• Current Photovoltaic Research
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• v.5 no.4
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• pp.135-139
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• 2017

We fabricated two different transparent conducting oxide thin films of ZnO doped with Ga ($Ga_2O_3$ 0.9 wt%) as well as Al ($Al_2O_3$ 2.1 wt%) (GAZO) and ZnO doped only with Al ($Al_2O_3$ 3 wt%) (AZO). It was investigated how it affects the moisture resistance of the transparent electrode. In addition, $Cu(In,Ga)Se_2$ thin film solar cells with two transparent oxides as front electrodes were fabricated, and the correlation between humidity resistance of transparent electrodes and device performance of solar cells was examined. When both transparent electrodes were exposed to high temperature distilled water, they showed a rapid increase in sheet resistance and a decrease in the fill factor of the solar cell. However, AZO showed a drastic decrease in efficiency at the beginning of exposure, while GAZO showed that the deterioration of efficiency occurred over a long period of time and that the long term moisture resistance of GAZO was better.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.163-163
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• 2011

셀레늄(Selenium: Se) cracker cell을 이용하여 셀렌화한 $CuInSe_2$ (CIS)박막에 대해 연구한 결과를 발표하고자 한다. 화석연료의 과도한 사용으로 지구온난화라는 환경문제가 대두되면서 영구적이고 무상의 태양에너지 이용에 대한 필요성이 점차 높아지고 있다. 빛에너지를 전기에너지로 변화시키기 위한 태양전지는 재료에 따라 다양하게 개발되고 있으며 그 중 가장 주목을 받고 있는 것 중의 하나가 $CuInSe_2$을 광흡수층으로 하는 CIS 박막 태양전지이다. CIS 박막은 태양전지의 광흡수층으로 사용되는데 직접천이형 밴드구조를 가지고 있고, 약 $10^5$ $cm^{-1}$의 높은 광흡수계수를 가지고 있어 태양전지 광흡수층으로 적합한 물질로 각광받고 있다. CIS는 에너지 밴드갭이 ~1 eV로 실리콘과 유사한 밴드갭을 가지고 있으나 이는 Ga, Al을 In 대신 치환함으로 조절할 할 수 있다. 무엇보다도 sodalime 유리와 같은 저가의 기판위에 스퍼터와 같은 장치로 대면적 CIS 박막태양전지를 만들 수 있다는 것이 산업적인 면에서 장점으로 알려져 있다. 본 연구에서는 sodalime 유리기판 위에 스퍼터 방법으로 CIS 박막을 증착하고 Se cracker cell로 셀렌화하여 CIS 박막을 제조하는 것을 조사연구 하였다. 스퍼터를 이용하여 유리기판위에 Mo (Molybdenum)을 증착하고 그 위에 Cu-In-Se박막을 증착하였다. Cu-In-Se/Mo/유리기판 시료는 동일 챔버에서 Se cracker cell을 이용하여 셀렌화 처리 하였다. 물성비교를 위하여 Knudson-cell을 이용한 셀렌화도 시행하였다. Se cracker cell은 고체 Se를 가열하는 부분(R-zone)과 Se flux를 cracking 하는 부분(C-zone)으로 나누어져 있으며 C-zone은 700$^{\circ}C$로 고정하였다. 셀렌화 기판 온도는 425$^{\circ}C$로 고정하였고 Se cracker 온도는 330~375$^{\circ}C$까지 변화시켜 가며 CIS 박막을 제조하였다. 제조된 CIS 박막의 물성 조사는 사진, 현미경, SEM, EDX, XRD, Hall effects를 이용하였다. Se cracker cell로 셀렌화한 CIS 박막은 island 구조를 하고 있음을 알 수 있었다. CIS 박막의 island의 크기와 모양은 셀렌화시 R-zone 온도(Cu-In-Se 박막에 조사되는 셀레늄의 량)에 큰 영향을 받았다. 셀렌화시 셀레늄량이 적을 때는 island가 커지며 불균일해지고 셀레늄량이 많을 때 island가 작고 균일해지는 경향을 SEM을 통해 관찰할 수 있었다. X-ray 회절을 통해 셀레늄량이 적을 경우 CIS 결정이외의 결정이 박막내에 형성됨을 알 수 있었다. 학술회의에서 Se cracker cell을 이용한 셀렌화에 관한 보다 깊은 연구결과를 발표하고자 한다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.46.2-46.2
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• 2011

CuInSe2 (CIS)계 화합물은 3족 원소(Ga, Al) 또는 6족 원소(S)를 첨가하여 밴드갭 조절이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 실제로 동시 증발법으로 Ga을 첨가하여 만든 CuIn0.7Ga0.3Se2(CIGS) 태양전지는 약20%의 높은 효율 보이고 있다. 그러나 최고 효율을 달성한 동시 증발법은 대면적화가 어렵다는 점이 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서, 그 대안으로 대면적화가 용이한 스퍼터링 및 셀렌화 공정 연구가 진행되고 있다. 그러나 스퍼터링/셀렌화 공정은 Cu-In-Ga 금속 전구체의 셀렌화 시 Ga이 Mo쪽으로 이동하여 CIS/CGS 2개의 상으로 형성된다는 큰 단점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위해 셀렌화 후 다시 H2S 기체 분위기에서 열처리하여 표면 밴드갭을 증가시키는 공정이 사용되고 있으나, 이는 열처리 과정이 2번 필요하다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 해결하고자 본 연구에서는 금속 전구체의 구조, 셀렌화 공정 조건 및 전구체 내의 상(phase) 조절을 통해 셀렌화 시 Ga segregation을 억제하고자 하였다. 특히 전구체의 상 조절을 통해서 Ga의 이동을 크게 완화시킬 수 있음을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.52.1-52.1
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• 2011

최근에 에너지 자원의 고갈이 다가오는 상황에서 태양전지 분야가 주목받고 있으며 이에 대한 시장이 급격하게 확대되고 있다. 그러나 현재의 태양전지는 주를 이루고있는 실리콘태양전지의 경우 원재료 수급이 불안정하여 가격 변동이 심하다. 따라서 이를 대체할 2세대 태양전지인 박막형 태양전지의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 박막형 태양전지 중에서도 주목받고 있는 것은 Cu(In,Ga)$Se_2$(CIGS)박막 태양전지이다. CIGS는 Ga의 농도에 따라 1.02~1.68eV의 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 직접천이형 반도체 물질이다. 또한 $1{\times}10^5cm^{-1}$의 높은 광흡수계수를 가지고 있으며, $450{\sim}590^{\circ}C$의 고온공정에서도 매우 안정하여 열화현상이 거의 보이지 않아 박막형 광흡수층 재료로서 적합하다. 흡수층을 제조하는 방법은 여러 가지가 있지만, 본 연구에서는 균일성이 뛰어나고 원료사용효율이 높은 sputtering 방법을 사용하였다. 그리고 결정화하기위해서 유독기체를 사용하는 셀.렌.화. (selenization) 방법 대신 전자빔을 조사하는 방법을 채택하였다. sputtering을 통한 CIGS precursor을 제조하기위해 2~3개의 화합물target을 사용하는데, 대표적인 방법으로 동시에 sputtering하는 co-sputtering 방법과 각각의 단일 층을 쌓아 제조하는 stack형으로 분류된다. 본 연구는 CIGS precursor를 제조하기 앞서 CuGa 단일 층만을 제조하여 공정조건에 따른 박막을 제조하였다. 제조된 CuGa 단일층은 전자빔 처리에 따른 영향을 알아보기 위해 전자빔의 세기와 공정시간을 달리하여 특성을 알아보았다. 실험에서는 Cu:75wt%,Ga:25wt% 조성의 target을 사용하여 공정 압력을 각각 10~1mTorr로 변화시키며 실험을 실시하였으며 공정 power는 50W, 70W, 100W로 변화 시키며 실험을 실시하였다. 이때 실험의 초기진공은 turbo-molecular pump를 이용하여 $1{\times}10^{-6}torr$ 이하로 하였으며, Target과 기판사이의 거리는 모두 같은 조건으로 고정하여 실험을 실시하였다. 박막의 균일성을 증가시키기 위하여 5 rpm의 속도로 기판을 회전하였으며 기판 온도는 가열하지 않고 상온에서 전구체를 증착하였다. 그 후 전자빔의 세기를 고정 시킨 후 전자빔 조사 시간을 조절하여 전자빔 조사 전후의 특성을 각각 분석하였다. 전기적특성은 Hall effect, 4-point probe, 구조적 특성은 SEM,EDS, XRD, XRF 를 이용하여 분석하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2005.05a
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• pp.80-80
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• 2005

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.410-410
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• 2011

Chalcopyrite계 화합물 $CuInGaSe_2$($CIGSe_2$)는 높은 광흡수율과 전기적 특성 및 안정성, 그리고 1.02~1.67 eV 범위의 최적의 에너지 밴드갭을 가져 박막태양전지용 광흡수층 재료로 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 $CIGSe_2$ 박막태양전지의 광흡수층을 형성하는 공정은 고효율 태양전지 제작이 가능한 진공공정을 이용한다. $CIGSe_2$ 광흡수층을 형성하는데 있어 진공 공정을 용액기반 공정으로 대처한다면 저비용으로 보다 간단하면서 효율적인 태양전지의 제조가 가능 할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 $CIGSe_2$ 광흡수층을 2 단계에 걸쳐 제작하였다. 먼저 Cu, In, Ga 성분을 포함하는 용액을 이용하여 CIG 전구체막을 형성한 후, 다음 단계로 selenization 공정을 진행함으로써 $CIGSe_2$ 박막을 제작하였다. $CIGSe_2$의 결정 성장을 위하여 selenization 공정의 열처리 온도와 시간을 조절하여 CIG 전구체막과 Se 원소의 결합반응을 최적화할 수 있는 공정 조건을 확보하였으며 이를 통해 우수한 결정 및 전기적 특성을 갖는 $CIGSe_2$박막을 제조하였다. 제작된 $CIGSe_2$ 박막의 광전변환 효율을 측정하여 단위셀로서의 구현이 가능함을 확인하였으며 XRD, SEM, EDS, UV-visible을 통하여 $CIGSe_2$박막의 특성을 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.456.2-456.2
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• 2014

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 화합물은 태양광을 흡수하기에 가장 이상적인 약 1.04 eV의 에너지 금지대 폭과 높은 광흡수계수를 가지고 있으며, $450{\sim}590^{\circ}C$의 고온 공정에도 매우 안정하여 열 경화현상을 거의 보이지 않으므로 박막 태양전지로서 커다란 응용 잠재력을 갖고 있는 광흡수층 재료이다. CIGS 화합물 박막 태양전지의 효율은 연구실에서는 ~20%의 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 IEC-61646 규격을 이용하여 고온고습 시험 ($85^{\circ}C$/85% RH, 1000 h) 과 열충격 시험 ($-40^{\circ}C/140^{\circ}C$, 1000 cycles) 이 수행되었고, 두 종류의 가속 스트레스 시험 후에 모듈의 성능 저하에 영향을 미치는 요인들이 연구되었다. 또한, 모듈의 효율 저하의 원인을 규명하기 위해 투명전극 Al-doped ZnO (AZO)와 광흡수층 CIGS를 대상으로 고장분석을 수행하였다. AZO층과 CIGS층의 전기적 특성 분석, 결장상 분석 및 XPS 분석들을 종합하여 CIGS PV 모듈의 성능저하의 원인을 규명하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.373-373
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• 2011

$Cu(In,Ga)Se_2$(CIGS) 박막 태양전지는 Chalcopyrite계 박막 태양전지로 Cu, In, Ga, Se 각 원소의 조성을 적절히 조절하여 박막을 성장시킨다. 성장시킨 CIGS 박막은 광흡수계수가 105cm-1로 다른 물질 보다 뛰어나고 직접 천이형 반도체로서 얇은 두께로도 고효율의 박막 제작이 가능하다. 얇은 두께로도 충분히 빛의 흡수가 가능하지만, cell 표면 반사에 의한 광 손실은 cell 효율을 떨어뜨리게 된다. 본 연구에서는 CIGS 박막 태양전지의 광 흡수 향상을 위해 굴절률이 1.86인 ITO 위에 ITO보다 굴절률이 작은 $MgF_2$ (n=1.377) [1]를 80, 100, 120, 140 nm로 증착하여 $MgF_2$/Al/Ni/ITO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG 시료를 제작하고, optical reflectance, Quantum Efficiency를 이용하여 분석하였다. optical reflectance 분석 결과, $MgF_2$ AR coating을 한 경우, 두께가 두꺼워짐에 따라 광 반사도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 AR coating 두께가 커짐에 따라 fluctuation이 점점 커지며, 파형이 장파장 쪽으로 shift하는 것을 관찰 할 수 있었다. Quantum efficiency (QE)를 분석한 결과 $MgF_2$ AR coating 할 경우, 측정된 대부분의 파장에서 QE가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 AR coating 두께에 따른 변화는 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. AR coating 결과, JSC가 증가하여 efficiency가 향상되는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 $MgF_2$ AR coating 80~140 nm 범위에서 cell 효율 변화의 뚜렷한 차이는 관찰할 수 없었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.47.1-47.1
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• 2011

We report on a direct measurement of two-dimensional chemical and electrical distribution on the surface of photovoltaic Cu(In,Ga)$Se_2$ thin-films using a nano-scale spectroscopic and electrical characterization, respectively. The Raman measurement reveals non-uniformed surface phonon vibration which comes from different compositional distribution and defects in the nature of polycrystalline thin-films. On the other hand, potential analysis by scanning Kelvin probe force microscopy shows a higher surface potential or a small work function on grain boundaries of the thin-films than on the grain surfaces. This demonstrates the grain boundary is positively charged and local built-in potential exist on grain boundary, which improve electron-hole separation on grain boundary. Local electrical transport measurements with scanning probe microscopy on the thin-films indicates that as external bias is increases, local current is started to flow from grain boundary and saturated over 0.3 V external bias. This accounts for carrier behavior in the vicinity of grain boundary with regard to defect states. We suggest that electron-hole separation at the grain boundary as well as chemical and electrical distribution of polycrystalline Cu(In,Ga)$Se_2$ thin-films.

• Current Photovoltaic Research
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• v.3 no.1
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• pp.21-26
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• 2015

High efficiency $Cu(In,Ga)Se_2$ solar cells are generally prepared above $500^{\circ}C$. Lowering the process temperature can allow wider selection of substrate material and process window. In this paper, the three-stage co-evaporation process widely used to grow CIGS thin film at high temperature was modified to reduce the maximum substrate temperature. Below $400^{\circ}C$ the CIGS films show poor crystal growth and lower solar cell performance, in spite of external Na doping by NaF. As a new approach, Cu source instead of Cu with Se in the second stage was applied on the $(In,Ga)_2Se_3$ precursor at $400^{\circ}C$ and achieved a better crystal growth. The distribution of Ga in the films produce by new method were investigated and solar cells were fabricated using these films.