KR20150028811A - 접착 강화제를 가진 전기전도성 페이스트 - Google Patents

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린제이 에이. 칼포위치
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헤레우스 프레셔스 메탈즈 노스 아메리카 콘쇼호켄 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 실리콘 태양 전지들 및 태양 전지 모듈들의 제조, 특히 실리콘 웨이퍼의 후면에 유용한 전기전도성 페이스트에 관한 것이다. 전기전도성 페이스트는 금속 입자들, 유리 프리트, 유기 비이클, 및 접착 강화제를 포함한다. 접착 강화제는 금속 또는 금속 산화물, 또는 소성 온도에서 금속 또는 금속 산화물로 변환할 임의의 다른 금속 화합물을 포함한다. 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 니켈, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소 또는 그것의 산화물을 포함한다.

Description

접착 강화제를 가진 전기전도성 페이스트 {ELECTROCONDUCTIVE PASTE WITH ADHESION ENHANCER}
본 출원은, 그 개시가 여기에 전체적으로 참조로서 통합되는, 2012년 6월 12일에 출원된, 미국 가출원 일련 번호 제61/658,699호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 특히 후면 납땜 패드들을 형성하기 위한, 태양 전지판 기술에 이용된 전기전도성 페이스트 조성물들에 관한 것이다.
태양 전지들은 광전 효과를 사용하여 광의 에너지를 전기로 변환하는 디바이스들이다. 태양광 발전은 그것이 지속 가능하며 단지 무공해성 부산물들을 생성하기 때문에 매력적인 그린 에너지원이다. 따라서, 다량의 연구가 현재 재료 및 제조 비용들을 계속해서 낮추면서 강화된 효율성을 가진 태양 전지들을 개발하는데 쏟아지고 있다.
광이 태양 전지를 칠 때, 입사 광의 일부는 표면에 의해 반사되며 나머지는 태양 전지로 송신된다. 송신된 광의 광자들은 태양 전지에 의해 흡수되며, 이것은 보통 실리콘과 같은 반도체 재료로 만들어진다. 흡수된 광자들로부터의 에너지는 그것들의 원자들로부터의 반도체 재료의 전자들을 여기시켜서, 전자-홀 쌍들을 생성한다. 이들 전자-홀 쌍들은 그 후 p-n 접합들에 의해 분리되며 태양 전지 표면 상에 인가된 도전성 전극들에 의해 수집된다.
가장 보편적인 태양 전지들은 실리콘으로 만들어진 것들이다. 구체적으로, p-n 접합은 두 개의 전기 접촉 층들 또는 전극들과 결합된, p-형 실리콘 기판으로 n-형 확산 층을 적용함으로써 실리콘으로부터 만들어진다. p-형 반도체에서, 도펀트 원자들이 자유 전하 캐리어들(양의 홀들)의 수를 증가시키기 위해 반도체에 부가된다. 근본적으로, 도핑 재료는 반도체 원자들로부터 약한 결합 외부 전자들을 제거한다. p-형 반도체의 일 예는 붕소 또는 알루미늄 도펀트를 가진 실리콘이다. 태양 전지들은 또한 n-형 반도체들로부터 만들어질 수 있다. n-형 반도체에서, 도펀트 원자들은 호스트 기판에 추가 전자들을 제공하여, 음의 전자 전하 캐리어들의 과잉을 생성한다. n-형 반도체의 일 예는 인 도펀트를 가진 실리콘이다. 태양 전지에 의한 햇빛의 반사를 최소화하기 위해, 실리콘 질화물과 같은, 반사 방지 코팅이 태양 전지에 결합된 광의 양을 증가시키기 위해 n-형 확산 층에 도포된다.
태양 전지들은 통상적으로 그것들의 전방 및 후방 표면들 양쪽 모두에 도포된 전기전도성 페이스트를 가진다. 전면 페이스트들은 상기 설명된 바와 같이, 전자들의 교환으로부터 생성된 전기를 전도시키는 전극들의 형성을 야기하는 반면, 후면 페이스트들은 납땜 코팅된 도전성 와이어를 통해 태양 전지들을 직렬로 연결하기 위한 납땜 이음들로서 작용한다. 태양 전지를 형성하기 위해, 후방 접촉이 먼저 은 페이스트 또는 은/알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄함으로써와 같이, 납땜 패드들을 형성하기 위해 태양 전지의 후면에 적용된다. 다음으로, 알루미늄 후면 페이스트가 납땜 패드들의 에지들을 약간 중첩시키는, 태양 전지의 전체 후면에 도포되며, 셀이 그 후 건조된다. 도 1은 전체 표면 위에 인쇄된 알루미늄 후면(120)을 갖고, 전지의 길이에 걸쳐 움직이는 납땜 패드들(110)을 가진 실리콘 태양 전지(100)를 도시한다. 마지막으로, 상이한 유형의 전기전도성 페이스트를 사용하여, 금속 접촉이 전방 전극으로서 작용하도록 전면 반사 방지 층으로 스크린 인쇄될 수 있다. 광이 들어가는, 전지의 면 또는 전방 상에서의 이러한 전기 접촉 층은, 금속 그리드 재료들이 통상적으로 광에 투명하지 않기 때문에, 완전한 층보다는, 통상적으로 핑거 라인들 및 버스 바들로 이루어진 그리드 패턴에 존재한다. 인쇄된 전면 및 후면 페이스트를 가진, 실리콘 기판은 그 후 약 700-975℃의 온도로 소성된다. 소성 후, 전면 페이스트는 반사방지 층을 통해 에칭하고, 금속 그리드 및 반도체 사이에 전기적 접촉을 형성하며, 금속 페이스트들을 금속 전극들로 변환한다. 후면 상에서, 알루미늄은 후방 표면 필드(BSF)를 생성하는 도펀트로서 동작하는, 실리콘 기판으로 확산한다. 이러한 필드는 태양 전지의 효율성을 개선하도록 돕는다.
결과적인 금속 전극들은 전기가 태양 전지판에 연결된 태양 전지들로 및 그로부터 흐르도록 허용한다. 패널을 조립하기 위해, 다수의 태양 전지들이 직렬로 및/또는 병렬로 연결되며 제 1 전지 및 마지막 전지의 전극들의 단부들은 바람직하게는 출력 배선에 연결된다. 태양 전지들은 통상적으로 실리콘 고무 또는 에틸렌 비닐 아세테이트와 같은 투명한 열 가소성 수지에 캡슐화된다. 투명한 유리의 시트는 캡슐화한 투명한 열 가소성 수지의 전방 표면 상에 위치된다. 후방 보호 재료, 예를 들면, 양호한 기계적 속성들 및 양호한 내후성을 가진 불화 비닐 수지의 막으로 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 시트가 캡슐화한 열 가소성 수지 아래에 위치된다. 이들 계층화된 재료들은 공기를 제거하기 위해 적절한 진공 로에서 가열될 수 있으며, 그 후 가열 및 가압에 의해 하나의 몸체로 통합될 수 있다. 더욱이, 태양 모듈들은 통상적으로 장 시간 동안 야외에 남아있기 때문에, 알루미늄 등으로 이루어진 프레임 재료를 갖고 태양 전지의 둘레를 커버하는 것이 바람직하다.
후면 사용을 위한 통상적인 전기전도성 페이스트는 금속 입자들, 유리 프리트, 및 유기 비이클을 포함한다. 이들 구성요소들은 결과적인 태양 전지의 이론적 가능성을 완전히 이용하기 위해 신중하게 선택되어야 한다. 후면 은 또는 은/알루미늄 페이스트에 의해 형성된 납땜 패드들은, 알루미늄 후면 층으로의 납땜이 실제적으로 불가능하기 때문에, 특히 중요하다. 납땜 패드들은 실리콘 기판의 길이를 연장한 바들, 또는 실리콘 기판의 길이를 따라 배열된 별개의 세그먼트들로서 형성될 수 있다. 납땜 패드들은 실리콘 기판에 잘 부착해야 하며, 태양 전지의 효율성에 해로운 영향을 갖지 않으면서, 본딩 와이어를 납땜하는 기계적 조작을 견딜 수 있어야 한다.
후면 납땜 패드들의 접착을 테스트하기 위해 사용된 통상적인 방법은 은 층 납땜 패드에 납땜 와이어를 적용하고 그 후 기판에 대하여 특정한 각도, 통상적으로 180도들로 납땜 와이어를 벗기기 위해 요구된 힘을 측정하는 것이다. 통상적으로, 2 뉴턴보다 큰 당김력이 최소 요건이며, 보다 큰 힘들이 보다 바람직한 것으로 고려된다. 따라서, 개선된 접착 강도를 가진 후면 페이스트들을 위한 조성물들이 요구된다.
미국 특허 출원 공개 번호 제2011/0308595 A1호는 하나 이상의 절연 층들을 가진 태양 전지 디바이스의 전면 상에 인쇄하기 위한 박막 페이스트를 개시한다. 박막 페이스트는 유기 매질에 분산된 전기적 도전성 금속 및 납-텔루륨-산화물을 포함한다. 납-텔루륨-산화물은 페이스트의 고체들의 0.5 내지 15 wt. %의 양에 존재하며 납 대 텔루륨의 몰 비는 5/95 및 95/5 사이에 있다. 납-텔루륨-산화물(Pb-Te-O)은 TeO2 및 납 산화물 분말들을 혼합하고, 납물을 형성하기 위해 공기 또는 산소-함유 대기에서 분말 혼합물을 가열하고, 납물을 퀀칭하고, 퀀칭된 재료를 연마 및 볼-밀링하며, 원하는 입자 크기를 가진 분말을 제공하기 위해 밀링된 재료를 스크리닝함으로써 준비된다.
미국 특허 번호 제5,066,621호는 wt. %로, 13 내지 50% 납 산화물, 20 내지 50% 바나듐 산화물, 2 내지 40% 텔루륨 산화물, 40%까지의 셀레늄 산화물, 10%까지의 인 산화물, 5%까지의 니오븀 산화물, 20%까지의 비스무트 산화물, 5%까지의 구리 산화물 및 10%까지의 붕소 산화물을 포함한 밀봉 유리 조성물을 개시한다. 그것은 또한 wt. %로, 50 내지 77% 은, 이전에 설명된 바와 같은 8 내지 34%의 밀봉 유리 조성물, 0.2 내지 1.5% 수지 및 틱소트로피, 및 10 내지 20% 유기 용제를 포함한 전기적 도전성 제형을 개시한다. 개시된 밀봉 유리 조성물은 반도체 칩 패키징의 분야에서, 세라믹 기판들에 반도체 칩들, 즉 “다이들”을 접합시키기 위해 사용된다.
미국 특허 출원 공개 번호 제2011/0192457호는 실리콘 태양 전지들 상에 표면 전극들을 형성하기 위해 사용된 전기전도성 페이스트 조성물을 개시한다. 페이스트는 전기전도성 입자, 유기 결합제, 용제, 유리 프리트, 및 알칼리 토금속, 낮은 용해점을 가진 금속 또는 낮은 용해점을 가진 금속과 병합된 화합물을 포함한 유기 화합물을 포함한다. ‘457호 공개의 전기전도성 페이스트 조성물은 실리콘 웨이퍼의 전방(광 수신) 표면 전극들을 형성하기 위한 것이다.
미국 특허 번호들 제7,736,546호 및 제7,935,279호는 TeO2 및 Bi2O3, SiO2및 그것의 조합들 중 하나 이상을 포함하는 의도적으로 부가된 납이 없는 무연 유리 프리트들을 개시한다. 특허들은 또한 유리 프리트들을 포함한 도전성 잉크들 및 도포된 이러한 도전성 잉크들을 가진 물품들을 개시한다. ‘546호 및 ‘279호 특허들의 전기전도성 페이스트 조성물들은 또한 실리콘 웨이퍼의 전방(광 수신) 표면 전극들의 형성을 위한 것이다.
유럽 특허 번호 제 EP 1 713 095 A2호는 모두가 약 5 내지 30 wt. % 유기 매질에서 분산되는, 70 내지 85 wt. % 은 분말, 6 wt. % 미만의 망간-함유 첨가물, 300 내지 600℃의 범위에서의 연화점을 가진 4 wt. % 미만의 유리 프리트들을 포함하는, 태양 전지 디바이스의 전면 금속화에서의 사용을 위한 도전성 은 페이스트를 개시한다.
구체적으로, 일 양상에서, 본 발명은 도전성 입자들, 유리 프리트, 유기 비이클 및 금속 또는 금속 산화물, 또는 소성 온도에서 금속 또는 금속 산화물로 변환할 임의의 다른 금속 화합물을 포함한 접착 강화제를 포함한 전기전도성 페이스트 조성물이다. 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 니켈, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소 또는 그것의 산화물을 포함한다. 바람직하게는, 접착 강화제는 텔루륨 또는 텔루륨 산화물이다. 뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 양상은 납땜 패드들을 형성하기 위해 실리콘 웨이퍼의 후면에 전기전도성 페이스트를 도포함으로써 생성된 태양 전지이다. 본 발명의 또 다른 양상은 전기적으로 상호 연결된 태양 전지들을 포함한 태양 전지판이다. 마지막으로, 본 발명의 또 다른 양상은 태양 전지를 생성하는 방법이다.
본 발명은 금속 입자들, 유리 프리트들, 유기 비이클, 및 금속 또는 금속 산화물, 또는 소성 온도에서 금속 또는 금속 산화물로 변환할 임의의 다른 금속 화합물을 포함한 접착 강화제를 포함한 태양 전지 상에 후면 납땜 패드들을 형성할 때 사용하기 위한 전기전도성 페이스트을 제공하며, 여기에서 상기 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 니켈, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로부터 선택된 적어도 하나의 금속, 또는 그것의 산화물들을 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속, 바람직하게는 텔루륨이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 접착 강화제는 텔루륨 이산화물, 니켈 산화물, 마그네슘 산화물, 지르코늄 이산화물, 텅스텐 산화물, 은 산화물, 코발트 산화물 및 세륨 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물, 바람직하게는 텔루륨 이산화물이다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 상기 접착 강화제는 약 0.01 내지 5 wt. %의 전기전도성 페이스트 조성물이다. 상기 접착 강화제는 또한 약 0.05 내지 2.5 wt. %의 전기전도성 페이스트 조성물, 바람직하게는 약 0.05 내지 1 wt. %일 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 접착 강화제는 유리 프리트들 내에 분산된다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 상기 접착 강화제는 상기 유리 프리트들에서 독립한 페이스트 조성물 내에 분산된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 금속 입자들은 약 30 내지 75 wt. %의 전기전도성 페이스트 조성물이다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 입자들은 60 wt. % 이하의 전기전도성 페이스트 조성물(예로서, 약 30 내지 60 wt. %)이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 금속 입자들은 50 wt. % 이하의 전기전도성 페이스트 조성물(예로서, 약 30 내지 50 wt. %)이다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 금속 입자들은 은, 알루미늄, 금 및 니켈, 또는 그것의 임의의 합금들 중 적어도 하나이며, 바람직하게는 은이다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 유리 프리트들은 약 1 내지 10 wt. %의 전기전도성 페이스트 조성물이다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유리 프리트들은 납 산화물을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 유리 프리트들은 의도적으로 첨가된 납을 포함하지 않는다. 본 발명의 추가 실시예에서, 상기 유리 프리트들은 비스무트 산화물을 포함하며 의도적으로 첨가된 납을 포함하지 않는다. 본 발명의 부가적인 실시예에서, 유리 프리트들은 Bi-B-Li-산화물, Bi-Zn-B-산화물, Bi-Si-Zn-B-산화물 또는 Bi-Si-산화물 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 유기 비이클은 약 20 내지 60 wt. %의 전기전도성 페이스트 조성물, 바람직하게는 약 30 내지 50 wt. %, 보다 바람직하게는 약 45 wt. %이다. 본 발명의 일 실시예에서, 유기 비이클은 결합제, 계면활성제, 유기 용제 및 틱사트로피제를 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 결합제는 에틸셀룰로오소 또는 페놀 수지, 아크릴, 폴리비닐 부티랄 또는 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄 수지들, 로진 유도체 중 적어도 하나이다. 본 발명의 추가 실시예에서, 계면활성제는 폴리에틸렌 산화물, 폴리에틸렌 글리콜, 벤조트리아졸, 폴리(에틸렌글리콜)아세트 산, 라우르 산, 올레 산, 카프르 산, 미리스트 산, 리놀레 산, 스테아르 산, 팔미트 산, 스테아레이트 염들, 팔미테이트 염들, 및 그것의 혼합물들 중 적어도 하나이다. 본 발명의 부가적인 실시예에서, 유기 용제는 카르비톨, 테르피네올, 헥실 카르비톨, 텍사놀, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 디메틸아디페이트 또는 글리콜 에테르 중 적어도 하나이다.
본 발명은 또한 전면 및 후면을 가진 실리콘 웨이퍼, 및 이전에 설명된 바와 같이 임의의 전기전도성 페이스트로부터 생성된 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 납땜 패드를 포함한 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 납땜 패드가 태양 전지의 후면 상에 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 납땜 패드는 1-뉴턴 이상의 당김력을 갖고 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 납땜 패드는 2-뉴턴 이상의 당김력을 갖고 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 본 발명의 부가적인 실시예에서, 납땜 패드는 3-뉴턴 이상의 당김력을 갖고 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 본 발명의 추가 실시예에서, 납땜 패드는 5-뉴턴 이상의 당김력을 갖고 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 실리콘 웨이퍼로부터 납땜 패드를 제거하기 위해 요구된 당김력은 적어도 1 뉴턴, 2 뉴턴, 3 뉴턴, 4 뉴턴, 또는 5 뉴턴이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 납땜 패드는 약 30 내지 75 wt. %의 금속 입자들을 포함한 전기전도성 페이스트로부터 형성된다. 본 발명의 추가 양상에 따르면, 납땜 패드는 60 wt. % 이하의 금속 입자들(예로서, 약 30 내지 60 wt. %)을 포함한 전기전도성 페이스트로부터 형성된다. 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 납땜 패드는 50 wt. % 이하의 금속 입자들(예로서, 약 30 내지 50 wt. %)을 포함한 전기전도성 페이스트로부터 형성된다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 전극이 실리콘 웨이퍼의 전면 상에 형성된다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 전면은 반사-방지 층을 포함한다.
본 발명은 또한 이전에 설명된 바와 같이 전기적으로 상호 연결된 태양 전지들을 포함한 태양 전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한 태양 전지를 생성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 전방 측면 및 후면을 가진 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계, 이전에 설명된 바와 같은 임의의 전기전도성 페이스트 조성물을 상기 실리콘 웨이퍼의 후면으로 도포하는 단계, 및 적절한 프로파일에 따라 실리콘 웨이퍼를 소성시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 실리콘 웨이퍼는 전면 상에 반사방지 코팅을 가진다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 방법은 이전에 설명된 바와 같이 전기전도성 페이스트 조성물의 에지들을 중첩시키는 실리콘 웨이퍼의 후면에 알루미늄-포함 페이스트를 도포하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 상기 방법은 상기 실리콘 웨이퍼의 전면에 실리콘-포함 페이스트를 도포하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 알루미늄-포함 페이스트를 도포하는 단계는 스크린 인쇄에 의한 것이다.
본 발명의 목적은 접착 강도를 개선한 태양 전지 상에 납땜 패드들을 형성할 때 사용하기 위한 후면 페이스트를 개발하는 것이다.
도 1은 전지의 길이에 걸쳐 움직이는 인쇄된 은 납땜 패드들을 가진 실리콘 태양 전지의 후면의 대표적인 도면으로서, 본 발명의 보다 완전한 이해 및 그것의 많은 수반되는 이점들은 그것이 첨부한 도면, 도 1과 관련되어 고려될 때 다음의 상세한 설명에 대한 참조에 의해 보다 양호하게 이해되는 바와 같이 쉽게 획득될 것이다.
본 발명은 태양 전지의 후면으로의 도포를 위해 유용한 전기전도성 페이스트 조성물에 관한 것이다. 전기전도성 페이스트 조성물은 바람직하게는 금속 입자들, 유리 프리트, 접착 강화제, 및 유기 비이클을 포함한다. 이러한 적용에 제한되지 않지만, 이러한 페이스트들은 태양 전지에 전기 접촉 층 또는 전극을 형성하기 위해, 또한 모듈에서 태양 전지들을 상호 연결하기 위해 사용된 납땜 패드들을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 구체적으로, 페이스트들은 태양 전지의 전면에 또는 태양 전지의 후면에 도포될 수 있다.
도 1은 실리콘 태양 전지(100)의 후면 상에 증착된 대표적인 납땜 패드들(110)을 예시한다. 이러한 특정한 예에서, 스크린 인쇄된 은 납땜 패드들은 전지의 길이에 걸쳐 움직인다. 다른 구성들에서, 납땜 패드들은 별개의 세그먼트일 수 있다. 납땜 패드들은 이 기술분야에 알려진 바와 같은 임의의 형태 및 크기일 수 있다. 제 2 후면 페이스트, 예로서 알루미늄을 포함한 페이스트는 또한 납땜 패드들을 접촉하는 실리콘 웨이퍼의 후면 상에 인쇄되어, 소성될 때 태양 전지의 후면 전극들(120)을 형성한다.
본 발명의 일 양상은 후면 납땜 패드들을 형성하기 위해 사용된 전기전도성 페이스트의 조성물에 관한 것이다. 원하는 후면 페이스트는 또한 태양 전지의 전기적 성능을 최적화시키면서, 최적의 태양 전지 기계적 신뢰성을 허용하기 위해 높은 접착 강도를 가진 것이다. 본 발명에 따르 전기전도성 페이스트 조성물은 금속 입자들, 유리 프리트, 유기 비이클, 및 접착 강화제로 구성되며, 그에 의해 금속 접착 강화제 또는 금속 산화물 접착 강화제의 존재가 페이스트의 접착 강도를 개선한다. 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속, 또는 그것의 산화물을 포함한다. 바람직하게는, 접착 강화제는 텔루륨 또는 텔루륨 이산화물이다. 접착 강화제는 유리 프리트 내에, 또는 유리 프리트에서 독립한 페이스트 조성물 내에 분산될 수 있다.
후면 페이스트의, 또한 당김력으로서 알려진, 접착 강도를 측정하기 위해 사용된 하나의 방법은 실리콘 태양 전지의 후면 상에 인쇄된 전기전도성 페이스트 층(납땜 패드)에 납땜 와이어를 적용하는 것이다. 표준 납땜 와이어는 자동화된 기계에 의해 또는 손에 쥐고 쓸 수 있는 납땜 건을 갖고 수동으로 납땜 패드에 적용된다. 본 발명에서, 산업에 보편적이며 이 기술분야에 알려진 다른 방법들이 사용될 수 있지만, 대략 20 ㎛ 62/36/2 납땜 코팅을 가진 2.0 x 0.20 mm 구리 리본이 사용되었다. 납땜 패드의 길이로 납땜된 구리 와이어를 갖고, 리본의 테일링 단부가 대략 180o로 벗겨지며 일정한 속도로 당겨지는 반면, 힘 측정기는 몇몇 설정된 샘플링 레이트로 당김력 데이터를 기록한다.
대표적인 페이스트들을 평가할 때, 이러한 납땜 및 당김 프로세스는 보통 납땜 프로세스로부터 기인한 데이터에서의 변화를 최소화하기 위해 4개의 별개의 후면 납땜 패드들 상에서 통상적으로 4번 완료된다. 하나의 실험으로부터의 하나의 개개의 측정은, 납땜 프로세스에서의 별개의 변화들이 결과들에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 매우 신뢰성 있지 않다. 그러므로, 4개의 당김들로부터의 전체 평균이 획득되며 평균된 당김력들은 페이스트들 사이에서 비교된다. 통상적으로, 최소의 1 뉴턴 당김력이 바람직하다. 접착 강도에 대한 수용 가능한 산업 표준은 통상적으로 2 뉴턴 이상이다. 적어도 3 뉴턴, 또는 몇몇 인스턴스들에서, 5 뉴턴 이상의 당김력을 가진 보다 강한 접착력이 또한 바람직할 수 있다.
전기전도성 후면 페이스트의 접착 속성들은 페이스트의 조성물에 의해 영향을 받는다. 본 발명은 금속 입자들, 유리 프리트들, 유기 비이클, 및 금속 또는 금속 산화물, 또는 소성 온도에서 금속 또는 금속 산화물로 변환할 임의의 다른 금속 화합물을 포함한 접착 강화제를 포함한 태양 전지 상에 후면 납땜 패드들을 형성할 때 사용하기 위한 전기전도성 페이스트을 제공하며, 여기에서 상기 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 니켈, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로부터 선택된 적어도 하나의 금속, 또는 그것의 산화물들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예는, 100% 총 중량의 페이스트에 기초하여, 약 30 내지 75 wt. % 도전성 입자들, 약 1 내지 10 wt. % 유리 프리트, 약 20 내지 60 wt. % 유기 비이클, 및 약 0.01 내지 5 wt. %의 접착 강화제로서 다음의 금속들, 즉, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 아연(Zn), 및 텔루륨(Te) 중 적어도 하나를 포함한 전기전도성 페이스트이다. 바람직하게는, 금속은 텔루륨이다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 페이스트는 대략 0.01 내지 2.5 wt. % 텔루륨 금속, 및 보다 바람직하게는 약 0.01 내지 1 wt. %를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 100% 총 중량의 페이스트에 기초하여, 약 30 내지 75 wt. % 도전성 입자들, 약 1 내지 10 wt. % 유리 프리트, 약 20 내지 60 wt. % 유기 비이클 및 약 0.01 내지 5 wt. %의 접착 강화제로서 다음의 금속 산화물들, 즉 텔루륨 이산화물(TeO2), 니켈 산화물(NiO), 마그네슘 산화물(MgO), 지르코늄 이산화물(ZrO2), 텅스텐 산화물(WO3), 은 산화물(AgO), 코발트 산화물(CoO) 및 세륨 산화물(CeO2) 중 적어도 하나를 포함한 전기전도성 페이스트이다. 바람직한 실시예에서, 금속 산화물은 텔루륨 이산화물이다. 바람직하게는, 페이스트는 대략 0.01 내지 2.5 wt. % 텔루륨 이산화물, 및 보다 바람직하게는 약 0.01 내지 1 wt. %를 포함한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 텔루륨 이산화물의 평균 입자 크기는 1 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.6 ㎛ 미만이다. 일반적인 관찰로서, 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 보다 작은 텔루륨 이산화물 입자 크기는 페이스트 조성물 내에서의 분배를 도우며 보다 양호한 접착 및 전기적 속성들을 제공한다.
또 다른 실시예에 따르면, 접착 강화제는 다음의 금속들: 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 및 세륨 또는 그것의 산화물들 중 적어도 하나이다.
도전성 금속 입자들
납땜, 및 그것의 혼합물들 또는 합금들에 또한 용이한 태양 전지 표면 전극들로서 사용하기에 적합한 이 기술분야에 알려진 도전성 금속 입자들이 본 발명과 함께 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 입자들은 은, 알루미늄, 금 및 니켈, 또는 그것의 임의의 합금들 중 적어도 하나이다. 도전성 입자들은 통상적으로 약 30 내지 75 wt. %, 또는 약 35 내지 70 wt. %의 페이스트 조성물이다. 또 다른 실시예에서, 도전성 입자들은 약 60 wt. % 미만의 페이스트(예로서, 약 30 내지 60 wt. %)이다. 또 다른 실시예에서, 도전성 입자들은 50 wt. % 미만의 페이스트(예로서, 약 30 내지 50 wt. %)이다. 보다 낮은 도전성 입자 함유량은 통상적으로 페이스트 조성물의 비용을 또한 낮춘다. 바람직한 실시예에서, 도전성 입자들은 은이다. 또 다른 실시예에서, 도전성 입자들은 은 및 알루미늄의 혼합물이다.
도전성 입자들은 원소 금속, 하나 이상의 금속 유도체들, 또는 그것의 혼합물로서 존재할 수 있다. 적절한 은 유도체들은 예를 들면, 할로겐화 은들(예로서, 염화 은), 질산 은, 은 아세테이트, 은 트리플루오로아세테이트, 은 오르토인산염, 및 그것의 조합들과 같은, 은 합금들 및/또는 은 염들을 포함한다.
도전성 입자들은 다양한 형태들, 표면들, 크기들, 표면적 대 볼륨 비들, 산소 함유량 및 산화물 층들을 보일 수 있다. 다수의 형태들이 이 기술분야에 알려져 있다. 몇몇 예들은 구체이고, 각이 지고, 가늘고 길며(막대 또는 침 형) 편평하다(시트 형). 도전성 금속 입자들은 또한 상이한 형태들의 입자들의 조합으로서 존재할 수 있다. 접착력을 돕는 형태, 또는 형태들의 조합을 가진 금속 입자들이 본 발명에 따라 선호된다. 입자들의 표면 특징을 고려하지 않고 이러한 형태들을 특성화하기 위한 하나의 방식은 다음의 파라미터들: 길이, 폭 및 두께를 통한다. 본 발명의 맥락에서, 입자의 길이는 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 의해 제공되며, 그것의 종점들 양쪽 모두가 입자 내에 포함된다. 입자의 폭은 그 양쪽 종점들 모두가 입자에 포함되는 상기 정의된 길이 벡터에 수직인 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 의해 제공된다. 입자의 두께는 양쪽 모두가 상기 정의되며 그것의 양쪽 종점들이 입자 내에 포함되는, 길이 벡터 및 폭 벡터 양쪽 모두에 수직인 가장 긴 공간 변위 벡터의 길이에 의해 제공된다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 가능한 한 일정한 형태들을 가진 금속 입자들이 선호된다(즉, 길이, 폭 및 두께에 관한 비들이 가능한 한 1에 가까우며, 바람직하게는 모든 비들이 약 0.7에서 약 1.5까지의 범위에, 보다 바람직하게는 약 0.8에서 약 1.3까지의 범위에, 및 가장 바람직하게는 약 0.9에서 약 1.2까지의 범위에 있는 형태들). 이 실시예에서 금속 입자들을 위한 선호된 형태들의 예들은 구체들 및 정육면체들, 또는 그것의 조합들, 또는 다른 형태들과 그것의 하나 이상의 조합들이다. 본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 낮은 균일성, 바람직하게는 약 1.5 이상, 보다 바람직하게는 약 3 이상 및 가장 바람직하게는 약 5 이상인 길이, 폭, 및 두께의 치수들에 관한 비들 중 적어도 하나를 가진 형태를 갖는 금속 입자들이 선호된다. 이 실시예에 따른 선호된 형태들은 플레이크 형, 막대 또는 침 형, 또는 다른 형태들과 플레이크 형, 막대 또는 침 형의 조합이다.
금속 입자의 형태 및 표면을 특성화하기 위한 또 다른 방식은 그것의 표면적 대 볼륨 비에 의한다. 입자의 표면적 대 볼륨 비에 대한 최저 값은 평활한 표면을 가진 구체에 의해 구체화된다. 형태가 덜 균일하고 고르지 않을수록, 그것의 표면적 대 볼륨 비는 더 높을 것이다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 높은 표면적 대 볼륨 비를 가진 금속 입자들이 바람직하게는 약 1.0×107에서 약 1.0×109 m-1까지의 범위에서, 보다 바람직하게는 약 5.0×107에서 약 5.0×108 m-1까지의 범위에서 및 가장 바람직하게는 약 1.0×108에서 약 5.0×108 m-1까지의 범위에서 사용된다. 본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 낮은 표면적 대 볼륨 비를 가진 금속 입자들은 바람직하게는 약 6×105에서 약 8.0×106 m-1까지의 범위에서, 보다 바람직하게는 약 1.0×106에서 약 6.0×106 m-1까지의 범위에서 및 가장 바람직하게는 약 2.0×106에서 약 4.0×106 m-1까지의 범위에서 사용된다.
입자 직경(d50) 및 연관된 값들(d10 및 d90)은 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 입자들의 특성들이다. 본 발명에 따르면 금속 입자들의 중앙 입자 직경(d50)은 약 2에서 약 4 ㎛까지의 범위에, 보다 바람직하게는 약 2.5에서 약 3.5 ㎛까지의 범위에 및 가장 바람직하게는 약 2.8에서 약 3.2 ㎛까지의 범위에 있는 것이 선호된다. 입자 직경(d50)의 결정은 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 금속 입자들은 약 1.5 ㎛보다 큰, 바람직하게는 약 1.7 ㎛보다 큰, 보다 바람직하게는 약 1.9 ㎛보다 큰 d10을 가진다. d10의 값은 d50의 값을 초과하지 않아야 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 금속 입자들은 약 6 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 5 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 약 4.5 ㎛ 미만의 d90을 가진다. d90의 값은 d50의 값보다 작지 않아야 한다.
금속 입자들은 표면 코팅을 갖고 존재할 수 있다. 이 기술분야에 알려져 있으며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려되는 임의의 이러한 코팅이 금속 입자들 상에서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 코팅들은 전기전도성 페이스트의 접착력 특성들을 촉진시키는 이들 코팅들이다. 이러한 코팅이 존재한다면, 금속 입자들의 총 중량에 기초하여 각각의 경우에, 상기 코팅이 약 10 wt. % 이하, 바람직하게는 약 8 wt. % 이하, 가장 바람직하게는 약 5 wt. % 이하에 대응하는 것이 본 발명에 따라 선호된다.
유리 프리트
또 다른 선호된 실시예에서, 유리 프리트는 약 1 내지 10 wt. %의 페이스트 조성물일 수 있다. 후면 페이스트들에 적합한 이 기술분야에 알려진 유리 프리트들이 본 발명과 함께 사용될 수 있다. 선호된 유리 프리트들은 유리 전이를 보이는 비정질 또는 부분적으로 결정성 고체들의 분말들이다. 유리 전이 온도(Tg)는 비정질 물질이 가열 시 단단한 고체로부터 부분적으로 이동 과냉된 납물로 변환시키는 온도이다. 유리 전이 온도의 결정을 위한 방법들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 바람직하게는, 유리 전이 온도는 전기전도성 페이스트의 원하는 소성 온도 아래에 있다. 본 발명에 따르면, 선호된 유리 프리트들은 약 250℃에서 약 700℃까지의 범위에서, 바람직하게는 약 300℃에서 약 600℃까지의 범위에서 및 가장 바람직하게는 약 350℃에서 약 500℃까지의 범위에서의 유리 전이 온도를 가진다.
본 발명의 맥락에서, 전기전도성 페이스트에 존재하는 유리 프리트는 바람직하게는 가열 시 산화물들을 생성하는 원소들, 산화물들, 및/또는 화합물들, 다른 화합물들, 또는 그것의 혼합물들을 포함한다. 유리 프리트는 납을 포함할 수 있거나, 또는 실질적으로 납이 없을 수 있다. 납-기반 유리 프리트는 이에 제한되지 않지만, 할로겐화 납, 납 칼코게나이드들, 납 카보네이트, 황산 납, 인산 납, 질산 납 및 유기 금속 납 화합물들 또는 열 분해 동안 납 산화물들 또는 염들을 형성할 수 있는 화합물들을 포함한 납 산화물 또는 다른 납-기반 화합물들을 포함한다. 유리 프리트는 이 기술분야에 알려진 다른 산화물들 또는 화합물들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘, 붕소, 알루미늄, 비스무트, 리튬, 소듐, 마그네슘, 아연, 티타늄, 또는 지르코늄 산화물들 또는 화합물들이 사용될 수 있다. 게르마늄 산화물, 바나듐 산화물, 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물들, 니오븀 산화물들, 주석 산화물들, 인듐 산화물들, 다른 알칼리 및 알칼리 토금속(K, Rb, Cs 및 Be, Ca, Sr, Ba와 같은) 화합물들,희토류 산화물들(La2O3, 세륨 산화물들), 인 산화물들 또는 금속 인산염들, 전이 금속 산화물들(구리 산화물들 및 크롬 산화물들과 같은), 또는 할로겐화 금속들(납 플루오라이드들 및 아연 플루오라이드들)과 같은 다른 유리 매트릭스 형성기들 또는 유리 수정기들이 또한 유리 조성물의 일부일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 무연 유리 프리트들은 비스무트 및 다른 산화물들, 예를 들면, 본 발명을 제한하지 않고, 비스무트-붕소-리튬-산화물, 비스무트-실리콘-산화물, 비스무트-실리콘-아연-붕소-산화물 또는 비스무트-아연-붕소-산화물을 포함할 수 있다.
상기 유리 프리트 입자들은 다양한 형태들, 표면 특징들, 크기들, 표면적 대 볼륨 비들 및 코팅 층들을 보일 수 있다는 것이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 다수의 형태들의 유리 프리트 입자들이 이 기술분야에 알려져 있다. 몇몇 예들은 구체이고, 각이 지고, 가늘고 길며(막대 또는 침 형) 편평하다(시트 형). 유리 프리트 입자들은 또한 상이한 형태들의 입자들의 조합으로서 존재할 수 있다. 생성된 전극의 유리한 소결, 접착력, 전기 접촉 및 전기 도전성을 선호하는 형태, 또는 형태들의 조합을 가진 유리 프리트 입자들이 본 발명에 따라 선호된다.
입자의 형태 및 표면을 특성화하기 위한 방식은 그것의 표면적 대 볼륨 비에 의한다. 형태가 덜 균일하고 고르지 않을수록, 그것의 표면적 대 볼륨 비는 더 높을 것이다. 본 발명에 따른 일 실시예에서, 높은 표면적 대 볼륨 비를 가진, 바람직하게는 약 1.0×107에서 약 1.0×109 m-1까지의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 약 5.0×107에서 약 5.0×108 m-1까지의 범위에 있으며 가장 바람직하게는 약 1.0×108에서 약 5.0×108 m-1까지의 범위에 있는 유리 프리트 입자들이 선호된다. 본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 낮은 표면적 대 볼륨비를 가진, 바람직하게는 약 6×105에서 약 8.0×106 m-1까지의 범위에 있는, 보다 바람직하게는 약 1.0×106에서 약 6.0×106 m-1까지의 범위에 있으며 가장 바람직하게는 약 2.0×106에서 약 4.0×106 m-1까지의 범위에 있는 유리 프리트 입자들이 선호된다.
평균 입자들 직경(d50), 및 연관된 파라라미터들(d10 및 d90)이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 입자들의 특성들이다. 본 발명에 따라 유리 프리트의 중앙 입자 직경(d50)은 1 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.6 ㎛ 미만인 것이 선호된다. 일반적인 관찰로서, 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 보다 작은 유리 입자 크기는 페이스트 조성물 내에서의 분배를 도우며 보다 양호한 접착 및 전기적 속성들을 제공한다. 입자 직경(d50)의 결정이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다.
유리 프리트 입자들은 표면 코팅을 갖고 존재할 수 있다. 이 기술분야에 알려져 있으며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려되는 임의의 이러한 코팅은 유리 프리트 입자들 상에서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 코팅들은 전기전도성 페이스트의 개선된 접착력을 촉진시키는 이들 코팅들이다. 이러한 코팅이 존재한다면, 유리 프리트 입자들의 총 중량에 기초하여 각각의 경우에, 상기 코팅이 약 10 wt. % 이하, 바람직하게는 약 8 wt. % 이하, 가장 바람직하게는 약 5 wt. % 이하에 대응하는 것이 본 발명에 따라 선호된다.
유기 비이클
본 발명의 맥락에서 선호된 유기 비이클들은 용액들, 하나 이상의 용제들에 기초한 유액들 또는 분산액들, 바람직하게는 전기전도성 페이스트의 구성 성분들이 분산되고, 유상이거나 또는 분산된 형태로 존재하는 것을 보장하는 유기 용제이다. 선호된 유기 비이클들은 전기전도성 페이스트 내에서 구성 성분들의 최적의 안정성을 제공하며 인쇄적성을 최적화하기 위해 특정한 점성을 가진 전기전도성 페이스트를 부여하는 것들이다.
유기 비이클은 약 20 내지 60 wt. %의 페이스트 조성물, 바람직하게는 약 30 내지 50 wt. %, 및 훨씬 더 바람직하게는 약 45 wt. %일 수 있다. 유기 비이클은 통상적으로 결합제, 계면 활성제, 유기 용제 및 틱사트로피제를 포함한다.
본 발명의 맥락에서 선호된 결합제들은 유리한 안정성, 인쇄적성 및 점성을 가진 전기전도성 페이스트의 형성에 기여하는 것들이다. 결합제들이 이 기술분야에 잘 알려져 있다. 이 기술분야에 알려지며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려되는 모든 결합제들이 유기 비이클에서의 결합제로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 결합제들(종종 “수지들”로서 칭하여지는 카테고리에 속하는)은 중합 결합제들, 단합체 결합제들, 및 중합체들 및 단위체들의 조합인 결합제들이다. 중합 결합제들은 또한 적어도 두 개의 상이한 단위체 유닛들이 단일 분자에 포함되는 공중합체들일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 결합제는 에틸셀룰로오스 또는 페놀 수지, 아크릴, 폴리비닐 부티랄 또는 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄 수지들, 로진 유도체들, 또는 이 기술분야에 알려진 임의의 다른 결합제, 또는 앞서 말한 것 중 임의의 것의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 맥락에서 선호된 계면 활성제들은 유리한 안정성, 인쇄적성, 및 점성을 가진 전기전도성 페이스트의 형성에 기여하는 것들이다. 계면활성제들이 또한 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 이 기술분야에 알려져 있으며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려되는 모든 계면활성제들이 유기 비이클에서의 계면활성제로서 이용될 수 있다. 본 발명의 맥락에서 선호된 계면활성제들은 선형 체인들, 분기 체인들, 방향족 체인들, 불소화 체인들, 실록산 체인들, 폴리에테르 체인들 및 그것의 조합들에 기초한 것들이다. 선호된 계면활성제들은 단일 체인 이중 체인되거나 또는 폴리 체인된다. 본 발명에 따른 선호된 계면활성제들은 비-이온, 음이온, 양이온, 또는 쌍성 이온 헤드들을 가진다. 선호된 계면활성제들은 중합 및 단위체 또는 그것의 혼합물이다. 일 실시예에 따르면, 계면활성제는 폴리에틸렌 산화물, 폴리에틸렌 글리콜, 벤조트리아졸, 폴리(에틸렌글리콜)아세트 산, 라우르 산, 올레 산, 카프르 산, 미리스트 산, 리놀레 산, 스테아르 산, 팔미트 산, 스테아레이트 염들, 팔미테이트 염들, 및 그것의 혼합물들, 또는 이 기술분야에 알려진 임의의 다른 계면활성제들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 선호된 용제들은 소성 동안 상당한 정도로 페이스트로부터 제거되는 전기전도성 페이스트의 구성 성분들, 바람직하게는 소성 전과 비교하여 적어도 약 80%만큼 감소된, 바람직하게는 소성 전과 비교하여 적어도 약 95%만큼 감소된 절대 중량을 갖고 소성 후 존재하는 것들이다. 본 발명에 따른 선호된 용제들은 유리한 점성, 인쇄적성 및 안정성을 가진 전기전도성 페이스트가 형성되도록 허용하는 것들이다. 용제들이 이 기술분야에 잘 알려져 있다. 이 기술분야에 알려져 있으며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려되는 모든 용제들이 유기 비이클에서의 용제로서 이용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유기 용제는 카르비톨, 테르피네올, 헥실 카르비톨, 텍사놀, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 디메틸아디페이트 또는 글리콜 에테르, 또는 이 기술분야에 알려진 임의의 다른 용제, 또는 앞서 말한 것의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
페이스트 조성물은 하나 이상의 무기 첨가물들을 더 포함할 수 있다. 무기 첨가물은 약 0 내지 2 wt. %의 페이스트 조성물이며 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 광범위한 무기 화합물들일 수 있다. 첨가물은 금속들, 금속 산화물들, 염들, 또는 소성 동안 금속 산화물들을 생성할 수 있는 임의의 화합물들, 및 그것의 임의의 혼합물들을 포함할 수 있다. 유기 비이클에서의 선호된 첨가물들은 앞서 언급한 비이클 구성요소들과 완전히 다르며 전기전도성 페이스트의 유리한 속성들에 기여하는 이들 첨가물들이다. 이 기술분야에 알려지며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려되는 첨가물들이 유기 비이클에서의 첨가물로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 첨가물들은 틱소트로피제들, 점성 조절제들, 안정화제들, 무기 첨가물들, 농축기들, 유화제들, 분산제들 또는 pH 조절제들이다. 본 맥락에서 선호된 틱소트로피제들은 카르복실산 유도체들, 바람직하게는 지방산 유도체들 또는 그것의 조합들이다. 선호된 지방산 유도체들은 C9H19COOH (카프르 산), C11H23COOH (라우르 산), C13H27COOH (미리스트 산), C15H31COOH (팔미트 산), C17H35COOH(스테아르 산), C18H34O2(올레 산), C18H32O2(리놀레 산) 또는 그것의 조합들이다. 이 맥락에서 지방 산들을 포함한 선호된 조합이 캐스터 오일이다.
전기전도성 페이스트를 형성하는 것
전기전도성 페이스트 조성물은 이 기술분야에 알려진 페이스트 조성물을 준비하기 위한 임의의 방법에 의해 준비될 수 있다. 예로서, 제한 없이, 페이스트 구성요소들은 예를 들면, 분산된 균일한 페이스트를 만들기 위해, 믹서를 갖고서와 같이, 혼합되고, 그 후 3개의 롤 밀을 통해 통과될 수 있다.
실리콘 태양 전지들
태양 전지의 빌딩 블록은 실리콘 웨이퍼이다. 본 발명에 따른 선호된 웨이퍼들은, 태양 전지의 다른 영역들 중에서, 전자-홀 쌍들을 산출하기 위해 높은 효율성을 갖고 광을 흡수하며 바람직하게는, p-n 접합 경계에 걸쳐, 높은 효율성을 갖고 경계에 걸쳐 홀들 및 전자들을 분리할 수 있는 영역들을 가진다. 본 발명에 따른 선호된 웨이퍼들은 여기에서 보다 완전히 논의되는 바와 같이, 전방 도핑 층 및 후방 도핑 층으로 이루어진 단일 몸체를 포함한 것들이다.
상기 웨이퍼가 적절히 도핑된 4원자 원소들, 이진 화합물들, 제 3 화합물들 또는 합금들로 이루어지는 것이 선호된다. 이 맥락에서 선호된 4원자 원소들은 Si, Ge 또는 Sn, 바람직하게는 Si이다. 선호된 이진 화합물들은 둘 이상의 4원자 원소들, V족 원소를 가진 III족 원소의 이진 화합물들, VI족 원소를 가진 II족 원소의 이진 화합물들 또는 VI족 원소를 가진 IV족 원소의 이진 화합물들의 조합들이다. 4원자 원소들의 선호된 조합들은 Si, Ge, Sn, 또는 C로부터 선택된 둘 이상의 원소들의 조합들, 바람직하게는 SiC이다. V족 원소를 가진 III족 원소의 선호된 이진 화합물들은 GaAs이다. 웨이퍼가 Si에 기초하는 것이 본 발명에 따라 가장 선호된다. 웨이퍼를 위해 가장 선호된 재료로서, Si는 본 출원의 나머지를 통해 명시적으로 나타내어진다. Si가 명시적으로 언급되는 다음의 텍스트의 섹션들은 상기 설명된 다른 웨이퍼 조성물들을 위해 또한 적용한다.
웨이퍼의 전방 도핑 층 및 후방 도핑 층이 만족하는 곳은 p-n 접합 경계이다. n-형 태양 전지에서, 후방 도핑 층은 전자 공여 n-형 도펀트를 갖고 도핑되며 전방 도핑 층은 전자 수용 또는 홀 공여 p-형 도펀트를 갖고 도핑된다. p-형 태양 전지에서, 후방 도핑 층은 p-형 도펀트를 갖고 도핑되며 전방 도핑 층은 n-형 도펀트를 갖고 도핑된다. 본 발명에 따라 먼저 도핑된 Si 기판을 제공하고 그 후 상기 기판의 일 면에 반대 유형의 도핑 층을 적용함으로써 p-n 접합 경계를 가진 웨이퍼를 준비하는 것이 선호된다.
도핑된 Si 기판들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 도핑된 Si 기판은 이 기술분야의 숙련자에게 지며 그가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려한 임의의 방식으로 준비될 수 있다. 본 발명에 따른 Si 기판들의 선호된 소스들은 단-결정 Si, 다-결정 Si, 비정질 Si 및 업그레이드된 야금 Si이며, 단-결정 Si 또는 다-결정 Si가 가장 선호된다. 도핑된 Si 기판을 형성하기 위한 도핑은 Si 기판의 준비 동안 도펀트를 부가함으로써 동시에 실행될 수 있거나 또는 후속 단계에서 실행될 수 있다. Si 기판의 준비 다음에 도핑은 예로서 기체 확산 에피택시에 의해 실행될 수 있다. 도핑된 Si 기판들은 또한 쉽게 상업적으로 이용 가능하다. 본 발명에 따르면 Si 기판의 초기 도핑이 Si 믹스에 도펀트를 부가함으로써 그것의 형성에 동시에 실행되는 것이 하나의 옵션이다. 본 발명에 따르면, 존재한다면, 전방 도핑 층 및 고도로 도핑된 후방 층의 도포가 기체-상 에피택시에 의해 실행되는 것이 하나의 옵션이다. 이러한 기체 상 에피택시는 바람직하게는 약 2 kPa에서 약 100 kPa까지의 범위에서, 바람직하게는 약 10에서 약 80 kPa까지의 범위에서, 가장 바람직하게는 약 30에서 약 70 kPa까지의 범위에서의 압력으로 바람직하게는 약 500℃에서 약 900℃까지의 범위에서, 보다 바람직하게는 약 600℃에서 약 800까지의 범위에서 및 가장 바람직하게는 약 650℃에서 약 750℃까지의 범위에서의 온도로 실행된다.
Si 기판들은 다수의 형태들, 표면 텍스처들 및 크기들을 보일 수 있다는 것이 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있다. 형태는 다른 것들 중에서 직육면체, 디스크, 웨이퍼 및 불규칙적인 다면체를 포함한 다수의 상이한 형태들 중 하나일 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 형태는 상기 웨이퍼가 유사한, 바람직하게는 동일한 두 개의 치수들 및 다른 두 개의 치수들보다 상당히 더 작은 제 3 치수를 가진 직육면체인 웨이퍼 형이다. 이 맥락에서 상당히 더 작은 것은 바람직하게는 적어도 약 100의 배수로 더 작다.
다양한 표면 유형들이 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 거친 표면들을 가진 Si 기판들이 선호된다. 기판의 거칠기를 평가하기 위한 하나의 방식은 기판의 총 표면적에 비교하여 작은, 바람직하게는 총 표면적의 약 100분의 1보다 작으며 근본적으로 평면인 기판의 서브-기판을 위한 표면 거칠기 파라미터를 평가하는 것이다. 표면 거칠기 파라미터의 값은 서브표면의 면적 대 평균 제곱 변위를 최소화함으로써 서브표면에 최적합된 편평한 평면으로 상기 서브표면을 돌출시킴으로써 형성된 이론적 표면의 면적의 비에 의해 제공된다. 표면 거칠기 파라미터의 더 높은 값은 더 거칠고, 보다 불규칙적인 표면을 나타내며 표면 거칠기 파라미터의 보다 낮은 값은 더 평활하며, 보다 균일한 표면을 나타낸다. 본 발명에 따르면, Si 기판의 표면 거칠기는 바람직하게는 이에 제한되지 않지만 광 흡수 및 표면에 대한 손가락들의 접착력을 포함한, 다수의 인자들 사이에서의 최적의 균형을 생성하도록 수정된다.
Si 기판의 두 개의 보다 큰 치수들은 결과적인 태양 전지에 요구된 적용을 맞추기 위해 변경될 수 있다. 본 발명에 따르면 Si 웨이퍼의 두께가 약 0.5 mm 미만, 보다 바람직하게는 약 0.3 mm 미만 및 가장 바람직하게는 약 0.2 mm 미만에 있는 것이 선호된다. 몇몇 웨이퍼들은 0.01 mm 이상의 최소 크기를 가진다.
본 발명에 따르면 전방 도핑 층이 후방 도핑 층과 비교하여 얇은 것이 선호된다. 본 발명에 따르면 전방 도핑 층이 약 0.1에서 약 10 ㎛까지의 범위에, 바람직하게는 약 0.1에서 약 5 ㎛까지의 범위에 및 가장 바람직하게는 약 0.1에서 약 2 ㎛까지의 범위에 있는 두께를 갖는 것이 선호된다. .
고도로 도핑된 층은 후방 도핑 층 및 임의의 추가 층들 사이에서 Si 기판의 후방 면에 적용될 수 있다. 이러한 고도로 도핑된 층은 후방 도핑 층과 동일한 도핑 층이며 이러한 층은 보통 +를 갖고 나타내어진다(n+-형 층들이 n-형 후방 도핑 층들에 적용되며 p+-형 층들이 p-형 후방 도핑 층들에 적용된다). 이러한 고도로 도핑된 후방 층은 금속화를 보조하며 기판/전극 계면적에서의 전기전도성 속성들을 개선하도록 작용한다. 본 발명에 따르면 존재한다면, 고도로 도핑된 후방 층이 약 1에서 약 100 ㎛까지의 범위에, 바람직하게는 약 1에서 약 50 ㎛까지의 범위에 및 가장 바람직하게는 약 1에서 약 15 ㎛까지의 범위에서의 두께를 갖는 것이 선호된다.
도펀트들
선호된 도펀트들은 Si 웨이퍼에 부가될 때, 밴드 구조로 전자들 또는 홀들을 도입함으로써 p-n 접합 경계를 형성하는 것들이다. 본 발명에 따르면 이들 도펀트들의 아이덴티티 및 농도가 구체적으로 p-n 접합의 밴드 구조 프로파일을 조정하며 요구된 대로 광 흡수 및 도전성 프로파일을 설정하기 위해 선택되는 것이 선호된다. 본 발명에 따른 선호된 p-형 도펀트들은 Si 웨이퍼 밴드 구조에 홀들을 부가하는 것들이다. 그것들은 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있으며 본 발명의 맥락에서 적절한 곳으로 고려하는 모든 도펀트들은 p-형 도펀트로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 p-형 도펀트들은 3가 원소들, 특히 주기율표의 13족의 것들이다. 이 맥락에서 주기율표의 선호된 13족 원소들은 이에 제한되지 않지만, B, Al, Ga, In, Tl 또는 그것의 적어도 두 개의 조합을 포함하며, 여기에서 B가 특히 선호된다.
본 발명에 따른 선호된 n-형 도펀트들은 Si 웨이퍼 밴드 구조에 전자들을 부가하는 것들이다. 그것들은 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있으며 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려하는 모든 도펀트들은 n-형 도펀트로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 n-형 도펀트들은 주기율표의 15족의 원소들이다. 이러한 맥락에서 주기율표의 선호된 15족 원소들은 N, P, As, Sb, Bi 또는 그것의 적어도 두 개의 조합을 포함하며, P가 특히 선호된다.
상기 설명된 바와 같이, p-n 접합의 다양한 도핑 레벨들이 결과적인 태양 전지의 원하는 속성들을 조정하기 위해 변경될 수 있다.
태양 전지들
앞서 언급한 오브젝트들 중 하나에서 달성하는 것에 대한 기여는 프로세스 단계들로서 적어도 다음을 포함하는 태양 전지를 생성하기 위한 프로세스에 의해 이루어진다:
i) 상기 설명된 바와 같이, 특히 상기 설명된 실시예들 중 임의의 것을 조합한 태양 전지 전구체(즉, 실리콘 웨이퍼)의 공급; 및
ii) 태양 전지를 획득하기 위해 태양 전지 전구체를 소성시키는 것.
인쇄
본 발명에 따르면 전방 및 후방 전극들은 소결된 몸체를 획득하기 위해 전기전도성 페이스트를 도포하며 그 후 상기 전기전도성 페이스틀 소성시킴으로써 인가되는 것이 선호된다. 전기전도성 페이스트는 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있으며 이에 제한되지 않지만, 함침, 디핑, 주입, 드리핑 온, 주입, 분무, 나이프 코팅, 커튼 코팅, 브러싱 또는 인쇄 또는 그것의 적어도 두 개의 조합을 포함한 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 방식으로 도포될 수 있으며, 여기에서 선호된 인쇄 기술들은 잉크-젯 인쇄, 스크린 인쇄, 탐폰 인쇄, 오프셋 인쇄, 철판 인쇄 또는 스텐실 인쇄 또는 그것의 적어도 두 개의 조합이다. 본 발명에 따르면 전기전도성 페이스트는 인쇄에 의해, 바람직하게는 스크린 인쇄에 의해 도포되는 것이 선호된다. 본 발명에 따르면 스크린들은 250 내지 325 메시, 5 내지 15㎛ 유제 두께, 및 20 내지 40㎛ 와이어 직경, 가장 바람직하게는 280 메시, 5㎛ 유제 두께, 및 35㎛ 와이어 직경의 파라미터들을 갖는 것이 선호된다.
소성
소성은 고체 도전성 몸체들을 형성하기 위해 인쇄된 납땜 패드들을 소결시키는 것이 필요하다. 소성은 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있으며 그에게 알려지며 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 방식으로 실시될 수 있다. 본 발명의 맥락에서 소성은 유리 프리트의 유리 전이 온도 이상에서 실행되는 것이 선호된다.
본 발명에 따르면 선호된 피크 소성 온도는 리딩 얇은 금속 판에 부착된 연결된 열전대를 갖고 데이터 로거를 통해 측정된 약 700-975℃이며, 그 목적은 실리콘 웨이퍼의 열 응답을 시뮬레이션하는 것이다. 본 발명에 따르면 소성이 약 20 초에서 약 3분들까지의 범위에서, 보다 바람직하게는 약 20초에서 약 2분들까지의 범위에서 및 가장 바람직하게는 약 20초에서 약 40초까지의 범위에서의 총 소성 시간을 갖고 빠른 소성 프로세스에서 실행되는 것이 선호된다. 600℃ 이상에서의 시간은 가장 바람직하게는 약 3에서 7초까지의 범위에 있다.
전방 및 후방 면들 상에서의 전기전도성 페이스트들의 소성은 동시에 또는 순차적으로 실행될 수 있다. 동시 소성은 양쪽 면들에 도포된 전기전도성 페이스트들이 유사한, 바람직하게는 동일한, 최적의 소성 상태들을 갖는 경우 적절하다. 적절한 경우에, 본 발명에 따르면 소성이 동시에 실행되는 것이 선호된다. 소성이 순차적으로 실행되는 경우, 본 발명에 따르면 전방 면으로의 전기전도성 페이스트의 도포 및 소성에 앞서 후방 전기전도성 페이스트가 먼저 도포되고 소성되는 것이 바람직하다.
태양 전지
상기 설명된 오브젝트들 중 적어도 하나를 달성하는 것에 대한 기여는 본 발명에 따른 프로세스에 의해 획득 가능한 태양 전지에 의해 이루어진다. 본 발명에 따른 선호된 태양 전지들은 전기 에너지 출력으로 변환된 입사 광의 총 에너지의 비율에 대하여 높은 효율성을 가지며 가볍고 내구성이 있는 것들이다. 본 발명에 따른 태양 전지의 최소 구성은(단지 화학적 및 기계적 보호를 위한 층들을 제외하고) 다음과 같다: (i) 전방 전극, (ii) 전방 도핑 층, (iii) p-n 접합 경계, (iv) 후방 도핑 층, 및 (v) 납땜 패드들.
패시베이션 층들
본 발명에 따르면, 하나 이상의 패시베이션 층들이 전면 및/또는 후면에 적용될 수 있다. 선호된 패시베이션 층들은 전극 계면의 부근에서 전자/홀 재조합의 레이트를 감소시키는 것들이다. 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있으며 그가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 패시베이션 층이 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 패시베이션 층들은 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물 및 티타늄 이산화물이며, 실리콘 질화물이 가장 선호된다. 본 발명에 따르면, 패시베이션 층이 약 0.1 nm에서 약 2 ㎛가지의 범위에, 보다 바람직하게는 약 10 nm에서 약 1 ㎛까지의 범위에, 및 가장 바람직하게는 약 30 nm에서 약 200 nm까지의 범위에서의 두께를 갖는 것이 선호된다.
부가적인 보호층들
태양 전지의 주요 기능에 직접 기여하는 상기 설명된 층들 외에, 추가 층들이 기계적 및 화학적 보호를 위해 부가될 수 있다.
전지는 화학적 보호를 제공하기 위해 캡슐화될 수 있다. 캡슐화들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있으며 그에게 알려져 있고 그가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 캡슐화가 이용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 종종 투명 열가소성 수지들로서 불리우는, 투명 중합체들이, 이러한 캡슐화가 존재한다면, 캡슐화 재료로서 선호된다. 이러한 맥락에서 선호된 투명 중합체들은 예를 들면, 실리콘 고무 및 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(PVA)이다.
투명한 유리 시트가 전지의 전방 면에 기계적 보호를 제공하기 위해 태양 전지의 전방에 부가될 수 있다. 투명한 유리 시트들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있으며 그에게 알려져 있고 그가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 투명 유리 시트가 태양 전지의 전방 면 사에서의 보호로서 이용될 수 있다.
후방 보호 재료가 기계적 보호를 제공하기 위해 태양 전지의 후방 면에 부가될 수 있다. 후방 보호 재료들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있으며 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있고 그가 본 발명의 맥락에서 적절한 것으로 고려하는 임의의 후방 보호 재료가 태양 전지의 후방 면 상에서의 보호로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 후방 보호 재료들은 양호한 기계적 속성들 및 내후성을 가진 것들이다. 본 발명에 따른 선호된 후방 보호 재료는 불화 비닐 수지의 층을 가진 폴리에틸렌 테레프탈레이트이다. 본 발명에 따르면 후방 보호 재료가 캡슐화 층의 밑에(후방 보호 층 및 캡슐화 양쪽 모두가 존재하는 경우에) 존재하는 것이 선호된다.
프레임 재료가 기계적 지지대를 제공하기 위해 태양 전지의 바깥쪽에 부가될 수 있다. 프레임 재료들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있으며 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있고 그가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 프레임 재료가 프레임 재료로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 프레임 재료는 알루미늄이다.
태양 전지판들
상기 언급된 목적들 중 적어도 하나를 달성하는 것에 대한 기여가 특히 상기 설명된 실시예들 중 적어도 하나, 및 적어도 하나 이상의 태양 전지에 따라, 상기 설명된 바와 같이 획득된 적어도 하나의 태양 전지를 포함한 모듈에 의해 이루어진다. 본 발명에 따른 태양 전지들의 다중도는 모듈로 불리우는 집단 배열을 형성하기 위해 공간적으로 배열되며 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 모듈들은 다수의 형태들, 바람직하게는 태양 전지판으로서 알려진 직사각형 표면을 취할 수 있다. 태양 전지들을 전기적으로 연결하기 위한 매우 다양한 방법들, 뿐만 아니라 집단 배열들을 형성하기 위해 이러한 전지들을 기계적으로 배열 및 고정시키기 위한 매우 다양한 방법들이 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있으며, 그에게 알려지고 그가 본 발명의 맥락에서 적절하다고 고려하는 임의의 이러한 방법들이 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 선호된 방법들은 낮은 질량 대 파워 출력 비, 낮은 볼륨 대 파워 출력 비, 및 높은 내구성을 야기하는 것들이다. 알루미늄이 본 발명에 따른 태양 전지들의 기계적 고정을 위한 선호된 재료이다.
실시 예 1
제 1 세트의 대표적인 페이스트들(A 내지 F로서 불리우는)이 준비된다. 대표적인 페이스트들의 조성물들이 표 1에 제시된다. 대표적인 페이스트들은 접착력에 대한 그것들의 효과를 테스트하기 위해 다수의 금속들을 포함한다. 금속들은 페이스트의 약 0.5 내지 1 wt. %로 상기 페이스트에 부가되었다. 각각의 페이스트의 구성요소들은 분산된 균일한 페이스트를 만들기 위해 믹서에서 함께 혼합되었으며 3 롤 밀을 통과하였다.
페이스트들은 그 후 약 30 ㎛ 와이어 직경에서, 250 메시 스테인리스 스틸, 5 ㎛ EOM을 사용하여 블랭크 실리콘 웨이퍼의 후방 측면으로 스크린 인쇄되었다. 후면 페이스트는 전지의 전체 길이에 걸쳐 연장되며 폭이 약 4 mm인 납땜 패드들을 형성하기 위해 인쇄된다. 그러나, 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 상이한 설계들 및 스크린 파라미터들이 사용될 수 있다. 이어서, 상이한 알루미늄 후면 페이스트가 알루미늄 BSF를 형성하기 위해 전지의 후방 측면의 나머지 면적들에 걸쳐 모두 인쇄된다. 전지는 그 후 적절한 온도로 건조된다. 전기적 성능이 테스트된다면, 표준 전면 페이스트가 전지의 전면 상에 인쇄된다. 인쇄된 전면 및 후면 페이스트를 가진, 실리콘 기판은 그 후 약 700-975℃의 온도로 소성된다.
표 1. 제 1 세트의 대표적인 페이스트들의 조성물
Figure pct00001
대표적인 페이스트들의 접착 강도는 그 후 이전에 설명된 절차에 따라 측정되었다. 접착력이 없는 페이스트들은 “-“로 표시되며 0 또는 0에 가까운 당김력들을 가진다. 2 내지 5 뉴턴 사이에서의 당김력들을 보이는 페이스트들이 “+”를 갖고 표시되고; 5 내지 8 뉴턴 사이에서의 당김력들을 보이는 페이스트들은 “++”를 갖고 표시되며, 8 뉴턴 이상의 당김력들을 보이는 페이스트들은 “+++”를 갖고 표시된다. 표 2에 도시되는 바와 같이, 대표적인 페이스트(F)는 우수한 접착력을 제공한다. 대표적인 페이스트들(A (W), D (Ni), 및 E (Zn))은 또한 수용 가능한 접착 강도를 보여준다.
표 2. 제 1 세트의 대표적인 페이스트들의 접착 강도
Figure pct00002
실시 예 2
제 2 세트의 대표적인 페이스트들(G 내지 P로서 불리우는)이 준비되었다. 대표적인 페이스트들의 조성물들이 표 3에 제시된다. 대표적인 페이스트들은 접착력에 대한 그거들의 효과를 테스트하기 위해 가변적인 산화물들을 포함한다. 산화물들은 상기 페이스트의 약 0.5 내지 1 wt. %였다. 일단 구성요소들이 균일한 점조도로 혼합된다면, 그것들은 실시 예 1에 제시된 파라미터들에 따라 실리콘 웨이퍼로 스크린 인쇄되었다.
표 3. 제 2 세트의 대표적인 페이스트들의 조성물
Figure pct00003
대표적인 페이스트들의 접착 강도가 그 후 이전에 설명된 바와 같이 측정되었다. 표 4에 도시된 바와 같이, 텔루륨 산화물을 포함한, 대표적인 페이스트(I)의 접착 강도는 우수한 접착력을 제공한다. 대표적인 페이스트들(J (NiO), K (MgO), L (ZrO2), M (WO3), 및 P (CeO2))은 또한 수용 가능한 접착 강도를 보여준다.
표 4. 제 2 세트의 대표적인 페이스트들의 접착 강도
Figure pct00004
실시 예 3
제 3 세트의 대표적인 페이스트들(Q 내지 T로서 불리우는)이 대표적인 납-계 유리 프리트 및 무연 유리 프리트를 갖고 준비되었다. 2개의 기준 페이스트들(제어 1 및 제어 2로서 불리우는)이 또한 준비되었다. 제어 1 및 대표적인 페이스트들(Q 및 S)은 납-계 유리 프리트를 포함하며, 제어 2 및 대표적인 페이스트들(R 및 T)은 무연 유리 프리트를 포함한다. 대표적인 및 기준 페이스트들의 조성물들이 표 5에 제시된다. 텔루륨 또는 텔루륨 산화물 접착 강화제는 상기 페이스트의 약 0.5 내지 1 wt. %였다. 일단 페이스트들이 균일한 점조도로 혼합되었다면, 그것들은 실시 예 1에 제시된 파라미터들에 따라 실리콘 웨이퍼로 스크린-인쇄되었다.
표 5. 기준 페이스트들 및 제 3 세트의 대표적인 페이스트들의 조성물
Figure pct00005
기준 페이스트들 및 대표적인 페이스트들의 접착 강도가 그 후 측정되었다. 표 6에 도시된 바와 같이, 접착 강화제를 가진 무연 대표적인 페이스트들의 접착 강도는 무연 기준 페이스트(제어 2)보다 양호하게 수행된다. 접착 강화제를 가진 납-계 대표적인 페이스트들은 또한 수용 가능한 접착력을 제공한다. 무연 페이스트 조성물을 갖는 것이 환경적으로 더 바람직하다. 따라서 본 발명의 접착 강화제들, 예로서 텔루륨 산화물은 무연 유리 프리트들을 가진 기준 페이스트보다 양호한 접착 특성들을 제공하는 것이 유리하다.
표 6. 기준 페이스트들 및 제 3 세트의 대표적인 페이스트들의 접착 강도
Figure pct00006
실시 예 4
제 4 세트의 대표적인 페이스트들이 준비되었으며(U, V, W 및 X로 불리우는), 모두는 페이스트의 약 0.2 내지 0.7 wt. %로 텔루륨 산화물 접착 강화제를 가진다. 대표적인 페이스트들은 상이한 유형들의 무연 유리 프리트들을 통합한다. 납이 첨가된 유리 프리트를 포함한 기준 페이스트(제어로서 불리우는)가 또한 비교를 위해 사용되었다. 기준 페이스트 및 대표적인 페이스트들의 조성물들이 표 7에 제시된다. 일단 페이스트들이 균일한 점조도로 혼합되었다면, 그것들은 실시 예 1에 제시된 파라미터들에 따라 실리콘 웨이퍼로 스크린 인쇄된다.
표 7. 기준 페이스트 및 제 4 세트의 대표적인 페이스트들의 조성물
Figure pct00007
기준 페이스트 및 대표적인 페이스트들의 접착 강도는 그 다음으로 이전 설명된 바와 같이 측정되었다. 표 8에 도시된 바와 같이, 텔루륨 이산화물을 포함한 무연 대표적인 페이스트들의 접착 강도는 납-계 제어 페이스트보다는 모든 테스트된 무연 유리 프리트들을 갖는 경우 지속적으로 양호하게 수행하였다.
표 8. 기준 페이스트 및 제 4 세트의 대표적인 페이스트들의 접착 강도
Figure pct00008
실시 예 5
제 5 세트의 대표적인 페이스트들(Z 및 AA로서 불리우는)이 동일한 무연 Bi-Si-산화물 유리 프리트를 가진 텔루륨 산화물 및 텔루륨 금속 접착 강화제들을 사용하여 준비되었다. 텔루륨 산화물 및 텔루륨 금속 접착 강화제들은 페이스트의 약 0.01 내지 0.5 wt. %였다. 동일한 몰량의 텔루륨(Te)이 양쪽 대표적인 페이스트들 모두에 존재하였다. 대표적인 페이스트들의 조성물들이 표 9에 제시된다. 일단 페이스트들이 균일한 점조도로 혼합되었다면, 그것들은 실시 예 1에 제시된 파라미터들에 따라 실리콘 웨이퍼로 스크린 인쇄된다.
표 9. 제 5 세트의 대표적인 페이스트들의 조성물
Figure pct00009
대표적인 페이스트들의 접착 강도는 이전 설명된 바와 같이 측정되었다. 표 10에 도시된 바와 같이, 기본 텔루륨 금속을 포함한 대표적인 페이스트들의 접착 강도는 텔루륨 산화물을 포함한 대표적인 페이스트와 마찬가지로 동일하게 수행하였다.
표 10. 제 5 세트의 대표적인 페이스트들의 접착 강도
Figure pct00010
실시 예 6
제 6 대표적인 페이스트(BB로서 불리우는)가 약 50 wt. % 은 입자들, 약 3 wt. % Bi-Si-산화물 유리 프리트, 약 47 wt. % 유기 비이클, 1 wt. % 미만의 무기 첨가물, 및 약 0.01 내지 0.5 wt. % 텔루륨 산화물 접착 강화제를 갖고 준비되었다. 일단 페이스트가 균일한 점조도로 혼합되었다면, 그것은 실시 예 1에 제시된 파라미터들에 따라 실리콘 웨이퍼의 후면으로 스크린 인쇄된다. 전면 페이스트는 전기적 성능 테스팅을 위해 전지를 준비하도록 실리콘 웨이퍼에 도포되었다. 마지막으로, 대표적인 페이스트의 접착 강도는 단결정 실리콘 웨이퍼(cz-Si) 및 다-결정 실리콘 웨이퍼(mc-Si) 양쪽 모두 상에서 측정되었다. 이 기술분야에 알려진 표준 후면 기준 페이스트(기준으로서 불리우는)가 접착 강도 및 전기적 성능의 비교를 위해 사용되었다.
대표적인 페이스트의 접착 특성이 표 11에 제시되며, 결과적인 태양 전지의 전기적 성능은 표 12에 제시된다. 기준 및 대표적인 태양 전지들의 전기적 성능은 I-V 테스터를 사용하여 테스트되었다. I-V 테스터에서의 크세논 아크 램프가 알려진 강도를 가진 햇빛을 시뮬레이션하기 위해 사용되었으며 태양 전지의 전방 표면은 I-V 곡선을 생성하기 위해 조사되었다. 이러한 곡선을 사용하여, 태양 전지 효율성(NCell), 단락 회로 전류 밀도(Isc), 개방 회로 전압(Voc), 충전율(FF), 직렬 저항(Rs), 최대 전력 포인트(Pmpp), -10V에서의 역 전류(Irev1), 및 -12V에서의 역 전류(Irev2)를 포함하여, 전기적 성능 비교를 제공하는 이러한 측정 방법에 공통적인 다양한 파라미터들이 결정된다. 모든 측정들은 기준 페이스트에 대해 정규화된다. 각각의 샘플에 대해 수행된 테스트들의 수(N)가 표 12에 표시된다.
표 11. 기준 페이스트 및 제 6 대표적인 페이스트의 접착 강도
Figure pct00011
표 12. 기준 페이스트 및 제 6 대표적인 페이스트의 전기적 성능
Figure pct00012
표 11로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 대표적인 페이스트는 단결정 실리콘 웨이퍼 상에서 테스트될 때 기준 페이스트의 것과 비교 가능한 접착 강도를 보여주며, 다결정 실리콘 웨이퍼 상에서 테스트될 때 기준 페이스트에 비교하여 개선된 접착 강도를 보여준다. 뿐만 아니라, 대표적인 페이스트는 단결정 및 다-결정 실리콘 웨이퍼 양쪽 모두 상에서, 기준 페이스트의 것에 비교 가능한, 또는 그보다 양호한 전기적 성능을 보여준다.
실시 예 7
제 7 세트의 대표적인 페이스트들이 준비되었으며, 그에 의해 텔루륨 이산화물 접착 강화제가 유리 프리트(CC)로 통합되거나, 또는 유리 프리트(Z)에 독립적인 복합 페이스트 혼합물로 직접 부가되었다. 양쪽 대표적인 페이스트들 모두가 또한 Bi-Si-산화물 유리 프리트를 갖고 준비되었다. 동일한 양의 텔루륨 산화물 접착 강화제가 약 0.01 내지 0.5 wt. %(100 wt. % 총 중량의 페이스트에 기초하여)로 대표적인 페이스트들 양쪽 모두에 존재한다. 대표적인 페이스트(CC)는, 대표적인 페이스트들(CC)에서의 대표적인 산화물이 전체로서 페이스트 조성물로 혼합하기 전에, 유리 프리트로 통합되는 것을 제외하고, 대표적인 페이스트(Z)와 동일한 제형을 갖고 준비되었다. 대표적인 페이스트들의 조성물들이 표 13에 제시된다. 일단 페이스트들이 균일한 점조도로 혼합되었다면, 그것들은 실시 예 1에 제시된 파라미터들에 따라 실리콘 웨이퍼의 후면으로 스크린 인쇄된다.
표 13. 제 7 세트의 대표적인 페이스트들의 조성물
Figure pct00013
대표적인 페이스트들의 접착 강도가 그 후 측정되었다. 표 14에 도시된 바와 같이, 유리 프리트(CC)에 통합된 텔루륨 이산화물을 가진 대표적인 페이스트의 접착 강도는 페이스트 조성물에 직접 부가된 텔루륨 이산화물을 가진 대표적인 페이스트와 동일하게 수행하였다.
표 14. 제 7 세트의 대표적인 페이스트들의 접착 강도
Figure pct00014
본 발명의 이들 및 다른 이점들은 앞서 말한 명세서로부터 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 따라서, 변화들 또는 수정들이 본 발명의 광범위한 발명적 개념들로부터 벗어나지 않고 상기 설명된 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 것이 이 기술분야의 숙련자들에 의해 인지될 것이다. 임의의 특정한 실시예의 특정 치수들이 단지 예시 목적을 위해 설명된다. 그러므로, 본 발명은 여기에 설명된 특정한 실시예들에 제한되지 않지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 모든 변화들 및 수정들을 포함하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (44)

  1. 태양 전지 상에 후면 납땜 패드들을 형성할 때 사용하기 위한 전기전도성 페이스트 조성물에 있어서,
    금속 입자;
    유리 프리트들;
    유기 비이클; 및
    금속 또는 금속 산화물, 또는 소성 온도에서 금속 또는 금속 산화물로 변환하는 임의의 다른 금속 화합물을 포함한 접착 강화제를 포함하고, 여기서 상기 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 니켈, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 또는 이의 산화물을 포함하는, 전기전도성 페이스트 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 전기전도성 페이스트 조성물.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 접착 강화제는 텔루륨인 전기전도성 페이스트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착 강화제는 텔루륨 이산화물, 니켈 산화물, 마그네슘 산화물, 지르코늄 이산화물, 텅스텐 산화물, 은 산화물, 코발트 산화물 및 세륨 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물인 전기전도성 페이스트 조성물.
  5. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 접착 강화제는 텔루륨 이산화물인 전기전도성 페이스트 조성물.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접차 강화제는 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 약 0.01 내지 5 wt. %인 전기전도성 페이스트 조성물.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접착 강화제는 상기 전기 전도성 페이스트 조성물의 약 0.01 내지 2.5 wt. %, 바람직하게는 약 0.01 내지 1 wt. %인 전기전도성 페이스트 조성물.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접착 강화제는 상기 유리 프리트들 내에 분산되는 전기전도성 페이스트 조성물.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접착 강화제는 상기 유리 프리트들로부터 독립된 상기 페이스트 조성물 내에 분산되는 전기전도성 페이스트 조성물.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 입자들은 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 약 30 내지 75 wt. %인 전기전도성 페이스트 조성물.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 입자들은 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 60 wt. % 이하인 전기전도성 페이스트 조성물.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 입자들은 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 50 wt. % 이하인 전기전도성 페이스트 조성물.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 입자들은 은, 알루미늄, 금 및 니켈, 또는 그것의 임의의 합금들 중 적어도 하나인 전기전도성 페이스트 조성물.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 입자들은 은인 전기전도성 페이스트 조성물.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 프리트들은 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 약 1 내지 10 wt. %인 전기전도성 페이스트 조성물.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 프리트들은 납 산화물을 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 프리트들은 의도적으로 부가된 납을 포함하지 않는 전기전도성 페이스트 조성물.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 프리트들은 비스무트 산화물을 포함하며, 의도적으로 부가된 납을 포함하지 않는, 전기전도성 페이스트 조성물.
  19. 청구항 1 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 프리트들은 Bi-B-Li-산화물, Bi-Zn-B-산화물, Bi-Si-Zn-B-산화물 또는 Bi-Si-산화물 중 적어도 하나를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  20. 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 비이클은 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 약 20 내지 60 wt. %, 바람직하게는 약 30 내지 50 wt. %, 보다 바람직하게는 약 45 wt. %인 전기전도성 페이스트 조성물.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 비이클은 결합제, 계면활성제, 유기 용제 및 틱사트로피제를 포함하는 전기전도성 페이스트 조성물.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 결합제는 에틸셀룰로오스 또는 페놀 수지, 아크릴, 폴리비닐 부티랄 또는 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄 수지들, 또는 로진 유도체들 중 적어도 하나인 전기전도성 페이스트 조성물.
  23. 청구항 21 또는 22에 있어서,
    상기 계면활성제는 폴리에틸렌 산화물, 폴리에틸렌 글리콜, 벤조트리아졸, 폴리(에틸렌글리콜)아세트 산, 라우르 산, 올레 산, 카프르 산, 미리스트 산, 리놀레 산, 스테아르 산, 팔미트 산, 스테아레이트 염들, 팔미테이트 염들, 및 그것의 혼합물들 중 적어도 하나인 전기전도성 페이스트 조성물.
  24. 청구항 21 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 용제는 카르비톨, 테르피네올, 헥실 카르비톨, 텍사놀, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 디메틸아디페이트 또는 글리콜 에테르 중 적어도 하나인 전기전도성 페이스트 조성물.
  25. 태양 전지에 있어서,
    전면 및 후면을 갖는 실리콘 웨이퍼; 및
    청구항 1 내지 24 중 어느 한 항에 따른 전기전도성 페이스트로부터 생성된 상기 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 납땜 패드를 포함하는 태양 전지.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 납땜 패드는 상기 태양 전지의 상기 후면 상에 형성되는 태양 전지.
  27. 청구항 25 또는 26에 있어서,
    상기 납땜 패드는 1-뉴턴 이상의 당김력으로 상기 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있는 태양 전지.
  28. 청구항 25 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 패드는 2-뉴턴 이상의 당김력으로 상기 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있는 태양 전지.
  29. 청구항 25 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 패드는 3-뉴턴 이상의 당김력으로 상기 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있는 태양 전지.
  30. 청구항 25 내지 29 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 패드는 5-뉴턴 이상의 당김력으로 상기 실리콘 웨이퍼로부터 제거될 수 있는 태양 전지.
  31. 청구항 25 내지 30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 패드는 약 30 내지 75 wt. %의 금속 입자들을 포함한 전기전도성 페이스트로부터 형성되는 태양 전지.
  32. 청구항 25 내지 31 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 패드는 약 60 wt. % 이하의 금속 입자들을 포함한 전기전도성 페이스트로부터 형성되는 태양 전지.
  33. 청구항 25 내지 32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납땜 패드는 약 50 wt. % 이하의 금속 입자들을 포함한 전기전도성 페이스트로부터 형성되는 태양 전지.
  34. 청구항 25 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    전극은 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 전면 상에 형성되는 태양 전지.
  35. 청구항 25 내지 34 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 전면은 반사-방지 층을 포함하는 태양 전지.
  36. 태양 전지에 있어서,
    후면을 가진 실리콘 웨이퍼; 및
    상기 실리콘 웨이퍼의 후면 상에 형성된 적어도 하나의 납땜 패드를 포함하고, 상기 납땜 패드는:
    금속 입자;
    유리 프리트; 및
    금속 또는 금속 산화물, 또는 소성 온도에서 금속 또는 금속 산화물로 변환하는 임의의 다른 금속 화합물을 포함한 접착 강화제를 포함하고, 여기서 상기 접착 강화제는 텔루륨, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 니켈, 안티모니, 마그네슘, 지르코늄, 은, 코발트, 세륨, 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 또는 이의 산화물을 포함하는, 태양 전지.
  37. 청구항 36에 있어서,
    상기 접착 강화제는 텔루륨인 태양 전지.
  38. 청구항 36에 있어서,
    상기 접착 강화제는 텔루륨 이산화물인 태양 전지.
  39. 청구항 25 내지 38 중 어느 한 항에서처럼 전기적으로 상호 연결된 태양 전지들을 포함한 태양 전지 모듈.
  40. 태양 전지의 생성 방법에 있어서,
    전면 및 후면을 가진 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계;
    청구항 1 내지 24 중 어느 한 항에 따른 전기전도성 페이스트 조성물을 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 후면에 도포하는 단계; 및
    납땜 패드를 산출하기 위해 적절한 프로파일에 따라 상기 실리콘 웨이퍼를 소성시키는 단계를 포함하는 태양 전지의 생성 방법.
  41. 청구항 40에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼는 상기 전면 상에 반사방지 코팅을 갖는 태양 전지의 생성 방법.
  42. 청구항 40 또는 41에 있어서,
    청구항 1 내지 24 중 어느 한 항에 따른 상기 전기전도성 페이스트 조성물의 에지들을 중첩시키는 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 후면에 알루미늄-포함 페이스트를 도포하는 단계를 더욱 포함하는 태양 전지의 생성 방법.
  43. 청구항 40 내지 42 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 상기 전면에 은-포함 페이스트를 도포하는 단계를 더욱 포함하는 태양 전지의 생성 방법.
  44. 청구항 40 내지 43 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄-포함 페이스트를 도포하는 단계는 스크린 인쇄에 의한 것인 태양 전지의 생성 방법.
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