KR20130124482A - 태양열 적용을 위한 비아 충전 물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낮은 직렬 저항 및 높은 병렬 저항을 나타내는 태양열 적용에서 사용을 위한 비아 충전 물질에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비아 충전 물질은 은 분말, 유리 프릿 및 비히클을 포함한다.

Description

태양열 적용을 위한 비아 충전 물질{VIA FILL MATERIAL FOR SOLAR APPLICATIONS}
본 발명은 낮은 직렬 저항 및 높은 병렬 저항을 나타내는 태양열 적용에서 사용을 위한 비아(via) 충전 물질에 관한 것이다. 이 신규 태양전지 구조는 후면 전극 (back contact) 태양전지 소자이다. 이 소자에서 p 및 n 표면과 접촉은 태양전지의 뒷면 상에서 만들어진다. 이러한 구조는 음영 손실(shadow loss)을 감소시키고, 따라서 태양열 효율을 증가시키는 면에서 이점을 가진다. 본 발명은 특히 도 1에 나타낸 것과 같은 정공을 통해 태양전지의 전면을 뒷면에 접촉시키는 중요한 금속피복을 다룬다.
태양전지는 또한 당 업계에서 때때로 광전지로서 언급되며, 광전효과에 의해 태양열 에너지를 전기적으로 전환시킨다. 가장 흔하게 알려진 태양전지는 대면적 P-N 접합 소자를 포함한다. 이러한 태양전지는 인을 지니는 N-측 상에서와 붕소를 지니는 P-측 상에서 도프 (dope)된 실리콘 웨이퍼를 전형적으로 포함한다. 금속 접점 그리드 (contact grid)는 실리콘 웨이퍼의 N-측 상에서(전형적으로 무반사 코팅 상에서) 형성된다. 후면 전극은 실리콘 웨이퍼의 P-측 상에서 형성된다. 광자가 태양전지와 부딪칠 때, 전자는 실리콘 웨이퍼의 N-측으로부터 유리된다. 유리된 전자는 P-N 접합을 가로지를 수 없고, 따라서 접점 그리드를 통해 유동하는데, 이는 후면 전극 상의 절연층 상에 형성된 집진 그리드 (collector grid)에 전기적으로 연결된다. 접점 그리드와 집진 그리드 사이의 전기 연결은 실리콘 웨이퍼를 통해 비아를 채우는 전기적으로-전도성인 비아 충전 물질에 의해 확립된다. 전자는 그것들이 실리콘 웨이퍼의 P-측 내의 자유 "정공"을 채우는 경우, 후면 전극에 외부 회로 (도시하지 않음)를 통해 집진 그리드로부터 유동한다. 외부 회로를 통해 유동하는 전자는 전류 ("I")를 제공하며, 태양전지의 전압 ("V")을 야기하는데, 이것의 생성물은 전기장은 전력 ("P")이다.
태양전지에 의해 생성된 전력은 직렬 저항 ("Rs") 및 병렬 저항 ("RSh")으로서 언급되는 저항의 2가지 기생유형을 통해 소멸될 수 있다. 직렬 저항은 태양전지가 제조되는 (특히 실리콘 웨이퍼의 N-측으로부터 접점 그리드로 전자의 흐름) 물질의 전류 흐름에 대한 고유저항으로부터 및 저항 접촉으로부터 발생한다. 병렬 저항은 태양전지 내에 형성된 P-N 접합을 통해 전류의 누설을 방지하도록 생긴다. 태양전지의 효율을 최대화하기 위하여, 직렬 저항은 가능한 작게 만들어져야 하는 반면, 병렬 저항은 가능한 크게 만들어져야 한다.
비아를 통한 전기적 전도성 경로의 형성은 태양전지 내 기생 저항을 관리하는 면에서 특히 어려운 문제를 제시한다. 한편으로는, 직렬 저항을 최소화하기 위하여 낮은 고유 저항을 나타내는 비아 충전 물질이 바람직하다. 그러나 비아 충전 물질은 비아 내에서 실리콘 웨이퍼와 접촉하기 때문에, 비아 충전 물질은 또한 P-N 접합을 가로지르는 전기적 전도성 경로 (분로 (shunt))를 형성할 수 있고, 불리하게는 낮은 병렬 저항을 유발한다.
앞서 언급한 점에서, 본 발명은 낮은 직렬 저항 및 높은 병렬 저항을 나타내는 태양열 적용에서 사용을 위한 비아 충전 물질에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비아 충전 물질은 은 분말, 특수한 산화물, 유리 프릿 (glass frit) 및 비히클을 포함한다. 태양전지의 또 다른 유형은 방출전지 (emitter wrap through cell, EWT)이되, 실리콘 웨이퍼는 n-측 (주 표면)을 p-측 (부수적 표면)에 접촉시키는 그 안에 형성된 비아 정공을 가진다. 정공은, 예를 들어, 화학적 에칭, 기계적 드릴링 또는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 그 다음에 비아 정공은 전기적 절연 물질로 안이 붙여진다. 이어서 절연된 비아 정공은 전도성 물질, 보통 은과 같은 금속 및 유리 프릿을 포함하는 페이스트로 채워진다. 페이스트로 채워진 실리콘 웨이퍼는 그 다음에 소성되어 금속을 소결시키고, 프릿을 용융시킨다. 따라서 전도 경로는 웨이퍼의 두께를 통해 웨이퍼의 n-측으로부터 p-측으로 형성된다. 측면 전기전도는 비아 정공에 사전 적용된 절연 물질 때문에 실리콘 웨이퍼를 통해 방지된다. 방출 태양전지의 제작방법은 미국 공개특허 2011/0192826호에 개시되며, 이는 본 명세서에 참조로서 포함된다.
특히, EWT 태양전지의 일반화되고 양식화된 도시인 도 1에 대해서, 실리콘 웨이퍼 (10)는 n-측과 p-측을 가진다. 비아 정공 (도시하지 않음)은 웨이퍼 (10) 내에 형성되며, n-측과 p-측 사이의 경로를 제공한다. 절연층 (50)은 비아 정공의 내면에 및 웨이퍼 (10)의 n-측 표면의 적어도 일부에 적용된다. 비아 정공은 금속 및 유리 프릿을 포함하는 페이스트 (60)로 채워진다. 패시베이션 (passivation) 층 (70), 예컨대 SiNx 또는 Si02는 웨이퍼 (10)의 n-측 상의 절연층 (50)의 적어도 일부에 적용된다. 이는 페이스트 (60)의 노출된 부분을 피복할 수 있다.
다음에, 비아 정공 내에 채워진 페이스트 (60)와 함께 웨이퍼 (10)는 소성되어 금속을 소결시키고, 페이스트 내 유리를 용융시켜서, 플러그를 형성한다. 또는 단지 비아 정공 페이스트 (60)를 소성시키는 대신, 접점이 웨이퍼의 n-측 (80)과 p-측 (90) 둘 다에서 다른 페이스트로부터 인쇄될 수 있다. 각각의 페이스트 (80 및 90)는 페이스트 (60)의 노출된 단부의 적어도 일부를 피복한다. n-측 접점 (80)은 패시베이션 층 (70)의 일부를 피복할 수 있다. 비아 페이스트(60)가 이미 소성되었다면, 접점 (80 및 90)이 플러그의 소성 단부에 걸쳐 인쇄될 수 있으며, 별도로 소성된다.
본 명세서에서 개발된 페이스트 조성물은 비아 정공을 채우며, 소성시 고체 플러그를 형성한다. 이 고체 플러그는 낮은 저항을 가지며, 비아 정공 내 이미터 (emitter)와 반응하지 않아서 분로를 야기한다. 이미터는 실리콘 웨이퍼 내로 인을 확산시킴으로써 형성된 p-n 접합이다. 페이스트는 또한 땜질 가능하며, 높은 접착력을 가진다. 일부 예에서, 이 비아-충전 페이스트는 또한 다른 페이스트로 피복되어 고도로 땜질 가능한 접점을 형성할 수 있다.
본 발명의 3가지 주된 특징이 있다. 제1 특징은 소성 과정 동안 소결의 제어를 다룬다. 이는 특정 입자 크기를 갖는 금속 분말의 주의 깊은 선택, 특정 융점을 갖는 유리 및 소결 거동에 영향을 미치는 산화물의 사용을 통해 달성된다. 제2 특징은 분로 거동에 관한 것이다. 뛰어난 분로 성능은 비아-충전 페이스트와 주변 정공 사이의 반응을 제어함으로써 달성된다. 이는 유리의 선택 및 산화물의 비율을 통해 제어된다. 제3 특징은 소성된 필름의 땜납 및 접착에 관한 것이다. 이는 실리콘 웨이퍼에 대해 반응성을 갖는 유리의 선택 및 소결 과정 동안 표면에 유리를 압착시키지 않는 금속 분말의 선택에 의해 달성된다. 추가로, 상기 페이스트 유동은 유기 수지의 선별을 통해 양호한 비아 충전을 달성하도록 제어된다.
본 발명의 앞서 언급한 및 다른 특징은 본 명세서에서 이후에 더욱 완전하게 기재되며, 특허청구범위에서 특히 지적되고, 다음의 상세한 설명은 본 발명의 상세한 특정 예시적 실시형태를 제시하지만, 이것은 본 발명의 원칙이 사용될 수 있는 몇몇 다양한 방법을 나타낸다.
도 1은 태양전지의 개략적인 양식화된 횡단면도;
도 2 내지 도 4는 실시 예에서 형성된 비아의 횡단면도를 나타낸 현미경 사진.
본 발명의 비아 충전 물질은, 그것이 소성되기 전, 은 분말 및 유리 프릿을 포함한다. 은 분말 및 유리 프릿의 특정 특징은 본 발명의 비아 충전 물질로 만들어진 플러그를 사용하여 태양전지의 거동을 결정한다.
본 발명에 따른 비아 충전 물질은 바람직하게는 약 65중량% 내지 약 90중량%의 은 분말을 포함한다. 더 바람직하게는, 본 발명에 다른 비아 충전 물질은 약 74중량% 내지 약 87중량%의 은 분말을 포함한다. 은 분말은 보통의 높은 순도 (99+%)를 가져야 한다.
2 이상의 상이한 D50 입자 크기를 갖는 은 분말이 사용될 때 (즉, 2-모드, 3-모드 또는 복수-모드의 입자 크기 분포), 충전밀도는 개선되는 것으로 믿어진다. 은 분말은 바람직하게는 약 0.25 마이크론 내지 약 30 마이크론 내에서 D50 평균 입자 크기 (때때로 D50 크기로 약칭됨)를 가진다.
은 분말의 제1 부분에 대해, D50 크기는 0.5 내지 5 마이크론, 바람직하게는 1 내지 4.5 마이크론, 더 바람직하게는 1.5 내지 3.5 마이크론, 예를 들어 2 내지 3 마이크론이다. 은 분말의 제2 부분에 대해, D50 크기는 0.5 내지 2.5 마이크론, 바람직하게는 0.75 내지 2.25 마이크론, 더 바람직하게는 1 내지 2 마이크론, 예를 들어 1.25 내지 1.75 마이크론이다. 은 분말의 제3 부분에 대해, D50 크기는 0.1 내지 1.5 마이크론, 바람직하게는 0.3 내지 1.3 마이크론, 더 바람직하게는 0.5 내지 1.0 마이크론, 예를 들어 0.6 내지 0.9 마이크론이다.
본문에서 제1, 제2, 제3 또는 다른 것으로 칭해질 수 있는 대안의 은 분말은 2 내지 20 마이크론, 바람직하게는 3 내지 15 마이크론, 더 바람직하게는 4 내지 10 마이크론, 훨씬 더 바람직하게는 5 내지 9 마이크론, 예를 들어 6 내지 8 마이크론의 D50 크기를 가진다.
다양한 비율로 제1, 제2, 제3 및 대안의 은 분말의 다양한 조합이 본 발명의 실시형태에 사용될 수 있다는 것이 생각된다.
예를 들어, 페이스트는 은 분말의 제1 부분 20 내지 50중량%, 은 분말의 제2 부분 30 내지 50중량% 및 제3 부분 0.1 내지 10중량%를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 페이스트는 은 분말의 제1 부분 25 내지 45중량%, 은 분말의 제2 부분 35 내지 45중량% 및 은 분말의 제3 부분 2 내지 8중량%를 포함할 수 있다. 대안적으로, 페이스트는 은 분말의 제1 부분 30 내지 40중량%, 은 분말의 제2 부분 30 내지 40중량% 및 은 분말의 제3 부분 3 내지 7중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 페이스트는 은 분말의 대안적인 부분 40 내지 70중량%, 은 분말의 제2 부분 5 내지 25중량% 및 은 분말의 제3 부분 1 내지 20중량%를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 페이스트는 은 분말의 대안적인 부분 45 내지 65중량%, 은 분말의 제2 부분 10 내지 20중량% 및 은 분말의 제3 부분 5 내지 15중량%를 포함할 수 있다. 더 바람직하게는, 페이스트는 은 분말의 대안적인 부분 50 내지 60중량%, 은 분말의 제2 부분 12 내지 18중량% 및 은 분말의 제3 부분 6 내지 10중량%를 포함할 수 있다.
다양한 은 입자 표면적 (silver particle surface area; SSA, BET 방법에 의해 측정됨)이 본 발명에서 이용성을 가진다. 예를 들어 0.01 내지 1.0㎡/g 또는 0.1 내지 0.5㎡/g, 또는 0.2 내지 0.6㎡/g; 또는 0.3 내지 0.8㎡/g, 예를 들어 0.22㎡/g 또는 0.84㎡/g의 표면적.
Ag 분말의 2가지 형태가 생각된다: 편평한 플레이크형 및 구형. 바람직한 은은 구형과 플레이크형 분말의 조합이다. 상이한 크기 및 형태를 갖는 2 또는 3가지 은 분말이 배합되어 소결 시 수축을 제어하였다. Ag 입자는 지방산 및 그것의 비누로 코팅되어 원하는 유동성을 달성하였다.
본 발명에 다른 비아 충전 물질은 또한 하나 이상의 유리 프릿의 약 0.01중량% 내지 약 10중량% 또는 1 내지 10중량%를 바람직하게 포함한다. 본 발명에 사용되는 유리 프릿(들)는 바람직하게는 약 250℃ 내지 650℃, 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 600℃의 범위 내에서 Labino Softening Point 장치에 의해 측정되는 바와 같은 연화점을 가진다. 유리 프릿(들)의 화학적 조성물은 열처리가 일어나지 않는 것을 보장하는데 중요하다. 예를 들어, 이하의 표 1에 제시된 조성물을 갖는 납 바나듐 포스페이트 유리("Pb-V-P") 및 납-아연 알루미노실리케이트 유리(Pb-Zn-Al-Si)가 사용될 수 있다:
[표 1]
Figure pct00001
유리 프릿은 약 2 내지 약 5 마이크론 평균 입자 크기(D50)의 분말도로 밀링되어야 한다. 입자 크기는 Microtrac X-100 입자 크기 분석기와 같은 장치에 의해 광 산란, 예를 들어 레이저 광산란에 의해 측정된다. 바람직한 유리의 유리 전이 온도(Tg)는 바람직하게는 250℃ 내지 650℃ 및 가장 바람직하게는 300℃ 내지 550℃ 범위에 있다.
본 발명에 대해 유용한, 즉, 실리콘에 대한 반응성 및 접착을 제어하기 위한 유리 프릿은 대체로 결정화 유형, 또는 결정화 및 비결정화 프릿의 조합 또는 접점 형성 동안 유리를 용해시키는 비 결정화 프릿 및 반응성 결정질 물질의 조합일 수 있다. 바람직한 프릿은 부분적으로 결정화 유형을 가진다.
또한 산화구리, 산화망간, 산화코발트, 산화바나듐, 산화아연, 산화철 및 그것의 조합과 같은 첨가제뿐만 아니라 코발트 알루미네이트와 같은 산화알루미늄과 이들의 반응 생성물이 사용되어 규소와 접착을 촉진시킬 수 있다.
비아 충전 재료는 추가로, 예를 들어 지르코니아, 산화비스무트, 알루미나, 티타니아, 지르콘과 같은 규산지르코늄, 규산아연, 예컨대 윌레마이크, 결정질 실리카, 코디어라이트, 벤토나이트 및/또는 헥토라이트와 같은 하나 이상의 무기 충전제를 약 10중량%까지의 총 량으로 선택적으로 포함할 수 있다. 무기 충전제는 약 20 나노미터 내지 약 10 마이크론, 바람직하게는 50㎚ 내지 5 마이크론, 더 바람직하게는 100㎚ 내지 1 마이크론의 범위 내에서 D50 평균 입자 크기를 가져야 한다.
은 분말, 유리 프릿(들) 및 선택적 무기 충전제는 바람직하게는 하나 이상의 유기 비히클 또는 담체 조성물의 약 5중량% 내지 약 20중량%의 앞서 언급한 양으로 함께 혼합된다. 유기 비히클 또는 담체 조성물은 바람직하게는 하나 이상의 용매 및 선택적으로 하나 이상의 요변성제(thixotropic agent) 중에 용해된 하나 이상의 수지를 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 유기 비히클 조성물은 적어도 약 80중량%의 하나 이상의 유기 용매, 약 15중량%까지의 하나 이상의 열가소성 수지, 약 4중량%까지의 하나 이상의 요변성제 및 약 2중량%까지의 하나 이상의 습윤제를 포함한다.
에틸 셀룰로스는 본 발명에서 사용을 위한 바람직한 수지이지만, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로스, 우드 로진, 에틸 셀룰로스와 페놀 수지의 혼합물, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트 및 에틸렌 글라이콜 모노아세테이트의 모노뷰틸 에터가 또한 사용될 수 있다. 약 130℃ 내지 약 350℃의 비등점(1atm)을 갖는 용매가 적합하다. 적합한 용매는 터펜, 예컨대 알파- 또는 베타-터피네올 또는 더 고비등의 알코올, 예컨대 Dowanol(등록상표)(다이에틸렌 글라이콜 모노에틸 에터), 또는 다른 용매, 예컨대 뷰틸 Carbitol(등록상표)(다이에틸렌 글라이콜 모노뷰틸 에터)과의 혼합물; 다이뷰틸 Carbitol(등록상표)(다이에틸렌 글라이콜 다이뷰틸 에터), 뷰틸 Carbitol(등록상표) 아세테이트(다이에틸렌 글라이콜 모노뷰틸 에터 아세테이트), 헥실렌 글라이콜, Texanol(등록상표)(2,2,4-트라이메틸-1,3-펜탄다이올 모노아이소뷰티레이트)뿐만 아니라 다른 알코올 에스터, 케로신 및 다이뷰틸 프탈레이트를 포함한다. 이들 및 다른 용매의 다양한 조합은 각 적용에 대해 요망되는 점성 및 휘발성 요건을 얻기 위하여 조제될 수 있다. 두꺼운 필름 페이스트 조제물에 보통 사용되는 다른 분산물, 계면활성제 및 유동성 변형제가 포함될 수 있다. 이러한 제품의 상업적 예는 다음의 상표 중 어떤 것 하에서 시판되는 것을 포함한다: Texanol(등록상표)(테네시주 킹스포트에 소재한 Eastman Chemical Company); Dowanol(등록상표) 및 Carbitol(등록상표)(미시간주 미들랜드에 소재한 Dow Chemical Co.); Triton(등록상표)(미시간주 미들랜드에 소재한 Union Carbide Division of Dow Chemical Co.), Thixatrol(등록상표)(뉴저지주 하인츠타운에 소재한 Elementis Company) 및 Diffusol(등록상표)(매사추세츠주 댄버스에 소재한 Transene Co. Inc.).
보통 사용된 유기 요변성제 중에 수소화된 피마자 오일 및 그것의 유도체가 있다. 요변성이 항상 필요한 것은 아닌데, 임의의 현탁액 내 고유의 전단 유동화와 커플링된 용매는 이에 대해 단독으로 적합할 수 있기 때문이다. 더 나아가, 지방산 에스터, 예를 들어 N-탤로-1,3-다이아미노프로판 다이올레이트; N-탤로 트라이메틸렌 다이아민 다이아세테이트; N-코코 트라이메틸렌 다이아민, 베타 다이아민; N-올레일 트라이메틸렌 다이아민; N-탤로 트라이메틸렌 다이아민; N-탤로 트라이메틸렌 다이아민 다이올레이트 및 이것의 조합과 같은 습윤제가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 비아 충전 물질은 3-롤 밀을 사용하여 편리하게 제조될 수 있다. 이용된 비히클의 양 및 유형은 최종 요망되는 조제물 점성 및 물질 그라인딩의 분말도에 의해 주로 결정된다. 태양열 적용을 위해, 점성은 25℃에서 측정된 Brookfield 점도계 HBT, 스핀들 14에서 결정되는 바와 같은 9.6 sec-1의 전단속도로 바람직하게는 약 100 내지 약 500kcps, 바람직하게는 약 300 내지 약 400kcps의 범위 내에서 조절된다.
본 발명에 따른 비아 충전 물질은 태양전지 내 비아를 충전시키는 것에 사용에 우선적으로 적합화되어, 실리콘 웨이퍼의 N-측 상에 형성된 접점 그리드로부터 후면 전극 상의 절연층 상에 형성된 집진 그리드로 전기적으로 전도성인 경로를 제공한다. 비아 충전 물질은 통상적인 두꺼운 필름 적용 방법을 사용하는 것이 적용되며, 건조되고, 소성된다. 소성 동안, 비아 충전 물질은 소결되고, 밀도가 높아진다. 소성은 통상적인 소성 도구 및 공기 분위기를 사용하여 약 550℃ 내지 약 850℃의 범위 내의 웨이퍼 온도에서 수행될 수 있다.
특정 이론에 구속되지 않고, 출원인은 본 발명에 따른 비아 충전 물질 내 유리 프릿의 적어도 일부가 소성 동안 비아를 정하는 실리콘 웨이퍼로 이동하고/하거나 코팅하는 반면, 본 발명에 따른 비아 충전 물질 내 은 분말이 소결하고/하거나 용융하여 전면 접점 그리드와 후면 전극 사이에 금속 플러그를 형성한다는 것을 믿는다. 따라서, 전자는 낮은 직렬 저항(Rs)에서 금속 추적을 통해 유동할 수 있지만, 실리콘 웨이퍼 상의 유리 코팅은 규소에 접착, 가장 정확하게는 규소 상의 패시베이션 층에 접착을 제공한다. 그러나, 규소와 유리 사이의 반응은 유리 Tg의 최적의 선택 및 상이한 산화물의 사용에 의한 분로를 방지하기 위하여 제어된다.
비아-충전의 분로 특징은 태양전지의 전류-전압(I-V) 반응을 통해 측정될 수 있다. 뛰어난 태양전지 성능을 위해, 병렬 저항은 1Kohm이 초과될 필요가 있다. 본 발명의 바람직한 페이스트는 20Kohm 초과의 병렬 저항을 초래한다.
다음의 실시 예는 단지 본 발명을 예시하는 것으로 의도되며, 특허청구범위 상의 제한을 부과하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시 예
다결정질 실리콘 웨이퍼, 12.5㎝×12.5㎝, 두께 250 내지 300㎛를 웨이퍼의 N-측 상의 질화규소 무반사 코팅으로 코팅하였다. 이들 웨이퍼의 시트 저항률은 약 1Ω-㎝이었다. 캘리포니아주 비스타에 소재한 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수가능한 Ferro NS33-502 및 NS33-503 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄에 의해 무반사 코팅 상에 접점 그리드를 형성하였다.
확산 과정 전 레이저 드릴링을 사용하여 웨이퍼를 통해 대략 200 마이크론 직경의 비아가 형성하였다.
표 2에서 중량부로 나타낸 조성물을 얻기 위하여, 통상적인 유리 제조 기법을 사용하여 2개의 유리 프릿을 별도로 제조하였다:
[표 2]
Figure pct00002
각각의 유리 프릿을 2 내지 5 마이크론 D50의 분말도로 별도로 밀링시켰다. 3-롤 밀링을 사용하여 이하의 표 3에서 중량부로 열거하는 성분을 배합함으로써 본 발명에 따른 3가지의 비아 충전 물질을 제조하였다:
[표 3]
Figure pct00003
은 분말 I-IV는 뉴저지주 사우스플레인필드에 소재한 Ferro Corporation으로부터 상업적으로 입수가능한 은 분말, Silver Flake #125; Silver Powder 11000-04; Silver Powder 7000-07 및 Silver Powder 14000-06에 각각 대응한다.
비히클 A308-5VA 비히클 626, 비히클 131, 비히클 132 및 비히클 473은 다양한 등급의 에틸 셀룰로스의 수지 용액 또는 용매 내 아크릴 수지인 유기 비히클이며, Ferro Corporation으로부터 입수가능하다. 그 다음에 비아 충전 물질 조성물 A, B, C 및 D는 스텐실을 통해 인쇄되어 실리콘 웨이퍼 내 비아를 충전시킨다. 비아 충전 물질의 적용 후, 조성물은 250℃에서 30초 동안 또는 140℃ 내지 180℃에서 5 내지 7분 동안 건조시킨 다음, 적외선 가열 노 내 680℃ 내지 820℃에서 1 내지 2초 동안 최대로 소성시켰다.
도 2는 땜납된 플러그(즉, 비아 충전 물질로 충전된 비아)의 횡단면도를 도시한 현미경 사진이되, 비아 충전 물질은 조성물 A이다. 도 3 및 4는 땜납된 플러그(즉, 비아 충전 물질로 충전된 비아)의 횡단면도를 나타낸 현미경사진이되, 비아 충전 물질은 조성물 C이다.
태양전지 I-V 테스터를 사용하여 직렬 저항(Rs) 및 병렬 저항(Rsh)을 측정하였다. 조제물 D에 대한 데이터를 이하의 표 4에 보고한다:
[표 4]
Figure pct00004
추가적인 이점 및 변형은 당업자에게 용이하게 발견될 것이다. 따라서, 더 넓은 양태에서 본 발명은 본 명세서에 나타내고 설명한 구체적인 상세한 설명 및 예시적인 실시 예로 제한되지 않는다. 따라서, 첨부되는 특허청구범위 및 그것의 동등물에 의해 정의되는 바와 같은 일반적인 본 발명의 개념의 정신 또는 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 만들어질 수 있다.
10: 실리콘 웨이퍼 50: 절연층
60: 페이스트 70: 패시베이션 층
80: n-측 90: p-측

Claims (43)

  1. 전도성 페이스트로서,
    a. 65중량% 내지 90중량%의 은 분말,
    b. 0.1중량% 내지 10중량%의 적어도 하나의 유리 프릿(glass frit),
    c. 지르코늄, 비스무트, 알루미늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 적어도 하나의 산화물 또는 점토의 분리된 별개의 부분(separate and distinct portion) 및
    d. 바륨, 칼슘, 마그네슘, 규소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 적어도 하나의 산화물 또는 점토의 분리된 별개의 부분을 포함하는, 전도성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 은 분말은 제1 D50 평균 입자 크기 및 제2 D50 평균 입자 크기를 갖는 적어도 2모드의 입자 크기 분포를 갖는 것인 전도성 페이스트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 은 분말은 제1 D50 평균 입자 크기를 갖는 은의 제1 부분, 제2 D50 평균 입자 크기를 갖는 은의 제2 부분 및 제3 D50 평균 입자 크기를 갖는 은의 제3 부분을 갖는 적어도 3모드의 입자 크기 분포를 갖는 것인 전도성 페이스트.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 0.5 마이크론 내지 5 마이크론이고, 상기 제2 D50 크기는 0.5 마이크론 내지 2.5 마이크론이며, 상기 제3 D50 입자 크기는 0.1 마이크론 내지 1.5 마이크론이되, 상기 D50 크기는 서로 적어도 0.1 마이크론만큼 상이한 것인 전도성 페이스트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 1 마이크론 내지 4.5 마이크론이되, 상기 제2 D50 크기는 0.75 마이크론 내지 2/25 마이크론이고, 상기 제3 D50 크기는 0.3 마이크론 내지 1.3 마이크론인 것인 전도성 페이스트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 1.5 마이크론 내지 3.5 마이크론이며, 상기 제2 D50 크기는 1 마이크론 내지 2 마이크론이고, 상기 제3 D50 크기는 0.5 마이크론 내지 1.0 마이크론인 것인 전도성 페이스트.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 2 마이크론 내지 3 마이크론이고, 상기 제2 D50 크기는 1.25 마이크론 내지 1.75 마이크론이며, 상기 제3 D50 크기는 0.6 마이크론 내지 0.9 마이크론인 것인 전도성 페이스트.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은 분말은 상기 제1 부분 20중량% 내지 50중량%, 상기 제2 부분 30중량% 내지 50중량% 및 상기 제3 부분 0.1중량% 내지 10중량%를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  9. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은 분말은 상기 제1 부분 25중량% 내지 45중량%, 상기 제2 부분 35중량% 내지 45중량% 및 상기 제3 부분 2중량% 내지 8중량%를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  10. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은 분말은 상기 제1 부분 30중량% 내지 40중량%, 상기 제2 부분 30중량% 내지 40중량% 및 상기 제3 부분 3중량% 내지 7중량%를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 2 내지 20 마이크론이며, 상기 제2 D50 크기는 0.5 내지 2.5 마이크론이고, 상기 제3 D50 크기는 0.1 내지 1.5 마이크론이되, 상기 D50 크기는 서로 적어도 0.1 마이크론만큼 상이한 것인 전도성 페이스트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 3 내지 15 마이크론이며, 상기 제2 D50 크기는 0.75 내지 2.25 마이크론이고, 상기 제3 D50 크기는 0.3 내지 1.3 마이크론인 것인 전도성 페이스트.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 4 마이크론 내지 10 마이크론이며, 상기 제2 D50 크기는 1 마이크론 내지 2 마이크론이고, 상기 제3 D50 크기는 0.5 마이크론 내지 1.0 마이크론인 것인 전도성 페이스트.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 D50 크기는 5 마이크론 내지 9 마이크론이며, 상기 제2 D50 크기는 1.25 마이크론 내지 1.75 마이크론이고, 상기 제3 D50 크기는 0.6 마이크론 내지 0.9 마이크론인 것인 전도성 페이스트.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은 분말은 상기 제1 부분 40중량% 내지 70중량%, 상기 제2 부분 5중량% 내지 25중량% 및 상기 제3 부분 1중량% 내지 20중량%를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은 분말은 상기 제1 부분 45중량% 내지 65중량%, 상기 제2 부분 10중량% 내지 20중량% 및 상기 제3 부분 5중량% 내지 15중량%를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  17. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 은 분말은 상기 제1 부분 50중량% 내지 60중량%, 상기 제2 부분 12중량% 내지 18중량% 및 상기 제3 부분 6중량% 내지 10중량%를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  18. 제3항에 있어서, 상기 은 분말은 3 마이크론 내지 15 마이크론의 제1 D50 평균 입자 크기, 0.7 마이크론 내지 1.5 마이크론의 제2 D50 평균 입자 크기 및 1 마이크론 내지 3 마이크론의 제3 D50 평균 입자 크기를 갖는 것인 전도성 페이스트.
  19. 제1항에 있어서, (c) 및 (d)의 합은 상기 페이스트의 0.01중량% 내지 10중량%를 구성하는 것인 전도성 페이스트.
  20. 제1항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 상기 페이스트의 0.1중량% 내지 5중량%를 구성하는 것인 전도성 페이스트.
  21. 제1항에 있어서, (d)의 상기 점토 또는 산화물은 상기 페이스트의 0.01중량% 내지 2중량%를 구성하는 것인 전도성 페이스트.
  22. 제1항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 지르코늄, 비스무트, 알루미늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 단순 산화물인 것인 전도성 페이스트.
  23. 제1항에 있어서, (d)의 상기 점토 또는 산화물은 바륨, 칼슘, 마그네슘, 규소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 점토인 것인 전도성 페이스트.
  24. 제5항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 지르코니아를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  25. 제24항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 알루미나를 더 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  26. 제24항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 Bi2O3를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  27. 제24항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 벤토나이트를 더 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  28. 제27항에 있어서, (d)의 상기 점토 또는 산화물은 헥토라이트를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  29. 제11항에 있어서, (c)의 상기 점토 또는 산화물은 Bi2O3를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  30. 제1항에 있어서, 상기 페이스트가 74중량% 내지 87중량%의 은 분말을 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  31. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿은 PbO, P2O5, V2O5, ZrO2, SiO2, Al2O3, ZnO 및 Ta2O5로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물을 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  32. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿은 PbO, P2O5 및 V2O5를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  33. 제32항에 있어서, 상기 유리 프릿은 20중량% 내지 40중량%의 PbO, 5중량% 내지 20중량%의 P205 및 45중량% 내지 70중량%의 V2O5를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  34. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿은 PbO, ZnO, SiO2, Al2O3 및 Ta2O5를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  35. 제34항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿은 45중량% 내지 70중량%의 PbO, 10중량% 내지 30중량%의 ZnO, 5중량% 내지 25중량%의 SiO2, 1중량% 내지 15중량%의 Al2O3 및 1중량% 내지 10중량%의 Ta2O5를 포함하는 것인 전도성 페이스트.
  36. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿은 250℃ 내지 650℃의 연화 온도를 갖는 것인 전도성 페이스트.
  37. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿의 Tg는 300℃ 내지 550℃인 것인 전도성 페이스트.
  38. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유리 프릿은 가열 시 적어도 부분적으로 결정화되는 것인 전도성 페이스트.
  39. 전기 소자로서, 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하는 기판, 및 상기 제1 주 표면으로부터 상기 제2 주 표면으로 연장되는 측벽을 갖는 비아(via)를 포함하되, 상기 비아는 상기 제1 주 표면과 상기 제2 주 표면 사이에 전기 전류를 전도시킬 수 있는 소성 도체 물질로 충전되고, 상기 도체 물질은 상기 도체 물질의 상기 소성 동안 형성된 절연층에 의해 상기 비아의 상기 측벽으로부터 전기적으로 절연된 것인 전자 소자.
  40. 하기 단계를 포함하는 전기 소자의 제조방법으로서:
    a. 제1 표면 및 마주보는 제2 표면을 갖는 기판 및 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 연장되는 비아를 제공하는 단계,
    b. 전도성 충전제 물질을 상기 비아에 적용하는 단계 및
    c. 상기 기판을 소성하여 상기 전도성 충전제 물질이 상기 전도성 충전제 물질과 상기 측벽 사이에 전기적 절연층 및 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장되는 전기적 전도 경로를 형성시키는 단계를 포함하되,
    상기 비아는 상기 기판을 따라 형성된 측벽을 갖는 것인, 전기 소자의 제조방법.
  41. 제40항에 있어서, 상기 전도 충전제는 소성 동안 상기 측벽과 반응하지 않는 것인 방법.
  42. 전도성 페이스트로서,
    a. 65중량% 내지 90중량%의 은 분말,
    b. 0.1중량% 내지 10중량%의 적어도 하나의 유리 프릿 및
    c. 지르코늄, 비스무트, 알루미늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물 또는 점토의 분리된 별개의 부분을 포함하는, 전도성 페이스트.
  43. 제42항에 있어서, (d) 바륨, 칼슘, 마그네슘, 규소 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물 또는 점토의 분리된 별개의 부분을 더 포함하는 전도성 페이스트.
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