전착법에 의한 실리콘 박막 태양전지용 Fe-Ni 합금기판의 특성에 관한 연구

Abstract

실리콘 박막 태양전지에 적용하기 위한 금속 기판은 기계적 강도가 우수해야 하며, 태양전지 제조 공정온도에서 적층되는 박막 cell 소재와 유사한 열팽창 거동을 가져야한다. 박막 태양전지에 기판재로 적용된 금속기판의 경우 일반적으로 기판과 셀을 구성하는 반도체 층의 열팽창 거동과의 차이에 의한 열 변형이 태양전지의 공정안정성에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 실리콘 박막이 증착된 기판이 고온공정으로부터 상온으로 냉각 될 때, 실리콘 박막과 기판의 열팽창 계수의 차이로 인해 잔류 열응력이 발생하게 되는데, 이러한 열응력은 재료들의 계면에서 복잡한 응력상태를 야기하고 박막 구조에 파손을 발생시키기도 한다. 이로 인하여 기판과 적층된 재료사이의 박리 현상으로 효율저하가 있을 수 있다. 그러므로 셀을 구성하는 반도체 층과 열팽창 거동이 유사하고 우수한 기계적 특성을 가진 금속기판의 적용이 필요하다. 상용되고 있는 압연공정으로 제작된 Stainless Steel 기판의 경우 열팽창 특성 제어가 불가능하고, 광폭 박판형으로 제작하는데 한계가 있어서 적용에 어려움이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 실리콘 박막 태양전지용 기판재를 전주법으로 제작하였다. 전주법(Electroforming)은 전기도금과 비슷하나 표면 코팅을 목적으로 하는 것이 아니라 독립적인 금속 제품을 제조하는 기술이다. 일반적으로 전주법으로 제작된 Fe-Ni 합금은 Ni 함량에 따라 자기적 특성, 열팽창 특성, 전기적 특성, 기계적 특성 등 여러 물리적 특성들의 조절이 가능하여 관련 연구가 진행되고 있다. 실리콘 박막 태양전지전용 금속 기판으로 적용을 위하여 실리콘 박막 층과 열팽창 거동이 유사한 Fe-42wt%Ni 합금을 전주법을 사용하여 제작하였다. 또한 전주법으로 제작된 이 합금이 안정적인 열․ 기계적 특성을 위하여 전착된 시편을 열처리 온도를 변수로 사용하여 이에 따른 결정립 성장이 기계적 특성과 열팽창 거동에 미치는 영향을 관찰하였다. 전착된 상태의 Fe-42wt%Ni 합금의 결정립 크기는 약 20 nm인 것으로 나타났고, 경도는 472 Hv, 인장강도는 1230 MPa로 우수한 기계적 특성이 나타났고, 열팽창계수 평균 4×10-6/℃ 이었지만 특정온도에서 급격한 열팽창의 변화가 나타났다. 하지만 500℃ 이상으로 열처리한 경우 열팽창계수는 고온에서도 안정적으로 나타났고, 기계적 강도도 일반적인 벌크재료보다 우수하게 나타났다. 이는 전착된 상태에서 나노 결정질을 가지는 Fe-42wt%Ni 합금이 열처리에 따라서 수 마이크로 사이즈의 결정립으로 성장하기 때문인 것으로 판단된다. 전착된 상태의 Fe-42wt%Ni 합금은 350 ~ 400 ℃ 사이의 열처리 온도에서 나노 결정립이 서브 마이크로 결정립으로 급격한 변화가 일어났다. 하지만 이후 열처리 온도가 800 ℃까지 증가할수록 지속적으로 결정립은 성장하고 평균 5 ㎛까지 성장하는 것을 관찰할 수 있다. 이때 시편의 경도는 온도에 따라 비례하여 감소하였으며 400 ℃ 이상으로 열처리한 경우의 결정립 크기에 따른 경도 변화는 Hall-Petch 방정식과 일치하는 것을 알 수 있었다. 이렇게 전주법으로 제작된 Fe-42wt%Ni 합금 기판이 실리콘 박막 태양전지에 적용되었을 때 기판으로 인한 효율 증가를 위하여 기판의 반사특성 연구와 잔류응력 유한요소해석을 하였다. 실리콘 박막 태양전지의 효율을 증가 시킬 수 있는 방법으로 전주법을 응용하여 다양한 접촉각을 가진 Pyramid형과 V-shape형의 기판을 제작하였고, 반사율을 측정해본 결과 접촉각이 높아질수록 태양전지내의 광경로가 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 Algor(Autodesk Co.)를 사용하여 가상의 Si 박막 태양전지를 모델링하고 실제 셀이 증착되는 고온의 공정조건과 동일한 환경에서 잔류응력을 분석한 결과 Fe-42wt%Ni 합금기판이 상용 Stainless steel 기판대비 잔류응력과 변형량이 낮은 것을 확인할 수 있었다.| Metallic substrate for the silicon thin film solar cell requires superior mechanical strength and appropriate thermal expansion behavior which are compared to that of the materials for thin film cell at the temperature in solar cell manufacturing process. Because the thermal deformation caused from the difference of thermal behavior between the semiconducting material and the substrate can affect the process reliability. When a substrate on which silicon is deposited is cooled down to room temperature from the high process temperature, a residual thermal stress is caused due to the CTE, coefficient of thermal expansion, difference between them. This residual stress results in film structure failure because of complex stress state at the interface. Consequently, the efficiency of solar cell might be degraded due to peeling of the thin film. Moreover, current stainless steel substrate fabricated by rolling work process is under hard circumstance in terms of controllability of thermal expansion and has difficulty in producing broad width and ultrathin substrate. Therefore a metallic substrate which thermal expansion behavior is similar to that of semiconducting layer and superior mechanical property is needed. In this study, metallic substrate for silicon thin film solar cell was fabricated by electroforming method to deal with these problems mentioned above. Electroforming can be defined as a process that employs technology similar to that used for electroplating but which is used for manufacturing metallic articles, rather than as a means of producing surface coatings. The Fe-Ni alloys have been widely considered for both scientific and practical applications due to their properties such as low thermal expansion, high magnetic, permeability, excellent structural-quality and their mechanical properties. Therefore, it is actively applied with the development of field of application including the flexible solar cells, magnetic memory, optical recording apparatus, micro-sensor, MEMS, and LIGA. Fe-42wt%Ne alloy which thermal expansion is similar to that of silicon thin film is fabricated by electroforming to apply to the substrate for silicon thin film solar cell. In addition, the effect of grain growth on the mechanical property and thermal expansion behavior was investigated in order to enhance stable mechanical and thermal property of this alloy. The grain size, hardness and tensile strength of the alloy fabricated is ~ 20 nm, 472 Hv and 1230 MPa, respectively. Though its CTE is 4⨉ Metallic substrate for the silicon thin film solar cell requires superior mechanical strength and appropriate thermal expansion behavior which are compared to that of the materials for thin film cell at the temperature in solar cell manufacturing process. Because the thermal deformation caused from the difference of thermal behavior between the semiconducting material and the substrate can affect the process reliability. When a substrate on which silicon is deposited is cooled down to room temperature from the high process temperature, a residual thermal stress is caused due to the CTE, coefficient of thermal expansion, difference between them. This residual stress results in film structure failure because of complex stress state at the interface. Consequently, the efficiency of solar cell might be degraded due to peeling of the thin film. Moreover, current stainless steel substrate fabricated by rolling work process is under hard circumstance in terms of controllability of thermal expansion and has difficulty in producing broad width and ultrathin substrate. Therefore a metallic substrate which thermal expansion behavior is similar to that of semiconducting layer and superior mechanical property is needed. In this study, metallic substrate for silicon thin film solar cell was fabricated by electroforming method to deal with these problems mentioned above. Electroforming can be defined as a process that employs technology similar to that used for electroplating but which is used for manufacturing metallic articles, rather than as a means of producing surface coatings. The Fe-Ni alloys have been widely considered for both scientific and practical applications due to their properties such as low thermal expansion, high magnetic, permeability, excellent structural-quality and their mechanical properties. Therefore, it is actively applied with the development of field of application including the flexible solar cells, magnetic memory, optical recording apparatus, micro-sensor, MEMS, and LIGA. Fe-42wt%Ne alloy which thermal expansion is similar to that of silicon thin film is fabricated by electroforming to apply to the substrate for silicon thin film solar cell. In addition, the effect of grain growth on the mechanical property and thermal expansion behavior was investigated in order to enhance stable mechanical and thermal property of this alloy. The grain size, hardness and tensile strength of the alloy fabricated is ~ 20 nm, 472 Hv and 1230 MPa, respectively. Though its CTE is 4⨉ 10-6/℃ the thermal expansion is changed abruptly at specific temperature. However, the CTE is stable at high temperature in case of the sample heat-treated over 500℃ and the mechanical strength is higher than that of normal bulk materials. It seems to indicate that the electroformed grain of nano crystalline Fe-42wt%Ni grows up to sub-micron sizes as temperature is varied. The grain of the electroformed alloy is dramatically changed into sub-micron size under the temperature between 350 ℃ and 400 ℃. However, the grain becomes bigger constantly up to 5 ㎛, generally, as the temperature is elevated to 800 ℃. Under this circumstance, the hardness of the sample decreases linearly versus temperature, the hardness tendency corresponds well to the Hall-Petch equation for the sample heat-treated at more than 400 ℃. Additionally, the reflection property and the residual stress were investigated to confirm the effect of the electroformed substrate on the cell efficiency. Especially, FEA(Finite Element Analysis) is adapted to study the residual stress. Pyramid type and V-shape type of substrates with various contact angle were fabricated by electroforming for higher cell efficiency. As a result, light path is increased as the contact angle is bigger. Furthermore, the alloy substrate shows lower residual stress and less deformation comparing to currently used stainless steel substrate. These results were obtained by modeling a virtual Si thin film solar cell under the same process condition using Algor(Autodesk Co.).