KR101749137B1 - 태양광 전지용 나노결정질 구리 인듐 디셀레니드 (cis) 및 잉크-기반 합금 흡수재층 - Google Patents

태양광 전지용 나노결정질 구리 인듐 디셀레니드 (cis) 및 잉크-기반 합금 흡수재층 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은 CIS 상과 구리 셀레니드를 포함하는 이차상을 포함하는 구리 인듐 디셀레니드 (CIS)를 포함하는 나노입자에 관한 것이다. CIS를 포함하는 나노입자는 계면활성제나 결합제가 없으며, 크기 분포가 좁고 직경 30 내지 500nm인 횡단면을 표시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, CIS를 포함하는 나노입자는 용제에 배합되어 잉크를 형성한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 잉크는 태양광 장치용 CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층에 어닐링 될 수 있는 스크린 또는 전구체층을 잉크젯 프링팅하는데 사용될 수 있다.

Description

태양광 전지용 나노결정질 구리 인듐 디셀레니드 (CIS) 및 잉크-기반 합금 흡수재층{NANOCRYSTALLINE COPPER INDIUM DISELENIDE (CIS) AND INK-BASED ALLOYS ABSORBER LAYERS FOR SOLAR CELLS}
본 발명은 태양광 전지용 나노결정질 구리 인듐 디셀리니드 (CIS) 및 잉크-기반 합금 흡수재층에 관한 것이다.
구리 인듐 디셀레니드 (CIS) 및 관련 황동광 합금은 그 특유의 구조적 속성과 광전자 속성으로 인해 유망한 박막 광전지 물질로 최근 전 세계적으로 집중적으로 연구되어 왔다. CIS 및 그 합금은 결정질 실리콘-기반 태양광 전지 합금에 비해 박막 태양광 전지의 제조 비용을 절감할 수 있는 잠재력이 매우 크다. 다만 여기서 기술적으로 해결해야 할 과제는 높은 전지 성능을 유지하면서 높은 스루풋(throughput)과 일드(yield)에서 CIS 기반 흡수재층을 합성하는 것이다. 발산(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 금속 산화물 감축(metal oxide reduction) 및 셀렌화(selselenizati), 금속간 화합물의 셀렌화, 전착(electrodeposition), 그리고 나노 입자 합성 등을 비롯한 다양한 물질 용착 및 CIS 황동광층 합성 접근 방식들이 시도되어 왔다.
발산, 스퍼터링 및 금속간 화합물의 셀렌화를 비롯한 기존의 CIS 흡수재층 용착 기술들은 고온에서 이루어지기 때문에 용착 대상이 되는 기판의 종류가 제한되며, 기간 또한 길어지기 때문에, 스루풋 감소와 비용 증가를 가져왔다. 물질 속성에 있어 매력적이며 비용 또한 태양광 전지 시장을 발전시킬 수 있는 폴리이미드와 같은 유연 기판은 위에서 언급한 기술들과 함께 사용되지 못했다.
이를 대체하는 CIS 용착 방식에는 전해 도금과 용액-기반 프린팅 방식이 포함된다. 이러한 과정들은 정확한 화학량 조절이 필요하기 때문에, 나노 입자를 사용한 용액-기반 프린팅이 좀더 나은 용착 방식으로 간주된다. 나노입자-기반 흡수재층 용착 및 합성법은 비진공 용착 과정을 통해 이루어질 수 있고, 유연 기판을 사용할 수 있기 때문에 더 매력적으로 간주된다. 나노 크리스탈 잉크를 사용한 박막 태양광 전지 용액 방식 또한 태양광 모듈의 와트당 제조 비용을 절감할 수 있는 면에서 매력적이다. 양질의 흡수재층을 형성을 위해, 또한 그로 인해 양질의 태양광 전지를 형성하기 위해서는, CIS 기반 흡수재층의 텍스쳐(texture), 알갱이 크기(grain size) 및 점결합 화학(point defect chemistry)이 매우 중요하다. 양질의 CIS 기반 흡수재층에 있어서 핵심 요소는 나노입자의 합성이다.
태양광 전지에 적합한 잉크 제조를 위한 다양한 크기, 형태, 및 구조의 무기 나노 크리스탈이 연구되어 왔다. 합성 나노물질의 형태, 크기 및 구조는 그것을 사용했을 때 얻게 되는 물리적, 화학적 특성 및 광전자 특성과 깊은 상관 관계를 갖는다. 박막 태양광 전지용 나노구조 성장을 최적화하기 위한 다양한 합성 방법이 시도되었다. 나노입자 합성 방식에는 핫-인젝션(hot injection)과 용매열(solvothermal) 방식이 포함된다. 그러나, 이러한 나노입자 합성 방식들은 형태및 화학량의 가변성 및 조절의 어려움이 있다. 가령, 핫-인젝션의 경우, 나노 크리스탈의 크기와 형태를 조절하기 위해서 계면활성제(surfactant)가 필요하며, 결합제(binding material)를 용액에 첨가해야 한다. 그런데, 이 경우 기판에서 결합제를 어닐링하고 제거하기 위해서는 온도가 높아야 한다. 그리고 높은 온도 때문에 유연한 폴리머 기판을 사용할 수 없게 되는 것이다. 이러한 이유 때문에, 결합제를 사용하지 않아도 되고, 상대적으로 저온에서 층 조성이 이루어질 수 있는 새로운 방식의 나노 크리스탈 제조 방식이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 일부가 금이나 은으로 치환될 수 있는 구리; 인듐, 알루미늄, 아연, 주석, 갈륨, 또는 그 조합; 그리고 셀레늄, 황, 텔루륨 또는 그 조합을 포함하고, 구리 셀렌화물 또는 포정 분해(peritectic decomposition)를 보이는 화합물의 이차상을 가지며, 계면활성제나 결합제를 필요로 하지 않는 CIS를 포함하는 나노입자(또는 CIS 나노입자)에 관한 것이다. 상기 이차상은 CuSe, CuSe2, Cu3Se3, 또는 그 조합을 포함하는 구리 리치(copper rich)이다. CIS를 포함하는 나노입자는 입방체(섬아연석) 또는 정방체의 (황동광) CIS 결정 격자를 포함할 수 있다. CIS의 격자 양이온에서, 인듐은 알루미늄, 아연, 주석, 또는 갈륨으로 치환될 수 있고, 구리는 금이나 은으로 치환될 수 있다. 격자 음이온은 황 또는 텔루륨으로 치환될 수 있다. CIS 결정 격자는 알루미늄, 아연, 금, 주석, 갈륨, 은 또는 그 조합을 포함하는 고용체를 형성할 수 있다. CIS를 포함하는 나노입자는 10 내지 500nm의 횡단면을 가질 수 있고 횡단면들의 분포는 좁을 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 구리 할로겐화물이나 그 등가물인 구리염의 제 1 용액이고, 인듐 할로겐화물 또는 그 등가물인 인듐염의 제 2 용액, 셀레늄, 황, 또는 텔루륨의 제 3 용액이 150℃까지 가열된 후 배합되어 침전물을 형성하는, CIS를 포함하는 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다. 그 결과로 형성된 CIS를 포함하는 나노입자는 수세될 수 있다. 제 1 용액과 제 2 용액에 사용된 용제는 알코올일 수 있다. 제 3 용액에 사용된 용제는 아민 또는 디아민일 수 있다. 용제는 90℃ 미만까지 낮은 온도에서 용제 혼합물이 환류되는 온도에 의해 열기가 조절될 수 있도록 선택될 수 있다. CIS를 포함하는 나노입자의 침전물은 수세된 침전물의 건조를 돕는 메탄올과 같은 휘발성 알코올로 수세될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, CIS를 포함하는 나노입자는 용제나 용제 혼합물에 의해 배합되어 잉크를 형성할 수 있다. 여기서 사용될 수 있는 용제에는 알코올과 설폭시드가 포함된다. CIS를 포함하는 나노입자는 서로 다른 크기, 형태 또는 요소 구성을 갖는 CIS를 포함하는 나노입자의 혼합물일 수 있으며, 여기서 비율은 건조된 CIS를 포함하는 나노입자로 용이하게 생성 가능하다.
본 발명의 실시예들은 잉크 층을 표면상에 형성하고 잉크에서 용제를 제거하여 전구체층을 형성하고 셀레늄 또는 황 오버가스(overgas) 상태에서 상기 전구체층을 어닐링함으로써 CIS를 포함하는 흡수재층을 준비하는 방법에 관한 것이다. 잉크 층의 용착은 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅에 의해 수행될 수 있다. 어닐링은 최대 온도 380℃, 가령 280℃에서 이루어질 수 있다. 어닐링 후, CuInSe2를 포함하는 CIS를 포함하는 흡수재층이 형성되는데, 이때 흡수재층은 라멜라 알갱이만을 또는 원주형 알갱이들을 함께 갖는 미세 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 새로운 CIS를 포함하는 흡수재층을 갖는 태양광 장치에 관한 것이다. 비교적 마일드한 흡수재층 준비 방식에 따르면, 스테인레스 스틸이나 폴리이미드와 같은 금속 또는 폴리머 기판 상에서 형성될 수 있다.
CIS를 포함하는 나노입자는 서로 다른 크기, 형태 또는 요소 구성을 갖는 CIS를 포함하는 나노입자의 혼합물일 수 있으며, 여기서 비율은 건조된 CIS를 포함하는 나노입자로 용이하게 생성 가능하다. 흡수재층은 라멜라 알갱이만을 또는 원주형 알갱이들을 함께 갖는 미세 구조를 가질 수 있다. 비교적 마일드한 흡수재층 준비 방식에 따르면, 스테인레스 스틸이나 폴리이미드와 같은 금속 또는 폴리머 기판상에서 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른, 태양광 장치에 사용할 수 있는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층을 형성하기 위한, 잉크 용착 및 잉크가 용착된 전구층의 어닐링 방식에 사용되는, CIS를 포함하는 나노입자로부터 제조된 잉크에 CIS를 포함하는 나노입자을 연결시키는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다;
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른, (a) CuCl 및 (b) Cu(OC(O)CH3)2 등 다른 Cu 전구물질로부터 얻은, CIS를 포함하는 나노입자에 대한 TEM 이미지이다;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실험 샘플 UF5에서의, 온도 10℃ 증가 시 XRD 스캔 플롯이다;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실험 샘플 UF5'에서의, 온도 10℃ 증가 시 XRD 스캔 플롯이다;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실험 샘플 UF9에서의, 온도 10℃ 증가 시 XRD 스캔 플롯이다.
본 발명의 실시예들은 가령 CuSe2, CuSe, 및/또는 Cu3Se2 등 가령 구리 셀렌화물 등의 액체로 분해되는 화합물을 포함하는 이차상을 갖는 구리 인듐 디셀레니드(CIS)를 포함하는 나노입자, 상기 CIS 나노입자로부터 제조된 잉크 및 상기 CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층을 포함하는 태양광 전지에 관한 것이다. 도 1은 하단에 예시된 바와 같이, CIS를 포함하는 나노입자, CIS를 포함하는 나노입자로부터 제조된 잉크, 잉크를 전구체층으로 용착하기 위한 방법 단계들, 전구체층에서 태양광 장치용 CIS 흡수재층으로의 변환 등을 도시한 개략도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른, CIS를 포함하는 나노입자는 구리 이온과 셀레늄이 풍부한 조건에서 나노 입자를 성장시켜 얻은 구리 셀레니드 리치(copper selenide rich)이다. 구리 셀레니드 리치 조건 결과 CIS를 포함하는 나노입자를 형성하는 과정에서 이차상이 나타나게 되고, 결과적으로 우수한 CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층이 형성된다. 구리 셀레니드 리치 이차상은 액체 보조 성장 메커니즘에 의한 원주형 성장 또는 라멜라 성장을 통해 CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층의 알갱이 구조를 생산할 수 있는데, 여기서 공융 혼합물은 라멜라 또는 막대 형태의 구조 성장을 생산하는 경향을 갖는다. 알갱이의 성장은 CIS를 포함하는 나노입자의 구성 및 흡수재층 성장의 조건에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 CIS 나노 입자들을 제조하는 방법에 관한 것이다. CIS 나노 입자의 크기는 평균 약 10 내지 500nm, 가령 30 내지 500nm, 또는 약 30 내지 150nm 일 수 있다. CIS 나노 입자는 좁은 크기 분포를 갖도록 형성될 수 있다. CIS 나노 입자들은 나노 입자가 특히 작을 때, 가령 평균 10 내지 20nm일 때 상호연결 네트워크를 형성할 수 있다. 나노 입자의 크기와 상호 연결성은 전구체의 비율이 중요한 역할을 하는 합성 조건에 따라 달라지게 된다. CIS 나노 입자 제조 방법은 계면활성제나 그외 결합제 없이 이루어지는데, 이는 결합제 제거가 태양광 장치 제조 시 용착된 전구층의 흡수재층으로의 변환을 복잡하게 하지 않기 위해서이며 고온에 영향을 받지 않는 장치용 기판으로 한정하지 않기 위해서이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, CIS 나노 입자는 새로운 태양광 장치 조성 방법에서 CIS 흡수재층 전구체의 용착에 사용되는 잉크를 형성하는데 사용된다. 잉크는 용액에 CIS 나노 입자를 혼합함으로서 형성되는데, 잉크의 전반적인 구성이 원하는 화학량과 균일한 구성을 갖는 CIS 흡수재층을 최종 생성할 수 있도록 다양한 크기와 구성의 CIS 나노 입자들이 될 수 있다. 가령, 용액은 적합한 점도, 휘발성, 친화성을 갖는 알코올, 설폭시드, 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 적합한 점도의 잉크를 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅함으로써 흡수재층의 전구층을 형성하고, 이어 셀레늄 환경에서 어닐링을 통해 CIS를 포함하는 흡수재층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 어닐링은 380℃ 미만, 가령 350℃ 미만, 300℃ 미만, 또는 260℃ 미만에서 수행된다. 본 발명의 다른 실시예들은 CIS 흡수재층을 포함하는 태양광 장치 및 태양광 장치 생성 방법에 관한 것이다. 흡수재층은 가령 폴리머 기판 등 상대적으로 저온 처리가 필요한 기판상에 형성될 수 있다.
CIS 나노 입자는 구리염에 인듐 염 및 셀레늄 수용액을 배합함으로써 생성된다. 구리염으로는 CuCl, CuBr, CuI, CuCl2, CuBr2, CuI2, Cu2Cl2, Cu3Cl3, Cu2Br2, Cu3Br3, Cu2I2, Cu3I3, 또는 그 조합, 또는 그 등가물, 가령 CuOC(O)CH3, Cu(OC(O)CH3)2, Cu2(OC(O)CH3)2, 또는 Cu3(OC(O)CH3)3인 구리 아세트산이 사용될 수 있다. 인듐염으로는 InCl, InCl2, InCl3, InI, InI2, InI3, InBr, InBr2, InBr3, 또는 그 조합 또는 그 등가물, 가령 InOC(O)CH3, In(OC(O)CH3)2, 또는 In(OC(O)CH3)3인 인듐 아세트산이 이용될 수 있다. 염은 메탄올, 에탄올, C3 내지 C8 알코올, 또는 알코올의 조합에 용해된다. 알코올 용액(들)은 비활성 환경, 질소 또는 아르곤 환경에서, 가령 이소프로필 아민, 이소부틸아민, 부틸아민, 메틸아민, 에틸아민, 에틸렌디아민, 그외 C3 내지 C8 아민, C3 내지 C8 디아민, 또는 그 조합 등의 아민 용액에서 셀레늄 분말을 용해해 생성한 셀레늄 용액과 배합된다. 배합된 용액은 비교적 저온, 가령 약 150℃ 미만, 120℃ 미만, 또는 90℃ 미만에서 가열되고, 그 결과, 충분한 시간이 지난 후 원하는 평균 크기의 나노 입자를 포함하는 CIS가 생성된다. 가령, 배합된 용액은 용제로 사용된 알코올 및 아민에 따라 다른 온도에서(그러나 반드시 120℃ 미만에서) 환류될 수 있다. 배합된 용액은 수 시간 동안, 가령 원하는 크기를 갖는 CIS 나노 입자의 생성에 필요한 만큼 1 내지 24 시간 동안 환류된다. 구리염, 인듐염, 셀레늄의 비율은 원하는 CIS 나노 입자 화학량의 달성을 위해 다양하게 구현될 수 있다. CIS 나노 입자는 침전물로서 또는 메탄올과 수세를 통해 분리시킬 수 있다.
CIS 나노 입자의 조성은 원하는 CIS 나노 입자들이 CuSe2, CuSe, 또는 Cu3Se2를 포함하는 이차상을 포함할 수 있도록, 화학량 과잉의 구리염 및 셀레늄으로 수행된다. 이차상은 CIS 흡수재층 형성 시 액체-보조 성장을 촉진하여, 최종 CIS 흡수재층에서의 CIS의 알갱이 크기를 증대시킨다. CIS를 포함하는 나노입자의 CIS 단계는 입방체 (섬아연석) 구조 또는 정방체 (황동광) 구조일 수 있다. 이차상이 CuSe인 경우, CuSe는 α-CuSe, β-CuSe, 또는 γ-CuSe 중 하나의 형태로 존재할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, CIS를 포함하는 나노입자의 CIS 단계에서의 인듐은 최대 100%까지 하나 이상의 갈륨, 알루미늄, 아연, 및 주석으로 치환될 수 있고, III 그룹 양이온 서브 격자에서는, 구리가 양이온 서브격자에서의 금 및/또는 은과 치환될 수 있다. 또는, CIS 나노 입자는 하나 이상의 갈륨, 알루미늄, 아연, 주석, 금 및 은을 갖는 고용체의 일부일 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, CIS 나노 입자의 CIS 단계에서, 셀레늄은 최대 100%까지 음이온 서브격자의 황 또는 텔루륨으로 치환되어 가령 CuInS2를 형성하거나, CIS 나노 입자가 가령 CuIn(SxSe1-x)2의 황 고용체의 일부일 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, CIS 나노 입자의 CIS 단계에서, 인듐은 알루미늄, 갈륨, 아연 또는 주석으로 치환되거나, 금이 양이온 서브격자의 금이나 은과 치환되거나, CIS 나노 입자는 하나 이상의 알루미늄, 아연, 은, 주석, 갈륨 및 금을 포함하는 고용체의 형태일 수 있다. 이때, 음이온 서브격자에서는 셀레늄 부분이 황이나 텔루륨과 치환되거나, 고용체가 황이나 텔루륨을 더 포함할 수 있다. 이때, 서로 다른 크기의 CIS 입자들과 화학량이 다른 CIS 나노 입자들이 배합될 수 있다. 가령, 구리-리치 CuInSe2를 포함하는 나노 입자와 인듐-리치 CuInSe2를 포함하는 나노 입자는 바닥 셀을 위한 화학량론 CuInSe2 CIS 흡수재층 생성에 사용되는 잉크에서 구리-리치 CuInSe2 나노 입자와 인듐-리치 CuInSe2 나노 입자가 함께 혼합될 수 있다. 가령, 다교차점(multi-junction) 장치용 화학량론 CuInS2 CIS 흡수재층 생성에 사용되는 잉크에서 구리-리치 CuInS2 나노 입자와 인듐-리치 CuInS2 나노 입자가 함께 혼합될 수 있다.
잉크는 유리 등과 같은 비유연 기판 또는 가령 스테인레스 스틸과 같은 금속 또는 폴리이미드와 같은 폴리머 등의 유연 기판을 포함하는 장치에 용착될 수 있다. 잉크는 기판상의 몰리브덴 전극과 용제 제거 후에 생성된 CIS 흡수재층 결과물간의 원만한 옴 접촉을 촉진하는 MoSe2층 상에 직접 용착됨으로써 셀레늄 대기에서 어닐링 되는 전구체층을 형성한다. 다른 층의 용착, 가령 도 1에 도시된 층의 용착은 당업자에게 알려진 기존의 어떤 방식을 통해서도 이행 가능하며, 당업자에게 알려진 CIS 활성층을 갖는 태양광 장치와 일치하는 것이면 어떤 물질이든 사용될 수 있다.
방법과 물질
일 실시예에 따르면, 20ml의 에틸 알코올 내의 0.01 gmol의 무수 염화 제일구리 CuCl와 25ml의 n-프로필 알코올에 용해된 0.01 mol의 무수 InCl3이 2시간 동안 교반된다. 이 알코올 용액은 불활성 대기에서 40ml의 에틸렌디아민 내의 0.02 gmol의 셀레늄(Se) 분말과 함께 배합되어 단일 용액을 생성했다. Cu-In-Se 용액은 5 시간 동안 불활성 대기에서 ~110℃에서 환류되었는데, 이 5시간 동안 CIS 나노 입자의 핵형성 및 성장이 일어났다. 이 결과로 생성된 침전물은 메탄올과 수세되고 진공 건조되어 CuSe2 및/또는 CuSe의 이차상을 갖는 순 CIS 나노 입자들이 생성되었다.
마찬가지로, CIS 나노 입자는 전구체 Cu(OC(O)CH3)2, 또는 CUCl: InCl3 또는 In(OC(O)CH3)3: Se의 몰 비율 1:1:1 에서 2:1:2 으로 다양한, 상기 저온 용액 기반 방식에 의해 합성되었다. 최대 20 시간까지 무수 시약이 사용되었고 핵생성 및 성장 온도가 120℃ 미만으로 유지되었다. 이 결과 생성된 CIS 나노 입자는 침전되었고, 그 침전물은 불순물 제거를 위해 메탄올과 함께 수세되었다. 수세된 침전물은 약 80℃에서 진공 건조되어 CIS를 포함하는 나노 입자를 생성했다. 본 연구에서 개발된, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방식은 재생 가능성이 높았다. CuInSe2를 포함하는 나노 입자의 구조적 특성 및 광전자 특성은 TEM, HR-TEM, EDX, XRD, PL, SAED 및 라만 스펙트라에 의해 특징지어진다.
일련의 실험에서, 상기 과정은 용제, 온도 및 횟수는 동일하나 다양한 구리 전구체를 사용해, 몰 비율 2:1:2의 Cu:In: Se를 사용해 수행되었다. 도 2에서는 CIS 나노 입자 결과물의 TEM 이미지를 도시했다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 전구체로서의 초산동(copper acetate)과 InCl3은 약 150nm의 단분산된 CIS 포함 나노입자라는 결과로 나타난다. 그에 반해, 도 2a에 도시된 바와 같이, CuCl와 InCl3에서 제조된 CIS 나노 입자는 약 10 내지 20nm의 CIS 나노 입자의 상호 연결된 네트워크를 도시하고 있다. XRD 패턴에 따르면, 초산 제이구리로부터의 CIS 나노 입자의 구조는 정방계 결정 및 일부 사방정계 CuSe2 이차상을 갖는 반면, 염화 제일구리로부터의 CIS 나노 입자는 입방 단계와 일부 사방정계 CuSe2 이차상을 나타내고 있다. 서로 다른 구리 전구체를 사용해 성장된 나노 구조의 실온 마이크로-라만 스펙트라는 CuInSe2의 두 개의 주요 특성 피크와 CuxSey 및 InxSey로부터의 2진 피크를 표시하고 있다. 라만과 PL 스펙트라는 초산 제이구리로부터 생성된 CIS 나노 입자의 정방계 CIS의 우수한 광전자 특성들, 그리고 TED 및 XRD 결과와 상통한다.
도 1 하단에 표시된 또 다른 일련의 실험에서는, 용제, 횟수, 온도는 동일하나, 전구체 및 전구체의 몰 비율은 달리하여 CIS 나노 입자가 제조되었다. PANLytical X'Pert system 및 Scintag-HTXRD를 사용해, 셀레늄 과압이 있는 경우와 없는 경우에서의 CIS 나노입자에 대한 일련의 상변환 연구가 수행되었다.PANalytical-HTXRD 시스템은 안톤 파(Anton Paar) XRK-900 퍼니스 및 X'celerator 고체 검출기가 장착된 PANalytical X'Pert Pro MPD θ/θ X-ray 회절계로 구성된다. 샘플 가열을 위한 주변 히터가 사용된다. Scintag-HTXRD는 Scintag PAD X vertical θ/θ 측각기, Buehler HDK 2.3 퍼니스, 및 mBraun 선형 위치 검출기 (LPSD)로 구성된다. 기존의 X선 회절에서, 포인트 스캐닝 검출기(point scanning detector)가 데이터 수집에 사용되어 낮은 각도에서 높은 각도로의 단계별 스캐닝을 수행한다. 이때, LPSD가 10°2θ 창을 넘어 XRD 데이터를 동시에 수집함에 따라, 데이터 수집 시간이 급격히 단축된다. 이는 상 변환, 결정화, 및 입자 성장의 원지 시간 분석 연구를 가능하게 한다. 온도는 Pt/Rh 스트립 히터의 하단에 용접되는 S-형 열전대에 의해 측정되어 온도 조절기에 피드백을 제공한다. 탄소 또는 은 페인트를 사용해 샘플이 히터 스트립에 장착되어 전구체와 히터 스트립간의 열 접촉이 향상된다. 샘플 온도는 동일한 기판상에 분산된 은 가루 샘플의 격자 연장을 측정함으로써 보정된다. PANalytical-HTXRD 시스템은 Anton Paar XRK-900 퍼니스와 X'Celerator 고체 검출기가 제공된 PANalytical X'Pert Pro MPD θ/θ X선 회절계fh 이루어진다. PANalytical-HTXRD에 주변 히터를 사용해 샘플을 가열한다. 퍼니스와 샘플간의 온도차는 ±1℃ 이다. 두가지 HTXRD 퍼니스 모두 흐르는 N2에 의해 제거되었다. 대부분의 셀렌화 실험들은 PANalytical-HTXRD에서 수행되었고, 휘발성으로 인한 셀레늄 손실을 막기 위해 흑연 돔이 사용되었다.
CIS 흡수재 조성을 위한 나노 입자 합성
샘플 전구체 용제 몰 비율
Cu:In:Se
UF5 CuCl, InCl3, Se 에탄올, 프로판올, 에틸렌디아민 1:1:1
UF5' Cu(OAc)2, In(OA)3, Se 에탄올, 프로판올, 에틸렌디아민 1:1:1
UF9 CuCl, InCl3, Se 에탄올, 프로판올, 에틸렌디아민 2:1:2
UF5의 원자 조성비는 유도적으로 연결된 플라스마 광 방사 분사법 (ICP-OES)에 의해 결정되었다. 상기 방식의 결과에 따르면, 샘플들은 구리-리치 샘플들로 Cu/In의 비율은 5.016이었다. 실온 스캔 결과 ICP 결과와 일치하는 CIS (입방), CuSe2 (사방정) 및 셀레늄 초과량이 나타났다. 저해상도 TEM이 수행되었고 입자 크기는 50nm으로 추정되었다. 고온 XRD 시스템과의 온도 램프(ramp)연구는 상기와 같이 수행되었고, 여기서 샘플의 온도는 10℃ 씩 증가하며 빠르게 상승했고, XRD 패턴은 스캔 시간이 약 1분일 때 각 단계 이후에 결정되었다. UF5에 대한 상의 변화는 도 3에 나타난 바와 같다. 250℃를 전후해, CIS의 입방정상은 의도된 정방정계 (황동광) 상으로 변한다. 도 3에 나타난 바와 같이, 구리 디셀리니드 (CuSe2)는 604.3K (331 ℃)에서 포정 반응(peritectic reaction)을 거쳐 고체 구리 모노셀레니드 (CuSe) 및 셀레늄(Se)-리치 액체 상을 생성한다. 추가적인 온도 상승은 구리 모노셀레니드가 고체 β-Cu2 - xSe 및 약간 더 낮은 셀레늄-리치 액체 상으로 변환하는 381.8℃에서 두 번째 포정 반응이라는 결과로 나타난다. 금속 β-Cu2 - xSe 상의 제거가 필요한데, 시안화칼륨(KCN)을 통한 습식 에칭이나 인듐(In)과의 추가 반응을 통해 수행될 수 있다. 이는 액체 상의 형성으로 지원되는 CIS의 알갱이 성장과 일치한다. 따라서, 이러한 조건에서의 CIS 알갱이 성장은 비교적 저온에서 발생하게 되어, 용착 과정에서 가열 및 냉각 기간을 줄여주고 유연 기판을 사용할 수 있게 한다.
UF5'의 원자 조성은 유도적으로 연결된 플라스마 광 방사 분광법 (ICP-OES)에 의해 결정되었다. 그 결과 생성되는 CIS를 포함하는 나노입자는 구리/인듐 비율이 0.326으로, 구리가 부족하게 된다. 금속 대 셀레늄의 비율은 4.5였다. 실온 스캔 결과 UF5' 샘플들의 CIS (입방체), CuSe (육방정체), InSe (육각형), In2Se3 및 셀레늄 초과량이 확인되었다. XRD 패턴이 광범위한 특성들을 표시함에 따라 CuSe와 InSe는 무정형인 것으로 간주된다. 저해상도 TEM은 코어쉘 구조를 밝혔다. 온도 램프(ramp) XRD 플롯이 도 4에 도시되었다. 기본적인 셀레늄 피크는 셀레늄의 녹는점과 같은 ~220℃에서 사라졌다. CIS는 ~250℃에서 입방정상에서 정방정상으로 변했고, CIS(112)의 알갱이 성장은 300℃에서 시작해, In2Se3의 형성으로 피크의 강도상에 변화가 없는 온도인 ~380℃에서 성장이 완성되었다. In2Se3의 형성은 나노 입자가 인듐 및 셀레늄-리치임을 나타낸다. 인듐 리치 조건에서 순서 공위 화합물 (OVC)의 형성이 보고된 바 있으나, 이러한 상은 온도 램프(ramp)에서 나타나지 않았다. 이는 인듐 초과량이 셀레늄 초과량과 반응해 In2Se3을 생성하기 때문일 수 있다.
UF9의 원자 조성은 유도적으로 연결된 플라스마 광 방사 분광법 (ICP-OES)에 의해 결정되었다. 그 결과 생성되는 CIS를 포함하는 나노입자는 구리/인듐 비율이 1.3으로, 샘플은 구리-리치 상태가 된다. 금속 대 셀레늄의 비율은 4.5였다. 실온 스캔 결과 UF9 샘플들의 CIS (입방체), CuSe (육각형), InSe (육각형)는 ICP 결과와 일치했다. 금속 대 셀레늄의 비율은 0.53이었다. XRD 패턴이 광범위한 특성들을 표시함에 따라 CuSe와 InSe는 무정형인 것으로 간주된다. 저해상도 TEM 결과 길이 100nm 직경 20nm의 나노로드-유사 구조가 나타났다. 온도 램프(ramp) XRD 플롯이 도 5에 도시되었다. 여기서, 입방정상 CIS에서 정방정상으로의 변환은 ~250℃에서, CuSe 및 InSe 피크 소멸과 함께 이루어졌다. CIS(112)로 인한 피크의 강도 변화가 없는 ~280℃에서 반응이 완성되었다. ~300℃에서는 CuIn(134) 화합물 생성이 시작되고 ~340℃에서 사라진다. ~340℃ 이상이 되면, CuIn 화합물은 과압으로 공급되는 셀레늄과 반응해 In2Se3(110) 및 CuSe(102)을 생성한다.

Claims (31)

  1. 금(Au) 또는 은(Ag), 또는 둘 다를 선택적으로 포함하는 구리(Cu);
    인듐(In), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 갈륨(Ga), 또는 그 조합; 및
    셀레늄(Se), 황(S), 텔루륨(Te), 또는 그 조합을 포함하는 CIS를 포함하고,
    액체로 분해되는 화합물을 포함하는 이차상을 더 포함하고, 계면 활성제(surfactant)나 결합제(binding agent)가 없는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 CIS를 포함하는 나노입자는 CuSe, CuSe2, Cu3Se2, 또는 그 조합을 포함하는 이차상을 갖는 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 CuSe는 α-CuSe, β-CuSe, 또는 γ-CuSe 인 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 CIS를 포함하는 나노입자는 입방체 (섬아연석) 또는 정방체의 (황동광) CIS 결정 격자를 갖는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 CIS 결정 격자는 구리(Cu), 인듐(In), 및 셀레늄(Se)을 포함하고,
    여기서 상기 인듐(In)의 일부는 격자 양이온에서 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 갈륨(Ga), 또는 그 조합으로 치환되거나, 또는 상기 구리(Cu)는 금(Au), 은(Ag), 또는 그 조합으로 치환되는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 CIS 결정 격자는 구리(Cu), 인듐(In), 및 셀레늄(Se)을 포함하며, 여기서 음이온 격자의 일부는 황(S) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 치환되는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 CIS 결정 격자는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 금(Au), 주석(Sn), 갈륨(Ga), 은(Ag), 또는 그 조합을 포함하는 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 CIS 결정 격자는 황 또는 텔루륨을 포함하는 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 CIS를 포함하는 나노 입자는 횡단면이 10 내지 500nm인 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 횡단면들의 분포는 좁거나 단분산된 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자.
  11. 제 1항의, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법으로서,
    구리 할로겐화물 또는 그 등가물인 구리염의 제 1 용액을 제공하는 단계;
    인듐 할로겐화물 또는 그 등가물인 인듐염의 제 2 용액을 제공하는 단계;
    셀레늄 또는 황의 제 3 용액을 제공하는 단계;
    상기 제 1 용액을 상기 제 2 용액 및 제 3 용액과 배합하는 단계;
    상기 배합된 용액을 150℃까지 가열하여 침전물을 생성하는 단계; 및
    선택적으로, 상기 침전된, CIS를 포함하는 나노입자를 수세하는 단계를 포함하고,
    상기 어떤 용액에도 계면활성제나 결합제가 없는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 구리염은 CuCl, CuBr, CuI, CuCl2, CuBr2, CuI2, Cu2Cl2, Cu3Cl3, Cu2Br2, Cu3Br3, Cu2I2, Cu3I3, CuOC(O)CH3, Cu(OC(O)CH3)2, Cu2(OC(O)CH3)2, Cu3(OC(O)CH3)3, 또는 그 조합인 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 인듐염은 InCl, InCl2, InCl3, InI, InI2, InI3, InBr, InBr2, InBr3, InOC(O)CH3, In(OC(O)CH3)2, In(OC(O)CH3)3, 또는 그 조합인 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 용액과 제 2 용액을 위한 용제는 메탄올, 에탄올, C3 내지 C8 알코올, 또는 그 조합을 독립적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제 3 용액을 위한 용제는 이소프로필 아민, 이소부틸 아민, 부틸 아민, 메틸아민, 에틸아민, 에틸렌디아민, 그 외 C3 내지 C8 아민, C3 내지 C8 디아민, 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 가열하여 침전물을 생성하는 단계는 배합된 용액의 용제에서 환류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 CIS를 포함하는 나노입자를 수세하는 단계는 메탄올 또는 임의의 휘발성 알코올로도 수행되는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 CIS를 포함하는 나노입자를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 건조하는 단계는 진공 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  20. 제 1항에 의한 CIS를 포함하는 나노입자 및 하나 이상의 용제를 포함하는 잉크.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 용제는 알코올 또는 설폭시드인 것을 특징으로 하는, 잉크.
  22. 제 20항에 있어서,
    CIS를 포함하는 나노입자는 서로 다른 크기, 형태 또는 원소 구성을 갖는 CIS를 포함하는 나노입자의 혼합을 포함하는 것을 특징으로 하는, 잉크.
  23. CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층의 제조 방법으로,
    제 20항에 의한 잉크 층을 표면 상에 형성하는 단계;
    전구체층을 형성하기 위해 상기 잉크에서 용제를 제거하는 단계; 및
    CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층을 형성하기 위해 셀레늄 또는 황 오버가스(overgas) 상태에서 상기 전구체층을 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층의 제조 방법
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 잉크 층을 표면 상에 형성하는 단계는 스프레이 코팅, 드롭 캐스팅, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅인 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층의 제조 방법
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 어닐링은 380℃의 최대 온도에서 발생하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층의 제조 방법
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 어닐링은 280℃의 최대 온도에서 발생하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층의 제조 방법
  27. 라멜라 알갱이들을 포함하는 미세구조로 이루어진 CuInSe2를 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 미세구조는 원주형 알갱이들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층.
  29. 제 27항의, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층을 포함하는 태양광 장치.
  30. 제 29항에 있어서,
    금속 또는 폴리머 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층을 포함하는 태양광 장치.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 기판은 스테인레스 스틸 또는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는, CIS를 포함하는 나노입자를 포함하는 흡수재층을 포함하는 태양광 장치.


KR1020137001744A 2010-06-22 2011-06-22 태양광 전지용 나노결정질 구리 인듐 디셀레니드 (cis) 및 잉크-기반 합금 흡수재층 KR101749137B1 (ko)

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