CNU Jinhyeok Kim's laboratory
Photonic and Electronic thin film Lab
전남대학교 신소재공학부 광전자박막연구실(PETL)
현재 상용화되어있는 CdTe 박막 태양전지는 화재 등 높은 열을 가했을 때 독성물질이 카드뮴이 유출되는 문제점이 있으며 CIGS(구리·인듐·갈륨·황·셀레늄) 박막 태양전지는 인듐과 갈륨의 부존량이 적고 가격이 비싸 새로운 대체물질이 필요한 시점에서 본 연구팀은 CIGS 박막태양전지의 In과 Ga을 Zn와 Sn으로 대체한 저비용 Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 박막태양전지에 대한 연구를 진행하고 있다.
1. Sputtering 기반 CZTSSe 태양전지 개발
본 연구 실험방법은 스퍼터링방법으로 Zn-Sn-Cu 가 증착된 메탈 전구체를 이용하여 황화 열처리과정을 진행해 CZTSSe 흡수층을 합성하는 방법입니다. 최근 연구팀은 스퍼터링방법을 이용한 CZTSSe 태양전지 연구를 통해 태양전지 변환효율 10.4 %를 달성 하였습니다. 또한 이 연구결과는 태양전지 제조과정 중 강한독성을 갖는 H2S, H2Se 가스를 사용하지 않았다는 점에서도 중요한 부분입니다. 본 실험실에서는 이와 같은 성과를 바탕으로 국내·외에서 연구개발에 힘쓰고 있는 많은 연구기관 및 학교와의 협력관계를 구축하여 보다 높은 효율의 박막형 태양전지를 개발하고자 합니다.
2. 전착법 기반 CZTSSe 태양전지 개발
박막형 Solar cell 제작과정에서 CZTS & CZTSSe 전구체의 합성을 위하여 전기화학 증착법(Electro-deposition)을 사용하고 있으며 CZTS & CZTSSe 박막을 합성하고 태양전지 소자를 제조 평가 하고 있습니다. 전기 화학적 박막 증착법의 경우 일반적으로 전류 밀도, 전극 전위, 온도, 농도, 그리고 전해질 용액의 pH 증착 조건에 민감한 방법으로 하나의 금속의 증착을 위한 유리한 조건이 물질마다 다르기 때문에 동시에 여러 물질을 한꺼번에 증착하는 것이 매우 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, Cu, Sn, Zn의 단일 원소를 적층방식으로 증착하여 전구체를 제조하고 있으며 적층 방식은 공동 증착과는 달리 각 전착 공정에서 전하의 흐름을 제어함으로써, 전구체 조성의 조절이 용이한 장점을 보이고 있습니다. 비록 앞서 언급한 전착방법 단점이 있지만 본 실험실에서는 금속 전구체를 적층형태로 제조하는 방법, 여러 가지 공정 변수 (적층순서, 증착시간, complexing agent등) 조절을 통하여 각각의 금속 층의 두께를 조절 및 대면적화(25cm2)에 성공 및 연구 중에 있습니다. 본 방법을 통해 현재 고효율을 확보하였으며 박막형 Solar cell 의 World Best Efficiency를 목표로 본 연구실에서 활발히 연구 중에 있습니다.
3. 원자층 증착 기법을 이용한 친환경 태양전지 버퍼층 제작
태양전지의 구성 요소 중 흡수층과 창층의 큰 밴드갭 차이를 보완해 주는 버퍼층의 주된 공정으로 Chemical bath deposition(화학 용액 증착법, CBD)을 이용한 CdS 층을 많이 사용합니다. CdS의 경우 강한 독성과 밴드갭 조율의 어려움이 있고, 폐용액의 처리 문제점 때문에 이에 대한 대안으로 Atomic layer deposition(원자층 증착법, ALD)을 이용한 Zn(O,S)를 연구 중에 있습니다. 이 방법을 이용하면 원자단위 증착의 조절이 가능하기 때문에 매우 정교한 공정을 할 수 있고, 해당 실험에서 가장 중요한 산소와 황의 비율을 정확하게 조절이 가능합니다. Zn(O,S)는 독성이 강한 Cd의 사용하지 않는다는 장점과, ZnO와 ZnS의 비율에 따라 밴드갭 조율이 가능한 특징을 가지는 재료로써 본 연구실에서는 ALD를 이용하여 최적의 비율과 조건에 대해 연구하고 있습니다.
4. 3D 구조 태양전지 개발
본 연구는 Cu2ZnSn(SxSe1-x)4(CZTSSe)흡수층 박막형 태양전지의 기존 효율향상을 위해 3D 구조를 적용한 연구입니다. 3D 구조의 박막형 태양전지는 2D에 비해 더 넓어진 반도체 PN 접합구간(active layer)에서의 전하 수집율 향상에 관한 이론적 배경에 기반을 두었습니다. 본 연구실에서는 포토 공정으로 제작된 마이크로 크기의 패턴닝 기판위에 전착법과 스퍼터법을 사용하여 3D 구조의 흡수층을 제조하는 기술을 보유하고 있습니다. 최근 이 기술을 이용하여 CZTSSe 박막형 태양전지 구현하는데 성공하였고 효율향상과 최적화를 목표로 연구를 진행하고 있습니다.
본 연구실은 CIGS 박막태양전지의 In과 Ga을 Zn와 Sn으로 대체한 저비용 Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 박막태양전지에 대한 연구 및 원천기술 확보를 통해 저가 화합물 박막태양전지의 조기 사업화를 주도하고 있습니다. 또한, 신재생에너지 관련 산업에 필요한 고급인력양성에 목표를 두고 석, 박사급 인력을 양성하기 위해 활발한 연구 활동을 하고 있습니다.
또한 연구팀(광전자 박막 연구실·PETL)은 산업통상자원부 한국에너지기술평가원으로부터 에너지 산업의 신성장동력화 및 수출산업화를 선도할 수 있는 에너지 인력 저변 확대와 R＆D 전문 인력 육성을 위한 '미래 선도 인력양성 과제(GET-Future)'에 선정되어 연구를 수행하고 있습니다.
