KR970007133B1 - 개량된 열안정성을 갖는 광전지 - Google Patents

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Description

개량된 열안정성을 갖는 광전지

여러가지 용도에, 특히 태양 에너지로부터 전기를 발생시키는데 광전지를 공급하는 것은 본 분양에 잘 알려져 있다. 이와같은 전지는 통상 매우 작으므로 일반적인 전기적 용도로 사용하기 위해서는 더 큰 그리드 또는 모듀울에 전기적으로 연결해야 한다. 이러한 광기전 모듀울을 생성시키는 일반적 방법은 전도성 금속 또는 금속합금으로 각 광전지의 앙면부분을 피복하여 전기 접점을 형성시키는 것이다. 다음 전기선을 이와같은 피복된 전지류의 전기접점에 납땜하여 전지를 일련적 또는 평행의 관련성을 가지고 연결하는 더 크고, 상호 연결되는 전지 그리드를 형성시킨다. (1) 소량의 유리를 함유하는 온 또는 은합금 또는 (2) 알루미늄으로 이루어지는 두꺼운 피막이 통상 광전지용 전기 접점으로서 사용된다. 몇가지 태양전지 제조방법에 있어서는, 태양 전지의 후 접점은 알루미늄으로 만들며 하부 실리콘을 노출시키는 윈도우 또는 개구를 갖는다. 이들 개구는 실리콘 기재에 접합되고 알루미늄 피막과 전기접점을 이루는 은/유리 피막으로 충전된다. 원도우를 충전하는 은피막의 조각은, 이들을 알루미늄층에 직접 접합시키는 것보다 동 전도체를 납땜 패드에 접합시키는 것이 훨씬 더 쉽고 더 유리하기 때문에 납땜 패드로 알려져 있다.

광기전 모듀울의 여러가지 통상적인 용도에서와 제조에 있어서, 규칙 또는 불규칙적 간격으로 전지를 연속고온으로 또는 열주기로 처리한다. 예를들면 다수-전지 모듀울의 제조에서 전형적으로 전지 가선(상호연결)을 따르는 에틸렌 이닐 아세테이트(EVA) 접합 공정에서, 전지를 약 45∼60분동안 약 150℃만큼 높은 온도에서 처리한다. 태양에너지의 생산에 사용될때 전지는 햇빛에 노출되는 주기동안은 열이올라가고 다음 밤에 다시 주위온도로 냉각된다. 다른 용도에 있어서는 가열과 냉각의 주기는 더욱 더자주 일어난다. 따라서, 이와같은 전지의 중요한 특성은 열 에이징, 특히 이들의 납땜 연결에 견디는 이들의 힘에 있다.

은 후막 전기 접점 또는 납땜 패드와 통상의 경사 또는 파형 납땜법에 의하여 사용되는 일반적인 전기 땜납을 함유하는 종래 광전지는 열 에이징을 받을때, 이들의 납땜 접합의 기계적 신뢰성이 불량하게 나타난다. 특히 63% 주석/37% 납 또는 62% 주석/36% 납/2% 은의 땜납을 사용하여 실뢰콘에 은/유리 후막을 형성시킨 접합체의 강도는 1시간동안 150℃의 온도에 노출시키면 80%이상이 분해된다. 이와같은 시간동안 이와같은 온도에 노출이 광기전 모듀울 제조하기 위하여 전지를 유리에 접합시키는데 대표적으로 요구되기때문에, 이러한 땜잡으로 만든 모듀울의 접합체는 근본적으로 약하다. 접합 강도의 분해는 광기전 모듀울의 정상 조작온도에서 더 계속될 것이다. 이러한 방법으로 만든 모듀울의 응력 시험을 하면 이들의 선능은 대표적인 사용에서 일어날 것으로 기대할 수 있는 온도 변화롤 포함하여, 모유울에 기계적 하중을 주는 조건하에서 비교적 빠르게 붕괴함을 나타낸다.

반도체 장치에서 납땜된 후막은-함유 전도체의 열분해 문제는 문헌에 기록되어 있고 서술되어 있다. 예를들면, 1980년 뉴욕, IEEE, 30th 전자 성분협회의 회보, PP.149∼166에서, 비. 이. 테일러, 제이. 제이. 펜텐과, 제이. 알. 레리에 의한, 저가 은 함유 후막 전도체의 기술과 공정에서, 저자는 세라믹 기재상의 축소 및 혼합된 회로의 이와같은 분해는 은/팔라듐 후막의 경우에, 통상의 주석/납 땜납 대신에 95% 주석/5% 은 땜납을 사용하므로서 감소시킬수 있음 보고했다. 그러나, 이러한 땜납은 특히 높은 융점을 갖기 때문에, 이의 주석 성분은 접합이 이루어지는 동안 후막에서 은을 용해시키는 경향이 있다. 따라서, 이러한 방법은 대조물인 은/팔라듐 후막 보다도 상당히 저렴한, 은을 주성분으로하는 후막을 납땜하는데 유용하지 못하다.

ISHM '89, ISHM, 1878, PP. 211∼219의 회보에서, 시. 알. 에스. 니드스와 제이. 피. 브라운에 의한, 최근 참고문헌 납땜된 후막 은-함유 전도체의 열-주기 접착강도에서 저자는 다음과 같이 결론지었다(P.215에): 은 전도체에 있어서, 가장좋은[열] 결과는 10Sn/88Pb/2Ag[의 땜납]으로 얻는다 참고문헌 ISHM P.215의 제7도에서는 알루미나 기재상의 은후막에서 10% 주석, 88% 납과 2% 은을 함유하는 땜납은 96% 주석과 4% 은의 땜납과 비교하여 우수한 열-주기 접착강도를 가짐을 명백히 나타내고 있다. 96Sn/4Ag 땜납은 200이하의 열주기후에 뚜렷한 열화를 나타내기 시작하여, 반면에 10Sn/88Pb/2Ag 땜납을 사용하여 제조한 땜납 접합체는 약 500∼600열주기까지는 열화를 뚜렷하게 나타내지 않는다. 진술한 참고자료는 여기에 참고적으로 혼입한다.

따라서 본 분야의 문헌에는 광전지용 은 또는 은 합금 후막 접점 또는 납땜 패드상에 현저한 비율의 주석을 함유하는 주식/은 땜납을 사용하지 않음을 기재하고 있다. 문헌에는 주석/은 땜납이 은의 침출 또는 청소, 측 상승된 온도에서 용융된 땜납에 은후막이 용해하는 경항에 의하여 최소한 부분적으로 문제가 야기됨을 나타내고 있다. 침출문제를 극복하기 위하여 더 높은 대율의 음을 갖는 더 두끼운 은 막 또는 땜납을 사용하는 것은 기술적으로 고려해서는 물론 은이 비교적 고가이기때문에 비현실적이거나 비경제적이다.

상기한 바와같이, 은/펠라듐 후막은 은만 사용하는 것보다 훨씬 더 비용이 많이 든다. 더우기, 납은 독성을 갖기때문에 상기에서 인용한 니드스와 브라운에 의하여 제시된 주석/납/은 땜납의 실용성은 제한을 갖는다.

또한 본 분야의 문헌에서는 주석과 은 사이에 금속간 화합물이 형성되므로서, 이러한 화합물이 담약한 것으로 알려져 있기 때문에 최소한 부분적으로 열 불안정성의 문제를 야기 시킬수 있음을 나타내고 있다. 이들 화합물은 땜납이 용융되는 동안 만은 형성 될수 없고, 언제든지 땜납은 상승된 온도에 있다. 이들 화합물의 몇몇은 실온에서도 서서히 형성된다. 이들 금속간 화합물은 유리와 금속 표면층으로 확산하는 땜납에서 주석과 결과 임을 나타내는 것이다. 이들 화합물은 담약하기 때문에 낮은 응력수준에서는 금속화가 일어나지 않는다. 물론, 두 은 청소와 금속간 화합물 메카니즘중 하나에 대한 해결이 다른것을 더 악화시키기 때문에 문제에 대한 해결을 더욱 더 어렵게 하는 것을 예견할 수 있다.

예를들면, 한 연구자는 96% 주석/4% 은과 같은 높은 주석-함유 땜납을 사용하여 금속간 화합물 형성의 문제를 감소시키는 것을 보고했다. 그 설명은 96Sn/4Ag 땜납이 62% 주석, 36% 납과 2% 은으로 구성되는 땜납보다 현저하게 더 높은 융점을 가지므로 주석을 더 강하게 땜납에 접합시키므로서 확산을 감소시킨다는 것이었다. 한편, 상기에서 인용한 니드스와 브라운 참고문헌에 기록된 자료는 높은 주석함량과 96Sn/4Ag의 높은 융점은 은청소 메카니즘으로 인하여 땜납 결합체의 증가된 열 분해를 유도할 수 있음을 나타낸다. 따라서 종래에는 은 금속화 광전지에 대한 땜납 결합체의 열 에이징에 관한 문제에 대하여 선명한 해결을 제공하지 못했다.

종래의 이와같은 결합을 본 발명에서 극복했다.

본 발명의 첫째 목적은 우수한 열에징성을 갖는 광전지를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 둘째 목적은 주석/은 땜납을 사용하여 전기적으로 서로 연결되고 열분해에 의하여 우수한 내성을 나타내는 은 후막을 갖는 광전지를 제공하는데 있다.

본 발명의 세째 목적은 후막-기재 결합체의 분해 없이 주석/은 땜납을 사용하여 광전지의 은 후막접점을 납땜하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 네번째 목적은 태양에너지에서 전기를 생상하는데 특수한 용도를 갖는 상호 연결된 광전지의 경제적 및 고-성능 뱅크를 공급하는데 있다.

본 발명의 이와같은 목적과 이점은 다음 설명으로 명백해 질것이다.

은 또는 은합금 후막 전극 도는 납땜 패드 피막을 갖는 광전지는 아주 우수한 열 에이징성을 가져오는 방법으로 주석/은 땜납을 사용하여 상호 연결될 수 있음을 알수 있다. 본 발명에 유용한 땜납은 상화성, 휘발성의 융제를 함유하는 땜납 페이스트의 형태로 은 후막에 접합되는 약 96% 주석/4% 은 내지 약98% 주석/2% 은 범위의 주석과 은의 조합물이다.

비교적 대량인 주석과 비교적 소량인 인을 함유하는 땜납 페이스트는 본분야에 잘 알려져 있고 몇몇 제조업자에 의하여 시판되고 있다. 예를들면, 96주석/4은 Xersin 2005로서 미국 뉴욕 웨스트베리에 소재하는 멀티코어 회사에 의하여 제조된, 합성융제에 약 96% 주석과 4% 은을 함유시킨 땜납 페이스트가 있다. 일반적으로 본 발명과 관련하여 유용한 땜납 페이스트는 사전-합금된 땜납 분말과 융제의 균질한 안정성 혼합물이다. 통상 이들은 땜납 분말의 침강을 방지하기위하여 특수 융제 또는 겔화 첨가제를 혼합시킨다.

본 발명을 실시하는데 사용되는 납땜 페이스트는 크리임상, 페이스트와 같은 경점성을 갖고 땜납 합금, 융제, 입자형성, 입자크기, 융제 함량과 점도를 조합한 넓은 범위로 사용하기가 쉬워야 한다. 본 분야의 문헌에서는 혼합회로와 프린트된 회로판에 장치가 설치된 면을 납땜하는데 그 용도가 증가되고 있음을 나타내고 있다. 땜납 페이스트의 라인을 설명한, 멀티코어 회사의 제품회보에서 명칭 땜납 크리임에서는 96.3Sn/3.7Ag 땜납 페이스트가 높은 유림의 납-유리 연결체를 필요로하는 특수 용도를 갖는 것을 나타내고 있다. 그러나 문헌에서는 은 또는 은 합금 후막 형태로 있는 광전지의 땜납 패드 또는 접점에 전도체를 연결시키는 이와같은 땜납 페이스트의 특별한 실용성에 관한 인정은 나타나 있지 않다.

또한 본 분야의 문헌에 땜납 페이스트와 상화성을 갖고 땜납분말이 현탁액으로 유지되도록 계획된 여러가지의 천연 및 합성 융제가 기재되어 있다. 상기 언급한 멀티코어 회사의 제품 회보에는 이러한 땜납 페이스트를 조성하는데 사용될 수 있는 열한가지형의 융제를 예를들어 열거하고 있다. 매우 높은 산화성 용도를 갖는, 멀티코어 회사, 회보에서 추천한 상표 Xerin 2005하에 판매되고 있는 합성융제와 군용 및 전문 전자품용으로 추천된 유연한 활성의 호진 융제는 본 발명에 따라 사용할때 우수한 열에이징성을 갖는 것으로 입증되었다. Xersin은 접합후무 부식성 잔재를 제거하는 장점을 가지며, 그러나 이는 96% Sn 땜납에 의하여 은의 습윤을 특히 양호하게 촉진시키지는 않는다. 한편, 멀티코어 회사 회보에는 RMA 융제는 우수한 습윤을 촉진하나, 전지뒤에 남을 약간의 이온성분을 갖는다. 그러나 융제의 선택은 본 발명에 있어서 임계적인 것으로 생가되지 않는다. 주석/은 땜납과 상화성을 갖는 것으로 인정된 천연 또는 합성 융체는 본 발명의 범위에 들어갈 것이다.

본 발명을 더좋게 이해하기 위하여 다음 실시예를 예시한다. 이들 실시예는 본 발명을 대표적으로 구체화한 것뿐이고 본 발명의 범위 또는 분야를 한정적으로 나타낸 것은 아니다.

광기전 실리콘 전지에 실리콘 기재를 커버하는 알루미늄층을 함유하는 후 접점을 갖도록하고 여기서 알루미늄층은 하부 실리콘과 직접 접촉하여 은/유리 땜납 패드로 충전되는 윈도우를 갖는다. 또한 태양전지는 이들 전면에 질화규소 반사방지(AR) 피막을 갖고, AR 피막을 침투하여 이와 음 접점을 이루도록 전면에 융합되는 은/유리 조성물로 이루어지는 전면 그리드-형 접점을 갖는다. 은 납땜 패드와 전면 그리드-형 은 접점은 약 17∼20미크론의 두께를 갖는 후막으로 이루어진다. 다수-전기 모듀울을 형성하도록 멀티코어회사에 의하여 제조된 96 주석/4 은 Xersin 2005땜납 페이스트를 사용하여 동 리본을 갖는 다른 유사한 전기에 각 전지의 은 전면 그리드 접점과 은 후면 납땜 패드를 전기적으로 서로 연결시킨다. 페이스트 투여기로서 주사기를 사용하여 각 은 후막상에 주위된도 즉 25℃에서 땜납 페이스트를 접합시킨다. 통상적인 제조에 있어서는 매샤츄세츠, 하버힐에 소재하는, 캐멀롯 시스템회사에 의하여 제조된 CAM/ALOT투여 장치와 같은 자동 투여기를 사용하여 땜납 페이스트를 전지에 기계적으로 접합시킨다. 납땜을 행하는데는, 내열 전극 또는 열품분사를 사용하여 페이스트를 원위치에서 가열한다. 가열하는 동안, 주로 펜타에리트리틀테트라-벤조에이트(펜토에이트)로 이루어지는 Xersin 2005융제를 제거하고 땜납의 금속성분을 은막과 동 전도체에 융합시킨다. 상술한 방법으로 제조된 다수-전지를 다음 시험 비교예에서 사용한다.

실시예 2

실시예 1에 서술된 방법으로 제조한 은 후막 광전지를 갖는 모듀울을 통상의 담금-납땜법과 약 96% 주석/4% 은을 함유하는 땜납 중탕을 사용하여 제조된 유사한 모듀울과 비교한다. 본 발명에 따라 제조된 모듀울(실시예 1)의 전지 접점에서 최초 접합 강도는 평균 1.68ℓb이었고, 반면에 담금-납땜을 사용하여 제조한 모듀울의 평균 접합 강도는 단지 0.48ℓb이었다. 이 실시예는 에이징 또는 부가적 열응력을 받기전이라도, 본 발명에 따라 제조된 광전지 모듀울이 통상의 담금-납땜에 의하여 접합되는 동일한 땜납 조성물을 사용하여 제조된 모듀울에 비하여 전기 접점에서 우수한 접합 강도를 나타냄을입증한다.

실시예 3

이 실시예는 실시예 1에 서술된 방법으로 제조된 모유울의 안정성을 (a) 통상의 담금 방법과 (b) 모듀울을 이르는 몇몇 전지를 상호 연결하는 약 96% 주석/4% 은을 함유하는 땜납 중탕을 사용하여 제조된 유사한 모듀울과 시간과 상승 온도에서 비교한다. 실시예 1에 따라 제조된 모유울의 시험은 150℃에서 45분후 전지 접점에 땜납 접합의 분해나 실제적으로 나타나지 않았다.

이러한 결과를 보면, 실시예 1에 따라 제조된 모듀울의 시험은 150℃에서 63시간까지 확장된다. 기본적(과 극단적)으로 가정하여 분해 속도가 온도로 매 10℃씩 상승으로 두 배가 되는 것이 정확하다면 이 시험은 예정된 조작 조건하에서 30년과 동일하다. 시험에서 시험기간의 종료가까이 까지 일어나는 현저한 분해는 나타나지 않았다. 시험 종료시에, 접합체의 100%는 2.25ℓb 이상이었고, 평균적으로 0.70ℓb이었다. 시험기간이 135시간의 두배이상 이었을때, 접합체의 89%는 최초 벗김 강도에 대한 본 발명의 기준을 통과했다.

대조적으로, 통상의 담금-납땜방법과 96% 주석/4% 은 땜납중탕을 사용하여 제조한 모듀울을 동일하게 시험할때, 접합율은 시험초기에는 안정성을 가졌으나, 150℃에서 16시간후에 단 3%으로 떨어졌다. 이 실시예는 종래 모듀울과 비교하여 본 발명에 의하여 제조된 광전지 모듀울의 안정성이 놀랍고도 완전히 기대하지 못한 우수함을 입증한다.

이와같은 시험을 기초로하여 볼때, 본 발명의 땜납 페이스트 조성물을 사용하여 제조된 광전지 모듀울은 약 150℃의 온도에서, 통상의 담금-납땜방법과 약 96% 주석/4% 은을 함유하는 땜납중탕을 사용하여 제조한 모듀울보다 200배 만큼이나 더 긴 이들의 접합강도를 유지하게 된다.

또한, 본 발명에서는 이러한 용도에서 접합강도를 가장 좋게 유지하는 조성물의 범위를 조사했으며,이는 비교적 좁은 것을 알았다. 이와같은 관찰을 기준으로하여 볼때, 최적의 성능은 96% 주석/4% 은과 98% 주석/2% 은 사이에 있음을 알았다.

여기서 사용된 은 접점이란 술어는 태양전지의 전후면상의 전체 적극 또는 적극들과, 다른 금속으로 이루어지는 접점에 대하여 납땜 패드로서 작용하는 이들 부재를 뜻하고 포함한다. 따라서, 예를들면 은 접점이란 술어는 알루미늄 후면 태양전지 접점의 윈도우를 충전하고 이와 연관되는 은 납땜 패드와 은/프릿 그리드-형 전면 접점을 포함한다. 또한, 술어 은막과 은피막은 은으로 전체적으로 또는 주로 구성되는 막 또는 피막을 뜻한다. 이들 술어는 90∼100wt% 은과 0∼10wt%의 알루미늄과/또는 니켈을 갖는 막을 포함하는 것이다. 상기 본 발명의 설명은 단지 예시적인 것이고, 본 발명의 범위에 벗어나지 않으면 기타 구성과 변경을 가할 수 있음을 본 분양의 전문가는 이해 할 것이다.

Claims (13)

1. 전후면과 이전후면상의 전기-전도성 후막은 접점을 갖는 실리콘 기재, 와이어 수단, 이 와이어수단을 상기 은접점중 하나에 접합시키는 약 96% 주석/4% 은 내지 98% 주석/2% 은으로된 주석과 은 땜납을 갖는 광전지로 조합하여 이루어짐을 특징으로하는 장치.
2. 제1항에 있어서 땜납을 사용하여 상기 와이어수단을 상기 최소한 하나의 은 접점에 접합시킬때 이 땜납이 페이스트 형태이고, 이 페이스트-상화성 융제를 함유함을 특징으로하는 장치.
3. 실리콘기재, 은을 함유하는 최소한 하나의 전기 접점과 약 96% 주석/2% 은으로된 땜납 페이스트로 상기 접점에 접합시킨 와이어로 이루어짐을 특징으로하는 광전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 은접점이 프릿을 함유함을 특징으로하는 광전지.
5. 제3항에 있어서. 상기 땜납을 신용하여 상기 와이어를 상기 전기 접점에 접합시킬때 상기 땜납이 융제를 함유하는 페이스트 형태임을 특징으로 하는 광전지.
6. 전지상의 후막은 접점에 접합된 와이어 수단에 의하여 전기적으로 연결되는 다수의 실리콘 광전지에 있어서, 주석과 은 땜납 페이스트를 사용하여 상기 와이어 수단을 상기 접점에 접합시킴을 특징으로 하는 상기 광전지.
7. 제6항에 있어서, 상기 땜납 페이스트가 약 96% 주석/4% 은 내지 약 98% 주석/2% 은으로 이루어짐을 특징으로하는 광전지.
8. (a) 은-후막으로 실리콘 기재의 일부를 피복하여 최소한 하나의 전기 접점을 형성시키고, (b) 상기 땜납 페이스트와 전기 전도성 와이어를 접촉시키고, (d) 상기 땜납 페이스트의 주석과 은 성분이 상기 와이어와 전기 접점사이에서 접합체를 형성하는데 충분한 시간과 온도에서 상기 땜납 페이스트를 가열함을 특징으로하는 방법에 의하여 제조하는 실리콘 광전지.
9. 제8항에 있어서, 상기 땜납 페이스트가 약 96% 주식/4% 은 내지 약 98% 주석/2% 은으로 이루어짐을 특징으로하는 광전지.
10. 제9항에 있어서, 상기 땜납 페이스트가 상화성 융제를 더 함유함을 특징으로하는 광전지.
11. (a)은 막으로 상기 전지의 실리콘 기재의 최소한 한 면을 피복하여 각 기재에 최소한 하나의 은-함유 전지 접점을 형성시키고, (b) 주위 온도에서 상기 최소한 하나의 은-함유 전기 접점에 주석과 은땜납을 사용하고, (c) 상기 최소한 하나의 은-함유 전기 접점과 전기전도성 와이어를 상기 땜납으로 물리적으로 접촉시키고 이 땜납을 가열하여 상기 페이스트의 주석과 은성분이 상기 와이어와 전기 접점사이에서 집합체를 형성함을 특징으로하는 개량된 열 안정성울 갖는 실리콘 광전지의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 땜납 페이스트가 약 96% 주석/4% 은 내지 약 98% 주석/2% 은으로 이루어짐을 특징으로하는 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 땜납 페이스트가 상화성 융제를 더 함유함을 특징으로하는 제조방법.