KR20120047907A - 임계 미만 전단 박화 ｉｖ족계 나노입자 유체 - Google Patents

임계 미만 전단 박화 ｉｖ족계 나노입자 유체 Download PDF

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Abstract

IV족계 나노입자 유체가 개시된다. 나노입자 유체는 IV족 원자 세트를 포함하는 나노입자 세트를 포함하는데, 나노입자 세트는 나노입자 유체의 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 존재한다. 나노입자 유체는 또한 HMW 분자 세트를 포함하는데, HMW 분자 세트는 나노입자 유체의 약 0 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재한다. 나노입자 유체는 캐핑제(capping agent) 분자 세트를 추가로 포함하는데, 캐핑제 분자 세트의 적어도 일부의 캐핑제 분자는 나노입자 세트에 부착된다.

Description

임계 미만 전단 박화 ＩＶ족계 나노입자 유체{SUB-CRITICAL SHEAR THINNING GROUP IV BASED NANOPARTICLE FLUID}
관련-출원과의 상호 참조
본 출원은 2009년 6월 17일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/187,731호 및 2009년 6월 29일자로 출원된 미국 정식 특허 출원 제12/493,946호의 이득을 주장하며, 이들 출원의 전체 개시 내용은 참고로 포함된다.
본 발명은 대체로 반도체에 관한 것이며, 특히 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체 및 그 방법에 관한 것이다.
반도체는 현대 전자공학의 기초를 형성한다. 전도와 절연 사이에서 선택적으로 개질 및 제어될 수 있는 물리적 특성을 소유하는 반도체는 대부분의 현대 전기 장치(예를 들어, 컴퓨터, 셀룰러 폰, 광기전 전지 등)에서 본질적이다.
프린팅과 같은 비-전통적 반도체 기술을 사용하여 반도체 재료를 침착시킬 수 있는 능력은 많은 현대 전기 장치(예를 들어, 컴퓨터, 셀룰러 폰, 광기전 전지 등)를 간소화하고 그에 따라서 그의 비용을 감소시키는 방법을 제공할 수 있다. 페인트 중의 안료와 마찬가지로, 이들 반도체 재료는 일반적으로 매트릭스, 콜로이드성 분산물, 또는 페이스트 중에 일시적으로 현탁된 미소 입자로 형성되고, 나중에 기판 상에 침착된다.
예를 들어, 전기적으로 활성인 반도체 입자를 갖는 유체의 침착을 통해 규소 기판 상에 전기적으로 활성인 박막(thin film)(즉, p-n 접합 등)을 형성하는 것이 요구될 수 있다. 침착 공정(예를 들어, 잉크젯 프린트, 에어로졸 프린트, 스크린 프린트 등) 동안 유체 유동을 갖기 위하여, 그것은 일반적으로 비교적 낮은 점도를 가져야 한다. 그러나, 일단 일정 패턴으로 침착되면, 치밀화(densification) 공정 동안 패턴을 유지하기 위하여 상기 유체는 일반적으로 또한 비교적 높은 점도를 가져야 한다. 결과적으로, 전단 박화 또는 비-뉴턴성(non-Newtonian) 유체가 요구된다. 즉, 상기 유체는 임계치 τ0 미만인 전단 응력 τ에 대하여 강성(rigid)이다. 일단 임계 전단 응력(또는 "항복 응력")을 초과하면, 재료는 전단률, 이 인가된 전단 응력이 항복 응력을 초과하는 양에 정비례하는 방식으로 유동한다:
[식 1]
Figure pct00001
전형적으로, 비뉴턴성 거동은 적합한 용매 중에서 고분자량(HMW) 분자 세트와 소정의 임계 부피 분율의 과립 물질(입자)을 조합함으로써 달성될 수 있다. 임계 부피 분율 미만에서 유체는 뉴턴성인 반면에, 임계 부피 분율 초과에서 유체는 비뉴턴성 또는 전단 박화된다.
그러나, 패턴화된(patterned) 침착을 최적화하기 위하여, 전단 박화 거동을 위한 임계 부피 미만일 수 있는 실질적으로 낮은 부피(전형적으로 10 중량% 미만)의 과립 물질로 유체를 침착시키는 것이 흔히 바람직하다. 예를 들어, 박막의 침착에서, 마이크로미터 미만(sub-micron)의 입자의 로딩(loading)이 높을수록 더 두꺼운 필름(5 마이크로미터 초과)을 형성하는 경향이 있으며, 이는 다시, 필름이 치밀화될 때 응력 파괴를 발생시키는 경향이 있다. 더욱이, 에피택시가 요구되는 응용에서, 보다 두꺼운 필름은 에피택시얼 성장을 방해하는 경향이 있다. 에피택시는 일반적으로 박막과 기판 사이의 계면의 일종이며, 일반적으로 단결정질 기판 상에서의 정연한 결정 성장(ordered crystalline growth)을 설명한다.
상기 내용을 고려하여, 임계 미만 부피 분율을 갖는 전단 박화 IV족계 나노입자 유체가 요구된다.
본 발명은 일 실시 형태에서 IV족계 나노입자 유체에 관한 것이다. 나노입자 유체는 IV족 원자 세트를 포함하는 나노입자 세트를 포함하는데, 나노입자 세트는 나노입자 유체의 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 존재한다. 나노입자 유체는 또한 HMW 분자 세트를 포함하는데, HMW 분자 세트는 나노입자 유체의 약 0 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재한다. 나노입자 유체는 캐핑제(capping agent) 분자 세트를 추가로 포함하는데, 캐핑제 분자 세트의 적어도 일부의 캐핑제 분자는 나노입자 세트에 부착된다.
본 발명은 다른 실시 양태에서 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체로 전방 표면 및 후방 표면을 포함하는 규소 기판 상에 이중 도핑된 에미터를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 규소 기판을 텍스처링하는 단계; 규소 기판을 세정하는 단계; 및 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 전방 표면 상에 침착시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 약 150℃ 내지 약 800℃의 제1 온도에서, 그리고 약 1분 내지 약 60분의 제1 기간 동안 규소 기판을 베이킹하는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 또한 POCI3, N2, 및 O2의 분위기를 갖는 확산로(diffusion furnace) 내에서, 약 800℃ 내지 약 950℃의 제2 온도에서, 그리고 약 30분 내지 약 180분의 제2 기간 동안 규소 기판을 도펀트 공급원에 노출시켜 PSG 층을 형성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 PSG 층을 제거하는 단계; 반사방지 코팅을 전방 표면 상에 침착시키는 단계; 및 전방 금속 접점 세트를 전방 표면 상에 그리고 후방 금속 접점 세트를 후방 표면 상에 침착시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면의 도면들에서 제한으로서가 아니라 예로서 예시되며, 이들 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
<도 1>
도 1은 본 발명에 따라, 점도를 페이스트 세트에 대한 전단률과 비교하는 단순화된 도표를 나타낸다.
<도 2>
도 2는 본 발명에 따라, 유체 제형 전의 실질적으로 분산된 반도체 나노입자 분산물의 입자 크기 분포의 단순화된 도표를 나타낸다.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따라, 점도를 규소 나노입자 로딩 세트와 비교하는 단순화된 도표를 나타낸다.
<도 4>
도 4는 본 발명에 따라, 실질적으로 분산된 반도체 나노입자의 정수압(hydrostatic) 및 정전기 상호작용의 단순화된 도표를 나타낸다.
<도 5a 내지 도 5b>
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따라, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체로 이중 도핑된 에미터(선택적 에미터) 태양 전지를 제조하는 단순화된 방법을 나타낸다.
본 발명은 이제 첨부된 도면에 예시된 바와 같은 그의 몇몇 바람직한 실시 형태를 참고하여 상세히 설명될 것이다. 하기의 설명에서는 본 발명의 확실한 이해를 제공하기 위하여 많은 특정한 상세 내용이 설명된다. 그러나, 본 발명은 이들 특정한 상세 내용의 일부 또는 전부가 없더라도 실시될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 본 발명을 불필요하게 모호하지 않게 하기 위하여 잘 알려진 공정 단계 및/또는 구조가 상세하게 설명되지 않았다.
앞서 설명된 바와 같이, 낮은 입자 부피 분율을 갖는 전단 박화 유체에 의해 전기적으로 활성인 박막을 침착시키는 것은 흔히 어렵다. 일반적으로, 박막을 형성하는 데에는 낮은 (임계 수준 미만의) 입자 부피 분율이 바람직하지만, 기판 상의 최적의 패턴화를 위해 흔히 필요로 하는 전단 박화 또는 비뉴턴성 거동을 위해서는 높은 (임계 수준 초과의) 입자 부피 분율을 필요로 한다. 그러나, 전단 박화 거동은 낮은 고체 로딩으로는 달성하기가 어렵다.
유리한 방식으로, 전단 박화 IV족계(규소, 게르마늄, 산화규소 등) 나노입자 유체가, 최적의 박막이 침착되고 치밀화될 수 있도록 형성될 수 있다. 본 발명자들은 일 구성에서, 먼저, 알코올 및 케톤 캐핑제 세트의 첨가를 통해 콜로이드성 분산물 중에 규소 나노입자 세트를 실질적으로 분산시키고, 다음으로, 셀룰로오스와 같은 고분자량(HMW) 분자 세트를 선택적으로 첨가하고, 이어서 용매의 제거에 의해 분산물을 농후하게 함으로써, 최적의 임계 미만 전단 박화 유체가 생성될 수 있는 것으로 여긴다. 다른 구성에서, 추가로, 예를 들어 게르마늄 나노입자 및 규소 나노입자를 포함하는 다른 IV족계 나노입자 유체가 유사한 결과를 가져올 수 있는 것으로 여겨진다.
나노입자는 일반적으로 적어도 하나의 치수가 100 ㎚ 미만인 미소 입자이다. 크기에 관계 없이 일정한 물리적 특성(예를 들어, 용융 온도, 비등 온도, 밀도, 전도도 등)을 갖는 경향이 있는 벌크 물질(100 ㎚ 초과)과 비교하여, 나노입자는 크기 의존적인 물리적 특성, 예를 들어 더 낮은 소결 온도 또는 더 넓은 밴드 갭을 가질 수 있다.
나노입자는 증발(문헌[S. Ijima, Jap. J Appl. Phys. 26, 357 (1987)]), 기체상 열분해(gas phase pyrolysis)(문헌[K. A Littau, P. J. Szajowski, A. J. Muller, A. R. Kortan, L. E. Brus, J Phys. Chem. 97, 1224 (1993)]), 기체상 광분해(문헌[J. M. Jasinski and F. K. LeGoues, Chem. Mater. 3, 989 (1991)]), 전기화학적 에칭(문헌[V. Petrova-Koch et al., Appl. Phys. Lett. 61, 943 (1992)]), 실란 및 폴리실란의 플라즈마 분해(문헌[H. Takagi et al, Appl. Phys. Lett. 56, 2379 (1990)]), 고압 액체상 환원-산화 반응(문헌[J. R. Heath, Science 258, 1131 (1992)]) 등과 같은 다양한 기술에 의해 제조될 수 있다.
셀룰로오스는 수백 내지 1만개 초과의 연결된 글루코오스 단위의 선형 사슬로 이루어진 다당류인 화학식 (C6H10O5)n을 갖는 유기 화합물이다.
캐핑제 또는 리간드는 일반적으로 다원자 분자 실체 중의 중심 원자에 결합된 원자 또는 원자 기의 세트이다. 일반적으로, 캐핑제들 사이의 약한 정수압 및 정전기 상호작용은 비동적 힘 체제(non-dynamic force regime)에서 점도를 증가시키는 경향이 있다. 이는, 전단력의 추가 전이다. 그러나, 비교적 약한 전단력의 추가는 정수압 상호작용을 극복하며, 그에 따라서 유체의 점도를 감소시키는 경향이 있다.
사이클로헥산올, 메탄올, 또는 테르피네올과 같은 알코올은 말단 알코올 작용기가 Si-O 공유 결합 형성을 통하여 표면 Si 원소에 부착될 수 있는 최적의 화학적 구조를 가질 수 있다. 그러나, 다른 알코올이 사용될 수도 있다.
알킬 알코올의 경우에, 부피가 큰 알킬 기는 일반적으로 Si 나노입자 표면으로부터 멀리 분산 매질로 돌출된다. 일반적으로, 캐핑제의 나노입자 표면 패킹 밀도(packing density)가 증가함에 따라, 나노입자의 분산성, 점도, 및 탈구상화(deglomeration)가 또한 개선되는 경향이 있다. 더욱이, 분산 유체 또는 비히클이 캐핑제와 동일한 구성의 경우, 캐핑제와 비히클 사이의 상용성 문제가 전적으로 사실상 감소 또는 제거되기 때문에 분산성은 훨씬 더 향상될 수 있다.
낮은 농도의 현탁액의 경우, 그의 점도는 하기 식에 의해 계산될 수 있다:
[식 2]
Figure pct00002
여기서,
Figure pct00003
= 상대 점도,
φ = 입자 부피 농도, 및
K = 허긴스 계수(Huggins coefficient).
일반적으로, K는 입자들 사이의 응집(aggregation)의 정도 및 전기화학적 힘에 따라 변하며, 5.0 = K = 15이다. 측정된 점도 데이터가 비교 후에 확인된다.
문헌[Huaqing Xie, Lifei Chen, and QingRen Wu, Measurements of the viscosity of suspensions (nanofluids) containing nanosized AhOs particles, presented at the 8th Asian Thermophysical Properties Conference, August 21-24, 2007].
예를 들어, 식 2에 대하여, 입자 크기가 약 100 ㎚ 초과인 과립 물질을 갖는 유체의 경우,
K가 1/sec의 전단률에서 15에 접근함에 따라, 상대 점도의 값은 1.13인 것으로 개산된다. 그러나, 유체가 임계 미만 부피의 고표면적 나노입자(약 100 ㎚ 미만)를 포함하는 본 발명에서, 동일한 전단률(1/sec)로 측정된 상대 점도는 약 182인 것으로 알려졌는데, 이는 100배 초과의 크기 향상이다. 결과적으로, 더 큰 입자의 분산물과 비교하여 나노입자 분산물은 더 높은 n/n0 값을 갖는 경향이 있는 것으로 알려졌으며, 이는 앞서 설명된 바와 같이 증가된 입자-입자 상호작용으로 인한 점도 향상에 상응한다.
부피 분율은 하기 식을 사용하여 계산될 수 있다:
[식 3]
Figure pct00004
여기서, ρP 및 ρ0는 각각 나노입자 및 베이스 유체의 밀도이며, Φ 및 Φm은 분말의 부피 및 질량 분율이다. 그러나, 앞서 기술된 바와 같이, 임계 전단 박화 나노입자 유체는 전단 박화 거동에 전형적으로 요구되는 것보다 실질적으로 더 작은 부피 분율을 갖는 경향이 있다. 예를 들어, 태양 전지 상에 전방 및 후방 접점을 각각 형성하는 데 일반적으로 사용되는 은 및 알루미늄 페이스트와 본 발명을 비교할 때, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체는 실질적으로 더 작은 부피 분율을 갖는다.
Figure pct00005
실험 1
이제 도 1을 참고하면, 본 발명에 따라, 점도가 페이스트 세트에 대한 전단률과 비교되어 있다. 1/sec 단위의 전단률(102)이 수평축을 따라 나타나 있는 한편, KcP 단위의 점도(104)가 수직축을 따라 나타나 있다. 전단률의 함수로서 점도를 측정하여 규소 나노입자의 영향을 보여주었다.
모든 유체는 에틸셀룰로오스 결합제를 테르피네올(Ci0Hi8O) 용매 중에 용해시킴으로써 제조하였다. 제1 유체(106)는 1.5 중량%의 에틸셀룰로오스 결합제를 규소 나노입자 없이 테르피네올 용매 중에 용해시킴으로써 제조하였다. 제2 유체(108) 및 제3 유체(110)는 100 ℃에서 1시간 동안 핫플레이트 상에서 테르피네올 용매 중에서 1.5 중량%의 에틸 셀룰로오스 결합제 및 8 중량%의 규소 나노입자를 혼합함으로써 제조하였다. 제3 유체(110)는 약 16 내지 20 kHz의 범위에서 약 3시간 동안 추가로 초음파 처리하였다. 초음파 처리 단계 동안, 분말 제조로부터의 대부분의 응괴는 일반적으로 약 50 내지 약 150 ㎚의 평균 크기로 훨씬 더 작게 파쇄된다.
알 수 있는 바와 같이, 유체(106)는 전형적인 뉴턴성 거동을 나타내고, 이 유체의 점도는 상이한 전단률 하에서 변하지 않는 반면에, 유체(308) 및 유체(310)는 전단 박화 거동을 나타낸다. 추가적으로, 유체(308)와 비교하여, 유체(310)는 실질적인 전단 박화 거동을 나타내는데, 이는 앞서 설명된 초음파 처리 단계의 결과로서 보다 우수한 분산 및 실질적인 탈구상화에 상응한다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따라, 유체 제형 이전의 실질적으로 분산된 반도체 나노입자 분산물의 입자 크기 분포가 나타나 있다. 일반적으로, 분산된 입자의 평균 크기가 규소 나노입자의 1차 크기(primary size)(이는 5 ㎚ 내지 35 ㎚의 범위임)보다 훨씬 더 크더라도, 본 발명자들은 Si 나노입자의 표면 상에 존재하는 유기 기가 도 1에 도시된 바와 같은 전단 박화 유체 거동에 실질적으로 기여하는 것으로 여긴다.
실험 2
이제 도 3을 참고하면, 본 발명에 따라, 점도를 규소 나노입자 로딩 세트와 비교하는 단순화된 도표. ㎎/㎖ 단위의 규소 나노입자 로딩(302)이 수평축을 따라 나타나 있는 한편, cP 단위의 점도(304)가 수직축을 따라 나타나 있다.
모든 유체는 규소 나노입자를 알코올 및 케톤의 혼합물 중에 용해시키고, 이어서 100℃에서 1시간 동안 자기적으로 교반함으로써 제조하였다. 분산물을 소닉-혼(sonic-horn)으로 초음파 처리하였다. 일 구성에서, 케톤은 알킬 케톤일 수 있다. 도 1과는 대조적으로, 결합제가 존재하지 않기 때문에 유체의 점도값은 대체로 더 낮다.
알 수 있는 바와 같이, 로딩이 20 ㎎/㎖로부터 증가함에 따라, 점도는 약 7 cP로부터 약 14 cP로 실질적으로 증가하는데, 이는 분산된 입자들 사이의 증가된 정전기 및 소수성 상호작용에 상응한다.
이제 도 4를 참고하면, 단순화된 도표가 실질적으로 분산된 반도체 나노입자의 정수압 및 정전기 상호작용을 나타낸다. 이러한 구성에서, 규소 나노입자의 세트(402)가 테르피네올 캐핑제(406)와 함께 나타나 있다. 유리한 방식으로, 나노입자를 현탁된 채로 유지시키는 입체 반발력을 가하는 것에 더하여, 소수성 캐핑제(406) 세트는 분산물 중의 다른 용매 및 결합제뿐만 아니라 다른 캐핑제와의 매우 높은 정전기 상호작용으로 인해 유동 저항을 증가시키는 데 또한 기여하는 경향이 있다. 더욱이, 테르피네올 캐핑제는 또한 베이스 용매로서의 역할을 할 수도 있으며, 따라서 캐핑제와 베이스 용매 사이의 높은 상용성 정도를 허용한다.
결과적으로, 최적의 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 생성하기 위하여, 규소 나노입자는 바람직하게는 약 1 중량% 내지 약 20 중량%, 더 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 15 중량%, 그리고 가장 바람직하게는 약 4 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하여야 한다. 게다가, HMW 분자의 비율은 바람직하게는 약 0 중량% 내지 약 10 중량%, 더 바람직하게는 약 0 중량% 내지 약 4 중량%, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%의 양으로 존재하여야 한다. 존재하는 알코올의 비율은 바람직하게는 최대 90 중량%(나머지는 케톤임), 더 바람직하게는 최대 80 중량%(나머지는 케톤임), 그리고 가장 바람직하게는 최대 70 중량%(나머지는 케톤임)이다.
도 5a 내지 도 5b를 참고하면, 본 발명에 따라, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체로 이중 도핑된 에미터(선택적 에미터) 태양 전지를 제조하는 단순화된 방법이 설명되어 있다. 선택적 에미터는 낮은 재결합을 위해 최적화된 제1 저농도 도핑(lightly doped) 영역, 및 낮은 저항 오믹 접점 형성을 위해 최적화된 (동일한 도펀트 유형의) 제2 고농도 도핑(heavily doped) 영역 패턴을 사용한다.
도 5a는 본 발명에 따라 제조된 선택적 에미터의 단순화된 도표를 나타낸다.
에미터(506)는 p형(예를 들어, 붕소) 또는 n형(예를 들어, 인)일 수 있으며, 기체상 확산(예를 들어, 인 공급원으로서 POCI3 기체 또는 붕소 공급원으로서 BBr3를 사용함), 고체 공급원 확산, 또는 전형적으로 액체 도펀트 공급원 예컨대 인산을 사용하는 인라인 공정을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.
핑거(finger) 세트(505)(여기서는 폭이 약 100 um임) 및 버스 바(bus bar) 세트(503)를 포함하는 전방 금속 접점이 에미터(506)(이는 또한 전형적으로 반사방지 코팅(504)으로 코팅됨) 위에서 이와 전기적 접촉 상태에 있다. 전형적으로 프린팅된 은 페이스트로 제조되는 전방 금속 접점은 광이 흡수될 때 규소 기판 내에 생성된 전하 캐리어(여기서는 전자)를 추출하도록 최적화된다. 또한 전형적으로, 전방 금속 접점은 감소된 수평 표면적(그에 따라서, 생성된 전류를 감소시키는 경향이 있는 셰이딩(shading)으로 인한 손실을 최소화함), 및 증가된 단면 종횡비(그에 따라서, 장치의 효율을 증가시키는 경향이 있는 장치의 직렬 저항을 감소시킴)를 갖도록 구성된다.
일반적으로, 미처리된 규소 기판은 흔히 입사광의 30% 초과를 반사한다. 결과적으로, 이러한 반사된 에너지를 감소시키고 그에 따라서 효율을 직접 개선하기 위하여, 규소 기판은 대체로 텍스처링되고 반사방지 코팅(504)(예를 들어, 질화규소(SiNx)5 등)으로 최적화된다. 추가적으로, 반사방지 코팅(504)은 또한 에미터(506)의 표면을 부동태화(passivation)하는 것을 돕는데, 이는 외부 공급원으로부터의 기판 벌크의 오염의 영향을 감소시킬 뿐만 아니라, 도핑된 기판(508) 표면에서의 결함 또는 불포화 Si 결합(dangling Si bond)에 의해 발생되는 소수의 캐리어 재결합을 실질적으로 감소시킨다.
추가적으로, 흔히 규소 기판(508)의 후방면 상에는 (기판과 동일한 유형의) 고농도 도핑 영역이 있는데, 이 영역은 후면 전계(back surface field, BSF) (510)를 생성한다. 후방 표면 재결합의 영향을 최소화하여, 적절하게 구성된 BSF는 후방면에 보다 근접하여 생성되는 그러한 소수 캐리어를 밀어내는 경향이 있어서, 그 결과 기판 흡수재 내에서 보다 높은 수준의 소수 캐리어 농도가 생성되게 된다. 예를 들어, BSF 층을 형성하기 위하여 Al(알루미늄) 또는 B(붕소)가 p형 기판에 첨가될 수 있다. 대조적으로, n형 기판의 경우, BSF 층을 형성하기 위하여 P(인)이 첨가될 수 있다. 추가적으로, 모듈 내로의 상호접속을 위한 솔더링(soldering)을 용이하게 하기 위하여 은(Ag) 패드가 일반적으로 후방면에 삽입된다.
도 5b는 본 발명에 따라, 도 5a의 이중 도핑된 에미터를 제조하는 단순화된 방법을 나타낸다.
초기에 단계 542에서는, 결정질 기판을 황산 용액 중에서 사전-세정하고, 이어서 기판을 H2O, IPA 및 KOH의 용액 중에서 처리함으로써 텍스처링한다.
단계 544에서는, 기판을 SC-2(일반적으로 H2O, HCl(염산) 및 H2O2 (과산화수소)의 혼합물), 피라냐(piranha)(일반적으로 황산((H2SO4) 및 H2O2의 혼합물), BOE, 및 H2O로 각각 세정하고 헹군다.
다음으로 단계 546에서는, 유리한 방식으로, (8 중량%의 규소 나노입자를 포함하는) 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 각각의 텍스처링된 결정질 규소 기판 상에 침착시킨다. 공통 구성으로, 스크린 프린터를 사용한다. 일 구성에서, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체는 바람직하게는 (단계 548 이전에 측정했을 때) 약 0.04 ㎎/㎠ 내지 약 3.0 ㎎/㎠ , 더 바람직하게는 약 0.2 ㎎/㎠ 내지 약 2.0 ㎎/㎠, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.4 ㎎/㎠ 내지 약 1.5 ㎎/㎠의 단위 기판 표면적당 유체 질량으로 침착된다.
단계 548에서는, 필름을 치밀화하기 위하여 결정질 규소는 약 150℃ 내지 약 800℃의 온도에서 약 1분 내지 약 60분의 기간 동안 베이킹될 수 있다. 베이킹 환경(ambient)은 불활성 물질(예를 들어, 질소), 산화제(예를 들어, 공기), 또는 질소와 산소 둘의 조합 중 하나일 수 있다. 게다가, 베이킹 장치는 벨트로(belt furnace), 관형로(tube furnace), 또는 대류식 오븐(convection oven)일 수 있다.
단계 549에서는, 결정질 규소 기판을 선택적으로 세정하여 이전 단계 동안 축적된 임의의 가능한 오염물을 제거한다. 세정제 선택사항에는 HCl, HF/HC1, 묽은 HF, 완충 산화물 에칭액(buffered oxide etch, BOE), SC-1(일반적으로 NH4OH + H2O2 + H2O의 혼합물), SC-2 및 다른 세정 혼합물이 포함될 수 있다.
단계 550에서는, POCI3, N2, 및 O2의 분위기를 갖는 확산로 내에서 약 800℃ 내지 약 950℃의 온도에서, 그리고 최대 약 3시간의 기간 동안 결정질 규소 기판을 도펀트 공급원에 노출시킨다.
단계 552에서는, 결정질 규소 기판을 세정제, 예를 들어 BOE(일반적으로 완충 HF), 묽은 HF, 또는 HF 및 HCl의 혼합물에 노출시킨다. 잔류하는 PSG 층의 제거 정도 및 치밀화된 규소 나노입자 필름의 두께는 세정제에 대한 노출 기간을 약 0분부터 약 60분까지 변화시킴으로써, 그리고 세정조 내의 세정제의 농도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 보다 긴 에칭액 노출은 보다 얇은 치밀화된 규소 나노입자 박막 및 보다 확실한 PSG 층의 제거에 상응한다. 추가적으로, 전형적으로 10분 초과의 에칭액 노출은 보다 얇은 치밀화된 규소 나노입자 박막을 실질적으로 제거한다.
단계 554에서는, 반사를 최소화하고 표면 부동태화를 최적화하기 위하여, 실란, 암모니아, 질소, 및 선택적으로 수소의 환경에서 질화규소(Si3N4 및 다른 비-화학량론적인 비의 Si 및 N)의 반사방지 코팅 및 부동태화 층을 규소 기판 상에 침착시킨다. 여기서, Si3N4 층의 반사율은 약 1.90 내지 약 2.10일 수 있으며, 이때 두께는 약 40 ㎚ 내지 약 120 ㎚일 수 있다.
단계 556에서는, 전방 금속 접점(침착된 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체 패턴에 대해 정렬됨) 및 후방 금속 접점을 침착시켜, 태양 전지를 형성한다. 구체적으로는, 제1 고농도 도핑 영역(임계 미만 전단 박화 나노입자 유체의 침착에 의해 형성됨)과 제2 저농도 도핑 확산 영역 사이의 특정 파장 영역 내에서의 반사율의 비를 측정함으로써, 각각의 개별적인 태양 전지 기판에 대해 최적화된 방식으로 금속 접점 세트를 침착시킬 수 있다. 일 구성에서는, 스크린 프린터를 사용하여 전방 금속 접점을 침착시킨다. 다른 실시 형태에서는, 금속 오염을 피하기 위하여 중합체 기재 스크린을 사용한다. 이러한 금속 정렬 방법은 2009년 5월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/468,540호에 추가로 기재되어 있으며, 이의 전체 개시 내용이 참고로 포함된다.
결과적으로, 생성된 태양 전지는 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체가 침착되지 않은 기판 표면 영역에서 전형적인 시트 저항(sheet resistance)이 약 90 Ohm/sq 내지 약 130 Ohm/sq일 수 있는 반면에, 침착된 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체 아래의 기판 표면 영역은 60 Ohm/sq 미만일 수 있다.
본 명세서에서 예시적으로 설명된 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한들의 부재 하에서 적절하게 실시될 수 있다. 따라서, 예를 들어 용어 "포함하는", "함유하는", "갖는" 등은 확장적으로 그리고 제한 없이 이해되어야 한다. 추가적으로, 본 명세서에 사용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명의 용어로서 사용되었으며, 그러한 용어 및 표현의 사용에 있어서, 도시되고 설명된 특징부 또는 그의 일부의 어떠한 등가물도 배제하려는 의도는 없으며, 청구된 본 발명의 범주 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것이 인식된다.
따라서, 본 발명이 바람직한 실시 형태 및 선택적인 특징부에 의해 구체적으로 개시되어 있더라도, 본 명세서에 개시된 본 발명의 수정, 개선 및 변형이 당업자에 의해 가능할 수 있으며, 그러한 수정, 개선 및 변형은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 여겨지는 것으로 이해되어야 한다. 여기서 제공된 재료, 방법, 및 예는 바람직한 실시 형태를 나타내며, 예시적이며, 본 발명의 범주에 대한 제한으로서 의도되지 않는다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 특히 쓰여진 설명을 제공한다는 관점에서의 임의의 그리고 모든 목적을 위하여, 본 명세서에 개시된 모든 범위는 또한 임의의 그리고 모든 가능한 하위-범위 및 그의 하위-범위들의 조합을 포함한다. 임의의 열거된 범위는 그 범위가 적어도 2등분, 3등분, 4등분, 5등분, 10등분 등으로 나누어질 수 있음을 충분히 설명하고 이를 가능하게 할 수 있는 것으로서 용이하게 인식될 수 있다. 비제한적인 예로서, 본 명세서에 논의된 각각의 범위는 아래 3분의 1, 중간 3분의 1, 그리고 위 3분의 1 등으로 용이하게 나누어질 수 있다. 당업자에 의해 또한 이해되는 바와 같이, "최대", "적어도", "초과", "미만" 등과 같은 모든 언어는 인용된 숫자를 포함하며, 이후에 상기에 논의된 하위-범위로 나누어질 수 있는 범위를 말한다. 추가적으로, 용어 "도펀트 또는 도핑된" 및 "카운터-도펀트(counter-dopant) 또는 카운터-도핑된"은 반대형의 도펀트 세트를 말한다. 즉, 도펀트가 p형이면, 카운터-도펀트는 n형이다. 게다가, 달리 언급되지 않으면, 도펀트형은 전환될 수 있다. 추가적으로, 규소 기판은 단결정질 또는 다결정질일 수 있다. 추가적으로 "비도핑된"은 도펀트가 결여된 재료를 말한다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 케톤 분자 및 알코올 분자는 환형, 직쇄, 또는 분지형일 수 있다.
게다가, 본 발명은 전체 개시 내용이 참고로 포함된 2008년 2월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/029,838호에 기재된 바와 같은 다른 태양 전지 구조에 적용될 수도 있다.
본 명세서에서 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 등록된 특허, 및 다른 문헌은 마치 각각의 개별적인 간행물, 특허 출원, 등록된 특허, 또는 다른 문헌이 전체적으로 참고로 포함된 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 나타내는 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된다. 참고로 포함된 문서에 들어 있는 정의들은 그들이 본 발명의 정의와 모순되는 경우에는 배제된다.
본 발명의 목적을 위하여 그리고 달리 명시되지 않는 한, 단수형("a" 또는 "an")은 "하나 이상"을 의미한다. 본 명세서에 인용된 모든 특허, 출원, 참고문헌 및 간행물은 마치 그들이 개별적으로 참고로 포함된 것처럼 이와 동일한 정도로 전체적으로 참고로 포함된다. 추가적으로, 단어 세트는 하나 이상의 항목 또는 대상의 집합을 말한다.
본 발명의 이점은 스크린 프린팅을 위해 최적화된 실질적으로 균일하게 침착된 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 포함한다.
개시된 예시적인 실시 형태 및 최선의 방식을 갖지만, 후술되는 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 요지 및 사상 내에서 유지되면서 개시된 실시 형태에 대하여 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (28)

  1. 규소 나노입자 유체로서,
    규소 나노입자 유체의 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 세트;
    규소 나노입자 유체의 약 0 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하는 HMW 분자 세트; 및
    캐핑제(capping agent) 분자 세트를 포함하고, 캐핑제 분자 세트의 적어도 일부의 캐핑제 분자는 규소 나노입자 세트에 부착되는 규소 나노입자 유체.
  2. 제1항에 있어서, 규소 나노입자 세트는 규소 나노입자 유체의 약 2 중량% 내지 약 15 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  3. 제1항에 있어서, 규소 나노입자 세트는 규소 나노입자 유체의 약 4 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  4. 제1항에 있어서, HMW 분자 세트는 규소 나노입자 유체의 약 0 중량% 내지 약 4 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  5. 제1항에 있어서, HMW 분자 세트는 규소 나노입자 유체의 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  6. 제1항에 있어서, 캐핑제 분자 세트는 알코올 분자 세트 및 케톤 분자 세트 중 적어도 하나를 포함하는 규소 나노입자 유체.
  7. 제6항에 있어서, 알코올 분자 세트는 규소 나노입자 유체의 최대 90 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  8. 제6항에 있어서, 알코올 분자 세트는 규소 나노입자 유체의 최대 80 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  9. 제6항에 있어서, 알코올 분자 세트는 규소 나노입자 유체의 최대 70 중량%의 양으로 존재하는 규소 나노입자 유체.
  10. 제6항에 있어서, 알코올 분자 세트는 환형 알코올 분자 세트, 직쇄 알코올 분자 세트, 및 분지형 알코올 분자 세트 중 적어도 하나를 포함하는 규소 나노입자 유체.
  11. 제6항에 있어서, 케톤 분자 세트는 환형 케톤 분자 세트, 직쇄 케톤 분자 세트, 및 분지형 케톤 분자 세트 중 적어도 하나를 포함하는 규소 나노입자 유체.
  12. 제1항에 있어서, 나노입자 세트는 도핑된 것 및 비도핑된 것 중 하나인 규소 나노입자 유체.
  13. 제1항에 있어서, 나노입자 세트는 붕소 및 인 중 하나로 도핑된 규소 나노입자 유체.
  14. 제1항에 있어서, HMW 분자 세트는 에틸 셀룰로오스를 포함하는 규소 나노입자 유체.
  15. 제1항에 있어서, 점도가 약 10 sec-1의 전단률에서 약 5 KcP 내지 약 20 KcP인 규소 나노입자 유체.
  16. IV족계 나노입자 유체로서,
    나노입자 유체의 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 존재하는, IV족 원자 세트를 포함하는 나노입자 세트;
    나노입자 유체의 약 0 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재하는 HMW 분자 세트; 및
    캐핑제 분자 세트를 포함하고, 캐핑제 분자 세트의 적어도 일부의 캐핑제 분자는 나노입자 세트에 부착되는 IV족계 나노입자 유체.
  17. 임계 미만 전단 박화(sub-critical shear thinning) 나노입자 유체로 전방 표면 및 후방 표면을 포함하는 규소 기판 상에 이중 도핑된 에미터(emitter)를 형성하는 방법으로서,
    규소 기판을 텍스처링(texturing)하는 단계;
    규소 기판을 세정하는 단계;
    임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 전방 표면 상에 침착시키는 단계;
    약 150℃ 내지 약 800℃의 제1 온도에서, 그리고 약 1분 내지 약 60분의 제1 기간 동안 규소 기판을 베이킹하는 단계;
    POCl3, N2, 및 O2 의 분위기를 갖는 확산로(diffusion furnace) 내에서, 약 800℃ 내지 약 950℃의 제2 온도에서, 그리고 약 30분 내지 약 180분의 제2 기간 동안 규소 기판을 도펀트 공급원에 노출시켜 PSG 층을 형성하는 단계;
    PSG 층을 제거하는 단계;
    반사방지 코팅을 전방 표면 상에 침착시키는 단계; 및
    전방 금속 접점 세트를 전방 표면 상에, 그리고 후방 금속 접점 세트를 후방 표면 상에 침착시키는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 규소 기판을 텍스처링하기 전에 황산 용액 중에서 규소 기판을 사전-세정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 규소 기판 상에 침착시키기 전에 HF/HCl 또는 BOE 중 하나 중에서 규소 기판을 사전-세정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 규소 기판을 텍스처링하는 단계는 규소 기판을 H2O, IPA, 및 KOH를 포함하는 용액에 노출시키는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 규소 기판을 세정하는 단계는 규소 기판을 SC-2, 피라냐(piranha), BOE, 및 H2O의 용액에 노출시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제17항에 있어서, 규소 기판을 도펀트 공급원에 노출시키기 전에 규소 기판을 HF, HF/HCl, BOE, SC-1, SC-2, 및 HCl 중 적어도 하나로 세정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  23. 제17항에 있어서, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 전방 표면 상에 침착시키는 단계는 스크린 프린터를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제17항에 있어서, 제1 온도에서 규소 기판을 베이킹하는 단계는 벨트로(belt furnace), 관형로(tube furnace), 또는 대류식 오븐(convection oven) 중 하나 내에서 행해지는 방법.
  25. 제17항에 있어서, 제1 온도에서 규소 기판을 베이킹하는 단계는 공기, 산소 및 질소의 혼합물, 및 질소 중 하나를 포함하는 환경(ambient)에서 행해지는 방법.
  26. 제17항에 있어서, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 침착시키는 단계는 약 0.04 ㎎/㎠ 내지 약 3.0 ㎎/㎠의 단위 기판 표면적당 질량을 침착시키는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제17항에 있어서, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 침착시키는 단계는 약 0.2 ㎎/㎠ 내지 약 2.0 ㎎/㎠의 단위 기판 표면적당 질량을 침착시키는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제17항에 있어서, 임계 미만 전단 박화 나노입자 유체를 침착시키는 단계는 약 0.4 ㎎/㎠ 내지 약 1.5 ㎎/㎠의 단위 기판 표면적당 질량을 침착시키는 단계를 포함하는 방법.
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