• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2009.04b
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• pp.49-49
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• 2009

최근 범세계적인 그린에너지 정책에 관련해 화석연료를 대체할 수 있는 수소, 풍력, 태양광 등의 대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 여러 대체에너지 중에서도 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지에 관한 연구가 집중되고 있다. 태양전지는 구조적으로 단순하고 제조 공정도 비교적 간단하지만, 보다 널리 보급되기 위해서는 경제성 향상이라는 문제점을 해결해야 한다. 이를 위해서는 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 신물질에 대한 연구가 필요하며, 그 중에서도 반도체 기술을 이용한 박막형 태양전지는 기존의 실리콘 태양 전지가 가지고 있는 고비용이라는 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 박막형 태양전지의 박막 재료로는 CIGS, CdTe 등이 연구되어지고 있지만, 아직까지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 에너지변환효율이 낮은 이유로 인해 실용화가 많이 이루어지지 못하고 있는 것이 사실이다. 이러한 박막형 태양전지의 재료들 중에서도 CdTe는 이종접합 박막형 태양전지에 흡광층으로 사용되는 것으로 상온에서 1.45eV 정도의 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 II-VI족 화합물반도체로써 태양광 스펙트럼과 잘 맞는 이상적인 밴드랩 에너지와 높은 광흡수도 때문에 박막형 태양전지로 가장 주목을 받고 있다. CdTe 박막의 제조 방법으로는 진공증착법(vacuum evaporation), 전착법(electrodeposition), 스퍼터링법(sputtering) 등이 있지만 본 연구에서는 스퍼터링법을 이용하여 박막을 증착하였다. 이상과 같이 증착된 CdTe 박막을 화학적기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing) 공정을 적용시킴으로써, 태양전지의 에너지변환효율에 직접적인 영향을 끼칠 수 있는 CdTe 박막의 물리적, 전기적 특성들의 변화를 연구하기 위한 선행 연구를 진행하였다. 특히 본 연구에서는 CdTe 박막의 화학적 기계적 연마 특성을 분석하여 정규화를 통한 모델링을 수행하였다. 또한 화학적기계적연마 공정 전과 후의 표면 특성을 관찰하기 위해 SEM(scanning electron microscopy)과 AFM(atomic forced microscope)를 이용하였으며, 구조적 특성 관찰을 XRD(X-ray diffraction)를 사용하여 실험을 수행하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.47.1-47.1
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• 2011

최근 친환경의 재생 가능한 에너지에 대한 관심이 급증하면서 태양전지에 대한 연구가 국내외에서 활발히 진행중이다. 특히 기존 태양전지 시장을 장악하던 실리콘 태양전지를 대체하고 새로운 기능을 부여하기 위해 박막형 태양전지의 필요성과 새로운 태양전지용 소재 개발에 관심이 집중되고 있다. CIGS는 이러한 요구에 부합하는 소재로써 진공증착법을 통한 CIGS 박막 태양전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이와 함께, 경제성과 대면적화의 용이성을 목표로 CIGS의 비진공증착법에 대한 연구도 병행되고 있다. 본 연구에서는 비진공증착법중 전기화학적 전착방법을 이용하여 CIGS박막을 형성하는 기초연구를 진행하였다. CIGS 박막의 표면 및 결정립 제어를 위하여 젤라틴을 첨가제로 이용하여 CIGS 박막을 제조하였으며 첨가제의 농도, 전착 인가전압 등을 변수로 박막을 형성시켜 특성을 분석하였다. 첨가제가 박막의 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 첨가제의 양에 따른 박막의 결정성과 표면 구조를 각각 XRD 및 FE-SEM (EDS)을 이용하여 분석하였다. 첨가제의 농도와 전착 인가전압에 따라 상대적으로 매우 우수한 표면 특성을 가지는 박막을 얻을 수 있었고 특히 특정농도의 젤라틴은 기존의 CIGS 박막의 결정성을 유지시켜 주는 것을 확인하였다. 또한 일정한 첨가제 농도 조건에서 인가전압을 변화시키며 증착한 필름의 CIGS 원소비를 분석함으로서 첨가제를 이용한 전기화학적 전착법에서 인가전압이 박막의 조성비에 미치는 영향을 분석하였다. 첨가제를 이용한 낮은 전압에서의 전착을 통해 우수한 표면 특성을 유지하면서 동시에 희귀원소인 In과 Ga의 증착을 더욱 용이하게 하는 새로운 방법에 대해 고찰하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.298-299
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• 2010

Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 Soda lime glass/Mo/CIGS/CdS/ZnO/ITO/Al 의 구조를 가지고 있다. CIGS 화합물은 direct bandgap 구조를 하고 있으며, 광흡수율이 다른 어떤 물질들 보다 뛰어나 박막으로도 충분히 태양광을 흡수할 수 있다. 또한 Ga의 도핑 농도에 따른 밴드갭 조절도 가능하다. 이러한 성질들로 인해 현재 박막태양전지로서 20.1%의 최고효율을 가지고 있다.[1] CIGS 박막 태양전지에서 p-CIGS layer와 스퍼터링으로 증착되는 n-ZnO layer사이의 buffer 층으로 chemical bath deposition (CBD)-CdS 박막을 주로 사용한다. CBD-CdS 박막은 n-ZnO 스퍼터로 증착 시킬 때, CIGS 층의 손상을 최소화하고, 이 두 층 사이에서의 격자상수와 밴드갭의 차이를 줄여주어 CIGS 박막태양전지의 효율을 증가 시키는 역할을 한다. 하지만, Cd (카드뮴)의 심각한 독성과 낮은 밴드갭(2.4eV)으로 인해 CIGS 층에서의 광흡수율을 줄여, CdS를 대체할 새로운 buffer 층의 필요성이 대두되었다.[2] 그 대안으로 ZnS, Zn(O, S, OH), (Zn, Mg)O, In2S3 같은 물질이 연구되고 있다. 현재 CBD-ZnS를 buffer 층으로 사용한 CIGS 박막태양전지의 효율은 최고 18.6%로 CBD-CdS의 최고효율보다는 약 1.5% 낮지만, ZnS가 높은 밴드갭(3.7~3.8eV)과 Cd-free 물질이라는 점에서 CdS를 대체할 물질로 각광받고 있다. 본 연구에서는 기존의 CdS 박막을 제조하는 방법과 같은 방법인 CBD를 이용하여 ZnS 박막을 제조하였다. ZnS 박막을 제조하기 위해서는 Zinc sulfate, Thiourea, 암모니아가 사용된다. 암모니아의 mol 농도에 따른 CBD-ZnS/CIGS 박막태양전지의 효율 변화를 관찰하기 위해 암모니아의 mol 농도는 1 mol, 2 mol, 3 mol, 4 mol, 5 mol, 6 mol, 그 이상의 과량을 사용하여 실험하였다. 실험 결과, 암모니아농도 5 mol에서 효율 13.82%를 확인할 수 있었다. 최고효율을 보인 조건인 암모니아 농도가 5 mol 일 때, Voc는 0.602V, Jsc는 33.109mA/cm2, FF는 69.4%를 나타내었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.428-428
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• 2012

CIGS 또는 CIS 태양전지는 높은 흡광계수와 조절가능한 밴드갭 특성으로 인해 높은 광전변환효율을 나타내므로 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 그러나 태양전지의 저가화를 위해서는 기존의 동시증발법 또는 스퍼터링을 대신할 수 있는 비진공 방식의 박막제조방법이 요구된다. 다양한 비진공 코팅방법 중에서 용액 또는 콜로이드 전구체를 프린팅하는 방법은 batch 조성이 박막의 조성으로 전사되므로, 전착법에 비해 조성 조절이 용이하다는 장점이 있다. 한편, 콜로이드 공정에 속하는 Cu-In 합금 나노 분말법은 셀렌화 또는 황화 과정 중에 부피가 팽창하는 장점을 활용 가능한 반면, 전구체 박막의 충진밀도가 낮을 경우 열처리를 통한 치밀화에 한계가 생길 수 있는 단점이 있다. 본 연구에서는 합성한 Cu-In합금 분말을 이용하여 전구체 박막을 형성한 후 반응기구가 다른 황 및 셀레늄 분위기에서의 열처리를 통해 소결된 박막의 결정상, 미세구조 및 표면 형상의 차이를 비교하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.27-27
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• 2010

최근에 고유가와 지구온난화로 인하여 에너지가 향후 인류의 50년을 좌우할 가장 큰 문제로 대두되고 있어서 지구의 모든 에너지의 근원인 태양광을 이용하는 태양광 발전은 무한한 청정 에너지로 각광받고 있다. 빛을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양전지는 풍력, 수소연료전지, 조력, 바이오에탄올 등의 신재생에너지 기술 중에서 상품성은 가장 뛰어나지만 발전단가가 가장 높은 것이 단점이다. 태양광 발전단가를 줄여서 기존의 화석에너지를 이용한 발전단가와 견줄 수 있는 그리드 패러티(grid parity)를 달성하려면 태양전지 모듈의 고효율화와 동시에 저가화가 반드시 이루어져야 한다. 현재 태양광 모듈 시장의 90%는 효율이 12-16% 정도로 높은 단결정(single crystalline or monocrystalline) 실리콘이나 다결정(polycrystalline or multicrystalline) 실리콘 등의 벌크(bulk)형 결정질 실리콘 모듈이 차지하고 있으나 원재료인 실리콘 웨이퍼의 제조단가의 50%를 차지하고 있어서 저가화가 어렵다. 반면, 원료가스를 분해하여 대면적 기판에 증착하는 박막(thin-film) 실리콘 태양전지의 경우는 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 박막 실리콘 모듈은 매우 적은 실리콘 원재료를 소비한다. 단결정이나 다결정 실리콘 웨이퍼의 두께가 $180-250\;{\mu}m$ 정도인 것에 비해서 박막 실리콘의 두께는 $0.3-3\;{\mu}m$ 수준이다. 더불어, 유리, 플라스틱 등의 저가 기판에 저온 대면적 증착이 가능하여 저가양산화에 유리하다. 박막 실리콘 모듈은 벌크형 실리콘 모듈(-0.5%/K) 대비 낮은 온도계수[비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si:H)의 경우 -0.2%/K]와 빛의 세기가 약한 산란광에서도 동작하여 평균발전시간이 증가하므로 외부환경에서 우수한 발전성능을 보이고 있다. 태양전지 모듈은 상온에서의 안정화 효율을 기준으로 가격이 책정되어($/$W_p$) 판매되기 때문에 벌크형 실리콘 모듈에 비해서 박막 실리콘 모듈은 가격대 성능비가 우수하다. 따라서 박막 실리콘 모듈은 벌크형 결정 실리콘 모듈의 대안으로 떠오르고 있으며, 레이저 기술을 이용하여 수려한 투광형 건물일체형(building integrated photovoltaic; BIPV) 모듈을 제작할 수 있는 장점도 있다. 이러한 장점에도 불구하고 기존의 양산화된 단일접합 비정질 실리콘 태양광 모듈은 효율이 6-7%로 낮아서 설치면적 및 설치 모듈의 증가가 성장의 걸림돌이 되고 있다. 박막 실리콘 태양전지의 고효율화를 도모하기 위해서 적층형 탄뎀셀로 양산 트렌드가 변화하고 있다. 이에 적층형 박막 실리콘 태양전지 효율의 한계 및 돌파구에 대해서 논의한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.278-279
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• 2012

최근 들어 세계적인 고유가 행진과 화석연료 고갈에 대응하기 위하여 대체 에너지원 발굴에 대한 필요성이 높아지고 있다. 그 중 CIGS 박막 태양전지는 미래 신재생 에너지 자원의 가장 유망한 후보군 중 하나이다. 기존의 Si 기반의 태양전지의 경우 시간경과에 따른 효율 저하, 높은 재료비, 복잡한 공정으로 인하여 대량생산이 힘든 단점을 가지고 있다. 반면 박막 태양전지의 경우 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로서는 2세대 태양전지로 불리우며, 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 우월성을 가진다. 그리고 이러한 CIGS 박막 태양전지를 단일 CIGS 타겟을 이용하여 스퍼터링 공정으로 제작하면 기존에 사용되었던 동시 증발법에 비해서 간단하고 대면적 코팅 및 대량 생산이 가능하다. 본 연구에서 사용된 기판으로는 $25{\times}25mm$ 크기의 Soda Lime Glass (SLG) 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 공정으로 Mo가 $1{\mu}m$ 증착된 시편을 이용하여, 2 inch 단일 CIGS 타겟 (MATERION, CIGS Target 25-17.5-7.5-50 at%)을 기판 가열하여 증착하였다. RF 파워는 80 W, 기판 온도는 RT, 100, 200, 300, $400^{\circ}C$로 가열 후 증착하였고, CIGS 박막의 두께는 약 $1{\mu}m$로 일정하게 하였다. CIGS/Mo 박막의 파워별 미세구조 분석을 위해 X-ray Diffraction (XRD, BRUKER GADDS)로 측정하였으며, 박막의 결정립 크기를 확인하기 위해 Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM, HITACHI)을 사용하여 측정하였다. 조건별 박막의 조성 분석 및 표면조도는 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS, HORIBA 7395-H)와 Atomic Force Microscopy (AFM)을 이용하여 각각 평가하였다. 마지막으로 광학적 특성을 평가하고 박막의 밴드갭 에너지를 계산하기 위해서 190 nm에서 1,100 nm의 영역 대에서 자외선 광학 측정기(UV-Vis, HP-8453, AGLIENT)로 투과도를 측정하여 밴드갭 에너지를 계산하였다. 증착된 CIGS 박막은 기판 온도가 증가함에 따라 결정립 크기가 커지는 경향을 보였다. 이는 기판 상에 도달한 스퍼터 원자의 확산 에너지 증가로 인한 것으로 생각되어진다. 또한, 기판온도에 따른 결정립 성장 변화는 4성분계의 박막의 조성 및 핵생성 밀도와 관련되어 설명되어질 것이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.302-304
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• 2007

전세계적으로 에너지난과 환경오염난을 겪고 있는 가운데 최근 대체에너지에 대한 관심이 어느 때보다 높은 시기이다. 다양한 대체에너지 중에서도 태양광 에너지는 우리나라 환경에 적합해 많은 연구가 진행 중인 분야이다. 대부분의 태양광 발전 시장이 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으나 경제성의 한계로 인해 최근 염료감응형 태양전지가 이를 대체할 수 있는 전지로 주목받고 있다. 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 상대전극에 증착하는 백금층의 두께 변화가 가져오는 출력특성의 영향을 연구했다. 상대전극에 증착되는 백금 박막은 염료감응형 태양전지의 매커니즘에서 입사광의 반사와 전기화학적 촉매작용 역할을 하는 것으로 박막의 두께가 두꺼워지면 반사율이 증가해 염료 분자가 받는 에너지가 늘어날 것으로 예상했다. 상대전극에 백금 Sputtering하는 시간을 1분에서 최대 5분까지 차를 두어 상대전극의 백금 박막의 두께를 $50nm{\sim}250nm$로 변화를 주어 측정한 결과, 250nm의 백금 박막층을 갖는 염료감응형 태양전지보다 백금 박막층이 150nm의 두께를 가질 때 가장 좋은 효율을 출력한다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 상대전극의 백금 박막층에 의한 거울 효과와 촉매작용의 한계와 전자의 흐름 장애에 대한 결과를 얻을 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.97.2-97.2
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• 2010

유리기판을 이용하여 제조되는 미세 결정질 실리콘 박막 태양전지에서 진성 반도체층(i ${\mu}c$-Si:H layer, i층)은 태양전지의 광 흡수층으로 사용되기 때문에 그 특성은 매우 중요하다. 특히, i층의 결정분율 변화는 태양광의 흡수파장 및 효율을 결정하여 준다. 본 연구에서는 i층 증착시 $SiH_4$ 가스의 농도 변화 및 $SiH_4$ 가스 profiling을 통하여 i층의 결정분율을 변화하였으며, 이에 따른 i층 단위박막과 미세결정질 태양전지 특성변화를 분석 하였다. i층의 $SiH_4$ 가스 농도가 증가함에 따라 i층 단위박막의 결정분율은 증가하였으며, 전기 전도도는 감소하였다. 또한, i층의 $SiH_4$ 가스 농도를 점차 증가하며 profiling 하여 증착한 박막은 동일 가스 농도로 증착한 박막보다 전기 전도도가 감소하였고, 증착속도는 증가하였다. 이와 같은 다양한 i층들은 'Raman spectroscopy'를 통하여 결정분율 변화를 측정하였다. 또한, 이 박막들을 광 흡수층으로 사용하는 미세결정질 태양전지를 제조하고, 태양전지의 효율, 양자효율, 암전류 특성들을 단위박막 특성과 연계하여 분석하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.130.2-130.2
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• 2011

본 연구에서는 RF magnetron sputtering을 이용하여 실리콘 박막 태양전지용 ZnO:Al 전면전극을 제작하고 다양한 식각조건에 따른 ZnO:Al 박막의 표면형상 변화와 함께 전기적 및 광학적 특성 변화를 조사하였다. pin 구조를 갖는 실리콘 박막 태양전지의 효율 향상을 위해서는 입사광의 산란효과에 따른 광포획 증가가 필수적이며 이를 위하여 ZnO:Al 전면전극의 표면텍스처링 형성이 필요하다. 식각용액으로는 HCl과 HF 등을 사용하였으며 식각용액 농도 및 식각시간을 변화시켰다. 식각 후의 ZnO:Al 박막의 표면형상은 SEM(Scanning Electron Microscope)과 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 분석을 하였고, UV-visible-nIR spectrometer를 이용하여 총 투과도 및 산란 투과도를 측정하였다. 이 외에도 four-point probe 및 Hall measurement를 이용하여 전기적 특성 변화를 조사하였다. 다양한 식각조건에 따라 제조된 ZnO:Al 박막 위에 실리콘 박막 태양전지를 제작하여 전면전극의 표면형상에 따른 태양전지 성능변화를 비교 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.295-295
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• 2014

일반적으로 박막 태양전지의 효율은 박막 종류에 따른 광 흡수율에 의해 결정되며, 이는 증착한 박막의 두께에 의해 결정된다. 증착한 박막의 두께가 두꺼워질수록 광 흡수율은 증가하지만, 박막 두께가 지나치게 두꺼워지면 열화 현상으로 인한 모듈의 효율 감소가 생기므로 적절한 박막의 두께가 요구된다. 특히 a-Si:H의 경우 가시광 영역에서 높은 흡수계수를 가지고 있어서 얇은 박막 두께로도 태양전지의 제작이 가능하지만, 동일한 박막 두께에서 효율을 더욱 향상시키기 위한 다양한 광 포획 기술에 대한 연구가 많이 진행 되고 있다. 본 연구에서는 자외선을 이용한 nano-imprint lithography 기술을 이용하여 a-Si:H 태양전지의 유리기판 위에 pattern을 삽입하여 광 산란 효과를 향상 시키고자 하였다. 또한 유리기판의 굴절률 (n=1.5)과 투명전극의 굴절률 (n=1.9)의 중간 값을 갖는 ZnO nanoparticles (n=1.7)이 분산 된 imprinting resin을 사용함으로써 점진적으로 굴절률을 변화시켜, 최종적으로 a-Si:H 층까지의 광 투과율을 높이고자 하였다. 제작한 기판의 종류는 다음과 같다. 첫 번째 기판으로는 유리기판 위에 ZnO nanoparticles이 분산 된 imprinting resin을 spin-coating 하여 점진적인 굴절률의 변화에 의한 투과도 향상을 확인하고자 하였다. 두 번째 기판으로는 규칙적인 배열을 갖는 micro 크기의 패턴을 형성하였다. 마지막으로는 불규칙한 배열을 갖는 nano 크기와 micro 크기가 혼재 된 패턴을 형성하여 투과도 향상과 동시에 빛의 산란을 증가시키고자 하였다. 후에 이 세가지 종류를 기판으로 사용하여 a-Si:H 기반의 박막 태양전지를 제작하였다. 먼저 제작한 박막 태양전지용 기판의 광학적 전기적 특성을 분석하였다. 유리 기판 위에 형성한 패턴에 의한 roughness 변화를 확인하기 위해 atomic force microscopy (AFM)를 이용하여 시편의 표면을 측정하였다. 또한 제작한 유리 기판 위에 투명 전극층을 형성 후, 이로 인한 전기적 특성의 변화를 확인하기 위해 hall measurement system을 이용하여 sheet resistance, carrier mobility, carrier concentration 등의 특성을 측정하였다. 또한, UV-visible photospectrometer 장비를 이용하여 각 공정마다 시편의 광학적 특성(투과도, 반사도, 산란도, 흡수도 등)을 측정하였고, 최종적으로 제작한 박막 태양전지의 I-V 특성과 외부양자효율을 측정하여 태양전지의 효율 변화를 확인하였다. 그 결과 일반적인 유리에 기판에 제작된 a-Si:H 기반의 박막 태양전지에 비해, ZnO nanoparticles이 분산 된 imprinting resin을 spin-coating 하여 점진적인 굴절률 변화를 준 것만으로도 약 12%의 태양전지 효율이 증가하였다. 또한, micro 크기의 패턴과 nano-micro 크기가 혼재된 패턴을 형성한 경우 일반적인 유리를 사용한 경우에 비해 각각 27%, 36%까지 효율이 증가함을 확인하였다.