KR20120031084A

KR20120031084A - 규소 웨이퍼의 전면 상에 그리드 캐소드를 형성하는 방법

Info

Publication number: KR20120031084A
Application number: KR1020127001908A
Authority: KR
Inventors: 지오바나 라우디시오; 케네스 워른 행; 리차드 존 쉐필드 영
Original assignee: 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-03-29
Also published as: CN102804389A; WO2010151862A1; EP2446479A1; JP2012531752A; US20110146781A1

Abstract

규소 웨이퍼의 전면 상에 그리드 캐소드를 제조하는 방법으로, 상기 방법은 금속 페이스트를 전면 그리드 전극 패턴으로 규소 웨이퍼 상에 적용하고 소성하여 시드 그리드 캐소드를 형성하고, 이어서 규소 웨이퍼에 LIP 공정을 거치게 함으로써 행해지며, 여기서 금속 페이스트는 유기 비히클 및 무기 내용물을 포함하며, 무기 내용물은 (a) 니켈, 구리 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 90 내지 98 중량%의 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, 및 (b) 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 0.25 내지 8 중량%의 적어도 하나의 유리 프릿을 포함한다.

Description

규소 웨이퍼의 전면 상에 그리드 캐소드를 형성하는 방법{PROCESS OF FORMING A GRID CATHODE ON THE FRONT-SIDE OF A SILICON WAFER}

본 발명은 규소 웨이퍼의 전면 상에 그리드 캐소드를 형성하는 방법에 관한 것이다.

p형 베이스를 갖는 종래의 태양 전지 구조물은, 전형적으로 전지의 전면 또는 피조명면(illuminated side) 상에 있는 음극과, 후면 상에 있는 양극을 갖는다. 반도체 몸체의 p-n 접합부로 떨어지는 적합한 파장의 방사선이 그 몸체에서의 정공-전자 쌍을 생성하기 위한 외부 에너지원으로서 작용한다는 것은 잘 알려져 있다. p-n 접합부에 존재하는 전위차로 인해, 정공 및 전자가 접합부를 가로질러 반대 방향으로 이동함으로써, 외부 회로에 전력을 전달할 수 있는 전류의 흐름을 야기한다. 대부분의 태양 전지는 금속화되어 있는, 즉 전기 전도성인 금속 접점을 구비하고 있는 규소 웨이퍼 형태로 되어 있다.

현재 사용되는 대부분의 전력 발생 태양 전지는 규소 태양 전지이다. 특히, 전극은 금속 페이스트로부터 스크린 인쇄와 같은 방법을 사용함으로써 제조된다.

전형적으로, 규소 태양 전지의 제조는 인(P) 등의 열 확산에 의해 역방향 전도성 유형의 n형 확산층이 위에 형성된 규소 웨이퍼 형태의 p형 규소 기재에서 출발한다. 옥시염화인(POCl₃)이 기체 인 확산 공급원으로서 일반적으로 사용되며, 다른 액체 공급원은 인산 등이다. 임의의 특정 변형 없이, 확산층이 규소 기재의 표면 전체에 걸쳐 형성된다. p형 도펀트의 농도가 n형 도펀트의 농도와 같아지는 곳에서 p-n 접합부가 형성되며; 피조명면 가까이에 p-n 접합부를 갖는 종래의 전지는 접합부 깊이가 0.05 내지 0.5 ㎛이다.

이러한 확산층의 형성 후, 플루오르화 수소산과 같은 산에 의해 에칭함으로써 나머지 표면으로부터 과잉의 표면 유리가 제거된다.

다음으로, n형 확산층 상에, 예를 들어 플라즈마 CVD (chemical vapor deposition, 화학 증착)와 같은 공정에 의해 0.05 내지 0.1 ㎛ 의 두께로 TiO_x, SiO_x, TiO_x/SiO_x, 또는 특히 SiN_x 또는 Si₃N₄의 ARC (antireflective coating) 층 (반사방지 코팅 층)이 형성된다.

p형 베이스를 갖는 종래의 태양 전지 구조물은 전형적으로 전지의 전면 상에 음극의 그리드 전극을, 그리고 후면 상에 양극을 갖는다. 전형적으로, 그리드 전극은 전지의 전면 상의 ARC 층 상에 전면의 은 페이스트(전면 전극 형성 은 페이스트)를 스크린 인쇄하고 건조시킴으로써 적용된다. 전형적으로, 전면의 그리드 전극은 (i) 가는 평행 핑거 라인(finger line)(컬렉터(collector) 라인) 및 (ii) 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개의 버스바(busbar)를 포함하는 이른바 H 패턴으로 스크린 인쇄된다. 추가적으로, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트 및 알루미늄 페이스트가 기재의 후면 상에 스크린 인쇄 (또는 어떤 다른 적용 방법으로 적용)되고 연이어 건조된다. 통상, 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트는 상호 접속 스트링 (사전 납땜된 구리 리본)을 납땜하도록 준비된 2개의 평행 버스바로서 또는 직사각형체 (탭)로서 먼저 규소 웨이퍼의 후면 상에 스크린 인쇄된다. 이어서, 알루미늄 페이스트가 후면 은 또는 은/알루미늄 위에 약간 중첩된 상태로 노출 영역(bare area)에 인쇄된다. 어떤 경우에, 알루미늄 페이스트가 인쇄된 후에 은 또는 은/알루미늄 페이스트가 인쇄된다. 이어서, 전형적으로 1 내지 5분의 기간 동안 벨트 소성로(belt furnace) 내에서 소성이 수행되는데, 이때 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달한다. 전면 그리드 전극 및 후면 전극은 순차적으로 소성되거나 또는 동시소성(cofiring)될 수 있다.

알루미늄 페이스트는 일반적으로 규소 웨이퍼의 후면 상에 스크린 인쇄되고 건조된다. 웨이퍼는 알루미늄의 융점보다 높은 온도에서 소성되어 알루미늄-규소 용융물(melt)을 형성하고, 연이어 냉각 단계 동안 알루미늄으로 도핑된 에피택셜 성장된 규소층이 형성된다. 이러한 층은 일반적으로 후면 전계(back surface field, BSF) 층이라 불린다. 알루미늄 페이스트는 소성에 의해 건조 상태로부터 알루미늄 후면 전극으로 변환된다. 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트가 동시에 소성되어, 은 또는 은/알루미늄 후면 전극이 된다. 소성 동안, 후면 알루미늄과 후면 은 또는 은/알루미늄 사이의 경계는 합금 상태를 나타내고, 마찬가지로 전기적으로 접속된다. 알루미늄 전극은 후면 전극의 대부분의 영역을 차지하는데, 이는 p+ 층의 형성에 대한 필요성에 일부 기인한다. 은 또는 은/알루미늄 후면 전극은 사전 납땜된 구리 리본 등에 의해 태양 전지들을 상호 접속시키기 위한 전극으로서 (흔히 2 내지 6 ㎜ 폭의 버스바로서) 후면의 일부에 걸쳐 형성된다. 추가적으로, 전면 그리드 전극으로서 인쇄된 전면 은 페이스트는 소성 동안 소결되어 ARC 층을 통해 침투하며, 그럼으로써 n형 층과 전기적으로 접촉할 수 있다. 이러한 유형의 공정은 일반적으로 "관통 소성"(firing through)이라 불린다.

상기에 기재된 유형의 규소 태양 전지의 전기 효율은 전면 그리드 전극 상에 전기 전도성 은을 침착시키는 이른바 LIP(light-induced plating, 광-유도 도금) 공정을 이용함으로써 증가될 수 있다. LIP 공정 동안, 전면 그리드 전극은 은으로 전기도금되는 시드(seed) 전극으로서의 역할을 한다(문헌[A. Mette et al., "Increasing the Efficiency of Screen-Printed Silicon solar cells by Light-Induced Silver Plating", Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Volume 1, May 2006, pages 1056 - 1059] 참조). LIP 공정 동안, 전면 시드 그리드 캐소드가 구비된 규소 태양 전지가 LIP 배쓰(bath) 내에, 즉 캐소드 침착성(cathodically depositable) 형태로 은이 들어 있는 수성 배쓰 내에 침지된다. 전지의 전면이 조명되고, 전면 상에 생성된 음전위는 시드 그리드 캐소드 상에 은을 침착시킨다. 동시에, 전지의 후면이 외부 전원 장치에 접속되고, 규소 웨이퍼의 전면의 조명 하에서 생성된 양전위를 보상하도록 전압 바이어스를 인가하여 알루미늄 층의 분해를 방지한다. 은의 희생 전극은 LIP 배쓰 - 침착 공정에 의해 LIP 배쓰로부터 은이 소비됨 - 를 보충하기 위한 외부 전원 장치에 애노드 접속된다.

시드 그리드 캐소드를 적용 및 소성하고 위에 LIP로 은을 침착시킴으로써 제조된 전면 그리드 캐소드가 구비된 규소 태양 전지의 전기 효율이, 시드 그리드 캐소드를 적용시키는 데 사용되는 전기 전도성 금속 페이스트가 소정의 조성을 갖는 유리 프릿을 함유할 때, 추가로 개선될 수 있음이 이제서야 밝혀졌다.

본 발명은 p형 영역, n형 영역, p-n 접합부 및 ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼의 전면 상에 그리드 캐소드를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은

(1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계,

(2) 금속 페이스트를 전면 그리드 전극 패턴으로 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 적용하고 건조시키는 단계와,

(3) 금속 페이스트를 소성하여 시드 그리드 캐소드를 형성하는 단계와,

(4) 시드 그리드 캐소드가 구비된 규소 웨이퍼에 LIP 공정을 거치게 함으로써 시드 그리드 캐소드 상에 은을 침착시키는 단계를 포함하며,

금속 페이스트는 유기 비히클 및 무기 내용물을 포함하며, 무기 내용물은 (a) 니켈, 구리 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 90 내지 98 중량%의 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, 및 (b) 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 0.25 내지 8 중량%의 적어도 하나의 유리 프릿을 포함한다.

상세한 설명 및 특허청구범위에서, 용어 "시드 그리드 캐소드" 및 "그리드 캐소드"는 공정 단계(3)의 완료시에 얻어진 시드 그리드 캐소드와 공정 단계(4)의 완료시에 얻어진 그리드 캐소드, 즉 본 발명의 방법에 의해 제조된 그리드 캐소드 사이에 명확한 구별을 짓기 위해 사용된다.

본 발명의 방법의 단계(1)에서는 ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼가 제공된다. 규소 웨이퍼는 규소 태양 전지의 제조에 통상적으로 사용되는 종래의 단결정질 또는 다결정질 규소 웨이퍼이며; 이는 p형 영역, n형 영역 및 p-n 접합부를 갖는다. 규소 웨이퍼는 그의 전면 상에 예컨대 TiO_x, SiO_x, TiO_x/SiO_x, 또는, 특히 SiN_x 또는 Si₃N₄의 ARC 층을 갖는다. 그러한 규소 웨이퍼는 당업자에게 잘 알려져 있으며; 간략함을 이유로 "배경기술" 섹션을 참고한다. 규소 웨이퍼에는 "배경기술" 섹션에 전술된 바와 같이 종래의 후면 금속배선(metallization), 즉 후면 알루미늄 페이스트 및 후면 은 또는 후면 은/알루미늄 페이스트가 이미 구비되어 있을 수도 있다. 후면 금속 페이스트들(후면 알루미늄 페이스트를 포함함)의 적용은 전면 시드 그리드 캐소드가 단계(3)에서 완성되기 전이나 후에 수행될 수 있다. 우선적으로, 후면 금속 페이스트들(후면 알루미늄 페이스트를 포함함)은 공정 단계(4)가 수행되기 전에 적용되고 소성된다. 후면 금속 페이스트들(후면 알루미늄 페이스트를 포함함)은 개별적으로 소성되거나 동시소성되거나, 또는 심지어는 단계(2)에서 ARC 층 상에 적용된 전면 금속 페이스트와 동시소성될 수도 있다.

본 발명의 방법의 단계(2)에서는 금속 페이스트가 전면 그리드 전극 패턴으로 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 적용된다.

금속 페이스트는 관통 소성 능력을 갖는 후막 전도성 조성물이며, 즉 이는 ARC 층을 관통 소성하여 규소 기재의 표면과 전기적 접촉을 이룬다.

금속 페이스트는 유기 비히클을 포함한다. 아주 다양한 불활성 점성 물질이 유기 비히클로서 사용될 수 있다. 유기 비히클은 미립자 성분들(전기 전도성 금속 분말, 유리 프릿, 선택적으로 존재하는 다른 미립자 무기 성분)이 충분한 정도의 안정성을 갖고서 분산가능한 것일 수 있다. 유기 비히클의 특성, 특히 리올로지 특성은 불용성 고형물의 안정한 분산, 적용에 있어서의 적절한 점도 및 요변성(thixotropy), 페이스트 고형물 및 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층의 적절한 습윤성(wettability), 우수한 건조 속도, 및 우수한 소성 특성을 비롯한 우수한 적용 특성을 금속 페이스트에 제공하도록 하는 것일 수 있다. 금속 페이스트에 사용되는 유기 비히클은 비수용성의 불활성 액체일 수 있다. 유기 비히클은 유기 용매 또는 유기 용매 혼합물일 수 있으며; 일 실시 형태에서, 유기 비히클은 유기 중합체(들)가 유기 용매(들)에 들어 있는 용액일 수 있다. 증점제, 안정화제 및/또는 기타 통상의 첨가제를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있는 임의의 다양한 유기 비히클의 사용이 행해질 수 있다. 일 실시 형태에서, 유기 비히클의 성분으로서 사용되는 중합체는 에틸 셀룰로오스일 수 있다. 단독으로 또는 결합하여 사용될 수 있는 중합체의 다른 예들은 에틸하이드록시에틸 셀룰로오스, 나무 로진, 페놀 수지 및 저급 알코올의 폴리(메트)아크릴레이트를 포함한다. 적합한 유기 용매의 예에는 에스테르 알코올 및 테르펜, 예를 들어 알파- 또는 베타-테르피네올, 또는 그것 및 다른 용매들(예를 들어, 등유, 다이부틸프탈레이트, 다이에틸렌 글리콜 부틸 에테르, 다이에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트, 헥실렌 글리콜 및 고비점 알코올)의 혼합물이 포함된다. 추가적으로, 금속 페이스트의 적용 후 신속한 경화를 촉진시키기 위한 휘발성 유기 용매가 유기 비히클 내에 포함될 수 있다. 원하는 점도 및 휘발성 요건을 달성하기 위해 이들 및 기타 용매의 다양한 조합들이 조제될 수 있다.

금속 페이스트 내의 유기 비히클 대 무기 내용물(무기 성분들; 전기 전도성 금속 분말 + 유리 프릿 + 선택적으로 존재하는 다른 무기 첨가제)의 비는 금속 페이스트의 적용 방법 및 사용되는 유기 비히클의 종류에 좌우되며, 이 비는 변할 수 있다. 통상, 금속 페이스트는 40 내지 95 중량%의 무기 성분 및 5 내지 60 중량%의 유기 비히클을 함유할 것이다.

금속 페이스트의 무기 내용물은 (a) 니켈, 구리 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 90 내지 98 중량%의 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, 및 (b) 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 0.25 내지 8 중량%의 적어도 하나의 유리 프릿을 포함한다.

일 실시 형태에서, 금속 페이스트의 무기 내용물은 (a) 니켈, 구리 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 92 내지 98 중량%의 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, 및 (b) 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1.5 내지 4 중량%의 적어도 하나의 유리 프릿을 포함한다.

금속 페이스트의 무기 내용물은, 성분 (a) 및 성분 (b)의 중량 백분율로부터 계산될 수 있는 바와 같이, 성분 (a) 및 성분 (b)와 상이한 추가의 무기 성분을 포함하는 것이 가능하다. 그러한 다른 무기 성분의 예에는 고체 무기 산화물이나, 또는 금속 페이스트의 소성 동안 고체 무기 산화물을 형성할 수 있는 화합물이 포함된다. 상기 고체 무기 산화물의 예에는 이산화규소, 산화아연, 산화마그네슘, 산화칼슘 및 산화리튬이 포함된다. 일반적으로, 금속 페이스트의 무기 내용물은 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 유리 프릿 이외의 다른 유리 프릿은 포함하지 않는다.

금속 페이스트는 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말을 포함한다. 은 분말이 바람직하다. 금속 또는 은 분말은 코팅되지 않거나 계면활성제로 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다. 계면활성제는 스테아르산, 팔미트산, 라우르산, 올레산, 카프르산, 미리스트산 및 리놀산 및 그 염, 예를 들어 암모늄, 나트륨 및 칼륨 염으로부터 선택될 수 있지만 이로 한정되지 않는다.

전기 전도성 금속 분말, 또는 특히 은 분말의 평균 입자 크기는, 예를 들어 0.2 내지 5 ㎛의 범위이다.

상세한 설명 및 특허청구범위에서, 용어 "평균 입자 크기"가 사용된다. 이는 레이저 산란에 의해 측정된 평균 입자 직경(d50)을 의미한다. 평균 입자 크기와 관련하여 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 이루어진 모든 언급은 금속 페이스트에 존재하는 관련 물질의 평균 입자 크기에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 페이스트는 은, 구리, 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말만을 포함한다. 그러나, 은, 구리 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 작은 비율의 전기 전도성 금속을 하나 이상의 다른 미립자 금속으로 대체하는 것이 가능하다. 그러한 다른 미립자 금속(들)의 비율은, 예를 들어, 금속 페이스트 중에 함유된 전체 미립자 금속을 기준으로 0 내지 10 중량%이다.

이미 언급된 바와 같이, 금속 페이스트는 무기 결합제로서 적어도 하나의 유리 프릿을 포함한다 하나 이상의 유리 프릿은 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일 실시 형태에서, 하나 이상의 유리 프릿은 50.3 내지 61.5 중량%의 PbO, 25.2 내지 30.8 중량%의 SiO₂, 4.2 내지 5.2 중량%의 Al₂O₃, 3.0 내지 3.6 중량%의 TiO₂ 및 7.3 내지 8.9 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 유리 프릿은 53.1 내지 58.7 중량%의 PbO, 26.6 내지 29.4 중량%의 SiO₂, 4.5 내지 4.9 중량%의 Al₂O₃, 3.1 내지 3.5 중량%의 TiO₂ 및 7.7 내지 8.5 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택된다. PbO, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ 및 B₂O₃의 중량 백분율로부터 계산될 수 있는 바와 같이, 후자는 반드시 합계가 100 중량%가 될 필요는 없지만, 일 실시 형태에서, PbO, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ 및 B₂O₃의 중량 백분율의 합계는 100 중량%이다. PbO, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ 및 B₂O₃의 중량 백분율이 합계 100 중량%가 아닌 경우, 누락된 중량%는 특히 하나 이상의 다른 산화물에 의해 주어질 수 있다.

적어도 하나의 유리 프릿의 평균 입자 크기는, 예를 들어 0.5 내지 4 ㎛의 범위이다.

유리 프릿의 제조는 잘 알려져 있으며, 예를 들어 성분들의 산화물 형태로 되어 있는 유리의 성분들을 함께 용융시키고, 그러한 용융된 조성물을 물에 부어서 프릿을 형성하는 것으로 이루어진다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 가열은 예를 들어 1300 내지 1450℃의 피크 온도까지, 그리고 용용물이 완전히 액체로 되고 균질해지도록 하는 시간 동안, 예를 들어 0.5 내지 1.5시간 동안 수행될 수 있다.

프릿의 입자 크기를 감소시키고 실질적으로 균일한 크기의 프릿을 얻기 위해, 유리가 볼밀(ball mill)에서 물 또는 낮은 점도, 낮은 비점의 불활성 유기 액체로 밀링될 수 있다. 이어서, 유리가 미세 가루(fine)를 분리시키기 위해 물 또는 상기 유기 액체에서 침전될 수 있고, 미세 가루를 포함하는 상청액 액체가 제거될 수 있다. 다른 분류 방법들도 역시 사용될 수 있다.

금속 페이스트는 점성 조성물인데, 이는 전기 전도성 금속 분말과 유리 프릿과 다른 선택적으로 존재하는 고체 무기 성분을 유기 비히클과 기계적으로 혼합함으로써 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 종래의 롤 밀링과 동등한 분산 기법인, 파워 믹싱(power mixing)이라는 제조 방법이 사용될 수 있으며, 롤 밀링 또는 기타 혼합 기법도 사용될 수 있다.

금속 페이스트는 그대로 사용될 수 있거나, 또는 예를 들어 추가 유기 용매(들)의 첨가에 의해 희석될 수 있으며; 따라서, 금속 페이스트의 다른 모든 성분들의 중량 백분율이 감소될 수 있다.

본 발명의 방법의 단계(2)에서는 금속 페이스트가 전면 그리드 전극 패턴으로 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 적용된다. 금속 페이스트 적용 방법의 예에는 펜-라이팅(pen-writing) 및 인쇄 방법, 예를 들어 제트 인쇄, 스텐실 인쇄 및 스크린 인쇄가 포함된다. 전면 그리드 전극은 (i) 가는 평행 핑거 라인 및 (ii) 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개 이상의 평행 버스바를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 그리드 패턴은 2개의 평행 버스바를 갖는 H 패턴이다. 평행 핑거 라인은 서로간의 거리가 예를 들어 2 내지 5 ㎜이고, 건조 층 두께가 예를 들어 3 내지 30 ㎛이고, 폭이 예를 들어 40 내지 200 ㎛일 수 있다. 버스바는 건조 층 두께가 예를 들어 10 내지 50 ㎛이고, 폭이 예를 들어 1 내지 3 ㎜일 수 있다.

금속 페이스트의 적용 후, 금속 페이스트는 예를 들어 1 내지 100분의 기간 동안 건조되며, 이때 규소 웨이퍼는 100 내지 300℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 된다. 예를 들어, 벨트, 회전식 또는 고정식 건조기, 특히 IR (적외선) 벨트 건조기를 사용하여 건조가 수행될 수 있다.

본 발명의 방법의 단계(3)에서는 건조된 금속 페이스트가 소성되어 시드 그리드 캐소드를 형성한다. 단계(3)의 소성은 예를 들어 1 내지 5분의 기간 동안 수행될 수 있으며, 이때 규소 웨이퍼는 700 내지 900℃ 범위의 피크 온도에 도달하게 된다. 예를 들어, 소성은 단일 또는 다중-구역 벨트 소성로, 특히 다중-구역 IR 벨트 소성로를 사용하여 수행될 수 있다. 소성은 불활성 기체 분위기에서 또는 산소의 존재 하에서, 예를 들어 공기의 존재 하에서 일어난다. 소성 동안에는, 건조 동안 증발되지 않은 유기 부분 및 비휘발성 유기 물질을 비롯한 유기 물질이 제거, 즉 연소 및/또는 탄화, 특히 연소될 수 있다. 소성 동안 제거되는 유기 물질에는 유기 용매(들), 선택적으로 존재하는 유기 중합체(들), 선택적으로 존재하는 유기 첨가제(들), 및 선택적으로 존재하는 금속-유기 화합물의 유기 부분이 포함된다. 소성 동안 일어나는 추가의 공정이 있는데, 이는 즉 유리 프릿과 전기 전도성 금속 분말의 소결이다. 금속 페이스트는 ARC 층을 에칭하고 관통 소성하여 규소 기재와 전기적 접촉을 이룬다.

이미 언급된 바와 같이, 소성은 규소 웨이퍼에 적용된 후면 금속 페이스트들과 함께 소성되는, 이른바 동시소성으로서 수행될 수 있다.

본 발명의 방법의 단계(3)에서 형성된 시드 그리드 캐소드는 전기 전도성이며 후속 공정 단계(4)를 성공적으로 수행하는 것을 허용하는데; 즉, 시드 그리드 캐소드는 공정 단계(4) 동안 은으로 전기도금되어 전면 그리드 캐소드를 형성할 수 있다.

본 발명의 방법의 단계(4)에서는 시드 그리드 캐소드가 구비된 규소 웨이퍼에 LIP 공정을 거침으로써 시드 그리드 캐소드 상에 은을 침착시킨다. 이를 위하여, 규소 웨이퍼는 LIP 배쓰 내로 침지되고, 시드 그리드 캐소드가 위에 있는 침지된 규소 웨이퍼의 전면이 조명된다. 규소 웨이퍼의 후면의 외부 전원 장치에 대한 접속 및 LIP 배쓰의 은 함량을 일정하게 유지하기 위해 취해지는 조치에 관해서는 "배경기술" 섹션을 참고한다. LIP 배쓰는 캐소드 침착성 형태로 은이 들어 있는 수성 배쓰이다. 전형적으로, LIP 배쓰는 예를 들어 8 내지 11, 특히 9 내지 10.5 범위의 알칼리성 pH(종래의 pH 측정기를 사용하여 측정됨)를 갖는다. 예를 들어, 조명 목적을 위하여 할로겐 또는 형광 램프가 사용될 수 있다. 조명은, 원하는 양의 은이 LIP 배쓰로부터 시드 그리드 캐소드 상에 침착될 때까지, 즉 그리드 캐소드가 형성될 때까지 수행된다. 본 발명의 방법의 이러한 단계(4) 동안, 은 침착은 단계(3)에서 얻어진 그리드의 성장을 가져오는데; 예를 들어, 평행 핑거 라인 및 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개 이상의 평행 버스바를 포함하는 그리드의 경우, 핑거의 층 두께는 예를 들어 5 내지 30 ㎛, 핑거의 폭은 예를 들어 10 내지 100 ㎛, 그리고 버스바의 층 두께는 예를 들어 5 내지 30 ㎛ 증가할 수 있다. 폭에 있어서 버스바의 성장은, 버스바의 출발 폭이 예를 들어 1 내지 3 ㎜임을 고려하면 언급될 만한 가치가 거의 없다.

LIP 공정이 완료된 후, 전면 그리드 캐소드가 구비된 규소 웨이퍼를 LIP 배쓰로부터 꺼내고, 물로 헹구어 LIP 배쓰 잔류물을 제거하고 건조시킨다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 전면 그리드 캐소드가 구비된 규소 태양 전지의 전기 효율의 전술된 추가의 개선은 단순히 LIP 공정 단계(4)의 수행 결과가 아니다. 이론에 의해 구애되지 않고, 그리고 충분히 상세하게 조사되지 않지만, 전면 시드 그리드 캐소드의 적용을 위해 사용되는 금속 페이스트 내에 함유된 유리 프릿의 조성이 핵심인 것으로 여겨진다. 상기 유리 프릿 조성은 LIP 공정 단계(4) 동안 은의 침착과 유리의 용해 사이의 균형이 잘 잡힌 비를 허용하여, 그 결과 규소 기재와의 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성의 비교적 치밀한 구조를 갖는 그리드 캐소드가 형성되는 것으로 여겨진다.

Claims

(1) ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼를 제공하는 단계와,
(2) 금속 페이스트를 전면 그리드 전극 패턴으로 규소 웨이퍼의 전면 상의 ARC 층 상에 적용하고 건조시키는 단계와,
(3) 금속 페이스트를 소성하여 시드 그리드 캐소드(seed grid cathode)를 형성하는 단계와,
(4) 시드 그리드 캐소드가 구비된 규소 웨이퍼에 LIP 공정을 거치게 함으로써 시드 그리드 캐소드 상에 은을 침착시키는 단계를 포함하며,
금속 페이스트는 유기 비히클 및 무기 내용물을 포함하며, 무기 내용물은 (a) 니켈, 구리 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 90 내지 98 중량%의 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말, 및 (b) 47.5 내지 64.3 중량%의 PbO, 23.8 내지 32.2 중량%의 SiO₂, 3.9 내지 5.4 중량%의 Al₂O₃, 2.8 내지 3.8 중량%의 TiO₂ 및 6.9 내지 9.3 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 0.25 내지 8 중량%의 적어도 하나의 유리 프릿을 포함하는, p형 영역, n형 영역, p-n 접합부 및 ARC 층이 전면 상에 있는 규소 웨이퍼의 전면 상에 그리드 캐소드를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 유리 프릿은 50.3 내지 61.5 중량%의 PbO, 25.2 내지 30.8 중량%의 SiO₂, 4.2 내지 5.2 중량%의 Al₂O₃, 3.0 내지 3.6 중량%의 TiO₂ 및 7.3 내지 8.9 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 유리 프릿은 53.1 내지 58.7 중량%의 PbO, 26.6 내지 29.4 중량%의 SiO₂, 4.5 내지 4.9 중량%의 Al₂O₃, 3.1 내지 3.5 중량%의 TiO₂ 및 7.7 내지 8.5 중량%의 B₂O₃를 함유하는 유리 프릿들로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, PbO, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ 및 B₂O₃의 중량 백분율의 합계는 100 중량%인 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 무기 내용물은 (a) 92 내지 98 중량%의 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말 및 (b) 1.5 내지 4 중량%의 적어도 하나의 유리 프릿을 포함하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전기 전도성 금속 분말은 은 분말인 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 페이스트는 40 내지 95 중량%의 무기 성분들 및 5 내지 60 중량%의 유기 비히클을 함유하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 페이스트는 펜-라이팅(pen-writing), 제트 인쇄, 스텐실 인쇄 및 스크린 인쇄로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 적용되는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 전면 그리드 전극 패턴은 (i) 가는 평행 핑거 라인(finger line) 및 (ii) 핑거 라인을 직각으로 교차하는 2개 이상의 평행 버스바(busbar)를 포함하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, LIP 공정은 규소 웨이퍼를 LIP 배쓰(bath) 내로 침지시키고, 시드 그리드 캐소드가 위에 있는 침지된 규소 웨이퍼의 전면을 조명하는 단계를 포함하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, LIP 배쓰는 pH가 8 내지 11이고, 캐소드 침착성(cathodically depositable) 형태로 은이 들어 있는 수성 배쓰인 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 전면 그리드 캐소드.
ARC 층이 전면 상에 있고 제12항의 전면 그리드 캐소드를 갖는 규소 웨이퍼를 포함하는 규소 태양 전지.