KR20190010644A - 태양전지 및 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
(목적)본 발명은, 태양전지 및 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 은의 사용량을 없게 하거나 또는 저감, 및 납의 사용량을 저감 또는 없게 함과 아울러 하층 파이어링에 부가하여 상층 파이어링을 함으로써 전자 인출의 효율을 높게 하여 태양전지의 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
(구성)절연막의 위에 은 및 납을 포함하는 핑거 전극을 형성하고, 또한 그 위에 버스바 전극을 형성한 후에 소성하고, 소성 시의 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 핑거 전극의 아래의 막인 절연막을 관통하여 영역과 핑거 전극의 사이에 전기도전성 통로를 형성(하층 파이어링)하고, 또한 소성 시에 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 핑거 전극의 위의 층인 버스바 전극을 관통하여 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로를 더 형성(상층 파이어링)한다.
(구성)절연막의 위에 은 및 납을 포함하는 핑거 전극을 형성하고, 또한 그 위에 버스바 전극을 형성한 후에 소성하고, 소성 시의 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 핑거 전극의 아래의 막인 절연막을 관통하여 영역과 핑거 전극의 사이에 전기도전성 통로를 형성(하층 파이어링)하고, 또한 소성 시에 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 핑거 전극의 위의 층인 버스바 전극을 관통하여 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로를 더 형성(상층 파이어링)한다.
Description
본 발명은, 기판 위에 빛 등을 조사(照射)하였을 때에 고전자농도(高電子濃度)를 생성하는 영역을 형성함과 아울러 영역의 위에 빛 등을 투과하는 절연막(絶緣膜)을 형성하고, 절연막의 위에 영역으로부터 전자를 인출하는 취출구(取出口)를 형성하는 핑거 전극(finger 電極)을 형성하고, 또한 복수의 핑거 전극을 전기적으로 접속하여 전자를 외부로 인출하는 버스바 전극(bus bar 電極)을 갖는 태양전지(太陽電池) 및 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
재생이 가능한 에너지를 이용하는 것 중의 하나인 태양전지는, 20세기의 주역인 반도체 기술을 기초로 하여 그 개발이 종래부터 실시되고 있다. 인류의 생존을 좌우하는 지구 레벨의 중요한 개발이다. 그 개발의 과제는 태양광을 전기에너지로 변환하는 효율뿐만 아니라 제조비용의 저감 및 무공해로 하는 과제에도 대처하면서 진행되고 있다. 이들을 실현하는 대처는, 특히 전극에 사용되고 있는 은(Ag)이나 납(Pb)의 사용량을 저감 또는 없게 하는 것이 중요하게 되고 있다.
일반적으로 태양전지의 구조는, 도9의 (a)의 평면도 및 (b)의 단면도에 나타내는 바와 같이 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 N형/P형의 실리콘 기판(43), 실리콘 기판(43)의 표면의 반사를 방지 및 절연체 박막인 질화실리콘막(45), 실리콘 기판(43) 중에 발생한 전자를 인출하는 핑거 전극(42), 핑거 전극(42)에서 인출된 전자를 모으는 버스바 전극(41), 버스바 전극(41)에 모인 전자를 외부로 인출하는 인출리드 전극(引出lead 電極)(47)의 각 요소로 구성되어 있다.
이 중에서 버스바 전극(41) 및 핑거 전극(42)에 은 및 납(납 글라스(lead glass))이 사용되고 있고, 이것의 은의 사용량을 없애거나 혹은 저감시키고, 또한 납(납 글라스)의 사용량을 저감 또는 없게 하여, 저코스트이고 또한 무공해로 하는 것이 기대되고 있었다.
상기에서 설명한 종래의 도9의 태양전지의 구성요소 중에서, 핑거 전극(42) 등에 은 및 납(바인더(binder)로서의 납 글라스)이 사용되고 있고, 이것의 은의 사용량을 없게 하거나 또는 저감, 및 납(납 글라스)의 사용량을 저감 또는 없게 하여, 태양전지의 제조비용의 저감 또한 무공해로 한다는 과제가 있었다.
또한 도9의 (b)의 은, 납 글라스를 포함하는 핑거 전극(42)을 소성(燒成)하여 질화실리콘막(45)을 관통한 전기도전성 통로(電氣導電性 通路)를 형성(파이어링(firing)이라고 한다)하여 N/P 확산층(44)으로부터 전자를 인출하고, 이것을 버스바 전극(41)에서 모아서 외부로 인출하도록 하고 있었다. 이들의 전자의 인출의 효율을 높여서 태양전지의 효율을 더 향상시킨다는 과제가 있었다.
본 발명자들은, 페이스트(paste)에 후술하는 NTA 글라스(NTA glass) 100%를 사용하여 버스바 전극을 실험적으로 제작한 바, 상기에서 설명한 종래의 은 페이스트(銀 paste)를 사용하여 버스바 전극을 제작하였을 때와 변하지 않거나 혹은 우수한 특성을 갖는 태양전지의 제작이 가능한 것을 발견하였다(일본국 특허출원 특원2015―180720호 등을 참조).
또한 기판 위에 빛 등을 조사하였을 때에 고전자농도를 생성하는 영역을 형성함과 아울러 영역의 위에 빛 등을 투과하는 절연막을 형성하고, 절연막의 위에 영역으로부터 전자를 인출하는 취출구를 형성하는 핑거 전극을 형성하고, 또한 복수의 핑거 전극을 전기적으로 접속하여 전자를 외부로 인출하는 버스바 전극으로서, 상기 NTA 글라스 100% 또는 0% 이상을 사용하여 제작하고, 이들을 모아서 일괄소성하여 파이어링한 바, 종래의 핑거 전극으로부터 아래의 층의 고전자농도영역으로의 파이어링에 의한 전기도전성 통로의 형성(하층 파이어링이라고 한다)에 더하여, 핑거 전극으로부터 위의 층의 버스바 전극을 관통하여 노출된 전기도전성 통로(상기 전기도전성 통로에는 띠모양의 인출 리드선을 납땜한다)를 더 형성(이하 상층 파이어링이라고 한다)하는 것이 가능한 것을 발견하였다(후술하는 도6, 도8 등을 참조).
본 발명은, 이들 발견에 의거하여 은의 사용량을 없게 하거나 또는 저감, 및 납(납 글라스)의 사용량을 저감 또는 없게 하기 위하여, 태양전지의 구성요소인 버스바 전극을 형성하는 데에 페이스트를 바나딘산염 글라스(vanadate glass)(이하, 도전성의 NTA 글라스라고 하고, 'NTA'는 일본국의 등록상표 제5009023호))로 제작하여 소성함으로써, 은 및 납(납 글라스)의 사용량을 없게 하거나 또는 저감시킴과 아울러, 상기 하층 파이어링에 부가하여 상층 파이어링을 더 함으로써 전자 인출의 효율을 높게 하여 태양전지의 효율을 향상시키는 것을 가능하게 하였다.
그 때문에 본 발명은, 기판 위에 빛 등을 조사하였을 때에 고전자농도를 생성하는 영역을 형성함과 아울러 영역의 위에 빛 등을 투과하는 절연막을 형성, 절연막의 위에 영역으로부터 전자를 인출하는 취출구를 형성하는 핑거 전극을 형성, 및 복수의 핑거 전극을 전기적으로 접속하여 전자를 외부로 인출하는 버스바 전극을 형성한 태양전지에 있어서, 절연막의 위에 은 및 납을 포함하는 핑거 전극을 형성하고, 또한 그 위에 버스바 전극을 형성한 후에 일괄소성하고, 일괄소성 시의 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 핑거 전극의 아래의 막인 절연막을 관통하여 영역과 핑거 전극의 사이에 전기도전성 통로를 형성(하층 파이어링이라고 한다)하고, 소성 시에 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 핑거 전극의 위의 층인 버스바 전극을 관통하여 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로를 더 형성(상층 파이어링이라고 한다)하도록 하고 있다.
이때에 하층 파이어링을 고상 중의 파이어링으로 하고, 상층 파이어링을 액상 중의 파이어링으로 하고, 후자(後者)의 전기도전성 통로의 길이를 전자(前者)의 전기도전성 통로의 길이에 비하여 대폭적으로 길게 하도록 하고 있다.
또한 버스바 전극을 관통하여 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로의 형성에 부가하여, 버스바 전극의 위에 도전층이 형성되어 있는 경우에는 도전층에 전기도전성 통로를 형성하도록 하고 있다.
또한 노출된 전기도전성 통로 혹은 도전층에 띠모양의 리드선을 납땜하도록 하고 있다.
또한 도전성의 버스바 전극으로서, 도전성 글라스를 중량비 100%에서부터 0% 이상으로 하고 나머지를 은으로 하도록 하고 있다.
또한 도전성 글라스는, 적어도 바나듐 혹은 바나듐과 바륨을 포함하는 바나딘산염 글라스로 하도록 하고 있다.
또한 도전성 글라스를 소성하는 공정의 시간은, 길어도 1분 이내, 1초 이상으로 하도록 하고 있다.
또한 도전성 글라스를 소성하는 공정의 온도는, 온도가 지나치게 낮으면 하층 파이어링이 실시되지 않고, 온도가 지나치게 높으면 소성되어 냉각된 후에 버스바 전극 중의 도전성 글라스에 의하여 전기도전성 통로가 덮여서 상층 파이어링이 열화되기 때문에, 이들 사이의 범위 내의 온도로 하도록 하고 있다.
또한 도전성 글라스는 Pb 프리로 하도록 하고 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같이 핑거 전극으로부터 아래의 층의 고전자농도영역으로의 파이어링에 의한 전기도전성 통로의 형성(하층 파이어링)에 더하여, 핑거 전극으로부터 위의 층의 버스바 전극을 관통하여 노출된 전기도전성 통로를 더 형성(상층 파이어링)함으로써, 고전자농도영역으로부터 전자가 외부로 인출되는 효율을 높이는 것이 가능하게 됨과 아울러, 버스바 전극에 NTA 글라스를 사용하여 은의 사용량을 없게 하거나 또는 저감, 및 납(납 글라스)의 사용량을 저감 또는 없게 하는 것을 가능하게 하였다.
도1은, 본 발명의 1실시예의 구성도이다.
도2는, 본 발명의 요부 설명도이다.
도3은, 본 발명의 NTA 글라스를 사용한 태양전지의 제조공정예이다.
도4는, 본 발명의 측정예이다.
도5는, 본 발명의 버스바 전극의 단면 관찰예(단면 관찰예1)이다.
도6은, 본 발명의 버스바 전극의 단면 관찰예(단면 관찰예2)이다.
도7은, 본 발명의 버스바 전극을 사용한 태양전지의 특성예이다.
도8은, 본 발명의 상층 파이어링의 설명도이다.
도9는, 종래기술의 설명도이다.
도2는, 본 발명의 요부 설명도이다.
도3은, 본 발명의 NTA 글라스를 사용한 태양전지의 제조공정예이다.
도4는, 본 발명의 측정예이다.
도5는, 본 발명의 버스바 전극의 단면 관찰예(단면 관찰예1)이다.
도6은, 본 발명의 버스바 전극의 단면 관찰예(단면 관찰예2)이다.
도7은, 본 발명의 버스바 전극을 사용한 태양전지의 특성예이다.
도8은, 본 발명의 상층 파이어링의 설명도이다.
도9는, 종래기술의 설명도이다.
실시예1
도1은, 본 발명의 1실시예의 구성도를 나타낸다.
도1의 (a)는 소성(燒成) 전의 평면도를 나타내고, 도1의 (b)는 소성 전의 단면도를 나타내고, 도1의 (c)는 소성 후의 단면도를 나타낸다.
도1의 (a), (b)의 소성 전의 평면도 및 단면도에 있어서 실리콘 기판(silicon 基板)(1)은, 공지의 반도체의 실리콘 기판이다. 이 실리콘 기판(1)의 질화막(窒化膜)(3)에 접하는 부분에는 도면에 나타내는 것 이외의 고전자농도영역(高電子濃度領域)(확산도핑층(擴散doping層))이 형성되어 있고, 상기 고전자농도영역은 실리콘 기판(1)의 위에 원하는 p형/n형의 층을 확산도핑 등에 의하여 형성한 공지의 영역(층)으로서, 도1의 (b)에서는 상측방향으로부터 태양광이 입사되면 실리콘 기판(1)에서 전자를 발생(발전(發電))시키고, 그 전자를 축적하는 영역이다. 여기에서는, 축적된 전자는 전자취출구(電子取出口)(도1의 (c)의 핑거 전극(finger 電極)(은(銀))(4))에 의하여 상측방향으로 인출되는 것이다.
알루미늄 전극(aluminum 電極)(이면 전극(裏面 電極))(2)은, 실리콘 기판(1)의 하면에 형성된 공지의 전극으로 되는 것으로서, 여기에서는 도면에 나타내는 소성 전에서는 페이스트(paste) 모양의 것이다(일괄소성(一括燒成)에 의하여 도1의 (c)의 도전성(導電性)의 알루미늄 전극(2)으로 된다).
질화막(질화실리콘막)(3)은 태양광을 통과(투과)시키고 또한 버스바 전극(bus bar 電極)(5)과 고전자농도영역을 전기적으로 절연하는 공지의 막으로서, 예를 들면 SiNx의 막이다. 이 질화막(3)은, 후술하는 일괄소성 시의 하층 파이어링(下層 firing)에 의하여 고상(固相) 중에서 상기 질화막을 관통한 전기도전성 통로(電氣導電性 通路)를 형성하는 막(층)이다.
핑거 전극(4)은 고전자농도영역 중에 축적된 전자를 질화막(3)에 형성된 홀(hole)을 통하여 인출하는 구멍(핑거 전극)으로서, 소성 전에는 도면에 나타내는 바와 같이 질화막(3)의 위에 페이스트가 인쇄되어, 가열건조(100℃ 정도)된 상태의 것이다(일괄소성하면 도1의 (c)와 같이 된다).
버스바 전극(5)은 복수의 전자취출구(복수의 핑거 전극(4))를 전기적으로 접속하는 전극으로서, 도면에 나타내는 소성 전의 상태에서는, NTA 글라스(NTA glass)의 페이스트를 버스바 전극(5)으로서 인쇄(예를 들면 실크 인쇄)하여 가열건조시켜서, Ag의 사용량을 없게 하거나 또는 삭감한 전극이다. 일괄소성함으로써 버스바 전극(5)으로서 도전성의 전극으로 된다.
이상의 도1의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이 페이스트 모양의 알루미늄 전극(2), 핑거 전극(4), 버스바 전극(5)을 순서대로 인쇄·가열건조하는 것을 반복하여 도면에 나타내는 구조를 제작한다. 그리고 도1의 (c)와 같이 일괄소성하여 알루미늄 전극(2), 핑거 전극(4), 버스바 전극(5)을 완성시킨다.
도1의 (c)에 있어서 핑거 전극(4)은 일괄소성 후의 것으로서, 본 발명에 관한 버스바 전극(5)을 NTA 글라스 100% 또는 0% 이상으로 소성한 경우에는, 핑거 전극(4)이 후술하는 액상(液相) 중의 상층 파이어링(上層 firing)(42)에 의하여 버스바 전극(5)의 상면의 높이와 동일한 부분 혹은 뚫고 나가서 상면으로 돌출된 부분을 형성(소성)하고, 고전자농도영역 중의 전자를 당해 핑거 전극(4)을 통하여 버스바 전극(5)의 위에 납땜하는, 도면에 나타내는 것 이외의 리드선(lead線)에 직접적으로 유입시키는(전자를 직접적으로 인출하도록 하는) 것이 가능하게 된다. 즉 고전자농도영역, 핑거 전극(4), 버스바 전극(5), 리드선(6)의 경로 1과, 고전자농도영역, 핑거 전극(4), 리드선(6)의 경로 2의 2개의 경로에 의하여 고전자농도영역 중의 전자(전류)를 리드선(6)을 통하여 외부로 인출할 수 있어, 결과로서 고전자농도영역과 리드선(6) 사이의 저항값을 매우 작게 하는 것이 가능하게 됨으로써, 손실을 저감시켜서 결과로서 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 이때에 핑거 전극(4)과 고전자농도영역과 핑거 전극(4)의 사이에는 고상 중의 하층 파이어링(41)에 의하여 전기도전성 통로를 형성하고, 핑거 전극(4)과 버스바 전극(5) 혹은 상기 버스바 전극(5)을 뚫고 나가서 노출된 부분을 형성하는 데에 액상 중의 상층 파이어링(42)에 의하여 전기도전성 통로를 형성한 것이다.
예를 들면 하나의 실험결과에서는 질화막(3)의 두께가 60nm이고 버스바 전극(5)의 인쇄 두께가 20μm이었기 때문에, 일괄소성에 의하여,
·질화막(3)은 고상 중의 하층 파이어링(41)에 의한 것이고,
·NTA 글라스로 이루어지는 버스바 전극(5)은 액상 중의 상층 파이어링(42)이고, 양자의 전기도전성 통로의 길이의 비는 60nm : 20μm ＝ 1 : 333으로 되어, 약 330배의 고속으로 액상 중의 상층 파이어링(42)이 실험에 의하여 확인할 수 있었다. 즉 고상 중의 하층 파이어링(41)에 비하여 액상 중의 상층 파이어링(42)의 전기도전성 통로의 길이는 수십 배 또는 천 배 정도의 고속으로 형성할 수 있는 것이 실험에 의하여 판명되었다.
또한 하층 파이어링(41)은, 핑거 전극(4)에 포함되는 납(납 글라스(lead glass))과 은의 혼재에 의하여 아래의 층인 질화막(3), 약 60nm를 돌파하여 전자농도가 높은 부분에 접촉한다. 여기에서 하층 파이어링(41)이 지나치게 진행된 경우에는 은의 부분이 높은 전자농도의 부분으로부터 약간 아래의 전자농도가 낮은 부분으로 신장되기 때문에, 태양전지의 변환효율이 저하되므로 실험에 의하여 적절한 하층 파이어링(일괄소성의 온도, 시간(1분 이하, 1초 이상이 바람직하다))(41)을 결정할 필요가 있다.
또한 상층 파이어링(42)은, 하층 파이어링(41)이 생기고 있을 때에 동시에 병렬로 생긴다. 상층 파이어링(42)은, 하층 파이어링(41)과 마찬가지로 핑거 전극(4)에 포함되는 납(납 글라스)과 은의 혼재에 의하여 위의 층인 버스바 전극(5), 약 20μm를 돌파하여 당해 버스바 전극(5)의 위에 은(Ag)의 노출부분을 형성한다. 여기에서 상층 파이어링(42)이 과도한(일괄소성의 온도가 지나치게 높은) 경우에는 버스바 전극(5) 중의 NTA 글라스가 노출된 Ag부분을 덮도록 재응고(再凝固)하여 열화시켜 버려서(후술하는 도8 및 그 설명을 참조) 태양전지의 변환효율이 저하되기 때문에, 실험에 의하여 적절한 상층 파이어링(일괄소성의 온도, 시간(1분 이하, 1초 이상이 바람직하다))을 결정할 필요가 있다.
이상의 도1의 (c)의 구조를 기초로 하여 상측방향으로부터 하측방향으로 태양광을 조사하면, 태양광은 리드선(도면에 나타내는 것 이외), 버스바 전극(5), 핑거 전극(4)이 없는 부분과 질화막(3)을 통과하여, 실리콘 기판(1)에 입사되어 전자를 발생시킨다. 그 후에 고전자농도영역에 축적된 전자는 핑거 전극(4), 버스바 전극(5), 리드선(6)의 경로 1, 및 핑거 전극(4), 리드선(6)의 경로 2의 양 경로(병렬의 경로)를 통하여 외부로 인출된다. 이하 순차적으로 상세하게 설명한다.
도2는 본 발명의 요부 설명도를 나타낸다. 도2의 (a)는 일괄소성 후의 도1의 (c)와 동일하고, 도2의 (b)는 도2의 (a)의 요부의 확대도이다.
도2의 (b)에 있어서, 일괄소성 후에는 도면에 나타내는 바와 같이 핑거 전극(4)의 하층 파이어링(41)이 질화막(3)을 관통하여, 여기에서는 N형 농도가 높은 영역(11)에 전기도전성 경로(은의 경로)가 형성되어 있다.
한편 동시의 일괄소성 후에는 도면에 나타내는 바와 같이 핑거 전극(4)의 상층 파이어링(42)이 버스바 전극(5)을 관통하거나 혹은 거의 관통하여, 여기에서는 버스바 전극(5) 중에 전기도전성 통로(은의 경로)가 형성되어 있다.
따라서 일괄소성 후에는, 핑거 전극(4)의 하층 파이어링(41) 및 상층 파이어링(42)의 양자의 파이어링에 의하여, N형 농도가 높은 영역(11) ― 핑거 전극(4) ― 버스바 전극(5) ― 리드선(6)의 경로 1, 및 N형 농도가 높은 영역(11) ― 핑거 전극(4) ― 리드선(6)의 경로 2가 형성되고, 양 경로 1, 2를 경유하여 리드선(6)으로부터 외부로 인출하는 것이 가능하게 되어, N형 농도가 높은 영역(11)과 리드선(6) 사이의 저항값을 매우 작게 하여, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있었다(도4, 도7을 사용하여 후술).
여기에서 NTA 글라스의 버스바 전극(5)은, 예를 들면 하나의 실험결과에서는 일괄소성온도를 낮은 온도의 예를 들면 700℃로 하면 소성이 충분하지 않아 리드선(6)을 납땜한 후의 인장시험(引張試驗)에서 버스바 전극(5)과 일체로 되어 벗겨져 버린다. 높은 온도의 예를 들면 820℃에서 일괄소성을 하면, 버스바 전극(5)의 바로 아래의 질화막(3)에 손상을 주어(질화막 중의 수소가 기포로 되어 막 중을 통과하여 질화막에 손상을 주어), 리드선(6)을 납땜하였을 때에 실리콘 기판(1)으로부터 질화막(3)마다 박리되어 버린다. 또한 높은 온도에서 일괄소성을 하면, 상층 파이어링(42)에 있어서 버스바 전극(5)을 구성하는 NTA 글라스가 용해되어 재응고할 때에 버스바 전극(5)의 위에 노출된 전기도전성 경로를 덮어서 열화시켜 버리는 사태가 발생하였다(도8을 참조).
이상과 같이 핑거 전극(4)의 하층 파이어링(41) 및 상층 파이어링(42)에는 적절한 온도범위가 각각 존재하고, 각 재료에 따르는 실험에 의하여 구한 최적의 온도범위 내의 온도로 일괄소성을 하는 것이 필요하다.
도3은, 본 발명의 NTA 글라스를 사용한 태양전지의 제조공정예를 나타낸다.
도3에 있어서, S1은 실리콘 기판(PN접합 형성기판)을 준비한다. 이것은, 실리콘 기판(1)의 표면에 확산도핑을 한 고전자농도영역을 형성, 및 그 위에 반사방지막(태양광을 통과시키고 또한 표면반사를 가급적 저감시킨 막)으로서 예를 들면 질화막(질화실리콘막)(3)을 형성한 실리콘 기판(1)을 준비한다.
S2는, 실리콘 기판의 이면에 알루미늄 페이스트를 인쇄한다.
S3은, 전기로(電氣爐)에 의하여 페이스트를 건조한다. 이들 S1부터 S3은, 이미 기술한 도1 및 도2의 실리콘 기판(1)의 이면에 알루미늄 페이스트를 일면(一面)에 인쇄하고, 전기로에 의하여 가열건조한다.
S4는, 실리콘 기판의 표면에 핑거 전극용의 은(납) 페이스트를 인쇄한다. 이것은, 질화막(3)의 위에 형성되는 핑거 전극(4)의 패턴을 스크린 인쇄한다. 인쇄재료는 예를 들면 은에 프릿(frit)으로서 납 글라스를 혼입한 페이스트를 사용한다.
S5는, 전기로에 의하여 은(납) 페이스트를 건조시킨다.
S6은, 실리콘 기판의 표면에 은/NTA 글라스 페이스트에 의하여 버스바 전극을 인쇄한다. 이것은, S4에서 건조한 핑거 전극의 위에서부터 형성되는 버스바 전극(5)의 패턴을 스크린 인쇄한다. 인쇄재료는 예를 들면 프릿으로서 NTA 글라스(100%부터 0% 이상, 나머지 은)의 것을 사용한다.
S7은, 전기로에 의하여 은/NTA 글라스 페이스트를 건조시킨다.
이상에 의하여, 고전자농도영역(11), 질화막(3)이 형성된 실리콘 기판(1)의 이면에 알루미늄 전극(2), 및 실리콘 기판(1)의 표면에 핑거 전극(4), 버스바 전극(5)의 페이스트를 순차적으로 인쇄·가열건조하는 것을 반복하여, 일괄소성할 준비가 완료된다.
S8은, 원적외선 소성로(遠赤外線 燒成爐)에 의하여 알루미늄 전극, 핑거 전극, 버스바 전극의 각 페이스트를 일괄소성한다. 이 일괄소성에 의하여 알루미늄 전극(3)이 형성되고, 또한
(1)핑거 전극(4) 중의 납(납 글라스), 은의 작용에 의하여 하층의 막인 질화막(3)이 고상 중에서 하층 파이어링(41)에 의하여 전자를 고농도전자영역으로부터 핑거 전극(4)으로 인출하는 경로를 형성하고, 또한
(2)핑거 전극(4) 중의 납(납 글라스), 은의 작용에 의하여 상층의 막인 버스바 전극(5)이 액상 중에서 상층 파이어링(42)에 의하여 전자를 핑거 전극(4)으로부터 버스바 전극(5)의 위로 돌출된 부분(리드선(6)이 납땜됨)으로의 경로 2(핑거 전극(4), 리드선(6)의 경로 2) 혹은 버스바 전극(5)의 상부 근방 부분으로의 경로 1(핑거 전극(4), 버스바 전극(5), 리드선(6)의 경로 1)을 형성하는 것을 실험에 의하여 확인할 수 있었다.
이들 하층 파이어링(41) 및 상층 파이어링(42)에 의하여 고전자농도영역으로부터 전자를 리드선(6)으로 양호한 효율로 인출하는 것이 가능하게 되었다(후술하는 도4, 도7을 참조).
S9는 납땜한다. 이것은 이미 기술한 도2의 (a)의 리드선(6)을 납땜한다(납땜 혹은 초음파 납땜한다).
S10은, 태양전지의 성능을 측정한다.
도4는 본 발명의 측정예를 나타낸다. 이 측정예는, 도4의 공정S1부터 S8에서 제작한 리드선(6)을 납땜하기 전의 상태에 있어서의 버스바 전극(5)(핑거 전극(4))의 위에서부터 2개의 인접한 접촉막대 사이의 저항값의 측정예를 나타낸다.
도4의 (a)는 평면도를 나타내고, 도4의 (b)는 측정위치의 예(번호)를 나타내고, 도4의 (c)는 측정값의 예를 나타낸다.
도4의 (a)는, 핑거 전극(4) 및 버스바 전극(5)의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다. 버스바 전극(5)은, 가는 띠모양의 복수의 핑거 전극(4)의 위에 전기적으로 접속되도록 직각방향으로 띠모양으로 형성된 것이다.
도4의 (b)는, 2개의 접촉막대 사이의 저항값을 측정하는 장소의 번호이다.
(1), (2), (3), (4), (5), (6)은, 버스바 전극(5)의 위에 핑거 전극(4)이 노출된 부분(상층 파이어링(42)에 의하여 형성된 전기도전성 경로의 부분)의 위치의 번호이다.
(7), (8)은, 핑거 전극(4)의 바로 위가 아니라 중간이며, 버스바 전극(5) 위의 도면에 나타내는 위치의 번호이다.
도4의 (c)는, 도4의 (b)의 위치의 측정값의 예를 나타낸다. 도면에 있어서의 (1)-(2), (3)-(4), (5)-(6)의 저항값은 모두 0.20Ω으로 작은 저항값이었다. 이것은, 핑거 전극(4)이 상층 파이어링(42)에 의하여 버스바 전극(5)의 위에 노출되어 있고, 이 노출된 부분에 직접적으로 2개의 접촉막대를 접촉시켰기 때문에, 작은 저항값으로서 측정된 것이다.
한편 (7), (8)의 저항값은 모두 0.30Ω으로 조금 큰 저항값이었다. 이것은, 핑거 전극(4)이 상층 파이어링(42)에 의하여 버스바 전극(5)의 위에 노출되어 있더라도, 이 노출된 부분으로부터 떨어진, 도면에 나타내는 위치에 직접적으로 2개의 접촉막대를 접촉시켰기 때문에, 약간 큰 저항값으로서 측정된 것이다.
또한 핑거 전극(4)의 저항값은 0.20Ω으로 (1)부터 (6)까지의 것과 대략 동일하였다.
이상과 같이 본 발명에 관한 상층 파이어링(42)에 의하여 버스바 전극(5)의 위에 핑거 전극(4)을 노출시켜서, 저항값을 매우 작게 하는 것이 가능하게 되었다.
도5 및 도6은, 본 발명의 버스바 전극의 단면 관찰예를 나타낸다. 사용한 샘플조건은 도면에 나타낸 것과 같다.
·버스바 전극의 재료비율 : NTA 글라스 : Ag ＝ 50 : 50
·소성조건 : 781℃×8초
·기판 : 다결정 실리콘 기판(多結晶 silicon 基板)
도5의 (a)는, 태양전지의 버스바 전극(5)까지 제작(도3의 S1부터 S8)하였을 때의 부분적인 평면도를 나타낸다. 가로의 띠모양의 것이 버스바 전극(5)이고, 세로방향의 선모양의 것이 핑거 전극(4)이다. 여기에서는, 점선으로 나타내는 바와 같이 띠모양의 가로방향의 버스바 전극(5)의 중앙을 가로방향으로 절단하였다. 그리고 도6에 이 절단면의 사진을 나타낸다.
도5의 (b)는 단면확대 이미지도를 나타낸다. 이것은, 도5의 (a)의 점선의 절단면으로 절단하였을 때의 당해 절단면을 확대한 이미지도를 나타낸다. 실리콘 기판(1)의 위에 지면(紙面)과 직각방향으로 핑거 전극(4)이 형성되고, 그 위에 지면의 가로방향으로 버스바 전극(5)이 형성되어 있다.
도6의 (c)는 전자현미경 사진(단면이고 약간 경사진 Ag분포)을 나타낸다. 이것은, 이미 기술한 도5의 (b)의 단면도의 Ag분포의 SEM 화상을 나타내는 사진이다. 도면에 있어서 핑거 전극(4)의 부분은 백색의 윤곽선으로 알기 쉽게 나타낸다. 백색의 윤곽선 중에서, 도면에 나타내는 「질화막(3)을 핑거 전극(4)의 은이 뚫고 나가고 있다」라고 화살표(백색)로 나타낸 부분이, 핑거 전극(4)이 하층 파이어링에 의하여 질화막(3)을 뚫고 나가서 고전자농도영역에 도달한 부분(전기도전성 경로, 은의 경로)이다.
도6의 (d)는 전자현미경 사진(단면)을 나타낸다. 이것은, 이미 기술한 도5의 (b)의 단면도의 SEM 화상을 나타내는 사진이다. 도면에 있어서 핑거 전극(4)의 부분은 백색의 윤곽선으로 알기 쉽게 나타낸다. 백색의 윤곽선 중에서, 도면에 나타내는 「질화막(3)을 핑거 전극(4)의 은이 뚫고 나가고 있다」라고 화살표(흑색)로 나타낸 부분이, 핑거 전극(4)이 하층 파이어링에 의하여 질화막(3)을 뚫고 나가서 고전자농도영역에 도달한 부분(전기도전성 경로, 은의 경로)이다.
이상과 같이 핑거 전극(4) 중의 납(납 글라스), 은의 작용에 의하여 하층의 질화막(3)을 뚫고 나간 은의 경로가 형성되어 있고, 상층의 버스바 전극(5)을 뚫고 나간 은의 경로가 형성되어 있는 것이 판명되었다.
도7은, 본 발명의 버스바 전극을 사용한 태양전지의 특성예를 나타낸다. 이것은, 우측에 기재한 하기의 각종 샘플의 I―V 특성을 측정한 예를 나타낸다.
·NTA50―781―8(샘플1)
·NTA50―781―8(샘플2)
·NTA50―781―8(샘플3)
·NTA50―781―8(샘플4)
·NTA50―781―8(샘플5)
·NTA50―781―8(샘플6)
·Ref820―4(샘플1)
·Ref820―4(샘플2)
·Ref820―4(샘플3)
여기에서 「NTA50」은 버스바 전극의 재료로서, NTA 글라스를 50%wt, 나머지를 은으로 한 것, 다음의 「781」은 781℃로 소성, 다음의 「8」은 소성시간이 8초인 취지를 나타낸다(원적외선 가열). 또한 「Ref820」은 820℃, 다음의 「4」는 4초인 취지를 나타낸다(원적외선 가열).
이상의 제작한 샘플에 대하여 I―V특성을 측정하여, 플롯한 것이 도7에 나타내는 것이다. NTA 50%의 버스바 전극(5)을 사용한 태양전지에서는, NTA 글라스를 포함하지 않는 버스바 전극(5)보다 도면에 나타내는 바와 같이 Ⅰ가 약간 크게 되어 있고, 이미 기술한 경로 1, 경로 2에 의한 저항값의 개선(저하)에 의하여, 결과로서 고전자농도영역으로부터의 전자의 인출 효율을 향상시킬 수 있는 것이 판명되었다.
도8은 본 발명의 상층 파이어링의 설명도를 나타낸다.
도8의 (a)는 상층 파이어링(적절)의 현미경 사진의 예를 나타내고, 도8의 (b)는 상층 파이어링(과도)의 현미경 사진의 예를 나타낸다. 여기에서 가로방향의 가는 2개의 라인은 핑거 전극(4)이고, 세로방향의 1개의 폭넓은 띠모양의 것은 버스바 전극(5)이다.
도8의 (a)에 있어서, 이미 기술한 일괄소성 후에는 버스바 전극(5)의 위에, 핑거 전극(4)의 Ag가 이미 기술한 상층 파이어링(42)에 의하여 일부가 노출되어 있는 것이 판명된다.
한편 도8의 (b)의 과도(예를 들면 지나치게 높은 온도로 일괄소성)한 경우에는 NTA 글라스가 용해되어 재응고 시에 결정이 성장하여 커지게 됨과 아울러, 버스바 전극(5)의 위에 상층 파이어링(42)에 의하여 노출된 Ag의 부분에 덮여서 노출되지 않게 됨으로써 저항값이 커지게 되어 버리는 현상을 관찰할 수 있었다.
따라서 일괄소성의 온도는, 도8의 (a)의 적절한 온도범위로 할 필요가 있고, 도8의 (b)와 같이 과도(높은 온도)하게 하면 그 저항값이 커지게 되어 성능의 열화를 초래하는 것이 판명되었기 때문에, 일괄소성은 적절한 온도범위로 할 필요가 있다(재료마다 실험에 의하여 최적의 특히 온도범위(소성시간 예를 들면 1초 이상이고 1분 이내가 더 바람직하고 적절한 시간)를 확인하여 결정할 필요가 있다).
1 : 실리콘 기판
2 : 알루미늄 전극
3 : 질화막(절연막)
4 : 핑거 전극
41 : 하층 파이어링
42 : 상층 파이어링
5 : 버스바 전극
6 : 리드선
11 : N형 농도의 높은 영역
12 : P형(홀)
2 : 알루미늄 전극
3 : 질화막(절연막)
4 : 핑거 전극
41 : 하층 파이어링
42 : 상층 파이어링
5 : 버스바 전극
6 : 리드선
11 : N형 농도의 높은 영역
12 : P형(홀)
Claims (17)
- 기판 위에 빛 등을 조사(照射)하였을 때에 고전자농도(高電子濃度)를 생성하는 영역을 형성함과 아울러 상기 영역의 위에 빛 등을 투과하는 절연막(絶緣膜)을 형성하고, 상기 절연막의 위에 상기 영역으로부터 전자를 인출하는 취출구(取出口)를 형성하는 핑거 전극(finger 電極)을 형성하고, 또한 상기 복수의 핑거 전극을 전기적으로 접속하여 상기 전자를 외부로 인출하는 버스바 전극(bus bar 電極)을 형성한 태양전지(太陽電池)에 있어서,
상기 절연막의 위에 은(銀) 및 납을 포함하는 핑거 전극을 형성하고, 또한 그 위에 상기 버스바 전극을 형성한 후에 소성(燒成)하고,
상기 소성 시의 상기 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 상기 핑거 전극 아래의 막인 상기 절연막을 관통하여 상기 영역과 상기 핑거 전극의 사이에 전기도전성 통로(電氣導電性 通路)를 형성(하층 파이어링(下層 firing)이라고 한다)하고, 또한 상기 소성 시에 상기 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 상기 핑거 전극 위의 층인 상기 버스바 전극을 관통하여 상기 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로를 더 형성(상층 파이어링(上層 firing)이라고 한다)한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 하층 파이어링을 고상(固相) 중의 파이어링으로 하고, 상기 상층 파이어링을 액상(液相) 중의 파이어링으로 하고, 후자(後者)의 전기도전성 통로의 길이를 전자(前者)의 전기도전성 통로의 길이에 비하여 대폭적으로 길게 한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 버스바 전극을 관통하여 상기 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로의 형성에 부가하여, 상기 버스바 전극의 위에 도전층(導電層)이 형성되어 있는 경우에는 상기 도전층에 전기도전성 통로를 형성한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 노출된 전기도전성 통로 혹은 상기 도전층에 띠모양의 리드선(lead wire)을 납땜한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 도전성의 버스바 전극으로서, 도전성 글라스(導電性 glass)를 중량비 100%에서부터 0% 이상으로 하고 나머지를 은으로 한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제5항에 있어서,
상기 도전성 글라스는, 적어도 바나듐(vanadium) 혹은 바나듐과 바륨(barium)을 포함하는 바나딘산염 글라스(vanadate glass)로 한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 도전성 글라스를 소성하는 공정의 시간은, 길어도 1분 이내, 1초 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 도전성 글라스를 소성하는 공정의 온도는, 온도가 지나치게 낮으면 상기 하층 파이어링이 실시되지 않고, 온도가 지나치게 높으면 소성하여 냉각한 후에 상기 버스바 전극 중의 상기 도전성 글라스에 의하여 상기 전기도전성 통로가 덮여서 상기 상층 파이어링이 열화(劣化)되기 때문에, 이들 사이의 범위 내의 온도로 한 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 도전성 글라스는 Pb 프리(Pb free)인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 기판 위에 빛 등을 조사하였을 때에 고전자농도를 생성하는 영역을 형성함과 아울러 상기 영역의 위에 빛 등을 투과하는 절연막을 형성, 상기 절연막의 위에 상기 영역으로부터 전자를 인출하는 취출구를 형성하는 핑거 전극을 형성, 및 상기 복수의 핑거 전극을 전기적으로 접속하여 상기 전자를 외부로 인출하는 버스바 전극을 형성한 태양전지의 제조방법에 있어서,
상기 절연막의 위에 은 및 납을 포함하는 핑거 전극을 형성하고, 또한 그 위에 상기 버스바 전극을 형성한 후에 소성하는 스텝을 갖고, 상기 소성 시의 상기 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 상기 핑거 전극 아래의 막인 상기 절연막을 관통하여 상기 영역과 상기 핑거 전극의 사이에 전기도전성 통로를 형성(하층 파이어링이라고 한다)하고, 또한 상기 소성 시에 상기 핑거 전극에 포함되는 은 및 납의 작용에 의하여 상기 핑거 전극의 위의 층인 상기 버스바 전극을 관통하여 상기 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로를 더 형성(상층 파이어링이라고 한다)한 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 하층 파이어링을 고상 중의 파이어링으로 하고, 상기 상층 파이어링을 액상 중의 파이어링으로 하고, 후자의 전기도전성 통로의 길이를 전자의 전기도전성 통로의 길이에 비하여 대폭적으로 길게 한 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 버스바 전극을 관통하여 상기 버스바 전극의 위에 노출된 전기도전성 통로의 형성에 부가하여, 상기 버스바 전극의 위에 도전층이 형성되어 있는 경우에는 상기 도전층에 전기도전성 통로를 형성한 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제10항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 노출된 전기도전성 통로 혹은 상기 도전층에 띠모양의 리드선을 납땜한 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제10항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 도전성의 버스바 전극으로서, 도전성 글라스를 중량비 100%에서부터 0% 이상으로 하고 나머지를 은으로 한 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제14항에 있어서,
상기 도전성 글라스는, 적어도 바나듐 혹은 바나듐과 바륨을 포함하는 바나딘산염 글라스로 한 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제10항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 도전성 글라스를 소성하는 공정의 시간은, 길어도 1분 이내, 1초 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제10항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 도전성 글라스를 소성하는 공정의 온도는, 온도가 지나치게 낮으면 상기 하층 파이어링이 실시되지 않고, 온도가 지나치게 높으면 소성하여 냉각한 후에 상기 버스바 전극 중의 상기 도전성 글라스에 의하여 상기 전기도전성 통로가 덮여서 상기 상층 파이어링이 열화되기 때문에, 이들 사이의 범위 내의 온도로 한 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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