KR101787625B1 - Method of manufacturing Zn(O,S) thin film - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아연 전구체 용액, 황 전구체 용액 및 수산화물 이온을 함유하는 용액을 각각 준비하는 단계; 상기 아연 전구체 용액, 황 전구체 용액 및 수산화물 이온을 함유하는 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물이 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스핀 코팅(spin coating) 방법을 이용하여 상기 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급하되 상기 혼합물을 상기 기판 상에 충돌 분사시켜 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막을 열처리 하는 단계;를 포함하는, Zn(O,S) 박막의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method for preparing a zinc precursor solution, comprising: preparing a solution containing a zinc precursor solution, a sulfur precursor solution and a hydroxide ion, respectively; Mixing the zinc precursor solution, the sulfur precursor solution and the solution containing hydroxide ions in a micro reactor to prepare a mixture; Continuously supplying the mixture onto the substrate using a spin coating method so that the mixture can be continuously formed on the substrate, and impinging the mixture on the substrate to form a thin film; And annealing the thin film. The present invention also provides a method of manufacturing a Zn (O, S) thin film.

Description

Zn(O,S) 박막의 제조방법{Method of manufacturing Zn(O,S) thin film}[0001] The present invention relates to a Zn (O, S) thin film,

본 발명은 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 Zn(O,S) 박막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a thin film, and more particularly, to a method of manufacturing a Zn (O, S) thin film.

태양전지 분야에서 유해 중금속인 카드뮴에 대한 사용규제에 대비하여 황화카드뮴 박막 대신에 황화아연 박막을 증착하는 용액공정기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 박막을 형성하기 위한 기존의 용액 증착 공정들은 황화아연 박막의 밴드갭을 조절할 수 없을 뿐만 아니라 황화아연 박막의 증착시간이 길어 경제적, 시간적 손실이 많고 연속적인 공정이 불가능하여 상용화가 되기 어려운 단점을 가지고 있다. 또한, 예를 들어, 화합물 박막 태양전지 중 CIGS 박막 태양전지의 CIGS 광흡수층 박막 형성온도인 450℃보다 황화아연 박막을 형성하는 온도가 높으므로, 황화아연 박막을 CIGS 화합물 박막 태양전지에 적용하기 위해서는 황화아연 박막의 열처리 온도를 낮추는 용액공정의 개발이 필요하다.In the field of solar cell, there is a need to develop a solution process technology for depositing a zinc sulfide thin film instead of a cadmium sulfide thin film in preparation for the regulation of use of cadmium which is harmful heavy metal. Conventional solution deposition processes for forming a thin film have disadvantages in that they can not control the band gap of the zinc sulfide thin film and the deposition time of the zinc sulfide thin film is long and economic and time loss is large and the continuous process is impossible and commercialization is difficult have. In addition, for example, since the temperature at which the zinc sulfide thin film is formed is higher than the CIGS light absorption layer thin film forming temperature of the CIGS thin film solar cell of the compound thin film solar cell, the application of the zinc sulfide thin film to the CIGS compound thin film solar cell It is necessary to develop a solution process for lowering the heat treatment temperature of the zinc sulfide thin film.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 저온 공정으로 밴드갭을 조절할 수 있는 Zn(O,S) 박막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a Zn (O, S) thin film capable of controlling a band gap by a low temperature process, which solves various problems including the above problems. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 따르면, Zn(O,S) 박막의 제조방법이 제공된다. 상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법은 수산화물 이온을 함유하는 용액, 아연 전구체 용액 및 황 전구체 용액을 각각 준비하는 단계; 상기 수산화물 이온을 함유하는 용액, 상기 아연 전구체 용액과 상기 황 전구체 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물이 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스핀 코팅(spin coating) 방법을 이용하여 상기 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급하되 상기 혼합물을 상기 기판 상에 충돌 분사시켜 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막을 열처리 하는 단계;를 포함한다. According to one aspect of the present invention, a method of manufacturing a Zn (O, S) thin film is provided. The method for producing the Zn (O, S) thin film includes: preparing a solution containing a hydroxide ion, a zinc precursor solution and a sulfur precursor solution, respectively; Preparing a solution containing the hydroxide ion, mixing the zinc precursor solution and the sulfur precursor solution in a micro reactor to prepare a mixture; Continuously supplying the mixture onto the substrate using a spin coating method so that the mixture can be continuously formed on the substrate, and impinging the mixture on the substrate to form a thin film; And heat treating the thin film.

상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법에서, 상기 수산화물 이온을 함유하는 용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 암모늄 아세테이트(NH4CH3CO2) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성될 수 있다. In the Zn (O, S) method of manufacturing a thin film, a solution containing the hydroxide ions are at least one of a sodium hydroxide (NaOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2) And may be formed by dissolving in a solvent.

상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법에서, 상기 아연 전구체 용액은 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O), 황산아연(ZnSO4), 염화아연(ZnCl2), 질산아연(Zn(NO3)2) 및 초산아연 수화물(Zinc acetate dihydrate, (CH3COO)2Zn·2H2O) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성될 수 있다. The zinc precursor solution may be selected from the group consisting of zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSO 4 .7H 2 O), zinc sulfate (ZnSO 4 ), zinc chloride (ZnCl 2 ) May be formed by dissolving at least one of zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ) and zinc acetate dihydrate ((CH 3 COO) 2 Zn · 2H 2 O) in a solvent.

상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법에서, 상기 황 전구체 용액은 치오우레아(thiourea, CH4N2S), 치오황산나트륨(Na2S2O3), 황화나트륨(Na2S) 및 황화수소(H2S) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성될 수 있다. In the above method for producing a Zn (O, S) thin film, the sulfur precursor solution may contain at least one of thiourea (CH 4 N 2 S), sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ), sodium sulfide (Na 2 S) (H 2 S) may be dissolved in a solvent.

본 발명의 다른 관점에 따르면, Zn(O,S) 박막의 제조방법이 제공된다. 상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법은 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O), 치오우레아(thiourea, CH4N2S) 및 암모늄 아세테이트(ammonium acetate, NH4CH3CO2)를 물에 용해한 전구체 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물이 상기 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스프레이(spray) 방법을 이용하여 상기 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급하되 상기 혼합물을 상기 기판 상에 충돌 분사시켜 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막을 열처리 하는 단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a Zn (O, S) thin film is provided. The Zn (O, S) method of manufacturing a thin film of zinc sulfate monohydrate (zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO 4 · 7H 2 O), Bang urea (thiourea, CH 4 N 2 S ) , and ammonium acetate (ammonium acetate, NH 4 CH 3 CO 2 ) in water to prepare a mixture by mixing the precursor solution in a micro reactor; Continuously supplying the mixture onto the substrate using a spraying method so that the mixture can be continuously formed on the substrate, wherein the mixture is sprayed onto the substrate to form a thin film; And heat treating the thin film.

상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법에서, 상기 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O)의 농도, 상기 치오우레아(thiourea, CH4N2S)의 농도 및 상기 암모늄 아세테이트(ammonium acetate, NH4CH3CO2)의 농도는 물 100mL에서 각각 대략 0.05M, 0.066M 및 0.012M이며, 상기 마이크로반응기 내에서 상기 혼합물의 유속은 대략 0.1 liter/min이며, 상기 기판이 실장되는 스핀 코터의 회전속도는 대략 1500 rpm이며, 상기 혼합물이 상기 기판과 충돌되는 시간은 대략 2분일 수 있다. The concentration of the zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSO 4 .7H 2 O), the concentration of the thiourea (CH 4 N 2 S) and the concentration of the zinc sulfate hepta-hydrate The concentration of ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2 ) is approximately 0.05 M, 0.066 M and 0.012 M, respectively, in 100 ml of water, the flow rate of the mixture in the microreactor is approximately 0.1 liter / min, The rotational speed of the spin coater to be mounted is approximately 1500 rpm, and the time for which the mixture collides with the substrate may be approximately 2 minutes.

상기 Zn(O,S) 박막의 제조방법에서, 상기 박막을 열처리 하는 단계는 상기 박막을 200℃의 대기압 하에서 대략 30분 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. In the method of manufacturing the Zn (O, S) thin film, the step of heat-treating the thin film may include heat treating the thin film at about 200 ° C under atmospheric pressure for about 30 minutes.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연속흐름반응(CFR) 스핀 코팅 방법을 이용하여 저온에서 Zn(O,S) 박막을 증착함으로써 증착시간을 단축하고, 밴드갭 엔지니어링(band gap engineering)이 용이하고 열처리 온도가 낮으며, 저비용의 Cd-free Zn(O,S) 박막을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention as described above, the deposition time is shortened by depositing a Zn (O, S) thin film at a low temperature using a continuous flow reaction (CFR) spin coating method and the band gap engineering Cd-free Zn (O, S) thin film can be realized with low cost and low heat treatment temperature. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 광 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a graph illustrating the light transmittance of a Zn (O, S) thin film implemented in a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the XRD analysis results of the Zn (O, S) thin film implemented by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3C are graphs showing XPS analysis results of a Zn (O, S) thin film implemented by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.It is to be understood that throughout the specification, when an element such as a film, an area, or a substrate is referred to as being "on" another element, the element may be directly "on" another element, It is to be understood that there may be other components intervening in the system. On the other hand, when an element is referred to as being "directly on" another element, it is understood that there are no other elements intervening therebetween. Like numbers refer to like elements. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

또한, "상의" 또는 "하의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
Also, relative terms such as "top" or "bottom" may be used herein to describe the relationship of certain elements to other elements as illustrated in the figures. Relative terms are intended to include different orientations of the device in addition to those depicted in the Figures. For example, in the figures the elements are turned over so that the elements depicted as being on the top surface of the other elements are oriented on the bottom surface of the other elements. Thus, the example "top" may include both "under" and "top" directions depending on the particular orientation of the figure. If the elements are oriented in different directions (rotated 90 degrees with respect to the other direction), the relative descriptions used herein can be interpreted accordingly.

본 발명의 일 실시예에 따른 Zn(O,S) 박막의 제조방법은 수산화물 이온을 함유하는 용액, 아연 전구체 용액 및 황 전구체 용액을 각각 준비하는 단계(S10); 상기 수산화물 이온을 함유하는 용액, 상기 아연 전구체 용액과 상기 황 전구체 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계(S20); 상기 혼합물이 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스핀 코팅(spin coating) 방법을 이용하여 상기 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급하되 상기 혼합물을 상기 기판 상에 충돌 분사시켜 박막을 형성하는 단계(S30); 및 상기 박막을 열처리 하는 단계(S40);를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 Zn(O,S) 박막은 황과 산소를 함유하는 아연 박막으로 이해될 수 있다. A method of preparing a Zn (O, S) thin film according to an embodiment of the present invention includes preparing a solution containing a hydroxide ion, a zinc precursor solution and a sulfur precursor solution, respectively (S10); (S20) mixing the solution containing the hydroxide ions, the zinc precursor solution and the sulfur precursor solution in a micro reactor to prepare a mixture; (S30) a step of forming a thin film by continuously supplying the mixture onto the substrate by using a spin coating method so that the mixture can be continuously formed on the substrate, ; And heat treating the thin film (S40). The Zn (O, S) thin film used in this specification can be understood as a zinc thin film containing sulfur and oxygen.

Zn(O,S) 박막의 제조방법은 먼저, 기판을 준비할 수 있다. 상기 기판은 예를 들면, 소다라임유리(Soda Lime Glass)를 사용할 수 있다. 가열된 수산화나트륨 용액을 이용하여 소다라임유리 기판을 세정할 수 있다. 또, 초순수를 이용하여 세정된 소다라임유리 기판을 초음파로 추가 세정할 수도 있다.In the method of manufacturing the Zn (O, S) thin film, a substrate can be prepared first. The substrate may be, for example, Soda Lime Glass. Soda lime glass substrates can be cleaned using heated sodium hydroxide solution. Further, the soda lime glass substrate cleaned with ultrapure water may be further washed with ultrasonic waves.

한편, 아연 전구체 용액은 아연 공급원 및 수산화암모늄(NH4OH)을 용매(예를 들어, 물)에 용해시켜 형성할 수 있다. 상기 아연 공급원은 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSo4·7H2O), 황산아연(ZnSO4), 염화아연(ZnCl2), 질산아연(Zn(NO3)2) 및 초산아연 수화물(Zinc acetate dihydrate, (CH3COO)2Zn·2H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.On the other hand, a zinc precursor solution can be formed by dissolving a zinc source and ammonium hydroxide (NH 4 OH) in a solvent (e.g., water). The zinc source is selected from the group consisting of zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSo 4 .7H 2 O), zinc sulfate (ZnSO 4 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ) (Zinc acetate dihydrate, (CH 3 COO) 2 Zn · 2H 2 O).

또한, 황 전구체 용액은 황 공급원 및 수산화암모늄(NH4OH)을 용매(예를 들어, 물)에에 용해시켜 형성할 수 있다. 상기 황 공급원은 치오우레아(thiourea, CH4N2S), 치오황산나트륨(Na2S2O3), 황화나트륨(Na2S) 및 황화수소(H2S) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In addition, the sulfur precursor solution can be formed by dissolving a sulfur source and ammonium hydroxide (NH 4 OH) in a solvent (e.g., water). The source of sulfur may comprise at least one of thiourea (CH 4 N 2 S), sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ), sodium sulfide (Na 2 S) and hydrogen sulfide (H 2 S) .

또한, 수산화물 이온을 함유하는 용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 암모늄 아세테이트(NH4CH3CO2) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성될 수 있다. Further, a solution containing hydroxide ions can be formed by dissolving at least any one solvent of the aqueous sodium hydroxide (NaOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2) .

예를 들면, 기판을 약 100℃ 내지 200℃로 가열하여 준비하고, 상기 수산화물 이온을 함유하는 용액, 상기 아연 전구체 용액과 상기 황 전구체 용액을 마이크로 반응기(micro reactor) 내에서 혼합하여 혼합물을 준비할 수 있다. 가열된 기판 상에 혼합물을 충돌 분사시켜 박막을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 혼합물을 충돌 분사시키는 방법은 혼합물이 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스핀 코팅(spin coating) 방법을 이용하여 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급할 수 있다. 또, 가열된 기판 상에 혼합물을 약 50㎖/초 내지 150㎖/초의 유속으로 약 60초 내지 180초 동안 충돌 분사시켜 Zn(O,S)막을 증착할 수 있다. 여기서, 상기 혼합물을 기판에 충돌 분사시키는 방법은 이하에서, 연속흐름반응기(Continuos Flow Reactor; 이하, CFR)-스핀 코팅 방법으로 이해될 수 있다. 마지막으로, 상기 Zn(O,S)막을 대기압 분위기에서 약 150℃ 내지 250℃의 온도범위에서 열처리함으로써 Zn(O,S) 박막을 형성할 수 있다.For example, a substrate is prepared by heating to about 100 ° C to 200 ° C, and a solution containing the hydroxide ion, the zinc precursor solution and the sulfur precursor solution are mixed in a micro reactor to prepare a mixture . A thin film can be formed by impinging the mixture on a heated substrate. At this time, the method of impinging the mixture on the substrate can continuously supply the mixture onto the substrate by using a spin coating method so that the mixture can be continuously formed on the substrate. Also, the Zn (O, S) film can be deposited by impinging the mixture on the heated substrate at a flow rate of about 50 ml / sec to 150 ml / sec for about 60 seconds to 180 seconds. Hereinafter, the method of spraying the mixture onto the substrate can be understood as a Continuos Flow Reactor (hereinafter referred to as CFR) -spin coating method. Finally, a Zn (O, S) thin film can be formed by heat-treating the Zn (O, S) film at a temperature ranging from about 150 ° C to 250 ° C in an atmospheric pressure atmosphere.

상술한 Zn(O,S) 박막을 형성하는 예시적인 반응 과정을 이하에서 설명한다. An exemplary reaction process for forming the Zn (O, S) thin film described above will be described below.

황산아연 수화물(zinc sulfate, ZnSO4·7H2O) 및 치오우레아(thiourea, CS(NH2)2)은 각각 아연과 황의 소스 물질일 수 있다. 암모니아 용액(NH4OH) 및 하이드라진 하이드레이트(hydrazine hydrate, N2H4)가 CBD(Chemical Bath Deposition) 공정에서 용액 내 분말 형성을 방지하고 아연 이온(Zn2+)을 생성하기 위한 복합제(complexing agent)로 사용될 수 있다. Zinc sulfate (ZnSO 4 .7H 2 O) and thiourea (CS (NH 2 ) 2 ) may each be a source material of zinc and sulfur. Ammonia solution (NH 4 OH) and hydrazine hydrate (hydrazine hydrate, N 2 H 4 ) a CBD (Chemical Bath Deposition) to prevent the powder formed in the solution process and the composites to produce a zinc ion (Zn 2+) (complexing agent ).

ZnS 박막은 다음의 반응들에 의하여 기판 상에 형성된다. The ZnS thin film is formed on the substrate by the following reactions.

우선, 아연 이온(Zn2+)들은 식 (1)에 의한 ZnSO4 염의 분해에 의하여 생성된다. First, zinc ions (Zn 2+ ) are formed by the decomposition of ZnSO 4 salt according to equation (1).

식 (1) : Equation (1):

Figure 112016013418345-pat00001
Figure 112016013418345-pat00001

황 이온(S2-)들은 식 2와 같이 치오우레아의 가수분해에 의하여 생성된다. Sulfur ions (S 2- ) are formed by the hydrolysis of thiourea as shown in equation ( 2 ).

식 (2) : Equation (2):

Figure 112016013418345-pat00002
Figure 112016013418345-pat00002

식 3 내지 식 5와 같이, 이러한 용액들에서 암모니아는 아연 이온(Zn2+)들과 반응하여 아연 리간드를 생성하고, 암모니아 수산화물은 황 이온(S2-)들을 생성하기 위하여 수산화이온(OH-)을 제공한다. In these solutions, ammonia reacts with zinc ions (Zn 2+ ) to form zinc ligands, and ammonia hydroxides form hydroxide ions (OH - ) to produce sulfur ions (S 2- ) ).

식 (3) : Equation (3):

Figure 112016013418345-pat00003
Figure 112016013418345-pat00003

식 (4) : Equation (4):

Figure 112016013418345-pat00004
Figure 112016013418345-pat00004

식 (5) : Equation (5):

Figure 112016013418345-pat00005
Figure 112016013418345-pat00005

그 다음에, 식 (6)에 의하여 기판 표면 상에 ZnS 박막이 형성된다.Next, a ZnS thin film is formed on the substrate surface by the formula (6).

식 (6) :Equation (6):

Figure 112016013418345-pat00006

Figure 112016013418345-pat00006

ZnS 박막 내에 ZnO 및/또는 Zn(OH2)의 불순물들이 존재하는 것이 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다. 본 발명에서 Zn(O,S) 박막은 다음의 반응들을 포함하는 CFR-스핀 코팅 방법에 의하여 형성될 수 있다. The presence of ZnO and / or Zn (OH 2 ) impurities in the ZnS thin film can increase the efficiency of the solar cell. In the present invention, the Zn (O, S) thin film can be formed by a CFR-spin coating method including the following reactions.

식 (7)과 같이, 아연 수산화물(zinc hydroxide)은 수산화 이온들을 포함하는 용액에서 생성된다. As in equation (7), zinc hydroxide is produced in a solution containing hydroxide ions.

식 (7) :Equation (7):

Figure 112016013418345-pat00007
Figure 112016013418345-pat00007

식 (8)과 같이 아연 산화물(zinc oxide)은 초기 증착된 막을 열처리 하는 동안 건조되어 형성될 수 있다. The zinc oxide can be formed by drying during the heat treatment of the initially deposited film as shown in equation (8).

식 (8) :Equation (8):

Figure 112016013418345-pat00008
Figure 112016013418345-pat00008

CBD 공정에 의하여 Zn(O,S) 박막을 형성하는 과정은 적어도 1시간 이상의 긴 시간이 소요되는 반면에, 본 발명에서 제안하는 용액과 CFR-스핀 코팅 방법에 따를 경우, 동일한 두께의 Zn(O,S) 박막을 형성하는 과정이 5 분 이하로 완성될 수 있음을 확인하였다. The process of forming the Zn (O, S) thin film by the CBD process requires a long time of at least 1 hour, whereas when the solution proposed in the present invention and the CFR-spin coating method are used, , S) thin film can be completed in 5 minutes or less.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, experimental examples are provided to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

소다라임유리(SLG)를 기판으로 사용한다. 소다라임유리 표면의 잔류 먼지와 유기물을 제거하기 위하여 1M의 농도를 가지는 수산화나트륨, 아세톤, 메탄올 및 증류수을 각각 약 15분씩 순차적으로 초음파 세척을 실시했다. 이후에 질소가스(N2)를 이용하여 세정된 소다라임유리 표면의 습기를 제거하였다.Soda lime glass (SLG) is used as a substrate. Sodium hydroxide, acetone, methanol and distilled water having a concentration of 1 M were sequentially sonicated for about 15 minutes each to remove residual dust and organic matter from the soda lime glass surface. Thereafter, the moisture of the surface of the soda lime glass washed with nitrogen gas (N 2 ) was removed.

소다라임유리의 온도는 약 110℃로 고정하고, 워터 배스(water bath)의 온도는 약 90℃로 고정한다. 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O), 치오우레아(thiourea, CH4N2S) 및 암모늄 아세테이트(ammonium acetate, NH4CH3CO2)를 물(DI)에 용해한 전구체 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비한다. 상기 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O)의 농도, 상기 치오우레아(thiourea, CH4N2S)의 농도 및 상기 암모늄 아세테이트(ammonium acetate, NH4CH3CO2)의 농도는 물 100mL에서 각각 0.05M, 0.066M 및 0.012M일 수 있다. The temperature of the soda lime glass is fixed at about 110 캜, and the temperature of the water bath is fixed at about 90 캜. (ZnSO 4 · 7H 2 O), thiourea (CH 4 N 2 S) and ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2 ) in water (DI) Prepare the mixture by mixing the precursor solution in a micro reactor. The concentration of the zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSO 4 .7H 2 O), the concentration of the thiourea (CH 4 N 2 S) and the concentration of the ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2 ) May be 0.05 M, 0.066 M and 0.012 M, respectively, in 100 mL of water.

암모늄 아세테이트(ammonium acetate)가 복합제(complex agent)로 사용된다. 액상의 수산화나트륨(NaOH)이 pH를 조절하기 위하여 제공될 수 있다. 전구체 용액과 액상의 수산화나트륨의 혼합 비율은 pH의 측면에서 가변될 수 있다. 마이크로반응기 내에서 상기 혼합물의 유속은 대략 0.1 liter/min이며, 상기 기판이 장착되는 스핀 코터의 회전속도는 대략 1500 rpm이며, 상기 혼합물이 상기 기판과 충돌되는 시간은 대략 2분으로 설정하였다. Ammonium acetate is used as a complex agent. Liquid sodium hydroxide (NaOH) may be provided to control the pH. The mixing ratio of the precursor solution and the liquid sodium hydroxide may vary in terms of pH. The flow rate of the mixture in the microreactor was approximately 0.1 liter / min, the rotation speed of the spin coater on which the substrate was mounted was approximately 1500 rpm, and the time during which the mixture collides with the substrate was set to approximately 2 minutes.

상술한 방법으로 형성된 막의 결정성을 개선하고 잔류 기공을 제거하기 위하여 초기 증착된 Zn(O,S) 막은 대기압 하에서 대략 30분 동안 200℃의 온도에서 어닐링 열처리 된고, 최종적으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 두께는 대략 40 nm이다. The initially deposited Zn (O, S) film was annealed at a temperature of 200 ° C for about 30 minutes under atmospheric pressure to improve the crystallinity of the film formed by the above-described method and to remove residual pores, S) thin film is approximately 40 nm.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 광 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 200℃의 온도에서 어닐링 열처리되어 구현된 Zn(O,S) 박막은 가시 영역에서 85%를 상회함을 확인할 수 있다. FIG. 1 is a graph illustrating the light transmittance of a Zn (O, S) thin film implemented in a manufacturing method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, it can be seen that the Zn (O, S) thin film formed by annealing at a temperature of 200 ° C. is more than 85% in the visible region.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, CFR-스핀 코팅 방법으로 형성한 막을 200℃의 온도에서 30분 동안 어닐링 열처리되어 구현된 Zn(O,S) 박막의 결정 구조와 결정 배향성이 나타난다. XRD 스펙트럼에서 ZnS 의 피크와 ZnO의 피크는 커플링됨을 확인할 수 있다.FIG. 2 is a graph showing the XRD analysis results of the Zn (O, S) thin film implemented by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the crystal structure and crystal orientation of the Zn (O, S) thin film formed by annealing annealing at a temperature of 200 ° C. for 30 minutes are shown by a CFR-spin coating method. In the XRD spectrum, it can be confirmed that the peak of ZnS and the peak of ZnO are coupled.

JCPDS 00-080-0074에서 2θ= 31.73˚, 34.46˚, 36.21˚, 47.47˚, 56.21˚, 62.75˚및 67.85˚에서 검출된 회절 피크는 헥사고날(hexagonal) ZnO 구조체의 (100), 9002), (101), (102), (110), (103) 및 (112) 결정면에 각각 대응한다. 한편, 2θ= 29.06˚, 49.40˚및 57.42˚에서 검출된 회절 피크는 큐빅(cubic) ZnS 구조체의 (111), (220) 및 (311) 결정면에 각각 대응한다. 이러한 피크들은 JCPDS 01-079-0043의 데이타 베이스와 잘 일치한다. 본 실험에서 헥사고날 형태의 ZnS에 해당하는 피크는 검출되지 않았다. ZnS는 두 가지 형태의 결정 형태로 존재하는 바, 상대적으로 높은 어닐링 온도에서는 헥사고날 결정 형태의 ZnS이 형성되며 상대적으로 낮은 온도의 어닐링 조건에서는 큐빅 결정 형태의 ZnS이 형성된다. 본 실험에서는 상대적으로 낮은 온도에서 어닐링 공정이 수행되었으므로 형성되는 ZnS의 결정 형태는 헥사고날이 아니라 큐빅 결정 형태임을 확인하였다. The diffraction peaks detected at 2θ = 31.73 °, 34.46 °, 36.21 °, 47.47 °, 56.21 °, 62.75 °, and 67.85 ° in JCPDS 00-080-0074 are the (100), 9002 (101), (102), (110), (103) and (112) crystal planes respectively. On the other hand, the diffraction peaks detected at 2θ = 29.06 °, 49.40 ° and 57.42 ° correspond to the (111), (220) and (311) crystal planes of the cubic ZnS structure, respectively. These peaks are in good agreement with the database of JCPDS 01-079-0043. No peak corresponding to hexagonal type ZnS was detected in this experiment. ZnS exists in two types of crystal form. At relatively high annealing temperature, ZnS is formed in hexagonal crystal form. In relatively low temperature annealing condition, cubic crystal form ZnS is formed. In this experiment, the annealing process was performed at a relatively low temperature. Therefore, it was confirmed that the crystal form of ZnS formed was cubic crystal form rather than hexagonal form.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 Zn(O,S) 박막의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다. FIGS. 3A to 3C are graphs showing XPS analysis results of a Zn (O, S) thin film implemented by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 3a를 참조하면, Zn 2p 코어 레벨 스펙트럼이 나타난다. 1022.38 V에 위치하는 피크는 아연 원소에서 방출되는 Zn 2p3/2 전자에 해당하는 결합 에너지에 대응되며, 1045.48 V에 위치하는 피크는 아연 원소에서 방출되는 Zn 2p1/2 전자에 해당하는 결합 에너지에 대응된다. 도 3b를 참조하면, S 2p 코어 레벨 스펙트럼이 나타난다. 162.38 V에 위치하는 피크는 원소에서 방출되는 S 2p 전자 상태에 기인한다. 도 3c를 참조하면, 531.98 V에 위치하는 피크는 원소에서 방출되는 O 1s 전자 상태에 대응된다. Referring to FIG. 3A, a Zn 2p core level spectrum appears. The peak located at 1022.38 V corresponds to the binding energy corresponding to the Zn 2p 3/2 electron emitted from the zinc element and the peak located at 1045.48 V corresponds to the binding energy corresponding to the Zn 2p 1/2 electron emitted from the zinc element . Referring to FIG. 3B, an S 2p core level spectrum appears. The peak located at 162.38 V is due to the S 2p electron state released from the element. Referring to FIG. 3C, the peak located at 531.98 V corresponds to the O < 1s > electron state emitted from the element.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 Zn(O,S) 박막의 제조방법은 CBD 공정의 변형된 연속흐름반응기(Continuos Flow Reactor; 이하, CFR)-스핀 코팅 방법을 이용하여 상대적으로 저온에서 증착함으로써 증착시간을 단축하여 인체에 무해한 Cd-free 버퍼층을 저가로 제조할 수 있다.As described above, the manufacturing method of the Zn (O, S) thin film according to the present invention is performed at a relatively low temperature by using a modified Continuous Flow Reactor (hereinafter, referred to as CFR) -spin coating method of the CBD process The Cd-free buffer layer which is harmless to the human body can be manufactured at a low cost by shortening the deposition time.

또한, 개발된 CFR-스핀 코팅 방법은 향후 반도체, 광학, 에너지 등 다양한 분야로의 적용이 가능하며, Zn(O,S) 박막 이외에도 찰코지나이드계 화합물 박막 태양전지 및 디스플레이용 투명 박막 트랜지스터(TFT)에도 다양하게 응용이 가능하다.In addition, the developed CFR-spin coating method can be applied to various fields such as semiconductor, optical, and energy. In addition to Zn (O, S) thin film, it is also possible to use a chalcogenide compound thin film solar cell and a transparent thin film transistor ) Can be applied to various applications.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (7)

아연 전구체 용액, 황 전구체 용액 및 수산화물 이온을 함유하는 용액을 각각 준비하는 단계;
상기 아연 전구체 용액, 황 전구체 용액 및 수산화물 이온을 함유하는 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계;
상기 혼합물이 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스핀 코팅(spin coating) 방법을 이용하여 상기 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급하되 상기 혼합물을 상기 기판 상에 충돌 분사시켜 박막을 형성하는 단계; 및
상기 박막을 열처리 하는 단계;
를 포함하되,
상기 박막을 열처리 하는 단계가 200℃의 온도에서 수행되어 구현된 상기 박막의 XRD 스펙트럼은 커플링된 ZnS의 피크와 ZnO의 피크가 나타나며, 상기 ZnS의 피크는 헥사고날(hexagonal) ZnS 구조체가 아닌 큐빅(cubic) ZnS 구조체의 결정면에 대응하며, 상기 ZnO의 피크는 헥사고날(hexagonal) ZnO 구조체의 결정면에 대응하는,
Zn(O,S) 박막의 제조방법.
Preparing a solution containing a zinc precursor solution, a sulfur precursor solution and a hydroxide ion, respectively;
Mixing the zinc precursor solution, the sulfur precursor solution and the solution containing hydroxide ions in a micro reactor to prepare a mixture;
Continuously supplying the mixture onto the substrate using a spin coating method so that the mixture can be continuously formed on the substrate, and impinging the mixture on the substrate to form a thin film; And
Heat treating the thin film;
, ≪ / RTI &
The annealing of the thin film was performed at a temperature of 200 ° C. The XRD spectrum of the thin film exhibited a peak of coupled ZnS and a peak of ZnO. The peak of ZnS was not a hexagonal ZnS structure, and a peak of the ZnO corresponds to a crystal plane of the hexagonal ZnO structure,
Zn (O, S) thin film.
제 1 항에 있어서,
상기 아연 전구체 용액은 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O), 황산아연(ZnSO4), 염화아연(ZnCl2), 질산아연(Zn(NO3)2) 및 초산아연 수화물(Zinc acetate dihydrate, (CH3COO)2Zn·2H2O) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성된, Zn(O,S) 박막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The zinc precursor solution may be selected from the group consisting of zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSO 4 .7H 2 O), zinc sulfate (ZnSO 4 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ) Wherein the Zn (O, S) thin film is formed by dissolving at least one of zinc acetate dihydrate (CH 3 COO) 2 Zn · 2H 2 O in a solvent.
제 1 항에 있어서,
상기 황 전구체 용액은 치오우레아(thiourea, CH4N2S), 치오황산나트륨(Na2S2O3), 황화나트륨(Na2S) 및 황화수소(H2S) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성된, Zn(O,S) 박막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The sulfur precursor solution is prepared by dissolving at least one of thiourea (CH 4 N 2 S), sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ), sodium sulfide (Na 2 S) and hydrogen sulfide (H 2 S) (O, S) thin film formed on the substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 수산화물 이온을 함유하는 용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화암모늄(NH4OH) 및 암모늄 아세테이트(NH4CH3CO2) 중 적어도 어느 하나를 용매에 용해시켜 형성된, Zn(O,S) 박막의 제조방법.
The method according to claim 1,
A solution containing the hydroxide ion is ammonium hydroxide, sodium hydroxide (NaOH), (NH 4 OH) and ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2) of at least one of dissolving in a solvent is formed, Zn (O, S) films ≪ / RTI >
황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O), 치오우레아(thiourea, CH4N2S) 및 암모늄 아세테이트(ammonium acetate, NH4CH3CO2)를 물에 용해한 전구체 용액을 마이크로반응기(micro reactor)에서 혼합하여 혼합물을 준비하는 단계;
상기 혼합물이 기판 상에서 연속적으로 형성될 수 있도록 스핀 코팅 방법을 이용하여 상기 혼합물을 상기 기판 상에 연속적으로 공급하되 상기 혼합물을 상기 기판 상에 충돌 분사시켜 박막을 형성하는 단계; 및
상기 박막을 열처리 하는 단계;
를 포함하되,
상기 박막을 열처리 하는 단계가 200℃의 온도에서 수행되어 구현된 상기 박막의 XRD 스펙트럼은 커플링된 ZnS의 피크와 ZnO의 피크가 나타나며, 상기 ZnS의 피크는 헥사고날(hexagonal) ZnS 구조체가 아닌 큐빅(cubic) ZnS 구조체의 결정면에 대응하며, 상기 ZnO의 피크는 헥사고날(hexagonal) ZnO 구조체의 결정면에 대응하는,
Zn(O,S) 박막의 제조방법.
A precursor solution in which zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSO 4 .7H 2 O), thiourea (CH 4 N 2 S) and ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2 ) Mixing in a micro reactor to prepare a mixture;
Continuously supplying the mixture onto the substrate using a spin coating method so that the mixture can be continuously formed on the substrate, and impinging the mixture on the substrate to form a thin film; And
Heat treating the thin film;
, ≪ / RTI &
The annealing of the thin film was performed at a temperature of 200 ° C. The XRD spectrum of the thin film exhibited a peak of coupled ZnS and a peak of ZnO. The peak of ZnS was not a hexagonal ZnS structure, and a peak of the ZnO corresponds to a crystal plane of the hexagonal ZnO structure,
Zn (O, S) thin film.
제 5 항에 있어서,
상기 황산아연 수화물(zinc sulfate hepta-hydrate, ZnSO4·7H2O)의 농도, 상기 치오우레아(thiourea, CH4N2S)의 농도 및 상기 암모늄 아세테이트(ammonium acetate, NH4CH3CO2)의 농도는 물 100mL에서 각각 0.05M, 0.066M 및 0.012M이며,
상기 마이크로반응기 내에서 상기 혼합물의 유속은 0.1 liter/min이며, 상기 기판이 실장되는 스핀 코터의 회전속도는 1500 rpm이며, 상기 혼합물이 상기 기판과 충돌되는 시간은 대략 2분인,
Zn(O,S) 박막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The concentration of the zinc sulfate hepta-hydrate (ZnSO 4 .7H 2 O), the concentration of the thiourea (CH 4 N 2 S) and the concentration of the ammonium acetate (NH 4 CH 3 CO 2 ) Were 0.05 M, 0.066 M and 0.012 M, respectively, in 100 ml of water,
Wherein the flow rate of the mixture in the microreactor is 0.1 liter / min, the rotation speed of the spin coater on which the substrate is mounted is 1500 rpm, and the time when the mixture collides with the substrate is approximately 2 minutes.
Zn (O, S) thin film.
제 5 항에 있어서,
상기 박막을 열처리 하는 단계는 상기 박막을 200℃의 대기압 하에서 30분 동안 열처리하는 단계를 포함하는, Zn(O,S) 박막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the step of heat treating the thin film comprises heat treating the thin film at 200 ° C under atmospheric pressure for 30 minutes.
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