• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2012년도 춘계학술발표대회
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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.

• 한국재료학회지
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• 제31권11호
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• pp.619-625
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• 2021

Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (CZTSSe) based thin-film solar cells have attracted growing attention because of their earth-abundant and non-toxic elements. However, because of their large open-circuit voltage (V_oc)-deficit, CZTSSe solar cells exhibit poor device performance compared to well-established Cu(In,Ga)(S,Se)₂ (CIGS) and CdTe based solar cells. One of the main causes of this large V_oc-deficit is poor absorber properties for example, high band tailing properties, defects, secondary phases, carrier recombination, etc. In particular, the fabrication of absorbers using physical methods results in poor surface morphology, such as pin-holes and voids. To overcome this problem and form large and homogeneous CZTSSe grains, CZTSSe based absorber layers are prepared by a sputtering technique with different RTA conditions. The temperature is varied from 510 ℃ to 540 ℃ during the rapid thermal annealing (RTA) process. Further, CZTSSe thin films are examined with X-ray diffraction, X-ray fluorescence, Raman spectroscopy, IPCE, Energy dispersive spectroscopy and Scanning electron microscopy techniques. The present work shows that Cu-based secondary phase formation can be suppressed in the CZTSSe absorber layer at an optimum RTA condition.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2012년도 춘계학술발표대회
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• pp.98.2-98.2
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• 2012

Thin film solar cells are growing up in the market due to their high efficiency and low cost. Especially CdTe and $CuInGaSe_2$ based solar cells are leading the other cells, but due to the limited percentage of the elements present in our earth's crust like Tellurium, Indium and Gallium, the price of the solar cells will increase rapidly. Copper Zinc Tin Sulfide (CZTS) and Copper Zinc Tin Selenide (CZTSe) semiconductor (having a kesterite crystal structure) are getting attention for its solar cell application as the absorber layer. CZTS and CZTSe have almost the same crystal structure with more environmentally friendly elements. Various authors have reported growth and characterization of CZTSe films and solar cells with efficiencies about 3.2% to 8.9%. In this study, a novel method to prepare CZTSe has been proposed based on selenization of stacked Copper Selenide ($Cu_2Se$), Tin Selenide ($SnSe_2$) and Zinc Selenide (Zinc Selenide) in six possible stacking combinations. Depositions were carried out through RF magnetron sputtering. Selenization of all the samples was performed in Close Space Sublimation (CSS) in vacuum at different temperatures for three minutes. Characterization of each sample has been performed in Field Emission SEM, XRD, Raman spectroscopy, EDS and Auger. In this study, the properties and results of $Cu_2ZnSnSe_4$ thin films grown by selenization will be presented.

• Journal of Ceramic Processing Research
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• 제13권spc1호
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• pp.140-144
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• 2012

Ga-doped ZnO (GZO) was a limit of application on the photovoltaic devices such as CIGS, CdTe and DSSC requiring high process temperature, because it's electrical resistivity is unstable above 300 ℃ at atmosphere. Therefore, ZTO (zinc tin oxide) was introduced in order to improve permeability and thermal stability of GZO film. The resistivity of GZO (300 nm) single layer increased remarkably from 1.8 × 10-3Ωcm to 5.5 × 10-1Ωcm, when GZO was post-annealed at 400 ℃ in air atmosphere. In the case of the ZTO (150 nm)/GZO (150 nm) double layer, resistivity showed relatively small change from 3.1 × 10-3Ωcm (RT) to 1.2 × 10-2Ωcm (400 ℃), which showed good agreement with change of carrier density. This result means that ZTO upper layer act as a barrier for oxygen at high temperature. Also ZTO (150 nm)/GZO (150 nm) double layer showed lower WVTR compared to GZO (300 nm) single layer. Because ZTO has lower WVTR compared to GZO, ZTO thin film acts as a barrier by preventing oxygen and water molecules to penetrate on top of GZO thin film.

• 한국재료학회지
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• 제32권11호
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• pp.481-488
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• 2022

The Cu₂ZnSn(S_xSe_1-x)₄ (CZTSSe) absorbers are promising thin film solar cells (TFSCs) materials, to replace existing Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) and CdTe photovoltaic technology. However, the best reported efficiency for a CZTSSe device, of 13.6 %, is still too low for commercial use. Recently, partially replacing the Zn²⁺ element with a Cd²⁺element has attracting attention as one of the promising strategies for improving the photovoltaic characteristics of the CZTSSe TFSCs. Cd²⁺ elements are known to improve the grain size of the CZTSSe absorber thin films and improve optoelectronic properties by suppressing potential defects, causing short-circuit current (J_sc) loss. In this study, the structural, compositional, and morphological characteristics of CZTSSe and CZCTSSe thin films were investigated using X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectrometer (XRF), and Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), respectively. The FE-SEM images revealed that the grain size improved with increasing Cd²⁺ alloying in the CZTSSe thin films. Moreover, there was a slight decrease in small grain distribution as well as voids near the CZTSSe/Mo interface after Cd²⁺ alloying. The solar cells prepared using the most promising CZTSSe absorber thin films with Cd²⁺ alloying (8 min. 30 sec.) exhibited a power conversion efficiency (PCE) of 9.33 %, J_sc of 34.0 mA/cm², and fill factor (FF) of 62.7 %, respectively.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.405-406
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• 2013

Ga-doped ZnO (GZO)는 $300^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 전기적으로 불안정하기 때문에 CIGS, CdTe, DSC와 같은 태양전지의 높은 공정온도 때문에 사용이 제한적이다. ZTO thin film은 Al2O3, SiO2, TiO2, ZnO tihin film과 비교하여 산소 및 수분에 대하여 투과성이 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있다. 따라서 GZO single layer에 비하여 ZTO-GZO multi-layer를 구성하여 TCO를 제작하면, 높은 공정온도에서도 사용 가능하다. 실제 제작된 GZO single layer (300 nm)에서 비저항이 $7.69{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$에서 $500^{\circ}C$에서 열처리 후 $7.76{\times}10^{-2}{\Omega}{\cdot}cm$으로 급격하게 상승한다. ZTO single layer (420 nm)는 as-grown에서는 측정 불가했지만, $400^{\circ}C$에서 열처리 후 $3.52{\times}10^{-1}{\Omega}{\cdot}cm$ $500^{\circ}C$에서 열처리 후 $4.10{\times}10^{-1}{\Omega}{\cdot}cm$으로 열처리에 따른 큰 변화가 없다. 또한 ZTO-GZO multi-layer (720 nm)의 경우 비저항이 $2.11{\times}10^{-3}{\Omega}{\cdot}cm$에서 $500^{\circ}C$에서 열처리 후 $3.67{\times}10^{-3}{\Omega}{\cdot}cm$으로 GZO에 비하여 상대적으로 변화폭이 작다. 또한 ZTO의 두께에 따른 영향을 확인하기 위하여 ZTO를 2 scan, 4 scan, 6 scan 공정 진행 및 $500^{\circ}C$에서 열처리 후 ZTO, ZTO-GZO thin film의 비저항을 측정하였다. ZTO의 경우 $3.34{\times}10^{-1}{\Omega}{\cdot}cm$ (2 scan), $3.62{\times}10^{-1}{\Omega}{\cdot}cm$ (4 scan), $4.1{\times}10^{-1}{\Omega}{\cdot}cm$ (6 scan)으로 큰 차이가 없으며, ZTO-GZO에서도 $3.73{\times}10^{-3}{\Omega}{\cdot}cm$ (2 scan), $3.42{\times}10^{-3}{\Omega}{\cdot}cm$ (4 scan), $3.67{\times}10^{-3}{\Omega}{\cdot}cm$ (6 scan)으로 큰 차이가 없음을 확인하였다. 염료감응 태양전지에 적용하여 기존에 사용되는 FTO대신에 ZTO-GZO를 사용하며, 가격적 측면, 성능적 측면에서 개선 가능할 것으로 생각된다.

• 한국융합학회논문지
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• 제13권3호
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• pp.197-202
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• 2022

CZTS 태양전지는 Cu, Zn, Sn, Se, S으로 구성된 흡수층을 사용하는 박막 태양전지로, In, Ga이 사용되는 CIGS 태양전지보다 저렴하며 Pb, Cd이 사용된 페로브스카이트, CdTe 태양전지보다 친환경적이다. 본 연구에서 우리는 유연기판인 Mo foil 위에 제작된 유연 CZTS 태양전지를 지정된 곡률만큼 휘게 하는 bending test를 진행하였다. 태양전지에 압축응력이 가해지는 inner benidng과 인장응력이 가해지는 outer bending의 방향에서 실험은 진행되었으며, 50 mmR의 곡률 반경으로 진행된 1,000 회의 굽힘 횟수 동안 태양전지의 효율은 최고 12.7%까지 감소하였으며, 두 방향 모두에서 효율 감소의 가장 큰 원인은 병렬저항의 큰 감소로 나타났다.

• 한국표면공학회지
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• 제38권4호
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• pp.144-149
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• 2005

ZnO박막을 R.F. sputtering방법으로 R.F Power와 기판온도를 공정변수로 하여 Si(100)과 $Al_2O_3(0001)$ 기판에 증착하였다. 공정변수에 따른 박막의 미세구조와 잔류응력 및 광학적 특성 등을 평가하였다. 전반적으로 R.F. Power증가에 따른 박막의 미세구조와 잔류응력 및 광학적 특성 등을 평가하였다. 전반적으로 R.F. Power증가에 따른 박막의 미세구조는 결정립이 커지면서 더 거칠어지는 것으로 나타났다. 기판온도 $800^{\cric}C$에서 증착된 박막의 경우, Si기판에 증착한 것보다 $Al_2O_3$기판에 증착된 박막의 막질이 우수한 것으로 나타났다. 박막의 잔류 응류변화는 R.F. Power 보다는 기판온도에 더 의존하는 것으로 나타났다. 대부분의 시편의 잔류응력이 공정변수인 기판온도가 증가할수록 작아지는 것으로 측정되었다. ZnO박막의 열안정성을 평가하기위해 열싸이클링을 실시하였다. 열싸이클링 결과 $Al_2O_3$(0001)기판에 증착된 박막이 Si(100)기판에 증착된 것보다 열안정성이 우수한 것으로 나타났다. PL측정의 경우, $Al_2O_3$기판에 증착된 ZnO박막이 Si기판에 증착된 것보다 UV영역의 발광이 크고 가시광선영역의 발광이 작은것으로 나타났다. 이것은 박막안의 결함이 작아서 낮은 잔류응력을 갖고 있기 때문인 것으로 생각된다.

• 한국광학회지
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• 제18권5호
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• pp.351-361
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• 2007

마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 광기록 매체인 GST 박막과 보호층인 $ZnS-SiO_2$ 박막 또는 $Al_2O_3$ 박막을 c-Si 기판위에 증착한 뒤 in-situ 타원계를 사용하여 상변화 광기록층인 GST 시료의 타원상수 온도의존성을 실시간으로 측정한 결과 $300^{\circ}C$ 이상의 온도에서 GST의 고온 타원상수는 가열 환경 및 보호층의 종류에 따라 큰 차이를 보여주었다. 가열 환경 및 보호층의 종류에 따라 GST의 고온 타원상수가 달라지는 원인인 $1{\sim}2$시간의 긴 승온시간을 줄이기 위해 Phase-change Random Access Memory(PRAM) 기록기를 사용하였고 수십 ns 이내의 짧은 시간 내에 순간적으로 GST 시료를 가열 및 냉각하였다. GST층이 손상되지 않고 결정화 및 고온 열처리가 되는 PRAM 기록기의 기록모드와 레이저출력 최적조건을 찾았으며 다층박막 구조에서 조사되는 레이저 에너지가 광기록층인 GST에 흡수되는 양과 이웃하는 층으로 전파되는 양을 열확산방정식으로 나타내고 이를 수치해석적으로 풀어 레이저출력과 GST 박막의 최고 온도와의 관계를 구하였다. 지름이 1um 정도인 레이저스폿을 대략 $0.7{\times}1.0mm^2$의 면적내에 촘촘히 기록한 다음 고온 열처리된 GST 시료의 분광타원데이터를 500 um의 빔 크기를 가지는 마이크로스폿 분광타원계를 사용하여 구하고 그 복소굴절률을 결정하였다. In-site 타원계를 사용할 때에 가열 환경 보호층 물질의 영향을 크게 받은 GST의 고온 복소굴절률은 PRAM 기록기를 사용하였을 때에는 가열환경이나 보호층의 종류에 무관하게 안정된 값을 보여주었다 Atomic Force Microscope(AFM)과 Scanning Electron Microscopy(SEM)을 통해 관찰한 GST 다층박막시료의 고온 열처리 전후 표면미시거칠기 변화도 PRAM 기록기를 사용할 때에는 in-situ 타원계를 사용할 때보다 1/10 정도의 크기를 보여주어 PRAM 기록기와 분광타원계를 사용하여 결정한 GST의 고온광학물성의 신뢰성을 확인하여 주었다.