KR20150107293A

KR20150107293A - 태양전지용 니켈-텅스텐-인 광유도 도금 용액

Info

Publication number: KR20150107293A
Application number: KR1020140029968A
Authority: KR
Inventors: 김판수; 이덕행; 정운석; 김주영; 윤미나
Original assignee: 주식회사 호진플라텍
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-09-23

Abstract

본 발명은 태양전지 도금 전극과 실리콘 기판 사이의 밀착력 향상을 위해서 사용하는 광유도 도금 용액에 관한 것이다.
본 발명에 따른 도금 용액은 황산니켈 10 ~ 30g/l, 차아인산 나트륨 10 ~ 20g/l, 텅스텐산 나트륨 20 ~ 40g/l, 구연산 나트륨 30 ~ 60g/l을 포함하는 것을 특징으로 하다.

Description

태양전지용 니켈-텅스텐-인 광유도 도금 용액{NICKEL-TUNGSTEN-PHOSPHORUS LIGHT-INDUCED-PLATING SOLUTION FOR SOLAR CELL}

본 발명은 태양전지의 도금 전극 형성을 위한 광유도 도금 용액 및 구조에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 태양전지의 실리콘층과 도금 전극층과의 밀착력 향상을 도모하는 도금 용액 및 구조에 관한 것이다.

태양전지란 태양광 에너지를 광기전력 효과를 이용하여 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서 p형 반도체과 n형 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다.

일반적으로 산업화된 스크린 프린팅 결정질 실리콘 태양전지는 공정이 단순하고 비교적 저가의 공정장비 사용으로 대량 생산이 적합하지만, 고가의 은 페이스트를 이용한 전극형성기술은 태양전지 생산원가를 감소시키려는 제조업체들의 가장 큰 장벽으로 작용한다. 또한, 은 페이스트를 구성하는 바인더 및 글라스비드 등의 불순물에 의한 전기 전도도의 저하로 말미암아 태양전지의 효율을 감소시키는 문제가 있다.

전극 Metalization은 이러한 고가의 은을 사용하는 스크린 프린팅 공정에서, 대용물로 니켈/구리/주석을 사용하는 공정으로 대체하여 비용을 절감할 수 있으며, 저 저항의 초정밀 금속 배선의 형성이 가능함을 개시하였다. 구리 전극의 경우 은보다 대략 200배 이상 저가이고 전기전도도는 구리가 0.596X10⁶/Ωㆍcm, 은이 0.63 X10⁶/Ωㆍcm로 매우 유사하다.

은 페이스트를 이용한 전극형성기술을 대체할 수 있는 기술로, 전기도금법 또는 무전해 도금법을 이용한 니켈/구리/주석 금속으로 전극을 형성하는 기술들이 제시되고 있지만, 아직까지는 실험실 수준에 머무르고 있는 것이 현실이다. 또한 니켈과 실리콘 기판의 열팽창계수의 차이로 인해서, 니켈과 실리콘 기판 간의 물리적 접착력도 낮아지는 기술적 불이익이 발생하였다. 이 때문에 태양전지 모듈 제작 시 많은 문제를 야기하고 있어서 부분적으로 은 페이스트 상에 은도금을 실시하여 약간의 효율 향상에만 적용하고 있는 실정이다.

본 발명의 발명가들은 위와 같은 기술적 불이익을 해결하기 위하여 오랫동안 연구노력해 왔다. 요컨대 니켈과 실리콘 기판 간의 물리적 접착력을 높이는 도금 방법으로 전극을 형성할 수 있다면, 현재 전극으로 사용되고 있는 은 페이스트를 이용하였을 경우보다 생산 비용을 많이 절감할 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 구리 도금 전극 층과 실리콘 기판 사이의 밀착력을 개선하는 도금 용액 및 구조를 제안함에 있다.

구리 도금 전극을 형성하는 공정에 있어서, 솔더링 공정에서 구리가 실리콘으로 확산되는 것을 방지하고 실리콘 기판에 구리 전극을 형성하기 위한 씨드 레이어(seed layer)로 니켈을 사용한다. 그런데 종래의 니켈-인 도금 용액을 사용할 경우, 주전도 금속인 구리와 니켈의 열팽창 계수와 실리콘의 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 밀착력이 떨어질 수 있다. 이의 해결을 위하여 구리와 실리콘 간의 열팽창 계수 차이의 극복을 위한 버퍼층으로 열팽창 계수가 니켈-인에 비하여 실리콘에 더 가까운 니켈-텅스텐-인의 피막을 형성하여 물리적 밀착력을 형성하고자 하였다. 아래의 표 1은 각 레이어의 열팽창 계수를 비교한 것이다.

	열팽창계수 (㎛/m·℃)	비고
Silicon	2.53
Cu plating	35.6
Nickel plating	21.9
Ni-P plating	23.5
Ni-W-P plating	25.2	W 함량: 3.42 wt. %
Ni-W-P plating	13.9	W 함량: 15.36 wt. %
Ni-W-P plating	5.32	W 함량: 37.22 wt. %

본 발명에서 제공하는 니켈-텅스텐-인 광유도 도금 용액에 의하여 형성된 니켈-텅스텐-인 도금 피막의 경우, 니켈과 실리콘의 열팽창 계수의 중간값을 갖는 텅스텐을 함유함으로써 도금 피막과 태양전지 실리콘 기판간의 물리적 접착력을 높일 수 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 태양전지 Ni 합금 씨드 레이어(seed layer) 형성을 위한 니켈-텅스텐-인 광유도 도금용액으로서, 기존에 시도되고 있는 니켈-인 광유도 도금 대신에 니켈-텅스텐-인 광유도 도금을 적용하는 것을 특징으로 한다.

요컨대 본 발명은 태양전지 도금 전극과 실리콘 기판 사이의 밀착력 향상을 위해서 사용하는 광유도 도금 용액으로서, 상기 광유도 도금 용액은 황산니켈 10~30g/l, 차아인산나트륨 10~20g/l, 텅스텐산나트륨 20~40g/l, 구연산나트륨 30~60g/l을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 관점에 있어서, 태양전지의 구리도금 전극과 실리콘 기판 사이의 밀착력을 개선하는 도금층으로서, 텅스텐산나트륨이 포함된 광유도 도금 용액에 의해서 상기 구리도금 전극과 상기 실리콘 기판 사이에 씨드레이어로 형성되는 니켈-텅스텐-인 광유도 도금층을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 조성된 니켈-텅스텐-인 광유도 도금용액을 이용하여 태양전지 전극에 도금 피막을 형성하였을 때 니켈 합금 도금층과 실리콘 기판간의 물리적 접착력이 향상된다는 현저한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금 전극의 개발구조의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 니켈-텅스텐-인 광유도 도금을 실시하여 도금 피막을 얻었다. 그리고 이 도금 피막의 열팽창계수를 측정하였을 때, 니켈-인 광유도 도금 피막에 비해 실리콘의 열팽창계수와의 차이가 줄어든 것을 확인하였다. 즉, 본 발명은 니켈-인 광유도 도금을 실시할 때, 니켈과 실리콘의 열팽창계수 차이를 줄여줄 수 있는 금속을 첨가하여 기존의 니켈-인 피막이 아닌 니켈 합금 피막을 얻게 된다.

예컨대 도 1에 나타난 것처럼, 실리콘 기판(10) 위에 니켈-텅스텐-인 합금의 씨드 레이어(11)를 형성하고, 이 니켈-텅스텐-인 합금의 씨드 레이어(11) 위에 광유도 도금법에 의해 좀더 두꺼운 구리 도금층(12)을 전극 층으로 형성하는 구조를 가진다. 이때 니켈-텅스텐-인 합금의 씨드 레이어(11)는 실리콘 기판(10)과 구리 도금층(12) 사이의 밀착력을 강화함으로써 도금 피막과 실리콘 기판 사이의 물리적 접착력을 개선한다. 한편, 구리 도금층(12) 위에는 주석 도금층(13)이 증착될 수 있다.

첨가되는 기본욕은 금속 이온인 니켈, 텅스텐 이온, 착화제로 구연산나트륨, 환원제로 차아인산나트륨로 구성될 수 있다.

본 발명의 기본욕을 구성하는 황산니켈은 바람직하게는 10 ~ 30g/l를 사용하는 것이 바람직하다. 10g/l 미만인 경우 미도금이, 30g/l를 초과하면 과도금 혹은 용액 안에서 석출이 발생한다.

본 발명의 텅스텐 이온은 바람직하게는 텅스텐산 나트륨 20~40g/l를 사용하는 것이 바람직하다. 20g/l보다 작은 경우에는 도금층내 텅스텐이 공석되지 않는 문제가 있을 수 있고, 40g/l를 초과하는 경우 도금의 석출 속도가 저하되는 문제가 발생한다.

또한, 본 발명의 환원제로서 니켈 이온을 환원시키는 차아인산나트륨은 바람직하게는 10~20g/l를 사용하는 것이 좋다. 10g/l 미만인 경우에는 미도금 문제가 발생하고, 20g/l를 초과하는 경우에는 용액 안정성의 불이익이 발생한다.

착화제로는 30 ~ 60g/l의 구연산나트륨을 사용하였다. 따라서 본 발명의 도금액에는 황산니켈 10 ~ 30g/l, 차아인산나트륨 10 ~ 20g/l, 텅스텐산나트륨 20 ~ 40g/l, 구연산나트륨 30~60g/l을 포함하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 바람직한 작업 온도는 60 ~ 90℃이며, 상기 도금액의 수소이온농도(pH)는 8~10으로 하였다. 바람직하게는 pH 조절제로 수산화나트륨 또는 수산화 칼륨을 추가로 포함하는 것이 좋다.

[실시예]

일반적인 태양전지 구조에서 반사방지막 코팅까지의 공정을 동일하게 진행하고 후면 알루미늄 전극을 형성하였다. 다음으로 전면부의 전극을 형성하기 위하여 레이저로 반사방지막을 제거하였다. 이렇게 형성된 태양전지에 도금 전극 형성을 위하여 레이저 공정에서 발생한 실리콘 산화막을 산처리에 의하여 제거하고, 황산니켈 28g/l, 차아인산 나트륨 15g/l, 텅스텐산 나트륨 25g/l, 구연산나트륨 48g/l을 사용한 Ni-W-P 도금액에 광유도 도금법에 의하여 0.5~1.0㎛의 씨드 레이어를 형성하였다. 다음으로 주전도금속인 구리를 광유도 도금법에 의하여 약 10~12㎛ 도금하였다.

[비교예]

상기 실시예와 달리 Ni-W-P 광유도 니켈 도금액 대신에 종래의 Ni-P 광유도 니켈 도금액을 사용하였다. 나머지는 같다.

[실험예 1]

상기 실시예와 비교예에 의해 주전극을 형성한 태양전지에 대하여 열충격에 의한 밀착력 비교를 위하여 Temperature cycle 시험기에서 다음과 같은 조건으로 시험하였다.

사이클:-40℃(10분) → 85℃(10분) → -40℃

위의 조건에 대하여 200 사이클을 시험하였다. 그 시험 결과 비교예의 경우에는 전체의 약 30%의 전극 단락이 발견되었다. 그러나 본 발명의 실시예의 경우에는 전극 단락은 전체의 약 1%에 불과하였다. 즉, 비교예에 비해서 실시예에 의해 제조된 태양전지의 상기 밀착력은 현저히 향상되었음을 알 수 있다.

[실험예 2]

다음으로, 태양전지 전극의 씨드 레이어 형성으로 인한 효율 변화를 확인하기 위하여 상기 본 발명의 실시예와 비교예에 따라 주전극을 형성한 태양전지에 대하여 효율을 측정한 결과 다음의 표 2와 같다:

	Eta	FF	Jsc	Voc
Ni-P plating	19.65	78.49	38.82	0.6450
Ni-P plating_Annealing	19.73	79.70	38.37	0.6455
Ni-W-P plating	19.15	77.10	38.71	0.6417
Ni-W-P plating_Annealing	19.70	79.03	38.70	0.6440

변환효율(Eta), Fill Factor 곡선 인자(FF), 단락전류밀도(Jsc) 및 개방전압(Voc) 모두 Ni-W-P의 광유도 도금용액이 기존의 Ni 용액과 비슷한 효율을 나타내었다. 요컨대 종래 문제가 되었던 밀착력이 개선되었음과 동시에 그 효율 또한 저하되지 않았다. 따라서 본 발명에 따른 도금 기법이 기술적 불이익을 초래하지 않으면서 종래 문제되었던 도금 피막과 태양전지 실리콘 기판 사이의 밀착력을 개선했다는 점을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 첨언한다.

Claims

태양전지 도금 전극과 실리콘 기판 사이의 밀착력 향상을 위해서 사용하는 광유도 도금 용액으로서, 상기 광유도 도금 용액은 황산니켈 10~30g/l, 차아인산나트륨 10~20g/l, 텅스텐산나트륨 20~40g/l, 구연산나트륨 30~60g/l을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지용 니켈-텅스텐-인 광유도 도금 용액.
제1항에 있어서,
상기 도금 용액은 수소이온농도(pH) 조절제로 수산화나트륨 또는 수산화 칼륨을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지용 니켈-텅스텐-인 광유도 도금 용액.
제2항에 있어서,
상기 도금액의 수소이온농도(pH)는 8~10인, 태양전지용 니켈-텅스텐-인 광유도 도금 용액.
태양전지의 구리도금 전극과 실리콘 기판 사이의 밀착력을 개선하는 도금층으로서, 20~40g/l의 텅스텐산나트륨이 포함된 광유도 도금 용액에 의해서 상기 구리도금 전극과 상기 실리콘 기판 사이에 씨드레이어로 형성되는 니켈-텅스텐-인 광유도 도금층.