KR20120081920A - 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지 - Google Patents

도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지 Download PDF

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Abstract

도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 금속 유리는 하기 관계식을 만족하는 원자 반경을 가지는 제1 원소을 포함하는 합금인 도전성 페이스트에 관한 것이다.
[관계식]
Figure pat00004

상기 관계식에서,
r1은 제1 원소의 원자 반경, rn은 상기 금속 유리에 포함된 제1 원소 이외의 원소들의 원자 반경이고,
n은 2 내지 10의 정수이다.

Description

도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지{CONDUCTIVE PASTE AND ELECTRONIC DEVICE AND SOLAR CELL INCLUDING AN ELECTRODE FORMED USING THE CONDUCTIVE PASTE}
도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
한편, 태양 전지의 전극은 증착법으로 형성할 수 있으나 이 경우 공정이 복잡하고 비용 및 시간이 많이 소요된다. 이에 따라 도전성 물질을 포함한 도전성 페이스트를 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 형성하여 공정을 단순화하는 방안이 제안되었다.
일 구현예는 전하의 손실을 줄이고 태양 전지의 효율을 개선할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.
다른 일 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 금속 유리는 하기 관계식을 만족하는 원자 반경을 가지는 제1 원소를 포함하는 합금인 도전성 페이스트를 제공한다.
[관계식]
Figure pat00001
상기 관계식에서,
r1은 제1 원소의 원자 반경, rn은 상기 금속 유리에 포함된 제1 원소 이외의 원소들의 원자 반경이고,
n은 2 내지 10의 정수이다.
상기 금속 유리는 과냉각 액체 구간을 가질 수 있으며, 구체적으로는 약 5℃ 내지 약 200℃의 과냉각 액체 구간을 가질 수 있다.
상기 금속 유리의 혼합열(heat of mixing)은 0kJ/mole보다 작을 수 있다.
상기 금속 유리는 낮은 비저항을 가지는 제2 원소, 상기 도전성 분말과 고용체를 형성하는 제3 원소, 그리고 산화성이 높은 제4 원소 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 원소는 약 100μΩ㎝보다 낮은 비저항을 가지며, 상기 제4 원소는 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 약 100kJ/mol 보다 크다.
구체적으로는 상기 제2 원소는 약 15μΩ㎝보다 낮은 비저항을 가질 수 있다.
상기 제3 원소는 상기 도전성 분말과의 혼합열이 0kJ/mole보다 작을 수 있다.
상기 제4 원소는 상기 제1 원소, 상기 제2 원소 및 상기 제3 원소보다 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 클 수 있다.
상기 제2 원소, 상기 제3 원소 및 상기 제4 원소는 각각 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 주석(Sn)일 수 있고, 상기 제1 원소는 인(P), 안티몬(Sb), 베릴륨(Be), 붕소(B), 도륨(Th), 에르븀(Er), 테르비움(Tb), 프로메티윰(Pm), 디스프로슘(Dy), 이트륨(Y), 사마리움(Sm), 가돌리늄(Gd), 호르미움(Ho), 네오디뮴(Nd), 세륨(Ce), 란탄(La), 칼슘(Ca), 이테르븀(Yb), 유로퓸(Eu), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 도전성 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 30중량% 내지 약 99중량%, 약 0.1중량% 내지 약 20중량% 및 잔량으로 포함될 수 있다.
다른 일 구현예에 따르면, 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또 다른 일 구현예에 따르면, 반도체 층, 그리고 상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성되는 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
상기 전극은 상기 반도체 층과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층, 그리고 상기 버퍼층 이외의 영역에 위치하고 도전성 물질을 포함하고 있는 전극부를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층은 결정화된 상기 금속 유리를 포함할 수 있다.
상기 반도체 층, 상기 버퍼층, 및 상기 반도체 층과 상기 버퍼층의 계면 중 적어도 하나는 결정화된 도전성 분말을 포함할 수 있다.
본 구현예에 따른 도전성 페이스트를 사용함으로써 전극의 도전성을 개선하고 접촉 저항을 낮출 수 있다. 이에 따라 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극의 도전성을 개선하고 손실되는 전하를 줄여 태양 전지를 포함한 전자 소자의 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 포함된 금속 원자들의 크기를 상대적으로 보여주는 개략도이고,
도 2a는 실시예 1에 따른 금속 유리 Cu46Zr46Sn4Sb4의 시차주사열량계 곡선을 보여주는 그래프이고,
도 2b는 비교예 1에 따른 금속 유리 Cu48Zr48Sn4의 시차주사열량계 곡선을 보여주는 그래프이고,
도 2c는 비교예 2에 따른 금속 유리 Cu47 .5Zr47 .5Sn4Si1의 시차주사열량계 곡선을 보여주는 그래프이고,
도 3 내지 도 5는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 반도체 기판에 적용한 경우 도전성 분말 및 금속 유리가 열에 의해 변형되어 반도체 기판과 접촉하는 예를 도시한 개략도이고,
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 'A' 부분을 확대하여 도시한 개략도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 8은 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
이하에서 '원소'는 금속 및 반금속을 포괄하는 용어이다.
먼저, 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 도전성 페이스트는 도전성 분말, 금속 유리(metallic glass) 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 도전성 분말은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금과 같은 알루미늄 함유 금속, 은(Ag) 또는 은 합금과 같은 은 함유 금속, 구리(Cu) 또는 구리 합금과 같은 구리 함유 금속, 니켈(Ni) 또는 니켈 합금과 같은 니켈(Ni) 함유 금속 또는 이들의 조합일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다른 종류의 금속일 수도 있으며 상기 금속 외에 다른 첨가물을 포함할 수도 있다.
상기 도전성 분말은 약 1nm 내지 약 50㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 두 종류 이상의 원소가 무질서한 원자 구조를 가지는 비정질 상태의 합금으로, 비정질 금속(amorphous metal)이라고도 부른다. 금속 유리는 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낸다.
상기 금속 유리는 상술한 바와 같이 두 종류 이상의 원소를 포함하는 합금이다.
상기 금속 유리는 상기 합금의 한 성분으로 상기 금속 유리의 과냉각 액체 구간(supercooled liquid region)을 확장할 수 있는 제1 원소를 포함한다.
여기서 금속 유리의 과냉각 액체 구간이란 금속 유리의 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)와 결정화 온도(crystalline temperature, Tc) 사이의 온도 영역으로, 이 온도 영역에서는 금속 유리의 점도가 낮아져 액체와 같은 거동을 나타낸다.
과냉각 액체 구간에서는 금속 유리가 액체와 같은 거동을 보이며 하부막에 대하여 젖음성(wetting)을 나타낼 수 있다. 이때 과냉각 액체 구간을 확장함으로써 이러한 젖음성을 강화할 수 있다.
예컨대 반도체 기판에 상기 금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트를 적용하여 태양 전지의 전극을 형성하는 경우, 과냉각 액체 구간이 넓을수록 반도체 기판 위에 연화된 금속 유리의 젖음성이 우수하며, 젖음성이 우수할수록 연화된 금속 유리 내에 확산되어 있는 상기 도전성 분말이 반도체 기판 측으로 침투할 수 있는 면적이 늘어날 수 있다. 이에 따라 전극과 반도체 기판 사이의 접촉 면적이 넓어져 이들 사이의 접착성이 개선될 뿐만 아니라, 태양 광에 의해 반도체 기판에서 생성된 전하가 전극으로 이동할 수 있는 통로가 넓어져 태양 전지의 효율 또한 개선될 수 있다.
상기 제1 원소는 상기 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)를 낮추거나 결정화 온도(Tc)를 높임으로써 과냉각 액체 구간을 확장할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 원소는 상기 금속 유리에 포함되어 다른 원소들의 상호 인력(interaction)을 방해하여 다른 원소들의 핵 형성을 억제함으로써 금속 유리의 결정화를 늦출 수 있다.
이와 같이 과냉각 액체 구간을 확장할 수 있는 제1 원소는 하기 관계식을 만족하는 원자 반경을 가질 수 있다.
[관계식]
Figure pat00002
상기 관계식에서,
r1은 제1 원소의 원자 반경, rn은 상기 금속 유리에 포함된 제1 원소 이외의 원소들의 원자 반경이고,
n은 2 내지 10의 정수이다.
전술한 바와 같이 상기 금속 유리는 과냉각 액체 구간에서 점도가 낮아지고 액체와 같은 거동을 보이면서 원자들이 비교적 자유롭게 이동할 수 있다. 이때 상기 관계식에 따라 제1 원소의 원자 반경과 그 외 다른 원소의 원자 반경이 9% 이상 차이나도록 함으로써 원자 반경이 큰 원소들 사이의 공극에 원자 반경이 작은 원소들이 촘촘하게 배열될 수 있어서 원소들의 이동을 방해할 수 있다. 이때 다른 종류의 원소들 사이에 상기 관계식에 따라 입자 크기가 차이나면 되므로, 제1 원소가 기타 다른 원소보다 원자 반경이 클 수도 있고 작을 수도 있다.
이 경우, 유사한 크기의 원소들을 포함하는 경우와 비교하여 더욱 촘촘한 구조를 형성할 수 있어 과냉각 액체 구간에서 원소들의 이동을 방해할 수 있고 이에 따라 원소들 사이의 상호 인력을 줄여 결정화를 늦출 수 있다.
이에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 포함된 원소들의 크기를 상대적으로 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 금속 유리(115a)는 입자 크기가 다른 제1 원소(115aa) 및 제1 원소 이외의 기타 원소(115ab)를 포함한다. 상기 제1 원소(115aa)는 상술한 과냉각 액체 구간을 확장하는 성분이며, 상기 기타 원소(115ab)는 상기 제1 원소(115aa) 이외의 성분으로 후술하는 제2 원소, 제3 원소 및 제4 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 원소(115aa)는 원자 반경 r1을 가지며 기타 원소(115ab)는 원자 반경 rn을 가진다. 상기 관계식은 제1 원소(115aa)의 원자 반경 r1 및 기타 원소(115ab)의 원자 반경 rn의 차이의 절대값을 제1 원소(115aa)와 기타 원소(115ab)의 원자 반경(r1, rn)의 평균으로 나눈 값이 9% 이상을 가지는 것으로, 이는 제1 원소(115aa)와 기타 원소(115ab)의 크기 차이가 비교적 큰 것을 의미한다.
이와 같이 금속 유리에 포함된 두 종류 이상의 원소 중 다른 종류의 원소들과 입자 크기의 차이가 큰 제1 원소를 포함함으로써 더욱 치밀하고 촘촘한 구조의 금속 유리를 형성할 수 있고 이에 따라 금속 원자의 이동을 방해하여 금속 유리의 결정화 온도(Tc)를 높일 수 있다.
도 1에서는 제1 원소(115aa)가 기타 원소(115ab)보다 원자 반경이 작은 경우만 예시적으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 상기 관계식을 만족하는 한 기타 원소(115ab)가 제1 원소(115aa)보다 원자 반경이 작을 수 있다.
일 예로서, 기타 원소로서 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 주석(Sn)을 포함하는 금속 유리의 경우를 예로 들면, 각 금속 원자의 반경을 사용하여 상기 관계식을 계산할 수 있다.
표 1은 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 주석(Sn)을 포함하는 금속 유리의 경우 상기 관계식을 만족하는 제1 원소의 예를 보여준다.
제1 원소(X) Cu-X (%) Zr-X (%) Sn-X (%)
P 31.674 52.9644 41.026
Sb 34.839 12.8655 25.387
Be 12.448 34.4322 22.047
B 42.654 63.3745 51.786
Th 33.766 11.7647 24.299
Er 31.579 9.52381 22.082
Tb 32.68 10.6509 23.197
Pm 34.304 12.3167 24.845
Dy 32.131 10.089 22.642
Y 34.304 12.3167 24.845
Sm 33.766 11.7647 24.299
Gd 33.766 11.7647 24.299
Ho 32.131 10.089 22.642
Nd 34.839 12.8655 25.387
Ce 35.37 13.4111 25.926
La 37.975 16.092 28.571
Ca 42.462 20.7283 33.136
Yb 40.994 19.209 31.642
Eu 36.422 14.4928 26.994
Sr 50.729 29.3333 41.573
Ba 51.594 30.2387 42.458
K 55.775 34.6253 46.739
Rb 63.83 43.1373 55.013
Cs 69.72 49.4118 61.084
상기 금속 유리는 과냉각 액체 구간을 가질 수 있으며, 상기 금속 유리의 과냉각 액체 구간은 약 5℃ 내지 약 200℃ 일 수 있다.
한편, 상기 제1 원소를 포함하는 금속 유리는 제1 원소가 포함되지 않는 합금의 혼합열(heat of mixing)보다 작을 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 원소를 포함하는 금속 유리의 혼합열(heat of mixing)은 0kJ/mole보다 작을 수 있다. 상기 금속 유리에 상기 제1 원소를 포함함으로써 상기 금속 유리의 구조가 열역학적으로 더욱 안정해질 수 있다.
상기 금속 유리는 상기 제1 원소 이외의 성분으로서, 낮은 비저항을 가지는 제2 원소, 상기 도전성 분말과 고용체를 형성하는 제3 원소, 그리고 산화성이 높은 제4 원소 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 원소는 약 100μΩ㎝보다 낮은 비저항을 가지며, 상기 제4 원소는 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 약 100kJ/mol 보다 클 수 있다.
상기 제2 원소는 상기 제1 원소, 상기 제3 원소 및 상기 제4 원소보다 비저항이 낮은 저저항성 원소로, 금속 유리의 도전성을 결정하는 성분이다. 구체적으로는 상기 제2 원소의 비저항은 약 15μΩ㎝ 보다 낮을 수 있다.
이러한 원소로는 예컨대 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 아연(Zn), 니켈(Ni), 칼륨(K), 리튬(Li), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr) 및 스트론듐(Sr)에서 선택된 적어도 하나를 들 수 있다.
상기 제3 원소는 상기 도전성 분말과 고용체를 형성할 수 있는 성분이다.
상기 금속 유리는 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 승온되는 경우 유리(glass)처럼 연화되어 액체와 같은 거동을 보일 수 있다. 이때 금속 유리는 상기 도전성 분말과 고용체를 형성할 수 있는 제3 원소를 포함함으로써 상기 도전성 분말이 연화된 금속 유리 내로 확산되어 이동할 수 있다.
예컨대 반도체 기판 위에 상기 금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트를 적용하여 태양 전지의 전극을 형성하는 경우, 열처리에 의해 상기 금속 유리는 연화되고 도전성 분말은 상기 금속 유리의 제3 원소와 고용체를 형성하면서 연화된 금속 유리 내에 확산되어 이동할 수 있다.
최종적으로, 상기 도전성 분말은 반도체 기판으로 확산될 수 있으며, 반도체 기판의 표면에 도전성 분말의 결정성 입자가 다량 생성될 수 있다. 이와 같이 반도체 기판의 표면에 생성된 도전성 분말의 결정성 입자에 의해 태양 광에 의해 생성된 전하를 전극으로 효과적으로 이동시킬 수 있어서 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
상기 도전성 분말과 고용체를 형성할 수 있는 제3 원소는 상기 도전성 분말과의 혼합열(heat of mixing, Hm)이 0kJ/mole보다 작은 원소에서 선택될 수 있다.
예컨대 도전성 분말이 은(Ag)을 포함하는 경우, 상기 제3 원소는 예컨대 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메티윰(Pm), 사마리움(Sm), 루테티움(Lu), 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 가돌리늄(Gd), 테르비움(Tb), 디스프로슘(Dy), 호르미움(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 도륨(Th), 칼슘(Ca), 스칸듐(Sc), 바륨(Ba), 이테르븀(Yb), 스트론튬(Sr), 유로퓸(Eu), 지르코늄(Zr), 리튬(Li), 하프늄(Hf), 마그네슘(Mg), 인(P), 비소(As), 팔라듐(Pd), 금(Au), 플루토늄(Pu), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 규소(Si), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 백금(Pt) 및 수은(Hg)에서 선택된 적어도 하나를 들 수 있다.
상기 제4 원소는 상기 금속 유리의 다른 성분보다 산화성이 높은 원소로, 다른 원소보다 우선적으로 산화되어 다른 원소의 산화를 방지하는 성분이다.
금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트는 일반적으로 대기 중에서 공정이 수행되므로 공기 중의 산소에 쉽게 노출될 수 있다. 이때 상기 제1 원소가 산화되는 경우 과냉각 액체 구간이 줄어들어 젖음성이 저하될 수 있고 상기 제2 원소가 산화되는 경우 도전성 페이스트의 도전성이 현저히 떨어질 수 있고 상기 제3 원소가 산화되는 경우 도전성 분말의 고용도가 낮아질 수 있다.
따라서 상기 제1, 제2 및 제3 원소보다 산화성이 높은 제4 원소를 포함함으로써 공정 중에 상기 제4 원소가 우선적으로 산화되어 금속 유리의 표면에 안정적인 산화막을 형성할 수 있고, 이에 따라 금속 유리의 다른 원소의 산화를 방지할 수 있다. 이에 따라 금속 유리의 다른 원소의 산화에 의해 도전성 페이스트의 성능이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
상기 제4 원소는 상기 제1, 제2 및 제3 원소보다 산화물 형성의 깁스 프리 에너지(Gibbs Free Energy of oxide formation, ΔfG0)의 절대값이 큰 원소 중에서 선택될 수 있다. 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 클수록 산화되기 쉬운 성질을 의미한다.
한편, 상기 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소는 상기 제4 원소와 비교하여 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 차이가 큰 것이 좋다. 이 중에서 상기 제1 원소는 상기 제4 원소보다 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 약 300kJ/mole 이상 작을 수 있다.
여기서 두 원소의 산화물 형성의 깁스 프리 에너지 차이는 공기 중에서 산화성이 유사한 정도를 의미한다. 만일 제1 원소와 상기 제4 원소의 산화물 형성의 깁스 프리 에너지 차이가 약 300kJ/mole 미만인 경우, 공기 중에서 제1 원소와 제4 원소가 함께 산화될 수 있으며 이 경우 두 개의 서로 다른 구조의 산화물이 형성되고 이들 산화물 사이에 상 경계(phase boundary)를 통해 공기 중의 산소가 용이하게 유입되어 금속 유리의 내산화성이 저하될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 구현예에 따른 도전성 페이스트는 과냉각 액체 구간을 확장할 수 있는 제1 원소와 함께, 저저항 원소인 제2 원소, 도전성 분말과 고용체를 형성하는 제3 원소, 그리고 상기 제1, 제2 및 제3 원소보다 산화성이 높은 제4 원소 중 적어도 하나를 포함하는 금속 유리를 포함한다.
상기 금속 유리는 상기 제1 원소와 상기 제2 내지 제4 원소 중에 적어도 하나의 원소가 합금 형태를 이룰 수 있다. 따라서 제1 내지 제4 원소는 다양한 조합에 의해 금속 유리를 형성할 수 있다.
구체적으로는 제1 원소를 'A', 'A1', 'A2' 등으로 표시하고, 제2 원소를 'B', 'B1', 'B2' 등으로 표시하고, 제3 원소를 'C', 'C1', 'C2' 등으로 표시하고, 제4 원소를 'D', 'D1', 'D2' 등으로 표시할 때, 상기 금속 유리는 A-B, A-C, A-D, A-B-C, A-B-D, A-C-D, A-B-C-D, A-A1-B-B1, A-A1-B-B1-C, A-A1-B-B1-C-C1, A-A1-B-B1-C-D 등과 같이, 2성분 이상, 구체적으로는 2성분 내지 10성분, 더욱 구체적으로는 2성분 내지 6성분의 다양한 형태의 합금으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 비히클은 상술한 도전성 분말 및 금속 유리와 혼합되어 적절한 점도를 부여할 수 있는 유기 화합물과 이들을 용해하는 용매를 포함한다.
유기 화합물은 예컨대 (메타)아크릴레이트계 수지; 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 수지; 페놀 수지; 알코올 수지; 테플론; 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 계면활성제, 증점제 및 안정화제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
용매는 이들을 혼합할 수 있는 형태이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 터피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨 아세테이트, 펜테인디올, 다이펜틴, 리모닌, 에틸렌글리콜 알킬에테르, 디에틸렌글리콜 알킬에테르, 에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트 디에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디에틸렌글리콜 디알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌 글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 페닐에테르, 디프로필렌글리콜 알킬에테르, 트리프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리프로필렌글리콜 알킬 에테르 아세테이트, 디메틸프탈산, 디에틸프탈산, 디부틸프탈산 및 탈염수에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 도전성 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 30중량% 내지 약 99중량%, 약 0.1중량% 내지 약 20중량% 및 잔량으로 포함될 수 있다.
상술한 도전성 페이스트는 스크린 인쇄 등의 방법으로 형성되어 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있다.
이하 도 3 내지 도 6c를 참고하여 상술한 도전성 페이스트를 사용한 경우에 전극이 형성되는 예를 설명한다.
도 3 내지 도 5는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 반도체 기판에 적용한 경우 도전성 분말 및 금속 유리가 열에 의해 변형되어 반도체 기판과 접촉하는 예를 도시한 개략도이고, 도 6a 내지 도 6c는 도 5의 'A' 부분을 확대하여 도시한 개략도이다.
도 3을 참고하면, 반도체 기판(110) 위에 도전성 분말(120a) 및 금속 유리(115a)를 포함하는 도전성 페이스트를 적용한다. 도전성 분말(120a) 및 금속 유리(115a)는 각각 입자(particle) 형태로 존재할 수 있다.
도 4를 참고하면, 금속 유리(115a)의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 승온하는 경우, 금속 유리(115a)는 연화되어 액체 거동(liquid-like)의 금속 유리(115b)로 변하며, 이러한 액체 거동의 금속 유리(115b)는 복수의 도전성 분말(120a) 사이의 틈을 채울 수 있다. 이와 같이 금속 유리(115a)가 먼저 연화되는 것은 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)가 도전성 분말(120a)의 소결 온도(sintering temperature, Ts)보다 낮기 때문이다.
도 5를 참고하면, 도전성 페이스트의 소결 온도 이상으로 승온하는 경우. 도전성 분말(120a)은 소결되어 이웃하는 도전성 분말(120a)과 서로 단단히 밀착되어 도전성 분말 덩어리(120b)를 형성한다.
도 4 및 도 5에 도시된 단계에서, 액체 거동의 금속 유리(115b)는 과냉각 액체 상태이며, 반도체 기판(110)에 젖음성(wetting)을 나타낼 수 있다.
도 6a를 참고하면, 액체 거동의 금속 유리(115b)가 과냉각 액체 상태일 때, 도전성 분말 덩어리(120b)의 일부 도전성 입자(120c)는 액체 거동의 금속 유리(115b) 내로 확산된다. 이는 전술한 바와 같이 액체 거동의 금속 유리(115b)에 도전성 분말(120b)과 고용체를 형성할 수 있는 성분이 포함되어 있기 때문이다.
또한 전술한 바와 같이 금속 유리의 과냉각 액체 구간이 확장되는 경우 점도가 낮은 액체 거동의 금속 유리(115b)로 존재하는 시간이 길어져 금속 유리(115b)의 반도체 기판(110)에 대한 젖음성을 강화할 수 있다. 이에 따라 금속 유리(115b)와 반도체 기판(110) 사이의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.
도 6b를 참고하면, 더욱 높은 온도로 승온하는 경우, 액체 거동의 금속 유리(115b)로 확산된 도전성 입자(120c)가 반도체 기판(110) 내로 침투한다. 이때 상술한 바와 같이 액체 거동의 금속 유리(115b)의 젖음성을 강화하여 금속 유리(115b)와 반도체 기판(110) 사이의 접촉 면적을 넓힘으로써 도전성 입자(120c)가 반도체 기판(110)으로 침투할 수 있는 면적을 넓힐 수 있다.
도 6c를 참고하면, 반도체 기판(110)을 냉각하는 경우, 반도체 기판(110)으로 침투한 도전성 입자(120c)는 재결정화되어 반도체 기판(110)의 표면에서 재결정화된 도전성 입자(120d)가 형성된다. 한편, 액체 거동의 금속 유리(115b) 또한 재결정화되어 결정성 금속 유리(115c)를 형성하며, 금속 유리 내에 존재하는 도전성 입자(120c) 또한 재결정화된다.
이에 따라 도전성 분말(120b)로 이루어진 전극부(120)가 형성되는 한편, 전극부(120)와 반도체 기판(110) 사이에는 결정성 금속 유리(115c)를 포함하는 버퍼층(buffer layer, 115)이 형성될 수 있다. 이로써, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 전극은 상기 반도체 기판(110)과 인접하는 영역에 형성되는 버퍼층(115), 그리고 상기 버퍼층(115)이 형성되지 않은 영역에 형성되는 전극부(120)를 포함할 수 있다. 도 6c에서 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한, 상기 버퍼층(115)은 상기 반도체 기판(110) 위의 일부분에만 형성될 수도 있다.
상기 버퍼층(115) 및 상기 반도체 기판(110) 표면에 존재하는 재결정화된 도전성 입자(120d)는 태양 광에 의해 반도체 기판(110)에 생성된 전하를 전극부(120)로 효과적으로 이동시킬 수 있도록 하는 동시에 반도체 기판(110)과 전극부(120) 사이의 접촉 저항을 낮추어 태양 전지의 전하 손실을 줄일 수 있다. 이에 따라 궁극적으로 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
상기 전극은 다양한 전자 소자에서 도전성 전극으로 사용될 수 있다.
상기 전자 소자 중의 하나는 태양 전지일 수 있다.
그러면 도 7을 참고하여 일 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 7은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 반도체 기판(110) 중 태양 에너지를 받는 면을 전면(front side)이라 하고 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
도 7을 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지는 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b)을 포함하는 반도체 기판(110)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 예컨대 하부 반도체 층(110a)은 p형 불순물로 도핑된 반도체 층이고, 상부 반도체층(110b)은 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.
상부 반도체 층(110b)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 상부 반도체 층(110b)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 상부 반도체 층(110b)은 빛을 받는 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
상부 반도체 층(110b) 위에는 복수의 전면 전극이 형성되어 있다. 전면 전극은 기판의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극은 상부 반도체 층(110b)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층(115), 그리고 상기 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하는 전면 전극부(120)를 포함할 수 있다. 도 7에서 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한, 상기 버퍼층(115)은 상기 상부 반도체 층(110b)과 인접하는 영역의 일부분에만 위치할 수도 있다.
전면 전극은 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다. 도전성 페이스트는 전술한 바와 같다.
전면 전극부(120)는 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 은(Ag) 등의 저저항 도전성 물질로 만들어질 수 있다.
상부 반도체 층(110b)과 전면 전극부(120) 사이에는 버퍼층(115)이 형성되어 있다. 버퍼층(115)은 전술한 바와 같으며, 금속 유리를 포함하여 도전성을 가진다. 버퍼층(115)은 전면 전극부(120)와 접촉하는 부분과 상부 반도체 층(110b)과 접촉하는 부분을 가지므로, 상부 반도체 층(110b)과 전면 전극부(120) 사이에서 전하가 이동할 수 있는 통로(path)의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
버퍼층(115)에 포함되어 있는 금속 유리는 전면 전극부(120)의 도전성 페이스트에 포함된 성분으로, 공정 중 전면 전극부(120)의 도전성 물질보다 먼저 용융되어 전면 전극부(120)의 하부에 위치할 수 있다.
전면 전극부(120) 위에는 전면 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 버스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이다.
반도체 기판(110)의 하부에는 유전막(130)이 형성되어 있다. 유전막(130)은 전하의 재결합을 방지하는 동시에 전류가 새는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 유전막(130)은 복수의 관통부(135)를 가지며, 관통부(135)를 통하여 반도체 기판(110)과 후술하는 후면 전극이 접촉할 수 있다.
유전막(130)은 예컨대 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으며, 약 100Å 내지 약 2000Å의 두께를 가질 수 있다.
유전막(130) 하부에는 후면 전극이 형성되어 있다. 후면 전극은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극은 전면 전극과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
후면 전극은 전면 전극과 마찬가지로 하부 반도체 층(110a)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층(115), 그리고 상기 버퍼층 이외의 영역에 위치하는 후면 전극부(140)를 포함할 수 있다. 도 7에서 버퍼층(115)을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한, 상기 버퍼층(115)은 상기 하부 반도체 층(110a)과 인접하는 영역의 일부분에만 위치할 수도 있다.
이하 상술한 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 7을 참고하여 설명한다.
먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이때 반도체 기판(110)은 예컨대 p형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
이어서, 반도체 기판(110)을 표면 조직화한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불산과 같은 강산 또는 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라스마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.
다음 반도체 기판(110)에 예컨대 n형 불순물을 도핑한다. 여기서 n형 불순물은 POCl3 또는 H3PO4 등을 고온에서 확산시킴으로써 도핑할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)은 다른 불순물로 도핑된 하부 반도체 층(110a)과 상부 반도체 층(110b)을 포함한다.
다음 상부 반도체 층(110b) 위에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극용 도전성 페이스트는 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다. 스크린 인쇄는 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 상술한 도전성 페이스트를 전극이 형성될 위치에 도포하고 건조하는 단계를 포함한다.
도전성 페이스트는 상술한 바와 같이 금속 유리를 포함할 수 있으며, 금속 유리는 예컨대 용융방사법(melt spinning), 흡입주조법(infiltration casting), 기체분무법(gas atomization), 이온조사법(ion irradiation) 또는 기계적 합금법(mechanical alloying) 등의 공지의 방법으로 제조될 수 있다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
다음 반도체 기판(110)의 후면에 예컨대 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 산화규소(SiO2)를 플라스마 화학 기상 증착 방법으로 적층하여 유전막(130)을 형성한다.
이어서 유전막(130)의 일부에 레이저를 조사하여 복수의 관통부(135)를 형성한다.
다음 유전막(130) 일면에 후면 전극용 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 도포하고 건조한다.
이어서 후면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 공 소성(co-firing)한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트를 각각 소성할 수 있다.
소성은 소성 로에서 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있으며, 예컨대 약 200℃ 내지 약 1000℃, 구체적으로는 약 400℃ 내지 약 1000℃에서 수행할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도 8을 참고하여 설명한다.
도 8은 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 반도체 기판(110)을 포함한다. 반도체 기판(110)은 후면 측에 형성되어 있으며 서로 다른 불순물로 도핑된 복수의 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 포함한다. 제1 도핑 영역(111a)은 예컨대 n형 불순물로 도핑될 수 있고 제2 도핑 영역(111b)은 예컨대 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 도핑 영역(111a)과 제2 도핑 영역(111b)은 반도체 기판(110)의 후면에 교대로 배치될 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면은 표면 조직화되어 있을 수 있으며, 표면 조직화에 의해 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 절연막(112)이 형성되어 있다. 절연막(112)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 질화규소(SiNx), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다. 절연막(112)은 예컨대 약 200Å 내지 약 1500Å의 두께를 가질 수 있다.
절연막(112)은 태양 전지 표면에서 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사 방지막(anti reflective coating) 역할을 하는 동시에 반도체 기판(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 복수의 관통부를 가진 유전막(150)이 형성되어 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 제1 도핑 영역(111a)에 연결되어 있는 제1 전극과 제2 도핑 영역(111b)에 연결되어 있는 제2 전극이 각각 형성되어 있다. 제1 전극은 관통부를 통하여 제1 도핑 영역(111a)과 접촉할 수 있으며, 제2 전극은 관통부를 통하여 제2 도핑 영역(111b)과 접촉할 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 교대로 배치될 수 있다.
제1 전극은 제1 도핑 영역(111a)과 인접한 영역에 위치하는 버퍼층(115) 및 상기 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하는 제1 전극부(120)를 포함하고, 제2 전극은 제2 도핑 영역(111b)과 인접한 영역에 위치하는 버퍼층(115) 및 상기 버퍼층(115) 이외의 영역에 위치하는 제2 전극부(140)를 포함할 수 있다. 도 8에서 버퍼층(115)를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 버퍼층(115)은 생략될 수도 있다. 또한 상기 버퍼층(115)은 상기 제1 도핑 영역(111a)과 인접한 영역의 일부, 상기 제2 도핑 영역(111b)과 인접한 영역의 일부, 또는 이들의 조합에만 위치할 수도 있다.
제1 전극과 제2 전극은 전술한 구현예와 마찬가지로, 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있으며, 상세한 설명은 전술한 바와 같다.
제1 도핑 영역(111a)과 제1 전극부(120) 사이 및 제2 도핑 영역(111b)과 제2 전극부(140) 사이에는 버퍼층(115)이 각각 형성되어 있다. 버퍼층(115)은 전술한 바와 마찬가지로 금속 유리를 포함하므로 도전성을 가지며, 제1 전극부(120) 또는 제2 전극부(140)와 접촉하는 부분과 제1 도핑 영역(111a) 또는 제2 도핑 영역(111b)과 접촉하는 부분을 가지므로, 제1 도핑 영역(111a)과 제1 전극부(120) 사이 또는 제2 도핑 영역(111b)과 제2 전극부(140) 사이에서 전하가 이동할 수 있는 통로의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 제1 전극 및 제2 전극이 모두 태양 전지의 후면에 위치함으로써 전면에서 금속이 차지하는 면적을 줄여 빛 흡수 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
이하 상술한 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 8을 참고하여 설명한다.
먼저, 예컨대 n형 불순물로 도핑되어 있는 반도체 기판(110)을 준비한다. 이어서 반도체 기판(110)을 표면 조직화한 후, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 절연막(112) 및 유전막(150)을 형성한다. 절연막(112) 및 유전막(150)은 예컨대 화학 기상 증착으로 형성할 수 있다.
다음, 반도체 기판(110)의 후면 측에 예컨대 p형 불순물 및 n형 불순물을 차례로 고농도로 도핑하여 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 형성한다.
이어서 유전막(150)의 일면에 제1 도핑 영역(111a)에 대응하는 영역에 제1 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 제2 도핑 영역(111b)에 대응하는 영역에 제2 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 제1 전극용 도전성 페이스트 및 제2 전극용 도전성 페이스트는 각각 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있으며, 각각 전술한 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용할 수 있다.
이어서 제1 전극용 도전성 페이스트 및 제2 전극용 도전성 페이스트를 함께 또는 각각 소성할 수 있으며, 소성은 소성 로에서 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있다.
상기에서는 상술한 도전성 페이스트를 태양 전지의 전극으로 적용한 예만 구체적으로 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 PDP, LCD 및 OLED와 같은 전극을 포함하는 모든 전자 소자에 적용할 수 있다.
이하 실시예를 통해서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
금속 유리의 제조
실시예 1
99% 이상의 순도를 갖는 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb)을 준비한 후, Cu46Zr46Sn4Sb4 조성이 되도록 무게를 잰다. 이때 전체 무게는 8g이 되도록 한다.
이어서 아르곤 기체가 채워진 아크 멜터(arc melter)를 사용하여 혼합된 금속 덩어리를 녹여 Cu-Zr-Sn-Sb 합금을 형성한다. 이어서 상기 합금을 쿼츠 튜브(Quartz tube)에 넣고 멜트 스피너(melt spinner)를 장착한 후, 유도 가열로 합금을 녹인다. 이어서 용융된 금속을 아르곤 가스를 사용하여 약 3000rpm으로 회전하고 있는 Cu 휠(wheel)을 향하여 분사하여 급냉시킴으로써 리본(Ribbon)형태의 금속 유리 Cu46Zr46Sn4Sb4 를 제조한다.
실시예 2
안티몬(Sb) 대신 인(P)을 사용하여 Cu46Zr46Sn4P4 조성의 합금을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 유리를 제조한다.
실시예 3
안티몬(Sb) 대신 베릴륨(Be)을 사용하여 Cu46Zr46Sn4Be4 조성의 합금을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 유리를 제조한다.
실시예 4
안티몬(Sb) 대신 붕소(B)을 사용하여 Cu46Zr46Sn4B4 조성의 합금을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 유리를 제조한다.
비교예 1
안티몬(Sb)을 사용하지 않고 Cu48Zr48Sn4 조성의 합금을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 유리를 제조한다.
비교예 2
안티몬(Sb) 대신 규소(Si)를 사용하여 Cu47 .5Zr47 .5Sn4Si1 조성의 합금을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 금속 유리를 제조한다.
이때 규소(Si)와 구리(Cu)는 상기 관계식에 따른 원자 반경의 차이가 8.9% 이다.
금속 유리의 과냉각 액체 구간 평가
실시예 1과 비교예 1 및 2에 따라 제조된 금속 유리를 시차주사열량계(differential scanning caloimetry, DSC)를 사용하여 과냉각 액체 구간을 측정한다.
이에 대하여 도 2a 내지 도 2c를 참고하여 설명한다.
도 2a는 실시예 1에 따른 금속 유리 Cu46Zr46Sn4Sb4의 시차주사열량계 곡선을 보여주는 그래프이고, 도 2b는 비교예 1에 따른 금속 유리 Cu48Zr48Sn4의 시차주사열량계 곡선을 보여주는 그래프이고, 도 2c는 비교예 2에 따른 금속 유리 Cu47.5Zr47.5Sn4Si1의 시차주사열량계 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 2a를 참고하면, 실시예 1에 따른 금속 유리 Cu46Zr46Sn4Sb4는 유리 전이 온도(Tg) 및 결정화 온도(Tc)가 각각 469.69℃ 및 506.91℃로 측정되었고, 이로부터 유리 전이 온도(Tg)와 결정화 온도(Tc) 사이의 온도 구간인 과냉각 액체 구간은 약 37.22℃인 것을 알 수 있다.
이에 반해 도 2b를 참고하면, 제1 원소인 안티몬(Sb)을 포함하지 않은 비교예 1에 따른 금속 유리 Cu48Zr48Sn4는 유리 전이 온도(Tg) 및 결정화 온도(Tc)가 각각 450.52℃ 및 478.86℃로 측정되었고, 유리 전이 온도(Tg)와 결정화 온도(Tc) 사이의 온도 구간인 과냉각 액체 구간은 약 28.34℃인 것을 알 수 있다.
또한 도 2c를 참고하면, 안티몬(Sb) 대신 규소(Si)를 포함한 비교예 2에 따른 금속 유리 Cu47 .5Zr47 .5Sn4Si1는 유리 전이 온도(Tg) 및 결정화 온도(Tc)가 각각 471℃ 및 495.80℃로 측정되었고, 유리 전이 온도(Tg)와 결정화 온도(Tc) 사이의 온도 구간인 과냉각 액체 구간은 약 24.80℃인 것을 알 수 있다.
이로부터 제1 금속으로서 안티몬(Sb)을 포함함으로써 제1 원소를 포함하지 않은 경우와 비교하여 금속 유리의 과냉각 액체 구간이 약 8.88℃ 확장되는 것을 알 수 있으며, 안티몬(Sb) 대신 규소(Si)를 포함한 경우는 과냉각 액체 구간의 확장 효과가 없는 것을 알 수 있다.
혼합열 계산
실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따른 금속 유리의 혼합열을 다음과 같은 방법으로 계산하였다. 여기서 X는 실시예 1 내지 4에서 제1 원소로 포함된 안티몬(Sb), 인(P), 베릴륨(Be) 및 붕소(B)를 각각 가르킨다.
ⅰ) ΔHCu46Zr46Sn4X4 = (0.46 x 0.46 x ΔHCu - Zr) + (0.46 x 0.04 x ΔHCu - Sn) + (0.46 x 0.04 x ΔHCu -X) + (0.46 x 0.04 x ΔHZr - Sn) + (0.46 x 0.04 x ΔHZr -X) + (0.04 x 0.04 x ΔHSn -X)
ⅱ) ΔHCu48Zr48Sn4 = (0.48 x 0.48 x ΔHCu - Zr) + (0.48 x 0.04 x ΔHCu - Sn) + (0.48 x 0.04 x ΔHZr - Sn)
그 결과는 표 2와 같다.
혼합열(kJ/mol)
실시예 1 -6.506
실시예 2 -7.8828
실시예 3 -6.2964
실시예 4 -6.2308
비교예 1 -5.99
표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 금속 유리는 제1 원소를 포함하지 않은 비교예 1에 따른 금속 유리와 비교하여 혼합열이 낮아지는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
110: 반도체 기판 115a: 금속 유리
115b: 액체 거동의 금속 유리 115c: 결정성 금속 유리
120a: 도전성 분말 120b: 도전성 분말 덩어리
120c: 결정성 도전성 분말 120: 전극부

Claims (15)

  1. 도전성 분말, 금속 유리 및 유기 비히클을 포함하고,
    상기 금속 유리는 하기 관계식을 만족하는 원자 반경을 가지는 제1 원소를 포함하는 합금인 도전성 페이스트:
    [관계식]
    Figure pat00003

    상기 관계식에서,
    r1은 제1 원소의 원자 반경, rn은 상기 금속 유리에 포함된 제1 원소 이외의 원소들의 원자 반경이고,
    n은 2 내지 10의 정수이다.
  2. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 과냉각 액체 구간을 가지는 도전성 페이스트.
  3. 제2항에서,
    상기 금속 유리는 5℃ 내지 200℃의 과냉각 액체 구간을 가지는 도전성 페이스트.
  4. 제1항에서,
    상기 금속 유리의 혼합열(heat of mixing)이 0kJ/mole보다 작은 도전성 페이스트.
  5. 제1항에서,
    상기 금속 유리는
    낮은 비저항을 가지는 제2 원소,
    상기 도전성 분말과 고용체를 형성하는 제3 원소, 그리고
    산화성이 높은 제4 원소
    중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 제2 원소는 100μΩ㎝보다 낮은 비저항을 가지며,
    상기 제4 원소는 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 100kJ/mol 보다 큰 것인
    도전성 페이스트.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 원소는 15μΩ㎝보다 낮은 비저항을 가지는 도전성 페이스트.
  7. 제5항에서,
    상기 제3 원소는 상기 도전성 분말과의 혼합열이 0kJ/mole보다 작은 도전성 페이스트.
  8. 제5항에서,
    상기 제4 원소는 상기 제1 원소, 상기 제2 원소 및 상기 제3 원소보다 산화물 형성의 깁스 프리 에너지의 절대값이 큰 도전성 페이스트.
  9. 제5항에서,
    상기 제2 원소, 상기 제3 원소 및 상기 제4 원소는 각각 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 주석(Sn)이고,
    상기 제1 원소는 인(P), 안티몬(Sb), 베릴륨(Be), 붕소(B), 도륨(Th), 에르븀(Er), 테르비움(Tb), 프로메티윰(Pm), 디스프로슘(Dy), 이트륨(Y), 사마리움(Sm), 가돌리늄(Gd), 호르미움(Ho), 네오디뮴(Nd), 세륨(Ce), 란탄(La), 칼슘(Ca), 이테르븀(Yb), 유로퓸(Eu), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나인
    도전성 페이스트.
  10. 제1항에서,
    상기 도전성 분말, 상기 금속 유리 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 30 내지 99중량%, 0.1 내지 20중량% 및 잔량으로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자.
  12. 반도체 층, 그리고
    상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성되는 전극
    을 포함하는 태양 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 전극은 상기 반도체 층과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼층, 그리고 상기 버퍼층 이외의 영역에 위치하고 도전성 물질을 포함하고 있는 전극부를 포함하는 태양 전지.
  14. 제13항에서,
    상기 버퍼층은 결정화된 상기 금속 유리를 포함하는 태양 전지.
  15. 제13항에서,
    상기 반도체 층, 상기 버퍼층, 및 상기 반도체 층과 상기 버퍼층의 계면 중 적어도 하나는 결정화된 도전성 분말을 포함하는 태양 전지.
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