• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.142-142
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• 2010

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치 창출에 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 박막 태양전지는 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. CIGS를 광흡수층으로 하는 CIGS 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 앞면 투명전극, 반사방지막)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 이 중에 하부전극은 Mo 재료을 스퍼터링 방법으로 증착하여 주로 사용한다. 하부전극은 0.24 Ohm/cm2 정도의 전기적 특성이 요구되며, 주상조직으로 성장하여야 하며, 기판과의 밀착성이 좋아야하고 또한 레이저 패턴시 기판에서 잘 떨어져야 하는 특성을 동시에 가져야 한다. 그리고 CIGS 박막 내에서 Na 도핑을 어떻게 제어할 것인지도 고려해야한다. 본 연구에서는 대면적(모듈급) CIGS 박막 태양전지에서 요구되는 하부전극 Mo 박막의 특성과 기술적 이슈들에 대해서 연구결과들을 논하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.486-486
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• 2014

CIGS 박막태양 전지는 I-III-VI2 Chalcopyrite 결정구조를 가진 화합물 반도체 태양전지로 인위적인 밴드갭 조작이 용이하여 효율 향상에 높은 가능성을 보이고 있다. 4원소 화합물인 CIGS 광흡수층의 대표적인 제조 방법으로는 co-evaporation 공정법이 있다. 동시 증발법은 CIGS 결정을 최적화하기 위하여 박막이 증착되는 동안 기판의 온도를 3단계로 변화시켜주는 3-stage 공정을 통하여 제작된다. 일반적으로 CIGS 박막태양전지는 전면전극으로 투명전도막이 사용되며 높은 광투과성과 전기전도성을 가져야 한다. 투명전도막의 광학적, 전기적 특성은 CIGS 박막태양전지의 효율에 영향을 미치기 때문에 최적화된 조건이 요구된다. 본 연구에서는 CIGS 광흡수층은 Ga/(In+Ga)=0.31, Cu/(In+Ga)=0.86으로 최적화 시켰으며, 투명전도막은 Al이 도핑된 ZnO 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 증착하였다. ZnO:Al 박막의 두께를 가변하여 증착하였으며 박막의 특성을 평가하고, CIGS 광흡수층에 이를 적용함으로써 태양전지 변환효율 특성을 연구하였다. CIGS 박막 태양전지의 투명전극인 ZnO:Al 박막의 두께가 500 nm 일 때, Jsc=29.521 mA/cm2, Voc=564 mV, FF factor=71.116%, Efficiency=12.375%의 광 변환효율을 얻을 수 있었으며, 이에 따른 투명 전도막의 전기적, 광학적 특성을 통해 CIGS 박막태양전지에 미치는 영향에 대해 조사하였다.

• 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.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.16 no.3
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• pp.161-166
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• 2007

Photovoltaic (PV) technology permits the transformation of solar light directly into electricity. For the last five years, the photovoltaic sector has experienced one of the highest growth rates worldwide (over 30% in 2006) and for the next 20 years, the average production growth rate is estimated to be between 27% and 34% annually. Currently the cost of electricity produced using photovoltaic technology is above that for traditional energy sources, but this is expected to fall with technological progress and more efficient production processes. A large scale production of solar grade silicon material of high purity could supply the world demand at a reasonably lower cost. A shift from crystalline silicon to thin film is expected in the future. The technical limit for the conversion efficiency is about 30%. It is assumed that in 2030 thin films will have a major market share (90%) and the share of crystalline cells will have decreased to 10%. Our research at Sungkyunkwan University of South Korea is confined to crystalline silicon solar cell technology. We aim to develop a technology for low cost production of high efficiency silicon solar cell. We have successfully fabricated silicon solar cells of efficiency more than 16% starting with multicrystalline wafers and that of efficiency more than 17% on single crystalline wafers with screen printing metallization. The process of transformation from the first generation to second generation solar cell should be geared up with the entry of new approaches but still silicon seems to remain as the major material for solar cells for many years to come. Local barriers to the implementation of this technology may also keep continuing up to year 2010 and by that time the cost of the solar cell generated power is expected to be 60 cent per watt. Photovoltaic source could establish itself as a clean and sustainable energy alternate to the ever depleting and polluting non-renewable energy resource.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.46 no.1
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• pp.88-93
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• 2008

The bulk-heterojunction polymer solar cell based on regioregular P3HT (poly(3-hexylthiophene)) and PCBM (methanofullerene [6,6]-phenyl $C_{61}$-butyric acid methyl ester) was fabricated. Annealing effects on the crystal structure of polymer-fullerene blends as well as the UV-VIS electronic absorption spectroscopy were investigated. The correlation between the crystal organization of bulk-heterojunction film and the power conversion efficiency of solar cell was studied. Resultantly, the polymer solar cell annealed on $150^{\circ}C$ for 30 min, showed both the enhanced molecular interactions and the optimized crystal structure and displayed the power conversion efficiency of 3.2 %.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.420-420
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• 2011

결정질 태양전지에서 고효율 달성을 위한 LBC(Local Back Contact) 구조의 중요성이 강조되고 있다. LBC 구조에서 후면 passivation 형성을 위한 SiNX layer를 PECVD로 형성 시, 실리콘 bulk 내로 H+ 원자가 침투하여 Boron과 결합하게 되면 Boron이 bulk 내에서 dopant로 작용을 하지 못하게 되어, 후면에서 p-층을 형성하고, 이는 VOC의 저하를 야기 시킨다. 본 연구에서는 LBC 구조에서 후면 passivation 시 bluk 내 B-H결합으로 인한 태양전지 특성 저하 문제를 해결하기 위해, SiNX를 증착하기 전에 얇은 산화막 barrier를 성장시켜 Bulk 내에 H+ 침투를 최소화 하였다. PECVD를 이용한 N2O 플라즈마 처리, HNO3 Wet Chemical Oxidation의 방법을 통해 substrate와 SiNX 사이에 얇은 oxide 층을 형성하였으며, 각각의 조건에 대해 lifetime 측정을 실시하였다. 그 결과 SiON/SiNx를 이용한 막의 lifetime이 $94.5{\mu}s$로 가장 우수하였고, Reference에 비해 25.4% 증가함을 확인할 수 있었다. 그러나 HNO3/SiNx에서는 30.6%, SiON에서는 84.3% 감소함을 확인하였다. Voc 측정 결과 또한 SiON/SiNx를 이용한 막이 670mV로 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 LBC구조에서 후면에 얇게 SiON/SiNx막을 형성함으로서 H+이온의 침투를 저지하여 후면 B-H결합을 막아 태양전지 특성 저하를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.278-278
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• 2010

3.37 eV의 와이드 밴드갭과 60 mV의 높은 엑시톤 결합에너지를 갖는 반도체인 ZnO는 화학 및 열적 안정성, 압전특성 등 다양한 특성을 갖는 물질로써, 수열합성법을 이용하여 길이 $1.5{\mu}m$, 직경 100nm의 n-type ZnO 나노와이어를 성장시켰으며, P3HT는 유기 태양전지에서 가장 많이 사용되는 고분자 도너로써 열처리를 통하여 결정화 됨에 따라, 엑시톤의 확산속도나 전하의 이동도가 증가하여 더 많은 광전류를 생성하는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 ZnO 필름이 아닌 n-type ZnO 나노와이어와 Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)를 사용 하여 ZnO/P3HT 이종접합 태양전지를 제작하였다. 기판으로 글래스, 전극으로 ITO (Indium Tin Oxide), 나노와이어의 씨앗층으로 ZnO:Al를 스퍼터로 100nm 증착 하였다. Znc nitrate hydrate와 hexamethylenetetramine이 혼합된 수용액에서 기판을 담그고 n-type ZnO 나노와이어 성장 시키고, P3HT의 스핀 코팅조건과 열처리 온도를 변화시켜 P3HT의 두께와 결정화도가 ZnO/P3HT 이종접합 태양전지에 미치는 영향을 비교 분석 하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.59.1-59.1
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• 2010

이종접합 구조의 태양전지는 에미터 및 후면전계층으로 비정질 실리콘이 이용되고 있다. 본연구에서는 HWCVD를 이용하여 중성층 비정질 실리콘을 증착(10nm), 패시베이션된 n형 결정질 실리콘을 기판으로 PECVD법으로 에미터 층은 p형 비정질 실리콘을 후면 전계층은 n+형 비정질 실리콘을 증착하여 a-Si:H(p)/c-Si(n)/a-Si:H(n+)의 구조로 에미터 및 후면전계층의 조건에 따른 이종접합 태양전지를 제작, 특성을 분석하였다. 증착시간에 따라 에미터와 후면전계층의 두께를 조절하고 도펀트 가스(B2H6,PH3)의 유량에 따라 도핑 농도를 조절하였다. 공정 변수마다 MCLT 및 Implied Voc를 측정하였고, 태양전지 제작 후 도핑 농도에 따른 충진율을 비교, 분석하였다.

• 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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• 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.