[논문]결정질 실리콘 태양전지 전면전극 형성기술 개발 동향

조성빈; 김희수; 허주열

결정질 실리콘 태양전지 전면전극 형성기술 개발 동향 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.1 no.2, 2015년, pp.15 - 27

조성빈 (고려대학교 신소재공학부) , 김희수 (고려대학교 신소재공학부) , 허주열 (고려대학교 신소재공학부)

초록
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현재 태양전지 시장의 80% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지에서 전면전극(front-side metallization)은 태양전지의 효율과 제조단가에 크게 영향을 미치는 주요 인자이다. 태양전지의 발전단가를 낮추기 위해 결정질 실리콘 태양전지의 기술개발이 고효율화와 동시에 제조단가를 절감하는 방향으로 진행되는 추이에 따라 전면전극 제조기술에서도 소재 및 공정단가의 절감과 고성능 전극 형성을 위한 새로운 소재 및 공정 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 본 논문에서는 현재 상용 결정질 실리콘 태양전지 제조에서 95% 이상으로 가장 널리 적용되고 있는 Ag 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 전극을 중심으로 전면전극 제조기술의 현황 및 향후 전망에 대해 논하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

^[2] 이는 Ag 페이스트와 인쇄용 스크린 mesh의 개발이 지속됨에 따라 직렬저항의 큰 증가 없이 전극의 선폭을 50 μm까지 감소시키는 것이 가능하고 또한 고온소성 공정시에 일어나는 계면반응에 대한 이해가 증진되면서 높은 면저항(R_sh>100 Ω/sq)의 에미터 Si에 낮은 접촉저항을 갖는 Ag 페이스트가 개발되고 있기 때문이다. 본론에서는 상용 결정질 실리콘 태양전지의 전면전극 형성기술에 대한 현황과 향후 전망에 대해 보다 구체적으로 기술하고자 한다.

가설 설정

본 모델에서는 소성 분위기 중의 산소분압에 따라 반응(1)을 통해 용융 glass 내로 용해되는 Ag⁺이온의 양에 차이가 생길 것이다. 따라서 소성 시 산소분압이 높다면 (2)와 (3)의 반응속도가 증가할 것을 예상 할 수 있다.

제안 방법

표 1에서는 fire-through 전극의 형성 시 사용되는 여러 인쇄 방법을 설명하기에 앞서 각각의 인쇄 방법에 따른 전극 제조의 장․ 단점을 비교하였다.

성능/효과

6%의 변환효율을 달성하였다.^[3] 그러나 현재 양산형 결정질 실리콘 태양전지의 대부분을 차지하는 평면형 p-n 접합과 BSF를 갖는 기본구조(그림 1)의 태양전지는 18~19% 양산 효율에 머무르고 있는 상황이며 초고효율 태양전지와는 큰 차이가 있다. 현재의 상용 실리콘 태양전지는 대부분 p형 실리콘 웨이퍼에 기반한 태양전지이다(그림 1a).
따라서 소성 시 산소분압이 높다면 (2)와 (3)의 반응속도가 증가할 것을 예상 할 수 있다. 즉, 소성 공정 분위기 중 산소분압이 Ag 결정립 형성에 매우 중요한 역할을 함을 알 수 있으며 이는 상용 Ag 페이스트로 산소분압을 증가시킬수록 Ag 결정립이 많이 생성되는 것으로 확인할 수 있다(그림 12).

후속연구

결정질 실리콘 태양전지의 전면전극 기술의 향후 전망을 종합해보면 향후 10년간은 여전히 Ag 페이스트에 기반한 스크린 인쇄 전극이 60% 이상의 높은 점유율을 가질 것으로 예상된다. 이는 페이스트와 인쇄용 스크린의 개발이 지속됨에 따라 직렬저항의 큰 증가 없이 전극 선폭과 Ag 사용량을 감소시키는 것이 가능하고 또한 고온소성 공정시 일어나는 전극형성 반응에 대한 이해가 증진되면서 고면저항 에미터 Si에 낮은 접촉저항을 갖는 Ag 페이스트와 소성공정 기술이 개발되고 있기 때문이다.
고면저항 에미터의 경우 스크린 인쇄법을 통한 전극형성이 어렵다고 알려져 있으나 현재까지의 전극형성에 대한 연구와 이해를 바탕으로 100 Ω/sq의 면저항에도 selective emitter 없이 양질의 전극형성이 스크린 인쇄법을 통해 가능하며 향후 120 Ω/sq의 고면저항 에미터까지 양산형으로 적용될 것으로 예상된다.
이는 전극 선폭을 감소시킴으로써 가능하며 현재 페이스트의 제조 기술과 스크린 기술의 발달로 직렬저항의 큰 증가 없이 선폭을 50 ㎛까지 감소시키는 것이 가능하다. 그리고 향후 약 25 ㎛까지 감소할 것으로 예상되며, 그에 따라 shading loss 또한 감소할 것으로 기대된다.
앞으로 스크린 인쇄를 대체할 여러 인쇄 방법 중 스텐실 인쇄가 가장 많이 스크린 인쇄를 대체할 수 있을 것으로 예상되며 현재 30 ㎛의 opening을 가진 스텐실 인쇄가 가능하다.
그러나 향후 도금 전극의 비율이 점차 늘어나 2025년에는 전면전극의 약 20%를 점할 것으로 예상된다. 특히 Ni/Cu 도금 전극의 경우 저렴한 소재단가와 박형(<100 ㎛) 실리콘 태양전지에 양질의 미세선폭 전극을 구현할 수 있기 때문에 향후 양산화 적용을 위한 연구 개발이 활발히 진행될 것으로 예상된다.
하지만 태양전지의 고효율화를 위해서는 좁은 선폭과 높은 종횡비를 가지는 양질의 전극 형성이 요구됨으로 인해 ITRPV의 보고서에 따르면 향후 스크린 인쇄법을 이용한 전극형성 기술의 비중이 점차 줄어들고 대신 스텐실 인쇄법, 도금, 비접촉식 인쇄법을 이용한 전극 형성 기술의 비중이 증가할 것으로 예상되고 있다(그림 2). 하지만 미세선폭 인쇄가 가능하면서 높은 종횡비 인쇄가 가능한 금속 페이스트의 개발과 스크린의 발전으로 향후에도 여전히 스크린 인쇄 전극이 가장 많이 사용되는 전면전극 형성 기술이 될 것으로 예상된다.
향후 n형 태양전지의 시장 점유율이 점차 증가할 전망이지만 전극형성 기구에 대한 이해는 p형 태양전지에 비해 미흡한 상황이다. 기존의 Ag 페이스트를 스크린 프린팅 인쇄법을 이용하여 p⁺ 에미터에 전극을 형성할 경우 50 mΩcm²이상의 높은 접촉저항이 얻어지며 이는 5 mΩcm²이하의 접촉저항을 가지는 n⁺에미터의 경우보다 매우 높다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ag 페이스트를 이용한 스크린 인쇄 전극이 지닌 문제점을 해결하기 위한 대안은 무엇이 있는가?	Ag 페이스트를 이용한 스크린 인쇄 전극이 지닌 문제점을 해결하기 위한 대안으로써 최근 Ni/Cu 도금 전극, 비접촉 인쇄 전극, 인쇄법과 도금을 혼합한 하이브리드 전극 등 다양한 전면전극 형성 방법이 주목 받고 있다. 그러나 2014년 독일에서 개최된 ‘5th Workshop on Metallization’의 참가한 산학연 연구자들을 대상으로 한 설문조사에 따르면 향후 10년간은 상용 결정질 실리콘 태양전지에서 Ag페이스트를 사용한 스크린 인쇄전극이 60% 이상을 점할 것으로 예상하고 있다.
	현재 상용 결정질 실리콘 태양전지의 95% 이상은 어떤 공정을 통해 제조되고 있는가?	현재 태양전지 시장은 80% 이상이 결정질(단결정 혹은 다결정) 실리콘에 기반한 태양전지가 차지하고 있으며, 상용 결정질 실리콘 태양전지의 95% 이상은 전면전극(front-side metallization)을 Ag 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 후 고온소성 공정을 통해 제조되고 있다. 스크린 인쇄법에 의한 전극 제조기술은 1970년대에 처음 실리콘 태양전지에 적용된 이후 공정의 단순성과 자동화를 통한 높은 생산성(throughput)으로 인해 현재까지 독점적 지위를 유지하고 있다.
	전면전극 제조기술에서도 저비용 고효율 전극 형성을 위한 새로운 소재 및 공정 개발이 요구되는 이유는 무엇인가?	태양전지의 발전단가를 낮추기 위한 결정질 실리콘 태양전지의 고효율화와 제조단가 절감에 대한 기술개발이 지속적으로 진행됨에 따라 전면전극 제조기술에서도 저비용 고효율 전극 형성을 위한 새로운 소재 및 공정 개발이 요구되고 있다. 이는 결정질 실리콘 태양전지의 효율과 제조단가에 미치는 전면전극의 영향이 매우 높기 때문이다. 태양전지의 고효율화를 위해서는 전극의 선폭을 감소시켜 shading loss를 줄임과 동시에 전극의 접촉저항과 선저항을 감소시킴으로써 fill factor(FF)를 높이는 것이 필요하며, 태양전지의 제조단가를 절감하기 위해서는 현재 제조단가에서 약 40%를 차지하는 Ag 페이스트의 사용량을 줄이는 것이 필요하다.

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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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