• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2012.05a
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• pp.137-138
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• 2012

박막태양전지의 경우 기판재와 태양전지를 구성하는 반도체 층간의 열팽창 거동 차이가 태양전지의 변형을 야기한다. 이러한 열변형은 태양전지의 효율에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 그러므로 태양전지를 구성하는 반도체 층과 열팽창 거동이 유사한 기판재의 적용이 필요하다. 본 연구에서는 연성 CIGS 태양전지를 구성하는 기판과 박막층의 두께변화가 열공정 중 발생하는 잔류응력에 미치는 영향을 전산해석 하고자 하였다. 전산해석 결과 Fe-52wt%Ni 기판재의 두께가 증가함에 따라 CIGS 박막층 내부의 잔류응력은 감소하였다. SiO2 절연층의 두께가 증가하면 CIGS 박막층의 잔류응력이 증가하였다. Mo 후면전극층이 얇아지면 잔류응력이 감소하였으나 CIGS층의 두께변화는 CIGS층의 잔류응력에 큰 영향을 미치지 않았다.

• 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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• 2010.02a
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• pp.27-27
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• 2010

최근에 고유가와 지구온난화로 인하여 에너지가 향후 인류의 50년을 좌우할 가장 큰 문제로 대두되고 있어서 지구의 모든 에너지의 근원인 태양광을 이용하는 태양광 발전은 무한한 청정 에너지로 각광받고 있다. 빛을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양전지는 풍력, 수소연료전지, 조력, 바이오에탄올 등의 신재생에너지 기술 중에서 상품성은 가장 뛰어나지만 발전단가가 가장 높은 것이 단점이다. 태양광 발전단가를 줄여서 기존의 화석에너지를 이용한 발전단가와 견줄 수 있는 그리드 패러티(grid parity)를 달성하려면 태양전지 모듈의 고효율화와 동시에 저가화가 반드시 이루어져야 한다. 현재 태양광 모듈 시장의 90%는 효율이 12-16% 정도로 높은 단결정(single crystalline or monocrystalline) 실리콘이나 다결정(polycrystalline or multicrystalline) 실리콘 등의 벌크(bulk)형 결정질 실리콘 모듈이 차지하고 있으나 원재료인 실리콘 웨이퍼의 제조단가의 50%를 차지하고 있어서 저가화가 어렵다. 반면, 원료가스를 분해하여 대면적 기판에 증착하는 박막(thin-film) 실리콘 태양전지의 경우는 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 박막 실리콘 모듈은 매우 적은 실리콘 원재료를 소비한다. 단결정이나 다결정 실리콘 웨이퍼의 두께가 $180-250\;{\mu}m$ 정도인 것에 비해서 박막 실리콘의 두께는 $0.3-3\;{\mu}m$ 수준이다. 더불어, 유리, 플라스틱 등의 저가 기판에 저온 대면적 증착이 가능하여 저가양산화에 유리하다. 박막 실리콘 모듈은 벌크형 실리콘 모듈(-0.5%/K) 대비 낮은 온도계수[비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si:H)의 경우 -0.2%/K]와 빛의 세기가 약한 산란광에서도 동작하여 평균발전시간이 증가하므로 외부환경에서 우수한 발전성능을 보이고 있다. 태양전지 모듈은 상온에서의 안정화 효율을 기준으로 가격이 책정되어($/$W_p$) 판매되기 때문에 벌크형 실리콘 모듈에 비해서 박막 실리콘 모듈은 가격대 성능비가 우수하다. 따라서 박막 실리콘 모듈은 벌크형 결정 실리콘 모듈의 대안으로 떠오르고 있으며, 레이저 기술을 이용하여 수려한 투광형 건물일체형(building integrated photovoltaic; BIPV) 모듈을 제작할 수 있는 장점도 있다. 이러한 장점에도 불구하고 기존의 양산화된 단일접합 비정질 실리콘 태양광 모듈은 효율이 6-7%로 낮아서 설치면적 및 설치 모듈의 증가가 성장의 걸림돌이 되고 있다. 박막 실리콘 태양전지의 고효율화를 도모하기 위해서 적층형 탄뎀셀로 양산 트렌드가 변화하고 있다. 이에 적층형 박막 실리콘 태양전지 효율의 한계 및 돌파구에 대해서 논의한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.88.2-88.2
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• 2015

최근 CIGS 박막태양전지에 대한 저가/고효율화에 대한 연구가 심도있게 진행되는 상황에서 태양전지를 구성하고 있는 요소박막에 대한 기능향상 또한 chalcophyrite 구조를 개선하기 위한 실험에 대하여 연구가 많이 진행되고 있다. 전자빔 조사방식은 플라즈마에서 발생되는 이온과 전자 클러스터 중에 전자를 그리드로 선택하여 조사할수 있는 방식으로 가속전압, 인가시간에 따라 샘플에 인가받는 에너지세기의 양을 조절할수 있다. 결정화를 위한 전자빔 조사와 표면구조 개선을 위한 공정조건은 서로 상이한데, CIGS를 구성하는 박막태양전지의 구성박막인 Mo, CIGS, ZnO에 대한 전자빔 조사 변수로서 가속전압을 1.5~5.0 keV로 조사시간은 300 sec이내로 했을때의 각 구성박막의 조성적, 광학적, 전기적, 구조적 특성변화를 관찰하였고, 이에 대한 태양전지 소자로서의 특성을 발표한다. 결론적으로 전자빔 조사는 아주 빠른 시간 이내에 표면을 modify할수 있으며, 가해지는 전자빔의 운동에너지와 매칭이 되는 공정조건 구현 및 탐색을 통해 소결, 결정화까지도 가능한 아주 유용한 방법으로 간주될수 있다.

• 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.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2009.04b
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• pp.49-49
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• 2009

최근 범세계적인 그린에너지 정책에 관련해 화석연료를 대체할 수 있는 수소, 풍력, 태양광 등의 대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 여러 대체에너지 중에서도 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지에 관한 연구가 집중되고 있다. 태양전지는 구조적으로 단순하고 제조 공정도 비교적 간단하지만, 보다 널리 보급되기 위해서는 경제성 향상이라는 문제점을 해결해야 한다. 이를 위해서는 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 신물질에 대한 연구가 필요하며, 그 중에서도 반도체 기술을 이용한 박막형 태양전지는 기존의 실리콘 태양 전지가 가지고 있는 고비용이라는 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 박막형 태양전지의 박막 재료로는 CIGS, CdTe 등이 연구되어지고 있지만, 아직까지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 에너지변환효율이 낮은 이유로 인해 실용화가 많이 이루어지지 못하고 있는 것이 사실이다. 이러한 박막형 태양전지의 재료들 중에서도 CdTe는 이종접합 박막형 태양전지에 흡광층으로 사용되는 것으로 상온에서 1.45eV 정도의 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 II-VI족 화합물반도체로써 태양광 스펙트럼과 잘 맞는 이상적인 밴드랩 에너지와 높은 광흡수도 때문에 박막형 태양전지로 가장 주목을 받고 있다. CdTe 박막의 제조 방법으로는 진공증착법(vacuum evaporation), 전착법(electrodeposition), 스퍼터링법(sputtering) 등이 있지만 본 연구에서는 스퍼터링법을 이용하여 박막을 증착하였다. 이상과 같이 증착된 CdTe 박막을 화학적기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing) 공정을 적용시킴으로써, 태양전지의 에너지변환효율에 직접적인 영향을 끼칠 수 있는 CdTe 박막의 물리적, 전기적 특성들의 변화를 연구하기 위한 선행 연구를 진행하였다. 특히 본 연구에서는 CdTe 박막의 화학적 기계적 연마 특성을 분석하여 정규화를 통한 모델링을 수행하였다. 또한 화학적기계적연마 공정 전과 후의 표면 특성을 관찰하기 위해 SEM(scanning electron microscopy)과 AFM(atomic forced microscope)를 이용하였으며, 구조적 특성 관찰을 XRD(X-ray diffraction)를 사용하여 실험을 수행하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.302-304
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• 2007

전세계적으로 에너지난과 환경오염난을 겪고 있는 가운데 최근 대체에너지에 대한 관심이 어느 때보다 높은 시기이다. 다양한 대체에너지 중에서도 태양광 에너지는 우리나라 환경에 적합해 많은 연구가 진행 중인 분야이다. 대부분의 태양광 발전 시장이 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으나 경제성의 한계로 인해 최근 염료감응형 태양전지가 이를 대체할 수 있는 전지로 주목받고 있다. 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 상대전극에 증착하는 백금층의 두께 변화가 가져오는 출력특성의 영향을 연구했다. 상대전극에 증착되는 백금 박막은 염료감응형 태양전지의 매커니즘에서 입사광의 반사와 전기화학적 촉매작용 역할을 하는 것으로 박막의 두께가 두꺼워지면 반사율이 증가해 염료 분자가 받는 에너지가 늘어날 것으로 예상했다. 상대전극에 백금 Sputtering하는 시간을 1분에서 최대 5분까지 차를 두어 상대전극의 백금 박막의 두께를 $50nm{\sim}250nm$로 변화를 주어 측정한 결과, 250nm의 백금 박막층을 갖는 염료감응형 태양전지보다 백금 박막층이 150nm의 두께를 가질 때 가장 좋은 효율을 출력한다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 상대전극의 백금 박막층에 의한 거울 효과와 촉매작용의 한계와 전자의 흐름 장애에 대한 결과를 얻을 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.404-404
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• 2011

앞으로 유연성 태양전지는 빌딩 디자인에 부합하는 태양전지로서 다양하게 활용될 수 있는 매우 유망한 기술 분야이다. 얇은 스테인레스 스틸(SS) 기판은 이러한 유연성 박막태양전지의 기판으로서 중요한 장점을 가지고 있다. 250$^{\circ}C$ 이상의 고온 박막태양전지 제조 공정에서 안정하고, 부식의 염려가 없으며, 또한 기판을 통해 수분, 산소 등이 침투할 수 없기 때문에 패키징이 수월하다. 그러나 SS 기판은 표면 스크래치 등이 전혀 없도록 제조하기 어렵고, 그 위에 무기 박막을 형성할 때 adhesion 특성이 나쁜 어려움이 있다. 본 연구에서는 SS 기판 표면을 단시간 식각하거나, 졸겔 방법으로 SiO2, Al2O3의 조성을 변화시키면서 막을 형성하여 adhesion특성 변화를 연구하였다. 또한 SS 기판 처리 조건에 따라 박막태양전지 기판으로서 중요한 특성인 표면 거침도에 따른 가시광선 산란 정도를 SS 기판 상에 금속, 투명전극을 형성하여 분석하였다. 기판을 식각해서 표면을 개질하고 그 위에 Al 박막을 증착한 후 반사도를 측정하였을 때, 식각 시간을 30초에서 3분으로 증가시킴에 따라 total reflectance는 75.7%에서 66.5%로 감소한 반면, diffuse reflectance는 1.1%에서 44.8%로 증가하였다. 이러한 diffuse reflectance의 증가는 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 것으로 기대된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2006.06a
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• pp.149-151
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• 2006

Cu계 $I-III-VI_2$화합물은 직접천이형 반도체로 광흡수계수가 매우 높아 박막형 태양전지 제조에 매우 유리하다. 또한 화학적으로 안정하며 Ga, Al 등을 첨가하면 에너지 금지대폭을 조절할 수 있어 Wide Bandgap 태양전지 및 탠덤구조 태양전지를 제조하기에도 용이하다 $CulnSe_2(CIS)$ 물질에서 In을 20-30% 정도 치환한 $Cu(In,Ga)Se_2(CIGS)$ 태양전지의 경우 19.5%의 세계 최고 효율을 보고하고 있으며 이는 다결정 실리콘 태양전지의 효율과 비슷한 수준이다. 본 연구에서는 동시 진공증발법을 이용하여 증착한 CIGS 박막을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 공정의 재현성 및 결정립계가 큰 광흡수층 제조를 위하여 실시간 기판온도 모니터링 시스템을 도입하였으며 버퍼충으로는 용액성장한 CdS 박막을 사용하였다. SLG/MO/CIGS(CGS)/CdS/ZnO/Al 구조의 태양전지를 제조하여 면적 $0.5cm^2$에서 각각 17.5%의 효율을 얻었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.396-396
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• 2011

유연기판(Flexible) CIGS 박막태양전지는 금속 및 폴리머 기판을 이용하고 roll-to-roll 공정에 적합하기 때문에 유리기판을 이용한 태양전지에 비해 가볍고 공정단가를 절감할 수 있다. 그러나 기존의 soda-lime 유리 기판에 비해 금속 및 폴리머 기판을 사용시 Na 공급의 부재로 CIGS 박막 태양전지는 Voc, FF의 감소로 효율이 감소한다. 본 연구에서는 기존 유리기판과 유사한 Na의 공급을 위해 soda lime 유리 박막(SLGTF)을 Mo 후면전극 증착 전에 도입하였으며, CIGS 박막 및 태양전지를 제조함으로써 SLGTF의 영향을 분석하였다. SLGTF는 rf magnetron 스퍼터링법으로 두께를 조절하여 철강기판과 Mo 사이에 증착하였다. 본 연구에서는 SLGTF의 두께에 따른 CIGS 박막의 미세구조 및 Na 함량의 변화를 기존의 유리기판 및 SLGTF이 없는 철강기판과 비교하여 분석하고자 하였다. CIGS 박막은 3-stage 진공증발법으로 증착하였으며, CIGS 박막의 우선배향성(texture) 변화를 관찰하기 위해 XRD (X-ray Diffraction)를 이용하였고 Na 양을 확인하기 위해 SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)를 사용하였다. SLGTF의 도입 및 두께의 변화에 따라 CIGS 박막의 우선배향성(texture) 및 Na의 양에 큰 변화가 있었으며, 이러한 변화가 CIGS 태양전지 셀 효율에 미치는 영향을 분석하였다.