KR101250139B1 - 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, pn 접합부를 갖는 반도체 기판(1)과, 반도체 기판(1)의 이면에 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)을 구비하고, 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)이 중첩되어 있는 중복 영역(9)을 갖고, 은 전극(4)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는 알루미늄 전극(5)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상인 태양 전지 및 그 태양 전지의 제조 방법이다.

Description

태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법{SOLAR BATTERY AND SOLAR BATTERY MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 제조 비용을 억제하면서, 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성을 우수한 것으로 할 수 있는 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 자원의 고갈의 문제나 대기 중의 CO2의 증가와 같은 지구 환경 문제 등으로부터 깨끗한 에너지의 개발이 요망되고 있고, 특히 태양 전지를 사용한 태양광 발전이 새로운 에너지원으로서 개발, 실용화되어, 발전의 길을 걷고 있다.
도 9에, 종래의 일반적인 태양 전지의 모식적인 단면도를 도시한다. 여기서, 도 9에 도시한 바와 같이, 종래의 태양 전지는, p형의 실리콘 기판(11)의 수광면에는 n+층(12)이 형성되어 있고, n+층(12) 상에는 반사 방지막(13)과 은 전극(16)이 형성되어 있다. 또한, 실리콘 기판(11)의 이면의 일부에는 p+층(17)이 형성되어 있고, p+층(17) 상에는 알루미늄 전극(15)이 형성되어 있다. 또한, 실리콘 기판(11)의 이면의 p+층(17) 이외의 영역에는 은 전극(14)이 형성되어 있다.
도 10에, 도 9에 도시한 구성의 종래의 태양 전지의 제조 방법의 일례의 흐름도를 나타낸다. 우선, 스텝 S1에 나타낸 바와 같이, p형의 실리콘 기판(11)을 준비한다. 다음에, 스텝 S2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 표면을 에칭함으로써, 데미지층의 제거 등을 행한다.
다음에, 스텝 S3에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 한쪽의 표면인 수광면에 n형 도펀트를 확산시킴으로써 n+층(12)을 형성하고, n+층(12) 상에 반사 방지막(13)을 형성한다.
다음에, 스텝 S4에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 수광면과는 반대측의 이면에 은 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 인쇄하여, 150℃ 내지 200℃ 정도의 온도에서 건조시킨다.
다음에, 스텝 S5에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 이면의 은 페이스트의 인쇄 개소 이외의 개소의 대략 전체에 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 인쇄하여, 150℃ 내지 200℃ 정도의 온도에서 건조시킨다. 이때, 알루미늄 페이스트는, 은 페이스트의 일부와 중첩되도록 하여 인쇄된다.
다음에, 스텝 S6에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 수광면의 반사 방지막(13) 상에 은 페이스트를 패턴 형상으로 스크린 인쇄법에 의해 인쇄한 후에, 150℃ 내지 200℃ 정도의 온도에서 건조시킨다.
다음에, 스텝 S7에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 수광면측의 은 페이스트 및 이면측의 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트를 700 내지 750℃에서 소성함으로써, 실리콘 기판(11)의 수광면측에 은 전극(16)이 형성되고, 실리콘 기판(11)의 이면에 은 전극(14) 및 알루미늄 전극(15)이 형성된다.
또한, 상기의 소성시에 알루미늄 페이스트가 p형 도펀트로서 작용함으로써, 실리콘 기판(11)의 이면에 p+층(17)이 함께 형성되어, 태양 전지의 전기 특성의 향상에 크게 기여하고 있다. 이상에 의해, 도 9에 도시한 구성의 종래의 태양 전지가 완성된다.
도 11에, 상기와 같이 하여 제조한 도 9에 도시한 구성의 종래의 태양 전지에 인터커넥터를 접속하여 형성한 인터커넥터를 갖는 태양 전지의 모식적인 단면도를 도시한다. 여기서, 도 11에 도시한 구성의 인터커넥터를 갖는 태양 전지는, 상기와 같이 하여 제조한 종래의 태양 전지를 복수 준비하고, 태양 전지의 수광면측의 은 전극(16) 상에 인터커넥터(18)의 일단부를 세트함과 함께 다른 태양 전지의 이면측의 은 전극(14) 상에 인터커넥터(18)의 타단부를 세트하고, 인터커넥터(18), 은 전극(14) 및 은 전극(16)에 플럭스를 도포한 후에 이들을 밀착시킨 채 가열함으로써 형성할 수 있다.
그리고, 도 11에 도시한 구성의 인터커넥터를 갖는 태양 전지를 복수 제조한 후에, 그 복수의 인터커넥터를 갖는 태양 전지를 직렬 또는 병렬로 접속함으로써 태양 전지 모듈이 제조된다.
최근에는, 이와 같이 실리콘 기판의 수광면측의 은 페이스트 및 이면측의 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트를 동시에 소성하는 방식의 태양 전지가 주류로 되어 오고 있지만, 실리콘 기판의 수광면측의 은 페이스트와 이면측의 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트를 각각 개별로 소성하는 방식도 종래부터 채용되고 있다.
또한, 종래에 있어서는, 태양 전지에 땜납 코팅을 행한 후에 인터커넥터의 접속을 행하고 있었지만, 최근에는, 상기와 같이 태양 전지에의 땜납 코팅을 생략하는 방식이 주류로 되어 오고 있고, 이 방식을 채용한 경우에는, 인터커넥터의 표면에 코팅되어 있는 땜납을 활용하고 있다.
일본 특허 공개 제2001-127317호 공보 일본 특허 공개 제2006-351530호 공보
최근, 특히 주목받고 있는 태양 전지 업계에 있어서는, 태양 전지의 신뢰성을 희생하지 않고, 태양 전지의 전기 특성을 향상시키는 기술이 요망되고 있다. 또한, 최근 태양 전지의 생산량의 성장과 함께 판매 경쟁의 격화가 매우 현저한 형태로 되어 나타나 있어, 전기 특성뿐만 아니라 코스트 퍼포먼스에 대해서도 우수한 태양 전지를 시장에 제공하는 것이 요망되고 있다.
일반적으로, 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 전기 특성은, 전기 저항 성분의 다과(多寡)에 기인하는 일이 많다. 특히, 필 팩터(F.F.)는, 태양 전지의 양면에 각각 형성되는 은 전극의 전구체로 되는 은 페이스트의 조성 및 알루미늄 전극의 전구체로 되는 알루미늄 페이스트의 조성 혹은 이들의 조합, 나아가 은 전극과 인터커넥터와의 전기적 접속 등에 기초하는 전기 저항 성분의 다과에 크게 기인하고, 그 중에서도 은 페이스트의 조성 및 성상(性狀)에 의한 부분이 매우 크다.
은 페이스트는, 일반적으로, 은 입자, 유리 프릿(glass frit) 등의 유리 성분, 수지나 비히클 등의 유기 바인더, 그 밖의 무기 첨가물 및 유기 용제 등에 의해 구성된다. 실리콘 기판의 수광면 및 이면의 각각에 인쇄되는 은 페이스트의 조성에 대해서는 양산성이 우수한 스크린 인쇄법을 활용할 수 있도록 하는 것 등의 공통점도 많지만, 은 페이스트가 가져야 할 기능성의 차이로부터 실리콘 기판의 수광면에 인쇄되는 은 페이스트와 이면에 인쇄되는 은 페이스트에서는 각각 서로 다른 조성으로 되어 있다.
실리콘 기판의 수광면 및 이면을 불문하고, 소성 후의 은 전극 자체의 전기 저항을 낮게 하기 위해서는 은 입자의 배합 비율을 증대시키는 것이 바람직하지만, 단순히 은 입자의 배합 비율을 증대시킨 것만으로는, 은 페이스트 중의 유리 성분의 배합 비율이 감소하게 되고, 그 경향이 과대해진 경우에는 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도의 악화에 이른다. 또한, 은 입자의 배합 비율을 증대시켜 감에 따라서, 재료 비용면에서도 상대적으로 고가가 되는 것은 용이하게 상상할 수 있다.
또한, 은 페이스트 중의 유리 성분은, 상기와 같은 소성 공정을 거침으로써 전극 표면 근방에 국재(局在)화되는 경향이 있고, 실리콘 기판의 수광면측의 전극 표면에 있어서의 유리 성분의 국재화는 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도를 향상시키도록 작용하지만, 실리콘 기판과 반대측의 전극 표면에의 유리 성분의 국재화는 후공정인 은 전극에의 인터커넥터의 장착성을 악화시키는 방향으로 작용한다.
즉, 은 페이스트 중의 유리 성분의 배합 비율을 감소시키는 것은 일반적으로는 인터커넥터의 장착성을 향상시키는 방향으로 작용하지만, 동시에 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도가 저하되는 방향으로도 작용한다. 한편, 은 페이스트 중의 유리 성분의 배합 비율을 증대시키는 것은 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도를 향상시키는 방향으로 작용하지만, 동시에 인터커넥터의 장착성을 악화시키는 방향으로도 작용한다.
또한, 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도를 향상시키기 위해 소성 온도를 고온화한 경우에는, 유리 성분의 전극 표면에의 국재화가 촉진되기 때문에, 인터커넥터의 장착성이 저하되는 방향으로 작용한다. 나아가, 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도의 저하 및 인터커넥터의 장착성의 저하는 해당 부분에서의 전기적인 접촉 불량에도 직결되기 때문에, 태양 전지 모듈의 전기 특성이나 신뢰성에도 악영향을 미친다.
특히, 이면의 은 전극을 형성하기 위한 은 페이스트의 조성을 결정하는 데 있어서는, 은 전극 그 자체의 전기 저항뿐만 아니라, 은 전극과 알루미늄 전극과의 중복 영역에서 발생하는 전기 저항을 저하시킴으로써 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 전기 특성을 향상시키면서, 실리콘 기판과 은 전극과의 접착 강도를 향상시킴과 함께, 인터커넥터의 장착성을 향상시켜 태양 전지 모듈의 신뢰성을 손상시키지 않는 것이 필요하게 된다.
또한, 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트에는, 상기한 바와 같이, 유리 성분이 각각 함유되어 있지만, 유리 성분의 조성 및 연화점 등의 특성에 대해서는 은 페이스트 내지 알루미늄 페이스트의 평가에 따라 태양 전지에의 적응성이 판단되어 왔다(일본 특허 공개 제2001-127317호 공보, 일본 특허 공개 제2006-351530호 공보). 그러한 경위로부터, 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트의 유리 성분에 대해서는 서로 상관이 없고, 그 조성이나 성상이 서로 다른 경우가 많아, 은 전극과 알루미늄 전극이 혼재되는 태양 전지의 이면의 전기 저항이 증대되는 한 요인으로 되고 있었다.
상기의 사정을 감안하여, 본 발명의 목적은, 제조 비용을 억제하면서, 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성을 우수한 것으로 할 수 있는 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, pn 접합부를 갖는 반도체 기판과, 반도체 기판의 이면에 은 전극과 알루미늄 전극을 구비하고, 은 전극과 알루미늄 전극이 중첩되어 있는 중복 영역을 갖고, 은 전극에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는 알루미늄 전극에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상인 태양 전지이다.
또한, 본 발명은, 상기의 태양 전지를 제조하는 방법이며, 반도체 기판의 이면에 은 전극의 전구체로 되는 은 페이스트를 도포하는 공정과, 반도체 기판의 이면에 알루미늄 전극의 전구체로 되는 알루미늄 페이스트를 도포하는 공정과, 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트를 소성하는 공정을 포함하고, 은 페이스트에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는, 알루미늄 페이스트에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상인 태양 전지의 제조 방법이다.
본 발명에 따르면, 제조 비용을 억제하면서, 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성을 우수한 것으로 할 수 있는 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 태양 전지의 일례의 모식적인 단면도.
도 2는 도 1에 도시한 구성의 태양 전지의 이면의 모식적인 평면도.
도 3은 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례의 제조 공정의 일부를 도해하는 모식적인 단면도.
도 4는 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례의 제조 공정의 다른 일부를 도해하는 모식적인 단면도.
도 5는 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례의 제조 공정의 다른 일부를 도해하는 모식적인 단면도.
도 6은 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례의 제조 공정의 다른 일부를 도해하는 모식적인 단면도.
도 7은 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례의 제조 공정의 다른 일부를 도해하는 모식적인 단면도.
도 8은 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례의 제조 공정의 다른 일부를 도해하는 모식적인 단면도.
도 9는 종래의 일반적인 태양 전지의 모식적인 단면도.
도 10은 도 9에 도시한 구성의 종래의 태양 전지의 제조 방법의 일례의 흐름도.
도 11은 도 9에 도시한 구성의 종래의 태양 전지에 인터커넥터를 접속하여 형성한 인터커넥터를 갖는 태양 전지의 모식적인 단면도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 본 발명의 도면에 있어서, 동일한 참조 부호는 동일 부분 또는 상당 부분을 나타내는 것으로 한다. 또한, 본 발명에 있어서는, 태양 전지로서 사용한 경우에, 태양광이 주로 입사하는 측의 반도체 기판의 표면을 수광면으로 하고, 수광면의 반대측의 반도체 기판의 표면을 이면으로 한다.
도 1에, 본 발명의 태양 전지의 일례의 모식적인 단면도를 도시한다. 여기서, 도 1에 도시한 구성의 태양 전지는, 예를 들어 p형의 실리콘 기판으로 이루어지는 반도체 기판(1)의 수광면에 n+층(2)이 형성되고, 반도체 기판(1)의 수광면의 반대측으로 되는 이면의 일부에 p+층(7)이 형성된 구성을 갖고 있다. 또한, 이 예에 있어서는, 반도체 기판(1)은 p형이고, n+층(2)은 n형인 것으로부터, 반도체 기판(1)의 p형의 내부 영역과 n형의 n+층(2)과의 계면이 pn 접합부(p형 반도체와 n형 반도체와의 접합부)로 되어 있지만, 본 발명에 있어서는, 이 구성에 한정되는 것은 아니다.
또한, 반도체 기판(1)의 수광면의 n+층(2) 상에는 반사 방지막(3) 및 은 전극(6)이 형성되어 있고, 반도체 기판(1)의 이면의 p+층(7) 상에는 알루미늄 전극(5)이 형성되고, 반도체 기판(1)의 이면의 p+층(7)이 형성되어 있지 않은 영역에는 은 전극(4)이 형성되어 있다. 여기서, 반도체 기판(1)의 이면에 있어서는 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)이 중첩되어 있는 영역인 중복 영역(9)이 형성되어 있다.
도 2에, 도 1에 도시한 구성의 태양 전지의 이면의 모식적인 평면도를 도시한다. 여기서, 태양 전지의 반도체 기판(1)의 이면의 대략 전체면에 알루미늄 전극(5)이 형성되어 있음과 함께, 은 전극(4)이 섬 형상으로 형성되어 있다.
또한, 은 전극(4)의 길이 방향에 있어서, 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5) 사이에는 전극이 형성되어 있지 않고, 반도체 기판(1)의 이면이 노출되어 있는 영역인 노출 영역(10)이 형성되어 있다. 또한, 은 전극(4)의 길이 방향에 직교하는 방향으로는, 상기의 중복 영역(9)이 형성되어 있다.
여기서, 예를 들어 후술하는 바와 같이, 반도체 기판(1)의 이면의 은 전극(4)은, 은 입자와 유리 성분을 포함하는 은 페이스트를 소성함으로써 형성되고, 알루미늄 전극(5)은, 알루미늄 입자와 유리 성분을 포함하는 알루미늄 페이스트를 소성함으로써 형성되기 때문에, 은 전극(4) 및 알루미늄 전극(5)에는 각각 예를 들어 유리 프릿 등의 유리 성분이 포함되게 되지만, 본 발명에 있어서는, 은 전극(4)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도가 알루미늄 전극(5)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상으로 되어 있다(즉, 은 전극(4)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도가, 알루미늄 전극(5)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도와 동일 또는 그것보다도 높게 되어 있음).
또한, 태양 전지의 이면에 있어서의 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)이 중첩되어 있는 영역인 중복 영역(9)은, 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)과의 전기적인 접촉을 취하기 위해 필요 불가결하지만, 중복 영역(9)에 있어서는, 소성 공정에서의 고온화를 거침으로써 은과 알루미늄을 주로 포함하는 합금이 형성되어 그 합금이 전기 저항 성분으로서 작용한다.
이에 의해, 중복 영역(9)에 있어서는, 그 전기 저항 성분의 증대에 의해 태양 전지의 F.F.의 손실이 발생하게 되지만, 본 발명과 같이, 은 페이스트에 함유되는 유리 성분으로서 보다 고온의 유리 연화점 온도를 갖는 것을 선택함으로써, 은 페이스트 중의 은 입자의 배합 비율을 증대시키지 않고 중복 영역(9)에 있어서의 전기 저항을 저하시킬 수 있어, 인터커넥터의 장착 후의 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성을 우수한 것으로 할 수 있다. 나아가, 은 페이스트 중의 은 입자의 배합 비율의 증대를 억제할 수 있기 때문에, 고가인 은 입자의 사용량을 억제할 수 있고, 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 제조 비용도 억제할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 8의 모식적 단면도를 참조하여, 도 1에 도시한 구성을 갖는 태양 전지의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
우선, 도 3에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)을 준비한다. 또한, 이 예에 있어서는, 반도체 기판(1)으로서 p형의 실리콘 기판을 사용하고 있지만, 본 발명에 사용되는 반도체 기판은 p형의 실리콘 기판에 한정되지 않는 것은 물론이다.
다음에, 도 4에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)의 한쪽의 표면에 n+층(2)을 형성한다. 여기서, n+층(2)은, 예를 들어 인 등의 n형 도펀트를 열확산시키는 것 등에 의해 형성할 수 있다.
다음에, 도 5에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)의 n+층(2) 상에 반사 방지막(3)을 형성한다. 여기서, 반사 방지막(3)으로서는, 예를 들어 질화실리콘막 등을 사용할 수 있고, 예를 들어 플라즈마 CVD법 등에 의해 형성할 수 있다.
다음에, 도 6에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)의 n+층(2)이 형성된 측과 반대측의 표면에 은 페이스트(4a)를 도포한다. 여기서, 은 페이스트(4a)의 도포는, 예를 들어 스크린 인쇄법 등에 의해 행할 수 있다.
또한, 은 페이스트(4a)로서는, 예를 들어 은 입자와, 유리 성분과, 유기 바인더와, 유기 용제를 포함하는 구성의 것을 사용할 수 있다. 또한, 은 페이스트(4a)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는, 후술하는 알루미늄 페이스트(5a)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상으로 된다.
또한, 은 입자로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 태양 전지 분야에서 공지의 것을 사용할 수 있다. 또한, 은 입자의 형상으로서는, 예를 들어 구 형상, 인편 형상(flake-like shape) 또는 바늘 형상 등을 들 수 있다. 또한, 은 입자의 평균 입자 치수는, 작업성을 양호하게 하는 관점에서, 0.05㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 은 입자의 평균 입자 치수라 함은, 은 입자의 형상이 구 형상인 경우는 입자 직경의 평균값을 의미하고, 은 입자의 형상이 인편 형상 또는 바늘 형상인 경우에는 은 입자의 긴 직경(은 입자의 외표면의 임의의 2점을 연결하는 선분 중 가장 긴 길이)의 평균값을 의미한다.
또한, 유리 성분으로서는, 후술하는 알루미늄 페이스트(5a)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상의 유리 연화점 온도를 갖는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 B2O3-SiO2-PbO계, SiO2-Bi2O3-PbO계, B2O3-SiO2-Bi2O3계, B2O3-SiO2-PbO-ZnO계 또는 B2O3-SiO2-ZnO계 등의 종래부터 공지의 유리 프릿 등을 사용할 수 있다.
여기서, 은 페이스트(4a)의 유리 성분으로서는, 650℃ 이하의 유리 연화점 온도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하고, 600℃ 이하의 유리 연화점 온도를 갖는 것을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 은 페이스트(4a)의 유리 성분의 유리 연화점 온도가 650℃ 이하인 경우, 특히 600℃ 이하인 경우에는, 후술하는 소성 후의 은 전극과 인터커넥터와의 장착성이 향상되는 경향이 있기 때문에, 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성이 향상되는 경향이 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 유리 연화점 온도는, JIS R3103-01:2001의「유리의 점성 및 점성 정점(定点)-제1부: 연화점의 측정 방법」의 규격에 따라서 측정된 연화점을 의미한다.
또한, 유기 바인더도 특별히 한정되지 않고 종래부터 공지인 것을 사용할 수 있고, 예를 들어 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지 및 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등의 (메트)아크릴계 수지 등 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
또한, 유기 용제도 특별히 한정되지 않고 종래부터 공지인 것을 사용할 수 있고, 예를 들어 터피네올(α-터피네올, β-터피네올 등) 등의 알코올류 및 히드록시기 함유 에스테르류(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트, 부틸 카르비톨 아세테이트 등) 등의 에스테르류 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
또한, 은 페이스트(4a)에는, 상기의 은 입자, 유리 성분, 유기 바인더 및 유기 용제 이외의 성분도 포함되어 있어도 좋은 것은 물론이다.
다음에, 도 7에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)의 은 페이스트(4a)가 도포된 측의 표면에 은 페이스트(4a)의 일부와 중첩되도록 하여 알루미늄 페이스트(5a)를 도포한다. 여기서, 알루미늄 페이스트(5a)의 도포는, 예를 들어 스크린 인쇄법 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 알루미늄 페이스트(5a)는, 그 일부가 은 페이스트(4a)와 중첩되도록 하여 도포된다.
또한, 알루미늄 페이스트(5a)로서는, 예를 들어 알루미늄 입자와, 유리 성분과, 유기 바인더와, 유기 용제를 포함하는 구성의 것을 사용할 수 있다.
알루미늄 입자로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 태양 전지 분야에서 공지인 것을 사용할 수 있다. 또한, 알루미늄 입자의 형상으로서는, 예를 들어 구 형상, 인편 형상 또는 바늘 형상 등을 들 수 있다. 또한, 알루미늄 입자의 평균 입자 치수는, p형 실리콘 기판으로 이루어지는 반도체 기판(1)과의 반응성의 확보, 알루미늄 페이스트(5a)의 도포성 및 도포 균일성의 관점에서, 2㎛ 이상 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 알루미늄 입자의 평균 입자 치수라 함은, 알루미늄 입자의 형상이 구 형상인 경우는 입자 직경의 평균값을 의미하고, 알루미늄 입자의 형상이 인편 형상 또는 바늘 형상인 경우에는 알루미늄 입자의 긴 직경(알루미늄 입자의 외표면의 임의의 2점을 연결하는 선분 중 가장 긴 길이)의 평균값을 의미한다.
또한, 알루미늄 페이스트(5a)에 있어서의 유리 성분, 유기 바인더 및 유기 용제에 대한 설명은, 각각 상기의 은 페이스트(4a)에 있어서의 설명과 마찬가지이다.
또한, 알루미늄 페이스트(5a)에도, 상기의 알루미늄 페이스트 입자, 유리 성분, 유기 바인더 및 유기 용제 이외의 성분이 포함되어 있어도 좋은 것은 물론이다.
다음에, 도 8에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)의 반사 방지막(3) 상에 은 페이스트(6a)를 도포한다. 여기서, 은 페이스트(6a)의 도포는, 예를 들어 스크린 인쇄법 등에 의해 행할 수 있다.
또한, 은 페이스트(6a)로서는, 예를 들어 은 입자와, 유리 성분과, 유기 바인더와, 유기 용제를 포함하는 구성의 것을 사용할 수 있다.
여기서, 은 페이스트(6a)에 있어서의 은 입자, 유리 성분, 유기 바인더 및 유기 용제에 대한 설명은, 각각 상기의 은 페이스트(4a)에 있어서의 설명과 마찬가지이다.
또한, 은 페이스트(6a)에도, 상기의 은 입자, 유리 성분, 유기 바인더 및 유기 용제 이외의 성분이 포함되어 있어도 좋은 것은 물론이다.
또한, 상기에 있어서는, 은 페이스트(4a), 알루미늄 페이스트(5a) 및 은 페이스트(6a)의 순으로 도포를 행했지만, 이 순서에 한정되지 않는 것은 물론이다.
그 후, 반도체 기판(1)의 한쪽의 표면에 도포된 은 페이스트(6a) 및 다른 쪽의 표면에 도포된 은 페이스트(4a) 및 알루미늄 페이스트(5a)를 소성한다. 이에 의해, 은 페이스트(6a)는 반사 방지막(3)을 파이어 스루함으로써 n+층(2)과 접하여 도 1에 도시한 은 전극(6)으로 되고, 은 페이스트(4a) 및 알루미늄 페이스트(5a)는 각각 도 1에 도시한 은 전극(4) 및 알루미늄 전극(5)으로 된다. 이상에 의해, 도 1에 도시한 구성의 태양 전지를 제조할 수 있다.
여기서, 반도체 기판(1)의 한쪽의 표면에 있어서의 은 페이스트(6a) 및 다른 쪽의 표면에 있어서의 은 페이스트(4a) 및 알루미늄 페이스트(5a)는 동시에 소성되어도 좋고, 그 일부가 동시에 소성되어도 좋고, 각각 별개로 소성되어도 좋다.
또한, 예를 들어 은 페이스트(6a), 은 페이스트(4a) 및 알루미늄 페이스트(5a)를 각각 별개로 소성하는 경우에는, 그 소성의 순서는 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 최근에 있어서는, 시장으로부터의 증산 요청으로부터, 소성 조건에 있어서도 고속화가 진행되어 오고 있다. 즉, 종래의 소성 조건은, 예를 들어 피크 온도 600℃/매초 3mm 정도로 되어 있었지만, 최근의 소성 조건은, 예를 들어 피크 온도 750℃/매초 5mm 정도로 고속화되고 있다.
따라서, 최근의 소성 조건과 같이 소성시에 피크 온도가 750℃ 등의 고온의 조건에서는, 높은 연화점을 갖는 유리 성분을 사용한 경우에도, 그 유리 성분을 완전히 융해시킬 수 있다.
한편, 종래의 소성 조건과 같이, 피크 온도가 600℃ 등의 저온의 조건에서는, 높은 연화점을 갖는 유리 성분을 사용한 경우에는, 그 유리 성분을 완전히 융해하지 않고, 융해 부분과 미융해 부분이 병존해 버리기 때문에, 종래에 있어서는 높은 연화점을 갖는 유리 성분을 사용하는 것은 적합하지 않았다.
또한, 은 페이스트에 함유되는 유리 성분을 소성한 경우에는, 유리 성분은 은 페이스트의 표면 근방에 국재화되는 성질을 갖는다. 그러나, 상기와 같은 피크 온도가 750℃ 등의 최근의 소성 조건에서, 높은 연화점을 갖는 유리 성분을 함유하는 은 페이스트를 소성한 경우에는, 당해 유리 성분은 은 페이스트의 표면에 완만하게 석출되기 때문에, 완전한 막 형상으로는 전부되지 않고, 부분적인 막 형상 혹은 스폿 형상으로 석출된다.
그리고, 당해 유리 성분이 부분적인 막 형상 혹은 스폿 형상으로 석출된 경우에는, 중복 영역(9)에 있어서의 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)과의 접촉이 당해 유리 성분에 의해 방해되기 어려워져, 보다 직접적인 접촉으로 되기 때문에, 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)과의 접촉 저항을 저감시킬 수 있어, 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성을 우수한 것으로 할 수 있다.
실시예
<실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 태양 전지의 제작>
우선, 산으로 에칭된 두께 180㎛이며 한 변이 156mm인 정사각형의 표면을 갖는 p형 실리콘 기판의 한쪽측의 표면에 약 800℃ 내지 900℃에서 인을 n형 도펀트로 한 열확산에 의해 약 50Ω/□의 면 저항값을 갖는 n+층을 형성하고, 플라즈마 CVD법에 의해 n+층 상에 약 70 내지 100nm의 두께의 질화실리콘막을 반사 방지막으로서 형성했다.
다음에, 평균 입자 치수가 0.4㎛인 구 형상의 은 입자를 하기의 표 1의 은 페이스트 중의 은 입자의 배합 비율의 란에 기재된 질량%로 되도록 각각 배합한 은 페이스트를 제작했다.
여기서, 은 페이스트는, 상기의 은 입자와, 유기 바인더로서의 에틸셀룰로오스와, 유기 용제로서의 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트와, 하기의 표 1의 유리 성분의 조성의 란에 기재된 유리 성분을 혼합함으로써 제작했다. 또한, 은 페이스트에 있어서는, 에틸셀룰로오스의 질량:2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올 모노이소부티레이트:유리 성분의 질량=3:13:2로 되었다.
또한, 유리 성분 A는 B2O3-SiO2-PbO계의 유리 프릿이며, 유리 성분 B는 B2O3-SiO2-PbO-ZnO계의 유리 프릿이며, 각각 유리 연화점 온도가 표 1에 나타낸 값이 되도록 조정되었다.
또한, 표 1에 나타낸 유리 성분의 유리 연화점 온도는, JIS R3103-01:2001의「유리의 점성 및 점성 정점- 제1부: 연화점의 측정 방법」의 규격에 따라서 측정했다.
또한, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 대해서는 유리 성분 A의 배합 비율은 1.42질량%이었다. 또한, 비교예 2 내지 3의 유리 성분 B의 배합 비율은 1.42질량%이며, 비교예 4의 유리 성분 B의 배합 비율은 3질량% 이상이었다.
그리고, 상기와 같이 하여 제작한 은 페이스트를 p형 실리콘 기판의 이면으로 되는 한쪽측의 표면의 일부에 스크린 인쇄하여 150℃ 정도로 가열함으로써 은 페이스트를 건조시켰다.
다음에, 유리 성분의 유리 연화점 온도가 505℃인 시판되는 알루미늄 페이스트를 그 일부만이 은 페이스트와 중첩되도록 하여 p형 실리콘 기판의 이면으로 되는 표면의 대략 전체면에 스크린 인쇄법에 의해 인쇄하여, 150℃ 정도에서 건조시켰다.
그 후, p형 실리콘 기판의 수광면으로 되는 다른 쪽의 표면의 일부에 소정의 은 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 인쇄하여, 150℃ 정도에서 건조시켰다.
그리고, p형 실리콘 기판의 이면의 은 페이스트 및 알루미늄 페이스트 및 p형 실리콘 기판의 수광면의 은 페이스트를 공기 중에 있어서 740℃ 정도에서 소성함으로써, p형 실리콘 기판의 수광면에 은 전극을 형성하고, p형 실리콘 기판의 이면에 p+층을 형성함과 함께 은 전극 및 알루미늄 전극을 형성하여 태양 전지를 완성시켰다.
이상의 태양 전지의 제작 작업을 하기의 표 1의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 나타낸 은 페이스트의 각각을 사용하여 행한 것 이외에는 동일한 조건 및 동일한 방법으로 행함으로써, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 태양 전지를 제작했다.
<실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 태양 전지의 평가 방법>
(i) 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 각각의 태양 전지의 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항을, 이면의 은 전극간의 전기 저항으로부터 동일 거리의 알루미늄 전극의 전기 저항을 차감하여 구함으로써 행했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 표 1의 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항의 란에 나타내어지는 값은, 비교예 4의 태양 전지의 이면의 은 전극과 알루미늄 전극과의 중복 영역의 전기 저항을 100%로 했을 때의 상대값(%)으로 나타내어져 있다. 또한, 이 전기 저항의 값은 태양 전지를 4 내지 6매 측정했을 때의 평균값이 나타내어져 있다.
(ii) 인터커넥터 장착 후의 F.F. 손실
이상과 같이 하여 제작한 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 각각의 태양 전지의 전류-전압 특성을, 솔라 시뮬레이터 광(AM1.5, 에너지 밀도 100mW/㎠) 하에서 측정하고, 그 측정 결과로부터, 인터커넥터 장착 전의 F.F.를 산출했다.
다음에, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 태양 전지의 이면의 은 전극 및 땜납이 코팅된 두께 0.2mm, 폭 2mm의 인터커넥터에 시판되는 플럭스를 각각 도포하고, 400℃ 정도로 가열한 납땜 인두를 사용하여, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 각각의 태양 전지의 이면의 은 전극에 구리제의 인터커넥터를 장착했다. 그리고, 인터커넥터의 장착을 행한 후에 상기와 마찬가지로 하여 인터커넥터의 장착 후의 F.F.를 산출하고, 상기에서 산출한 인터커넥터의 장착 전의 F.F.와 인터커넥터의 장착 후의 F.F.와의 차를 산출함으로써 인터커넥터의 장착 후의 F.F. 손실을 산출했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 표 1의 인터커넥터의 장착 후의 F.F. 손실의 란에 나타내어지는 값은, 비교예 4의 태양 전지의 인터커넥터의 장착 후의 F.F. 손실을 100%로 했을 때의 상대값(%)으로 나타내어져 있다. 또한, 이 인터커넥터의 장착 후의 F.F. 손실의 값은 태양 전지를 2 내지 3매 측정했을 때의 평균값이 나타내어지고 있다.
(iii) 인터커넥터 장착 후의 인장 시험
상기의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 태양 전지에 장착된 인터커넥터와 태양 전지의 인터커넥터의 장착 부분 이외의 부분과의 각도를 45°로 유지한 상태에서 인장 시험기에 의해 인터커넥터를 인장하여, 하기의 기준에 의해 인터커넥터와 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 태양 전지의 이면의 은 전극과의 접착 강도 및 박리 모드를 평가했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
<접착 강도의 판단 기준>
A…인장 시험기에 의한 인장 강도가 200g 이상
B…인장 시험기에 의한 인장 강도가 200g 미만
<박리 모드의 판단 기준>
상기의 인장 시험기에 의한 인장 시험에 있어서, p형 실리콘 기판의 이면의 은 전극의 p형 실리콘 기판으로부터의 박리가 없고, 인터커넥터와 은 전극과의 접속 상태가 양호한 채 p형 실리콘 기판의 깨짐이 먼저 발생한 경우를 A 모드로 정의하고, 인장 시험을 실시한 측정 점수에 대한 A 모드 해당률을 산출하여, 하기의 기준에 의해 평가했다.
즉, A 모드 해당률이 높을수록, 은 전극-p형 실리콘 기판의 계면, 은 전극-인터커넥터의 계면 및 은 전극의 내부로부터의 박리가 발생할 확률이 낮은 것을 나타내고 있고, 은 전극 자체의 기계적 강도 및 상기의 각 계면에서의 접착 강도가 높은 것을 나타내고 있다.
A… A 모드 해당률이 100%
B… A 모드 해당률이 75% 이상 100% 미만
C… A 모드 해당률이 50% 이상 75% 미만
D… A 모드 해당률이 50% 미만
Figure 112010081442161-pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, p형 실리콘 기판의 이면에 인쇄된 은 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도가, 동일하게 이면에 인쇄된 알루미늄 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상인 실시예 1 내지 4의 태양 전지에 있어서는, 알루미늄 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도가 은 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도보다도 높은 비교예 1 내지 4의 태양 전지에 비해, 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항, 인터커넥터 장착 후의 F.F. 손실, 인터커넥터 장착 후의 인장 시험에 있어서의 인터커넥터와 태양 전지의 이면의 은 전극과의 접착 강도 및 박리 모드 모두가 동등 이상으로 우수한 결과로 되었다.
따라서, 이것은, 실시예 1 내지 4의 태양 전지의 이면의 은 전극 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도가 알루미늄 전극 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도 이상인 경우에, 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항, 인터커넥터 장착 후의 F.F. 손실, 인터커넥터 장착 후의 인장 시험에 있어서의 인터커넥터와 태양 전지의 이면의 은 전극과의 접착 강도 및 박리 모드 모두가 우수한 것을 나타내고 있다.
예를 들어, 실시예 4의 태양 전지에 있어서는, 은 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도를 600℃까지 고온화함으로써, 은 분말의 배합 비율을 증대시키지 않고, 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항을 비교예 4의 태양 전지에 대해 14%까지 저감시킬 수 있었다.
또한, 실시예 1의 태양 전지에 있어서는, 은 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도를 550℃까지 고온화함으로써, 비교예 4의 태양 전지와 비교하여, 은 분말의 배합 비율을 1% 저감시키면서, 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항을 비교예 4의 태양 전지에 대해 75%까지 저감시킬 수 있었다.
여기서, 태양 전지 모듈의 전기 특성에 대해 설명한다. 일반적으로, 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 전기 특성을 결정하는 인자 중 하나인 F.F.는 상기한 바와 같이 전기 저항 성분의 다과에 의존하고 있다. 태양 전지 모듈 전체의 전기 저항 성분은, 인터커넥터 장착 후의 태양 전지의 전기 저항 성분의 총합으로 나타내어지기 때문에, 태양 전지 모듈에 사용되는 인터커넥터의 태양 전지 1매당의 길이가 금회의 평가에서 사용한 인터커넥터와 동일하다고 생각한 경우, 태양 전지 모듈 전체의 전기 저항 성분은 개개의 태양 전지의 전기 저항 성분의 다과에 의존하고, 인터커넥터 장착 후의 태양 전지의 F.F.는 태양 전지 모듈 전체의 F.F.에 대략 일치한다.
또한, 태양 전지의 전기 저항에 대해, 전기 저항 측정점 사이에서 이면의 은 전극이 차지하는 비율이 작기 때문에 이면의 은 전극 자체의 전기 저항을 일정하게 하고, 또한 사용 재료가 동일한 알루미늄 전극과 수광면의 은 전극의 전기 저항을 동일하게 하면, 태양 전지의 전기 저항차는 각 실시예 및 비교예에서 나타내어진 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항에 기인한다. 따라서, 표 1에 나타낸 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항의 값이 작을수록 태양 전지 모듈 전체의 전기 저항이 작아지고, 그 전기 저항의 저하에 기인하는 표 1에 나타낸 인터커넥터 장착 후의 F.F. 손실의 저하는, 결과적으로 태양 전지 모듈 전체의 전기 특성의 향상으로서 반영된다고 생각된다.
즉, 은 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도의 고온화 및 은 페이스트 중의 은 분말의 배합 비율의 증대의 양쪽의 관점에서, 이면의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항의 감소에 의한 태양 전지 모듈의 전기 특성, 은 전극과 인터커넥터와의 접착 강도 및 인터커넥터의 장착성의 향상을 도모하는 것은 가능하지만, 은 페이스트 중의 은 분말의 배합 비율은 가능한 한 억제하는 것이 제조 비용을 억제하는 면에서 바람직하다.
이 제조 비용의 문제에 대해서는, 태양 전지의 이면의 은 전극에 사용되는 은 페이스트로서, 임의의 일정 수치 이하의 은 전극-알루미늄 전극의 중복 영역의 전기 저항을 달성할 수 있는 것을 원하는 경우에, 이면의 은 전극의 형성에 사용되는 은 페이스트 중의 유리 성분의 유리 연화점 온도를 고온화시킴으로써 은 분말의 배합 비율을 억제할 수 있기 때문에, 본 발명은 은 페이스트 중의 은 분말의 배합 비율의 감소에 의한 재료 비용의 저감에 크게 공헌할 수 있다고 생각된다.
금회 개시된 실시 형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
본 발명에 따르면, 제조 비용을 억제하면서, 태양 전지 모듈의 전기 특성 및 신뢰성을 우수한 것으로 할 수 있는 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1, 11: 실리콘 기판
2, 12: n+층
3, 13: 반사 방지막
4, 6, 14, 16: 은 전극
4a, 6a: 은 페이스트
5, 15: 알루미늄 전극
5a: 알루미늄 페이스트
7, 17: p+층
9: 중복 영역
10: 노출 영역
18: 인터커넥터

Claims (2)

  1. 태양 전지로서,
    pn 접합부를 갖는 반도체 기판(1)과,
    상기 반도체 기판(1)의 이면에 은 전극(4)과 알루미늄 전극(5)을 구비하고,
    상기 은 전극(4)과 상기 알루미늄 전극(5)이 중첩되어 있는 중복 영역(9)을 갖고,
    상기 은 전극(4)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는, 상기 알루미늄 전극(5)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도보다 높고,
    상기 알루미늄 전극(5)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는 505도 이상인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  2. 제1항에 기재된 태양 전지의 제조 방법으로서,
    상기 반도체 기판(1)의 상기 이면에 상기 은 전극(4)의 전구체로 되는 은 페이스트(4a)를 도포하는 공정과,
    상기 반도체 기판(1)의 상기 이면에 상기 알루미늄 전극(5)의 전구체로 되는 알루미늄 페이스트(5a)를 도포하는 공정과,
    상기 은 페이스트(4a) 및 상기 알루미늄 페이스트(5a)를 소성하는 공정을 포함하고,
    상기 은 페이스트(4a)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는, 상기 알루미늄 페이스트(5a)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도보다 높고,
    상기 알루미늄 페이스트(5a)에 포함되는 유리 성분의 유리 연화점 온도는 505도 이상인 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 태양 전지의 제조 방법.
KR1020107027803A 2008-05-14 2009-03-12 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법 KR101250139B1 (ko)

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