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문제 정의
- 본 연구에서는 스퀴지 각도와 제판과 기판의 간격, 인쇄 압력을 조절하여 웨이퍼 기판 표면에 형성되는 전면전극 형상에 미치는 영향을 분석하고 최적화하였으며, 전극 간격 변화에 따라 효율과의 상관관계를 해석하는데 그 목적이 있다. 스크린 프린팅에서 전극의 종횡비를 결정하는 여러 가지 요인들 중 가장 중요한 변수로는 인쇄 압력임을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 스크린 인쇄 조건에 따라 전극의 종횡비를 개선하여 광의 유효 입사 면적을 증가시킴으로서 변환효율을 향상시키고 전극의 그리드 간격에 따른 효율 변화를 분석하는데 그 목적이 있다.
- 본 연구에서는 스크린 프린팅 공정에서 각각의 인쇄 조건에 따라 전극 형상에 미치는 영향에 대하여 비교 분석하였으며 기판 표면에 페이스트가 적절하게 도포되도록 하여 종횡비 및 인쇄 품질을 최적화하였다. 스크린 프린팅의 공정조건을 최적화한 후 전극 그리드의 간격을 1.
제안 방법
- RTP 공정온도는 430℃까지 초 당 10℃상승 후 목표 온도에 도달하면 12초 동안 온도 유지 과정을 거쳐 최대 상승온도 710℃까지 초 당 30°C 로 상승하도록 하였다.
- 도핑 공정 이후 질화 규소 (silicon nitride) 박막을 PECVD 장비를 이용하여 실리콘 웨이퍼에 증착시켰다. SiH4, NH3, Ar 가스를 이용하여 RF 파워 300 W, 공정압력 380 mtorr, 300℃에서 64초 간 실험을 진행하였다. 반사방지막 증착 이후 전극은 스크린 프린팅 방법을 이용하여 전·후면 전극을 형성한 후 급속 열처리 장비를 이용하여 전·후면 전극을 동시에 열처리하였다.
- 인으로 도핑된 에미터 층은 4-point probe 장비 (AIT, CMT-100MP) 를 이용하여 면저항을 측정하였다. SiNx 박막은 Ellipsometer (Elli-SE-F)로 두께 및 굴절률을 측정하였다. 태양광 시뮬레이터 (Mcscience, Lap-50)를 이용하여 셀의 광 변환 효율을 측정하였다.
- 그 후 스크린 프린팅 공정에서 전극 형상에 가장 중요한 영향을 미치는 변수인 인쇄 압력을 0.6 MPa ∼ 0.3 MPa까지 0.1 MPa 단위로 가변하여 실험하였다.
- 48 Ω⦁cm)을 사용하였다. 기판의 불순물제거를 위한 세정 공정은 아세톤, 메틸알콜, 초순수의 순서로 10분씩 초음파 세척기로 세정을 하였고, HCl 10% 용액으로 금속 불순물 제거와 HF 10% 용액으로 자연 산화막을 제거한 후 초순수로 충분히 헹군 다음 질소로 완전히 건조시켰다. 그 후 표면절삭결함을 80℃로 중탕한 이중 구조의 챔버에서 KOH 2wt%, IPA 7.
- 또한 기존 벨트 소결로에 비해 설비의 유지보수가 간단하며 공정 시간을 크게 단축할 수 있기 때문에 RTP 장비를 사용하여 열처리 공정을 진행하였다. 대기압 상태에서 실험이 진행되었다. 열처리 공정은 전면의 전극과 에미터층의 옴성 접촉을 형성하는 중요한 과정이기 때문에 열처리 조건에 따라 태양전지 셀의 특성이 달라질 수 있는 요인이 된다.
- 본 연구에서 사용한 RTP (rapid thermal processing)는 여러 단계의 열처리 구간을 삽입하여 적용이 가능하기 때문에 전극의 온도별 소성 단계를 잡아주는 번 아웃 공정을 삽입할 수 있고, 진공상태가 가능하다는 장점이 있다. 또한 기존 벨트 소결로에 비해 설비의 유지보수가 간단하며 공정 시간을 크게 단축할 수 있기 때문에 RTP 장비를 사용하여 열처리 공정을 진행하였다. 대기압 상태에서 실험이 진행되었다.
- 반사방지막 증착 이후 전극은 스크린 프린팅 방법을 이용하여 전·후면 전극을 형성한 후 급속 열처리 장비를 이용하여 전·후면 전극을 동시에 열처리하였다.
- 본 연구에서는 도핑 공정 열처리 온도를 824℃, 도핑 공정시간을 56분으로 조절하여 면저항 60 Ω/□를 형성하였다.
- 본 연구에서는 웨이퍼 표면과 전극의 표면장력의 일정한 비교 분석을 위해 표면 텍스쳐링이 적용되지 않은 기본 웨이퍼를 사용하였으며 각 인쇄 조건에 따라 전극의 형상 및 종횡비를 최적화하는데 초점을 두었기 때문에 이후의 공정은 진행하지 않은 상태에서 전극을 형성하였다. 스퀴지의 각도는 각각 10° 단위씩 55°, 65°, 75°로 가변하여 실험하였으며 세 가지 각도중 최적의 조건에서 제판과 기판의 간격을 0.
- 스퀴지 각도 변화 실험 결과에 따라 스퀴지 각도 65°와 제판과 기판의 간격 1.25 mm에서 고정하고 인쇄 압력을 0.6 MPa에서 0.3 MPa까지 0.1 MPa 단위로 가변하여 실험하였으며 인쇄 압력에 따라 종횡비의 변화를 비교 분석하고 최적화하였다.
- 스퀴지 각도 변화 실험에 따라 스퀴지의 각도를 65°, 압력은 0.3 MPa로 고정하고 제판과 기판 간격에 따라 전극 형상에 미치는 영향을 분석하기 위하여 간격 0.5 mm에서 1.75 mm까지 0.25 mm 단위로 가변하여 실험하였다.
- 스퀴지의 각도는 각각 10° 단위씩 55°, 65°, 75°로 가변하여 실험하였으며 세 가지 각도중 최적의 조건에서 제판과 기판의 간격을 0.5 mm ∼ 1.75 mm까지 0.25 mm 단위로 가변하여 실험하였다.
- 스크린 프린팅의 공정조건을 최적화한 후 전극 그리드의 간격을 1.6 mm ∼ 2.0 mm 까지 0.2 mm 단위로 가변하여 실험하였으며 그리드 간격에 따라 효율의 편차를 비교 분석하였다.
- % 용액을 희석하여 30분 간 표면 조직화 공정을 진행하였다. 에미터의 형성은 소결로에서 POCl3 용액을 이용하여 확산 공정을 진행하였다. 도핑 시 불순물의 농도가 너무 높으면 광 생성된 캐리어의 수명이 짧아지고 불순물의 농도가 너무 낮으면 광 생성된 캐리어의 수명은 길어지지만 직렬저항이 높아져 캐리어의 수집에 안 좋은 영향을 미치게 된다.
- 1, diffuse reflectance)으로 반사도를 측정하였다. 인으로 도핑된 에미터 층은 4-point probe 장비 (AIT, CMT-100MP) 를 이용하여 면저항을 측정하였다. SiNx 박막은 Ellipsometer (Elli-SE-F)로 두께 및 굴절률을 측정하였다.
- 전극 간격을 1.6 mm ∼ 2.0 mm까지 0.2 mm 단위로 각각 적용하여 전극을 형성하고 셀을 제작하였을 때 효율과의 상관관계를 해석하고 비교 분석하였다.
- 제판과 기판 간격은 0.5 mm, 압력은 0.3 MPa로 고정하고 스퀴지의 각도는 55°, 65°, 75°로 10°씩 가변하여 실험하였다.
- SiNx 박막은 Ellipsometer (Elli-SE-F)로 두께 및 굴절률을 측정하였다. 태양광 시뮬레이터 (Mcscience, Lap-50)를 이용하여 셀의 광 변환 효율을 측정하였다.
- 표면 피라미드 크기에 따라 전극의 퍼짐 정도를 분석하기 위해 텍스쳐링 공정시간을 20분∼40분까지 10분 단위로 진행하여 표면 피라미드의 크기를 각각 다르게 형성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 2.5 × 2.5 cm2 크기의 Si 기판 (Ptype 1.57-2.48 Ω⦁cm)을 사용하였다.
- 위의 요소들 중 전극 간 간격은 넓을수록 빛의 유효입사 면적이 증가시킬 수 있지만 과도하게 넓어질 경우 전면전극에서 전자의 수집이 원활하지 않아 효율 하락의 원인이 되기 때문에 최적화가 필요하다 [9]. 실험에서 사용된 메쉬는 선폭 70 ㎛, 유제 두께 20 ㎛로 고정하였으며 전극 간 간격만을 가변하여 실험하였다. 전극 간격을 1.
데이터처리
- 텍스쳐링된 시료는 전계방사형 주사 현미경(FE-SEM, JSM-6700)으로 표면 분석하였고, UV-Vis spectrophotometer (SINCO, AA-13.1, diffuse reflectance)으로 반사도를 측정하였다. 인으로 도핑된 에미터 층은 4-point probe 장비 (AIT, CMT-100MP) 를 이용하여 면저항을 측정하였다.
성능/효과
- 후면전극 형성 후 전면에 각각의 제판과 기판 간격을 가변하여 태양전지 셀을 제작한 결과, 아래의 표 2와 같은 태양전지 셀 특성을 얻을 수 있었다. 1.6 mm의 전극 간 간격에서 가장 높은 변환 효율인 개방전압 0.613 V, 전류밀도 37.10 mA/cm2, 충실도 76.77%, 변환효율 17.48%를 얻을 수 있었다. 전극 간 간격이 넓을수록 빛의 입사면적을 증가시킬 수 있는 반면에 셀 면적에서 전극이 차지하는 공간이 줄어들어 shading loss 감소하지만 단락광 전류도 줄어드는 것을 볼 수 있다.
- RTP 공정온도는 430℃까지 초 당 10℃상승 후 목표 온도에 도달하면 12초 동안 온도 유지 과정을 거쳐 최대 상승온도 710℃까지 초 당 30°C 로 상승하도록 하였다. 기판에 가해지는 온도를 모든 샘플에 동일하게 적용하여 열처리 공정을 진행하였으며 전극의 형상과 그리드 간격의 최적화로 보다 높은 변환효율을 얻을 수 있었다. 그림 2에 RTP 공정 온도 변화 프로파일을 나타내었다.
- 전극 간 간격이 증가함에 따라 빛의 입사 면적은 증가시킬 수 있는 반면, 전극 간 간격으로 인한 병렬저항의 증가로 개방전압 및 전류 밀도의 하락을 가져왔다. 따라서 전극 간 간격을 늘려 유효입사 면적을 증가시키는 것도 중요하지만 전극 간 간격을 줄여 병렬저항을 감소시키는 것이 현재 셀 제작에 적용된 각각의 공정 조건에서 조금 더 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 6 MPa의 높은 압력에서는 전극의 높이가 낮아져 종횡비의 감소를 가져왔으며 이는 인쇄 과정에서 유제로 형성된 스크린 마스크 개구부로 페이스트가 토출되면서 압력에 의해 페이스트가 초기 점도를 유지하지 못하기 때문이다. 반대로 0.3 MPa의 낮은 인쇄 압력에서 전극의 형상은 높이가 29.7 ㎛의 가장 우수한 비율의 종횡비의 인쇄 품질을 가진 전극을 형성할 수 있었다. 다음 그림 6은 최종적으로 최적화된 전극을 분석한 3D 이미지와 종횡비를 그래프화한 그림이다.
- 본 연구에서 사용한 RTP (rapid thermal processing)는 여러 단계의 열처리 구간을 삽입하여 적용이 가능하기 때문에 전극의 온도별 소성 단계를 잡아주는 번 아웃 공정을 삽입할 수 있고, 진공상태가 가능하다는 장점이 있다. 또한 기존 벨트 소결로에 비해 설비의 유지보수가 간단하며 공정 시간을 크게 단축할 수 있기 때문에 RTP 장비를 사용하여 열처리 공정을 진행하였다.
- 스크린 프린팅에서 전극의 종횡비를 결정하는 여러 가지 요인들 중 가장 중요한 변수로는 인쇄 압력임을 확인할 수 있었다. 스퀴지각도와 제판과 기판 간격의 가변에서의 결과 값보다 압력변화 실험에서 전극의 형상 변화가 가장 눈에 띄게 나타났으며 끊김현상 없이 더욱 선명한 전극을 형성할 수 있었고, 최종적으로 세 가지 공정변수를 최적화하여 3.6 비율의 종횡비를 얻을 수 있었다. 스크린 프린팅 공정최적화로 형성된 전극을 적용하여 전극 간 간격을 1.
- 스크린 프린팅 공정최적화로 형성된 전극을 적용하여 전극 간 간격을 1.6 mm ∼ 2.0 mm까지 0.2 mm 단위로 각각 태양전지 셀을 제작하였을 때 표 2와 같이 1.6 mm의 전극 간 간격에서 17.48%의 가장 높은 효율을 얻을 수 있었다.
- 실험 결과, 그림 3과 같이 스퀴지 각도 55°에서 형성된 전극의 선폭은 118.25 ㎛, 높이 19.63 ㎛를 보였으며, 65°에서는 선폭 106.77 ㎛, 높이 21.48 ㎛, 75° 에서는 선폭 101.07 ㎛, 높이 24.27 ㎛를 형성할 수 있었다.
- 그림 4는 제판과 기판 간격에 따라 형성된 전극을 광학현미경으로 분석한 사진과 종횡비를 나타내는 그래프이다. 제판과 기판의 간격을 0.5 mm에서 1.75 mm까지 0.25 mm 단위로 가변하여 실험한 결과, 0.5 mm에서 1.75 mm의 공정 조건들 중 1.25 mm에서 전극의 높이는 높지 않았지만 선폭이 약 107 ㎛로 페이스트의 퍼짐이 가장 적었으며 인쇄품질과 전극의 퍼짐현상을 고려할 때 1.25 mm의 간격이 가장 최적의 조건임을 확인할 수 있었다.
- 하지만 페이스트가 스크린 방향으로 전달되는 힘이 낮아지기 때문에 인쇄품질이 저하되었으며 전자의 수집을 하는데 인쇄품질은 중요한 요소가 됨으로 종횡비와 인쇄품질을 고려할 때 65°의 스퀴지 각도에서 가장 최적임을 확인할 수 있었다.
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