초록 ▼

연구의 목적 및 내용
● 면저항 100 Ω/sq 수준의 shallow emitter를 갖는 고효율 실리콘 태양전지용 무연 Ag paste를 개발을 위한 기초연구
► Ag paste에 첨가된 glass frit의 역할규명을 통한 전면전극 형성기구 조사
► 소성공정시 Ag 분말과 glass frit 혼합물의 전기화학적 특성 분석
► 소성분위기(산소분압)에 따른 전극계면 미세조직 변화와 전극특성간의 상관관계
● SiN_x fire-through 가능한 잉크젯 프린트용 Ag ink 첨가물 개발<

연구의 목적 및 내용
● 면저항 100 Ω/sq 수준의 shallow emitter를 갖는 고효율 실리콘 태양전지용 무연 Ag paste를 개발을 위한 기초연구
► Ag paste에 첨가된 glass frit의 역할규명을 통한 전면전극 형성기구 조사
► 소성공정시 Ag 분말과 glass frit 혼합물의 전기화학적 특성 분석
► 소성분위기(산소분압)에 따른 전극계면 미세조직 변화와 전극특성간의 상관관계
● SiN_x fire-through 가능한 잉크젯 프린트용 Ag ink 첨가물 개발
► Ag ink의 SiN_x 에칭능에 미치는 용매화 가능한 질산화물 첨가의 영향 조사
► Ag crystallite 석출거동과 접촉저항에 미치는 질화물 첨가의 영향 분석
연구결과
● 실리콘 태양전지의 screen-printed Ag 전면전극 형성기구를 규명하여 확립함
► PbO계 glass frit을 포함한 Ag paste뿐 아니라 Pb-free Bi₂O₃계 glass frit을 포함한 Ag paste의 경우에도 전극형성 반응이 소성분위기의 산소분압 증가에 따라 빠르게 촉진됨을 확인
► Glass frit의 역할 규명: 소성공정시 액상화되어 SiN_x ARC 혹은 emitter Si과 redox 반응을 하는 Ag⁺ 이온의 용매 역할과 Ag⁺ 이온이 확산하는 매체 역할. 따라서 소성공정시 molten glass의 Ag⁺ 이온 용해도와 Ag⁺ 이온 확산계수가 전극형성 반응속도를 좌우하는 주요 인자임을 확인
► Cyclic voltammetry와 chronoamperometry를 이용한 전기화학적 방법을 통해 Ag 분말이 분위중 산소와의 반응을 통해 Ag⁺ 이온상태로 molten glass로 용해됨을 확인.
800℃ molten glass의 Ag⁺ 이온 용해도가 분위기의 산소분압에 따라 증가함을 확인
► 소성분위기의 산소분압 제어를 동해 전극계면에 생성된 Ag crystallite의 크기와 분포를 제어하여 전극특성을 향상시키는 것이 가능함을 확인
● Ag 잉크에 glass 형성제를 액상상태로 첨가함으로써 한 번의 잉크젯 인쇄와 소성공정을 통해 SiN_x를 fire-through하여 emitter Si과 오믹전극 형성이 가능함을 확인함
► Pb(NO₃)₂과 Zn(NO₃)₂·6H₂O을 C₂H₅O₂ 용해하여 제조된 액상첨가물의 기능 확인
► 잉크에 함유된 Ag와 첨가물의 비율에 따른 전극계면 미세조직과 전극특성 확인
연구결과의 활용계획
● 소성공정 후 추가적인 forming gas annealing(FGA)을 통한 전극특성 개선 및 FGA 동안의 금속입자 석출기구 규명을 위한 추가연구에 활용
● 차세대 n형 실리콘 태양전지의 p⁺ emitter 전극용 전극 paste 개발에 응용: Ag paste에 Al과 Si이 첨가됨에 따른 전극계면 형성 거동과 전극특성간의 상관관계 확립
● 차세대 초박형 실리콘 태양전지의 비접촉 인쇄 전극의 접촉저항을 3 mΩcm² 이하로 낮추기 위한 잉크 첨가물 개선 및 후속공정 개발에 활용
● 국내 금속 paste 생산업계와의 산학협력을 통한 고효율 실리콘 태양전지용 전극 paste 개발에 활용

Abstract ▼

Purpose& contents
● To develop Pb-free Ag paste suitable to high-efficiency Si solar cells with shallow emitters of high sheer resistance on the level of 100 Ω/sq:
► Clarify the mechanism of the front-side Ag contact formation and the role of glass frit in the contact formation reaction.
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Purpose& contents
● To develop Pb-free Ag paste suitable to high-efficiency Si solar cells with shallow emitters of high sheer resistance on the level of 100 Ω/sq:
► Clarify the mechanism of the front-side Ag contact formation and the role of glass frit in the contact formation reaction.
► Understand the electrochemical properties of the glass mixture with Ag powder in the firing conditions.
► Understand the relation between the interface microstructure and contact properties depending on the firing ambience (oxygen partial pressure).
● To develop Ag ink that is capable to fire through the SiN_x layer:
► Examine the capability of various nitrate additives to etch the SiN_x layer.
► Understand the effect of nitrate additives on the Ag crystallite formation and contact resistance.
Result
● Clarified the mechanism of screen-printed Ag conact formation for Si solar cell:
► Demonstrated that the reactions for the contact formation are strongly accelerated by increasing oxygen partial pressure in the firing ambience.
► Verified the role of glass frit: it does not participate directly in the reactions for the contact formation but it acts as a dissolution and transport medium for Ag⁺ ions.
► Using cyclic voltammetry and chronoamperometry, demonstrated that the Ag⁺ solubility in the molten glass at 800℃ increased with increasing oxygen partial pressure in the ambience.
► Demonstrated that the size and distribution of Ag crystallites can be controlled by adjusting the oxygen partial pressure in the firing ambience, thereby improving the contact properties.
● Confirmed the possibility of the fire-through, ohmic contact formation through one-step inkjet printing of Ag ink by adding the liquid additives to the Ag ink.
► Developed liquid additives by dissolving Pb(NO₃)₂ and Zn(NO₃)₂·6H₂O into C₂H₅O₂.
► Checked the contact microstructure and contact properties depending on the ratio of the liquid additive to Ag contained in Ag paste.
Expected Contribution
● Use to understand the effects of the forming gas annealing on the precipitation of metallic particles and improving contact properties.
● Utilize to develop Ag/Al/Si paste for the contact formation on p⁺ emitter of n-type Si solar cells,
● Use in the following work to further improve the contact resistance (3 mΩcm²) of inkjet-printed contacts of ultra-thin Si aolar cells.
● Collaborate with industries to commercialize Ag paste for high-efficiency Si solar cells.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 12
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 17
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 61
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 63
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 64
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 65
• 8. 참고문헌 ... 66
• 9. 연구성과 ... 67
• 10. 기타사항 ... 72