• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.373-375
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• 2011

최근 태양전지 연구에서 저가격화를 실현하는 방법 중 하나로 폐 실리콘 웨이퍼를 재생하는 방법에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존 웨이퍼 재생공정은 높은 재처리 비용과 복잡한 공정등의 많은 단점을 가지고 있다. 결정형 태양전지에서 저가격화 및 고효율은 태양전지를 제작하는데 있어 필수 요소 이다. 그 중 결정질 태양전지 고효율을 위한 여러 연구 방법 중 표면 텍스쳐링(texturing)에 관한 연구가 활발하다. 텍스쳐링은 표면반사에 의한 광 손실을 최소화 하여 효율을 증가시키기 위한 방법으로 습식 식각과 건식 식각을 사용하여 태양전지 표면 위에 요철 및 피라미드구조를 형성하여 반사율을 최소화 시킨다. 건식식각은 습식식각과 다른 환경적 오염이 적은 것과 소량의 가스만으로 표면 텍스쳐링이 가능하여 많은 연구가 진행중이다. 건식 식각 중 하나인 RIE(reactive ion etching)는 고주파를 이용하여 플라즈마의 이온과 silicon을 반응 시킨다. 실험은 RIE를 이용하여 SF6/02가스를 혼합하여 비등방성 에칭 및 피라미드 구조를 구현하였다. RIE 공정 중 SF6/02가스는 높은 식각 율을 갖으며 self-masking mechanism을 통해 표면이 검게 변화되고 반사율이 감소하게 된다. 이 과정을 통해 블랙 실리콘을 형성하게 된다. 블랙 실리콘은 반사율 10% 이하로 self-masking mechanism으로 바늘모양의 구조를 형성되는 게 특징이며 표면이 검은색으로 반사율이 낮아 효율증가로 예상되지만 실제 바늘 모양의 블랙 실리콘은 태양전지 제작에 있어 후속 공정 인 전극 형성 시 Ag Paste의 사이즈와 표면 구조를 감안할 때 태양 전지 제작 시 Series resistance를 증가로 효율 저하를 가져온다. 본 연구는 SF6/02가스를 혼합하여 기존 RIE로 형성된 바늘모양의 구조의 블랙 실리콘이 아닌 RIE 내부에 metal-mesh를 장착하여 단결정(100)실리콘 웨이퍼 표면을 텍스쳐링 하였고 SF6/02 가스 1:1 비율로 공정을 진행 하였다. metal-mesh 홀의 크기는 100um로 RIE 내부에 장착하여 공정 시간 및 Pressure를 변경하여 실험을 진행하였다. 공정 시간이 변경됨에 따라 단결정(100) 실리콘 웨이퍼 표면에 피라미드 구조의 균일한 1um 크기의 블랙 실리콘을 구현하였다. 바늘모양의 블랙 실리콘을 피라미드 구조로 구현함으로써 바늘 모양의 단점을 보완하여 태양전지 전기적 특성을 분석하여 태양전지 제작시 변환 효율을 증가시킬 것으로 예상된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.270-270
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• 2010

결정질 실리콘 태양전지는 표면반사에 의한 광 에너지 손실을 최소화 시키고자 식각을 통한 표면 조직화(texturing)가 이루어진다. 단결정 실리콘 웨이퍼의 경우 알칼리 용액(alkali solution)을 사용하여 이방성 식각(anisotropic etching)을 함으로써 표면에 피라미드를 형성하고 광 포획(light trapping) 효과에 의해 반사율을 줄이게 된다. 그러나 피라미드 형성을 통한 반사율 감소에는 한계를 가지고 있다. Metal assisted etching을 기반으로 한 새로운 형태의 텍스쳐링인 nano texturing은 피라미드가 이루어진 표면에 수많은 nm사이즈의 구조를 형성시킴으로써 표면에서의 반사율을 현저히 감소시킨다. 먼저 $AgNO_3$용액으로 웨이퍼 표면에 Ag입자를 코팅한 후, 그 웨이퍼를 다시 $HF/H_2O_2$ 용액으로 일정시간 동안 식각을 거치게 된다. 그로 인해 표면에는 수 nm 사이즈의 구조물들이 피라미드 위에 생성되고, $AgNO_3$의 농도 및 식각 시간에 따라 그 구조물의 크기 및 굵기가 달라진다. 결과적으로 평균 10%이상의 반사율을 보이던 기존 텍스쳐링 웨이퍼에서 3%이하의 낮은 반사율을 얻을 수 있었다. 또한 이런 nano texturing을 n-emitter 형성 공정 등에 따른 영향과 carrer lifetime에 대하여 연구하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.333-333
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• 2016

현재까지 가장 높은 광전류 변환 효율을 나타내는 III-V 화합물 반도체의 다중접합 태양전지 대신 이보다 단순한 에피구조를 가진 단일셀 이종접합구조의 태양전지를 제안하였다. 이를 한국나노 기술원에서 MOCVD(Metalorganic Vapour Phase Epitaxy) 장비를 이용하여 에피구조를 성장하고 태양 전지를 제작해 그 특성을 조사하였다. 태양 전지는 서로 다른 orientation의 두 GaAs 기판에 각각 동일한 에피 구조로 성장되었다. GaAs 기판은 Si 도핑된 n-type 기판으로 (100) 표면이 <111>A 방향으로 2도 off 된 웨이퍼와 10도 off 된 웨이퍼가 사용되었다. 연구에서 시뮬레이션에 사용된 태양전지의 에피 구조는 맨 위 p-GaAs (p-contact 층), p-InAlP, p-InGaP의 광흡수층과 N-InAlGaP 층과 아래의 n-InAlP와 n-GaAs의 n-contact층으로 이루어져있다.태양전지는 $5mm{\times}5mm$의 면적을 가지고 있다. 그림 1은 전류-전압의 측정된 결과를 나타낸 그래프이다. 태양전지는 1 sun 조건하에서 probe를 이용해 측정되었다. 2도 off GaAs 기판 위에 성장시킨 태양전지에서는 3.7mA의 단락전류값이, 10도$^{\circ}$ off 인 샘플에서는 4.7mA의 단락전류값이 측정되었다. 반면에 전류-전압곡선으로부터 얻은 10도 off 인 태양전지의 직렬 저항값은 2도 off 인 태양전지의 약4배 정도로 나타났다. 이는 기판의 결정방향에 따라 태양전지의 내부 전하 transport에 차이가 있음을 나타낸다. TLM (Transmission Line Model) 방법에 의한 p-contact의 ohmic저항 측정에서도 이와 일치하는 결과를 얻었다.

• 자원리싸이클링
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• 제28권5호
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• pp.19-29
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• 2019

최근에 들어 태양광 발전의 시설용량이 급격히 증가되고 기 설치된 태양광 패널의 수명이 다하여 폐기될 모듈의 양이 점점 많아짐에 따라, 이에 대한 처리가 환경문제 해결뿐만 아니라 유가물질의 회수차원에서도 크나큰 관심을 받고 있다. 사용 후 태양광 모듈의 처리 공정은 대부분 알루미늄 프레임의 해체, 강화유리의 분리 회수, 실리콘 웨이퍼에 부착된 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)의 제거 및 태양광 셀 중에 함유된 유가금속의 회수 등으로 구성되어 있다. 전술한 태양광 폐모듈의 리싸이클링 기술들을 치밀하게 검토한 다음, 물질 선별기술을 포함한 효과적인 처리 기술을 제시하였다. 그리고 리싸이클링 산업의 활성화를 위해서 필수적인 생산자 책임제도의 시행을 비롯한 종합적인 의견을 제안하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.487.1-487.1
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• 2014

현재 전 세계 태양광 시장의 주류를 이루는 단결정 실리콘 태양전지의 효율적 한계를 뛰어넘기 위하여 여러 가지 기술적 구조적 시도들이 이루어지고 있다. 그 중 기존의 피라미드 형태의 텍스쳐링 표면 대신 나노와이어 형상을 가지는 태양전지 개발이 주목을 받고 있다. 실리콘 웨이퍼 표면에 나노와이어가 수직 배열되어 있거나 텍스쳐링 표면에 나노와이어 형상이 있을 경우 SiNx가 증착된 피라미드 텍스쳐링 표면보다 반사도가 월등히 낮아져 light trapping을 기대할 수 있어 태양전지 개발에 응용하기 위한 나노와이어 형상 최적화에 본 연구의 목적이 있다. 실리콘 나노와이어 합성법에는 여러가지 방법들이 있으나 본 연구에서는 비교적 짧은 시간과 상온에서 공정이 이루어지는 무전해 식각법을 이용하여 실리콘 나노와이어를 합성하였다. 무전해 식각법은 은 이온과 실리콘 사이에서 일어나는 산화-환원 반응이 나노와이어 합성의 주요 기전이기 때문에 균일한 나노와이어를 형성하기 위하여 균일한 은 박막 형성과 적절한 반응시간이 요구된다. 본 연구에서는 반응시간을 조절하여 나노와이어의 길이 변화와 반사도의 변화를 FE-SEM과 UV-Vis-NIR spectroscopy를 통하여 관찰하였고 그 결과 나노와이어가 실리콘 웨이퍼 표면에 수직 배열되어 있는 형태와 텍스쳐링 표면에 나노와이어 형상이 있는 경우 SiNx가 증착된 피라미드 텍스쳐링 표면에 비해 월등히 향상된 반사율을 얻을 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.85-85
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• 2015

현재 태양광에너지 시장은 해마다 빠른 속도로 성장하는 추세이며 50 GWp/년 이상의 시장으로 변화하였고 앞으로도 전체적인 성장세는 지속 유지될 것으로 판단된다. 하지만 이와 아울러 각 Value chain 별로 많은 기업들이 생겨나게되어 각각의 기업들이 제품을 고효율 저가화 함으로서 경쟁력을 확보하기 위해 많은 노력들이 기울이고 있으며 본 강연에서는 이러한 측면에서 태양광 에너지의 분야별 고효율/저가화를 위한 기술동향을 살펴보고자 한다. 태양광 산업은 아직은 다소 높은 발전단가로 인해 일부 정부의 지원이나 정책에 의해 산업의 규모가 결정되게 되는데 주요한 지원제도는 RPS 제도와 FIT 제도가 있으며 우리나라는 초기 FIT 제도로 국가에서 태양광에서 생산된 전기를 높은 가격에 사주었으나 근래에들어 RPS 제도를 운영하게 되었으며 매전을 하면서 SMP에 준하는 수익을 창출하고 이와 아울러 REC 를 확보하여 확보된 REC 단가에 의해 추가적인 수익을 창출하는 구조의 발전사업이 진행되고 있다. 그리고 RPS나 FIT와 같은 정부의 지원없이도 발전단가의 경쟁력을 확보하는 시점을 그리드패러티라고 하며 이는 매우 중요한 의미를 갖는다. 태양광의 저가화는 그리드패러티 달성을 확보하기 위해 필수적으로 필요한 사안이며 앞으로도 이러한 저가화 / 고효율화 기술노력은 계속 진행될 것으로 판단된다. 우선 소재의 가격을 줄이기 위해 웨이퍼의 두께가 점점 박형화 되어가고 박형화 되면서도 안정적인 공정수율 및 효율을 향상시키기 위한 기술개발이 진행되고 있으며 Cell 분야에 있어서도 고효율을 위한 다양한 Texturing 기술 및 패시베이션 기술의 개발이 이루어 지고 있으며 고효율 컨셉의 MRT cell, Back contact cell 등 고효율 구조의 cell의 양산을 진행하고 있는 등 최근 n-type 기반의 고효율 cell 기술이 활발하게 양산화 검토가 이루어 지고 있다. 모듈 분야에 있어서는 저가/고효율화와 아울러 제품의 신뢰성 확보가 무엇보다도 중요하게 다루어 지고 있으며 이는 모듈이 최소 25년 이상 Field 에서 운용되어 수익창출이 가능해야 하므로 가장 중요한 요소중에 하나라고 할 수 있다. 신뢰성 측면에서 중요하게 다루어 지고 있는 것 중 하나가 PID 저감을 위한 노력이며 이와 관련된 각 소재의 개발이 가장 활발하게 진행되고 있으며 이와 아울러 장수명을 보장하기 위한 내구성이 겸비된 봉지재의 개발 또한 많은 관심을 불러 일으키고 있다. 저가/고효율화를 위해 CTM loss를 줄이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있으며 특수 형태의 리본으로 빛의 흡수를 증가시키거나 컨택저항을 최소화 하기위한 소재의 개발이 이루어 지고 있다. 태양광 시스템 분야의 경우 발전량과 수익창출에 있어 직접적인 영향을 미치는 분야로서 전체 시스템의 loss 를 줄이고 최적의 환경에서 최대한의 발전량을 확보하기 위한 array 설계 및 운용기술이 활발하게 개발되고 있으며 시스템에서의 loss를 줄여줄수 있는 마이크로 인버터나 multi string 인버터의 적용도 이루어 지고 있으나 저가화를 위한 추가적인 노력이 필요한 상황이다. 본 강연의 마지막으로 이러한 노력들의 산물인 특수 태양광 제품 및 시스템의 기술동향에 대해 살펴하고자 한다. 사막은 전체면적의 1/3을 차지할 정도로 넓은 면적을 자랑하지만 밤과 낮의 기온차 그리고 계통 선로의 부재 등 적용하기 어려운 환경적인 제약도 함께 존재하며 이러한 문제를 해결하기 위한 방안에 대해 살펴보고 최근 Hot issue 중의 하나인 수상 태양광 시스템의 장, 단점과 기술적 특성 등을 살펴보고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.414.1-414.1
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• 2016

스크린 프린팅법을 이용한 태양전지의 전극은 주로 고가의 은을 사용하기에 태양전지의 저가화에 한계를 가지고 있다. 고효율 결정질 실리콘 태양전지의 원가절감의 문제 해결방안으로 박형 웨이퍼 연구개발이 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 은 전극을 대체 할 수 있는 니켈/구리 전극을 사용하였고, 박형 웨이퍼에서도 전극 공정이 가능한 도금법을 사용하여 전극을 형성 하였다. 니켈 전극형성은 광유도 도금법(Light-Induced Plating), 구리 전극형성은 광유도전해도금법(Light-Induced Electro Plating)을 이용하여 실험을 진행 하였다. 니켈 광유도 도금 공정시 공정시간 3 ~ 9분까지 가변하였다. 니켈실리사이드 형성 위해 열처리 공정을 $300{\sim}450^{\circ}C$까지 가변하였고 유지시간 30초 ~ 3분까지 가변하여 실험을 진행하였다. 니켈 도금 수용액의 pH 6 ~ 7.5까지 가변하여 실험하였다. 구리 광유도 전해도금 공정 전류밀도를 $1.6mA/cm^2{\sim}6.4mA/cm^2$까지 가변하여 실험을 진행 후, 전류밀도 $3.2mA/cm^2$로 시간 5 ~ 7분까지 가변하여 실험 하였다. 니켈 도금 공정 시간 5분, 니켈실리사이드 형성 열처리 온도 $350^{\circ}C$, 유지시간 1분에서 DIV(Dark I-V) 분석결과 가장 적은 누설전류를 확인하였다. 니켈 도금액 pH 6.5에서 니켈입자 및 구리입자의 균일성이 좋은 최적의 조건임을 확인하였다. 구리 도금 공정 전류밀도 $3.2mA/cm^2$, 시간 5분에서 TLM(Transmission Line Method) 측정결과 접촉 저항 $0.39{\Omega}$과 접촉 비저항 $12.3{\mu}{\Omega}{\cdot}cm^2$의 저항을 확인하였다. 도금법을 이용하여 전극을 형성함으로써 접촉저항 및 접촉 비저항이 낮고 전극 품질이 향상됨으로서 셀의 전류밀도 $42.49mA/cm^2$를 얻을 수 있었다.

• 한국정밀공학회:학술대회논문집
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• 한국정밀공학회 2010년도 추계학술대회 논문집
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• pp.739-740
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• 2010

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2009년도 춘계학술발표대회
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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.

• 한국결정성장학회지
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• 제28권4호
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• pp.141-147
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• 2018

태양광 에너지는 깨끗하며 무한한 재생에너지의 한가지로 많은 관심을 받아왔다. 태양광 에너지는 다결정 실리콘 웨이퍼 혹은 단결정 실리콘 웨이퍼로 구성된 솔라셀에 의해서 전기에너지로 전환된다. 제조원가를 낮추기 위하여 한 개의 석영 도가니에 폴리실리콘의 충진 크기를 증가시키는 연구가 많이 개발되어 왔다. 충진 크기를 증가시키면, 쵸크랄스키 공정장비의 온도제어가 강한 멜트 대류 때문에 힘들어진다. 본 연구에서는 20 inch와 24 inch 석영도가니와 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg의 다양한 폴리실리콘 충진 크기에서 시뮬레이션을 통해 장비 온도 프로파일을 얻었으며, 실제값과 비교하고 분석하였다. 시뮬레이션 온도 프로파일과 실제 온도프로파일이 잘 일치하였으며, 이로써 충진 사이즈가 증가할 경우, 실제온도 프로파일 최적화를 위해 시뮬레이션을 사용할 수 있게 되었다.