[논문]결정질 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위한 다층 전면 전극 형성

홍지화; 강민구; 김남수; 송희은

doi:10.4313/jkem.2012.25.12.1015

결정질 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위한 다층 전면 전극 형성
Multi-layer Front Electrode Formation to Improve the Conversion Efficiency in Crystalline Silicon Solar Cell 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.12, 2012년, pp.1015 - 1020

홍지화 (충북대학교 대학원 반도체공학과) , 강민구 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단) , 김남수 (충북대학교 대학원 반도체공학과) , 송희은 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Resistance of the front electrode is the highest proportion of the ingredients of the series resistance in crystalline silicon solar cell. While resistance of the front electrode is decreased with larger area, it induces the optical loss, causing the conversion efficiency drop. Therefore the front electrode with high aspect ratio increasing its height and decreasing is necessary for high-efficiency solar cell in considering shadowing loss and resistance of front electrode. In this paper, we used the screen printing method to form high aspect ratio electrode by multiple printing. Screen printing is the straightforward technology to establish the electrodes in silicon solar cell fabrication. The several printed front electrodes with Ag paste on silicon wafer showed the significantly increased height and slightly widen finger. As a result, the resistance of the front electrode was decreased with multiple printing even if it slightly increased the shadowing loss. We showed the improved electrical characteristics for c-Si solar cell with repeatedly printed front electrode by 0.5%. It lays a foundation for high efficiency solar cell with high aspect ratio electrode using screen printing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 결정질 실리콘 태양전지의 스크린 프린팅을 이용한 전면 전극의 다중 인쇄로 기존의 장치를 활용하여 매우 용이한 방법으로 태양전지의 변환 효율을 상승시킬 수 있는 방법을 제안하는 연구를 수행하였다. 하지만 현재의 방식으로 전극의 인쇄 횟수를 지나치게 증가시킬 경우 인쇄된 전극의 퍼짐으로 인한 shadowing loss로 인해 오히려 태양전지 효율을 저하 시킬 수 있다.
일반적인 태양전지의 전극은 스크린 프린팅 방법으로 형성하는데, 전면은 은 (Ag), 후면은 알루미늄 (Al)를 이용한다. 본 논문에서는 스크린 프린팅 방법을 이용하여 전극을 반복하여 인쇄함으로써 전극의 높이를 보다 높게 형성하여 전극의 aspect ratio를 증가시키고 전극의 저항을 줄이기 위한 연구를 수행하므로써 반복 인쇄에 따른 인쇄 품질과 태양전지의 전기적 특성에 미치는 영향 대해 분석하였다.
본 연구에서는 결정질 실리콘 태양전지에서 전면 전극의 aspect ratio를 높이고 전극에 의한 전극 저항을 줄이기 위해 스크린 프린팅을 이용하여 전극을 반복적으로 인쇄하여 다층 전면전극을 형성하였다.

가설 설정

뿐만 아니라 많은 양의 페이스트로 인해 소성 공정에서 더 높은 열처리 조건이 필요하기 때문에 전후면 동시 소성 시 후면 전극에 손상을 입힐 수 있다. 또한 은의 사용량이 증가하여 태양전지 제조 단가가 높아질 것이다. 따라서 반복 인쇄될 전극의 선폭을 줄이면서 인쇄 횟수와 열처리 온도의 최적화가 이루어진다면 태양전지의 효율 상승에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

제안 방법

기판 표면 조직화 이후 도핑 과정에서는 diffusion furnace에 POCl3 소스를 주입하여 50 Ω/sq의 면저항을 갖는 p-n접합을 형성하였고, PSG 제거를 위해 HF 처리를 거쳤다.
다음은 결정질 실리콘 태양전지에 스크린 프린팅을 이용하여 반복적으로 인쇄한 전면 전극의 aspect ratio를 관찰하기 위하여 3D - microscope로 전극 인쇄 형상을 측정하였다. 그림 8에 나타난 바와 같이 인쇄 횟수가 늘어날수록 형성되는 전극의 폭은 1회 인쇄 시보다 5% 이내에서 약간 넓어지지만 전극 중심에서의 높이는 25 ㎛, 35 ㎛, 44 ㎛로 횟수가 증가할수록 26%, 40%씩 높아지는 것을 관찰할 수 있었다.
다층 전면 전극은 DEK 사의 더블 프린팅 장비로 fiducial mark를 인식하는 방식으로 finger 폭이 100 ㎛인 패턴을 인쇄와 건조 과정을 반복하여 형성하였다.
이러한 전극의 폭 증가와 이에 따른 shadowing loss의 증가는 광학적 손실로 인해 태양전지의 효율 저하를 야기할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 태양전지의 전면 전극을 형성하기 위한 인쇄 횟수를 1회에서 3회로 가변하여 연구를 진행하였다.
또한 PASAN 사의 솔라 시뮬레이터를 이용하여 광 조사에 따른 태양 전지의 변환효율 (η), 개방전압 (Voc), 단락전류 (Isc), 곡선인자 (FF) 등의 전기적 특성을 분석하였으며 Suns-Voc를 이용하여 직렬저항을 고려하지 않았을 때의 이상적인 곡선인자와 실험에서 얻은 곡선인자를 비교하였다.
태양전지 제작 후 각 그룹의 태양전지에 대한 특성을 분석하였다. 먼저 인쇄된 전극의 무게를 알아보기 위해 인쇄 전 후의 웨이퍼 무게를 측정하였으며 인쇄된 전면 전극의 형상을 관찰하였다. 또한 PASAN 사의 솔라 시뮬레이터를 이용하여 광 조사에 따른 태양 전지의 변환효율 (η), 개방전압 (Voc), 단락전류 (Isc), 곡선인자 (FF) 등의 전기적 특성을 분석하였으며 Suns-Voc를 이용하여 직렬저항을 고려하지 않았을 때의 이상적인 곡선인자와 실험에서 얻은 곡선인자를 비교하였다.
태양전지 제작 후 각 그룹의 태양전지에 대한 특성을 분석하였다. 먼저 인쇄된 전극의 무게를 알아보기 위해 인쇄 전 후의 웨이퍼 무게를 측정하였으며 인쇄된 전면 전극의 형상을 관찰하였다.
005 Ω으로 그룹 1, 2에 비해 낮게 나타났다. 하지만 실험에 사용된 솔라 시뮬레이터 장치는 측정된 직렬저항 값에 대해서 하나의 유효숫자만을 나타내기 때문에 전극의 다층 인쇄에 따른 직렬 저항의 차이를 알아보기 위해서 태양전지의 전류-전압 곡선의 기울기를 이용하였다. 직렬저항은 태양전지의 전류-전압 곡선의 개방전압 점에서 기울기의 역수를 이용하여 구할 수 있는데 측정 결과 1회 인쇄 시 5.

대상 데이터

실험에서 사용된 웨이퍼는 두께 200±10 ㎛, 비저항 0.5-3 Ω·㎝, 그리고 156×156 mm2의 면적을 가지고 있는 p-type의 단결정 실리콘 웨이퍼이다.

이론/모형

이후 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 사용하여 SiNX (질화실리콘) 반사 방지막 (anti reflection coating)을 80 nm의 두께로 증착하였다. 후면 전극을 형성하기 위해 스크린 프린팅 방법으로 알루미늄 페이스트를 인쇄한 후, belt furnace를 이용하여 건조시켰다.

성능/효과

다음은 결정질 실리콘 태양전지에 스크린 프린팅을 이용하여 반복적으로 인쇄한 전면 전극의 aspect ratio를 관찰하기 위하여 3D - microscope로 전극 인쇄 형상을 측정하였다. 그림 8에 나타난 바와 같이 인쇄 횟수가 늘어날수록 형성되는 전극의 폭은 1회 인쇄 시보다 5% 이내에서 약간 넓어지지만 전극 중심에서의 높이는 25 ㎛, 35 ㎛, 44 ㎛로 횟수가 증가할수록 26%, 40%씩 높아지는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 그림 6의 인쇄 횟수에 따른 전극의 무게 증가와 유사한 경향을 보였다.
그림 7은 웨이퍼에 전면 전극을 반복 인쇄한 후 인쇄 횟수에 따른 인쇄 품질을 광학 현미경 (optical microscope)으로 측정한 결과이다. 인쇄 횟수가 1회에서 4회로 늘어날수록 인쇄된 전극의 finger 폭은 각각 111 ㎛, 115 ㎛, 121 ㎛, 141 ㎛였으며, 이에 따른 전극의 shadowing loss는 6.7%, 7.1%, 7.4%, 8.2%로 나타났다. 인쇄가 반복될수록 전극의 폭과 shadowing loss가 증가하는 경향을 보이고, 4회 인쇄 시에는 이 값들이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
인쇄 횟수가 증가할수록 인쇄된 전극의 폭은 큰 변화 없이 전극의 높이가 높아져 aspect ratio가 증가함을 확인할 수 있었다. 제작한 태양전지의 직렬저항은 3회 인쇄한 그룹 3이 0.
2%로 나타났다. 인쇄가 반복될수록 전극의 폭과 shadowing loss가 증가하는 경향을 보이고, 4회 인쇄 시에는 이 값들이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이 값들은 3개의 태양전지에 대한 평균값이다. 전반적으로 전면전극의 높이가 높아질수록 단락전류와 곡선인자가 증가하는 경향을 보였으며 이로 인해 광 변환 효율 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 직렬저항은 그룹 3이 0.
제작한 태양전지의 직렬저항은 3회 인쇄한 그룹 3이 0.005 Ω으로 가장 낮았으며 전면전극의 높이가 높아질수록 개방전압, 단락전류, 곡선인자가 증가하고 이로 인해 광 변환 효율 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
직렬저항은 태양전지의 전류-전압 곡선의 개방전압 점에서 기울기의 역수를 이용하여 구할 수 있는데 측정 결과 1회 인쇄 시 5.74 × 10-3 Ω, 2회 인쇄 시 5.26 × 10-3 Ω, 3회 인쇄 시 4.99 × 10-3 Ω으로 인쇄 횟수가 증가할수록 직렬저항은 감소함을 보였다.
표 2는 제작된 태양전지의 직렬저항을 고려하지 않았을 때의 이상적인 곡선인자를 알아보기 위하여 각 그룹별 최고 효율을 나타낸 태양전지의 Suns-Voc를 측정한 것이다. 측정 결과 인쇄 횟수가 증가할수록 태양전지의 곡선인자는 이상적인 곡선인자와 실제 실험 에서 얻은 값 사이의 차이 (PFF-FF)가 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 반복 인쇄를 통한 다층 전면전극은 이상적인 곡선인자와 가까운 값을 얻는데 기여한다.
전극의 반복 인쇄는 DEK 사의 더블 프린팅 장비로 finger 폭이 100 ㎛인 패턴을 이용하였다. 측정 결과 첫 번째 인쇄 후 웨이퍼의 무게는 약 0.20 g 증가하였고, 그 후 두 번째와 세 번째, 네 번째 인쇄 후에는 약 0.11 g 씩 증가함을 보였다.

후속연구

따라서 본 실험과 같은 다층 인쇄 기술에서 두 번째 혹은 세 번째 인쇄 시 페이스트의 glass frit 성분을 없애거나 줄인다면 본 실험의 결과보다 전극의 저항을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그리고 현재 개발되고 있는 저가형 페이스트를 적용한다면 다층 인쇄 기술은 태양전지의 원가 상승에 대한 우려 없이 고효율의 태양전지를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
005 Ω으로 가장 낮았으며 전면전극의 높이가 높아질수록 개방전압, 단락전류, 곡선인자가 증가하고 이로 인해 광 변환 효율 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다층 전극 형성 시 공정 최적화와 현재 개발되고 있는 저가형 페이스트를 적용한다면 저가형 고효율 태양전지를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 은의 사용량이 증가하여 태양전지 제조 단가가 높아질 것이다. 따라서 반복 인쇄될 전극의 선폭을 줄이면서 인쇄 횟수와 열처리 온도의 최적화가 이루어진다면 태양전지의 효율 상승에 기여할 수 있을 것으로 보인다. 또한 일반적인 은 페이스트에 함유되어 있는 glass frit 성분은 실리콘 질화막을 뚫고 실리콘 기판과 전극 간의 접합성을 우수하게 하는 특징을 가지고 있지만, 이 성분은 전극의 저항을 상승시킨다는 단점을 가지고 있다.
또한 일반적인 은 페이스트에 함유되어 있는 glass frit 성분은 실리콘 질화막을 뚫고 실리콘 기판과 전극 간의 접합성을 우수하게 하는 특징을 가지고 있지만, 이 성분은 전극의 저항을 상승시킨다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 실험과 같은 다층 인쇄 기술에서 두 번째 혹은 세 번째 인쇄 시 페이스트의 glass frit 성분을 없애거나 줄인다면 본 실험의 결과보다 전극의 저항을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그리고 현재 개발되고 있는 저가형 페이스트를 적용한다면 다층 인쇄 기술은 태양전지의 원가 상승에 대한 우려 없이 고효율의 태양전지를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 구성은 어떻게 되는가?	태양전지는 기본적으로 p-n접합 구조로 이루어져 있으며, 빛이 태양전지 내부로 잘 흡수되도록 하기 위한 반사방지막과 실리콘 내부에서 만들어진 전자·정공 쌍을 외부로 끌어내기 위한 전면 전극 및 후면 전극으로 구성된다.
	태양전지에서 재결합 손실이 발생하는 원인은?	일반적인 태양전지는 빛이 입사되는 전면에 전극을 형성하게 되는데, 전극이 형성된 부분에서는 빛을 흡수할 수 없기 때문에 그림자 손실이 발생하게 된다. 재결합 손실은 반도체 내부와 표면에서 일어날 수 있는데, 반도체 내부의 불순물과 결함 (defect)에 의해 유발되거나 표면에서 결정구조의 깨짐으로 인한 불순물, 금속 전극과의 접촉, 표면의 도펀트 등에 의해 발생한다. 또한 태양전지의 저항 성분은 직렬 저항과 shunt 저항으로 나눌 수 있으며 각각의 손실들을 줄이는 연구가 다양하게 진행되고 있다 [1].
	태양전지의 효율 손실에는 어떠한 것들이 있는가?	고효율 태양전지를 만들기 위해서는 태양전지의 효율을 저하시키는 요인을 줄여야한다. 태양전지의 효율 손실은 크게 광학적 손실, 전자 정공의 재결합 손실, 저항 성분에 의한 손실로 나눌 수 있는데 광학적 손실을 야기하는 요인의 첫 번째는 태양광의 파장에 따라 실리콘 표면에서 일어나는 반사로 이를 방지하기 위한 방법으로는 표면 조직화와 반사 방지막 형성이 있다. 두 번째는 태양전지 내부로 들어온 빛을 100% 활용하 지 못하는 데에서의 손실이며 마지막은 전면 전극으로 인한 그림자 손실이다.

참고문헌 (8)

S. Wenham and M. Green, ARC Photovoltaics Centre of Excellence University of New South Wales, 2009 Annual Report, p. 76 (2009).
J. Nelson, The Physics of Solar Cells (World Scientific, Singapore, 2003) p. 13-14.
M. M. Hilali, A. Rohatgi, and S. Asher, IEEE Trans. Elec. Dev., 46, 1948 (1999).

상세보기
J. H. Lee, Ph.M. Thesis, p. 29, The University of Incheon, Incheon (2006).
D. L. Meier, E. A. Good, R. A. Garcia, B. L. Bingham, S. Yamanaka, V. Chandrasekaran, and C. Bucher, IEEE Photovolt. Energy Conversion (Hawaii, 2006) p. 1315-1318.
V. A. Chaudhari, Energy Systems Eng. Indian Institute of Technology Bombay, 05417001, 3 (2006).
M. A. Green, Solar Cells - Operating Principles, Technology, and System Applications (Prentice-Hall, Australia, 1992) p. 96-98.
H. B. Serreze, IEEE Photovolt. Spec. (Washington, USA, 1978) p. 1-8.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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