[논문]실리콘 고분자 수지의 버클링을 통한 스틸기반 태양전지의 효율 향상

박영준; 오경석

doi:10.9713/kcer.2019.57.4.519

실리콘 고분자 수지의 버클링을 통한 스틸기반 태양전지의 효율 향상
Buckling Formation on Steel-Based Solar Cell Induced by Silicone Resin Coat and Its Improvement on Performance Efficiency 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.4, 2019년, pp.519 - 524

박영준 (포스코 광양연구소 표면처리 연구그룹) , 오경석 (인하공업전문대학 화공환경과)

초록
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스테인리스 스틸을 사용한 태양전지는 효율성이 낮지만, 패시배이션을 방지하는 목적의 추가적인 막을 설치하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 스테인리스 스틸을 기반으로 하는 a-Si:H 박막 태양전지 제조에 고분자 재료인 실리콘 수지를 도입하였다. 실리콘 수지의 사용 목적은 스틸표면의 평탄화와 전기 절연성을 도입하는 것이다. 초기 공정에서, 스테일리스 스틸의 표면에 실리콘 수지를 스핀코팅을 통해 $2{\sim}3{\mu}m$ 두께로 코팅하였다. 이후 증착법을 이용하여 알루미늄 박막 코팅을 시도하였다. 알루미늄 증착시, 마이크로미터 크기의 실리콘 수지 표면위에 버클링이 형성되었다. 형성된 실리콘 수지 위로 반도체층 도입 등 추가적인 박막 공정을 실시하였으며, 박막층에 유지된 버클링은 광산란 효과를 증가시켜 태양전지의 효율 향상으로 연계되었음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Even though stainless steel foil is not a highly efficient material for film-type solar cell, it has strong passivation capability without additional process. In this study, silicone resin was employed during a-Si:H thin film solar cell fabrication for the purpose of planarization and electrical insulation. In the first stage of process, silicone resin was coat onto the stainless steel (STS) using spin coater with thickness of $2{\sim}3{\mu}m$ and followed by aluminum deposition using ion beam application. Unexpectedly buckling was formed during aluminum deposition process. After subsequent fabrication processes, solar cell performance was evaluated. In voltage-current data, slight increase of cell performance was obtained and interpreted by the increase of light scattering.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Exemplary structure of solar cell fabricated on stainless steel substrate.
표 Table 1. Characteristics of Silres REN60, silicone resin [5]
그림 Fig. 3. Conceptual diagram of current solar cell fabrications. It should be noted that the comparison of solar cells were the material substitution of oxides buffer layer by silicone resin in this study. (a) Planarization by sol-gel method, (b) Planarization by silicone resin application.
그림 Fig. 2. Surface image of SST-430. Horizontal lines as well as deep scratches were observed, which is typical in case of flatrolled product.
그림 Fig. 4. Surface images of silicone resin coated STS-430 observed by (a) optical microscope and (b) scanning electron microscope.
그림 Fig. 6. Cross-sectional images of buckled solar cell taken by SEM.
그림 Fig. 5. FM image of the surface of silicone resin fabricated.
그림 Fig. 7. Performance (current-voltage) data of silicone resin coated solar cell. Efficiency is recorded to 5.99%.
표 Table 2. Performance data of solar cell fabricated with silicone resin

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 STS 기판의 평탄화와 절연효과를 기대하며, 고내 열성 실리콘수지를 STS에 코팅을 시도하였다. 여기서 언급된 실리 콘수지는 고분자 소재이며, 무기물인 실리콘 기판과는 관련이 없다[5].
6% 향상되었다[3]. 본 연구는 이전에 발표되었던 STS 기판을 이용한 태양전지 제조공정 중 에칭공정을 보완하려는 목적도 가지고 있다. 에칭공정의 단점으로는 산폐수 발생과 연속공정시 진공상태 유지의 어려움을들 수 있다.
99% 향상된 결과를 나타내었다. 본 연구를 통해, STS 기판을 사용한 태양전지 제조공정에서 고분자 소재인 실리콘 수지를 활용한 공정도 고려될 가능성을 제시하였다. 한편, STS 기판 박막형 태양전지의 상업화를 위해서는 추가적인 박막형 태양전지의 강도를 향상시키려는 연구도 함께 진행해야 할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 STS 기판을 사용하여 박막형 태양전지를 제조하는 방법을 소개하였다. STS의 경우, 제조공정의 특수성으로 인하여 표면이 고르지 못하다는 단점을 가지고 있다.

제안 방법

버클링은 실리콘 수지로 인해서 발생된다. STS-340 표면에 실리콘 수지를 스핀 코팅 한 후 이어서 아닐링(annealing)을 수행하였다. 아닐링 조건은 200℃에서 3분 열처리 후, 상온으로 6분간 냉각하였다.
3(a)는 이전 논문에서 sol-gel 법을 활용한 박막제조를 나타내었다[3]. Sol-Gel 박막은 STS-430 기판 표면의 깊게파인 부분을 보완하기 위한 일종의 평탄화 방안으로 SiO₂를 STS 위에 박막형태로 제조하였다. 그리고 SiO₂위에 Al를 이온빔을 활용하여 박막을 입혔다.
7 에서는V-I 측정에서 curve 형태가 전형적인 형태로 나타내었다. Table 2에서 정리한 내용은, 기존에 STS 기판을 이용한 태양전지에 졸겔법을 이용한 평탄화 공정과 산처리를 통한 에칭공정을 사용한 경우의 태양전지 효능을 비교한 값을 함께 제시하였다. 앞서 언급하였듯 TCO 표면에 텍스처링이 포함되지 않은 경우와 비교하였을 때, 졸겔법과 에칭공정을 통한 텍스처링 결과는 5.
ZnO:Ga 투명전극 박막은 600~1200nm 두께로 형성되었으며, 가시광선 투과율은 90% 이상, 비저항값은 2×10-4 Ωcm 이상을 나타내도록 조절하였다.
실리콘 수지의 물성에 대해서 Table 1 에 제시하였다[5]. 계속하여 절연층 위에 금속산화층, 금속전극 물질, 투명전극 물질을 증착한 후 열처리 및 압력을 가하여 금속전극과 투명전극을 제조하였다. 선택된 실리콘 수지는 a-Si 태양전지 공정 온도인 200~250 ℃에서도 열분해 되지 않는 조건을 고려하여 선정하였다.
박막의 두께 측정은 SEM을 통해서 확인하였다. 표면 분석을 위해서는 광학현미경(OLYMPUS DSX510), 주사전자 현미경(SEM, scanning electron microscopy, PHILIPS/FEI SIRION-400), 그리고 원자간력 현미경(AFM, atomic force microscopy, MultiMode Scanning Probe Microscope)을 사용하였다.
결국 실리콘 수지의 코팅을 통해서 STS 기판의 평탄화 및 절연 효과와 함께 마이크로 크기의 버클링까지 함께 구현되었다. 버클링 효과에 대해서는 기존에 발표된 졸겔법으로 절연코팅 된 태양전자와 비교하여 태양전지 성능을 비교하였다.
STS 기판을 이용하여 태양전지를 구성할 경우, 일반적으로 거친 표면의 평탄화 작업과 함께 STS가 가진 전기전도성을 차단하는 절연체를 코팅한다. 본 연구에서는 절연성 고분자소재인 실리콘 수지를 STS 기판위에 스핀코팅을 통해 박막형태로 도입하였다. 이후 실리콘 수지층 위로 알루미늄 증착, TCO 박막, 그리고 반도체 박막, 그리고 TCO 박막 등의 공정을 거쳐 태양전지를 제조 하였다.
본 연구에서는 절연성 고분자소재인 실리콘 수지를 STS 기판위에 스핀코팅을 통해 박막형태로 도입하였다. 이후 실리콘 수지층 위로 알루미늄 증착, TCO 박막, 그리고 반도체 박막, 그리고 TCO 박막 등의 공정을 거쳐 태양전지를 제조 하였다. 특이하게도, 코팅된 실리콘 수지위에 알루미늄 증착시 실리콘 수지의 도입으로 인한 버클링이 형성되었다.
)을 사용하였다. 인공 태양광원 상에서 박막 태양 전지의 광상태에 따른 I-V 특성을 측정하기 위하여 소스미터(Keithley 2400 SourceMeter, Tektronix, Inc.)와 PC를 연동하여 Voc(개방전압), Jsc(단락전류밀도), 그리고 FF(fill factor, 채움인자)를 측정하였다. 이런 특성 요소들은 전류밀도-전압 곡선에서 정의된다.
그리고 ZnO:Ga 투명 전극층을 1200 nm 두께로 형성하였다. 추가적으로, 질산을 사용하여 텍스처링을 시도하였다.
표면 분석을 위해서는 광학현미경(OLYMPUS DSX510), 주사전자 현미경(SEM, scanning electron microscopy, PHILIPS/FEI SIRION-400), 그리고 원자간력 현미경(AFM, atomic force microscopy, MultiMode Scanning Probe Microscope)을 사용하였다. 태양전지 성능은 제논램프(Xenon lamp)와 air-mass 필터를 이용한 solar simulation (XEC-301S, SANEI Electric Co. Ltd.)을 사용하였다. 인공 태양광원 상에서 박막 태양 전지의 광상태에 따른 I-V 특성을 측정하기 위하여 소스미터(Keithley 2400 SourceMeter, Tektronix, Inc.

대상 데이터

투명전극은 RF-Magnetron sputtering (Road-locked chamber) 증착법으로 Ga₂O₃가 3~8 wt.% 포함된 ZnO 다결정 타겟을 사용하였다. ZnO:Ga 투명전극 박막은 600~1200nm 두께로 형성되었으며, 가시광선 투과율은 90% 이상, 비저항값은 2×10^-4 Ωcm 이상을 나타내도록 조절하였다.
비교를 위한 산처리 에칭공정에는 STS-430 위에 졸겔법(Sol-Gel method)을 이용하여 SiO₂ -Al₂O₃ 박막을 형성시켰다[3]. Ag 금속전극층을 300 nm 두께로 형성하였다. 그리고 ZnO:Ga 투명 전극층을 1200 nm 두께로 형성하였다.
STS 포일(foil)은 포스코에서 생산하는 127 μm 두께의 전극용 스틸(STS-430, POSCO solar grade)을 사용하였다[3].
3(b)에서는 STS-430 기판위에 SiO₂ 대신 절연성 고분자 재료인 실리콘 수지를 사용한 공정을 나타내었다. STS-430 기판위에 첫 번째 층에 실리콘 수지를 입히고, 두 번째 층에 이온빔을 이용하여 알루미늄 박막을 제조하였다. 이때, 버클링이 형성된다.
STS-430 위에 내열성 고분자 소재인 실리콘 수지(Wacker, Silres® REN60)를 코팅하여 절연층을 형성하였다[5].
본 실험에서는 2~3 μm의 실리콘 수지가 코팅되었으며, 마이크로 범위의 높이와 파장을 가진 버클링이 형성되었다.
박막형 태양전지는 2세대 태양전지로 분류된다. 본 연구에서는 스테인레스 스틸(STS) 기판을 사용하여 박막형 태양전지를 제조하였다. STS 기판은 STS 제조공정상 표면이 거칠게 만들어지는 특성을 가지고 있다.
계속하여 절연층 위에 금속산화층, 금속전극 물질, 투명전극 물질을 증착한 후 열처리 및 압력을 가하여 금속전극과 투명전극을 제조하였다. 선택된 실리콘 수지는 a-Si 태양전지 공정 온도인 200~250 ℃에서도 열분해 되지 않는 조건을 고려하여 선정하였다. STS-430 재질의 조도(surface roughness, Ra)치는 2~3 μm이며, 실리콘 수지의 두께가 3~10 μm로 제조되기 위하여 슬롯다이코팅(slot die coating) 장비를 사용하였다.
5 nm/s 이하로 조절하였다. 이후 Ga이 도핑된 ZnO (ZnO:Ga)이 TCO 및 back reflector로 사용되었다. 투명전극은 RF-Magnetron sputtering (Road-locked chamber) 증착법으로 Ga₂O₃가 3~8 wt.

이론/모형

실리콘 수지 코팅 후 100~150 ℃에서 건조하였다. 비교를 위한 산처리 에칭공정에는 STS-430 위에 졸겔법(Sol-Gel method)을 이용하여 SiO₂ -Al₂O₃ 박막을 형성시켰다[3]. Ag 금속전극층을 300 nm 두께로 형성하였다.
또한 STS는 높은 전기전도도로 인하여 절연 코팅도 필요하다. 절연층을 만드는 방법으로는 금속산화물의 박막을 형성하는 졸겔법(sol-gel method)이 시도되었었다[3]. 졸겔법으로 코팅한 이후 전극과 투명전극을 적층한 후 최종에는 산용액 (acid)을 이용한 에칭공정이 진행되었다.
박막의 두께 측정은 SEM을 통해서 확인하였다. 표면 분석을 위해서는 광학현미경(OLYMPUS DSX510), 주사전자 현미경(SEM, scanning electron microscopy, PHILIPS/FEI SIRION-400), 그리고 원자간력 현미경(AFM, atomic force microscopy, MultiMode Scanning Probe Microscope)을 사용하였다. 태양전지 성능은 제논램프(Xenon lamp)와 air-mass 필터를 이용한 solar simulation (XEC-301S, SANEI Electric Co.

성능/효과

이후 식각공정은 생략되었다. 결과적으로 sol-gel법으로 제조한 경우와 유사한 텍스처링 효과가 진행된 결과를 얻게 된 것을 나타내었다.
6를통해서, 실리콘 수지 층이 STS-430과 층분리는 일어나지는 않았음을 알 수 있었다. 또한, 버클링이 일어난 곡면을 따라서 순차적으로 형성된 박막들이 고르게 층을 이루고 있음을 알 수 있었다. 박막형 태양전지의 박막층 중 TCO에는 ZnO:Ga이 사용되었다[10,11].
버클링이 구현된 표면은 연속된 반도체 박막 코팅에서도 버클링 형태가 유지되었다. 이전에 보고되었던 STS 기반 태양전지 표면의 인위적인 텍스처링 효과를 위하여 산처리 공정을 도입했던 결과와 비교하여, 실리콘 수지로 인한 버클링은 자발적인 텍스처링으로 이어졌다. 이후 태양전지의 성능평가를 거쳐, 버클링 효과가 포함된 태양전지의 효율은 텍스처링이 포함되지 않은 태양전지에 비하여 5.
이전에 보고되었던 STS 기반 태양전지 표면의 인위적인 텍스처링 효과를 위하여 산처리 공정을 도입했던 결과와 비교하여, 실리콘 수지로 인한 버클링은 자발적인 텍스처링으로 이어졌다. 이후 태양전지의 성능평가를 거쳐, 버클링 효과가 포함된 태양전지의 효율은 텍스처링이 포함되지 않은 태양전지에 비하여 5.99% 향상된 결과를 나타내었다. 본 연구를 통해, STS 기판을 사용한 태양전지 제조공정에서 고분자 소재인 실리콘 수지를 활용한 공정도 고려될 가능성을 제시하였다.
4에서는 실리콘 수지를 코팅한 이후 알루미늄 코팅과정을 통해서 버클링이 형성된 표면을 나타내었다. 현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 버클링이 형성된 것을 확인하였다. Fig.

후속연구

본 연구를 통해, STS 기판을 사용한 태양전지 제조공정에서 고분자 소재인 실리콘 수지를 활용한 공정도 고려될 가능성을 제시하였다. 한편, STS 기판 박막형 태양전지의 상업화를 위해서는 추가적인 박막형 태양전지의 강도를 향상시키려는 연구도 함께 진행해야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공정상 특징에 의해 STS가 가지는 단점은 무엇인가?	또한, STS 기판을 사용할 경우에는 고분자 기판을 사용하는 경우와 비교하여 산소와 수분을 통과하지 못하게 하는 장점이 있기 때문에 박막형 태양전지에 추가적인 패시배이션(passivation)이 필요 없다 [3,4]. 그러함에도 불구하고 STS는 공정상의 특징으로 인하여, 고유의 성질인 표면이 거칠다는 단점을 갖고 있다. 주로 압연 롤 진행 방향으로 미세한 줄무늬와 홈이 약 0.
	태양전지 1세대는 무엇인가?	태양전지 1세대는 실리콘 웨이퍼에 서로 다른 불순물을 도핑한 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 p-n 접합체로 구성되며, 상업적으로 가장 많이 사용되었다[1]. 태양전지에 사용되는 p-n 접합 반도체에 일정 수준 이상의 태양광을 조사하면, 반도체내 전자들은 자유롭게 이동할 수 있는 가전자대로 여기된다.
	2세대(박막형) 태양전지에 스틸 소재, 즉 금속재질이 활용된 것은 어떤 문제점을 해결하기 위함인가?	초기 박막형 태양전 지는 유리 기판에 사용되는 것이 제안되었다. 그러나, 유리 기판은 충격에 약하고, 연속공정 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다[2]. 유리 기판을 대신하여 금속재질의 활용이 시도되었다.

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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