KR102245585B1

KR102245585B1 - 태양 전지 내의 금속 구조물의 형성

Info

Publication number: KR102245585B1
Application number: KR1020167001885A
Authority: KR
Inventors: 조셉 프레데릭 벤케
Original assignee: 선파워 코포레이션
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2021-04-27
Also published as: WO2014209617A1; KR20160025568A; CN105283963A; EP3014659A4; US20150004744A1; CN105283963B; US8945978B2; EP3014659A1; JP2016523458A

Abstract

태양 전지의 금속 접점이 유전체 층 상에 형성되는 전기도금 시드를 사용하여 구리를 전기도금함으로써 형성된다(211). 전기도금 시드는 유전체 층 내의 접점 구멍을 통해 태양 전지의 확산 영역에 접속되는 알루미늄 층을 포함한다. 니켈 층이 알루미늄 층 상에 형성되고, 이때 니켈 층-알루미늄 층 스택이 전기도금 시드를 형성한다(212). 구리는 지지 전해질로서 황산 대신에 메탄술폰산을 갖는 구리 도금조 내에서 전기도금된다(213).

Description

태양 전지 내의 금속 구조물의 형성{FORMATION OF METAL STRUCTURES IN SOLAR CELLS}

본 명세서에 기술된 발명 요지의 실시예는 일반적으로 태양 전지(solar cell)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 발명 요지의 실시예는 태양 전지 제조 공정 및 구조에 관한 것이다.

태양 전지는 태양 방사선을 전기 에너지로 변환시키기 위한 잘 알려진 장치이다. 태양 전지는 태양 방사선을 수집하기 위해 정상 작동 동안 태양을 향하는 전면(front side) 및 전면 반대편의 배면(backside)을 갖는다. 태양 전지에 충돌하는 태양 방사선은 부하(load)와 같은 외부 전기 회로에 전력을 공급하도록 이용될 수 있는 전하를 생성한다. 외부 전기 회로는 금속 접점에 의해 태양 전지의 확산 영역에 전기적으로 접속될 수 있다.

일 실시예에서, 태양 전지의 금속 접점이 유전체 층(dielectric layer) 상에 형성되는 전기도금 시드(electroplating seed)를 사용하여 구리를 전기도금함으로써 형성된다. 전기도금 시드는 유전체 층 내의 접점 구멍을 통해 태양 전지의 확산 영역에 접속되는 알루미늄 층을 포함한다. 니켈 층이 알루미늄 층 상에 형성되고, 이때 니켈 층-알루미늄 층 스택(stack)이 전기도금 시드를 형성한다. 구리는 지지 전해질(supporting electrolyte)로서 황산 대신에 메탄술폰산을 갖는 구리 도금조(copper plating bath) 내에서 전기도금된다.

본 개시 내용의 이들 및 다른 특징이 첨부 도면 및 청구범위를 포함하는 본 개시 내용의 전체를 읽음으로써 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.

유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하는 하기 도면과 관련하여 고려될 때, 상세한 설명 및 청구범위를 참조함으로써 발명 요지의 더욱 완전한 이해가 얻어질 수 있다.
도 1 내지 도 3은 알루미늄 전기도금 시드가 황산에 노출된 경우의 알루미늄 전기도금 시드의 현미경 사진.
도 4 내지 도 7은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조를 개략적으로 예시하는 단면도.
도 8은 본 개시 내용의 일 실시예에 따라 태양 전지의 금속 구조물을 형성하는 방법의 흐름도.
도 9 내지 도 11은 알루미늄 전기도금 시드가 황산 대신에 메탄술폰산에 노출된 경우의 알루미늄 전기도금 시드의 현미경 사진.

본 개시 내용에서, 실시예에 대한 철저한 이해를 제공하도록 재료, 공정 단계 및 구조의 예와 같은 다수의 특정 상세 사항이 제공된다. 그러나, 당업자는 하나 이상의 특정 상세 사항 없이 본 개시 내용이 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 경우에, 본 개시 내용의 태양을 모호하게 하는 것을 피하도록 잘 알려진 상세 사항은 도시되거나 기술되지 않는다.

에너지의 다른 공급원과 비교하여 상업적으로 실현가능하게 되도록, 태양 전지는 상대적으로 낮은 비용에서 그리고 높은 수율을 갖고서 제조될 필요가 있다. 태양 전지의 제조 비용을 낮추는 한 가지 방식은 구리 금속 접점을 위한 전기도금 시드로서 인쇄된 알루미늄을 사용하는 것이다. 그러나, 알루미늄은 구리 전기도금 공정에 전형적으로 채용되는 고 산성 구리 도금조(high acid copper plating bath)에 노출될 때 접착 문제를 가질 수 있다.

접착 문제는 알루미늄의 현미경 사진의 형태로 도 1 내지 도 3에 예시되어 있다. 인쇄된 알루미늄을, 일부 산업용 구리 도금조의 황산 함량인, 200 g/l 황산에 노출시켰다. 도 1은 알루미늄의 평면도이고, 도 2 및 도 3은 알루미늄의 단면이다. 도 1 내지 도 3으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 알루미늄(화살표(103) 참조)은 상당하게 침범받은(attacked) 반면, 알루미늄과 함께 전기도금 시드를 형성하는 니켈(화살표(101) 참조) 및 페이스트 결합제(paste binder)(화살표(102) 참조)는 영향을 받지 않았다. 이 결과는 하기와 같은 황산과 알루미늄의 반응에 의해 설명될 수 있다:

2Al(s) + 3H₂SO₄(aq) → 2Al₃(aq) + 3SO₄ ² ^-(aq) + 3H₂(g)

이때, ΔG(rxn) = -971.0 kJ/mol

전기도금 시드 내의 알루미늄은 전술된 화학 반응이 발생할 수 있기 전에 침투될 필요가 있을 수 있는 산화알루미늄의 얇은 치밀한 층을 갖는다. 황산과 산화알루미늄의 반응은 다음에 의해 주어진다:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)³ + 3H₂O

이때, ΔG(rxn) = -100.5 kJ/mol.

알루미늄 및 산화알루미늄 반응의 음의 ΔG(rxn), 즉 음의 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)는 알루미늄 및 산화알루미늄이 황산에 노출될 때 부식이 발생할 것임을 나타낸다.

도 4 내지 도 7은 일 실시예에 따른 태양 전지(200)의 제조를 개략적으로 예시하는 단면을 도시한다. 도 4 내지 도 7은 실시예의 특징을 더욱 명확하게 예시하기 위해 축적대로 도시되지는 않는다.

도 4를 참조하면, 태양 전지(200)는 태양 전지 기판(solar cell substrate)(201) 및 확산 영역(202)을 포함한다. 기판(201)은 예를 들어 N-형 규소 웨이퍼(silicon wafer)와 같이, 단결정 규소(monocrystalline silicon)를 포함할 수 있다. 예시의 명확성을 위해, 단지 하나의 유형의 확산 영역(202)이 도시되어 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 태양 전지는 전형적으로 복수의 P-형 확산 영역 및 복수의 N-형 확산 영역을 포함한다. 일 실시예에서 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 확산 영역(202)은 기판(201) 내에 형성된다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서, 확산 영역(202)은 기판(201) 외부에 있다. 예를 들어, 확산 영역(202)은 기판(201)의 배면 표면 상에 형성되는 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 그러한 예에서, 얇은 유전체 층(예컨대, 열 산화물)이 폴리실리콘과 기판(201) 사이에 형성될 수 있다.

태양 전지(200)는 태양 방사선을 수집하기 위해 정상 작동 동안 태양으로 향하는 전면(121) 및 전면(121) 반대편의 배면(122)을 갖는다. 일 실시예에서, 태양 전지(200)는 그의 확산 영역들 및 확산 영역들에 접속되는 금속 접점들 모두가 배면(122) 상에 있다는 점에서 완전 배면 접점 태양 전지(all back contact solar cell)이다. 그러나, 개시된 기술이 다른 유형의 태양 전지에 동일하게 적용될 수 있다는 것에 유의한다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 태양 전지(200)는 배면(122) 상의 하나의 극성의 확산 영역(202) 및 전면(121) 상의 다른 극성의 다른 확산 영역을 갖는다.

도 4를 계속 참조하면, 유전체 층(203)이 확산 영역(202) 상에 형성된다. 유전체 층(203)은 유전체 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 층(203)은 약 40 nm의 두께로 형성되는 질화규소 또는 산화규소를 포함할 수 있다. 복수의 접점 구멍(204)이 확산 영역(202) 및 태양 전지(200)의 다른 확산 영역을 노출시키도록 유전체 층(203)을 통해 형성된다. 접점 구멍(204)은 본 개시 내용의 장점을 손상시키지 않고서 레이저 제거(laser ablation), 리소그래피(lithography) 및 다른 접점 구멍 형성 공정에 의해 형성될 수 있다.

도 5에서, 알루미늄 층(205)이 확산 영역(202)에 대한 전기 접속을 형성하도록 배면(122) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 알루미늄 층(205)은 유전체 층(203) 상에 그리고 접점 구멍(204) 내에 인쇄된다. 예를 들어, 알루미늄 층(205)은 스크린 인쇄에 의해, 약 10 μm와 같이, 1 내지 50 μm의 두께로 형성될 수 있다. 산화알루미늄 층(123)이 이어서 알루미늄 층(205)의 배면 표면 상에 직접 형성될 수 있다. 알루미늄 층(205)은 확산 영역(202) 상에 직접 형성될 수 있다.

도 6에서, 니켈 층(206)이, 니켈 층(206)의 표면이 산화알루미늄 층(123) 바로 위에 있도록 알루미늄 층(205) 상에 형성된다. 니켈 층(206)은 무전해 도금, 전해 도금, 또는 다른 침착 공정에 의해 형성될 수 있다. 니켈 층(206)은 예를 들어 약 2 μm와 같이, 0.1 내지 10 μm의 두께로 알루미늄 층(205) 상에 형성될 수 있다. 니켈 층(206) 및 알루미늄 층(205)은, 확산 영역(202)에 접속되는 금속 접점의 형성에서와 같이, 구리를 전기도금하기 위한 전기도금 시드(124)를 형성한다. 니켈 층(206)은 전기도금 시드(124)에 대한 전기도금된 구리의 접착을 용이하게 하도록 접착 층으로서의 역할을 한다.

도 7에서, 구리 층(207)이 확산 영역(202)에 전기적으로 접속되도록 태양 전지(200)의 배면(122) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 구리 층(207)은, 메탄술폰산을 포함하지만 황산을 갖지 않는 구리 도금조 내에서 전기도금함으로써 형성된다. 보다 구체적으로, 메탄술폰산은 구리 도금조의 지지 전해질로서 황산을 대체한다. 예를 들어, 구리 도금조 내의 황산은 동일한 정도의 조 산성을 유지하도록 동등한 양의 메탄술폰산으로 대체될 수 있다. 알루미늄과 메탄술폰산의 반응은 다음에 의해 주어진다:

2Al(s) + 6CH₃SO₃H(aq) → 2Al³ ⁺(aq) + 6CH₃SO³ ^-(aq) + 3H₂(g)

이때, ΔG(rxn) = -1039.4 kJ/mol

산화알루미늄과 메탄술폰산의 반응은 다음에 의해 주어진다:

Al₂O₃ + 3CH₃SO₄H → Al₂(SO₄)³ + 3CH₄

이때, ΔG(rxn) = 459.3 kJ/mol

알루미늄과 메탄술폰산의 반응이 여전히 음의 ΔG(rxn)을 제공하지만, 산화알루미늄과 메탄술폰산의 반응은 양의 ΔG(rxn)을 제공한다. 양의 ΔG(rxn)은 메탄술폰산이 산화알루미늄을 상당하게 부식시키지 않을 것임을 나타낸다. 따라서, 산화알루미늄 층(123)은 알루미늄 층(205)이 메탄술폰산에 의해 침범받는 것으로부터 보호한다.

니켈 층(206)이 알루미늄 층(205) 상에 있지만, 니켈 층(206)은 다공성이고 그에 따라 메탄술폰산(또는 다른 도금조 내의 황산)이 알루미늄 층(205)을 통해 스며들어 알루미늄 층을 부식시키는 것을 가능하게 한다는 것에 유의하여야 한다. 따라서, 메탄술폰 구리 도금조는 전기도금 시드가 접착 층으로서 니켈을 포함할 때 유리할 수 있다.

일 실시예에서, 구리 층(207)의 전기도금에 채용되는 메탄술폰산 구리 도금조는 가속제(accelerator), 억제제(suppressor), 평탄제(leveler), 광택제(brightener) 및 결정 성장 억제제(grain refiner)와 같은 표준의 상업적 도금 유기 첨가제뿐 아니라 메탄술폰산(MSA), Cu-MSA 및 염산을 포함한다. 메탄술폰산 구리 도금조의 pH는 대략 -0.6일 수 있지만, 일반적으로 1 미만의 pH를 가질 수 있다. 그러한 메탄술폰산 구리 도금조는, 예를 들어 오엠 그룹, 인크.(OM Group, Inc.)로부터 구매될 수 있다. 메탄술폰산을 갖고 황산을 갖는 않는 다른 적합한 구리 도금조가 또한 본 개시 내용의 장점을 손상시키지 않고서 채용될 수 있다.

일 실시예에서, 구리 층(207)은 약 35 μm와 같이, 10 내지 80 μm의 두께로 전기도금 시드(124)를 이용하여 전기도금된다. 예를 들어, 구리 층(207)은 25℃에서 약 40 ASF(제곱피트당 암페어)의 전류를 갖는 전기도금 공정에서 메탄술폰산 구리 도금조 내에 도 6의 샘플을 침지시킴으로써 형성될 수 있지만, 또한 예를 들어, 80℃에서 200 ASF만큼 높은 전류를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 구리 층(207)은 확산 영역(202)에 전기적으로 접속되고, 태양 전지(200)의 금속 접점으로서의 역할을 한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 구리 층(207)은 태양 전지(200)의 상세 사항에 따라 다양한 형상을 갖도록 적절한 마스크를 이용하여 패턴화되거나 전기도금될 수 있다. 예를 들어, 확산 영역(202)이 P-형 확산 영역일 때, 구리 층(207)은 N-형 확산 영역에 전기적으로 접속되는 다른 구리 금속 접점 핑거(finger)와 상호맞물리는(interdigitated) 양의(positive) 금속 접점 핑거로서 구성될 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따라 태양 전지의 금속 구조물을 형성하는 방법의 흐름도를 도시한다. 도 8의 예에서, 알루미늄 층이 제조되고 있는 태양 전지의 배면 상에 형성된다(단계(211)). 알루미늄 층은, 예를 들어 스크린 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 알루미늄 층은 확산 영역에 전기적으로 접속되도록 유전체 층 상에 그리고 유전체 층을 통해 형성되는 접점 구멍 내에 스크린 인쇄된다. 알루미늄 층은 알루미늄 층의 표면을 향하는 배면 상의 산화알루미늄 층을 포함한다.

그 후에, 니켈 층이 알루미늄 층 상에 형성된다(단계(212)). 일 실시예에서, 니켈 층 및 알루미늄 층은 구리 층의 후속 전기도금을 위한 전기도금 시드를 형성한다.

태양 전지의 금속 접점이, 메탄술폰산을 포함하고 황산을 갖지 않는 구리 도금조 내에서 구리를 전기도금함으로써 형성된다(단계(213)). 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, "황산을 갖지 않는" 또는 "황산이 없는"은 구리 도금조가 갖는 황산의 양이 0인 것 또는 구리 도금조가 산화알루미늄과 반응하여 이를 부식시킬 만큼 상당한 양의 황산을 갖지 않는다는 것 중 어느 하나를 의미한다. 구리는 태양 전지의 확산 영역에 전기적으로 접속되도록 전기도금 시드 상에 전기도금된다.

본 명세서에 설명된 기술은 태양 전지의 층들의 접착을 개선하는 것을 용이하게 할 수 있다. 그러한 개선된 접착은 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 전기도금 시드의 감소된 부식에 의해 증명될 수 있다.

도 9 내지 도 11는, 도 9 내지 도 11의 경우에 황산이 동등한 양의 메탄술폰산으로 대체된 것을 제외하고는, 도 1 내지 도 3의 것과 유사한 알루미늄 전기도금 시드의 현미경 사진을 도시한다. 도 9는 니켈 코팅된 알루미늄의 평면도이고, 도 10 및 도 11은 알루미늄의 단면이다. 도 9 내지 도 11로부터 볼 수 있는 바와 같이, 전기도금 시드를 형성하는 알루미늄(화살표(113) 참조), 니켈(화살표(111) 참조) 및 결합제(화살표(112) 참조)는 메탄술폰산에 의해 부식되지 않았다.

태양 전지의 금속 구조물을 형성하기 위한 방법 및 구조가 개시되었다. 본 개시 내용의 특정 실시예가 제공되었지만, 이들 실시예는 제한이 아닌 예시의 목적을 위한 것임이 이해되어야만 한다. 많은 부가의 실시예가 본 개시 내용을 읽는 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

태양 전지(solar cell)를 제조하는 방법으로서,
유전체 층(dielectric layer) 내의 접점 구멍을 통해 태양 전지의 확산 영역에 접속되도록 유전체 층 상에 알루미늄 층을 형성하는 단계;
전기도금 시드(electroplating seed)를 형성하는 단계 - 상기 전기도금 시드를 형성하는 단계는 알루미늄 층 상에 니켈 층을 형성하는 것을 포함함 -; 및
태양 전지의 확산 영역에 접속되는 금속 접점을 형성하는 단계 - 상기 금속 접점을 형성하는 단계는 태양 전지의 배면 상에 구리 층을 전기도금하는 것을 포함하고, 구리 층은 메탄술폰산을 포함하고 황산을 갖지 않는 구리 도금조(copper plating bath) 내에서 전기도금됨 - 를 포함하고,
상기 구리 도금조는 아래 화학식으로 표시되는 물질을 포함하지 않는 것인, 방법.

(여기서, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, m은 평균 중합도이고, 6 내지 14의 정수임)
태양 전지를 제조하는 방법으로서,
태양 전지 기판 상에 유전체 층을 형성하는 단계;
태양 전지의 확산 영역을 노출시키도록 유전체 층을 통해 접점 구멍을 형성하는 단계;
확산 영역에 접속되도록 유전체 층 상에 그리고 접점 구멍 내에 알루미늄 층을 형성하는 단계; 및
메탄술폰산을 포함하는 구리 전기도금조 내에서 전기도금 시드로서 알루미늄 층을 사용하여 구리 층을 전기도금하는 단계를 포함하고,
상기 구리 전기도금조는 아래 화학식으로 표시되는 물질을 포함하지 않는 것인, 방법.

(여기서, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, m은 평균 중합도이고, 6 내지 14의 정수임)
제1항 또는 제2항에 있어서, 니켈 층은 알루미늄 층 상에 도금되는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 층을 형성하는 단계는 산화규소를 포함하는 유전체 층 상에 알루미늄 층을 형성하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 층을 형성하는 단계는 유전체 층 상에 알루미늄 층을 인쇄하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 층을 형성하는 단계는 유전체 층 상에 알루미늄 층을 스크린 인쇄하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전체 층 상에 알루미늄 층을 형성하는 단계는 태양 전지의 기판 내에 형성되는 확산 영역에 접속되도록 유전체 층 상에 알루미늄 층을 형성하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전체 층 상에 알루미늄 층을 형성하는 단계는 단결정 규소(monocrystalline silicon)를 포함하는 태양 전지 기판 상에 형성되는 유전체 층 상에 알루미늄 층을 형성하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구리 층을 전기도금하는 단계는 황산을 갖지 않는 전기도금조 내에서 구리 층을 전기도금하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 또는 제2항의 방법에 따라 제조된 태양 전지.
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