KR20150036260A - 패시베이션층 형성용 조성물, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법, 태양 전지 소자, 태양 전지 소자의 제조 방법 및 태양 전지 - Google Patents
패시베이션층 형성용 조성물, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법, 태양 전지 소자, 태양 전지 소자의 제조 방법 및 태양 전지 Download PDFInfo
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Abstract
Description
본 발명은, 패시베이션층 형성용 조성물, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법, 태양 전지 소자, 태양 전지 소자의 제조 방법 및 태양 전지에 관한 것이다
종래의 실리콘 태양 전지 소자의 제조 공정에 대하여 설명한다.
먼저, 광 가둠 효과를 촉구하여 고효율화를 도모할 수 있도록, 수광면 측에 텍스처 구조를 형성한 p형 실리콘 기판을 준비하고, 이어서, 옥시 염화 인(POCl3), 질소 및 산소의 혼합 가스 분위기에 있어서 800℃∼900℃에서 수십 분의 처리를 행하여 n형 확산층을 균이하게 형성한다. 이 종래의 방법에서는, 혼합 가스를 사용하여 인의 확산을 행하므로, 수광면인 표면뿐만아니라, 측면 및 이면(裏面)에도 n형 확산층이 형성된다. 그러므로, 측면에 형성된 n형 확산층을 제거하기 위한 사이드 에칭을 행하고 있다. 또한, 이면에 형성된 n형 확산층은 p+형 확산층으로 변환할 필요가 있다. 그러므로, 이면 전체에 알루미늄 페이스트를 도포하고, 이것을 열처리(소성(燒成))하여 알루미늄 전극을 형성함으로써, n형 확산층을 p+형 확산층으로 형성하고, 또한 오믹(ohmic) 컨택트를 얻고 있다.
그러나, 알루미늄 페이스트로부터 형성되는 알루미늄 전극은 도전율이 낮다. 그러므로, 시트 저항을 낮추기 위하여, 통상 이면 전체면에 형성된 알루미늄 전극은 열처리(소성) 후에 있어서 10㎛∼20㎛ 정도의 두께를 가지고 있지 않으면 안된다. 또한, 실리콘과 알루미늄은 열팽창율이 크게 다르므로, 알루미늄 전극이 형성된 실리콘 기판에 있어서, 열처리(소성) 및 냉각의 과정에서, 실리콘 기판 중에 큰 내부 응력이 발생하여, 결정립계(結晶粒界)로의 손상, 결정 결함의 증대 및 휨의 원인으로 된다.
이 문제점을 해결하기 위하여, 알루미늄 페이스트의 도포량을 줄여, 이면 전극층의 두께를 얇게 하는 방법이 있다. 그러나, 알루미늄 페이스트의 도포량을 감소시키면, p형 실리콘 반도체 기판의 표면으로부터 내부에 확산시키는 알루미늄의 양이 불충분해진다. 그 결과, 원하는 BSF(Back Surface Field) 효과 (p+형 확산층의 존재에 의해 생성 캐리어(carrier)의 수집 효율이 향상되는 효과)를 달성할 수 없기 때문에, 태양 전지의 특성이 저하되는 문제가 생긴다.
전술한 것과 관련하여, 알루미늄 페이스트를 실리콘 기판 표면의 일부에 부여하여 부분적으로 p+형 확산층과 알루미늄 전극을 형성하는 포인트 콘택트의 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 제3107287호 공보 참조).
이와 같은 수광면과는 반대의 면(이하, 「이면」이라고도 함)에 포인트 콘택트 구조를 가지는 태양 전지의 경우, 알루미늄 전극 이외의 부분의 표면에 있어서, 소수(小數) 캐리어의 재결합 속도를 억제할 필요가 있다. 이를 위한 이면용의 패시베이션층로서, SiO2 막 등이 제안되어 있다(예를 들면, 일본공개특허 제2004-6565호 공보 참조). 이와 같은 SiO2 막을 형성하는 것에 의한 패시베이션 효과로서는, 실리콘 기판의 이면 표층부에서의 규소 원자의 미결합 손을 종단(終端)시켜, 재결합의 원인으로 되는 표면 준위 밀도를 저감시키는 효과가 있다.
또한, 소수 캐리어의 재결합을 억제하는 다른 방법으로서, 패시베이션층 내의 고정 전하가 발생하는 전계에 의해 소수 캐리어 밀도를 저감시키는 방법이 있다. 이와 같은 패시베이션 효과는 일반적으로 전계 효과라고 하며, 음의 고정 전하를 가지는 재료로서 산화 알루미늄(Al2O3) 층 등이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 제4767110호 공보 참조).
이와 같은 패시베이션층은, 일반적으로는 ALD(Atomic Layer Deposition)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등의 방법으로 형성된다(예를 들면, Journal of Applied Physics, 104(2008), 113703-1∼113703-7 참조). 또한 반도체 기판 상에 산화 알루미늄층을 형성하는 간편한 방법으로서, 졸겔법에 의한 방법이 제안되어 있다(예를 들면, Thin Solid Films, 517(2009), 6327-6330, 및 Chinese Physics Letters, 26(2009), 088102-1∼088102-4 참조).
Journal of Applied Physics, 104(2008), 113703-1∼113703-7
Thin Solid Films, 517(2009), 6327-6330
Chinese Physics Letters, 26(2009), 088102-1∼088102-4
Journal of Applied Physics, 104(2008), 113703-1∼113703-7에 기재된 방법은, 증착 등의 복잡한 제조 공정을 포함하므로, 생산성을 향상시키는 것이 곤란한 경우가 있다. 또한 Thin Solid Films, 517(2009), 6327-6330, 및Chinese Physics Letters, 26(2009), 088102-1∼088102-4에 기재된 방법에 사용하는 패시베이션층 형성용 조성물에서는, 경시적(經時的)으로 겔화 등의 문제점이 발생하므로 보존 안정성이 충분하다고는 말하기 어렵다.
이들 문제점을 해결하기 위하여, 발명자 등은 에틸 셀룰로오스 등의 바인더 수지를 포함하는 특정한 패시베이션층 형성용 조성물을 개발하고 있다. 이 특정한 패시베이션층 형성용 조성물은, 반도체 기판에 부여할 때의 인쇄성의 향상 효과가 있다.
그러나, 이 특정한 패시베이션층 형성용 조성물은, 열처리(소성)하여 패시베이션층을 형성하는 경우에, 바인더 수지분을 열처리(소성)하여 탈지할(바인더 수지분을 제거할) 필요가 있으므로, 열처리(소성)에 장시간이 필요하며, 또는 고온에서의 열처리(소성)가 필요하다.
또한, 바인더 수지를 함유하는 특정한 패시베이션층 형성용 조성물을 사용한 경우, 열처리(소성) 후에 탄소 성분을 포함하는 흑색의 잔사(殘渣)가 발생하여, 열처리(소성) 후에 잔사를 제거하기 위한 처리가 필요하게 되므로, 생산성을 향상시키는 것이 곤란한 경향이 있다. 또한, 바인더 수지를 함유하는 특정한 패시베이션층 형성용 조성물을 사용하는 경우, 형성된 패시베이션층 중에 보이드(void)가 발생하거나, 패시베이션층이 불균일하게 형성되는 경향이 있으므로, 전계 효과에 의한 패시베이션 효과가 충분하다고는 말하기 어렵다.
본 발명은, 이상의 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 간편한 방법으로 원하는 형상의 패시베이션층을 형성할 수 있고, 흑색 잔사의 발생을 억제하여, 충분한 패시베이션 효과가 얻어지는 패시베이션층 형성용 조성물을 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 본 발명은 패시베이션층 형성용 조성물을 사용한 패시베이션층이 형성된 반도체 기판, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법, 태양 전지 소자, 태양 전지 소자의 제조 방법 및 태양 전지를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 구체적 수단은 하기와 같다.
<1> 하기 일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물과, 하기 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 패시베이션층 형성용 조성물.
[화학식 1]
식(I) 중, R1은 각각 독립적으로 탄소수 1∼8의 알킬기를 나타낸다. n은 0∼3의 정수를 나타낸다. X2 및 X3는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 메틸렌기를 나타낸다. R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1∼8의 알킬기를 나타낸다.
[화학식 2]
<2> 상기 일반식(I)에 있어서, R1이 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬기인 상기 <1>에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물.
<3> 상기 일반식(I)에 있어서, n이 1∼3의 정수인 상기 <1> 또는 <2>에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물.
<4> 상기 일반식(II)의 함유율이, 패시베이션층 형성용 조성물 100 질량%에 대하여, 30 질량%∼99.9 질량%인 상기 <1>∼<3> 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물.
<5> 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에 설치되는 상기 <1>∼<4> 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물인 패시베이션층을 가지는 패시베이션층이 형성된 반도체 기판.
<6> 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에, 상기 <1>∼<4> 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 공정; 및
상기 조성물층을 열처리하여, 패시베이션층을 형성하는 공정
을 포함하는, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법.
<7> p형층 및 n형층이 pn 접합되어 이루어지는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에 설치되는 상기 <1>∼<4> 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물인 패시베이션층;
상기 p형층 및 상기 n형층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 층 상에 배치되는 전극
을 포함하는 태양 전지 소자.
<8> p형층 및 n형층이 접합되어 이루어지는 pn 접합을 가지고, 상기 p형층 및 상기 n형층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 층 상에 전극을 가지는 반도체 기판의, 상기 전극을 가지는 면 중 적어도 일부에, 상기 <1> ∼<4> 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 공정; 및
상기 조성물층을 열처리하여, 패시베이션층을 형성하는 공정
을 포함하는, 태양 전지 소자의 제조 방법.
<9> 상기 <7>에 기재된 태양 전지 소자; 및
상기 태양 전지 소자의 전극 상에 배치되는 배선 재료
를 포함하는 태양 전지.
본 발명에 의하면, 간편한 방법으로 원하는 형상의 패시베이션층을 형성할 수 있고, 흑색 잔사의 발생을 억제하여, 충분한 패시베이션 효과가 얻어지는 패시베이션층 형성용 조성물을 제공할 수 있다. 또한, 이 패시베이션층 형성용 조성물을 사용하는, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법, 태양 전지 소자, 태양 전지 소자의 제조 방법 및 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 패시베이션층을 가지는 태양 전지 소자의 제조 방법의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 패시베이션층을 가지는 태양 전지 소자의 제조 방법의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 패시베이션층을 가지는 이면 전극형 태양 전지 소자를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 패시베이션층을 가지는 태양 전지 소자의 제조 방법의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 패시베이션층을 가지는 이면 전극형 태양 전지 소자를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
본 명세서에 있어서 「공정」이라는 용어는, 독립된 공정뿐만 아니라, 다른 공정과 명확하게 구별할 수 없는 경우라도 그 공정의 목적이 달성된다면, 본 용어에 포함된다. 또한 「∼」을 사용하여 나타낸 수치 범위는, 「∼」의 전후에 기재되는 수치를 각각 최소값 및 최대값으로서 포함하는 범위를 나타낸다. 또한, 조성물 중의 각 성분의 함유량은, 조성물 중에 각 성분에 해당하는 물질이 복수 존재하는 경우, 특별히 언급하지 않는 이상 조성물 중에 존재하는 상기 복수의 물질의 합계량을 의미한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「층」이라는 용어는, 평면도로서 관찰했을 때, 전체면에 형성되어 있는 형상의 구성뿐만 아니라, 일부에 형성되어 있는 형상의 구성도 포함된다.
<패시베이션층 형성용 조성물>
본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물은, 하기 일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물(이하, 「특정한 유기 알루미늄 화합물」이라고도 함)과, 하기 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물(이하, 「식(II) 화합물」이라고도 말)을 포함한다.
[화학식 3]
[화학식 4]
일반식(I) 중, R1은 각각 독립적으로 탄소수 1∼8의 알킬기를 나타낸다. n은 0∼3의 정수를 나타낸다. X2 및 X3는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 메틸렌기를 나타낸다. R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1∼8의 알킬기를 나타낸다.
특정한 유기 알루미늄 화합물과 식(II) 화합물을 포함하는 패시베이션층 형성용 조성물을, 반도체 기판에 부여하여 원하는 형상의 조성물층을 형성하고, 이것을 열처리(소성)함으로써, 우수한 패시베이션 효과를 가지는 패시베이션층을 원하는 형상으로 형성할 수 있다. 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물을 사용하는 방법은, 증착 장치 등을 필요로 하지 않는 간편하며 생산성이 높은 방법이다. 또한 마스크 처리 등의 번거로운 공정을 요하지 않고, 원하는 형상으로 패시베이션층을 형성할 수 있다. 또한 상기 패시베이션층 형성용 조성물은 특정한 유기 알루미늄 화합물을 포함함으로써, 겔화 등의 문제점의 발생이 억제되어 경시적인 보존 안정성이 우수하다. 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물은 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물을 함유하므로, 원하는 형상의 조성물층을 형성할 수 있는 한편, 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물은 가열에 의해 기화시키는 것에 의해 소실시킬 수 있으므로, 흑색 잔사의 발생이 억제된다.
본 명세서에 있어서, 반도체 기판의 패시베이션 효과는, 패시베이션층이 부여된 반도체 기판 내의 소수 캐리어의 실효 수명(lifetime)의 측정을, 일본 세미라보 가부시키가이샤에서 제조한 WT-2000PVN 등의 장치를 사용하여, 반사 마이크로파 도전 감쇠법에 의해 측정함으로써 평가할 수 있다.
여기서, 실효 수명(τ)은, 반도체 기판 내부의 벌크(bulk) 수명(τb)과 반도체 기판 표면의 표면 수명(τS)에 의해 하기 식(A)과 같이 표시된다. 반도체 기판 표면의 표면 준위 밀도가 작은 경우에는 τS가 길어지고, 그 결과 실효 수명(τ)이 길어진다. 또한, 반도체 기판 내부의 단글링 본드(dangling bond) 등의 결함이 적어져도, 벌크 수명(τb)이 길어져 실효 수명(τ)이 길어진다. 즉, 실효 수명(τ)의 측정에 의해 패시베이션층과 반도체 기판과의 계면 특성, 및 단글링 본드 등의 반도체 기판의 내부 특성을 평가할 수 있다.
1/τ=1/τb+1/τS (A)
그리고, 실효 수명(τ)이 길수록 소수 캐리어의 재결합 속도가 늦은 것을 나타낸다. 또한 실효 수명이 긴 반도체 기판을 사용하여 태양 전지 소자를 구성함으로써, 변환 효율이 향상된다.
(특정한 유기 알루미늄 화합물)
패시베이션층 형성용 조성물은, 일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물(특정한 유기 알루미늄 화합물) 중 적어도 1종을 포함한다. 특정한 유기 알루미늄 화합물은, 알루미늄 알콕시드, 알루미늄 킬레이트 등과 같은 화합물을 포함하고, 알루미늄 알콕시드 구조에 더하여 알루미늄 킬레이트 구조를 가지고 있는 것이 바람직하다. 또한, Nippon Seramikkusu Kyokai Gakujitsu Ronbunshi, 97(1989), 369-399에도 기재되어 있는 바와 같이, 유기 알루미늄 화합물은 열처리(소성)에 의해 산화 알루미늄(Al2O3)으로 된다.
패시베이션층 형성용 조성물이, 일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물을 함유함으로써, 우수한 패시베이션 효과를 가지는 패시베이션층을 형성할 수 있는 이유에 대하여, 발명자들은 하기와 같이 생각하고 있다.
특정한 유기 알루미늄 화합물을 함유하는 패시베이션층 형성용 조성물을 열처리(소성)함으로써 형성되는 산화 알루미늄은 비정질(amorphous) 상태로 되기 쉽고, 4배위 산화 알루미늄층이 반도체 기판과의 계면 부근에 생겨 큰 음(-)의 고정 전하를 가질 수 있는 것으로 생각된다. 이 큰 음의 고정 전하가 반도체 기판의 계면 부근에서 전계를 발생함으로써 소수 캐리어의 농도를 저하시킬 수 있고, 결과적으로 계면에서의 캐리어 재결합 속도가 억제되므로, 우수한 패시베이션 효과를 가지는 패시베이션층을 형성할 수 있는 것으로 여겨진다.
여기서, 반도체 기판 표면 상에서 음의 고정 전하의 원인종인 4배위 산화 알루미늄 층의 상태는, 반도체 기판의 단면(斷面)을 주사형 투과 전자 현미경(STEM, Scanning Transmission electron Microscope)에 의한 전자 에너지 손실 분광법(EELS, Electron Energy Loss Spectroscopy)의 분석에 의해 결합 양식을 조사함으로써 확인할 수 있다. 4배위 산화 알루미늄은 이산화규소(SiO2)의 중심이 규소로부터 알루미늄으로 동형 치환한 구조를 가지는 것으로 여겨지며, 제올라이트 및 점토와 같이 이산화규소와 산화 알루미늄의 계면에서 음의 전하원으로서 형성된다.
그리고, 형성된 산화 알루미늄의 전체 상태는, X선 회절 스펙트럼(XRD, X-ray diffraction)을 측정함으로써 확인할 수 있다. 예를 들면, XRD가 특정한 반사 패턴을 나타내지 않으면 비정질 구조인 것을 확인할 수 있다. 또한, 산화 알루미늄이 가지는 음의 고정 전하는, CV법(Capacitance Voltage measurement)에 의해 평가할 수 있다. 단, 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물로부터 형성된 패시베이션층의 표면 준위 밀도는, ALD법 또는 CVD법에 의해 형성되는 산화 알루미늄층의 경우와 비교하여, 큰 값으로 되는 경우가 있다. 그러나, 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물로부터 형성된 패시베이션층은, 전계 효과가 크고 소수 캐리어의 농도가 저하되고 표면 수명(τS)이 길어진다. 그러므로, 표면 준위 밀도는 상대적으로 문제되지는 않는다.
일반식(I)에 있어서, R1은, 각각 독립적으로 탄소수 1∼8의 알킬기를 나타내고, 탄소수 1∼4의 알킬기인 것이 바람직하다. R1으로 표시되는 알킬기는 직쇄형일 수도 있고 분지쇄형일 수도 있다. R1으로 표시되는 알킬기로서 구체적으로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, 헥실기, 옥틸기, 2-에틸헥실기 등을 예로 들 수 있다. 이 중에서도 R1으로 표시되는 알킬기는, 보존 안정성과 패시베이션 효과의 관점에서, 탄소수 1∼8의 무치환의 알킬기인 것이 바람직하고, 탄소수 1∼4의 무치환의 알킬기인 것이 더욱 바람직하다.
일반식(I)에 있어서, n은 0∼3의 정수를 나타낸다. n은 보존 안정성의 관점에서, 1∼3의 정수인 것이 바람직하고, 1 또는 3인 것이 더욱 바람직하다. 또한, X2 및 X3는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 메틸렌기를 나타낸다. 보존 안정성의 관점에서, X2 및 X3 중 적어도 한쪽은 산소 원자인 것이 바람직하다.
일반식(I)에서의 R2, R3 및 R4는, 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1∼8의 알킬기를 나타낸다. R2, R3 및 R4로 표시되는 알킬기는 직쇄형일 수도 있고 분지쇄형일 수도 있다. R2, R3 및 R4로 표시되는 알킬기는, 치환기를 가질 수도 있고, 무치환일 수도 있으며, 무치환인 것이 바람직하다. R2, R3 및 R4로 표시되는 알킬기로서는, 탄소수 1∼8의 알킬기이며, 탄소수 1∼4의 알킬기인 것이 바람직하다. R2, R3 및 R4로 표시되는 알킬기로서 구체적으로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, 헥실기, 옥틸기, 2-에틸헥실기 등을 예로 들 수 있다.
이 중에서도 보존 안정성과 패시베이션 효과의 관점에서, 일반식(I)에서의 R2 및 R3는 각각 독립적으로, 수소 원자 또는 탄소수 1∼8의 무치환의 알킬기인 것이 바람직하고, 수소 원자 또는 탄소수 1∼4의 무치환의 알킬기인 것이 더욱 바람직하다.
또한 일반식(I)에서의 R4는, 보존 안정성 및 패시베이션 효과의 관점에서, 수소 원자 또는 탄소수 1∼8의 무치환의 알킬기인 것이 바람직하고, 수소 원자 또는 탄소수 1∼4의 무치환의 알킬기인 것이 더욱 바람직하다.
일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물은, 보존 안정성의 관점에서는, n이 1∼3이며, R4가 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1∼4의 알킬기인 화합물인 것이 바람직하다.
일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물은, 보존 안정성과 패시베이션 효과의 관점에서는, n이 0이며, R1이 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬기인 화합물, 및 n이 1∼3이며, R1이 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬기이며, X2 및 X3 중 적어도 한쪽이 산소 원자이며, R2 및 R3가 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1∼4의 알킬기이며, R4가 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1∼4의 알킬기인 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물은, n이 0이며, R1이 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 무치환의 알킬기인 화합물, 및 n이 1∼3이며, R1이 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 무치환의 알킬기이며, X2 및 X3 중 적어도 한쪽이 산소 원자이며, 상기 산소 원자에 결합하는 R2 또는 R3가 탄소수 1∼4의 알킬기이며, X2 또는 X3가 메틸렌기인 경우, 상기 메틸렌기에 결합하는 R2 또는 R3가 수소 원자이며, R4가 수소 원자인 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이다.
일반식(I)에 있어서 n이 0인 특정한 유기 알루미늄 화합물(알루미늄트리알콕시드)로서 구체적으로는, 트리메톡시알루미늄, 트리에톡시알루미늄, 트리이소프로폭시알루미늄, 트리sec-부톡시알루미늄, 모노sec-부톡시디이소프로폭시알루미늄, 트리tert-부톡시알루미늄, 트리n-부톡시알루미늄 등을 예로 들 수 있다.
또한 일반식(I)에 있어서 n이 1∼3인 특정한 유기 알루미늄 화합물로서 구체적으로는, 알루미늄에틸아세토아세테이트디이소프로필레이트[(에틸아세토아세테이트)알루미늄디이소프로폭시드)], 트리스(에틸아세트아세타토)알루미늄 등을 예로 들 수 있다.
또한 일반식(I)에 있어서 n이 1∼3인 특정한 유기 알루미늄 화합물은, 조제한 것을 사용할 수도 있고, 시판품을 사용할 수도 있다. 시판품로서는, 예를 들면, 가와켄 파인 케미컬 가부시키가이샤의 상품명, ALCH, ALCH-50F, ALCH-75, ALCH-TR, ALCH-TR-20 등이 있다.
일반식(I)에 있어서 n이 1∼3인 특정한 유기 알루미늄 화합물은, 상기 알루미늄 트리알콕시드와 2개의 카르보닐기를 가지는 특정 구조의 화합물을 혼합함으로써 조제할 수 있다.
알루미늄 트리알콕시드와, 2개의 카르보닐기를 가지는 특정 구조의 화합물을 혼합하면, 알루미늄트리알콕시드의 알콕시드기 중 적어도 일부가 특정 구조의 화합물과 치환하여, 알루미늄 킬레이트 구조를 형성한다. 이 때 필요에 따라, 용매가 존재해도 되고, 또한 가열 처리, 촉매의 첨가 등을 행해도 된다. 알루미늄 알콕시드 구조 중 적어도 일부가 알루미늄 킬레이트 구조로 치환됨으로써, 특정한 유기 알루미늄 화합물의 가수분해 및 중합 반응에 대한 안정성이 향상되고, 패시베이션층 형성용 조성물의 보존 안정성이 보다 향상된다.
2개의 카르보닐기를 가지는 특정 구조의 화합물로서는, 보존 안정성의 관점에서, β-디케톤 화합물, β-케토에스테르 화합물, 및 말론산 디에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
β-디케톤 화합물로서 구체적으로는, 아세틸아세톤, 3-메틸-2,4-펜탄디온, 2,3-펜탄디온, 3-에틸-2,4-펜탄디온, 3-부틸-2,4-펜탄디온, 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디온, 2,6-디메틸-3,5-헵탄디온, 6-메틸-2,4-헵탄디온 등을 예로 들 수 있다.
β-케토에스테르 화합물로서 구체적으로는, 아세토아세트산 메틸, 아세토아세트산 에틸, 아세토아세트산 프로필, 아세토아세트산 이소부틸, 아세토아세트산 부틸, 아세토아세트산 tert-부틸, 아세토아세트산 펜틸, 아세토아세트산 이소펜틸, 아세토아세트산 헥실, 아세토아세트산 n-옥틸, 아세토아세트산 헵틸, 아세토아세트산 3-펜틸, 2-아세틸헵탄산 에틸, 2-부틸아세토아세트산 에틸, 4,4-디메틸-3-옥소발레르산 에틸, 4-메틸-3-옥소발레르산 에틸, 2-에틸아세토아세트산 에틸, 헥실아세토아세트산 에틸, 4-메틸-3-옥소발레르산 메틸, 아세토아세트산 이소프로필, 3-옥소헥산산 에틸, 3-옥소발레르산 에틸, 3-옥소발레르산 메틸, 3-옥소헥산산 메틸, 2-메틸아세토아세트산 에틸, 3-옥소헵탄산 에틸, 3-옥소헵탄산 메틸, 4,4-디메틸-3-옥소발레르산 메틸 등을 예로 들 수 있다.
말론산 디에스테르로서 구체적으로는, 말론산 디메틸, 말론산 디에틸, 말론산 디프로필, 말론산 디이소프로필, 말론산 디부틸, 말론산 디-tert-부틸, 말론산 디헥실, 말론산 tert-부틸에틸, 메틸말론산 디에틸, 에틸말론산 디에틸, 이소프로필말론산 디에틸, 부틸말론산 디에틸, sec-부틸말론산 디에틸, 이소부틸말론산 디에틸, 1-메틸부틸말론산 디에틸 등을 예로 들 수 있다.
특정한 유기 알루미늄 화합물이 알루미늄 킬레이트 구조를 가지는 경우, 알루미늄 킬레이트 구조의 수는 1∼3이면 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도, 보존 안정성의 관점에서, 1 또는 3인 것이 바람직하고, 용해도의 관점에서는, 1인 것이 더욱 바람직하다. 알루미늄 킬레이트 구조의 수는, 예를 들면, 알루미늄트리알콕시드와 2개의 카르보닐기를 가지는 특정 구조의 화합물을 혼합하는 비율을 적절하게 조정함으로써 제어할 수 있다. 또한 시판중인 알루미늄 킬레이트 화합물로부터 원하는 구조를 가지는 화합물을 적절하게 선택할 수도 있다.
일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물 중, 패시베이션 효과 및 필요에 따라 첨가되는 용제와의 상용성(相溶性)의 관점에서, 구체적으로는 알루미늄에틸아세토아세테이트디이소프로필레이트 및 트리이소프로폭시알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 사용하는 것이 바람직하고, 알루미늄에틸아세토아세테이트디이소프로필레이트를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
특정한 유기 알루미늄 화합물에서의 알루미늄 킬레이트 구조의 존재는, 통상 사용되는 분석 방법에 의해 확인할 수 있다. 구체적으로는, 적외 분광 스펙트럼, 핵자기 공명 스펙트럼, 융점 등을 사용하여 확인할 수 있다.
특정한 유기 알루미늄 화합물은, 액상(液狀)일 수도 있고 고체일 수도 있으며, 특별히 제한은 없다. 패시베이션 효과와 보존 안정성의 관점에서, 상온(25℃)에서의 안정성, 및 용매를 사용하는 경우에는 용매로의 용해성 또는 분산성이 양호한 특정한 유기 알루미늄 화합물인 것이 바람직하다. 이와 같은 특정한 유기 알루미늄 화합물을 사용함으로써, 형성되는 패시베이션층의 균질성이 보다 향상되어, 원하는 패시베이션 효과가 안정적으로 얻어지는 경향이 있다.
패시베이션층 형성용 조성물에 포함되는 특정한 유기 알루미늄 화합물의 함유량은, 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 보존 안정성 및 패시베이션 효과의 관점에서, 특정한 유기 알루미늄 화합물의 함유율은, 패시베이션층 형성용 조성물 중에 0.1 질량%∼70 질량%로 할 수 있고, 0.5 질량%∼60 질량%인 것이 바람직하고, 1 질량%∼50 질량%인 것이 보다 바람직하며, 1.2 질량%∼30 질량%인 것이 더욱 바람직하다.
특정한 유기 알루미늄 화합물의 반도체 기판으로의 부여량은, 식(II)의 화합물의 기화의 용이성과 패시베이션 효과의 관점에서, 1 cm2 당, 0.01 mg∼1 mg으로 할 수 있고, 0.013 mg∼0.7 mg인 것이 바람직하고, 0.015 mg∼0.6 mg인 것이 보다 바람직하고, 0.02 mg∼0.5 mg인 것이 더욱 바람직하다.
(일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물)
패시베이션층 형성용 조성물은, 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물(식(II)의 화합물)을 함유한다.
[화학식 5]
패시베이션층 형성용 조성물은, 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물을 함유함으로써, 패시베이션 효과를 향상시킬 수 있고, 또한, 열처리(소성) 후의 흑색 잔사를 억제할 수 있다. 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물로서는, 예를 들면, 이소보닐시클로헥산올이 있다.
이소보닐시클로헥산올로서는, 「테르솔브 MTPH」(일본 테르펜 화학 가부시키가이샤, 상품명)이 상업적으로 입수 가능하다. 이소보닐시클로헥산올은 비점(沸点)이 308℃∼318℃에서 높고, 또한 조성물층으로부터 제거할 때는, 수지와 같이 열처리(소성)에 의한 탈지 처리를 행할 필요는 없으며, 가열에 의해 기화시키는 것에 의해 소실시킬 수 있다. 그러므로, 반도체 기판 상에 도포한 후의 건조 공정에서, 패시베이션층 형성용 조성물 중에 필요에 따라 포함되는 용제와 이소보닐시클로헥산올의 대부분을 제거할 수 있어 열처리(소성) 후의 흑색 잔사를 억제할 수 있다.
일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물과, 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물을 조합함으로써, 패시베이션 효과가 더욱 높아지는 것으로 여겨진다. 이는 하기와 같이 생각할 수 있다.
바인더 수지를 함유하는 패시베이션층 형성용 조성물을 사용하는 경우, 탈지 처리에 의해 바인더 수지가 제거된 것에 의해 패시베이션층 중에 보이드가 발생하거나, 패시베이션층이 불균일하게 형성되는 경향이 있다. 이에 비해, 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물에서는, 탈지 처리를 행하지 않고 가열에 의해 기화시켜 소실시킬 수 있다. 따라서, 일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물과 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물을 조합하는 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물을 사용하여 형성된 패시베이션층에서는, 보이드의 발생이 억제되고, 패시베이션층의 균일성도 향상되며, 결과, 전계 효과에 의한 패시베이션 효과가 충분하게 되는 것으로 생각된다.
패시베이션층 형성용 조성물에 포함되는 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물의 함유율은, 30 질량%∼99.9 질량%인 것이 바람직하고, 40 질량%∼95 질량%인 것이 보다 바람직하고, 60 질량%∼90 질량%인 것이 더욱 바람직하다.
(용매)
패시베이션층 형성용 조성물은, 용매를 포함하는 것이 바람직하다. 패시베이션층 형성용 조성물이 용매를 함유함으로써, 점도의 조정이 보다 용이하게 되어, 부여성이 보다 향상되고, 보다 균일한 패시베이션층을 형성할 수 있는 경향이 있다. 용매로서는 특별히 제한되지 않고, 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 그 중에서도 특정한 유기 알루미늄 화합물, 및 식(II)의 화합물을 용해하여 균일한 용액을 부여할 수 있는 용매가 바람직하고, 유기용제 중 적어도 1종을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
용매로서 구체적으로는, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸-n-프로필케톤, 메틸이소프로필케톤, 메틸-n-부틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸-n-펜틸케톤, 메틸-n-헥실케톤, 디에틸케톤, 디프로필케톤, 디이소부틸케톤, 트리메틸노나논, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 메틸시클로헥사논, 2,4-펜탄디온, 아세토닐아세톤 등의 케톤 용제; 디에틸에테르, 메틸에틸에테르, 메틸-n-프로필에테르, 디이소프로필에테르, 테트라하이드로퓨란, 메틸테트라하이드로퓨란, 디옥산, 디메틸디옥산, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 에틸렌글리콜디에틸에테르, 에틸렌글리콜디-n-프로필에테르, 에틸렌글리콜디부틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 디에틸렌글리콜메틸-n-프로필에테르, 디에틸렌글리콜메틸-n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜디-n-프로필에테르, 디에틸렌글리콜디-n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜메틸-n-헥실에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 트리에틸렌글리콜메틸-n-부틸에테르, 트리에틸렌글리콜디-n-부틸에테르, 트리에틸렌글리콜메틸-n-헥실에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜메틸에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜메틸-n-부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디-n-부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜메틸-n-헥실에테르, 테트라에틸렌글리콜디-n-부틸에테르, 프로필렌글리콜디메틸에테르, 프로필렌글리콜디에틸에테르, 프로필렌글리콜디-n-프로필에테르, 프로필렌글리콜디부틸에테르, 디프로필렌글리콜디메틸에테르, 디프로필렌글리콜디에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸-n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜디-n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜디-n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸-n-헥실에테르, 트리프로필렌글리콜디메틸에테르, 트리프로필렌글리콜디에틸에테르, 트리프로필렌글리콜메틸에틸에테르, 트리프로필렌글리콜메틸-n-부틸에테르, 트리프로필렌글리콜디-n-부틸에테르, 트리프로필렌글리콜메틸-n-헥실에테르, 테트라프로필렌글리콜디메틸에테르, 테트라프로필렌글리콜디에틸에테르, 테트라프로필렌글리콜메틸에틸에테르, 테트라프로필렌글리콜메틸-n-부틸에테르, 테트라프로필렌글리콜디-n-부틸에테르, 테트라프로필렌글리콜메틸-n-헥실에테르, 테트라프로필렌글리콜디-n-부틸에테르 등의 에테르 용제; 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 아세트산 n-프로필, 아세트산 이소프로필, 아세트산 n-부틸, 아세트산 이소부틸, 아세트산 sec-부틸, 아세트산 n-펜틸, 아세트산 sec-펜틸, 아세트산 3-메톡시부틸, 아세트산 메틸펜틸, 아세트산2-에틸부틸, 아세트산 2-에틸헥실, 아세트산 2-(2-부톡시에톡시)에틸, 아세트산 벤질, 아세트산 시클로헥실, 아세트산 메틸시클로헥실, 아세트산 노닐, 아세토아세트산 메틸, 아세토아세트산 에틸, 아세트산 디에틸렌글리콜메틸에테르, 아세트산 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 아세트산 디프로필렌글리콜메틸에테르, 아세트산 디프로필렌글리콜에틸에테르, 디아세트산 글리콜, 아세트산 메톡시트리에틸렌글리콜, 프로피온산 에틸, 프로피온산 n-부틸, 프로피온산 이소아밀, 옥살산 디에틸, 옥살산 디-n-부틸, 락트산 메틸, 락트산 에틸, 락트산 n-부틸, 락트산 n-아밀, 에틸렌글리콜메틸에테르프로피오네이트, 에틸렌글리콜에틸에테르프로피오네이트, 에틸렌글리콜메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜프로필에테르아세테이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤 등의 에스테르 용제; 아세토니트릴, N-메틸피롤리디논, N-에틸피롤리디논, N-프로필피롤리디논, N-부틸피롤리디논, N-헥실피롤리디논, N-시클로헥실피롤리디논, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 디메틸술폭시드 등의 비플로톤성 극성(極性) 용제; 염화메틸렌, 클로로포름, 디클로로에탄, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 헥산, 옥탄, 에틸벤젠, 2-에틸헥산산, 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤 등의 소수성(疏水性) 유기용제; 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, 이소부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜탄올, 2-메틸부탄올, sec-펜탄올, tert-펜탄올, 3-메톡시부탄올, n-헥산올, 2-메틸펜탄올, sec-헥산올, 2-에틸부탄올, sec-헵탄올, n-옥탄올, 2-에틸헥산올, sec-옥탄올, n-노닐알코올, n-데칸올, sec-운데실알코올, 트리메틸노닐알코올, sec-테트라데실알코올, sec-헵타데실알코올, 시클로헥산올, 메틸시클로헥산올, 벤질알코올, 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 트리프로필렌글리콜 등의 알코올 용제; 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노페닐에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노-n-부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노-n-헥실에테르, 에톡시트리글리콜, 테트라에틸렌글리콜모노-n-부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노에틸에테르, 트리프로필렌글리콜모노메틸에테르 등의 글리콜모노에테르 용제; 테르피넨(α-테르피넨 등), 테르피네올(α-테르피네올 등), 미르센, 알로오시멘, 리모넨, 디펜텐, 피넨(α-피넨, β-피넨 등), 카르본, 오시멘, 펠란드렌 등의 테르펜 용제; 물 등을 예로 들 수 있다. 이들의 용매는 1 종류를 단독으로 사용할 수도 있고 또는 2 종류 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
그 중에서도 용매는, 반도체 기판으로의 부여성 및 패턴 형성성의 관점에서, 테르펜 용제, 에스테르 용제 및 알코올 용제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하고, 테르펜 용제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
패시베이션층 형성용 조성물이 용매를 포함하는 경우, 패시베이션층 형성용 조성물 중의 용매의 함유량은, 부여성, 패턴 형성성 및 보존 안정성을 고려하여 결정된다. 예를 들면, 용매의 함유율은, 패시베이션층 형성용 조성물의 부여성과 패턴 형성성의 관점에서, 패시베이션층 형성용 조성물 중에 5 질량%∼98 질량%인 것이 바람직하고, 10 질량%∼95 질량%인 것이 더욱 바람직한
(그 외의 첨가제)
패시베이션층 형성용 조성물은, 산성 화합물 또는 염기성 화합물을 함유할 수도 있다. 패시베이션층 형성용 조성물이 산성 화합물 또는 염기성 화합물을 함유하는 경우, 보존 안정성의 관점에서, 산성 화합물 및 염기성 화합물의 함유율이, 패시베이션층 형성용 조성물 중에 각각 1 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.1 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.
산성 화합물로서는, 브뢴스테드산 및 루이스산을 예로 들 수 있다. 구체적으로는 염산, 질산 등의 무기산, 아세트산 등의 유기산 등을 예로 들 수 있다. 또한 염기성 화합물로서는, 브뢴스테드 염기 및 루이스 염기를 예로 들 수가 있으며, 구체적으로는 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토류 금속 수산화물 등의 무기염기, 트리알킬아민, 피리딘 등의 유기 염기 등을 예로 들 수 있다.
패시베이션층 형성용 조성물은, 에틸 셀룰로오스 등의 수지 바인더를 실질적으로 함유하지 않는(예를 들면, 3 질량% 이하, 바람직하게는 2 질량% 이하, 더욱 바람직하게는 1.5 질량% 이하인) 것이 바람직하다. 수지 바인더를 실질적으로 함유하지 않음으로써, 흑색 잔사의 발생을 더욱 억제할 수 있다.
(물성값)
패시베이션층 형성용 조성물의 점도는 특별히 제한되지 않으며, 반도체 기판으로의 부여 방법 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 패시베이션층 형성용 조성물의 점도는, 0.01 Pa·s∼10000 Pa·s로 할 수 있다. 그 중에서도 패턴 형성성의 관점에서, 패시베이션층 형성용 조성물의 점도는 0.1 Pa·s∼1000 Pa·s인 것이 바람직하다. 그리고, 점도는 회전식 전단(剪斷) 점도계를 사용하여, 25.0℃, 전단 속도 1.0 s-1에서 측정된다.
또한, 패시베이션층 형성용 조성물의 전단 점도는 특별히 제한되지 않고, 패시베이션층 형성용 조성물이 틱소(thixo)성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 그 중에서도 패턴 형성성의 관점에서, 전단 속도 10 s-1에서의 전단 점도 η1을 전단 속도 1000 s-1에서의 전단 점도 η2로 나눗셈하여 산출되는 틱소비(η1/η2)가 1.05∼100인 것이 바람직하고, 1.1∼50인 것이 보다 바람직하고, 1.5∼10인 것이 더욱 바람직하다. 그리고, 전단 점도는, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착한 회전식 전단 점도계를 사용하여, 온도 25.0℃에서 측정된다.
그리고, 패시베이션층 형성용 조성물 중에 포함되는 성분, 및 각 성분의 함유량은, 시차 열-열중량 동시 측정(TG/DTA) 등의 열분석, 핵자기 공명(NMR), 적외 분광법(IR) 등의 스펙트럼 분석, 고속 액체 크로마토그래피(HPLC), 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 등의 크로마토그래프 분석, 원소 분석 등을 사용하여 확인할 수 있다.
(패시베이션층 형성용 조성물의 제조 방법)
패시베이션층 형성용 조성물의 제조 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 특정한 유기 알루미늄 화합물과 식(II) 화합물과 필요에 따라 포함되는 용매를, 통상 사용되는 혼합 방법으로 혼합함으로써 제조할 수 있다. 또한 식(II)의 화합물을 용매에 용해한 후, 이것과 특정한 유기 알루미늄 화합물을 혼합함으로써 제조할 수도 있다.
또한, 특정한 유기 알루미늄 화합물은, 알루미늄 알콕시드와, 알루미늄과 킬레이트를 형성 가능한 화합물을 혼합하여 조제할 수도 있다. 이 때, 필요에 따라 용매를 사용할 수도 있고, 가열 처리를 행할 수도 있다. 이와 같이 하여 조제한 특정한 유기 알루미늄 화합물과, 식(II) 화합물 또는 식(II) 화합물을 포함하는 용액을 혼합하여 패시베이션층 형성용 조성물을 제조할 수도 있다.
<패시베이션층이 형성된 반도체 기판>
본 발명의 패시베이션층이 형성된 반도체 기판은, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에 설치되는 상기 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물(소성물(燒成物))인 패시베이션층을 가진다. 패시베이션층이 형성된 반도체 기판은, 상기 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물층(소성물층)인 패시베이션층을 가짐으로써 우수한 패시베이션 효과를 나타낸다.
반도체 기판은 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 통상 사용되는 것으로부터 적절하게 선택할 수 있다. 반도체 기판으로서는, 실리콘, 게르마늄 등에 p형 불순물 또는 n형 불순물을 도핑(확산)한 것을 예로 들 수 있다. 그 중에서도 실리콘 기판인 것이 바람직하다. 또한 반도체 기판은, p형 반도체 기판일 수도 있고, n형 반도체 기판일 수도 있다. 그 중에서도 패시베이션 효과의 관점에서, 패시베이션층이 형성되는 면이 p형층인 반도체 기판인 것이 바람직하다. 반도체 기판 상의 p형층은, p형 반도체 기판으로부터 유래하는 p형층일 수도 있고, p형 확산층 또는 p+형 확산층으로서, n형 반도체 기판 또는 p형 반도체 기판 상에 형성된 것일 수도 있다.
또한 반도체 기판의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 반도체 기판의 두께는, 50㎛∼1000㎛로 할 수 있으며, 75㎛∼750㎛인 것이 바람직하다.
반도체 기판 상에 형성되는 패시베이션층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 패시베이션층의 두께는 1 ㎚∼1000 ㎚인 것이 바람직하고, 2 ㎚∼800 ㎚인 것이 보다 바람직하고, 3∼500 ㎚인 것이 더욱 바람직하다. 패시베이션층의 두께는, 간섭식 막후계(膜厚計) 등에 의해 측정할 수 있다.
패시베이션층이 형성된 반도체 기판은, 태양 전지 소자, 발광 다이오드 소자 등에 적용할 수 있다. 예를 들면, 태양 전지 소자에 적용함으로써 변환 효율이 우수한 태양 전지 소자를 얻을 수 있다.
<패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법>
본 발명의 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법은, 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에, 상기 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 공정과, 상기 조성물층을 열처리(소성)하여, 패시베이션층을 형성하는 공정을 포함한다. 상기 제조 방법은 필요에 따라 그 외의 공정을 더 포함할 수도 있다.
상기 패시베이션층 형성용 조성물을 사용함으로써, 우수한 패시베이션 효과를 가지는 패시베이션층을, 원하는 형상으로, 간편한 방법으로 형성할 수 있다.
패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법은, 조성물층을 형성하는 공정 전에, 반도체 기판 상에 알칼리 수용액을 부여하는 공정을 더 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 반도체 기판 상에 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하기 전에, 반도체 기판의 표면을 알칼리 수용액으로 세정하는 것이 바람직하다. 알칼리 수용액으로 세정함으로써, 반도체 기판 표면에 존재하는 유기물, 미립자 등을 제거할 수 있어 패시베이션 효과가 보다 향상된다. 알칼리 수용액에 의한 세정 방법으로서는, 일반적으로 알려져 있는 RCA 세정 등을 예시할 수 있다. 예를 들면, 암모니아수-과산화 수소수의 혼합 용액에 반도체 기판을 침지하고, 60℃∼80℃에서 처리함으로써, 유기물 및 미립자를 제거하고, 반도체 기판을 세정할 수 있다. 세정 시간은, 10초간∼10분간인 것이 바람직하고, 30초간∼5분간인 것이 더욱 바람직하다.
RCA 세정에서는, 먼저 반도체 기판을 희불화수소산 수용액(HF) 중에 넣는다. 이 조작에 의해, 반도체 기판이 실리콘 기판인 경우에는, 표면의 얇은 Si 산화막을 녹이고, 또한 그 위에 부착되어 있던 많은 이물질도 동시에 제거한다. 또한, 상기한 바와 같이 암모니아수(NH4OH)-과산화 수소(H2O2)의 혼합 용액으로, 유기물 및 미립자를 제거하고, 이어서, 염산(HC1) 및 과산화 수소(H2O2)로, 금속류를 제거한다. 그리고, 마지막은 초순수(超純水)로 마무리할 수도 있다.
반도체 기판 상에, 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 공지의 도포 방법 등을 사용하여 반도체 기판 상에 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하는 방법이 있다. 구체적으로는, 침지법, 인쇄법, 스핀 코팅법, 귀얄로 도포하는 방법, 스프레이법, 닥터 블레이드법, 롤 코터법, 잉크젯법 등을 예로 들 수 있다.
패시베이션층 형성용 조성물의 부여량은, 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 형성되는 패시베이션층의 두께가, 후술하는 원하는 두께로 되도록 적절하게 조정할 수 있다.
패시베이션층 형성용 조성물에 의해 형성된 조성물층을 열처리(소성)하여, 조성물층에 유래하는 열처리물층(소성물층)을 형성함으로써, 반도체 기판 상에 패시베이션층을 형성할 수 있다.
조성물층의 열처리(소성) 조건은, 조성물층에 포함되는 특정한 유기 알루미늄 화합물을 그 열처리물(소성물)인 산화 알루미늄(Al2O3)으로 변환 가능하면 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도 특정한 결정 구조를 가지지 않는 비정질 상태의 Al2O3층을 형성 가능한 열처리(소성) 조건인 것이 바람직하다. 패시베이션층이 비정질 상태의 Al2O3층에 의해 구성됨으로써, 패시베이션층에 의해 효과적으로 음전하를 가지게 할 수 있어 보다 우수한 패시베이션 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로, 열처리(소성) 온도는 400℃∼900℃가 바람직하고, 450℃∼800℃가 더욱 바람직하다. 또한, 열처리(소성) 시간은, 열처리(소성) 온도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 예를 들면, 0.1시간∼10시간으로 할 수 있고, 0.1시간∼5시간인 것이 바람직하다.
패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법에 의해 제조되는 패시베이션층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 패시베이션층의 평균 두께는, 1 ㎚∼1000 ㎚인 것이 바람직하고, 2 ㎚∼800 ㎚인 것이 보다 바람직하고, 3 ㎚∼500 ㎚인 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 형성된 패시베이션층의 평균 두께는, 촉침식 단차·표면 형상 측정 장치(예를 들면, Ambios사), 간섭식 막후계(예를 들면, 필메트릭스사)를 사용하여 통상적인 방법에 의하여, 3점의 두께를 측정하고, 그 산술 평균값을 구하여 산출된다.
상기 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법은, 패시베이션층 형성용 조성물을 부여한 후, 열처리(소성)에 의해 패시베이션층을 형성하는 공정 전에, 패시베이션층 형성용 조성물로 이루어지는 조성물층을 건조 처리하는 공정을 더 가지고 있어도 된다. 조성물층을 건조 처리하는 공정을 포함함으로써, 보다 균질인 패시베이션 효과를 가지는 패시베이션층을 형성할 수 있다.
조성물층을 건조 처리하는 공정은, 패시베이션층 형성용 조성물에 포함될 수 있는 용매 중 적어도 일부를 제거할 수 있으면, 특별히 한정되지 않는다. 건조 처리는, 예를 들면, 30℃∼250℃에서 1분간∼60분간의 가열 처리로 할 수 있고, 40℃∼240℃에서 3분간∼40분간의 가열 처리인 것이 바람직하다. 또한 건조 처리는, 상압(常壓) 하에서 행할 수도 있고, 감압 하에서 행할 수도 있다.
<태양 전지 소자>
본 발명의 태양 전지 소자는, p형층 및 n형층이 pn 접합되어 이루어지는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에 설치되는 상기 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물(소성물)인 패시베이션층과, 상기 p형층 및 상기 n형층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 층 상에 배치되는 전극을 가진다. 태양 전지 소자는, 필요에 따라 그 외의 구성 요소를 더 가지고 있어도 된다.
태양 전지 소자는, 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물로 형성된 패시베이션층을 가짐으로써, 변환 효율이 우수하다.
패시베이션층 형성용 조성물을 부여하는 반도체 기판으로서는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 통상 사용되는 것으로부터 적절하게 선택할 수 있다. 반도체 기판으로서는, 패시베이션층이 형성된 반도체 기판에서 설명한 것을 사용할 수 있고, 바람직하게 사용할 수 있는 것도 마찬가지이다. 패시베이션층이 형성되는 반도체 기판의 면은, p형층일 수도 있고, n형층일 수도 있다. 그 중에서도 변환 효율의 관점에서 p형층인 것이 바람직하다. 상기 반도체 기판 상의 p형층은, p형 반도체 기판으로부터 유래하는 p형층일 수도 있고, p형 확산층 또는 p+형 확산층으로서, n형 반도체 기판 또는 p형 반도체 기판 상에 형성된 것일 수도 있다.
반도체 기판 상에 형성된 패시베이션층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 패시베이션층의 평균 두께는, 1 ㎚∼1000 ㎚인 것이 바람직하고, 2 ㎚∼800 ㎚인 것이 보다 바람직하고, 3 ㎚∼500 ㎚인 것이 더욱 바람직하다.
<태양 전지 소자의 제조 방법>
본 발명의 태양 전지 소자의 제조 방법은, p형층 및 n형층이 접합되어 이루어지는 pn 접합을 가지고, 상기 p형층 및 상기 n형층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 층 상에 전극을 가지는 반도체 기판의, 상기 전극을 가지는 면 중 적어도 일부에, 상기 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 공정과, 상기 조성물층을 열처리(소성)하여, 패시베이션층을 형성하는 공정을 포함한다. 상기 태양 전지 소자의 제조 방법은, 필요에 따라 그 외의 공정을 더 가지고 있어도 된다.
본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물을 사용함으로써, 우수한 패시베이션 효과를 가지는 패시베이션층을 구비하고, 변환 효율이 우수한 태양 전지 소자를 간편한 방법으로 제조할 수 있다. 또한 전극이 형성된 반도체 기판 상에, 원하는 형상이 되도록 패시베이션층을 형성할 수 있고, 태양 전지 소자의 생산성이 우수하다.
p형층 및 n형층 중 적어도 한쪽의 층 상에 전극이 배치된 pn 접합을 가지는 반도체 기판은, 통상 사용되는 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 반도체 기판의 원하는 영역에, 은 페이스트, 알루미늄 페이스트 등의 전극 형성용 페이스트를 부여하고, 필요에 따라 열처리(소성)함으로써 제조할 수 있다.
패시베이션층이 형성되는 반도체 기판의 면은, p형층일 수도 있고, n형층일 수도 있다. 그 중에서도 변환 효율의 관점에서 p형층인 것이 바람직하다.
패시베이션층 형성용 조성물을 사용하여 패시베이션층을 형성하는 방법의 자세한 것은, 전술한 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법과 동일하며, 바람직한 태양도 동일하다.
반도체 기판 상에 형성되는 패시베이션층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 패시베이션층의 평균 두께는, 1 ㎚∼1000 ㎚인 것이 바람직하고, 2 ㎚∼800 ㎚인 것이 더욱 바람직하고, 3 ㎚∼500 ㎚인 것이 더욱 바람직하다.
다음으로, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 패시베이션층을 가지는 태양 전지 소자의 제조 방법의 일례를 모식적으로 나타낸 공정도를 단면도로서 나타낸 것이다. 단, 이 공정도는 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, p형 반도체 기판(1)에는, 표면 근방에 n+형 확산층(2)이 형성되고, 가장 표면에 반사 방지층(3)이 형성되어 있다. 반사 방지막(3)으로서는, 질화 규소막, 산화 티탄막 등을 예로 들 수 있다. 반사 방지막(3)과 p형 반도체 기판(1)의 사이에 산화규소 등의 표면 보호막(도시하지 않음)이 더욱 존재할 수도 있다. 또한 본 발명에 따른 패시베이션층을 표면 보호막로서 사용할 수도 있다.
이어서, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이면의 일부 영역에 알루미늄 전극 페이스트 등의 이면 전극(5)을 형성하는 재료를 부여한 후에 열처리(소성)하여, 이면 전극(5)을 형성하고, 또한 p형 반도체 기판(1) 중에 알루미늄 원자를 확산시켜 p+형 확산층(4)을 형성한다.
이어서, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 수광면 측에 전극 형성용 페이스트를 도포한 후에 열처리(소성)하여 수광면 전극(7)을 형성한다. 전극 형성용 페이스트로서 파이어스루(fire through)성을 가지는 유리 분말을 포함하는 것을 사용함으로써, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 반사 방지막(3)을 관통하여, n+형 확산층(2) 상에, 수광면 전극(7)을 형성하여 오믹 컨택트를 얻을 수 있다.
그리고, 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이, 이면 전극(5)이 형성된 영역 이외의 이면의 p형층 상에, 패시베이션층 형성용 조성물을 스크린 인쇄 등에 의해 부여하여 조성물층을 형성한다. p형층 상에 형성된 조성물층을 열처리(소성)하여 패시베이션층(6)을 형성한다. 이면의 p형층 상에, 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물로 형성된 패시베이션층(6)을 형성함으로써, 발전 효율이 우수한 태양 전지 소자를 제조할 수 있다.
도 1에 나타낸 제조 공정을 포함하는 제조 방법으로 제조되는 태양 전지 소자에서는, 알루미늄 등으로 형성되는 이면 전극을 포인트 콘택트 구조로 할 수 있고, 기판의 휨 등을 저감할 수 있다. 또한 상기 패시베이션층 형성용 조성물을 사용함으로써, 특정한 위치(구체적으로는, 전극이 형성된 영역 이외의 p형층 상)에 우수한 생산성으로 패시베이션층을 형성할 수 있다.
또한, 도 1의 (d)에서는 이면 부분에만 패시베이션층을 형성하는 방법을 나타냈으나, p형 반도체 기판(1)의 이면측에 뿐만 아니라, 측면에도 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하고, 이것을 열처리(소성)함으로써 p형 반도체 기판(1)의 측면(에지)에 패시베이션층(6)을 더욱 형성할 수도 있다(도시하지 않음). 이로써, 발전 효율에 의해 우수한 태양 전지 소자를 제조할 수 있다.
나아가서는, 이면 부분에 패시베이션층을 형성하지 않고, 측면에만 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하고, 열처리(소성)하여 패시베이션층을 형성할 수도 있다. 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물은, 측면과 같은 결정 결함이 많은 개소에 사용하면, 그 효과가 특히 크다.
도 1에서는 전극 형성 후에 패시베이션층을 형성하는 태양에 대하여 설명하였으나, 패시베이션층 형성 후에, 또한 알루미늄 등의 전극을 증착 등에 의해 원하는 영역에 형성할 수도 있다.
도 2는, 본 실시 형태에 관한 패시베이션층을 가지는 태양 전지 소자의 제조 방법의 다른 일례를 모식적으로 나타낸 공정도를 단면도로서 나타낸 것이다. 구체적으로는, 도 2는 알루미늄 전극 페이스트 또는 열확산 처리에 의해 p+형 확산층을 형성 가능한 p형 확산층 형성용 조성물을 사용하여 p+형 확산층을 형성한 후, 알루미늄 전극 페이스트의 열처리물 또는 p형 확산층 형성용 조성물의 열처리물을 제거하는 공정을 포함하는 공정도를 단면도로서 설명하는 것이다. 여기서 p형 확산층 형성용 조성물로서는, 예를 들면, 억셉터 원소 함유 물질과 유리 성분을 포함하는 조성물이 있다.
도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, p형 반도체 기판(1)에는, 표면 근방에 n+형 확산층(2)이 형성되고, 표면에 반사 방지막(3)이 형성되어 있다. 반사 방지막(3)으로서는, 질화 규소막, 산화 티탄막 등을 예로 들 수 있다.
이어서, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이면의 일부의 영역에 p형 확산층 형성용 조성물을 부여한 후에 열처리하여, p+형 확산층(4)을 형성한다. p+형 확산층(4) 상에는 p형 확산층 형성용 조성물의 열처리물(8)이 형성되어 있다.
여기서 p형 확산층 형성용 조성물 대신, 알루미늄 전극 페이스트를 사용할 수도 있다. 알루미늄 전극 페이스트를 사용한 경우에는, p+형 확산층(4) 상에는 알루미늄 전극(8)이 형성된다.
이어서, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같이, p+형 확산층(4) 상에 형성된 p+형 확산층 형성용 조성물의 열처리물(8) 또는 알루미늄 전극(8)을 에칭 등의 방법에 의해 제거한다.
이어서, 도 2의 (d)에 나타낸 바와 같이, 수광면(표면) 및 이면의 일부 영역에 선택적으로 전극 형성용 페이스트를 도포한 후에 열처리하여, 수광면(표면)에 수광면 전극(7)을, 이면에 이면 전극(5)을 각각 형성한다. 수광면 측에 도포하는 전극 형성용 페이스트로서 파이어 스루성을 가지는 유리 분말을 포함하는 것을 사용함으로써, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같이, 반사 방지막(3)을 관통하여, n+형 확산층(2) 상에 수광면 전극(7)이 형성되어 오믹 컨택트를 얻을 수 있다.
또한 이면 전극이 형성되는 영역에는 이미 p+형 확산층(4)이 형성되어 있으므로, 이면 전극(5)을 형성하는 전극 형성용 페이스트에는, 알루미늄 전극 페이스트로 한정되지 않고, 은 전극 페이스트 등의 보다 저저항 전극을 형성 가능한 전극용 페이스트를 사용할 수도 있다. 이로써, 발전 효율을 더욱 높이는 것도 가능하게 된다.
그리고, 도 2의 (e)에 나타낸 바와 같이, 이면 전극(5)이 형성된 영역 이외의 이면의 p형층 상에, 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성한다. 부여는, 스크린 인쇄 등의 방법에 의해 행할 수 있다. p+형 확산층(4) 상에 형성된 조성물층을 열처리(소성)하여 패시베이션층(6)을 형성한다. 이면의 p형층 상에, 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물로 형성된 패시베이션층(6)을 형성함으로써, 발전 효율이 우수한 태양 전지 소자를 제조할 수 있다.
또한 도 2의 (e)에서는 이면 부분에만 패시베이션층을 형성하는 방법을 나타냈으나, p형 반도체 기판(1)의 이면측에 뿐만 아니라, 측면에도 패시베이션층 형성용 재료를 부여하고, 열처리(소성)함으로써 p형 반도체 기판(1)의 측면(에지)에 패시베이션층을 더욱 형성할 수도 있다(도시하지 않음). 이로써, 발전 효율이 더욱 우수한 태양 전지 소자를 제조할 수 있다.
또한, 이면 부분에 패시베이션층을 형성하지 않고, 측면에만 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하고, 이것을 열처리(소성)하여 패시베이션층을 형성할 수도 있다. 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물은, 측면과 같은 결정 결함이 많은 개소에 사용하면, 그 효과가 특히 크다.
도 2에서는 전극 형성 후에 패시베이션층을 형성하는 태양에 대하여 설명하였으나, 패시베이션층 형성 후에, 알루미늄 등의 전극을 증착 등에 의해 원하는 영역에 더욱 형성할 수도 있다.
전술한 실시 형태에서는, 수광면에 n+형 확산층이 형성된 p형 반도체 기판을 사용한 경우에 대하여 설명을 행하였으나, 수광면에 p+형 확산층이 형성된 n형 반도체 기판을 사용한 경우에도 동일하게 하여, 태양 전지 소자를 제조할 수 있다. 그리고, 그 경우에는 이면측에 n+형 확산층을 형성하는 것이 된다.
또한, 패시베이션층 형성용 조성물은, 도 3에 나타낸 바와 같은 이면측에만 전극이 배치된 이면 전극형 태양 전지 소자의 수광면 측 또는 이면측의 패시베이션층(6)을 형성하는 것에도 사용할 수 있다.
도 3에 개략 단면도를 나타낸 바와 같이, p형 반도체 기판(1)의 수광면 측에는, 표면 근방에 n+형 확산층(2)이 형성되고, 그 표면에 패시베이션층(6) 및 반사 방지막(3)이 형성되어 있다. 반사 방지막(3)으로서는, 질화 규소막, 산화 티탄막 등을 예로 들 수 있다. 또한 패시베이션층(6)은, 본 발명의 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하고, 이것을 열처리(소성)하여 형성된다.
p형 반도체 기판(1)의 이면측에는, p+형 확산층(4) 및 n+형 확산층(2) 상에 각각 이면 전극(5)이 설치되고, 또한 이면 전극이 형성되어 있지 않은 영역에는 패시베이션층(6)이 설치되어 있다.
p+형 확산층(4)은, 전술한 바와 같이 p형 확산층 형성용 조성물 또는 알루미늄 전극 페이스트를 원하는 영역에 도포한 후에 열처리함으로써 형성할 수 있다. 또한 n+형 확산층(2)은, 예를 들면, 열확산 처리에 의해 n+형 확산층을 형성 가능한 n형 확산층 형성용 조성물을 원하는 영역에 도포한 후에 열처리함으로써 형성할 수 있다.
여기서 n형 확산층 형성용 조성물로서는, 예를 들면, 도너 원소 함유 물질과 유리 성분을 포함하는 조성물이 있다.
p+형 확산층(4) 및 n+형 확산층(2) 상에 각각 설치되는 이면 전극(5)은, 은 전극 페이스트 등의 통상 사용되는 전극 형성용 페이스트를 사용하여 형성할 수 있다.
또한, p+형 확산층(4) 상에 설치되는 이면 전극(5)은, 알루미늄 전극 페이스트를 사용하여 p+형 확산층(4)과 함께 형성되는 알루미늄 전극일 수도 있다.
이면에 설치되는 패시베이션층(6)은, 패시베이션층 형성용 조성물을 이면 전극(5)이 설치되어 있지 않은 영역에 부여하고, 이것을 열처리(소성)함으로써 형성할 수 있다.
또한 패시베이션층(6)은 p형 반도체 기판(1)의 이면뿐만 아니라, 또한 측면에도 형성할 수도 있다(도시하지 않음).
도 3에 나타낸 바와 같은 이면 전극형 태양 전지 소자에 있어서는, 수광면 측에 전극이 없기 때문에 발전 효율이 우수하다. 또한 이면 전극이 형성되어 있지 않은 영역에 패시베이션층이 형성되어 있으므로, 변환 효율이 더욱 우수하다.
상기에서는 반도체 기판으로서 p형 반도체 기판을 사용한 예를 나타냈으나, n형 반도체 기판을 사용한 경우에도, 상기에 준하여 변환 효율이 우수한 태양 전지 소자를 제조할 수 있다. 태양 전지 소자의 형상이나 크기로에 제한은 없지만, 일반적인 한 변이 125 ㎜∼156 ㎜인 정사각형인 것이 바람직하다.
<태양 전지>
태양 전지는, 상기 태양 전지 소자와, 태양 전지 소자의 전극 상에 배치되는 배선 재료를 가진다. 태양 전지는 또한 필요에 따라, 탭 선 등의 배선 재료를 통하여 복수의 태양 전지 소자가 연결되고, 또한 봉지재(封止材)에 의해 봉지되어 구성되어 있어도 된다. 배선 재료 및 봉지재로서는 특별히 제한되지 않고, 당업계에서 통상 사용되고 있으므로, 적절하게 선택할 수 있다. 태양 전지의 크기에 제한은 없지만, 0.5 m2∼3 m2인 것이 바람직하다.
실시예
이하에서, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
(패시베이션층 형성용 조성물 1의 조제)
일반식(I)으로 표시되는 유기 알루미늄 화합물로서 에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트(가와켄 파인 케미컬 가부시키가이샤, 상품명: ALCH)를 2.90 g, 일반식(II)으로 표시되는 유기 화합물로서 이소보닐시클로헥산올(일본 테르펜 화학 가부시키가이샤, 상품명: 테르솔브 MTPH)을 13.33 g, 및 용매로서 테르피네올을 3.18 g 혼합하여, 패시베이션층 형성용 조성물 1을 조제하였다. 이소보닐시클로헥산올의 패시베이션층 형성용 조성물 1 중의 함유율은 68.7 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 14.9 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 1의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내), 회전식 전단 점도계(AntonPaar사, MCR301)에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 30 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 13.0 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우의 틱소비(η1/η2)는 2.3이 되었다.
(패시베이션층의 형성)
반도체 기판으로서, 표면이 미러 형상의 단결정형 p형 실리콘 기판(가부시키가이샤 SUMCO, 가로 50 ㎜×세로 50 ㎜, 두께: 725㎛)을 사용하였다. 실리콘 기판을 RCA 세정액(간토 화학 가부시키가이샤, Frontier Cleaner-A01)을 사용하여 70℃에서 5분간, 침지 세정하고, 전처리(前處理)를 행하였다.
그 후, 상기에서 얻어진 패시베이션층 형성용 조성물 1을 전처리한 실리콘 기판 상에, 스크린 인쇄법을 이용하여, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 42.4 mg 부여하였다. 부여한 패시베이션층 형성용 조성물 중의 알루미늄 화합물은 6.3 mg이였다. 이어서, 240℃에서 5분간 건조 처리하였다. 또한 800℃에서 10분간 열처리(소성)한 후, 실온(25℃)에서 냉방하여 평가용 기판을 제작하였다.
(실효 수명의 측정)
상기에서 얻어진 평가용 기판의 실효 수명(μs)을, 수명 측정 장치(일본 세미 레버러토리 가부시키가이샤, WT-2000PVN)를 사용하여, 실온(25℃)에서 반사 마이크로파 광전도 감쇠법에 의해 측정하였다. 얻어진 평가용 기판의 패시베이션층 형성용 조성물을 부여한 영역의 실효 수명은, 405μs였다.
(패시베이션층의 두께의 측정)
상기에서 얻어진 평가용 기판 상의 패시베이션층의 두께를, 간섭식 막후계(필메트릭스 가부시키가이샤, F20)를 사용하여 측정하였다. 패시베이션층의 두께는 314 ㎚였다.
(흑색 잔사의 관찰)
상기에서 얻어진 평가용 기판 상의 패시베이션층을, 공업용 검사 현미경(Olympus 가부시키가이샤, MX-51)으로 관찰한 바, 흑색 잔사는 보이지 않았다.
<실시예 2>
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 1을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 30.7 mg을 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 4.6 mg이였다. 실효 수명은, 330μs였다. 패시베이션층의 두께는 230 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<실시예 3>
(패시베이션층 형성용 조성물 2의 조제)
에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트를 1.64 g, 이소보닐시클로헥산올을 12.02 g, 및 테르피네올을 1.63 g 혼합하여, 패시베이션층 형성용 조성물 2을 조제하였다. 이소보닐시클로헥산올의 패시베이션층 형성용 조성물 2 중의 함유율은 78.6 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 10.7 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 2의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내), 회전식 전단 점도계에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 26 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 12.0 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우에 틱소비(η1/η2)는 2.2가 되었다.
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 2을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 50.1 mg 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 5.4 mg이였다. 실효 수명은, 305μs였다. 패시베이션층의 두께는 232 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<실시예 4>
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 2을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 38.1 mg 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 4.1 mg이였다. 실효 수명은, 281μs였다. 패시베이션층의 두께는 209 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<실시예 5>
(패시베이션층 형성용 조성물 3의 조제)
에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트를 0.85 g, 이소보닐시클로헥산올을 12.69 g, 및 테르피네올을 1.67 g 혼합하여, 패시베이션층 형성용 조성물 3을 조제하였다. 이소보닐시클로헥산올의 패시베이션층 형성용 조성물 3 중의 함유율은 83.4 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 5.6 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 3의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내), 회전식 전단 점도계에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 25 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 11 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우의 틱소비(η1/η2)는 2.3이 되었다.
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 3을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 48.0 mg 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 2.7 mg이였다. 실효 수명은, 310μs였다. 패시베이션층의 두께는 139 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<실시예 6>
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 3을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 37.0 mg 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 2.1 mg이였다. 실효 수명은, 271μs였다. 패시베이션층의 두께는 148 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<실시예 7>
(패시베이션층 형성용 조성물 4의 조제)
에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트를 0.21 g, 이소보닐시클로헥산올을 13.52 g, 및 테르피네올을 1.87 g 혼합하여, 패시베이션층 형성용 조성물 4를 조제하였다. 이소보닐시클로헥산올의 패시베이션층 형성용 조성물 4 중의 함유율은 86.7 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 1.3 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 4의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내), 회전식 전단 점도계에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 24 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 10 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우의 틱소비(η1/η2)는 2.4가 되었다.
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 4를 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 54.5 mg 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 0.7 mg이였다. 실효 수명은, 250μs였다. 패시베이션층의 두께는 66 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<실시예 8>
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 4를 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 37.6 mg 부여한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 0.5 mg이였다. 실효 수명은, 264μs였다. 패시베이션층의 두께는 80 ㎚였다. 평가용 기판 상의 패시베이션층에, 흑색 잔사는 관찰되지 않았다.
<비교예 1>
(패시베이션층 형성용 조성물 5의 조제)
에틸 셀룰로오스를 100.0 g 및 테르피네올을 900 g 혼합하고, 150℃에서 1시간 교반하여 10 질량%의 에틸 셀룰로오스 용액을 조제하였다. 이와는 별도로, 에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트를 24.91 g 및 테르피네올을 15.21 g 혼합하고, 다음으로, 10 질량%의 에틸 셀룰로오스 용액 25.05 g을 혼합하여 무색 투명한 용액으로서, 패시베이션층 형성용 조성물 5를 조제하였다. 패시베이션층 형성용 조성물 5 중의 에틸 셀룰로오스의 함유율은 3.8 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 38.1 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 5의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내), 회전식 전단 점도계에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 45 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 1.2 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우의 틱소비(η1/η2)는 38이 되었다.
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 5를 전처리한 실리콘 기판 상에, 스크린 인쇄법을 이용하여, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 42.3 mg 부여하였다. 부여한 알루미늄 화합물은 16.2 mg이였다. 이어서, 150℃에서 3분간 건조 처리하였다. 또한 800℃에서 10분간 열처리(소성)한 후, 실온(25℃)에서 냉방하여 평가용 기판을 제작하였다. 실효 수명은, 233μs였다. 표면은 흑색 잔사로 덮혀져 있었다. 블로우하여 잔사를 제거했을 때의 막 두께는 52 ㎚였다.
<비교예 2>
(패시베이션층 형성용 조성물 6의 조제)
에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트의 30.12 g 및 테르피네올의 15.00 g을 혼합하고, 다음으로, 비교예 1의 10 질량%의 에틸 셀룰로오스 용액의 50.10 g을 혼합하여 무색 투명의 용액으로서, 패시베이션층 형성용 조성물 6을 조제하였다. 패시베이션층 형성용 조성물 6 중의 에틸 셀룰로오스의 함유율은 5.3 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 31.6 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 6의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내)에, 회전식 전단 점도계에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 40 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 0.5 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우의 틱소비(η1/η2)는 80이 되었다.
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 6을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 37.9 mg 부여한 점 이외에는, 비교예 1와 마찬가지로 하여 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 12.0 mg이였다. 실효 수명은, 227μs였다. 표면은 흑색의 잔사로 덮혀 있었다. 블로우하여 잔사를 제거했을 때의 패시베이션층의 두께는 752 ㎚였다.
<비교예 3>
패시베이션층 형성용 조성물 6을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 29.0 mg 부여한 점 이외에는, 비교예 1와 마찬가지로 하여 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 9.2 mg이였다. 실효 수명은, 173μs였다. 표면은 흑색의 잔사로 덮혀 있었다. 블로우하여 잔사를 제거했을 때의 패시베이션층의 두께는 526 ㎚였다.
<비교예 4>
(패시베이션층 형성용 조성물 7의 조제)
에틸아세토아세테이트알루미늄디이소프로필레이트의 10.00 g 및 테르피네올의 25.53 g을 혼합하고, 다음으로, 비교예 1의 10 질량%의 에틸 셀룰로오스 용액의 34.71 g을 혼합하여 무색 투명의 용액으로서, 패시베이션층 형성용 조성물 7을 조제하였다. 패시베이션층 형성용 조성물 7 중의 에틸 셀룰로오스의 함유율은 4.9 질량%, 유기 알루미늄 화합물의 함유율은 14.2 질량%가 되었다.
(틱소비)
상기에서 조제한 패시베이션층 형성용 조성물 7의 전단 점도를, 조제 직후(12시간 이내), 회전식 전단 점도계에, 콘 플레이트(직경 50 ㎜, 콘 각 1°)를 장착하고, 온도 25.0℃에서, 전단 속도 10 s-1 및 1000 s-1의 조건 하에서 각각 측정하였다.
전단 속도가 10 s-1의 조건에서의 전단 점도(η1)는 30 Pa·s, 전단 속도가 1000 s-1의 조건에서의 전단 점도(η2)는 0.3 Pa·s가 되었다. 전단 점도가 10 s-1과 1000 s-1의 경우의 틱소비(η1/η2)는 100이 되었다.
(실효 수명과 패시베이션층의 두께의 측정)
패시베이션층 형성용 조성물 6을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 37.9 mg 부여한 점 이외에는, 비교예 1와 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 5.4 mg이였다. 실효 수명은, 168μs였다. 표면은 흑색의 잔사로 덮혀 있었다. 블로우하여 잔사를 제거했을 때의 패시베이션층의 두께는 311 ㎚였다.
<비교예 5>
상기에서 패시베이션층 형성용 조성물 7을 전처리한 실리콘 기판 상에, 한 변이 4.5 cm인 정사각형상에 28.0 mg 부여한 점 이외에는, 비교예 1과 동일한 방법에 의해 패시베이션층을 형성하고, 전술한 바와 동일하게 평가했다. 부여한 알루미늄 화합물은 4.0 mg이였다. 실효 수명은, 170μs였다. 표면은 흑색의 잔사로 덮혀 있었다. 블로우하여 잔사를 제거했을 때의 패시베이션층의 두께는 227 ㎚였다.
실시예 1∼8 및 비교예 1∼5의 결과를 표 1 및 2에 정리하여 나타내었다.
[표 1]
[표 2]
실시예 1∼8에 나타낸 바와 같이, 일반식(II)으로 표시되는 특정한 유기 화합물을 포함하는 패시베이션층 형성용 조성물을 사용한 경우, 흑색의 잔사가 없으며, 양호한 수명을 가지는 패시베이션층이 형성할 수 있는 것을 알았다. 한편, 일반식(II)으로 표시되는 특정한 유기 화합물을 함유하지 않은 비교예 1∼5는, 열처리(소성) 후에 흑색의 잔사가 발생하고, 수명도 짧았다.
그리고, 일본 출원 2012-156472의 개시는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격은, 각각의 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격이 참조에 의해 받아들여지는 것이 구체적이고 각각 기록된 경우와 동일한 정도로, 본 명세서 중에 참조에 의해 받아들여진다.
Claims (9)
- 제1항에 있어서,
상기 일반식(I)에 있어서, R1이 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬기인, 패시베이션층 형성용 조성물. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 일반식(I)에 있어서, n이 1∼3의 정수인, 패시베이션층 형성용 조성물. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 일반식(II)의 함유율이, 패시베이션층 형성용 조성물 100 질량%에 대하여, 30 질량%∼99.9 질량%인, 패시베이션층 형성용 조성물. - 반도체 기판; 및
상기 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에 설치되는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물인 패시베이션층
을 포함하는 패시베이션층이 형성된 반도체 기판. - 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 공정; 및
상기 조성물층을 열처리하여, 패시베이션층을 형성하는 공정
을 포함하는 패시베이션층이 형성된 반도체 기판의 제조 방법. - p형층 및 n형층이 pn 접합되어 이루어지는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 상의 전체면 또는 일부에 설치되는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물의 열처리물인 패시베이션층; 및
상기 p형층 및 상기 n형층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 층 상에 배치되는 전극
을 포함하는 태양 전지 소자. - p형층 및 n형층이 접합되어 이루어지는 pn 접합을 가지고, 상기 p형층 및 상기 n형층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 층 상에 전극을 가지는 반도체 기판의, 상기 전극을 가지는 면 중 적어도 일부에, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 패시베이션층 형성용 조성물을 부여하여 조성물층을 형성하는 공정; 및
상기 조성물층을 열처리하여, 패시베이션층을 형성하는 공정
을 포함하는 태양 전지 소자의 제조 방법. - 제7항에 기재된 태양 전지 소자; 및
상기 태양 전지 소자의 전극 상에 배치되는 배선 재료
를 포함하는 태양 전지.
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