KR20200040798A - 효과적으로 투명한 콘택트를 위한 제조 방법 - Google Patents

효과적으로 투명한 콘택트를 위한 제조 방법 Download PDF

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레베카 사이베
해리 에이. 애트워터
시질 야라만치리
콜튼 부코우스키
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캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

금속 콘택트를 갖는 통상적인 태양 전지에서, 유입되는 태양 에너지의 무시할 수 없는 부분이 콘택트와의 상호 작용시 흡수 또는 반사를 통해 즉시 손실된다. 태양 전지를 위한 효과적으로 투명한 콘택트("ETC")는 유입되는 광을 태양 전지의 광 흡수 표면으로 방향전환시키도록 설계된 3-차원 콘택트로서 지칭될 수 있다. 많은 구체예에서, ETC는 삼각형 단면을 갖는다. 이러한 ETC는 광 흡수 표면 상에 배치될 수 있으며, 그 측면 중 적어도 하나가 광 흡수 표면과 각도를 형성한다. 이 구성에서, ETC는 입사광을 광 흡수 표면으로 방향전환시켜 종래의 태양 전지와 비교할 때 반사 손실을 완화시키거나 없앨 수 있다. 본 발명의 다수의 구체예에 따라 구성되는 경우, ETC는 효과적으로 투명하고 고도로 전도성일 수 있다.

Description

효과적으로 투명한 콘택트를 위한 제조 방법
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부(Department of Energy)에 의해 부여된 승인 번호(Grant No.) DE-EE0004946/T-113750 및 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 부여된 승인 번호 EEC1041895 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 가진다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C. § 119(e) 하에 2017년 8월 17일자로 출원된, 발명의 명칭이 "효과적으로 투명한 콘택트를 위한 제조 공정(Fabrication Processes for Effectively Transparent Contacts)"인 미국 특허 가출원 제62/546,746호의 이익 및 우선권을 주장한다. 미국 특허 가출원 제62/546,746호의 개시는 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 태양 전지용 콘택트(contact)를 위한 제조 공정, 및 더욱 구체적으로 효과적으로 투명한 콘택트에 관한 것이다.
배경
광전지는 광전지 효과를 사용하여 광을 전기로 변환하는 일련의 방법을 지칭한다. 최근 몇 년간 기술 발전으로 인해, 광전지는 보다 실용적인 무탄소 발전원이 되고 있다. 광전지 시스템은 전형적으로 전력을 생성하기 위해 태양 전지 어레이를 사용한다. 태양 전지는 기판으로서 작용하는 다양한 반도체, 전형적으로 실리콘 기반 구조로 제조될 수 있고, 태양 전지로부터 전류를 전도하는데 사용되는 전방 및 후방 콘택트를 포함할 수 있다. 변환 공정은 태양 전지의 활성 영역으로 지칭될 수 있는 것에 의한 광선의 흡수를 포함하며, 이는 기판의 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킬 수 있다. 여기는 전자가 전류로 이동하여 외부 회로로 추출되어 저장될 수 있게 한다.
발명의 개요
일 구체예는 효과적으로 투명한 콘택트를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법을 포함하며, 방법은 광 흡수 표면을 제공하는 단계, 몰드 스탬프(mold stamp)를 제공하는 단계로서, 몰드 스탬프의 표면 중 하나가 복수의 그루브(groove)를 규정하는 단계, 및 몰드 스탬프를 사용하여 광 흡수 표면 상에 효과적으로 투명한 콘택트를 형성하는 단계를 포함한다.
다른 구체예에서, 광-흡수 표면은 금속 콘택트를 포함하고, 복수의 그루브는 금속 콘택트의 주기성과 일치하는 주기성을 갖는 평행 그루브를 포함하며, 효과적으로 투명한 콘택트는 금속 콘택트의 상부에 형성된다.
추가의 구체예에서, 효과적으로 투명한 콘택트는, 전도성 잉크를 금속 콘택트 상에 증착시키고, 전도성 잉크가 복수의 그루브 및 광 흡수 표면에 의해 형성된 중공 채널을 채우도록 몰드 스탬프를 광 흡수 표면과 접촉하게 배치하고, 전도성 잉크를 경화시키고, 경화된 전도성 잉크가 금속 콘택트 상에 남아 있도록 몰드 스탬프를 제거함으로써 형성된다.
또 다른 구체예에서, 광-흡수 표면은 분기 패턴(branching pattern)의 금속 콘택트를 포함하며, 금속 콘택트의 폭이 각각의 분기 포크(branching fork) 후 감소하고, 복수의 그루브는 금속 콘택트의 패턴과 일치하는 그루브를 포함하고, 효과적으로 투명한 콘택트는 금속 콘택트 상부에 형성된다.
추가의 구체예에서, 효과적으로 투명한 콘택트는, 복수의 그루브를 전도성 잉크로 채우고, 채워진 복수의 그루브를 갖는 몰드 스탬프의 측면이 광 흡수 표면과 인접하도록 몰드 스탬프를 광 흡수 표면과 접촉하게 배치하고, 전도성 잉크를 경화시키고, 경화된 전도성 잉크가 광 흡수 표면 상에 남아 있도록 몰드 스탬프를 제거함으로써 형성된다.
또 다른 구체예에서, 효과적으로 투명한 콘택트는, 복수의 그루브를 갖는 몰드 스탬프의 측면이 광 흡수 표면과 인접하도록 몰드 스탬프를 광 흡수 표면과 접촉하게 배치하고, 복수의 그루브 및 광 흡수 표면에 의해 생성된 체적을 전도성 잉크로 채우고, 전도성 잉크를 경화시키고, 경화된 전도성 잉크가 광 흡수 표면 상에 남아 있도록 몰드 스탬프를 제거함으로써 형성된다.
추가의 구체예에서, 효과적으로 투명한 금속 콘택트를 형성시키는 것은 광 흡수 표면으로부터 몰드 스탬프를 제거한 후 경화된 전도성 잉크를 어닐링하는 것을 추가로 포함한다.
또 다른 추가의 구체예에서, 복수의 그루브는 모세관 작용을 이용하여 전도성 잉크로 채워진다.
다른 추가의 구체예에서, 효과적으로 투명한 금속 콘택트를 형성시키는 것은 복수의 그루브 내부가 친수성이 되도록 몰드 스탬프에 대해 선택적 표면 처리를 수행하는 것을 추가로 포함한다.
또 다른 구체예에서, 복수의 그루브는 모세관 작용과 압력 시스템의 조합을 사용하여 전도성 잉크로 채워진다.
또 다른 구체예에서, 압력 시스템은 복수의 그루브를 전도성 잉크로 채우기 위해 양압을 인가한다.
또 다른 구체예에서, 전도성 잉크는 은 나노입자 잉크를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 전도성 잉크는 유리 입자를 추가로 포함한다.
또 다른 추가의 구체예에서, 은 나노입자 잉크를 경화시키는 것은 은 나노입자 잉크의 나노입자에 대해 조정되는 열 경화, 자외선, 전자기 방사선, 및 전류 인가로 이루어진 군으로부터 선택된 공정을 포함한다.
또 다른 추가의 구체예에서, 몰드 스탬프는 폴리디메틸실록산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 및 에틸렌-비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다.
또 다른 추가의 구체예에서, 복수의 그루브는 평행한 삼각형 그루브를 포함한다.
또 다른 추가의 구체예에서, 복수의 그루브 중 적어도 하나는 적어도 2 대 1의 깊이 대 폭 비를 갖는다.
또 다른 추가의 구체예에서, 광 흡수 표면은 텍스쳐링된 표면(textured surface)을 포함하고, 몰드 스탬프는 폴리디메틸실록산으로 제조되며, 폴리디메틸실록산은 폴리디메틸실록산의 탄성이 광 흡수 표면의 텍스쳐링된 표면을 보상하여 몰드 스탬프와 광 흡수 표면 사이의 접착을 촉진하도록 포뮬레이션된다.
또 다른 추가의 구체예에서, 효과적으로 투명한 콘택트는 21℃ 미만의 온도를 갖는 환경에서 형성된다.
또 다른 구체예에서, 몰드 스탬프는 그라비아-인쇄 롤(gravure-printing roll)을 포함한다.
추가의 구체예 및 특징은 다음 설명에서 부분적으로 설명되며, 부분적으로는 명세서 검토시 당업자에게 명백하게 될 것이거나 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 특성 및 이점에 대한 추가의 이해는 본 개시의 일부를 형성하는 명세서 및 도면의 나머지 부분을 참조하여 실현될 수 있다.
설명은 하기 도면 및 데이터 그래프를 참조하여 보다 완전하게 이해될 것이며, 이는 본 발명의 예시적인 구체예로서 제시되고 본 발명의 범위를 완전히 언급하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따라 표준 평면 콘택트의 상부에 효과적으로 투명한 콘택트를 갖는 태양 전지의 단면의 프로파일도를 개념적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 구체예에 따라 리프 패턴(leaf pattern)의 콘택트를 갖는 태양 전지의 평면도를 개념적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 구체예에 따라 몰드 스탬프를 사용하여 효과적으로 투명한 콘택트를 제조하기 위한 제조 공정을 개념적으로 도시한 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 구체예에 따라 태양 전지의 텍스쳐링된 표면에 대한 몰드 스탬프의 접착을 개념적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따라 전도성 잉크의 증착을 위한 입구 마이크로유체 채널(inlet microfluidic channel)을 함유하는 몰드 스탬프를 개념적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 구체예에 따라 몰드 스탬프 및 태양 전지로부터 생성된 채널을 전도성 잉크로 채우는데 사용되는 양압 시스템을 개념적으로 도시한 것이다.
도 7a-7c는 본 발명의 구체예에 따라 태양 전지의 기존 콘택트의 상부에 ETC를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 것이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 구체예에 따라 태양 전지 상에 배치하기 전에 몰드 스탬프를 전도성 잉크로 채움으로써 ETC를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 것이다.
도 9a-9c는 본 발명의 구체예에 따라 몰드 스탬프를 배치하기 전에 태양 전지의 콘택트 상에 전도성 잉크를 직접 증착시킴으로써 ETC를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 구체예에 따라 그라비아 인쇄 공정을 개념적으로 도시한 것이다.
상세한 설명
이제 도면을 참조하면, 본 발명의 다양한 구체예에 따라 효과적으로 투명한 콘택트를 포함하는 태양 전지 및 이러한 구조체를 제조하는 방법이 도시되어 있다. 금속 콘택트를 갖는 종래의 태양 전지에서, 유입되는 태양 에너지의 무시할 수 없는 부분이 콘택트와의 상호 작용시 흡수 또는 반사를 통해 즉시 손실된다. 태양 전지를 위한 효과적으로 투명한 콘택트("ETC")는 유입되는 광을 태양 전지의 광 흡수 표면으로 방향전환시키도록 설계된 3-차원 콘택트로서 지칭될 수 있다. 많은 구체예에서, ETC는 삼각형 단면을 갖는다. 이러한 ETC는 광 흡수 표면 상에 배치될 수 있어, 그 측면 중 적어도 하나가 광 흡수 표면과 각도를 형성한다. 이 구성에서, ETC는 입사광을 광 흡수 표면으로 방향전환시켜 종래의 콘택트를 갖는 태양 전지와 비교할 때 반사 손실을 완화시키거나 없앨 수 있다. 본 발명의 다수의 구체예에 따라 구성되는 경우, ETC는 효과적으로 투명하고 고도로 전도성일 수 있다. 콘택트는 또한 대부분의 유형의 태양 전지 내에 포함될 수 있다.
ETC를 포함하는 태양 전지는 대규모 제조 기술을 포함하여 많은 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 많은 구체예에서, ETC는 태양 전지 상의 기존 콘택트 상부에 제조된다. 다른 구체예에서, ETC는 태양 전지 상의 통상적인 콘택트를 대체한다. ETC의 제조는 요망하는 ETC 형상 및 치수에 상응하는 단면을 갖는 복수의 그루브를 포함하는 몰드 스탬프를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 몰드 스탬프는 복수의 그루브를 포함하는 몰드 스탬프의 측면이 태양 전지에 부착되도록 태양 전지에 대해 배치된다. 몰드 스탬프는 ETC가 형성될 재료로 채워질 수 있다. 사용되는 특정 유형의 재료는 특정 용도에 따라 달라질 수 있다. 일부 구체예에서, 몰드 스탬프는 은 나노입자 잉크와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 전도성 잉크 또는 페이스트로 채워진다. 많은 다른 유형의 충전 방법이 구현될 수 있다. 또한, 충전 공정은 태양 전지 상에 대한 몰드 스탬프를 배치하기 전 또는 후에 일어날 수 있다. 이후, 재료를 경화하고 몰드 스탬프로부터 제거하여 ETC를 형성할 수 있다. 본 발명의 다양한 구체예에 따라 ETC를 포함하는 태양 전지 및 태양 전지를 구성하는 방법이 하기에서 추가로 논의된다.
효과적인 투명성
평면 콘택트를 갖는 종래의 태양 전지에서, 유입되는 태양력의 무시할 수 없는 부분이 흡수 또는 반사를 통해 즉시 손실된다. 이러한 태양 전지에서, 활성 광 흡수 표면에 입사하는 광자 만이 전류로 변환될 수 있다. 태양 전지 전면 접촉 손실을 완화시키기 위한 접근법은 덜 흡수성인 투명 전도성 산화물 또는 덜 반사성인 금속 콘택트를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 이들 접근법을 사용하여 개선된 투명성을 달성하면, 전형적으로 전도성이 감소되고, 이는 또한 태양 전지에서 직렬 저항 전기 손실을 초래한다.
본 발명의 많은 구체예에 따른 태양 전지는 효과적으로 투명한 콘택트를 포함한다. 콘택트는 입사 광자를 태양 전지의 활성 광 흡수 표면 상에 반사시키거나 방향전환시키는 3-차원("3D") 형상으로 형성된다는 점에서 효과적으로 투명하다. ETC는 기존의 평면 격자 핑거(planar grid finger)에 비해 콘택트의 전도성을 크게 줄이지 않으면서 음영 손실(shadowing loss) 및 기생 흡수를 극복하도록 구현될 수 있다. ETC를 포함하는 태양 전지는 기존 콘택트의 상부 또는 광 흡수 표면 상에 ETC를 사용하여 제조될 수 있다. 도 1은 본 발명의 구체예에 따라 표준 평면 콘택트 상부에 ETC를 갖는 태양 전지의 단면의 프로파일도를 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 태양 전지(100)는 평면 콘택트(102) 상에 입사 광(106)을 태양 전지의 활성 광 흡수 표면(108)으로 방향전환시키도록 설계된 삼각형 단면 ETC(104)를 포함한다. 이러한 방식으로, 삼각형 단면 ETC는 효과적으로 투명하게 수행될 수 있다.
삼각형 단면 콘택트가 도 1에 도시된 태양 전지를 참조하여 상기에서 설명되었지만, 특정 태양 전지 용도의 요구 사항에 적절한 방식으로 입사 방사선을 방향전환시키는 프로파일을 갖는 다양한 ETC 중 어느 하나가 본 발명의 다양한 구체예에 따라 사용될 수 있다. ETC 설계 및 구현은 일반적으로 발명의 명칭 "효과적으로 투명한 3D 콘택트를 포함하는 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법(Solar Cells and Methods of Manufacturing Solar Cells Incorporating Effectively Transparent 3D Contacts)"의 미국 특허 출원 제15/144,807호 및 발명의 명칭 "전면 콘택트로부터 광을 완전히 내부적으로 반사시키는 구조를 통합한 캡슐화된 태양 전지 및 관련 제조 방법(Encapsulated Solar Cells that Incorporate Structures that Totally Internally Reflect Light Away from Front Contacts and Related Manufacturing Methods)"의 미국 특허 출원 제15/453,867호에 논의되어 있다. 미국 특허 출원 제15/144,807호 및 제15/453,867의 개시는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
효과적으로 투명한 콘택트 설계
본 발명의 다양한 구체예에 따른 효과적으로 투명한 콘택트는 다양한 형상, 크기 및 패턴으로 제조될 수 있다. 특정 구체예에서, 삼각형 단면은 등변 삼각형(삼각형의 높이보다 밑변이 더 넓음), 이등변 삼각형, 직각 삼각형, 부등변 삼각형 또는 둔각 삼각형일 수 있다. 다양한 구체예에서, 삼각형은 삼각형의 밑변 폭보다 더 큰 높이를 갖도록 구성된다(즉, 광 흡수 표면에 가장 가까운 표면은, 삼각형이 광 흡수 표면 위로 연장되는 높이보다 작은 폭을 갖는다). 많은 구체예에서, ETC의 표면은 포물선 형상을 갖는다. 다른 구체예에서, 콘택트 상에 입사된 광을 태양 전지의 광 흡수 표면 상으로 방향전환시키는 다양한 표면 형상 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
ETC는 주어진 용도의 특정 요구 사항에 따라 달라질 수 있는 매우 다양한 치수로 제조될 수 있다. 많은 구체예에서, ETC는 적어도 2:1의 높이 대 밑변 비를 갖는 삼각형 단면을 가지며, 여기서 밑변 측은 태양 전지의 표면에 대해 평행하게 위치한다. 추가의 구체예에서, ETC는 적어도 3:1의 높이 대 밑변 비를 갖는다. 예를 들어, 일부 구체예에서, ETC는 대략 10 마이크로미터 폭 및 대략 30 마이크로미터 높이로 제조된다. 용이하게 이해될 수 있는 바와 같이, 제조될 ETC의 치수는 주어진 용도의 특정 요구 사항에 의존할 수 있다. 상이한 제조 공정이 상이한 높이 대 밑변 비를 허용할 수 있다. 단면 형상 및 크기의 이러한 차이는 ETC의 효과적인 투명성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 구체예에 따른 공정은 10 마이크로미터 미만의 선폭을 갖는 ETC를 제조할 수 있게 한다.
다양한 ETC 패턴이 본 발명의 다양한 구체예에 따라 구현될 수 있다. 많은 구체예에서, ETC는 태양 전지 상의 기존 콘택트의 패턴과 일치하는 패턴으로 제조된다. 일부 구체예에서, ETC는 삼각형 프리즘의 병렬 구성으로 태양 전지의 콘택트 핑거 상에 제조된다. ETC는 또한 테이퍼 폭(tapered width) 및/또는 테이퍼 높이(tapered height)를 갖도록 형성될 수 있다. 채널 크기를 줄이면 모세관력이 강화될 수 있다. 아래 섹션에서 논의되는 바와 같이, 모세관력은 ETC의 제조 과정에서 충전 공정을 돕기 위해 사용될 수 있다. 모세관력을 강화시키는 것 외에도 재료 사용이 감소될 수 있다. 다수의 구체예에서, 삼각형 단면을 갖는 ETC가 태양 전지의 버스바(busbar) 상에 형성된다. 본 발명의 다양한 구체예에 따라 형성된 버스바 ETC는 수 마이크로미터의 피처(feature) 크기를 가질 수 있다. 충분한 시트 저항을 제공하기 위해 다수의 삼각형 형상의 버스바가 사용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 버스바의 크기는 충분한 광학적 투명성 및 유입되는 광의 방향전환을 제공하기 위해 중규모(mesoscale)로 감소된다.
다수의 구체예에서, 태양 전지 상의 ETC 및 기존 콘택트는 분기 패턴으로 형성될 수 있다. 추가의 구체예에서, 분기가 깊어질 수록 각 그루브 또는 콘택트의 폭은 좁아진다. 이러한 패턴은 모세관력의 강화를 통해 충전 공정을 용이하게 하는데 도움이 될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 분기는 서로 직각이거나 평행하다. 다른 구체예에서, 분기 패턴은 분기 각도가 상이할 수 있도록 리프 패턴으로 되어 있다. 추가의 구체예에서, 분기 각도는 모세관력을 강화시키기 위해 선택된다. 도 2는 본 발명의 구체예에 따라 리프 패턴의 콘택트를 갖는 태양 전지의 평면도를 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 태양 전지(200)는 버스바(202) 및 핑거의 분기 리프 패턴(204)을 포함한다.
특정 콘택트 설계가 상기에서 논의되었지만, 다양한 여러 콘택트 형상 및 패턴 중 어느 하나가 유입되는 광의 방향전환을 용이하게 하고/거나 모세관력을 증가시키는 것으로 제한되지 않는 것과 같은 충전 메커니즘을 강화시키기 위해 사용될 수 있다.
효과적으로 투명한 콘택트를 포함하는 태양 전지의 제조 공정
ETC를 포함하는 태양 전지는 본 발명의 다양한 구체예에 따른 많은 상이한 방식으로 제조될 수 있다. 태양 전지는 기존의 평면 콘택트의 상부에 또는 태양 전지의 광 흡수 표면의 상부에 ETC를 제조함으로써 ETC를 포함할 수 있다. 많은 제조 공정은 제조될 요망하는 ETC 구조에 상응하는 단면을 갖는 그루브를 갖는 몰드 스탬프를 사용하는 것을 포함한다. 본 발명의 다양한 구체예에 따른 몰드 스탬프는 폴리디메틸실록산("PDMS"), 폴리메틸 메타크릴레이트("PMMA"), 에틸렌-비닐 아세테이트("EVA") 및 그 밖의 적합한 폴리머와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 많은 구체예에서, 몰드 스탬프는 마스터 몰드의 복사체(copy)로서 형성된다. 마스터 몰드는 다양한 마이크로제조 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 구체예에서, 적층 제조 기술은 마스터 몰드 상에 요망하는 구조를 형성하기 위해 미소규모로 사용된다. 다른 구체예에서, 건식 에칭과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 선택적 에칭 기술이 마스터 몰드를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이후, 몰드 스탬프가 표준 성형 기술을 사용하여 마스터 몰드로부터 릴리프(relief)로서 형성될 수 있다.
ETC가 기존 콘택트 상에 제조되는 구체예에서, 제조 공정은 태양 전지를 제조하는 전체 제조 공정에서 2차 금속화 단계로서 도입된다. 2차 단계는 태양 전지를 제조하기 위한 기존 공정과 통합될 수 있다. 종래의 태양 전지에서, 금속 콘택트는 콘택트 아래의 반도체 금속과 옴 콘택트(ohmic contact)를 형성할 수 있다. 이러한 콘택트가 형성되면, 2차 금속화 단계가 도입되어 기존 금속 콘택트 상에 정렬된 ETC를 통합하여 음영 손실을 완화하고 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 구체예에 따라 몰드 스탬프를 사용하여 ETC를 제조하기 위한 제조 공정이 도 3에 개념적으로 도시되어 있다. 공정(300)은 태양 전지를 제공하는 단계(302)를 포함할 수 있다. 많은 구체예에서, 태양 전지는 기존의 평면 콘택트를 포함한다. 태양 전지는 당업계에 공지된 통상적인 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 몰드 스탬프가 제공될 수 있다(304). 본 발명의 다양한 구체예에 따른 몰드 스탬프는 그루브 패턴을 포함할 수 있다. 태양 전지가 평면 콘택트를 포함하는 구체예에서, 그루브는 기존 평면 콘택트의 주기성와 일치하는 주기성을 갖도록 설계될 수 있다. 상기 기술된 것들과 같은 몰드 스탬프를 제조하기 위한 다수의 방법 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이후, 몰드 스탬프는 태양 전지 상에 배치될 수 있다(306). 태양 전지가 기존 콘택트를 포함하는 구체예에서, 몰드 스탬프는, 그루브가 정렬되고 평면 콘택트와 접촉하여 전도성 잉크가 충전될 수 있는 각 평면 콘택트 위에 채널을 형성하도록 배치될 수 있다. 많은 구체예에서, 몰드 스탬프의 재료 및 태양 전지의 표면은, 전도성 잉크가 형성된 채널로부터 누출되지 않도록 충분한 접착을 촉진시키기에 적합하다. 일부 구체예에서, 몰드 스탬프 및 태양 전지를 함께 유지하기 위해 압력이 인가될 수 있다. 추가의 구체예에서, 몰드 스탬프 및 태양 전지를 함께 유지하기 위해 클램핑 메커니즘(clamping mechanism)이 사용될 수 있다. 몰드 스탬프의 탄성 및 태양 전지의 구조적 완결성에 따라, 태양 전지의 손상을 방지하기 위해 압력이 이에 따라 적절히 조정될 수 있다.
많은 구체예에서, 태양 전지는 텍스쳐링된 표면을 포함한다. 이러한 구체예에서, 몰드 스탬프는 스탬프가 텍스쳐링된 표면에 부착되는 것을 돕는 탄성 및 연성을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들어, PDMS 몰드 스탬프의 탄성 및 연성은 PDMS 염기 대 경화제 비를 조정함으로써 제조 공정 동안 조정될 수 있다. 다수의 구체예에서, PDMS 포뮬레이션은 5:1 내지 25:1 범위의 염기 대 경화제 중량비를 포함한다. 용이하게 이해될 수 있는 바와 같이, 사용되는 특정 염기 대 경화제 중량비는 태양 전지의 텍스쳐링된 표면의 정도에 의존할 수 있다. 전형적으로, 보다 텍스쳐링된 표면은 보다 연성의 몰드 스탬프가 필요할 수 있다. 일부 구체예에서, 텍스쳐링된 표면은 적어도 2 마이크로미터의 피크 대 피크 거리를 갖는 피처를 포함한다. 이러한 구체예에서, PDMS의 25:1 염기 대 경화제 비는 텍스쳐링된 표면에 접착될 수 있는 연질 몰드 스탬프를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 구체예에 따라 태양 전지의 텍스쳐링된 표면에 부착된 몰드 스탬프를 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 태양 전지(400)는 텍스쳐링된 표면(402)을 포함한다. PDMS 몰드 스탬프(404)는 텍스쳐링된 표면(402)에 접착될 수 있도록 높은 탄성으로 포뮬레이션될 수 있다.
형성된 채널은 전도성 잉크로 채워질 수 있다(308). 본 발명의 다양한 구체예에 따라 ETC를 형성하기 위해 많은 상이한 유형의 전도성 잉크가 사용될 수 있다. 많은 구체예에서, 은 나노 입자 잉크가 ETC를 형성하는데 사용된다. 일부 구체예에서, 유리 입자가 전도성 잉크 혼합물에 첨가된다. ETC가 평면 콘택트 상부에 형성되는 구체예에서, 전도성 잉크 혼합물 내의 유리 입자는 ETC와 기존 콘택트 사이의 적절한 접착을 촉진하는 것을 도울 수 있다.
전도성 잉크가 요망에 따라 채널을 채우도록 하기 위해 다양한 방법이 적용될 수 있다. 많은 구체예에서, 채널의 작은 피처 크기는 채널이 모세관력을 통해 전도성 잉크로 채워지도록 한다. 다수의 구체예에서, 몰드 스탬프가 기울어지고 중력이 전도성 잉크로 그루브를 채우는 데 사용된다. 몇몇 구체예에서, 몰드 스탬프는 채널이 전도성 잉크로 채워질 수 있는 그루브와 연결된 적어도 하나의 관통 홀을 포함한다. 도 5는 이러한 몰드 스탬프를 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 몰드 스탬프(500)는 잉크 증착을 위한 입구 마이크로채널(502)을 포함한다. 일부 구체예에서, 압력 시스템은 충전을 용이하게 하고/하거나 모세관력을 강화시키기 위해 사용된다. 이러한 외부 시스템에 의해 제공되는 압력은 각 채널에 개별적으로 인가되어 균일한 압력 프로파일을 촉진할 수 있다. 몰드 스탬프의 다른 측면이 개방되어 채널에서 공기를 제거할 수 있다. 이러한 공정에 양압 또는 음압 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구체예에서, 진공 시스템이 충전을 용이하게 하기 위해 사용된다.
도 6은 본 발명의 구체예에 따라 몰드 스탬프 및 태양 전지로부터 생성된 채널을 전도성 잉크로 채우는 데 사용되는 양압 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 시스템(600)은 몰드 스탬프(606) 및 태양 전지(608)에 의해 형성된 채널(604)을 채울 수 있는 잉크 저장소/양압 시스템(602)을 포함한다. 잉크 저장소/양압 시스템(602)은 채널의 한 측면에, 공기가 다른 측면에서 빠져나감에 따라 잉크를 주입한다.
많은 구체예에서, 처리된 표면의 표면 에너지를 변화시키기 위해 몰드 스탬프에 대해 선택적 표면 처리가 수행된다. 이러한 처리는 채널 내부에 친수성을 부여하기 위해 수행될 수 있고, 이는 모세관 작용을 강화시킬 수 있다. 표면 처리는 산소 플라즈마 처리 및 이소프로필 알코올 처리를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다.
환경 조건은 충전 공정의 성공 여부에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 상대 습도를 낮춤으로써 모세관 작용이 상승될 수 있다. 이와 같이, 많은 구체예에서, 채널은 20% 미만의 상대 습도 레벨을 갖는 환경에서 충전된다. 일부 구체예에서, 환경 온도는 모세관 작용을 강화시키도록 조정된다. 추가의 구체예에서, 충전 공정은 실온 미만 또는 21℃ 미만의 환경에서 일어난다. 이러한 조건은 조건이 보다 용이하게 제어될 수 있는 글러브 박스에서 공정을 수행함으로써 조절될 수 있다. 용이하게 이해될 수 있는 바와 같이, 특정 환경 조건은 사용된 특정 유형의 전도성 잉크에 의존할 수 있다.
채널이 적절히 충전된 후, 전도성 잉크는 경화될 수 있다(310). 많은 경우에, 전도성 잉크는 혼합물 내의 용매를 제거함으로써 경화된다. 사용된 전도성 잉크의 유형에 따라, 하나 이상의 적절한 경화 공정이 사용된다. 예를 들어, 나노 입자를 함유하는 전도성 잉크의 경화 공정은 나노 입자와 공진하여 열을 생성하는 특정 파장의 전자기 방사선을 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 다른 경화 공정은 열, 자외선 적용, 및 전류 인가를 포함할 수 있으나, 이로 제한되지 않는다. 이들 경화 공정의 정도는 또한 사용된 특정 전도성 잉크에 의존할 수 있다. 일부 구체예에서, 전도성 잉크 내의 용매를 제거하기 위해 적어도 100℃의 온도에서 전도성 잉크에 대해 열 경화가 수행된다.
경화 공정 후, 몰드 스탬프는 제거되어(312), 평면 콘택트 상부에 경화된 전도성 잉크 또는 형성된 ETC를 남긴다. 형성된 ETC는 개별 ETC 격자선 저항을 감소시키기 위해 임의로 어닐링될 수 있다(314). 많은 구체예에서, 어닐링 단계는 본 발명의 다양한 구체예에 따라 전형적인 열 경화 공정보다 더 높은 온도에서 수행된다.
도 7a-7c는 본 발명의 구체예에 따라 태양 전지의 기존 콘택트 상에 ETC를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 공정은 기존의 평면 콘택트(706)를 갖는 태양 전지(704)의 상부에 몰드 스탬프(702)를 정렬하고 배치하기 위해 정렬 시스템(700)을 사용하는 단계를 포함한다. 배치되면, 몰드 스탬프(702)는 태양 전지(704)와 함께 채널(708)을 형성하고, 이는 이후 마이크로유체 디스펜서(710)를 사용하여 충전된다(도 7b). 히터(712)는 태양 전지(704)를 가열하는데 사용되며, 이는 잉크로부터 용매를 제거하기 위해 인접한 전도성 잉크에 열 에너지를 인가한다. 몰드 스탬프(702)는 이후 제거되어 ETC(714)를 남긴다(도 7c).
도 3 및 7a-7c는 ETC를 제조하기 위한 특정 부류의 공정을 도시한 것이지만, 다수의 상이한 방법 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 예를 들어, 많은 구체예에서, 몰드 스탬프의 그루브는 스탬프가 태양 전지에 대해 배치되기 전에 전도성 잉크로 채워진다. 충전 공정은 모세관력의 사용과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 상기 기술된 공정 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 분배 시스템이 그루브를 채우는 데 사용된다. 분배 시스템은 전도성 잉크를 증착시키도록 구성된 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 추가의 구체예에서, 각각의 개별 노즐은 그루브의 길이를 따라 동시에 이동하여 채우도록 구성된다. 몇몇 구체예에서, 분배 시스템은 몰드 스탬프가 이동하는 동안 정지되어 있다. 다른 구체예에서, 분배 시스템은 그루브가 채워질 때까지 그루브의 길이를 따라 특정 지점에서 전도성 잉크를 연속적으로 증착시킨다. 시스템이 잉크를 증착함에 따라 모세관 작용으로 인해 증착된 잉크가 그루브의 길이를 채울 수 있다. 추가의 구체예에서, 몰드 스탬프는 엘라스토머 재료로 제조되고, 신장되고/거나 구부러지고/거나 꼬여 그루브의 단면 형상을 변경할 수 있다. 이러한 형상의 변형(contortion)은 충전 공정을 용이하게 할 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 구체예에 따라 태양 전지 상에 배치하기 전에 전도성 잉크로 몰드 스탬프를 충전함으로써 ETC를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 잉크 노즐 시스템(800)은 몰드 스탬프(802)를 전도성 잉크로 채우는 데 사용된다. 도 8b는 전도성 잉크가 이에 따라 태양 전지(804)와 접촉하도록 태양 전지(804)가 몰드 스탬프(802) 위에 배치될 수 있음을 나타낸다. 이후, 경화 공정이 적용될 수 있고, 몰드 스탬프(802)는 제거되어 형성된 ETC를 남길 수 있다.
ETC를 제조하기 위한 다른 부류의 공정은 직접 증착 단계를 포함한다. 이러한 구체예에서, 전도성 잉크는 평면 콘택트 상에 직접 증착될 수 있다. ETC 구조의 전형적인 규모를 고려할 때, 단지 소량의 전도성 잉크가 일반적으로 증착될 필요가 있다. 많은 구체예에서, 전도성 잉크는 태양 전지의 버스바 상에 마이크로 액적(micro-droplet)으로서 증착된다. 다른 구체예에서, 전도성 잉크는 태양 전지의 활성 영역 옆에 증착된다. 이후, 몰드 스탬프는 기존 콘택트에 대해 그루브 측면을 갖는 태양 전지에 대해 정렬되고 배치될 수 있다. 그루브는 전도성 잉크 마이크로 액적을 포획할 수 있고, 모세관력은 그루브 및 기존 콘택트에 의해 형성된 채널을 잉크로 채우게 할 수 있다. 다수의 구체예에서, 공정은 넓은 영역에 걸쳐 ETC를 형성하기 위해 몰드 스탬프를 이동시키는 단계를 포함한다. 몇몇 구체예에서, 다수의 몰드 스탬프가 넓은 영역에 걸쳐 ETC를 형성하기 위해 사용된다. 이후, 제조 공정은 상기 기술된 공정과 유사하게 진행될 수 있다.
일부 구체예에서, 표면 기능성화는 잉크가 요망하는 위치에 누적되도록 태양 전지에 대해 수행될 수 있다. 예를 들어, 콘택트 격자는 친수성이 되도록 처리될 수 있고, 그 사이의 영역은 소수성이 되도록 구성된다. 추가의 구체예에서, 잉크 액적이 요망하는 영역으로 이동하는 것을 돕기 위해 태양 전지에 진동이 적용될 수 있다. 다수의 구체예에서, 불활성 가스의 사용과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 가스 압력이 임의의 잉크 액적을 요망하는 상태로 블로잉(blowing)하는데 사용될 수 있다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 구체예에 따라 몰드 스탬프를 배치하기 전에 태양 전지의 콘택트 상에 전도성 잉크를 직접 증착함으로써 ETC를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 것이다. 도 9a는 버스바(902) 및 콘택트 핑거(904)를 갖는 태양 전지(900)의 평면도를 나타낸다. 전도성 잉크(906)의 마이크로 액적이 버스바(902) 상에 증착될 수 있다(도 9b). 이후, 몰드 스탬프는 태양 전지(900)에 대해 배치될 수 있다. 상기 기술된 바와 같은 메커니즘을 통해, 증착된 잉크는 몰드 스탬프에 의해 생성된 채널을 채운다. 경화 공정이 적용되고 몰드 스탬프가 제거되면, 전도성 잉크(908)의 패턴이 버스바(902) 및 콘택트 핑거(904)의 상부에 남는다.
일부 구체예에서, 희생 층이 태양 전지 상에 적용된다. ETC는 상기에서 언급 된 방법 중 어느 하나를 사용하여 증착될 수 있다. 이러한 구체예에서, 희생 층이 에칭되어 ETC 사이의 잔류물을 제거할 수 있기 때문에, 그루브 내의 몰드 스탬프의 선택적 충전은 필요하지 않다.
많은 구체예에서, 그라비아 인쇄 공정이 ETC를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 구체예에서, 몰드 스탬프는 본질적으로 그라비아 인쇄 롤이다. 롤은 형성될 ETC의 요망하는 치수에 상응하는 치수를 갖는 그루브를 포함할 수 있다. 다수의 구체예에서, 그루브는 태양 전지 상의 기존 콘택트와 일치하도록 이격되어 있다. 제조 공정 동안, 그루브는 은 나노 입자 잉크와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 전도성 잉크로 채워지거나 선택적으로 채워질 수 있다. 상기 기술된 것들과 같은 충전 메커니즘이 적용될 수 있다. 예를 들어, 전도성 잉크는 그라비아 인쇄 롤 상의 그루브의 작은 국소 영역 상에 증착될 수 있다. 그라비아 인쇄 롤이 태양 전지를 가로 질러 이동하면, 그루브 및 기존 콘택트에 의해 생성된 작은 단면이 모세관력으로 인해 채널의 충전을 촉진할 수 있다. 대안적으로, 전도성 잉크는 태양 전지의 기존 콘택트 상에 증착될 수 있다. 일부 구체예에서, 잉크 충전 그루브가 태양 전지의 표면과 접촉할 때, 잉크 내의 용매가 제거될 수 있도록 태양 전지가 가열된다. 따라서, 잉크는 그라비아 인쇄 롤이 태양 전지를 가로 질러 롤링함에 따라 증착될 것이다. 몇몇 구체예에서, 그라비아 인쇄 롤은 더 나은 증착을 허용하기 위해 용매 제거 공정을 용이하게 하도록 가열될 수 있다. 일부 구체예에서, 자외선 경화 잉크가 사용된다. 그라비아 인쇄 롤이 태양 전지 위로 이동함에 따라, 잉크가 태양 전지 상에 증착되도록 잉크를 경화시키기 위해 자외선이 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 구체예에 따라 그라비아 인쇄 공정을 개념적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 공정(1000)은 그라비아 인쇄 롤(902) 및 분배 노즐(1004)을 사용하여 태양 전지(1008) 상에 ETC(1006)의 패턴을 형성한다. 그라비아 인쇄 롤(1002)이 태양 전지(1008)를 가로 질러 롤링함에 따라, 분배 노즐(1004)은 그라비아 인쇄 롤(1002)의 하나 이상의 그루브(1010)를 채우도록 구성된다. 동시에, 상기 기술된 것들과 같은 경화 메커니즘을 사용하여, 충전된 그루브 내의 전도성 잉크를 태양 전지(1008) 상에 증착시켜 ETC(1006)를 형성할 수 있다.
상기 설명은 본 발명의 많은 특정 구체예를 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되고, 본 발명의 일 구체예의 예로서 해석되어야 한다. 그러므로 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 구체적으로 기술된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 구체예는 모든 면에서 제한적이 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 예시된 구체예가 아니라 첨부된 청구 범위 및 그 등가물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 효과적으로 투명한 콘택트(effectively transparent contact)를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법이
    광 흡수 표면을 제공하는 단계;
    몰드 스탬프(mold stamp)를 제공하는 단계로서, 상기 몰드 스탬프의 표면 중 하나가 복수의 그루브(groove)를 규정하는 단계; 및
    상기 몰드 스탬프를 사용하여 상기 광 흡수 표면 상에 효과적으로 투명한 콘택트를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    광-흡수 표면이 금속 콘택트를 포함하고,
    복수의 그루브가 상기 금속 콘택트의 주기성(periodicity)과 일치하는 주기성을 갖는 평행 그루브를 포함하며,
    상기 효과적으로 투명한 콘택트가 상기 금속 콘택트의 상부에 형성되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 효과적으로 투명한 콘택트가
    전도성 잉크를 금속 콘택트 상에 증착시키고;
    상기 전도성 잉크가 복수의 그루브 및 광 흡수 표면에 의해 형성된 중공 채널을 채우도록 몰드 스탬프를 상기 광 흡수 표면과 접촉하게 배치하고;
    상기 전도성 잉크를 경화시키고;
    상기 경화된 전도성 잉크가 상기 금속 콘택트 상에 남아 있도록 상기 몰드 스탬프를 제거함으로써 형성되는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    광-흡수 표면이 분기 패턴(branching pattern)의 금속 콘택트를 포함하며, 상기 금속 콘택트의 폭이 각각의 분기 포크(branching fork) 후 감소하고;
    복수의 그루브가 상기 금속 콘택트의 패턴과 일치하는 그루브를 포함하고;
    효과적으로 투명한 콘택트가 상기 금속 콘택트 상부에 형성되는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 효과적으로 투명한 콘택트가
    복수의 그루브를 전도성 잉크로 채우고;
    상기 채워진 복수의 그루브를 갖는 몰드 스탬프의 측면이 광 흡수 표면과 인접하도록 상기 몰드 스탬프를 상기 광 흡수 표면과 접촉하게 배치하고;
    상기 전도성 잉크를 경화시키고;
    상기 경화된 전도성 잉크가 상기 광 흡수 표면 상에 남아 있도록 상기 몰드 스탬프를 제거함으로써 형성되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 효과적으로 투명한 콘택트가
    복수의 그루브를 갖는 상기 몰드 스탬프의 측면이 광 흡수 표면과 인접하도록 상기 몰드 스탬프를 상기 광 흡수 표면과 접촉하게 배치하고;
    상기 복수의 그루브 및 상기 광 흡수 표면에 의해 생성된 체적을 전도성 잉크로 채우고;
    상기 전도성 잉크를 경화시키고;
    상기 경화된 전도성 잉크가 상기 광 흡수 표면 상에 남아 있도록 상기 몰드 스탬프를 제거함으로써 형성되는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 효과적으로 투명한 금속 콘택트를 형성시키는 것이 광 흡수 표면으로부터 몰드 스탬프를 제거한 후 경화된 전도성 잉크를 어닐링하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 복수의 그루브가 모세관 작용을 이용하여 전도성 잉크로 채워지는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 효과적으로 투명한 금속 콘택트를 형성시키는 것이 복수의 그루브 내부가 친수성이 되도록 몰드 스탬프에 대해 선택적 표면 처리를 수행하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 복수의 그루브가 모세관 작용과 압력 시스템의 조합을 사용하여 전도성 잉크로 채워지는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 압력 시스템이 복수의 그루브를 전도성 잉크로 채우기 위해 양압을 인가하는 방법.
  12. 제6항에 있어서, 전도성 잉크가 은 나노입자 잉크를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 전도성 잉크가 유리 입자를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 은 나노입자 잉크를 경화시키는 것이 상기 은 나노입자 잉크의 나노입자에 대해 조정되는 열 경화, 자외선, 전자기 방사선, 및 전류 인가로 이루어진 군으로부터 선택된 공정을 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 몰드 스탬프가 폴리디메틸실록산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 및 에틸렌-비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 복수의 그루브가 평행한 삼각형 그루브를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 복수의 그루브 중 적어도 하나가 적어도 2 대 1의 깊이 대 폭 비를 갖는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    광 흡수 표면이 텍스쳐링된 표면(textured surface)을 포함하고;
    몰드 스탬프가 폴리디메틸실록산으로 제조되며, 상기 폴리디메틸실록산은 폴리디메틸실록산의 탄성이 상기 광 흡수 표면의 상기 텍스쳐링된 표면을 보상하여 상기 몰드 스탬프와 상기 광 흡수 표면 사이의 접착을 촉진하도록 포뮬레이션되는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 효과적으로 투명한 콘택트가 21℃ 미만의 온도를 갖는 환경에서 형성되는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 몰드 스탬프가 그라비아-인쇄 롤(gravure-printing roll)을 포함하는 방법.
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