KR20130063265A - 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 제조방법 및 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 태양전지의 후면전극 형성시 주석 분말을 포함하는 은 페이스트 조성물을 이용함으로써, 기존에 비해 후막의 Ag 패턴의 크랙을 방지하고 소성 후 박리현상과 기판의 뒤틀림 현상을 방지하여 개방전압을 향상시킬 수 있는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 제조방법 및 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 후면 전극 형성시 알루미늄 페이스트 조성물과 함께 주석 분말을 포함한 은 페이스트 조성물을 이용함으로써, 알루미늄 막 위에 Ag 패턴 형성을 쉽게 할 수 있고, Ag 패턴의 크랙 발생이 없고 Ag와 알루미늄간의 뒤틀림 현상도 방지하여 개방전압 향상에 따라 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 후면 전극의 제조방법 및 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자 산업이 발달함에 따라 전자제품 및 소자의 소형화 및 높은 신뢰성을 요구되고 있으며, 높은 집적도를 요구하는 현재 전자제품의 회로 패턴이나 전극 형성을 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다. 그 중에서 도전성 금속 페이스트를 사용하는 것이 공정 중 부산물이나 오염물질의 생성이 적어 관심의 대상이 되고 있다.
일반적으로 사용되는 금속 페이스트는 도전성 금속, 유리 프릿, 유기 바인더를 포함하여 이루어지며, 도전성 금속으로는 은, 알루미늄 등이 사용되고, 그 중에서 은이 주로 사용된다. 현재 도전성 금속 페이스트가 주로 사용되는 제품으로는 하이브리드 IC, 반도체 IC의 실장이나 각종 콘덴서 및 전극 등이 있으며, 최근 PCB, EL, 터치패널, RFID, LCD, PDP, 태양전지 등의 첨단 전자제품에도 널리 사용되는 등, 관련 산업이 확대 발전됨에 따라 그 수요도 더욱 증가하고 있는 실정이다.
일 예로 태양전지의 경우에는 최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.
태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 분류되는데, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 이러한 3가지 종류의 태양전지 중 태양전지 시장에서는 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.
도 1은 실리콘 태양전지의 기본적인 구조를 보여주는 단면도이다. 도면을 참조하면, 실리콘 태양전지는 p형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)과 n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)을 포함하고, 기판(101)과 에미터층(102)의 계면에는 다이오드와 유사하게 p-n 접합이 형성되어 있다. 또한 p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판은 후면전극과 접촉 저항을 낮추고, 태양전지의 특성을 향상시키기 위한 후면전계(Back Surface Field, BSF)층을 포함한다. 또한 태양전지의 전면 전극은 기판의 전면에 Ag가 형성되고, 후면에 도전성 알루미늄과 은을 포함한다. 이때, 전면전극은 도면에 미도시하였지만, 실리콘태양전지 형성시 반사 방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속된다.
위와 같은 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 입사되면, 광기전력효과(photovoltaic effect)에 의해 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 참고로, n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)에서는 전자가 다수 캐리어로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력효과에 의해 발생된 전자와 전공은 각각 n형 실리콘 반도체 및 p형 실리콘 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 기판(101) 하부 및 에미터층(102) 상부와 접합된 전면전극(103) 및 후면전극(104)으로 이동하며, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 된다.
도전성 금속 페이스트는 태양전지에서 전면전극 또는 후면전극의 제조를 위해 사용되며, 전술한 바와 같이 기타 다른 전자 제품에서 각종 전극을 제조하기 위해 사용된다.
한편, 실리콘 태양전지의 후면 전극의 경우, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101) 위에 알루미늄 전극을 형성하기 위한 알루미늄 막(106)과 소정의 Ag 패턴(107)을 포함한다.
도 2는 기존 후면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 정면도 구조(a)와 후면 전극의 제조 공정도(b)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
상기 후면 전극의 제조방법은, 도 2의 (b)와 같이, 통상의 은 페이스트 조성물을 이용하여 p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101) 위에 소정의 패턴으로 인쇄 및 소성하여 Ag 패턴(107)을 형성하고, 소정의 Ag 패턴(107) 사이에 알루미늄 페이스트 조성물을 인쇄 및 소성하여 알루미늄 막(106)을 포함하는 후면 전극(105)을 제조한다.
그런데, 상기 BSF층의 두께가 두꺼워질수록 태양전지의 성능이 향상되는데, 기존 방법의 경우 BSF층이 잘 형성되지 않아서 개방전압의 감소를 초래한다. 즉, 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, 알루미늄 페이스트의 소성후 Ag 패턴이 기판으로 녹아내려가 a와 같은 상태가 되어, 실리콘 반도체 기판의 후면에 형성된 후면전계(Back Surface Field, BSF)층이 형성되지 않고 알루미늄에 의한 효과가 떨어진다. 이에 따라, 후막의 Ag 패턴에 의해 개방전압 값이 후막 인쇄한 것보다 4~6 mV 감소하는 문제가 발생된다. 또한, 후면 전극의 Ag 패턴 형성시 은 페이스트를 사용할 경우 은 페이스트와 알루미늄 페이스트 간의 열팽창 계수차에 의해 소성후 Ag와 알루미늄간의 뒤틀림 현상과 박리현상도 발생하게 된다.
또한, 일반적으로 Ag 막 위에 Al 패턴 형성은 가능하지만, Al 막 위에 Ag 패턴 형성이 어렵다. 그 이유는 Al의 열팽창율이 커서 소성과정을 거치고 냉각후, 알루미늄 막 위에 있는 Ag 패턴에서 크랙이 발생하여 뜯겨져 나오는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 태양전지의 후면 전극 형성시 주석 분말을 포함한 은 페이스트 조성물을 이용함으로써, Ag 패턴의 크랙 문제 없이, Ag와 알루미늄간의 뒤틀림 및 박리현상을 방지하고 BSF 형성이 원할히 이루어져 개방전압의 감소를 최소화할 수 있어서 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 에미터 층 및 반사방지막이 형성된 제1도전형 반도체 기판의 배면에 알루미늄 페이스트 조성물을 도포하여 소정 두께의 알루미늄 막을 형성하는 단계;
상기 기판에 형성된 알루미늄 막 위에, 은 분말, 주석 분말, 글래스 프릿 분말 및 유기바인더를 포함하는 은 페이스트 조성물을 인쇄하여 Ag 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 알루미늄 막과 Ag 패턴을 갖는 기판을 동시에 소성하는 단계;
를 포함하는 것인 후면 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 주석 분말은 열팽창계수가 21x10-6/℃이고, 열전도도가 66.8 (W/mk, 25 ℃)이며, 평균입경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 주석 분말은 은 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함할 수 있다.
상기 소성은 상온에서부터 1,000 ℃ 이내의 온도에서 수초에서 수분 동안 수행하며, 바람직하게는 5초 내지 3 분 이내의 시간 동안 수행된다. 상기 소성하는 단계를 통해, Ag 패턴이 알루미늄 막에 침투하여 소정의 Ag/Al 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 따르면, (a) 제1 도전형 반도체 기판에 에미터층을 형성하는 단계;
(b) 상기 에미터층 위에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 반사방지막 위에 소정 패턴으로 전면전극을 형성하는 단계, 및
(d) 상기 제1 도전형 반도체 기판의 배면에 상술한 방법으로 후면전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 태양전지의 후면전극 형성시 알루미늄 페이스트 조성물과 함께 주석 분말을 포함한 은 페이스트 조성물을 이용함으로써, 알루미늄 막 위에 Ag 패턴 형성을 쉽게 할 수 있고, 또한 Ag 패턴의 크랙이 발생하지 않으며, 알루미늄과 은 사이에 접착력 향상으로 박리현상이 없을 뿐 아니라 기판에 형성된 Ag와 알루미늄간의 뒤틀림 현상도 방지하여 개방전압을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명은 상기 주석 분말에 의해 기판과 전극간의 계면저항을 줄여서 태양전지의 전기적 특성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 후면 전극에 사용되는 은의 함량의 일부를 주석으로 대체함으로써, 은의 사용량을 감소시켜 은 분말의 가격 상승에도 대처할 수 있어서 경제적인 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 기존 후면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 정면도 구조(a)와 후면 전극의 제조 공정도(b)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 후면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 정면도 구조(a)와 후면 전극의 제조 공정도(b)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따라 제조되는 태양전지의 개략도이다.
도 1은 종래 기술에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 기존 후면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 정면도 구조(a)와 후면 전극의 제조 공정도(b)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 후면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 정면도 구조(a)와 후면 전극의 제조 공정도(b)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따라 제조되는 태양전지의 개략도이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 후면 전극을 형성시 도전성 주석 분말을 첨가제로 포함하는 은 페이스트 조성물을 이용하여 후면 전극의 알루미늄 막 위에 Ag 패턴을 용이하게 형성하는 방법과 이를 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 이에, 본 발명은 기존에 비해 태양전지의 광전환 변환효율을 향상시킬 수 있는 후면 전극의 제조방법과 이를 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
즉, 본 발명의 방법은 Ag와 알루미늄의 열팽창 계수를 줄이기 위해 열팽창계수가 중간 값을 가지는 주석(Sn)을 은 페이스트에 첨가함으로써, 소성후 Ag와 알루미늄 막간의 뒤틀림 현상을 해결할 수 있다.
그러면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면전극의 제조방법 및 실리콘 태양전지의 제조방법에 대하여 도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다. 도 3 및 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 전극의 제조 공정도와 이를 이용하여 제조된 실리콘 태양전지의 구조를 간략히 도시한 단면도들이다. 그러나, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면 전극의 제조방법은, 제1도전형 반도체 기판의 배면에 알루미늄 페이스트 조성물을 도포하여 소정 두께의 알루미늄 막을 형성하는 단계; 상기 기판에 형성된 알루미늄 막 위에, 은 분말, 주석 분말, 글래스 프릿 분말 및 유기바인더를 포함하는 은 페이스트 조성물을 인쇄하여 Ag 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 알루미늄 막과 Ag 패턴을 갖는 기판을 동시에 소성하는 단계를 포함한다.
또한 상기 소성하는 단계를 통해, Ag 패턴이 알루미늄 막에 침투하여 소정의 Ag/Al 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소성은 상온에서부터 1,000℃의 온도에서 수초 내지 수분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 5초 내지 3 분 이내의 시간 동안 수행될 수 있다. 이때, 본 발명의 경우 상기 소성 과정에서, 온도를 상온에서 1000℃ 이내의 온도로 승온시킨 후 소성을 진행할 수 있다. 상기 제1도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판일 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 3은 본 발명의 후면 전극 형성용 은 페이스트 조성물을 이용한 후면 전극의 정면도 구조(a)와 후면 전극의 제조 공정도(b)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 후면 전극(205)은 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가된 후면 전극용 알루미늄 페이스트와 함께 은 페이스트를 이용하여 기판(201)의 하부에 인쇄한 후 동시에 열처리를 시행하여 형성한다. 후면 전극의 열처리 시에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판(201)의 하부를 통해 확산됨으로써 후면 전극(205)과 기판(201)의 경계면에 후면 전계(Back Surface field: 미도시)층이 형성될 수도 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(201)의 하부로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압과 충실도가 상승하여 태양전지의 변환효율이 향상된다.
이러한 본 발명의 방법은 제1도전형 반도체 기판(201)에 통상의 방법으로 에미터층과 반사방지막을 형성하고, 상기 반도체 기판(201)의 배면에 알루미늄 페이스트를 소정의 두께로 도포하여 알루미늄 막(206)을 형성한다.
즉, 본 발명은 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)을 준비하여 확산로(diffusion furnace)에 로딩한다. 여기서, 상기 기판(201)은 단결정, 다결정 또는 비정질 실리콘 반도체이고, 3족 원소인 B, Ga, In 등의 p형 불순물이 도핑되어 있다. 그런 다음, 확산로 내에 5족 원소인 P, As, Sb 등의 n형 불순물 소스를 산소 가스와 함께 주입하여 열산화 반응을 일으켜 기판(201)의 상부 표면에 n형 불순물이 함유된 산화막을 일정한 두께로 형성한다. 그리고 나서, 확산로의 온도를 800 ~ 900 ℃로 상승시켜 산화막 내에 포함된 n형 불순물을 기판(201)의 상부 표면으로 드라이브인(drive-in)시킨다. 이 때 충분한 양의 n형 불순물이 기판(201)으로 확산될 수 있도록 확산시간은 30 ~ 60 분 동안 유지시킨다. 그러면, 산화막에 포함된 n형 불순물이 기판(201)의 표면을 통해 내부로 확산됨으로써, 기판(201)의 상부에 일정한 두께로 n형 실리콘 반도체층으로 이루어진 에미터층(202)이 형성된다.
상술한 n형 불순물의 확산 공정을 통해 에미터층에 주입된 n형 불순물의 농도는 에미터층의 표면에서 가장 높고 에미터층의 내부로 들어갈수록 가우시안 분포 또는 에러 함수에 따라 감소된다. 그리고 확산공정의 진행 시 충분한 양의 n형 불순물이 확산될 수 있도록 공정 조건이 조절되었으므로 에미터층의 최 상층부에는 고체 용해도 이상의 농도로 n형 불순물이 도핑된 데드 레이어가 존재하게 된다.
본 발명의 실시예에서 개시한 에미터층 형성 공정은 일 실시예에 불과하므로, 상기 에미터층 형성 공정은 본 발명이 속한 기술분야에서 알려진 다양한 공지의 공정들로 대체 가능할 것임은 자명하다.
이러한 방법으로 기판(201)과 에미터층에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(201)과 에미터층의 계면에는 p-n 접합이 형성된다. 상기 p-n 접합은 기판(201)에 n형 불순물을 도핑하고 에미터층에 p형 불순물을 도핑하여 형성해도 무방하다.
상술한 공정을 거쳐 에미터층이 형성되면, 그 상부에 에미터층의 표면 또는 벌크내에 존재하는 결함(예를 들어, 댕글링 본드)를 부동화하고 기판의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시키기 위한, 반사방지막을 형성한다. 이때 에미터층에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 p-n 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가한다. 이처럼 반사방지막에 의해 태양전지의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그 만큼 태양전지의 변환효율이 향상된다. 반사방지막은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조를 갖도록 형성한다. 반사방지막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성한다. 하지만 본 발명은 반사방지막의 구조와 형성 방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
반사방지막의 형성이 완료되면, 상기 기판(201)의 하부에 스크린 인쇄 방법 등의 통상의 방법으로 알루미늄 페이스트를 도포하여 알루미늄 막을 형성하는 것이다.
이어서, 상기 알루미늄 막(206) 위에 본 발명에 따른 주석 분말을 포함하는 은 페이스트를 소정의 패턴으로 인쇄하여 Ag 패턴(207)을 형성한다.
상기 과정 다음으로, 상기 알루미늄 막(206)과 Ag 패턴(207)을 포함하는 반도체 기판을 동시에 소성한다.
상기 알루미늄 막(206)과 Ag 패턴(207)이 인쇄된 제1도전형 반도체 기판을 동시에 소성하면, Ag 패턴을 형성한 조성물 중의 주석 분말에 의해 열팽창계수 값이 줄어들어 주석분말과 은 분말이 알루미늄 페이스트내 공극 사이로 흘러 계면까지 일부 도달한다. 또한 글래스 프릿 성분이 Ag 패턴에서의 은 분말을 녹여 알루미늄 막에 침투하여, 소정의 Ag/Al 패턴이 형성되며, 이들과 기판 사이에는 p+층인 BSF층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 소성 과정을 통해 반도체 기판 위에 알루미늄 막(206)과 Ag/Al 패턴(208)을 포함하는 후면 전극(205)을 형성한다.
이때, 상기 후면전극을 형성하는 단계에서, 그 소성 조건은 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게 전지(cell) 측면에서 상온에서부터 1,000 ℃ 이내의 온도에서 수초 내지 수분 동안 수행하는 것이 좋다.
또한 상기 에미터층 및 반사 방지막이 형성된 제1도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판으로서,
이와 같이, 본 발명은 후면전극 형성시, 알루미늄 페이스트와 후면전극의 Ag를 형성하기 위한 은 페이스트를 순차적으로 기판 위에 형성한 후, 기판을 소성함으로써, 상기 알루미늄 페이스트와 은 페이스트가 동시에 소성되면서 후면 전극의 은 페이스트 내 함유된 주석 분말과 은 분말이 알루미늄 페이스트 내 공극 사이로 흘러들어가 실리콘 기판의 계면까지 일부 도달하게 된다. 이렇게 하여 Ag 패턴과 알루미늄 막 간의 뒤틀림이 없을 뿐 더러, 탈착도 없어서 전면적으로 알루미늄 인쇄가 가능해지며, 이에 따라 개방전압(Voc) 감소를 1~2 mV 수준으로 현저히 낮출 수 있다.
한편, 상기 후면전극 형성시 사용하는, 본 발명의 후면전극의 Ag 패턴 형성용 은(Ag) 페이스트 조성물의 경우, 은 분말, 글래스 프릿 및 유기 바인더를 포함하며, 태양전지의 효율 증가를 위해 열팽창계수가 21x10-6/℃이고, 열전도도가 66.8 (W/mk, 25 ℃)이며 평균입경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 도전성 주석 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도전성 주석 분말은, 은 페이스트 조성물에 통상적으로 사용되는 은 분말(19 x10-6/℃)에 비해서 열팽창계수가 크고 알루미늄(23 x10-6/℃) 보다는 낮기 때문에, 기판의 소성후 주석 분말과 은 분말은 알루미늄 페이스트 내 공극 사이로 흘러 들어간 후 기판의 계면까지 주석분말과 은 분말이 기판의 계면까지 일부 도달할 수 있다. 따라서, 기존과 같이 Ag 패턴과 알루미늄이 뒤틀리는 문제가 없고 크랙도 발생하지 않는다. 또한 주석 분말은 녹는점이 은 분말보다 낮고 전자가 배출이 가능하여 전극에서 전자 이동의 통로를 제공할 수 있으므로 은 대체물질로 사용할 수 있다. 또한 상기 주석 분말에 의해 접착력을 향상시켜 글래스 프릿의 사용량을 줄일 수 있다. 그러므로, 본 발명은 기존에 비해 개방전압의 감소를 줄여서 경제적으로 실리콘 태양전지를 제조할 수 있다.
또한 도전성 주석 분말의 함량도 적절히 사용하는 것이 좋은데, 예를 들어 은 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 내지 15 중량부, 가장 바람직하게는 5 내지 10 중량부를 첨가하는 것이 좋다. 상기 도전성 주석 분말의 함량이 5 중량부 미만이면 Ag의 Al에 대한 부착력이 약한 문제가 있다. 또한 상기 주석 분말이 20 중량부 이상으로 포함될 경우 후막 전극인 Ag 전극의 전체적인 비저항이 10-6 대 이하로 떨어지게 되어 전류의 흐름이 원활하지 않게 되고, 이에 따라 전지(cell) 효율이 떨어지게 된다.
또한 본 발명의 은 페이스트 조성물에 있어서, 주석이 Ag 성분 대체용으로 사용되긴 하나, Ag의 재결정을 막으면 않되므로, 주석이 녹게 되어 계면으로 흘러 들어가는 속도는 은 입자 크기 조절을 통해 가능하다. 은 입자를 큰 것으로만 사용할 경우 은 입자 사이의 빈 공극을 통해 주석이 빨리 계면 쪽으로 들어가기 때문에, 은 분말의 입경이 중요하며, 또한 탭 밀도(tap density) 조절도 필요하다. 따라서, 본 발명에서 사용하는 은 분말의 평균입경은 0.1㎛ 내지 10㎛이고 탭밀도는 2~7 g/cm3인 것이 바람직하다.
상기 은 분말의 함량은 전체 은 페이스트 조성물에 대하여 50 내지 80 중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 60 내지 70 중량%인 것이 좋다. 상기 은 분말의 함량이 50 중량% 미만이면 비저항이 낮아지는 문제가 있고, 80 중량%를 초과시 비저항에는 거의 변화가 없기 때문에 과다한 양에 비해 효과적이지 않다.
본 발명에서 사용될 수 있는 글래스 프릿 분말은 당분야에서 사용되는 글래스 프릿이 제한 없이 사용될 수 있다. 이러한 글래스 프릿 분말의 예를 들면, 납산화물 및/또는 비스무트 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로는 SiO2-PbO계, SiO2-PbO-B2O3계, Bi2O3-B2O3-SiO2계, 또는 PbO-Bi2O3-B2O3-SiO2계 분말 등이 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 유기 바인더는 은 분말, 글래스 프릿 및 소성 보조제를 페이스트 상으로 제조하기 위해 사용하며, 본 발명에서 사용되는 유기 바인더는 페이스트 조성물을 제조하기 위해 당분야에서 사용되는 유기 바인더라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 바인더는 셀룰로오스 수지, 아크릴계 수지, 부틸카르비톨 및 터피네올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게 에틸 셀룰로오스 또는 아크릴레이트 계열의 폴리머 수지를 사용할 수 있다.
또한 상기 글래스 프릿과 유기바인더의 함량은 전극 형성이 용이하고, 스크린 프린팅에 매우 용이한 점도를 가지며, 스크린프린팅 후 페이스트가 흘러내리는 것을 방지하여 적합한 종횡비(Aspect ratio)를 나타낼 수 있는 범위라면, 그 범위가 특별히 한정되지 않는다.
예를 들면, 상기 글래스 프릿의 함량은 전체 은 페이스트 조성물에 대하여 0.5 내지 6 중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 5 중량%, 가장 바람직하게는 2 내지 4 중량%인 것이 좋다. 상기 글래스 프릿의 함량이 0.5 중량% 미만이면 Ag 전극의 부착력이 약해지는 문제가 있고, 6 중량%를 초과하면 글래스 프릿에 의해 선저항 및 비저항이 높아질 수 있다.
또한 상기 유기 바인더의 함량은 전체 은 페이스트 조성물에 대하여 15 내지 30 중량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20 내지 25 중량%인 것이 좋다. 상기 유기 바인더의 함량이 15 중량% 미만이면 점착성이 미비하여 페이스트 성분들의 혼합이 용이하지 않고 또한 유기 바인더 사용에 따른 기판과의 접착력을 충분히 얻을 수 없으며, 30 중량%를 초과하면 점도가 너무 떨어지거나 페이스트 조성물의 burn out이 잘 안될 수 있다.
본 발명의 은 페이스트 조성물은 상기 각 성분들이 균일하게 분산되도록 당분야에 알려진 다양한 방법으로 혼합시켜 얻을 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 은 페이스트 조성물은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 추가적인 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들면 도전성 금속 입자, 소포제, 분산제, 가소제 등을 필요에 따라 본 발명의 조성물에 더 첨가할 수 있다. 또한 본 발명의 상기 은 페이스트 조성물은 유기용매를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 은 페이스트 조성물의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 기본적으로는, 은 분말, 글래스 프릿 분말, 바인더 및 상기 도전성 주석계 분말을 동시에 넣고 혼합하는 방법을 이용해 페이스트 제조가 가능하다. 각 성분들의 혼합은 3롤 밀(3 roll mill) 등을 이용하여 균일하게 혼합할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 알루미늄 페이스트 조성물은 알루미늄 분말, 글래스 프릿, 유기 용매 및 유기 바인더를 포함할 수 있으며, 각 성분은 통상적으로 잘 알려진 것을 사용 가능하고, 그 종류 및 함량이 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 글래스 프릿, 유기 용매, 유기 바인더는 상기 은 페이스트 조성물에 사용되는 것과 동일한 것을 사용 가능하다. 또한 알루미늄 분말도 통상의 것이 사용 가능하다.
이하에서는 본 발명의 은 페이스트 조성물을 사용하여 제조된 후면 전극을 이용한 실리콘 태양전지 및 그 제조방법의 일 실시예로서 도 4를 참조하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법은,
(a) 제1 도전형 반도체 기판에 에미터층을 형성하는 단계;
(b) 상기 에미터층 위에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 반사방지막 위에 소정 패턴으로 전면전극을 형성하는 단계, 및
(d) 상기 제1 도전형 반도체 기판의 배면에 상기 방법으로 후면전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 전면전극을 형성하는 단계에서, 상기 반사방지막 위에 소정 패턴으로 전면전극 형성용 페이스트를 인쇄하고 소성하여, 전면 전극이 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되는 단계를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명은 상기 후면 전극 형성시와 동일하게 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)을 준비한 후, 상기 기판(201)의 상부에 일정한 두께로 n형 실리콘 반도체층으로 이루어진 에미터층(202)을 형성한다.
구체적으로 본 발명은 상기 후면 전극 제조시 사용하는 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)을 준비하여 확산로(diffusion furnace)에 로딩한다. 그런 다음, 확산로 내에 5족 원소인 P, As, Sb 등의 n형 불순물 소스를 산소 가스와 함께 주입하여 열산화 반응을 일으켜 기판(201)의 상부 표면에 n형 불순물이 함유된 산화막을 일정한 두께로 형성한다. 그리고 나서, 확산로의 온도를 800 ~ 900 도로 상승시켜 산화막 내에 포함된 n형 불순물을 기판(201)의 상부 표면으로 드라이브인(drive-in)시킨다. 이 때 충분한 양의 n형 불순물이 기판(201)으로 확산될 수 있도록 확산시간은 30 ~ 60 분 동안 유지시킨다. 그러면, 산화막에 포함된 n형 불순물이 기판(201)의 표면을 통해 내부로 확산됨으로써, 기판(201)의 상부에 일정한 두께로 n형 실리콘 반도체층으로 이루어진 에미터층(202)이 형성된다.
상술한 n형 불순물의 확산 공정을 통해 에미터층(202)에 주입된 n형 불순물의 농도는 에미터층(202)의 표면에서 가장 높고 에미터층(202)의 내부로 들어갈수록 가우시안 분포 또는 에러 함수에 따라 감소된다. 그리고 확산공정의 진행 시 충분한 양의 n형 불순물이 확산될 수 있도록 공정 조건이 조절되었으므로 에미터층(202)의 최 상층부에는 고체 용해도 이상의 농도로 n형 불순물이 도핑된 데드 레이어가 존재하게 된다.
본 발명의 실시예에서 개시한 에미터층 형성 공정은 일 실시예에 불과하므로, 상기 에미터층(202) 형성 공정은 본 발명이 속한 기술분야에서 알려진 다양한 공지의 공정들로 대체 가능할 것임은 자명하다.
이러한 방법으로 기판(201)과 에미터층(202)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(201)과 에미터층(202)의 계면에는 p-n 접합이 형성된다. 상기 p-n 접합은 기판(201)에 n형 불순물을 도핑하고 에미터층(202)에 p형 불순물을 도핑하여 형성해도 무방하다.
상술한 공정을 거쳐 에미터층(202)이 형성되면, 그 상부에 에미터층의 표면 또는 벌크내에 존재하는 결함(예를 들어, 댕글링 본드)를 부동화하고 기판의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시키기 위한, 반사방지막(203)을 형성한다. 이때 에미터층(202)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 p-n 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가한다. 이처럼 반사방지막(203)에 의해 태양전지의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그 만큼 태양전지의 변환효율이 향상된다. 반사방지막(203)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조를 갖도록 형성한다. 반사방지막(203)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성한다. 하지만 본 발명은 반사방지막(203)의 구조와 형성 방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
이어서, 상기 에미터층(202) 형성후, 통상의 스크린 인쇄법을 이용하여 n형 불순물이 도핑된 에미터층(202) 상부의 전면 전극(204) 접속 지점에 식각 마스크 패턴(미도시)을 형성할 수 있다. 또한, 필요에 따라 에미터층에 대한 에치-백을 진행할 수 있고, 기판 표면에 잔류하는 식각 마스크 패턴을 제거하여 선택적 에미터층을 형성할 수도 있다.
이어서, 반사방지막(203)의 형성이 완료되면, 에미터층(202)의 상부와 기판(201)의 하부에 각각 상부 전극인 전면 전극(204)과 하부 전극인 후면 전극(205)을 접속시킨다. 상기 전면 전극(204)은 공지된 여러 가지 기술에 의해 제조 가능하지만, 바람직하게는 스크린 인쇄법에 의해 형성될 수 있다. 즉, 전면 전극(204)은 상기 에미터층의 전면 전극 형성 지점에 은(Ag), 글래스 프릿 및 바인더 등이 첨가된 전면 전극용 페이스트를 스크린 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 열처리가 시행되면 펀치 쓰루(punch through) 현상에 의해 전면 전극(204)이 반사방지막(203)을 관통하여 에미터층(202)과 접속된다. 특히, 후면 전극은 상술한 본 발명의 방법대로 상기 에미터층 및 반사방지막이 형성된 제1도전형 반도체 기판의 배면에 후면 전극을 형성함으로써, 실리콘 태양전지의 구조를 완성한다.
본 발명에 있어서, 상기 전면 전극(204)과 후면 전극(205)를 형성하기 위해 페이스트를 인쇄하는 방법에 있어서, 스크린 인쇄법 이외에도 통상적인 사진 식각 공정과 금속 증착 공정을 이용하여 형성할 수도 있다. 또한 본 발명에서 전면전극 및 후면전극 형성시 인쇄방법은 상술한 닥터블레이드, 잉크젯 인쇄, 그라비아 인쇄와 같은 통상의 방법을 사용할 수도 있다. 따라서 본 발명은 전면 전극(204) 및 후면 전극(205)의 형성을 위해 적용되는 공정에 의해 한정되지 않는다.
상기 방법을 통해서, 바람직한 구현예에 따르면, 도 4에 도시된 바대로, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지는, 실리콘 반도체 기판(201), 상기 기판(201)의 상부에 형성되는 에미터층(202), 상기 에미터층(202) 상에 형성된 반사방지막(203), 상기 반사방지막(203)을 관통하여 에미터층(202)의 상부 표면과 접속된 전면 전극(204), 및 상기 기판(201)의 배면에 접속된 본 발명에 따른 방법으로 제조된 후면 전극(205)을 포함한다. 또한 상기 방법으로 제조된 실리콘 태양전지는 광전환 개방전압이 0.625~0.634 V일 수 있다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상세히 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
<
비교예
1 및
실시예
1 내지 4>
하기 표 1의 조성과 함량으로 각 성분을 혼합하여 은 페이스트 조성물을 제조하였다 (단위: 중량%).
은 분말은 평균입경 3μ의 입자를 사용하고, 평균입경 2μ의 주석입자를 사용하고, 글래스 프릿은 비스무스 산화물을 포함하는 평균입경 2μ인 것을 사용하였고, 유기바인더는 에틸셀룰로오스를 사용하였다. 이때, 은과 주석의 물성은 표 2와 같다.
| 은 분말 (중량%) |
글래스 프릿 (중량%) |
유기바인더 (중량%) |
첨가제 | ||
| 성분 | 함량(중량%) | ||||
| 실시예1 | 70 | 2 | 24.5 | Sn | 3.5 |
| 실시예2 | 67 | 2 | 24.5 | Sn | 6.5 |
| 실시예3 | 63 | 2 | 24.5 | Sn | 10.5 |
| 실시예4 | 60 | 2 | 24.5 | Sn | 13.5 |
| 비교예1 | 73.5 | 2 | 24.5 | - | - |
| Ag | Sn | |
| 비중 (20 ℃) | 10.5 | 7.35 |
| C.T,E(x10-6/℃) | 19 | 21 |
| 열전도도 (W/mk, 25℃) | 426 | 66.8 |
| 비저항 (x10-6Ωcm) | 1.6 | 11 |
| 녹는점 (℃) | 961 | 231 |
| 끓는점 (℃) | 2162 | 2602 |
<
실시예
5-8>
도 3의 실리콘 태양전지를 제조하기 위하여, 도 4의 방법을 이용하여 후면 전극을 제조하였다.
즉, 실리콘 반도체 기판(201)을 준비하여, 통상의 방법으로 하고, 에미터층, 반사방지막 및 전면 전극을 형성하였다.
이어서, 도 4의 방법에 따라 상기 기판(201)의 배면에 알루미늄 분말, 글래스 프릿, 에틸셀룰로오스 및 터피네올을 함유한 알루미늄 페이스트 조성물을 10~30μ 두께로 스크린 인쇄 방법으로 도포하였다. 이후 상기 도포된 막 위에 상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 은 페이스트 조성물을 소정의 패턴으로 각각 도포하였다 (두께: 20~30μ). 그런 다음 상기 기판을 상온에서 900 ℃의 온도로 승온시키면서 진행하여, 기판(201) 위에 알루미늄 막(207)과 소정의 Ag/Al 패턴(208)을 포함하는 후면전극(205)을 형성하였다.
상기 방법을 통해, 상기 기판(201)의 상부에 에미터층(202)과 에미터층(202) 상에 반사방지막(203)을 순차적으로 형성하고, 상기 반사방지막(203)을 관통하여 에미터층(202)의 상부 표면과 접속된 전면 전극(204), 및 상기 기판(201)의 배면에 접속되며, 소정의 Ag 패턴이 알루미늄 층을 관통하여 Ag/Al 패턴을 형성하는 후면 전극(205)을 포함하는 구조의 실리콘 태양전지를 제조하였다 (실시예 5 내지 8).
<
비교예
2>
통상적인 알루미늄 페이스트와 비교예 1의 은 페이스트를 이용하여, 도 2의 방법대로 후면전극을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 실리콘 태양전지를 제조하였다.
<
실험예
>
상기 실시예 5-8 및 비교예 2의 실리콘 태양전지에 대하여, 통상적인 방법으로 물성을 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 부착력 | 비저항 (x10-6Ωcm) | Voc (V) | |
| 실시예5 | △ | 6.4 | 0.632 |
| 실시예6 | ○ | 9.6 | 0.631 |
| 실시예7 | ○ | 14 | 0.629 |
| 실시예8 | △ | 23 | 0.627 |
| 비교예2 | × | 3.4 | 0.629 |
| 주) 부착력 평가 기준 ○: 1~2N/mm △: 0.5~1N/mm ×: 0.5N/mm 이하 |
|||
상기 표 3에서 보면, 본 발명의 실시예 5 내지 8은 비저항이 높은 주석분말을 포함한 은 페이스트 조성물을 이용함으로써, 부착력과 전기적 특성(개방전압)이 우수하고, 특히 비저항 특성도 향상시켰음을 알 수 있다.
반면, 기존 일반적으로 사용되는 비교예 1의 은 페이스트 조성물을 사용하면, 개방전압은 일정 수준을 나타내어도 부착력이 떨어지고, 특히 비저항이 10-6 이하로 떨어졌다. 이에 따라, 비교예 2는 전류의 흐름이 원활하지 않게 되고, 전지(cell) 효율이 떨어졌다.
101, 201: 기판 102, 202: 에미터층
103, 203: 반사방지막
204: 전면 전극 105, 205: 후면 전극
106, 206: 알루미늄 막 107: Ag 패턴
207: Ag 패턴 208: Ag/Al 패턴
103, 203: 반사방지막
204: 전면 전극 105, 205: 후면 전극
106, 206: 알루미늄 막 107: Ag 패턴
207: Ag 패턴 208: Ag/Al 패턴
Claims (13)
- 에미터 층 및 반사방지막이 형성된 제1도전형 반도체 기판의 배면에 알루미늄 페이스트 조성물을 도포하여 소정 두께의 알루미늄 막을 형성하는 단계;
상기 기판에 형성된 알루미늄 막 위에, 은 분말, 주석 분말, 글래스 프릿 분말 및 유기바인더를 포함하는 은 페이스트 조성물을 인쇄하여 Ag 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 알루미늄 막과 Ag 패턴을 갖는 기판을 동시에 소성하는 단계;
를 포함하는 것인 후면 전극의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 주석 분말은 열팽창계수가 21x10-6/℃이고, 열전도도가 66.8 (W/mk, 25 ℃)이며, 평균입경이 0.1㎛ 내지 10㎛인, 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 주석 분말은 은 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함하는 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 은 분말의 평균입경은 0.1μ 내지 10μ 이고 탭밀도는 2~7 g/cm3인, 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소성은 상온에서부터 1,000 ℃ 이내의 온도에서 5초 내지 3 분 이내의 시간 동안 수행하는 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소성하는 단계를 통해, Ag 패턴이 알루미늄 막에 침투하여 소정의 Ag/Al 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판인 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 페이스트 조성물은 알루미늄 분말, 글래스 프릿, 유기 용매 및 유기 바인더를 포함하는 후면 전극의 제조방법.
- 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 글래스 프릿 분말은 납 산화물 또는 비스무트 산화물을 포함하는 후면 전극의 제조방법.
- 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 유기 바인더는 셀룰로오스 수지, 아크릴계 수지, 부틸카르비톨 및 터피네올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 후면 전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 은 페이스트 조성물은 유기용매를 더 포함하는 후면 전극의 제조방법.
- (a) 제1 도전형 반도체 기판에 에미터층을 형성하는 단계;
(b) 상기 에미터층 위에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 반사방지막 위에 소정 패턴으로 전면전극을 형성하는 단계, 및
(d) 상기 제1 도전형 반도체 기판의 배면에 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 후면전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조방법. - 제12항에 있어서, 상기 전면전극을 형성하는 단계에서, 상기 반사방지막 위에 소정 패턴으로 전면전극 형성용 페이스트를 인쇄하고 소성하여, 전면 전극이 반사방지막을 관통하여 상기 에미터층에 접속되는 단계를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
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| KR100890866B1 (ko) * | 2005-04-14 | 2009-03-27 | 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 | 전기전도성 후막 조성물, 이로부터 형성된 전극 및 반도체소자 |
| KR20100031727A (ko) * | 2007-07-09 | 2010-03-24 | 페로 코포레이션 | 알루미늄과 보론, 티타늄, 니켈, 주석, 은, 갈륨, 아연, 인듐 및 구리 중 적어도 하나를 함유하는 태양 전지 컨택 |
| KR20100128543A (ko) * | 2009-05-28 | 2010-12-08 | 삼성전자주식회사 | 태양 전지 및 그 제조 방법 |
| KR20110121427A (ko) * | 2010-04-30 | 2011-11-07 | 동우 화인켐 주식회사 | 태양전지 후면 전극용 은 페이스트 조성물 |
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2011
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