• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.28-28
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• 2010

칼코파라이트 구조의CuInSe2 (CIS) 계 화합물은 직접천이형 반도체로서 높은 광흡수 계수($1{\times}10^5\;cm^{-1}$)와 밴드갭 조절의 용이성 및 열적 안정성 등으로 인해 고효율 박막 태양전지용 광흡수층 재료로 많은 관심을 끌고 있다. CIS 계 물질에 속하는 $Cu(InGa)Se_2$ (CIGS) 태양전지의 경우 박막 태양전지 중 세계 최고 효율인 20%를 달성한 바 있다. 그러나 이러한 우수한 성능에도 불구하고 CIS 계 박막 증착시 동시증발장치나 진공 스퍼터링 장치와 같은 고가 진공장비를 사용해야 한다는 점이 CIS 박막 태양전지 상용화의 걸림돌이 되고 있는데, 이는 장비 특성 상공정단가가 높고 대면적화가 어렵기 때문이다. 따라서 기술개발 이후의 상용화 단계를 고려할 때 CIS 박막 제조 공정단가를 획기적으로 낮추면서도 대면적화가 용이한 신공정 개발이 필수적이다. 이러한 관점에서 용액 및 나노 입자 전구체를 비진공 방식으로 코팅하여 CIS 광흡수층을 제조하는 기술이 CIS 태양전지의 저가화 및 대면적화를 가능케 하는 차세대 기술로 인식되고 있다. 본 세미나에서는 다양한 형태의 용액 또는 입자 전구체를 이용한 CIS 광흡수층 제조 기술개발 현황 및 각 기술별 특징을 소개하고자 한다.

• Ceramist
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• v.18 no.2
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• pp.78-85
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• 2015

이산화티탄 나노튜브와 같이 방향성을 가지고 성장한 반도체는 염료감응 태양전지의 새로운 박막구조로서 많은 관심을 받고 있다. 감응형 태양전지의 전력 생산에 필요한 빛 흡수, 전하주입, 전하운반체수송 등이 박막에서 이루어진다는 점에서 박막은 태양전지의 광전효율을 결정하는 중요한 요소이다. 특히 이산화티탄 나노튜브가 가지는 물리적, 전기적, 광학적 특성을 조절함으로써 이산화티탄 나노입자를 이용한 태양전지의 광전효율을 빠르게 따라잡을 수 있었다. 본고에서는 이산화티탄 나노튜브의 구조와 합성에 대해 검토하고 나노입자와 나노튜브 각각의 구조가 감응형 태양전지에서 빛의 수집과 전하 수집에 주는 영향에 대해 논의하고자 한다. 뿐만 아니라 나노튜브의 구조적, 전기적 특성에 따른 태양전지 제작과정의 차이를 알아본다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.25-25
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• 2010

태양광 에너지는 인류의 미래 에너지로서 이미 그 효용성을 전 세계에 드러내고 있다. 각 나라마다 자국의 에너지 전략 및 일조량등 환경적 여건 또는 경제적 수준에 따라 다양한 에너지 수급의 양태를 띠고 있지만 향 후 한세대 내에 전세계 에너지의 30% 정도를 태양에너지로 공급받게 될 것으로 기대하고 있다. 이러한 추세 속에서 태양광 에너지의 방식도 여건에 따라 다양한 형태들이 상호 경쟁과 보완의 과정을 거치며 꾸준히 연구 개발되어오고 있다. 집광형 태양전지는 그 중에서 광전변환효율의 관점에서 41%라는 경이적인 기록을 가지고 있으며 매년 평균 1% 씩의 발전을 꾸준히 달성해 오고 있다. 특히 화합물반도체 태양전지의 경우 1900년대 후반부터 인공위성등의 에너지 모듈로 독자적인 시장을 형성하고 있었지만 경제성등의 이유로 지상 에너지의 대안으로 고려되지 못하고 있었으나 집광시 효율이 높아지는 특이현상과 다중접합을 통한 태양에너지 스펙트럼의 흡수영역 확대등을 통하여 총체적인 효율이 30%를 넘어서면서부터 서서히 대전력 에너지원으로 주목을 받기 시작하였다. 이러한 기술적 경쟁력에도 불구하고 전세계 태양전지 시장의 대부분은 단결정 실리콘 태양전지가 차지하고 있으며 박막형 태양전지 혹은 유기태양전지등 차세대 태양전지 또한 기존의 단결정 실리콘 태양전지를 기준으로 상대적인 가격경쟁력을 높이므로서 기존시장을 잠식하거나 신규시장을 통하여 점유율을 높이는 전략을 고려하고 있다. 본 세미나를 통하여 현재 화합물반도체 집광형 태양전지 시장을 살펴보고 시장 진입의 걸림돌에 대한 분석과 향 후 동향에 대하여 논의하도록 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.64-64
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• 2011

현재 투명전극은 주로 ITO를 사용하고 있으며, ITO는 인듐산화물(In2O3)과 주석산화물(SnO2)이 9대 1의 비율로 혼합된 화합물로 인듐이 주성분이다. 따라서 ITO 사용량의 증가는 인듐의 수요 증가를 이끌어 2003년 이후 인듐 잉곳의 가격이 급등하였다. LCD에 응용되는 금속재료의 가격추이를 비교해보면, 인듐이 가장 큰 변화를 보이고 있으며, 2005년 인듐 가격은 2002년 대비 1,000% 이상 상승하였다가 2007년 이후 500%p 하락하여 2008년 2월 22일 기준으로 톤당 49만 달러에 거래되고 있다. 같은 기간 동안 알루미늄의 가격은 76.6% 상승하였으며 구리는 394%, 주석은 331% 상승하였다. 이러한 인듐의 가격 상승폭은 동일한 기간 동안 다른 금속 재료와 비해 매우 크며, 단위 질량당 가격도 20배 이상 높은 수준이다. ITO의 주성분인 인듐의 이러한 가격의 급등 및 향후 인듐의 Shortage 예상으로 인해 ITO 대체재 확보의 필요성이 증가 되고 있다. 태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정질 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 고부가 가치 산업유지에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안으로 자리매김하고 있으며, 박막태양전지 산업분야가 현재의 정부정책 지원 없이 자생력을 갖추고 또한 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 박막태양전지 개발과 더불어 저가의 재료개발도 시급한 상황이다. 본 연구에서는 In-line magnetron sputtering system을 사용하여 소다라임 유리기판 위에 박막태양전지용 투명전도성 ZnO(Al) 박막을 제작하였고, 특히 이 박막은 n-형 반도체 특성을 가져야하기 때문에 홀이동도와 개리어농도의 상관관계 및 박막의 두께, 광투과율 특성, 온도 의존성을 조사하였고, 이를 논하고자 한다(본 연구는 중소기업청의 기술혁신개발사업 연구지원금으로 이루어졌음).

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.583-583
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• 2012

최근 석유 자원의 고갈로 인한 대체자원의 관심이 커지면서 박막 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 단일 박막 태양전지는 Shockley-Queisser limit인 40.7%가 변환 효율의 최대값으로 한계가 정해져있다. 이 한계를 넘기기 위하여 현재 여러 층의 박막을 쌓은 tandem 태양전지, 양자점을 이용한 태양전지, 그리고 중간밴드계 태양전지가 제시되고 있다. 중간 밴드계 태양전지는 이론적으로 변환 효율이 63.2%에 달하며 제조 공정이 매우 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이중에 ZnSe는 에너지밴드갭이 상온에서 2.7 eV를 가지고 있는 물질로서 파란색 빛을 내는 발광소자로 각광을 받고 있고, 산소를 주입했을 경우에 p형이 되는 성질과 자연적으로 n 형인 성질로 인해 박막 태양전지로 응용성에 대한 관심이 커지고 있다. 산소나 질소를 주입했을 경우 페르미준위 근처에서 중간밴드가 형성되었다는 연구결과들은 ZnTe(O)나 GaNAs를 통하여 확인되었으나, 현재까지 ZnSe를 이용한 중간밴드 태양전지에 대한 연구결과들은 거의 없는 상태이다. 본 연구에서는 ZnSe를 다양한 기판 온도에서 펄스레이저 증착법을 이용하여 성장하였고 성장하는 동안 산소 노출조건을 조절하여 깊은준위 에너지밴드형성에 대한 연구를 진행하였다. 성장온도와 산소 노출량에 따른 깊은준위에 대한 변화를 관찰하기 위하여 photoluminescence 스펙트럼을 분석하였으며, 박막의 품질에 대해 조사하기 위하여 X-ray diffraction을 이용하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.363-363
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• 2013

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치 창출에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2 세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안이며, 특히 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 장점이 있는 것이 CIGS 박막 태양전지로 판단된다. 화합물반도체 베이스인 CIGS 박막태양전지는 연구실에서는 세계적으로 20.3% 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 13% 효율로 생산이 시작되고 있다. 국내에서도 연구실 규모 뿐만 아니라 대면적(모듈급) CIGS 박막태양전지 증착용 장비, 제조공정 등의 기술개발이 진행되고 있다. CIGSe2를 광흡수층으로 하는 CIGSe2 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 상부투명전극)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 이중에 소다라임유리를 기판으로 하는 하부전극은 Mo 재료를 스퍼터링 방법으로 증착하여 주로 사용한다. 하부전극은 우수한 전기적 특성이 요구되며, 주상조직으로 성장하여야 하며, 고온 안정성 확보를 위하여 기판과의 밀착성이 좋아야하고 또한 레이저 패턴시 기판에서 잘 떨어져야 하는 특성을 동시에 가져야 한다. 본 연구에서는 대면적 CIGSe2 박막태양전지에서 요구되는 하부전극 Mo 박막의 제작과 그 특성에 대해 평가하고, 최종적으로 대면적 CIGSe2 박막태양전지 공정에 적용 그 결과를 논하고자 한다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.27.1-27.1
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• 2009

Chalcopyrite구조의CIS 화합물은 직접천이형 반도체로서 높은 광흡수 계수 ($1\times10^5\;cm^{-1}$)와 밴드갭 조절의 용이성 및 열적 안정성 등으로 인해 고효율 박막 태양전지용 광흡수층 재료로 많은 관심을 끌고 있다. CIS 계 물질에 속하는 $Cu(InGa)Se_2$ (CIGS) 태양전지의 경우 박막 태양전지 중 세계 최고 효율인 20%를 달성한 바 있으며, 이는 기존 다결정 웨이퍼형 실리콘 태양전지의 효율에 근접하는 수치이다. 그러나 이러한 우수한 효율에도 불구하고 박막 증착시 동시증발장치 혹은 스퍼터링장치와 같은 고가 진공장비를 사용하게 되면 공정단가가 높을 뿐만 아니라 사용되는 재료의 20-50%의 손실을 감수해야만 한다. 또한 대면적 Cell제작에 어려움이 있기 때문에 기술개발 이후의 상용화 단계를 고려할 때 광흡수층 박막 제조 공정단가를 획기적으로 낮출 수 있고 대면적화가 용이한 신 공정 개발이 필수적이다. 이러한 관점에서 비진공 코팅방법에 의한 CIS 광흡수층 제조 기술은 CIS 태양전지의 저가화 및 대면적화를 가능케 하는 차세대 기술로 인식되고 있고 최근 급속한 발전을 이루고 있는 미세 입자 합성, 제어 및 응용 기술에 부합하여 많은 세계 연구기관 및 기업체에서 활발히 연구를 진행하고 있다. 비진공 방식에 의한 CIS 광흡수층 제조 기술은 전구체 물질의 형태에 따라 크게 입자형 전구체를 사용하는 방법과 용액 전구체를 사용하는 방법으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 용액 전구체를 paste 공정으로 실험하였다. 이는 용액전구체 물질 제조가 입자형 전구체 제조에 비해 매우 간단하고, 전구체 물질 내 구성원소의 원자비를 쉽게 조절할 수 있다는 장점 및 사용효율이 높아 소량의 source로도 박막 제작이 가능해 공정 단가 절감에 큰 효과가 기대되기 때문이다. 실험에 사용 된 용액전구체는 $Cu(NO_3)$ 및 $InCl_3$, $Ga(NO_3)$를 Cu, In, Ga 출발 물질로 선정하여 이를 메탄올에 완전히 용해시켜 binder인 셀룰로오즈와 메탄올을 섞은 용액과 혼합하여 전구체 슬러리를 형성하였다. 이 슬러리를 paste공정으로 precursor막을 입히고 저온 건조 후 Se 분위기에서 열처리하여 CIGS박막을 얻을 수 있었다. 박막의 특성을 XRD, SEM, AES, TGA등으로 분석하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.125.1-125.1
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• 2011

빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전소자인 태양전지는 청정 재생 에너지원으로 최근 Si 박막 태양전지의 고 효율화를 위해 여러 기술적인 면에서 개발되어지고 있다. 현재 박막형 태양전지는 실리콘계가 주류를 이루고 있으며, 유리 혹은 유연성기판(금속 or 고분자)에 비정질 실리콘 박막을 형성시킨 태양전지와 실리콘웨이퍼의 양면에 태양전지를 형성함으로써 효율을 극대화시킨 이종접합태양전지 등이 연구되고 있다. 특히 flexible 태양전지는 hard 기판에 비해 비교적 저가인 플라스틱 필름과 금속 foil을 기판으로 이용함으로서 저가화가 용이하며, 가볍고 유연성을 갖추고 있어 휴대와 시공에 있어 매우 우수한 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 flexible 기판(stainless steel)을 이용하여 태양전지 내 반사막 층이 미치는 영향을 알아보기 위하여 AZO/Ag 이중구조 박막의 특성을 연구하였다. RF magnetron sputtering system을 이용하였으며, 상온에서 Ag/AZO 이중구조 박막을 제조하였다. stainless steel 기판 위에 Ag층을 25nm 두께로 증착하였으며 연속공정으로 AZO 박막을 100~500nm의 두께경사를 가지도록 성장시켰다. 이 때의 AZO/Ag 이중구조 박막의 표면 morphology는 AFM 분석결과 7nm~3nm의 값을 나타내었으며, AZO 박막의 두께가 증가할수록 rms 값이 감소하는 경향을 보여주었다. 본 발표에서는 flexible 기판 상에 성장된 AZO/Ag 이중구조 박막의 전기적, 광학적 특성 등에 관하여 추가적으로 토론한 후 태양전지 효율 중 흡수층 내 반사막 층이 미치는 역할을 알아보겠다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.197-197
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• 2012

염료감응형 태양전지 (DSSC)는 다양한 태양전지 중, 가장 환경친화적이고, 생산단가도 낮을 뿐만 아니라 다양한 색상과 투광성을 확보할 수 있어 많은 연구가 진행되어왔다. 하지만 액체 전해질을 사용하는 기존 염료감응형 태양전지는 높은 휘발성과 열 팽창 수축에 따른 전해질 누액의 문제점으로 인하여 최근에는 고체전해질을 이용한 염료감응형 태양전지의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 스크린 프린팅법을 이용하여 TiO2 광전극을 코팅하고 Mg(OH)2를 솔-젤법을 이용하여 스핀 코팅 하였다. 이후에 $500^{\circ}C$에서 1시간동안 열처리를 통해 MgO 나노 코팅막을 형성하여 고체 박막 태양전지(solid state dye sensitized solar cells)을 제작하였다. MgO 나노 코팅막의 특성은 솔라시뮬레이터를 이용하여 I-V 곡선, transient Voc, dark current를 측정하였고, UV0vis spectroscopy를 이용하여 염료흡착량을 분석하여 코팅막과 효율간의 상관관계를 평가하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.05a
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• pp.382-385
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• 2008

박막형 태양전지 분야는 저가이고 가볍다는 특징을 가지고 있으며, 휘어지는 기판재를 적용하여 플렉서블 태양전지를 제조할 수도 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서 플렉서블 태양전지에 적합한 금속기판재를 제조하는 연구를 수행하였다. 일반적으로 기판재와 cell을 구성하는 반도체 층의 열팽창 거동 차이에 의한 열변형이 태양전지의 공정안정성에 영향을 주는 것으로 알려져 있었으며, cell을 구성하는 반도체 층과 열팽창 거동이 유사한 금속기판재의 적용이 필요하다. 이러한 특성을 쉽게 제어할 수 있는 금속기판재를 얇게 제조하기에 적절한 방법은 전주법이다. 전주법을 적용하여 조성 및 두께가 다른Ni 계 합금의 열팽창 거동을 TMA 장비를 사용하여 측정하였으며, 태양전지 제조에 사용되는 고온공정시 안정성 확보를 위하여 열처리후에 금속기판재의 열팽창 거동을 측정하였다. 그리고 전산해석tool 을 활용하여 가상의 CIS 플렉서블 태양전지 제조공정을 설정하고 고온공정온도에서 상온으로 냉각시 발생되는 층간 열변형 연구를 수행하였다. 그리고 플렉서블 태양전지용 기판재로 Ni 계 합금표면에 절연체인 $SiO_2$ 증착 연구를 수행하여 Fe-52Ni 합금에서 안정적인 절연층을 얻을 수 있었다.