• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.114.2-114.2
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• 2011

비정질 실리콘 박막 태양전지연구에 일반적으로 사용되고 있는 ASA (Advanced Semicon ductor Analysis) simulation을 이용하여 TCO/p에 삽입될 버퍼층의 최적 구조를 설계해보았다. 기본적인 p,i,n층 단일막 data 값을 고정시켜 버퍼층의 광학적 밴드갭을 1.75~1.95eV, 활성화 에너지를 0.3~0.4eV, 두께를 5~15nm로 가변해 보았다. 첫 번째로 동일한 활성화 에너지를 갖는 버퍼층의 광학적 밴드갭을 증가 시켰을 경우 built-in potential이 증가하였으며 이는 개방전압의 증가로 이어졌다. 두 번째로 활성화 에너지가 작은 경우 큰 경우에 비하여 Conduction-band와 Fermi-level의 차이가 증가 하게 되어 활성화 에너지가 큰 경우에 비해 높은 built-in potential을 얻을 수 있었다. 또한 버퍼층과 p층의 접합부분에서의 barrier가 활성화 에너지의 차이를 줄일수록 감소 함 을 알 수 있었다. 장벽의 감소로 정공의 흐름을 방해하는 요소가 줄어들었고 효율도 증가하였다. 마지막으로 버퍼층 두께가 두꺼워 질수록 박막 내에서 빛 흡수가 많아지게 되어 광 흡수층으로 가야할 빛의 양이 줄어들게 되어 단락전류값이 감소하는 것을 알 수 있었다. Simulation결과 버퍼층의 광학적 밴드갭이 1.95eV로 크고 활성화 에너지가 0.3eV이하로 p층에 비하여 낮으며 두께가 5nm로 얇을수록 좋다는 결과를 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.312.1-312.1
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• 2014

Chalcopyrite계 화합물 반도체인 $Cu(InGa)Se_2$ (CIGS)는 직접천이형 에너지 밴드갭과 전파장 영역에 대하여 높은 광흡수계수($1{\times}$[10]^5/cm)를 가지므로 두께 $1{\sim}2{\mu}m$인 박막형태으로 고효율의 태양전지 제조가 가능하다. 또한, 박막공정의 저가 가능성을 나타내면서 전세계적으로 많은 연구와 관심을 받고 있고, 현재 상용화되어 있는 결정질실리콘 태양전지를 대체할만한 재료로 주목 받고 있다. 일반적으로, CIGS박막형 태양전지 구성은는 유리를 기판으로 하여 5개의 단위 박막인 Mo 후면전극, p형 반도체 CIGS 광흡수층, n형 반도체 CdS 버퍼층, doped-ZnO 상부 투명전극, $MgF_2$ 반사방지막으로 이루어진다. 이들 중에서 태양전지의 에너지 변환효율에 결정적인 영향을 미치는 구성된다. CIGS 광흡수층의 제조는 크게 진공법과 비진공방법으로 나뉜다. 현재까지 보고된 문헌에 따르면 CIGS 박막형 태양전지의 경우에 동시증발법으로 20.3%의 에너지 변환효율을 보였지만,는데, 이는 진공장비 특성상 공정단가가 높고 대면적화가 어렵다는 단점을 가진다. 따라서, 비진공법을 이용하여 광흡수층 제작하는 것이 기술적으로 진보할 여지가 크다고 볼 수 있다. 반면 현재 상용화되어 있는 결정질실리콘 태양전지를 대체할만한 방법으로 주목 받고 있는 비진공을 이용한 저가공정은 최근 15.5%의 에너지 변환효율이 보고 되었다. 비진공법에는 전계를 이용한 증착법 및 스프레이법으로 나뉘며, 이들 광흡수층 재료의 화학적 합성은 III족 원소인 In, Ga의 함량비에 따라 광흡수층의 에너지 밴드갭(1.04~1.5 eV) 조절이 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 비진공법에 사용되는 CIGS재료의 화학적 합성조건을 변화시켜 III족 원소의 조성비 조절을 시도하였다. CIGS 분말 시료의 입자 형태와 크기를 FE-SEM을 이용하여 관찰하였고, 화합물의 성분비를 EDX 및 XRD 분석을 통해 Ga 함량에 따른 구조적 차이를 비교해 보았다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.111.1-111.1
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• 2010

석탄가스화복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)의 고온 고압 합성가스로부터 $CO_2$를 저비용으로 포집하기 위한 연소전 포집 기술 중 유동층 촉진수성가스전환(SEWGS) 공정이 제안되어 연구개발 중에 있다. 연소전 $CO_2$ 포집을 위한 SEWGS 공정은 동일한 2탑 순환 유동층 반응기에서 고온 고압의 합성가스($H_2$, CO)를 유동층 WGS 촉매를 사용하여 CO를 $CO_2$로 전환하는 동시에 전환반응으로 생성된 $CO_2$를 흡수제를 이용하여 포집하는 기술이다. 본 연구는 $CO_2$ 회수와 WGS 반응이 동시에 이루어지는 공정에 적용 가능한 건식 재생 흡수제 및 유동층 WGS 촉매 개발을 목표로 $CO_2$ 흡수제(P Series) 및 WGS 촉매(PC Series) 조성을 제안하고 분무건조기를 이용하여 6~8kg/batch로 성형 제조하였다. 제조된 $CO_2$ 흡수제 및 촉매의 특성 평가 결과 내마모도(Attrition resistance)를 포함한 물리적 특성이 유동층 공정의 요구조건을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 모사 석탄 합성가스를 이용하여 20bar, $200^{\circ}C$ 흡수/$400^{\circ}C$ 재생 조건에서 열중량 분석기(TGA) 및 가압 유동층(Fluidized-bed) 반응기를 통한 흡수제의 $CO_2$ 흡수능 평가를 수행하였다. 그 결과 내마모도(AI) 3% 이하로 기계적 강도가 우수하며, $CO_2$ 흡수능 17.6 wt%(TGA) 및 11wt%(가압 유동층)를 나타냈다. 유동층 WGS 특성 평가 결과 내마모도가 7~35%로 우수하였고, CO 전환율은 $200^{\circ}C$에서 80% 이상으로, 유동층 SEWGS 공정에 적용 가능한 특성을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.06a
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• pp.185-188
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• 2005

나노 입자 분무 기법을 이용한 $Cu(In,\;Ga)Se_2$ (CIGS) 광흡수층 제조 기법은 고진공 장치를 사용하지 않는다는 점에서 대면적 저가형 CIGS 태양전지 양산에 적합한 차세대 기술로 인식되고 있다. 그러나 일반적으로 스프레이 된 상태의 CIGS충 자체는 태양전지 제조에 적합하지 않은데 이는 스프레이 막의 다공성 구조 때문이다. 본 연구에서는 나노입자 분무 기법을 이용하여 증착한 CIGS 광흡수층막을 질소 또는 셀레늄 분위기에서 열처리함으로써 태양전지 제조에 적합한 치밀한 구조의 CIGS 광흡수충을 제조하고자 하였다. 실험 결과, 질소 분위기 $500^{\circ}C$의 온도에서 1시간 열처리하여도 CIGS 나노 입자의 성장은 거의 일어나지 않는 것으로 나타났다. 반면 셀레늄 분위기 $500^{\circ}C$의 온도에서 30분 열처리시 입자 크기가 $1{\mu}m$이상인 치밀한 광흡수층을 얻을 수 있었다. 본 결과는 CIGS 나노 입자의 입자 성장 반응에서 열에너지 단독에 의한 표면 에너지 감소 효과는 미미하며 셀레늄 증기의 역할이 더욱 크다는 것을 의미하는 것이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.16-18
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• 2009

CIGS 박막태양전지는 박막태양전지 중 최고 효율(20%)을 보이는 태양전지로 각광받고 있다. 이러한 고효율 태양전지는 Soda-lime glass 를 기판으로 사용한 경우로 기판과 CIGS층의 열팽창계수가 비슷하고 또 나트륨이 CIGS 성장시 확산하여 광흡수층에 유익한 영향을 준다고 알려져 있다. 본 실험에서는 나트륨이 함유된 소다라임유리와 거의 포함하고 있지 않은 코닝유리를 기판으로 사용하여 CIGS 광흡수층의 차이를 분석하였다. SIMS, SEM분석결과 소다라임유리의 CIGS Mo 부근과 표면부위에 Na 농도가 높으며, grain 크기가 코닝에 비해 작음을 알 수 있었다. 전기적 특성은 소다라임유리기판의 경우 p-type 농도가 코닝유리기판에 비해 약 $10^5{\sim}10^6$천배가량 높음을 확인하였다. 셀특성또한 코닝 11%, SLG는 16%로 효율차이가 발생하였으며 이는 나트륨으로 p-type 전도도가 향상되어 효율이 개선되는 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 1999.05a
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• pp.33-38
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• 1999

CCT(Clean Coal Technology)의 응용분야인 IGCC, PFBC 및 MCFC 등 석탄을 이용한 새로운 발전기술에 활용될 것으로 예견되는 고온건식 탈황기술은 고온(35$0^{\circ}C$~$650^{\circ}C$)과 고압(약 20기압)상태에서 금속 산화물로 된 고체흡수제(고온건식 탈황제)를 이용하여 반응기(유동층, 고속유동층 및 고정층과 이동층 반응기 등)에서 흡수와 재생반응을 통하여 석탄가스중에 있는 H$_2$S 등 황화물을 효율적으로 제거하는 기술이다.(중략)

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.63.1-63.1
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• 2010

실리콘 박막 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 밴드갭이 다른 흡수층을 적용한 tandem형 적층 태양전지를 이용하고 있다. 일반적으로 1.7eV이상의 밴드갭이 큰 비정질 실리콘을 이용하여 단파장의 빛을 흡수하고, 상대적으로 낮은 1.1eV 정도의 밴드갭을 갖는 미세결정 실리콘 층으로 장파장을 흡수하게 된다. 이렇게 연결된 tandem형 태양전지의 효율을 극대화하기 위해서는 각 태양전지에서 발생하는 전류 밀도를 일치시키는 것이 필요하다. 이를 위해 비정질 실리콘의 두께가 증가되는 경우가 있는데 이러한 경우 비정질 실리콘의 광열화 특성(Lihgt-induced degradation)으로 안정화 효율이 감소하게 된다. 따라서 비정질 실리콘 태양전지의 전류 밀도를 향상 시켜 두께를 최소화하는 것이 매우 중요하다. Tandem형 태양전지에서 비정질 실리콘 태양전지의 전류 밀도를 향상시키기 위해 두 개의 전지사이에 광 반사층을 적용하여 태양전지를 제조하게 된다. 이러한 경우 비정질 실리콘의 전류 밀도는 증가하지만, 광 반사 층의 장파장 흡수로 인하여 하부 태양전지의 전류 밀도 감소가 더 커지게 되어 전체 발생 전류 밀도는 오히려 감소하게 된다. 본 논문에서는 비정질 실리콘의 밴드갭을 제어하여 광 흡수 파장 영역 확대로 전류 밀도를 향상시키는 연구를 진행하였다. PECVD의 RF power 조건을 제어하여 1.75eV에서 1.67eV까지 밴드갭을 변화시켰다. 이와 같은 조건의 박막을 광 흡수층으로 갖는 p-i-n 구조의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. i층의 밴드갭이 감소됨에 따라 장파장 영역의 흡수가 확대되어 전류 밀도가 증가 하였지만, Voc의 감소가 컸다. 이는 i층의 밴드갭이 좁아짐에 따라 p층과의 불연속성이 커졌기 때문이다. 이러한 악영향을 줄이기 위해 p층과 i층 사이에 buffer층을 삽입하여 태양전지를 제작하였다. 이와 같은 최적의 buffer층 삽입을 통하여 불연속성을 줄임으로써 Voc의 상승효과를 확인하였다. 본 연구의 결과로 좁은 밴드갭을 갖는 광 흡수 층을 적용하여 전류 밀도를 향상시키고, 최적화된 buffer층 삽입으로 Voc를 향상시킴으로써 고효율의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. 이를 tandem형 태양전지에 적용할 경우 초기 효율뿐만 아니라 얇은 두께에서 제조할 수 있기 때문에 광열화 특성이 향상되어 안정화 효율의 증가를 가져올 수 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.464.2-464.2
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• 2014

태양 에너지는 미래 에너지원으로 각광받고 있는 중요한 에너지원이다. 다양한 태양전지 중 CuInS2(CIS) 박막형 태양전지는 높은 광흡수율과 조절가능한 밴드갭에너지를 가지고 있으며, 높은 장기 안정성과 광변환효율 등으로 많은 관심을 받고 있다. 최근 20.3%에 달하는 높은 광변환효율이 보고된 바 있으나, 이는 고진공 장비를 요구함으로 인해 초기 투자비용이 늘어남과 동시에 대량생산 측면에서 한계점이 지적되고 있다. 본 연구는 CIS계 태양전지를 보다 저온, 상압에서 제조하기 위해 Cu, In, S 전구체를 용매에 녹여 전구체 용액을 제조하였다. 이를 스핀코팅을 이용하여 CdS 버퍼층이 증착된 ZnO 나노구조에 코팅 후, 건조 및 열처리하여 광흡수층 박막을 증착하는 방법을 개발하였다. 본 연구에서는 superstrate 형태의 태양전지 구조를 이용하기 위하여window 층으로 쓰이는 ZnO 박막을 수열합성법을 통해 나노구조화하였다. 이를 통해 CIS 흡수층과의 접촉면적 증가에 따른 빛 흡수효율 증가 및 전하 이동 효과를 증가시킬 수 있었다. 각각의 나노구조의 SEM, XRD, UV-transmittance 분석을 통하여 살펴 보았으며, 결과적으로 상온, 상압에서 증착이 가능한 용액 공정을 통해 superstrate방식의 CIS 태양전지를 만들 수 있었다. 소면적 태양전지 제작을 통해 박막 구조에 비해 향상된 광변환 효율을 얻었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.2-2
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• 2010

텐덤형 태양전지는 다양한 에너지 대역을 동시에 흡수할 수 있도록 제작할 수 있어 단일접합 태양전지에 비해 높은 에너지변환효율을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 GaAs를 기반으로 양자점 혹은 양자우물 구조를 이용한 고효율 텐덤형 태양전지를 설계하고, 완충층 및 활성층의 특성을 분석하였다. 분자선 단결정 성장 장비를 이용하여 GaAs 기판 위에 메타모픽 (metamorphic)성장법을 이용하여 convex, linear, concave 형태로 조성을 변화시켜 $In_xAl_1-_xAs$ 경사형 완충층을 성장한 후 그 특성을 비교하였다. 또한, 최적화된 경사형 완충층 위에 1.1 eV와 1.3 eV의 에너지 대역을 각각 흡수할 수 있는 적층 (5, 10, 15 층)된 InAs 양자점 구조 또는 InGaAs 양자우물구조를 삽입하여 p-n 접합을 성장하였다. 그리고 GaAs/AlGaAs층을 이용한 터널접합에서는 GaAs층의 두께 (20, 30, 50 nm)에 따른 터널링 효과를 평가하였다. 그 결과, 경사형 완충층을 통해 조성 변화로 인한 결함을 최소화하여 다양하게 조성 변화가 가능한 고품위의 구조를 선택적으로 성장할 수 있었으며, 적층의 양자점 구조 및 양자우물 구조를 이용해 고효율 텐덤형 태양전지의 구현 가능성을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.110.2-110.2
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• 2010

현재 상용가능한 연소전 $CO_2$ 포집 기술은 습식 스크러빙 방식으로 고온의 합성가스를 상온 수준으로 온도를 낮춘 후 $CO_2$를 포집해야 하고 포집된 $CO_2$의 압력이 낮아 재압축하여 저장소로 보내야 함에 따라 큰 폭의 열효율 손실이 불가피하다. 고온 고압에서 이산화탄소를 포집할수 있는 고체 흡수제를 이용할 경우 이산화탄소 포집 치 저장 추가에 따른 시스템 효율 저하를 최소화할 수 있다. 고체 $CO_2$ 흡수제는 서로 연결된 두 개의 유동층 반응기를 순환하면서 흡수탑에서는 합성가스 중의 $CO_2$를 흡수하고 재생탑에서는 고온의 수증기와 접촉하여 흡수된 $CO_2$를 다시 배출함으로써 재생된다. 따라서 건식 재생 $CO_2$ 흡수제는 유동층 공정에 응용가능한 물성과 함께 높은 $CO_2$ 흡수능과 빠른 반응성이 요구된다. 본 연구에서는 유동층 공정에 적합한 물성을 가진 연소전 $CO_2$ 포집용 고체 흡수제를 분무건조법으로 제조하였으며, 모사 합성가스를 이용하여 열중량분석기와 기포유동층반응기를 이용하여 $200^{\circ}C$ 흡수, $400^{\circ}C$ 재생, 압력 20 bar 조건으로 반응성을 측정하였다. 개발된 고체 $CO_2$ 흡수제는 열중량분석기에서는 반응 후 10-13 wt%의 무게증가를 나타내었고 기포유동층반응기에서는 8-10 wt%의 $CO_2$ 흡수능을 보여주었다. 특히 수증기의 함량이 10% 이상에서 높은 흡수능을 나타내어 수증기가 반응에 크게 작용하고 있음을 알 수 있었다.