[논문]실리콘 태양전지 투명전극용 스크린 프린팅을 이용한 구리 도금 전극 패터닝 형성

김경민; 조영준; 장효식

doi:10.3740/mrsk.2019.29.4.228

실리콘 태양전지 투명전극용 스크린 프린팅을 이용한 구리 도금 전극 패터닝 형성
Formation of Copper Electroplated Electrode Patterning Using Screen Printing for Silicon Solar Cell Transparent Electrode 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.4, 2019년, pp.228 - 232

김경민 (충남대학교 에너지기술과학대학원) , 조영준 (충남대학교 에너지기술과학대학원) , 장효식 (충남대학교 에너지기술과학대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Copper electroplating and electrode patterning using a screen printer are applied instead of lithography for heterostructure with intrinsic thin layer(HIT) silicon solar cells. Samples are patterned on an indium tin oxide(ITO) layer using polymer resist printing. After polymer resist patterning, a Ni seed layer is deposited by sputtering. A Cu electrode is electroplated in a Cu bath consisting of $Cu_2SO_4$ and $H_2SO_4$ at a current density of $10mA/cm^2$. Copper electroplating electrodes using a screen printer are successfully implemented to a line width of about $80{\mu}m$. The contact resistance of the copper electrode is $0.89m{\Omega}{\cdot}cm^2$, measured using the transmission line method(TLM), and the sheet resistance of the copper electrode and ITO are $1{\Omega}/{\square}$ and $40{\Omega}/{\square}$, respectively. In this paper, a screen printer is used to form a solar cell electrode pattern, and a copper electrode is formed by electroplating instead of using a silver electrode to fabricate an efficient solar cell electrode at low cost.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이종 접합 결정질 실리콘 태양전지의 전극 형성 시 비용 절감과 공정 단순화를 위해서 스크린 프린팅을 이용한 전극 패터닝과 구리 전해도금으로 전극을 성공적으로 형성하였다. 폴리머 레지스트를 이용하여 전극 선폭이 100 μm 미만으로 인쇄하였고, 인쇄 시스퀴즈의 높이를 가변 하여 약 80 μm의 패턴 폭을 갖는 패터닝 조건을 확보하였다.

가설 설정

7. (a) Contact resistivity graph of copper electrode measured by TLM(transmission line method) and (b) Sheet resistance of ITO layer before and after copper electroplating.

제안 방법

본 논문에서는 Fig. 1의 (b)와 같이 Ni seed layer와 전해도금을 이용하여 구리 전극을 형성하여 은 전극을 대체하였다. 또한 태양전지의 가격을 낮추기 위해 리소그래피 대신 스크린프린팅을 이용하여 전극 패턴을 형성하였고, 전극의 seed layer로 합금속이 아닌 니켈만 증착하여 공정 단계가 단순하다.
그리고 용액의 pH는 황산으로 조절하였다. 또한 이온이 용액전체에 골고루 퍼져있게 해주기 위해 마그네틱바를 이용하여 교반시켜주었다. Fig.
접착제를 이용한 밀착력 분석 테스트를 통해 도금으로 증착된 구리전극의 접착력을 확인하였다. 또한, TLM(transmission line method) 측정법을 이용하여 finger의 접촉 비저항을 구하였고, 전극으로서의 특성을 확인하였다.⁶⁾
스크린프린터를 이용하여 finger 너비 100 μm 미만인 전극 패턴을 실현시켰고, 전해도금을 이용하여 구리를 증착한 후 투명 전극과 구리 전극 사이의 접촉 비저항 측정을 통해 태양전지 전극으로서의 적용가능성을 평가하였다.
스크린프린팅을 이용하여 패턴을 형성한 후, 황산구리와 황산이 첨가된 도금용액을 사용한 구리전해도금 공정으로 약 5 μm 두께의 구리를 증착시켜 태양전지의 전극을 제작하였다.
2는 태양 전지의 전면 전극 형성 공정 순서이다. 우선 투명 전극인 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO)이 100 nm 증착된 실리콘 웨이퍼 위에 스크린프린터를 이용하여 폴리머 레지스트(polymer resist)로 균일한 전면전극 패턴을 형성하였다. 후에 레지스트를 건조시키기 위해 120 ^oC에서 1분정도 soft-baking 공정을 진행하였다.
웨이퍼에 형성된 전극 패턴의 폭은 광학현미경(optical microscope, OM)으로 확인하였고, 증착된 ITO/Ni/Cu의 두께는 SEM(scanning electron microscope)으로 측정하였다.
후에 레지스트를 건조시키기 위해 120 ^oC에서 1분정도 soft-baking 공정을 진행하였다. 전극의 seed layer층은 저온에서 균일한 두께의 증착이 가능한 스퍼터링 공정 법을 이용하여 ITO층의 손상 없이 Ni 300nm를 증착을 시켰고, 전해도금으로 구리 전극을 형성 하였다. 구리까지 증착 후 마지막으로 레지스트를 아세톤을 이용하여 제거시켜주었다.
웨이퍼에 형성된 전극 패턴의 폭은 광학현미경(optical microscope, OM)으로 확인하였고, 증착된 ITO/Ni/Cu의 두께는 SEM(scanning electron microscope)으로 측정하였다. 접착제를 이용한 밀착력 분석 테스트를 통해 도금으로 증착된 구리전극의 접착력을 확인하였다. 또한, TLM(transmission line method) 측정법을 이용하여 finger의 접촉 비저항을 구하였고, 전극으로서의 특성을 확인하였다.
폴리머 레지스트를 이용하여 전극 선폭이 100 μm 미만으로 인쇄하였고, 인쇄 시스퀴즈의 높이를 가변 하여 약 80 μm의 패턴 폭을 갖는 패터닝 조건을 확보하였다.
우선 투명 전극인 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO)이 100 nm 증착된 실리콘 웨이퍼 위에 스크린프린터를 이용하여 폴리머 레지스트(polymer resist)로 균일한 전면전극 패턴을 형성하였다. 후에 레지스트를 건조시키기 위해 120 ^oC에서 1분정도 soft-baking 공정을 진행하였다. 전극의 seed layer층은 저온에서 균일한 두께의 증착이 가능한 스퍼터링 공정 법을 이용하여 ITO층의 손상 없이 Ni 300nm를 증착을 시켰고, 전해도금으로 구리 전극을 형성 하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 기판은 식각을 하여 피라미드구조를 얻은 p-type의 단결정 실리콘 웨이퍼이다. Fig.

성능/효과

(a) 도금으로 전극 형성 후, 구리 전극과 투명 전극층 사이의 접촉 비저항을 TLM(transmission line method)을 이용하여 측정했을 때 약 0.89 mΩ·cm2의 값이 계산되어졌으며, 1 mΩ·cm2 이하의 낮은 접촉 비저항 값을 확인하여 전면전극으로서 활용 가능성을 확인 하였다.
(a)의 전극 상평면도 광학현미경 이미지를 확인하여 약 70 μm의 구리 전극이 형성 된 것을 확인 할 수 있었다.
Fig. 6(b)는 전극 형성 후 ITO/Ni/Cu 박막의 단면 SEM 이미지이며, 접착제를 이용한 밀착력 테스트를 통해 구리 전극이 기판에서 떨어지지 않아 도금으로 증착된 구리가 기판과의 밀착력이 좋은 것을 확인하였다.
폴리머 레지스트를 이용하여 전극 선폭이 100 μm 미만으로 인쇄하였고, 인쇄 시스퀴즈의 높이를 가변 하여 약 80 μm의 패턴 폭을 갖는 패터닝 조건을 확보하였다. SEM과 광학 현미경 측정을 통해 패턴이 잘 형성됨을 확인하였다. 스크린프린팅을 이용하여 패턴을 형성한 후, 황산구리와 황산이 첨가된 도금용액을 사용한 구리전해도금 공정으로 약 5 μm 두께의 구리를 증착시켜 태양전지의 전극을 제작하였다.
구리 전극과 투명 전극 층 사이의 접촉 비저항은 약 0.89 mΩ·cm2의 값을 나타내었고, 낮은 접촉 비저항 값을 확인하여 전면전극으로서 활용 가능성을 확인 하였다.
7(b)는 4-point probe를 이용하여 구리 도금 전, 후 투명 전극의 면저항을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도금 전의 투명 전극은 약 36 Ω/□으로 측정 되었으며, 구리 증착 후 투명 전극의 면저항 값도 약 36.89 Ω/□ 측정되었다. 산 용액 안에서 진행된 도금 공정으로 인해 투명전극의 면저항이 조금 높아졌으나 값의 차이가 3 %으로 이하로 거의 변하지 않아, 투명전극이 식각이 되었거나 물성이 변화되었다고 보기 어렵다.
반면 레지스트의 두께는 스퀴즈의 높이에 따라 값에 크게 차이가 없음을 확인하였다. 스크린프린터의 스퀴즈 높이에 따른 태양전지에 적용 하고자 하는 전극의 폭이 조절 가능함을 확인하였다.
측정 결과 스퀴즈의 높이 45 μm에서 인쇄 후 finger의 너비는 약 80 μm로 가장 최소 전극 폭이 패터닝 됨을 확인하였고, 높이 40 μm와 35 μm에서 진행 하였을 때는 약 100 μm, 140 μm로 너비가 증가함을 보였다.
패터닝된 레지스 트의 두께가 최소 20 μm 이상으로 다음 공정인 도금 진행 시 레지스트가 제거가 되는 등의 문제가 발생하지 않음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스크린프린터란?	스크린프린터는 인쇄할 금속전극의 패턴이 형성된 마스크 위에 금속 페이스트나 레지스트를 공급하여 스퀴즈(squeeze)로 문질러 전극 패턴을 인쇄하는 장치이다. 스퀴즈는 인쇄될 웨이퍼 위에 레지스트가 통과하도록 힘을 가하는 기구로서 스퀴즈의 높이는 마스크 위에 도포된 레지스트에 압력을 가하는 정도를 의미한다.
	태양전지의 공정비용을 낮추기 위한 방법은?	1의 (b)와 같이 Ni seed layer와 전해도금을 이용하여 구리 전극을 형성하여 은 전극을 대체하였다. 또한 태양전지의 가격을 낮추기 위해 리소그래피 대신 스크 린프린팅을 이용하여 전극 패턴을 형성하였고, 전극의 seed layer로 합금속이 아닌 니켈만 증착하여 공정 단계가 단순하다. 스크린프린터를 이용하여 finger 너비 100 μm 미만인 전극 패턴을 실현시켰고, 전해도금을 이용하여 구리를 증착한 후 투명 전극과 구리 전극 사이의 접촉 비저항 측정을 통해 태양전지 전극으로서의 적용가능성을 평가하였다.
	페이스트로 태양전지의 단점은?	하지만 페이스트로 태양전지의 전극 형성 시 최소 전극의 폭은 100 μm으로 빛을 흡수 시킬 수 있는 표면적이 넓지 않아, 많은 양의 캐리어 수집이 어려워지고 효율 감소로 이어진다. 1,2) 또한 비싼 페이스트의 가격에 비해 접촉저항이 높기 때문에 실리콘 태양전지의 전극 소재와 형성기술에 대한 기술 개발이 활발하게 일어나고 있다.

참고문헌 (6)

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이창준, 신동윤. 태양전지 2 단계 전극형성 공정을 위한 마스크 패턴공정 및 효율에 대한 영향성 연구. 大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, vol.36, no.11, 1135-1140.

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상세보기
Reeves's circular transmission line model and its scope of application to extract specific contact resistance. Solid-state electronics, vol.50, no.5, 843-847.

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Lee, Sang Hee, Lee, Doo Won, Kim, Han Jun, Lee, Ah Reum, Lee, Soo Hong, Lim, Kyoung-jin, Shin, Won-suk. Study of Cu-X alloy seed layer on ITO for copper-plated silicon heterojunction solar cells. Materials science in semiconductor processing, vol.87, 19-23.

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저자의 다른 논문 :

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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