• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.393-393
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• 2016

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 높은 효율과 낮은 제조비용, 높은 신뢰성으로 인해 박막 태양전지 중 가장 각광받고 있다. 특히 유리기판 대신 가볍고 유연한 철강소재나 플라스틱 소재를 이용하여 발전분야 외에 건물일체형, 수송용, 휴대용등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이러한 유연 기판을 이용한 CIGS 태양전지의 개발을 위해서는 기판의 특성에 따른 다양한 공정개발이 선행되어야 한다. Stainless steel과 같은 철강기판의 경우 Fe, Ni, Cr등의 불순물이 확산되어 흡수층의 특성을 저하시켜 효율을 감소시킨다. 따라서 이러한 철강 기판의 경우 불순물의 확산을 방지하는 확산방지막이 필수적이다. 이러한 유연기판의 특성을 고려하여 본 연구에서는 기존의 두껍고 추가 장비가 요구되는 SiOx나 Al2O3 대신 200nm 이하의 ZnO 박막을 이용하여 확산방지막을 제조하였다. 유연기판으로 STS 430 stainless steel을 이용하였다. 먼저 stainless steel 기판을 이용하여 기판에 의한 흡수층의 특성을 분석하였으며 ZnO 확산 방지막의 유무 및 두께에 따른 흡수층 및 소자의 특성을 분석하였다. 이때 확산 방지막은 기존 TCO 공정에서 사용되는 i-ZnO를 사용하였으며 RF sputter를 이용하여 50~200nm로 두께를 달리하며 특성 비교를 실시하였다. 효율은 확산방지막을 적용하지 않았을 때 약 5.9%에서 확산 방지막 적용시 약 10.7%로 증가하였다. 그 후 기판으로부터 확산되는 불순물의 유입에 의한 결함을 분석하기 위해 DLTS를 이용하여 소자 특성을 분석하였다. 온도는 80~300K으로 가변하며 측정을 실시하였으며 그 후 계산을 통해 activation energy와 capture cross section 값을 구하였다. DLTS 분석 결과 Ni이 CIGS 흡수층으로 확산되어 NiCu anti-site를 형성하여 태양전지의 효율을 감소시키는 것을 확인하였다. 모든 흡수층은 Co-Evaporation 방법을 이용하여 제조하였으며 제조된 흡수층은 SEM, XRF, XRD, GD-OES, PL, Raman등을 이용하여 분석하였으며 그 외 일반적인 방법을 이용하여 Mo, CdS, TCO, Al grid를 제조하였다. AR 코팅은 제외 하였으며 제조된 소자는 솔라 시뮬레이터를 이용하여 효율 특성 분석을 실시하였으며 Q.E. 분석을 실시하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.399.2-399.2
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• 2016

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 높은 효율과 낮은 제조비용, 높은 신뢰성으로 인해 박막 태양전지 중 가장 각광받고 있다. 특히 유리기판 대신 가볍고 유연한 철강소재나 플라스틱 소재를 이용하여 발전분야 외에 건물일체형, 수송용, 휴대용등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이러한 유연 기판을 이용한 CIGS 태양전지의 개발을 위해서는 기판의 특성에 따른 다양한 공정개발이 선행되어야 한다. Poly-imide와 같은 유연기판은 공정온도가 $400^{\circ}C$이하로 낮고 기판이 매우 얇아 기존 Mo 공정을 개선하여야한다. 이러한 유연기판의 특성을 고려하여 본 연구에서는 기존 bi-layer Mo의 bottom layer의 두께를 조절하여 박막의 strain을 조절하였다. 유연기판으로는 SKC KOLON에서 제조된 GL type의 기판을 사용하였다. 기판의 두께는 50um이다. 먼저 Mo의 bottom layer 두께 비율을 기존 12.5%에서 50%로 증가 시켰으며 전체 박막의 두께 역시 900nm에서 500nm로 두께를 감소시키며 실험을 실시하였다. 그 후 흡수층은 Co-Evaporation 방법을 이용하여 제조하였으며 이때 공정온도는 기존 공정온도에서 450, $400^{\circ}C$로 낮추어 흡수층을 제조하였다. 소자 제조 후 초기 Mo의 strain 개선과 저온공정이 적용되지 않은 경우 4.4%에서 공정 최적화 후 13%로 효율이 증가하였다. 제조된 흡수층은 SEM, XRF, XRD등을 이용하여 분석하였으며 그 외 일반적인 방법을 이용하여 Mo, CdS, TCO, Al grid를 제조하였다. AR 코팅은 제외 하였으며 제조된 소자는 솔라 시뮬레이터를 이용하여 효율 특성 분석을 실시하였으며 Q.E. 분석을 실시하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.421-421
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• 2012

Cu(In,Ga)$Se_2$ (CIGS) 화합물은 직접천이형 반도체로 열적으로 매우 안정하고 에너지밴드갭이 1.04 eV로 이상적인 값에 가깝고, 특히 높은 광흡수계수를 가지기 때문에 박막 태양전지로서 커다란 응용 잠재력을 갖고 있는 광흡수층 재료이다. CIGS 화합물 박막 태양전지의 효율은 연구실에서는 ~20%를 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 ~13%의 효율을 보이고 있다. 그러나 CIGS 박막 태양전지를 대면적 또는 양산화에 적용하기 위해서는 20년 이상의 장기적인 수명을 보장할 수 있는 내구성을 갖추어야 한다. 본 연구에서는 CIGS 모듈의 장기적인 신뢰성을 평가하기 위해 CIGS PV 모듈을 대상으로 대표적인 고온 고습 조건인 IEC-61646 규격을 이용하여 $85^{\circ}C$/85% RH에서 1000시간 동안 가속시험이 수행되었고, 고온 환경하에서 모듈의 성능 저하에 미치는 영향을 고찰하기 위해 모듈을 $85^{\circ}C$에서 1000시간 노출시켰다. 두 종류의 가속 스트레스시험 후에 모듈들의 외형적인 노화현상 및 전기적 열화 성능을 분석하였다. 또한 모듈의 효율저하의 원인을 규명하기 위해 모듈 구성 재료 중 충진재료로 사용하는 EVA sheet와 투명전극 AZO를 대상으로 고장분석을 수행하였다. AZO의 미세구조 관찰, 결정상 분석, XPS 분석 및 전기적 분석과 EVA sheet의 FT-IR 분석과 TG-DSC 분석들을 종합하여 CIGS PV 모듈의 성능저하의 원인을 규명하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.225-225
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• 2010

박막 방식의 CIGS 태양전지는 공정이 복잡하고 대면적화가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위하여 후막 방식을 이용한 CIGS 태양전지에 대한 연구의 필요성이 대두되어지고 있다. 스크린 프린팅과 같은 후막공정은 나노 CIGS powder가 필요하다. CIGS 합성 방법 중에 solvothermal 방식이 다른 방식에 비해 균일한 크기의 구형의 나노입자를 대량생산이 쉽기 때문에 많이 연구되어지고 있다. 선행 연구 결과들은 CIS, CIGS 및 CGS는 solvothermal 법으로 합성 시 3개의 상이 모두 합성되며, 합성조건에 따라 상의 조성의 조절이 되지 않는다. 따라서 현재까지 solvothermal 법으로는 단일상의 CIGS 상의 합성이 보고되지 않고 있다. 본 연구에서는, solvothermal 방식을 이용하여 후막공정을 위한 CIGS powder를 합성하였다. 원료, 용매 및 합성 온도 등의 변화에 따른 상의 변화를 측정하였고, 원료의 농도에 따른 powder의 크기 및 형상을 제어 하였다. 또한 CIGS powder를 이용하여 페이스트을 제조한 후, 이 페이스트를 가지고 태양전지를 위한 치밀한 후막을 제조할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.593-593
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• 2012

CIGS 박막 태양전지는 일반적으로 soda-lime glass(SLG)를 기판으로 사용하여 SLG/Mo/CIGS/CdS/ZnO/ITO/Grid의 구조로 제작된다. 하지만 SLG를 기판으로 사용할 경우, 유리의 특성상 무게가 무겁고, 유연성이 없기 때문에 건축물 적용에 적합하지 않다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 가볍고 유연한 금속 및 폴리이미드 기판을 이용한 CIGS 태양전지가 널리 연구되고 있다. 그러나, 폴리이미드 기판의 경우, 특성이 우수한 CIGS 박막을 얻기 위한 고온 공정을 사용할 수 없기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다. 본 논문에서는 CIGS 박막 태양전지 제작을 위한 폴리이미드 기판의 특성과 그 위에 형성한 후면 전극의 특성을 논의하고자 한다. 4종류의 폴리이미드 기판에 대한 열 특성을 시차주사열량계(differential scanning calorimeter)와 열중량분석기(thermogravimetric analysis), 열기계분석기(thermo mechanical anaylsis)를 이용해 분석하였다. 또한 Mo 후면 전극을 DC-sputter를 이용해 형성한 후, XRD와 AFM, 4-point probe를 이용하여 결정성 및 표면 거칠기, 면저항을 분석하였다. 결정성과 거칠기는 SLG에 증착했을 때와 동일한 결과를 보였으며, 면저항은 폴리이미드 필름에 증착 할 경우 더 크게 측정되었다. 본 연구는 중소기업청 산연기술개발사업(SL122689) 및 과학기술연합대학원대학교(UST)의 지원을 받아 수행된 "공동연구 지원사업"의 연구결과입니다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.309.1-309.1
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• 2013

현재까지 CIGS 박막 태양전지는 습식공정인 화학적 용액성장법을 사용하여 형성된 CdS버퍼층을 적용할 경우에 가장 높은 효율을 보이고 있다. 그러나, Cd의 독성 문제와 진공 공정과 호환되지 않는 습식공정 때문에 비독성 건식 공정 버퍼층에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 습식 공정 CdS 버퍼층을 대체하기 위하여 CdS에 비해 밴드갭이 커서 단파장에서 광 손실이 적은 ZnS 버퍼층을 cracker 황화법을 이용하여 제작하여 CIGS 박막 태양전지에 적용하였다. ZnS 버퍼층을 성장시키기 위해 DC 스퍼터를 사용하여 Zn 박막을 증착한 후, cracker를 사용하여 황화반응을 시켰다. cracker의 cracking zone 온도에 따른 S 반응성을 ZnS 박막의 투과도 변화를 통하여 관찰하였다. 성장된 ZnS 박막은 X-ray diffraction와 Rutherford backscattering spectrometry을 이용하여 박막의 결정성과 조성을 분석하였고, SEM 측정을 통하여 박막의 단면 및 표면 형상을 관찰하였다. 그리고 reflection electron energy loss spectroscopy 분석을 통해 밴드갭을 측정하였다. $700^{\circ}C$의 cracking zone 온도, 3 nm의 Zn 두께, 1 분의 황화공정 조건에서 제작된 ZnS 박막을 CIGS 태양전지의 버퍼층으로 적용한 결과, 반사방지막 없이 12.6%의 변환효율을 얻었다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.30 no.10
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• pp.625-630
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• 2017

ZnS was chemically deposited as a buffer layer alternative to CdS, for use as a Cd-free buffer layer in $Cu(In_{1-x}Ga_x)Se_2$ (CIGS) solar cells. The deposition of a thin film of ZnS was carried out by chemical bath deposition, following which the structural and optical properties of the ZnS layer were studied. For the experiments, zinc sulfate hepta-hydrate ($ZnSO_4{\cdot}7H_2O$), thiourea ($SC(NH_2)_2$), and ammonia ($NH_4OH$) were used as the reacting agents. The mole concentrations of $ZnSO_4$ and $SC(NH_2)_2$ were fixed at 0.03 M and 0.8 M, respectively, while that of ammonia, which acts as a complexing agent, was varied from 0.3 M to 3.5 M. By varying the mole concentration of ammonia, optimal values for parameters like optical transmission, deposition rate, and surface morphology were determined. For the fixed mole concentrations of $0.03M\;ZnSO_4{\cdot}7H_2O$ and $0.8M\;SC(NH_2)_2$, it was established that 3.0 M of ammonia could provide optimal values of the deposition rate (5.5 nm/min), average optical transmittance (81%), and energy band gap (3.81 eV), rendering the chemically deposited ZnS suitable for use as a Cd-free buffer layer in CIGS solar cells.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.25 no.6
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• pp.577-580
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• 2014

Indium hydroxy sulfide ($In(OH)_xS_y$) as a cadmium (Cd)-free buffer layer for $CuInGaSe_2$ (CIGS) solar cells was prepared by the chemical bath deposition (CBD) and the reaction time was optimized. The band gap energy and transmittance data alongside the thickness results from the direct observation with focused ion beam system (FIB) could be a powerful tool for optimizing the conditions. In addition, X-ray diffractometer (XRD), X-ray photoelectron microscopy (XPS), and scanning electron microscope (SEM) were also employed for the layer characterization. The results indicated that the optimum reaction time for $In(OH)_xS_y$ buffer layer deposition by CBD was 20 min at $70^{\circ}C$ under the conditions employed. At the optimum conditions, the buffer layer thickness was near 57 nm and the band gap energy was 2.7 eV. In addition, it was found that there was no XPS peak shift in between the buffer layers deposited on molybdenum (Mo)/glass and that on CIGS layer.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.24 no.8
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• pp.434-442
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• 2014

Serious environmental problems have been caused by the greenhouse effect due to carbon dioxide($CO_2$) or nitrogen oxides($NO_x$) generated by the use of fossil fuels, including oil and liquefied natural gas. Many countries, including our own, the United States, those of the European Union and other developed countries around the world; have shown growing interest in clean energy, and have been concentrating on the development of new energy-saving materials and devices. Typical non-fossil-fuel sources include solar cells, wind power, tidal power, nuclear power, and fuel cells. In particular, organic solar cells(OSCs) have relatively low power-conversion efficiency(PCE) in comparison with inorganic(silicon) based solar cells, compound semiconductor solar cells and the CIGS [$Cu(In_{1-x}Ga_x)Se_2$] thin film solar cells. Recently, organic cell efficiencies greater than 10 % have been obtained by means of the development of new organic semiconducting materials, which feature improvements in crystalline properties, as well as in the quantum-dot nano-structure of the active layers. In this paper, a brief overview of solar cells in general is presented. In particular, the current development status of the next-generation OSCs including their operation principle, device-manufacturing processes, and improvements in the PCE are described.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.106.1-106.1
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• 2011

The Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells have been achieved until almost 20% efficiency by NREL. These solar cells include chemically deposited CdS as buffer layer between CIGS absorber layer and ZnO window layer. Although CIGS solar cells with CdS buffer layer show excellent performance, the short wavelength response of CIGS solar cell is limited by narrow CdS band gap of about 2.42 eV. Taking into consideration the environmental aspect, the toxic Cd element should be replaced by a different material. Among Cd-free candidate materials, the CIGS thin film solar cells with ZnS buffer layer seem to be promising with 17.2%(module by showa shell K.K.), 18.6%(small area by NREL). However, ZnS/CIGS solar cells still show lower performance than CdS/CIGS solar cells. There are several reported reasons to reduce the efficiency of ZnS/CIGS solar cells. Nakada reported ZnS thin film had many defects such as stacking faults, pin-holes, so that crytallinity of ZnS thin film is poor, compared to CdS thin film. Additionally, it was known that the hetero-interface between ZnS and CIGS layer made unfavorable band alignment. The unfavorable band alignment hinders electron transport at the heteo-interface. In this study, we focused on growing defect-free ZnS thin film and for favorable band alignment of ZnS/CIGS, bandgap of ZnS and CIGS, valece band structure of ZnS/CIGS were modified. Finally, we verified the photovoltaic properties of ZnS/CIGS solar cells.