• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.125.1-125.1
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• 2011

빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전소자인 태양전지는 청정 재생 에너지원으로 최근 Si 박막 태양전지의 고 효율화를 위해 여러 기술적인 면에서 개발되어지고 있다. 현재 박막형 태양전지는 실리콘계가 주류를 이루고 있으며, 유리 혹은 유연성기판(금속 or 고분자)에 비정질 실리콘 박막을 형성시킨 태양전지와 실리콘웨이퍼의 양면에 태양전지를 형성함으로써 효율을 극대화시킨 이종접합태양전지 등이 연구되고 있다. 특히 flexible 태양전지는 hard 기판에 비해 비교적 저가인 플라스틱 필름과 금속 foil을 기판으로 이용함으로서 저가화가 용이하며, 가볍고 유연성을 갖추고 있어 휴대와 시공에 있어 매우 우수한 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 flexible 기판(stainless steel)을 이용하여 태양전지 내 반사막 층이 미치는 영향을 알아보기 위하여 AZO/Ag 이중구조 박막의 특성을 연구하였다. RF magnetron sputtering system을 이용하였으며, 상온에서 Ag/AZO 이중구조 박막을 제조하였다. stainless steel 기판 위에 Ag층을 25nm 두께로 증착하였으며 연속공정으로 AZO 박막을 100~500nm의 두께경사를 가지도록 성장시켰다. 이 때의 AZO/Ag 이중구조 박막의 표면 morphology는 AFM 분석결과 7nm~3nm의 값을 나타내었으며, AZO 박막의 두께가 증가할수록 rms 값이 감소하는 경향을 보여주었다. 본 발표에서는 flexible 기판 상에 성장된 AZO/Ag 이중구조 박막의 전기적, 광학적 특성 등에 관하여 추가적으로 토론한 후 태양전지 효율 중 흡수층 내 반사막 층이 미치는 역할을 알아보겠다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.82.1-82.1
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• 2010

수소화된 비정질 실리콘 박막을 이용한 반도체는 현재 태양전지, 트랜지스터, 매트릭스 배열 및 이미지 센서 등의 분야에서 이용되고 있다. 자세히 이야기 하면, 여러 가지의 광전효과 물질에 대한 특성이 있으며, 가시광선영역에 대하여 > $10^5cm^{-1}$이상의 매우 높은 광흡수계수와 낮은 온도를 갖는 증착공정 등이 있다. 박막의 밴드갭은 약 1.6~1.8eV로서 태양전지의 흡수층과 passivation층으로 적절하다. 여러 가지 종류의 태양전지 중 비정질 실리콘 박막/결정질 실리콘 기판의 구조로 이루어진 이종접합 태양전지는 저온에서 공정이 가능한 대표적인 것으로서 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer)구조로 산요사에 의해 제안된 것이다. 이것은 결정질 실리콘 기판과 도핑된 비정질 실리콘 박막사이에 얇은 진성층 비정질실리콘 박막을 삽입함으로서, 캐리어 전송을 좋게하여 실리콘 기판 표면의 passivation효과를 증대시키는 결과를 가지고 온다. 실험실 규모에서는 약 20%이상의 효율을 보이고 있으며, 모듈에서는 19.5%의 높은 효율을 보이고 있어 실리콘 기판을 이용한 고효율 태양전지로서 각광을 받고 있다. 이러한 이종접합 태양전지의 대부분은 단결정 실리콘을 사용하고 있는데, 점차적으로 다결정 실리콘 기판으로 추세가 바뀌고 있어, 여기에 맞는 표면 passivation 공정 및 분석이 필요하다. 본 발표에서는 다결정 실리콘 기판위에 진성층 비정질 실리콘 박막을 유도결합 플라즈마 화학기상 증착법(ICP-CVD)을 이용하여 제조하여 passivation 효과를 분석한다. 일반적으로 ICP는 CCP(coupled charged plasma)에 비해 약 100배 이상 높은 플라즈마 밀도를 가지고 있으며, 이온 충돌같은 표면으로 작용하는 것들이 기존 방식에 비해서 작다라는 장점이 있다. 먼저, 유리기판을 사용하여 ICP-CVD 챔버내에 이송 한 후 플라즈마 파워, 온도 및 가스비(SiH4/H2)에 따른 진성층 비정질 실리콘 박막을 증착 한 후, 밴드갭, 전도도 및 결합구조 등에 대한 결과를 분석한 후, 최적의 값을 가지고 250um의 두께를 갖는 다결정 실리콘을 기판위에 증착을 한다. 두께(1~20nm)에 따라 표면의 passivation이 되는 정도를 QSSPCD(Quasi steady state Photoconductive Decay)법에 의하여 소수캐리어의 이동거리, 재결합율 및 수명 등에 대한 측정 및 분석을 통하여 다결정 실리콘 기판의 passivation effect를 확인한다. 제시된 데이터를 바탕으로 향후 다결정 HIT셀 제조를 통해 태양전지 효율에 대한 특성을 비교하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.364-365
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• 2011

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치창출에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안이며, 특히 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 장점이 있는 것이 CIGS 박막 태양전지로 판단된다. 화합물반도체 베이스인 CIGS 박막태양전지는 연구실에서는 세계적으로 20.3% 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 13% 효율로 생산이 시작되고 있다. 국내에서도 연구실 규모 뿐만 아니라 대면적(모듈급) CIGS 박막 태양전지 증착용 장비, 제조공정 등의 기술개발이 진행되고 있다. CIGSe2를 광흡수층으로 하는 CIGSe2 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 상부투명전극)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 이중에 하부전극은 Mo 재료을 스퍼터링 방법으로 증착하여 주로 사용한다. 하부전극은 0.24 Ohm /cm2 정도의 전기적 특성이 요구되며, 주상조직으로 성장하여야 하며, 고온 안정성 확보를 위하여 기판과의 밀착성이 좋아야하고 또한 레이저 패턴시 기판에서 잘 떨어져야 하는 특성을 동시에 가져야 한다. 그리고 CIGSe2의 광흡수층 제조시 셀렌화 공정에서 100 nm 이하의 MoSe2 두께를 갖도록 해야하며, 이는 CIGSe2 박막태양전지의 Rs 값을 줄여 Ohmic 접촉을 향상시키는데 기여한다. 본 연구에서는 CIGSe2 박막태양전지에서 요구되는 하부전극 Mo 박막의 제작과 CIGSe2 박막태양전지 전체공정에 적용후의 MoSe2/Mo 박막특성에 대해서 연구결과들을 논하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.32-32
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• 2009

실리콘 박막 태양전지에서 전면 투명전도막(TCO)은 태양전지의 전기, 광학적 특성을 결정하는 중요한 기능을 한다. ZnO:Al TCO는 기존에 사용되던 $SnO_2:F$와는 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막 태양전지의 윈도우 층으로 사용되는 p a-SiC:H와의 일함수(work function) 차이로 인해 접촉전위(contact barrier)를 형성하게 되며 이로 인해 태양전지의 충진율(fill factor)이 $SnO_2:F$에 비해 감소하는 단점을 보인다. 본 연구에서는 ZnO:Al/p a-SiC:H 계면의 접촉전위 발생원인 및 태양전지 충진율 감소현상에 관한 정확한 원인규명을 위해 다양한 특성을 갖는 버퍼층을 삽입하여 계면특성 및 태양전지의 동작특성을 분석하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.115.2-115.2
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• 2011

실리콘 박막 태양전지는 기판의 표면형상에 따라 셀 내부에서 이동하는 빛의 광학적인 경로가 크게 증가하여 변환효율의 향상을 기대할 수 있다. 금속 기판은 다양한 표면형상으로 가공이 용이하고 강도와 인성이 우수하며 가격이 저렴하여 실리콘 박막 태양전지의 기판재로 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 금속 기판의 표면형상이 반사특성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 금속 기판재의 표면형상은 기계적 연마 방식을 응용하여 다양하게 제작하였다. 반사특성을 보기 위하여 UV-visible spectrometer를 사용하여 총 반사율과 산란 반사율을 측정하였고, 표면 형상에 따른 Fe-Ni 기판과 Ag 후면반사막의 반사 특성이 태양전지 셀 내부의 광포획의 증가에 어떠한 영향을 주는지 비교 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.21-21
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• 2010

CIGS 박막 태양전지는 저가 기판의 사용, 원소재 소비가 적은 박막 증착, 연속공정 적용 등으로 인해 결정질 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮다. 변환효율의 경우 실험실 수준에서 최고 20%의 효율이 보고되고 있어 다결정 실리콘 태양전지와 견줄 만하다. 따라서 CIGS 박막 태양전지는 제조단가와 효율 면에서 매우 우수한 경쟁력을 가진 태양전지로 인식되고 있다. 일반적으로 CIGS 박막 태양전지는 Substrate/Mo전극/CIGS 광흡수층/CdS 버퍼층/ZnO 투명전극의 기본 구조를 가지고 있으며 다양한 공정과 디자인을 적용하여 제품이 생산되고 있다. 다양한 소재와 공정들 가운데에서 유리 소재를 기판으로 사용하면서 진공증발이나 스퍼터링과 같은 Physical Vapour Deposition(PVD)을 적용하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 기술이 가장 보편적으로 적용되고 있다. 즉 상용화에 가장 근접해 있는 기술이라고 할 수 있으며 현재는 대량생산체제 구축을 위한 기술 개발이 진행되고 있다. 또한 종래의 기판소재와 광흡수층 제조 공정의 단점을 극복하기 위한 기술들도 개발되고 있다. 특히 유리 기판 소재를 금속이나 폴리머 소재를 대체하는 기술, PVD 공정이 아닌 비진공 공정을 적용하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 기술 등은 응용성과 제조 단가 측면에서의 파급력이 크다고 할 수 있다. 본 발표에서는 저가 고효율 CIGS 박막 태양전지 개발을 위한 이슈들을 정리하고, 이를 해결하기 위한 국내외의 연구 개발 동향을 살펴보고자 한다. 또한 이를 바탕으로 하여 CIGS 박막 태양전지의 발전방향에 대해서 전망하고자 한다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2003.03a
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• pp.41-41
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• 2003

비정질 실리콘 박막은 단결정 실리콘에 비해 저가이고 저온형성이 가능하여, 대면적/고효율의 실리콘 박막 태양전지 제작에 응용되고 있다. 태양전지에 적용하기 위해서는 우수한 암전류 및 광전류 특성을 나타내야 하고, 광학적 밴드 갭 특성 또한 중요하다. 본 연구에서는 HDP(High Density Plasma) PECVD 장비를 이용하여 나노결정립 및 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 각 박막의 전기적, 광학적 특성을 측정, 평가하였다. 나노결정립 및 비정질 실리콘 박막의 전기적 특성은 Keithley 4200을 이용하여 암전류를 특성을 측정하였고, Solar Simulator를 이용하여 AM1.5, 100mW/$\textrm{cm}^2$ 조건에서 광전류 특성을 측정하였다. 또한, Spectrometer를 이용하여 박막의 투과율을 측정하여 Tauc Plot을 통해 광학적 밴드 갭을 계산하였다. 본 연구에서 형성된 비정질 실리콘 박막은 -$10^{6}$의 우수한 Photoresponse($\sigma$$_{ph}$ $\sigma$$_{d}$) 특성을 나타내었다. 또한, 비정질 실리콘 박막 내에 나노결정립이 형성됨에 따라 암전류는 증가하고, 광학적 밴드 갭도 증가하는 것을 알 수 있었다. 이렇게 밴드 갭이 증가된 나노결정립 실리콘 박막은 태양전지의 Window 층에 적용하면 효율 증가에 크게 기여할 것으로 판단된다.

• Electronics and Telecommunications Trends
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• v.24 no.4
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• pp.135-146
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• 2009

박막 태양전지(Thin Film Solar Cells)는 기존의 결정질 실리콘 태양전지와는 달리 유리 등 저가의 기반을 활용하고 표면에 박막으로 실리콘 등 재료를 증축시킨 2세대 태양전지이다. 그동안 변환효율이 실리큰형보다 낮아 건물 외벽이나 기둥 등 일부 용도에만 사용이 국한되었다. 그러나 최근 들어 제조과정에 에너지가 적게 소모되어 짧은 기간 내에 투자비용을 회수할 수 있고, 소재비용도 대폭 줄일 수 있는 등 뛰어난 경제성으로 인해 태양전지 업체들이 투자를 늘리고 신규업체가 진입하는 등 박막 태양전지가 유망 태양전지 아이템으로 부상하고 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.302-302
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• 2010

비정질 실리콘 박막 태양전지의 설계에 있어서 빛을 처음 받아들이는 p-layer는 전체적인 태양전지 특성에 큰 영향을 준다. 본 논문에서는 window layer의 gas flow rate 변화에 따른 특성이 태양전지에 미치는 영향에 대한 simulation을 수행하였다. 가변 조건으로는 window layer의 산소와 붕소 양에 따른energy bandgap과 conductivity 그리고 activation energy를 단계별로 변화시켜 simulation을 수행하였다. Simulation 결과 산소와 붕소의 양에 따른 window layer의 특성은 태양전지의 특성에 큰 영향을 끼친다. 본 연구는 simulation data를 기반으로 real device 제작하는데 큰 도움이 될 것이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.362-363
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• 2011

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치창출에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안이며, 특히 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 장점이 있는 것이 CIGS 박막태양전지로 판단된다. 화합물반도체 베이스인 CIGS 박막태양전지는 연구실에서는 세계적으로 20.3% 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 13% 효율로 생산이 시작되고 있다. 국내에서도 연구실 규모뿐만 아니라 대면적(모듈급) CIGS 박막 태양전지 증착용 장비, 제조공정 등의 기술개발이 진행되고 있다. CIGSe2를 광흡수층으로 하는 CIGSe2 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 상부투명전극)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 본 연구에서 광흡수층은 스퍼터링 방법으로 CIG precusor를 먼저 만들고, 그 위에 증발법으로 Se를 증착한 다음, 열처리 조건으로 CIGSe2 박막태양전지를 제작하였다. 제작된 CIGSe2 박막태양전지는 열처리 조건에 따라서 에너지 변환효율이 3.3에서 9.5%까지 다양하게 측정되었으며, 본 연구의 최고효율이 측정된 디바이스에서 개방전압은 0.48 V, 전류밀도는 33 mA/cm였으며, 그리드 전극을 제외한 디바이스의 면적은 0.57 cm2였다. 본 연구에서는 셀렌화 열처리 조건에 따른 CIGSe2 박막태양전지의 효율 측면을 고려하였지만, 더 높은 에너지 변환효율을 갖기 위해서 좀 더 높은 에너지 밴드갭과 개방전압, 낮은 직렬저항과 높은 shunt 저항 값 등의 상호 의존성에 대해서 연구결과들을 논하고자 한다.