KR20140068140A - Lfc-perc 규소 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
관통 소성 능력을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 가지며, 미립자 알루미늄, 유리 프릿, 유기 비히클, 및 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함하는 알루미늄 페이스트가 사용되며, 상기 적어도 하나의 산화안티몬은 별개의 미립자 성분(들)으로서 및/또는 유리 프릿 성분(들)으로서 상기 알루미늄 페이스에 존재하는, 알루미늄 후면 전극을 갖는 LFC-PERC 규소 태양 전지의 제조 방법.
Description
본 발명은 알루미늄 페이스트 (알루미늄 후막 조성물)를 사용하여 소위 LFC-PERC (레이저-소성 접촉(laser-fired contact) PERC; PERC = 패시베이팅된 이미터 및 후면 접촉 (passivated emitter and rear contact)) 규소 태양 전지의 알루미늄 후면 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다. 그러므로, 본 발명은 각각의 LFC-PERC 규소 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
전형적으로, 규소 태양 전지는 전면 및 후면 금속화부 (전면 및 후면 전극) 둘 모두를 갖는다. p-형 베이스를 갖는 통상적인 규소 태양 전지 구조물은 전지의 전면 또는 태양측 면(sun side)에 접촉하는 음극, 및 후면 상의 양극을 사용한다. 반도체 몸체의 p-n 접합부로 떨어지는 적합한 파장의 방사선이 그 몸체에서의 정공-전자 쌍을 생성하기 위한 외부 에너지원으로서 작용한다는 것은 잘 알려져 있다. p-n 접합부에 존재하는 전위차로 인해, 정공과 전자는 반대 방향으로 접합부를 가로질러 이동하여, 그에 의해 외부 회로에 전력을 전달할 수 있는 전류의 흐름이 생기게 한다. 대부분의 태양 전지는 금속화되어 있는, 즉 전기 전도성인 금속 접점(metal contact)을 구비하고 있는 규소 웨이퍼의 형태이다.
현재 생산되는 대부분의 태양 전지는 결정질 규소에 기반을 둔다. 전극을 침착하는 일반적인 방법은 금속 페이스트의 스크린 인쇄이다.
미국 특허 출원 공개 제2011/120535 A1호는, 관통 소성 능력(fire-through capability)을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 갖는 알루미늄 후막 조성물을 개시한다. 이 알루미늄 후막 조성물은 미립자 알루미늄, 유기 비히클, 및 (i) 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고 11 내지 33 wt.% (중량%)의 SiO2, 0 초과 내지 7 wt.%의 Al2O3 및 2 내지 10 wt.%의 B2O3 을 함유하는 무연(lead-free) 유리 프릿, 및 (ii) 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고, 53 내지 57 wt.%의 PbO, 25 내지 29 wt.%의 SiO2, 2 내지 6 wt.%의 Al2O3 및 6 내지 9 wt.%의 B2O3을 함유하는 유연(lead-containing) 유리 프릿으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 유리 프릿을 포함한다. 상기 알루미늄 후막 조성물은 PERC 규소 태양 전지의 알루미늄 후면 전극을 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 알루미늄 페이스트를 사용하여 LFC-PERC 규소 태양 전지의 알루미늄 후면 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, p형 및 n형 영역, p-n 접합부, 전면 ARC (반사방지 코팅) 층 및 후면 비천공(non-perforated) 유전체 패시베이션 층을 갖는 규소 웨이퍼를 이용하는 LFC-PERC 규소 태양 전지를 형성하는 방법 및 LFC-PERC 규소 태양 전지 그 자체에 관한 것으로, 본 방법은 알루미늄 페이스트를 후면 비천공 유전체 패시베이션 층 상에 도포, 예를 들어, 인쇄, 특히 스크린 인쇄하는 단계, 그렇게 도포된 알루미늄 페이스트를 소성하여 소성된 알루미늄 층을 형성하되, 이에 의해 상기 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 되는 단계, 및 이어서 소성된 알루미늄 층을 레이저 소성하여 유전체 패시베이션 층에 천공들을 생성하고 국부 BSF 접점(local BSF contact)들을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 알루미늄 페이스트는 관통 소성 능력을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 가지며, 미립자 알루미늄, 유리 프릿, 유기 비히클, 및 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함하고, 상기 적어도 하나의 산화안티몬은 별개의 미립자 성분(들)으로서 및/또는 유리 프릿 성분(들)으로서 알루미늄 페이스트에 존재할 수 있다.
본 발명의 방법에서는 상기 알루미늄 페이스트를 사용함으로써, 상기 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함하지 않는 알루미늄 페이스트를 사용하여 제조되는 LFC-PERC 규소 태양 전지와 비교하여, 소성된 알루미늄 표면 상의 볼(ball), 비드(bead), 및 스파이크(spike)와 같은 표면 결함을 갖지 않거나 그 수가 상당히 감소된 LFC-PERC 규소 태양 전지를 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
상세한 설명 및 특허청구범위에서, "관통 소성 능력"이라는 용어가 사용된다. 이는 소성 동안 금속 페이스트가 패시베이션 층 또는 ARC 층을 에칭하고 그를 통해 침투(관통 소성)하는 능력을 의미할 것이다. 다시 말해, 관통 소성 능력을 갖는 금속 페이스트는 패시베이션 층 또는 ARC 층을 관통 소성하여 그 아래의 규소 기재의 표면과 전기 접촉을 생성하는 것이다. 상대적으로, 관통 소성 능력이 불량하거나 또는 심지어 관통 소성 능력을 갖지 않는 금속 페이스트는 소성시 규소 기재와 전기 접촉을 생성하지 않는다. 오해를 피하기 위하여; 이러한 문맥에서, 용어 "전기 접촉을 생성하지 않는"은 절대적인 것으로 이해되어서는 안 되며; 오히려, 이는 소성된 금속 페이스트와 규소 표면 사이의 접촉 저항이 1 Ω·cm2를 초과하는 한편, 전기 접촉의 경우에는, 소성된 금속 페이스트와 규소 표면 사이의 접촉 저항이 1 내지 10 mΩ·cm2의 범위임을 의미할 것이다.
접촉 저항은 TLM (transfer length method; 전달 길이 방법)에 의해 측정될 수 있다. 이를 위해, 하기 샘플 제조 및 측정 절차가 사용될 수 있다: 비천공 후면 패시베이션 층을 갖는 규소 웨이퍼에서, 패시베이션 층 상에 시험할 알루미늄 페이스트를, 라인들 사이에 2.05 mm의 간격을 갖는 평행한 100 ㎛ 폭 및 20 ㎛ 두께의 라인들의 패턴으로 스크린 인쇄하고, 이어서, 소성하며, 이때 웨이퍼는 730℃의 피크 온도에 도달한다. 본 발명의 방법에서 사용되는 것과 동일한 유형의 후면 패시베이션 층을 갖는 규소 웨이퍼를 사용하여 샘플을 제조하는 것이 바람직하다. 소성된 웨이퍼를, 평행한 라인들이 서로 닿지 않으며 6개 이상의 라인들이 포함된 8 mm × 42 mm 길이 스트립들로 레이저 커팅한다. 이어서, 스트립들을 암흑 속에서 20℃에서 통상적인 TLM 측정으로 행한다. TLM 측정은 지피 솔라(GP Solar)로부터의 장치 GP 4-테스트 프로(Test Pro)를 사용하여 수행할 수 있다.
PERC 규소 태양 전지는 당업자에게 잘 알려져 있으며; 예를 들어, 문헌[P. Choulat et al., "Above 17 % industrial type PERC Solar Cell on thin Multi-Crystalline Silicon Substrate", 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy]을 참조한다. PERC 규소 태양 전지는 특정 유형의 통상적인 규소 태양 전지를 나타내며; 그의 전면 및 그의 후면 상에 유전체 패시베이션 층을 갖는 것에 의해 구별된다. 전면 상의 패시베이션 층은, 규소 태양 전지에 대해 통상적인 바와 같이, ARC 층으로서 역할을 한다. 후면 상의 유전체 패시베이션 층은 천공되며; 전하 담체 수명을 연장시키는 역할을 하고, 그 결과로 광 변환 효율을 개선한다.
통상적인 규소 태양 전지의 제조와 유사하게, 전형적으로 PERC 규소 태양 전지의 제조는 인 (P) 등의 열 확산에 의해 역 전도도(reverse conductivity) 유형의 n형 확산층 (n형 이미터)이 형성되어 있는 규소 웨이퍼 형태의 p형 규소 기재를 사용하여 시작한다. 오염화인 (POCl3)이 기체 인 확산 공급원으로서 일반적으로 사용되며, 다른 액체 공급원은 인산 등이다. 어떤 특정한 수정이 없는 경우, n형 확산층은 규소 기재의 전체 표면에 걸쳐 형성된다. p형 도펀트의 농도가 n형 도펀트의 농도와 같아지는 곳에서 p-n 접합부가 형성된다. 태양측 면 가까이에 p-n 접합부를 갖는 전지는 0.05 내지 0.5 ㎛의 접합부 깊이를 갖는다.
이러한 확산층의 형성 후에, 플루오르화 수소산과 같은 산에 의한 에칭에 의해 나머지 표면들로부터 과도한 표면 유리가 제거된다.
다음으로, 예를 들어, TiOx, SiOx, TiOx/SiOx, SiNx 또는, 특히 SiNx/SiOx의 유전체 스택(stack)의 유전체 층이 전면 n형 확산층 상에 형성된다. PERC 규소 태양 전지의 특유한 특징으로서, 유전체가 또한 규소 웨이퍼의 후면 상에, 예를 들어, 0.05 내지 0.1 ㎛의 두께로 침착된다. 유전체의 침착은, 예를 들어, 수소 존재 하의 플라즈마 CVD (화학 증착) 또는 스퍼터링과 같은 공정을 사용하여 수행될 수 있다. 그러한 층은 PERC 규소 태양 전지의 전면에 대해 ARC 층 및 패시베이션 층 둘 모두로서 역할을 하며, 후면에 대해 유전체 패시베이션 층으로서 역할을 한다. 이어서, PERC 규소 태양 전지의 후면 상의 패시베이션 층을 천공한다. 천공들은 전형적으로 산 에칭 또는 레이저 드릴링(laser drilling)에 의해 생성되며, 그렇게 생성된 구멍들은, 예를 들어, 직경이 50 내지 300 ㎛이다. 그 깊이는 패시베이션 층 두께에 상응하거나, 또는 심지어 층 두께를 다소 초과한다. 천공들의 개수는, 예를 들어, 제곱센티미터당 100 내지 500개의 범위이다.
p형 베이스 및 전면 n형 이미터를 갖는 통상적인 태양 전지 구조물과 마찬가지로, PERC 규소 태양 전지는 전형적으로 그의 전면 상에 음극을 가지고 그의 후면 상에 양극을 갖는다. 전형적으로, 음극은, 전면 은 페이스트 (전면 전극 형성 은 페이스트)를 전지의 전면 상의 ARC 층 상에 스크린 인쇄하고 건조함으로써, 그리드로서 도포된다. 전면 그리드 전극은 전형적으로, 가느다란 평행 핑거 라인들 (컬렉터(collector) 라인들) 및 핑거 라인들을 직각으로 교차하는 2개의 버스바(busbar)들을 포함하는 소위 H 패턴으로 스크린 인쇄된다. 또한, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트 및 알루미늄 페이스트가 p형 규소 기재의 후면 상의 천공 패시베이션 층 상에 도포되고, 전형적으로는 스크린 인쇄되고, 후속적으로 건조된다. 통상, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트는 후면 천공 패시베이션 층 상에 우선 도포되어, 예를 들어, 상호 접속 스트링들 (사전 납땜된 구리 리본들)을 납땜하기 위해 준비된 직사각형부들 또는 탭(tab)들로서 또는 2개의 평행 버스바들로서 애노드성 후면 접점을 형성한다. 이어서, 알루미늄 페이스트가 후면 은 또는 은/알루미늄 위에 다소 중첩된 상태로 노출 영역(bare area)에 도포된다. 일부 경우에, 알루미늄 페이스트가 도포된 후에 은 또는 은/알루미늄 페이스트가 도포된다. 이어서, 전형적으로 1 내지 5분의 기간 동안 벨트 소성로(belt furnace) 내에서 소성이 수행되는데, 이때 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달한다. 전면 전극 및 후면 전극은 순차적으로 소성되거나 동시-소성(cofiring)될 수 있다.
알루미늄 페이스트는 일반적으로 규소 웨이퍼의 후면 상의 천공 유전체 패시베이션 층 상에 스크린 인쇄되고 건조된다. 웨이퍼는 알루미늄의 용융점을 초과하는 온도에서 소성되어, 알루미늄과 규소 사이의 국부 접점들에서, 즉 유전체 패시베이션 층에 의해 덮이지 않은 규소 웨이퍼의 후방-표면의 그러한 부분들에서, 또는 다시 말해, 천공들의 위치에서 알루미늄-규소 용융물을 형성한다. 그렇게 형성된 국부 p+ 접점은 일반적으로 국부 BSF (back surface field; 후면 전계) 접점으로 불린다. 알루미늄 페이스트는 건조된 상태로부터 소성에 의해 알루미늄 후면 전극으로 변형되는 반면, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트는 소성 시에 은 또는 은/알루미늄 후면 전극으로 된다. 전형적으로, 알루미늄 페이스트 및 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트는 동시-소성되지만, 순차적 소성이 또한 가능하다. 소성 동안, 후면 알루미늄과 후면 은 또는 은/알루미늄 사이의 경계는 합금 상태를 나타내고, 마찬가지로 전기적으로 접속된다. 알루미늄 전극이 후면 전극의 대부분의 영역을 차지한다. 은 또는 은/알루미늄 후면 전극은 사전 납땜된 구리 리본 등에 의해 태양 전지들을 상호 접속시키기 위한 애노드로서 후면의 일부에 걸쳐 형성된다. 추가적으로, 전면 캐소드로서 인쇄된 전면 은 페이스트는 소성 동안 ARC 층을 에칭하고 그를 통해 침투하며, 그에 의해 n형 층과 전기적으로 접촉할 수 있다. 이러한 유형의 공정은 일반적으로 "관통 소성"이라 불린다.
PERC 규소 태양 전지의 후면 전극의 다소 변형된 제조 방법이 또한 알려져 있다. 여기서, 알루미늄 전극은 후면 전극의 전체 영역을 차지하며, 은 또는 은/알루미늄 후면 전극은 국부 BSF 접점들을 접속시키는 은 후면 전극 패턴의 형태를 취한다. 이는, 알루미늄 페이스트가 완전 평면(full plane)으로 도포되고 소성되어 국부 BSF 접점들을 형성하고, 은 또는 은/알루미늄 후면 전극이 국부 BSF 접점들을 접속시키는 은 또는 은/알루미늄 후면 전극 패턴의 형태를 취하도록 도포됨을 의미한다. "은 또는 은/알루미늄 후면 전극 패턴"은 모든 국부 BSF 접점들을 접속시키는 미세 라인(fine line)들의 패턴으로서의 은 또는 은/알루미늄 후면 애노드의 배열을 의미할 것이다. 예에는 모든 국부 BSF 접점들을 접속시키는, 평행하나 접속된 미세 라인들의 배열, 또는 모든 국부 BSF 접점들을 접속시키는 미세 라인들의 그리드가 포함된다. 그러한 그리드의 경우에, 그리드는 필수적이지는 않으나 전형적으로 체크무늬 그리드이다. 요점은 은 후면 전극 패턴이 모든 국부 BSF 접점들을 접속시키는 패턴이며 따라서 모든 국부 BSF 접점들의 전기적 접속을 또한 보증한다는 것이다. 은 후면 전극 패턴은, 예를 들어, 사전 납땜된 구리 리본들과 같은 상호 접속 스트링들을 납땜하기 위해 준비된 하나 이상의 애노드성 후면 접점들과 전기적으로 접촉한다. 애노드성 후면 접점(들)은, 예를 들어, 하나 이상의 버스바, 직사각형부 또는 탭의 형태를 취할 수 있다. 애노드성 후면 접점(들) 그 자체는 은 후면 전극 패턴의 일부를 형성할 수 있으며 미세 라인들과 함께 동시에 도포될 수 있다. 애노드성 후면 접점들을 개별적으로, 즉 모든 국부 BSF 접점들을 접속시키는 미세 라인들의 도포 전 또는 후에, 도포하는 것이 또한 가능하다.
LFC-PERC 규소 태양 전지는 PERC 규소 태양 전지의 특정 실시 형태를 나타낸다. 여기서, 국부 BSF 접점들은 레이저 소성에 의해 만들어지며; 따라서, 그러한 PERC 규소 태양 전지는 LFC-PERC (레이저-소성 접촉 PERC) 규소 태양 전지라고 불린다. 여기서, 전면 ARC 층 및 후면 패시베이션 층이 제공된 규소 웨이퍼는 전술한 산 에칭 또는 레이저 드릴링 단계를 거치지 않는다. 오히려, 알루미늄 페이스트가 비천공 후면 패시베이션 층 상에 도포되고, 후면 패시베이션 층 아래의 규소 표면과 접촉하지 않는 상태로 소성된다. 단지 그 후에 레이저 소성 단계가 수행되는데, 그 동안에 천공들뿐만 아니라 국부 BSF 접점들이 생성된다. 원리가, 예를 들어, 독일 특허 출원 공개 제102006046726 A1호 및 미국 특허 출원 공개 제2004/097062 A1호에 개시되어 있다.
본 발명은, 각각, LFC-PERC 규소 태양 전지의 알루미늄 후면 전극의 제조 방법 및 LFC-PERC 규소 태양 전지의 제조 방법으로서,
(1) 전면 상에 ARC 층을 갖고 후면 상에 비천공 유전체 패시베이션 층을 갖는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계,
(2) 규소 웨이퍼의 후면 상의 비천공 유전체 패시베이션 층 상에 알루미늄 페이스트를 도포하고 건조하는 단계,
(3) 건조된 알루미늄 페이스트를 소성하되, 이에 의해 웨이퍼가 700 내지 900℃의 피크 온도에 도달하게 되는 단계, 및
(4) 단계 (3)으로부터 얻은 소성된 알루미늄 층 및 소성된 알루미늄 층 아래의 유전체 패시베이션 층을 레이저 소성하여, 상기 패시베이션 층에 천공들을 생성하고 국부 BSF 접점들을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 알루미늄 페이스트는 관통 소성 능력을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 가지며, 미립자 알루미늄, 유리 프릿, 유기 비히클, 및 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함하고, 상기 적어도 하나의 산화안티몬은 별개의 미립자 성분(들)으로서 및/또는 유리 프릿 성분(들)으로서 알루미늄 페이스트에 존재할 수 있는 방법들에 관한 것이다.
본 발명의 방법의 단계 (1)에서는, 전면 상에 ARC 층을 갖고 후면 상에 비천공 유전체 패시베이션 층을 갖는 규소 웨이퍼가 제공된다. 규소 웨이퍼는 규소 태양 전지의 제조에 통상적으로 사용되는 바와 같은 단결정질 또는 다결정질 규소 웨이퍼이고; 규소 웨이퍼는 p형 영역, n형 영역, 및 p-n 접합부를 갖는다. 규소 웨이퍼는 그의 전면 상에 ARC 층을 가지며 그의 후면 상에 비천공 유전체 패시베이션 층을 가지고, 두 층 모두는 예를 들어, TiOx, SiOx, TiOx/SiOx, SiNx 또는, 특히 SiNx/SiOx의 유전체 스택의 층이다. 그러한 규소 웨이퍼는 당업자에게 잘 알려져 있으며; 간결함을 위해, 명백하게 상기의 개시 내용을 참고한다. 규소 웨이퍼에는 통상적인 전면 금속화부, 즉 상기한 바와 같은 전면 은 페이스트가 이미 제공되어 있을 수 있다. 전면 금속화부의 도포는 알루미늄 후면 전극이 완성되기 전 또는 후에 수행될 수 있다.
본 발명의 방법의 단계 (2)에서는 알루미늄 페이스트가 규소 웨이퍼의 후면 상의 비천공 유전체 패시베이션 층 상에 도포된다.
알루미늄 페이스트는 관통 소성 능력을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 가지며, 미립자 알루미늄, 유리 프릿, 유기 비히클, 및 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함하고, 적어도 하나의 산화안티몬은 별개의 미립자 성분(들)으로서 및/또는 유리 프릿 성분(들)으로서 알루미늄 페이스트에 존재할 수 있다.
미립자 알루미늄은 알루미늄 또는, 예를 들어, 아연, 주석, 은 및 마그네슘과 같은 하나 이상의 다른 금속과의 알루미늄 합금일 수 있다. 알루미늄 합금의 경우, 알루미늄 함량은 예를 들어, 99.7 내지 100 중량% 미만이다. 미립자 알루미늄은 다양한 형상의 알루미늄 입자, 예를 들어, 알루미늄 박편(flake), 구형 알루미늄 분말, 결절형(nodular-shaped; 불규칙형) 알루미늄 분말 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 미립자 알루미늄은 알루미늄 분말이다. 알루미늄 분말은, 예를 들어, 4 내지 12 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다. 미립자 알루미늄은 전체 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 50 내지 80 wt.%, 또는 일 실시 형태에서, 70 내지 75 wt.%의 비율로 알루미늄 페이스트에 존재할 수 있다.
용어 "평균 입자 크기"가 본 명세서에서 사용된다. 이는 레이저 광 산란(laser light scattering)에 의해 측정되는 평균 입자 크기(평균 입자 직경, d50)를 의미할 것이다. 레이저 광 산란 측정은 입자 크기 분석기, 예를 들어, 마이크로트랙(Microtrac) S3500 기기를 사용하여 수행될 수 있다.
평균 입자 크기와 관련하여 본 명세서에서 행해지는 모든 언급은 알루미늄 페이스트 조성물에 존재하는 관련 물질들의 평균 입자 크기와 관련된다.
알루미늄 페이스트에 존재하는 미립자 알루미늄은, 예를 들어, 은 분말 또는 은 합금 분말과 같은 다른 미립자 금속(들)과 함께 있을 수 있다. 이러한 다른 미립자 금속(들)의 비율은, 미립자 알루미늄과 다른 미립자 금속(들)의 총합을 기준으로, 예를 들어, 0 내지 10 중량%이다.
알루미늄 페이스트는 유기 비히클을 포함한다. 매우 다양한 불활성 점성 물질이 유기 비히클로서 사용될 수 있다. 유기 비히클은 미립자 성분들 (미립자 알루미늄, 선택적으로 존재하는 다른 미립자 금속들, 유리 프릿, 추가로 선택적으로 존재하는 무기 미립자 성분들)이 충분한 정도의 안정성으로 분산가능한 것일 수 있다. 유기 비히클의 특성들, 특히 유동학적 특성들은 불용성 고형물들의 안정적 분산, 도포, 특히 스크린 인쇄에 적절한 점도 및 요변성(thixotropy), 규소 웨이퍼의 후면 패시베이션 층 및 페이스트 고형물들의 적절한 습윤성, 양호한 건조 속도, 및 양호한 소성 특성들을 포함하는 양호한 도포 특성들을 알루미늄 페이스트 조성물에 제공하도록 하는 것일 수 있다. 알루미늄 페이스트에 사용되는 유기 비히클은 비수성 불활성 액체일 수 있다. 유기 비히클은 유기 용매 또는 유기 용매 혼합물일 수 있으며, 일 실시 형태에서, 유기 비히클은 유기 용매(들) 중 유기 중합체(들)의 용액일 수 있다. 일 실시 형태에서, 이 목적으로 사용되는 중합체는 에틸 셀룰로오스일 수 있다. 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 중합체의 다른 예에는 에틸하이드록시에틸 셀룰로오스, 우드 로진(wood rosin), 페놀 수지 및 저급 알코올의 폴리(메트)아크릴레이트가 포함된다. 적합한 유기 용매의 예에는 에스테르 알코올 및 테르펜, 예를 들어 알파- 또는 베타-테르피네올, 또는 이들과 등유, 다이부틸프탈레이트, 다이에틸렌 글리콜 부틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트, 헥실렌 글리콜 및 고비점 알코올과 같은 다른 용매들과의 혼합물이 포함된다. 추가적으로, 후면 패시베이션 층 상에 알루미늄 페이스트를 도포한 후의 신속한 경화를 촉진하기 위한 휘발성 유기 용매가 유기 비히클에 포함될 수 있다. 원하는 점도 및 휘발성 요건을 달성하기 위해 이들 및 기타 용매들의 다양한 조합들이 조제될 수 있다.
알루미늄 페이스트 내의 유기 비히클 함량은 페이스트를 도포하는 방법 및 사용되는 유기 비히클의 종류에 따라 좌우될 수 있으며, 함량은 달라질 수 있다. 일 실시 형태에서, 함량은 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 20 내지 45 wt.%일 수 있거나, 또는 일 실시 형태에서, 22 내지 35 wt.%의 범위일 수 있다. 20 내지 45 wt.%의 수치는 유기 용매(들), 가능한 유기 중합체(들) 및 가능한 유기 첨가제(들)를 포함한다.
알루미늄 페이스트 중의 유기 용매 함량은 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 5 내지 25 wt.%, 또는 일 실시 형태에서, 10 내지 20 wt.%의 범위일 수 있다.
유기 중합체(들)는 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0 내지 20 wt.%, 또는 일 실시 형태에서, 5 내지 10 wt.% 범위의 비율로 유기 비히클에 존재할 수 있다.
알루미늄 페이스트는 무기 결합제로서 유리 프릿 (하나의 유리 프릿 또는 하나를 초과하는 유리 프릿들의 조합)을 포함한다. 알루미늄 페이스트 중의 유리 프릿의 총 함량은, 예를 들어, 0.25 내지 8 wt.%, 또는, 일 실시 형태에서, 0.8 내지 3.5 wt.%이다.
유리 프릿의 평균 입자 크기는, 예를 들어, 0.5 내지 4 ㎛의 범위일 수 있다.
유리 프릿은 연화점 온도가, 예를 들어, 350 내지 600℃의 범위이다.
용어 "연화점 온도"가 본 명세서에서 사용된다. 상기 용어는, 10 K/min의 가열 속도에서 시차 열 분석(DTA)에 의해 결정되는 유리 전이 온도를 의미할 것이다.
유리 프릿, 및 알루미늄 페이스트 내의 그의 비율은 알루미늄 페이스트가 관통 소성 능력을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 갖도록 선택된다.
알루미늄 페이스트에 사용될 수 있는 유리 프릿의 일례는, 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고, 53 내지 57 wt.%의 PbO, 25 내지 29 wt.%의 SiO2, 2 내지 6 wt.%의 Al2O3 및 6 내지 9 wt.%의 B2O3을 함유하는 유연 유리 프릿이다. PbO, SiO2, Al2O3 및 B2O3의 중량 백분율은 총 100 wt.%일 수 있거나 또는 아닐 수 있다. 총 100 wt.%가 아닌 경우에, 부족한 wt.%는, 특히 하나 이상의 다른 산화물, 예를 들어, Na2O와 같은 알칼리 금속 산화물, MgO와 같은 알칼리토 금속 산화물, 및 TiO2 및 ZnO와 같은 금속 산화물에 의해 주어질 수 있다.
알루미늄 페이스트에 사용될 수 있는 무연 유리 프릿의 일례는, 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고, 11 내지 33 wt.%의 SiO2, 0 초과 내지 7 wt.%, 특히 5 내지 6 wt.%의 Al2O3 및 2 내지 10 wt.%의 B2O3을 함유하는 유리 프릿이다. SiO2, Al2O3 및 B2O3의 중량 백분율은 총 100 wt.%가 되지 않으며, 부족한 wt.%는, 특히 하나 이상의 다른 산화물, 예를 들어, Na2O와 같은 알칼리 금속 산화물, MgO와 같은 알칼리토 금속 산화물, 및 Bi2O3, TiO2 및 ZnO와 같은 금속 산화물에 의해 주어진다. 무연 유리 프릿은 40 내지 73 wt.%, 특히 48 내지 73 wt.%의 Bi2O3을 함유할 수 있다. Bi2O3, SiO2, Al2O3 및 B2O3의 중량 백분율은 총 100 wt.%일 수 있거나 또는 아닐 수 있다. 총 100 wt.%가 아닌 경우에, 부족한 wt.%는, 특히 하나 이상의 다른 산화물, 예를 들어, Na2O와 같은 알칼리 금속 산화물, MgO와 같은 알칼리토 금속 산화물, 및 TiO2 및 ZnO와 같은 금속 산화물에 의해 주어질 수 있다.
알루미늄 페이스트에 사용될 수 있는 무연 유리 프릿의 다른 예는 0.5 내지 15 wt.%의 SiO2, 0.3 내지 10 wt.%의 Al2O3 및 67 내지 75 wt.%의 Bi2O3을 함유하는 유리 프릿이다. SiO2, Al2O3 및 Bi2O3의 중량 백분율은 총 100 wt.%일 수 있거나 또는 아닐 수 있다. 총 100 wt.%가 아닌 경우에, 부족한 wt.%는, 특히 하나 이상의 다른 성분, 예를 들어, B2O3, ZnO, BaO, ZrO2, P2O5, SnO2 및/또는 BiF3에 의해 주어질 수 있다. 일 실시 형태에서, 무연 유리 프릿은 0.5 내지 15 wt.%의 SiO2, 0.3 내지 10 wt.%의 Al2O3, 67 내지 75 wt.%의 Bi2O3 및 하기 중 적어도 하나를 포함한다: 0 초과 내지 12 wt.%의 B2O3, 0 초과 내지 16 wt.%의 ZnO, 0 초과 내지 6 wt.%의 BaO. 알루미늄 페이스트에 사용될 수 있는 무연 유리 프릿의 특정 조성이 표 1에 나타나있다. 이 표는, 유리 프릿의 총 중량을 기준으로, 유리 프릿 A 내지 유리 프릿 N 중의 다양한 성분들의 wt.%를 나타낸다.
유리 프릿의 제조는 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 유리의 성분들을, 특히 성분들의 산화물들의 형태로, 함께 용융시키는 것으로 이루어진다. 배치 성분(batch ingredient)은 물론 보통의 프릿 제조 조건 하에서 원하는 산화물을 산출하게 될 어떤 화합물이라도 될 수 있다. 예를 들어, 산화붕소는 붕산으로부터 얻어질 수 있고, 산화바륨은 탄산바륨으로부터 생성될 수 있는 것 등이다. 본 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 가열은, 예를 들어, 1050 내지 1250℃ 범위의 피크 온도까지, 그리고 용융물이 전체적으로 액체로 되고 균일하게 되는 시간 동안, 전형적으로, 0.5 내지 1.5시간 동안 수행될 수 있다. 용융된 조성물을 물에 부어서 프릿을 형성한다.
프릿의 입자 크기를 감소시키고 실질적으로 균일한 크기의 프릿을 얻기 위해, 유리를 볼밀(ball mill)에서 물 또는 불활성 저점도 저비점 유기 액체를 사용하여 밀링할 수 있다. 이어서, 이를 물 또는 상기 유기 액체 중에서 침강시켜 미세분(fines)을 분리할 수 있고, 미세분을 함유하는 상청액(supernatant fluid)을 제거할 수 있다. 다른 분류 방법들도 역시 사용될 수 있다.
알루미늄 페이스트는 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함한다. 적어도 하나의 산화안티몬은 유리 프릿 성분(들)으로서 및/또는 별개의 미립자 성분(들)으로서 알루미늄 페이스트에 존재하며, 별개의 미립자 성분(들)의 형태로 존재하는 것이 바람직하다. 적합한 산화안티몬의 예에는 Sb2O3 및 Sb2O5가 포함되며, 여기서 Sb2O3이 바람직한 산화안티몬이다.
알루미늄 페이스트는 내화성 무기 화합물 및/또는 금속-유기 화합물을 포함할 수 있다. "내화성 무기 화합물"은, 소성 동안 거치는 열 조건을 견뎌내는, 적어도 하나의 산화안티몬 이외의 무기 화합물을 지칭한다. 예를 들어, 이들은 소성 동안 거치는 온도를 초과하는 용융점을 갖는다. 예에는 적어도 하나의 산화안티몬 이외의 고체 무기 산화물, 예를 들어, 비결정질 이산화규소가 포함된다. 금속-유기 화합물의 예에는 주석-유기 화합물 및 아연-유기 화합물, 예를 들어, 아연 네오데카노에이트 및 주석(II) 2-에틸헥사노에이트가 포함된다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 페이스트에는 적어도 하나의 산화안티몬 이외의 고체 무기 산화물이 부재하며, 소성 시에 적어도 하나의 산화안티몬 이외의 고체 무기 산화물을 생성할 수 있는 화합물이 부재한다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 페이스트에는 어떠한 내화성 무기 화합물 및/또는 금속-유기 화합물도 부재한다.
알루미늄 페이스트는 하나 이상의 유기 첨가제, 예를 들어, 계면활성제, 증점제, 유동성 변경제(rheology modifier) 및 안정제를 포함할 수 있다. 유기 첨가제(들)는 유기 비히클의 일부일 수 있다. 그러나, 알루미늄 페이스트를 제조할 때 유기 첨가제(들)를 별도로 첨가하는 것이 또한 가능하다. 유기 첨가제(들)는, 예를 들어, 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0 내지 10 wt.%의 총 비율로 알루미늄 페이스트에 존재할 수 있다.
알루미늄 페이스트는, 미립자 알루미늄 및 유리 프릿을 유기 비히클과 기계적으로 혼합하여 제조될 수 있는 점성 조성물이다. 일 실시 형태에서, 전통적인 롤 밀링과 동등한 분산 기술인, 파워 믹싱(power mixing)이라는 제조 방법이 사용될 수 있으며, 롤 밀링 또는 기타 혼합 기술이 또한 사용될 수 있다.
알루미늄 페이스트는 그대로 사용될 수 있거나, 또는 예를 들어, 추가의 유기 용매(들)의 첨가에 의해 희석될 수 있으며, 따라서 알루미늄 페이스트의 다른 성분들 모두의 중량 퍼센트가 감소될 수 있다.
알루미늄 페이스트는, 예를 들어, 15 내지 60 ㎛의 건조 필름 두께로 도포된다. 알루미늄 페이스트 도포 방법은 인쇄, 예를 들어, 실리콘 패드 인쇄, 또는, 일 실시 형태에서, 스크린 인쇄일 수 있다.
브룩필드(Brookfield) HBT 점도계 및 #14 스핀들을 사용하여 다용도 컵(utility cup)에 의해 10 rpm의 스핀들 속도 및 25℃에서 측정될 때, 알루미늄 페이스트의 도포 점도는 20 내지 200 Pa·s일 수 있다.
도포 후에, 알루미늄 페이스트를, 예를 들어, 1 내지 100분의 기간 동안 건조하며, 이때 규소 웨이퍼는 100 내지 300℃ 범위의 피크 온도에 도달한다. 예를 들어, 벨트, 회전식 또는 고정식 건조기, 특히 IR(적외선) 벨트 건조기를 사용하여 건조가 수행될 수 있다.
본 발명의 방법의 단계 (3)에서는, 건조된 알루미늄 페이스트가 소성되어 소성된 알루미늄 층을 형성한다. 단계 (3)의 소성은, 예를 들어, 1 내지 5분의 기간 동안 수행될 수 있으며, 이때 규소 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달한다. 예를 들어, 소성은 단일 또는 다중-구역 벨트 소성로, 특히 다중-구역 IR 벨트 소성로를 사용하여 수행될 수 있다. 소성은 불활성 기체 분위기에서 또는 산소의 존재 하에서, 예를 들어 공기의 존재 하에서 일어날 수 있다. 소성 동안에는, 건조 동안 증발되지 않은 유기 부분 및 비휘발성 유기 물질을 포함하는 유기 물질이 제거, 즉 연소 및/또는 탄화, 특히 연소될 수 있다. 소성 동안 제거되는 유기 물질에는 유기 용매(들), 선택적으로 존재하는 유기 중합체(들), 선택적으로 존재하는 유기 첨가제(들), 및 선택적으로 존재하는 금속-유기 화합물의 유기 부분(moiety)이 포함된다. 소성 동안, 추가의 공정, 즉 유리 프릿과 미립자 알루미늄의 소결이 일어난다. 소성 동안 알루미늄 페이스트는 후면 비천공 유전체 패시베이션 층을 관통 소성하지 않으며, 즉 패시베이션 층은 적어도 본질적으로, 소성된 알루미늄 페이스트와 규소 기재 사이에 남아 있다.
소성은, LFC-PERC 태양 전지 규소 웨이퍼에 도포되어 있는 다른 금속 페이스트들, 즉 소성 공정 동안에 웨이퍼의 표면 상에 전면 및/또는 후면 전극들을 형성하기 위해 도포되어 있는 전면 및/또는 후면 금속 페이스트들과 함께 소위 동시-소성으로서 수행될 수 있다. 일 실시 형태는 전면 은 페이스트들과 후면 은 또는 후면 은/알루미늄 페이스트들을 포함한다.
본 발명의 방법의 단계 (4)에서는, 후면 유전체 패시베이션 층에 천공들이 제공되고 국부 BSF 접점들이 형성된다. 천공들은, 예를 들어, 직경이 50 내지 300 ㎛이고, 그 개수가, 예를 들어, 제곱센티미터당 100 내지 500개의 범위이다. 레이저 소성은 알루미늄의 용융점을 초과하는 온도를 생성하여, 천공들에서 알루미늄-규소 용융물을 형성하며, 이는 단계 (3)으로부터 얻어진 소성된 알루미늄 층과 전기적으로 접촉하는 국부 BSF 접점들의 형성을 야기한다. 국부 BSF 접점들이 소성된 알루미늄 층과 전기적으로 접촉한 결과로서, 소성된 알루미늄 층은 알루미늄 후면 애노드가 된다.
실시예
실시예 1 (태양 전지 시험 샘플의 제조 및 그의 알루미늄 후방 표면 결함의 결정)
(i) 알루미늄 페이스트 1:
본 알루미늄 페이스트는 73 wt.%의 공기-무화된(air-atomized) 알루미늄 분말 (d50 = 10 ㎛), 25.952 wt.%의, 중합체 수지들과 유기 용매들의 유기 비히클, 1 wt.%의 유리 프릿 및 0.048 wt.%의 미립자 Sb2O3을 포함하였다. 유리 프릿 조성은 11.88 wt.% SiO2, 6.19 wt.% Al2O3, 9.72 wt.% B2O3, 및 72.21 wt.% Bi2O3이었다.
(ii) 시험 샘플의 형성:
전면 상의 SiNx ARC, 및 비천공 150 ㎚ 두께 Al2O3/SiNx 후면 유전체 스택을 가지며, n형 확산 POCl3 이미터가 구비된 243.36 ㎠ 면적 및 180 ㎛ 두께의 p형 다결정질 규소 웨이퍼에서, 후방 표면 상에 완전 평면의 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄하였다. 알루미늄 페이스트의 건조 필름 두께는 30 ㎛였다.
이어서, 인쇄된 웨이퍼를, 데스패치(Despatch)에 의해 공급되는 6-구역 적외선 소성로 (6-zone infrared furnace)에서 소성하였다. 580 ㎝/min의 벨트 속도를 사용하였으며, 구역 온도는 구역 1 = 500℃, 구역 2 = 525℃, 구역 3 = 550℃, 구역 4 = 600℃, 구역 5 = 900℃, 그리고 865℃로 설정된 최종 구역으로 정의되었다. 데이터팩(DataPaq) 열 데이터 기록기(logger)를 사용하면, 피크 웨이퍼 온도가 730℃에 도달한 것으로 나타났다.
소성된 웨이퍼를 후속적으로 레이저 스크라이빙(laser scribing)하고 10 mm × 20 mm 샘플로 파단시켰다. 레이저 스크라이빙은 옵텍(Optek)에 의해 공급되는 1064 ㎚ 적외선 레이저를 사용하여 수행하였다.
(iii) 알루미늄 후방 표면 결함의 개수의 결정:
종이 시트를 사용하여 부드럽게 긁어냄으로써 (존재하는 경우) 결함들을 제거하여, 각각의 10 mm × 20 mm 샘플의 소성된 알루미늄 후방 표면의 표면 결함 (볼, 비드, 및 스파이크)의 개수를 결정하였다. 결함들을 백색 종이 시트 상에 수집하고, 이어서, 수집된 입자들을, 광학 현미경을 100배 배율에서 사용하고 역광 조명을 사용하여 계수하였다.
표면 결함의 평균 개수는 제곱센티미터당 0개인 것으로 나타났다.
비교예 2
(i) 비교용 알루미늄 페이스트 2:
비교용 알루미늄 페이스트 2는, 25.952 wt.% 대신에 26 wt.%의 유기 비히클을 함유하였고 미립자 Sb2O3이 부재한 점을 제외하고는, 알루미늄 페이스트 1과 동일한 조성을 가졌다.
(ii) 시험 샘플의 형성:
실시예 1의 경우와 동일한 방식으로 시험 샘플을 형성하였다.
(iii) 알루미늄 후방 표면 결함의 개수의 결정:
실시예 1의 경우와 동일한 방식으로 각각의 샘플의 알루미늄 후방 표면 결함의 개수를 결정하였다.
표면 결함의 평균 개수는 제곱센티미터당 72개였다.
실시예 1과 비교예 2를 비교하면, 실시예 1에서 얻어진 전지는, 결함이 없는 소성된 알루미늄 후방 표면을 레이저 소성하여 Al2O3/SiNx 후면 유전체 스택에 천공들을 제공하고 국부 BSF 접점들을 형성함으로써 LFC-PERC 전지로 변환시키기 위한 완벽한 기재를 제공하는 반면에, 비교예 2의 경우에는 그렇지 않은 것으로 밝혀졌다.
Claims (9)
- LFC-PERC (laser-fired contact - passivated emitter and rear contact) 규소 태양 전지의 제조 방법으로서,
(1) 전면 상에 ARC (antireflective coating) 층을 갖고 후면 상에 비천공(non-perforated) 유전체 패시베이션 층을 갖는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계,
(2) 규소 웨이퍼의 후면 상의 비천공 유전체 패시베이션 층 상에 알루미늄 페이스트를 도포하고 건조하는 단계,
(3) 건조된 알루미늄 페이스트를 소성하여, 웨이퍼가 700 내지 900℃의 피크 온도에 도달하게 하는 단계, 및
(4) 단계 (3)으로부터 얻은 소성된 알루미늄 층 및 상기 소성된 알루미늄 층 아래의 유전체 패시베이션 층을 레이저 소성하여, 상기 패시베이션 층에 천공들을 생성하고 국부 BSF (back surface field) 접점들을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 알루미늄 페이스트는 관통 소성 능력(fire-through capability)을 갖지 않거나 단지 불량한 관통 소성 능력을 가지며, 미립자 알루미늄, 유리 프릿, 유기 비히클, 및 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 0.01 내지 0.05 wt.% 미만의 적어도 하나의 산화안티몬을 포함하고, 상기 적어도 하나의 산화안티몬은 별개의 미립자 성분(들)으로서 및/또는 유리 프릿 성분(들)으로서 알루미늄 페이스트에 존재하는 방법. - 제1항에 있어서, 미립자 알루미늄은 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 50 내지 80 wt.%의 비율로 존재하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 유기 비히클 함량은 총 알루미늄 페이스트 조성물을 기준으로 20 내지 45 wt.%인 방법.
- 제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서, 알루미늄 페이스트 중 유리 프릿의 총 함량은 0.25 내지 8 wt.%인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 프릿은, 연화점 온도가 571 내지 636℃의 범위이고 53 내지 57 wt.%의 PbO, 25 내지 29 wt.%의 SiO2, 2 내지 6 wt.%의 Al2O3 및 6 내지 9 wt.%의 B2O3을 함유하는 유연(lead-containing) 유리 프릿들, 연화점 온도가 550 내지 611℃의 범위이고 11 내지 33 wt.%의 SiO2, 0 초과 내지 7 wt.%의 Al2O3 및 2 내지 10 wt.%의 B2O3을 함유하는 무연(lead-free) 유리 프릿들, 0.5 내지 15 wt.%의 SiO2, 0.3 내지 10 wt.%의 Al2O3 및 67 내지 75 wt.%의 Bi2O3을 함유하는 무연 유리 프릿들, 및 상기 유리 프릿들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 산화안티몬은 Sb2O3인 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 페이스트는 인쇄에 의해 도포되는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 소성은 LFC-PERC 태양 전지 규소 웨이퍼에 도포되어 있는 다른 금속 페이스트들과 함께 동시-소성(cofiring)으로서 수행되는 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 LFC-PERC 규소 태양 전지.
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