Subscript

LCOE : levelized cost of electricity

PDMS : polydimethylsiloxane

ARC : anti- reflection coating

SDE : saw damage etch

TEX : textured

RTP : rapid thermal processing

HAST : highly accelerated temperature stress test

LIV : light I-V curve

EQE : external quantum efficiency

FF : fill factor

OM : optical microscopy

PERC : passivated emitter rear contact

LeTID : Light and elevated temperature induced degration

1. 서 론

화석연료의 가격 상승과 지구온난화로 인한 범사회적 문제가 증가함에 따라 신재생 에너지발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 전세계적으로 2021년 한 해에 설치된 신재생에너지 발전량 중 태양광 발전량은 168 GW로 다른 모든 신재생에너지 발전량보다 많다¹⁾. 태양광 발전이 신재생에너지에서 경쟁력을 갖기 위해 중요한 것 중 하나는 보다 낮은 levelized cost of electricity (LCOE) 확보이며, 이를 통한 그리드 패러티(grid parity)에 도달하는 것이다. 따라서 같은 효율의 낮은 단가, 또는 같은 단가에 보다 높은 효율을 가지는 태양전지를 개발할 필요가 있다. 태양전지 효율은 크게 광학적 손실과 전기적 손실로 결정되며, 이 두 손실 요소를 줄이는 것이 중요하다²⁾.

두가지 손실 요소 중 하나인 광학적 손실을 줄일 수 있는 공정으로 크게 3가지 방식이 개발되어 쓰인다. 우선 태양전지 웨이퍼 표면을 textured (TEX)표면으로 요철구조를 형성하여 입사되는 빛의 반사를 줄이므로 광학적 손실을 줄인다^{3, 4)}. 다음으로는 태양전지 전면에 있는 전극을 후면에 위치시켜 태양전지 전면에 전극으로 인한 반사를 완전히 제거하는 방식이다^{5, 6)}. 이는 태양전지 면적에서 전극이 차지했던 광학적 손실을 줄일 수 있다. 마지막으로 반사방지막(anti- reflection coating, ARC)을 증착하여 표면에서의 반사도를 낮춰 광흡수를 늘리는 방식이다^{7, 8)}. 이 때 실리콘 태양전지의 벌크 부분인 결정질 실리콘 태양전지와 대기사이에 SiN_x (굴절률≒2)층을 증착하여 ARC층으로 이용된다^{9, 10)}.

본 논문은 대면적 실리콘 태양전지 전면에 ARC층으로써 polydimethylsiloxane (PDMS)를 도포하여 광학적 손실을 줄일 수 있는 방식을 제안하려 한다. PDMS의 경우 흡수파장대가 태양전지 발전에 필요한 파장대(300~1200 nm)와 중복되지 않는다^11-13). 그러므로 태양전지 위에 PDMS를 도포함으로써 표면반사를 줄이고 그로 인한 효율 증대를 기대하였다.

2. 실험 과정

2.1 PDMS 제작 및 특성

본 연구에서는 대면적 태양전지에 PDMS를 도포하기 위해 스크린 프린팅에 적합한 PDMS를 제작하였다. PDMS 제작 시 전구체와 작용제(Nexus, Silicone Elastomer Base: Silicone Elastomer Curing Agent = 10:1 비율)를 섞고, 해당 섞은 용액을 Pulverize Dispersion Mill Mixer (LM tech) 장비를 통해 500 rpm으로 1분 동안 회전시킴으로 균일하고 기포가 적은 상태로 준비했다. 이 때 점도가 있는 유화제(emersion)상태가 된 PDMS는 스크린 프린팅에 도포할 수 있는 “paste”형태가 된다.

Table 1에 기존 문헌에서 보고한 PDMS의 특성을 나타냈다. 그 중에서 PDMS는 건조공정의 온도와 시간에 따라서 기계적 특성(Young’s elastic modulus)이 바뀌지만, 광학적 특성은 크게 영향이 없다. 또한 전기적으로 절연체에 가깝고, 태양전지 도포 시 파장에 따른 굴절률은 Fig. 1과 같아 ARC막으로써 가능성이 있다.

Fig. 1

PDMS refractive index (data from[15], V. Gupta)

2.2 PDMS 부분 및 중복도포 광학적특성 확인

PDMS도포에 의한 대면적 실리콘 태양전지에서 광학적 특성을 확인하기 위해 태양전지 전극증착용 스크린 프린팅 공정으로 전면에 PDMS를 도포하였다.

도포되는 실리콘 표면형상에 따른 PDMS의두께 및 표면 형상을 보기 위해 실리콘을 Saw damage etching (SDE), Textured (TEX) 두가지 형태로 준비하여 도포하였다. 도포된 실리콘 웨이퍼 위의 PDMS를 Secondary electron microscopy (SEM)을 이용하여 관찰하고, 반사도는 UV-vis (Spectrophotometer, V670)장비를 통해 측정하였다.

또한 도포되는 면적비율에 따른 반사도를 측정하기 위해 50%, 75%, 100%로 열려있는 마스크를 제작하여 PDMS를 도포하였다. Fig. 2a는 50%의 면적비율을 도포하기 위한 마스크이며, 바둑판 모양으로 배열되어 있으며, 하나의 메쉬홀은 가로 × 세로(1.9 × 1.66 mm)로 형성되어 있다. 실리콘웨이퍼 M2 사이즈를 기준으로 가로 40개, 세로 47개의 홀의 배열된다. Fig. 2b는 75%의 면적비율을 도포하기 위한 마스크로 기존 50%의 매쉬홀 배열의 홀 중에서 반을 채워 제작하였다.

Fig. 2

(a) Photograph of screen printing mask with 50% ratio (b) 75% ratio

실리콘 웨이퍼의 형상(SDE, TEX)과 도포한 횟수(두께)에 따라 반사도와 셀특성을 평가하기 위해 0, 4, 7번(PDMS두께: 0 μm, 120±10 μm, 210±20 μm)중복으로 도포를 하였으며, 매 도포시마다 다음 도포 전에 Rapid thermal processing (RTP) (SNTEK, RTP5000)장비를 이용하여 100도에서 3분간 건조과정을 거쳤다. 건조과정을 거친 PDMS는 기계적 특성이 변화하여, 유화제의 액체 상태가 아닌 보다 단단한 상태의 고체상태로 존재한다. 따라서 다음 도포되는 PDMS와 구별되어 중복도포될 수 있는 상태가 된다.

2.3 PDMS 도포 시 실리콘태양전지 특성 확인

스크린 프린팅으로 PDMS를 도포한 실리콘 태양전지를 solar simulator (Xenon LAMP, WACOM, WXS-155S-L2, Class-AAA) AM1.5G 광원 하에서 측정온도는 25±1℃에서 효율을 측정하였고, Quantum efficiency (QE) (Photodiode, QWX10) 장비를 통해 QE응답율를 측정하였다. 마지막으로 PDMS를 중복 도포(210±20 μm)한 실리콘 셀을 Light and elevated temperature induced degradation (LeTID) (white LED, IEC-60904-9 edition2.0. Class A <±2%)챔버에서 85℃로 고정한 다음 1000 W/m²의 빛을 10시간 동안 조사하며 15분 마다 효율을 측정하였다. 이를 통해 셀의 빛과 열에 의한 열화의 안정성을 측정하였다.

3. 실험 결과

3.1 실리콘 기판 전면에 PDMS도포

Fig. 3a는 PDMS를 도포하기 전의 실리콘 태양전지이며, Fig. 3b는 PDMS를 도포한 후의 실리콘 태양전지의 모습이다. 전면전극이 4busbar인 실리콘 태양전지를 사용하였고, PDMS도포 시 육안상 더 어두워보인다. 이는 PDMS가 ARC 층으로 역할을 수행한 것으로 보인다.

Fig. 3

(a) Silicon solar cells before printing PDMS (b) After printing PDMS (mask with 50% ratio)(a) Silicon solar cells before printing PDMS (b) After printing PDMS (mask with 50% ratio)

Fig. 4는 실리콘 웨이퍼 표면상태에 따른 PDMS 도포한 SEM 이미지이다. Fig. 4a, 4d는 각각 SDE와 TEX표면형상을 보여주며, Fig. 4b, 4e는 SDE와 TEX를 갖는 실리콘 웨이퍼의 단면 모습이다. 실리콘 웨이퍼에 스크린 프린팅 방식으로 PDMS도포 시 Fig. 4c와 4f에서 알 수 있듯 31±2 μm의 두께로 도포되며, SDE표면으로 비교적 평평한 구조나 TEX표면의 요철구조에 관계없이 일정하였다. 또한 도포된 PDMS의 표면은 도포되는 기판의 형상에 관계없이 평평한 표면으로 도포됨을 알 수 있다. 따라서 태양전지 표면에도 스크린 프린팅으로 PDMS를 도포해도 태양전지 표면 형상과 관계없이 PDMS가 평평하게 도포가 될 것이라 예상할 수 있다.

Fig. 4

SEM image of silicon wafer surface and cross section with printing PDMS (a), (b), (c) SDE surface silicon wafer (d), (e), (f) TEX surface

3.1.1 PDMS 부분도포 시 반사도

Fig. 5a는 스크린 프린팅 마스크를 이용하여 PDMS를 바둑판 배열로 부분도포하여 반사도를 측정한 샘플을 표현한 모식도이다. 실제 태양전지와 같이 비교할 수 있게 반사도 측정 시 실리콘 태양전지와 같이 반사방지막(SiN_x)을 증착 후 반사방지막 표면 위에 PDMS를 도포하였다. Fig. 5b를 포함한 모든 그래프에서 삼각형 모양으로 표시한 것은 실리콘 기판의 표면이 TEX표면임을 사각형은 SDE표면임을 나타낸다.

Fig. 5

(a) Schematics of reflection measurement sample, surface and full (left) and partial (right) printed PDMS (reflection measurement sample is deposited by the ARC layer (SiNx) under PDMS) (b) Silicon wafer reflection with wavelength (300~1200 nm) of PDMS (thickness: 31±2 μm)

Fig. 5b에서 PDMS를 도포하면 도포된 면적이 관계없이 단파장의 영역(300~500 nm)과 장파장(900~1200 nm) 영역에서의 반사도가 도포하지 않았을 때보다 낮은 값을 가진다. 하지만 중간파장대 영역(500~900 nm)에서는 PDMS가 도포되지 않았을 때 더 낮은 반사도를 가짐을 알 수 있다. Fig. 5b와 Table 2에서 확인하면 PDMS가 도포된 면적이 넓어질수록 가중평균반사도가 낮게 계산된다. 가중평균반사도(300~1200 nm)는 다음과 같이 계산되는데⁷⁾,

R_AWR은 가중평균반사도를 나타내며, R(λ)은 파장대에 따른 반사도, N_ph(λ)은 AM1.5G 스펙트럼의 flux를 나타낸다.

3.1.2 PDMS 중복도포 시 반사도

Fig. 6은 PDMS의 중복도포에 의한 반사도를 나타낸다. PDMS의 도포 유무에 따른 반사도에 변화는 관찰되었으나, PDMS의 중복도포(PDMS두께변화)에 의한 반사도 변화는 상대적으로 적은 것으로 관찰되었다. PDMS의 도포 두께차이는 태양전지가 흡수하는 300~1200 nm의 파장대에서 반사도의 영향이 크지 않는다는 것으로 해석할 수 있다.

Fig. 6

Reflection of silicon wafer with PDMS (thickness, 4 times repeated (Red): 120±8 μm, 7 times repeated (Blue): 210±14 μm) (SDE_Si: w/o ARC layer sample)

Fig. 6에서는 또한 실리콘 표면형상에 따른 반사도 변화를 알 수 있다. SDE표면과 TEX표면 두 경우 모두 300~1200 nm의 파장대에서 PDMS의 유무에 따라 반사도가 역전되는 현상을 보였다. 이를 연두색 원으로 표시하였다. SDE표면의 경우 610 nm 부근에서 TEX표면은 그보다 짧은 420 nm부근에서 PDMS를 도포한 샘플보다 PDMS를 도포하지 않은 샘플이 반사도가 더 낮다. 가장 큰 경우 PDMS도포로 인하여 10%p의 반사도 감소가 있다.

위 결과는 PDMS의 중복도포가 실리콘 태양전지의 형상과 관계없이 단파장대에서 반사도를 낮추는 반사방지막의 역할을 수행할 수 있음을 보여준다. 그러므로 전면 에미터를 형성하는 태양전지에 적용하였을 때 그 더 큰 효과가 기대된다.

3.2 PDMS도포 시 실리콘 태양전지 특성

Fig. 7a, 7b는 표면에 중복도포된 PDMS의 두께에 따라 태양전지의 특성변화를 나타낸다. Fig. 7a의 QE그래프에서 100%의 면적비율로 도포된 샘플 즉 120 μm (4번 중복도포)와 210 μm (7번 중복도포)두께의 PDMS에 의해 단파장대(300~500 nm)에서 EQE 값이 증가한다. 이와 반대로 중파장대(500~800 nm)에서는 EQE값이 감소한다. 장파장영역(800~1100 nm)에서는 그래프가 PDMS도포 유무에 관계없이 동일한 값을 가졌다. 이는 3.2.2의 반사도 결과와 같이 PDMS의 도포로 인한 반사도의 변화가 EQE그래프에 영향을 주는 것을 볼 수 있다. Fig. 7a와 같이 전면 에미터 Passivated emitter rear contact (PERC)실리콘 태양전지는 일반적으로 500~800 nm에서 가장 높은 EQE값을 갖는다. PDMS도포에 의해 해당 파장대의 반사도가 감소하고, 그로 인하여 총 J_sc=0.6~0.8 mA/cm²감소한 것으로 생각된다.

이는 Fig. 7b의 LIV그래프에서 J_sc값의 감소(0.4~0.8 mA/cm²)로 이어졌다. PDMS의 ARC효과가 J_sc의 증가로 이어지지 않은 것은 PDMS 도포 시 비교적 평탄한 표면에 의한 광흡수율의 감소로 분석된다. 또한 Fig. 7b의 LIV그래프의 FF감소는 PDMS라는 절연체 도포에 의한 전극과 지그와의 직렬저항 증가를 초래할 것이라 생각된다. 얼라인(align)을 맞추어 제작한 PDMS마스크이지만 도포과정에서 전면전극에 영향을 주었을 수 있으며, 건조과정에서 도포된 PDMS가 확산되어 전극에 영향을 미칠 수 있다. 또한 스크린 프린팅과 PDMS건조의 과정에서 생긴 크랙이나 전극 산화로 인한 저항 상승에도 영향이 있을 것이라 추측된다.

Fig. 7

(a) QE result of solar cells with PDMS (300~1100 nm) (b) LIV result of solar cells with PDMS

3.3 LeTID 특성 확인

Fig. 8은 태양전지 위에 PDMS (210 μm)를 도포하였을 때 실리콘 태양전지의 열화실험을 나타낸다. PDMS를 도포하지 않은 실리콘 태양전지 샘플이 대략 9%rel의 효율이 감소할 때, PDMS를 도포한 샘플은 대략 7%rel의 효율이 감소한다. 이는 2%p의 열화율 감소로써 20% 효율의 태양전지를 가정하면 0.4%p의 열화감소 효과이다. 효율이 높은 태양전지일수록 그 효과는 높아질 것이라 예상된다. 또한 최대 열화까지 도달하는데 걸리는 시간도 짧다.

Fig. 8

Degradation of silicon solar cell with PDMS

4. 결론 및 토의

본 연구에서는 실리콘 태양전지 셀 단위에서 전면에 PDMS를 도포함으로써 ARC층으로서의 가능성을 엿보았다. PDMS를 도포할 때 실리콘 태양전지 공정에 쓰이는 스크린 프린팅 방식을 이용하였으며, 실리콘 TEX표면 형상에 관계없이 대면적 태양전지에서도 균일하게 도포됨을 확인하였다. 특히 PDMS의 굴절률에 의해 단파장에서 ARC층으로써 반사도를 낮췄고, 전체적인 가중평균반사도도 PDMS의 도포 면적이 0%에서 100%로 증가함에 따라 낮아졌다. 이와 같은 결과는 실리콘 태양전지에서도 단파장영역에서 EQE값의 증가로 나타났다. 하지만 PDMS도포로 인한 태양전지 효율감소가 특히 J_sc와 FF에서 두드러졌으며, 이는 전극의 직렬저항의 증가로 추정된다.

PDMS도포로 실질적인 효율증가를 이루지는 못했지만 특정 파장대에서의 반사도의 증가를 셀과 비슷한 구조에서 확인하였으며, 이는 평평한 표면의 PDMS의 결과이다. PDMS의 표면을 TEX표면으로 만들고, 전극과의 접촉을 줄일 수 있다면 셀에서의 효과도 기대해볼 수 있다.