• Current Photovoltaic Research
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• 제1권2호
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• pp.115-121
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• 2013

ZnO film has been used for CIGS solar cells as a buffer layer as itself or by doping Mg and Sn; ZnO film also has been used as a transparent conducting layer by doping Al or B for solar cells. Since ZnO itself is a host material for many applications it is necessary to understand the electrical and optical properties of ZnO film itself with various preparation conditions. We prepared ZnO films by converting ZnS precursor into ZnO film by thermal annealing. ZnO film was formed at low temperature as low as $500^{\circ}C$ by annealing a ZnS precursor layer in air. In the air annealing, the electrical resistivity decreased monotonically with increasing annealing temperature; the intensity of the green photoluminescence at 505 nm increased up to $750^{\circ}C$ annealing. The electrical resistivity further decreased and the intensity of green emission also increased in reducing atmospheres. The results suggest that deep-level defects originated by oxygen vacancy enhanced green emission, which reduce light transmittance and enhance the recombination of electrons in conduction band and holes in valence. More oxidizing environment is necessary to obtain defect-free ZnO film for higher transparency.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.292-292
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• 2012

현재 투명전극은 주로 ITO를 사용하고 있으며, ITO는 인듐산화물(In2O3)과 주석산화물(SnO2)이 9대 1의 비율로 혼합된 화합물로 인듐이 주성분이다. 따라서 ITO 사용량의 증가는 인듐의 수요 증가를 이끌어 2003년 이후 인듐 잉곳의 가격이 급등하였다. LCD에 응용되는 금속재료의 가격추이를 비교해보면, 인듐이 가장 큰 변화를 보이고 있으며, 2005년 인듐 가격은 2002년 대비 1,000% 이상 상승하였다가 2007년 이후 500%p 하락하여 2008년 2월 22일 기준으로 톤당 49만 달러에 거래되고 있다. 같은 기간 동안 알루미늄의 가격은 76.6% 상승하였으며 구리는 394%, 주석은 331% 상승하였다. 이러한 인듐의 가격 상승폭은 동일한 기간 동안 다른 금속 재료와 비해 매우 크며, 단위 질량당 가격도 20배 이상 높은 수준이다. ITO의 주성분인 인듐의 이러한 가격의 급등 및 향후 인듐의 Shortage 예상으로 인해 ITO 대체재 확보의 필요성이 증가되고 있다. 태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정질 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 고부가 가치 산업유지에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안으로 자리매김하고 있으며, 박막태양전지 산업분야가 현재의 정부정책 지원 없이 자생력을 갖추고 또한 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 박막태양전지 개발과 더불어 저가의 재료개발도 시급한 상황이다. 본 연구에서는 In-line magnetron sputtering system을 사용하여 소다라임 유리기판 위에 박막태양전지용 투명전도성 ZnO(Al) 박막을 제작하였고, 특히 이 박막은 n-형 반도체 특성을 가져야하기 때문에 홀이동도와 개리어농도의 상관관계 및 박막의 두께, 광투과율 특성, 온도 의존성을 조사하였고, 이를 논하고자 한다. (본 연구는 중소기업청의 기술혁신개발사업 연구지원금으로 이루어졌음).

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.320-320
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• 2012

III-V 화합물 태양전지는 실리콘, CdTe, CIGS, 염료, 및 유기 등 다른 태양전지에 비해 1sun 상 30% 이상의 고효율을 갖고 있고 앞으로도 계속 증가할 수 있는 가능성을 갖고 있다. 그 이유는 직접천이형 밴드갭, 높은 이동도 등의 고성능 물질특성과 더불어 3족과 5족의 비율을 조절함으로써 같은 결정구조를 갖고 에너지 밴드갭이 다른 물질들을 만들기에 용의하여, 태양전지 스펙트럼의 넓은 영역을 흡수할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나, 셀자체의 물질이 실리콘에 비하여 고가이므로, 고성능이 요구되는 우주 인공위성등에 적용이 되었지만, 2000년대 이후로 집광에 적용가능한 태양전지의 연구를 거듭하여 2005년부터는 값싼 프레넬 렌즈를 이용하여 1sun에 비해 500배 해당하는 빛을 셀에 집광하여 보다 효율을 증가시킴으로써 지상발전용에도 적용가능한 셀을 형성하게 되었다. 더불어 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 개선된 구조적 변화의 시도도 많이 이루어지고 있다. 최근 보고에 의하면 실리콘 태양전지의 표면에 texture 또는 나노 구조를 주어 높은 흡수율과 낮은 반사율을 갖게 함으로써 효율을 증가시키는 사례가 많아지고, III-V 화합물 태양전지도 texturing에 의해 증가된 효율을 발표한바 있다. 본 연구에서는 태양전지의 효율을 증가시키기 위하여 III-V 화합물 태양전지 표면에 micro-hole array texture 구조를 형성한 후 나노 particle을 이용한 나노 texture 구조를 형성하였다. Photo-lithography와 chemical wet etching으로 micro-hole array texture 구조를 형성하였으며 micro-hole의 직경은 $5{\sim}20{\mu}m$, hole과 hole의 간격은 $3{\sim}15{\mu}m$로 다양하게 변화를 주었다. 형성된 micro-hole array texture 구조위에 수십 nm 크기의 particle을 만들어 chemical wet etching으로 나노 texture 구조를 형성하였다. 태양전지 표면에 texture 구조가 있는 경우와 없는 경우에 각각 효율을 측정, 비교 분석하였다.

• Current Photovoltaic Research
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• 제3권3호
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• pp.85-90
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• 2015

Two-step processes for preparing $Cu(In,Ga)Se_2$ absorber layers consist of precursor layer formation and subsequent annealing in a Se-containing atmosphere. Among the various deposition methods for precursor layer, the nonvacuum (wet) processes have been spotlighted as alternatives to vacuum-based methods due to their potential to realize low-cost, scalable PV devices. However, due to its porous nature, the precursor layer deposited on Mo substrate by nonvacuum methods often suffers from thick $MoSe_2$ formation during selenization under a high Se vapor pressure. On the contrary, selenization under a low Se pressure to avoid $MoSe_2$ formation typically leads to low crystal quality of absorber films. Although TiN has been reported as a diffusion barrier against Se, the additional sputtering to deposit TiN layer may induce the complexity of fabrication process and nullify the advantages of nonvacuum deposition of absorber film. In this work, Mo oxide layers via thermal oxidation of Mo substrate have been explored as an alternative diffusion barrier. The morphology and phase evolution was examined as a function of oxidation temperature. The resulting Mo/Mo oxides double layers were employed as a back contact electrode for $CuInSe_2$ solar cells and were found to effectively suppress the formation of $MoSe_2$ layer.

• 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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• 제24권8호
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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.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.434-436
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• 2013

Ga-doped ZnO (GZO) was substitutes of the SnO2:F films on soda lime glass substrate in the photovoltaic devices such as CIGS, CdTe and DSSC due to good properties and low cost. However, it was reported that the electrical resistivity of GZO is unstable above $300^{\circ}C$ in air atmosphere. To improve thermal stability of GZO thin films at high temperature above $300^{\circ}C$ an $TiO_2$ thin film was deposited on the top of GZO thin films as a barrier layer by Pulsed Laser Deposition (PLD) method. $TiO_2$ thin films were deposited at various thicknesses from 25 nm to 100 nm. Subsequently, these films were annealed at temperature of $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $500^{\circ}C$ in air atmosphere for 20 min. The XRD measurement results showed all the films had a preferentially oriented ( 0 0 2 ) peak, and the intensity of ( 0 0 2 ) peak nearly did not change both GZO (300 nm) single layer and $TiO_2$ (50 nm)/GZO (300 nm) double layer. The resistivity of GZO (300 nm) single layer increased from $7.6{\times}10^{-4}{\Omega}m$ (RT) to $7.7{\times}10^{-2}{\Omega}m$ ($500^{\circ}C$). However, in the case of the $TiO_2$ (50 nm)/GZO (300 nm) double layer, resistivity showed small change from $7.9{\times}10^{-4}{\Omega}m$ (RT) to $5.2{\times}10^{-3}{\Omega}m$ ($500^{\circ}C$). Meanwhile, the average transmittance of all the films exceeded 80% in the visible spectrum, which suggests that these films will be suitable for photovoltaic devices.

• Current Photovoltaic Research
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• 제3권1호
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• pp.16-20
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• 2015

Ag addition in chalcopyrite materials is known to lead beneficial changes in aspects of structural and electronic properties. In this work, the effects of Ag alloying of $Cu(In,Ga)Se_2$-based solar cells has been investigated. Wide bandgap $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x = 0.75~0.8) films have been deposited using a three-stage co-evaporation with various Ag/(Ag+Cu) ratios. With Ag alloying the $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x~0.8) films were found to have greater grainsize and film thickness. Device were also fabricated with the $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x~0.8) films and their J-V and quantum efficiency measurements were carried out. The highest-efficiency $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ solar cell with Eg > 1.5 eV had an efficiency of 12.2% with device parameters $V_{OC}=0.810V$, $J_{SC}=21.7mA/cm^2$, and FF = 69.0%.

• 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.

• 공업화학
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• 제25권5호
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• pp.447-454
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• 2014

유기태양전지는 제조비용이 저렴하고 플렉서블 전자소자에 적용이 가능하다는 장점들로 인해 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 일반적인 정구조의 태양전지(conventional structured solar cell)의 경우 10%대의 향상된 발전 효율을 보이고 있으나, 여전히 기타 Si 및 CIGS 등과 같은 태양전지에 비해 낮은 효율과 짧은 수명은 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다. 일반적으로 유기태양전지의 짧은 수명은 유기물의 광산화뿐만 아니라 수분 및 산소에 의한 음극, 양극 소재의 부식으로 인한 소재/소자 열화 문제로 설명되어지고 있다. 한편 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 새로운 소자 구조(역구조 태양 전지; Inverted structured solar cell)가 제안되었으며 전자 수송층 및 기능성 계면 소재 연구를 통한 발전 효율 및 수명 향상에 관한 연구가 꾸준히 되고 있다. 그 결과 최근 2D/3D 산화 아연(ZnO) 소재를 역구조 태양전지의 전자 수송층으로 적용하고 건,습식 표면 후처리를 통해 약 9% 수준의 발전효율을 달성하였다. 본 총설에서는 ZnO를 기반으로 하는 전자 수송층 소재의 연구 동향 및 역구조 태양전지의 효율 향상 기술에 관한 최신 연구 동향을 소개하고자 한다.