KR20190125971A - 태양 전지용 페이스트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 패시베이션막의 개구부의 지름이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적이 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%인 결정계 태양 전지 셀에 대하여 적용한 경우에, 우수한 변환 효율을 달성할 수 있는 것과 함께, 소성 후의 전극층 계면에서의 보이드의 발생을 억제하고, 더욱 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하율을 억제할 수 있는 태양 전지용 페이스트 혼합물을 제공한다.
본 발명은, 구체적으로는, 개구부를 설치한 패시베이션(Passivation) 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여 p+ 층을 형성하는 용도에 사용하는, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물로서,
(1) 상기 개구부는 직경이 100 μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
(2) 상기 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는,
것을 특징으로 하는 태양 전지용 페이스트 조성물을 제공한다.

Description

태양 전지용 페이스트 조성물
본 발명은, 태양 전지용 페이스트 조성물에 관하여, 특히 레이저 조사 등을 이용하여 개구부를 설치한 패시베이션 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여 p+ 층을 형성하는 것을 목적으로 하는 태양 전지용 페이스트 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 개구부의 직경이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적은 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5% 인 결정계 태양 전지 셀에 대하여 적용하는 태양 전지용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
최근, 결정계 태양 전지 셀의 변환 효율(발전 효율), 안정성 등을 향상시키는 것을 목적으로 하여, 다양한 연구 개발이 이루어지고 있다. 그 하나로서, 셀 이면에 질화 규소, 산화 규소, 산화 알루미늄 등으로부터 이루어지는 패시베이션 막을 가지는 PERC(Passivated emitter and rear cell)형 고변환 효율 셀이 주목 받고있다.
PERC형 고변환 효율 셀은, 예를 들면 알루미늄을 주성분으로하는 전극층을 구비한 구조를 가진다. 이 전극층(특히 이면 전극층)은, 예를 들면 알루미늄을 주체로하는 페이스트 조성물을, 패시베이션 막의 개구부를 피복하도록 패턴 형상에 도포하여, 필요에 따라 건조 후, 소성함으로써 형성된다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는 알루미늄 분말과, 알루미늄-실리콘 합금 분말과, 실리콘 분말과, 유리 분말과 유기 비히클을 포함하는 페이스트 조성물이 개시되어 있다. 그리고 전극층의 구성을 적절하게 설계하는 것으로, PERC형 고변환 효율 셀의 변환 효율을 높일 수 것으로 알려져 있다.
또한, 최근에는 PERC형 고변환 효율 셀의 변환 효율을 더욱 높일 수있는 방법으로, 패시베이션 막의 개구부의 면적을 작게하여, 패시베이션 막의 면적을 늘림으로써, 전자와 홀과의 재결합을 억제할 수 있는 것이 검토되어 오고 있다.
특개 2013-143499 호 공보
그러나, 종래의 페이스트 조성물을 이용하여 전극층을 형성하는 경우에, 특히 개구부 직경이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적이 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5 %인 결정계 태양 전지에 대해서는 변환 효율의 향상에 아직 개선의 여지가 있다. 또한, 전극층 계면에 보이드이라 불리는 공극이 발생할 수 있는 외. 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하 속도가 3% 이상 된다는 문제가 있다. 전극층 계면에 보이드가 발생한 경우에는, 저항을 증가시킴과 동시에 결정계 태양 전지 셀의 장기 신뢰성이 저하될 수 있다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것이며, 패시베이션 막의 개구부의 직경이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적이 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5% 인 결정계 태양 전지 셀에 대하여 적용한 경우에도 우수한 변환 효율을 달성할 수 있는 것과 함께, 소성 후의 전극층 계면에서의 보이드의 발생을 억제하고, 또한 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하 속도를 억제할 수 있는 태양 전지용 페이스트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 해당 태양 전지용 페이스트 조성물을 이용한 이면 전극의 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 특정의 도전성 재료를 포함하는 페이스트 조성물이 상기 목적을 달성할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은하기의 태양 전지용 페이스트 조성물에 관한 것이다.
1. 개구부를 설치한 패시베이션(Passivation) 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여 p+ 층을 형성하는 용도에 사용하는, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물로서,
(1) 상기 개구부는 직경이 100 μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
(2) 상기 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는,
것을 특징으로 하는 태양 전지용 페이스트 조성물.
2. 상기 알루미늄 분말 100 질량부에 대하여, 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말 40 ~ 700 질량부, 상기 유리 분말 0.1 ~ 15 질량부 및 상기 유기 비히클 20 ~ 45 질량부를 함유하는, 상기 항 1에 기재의 태양 전지용 페이스트 조성물.
3. 상기 개구부 직경이 20 ~ 100 μm인, 상기 항 1 또는 2에 기재의 태양 전지용 페이스트 조성물.
4. 개구부를 설치한 패시베이션 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여, 상기 개구부를 피복하도록, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물을 도포하는 것에 의해 도막을 형성하는 공정 1, 및,
상기 도막을 700 ~ 900℃에서 소성하는 공정 2,
를 가지는 결정계 태양 전지 셀의 이면 전극의 형성 방법에 있어서,
(1) 상기 개구부는 직경이 100 μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
(2) 상기 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는,
것을 특징으로하는 이면 전극의 형성 방법.
5. 상기 알루미늄 분말 100 질량부에 대하여, 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말 40 ~ 700 질량부, 상기 유리 분말 0.1 ~ 15 질량부 및 상기 유기 비히클 20 ~ 45 질량부를 함유하는, 상기 항 4에 기재의 이면 전극의 형성 방법.
6. 상기 개구부 직경이 20 ~ 100 μm인, 상기 항 4 또는 5에 기재의 이면 전극의 형성 방법.
본 발명의 태양 전지용 페이스트 조성물은, 결정계 태양 전지 셀(특히 PERC형 고변환 효율 셀)의 중에서도 패시베이션 막의 개구부의 직경이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적이 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%인 결정계 태양 전지 셀에 대하여 적용하는 경우에도 우수한 변환 효율을 달성할 수 있는 것과 동시에, 소성 후의 전극층 계면에서의 보이드의 발생을 억제하고, 또한 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하 속도를 억제 할 수 있다.
[도 1] PERC형 태양 전지 셀의 단면 구조의 일례를 나타내는 모식도이며, (a)는 그 실시 형태의 일례를 나타내고, (b)는 그 실시 형태의 다른 예를 나타낸다.
[도 2] 실시예 및 비교예에서 제조된 전극 구조의 단면 모식도이다.
[도 3] 알루미늄 분말, 및 알루미늄-실리콘 합금 분말의 표면을 전자 현미경으로 관찰한 관찰상을 나타내는 도면이다. 구체적으로, (a)는 실리콘 함유량이 20 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 분말, (b)는 알루미늄 분말, (c)는 실리콘 함유량이 15 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 분말의 관찰상이다.
이하, 본 발명의 태양 전지용 페이스트 조성물에 대해 상세히 설명한다. 또한, 본 명세서에서, 「~」로 표시되는 범위는, 특별히 설명하는 경우를 제외하고 「이상, 이하」을 의미한다.
본 발명의 태양 전지용 페이스트 조성물은, 예를 들면, 결정계 태양 전지 셀의 전극을 형성하는 데 사용할 수 있다. 결정계 태양 전지로는 특히 한정되지 않으며, 예를 들면, PERC(Passivated emitter and rear cell)형 고변환 효율 셀(이하 「PERC형 태양 전지 셀」이라 한다)을 들 수 있다. 본 발명의 태양 전지용 페이스트 조성물은, 예를 들면, PERC형 태양 전지 셀의 이면 전극을 형성하는 데 사용할 수 있다. 이하, 본 발명의 페이스트 조성물을, 간단히 「페이스트 조성물」이라고도 기재한다.
먼저, PERC형 태양 전지 셀의 구조의 일례를 설명한다.
1. PERC형 태양 전지 셀
도 1 (a), (b)는, PERC형 태양 전지 셀의 일반적인 단면 구조의 모식도이다. PERC형 태양 전지 셀은, 실리콘 반도체 기판(1), n형 불순물층(2), 반사 방지막(패시베이션 막)(3), 그리드 전극(4), 전극층(이면 전극층)(5), 합금층(6), p+ 층(7)을 구성 요소로 포함할 수 있다.
실리콘 반도체 기판(1)은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 두께가 180 ~ 250 μm의 p형 실리콘 기판이 사용된다.
n형 불순물층(2)은, 실리콘 반도체 기판(1)의 수광면 측에 설치된다. n형 불순물층(2)의 두께는, 예를 들면, 0.3 ~ 0.6μm이다.
　
반사 방지막(3) 및 그리드 전극(4)은, n형 불순물층(2)의 표면에 설치된다. 반사 방지막(3)은, 예를 들면, 질화 실리콘 막으로 형성된 패시베이션 막이라고도 불린다. 반사 방지막(3)은, 소위 패시베이션 막으로 작용하여, 실리콘 반도체 기판 (1)의 표면에서의 전자의 재결합을 억제할 수 있어, 결과적으로, 발생한 캐리어의 재결합율을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 이에 의해, PERC형 태양 전지 셀의 변환 효율이 증가된다.
반사 방지막(패시베이션 막)(3)은, 실리콘 반도체 기판(1)의 이면 측, 즉, 상기 수광면과 반대측의 면에 설치된다. 또한, 이의 이면 측의 반사 방지막(패시베이션 막)(3)를 관통하고, 또한, 실리콘 반도체 기판(1)의 이면의 일부를 깎듯이 형성된 콘택트 구멍(본 발명에서의 개구부)이, 실리콘 반도체 기판(1)의 이면 측에 형성되어 있다.
전극층(5)는, 상기 콘택트 구멍을 통해 실리콘 반도체 기판(1)에 접촉하도록 형성되어 있다. 전극층(5)는, 본 발명의 페이스트 조성물에 의해 형성되는 부재이며, 소정의 패턴 형상으로 형성된다. 도 1(a)의 형태와 같이, 전극층(5)는, PERC형 태양 전지 셀의 이면 전체를 덮도록 형성되어 있어도 좋고, 또는 도 1(b)의 형태와 같이 콘택트 구멍 및 그 근방을 덮도록 형성되어 있어도 좋다. 전극층(5)의 주성분은 알루미늄이기 때문에, 전극층(5)는 알루미늄 전극층이다.
전극층(5)는, 예를 들면, 페이스트 조성물을 소정의 패턴 형상에 도포하고, 소성함으로써 형성된다. 도포 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 스크린 인쇄 등의 공지의 방법을 들 수 있다. 페이스트 조성물을 도포하고, 필요에 따라 건조시킨 후, 예를 들면, 알루미늄의 융점(약 660℃)을 초과하는 온도에서 단시간 소성함으로써 전극층(5)가 형성된다.
본 발명에서는, 소성 온도는 알루미늄의 융점(약 660℃)을 초과하는 온도이면 좋지만, 700 ~ 900℃ 정도가 바람직하고, 780 ~ 900℃ 정도가 보다 바람직하다. 소성 시간은 소망의 전극층(5)가 형성되는 범위에서 소성 온도에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
이와 같이 소성하면, 페이스트 조성물에 포함된 알루미늄이, 실리콘 반도체 기판(1)의 내부에 확산한다. 이에 의해, 전극층(5)와 실리콘 반도체 기판(1)과의 사이에 알루미늄-실리콘 (Al-Si) 합금층(합금층 6)이 형성되고, 이와 동시에, 알루미늄 원자의 확산으로, 불순물층으로의 p+층(7)이 형성된다.
p+층(7)은, 전자의 재결합을 방지하고, 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는 효과, 소위 BSF(Back Surface Field) 효과를 가져올 수 있다.
상기 전극층(5) 및 합금층(6)에서 형성되는 전극이, 도 1이에 나타낸 이면 전극(8)이다. 따라서, 이면 전극(8)은, 페이스트 조성물을 이용하여 형성된, 예를 들면, 이면 측의 반사 방지막(패시베이션 막) 3에 마련한 콘택트 구멍 9(개구부)를 피복하도록 도공하여, 필요에 따라 건조 후, 소성하는 것에 의해 이면 전극(8)을 형성할 수 있다.
여기서, 본 발명의 페이스트 조성물을 이용하여 이면 전극(8)을 형성함으로써, 패시베이션 막의 개구부의 직경이 100 μm 이하(바람직하게는 20 ~ 100 μm)이며, 개구부의 총 면적이, 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%(특히 2 ~ 4%, 나아가서는 2.5 ~ 3.5%)인 결정계 태양 전지 셀에 적용한 경우에도 우수한 효율을 달성할 수 있는 것과 함께, 소성 후의 전극층 계면에서의 보이드의 발생을 억제하고, 또한, 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하 속도를 억제할 수 있다.
2. 페이스트 조성물
본 발명의 페이스트 조성물은, 개구부를 설치한 패시베이션 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여 p+ 층을 형성하는 용도에 사용하는, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물로서,
(1) 상기 개구부는 직경이 100 μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
(2) 상기 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는 것을,
특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 페이스트 조성물을 사용하여, PERC형 태양 전지 셀 등의 태양 전지 셀의 이면 전극을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 페이스트 조성물은, 실리콘 기판 상에 형성된 패시베이션 막에 설치한 개구부(콘택트 구멍)을 통해 실리콘 기판에 전기적으로 접촉하는 태양 전지용 이면 전극을 형성하기 위해 사용할 수 있다. 그리고, 본 발명의 페이스트 조성물에 의하면, 결정계 태양 전지 셀(특히 PERC형 태양 전지)의 중에서도 패시베이션 막의 개구부의 직경이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적이 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5% 인 결정계 태양 전지 셀에 적용하는 경우에도 우수한 변환 효율을 달성할 수 있는 것과 동시에, 소성 후의 전극층 계면에서의 보이드의 발생을 억제하고, 또한 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하 속도를 억제할 수 있다.
페이스트 조성물은, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료(금속 입자)를 구성 성분으로 포함한다. 그리고, 페이스트 조성물이 도전성 재료(금속 입자)를 포함하여 페이스트 조성물의 도막이 소성되어 형성되는 소결체는, 실리콘 기판과 전기적으로 접속하는 도전성이 발휘된다.
(도전성 재료)
본 발명에서, 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5 μm 이하의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유한다.
상기 알루미늄 분말은 합금이 형성되지 않은 알루미늄을 말하나, 불가피한 불순물 및 원료 유래의 미량의 첨가 원소의 존재는 배제하지 않는다.
본 발명에서 사용하는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 알루미늄과 실리콘과의 합금 분말을 나타내지만, 알루미늄 및 실리콘 중의 불가피한 불순물 및 원료 유래의 미량의 첨가 원소의 존재는 배제하지 않는다. 본 발명에는, 상기 알루미늄-실리콘 합금의 실리콘 함유량은 12 ~ 30 원자%가 바람직하고, 17 ~ 25 원자%가 보다 바람직하다. 이러한 알루미늄-실리콘 합금 분말을 도전성 재료에 함유함으로써 페이스트 조성물의 도막을 소성할 경우에 페이스트 조성물 중의 알루미늄과 실리콘 기판 중의 실리콘과의 과도한 반응을 억제하고, 전극층 계면(상세하게는 전극층과 실리콘 기판과의 계면)에서의 보이드의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 장경이 5 μm 이하(즉, 0 μm 초과 5 μm 이하)의 실리콘 초정을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 알루미늄-실리콘 합금 분말을 도전성 재료에 함유함으로써, 전극층의 저항을 낮추고 우수한 변환 효율을 달성할 수 있는 동시에, 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하 속도를 억제할 수 있다. 초정의 장경은 5 μm 이하이면 좋지만, 그 중에서도 1 ~ 5 μm 바람직하고, 2 ~ 5 μm보다 바람직하다.
알루미늄-실리콘 합금 분말의 초정 여부 및 초정의 형상은, 알루미늄-실리콘 합금 분말의 단면을 광학 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다.
알루미늄 분말, 및 알루미늄-실리콘 합금 분말의 일례의 광학 현미경으로 관찰상을 도 3에 나타내 있다. (a)로 표시되는 실리콘 함유량이 20 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 분말의 단면의 관찰상에 실리콘 초정이 부정형의 회색점으로 확인할 수 있다. 이에 대해 (b)로 표시되는 알루미늄 분말(실리콘 제외) 및 (c)로 표시되는 실리콘 함유량이 15 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 분말의 단면의 관찰상에 실리콘 초정은 확인할 수 없다.
장경이 5 μm 이하의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 얻는 방법으로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 실리콘 함유량이 12 원자% 이상, 바람직하게는 12 ~ 30 원자%의 알루미늄 - 실리콘 합금의 용탕에 0.05 원자% 이상의 인 (P)을 첨가하여 아토마이즈(atomize)하는 방법, 또는 상기 용탕을 103 K/s 이상의 속도로 급냉하면서 아토마이즈하는 방법을 들 수있다. 급냉법이면 초정의 장경을 5 μm 이하로 하기 위하여 급냉 속도를 103 K/s 이상으로 아토마이즈하는 것이 바람직하다. 기타로, 예를 들면, 알루미늄-실리콘 합금 분말을 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스로 아토마이즈하는 방법도 들 수 있다.
알루미늄 분말에 대한 알루미늄-실리콘 합금 분말의 함유량은 한정되지 않지만, 알루미늄 분말 100 질량부에 대하여 알루미늄-실리콘 합금 분말의 함유량은 40 ~ 700 질량부가 바람직하고, 40 ~ 250 질량부가 보다 바람직하다.
도전성 재료(알루미늄 분말, 및 알루미늄-실리콘 합금 분말)의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 구상, 타원상, 부정형상, 인편상, 섬유상 등 어느 것이든 좋다. 도전성 재료의 형상이 구형이면, 페이스트 조성물에 의해 형성되는 전극층(5)에 있어서, 도전성 재료의 충전성이 증대되고 전기 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 도전성 재료의 형상이 구형인 경우, 페이스트 조성물에 의해 형성되는 전극층(5)에 있어서, 실리콘 반도체 기판(1)과 도전성 재료와의 접점이 늘어나므로, 좋은 BSF층을 형성하기 쉽다. 구형의 경우에는, 레이저 회절법에 의해 측정 된 평균 입자경이 1 ~ 10 μm의 범위인 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명의 효과가 저해되지 않는 범위에서, 필요에 따라 알루미늄 분말, 및 알루미늄-실리콘 합금 분말 이외의 다른 금속 입자를 함유하는 것은 허용된다. 이러한 도전성 재료는, 모두 가스 아토마이즈법 등의 공지의 방법으로 제조 할 수 있다.
(유리 분말)
유리 분말은, 도전성 재료와 실리콘의 반응, 및, 도전성 재료 자신의 소결을 돕는 작용이 있다고 알려져 있다.
유리 분말로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 태양 전지 셀의 전극층을 형성하는 데 사용되는 페이스트 조성물에 포함되는 공지의 유리 성분으로 할 수있다. 유리 분말의 구체적인 예로는, 납(Pb), 비스무트(Bi), 바나듐(V), 붕소(B), 실리콘(Si), 주석(Sn), 인(P) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 들 수 있다. 또한, 납을 포함하는 유리 분말, 또는 비스무트계, 바나듐계, 주석-인계, 붕규산 아연계, 알칼리 붕규산계 등의 무연의 유리 분말을 사용할 수 있다. 특히 인체에 미치는 영향을 고려하면, 무연의 유리 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
　
구체적으로 유리 분말은, B2O3, Bi2O3, ZnO, SiO2, Al2O3, BaO, CaO, SrO, V2O5, Sb2O3, WO3, P2O5 및 TeO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 유리 분말에 있어서, B2O3 성분과 Bi2O3 성분의 몰비 (B2O3 / Bi2O3)가 0.8 이상 4.0 이하인 유리 프릿(frit)과, V2O5 성분 및 BaO 성분의 몰비 (V2O5 / BaO)가 1.0 이상 2.5 이하인 유리 프릿을 조합할 수 있다.
유리 분말의 연화점은, 예를 들면, 750℃ 이하로 할 수 있다. 유리 분말에 포함된 입자의 평균 입자경은, 예를 들면, 1 ~ 3 μm으로 할 수 있다.
페이스트 조성물에 포함되는 유리 분말의 함유량은, 예를 들면, 도전성 재료 100 질량부에 대하여, 0.5 ~ 40 질량부인 것이 바람직하고, 특히 알루미늄 분말 100 질량부에 대해서 0.1 ~ 15 질량부인 것이 바람직하다. 이 경우 실리콘 반도체 기판(1) 및 반사 방지막(3)(패시베이션 막)과의 밀착성이 양호 해지며, 또한, 전기 저항도 증가하기 어렵다.
(유기 비히클)
유기 비히클로는, 용제에, 필요에 따라 각종 첨가제 및 수지를 용해시킨 재료를 사용할 수 있다. 또는 용제를 포함하지 않고, 수지 자체를 유기 비히클로 사용하여도 좋다.
용제는, 공지의 종류가 사용 가능하며, 구체적으로는, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트, 디프로필렌 글리콜 모노 메틸 에테르 등을 들 수 있다.
각종 첨가제로는, 예를 들면, 산화 방지제, 부식 방지제, 소포제, 증점제, 타크 파이어(tackfire), 커플링제, 정전 부여제, 중합 금지제, 칙소트로피제, 침강 방지제 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 폴리에틸렌 글리콜 에스테르 화합물, 폴리에틸렌 글리콜 에테르 화합물, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 에스테르 화합물, 소르비탄 알킬 에스테르 화합물, 지방족 다가 카르본산 화합물, 인산 에스테르 화합물, 폴리에스테르산의 아마이드 아민염, 산화 폴리에틸렌계 화합물, 지방산 아마이드 왁스 등을 사용할 수 있다.
수지로서는 공지의 종류가 사용 가능하며, 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 폴리바이닐 부티랄, 페놀 수지, 멜라닌 수지, 요소 수지, 크실렌 수지, 알키드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 퓨란 수지, 우레탄 수지, 이소시아네이트 화합물, 시아네이트 화합물 등의 열경화 수지, 폴에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, ABS 수지, 폴리 메타크릴산 메틸, 폴리 염화 바이닐, 폴리 염화 비닐리덴, 폴리 바이닐 아세테이트, 폴리 바이닐 알코올, 폴리 아세탈, 폴리 카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리에테르 술폰, 폴리 아크릴레이트, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리 4 불화 에틸렌, 실리콘 수지 등의 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
유기 비히클에 포함된 수지, 용제, 각종 첨가제의 비율은 임의로 조정할 수 있으며, 예를 들면, 공지의 유기 비히클과 동일한 성분비로 할 수 있다.
유기 비히클의 함유 비율은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 양호한 인쇄성을 가진다는 관점에서, 도전성 재료 100 질량부에 대하여 10 ~ 500 질량부인 것이 바람직하고, 20 ~ 45 질량부인 것이 특히 바람직하다. 또한, 특히 알루미늄 분말 100 질량부에 대하여 10 ~ 500 질량부인 것이 바람직하고, 20 ~ 45 질량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 페이스트 조성물은, 예를 들면, 태양 전지 셀의 전극층(특히는 도 1에 나타낸 것처럼 PERC형 태양 전지 셀의 이면 전극(8))을 형성하기 위한 사용으로 적합하다. 따라서, 본 발명의 페이스트 조성물은, 태양 전지 이면 전극 형성제로서 사용될 수 있다.
3. 이면 전극의 형성 방법
본 발명의 결정계 태양 전지 셀의 이면 전극(도 1의 이면 전극(8))의 형성 방법은, 개구부를 설치한 패시베이션 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여, 상기 개구부를 피복하도록, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물을 도포하는 것에 의해 도막을 형성하는 공정 1, 및,
상기 도막을 700 ~ 900℃에서 소성하는 공정 2, 를 가지며,
(1) 상기 개구부는 직경이 100μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
(2) 상기 도전성 재료는 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는 것을 특징으로 한다.
결정계 태양 전지 셀 및 태양 전지용 페이스트 조성물에 관해서는, 기본적으로는 상술한대로 이지만, 패시베이션 막에 설치한 개구부의 직경은 100 μm 이하의 중에서도 20 ~ 100 μm 인 것이 바람직하다. 개구부는, 일반적으로, 레이저 조사 등으로 형성할 수 있다.
본 발명의 이면 전극의 형성 방법은, 공정 1에 있어서, 개구부를 설치한 패시베이션 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여, 상기 개구부를 피복하도록, 태양 전지용 페이스트 조성물을 도포함으로써 도막을 형성한다.
페이스트 조성물의 도막을 형성 할 때는, 스크린 인쇄 등의 공지의 도공 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 도막의 두께는, 소성 후의 이면 전극의 두께에 따라 설정할 수 있으나, 패시베이션 막의 평면부(개구부 제외)을 기준으로 5 ~ 40 μm 정도가 바람직하다.
공정 1에 의해 도막을 형성한 후에는, 공정 2에 있어서, 도막을 700 ~ 900℃에서 소성한다. 소성 온도는 700 ~ 900℃이 좋으나, 780 ~ 900℃ 정도가 바람직하다.
소성에 의해, 페이스트 조성물에 포함된 알루미늄이, 실리콘 반도체 기판 (1)의 내부에 확산하여, 전극층(5)와 실리콘 반도체 기판(1)과의 사이에 알루미늄-실리콘(Al-Si) 합금층(합금층 (6))이 형성되고, 이와 동시에, 알루미늄 원자의 확산에 의해, 불순물 층으로의 p+층(7)이 형성된다.
[실시예]
이하에, 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
(페이스트 조성물의 제조)
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말과, 동일하게 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 장경이 2.0 μm의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 40 질량% : 60 질량%가 되도록 조정한 도전성 재료 100 질량부와, B2O3 - Bi2O3-SrO-BaO-Sb2O3= 40 / 40 / 10 / 5 / 5 (mol %)의 유리 분말 1.5 질량부를, 에틸 셀룰로오스를 부틸 글리콜에 용해시킨 수지액 35 질량부에, 알려진 분산 장치 (디스퍼)를 이용하여 페이스트화 하였다.
또한, 장경이 2.0 μm의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 실리콘 함유량이 20 원자%의 알루미늄-실리콘 합금의 용탕에 0.01%의 P(인)을 첨가하고 아토마이즈하여 제조하였다.
(태양 전지 셀인 소성 기판의 제작)
평가용의 태양 전지 셀인 소성 기판을 다음과 같이 제작하였다.
먼저, 도 2의 (A)에 나타낸 바와 같이, 우선, 두께가 160 μm의 실리콘 반도체 기판(1)(저항치 3 Ω·cm. 이면 측에 패시베이션 막을 포함한다)을 준비하였다. 그리고, 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 레이저 발진기로서 파장이 532 nm의 YAG 레이저를 이용하여, 개구부의 총 면적이 셀 전체의 3.1%가 되도록 500 μm 간격으로 직경 50 μm의 콘택트 구멍(9)을 형성하였다. 또한, 셀 전체에서 개구부의 총면적은, 하나 당의 개구부의 반지름의 제곱에 π를 곱하여, 이를 인접한 개구부 사이의 거리(피치)로 제외하여 계산하였다.
또한, 도 2에서는, 패시베이션 막은, 도시하지 않은 실리콘 반도체 기판(1)에 포함되는 것으로서 취급하여, 패시베이션 막은 실리콘 반도체 기판(1)의 이면 측에 30 nm의 산화 알루미늄층과 100 nm의 질화 실리콘층과의 적층체로서 포함되어 있다.
다음으로, 도 2의 (C)에 나타낸 바와 같이, 이면 전체(콘택트 구멍 9가 형성되어 있는 측의 면)을 덮도록, 상기에서 얻어진 페이스트 조성물 10을, 실리콘 반도체 기판(1)의 표면 상에, 스크린 인쇄 기계를 사용하여, 1.0 ~ 1.1 g/pc이 되도록 인쇄하였다. 다음으로, 도시는 하고 있지 않으나, 수광면에 공지의 기술로 제조 한 Ag 페이스트를 인쇄하였다.
그 후, 800℃로 설정한 적외선 벨트로를 이용하여 소성하였다. 이 소성에 의해, 도 2의 (D)에 나타낸 바와 같이, 전극층(5)을 형성하고, 또한, 이 소성의 경우에 알루미늄이 실리콘 반도체 기판(1)의 내부에 확산함으로써, 전극층(5)과 실리콘 반도체 기판(1)과의 사이에 Al-Si의 합금층(6)이 형성되는 동시에, 알루미늄 원자의 확산에 의한 불순물 층으로서 p+층(BSF 층)(7)이 형성되었다. 이에 의해, 평가의 소성 기판을 제작하였다.
(태양 전지의 평가)
얻어진 태양 전지 셀의 평가에서는, 와콤 전창의 솔라 시뮬레이터 : WXS-156S-10, I-V 측정 장치: IV15040-10을 이용하여, I-V 측정을 실시하였다. Eff가 21.5% 이상으로 합격하였다.
(보이드 「Void」평가)
보이드의 평가에 대해서는, 소성 기판의 단면을 광학 현미경(200 배)으로 관찰하여, 실리콘 반도체 기판(1)과 전극층(5)와의 계면에서의 보이드의 유무를 평가하였다. 보이드가 확인되지 않았던 것을 합격 (○), 보이드가 확인된 것을 불합격 (×)로 평가하였다.
(정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율의 저하율)
정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율 저하율은, IEC61215에 따라 특정하였다. 구체적으로는 2400Pa의 정하중을 수평으로 설치한 모듈의 표면과 이면에 1시간하여, 이를 3 주기 반복하여, 다음으로 솔라 시뮬레이터를 이용하여 변환 효율을 측정하고, 시험 전후의 저하율을 계산하였다. 또한, 모듈은, 유리 및 백시트 사이에 봉지재를 끼워 넣어, 봉지재 안에 태양 전지 셀을 직렬로 배열하는 것으로 제작하였다.
각 평가 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
실시예 2
개구부의 총 면적이 셀 전체의 3.1%가 되도록 300 μm 간격으로 직경 30 μm의 콘택트 구멍(9)을 형성한 셀을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.
실시예 3
개구의 총 면적이 셀 전체의 3.1%가되도록 700 μm 간격으로 직경 70μm의 콘택트 구멍을 형성한 셀을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.
실시예 4
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말과, 동일하게 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 장경이 4.0μm의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 30 질량% : 70 질량%가 되도록 조정한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 페이스트 조성물을 조제하여 평가를 실시하였다.
또한, 장경이 4.0 μm의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 실리콘 함유량이 23 원자%의 알루미늄-실리콘 합금의 용탕에, 103 K/Sec의 냉각 속도로 가스 아토마이즈법으로 제조하였다.
실시예 5
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말과, 동일하게 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 장경이 5.0μm의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을, 50 질량% : 50 질량%가 되도록 조정한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게하여 페이스트 조성물을 조제하여, 평가를 실시하였다.
또한, 장경이 5.0 μm의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 실리콘 함유량이 25 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 용탕을 이용하여 He 가스 아토마이즈하는 것으로 제조하였다.
비교예 1
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말만을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 페이스트를 작성하여, 평가를 실시하였다. 즉, 비교예 1에서는 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은 사용하지 않는다.
비교예 2
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말과, 동일하게 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 장경이 7.0 μm의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 50 질량% : 50 질량%가 되도록 조정한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게하여 페이스트를 작성하여, 평가를 실시하였다.
또한, 장경이 7.0 μm의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 실리콘 함유량이 35 원자%의 알루미늄-실리콘 합금의 용탕에 0.005%의 P(인)을 첨가하고 아토마이즈하여 제조하였다.
비교예 3
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말과, 동일하게 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 장경이 10.0 μm의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 50 질량% : 50 질량%가 되도록 조정한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게하게 페이스트를 작성하여, 평가를 실시하였다.
또한, 장경이 10.0 μm의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 실리콘 함유량이 40 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 용탕을 아토마이즈하여 제조하였다.
비교예 4
가스 아토마이즈법에 의해 생성된 알루미늄 분말과, 동일하게 가스 아토마이즈법에 의해 생성된 장경이 6.0 μm의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 50 질량% : 50 질량%가 되도록 조정한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게하여 페이스트를 작성하여 평가를 실시하였다.
또한, 장경이 6.0 μm의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말은, 실리콘 함유량이 35 원자%의 알루미늄-실리콘 합금 용탕을 아토마이즈하여 제조하였다.
비교예 5
개구부의 총 면적이 셀 전체의 3.1%가 되도록 1100 μm 간격으로 직경 110 μm의 콘택트 구멍(9)을 형성한 셀을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.
비교예 6
개구부의 총 면적이 셀 전체의 0.4%가 되도록 1400μm 간격으로 직경 50 μm의 콘택트 구멍(9)을 형성한 셀을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.
비교예 7
개구부의 총면적이 셀 전체의 6.1%가 되도록 360μm 간격으로 직경 50μm의 콘택트 구멍(9)을 형성한 셀을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 평가를 실시하였다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 소정의 도전성 재료를 이용하여 패시베이션 막의 개구부의 직경이 100 μm 이하이며, 개구부의 총 면적은 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%인 결정계 태양 전지 셀에 대하여 적용하는 경우에도 우수한 변환 효율을 달성할 수 있는(Eff가 22.0% 이상) 것과 동시에, 소성 후의 전극층 계면에서의 보이드의 발생을 억제하고, 또한 정적 기계 하중 시험 후의 변환 효율 저하율을 억제(감소 3% 미만)할 수 있는 것을 알았다.
1 : 실리콘 반도체 기판
2 : n형 불순물 층
3 : 반사 방지막(패시베이션 막)
4 : 그리드 전극
5 : 전극층
6 : 합금층
7 : p+ 층
8 :이면 전극
9 : 콘택트 구멍(개구부)
10 : 페이스트 조성물

Claims (6)

  1. 개구부를 설치한 패시베이션(Passivation) 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여 p+ 층을 형성하는 용도에 사용하는, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물로서,
    (1) 상기 개구부는 직경이 100 μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
    (2) 상기 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는,
    것을 특징으로 하는 태양 전지용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 분말 100 질량부에 대하여, 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말 40 ~ 700 질량부, 상기 유리 분말 0.1 ~ 15 질량부 및 상기 유기 비히클 20 ~ 45 질량부를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 개구부 직경이 20 ~ 100 μm인 태양 전지용 페이스트 조성물.
  4. 개구부를 설치한 패시베이션 막을 가지는 결정계 태양 전지 셀에 대하여, 상기 개구부를 피복하도록, 유리 분말, 유기 비히클 및 도전성 재료를 함유하는 태양 전지용 페이스트 조성물을 도포하는 것에 의해 도막을 형성하는 공정 1, 및,
    상기 도막을 700 ~ 900℃에서 소성하는 공정 2,
    를 가지는 결정계 태양 전지 셀의 이면 전극의 형성 방법에 있어서,
    (1) 상기 개구부는 직경이 100 μm 이하이며, 상기 개구부의 총 면적은 상기 결정계 태양 전지 셀의 면적의 0.5 ~ 5%이며,
    (2) 상기 도전성 재료는, 알루미늄 분말과, 장경이 5μm 이하의 실리콘의 초정을 가지는 알루미늄-실리콘 합금 분말을 함유하는,
    것을 특징으로 하는 이면 전극의 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 알루미늄 분말 100 질량부에 대하여, 상기 알루미늄-실리콘 합금 분말 40 ~ 700 질량부, 상기 유리 분말 0.1 ~ 15 질량부 및 상기 유기 비히클 20 ~ 45 질량부를 함유하는, 이면 전극의 형성 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 개구부 직경이 20 ~ 100 μm인 이면 전극의 형성 방법.
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