[논문]AgAl 전극 고온 소성 조건 가변에 따른 N-형 결정질 실리콘 태양전지의 접촉 특성 분석

오동현; 정성윤; 전민한; 강지윤; 심경배; 박철민; 김현후; 이준신

doi:10.4313/jkem.2016.29.8.461

AgAl 전극 고온 소성 조건 가변에 따른 N-형 결정질 실리콘 태양전지의 접촉 특성 분석
Analysis of Contact Properties by Varying the Firing Condition of AgAl Electrode for n-type Crystalline Silicon Solar Cell 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.8, 2016년, pp.461 - 465

오동현 (성균관대학교 에너지시스템공학과) , 정성윤 (성균관대학교 정보통신대학) , 전민한 (성균관대학교 정보통신대학) , 강지윤 (성균관대학교 정보통신대학) , 심경배 (성균관대학교 정보통신대학) , 박철민 (성균관대학교 에너지과학과) , 김현후 (두원공과대학교 디스플레이공학과) , 이준신 (성균관대학교 정보통신대학)

Abstract ▼ AI-Helper

n-type silicon shows the better tolerance towards metal impurities with a higher minority carrier lifetime compared to p-type silicon substrate. Due to better lifetime stability as compared to p-type during illumination made the photovoltaic community to switch toward n-type wafers for high efficiency silicon solar cells. We fabricated the front electrode of the n-type solar cell with AgAl paste. The electrodes characteristics of the AgAl paste depend on the contact junction depth that is closely related to the firing temperature. Metal contact depth with p+ emitter, with optimized depth is important as it influence the resistance. In this study, we optimize the firing condition for the effective formation of the metal depth by varying the firing condition. The firing was carried out at temperatures below $670^{\circ}C$ with low contact depth and high contact resistance. It was noted that the contact resistance was reduced with the increase of firing temperature. The contact resistance of $5.99m{\Omega}cm^2$ was shown for the optimum firing temperature of $865^{\circ}C$. Over $900^{\circ}C$, contact junction is bonded to the Si through the emitter, resulting the contact resistance to shunt. we obtained photovoltaic parameter such as fill factor of 76.68%, short-circuit current of $40.2mA/cm^2$, open-circuit voltage of 620 mV and convert efficiency of 19.11%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 80 Ω/□의 고정된 에미터 위에 고온소성 AgAl 페이스트를 인쇄하여 최적의 접촉저항을 얻기 위하여 소성 조건의 영향을 연구하였다. 벨트형 소성로 4개의 영역 온도를 설정하였고, 벨트 속도를 변경하여 소성 과정에서의 최대 온도 상승 속도를 조정하였다.
본 실험에서는 고온 소성 AgAl 페이스트의 최적화된 접촉 비저항(contact resistivity)을 얻기 위하여, 소성 온도와 벨트 속도를 가변하며 소성 프로파일의 최적화 방법과 소성 과정에서 발생하는 substrate과 paste 간의 결합이 소자에 미치는 영향을 연구하였다. 비저항 1 ~ 2 Ωcm, 두께 200 ㎛의 태양전지급 쵸크랄스키법 N-형 실리콘 단결정 웨이퍼를 사용하였다 [6].

제안 방법

본 실험에서는 N-형 실리콘 단결정 웨이퍼 위에 P+ 에미터 80 Ω/□을 도핑 형성하였으며, 소성로의 온도와 벨트 속도의 변화에 따른 AgAl 전극의 접촉 특성을 분석하였다. 소성 온도 변화에 따라, 표면에서는 670℃ 이상에서 AgAl 접촉 형상이 관찰되었다.
이후 수평의 확산형 로에서 확산 도핑 공정을 1,080℃-950℃-850℃-750℃ 단계로 총 20분간 진행하였으며, 80 Ω/□의 에미터 Boron tribromide (BBr₃)를 도핑하였다. 스크린 프린터 (MT-550TV, Microtec)를 사용하여 전면 에미터 위에 전달 길이 분석법 (transmission length method, TLM) 패턴을 인쇄하였으며, 온도 150℃에서 4분간 건 조 공정 및 고온 소성 공정을 거쳐 전극을 형성하였다.

데이터처리

소성 조건 온도와 벨트속도의 변화에 따른 접촉 비저항을 분석하기 위하여 전달 길이 분석법을 이용하여 진행하였다. 소성 조건에 따른 표면 형상의 변화를 관찰하기 위하여 전자주사현미경 (JEOL-7600F,scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 촬영 및 분석하였다.

이론/모형

소성 조건 온도와 벨트속도의 변화에 따른 접촉 비저항을 분석하기 위하여 전달 길이 분석법을 이용하여 진행하였다. 소성 조건에 따른 표면 형상의 변화를 관찰하기 위하여 전자주사현미경 (JEOL-7600F,scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 촬영 및 분석하였다.

성능/효과

소성 온도 변화에 따라, 표면에서는 670℃ 이상에서 AgAl 접촉 형상이 관찰되었다. 865℃에서 glass frit의 적절한 침투로 인하여 Si와 AgAl 간의 최적의 저항 접촉으로 접촉 비저항이 현저히 떨어 지는 것을 확인할 수 있으며, 모든 소성 온도에서 가장 낮은 5.99 mΩcm²이 측정되었다. 일정 이상으로 온도가 상승하면, glass frit이 과하게 침투하여 표면이 손상 되었으며, 접촉 비저항 및 다른 변수에 영향을 미쳤다.
그림 4는 AgAl 페이스트의 최적화된 소성 조건을 적용하여 제작한 실리콘 결정질 태양전지의 Light I-V 측정 결과이며, 단락전류 40.2 mA/cm² , 개방전압 620 mV, 충진율 76.68% 및 효율 19.11%를 확인하였다.
그림 2는 소성 온도의 변화에 따른 접촉 비저항 및 AgAl 전극의 구성 성분의 중량을 나타낸다. 소성 온도가 증가할수록, Ag의 중량이 증가하는 것을 확인할 수 있는데, Si 표면에서의 접촉 면적의 증가 및 고착화 현상으로 인한 것으로 확인되었다
실험 결과를 토대로 고온 소성 AgAl 페이스트의 최적 소성 조건은 150℃의 온도에서 4분간 건조, 545-865-570-400℃의 소성 온도 및 110 IPM의 벨트 속도이며, 단락전류 40.2 mA/cm² , 개방전압 620 mV, 충진율 76.68% 및 효율 19.11% 등 실리콘 결정질 태양전지의 특성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고온소성 AgAl 페이스트의 장단점은?	네 번째 단계는 cooling down으로 Ag와 Pb의 분리가 일어나며, Ag의 재결정화로 인한 전극이 형성된다. AgAl 페이스트는 일반 Ag 페이스트와 달리 Al이 첨가되어 낮은 접촉저항의 전극을 형성할 수 있다는 장점이 있는 반면에 소성 과정에서 deep metal spike로 인하여 에미터가 쉽게 관통된다는 단점이 있다.
	스크린 인쇄법이 다른 공정과 비교했을때 장점은?	최근 실리콘 태양전지에 전극을 형성하기 위하여 가장 광범위하게 이용하는 공정은 크게 스크린 인쇄법 (screen print method)과 소성 공정(firing process) 으로 분류된다 [1-3]. 스크린 인쇄법은 사진 평판술 (photolithography technology), 매립형 접촉술 (buried contact technology), 도금(plating) 및 금속 스퍼터(metal sputter)와는 다르게 공정이 간단하고, 시간을 절약할 수 있으며, 비용이 경제적이다. 그리고 환경에 영향을 거의 주지 않기 때문에 화학폐기물을 줄일 수 있고, 비교적 친환경적인 기법이다 [4].
	고온 소성 페이스트와 저온경화 페이스트 각 각의 용도는?	페이스트는 크게 고온 소성 페이스트와 저온경화 페이스트로 분류할 수 있으며, 각각 결정질 태양전지와 실리콘 이종접합 (SHJ) 태양전지의 전극을 형성하기 위해 사용한다. 일반적으로 Ag 고온 소성 페이스트의 경우 총 4개의 소성단계를 분류할 수 있다.

참고문헌 (14)

D. L. Batzer, K. Hanton, A. Li, and A. Cuevas, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 807-810 (2006).
P. K. Basu, A. Khanna, and Z. Hameiri, Renewable Energy, 78, 590-598 (2015). [DOI: http://dx.doirg/10.1016/j.renene.2015.01.058]

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A. Khanna, P. K. Basu, A. Filipovic, V. Shanmugan, C. Schmiga, A. G. Aberle, and T. Mueller, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 132, 589-596 (2015).

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M. M. Hilali, IEEE Trans. Elec. Dev., 51, 948-955 (2004). [DOI: http://dx.doirg/10.1109/TED.2004.828280]

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M. A. Green, A. W. Blakers, J. Shi, E. M. Keller, and S. R. Wenham, IEEE Trans. Elec. Dev., ED-31, 679-683 (1984). [DOI: http://dx.doirg/10.1109/T-ED.1984.21589]
T. Kwon, S. Kim, D. Kyung, W. Jung, S. Kim, Y, Lee, Y. Kim, K. Jang, S. Jung, M. Shin, and J. Yi, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 94, 823-829 (2010). [DOI: http://dx.doirg/10.1016/j.solmat.2009.12.032]

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J. Hoornstra, A. van der Heide, J. Bultman, and A. Weeber, Proc. of the Conference PV, 276-279 (2002).
D. L. Batzner, K. Hanton, A. Li, and A. Cuevas, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 807-810 (2006).
S. Riegel, F. Mutter, T. Lauermann, B. Terheiden, and G. Hahn, Energy Procedia, 21, 14-23 (2012). [DOI: http://dx.doirg/10.1016/j.egypro.2012.05.003]

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F. Recart, I. Freire, L. Perez, R. Lago-Aurrekoetxea, J.C. Jimeno, and G. Bueno, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 91, 897-902 (2007). [DOI: http://dx.doirg/10.1016/j.solmat.2007.02.005]

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S. Seyemohammad, E. Graddy, and A. Shaikh, Photovoltaic Specialists Conference, 3600-3603 (2010).
S. Fritz, M. Konlg, S. Riegel, A. Heguth, M. Hoerteis, and G. Hahn, IEEE Jorunal of Photovoltaics, 5, 145-151 (2015). [DOI: http://dx.doirg/10.1109/JPHOTOV.2014.2364117]

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S. Fritz, M. Konlg, S. Riegel, A. Heguth, M. Hoerteis, and G. Hahn, 5th Metallization Workshop, 67, 43-48 (2015).
E. Lohmuller, S. Werner, R. Hoenlg, J. Greullch, and F. Clement, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 142, 2-11 (2015). [DOI: http://dx.doirg/10.1016/j.solmat.2015.04.039]

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