Low temperature metallization with intense pulsed light for crystalline silicon solar cells

Abstract

결정질 실리콘 태양전지 (crystalline silicon solar cell)의 금속화 공정 (metallization)은 주로 스크린 인쇄 (screen printing), 도금 (plating), 리소그래피 (lithography) 기술로 연구가 진행되고 있다. 첫째, 스크린 인쇄기술은 공정이 간단하고 생산성이 우수하여 널리 적용되고 있으며 공정 및 재료 최적화를 통해 미세 선폭과 높은 종횡비 (aspect ratio)의 전극을 구현할 수 있다. 둘째, 저온 전극화 공정을 위한 도금기술이 연구되고 있으며, 전해도금 (electroplating)과 무전해 도금 (electro-less plating)으로 연구가 진행되고 있다. 무전해 도금 기술은 일반적으로 실리콘 기판과 접촉하는 금속 시드층 (seed layer) 형성기술로 적용되며, 전해도금 기술은 금속 시드층에 전기를 인가하여 저항 감소를 목적으로 도금하는 기술이다. 셋째, 저온 전극화 공정에 적용되는 리소그래피 기술은 물리적 기체 증착 (physical vapor deposition) 금속에 패터닝 (patterning) 기술을 적용하여 구현하는 기술이다. 패터닝 공정은 전극의 형상에 큰 영향을 미치며, 프린팅 방식과 포토레지스트 (photo-resist) 방식이 있다. 실리콘 태양전지에 적용되는 도전성 페이스트 (conductive paste)는 유리 분말 (glass frit)을 포함하는 고온 소성 금속 페이스트와 기계적 물성이 우수한 수지 (resin)을 포함하는 저온 경화 페이스트가 있다. 고온 소성 페이스트 내에서 유리 분말과 반사방지막 (SiNx) 사이의 산화 환원 반응을 통해 금속 접촉이 형성된다. 또한 경화성 페이스트는 실리콘 기판과의 접촉 특성을 확보하기 위해 투명 전극 (transparent conductive oxide)층이 필요하다. 금속화에 의한 열처리는 태양전지의 패시베이션 (passivation) 품질에 큰 영향을 미치지만, 전자-정공 (electron-hole) 전류 경로를 형성하기 위해서는 반드시 필요한 공정이다. 이러한 열적 손상을 줄이기 위한 연구는 필수적이며 금속화 과정에서 열이 어떻게 이동하는지, 그리고 패시베이션 손상이 발생하는 온도에 대한 연구가 필요하다. 실리콘 태양전지의 소결 (sintering) 및 어닐링 (annealing) 공정은 주로 급속 열처리 공정 (rapid thermal process), 레이저 (laser), 벨트로 (belt furnace)를 적용하여 연구되고 있다. 급속열처리 공정은 급격한 온도상승을 통해 생산성을 확보할 수 있지만, 기판 내부의 온도 산포에 문제가 있다. 레이저를 이용한 소결법에서는 금속막에 레이저를 직접 조사하여 실리콘 기판에 전극층을 형성할 수 있지만, 실리콘 기판에 손상을 유발한다. 벨트로는 소결 및 어닐링에 적용할 수 있지만 공정 시간이 길고 기판내 온도 산포를 개선해야 하는 문제가 있다. 극단파 백색광 (intense pulsed light)을 이용한 소결 및 어닐링은 제논 램프 (xenon lamp)를 이용하여 가시광선 (visible light)으로 열처리하는 기술이다. 넓은 면적의 공정이 가능하고 공정시간을 단축할 수 있다. 가시광선을 이용한 극단파 백색광 조사에 의한 금속재료 소결 연구는 주로 표면 플라스몬 효과 (surface plasmonic effect)가 적용될 수 있는 금속 나노입자를 사용한다. 이러한 금속 나노 입자에 직접 빛 에너지를 가하면 소결 과정에서 기판에 대한 상대적인 열적 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 전극에서 실리콘 기판으로의 열전달 시뮬레이션 (heat transfer simulation)을 활용하여 극단파 백색광을 적용한 금속화 공정 중 태양전지의 온도변화와 방열을 분석하였다. 이종접합 태양전지 (heterojunction solar cell)의 금속화 기술은 높은 재료비와 긴 공정시간의 문제가 있으며, 극단파 백색광 소결 공정을 적용한 은 코팅 구리 페이스트 (Ag coated Cu paste)를 적용하여 이를 개선하고자 연구를 진행하였다. 은 페이스트 (Ag paste) 기반의 경화 공정 (thermal curing)과 비교 평가를 진행하여 비저항 (resistivity), 투명전극에 대한 접착력 (adhesion), 전류-전압 곡선 (I-V curve), 구리 확산에 대한 신뢰성을 확인하였다. 극단파 백색광 공정 진행과정에서 태양전지의 온도 변화를 확인하기 위해 열전대 및 적외선 카메라와 열전달 시뮬레이션을 진행하였다. 터널 산화막 구조 태양전지 (tunnel oxide passivated contact solar cell)의 고온 소성 공정으로 인한 패시베이션 손상을 극단파 백색광 어닐링 공정으로 개선하는 연구를 진행하였다. 터널 산화막을 이용한 태양전지 구조에 대한 극단파 백색광 어닐링 연구는 은 코팅된 구리 페이스트의 소결 연구에서 확인된 태양전지 전압 개선효과를 착안하여 진행하였다. 터널 산화막을 이용한 태양전지 구조의 전면과 후면의 형상 차이를 고려한 어닐링의 최적 조건을 광발광 (photoluminescence)분석을 통해 확인하였다. 또한 극단파 백색광 어닐링에 의한 패시베이션 개선효과는 빛을 동반할 때만 나타나는 것을 확인하였다.|Silicon (Si) solar cells are an important part of the field of renewable energy. To improve the degradation due to the firing process for metallization, amorphous Si (a-Si) based Si heterojunction (HJ) solar cell was developed and a tunnel oxide / poly-Si based tunnel oxide passivated contact (TOPCon) Si solar cell was developed. Despite these structural improvements, the Si HJ solar cell had problems in increasing process time and increasing process cost due to low-temperature metallization, and the TOPCon solar cell had a problem in that it could not completely solve the degradation of passivation due to high-temperature firing process. The metallization process of Si solar cells is mainly studied by screen printing, plating and lithography. First, screen printing technology is widely applied due to its simple process and excellent productivity, and realizes electrodes of fine line width and high aspect ratio through process optimization. Second, a plating technology for a low-temperature metallization process is being studied. Plating technology is being researched into electroplating and electro-less plating. Electro-less plating technology is generally applied as a seed layer in contact with a Si substrate, and electroplating technology is a technology for plating by applying electricity to the seed layer to reduce resistance. Third, the lithography technique applied to the low-temperature metallization process is a technique implemented by applying the patterning technique to the physical vapor deposition (PVD) metal. The patterning technique has a great influence on the characteristics of the electrode, and there are a printing method and a photo-resist method. Conductive pastes applied to Si solar cells include a high-temperature firing metal paste containing glass frit and a low-temperature curing paste containing a resin with excellent mechanical properties. Metal contact is formed through a reduction-oxidation (redox) reaction between the glass frit and the dielectric film in the high-temperature firing paste. Curable pastes require a transparent conductive oxide (TCO) layer to form contact with the Si substrate. Thermal treatment by metallization greatly affects the passivation quality of a solar cell, but it is a necessary process to form an electron-hole current path. Research to reduce such thermal damage is essential, and it is necessary to study how thermal energy moves during metallization and the temperature at which passivation damage occurs. Sintering and annealing processes for Si solar cell are mainly being studied for rapid thermal process (RTP), laser and belt furnace. RTP can secure productivity through rapid temperature rise, but there is a problem of temperature distribution within the substrate. In the sintering technique using a laser, an electrode layer can be formed on a Si substrate by directly applying a laser to the electrode film, but damage to the Si substrate occurs. The belt can be applied to sintering and annealing, but there are problems in the long process time and the need to improve the temperature distribution. Sintering and annealing using intense pulsed light (IPL) is a technology that performs thermal processing with visible light using a xenon lamp. It is possible to process a large area and to shorten the process time. The study of sintering metal materials based on IPL irradiation using visible light mainly uses metal nanoparticles to which surface plasmonic effect is applied. Applying light energy directly to these metal nanoparticles has the advantage of minimizing the relative thermal damage to the substrate during the sintering process In this study, the temperature change and heat dissipation of the solar cell during the metallization process based on IPL technology were analyzed through heat transfer simulation from the electrode to the substrate. Metallization of Si HJ solar cell has problems with high material cost and long process time, so research to improve it by applying Ag coated Cu paste to the IPL sintering process was conducted. A comparative evaluation was performed with an Ag paste-based curing process, and the resistivity, adhesion to TCO, cell parameters, and reliability were confirmed. In order to check the temperature change of the solar cell during the IPL process, thermocouple (TC) and infrared (IR) camera and heat transfer simulations were performed. A study was conducted to improve the passivation damage caused by the high-temperature firing process of TOPCon solar cells through the IPL annealing process. An IPL annealing study for TOPCon structures was performed based on the increased Voc in the IPL sintering study of Ag coated Cu paste. The optimal conditions for IPL annealing considering the morphology difference between the front and back surface of the TOPCon structure was confirmed through photoluminescence (PL) analysis. In addition, it was confirmed that the passivation improvement effect by IPL annealing appeared only when accompanied by light.