KR20160082468A - 전기전도성 페이스트 조성물용 유리 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기전도성 페이스트 조성물을 형성하는데 사용되는 유리 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 일 관점에서, 태양 패널 기술에 사용되는 전기전도성 페이스트 조성물은 전도성 금속 입자, 유기 비히클 및 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 유리 조성물을 포함한다.
Description
본 발명은 전기전도성 페이스트 조성물을 형성하는데 사용되는 유리 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 일 관점에서, 태양 패널 기술에서 사용되는 전기전도성 페이스트 조성물은 전도성 금속 입자, 유기 비히클, 및 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO), 및 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 유리 조성물을 포함한다.
태양 전지는 광기전 효과를 이용하여 광 에너지를 전기로 전환시키는 소자이다. 태양열 발전은 지속가능하며 단지 비-오염 부산물만을 생성하므로 매력적인 그린 에너지 소스이다. 따라서, 다량의 연구가 향상된 효율성을 갖는 한편 연속적으로 물질 및 제조 비용을 낮추는 태양 전지를 개발하는데 최근 몰두되고 있다. 작업에서, 광이 태양 전지를 타격하면, 입사 광의 일부가 표면에 의해 반사되고 나머지가 상기 태양 전지 내로 투과된다. 투과된 광의 광자가 상기 태양 전지에 의해 흡착되며, 태양 전지는 통상 실리콘과 같은 반도체 물질로 이루어진다. 상기 흡착된 광자로부터의 에너지는 그들의 원자로부터 상기 반도체 물질의 전자를 여기시켜 전자-정공 쌍을 생성시킨다. 이러한 전자-정공 쌍들은 다음으로 p-n 접합에 의해 분리되고 상기 태양 전지 표면 상에 적용된 전도성 전극에 의해 수집된다.
태양 전지는 통상적으로 전면 및 후면 표면 모두에 적용된 전기전도성 페이스트를 갖는다. 전형적인 전기전도성 페이스트는 전도성 금속 입자, 유리 프릿, 및 유기 비히클을 함유한다. 종종 은을 포함하는 전면의 페이스트는 상기 기판의 전면에 적용되어 전면 전극으로서 기능한다. 일부 경우, 상기 유리 프릿은 상기 전도성 입자 및 실리콘 기판 사이의 전기 접촉을 빌드하는 것을 돕도록 소성 시 상기 실리콘 기판의 표면 상에 실리콘 니트라이드와 같은 반사방지막을 통해서 에칭한다. 한편, 상기 유리 프릿은 소성 후 상기 p-n 접합을 이동시키는 덜 공격적인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상대적으로 높은 함량의 납 및 산화 비스무스를 포함하는 유리 프릿은 반사방지층을 손상시키고 상기 기판의 p-n 접합을 열화시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 태양 전지의 전기 성능은 위태롭게 될 수 있다. 추가로, 유리 프릿은 넓은 융해온도 범위를 갖는 것으로 알려져 있으며 그 조성물 및 공정 파라미터에 따라 거동이 크게 좌우되도록 한다. 이처럼, 빠른 소성 공정 하에서 유리 공정 파라미터 및 거동을 예상하는 능력은 공지된 유리 프릿으로 어렵다. 또한, 납 및 비스무스는 환경적으로 독성 성분이므로, 전기전도성 페이스트 내에서의 사용을 감소시키거나 또는 제거하는 것이 바람직하다. 종래의 전기전도성 페이스트는 또한 하부 기판에 잘 접착되어 기계적으로 그리고 구조적으로 견실해야 한다.
따라서, 이미터의 품질을 향상시킴으로써 향상된 태양 전지 효율을 달성할 수 있도록 상기 전기전도성 페이스트와 하부 기판 사이의 전기 접촉을 향상시키는 유리 조성물이 바람직하다. 향상된 전체 전지 성능은 또한 예를 들어, 좀 더 높은 단락 전압, 좀 더 낮은 직렬 저항, 좀 더 나은 기판에의 전극의 접착, 및 좀 더 높은 전류에 의해 표현된다. 이러한 유리 조성물들은 상기 반사방지층 및 p-n 접합을 손상시킬 만큼 공격적이지 않아야 한다. 또한, 독성의 납 및 산화 비스무스의 존재를 감소시키거나 또는 제거한 유리 조성물이 환경 및 건강 목적으로 바람직하다. 나아가, 좀 더 넓은 공정 윈도우 및 좀 더 예측가능한 융해 거동을 갖는 유리 프릿이 바람직하다. 마지막으로 상기 하부 실리콘 기판에 대한 전기전도성 페이스트의 접착을 향상시키는 유리 프릿이 바람직하다.
본 발명의 일 관점은 전도성 금속 입자; 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 집합적으로 적어도 약 70중량%의 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및 유기 비히클을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물은 바람직하게는 약 5중량% 미만의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)을 포함한다. 상기 유리 조성물 내에 Bi2O3가 존재하는 경우, 상기 Bi2O3 대 ZnO의 중량 비는 약 0.15 미만이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물은 바람직하게는 상기 유리 조성물의 총 중량에 기초하여, 적어도 약 2 중량%의 Li2O를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 전도성 금속 입자; 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 약 1중량% 초과의 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및 유기 비히클을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물 중 TeO2, ZnO 및 Li2O의 총 양은 상기 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 적어도 70중량%이고, (a) TeO2 대 (b) ZnO 및 Li2O의 중량 비는 약 1-25의 범위, 바람직하게는 약 2-15의 범위이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물은 바람직하게는 약 5중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 2.5중량% 미만(예를 들어, 약 2.0중량% 미만)의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)을 포함한다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물은 바람직하게는 상기 유리 조성물의 총 중량에 기초하여, 적어도 약 2 중량%의 Li2O를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점은 전도성 금속 입자; 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 약 1.0중량% 초과의 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및 유리 비히클을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물 내의 TeO2, ZnO 및 Li2O의 총 양은 상기 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 적어도 약 70 중량%이고, 상기 ZnO 대 Li2O의 중량 비는 약 0.5-25의 범위, 바람직하게는 약 1-20의 범위이다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 1.0 중량% 초과의 Li2O (예를 들어, 적어도 1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 2.0 중량%)를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 ZnO 대 Li2O의 중량 비는 약 1-25의 범위, 바람직하게는 약 2-15의 범위이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물 내의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)의 결합 함량은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 바람직하게는 약 5 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 2.5 중량% 미만(예를 들어, 약 2.0 중량% 미만)이다.
본 발명의 또 다른 관점은 전도성 금속 입자; 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및 유기 비히클을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 상기 (a) Li2O 대 (b) TeO2 및 Li2O의 결합 함량의 중량 비는 약 0.001-0.3(바람직하게는 약 0.001-0.15)의 범위이며, 상기 (a) ZnO 대 (b) TeO2 및 ZnO의 결합 함량의 중량 비는 약 0.001-0.35의 범위, 바람직하게는 약 0.005-0.35의 범위이다. 상기 적어도 하나의 유리 조성물 내의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)의 결합 함량은 약 5 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 2.5 중량% 미만(예를 들어, 약 2.0 중량% 미만)이다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 1.0 중량% 초과(예를 들어, 적어도 1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 2.0 중량%)의 Li2O를 포함한다.
본 발명은 또한 전기전도성 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼에 적용하고 상기 실리콘 웨이퍼를 소성하여 제조되는 태양 전지를 제공한다. 본 발명의 또 다른 관점은 본 발명의 전기적으로 상호연결된 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈이다.
본 발명은 전면 및 후면을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼(예를 들어, 상기 웨이퍼의 전면)에 본 발명의 전기전도성 페이스트 조성물을 적용하는 단계; 및 상기 실리콘 웨이퍼를 소성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조방법을 더욱 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 낮은 함량 또는 프리(free)의 납 및/또는 비스무스를 갖는 유리 조성물에 관한 것이다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 납-프리 및/또는 비스무스-프리이다. 이러한 적용에 제한되지 않고, 본 발명의 유리 조성물은 태양 전지 상에 전극을 형성하는데 사용되는 것과 같이, 전기전도성 페이스트 조성물에서 사용될 수 있다. 본 발명의 전기전도성 페이스트 조성물은 바람직하게는 전도성 금속 입자, 유기 비히클, 및 개시된 유리 조성물을 포함한다. 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 하나 이상의 첨가제를 더욱 포함할 수 있다.
상기 전기전도성 페이스트 조성물은 물리적 공정(예를 들어, 기계화학적 공정, 밀링 또는 그라인딩) 또는 화학적 공정(예를 들어, 소성, 열 분해, 또는 광 또는 방사화학 분해) 동안 유리를 형성하는 유리 조성물(바람직하게는, 납-프리 및/또는 비스무스-프리 유리 조성물 또는 화합물(예를 들어, 유기금속 화합물, 염)의 조합을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 유리 조성물을 형성하는 원소는 단일 성분 또는 2 이상의 성분 중에 분산되어 존재할 수 있으며, 이는 무정형, 결정성 또는 부분적으로 결정성을 가질 수 있다.
실리콘 태양 전지에 적용되는 경우, 이러한 페이스트는 상기 실리콘 웨이퍼의 전면 또는 후면 중 어느 하나 상에 전기 접촉층 또는 전극을 형성하는데 사용될 수 있다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 전기전도성 페이스트는 태양 전지용 실리콘 웨이퍼의 전면 상에 사용되며, 입자, 본 발명의 유리 조성물 및 유기 비히클을 포함한다.
유리 조성물
본 발명의 유리 조성물은 전기전도성 페이스트 조성물에 사용되는 경우 다중 기능에 기여한다. 첫째, 상기 유리는 상기 전도성 입자에 대한 운반 매체를 제공하여 이들을 상기 페이스트로부터 상기 반도체 기판의 인터페이스로 이동하도록 한다. 상기 유리는 또한 상승된 온도에 두는 경우 상기 페이스트 성분이 상기 인터페이스에서 물리적 그리고 화학적 반응을 겪도록 반응 매체를 제공한다. 물리적 반응은, 이에 한정되는 것은 아니나, 융해, 용해, 확산, 소결, 침전 및 결정화를 포함한다. 화학적 반응은, 이에 한정되는 것은 아니나, 합성(신규 화학 결합의 형성) 및 분해, 산화 및 환원, 및 상 전이를 포함한다. 나아가, 상기 유리는 또한 상기 전도성 입자와 상기 반도체 기판 사이에 결합을 제공하는 접착 매체로서 작용함으로써 태양 소자의 수명 동안 전기 접촉 성능을 향상시킨다. 동일 효과를 달성하기를 목적함에도 불구하고, 기존의 유리 조성물은 상기 유리의 절연 성질에 기인하여 상기 전기전도성 페이스트와 상기 실리콘 웨이퍼의 인터페이스에서 높은 접촉 저항으로 귀결될 수 있다. 본 발명의 유리 조성물은 바람직한 운반성, 반응성 및 접착 매체뿐 아니라 낮은 접촉 저항을 제공하며, 전반적인 전지의 성능을 향상시킨다. 향상된 전체적인 전지 성능은 또한 예를 들어, 좀 더 높은 단락 전압, 좀 더 낮은 직렬 저항, 좀 더 나은 기판에 대한 전극의 접착성, 및 좀 더 높은 전류에 의해 표현된다.
특정 이론에 한정되지 않으나, 상기 유리는 태양 전지 내에서 상기 전도성 입자와 상기 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판) 사이의 옴 및 쇼트키 접촉 특성을 제공하는 것으로 믿어진다. 상기 유리는 직접 접촉 또는 터널링을 통해서와 같이, 전체적인 접촉성을 향상시키는 실리콘 기판 상에 활성 영역을 생성하고 상기 실리콘에 대한 반응 매체이다. 상기 향상된 접촉 성질은 보다 나은 옴 접촉 및 쇼트키 접촉을 제공하며, 따라서 좀 더 나은 전체적인 태양 전지 성능을 제공한다. 또한, 상기 유리 성분의 조합은 특정 양으로, 유리 전이 온도의 넓은 범위, 연화점, 융해점, 결정화 온도, 및 유량 온도를 갖는 페이스트를 제공함으로써 결과물인 페이스트의 공정 윈도우를 넓힌다. 이는 상기 결과물인 전기전도성 페이스트가 다양한 기판과 향상된 적합성을 갖도록 한다.
바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 유리 조성물은 낮은 산화 납 함량을 갖는다. 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 유리 조성물은 납-프리이다. 여기서 설명되는 바에 따라, 용어 "낮은 납 함량"은 적어도 0.5 중량%, 및 약 4 중량% 미만, 약 3 중량% 미만, 약 2 중량% 미만, 약 1 중량% 미만, 및 약 0.8 중량% 미만과 같은 약 5 중량% 미만의 산화 납 함량을 갖는 조성물을 나타낸다. 여기서 설명되는 바에 따라, 용어 "납-프리"는 (상기 유리 소정물의 총 중량 100%에 기초하여) 약 0.5 중량% 미만, 바람직하게는 약 0.4 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 0.3 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 0.2 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 0.1 중량% 미만의 산화 납 함량을 갖는 조성물을 나타낸다. 가장 바람직한 구현예에서, 상기 유리 조성물은 약 0.01 중량% 산화 납을 포함하며, 이는 다른 유리 성분에서의 내부 불순물로서 존재할 수 있다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 의도적으로 첨가된 어떠한 산화 납도 포함하지 않는다.
또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 유리 조성물은 낮은 산화 비스무스 함량을 갖는다. 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 비스무스-프리이다. 여기서 설명되는 바에 따라, 용어 "낮은 비스무스 함량"은 적어도 0.5 중량%, 및 약 4 중량% 미만, 약 3 중량% 미만, 약 2 중량% 미만, 약 1 중량% 미만, 및 약 0.8 중량% 미만과 같은 약 5 중량% 미만의 산화 비스무스 함량을 갖는 조성물을 나타낸다. 여기서 설명되는 바에 따라, 용어 "비스무스-프리"는 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여, 약 0.5 중량% 미만, 바람직하게는 약 0.4 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 0.3 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 약 0.2 중량% 미만, 및 가장 바람직하게는 약 0.1 중량% 미만의 산화 비스무스 함량을 갖는 조성물을 나타낸다. 가장 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 약 0.01 중량% 미만의 산화 비스무스를 포함하며, 이는 다른 유리 성분에서 내부 불순물로서 존재할 수 있다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 의도적으로 첨가된 어떠한 산화 비스무스도 포함하지 않는다.
일 구현예에서, Bi2O3 및 PbO 모두의 총 양은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여, 바람직하게는 5 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 3 중량% 미만, 좀 더 바람직하게는 2.5 중량% 미만, 그리고 가장 바람직하게는 2.0 중량% 미만이다. 가장 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 납-프리 및 비스무스-프리 모두이다.
상기 유리 조성물은 산화 텔루르 (TeO2), 산화 리튬 (Li2O), 및 산화 아연 (ZnO)을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 부가적으로 산화 나트륨 (Na2O)을 포함한다.
적어도 일 구현예에서, 상기 TeO2, Li2O, 및 ZnO의 총 양은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여, 적어도 50 중량%, 바람직하게는 적어도 60 중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 70 중량%이다. 추가 구현예에서, 상기 성분들의 중량 비는 다음 중 하나 또는 모든 조합일 수 있다:
● Bi2O3 대 ZnO는 약 0.15 미만, 바람직하게는 약 0.13 미만이고;
● TeO2 대 (ZnO + Li2O)는 약 1-25, 바람직하게는 약 2-15, 좀 더 바람직하게는 약 3-15, 및 가장 바람직하게는 약 3.5-15의 범위이고;
● ZnO 대 Li2O는 약 0.5-25, 바람직하게는 약 1-20, 및 좀 더 바람직하게는 약 1-15의 범위이고;
● Li2O 대 (TeO2 + Li2O)는 약 0.001-0.3, 바람직하게는 0.001-0.15의 범위이고; 그리고
● ZnO 대 (TeO2 + ZnO)는 약 0.001-0.35, 바람직하게는 0.005-0.35의 범위이다.
또 다른 구현예에서, 상기 성분들의 중량비는 다음 중 하나 또는 모든 조합일 수 있다:
● TeO2 대 (ZnO + Li2O)는 약 1-35, 바람직하게는 약 2-20의 범위이고 (4-11과 같은);
● ZnO 대 Li2O는 약 0.2-25, 바람직하게는 0.5-20, 좀 더 바람직하게는 1-20의 범위이고 (1-7과 같은);
● Li2O 대 (TeO2 + Li2O)는 약 0.001-0.3, 바람직하게는 0.01-0.2 (0.02-0.06과 같은)의 범위이고; 그리고
● ZnO 대 (TeO2 + ZnO)는 약 0.005-0.5, 바람직하게는 0.02-0.3(0.07-0.15와 같은)의 범위이다.
상기 유리 조성물은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100%에 기초하여 바람직하게는 약 50-99.4 중량% TeO2, 좀 더 바람직하게는 약 65-97 중량%, 및 가장 바람직하게는 약 74-95 중량%를 포함한다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물 전체의 총 중량 100%에 기초하여, 약 95 중량% 이하의 TeO2, 바람직하게는 약 93 중량% 이하의 TeO2, 및 가장 바람직하게는 약 90 중량% 이하의 TeO2를 포함한다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물 전체의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 40 중량% TeO2, 바람직하게는 적어도 약 50 중량% TeO2, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 60 중량% TeO2를 포함한다.
또 다른 구현예에서, 상기 Li2O의 함량은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100%에 기초하여, 바람직하게는 약 1 중량% 초과이다. 상기 유리 조성물은 바람직하게는 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100%에 기초하여, 약 0.1-15 중량% Li2O, 좀 더 바람직하게는 약 1-10 중량% Li2O, 및 가장 바람직하게는 약 1-7 중량% Li2O를 포함한다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물 전체의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 1 중량% Li2O (예를 들어, 적어도 약 1.0, 1.1, 1.2, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 및 1.9 중량%) 및 바람직하게는 적어도 2 중량% Li2O를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물 전체의 총 중량 100%에 기초하여 바람직하게는 약 15 중량% 이하의 Li2O, 바람직하게는 약 12 중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 10 중량% 이하를 포함한다.
상기 유리 조성물은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100%에 기초하여 바람직하게는 약 1 중량% 초과의 ZnO를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100%에 기초하여 약 0.5-35 중량% ZnO, 바람직하게는 약 2-25 중량% ZnO 및 가장 바람직하게는 약 4-19 중량% ZnO를 포함한다.
또 다른 구현예에서, 상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 0.1 중량%의 Na2O를 더욱 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 약 0.1-5 중량% Na2O, 바람직하게는 약 0.1-4 중량% Na2O 및 가장 바람직하게는 약 0.1-3 중량% Na2O를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 Na2O를 포함하지 않는다.
상기 유리 조성물은 유리 물질, 세라믹 물질, 및 상승된 온도에서 반응 매트릭스를 형성하기 위한 당업계에 공지된 다른 모든 화합물을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 적어도 하나의 실질적으로 무정형의 유리 프릿을 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 상기 유리 조성물은 결정성 상 또는 화합물, 또는 무정형, 부분적으로 결정성, 및/또는 결정성 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 유리 조성물은 또한 당업계에 공지된 다른 산화물 또는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 실리콘, 니켈, 텅스텐, 가돌리늄, 탄탈륨, 안티몬, 세륨, 지르코늄, 티타늄, 망간, 주석, 루테늄, 코발트, 철, 구리 및 크롬의 산화물 또는 이들의 적어도 2의 모든 조합, 바람직하게는 안티몬, 망간, 니켈, 텅스텐, 및 루테늄, 또는 이들의 적어도 2의 조합, 소성 시 이러한 금속 산화물을 생성할 수 있는 화합물들, 또는 전술한 금속 중 적어도 2의 혼합물, 전술한 금속 산화물 중 적어도 2의 혼합물, 전술한 소성 시 상기와 같은 금속 산화물을 생성시킬 수 있는 화합물들 중 적어도 2의 혼합물, 또는 전술한 성분들 중 2 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 산화 게르마늄, 산화 바나듐, 산화 몰리브덴, 산화 니오븀, 산화 인듐, 인산, 희토류 금속 산화물, 알칼리금속 산화물, 알칼리토금속 산화물, 금속 인산염, 및 금속 할라이드(예를 들어, 아연 불화물) 및 칼코게나이드와 같은 다른 유리 매트릭스 형성체 또는 유리 개질제가 또한 전체적인 유리 조성물의 유리 전이온도와 같은 성질을 조절하기 위하여 첨가제로서 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 적어도 하나의 유리 및 적어도 하나의 산화물 또는 첨가물의 조합을 함유할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 0.1 중량%의 추가적인 산화물 및/또는 첨가제 및 약 50중량% 이하, 바람직하게는 약 40 중량% 이하, 좀 더 바람직하게는 약 30 중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 20 중량% 이하의 이러한 산화물 및/또는 첨가제를 포함한다. 예를 들어, 일 구현예에서, 상기 유리 조성물은 MgO, TiO2, SiO2, B2O3, Na2O, K2O, CaO, SrO, BaO, V2O5, MoO3, Cr2O3, WO3, MnO, Al2O3, P2O5, CdO, Ag2O, AgI, AgBr, AgCl 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 유리 조성물은 고체 상태 합성, 융해 및 담금질, 또는 다른 Chimie Douce (소프트 화학) 공정을 포함하는, 당업계에 공지된 모든 방법에 의해 형성될 수 있다. 통상적인 융해 및 담금질 공정에서, 상기 제1단계는 출발물질(통상적으로 파우더 형태임)의 적절한 양을 혼합하는 것이다. 상기 혼합물은 공기에서 또는 산소-함유 분위기에서 가열되어 융해물을 형성한다. 상기 융해물은 담금질되고 그리고 나서 원하는 입자 크기를 갖는 혼합물을 제공하기 위하여 그라인딩, 볼 밀, 및/또는 스크린된다. 예를 들어, 파우더 형태의 성분들은 V-콤 블렌더에서 함께 혼합될 수 있다. 상기 혼합물은 상기 출발물질이 반응하여 하나의 유리 시스템을 형성하도록 약 30-40분 동안 (예를 들어, 대략 800-1200℃로) 가열된다. 그 다음, 상기 시스템은 담금질되어 모래와 같은 밀도로 취해진다. 상기 거친 파우더는 미세한 파우더가 될 때까지 볼 밀 또는 제트 밀과 같이 밀링된다. 상기 유리 입자는 0.01-20㎛, 바람직하게는 약 0.1-5㎛의 평균 입자 크기(d50)로 밀링될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 유리 입자는 약 1 내지 약 100 nm 범위의 d50을 갖는 나노-크기 입자로서 형성될 수 있다.
Chimie Douce (소프트 화학) 공정은 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행된다. Chimie Douce 반응은 위상이며, 상기 반응물들의 구조적인 요소가 생성물 내에서 보존되나, 상기 조성물은 변하는 것을 의미한다. 이러한 공정은, 이에 한정되는 것은 아니나, 졸-겔 공정, 침전, 열수/용매열 공정, 및 열분해를 포함한다. 통상의 고체 상태 합성이 또한 여기에 기술된 유리 조성물을 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 공정에서, 원료 출발물질이 용융된 석영 튜브 또는 탄탈륨 또는 백금 튜브 내에서 진공 하에 밀봉되며, 이어서 700-1200℃로 가열된다. 상기 물질들은 상기 상승된 온도에서 약 12-48 시간 동안 유지되며 이어서 실온으로 서서히 냉각된다(약 0.1℃/분). 일부 경우, 고체 상태 반응은 공기에서 알루미나 도가니에서 수행될 수 있다. 유리 조성물 제조를 위한 또 다른 공정은 공-침이다. 상기 공정에서, 금속 원소가 환원되며 다른 금속 산화물 또는 수산화물과 공-침되어 pH 수준을 조절하거나 또는 환원제를 포함시킴으로써 금속 양이온 함유 용액을 형성한다. 이러한 금속, 금속 산화물 또는 수산화물의 침전은 다음으로 건조되고 약 400-800℃에서 진공 하에 소성되어 미세한 파우더를 형성한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 유리 조성물은 상기 전기전도성 페이스트의 원하는 소성 온도 아래의 유리전이온도(Tg) 범위를 갖는다. 바람직한 유리 조성물은 적어도 150℃, 바람직하게는 적어도 180℃, 가장 바람직하게는 적어도 210℃의 Tg 범위를 갖는다. 동시에, 바람직한 유리 물질은 열기계적 분석을 이용하여 측정된 경우, 약 750℃ 이하, 바람직하게는 약 700℃ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 650℃ 이하의 Tg 범위를 갖는다. 특히, 상기 유리전이온도는 TA Instruments SDT Q600 Simultaneous TGA/DSC (TA Instruments)와 같은 DSC 장치를 이용하여 결정될 수 있다. 상기 측정 및 데이터 평가에 대하여, 특정 소프트웨어 TA Universal Analysis 2000, V 4.5A가 적용된다. 참조 및 샘플에 대한 팬(pan)으로서, 6.8 mm의 직경 및 약 90㎕의 부피를 갖는 알루미나 샘플 컵 (TA Instruments로부터 상업적으로 입수 가능함)이 사용된다. 약 20-50 mg의 상기 샘플의 양을 0.01 mg의 정확도를 갖는 샘플 팬으로 중량을 잰다. 상기 빈 참조(empty reference) 팬 및 샘플 팬이 상기 장치 내에 위치되고, 오븐이 닫혀지고, 측정이 시작되었다. 10-50℃/분의 가열 속도가 25℃의 개시 온도에서 1000℃의 종결 온도까지 적용되었다. 상기 기구 내의 밸런스는 항상 질소(N2 5.0) 퍼지되며, 상기 오븐은 50 ml/분의 유량비를 갖는 합성 공기(Linde로부터의 80% N2 및 20% O2)로 퍼지된다. 상기 DSC 신호의 제1단계는 전술한 소프트웨어를 이용하여 유리 전이로서 평가되고 결정된 설정 값은 Tg에 대한 온도로서 취해진다.
당업계에서 유리 입자가 다양한 형상, 크기 및 코팅층을 나타낼 수 있다는 것이 널리 알려져 있다. 예를 들어, 수 많은 형상의 유리 입자가 당업계에 알려져 있다. 일부 예는 구형, 각진 형상, 길쭉한 형상(로드 또는 바늘형), 및 평평한 형태(시트형, 박편)를 포함한다. 유리 입자는 또한 상이한 형상의 조합으로서 존재할 수 있다(예를 들어, 구 및 박편). 제조된 전극의 유리한 접착에 이점을 갖는 형상 또는 형상들의 조합을 갖는 유리 입자가 바람직하다.
상기 중간값의 입자 직경 d50은 당업계에 공지된 입자의 특성이다. 상기 d50은 중간값의 직경 또는 상기 입자 크기 분포 중 중간 값이다. 이는 누적 분포에서 50%에서의 입자 직경의 값이다. 입자 크기 분포는 레이저 회절, 동적 광산란, 이미징, 전기영동 광산란, 또는 당업계에 공지된 모든 다른 방법을 통해 측정될 수 있다. LA-910 소프트웨어 프로그램과 연결된 Horiba LA-910 레이저 회절 입자 크기 분석기가 상기 유리 프릿의 입자 크기 분포를 결정하기 위해 사용된다. 상기 유리 프릿 입자의 상대 굴절률은 상기 LA-910 매뉴얼로부터 선택되어 상기 소프트웨어 프로그램으로 입력된다. 테스트 챔버가 탈염수로 적합한 충전 라인(fill line)까지 채워진다. 다음으로, 상기 용액은 상기 소프트웨어 프로그램 내의 순환 및 교반 기능을 이용하여 순환된다. 일분 후 상기 용액이 배출된다. 이러한 과정이 상기 챔버가 모든 잔류 물질이 완전히 세정되기까지 추가로 반복된다. 다음, 상기 챔버는 세번 탈염수로 채워지고 1분 동안 순화 및 교반된다. 상기 용액 내의 모든 백그라운드 입자가 상기 소프트웨어 내의 블랭크 기능을 사용하여 제거된다. 다음, 초음파 교반이 시작되고, 투과율 바가 상기 소프트웨어 프로그램 내에서 적합한 지대 내에 있게 될 때까지 상기 유리 프릿은 상기 테스트 챔버 내의 용액에 천천히 첨가된다. 투과도가 올바른 수준이 되면, 상기 레이저 회절 분석이 진행되고 상기 유리의 평균 입자 크기 분포가 측정되어 d50으로서 주어진다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 유리 입자의 중간값의 입자 직경 d50은 적어도 약 0.1 ㎛, 및 바람직하게는 약 20 ㎛ 이하, 좀 더 바람직하게는 약 10 ㎛ 이하, 좀 더 바람직하게는 약 5 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 3 ㎛ 이하이다.
비표면적이 또한 입자의 특성으로서 당업계에 널리 알려져 있다. 여기서 설명되는 바에 따라, 모든 표면 면적 측정은 스마트 방법에 따라 작동하는 Monosorb MS-22 분석기 (플로리다, 보인톤 비치의 Quantachrome Instruments에 의해 제조됨)를 통해 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 방법을 이용하여 수행되었다. 샘플들은 빌트-인 탈기 스테이션에서 분석을 위해 제조된다. 유동 가스는 불순물을 스위프하고 흡착이 일어날 깨끗한 표면으로 귀결된다. 상기 샘플은 공급된 가열 맨틀을 갖는 사용자-선택가능한 온도로 가열될 수 있다. 디지털 온도 조절 및 디스플레이가 상기 기구 전면 상에 장착된다. 탈기가 완료된 후, 상기 샘플 전지가 상기 분석 스테이션으로 이송된다. 신속한 연결 피팅이 자동적으로 이송 동안 상기 샘플 전지를 밀봉한다. 싱글 버튼을 눌러, 분석을 시작한다. 냉각수로 채워진 보온병이 자동적으로 올려져 상기 샘플 전지를 침지시키고 흡착를 야기시킨다. 흡착이 완료될 때(2-3분) 상기 기구가 검출하고, 상기 보온병을 자동적으로 낮추고 빌트-인 핫-에어 블로워를 사용하여 상기 샘플 전지를 실온으로 다시 천천히 가열한다. 결과적으로, 탈착된 가스 신호가 디지털 미터 상에 디스플레이되고, 표면적이 상기 전면 디스플레이 상에 직접 나타난다. 전체 측정(흡착 및 탈착) 주기는 통상적으로 6분 미만을 요구한다. 상기 기술은 흡착 및 탈착이 진행됨에 따라 흡착질/불활성 캐리어 가스 혼합물의 농도 변화를 측정하기 위하여 높은 감응성, 열 전도도 검출을 사용한다. 내장 전자기술에 의해 통합되고 보정과 비교될 때, 상기 검출기는 흡착 또는 탈착된 가스의 양을 제공한다. 빌트-인 마이크로프로세서가 m2/g으로 샘플의 BET 표면적을 선형적으로 그리고 자동으로 계산한다. 일 구현예에서, 상기 유리 입자는 적어도 약 0.1 m2/g 및 약 15 m2/g 이하, 바람직하게는 적어도 약 1 m2/g 및 약 10 m2/g 이하의 비표면적을 갖는다.
전기전도성 페이스트 조성물
본 발명의 일 관점은 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 바람직한 전기전도성 페이스트는 결과물인 태양 전지의 전기 성능을 최적화시킬 수 있도록 높은 전도성을 갖는 것이다. 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 일반적으로 금속 입자, 유기 비히클, 및 여기서 기술된 적어도 하나의 유리 조성물을 포함한다. 일 구현예에 따르면, 상기 전기전도성 페이스트는 다음을 포함한다: (i) 적어도 약 50 중량% 및 약 95 중량% 이하의 금속 입자; (ii) 적어도 약 0.1 중량% 및 약 10 중량% 이하의 유리; 및 (iii) 적어도 약 1 중량% 및 약 25 중량% 이하의 유기 비히클 (상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초함).
바람직한 일 구현예에서, 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 적어도 약 0.1 중량%, 및 바람직하게는 적어도 약 0.5 중량%의 유리 조성물을 포함한다. 동시에, 상기 페이스트는 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여 약 10 중량% 이하, 바람직하게는 약 8 중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 6 중량% 이하의 유리 조성물을 포함한다.
전도성 금속 입자
상기 전기전도성 페이스트는 전도성 금속 입자를 포함한다. 상기 전기전도성 페이스트는 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 50 중량%, 바람직하게는 적어도 약 60 중량%, 좀 더 바람직하게는 적어도 약 70 중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 80 중량% 금속 입자를 포함할 수 있다. 동시에, 상기 페이스트 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여 바람직하게는 약 95 중량% 이하의 금속 입자를 포함할 수 있다.
당업계에 공지되어 있으며 전지 전도성 페이스트에 사용하기에 적합한 것으로 고려된 모든 금속 입자가 이용될 수 있다. 바람직한 금속 입자는 높은 전도도를 나타내며 높은 효율성 및 충전율 및 낮은 직렬 및 그리드 저항을 갖는 전극을 얻는 것들이다. 바람직한 금속 입자는 원소 금속, 합금, 금속 유도체, 적어도 2개의 금속의 혼합물, 적어도 2개의 합금의 혼합물, 적어도 하나의 합금을 갖는 적어도 하나의 금속의 혼합물이다. 바람직한 금속은 은, 알루미늄, 금, 구리, 및 니켈 및 이들의 합금 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 금속 입자는 은을 포함한다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 금속 입자는 은 및 알루미늄을 포함한다. 적합한 은 유도체는 예를 들어, 은 합금 및/또는 실버 할라이드(예를 들어, 은 염화물), 실버 니트레이트, 실버 아세테이트, 실버 트리플루오로아세테이트, 실버 오르소포스페이트, 및 이들의 조합과 같은 은 염을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 금속 입자는 하나 이상의 상이한 금속 또는 합금으로 코팅된 금속 또는 합금, 예를 들어 알루미늄으로 코팅된 은 입자 또는 은으로 코팅된 구리 입자를 포함한다.
상기 유리 입자와 같이, 상기 금속 입자는 다양한 형상 및 크기를 나타낼 수 있다. 금속 입자는 또한 상이한 형상(예를 들어, 구 및 박편)의 조합으로서 존재할 수 있다. 향상된 전도도에 유리한 형상 또는 형상의 조합을 갖는 금속 입자가 바람직하다. 상기 입자의 표면 성질을 고려하지 않고 이러한 형상을 특성화하는 한가지 방법은 다음의 파라미터를 통해서이다: 길이, 폭 및 두께. 본 발명의 맥락에서, 상기 입자의 길이는 가장 긴 공간배치벡터의 길이, 상기 입자 내에 함유된 둘 모두의 엔드포인트의 길이에 의해 주어진다. 상기 입자의 폭은 상기 입자 내에 함유된 양 엔드포인트를 정의하는 길이 벡터에 직각인 가장 긴 공간배치 벡터의 길이에 의해 주어진다. 입자의 두께는 상기 입자 내에 함유된 양 엔드포인트, 상기에서 정의된 둘의, 길이 벡터 및 폭 벡터 모두에 직각인 가장 긴 공간배치 벡터의 길이에 의해 주어진다. 일 구현예에서, 가능한 균일한 형상을 갖는 금속 입자가 바람직하다(즉, 길이, 폭 및 두께와 관련한 비가 가능한한 1; 바람직하게는 적어도 0.7, 좀 더 바람직하게는 적어도 0.8, 및 가장 바람직하게는 적어도 0.9에 가까움, 및 바람직하게는 약 1.5 이하, 바람직하게는 약 1.3 이하, 및 가장 바람직하게는 약 1.2 이하). 상기 구현예에서 상기 금속 입자에 대한 바람직한 형상의 예는 구 및 큐브, 또는 이들의 조합, 다른 형상과 이들의 하나 이상의 조합이다. 또 다른 구현예에서, 금속 입자는 낮은 균일성을 갖는 형성을 갖는 것이 바람직하며, 바람직하게는 적어도 길이, 폭 및 두께의 디멘젼과 관련된 비 중 하나가 약 1.5 이상, 좀 더 바람직하게는 약 3 이상 및 가장 바람직하게는 약 5 이상인 것이 바람직하다. 상기 구현예에 따른 바람직한 형상은 박편, 로드 또는 바늘 형상, 또는 박편, 로드 또는 바늘 형상과 다른 형상과의 조합이다.
상기 금속 입자의 중간값의 입자 직경 d50은 (상기 유리 입자에 대해 기술된 것과 동일한 방법을 이용하여 측정됨) 적어도 약 0.1 ㎛, 및 바람직하게는 약 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 8 ㎛ 이하, 좀 더 바람직하게는 약 7 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 5 ㎛ 이하이다. 또한, 금속 입자는 적어도 약 0.1 m2/g 및 약 10 m2/g 이하의 비표면적(상기 유리 입자에 대해 기술된 바와 동일한 방법을 이용하여 측정됨)을 갖는다. 바람직한 구현예에 따르면, 적어도 약 0.2 m2/g, 바람직하게는 적어도 0.5 m2/g, 및 동시에 약 5 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 파우더가 사용된다.
좀 더 바람직한 접촉 성질 및 전기 전도도에 기여하는 추가적인 성분이 바람직하다. 예를 들어, 상기 금속 입자는 표면 코팅을 갖는 것으로 존재할 수 있다. 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명의 내용에 적합할 것으로 고려되는 모든 이러한 코팅은 상기 금속 입자 상에 이용될 수 있다. 바람직한 코팅은 결과물인 전기전도성 페이스트의 접착 특성을 촉진시키는 코팅이다. 이러한 코팅이 존재한다면, 상기 코팅은 상기 금속 입자의 총 중량 100%에 기초하여 약 10 중량% 이하, 바람직하게는 약 8 중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 5 중량% 이하인 것이 바람직하다.
유기
비히클
본 발명의 전기전도성 페이스트는 또한 유기 비히클을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 유기 비히클은 상기 전기전도성 페이스트 내에 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 0.01 중량% 및 약 50 중량% 이하, 바람직하게는 약 30 중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 20 중량% 이하의 양으로 존재한다.
본 발명의 맥락에서 바람직한 유기 비히클은 상기 전기전도성 페이스트의 성분들이 용해된, 유화액의 또는 분산된 형태로 존재하도록 하는, 하나 이상의 용매, 바람직하게는 유기 용매에 기초한 용액, 유화액, 또는 분산이다. 바람직한 유기 비히클은 상기 전기전도성 페이스트의 성분들의 최적의 안정성을 제공하고 효과적인 인쇄성을 가능하게 하는 점도를 갖는 페이스트를 부여하는 것이다.
일 구현예에서, 상기 유기 비히클은 유기 용매 및 선택적으로 하나 이상의 바인더(예를 들어, 폴리머), 계면활성제 및 틱소트로피제를 포함한다. 예를 들어, 일 구현예에서, 상기 유기 비히클은 유리 용매 내의 하나 이상의 바인더를 포함한다.
본 발명의 맥락에서 바람직한 바인더는 바람직한 안정성, 인쇄성, 점성 및 소결 성질을 갖는 전기전도성 페이스트의 형성에 기여하는 것들이다. 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 바인더가 상기 유기 비히클 내의 바인더로서 사용될 수 있다. 바람직한 바인더(종종 용어 "수지"의 카테고리 내에 해당되는)는 폴리머 바인더, 모노머 바인더 및 폴리머 및 모노머의 조합인 바인더이다. 폴리머 바인더는 또한 단일 분자 내에 적어도 2개의 상이한 모노머 단위가 함유된 공중합체일 수 있다. 바람직한 폴리머 바인더는 폴리머 주쇄 내에 기능기를 운반하는 것들, 주쇄의 기능기를 운반하는 것들, 및 주쇄 내에 그리고 주쇄의 기능기를 운반하는 것들이다. 상기 주쇄 내에 기능기를 운반하는 바람직한 폴리머는 예를 들어, 폴리에스테르, 치환된 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 치환된 폴리카보네이트, 주쇄 내에 환형기를 운반하는 폴리머, 다-당류, 치환된 다-당류, 폴리우레탄, 치환된 폴리우레탄, 폴리아미드, 치환된 폴리아미드, 페놀 수지, 치환된 페놀 수지, 하나 이상의 전술한 폴리머의 모노머와 선택적으로 다른 코-모노머의 공중합체, 또는 이들 중 적어도 2의 조합이다. 일 구현예에 따르면, 상기 바인더는 폴리비닐 부티랄 또는 폴리에틸렌일 수 있다. 상기 주쇄 내에 환형기를 운반하는 바람직한 폴리머는 예를 들어 폴리비닐부틸레이트 (PVB) 및 이들의 유도체 및 폴리-테르피네올 및 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물이다. 바람직한 다-당류는 예를 들어 셀룰로오스 및 이들의 알킬 유도체, 바람직하게는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 프로필 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 부틸 셀룰로오스 및 이들의 유도체 및 이들 중 적어도 2의 혼합물이다. 다른 바람직한 폴리머는 셀룰로오스 에스테르 수지, 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 및 이들의 모든 조합이다. 상기 주쇄의 기능기를 운반하는 바람직한 폴리머는 아미드 기를 운반하는 것들, 종종 아크릴 수지로 불리는 산 및/또는 에스테르기를 운반하는 것들, 또는 전술한 기능기의 조합을 운반하는 폴리머, 또는 이들의 조합이다. 상기 주쇄의 아미드를 운반하는 바람직한 폴리머는 예를 들어 폴리비닐 피롤리돈 (PVP) 및 그 유도체이다. 주쇄의 산 및/또는 에스테르기를 운반하는 바람직한 폴리머는 예를 들어 폴리아크릴산 및 그 유도체, 폴리메타크릴레이트 (PMA) 및 그 유도체 또는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 및 그 유도체, 또는 이들의 혼합물이다. 바람직한 모노머성 바인더는 에틸렌 글리콜계 모노머, 테르피네올 수지 또는 로진 유도체, 또는 이들의 혼합물이다. 바람직한 에틸렌 글리콜계 모노머성 바인더는 에테르기, 에스테르기 또는 에테르기와 에스테르기를 갖는 것들, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실인 에테르기를 갖는 것들, 및 좀 더 높은 알킬 에테르를 갖는 것들이고, 상기 바람직한 에스테르기는 아세테이트 및 그 알킬 유도체이고, 바람직하게는 에틸렌 글리콜 모노부틸에테르 모노아세테이트 또는 이들의 혼합물이다. 전술한 리스트의 바인더로부터의 다른 바인더와 알킬 셀룰로오스, 바람직하게는 에틸 셀룰로오스, 그 유도체 및 이들의 혼합물이 본 발명의 맥락에서 가장 바람직한 바인더이다. 상기 바인더는 상기 유기 비히클의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 0.1 중량%, 및 바람직하게는 적어도 약 0.5 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 동시에, 상기 바인더는 상기 유기 비히클의 총 중량 100%에 기초하여 약 10 중량% 이하, 바람직하게는 약 8 중량% 이하, 및 좀 더 바람직하게는 약 7 중량% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
바람직한 용매는 소성 동안 상기 페이스트로부터 상당량이 제거되는 성분이다. 바람직하게는, 이들은 소성 전에 비해서 적어도 약 80%, 바람직하게는 소성 전에 비해서 적어도 약 95% 감소된 절대 중량으로 소성 후 존재한다. 바람직한 용매는 바람직한 점도, 인쇄성, 안정성 및 소결 특성에 기여하는 것들이다. 당업계에 공지되고 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려된 모든 용매가 상기 유기 비히클 내 용매로서 사용될 수 있다. 바람직한 용매는 표준 주위 온도 및 압력 (SATP) (298.15 K, 25 ℃, 77 ℉), 100 kPa (14.504 psi, 0.986 atm) 하에서 액체로 존재하는 것들, 바람직하게는 약 90 ℃ 이상의 끓는점 및 약 -20 ℃ 이상의 융해점을 갖는 것들이다. 바람직한 용매는 극성 또는 비-극성, 양자성 또는 반양자성, 방향족 또는 비-방향족이다. 바람직한 용매는 모노-알코올, 디-알코올, 폴리-알코올, 모노-에스테르, 디-에스테르, 폴리-에스테르, 모노-에테르, 디-에테르, 폴리-에테르이고, 선택적으로 다른 카테고리의 기능기, 바람직하게는 환형 기, 방향족 기, 불포화 결합, 헤테로원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 알코올 기, 헤테로원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 에테르 기, 헤테로원자에 의해 대체된 하나 이상의 O 원자를 갖는 에스테르 기를 포함하는 이들 카테고리의 기능기 중 적어도 하나 이상을 포함하는 용매, 및 전술한 용매 중 2 이상의 혼합물이다. 본 맥락에서 바람직한 에스테르는 다디프산의 디-알킬 에스테르이고, 바람직한 알킬 구성성분은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 좀 더 높은 알킬기 또는 이러한 알킬기의 2의 서로 다른 조합, 바람직하게는 디메틸아디페이트, 및 둘 이상의 아디페이트 에스테르의 혼합물이다. 본 맥락에서 바람직한 에테르는 디에테르, 바람직하게는 에틸렌 글리콜의 디알킬 에테르이고, 바람직한 알킬 구성은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 좀 더 높은 알킬 기 또는 이러한 알킬기의 서로 다른 2개의 조합, 및 2개의 디에테르의 혼합물이다. 본 맥락에서 바람직한 알코올은 1차, 2차, 3차 알코올, 바람직하게는 3차 알코올, 테르피네올 및 그 유도체가 바람직하고, 또는 2 이상의 알코올의 혼합물이다. 하나를 초과하는 상이한 기능기와 결합하는 바람직한 용매는 종종 텍사놀이라고 불리는 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트, 및 그 유도체, 종종 카르비톨이라고 알려진 2-(2-에톡시에톡시)에탄올, 그 알킬 유도체, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 및 헥실 카르비톨, 바람직하게는 헥실 카르비톨 또는 부틸 카르비톨, 및 이들의 아세테이트 유도체, 바람직하게는 부틸 카르비톨 아세테이트, 또는 전술한 적어도 2의 혼합물이다. 상기 유기 용매는 상기 유기 비히클의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 60 중량%, 및 좀 더 바람직하게는 적어도 약 70 중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 80중량%의 양으로 존재할 수 있다. 동시에, 상기 유기 용매는 상기 유기 비히클의 총 중량 100%에 기초하여 약 99 중량% 이하, 좀 더 바람직하게는 약 95 중량% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
상기 유기 비히클은 또한 하나 이상의 계면활성제 및/또는 첨가제를 포함할 수 있다. 바람직한 계면활성제는 바람직한 안정성, 인쇄성, 점성 및 소결 성질을 갖는 전기전도성 페이스트 형성에 기여하는 것들이다. 당업계에 공지되고, 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 계면 활성제가 상기 유기 비히클 내의 계면활성제로서 이용될 수 있다. 바람직한 계면활성제는 직쇄, 측쇄, 방향족 사슬, 플루오로화 사슬, 실리콘 사슬, 폴리에테르 사슬 및 이들의 조합에 기초한 것들이다. 바람직한 계면활성제는, 이에 한정되는 것은 아니나, 단일 사슬, 이중 사슬 또는 폴리 사슬 폴리머를 포함한다. 바람직한 계면활성제는 비-이온성, 음이온성, 양이온성, 양쪽이온성 또는 짝이온성 헤드를 가질 수 있다. 바람직한 계면활성제는 폴리머성 및 모노머성 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직한 계면활성제는 안료 아핀(pigment affinic) 기, 바람직하게는 안료 아핀기(예를 들어, DISPERBYKⓡ-108, BYK USA, Inc.에 의해 제조됨)를 갖는 하이드록시 관능성 카르복시산 에스테르, 안료 아핀기(예를 들어, DISPERBYKⓡ-116, BYK USA, Inc.에 의해 제조됨)를 갖는 아크릴레이트 공중합체, 안료 아핀기(예를 들어, TEGOⓡ DISPERS 655, Evonik Tego Chemie GmbH에 의해 제조됨)로 개질된 폴리에테르, 높은 안료 아핀성(예를 들어, TEGOⓡ DISPERS 662 C, Evonik Tego Chemie GmbH에 의해 제조됨)의 기를 갖는 다른 계면활성제를 가질 수 있다. 상기 리스트에 있지 않은 다른 바람직한 폴리머는, 이에 한정되는 것은 아니나, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌 글리콜 및 그 유도체, 및 알킬 카르복시산 및 이들의 유도체 또는 염, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 바람직한 폴리에틸렌 글리콜 유도체는 폴리(에틸렌글리콜)아세트산이다. 바람직한 알킬 카르복시산은 완전 포화를 갖는 것들 및 단일 또는 폴리 불포화 알킬 사슬을 갖는 것들 또는 이들의 혼합물이다. 포화된 알킬 사슬을 갖는 바람직한 카르복시산은 약 8 내지 약 20 탄소 원자 범위의 알킬 사슬 길이를 갖는 것들, 바람직하게는 C9H19COOH (카프르산), C11H23COOH (라우르산), C13H27COOH (미리스트산) C15H31COOH (팔미트산), C17H35COOH (스테아르산), 또는 이들의 염 또는 이들의 혼합물이다. 불포화 알킬 사슬을 갖는 바람직한 카르복시산은 C18H34O2 (올레산) 및 C18H32O2 (리놀레산)이다. 상기 바람직한 모노머성 계면활성제는 벤조트리아졸 및 그 유도체이다. 상기 계면활성제는 만약 존재한다면 상기 유기 비히클의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 0.01 중량%일 수 있다. 동시에, 상기 계면활성제는 바람직하게는 상기 유기 비히클의 총 중량 100%에 기초하여 약 10 중량% 이하, 바람직하게는 약 8 중량% 이하, 및 좀 더 바람직하게는 약 6 중량% 이하이다.
상기 유기 비히클 내의 바람직한 첨가제는 전술한 성분들과 구분되며, 유리한 점도, 인쇄성, 안정성 및 소성 특성과 같은 전기전도성 페이스트의 바람직한 성질에 기여하는 물질들이다. 당업계에 공지되고 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 첨가제들이 사용될 수 있다. 바람직한 첨가제들은, 이에 한정되는 것은 아니나, 틱소트로피제, 점도 조절제, 안정화제, 무기 첨가제, 농축제(thickener), 유화제, 분산제 및 pH 조절제를 포함한다. 바람직한 틱소트로피제는, 이에 한정되는 것은 아니나, 카르복시산 유도체, 바람직하게는 지방산 유도체 또는 이들의 조합을 포함한다. 바람직한 지방산 유도체는 이에 한정되는 것은 아니나 C9H19COOH (카프르산), C11H23COOH (라우르산), C13H27COOH (미리스트산) C15H31COOH (팔미트산), C17H35COOH (스테아르산) C18H34O2 (올레산), C18H32O2 (리놀레산) 및 이들의 조합을 포함한다. 본 맥락에서 지방산을 포함하는 바람직한 조합은 피자마유이다.
첨가제
또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기전도성 페이스트는 상기 전도성 입자, 상기 유리 및 유기 비히클로부터 구분되는 첨가제를 포함할 수 있다. 바람직한 첨가제는 상기 결과물인 태양 전지의 또는 제조된 전극의 또는 상기 전기전도성 페이스트의 향상된 성능에 기여한다. 당업계에 공지되며, 본 발명의 맥락에 적합한 것으로 고려되는 모든 첨가제가 상기 전기전도성 페이스트 내의 첨가제로서 이용될 수 있다. 바람직한 첨가제는 이에 한정되는 것은 아니나 틱소트로피제, 점성 조절제, 유화제, 안정화제 또는 pH 조절제, 무기질 첨가제, 농축제 및 분산제 또는 이들중 적어도 2의 조합을 포함한다. 무기질 첨가제가 가장 바람직하다. 바람직한 무기질 첨가제는, 이에 한정되는 것은 아니나, 니켈, 지르코늄, 티타늄, 망간, 주석, 루테늄, 코발트, 철, 구리 및 크롬 텅스텐, 몰리브덴, 아연과 같은 알칼리 및 알칼리토금속, 전이금속; 붕소, 실리콘, 게르마늄, 텔루르, 가돌리늄, 안티몬과 같은 전이후금속, 란탄, 세륨과 같은 희토류금속, 산화물, 혼합된 금속 산화물, 복합 화합물, 또는 이들 산화물로부터 형성된 무정형 또는 부분적으로 결정화된 유리, 또는 이들 중 적어도 2의 모든 조합, 바람직하게는 비스무스, 아연, 안티몬, 망간, 마그네슘, 니켈, 텅스텐, 알칼리금속 및 알칼리토금속, 텔루르 및 루테늄, 또는 이들 중 적어도 2의 조합, 이들의 산화물, 소성 시 이러한 금속 산화물 또는 유리를 생성시킬 수 있는 화합물, 또는 전술한 금속 중 적어도 2의 혼합물, 전술한 산화물 중 적어도 2의 혼합물, 소성 시 이들 금속 산화물, 혼합된 금속 산화물, 화합물 또는 무정형 또는 부분적인 유리를 생성시킬 수 있는 전술한 화합물 중 적어도 2의 혼합물, 또는 전술한 것 중 2 이상의 혼합물을 포함한다.
일 구현예에서, 상기 전기전도성 페이스트 조성물은 Li3PO4, MnO, MnO2, Ag2MoO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 개별적이고 구별되는 첨가제를 포함한다. 상기 용어 "개별적인" 및 "구별되는"은 상기 페이스트 성분(즉, 전도성 금속입자, 유기 조성물, 유기 비히클)의 나머지로부터 분리되어 상기 페이스트에 첨가되며, 소성 전 상기 페이스트 성분들과 화학적으로 분리되는 첨가제를 나타낸다.
상기 전기전도성 페이스트 조성물은, 만약 존재한다면, 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여 적어도 약 0.1 중량% 첨가제를 포함할 수 있다. 동시에, 상기 페이스트는 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여 바람직하게는 약 10 중량% 이하, 바람직하게는 약 5 중량% 이하, 및 좀 더 바람직하게는 약 2 중량% 이하의 첨가제를 포함한다.
전기전도성 페이스트 조성물의 형성
상기 전기전도성 페이스트 조성물을 형성하기 위하여, 상기 유리 조성물은 페이스트 조성물의 제조하기 위하여 당업계에 알려진 모든 방법을 이용하여 상기 전도성 금속 입자와 상기 유기 비히클과 결합될 수 있다. 상기 제조방법은 균질하게 분산된 페이스트로 귀결되는 이상 중요하지 않다. 상기 성분들은 믹서를 가지고서와 같이 혼합될 수 있으며 이어서 예를 들어 분산된 균일한 페이스트를 제조하기 위하여 3롤 밀을 통해서 통과될 수 있다.
태양 전지
또 다른 관점에서, 본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 일 구현예에서, 상기 태양 전지는 반도체 기판, 예를 들어 실리콘 웨이퍼, 및 여기에 기술된 구현예 중 모든 것에 따른 전기전도성 페이스트 조성물로부터 형성된다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 여기에 기술된 모든 구현예에 따른 전기전도성 페이스트 조성물을 반도체 기판에 적용하는 단계 및 상기 반도체 기판을 소성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된 태양 전지에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼
바람직한 웨이퍼는 상기 태양 전지의 다른 영역 중에서 고효율을 갖는 경계에 걸친, 바람직하게는 p-n 접합 경계에 걸친 전자-정공쌍 및 분리공 및 전자를 수득하기 위하여 높은 효율로 광을 흡수할 수 있는 영역을 갖는다. 바람직한 웨이퍼는 전면 도핑층 및 후면 도핑층으로 구성된 단일 바디를 포함하는 것들이다.
바람직하게는, 상기 웨이퍼는 적합하게 도핑된 4가 원소, 2원 성분 화합물, 3원 성분 화합물 또는 합금을 포함한다. 본 맥락에서 바람직한 4가 원소는 실리콘, Ge 또는 Sn, 바람직하게는 실리콘이다. 바람직한 2원 성분 화합물은 2 이상의 4가의 원소, 5족 원소를 갖는 3족 원소의 2원 성분 화합물, 6족 원소를 갖는 2족 원소의 2원 성분 화합물, 또는 6족 원소를 갖는 4족 원소의 2원 성분 화합물들의 2 이상의 조합이다. 바람직한 4가 원소의 조합은 실리콘, 게르마늄, 주석 또는 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 2 이상의 원소의 조합, 바람직하게는 SiC이다. 바람직한 5족 원소를 갖는 3족 원소의 2원 성분 화합물은 GaAs이다. 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 웨이퍼는 실리콘이다. 실리콘이 명시된 전술한 설명은 또한 여기에 기술된 다른 웨이퍼 조성물에 적용된다.
상기 p-n 접합 경계는 상기 웨이퍼의 전면의 도핑층과 후면의 도핑층이 만나는 곳에 위치된다. n-형 태양 전지에서, 상기 후면 도핑층은 전자 주게 n-형 도펀트로 도핑되고, 상기 전면 도핑층은 전자 받게 또는 정공 주게 p-형 도펀트로 도핑된다. p-형 태양 전지, 상기 후면 도핑층은 p-형 도펀트로 도핑되고 상기 전면 도핑층은 n-형 도펀트로 도핑된다. 바람직한 일 구현예에 따르면, p-n 접합 경계를 갖는 웨이퍼는 하나의 도핑된 실리콘 기판을 먼저 제공한 후, 상기 기판의 일면에 반대 타입의 도핑층을 적용함으로써 제조된다.
도핑된 실리콘 기판은 당업계에 잘 알려져 있다. 상기 도핑된 실리콘 기판은 당업계에 공지되고 본 발명에 적합한 것으로 고려되는 모든 방법에 의해 제조될 수 있다. 실리콘 기판의 바람직한 소스는 모노-결정성 실리콘, 다-결정성 실리콘, 무정형 실리콘 및 업그레이드된 야금학적 실리콘, 가장 바람직하게는 모노-결정성 실리콘 또는 다-결정성 실리콘이다. 도핑된 실리콘 기판을 형성하기 위한 도핑은 상기 실리콘 기판의 제조 동안 상기 도펀트를 동시에 첨가하여 수행될 수 있거나, 또는 연이은 단계로 수행될 수 있다. 상기 실리콘 기판의 제조에서 연이은 도핑은 예를 들어, 가스 확산 에피택시에 의해 수행될 수 있다. 도핑된 실리콘 기판은 또한 상업적으로 쉽게 구입이 가능하다. 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 기판의 초기 도핑은 상기 실리콘 믹스에 도펀트를 첨가함으로써 그 형성과 동시에 수행될 수 있다. 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전면 도핑층 및 높게 도핑된 후면층의 적용은 존재한다면 기체-상 에피택시에 의해 수행될 수 있다. 상기 기체 상 에피택시는 바람직하게는 적어도 약 500℃, 바람직하게는 적어도 약 600℃, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 650℃에서 수행된다. 동시에, 상기 기체 상 에피택시는 약 900℃ 이하, 좀 더 바람직하게는 약 800℃ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 750℃ 이하의 온도에서 수행된다. 상기 에피택시는 또한 적어도 2 kPa, 바람직하게는 적어도 약 10 kPa, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 30 kPa의 압력에서 수행된다. 동시에, 상기 에피택시는 약 100 kPa 이하, 바람직하게는 약 80 kPa 이하, 및 가장 바람직하게는 약 70 kPa 이하의 압력에서 수행된다.
실리콘 기판이 다수의 형상, 표면 텍스쳐 및 크기를 나타낼 수 있음이 당업계에 잘 알려져 있다. 상기 기판의 형상은 일부 나열하면 직육면체, 디스크, 웨이퍼 및 불규칙 다면체를 포함할 수 있다. 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 웨이퍼는 유사, 바람직하게는 동일하고 2차원보다 훨씬 작은 유사 3차원인 2개의 디멘젼을 갖는 직육면체이다. 상기 제3디멘젼은 상기 2개의 제1디멘젼보다 적어도 100배 작을 수 있다.
또한, 다양한 표면 형태가 당업계에 알려져 있다. 일 구현예에서, 거친 표면을 갖는 실리콘 기판이 바람직하다. 상기 기판의 조도를 평가하는 하나의 방법은 상기 기판의 서브-표면에 대한 표면조도 파라미터를 평가하는 것이며, 이는 상기 기판의 총 표면적에 비해 작고, 바람직하게는 총 표면적의 약 100분의 1 미만이며, 필수적으로 평평하다. 상기 표면조도 파라미터 값은 상기 서브-표면의 면적 대 평균 자승의 변위를 최소화함으로써 상기 서브-표면에 최적으로 맞혀진 평평한 표면 상에 상기 서브-표면을 투영함으로써 형성된 이론적 표면의 면적의 비에 의해 주어진다. 상기 표면 조도 파라미터의 높은 값은 좀 더 거칠고, 좀 더 불규칙한 표면을 나타내고, 좀 더 낮은 표면 조도 파라미터 값은 좀 더 스무드하고, 좀 더 고른 표면을 나타낸다. 상기 실리콘 기판의 표면 조도는 바람직하게는 이에 한정되는 것은 아니나 광 흡수 및 상기 표면에 대한 접착을 포함하는 여러가지 인자들 사이에서 최적의 균형을 생산하도록 변형된다.
상기 실리콘 기판의 2개의 좀 더 큰 디멘젼은 결과물인 태양 전지의 요구되는 적용에 적합하도록 다양화될 수 있다. 상기 실리콘 웨이퍼의 두께가 적어도 약 0.01 mm인 것이 바람직하다. 동시에, 상기 두께는 바람직하게는 약 0.5 mm 이하, 좀 더 바람직하게는 약 0.3 mm 이하, 및 가장 바람직하게는 약 0.2 mm 이하이다. 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘 웨이퍼는 0.01 mm의 최소 두께를 가질 수 있다.
상기 전면 도핑층은 상기 후면 도핑층에 비해 얇은 것이 바람직하다. 또한, 상기 전면 도핑층은 적어도 약 0.1 ㎛, 및 약 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 5 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 2 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
높게 도핑된 층은 상기 후면 도핑층과 모든 추가층 사이에서 상기 실리콘 기판의 후면에 적용될 수 있다. 이러한 높게 도핑된 층은 상기 후면 도핑층과 동일한 도핑 형태이며, 이러한 층은 통상적으로 a + (n+-형 층은 n-형 후면 도핑층에 적용되며, p+-형 층은 p-형 후면 도핑층에 적용됨)로 표시된다. 상기 높이 도핑된 후면층은 금속화를 돕고 전기전도성을 향상시키는 기능을 한다. 상기 높게 도핑된 후면층은 존재한다면 적어도 약 1 ㎛, 및 약 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 50 ㎛ 이하 및 가장 바람직하게는 약 15 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도펀트
바람직한 도펀트는 상기 실리콘 웨이퍼에 첨가될 때 전자 또는 정공을 상기 밴드 구조에 도입함으로써 p-n 접합 경계를 형성하는 것들이다. 이들 도펀트의 정체 및 농도가 상기 p-n 접합의 밴드 구조 프로파일을 조절하고 요구되는 대로 광 흡수 및 전도도 프로파일을 설정하도록 특별히 선택되는 것이 바람직하다. 바람직한 p-형 도펀트는 상기 실리콘 웨이퍼 밴드 구조에 정공을 추가하는 것들이다. 당업계에 공지되고 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 도펀트가 p-형 도펀트로서 이용될 수 있다. 바람직한 p-형 도펀트는 이에 한정되는 것은 아니나, 3가의 원소, 특히 주기율표 13족의 원소들을 포함한다. 주기율표의 바람직한 13족 원소는 이에 한정되는 것은 아니나 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 또는 이들 중 적어도 2의 조합을 포함하며, 여기서 붕소가 특히 바람직하다.
바람직한 n-형 도펀트는 상기 실리콘 웨이퍼 구조에 전자를 첨가하는 것들이다. 당업계에 공지되고 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 도펀트가 n-형 도펀트로서 사용될 수 있다. 바람직한 n-형 도펀트는 이에 한정되는 것은 아니나, 주기율표의 15족 원소를 포함한다. 바람직한 15족 원소는 이에 한정되는 것은 아니나, 질소, 인, 비소, 안티몬, 비스무스, 또는 이들 중 적어도 2의 조합을 포함하며, 여기서 인이 특히 바람직하다.
상술한 바와 같이, p-n 접합의 다양한 도핑 수준이 결과물인 태양 전지의 원하는 성질을 조절하기 위하여 변화될 수 있다.
특정 구현예에 따르면, 상기 반도체 기판 (즉, 실리콘 웨이퍼)은 약 65 Ω/□, 70 Ω/□, 90 Ω/□, 95 Ω/□, 또는 100 Ω/□ 이상과 같은 약 60 Ω/□ 이상의 시트 저항을 나타낸다.
태양 전지 구조
본 발명의 일 관점은 본 발명의 방법에서 얻어질 수 있는 태양 전지이다. 바람직한 태양 전지는 입사 광의 총 에너지가 전기 에너지 출력으로 전환되는 비율의 관점에서 높은 효율성을 갖는 것들이다. 경량의 내구성을 갖는 태양 전지가 또한 바람직하다. 최소한도로, 태양 전지는 통상적으로 다음을 포함한다: (i) 전면 전극, (ii) 전면 도핑층, (iii) p-n 접합 경계, (iv) 후면 도핑층, 및 (v) 솔더링 패드. 상기 태양 전지는 또한 화학/기계적 보호를 위한 추가적인 층을 포함할 수 있다.
반사방지층
반사방지층은 상기 전극이 상기 태양 전지의 전면에 적용되기 이전에 외층으로서 적용될 수 있다. 바람직한 반사방지층은 전면에 의해 반사되는 입사광의 비율을 감소시키고 상기 전면을 가로지르는 입사 광이 상기 웨이퍼에 의해 흡수되는 비율을 증가시키는 것들이다. 바람직한 흡수/반사 비율을 일으키며, 상기 전기전도성 페이스트에 의해 에칭되기 쉬우며, 그렇지않으면 상기 전기전도성 페이스트의 소성에 요구되는 온도에 내성을 가지며, 상기 전극 인터페이스 부근에 전자 및 정공의 증가된 재결합에 기여하지 않는 반사방지층이 바람직하다. 당업계에 공지되어 있으며 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 반사방지층이 이용될 수 있다. 바람직한 반사방지층은 이에 한정되는 것은 아니나, SiNx, SiO2, Al2O3, TiO2 또는 이들 중 적어도 2의 혼합물 및/또는 이들 중 적어도 2의 조합을 포함한다. 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 반사방지층은 특히 실리콘 웨이퍼가 이용되는 곳에서 SiNx이다.
상기 반사방지층의 두께는 적합한 광의 파장에 맞추어진다. 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 반사방지층은 적어도 약 20 nm, 바람직하게는 적어도 약 40 nm, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 60 nm의 두께를 갖는다. 동시에, 상기 두께는 바람직하게는 약 300 nm 이하, 바람직하게는 약 200 nm 이하, 및 가장 바람직하게는 약 90 nm 이하이다.
패시베이션층
하나 이상의 패시베이션층은 외층으로서 상기 실리콘 웨이퍼의 전면 및/또는 후면에 적용될 수 있다. 상기 패시베이션층은 상기 전면 전극이 형성되기 전에, 또는 상기 반사방지막이 적용되기 전에(존재한다면) 적용될 수 있다. 바람직한 패시베이션층은 상기 전극 인터페이스 부근에 전자/정공 재결합의 비율을 감소시키는 것들이다. 당업계에 공지되고 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려된 모든 패시베이션층이 사용될 수 있다. 바람직한 패시베이션층은 이에 한정되는 것은 아니나, 실리콘 니트라이드, 실리콘 디옥사이드 및 티타늄 디옥사이드를 포함한다. 바람직한 일 구현예에 따르면, 실리콘 니트라이드가 사용된다. 상기 패시베이션층은 적어도 0.1 nm, 바람직하게는 적어도 약 10 nm, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 30 nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 동시에, 상기 패시베이션층은 바람직하게는 약 2 ㎛ 이하, 좀 더 바람직하게는 약 1 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 200 nm 이하이다.
추가적인 보호층
상기 태양 전지의 주요 기능에 직접적으로 기여하는 상술한 층들에 덧붙여, 추가적인 층들이 기계적 및 화학적 보호를 위해 추가될 수 있다.
상기 전지는 화학적 보호를 제공하기 위하여 캡슐화될 수 있다. 캡슐화(capsulation)는 당업계에 잘 알려져 있으며, 본 발명에 적합한 모든 캡슐화가 사용될 수 있다. 바람직한 일 구현예에 따르면, 이러한 캡슐화가 존재하는 경우 종종 투명성 열가소성 수지라고 나타내는 투명성 폴리머가 캡슐화 물질로서 사용된다. 바람직한 투명 폴리머는 이에 한정되는 것은 아니나 실리콘 고무 및 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 (PVA)를 포함한다.
투명 유리 시트는 또한 상기 태양 전지의 전면에 추가되어 상기 전지의 전면에 대한 기계적 보호를 제공할 수 있다. 투명 유리 시트는 당업계에 잘 알려져 있으며 적합한 모든 투명 유리 시트가 사용될 수 있다.
후면 보호 물질이 상기 태양 전지의 후면에 추가되어 기계적인 보호를 제공할 수 있다. 후면 보호 물질은 당업계에 잘 알려져 있으며, 모든 적합한 후면 보호 물질이 사용될 수 있다. 바람직한 후면 보호 물질은 우수한 기계적 성질 및 내후성을 갖는 것들이다. 상기 바람직한 후면 보호 물질은 폴리비닐 플루오라이드의 층을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트이다. 상기 후면 보호 물질이 상기 캡슐화층 아래에 존재하는 것이 바람직하다(후면 보호층과 캡슐화층이 모두 존재하는 경우).
프레임 물질이 상기 태양 전지의 외면에 추가되어 기계적 지지를 부여할 수 있다. 프레임 물질은 당업계에 잘 알려져 있고 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 프레임 물질이 사용될 수 있다. 상기 바람직한 프레임 물질은 알루미늄이다.
태양 전지의 제조방법
태양 전지는 전기전도성 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판의 전면 상의 실리콘 니트라이드, 실리콘 옥사이드와 같은 반사방지막에 적용하여 전면 전극을 형성함으로써 제조될 수 있다. 상기 후면 전기전도성 페이스트는 다음으로 상기 태양 전지의 후면에 적용되어 솔더링 패드를 형성한다. 상기 전기전도성 페이스트는 당업계에 공지되어 있으며 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 방법으로 적용될 수 있다. 실 예는 이에 한정되는 것은 아니나, 주입, 디핑, 붓기, 적하, 인젝션, 스프레이, 나이프 코팅, 커튼 코팅, 브러싱 또는 인쇄 또는 이들 중 적어도 2의 조합을 포함한다. 바람직한 인쇄 기술은 잉크-젯 인쇄, 스크린 인쇄, 탐폰 인쇄, 오프셋 인쇄, 철판 인쇄 또는 스텐실 인쇄 또는 이들 중 적어도 2의 조합이다. 상기 전기전도성 페이스트는 인쇄, 바람직하게는 스크린 인쇄에 의해 적용되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 스크린은 바람직하게는 적어도 약 10 ㎛, 좀 더 바람직하게는 적어도 약 15 ㎛, 좀 더 바람직하게는 적어도 약 20 ㎛, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 25 ㎛의 직경을 갖는 안전 장치 오프닝을 갖는다. 동시에, 상기 안정 장치 오프닝 직경은 바람직하게는 약 100 ㎛ 이하, 좀 더 바람직하게는 약 80 ㎛ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 70 ㎛이하이다.
다음으로, 알루미늄 페이스트가 상기 기판의 후면에 적용되고, 상기 후면 전기전도성 페이스트로부터 형성된 솔더링 패드의 에지를 겹쳐 BSF를 형성한다. 다음, 상기 기판은 상기 기판 및 상기 전도성 페이스트의 조성물에 의해 결정된 적합한 프로파일에 따라 소성된다.
소성은 고체 전도성 바디를 형성하도록 상기 인쇄된 전극 및 솔더링 패드에 필요하다. 소성은 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 방법으로 수행될 수 있다. 소성은 상기 유리 물질의 Tg 이상에서 수행될 수 있는 것이 바람직하다.
소성에 대한 최대 설정 온도는 약 900℃ 이하, 바람직하게는 약 860℃ 이하이다. 820℃와 같은 낮은 소성 온도가 태양 전지를 얻는데 사용될 수 있다. 소성 온도 프로파일은 통상적으로 모든 다른 존재하는 유기 물질뿐 아니라 상기 전기전도성 페이스트 조성물로부터의 유기 바인더 물질의 번아웃이 가능하도록 전형적으로 세팅된다. 상기 소성 단계는 벨트 로(belt furnace) 내에서 산소-함유 대기에서 또는 공기에서 전형적으로 수행된다. 소성이 약 30초 내지 약 3분 범위, 좀 더 바람직하게는 약 30초 내지 약 2분의 범위, 및 가장 바람직하게는 약 40초 내지 약 1분 범위의 총 소성 시간으로 빠른 소성 공정으로 수행되는 것이 바람직하다. 600℃ 이상의 시간이 가장 바람직하게는 3 내지 7초 범위이다. 상기 기판은 약 1 내지 5초의 기간동안 약 700 내지 900℃ 범위의 최대 온도에 도달할 수 있다. 상기 소성은 또한 약 0.05 내지 5분의 지연 시간으로 귀결되는, 예를 들어, 약 100-500 cm/분의 높은 수송율에서 수행될 수 있다. 예를 들어 3-12 지대의 다중 온도 지대가 바람직한 열 프로파일을 조절하는데 사용될 수 있다.
상기 전면 및 배면 상의 전기전도성 페이스트의 소성은 동시에 또는 차례로 수행될 수 있다. 상기 양면에 적용된 전기전도성 페이스트가 유사한, 바람직하게는 동일한, 최적의 소성 조건을 갖는 경우 동시 소성이 적합하다. 적합한 조건인 경우, 소성이 동시에 수행되는 것이 바람직하다. 소성이 순차적으로 수행되는 경우, 상기 후면 전기전도성 페이스트가 먼저 적용 및 소성되고, 이어서 상기 전면에 상기 전기전도성 페이스트의 적용 및 소성이 수행되는 것이 바람직하다.
전기전도성 페이스트의 성능 측정
태양 전지의 성능을 측정하기 위하여 표준 전기 테스트가 수행된다. 그 위에 인쇄된 전면 및 후면 페이스트 모두를 갖는 샘플 태양 전지가 Halm Elektronik GmbH로부터의 상업적인 IV-테스터 "cetisPV-CTL1"를 이용하여 특성화된다. 테스트될 태양 전지뿐 아니라 측정 장치의 모든 부분이 전기 측정 동안 25℃에서 유지된다. 상기 온도는 온도 프로브에 의해서 실제 측정 동안 상기 전지 표면 상에서 동시에 항상 측정된다. 상기 Xe 아크 램프는 상기 전지 표면 상에서 1000 W/㎡의 공지된 AM1.5 세기로 태양광을 시뮬레이션한다.
상기 세기로 시뮬레이터를 제공하면서, 상기 램프는 상기 IV-테스터의 "PVCTControl 4.260.0" 소프트웨어에 의해 모니터링되는 안정한 수준에 도달할 때까지 단기간 내에 몇 차례 빛이 비추어진다. 상기 Halm IV 테스터는 상기 전지의 IV-곡선을 결정하기 위하여 전류 (I) 및 전압 (V)을 측정하는 다중 접촉 방법을 사용한다. 이렇게 하기 위하여, 상기 태양 전지는 프로브 핑거가 상기 전지의 버스 바와 접촉되는 방식으로 상기 다중 접촉 프로브 사이에 위치된다. 상기 접촉 프로브 라인의 수는 상기 전지 표면 상에 버스 바의 수에 조절된다. 모든 전기적 값은 상기 수행된 소프트웨어 패키지에 의해 자동적으로 상기 곡선으로부터 직접 결정된다. 기준 표준으로서, 동일 면적 디멘젼, 동일 웨이퍼 물질 및 동일 전면 레이아웃을 이용하여 공정된 것으로 구성된 ISE Freiburg로부터의 보정된 태양 전지가 테스트되고, 상기 데이터가 인증된 값과 대조된다. 동일한 방법으로 공정된 적어도 5개의 웨이퍼가 측정되며, 각 값의 평균을 계산함으로써 상기 데이터가 해석된다. 상기 소프트웨어 PVCTControl 4.260.0는 효율성, 단락 전류, 직렬 저항 및 개방 회로 전압에 대한 값을 제공한다.
태양 전지의 접착 성능이 독일의 Somont GmbH로부터 상업적으로 입수가능한 솔더링 테이블 M300-0000-0901을 사용하여 테스트될 수 있다. 상기 샘플은 먼저 상기 테이블 내에 고정되고 Bruker Spalek (ECu + 62Sn-36Pb-2Ag)로부터의 솔더 리본이 플럭스 Kester 952S (Kester로부터)로 코팅되고 핑거 라인 또는 버스 바 상에 솔더 리본을 가압하는 12개의 가열된 핀의 힘을 적용함으로써 테스트될 상기 핑거 라인 또는 버스 바에 접착된다. 상기 가열된 핀은 280℃의 설정 온도를 가지며, 상기 샘플이 위치되는 솔더링 예열 플레이트가 175℃의 온도로 설정된다. 실온으로 냉각 후, 상기 샘플은 독일의 GP Solar GmbH로부터의 GP Stable-Test Pro 테스터 상에 장착된다. 상기 리본은 상기 테스트 헤드에 고정되며, 상기 리본 파트가 상기 전지 표면에 고정되고, 당겨진 리본 파트가 45°의 각도를 둘러싸는 방식으로 100 mm/s의 속도로 당겨진다. 상기 버스 바/핑거를 제거하는데 요구되는 힘은 뉴턴으로 측정된다. 상기 공정은 각 단부에서의 하나의 측정을 포함하여, 상기 핑거/버스 바를 따라서 동일하게 이격된 10 포인트에서의 접촉에 대해 반복된다. 평균은 상기 10개의 결과에서 얻어진다.
비접촉 저항은 상기 측정을 얻기 이전에 평형이 유지된 모든 장치 및 물질로 22±1℃의 온도에서 냉방장치가 된 방에서 측정될 수 있다. 실리콘 태양 전지의 전면 도핑층 상의 소성된 은 전극의 비접촉 저항을 측정하기 위하여, GP Solar GmbH로부터의 "GP-4 Test 1.6.6 Pro" 소프트웨어 패키지가 장착된 "GP4-Test Pro"가 사용될 수 있다. 상기 소자는 4-포인트 측정 원리를 적용하며 전달 길이 방법(transfer length method: TLM)에 의한 비접촉 저항을 평가한다. 상기 비접촉 저항을 측정하기 위하여, 2개의 1 cm 폭의 웨이퍼 스트립이 상기 웨이퍼의 인쇄된 핑거 라인에 직각으로 커팅된다. 각 스트립의 정확한 폭이 0.05 mm의 정밀도를 갖는 마이크로미터에 의해 측정된다. 상기 소성된 은 핑거의 폭은 Keyence Corp으로부터의 광-범위 줌 렌즈 VH-Z100R가 장착된 디지털 현미경 "VHX-600D"로 스트립 상에서의 3개의 상이한 스폿에서 측정된다. 각 스폿 상에서, 상기 폭은 2-포인트 측정의 10배로 결정된다. 상기 핑거 폭 값은 모든 30 측정의 평균이다. 상기 핑거 폭, 스트립 폭 및 서로 다른 인쇄된 핑거의 거리가 비접촉 저항을 계산하기 위한 소프트웨어 패키지에 의해 사용된다. 상기 측정 전류는 14 mA로 설정된다. 접촉 6개의 이웃하는 핑거 라인에 적합한 다접촉 측정 헤드(part no. 04.01.0016)가 설치되고 6개의 이웃하는 핑거와 접촉되었다. 상기 측정은 각 스트립 상에서 동일하게 분포된 5개의 스폿 상에서 수행된다. 측정 시작 이후, 상기 소프트웨어는 상기 스트립 상의 각 스폿에 대해서 비접촉저항(mΩ*㎠)의 값을 결정한다. 상기 모든 10개의 스폿의 평균이 비접촉 저항에 대한 값으로서 취해진다.
태양 전지 모듈
본 발명의 또 다른 관점은 본 발명의 태양 전지로 형성된 태양 전지 모듈이다. 복수의 태양 전지가 모듈이라고 불리는 집합적인 배열을 형성하기 위하여 공간적으로 배열되고 전기적으로 상호연결될 수 있다. 바람직한 모듈은 다수의 배열, 바람직하게는 태양 패널로서 알려진 직사각형의 배열을 갖는다. 태양 전지를 전기적으로 연결하기 위한 다양한 방법뿐 아니라 이러한 전지를 기계적으로 배열하고 고정하여 집합적인 배열을 형성하기 위한 다양한 방법이 당업계에 공지되어 있다. 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명의 맥락에서 적합한 것으로 고려되는 모든 이러한 방법들이 사용될 수 있다. 바람직한 방법은 파워 출력 비에 대한 낮은 양, 파워 출력 할당량에 대한 낮은 부피, 높은 내구성으로 귀결되는 것들이다. 알루미늄이 태양 전지의 기계적 고정에 대해 바람직한 물질이다.
실시예
실시예 1
3세트의 예시적인 유리 조성물(G1-G3)이 하기 표 1에 설명된 제형에 따라 각각 제조되었다. 모든 부피는 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 중량%로 제공된다.
상기 유리는 융해 및 담금질 공정을 이용하여 형성됨으로써 상기 출발물질이 파우더 형태로 미리결정된 양으로 혼합되었다. 다음으로, 상기 혼합물이 공기 또는 산소-함유 분위기에서 가열되어 융해물을 형성하고 이어서 담금질되었다. 상기 담금질된 유리는 다음으로 원하는 입경을 갖는 혼합물을 제공하기 위하여 그라운딩, 볼 밀링 및 스크린되었다.
약 2.5 중량%의 예시적인 각 유리 조성물이 다음으로 약 88 중량% 은 파우더 및 약 9.5 중량% 유기 비히클 (상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초한 조성물)과 결합되어 예시적인 페이스트 P1-P3를 형성하였다. 상기 페이스트가 균일한 농도로 혼합되면, 약 16 ㎛ 와이어 직경 및 15 ㎛ EOM에서 360 메쉬 스테인리스 강 와이어를 갖는 스크린을 이용하여 90 Ω/□ 시트 저항을 갖는 블랭크 다결정성 실리콘 웨이퍼의 전면 상에 스크린 인쇄되었다. 상업적으로 입수가능한 후면 페이스트가 솔더링 패드를 형성하기 위하여 사용되었으며, 이는 상기 전지의 전 길이에 걸쳐 확장되고 약 4 mm 폭을 가졌다. 다음, 상업적으로 입수가능한 알루미늄 후면 페이스트를 상기 전지의 배면의 남은 영역 모두에 인쇄하여 알루미늄 BSF를 형성하였다. 다음, 상기 전지를 적절한 온도에서 건조시켰다. 인쇄된 전면 및 후면 페이스트를 갖는 실리콘 기판을 다음으로 700-975℃의 최대 온도에서 소성하였다.
페이스트 P1-P3의 전기전도성 성능을 하기 표 2에 나타낸다. 효율성(Eta, %), 충전율 (FF, %), 및 3개의 기준 광 강도(Rs3, Ω) 하에서의 직렬 저항을 여기에 기술된 파라미터에 따라 모두 계산하였다. 페이스트 P1의 접착 성능을 또한 여기에 기술된 파라미터에 따라 계산하였다. 상기 접착 테스트 결과를 하기 표 3에 뉴턴(N)으로 나타낸다.
실시예 2
예시적인 유리 조성물의 또 다른 세트 (G6-G10)를 각각 하기 표 4에 나타낸다. 모든 양은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초한 중량%로 제공된다. 상기 유리 조성물은 실시예 1에 나타낸 공정에 의해 형성되었다.
약 2.5 중량%의 각 예시적인 유리 조성물이 다음으로 실시예 1에 기술된 바에 따라 예시적인 페이스트 P6-P10을 형성하기 위하여 약 88.5 중량% 은 파우더 및 약 9 중량% 유기 비히클과 결합되어 혼합되었고 소성되었다.
페이스트 P6-P10의 전기전도성 및 접착 성능을 하기 표 5 및 6에 나타낸다. 효율성 (Eta, %), 충전율 (FF, %), 및 기준 광 강도(Rs3, Ω) 하에서의 직렬 저항을 여기에 기술된 파라미터에 따라 모두 계산하였다. 접착 데이터를 실시예 1에 나타낸 동일 파라미터에 따라 계산하였다.
실시예 3
예시적인 유리 조성물 (G11-G16)의 또 다른 세트를 각각 하기 표 7에 나타낸 제형에 따라 제조하였다. 모든 양은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 중량%로 제공된다. 상기 유리 조성물은 실시예 1에 나타낸 공정에 따라 형성되었다.
약 2.5 중량%의 예시적인 각 유리 조성물은 다음으로 실시예 1에 나타낸 바와 같이 예시적인 페이스트 P11-P16을 형성하기 위하여 약 88.5 중량% 은 파우더 및 약 9 중량% 유기 비히클과 결합되고, 혼합되며, 소성되었다.
페이스트 P11-P16의 전기전도성 성능을 하기 표 8에 나타낸다. 효율성 (Eta, %), 충전율 (FF, %), 및 기준 광 강도(Rs3, Ω) 하에서의 직렬 저항을 여기에 기술된 파라미터에 따라 모두 계산하였다.
실시예 4
예시적인 페이스트 조성물 세트(P17-P20)가 실시예 1로부터의 약 2.5 중량%의 G1 유리, 약 88.5 중량% 은 파우더, 및 약 9 중량% 유기 비히클로 제조되었다. 상기 페이스트 조성물은 실시예 1에 나타낸 공정에 따라 형성되었다. 상기 예시적인 페이스트 각각은 또한 하기 표 9에 나타낸 바와 같이 약 0.2 중량%의 추가적인 산화물을 함유하였다.
페이스트 P17-P20의 전기전도성 성능을 하기 표 10에 나타낸다. 효율성 (Eta, %), 충전율 (FF, %), 및 기준 광 강도(Rs3, Ω) 하에서의 직렬 저항을 여기에 기술된 파라미터에 따라 모두 계산하였다.
실시예 5
3개의 추가적인 예시적인 유리 조성물 (G21-G23)을 결과물인 전기전도성 페이스트의 성능 상의 Li2O 함량 변화 효과를 결정하기 위하여 제조하였다. 유리 G21-G23의 제형을 하기 표 4에 나타낸다. 모든 함량은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 중량%로 제공된다. 상기 유리 조성물은 실시예 1에 나타낸 공정에 의해 형성되었다.
한 세트의 예시적인 페이스트 조성물 (P21-P23)을 유리 G21-G23 각각 약 2.5 중량%, 약 88.5 중량% 은 파우더, 및 약 9 중량% 유기 비히클로 제조하였다. 상기 페이스트 조성물 및 예시적인 태양 전지가 실시예 1에 나타낸 공정에 의해 형성되었고, 상기 태양 전지를 또한 실시예 1의 파라미터에 따라 전기 성능 테스트하였다. 그 결과를 하기 표 12에 나타낸다.
표 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 2.4 및 3.5 중량% Li2O를 함유하는 상기 예시적인 페이스트는 단지 1.45 중량% Li2O를 함유하는 페이스트 P23에 비하여 보다 나은 효율성, 충전율, 및 직렬 저항을 나타내었다.
본 발명의 상술한 그리고 다른 이점은 전술한 명세서로부터 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 변화 또는 변형이 본 발명의 넓은 발명적 개념을 벗어나지 않고 상술한 구현예에 이루어질 수 있음을 당업자가 인식할 수 있을 것이다. 모든 특정 구현예의 특정 디멘젼은 단지 설명을 목적으로 기술된다. 따라서, 본 발명은 여기에 기술된 특정 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 모든 변화 및 변형을 포함하는 것으로 의도되어야 한다.
Claims (20)
- 전도성 금속 입자;
유리 조성물의 총 중량에 기초하여 집합적으로 적어도 70중량%의 산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및
유기 비히클을 포함하며,
상기 적어도 하나의 유리 조성물은 약 5중량% 미만의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)을 포함하며, Bi2O3가 존재하는 경우, 상기 Bi2O3 대 ZnO의 중량 비는 약 0.15 미만인 전기전도성 페이스트 조성물. - 전도성 금속 입자;
산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 약 1중량% 초과의 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및
유기 비히클을 포함하며,
여기서, TeO2, ZnO 및 Li2O의 총 양은 적어도 약 70중량%이고, (a) TeO2 대 (b) ZnO 및 Li2O의 중량 비는 약 1-25, 바람직하게는 약 2-15의 범위이며,
여기서, 상기 적어도 하나의 유리 조성물은 약 2.5중량% 미만의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 2에 있어서,
상기 (a) TeO2 대 (b) ZnO 및 Li2O의 중량 비는 약 3-15, 바람직하게는 약 3.5-15의 범위인 전기전도성 페이스트 조성물. - 전도성 금속 입자;
산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 유리 조성물의 총 중량에 기초하여 약 1.0중량% 초과의 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및
유리 비히클을 포함하며,
여기서, 상기 TeO2, ZnO 및 Li2O의 총 양은 적어도 약 70 중량%이고, 상기 ZnO 대 Li2O의 중량 비는 약 0.5-25, 바람직하게는 약 1-20의 범위이며,
여기서, 상기 적어도 하나의 유리 조성물 내의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)의 결합 함량은 상기 유리 조성물의 총 중량 100%에 기초하여 약 2.5 중량% 미만인 전기전도성 페이스트 조성물. - 전도성 금속 입자;
산화 텔루르 (TeO2), 산화 아연 (ZnO) 및 산화 리튬 (Li2O)을 포함하는 적어도 하나의 유리 조성물; 및
유기 비히클을 포함하며,
여기서, (a) Li2O 대 (b) TeO2 및 Li2O의 결합 함량의 중량 비가 약 0.001-0.15의 범위이며, (a) ZnO 대 (b) TeO2 및 ZnO의 결합 함량의 중량 비가 약 0.001-0.35, 바람직하게는 약 0.005-0.35의 범위이며;
여기서, 상기 적어도 하나의 유리 조성물 내의 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO)의 결합 함량은 약 2.5 중량% 미만인 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 5에 있어서,
상기 산화 비스무스 (Bi2O3) 및 산화 납 (PbO) 모두는 상기 적어도 하나의 유리 조성물 내에 존재하여, Bi2O3 대 ZnO의 중량 비는 약 0.13 미만인 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100중량%에 기초하여, 약 50-99.4 중량% TeO2를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100중량%에 기초하여, 약 0.1-15 중량% Li2O를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 TeO2, ZnO, 및 Li2O의 총 중량 100중량%에 기초하여, 약 0.5-35 중량% ZnO를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 상기 유리 조성물의 총 중량에 기초하여, 약 0.1-5 중량% Na2O를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 상기 전체 유리 조성물의 총 중량에 기초하여, 약 90 중량% 미만의 TeO2를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 상기 전체 유리 조성물의 총 중량에 기초하여, 적어도 약 2 중량%의 Li2O를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 조성물은 낮은 납 함량을 갖거나 또는 납-프리이거나 및/또는 낮은 비스무스 함량을 갖거나 또는 비스무스-프리인 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 13에 있어서,
상기 유리 조성물은 약 0.5 중량% 미만의 Bi2O3을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 페이스트 조성물은 상기 페이스트 총 중량 100%에 기초하여, 적어도 약 50 중량%, 바람직하게는 적어도 약 60 중량%, 좀 더 바람직하게는 적어도 약 70 중량%, 및 가장 바람직하게는 적어도 약 80 중량%, 및 약 95 중량% 이하의 금속 입자를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 입자는 은, 알루미늄, 금, 구리, 니켈, 및 이들의 합금 또는 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 페이스트 조성물은 상기 페이스트의 총 중량 100%에 기초하여, 적어도 약 0.1 중량%, 바람직하게는 적어도 약 0.5 중량%, 및 약 10중량% 이하, 좀 더 바람직하게는 약 8 중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 6 중량% 이하의 유리 조성물을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-17 중 어느 한 항에 있어서,
Li3PO4, MnO, MnO2, Ag2MoO4 및 이들의 모든 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 개별적이고 구별되는 첨가제를 더욱 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물. - 청구항 1-18 중 어느 한 항에 따른 전기전도성 페이스트 조성물을 실리콘 웨이퍼에 적용하고 상기 실리콘 웨이퍼를 소성하여 제조되는 태양 전지.
- 전면 및 후면을 갖는 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계;
상기 실리콘 웨이퍼에 청구항 1-19 중 어느 한 항에 따른 전기전도성 페이스트 조성물을 적용하는 단계; 및
상기 실리콘 웨이퍼를 소성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조방법.
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