• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.46.2-46.2
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• 2011

CuInSe2 (CIS)계 화합물은 3족 원소(Ga, Al) 또는 6족 원소(S)를 첨가하여 밴드갭 조절이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 실제로 동시 증발법으로 Ga을 첨가하여 만든 CuIn0.7Ga0.3Se2(CIGS) 태양전지는 약20%의 높은 효율 보이고 있다. 그러나 최고 효율을 달성한 동시 증발법은 대면적화가 어렵다는 점이 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서, 그 대안으로 대면적화가 용이한 스퍼터링 및 셀렌화 공정 연구가 진행되고 있다. 그러나 스퍼터링/셀렌화 공정은 Cu-In-Ga 금속 전구체의 셀렌화 시 Ga이 Mo쪽으로 이동하여 CIS/CGS 2개의 상으로 형성된다는 큰 단점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위해 셀렌화 후 다시 H2S 기체 분위기에서 열처리하여 표면 밴드갭을 증가시키는 공정이 사용되고 있으나, 이는 열처리 과정이 2번 필요하다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 해결하고자 본 연구에서는 금속 전구체의 구조, 셀렌화 공정 조건 및 전구체 내의 상(phase) 조절을 통해 셀렌화 시 Ga segregation을 억제하고자 하였다. 특히 전구체의 상 조절을 통해서 Ga의 이동을 크게 완화시킬 수 있음을 확인하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2010.05a
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• pp.34.2-34.2
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• 2010

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 화합물 반도체를 기반으로 한 태양전지는 박막태양전지 기술 중 세계최고효율을 기록하고 있다. CIGS를 합성하는 방법은 동시증발법, 스퍼터링/셀렌화 등의 진공방식과 나노분말법, 전착법, 용액법 등의 비진공방식이 있으나, 현재까지 진공방식이 양산기술로서 완성도가 높은 것으로 알려져 있다. 특히 스퍼터링에 의한 전구체 박막 증착과 셀렌 분위기에서의 열처리 공정을 결합시킨 2단계 공정은 동시증발법에 비해 대면적 모듈 제조에 유리한 것으로 알려져 있다. 셀렌화 공정은 통상 반응성이 매우 높은 H2Se 기체를 이용하고 있으나, 부식성 및 안전성 문제를 해결하기 위해 추가적인 설비가 요구되므로 제조비용을 높이는 단점을 갖는다. 한편, Se 증기를 이용하면 안전성은 담보되나 낮은 반응성으로 인해 고온에서 장시간 열처리를 해야하는 문제를 안고 있다. 본 연구에서는 새로운 Se 증기를 사용하되 반응효율을 높일 수 있는 새로운 셀렌화 열처리방법을 제시하고자 한다. 기존의 Se 증기가 별도의 증발원을 이용하여 공급된 것과는 달리, 금속전구체 직상부에 Se이 코팅된 별도의 커버글라스를 위치시켜 Se의 손실을 최대한 억제하였다. Se 커버글라스가 밀착된 금속프리커서를 $200{\sim}600^{\circ}C$ 온도범위에서 열저항가열로 내부에서 열처리하였으며, 추가로 Se을 공급하지는 않았다. 이와 같은 방법 제조된 CIGS 박막의 물성을 X선회절법, 주사전자현미경 등으로 관찰하였으며, 예비실험결과 비교적 낮은 온도에서 chalcopyrite 상이 형성됨을 확인하였다. 근접셀렌화에 의해 제조된 CIGS 박막이 적용된 태양전지를 제조하여 셀렌화 공정변수에 따른 소자특성변화를 제시하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.375-375
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• 2011

Cu(In1-xGax)Se2 (CIGS)박막증착법 중 금속 전구체의 셀렌화 공정법은 다른 제조 방법에 비해 대면적 생산에 유리하고, 비교적 공정 과정이 간단하다는 장점이 있다. 이 제조 방법은 금속 전구체를 만든 후에 셀렌화 공정을 하게 된다. 셀렌화 공정은 대부분 H2Se 가스를 사용하지만 유독성으로 사용하는데 주의해야 한다. 본 실험은 H2Se를 사용하지 않고 Se원료를 주입하기 위해 Se cracker를 사용했고 금속 전구체 증착과 셀렌화를 동시에 하는 반응성 스퍼터링 후 열처리 법을 이용하여 CIGS 박막을 증착 했다. CIGS의 박막의 Cu/[In+Ga], Ga/[In+Ga]비를 변화시켜 특성변화를 관찰했다. Cu/[In+Ga]비가 감소할수록 CIGS의 결정방향인 (112) 이 우세하게 발달했고 Ga/[In+Ga]비가 증가할수록 CIGS의 결정면 사이의 값이 작아지기 때문에 CIGS peak의 2-Theta 값이 증가하게 된다. CIGS 박막 태양전지의 구조는 Al/Ni/ITO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/glass 제작했다. CIGS박막의 조성비가 Cu/[In+Ga]=0.84, Ga/[In+Ga]=0.24인 박막태양전지에서 개방전압 0.48 V, 단락전류밀도 33.54 mA/cm2, 충실도 54.20% 그리고 변환효율 8.63%를 얻었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.346-349
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• 2007

치밀한 $CuInSe_{2}$ (CIS) 태양전지용 광흡수층을 제조하기 위해 상용되는 출발물질을 이용하여 비진공방식인 paste coating 법으로 CIS 막을 제조하였다. 먼저 치밀한 CIS 막 제조를 위해 $Cu_{2}Se$의 액상 거동을 관찰하였다. 이러한 $Cu_{2}Se_{2}$의 액상거동을 위해 Se 분위기에서 Se 증발온도, 기판온도, 열처리시간 등을 다양하게 변화 시켰으며, Se 증발온도 $450^{\circ}C$, 기판온도 $550^{\circ}C$, 열처리시간 30분 그리고 수송가스 ($N_{2}$)를 20 sccm으로 최적조건을 형성하였다. 이러한 최적조건을 바탕으로 치밀한 CIS막을 위해 two-zone RIP (rapid temperature process) 방법으로 Se 분위기 안에서 셀렌화를 위한 열처리를 행하였다. 셀렌화를 위해 다양한 열처리시간에 따라 형성된 CIS 막은 CIS 광흡수층과 Mo 박막 사이에서 $MoSe_{2}$ 층이 형성되었지만, 균일한 CIS 막을 얻었으며 업자성장과 치밀화 거동을 관찰 하였다. 또한, CIS 막의 치밀화를 위해 Se 증발온도와 열처리시간을 고정하고 기판온도를 $600^{\circ}C$로 증가시켜 $Cu_{2}Se$의 액상거동을 관찰하였다. $600^{\circ}C$에서 형성된 CIS 막은 기판온도 $500^{\circ}C$의 시편보다 입자성장과 치밀화가 되었으나 기판으로 사용하는 soda-lime glass의 휨 현상이 발생하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.428-428
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• 2012

CIGS 또는 CIS 태양전지는 높은 흡광계수와 조절가능한 밴드갭 특성으로 인해 높은 광전변환효율을 나타내므로 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 그러나 태양전지의 저가화를 위해서는 기존의 동시증발법 또는 스퍼터링을 대신할 수 있는 비진공 방식의 박막제조방법이 요구된다. 다양한 비진공 코팅방법 중에서 용액 또는 콜로이드 전구체를 프린팅하는 방법은 batch 조성이 박막의 조성으로 전사되므로, 전착법에 비해 조성 조절이 용이하다는 장점이 있다. 한편, 콜로이드 공정에 속하는 Cu-In 합금 나노 분말법은 셀렌화 또는 황화 과정 중에 부피가 팽창하는 장점을 활용 가능한 반면, 전구체 박막의 충진밀도가 낮을 경우 열처리를 통한 치밀화에 한계가 생길 수 있는 단점이 있다. 본 연구에서는 합성한 Cu-In합금 분말을 이용하여 전구체 박막을 형성한 후 반응기구가 다른 황 및 셀레늄 분위기에서의 열처리를 통해 소결된 박막의 결정상, 미세구조 및 표면 형상의 차이를 비교하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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• pp.395-395
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• 2009

$CuInSe_2$계 태양전지는 동시 증발공정으로 최고 효율 약 20%를 얻었으나, 동시 증발법은 대면적화 및 조성 균일도 조절에 어려움이 있다. 이에 반해 스퍼터링 및 셀렌화 공정은 동시 증발법에 비해 대면적의 조성 조절 및 생산속도가 뻐른 장점이 있다. 이에 따라 스퍼터링 및 셀렌화 공정을 통해 CIS 태양전지를 양산화 하려는 시도가 전세계적으로 활발히 진행중이다. 그러나 연구소 및 학교를 중심으로 연구가 진행되어 박막 증착 공정 및 단계별 박막 특성이 많은 부분 밝혀진 동시 증발공정에 비해, 몇몇 기업을 중심으로 연구가 진행되고 있는 스퍼터링/셀렌화 공정의 경우 공정 조건 및 이에 따른 박막 특성/형성기구에 대한 정보가 거의 없는 상태이다. 따라서 본 연구에서는 CuIn 및 Cu 타겟을 동시 스퍼터링하여 전구체를 만든후 이를 셀렌화하여 CIS 박막을 성장시키고, 특히 열처리 단계별 상분석을 통해 CIS 형성기구를 고찰하고자 하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.83-84
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• 2009

Thin film solar cells based on CIGS continue to be a leading candidate for thin film photovoltaic devices due to their appropriate bandgap, long-term stability, and low-cost production. To date, the most successful technique for the deposition of a CIGS absorber layer has been based on the co-evaporation However, the evaporation process is difficult to scale-up for large-area manufacturing the sputtering and Selenizaton process has been a promising method for low-cost and large-scale production of high quality CIGS In this study, we have used Cu and CuIn alloy targets for precursor deposition the precursor deposited by sputtering Cu and CuIn targets and $CuInSe_2$ thin film is manufactured by Selenization process

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.47.2-47.2
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• 2011

광전환 효율 20% (AM1.5G) 이상의 고효율 화합물 박막태양전지의 광흡수층으로 많은 관심을 받고 있는 $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 태양전지의 광흡수층은 다양한 공정에 의해 제조가 가능하다. 현재 고효율 CIGS 셀 생성을 위해 널리 사용되고 있는 CIGS 흡수층 성장공정은 "co-evaporation (동시증발법)"과 2-step 공정이라 불리는 "precursorselenization(전구체-셀렌화)" 방법이다. 동시증발법은 개별원소 Cu, In, Ga, Se들을 고진공 분위기에서 고온(550~600$^{\circ}C$) 기판위에 증착하는 방법으로 소면적에서 가장 좋은 효율(~20%)을 보이는 공정이다. 하지만, 고온, 고진공 공정조건과 대면적 증착시 온도 및 조성 불균일 등의 문제점 등으로 상용화에 어려움이 있다. 전구체-셀렌화 공정은 1단계에서 다양한 방식(예: 스퍼터링, 전기도금, 프린팅 등) 방식으로 CuGaIn 전구체를 증착하고, 2단계에서 고온(550~600$^{\circ}C$)하에 H2Se gas 혹은 Se vapor와 반응시켜 CIGS를 생성한다. 일본의 Showa Shell와 Honda Soltec 등에 의해 이미 상업화 되었듯이, 저비용 대면적으로 상업화 가능성이 높은 공정으로 평가되고 있다. 하지만, 2단계에서 사용되는 H2Se 및 Se vapor의 유독성, 기상 Se과 금속전구체 간의 느린 셀렌화 반응속도, 셀렌화반응 후 생성된 CIGS 박막 두께방향으로의 Ga 불균일 분포, 생성된 CIGS/Mo 계면 접착력 저하 등의 문제점들이 개선, 해결되어야만 상업화에 성공할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 Se layer가 코팅된 금속전구체의 셀렌화 반응메카니즘을 in-situ high-temperature XRD를 이용하여 연구하였다. 금속전구체는 스퍼터링, 스프레이 등 다양한 방법으로 제조되었고, 반응메카니즘 연구결과를 바탕으로 Se 코팅된 금속전구체를 이용한 급속열처리 공정의 최적화를 시도하였다.

• 한국태양에너지학회:학술대회논문집
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• 2012.03a
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• pp.391-393
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• 2012

CuInGa 전구체를 여러 분위기에서 급속 열처리 공정 (rapid thermal processing; RTP)을 이용하여 셀렌화하여 CuInGaSe 박막을 제작하였다. 공정조건은 각각 진공상태, 아르곤 가스 유동 상압상태, 아르곤 분위기 상압밀폐에서 덮개 유리를 사용한 상태 및 아르곤 밀폐상압에서 추가로 Se을 공급한 상태이었다. 제작된 CuInGaSe의 특성을 ICP 측정을 통하여 분석하였다. 열처리 조건에서 시스템이 밀폐상태에 가까울수록 Se 증기압이 높을수록 CuInGaSe 박막의 Se 함량이 증가하였다. 아르곤 분위기 상압 밀폐상태에서 제작된 CuInGaSe 박막을 이용하여 제작한 태양전지의 효율은 9.6%이었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.319-319
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• 2010

칼코젠계 태양전지의 광흡수층으로 사용되는 CuInSe2은 직접천이형 반도체로 광흡수계수가 $1{\times}105cm-1$로 매우 높고, 전기광학적 안정성이 우수하여 실리콘 결정질 태양전지를 대체할 고효율 태양전지로 각광받고 있다. 광흡수층의 밴드갭 에너지가 증가하면 태양전지의 개방전압(Voc)이 증가하여 광변환 효율을 향상시킬 수 있으므로, CuInSe2에서 In의 일부를 Ga으로 치환하여 에너지 밴드갭의 변화를 주는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 화합물내의 Ga 조성비가 증가하면 단락전류(Jsc), 충진률(fill factor)이 낮아져 태양전지 효율을 저하시키게 되므로 CIGS 박막의 적절한 화합물 조성비를 갖도록 최적조건을 확립하는 것이 매우 중요하다. 본 실험에서는 광흡수층 형성을 위해 Sputtering법으로 금속 전구체를 증착하고, 고온에서 셀렌화 열처리를 수행하는 Sequential process(2단계 증착법)를 이용하였다. soda-lime glass 기판에 Back contact으로 Mo를 증착하고, 1단계로 CuIn0.7Ga0.3 조성비의 타겟을 이용하여 Sputtering법으로 $0.5{\sim}2{\mu}m$ 두께의 CIG 전구체를 증착하였다. 2단계로 CIG 전구체의 셀렌화열처리를 통하여 CIGS 화합물 구조의 박막을 형성시켰다. 이때 형성된 CIGS 화합물 박막의 두께는 동일하게 함으로써, 열처리온도에 의한 박막의 구조변화를 비교하였다. 증착된 CIGS 박막은 고온 엑스선회절분석을 통해 증착 두께와 온도 변화에 따른 CIGS 층의 구조 변화를 확인하고, 동일한 증착조건으로 Buffer layer, Window layer, Grid 전극을 형성하여 태양전지셀 특성을 평가함으로써 CIGS 태양전지 광흡수층의 결정구조에 따른 광변환 효율을 비교하였다.