KR20130065445A - 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, 상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 낮은 표면 용융점을 가지는 금속 나노입자, 그리고 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지에 관한 것이다.

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, 광 활성층에서 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 있지만 이 경우 공정이 복잡하고 비용 및 시간이 많이 소요된다. 이에 따라 도전성 물질 및 유리 프릿(glass frit)을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 공정을 단순화하는 방안이 제안되었다.
그러나 유리 프릿은 약 900℃ 정도의 고온에서 하부막에 대한 젖음성(wetting)을 나타내므로 고온 소성 단계가 필요하다. 이 경우 고온으로 인해 전극의 하부 또는 상부에 위치하는 패시베이션 막이 열화되어 효율이 저하될 수 있다. 또한 유리 프릿은 비저항이 높아 전극의 도전성을 높이는데 한계가 있다.
일 구현예는 비교적 저온에서 소성 가능하고 도전성을 개선할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.
다른 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 도전성 분말, 금속 유리, 상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 낮은 표면 용융점을 가지는 금속 나노입자, 그리고 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 제공한다.
상기 금속 유리는 약 600℃ 이하의 유리전이온도를 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 약 10 내지 400℃의 유리전이온도를 가질 수 있다.
상기 금속 나노입자는 약 400℃ 이하의 표면 용융점을 가질 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 약 1 내지 100nm의 입경을 가질 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 약 1 내지 50nm의 입경을 가질 수 있다.
상기 금속 나노입자는 은(Ag), 금 (Au), 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 납 (Pb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석 (Sn), 아연 (Zn) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 유기 물질에 의해 코팅되어 있을 수 있다.
상기 유기 물질은 상기 유기 비히클에 분산성을 가질 수 있다.
상기 금속 유리는 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리를 포함할 수 있다.
상기 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리는 각각 알루미늄, 세륨, 스트론튬, 골드, 이테르븀, 아연, 칼슘, 마그네슘 및 플라티늄을 주성분으로 하고, 니켈(Ni), 이트륨(Y), 코발트(Co), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 칼륨(K), 리튬(Li), 인(P), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메티윰(Pm), 사마리움(Sm), 루테티움(Lu), 네오디뮴(Nd), 니오븀(Nb), 가돌리늄(Gd), 테르비움(Tb), 디스프로슘(Dy), 호르미움(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 도륨(Th), 스칸듐(Sc), 바륨(Ba), 이테르븀(Yb), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf), 비소(As), 플루토늄(Pu), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 규소(Si), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 백금(Pt), 망간(Mn), 니오븀(Nb), 오스뮴(Os), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 수은(Hg)에서 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 합금일 수 있다.
상기 도전성 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도전성 분말, 상기 금속 유리, 상기 금속 나노입자 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 30 내지 99중량%, 약 0.1 내지 20중량%, 약 0.01 내지 20중량% 및 잔량으로 포함될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되어 있으며 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성되는 전극을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
상기 반도체 기판과 상기 전극의 접촉 저항은 약 10 mΩ㎠ 이하일 수 있다.
상기 반도체 기판과 상기 전극 사이에 위치하는 산화막을 더 포함할 수 있고, 상기 산화막은 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 전극은 상기 반도체 기판과 인접한 영역에 위치하는 버퍼부 및 상기 버퍼부 이외의 영역에 위치하고 상기 도전성 분말의 용융물을 포함하는 전극부를 포함할 수 있다.
상기 버퍼부는 상기 금속 나노입자의 용융물 및 상기 금속 유리의 용융물을 포함할 수 있다.
전극의 도전성을 개선하고 하부막과의 접촉 저항을 낮추는 동시에 저온 소성이 가능하여 패시베이션 막의 열화를 방지하여 소자의 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 도시한 개략도이고,
도 2 내지 도 4는 반도체 기판 위에 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 적용하고 승온한 경우 도전성 페이스트가 열에 의해 변형되는 과정을 도시한 개략도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 7은 합성예 1에서 얻은 은 나노 입자를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 실시예 1-1에 따른 전극 샘플의 주사전자현미경 (SEM) 사진이고,
도 9는 비교예 1-1에 따른 전극 샘플의 주사전자현미경 (SEM) 사진이고,
도 10은 실시예 1-1에 따른 전극 샘플의 투과전자현미경(TEM) 사진이고,
도 11은 비교예 1-1에 따른 전극 샘플의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
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 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 도전성 페이스트는 도전성 분말(10), 금속 유리(metallic glass)(20), 상기 금속 유리(20)의 유리 전이 온도보다 낮은 표면 용융점을 가지는 금속 나노입자(metallic nanoparticle)(30), 그리고 유기 비히클(40)을 포함한다.
상기 도전성 분말(10)은 은 또는 은 합금과 같은 은(Ag) 함유 금속, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 알루미늄(Al) 함유 금속, 구리(Cu) 또는 구리 합금과 같은 구리(Cu) 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 분말(10)은 약 300nm 내지 약 50㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 도전성 분말(10)은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 약 30 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
상기 금속 유리(20)는 두 종류 이상의 금속 및/또는 반금속이 적어도 일부분 비정질 부분을 가지는 합금으로, 비정질 금속(amorphous metal)이라고도 부른다. 이 때 비정질 부분은 상기 금속 유리의 약 50 내지 100중량%일 수 있고, 그 중에서 약 70 내지 100중량%일 수 있고, 그 중에서 약 90 내지 100중량%일 수 있다. 상기 금속 유리는 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낸다.
상기 금속 유리(20)는 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg) 이상에서 연화되어 액체와 같은 거동을 보일 수 있다. 이러한 액체와 같은 거동은 금속 유리의 유리 전이 온도(Tg)와 결정화 온도(crystalline temperature, Tc) 사이에서 유지되며, 이 온도 구간을 과냉각 액체구간(?Tx)이라 한다.
상기 금속 유리(20)는 액체와 같은 거동을 나타내는 동안 하부막에 대하여 젖음성을 나타낼 수 있고, 이에 따라 도전성 페이스트와 하부막의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.
상기 금속 유리의 액체와 같은 거동 및 젖음성은 도전성 페이스트의 열처리 중에 일어나므로, 비교적 낮은 유리전이온도(Tg)를 가지는 금속 유리를 사용하는 경우 도전성 페이스트의 열처리 온도, 즉 전극의 소성 온도를 낮출 수 있다.
상기 금속 유리는 약 600℃ 이하의 유리전이온도(Tg)를 가질 수 있다. 이러한 유리전이온도(Tg)를 가지는 금속 유리를 포함함으로써 약 600℃ 이하의 온도에서 소성을 하여도 상술한 금속 유리의 액체와 같은 거동을 나타내므로 하부막과 충분한 접촉 면적을 가질 수 있다. 이에 따라 전극의 도전성은 확보하면서도 소자 내의 패시베이션 막 및/또는 유기물의 열화를 방지하여 효율 저하를 방지할 수 있다.
이와 같이 약 600℃ 이하의 유리전이온도를 가지는 금속 유리로는 예컨대 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리는 약 600℃ 이하의 유리전이온도, 그 중에서 약 10 내지 400℃의 유리전이온도를 가질 수 있다.
상기 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리는 각각 알루미늄, 세륨, 스트론튬, 골드, 이테르븀, 아연, 칼슘, 마그네슘 및 플라티늄을 주성분으로 하고, 예컨대 니켈(Ni), 이트륨(Y), 코발트(Co), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 칼륨(K), 리튬(Li), 인(P), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메티윰(Pm), 사마리움(Sm), 루테티움(Lu), 네오디뮴(Nd), 니오븀(Nb), 가돌리늄(Gd), 테르비움(Tb), 디스프로슘(Dy), 호르미움(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 도륨(Th), 스칸듐(Sc), 바륨(Ba), 이테르븀(Yb), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf), 비소(As), 플루토늄(Pu), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 규소(Si), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 백금(Pt), 망간(Mn), 니오븀(Nb), 오스뮴(Os), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 수은(Hg)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있다. 여기서 주성분이란 금속 유리 중 가장 많은 몰 비율을 가지는 원소를 말한다.
상기 금속 유리는 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 20중량%로 포함될 수 있다.
금속 나노입자(metal nanoparticles)(30)는 도전성 분말(10) 및 금속 유리(20)보다 작은 크기를 가지며, 인접한 도전성 분말(10)들 사이, 인접한 금속 유리(20)들 사이 및 도전성 분말(10)과 금속 유리(20) 사이에 위치할 수 있다.
금속 나노입자(30)는 금속 유리(20)의 유리전이온도(Tg)보다 낮은 표면 용융점(surface melting point)를 가질 수 있다.
금속 나노입자(30)의 표면 용융점은 금속 나노입자(30)의 크기와 관련되어 있으며, 예컨대 금속 나노입자(30)는 약 1 내지 100nm의 입경을 가질 수 있고, 그 중에서 약 1 내지 50nm의 입경을 가질 수 있다.
상기와 같은 나노 수준의 금속 입자는 일반적으로 금속이라 불리는 벌크 금속(bulk metal)과는 다른 용융 상태를 보인다. 즉 벌크 금속은 일반적으로 용융점(melting point)이 정해져 있지만, 나노 수준의 금속 입자는 입자 크기에 따라 용융점이 달라질 수 있다. 나노 수준의 금속 입자는 입자 크기가 작아짐에 따라 표면적과 부피의 비율이 입자의 반경에 역비례하여 증가하게 되고, 이에 따라 표면에 위치하는 원자들이 루즈하게(loosely) 결합되면서 표면부터 부분 용융이 일어나게 된다. 이와 같이 표면에서 용융이 일어나기 시작하는 온도를 표면 용융점이라 하고, 나노 수준의 작은 크기로 인하여 표면 용융이 일어나지 시작한 시점부터 단시간 내에 금속 입자 전체가 용융될 수 있다.
금속 나노입자(30)는 예컨대 약 600℃ 이하의 표면 용융점을 가질 수 있으며, 그 중에서 약 400℃ 이하의 표면 용융점을 가질 수 있다.
이와 같이 금속 나노입자(30)의 표면 용융점이 금속 유리(20)의 유리전이온도보다 낮기 때문에 도전성 페이스트의 열처리시 금속 유리(20)가 연화되기 전에 금속 나노입자(30)가 먼저 용융될 수 있다.
이에 대하여 도 2 내지 도 4를 참고하여 설명한다.
도 2 내지 도 4는 반도체 기판 위에 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 적용하고 승온한 경우 도전성 페이스트가 열에 의해 변형되는 과정을 도시한 개략도이다.
도 2를 참고하면, 반도체 기판(110) 위에 도전성 분말(10), 금속 유리(20) 및 금속 나노입자(30)를 포함하는 도전성 페이스트를 적용한다.
도 3을 참고하면, 금속 나노입자(30)의 표면 용융점 이상으로 승온하는 경우, 금속 나노입자(30)는 용융되어 금속 나노입자 용융체(30A)로 된다. 금속 나노입자 용융체(30A)는 액체와 같은 거동을 보이며 도전성 분말(10) 및 금속 유리(20)의 사이를 채우고 반도체 기판(110)에 대해서는 넓은 면적에 걸쳐 접촉한다.
도 4를 참고하면, 온도를 더 높여 금속 유리(20)의 유리전이온도(Tg) 이상으로 승온하는 경우, 금속 유리(20)는 연화되어 연화된 금속 유리(20A)로 되며 연화된 금속 유리(20A)는 인접한 도전성 분말(10) 사이를 채울 수 있다.
이와 같이 금속 나노입자(30)의 표면 용융점이 금속 유리(20)의 유리전이온도보다 낮으므로 승온시 금속 유리(20)가 연화되기 전에 금속 나노입자(30)가 먼저 용융될 수 있다. 이에 따라 승온시 금속 나노입자의 용융물(30A)이 반도체 기판(110)의 전면을 덮음으로써 공정 중에 반도체 기판(110)이 산화되는 것을 줄일 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)의 표면에 산화막이 과도하게 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 예컨대 약 10nm 이하의 비교적 얇은 두께의 산화막만이 형성될 수 있다.
또한 금속 나노입자(30)는 금속 유리(20) 및 도전성 분말(10)보다 먼저 용융되면서 인접하게 위치하는 금속 유리(20)와 도전성 분말(10)의 액체상 소결(liquid phase sintering)을 유도하는 액체상 소결 효과를 나타낼 수 있고, 이에 따라 도전성 페이스트 전체적으로 소결도를 높일 수 있다. 이에 따라 약 600℃ 전후의 비교적 저온에서 전극을 형성하여도 미소결된 금속 유리 및 미소결된 도전성 분말을 크게 줄여 도전성을 개선할 수 있다.
또한 금속 나노입자(30)는 용융되어 인접한 도전성 분말(20)들 사이, 인접한 금속 유리(30) 사이 및 도전성 분말(20)과 금속 유리(30) 사이를 채움으로써 상기 도전성 페이스트로부터 형성된 전극의 도전성을 개선할 수 있다.
상기 금속 나노입자는 은(Ag), 금 (Au), 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 납 (Pb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석 (Sn), 아연 (Zn) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 나노입자는 유기 물질에 의해 코팅되어 있을 수 있다. 상기 유기 물질은 상기 유기 비히클에 대하여 분산성을 가질 수 있으며, 이에 따라 금속 나노입자가 상기 유기 비히클에 균일하게 분산될 수 있고 인접한 금속 나노입자들끼리 뭉치는 것을 방지할 수 있다.
상기 유기 물질은 예컨대 유기 캡핑제(organic capping agent)일 수 있으며, 예컨대 하기 화학식 1로 표현되는 올레산(oleic acid); 하기 화학식 2로 표현되는 옥탄티올(octanethiol)과 같은 티올계 화합물; 하기 화학식 3으로 표현되는 메르캅토프로피온산(mercaptopropionic acid, MPA)과 같은 프로피온산; 하기 화학식 4로 표현되는 메르캅토운데카논산(mercaptoundecanoic acid)과 같은 불포화지방산; 하기 화학식 5로 표현되는 화합물 등을 들 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
[화학식 3]
Figure pat00003
[화학식 4]
Figure pat00004
[화학식 5]
Figure pat00005
상기 유기 물질은 금속 나노입자(30) 100 중량부에 대하여 약 5 내지 50 중량부, 그 중에서 약 10 내지 30 중량부로 포함될 수 있다.
금속 나노입자(30)는 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 약 0.01 내지 20중량%로 포함될 수 있다.
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, 분산제, 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 유기 비히클은 고형 성분을 제외한 잔량으로 포함될 수 있다.
상술한 도전성 페이스트는 스크린 인쇄(screen printing) 등의 방법으로 형성되어 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있다.
상기 전자 소자는 예컨대 액정 표시 장치(LCD), 플라즈시 표시 장치(PDP), 유기발광표시장치(OLED), 태양 전지 등일 수 있다.
상술한 바와 같이 전극 형성 과정에서 금속 나노입자(30)가 우선적으로 용융되어 반도체 기판을 덮음으로써 반도체 기판의 표면에 산화막이 과도하게 형성되는 것을 방지함으로써 반도체 기판과 전극 사이는 약 10 mΩcm2 이하의 비교적 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다.
상기 전자 소자 중의 하나인 태양 전지에 대하여 도면을 참고하여 예시적으로 설명한다.
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.
이하 도 5를 참고하여 설명한다.
도 5는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 5를 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. 이 때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 얇은 두께의 실리콘 산화막(111)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막(111)은 반도체 기판(110)이 자연적으로 산화되어 형성된 것으로, 약 10nm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있다.
실리콘 산화막(111) 위에는 복수의 전면 전극(120)이 형성되어 있다. 전면 전극(120)은 반도체 기판(110)의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극(120)은 상부 반도체 층(110b)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼부(115), 그리고 버퍼부(115) 이외의 영역에 위치하고 도전성 물질을 포함하는 전면 전극부(121)를 포함한다. 그러나 버퍼부(115)는 생략될 수도 있고, 상부 반도체 층(110b)과 인접한 영역의 일부분에만 위치할 수도 있다.
전면 전극(120)은 전술한 도전성 페이스트, 즉 도전성 분말, 금속 유리, 금속 나노입자 및 유기 비히클을 포함한 도전성 페이스트로부터 형성할 수 있다.
전면 전극부(121)는 상기 도전성 분말의 용융물을 주로 포함할 수 있으며, 예컨대 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
버퍼부(115)는 금속 나노입자의 용융물 및 금속 유리의 용융물을 포함할 수 있다. 즉 전술한 바와 같이 금속 나노입자의 표면 용융점 이상에서 용융된 금속 나노입자와 금속 유리의 유리 전이 온도 이상에서 연화된 금속 유리가 반도체 기판(110)에 대하여 젖음성을 나타내면서 전면 전극부(121)보다 상부 반도체 층(110b)에 인접하게 위치할 수 있다.
버퍼부(115)는 금속 나노입자의 용융물 및 금속 유리의 용융물을 포함함으로써 도전성을 가지며, 전면 전극부(121)에 접촉하는 부분과 상부 반도체 층(110b)에 접촉하는 부분을 가지므로 상부 반도체 층(110b)과 전면 전극부(121) 사이에서 전하가 이동할 수 있는 통로(path)의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
버퍼부(115)와 전면 전극부(121) 사이에는 도전성 분말, 금속 유리 및 금속 나노입자의 공융물을 포함하는 제1 공융층(117)이 형성되어 있고, 버퍼부(115)와 반도체 기판(110) 사이에는 반도체 기판(110)을 이루는 실리콘과 금속 유리, 금속 나노입자의 공융물을 포함하는 제2 공융층(118)이 형성되어 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) 하부에는 얇은 두께의 실리콘 산화막(111)이 형성되어 있다. 실리콘 산화막은 반도체 기판(110)이 자연적으로 산화되어 형성된 것으로, 약 10nm 이하의 얇은 두께를 가질 수 있다.
실리콘 산화막 하부에는 후면 전극(140)이 형성되어 있다. 후면 전극(140)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극(140)은 전면 전극과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
후면 전극(140) 또한 전면 전극(120)과 마찬가지로 하부 반도체 층(110a)과 인접하는 영역에 위치하는 버퍼부(125)와 상기 버퍼부(125) 이외의 영역에 위치하고 도전성 물질을 포함하는 후면 전극부(141)를 포함한다.
또한 버퍼부(125)와 후면 전극부(141) 사이에는 도전성 분말, 금속 유리 및 금속 나노입자의 공융물을 포함하는 제1 공융층(127)이 형성되어 있고, 버퍼부(125)와 반도체 기판(110) 사이에는 반도체 기판(110)을 이루는 실리콘과 금속 유리, 금속 나노입자의 공융물을 포함하는 제2 공융층(128)이 형성되어 있다.
전면 전극(120)과 반도체 기판(110) 및 후면 전극(140)과 반도체 기판(110) 사이에는 상술한 바와 같이 과도한 산화막이 형성되는 것이 방지됨으로써 약 10 mΩcm2 이하의 비교적 낮은 접촉 저항을 가질 수 있다.
이하 도 5의 태양 전지를 제조하는 방법을 예시적으로 설명한다.
먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이 때 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.
이어서 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.
이어서 반도체 기판(110)의 전면에 전면 전극(120)이 형성될 위치에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 건조하는 스크린 인쇄 방법으로 형성한다.
도전성 페이스트는 전술한 바와 같이 금속 유리를 포함하며, 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 반도체 기판(110)의 후면에 후면 전극(140)이 형성될 위치에 후면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 건조하는 스크린 인쇄 방법으로 형성한다.
그러나 스크린 인쇄 방법에 한정되지 않고 잉크젯 인쇄 또는 압인 인쇄(imprinting) 등의 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
이어서 후면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트가 도포된 반도체 기판(110)을 고온의 소성로(furnace)에 두고 소성(firing)한다. 소성은 예컨대 600℃ 이하의 비교적 저온에서 수행할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트를 각각 소성할 수 있으며, 이 때 소성 온도는 같거나 다를 수 있다.
이하 도 6을 참고하여 다른 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 6은 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 모든 전극이 반도체 기판(110)의 후면에 배치되어 있다.
반도체 기판(110)의 후면은 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) 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, ARC) 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 접촉구를 가지는 패시베이션 막(130)이 형성되어 있다. 패시베이션 막(130)은 산화규소, 질화규소, 산화알루미늄 등으로 만들어질 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 제1 도핑 영역(111a)에 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극(120)과 제2 도핑 영역(111b)에 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극(140)이 각각 형성되어 있다. 제1 전극(120)은 패시베이션 막(130)의 접촉구를 통하여 제1 도핑 영역(111a)과 접촉할 수 있으며, 제2 전극(140)은 패시베이션 막(130)의 접촉구를 통하여 제2 도핑 영역(111b)과 접촉할 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(140)은 교대로 배치될 수 있다.
제1 전극(120)은 제1 도핑 영역(111a)과 인접한 영역에 위치하는 제1 버퍼부(115a) 및 상기 제1 버퍼부(115a) 이외의 영역에 위치하는 제1 전극부(121)를 포함하고, 제2 전극은 제2 도핑 영역(111b)과 인접한 영역에 위치하는 제2 버퍼부(115b) 및 상기 제2 버퍼부(115b) 이외의 영역에 위치하는 제2 전극부(141)를 포함할 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(140)은 전술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 제1 전극(121)과 제2 전극(140) 중 어느 하나만 전술한 도전성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있다.
제1 버퍼부(115a) 및 제2 버퍼부(115b)는 도전성 페이스트의 금속 유리 및 금속 나노입자로부터 형성된 층으로 도전성을 가질 수 있다. 제1 버퍼부(115a)는 제1 도핑 영역(111a)과 제1 전극부(121)에 각각 접촉하고 있으므로, 제1 도핑 영역(111a)으로부터 제1 전극부(121)로 전하가 이동할 수 있는 통로의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다. 마찬가지로, 제2 버퍼부(115b)는 제2 도핑 영역(111b)과 제2 전극부(141)에 각각 접촉하고 있으므로, 제2 도핑 영역(111b)으로부터 제2 전극부(141)로 전하가 이동할 수 있는 통로의 면적을 넓혀 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 제1 전극(120) 및 제2 전극(140)이 모두 태양 전지의 후면에 위치함으로써 전면에서 금속이 차지하는 면적을 줄여 빛 흡수 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
상기에서는 상술한 도전성 페이스트를 태양 전지의 전극으로 적용한 예만 구체적으로 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 전극을 포함하는 모든 전자 소자에 적용할 수 있다. 특히 전술한 바와 같이 상술한 도전성 페이스트는 약 600℃ 이하의 온도에서 소성하여도 전극을 형성할 수 있으므로, 다수의 유기막을 포함하는 가요성 전자 소자에 효과적으로 적용될 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예　및 비교예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예　및 비교예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
금속 나노입자의 합성
합성예 1
0.05M AgNO3 20 g(전구체), 헥실아민(hexylamine) 80 mL 및 디옥틸에테르(dioctyl ether) 80 mL를 포함하는 용액을 t-부틸카바제이트(t-butyl carbazate)(환원제) 20 g, 상기 화학식 1로 표현되는 올레산(유기 캡핑제) 50 mL 및 디옥틸에테르 80 mL를 포함하는 용액에 첨가하고 100 ℃에서 4 시간 동안 교반한다.
이어서, 상기 혼합물을 실온까지 냉각하고 원심분리하여 은 나노입자를 얻었다.
합성예 2
올레산 대신 상기 화학식 2로 표현되는 옥탄티올 10 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자를 얻었다.
합성예 3
올레산 대신 상기 화학식 3으로 표현되는 메르캅토프로피온산 10 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자를 얻었다.
합성예 4
올레산 대신 상기 화학식 4로 표현되는 메르캅토운데카논산 10 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자를 얻었다.
합성예 5
올레산 대신 상기 화학식 5로 표현되는 화합물 10 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자를 얻었다.
합성예 6
올레산 대신 상기 화학식 1로 표현되는 올레산 5 g 및 상기 화학식 4로 표현되는 메르캅토운데카논산 5 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자를 얻었다.
합성예 7
올레산 대신 상기 화학식 2로 표현되는 옥탄티올 5 g 과 상기 화학식 3으로 표현되는 메르캅토프로피온산 5 g을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자를 얻었다.
금속 나노입자의 합성 확인
합성예 1에서 얻은 은 나노 입자를 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)을 사용하여 확인한다.
도 7은 합성예 1에서 얻은 은 나노 입자를 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 7을 참고하면, 합성예 1에서 얻은 은 나노 입자는 약 8nm의 평균 입자 크기를 가지며 용매 중에 뭉치지 않고 잘 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도전성 페이스트 및 전극 샘플의 제조
실시예 1-1
은(Ag) 분말, 금속 유리 Al84 .5Ni5 .5Y10 및 합성예 1에서 얻은 은 나노입자(평균입자크기: 약 8nm)를 에틸셀룰로오스(바인더), 글리콜산 에톡시레이트 4-노닐페닐 에테르(glycolic acid ethoxylate 4-nonylphenyl ether)(계면활성제) 및 부틸카르비톨/부틸카르비톨아세테이트 혼합용매를 포함한 유기 비히클에 첨가한다. 이 때 금속 유리 Al84 .5Ni5 .5Y10 는 총 함량에 대하여 3부피%, 합성예 1에서 얻은 은 나노입자는 총 함량에 대하여 2중량%로 첨가하였고 전체 고형분은 89중량%로 한다.
이어서 3-롤 밀을 사용하여 반죽하여 도전성 페이스트를 제조한다.
이어서 P형 실리콘 웨이퍼 위에 상기 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 도포한다. 이어서 벨트 퍼니스(belt furnace)를 사용하여 약 600℃까지 가열한다. 이후 냉각하여 전극 샘플을 제조한다.
실시예 1-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 2-1
합성예 1에서 얻은 은 나노입자 대신 합성예 2에서 얻은 은 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 2-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 3-1
합성예 1에서 얻은 은 나노입자 대신 합성예 3에서 얻은 은 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 3-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 4-1
합성예 1에서 얻은 은 나노입자 대신 합성예 4에서 얻은 은 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 4-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 5-1
합성예 1에서 얻은 은 나노입자 대신 합성예 5에서 얻은 은 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 5-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 5-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 6-1
합성예 1에서 얻은 은 나노입자 대신 합성예 6에서 얻은 은 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 6-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 6-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 7-1
합성예 1에서 얻은 은 나노입자 대신 합성예 7에서 얻은 은 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
실시예 7-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 실시예 7-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
비교예 1-1
은 나노입자를 포함하지 않은 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
비교예 1-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 비교예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
비교예 2-1
금속 유리 Al84 .5Ni5 .5Y10 대신 유리 프릿 PbO-SiO2-B2O3을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
비교예 2-2
P형 실리콘 웨이퍼 대신 N형 실리콘 웨이퍼를 사용한 것을 제외하고는 비교예 2-1과 동일한 방법으로 전극 샘플을 제조한다.
평가 1
실시예 1-1 내지 7-2와 비교예 1-1 내지 2-2에 따른 전극 샘플의 도전성을 측정한다.
도전성은 비저항 및 접촉 저항에 의해 측정되며, 비저항은 2-point probe를 사용하여 선저항을 측정한 후 laser confocal microscope로 전극 단면적을 측정하여 비저항을 계산하고, 접촉 저항은 투과선방법(transmission line method, TLM)으로 측정한다.
그 결과는 표 1과 같다.
비저항(μΩcm) 접촉저항(mΩ㎠)
실시예 1-1 3.01 0.65
실시예 1-2 3.01 0.73
실시예 2-1 5~6 3.23
실시예 2-2 5~6 5.6
실시예 3-1 < 5 3.3
실시예 3-2 < 5 4.3
실시예 4-1 < 5 0.098
실시예 4-2 < 5 0.84
실시예 5-1 < 5 5.40
실시예 5-2 < 5 6.7
실시예 6-1 5~6 0.7
실시예 6-2 5~6 1.8
실시예 7-1 < 3 0.65
실시예 7-2 < 3 1.63
비교예 1-1 4.34 0.86
비교예 1-2 4.34 10.4
비교예 2-1 8.70 45.0
비교예 2-2 9.84 102.2
표 1을 참고하면, 실시예 1-1 내지 7-2에 따른 전극 샘플은 약 10 μΩcm 이하의 비저항 및 10 mΩ㎠ 이하의 접촉 저항을 가지는 것을 알 수 있다. 특히 N 형 실리콘 웨이퍼에서도 P형 실시콘 웨이퍼에서와 유사한 정도의 접촉 저항을 나타내는 것을 알 수 있다. 이에 반해 비교예 1-1 및 1-2에 따른 전극 샘플은 N형 실리콘 웨이퍼에서 접촉 저항이 크게 높아졌음을 알 수 있고, 비교예 2-1 및 2-2에 따른 전극 샘플은 비저항 및 접촉 저항이 모두 크게 높아진 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예 1-1 내지 7-2에 따른 전극 샘플은 600℃의 비교적 저온에서 소성하였음에도 불구하고 충분히 낮은 비저항 및 접촉 저항을 가지는 것을 확인할 수 있다.
평가 2
실시예 1-1 및 비교예 1-1에 따른 전극 샘플을 사용하여 관찰한다.
도 8은 실시예 1-1에 따른 전극 샘플의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 9는 비교예 1-1에 따른 전극 샘플의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8 및 도 9를 참고하여 약 600℃에서 소성한 후 소성되지 않고 남아 있는 도전성 분말 및 금속 유리의 개수를 비교하면, 비교예 1-1에 따른 전극 샘플이 실시예 1-1에 따른 전극 샘플보다 분말 또는 입자 형태로 남아있는 도전성 분말 및 금속 유리의 개수가 더 많은 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예 1-1에 따른 전극 샘플은 은 나노입자의 첨가로 인해 액체 소결(liquid phase sintering) 효과에 의해 도전성 분말 및 금속 유리의 소결 또한 유도하여 도전성 페이스트 전체적으로 소결도를 높이는 것을 확인할 수 있다.
평가 3
실시예 1-1 및 비교예 1-1에 따른 전극 샘플을 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 관찰한다.
도 10은 실시예 1-1에 따른 전극 샘플의 투과전자현미경(TEM) 사진이고, 도 11은 비교예 1-1에 따른 전극 샘플의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 실시예 1-1에 따른 전극 샘플은 반도체 기판과 전극 샘플 사이에 약 10nm 이하의 비교적 얇은 두께의 산화막이 형성된 데 반해 비교예 1-1에 따른 전극 샘플은 이보다 훨씬 두꺼운 산화막이 형성되었음을 알 수 있다.
이로부터 도전성 페이스트에 은 나노입자를 포함함으로써 반도체 기판의 산화를 억제할 수 있음을 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
110a: 하부 반도체 층 110b: 상부 반도체 층
111: 산화막 112: 절연막
111a: 제1 도핑 영역 111b: 제2 도핑 영역
115, 125: 버퍼부
117, 127: 제1 공융층
118, 128: 제2 공융층
120: 제1 전극 121: 제1 전극부
140: 제2 전극 141: 제2 전극부
130: 패시베이션 막

Claims (19)

  1. 도전성 분말,
    금속 유리,
    상기 금속 유리의 유리 전이 온도보다 낮은 표면 용융점을 가지는 금속 나노입자(metal nanoparticles), 그리고
    유기 비히클
    을 포함하는 도전성 페이스트.
  2. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 600℃ 이하의 유리 전이 온도를 가지는 도전성 페이스트.
  3. 제2항에서,
    상기 금속 유리는 10 내지 400℃의 유리전이온도를 가지는 도전성 페이스트.
  4. 제1항에서,
    상기 금속 나노입자는 400℃ 이하의 표면 용융점을 가지는 도전성 페이스트.
  5. 제1항에서,
    상기 금속 나노 입자는 1 내지 100nm의 입경을 가지는 도전성 페이스트.
  6. 제5항에서,
    상기 금속 나노 입자는 1 내지 50nm의 입경을 가지는 도전성 페이스트.
  7. 제1항에서,
    상기 금속 나노입자는 은(Ag), 금 (Au), 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 납 (Pb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석 (Sn), 아연 (Zn) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
  8. 제1항에서,
    상기 금속 나노 입자는 유기 물질에 의해 코팅되어 있는 도전성 페이스트.
  9. 제8항에서,
    상기 유기 물질은 상기 유기 비히클에 분산성을 가지는 도전성 페이스트.
  10. 제1항에서,
    상기 금속 유리는 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리를 포함하는 도전성 페이스트.
  11. 제10항에서,
    상기 알루미늄계 금속 유리, 세륨계 금속 유리, 스트론튬계 금속 유리, 골드계 금속 유리, 이테르븀 금속 유리, 아연계 금속 유리, 칼슘계 금속 유리, 마그네슘계 금속 유리 및 플라티늄계 금속 유리는 각각 알루미늄, 세륨, 스트론튬, 골드, 이테르븀, 아연, 칼슘, 마그네슘 및 플라티늄을 주성분으로 하고, 니켈(Ni), 이트륨(Y), 코발트(Co), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 아연(Zn), 칼륨(K), 리튬(Li), 인(P), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루비듐(Rb), 크롬(Cr), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메티윰(Pm), 사마리움(Sm), 루테티움(Lu), 네오디뮴(Nd), 니오븀(Nb), 가돌리늄(Gd), 테르비움(Tb), 디스프로슘(Dy), 호르미움(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 도륨(Th), 스칸듐(Sc), 바륨(Ba), 이테르븀(Yb), 유로퓸(Eu), 하프늄(Hf), 비소(As), 플루토늄(Pu), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 규소(Si), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 백금(Pt), 망간(Mn), 니오븀(Nb), 오스뮴(Os), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 수은(Hg)에서 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 합금인 도전성 페이스트.
  12. 제1항에서,
    상기 도전성 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
  13. 제1항에서,
    상기 도전성 분말, 상기 금속 유리, 상기 금속 나노입자 및 상기 유기 비히클은 상기 도전성 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 30 내지 99중량%, 0.1 내지 20중량%, 0.01 내지 20중량% 및 잔량으로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자.
  15. 반도체 기판, 그리고
    상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되어 있으며 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 형성되는 전극
    을 포함하는 태양 전지.
  16. 제15항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 전극의 접촉 저항은 10mΩ㎠ 이하인 태양 전지.
  17. 제15항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 전극 사이에 위치하는 산화막을 포함하고,
    상기 산화막은 10nm 이하의 두께를 가지는
    태양 전지.
  18. 제15항에서,
    상기 전극은 상기 반도체 기판과 인접한 영역에 위치하는 버퍼부 및 상기 버퍼부 이외의 영역에 위치하고 상기 도전성 분말의 용융물을 포함하는 전극부를 포함하는 태양 전지.
  19. 제18항에서,
    상기 버퍼부는 상기 금속 나노입자의 용융물 및 상기 금속 유리의 용융물을 포함하는 태양 전지.
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