KR20140038954A - 금속입자를 포함하고 식각에 영향을 미치며, 특히 태양전지를 생산하는 동안 실리콘과 콘택을 만드는 인쇄매체 - Google Patents

금속입자를 포함하고 식각에 영향을 미치며, 특히 태양전지를 생산하는 동안 실리콘과 콘택을 만드는 인쇄매체 Download PDF

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Abstract

예를들어, 실리콘기판(1)의 표면(7)에 패시베이션층(9)으로 덮혀 있는 실리콘 태양전지를 위한 금속콘택(11)의 제작 동안에 사용될 수 있는 인쇄매질이 제안되었다. 상응하는 제작방법 및 그에 상응하여 제작된 태양전지가 또한 밝혀져 있다. 그 인쇄매질은 패시베이션층(9) 및 예를 들어 니켈입자(15)와 같은 금속입자를 식각하는 최소한 하나의 매질을 포함한다. 인쇄매질을 패시베이션층과 그 다음 가열하는 것에 국부적으로 적용하여, 패시베이션층(9)은 식각매질의 도움으로 국부적으로 오픈 될 수 있다. 그 결과, 니켈입자(15)는 기판 표면(7)과, 바람직하게는 니켈실리사이드층(19)의 형성과 기계적 그리고 전기적 콘택을 형성할 수 있다. 인쇄매질과 그것과 가능하게 된 제작방법은 예를 들어 니켈입자의 사용으로 인한 비용측면의 효과가 있고 전기적으로 좋은 콘택과 바람직하지 않은 고온단계를 피할 수 있는 것 모두를 가능하게 한다.

Description

금속입자를 포함하고 식각에 영향을 미치며, 특히 태양전지를 생산하는 동안 실리콘과 콘택을 만드는 인쇄매체 {PRINTABLE MEDIUM THAT CONTAINS METAL PARTICLES AND EFFECTS ETCHING, MORE PARTICULARLY FOR MAKING CONTACT WITH SILICON DURING THE PRODUCTION OF A SOLAR CELL}
본 발명은 인쇄매체(printable medium)에 관한 것으로 특히 실리콘 태양전지에 금속콘택(metal contact)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 것이다. 게다가 본 발명은 실리콘 태양전지 및 그에 따라 생산되는 태양전지의 생산방법에 관한 것이다.
현재 산업에서 생산되는 많은 비율의 태양전지는 실리콘 기판을 기초로 해서 생산되는데 실리콘 기판의 표면의 금속콘택(metal contacts)은 주로 스크린 프린팅(screen-printing)과 같은 인쇄공정을 거쳐 형성된다. 관습적으로 특히 실리콘 기판 앞의 금속콘택(metal contacts)은 그 중에서도 은입자, 유리 프릿(glass frit) 그리고 무생물 솔벤트(solvents)를 포함하는 인화가능한 페이스트(printable paste)를 통해 형성되고 기판표면 위에 좁은 직사각형의 콘택핑거(contact fingers)의 그리드(grid) 형태로 프린트된다. 이것은 페이스트(paste)가 마르고 나면 소위 소성공정(firing step)을 통하여 700-800℃에서 주로 기판 표면에 쌓이게 된다. 만약, 인쇄가능한 페이스트(printable paste)가 기판 표면 위에 적용되기 전에 반사방지층(antireflection layer)이나 패시베이션층(passivation layer)과 같은 유전체 층이 쌓이면 페이스트(paste)에 포함된 유리 프릿(glass frit)이 유전체층을 국부적으로(locally) 오픈(open)하여 페이스트(paste)에 마찬가지로 포함된 은입자가 그 밑에 있는 실리콘, 특히 기판의 표면 위에 만들어진 이미터(emitter)와 함께 전기적으로 도전성인 콘택을 만들 수 있도록 한다.
태양전지의 앞부분의 콘택을 형성하기 위해 사용되는 전통적인 인쇄가능한 페이스트(printable paste)는 거기에 포함된 은입자와 그 은의 비싼 가격 때문에 태양전지 생산비용에 전반적으로 큰 비중을 차지한다. 게다가 전통적인 페이스트(paste)에 포함되어 있는 유리 프릿(glass frit)을 사용하여 아래 있는 유전체층을 오픈(open)하는 소성공정(firing step)동안 요구되는 높은 온도는, 첫째로 소성공정(firing step)에 상당한 에너지를 요구하게 하고, 둘째로 특정 태양전지 디자인에서 태양전지의 파손의 위험을 갖게 한다.
따라서 가격이 저렴한 인쇄매체(printable medium)와 이에 대응하여 태양전지를 만들기 위한 저렴한 방법 및 그에 맞춰 생산되는 태양전지의 대안이 필요하다.
독립항의 발명에 따라 이러한 요구들이 만족될 것이다. 발명의 유리한 실시예들은 종속항에 구체적으로 정의되어 있다.
본 발명의 제 1측에 따르면, 인쇄매체(printable medium)는 특히 인쇄 가능한 페이스트(printable paste) 모양으로 제안되는데 그것은 패시베이션층(passivation layer)의 식각에 의한 오프닝(opening)과 패시베이션층(passivation layer) 근처의 실리콘과 전기적으로 도전성인 콘택(contact)을 만드는데 모두 적합하다. 그 안에, 패시베이션층(passivation layer)은 아마도 하나 또는 여러 유전체 또는 비정질실리콘(amorphous silicon)을 포함할 것이다. 그 인쇄매체(printable medium)는 패시베이션층(passivation layer)과 니켈입자나 티타늄입자와 같은 금속입자를 화학적으로 식각(etching)하기 위한 매체를 모두 포함하고 있다. 인쇄매체(printable medium)는 대체적으로 유리프릿(glass frit)을 포함하지 않는다.
즉, 발명의 제 1측은 점성으로 인하여 다양한 인쇄 방법에 사용되는 기판에 적용될 수 있는 인쇄매체(printable medium)에 관한 것이다. 여기의 적절한 인쇄방법은 스크린프린팅(screen-printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 잉크패드 프린팅(inkpad printing), 롤러 프린팅(roller printing), 레이저트랜스퍼프린팅(laser transfer printing )등을 포함한다. 여기에서 제안한 인쇄매체(printable medium)를 사용하면 이미 알려져 있는 인쇄를 기본으로 한 증착(deposition)방법의 장점 이상의 것을 얻을 수 있다.
특히 스크린 프린팅(screen-printing)과 같은 프린팅 과정은 단순한 프로세스 관리의 가능성과 다른 금속화 기술과 비교하여 저렴한 비용 때문에 특히 태양전지의 산업용 제조에서 금속 콘택(metal contacts)을 형성할 때 선호된다. 예를들어 상대적으로 단순한 기계적 수단인 스크린프린팅(screen-printing)과정을 사용하여 하나의 구조가 100㎛ 이하의 폭을 갖는 구조들을 기판에 인쇄할 수 있다. 그 구조들은 사용된 인쇄마스크(printing mask)의 종류와 이 마스크가 덮혀있는 영역에 의하여 매우 크고 자유롭게 정의될 수 있다.
하지만 전통적인 태양전지의 스크린프린팅(screen-printing) 금속화 과정의 단점 또한 이미 알려져 있는데, 여기에서 제안하는 인쇄매체(printable medium)을 통해 최소한 일부는 극복할 수 있다.
예를들면, 태양전지의 정면 콘택핑거(contact finger)의 형성에서 종래에는 은입자 및 유리프릿(glass frit)을 포함한 인쇄가능한 페이스트(printable paste)가 사용되었다. 그 소결상태(sinstered state)의 은입자들은 스크린프린팅(screen-printing)에 적용되는 구조에 전기전도성을 제공해야 한다. 그 유리프릿(glass frit)은 실리콘 기판의 표면과 은입자의 기계적, 전기적 콘택을 가능하게 하기 위하여 실리콘기판과 인쇄된 페이스트(printed paste)사이에 놓여있는 유전체 층을 부식(eat through)시켜야 한다.
위에서 언급한 비싼 은 입자를 사용하기 때문에 발생하는 비용문제 뿐만 아니라, 전통적인 인쇄가능한 페이스트(printable paste)가 사용될 때 일반적으로 700 - 800℃의 매우 높은 온도에서 유전체 층을 통과하여 실리콘 기판 안쪽으로 페이스트(paste)를 태우는 것이 필요하다는 것이 관찰되었다. 이것을 위한 에너지 공급뿐만 아니라 특히 유전체 층의 패시베이팅 특성(passivating properties)은 매우 높은 온도에서 인쇄가능한 페이스트(printable paste)를 태우는 것에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다는 단점이 발견되었다.
또한 인쇄가능한 페이스트(printable paste)의 은입자와 기판의 실리콘 사이의 접촉저항이 상대적으로 높을 것이고 그것은 금속 콘택(metal contacts)에 의한 총 직렬 저항에 커다란 기여를 할 것이라는 것이 관찰되었다.
은입자 대신에 여기에서 제안하는 다른 금속 입자, 특히 니켈입자와 같은 것의 사용으로 인하여 인쇄가능한 페이스트(printable paste)와 함께 생산될 수 있는 태양전지의 금속콘택구조(metal contact structure)의 형성비용이 현저하게 감소될 수 있다. 하지만 콘택 구조체(contact structures)의 형성에서 만족할만한 결과를 얻기 위해서는 예를들어 단순히 전통적인 인쇄가능한 페이스트(printable paste)에서 은입자를 니켈입자로 바꾸는 것으로는 충분하지 않다는 것이 발견되었다. 일반적으로 단지 상당한 직렬저항과 같은 다른 단점으로 문제가 되는 콘택 구조체(contact structures)만이 약간 수정된 인쇄가능한 페이스트(printable paste)로 생산될 수 있을 것이다.
하지만 놀랍게도 화학적으로 패시베이션층(passivation layer)을 식각한 매체(medium)의 추가로 콘택구조물 생산에서 상당히 개선된 직렬저항을 얻을 수 있다는 것이 발견되었다. 패시베이션층(passivation layer)을 식각한 매체(medium)은 패시베이션층(passivation layer)을 화학적으로 공격하거나 녹일 수 있는 패시베이션층(passivation layer)의 재료에 맞춰진 화학물질일 것이다. 그 결과 패시베이션층(passivation layer)이 소멸된 후에 마찬가지로 인쇄가능한 페이스트(printable paste)에 포함된 니켈입자가 패시베이션층(passivation layer) 아래에 놓여있는 실리콘 기판의 표면에 직접 기계적 접촉을 하게 될 것이다. 특히 예를 들어 350 - 550℃ 와 같은 높은 온도에서 니켈실리사이드(nickel silicide)와 콘택포인트(contatct point)를 만들 것이다. 특히 실리콘 기판과 콘택구조체의 니켈 입자사이에서 니켈실리사이드층(nickel silicide layer)과 같은 형성이 니켈입자와 실리콘 표면 사이의 매우 낮은 접촉 저항을 나타나게 한다는 것이 관찰되었다. 이 접촉저항은 실리콘과 은 사이의 것보다 10배가 낮을 것이다.
매체(medium)의 식각에 의하여 패시베이션층(passivation layer)의 국부개방(local opening)과 니켈실리사이드(nickel silicide)의 형성 모두 전통적인 스크린프린팅(screen-printing) 금속화 과정에서 사용되는 700 - 800℃ 보다 현저히 낮은 온도의 과정에서 일어날 것이다. 특히 200 - 600℃의 공정온도는 여기서 제안하는 인쇄가능한 매체(printable medium)을 사용하는 낮은 접촉저항을 갖는 금속콘택구조체를 만드는데 충분할 것이다. 그결과, 높은 공정온도를 사용하지 않을 것이기 때문에 예를 들어 패시베이션층(passivation layer)의 성질과 같은 관련된 열화(degradation)를 피할 수 있을 것이다.
요약하면, 여기서 제안된 인쇄매체(printable medium)는 잠재적인 비용감소 뿐만 아니라 전통적인 인쇄가능한 페이스트(printable pastes)를 사용하는 스크린프린팅(screen-printing) 과정과 비교하여 감소된 접촉저항, 저온공정의 가능성 및 그것과 함께 연관된 열화(degradation)의 위험을 감소시킬 것이다
여기에서 제안된 인쇄매체(printable medium)의 다른 특징 및 장점은 아래에 묘사되어 있고 일부는 본 발명의 실시 예와 관련되어 있다. 그 실시예들은 인쇄가능한 페이스트(printable paste)에 관련하여 묘사되어 있고 묘사되어 있는 그 형상과 특성들은 일반적으로 임의의 인쇄가능한 매체(printable media) 즉, 예를들어 스크린 프린팅(screen-printing)에서 사용되는 높은 점성을 갖는 페이스트(paste) 그리고 예를들어 잉크젯 프린팅(inkjet printing)에서 사용되는 낮은 점성을 갖는 유체에 적용된다.
인쇄가능한 페이스트(printable paste)는 패시베이션층(passivation layer)을 식각하기 위한 매체(mediun)을 5중량% - 90중량%를, 바람직하게는 10중량% - 80중량%, 더 바람직 하게는 20중량% - 70중량% 포함하고 있을 것이다. 이러한 총 인쇄가능한 페이스트(printable paste)에서 식각 매체(etching medium)의 중량비율은 인쇄 페이스트(printing paste)의 식각성질(etching properties)에 유리하다는 것이 증명되어왔다. 만약 식각 매체의 비율이 너무 작다면 패시베이션층(passivation layer)의 국부개방(local opening)에 문제가 발생할 것이다. 너무 높은 비율의 식각 매체는 금속입자의 중량비율을 충분히 높게 할 수 없을 것이다.
그 페이스트(paste)는 5중량% - 90중량%, 바람직하게는 10중량% - 80중량%, 더 바람직하게는 20중량% - 70중량%의 금속입자를 포함할 것이다. 중량비율이 너무 낮으면 생산된 금속접촉구조의 직류저항이 너무 높을 것이다. 너무 높은 중량비율의 금속입자는 식각 매체(etching medium)의 중량비율을 충분히 높게 할 수 없을 것이다.
그 금속입자의 크기는 20㎚ - 50㎛, 바람직하게는 50㎚ - 20㎛일 것이다. 만약 입자가 너무 작으면 과도한 산화가 일어나거나 결함 있는 전기접촉이 발생할 것이다. 만약 입자가 너무 크다면 프린팅 하는 과정에서 문제가 발생할 것이다. 여기에서 니켈입자는 완전한 니켈, 니켈합성물 또는 니켈합금을 포함할 것이다. 이것은 티티늄 입자를 대안으로 하여 적용된다.
여기에서 제안되는 인쇄가능한 페이스트는 대체로 유리프릿(glass frit)을 포함하지 않는다. 여기의 유리프릿(glass frit)은 저융점 유리입자(low-melting glass)를 의미하는데 그것은 전통적인 인쇄가능한 페이스트(printable pastes)에서 유전체의 패시베이션층(passivation layer)을 부식(eat through) 시키기 위한 금속결합구조를 만들기 위해 자주 사용된다. 특히 유리프릿(glass frit)은 금속산화물을 포함할 것이다. 이런 유리프릿(glass frit)의 금속산화물은 예를들어 제안된 프린팅 페이스트(printing paste)안에 포함된 니켈입자와 함께 생산되는 금속구조체의 도전율을 낮출지도 모르는 산화니켈을 형성할 것이라는 것이 관찰되었다. 또한 유리프릿(glass frit)을 녹이는데 필요한 고온공정 또는 녹은 유리프릿(glass frit) 그 자체가 니켈을 실리콘기판의 표면 안쪽으로 너무 깊이 들어가게(penetrating) 만들 수 있고 특히 얇은 이미터층(emitter layer)이 접촉되어 있다면 단락(short-circuit)이라는 문제를 가져올 수도 있다는 것이 관찰되었다. 유리프릿(glass frit)을 생략하는 것과 특히 500℃ 이상과 같은 고온공정에서 녹는 유리프릿(Glass frit)이 단락문제를 방지하는데 도움이 될 것이다.
프린트가능한 페이스트(printable paste)가 적용되고 식각 매체(medium)을 이용하여 국부개방된(be opened locally) 패시베이션층(passivation layer)은 아마 유전체나 예를들어 다른 형태의 실리콘질화물 (Si3N4, SiNx:H, SiNxOy), 실리콘산화물(SiO, SiO2), 실리콘탄화물(SiCx) 또는 알루미늄산화물(Al2O3) 및/또는 비정질실리콘(amorphous silicon) (a-Si)로 구성된 다층 유전체층의 연속된 스택(stack)으로 구성되어 있을 것이다. 여기서 그 층은 낮은 표면재결합 속도로 근접한 실리콘 기판의 좋은 패시베이션(a good passivation)을 얻기 위한 것과 같은 구조적, 전기적 특징을 가지고 형성될 것이다. 예를들어 패시베이션층(passivation layer)을 사용하여 이미터(emitter)에서 1000 cm/s 이하의 표면 재결합 속도 및 기본층(a base surface)에서의 100 cm/s 이하의 속도를 얻을 수 있을 것이다. 여기의 패시베이션층(passivation layer)은 두께가 0.5 - 500㎚, 바람직하게는 1 - 100㎚일 것이다. 그 패시베이션층 (passivation layer)은 굳이 필요하지는 않지만 매우 좋은 표면 패시베이션(a very good surface passivation)을 초래할 것이다. 대신에 그 패시베이션(passivation)은 가령 유전체 반사방지층이나 태양전지의 유전체 후면 반사막으로서 형성될 것이고 거기에서 패시베이션 효과(passivation effect)가 종속된 역할(subordinate role)을 할 것이다.
공업적 제조 방법에서 패시베이션층(passivation layers)은 자주 Si3N4 or SiNx:H. 와 같은 실리콘질화물과 함께 형성된다. 이런 실리콘질화물 층들은 예를들어 기체상증착(CVD - Chemical Vapour Deposition) 같은 것에 의하여 증착되고(be deposited) 매우 좋은 표면 패시베이션(a very good passivation)을 초래할 것이다. 대신에 패시베이션층(passivation layer)은 또한 예를들어 열산화(thermal oxidation)나 기체상증착(gas phase deposition)과 같은 것에 의하여 생산되는 SiO2와 같은 실리콘산화물에 의하여 형성될 것이다. 최근 Al2O3 와 같은 알루미늄 산화물이 좋은 품질의 패시베이션층(passivation layer)을 만드는데 적합하다는 것이 발견되었다. 또는 본질적으로 제공되거나 도핑된(doped) 매우 얇은 비정질 실리콘(a-Si)층과 함께 좋은 표면 패시베이션(a good surface passivation)을 얻을 수 있을 것이다.
패시베이션층(passivation layer)이 실리콘기판에 적용되고 국부개방되고(local opened) 여기에서 제안되는 인쇄가능한 매체(printable paste)을 사용하여 전기적으로 전도되도록 접촉됨에 따라 다른 식각 매체(etching media)가 페이스트(paste)에 포함될 것이다. 그 식각 매체(etching medium)는 특히 인쇄가능한 매체(printable medium)로 완전히 덮여있는 특정 구역에서 패시베이션층(passivation layer)을 화학적으로 완전히 없애는 것에 맞춰질 것이다. 다시 말하면, 패시베이션층(passivation layer)의 재료는 특히 고온공정에서 식각 매체와 함께 해결책을 만들 것이고 따라서 국부적으로(locally) 완전히 제거될 것이다. 대조적으로 전통적인 스크린프린팅(screen-printing) 페이스트(paste)는 그 안에 포함되어 있는 유리프릿(glass frit) 때문에 실제로 소위 스파이크(spikes)라 불리는 작은 형태로 패시베이션층(passivation layer)에 국부적으로(locally) 관통할 것(penetrate)이나 이 넓은 영역에 걸쳐 녹지는 않을 것이다
예를들어 식각 매체(etching medium)는 하나 또는 그 이상의 인산(phosphoric acid), 인산염(phosphoric acid salts) 및/또는 인산염화합물(phosphoric acid compounds)의 형태를 포함할 것이다. 그 인산염(phosphoric acid salt) 또는 인산염화합물(phosphoric acid compounds)은 열에 의해 그에 상응하는 인산(phosphoric acid)으로 분해될 것이고 그것은 식각에 의해 인접한 패시베이션층(passivation layer)을 열 것이다.
패시베이션층(passivation layer)이 식각됨에 따라 식각 매체(etching medium)는 또한 예를들어 염산, 황산이나 질산과 같은 무기광물산(inorganic mineral acids)을 포함할 것이다. 예를들어 알킬탄산(alkylcarbonic acids), 히드록시탄산(hydroxycarbonic acids), 디카르본산(dicarbonic acids) 그룹에서 선택된 탄소수 1-10개의 알킬잔기를 갖고있는 유기산(Organic acids)이 식각 매체(etching medium)에 포함되어 있을 것이다. 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 젖산(lactic acid), 옥살산(oxalic acid)을 예로 들 수 있다. 그 대신에 식각 매체는 식각 알칼리성 화합물을 포함할 것인데 그것은 예를들어 수산화칼륨(Potassium hydroxide(KOH)) 또는 수산화나트륨(sodium hydroxide (NaOH)) 을 포함하고 특히 얇은 비정질실리콘층(amorphous silicon layer)을 식각할 것이다.
제안된 인쇄가능한 페이스트(printable paste)는 언급된 성분 뿐만 아니라 아마 그 이상의 구성요소, 예를들어 솔벤트(solvents), 증점제(thickeners), 그 이상의 무기산 또는 유기산 또는 알칼리성 화합물, 접착력 증진제(adhesion promotion agents), 탈기장치(de-aerators), 소포제(anti-foaming agent), 점탄성조절제(thixotropic agents), 레벨링제(levelling agents) 및/또는 폴리머 입자 및/또는 무기화합물 등을 포함할 것이다.
본 발명의 제 2측에 따르면 그 방법은 태양전지의 생산을 위해 제안된 것이다. 그 방법은 최소 다음 단계를 포함한다 : 실리콘 기판의 제공단계; 실리콘 기판의 표면에 유전체 및/또는 비정질 실리콘(amorphous silicon)으로 패시베이션층(passivation layer)의 증착(deposition)시키는 단계; 인쇄가능한 매체(printable medium)를 패시베이션층(passivation layer)에 적용하는 단계. 상기 인쇄매체(printable medium)는 적어도 화학적으로 패시베이션층(passivation layer)을 식각하기 위한 매체(medium)와 금속입자를 포함하고 유리프릿(glass frit)을 거의 포함하지 않는다.
제작과정에서 적용되는 인쇄가능한 페이스트(printable paste)는 발명의 제 1측과 관련하여 위에서 묘사된 페이스트(paste)일 것이다. 증착된(be deposited) 패시베이션층(passivation layer)은 또한 위에서 이미 묘사된 특성들을 갖고 있을 것이다.
이 특별한 인쇄가능한 매체(printable paste)의 적용에 의하여 미리 증착된(deposited) 패시베이션층(passivation layer)의 국부개방(local opening)과 페이스트(paste)에 들어있는 니켈입자 및 실리콘기판의 표면 사이의 국부(local) 전기접촉이 형성되는 것을 둘 다 동시에 얻을 수 있을 것이다.
즉, 실리콘기판표면의 식각과 접촉형성 두 과정이 저온공정에서 일어날 것이다. 예를들어, 페이스트(paste) 또는 페이스트(paste)에 대한 실리콘기판에 200℃ - 600℃ 사이, 바람직하게는 300℃ - 550℃사이, 그리고 매우 바람직하게는 350℃ - 500℃의 온도의 열을 가하면 충분할 것이다. 그 열을 가하는 것은 첫째로 식각 매체(etching medium)의 식각효과를 가속시킬 것이고 둘째로 니켈입자와 실리콘표면 사이에서 니켈실리사이드(nickel silicide)의 형성 및 니켈입자의 소결(sintering)로 이어질 것이다. 이 낮은 전기적 저항을 갖는 금속접촉구조물의 신뢰성 있는 생산은 예를들어 열을 200℃이상, 바람직하게는 350℃ 이상에서 5초에서 60분 바람직하게는 20초에서 10분간 가함으로써 얻을 수 있을 것이다.
적용된 인쇄가능한 페이스트(printable paste)에 의해 형성된 니켈 접촉구조의 전기적 직렬저항을 감소시키기 위해 그 구조는 추가적으로 전기적 전도성 있는 층, 예를들어 갈바니 도금(galvanic plating), 무전류 도금(currentless plating) 또는 광유도도금(light-induced plating) 의 적용에 의해 선택적으로 두꺼워 졌을 것이다. 갈바니(galvanic) 또는 광유도도금(light-induced plating)의 경우 니켈접촉구조는 전기적으로 접촉 될 것이고 은, 니켈, 구리 및/또는 주석이 도금조(plating bath)에서 전기전압의 적용하에(under application of electrical voltage) 니켈접촉구조에 증착(be deposited)될 것이다.
제안된 방법을 이용하여 태양전지는 산업용 프린팅 과정을 이용한 니켈금속컨택(nickel metal contact)과 같이 제공될 것이고 거기에서 값비싼 은이 생략될 것이고 게다가 패시베이션층(passivation layer)이 증착(deposition)되고 난 후에 뒤이어 패시베이션층(passivation layer)의 패시베이션 효과(passivation effect)를 위협할 수 있는(jeopardise) 고온단계가 수행될 필요가 없다.
본 발명의 제 3측에 따르면 태양전지는 특히 발명의 두번째 관점에 따라 위에서 묘사된 제작 방법을 사용하여 제작되도록 제안되었다. 그 태양전지는 실리콘기판을 가지고 있고 그 표면은 유전체 및/또는 비정질 실리콘(amorphous silicon)의 패시베이션층(passivation layer)이다. 니켈입자를 기초로 한 금속콘택은 패시베이션층(passivation layer) 안의 오프닝(opening)을 통과하여 실리콘기판의 표면과 접촉한다
예를 들어 니켈 입자와 같이 금속 콘택을 형성하는 금속입자들은 금속콘택의 입상구조(granular structure)를 초래할 것이다. 위에서 묘사된 것 처럼 페이스트(paste)가 니켈입자들을 포함할 때는 금속콘택을 만드는데 사용되는데 최고 600℃의 열을 가하는 소결단계(sintering step)동안 니켈입자들의 일부 베이킹(baking)이 발생하고 니켈입자들은 완전히 녹지 않으므로 입상구조가 소결된(sintered) 금속콘택에 남아있다. 그 제작 동안 인쇄과정에서 사용된 니켈 입자들 때문에 입상구조(granular structure)를 갖고 있는 그러한 금속콘택은 위에서 묘사된 인쇄가능한 페이스트(printable paste) 또는 위에서 묘사된 제작방법의 이미 묘사된 장점과 함께 태양전지의 제작을 위해 사용되어왔다는 증거로서 역할을 할 것이다.
금속콘택은 게다가 실리콘기판과의 인터페이스에서(at an interface) 니켈실리사이드(nickel silicide)를 갖고 있을 것이다. 이 니켈실리사이드(nickel silicide)는 금속콘택과 실리콘기판 사이에서 매우 낮은 접속저항을 초래할 것이다. 그 니켈실리사이드(nickel silicide)는 고온과정에서 니켈입자가 실리콘기판표면과 직접 접촉하여 형성될 것이다. 유사하게 만약 티타늄입자가 사용된다면 티타늄실리사이드(titanium silicide)층이 형성될 것이다.
금속 콘택은 바로 측면에서 패시베이션층(passivation layer)과 경계로 하거나 인접할 것이다. 다시 말하면 금속 콘택의 근처에 노출된 금속화(metallised) 또는 패시베이션(passivated) 된 표면이 존재하지 않도록 하기 위하여 실리콘기판의 표면은 크게 완전히 패시베이션층(passivation layer)으로 덮힐 것이고 금속콘택의 영역에서만 국부개방(opened locally) 될 것이다. 이것은 예를들어 위에서 묘사된 금속콘택을 형성하는 니켈입자가 식각 매체(etching medium)와 같이 국부적으로(locally) 인쇄되는 제작방법과 같은 것을 통해 얻어질 것이고 그에따라 패시베이션층(passivation layer)이 분명히 전적으로 형성된 금속콘택의 영역에서 식각된다.
발명의 특성과 실시예들이 여기에서 부분적으로 인쇄가능한 페이스트(printable paste)관련하여, 부분적으로 태양전지의 제작방법과 관련하여, 또한 부분적으로 태양전지 그 자체와 관련하여 묘사되어있다는 것이 지적되었다. 하지만 통상의 기술자들은 해당 특성들이 발명의 각각의 다른 측면에 따라 적용될 것이라는 것을 인식 할 것이다. 특히 묘사된 특성들은 또한 시너지 효과(synergy effects)가 발생하도록 합리적으로 조합될 것이다.
발명의 효과는 본 명세서의 과제의 해결 수단 등에 설명되어 있다.
위에서 묘사된 측면 및 다른 측면, 본 발명의 특징 및 장점들은 아래의 첨부된 도면에 관한 구체적인 실시예의 묘사로 인하여 분명해지고 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도2는 도1에 나타난 태양전지의 A부분에 대한 확대도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따라 제품생산방법의 가공순서(process sequence)를 보여주기 위한 흐름도이다.
이 도면들은 단지 도식화 한 것일뿐 일정한 비율로 축소한 것은 아니다. 특히, 예를 들어 층과 콘택구조물 사이의 크기비율은 반드시 현실적으로 묘사된 것은 아니다.
도 1, 2는 본 발명에 따른 간단한 형태의 태양전지를 나타낸다. 실리콘기판(1)은 그 뒷면(3) 전 범위에 금속콘택(5)을 갖고 있다. 예를들어 평평한 후면전계층(Back Surface Field, BSF) 또는 중간 유전체층과의 국부접촉(local contact)과 같은 다른 후면 접촉구조체는 후면 반사체(back reflector) 및/또는 패시베이션층(passivation layer)으로서 생산될 것이다. 기판(1)의 앞면(7)에서, 유전체층은 패시베이션층(passivation layer; 9)으로서 증착(deposited)된다. 기판(1)이 예를들어 150-300㎛의 두께를 갖는 반면에, 패시베이션층(passivation layer; 9)는 단지 70-90㎚의 두께를 갖는다. 유전체 층은 처음에는 반사방지층(anti-reflection layer)으로 작용하고 둘째로는 표면(7)의 패시베이션(passivation) 역할을 한다. 금속콘택(11)은 기판(1)의 앞면(7)과 핑거구조로(finger-like structure) 국부적으로(locally) 연결된다. 금속콘택(11)은 국부적으로(locally) 패시베이션층(passivation layer; 9)을 통하여 들어가고(penetrate) 기판(1)의 표면(7)과 기계적 그리고 전기적 콘택을 한다.
도 1에서 A부분의 확대도인 도 2에 나타난 단면도에 보여진 것 처럼, 금속콘택(11)은 특별한 구조를 갖고 있다. 금속콘택(11)의 내부영역(13)은 니켈 입자(15)로 대부분 구성되어 있다. 이 니켈 입자(15)는 함께 소결(sintered)되었을 것이고 서로 전기적으로 도전성인 콘택하에 있을 것이다. 그 내부영역(13)은 패시베이션층(passivation layer; 9)을 통하여 확장되고 기판(1)의 앞쪽 표면(7)과 콘택을 만든다. 콘택영역(17)에서, 여기의 니켈 입자(15)는 실리콘 기판(1)과 인터페이스에서(at an interface) 니켈실리사이드층(nickel silicide layer; 19)을 갖고 있다.
입상구조(granular structure)를 갖고 있는 내부영역(13) 주위는 예를들어 은, 니켈 또는 구리와 같은 큰 전도력이 있는 금속으로부터 형성되고 크게 동질구조(homogenous structure)를 갖고 있는 외부영역(21)이다. 여기의 외부영역(21)은 유전체층(9)을 통하여 들어가지 않는다.
도 1, 2의 예에서 보여진 것과 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 본 발명에 따른 제작방법으로 제작될 것이고 이는 도 3의 흐름도와 관련하여 아래에서 설명될 것이다.
처음으로 실리콘 기판(1)이 제공된다(step S0). 실리콘 기판(1)은 예를 들어 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 또는 얇은 실리콘 층일 것이다. 실리콘 기판(1)은 예를들어 커팅 데미지(cutting damage)를 없애거나 표면무늬(surface texturing)을 만들기 위한 식각단계 그리고 클리닝 단계(cleaning step)과 같은 추가적인 전처리단계(pretreatment steps)의 대상이다. 그 다음에는 실리콘기판(1)의 표면에서 예를들어 적합한 도핑제(doping agent)의 확산에 의하여 이미터(emitter)가 제작될 것이다.
그 후에 패시베이션층(passivation layer; 9)이 이러한 방법(step S1)으로 준비된 실리콘기판(1)의 표면에 증착(deposited)된다. 패시베이션층(passivation layer)은 예를들어 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)에 의하여 증착된(deposited) 실리콘질화물층일 것이다. 그 대신에 산화물층이 열적으로 또한 화학적으로 커지거나, 또는 알루미늄 산화물층이 ALD 공정 (Atomic Layer Deposition), APCVD 공정 (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition) 또는 PECVD법을 사용하여 패시베이션층(passivation layer)으로서 증착(deposited)될 것이다. 다른 대안으로서 비정질실리콘(amorphous silicon)의 얇은층이 패시베이션층(passivation layer)으로서 증착(deposited)될 것이다.
그 후에 인쇄가능한 페이스트(printable paste)가 스크린프린팅(screen-printing) 공정(step S2)에서 미리 증착된(deposited) 패시베이션층(passvation layer)에 국부적으로(locally) 적용된다. 대체가능한 프린팅 공정, 예를들어 템플릿 프린팅(template printing), 롤러 프린팅(roller printing), 잉크패드 프린팅(inkpad printing) 또는 레이저트랜스퍼공정(laser transfer process)과 같은 것이 사용될 수 있다. 인쇄가능한 페이스트(printable paste)는 예를들어 인산(phosphoric acid)을 기초로 한 식각 매체(etching medium)와 다수의 니켈입자들을 둘 다 포함하고 있다. 인쇄가능한 페이스트(printable paste)는 예를들어 핑거(finger)의 폭이 20 - 150㎛이고 폭의 높이가 5 - 50㎛인 좁은 직사각형의 콘택핑거(contact finger)의 형태로 인쇄될 것이다.
그에 이은 가열단계(step S3)동안 그것에 인화된(printed thereon) 페이스트(paste)를 포함하는 실리콘기판이 약 350 - 500℃의 온도로 가열될 것이고 이 온도에서 몇 초 동안 유지될 것이다. 이러한 가열단계는 예를 들어 벨트오븐(belt oven)을 통하여 실리콘기판을 통과함으로써 시행 될 것이다.
높은 온도는 인쇄 가능한 페이스트(printable paste)에 포함되어있는 식각 매체(etching medium)의 반응성을 증가하는 결과를 초래할 것이고, 이것이 몇 초 동안 패시베이션층(passivation layer; 9)을 통하여 식각할 수 있을 것이다. 그러므로 이제 페이스트(paste)에 역시 포함되어있는 니켈입자(15)와 실리콘표면(7)사이의 직접적인 콘택을 얻을 수 있다. 이제 니켈실리사이트층(nickel silicide layer; 19)은 350℃를 넘는 고온 때문에 형성될 것이다.
가열단계 다음에, 어떠한 남아있는 식각 매체(etching medium)라도 이런 방법으로 생산된 금속콘택구조(11)로부터 제거될 것이다. 예를 들어 기판(1)은 탈이온수(de-ionised water)에서 세정하는 단계(rinsing step)에 대한 것이다. 그 대신에 페이스트(paste)에 포함된 식각 매체(etching medium)의 양과 가열단계의 시간과 온도는 식각 매체(etching medium)가 가열 단계 동안 완전히 증발되도록 하는데 맞춰질 것이다.
그 후에 선택적 방법단계에서(step S4), 이러한 방법으로 생산된 니켈콘택구조는 도금에 의하여 두꺼워질 것이다. 도2에서 보여 진 것처럼, 페이스트에 의하여 제작된 니켈콘택구조는 입상구조(granular structure)로 형성되고 패시베이션층(passivation layer; 9)을 통하여 아래의 기판표면(7) 쪽으로 연장되는 반면에, 바깥쪽에 도금된 영역(21)은 크게 동질구조를 갖고 입상니켈콘택구조와 패시베이션층(passivation layer; 9) 위에 정착한다.
니켈실리사이드(nickel silicide)영역(19)의 형성은 금속콘택(11)의 내부영역(13)과 실리콘기판(1)의 표면사이에서 낮은 접촉저항을 가능하게 할 것이다. 금속콘택(11)의 도금된 바깥영역(21)은 핑거콘택(finger-like contacts)을 따라 매우 낮은 직렬 저항을 보장할 것이다. 전체적으로, 이것은 금속콘택(11)을 통하여 매우 낮은 직렬저항손실의 가능성을 만들 것이다.
태양전지를 완성시키기 위해서, 예를 들어 뒷면 콘택(back contact)이나 모서리의 단열(edge insulation)의 형성과 같은 다음단계(step S5)가 수행될 것이다. 이것들과 다른 보충 공정단계는 위에서 언급된 공정단계 S1부터 S4 사이에서 대안으로 또한 수행될 것이다.
마지막으로, "포함(comprise)", "구비(have)" 등의 용어는 그 이상의 추가적인 요소들의 존재를 제외하는 것이 아니라는 것이 지적되었다. 용어 "하나(a)"는 다수의 요소나 물건의 존재를 제외하는 것이 아니다. 게다가 청구항에서 인용된 공정단계뿐만 아니라, 다음 공정단계가, 예를 들어 최종적인 태양전지를 생산하기 위해 필요하거나 유리할 것이다. 청구항의 참조번호들은(reference numerals) 단지 가독성을 좋게 하는데 도움이 되는 것이고 청구항의 보호범위를 결코 제한하기 위한 것이 아니다.
1 실리콘 기판 (Silicon substrate)
3 뒷 표면 (Back surface)
5 백 콘택 (Back contact)
7 앞 표면 (Front surface)
9 패시베이션층 (Passivation layer)
11 금속 콘택 (Metal contact)
13 내부 영역 (Inner region)
15 니켈 입자 (Nickel particle)
17 콘택팅 영역 (Contacting region)
19 니켈실리사이드층 (Nickel silicide layer)
21 외부영역 (Outer region)

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 유전체 및 비정질실리콘 중 적어도 하나의 패시베이션층의 오프닝을 식각하기 위한, 그리고 패시베이션층과 인접한 실리콘기판(1)과 전기적으로 도전성인 콘택을 만들기 위한 인쇄매체에 있어서,
    상기 인쇄매체는 적어도,
    패시베이션층을 화학적으로 식각하기 위한 매체; 및
    5중량%에서 90중량%사이의 금속입자(15)를 포함하고,
    상기 금속입자는 니켈입자 및 티타늄입자 중 적어도 하나이고,
    상기 인쇄매체는 실질적으로 유리프릿을 포함하지 않는 인쇄매체
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄매체는 패시베이션층을 식각하기 위하여 5중량%에서 90중량% 사이의 매체를 포함하는 인쇄매체
  3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속입자는 20㎚에서 50㎛사이의 크기를 갖는 인쇄매체
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    식각 매체는 인쇄매체에 의하여 덮혀있는 영역에서 패시베이션층을 화학적으로 완전하게 제거하는데 적합한 인쇄매체
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 실리콘질화물, 실리콘산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘탄화물 및 비정질실리콘을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 유전체를 포함한 인쇄매체
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각 매체는 적어도 하나의 인산, 인산염 및 인산화합물의 하나 이상의 형태를 포함하는 인쇄매체
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각 매체는 염산, 인산, 황산, 불산, 질산을 포함하는 적어도 하나의 무기광물산 그리고
    포름산, 아세트산, 젖산 그리고 옥살산을 포함하는, 알킬탄산, 히드록시탄산, 디카르본산 그룹에서 선택된 탄소수 1-10개의 알킬잔기를 갖고 있는 무기산, 그리고
    수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 식각 알칼리성 화합물을 포함하는 인쇄매체
  8. 태양전지의 제작방법에 있어서,
    상기 방법은 적어도,
    실리콘 기판(1)을 제공하는 단계(S0);
    실리콘기판의 표면(7)에 적어도 하나의 유전체 및 비정질실리콘으로 패시베이션층(9)을 증착시키는 단계(S1);
    인쇄매체를 패시베이션에 적용하는 단계(S2)를 포함하고,
    상기 인쇄매체는 화학적으로 패시베이션층을 식각하기 위한 적어도 하나의 매체 및 5중량%에서 90중량%사이의 금속 입자(15)를 포함하고,
    상기 금속입자는 니켈입자 및 티타늄입자 중 적어도 하나이고,
    상기 인쇄매체는 실질적으로 유리프릿을 포함하지 않는 방법
  9. 제 8 항에 있어서,
    인쇄매체를 200℃에서 600℃사이의 온도로 가열하는 단계(S3)를 더 포함하는 방법
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    인쇄매체를 200℃ 이상으로 1초 에서 10분 사이의 시간 동안 가열하는 단계를 더 포함하는 방법
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    부가적인 전기적으로 도전성인 층의 적용에 의하여, 적용된 인쇄매체에 의하여 형성된 금속콘택구조(11)를 두껍게 하는 단계(S4)를 더 포함하는 방법



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