KR20150103148A - n-형 태양 전지 생산에 사용된 2원 유리 프릿 - Google Patents
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Abstract
일반적으로, 본 발명은 및 광기전 태양 전지, 바람직하게는 n-형 광기전 태양 전지 및 2원 유리 프릿을 함유하는 전기-전도성 페이스트에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 태양 전지 전구체, 태양 전지의 제조 공정, 태양 전지 및 태양 모듈에 관한 것이다. 본 발명은: i. 후면 및 전면을 가지며, 여기서 상기 전면은 p-도핑된 층을 포함하는 웨이퍼; ii. · Ag 입자, · 상기 페이스트의 총 중량에 기초하여, 약 0.01 내지 약 5 wt.% 범위의 Al 입자, · 비히클, · 상기 페이스트의 총 중량에 기초하여, 약 0.1 내지 약 5 wt.% 범위의 유리 프릿으로, 여기서 상기 유리 프릿은 유리 전이 온도 Tg1를 갖는 제1 유리 프릿 및 유리 전이 온도 Tgf를 갖는 또 다른 유리 프릿을 포함하고, 여기서 Tgf는 적어도 약 10 ℃ 만큼 Tgl과 다른, 유리 프릿, · 첨가제를 포함하는 제1 페이스트; 상기 p-도핑된 층 상에 제1 영역이 중첩된 것을 전구체 부분으로 포함하는 태양 전지 전구체에 관한 것이다.
Description
일반적으로, 본 발명은 2원 유리 프릿 및 광기전 태양 전지, 바람직하게는 n-형 광기전 태양 전지를 함유하는 전기-전도성 페이스트에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 태양 전지 전구체, 태양 전지의 제조를 위한 공정, 태양 전지 및 태양 모듈에 관한 것이다.
태양 전지는 빛의 에너지를 광전지 효과를 사용하여 전기로 전환하는 장치이다. 태양력은 지속가능하고, 공해 부산물을 생산하지 않기 때문에 매력적인 친환경 에너지원이다. 따라서, 많은 연구는 향상된 효율을 갖는 태양 전지를 개발하면서 재료 및 제작 비용을 계속적으로 낮추는데 현재까지 힘을 기울이고 있다. 빛이 태양 전지를 타격할 경우, 입사광의 분획은 표면에 의해 반사되고 나머지는 태양 전지로 투과된다. 투과된 광자 (photons)는, 적절하게 종종 도핑된 실리콘과 같은, 반도체 물질로 통상적으로 만들어진, 태양 전지에 의해 흡수된다. 흡수된 광자 에너지는 반도체 물질의 전자를 여기시켜, 전자-정공 쌍 (electron-hole pairs)을 발생시킨다. 이들 전자-정공 쌍은 그 다음 p-n 접합 (p-n junction)에 의해 분리되고, 태양 전지 표면상에 전도성 전극에 의해 수집된다. 도 1은 간단한 태양 전지에 대한 최소 구성을 나타낸다.
태양 전지는 매우 일반적으로, 종종 Si 웨이퍼의 형태로, 실리콘에 기초한다. 여기서, p-n 접합은 n-형 도핑된 Si 기판을 제공하는 단계 및 일 면에 p-형 도핑된 층을 적용시키는 단계 또는 p-형 도핑된 Si 기판을 제공하는 단계 및 일 면에 n-형 도핑된 층을 적용하는 단계에 의해 일반적으로 제조되고, 두 경우에 있어서 소위 p-n 접합을 제공한다. 적용된 도펀트의 층을 갖는 면은 일반적으로 전지의 전면으로 작용하고, 원래의 도펀트를 갖는 Si의 반대 면은 후면으로 작용한다. n-형 및 p-형 태양 전지 모두는 가능하고, 산업적으로 이용되어 왔다. 양면에 입사광을 활용하도록 설계된 전지는 또한 가능하지만, 이들의 사용은 덜 광범위하게 활용되어 왔다.
입사광이 태양 전지의 전면 상에 진입하고 흡수되기 위하여, 전방 전극 (front electrode)은 일반적으로 "핑거 (fingers)" 및 "버스 바 (bus bars)"로서 각각 알려진 두 세트의 수직선으로 배열된다. 상기 핑거는 전면과 전기 접촉을 형성하고, 버스 바는 전하를 외부 회로로 효과적으로 송출시키기 위해 이들 핑거와 연결된다. 이러한 핑거 및 버스 바의 배열은 소성되어 고체 전극체 (electrode bodies)를 제공하는 전기-전도성 페이스트의 형태로 적용되는 것이 일반적이다. 후방 전극 (back electrode)도 또한 소성되어 고체 전극체를 제공하는 전기-전도성 페이스트의 형태로 종종 적용된다. 통상적인 전기-전도성 페이스트는 금속성 입자, 유리 프릿, 및 유기 비히클을 함유한다.
최근에 n-형 태양 전지에서 관심이 증가하고 있고, 여기서 전면은 p-형 도핑된다. n-형 태양 전지는 유사 p-형 전지에 대하여 증가된 전지 성능의 가능성을 갖지만, 단점은 소성 동안 전지에 손상에 기인하여 더 낮은 효율을 결과한다.
태양 전지의 특성을 개선시키기 위해 종래의 기술에서 몇몇 시도가 있었다. 이러한 하나의 시도는 EP2472526A2에서 기재된다.
따라서 n-형 태양 전지를 생산하는 접근법에 대한 개선을 위한 최신 기술의 필요가 있다.
본 발명은 일반적으로 태양 전지, 특히 전면 상에 p-형 도핑된 웨이퍼에 기초한 태양 전지, 보통 n-형 태양 전지로 언급되는, 태양전지에 관한 기술분야에서 마주치는 문제점 중 적어도 하나를 극복하는데 그 목적을 둔다.
좀더 구체적으로, 본 발명은 유리한 전지 효율 η, 필 팩터 (fill factor) FF, 및 직렬 저항 Rser을 갖는 태양 전지, 특히 n-형 태양 전지 및 특히 높은 소성 온도로 태양 전지를 생산하는데 그 목적을 둔다.
본 발명의 또 다른 목적은 태양 전지, 특히 n-형 태양 전지를 제조하기 위한 공정을 제공하는 데 있다.
전술된 목적의 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 본 발명의 카테고리 형성 청구항의 주제에 의해 만들어진다. 또 다른 기여는 본 발명의 특별한 구현 예를 나타내는 본 발명의 종속항의 주제에 의해 만들어진다.
전술된 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는:
i. 후면 및 전면을 가지며, 여기서 전면은 p-도핑된 층인 웨이퍼;
ii. · Ag 입자;
· 페이스트의 총 중량에 기초하여, 약 0.01 내지 약 5 wt.% 범위, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 3 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2 wt.% 범위의 Al 입자;
· 비히클;
· 상기 페이스트의 총 중량에 기초하여, 약 0.1 내지 약 5 wt.% 범위, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 3 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 1 내지 약 2 wt.% 범위의 유리 프릿, 여기서 유리 프릿은 유리 전이 온도 (glass transition temperature) Tg1를 갖는 제1 유리 프릿 및 유리 전이 온도 Tgf를 갖는 또 다른 유리 프릿을 포함하고, 여기서 Tgf는 적어도 약 10 ℃, 바람직하게는 적어도 약 20 ℃, 좀더 바람직하게는 적어도 약 50 ℃ 만큼 Tgl과 다르며; 및
· 첨가제를 포함하는 제1 페이스트;
상기 p-도핑된 층 상에 제1 영역이 중첩된 것을 전구체 부분으로 포함하는, 태양 전지 전구체에 의해 만들어진다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 일 구현 예에 있어서, Tg1 및 Tgf 모두는 약 250 ℃ 내지 약 530 ℃ 범위, 바람직하게는 약 300 내지 약 500 ℃ 범위, 좀더 바람직하게는 약 320 내지 약 450 ℃의 범위이다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 제1 유리 프릿 및 또 다른 유리 프릿은 약 1:5 내지 약 5:1 범위, 바람직하게는 약 1:3 내지 약 3:1 범위, 좀더 바람직하게는 약 1:2 내지 약 2:1 범위의 중량비로 존재한다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 제1 페이스트는 하기 기준 중 적어도 하나 만족시킨다:
- 약 5 내지 약 35Pa·s 범위, 바람직하게는 약 10 내지 약 25 Pa·s 범위, 좀더 바람직하게는 약 15 내지 약 20 Pa·s 범위의 상기 제1 페이스트의 점도;
- 약 90 내지 약 300 ℃ 범위의 비등점을 갖는 상기 페이스트에 존재하는 모든 용매.
본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 은 입자는 약 1 내지 약 4 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 2 내지 약 3.5 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 2.8 내지 약 3.2 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 유리 프릿 입자는 약 0.1 내지 약 3 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.8 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 알루미늄 입자는 약 1 내지 약 5 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 2 내지 약 4 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.5 ㎛의 범위를 갖는다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 제1 전기-전도성 페이스트는 하기 조건 중 적어도 하나를 만족시킨다:
- 상기 Al 입자는 1 내지 5 ㎛ 범위, 바람직하게는 2 내지 4 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 2.5 내지 3.5 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
- 상기 Ag 입자는 1 내지 4 ㎛ 범위, 바람직하게는 2 내지 3.5 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 2.8 내지 3.2 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
- 상기 유리 프릿 입자는 0.1 내지 3㎛ 범위, 바람직하게는 0.5 내지 2 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 0.8 내지 1.5 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 Ag 입자는 구형이다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 태양 전지 전구체는 후면 상에 또 다른 영역에 대해 중첩된 또 다른 페이스트를 더욱 포함한다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 상기 제1 영역은 또 다른 영역보다 더 작다. 이러한 구현 예의 또 다른 관점에 있어서, 또 다른 페이스트는:
- Ag 입자;
- 비히클;
- 유리 프릿; 및
- 첨가제를 포함한다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 p-도핑된 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 4 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 50 nm 내지 약 1 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 100 nm 내지 약 800 nm 범위이다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 후면은 n-도핑된 층을 포함하고, 여기서 상기 n-도핑된 층은 p-도핑된 층보다 더 큰 두께를 갖는다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 p-도핑된 층은 도펀트로서 B를 포함한다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 후면은 도펀트로서 P를 포함하는 n-도핑된 층을 포함한다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 반사-방지층 및/또는 패시베이션층으로 작용하는 하나 이상의 층은 p-도핑된 층 및 중첩된 제1 페이스트 사이에 존재한다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 반사-방지층 및/또는 패시베이션층으로서 기능을 하는 적어도 하나의 층은 SiNx를 포함하고, 여기서 x는 양수이지만, 반드시 정수는 아닌 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 제1 페이스트는 격자 패턴으로 제1 영역 상에 중첩된다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 상기 제1 영역 상에 중첩된 제1 페이스트의 격자 패턴은 약 20 내지 약 100 ㎛ 범위의 폭을 갖는 핑거, 및 에에 대해 약 70 내지 약 90°범위의 각에서, 약 0.5 내지 약 2.5 mm 범위의 폭을 갖는 버스 바 (bus bars)를 포함한다.
본 발명에 따른 태양 전지 전구체의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 태양 전지 전구체는 격자 패턴으로 후면 상의 또 다른 영역에 중첩된 또 다른 페이스트를 포함한다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 또 다른 영역 상에 중첩된 또 다른 페이스트의 격자 패턴은 약 20 내지 약 200 ㎛ 범위의 폭을 갖는 핑거 및 이에 대해 약 70 내지 약 90°범위의 각에서, 약 0.5 내지 약 2.5 mm 범위의 폭을 갖는 버스 바를 포함한다.
전술된 목적의 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 하기 단계를 포함하는 태양 전지를 생산하기 위한 공정에 의해 만들어진다:
- 전술된 태양 전지 전구체 중 어느 하나에 따른 태양 전지 전구체를 제공하는 단계;
- 태양 전지를 얻기 위하여 상기 태양 전지 전구체를 소성하는 단계.
본 발명에 따른 공정의 일 구현 예에 있어서, 상기 태양 전지 전구체의 소성 단계는 하기 기준 중 적어도 하나를 만족시킨다:
- 약 700 내지 약 900 ℃ 범위에서, 하기에 제공된 "소성 가열로에서 온도 프로파일"로 명칭된 방법에 따라 측정된 온도를 유지;
- 상기 유지 온도에서 약 1 내지 약 10 초 범위의 시간
본 발명에 따른 공정 중 일 구현 예에 있어서, 상기 제1 페이스트는 스크린을 통해 전면에 적용된다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 스크린을 통한 상기 적용은 다음의 파라미터 중 적어도 하나를 만족시킨다:
- 약 290 내지 약 400/inch 범위의 메쉬 수 (mesh count);
- 약 10 내지 약 30 ㎛ 범위의 와이어 두께;
- 약 5 내지 약 25 ㎛ 범위의 메쉬 위 유제 (emulsion over mesh (EoM)) 두께;
- 약 1 내지 약 3 mm 범위로 이격된 핑거.
전술된 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 본 발명에 따른 공정으로부터 얻어질 수 있는 태양 전지에 의해 만들어진다.
전술된 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 본 발명에 따른 적어도 하나의 태양 전지 및 적어도 또 다른 태양 전지를 포함하는 모듈에 의해 만들어진다.
전술된 구현 예들은 서로 조합될 수 있다. 여기서 각각의 가능한 조합은 본 명세서의 개시의 일부이다.
이하 본 발명은 오직 예시를 위해 의도되고 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않는 도면의 수단에 의해 설명된다:
도 1은 태양 전지에 대한 최소 층 구조의 단면도를 나타낸다.
도 2는 태양 전지에 대한 보통 층 구조의 단면도를 나타낸다.
도 3a, 3b 및 3c는 함께 전방 측 페이스트를 소성하는 공정을 예시한다.
도 4는 태양 전지 전구체의 사시도를 나타낸다.
도 1은 태양 전지에 대한 최소 층 구조의 단면도를 나타낸다.
도 2는 태양 전지에 대한 보통 층 구조의 단면도를 나타낸다.
도 3a, 3b 및 3c는 함께 전방 측 페이스트를 소성하는 공정을 예시한다.
도 4는 태양 전지 전구체의 사시도를 나타낸다.
웨이퍼 (Wafers)
본 발명에 따라 바람직한 웨이퍼는 전자-정공 쌍을 산출하기 위해 고효율로 광을 흡수하고 및 고효율로 경계를 가로지르는, 특히 소위 p-n 접합 경계를 가로지르는 정공 및 전자를 분리시킬 수 있는 태양 전지의 다른 부위 (regions) 사이에서 부위이다. 본 발명에 다른 바람직한 웨이퍼는 전방 도핑된 층 및 후방 도핑된 층으로 구성된 단일 체 (single body)를 포함하는 것이다.
적절하게 도핑된 4가 원소 (tetravalent elements), 2원 화합물 (binary compounds), 3원 화합물 또는 합금으로 이루어진 웨이퍼가 바람직하다. 이러한 맥락에 있어서 바람직한 4가 원소는 Si, Ge 또는 Sn, 바람직하게는 Si이다. 바람직한 2원 화합물은 둘 이상의 4가 원소의 조합들, V 족 원소와 III 족 원소의 2원 화합물, VI 족 원소와 II 족 원소의 2원 화합물 또는 VI 원소와 IV 족 원소의 2원 화합물이다. 4가 원소의 바람직한 조합은 Si, Ge, Sn 또는 C, 바람직하게는 SiC로부터 선택된 둘 이상의 원소의 조합이다. V 족 원소와 III 족 원소의 바람직한 2원 화합물은 GaAs이다. 본 발명에 따라 가장 바람직한 웨이퍼는 Si에 기초한다. 웨이퍼에 대한 가장 바람직한 물질로서, Si는 본 출원의 나머지 내내 명료하게 언급된다. Si가 명료하게 언급된 하기 텍스트의 섹션은 또한 전술된 다른 웨이퍼 조성물에 대해서도 적용된다.
웨이퍼의 전방 도핑된 층 및 후방 도핑된 층이 만나는 곳이 p-n 접합 경계이다. n-형 태양 전지에 있어서, 상기 후방 도핑된 층은 전자 공여 (donating) n-형 도펀트로 도핑되고, 전방 도핑된 층은 전자 수용 (electron accepting) 또는 정공 공여 p-형 도펀트로 도핑된다. p-형 태양 전지에 있어서, 후방 도핑된 층은 p-형 도펀트로 도핑되고, 전방 도핑된 층은 n-형 도펀드로 도핑된다. 본 발명에 따르면, 먼저 도핑된 Si 기판을 제공하는 단계 및 그 다음 기판의 일 면에 대해 반대 타입의 도핑된 층을 적용시키는 단계에 의해 p-n 접합 경계를 갖는 웨이퍼를 제조하는 것이 바람직하다. n-형 태양 전지는 본 발명의 맥락에서 바람직하다. 본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 p-도핑된 층 및 n-도핑된 층은 웨이퍼의 동일한 면에 배열될 수 있다. 이러한 웨이퍼 디자인은 Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 2003, chapter 7에서 예시된 바와 같은 맞물린 후방 접촉 (interdigitated back contact)으로 불린다.
도핑된 Si 기판은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 상기 도핑된 Si 기판은 기술분야의 당업자에게 알려지고, 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는 어떤 방식으로 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 Si 기판의 바람직한 공급원은 단-결정 Si, 다-결정 Si, 무정질 Si, 및 UMG (upgraded metallurgical) Si이고, 단-결정 Si 또는 다-결정 Si가 가장 바람직하다. 도핑된 Si 기판을 형성하기 위한 도핑은 Si 기판의 제조 동안 도펀트를 첨가시켜 동시에 수행될 수 있거나 또는 후속 단계에서 수행될 수 있다. Si 기판의 제조에 뒤이은 도핑은, 예를 들어, 가스 확산 에피택시 (gas diffusion epitaxy)에 의해 수행될 수 있다. 도핑된 Si 기판은 쉽게 상업적으로 이용가능하다. 본 발명에 따르면, Si 기판의 초기 도핑에 대한 하나의 옵션은 Si 혼합에 도펀트를 첨가시켜 이의 형성과 동시에 수행되는 것이다. 본 발명에 따르면, 전방 도핑된 층 및 고도로 도핑된 후방 층의 적용에 대한 하나의 옵션은, 만약 존재한다면, 가스-상 에피택시 (gas-phase epitaxy)에 의해 수행되는 것이다. 이러한 가스상 에피택시는 약 2 kPa 내지 약 100kPa 범위, 바람직하게는 약 10 내지 약 80 kPa 범위, 가장 바람직하게는 약 30 내지 약 70 kPa 범위의 압력에서 바람직하게는 약 500 ℃ 내지 약 900 ℃ 온도, 좀더 바람직하게는 약 600 ℃ 내지 약 800 ℃ 온도, 및 가장 바람직하게는 약 650 ℃ 내지 약 750 ℃ 온도에서 수행된다.
Si 기판이 다수의 형상, 표면 택스쳐 (textures) 및 크기를 나타낼 수 있는 점은 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 상기 형상은 다른 것들 가운데 직육면체 (cuboid), 디스크, 웨이퍼 및 불규칙 다면체를 포함하는 다수의 다른 형상 중 하나일 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 형상은 웨이퍼 형상이고, 여기서 웨이퍼는 유사한, 바람직하게는 동일한 두 치수 및 다른 두 치수보다 상당히 적은 제3 치수를 갖는 장방형이다. 이러한 맥락에서 상당하게 적은 것은 바람직하게는 적어도 약 100 배 더 작다.
다양한 표면 타입은 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 거친 표면을 갖는 Si 기판은 바람직하다. 상기 기판의 거칠기를 평가하기 위한 하나의 방식은 기판의 총 표면적과 비교하여 작은, 바람직하게는 총 표면적의 100분의 1 미만이고, 및 필수적으로 평면인, 기판의 서브-표면 (sub-surface)에 대한 표면 거칠기 파라미터를 평가하는 것이다. 표면 거칠기 파라미터의 값은 서브표면의 면적 대 평균 자승 변위 (mean square displacement)를 최소화하여 서브표면에 가장 적합한 평평한 평면상으로 그 서브표면을 돌출시켜 형성된 이론적 표면의 면적의 비에 의해 제공된다. 표면 거칠기 파라미터의 더 높은 값은 더 거치고, 좀더 불규칙한 표면을 나타내고, 표면 거칠기 파라미터의 더 낮은 값은 더 매끄럽고, 좀더 균일한 표면을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 상기 Si 기판의 표면 거칠기는 표면에 핑거의 광 흡수 및 접착력을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 요인들 사이에서 최적 균형을 생산하기 위해 바람직하게 변형된다.
상기 Si 기판의 2개의 더 큰 치수는 최종 태양 전지의 요구된 적용에 적합하도록 변화될 수 있다. 본 발명에 따르면, Si 웨이퍼의 두께는 약 0.5mm 아래, 바람직하게는 약 0.3 mm 아래 및 가장 바람직하게는 약 0.2mm 아래인 것이 바람직하다. 몇몇 웨이퍼는 약 0.01mm 이상 최소 크기를 갖는다.
본 발명에 따르면, 전방 도핑된 층은 후방 도핑된 층과 비교하여 박형인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 p-도핑된 층은 약 10 nm 내지 약 4 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 50 nm 내지 약 1 ㎛ 범위 및 가장 바람직하게는 약 100 내지 약 800 nm 범위인 두께를 갖는다.
상기 전방 도핑된 층은 일반적으로 후방 도핑된 층보다 더 박형이다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 후면은 p-도핑된 층보다 더 두꺼운 두께를 갖는 n-도핑된 층을 포함한다.
고도로 도핑된 층은 상기 후방 도핑된 층 및 어떤 다른 층 사이에 Si 기판의 후면에 적용될 수 있다. 이러한 고도로 도핑된 층은 후방 도핑된 층으로서 동일한 도핑 타입의 것이고, 이러한 층은 일반적으로 a+로 나타낸다 (n+-형 층은 n-형 후방 도핑된 층에 적용되고, 및 p+-형 층은 p-형 후방 도핑된 층에 적용된다). 이렇게 고도로 도핑된 후방 층은 상기 기판/전극 접점 영역 (interface area)에서 금속화 (metallisation)를 돕고, 전기-전도성 특성을 개선시키기 위해 제공된다. 본 발명에 따르면, 상기 고도로 도핑된 후방 층은, 만약 존재한다면, 약 10 nm 내지 약 30 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 50 nm 내지 약 20 ㎛ 범위 및 가장 바람직하게는 약 100 nm 내지 약 10 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도펀트
바람직한 도펀트는, 상기 Si 웨이퍼에 첨가된 경우, 밴드 구조 (band structure)에 전자 또는 정공을 도입하여 p-n 접합 경계를 형성하는 것들이다. 본 발명에 따르면, 이들 도펀트의 정체성 (identity) 및 농도는 p-n 접합의 밴드 구조 프로파일을 조정 및 요구된 바와 같은 광 흡수 및 전도성 프로파일을 설정하기 위하여 특별하게 선택되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 바람직한 p-형 도펀트는 Si 웨이퍼 밴드 구조에 정공을 첨가하는 것들이다. 이들은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려하는 모든 도펀트는 p-형 도펀트로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 p-형 도펀트는 3가 원소, 특히 주기율표 13족의 원소이다. 이러한 맥락에서 주기율표의 바람직한 13족 원소는 B, Al, Ga, In, Tl 또는 적어도 이의 둘의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않으며, 여기서 B는 특히 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 p-도핑된 층은 도펀트로서 B를 포함한다.
본 발명에 따라 바람직한 n-형 도펀트는 Si 웨이퍼 밴드 구조에 전자를 첨가하는 것들이다. 이들은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려된 모든 도펀트는 n-형 도펀트로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 n-형 도펀트는 주기율표의 15 족의 원소이다. 이러한 맥락에서 주기율표의 바람직한 15족 원소는 N, P, As, Sb, Bi 또는 적어도 이의 둘의 조합을 포함하고, 여기서 P는 특히 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 n-도핑된 층은 도펀트로서 P를 포함한다.
전술된 바와 같이, 상기 p-n 접합의 다양한 도핑 수준은 최종 태양 전지의 바람직한 특성을 조정하기 위하여 변화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 약간 도핑될 상기 후방 도핑된 층은, 약 1 x 1013 내지 약 1 x 1018 cm-3 범위, 바람직하게는 약 1 x 1014 내지 약 1 x 1017 cm-3 범위, 가장 바람직하게는 약 5 x 1015 내지 약 5 x 1016 cm-3 범위인 도펀트 농도를 갖는 것이 바람직하다. 몇몇 상업적 제품은 약 1 x 1016의 도펀트 농도로 후방 도핑된 층을 갖는다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 고도로 도핑된 후방 층 (만약 이것이 존재한다면)은, 바람직하게는 약 1 x 1017 내지 약 5 x 1021 cm-3 범위, 좀더 바람직하게는 약 5 x 1017 내지 약 5 x 1020 cm-3 범위, 및 가장 바람직하게는 약 1 x 1018 내지 약 1 x 1020cm-3 범위의 농도로 많이 도핑된다.
전기-전도성 페이스트
본 발명에 따라 바람직한 전기-전도성 페이스트는 표면에 적용될 수 있고, 소성시, 그 표면과 전기적 접촉으로 고체 전극체를 형성하는 페이스트이다. 상기 페이스트의 구성분 및 이의 비율은 상기 페이스트가 소결 및 인쇄적성과 같은 원하는 특성을 가지며, 최종 전극이 원하는 전기적 및 물리적 특성을 가지도록 기술분야의 당업자에 의해 선택될 수 있다. 금속성 입자는, 주로 최종 전극체가 전기적으로 전도성이도록, 상기 페이스트에 존재할 수 있다. 표면 층들을 통해 및 Si 웨이퍼로 적절한 소결을 결과하기 위하여, 무기 반응 시스템은 사용될 수 있다. 본 발명의 맥락에 바람직한 전기-전도성 페이스트의 대표 조성물은:
i) 적어도 약 50 wt.%, 좀더 바람직하게는 적어도 약 70 wt.% 및 가장 바람직하게는 적어도 약 80 wt.%의, 금속성 입자;
ii) 약 0.01 내지 약 5 wt.% 범위, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 3 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2 wt.% 범위의, Al 입자;
iii) 약 0.1 내지 약 5 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 3 wt.% 범위 및 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 2 wt.% 범위의 유리 프릿, 여기서 상기 유리 프릿은 유리 전이 온도 Tg1를 갖는 제1 유리 프릿 및 유리 전이 온도 Tgf를 갖는 또 다른 유리 프릿을 포함하고, 여기서 Tgf는 적어도 약 10 ℃, 바람직하게는 적어도 약 20 ℃, 좀더 바람직하게는 적어도 약 50 ℃ 만큼 Tgl과 다르고;
iv) 약 5 내지 약 40 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 5 내지 약 30 wt.% 범위 및 가장 바람직하게는 약 5 내지 약 15 wt.% 범위의, 유기 비히클 (organic vehicle); 및
v) 약 0 내지 약 15 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 0 내지 약 10 wt.% 범위 및 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 5 wt.% 범위의, 첨가제를 포함할 수 있고,
여기서 wt.%는 전기-전도성 페이스트의 총 중량에 기초하고, 100 wt.%까지 첨가된다.
전기-전도성 페이스트의 인쇄적성을 가능하게 하기 위하여, 전기-전도성 페이스트는 인쇄적성을 가능하게 하는 점도 및 틱소트로피 지수 (thixotropic index)을 갖는 것이 본 발명에 따라 바람직하다. 상기 페이스트에서 바람직한 모든 용매는 프린팅 공정 동안 온도 이상이지만, 소성 공정의 온도 아래의 비등점을 갖는 것이 또한 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 전기-전도성 페이스트는 하기 기준 중 적어도 하나를 만족시킨다:
- 약 5 내지 약 35 Pas 범위, 바람직하게는 약 10 내지 약 25 Pas 범위 및 가장 바람직하게는 약 15 내지 약 20 Pas 범위의 점도.
- 약 90 내지 약 300 ℃ 범위의 비등점을 갖는 페이스트에 존재하는 모든 용매.
금속성 입자
본 발명의 맥락에 있어서 바람직한 금속성 입자는 금속성 전도도를 나타내거나 또는 소성시 금속성 전도도를 나타내는 물질을 산출하는 것들이다. 전기-전도성 페이스트에 존재하는 금속성 입자는 전기-전도성 페이스트가 소성시 소결된 경우 형성되는 고체 전극에 대해 금속성 전도성을 제공한다. 효과적인 소결에 유리하고, 고 전도도 및 낮은 접촉 저항을 갖는 전극을 산출하는 금속성 입자는 바람직하다. 금속성 입자는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려된 모든 금속성 입자는 전기-전도성 페이스트에서 금속성 입자로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 금속성 입자는 금속, 합금, 적어도 두 금속의 혼합물, 적어도 두 합금의 혼합물 또는 적어도 하나의 합금과 적어도 하나의 금속의 혼합물이다. 본 발명에 따른 금속성 입자로서 사용될 수 있는 바람직한 금속은 Ag, Cu, Al, Zn, Pd, Ni, Pb 및 적어도 이의 둘의 혼합물이고, 바람직하게는 Ag이다. 본 발명에 따른 금속성 입자로서 사용될 수 있는 바람직한 합금은 Ag, Cu, Al, Zn, Ni, W, Pb, 및 Pd으로부터 선택된 적어도 하나의 금속, 또는 혼합물을 함유하는 합금 또는 이들 합금 중 둘 이상이다. 본 발명에 따르면, 금속성 입자가 Ag 및 Al을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 금속성 입자는 하나 이상의 또 다른 금속 또는 합금으로 코팅된 금속 또는 합금, 예를 들어, 은으로 코팅된 구리를 포함한다. 전술된 구성분에 더하여, 상기 금속성 입자의 부가적인 구성분으로, 형성된 전극의 좀더 유리할 수 있는 소결 특성, 전기 접촉, 접착력 및 전기 전도도에 기여하는 이들 구성분들은 본 발명에 따라 바람직하다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려된 모든 부가적인 구성분은 금속성 입자에 사용될 수 있다. 상기 전기-전도성 페이스트가 적용될 면에 대하여 상호 보완적인 도펀트를 나타내는 이들 부가적인 치환체들 (substituents)은 본 발명에 따라 바람직하다. n-형 도핑된 Si 층과 접속하는 전극을 형성하는 경우, Si에서 n-형 도펀트로서 작용할 수 있는 첨가제는 바람직하다. 이러한 맥락에서 바람직한 n-형 도펀트는 소성시 이러한 원소를 산출하는 15족 원소 또는 화합물이다. 본 발명에 따라 이러한 맥락에 있어서 바람직한 15족 원소는 P 및 Bi이다. p-형 도핑된 Si 층과 접속하는 전극을 형성하는 경우, Si에서 p-형 도펀트로서 작용할 수 있는 첨가제는 바람직하다. 바람직한 p-형 도펀트는 소성시 이러한 원소를 산출하는 13족 원소 또는 화합물이다. 본 발명에 따른 이러한 맥락에 있어서 바람직한 13족 원소는 B 및 Al이다.
금속성 입자가 다양한 형상, 표면, 크기, 표면적 대 부피 비, 산소 함량 및 산화물층을 나타낼 수 있는 것은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 다수의 형상은 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 몇몇 실시 예들은 구형, 각형, 가늘고 긴 (막대 또는 바늘형) 및 평평한 (시트형)이다. 금속성 입자는 또한 다른 형상의 입자의 조합으로 존재할 수 있다. 생산된 전극의 이로운 소결, 전기 접촉, 접착력 및 전기 전도도에 유리한, 형상, 또는 형상의 조합을 갖는 금속성 입자는 본 발명에 따라 바람직하다. 표면 성질을 고려하지 않고 이러한 형상을 특징화하는 하나의 방법은 파라미터들인 길이, 폭, 및 두께를 통해서이다. 본 발명의 맥락에 있어서, 입자의 길이는, 상기 길이의 양 말단점이 상기 입자 내에 함유된, 가장 긴 공간 변위 벡터 (spatial displacement vector)의 길이에 의해 제공된다. 입자의 폭은 이의 양 말단이 입자 내에 함유된 상기 정의된 길이 벡터에 수직인 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 대해 제공된다. 입자의 두께는 상기에서 모두 정의된, 이의 양 말단점이 입자 내에 함유된, 길이 벡터 및 폭 벡터 모두에 수직인 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 의해 제공된다. 본 발명에 따른 일 구현 예에 있어서, 가능한 한 균일한 형상을 갖는 금속성 입자는, 즉 길이, 폭, 두께에 연관된 비가 가능한 한 1에 가깝고, 바람직하게는 모든 비가 약 0.7 내지 약 1.5의 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.8 내지 약 1.3 범위, 및 가장 바람직하게는 약 0.9 내지 약 1.2의 범위에 놓인 형상이 바람직하다. 따라서, 이러한 구현 예에 있어서 상기 금속성 입자에 대한 바람직한 형상의 예는 구형 및 정방형, 또는 이의 조합, 또는 이의 하나 이상과 다른 형상의 조합이다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 전기-전도성 페이스트에서 Ag 입자는 구형이다. 본 발명에 따른 또 다른 구현 예에 있어서, 금속성 입자는 낮은 균일도의 형상을 갖는 것이 바람직하고, 바람직하게는 길이, 폭, 및 두께의 치수와 연관된 비 중 적어도 하나는 약 1.5, 좀더 바람직하게는 약 3 이상 및 가장 바람직하게는 약 5 이상이다. 이러한 구현 예에 따른 바람직한 형상은 플레이크 형상, 막대 또는 바늘 형상, 또는 플레이크 형상, 막대 또는 바늘 형상과 다른 형상의 조합이다.
다양한 표면 타입은 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 효과적인 소결에 유리하고, 생산된 전극의 이로운 전기 접촉 및 전도도를 산출하는 표면 타입은 본 발명에 따른 금속성 입자의 표면 타입으로 유리하다.
입자 직경 d50 및 연관된 값 d10 및 d90은 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 입자의 특징이다. 본 발명에 따르면, 금속성 입자의 평균 입자 직경 d50은 약 0.5 내지 약 10 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 1 내지 약 10 ㎛ 범위, 및 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 5 ㎛ 범위에 있는 것이 바람직하다. 입자 직경 d50의 결정은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 은 입자는 약 1 내지 약 4 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 2 내지 약 3.5 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는약 2.8 내지 약 3.2 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 알루미늄 입자는 약 1 내지 약 5 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 2 내지 약 4 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.5 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
상기 금속성 입자는 표면 코팅으로 존재할 수 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는 이러한 코팅은 상기 금속성 입자에 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 코팅은 전기-전도성 페이스트의 개선된 프린팅, 소결 및 에칭 특징을 증진시키는 코팅들이다. 만약 이러한 코팅이 존재한다면, 상기 코팅은, 상기 금속성 입자의 총 중량에 기초한 각각의 경우에 있어서, 약 10 wt.% 미만, 바람직하게는 약 8 wt.% 미만, 가장 바람직하게는 약 5 wt.% 미만에 상응하는 것이 본 발명에 따라 바람직하다.
본 발명에 따른 일 구현 예에 있어서, 상기 은 입자는 약 50 wt.% 초과, 바람직하게는 약 70 wt.% 초과, 가장 바람직하게는 약 80 wt.%를 초과하는 상기 전기-전도성 페이스트의 비율로 존재한다.
유리 프릿 (Glass Frit)
본 발명의 맥락에 있어서 바람직한 유리 프릿은 유리 전이를 나타내는 무정질 또는 부분 결정질 고체의 분말이다. 유리 전이 온도 Tg는 무정질 물질이 가열시 단단한 고체에서 부분적으로 유동적인 과냉각된 용융물로 전환되는 온도이다. 상기 유리 전이 온도의 결정을 위한 방법은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 유리 프릿은 에칭 및 소결을 유발시키기 위해 본 발명에 따른 전기-전도성 페이스트에 존재된다. 효과적인 에칭은 Si 웨이퍼에 적용될 수 있고, 따라서, 전방 도핑된 층 및 적용된 전기-전도성 페이스트 사이에 놓인 어떤 부가적인 층을 통해 에칭하는 것 뿐만 아니라 적절한 함량으로 Si 웨이퍼를 에칭하는 것이 요구된다. 상기 Si 웨이퍼의 적절한 에칭은 전극 및 전방 도핑된 층 사이에 우수한 전기적 접촉을 유발하기에 충분히 깊고, 따라서 낮은 접촉 저항을 유도하지만 p-n 접합 경계를 방해하는 만큼 깊지 않은 것을 의미한다. 유리 프릿에 의해 유발된 상기 에칭 및 소결은 상기 유리 프릿의 유리 전이온도 이상에서 발생하고, 상기 유리 전이 온도는 원하는 피크 소성 온도 아래에 있어야만 한다. 유리 프릿은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 모든 유리 프릿은 상기 전기-전도성 페이스트에서 유리 프릿으로 사용될 수 있다.
본 발명의 맥락에 있어서, 상기 전기-전도성 페이스트에 존재하는 유리 프릿은 원소, 산화물, 가열시 산화물을 발생하는 화합물, 다른 화합물, 또는 이의 혼합물을 포함한다. 이러한 맥락에서 바람직한 원소는 Si, B, Al, Bi, Li, Na, Mg, Pb, Zn, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu, Ba 및 C 또는 이들로부터 둘 이상의 혼합물이다. 본 발명의 맥락에서 유리 프릿에 의해 포함될 수 있는 바람직한 산화물은 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토 금속 산화물, 희토류 산화물, V족 및 VI족 산화물, 다른 산화물, 또는 이의 조합이다. 본 맥락에서 바람직한 알칼리 금속 산화물은 산화 나트륨, 산화 리튬, 산화 칼륨, 산화 루비듐, 산화 세슘 또는 이의 조합이다. 본 맥락에서 바람직한 알칼리 토 금속 산화물은 산화 베릴륨, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 스트론튬, 산화 바륨, 또는 이의 조합이다. 이러한 맥락에 있어서 바람직한 V족 산화물은 P2O5과 같은, 산화 인, Bi2O3과 같은, 산화 비스무스, 또는 이의 조합이다. 본 맥락에서 바람직한 VI족 산화물은 TeO2, 또는 TeO3과 같은, 산화 텔루륨 (tellurium oxide), SeO2와 같은, 산화 셀레늄 (selenium oxides), 또는 이의 조합이다. 바람직한 희토류 산화물은 CeO2와 같은, 산화 세륨, 및 La2O3과 같은, 산화 란탄늄 (lanthanum oxides)이다. 이러한 맥락에서 다른 바람직한 산화물은 SiO2와 같은, 산화 실리콘, ZnO과 같은, 산화 아연, Al2O3과 같은, 산화 알루미늄, GeO2과 같은, 산화 게르마늄, V2O5과 같은, 산화 바나듐, Nb2O5과 같은 산화 니오븀, 산화 붕소, WO3과 같은, 산화 텅스텐, MoO3과 같은, 산화 몰리브덴 및 In2O3과 같은, 산화 인듐, 바람직한 원소로서 전술된 이들 원소의 또 다른 산화물, 또는 이의 조합이다. 바람직한 산화물은 또한 프릿 유리의 바람직한 원소 구성분으로서 전술된 원소의 적어도 두 개를 함유하는 혼합 산화물, 또는 전술된 금속의 적어도 하나와 전술된 산화물 중 적어도 하나를 가열시켜 형성된 혼합 산화물이다. 전술된 산화물 중 적어도 둘 및 혼합 산화물의 혼합물은 또한 본 발명의 맥락에서 바람직하다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 유리 프릿은 전술된 유리 전이 온도 Tg1을 갖는 제1 유리 프릿 및 전술된 유리 전이 온도 Tgf를 갖는 또 다른 유리 프릿을 포함하고 다른 유리 프릿은 없다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 유리 프릿은 적어도 세 이상의 유리 프릿을 포함하고, 각각의 다른 유리 프릿과 바람직하게는 적어도 10 K 이상, 바람직하게는 적어도 20K 이상, 좀더 바람직하게는 적어도 50K 이상 만큼 차이나는 유리 전이 온도를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 유리 프릿은 전술된 제1 및 또 다른 유리 프릿, 및 제3 유리 프릿을 포함하는, 세 개의 유리 프릿을 포함하고, 다른 유리 프릿은 없다.
전술된 바와 같이, 상기 유리 프릿은 전기-전도성 페이스트의 원하는 소성 온도 아래의 유리 전이 온도를 가져야만 한다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, Tg1 및 Tgf 모두, 및 바람직하게는 제3 또는 다른 유리 프릿의 유리 전이온도는, 여기서 이러한 제3 또는 다른 유리들이 상기 유리 프릿에 존재하는 경우, 약 250 내지 약 530 ℃ 범위, 좀더 바람직하게는 약 300 내지 약 500 ℃ 범위, 및 가장 바람직하게는 약 320 내지 약 450 ℃ 범위이다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 제1 유리 프릿 및 제2 유리 프릿은 약 1:5 내지 약 5:1 범위의 중량비로 존재하는 것이 바람직하다. 둘 이상의 유리 프릿이 존재하는, 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 상기 유리 프릿 중 어떤 두 유리 프릿들 사이에서의 각 중량비는 약 1:5 내지 약 5:1의 범위, 바람직하게는 약 1:3 내지 약 3:1의 범위, 좀더 바람직하게는 약 1:2 내지 약 2:1의 범위인 것이 바람직하다. 세 개의 유리 프릿이 존재하는 경우에 있어서, 예를 들어, 상기 제1 대 제2 유리 프릿의 중량비, 제2 대 제3 유리 프릿 및 제2 대 제3 유리 프릿의 중량비 모두는 약 1:5 내지 약 5:1의 범위, 바람직한 약 1:3 내지 약 3:1의 범위, 좀더 바람직하게는 약 1:2 내지 약 2:1의 범위인 것이 바람직하다.
유리 프릿 입자는 다양한 형상, 표면 성질, 크기, 표면적 대 부피 비, 및 코팅층으로 나타낼 수 있고 이는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.
유리 프릿 입자의 다수의 형상은 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 몇몇 예들은 구형, 각형, 가늘고 긴 (막대 또는 바늘형) 및 평평한 (시트형)이다. 유리 프릿 입자는 또한 다른 형상의 입자의 조합으로 존재할 수 있다. 생산된 전극의 이로운 소결, 접착력, 전기 접촉 및 전기 전도도에 알맞는, 형상, 또는 형상의 조합을 갖는 유리 프릿 입자는 본 발명에 따라 바람직하다.
평균 입자 직경 d50, 및 연관된 파라미터 d10 및 d90은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있는 입자의 특징이다. 유리 프릿의 평균 입자 직경 d50은 약 0.1 내지 약 10 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.2 내지 약 7 ㎛ 범위 및 가장 바람직하게는 약 0.5 내지 약 5 ㎛ 범위인 것이 본 발명에 따라 바람직하다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 유리 프릿은 약 0.1 내지 약 3 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 0.8 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 d50을 갖는다.
유기 비히클 (Organic Vehicle)
본 발명의 맥락에서 바람직한 유리 비히클은, 전기-전도성 페이스트의 구성분이 용해되거나, 유화되거나, 또는 분산된 형태로 존재하는 것을 보장하는, 하나 이상의 용매, 바람직하게는 유기 용매에 기초한 용액, 유화액 또는 분산액이다. 바람직한 유기 비히클은 전기-전도성 페이스트 내에 구성분의 최적 안정성을 제공하고, 상기 전기-전도성 페이스트에 효과적인 라인 인쇄적성을 허용하는 점도를 부여하는 것들이다. 본 발명에 따라 바람직한 유기 비히클은:
(i) 바람직하게는 약 1 내지 약 10 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 2 내지 약8 wt.% 범위 및 가장 바람직하게는 약 3 내지 약 7 wt.% 범위의, 바인더;
(ii) 바람직하게는 약 0 내지 약 10 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 0 내지 약 8 wt.% 범위 및 가장 바람직하게는 약 0.01 내지 약 6 wt.% 범위의, 계면활성제;
(iii) 상기 유리 비히클에 다른 구성분의 비율에 의해 결정된 비율의, 하나 이상의 용매;
(iv) 바람직하게는 약 0 내지 약 10 wt.% 범위, 좀더 바람직하게는 약 0 내지 약 8 wt.% 범위 및 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 5 wt.% 범위의, 선택적인 첨가제를 비히클 성분으로서 포함하고, 여기서 wt.%는 유기 비히클의 총 중량에 기초하고, 100 wt.%까지 첨가된다. 본 발명에 따르면, 바람직한 유기 비히클은 전술된 전기-전도성 페이스트의 바람직한 높은 수준의 인쇄적성이 달성되도록 허용하는 것들이다.
바인더 (Binder)
본 발명의 맥락에서 바람직한 바인더는 유리한 안정성, 인쇄적성, 점도, 소결 및 에칭 특성을 갖는 전기-전도성 페이스트의 형성에 기여하는 것들이다. 바인더는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려하는 모든 바인더는 유기 비히클에 바인더로서 사용될 수 있다. (범주 용어 "수지들"에 종종 속하는) 본 발명에 따라 바람직한 바인더는 중합체 바인더, 단량체 바인더, 및 중합체 및 단량체의 조합인 바인더이다. 중합체 바인더는 또한 공중합체일 수 있고, 여기서 적어도 두 개의 다른 단량체 유닛이 단일 분자내에 함유된다. 바람직한 중합체 바인더는 중합체 주 사슬에 관능기를 수반하는 것, 주 사슬에서 떨어진 관능기를 수반하는 것 및 주 사슬 내에 및 주 사슬에서 떨어진 관능기를 모두 수반하는 것들이다. 주 사슬에서 관능기를 수반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리에스테르, 치환된 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 치환된 폴리카보네이트, 주 사슬에 환형기를 수반하는 중합체, 다-당류 (poly-sugars), 치환된 다-당류, 폴리우레탄, 치환된 폴리우레탄, 폴리아미드, 치환된 폴리아미드, 페놀 수지, 치환된 페놀 수지, 전술된 하나 이상의 중합체의 단량체의 중합체, 선택적으로 다른 공-단량체, 또는 적어도 이의 둘의 조합이다. 주 사슬에서 환형기를 수반하는 바람직한 중합체는 폴리비닐부틸레이트 (PVB) 및 이의 유도체 및 폴리-테르피네올 및 이의 유도체 또는 이의 혼합물이다. 바람직한 다-당류는, 예를 들어, 셀룰로오스 및 이의 알킬 유도체, 바람직하게는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 부틸 셀룰로오스 및 이의 유도체 및 적어도 이의 둘의 혼합물이다. 주요 중합체 사슬에서 떨어진 관능기를 수반하는 바람직한 중합체는 아미드 기를 수반하는 것, 종종 아크릴 수지로 명명되는, 산 및/또는 에스테르기를 수반하는 것, 또는 전술된 관능기의 조합, 또는 이의 조합을 수반하는 중합체이다. 주 사슬에서 떨어진 아미드를 수반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리비닐 피롤리돈 (PVP) 및 이의 유도체이다. 주 사슬에서 떨어진 산 및/또는 에스테르기를 수반하는 바람직한 중합체는, 예를 들어, 폴리아크릴산 및 이의 우도체, 폴리메타아크릴레이트 (PMA) 및 이의 유도체 또는 폴리메틸메타아크릴레이트 (PMA) 및 이의 유도체, 또는 이의 혼합물이다. 본 발명에 따라 바람직한 단량체 바인더는 에틸렌 글리콜계 단량체, 테르피네올 수지 또는 로진 유도체, 또는 이의 혼합물이다. 에틸렌글리콜에 기초한 바람직한 단량체 바인더는 에테르기, 에스테르기 또는 에테르기 및 에스테르기를 갖는 것이고, 바람직한 에테르기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 및 고급 알킬 에테르이고, 바람직한 에스테르기는 아세테이트 및 이의 알킬 유도체, 바람직하게는 에틸렌 글리콜 모노부틸에테르 모노아세테이트 또는 이의 혼합물이다. 알킬 셀룰로오스, 바람직하게는 에틸 셀룰로오스, 이의 유도체 및 이들과 바인더의 전술된 목록으로부터의 다른 바인더와의 혼합물 또는 그 반대는 본 발명의 맥락에서 가장 바람직한 바인더이다.
계면활성제 (Surfactant)
본 발명의 맥락에서 바람직한 계면활성제는 유리한 안정성, 인쇄적성, 점도, 소결 및 에칭 특성을 갖는 전기-전도성 페이스트의 형성에 기여하는 것들이다. 계면활성제는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 모든 계면활성제는 유기 비히클에 계면활성제로서 사용될 수 있다. 본 발명의 맥락에서 바람직한 계면활성제는 선형 사슬, 분지형 사슬, 방향족 사슬, 불소화된 사슬, 실록산 사슬, 폴리에테르 사슬 및 이의 조합에 기초를 둔 것들이다. 바람직한 계면활성제는 단일 사슬, 이중 사슬 또는 폴리사슬된 것이다. 본 발명에 따라 바람직한 계면활성제는 비-이온성, 양이온성, 음이온성, 또는 양쪽이온성 헤드 (zwitterionic heads)를 갖는다. 바람직한 계면활성제는 중합체 또는 단량체 또는 이의 혼합물이다. 본 발명에 따라 바람직한 계면활성제는 안료 친화성기 (pigment affinic groups), 바람직하게는 안료 친화성기를 갖는 하이드록시 관능성 카르복실산 에스테르 (예를 들어, DISPERBYK®108, BYK USA, Inc.에 의해 제조), 안료 친화성기를 갖는 아크릴레이트 공중합체 (예를들어, DISPERBYK®116, BYK USA, Inc.에 의해 제조), 안료 친화성기를 갖는 변형된 폴리에테르 (예를 들어, TEGO®DISPERS 655, Evonik Tego Chemie GmbH에 의해 제조), 높은 안료 친화성 (affinity)의 기를 갖는 다른 계면활성제 (예를 들어, TEGO®DISPERS 662 C, Evonik Tego Chemie GmbH에 의해 제조)를 가질 수 있다. 전술되지 않은 본 발명에 따라 다른 바람직한 중합체는 폴리에틸렌글리콜 및 이의 유도체, 및 알킬 카르복실산 및 이들의 유도체 또는 염, 또는 이의 혼합물이다. 본 발명에 따라 바람직한 폴리에틸렌글리콜 유도체는 폴리(에틸렌글리콜)아세트산이다. 바람직한 알킬 카르복실산은 완전히 포화된 것 및 단일 또는 폴리 불포화된 알킬 사슬 또는 이의 혼합물을 갖는 것이다. 포화된 알킬 사슬을 갖는 바람직한 카르복실산은 약 8 내지 약 20 탄소 원자범위에서 알킬 사슬 길이를 갖는 것, 바람직하게는 C9H19COOH (카프린산 (capric acid)), C11H23COOH (라우린산 (Lauric acid)), C13H27COOH (미리스틴산 (myristic acid)) C15H31COOH (팔미트산 (palmitic acid)), C17H35COOH (스테아린산 (stearic acid)) 또는 혼합물이다. 불포화된 알킬 사슬을 갖는 바람직한 카르복실산은 C18H34O2 (올레인산 (oleic acid) ) 및 C18H32O2 (리놀렌산 (linoleic acid))이다. 본 발명에 따라 바람직한 단량체 계면활성제는 벤조트리아졸 및 이의 유도체이다.
용매 (Solvent)
본 발명에 따라 바람직한 용매는 소성 동안 페이스트로부터 상당한 함량으로 제거되는, 바람직하게는 소성 전과 비교하여 적어도 약 80%까지 감소된, 좀더 바람직하게는 소성 전과 비교하여 적어도 약 95%까지 감소된, 절대 중량으로 소성 후 존재하는, 전기-전도성 페이스트의 구성분이다. 본 발명에 따라 바람직한 용매는 형성될 전기-전도성 페이스트가 유리한 점도, 인쇄적성, 안정성, 및 소결 특징을 갖고, 및 기판에 대해 유리한 전기 전도도 및 전기 접촉을 갖는 전극을 산출하도록 허용하는 것들이다. 용매는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 모든 용매는 유기 비히클에서 용매로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 용매는 전술된 바와 같은 전기-전도성 페이스트의 바람직한 높은 수준의 인쇄적성이 달성되도록 허용하는 것들이다. 본 발명에 따라 바람직한 용매는 표준 주변 온도 및 압력 (SATP) (298.15 K, 100 kPa) 하에서 액체로 존재하는 것, 바람직하게는 약 90 ℃ 이상의 비등점 및 약 -20 ℃ 이상의 용융점을 갖는 것들이다. 본 발명에 따라 바람직한 용매는 극성, 또는 비-극성, 양성자성 (protic) 또는 반양성자성 (aprotic), 방향성 또는 비-방향성이다. 본 발명에 따라 바람직한 용매는 모노-알코올, 디-알코올, 폴리-알코올, 모노-에스테르, 디-에스테르, 폴리-에스테르, 모노-에테르, 디-에테르, 폴리-에테르, 이들 관능기의 카테고리 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 선택적으로 관능기의 다른 카테고리, 바람직하게는 환형기, 방향족기, 불포화된-결합, 이종원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 알코올기, 이종원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 에테르, 이종원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 에테르 기, 및 전술된 용매의 둘 이상의 혼합물를 포함하는, 용매이다. 이러한 맥락에 있어서 바람직한 에스테르는 아디프산의 디-알킬 에스테르이고, 바람직하게는 알킬 구성분은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 고급 알킬기 또는 이러한 알킬기의 두 개의 다른 조합, 바람직하게는 디메틸아디프산염, 및 둘 이상의 아디페이트 에스테르의 혼합물이다. 본 맥락에 있어서 바람직한 에테르는 디에테르, 바람직하게는 에틸렌 글리콜의 디알킬 에테르이고, 바람직한 알킬 구성분은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 고 알킬기 또는 이러한 알킬기의 두 개의 다른 조합, 및 두 개의 디에테르의 혼합물이다. 이러한 맥락에 있어서 바람직한 알코올은 1차, 2차 및 3차 알코올이고, 바람직하게는 3차 알코올이며, 테르피네올 및 바람직하게는 이의 유도체, 또는 둘 이상의 알코올의 혼합물이다. 하나 이상의 다른 관능기와 조합된 바람직한 용매는 종종 텍사놀로 불리우는, 2,2,4-트리메틸-1,3-페탄디올 모노이소부티레이트, 및 이의 유도체, 종종 카비톨로 알려진, 2-(2-에톡시에톡시)에탄올, 이의 알킬 유도체, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 및 헥실 카비톨, 바람직하게는 헥실 카비톨 또는 부틸 카비톨, 및 이의 아세테이트 유도체, 바람직하게는 부틸 카비톨 아세테이트, 또는 전술된 것 중 적어도 2의 혼합물이다.
유기 비히클에 첨가제
상기 유기 비히클에 바람직한 첨가제는 전술된 비히클 성분으로부터 구별되고, 생산된 전극의 이로운 점도, 소결, 전기 전도도 및 기판과 우수한 전기 접촉과 같은, 전기-전도성 페이스트의 유리한 특성에 기여하는 첨가제들이다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려하는 모든 첨가제는 유기 비히클에 첨가제로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 첨가제는 틱소트로피제, 점도 조절제, 안정화제, 무기 첨가제, 증감제, 유화제, 분산제 또는 pH 조절제이다. 이러한 맥락에 있어서 바람직한 틱소트로피제는 카르복실산 유도체, 바람직하게는 지방산 유도체 또는 이의 조합이다. 바람직한 지방산 유도체는 C9H19COOH (카프린산), C11H23COOH (라우린산), C13H27COOH (미리스틴산), C15H31COOH (팔미트산), C17H35COOH (스테아린산), C18H34O2 (올레인산), C18H32O2 (리놀렌산) 또는 이의 조합이다. 이러한 맥락에 있어서 지방산을 포함하는 바람직한 조합은 피마자유이다.
전기-전도성 페이스트에 첨가제
본 발명의 맥락에서 바람직한 첨가제는, 상기 전기-전도성 페이스트, 이의 생산된 전극 또는 최종 태양 전지의 증가된 성능에 기여하는, 명확히 언급된 다른 구성 성분에 부가한, 전기-전도성 페이스트에 첨가된 구성분이다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 모든 첨가제는 전기-전도성 페이스트에서 첨가제로서 사용될 수 있다. 상기 비히클에 존재하는 첨가제에 부가하여, 첨가제는 또한 상기 전기-전도성 페이스트에 존재할 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 첨가제는 틱소트로피제, 점도 조절제, 유화제, 안정화제 또는 pH 조절제, 무기 첨가제, 증감제, 및 분산제 또는 적어도 이의 둘의 조합이고, 반면에 무기 첨가제가 가장 바람직하다. 본 발명에 따른 맥락에 있어서 바람직한 무기 첨가제는 Mg, Ni, Te, W, Zn, Mg, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu 및 Cr 또는 적어도 이의 둘의 조합, 바람직하게는 Zn, Sb, Mn, Ni, W, Te 및 Ru 또는 적어도 이의 둘의 조합, 이의 산화물, 소성시 이들 금속 산화물을 발생시킬 수 있는 화합물, 또는 전술된 금속의 적어도 둘의 혼합물, 전술된 산화물의 적어도 둘의 혼합물, 소성시 이들 금속 산화물을 발생시킬 수 있는 전술된 적어도 둘의 혼합물, 또는 전술된 둘 이상의 어떤 혼합물이다.
태양 전지를 생산하기 위한 공정
전술된 목적 중 하나를 달성하기 위한 기여는 하기 공정 단계를 적어도 포함하는 태양 전지의 생산 공정에 의해 만들어진다:
i) 전술된 바와 같은, 특히 전술된 구현 예들 중 어느 하나를 조합하는, 태양 전지 전구체의 제공하는 단계; 및
ii) 태양 전지를 얻기 위해 상기 태양 전지 전구체를 소성시키는 단계.
프린팅 (Printing)
본 발명에 따르면, 전방 및 후방 전극은 전기-전도성 페이스트를 적용시키는 단계 및 그 다음 상기 전기-전도성 페이스트를 소성시켜 소결된 몸체를 얻는 소성 단계에 의해 적용되는 것이 바람직하다. 상기 전기-전도성 페이스트는 기술분야의 당업자에게 알려진 어떤 방식으로 적용될 수 있고, 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려되는, 함침 (impregnation), 딥핑 (dipping), 붓기 (pouring), 드리핑 온 (dripping on), 주입 (injection), 분무 (spraying), 나이프 코팅 (knife coating), 커튼 코팅 (curtain coating), 브러싱 (brushing) 또는 프린팅 (printing) 또는 적어도 이들 둘의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 어떤 방법으로 적용될 있고, 여기서 바람직한 프린팅 기술은 잉크-젯트 프린팅, 스크린 프린팅, 일시적 프린팅, 오프세트 프린팅, 릴리프 프린팅 또는 스텐실 프린팅 또는 적어도 이의 둘의 조합이다. 상기 전기-전도성 페이스트는 프린팅에 의해 적용, 바람직하게는 스크린 프린팅에 의해 적용되는 것이 본 발명에 따라 바람직하다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 전기-전도성 페이스트는 스크린을 통해 전면에 적용된다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 스크린을 통한 적용은 다음의 파라미터 중 적어도 하나를 만족시킨다:
- 약 290 내지 약 400 범위, 바람직하게는약 310 내지 약 390 범위, 좀더 바람직하게는 약 330 내지 약 370범위의 메쉬 수;
- 약 10 내지 약 30 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 12 내지 약 25 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 15 내지 약 23 ㎛ 범위의 와이어 두께;
- 약 5 내지 약 25 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 10 내지 약 20 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 13 내지 약 18 ㎛ 범위의 메쉬 위 유제 (Emulsion over mesh) (EoM) 두께;
- 약 1 내지 약 3 mm 범위, 바람직하게는 약 1.8 내지 약 2.5 mm 범위, 좀더 바람직하게는 약 2 내지 약 2.3 mm 범위의 핑거 이격.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 전기-전도성 페이스트는 격자 패턴으로 전면 상의 제1 영역에 중첩된다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 이러한 격자 패턴은 약 20 내지 약 100 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 30 내지 약 80 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 30 내지 약 60 ㎛ 범위의 폭을 갖는 핑거, 및 이에 대해 약 70 내지 약 90°범위의 각에서 약 0.5 내지 약 2.5 mm 범위, 바람직하게는 약 1 내지 약 2 mm 범위, 좀더 바람직하게는 약 1.3 내지 약 1.8 mm 범위를 갖는 버스 바를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 전기-전도성 페이스트는 격자 패턴으로 후면 상의 또 다른 영역에 중첩된다. 이러한 구현 예의 하나의 관점에 있어서, 이러한 격자 패턴은 약 20 내지 약 180 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 30 내지 약 100 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 40 내지 약 60 ㎛ 범위의 폭을 갖는 핑거 및 이에 대해 약 70 내지 약 90°범위의 각에서 약 0.5 내지 약 2.5 mm 범위, 바람직하게는 약 1 내지 약 2 mm 범위, 좀더 바람직하게는 약 1.3 내지 약 1.8 mm 범위를 갖는 버스 바를 포함한다.
소성 (Firing)
전극은 먼저 전기-전도성 페이스트를 적용시키는 단계, 및 그 다음 상기 전기-전도성 페이스트를 소성시켜 고체 전극체를 산출하는 소성 단계에 의해 형성되는 것이 본 발명에 따라 바람직하다. 소성은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있고, 당업자가 알고 있고, 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는, 어떤 방식으로 수행될 수 있다. 소성은 적어도 하나의 유리 프릿, 바람직하게는 둘 이상의 유리 프릿 및 좀더 바람직하게는 페이스트에 존재하는 모든 유리 프릿의 유리 전이 온도 이상에서 수행되어져야만 한다.
본 발명의 일 구현 예에 있어서, 상기 소성 단계는 하기 기준 중 적어도 하나를 만족시킨다:
- 약 700 내지 약 900 ℃ 범위, 바람직하게는 약 730 내지 약 880 ℃범위의, 하기에 제공된 "소성 가열로에서 온도 프로파일"이란 명칭의 방법에 따라 측정된 유지 온도;
- 상기 유지 온도에서 약 1 내지 약 10 초 범위의 시간.
소성은 약 10 초 내지 약 2분 범위, 좀더 바람직하게는 약 25 초 내지 약 90 초 범위 및 가장 바람직하게는 약 40 초 내지 약 1 분 범위의 유지 시간으로 수행되는 것이 본 발명에 따라 바람직하다.
전면 및 후면 상에 전기-전도성 페이스트의 소성은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 동시 소성은 만약 양 면에 적용된 전기-전도성 페이스트가 유사한, 바람직하게는 동일한, 최적의 소성 조건을 갖는다면, 적절하다. 적절한 경우에, 소성은 동시에 수행되는 것이 본 발명에 따라 바람직하다. 소성이 순차적으로 효과적인 경우, 후면 전기-전도성 페이스트가 먼저 적용 및 소성된 다음, 전면에 전기-전도성 페이스트를 적용 및 소성시키는 것이 본 발명에 따라 바람직하다.
태양 전지 (Solar Cell)
전술된 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 본 발명에 따른 공정에 의해 얻어질 수 있는 태양 전지에 의해 만들어진다. 본 발명에 따라 바람직한 태양 전지는 입사 광의 총 에너지가 전기 에너지 출력으로 전환되는 비율의 면에서 고 효율을 갖고, 가볍고 내구성이 있는 것들이다. 도 2에서 예시된 바와 같이, 태양 전지에 대한 한 층 구조는 다음과 같다: (i) 전방 전극 (Front electrode), (ii) 반사방지 코팅 (Anti reflection coating), (iii) 전방 패시베이션층 (Front passivation layer), (iv) 전방 도핑된 층 (Front doped layer), (v) p-n 접합 경계 (p-n junction boundary), (vi) 후방 도핑된 층 (Back doped layer), (vii) 고도로 도핑된 후방 층 (Highly doped back layer), (viii) 후방 패시베이션층 (Back passivation layer), (ix) 후방 전극 (Back electrode)이다. 개별층은 이러한 보통 층 구조로부터 생략될 수 있거나 또는 개별층은 보통 전술된 개요의 구현 예에서 기재된 층 중 하나 이상의 기능을 실제로 수행할 수 있다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 단일 층은 반사-방지층 및 패시베이션층 모두로서 작용한다. 도 1에서 예시된 바와 같이, 또 다른 층 구조는 (I) 전방 전극, (II) 전방 도핑된 층, (III) p-n 접합 경계, (IV) 후방 도핑된 층, (V) 후방 전극이다.
반사-방지 코팅 (Anti-reflection Coating)
본 발명에 따르면, 반사-방지 코팅은 태양 전지의 전면 상의 전극 전에 바깥쪽 및 종종 가장 바깥쪽 층으로 적용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 반사-방지 코팅은 전면에 의해 반사되는 입사광의 비율을 감소시키고, 웨이퍼에 의해 흡수될 전면을 가로지르는 입사광의 비율을 증가시키는 것들이다. 유리한 흡수/반사 비를 증가시키는 반사-방지 코팅은, 사용된 전기-전도성 페이스트에 의한 에칭에 민감하지만 전기-전도성 페이스트의 소성을 위해 요구된 온도에 대해 내성이 있고, 전극 계면 (electrode interface) 가까이에 전자 및 정공이 증가된 재조합에 기여하지 않는 것을 선호된다. 기술분야의 당업자에게 알려지고 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는 모든 반사-방지 코팅은 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 반사-방지 코팅은 SiNx, SiO2, Al2O3, TiO2 또는 적어도 이의 둘의 혼합물 및/또는 적어도 이의 두 층의 조합이고, 여기서 SiNx는 특히 바람직하고, 특히 여기서 Si 웨이퍼가 사용된다.
반사-방지 코팅의 두께는 적절한 광의 파장에 적합하다. 본 발명에 따르면, 반사-방지 코팅은 약 20 내지 약 300 nm 범위, 좀더 바람직하게는 약 40 내지 약 200 nm 범위 및 가장 바람직하게는 약 60 내지 약 90 nm 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
패시베이션층 (Passivation Layers)
본 발명에 따르면, 하나 이상의 패시베이션층은, 만약 하나가 존재한다면, 전극 전에, 또는 반사-방지층 전에 바깥쪽 또는 가장 바깥쪽 층으로 전방 및/또는 후방 측에 적용될 수 있다. 바람직한 패시베이션층은 전극 계면 가까이에서 전극/정공 재조합의 속도를 감소시키는 것들이다. 기술분야의 당업자에게 알려지고, 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려되는 어떤 패시베이션층도 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 패시베이션층은 질화 규소, 이산화규소 및 이산화티타늄이고, 질화 규소가 가장 바람직하다. 본 발명에 따르면, 상기 패시베이션층이 약 0.1 nm 내지 약 2 ㎛ 범위, 좀더 바람직하게는 약 10 nm 내지 약 1 ㎛ 범위 및 가장 바람직하게는 약 30 nm 내지 약 200 nm 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
단일 층은 반사-방지층 및 패시베이션층으로서 제공될 수 있다. 본 발명의 일 구현 예에 있어서, 반사-방지층 및/또는 패시베이션층으로서 작용하는 하나 이상의 층은 태양 전지 전구체에서 p-도핑된 층 및 중첩된 제1 페이스트 사이에 존재한다. 이러한 구현 예의 관점에 있어서, 반사-방지층 및/또는 패시베이션층으로 기능하는 적어도 하나의 층은 SiNx를 포함하고, 여기서 x는 양의 수를 나타내지만 필수적으로 정수는 아니다.
부가적인 보호층 (Additional Protective Layers)
상기 태양 전지의 원론적 기능에 직접 기여하는 전술된 층에 부가하여, 또 다른 층은 기계적 및 화학적 보호를 위해 부가될 수 있다.
상기 전지는 화학적 보호를 제공하기 위해 앤캡슐화 (Encapsulations)될 수 있다. 앤캡슐화는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있고, 기술분야의 당업자에게 알려지고, 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는 어떤 앤캡슐화는 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 종종 투명 열가소성 수지로 언급되는, 투명 중합체는, 만약 이러한 앤캡슐화가 존재한다면, 앤캡슐화 물질로서 바람직하다. 이러한 맥락에서 바람직한 투명 중합체는, 예를 들어, 실리콘 고무 및 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (PVA)이다.
투명 유리 시트는 전지의 전면에 기계적 보호를 제공하기 위해 태양 전지의 전방에 부가될 수 있다. 투명 유리 시트는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있고, 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는 어떤 투명 유리 시트도 태양 전지의 전면 상에 보호로서 사용될 수 있다.
후방 보호 물질은 기계적 보호를 제공하기 위해 태양 전지의 후면에 부가될 수 있다. 후방 보호 물질은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으며, 기술분야의 당업자에게 알려지고, 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려되는 어떤 후방 보호 물질도 태양 전지의 후면의 보호로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 후방 보호 물질은 우수한 기계적 특성 및 내후성을 갖는 것들이다. 본 발명에 따라 바람직한 후방 보호 물질은 폴리비닐 플로라이드의 층을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트이다. 후방 보호 물질은 (후방 보호 층 및 앤캡슐화 모두가 존재하는 경우에 있어서) 앤캡슐화 층 아래에 존재하는 것이 본 발명에 따라 바람직하다.
프레임 물질 (frame material)은 기계적 지지를 제공하기 위해 태양 전지의 외부에 부가될 수 있다. 프레임 물질은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으며, 기술분야의 당업자에게 알려지고 당업자가 본 발명의 맥락에 적절하다고 고려되는 어떤 프레임 물질도 프레임 물질로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 프레임 물질은 알루미늄이다.
공정 (Process)
전술된 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 하기 단계를 포함하는 태양 전지의 생산 공정에 의해 만들어진다:
- 본 발명 또는 어떤 개별적 구현 예 중 어느 하나에 따른 태양 전지 전구체를 제공하는 단계;
- 태양 전지를 얻기 위하여 상기 태양 전지 전구체를 소성시키는 단계.
태양 패널 (Solar panels)
전술된 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위한 기여는 특히 전술된 구현 예의 적어도 하나, 및 적어도 하나 이상의 태양 전지에 따라, 전술된 바와 같이 얻어진 적어도 태양 전지를 포함하는 모듈에 의해 만들어진다. 본 발명에 따른 다수의 태양 전지는 모듈로 불리는 수집 배열 (collective arrangement)을 형성하기 위해 공간적으로 및 전기적으로 연결되어 배열될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 모듈은 다수의 형태, 바람직하게는 태양 패널로서 알려진 바람직하게는 직사각형 표면을 취할 수 있다. 수집 배열을 형성하기 위해 이러한 전지를 기계적 배열 및 고정하기 위한 다양한 방식 뿐만 아니라 태양 전지를 전기적으로 연결하기 위한 다양한 방식은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있고, 기술분야의 당업자에게 알려진 어떤 방법 및 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려된 수집 배열은 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 바람직한 방법은 저 질량 대 고 출력 비, 저 부피 대 전력 출력 비, 및 높은 내구성을 결과하는 것들이다. 알루미늄은 본 발명에 따른 태양 전지의 기계적 고정을 위한 바람직한 물질이다.
도 1은 태양 전지 (100)의 단면도를 나타내고, 본 발명에 따른 태양 전지에 대한 최소 요구된 층 구조를 나타낸다. 후면으로부터 시작하여 전면쪽으로 계속하여 태양 전지 (100)는 후방 전극 (104), 후방 도핑된 층 (106), p-n 접합 경계 (102), 전방 도핑된 층 (105) 및 전방 전극 (103)을 포함하고, 여기서 상기 전방 전극은 우수한 전기 접촉을 형성하기에 충분하지만 p-n 접합 경계 (102)을 단락 (shunt)시킬 만큼은 아니게 전방 도핑된 층 (105)으로 관통한다. 상기 후방 도핑된 층 (106) 및 전방 도핑된 층 (105)은 함께 단일 도핑된 Si 웨이퍼 (101)를 구성한다. n-형 전지를 나타내는 경우 (100)에 있어서, 상기 후방 전극 (104)은 바람직하게는 은 전극이고, 상기 후방 도핑된 층 (106)은 바람직하게는 P로 약간 도핑된 Si이며, 상기 전방 도핑된 층 (105)은 바람직하게는 B로 많이 도핑된 Si이고, 상기 전방 전극 (103)은 바람직하게는 혼합 은 및 알루미늄 전극이다. p-형 전지를 나타내는 경우 (100)에 있어서, 상기 후방 전극 (104)은 바람직하게는 혼합 은 및 알루미늄 전극이고, 상기 후방 도핑된 층 (106)은 바람직하게는 B로 약간 도핑된 Si이며, 상기 전방 도핑된 층 (105)은 바람직하게는 P로 많이 도핑된 Si이고, 및 상기 전방 전극 (103)은 바람직하게는 은 및 알루미늄 전극이다. 상기 전방 전극 (103)은 상기 전방 전극 (103)이 전면을 전체적으로 피복하지 않는다는 사실을 개략적으로 예시하기 위해 세 개의 몸체로 이루어진 것으로 도 1에 나타낸다. 본 발명은 전방 전극 (103)을 세 개의 몸체로 이루어진 것으로 제한하지 않는다.
도 2는 (화학적 및 기계적 보호를 위해 단지 제공되는 부가적인 층들을 배제하는) 본 발명에 따른 태양 전지 (200)에 대한 일반 층 구조의 단면도를 나타낸다. 후면에서 출발하여 전면 쪽으로 계속하여 상기 태양 전지 (200)는 후방 전극 (104), 후방 패시베이션층 (208), 고도로 도핑된 후방 층 (210), 후방 도핑된 층 (106), p-n 접합 경계 (102), 전방 도핑된 층 (105), 전방 패시베이션층 (207), 반사-방지층 (209), 전방 전극 핑거 (214) 및 전방 전극 버스 바 (215)를 포함하고, 여기서 상기 전방 전극 핑거는 전방 도핑된 층과 우수한 전기 접촉을 형성하기에 충분하지만, p-n 접합 경계 (102)를 단락시키지 않는 반사-방지층 (209) 및 전방 패시베이션층 (207)을 통과하여 및 전방 도핑된 층 (105)으로 관통한다. n-형 전지를 나타내는 경우 (200)에 있어서, 상기 후방 전극 (104)은 바람직하게는 은 전극이고, 상기 고도로 도핑된 후방 층 (210)은 바람직하게는 P로 약간 도핑된 Si이며, 상기 후방 도핑된 층 (106)은 바람직하게는 P로 약간 도핑된 Si이고, 상기 전방 도핑된 층 (105)은 바람직하게는 B로 많이 도핑된 Si이며, 상기 반사-방지층 (209)은 바람직하게는 질화 규소의 층이고, 상기 전방 전극 핑거 및 버스 바 (214 및 215)는 바람직하게는 은 및 알루미늄의 혼합물이다. p-형 전지를 나타내는 경우 (200)에 있어서, 상기 후방 전극 (104)은 바람직하게는 혼합 은 및 알루미늄 전극이고, 상기 고도로 도핑된 후방 층 (210)은 바람직하게는 B로 약간 도핑된 Si이며, 상기 후방 도핑된 층 (106)은 바람직하게는 B로 약간 도핑된 Si이고, 상기 전방 도핑된 층 (105)는 바람직하게는 P로 많이 도핑된 Si이며, 상기 반사-방지층 (209)은 바람직하게는 질화 규소의 층이고, 상기 전방 전극 핑거 및 버스 바 (214 및 215)는 바람직하게는 은이다. 도 2는 개략도이고, 본 발명은 나타낸 바와 같은 전방 전극 핑거의 수를 셋으로 제한하지 않는다. 이러한 단면도는 상기 전방 전극 핑거 (214)에 대해 수직의 평형선으로 배열된 전방 전극 버스 바 (215)의 정도를 효과적으로 나타낼 수 없다.
도 3a, 3b 및 3c는 함께 전방 측 전극을 산출하기 위해 전방 측 페이스트를 소성시키는 공정을 예시한다. 도 3a, 3b 및 3c는 개략적이고 일반적이며, 상기 p-n 접합을 구성하는 것에 또 다른 부가적인 층은 좀더 상세한 고려없이 선택적인 부가층으로서 단순히 고려된다.
도 3a는 전방 전극의 적용 전 웨이퍼를 예시한다 (300a). 후면에서 시작하여 전면 쪽으로 계속하는 전방 전극 (300a)의 적용 전에 웨이퍼는 후면 (311) 상에 부가층들로, 후방 도핑된 층 (106), p-n 접합 경계 (102), 전방 도핑된 층 (105) 및 전면 (312)상에 부가층을 선택적으로 포함한다. 상기 후면 (311) 상에 부가층들은 후방 전극, 후방 패시베이션층, 고도로 도핑된 후방 층 또는 전술되지 않는 어떤 것 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 전면 (312) 상에 부가층은 전방 패시베이션층, 반사-방지층 또는 전술되지 않은 어떤 것 중 하나를 포함할 수 있다.
도 3b는 소성전 전면에 적용된 전기-전도성 페이스트를 갖는 웨이퍼를 나타낸다 (300b). 전술된 300a에 존재하는 층에 부가하여, 전기-전도성 페이스트 (313)는 전면의 표면상에 존재한다.
도 3c는 적용된 전방 전극을 갖는 웨이퍼를 나타낸다 (300c). 전술된 300a에 존재하는 층에 부가하여, 전방 측 전극 (103)은 부가적인 전방 층 (312)을 통하여 전면의 표면으로부터 및 전방 도핑된 층 (105)으로 관통하여 존재하고, 소성에 의해 도 3b의 전기-전도성 페이스트 (313)으로부터 형성된다.
도 3b 및 3c에 있어서, 적용된 전기-전도성 페이스트 (313) 및 전방 전극 (103)은 세 개의 몸체로서 존재하는 것으로 개략적으로 나타낸다. 이것은 페이스트/전극에 의해 전면의 비-완성된 피복율 (coverage)을 나타내는 개략적 방식이고, 본 발명은 세 개의 몸체로서 존재하는 페이스트/전극을 제한하지 않는다.
도 4는 상기 태양 전지 전구체 (400)의 사시도이다. 상기 전구체는 웨이퍼 (401), 바람직하게는 Si 웨이퍼를 포함한다. 상기 웨이퍼 (401)는, 바람직하게는 도펀트로서 인을 갖는, n-도핑된 층 (405)을 포함하고, 바람직하게는 도펀트로서 붕소를 갖는, p-n 접합 경계 (102)에서 만난다. 상기 전구체 (400)는 전면 (403)을 가지며, 여기서 제1 페이스트 (408)는 제1 영역 (407) 상에 및 후면 (402) 상에 중첩되고, 여기서 또 다른 페이스트 (409)는 또 다른 영역 (406) 상에 중첩된다. 상기 전구체는 선택적으로 반사-방지 및/또는 페시베이션 층 (410)을 포함한다.
시험 방법 (Test Methods)
다음의 시험 방법은 본 발명에 사용된다. 시험 방법의 부재시, 본 출원의 적용의 최초 출원일과 가장 가깝게 측정될 특색에 대한 ISO시험 방법은 적용된다. 분명한 측정 상태의 부재에 있어서, 표준 주변 온도 및 압력 (SATP) (298.15 K의 온도 및 100 kPa의 절대 압력)은 적용된다.
점도 (Viscosity)
점도 측정은 Thermo Fischer Scientific Corp.의 접지형 금속판 MPC60 Ti 및 콘 플레이드 (cone plate) C 20/0.5°Ti 및 소프트웨어 "Haake RheoWin Job Manager 4.30.0"로 장착된 "Haake Rheostress 600"을 사용하여 수행된다. 거리 영점을 설정한 후, 측정하기에 충분한 페이스트 샘플은 접지용 플레이트상에 배치된다. 상기 콘은 0.026 mm이 갭 거리로 측정 위치로 움직이고, 초과 물질은 주걱 (spatula)을 사용하여 이동시킨다. 상기 샘플은 3분 동안 25 ℃로 균형을 맞추고, 회전 측정은 시작한다. 전단 속도는 48 초 및 50 등거리 측정점 이내에 0 내지 20 s-1에서 증가되고, 312 초 및 156 등거리 측정점 이내에서 150 s-1로 더욱 증가된다. 150 s-1의 전단 속도에서 60 s의 대기 시간 후에, 상기 전단 속도는 312 초 및 156 등거리 측정점 이내에서 150 s-1로부터 20 s-1로 감소되고, 및 48 초 및 50 등거리 측정점 내에서 0으로 더욱 감소된다. 마이크로 토크 보정 (micro torque correction), 마이크로 응력 조절 (micro stress control) 및 질량 관성 보정 (mass inertia correction)은 활성된다. 상기 점도는 하향 전단 램프 (downward shear ramp)의 100 s-1 전단 속도에서 측정 값으로 제공된다.
유리 전이 온도
유리들에 대한 유리 전이 온도 Tg는 (모두 Netzsch사의) 샘플 홀더 HTP 40000A69.010, 열전대 타입 S 및 플라티늄 오븐 Pt S TC:S로 장착된 DSC 장치 Netzsch STA 449 F3 Jupiter (Netzsch)를 사용하여 결정된다. 측정 및 데이터 평가를 위하여, 측정 소프트웨어 Netzsch Messung V5.2.1 및 Proteus Thermal Analysis V5.2.1은 적용된다. 기준 및 샘플을 위한 팬 (pan)으로서, 6.8 mm의 직경 및 약 85 ㎕의 부피를 갖는 알루미늄 산화물 팬 GB 399972 및 캡 GB 399973 (모두 Netzsch 사)은 사용된다. 상기 샘플의 약 20-30 mg의 양은 0.01 mg의 정확도로 샘플 팬으로 측량된다. 비어 있는 기준 팬 (empty reference pan) 및 샘플 팬은 장치에 배치되고, 상기 오븐은 닫히고, 측정은 시작된다. 10 K/min의 가열 속도는 25 ℃의 시작 온도에서 1000 ℃의 말단 온도로 사용된다. 기구에서 균형은 질소 (N2 5.0)로 항상 퍼지되고, 상기 오븐은 50 ml/min의 유속으로 합성 공기 (Linde사의 80% N2 및 20% O2)로 퍼지된다. DSC 신호에서 제1 단계는 전술된 소프트웨어를 사용하여 유리 전이로서 평가되고, 결정된 온세트 값 (onset value)은 Tg에 대한 온도로서 취한다.
입자 크기 결정 (d10, d50, d90)
입자에 대한 입자 크기 결정은 ISO 13317-3:2001에 따라 수행된다. X-선 중력 기술에 따라 작동하는 (Micromeritics사의) 소프트웨어 Win 5100 V2.03.01를 갖는 Sedigraph 5100은 측정을 위해 사용된다. (약 0.74 내지 0.76 g/㎤의 밀도 및 약 1.25 내지 1.9 mPa*s의 점도를 갖는, Micromeritic사로부터) 40 ㎖의 Sedisperse P11 및 50 ㎖ 유리 비이커로 측량된 약 400 내지 600 mg의 샘플은 현탁 액체 (suspending liquid)로서 첨가된다. 자기 교반 바는 상기 현탁액에 부가된다. 상기 샘플은 8분 동안 출력 수준 (power level) 2로 작동된 (Branson사의) 초음파 프로브 Sonifer 250을 사용하여 분산되는 반면, 상기 현탁액은 동일한 시간에서 교반 바로 교반된다. 이러한 전-처리된 샘플은 기구에 배치되고, 측정은 시작된다. 상기 현탁액의 온도는 기록되고 (통상적 24 ℃ 내지 45 ℃ 범위) 및 이러한 온도에서 분산 용액에 대한 측정된 점도의 계산 데이터에 대해 사용된다. 샘플의 밀도 및 중량 (은에 대해 10.5 g/㎤)을 사용하여, 상기 입자 크기 분포는 결정되고, d50, d10 및 d90으로 제공된다.
도펀트 수준 (Dopant Level)
도펀트 수준은 2차 이온 질량 분광계를 사용하여 측정된다.
효율, 필 팩터, 및 직렬 저항
샘플 태양 전지는 Halm Elektronik GmbH사의 상업적인 IV-시험기 "cetisPV-CTL1"을 사용하여 특징화된다. 시험될 태양 전지 뿐만 아니라 측정 기구의 모든 부품은 전기 측정동안 25 ℃에서 유지된다. 이러한 온도는 항상 온도 프로브 (temperature probe)에 의해 실제 측정 동안 전지 표면 상에서 동시에 측정된다. 상기 Xe Arc 램프는 전지 표면 상에 공지의 AM1.5 세기의 1000 W/㎡로 태양광을 모의 실험한다. 이러한 세기로 모의실험을 하기 위해, 상기 램프는 IV-시험기의 "PVCTControl 4.313.0" 소프트웨어에 의해 관찰된 안정된 수준에 도달할 때까지 짧은 시간 내에 여러 번 플래쉬된다 (flashed). Halm IV 시험기는 전지의 IV-곡선을 결정하기 위해 전류 (I) 및 전압 (V)를 측정하기 위한 다중-점 접촉 방법을 사용한다. 그렇게 하기 위해, 태양 전지는 프로브 핑거가 전지의 버스 바와 접촉하는 이러한 방식에서 다중-점 접촉 프로브 사이에 배치된다. 접촉 프로브 라인의 수는 전지 표면 상에 버스 바의 수로 조정된다. 모든 전기적인 값은 실행된 소프트웨어 패키지에 의해 자동적으로 이러한 곡선으로부터 직접 결정된다. 동일한 영역 치수로 이루어진 ISE Freiburg로부터 보정된 태양 전지를 기준 표준으로, 동일한 전방 축 레이아웃을 사용하여 가공된 및 동일한 웨이퍼 물질은 시험되고 데이터는 유자격 값 (certificated values)과 비교된다. 매우 동일한 방식에서 가공된 적어도 5 웨이퍼는 측정되고, 상기 데이터는 각 값의 평균을 계산하여 해석된다. 상기 소프트웨어 PVCTControl 4.313.0는 효율, 필 팩터, 단락 전류, 직렬 저항 및 개방 회로 전압 (open circuit voltage)에 대한 값을 제공한다.
소성 가열로에서 온도 프로파일
소성 공정에 대한 온도 프로파일은 Despatch사의 Wafer Test Assembly 1-T/C 156mm SQ (부품 no. DES-300038)과 연결된 Datapaq Ltd., Cambridge, UK사의 Datapaq DQ 1860 A 데이터 이력 기록장치 (datalogger)로 측정된다. 데이터 이력 기록 장치는 Datapaq Ltd., Cambridge, UK 사로부터 차폐함 TB7250에 의해 보호되고, 웨이퍼 시험 어셈블리의 열전대 와이어와 연결된다. 태양 전지 모의 실험장치는 상기 소성 공정의 측정된 온도 프로파일이 정확하게 측정되도록 마지막 웨이퍼 뒤에 직접 소성 가열로의 벨트 상에 배치된다. 차폐 데이터 기록 장치는 온도 프로파일 안정성에 영향을 미치지 않도록 약 50 cm의 거리에서 웨이퍼 시험 어셈블리 (Wafer Test assembly)를 수반한다. 상기 데이터는 데이터 이력 기록장치에 의해 기록되고, 뒤이어 Datapaq Ltd., Cambridge, UK.사의 Datapaq Insight Reflow Tracker V7.05 소프트웨어로 컴퓨터를 사용하여 분석된다.
실시 예
이하 본 발명은 오직 예시를 위해 의도되고 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않는 실시 예의 수단에 의해 설명된다.
실시 예 1 - 페이스트 제조
페이스트는 적절한 양의 유기 비히클 (표 1), Ag 분말 (2 ㎛의 d50을 갖는 Ames Inc.사로부터 PV 4), 2 ㎛의 d50로 분쇄된 표 2에 따른 유리 프릿 혼합물 및 알루미늄 분말을, Kenwood Major Titanium mixer의 수단에 의해, 혼합하여 만들어진다. Rusal로부터 얻어진, Al 분말은 d10 1.5 ㎛, d50 2.5 ㎛, d90 4.5 ㎛의 입자크기 및 구형 형상을 갖는다. 상기 페이스트는 120 ㎛의 제1 갭 및 60 ㎛의 제2 갭을 갖는 스테인레스 스틸 롤의 3-롤 밀 추출 80 E를 통하여 통과시켜 제1 갭에 대하여 20 ㎛로 및 제2 갭에 대하여 10 ㎛로 균질해질 때까지 여러 번 점진적으로 감소시킨다. 상기 점도는 전술된 바와 같이 측정되고, 표 1에 제공된 조성물을 갖는 적절한 양의 유기 비히클은 약 16 내지 약 20 Pas 범위의 목표를 향해 페이스트 점도를 조정하기 위해 첨가된다. 상기 페이스트의 구성분의 wt.%는 표 3에 제공된다. 상기 ZnO 분말은 Sigma Aldrich GmbH (제품 번호 204951)로부터 얻어진다.
| 유기 비히클 성분 | 성분의 비 |
| 2-(2-부톡시에톡시)에탄올) [용매] | 84 |
| 에틸 셀룰로오스 (DOW Ethocel 4) [바인더] | 6 |
| Thixcin®E [틱소트로피제] | 10 |
| 유리 혼합물 | 유리 1 | 유리 f | Tg1 | Tgf | DTg | 유리 1 : 유리 f |
| 1 (비교) |
Ceradyne Viox V1543 | Ceradyne Viox V1542 | 420 ℃ | 419 ℃ | 1 ℃ | 1 : 1 |
| 2 | Asahi Glass Co. ASF1290A4 |
Asahi Glass Co.7575BF | 332 ℃ | 320 ℃ | 12 ℃ | 1 : 1 |
| 3 | Asahi Glass Co. ASF1290A4 |
Ceradyne Viox V1542 | 332 ℃ | 419 ℃ | 116 ℃ | 1 : 1 |
| 실시 예 | 은 [wt.%] | 알루미늄 [wt.%] | 유리 혼합물 | 유리 혼합물 [wt.%] | ZnO [wt.%] | 비히클 [wt.%] |
| 1 | 84.5 | 0.75 | 1 | 4 | 0.5 | 10.25 |
| 2 | 84.5 | 0.75 | 2 | 4 | 0.5 | 10.25 |
| 3 | 84.5 | 0.75 | 3 | 4 | 0.5 | 10.25 |
| 4 | 85.25 | 0 | 3 | 4 | 0.5 | 10.25 |
실시 예 2 - 태양 전지 제조 및 효율, 필 팩터 및 직렬 저항 측정
페이스트는 붕소 도핑된 전면 및 인산 도핑된 후면을 갖는 단-결정 Cz-n-형 실리콘 웨이퍼에 적용된다. 상기 웨이퍼는 156 x 156 ㎣의 치수 및 슈도-사각 형상 (pseudo-square shape)을 갖는다. 상기 웨이퍼는 양 면 상에 약 75 nm의 두께를 갖는 SiNx의 반사-방지/패시베이션층을 갖는다. 사용된 태양 전지는 알칼리 에칭에 의해 텍스쳐된다 (textured). 상기 대표 페이스트는 하기 스크린 파라미터: 290 mesh, 20 ㎛ 와이어 두께, 18 ㎛ 메쉬 위 유제, 72 핑거, 60 ㎛ 핑거 개구, 3 버스 바, 1.5 mm 버스 바 폭으로 설정된 Asys Group, EKRA Automatisie rungs systeme으로부터 반-자동 스크린 프린터 X1 SL을 사용하여 웨이퍼의 p-도핑된 면상에 스크린-프린트된다. 상업적으로 이용가능한 Ag 페이스트인, SOL9600A는, Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG사로부터 이용가능하고, 동일한 프린터 및 하기 스크린 파라미터: 325 mesh, 30 ㎛ 와이어 두께, 18 ㎛ 메쉬 위 유제, 156 핑거, 80 ㎛ 핑거 개구, 3 버스 바, 1.5 mm 버스 바 폭을 사용하여 장치의 후방-도핑된 면 상에 프린트된다. 프린트된 패턴을 갖는 장치는 각 면을 프린팅 한 후에 오븐에서 150 ℃로 10분 동안 건조된다. 상기 기판은 그 다음 1.5 분동안 Centrotherm DO-FF 8600-300 오븐에서 p-도핑된 면을 위로하여 소성된다. 각 실시 예에 대하여, 소성은 800 ℃의 최대 소성 온도로 수행된다. 완전히 가공된 샘플은 그 다음 HALM IV-Curve Tracker를 사용하여 IV 성능에 대해 시험된다. 표 4는 적용된 소성 온도에서 최종 효율, 필 팩터, 및 직렬 저항을 나타낸다.
| 실시 예 | 전지 효율 | 필 팩터 | 직렬 저항 |
| 1 | -- | -- | ++ |
| 2 | - | - | ++ |
| 3 | + | ++ | -- |
| 4 | -- | -- | ++ |
시리즈 -- - + ++은 -- 가장 낮은 값 및 ++ 가장 높은 값으로 증가하는 일련의 값을 나타낸다.
100: 태양 전지
101: 도핑된 Si 웨이퍼
102: p-n 접합 경계 103: 전방 전극
104: 후방 전극 105: 전방 도핑된 층
106: 후방 도핑된 층 200: 태양 전지
207: 전방 패시베이션층 208: 후방 패시베이션층
209: 반사-방지층 210: 고도로 도핑된 후방 층
300: 웨이퍼 311: 후면 상의 부가층
312: 전면 상의 부가층 313: 전기-전도성 페이스트
214: 전방 전극 핑거 215: 전방 전극 버스 바
400: 태양 전지 전구체 401: 웨이퍼
402: 후면 403: 전면
404: p-도핑된 층 405: n-도핑된 층
406: 후면 407: 제1 영역
408: 제1 페이스트 409: 또 다른 영역
410: 반사-방지 및/또는 패시베이션층
102: p-n 접합 경계 103: 전방 전극
104: 후방 전극 105: 전방 도핑된 층
106: 후방 도핑된 층 200: 태양 전지
207: 전방 패시베이션층 208: 후방 패시베이션층
209: 반사-방지층 210: 고도로 도핑된 후방 층
300: 웨이퍼 311: 후면 상의 부가층
312: 전면 상의 부가층 313: 전기-전도성 페이스트
214: 전방 전극 핑거 215: 전방 전극 버스 바
400: 태양 전지 전구체 401: 웨이퍼
402: 후면 403: 전면
404: p-도핑된 층 405: n-도핑된 층
406: 후면 407: 제1 영역
408: 제1 페이스트 409: 또 다른 영역
410: 반사-방지 및/또는 패시베이션층
Claims (25)
- i. 후면 (402) 및 전면 (403)을 갖고, 여기서 상기 전면 (403)은 p-도핑된 층 (404)을 포함하는 웨이퍼 (401);
ii. · Ag 입자,
· 상기 페이스트의 총 중량에 기초하여, 약 0.01 내지 약 5 wt.% 범위의 Al 입자,
· 비히클,
· 상기 페이스트의 총 중량에 기초하여, 약 0.1 내지 약 5 wt.% 범위의 유리 프릿으로, 여기서 상기 유리 프릿은 유리 전이 온도 Tg1를 갖는 제1 유리 프릿 및 유리 전이 온도 Tgf를 갖는 또 다른 유리 프릿을 포함하고, 여기서 Tgf는 적어도 약 10 ℃ 만큼 Tgl과 다른, 유리 프릿,
· 첨가제를 포함하는 제1 페이스트 (408);
상기 p-도핑된 층 (404) 상에 제1 영역 (407)이 중첩된 것을 전구체 부분으로 포함하는, 태양 전지 전구체 (400). - 청구항 1에 있어서,
Tg1 및 Tgf 모두는 약 250 ℃ 내지 약 530 ℃ 범위인, 태양 전지 전구체. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제1 유리 프릿 및 또 다른 유리 프릿은 약 1:5 내지 약 5:1 범위의 중량비로 존재하는, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 페이스트 (408)는 하기 기준 중 적어도 하나 만족시키는, 태양 전지 전구체:
- 약 5 내지 약 35 Pas 범위의 제1 페이스트 (408)의 점도;
- 약 90 내지 약 300 ℃ 범위의 상기 페이스트에 존재하는 모든 용매의 비등점. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 페이스트 (408)는 하기 기준 중 적어도 하나 만족시키는, 태양 전지 전구체:
- 약 1 내지 약 5 ㎛ 범위의 d50을 갖는 상기 Al 입자;
- 약 1 내지 약 4 ㎛ 범위의 d50을 갖는 상기 Ag 입자;
- 약 0.1 내지 약 3 ㎛ 범위의 d50을 갖는 상기 유리 프릿 입자. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ag 입자는 구형인, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지 전구체 (400)는 후면 (406) 상에 또 다른 영역 (406)에 대해 중첩된 또 다른 페이스트 (409)를 더욱 포함하는, 태양 전지 전구체. - 청구항 7에 있어서,
상기 제1 영역 (407)은 또 다른 영역 (406) 보다 작은, 태양 전지 전구체. - 청구항 7 또는 8에 있어서,
상기 또 다른 페이스트 (409)는:
- Ag 입자;
- 비히클;
- 유리 프릿; 및
- 첨가제를 포함하는, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 p-도핑된 층 (404)의 두께는 약 10 nm 내지 약 4 ㎛ 범위인, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 후면 (406)은 n-도핑된 층 (405)을 포함하고, 여기서 상기 n-도핑된 층은 p-도핑된 층 (404)보다 더 큰 두께를 갖는, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 p-도핑된 층 (404)은 도펀트로서 B를 포함하는, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 후면 (406)은 도펀트로서 P를 포함하는 n-도핑된 층 (405)을 포함하는, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
반사-방지층 및/또는 패시베이션층 (410)으로 작용하는 하나 이상의 층은 p-도핑된 층 (404) 및 중첩된 제1 페이스트 (408) 사이에 존재하는, 태양 전지 전구체. - 청구항 14에 있어서,
반사-방지층 및/또는 패시베이션층으로 기능하는 적어도 하나의 층은 SiNx를 포함하고, 여기서 x는 양수를 나타내지만 반드시 정수는 아닌, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 페이스트 (408)는 격자 패턴으로 제1 영역 (407) 상에 중첩된, 태양 전지 전구체. - 청구항 16에 있어서,
제1 영역 (407) 상에 중첩된 제1 페이스트 (408)의 격자 패턴은 약 20 내지 약 100 ㎛ 범위인 폭을 갖는 핑거 및 이에 대해 약 70 내지 약 90°범위의 각에서, 0.5 내지 약 2.5 mm 범위의 폭을 갖는 버스 바를 포함하는, 태양 전지 전구체. - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지 전구체 (400)는 격자로 후면 (402) 상에 또 다른 영역 (406) 상에 중첩된 또 다른 페이스트 (409)를 포함하는, 태양 전지 전구체. - 청구항 18에 있어서,
상기 또 다른 영역 (406) 상에 중첩된 또 다른 페이스트 (409)의 격자 패턴은 약 20 내지 약 200 ㎛ 범위인 폭을 갖는 핑거 및 이에 대해 약 70 내지 약 90°범위의 각에서, 0.5 내지 약 2.5 mm 범위의 폭을 갖는 버스 바를 포함하는, 태양 전지 전구체. - - 전술된 청구항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 전구체를 제공하는 단계;
- 태양 전지를 얻기 위해 태양 전지 전구체를 소성시키는 단계를 포함하는 태양 전지의 생산 공정. - 청구항 20에 있어서,
상기 태양 전지 전구체 (400)의 소성 단계는 하기 기준 중 적어도 하나 만족시키는, 태양 전지의 생산 공정:
- 약 700 내지 약 900 ℃ 범위의 유지 온도;
- 상기 유지 온도에서 약 1 내지 약 10 초 범위의 시간. - 청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제1 페이스트는 스크린을 통해 전면 (407)에 적용된, 태양 전지의 생산 공정. - 청구항 22에 있어서,
스크린을 통한 적용은 하기 파라미터 중 적어도 하나 만족시키는, 태양 전지의 생산 공정:
- 약 290 내지 약 400/inch 범위의 메쉬 수;
- 약 10 내지 약 30 ㎛ 범위의 와이어 두께;
- 약 5 내지 약 25 ㎛ 범위인 메쉬 위 유제 (EoM) 두께;
- 약 1 내지 약 3 mm 범위로 이격된 핑거. - 청구항 20 내지 23 중 어느 항에 따른 공정으로부터 얻어질 수 있는 태양 전지.
- 청구항 24에 따른 적어도 하나의 태양 전지 및 적어도 또 다른 태양 전지를 포함하는 모듈.
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