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문제 정의
- 7) 또한 여러 그룹에 의해서 알루미늄 후면 전계를 에미터로 사용하는 이른바 Al rear emitter cell 에 대한 연구도 이루어져 왔다.8-10) 본 연구에서는 스크린 프린트 법에 의해 형성된 알루미늄 후면 전극 및 후면전극의 소성시 분위기에 따른 형성과 그 특성에 대해 알아보았다.
제안 방법
- 태양전지의 후면에 실리콘 태양전지용 알루미늄 페이스트를 스크린 프린트 법으로 인쇄한 후 인쇄된 태양전지를 RTP를 이용하여 소성했다. RTP의 분위기를 각 산소, 질소, Air로 달리하며 변화를 관찰 하였다. 후면 전계의 관찰을 위해 알루미늄 후면 전극이 소성된 웨이퍼를 HF, HNO3, CH3COOH 용액에 약 10초간 담근 후 SEM을 관찰 하였으며 태양전지 효율의 분석을 위해 전면 페시베이션을 실시 한 후 Suns-Voc를 측정하였다.
- 후면 전계의 관찰을 위해 알루미늄 후면 전극이 소성된 웨이퍼를 HF, HNO3, CH3COOH 용액에 약 10초간 담근 후 SEM을 관찰 하였으며 태양전지 효율의 분석을 위해 전면 페시베이션을 실시 한 후 Suns-Voc를 측정하였다. Suns-Voc 측정을 위해 전면 패시베이션 된 웨이퍼에 태양전지용 알루미늄 페이스트를 스크린 프린트 한 다음 소성을 세개의 분위기에서 각 600, 640, 680, 720, 760 ℃로 소성하였다. 태양전지의 효율을 예측하기 위해 세가지의 소성 공정과 온도를 거친 태양전지의 양자효율을 측정하고 장파장의 특성을 분석하여 back surface recombination velocity(BSRV)를 추출하였다.
- 후면 전계의 형성에 있어 분위기가 태양전지의 효율에 어떠한 영향을 미치는지를 확인할 수 있다.소성 peak의 온도를 600, 640, 680, 720, 760 ℃로 나누고 이를 분위기 별로 측정하였다. 질소 분위기의 경우 그래프에 나타난 바와 같이 720 ℃가 되어야 SunsVoc 값이 다른 온도와 비슷해 졌다.
- 후면 전계의 형성은 온도가 올라감에 따라 크고 균일하게 형성 되었다. 질소 분위기의 경우 일반적으로 후면전계를 형성하는 온도에서도 후면전계가 균일하게 형성되지 못하였으며, 특히 낮은 온도의 경우 알루미늄 분말의 충분한 접합이 일어나지 못해 금속전극이 쉽게 떨어져 나가는 현상을 관찰했다. 질소 분위기, 낮은 온도 공정에서는 알루미늄 분말사이에 sintering이 견고하지 못한 것으로 이해할 수 있으며 기판과의 접촉에서도 알루미늄과 실리콘 사이의 충분한 inter-diffusion이 일어나지 못했다는 것을 의미한다.
- 태양전지의 효율을 예측하기 위해 세가지의 소성 공정과 온도를 거친 태양전지의 양자효율을 측정하고 장파장의 특성을 분석하여 back surface recombination velocity(BSRV)를 추출하였다. 추출된 BSRV를 이용하여 PC1D에서 전면을 포함한 다른 부분의 태양전지 특성을 기존의 표준 효율로 대체하여 시뮬레이션 하였다. 후면 전극이 충분히 소성되지 않아 접합이 안정하지 않은 태양전지의 경우 따로 Thermal evaporation을 통해 Al 전극을 생성하였다.
- Suns-Voc 측정을 위해 전면 패시베이션 된 웨이퍼에 태양전지용 알루미늄 페이스트를 스크린 프린트 한 다음 소성을 세개의 분위기에서 각 600, 640, 680, 720, 760 ℃로 소성하였다. 태양전지의 효율을 예측하기 위해 세가지의 소성 공정과 온도를 거친 태양전지의 양자효율을 측정하고 장파장의 특성을 분석하여 back surface recombination velocity(BSRV)를 추출하였다. 추출된 BSRV를 이용하여 PC1D에서 전면을 포함한 다른 부분의 태양전지 특성을 기존의 표준 효율로 대체하여 시뮬레이션 하였다.
- 태양전지의 후면에 전극을 분위기를 바꾸어 가며 소성했을 때의 변화를 관찰하기 위해 다른 공정은 동일하게 시행하였다. 태양전지의 후면에 실리콘 태양전지용 알루미늄 페이스트를 스크린 프린트 법으로 인쇄한 후 인쇄된 태양전지를 RTP를 이용하여 소성했다. RTP의 분위기를 각 산소, 질소, Air로 달리하며 변화를 관찰 하였다.
- 후면 전극의 소성 분위기와 온도에 따라 형성된 후면 전계가 태양전지 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 각 조건별로 태양전지를 제작하고 이를 토대로 효율 시뮬레이션을 시행하였다. 효율 시뮬레이션은 후면 전계형성 조건이 전면 특성에 영향을 미치지 않게 하기 위해 제작된 태양전지의 효율을 바로 측정하지 않고 PC1D 시뮬레이션을 통해 효율을 관찰하였으며, 후면 전계를 제외한 다른 부분의 조건은 동일하게 유지하였다. 공정조건에 따른 후면 전계의 특성은 제작된 태양전지의 양자효율의 장파장 부분을 PC1D fitting을 통해 후면 재결합속도로 나타내었다.
- RTP의 분위기를 각 산소, 질소, Air로 달리하며 변화를 관찰 하였다. 후면 전계의 관찰을 위해 알루미늄 후면 전극이 소성된 웨이퍼를 HF, HNO3, CH3COOH 용액에 약 10초간 담근 후 SEM을 관찰 하였으며 태양전지 효율의 분석을 위해 전면 페시베이션을 실시 한 후 Suns-Voc를 측정하였다. Suns-Voc 측정을 위해 전면 패시베이션 된 웨이퍼에 태양전지용 알루미늄 페이스트를 스크린 프린트 한 다음 소성을 세개의 분위기에서 각 600, 640, 680, 720, 760 ℃로 소성하였다.
- 따라서 산소분위기에서 소성을 하는 것이 태양전지의 효율 측면이나 공정상의 측면에서 바람직한 방법임을 알 수 있다. 후면 전극의 소성 분위기와 온도에 따라 형성된 후면 전계가 태양전지 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 각 조건별로 태양전지를 제작하고 이를 토대로 효율 시뮬레이션을 시행하였다. 효율 시뮬레이션은 후면 전계형성 조건이 전면 특성에 영향을 미치지 않게 하기 위해 제작된 태양전지의 효율을 바로 측정하지 않고 PC1D 시뮬레이션을 통해 효율을 관찰하였으며, 후면 전계를 제외한 다른 부분의 조건은 동일하게 유지하였다.
대상 데이터
- Cz법을 통해 성장된 1-3 Ω·cm 비저항의, 보론이 도핑된 p-type (100) 실리콘 기판을 이용하여 태양전지를 제작했다.
성능/효과
- 5) 이러한 후면 전계의 특성 측정방법은 여러가지가 있는데 후면재결합 속도의 측정이나, quasi-steady-state photoconductance(QSSPC)를 통한 포화전류의 측정방법이 대표적인다.6) 알루미늄 페이스트를 통한 후면 전극 및 후면 전계의 형성시 알루미늄 후면 전계는 패시베이션 역할을 잘 수행해야 하며 높은 후면 반사정도와 공정상의 넓은 processing 온도 범위를 가져야 한다. 알루미늄 후면 전극 및 후면 전계는 고효율 p-type 태양전지에서 아주 중요한데 Narasimha 는 rapid thermal processing(RTP) 를 이용하여 형성 된 후면 전계의 균일함이 태양전지 특성에 미치는 영향을 연구한 바 있다.
- 또한, 질소 분위기에서는 후면 전계의 형성에 충분한 온도가 전달 되었음에도 불구하고 후면 전계가 균일하게 형성되지 못했는데 이는 후면 재결합속도를 증가시키는 원인으로 작용하게 된다. Air 분위기에서는 낮은 온도에서도 후면 전계가 형성되기는 하였으나 후면 전계 형상의 균일도가 산소분위기에 비해서 좋지 않은 결과를 보였다. 높은 온도의 경우 산소 분위기와 air 분위기에서 후면 전계가 잘 형성이 되었으며 산소 분위기에서 좀 더 균일한 후면전계가 형성 되었다.
- Suns-Voc 데이터를 통해 분위기에 따른 태양전지 전압 특성을 관찰 하였으며 산소 분위기의 경우는 다른 공정 조건에 비해 효과적인 후면 전계를 형성함을 알 수 있었다. PC1D 시뮬레이션을 통해 후면 재결합 속도와 효율과의 관계를 도출 할 수 있었으며 분위기와 온도에 따라 제작된 태양전지의 효율 특성을 도출 할 수 있었다. 산소 분위기의 경우 같은 온도에서 19.
- 산소분위기의 경우 일반적인 소성 온도보다 낮은 경우에도 후면 전계가 형성 됨을 알 수 있었으며 이는 유기 바인더의 효과적인 burn-out이 일어났다는 것을 의미한다. Suns-Voc 데이터를 통해 분위기에 따른 태양전지 전압 특성을 관찰 하였으며 산소 분위기의 경우는 다른 공정 조건에 비해 효과적인 후면 전계를 형성함을 알 수 있었다. PC1D 시뮬레이션을 통해 후면 재결합 속도와 효율과의 관계를 도출 할 수 있었으며 분위기와 온도에 따라 제작된 태양전지의 효율 특성을 도출 할 수 있었다.
- 4는 공정 조건에 따른 후면전계의 영향을 효율과 후면 재결합속도의 그래프로 나타낸 것이다. 산소 조건에 가까울 수록 후면 전계가 더욱 균일하고 두껍게 형성됨을 알 수 있었으며 효율 또한 높게 나타났다. 산소분위기의 태양 전지는 시뮬레이션 결과 약 19.
- 그러나 산소분위기에서도 680 ℃에 이르러야만 높은 Suns-Voc 값을 나타내는 후면 전계가 형성이 되었다. 산소분위기의 경우 다른 분위기에 비해 낮은 온도에서도 Suns-Voc 값이 높았으며 더 빨리 후면전계가 효과적으로 생성 되었다. 이는 앞서 논의한 바와 같이 효과적인 유기 바인더의 burn-out이 일어났음을 의미한다.
- 유기 바인더의 경우 random scission과 side reaction 그리고 side group elimination등과 같은 burn-out이 효과적으로 일어나야 하는데 산소의 경우 이러한 burn-out을 좀 더 효과적으로 일어나게 하는 촉매 역할을 한다는 것을 알 수 있었다. 산소분위기의 경우 일반적인 소성 온도보다 낮은 경우에도 후면 전계가 형성 됨을 알 수 있었으며 이는 유기 바인더의 효과적인 burn-out이 일어났다는 것을 의미한다. Suns-Voc 데이터를 통해 분위기에 따른 태양전지 전압 특성을 관찰 하였으며 산소 분위기의 경우는 다른 공정 조건에 비해 효과적인 후면 전계를 형성함을 알 수 있었다.
- 산소 조건에 가까울 수록 후면 전계가 더욱 균일하고 두껍게 형성됨을 알 수 있었으며 효율 또한 높게 나타났다. 산소분위기의 태양 전지는 시뮬레이션 결과 약 19.1 %의 효율을 나타내었다. 후면 전계의 형성 정도에 따라 후면 재결합 속도가 달라졌는데 질소 분위기의 경우 후면 전계가 형성되지 않았으며, 효율 또한 낮게 나타났음을 알 수 있다.
- Air 분위기의 경우 질소 분위기와 비교하여 600 ℃에서도 Suns-Voc가 더 높은 것을 알 수 있는데 이는 후면 전계가 어느정도 형성 되었음을 나타낸다. 온도가 올라갈 수록 Suns-Voc 값은 증가하였고 680 ℃에 이르러서는 후면 전계가 균일하고 깊이가 충분하여 높은 Suns-Voc 값이 나타났다. 산소 분위기의 경우는 질소 분위기와 air 분위기에 비해 600 ℃ 의 낮은 온도에서도 가장 높은 Suns-Voc 값을 보였으며 이는 후면 전계가 가장 효과적으로 형성되었음을 알려준다.
- 1 %의 가장 높은 효율을 기록하였다. 유기바인더의 burn-out은 태양전지 효율에 영향을 미친다는 사실을 알 수 있었으며 산소분위기의 경우가 후면 전극 소성 공정에 가장 적합하다는 결론을 도출 할 수 있었다.
- 높은 온도의 경우 산소 분위기와 air 분위기에서 후면 전계가 잘 형성이 되었으며 산소 분위기에서 좀 더 균일한 후면전계가 형성 되었다. 특히 산소 분위기의 경우 더욱 낮은 온도에서도 후면 전계가 형성되는 것을 관찰하였는데 이를 통해 산소가 후면 전계의 형성에서 중요한 역할을 한다고 판단 할 수 있었다. 후면 전계의 형성의 경우 태양전지용 페이스트와 실리콘 기판사이의 상호작용에 의해서 일어나게 되는데 소성공정 중에 산소가 유기바인더를 효과적으로 burn-out 시키는 것으로 사료된다.
- PC1D 시뮬레이션에는 알루미늄 전극의 저항이 고려되었다. 후면 재결합 속도가 소성 공정 중 분위기에 따라 달라짐을 알 수 있었으며 이에 따라 효율 또한 달라짐을 확인할 수 있었다.
- 1 %의 효율을 나타내었다. 후면 전계의 형성 정도에 따라 후면 재결합 속도가 달라졌는데 질소 분위기의 경우 후면 전계가 형성되지 않았으며, 효율 또한 낮게 나타났음을 알 수 있다. PC1D 시뮬레이션에는 알루미늄 전극의 저항이 고려되었다.
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