[논문]고온 소결형 실리콘 태양 전지의 High Aspect Ratio 전극 형성이 가능한 Ag 페이스트의 레오로지 특성 연구

오태현; 김성빈; 남수용

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Photovoltaic solar cells are all in the incident because they are not converted into electrical energy, high-efficiency solar cells in order to reduce the loss of elements must be. Significant factor in the loss of solar cells, optical loss and electrical loss can be divided into. Optical losses occ...

Photovoltaic solar cells are all in the incident because they are not converted into electrical energy, high-efficiency solar cells in order to reduce the loss of elements must be. Significant factor in the loss of solar cells, optical loss and electrical loss can be divided into. Optical losses occur when the sun will be joined on the surface of the reflection, the shadow loss due to electrodes, and the losses are in the solar wavelengths. Commercialization is currently the most common solar cells on the front of the light incident on the electrode is formed. Therefore, the shadow caused by the electrode to cover the dead area of the sun, due to factors that hinder the absorption of sunlight which is shadowing them and conversion efficiency of solar cells is the inhibition factor. These barriers to eliminate the electrode linewidth reduces the shadowing to reduce, but simply of the electrode line width is reduced electrode area by reducing the series resistance elevates this because to improve the electrode Aspect ratio(height/width) to increase Ag development of paste is required. In this study, aspect ratio of screen-printing method to increase the electrode Ag paste composition of the binder for the characterization of rheology in the shadow of the electrode by reducing the optical loss of the photoelectric conversion efficiency of solar cells to boost the performance measures was. Properties and printability of the paste, the binder resin sintered characteristics that affect the thermal properties are excellent with a good screen printability acrylic resin, ethyl cellulose, using a resin were evaluated. Prepared paste rheology properties, was formed to evaluate the electrode conductivity and aspect ratio.

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문제 정의

본 연구는 스크린 인쇄법으로 전극의 Aspect ratio를 높일 수 있는 Ag 페이스트의 바인더 조성에 따른 레오로지 특성을 평가 하여 전극의 그림자에 의한 광학적 손실을 줄여 태양 전지의 광전 변환 효율을 높일 수 있는 방안으로 수행 되었다.
본 연구에서는 바인더에 따른 실리콘 태양 전지용 전극 페이스트를 제조하여 레오로지 특성을 평가하고 패턴 제작 및 소결 특성에 대해서 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구를 위해서 직접 제작한 페이스트 1, 2와 A사, B사의 페이스트와 함께 점도 특성을 비교하였다. 에틸셀룰로오스 레진을 사용한 페이스트 1의 경우, 1~2rpm의 전단력하에서 페이스트 유동성은 외력의 세기가 강해질수록 페이스트의 점도가 상숭하고 2~3 rpm의 전단력에서 항복값(yield point)을 가지며, 전단력의 세기가 증가할수록 점도가 낮아지는 shear-thinning 거동을 시작한다.
전극 페이스트가 우수한 전기 전도성을 얻기 위해서는 현상 후, 패턴 내부에 남아있는 유기 바인더를 전부 소결시켜 제거하여야 한다. 본 연구에 사용한 아크릴 레진과 에틸셀룰로오스 레진의 non-volatile 성분의 열 분해특성은 TGACThermal Gravity Analysis, Perkin-Elmer, USA)로 검토하였다. 전기 전도성을 평가하기 위해 HIOKI 3541 RESISTANCE HITESTER를 사용하였고, 페이스트의 레오로지 특성을 파악하기 위해 Rheometer(ThermoHaake RheoWin Pro 2.
본 연구에서 제조된 전극 페이스트의 흔합비는 Table 1과 같다. 시료의 제조 방법은 먼저 비휘발성 레진에 용제를 첨가하여 바인더를 제조한 후에 glass frit, Ag powder의 순서대로 바인더와 혼합하여 premixi#하고 3-roll n#로 3~5회 연육시킨다. 그리고 2 이C에서 60분간 500rpm으로 교반함으로써 페이스트를 완성하였다.
본 연구에 사용한 아크릴 레진과 에틸셀룰로오스 레진의 non-volatile 성분의 열 분해특성은 TGACThermal Gravity Analysis, Perkin-Elmer, USA)로 검토하였다. 전기 전도성을 평가하기 위해 HIOKI 3541 RESISTANCE HITESTER를 사용하였고, 페이스트의 레오로지 특성을 파악하기 위해 Rheometer(ThermoHaake RheoWin Pro 2.92, Germany)를 사용하여 Viscosty 및 Amplitude sweep을 측정하였다.
제조된 페이스트에 의해 형성된 전극 패턴은 광학 현미경(HKCOPE Advanced KH-3000, HH₂X) 과 표면 조도계 (SJ-401, Mitutoyo), SEM(Scanning Eletron Microscope, Hitachi, Japan)을 통해 분석하였다. 전극 페이스트가 우수한 전기 전도성을 얻기 위해서는 현상 후, 패턴 내부에 남아있는 유기 바인더를 전부 소결시켜 제거하여야 한다.

대상 데이터

Table 1의 조합비로 제조된 2종류의 페이스트와 현재 스크린 인쇄(screen printing)법을 이용하여 실리콘 태양 전지 전극의 제조 공정에 사용되고, 시판중인 A사와 B사의 Ag 페이스트를 비교 샘플로 하여 실험을 진행하였다. 스크린 인쇄 후 패턴의 퍼짐성을 고려하여 80/#(line)의 마스크 패턴의 스크린 판을 사용하여 반자동 스크린 인쇄기로 한 변의 길이가 6on인 정사각형 다결정 실리콘 기판위에 패턴을 형성하였다.
비저항 측정 시료는 다결정 실리콘 기판 위에 한 변의 길이가 5cm인 정사각형 패턴의 스크린 마스크를 통해 전면 인쇄하였고 전극 패턴 형성과 같은 조건으로 소결하여 제작하였다. 소결 후 형성된 각 페이스트 시료의 비저항 측정 결과는 Table 4와 같다.
페이스트의 물성 및 인쇄 적성, 소결 특성에 영향을 미치는 바인더 레진은 열분해 특성이 우수하고 스크린 인쇄적성이 양호한 아크릴 레진 ((주)한석소재), 에틸셀룰로오스 ((주)일신화성 STD10)를 사용하였고, 바인더와의 상용성을 고려하여 희석용제로 a -terpineol (1 -Methyl-4-isopropyl-l-cyclohexene-8-ol)사용하였다.

성능/효과

1. 에틸셀룰로오스를 조합한 페이스트보다 점착성이 강한 아크릴 레진을 조합한 페이스트의 요변성(thixotropy) 및 탄성 성질이 큼을 알 수 있었다.
2. 페이스트의 점도와 동적 점탄성 측정에서 레진 분자와 무기필러 간의 가역적인 망목 구조에 따른 페이스트의 레오로지 거동이 스크린 인쇄된 패턴의 재현성에 깊은 영향을 줌을 알 수 있었다.
3. 에틸셀룰로오스 레진보다 열분해 온도가 상대적으로 낮고 잔류량이 적은 아크릴레진을 조합한 페이스트의 소결 후 도막의 전기 전도성이 우수함을 알 수 있었다.
낮은 전단력 영역에서 레진 분자간, 또는 레진 분자와 무기 필러 간의 상호 작용으로 3차원 망목 구조를 형성하여 탄성 성질이 커서 패턴의 높은 형상 유지가 가능하고 패턴의 퍼짐성도 양호하였다고 판단된다. A사의 페이스트는 동적 점탄성 수치가 비교적 낮은 전단력 영역에서 점탄성 성질이 역전되었고, 결과적으로 20% 정도의 패턴 퍼짐이 발생하였으며, 비교적 낮은 전극 높이를 형성하였다. 페이스트 2와 동적 점탄성 수치가 유사한 B사의 페이스트로 형성한 전극은 0.
소결 후 형성된 각 페이스트 시료의 비저항 측정 결과는 Table 4와 같다. 아크릴 레진을 사용한 페이스트 2가 에틸셀룰로오스 레진을 사용한 페이스트 1보다 전도성이 우수하였다. Figure 6에 나타낸 레진의 열분해 특성을 평가해보면 아크릴 레진이 에틸셀룰로오스 레진보다 저온에서 소결되는 것을 알 수 있다.

참고문헌 (5)

權泰瑛. "A Sudy on Metallization and Sintering for High Efficiency Crystalline Silicon Solar Cell", 성균관대학교 석사 학위논문, pp. 29-30 (2009).
최준영, 김도완, 이수홍. "Investigation of surface penetration on single crystalline silicon solar ceall for screen printed Ag front metal contact", 한국태양에너지학회 학술대회논문집, pp. 2 (2006).
이미영, 김성현, 남수용. "A Study on The Rheology and the Pattern Manufacture of Contacts for OTFT by Screen Printing Method", 한국화상학회지, 11(2), pp. 4-6 (2005).
이미영. "A Study on Properties of Organic Thin-Film Transistors Fabricated by Screen Printing Method.", 부경대학교 박사 학위 논문, pp. 50-59, 102-114 (2008).
김지수, 오태헌, 남수용. "A Study on the Pattern Characteristics of Photo-sensitive Electrode Paste by Monomer", 한국인쇄학회 춘계학술대회 학술발표, pp. 2 (2008).

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