KR101619933B1 - 태양전지 광흡수층 제조용 3층 코어-쉘 나노 입자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

태양전지 광흡수층 제조용 3층 코어-쉘 나노 입자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지의 광흡수층을 형성하는데 사용되는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자로서, 구리(Cu) 함유 칼코게나이드를 포함하는 코어(core)와, (i) 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell); 또는 (ii) 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell);로 이루어진 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

태양전지 광흡수층 제조용 3층 코어-쉘 나노 입자 및 이의 제조 방법 {Three-Layer Core-Shell Nano Particle for Manufacturing Light Absorbing Layer of Solar Cell and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 태양전지 광흡수층 제조용 3층 코어-쉘 나노 입자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 개발초기 때부터 비싼 제조 과정의 광흡수층 및 반도체 물질로서 규소(Si)를 사용하여 제작되어 왔다. 태양전지를 더욱 경제적으로 산업에 이용 가능하도록 제조하기 위해, 박막 태양전지의 구조물로 저비용의 CIGS(구리-인듐-갈륨-설포-다이-셀레나이드, Cu(In, Ga)(S, Se)2)와 같은 광흡수 물질을 이용한 제품이 개발되어 왔다. 상기 CIGS계의 태양전지는 전형적으로 후면 전극층, n-형 접합부, 및 p-형 흡광층으로 구성된다. 이렇게 CIGS층이 기재된 태양 전지는 19%를 초과하는 전력 변환 효율을 갖는다. 그러나, CIGS계의 박막 태양 전지에 대한 잠재성에도 불구하고, 인듐(In)의 원가와 공급량 부족으로 인하여 CIGS계의 광흡수층을 이용한 박막 태양전지의 광범위한 용도 및 적용성에 주요한 장애가 되고 있는 바, In-free 나 In-less의 저가 범용 원소를 이용하는 태양전지 개발이 시급한 실정이다.
따라서, 최근에는 상기 CIGS계의 광흡수층에 대한 대안으로 초저가 금속 원소인 구리, 아연, 주석, 황, 또는 셀레늄 원소를 포함하는 CZTS(Cu2ZnSn(S,Se)4)계 태양전지가 주목받고 있다. 상기 CZTS는 약 1.0 내지 1.5eV의 직접 밴드 갭(direct band gap) 및 104 ㎝-1 이상의 흡수계수를 갖고 있고, 상대적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 Sn과 Zn을 사용하는 장점을 가지고 있다.
1996년에 처음 CZTS 헤테로-접합 PV 전지가 보고 되었지만, 현재까지도 CZTS를 기반으로 한 태양전지의 기술은 CIGS의 태양전지의 기술보다 뒤처져 있고, CZTS 전지에 대한 광전 효율은 10% 이하로 CIGS의 그것에 비해 아직 많이 부족한 상태이다. CZTS의 박막은 스퍼터링(sputtering), 하이브리드 스퍼터링(hybrid sputtering), 펄스 레이저(pulse laser) 증착법, 분무 열분해법, 전착/열 황화(thermal sulfurization), E-빔(E-beam) Cu/Zn/Sn/열 황화, 및 졸-겔(sol-gel)의 방법들을 이용하여 제조되어 왔다.
제조 방법과 관련하여, WO2007-134843는 진공 방식의 스퍼터링 방법으로 Cu, Zn, Sn을 동시 또는 순차적으로 적층한 후, S 또는 Se 분위기하에서 열처리하여 CZTS층을 형성하는 방법을 개시하고 있고, 일부 논문(Phys, Stat. Sol. C. 2006, 3, 2844. / Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; 19:93-96)에서는 진공방식의 동시 증발법으로 Cu, Zn, Sn, S 또는 Se를 동시에 기재 상에 증착시켜 CZTS층을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술들은 비교적 잘 제어된 상태로 증착이 가능하다는 장점은 있으나, 고가의 장비를 사용하므로 공정 비용이 많이 들어 생산에 한계가 있다.
한편, PCT/US/2010-035792에서는 CZTS/Se 전구체 입자를 포함하는 잉크를 이용하여 기재 상에 열처리하여 박막을 형성시킨 내용을 개시하고 있는데, 상기 CZTS 전구체 입자를 형성하는 방법과 관련하여, 저널 JACS, 2009, 131, 11672에서는 고열 주입(hot injection)법으로 Cu, Sn, 및 Zn의 전구체를 포함하는 용액과 S 또는 Se가 포함된 용액을 고온에서 혼합하여 CZTS 나노 입자를 형성하는 방법을 개시하고 있고, US2011-0097496은 CZTS층 형성용 전구체로 하이드라진(hydrazine)에 Cu, Zn, Sn 염을 과량의 S 또는 Se과 함께 녹인 것을 사용하고, 후속 공정에서 열처리와 셀렌화를 통해 CZTS층을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 고열 주입법은 안전성에 문제가 있고, 하이드라진을 이용한 용액 공정은 과량의 S 또는 Se을 포함하는 칼코겐(chalcogen) 화합물이 함유된 하이드라진이 독성이 강하고 반응성이 큰 잠재적 폭발성의 용매이므로 높은 위험성을 내재하고 있고, 이를 취급하기가 용이하지 않아 공정의 어려움이 있다.
따라서, 기존 CZTS층의 제조공정보다 저렴하고, 안전한 제조 방법으로 산화에 안정할 뿐 아니라 높은 효율의 광흡수층을 형성할 수 있는 박막 태양전지에 대한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 구리(Cu) 함유 칼코게나이드를 포함하는 코어(core)와, (i) 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell); 또는 (ii) 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell);로 이루어진 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 사용하여 광흡수층을 제조하는 경우, 저렴하고 안전한 공정이 가능하여 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 박막 전체적으로 조성이 균일하고, 산화에 안정한 박막을 제공할 수 있고, 높은 밀도의 CZTS계 태양전지용 광흡수층을 성장시켜 광전효율을 향상시킬 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자는 태양전지의 광흡수층을 형성하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자로서, 구리(Cu) 함유 칼코게나이드를 포함하는 코어(core)와,
(i) 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell); 또는
(ii) 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell);
로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서 ‘코어(core)’는 여러가지 종류의 조성을 가진 나노입자에서 주로 중심부에 위치하는 물질로서 1 차적으로 합성된 입자를 의미하고, ‘쉘(shell)’은 코어로 구분되는 입자의 표면부에 코어를 이루는 입자와 다른 종류의 입자가 합성되면서 코어의 표면 전부 또는 일부를 감싸는 경우를 의미한다. 즉, 쉘은 코어의 표면 전부를 감싸는 경우뿐 아니라 코어의 적어도 일부를 감싸고 있는 경우를 포함한다. 이렇게 합성된 코어-쉘 구조의 입자는 수 백 나노미터의 미시영역에서 코어를 중심으로 쉘을 이루는 다른 두 종류의 입자들이 각각 공존하여 광흡수층 형성에 필요한 3 가지 원소의 조성비를 조절하기 용이한 잇점이 있다.
또한, 여기서 ‘칼코게나이드’는 VI족 원소, 예를 들어, 황(S) 및/또는 셀레늄(Se)을 포함하는 물질을 의미한다.
따라서, 하나의 구체적인 예에서, 상기 구리(Cu) 함유 칼코게나이드는 CuS, CuxS(1.7≤x≤2.0), CuSe, 및 CuySe(1.7≤y≤2.0)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있고, 상세하게는 Cu2S, CuS, Cu2Se, 및 CuSe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 더욱 상세하게는 CuS 및/또는 CuSe일 수 있다.
또한, 주석(Sn) 함유 칼코게나이드는 SnS, 및/또는 SnSe일 수 있고, 아연(Zn) 함유 칼코게나이드는 ZnS, 및/또는 ZnSe일 수 있다.
일반적으로, CZTS 결정형 나노 입자를 사용하여 CZTS 박막을 형성하는 경우, 이미 형성된 결정이 작기 때문에 이후 박막을 형성하는 과정에서 결정의 크기를 키우기가 힘들고, 이와 같이 각각의 그레인(grain)이 작은 경우에는 경계면이 늘어나게 되고, 경계면에서 생기는 전자의 손실 때문에 효율이 떨어질 수 밖에 없다.
그에 비해, Cu, Zn, Sn을 포함하지만 CZTS 결정 형태가 아니고, 서로 분리되어 존재하는 Cu, Zn, Sn 등의 원소가 이차상을 거쳐 CZTS를 형성하는 경우에는, 박막의 형성 과정에서 각각의 원소들이 재배치되면서 결정이 성장하기 때문에 막 밀도 향상, 결정 크기 향상을 유도할 수 있다.
따라서, 박막에 사용되는 나노 입자는 Cu, Zn, Sn 을 포함하되, CZTS 결정이 아닌 형태를 취해야 하는데, 단일 금속 원소로 구성된 금속 나노 입자는 산화되기 쉽고, 이후 과량의 Se와 높은 온도를 이용한 산소의 제거 공정이 필요하다는 단점이 있다.
이에, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 금속과 칼코게나이드가 결합된 형태의 나노 입자를 활용하는 경우, CZTS 박막을 형성하기 위한 고온 공정에서 칼코게나이드 원소를 적절히 공급하여 산화를 방지할 수 있음을 밝혀내었다.
더욱이, 한 개의 나노 입자에 Cu, Zn, Sn을 한꺼번에 포함하는 경우에는 각각의 원소를 포함하는 여러 종류의 나노 입자를 사용하는 경우와 비교하여 조성의 균일성을 확보할 수 있는데, 코어-쉘 구조의 경우에는 코어와 쉘을 구성하는 물질의 비율을 조절하여 입자 내 Cu, Zn, Sn의 비율을 조절하기 쉽기 때문에 최종 CZTS 박막의 조성비 역시 조절하기 쉬운 바, 다양한 조성비의 CZTS 박막의 형성에 사용 또한 가능하다.
한편, 구조와 관련하여, Cu, Zn, Sn의 이온화 경향 차이 때문에 본 발명에 따른 구조 이외의 순서를 가지는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자는 제조가 어려운데 비해 특별한 장점을 기대하기 힘들다. 예를 들어, 아연(Zn) 함유 칼코게나이드의 코어 입자에 구리(Cu) 함유 칼코게나이드의 쉘을 제조하기 위해 Cu염을 사용하는 경우, Zn과 Cu의 이온화 경향 차이 때문에 코어-쉘 구조의 나노 입자를 제조시, 아연(Zn) 함유 칼코게나이드 코어의 Zn 일부가 이온화되면서 Cu가 환원되기 쉽고, 따라서 아연(Zn) 함유 칼코게나이드 코어와 구리(Cu) 함유 칼코게나이드 쉘이 명확히 만들어지지 않고 Cu, Zn, 등이 불균일하게 분포된 섞여있는 형태가 형성되기 쉬우며, 이온화된 Zn 일부가 산소와 결합하여 산화물을 생성할 수 있는 문제가 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 코어의 입경은 20 나노미터 내지 200 나노미터일 수 있다. 상기 범위를 벗어나 구리(Cu) 함유 칼코게나이드를 포함하는 코어의 크기가 너무 큰 경우에는 쉘까지 형성한 코어-쉘 구조의 나노 입자 크기가 너무 커져 1 마이크로미터 내지 2 마이크로미터의 두께를 갖는 최종 박막에서의 입자들 사이의 공극이 커지므로 바람직하지 않고, 코어의 크기가 너무 작은 경우에는 입자들 사이의 응집이 쉬울 뿐만 아니라, 최종 박막이 적절한 조성비를 갖게 하기 위하여 코어의 표면을 감싸는 쉘을 얻기 어려운 바, 바람직하지 않다.
한편, 상기 제 1 쉘 및 제 2 쉘의 중량은, 코어를 형성한 후, 또는 제 1 쉘을 형성한 후, 그 표면에 제 1 쉘 또는 제 2 쉘을 형성시킬 때의 반응 시간, 반응 온도, 반응물의 농도 등에 의해 조절되는데, 이를 조절하여 형성시키는 쉘을 구성하는 물질에 포함되는 아연 칼코게나이드의 중량은 코어를 구성하는 구리 칼코게나이드의 중량부 100 대비 35 내지 100 중량부 범위 내인 것이 바람직하고, 주석 칼코게나이드의 경우 구리 칼코게나이드의 중량부 100 대비 40 내지 65 중량부 범위를 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제 1 쉘 및 제 2 쉘의 중량은 목표하는 CZTS 박막의 전체적인 조성비와 코어와의 조성비를 감안하여 결정됨이 바람직한데, 일반적으로, CZTS 박막의 조성비는 Cu : Zn : Sn=1.5~2.5 : 0.9~1.5 : 1 정도의 조성비를 가지므로, 금속 나노 입자와 혼합하여 CZTS 박막을 형성하는 경우, 상기 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자는 Cu : Zn=0.3~1.3 : 0.9~1.5의 조성비를 가질 수 있고, 따라서, 상기 코어의 입경이 20 나노미터 내지 200 나노미터일 때, 제 1 쉘 및 제 2 쉘은 상기 범위의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자의 제조 방법을 제공하는 바, 상기 제조 방법은,
(i) 황(S), 또는 셀레늄(Se), 또는 황(S) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 VI족 소스를 포함하는 제 1 용액을 준비하는 과정;
(ii) 구리(Cu)염을 포함하는 제 2 용액과 주석(Sn)염을 포함하는 제 3 용액 및 아연(Zn)염을 포함하는 제 4 용액을 준비하는 과정;
(iii) 상기 제 1 용액과 제 2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 반응시켜 구리(Cu) 함유 칼코게나이드 코어 입자를 합성하는 과정;
(iv) 상기 과정(iii)의 코어 입자를 포함하는 생성물에 상기 제 3 용액이나 4 용액을 혼합하여 제 1 쉘을 형성하는 과정;
(v) 상기 과정(iv)의 제 1 쉘이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 생성물에 상기 제 4 용액이나 제 3 용액을 혼합하여 제 2 쉘을 형성하여 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 합성한 후, 정제하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 용액 내지 제 4 용액의 용매는 서로 독립적으로, 물, 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 글리콜류 용매, 오레일아민(oleylamine), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 및 디메틸포름아마이드(dimethyl formamide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 글리콜류 용매는 한정되지 않으나, 예를 들어, 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), NMP, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르(diethylene glycol mono ethyl ether: DEGMEE) 및 트리에틸렌글리콜(triethylene glycol)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자의 제조 방법은 용액 공정으로 이루어지므로 공정 비용을 낮출 수 있고, 용액을 제조하기 위해 유독한 물질을 사용하지 않으며, 캡핑제의 사용을 줄여 CZTS 박막 형성시 탄소의 잔여물의 감소도 가능하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 용액에 포함되는 VI족 소스는 Se, Na2Se, K2Se, Ca2Se, (CH3)2Se, SeO2, SeCl4, H2SeO3, Na2S, K2S, Ca2S, (CH3)2S, H2SO4, S, Na2S2O3, NH2SO3H 및 이들의 수화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이거나, 유기물로서, 티오요소(thiourea), 티오아세트아미드(thioacetamide), 및 셀레노유레아(selenourea)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 용액, 제 3 용액, 및 제 4 용액에 포함되는 성분인 염은, 염화물(chloride), 질산염(nitrate), 아질산염(nitrite), 황산염(sulfate), 아세트산염(acetate), 아황산염(sulfite), 아세틸아세토네이트염(acetylacetonate) 및 수산화물(hydroxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태일 수 있고, 주석(Sn)염의 경우에는 2가 및 4가의 염이 한정되지 아니하고 모두 사용 가능하다.
한편, 상기 과정(iii)에서와 같이 제 1 용액에 제 2 용액을 혼합하는 경우, 상기 VI족 소스는 구리(Cu)염 1몰에 대해 0.5몰 이상, 상세하게는, 0.5몰 내지 4몰의 범위 내에서 소망하는 조성비로 포함될 수 있다.
상기 범위를 벗어나 VI족 소스가 0.5몰 미만으로 포함되는 경우, VI족 원소의 충분한 제공이 불가능하므로 CuS(Se)나, Cu2S(Se)와 같은 안정한 상이 형성되지 못하는 바, 이후 공정에서 상이 변하거나 분리된 금속이 산화될 수 있는 문제가 있어 바람직하지 않다.
또한, 4몰을 초과하여 포함되는 경우에는 의도하지 않은 VI족 원소가 생성될 확률이 증가하고, 박막을 제조하기 위한 열처리 공정에서 VI족 소스가 증발하면서 최종 박막에 공극이 과도하게 형성될 수 있는 확률이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
구체적으로, 구리(Cu) 함유 칼코게나이드 입자는 그 표면에 제 1 쉘(shell)을 형성하기 위해, 주석(Sn)염을 포함하는 제 3 용액과 혼합될 수 있고, 아연(Zn)염을 포함하는 제 4 용액과 혼합될 수 있다.
이 때, 상기 혼합시, 주석(Sn)염의 농도 또는 아연(Zn)염의 농도에 의
해서도 쉘을 구성하는 물질에 포함된 주석(Sn) 함유 칼코게나이드와 아연(Zn) 함유 칼코게나이드의 양이 결정되는 바, 상기 조성비의 3 층 구조의 입자를 합성하기 위해서, 제 1 쉘을 구성하는 주석(Sn)염의 농도는 주석(Sn)/구리(Cu)의 몰비가 0.5 내지 3이 되는 범위에서 정해질 수 있고, 제 1 쉘을 구성하는 아연(Zn)염의 농도는 아연(Zn)/구리(Cu)의 몰비가 0.6 내지 3가 되는 범위에서 정해질 수 있다.
또한, 제 1 쉘 및 제 2 쉘은 각각 주석(Sn) 함유 칼코게나이드 또는 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함할 수 있으며, 제 1 쉘이 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 경우 제 2 쉘은 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하며, 상기 조성비를 갖는 3층 입자를 합성하기 위해서 제 2 쉘을 구성하는 아연(Zn)염의 농도는 아연(Zn)/구리(Cu)의 몰비가 0.6 내지 3이 되는 범위에서 정해질 수 있고, 제 1 쉘이 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 경우 제 2 쉘을 구성하는 주석(Sn)염의 농도는 주석(Sn)/구리(Cu)의 몰비가 0.5 내지 3이 되는 범위에서 정해질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 제 3 용액의 혼합시 또는 제 4 용액의 혼합시, 추후 CZTS층을 형성하는 경우의 VI족 원소의 부분적인 부족을 해결하기 위해 추가로 VI족 소스를 첨가할 수 있고, 이 때, 상기 VI족 소스는 각각의 공정에서 잔류하는 VI족 원소의 양을 감안하여 첨가될 수 있다.
한편, 본 출원의 발명자들은, 상기와 같이 제조된 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자들을 사용하여 박막을 제조하는 경우, 양질의 막질을 제공할 수 있을 뿐 아니라, 박막의 전체적인 조성 균일성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 상기 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자에 기반한 광흡수층을 포함하는 박막의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 박막의 제조 방법은,
(i) 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 용매에 분산하여 잉크를 제조하는 과정;
(ii) 전극이 형성된 기재 상에 상기 잉크를 코팅하는 과정; 및
(iii) 상기 전극이 형성된 기재 상에 코팅된 잉크를 건조한 후 열처리 하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과정(i)의 나노입자는 25 나노미터 내지 300 나노미터의 직경을 갖는 것이 바람직하며, 용매는 일반적인 유기 용매라면 특별히 제한없이 사용할 수 있는데 알칸계(alkanes), 알켄계(alkenes), 알킨계(alkynes), 방향족 화합물계(aromatics), 케톤계(ketons), 니트릴계(nitriles), 에테르계(ethers), 에스테르계(esters), 유기할로겐화물계(organic halides), 알코올계(alcohols), 아민계(amines), 티올계(thiols), 카르복실산계(carboxylic acids), 수소화인계(phosphines), 아인산계(phosphites), 인산염계(phosphates), 술폭시화물계(sulfoxides), 및 아미드계(amides) 중에서 선택된 유기용매를 단독으로 사용하거나 이들 중에서 선택된 하나 이상의 유기용매가 혼합된 형태로 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 알코올계 용매는 에탄올, 1-프로판올(1-propanol), 2-프로판올(2-propanol), 1-펜타놀(1-pentanol), 2-펜타놀(2-pentanol), 1-헥사놀(1-hexanol), 2-헥사놀(2-hexanol), 3-헥사놀(3-hexanol), 헵타놀(heptanol), 옥타놀(octanol), EG(ethylene glycol), DEGMEE(diethylene glycol monoethyl ether), EGMME(ethylene glycol monomethyl ether), EGMEE(ethylene glycol monoethyl ether), EGDME(ethylene glycol dimethyl ether), EGDEE(ethylene glycol diethyl ether), EGMPE(ethylene glycol monopropyl ether), EGMBE(ethylene glycol monobutyl ether), 2-메틸-1-프로판올(2-methyl-1-propanol), 시클로펜탄올(cyclopentanol), 시클로헥산올(cyclohexanol), PGPE(propylene glycol propyl ether), DEGDME(diethylene glycol dimethyl ether), 1,2-PD(1,2-propanediol), 1,3-PD(1,3-propanediol), 1,4-BD(1,4-butanediol), 1,3-BD(1,3-butanediol), 알파테르피네올(α-terpineol), DEG (diethylene glycol), 글리세롤(glycerol), 2-에틸아미노 에탄올(2-(ethylamino)ethanol), 2-(메틸아미노)에탄올(2-(methylamino)ethanol), 및 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-amino-2-methyl-1-propanol) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 아민계 용매는 트리에틸아민(triethyl amine), 디부틸 아민(dibutyl amine), 디프로필 아민(dipropyl amine), 부틸 아민(butylamine), 에탄올 아민(ethanolamine), DETA(Diethylenetriamine), TETA(Triethylenetetraine), 트리에탄올아민(Triethanolamine), 2-아미노에틸 피페라진(2-aminoethyl piperazine), 2-하드록시에틸 피페라진(2-hydroxyethyl piperazine), 다이부틸아민(dibutylamine), 및 트리스(2-아미노에틸)아민(tris(2-aminoethyl)amine) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 티올계 용매는 1,2-에탄디티올(1,2-ethanedithiol), 펜탄티올 (pentanethiol), 헥산티올(hexanethiol), 및 메르캅토에탄올(mercaptoethanol) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 알칸계(alkane) 용매는 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 옥탄(octane) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 방향족 화합물계(aromatics) 용매는 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 니트로벤젠(nitrobenzene), 피리딘(pyridine) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 유기할로겐화물계(organic halides) 용매는 클로로포름(chloroform), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 테트라클로로메탄(tetrachloromethane), 디클로로에탄(dichloroethane), 및 클로로벤젠(chlorobenzene) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 니트릴계(nitrile) 용매는 아세토니트릴(acetonitrile)일 수 있다.
상기 케톤계(ketone) 용매는 아세톤(acetone), 시클로헥사논(cyclohexanone), 시클로펜타논(cyclopentanone), 및 아세틸아세톤(acetyl acetone) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 에테르계(ethers) 용매는 에틸에테르(ethyl ether), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofurane), 및 1,4-다이옥산(1,4-dioxane) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 술폭시화물계(sulfoxides) 용매는 DMSO(dimethyl sulfoxide), 및 술포란(sulfolane) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 아미드계(amide) 용매는 DMF(dimethyl formamide), 및 NMP(n-methyl-2-pyrrolidone) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 에스테르계(ester) 용매는 에틸락테이트(ethyl lactate), r-부틸로락톤(r-butyrolactone), 및 에틸아세토아세테이트(ethyl acetoacetate) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
상기 카르복실산계(carboxylic acid) 용매는 프로피온산(propionic acid), 헥산 산(hexanoic acid), 메소-2,3-디메르캅토숙신산(meso-2,3-dimercaptosuccinic acid), 티오락틱산(thiolactic acid), 및 티오글리콜산(thioglycolic acid) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 용매일 수 있다.
그러나, 상기 용매들은 하나의 예시일 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
경우에 따라서는, 상기 과정(i)의 잉크에 첨가제를 더 첨가하여 제조될 수 있다.
상기 첨가제는 예를 들어, 분산제, 계면활성제, 중합체, 결합제, 가교결합제, 유화제, 소포제, 건조제, 충전제, 증량제, 증점화제, 필름 조건화제, 항산화제, 유동제, 평활성 첨가제, 및 부식 억제제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 상세하게는 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone: PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol), 안티테라 204(Anti-terra 204), 안티테라 205(Anti-terra 205), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 및 디스퍼스BYK110(DispersBYK110)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 과정(ii)의 코팅층을 형성하는 방법은, 예를 들어, 습식 코팅, 분무 코팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅, 접촉 프린팅, 상부 피드 리버스(feed reverse) 프린팅, 하부 피드 리버스(feed reverse) 프린팅, 노즐 피드 리버스(nozzle feed reverse) 프린팅, 그라비어(gravure) 프린팅, 마이크로그라비어(micro gravure) 프린팅, 리버스 마이크로그라비어(reverse micro gravure) 프린팅, 롤러 코팅, 슬롯 다이(slot die) 코팅, 모세관 코팅, 잉크젯 프린팅, 젯(jet) 침착, 분무 침착으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 일 수 있다.
상기 과정(iii)의 열처리는 섭씨 350 내지 900도 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
한편, 더욱 높은 밀도의 태양전지의 박막을 제조하기 위해서는 셀렌화 공정이 포함될 수 있고, 상기 셀렌화 공정은 다양한 방법에 의해 이루어질 수 있다.
첫 번째 예에서, 상기 과정(i)에서 금속 칼코게나이드 나노 입자 또는 금속 칼코게나이드 나노 입자 혼합물과 함께 S 및/또는 Se를 입자 형태로 용매에 분산하여 잉크를 제조하고, 과정(iii)의 열처리를 통함으로써 달성될 수 있다.
두 번째 예에서, 상기 과정(iii)의 열처리를 S 또는 Se가 존재하는 조건에서 수행함으로써 달성될 수 있다.
상세하게는, 상기 S 또는 Se 원소가 존재하는 조건은 H2S 또는 H2Se의 가스 형태로 공급하거나, Se 또는 S를 가열하여 기체로 공급함으로써 가능하다.
세 번째 예에서, 상기 과정(ii) 이후에 S 또는 Se를 적층한 후 과정(iii)을 진행하여 달성될 수 있다. 상세하게는, 상기 적층은 용액 공정에 의하여 이루어질 수 있고 증착 방법에 의해 이루어질 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 박막을 제공한다.
상기 박막은 0.5 ㎛ 내지 3.0 ㎛의 범위 내에서 두께를 가질 수 있으며, 더욱 상세하게는 박막의 두께는 0.5 ㎛ 내지 2.5 ㎛일 수 있다.
박막의 두께가 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 광흡수층의 밀도와 양이 충분치 못해 소망하는 광전 효율을 얻을 수 없고, 박막이 3.0 ㎛를 초과하는 경우에는, 전하운반자(carrier)가 이동하는 거리가 증가함에 따라 재결합(recombination)이 일어날 확률이 높아지므로 이로 인한 효율 저하가 발생하게 된다.
더 나아가, 본 발명은 상기 박막을 사용하여 제조되는 박막 태양전지를 제공한다.
박막의 태양전지를 제조하는 방법은 당업계에 이미 알려져 있으므로 본 명세서에는 그에 대한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 구리(Cu) 함유 칼코게나이드를 포함하는 코어(core)와, 주석(Sn) 함유 칼코게나이드 (i) 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell); 또는 (ii) 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell);로 이루어진 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 사용하여 광흡수층을 제조하는 경우, 공정 비용을 낮출 수 있고, 안전한 공정이 가능하여 생선성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자는 산화에 안정하고, 반응성이 우수한 바, 이를 사용하여 박막을 제조하는 경우, 양질의 막질을 제공할 수 있을 뿐 아니라, 한 입자 내에 Cu, Sn, Zn, S 또는 Se를 모두 포함하고 있어 박막의 전체적인 조성 균일성을 확보할 수 있는 바, 결과적으로 본 발명에 따른 태양전지의 광전효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 제조예 13에서 형성된 CuS 나노 입자의 전자현미경(SEM) 사진이다;
도 2은 제조예 13에서 형성된 CuS 나노 입자의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다;
도 3는 제조예 14에서 형성된 CuS 나노 입자의 전자현미경(SEM) 사진이다;
도 4는 제조예 14에서 형성된 CuS 나노 입자의 XRD(X-ray diffraction) 그래프이다;
도 5는 제조예 17에서 형성된 CuS-ZnS 코어-쉘 나노 입자의 전자현미경(SEM) 사진이다;
도 6은 제조예 17에서 형성된 CuS-ZnS 코어-쉘 나노 입자를 투과식 전자 현미경(TEM, TEM-EDX)으로 분석한 사진이다;
도 7은 실시예 2에서 형성된 CuS-ZnS-SnS 코어-쉘 나노 입자의 전자현미경 (SEM) 사진이다;
도 8은 실시예 2에서 형성된 CuS-ZnS-SnS 코어-쉘 나노 입자의 XRD(Xray diffraction) 그래프이다;
도 9는 실시예 2에서 형성된 CuS-ZnS-SnS 코어-쉘 나노 입자를 투과식 전자 현미경(TEM, TEM-EDX)으로 분석한 사진이다;
도 10은 실시예 2에서 형성된 CuS-ZnS-SnS 나노 입자를 투과식 전자 현미경(TEM, TEM-EDX)으로 분석한 또다른 사진이다; 및
도 11은 실시예 3에서 제조된 CZTSSe 박막의 전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Na2S을 포함하는 수용액 150 mL에 5 mmol의 Cu(NO3)2를 포함하는 수용액 100 mL을 적가한 후, 2시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 2>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Cu(NO3)2과 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 수용액 200 mL을 교반하며 섭씨 80도 이상으로 가열하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 3>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 CuCl2을 포함하는 수용액 60 mL를 섭씨 80도 이상으로 가열한 다음, 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 수용액 60 mL를 천천히 적가한 후, 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 4>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol: DEG) 용액 60 mL을 섭씨 60도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액 60 mL을 적가한 후, 온도를 유지하면서 1시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 5>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 DEG 용액 300 mL을 섭씨 120도로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액 100 mL를 적가한 후, 섭씨 120도의 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 6>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Cu(NO3)2와 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol: EG) 용액 80 mL을 섭씨 100도로 가열한 다음, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 7>
CuS 입자의 합성
DEG 용액 200 mL을 섭씨 120도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액 50 mL을 적가한 후, 5mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 DEG 용액 50 mL을 적가하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 8>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 EG 용액 250 mL을 섭씨 170도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 EG 용액 50 mL을 적가한 후, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 9>
CuS 입자의 합성
4 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DMSO(dimethyl sulfoxide) 용액 50 mL을 섭씨 60도 이상으로 가열한 다음, 2 mmol의 Cu(OAc)2를 포함하는 DMSO(dimethyl sulfoxide) 용액 50 mL을 적가한 후, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 10>
CuS 입자의 합성
디메틸 포름아마이드(dimethyl formamide: DMF) 용액 200 mL을 섭씨 120도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DMF 용액 50 mL을 적가한 후, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 DMF 용액 50 mL을 적가하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 11>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 수용액 250 mL을 섭씨 170도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 EG 용액 50 mL을 적가한 후, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 12>
CuS 입자의 합성
PVP 3 g이 포함된 DEG 용액 200 mL을 섭씨 120도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액 50 mL를 적가한 후, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 DEG 용액 50 mL을 적가하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 13>
CuS 입자의 합성
도데실 아민(Dodecylamine) 1 g이 포함된 DEG 용액 200 mL을 섭씨 120도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액 50 mL을 적가한 후, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 DEG 용액 50 mL를 적가하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다. 형성된 입자를 분석한 전자현미경(SEM) 사진 및 XRD 그래프를 도 1 및 도 2에 나타냈다.
<제조예 14>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 티오황산나트륨(sodium thiosulfate)를 포함하는 수용액 100 mL에 50 mmol의 시트르산(citric acid)를 포함하는 수용액 100 mL을 적가한 후, 섭씨 80도 이상으로 가열한 다음, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 수용액 50 mL을 적가하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다. 형성된 입자를 분석한 전자현미경(SEM) 사진 및 XRD 그래프를 도 3 및 도 4에 나타냈다.
<제조예 15>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 티오황산나트륨(sodium thiosulfate)를 포함하는 EG 용액 100 mL에 50 mmol의 시트르산(citric acid)를 포함하는 EG 용액 100 mL을 적가한 후, 섭씨 80도 이상으로 가열한 다음, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 EG 용액 50 mL를 적가한 후, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 16>
CuS 입자의 합성
5 mmol의 티오요소(thiourea)를 포함하는 EG 용액 100 mL를 섭씨 80도 이상으로 가열한 다음, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 EG 용액 100 mL을 적가한 후, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다.
<제조예 17>
CuS-ZnS 입자의 합성
도데실 아민(Dodecylamine) 1 g이 포함된 DEG 용액 200 mL를 섭씨 120도 이상으로 가열한 다음 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액 50 mL를 적가한 후, 5 mmol의 Cu(NO3)2을 포함하는 DEG 용액 50 mL를 적가하고, 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 CuS 나노입자를 제조하였다. 얻어진 CuS 나노 입자 중 100 mg을 DEG 용액 100 mL에 재분산 한 다음, 10 mmol의 티오아세트아미드 및 5 mmol의 ZnCl2를 포함하는 DEG 용액 100 mL를 적가한 다음, 섭씨 120도 이상으로 가열하고, 온도를 유지하며 3시간 동안 교반한 다음, 원심분리법으로 정제하여 입자를 얻었다. 형성된 입자를 분석한 전자현미경(SEM) 사진 및 투과식 전자현미경 사진(TEM)을 도 5 및 도 6에 나타내었다
<실시예 1>
CuS-SnS-ZnS 3층 코어-쉘 나노 입자의 합성
제조예 13에 의해 CuS 코어 입자를 합성한 다음, 상온에서 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 EG 용액을 넣은 다음에 5 mmol의 SnCl2를 포함하는 EG 용액을 다시 천천히 적가한 후, 섭씨 125도까지 온도를 올린 후 3시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응으로 코어-쉘 구조의 나노 입자를 형성시킨 후에, 원심분리 하여 CuS-SnS 입자를 얻고 DMSO에 재분산 한 다음, 다시 상온에서 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액을 넣은 다음에 6 mmol의 ZnCl2를 포함하는 DEG 용액을 다시 천천히 적가한 후, 섭씨 130도까지 온도를 올린 후 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 3층 코어-쉘 구조의 CuS-SnS-ZnS 나노 입자를 제조하였다.
<실시예 2>
CuS-ZnS-SnS 3층 코어-쉘 나노 입자의 합성
제조예 13에 의해 CuS 코어 입자를 합성한 다음, 상온에서 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 DEG 용액을 넣은 다음에 섭씨 130도까지 온도를 올리면서 6 mmol의 ZnCl2를 포함하는 DEG 용액을 다시 천천히 적가한 후, 섭씨 130도에서 3시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응으로 코어-쉘 구조의 나노 입자를 형성시킨 후에, 원심분리하여 CuS-ZnS 입자를 얻고 EG에 재분산 한 다음, 다시 상온에서 10 mmol의 티오아세트아미드(thioacetamide)를 포함하는 EG 용액을 넣은 다음에 5 mmol의 SnCl2를 포함하는 EG 용액을 다시 천천히 적가한 후, 섭씨 125도까지 온도를 올린 후 3시간 동안 교반하여 반응시키고, 형성된 입자를 원심분리법으로 정제하여 3층 코어-쉘 구조의 CuS-ZnS-SnS 나노 입자를 제조하였다. 형성된 입자를 분석한 전자현미경(SEM) 사진 및 XRD 그래프와 투과식 전자현미경 사진(TEM)을 도 7 내지 도 10에 나타내었다.
<실시예 3>
박막의 제조
실시예 19에 의해 합성된 나노 입자를 알콜계 용매로 이루어진 혼합 용매에 분산하여 잉크를 제조한 후, 몰리브덴(Mo)이 코팅된 유리 기판(glass substrate) 위에 코팅하였다. 상기 코팅 막을 건조시킨 후, Se이 증착된 유리 기판과 함께 가열하여 Se 분위기가 조성될 수 있도록 한 후 섭씨 575도로 RTA(Rapid Thermal Annealing)하여 CZTSSe계 박막을 제조하였다. 얻어진 박막을 분석한 전자현미경(SEM) 사진을 도 11에 나타내었다.
상기의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에서 서술한 3층 코어-쉘 구조의 입자를 전구체로 사용하여 CZTS 태양전지를 만들 수 있으며, 이를 전구체로 사용하여 박막을 제조하는 경우, 수 백 나노미터의 미시영역에서 CZTS에 필수적인 원소들이 모두 존재하며, 이 원소들이 원하는 비율로 존재하기 때문에 짧은 RTA 공정에서도 양질의 막질을 제공할 수 있을 뿐 아니라, 박막의 전체적인 조성 균일성을 확보할 수 있어 전자의 이동을 용이하게 함으로써 전체적인 광전환 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 태양전지의 광흡수층을 형성하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자로서, 구리(Cu) 함유 칼코게나이드를 포함하는 코어(core)와,
    (i) 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell); 또는
    (ii) 아연(Zn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 1 쉘(shell) 및 주석(Sn) 함유 칼코게나이드를 포함하는 제 2 쉘(shell);
    로 이루어져 있고,
    상기 코어의 입경은 20 나노미터 내지 200 나노미터인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 쉘 또는 제 2 쉘에 포함되는 아연(Zn) 함유 칼코게나이드의 중량은 상기 코어에 포함되는 구리(Cu) 함유 칼코게나이드 100 중량부 대비 35 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 쉘 또는 제 2 쉘에 포함되는 주석(Sn) 함유 칼코게나이드의 중량은 상기 코어에 포함되는 구리(Cu) 함유 칼코게나이드 100 중량부 대비 40 내지 65 중량부인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자.
  5. 제 1 항에 있어서, 구리(Cu) 함유 칼코게나이드는 CuS, CuxS(1.7≤x≤2.0), CuSe, 및 CuySe(1.7≤y≤2.0)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자.
  6. 제 1 항에 있어서, 주석(Sn) 함유 칼코게나이드는 SnS, 및/또는 SnSe인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자.
  7. 제 1 항에 있어서, 아연(Zn) 함유 칼코게나이드는 ZnS, 및/또는 ZnSe인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자.
  8. 제 1 항에 따른 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 합성하는 방법으로서,
    (i) 황(S), 또는 셀레늄(Se), 또는 황(S) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 VI족 소스를 포함하는 제 1 용액을 준비하는 과정;
    (ii) 구리(Cu)염을 포함하는 제 2 용액과 주석(Sn)염을 포함하는 제 3 용액 및 아연(Zn)염을 포함하는 제 4 용액을 준비하는 과정;
    (iii) 상기 제 1 용액과 제 2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 반응시켜 구리(Cu) 함유 칼코게나이드 코어 입자를 합성하는 과정;
    (iv) 상기 과정(iii)의 코어 입자를 포함하는 생성물에 상기 제 3 용액이나 제 4 용액을 혼합하여 제 1 쉘을 형성하는 과정;
    (v) 상기 과정(iv)의 제 1 쉘이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 생성물에 상기 과정(iv)에 포함되지 않은 제 4 용액이나 제 3 용액을 혼합하여 제 2 쉘을 형성하여 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 합성한 후, 정제하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 용액 내지 제 4 용액의 용매는 물, 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 글리콜류 용매, 오레일아민(oleylamine), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 및 디메틸포름아마이드(dimethyl formamide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 글리콜류 용매는 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP), 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르(diethylene glycol mono ethyl ether: DEGMEE) 및 트리에틸렌글리콜(triethylene glycol)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 염은 염화물(chloride), 질산염(nitrate), 아질산염(nitrite), 황산염(sulfate), 아세트산염(acetate), 아황산염(sulfite), 아세틸아세토네이트염(acetylacetoante) 및 수산화물(hydroxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 VI족 소스는 Se, Na2Se, K2Se, Ca2Se, (CH3)2Se, SeO2, SeCl4, H2SeO3, Na2S, K2S, Ca2S, (CH3)2S, H2SO4, S, Na2S2O3, NH2SO3H 및 이들의 수화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 VI족 소스는 티오요소(thiourea), 티오아세트아미드(thioacetamide), 및 셀레노유레아(selenourea)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 혼합물에서 VI족 소스는 구리(Cu)염 1몰에 대해 0.5 내지 4몰로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 제 3 용액 중의 주석(Sn)염의 농도는, 주석(Sn)/구리(Cu)의 몰비가 0.5 내지 3이 되는 범위에서 정해지는 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 제 4 용액 중의 아연(Zn)염의 농도는, 아연(Zn)/구리(Cu)의 몰비가 0.6 내지 3이 되는 범위에서 정해지는 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 과정(iv)의 코어 입자를 포함하는 생성물에 제 1 쉘을 형성시 또는 과정 (v)의 제 1 쉘이 형성된 코어-쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 생성물에 제 2 쉘을 형성시 추가로 VI족 소스를 첨가하는 것을 특징으로 하는 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자 합성방법.
  18. 제 8 항에 따른 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자에 기반한 광흡수층을 포함하는 박막을 제조하는 방법으로서,
    (i) 3층 코어-쉘 구조의 나노 입자를 용매에 분산하여 잉크를 제조하는 과정;
    (ii) 전극이 형성된 기재 상에 상기 잉크를 코팅하는 과정; 및
    (iii) 상기 전극이 형성된 기재 상에 코팅된 잉크를 건조한 후 열처리 하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 과정(i)의 용매는 알칸계(alkanes), 알켄계(alkenes), 알킨계(alkynes), 방향족 화합물계(aromatics), 케톤계(ketons), 니트릴계(nitriles), 에테르계(ethers), 에스테르계(esters), 유기할로겐화물계(organic halides), 알코올계(alcohols), 아민계(amines), 티올계(thiols), 카르복실 산계(carboxylic acids), 수소화인계(phosphines), 인산염계(phosphates), 황산화물계(sulfoxides), 및 아미드계(amides) 이루어진 군 으로부터 선택된 하나 이상의 유기용매인 것을 특징으로 하는 박막의 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 과정(i)의 잉크는 첨가제를 더 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 박막의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 첨가제는 폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone: PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol), 안티테라 204(Anti-terra 204), 안티테라 205(Anti-terra 205), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 및 디스퍼스BYK110(DispersBYK110)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막의 제조 방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 열처리는 섭씨 400 내지 900도 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막의 제조 방법.
  23. 삭제
  24. 삭제
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