KR101814014B1

KR101814014B1 - 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지

Info

Publication number: KR101814014B1
Application number: KR1020110027011A
Authority: KR
Inventors: 김석준; 이은성; 김세윤; 지상수; 허정나
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2018-01-03
Also published as: KR20120108744A; US9039940B2; US20120240994A1

Abstract

비정질 금속을 포함하는 도전성 성분, 그리고 유기 비히클을 포함하고, 상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고 소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인 도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지에 관한 것이다.

Description

도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지{CONDUCTIVE PASTE AND ELECTRONIC DEVICE AND SOLAR CELL INCLUDING AN ELECTRODE FORMED USING THE CONDUCTIVE PASTE}

도전성 페이스트, 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자 및 태양 전지에 관한 것이다.

태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.

태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.

태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.

한편, 태양 전지의 전극은 증착법으로 형성할 수 있지만 이 경우 공정이 복잡하고 비용 및 시간이 많이 소요된다. 이에 따라 도전성 물질을 포함한 도전성 페이스트를 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 형성하여 공정을 단순화하는 방안이 제안되었다.

도전성 페이스트는 은(Ag)과 같은 저저항 금속으로 이루어진 도전성 분말을 주성분으로 포함한다. 그러나 상기 도전성 분말은 일반적으로 고가의 금속으로 제조 비용 중 높은 비중을 차지한다.

본 발명의 일 측면은 도전성 분말을 대체하거나 도전성 분말의 함량을 낮추어 제조 비용을 절감할 수 있는 도전성 페이스트를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 전자 소자를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 전극을 포함하는 태양 전지를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 비정질 금속을 포함하는 도전성 성분, 그리고 유기 비히클을 포함하고, 상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고 소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인 도전성 페이스트를 제공한다.

상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 약 5% 이상 낮을 수 있다.

상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 약 10 내지 99% 낮을 수 있다.

상기 비정질 금속은 대기 중에서 약 300 내지 800℃로 열처리하여 결정화될 수 있다.

상기 비정질 금속은 상기 도전성 페이스트의 소성 온도까지 열처리시 중량 증가량이 약 0.0001 내지 4㎎/㎠ 일 수 있다.

상기 도전성 페이스트의 소성 온도는 약 300 내지 1000℃ 일 수 있다.

상기 비정질 금속의 중량 증가량 또는 두께 증가량은 상온에서 상기 소성 온도까지 약 40K/분 이상의 속도로 승온하여 측정할 수 있다.

상기 비정질 금속의 두께 증가량은 소성 온도까지 열처리시 상기 비정질 금속의 산화물 두께일 수 있다.

상기 비정질 금속은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 마그네슘(Mg), 란탄(La), 니오븀(Nb), 납(Pb), 네오디뮴(Nd), 가돌리뮴(Gd), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 이테르븀(Yb), 세륨(Ce), 나트륨(Na), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 리튬(Li), 수은(Hg), 하프늄(Hf), 안티모니(Sb), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비스무트(Bi), 텅스텐(W), 바나듐(V), 비소(As), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 베릴륨(Be), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 보론(B) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 비정질 금속은 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 약 5 내지 100중량%로 포함될 수 있다.

상기 도전성 성분은 금속 분말을 더 포함할 수 있다.

상기 금속 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 비정질 금속 및 상기 금속 분말은 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 약 5 내지 95중량% 및 약 5 내지 95중량%로 포함될 수 있다.

상기 도전성 페이스트는 바인더를 더 포함할 수 있다.

상기 바인더는 유리 프릿(glass frit), 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하고, 상기 도전성 성분은 비정질 금속을 포함하며, 상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고 소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인 전자 소자를 제공한다.

상기 도전성 성분은 금속 분말을 더 포함할 수 있다.

상기 도전성 성분은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반도체 층, 그리고 상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하고, 상기 도전성 성분은 비정질 금속을 포함하며, 상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고 소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인 태양 전지를 제공한다.

상기 도전성 성분은 금속 분말을 더 포함할 수 있다.

상기 태양 전지는 상기 반도체 층과 상기 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.

상기 버퍼층은 유리 프릿, 금속 유리 또는 이들의 조합의 소성물을 포함할 수 있다.

도전성을 확보하면서도 도전성 분말을 대체하거나 도전성 분말의 함량을 낮추어 제조 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 일 구현예에 따른 알루미늄계 비정질 금속과 순수 알루미늄 분말의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 2는 일 구현예에 따른 알루미늄계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 3은 일 구현예에 따른 니켈계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 4는 일 구현예에 따른 구리계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 5는 일 구현예에 따른 지르코늄계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 6은 일 구현예에 따른 니켈계 비정질 금속의 소성 온도에서 알루미늄 함량에 따른 두께 증가량을 보여주는 그래프이고,
도 7a 및 도 7b는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 기판에 적용하고 열처리하는 과정을 보여주는 개략도이고,
도 8은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 9는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.

이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.

이하에서 '금속'은 금속 및 반금속을 포괄하는 용어이다.

먼저, 일 구현예에 따른 도전성 페이스트에 대하여 설명한다.

일 구현예에 따른 도전성 페이스트는 도전성 성분 및 유기 비히클을 포함한다.

상기 도전성 성분은 비정질 금속(amorphous metal)을 포함한다.

상기 비정질 금속은 두 종류 이상의 금속이 무질서한 원자 구조를 가지는 합금으로, 전체적으로 비정질 상태를 가지거나 적어도 일부가 결정화되어 있을 수 있다. 비정질 금속은 실리케이트(silicate)와 같은 일반 유리와 달리 비저항이 낮아 도전성을 나타낸다.

상기 비정질 금속은 예컨대 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 마그네슘(Mg), 란탄(La), 니오븀(Nb), 납(Pb), 네오디뮴(Nd), 가돌리뮴(Gd), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 이테르븀(Yb), 세륨(Ce), 나트륨(Na), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 리튬(Li), 수은(Hg), 하프늄(Hf), 안티모니(Sb), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비스무트(Bi), 텅스텐(W), 바나듐(V), 비소(As), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 베릴륨(Be), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 보론(B) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 비정질 금속은 도전성 페이스트에서 금속 분말(metal powder)의 적어도 일부를 대체할 수 있다. 따라서 고가의 금속 분말을 대체하여 제조 비용을 낮출 수 있다.

상기 비정질 금속이 금속 분말의 적어도 일부를 대체하기 위해서는 다음과 같은 조건이 필요하다.

첫째, 상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮다. 만일 비정질 금속이 결정화 후 비저항이 높아지는 경우 도전성 페이스트의 전체적인 도전성을 저하시키므로 금속 분말의 적어도 일부를 대체하기 어렵다.

이 때 비정질 금속은 대기 중에서 약 300 내지 800℃로 열처리하여 결정화되는 경우, 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 적어도 5% 이상 낮아질 수 있다. 이 중에서도 비정질 금속은 비저항이 결정화 전 비저항보다 10 내지 99% 낮아질 수 있다.

하기 표 1은 다양한 비정질 금속의 결정화 전후의 비저항 변화(Δρ)를 보여준다.

비정질 금속	ρ (μΩ㎝,초기)	ρ’ (μΩ㎝,600℃)	Δρ (ρ’- ρ)	비저항감소율 (%)
Al₈₆Ni₈Y₆	127	25	102	80
Al₈₄ _.5Ni₅ _.5Y₁₀	74	12	62	84
Al₈₆Ni₆Co₂Y₆	158	24	134	85
Al₈₇Y₇Fe₅Ti₁	132	21	111	84
Al₈₈Y₇Fe₅	120	24	96	80
Al₈₆Ni₆Co₂Y₆	58	24	34	59
Al₈₇Y₇Fe₅Ti₁	132	21	111	84
Al₈₈Y₇Fe₅	120	24	96	80
Al₈₆La₅Ni₉	76	14	62	82
Al₈₆La₆Ni₈	116	17	99	85
Al₈₅La₆Ni₉	123	15	108	88
Al₈₅La₅Ni₁₀	123	19	104	85
Al₈₅ _.5Ni₉ _.5La₅	153	18	135	88
Ni₅₉Zr₂₀Ti₂₁	518	341	177	34
Ni₅₉Zr₂₀Ti₁₆Sn₅	554	383	171	31
Ni₅₉Zr₂₀Ti₁₆Sn₃Si₂	548	428	120	22
Ni₄₅Zr₂₅Ti₂₀Al₁₀	235	194	41	17
Ni₃₉ _.8Zr₂₇ _.86Cu₅ _.97Ti₁₅ _.92Al₉ _.95Si₀ _.5	299	234	65	22
Cu₅₀Zr₅₀	232	167	65	28
Cu₄₆Zr₄₆Al₈	207	161	46	22
Cu₅₈ _.1Zr₃₅ _.9Al₆	256	192	64	25
Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀	195	167	28	14
Cu₄₃Zr₄₃Al₇Ag₇	218	186	32	15
Zr₄₈Cu₂₈Al₈Ag₈Ni₈	205	137	68	33
Zr₄₈ Cu₃₄Al₈Ag₈Ni₂	533	456	77	14

둘째, 비정질 금속은 내산화성을 확보할 필요가 있다.

도전성 페이스트는 일반적으로 대기 중에서 공정이 수행되므로 공기 중의 산소에 쉽게 노출될 수 있다. 이 때 비정질 금속이 쉽게 산화되는 경우 도전성 페이스트의 도전성이 현저하게 떨어질 수 있으므로, 비정질 금속의 내산화성을 확보할 수 있다.

비정질 금속의 내산화성은 소성 온도까지 열처리했을 때 중량 증가량 또는 두께 증가량에 의해 확인할 수 있다.

중량 증가량은 산화에 의해 형성된 비정질 금속의 산화물에 의한 중량 증가분을 의미하는 것이고, 두께 증가량은 산화에 의해 형성된 비정질 금속의 산화층에 의한 두께 증가분을 의미하는 것이다.

여기서 중량 증가량 또는 두께 증가량이 클수록 내산화성이 낮은 것이고 중량 증가량 또는 두께 증가량이 작을수록 내산화성이 높은 것이다.

비정질 금속은 비정질 금속에 주성분으로 포함되어 있는 순수 금속 분말(pure metal powder)과 비교하여 내산화성이 높다.

이에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.

도 1은 일 구현예에 따른 알루미늄계 비정질 금속과 순수 알루미늄 분말의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이다.

도 1을 참고하면, 알루미늄계 비정질 금속인 Al₈₆Ni₈La₆ (A)은 도전성 페이스트의 소성 온도인 약 600℃에서 중량 증가량이 크지 않은데 반하여 순수 알루미늄 분말(B)은 동일한 온도에서 중량 증가량이 급격히 높아지는 것을 알 수 있다. 이로부터 비정질 금속은 도전성 페이스트의 소성 온도까지 열처리되면서 크게 산화되지 않는데 반해 순수 알루미늄 분말은 상기 온도까지 열처리시 산화되면서 산화알루미늄을 형성하여 중량이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 비정질 금속은 도전성 페이스트의 소성 온도, 예컨대 약 300 내지 1000℃에서 중량 증가량이 약 4㎎/㎠ 이하일 수 있다.

상기 비정질 금속은 도전성 페이스트의 소성 온도, 예컨대 약 300 내지 1000℃까지 열처리시 두께 증가량이 약 30㎛ 이하일 수 있다.

이하 비정질 금속의 예로서, 알루미늄계 비정질 금속, 니켈계 비정질 금속 및 구리계 비정질 금속의 내산화성에 대하여 도 2 내지 도 5를 참고하여 설명한다.

도 2 내지 도 5의 비정질 금속의 내산화성은 상온에서 소성 온도까지 40K/분 이상의 속도로 승온하여 측정한 것으로, 약 4mm x 8mm의 크기에 약 50㎛ 두께를 가지는 리본 형태의 샘플로 측정한 것이다.

도 2는 일 구현예에 따른 알루미늄계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고, 도 3은 일 구현예에 따른 니켈계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고, 도 4는 일 구현예에 따른 구리계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이고, 도 5는 일 구현예에 따른 지르코늄계 비정질 금속의 온도에 따른 중량 증가량을 보여주는 그래프이다.

도 2를 참고하면, 알루미늄계 비정질 금속인 Al₈₆Ni₆Y₄ _.5Co₂La₁ _.5, Al₈₆Ni₈Y₆, Al₈₇Y₇Fe₅Ti₁ 및 Al₈₆Ni₈La₆를 상온에서 약 600℃까지 40K/분의 속도로 가열시 중량 증가량이 약 4㎎/㎠ 이하, 그 중에서 약 0.0001 내지 0.02㎎/㎠ 인 것을 알 수 있다.

도 3을 참고하면, 니켈계 비정질 금속인 Ni₄₅Zr₃₅Ti₂₀, Ni₄₅Zr₃₃Ti₂₀Al₂, Ni₄₅Zr₃₁Ti₂₀Al₄, Ni₄₅Zr₂₉Ti₂₀Al₆, Ni₄₅Zr₂₇Ti₂₀Al₈, Ni₄₅Zr₂₅Ti₂₀Al₁₀, Ni₄₅Zr₂₃Ti₂₀Al₁₂, Ni₄₅Zr₂₁Ti₂₀Al₁₄및 Ni₄₅Zr₁₉Ti₂₀Al₁₆을 상온에서 약 800℃까지 40K/분의 속도로 가열시 중량 증가량이 약 4㎎/㎠ 이하, 그 중에서도 약 0.5 내지 4.0㎎/㎠ 인 것을 알 수 있다.

도 4를 참고하면, 구리계 비정질 금속인 Cu₄₃Zr₄₃Al₇Ag₇, Cu₄₆Zr₄₆Al₈, Cu_58.1Zr_35.9Al₆ 및 Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀, Cu₄₄Zr₄₄Al₆Ag₆을 상온에서 약 600℃까지 40K/분 이상의 속도로 가열시 중량 증가량이 약 4㎎/㎠ 이하, 그 중에서 약 0.01 내지 0.3 ㎎/㎠ 인 것을 알 수 있다.

도 5를 참고하면, 지르코늄계 비정질 금속인 Zr₄₈Cu₃₄Al₈Ag₈Ni₂, Zr₄₈Cu₂₈Al₈Ag₈Ni₈, Zr₅₀ _.7Cu₂₈Al₁₂ _.3Ni₉ 및 Zr₅₃Cu₁₈ _.7Al₁₆ _.3Ni₁₂를 상온에서 약 600℃까지 40K/분 이상의 속도로 가열시 중량 증가량이 약 4㎎/㎠ 이하, 그 중에서 약 0.01 내지 0.3 ㎎/㎠ 인 것을 알 수 있다.

도 6은 일 구현예에 따른 비정질 금속을 소성 온도까지 열처리시 알루미늄 함량에 따른 두께 증가량을 보여주는 그래프이다.

도 6을 참고하면, Ni₄₅Zr₂₇Ti₂₀Al₈ (A),Ni₄₅Zr₂₅Ti₂₀Al₁₀ (B)및 Ni₄₅Zr₁₉Ti₂₀Al₁₆ (C)를 소성 온도까지 열처리시 알루미늄 함량이 높아질수록 비정질 금속의 산화층 생성에 의한 두께 증가량이 감소하는 것을 알 수 있다. 즉 상기 니켈계 비정질 금속 중 알루미늄 함량이 약 16at%, 약 10at% 및 약 8at%일 때 두께 증가량은 약 5.0㎛, 약 6.0㎛ 및 약 7.0㎛이고, 비정질 금속 중 알루미늄 함량이 0에 가까운 경우 약 30㎛의 두께 증가량을 가지는 것을 알 수 있다.

상기 도전성 성분은 도전성 분말을 더 포함할 수 있다.

상기 도전성 분말은 은 또는 은 합금과 같은 은(Ag) 함유 금속, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 알루미늄(Al) 함유 금속, 구리 또는 구리 합금과 같은 구리(Cu) 함유 금속, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 니켈(Ni) 함유 금속 또는 이들의 조합일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다른 종류의 금속일 수 있으며 상기 금속 외에 다른 첨가물을 포함할 수 있다.

상기 금속 분말은 약 0.1 내지 50㎛의 크기를 가질 수 있다.

상기 유기 비히클은 상술한 도전성 성분과 혼합되어 적절한 점도를 부여할 수 있는 유기 화합물과 이들을 용해하는 용매를 포함한다.

유기 화합물은 예컨대 (메타)아크릴레이트계 수지; 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 수지; 페놀 수지; 알코올 수지; 테플론; 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 계면활성제, 증점제 및 안정화제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.

용매는 이들을 혼합할 수 있는 형태이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 터피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨 아세테이트, 펜테인디올, 다이펜틴, 리모닌, 에틸렌글리콜 알킬에테르, 디에틸렌글리콜 알킬에테르, 에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트 디에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디에틸렌글리콜 디알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌 글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 페닐에테르, 디프로필렌글리콜 알킬에테르, 트리프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리프로필렌글리콜 알킬 에테르 아세테이트, 디메틸프탈산, 디에틸프탈산, 디부틸프탈산 및 탈염수에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.

상기 도전성 페이스트는 바인더(binder)를 더 포함할 수 있다. 바인더는 하부층과의 접착성을 개선하기 위한 성분으로, 예컨대 유리 프릿(glass frit), 금속 유리(metallic glass) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상술한 도전성 페이스트는 스크린 인쇄(screen printing) 등의 방법으로 형성되어 전자 소자의 전극으로 사용될 수 있다.

이하 도 7a 및 도 7b를 참고하여 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 전극이 형성되는 예를 설명한다.

도 7a 및 도 7b는 일 구현예에 따른 도전성 페이스트를 기판에 적용하고 열처리하는 과정을 보여주는 개략도이다.

도 7a를 참고하면, 기판(110) 위에 비정질 금속(120a) 및 도전성 분말(120b)을 포함하는 도전성 페이스트(120)를 적용한다. 비정질 금속(120a) 및 도전성 분말(120b)은 각각 입자 형태로 혼합될 수 있으며, 도전성 분말(120b)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.

도 7b를 참고하면, 비정질 금속(120a)의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 승온하는 경우 비정질 금속(120a)은 연화되어 액체와 같은 거동을 보이고 금속 분말(120b)에 젖음성을 나타낸다. 이러한 액체 거동의 비정질 금속(120a')은 금속 분말(120b) 사이의 틈을 채우면서 인접한 금속 분말(120b)을 전기적으로 연결시킬 수 있다.

이어서 도전성 페이스트(120)를 더 높은 온도로 승온하여 예컨대 약 300 내지 1000℃로 소성하여 전극을 형성할 수 있다.

이러한 전극은 다양한 전자 소자에서 도전성 전극으로 사용될 수 있다.

상기 전자 소자 중의 하나는 태양 전지일 수 있다.

도 8을 참고하여 일 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.

도 8은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 반도체 기판(110) 중 태양 에너지를 받는 면을 전면(front side)이라 하고 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.

도 8을 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지는 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b)을 포함하는 반도체 기판(110)을 포함한다.

반도체 기판(110)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 하부 반도체 층(110a) 및 상부 반도체 층(110b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 예컨대 하부 반도체 층(110a)은 p형 불순물로 도핑된 반도체 층이고, 상부 반도체층(110b)은 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이 때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.

상부 반도체 층(110b)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 상부 반도체 층(110b)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 상부 반도체 층(110b)은 빛을 받는 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.

상부 반도체 층(110b) 위에는 복수의 전면 전극(121)이 형성되어 있다. 전면 전극(121)은 기판의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.

전면 전극(121)은 상술한 도전성 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄 방법으로 도포하고 소성하는 방법으로 형성될 수 있다. 따라서 전면 전극(121)은 전술한 비정질 금속을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물로 만들어질 수 있다.

전면 전극(121)은 반도체 기판(110)을 이루는 반도체 물질, 예컨대 규소(Si)와 공융되어 공융층(도시하지 않음)을 형성할 수 있다. 이 때 공융층은 상부 반도체 층(110b) 내에 형성될 수 있다.

전면 전극(121) 위에는 전면 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 버스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이다.

반도체 기판(110)의 하부에는 유전막(130)이 형성되어 있다. 유전막(130)은 전하의 재결합을 방지하는 동시에 전류가 새는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 유전막(130)은 복수의 관통부(135)를 가지며, 관통부(135)를 통하여 반도체 기판(110)과 후술하는 후면 전극(141)이 접촉할 수 있다.

유전막(130)은 예컨대 산화규소(SiO₂), 질화규소(SiN_x), 산화알루미늄(Al₂O₃) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으며, 약 100 내지 2000Å의 두께를 가질 수 있다.

유전막(130) 하부에는 후면 전극(141)이 형성되어 있다. 후면 전극(141)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al) 과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극(141)은 전면 전극(121)과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.

이하 상기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 8을 참고하여 설명한다.

먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이 때 반도체 기판(110)은 예컨대 p형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.

이어서 반도체 기판(110)을 표면 조직화한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불산과 같은 강산 또는 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라스마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.

다음 반도체 기판(110)에 예컨대 n형 불순물을 도핑한다. 여기서 n형 불순물은 POCl₃ 또는 H₃PO₄ 등을 고온에서 확산시킴으로써 도핑할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)은 다른 불순물로 도핑된 하부 반도체 층(110a)과 상부 반도체 층(110b)을 포함한다.

다음 상부 반도체 층(110b) 위에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극용 도전성 페이스트는 전술한 바와 같이 비정질 금속을 포함하는 도전성 성분과 유기 비히클을 포함할 수 있으며, 이를 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.

상술한 비정질 금속은 예컨대 용융방사법(melt spinning), 흡입주조법(infiltration casting), 기체분무법(gas atomization), 이온조사법(ion irradiation) 또는 기계적 합금법(mechanical alloying) 등의 공지의 방법으로 제조될 수 있다.

이어서 전면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.

다음 반도체 기판(110)의 후면에 예컨대 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 또는 산화규소(SiO₂)를 플라스마 화학 기상 증착 방법으로 적층하여 유전막(130)을 형성한다.

이어서 유전막(130)의 일부에 레이저를 조사하여 복수의 관통부(135)를 형성한다.

다음 유전막(130) 일면에 후면 전극용 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 도포하고 건조한다.

이어서 후면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.

이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 공 소성(co-firing)한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트를 각각 소성할 수 있다.

소성은 소성 로에서 상기 도전성 성분의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있으며, 예컨대 약 300 내지 1000℃에서 수행할 수 있다. 이에 따라, 전면 전극(121)은 전면 전극용 도전성 페이스트의 소성물로 만들어지고, 후면 전극(141)은 후면 전극용 도전성 페이스트의 소성물로 만들어진다.

이하 다른 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도 9를 참고하여 설명한다.

도 9는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 보여주는 단면도이다.

본 구현예에 따른 태양 전지는 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 반도체 기판(110)을 포함한다.

반도체 기판(110)은 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 포함한다. 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)은 반도체 기판(110)의 후면 측에 형성되어 있으며 서로 다른 불순물로 도핑되어 있다. 제1 도핑 영역(111a)은 예컨대 n형 불순물로 도핑될 수 있고 제2 도핑 영역(111b)은 예컨대 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 도핑 영역(111a)과 제2 도핑 영역(111b)은 반도체 기판(110)의 후면에 교대로 배치될 수 있다.

반도체 기판(110)의 전면은 표면 조직화 되어 있을 수 있으며, 표면 조직화에 의해 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.

반도체 기판(110) 위에는 절연막(112)이 형성되어 있다. 절연막(112)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 질화규소(SiN_x), 산화규소(SiO₂), 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO₂) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다. 절연막(112)은 예컨대 약 200 내지 1500Å의 두께를 가질 수 있다.

절연막(112)은 태양 전지 표면에서 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사 방지막(anti reflective coating) 역할을 하는 동시에 반도체 기판(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.

반도체 기판(110)의 후면에는 복수의 관통부를 가진 유전막(150)이 형성되어 있다.

반도체 기판(110)의 후면에는 제1 도핑 영역(111a)에 연결되어 있는 전면 전극(121)과 제2 도핑 영역(111b)에 연결되어 있는 후면 전극(141)이 각각 형성되어 있다. 전면 전극(121)은 관통부를 통하여 제1 도핑 영역(111a)과 접촉할 수 있으며, 후면 전극(141)은 관통부를 통하여 제2 도핑 영역(111b)과 접촉할 수 있다.

전면 전극(121)과 후면 전극(141)은 교대로 배치될 수 있다.

전면 전극(121)과 후면 전극(141)은 전술한 구현예와 마찬가지로, 비정질 금속을 포함하는 도전성 성분과 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 형성할 수 있으며, 상세한 설명은 전술한 바와 같다.

본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 전면 전극(121) 및 후면 전극(141)이 모두 태양 전지의 후면에 위치함으로써 전면에서 금속이 차지하는 면적을 줄여 빛 흡수 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.

이하 본 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 9를 참고하여 설명한다.

먼저, 예컨대 n형 불순물로 도핑되어 있는 반도체 기판(110)을 준비한다. 이어서 반도체 기판(110)을 표면 조직화한 후, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 절연막(112) 및 유전막(150)을 형성한다. 절연막(112) 및 유전막(150)은 예컨대 화학 기상 증착으로 형성할 수 있다.

다음, 반도체 기판(110)의 후면 측에 예컨대 p형 불순물 및 n형 불순물을 차례로 고농도로 도핑하여 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)을 형성한다.

이어서 유전막(150)의 일면에 제1 도핑 영역(111a)에 대응하는 영역에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 제2 도핑 영역(111b)에 대응하는 영역에 후면 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트는 각각 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있으며, 각각 전술한 비정질 금속을 포함하는 도전성 성분과 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 사용할 수 있다.

이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 함께 또는 각각 소성할 수 있으며, 소성은 소성 로에서 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있다.

상기에서는 상술한 도전성 페이스트를 태양 전지의 전극으로 적용한 예만 구체적으로 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 전극을 포함하는 모든 전자 소자, 예컨대 PDP, LCD, OLED 등의 전극을 형성하는데 동일하게 적용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

110: 반도체 기판
111a: 제1 도핑 영역 111b: 제2 도핑 영역
120a: 비정질 금속 120b: 도전성 분말
120: 전극 121: 전면 전극
130: 유전막 135: 관통부
141: 후면 전극

Claims

비정질 금속을 포함하는 도전성 성분, 그리고
유기 비히클
을 포함하고,
상기 비정질 금속은 두 종류 이상의 금속이 무질서한 원자 구조를 가진 합금이고,
상기 비정질 금속은
결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고
소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인
도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 5% 이상 낮은 도전성 페이스트.
제2항에서,
상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 10 내지 99% 낮은 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속은 대기 중에서 300 내지 800℃로 열처리하여 결정화되는 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속은 상기 도전성 페이스트의 소성 온도까지 열처리시 중량 증가량이 0.0001 내지 4㎎/㎠인 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 도전성 페이스트의 소성 온도는 300 내지 1000℃인 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속의 중량 증가량 또는 두께 증가량은 상온에서 상기 소성 온도까지 40K/분 이상의 속도로 승온하여 측정하는 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속의 두께 증가량은 소성 온도까지 열처리시 상기 비정질 금속의 산화층 두께인 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 마그네슘(Mg), 란탄(La), 니오븀(Nb), 납(Pb), 네오디뮴(Nd), 가돌리뮴(Gd), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 이테르븀(Yb), 세륨(Ce), 나트륨(Na), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 리튬(Li), 수은(Hg), 하프늄(Hf), 안티모니(Sb), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비스무트(Bi), 텅스텐(W), 바나듐(V), 비소(As), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 베릴륨(Be), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 보론(B) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 비정질 금속은 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 5 내지 100중량%로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
제1항에서,
상기 도전성 성분은 금속 분말을 더 포함하는 도전성 페이스트.
제11항에서,
상기 금속 분말은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
제11항에서,
상기 비정질 금속 및 상기 금속 분말은 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 5 내지 95중량% 및 5 내지 95중량%로 포함되어 있는 도전성 페이스트.
제1항에서,
바인더를 더 포함하는 도전성 페이스트.
제14항에서,
상기 바인더는 유리 프릿(glass frit), 금속 유리 또는 이들의 조합을 포함하는 도전성 페이스트.
도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극을 포함하고,
상기 도전성 성분은 비정질 금속을 포함하며,
상기 비정질 금속은 두 종류 이상의 금속이 무질서한 원자 구조를 가진 합금이고,
상기 비정질 금속은
결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고
소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인
전자 소자.
제16항에서,
상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 5% 이상 낮은 전자 소자.
제17항에서,
상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 10 내지 99% 낮은 전자 소자.
제16항에서,
상기 비정질 금속은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 마그네슘(Mg), 란탄(La), 니오븀(Nb), 납(Pb), 네오디뮴(Nd), 가돌리뮴(Gd), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 이테르븀(Yb), 세륨(Ce), 나트륨(Na), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 리튬(Li), 수은(Hg), 하프늄(Hf), 안티모니(Sb), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비스무트(Bi), 텅스텐(W), 바나듐(V), 비소(As), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 베릴륨(Be), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 보론(B) 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 소자.
제16항에서,
상기 도전성 성분은 금속 분말을 더 포함하는 전자 소자.
제20항에서,
상기 도전성 성분은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 소자.
반도체 층, 그리고
상기 반도체 층에 전기적으로 연결되어 있으며 도전성 성분을 포함하는 도전성 페이스트의 소성물을 포함하는 전극
을 포함하고,
상기 도전성 성분은 비정질 금속을 포함하며,
상기 비정질 금속은 두 종류 이상의 금속이 무질서한 원자 구조를 가진 합금이고,
상기 비정질 금속은
결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 낮고
소성 온도에서 중량 증가량이 4㎎/㎠ 이하이거나 두께 증가량이 30㎛ 이하인
태양 전지.
제22항에서,
상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 5% 이상 낮은 태양 전지.
제23항에서,
상기 비정질 금속은 결정화 후 비저항이 결정화 전 비저항보다 10 내지 99% 낮은 태양 전지.
제22항에서,
상기 비정질 금속은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 마그네슘(Mg), 란탄(La), 니오븀(Nb), 납(Pb), 네오디뮴(Nd), 가돌리뮴(Gd), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 이테르븀(Yb), 세륨(Ce), 나트륨(Na), 바륨(Ba), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 리튬(Li), 수은(Hg), 하프늄(Hf), 안티모니(Sb), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비스무트(Bi), 텅스텐(W), 바나듐(V), 비소(As), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 망간(Mn), 테크네튬(Tc), 베릴륨(Be), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 보론(B) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
제22항에서,
상기 비정질 금속은 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 5 내지 100중량%로 포함되어 있는 태양 전지.
제22항에서,
상기 도전성 성분은 금속 분말을 더 포함하는 태양 전지.
제27항에서,
상기 비정질 금속 및 상기 금속 분말은 상기 도전성 성분의 총 함량에 대하여 각각 5 내지 95중량% 및 5 내지 95중량%로 포함되어 있는 태양 전지.
제22항에서,
상기 반도체 층과 상기 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 태양 전지.
제29항에서,
상기 버퍼층은 유리 프릿, 금속 유리 또는 이들의 조합의 소성물을 포함하는 태양 전지.