• Korean Journal of Materials Research
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• v.22 no.5
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• pp.259-273
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• 2012

Chalcogenide-based semiconductors, such as $CuInSe_2$, $CuGaSe_2$, Cu(In,Ga)$Se_2$ (CIGS), and CdTe have attracted considerable interest as efficient materials in thin film solar cells (TFSCs). Currently, CIGS and CdTe TFSCs have demonstrated the highest power conversion efficiency (PCE) of over 11% in module production. However, commercialized CIGS and CdTe TFSCs have some limitations due to the scarcity of In, Ga, and Te and the environmental issues associated with Cd and Se. Recently, kesterite CZTS, which is one of the In- and Ga- free absorber materials, has been attracted considerable attention as a new candidate for use as an absorber material in thin film solar cells. The CZTS-based absorber material has outstanding characteristics such as band gap energy of 1.0 eV to 1.5 eV, high absorption coefficient on the order of $10^4cm^{-1}$, and high theoretical conversion efficiency of 32.2% in thin film solar cells. Despite these promising characteristics, research into CZTS-based thin film solar cells is still incomprehensive and related reports are quite few compared to those for CIGS thin film solar cells, which show high efficiency of over 20%. The recent development of kesterite-based CZTS thin film solar cells is summarized in this work. The new challenges for enhanced performance in CZTS thin films are examined and prospective issues are addressed as well.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.85.2-85.2
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• 2010

$Cu_2ZnSnSe_4$ (CZTSe) is one of candidate to alternate $Cu(In,Ga)Se_2$ as solar absorber material for solar cell. The expensive elements of In and Ga are replaced by Zn and Sn, respectively to lower the material cost. In this study we fabricated CZTSe thin film by selenization of single precursor layer consisted metallic constituent. Precursor compositions ratio were selected to have Cu-poor and Zn-rich content and prepared by RF magnetron sputtering. Thermal processing was applied to introduce selenium into as-deposited films at temperatures ranging from 350 to 500 for time up to 120 minutes. Single precursor films showed amorphous structure and consist of individual elements of Cu, Zn, and Sn. It was confirmed by XRD analysis that synthesis of CZTSe compound is occurred from lower temperature process, although concurrently additional phases such as binary cooper selenides are also existed. The quality of CZTSe crystal was improved as temperature increased. We also investigated the optical and electrical properties of as-selenized CZTSe as well.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2005.05a
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• pp.181-181
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• 2005

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.26 no.5
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• pp.526-532
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• 2015

Solar cells with other alternative energies are being importantly recognized related with post-2020 climate change regime formation. In a point of view of materials, solar cells are classified to organic and inorganic solar cells which can provide a plant-scale electricity. In particular, recent studies about compound semiconductor solar cells, such as III-V tandem solar cells, chalcopyrite-series CIGSSe solar cells, and kesterite-series CZTSSe solar cells were rapidly accelerated. In this report, we introduce a research trend and technical issues for the compound semiconductor solar cells.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.53.1-53.1
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• 2011

현재 태양전지시장에서 비중이 많은 실리콘 태양전지는 높은 효율에 비해 제조 단가가 비싸다는 단점을 가지고 있다. 이에 비해 칼코파라이트 구조의 $CuInSe_2$ (CIS)계 화합물은 직접 천이형 반도체로서 높은 광흡수 계수($1{\times}105cm-{\acute{e}1$)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 양산화에 sputtering방식사용하고 Showa Shell에서는 대면적 CIGS 모듈 효율 13.4%를 달성한 바 있다. 현재 CIGS는 열처리하는 방법으로 selenization 공정을 사용하는데 이 공정은 유독한 $H_2Se$ gas를 이용해야 한다는 점과 긴 시간 동안 열처리를 해야 하는 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 전자빔을 사용하여 후속 공정을 실시하였다. 전자빔을 사용할 경우 낮은 온도에서 precursor를 처리하며 짧은 시간에 공정이 끝난다는 장점이 있다. 본 연구에서는 sodalime glass위에 조성비(Cu 60.87% Se 38.66%)인 Cu_2Se$ target(4.002"${\times}0.123$") 을 DC sputter를 이용하여 DC power를 50W,100W를 주고 Working pressure를 20,15,10,5,3,1mtorr로 조절하여 증착하였다. 전자빔의 세기 조건을 3Kv, Rf power 200W, Ar 7sccm로 전자빔 조사 시간을 1,2,3,4,5min으로 늘려가며 최적화 실험 하였고 최적화된 조건으로 $Cu_2Se$ target에 조사 하였다. 박막의 특성평가는 전자빔 조사 전/후에 대해 XRD, SEM, XRF, Hall measurement, UV-VIS을 이용하여 분석평가를 하였다. 이 실험은 $Cu_2Se$상이 자라는 특성과 표면 상태에 따라 CIGS박막을 증착하였을 때 나타나는 효율 변화를 알아 보기위한 초기 공정 실험이다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.24 no.9
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• pp.755-759
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• 2011

$Cu(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ thin films have been considered as an effective absorber material for high efficient solar cells. In this paper, the CIGS thin films with varied Ga content were prepared using a co-evaporation process of three stage. We carry out structure and electrical optical property on the thin film in varied Ga content. CIGS thin films have been characterized by X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscopy(SEM), energy-dispersive spectroscopy(EDS), four-point probe measurement, and the Hall measurement. To optimize Ga contents, Ga/(In+Ga) ratio were changed from 0.13 to 0.72. At this time the carrier concentrations were varied from $1.22{\times}10^{11}\;cm^{-3}$ to $5.07{\times}10^{16}\;cm^{-3}$, and electrical resistivity were varied from $1.11{\times}10^0\;{\Omega}-cm$ to $1.08{\times}10^2\;{\Omega}-cm$. A strong <220/204> orientation and a lager grain size were obtained at a Ga/(In+Ga) of 0.3. We were able to achieve conversion efficiency as high as 15.95% with a Ga/(In+Ga) of 0.3.

• New & Renewable Energy
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• v.1 no.2 s.2
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• pp.6-10
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• 2005

[ $CulnSe2$ ]계 화합물은 직접천이형 반도체로 광흡수계수가 매우 높아 박막형 태양전지 제조에 매우 유리하다. 또한 화학적으로 안정하며 Ga, Al 등을 첨가하면 에너지 금지대폭을 조절할 수 있어 Wide Bandgap 태양전지 및 탠덤구조 태양전지를 제조하기에도 용이하다. CIS 물질에서 In을 $20-30\%$ 정도 치환한 $Cu(In,\;Ga)Se_2(CIGS)$ 태양전지의 경우 19.5%의 세계 최고 효율을 보고하고 있으며 이는 다결정 실리콘 태양전지의 효율과 비슷한 수준이다. 본 연구에서는 동시 질공증발법을 이용하여 증착한 CIGS 박막 및 $CuGaSe_2(CGS)$ 박막을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 공정의 재현성 및 결정립계가 큰 광흡수층 제조를 위하여 실시간 기판 온도 모니터링 시스템을 도입하였으며 버퍼층으로는 용액성장한 CdS 박막을 사용하였다. SLG/MO/CIGS(CGS)/CdS/ZnO/Al 구조의 태양전지를 제조하여 면적 $0.5cm^2$에서 각각 $17\%(CIGS)$와 $7\%(CGS)$의 효율을 얻었다.

• 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.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2005.11a
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• pp.111-112
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• 2005

To obtain the single crystal thin films, $CuInSe_2$, mixed crystal was deposited on thoroughly etched semi-insulating GaAs(100) substrate by the hot wail epitaxy (HWE) system. The source and substrate temperatures were 620$^{\circ}C$ and 410$^{\circ}C$, respectively. The crystalline structure of the single crystal thin films was investigated by the photoluminescence and double crystal X-ray diffraction (DCXD). The carrier density and mobilily of $CuInSe_2$ single crystal thin films measured with Hall effect by van der Pauw method are $9.62\times10^{16}$ $cm^{-3}$ and $296cm^2/V{\cdot}s$ at 293 K, respectively. The temperature dependence of the energy band gap of the CulnSe$_2$ obtained from the absorption spectra was well described by the Varshni's relation E$_g$(T) = 1.1851 eV - ($8.99\times10^{-4}$ ev/K)T$_2$/(T + 153K). After the as-grown $CuInSe_2$ single crystal thin films was annealed in Cu-, Se-, and In-atmospheres the origin of point defects of $CuInSe_2$ single crystal thin films has been investigated by the photoluminescence(PL) at 10 K. The nat ive defects of V$_{Cu}$, $V_{Se}$, Cu$_{int}$, and $Se_{int}$ obtained by PL measurements were classified as a donors or accepters type. And we concluded that the heat-treatment in the Cu-atmosphere converted $CuInSe_2$ single crystal thin films to an optical n-type. Also, we confirmed that In in $CuInSe_2$/GaAs did not form the native defects because In in $CuInSe_2$ single crystal thin films existed in the form of stable bonds.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.125.2-125.2
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• 2011

CuInGaSe2 (CIGS)을 포함한 Chalcopyrite계 물질은 직접천이형 반도체이면서, ${\sim}1{\times}10^5cm^{-1}$ 이상의 광흡수계수를 보이며, 조성제어를 통한 밴드갭 조절이 가능해 차세대 고효율 박막태양전지재료로 매우 주목받고 있다. 최근, CIGS 박막태양전지 제조를 위해 CIGS 흡수층의 여러 가지 박막제조 공정들이 개발되고 있으나, 동시증착법과 소위 2단계법이라 일컬어지는 금속 전구체 스퍼터링 증착 후 셀렌화 공정을 가장 대표적인 공정이라 말 할 수 있다. 동시증착법은 실험실 수준의 소면적 셀에서 20%에 가까운 높은 효율의 CIGS 박막태양전지 제조에 성공하였음에도 불구하고, 상용화를 위한 대면적 셀 제조를 위해 해결해야 할 문제들이 아직 남아있다. 또한, 2단계법의 경우는 스퍼터링 공정을 기반으로 대면적 셀 제조에는 용이하나, CIGS/Mo 계면에서의 Ga 응집현상의 발생 및 셀렌화 공정에 사용되는 독성가스($H_2Se$)의 문제 등이 남아 있어 새로운 시각에서의 접근 방법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 CIGS 4성분계 단일 타겟을 사용, RF 스퍼터링 공정을 통해 $200{\times}200mm^2$ 기판 위에 CIGS 박막을 제조하여 그 특성을 분석하였다. XRD 분석결과, 동시증착법에서 일반적으로 관찰되는 CIGS/Mo 계면에서의 $MoSe_2$ 상의 존재는 관찰되지 않았으며, CIGS 단일상의 다결정 박막이 제조되었음을 알 수 있었다. 또한, CIGS 박막제조 후, RTA 공정을 통해 CIGS 박막의 결정성이 향상됨을 관찰 할 수 있었으며, SIMS 분석결과, Mo층의 공정 조건에 따라 CIGS/Mo 계면에서의 금속원소 (In, Ga, Mo)의 상호확산이 크게 억제됨을 알 수 있었다. 그 외의 특성평가 결과들을 통하여 CIGS 4성분계 단일 타겟을 사용한 CIGS 박막태양전지 제조의 유용성에 대해 논의하고자 한다.