[논문]스크류 펌프 디스펜싱 인쇄를 이용한 결정질 실리콘 태양전지 전면전극 제작에 대한 연구

정혜욱; 신동윤

doi:10.3795/ksme-b.2017.41.5.365

스크류 펌프 디스펜싱 인쇄를 이용한 결정질 실리콘 태양전지 전면전극 제작에 대한 연구
Study on Front Side Metallization of Crystalline Silicon Solar Cells Using a Screw Pumped Dispenser 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.5 = no.380, 2017년, pp.365 - 372

정혜욱 (부경대학교 인쇄공학과) , 신동윤 (부경대학교 인쇄공학과)

초록
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결정질 실리콘 태양전지의 전면전극은 수광면적을 극대화하면서도 전기적 저항을 최소화하기 위하여 미세하면서도 높은 종횡비로 형성되어야 한다. 기존의 전면전극 형성공정은 스크린 인쇄가 이용되었으나, 스크린 제판 개구부의 선폭보다 인쇄된 전극의 선폭이 1.3~2.2 배 넓게 형성되는 문제 때문에 $40{\mu}m$ 급 미만의 미세전극을 형성하기 위해서는 스크린 제판의 개구부는 $30{\mu}m$ 이하여야 한다. 그러나, 개구부가 미세화될수록 인쇄압력의 증가, 실버 페이스트 전이 불량률 상승 및 메쉬 마크로 인한 전극의 전기적 저항 상승과 같은 문제들이 발생한다. 본 연구에서는 스크린 인쇄를 대체하기 위한 차세대 인쇄방식으로서 스크류 펌프방식의 디스펜싱 인쇄를 소개하고, 기존 인쇄방식과 차별화되는 점들에 대해 논의하도록 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Finger electrodes on a crystalline silicon solar cell are required to be constructed as narrow and thick as possible in order to minimize shading losses and electrical resistance. The most common means to construct high-aspect ratio finger electrodes has been screen-printing, but it has difficulty achieving fine finger electrodes because the as-printed finger width is generally wider by 1.3-2.2 times the screen opening width. Consequently, it requires an extremely small screen opening (below $30{\mu}m$) in order to achieve a finger width below $40{\mu}m$. However, the use of such a small screen opening could result in various problems, such as high printing pressure, defective transport of silver paste, and high electrical resistance due to unfavorable mesh marks left on the finger electrodes. In this study, dispensing printing with a screw pump is introduced as an alternative to conventional screen-printing and its unique traits in the front side metallization of crystalline silicon solar cells is discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 시간 당 2,400장 이상의 태양전지를 처리할 수 있는 저비용의 공정으로 형성될 수 있어야만 한다. 본 논문은 스크류 펌프를 이용한 디스펜싱 인쇄에 대한 소개 및 이를 이용하여 태양전지 기판 전면부에 미세 핑거전극을 형성한 연구결과에 대해 논의하도록 한다.
지금까지 결정질 실리콘 태양전지의 차세대 인쇄방식으로서 스크류 펌프 방식의 디스펜싱 인쇄에 대하여 소개하였다. 스크린이나 스텐실 인쇄방식으로 고종횡비의 핑거전극을 형성하기 위해서는 높은 항력응력을 가진 고점도의 실버 페이스트를 목표 핑거전극 선폭보다 더 미세한 개구부로 통과시켜야 하는데, 개구부가 미세화될수록 실버 페이스트의 전이 불량률이 높아진다는 문제점이 있다.

제안 방법

30 rpm의 스크류 회전 속도에서 41 μm의 핑거전극 선폭을 형성할 수 있었으나, 100 mm/s의 인쇄 속도에 비해 실버 페이스트의 토출속도가 너무 낮은 경우 인쇄불량의 발생빈도가 증가하기 때문에 40rpm 이상의 스크류 회전속도를 사용하여 태양전지를 제작하였다.
태양전지의 제작은 Fig. 3에 보인 바와 같이, 반사방지막(SiNx)이 형성되어 있는 단결정 실리콘 웨이퍼(156 mm×156 mm, 공칭 이미터 면저항 80 Ω/square)의 후면에 스크린 인쇄기(Tiger SYK1DF-MTV, Daeyoung High Tech Co., Ltd., Republic of Korea)를 이용하여 알루미늄 페이스트로 후면전극을 인쇄한 후, 180℃의 핫 플레이트(DHSL.HP2020300, DHSL Korea Co., Ltd., Republic of Korea)에서 7분간 건조하였다.
핑거전극의 선폭은 5배율 실체현미경(JSZ-7XT, Samwon Scientific Ind. Co., Ltd., Republic of Korea)으로 측정되었으며, 실버 페이스트의 점도는 25도에서 레오미터(Haake Mars Rheometer, Thermo Fisher Scientific Inc., Germany)를 이용하여 측정되었다. 핑거전극의 접촉 비저항 및 단위 길이 당 저항 값은 소스 미터(Model 2401, Keithley Instruments, Inc.
, Germany)를 이용하여 측정되었다. 핑거전극의 접촉 비저항 및 단위 길이 당 저항 값은 소스 미터(Model 2401, Keithley Instruments, Inc., USA)와 프로브 스테이션(MST 4000A, MS Tech Co., Ltd., Republic of Korea)를 이용하여 측정되었으며,^(5,6) 태양전지의 셀 효율은 한국에너지기술연구원 태양광연구실에서 보유한 전류-전압 테스트 시스템(K3000, McScience, Inc., Republic of Korea)으로 측정되었다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 스크류 펌프 디스펜싱 시스템은 Fig. 2에 보인 바와 같이 x, y 및 z의 3축 이송이 가능한 벡터 로봇(EzROBO-5 GX ST2520, Iwashita Engineering, Inc., Japan)과 스크류 펌핑 모터(AMD3-CEC-YD 100 W, ESER Corp., USA)가 장착된 디스펜서로 구성되어 있다. 벡터 로봇의 x, y및 z축 최대 이송거리는 각각 250 mm, 200 mm 및 70 mm이며, 최대 이송속도는 300 mm/s이다.
스크류 펌프 방식의 디스펜싱 인쇄를 이용하여 Fig. 1과 같은 태양전지 샘플들을 제작하였으며, Fig. 4의 소성 프로파일을 이용하여 소성하였다. 핑거전극의 전기적 특성을 측정한 결과 선저항은 0.

성능/효과

(1) 가장 많은 온실가스를 배출하는 발전사업에서 석탄화력 발전방식의 비중이 80%인 점을 감안하였을 때, 향후 탈석탄화가 필수 불가결할 것이며, 이로 인해 신재생에너지 발전사업에 대한 수요가 더욱 높아질 것으로 예상된다.⁽¹⁾
(2) 실제로 지난 2년 간 태양전지 효율의 증가에도 불구하고 비용이 20% 정도 감소함으로써⁽³⁾ 페루($48/MWh), 멕시코($35.5/MWh), 두바이($29.9/MWh)와 같은 일부 지역의 경우 태양광 발전단가가 석탄화력 발전단가($40~80/MWh)보다 더 저렴해지기 시작하였다.⁽⁴⁾
태양전지 기술발전 로드맵에 따르면 전면전극의 선폭은 2009년 120 μm에서 2015년 50 μm, 그리고 2026년에는 25 μm까지 감소할 것으로 예상된다.⁽³⁾ 전면전극은 선폭의 미세화 외에도 직렬저항의 감소를 위해 고종횡비가 요구된다. 또한, 시간 당 2,400장 이상의 태양전지를 처리할 수 있는 저비용의 공정으로 형성될 수 있어야만 한다.
본 연구에서 사용된 스크류 펌프 방식의 디스펜싱 인쇄방식이 기존 공압방식의 디스펜싱 인쇄방식과 차별화되는 주요한 특징은 Fig. 7에 보인 바와 같이 카트리지 내부에 장착된 스크류의 기계적 회전을 통해 항복응력 이상의 외력을 실버 페이스트에 직접 가할 수 있을 뿐만 아니라, 스크류의 회전속도를 제어함으로써 카트리지 내부 벽면과 스크류의 벽면 사이에서 발생하는 전단 변형률을 능동적으로 제어할 수 있으며, 이를 통해 실버 페이스트의 점도를 원하는 정도로 낮출 수 있다는 점이다. 시린지 배럴에 담긴 실버 페이스트를 Fig.
핑거전극의 전기적 특성을 측정한 결과 선저항은 0.341 ± 0.006 Ω/cm, 접촉 비저항은 0.220 ± 0.172mΩ·cm2였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전방식의 장점과 단점은 무엇인가?	파력, 조력, 지열 및 풍력과 같은 신재생에너지 방식들은 입지조건과 같은 환경적 영향을 강하게 받기 때문에, 상대적으로 환경적 영향을 덜 받는 태양광 발전방식이 주목을 받고 있다. 태양광 발전방식은 도심발전이 가능하다는 장점이 있으나, 일사량이 상대적으로 낮은 고위도 지역의 경우 태양광 발전의 경제성이 낮은 편이라서 정부의 정책적 지원이 없이 자생하기 힘들었다.
	벌크 타입 결정질 실리콘 태양전지의 전면부에 형성된 전극은 어떠한 것으로 구성되어 있는가?	1은 벌크 타입 결정질 실리콘 태양전지의 전면부에 형성된 전극의 구성을 보여주고 있다. 전면전극은 태양전지의 이미터층으로부터 전자를 수집하는 핑거전극(finger electrodes)과, 다수의 핑거전극과 태양광 모듈의 메탈 리본을 접합시켜주기 위한 버스바(busbar)로 구성되어 있다.
	파력, 조력, 지열 및 풍력과 같은 신재생에너지 방식 보다 태양광 발전방식이 주목을 받는 이유는 무엇인가?	파력, 조력, 지열 및 풍력과 같은 신재생에너지 방식들은 입지조건과 같은 환경적 영향을 강하게 받기 때문에, 상대적으로 환경적 영향을 덜 받는 태양광 발전방식이 주목을 받고 있다. 태양광 발전방식은 도심발전이 가능하다는 장점이 있으나, 일사량이 상대적으로 낮은 고위도 지역의 경우 태양광 발전의 경제성이 낮은 편이라서 정부의 정책적 지원이 없이 자생하기 힘들었다.

참고문헌 (23)

Seo, T.-J., 2016, "Changes that the Paris Climate Convention will Bring," Korea Investment & Securities, Co., Ltd.
Kang, J.-H., 2016, "Prospects and Issues of the World Renewable Energy Industries in 2016," KEXIM Overseas Research Institute.
SEMI PV Group 2016, International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV.net), Results 2015,
Kang, J.-H., 2016, "Photovoltaic Industry Trends in the 1st Quarter of 2016," KEXIM Overseas Research Institute.
Shin, D.-Y. and Kim, Y.-R., 2014, "Comparison of Contact Resistivity Measurements of Silver Paste for a Silicon Solar Cell Using TLM and CTLM," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 6, pp. 539-545.

원문보기 상세보기
Shin, D.-Y., Yoo, S.-S. and Seo, J.-Y., 2015, "Uncertainty Analysis in Contact Resistivity Measurements of Crystalline Silicon Solar Cells," Int. J. Precis. Eng. Manuf.-Green Tech., Vol. 2, No. 3, pp. 237-244.

상세보기
Shanmugam, V., Wong, J., Peters, I. M., Cunnusamy, J., Zahn, M., Zhou, A., Yang, R., Chen, X., Aberle, A. G. and Mueller, T., 2015, "Analysis of Fine-Line Screen and Stencil-Printed Metal Contacts for Silicon Wafer Solar Cells," IEEE J. Photovolt., Vol. 5, No. 2, pp. 525-533.

상세보기
Mette, A., Richter, P. L., Horteis, M. and Glunz, S. W., 2007, "Metal Aerosol Jet Printing for Solar Cell Metallization," Prog. Photovoltaics, Vol. 15, No. 7, pp. 621-627.

상세보기
Horteis, M. and Glunz, S. W., 2008, "Fine Line Printed Silicon Solar Cells Exceeding 20% Efficiency," Prog. Photovoltaics, Vol. 16, No. 7, pp. 555-560.

상세보기
Mahajan, A., Frisbie, C. D. and Francis, L. F., 2013, "Optimization of Aerosol Jet Printing for High-Resolution, High-Aspect Ratio Silver Lines," ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 5, No. 11, pp. 4856-4864.

상세보기
Shin, D.-Y., 2010, "Fabrication of an Inkjet-printed Seed Pattern with Silver Nanoparticulate Ink on a Textured Silicon Solar Cell Wafer," J. Micromech. Microeng., Vol. 20, p. 125003.

상세보기
Shin, D.-Y., 2011, "Investigation of Laser-induced Damage to a Surface Energy Patterned Solar Cell Wafer for the Formation of an Inkjet-printed Seed Pattern," J. Ceram. Process. Res., Vol. 12, No. 2, pp. s114-s117.
Shin, D.-Y., Cha, Y.-K., Ryu, H.-H. and Kim, S.-H., 2012, "Impact of Effective Volume Ratio of a Dispersant to Silver Nano-particles on Silicon Solar Cell Efficiency in Direct Ink-jet Metallization," J. Micromech. Microeng., Vol. 22, No. 11, p. 115007.

상세보기
Shin, D.-Y., Seo, J.-Y., Tak, H. and Byun, D., 2015, "Bimodally Dispersed Silver Paste for the Metallization of a Crystalline Silicon Solar Cell using Electrohydrodynamic Jet Printing," Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 136, pp. 148-156.

상세보기
Shin, D.-Y., Yoo, S.-S., Song, H.-E., Tak, H. and Byun, D., 2015, "Electrostatic-Force-Assisted Dispensing Printing to Construct High-Aspect-Ratio of 0.79 Electrodes on a Textured Surface with Improved Adhesion and Contact Resistivity," Sci. Rep., Vol. 5, p. 16704.

상세보기
Kim, S. Y., Kim, S. J., Jee, S. S., Park, J. M., Park, K. H., Park, S. C., Cho, E. A., Lee, J. H., Song, I. Y., Lee, S. M., Han, I. T., Lim, K. R., Kim, W. T., Park, J. C., Eckert, J., Kim, D. H. and Lee, E.-S., 2013, "Capillary Flow of Amorphous Metal for High Performance Electrode," Sci. Rep., Vol. 3, p. 2185.

상세보기
Fields, J. D., Ahmad, M. I., Pool, V. L., Yu, J., Van Campen, D. G., Parilla, P. A., Toney, M. F. and van Hest, M. F., 2016, "The Formation Mechanism for Printed Silver-contacts for Silicon Solar Cells," Nat. Commun., Vol. 7, p. 11143.

상세보기
Kalio, A., Richter, A., Horteis, M. and Glunz, S. W., 2011, "Metallization of n-type Silicon Solar Cells using Fine Line Printing Techniques," Energy Procedia, Vol. 8, pp. 571-576.

상세보기
Cimiotti, G., Bartsch, J., Kraft, A., Mondon, A. and Glatthaar, M., 2015, "Design Rules for Solar Cells with Plated Metallization," Energy Procedia, Vol. 67, pp. 84-92.

상세보기
Lee, C.-J. and Shin, D.-Y., 2012, "Mask Patterning for Two-Step Metallization Processes of a Solar Cell and Its Impact on Solar Cell Efficiency," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, No. 11, pp. 1135-1140.

원문보기 상세보기
Beutel, M., Lewis, A., Prondzinski, M., Selbmann, F., Richter, P., Bamberg, F., Raschtschepkin, P., Krause, A., Koch, C., Hentsche, M., Stegemann, K.-H., Schneiderlochner, E. and Neuhaus, H., 2014, "Fine Line Metallization by Coextrusion Technology for Next Generation Solar Cells," Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 131, pp. 64-71.

상세보기
Pospischil, M., Klawitter, M., Kuchler, M., Specht, J., Gentischer, H., Efinger, R., Kroner, C., Luegmair, M., Konig, M., Horteis, M., Mohr, C., Wende, L., Lossen, J., WeiB, M., Doll, O., Koehler, I., Zengerle, R., Clement, F. and Biro, D., 2013, "Process Development for a High-Throughput Fine Line Metallization Approach Based on Dispensing Technology," Energy Procedia, Vol. 43, pp. 111-116.

상세보기
Pospischil, M., Klawitter, M., Kuchler, M., Jahn, M., Efinger, R., Schwarz, R., Wende, L., Konig, M., Clement, F. and Biro, D., 2016, "High Speed Dispensing with Novel 6" Print Head," Energy Procedia, Vol. 98, pp. 61-65.

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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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