화석에너지의 고갈로 인한 대체 에너지 연구는 최근 수십 년 동안 계속 행해지고 있다. 원자력 에너지와 비교해서 낮은 전기발생 효율에도 불구하고, 환경친화적이며 태양이라는 영구성으로 태양에너지는 주목 받고 있다. 본 논문에서는 태양전지의 효율에 가장 영향을 미치는 인자로 햇빛 입사각의 변화와 Top Connector 형상이라 가정하고 MATLAB 과 MathCAD 를 이용하여 모사하였다. 실험모사 결과 상용화 제품인 500um 선폭, 5um 높이 Top Connector 형상과 비교하여, 최고 10%의 태양전지 효율증가는 Top Connector 후막 두께가 25~50 um, 선폭 두께가 50~100um 영역에서 찾을 수 있었다. 10 만 cps 의 점도를 갖는 은페이스를 500um 의 MDDW (Micro-Dispensing Deposition Writing) 직접분사 노즐을 이용하여 성공적으로 25 um 후막을 형성하였다.
화석에너지의 고갈로 인한 대체 에너지 연구는 최근 수십 년 동안 계속 행해지고 있다. 원자력 에너지와 비교해서 낮은 전기발생 효율에도 불구하고, 환경친화적이며 태양이라는 영구성으로 태양에너지는 주목 받고 있다. 본 논문에서는 태양전지의 효율에 가장 영향을 미치는 인자로 햇빛 입사각의 변화와 Top Connector 형상이라 가정하고 MATLAB 과 MathCAD 를 이용하여 모사하였다. 실험모사 결과 상용화 제품인 500um 선폭, 5um 높이 Top Connector 형상과 비교하여, 최고 10%의 태양전지 효율증가는 Top Connector 후막 두께가 25~50 um, 선폭 두께가 50~100um 영역에서 찾을 수 있었다. 10 만 cps 의 점도를 갖는 은페이스를 500um 의 MDDW (Micro-Dispensing Deposition Writing) 직접분사 노즐을 이용하여 성공적으로 25 um 후막을 형성하였다.
Studies on alternative energy have been carried out for many decades because of the accelerated exhaustion of fuel. While the efficacy of solar cells is still low in comparison with that of nuclear power, solar cells have been highlighted as potential sources of alternative energy because they are e...
Studies on alternative energy have been carried out for many decades because of the accelerated exhaustion of fuel. While the efficacy of solar cells is still low in comparison with that of nuclear power, solar cells have been highlighted as potential sources of alternative energy because they are environmentally friendly and have a source of unlimited energy, namely, the sun. In this study, the optimum efficiency of solar cells was simulated as a function of the incident angle of sunlight and the geometric shapes of patterns using MATLAB and MathCAD software. The foremost efficiency of the solar cell was found to be 1.10 when the thickness and width of the patterns were in the range 25-$50{\mu}m$ and 50-$100{\mu}m$, respectively. To achieve the 25 um thick layer, 100,000 cps silver paste and 500 um orifice tip has been successfully implemented with Micro-Dispensing Deposition Writing.
Studies on alternative energy have been carried out for many decades because of the accelerated exhaustion of fuel. While the efficacy of solar cells is still low in comparison with that of nuclear power, solar cells have been highlighted as potential sources of alternative energy because they are environmentally friendly and have a source of unlimited energy, namely, the sun. In this study, the optimum efficiency of solar cells was simulated as a function of the incident angle of sunlight and the geometric shapes of patterns using MATLAB and MathCAD software. The foremost efficiency of the solar cell was found to be 1.10 when the thickness and width of the patterns were in the range 25-$50{\mu}m$ and 50-$100{\mu}m$, respectively. To achieve the 25 um thick layer, 100,000 cps silver paste and 500 um orifice tip has been successfully implemented with Micro-Dispensing Deposition Writing.
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문제 정의
(19) 구체적으로 MDDW 방식은 일반적인 잉크젯, 롤투롤과 비교하여 고점도물질의 패터닝이 가능하여 본 시뮬레이션 결과에 따른 10% 이상의 효율증가를 위한 후막 (12~20 um)의 처리가 가능하다.(20)MDDW를 이용하여 최소 폭 형상은 최소 10um 가능 하다고 보고되어지나, 본 연구에서는 미세선폭 보다는 고점도의 물질과 후막을 구현하는 것을 목적으로 아래 Fig. 5 와 같이 10 만 cps 의 재료를 분사 노즐 500um Tip을 사용하여 패터닝을 형성 하였다. Fig.
본 논문에서는 낮은 에너지 변환효율을 극복 하기 위하여 기존의 실크스크린 방식으로 제작되던 전극형상을 제어하고, 직접인쇄방식 중 가장 상용화에 근접한 MDDW (Micro-Dispensing Deposition Write) 기술을 태양전지 Top Connector 제작에 적용하여 기존의 실크스크린 방식으로는 불가능한 선폭을 조절하여 20 um 이상의 후막을 제조하는 방법을 제시하였다. MDDW 방식은 다양한 직접인쇄기술 기술 중 고점도 물질 도포가 용이하여 Top Connector 를 효율적으로 제어할 수 있으며, 그 재료의 사용량을 최소화 할 수 있는 또 다른 장점이 있다.
Top Connector 패터닝을 위하여 상용화 제품를 사용하였다고 가정하여 전기전도도 증가 없이 시뮬레이션 하였을 경우, 선폭 50~100um, 높이 25~50um 영역에서 기하학적 형상 변화로 최고 10% 광전자 변화 효율을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 실험 모사 결과에 따른 10% 이상의 효율증가를 위한 후막 (25~50 um)의 패터닝을 위하여 고점도의 물질과 후막을 구현하는 것을 목적으로 10 만 cps 의 재료를 선폭 500um 의 Tip 을 사용하여 성공적으로 형성하였다. 형성된 Top Connector 의 열처리전 패터닝 두께를 확인하였고, 600℃ 30 분의 열처리 조건으로 기판과의 접합성, 전기전도성, 25um 이상의 후막 형성이 성공적임을 확인하였다.
서론에 언급한 바와 같이 최근 1,2,3 세대의 태양광 기술을 계속적인 발전을 거치며 대부분의 연구가 재료와 공정에 치중되어있는데 반하여, 은 페이스트를 사용하는 Top Connector 의 재료기판과의 접합성, 형상, 전도성에 관한 깊은 연구는 많이 보고 되어지고 있지 않다. 이를 위하여 본 연구에서는 Top Connector 의 형상을 변화시켜 기본 실크스크린 형상대비 광전변환 효율의 최적화를 컴퓨터 프로그램을 통하여 최적화 하고자 하였다. 이를 Fig.
가설 설정
Top Connector 의 전기 이동을 컴퓨터 시뮬레이션 하기 위하여, 전도성 입자가 고르게 분산된 실버 페이스트를 고려하면, Fig. 2 에서 보여주는 바와 같이, 전반적으로 iz 의 흐름을 방해하는 저항은 거리가 0.5~20 um 이하로 짧은데 비하여, iy 의 Y 축 방향으로의 흐름을 방해하는 저항은 그 이동거기가 1000 배 이상으로 길어 전체 저항은 iy 의 흐름을 방해하는 요인에 의해 결정된다고 본 연구에서 가정하였다
제안 방법
Top Connector 의 형상제어를 위하여 MathCAD와 MATLAB 프로그램을 이용하여, 전통적으로 실크스크린에서 제작되는 5um 높이와 500um 폭의 전극 형상을 제어하여, 그림자와 입사각 등의 변화에 따른 최고 에너지 발생 효율을 하루 기준 12시간에서 컴퓨터 모사하는 방법을 채택하였다.
일반적으로 제 1 세대 실리콘을 기반으로 하는 공정에서는 Top Connector 와 대부분의 p-n 접합을 위한 700℃에서 Co-firing 기법을 사용하나, 최근 유무기 바인더 및 기판으로 스테인리스 등을 사용하는 2 세대 태양광 또는 유기계 태양광의 경우 처리온도가 점차 저온화 되고 있다. 따라서 본 실험에서는, 기존에 다양하게 사용되는 D 사의 은폐이스트를 이용하여 열 처리 후 25 um이 되도록 다양한 두께의 패터닝을 한 후 각각 200℃, 400℃ 와 600℃에도 30 분간 열처리하였다. 그 결과 200℃ 에서는 패턴의 유리 접합성과, 내부 유무기 물질이 충분히 반응하지 않아, 경화성과 부스러짐 현상이 발생하였다.
또한 태양전지 효율에 영향을 가장 직접적으로 미치는 인자로 햇빛 입사각의 시간에 따른 햇빛을 받는 변화와 Top Connector 형상에 따른 효율을 MathCAD 와 MATLAB 프로그램을 이용하여 최적화 하였다. 선행연구에 의해 컴퓨터 프로그램화되어 있는 형상제어에 의한 효율 최적화 조건(18)을 본 연구의 목적을 위하여, 부루스 솔라(독일)사의 2 세대 CIGS Solar Cell (Fig.
대상 데이터
2 의 x 축 방향 총 26cm 에 67 line 패터닝 되었음을 확인하였다. 이에 따라 Connector 선폭 500um, 높이 5um 의 형상을 기준으로 시뮬레이션 코드를 재 작성 하였다.
성능/효과
4 에 나타내었다. Top Connector 재료의 단면적 형상 변화에 따라 전기전도도가 3 배 증가 하면 태양전지 전체효율은 전기 전도도를 증가시키기 전 (500 um 선폭, 5 um 높이) 과 비교하여 전기전도도 증가 효과로 형상에 따라 최고 12% 증가하는 결과를 보였다.
본 연구에서 Top Connector 의 Z 축 방향의 저항을 무시한다는 가정하에 시뮬레이션 결과를 보면 Top Connector 재료의 단면적 형상 변화에 따라 전기전도도가 3 배 증가 하면 태양전지 전체 효율은 전기전도도를 증가시키기 전 (500 um 선폭, 5 um 높이)과 비교하여 전기전도도 증가 효과로 다양한 형상에 따라 최고 12% 까지 증가하는 결과를 보였다. Top Connector 패터닝을 위하여 상용화 제품를 사용하였다고 가정하여 전기전도도 증가 없이 시뮬레이션 하였을 경우, 선폭 50~100um, 높이 25~50um 영역에서 기하학적 형상 변화로 최고 10% 광전자 변화 효율을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 실험 모사 결과에 따른 10% 이상의 효율증가를 위한 후막 (25~50 um)의 패터닝을 위하여 고점도의 물질과 후막을 구현하는 것을 목적으로 10 만 cps 의 재료를 선폭 500um 의 Tip 을 사용하여 성공적으로 형성하였다.
따라서 본 실험에서는, 기존에 다양하게 사용되는 D 사의 은폐이스트를 이용하여 열 처리 후 25 um이 되도록 다양한 두께의 패터닝을 한 후 각각 200℃, 400℃ 와 600℃에도 30 분간 열처리하였다. 그 결과 200℃ 에서는 패턴의 유리 접합성과, 내부 유무기 물질이 충분히 반응하지 않아, 경화성과 부스러짐 현상이 발생하였다. 열처리 온도가 400℃ 인 경우에는 패턴 강도에는 문제가 없지만, 은폐이스트 내의 3wt.
본 연구에서 Top Connector 의 Z 축 방향의 저항을 무시한다는 가정하에 시뮬레이션 결과를 보면 Top Connector 재료의 단면적 형상 변화에 따라 전기전도도가 3 배 증가 하면 태양전지 전체 효율은 전기전도도를 증가시키기 전 (500 um 선폭, 5 um 높이)과 비교하여 전기전도도 증가 효과로 다양한 형상에 따라 최고 12% 까지 증가하는 결과를 보였다. Top Connector 패터닝을 위하여 상용화 제품를 사용하였다고 가정하여 전기전도도 증가 없이 시뮬레이션 하였을 경우, 선폭 50~100um, 높이 25~50um 영역에서 기하학적 형상 변화로 최고 10% 광전자 변화 효율을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
또한 태양전지 효율에 영향을 가장 직접적으로 미치는 인자로 햇빛 입사각의 시간에 따른 햇빛을 받는 변화와 Top Connector 형상에 따른 효율을 MathCAD 와 MATLAB 프로그램을 이용하여 최적화 하였다. 선행연구에 의해 컴퓨터 프로그램화되어 있는 형상제어에 의한 효율 최적화 조건(18)을 본 연구의 목적을 위하여, 부루스 솔라(독일)사의 2 세대 CIGS Solar Cell (Fig. 3)의 Top Connector는 Fig. 2 의 x 축 방향 총 26cm 에 67 line 패터닝 되었음을 확인하였다. 이에 따라 Connector 선폭 500um, 높이 5um 의 형상을 기준으로 시뮬레이션 코드를 재 작성 하였다.
최적화된 패터닝 공정조건에서 은폐이스트는 Top Connector 후막의 두께가 600℃ 에서 30 분간 열처리 하였을 때 최초 패터닝 상태에서 수축하여 25um 이상을 유지할 수 있도록, 상용화 은페이스트의 최적화 패터닝 조건을 확립할 수 있었으며,성공적으로 한 번의 패스(pass)로 25um 의 후막을 제조할 수 있었다.
% 첨가된 무기바인더가 용융되지 않아 기판과의 적합성이 나빠, 패턴이 기판에서 쉽게 분리되는 문제가 발생하였다. 패턴의 강도와 기판의 접착성을 고려하여 600℃ 이상의 고온에서 하였을 경우 상용화된 은폐이스트는 기판과의 접합성, 강도 및 전기 전도도는 양호한 것으로 조사되었다. Fig.
실험 모사 결과에 따른 10% 이상의 효율증가를 위한 후막 (25~50 um)의 패터닝을 위하여 고점도의 물질과 후막을 구현하는 것을 목적으로 10 만 cps 의 재료를 선폭 500um 의 Tip 을 사용하여 성공적으로 형성하였다. 형성된 Top Connector 의 열처리전 패터닝 두께를 확인하였고, 600℃ 30 분의 열처리 조건으로 기판과의 접합성, 전기전도성, 25um 이상의 후막 형성이 성공적임을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양전지 상용화의 성공적인 요인은 무엇인가?
따라서 태양전지 상용화의 성공적인 요인은 낮은 에너지 변환효율의 극복이다.(9) 기존의 실크스크린 방식은 기판 위에 잉크를 뿌리고 Top Connector 부문 만 남겨두고 잉크를 모두 긁어 버리는 제작 방법으로 태양광 기판에 흠집을 낼 수 있고 재료의 낭비가 심하다.
태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 방법으로 연구되고 있는 것은?
태양전지에서 효율을 향상시킬 수 있는 방법은 크게 빛 흡수율 향상을 위해 텍스처나 반사방지막을 형성하는 방법, 전자와 정공의 재결합을 방지하는 패시베이션 기술, 그리고 전극의 재질, 선폭 등을 조절해 빛의 흡수를 최대화하는 방법 등이 연구되고 있다.(14~16)
결정질 실리콘으로 다결정 실리콘은 어떤 장점이 있는가?
단결정 실리콘의 경우 결정의 방향이 같아 전자이동에 걸림돌이 없어 유전 효율이 좋지만, 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 다결정 실리콘의 경우 태양전지 제조시 단순한 공정과 추가 정제과정이 없고 단결정에 비해 웨이퍼 사용량이 적다는 장점이 있다. 단결정타입에 비해 가격은 30~40% 저렴하지만, 변환효율은 낮다는 단점을 가지고 있다. 세계 태양전지시장의 90% 이상을 차지하고 있는 결정질 실리콘태양전지는 주 재료인 폴리실리콘 공급부족으로 가격이 천정부지로 뛰어오른 상황이다.
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