KR20160005348A - 후면 패시베이션 층을 갖는 광전지 - Google Patents

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Abstract

광전지의 제조 방법은 후면 패시베이션 층을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계, 및 후면 패시베이션 층 상에 글래스 프릿 입자를 포함하는 자기 조립 에멀션을 코팅하는 단계를 포함한다. 에멀션은 셀을 형성하는 트래이스 망상체로 자기 조립된다. 전극이 망상체 위에 형성되어 전구 셀을 생성하고, 이후 소성되어 망상체가 패시베이션 층의 용락을 유발하도록 하여 반도체 기판과 전극 사이에 전기 접촉부를 확립하게 된다.

Description

후면 패시베이션 층을 갖는 광전지{PHOTOVOLTAIC CELLS HAVING A BACK SIDE PASSIVATION LAYER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 연속 번호 61/820,852(2013년 5월 8일 출원)를 우선권으로 주장한다. 선행 출원의 개시 내용은 본 출원의 개시내용의 일부로 간주된다(본 출원의 개시내용에 참고 인용된다).
기술 분야
본 출원은 태양 전지의 제법에 관한 것이다.
후면 패시베이션 층을 갖는 규소 광전지(예, 태양 전지)가, 예를 들어 US 2009/0301557, US 2013/0056060, 및 US 2013/0061918에 기술되었으며, 국부 후면전계(LBSF) 전지, 패시베이션화된 이미터 후면 접촉(PERC) 전지, 및 패시베이션화된 이미터 후면 국부 확산(PERL) 전지를 포함한다. 후면 패시베이션은, 캐리어 손실(예, 표면 재조합)을 감소시켜 광 전환 효율을 증가시킬 수 있지만, 또한 전기 접촉부가 규소 기판과 후면 전극 사이에 확립될 수 있도록 유전체 패시베이션 층을 통해 전도성 경로의 개구부를 필요로 한다. 그러한 전도성 경로(즉, "비아" 또는 "천공")를 개방하는 방법은 예를 들어 US 2013/0056060에 기술된 레이저의 사용 또는 예를 들어 US 2013/0061918에 기술된 화학적 에칭을 포함한다. 레이저 개방화는 기판 결정체에 구조적 손상을 입힐 수 있는 반면, 화학적 에칭으로부터는 불순물이 잔류할 수 있어, 잠재적으로 태양 전지의 신뢰도를 감소시키게 된다.
제1 측면에서, 광전지의 제조 방법이 기술된다. 상기 공정은 후면 패시베이션 층을 갖는 반도체 기판(예, 규소 기판)을 제공하는 단계, 및 후면 패시베이션 층 상에 글래스 프릿 입자를 포함하는 자기 조립 에멀션을 코팅하는 단계를 포함한다. 후면 패시베이션 층은 산화알루미늄 층, 산화규소 층, 질화규소 층, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 에멀션은 셀을 형성하는 트래이스(trace) 망상체로 자기 조립된다. 전극은 망상체 위에 형성되어 전구 셀을 생성한다. 일부 실시에서, 전극은 가시광에 불투과성이다. 이후 전구 셀을 소성(fired)시켜 망상체가 패시베이션 층의 용락(burning-through)을 유발하도록 하여 반도체 기판과 전극 사이에 전기 접촉부를 확립한다.
트래이스 망상체 및 셀로 자기 조립되는 코팅의 사용은 패시베이션 층, 예컨대 후면 패시베이션 층을 관통하여 전도성 경로를 개방하는 향상된 공정(즉 "용락" 또는 "소성 제거(firing-through)")을 제공한다. 코팅은 소성 공정 동안 패시베이션 층을 침투하는 능력을 갖는 나노입자(예, 글래스 프릿)를 함유한다. 코팅은 또한 금속 나노입자를 함유하여 후면 전극과 규소 기판 사이의 전기 접촉부를 추가로 강화시킬 수 있다. 적당한 금속 나노입자의 예는 은 나노입자, 알루미늄 나노입자, 은-알루미늄 나노입자, 및 이의 조합을 포함한다. 유리하게도, 잔류 성분이 신뢰도에 대해 악영향을 끼치지 않기 때문에 비아 개방 공정 후에는 코팅을 세척하거나 제거할 필요가 없다.
일부 실시에서, 각 트래이스는 10 ㎛ 미만 또는 5 ㎛ 미만의 평균 폭을 갖는다. 망상체는 10% 미만 또는 5% 미만의 기판 상의 면적 피복률(areal coverage)을 제공할 수 있다.
제2 측면에서, (a) 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판; (b) 기판의 전면 상의 전극; (c) 상호연결된 트래이스에 의해 분리된 패시베이션 영역을 포함하는, 기판의 후면 상의 층으로서, 상기 각 트래이스가 10 ㎛ 미만의 평균 폭을 갖고 상호연결된 트래이스는 10% 미만의 기판의 후면 상의 면적 피복률을 제공하는 것인 층; 및 (d) 상기 층 상에 놓이고 반도체 기판과 전기 접촉하는 제2 전극을 포함하는 광전지가 기술된다. 일부 실시에서, 상호연결된 트래이스는 기판의 후면 상에 5% 미만의 면적 피복률을 제공한다. 일부 실시에서, 각 트래이스는 5 ㎛ 미만의 평균 폭을 갖는다. 또다른 실시에서, 각 트래이스는 5 ㎛ 미만의 평균 폭을 갖고 상호연결된 트래이스는 기판의 후면 상에 5% 미만의 면적 피복률을 제공한다.
용어 "후면" 또는 "후방" 및 "전면" 또는 "전방"이란 광원, 종종 태양에 대한 배향을 나타낸다. "전면"은 광원을 향하는 면인 반면, "후면"은 전면의 맞은편으로 광원과 떨어져 향하는 면이다.
본원에 사용된 용어 "나노입자"는 코팅될 수 있을 정도로 액체 중에 분산되고 균질한 코팅을 형성할 수 있기에 충분히 작은 미세 입자를 나타낸다. 이러한 정의는 평균 입도가 약 3 ㎛ 미만인 입자를 포함한다. 예를 들면, 일부 실시에서, 평균 입도는 1 ㎛ 미만이고, 일부 실시예에서, 입자는 1차원 이상에서 0.1 ㎛ 미만으로 측정된다. 입자는 구체, 막대, 와이어, 튜브, 박편 등의 형태일 수 있다.
용어 "광투과성"은 일반적으로 약 370 nm∼770 nm의 파장 범위에서 30%∼95%의 광 투과도를 나타낸다.
본 발명의 하나 이상의 구체예의 상세한 내용은 첨부된 도면 및 하기 설명에 제시된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 설명 및 도면, 그리고 청구범위로부터 자명할 것이다.
도 1은 소성 공정 전 후면 패시베이션화된 광전지의 단면도이다.
도 2는 소성 공정 후 후면 패시베이션화된 광전지의 단면도이다.
각종 도면에서 유사 도면 부호는 유사 부재를 나타낸다.
글래스 프릿 입자를, 단독으로 또는 금속 나노입자와 함께, 함유하는 액체 에멀션은, 패시베이션화된 반도체 기판의 후면에 도포된 후 셀을 형성하는 일련의 상호연결된 트래이스(예, 라인)를 형성하기 위해 자기 조립되는 투과성 전도층을 형성하는 데 사용된다. 유용한 반도체 기판은 게르마늄, 규소-게르마늄 에피택셜 층, 또는 규소를 포함하며, 상기 규소는 대부분의 태양 전지에 사용되고 있다. 다결정, 다중결정, 및 단결정 규소를 포함한 각종 규소 기판은 후면 패시베이션화된 광전지에 유용할 수 있다. 이러한 기판은 공여체 불순물(즉, n형 반도체 층) 또는 수용체 불순물(즉, p형 반도체 층)에 의해 도핑된 얇은 규소 웨이퍼로부터 형성되어 바람직한 전기적 특성을 갖는 층을 제공한다. 통상, 태양 전지는 p형 기판으로부터 제작되어, n형 불순물, 예컨대 인에 의해 전면을 반대 도핑함으로써 얇은 p-n 접합부를 형성한다. 대안적으로, 전면은 n형 기판이 사용되는 경우 수용체 불순물, 예컨대 붕소를 사용하여 도핑되어 얇은 p-n 접합부를 형성할 수 있다. 광은 광자의 흡수를 통해 전기로 전환되고 이동식 전하 캐리어를 후속 발생시키는데, 이는 p-n 접합부에서 내부 전위를 통해 푸시되고 태양 전지로부터 발생된 전류로서 수집가능하다.
규소 기판은 전면 상에 패시베이션 및 반사방지 기능을 갖는 유전체 층 또는 다중층에 의해 코팅될 수 있지만 패시베이션 기능은 후면 상에서 더 중요하다. 이러한 유전체 층은 열적으로 성장되거나, 스퍼터링되거나, 증착되거나 또는 원자층 증착된 물질, 예컨대 금속 화합물 및 규소 화합물, 예컨대 산화알루미늄, 이산화규소 또는 질화규소로부터 형성될 수 있다.
패시베이션화된 규소 기판의 전면 및 후면은 둘다 전극으로서 사용된 금속 또는 고도의 전기 전도성 물질로 코팅되어 규소와 외부 전기 회로 사이에 접촉부를 만든다. 이러한 전극은 금속 페이스트(예, 잉크), 스퍼터 코팅, 전기도금에 의한 인쇄에 의해, 또는 증착 기법에 의해 형성될 수 있다. 전면 전극(예, 기판이 p형인 경우 음극)은 대체로 투과성이어야 하며 광 음영(light shading)을 최소화하기 위해 버스 바를 갖는 얇은 그리드의 형태일 수 있다. 후면 전극은 기판의 후면을 완전히 커버하거나 모든 후면 접촉된 태양 전지 구조에 대해 인터디지테이트화된 핑거 형태(interdigitated finger)로 배열될 수 있다.
기판에 도포된 에멀션은 액체 연속 상, 및 액체 연속 상과 비혼화성이고 액체 연속 상 내에 분산된 도메인을 형성하는 액체 분산 상을 포함한다. 일부 실시에서, 연속 상은 분산 상보다 더욱 신속하게 증발한. 적당한 에멀션의 일례는 유중수 에멀션이며, 물은 액체 분산 상이고 오일은 연속 상을 제공한다. 에멀션은 또한 수중유 에멀션의 형태일 수 있고, 이때 오일은 액체 분산 상을 제공하고 물은 연속 상을 제공한다.
연속 상은 유기 용매를 포함할 수 있다. 적당한 유기 용매는 석유 에테르, 헥산, 헵탄, 톨루엔, 벤젠, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로폼, 디클로로메탄, 니트로메탄, 디브로모메탄, 시클로펜탄온, 시클로헥산온 또는 이의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 연속 상에 사용되는 용매(들)는 분산 상, 예컨대 수상의 것보다 더 높은 휘발성을 특징으로 한다.
액체 분산 상에 적당한 물질은 물 및/또는 수혼화성 용매, 예컨대 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 디메틸 포름아미드, 디메틸 아세트아미드, 아세토니트릴, 디메틸 설폭시드, N-메틸 피롤리돈을 포함할 수 있다.
에멀션은 또한 하나 이상의 에멀션화제, 결합제 또는 이의 임의의 혼합물을 함유할 수 있다. 적당한 에멀션화제는 비이온성 및 이온성 화합물, 예컨대 시판 중의 계면활성제 SPAN®-20 (Sigma-Aldrich Co., 미국 미주리주 세인트루이스 소재), SPAN®-40, SPAN®-60, SPAN®-80 (Sigma-Aldrich Co., 미국 미주리주 세인트루이스 소재), 글리세릴 모노올레에이트, 나트륨 도데실설페이트, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적당한 결합제의 예는 개질된 셀룰로스, 예컨대 분자량이 약 100,000∼약 200,000인 에틸 셀룰로스, 및 개질된 우레아, 예컨대 BYK-Chemie GmbH(독일 베젤 소재)에 의해 제조된 시판 중의 BYK®-410, BYK®-411, 및 BYK®-420 수지를 포함한다.
기타 첨가제가 또한 에멀션 제제의 유상 및/또는 수상에 존재할 수 있다. 예를 들면, 첨가제는, 비제한적으로, 반응성 또는 비반응성 희석제, 산소 스캐빈저, 경질 코트 성분, 억제제, 안정화제, 착색제, 안료, IR 흡수제, 계면활성제, 습윤제, 평활제, 유동성 조절제, 요변성제 또는 다른 유동성 개질제, 슬립 제제(slip agent), 분산 조제, 소포제, 보습제, 및 부식 억제제를 포함할 수 있다.
에멀션은 패시베이션 층을 용락시키기 위한 입자, 예컨대 글래스 프릿 입자를 포함한다. 각종 글래스 프릿 입자가 이용가능하며 납을 포함하거나 납을 포함하지 않을 수 있다. 글래스 프릿은 금속 산화물, 예컨대 납, 아연, 붕소, 비스무트, 및 텔루륨을 포함할 수 있다. 글래스 프릿의 입도는 나노 크기부터 미크론 크기까지, 예컨대 최대 5 ㎛ 또는 최대 10 ㎛의 범위일 수 있다. 바람직하게는, 글래스 프릿 입도는 글래스 프릿 입자가 망상체로 자기 조립되도록 하는 자기 조립 공정과 일치한다. 더 큰 글래스 프릿 입자의 경우, 에멀션과 입자를 조합하기 전, 입도를 감소시키는 방법, 예컨대 분쇄 또는 밀링(milling)이 사용될 수 있다. 글래스 프릿 입자는 0.1 중량%∼10 중량% 범위의 농도로 에멀션 중에 존재할 수 있다.
에멀션은 또한 글래스 프릿 입자와 함께 금속 나노입자를 포함할 수 있다. 금속 나노입자는 전도성 금속 또는 비제한적으로 은, 금, 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 구리, 알루미늄, 규화물 형성 금속, 또는 이의 임의의 조합의 군에서 선택된 금속 합금을 포함한 금속 혼합물을 포함할 수 있다. 금속 나노입자는 또한 도펀트, 예컨대 주기율표의 II족, III족, V족, 및/또는 VI족으로부터의 원소 또는 화합물을 함유할 수 있다. 바람직한 금속 나노입자는 은, 은-구리 합금, 은-알루미늄, 은 팔라듐, 또는 다른 은 합금 또는 미국 특허 5,476,535 및 7,544,229에 기술된 야금 화학 공정(MCP)으로 공지된 공정에 의해 제조되는 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
적당한 에멀션의 특정예는 그 전문이 참고 인용되는 미국 특허 번호 7,566,360에 기술된다. 이러한 에멀션 제제는 일반적으로 40∼80%의 유기 용매 또는 유기 용매 혼합물, 0∼3%의 결합제, 0∼4%의 에멀션화제, 2∼10%의 금속 분말 및 15∼55%의 물 또는 수혼화성 용매를 포함한다.
코팅 조성물은 에멀션의 모든 성분들을 혼합시킴으로써 제조될 수 있다. 혼합물은 초음파 처리, 고전단 혼합, 고속 혼합, 또는 현탁액 및 에멀션의 제조에 사용되는 기타 공지된 방법을 사용하여 균질화될 수 있다.
조성물은 바 스프레딩, 침지, 스핀 코팅, 딥핑, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 코팅, 플렉소그래픽 플레이트 인쇄, 스프레이 코팅, 또는 임의의 다른 적당한 기법을 이용하여 반도체 기판 상에 코팅될 수 있다. 일부 실시에서, 약 1∼200 미크론, 예컨대 5∼200 미크론의 두께에 도달할 때까지 균질화된 코팅 조성물을 반도체 기판 상에 코팅한다.
기판 상에 에멀션을 코팅하기 전, 예를 들어 코팅으로 기판을 전처리하여 특정 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 기판에 프라이머 층을 제공하여 기판과 코팅된 에멀션 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
에멀션을 반도체 기판에 도포한 후, 열의 적용 하에 또는 열의 적용 없이, 에멀션의 액체 부분을 증발시킨다. 에멀션으로부터 액체를 제거하는 경우, 광에 투과성인 셀을 형성하는 트래이스의 망상체-유사 패턴으로 나노입자가 자기 조립된다. 자기 조립된 망상체는 바람직하게는 10% 미만 또는 심지어 5% 미만의 면적 피복률을 포함한 낮은 면적 피복률(즉, 망상체에 의해 커버된 기판 면적의 면적 또는 백분율)을 제공하여 패시베이션 층에 의해 커버된 면적을 최대화한다. 면적 피복률은 셀 크기(즉, 망상체 내 개구부) 및 라인 폭(즉, 망상체 라인의 폭)의 조합에 의해 결정된다. 자기 조립된 망상체는 전형적 인쇄 공정보다 좁은 평균 라인 폭, 예컨대 10 ㎛ 미만 또는 심지어 5 ㎛ 미만을 제공하여, 더 낮은 면적 피복률을 제공할 수 있다.
일부 실시에서, 셀은 무작위 형상을 지닌다. 다른 실시에서, 공정은 규칙적 패턴을 갖는 셀을 생성하도록 실시된다. 이러한 공정의 예는 "패턴화된 코팅의 제조 방법" 명칭의 WO 2012/170684(2011년 6월 10일 출원)에 기술되어 있으며, 이는 본 출원과 동일한 양수인에게 양도됨으로써 그 전문이 참고 인용된다. 이 공정에 따르면, 조성물을 반도체 기판의 표면 상에 코팅하고 건조하여 코팅 및/또는 건조 동안 외부의 힘을 가하면서 액체 캐리어를 제거함으로써 기판의 선택된 영역에서 연속 상에 비해 분산된 도메인의 선택적 성장을 유도한다. 외부의 힘의 적용은 비휘발성 성분(나노입자)이 자기 조립되도록 하고 외부의 힘의 배치에 의해 결정된 규칙적 간격(예를 들면, 규칙적 중심-대-중심 간격)을 갖는 셀을 형성하는 트래이스를 포함하는 패턴의 형태로 코팅을 형성하도록 한다. 외부의 힘의 적용은, 예를 들어 기판 표면 상에 조성물을 증착시키고 이후 조성물 위에 메이어(Mayer) 막대를 통과시킴으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 그라비어 실린더를 이용하여 조성물을 도포할 수 있다. 또다른 실시에서, 조성물 위에 리소그래피 마스크를 배치한 후, 조성물을 기판 표면 상에 증착시킬 수 있다. 마스크의 경우, 조성물을 건조시킴으로써, 마스크는 조성물에 마스크의 패턴에 상응하는 패턴을 채택하도록 한다.
각 경우에, 패턴(특히, 건조된 코팅에서 셀 간 중심-대-중심 간격)을 조절하는 외부의 힘이다. 하지만, 셀을 형성하는 트래이스의 폭은 외부의 힘에 의해 직접적으로 조절되지 않는다. 오히려, 에멀션의 특징 및 건조 조건이 트래이스 폭의 주요 결정요인이다. 이러한 방식으로, 매우 미세한 라인폭을 갖는 물질, 마스터, 및 공정의 개발 비용 및 어려움이 필요한 일 없이 외부의 힘보다 실질적으로 좁은 라인이 쉽게 제조될 수 있다. 미세 라인폭은 에멀션 및 건조 공정에 의해 생성될 수 있다. 하지만, 망상체의 셀의 크기, 간격 및 배향을 조절하기 위해 (쉽고 저렴하게) 외부의 힘이 사용될 수 있다.
액체 제거 및 자기 조립된 층의 형성 후, 상기 층은 열, 레이저, 자외선, 레이저 또는 다른 처리 및/또는 화학물질에의 노출, 예컨대 금속 염, 염기, 또는 이온성 액체를 사용하여 소결될 수 있다.
액체 제거, 자기 조립된 층의 형성, 및 임의의 선택적 소결 처리 후, 전극 층이 증착, 예컨대 전도성 페이스트 또는 잉크에 의해 스크린 인쇄될 수 있다. 금속성 전도성 페이스트는 알루미늄 또는 은 페이스트를 포함한다. 전극은 (예를 들어, 태양 전지의 후면 상에) 전체 커버리지(full-coverage)일 수 있거나 또는 부분 커버리지여서 광이 전극(예, 태양 전지의 전면 상의 투명 전극)을 통과할 수 있도록 한다. 패시베이션화된 후면 상의 전체 커버리지 전극의 경우, 금속 페이스트는 용락 성분, 예컨대 글래스 프릿을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 양면 태양 전지의 경우, 부분 커버리지 전극이 전지의 양 표면 상에 제공되어 광이 각 면으로부터 투과될 수 있다.
전극 증착 후, 층 간 우수한 옴 접촉을 제공하기 위해 물품을 적당히 높은 온도로 (예컨대, 벨트 퍼니스에서) 소성 또는 동시 소성하여 하기 단계 중 하나 이상을 달성한다: 유기 물질(예, 결합제 또는 용매)의 베이킹(baking off), 소성 제거, 소결, 어닐링, 및 합금화. 온도는 피크 온도(예, 700∼900℃)까지 상승 또는 증가될 수 있다. 피크 온도는 통상 몇초 내지 몇분의 잠시 동안 유지된다.
도 1에는 소성 공정 전의 태양 전지(100)가 도시된다. 110은 전면 전극이고, 120은 반도체 웨이퍼 또는 기판이고, 130은 후면 패시베이션 층이고, 140은 후면 전극이고, 150은 글래스 프릿 및 경우에 따라 전도성 금속 나노입자를 포함하는 자기 조립된 망상체이다. 태양 전지의 전면은 또한 반사방지 코팅(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 소성 공정 전, 망상체(150)는 후면 패시베이션 층(130)의 표면 상에 있고 후면 전극(140)과 반도체 기판(120) 사이의 전기 접촉부는 확립되지 않았다.
도 2에는 소성 공정 후의 태양 전지(200)가 도시된다. 210은 전면 전극이고, 220은 반도체 웨이퍼 또는 기판이고, 230은 후면 패시베이션 층이고, 240은 후면 전극이고, 250은 글래스 프릿 및 경우에 따라 전도성 금속 나노입자를 포함하는 자기 조립 망상체이다. 소성 공정 후, 망상체(250)가 후면 패시베이션 층(230)을 관통하여, 후면 전극(240)과 반도체 기판(220) 사이의 전기 접촉부를 확립한다.
실시예
용어 해설
Figure pct00001
Figure pct00002
실시예 1
Tianwei Corporation(중국)으로부터 다중결정 규소 웨이퍼(200 ㎛ 두께, 156 x 156 mm)를 얻었다. 웨이퍼의 전면을, 표면 텍스쳐화하고 인 분산시켜 (시트 저항이 70 옴/스퀘어인) n-층을 형성하고, 질화규소의 80 nm 반사방지 코팅으로 코팅하였다. 웨이퍼의 후면을 40 nm의 산질화규소 층 후 40 nm의 질화규소 층으로 코팅(플라즈마 강화된 화학 증착)하였다.
프라이머 용액(99.1 중량% 아세톤 중 0.6 중량% Synperonic NP-30 및 0.3 중량% 폴리[디메틸실록산-코-[3-(2-(2-히드록시에톡시)에톡시)프로필]메틸실록산])의 대략 8 ㎛ 습윤 두께 코팅을 사용하여 웨이퍼의 후면을 프라이머 처리하였다. 메이어 막대로 프라이머를 도포하고 공기 건조하였다.
표 1에 표시된 성분들을 우선 혼합하고 균일해질 때까지 초음파처리하여 용액 A를 형성함으로써 에멀션을 제조하였다. 다음으로, 23.5 g의 BYK-348 용액(DI수 중 0.04 중량%)을 용액 A에 첨가하고 균질해질 때까지 초음파 처리하여 용액 B를 형성하였다. 최종적으로, 0.17 g의 BYK-106 및 0.32 g의 Disperbyk-2025 용액(톨루엔 중 0.1 중량%)을 용액 B에 첨가하고 혼합하여 최종 에멀션을 형성하였다.
다음으로, 웨이퍼의 프라이머 처리된 후면을 상기 기술된 에멀션으로 코팅하였다. 메이어 막대를 이용하여 20∼30 ㎛의 습윤 코팅 두께로 에멀션을 코팅하고, 망상체가 자기 조립되는 시간 동안 코팅을 건조시켰다. 우선 대략 1분 동안 50℃ 오븐에 코팅된 웨이퍼를 배치한 후, 20분 동안 150℃ 오븐에 배치하였다.
다음으로, 은 페이스트를 이용하여 후면 버스 바를 스크린 인쇄하고 알루미늄 페이스트를 이용하여 전체 커버리지 알루미늄 전극을 스크린 인쇄하였다. 은 페이스트를 이용하여 전면 전극(H-그리드)을 인쇄하였다.
다음으로, 300∼350℃ 베이킹 단계, 450∼600℃ 유기 연소 제거(burn-off) 및 합금화 단계, 600∼700℃ 예열 단계, 및 800∼900℃ 소성 제거 단계를 이용하여 웨이퍼를 베이킹하고 동시 소성하고, 최종 온도는 60초 미만 동안 간단히 유지하였다. 최종적으로, 레이저 에지-단리 에칭을 실시하였다.
상기 기술된 바와 같이 4개의 복제물을 처리하고 인공 태양(solar simulator)을 이용하여 표준 태양 전지 테스트 방법으로 테스트하고, 그 결과를 하기 표 2에 기록하였다. 결과로서, 에멀션은 패시베이션 층을 용락하여 옴 접촉을 달성할 수 있다는 것을 입증하였다.
Figure pct00003
실시예 2
P204 은 나노입자 분말을 에멀션에 첨가하지 않는 것을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 바와 같이 실시예 2를 제조하였다.
Figure pct00004
에멀션을 제조하기 위해, 표 3에 제시된 성분들을 혼합하고 균질해질 때까지 초음파 처리하여 용액 A를 형성하였다. 그리고나서, 9.5 g의 BYK-348 용액(DI수 중 0.04 중량%)을 용액 A에 첨가하고 균질해질 때까지 초음파 처리하여 용액 B를 형성하였다. 최종적으로, 0.06 g의 BYK-106 및 0.1 g의 Disperbyk-2025 용액(톨루엔 중 0.1 중량%)을 용액 B에 첨가하고 혼합하여 웨이퍼 후면 코팅을 위한 최종 에멀션을 형성하였다.
인공 태양을 이용하여 표준 태양 전지 테스트 방법으로 샘플을 테스트하고, 그 결과를 하기 표 4에 제시하였다. 결과로서, 은 나노입자를 포함하지 않는 에멀션은 패시베이션 층을 용락하여 옴 접촉을 달성할 수 있다는 것을 입증하였다.
Figure pct00005
실시예 3
은-알루미늄 나노입자를 에멀션에 첨가하는 것을 제외하고는, 실시예 2에 기술된 바와 같이 실시예 3을 제조하였다.
은-알루미늄 나노입자 제조
흑연 내장재를 갖는 세라믹 도가니에 840 g의 알루미늄 펠렛(99.99% 순도, 공칭 직경 0.95 cm, C-KOE Metals L.P., 미국 텍사스주 댈러스 소재)을 칭량하였다. 모든 알루미늄이 용융될 때까지 아르곤 유동(약 1 L/분 아르곤) 하에서 60% 출력(Opdel FS10 Induction Furnace, Opticom, 이탈리아 소재)의 유도로에 약 6∼7분 동안 도가니를 배치하였다. 360 g의 은 펠렛(은 과립, 99.99% 순도, Umicore N.V., 벨기에 소재)을 유도로 내부에 있는 용융된 알루미늄에 첨가하고 은이 용융될 때까지 흑연 교반기를 이용하여 수분, 약 3∼4분 교반하여 균질한 용융물을 형성하였다. 용융물을 강철 몰드에 즉시 캐스팅하여 잉곳 250 X 115 X 15 mm을 형성하였다.
제1 열 처리: 잉곳을 400℃로 설정된 전기로(Series K750, Heraeus GmbH, 독일 소재) 내에 배치하고 2시간 동안 이 온도를 유지하였다. 전기로를 끄고 잉곳이 제거 전 서서히 냉각되도록 하였다.
롤링기(rolling machine)(BW-250, Carl Wezel KG, 독일 소재)를 사용하여, 반복적으로 롤러를 잉곳에 통과시키고, 잉곳의 두께를 서서히 감소시켜 1 mm 스트립을 형성하였다. 추가 열 처리를 위해 롤링된 스트립을 더 짧은 길이로 컷팅하였다.
제2 열 처리: 전기로를 220℃로 설정하고 롤링된 스트립을 전기로에 배치하고 220℃에서 4시간 동안 유지하였다. 전기로에서 열 처리된 스트립을 제거하고 25℃ 이하에서 10∼20분 동안 탈이온수 중에 빠르게 켄칭하였다.
제2 열 처리로서 동일자에, 표면 상에 기포가 형성될 때까지 스트립을 약 2∼3분 침지시킴으로써 탈이온수 중 5%(wt/wt) 수산화나트륨을 사용하여 우선 스트립을 표면 세척하였다. 표면 세척과 침출을 위해, 약 2 리터의 NaOH 용액을 대략 62 g의 스트립에 사용하였다. 스트립을 즉시 제거하고 탈이온수로 씻어내었다. 다음으로, 8∼10시간 동안 대략 실온(공정의 발열 성질으로 인해, 공정 전반에 걸쳐 액체 온도를 증가시킴)에서 탈이온수 중 25% (wt/wt) 수산화나트륨을 사용하여 스트립을 침출하여 흑색 분말을 형성하였다. 침출 용액을 따라내고 pH가 대략 중성이 될 때까지 반복하여 탈이온수로 대체하였다. 그리고나서 흑색 분말을 약 24시간 동안 40℃ 오븐에서 건조하였다. 이후 건조된 분말을 500 ㎛ 체에 걸러내어 최종 나노입자 조성물을 형성하였다.
ICP에 의해 결정된 나노입자 조성물의 알루미늄 함량은 13.50 중량%였다.
Figure pct00006
인공 태양을 이용하여 표준 태양 전지 테스트 방법으로 샘플을 테스트하고, 그 결과를 하기 표 6에 제시하였다. 결과로서, 은-알루미늄 나노입자를 포함하는 에멀션은 패시베이션 층을 용락하여 옴 접촉을 달성할 수 있다는 것을 입증하였다.
Figure pct00007
본 발명의 다수의 구체예가 기술되었다. 하지만, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 광전지의 제조 방법으로서,
    (a) 후면 패시베이션 층을 갖는 반도체 기판을 제공하는 단계;
    (b) 후면 패시베이션 층 상에 글래스 프릿 입자를 포함하는 자기 조립 에멀션을 코팅하는 단계;
    (c) 에멀션이 셀을 형성하는 트래이스(trace) 망상체로 자기 조립되는 단계;
    (d) 망상체 위에 전극을 형성하여 전구 셀을 생성하는 단계; 및
    (e) 전구 셀을 소성시켜 망상체가 패시베이션 층의 용락(burn through)을 유발하도록 하여 반도체 기판과 전극 사이에 전기 접촉부를 확립하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 에멀션은 글래스 프릿 입자 및 금속 나노입자를 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 금속 나노입자는 은 나노입자, 알루미늄 나노입자, 은-알루미늄 나노입자, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 반도체 기판은 규소 기판을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 후면 패시베이션은 산화알루미늄 층, 산화규소 층, 질화규소 층, 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 트래이스는 10 ㎛ 미만의 평균 폭을 갖는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 트래이스는 5 ㎛ 미만의 평균 폭을 갖는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 전극은 가시광에 불투과성인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 망상체는 10% 미만의 기판 상의 면적 피복률(areal coverage)을 제공하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 망상체는 5% 미만의 기판 상의 면적 피복률을 제공하는 것인 방법.
  11. 광전지로서,
    (a) 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판;
    (b) 기판의 전면 상의 전극;
    (c) 상호연결된 트래이스에 의해 분리되는 패시베이션 영역을 포함하는, 기판의 후면 상의 층으로서, 트래이스는 평균 폭이 10 ㎛ 미만이고 상호연결된 트래이스는 10% 미만의 기판의 후면 상의 면적 피복률을 제공하는 것인 층; 및
    (d) 상기 층 상에 놓이고 반도체 기판과 전기 접촉하는 제2 전극
    을 포함하는 광전지.
  12. 제11항에 있어서, 상호연결된 트래이스는 5% 미만의 기판의 후면 상의 면적 피복률을 제공하는 것인 광전지.
  13. 제11항에 있어서, 트래이스는 평균 폭이 5 ㎛ 미만인 광전지.
  14. 제11항에 있어서, 트래이스는 평균 폭이 5 ㎛ 미만이고 상호연결된 트래이스는 5% 미만의 기판의 후면 상의 면적 피복률을 제공하는 것인 광전지.
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