• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• v.15 no.2
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• pp.267-275
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• 2015

In this paper, ZnO films were prepared by atomic layer deposition (ALD) and CdS films were deposited using chemical bath deposition (CBD) to form ZnO/CdS heterojunction. More accurate mapping of band arrangement of the ZnO/CdS heterojunction has been performed by analyzing its electrical and optical characteristics in depth by various methods including transmittance, x-ray photoemission spectroscopy (XPS), and ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS). The optical bandgap energies ($E_g$) of ZnO and CdS were 3.27 eV and 2.34 eV, respectively. UPS was capable of extracting the ionization potential energies (IPEs) of the materials, which turned out to be 8.69 eV and 7.30 eV, respectively. The electron affinity (EA) values of ZnO and CdS calculated from IPE and $E_g$ were 5.42 eV and 4.96 eV, respectively. Energy-band structures of the heterojunction could be accurately drawn from these parameters taking the conduction band offset (CBO) into account, which will substantially help acquisition of the full band structures of the thin films in the CIGS solar-cell device and contribute to the optimal device designs.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.10a
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• pp.35.1-35.1
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• 2011

New photovoltaic (PV) materials and manufacturing approaches are needed for meeting the demand for lower-cost solar cells. The prototypal thin-film photovoltaic absorbers (CdTe and $Cu(In,Ga)Se_2$) can achieve solar conversion efficiencies of up to 20% and are now commercially available, but the presence of toxic (Cd,Se) and expensive elemental components (In, Te) is a real issue as the demand for photovoltaics rapidly increases. To overcome these limitations, there has been substantial interest in developing viable alternative materials, such as $Cu_2ZnSnS_4$ (CZTS) is an emerging solar absorber that is structurally similar to CIGS, but contains only earth abundant, non-toxic elements and has a near optimal direct band gap energy of 1.4~1.6 ev and a large absorption coefficient of ${\sim}10^4\;cm^{-1}$. The CZTS absorber layers are grown and investigated by various fabrication methods, such as thermal evaporation, e-beam evaporation with a post sulfurization, sputtering, non-vacuum sol-gel, pulsed laser, spray-pyrolysis method and electrodeposition technique. In the present work, we report an alternative method for large area deposition of CZTS thin films that is potentially high throughput and inexpensive when used to produce monolithically integrated solar panel modules. Specifically, we have developed an aqueous chemical approach based on chemical bath deposition (CBD) with a subsequent sulfurization heat treatment. Samples produced by our method were analyzed by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, absorbance and photoluminescence. The results show that this inexpensive and relatively benign process produces thin films of CZTS exhibiting uniform composition, kesterite crystal structure, and good optical properties. A preliminary solar cell device was fabricated to demonstrate rectifying and photovoltaic behavior.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.171-171
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• 2012

We have studied the effects of plasma treatments on CdS buffer layers in CIGS thin film solar cells. The CdS layers were deposited on CIGS films by chemical bath deposition (CBD) method. The RF plasma treatments of the CdS thin films were performed with Ar, $O_2 and $N_2 gases, respectively. After plasma treatments, the solar cells with Al:ZnO/i-ZnO/CdS/CIGS structures were fabricated. The surface properties of the CdS/CIGS thin films after plasma treatments were investigated with SEM, EDX and AFM measurements. The electrical properties of manufactured solar cell were discussed with the results of current-voltage measurements. The plasma treatments have a strong influence on the open circuit voltage (VOC) and the fill factor of the solar cells. Finally, a correlation between the surface properties of CdS layer and the efficiencies of the CIGS thin film solar cells is discussed.

• 한국태양에너지학회:학술대회논문집
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• 2012.03a
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• pp.400-403
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• 2012

$Cu_2ZnSnSe_4$(CZTSe) is emerged as a promising material for thin-film solar cells because of non-toxic, inexpensive and earth abundant more than $Cu(In,Ga)Se_2$ materials. For fabricating compound semiconductor thin-film solar cells, CdS is widely used for a buffer layer which fabricated by a chemical bath deposition method (CBD). Through the experiment, we controlled deposition temperature and mol ratio of solution conditions to find the proper grain 크기 and exact composition. The optimum CdS layers were characterized in terms of surface morphology by using a scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). The optimized CdS layer process was applied on CZTSe thin-films. The thickness of buffer layer related with device performance of solar cells which controlled by deposition time. Local surface potential of CdS/CZTSe thin-films was investigated by Kelvin probe force microscopy (KPFM). From these results, we can deduce local electric properties with different thickness of buffer layer on CZTSe thin-films. Therefore, we investigated the effect of CdS buffer layer thickness on the CZTSe thin-films for decreasing device losses. From this study, we can suggest buffer layer thickness which contributes to efficiencies and device performance of CZTSe thin-film solar cells.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.62.1-62.1
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• 2010

CIS(CuInSe2)계 화합물 태양전지는 높은 광흡수계수와 열적 안정성 및 조성 조절을 통한 밴드갭 조절이 용이해 고효율 박막 태양전지로 각광 받고 있다. 또한 CIGS 태양전지는 기존의 유리기판 대신 유연한 기판을 사용해 flexible 태양전지 제조가 가능하다. 이러한 유연기판은 보통 stainless steel과 같은 금속 기판이 많이 사용되는데 기존의 soda-lime glass 기판과는 달리 금속기판에는 Na이 첨가되어 있지 않아 별도의 Na첨가를 필요로 한다. Na은 CIGS 흡수층의 조성조절을 용이하게 하여 태양전지의 변환 효율을 향상시키는 역할을 한다. 본 연구에서 기판은 Na이 첨가되어있지 않은 corning glass를 사용 하였으며 NaF를 이용해 Mo가 증착된 기판에 NaF의 두께를 달리하며 증착해 CIGS 흡수층의 grain 사이즈를 비교 하였으며 그 후 태양전지 소자를 제조해 광전특성을 분석하였다. 후면 전극으로 약60nm 두께의 Mo를 DC Sputtering 방법을 이용해 증착 하였다. buffer층으로는 약 50nm의 CdS층을 CBD방법을 이용하여 제조 하였으며 TCO 층으로 약 50nm의 i-ZnO와 약 450nm의 Al-ZnO를 RF Sputtering방법으로 증착 하였다. 마지막으로 앞면 전극으로 약 $1{\mu}m$의 Al을 Thermal Evaporation방법으로 증착하였다. 태양전지 소자의 면적은 $0.49cm^2$로 효율을 비교 분석하였다.

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.10 no.1
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• pp.62-70
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• 2001

The ZnSe sample grown by chemical bath deposition (CBD) method were annealed in Ar gas at $45^{\circ}C$. Using extrapolation method of X-ray diffraction pattern, it was found to have zinc blend structure whose lattice parameter $a_o$ was $5.6687\;{\AA}$. From Hall effect, the mobility was likely to be decreased by impurity scattering at temperature range from 10 K to 150 K and by lattice scattering at temperature range from 150 K to 293 K. The band gap given by the transmission edge changed from $2.700{\underline{5}}\;eV$ at 293 K to $2.873{\underline{9}}\;eV$ at 10 K. Comparing photocurrent peak position with transmission edge, we could find that photocurrent peaks due to excition electrons from valence band, ${\Gamma}_8$ and ${\Gamma}_7$ and to conduction band ${\Gamma}_6$ were observed at photocurrent spectrum. From the photocurrent spectra by illumination of polarized light on the ZnSe thin film, we have found that values of spin orbit coupling splitting ${\Delta}so$ is $0.098{\underline{1}}\;eV$. From the PL spectra at 10K, the peaks corresponding to free bound excitons and D-A pair and a broad emission band due to SA is identified. The binding energy of the free excitons are determined to be $0.061{\underline{2}}\;eV$ and the dissipation energy of the donor -bound exciton and acceptor-bound exciton to be $0.017{\underline{2}}\;eV$, $0.031{\underline{0}}\;eV$, respectively.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2012.05a
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• pp.99.1-99.1
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• 2012

The thin-film photovoltaic absorbers (CdTe and $Cu(In,Ga)Se_2$) can achieve solar conversion efficiencies of up to 20% and are now commercially available, but the presence of toxic (Cd,Se) and expensive elemental components (In, Te) is a real issue as the demand for photovoltaics rapidly increases. To overcome these limitations, there has been substantial interest in developing viable alternative materials, such as $Cu_2ZnSnS_4$ (CZTS) is an emerging solar absorber that is structurally similar to CIGS, but contains only earth abundant, non-toxic elements and has a near optimal direct band gap energy of 1.4 - 1.6 eV and a large absorption coefficient of ~104 $cm^{-1}$. The CZTS absorber layers are grown and investigated by various fabrication methods, such as thermal evaporation, e-beam evaporation with a post sulfurization, sputtering, non-vacuum sol-gel, pulsed laser, spray-pyrolysis method and electrodeposition technique. In the present work, we report an alternative aqueous chemical approach based on chemical bath deposition (CBD) method for large area deposition of CZTS thin films. Samples produced by our method were analyzed by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, absorbance and photoluminescence. The results show that this inexpensive and relatively benign process produces thin films of CZTS exhibiting uniform composition, kesterite crystal structure, and some factors like triethanolamine, ammonia, temperature which strongly affect on the morphology of CZTS film.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.58.1-58.1
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• 2011

CIS(CuInSe2)계 화합물 태양전지는 높은 광흡수계수와 열적 안정성으로 고효율 태양전지 제조가 가능하여 태양전지용 광흡수층으로 매우 이상적이다. 미국 NREL에서는 이러한 CIGS 태양전지를 Co-evaporation 방법으로 제조 20%이상의 에너지 변환 효율을 달성하였다고 보고하였다. CIGS 태양전지의 경우 기존의 유리 기판 대신 유연한 철강 기판을 사용해 태양 전지를 flexible하게 제조 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 flexible 태양전지의 경우 기존의 rigid 태양전지의 적용분야 뿐만 아니라 BIPV, 선박, 장난감, 군용, 자동차등 더욱 더 많은 분야에 활용이 가능하다. 본 연구에서는 기존의 rigid한 기판인 soda lime glass와 flexible 기판인 stainless steel 기판으로 소자를 제조하여 효율을 비교 분석 및 stainless steel 기판의 표면 처리 방법에 따라서 표면 조도의 특성을 분석하여 stainless steel 기판별 효율 특성도 비교 분석 하였다. 후면전극으로는 약 $1{\mu}m$의 Mo를 DC Sputtering 방법을 이용하여 증착하였고, CIGS 광흡수층은 약 $2.5{\mu}m$의 두께로 미국의 NREL과 같은 3 stage 방식을 이용하여 광흡수층을 Co-Evaporation 방법으로 제조하였고, 버퍼층인CdS는 약 50nm의 두께로 CBD 방법으로 제조 하였으며, 창층인 ZnO는 약 500nm 두께로 RF Sputtering 방법으로 제조 하였고, 마지막으로 약 $1{\mu}m$ 두께의 Al 전면전극은 Thermal Evaporation 방법으로 제조 하였다. 소자의 물리적, 전기적 특성을 분석하기위해 FE-SEM, AFM, Solar Cell Simulator 분석을 실시하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.339-342
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• 2007

$Cu(In_{1-x}Ga_{x})Se_2$(CIGS)는 매우 큰 광흡수계수를 가지고 있으므로 박막형 태양전지의 광흡수층 재료로서 많은 연구가 진행되고 있다. 박막이 태양전지의 광흡수층으로 이용되기 위해서는 큰 결정크기와 평탄한 표면, 적당한 전기적 특성을 가져야 한다. 이러한 특성들은 CIGS 박막의 조성에 큰 영향을 받고 있는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 동시증발법을 이용하여 Cu/(In+Ga) 비를 0.9로 고정한 후 Ga 조성(Ga/(In+Ga)의 비 : 0.32, 0.49, 0.69, 0.8, 1)을 변화시켜 Wide band gap CIGS 박막태양전지를 만들었다. 기판은 soda line glass를 사용하였고 뒷면 전극으로는 Mo를 스퍼터링법으로 증착하였다. 또한 버퍼층으로는 기존에 쓰이고 있는 CdS를 CBD(Chemical Bath Deposition)법으로 층착시켰으며, 윈도우층으로는 i-ZnO/n-ZnO를 스파터링 법으로 층착하였다. 그리고 앞면전극으로는 Al을 E-beam 으로 증착하였다. 분석은 XRD, SEM, QE로 분석하였다. 위 실험에서 얻은 결과로는 Ga/(In+Ga)비가 증가할수록 Cu(In,Ga)Se2 박막은 회절 peak들이 큰 회절각으로 이동하였고, 이것은 Ga 원자와 In 원자의 원자반경의 차이에서 기인된 것으로 사료된다. 또한 Ga 조성이 증가할수록 단파장 쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있으며, Voc가 증가하다가 에너지 밴드캡이 1.62 eV 이상에서는 Voc가 감소하는 것을 볼 수 있는데 이것은 Ga 조성이 증가할수록 에너지 밴드캡이 커지면서 defect level 이 존재하기 때문인 것으로 사료된다. Ga/(In+Ga)비가 1일 때의 변환효율은 8.5 %이고， Voc : 0.74 (V), Jsc : 17.2 ($mA/cm^{2}$), F.F : 66.6(%) 이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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• pp.399-399
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• 2009

CIS계 화합물 태양전지는 높은 광흡수계수와 열적 안정성 및 Ga 조성 조절을 통한 밴드갭 조절이 용이해 고효율 박막 태양전지로 각광 받고 있다. CIS 태양전지의 광 흡수층 제조 방법으로는 여러 가지 방법이 있지만 본 연구에서는 가장 높은 에너지 변환 효율을 달성한 Co-Evaporation 방법을 사용하기로 하였다. 미국의 NREL의 경우 Co-Evaporation 방법을 사용해 20%의 에너지 변환 효율을 달성한 바가 있다. 하지만 이러한 효율의 태양전지는 실험실에서 연구용으로 제작한 아주 작은 면적으로 태양전지 양산화에 그대로 적용하기는 힘들다. 따라서 CIGS 태양전지의 양산화 적용을 위해 대면적화가 필수적이다. 본 연구에서는 기존의 3 stage 방식을 이용해 광흡수층을 증착하여 최적화 조건을 연구하였다. 또한 기판의 면적 증가에 따라 효율과 Voc, Jsc, F.F가 얼마나 감소하는지 실험하여 보았다. 기판은 soda lime glass를 사용 하였으며 후면 전극으로 약$1{\mu}m$ 두께의 Mo를 DC Supptering 방법을 이용해 증착하였다. 다음으로 약 $2{\mu}m$이상의 광흡수층을 Co-Evaporation 방법을 이용하여 증착 하였으며 buffer층으로는 약 50nm의 CdS층을 CBD방법을 이용하여 제조 하였다. TCO층으로 약 50nm의 i-ZnO와 약 450nm의 Al-ZnO를 RF Sputtering 방법을 이용하여 증착 하였다. 마지막으로 앞면 전극으로 약 $3{\mu}m$의 Al을 Thermal Evaporation 방법으로 증착하였다. 태양전지 소자의 면적은 $0.49cm^2$, $25cm^2$, $100cm^2$로 각각 면적을 달리하며 효율을 비교 분석하였다.