a portion of the back side (often as a busbar 2-6 mm wide) as an electrode for interconnecting solar cells by pre-soldered copper ribbon or the like. In addition, the front side silver paste printed as the front side grid electrode is sintered during firing and penetrates through the ARC layer, thereby allowing electrical contact with the n-type layer. This type of process is commonly referred to as "firing through."

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.WO 92/22928 discloses a method in which the front grid electrode is printed in two steps, in which the printing of the finger line and the printing of the busbar are separated. Finger lines are printed from the silver paste, which can be fired through the ARC coating, but this is not the case for the silver paste used to print busbars. Silver pastes used to print busbars do not have through firing capability. After firing, a grid electrode consisting of a throughfired finger line and a so-called non-contact busbar (floating busbar, ie a busbar not penetrating the ARC layer) is obtained. An advantage of grid electrodes fired only through finger lines is the reduction of recombination of holes and electrons at the metal / semiconductor interface. The reduction in recombination leads to an increase in open circuit voltage and thus an increase in the electrical yield of silicon solar electricity with this type of front grid electrode.

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.With improved solder leaching resistance and good adhesion to the ARC layer on the front surface of the silicon solar cell, the busbars have insufficient or even no penetrating plastic capacity and do not contact or only insufficiently contact the silicon substrate. There is a desire for the provision of thick film conductive compositions that allow manufacture. Good adhesion means the durability or extended service life of silicon solar cells.

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 571 내지 636℃의 범위이고 53 내지 57 중량%(wt.-%)의 PbO, 25 내지 29 중량%의 SiO2, 2 내지 6 중량%의 Al2O3 및 6 내지 9 중량%의 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 유연 유리 프릿, 및 (c) 유기 비히클을 포함한다.The present invention relates to a thick film conductive composition, wherein the composition comprises (a) at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of copper and nickel, (b) a softening point temperature (glass transition temperature, 10 K / min Heating rate, as measured by differential thermal analysis (DTA), ranges from 571 to 636 ° C. and ranges from 53 to 57 wt% (wt .-%) of PbO, from 25 to 29 wt% of SiO 2 , from 2 to 6 wt% At least one leaded glass frit containing Al 2 O 3 and 6 to 9 weight percent B 2 O 3 , and (c) an organic vehicle.

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.The thick film conductive composition of the present invention has the form of a metal paste that can be applied by printing, in particular screen printing. In the following detailed description and in the claims, the thick film conductive composition will also be referred to as a "metal paste."

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.The metal paste of the present invention comprises at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of silver, copper and nickel. Silver powder is preferred. The metal or silver powder may be uncoated or at least partially coated with a surfactant. The surfactant may be selected from, but is not limited to, stearic acid, palmitic acid, lauric acid, oleic acid, capric acid, myristic acid and linoleic acid and salts thereof, such as ammonium, sodium and potassium salts.

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.The average particle size of the electrically conductive metal powder or in particular the silver powder is, for example, in the range from 0.5 to 5 μm. The total content of the electrically conductive metal powder or in particular the silver powder in the metal paste of the invention is for example 50 to 92% by weight or in one embodiment 65 to 84% by weight.

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.In the description and claims, the term “average particle size” is used. This means the average particle diameter (d50) measured by laser scattering. All references made in the description and claims of the present invention with respect to average particle size relate to the average particle size of the relevant materials present in the metal paste.

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.In general, the metal paste of the present invention comprises only at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of silver, copper and nickel. However, it is possible to replace a small proportion of electrically conductive metals selected from the group consisting of silver, copper and nickel with one or more other particulate metals. The proportion of such other particulate metal (s) is, for example, from 0 to 10% by weight, based on the total of the particulate metal contained in the conductive metal paste.

본 발명의 금속 페이스트는 무기 결합제로서 하나 이상의 유연 유리 프릿을 포함한다. 상기 적어도 하나의 유연 유리 프릿은 연화점 온도가 571 내지 636℃ 범위이고, 53 내지 57 중량%의 PbO, 25 내지 29 중량%의 SiO2, 2 내지 6 중량%의 Al2O3 및 6 내지 9 중량%의 B2O3를 함유한다. PbO, SiO2, Al2O3 및 B2O3의 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.The metal paste of the present invention comprises at least one leaded glass frit as an inorganic binder. The at least one leaded glass frit has a softening point temperature in the range of 571 to 636 ° C., 53 to 57 wt% PbO, 25 to 29 wt% SiO 2 , 2 to 6 wt% Al 2 O 3 and 6 to 9 weight % Of B 2 O 3 . The weight percentages of PbO, SiO 2 , Al 2 O 3 and B 2 O 3 may or may not be 100% by weight in total. If the weight percentage is not 100% by weight in total, the insufficient weight percentage is in particular one or more other oxides, for example alkali metal oxides such as Na 2 O, alkaline earth metal oxides such as MgO and metals such as TiO 2 and ZnO Donated by an oxide.

일 실시 형태에서, 본 발명의 금속 페이스트는 적어도 하나의 유연 유리 프릿 외에도 하나 이상의 무연 유리 프릿을 포함한다. 그 실시 형태에서, 본 발명의 금속 페이스트는 (a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고, 53 내지 57 중량%의 PbO, 25 내지 29 중량%의 SiO2, 2 내지 6 중량%의 Al2O3 및 6 내지 9 중량%의 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 유연 유리 프릿, (c) 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 함유하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿, 및 (d) 유기 비히클을 포함한다. 무연 유리 프릿의 경우에, SiO2, Al2O3 및 B2O3의 중량 퍼센트는 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.In one embodiment, the metal paste of the present invention comprises at least one lead free glass frit in addition to at least one leaded glass frit. In that embodiment, the metal paste of the present invention comprises (a) at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of copper and nickel, (b) a softening point temperature in the range of 571 to 636 ° C., 53 to 57 At least one leaded glass frit containing, by weight, PbO, 25-29 weight percent SiO 2 , 2-6 weight percent Al 2 O 3 and 6-9 weight percent B 2 O 3 , (c) softening point temperature Is in the range of 550 to 611 ° C. and contains 11 to 33% by weight of SiO 2 , greater than 0 to 7% by weight, in particular 5 to 6% by weight of Al 2 O 3 and 2 to 10% by weight of B 2 O 3 At least one lead-free glass frit, and (d) an organic vehicle. In the case of lead-free glass frits, the weight percentages of SiO 2 , Al 2 O 3 and B 2 O 3 are not 100% by weight in total, and the lacking weight percentages are in particular one or more other oxides such as Na 2 O Alkali metal oxides, alkaline earth metal oxides such as MgO and metal oxides such as Bi 2 O 3 , TiO 2 and ZnO.

일 실시 형태에서, 적어도 하나의 무연 유리 프릿은 40 내지 73 중량%, 특히 48 내지 73 중량%의 Bi2O3를 함유한다. 그 실시 형태에서, 본 발명의 금속 페이스트는 (a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고, 53 내지 57 중량%의 PbO, 25 내지 29 중량%의 SiO2, 2 내지 6 중량%의 Al2O3 및 6 내지 9 중량%의 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 유연 유리 프릿, (c) 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고, 40 내지 73 중량%의 Bi2O3, 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 함유하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿, 및 (d) 유기 비히클을 포함한다. Bi2O3를 함유하는 무연 유리 프릿의 경우에, Bi2O3, SiO2, Al2O3 및 B2O3의 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.In one embodiment, the at least one lead-free glass frit contains 40 to 73% by weight, in particular 48 to 73% by weight of Bi 2 O 3 . In that embodiment, the metal paste of the present invention comprises (a) at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of copper and nickel, (b) a softening point temperature in the range of 571 to 636 ° C., 53 to 57 At least one leaded glass frit containing, by weight, PbO, 25-29 weight percent SiO 2 , 2-6 weight percent Al 2 O 3 and 6-9 weight percent B 2 O 3 , (c) softening point temperature Is in the range from 550 to 611 ° C., 40 to 73% by weight of Bi 2 O 3 , 11 to 33% by weight of SiO 2 , greater than 0 to 7% by weight, in particular 5 to 6% by weight of Al 2 O 3 and 2 to At least one lead-free glass frit containing 10% by weight of B 2 O 3 , and (d) an organic vehicle. In the case of lead-free glass frits containing Bi 2 O 3, Bi 2 O 3, SiO 2, the weight percentage of Al 2 O 3 and B 2 O 3 may be or may not be the entire 100% by weight. If the weight percentage is not 100% by weight in total, the insufficient weight percentage is in particular one or more other oxides, for example alkali metal oxides such as Na 2 O, alkaline earth metal oxides such as MgO and metals such as TiO 2 and ZnO Donated by an oxide.

본 발명의 금속 페이스트가 적어도 하나의 유연 유리 프릿뿐만 아니라 적어도 하나의 무연 유리 프릿을 포함하는 경우에, 이들 두 유리 프릿 유형들 사이의 비는 모든 값, 달리 말하면 0 초과 내지 무한대의 범위이다.Where the metal paste of the invention comprises at least one leaded glass frit as well as at least one lead free glass frit, the ratio between these two glass frit types ranges from all values, in other words greater than zero to infinity.

유리 프릿(들)의 평균 입자 크기는, 예를 들어 0.5 내지 4 ㎛의 범위이다. 본 발명의 금속 페이스트 내의 전체 유리 프릿 함량 (적어도 하나의 유연 유리 프릿 + 선택적으로 존재하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿)은 예컨대 0.25 내지 8 중량%이거나 또는 일 실시 형태에서는 0.8 내지 3.5 중량%이다.The average particle size of the glass frit (s) is for example in the range of 0.5-4 μm. The total glass frit content (at least one leaded glass frit plus optionally at least one lead-free glass frit) in the metal paste of the present invention is, for example, 0.25-8% by weight or in one embodiment 0.8-3.5% by weight.

유리 프릿의 제조는 잘 알려져 있으며, 예를 들어 성분들의 산화물 형태로 되어 있는 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.The production of glass frits is well known and consists of melting together the components of the glass, for example in the form of oxides of the components, and pouring the molten composition into water to form the frit. As is known in the art, heating can be carried out to the peak temperature for a time when the melt becomes completely liquid and homogeneous.

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.In order to reduce the particle size of the frit and to obtain a frit of substantially uniform size, the glass can be milled in a ball mill with water or a low viscosity, low boiling inert organic liquid. The glass may then be precipitated in water or the organic liquid to separate the fines, and the supernatant liquid comprising the fines may be removed. Other classification methods may also be used.

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, 유리 프릿)이 적절한 정도의 안정성을 갖고서 분산 가능한 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(wetability), 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.The metal paste of the present invention comprises an organic vehicle. A wide variety of inert viscous materials can be used as the organic vehicle. The organic vehicle may be one in which the particulate component (electrically conductive metal powder, glass frit) is dispersible with an appropriate degree of stability. Properties of the organic vehicle, in particular rheological properties, are suitable for stable dispersion of insoluble solids, applications, in particular viscosity and thixotropy suitable for screen printing, adequate wettability of the ARC layer on the front side of silicon wafers and paste solids, good It may be such that it provides the metal paste with good application properties including drying rate, and good firing properties. The organic vehicle used in the metal paste of the present invention may be a non-aqueous inert liquid. The organic vehicle can be an organic solvent or an organic solvent mixture; In one embodiment, the organic vehicle may be a solution in which the organic polymer (s) is contained in the organic solvent (s). The use of any of a variety of organic vehicles, which may or may not include thickeners, stabilizers and / or other conventional additives, may be done. In one embodiment, the polymer used as a component of the organic vehicle may be ethyl cellulose. Other examples of polymers that can be used alone or in combination include poly (meth) acrylates of ethylhydroxyethyl cellulose, wood rosin, phenol resins and lower alcohols. Examples of suitable organic solvents include alpha- or beta-terpinol or other solvents thereof, such as kerosene, dibutylphthalate, diethylene glycol butyl ether, diethylene glycol butyl ether acetate, hexylene glycol and high boiling alcohols, etc. Terpenes and ester alcohols such as mixtures. In addition, volatile organic solvents may be included in the organic vehicle to promote rapid curing after application of the metal paste. Various combinations of these and other solvents can be formulated to achieve the desired viscosity and volatility requirements.

본 발명의 금속 페이스트 내의 유기 비히클 대 무기 성분 (전기 전도성 금속 분말 + 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, 본 발명의 금속 페이스트는 58 내지 95 중량%의 무기 성분 및 5 내지 42 중량%의 유기 비히클을 함유할 것이다.The ratio of the organic vehicle to the inorganic component (electrically conductive metal powder + glass frit + other inorganic additives optionally present) in the metal paste of the present invention depends on the method of applying the metal paste and the type of organic vehicle used. Can change. Usually, the metal paste of the present invention will contain 58 to 95% by weight of inorganic components and 5 to 42% by weight of organic vehicle.

본 발명의 금속 페이스트는 점성 조성물이며, 이는 전기 전도성 금속 분말(들) 및 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.The metal paste of the present invention is a viscous composition, which can be prepared by mechanically mixing the electrically conductive metal powder (s) and glass frit (s) with an organic vehicle. In one embodiment, a manufacturing method called power mixing, which is a dispersion technique equivalent to conventional roll milling, may be used, and roll milling or other mixing techniques may also be used.

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.The metal pastes of the invention can be used as such or diluted, for example by the addition of additional organic solvent (s); Thus, the weight percentage of all other components of the metal paste can be reduced.

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.The metal paste of the present invention can be used for the production of front grid electrodes of silicon solar cells or for the production of silicon solar cells, respectively. Accordingly, the present invention also relates to such a manufacturing method and to a front grid electrode and a silicon solar cell produced by said manufacturing method.

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.The method for producing a front grid electrode comprises the steps of (1) providing a silicon wafer with an ARC layer on the front surface, and (2) printing, in particular screen printing and drying the metal paste of the invention on an ARC layer on the front surface of the silicon wafer. Forming at least two parallel busbars, (3) printing, in particular screen-printing and drying a metal paste having a through firing capability on the ARC layer to form a thin parallel finger line crossing the busbars at right angles, and (4 ) And firing the printed and dried metal paste. As a result of this method, a front grid electrode consisting of through-fired finger lines and non-contact busbars is obtained.

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.However, the method of manufacturing such a front grid electrode is also in the reverse order, namely (1) providing a silicon wafer with an ARC layer on the front surface, and (2) a metal paste having a through firing capability on the ARC on the front surface of the silicon wafer. Forming parallel finger lines which are printed on the layer, in particular screen printed and dried, (3) two metal pastes of the invention printed, in particular screen printed and dried, on the ARC layer at right angles to cross the finger lines Forming the parallel busbars as described above, and (4) firing the printed and dried metal paste. As a result of this method, a front grid electrode consisting of through-fired finger lines and non-contact busbars is obtained.

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.In step (1) of the processes disclosed in the previous two paragraphs, a silicon wafer is provided with an ARC layer on the front surface. Silicon wafers are conventional monocrystalline or polycrystalline silicon wafers commonly used in the manufacture of silicon solar cells, ie they typically have p-type regions, n-type regions and pn junctions. The silicon wafer has an ARC layer of TiO x , SiO x , TiO x / SiO x , or, in particular SiN x or Si 3 N 4 , on its front surface. Such silicon wafers are well known to those skilled in the art; For simplicity, see the "Background" section. The silicon wafer may already be provided with conventional backside metallization, ie backside aluminum paste and backside silver or backside silver / aluminum paste, as described above in the "Background" section. Application of the backside metal paste may be performed before or after the frontside grid electrode is completed. The backside paste may be calcined separately or co-fired or even co-fired with the front metal paste printed on the ARC layer in steps (2) and (3).

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.In the description and claims, the term “metal paste with through firing capability” is used. This means a conventional metal paste that is in electrical contact with the surface of the silicon substrate by firing through the ARC layer, as opposed to the metal paste of the invention which does not. Such metal pastes include silver pastes with in particular through firing capability; These are known to those skilled in the art and they are described in various patent documents, one example of which is US Patent Application Publication 2006/0231801 A1.

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.After application of the metal paste in steps (2) and (3), the metal paste is dried, for example for a period of 1 to 100 minutes, at which time the silicon wafer reaches a peak temperature in the range of 100 to 300 ° C. For example, drying can be carried out using belts, rotary or stationary dryers, in particular IR (infrared) belt dryers.

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.The firing step (4) following step (2) and step (3) is a simultaneous firing step. However, although not preferred, it is also possible to carry out an additional firing step between step (2) and step (3). In any case, as a result of the manufacturing method comprising the steps (1) to (4), a grid electrode consisting of through-fired finger lines and non-contact busbars is produced on the ARC layer on the front surface of the silicon wafer. Parallel through fired finger lines have a distance between them, for example 2 to 5 mm, a layer thickness for example 3 to 30 μm and a width for example 50 to 150 μm. The fired but non-contact busbars have a layer thickness of, for example, 20 to 50 μm and a width of, for example, 1 to 3 mm.

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.The firing of step (4) can be carried out, for example, for a period of 1 to 5 minutes, in which the silicon wafer reaches a peak temperature in the range of 700 to 900 ° C. For example, firing can be carried out using single or multi-zone belt firing furnaces, in particular multi-zone IR belt firing furnaces. Firing takes place in an inert gas atmosphere or in the presence of oxygen, for example in the presence of air. During firing, organic materials, including non-volatile organic materials and organic parts not evaporated during the drying step, may be removed, ie burned and / or carbonized, in particular burned, and the glass frit is sintered with the electrically conductive metal powder . The metal paste used to print the thin parallel finger lines is etched and fired through the ARC layer so that the finger lines are in electrical contact with the silicon substrate, but this is not the case for the metal paste of the invention used to print busbars. . The busbars still remain as "contactless" busbars after firing, ie the ARC layer remains at least essentially between the busbar and the silicon substrate.

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.The grid electrode or silicon solar cell produced by the above methods using the metal paste of the present invention exhibits the advantageous electrical properties associated with non-contact busbars or only inadequate contact with silicon substrates, unlike through-fired busbars. . Busbars made by the process of the present invention are distinguished by good solder leaching resistance and good adhesion to the front side of the silicon solar cell or more precisely to the ARC layer on the front side.

실시예Example

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.Embodiments mentioned herein relate to a metal paste fired on a conventional solar cell having a silicon nitride ARC layer on a front n-type emitter and a p-type silicon base.

아래의 논의는 본 발명의 조성물을 이용하여 태양 전지를 어떻게 형성하는지, 그리고 태양 전지를 그 기술적 특성(technological property)에 대하여 어떻게 시험하는지를 설명한다.The discussion below describes how to form solar cells using the compositions of the present invention and how the solar cells are tested for their technical properties.

(1) 태양 전지의 제조(1) manufacture of solar cells

태양 전지를 다음과 같이 형성하였다:The solar cell was formed as follows:

(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.(i) a 30 μm thick aluminum electrode on the back surface (screen printed with PV381, an Al composition available from EI Du Pont de Nemours and Company) and two 5 mm Busbars of width (screen-printed with PV505, an Ag composition available from E. DuPont Di Nemoir & Company, superimposed with aluminum film for 1 mm at both edges to ensure electrical continuity) Si substrate with an area of 243 cm 2, a 200 μm thick polycrystalline silicon wafer of p-type (boron) bulk silicon, with an n-type diffused POCl 3 emitter, an acid textured surface, on an emitter of the wafer applied by CVD On the front side of the SiN x ARC layer, the front side silver paste (PV142, available from E. DuPont D. Nemoa & Company) was thin parallel with 100 μm width and 20 μm thickness with a distance of 2.2 mm. It was a huge line screen printing and dried. The front busbar silver paste was then screen printed as two 2 mm wide and 25 μm thick thick parallel busbars that crossed the finger line at right angles. All metal pastes were dried before co-firing.

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 0.8 ㎛)을 포함하였다. 표 1은 사용된 유리 프릿 유형의 조성 데이터를 제공한다.The front busbar silver paste of this example contained 81 wt% silver powder (average particle size 2 μm), 19 wt% organic vehicle (organic polymer resin and organic solvent) + glass frit (average particle size 0.8 μm). . Table 1 provides the composition data of the glass frit type used.

(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.(ii) The printed wafers were then killed with a zone temperature set at 500 ° C. in zone 1, 525 ° C. in zone 2, 550 ° C. in zone 3, 600 ° C. in zone 4, 925 ° C. in zone 5 and 890 ° C. in the last zone. It was fired at a belt speed of 3000 mm / min in a patch furnace, so the wafer reached a peak temperature of 800 ° C. After firing, the metallized wafer becomes a functional photovoltaic device.

전면 버스바와 SiNx ARC 층 사이의 전기 성능 및 소성 점착력(fired adhesion)의 측정을 실시하였다. 더욱이, 관통 소성 능력을 측정하였다.The electrical performance and fired adhesion between the front busbar and the SiN x ARC layer were measured. Moreover, the through firing capacity was measured.

(2) 시험 절차(2) test procedure

효율efficiency

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.For the purpose of measuring the light conversion efficiency, a solar cell formed according to the method described above was placed in a commercial I-V tester (supplied by h.a.l.m. elektronik GmbH). A lamp in the I-V tester simulated sunlight of known intensity (approximately 1000 W / m 2) and illuminated the emitters of the cell. The metal wiring on the cell was then contacted with an electrical probe. To calculate the I-V response curve, the photocurrent generated by the solar cell (Voc, open circuit voltage; Isc, short circuit current) was measured over various resistors.

관통 소성 능력Penetrating plastic ability

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)이다.The front busbar silver paste was screen printed and fired with the H pattern described above including finger lines and busbars (the PV142 front silver paste for finger line printing was not used!). Next, the efficiency of the battery was measured. In the case of a front side busbar paste having no through firing capacity or only insufficient through firing capacity, the electrical efficiency of the solar cell is in the range of 0 to 4% (= no or only limited through firing).

점착성 시험Adhesion test

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.For the adhesion test, both the ribbon and the front busbars were wetted with liquid flux and soldered using a manual soldering iron moving at a constant speed along the entire length of the wafer. The soldering iron tip was adjusted to a specific temperature of 325 ° C. There was no predrying or preheating of the flux prior to soldering.

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.The flux and solder ribbons used in this test were Kester® 952S and 62Sn-36Pb-2Ag (a metal alloy consisting of 62 wt% tin, 36 wt% lead and 2 wt% silver), respectively. .

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.Adhesion was measured by pulling the solder ribbon at multiple points along the busbar at a speed of 100 mm / s and a pull angle of 90 ° using a Mecmesin adhesion tester. The force to remove the busbars was measured in grams.

표 2에 언급된 실시예 A 내지 실시예 D는 페이스트가 함유하는 유리 프릿의 비율 및 조성의 함수로서의 전면 버스바 은 페이스트의 전기 특성을 보여준다. 표 2의 데이터는 실시예 A 내지 실시예 D에 따른 전면 버스바 은 페이스트를 사용하여 제조된 태양 전지의 전기 성능이 비교예 E에 따른 전면 버스바 은 페이스트로써 제조된 태양 전지와 비교할 때 유의하게 개선됨을 확인시켜 준다. 개방 회로 전압 Voc는 증가되고, 점착력은 더 높게 되고 저항률은 더 낮게 된다.Examples A to D mentioned in Table 2 show the electrical properties of the front side busbar silver paste as a function of the proportion and composition of the glass frit contained in the paste. The data in Table 2 indicate that the electrical performance of solar cells prepared using the front side busbar silver pastes according to Examples A to D was significantly higher than that of solar cells prepared with the front side busbar silver paste according to Comparative Example E. Confirm the improvement. The open circuit voltage Voc is increased, the adhesion is higher and the resistivity is lower.

Figure pct00001
Figure pct00001

Figure pct00002
Figure pct00002

Claims (15)

(a) 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, (b) 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고, 53 내지 57 중량%의 PbO, 25 내지 29 중량%의 SiO2, 2 내지 6 중량%의 Al2O3 및 6 내지 9 중량%의 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 유연 유리 프릿, 및 (c) 유기 비히클을 포함하는 금속 페이스트.(a) is at least one electrically conductive metal powder selected from the group consisting of copper and nickel, (b) a softening point temperature in the range of 571 to 636 ° C., 53 to 57% by weight of PbO, 25 to 29% by weight A metal paste comprising SiO 2 , 2 to 6 wt% Al 2 O 3 and 6 to 9 wt% B 2 O 3 , and (c) an organic vehicle. 제1항에 있어서, 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 B2O3를 함유하는 적어도 하나의 무연 유리 프릿을 포함하는 금속 페이스트.The softening point temperature of claim 1 is in the range of 550 to 611 ° C. and contains 11 to 33 wt.% SiO 2 , greater than 0 to 7 wt.% Al 2 O 3 and 2 to 10 wt.% B 2 O 3 . A metal paste comprising at least one lead-free glass frit. 제2항에 있어서, 무연 유리 프릿은 40 내지 73 중량%의 Bi2O3를 함유하는 금속 페이스트.The metal paste of claim 2, wherein the lead-free glass frit contains 40 to 73 weight percent Bi 2 O 3 . 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도성 금속 분말의 전체 함량은 50 내지 92 중량%인 금속 페이스트.The metal paste according to any one of claims 1 to 3, wherein the total content of the electrically conductive metal powder is 50 to 92% by weight. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말은 은 분말인 금속 페이스트.5. The metal paste of claim 1, wherein the at least one electrically conductive metal powder is a silver powder. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 유리 프릿 함량은 0.25 내지 8 중량%인 금속 페이스트.6. The metal paste of claim 1, wherein the total glass frit content is 0.25 to 8 wt%. 7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 유연 유리 프릿과 적어도 하나의 무연 유리 프릿 사이의 비는 0 초과 내지 무한대의 범위인 금속 페이스트.The metal paste of claim 2, wherein the ratio between the at least one leaded glass frit and the at least one lead free glass frit is in the range of greater than zero to infinity. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 58 내지 95 중량%의 무기 성분 및 5 내지 42 중량%의 유기 비히클을 함유하는 금속 페이스트.8. The metal paste of claim 1, wherein the metal paste contains from 58 to 95 wt% of the inorganic component and from 5 to 42 wt% of the organic vehicle. (1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계,
(2) 제1항 내지 제8항 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 라인을 형성하는 단계, 및
(4) 인쇄되고 건조된 금속 페이스트를 소성하는 단계를 포함하는 전면 그리드 전극의 제조 방법.
(1) providing a silicon wafer with an ARC layer on the front surface,
(2) printing and drying the metal paste of any one of claims 1 to 8 on an ARC layer on the front surface of the silicon wafer to form two or more parallel busbars,
(3) printing and drying a metal paste having fire through capability on the ARC layer to form a thin parallel finger line crossing the busbar at right angles, and
(4) A method for producing a front grid electrode comprising firing a printed and dried metal paste.
(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 제8항 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.
(1) providing a silicon wafer with an ARC layer on the front surface,
(2) forming a parallel finger line for printing and drying a metal paste having a through-fire capability on the ARC layer on the front side of the silicon wafer,
(3) printing and drying the metal paste of any one of claims 1 to 8 on the ARC layer to form two or more parallel busbars crossing the finger lines at right angles, and
(4) A method for producing a front grid electrode comprising firing a printed and dried metal paste.
제9항 또는 제10항에 있어서, ARC 층은 TiOx, SiOx, TiOx/SiOx, SiNx 또는 Si3N4 ARC 층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.The method of claim 9 or 10, wherein the ARC layer is selected from the group consisting of TiO x , SiO x , TiO x / SiO x , SiN x or Si 3 N 4 ARC layers. 제9항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (2)와 단계 (3) 사이에 추가 소성 단계를 수행하는 방법.The process according to claim 9, wherein a further firing step is carried out between step (2) and step (3). 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (2) 및 단계 (3)에서의 인쇄는 스크린 인쇄인 방법.The method according to any one of claims 9 to 12, wherein the printing in steps (2) and (3) is screen printing. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 전면 그리드 전극.14. A front grid electrode made according to the method of any one of claims 9 to 13. ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼 및 제14항의 전면 그리드 전극을 포함하는 규소 태양 전지.A silicon solar cell comprising a silicon wafer having an ARC layer on the front surface and a front grid electrode of claim 14.
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