KR20120119731A - 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법 및 태양전지의 전면전극 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법은 친액성(lyophilic, 親液性) 기판의 표면 상에 소액성(lyophobic, 疏液性) 물질을 도포함으로써 기화층을 적층하는 기화층 적층단계; 상기 기화층 상에 전극액을 인쇄하는 전극액 인쇄단계; 상기 기화층이 기화하여 제거됨으로써 상기 전극액이 상기 기판과 접촉하도록 상기 기화층에 열을 가하는 기화층 제거단계; 상기 전극액이 경화하여 전면전극을 형성하도록 열을 가하는 전면전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 요철이 형성되며 보호층이 적층된 상태의 베이스에 소정의 종횡비(aspect ratio)의 전극을 용이하게 인쇄할 수 있는 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법이 제공된다.
이에 의하여, 요철이 형성되며 보호층이 적층된 상태의 베이스에 소정의 종횡비(aspect ratio)의 전극을 용이하게 인쇄할 수 있는 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친수성 또는 친유성의 표면 또는 요철이 형성되어 초친수성 또는 초친유성의 특성을 가지게 되는 베이스 상에 원하는 종횡비의 전극을 마련할 수 있는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법에 관한 것이다.
최근 들어 세계적인 고유가 행진과 화석연료 고갈에 대응하기 위하여 대체에너지원 발굴에 대한 필요성이 높아지고 있다. 아울러 지구 온난화를 방지하기 위한 기후 조약 발효에 이어 우리나라도 2013년부터 포스트 교토의정서 국제협약에 기준한 대기오염 해소 및 이산화탄소 가스 감축 등을 위한 정부차원의 대응방안 마련이 요구되고 있다.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 청정한 에너지원으로서 지구상에 공급되는 총 태양광 에너지는 초당 약 12만 테라와트(120×1015 W)에 달한다. 이는 지구상의 인류가 사용하는 총 에너지의 10,000배에 해당되는 분량이며, 이 태양광 에너지를 활용하는 기술을 개발하는 것은 국가의 당면한 에너지 및 환경문제를 해결하는 유력한 방안이 될 것이며, 현재 태양전지에 대한 연구개발이 왕성하게 진행되고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 무공해, 자원의 무한정, 반 영구적 수명 등의 장점을 가지고 있으며 환경 문제를 떠나서도 인류의 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분되는데, 결정질 실리콘 태양전지가 전세계 태양전지의 총 생산량의 대부분을 차지하고 있으며, 광전변환효율이 다른 전지에 비해서 높고, 계속 제조단가를 낮추는 기술이 개발되고 있기 때문에 가장 대중적인 태양전지라고 할 수 있다.
이와 같은 태양전지는 일반적으로 실리콘 기판의 전면에 n형 반도체층과 후면에 p형 반도체층을 형성하여 pn 접합계면을 포함하도록 제조되며, 전면의 n형 반도체층은 에미터(emitter)로 작용하고, 조사되는 빛의 반사를 최소화시키기 위하여 반사방지막층을 도포한 후 전면전극을 배선한다.
또한, 결정질 태양전지가 박형, 고효율화, 단가절감, 공정단순화의 관점에서 개발이 진행되고 있다. 전면전극의 관점에서 기판 상부의 전극 면적을 줄여 저항 손실 및 쉐이딩(shading) 손실을 최소화함으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 전극면적을 줄이기 위하여 전극 폭을 감소시키면, 전기저항이 커져 손실이 발생하므로 두께가 두꺼워지는 구조를 가져야 한다. 이를 위하여, 고종횡비의 전극구조에 대한 공정장비의 기술이 요구되고 있다.
도 1은 종래의 전면전극 형성방법의 일례를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 태양전지 제조방법은 전면전극(13)이 반도체층(11)과 전기적으로 연결되어야 하므로, 반사방지막층(12)을 선택적으로 에칭한 후에 다시 전면전극(13)을 배선하는 방식으로 전면전극을 배선하였다. 또는, 전면전극용 페이스트 잉크에 글래스 프릿을 추가하여 반사방지막층 위에 스크린프린팅을 이용하여 전면전극을 패터닝한 이후에 글래스 프릿이 반사막 층을 에칭하도록 하는 공정을 이용하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 공정은 전기도금 공정이나 드라잉(Drying) 공정을 추가로 필요로 하는 문제가 있었다. 스크린 프린팅을 이용하는 경우에는, 기판의 박형화 추세에서 공정상 셀의 파괴, 은(Ag) 페이스트의 낭비 등의 문제가 발생하고, 스크린 프린팅에 의하여 형성되는 결정질 실리콘 태양전지 전도성 패턴은 직접 접촉 방식으로 프린팅하므로 결정질 실리콘 웨이퍼 파손의 주요 원인이 되고 있다. 또한, 이러한 방법에 의하면 박형화가 가속화되는 결정질 실리콘 웨이퍼 생산에 대응하기가 용이하지 않다. 따라서, 잉크젯을 이용한 비접촉 공정이 대안으로 제시되고 있다.
도 2는 종래의 잉크젯 인쇄를 통한 전면전극 형성방법의 다른례를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 공정을 단순화 하기 위하여 반사방지막층(22)을 제거하는 에칭액과 전도성 용액이 혼합되는 전극액(23)을 잉크젯으로 인쇄함으로써, 반사방지막층(22)을 제거하는 동시에 반도체층(21) 상에 전면전극(22)이 형성되도록 하는 방법이 개발되었다.
그러나, 종래의 잉크젯을 이용한 방법에 의하면, 토출가능 잉크의 점성이 약 30cP 이하로 제한되므로 고체함유량이 매우 낮은 잉크만을 패터닝할 수 있고, 이에 따라 형성되는 전극 구조의 종횡비가 낮아지는 문제가 있다. 더욱이 태양광의 흡수율이 향상되도록 반도체층(21)의 상면에 형성되는 요철에 의하여 그 상면에 적층되는 반사방지막층(22)이 초친수성(super-hydrophilic) 또는 초친유성(super-oleophilic) 성질을 가지게 되고, 이에 전극액이 도포됨으로써 전극액(23)과 반사방지막층(22)이 작은 접촉각을 이루게 된다.
반사방지막층(22)과 작은 접촉각을 가지고 도포되는 전극액(23)은 넓게 퍼지는 형태로 도포됨으로써, 폭이 좁고 높은 구조의 전극구조를 제작하지 못하여 태양광의 입사효율을 저해하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 요철이 형성되며 보호층이 적층된 상태의 베이스에 소정의 종횡비(aspect ratio)의 전극을 용이하게 인쇄할 수 있는 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법을 제공함에 있다.
또한, 인쇄공정을 통하여 태양전지의 전면전극을 용이하게 형성할 수 있는 태양전지의 전면전극 형성방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판의 친수성 표면 상에 소수성(hydrophobic) 물질을 도포함으로써 기화층을 적층하는 기화층 적층단계; 상기 기화층 상에 전극액을 인쇄하는 전극액 인쇄단계; 상기 기화층이 기화하여 제거됨으로써 상기 전극액이 상기 기판과 접촉하도록 상기 기화층에 열을 가하는 기화층 제거단계; 상기 전극액이 경화하여 전면전극을 형성하도록 열을 가하는 전면전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 소수성 물질은 1가 또는 2가 알코올 지방산 에스테르(alcohol fatty acid ester)로 이루어지는 유기화합물(organic compound)일 수 있다.
또한, 상기 기화층 적층단계 이전에 베이스 상에 친수성 표면의 보호층을 적층함으로써 기판을 형성하는 보호층 적층단계;를 더 포함하고, 상기 전면전극 형성단계는 상기 전극액이 열에 반응하여 하방의 상기 보호층을 제거하고 상기 베이스의 상면과 접촉한 상태로 경화되어 전면전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 기화층 제거단계는 상기 전극액의 하방에 적층된 상기 기화층의 제1영역이 제거되는 제1영역 제거단계; 상기 기화층의 상기 제1영역 외 영역인 제2영역이 열에 의하여 기화하는 제2영역 제거단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소수성 물질은 비중이 상기 전극액의 비중보다 작은 것으로 이루어지고, 상기 제1영역 제거단계는 소수성 물질이 상기 전극액의 내부로 유입된 후에 상기 전극액으로부터 배출되고, 열에 의하여 기화함으로써 상기 기화층이 제거될 수 있다.
또한, 상기 전극액은 전기 전도성을 가지는 전도성 용액과 상기 보호층을 산화시키는 산화제를 포함하고, 상기 전면전극 형성단계는 상기 보호층과 접촉하는 상기 산화제가 열에 의하여 상기 보호층을 산화하여 제거함으로써, 상기 전극액이 상기 베이스의 상면과 접촉된 상태에서 상기 전극액이 경화되어 전면전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 소수성 물질은 기화온도가 상기 전극액의 경화온도보다 낮은 것으로 이루어지고, 상기 전극액의 경화온도 이상 온도의 열을 가함으로써 상기 기화층 제거단계와 상기 전면전극 형성단계가 동시에 진행될 수 있다.
또한, 상기 전극액 인쇄단계에서 상기 전극액은 압전형 잉크젯 인쇄 방법 또는 EHD 잉크젯 인쇄 방법 중 어느 하나로 인쇄될 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, n 타입 반도체층과 p 타입 반도체층이 상호 접합된 상태의 실리콘 베이스를 준비하는 베이스 준비단계; 상면에 요철이 형성되도록 상기 베이스를 에칭하는 텍스쳐링(texturing) 단계; 상기 베이스의 상측에 실리콘 질화물(SiNx)으로 이루어지는 보호층을 적층하는 보호층 적층단계; 상기 보호층의 상면에 소수성 물질을 도포하여 기화층을 적층하는 기화층 적층단계; 상기 기화층 상에 전기적 전도성을 가지는 전극액을 인쇄하는 전극액 인쇄단계; 상기 기화층이 기화하여 제거되도록 열을 가하는 기화층 제거단계; 상기 전극액이 하방의 보호층을 제거하고 상기 베이스의 상면과 접촉한 상태로 경화되어 전면전극을 형성하도록 열을 가하는 전면전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 소수성 물질은 1가 또는 2가 알코올 지방산 에스테르(alcohol fatty acid ester)로 이루어지는 유기화합물(organic compound)일 수 있다.
또한, 상기 전극액 인쇄단계에서 인쇄되는 상기 전극액이 상기 기화층의 표면과 이루는 접촉각(contact angle)은 60˚ 내지 160˚의 범위일 수 있다.
또한, 상기 유기화합물은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE:polytetrafluoroethylene)일 수 있다.
또한, 상기 기화층 제거단계는 상기 전극액의 하방에 적층된 상기 기화층의 제1영역이 제거되는 제1영역 제거단계; 상기 기화층의 상기 제1영역 외 영역인 제2영역이 열에 의하여 기화하는 제2영역 제거단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1영역 제거단계는 소수성 물질이 상기 전극액의 내부로 유입된 후에 상기 전극액으로부터 배출되고, 열에 의하여 기화함으로써 상기 기화층이 제거될 수 있다.
또한, 상기 전극액은 은(Ag)과 유리 프릿(glass frit)이 혼합된 용액으로서, 상기 전면전극 형성단계에서 상기 보호층과 접촉하는 상기 유리 프릿이 열에 의하여 상기 보호층을 산화하여 제거함으로써, 상기 전극액이 상기 베이스의 상면과 접촉된 상태에서 상기 전극액이 경화되어 전면전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 은(Ag) 경화온도 이상의 온도의 열을 가함으로써 상기 기화층 제거단계와 상기 전면전극 형성단계가 동시에 진행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 인쇄공정을 통하여 요철이 형성되어 초친수성을 가지는 면에 전면전극을 형성할 수 있는 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법이 제공된다.
또한, 초친수성 면 상에 도포되는 소수성 물질이 열에 의하여 기화되도록 함으로써, 인쇄되는 전극액이 초 친수성 면에 전기적으로 접촉하는 공정이 단순화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초친수성 표면의 보호층에 기화성 기화층을 적층하고, 전극액을 인쇄하여 원하는 종횡비를 확보한 후에 기화층이 기화되도록 함으로써, 인쇄공정을 통하여 용이하게 전면전극을 형성할 수 있는 태양전지의 전면전극 형성방법이 제공된다.
도 1은 종래의 전면전극 형성방법의 일례를 도시한 것이고,
도 2는 종래의 잉크젯 인쇄를 통한 전면전극 형성방법의 다른례를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법의 공정 흐름도이고,
도 4는 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 보호층 적층단계(a), 기화층 적층단계(b), 전극액 인쇄단계(c)를 각각 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 기화층 제거단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 5의 기화층 제거단계의 제1영역 제거단계(a)와 제2영역 제거단계(b)를 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 전면전극 형성단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법을 이용하는 태양전지의 전면전극 형성방법의 공정 흐름도이고,
도 9는 실리콘 나이트 라이드로 구성되는 보호층 상에 전극액이 도포되는 장면을 촬영한 것이고,
도 10은 서로 다른 표면 전극액을 도포한 장면을 촬영한 것이다.
도 2는 종래의 잉크젯 인쇄를 통한 전면전극 형성방법의 다른례를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법의 공정 흐름도이고,
도 4는 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 보호층 적층단계(a), 기화층 적층단계(b), 전극액 인쇄단계(c)를 각각 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 기화층 제거단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 5의 기화층 제거단계의 제1영역 제거단계(a)와 제2영역 제거단계(b)를 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 전면전극 형성단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법을 이용하는 태양전지의 전면전극 형성방법의 공정 흐름도이고,
도 9는 실리콘 나이트 라이드로 구성되는 보호층 상에 전극액이 도포되는 장면을 촬영한 것이고,
도 10은 서로 다른 표면 전극액을 도포한 장면을 촬영한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법(S100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법의 공정 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 상기 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법(S100)은 보호층 적층단계(S110)와 기화층 적층단계(S120)와 전극액 인쇄단계(S130)와 기화층 제거단계(S140)와 전면전극 형성단계(S150)를 포함한다.
도 4는 도 3의 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 보호층 적층단계(a), 기화층 적층단계(b), 전극액 인쇄단계(c)를 각각 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 보호층 적층단계(S110)는 소정의 요철(111)이 형성된 베이스(110)의 상면에 베이스(110)의 상면을 보호하기 위하여 소정의 보호층(120)을 적층하는 단계이다. 다만, 베이스(110)의 상면은 요철(111) 구조물에 의하여 초친수성(super-hydrophilic) 성질을 가지게 되며, 요철(111)이 형성된 베이스(110)의 상면에 적층되는 보호층(120)의 상면 역시 요철(111)에 의하여 평탄한 면을 형성하지 못하고, 소정의 거칠기(roughness)를 갖게 된다. 이러한 표면 거칠기로 인하여 적층되는 보호층(120)의 상면 역시 초친수성 성질을 갖게 된다.
이를 다시 설명하면, 보호층(120)이 적층된 베이스(110)를 기판이라 하면, 기판의 상면은 초친수성을 갖게 된다.
상기 기화층 적층단계(S120)는 보호층(120)의 상면에 소액성 물질을 도포함으로써 기화층(130)을 적층하는 단계로서, 본 실시예에서는 보호층(120)의 상면이 초친수성을 가지므로 기화층(130)을 적층하기 위한 소액성 물질로서 소수성 물질이 도포된다.
본 실시예에서 기화층(130)으로 적층되는 소액성 물질은, 소수성으로서, 낮은 온도에서 기화되며, 물에는 쉽게 용해되는 수용성이나, 지성용매에는 용해되지 않는 성질을 갖고 있는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 사용되는 이러한 소수성 물질은 1가 또는 2가 알코올 지방산 에스테르로 이루어지는 유기화합물로서, 알킬기(alkyl chain)를 함유한 왁스(wax)가 이용된다.
기화층 적층단계(S120)에서는 소수성 물질에 열을 가하여 보호층(120)의 상면을 향하여 이를 분사하는 방식으로 행해진다.
한편, 본 발명의 변형례에서 보호층(120)이 친유성(lipophilic)인 경우에는 소유성(oleophobic) 물질이 도포될 수 있다. 즉, 본 발명에서 기화층(130)을 구성하는 소액성 물질은 기판 표면의 성질에 따라 소수성 물질 또는 소유성 물질 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 전극액 인쇄단계(S130)는 전기적 전도성을 갖는 전극액(140)을 기화층 상(130)에 소정의 패턴으로 인쇄하는 단계이다.
전극액(140)은 최종적으로 전면전극(150)으로 활용되기 위하여 전기 전도성을 가지는 전도성 용액과 열에 반응하여 보호층(120)을 산화함으로써 제거하기 위한 산화제가 혼합되는 형태의 용액이 이용된다.
이때, 전극액(140)의 경화온도는 기화층(130)을 구성하는 소수성 물질의 기화온도보다 높은 것으로 구성되는 것이 바람직하다.
전극액(140)은 추후 경화 공정 후에는 전면전극(150)을 형성하게 되는 것이므로, 형성하고자 하는 전면전극(150)의 패턴을 고려하여 인쇄되어야 한다.
전극액(140)의 인쇄는 챔버내에서 압전막의 작동으로 토출되는 압전형 잉크젯 또는 전자기력을 이용하는 EHD(Electrohydrydynamic) 잉크젯 방식 중 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이에 제한 되는 것은 아니다.
한편, 본 단계에서 인쇄된 전극액(140)은 표면이 소수성 성질을 갖는 기화층(130)과 60˚내지 160˚ 범위 내의 접촉각(θ)을 형성하게 된다.
도 5는 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 기화층 제거단계를 개략적으로 도시한 것이고, 도 6은 도 5의 기화층 제거단계의 제1영역 제거단계(a)와 제2영역 제거단계(b)를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 기화층 제거단계(S140)는 기화층(130)을 제거하는 단계로서 제1영역 제거단계(S141)와 제2영역 제거단계(S142)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제1영역 제거단계(S141)는 전극액(140)의 인쇄로 인하여 보호층(120)과 전극액(140)의 사이에 개재되는 기화층(130) 영역인 제1영역(131)을 제거하는 단계이다.
먼저, 기화층(130)을 구성하는 소수성 물질이 기화하는데 필요한 온도 이상의 온도의 열(H1)을 인가한다. 이때, 보호층(120)과 전극액(140)의 사이에 개재된 기화층(130), 즉, 제1영역(131)을 구성하는 소수성 물질이 전극액(140)의 내부로 유입되고, 전극액(140)을 타고 이동하다, 최종적으로 외부로 노출됨으로써 가해지는 열(H1)에 의하여 기화된다.
상기 제2영역 제거단계(S142)는 기화층(130)의 제1영역(131)을 제외한 영역, 즉, 외부에 완전히 노출되어 있는 소스층(130)영역인 제2영역(132)을 제거하는 단계이다.
본 단계에서는 제1영역 제거단계(S141)와 동일한 형태로 소정의 열(H1)을 가하면, 외부에 노출되어 있는 제2영역(132)은 기화되어 제거된다.
따라서, 본 기화층 제거단계(S140)에 의하여 기화층(130)이 제거되면, 용액 상태의 전극액(140)은 기화층(130) 하방의 보호층(120)의 상면에 접촉된 상태가 된다.
한편, 제1영역(131)과 제2영역(132)은 동일한 소수성 물질에 의하여 적층되는 것이므로, 본 실시예에서 제1영역 제거단계(S141)와 제2영역 제거단계(S142)는 동일한 온도의 열(H1)을 동시에 가함으로써 동시에 진행된다.
도 7은 도 3의 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 전면전극 형성단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 상기 전면전극 형성단계(S150)는 전극액(140)을 경화시킴으로써 최종적으로 전면전극(150)이 형성되도록 하는 단계이다.
먼저, 전극액(140)에 포함된 전도성 용액의 경화온도 이상의 온도의 열(H2)을 보호층(120) 상면과 접촉한 상태의 전극액(140)에 인가한다. 인가된 열(H2)에 의하여 전극액(140)에 포함되는 산화제가 전극액(140)의 하방영역의 보호층(120)을 선택적으로 산화시킴으로써 제거하게 된다.
하방영역의 보호층(120)이 제거됨으로써 전극액(140)은 베이스(110)의 상면과 접촉하는 동시에 경화되어 최종적으로 전면전극(150)을 형성하게 된다.
지금부터는 상술한 일실시예에 따른 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성 방법(S100)을 이용하는 태양전지의 전면전극 형성방법(S200)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법을 이용하는 태양전지의 전면전극 형성방법의 공정 흐름도이다.
또한, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법의 공정을 설명하는 동시에 본 실시예의 태양전지의 전면전극 형성방법의 공정을 설명하는 것이므로, 이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 태양전지의 전면전극 형성방법(S200)은 베이스 준비단계(S210)와 텍스쳐링(texturing) 단계(S220)와 보호층 적층단계(S230)와 기화층 적층단계(S240)와 전극액 인쇄단계(S250)와 기화층 제거단계(S260)와 전면전극 형성단계(S270)를 포함한다.
한편, 본 실시예의 태양전지의 전면전극 형성방법(S200)은 기본적으로 상술한 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법과 동일한 과정에 의하므로, 도 3 내지 도 7에 도시된 내용을 참고하여 설명한다.
상기 베이스 준비단계(S210)는 전자(electron)의 이동으로 전류가 발생되도록 하는 부재로서, p형 반도체와 n 형 반도체가 상호 접합되는 형태로 구성되며, 본 실시예에서는 실리콘(Si)이 베이스(110)로 이용된다.
상기 텍스쳐링 단계(S220)에서는 태양광의 흡수율이 향상되도록 베이스(110)의 상면에 요철(111)을 형성한다. 본 실시예에서 베이스(110)로 이용되는 실리콘(Si) 은 <100> 방향을 가지므로, 습식 에칭 또는 플라즈마를 이용한 건식 에칭에 의하여 피라미드 형태의 요철(111)이 형성된다.
한편, 본 요철(111)에 의하면 태양광이 반사되는 것을 방지하고, 광 흡수율이 향상되며, 요철(111)구조로 인하여 실리콘 베이스(110)의 상면은 친수성(hydrophilic)을 갖게 된다.
상기 보호층 적층단계(S230)는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 과 같은 화학기상증착 공정을 이용하여 실리콘 질화물(SiNx)로 구성되는 보호층(120)을 적층하는 단계이다. 본 실시예에서는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)가 보호층(120)으로 이용된다.
실리콘 베이스(110)에 적층된 보호층(120)의 상면은 실리콘 베이스(110)에 형성된 요철(111)에 의하여 소정의 거칠기(roughness)를 갖게 되며, 이러한 거칠기(roughness)로 인하여 보호층(120)의 상면은 초친수성(super-hydrophilic)이 된다.
상기 기화층 적층단계(S240)는 초친수성을 갖는 보호층(120)의 상면에 소수성 물질로 구성되는 기화층(130)을 적층하는 단계이다.
기화층(130)이 적층되지 않는 경우에는, 상술한 보호층(120) 상면의 초친수성에 의하여 추후 전면전극(150) 용으로 인쇄되는 전극액(140)이 넓게 퍼지게 되어 전면전극(150)이 원하는 종횡비(aspect ratio)를 구성하지 못하게 되고, 넙은 면적의 전면전극(150)으로 인하여 상측으로 입사되는 태양광의 광흡수율이 저하되게 된다.
따라서, 본 기화층 적층단계(S240)는 이를 극복하기 위한 단계로서, 낮은 온도에서 기화되며, 물에는 쉽게 용해되는 수용성이나, 지성용매에는 용해되지 않는 성질의 소수성 물질로 구성되는 기화층(130)을 보호층(120) 상에 적층한다.
본 실시예에서의 소수성 물질은 1가 또는 2가 알코올 지방산 에스테르로 이루어지는 유기화합물(organic compound)로서, 알킬기(alkyl chain)를 함유한 왁스(wax)가 이용되나, 상술한 성질을 갖는 유기화합물이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
기화층 적층단계(S140)에서는 소수성 물질에 열을 가함과 동시에 보호층(120)의 상면을 향하여 이를 분사하는 방식으로 행해진다.
상기 전극액 인쇄단계(S250)는 경화된 후에는 최종적으로 전면전극(150)을 형성하게 되는 전극액(140)을 인쇄하는 단계이다.
전극액(140)은 전면전극(150)으로 활용되기 위하여 전기 전도성을 가지는 전도성 용액과 소정의 열에 반응하여 보호층을 산화함으로써 제거하기 위한 산화제가 혼합되는 용액이 이용된다. 전극액(140)의 경화온도는 기화층(130)을 구성하는 소수성 물질의 기화온도보다 높은 것으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서의 전극액(140)으로는 전도성 용액인 은(Ag)과 본 실시예예서 보호층(120)을 구성하는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)를 산화하기 위한 유리 프릿(glass frit)이 혼합된 용액이 사용된다.
전극액(140)의 인쇄는 챔버 내에서 압전막의 작동으로 토출되는 압전형 잉크젯 또는 전자기력을 이용하는 EHD(Electrohydrydynamic) 잉크젯 중 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기화층 제거단계(S260)는 기화층(130)을 구성하는 소수성 물질을 제거하는 단계로서 제1영역 제거단계(S261)와 제2영역 제거단계(S262)를 포함한다.
상기 제1영역 제거단계(S261)는 전극액(140)의 인쇄로 인하여 보호층(120)과 전극액(140)의 사이에 개재되는 기화층(130) 영역인 제1영역(131)을 제거하는 단계이다.
먼저, 기화층(130)을 구성하는 소수성 물질에 90℃의 열을 인가한다. 이때, 보호층(120)과 전극액(140)의 사이에 개재된 기화층(130), 즉, 제1영역(131)을 구성하는 소수성 물질이 액상의 전극액(140)의 내부로 유입되고, 전극액(140)의 내부를 유동한 후에 최종적으로는 전극액(140)의 외부로 배출됨으로써, 가해지는 열(H1)에 의하여 기화된다.
상기 제2영역 제거단계(S262)는 기화층(130)의 제1영역(131)을 제외한 영역, 즉, 외부에 완전히 노출되는 제2영역(132)을 제거하는 단계이다.
제2영역 제거단계(S262)에서는 제1영역 제거단계(S261)와 동일한 형태로 소정의 열(H1)을 가하고, 외부에 노출되는 제2영역(132)을 기화시킴으로써 제거한다.
따라서, 본 기화층 제거단계(S260)에 의하여 기화층(130)이 제거되면, 용액 상태의 전극액(140)은 보호층(120)과 접촉한 상태가 된다.
한편, 기화층(130)의 제1영역(131)과 제2영역(132)은 동일한 소수성 물질에 의하여 적층되는 것이므로, 제1영역 제거단계(S261)와 제2영역 제거단계(S262)는 공정순서와 무관하게 동일한 온도의 열(H1)을 가함으로써 동시에 진행될 수 있다.
상기 전면전극 형성단계(S270)는 전극액(140)을 경화시킴으로써 베이스(110) 상에 전면전극(150)이 형성되도록 하는 단계이다.
먼저, 700℃의 열(H2)을 보호층(120) 상면과 접촉한 상태의 전극액(140)에 인가한다. 인가된 열(H2)에 의하여 전극액(140)에 포함되는 유리 프릿(glass frit)이 전극액(140) 하방영역의 보호층(120)만이 선택적으로 산화 및 제거된다.
하방영역의 보호층(120)이 제거됨으로써 은(Ag)은 베이스(110)의 상면과 접촉되는 동시에 경화되어 최종적으로 전면전극(150)을 형성하게 된다.
한편, 기화층(130)을 구성하는 소수성 물질의 기화온도는 약 40℃ 내지 90 ℃ 이고, 전극액에 포함되는 은(Ag)의 경화온도는 약 200℃ 이고, 유리 프릿(glass frit)이 보호층을 구성하는 실리콘 나이트라이드(Si3N4)를 산화시키는 작용온도는 700℃ 이다.
따라서, 약 700℃ 이상의 온도의 열(H2)을 전면에 가함으로써, 상술한 기화층 제거단계(S260)와 상기 전면전극 형성단계(S270)가 동시에 진행되도록 할 수 있다.
도 9는 실리콘 나이트 라이드로 구성되는 보호층 상에 전극액이 도포되는 장면을 촬영한 것이고, 도 10은 서로 다른 재질의 표면에 전극액이 도포된 장면을 촬영한 것이다.
도 9에서 도시된 바와 같이, 종래의 방법에 의하여 보호층 상에 직접 도포되는 전극액은 넓게 퍼지면서 작은 접촉각을 형성하게 된다.
또한, 도 10(a)은 베이스로 이용되는 실리콘 웨이퍼 상에 직접 전극액이 도포된 장면이고, 도 10(b)은 보호층으로 이용되는 실리콘 나이트라이드 상에 전극액이 직접 도포된 장면이고, 도 10(c)는 베이스로 이용되는 HMDS(HexaMethylDiSilazane) 상에 전극액이 직접 도포된 장면이다. 도 10에서 보면, 베이스 또는 보호층에 직접 도포된 전극액과 표면이 이루는 접촉각은 60˚이하로서 비교적 작다.
즉, 상기 도 9 및 도 10에서 도시된 바와 같이 종래 공정에 의하면, 초친수성의 표면에 전극액이 작은 접촉각으로 도포됨으로써, 최종 형성되는 전면전극이 넓고 낮은 형태로 구성 태양전지의 효율이 저하될 수 있게 됨을 알 수 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 이러한 현상을 방지하고, 표면에 큰 접촉각으로 도포되는 전극액을 통하여 폭이 좁고 높은 형태의 전면전극을 구성함으로써 에너지 효율이 높은 태양전지를 제작할 수 있게 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
S100 : 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법
110 : 베이스 140 : 전극액
120 : 보호층 150 : 전면전극
130 : 기화층
110 : 베이스 140 : 전극액
120 : 보호층 150 : 전면전극
130 : 기화층
Claims (16)
- 친액성(lyophilic, 親液性) 기판의 표면 상에 소액성(lyophobic, 疏液性) 물질을 도포함으로써 기화층을 적층하는 기화층 적층단계;
상기 기화층 상에 전극액을 인쇄하는 전극액 인쇄단계;
상기 기화층이 기화하여 제거됨으로써 상기 전극액이 상기 기판과 접촉하도록 상기 기화층에 열을 가하는 기화층 제거단계;
상기 전극액이 경화하여 전면전극을 형성하도록 열을 가하는 전면전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 기화층 제거단계는 상기 전극액의 하방에 적층된 상기 기화층의 제1영역이 제거되는 제1영역 제거단계; 상기 기화층의 상기 제1영역 외 영역인 제2영역이 열에 의하여 기화하는 제2영역 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 제2항에 있어서,
상기 소액성 물질은 비중이 상기 전극액의 비중보다 작은 것으로 이루어지고,
상기 제1영역 제거단계는 소액성 물질이 상기 전극액의 내부로 유입된 후에 상기 전극액으로부터 배출되고, 열에 의하여 기화함으로써 상기 기화층이 제거되는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 제3항에 있어서,
상기 소액성 물질은 기화온도가 상기 전극액의 경화온도보다 낮은 것으로 이루어지고,
상기 전극액의 경화온도 이상 온도의 열을 가함으로써 상기 기화층 제거단계와 상기 전면전극 형성단계가 동시에 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소액성 물질은 1가 또는 2가 알코올 지방산 에스테르(alcohol fatty acid ester)로 이루어지는 유기화합물(organic compound)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제5항에 있어서,
상기 기화층 적층단계 이전에 베이스 상에 친액성 표면의 보호층을 적층함으로써 기판을 형성하는 보호층 적층단계;를 더 포함하고,
상기 전면전극 형성단계는 상기 전극액이 열에 반응하여 하방의 상기 보호층을 제거하고 상기 베이스의 상면과 접촉한 상태로 경화되어 전면전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 제6항에 있어서,
상기 전극액은 전기 전도성을 가지는 전도성 용액과 상기 보호층을 산화시키는 산화제를 포함하고,
상기 전면전극 형성단계는 상기 보호층과 접촉하는 상기 산화제가 열에 의하여 상기 보호층을 산화하여 제거함으로써, 상기 전극액이 상기 베이스의 상면과 접촉된 상태에서 상기 전극액이 경화되어 전면전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극액 인쇄단계에서 상기 전극액은 압전형 잉크젯 인쇄 방법 또는 EHD 잉크젯 인쇄 방법 중 어느 하나로 인쇄되는 것을 특징으로 하는 소액성 물질을 이용한 전면전극 형성방법. - 실리콘계 태양전지의 전면전극을 형성하는 방법에 있어서,
n 타입 반도체층과 p 타입 반도체층이 상호 접합된 상태의 실리콘 베이스를 준비하는 베이스 준비단계;
상면에 요철이 형성되도록 상기 베이스를 에칭하는 텍스쳐링(texturing) 단계;
상기 베이스의 상측에 실리콘 질화물(SiNx)으로 이루어지는 보호층을 적층하는 보호층 적층단계;
상기 보호층의 상면에 소수성 물질을 도포하여 기화층을 적층하는 기화층 적층단계;
상기 기화층 상에 전기적 전도성을 가지는 전극액을 인쇄하는 전극액 인쇄단계;
상기 기화층이 기화하여 제거되도록 열을 가하는 기화층 제거단계;
상기 전극액이 하방의 보호층을 제거하고 상기 베이스의 상면과 접촉한 상태로 경화되어 전면전극을 형성하도록 열을 가하는 전면전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제9항에 있어서,
상기 소수성 물질은 1가 또는 2가 알코올 지방산 에스테르(alcohol fatty acid ester)로 이루어지는 유기화합물(organic compound)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제10항에 있어서,
상기 전극액 인쇄단계에서 인쇄되는 상기 전극액이 상기 기화층의 표면과 이루는 접촉각(contact angle)은 60˚ 내지 160˚의 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제11항에 있어서,
상기 소수성 물질은 알킬기(alkyl chain)를 함유한 왁스(wax)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제12항에 있어서,
상기 기화층 제거단계는 상기 전극액의 하방에 적층된 상기 기화층의 제1영역이 제거되는 제1영역 제거단계; 상기 기화층의 상기 제1영역 외 영역인 제2영역이 열에 의하여 기화하는 제2영역 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1영역 제거단계는 소수성 물질이 상기 전극액의 내부로 유입된 후에 상기 전극액으로부터 배출되고, 열에 의하여 기화함으로써 상기 기화층이 제거되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제14항에 있어서,
상기 전극액은 은(Ag)과 유리 프릿(glass frit)이 혼합된 용액으로서,
상기 전면전극 형성단계에서 상기 보호층과 접촉하는 상기 유리 프릿이 열에 의하여 상기 보호층을 산화하여 제거함으로써, 상기 전극액이 상기 베이스의 상면과 접촉된 상태에서 상기 전극액이 경화되어 전면전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전면전극 형성방법. - 제15항에 있어서,
상기 은(Ag) 경화온도 이상의 온도의 열을 가함으로써 상기 기화층 제거단계와 상기 전면전극 형성단계가 동시에 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 소수성 물질을 이용한 전면전극 형성방법.
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