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문제 정의
- 본 논문에서는 원형 접촉 비저항 측정법과 선형 접촉 비저항 측정법을 소개하고, 각 측정법의 장점과 단점을 비교하도록 하며, 태양전지 전면 전극의 접촉 비저항을 측정할 때 나타나는 현상들에 대해 논의하도록 한다.
- 본 연구에서는 태양전지 상부에 형성된 실버 전극들 간의 저항값들을 측정함으로써 접촉 비저항을 측정하는 방법인 원형 접촉 비저항 측정법과 선형 접촉 비저항 측정법을 비교하고, 실버 전극의 선폭 및 두께가 접촉 비저항에 미치는 요인에 대하여 논의하였다.
제안 방법
- 급속 소성을 위한 소성 프로파일은 대략 소성 시작 후 7.5 초에 상온에서 467 °C 에 도달하도록 하였으며, 이후 500 °C 까지 21.5 초에 걸쳐 완만히 온도를 상승시킴으로써 실버 입자들과 글라스 프릿을 제외한 실버 페이스트의 구성성분들이 열분해 되어 제거되도록 한다.
- 급속 열처리기를 이용하여 20 mm ×20 mm 크기의 샘플들을 균일하게 소성하기 위하여, 샘플과 동일한 재질인 태양전지 웨이퍼를 가공하여 샘플 홀더를 제작하였으며, 열전대가 샘플 홀더의 하부면에 직접 접촉하도록 함으로써 소성온도가 정확하게 피드백 제어될 수 있도록 하였다.
- 가 낮게 측정되는 문제가 있기 때문에, 메사 에칭 등의 부가적인 반도체 공정을 통해 누설 전류를 차단하여야 한다. 본 연구에서는 메사 에칭 대신 선형 접촉 비저항 측정 샘플의 양 끝단을 절단하여 누설전류를 차단하였다. 반면, 원형 접촉 비저항 측정을 위한 샘플은 동심원 형태의 외부 실버 전극과 내부 실버 전극 패턴을 이용함으로써 전류가 누설될 여지가 원천적으로 존재하지 않기 때문에, 선형 접촉 비저항 측정용 샘플에서와 같이 누설 전류를 차단하기 위한 메사 에칭 혹은 절단 등과 같은 부가적인 공정이 필요하지 않다는 장점이 있다.
- 원형 접촉 비저항 측정을 위한 저항값들을 측정할 경우에는 프로브 스테이션에 설치된 4 개의 프로브 중 2 개를 전류 하이 및 전압 하이로 지정하여 동심원의 내부 혹은 외부에 연결하고, 나머지 프로브 2 개는 전류 로우 및 전압 로우로 지정하여 동심원의 반대측 전극에 연결하였다. 선형 접촉 비저항 측정을 위한 저항값들을 측정할 경우에는 Fig. 4 에 보인 바와 같이 프로브 2 개를 전류 하이 및 로우로 지정하여 샘플의 첫 번째 및 마지막 실버 전극에 연결하였으며, 프로브 1 개를 전압 하이로 지정하여 첫 번째 실버 전극에 연결하였다. 마지막 프로브는 전압 로우로 지정하여 두 번째 실버 전극부터 마지막 전극까지 하나씩 하나씩 옮겨가며 저항값들을 측정하도록 한다.
- 소성 균일도 문제를 해결한 후, 원형 접촉 비저항 측정을 위한 샘플 3 개를 소성하고 저항값들을 측정하였다. 원형 접촉 비저항 샘플로부터 측정된 저항값들을 Rt, 동심원의 내부전극과 외부전극의 반경을 각각 r1 과 r2, 트랜스퍼 길이를 Lt, In 과 Kn 을 각각 제 1 종 및 2 종 변형 베셀 함수라고 하였을 때, 식 (1)에 대입함으로써 면저항 Rs 와 Lt 를 오리진의 비선형 커브 핏팅(curve fitting) 기능을 이용하여 구할 수 있으며, 식 (2)를 이용하여 접촉 비저항 ρc를 계산할 수 있다.
- 실버 전극 간의 저항값들은 프로브 스테이션(MST 4000A, 엠에스테크㈜)과 소스 미터(Model 2401, Keithley Instruments, Inc., USA)를 이용하여 측정하였다. 원형 접촉 비저항 측정을 위한 저항값들을 측정할 경우에는 프로브 스테이션에 설치된 4 개의 프로브 중 2 개를 전류 하이 및 전압 하이로 지정하여 동심원의 내부 혹은 외부에 연결하고, 나머지 프로브 2 개는 전류 로우 및 전압 로우로 지정하여 동심원의 반대측 전극에 연결하였다.
- 실버 전극의 폭은 광학현미경(JSZ-7XT, 삼원과학산업㈜)을 이용하여 측정하였으며, 원형 접촉 비저항 측정법으로 측정한 저항값들은 오리진랩사의 오리진을 이용하여 접촉 비저항을 계산하였고, 선형 접촉 비저항 측정법으로 측정한 저항값들은 마이크로소프트사의 엑셀을 이용하여 접촉 비저항을 계산하였다.
- 실험에 사용된 스크린 인쇄용 실버 페이스트는 상업적 용도로 개발된 것과 실험을 위해 자체 개발한 것을 사용하였다. 실험을 위해 자체 개발한 실버 페이스트의 주요 구성성분은 실버 입자들 (HP-0702, D50=0.
- 원형 및 선형 접촉 비저항을 측정하기 위한 전극 패턴을 인쇄한 후, 150 °C 로 설정된 가열기(DHSL.HP2020300, 대한과학㈜)에서 10 분간 건조 시켰으며, 건조된 샘플들은 Fig. 3 에 보인 바와 같이 급속 열처리기(AccuThermo AW 610, Allwin21 Corp., USA)를 이용하여 소성하였다.
- 원형 접촉 비저항 측정을 위한 전극 패턴은 5개의 동심원으로 구성되는데, 외부 원형전극의 반경 r2 는 2.5 mm 로 고정하고, 내부 원형전극의 반경 r1 을 변화시켜, 외부와 내부 원형전극의 간극을 0.3 mm 에서 1.5 mm 까지 0.3 mm 씩 변화시켰다.
- 선형 접촉 비저항 측정용 샘플들로부터 계측된 저항값들이 원형 접촉 비저항 측정용 샘플들로부터 계측된 저항값들보다 추세 추종성이 좋으며 상대적으로 편차가 적다는 장점이 있으나, 절대적인 편차는 아직 크다는 문제점이 발견되었다. 이에 대한 요인을 분석하기 위해 태양전지 전면 전극용 상용 실버 페이스트를 BCA 와 혼합하지 않은 것(고점도), 실버 페이스트와 BCA 를 10:1 의 비율로 혼합한 것(중점도), 그리고 4:1 의 비율로 혼합한 것(저점도)으로 나누어 선형 접촉 비저항 측정용 샘플들을 재제작하여 저항값들을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 8 에 도시하였다. 고점도의 실버 페이스트는 점도계로 측정할 수 있는 점도 측정범위를 넘어서기 때문에 제조사의 측정값을 이용하였다.
- 조제된 실버 페이스트는 스페츌라를 이용하여 대략적으로 혼합을 한 후에, 3 롤 밀(EXAKT 50, EXAKT Technologies, Inc., Germany)을 이용하여 수 차례 반복하여 수 분간 분쇄 및 분산을 하였다. 이때, 3 롤 밀의 피드 롤과 센터 롤의 간극은 20µm, 센터 롤과 에이프론 롤의 간극은 10 µm 로 설정하였으며, 에이프론 롤을 통해 나오는 페이스트의 색상이 균질하다고 판단될 때까지 작업을 반복하였다.
대상 데이터
- 선형 접촉 비저항 측정을 위한 전극패턴은 2 mm 간격으로 길이가 W 이고 선폭이 d 인 선형 실버 전극을 인쇄한 형태이다.
- , USA)이다. 실버 입자들 및 글라스 프릿의 분산을 보조하고 점도를 조절함과 동시에 실버 페이스트의 건조 시 도막 균열을 방지하기 위해 유기 바인더를 첨가하는데, 본 연구에는 에틸 셀룰로스(CAS No. 9004-57-3, Sigma-Aldrich Corp., USA)를 유기 바인더로 사용하였다. 실버 입자와 글라스 프릿을 분산하기 위해 고분자 계열의 분산제(Zephrym PD 2246 SF, Croda International Plc.
- , USA)를 유기 바인더로 사용하였다. 실버 입자와 글라스 프릿을 분산하기 위해 고분자 계열의 분산제(Zephrym PD 2246 SF, Croda International Plc., UK)를 사용하였으며, 용제로는 butyl carbitol acetate (BCA) (2-(2-butoxyethoxy) ethyl acetate, CAS No. 124-17-4, 삼전화학㈜)와 xylene(o-xylene, CAS No. 95-47-6, SK 케미칼㈜)을 7:3 으로 혼합하여 사용하였다.
- 실험을 위해 자체 개발한 실버 페이스트의 주요 구성성분은 실버 입자들 (HP-0702, D50=0.13~0.35 µm, 희성금속㈜)과 글라스프릿(V0981, D50=1.06 µm, Ceradyne, Inc., USA)이다.
- 접촉 비저항 측정을 위한 샘플은 KPE(주)에서 공급받은 단결정 실리콘 태양전지 웨이퍼를 20 mm × 20 mm 로 절단하여 사용하였으며, 원형 접촉 비저항과 선형 접촉 비저항 측정을 위한 전극 패턴은 Fig. 2 에 보인 바와 같이 실버 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성하였다.
성능/효과
- 따라서, 선형 접촉 비저항 측정법은 실버 전극의 인쇄 결과, 즉 실버 전극의 선폭과 두께에 따른 접촉 비저항 영향을 정확하게 저항값에 반영하기 때문에 태양전지 전면 전극과는 상이한 동심원 형태의 전극들을 이용하여 접촉 비저항을 계산하는 원형 접촉 비저항 측정법보다 정확한 접촉 비저항 측정이 가능함을 알 수 있었다.
- 선형 접촉 비저항 측정용 샘플들로부터 측정된 저항값들은 원형 접촉 비저항 측정용 샘플들로부터 측정된 저항값들에 비해 강한 추세 경향성을 나타내기 때문에 관련 수식들을 이용하여 접촉 비저항을 용이하게 계산할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 같은 20 mm × 20 mm 크기의 원형 접촉 비저항 측정용 샘플은 동심원 형태의 전극 패턴을 배치할 수 있는 공간적 제약이 있기 때문에 5 개의 저항값들만을 측정할 수 있는데 반해, 선형 접촉 비저항 측정용 샘플에서는 최대 9 개까지 저항값들을 측정할 수 있다는 장점이 있다.
후속연구
- 그러나, 선형 접촉 비저항 측정용 샘플은 태양전지 전면 전극의 일부를 절단함으로써 직접 태양전지로부터 샘플을 취득할수 있는데 반하여, 원형 접촉 비저항 측정용 샘플은 태양전지 전면 전극과는 전혀 다른 형태, 즉 동심원 형태의 실버 전극들을 이용하기 때문에 태양전지로부터 샘플을 직접 취득할 수 없고, 별도로 샘플 작업을 하여야 한다. 따라서, 원형 접촉 비저항 측정용 샘플의 저항값들로 계산한 접촉 비저항이 실제 태양전지의 실버 전극들의 특성을 정확히 반영할 수 있는가에 대한 검증이 요구된다.
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