[논문]단결정 Si 태양전지 적용을 위해 제조된 무연 은 페이스트의 열 공정 최적화 및 전기적 특성 평가

정지현; 김성진; 손창록; 어순철; 권순용

doi:10.4313/jkem.2011.24.10.844

문제 정의

이러한 페이스트의 연구는 혼합 조성에 따라 태양전지 특성이 매우 민감하게 변하지만, 노-하우 (know-how)에 많은 부분을 의존하고 있어 재현이 불가능한 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 상업용 은 페이스트의 개발을 위하여 유리 분말을 납을 함유하는 것과 무연 조성을 비교 평가하였다. 또 새로 개발된 은 페이스트를 위한 최적의 열 공정 조건을 확립하고, 이러한 열 공정을 적용하여 제작된 태양전지의 효율을 측정하여 상업용 페이스트로의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 상업용 은 페이스트의 개발을 위하여 유리 분말을 납을 함유하는 것과 무연 조성을 비교 평가하였다. 또 새로 개발된 은 페이스트를 위한 최적의 열 공정 조건을 확립하고, 이러한 열 공정을 적용하여 제작된 태양전지의 효율을 측정하여 상업용 페이스트로의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 상용화된 벌크 실리콘 태양전지의 상부 전극 형성에 널리 사용되는 은 페이스트에서, 유리 분말의 성분 조성을 Pb를 함유하는 조성과 Bi를 함유하는 조성을 비교 평가하여, 유리 분말 조성이 태양전지의 효율에 미치는 영향을 평가하였다. 제조된 은 페이스트의 소결 온도는 800℃가 가장 적합한 것으로 평가되었으며, 이 조건을 적용하여 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 태양전지 셀을 제작하였다.

가설 설정

5. SEM images of the mixed powders showing the particle size distribution: (a) Si powder with Pb-based glass frit, (b) Si powder with Bi-based glass frit.

제안 방법

n+ 층의 두께는 대략 1 μm이므로 SiNx/n+ 계면으로부터 1 μm 깊이까지 분석하였다.
p-형 단결정 실리콘 웨이퍼 (직경 6 인치, 두께 200 μm)에 텍스쳐링 (texturing)과 인 확산 공정을 거쳐 두께 1 μm 정도의 n+ 에미터 층을 형성한 후, 반사방지막 (anti-reflection coating, ARC)으로 두께 70 nm의 SiNx를 화학기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD)으로 증착하였다.
그 다음에는 은 페이스트의 적절한 열처리 온도를 확인하기 위해서 급속 열처리 장치 (rapid thermal process, RTP)를 이용하여 승온 조건을 15℃/sec로 고정하고, 소결 (sintering) 온도를 500℃∼900℃ 사이에서 다양하게 변화시키면서 2분 간 열처리하였다.
다양한 온도로 소결 공정을 진행한 후에 전극의 가는 부분인 핑거 바의 형상은 광학현미경 (optical microscope, OM)으로 관찰하였고, 소결 온도 변화에 따른 은 전극의 미세 구조 변화는 주사전자현미경 (SEM, FEI-Quanta 400)으로 관찰하였다. 전극의 직렬 저항을 평가하기 위하여 넓은 면적의 전극인 버스 바 (bus bar)에서 4-점 탐침법 (4-point probe)으로 면 저항을 측정하였다.
실버페이스트에 사용한 유리 분말은 Pb계와 Bi계의 두 종류를 적용하였다. 두 종류의 페이스트로 제작한 태양전지의 특성을 표 1에 요약하여 나타내었다. 태양전지 효율 측정 시의 광원 조건은 AM1.
4 μm 정도의 것을 사용하였다. 유리 분말은 Pb계 (PbO-SiO₂-Bi₂O₃-Al₂O₃)와 Bi계 (Bi₂O₃-ZnO-SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃)인 두 가지 종류를 평가하였다. 여기에서 사용된 유리 분말은 상용 제품을 구입하여 사용하였다.
은 분말 (84 wt%), 유리 분말 (2 wt%), 첨가제 (3 wt%) 및 용제 (11 wt%)를 주어진 비율로 칭량하여 혼합기로 무기물과 유기 결합제를 균일하게 혼합한 뒤, 3단 롤밀 (3 roll-mill)을 사용하여 입자들의 분산 특성을 극대화하여 은 페이스트를 제조하였다.
은 분말, 유리 분말, 첨가제 및 용제를 원하는 비율로 칭량하여 혼합기로 무기물과 유기 결합제를 균일하게 혼합한 후, 은 페이스트를 제조하고, 이를 스크린 프린팅법으로 태양전지의 상부 전극으로 제작하였다. 그림 6은 Bi계 유리 분말로 제작한 은 페이스트를 도포한 후에 500℃∼900℃ 범위의 다양한 온도로 소결 공정을 진행한 후에 전극의 가는 부분인 핑거 바에서 관찰한 광학현미경 (OM) 사진이다.
은 페이스 제조를 위하여 은 분말과 유리 분말을 혼합한 후의 입자 크기 분포를 확인하기 위하여 입도 크기 분석기 (particle size analyzer, PSA)를 이용하여 평가하였다. 그림 4는 PSA를 이용하여 분석한 입도 크기 분포도이다.
본 연구에서는 상용화된 벌크 실리콘 태양전지의 상부 전극 형성에 널리 사용되는 은 페이스트에서, 유리 분말의 성분 조성을 Pb를 함유하는 조성과 Bi를 함유하는 조성을 비교 평가하여, 유리 분말 조성이 태양전지의 효율에 미치는 영향을 평가하였다. 제조된 은 페이스트의 소결 온도는 800℃가 가장 적합한 것으로 평가되었으며, 이 조건을 적용하여 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 태양전지 셀을 제작하였다.
두 종류의 페이스트로 제작한 태양전지의 특성을 표 1에 요약하여 나타내었다. 태양전지 효율 측정 시의 광원 조건은 AM1.5이고, 측정 온도는 상온 (25℃)의 조건에서 수행하였다. 측정된 태양전지 효율은 Pb계 유리 분말을 이용하여 제작한 페이스트가 Bi계 유리 분말을 이용하여 제작한 페이스트에 비하여 다소 높은 값을 보이고 있다.
직경 6인치의 단결정 (Czochralski method, CZ)에 제작된 태양전지(셀 면적: 150 cm²) 효율 측정은 인공광원 (solar simulator, Xe arc lamp)을 사용하였다. 효율 측정 시의 광원 조건은 AM1.5 (100 mW/cm²)이고, 측정 온도는 상온 (25℃)의 조건에서 수행하였다.

대상 데이터

이상의 분석 결과들을 종합해 보면 스크린 프린팅법으로 도포된 은 전극의 소결 온도는 800℃가 가장 적합한 것으로 판단되었다. 따라서 800℃의 소결 조건으로 6인치 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 태양전지를 제작하였다. 실버페이스트에 사용한 유리 분말은 Pb계와 Bi계의 두 종류를 적용하였다.
여기에서 사용된 유리 분말은 상용 제품을 구입하여 사용하였다. 또 첨가제로 에틸 셀룰로오스 (ethyl cellulose)를 사용하였고, 용제로는 부틸 케비톨아세테이트 (buthyl cabitol acetate)를 사용했다.
n+ 층의 두께는 대략 1 μm이므로 SiN_x/n+ 계면으로부터 1 μm 깊이까지 분석하였다. 분석은 주사전자현미경 (FEI-Quanta 400)에 장착되어 있는 EDS (energy dispersive x-ray spectrometer, Bruker AXS Co.,QUANTX 200) 분석 장치를 이용하였다. 소결 온도가 증가함에 따라서 Si 내의 Ag 원소의 침투량은 증가함을 알 수 있다.
따라서 800℃의 소결 조건으로 6인치 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 태양전지를 제작하였다. 실버페이스트에 사용한 유리 분말은 Pb계와 Bi계의 두 종류를 적용하였다. 두 종류의 페이스트로 제작한 태양전지의 특성을 표 1에 요약하여 나타내었다.
유리 분말은 Pb계 (PbO-SiO₂-Bi₂O₃-Al₂O₃)와 Bi계 (Bi₂O₃-ZnO-SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃)인 두 가지 종류를 평가하였다. 여기에서 사용된 유리 분말은 상용 제품을 구입하여 사용하였다. 또 첨가제로 에틸 셀룰로오스 (ethyl cellulose)를 사용하였고, 용제로는 부틸 케비톨아세테이트 (buthyl cabitol acetate)를 사용했다.
이 때 전극 형상을 위해 사용한 스크린 마스크에서, 가는 배선인 핑거 바 (finger bar)의 선폭은 100 μm이었고, 굵은 배선인 버스 바 (bus bar)의 선폭은 2 mm를 적용하였다.

이론/모형

다양한 온도로 소결 공정을 진행한 후에 전극의 가는 부분인 핑거 바의 형상은 광학현미경 (optical microscope, OM)으로 관찰하였고, 소결 온도 변화에 따른 은 전극의 미세 구조 변화는 주사전자현미경 (SEM, FEI-Quanta 400)으로 관찰하였다. 전극의 직렬 저항을 평가하기 위하여 넓은 면적의 전극인 버스 바 (bus bar)에서 4-점 탐침법 (4-point probe)으로 면 저항을 측정하였다. 직경 6인치의 단결정 (Czochralski method, CZ)에 제작된 태양전지(셀 면적: 150 cm²) 효율 측정은 인공광원 (solar simulator, Xe arc lamp)을 사용하였다.
전극의 직렬 저항을 평가하기 위하여 넓은 면적의 전극인 버스 바 (bus bar)에서 4-점 탐침법 (4-point probe)으로 면 저항을 측정하였다. 직경 6인치의 단결정 (Czochralski method, CZ)에 제작된 태양전지(셀 면적: 150 cm²) 효율 측정은 인공광원 (solar simulator, Xe arc lamp)을 사용하였다. 효율 측정 시의 광원 조건은 AM1.

성능/효과

500℃의 저온 열 공정 후에는 선폭이 다소 감소하여 120 μm 값을 보였고, 이러한 핑거 바의 선폭은 소결을 위한 RTP 열처리 온도가 증가함에 따라서 점점 수축함을 확인할 수 있었다.
Bi계 페이스트에서 낮은 효율을 보이는 원인은 직렬 저항이 높고, 병렬 저항이 낮은 것이 가장 큰 원인으로 파악되었다. 비록 Pb계와 비교했을 때 낮은 효율을 얻었으나 비납계 은 페이스트도 스크린 프린팅 기법으로 제작되는 태양전지의 생산에 적용 가능성이 충분히 있음을 확인할 수 있었다.
6%로 거의 세계 최고 수준의 특성을 확보할 수 있었다. Bi계 페이스트의 경우에도 Pb계에 비해서는 상대적으로 낮은 값을 보이지만 16.2%의 매우 높은 효율을 확보함으로써 Pb계 페이스트의 대체 가능성이 충분한 것으로 판단할 수 있다. 표 1에서 Bi계가 Pb계에 비하여 불량한 특성을 보이는 평가 항목은 직렬저항 (R_s)과 병렬저항 (R_sh)이다.
그래프에서 알 수 있듯이 평균 입도 0.1∼0.4 μm인 은 분말과 평균입도 1∼3 μm 정도의 유리 분말이 혼합되어 있음을 확인할 수 있다.
두 경우에서 모두 평균입도 ∼0.15 μm인 작은 은 분말과 평균입도 ∼2 μm 정도의 비교적 큰 유리 분말이 균일하게 혼합되어 있음을 확인할 수 있었다.
이러한 목의 형성은 전선의 직렬저항을 증가시켜서 태양전지의 효율을 감소시키는 악 영향을 미칠 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 900℃ 이상의 고온 공정은 본 연구에서 제작한 은 페이스트의 경우에는 부적당한 것으로 판단할 수 있다.
Bi계 페이스트에서 낮은 효율을 보이는 원인은 직렬 저항이 높고, 병렬 저항이 낮은 것이 가장 큰 원인으로 파악되었다. 비록 Pb계와 비교했을 때 낮은 효율을 얻었으나 비납계 은 페이스트도 스크린 프린팅 기법으로 제작되는 태양전지의 생산에 적용 가능성이 충분히 있음을 확인할 수 있었다.
하지만 두 경우 모두에서 900℃ 열 공정의 조건에서는 면 저항이 약간 증가하였다. 실험 결과에서 알 수 있듯이 은 전극은 과소결이 진행되면 오히려 면 저항이 증가함을 알 수 있다. 또한 Pb계 유리 분말을 사용한 경우가 Bi계 유리 분말을 사용한 경우보다 모든 열처리 온도에서 다소 낮은 면 저항 특성을 보이고 있다.
그림 7은 은 페이스트를 도포한 후에 소결 온도 변화에 따른 은 전극의 미세 구조 변화를 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰한 결과이다. 열처리 온도가 증가함에 따라서 큰 입자 크기를 보이는 유리 분말들은 사라지고, 작은 입자 크기를 갖는 은 분말들이 서로 합쳐져서 점점 입자 크기가 증가함을 확인할 수 있다. 그런데 특이한 점 중의 하나는 900℃ 열처리 조건으로 제작한 전극 표면은 전자현미경 관찰 시에 약간의 표면 충전 (surface charging) 현상이 발생하여 사진의 선명도가 떨어졌다.
이상의 분석 결과들을 종합해 보면 스크린 프린팅법으로 도포된 은 전극의 소결 온도는 800℃가 가장 적합한 것으로 판단되었다. 따라서 800℃의 소결 조건으로 6인치 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 태양전지를 제작하였다.
제작된 태양전지의 효율은 Pb계 유리 분말을 사용한 은 페이스트에서는 17.6%인데 비하여 Bi계 유리 분말을 사용한 것에서는 16.2%로 다소 낮게 측정되었다.
5이고, 측정 온도는 상온 (25℃)의 조건에서 수행하였다. 측정된 태양전지 효율은 Pb계 유리 분말을 이용하여 제작한 페이스트가 Bi계 유리 분말을 이용하여 제작한 페이스트에 비하여 다소 높은 값을 보이고 있다. Pb계 페이스트를 이용하여 제작한 태양전지의 경우에는 17.

후속연구

또한 병렬 저항은 소결 시의 열처리 온도를 좀 더 정밀하게 최적화하면 좀 더 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 따라서 향후 좀 더 정밀한 실험을 진행하면, Bi계 페이스트가 Pb계 페이스트를 대체할 가능성은 매우 높다고 판단된다.
먼저 직렬 저항은 유리 분말의 첨가량 및 조성 변화를 통해서 충분히 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 병렬 저항은 소결 시의 열처리 온도를 좀 더 정밀하게 최적화하면 좀 더 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 따라서 향후 좀 더 정밀한 실험을 진행하면, Bi계 페이스트가 Pb계 페이스트를 대체할 가능성은 매우 높다고 판단된다.
표 1에서 Bi계가 Pb계에 비하여 불량한 특성을 보이는 평가 항목은 직렬저항 (R_s)과 병렬저항 (R_sh)이다. 먼저 직렬 저항은 유리 분말의 첨가량 및 조성 변화를 통해서 충분히 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 병렬 저항은 소결 시의 열처리 온도를 좀 더 정밀하게 최적화하면 좀 더 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스크린 프린팅법의 장점은?	상용화된 벌크 실리콘 태양전지의 전극형성에 가장 널리 사용되고 있는 증착 기술은 스크린 프린팅 (screen printing) 법이다. 이 증착 기술은 비교적 단위공정 장비가 저가이며 다량의 제품을 대 면적으로 빠른 시간에 생산할 수 있는 등의 많은 장점을 갖고 있다 [3,4]. 따라서 벌크 실리콘 태양전지의 전면 전극은 은 (Ag) 페이스트 (paste)를 스크린 프린팅법으로 선택적으로 도포한 후에 후속 열 공정을 거쳐서 형성된다.
	은 페이스트는 어떻게 구성되어 있는가?	따라서 벌크 실리콘 태양전지의 전면 전극은 은 (Ag) 페이스트 (paste)를 스크린 프린팅법으로 선택적으로 도포한 후에 후속 열 공정을 거쳐서 형성된다. 은 페이스트는 80 wt% 이상의 은 분말, 1∼5 wt% 정도의 유리 분말 (glass frit), 소량의 용매 (solvent) 및 기타 첨가제 등으로 구성된다 [5,6]. 여기에서 은 페이스트에 포함된 유리 분말 성분은 녹는점이 낮고, 실리콘 위에 증착된 반사 방지막을 에칭하는 특성이 있어서, 추가적인 마스크 (mask) 없이 전극을 형성하는데 매우 중요한 역할을 한다 [5,6].
	은 페이스트에 포함된 유리 분말 성분은 어떤 역할을 하는가?	은 페이스트는 80 wt% 이상의 은 분말, 1∼5 wt% 정도의 유리 분말 (glass frit), 소량의 용매 (solvent) 및 기타 첨가제 등으로 구성된다 [5,6]. 여기에서 은 페이스트에 포함된 유리 분말 성분은 녹는점이 낮고, 실리콘 위에 증착된 반사 방지막을 에칭하는 특성이 있어서, 추가적인 마스크 (mask) 없이 전극을 형성하는데 매우 중요한 역할을 한다 [5,6].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

단결정 Si 태양전지 적용을 위해 제조된 무연 은 페이스트의 열 공정 최적화 및 전기적 특성 평가
Thermal Process Optimization of Pb-free Ag-paste and Evaluation of Electrical Properties in Mono-Si Solar Cell 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

단결정 Si 태양전지 적용을 위해 제조된 무연 은 페이스트의 열 공정 최적화 및 전기적 특성 평가 Thermal Process Optimization of Pb-free Ag-paste and Evaluation of Electrical Properties in Mono-Si Solar Cell 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

정지현 (1) 김성진 (6) 어순철 (39)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

단결정 Si 태양전지 적용을 위해 제조된 무연 은 페이스트의 열 공정 최적화 및 전기적 특성 평가
Thermal Process Optimization of Pb-free Ag-paste and Evaluation of Electrical Properties in Mono-Si Solar Cell 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper