[논문]Selective Emitter 구조를 적용한 Ni/Cu Plating 전극 결정질 실리콘 태양전지

김민정; 이재두; 이수홍

doi:10.4313/jkem.2010.23.7.575

Selective Emitter 구조를 적용한 Ni/Cu Plating 전극 결정질 실리콘 태양전지
Application of a Selective Emitter Structure for Ni/Cu Plating Metallization Crystalline Silicon Solar Cells 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.7, 2010년, pp.575 - 579

김민정 (세종대학교 그린전략에너지기술연구소) , 이재두 (세종대학교 그린전략에너지기술연구소) , 이수홍 (세종대학교 그린전략에너지기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The technologies of Ni/Cu plating contact is attributed to the reduced series resistance caused by a better contact conductivity of Ni with Si and the subsequent electroplating of Cu on Ni. The ability to pattern narrower grid lines for reduced light shading was combined with the lower resistance of a metal silicide contact and an improved conductivity of the plated deposit. This improves the FF (fill factor) as the series resistance is reduced. This is very much requried in the case of low concentrator solar cells in which the series resistance is one of the important and dominant parameter that affect the cell performance. A Selective emitter structure with highly dopeds regions underneath the metal contacts, is widely known to be one of the most promising high-efficiency solution in solar cell processing In this paper the formation of a selective emitter, and the nickel silicide seed layer at the front side metallization of silicon cells is considered. After generating the nickel seed layer the contacts were thickened by Cu LIP (light induced plating) and by the formation of a plated Ni/Cu two step metallization on front contacts. In fabricating a Ni/Cu plating metallization cell with a selective emitter structure it has been shown that the cell efficiency can be increased by at least 0.2%.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Selective emitter 구조를 phosphorus solid source PH-950을 이용하여 conventional furnace로 고체 확산으로 실험하여 형성 하였다. Emitter 형성 후 전극 형성을 위하여 Ni/Cu를 plating 하여 cell을 제작 하였다.
Ni silicide 형성을 위하여 RTP를 이용하여 Ni sintering을 진행 하였다. Ni은 sintering중 산화막이 형성되기 쉬운데 산화막이 형성 되지 않도록 온도에 민감하여야 한다.
실험은 boron이 doping된 p-type, 비저항이 1～5 Ωcm인 wafer를 사용하였다. Selective emitter 구조를 phosphorus solid source PH-950을 이용하여 conventional furnace로 고체 확산으로 실험하여 형성 하였다. Emitter 형성 후 전극 형성을 위하여 Ni/Cu를 plating 하여 cell을 제작 하였다.
실험을 위해 boron이 doping된 p-type, <1 0 0> 비저항이 1～5 Ωcm 인 wafer를 사용하였다. Selective emitter 구조를 phosphorus solid source PH-950을 이용하여 conventional furnace로 고체소스 확산으로 실험하여 형성 하였다.
Selective emitter 구조를 적용 하고 Ni/Cu 전극으로 형성 된 태양전지의 변환 효율을 측정 하였다. 2×2 cm²면적에서 Jsc : 37.
하지만 Cu는 대기 중에 오래 노출 될 경우 산화가 일어나는 단점을 가지고 있는데, 이런 단점을 보안하기 위해 Ag를 아주 얇게 증착하여 전극 passivation을 시켜 주는 것이 좋다. 본 실험을 위하여 selective emitter가 형성된 wafer에 passivation을 위한 막으로 SiO₂층을 성장 시키고 전면 전극 형성을 위해 photolithography 공정으로 pattern을 형성 하였다. 후면 전계 형성을 위해 Al paste를 screen printing 하고 열처리 하여 BSF를 형성하였다.
Ni 금속물질은 가격이 저렴하고, 고효율 태양전지 금속전극인 Ti와 비저항이 비슷하며, main 전극인 Cu의 경우 Ag와 유사한 전기전도를 갖으며, 가격 역시 Ag 매우 저렴하기 때문에 금속전극의 저가화 에도 적합하다고 할 수 있다 [8]. 이번 연구에서는 고효율 화를 위해 selective emitter 구조를 적용하고 plaintg으로 Ni/Cu금속을 형성하여 적용하였다. 이러한 구조로 접촉저항 및 재결합이 줄어들어 전체 효율이 증가 할 수 있었다.
본 실험을 위하여 selective emitter가 형성된 wafer에 passivation을 위한 막으로 SiO₂층을 성장 시키고 전면 전극 형성을 위해 photolithography 공정으로 pattern을 형성 하였다. 후면 전계 형성을 위해 Al paste를 screen printing 하고 열처리 하여 BSF를 형성하였다.

대상 데이터

2×2 cm²면적에서 Jsc : 37.31 mA/cm², Voc : 608.4 mV, FF : 76.73%, Eff : 17.39% 의 태양전지를 제작 하였다.
Cu금속전극은 Ni/Cu/Ag전극의 main전극으로 light-induced plating을 이용하여 증착한다. 도금용액으로 CuSO₄·5H₂O 와 H₂SO₄를 혼합하여 사용하여 전류밀도를 200 mA에서 10 min동안 증착하였다.
도금용액으로 CuSO4·5H2O 와 H2SO4를 혼합하여 사용하여 전류밀도를 200 mA에서 10 min동안 증착하였다.
실험은 boron이 doping된 p-type, 비저항이 1～5 Ωcm인 wafer를 사용하였다.
실험을 위해 boron이 doping된 p-type, 비저항이 1～5 Ωcm 인 wafer를 사용하였다.

성능/효과

형성된 nickel seed layer위에 copper를 electro & lightinduced plating 후 Ag를 light-induced plating하였다. Cu를 도금시 전류밀도가 너무 높으면 전극의 조밀도가 낮아져 쉽게 떨어지는 현상을 관찰 할 수 있었다. 또한 장시간 혹은 높은 전류 밀도로 도금 할 경우 Ni와 Si의 접착력이 약하여 nickel 막이 Cu의 mass를 견디지 못하고 silicon으로부터 쉽게 peeling 이 일어나는 현상을 관찰 할 수 있었다.
Selective emitter 구조를 적용함으로써 40～50 Ω/sq 면저항의 emitter를 형성하여 cell을 만들었을 때 보다 변환효율이 약 0.9% 증가했음을 확인 할 수 있었다.
Cu를 도금시 전류밀도가 너무 높으면 전극의 조밀도가 낮아져 쉽게 떨어지는 현상을 관찰 할 수 있었다. 또한 장시간 혹은 높은 전류 밀도로 도금 할 경우 Ni와 Si의 접착력이 약하여 nickel 막이 Cu의 mass를 견디지 못하고 silicon으로부터 쉽게 peeling 이 일어나는 현상을 관찰 할 수 있었다.
4 ㎛ 의 junction depth를 가지므로 shuntig path를 형성하지 않으면서 접촉저항을 줄이는 NiSi가 형성되었음을 의미한다. 이로써 형성된 Ni 막은 Cu가 형성되기 위한 seed layer로써의 역할을 함은 물론 Cu가 Si으로 확산되어 소자의 성능을 저하시키는 것을 막는 barrier역할을 할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 형성된 nickel seed layer위에 copper를 electro & lightinduced plating 후 Ag를 light-induced plating하였다.

후속연구

이러한 구조로 접촉저항 및 재결합이 줄어들어 전체 효율이 증가 할 수 있었다. Selective emitter 공정은 시간이 오래 걸리지만 이에 상응하는 효율 상승이 있기 때문에 차후 공정을 개발 한다면 고효율, 저가화 태양전지에 적용하기 적합 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	carrier를 효과적으로 수집하는 방법은?	이를 위해서는 태양전지의 발전 원리인 빛 흡수, carrier 생성, carrier 분리, carrier 수집이 원활히 이루어 져야 한다. 이 중 carrier를 효과적으로 수집하는 방법으로는 직렬저항에 의한 에너지 손실과 누설전류를 줄이는 방법이 있다. 태양전지에서 직렬저항은 FF와 단락전류를 감소시켜 결과적으로 output power를 감소시킨다.
	상업용 태양전지에 대부분 screen printing 태양전지를 사용하는 이유는?	직렬 저항에는 기판과 전극 물질 사이의 저항, emitter의 면저항, 기판의 저항, 상부 전극의 저항, grid의 저항등 여러 가지 성분으로 구성되어 있다. 현재 상업용 태양전지의 대부분은 전극 형성 방법이 용이하고 대량생산에 적합한 이유로 screen printing 태양전지를 사용하고 있다. 단점은 전극물질이 순수한 은이 아닌 glass frit 성분을 포함하고 있어 열처리 후 전기전도도가 순수 금속에 비해 3배 이상 낮아진다.
	태양전지의 전극을 형성하는 방법 중 도금법의 장점은?	태양전지의 전극을 형성하는 방법으로 screen printing, evaporation 외에도 sputtering, 도금법 등이 있다 [5]. 이와 같은 방법들 중 도금법은 제작이 용이하고 저렴하며, 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라 형성되는 금속의 순도가 높아 다양한 전자 제품 제작에 적용되고 있다 [6]. 특히 nickel, copper, silver 모두 도금법으로 쉽게 형성이 가능한 재료로서 각종 전자 제품 제작에 널리 적용될 뿐만 아니라 태양전지에서도 무전해 도금법을 이용한 BCSC (buried contact solar cell)의 함몰 전극에 적용되어 현재 BP Solar, Uniserch Ltd에서 양산 중에 있다.

참고문헌 (8)

M. Edwards, J. Bocking, J. E. Cotter, and N. Bennett,

상세보기
J. H. Bultmas, A. R. Burgers, J. Hoornstra, R.
Fraunhofer ISE Annual Report 2007, ISE Fraunhofer - Achievements and results, 2008.
E. G. Colgan, M. Maenpaa, M. Finetti, and M. A.

상세보기
S. W. Glunz, A. Mette, M. Alem'an, P. L. Richter, A.
S. H. Lee, Polym. Sci. Technol. 17, (2006).
J.-S. Yi and K.-H. Kim, Solar Cell Engineering
LME current market price, http://www.lmekorea.com

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