KR20110014676A - 광전지용 전도체: 서브미크론 입자를 함유하는 조성물 - Google Patents
광전지용 전도체: 서브미크론 입자를 함유하는 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 실시 형태는 규소 반도체 소자와, 태양 전지 소자에 사용하기 위한 전도성 후막 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명의 실시 형태는 규소 반도체 소자와, 태양 전지 소자에 사용하기 위한 전도성 후막 조성물에 관한 것이다.
p형 베이스를 갖는 종래의 태양 전지 구조물은 전지의 전면(태양광 면(sun-side) 또는 조사면(illuminated side)이라고도 함) 상에 있을 수 있는 네거티브 전극 및 반대쪽 면 상에 있을 수 있는 포지티브 전극을 갖는다. 반도체 본체의 p-n 접합부로 떨어지는 적합한 파장의 방사선이 그 본체에서 정공-전자 쌍을 생성하기 위한 외부 에너지원으로서의 역할을 한다. p-n 접합부에 존재하는 전위차로 인해, 정공과 전자는 반대 방향으로 접합부를 가로질러 이동하여, 그에 의해 외부 회로에 전력을 전달할 수 있는 전류의 흐름이 생기게 한다. 대부분의 태양 전지는 금속화된, 즉 전기 전도성인 금속 접촉부를 구비한 규소 웨이퍼의 형태이다.
개선된 전기적 성능을 갖는, 조성물, 구조물(예를 들어, 반도체, 태양 전지 또는 광다이오드 구조물), 및 반도체 소자(예를 들어, 반도체, 태양 전지 또는 광다이오드 소자), 및 그 제조 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명의 실시 형태는: (a) 하나 이상의 전도성 재료; (b) 하나 이상의 무기 결합제; 및 (c) 유기 비히클을 포함하며, 무기 성분의 1 내지 15 %가 서브미크론(submicron) 입자인 조성물에 관한 것이다. 일 실시 형태에서, 무기 성분의 85 내지 99 %는 d50이 1.5 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 일 실시 형태에서, 하나 이상의 전도성 재료는 은을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 은의 일부분은 서브미크론 입자를 함유한다. 일 실시 형태에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 1 마이크로미터이다. 일 실시 형태에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 0.6 마이크로미터이다. 일 실시 형태에서, 입자는 이봉 크기 분포(bimodal size distribution)를 갖는다.
본 조성물은: (a) Zn, Pb, Bi, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu, 및 Cr로부터 선택된 금속; (b) Zn, Pb, Bi, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu, 및 Cr로부터 선택된 하나 이상의 금속의 금속 산화물; (c) 소성시 (b)의 금속 산화물을 생성할 수 있는 임의의 화합물; 및 (d) 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 첨가제는 ZnO, 또는 소성시 ZnO를 형성하는 화합물을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, ZnO 및/또는 무기 결합제는 서브미크론 입자를 포함할 수 있다. ZnO는 총 조성물의 2 내지 10 중량%일 수 있다. 유리 프릿은 총 조성물의 1 내지 6 중량%일 수 있다. 전도성 재료는 Ag를 포함할 수 있다. Ag는 조성물 중의 고형물의 90 내지 99 중량%일 수 있다. 일 실시 형태에서, 무기 성분은 총 조성물의 70 내지 95 중량%일 수 있다.
추가 실시 형태는: (a) 반도체 기판, 하나 이상의 절연막, 및 본 명세서에 기재된 후막 조성물을 제공하는 단계; (b) 절연막을 반도체 기판에 적용하는 단계; (c) 반도체 기판 상의 절연막에 후막 조성물을 적용하는 단계, 및 (d) 반도체, 절연막 및 후막 조성물을 소성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 일 태양에서, 절연막은: 산화티타늄, 질화규소, SiNx:H, 산화규소 및 산화규소/산화티타늄으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
추가 실시 형태는 본 명세서에 기재된 방법으로 제조된 반도체 소자에 관한 것이다. 일 태양은 본 명세서에 기재된 조성물을, 소성 전에, 포함하는 전극을 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. 일 실시 형태는 반도체 소자를 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
일 실시 형태는 반도체 기판, 절연막, 및 전면 전극 - 여기서, 전면 전극은 아연-실리케이트, 윌레마이트(willemite), 및 비스무트 실리케이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함함 - 을 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다.
<도 1>
도 1은 반도체 소자의 제조를 도시하는 공정 흐름도이다.
도 1에 도시된 도면 부호는 아래에 설명되어 있다.
10: p형 규소 기판
20: n형 확산층
30: 질화규소 막, 산화티타늄 막, 또는 산화규소 막
40: p+ 층(후면 전계, BSF)
60: 후면 상에 형성된 알루미늄 페이스트
61: 알루미늄 후면 전극(후면 알루미늄 페이스트를 소성함으로써 얻어짐)
70: 후면 상에 형성된 은 또는 은/알루미늄 페이스트
71: 은 또는 은/알루미늄 후면 전극(후면 은 페이스트를 소성함으로써 얻어짐)
500: 본 발명에 따른 전면 상에 형성된 은 페이스트
501: 본 발명에 따른 은 전면 전극(전면 은 페이스트를 소성함으로써 형성됨)
도 1은 반도체 소자의 제조를 도시하는 공정 흐름도이다.
도 1에 도시된 도면 부호는 아래에 설명되어 있다.
10: p형 규소 기판
20: n형 확산층
30: 질화규소 막, 산화티타늄 막, 또는 산화규소 막
40: p+ 층(후면 전계, BSF)
60: 후면 상에 형성된 알루미늄 페이스트
61: 알루미늄 후면 전극(후면 알루미늄 페이스트를 소성함으로써 얻어짐)
70: 후면 상에 형성된 은 또는 은/알루미늄 페이스트
71: 은 또는 은/알루미늄 후면 전극(후면 은 페이스트를 소성함으로써 얻어짐)
500: 본 발명에 따른 전면 상에 형성된 은 페이스트
501: 본 발명에 따른 은 전면 전극(전면 은 페이스트를 소성함으로써 형성됨)
증가된 효율을 갖는 개선된 태양 전지에 대한 요구가 있다. 증가된 높이를 갖는 좁은 전도체 라인의 형성에 적합한 전도성 조성물에 대한 요구가 있다. 본 발명의 태양은 서브미크론 입자를 함유하는 조성물에 관한 것이다. 조성물은 후막 조성물일 수 있다. 이러한 조성물은 태양 전지 전극을 형성하는 데 사용될 수 있다. 전극은 태양 전지의 전면 상에 있을 수 있다. 일 실시 형태에서, 전극 라인은 좁을 수 있으며 증가된 높이를 가질 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "후막 조성물"은 기판 상에서 소성시 두께가 1 내지 100 마이크로미터인 조성물을 말한다. 후막 조성물은 전도성 재료, 유리 조성물, 및 유기 비히클을 함유할 수 있다. 후막 조성물은 추가 성분을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 추가 성분은 "첨가제"라고 부른다.
본 명세서에 기재된 조성물은 유기 매질 중에 분산된 하나 이상의 전기 기능성 재료 및 하나 이상의 유리 프릿을 포함한다. 이러한 조성물은 후막 조성물일 수 있다. 조성물은 또한 하나 이상의 첨가제(들)를 포함할 수 있다. 예시적인 첨가제는, 금속, 금속 산화물, 또는 소성 동안 이러한 금속 산화물을 생성할 수 있는 임의의 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 전기 기능성 분말은 전도성 분말일 수 있다. 일 실시 형태에서, 조성물(들), 예를 들어, 전도성 조성물이 반도체 소자에 사용될 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 반도체 소자는 태양 전지 또는 광다이오드일 수 있다. 이러한 실시 형태의 추가 태양에서, 반도체 소자는 광범위한 반도체 소자 중 하나일 수 있다. 일 실시 형태에서, 반도체 소자는 태양 전지일 수 있다.
일 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 후막 조성물은 태양 전지에 사용될 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 태양 전지 효율은 기준 태양 전지(reference solar cell)의 70% 초과일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 태양 전지 효율은 기준 태양 전지의 80% 초과일 수 있다. 태양 전지 효율은 기준 태양 전지의 90% 초과일 수 있다.
일 실시 형태에서, 후막 조성물 내의 유기 매질 대 분산물 내의 무기 성분의 비는, 당업자에 의해 결정되는 바와 같이, 사용되는 유기 매질의 종류와 페이스트의 적용 방법에 따라 좌우될 수 있다. 일 실시 형태에서, 분산물은 양호한 습윤성을 얻기 위해 5 내지 30 중량%의 유기 매질(비히클) 및 70 내지 95 중량%의 무기 성분을 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 무기 성분의 일부분은 서브미크론 입자일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 1 마이크로미터일 수 있다. 추가 태양에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 0.8 마이크로미터일 수 있다. 추가 태양에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.2 내지 0.6 마이크로미터일 수 있다.
일 실시 형태에서, 서브미크론 입자는 조성물의 1 내지 15 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 서브미크론 입자는 조성물의 2 내지 10 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 서브미크론 입자는 조성물의 3 내지 6 중량%일 수 있다.
일 실시 형태에서, 서브미크론 입자는 전도성 재료의 일부분을 포함할 수 있다. 일 태양에서, 전도성 재료의 1 내지 15 중량%가 서브미크론 입자일 수 있다. 추가 태양에서, 전도성 재료의 2 내지 10 중량%가 서브미크론 입자일 수 있다. 추가 태양에서, 전도성 조성물의 3 내지 6 중량%가 서브미크론 입자일 수 있다.
일 실시 형태에서, 조성물의 일부분은 d50이 1.5 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 조성물의 무기 성분의 85 내지 99 중량%는 d50이 1.5 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 조성물의 일부분은 d50이 2.0 내지 7.0 마이크로미터일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 조성물의 일부분은 d50이 2.5 내지 5.0 마이크로미터일 수 있다.
추가 태양에서, 전도성 재료는 은을 포함할 수 있다. 일 태양에서, 전도성 재료의 50 내지 100 중량%가 은일 수 있다. 추가 태양에서, 전도성 재료의 70 내지 99 중량%, 70 내지 98 중량%, 또는 80 내지 95 중량%가 은일 수 있다.
유리 프릿
본 발명의 태양에서, 조성물은 유리 프릿 조성물을 포함한다. 본 발명에 유용한 유리 프릿 조성물은 당업자에 의해 쉽게 인식될 것이다. 예를 들어, 전면 태양 전지 전극을 제조하는 데 사용되는 조성물에 유용한 유리 프릿 조성물이 사용될 수 있다. 예시적인 유리 프릿 조성물은 납 보로실리케이트 유리를 포함한다. 일 실시 형태에서, 본 발명에 유용한 유리 프릿 조성물은 20 내지 24 중량%의 SiO2, 0.2 내지 0.8 중량%의 Al2O3, 40 내지 60 중량%의 PbO, 및 5 내지 8 중량%의 B2O3를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 유리 프릿 조성물은 또한 3 내지 7 중량%의 TiO2를 선택적으로 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 유리 프릿 조성물은 또한: 불소의 염, 플루오라이드, 금속 옥시플루오라이드 화합물 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 하나 이상의 불소-함유 성분을 선택적으로 포함할 수 있다. 이러한 불소-함유 성분은 PbF2, BiF3, AlF3, NaF, LiF, KF, CsF, ZrF4, TiF4 및/또는 ZnF2를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 일 실시 형태에서, 유리 프릿 조성물은 8 내지 13 중량%의 PbF2를 포함할 수 있다.
이러한 실시 형태의 추가 태양에서, 후막 조성물은 유기 매질 중에 분산된 전기 기능성 분말 및 유리-세라믹 프릿을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 이러한 후막 전도체 조성물(들)은 반도체 소자에 사용될 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 반도체 소자는 태양 전지 또는 광다이오드일 수 있다.
전도성 재료
일 실시 형태에서, 후막 조성물은 조성물에 적절한 전기 기능성 특성을 부여하는 기능성 상(functional phase)을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 전기 기능성 분말은 전도성 분말일 수 있다. 일 실시 형태에서, 전기 기능성 상은 전도성 재료(본 명세서에서, 전도성 입자라고도 함)를 포함할 수 있다. 전도성 입자는 예를 들어, 전도성 분말, 전도성 박편(flake), 또는 그 혼합물을 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 전도성 입자는 Ag를 포함할 수 있다. 추가 실시 형태에서, 전도성 입자는 은(Ag) 및 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 추가 실시 형태에서, 전도성 입자는, 예를 들어, 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: Cu, Au, Ag, Pd, Pt, Al, Ag-Pd, Pt-Au 등. 일 실시 형태에서, 전도성 입자는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (1) Al, Cu, Au, Ag, Pd 및 Pt; (2) Al, Cu, Au, Ag, Pd 및 Pt의 합금; 및 (3) 그 혼합물.
일 실시 형태에서, 조성물의 기능성 상은 전기 전도성인 코팅되거나 코팅되지 않은 은 입자를 포함할 수 있다. 은 입자가 코팅되는 실시 형태에서, 은 입자는 계면활성제로 적어도 부분적으로 코팅된다. 일 실시 형태에서, 계면활성제는 다음의 비제한적인 계면활성제 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 스테아르산, 팔미트산, 스테아레이트의 염, 팔미테이트의 염, 라우르산, 팔미트산, 올레산, 스테아르산, 카프르산, 미리스트산 및 리놀레산, 및 그 혼합물. 반대 이온은 수소, 암모늄, 나트륨, 칼륨 및 그 혼합물일 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
일 실시 형태에서, 은은 페이스트 조성물의 60 내지 90 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 은은 페이스트 조성물의 70 내지 85 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 은은 페이스트 조성물의 75 내지 85 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 은은 페이스트 조성물의 78 내지 82 중량%일 수 있다.
일 실시 형태에서, 은은 조성물 중의 고형물(즉, 유기 비히클 제외)의 90 내지 99 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 은은 조성물 중의 고형물의 92 내지 97 중량%일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 은은 조성물 중의 고형물의 93 내지 95 중량%일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "입자 크기"는 "평균 입자 크기"를 의미하고자 하는 것이며, "평균 입자 크기"는 50% 용적 분포 크기(volume distribution size)를 의미한다. 용적 분포 크기는 마이크로트랙(Microtrac) 입자 크기 분석기를 사용한 LASER 회절 및 분산 방법을 포함하나 이로 한정되지 않는 당업자에 의해서 이해되는 다수의 방법에 의해 결정될 수 있다.
일 실시 형태에서, 전도성 재료의 일부분은 서브미크론 입자일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 1 마이크로미터일 수 있다. 추가 태양에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 0.8 마이크로미터일 수 있다. 추가 태양에서, 서브미크론 입자는 d50이 0.2 내지 0.6 마이크로미터일 수 있다.
일 실시 형태에서, 전도성 재료의 1 내지 15 중량%가 서브미크론 입자일 수 있다. 추가 태양에서, 전도성 재료의 2 내지 10 중량%가 서브미크론 입자일 수 있다. 추가 태양에서, 전도성 조성물의 3 내지 6 중량%가 서브미크론 입자일 수 있다.
일 실시 형태에서, 전도성 재료의 일부분은 d50이 1.5 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 전도성 재료의 85 내지 99 중량%는 d50이 1.5 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 전도성 재료의 일부분은 d50이 2.0 내지 7.0 마이크로미터일 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 전도성 재료의 일부분은 d50이 2.5 내지 5.0 마이크로미터일 수 있다.
첨가제
일 실시 형태에서, 후막 조성물은 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 첨가제는 다음 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다: (a) Zn, Pb, Bi, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu 및 Cr로부터 선택된 금속; (b) Zn, Pb, Bi, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu 및 Cr로부터 선택된 하나 이상의 금속의 금속 산화물; (c) 소성시 (b)의 금속 산화물을 생성할 수 있는 임의의 화합물; 및 (d) 그 혼합물.
일 실시 형태에서, 첨가제는 Zn-함유 첨가제를 포함함 할 수 있다. Zn-함유 첨가제는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) Zn, (b) Zn의 금속 산화물, (c) 소성시 Zn의 금속 산화물을 생성할 수 있는 임의의 화합물, 및 (d) 그 혼합물. 일 실시 형태에서, Zn-함유 첨가제는 Zn 수지산염을 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, Zn-함유 첨가제는 ZnO를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, ZnO의 일부분은 서브미크론 입자를 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, ZnO는 총 조성물의 2 내지 10 중량% 범위로 조성물에 존재할 수 있다. 일 실시 형태에서, ZnO는 총 조성물의 3 내지 7 중량% 범위로 존재할 수 있다. 추가 실시 형태에서, ZnO는 총 조성물의 4 내지 6 중량% 범위로 존재할 수 있다.
유기 매질
일 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 후막 조성물은 유기 매질을 포함할 수 있다. 무기 성분은, 예를 들어, 기계적 혼합에 의해 유기 매질과 혼합되어 페이스트를 형성할 수 있다. 광범위하게 다양한 불활성 점성 재료가 유기 매질로서 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 유기 매질은 충분한 정도의 안정성을 가지고 무기 성분이 분산될 수 있는 것일 수 있다. 일 실시 형태에서, 매질의 리올로지 특성은 고형물의 안정적인 분산, 스크린 인쇄를 위한 적절한 점도 및 틱소트로피(thixotropy), 기판 및 페이스트 고형물의 적절한 습윤성, 양호한 건조 속도, 및 양호한 소성 특성을 포함하는 소정 적용 특성을 조성물에 부여할 수 있다. 일 실시 형태에서, 후막 조성물에 사용되는 유기 비히클은 비수성 불활성 액체일 수 있다. 증점제, 안정제 및/또는 기타 통상의 첨가제를 함유하거나 함유하지 않을 수 있는 임의의 다양한 유기 비히클의 사용이 고려된다. 유기 매질은 용매(들) 내 중합체(들)의 용액일 수 있다. 일 실시 형태에서, 유기 매질은 또한 계면활성제와 같은 성분을 하나 이상 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 중합체는 에틸 셀룰로오스일 수 있다. 다른 예시적인 중합체에는 에틸하이드록시에틸 셀룰로오스, 우드 로진, 에틸 셀룰로오스와 페놀 수지의 혼합물, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트, 및 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르, 또는 그 혼합물이 포함된다. 일 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 후막 조성물에서 유용한 용매에는 에스테르 알코올 및 테르펜, 예를 들어 알파- 또는 베타-테르핀올, 또는 이들과 다른 용매, 예를 들어, 등유, 다이부틸프탈레이트, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 헥실렌 글리콜 및 고비점 알코올 및 알코올 에스테르의 혼합물이 포함된다. 추가 실시 형태에서, 유기 매질은 기판 상에 적용된 후의 신속한 경화를 촉진하기 위한 휘발성 액체를 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 중합체는, 예를 들어, 총 조성물의 8 중량% 내지 11 중량%의 범위로 유기 매질에 존재할 수 있다. 후막 은 조성물은 유기 매질을 사용하여 소정의 스크린 인쇄가능한 점도로 조정될 수 있다.
소성된 후막 조성물
일 실시 형태에서, 유기 매질은 반도체 소자의 건조 및 소성 동안 제거될 수 있다. 일 태양에서, 유리 프릿, Ag, 및 첨가제는 소성 동안 소결되어 전극을 형성할 수 있다. 소성된 전극은 소성 및 소결 공정으로부터 생성되는 성분, 조성물 등을 포함할 수 있다.
이러한 실시 형태의 태양에서, 반도체 소자는 태양 전지 또는 광다이오드일 수 있다.
반도체 소자의 제조 방법
일 실시 형태는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 일 실시 형태에서, 반도체 소자는 태양 전지 소자에 사용될 수 있다. 반도체 소자는 전면 전극을 포함할 수 있으며, 소성 전에, 전면(조사면) 전극은 본 명세서에 기재된 조성물(들)을 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 반도체 소자의 제조 방법은: (a) 반도체 기판을 제공하는 단계; (b) 절연막을 반도체 기판에 적용하는 단계; (c) 본 명세서에 기재된 조성물을 절연막에 적용하는 단계; 및 (d) 소자를 소성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 기재된 방법 및 소자에 유용한 예시적인 반도체 기판은 당업자에 의해 인식되며: 단결정 규소, 다결정질 규소, 리본 규소(ribbon silicon) 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 반도체 기판은 접합부를 지닐 수 있다. 반도체 기판은 인 및 붕소로 도핑되어 p/n 접합부를 형성할 수 있다. 반도체 기판을 도핑하는 방법은 당업자에 의해 이해된다.
반도체 기판은 당업자에 의해 인식되는 바와 같이 크기(길이 x 폭) 및 두께가 다양할 수 있다. 비제한적인 예에서, 반도체 기판의 두께는 50 내지 500 마이크로미터; 100 내지 300 마이크로미터; 또는 140 내지 200 마이크로미터일 수 있다. 비제한적인 예에서, 반도체 기판의 길이 및 폭은 둘 모두 동일하게 100 내지 250 ㎜; 125 내지 200 ㎜; 또는 125 내지 156 ㎜일 수 있다.
본 명세서에 기재된 방법 및 소자에 유용한 예시적인 절연막은 당업자에 의해 인식되며: 질화규소, 산화규소, 산화티타늄, SiNx:H, 수소화 비정질 질화규소, 및 산화규소/산화티타늄 막을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 절연막은 PECVD, CVD, 및/또는 당업자에게 알려져 있는 다른 기술에 의해서 형성될 수 있다. 절연막이 질화규소인 실시 형태에서, 질화규소막은 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD), 열 CVD 공정, 또는 물리 기상 증착(PVD)에 의해서 형성될 수 있다. 절연막이 산화규소인 실시 형태에서, 산화규소막은 열적 산화, 열 CVD, 플라즈마 CVD, 또는 PVD에 의해서 형성될 수 있다. 절연막(또는 층)은 또한 반사방지 코팅(ARC)이라고도 부를 수 있다.
본 명세서에 기재된 조성물은 스크린 인쇄, 잉크젯, 공압출, 시린지 분배(syringe dispense), 직접 기록(direct writing), 및 에어로졸 잉크젯을 포함하지만 이로 한정되지 않는 당업자에게 알려진 다양한 방법에 의해서 ARC-코팅된 반도체 기판에 적용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 조성물은 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 공개 제2003/0100824호에 기재된 방법 및 장치를 사용하여 기판에 적용될 수 있다. 조성물은 패턴으로 적용될 수 있다. 조성물은 소정의 형상으로, 그리고 소정의 위치에 적용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 조성물은 전면 전극의 전도성 핑거(conductive finger) 및 버스바(busbar) 둘 모두를 형성하는 데 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 전도성 핑거의 라인 폭은 10 내지 200 마이크로미터; 40 내지 150 마이크로미터; 또는 60 내지 100 마이크로미터일 수 있다. 일 실시 형태에서, 전도성 핑거의 라인 폭은 10 내지 100 마이크로미터; 15 내지 80 마이크로미터; 또는 20 내지 75 마이크로미터일 수 있다. 일 실시 형태에서, 전도성 핑거의 라인 두께는 5 내지 50 마이크로미터; 10 내지 35 마이크로미터; 또는 15 내지 30 마이크로미터일 수 있다. 추가 실시 형태에서, 조성물은 전도성, Si 접촉 핑거를 형성하는 데 사용될 수 있다.
ARC-코팅된 반도체 기판 상에 코팅된 조성물은 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 예를 들어, 0.5 내지 10분 동안 건조한 다음 소성할 수 있다. 일 실시 형태에서, 휘발성 용매 및 유기물이 건조 공정 동안 제거될 수 있다. 소성 조건은 당업자에 의해 인식될 것이다. 예시적인, 비제한적인 소성 조건에서, 규소 웨이퍼 기판은 600 내지 900℃의 최대 온도로 1초 내지 2분의 지속시간 동안 가열된다. 일 실시 형태에서, 소성 중 도달되는 최대 규소 웨이퍼 온도는 1 내지 10초의 지속시간 동안 650 내지 800℃의 범위이다. 추가 실시 형태에서, 전도성 후막 조성물(들)로부터 형성된 전극은 산소와 질소의 혼합 가스로 구성되는 분위기에서 소성될 수 있다. 이러한 소성 공정은 유기 매질을 제거하고 전도성 후막 조성물 내의 Ag 분말과 유리 프릿을 소결시킨다. 추가 실시 형태에서, 전도성 후막 조성물(들)로부터 형성되는 전극은 산소를 함유하지 않는 불활성 분위기에서 유기 매질 제거 온도를 초과하여 소성될 수 있다. 이러한 소성 공정은 후막 조성물 중의 베이스 금속 전도성 재료, 예를 들어, 구리를 소결 또는 용융시킨다.
일 실시 형태에서, 소성 동안, 소성되는 전극(바람직하게는 핑거)이 절연막과 반응하고 이에 침투하여, 규소 기판과 전기 접점을 형성할 수 있다.
추가 실시 형태에서, 소성 전에, 다른 전도성 재료 및 소자 향상 재료가 반도체 소자의 반대 유형 영역에 적용되고 본 명세서에 기재된 조성물과 동시 소성되거나 순차적으로 소성된다. 소자의 반대 유형 영역은 소자의 반대쪽 면 상에 있다. 재료는 전기 접점, 패시베이팅 층(passivating layer), 및 남땜가능한 태빙 영역(solderable tabbing area)으로서 역할을 한다.
일 실시 형태에서, 반대 유형 영역은 소자의 비조사면(non-illuminated side)(후면) 상에 있을 수 있다. 이러한 실시 형태의 태양에서, 후면 전도성 재료는 알루미늄을 함유할 수 있다. 예시적인 후면 알루미늄-함유 조성물 및 적용 방법이, 예를 들어, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2006/0272700호에 기재되어 있다.
추가 태양에서, 남땜가능한 태빙 재료는 알루미늄 및 은을 함유할 수 있다. 알루미늄 및 은을 함유하는 예시적인 태빙 조성물은, 예를 들어, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 공개 제2006/0231803호에 기재되어 있다.
추가 실시 형태에서, p 및 n 영역이 나란히 형성되기 때문에 소자의 반대 유형 영역에 적용된 재료는 본 명세서에 기재된 재료에 인접한다. 이러한 소자는 모든 금속 접점 재료를 소자의 비조사면(후면) 상에 위치시켜 조사면(전면) 상으로의 입사광을 최대화시킨다.
반도체 소자는 접합부를 지닌 반도체 기판 및 그의 주 표면 상에 형성된 질화규소 절연막으로 구성되는 구조 요소로부터 다음 방법에 의해 제조될 수 있다. 반도체 소자의 제조 방법은, 절연막 상에, 소정 형상으로 그리고 소정 위치에서, 절연막에 침투할 수 있는 능력을 갖는 전도성 후막 조성물을 적용(예를 들어, 코팅 및 인쇄)하는 단계와, 이어서, 전도성 후막 조성물이 용융되어 절연막을 관통하도록 소성하는 단계와, 규소 기판과의 전기 접점을 달성하는 단계를 포함한다. 전기 전도성 후막 조성물은, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 유기 비히클에 분산되어 있는 은 분말, Zn-함유 첨가제 및 300 내지 600℃의 연화점을 갖는 유리 또는 유리 분말 혼합물과, 선택적으로 부가적인 금속/금속 산화물 첨가제(들)로 제조되는 후막 페이스트 조성물이다.
본 발명의 일 실시 형태는 본 명세서에 기재된 방법으로 제조된 반도체 소자에 관한 것이다. 본 명세서에 기재된 조성물을 함유하는 소자는 상기한 바와 같이, 아연-실리케이트를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태는 상기에 기재된 방법으로 제조된 반도체 소자에 관한 것이다.
본 명세서에 기재된 후막 조성물과 함께 사용될 수 있는 추가적인 기판, 소자, 제조 방법 등이 미국 특허 출원 공개 제2006/0231801호, 제2006/0231804호 및 제2006/0231800호에 기재되어 있으며, 이들은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
[실시예]
약 100℃에서 유기 용매에 중합체를 용해시켜 유기 매질을 제조하였다. 유기 매질에, 은 분말, 유리 프릿, 산화아연 및 기타 첨가제를 포함한, 기타 성분들을 첨가하였다. 생성된 혼합물을 후막 페이스트 제조 산업분야에 알려진 롤-밀 공정에 의해서 분산시켰다. 표 1에 나타낸, 조성물 I, 조성물 II, 및 조성물 III을 형성하였다.
조성물 I 및 조성물 II로부터의 페이스트를 인쇄 전에 로키(Roki) 40L-SHP-200XS 필터 캡슐을 통해 여과하였다. 조성물 III는 여과없이 사용하였다.
ID/OD 50/75 ㎛의 재사용가능한 세라믹 펜 팁을 사용하여, 엔스크립트 인크(nScrypt Inc)에서 제조된 3D-450 스마트펌프(Smart Pump™) 프린터에 의해 실온에서 페이스트를 평가하였다. 펌프 압력은 68.9 ㎪ 내지 689.5 ㎪(10 psi 내지 100 psi)였다. 인쇄 속도는 초당 200 ㎜ 내지 초당 300 ㎜였다. 펜 팁과 기판 표면 사이의 간극은 150 ㎛였다.
10개의 10.2 cm(4인치) 길이의 라인의 그룹들을 인쇄하고, 150℃에서 20분 동안 박스 오븐에서 건조하고, 850℃ 피크 온도에서 2분 동안 벨트로(belt furnace)에서 소성하였다.
[표 I]
은 분말 I, 크기가 D10= 0.88, D50 = 4.60, D95 = 10.73 마이크로미터인, 구 형상 및 박편 형상의 혼합물.
은 분말 II, 크기가 D10= 1.0 , D50 = 1.71, D95 = 4.41 마이크로미터이고 표면적이 0.44 m2/g인, 구 형상 분말.
은 분말 III, 크기가 D10= 0.26 , D50 = 0.45, D95 = 1.67 마이크로미터이고, 고형물이 99.5%인, 구 형상 분말. 표면적은 1.0 m2/g임.
유리 프릿 I, 크기가 D10 = 0.36, D50 = 0.61 및 D95 = 1.44 마이크로미터인, 유리 조성물의 중량%를 기준으로, SiO2 23.0%, Al2O3 0.4%, PbO 58.8% 및 B2O3 7.8%.
유리 프릿 II, 크기가 D10 = 0.42, D50 = 0.77 및 D90 = 1.96 마이크로미터인, 유리 조성물의 중량%를 기준으로, SiO2 22.08%, Al2O3 0.38%, PbO 46.68%, B2O3 6.79%, TiO2 5.86% 및 PbF2 10.72%.
유리 프릿 III, 크기가 D10 = 0.34, D50 = 0.50 및 D95 = 0.89 마이크로미터인, 유리 조성물의 중량%를 기준으로, SiO2 22.08%, Al2O3 0.38%, PbO 46.68%, B2O3 6.79%, TiO2 5.86% 및 PbF2 10.72%. 산화아연, 알드리치 케미칼스(Aldrich Chemicals)로부터 구매.
실시예 I. 조성물 I은 펜 팁이 막히기 전 5분 미만의 기간동안 344.7 ㎪(50 psi) 미만의 펌프 압력 하에서 50/75 마이크로미터 펜 팁을 통과할 수 있었다. 최적 결과의 소성된 라인은 폭이 83 마이크로미터이고 높이가 13 마이크로미터였다.
실시예 II. 조성물 I은 펜 팁이 막히기 전 30 분 미만의 기간 동안 413.7 ㎪(60 psi) 미만의 펌프 압력 하에서 75/125 마이크로미터 펜 팁을 통과할 수 있었다. 최적 결과의 소성된 라인은 폭이 100 마이크로미터이고 높이가 12 마이크로미터였다.
실시예 III. 조성물 II는 인쇄가 중단되기 전 적어도 30분의 기간 동안 68.9 ㎪ 내지 689.5 ㎪(10 psi 내지 100 psi)의 범위의 펌프 압력 하에서 50/75 마이크로미터 펜 팁을 통과할 수 있었다. 최적 결과의 소성된 라인은 폭이 89 마이크로미터이고 높이가 19 마이크로미터였다.
실시예 IV. 중량 백분율 비가 95.5 대 4.5인, 조성물 II와 조성물 III의 블렌드는 인쇄가 중단되기 전 적어도 3시간의 기간 동안 68.9 ㎪ 내지 551.6 ㎪(10 psi 내지 80 psi)의 범위의 펌프 압력 하에서 50/75 마이크로미터 펜 팁을 통과할 수 있었다. 최적 결과의 소성된 라인은 폭이 67 마이크로미터이고 높이가 25 마이크로미터였다.
실시예 V. 조성물 III은 206.8 ㎪(30 psi) 초과의 펌프 압력 하에서 50/75 마이크로미터 펜 팁을 통해 인쇄할 수 없었다. 206.8 ㎪(30 psi) 하에서, 인쇄는 펜 팁이 막히기 전 5초 미만동안 지속되었다.
실시예 VI. 조성물 III은 413.7 ㎪(60 psi) 초과의 펌프 압력 하에서 75/125 마이크로미터 펜 팁을 통해 인쇄할 수 있었다 413.7 ㎪(60 psi) 하에서, 인쇄는 펜 팁이 막히기 전 5분 미만동안 지속되었다.
실시예 VII. 중량 기준으로 90 대 10 내지 10 대 90 범위의 비를 갖는, 조성물 II와 조성물 III의 일련의 블렌드를 제조하고 인쇄하였다. 일단 조성물 III이 30% 초과이면, 50/75 마이크로미터 펜 팁은 1분 이내에 막혔다.
실시예 VIII. 상기 인쇄된 기판의 효율을 분석한다. 예시적인 효율 시험을 하기에 제공한다. 실시예 IV로부터의 태양 전지의 효율은 다른 실시예로부터의 태양 전지의 효율보다 더 클 것으로 예상된다.
테스트 절차-효율
본 명세서에 기재된 방법에 따라 구성된 태양 전지를 전환 효율에 대해 시험한다. 예시적인 효율 시험 방법을 하기에 제공한다.
일 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 방법에 따라 구성된 태양 전지를 효율 측정용 시판 I-V 시험기(ST-1000)에 넣는다. I-V 시험기 내의 제논 아크(Xe Arc) 램프는 기지의 강도로 태양광을 시뮬레이팅하고 전지의 전면을 조사한다.
테스터는 다점 접촉 방법을 사용해 대략 400 부하 저항 설정에서 전류(I) 및 전압(V)을 측정하여 전지의 I-V 곡선을 결정한다. I-V 곡선으로부터 곡선 인자(fill factor; FF) 및 효율(Eff) 둘 모두를 계산한다.
Claims (15)
- (a) 반도체 기판, 하나 이상의 절연막 및 후막 조성물을 제공하는 단계; (b) 반도체 기판에 절연막을 적용하는 단계; (c) 반도체 기판 상의 절연막에 후막 조성물을 적용하는 단계; 및 (d) 반도체, 절연막 및 후막 조성물을 소성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되고,
후막 조성물은 (i) 하나 이상의 전도성 재료와, (ii) 하나 이상의 무기 결합제와, (iii) 유기 비히클을 포함하며,
무기 성분의 1 내지 15%는 서브미크론(submicron) 입자인 반도체 소자. - (a) 하나 이상의 전도성 재료;
(b) 하나 이상의 무기 결합제; 및
(c) 유기 비히클을 포함하며,
무기 성분의 1 내지 15%는 서브미크론 입자인 조성물을, 소성 전에, 포함하는 전극을 포함하는 반도체 소자. - 제2항에 있어서, 무기 성분의 85 내지 99 %는 d50이 1.5 내지 10 마이크로미터인 소자.
- 제2항에 있어서, 하나 이상의 전도성 재료는 은을 포함하는 소자.
- 제4항에 있어서, 서브미크론 입자는 은을 포함하는 소자.
- 제2항에 있어서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 1 마이크로미터인 소자.
- 제2항에 있어서, 서브미크론 입자는 d50이 0.1 내지 0.6 마이크로미터인 소자.
- 제2항에 있어서, 무기 성분은 이봉 크기 분포(bimodal size distribution)를 갖는 소자.
- 제2항에 있어서, 후막 조성물은 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 소자.
- 제9항에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 (a) Zn, Pb, Bi, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu 및 Cr로부터 선택된 금속; (b) Zn, Pb, Bi, Gd, Ce, Zr, Ti, Mn, Sn, Ru, Co, Fe, Cu 및 Cr로부터 선택된 하나 이상의 금속의 금속 산화물; (c) 소성시 (b)의 금속 산화물을 생성할 수 있는 임의의 화합물; 및 (d) 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 성분을 포함하는 소자.
- 제10항에 있어서, 하나 이상의 무기 첨가제는 ZnO를 포함하는 소자.
- 제5항에 있어서, 서브미크론 입자는 ZnO 및 무기 결합제를 추가로 포함하는 소자.
- 제2항에 있어서, 절연막 및 반도체 기판을 추가로 포함하는 소자.
- 제2항의 반도체 소자를 포함하는 태양 전지.
- 제13항에 있어서, 절연막은 산화티타늄, 질화규소, SiNx:H, 산화규소 및 산화규소/산화티타늄으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 소자.
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