Sol-Gel법을 이용한 ZnO 3차원 마이크로구조체 제작 및 특성연구 = Fabrication and characterization of three dimensional ZnO microstructure formed by sol-gel method

국문 초록 (Abstract)

태양전지의 n타입 반도체로의 ZnO구조는 기존의 평면적인 구조가 아닌 입체적(3D)구조로 제작되어 효율의 증대를 가져올 것이다. 먼저 sol-gel법을 이용하여 각시료[Zinc acetate dihydrate, MEA(H2NCH2CH2OH), Solvent(2-methoxyethanol)]를 혼합하여, 0.2 μm의 필터로 여과한 후 냉각하여 solution을 만든다. 세척된 1.5 cm×1.5 cm glass위에 스핀코팅으로 박막을 형성한 후 다양한 소성조건(압력/온도/시간)으로 실험을 하여 입체적인 ZnO 박막을 얻는다. 다른 하나의 공정은 [Zinc acetate dihydrate, 2-propanol] 혼합물과 [Sodium hydroxide, 2-propanol] 혼합물을 섞어 1 ℓ수용액을 만든 후 4000 rpm, 20 min로 원심분리를 거친 후 스핀코팅을 박막을 형성한다. 이후, 건조된 기판을 [Zinc nitrate hexahydrate, Hexahydrate] 수용액에 CBD공법으로 rod를 생성한다[이렇게 하여 완성되어진 다양한 구조의 ZnO를 XRD, SEM, AFM, UV-Vis, PL등으로 분석하고 최적공정을 찾아서 셀을 제작한다.
Sol-gel법을 이용하여 제작된 ZnO구조체는 압력과 온도에 따라 다양한 구조를 나타낸다(flat, wrinkle, maze, rod). 이 구조은 p/n접합 시 접합면적을 넓힘으로 인해 태양전지의 효율향상을 가져올 것이다.
고부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대되는 차세대 태양전지 소자의 개발과 이에 필요한 핵심 기술 개발은 아직 초기단계이기 때문에 개발 위험이 큰 분야이지만 성공하였을 경우 학문적으로 임팩트가 큰 연구결과가 기대된다. 3차원 접합면을 가진 태양전지의 경우 접합면적이 3~5배로 확대되기 때문에 일반적인 태양전지에 비해 발전비용의 측면에서 우월성을 갖는다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ZnO thin films have drawn much interest because of their potential use in many applications such as transparent conductive electrodes, gas sensors, photo-detectors, blue light emitting diodes, and spintronic devices. These useful applications are attributed to its wide and direct band structure, good chemical and thermal stability, and large exciton binding energy.
In this study, ZnO films, synthesized on glass substrate by sol-gel method, were investigated Zinc acetate dihydrate (Zn(CH3COOH)22H2O), 2-methoxy ethanol(CH3OC2H4OH), and monoethanolamine (H2NCH2 CH2OH, MEA) were used as the precursor material, the solvent and the sol stabilizer, respectively. Synthesized ZnO thin films is n-type semiconductors with 3-dimensional microstructures such as maze, wrinkle and rod-shaped. These structures enabled to make 3-dimensional p-n junctions with p-type absorbing semiconductor including CuInGaSe. 3- dimensional p-n junctions can improve the efficiency of photovoltaic cells, because the junction area between p-type and n-type increased dramatically.
The structure and morphology of ZnO were investigated by X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). UV-Vis-NIR spectrometer was used to characterize the optical properties of ZnO such as transmittance, and optical band-gap (Eg). We photoluminescence (PL) measurements are also performed to investigate the optical transition properties of ZnO microstructures.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 7
• II. 이 론 12
• 2-1. 태양전지의 원리 12
• 2-1-1. 광자(Photon) 16
• 2-1-2. 광전효과(photoelectric effect) 18
• 2-1-3. 광의 흡수과정 20
• 2-1-4. 광의 발광과정 24
• 2-2. 화합물 박막 태양전지의 구조 및 종류 25
• 2-2-1. Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 태양전지 27
• 2-2-2. Ⅱ-Ⅵ족 화합물 태양전지 28
• 2-2-3. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지 30
• 2-3. 화합물 박막 제조법 31
• 2-3-1. 물리적 박막제조 32
• 2-3-2. 화학적 박막제조 36
• III. 실험 및 분석 40
• 3-1. 실험 40
• Ⅳ. 실험 결과 44
• 4-1. ZnO 구조체 최적화 공정 연구 44
• 4-2. ZnO 구조체를 이용한 solar cell소자 제작 56
• 참고문헌 58
• Abstract 59