• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.196-196
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• 2012

염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 단가가 낮고 반투명하며 친환경적 특성으로 차세대 태양전지로 주목을 받았으나 염료의 안정성의 문제와 특정 파장대의 빛만 흡수하는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 양자구속 효과에 의해 크기에 따라 밴드갭 조절이 용이하여 다양한 파장대의 빛을 흡수 할 수 있는 양자점 감응태양전지가 많은 관심을 받고 있다. 하지만 양자점 감응 태양 전지의 활성층으로 사용되는 반도체 산화물인 이산화티타늄의 두께는 $13{\sim}18{\mu}m$로 짧은 확산거리로 인해 전하수집의 한계를 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 인듐 주석 산화물 나노선을 합성하여 전자가 광전극에 직접유입이 가능하도록 해 빠른 전하이동 및 전하수집을 가능하게 한다. 인듐 주석 산화물 나노선은 증기수송 방법(VTM)을 이용하여 인듐 주석 산화물 유리 기판 위에 $5{\sim}30{\mu}m$ 길이로 합성하였다. 전해질과 전자가 손실되는 것을 방지하기 위해 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 이산화 티타늄 차단층을 20 nm 두께로 코팅한 후 화학증착방법(CBD)을 이용하여 인듐 주석 산화물 나노선-이산화 티타늄 코어-쉘 구조를 만든다. 마지막으로 황화카드뮴, 카드늄셀레나이드, 황화아연을 증착시킨 후 다황화물 전해질을 이용하여 양자점 감응 태양전지를 제작하였다. 특성 평가를 위해 전계방사 주사전자현미경, X-선 회절, 고분해능 투과 전자 현미경을 이용하며 intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS), intensity modulated voltage spectroscopy (IMVS)를 이용하여 전하수집 특성평가를 하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2010.05a
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• pp.17.1-17.1
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• 2010

2000년대 들어 소재기술의 진보와 함께 혁신적인 성능개선이 이뤄지고 있는 유기박막 태양전지는 가장 신형의 3세대 태양전지로서, 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 재료비, 그리고 프린팅, 코팅 공정과 같은 값싼 소자 제작공정으로 인해 차세대 저가 태양전지로서 큰 기대를 모으고 있다. 현재 유기박막 태양전지는 단위소자 기준으로 7%대의 광전변환 효율을 달성하고 있는데, 다양한 반도체성 고분자나 단분자 도너 물질에 특히 전자 수용성이 좋은 fullerene(C60)계 억셉터 물질을 채택함으로써 급격히 성능 개선이 이뤄지고 있다. 그러나 상용화를 위해서는 궁극적으로 대면적에서 10% 이상의 성능 수준이 요구되는 바, 유기재료의 낮은 전하 이동도와 짧은 수명을 극복하고 성능을 극대화하기 위해서는 고성능 신규소재의 개발이 필수이다. 태양광 스펙트럼의 장파장 까지 빛흡수가 가능하면서도 광흡수계수가 높은 저밴드갭 도너 물질, 전하 이동도가 획기적으로 개선되고 광 안정성도 높은 신규 소재 개발이 일차적으로 요구되며, 박막 특성 개선과 소자구조의 최적화 등에서도 보다 광범위한 연구개발이 요구되고 있다. 특히 저가의 용액공정에 의한 소자 제작시 박막의 나노-모폴로지 제어는 소자의 성능에 지대한 영향을 미치므로 공정별 한계와 최적조건을 구축하는 것도 매우 긴요하다. 본 발표에서는 당 연구팀을 포함한 국내외 연구그룹들의 최근 유기박막 태양전지 신소재 개발 및 용액공정 기술 현황에 대하여 간략히 살펴보고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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• pp.170-170
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• 2009

AIP(Air Independent Propulsion)시스템에 적용되는 연료전지 스택의 경우 연료의 이용율을 극대화시키는 것이 매우 중요하다. 일반적인 연료전지 스택은 물배출과 성능의 안정화를 위해 이론적 요구량보다 양론적으로 많은 양을 공급하여, 반응에 사용되지 않고 배출되는 연료 가스가 많아 이용율이 낮다. 여러 단으로 구성되어 전 단에서 사용하고 남은 연료 가스를 다음 단에 재공급하여 사용하는 케스케이드 구조의 연료전지 스택을 적용하게 되면 연료이용율을 90% 이상으로 높일 수 있다. 그러나 연료전지 스택에서 반응에 의해 발생한 물과 응축된 가습수가 재공급되면 연료전지 스택의 성능과 내구성에 악영향을 주는 플러딩현상이 발생하게 된다. 반면 반응수와 응축수를 제거할 때 스택에 재공급되는 연료 가스의 가습수가 같이 제거되면 낮은 가습도로 스택에 공급되는 문제점도 있다. 따라서 연료 가스의 가습도를 잘 유지하면서 액화된 물만 원활하게 제거할 수 있는 기액분리기의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 활용하여 다양한 디자인의 기액분리기를 설계하고 실험을 통해 각 디자인의 장단점을 분석하였다. 결과를 바탕으로 최적의 기액분리기를 개발하고 제작 및 평가를 통해 성능을 검증하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.406-406
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• 2011

최근 결정질 실리콘 태양전지 분야에서는 태양전지의 Voc와 Isc의 증가를 통한 효율 향상을 목적으로 후면 passivation 박막에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Local-Back Contact Cell은 최적화된 후면 passivation 박막을 이용한 태양전지 제조방법이다. 본 연구에서는 고효율의 LBC 태양전지 개발을 위해 Rapid Thermal Oxide(RTO)를 이용한 후면 passivation 박막에 screen printing을 이용한 point contact 구조의 LBC 태양전지를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 본 연구에 사용된 RTO 박막은 O2와 N2, 2L/min의 조건에서 $850^{\circ}C$에서 3분 동안 열처리하여 성장시켰다. 이렇게 성장된 박막은 3nm의 두께로 형성되어 passivation 효과를 나타내었으며, carrier lifetime 측정 결과 37.8us의 값을 나타냈다. 전면 ARC형성을 위해 RTO 박막 위에 PECVD를 이용하여 SiNx passivation 처리를 하였고, 그 결과 carrier lifetime은 49.1us까지 향상하였다. 후면의 전극 형성을 위해 screen printing 방법으로 Al point contact을 형성하여 local 한 BSF를 형성 시켰으며, 이후 후면 전극 연결을 위한 방법으로 300nm의 두께로 full Al evaporation 공정을 진행 하였다. 결과적으로 RTO 후면 passivation 박막에 Al point contact 형성을 통해 제작된 태양전지는, Suns-Voc 579mV, FF 82.3%, 16.7%의 효율을 달성하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.143-144
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• 2010

3-5족 화합물 반도체를 이용한 집광형 삼중 접합 태양전지는 40% 이상의 광변환 효율로 많은 주목을 받고 있다[1]. 삼중 접합 태양전지의 하부 셀은 기계적 강도가 높고 장파장을 흡수할 수 있는 Ge이 사용된다. Ge위에 성장될 III-V족 단결정막으로서 Ge과 격자상수가 일치하는 GaInP나 GaAs가 적합하고, 성장 중 V족 원소의 열확산으로 인해 Ge과 pn접합을 형성하게 된다. 이때 GaInP의 P의 경우 GaAs의 As보다 확산계수가 낮아 태양전지 변환효율향상에 유리한 얇은 접합 형성이 가능하고, 표면 에칭효과가 적기 때문에 GaInP를 단결정막으로 선택하여 p-type Ge기판 위 성장으로 단일접합 Ge구조 제작이 가능하다. 하지만 이종접합 구조 성장으로 인해 발생한 계면사이의 전위나 미세결함들이 결정막내부에 존재하게 되며 이러한 결함들은 광학소자 응용 시 비발광 센터로 작용할 뿐 아니라 소자의 누설전류를 증가시키는 원인으로 작용하여 태양전지 변환효율을 감소시키게 된다. 이에 결함감소를 통해 소자의 전기적 특성을 향상시키고자 수소 열처리나 플라즈마 공정을 통해 수소 원자를 박막내부로 확산시키고, 계면이나 박막 내 결함들과 결합시킴으로서 결함들의 비활성화를 유도하는 연구가 많이 진행되어 왔다 [2][3]. 하지만, 격자불일치를 갖는 GaInP/Ge 구조에 대한 수소 열처리 및 불순물 준위의 거동에 대한 연구는 많이 진행되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 Ga0.45In0.55P/Ge구조에 수소 열처리 공정을 적용을 통하여 단결정막 내부 및 계면에서의 결함밀도를 제어하고 이를 통해 태양 전지의 변환효율을 향상시키고자 한다. <111> 방향으로 $6^{\circ}C$기울어진 p-type Ge(100) 기판 위에 유기금속화학증착법 (MOCVD)을 통해 Si이 도핑된 200 nm의 n-type GaInP층을 성장하여 Ge과 단일접합 n-p 구조를 제작하였다. 제작된 GaInP/Ge구조를 furnace에서 250도에서 90~150분간 시간변화를 주어 수소열처리 공정을 진행하였다. 저온 photoluminescence를 통해 GaInP층의 광학적 특성 변화를 관찰한 결과, 1.872 eV에서 free-exciton peak과 1.761 eV에서 Si 도펀트 saturation에 의해 발생된 D-A (Donor to Acceptor)천이로 판단되는 peak을 검출할 수 있었다. 수소 열처리 시간이 증가함에 따라 free-exciton peak 세기 증가와 반가폭 감소를 확인하였고, D-A peak이 사라지는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 수소 열처리에 따른 단결정막 내부의 수소원자들이 얕은 불순물(shallow impurity) 들로 작용하는 도펀트들이나, 깊은 준위결함(deep level defect)으로 작용하는 계면근처의 전위, 미세결함들과의 결합으로 결함 비활성화를 야기해 발광세기와 결정질 향상효과를 보인 것으로 판단된다. 본 발표에서는 상술한 결과를 바탕으로 한 수소 열처리를 통한 박막 및 계면에서의 결함준위의 거동에 대한 광분석 결과가 논의될 것이다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2009.11a
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• pp.274-274
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• 2009

고효율 결정질 실리콘 태양전지 구조를 갖기 위해서는 기본적으로 광포획 기능이 고려된 기판이 고려되어야 한다. 본 실험에서는 2-step 습식공정을 이용하여 기판의 반사율을 기존 대비 절반 이하로까지 줄일 수 있는 저반사율을 갖는 표면구조를 얻을 수 있었다. 일반적인 텍스처링 공정을 NaOH와 TMAH등을 이용하여 10um이하의 피라미드 구조를 통해 평균반사율을 10~13%수준을 얻었고, metal assist etching을 이용하여 추가적인 나노 텍스처링을 적용하였다. 전체적인 2-step에칭을 적용하여 평균 반사율을 5%이하까지 줄일 수 있었다. 이는 전반적으로 나노구조 형성으로 인하여 단파장쪽의 반사율이 적게 나오고 IR 파장쪽의 반사율도 같이 낮아짐으로써 저반사율이 달성되었다. 2-step을 이용한 나노 텍스처링 공정 최적화와 반사방지막을 증착하여 이에 대한 효과를 연구하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.61.2-61.2
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• 2011

본 연구에서는 박막 태양전지용 투명전극으로 사용하기 위해서 Gun-type RF 마그네트론 스퍼트링을 이용하였다. 챔퍼안의 타겟은 AZO타겟(Zn: 98[wt.%], Al:2[wt.%]을 장착하였고 공정압력은 고진공을 유지하였다. 온도는 $300^{\circ}C$로 고정하였고 전력은 70W로 고정하였다. $Ar^+$ 가스유량비를 20sccm~100sccm으로 변화를 주어 기판 위에 AZO를 증착하여 AZO의 구조적 및 광학적 특성의 의존성을 알아보았다. 모든 가스변화에서 400에서 700 nm까지의 가시광 영역에서의 AZO 박막의 평균 투과도는 약 85% 이상의 우수한 투과율을 보인다. AZO 박막 내의 결정 구조는 (002)면으로 우선 배향을 하는 wurtzite 구조를 가지며, $Ar^+$변화에 의해 두께가 증가하면서 결정립의 주상 (columnar) 성장이 향상되고 결정립의 크기도 증가한다. 이러한 경향성은 $Ar^+$변화에 의해 결정성이 향상된다는 것을 의미한다. 이와 같은 구조 및 광학 특성을 가지는 유리 기판 위에 증착된 AZO는 박막 태양전지용 투명 전극으로 응용이 가능할 것이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.333-333
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• 2012

$Co_3O_4$ 계열 스피넬(spinel) 전이금속 산화물 $TCo_2O_4$ (T = 3d 전이금속)는 화학적 촉매, 센서, 이차전지, 연료전지 등으로의 응용성에 기인하여 최근 주목을 받고 있으며, 특정 응용분야와 관련하여 그 박막 시료 제작 및 물리적, 화학적 성질들에 대한 세밀한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 졸-겔 방법을 이용하여 $TCo_2O_4$ 박막이 $Al_2O_3$ (0001) 기판 위에 균일한 두께로 제작될 수 있는 최적 조건을 찾고자 하였으며, 후열처리 조건 변화에 따르는 박막의 구조적 성질 변화를 조사하였다. 후열처리는 공기 중에서 이루어졌으며 온도 ${\sim}800^{\circ}C$에서 최적 결정성을 갖는 다결정 박막이 얻어졌다. 또한, 박막에 작은 시간(~10 min) 동안의 전자선(electron beam) 조사를 통한 다결정 박막의 형성도 관측되었다. $TCo_2O_4$ 박막들에 대한 X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, spectroscopic ellipsometry 측정들을 수행하여 그 구조적, 광학적 성질을 조사 하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.53.1-53.1
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• 2010

결정질 실리콘 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 수광면에 서로 다른 도핑농도를 가지는 고농도 도핑영역과 저농도 도핑영역으로 이루어진 emitter를 형성하는 것이 요구되며 이를 selective emitter라 칭한다. Selective emitter를 형성하면 고농도 도핑영역에서 금속전극과 저항 접촉이 잘 형성되기 때문에 직렬 저항이 최소화되고 저농도 도핑영역에서는 전하 재결합의 감소로 인하여 태양전지의 변환효율이 상승하는 이점이 있다. Selective emitter의 형성방법은 이미 다양한 방법이 제안되고 있으나, 본 연구에서는 기존에 제시된 방법과는 다르게 열산화 시 dopant redistribution에 의한 Boron depletion 현상을 이용하여 selective emitter를 형성하는 방법을 제안하였고, 이를 Simulation을 통하여 검증하였다. 초기 emitter 확산 후 junction depth는 0.478um, 면저항은 $104.2{\Omega}/sq.$ 이었으며, nitride masking layer 두께는 0.3um로 설정하였다. $1100^{\circ}C$에서 30분간 습식산화 공정을 거친 후 nitride mask가 있는 부분의 junction depth는 1.48um, 면저항은 $89.1{\Omega}/sq$의 값을 보였고, 산화막이 형성된 부분의 junction depth는 1.16um, 면저항은 $261.8{\Omega}/sq$의 값을 보였다. 위 조건의 구조를 가진 태양전지의 변환 효율은 19.28%의 값을 나타내었고 Voc, Jsc 및 fill factor는 각각 645.08mV, $36.26mA/cm^2$, 82.42%의 값을 보였다. 한편 일반적인 구조로 설정한 태양전지의 변환 효율, Voc, Isc 및 fill factor는 각각 18.73%, 644.86mV, $36.26mA/cm^2$, 80.09%의 값을 보였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.71.1-71.1
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• 2010

고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 내의 기체확산층(GDL)은 셀 내의 물 관리에 중요한 역할을 수행한다. 일반적으로 다공성 기제(GDBL) 위에 미세기공층(MPL)을 코팅한 2층 구조의 기체확산층이 사용되는데, 이 미세기공층은 카본파우더와 테프론의 혼합물로 이루어져 있으며 촉매층에서 발생한 물을 셀 밖으로 빠르게 배출하는 역할을 수행한다. 본 연구에서는 다양한 기공분포를 갖는 미세기공층을 제조하여 고분자 전해질 연료전지 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 미세기공층 슬러리내에 암모늄염 계열의 기공형성제를 혼합하여 다공성 기제 위에 코팅한 후 다양한 온도조건에서 건조함에 따라 기공분포가 다른 미세기공층을 제조하였다. 이렇게 제조된 미세기공층의 물성은 수은기공도계, FE-SEM, 자체적으로 제조한 기체투과도 측정 장치를 사용하여 측정하였으며, 단위 전지 성능 측정은 두 개의 가습조건(RH100%, RH50%)에서 실시하였다. 기공분포 측정결과 건조온도가 높은 미세기공층은 건조온도가 낮은 미세기공층에 비해 직경이 1,000 - 20,000 nm 인 대공극(macropore)의 수가 많지만, 직경이 100 nm 이하의 미세공 (micropore)의 수가 적은 것을 확인하였다. 전지성능 측정 결과 고가습 조건 (RH100%)에서는 미세공 (micropore)이 발달한 미세기공층을 포함한 기체확산층을 사용한 경우 가장 우수한 성능을 보여고, 저가습 조건 (RH50%)에서는 대공극 (macropore)이 발달한 미세기공층을 포함한 기체확산층을 사용한 경우 가장 우수한 성능을 나타내었다. 이는 물배출에 유리한 미세공 (micropore)의 성질과 원료 기체의 이동에 유리한 대공극(macropore)의 성질에 의한 것으로 판단된다. 따라서 셀 운전 가습조건에 따라 최적화된 기공구조를 갖는 미세기공층을 사용함으로써 셀 운전 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다.