• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2011년도 춘계학술발표대회
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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.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.24-24
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• 2010

Chalcopyrite $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 화합물 반도체는 고효율 박막태양전지의 광 흡수층으로 사용되는 물질 중 가장 우수한 효율 (19.9%, NREL 2008)을 보유하고 있다. CIGS는 직접천이형 에너지밴드갭 (direct bandgap)을 가지고 있고, 광흡수계수가 $1{\times}10^5\;cm^{-1}$로서 반도체 중 서 가장 흡수율이 높은 재료에 속하여 두께 $1{\sim}2\;{\mu}m$의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 현재 고효율 CIGS 셀생성을 위해 널리 사용되고 있는 CIGS 흡수층 성장공정은 "co-evaporation(동시증발법)"과 2-step 공정이라 불리는 "sputter-selenization(스퍼터-셀렌화)" 방법이다. 동시증발법은 개별원소 Cu, In, Ga, Se 들을 고진공 분위기에서 고온 ($550{\sim}600^{\circ}C$)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. 스퍼터-셀렌화 공정은 1단계에서 스퍼터링 방식으로 CuGaIn 전구체를 증착하고, 2단계에서 고온($550{\sim}600^{\circ}C$)하에 $H_2Se$ 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 $H_2Se$ 및 Se vapor의 유독성, 기상 Se과 금속전구체 간의 느린 셀렌화 반응속도, 셀렌화반응 후 생성된 CIGS 박막 두께방향으로의 Ga 불균일분포, 생성된 CIGS/Mo 계면 접착력 저하등의 문제점들이 해결되어야만 상업화에 성공할 수 있을 것이다. 본 Tutorial에서는 CIGS 물질의 열역학 상평형과 반응메카니즘에 대해 설명하고, 다양한 생성 공정들을 소개할 것이다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2011년도 춘계학술발표대회
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• pp.62.2-62.2
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• 2011

산업화 이후, 석탄 석유를 중심으로 한 화석연료가 이산화탄소를 대량으로 배출하며 지구 온난화를 야기함에 따라, 기존의 화석연료를 대체할 청정하고 무한 재생 가능한 대체에너지로 가장 큰 기대를 받고 있는 것은 태양에너지이며, 이에 보조를 맞춰 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발히 진행되고 있는 실정이다. 태양 전지는 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 바꿔주는 소자로, 셀의 효율을 높이기 위해서는 최대한 많은 빛을 흡수시킬 수 있는 것이 중요하다. 빛의 반사를 줄이는 방법에는 texturing과 antireflecting coating이 있다. Antireflecting coating은 반도체와 공기의 중간 굴절율을 갖는 박막을 증착하여 측면 반사를 감소시킴으로서 빛의 손실을 감소시키는 역할을 한다. 과거에 반사방지막으로 가장 많이 사용되었던 물질은 SiO로써 굴절률은 1.8~1.9로서 최소의 반사율은 1% 미만이지만, 가시광선영역에서의 흡수에 의한 손실이 생기므로, SiNx가 대체 물질로 제안되었다. SiNx의 경우 굴절률이 약 1.5로서 Si에 쉽게 형성시킬 수 있고, texturing된 Si 표면에 적합하며 반사율을 10%에서 2%로 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 high power, high frequency PECVD 방법으로 $SiH_4$와 $NH_3$ gas의 비율, $N_2$ carrier gas 등 공정 변수를 변화시켜 증착한 SiNx 박막의 결정학적 특성을 X-ray diffraction 분석과 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)를 통해 화학적 결합을 확인하였고, 이를 FT-IR (Fourier Transform-Infrared spectroscopy)를 통해 관찰한 결과와 연관시켜 분석하였다. 굴절율의 경우 ellipsometer를 이용하여 측정하였으며 위의 측정을 통하여 SiNx박막의 반사 방지막으로써의 가능성을 확인 하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 추계학술대회 초록집
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• pp.52.1-52.1
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• 2011

최근에 에너지 자원의 고갈이 다가오는 상황에서 태양전지 분야가 주목받고 있으며 이에 대한 시장이 급격하게 확대되고 있다. 그러나 현재의 태양전지는 주를 이루고있는 실리콘태양전지의 경우 원재료 수급이 불안정하여 가격 변동이 심하다. 따라서 이를 대체할 2세대 태양전지인 박막형 태양전지의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 박막형 태양전지 중에서도 주목받고 있는 것은 Cu(In,Ga)$Se_2$(CIGS)박막 태양전지이다. CIGS는 Ga의 농도에 따라 1.02~1.68eV의 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 직접천이형 반도체 물질이다. 또한 $1{\times}10^5cm^{-1}$의 높은 광흡수계수를 가지고 있으며, $450{\sim}590^{\circ}C$의 고온공정에서도 매우 안정하여 열화현상이 거의 보이지 않아 박막형 광흡수층 재료로서 적합하다. 흡수층을 제조하는 방법은 여러 가지가 있지만, 본 연구에서는 균일성이 뛰어나고 원료사용효율이 높은 sputtering 방법을 사용하였다. 그리고 결정화하기위해서 유독기체를 사용하는 셀.렌.화. (selenization) 방법 대신 전자빔을 조사하는 방법을 채택하였다. sputtering을 통한 CIGS precursor을 제조하기위해 2~3개의 화합물target을 사용하는데, 대표적인 방법으로 동시에 sputtering하는 co-sputtering 방법과 각각의 단일 층을 쌓아 제조하는 stack형으로 분류된다. 본 연구는 CIGS precursor를 제조하기 앞서 CuGa 단일 층만을 제조하여 공정조건에 따른 박막을 제조하였다. 제조된 CuGa 단일층은 전자빔 처리에 따른 영향을 알아보기 위해 전자빔의 세기와 공정시간을 달리하여 특성을 알아보았다. 실험에서는 Cu:75wt%,Ga:25wt% 조성의 target을 사용하여 공정 압력을 각각 10~1mTorr로 변화시키며 실험을 실시하였으며 공정 power는 50W, 70W, 100W로 변화 시키며 실험을 실시하였다. 이때 실험의 초기진공은 turbo-molecular pump를 이용하여 $1{\times}10^{-6}torr$ 이하로 하였으며, Target과 기판사이의 거리는 모두 같은 조건으로 고정하여 실험을 실시하였다. 박막의 균일성을 증가시키기 위하여 5 rpm의 속도로 기판을 회전하였으며 기판 온도는 가열하지 않고 상온에서 전구체를 증착하였다. 그 후 전자빔의 세기를 고정 시킨 후 전자빔 조사 시간을 조절하여 전자빔 조사 전후의 특성을 각각 분석하였다. 전기적특성은 Hall effect, 4-point probe, 구조적 특성은 SEM,EDS, XRD, XRF 를 이용하여 분석하였다.

• 전기화학회지
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• 제23권2호
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• pp.25-38
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• 2020

태양광 흡수 물분해는 화석연료 대체 에너지원으로 떠오르는 수소에너지를 생산할 수 있는 가장 유망한 방법이다. 현재 전이 금속 디칼코제나이드 (transition dichalcogenide, TMD)는 물분해 촉매 특성이 뛰어난 물질로 많은 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 실리콘 (Si) 나노선 어레이 전극 표면에 대표적 TMD 물질인 4-6족의 이황화 몰리브덴 (MoS₂), 이셀렌화 몰리브덴(MoSe₂), 이황화 텅스텐 (WS₂), 이셀렌화 텅스텐 (WSe₂) 나노시트 합성할 수 있는 방법을 개발하였다. Si나노선 전극을 금속 이온 용액으로 코팅하고, 황 또는 셀레늄의 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)을 이용하는 것이다. 이 방법으로 TMD 나노시트를 약 20 nm 두께로 균일하게 합성하였다. p형 Si-TMD 나노선 광전극으로 구성된 광화학전지는 태양광 AM1.5G, 0.5 M H₂SO₄ 전해질에서 개시 전위 0.2 V를 가지며 0 V (vs. RHE)에서 20 mA cm^-2 이상의 전류를 낼 수 있다. 수소 발생 양자효율은 90% 정도로 우수한 물분해 촉매 특성을 확인하였다. MoS₂ 및 MoSe₂는 3시간 동안 90% 이상의 우수한 광전류 안전성을 보여주었으나, WS₂ 및 WSe₂는 상대적으로 적은 80%였다. MoS₂, MoSe₂는 Si 나노선 표면에 균일한 시트 형태로 씌워졌지만, WS₂, WSe₂는 조각 형태로 붙었다. 따라서 Si 표면을 잘 보호하지 못하기 때문에 Si나노선이 더 잘 산화되어 안정성이 낮아지는 것으로 해석하였다. 본 연구결과는 TMD의 수소 발생 촉매 특성을 이해하는 데 크게 기여할 것으로 예상한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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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.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제31권5호
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• pp.295-299
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• 2018

In this work, we conducted a study on cell strings of high efficiency and high power solar cell modules via simulation. In contrast to the conventional module manufacturing method, the simulation was performed by connecting cutting cells divided into four parts from 6-in size using the electrically conductive adhesive (ECA). The resistance of the ECA added in series connection was extracted using an experimental method. This resistance was found to be $3m{\Omega}$. Based on this simulation, we verified the change in efficiency of the string as a function of the number of cutting cell connections. Consequently, the cutting cell efficiency of the first 20.08% was significantly increased to 20.63% until the fifth connection; however, for further connections, it was confirmed that the efficiency was saturated to 20.8%. Connecting cutting cells using ECA improves the efficiency of the string; therefore, it is expected that it will be possible to fabricate modules with high efficiency and high power.

• 자원리싸이클링
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• 제21권4호
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• pp.60-68
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• 2012

반도체 및 태양광 산업에서는 반도체 소자 및 솔라셀을 제조하기 위하여 실리콘 웨이퍼가 사용되고 있다. 실리콘 웨이퍼는 실리콘 잉곳의 절단으로부터 만들어지며 이 공정에서 실리콘 슬러지가 발생한다. 반도체 소자의 사용처가 점점 증가함에 따라 실리콘 슬러지의 발생량 또한 증가하고 있는 실정이다. 최근 경제적인 측면과 효율성에 관한 측면에서 실리콘 슬러지의 재활용 기술이 폭넓게 연구되고 있다. 본 연구에서는 실리콘 슬러지의 재활용 기술에 대한 특허와 논문을 분석하였다. 분석범위는 1982년~2011년까지의 미국, EU, 일본, 한국의 등록/공개된 특허와 SCI 논문으로 제한하였다. 특허와 논문은 키워드를 사용하여 수집하였고, 기술의 정의에 의해 필터링하였다. 특허와 논문의 동향은 연도, 국가, 기업, 기술에 따라 분석하여 나타내었다.

• Current Photovoltaic Research
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• 제3권1호
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• pp.21-26
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• 2015

High efficiency $Cu(In,Ga)Se_2$ solar cells are generally prepared above $500^{\circ}C$. Lowering the process temperature can allow wider selection of substrate material and process window. In this paper, the three-stage co-evaporation process widely used to grow CIGS thin film at high temperature was modified to reduce the maximum substrate temperature. Below $400^{\circ}C$ the CIGS films show poor crystal growth and lower solar cell performance, in spite of external Na doping by NaF. As a new approach, Cu source instead of Cu with Se in the second stage was applied on the $(In,Ga)_2Se_3$ precursor at $400^{\circ}C$ and achieved a better crystal growth. The distribution of Ga in the films produce by new method were investigated and solar cells were fabricated using these films.

• Current Photovoltaic Research
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• 제3권4호
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• pp.130-134
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• 2015

The high efficiency cell research processes through the KF post deposition treatment (PDT) of the $Cu(In,Ga)Se_2(CIGS)$ thin film has been very actively progress. In this study, it CIGS thin film deposition process when KF PDT 300 to the processing temperature, 350, $400^{\circ}C$ changed to soda-lime glass (SLG) efficiency of the CIGS thin film characteristics, and solar cell according to Na presence of diffusion from the substrate the effects were analyzed. As a result, the lower the temperature of KF PDT and serves to interrupt the flow of current K-CIGS layer is not removed from the reaction surface, FF and photocurrent is decreased significantly. Blocking of the Na diffusion from the glass substrate is significantly increased while the optical voltage, photocurrent and FF is a low temperature (300, $350^{\circ}C$) in the greatly reduced, and in $400^{\circ}C$ tend to reduce fine. It is the presence of Na in CIGS thin film by electron-induced degradation of the microstructure of CIGS thin film is expected to have a significant impact on increasing the hole recombination rate a reaction layer is formed of the K elements in the CIGS thin film surface.