KR20050087249A - 나노입자의 페이스트를 이용하여 형성된 전극을 포함하는태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

스크린 프린팅 방법으로 태양전지의 전극을 제조하되, 전극과 기판 간의 접촉 저항을 낮추고 소성 온도를 낮추며, 효율이 향상된 태양전지를 제공하고자 한다. 이를 위해 본 발명에서는 스크린 프린팅으로 전극을 형성함에 있어서, 100nm 이하의 입경을 가지는 나노미터 사이즈의 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 사용하여 태양전지의 전극을 형성한다. 본 발명에 따른 태양전지는, 제1도전형의 반도체층; 제1도전형 반도체층의 일면 상에 형성되고 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층; 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하고, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 것에 의해 형성되어, 제2도전형 반도체층의 전체면적에 대해 5% 이하를 차지하는 전면 전극; 제1도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하는 구성이다.

Description

나노입자의 페이스트를 이용하여 형성된 전극을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법 {A solar cell having an electrode formed by using nanosized paste and fabrication method thereof}

본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노입자의 페이스트를 이용한 스크린 프린팅 방법에 의해 태양전지의 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다.

태양전지의 전극 형성은 크게 증발(evaporation)법과 스크린 프린팅(screen printing)법을 이용한다. 이 중에서 증발법은 태양전지의 효율을 극대화할 수 있으나, 이에 선행하여 포토리소그래피와 습식공정(wet process)을 반드시 수행하여야 하므로 공정수가 늘어나고 가격 상승 요인으로 작용한다는 문제점이 있다.

따라서 상용화된 태양전지의 경우 대부분 스크린 프린팅법으로 전면 전극 및 후면 전극을 형성하고 있다. 하지만 스크린 프린팅 방법에 의하면 실리콘 기판과 전극 금속 간에 접촉저항(contact resistance)이 높은 문제점이 있다.

이러한 접촉저항의 증가로 인해 태양전지의 다이오드 충밀지수(fill factor)상에서 증발법에 의해 전극을 형성한 태양전지의 경우 80%인데 비해 스크린 프린팅법에 의해 전극을 형성한 태양전지의 경우 이보다 4~5% 낮은 결과로 나타난다.

종래 스크린 프린팅법에서는, 10~100 ㎛의 입경을 가지는 은 파우더 외에 유기용제, 바인더(binder) 그리고 유리 프릿(glass frit) 등이 함유되어 있는 은 페이스트(silver paste)를 전극 형성 부위에 도포한 후 소성한다.

소성 후에 유기용제 및 바인더는 증발되어 없어지지만 유리 프릿은 은 분말과 함께 남아서 은 분말 간 그리고 은과 실리콘 사이의 결합(contact)을 돕는다. 하지만 실리콘 기판과 은 금속 사이의 과도한 유리 프릿은 이들간의 접촉저항을 증가시켜 결국 태양전지의 효율을 저하시킨다.

유리 프릿이 없는 페이스트를 사용할 경우에는 전극과 기판 사이의 접착력이 떨어져 은 전극이 쉽게 박리되는 문제점이 있고, 충분한 컨택(contact) 형성을 위해서는 높은 온도와 장시간의 소성이 필요한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 스크린 프린팅 방법으로 태양전지의 전극을 제조하되, 전극과 기판 간의 접촉 저항을 낮추고 소성 온도를 낮추는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스크린 프린팅 방법으로 전극을 제조하여 효율이 향상된 태양전지를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 스크린 프린팅으로 전극을 형성함에 있어서, 100nm 이하의 입경을 가지는 나노미터 사이즈의 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 사용하여 태양전지의 전극을 형성한다.

즉, 본 발명에 따른 태양전지는, 제1도전형의 반도체층; 제1도전형 반도체층의 일면 상에 형성되고 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층; 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하고, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 것에 의해 형성되어, 제2도전형 반도체층의 전체면적에 대해 5% 이하를 차지하는 전면 전극; 제1도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하는 구성이다.

이 때 전면전극의 비저항이 3μΩ㎝ 이하일 수 있다.

또한, 후면 전극은 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 금속 페이스트를 제1도전형 반도체층의 타면 상에 스크린 프린팅하는 것에 의해 형성되어 비저항이 3μΩ㎝ 이하일 수 있다.

도전성 입자는 Ag, Cu, Au, Ti, W, Ni, Cr, Mo, Pb, Pd, Pt 중의 어느 하나일 수 있다.

페이스트는 도전성 입자 50-90 중량%, 물 및 알콜 중의 어느 하나인 유기 용제 9-40 중량%, 및 바인더 1-10 중량%를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 태양전지를 제조하기 위해, 본 발명에서는 제1도전형을 가지는 반도체층을 준비하는 단계; 제1도전형 반도체층의 일면 상에 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계; 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 연결되도록 전면 전극을 형성하되, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계; 제1도전형 반도체층의 적어도 일부분과 연결되도록 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.

또한, 후면 전극을 형성하는 단계에서는, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 금속 페이스트를 제1도전형 반도체층의 타면 상에 스크린 프린팅할 수 있다.

스크린 프린팅 후에는 300-700℃의 온도에서 5분 이하의 시간 동안 열처리할 수 있으며, 열처리는 적외선 램프에 의한 가열 방식을 이용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다. 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지에서는 도 1에 도시된 바와 같이, p형 실리콘 기판(10)의 전면에 n층(11)이 형성되어 있고, n층(11)과 전기적으로 연결되는 전면 전극(12)이 n층의 일부분 상에 형성되어 있으며, p형 실리콘 기판(10)의 후면 상에는 후면 전극(13)이 형성되어 있다. 전면 전극(12)을 제외한 n층(11) 상에는 반사방지막(14)이 형성되어 있다.

여기서 전면 전극(12)은 n층(11)의 적어도 일부분과 접촉하고, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 것에 의해 형성되어, n층(11) 상면의 전체면적에 대해 5% 이하를 차지한다. 이 때 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 나노입자라 부르기로 한다.

본 발명에서 스크린 프린팅하는 페이스트의 조성은 도전성 입자 50-90 중량%, 물 및 알콜 중의 어느 하나인 유기 용제 9-40 중량%, 및 바인더 1-10 중량%로서, 기존의 페이스트에 비해 유리 프릿이 없다는 것이 특징이다.

이 때 도전성 입자는 Ag, Cu, Au, Ti, W, Ni, Cr, Mo, Pb, Pd, Pt 중의 어느 하나이며, 입경은 100nm 이하로서 입경이 작을수록 유리하며 입경의 하한치는 제조가능한 최소의 입경에 의해 한정되므로 굳이 수치로 한정할 이유는 없으나, 바람직하게는 도전성 입자는 10-100nm의 입경을 가질 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 기존 페이스트 내에 함유된 도전성 입자의 크기를 나노미터 규모로 줄임으로써 컨택 저항의 감소, 전극의 비저항 감소, 소성온도의 감소의 효과를 얻을 수 있어, 공정성이 우수한 스크린 프린팅법을 사용하면서도 높은 효율을 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에서 사용하는 페이스트의 일 예로는 10nm의 은 파우더가 포함된 은 페이스트가 있다.

이와 같이 본 발명에서 사용하는 페이스트는 유리 프릿이 없어서 컨택 형성을 위한 소성 온도와 시간을 기존 페이스트를 사용한 경우에 비해 낮출 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에서는 페이스트를 스크린 프린팅한 후에 300-700℃의 온도에서 5분 이하의 시간 동안 열처리할 수 있으며, 열처리 시에는 적외선 램프에 의한 가열 방식을 이용할 수 있다.

또한, 기존 페이스트는 비저항이 5μΩ㎝ (제조회사 제시) 정도이나, 본 발명에서 사용하는 페이스트는 비저항이 3μΩ㎝ 이하이므로, 이러한 페이스트를 스크린 프린팅하여 형성한 전면 전극의 비저항도 3μΩ㎝ 이하의 값을 가져 전면 전극의 선폭을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다. 본 발명의 제2실시예에서는 전면 전극 뿐만 아니라 후면 전극 역시 나노 입자를 가지는 페이시트를 스크린 프린팅하여 형성하였다는 점에서 제1실시예와 차별화된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지에서는 도 2에 도시된 바와 같이, p형 실리콘 기판(20)의 전면에 n층(21)이 형성되어 있고, n층(21)과 전기적으로 연결되는 전면 전극(22)이 n층(11)의 일부분 상에 형성되어 있으며, p형 실리콘 기판(20)과 전기적으로 연결되는 후면 전극(23)이 p형 실리콘 기판 후면의 일부분 상에 형성되어 있다.

전면 전극(22)을 제외한 n층(21) 상에는 반사방지막(24)이 형성되어 있고, 후면 전극(23)을 제외한 p형 실리콘 기판(20) 후면 상에는 후면 패시베이션층(25)이 형성되어 있다.

전면 전극(22) 및 후면 전극(23)을 형성할 때에는 제1실시예에서 설명한 것과 동일한 방법을 적용한다. 다만 p형 반도체 기판(20)의 후면은 수광면이 아니므로 후면 전극(23)의 면적에 의해 태양광의 흡수가 차단되는 것은 아니다. 그러나 후면 전극을 국부 전극 구조로 형성하면 재결합 손실을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 태양전지를 제조하는 방법을 상세히 설명한다.

먼저, 제1도전형을 가지는 반도체층을 준비한다. 이 때 제1도전형의 반도체 기판을 준비할 수도 있고, 기판 상에 제1도전형의 반도체층을 형성할 수도 있다.

다음, 제1도전형 반도체층의 일면 상에 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층을 형성한 후, 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 연결되도록 전면 전극을 형성하되, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅한다.

이 때 전면 전극은 제2도전형 반도체층의 전체면적에 대해 5% 이하를 차지하도록 스크린 프린팅하는 것이 바람직하며, 스크린 프린팅 시 사용하는 도전성 입자 및 페이스트는 앞에서 상술한 바와 같다.

다음, 제1도전형 반도체층의 적어도 일부분과 연결되도록 후면 전극을 형성한다. 이 때 후면 전극을 제1도전형 반도체층의 후면 전체 상에 형성할 수도 있고, 또는 전면 전극과 동일한 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅하여 국부적으로 형성할 수도 있다.

이하, 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실험예 1 : 밀도 관측

실험예 1에서는 기존 태양전지의 전극 형성을 위한 스크린 프린팅 방법에서 사용되고 있는 범용 페이스트와, 본 발명에서 제안한 페이스트를 사용한 경우에 대해 소성 후 밀도(packing density)를 관측하였다.

실리콘 기판 위에 범용 페이스트 및 본 발명의 페이스트를 각각 스크린 프린하고 소성한 다음, 150㎛의 분지전극의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관측하였다.

도 3a 및 3b는 각각 범용 페이스트를 사용한 경우에 대한 2000배율 및 5000배율의 주사전자현미경 사진이고, 도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 페이스트를 사용한 경우에 대한 2000배율 및 5000배율의 주사전자현미경 사진이다.

이들 도면으로부터 본 발명의 페이스트를 사용한 경우 밀도가 더욱 높음을 확인할 수 있었으며, 이로부터 본 발명의 경우 전극의 비저항이 더 낮을 것으로 예상할 수 있었다.

실험예 2 : 소성 조건에 따른 접착력 관측

범용 페이스트의 경우 소성 후 유리 프릿이 도전성 입자와 기판을 접착시키는 역할을 한다. 그러므로 유리 프릿이 없는 페이스트의 경우 기판과의 접착력에 문제가 생긴다.

실험예 2에서는 본 발명에서 제안한 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅한 후, 소성 조건을 달리한 경우에 대해 기판과의 접착력(adhesion)을 관측하였다.

즉, 실리콘 기판과의 접착력 평가를 위해 본 발명의 페이스트를 대류 오븐(convection oven), 핫 플레이트(hot plate), 벨트 퍼니스(belt furnace)를 이용한 적외선 램프에 의한 가열을 각각 이용하여 평가해 보았다. 평가 방법으로는 쓰리엠(3M) 테이프를 형성된 전극 위에 부착하였다가 떼어낸 후 전극 표면의 상태로 평가하였다. 결과는 하기 표 1과 같다.

소성 조건		결과
대류 오븐	300℃, 30분	×
	400℃, 30분	×
핫 플레이트	200℃, 30분	×
	300℃, 30분	△
	400℃, 30분	△
	200℃, 2분	×
벨트 퍼니스(적외선 램프)	300℃, 2분	○
	400℃, 2분	○
	400℃, 1분	○
	400℃, 0.5분	○
	500℃, 0.25분	○
	700℃, 0.25분	○

표 1에 나타난 바와 같이, 대류 오븐 및 핫 플레이스는 제시된 소성조건에서 좋은 접착력을 나타내지 못했지만, 벨트 퍼니스를 이용한 적외선 램프에 의한 가열에서는 300℃ 이상에서 접착력에 문제가 없었다.

실험예 3 : 태양전지 제조

실험예 3에서는 은 나노분말을 포함하는 은 페이스트를 이용하여 태양전지를 제조하였다. 본 발명의 나노 은 페이스트를 전면전극으로 이용하는 태양전지 공정은 기존은 스크린 프린팅 공정과 크게 다르지 않으며, 상세한 제조공정은 다음과 같다.

먼저, P 형 기판에 인(phosphorus)를 도핑하여 N 층을 형성한 후, 기판 측면의 도핑층을 제거하였다.

다음, 스크린 프린팅법으로 기판 후면의 전체 위에 알루미늄 페이스트를 프린팅하고 600℃이상에서 소성하여 후면 전극을 형성하였다.

다음, 스크린 프린팅법으로 N층 위에 은 나노 페이스트를 프린팅하고 적외선 램프에 의한 가열방식으로 400℃에서 1분 동안 소성하여 전면 전극을 형성하였다.

다음, 전면 전극을 제외한 N층 위에, PECVD 방법으로 실리콘질화막을 증착하여 굴절율은 2.0~2.1 두께는 700~950nm인 반사방지막을 형성하였다.

다음, 실리콘질화막을 열처리하여 수소 패시베이션함으로써, 태양전지의 제조를 완료하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 입경이 100 nm 이하인 나노 도전성 입자를 포함하는 나노 페이스트를 태양전지의 전면 전극(또는 후면 전극에까지)에 응용할 때 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다.

첫째, 컨택 저항이 감소된다. 기존의 페이스트는 접착력 향상을 위해 유리 프릿을 포함하는 조성인데, 이 때 유리 프릿은 실리콘 기판과 금속 전극 사이의 컨택 저항을 증가시키는 요인이 된다. 그러나, 본 발명의 나노 페이스트의 경우 유리 프릿을 포함하지 않으며, 유리 프릿이 없어도 접착성이 우수하므로, 컨택 저항을 줄일 수 있는 것이다.

둘째, 쉐이딩 손실(shading loss)이 감소된다. 태양전지는 전면을 통해 입사되는 태양광을 이용하기 때문에 전면에 형성된 전극 면적이 넓을수록 입사광의 양은 줄게 된다. 이를 쉐이딩 손실라고 하는데, 이를 줄이면 태양전지의 효율을 높아진다.

그러나 전면 전극은 발생된 전류가 손실 없이 흐를 수 있는 정도의 면적을 확보하여야 한다. 페이스트의 경우 쉐이딩 손실에 의해 통상 7~8%의 손실이 발생한다. 하지만 전극의 비저항이 낮을수록 이를 줄일 수 있다.

기존 페이스트의 비저항이 5 μΩcm 인 반면에, 본 발명의 나노 페이스트의 비저항은 3μΩcm이므로 본 발명에서는 쉐이딩 손실을 5%이하로 낮출 수 있다.

셋째, 납이 없는 제품을 생산할 수 있다. 납 산화물을 포함하는 유리 프릿을 사용하지 않으므로, 중금속에 관련된 무역 규제를 피할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 유리 프릿이 없는 페이스트를 이용하여 전극을 형성하므로, 전극의 컨택 저항을 감소하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 비저항이 보다 더 낮은 페이스트를 이용하여 전극을 형성하므로 전극의 비저항을 낮추고 이로 인해 전극의 선폭을 감소시킬 수 있으며, 따라서 쉐이딩 손실을 감소하는 효과가 있다.

그리고 본 발명에서는 납을 포함하는 유리 프릿을 사용하지 않으므로 무납(lead-free) 제품을 생산하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도이며,

도 3a 및 3b는 각각 범용 페이스트를 사용한 경우에 대한 2000 배율 및 5000 배율의 주사전자현미경 사진이고,

도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 페이스트를 사용한 경우에 대한 2000 배율 및 5000 배율의 주사전자현미경 사진이다.

Claims (12)

1. 제1도전형의 반도체층;

   상기 제1도전형 반도체층의 일면 상에 형성되고 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층;

   상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하고, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 것에 의해 형성되어, 상기 제2도전형 반도체층의 전체면적에 대해 5% 이하를 차지하는 전면 전극;

   상기 제1도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극

   을 포함하는 태양전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전면전극의 비저항이 3μΩ㎝ 이하인 태양전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 후면 전극은 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 금속 페이스트를 상기 제1도전형 반도체층의 타면 상에 스크린 프린팅하는 것에 의해 형성되어 비저항이 3μΩ㎝ 이하인 태양전지.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 도전성 입자는 Ag, Cu, Au, Ti, W, Ni, Cr, Mo, Pb, Pd, Pt 중의 어느 하나인 태양전지.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 페이스트는 도전성 입자 50-90 중량%, 물 및 알콜 중의 어느 하나인 유기 용제 9-40 중량%, 및 바인더 1-10 중량%를 포함하는 태양전지.
6. 제1도전형을 가지는 반도체층을 준비하는 단계;

   상기 제1도전형 반도체층의 일면 상에 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 연결되도록 전면 전극을 형성하되, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계;

   상기 제1도전형 반도체층의 적어도 일부분과 연결되도록 후면 전극을 형성하는 단계

   를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전면 전극은 상기 제2도전형 반도체층의 전체면적에 대해 5% 이하를 차지하도록 형성하는 태양전지의 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 후면 전극을 형성하는 단계에서는, 100nm 이하의 입경을 가지는 도전성 입자를 포함하는 금속 페이스트를 상기 제1도전형 반도체층의 타면 상에 스크린 프린팅하는 태양전지의 제조 방법.
9. 제 6 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 스크린 프린팅 후에는 300-700℃의 온도에서 5분 이하의 시간 동안 열처리하는 태양전지의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 열처리는 적외선 램프에 의한 가열 방식을 이용하는 태양전지의 제조 방법.
11. 제 6 항 또는 제 8 항에 있어서,

    상기 도전성 입자는 Ag, Cu, Au, Ti, W, Ni, Cr, Mo, Pb, Pd, Pt 중의 어느 하나인 태양전지의 제조 방법.
12. 제 6 항 또는 제 8 항에 있어서,

    상기 페이스트는 도전성 입자 50-90 중량%, 물 및 알콜 중의 어느 하나인 유기 용제 9-40 중량%, 및 바인더 1-10 중량%를 포함하는 태양전지의 제조 방법.