KR20120023452A - Light absorption nano-particle precursor, method for producing the precursor, light absorption nano-particle using the precursor and the method for producing the nano-particle - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A nanoparticle precursor for optical absorption, a manufacture method thereof, and nano particle for the high quality optical absorption using thereof are provided to manufacture the nanoparticle precursor without using toxic material. CONSTITUTION: A manufacturing method of nano particle precursor for optical absorption comprises the following steps: preparing reaction solution which includes Cu, S and at least one of In and Ga; adjusting pH of the reaction solution; forming nanoparticle precursor for optical absorption by irradiating Microwave to the pH adjusted reaction solution; and separating nanoparticle precursor for optical absorption. A composition ratio of Cu, S, In, or Ga are adjusted in accordance with pH of the reaction solution. The nano particle precursor for optical absorption is one of the following precursors: CuInS2[CIS]nano particle precursor, Cu(In,Ga)S2[CIGS] nano particle precursor, CuIn(S,Se)2[CISS]nano particle precursor, or Cu(In,Ga)(S,Se)2[CIGSS] nano particle precursor. The Microwave irradiates in 100-700W power for 5 minutes to 1 hour.

Description

광흡수용 나노입자 전구체 및 제조방법과, 상기 전구체를 이용한 고품질광흡수용 나노입자 및 그 제조방법{Light absorption nano-particle precursor, method for producing the precursor, light absorption nano-particle using the precursor and the method for producing the nano-particle}Light absorption nano-particle precursor, method for producing the precursor, light absorption nano-particle using the precursor and the method for producing the nano-particle}

본 발명은 광흡수용 나노입자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 독성물질을 사용하지 않아 친환경적이면서도 보다 저가의 공정을 통해 태양전지 박막에 사용될 수 있는 광흡수용 나노입자 전구체 및 그 제조방법과 그 전구체를 이용한 고품질 광흡수용 나노입자 및 그 나노입자 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to light absorbing nanoparticles, and more specifically, light absorbing nanoparticle precursors that can be used in solar cell thin films through environmentally friendly and less expensive processes without using toxic substances, and methods of manufacturing the same and precursors thereof It relates to a high quality light absorption nanoparticles and a method for producing the nanoparticles.

최근 화석 에너지 고갈과 환경 문제로 인하여, 이산화탄소를 생산하지 않는 태양전지의 발전과 보급에 많은 관심이 집중 되고 있다. 또한 태양 전지의 경제성을 확보하기 위하여, 저가 고효율의 태양전지 개발 필요성이 증대 되고 있다. Recently, due to fossil energy depletion and environmental problems, much attention has been focused on the development and distribution of solar cells that do not produce carbon dioxide. In addition, in order to secure the economics of solar cells, the necessity of developing low cost and high efficiency solar cells is increasing.

하지만, 현재 태양전지 시장의 주종을 이루고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 200 ㎛ 내외의 기판을 사용하기 때문에 생산 단가를 낮추는데 한계가 있으며, 특히 실리콘 원소재 공급 역시 큰 문제점으로 지적 되고 있다. 이에 따라, 생산 단가를 나추기 위하여, 유리나 유연 기판을 사용하거나 실리콘을 대체 할 광 흡수 물질을 5 ㎛ 내외의 얇은 층만을 사용한 박막형 태양전지 등이 새로운 대안으로 주목된다. However, crystalline silicon solar cells, which currently dominate the solar cell market, are limited to lower production costs because they use substrates of about 200 μm. In particular, the supply of silicon raw materials is also pointed out as a big problem. Accordingly, in order to reduce the production cost, a thin film solar cell using a glass or a flexible substrate, or a thin layer having a light absorbing material that replaces silicon and having a thickness of about 5 μm or the like is attracting attention as a new alternative.

최근, 미국 신재생 에너지 연구소 (NREL)에서는 높은 광 흡수 계수와 화학적 안정성을 갖는 Cu(In,Ga)Se2(CIGS 또는 CIS)등의 Se계 화합물 박막을 소재를 활용한 태양전지로 19.9%의 높은 변환 효율을 나타내어 향후 산업화의 가능성이 높은 것으로 평가 받고 있다. Recently, the New Renewable Energy Research Institute (NREL), a solar cell using Se-based thin films such as Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS or CIS), having high light absorption coefficient and chemical stability, It shows high conversion efficiency and is considered to have high possibility of industrialization in the future.

나노크기의 CIGS 또는 CIS 합성방법은 여러 가지가 있으나, 비교적 저온에서 합성하는 방법으로는 CIGS 또는 CIS 콜로이드 합성방법과 용매열(solvothermal) 방법이 있다.There are various methods for synthesizing nano-sized CIGS or CIS, but the synthesis at relatively low temperature includes CIGS or CIS colloid synthesis method and solvent thermal method.

용매열(solvothermal) 방식은 비교적 저온, 저압에서 간단한 공정으로 저렴하게 직접적으로 입자를 합성할 수 있으며, 화학양론비를 쉽게 조절할 수 있다는 장점을 가지나, 반응용기의 내벽은 테프론이므로 원소 용매열 방법처럼 반응온도가 높은 경우에는 반응용기의 밀봉에 어려움을 겪게 되며, 장시간 반응 결과를 얻는데 어려움이 있다.Solvothermal method has the advantage of being able to synthesize particles directly and inexpensively by a simple process at relatively low temperature and low pressure, and easily control stoichiometry, but since the inner wall of the reaction vessel is Teflon, When the reaction temperature is high, it is difficult to seal the reaction vessel, and it is difficult to obtain a long time reaction result.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종래의 태양전지 광흡수층용 나노분말제조방법으로 한국등록특허 10-0588604호에 의하면, 나노막대 형태의 CuInGaSe2 합성에 사용되는 용매열 방법을 활용하여 Cu, In, Se 원소 외에 Ga 원소를 첨가하고, 이를 용매로 에틸렌디아민(ethylenediamine)을 사용하여 반응로 속에서 반응시켜 제조한다. 즉, 보다 낮은 온도에서 구형의 CIGS 나노입자를 제조하는 방법을 제공함으로써 CIGS 합성에 필요한 반응온도를 낮추어 주어 기존의 원소 용매열 방법의 단점을 극복하여 장시간 반응결과를 보여 주는 간편하고 편리하게 직접적으로 합성하는 방법을 제공하고자 하였다. In order to solve this problem, according to the Korean Patent No. 10-0588604 as a conventional method for manufacturing nano-powder for solar cell light absorption layer, in addition to Cu, In, Se elements by utilizing the solvent heat method used for the synthesis of CuInGaSe2 in the form of nanorods. A Ga element is added and prepared by reacting it in a reactor using ethylenediamine as a solvent. In other words, by providing a method for producing spherical CIGS nanoparticles at a lower temperature, the reaction temperature required for the synthesis of CIGS is lowered, thereby overcoming the disadvantages of the conventional elemental solvent heat method. It was intended to provide a method for synthesis.

그러나, 상기의 방법은 에틸렌 디아민을 사용하여 막대형 나노입자를 합성하는 방식으로, 상기 용매로 에틸렌디아민(ethylenediamine)은 매우 고가의 물질로 제조비용이 상승하며, 휘발성이 강하고 독성이 있는 물질인 hydrazine 뿐만 아니라 여러 가지 독성 물질이 사용되는데 이러한 유독성 물질은 인체에 매우 치명적인 영향을 끼치며, 환경오염에 지대한 영향을 미치는 문제가 발생했다. However, the above method is a method of synthesizing rod-shaped nanoparticles using ethylene diamine, ethylenediamine (ethylenediamine) as the solvent is a very expensive material, the manufacturing cost increases, volatile and toxic hydrazine material In addition, various toxic substances are used. These toxic substances have a very fatal effect on the human body and have a serious effect on environmental pollution.

또한, 반응온도가 200℃이상에서 반응시간은 20~60시간에서 이루어지는바, 여전히 반응온도가 높으며, 반응시간 역시 길어져 제조의 비효율성을 초래하는 문제점이 있었다.
In addition, when the reaction temperature is 200 ℃ or more, the reaction time is made in 20 to 60 hours, the reaction temperature is still high, the reaction time is also long, there is a problem causing inefficiency of the production.

본 발명자는 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과 독성물질을 사용하지 않고 광흡수용 나노입자 전구체를 합성하는 방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have completed the present invention by developing a method for synthesizing the light-absorbing nanoparticle precursor without using toxic substances as a result of trying to solve the above disadvantages and problems of the prior art.

따라서, 본 발명의 목적은 독성물질을 거의 사용하지 않고 친환경적인 제조될 수 있는 태양전지의 박막에 사용되는 광흡수용 나노입자 합성에 사용되는 광흡수용 나노입자 전구체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a light absorption nanoparticle precursor used in the synthesis of light absorption nanoparticles used in the thin film of the solar cell that can be produced eco-friendly with little use of toxic substances and a method of manufacturing the same. .

본 발명의 다른 목적은 기존의 박막 태양전지의 대체 물질로 활용 가능한 광흡수용 나노입자를 생산원가를 절감시켜 저가로 제공할 수 있는 광흡수용 나노입자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a light absorption nanoparticles and a method for manufacturing the same, which can be provided at low cost by reducing the production cost of light absorption nanoparticles that can be used as a substitute material of a conventional thin film solar cell.

본 발명의 또 다른 목적은 닥터 블레이딩이나 스핀 코팅 방법 등과 같은 전구체 박막 제작 기술을 활용하여 기존 태양전지 제조 방법에 대해 초저가 태양전지 구현이 가능한 고품질 광흡수성 나노입자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a high quality light-absorbing nanoparticles and a method of manufacturing the same, which can implement ultra-low cost solar cells using a precursor thin film manufacturing technology such as doctor blading or spin coating.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 Cu 및 S 와 In 또는 Ga 중 어느 하나 이상이 포함된 반응용액에 Microwave를 조사하여 합성된 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a light-absorbing nanoparticle precursor, characterized in that synthesized by irradiating microwave to the reaction solution containing any one or more of Cu and S and In or Ga.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응용액의 pH에 따라 상기 광흡수용 나노입자 전구체에 함유될 Cu, S, In 또는 Ga의 조성비가 조절된다.In a preferred embodiment, the composition ratio of Cu, S, In or Ga to be contained in the light absorption nanoparticle precursor is adjusted according to the pH of the reaction solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 광흡수용 나노입자 전구체는 CuInS2[CIS] 나노입자 전구체, Cu(In,Ga)S2 [CIGS] 나노입자전구체, CuIn(S,Se)2[CISS] 나노입자 전구체 또는 Cu(In,Ga)(S,Se)2 [CIGSS]나노입자 전구체 중 어느 하나이다.In a preferred embodiment, the light absorption nanoparticle precursor is CuInS 2 [CIS] Nanoparticle Precursor, Cu (In, Ga) S 2 [CIGS] Nanoparticle Precursor, CuIn (S, Se) 2 [CISS] Nanoparticle Precursor or Cu (In, Ga) (S, Se) 2 [CIGSS] Nanoparticle Any one of the precursors.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Microwave 조사는 Microwave 파워가 100 내지 700W인 범위에서 5분 내지 1시간 수행된다. In a preferred embodiment, the microwave irradiation is carried out for 5 minutes to 1 hour in the range of 100 to 700W microwave power.

또한, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법으로서, Cu 및 S 와 In 또는 Ga 중 어느 하나 이상이 포함된 반응용액을 준비하는 단계;준비된 상기 반응용액의 pH를 조절하는 단계;pH조절된 상기 반응용액을 Microwave 조사하여 광흡수 나노입자 전구체를 형성하는 단계; 및 형성된 상기 광흡수 나노입자 전구체를 분리하는 단계를 포함하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법을 제공한다.In addition, as a method for producing a light-absorbing nanoparticle precursor of any one of claims 1 to 4, preparing a reaction solution containing any one or more of Cu and S and In or Ga; pH of the prepared reaction solution Irradiating the pH-controlled reaction solution to form a light-absorbing nanoparticle precursor; And it provides a light absorption nanoparticle precursor manufacturing method comprising the step of separating the formed light absorption nanoparticle precursor.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 pH는 산성 또는 염기성물질을 이용하여 pH 2-10의 범위로 조절된다.In a preferred embodiment, the pH is adjusted to a range of pH 2-10 using acidic or basic materials.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Microwave 조사는 Microwave 파워가 100 내지 700W인 범위에서 5분 내지 1시간 수행된다.In a preferred embodiment, the microwave irradiation is carried out for 5 minutes to 1 hour in the range of 100 to 700W microwave power.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 분리된 광흡수용 나노입자 전구체를 건조하는 단계를 더 포함한다.In a preferred embodiment, further comprising the step of drying the separated light-absorbing nanoparticle precursor.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 반응용액은 상기 광흡수용 나노입자 전구체가 CIS 및 CISS나노입자 전구체인 경우에는 Cu의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 Cu 수용성염, In의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 In 수용성염, 및 S의 몰농도가 0.02M 내지 0.08인 수용성 황을 포함하고, 상기 광흡수용 나노입자가 CIGS 및 CIGSS 나노입자 전구체인 경우에는 Cu의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 Cu 수용성염, In의 몰농도가 0.007 내지 0.0175 M인 In 수용성염, Ga의 몰농도가 0.003 내지 0.0075 M인 Ga 수용성염, 및 S의 몰농도가 0.02M 내지 0.08인 수용성 황을 포함한다.In a preferred embodiment, the reaction solution is a water-soluble salt of Cu, the molar concentration of In 0.01 to 0.025 M, the molar concentration of In 0.01 to 0.025 M when the light absorption nanoparticle precursor is a CIS and CISS nanoparticle precursor Phosphorus In water-soluble salt, and water-soluble sulfur having a molar concentration of S from 0.02M to 0.08, and when the light-absorbing nanoparticles are CIGS and CIGSS nanoparticle precursors, the water-soluble Cu having a molar concentration of Cu of 0.01 to 0.025 M Salts, In water-soluble salts with a molar concentration of In from 0.007 to 0.0175 M, Ga water-soluble salts with a molar concentration of Ga from 0.003 to 0.0075 M, and water-soluble sulfur having a molar concentration of S from 0.02 M to 0.08.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Cu 수용성염,In 수용성염 및 Ga 수용성염은 아세테이트염, 염산염 또는 황산염 중 어느 하나 이상이다.In a preferred embodiment, the Cu water-soluble salt, In water-soluble salt and Ga water-soluble salt is at least one of acetate salt, hydrochloride salt or sulfate salt.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 수용성 황은 티오우레아(thiourea) 또는 티오아세트아마이드(thioacetamide) 중 어느 하나이다.In a preferred embodiment, the water soluble sulfur is either thiourea or thioacetamide.

또한, 본 발명은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 광흡수용 나노입자 전구체를 황화열처리 또는 셀렌화 열처리하여 합성되는 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a high-quality light-absorbing nanoparticles, characterized in that the light-absorbing nanoparticle precursor of any one of claims 1 to 4 synthesized by sulfidation heat treatment or selenization heat treatment.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 광흡수용 나노입자 전구체를 황화 열처리하여 합성되는 고품질 광흡수성 나노입자는 CIS 및 CIGS나노입자이고, 셀렌화 열처리하여 합성되는 고품질 광흡수성 나노입자는 CISS 및 CIGSS나노입자이다.In a preferred embodiment, the high quality light absorbing nanoparticles synthesized by sulfidation heat treatment of the light absorption nanoparticle precursor are CIS and CIGS nanoparticles, and the high quality light absorbing nanoparticles synthesized by selenization heat treatment are CISS and CIGSS nanoparticles. .

바람직한 실시예에 있어서, 상기 광흡수성 나노입자는 UV-vis 영역 내에서 104 이상의 광흡수 계수를 나타내고, 밴드갭은 1.0 eV에서 1.5 eV이다. In a preferred embodiment, the light absorbing nanoparticles exhibit a light absorption coefficient of at least 10 4 in the UV-vis region, and the bandgap is from 1.0 eV to 1.5 eV.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 황화 열처리는 황화수소가 1-10%포함된 질소분위기하에서 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 처리하여 수행되고, 상기 셀렌화 열처리는 황화수소가 1-10% 포함된 질소혼합가스를 운반가스로 하여 Se pellet이 350 ℃ 내지 550 ℃로 열처리되어 기화된 Se이 상기 광흡수성 나노입자 전구체와 반응하도록 30분 내지 90분간 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 열처리하여 수행된다. In a preferred embodiment, the sulfidation heat treatment is performed by treating the light-absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 30 minutes to 90 minutes under a nitrogen atmosphere containing hydrogen sulfide 1-10%, the selenization heat treatment is hydrogen sulfide Se pellet is heat-treated at 350 ° C. to 550 ° C. using a nitrogen mixed gas containing 1-10% as a carrier gas, thereby allowing the vaporized Se to react with the light absorbing nanoparticle precursor for 30 minutes to 90 minutes. It is carried out by heat treatment at 500 to 600 ℃.

또한, 본 발명은 제 5 항의 광흡수성 나노입자 전구체 제조방법으로 광흡수성 나노입자 전구체를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 광흡수성 나노입자 전구체를 황화열처리 또는 셀렌화 열처리하는 단계를 포함하는 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a light-absorbing nanoparticle precursor by the method for producing a light-absorbing nanoparticle precursor of claim 5; And it provides a high-quality light-absorbing nanoparticles manufacturing method comprising the step of sulfidation heat treatment or selenization heat treatment of the prepared light-absorbing nanoparticle precursor.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 셀렌화 열처리하는 단계는 Se pellet과 광흡수성 나노입자 전구체를 이격시켜 배치하는 단계; 이격되어 배치된 상기 Se pellet을 열처리하는 단계; 및 열처리된 상기 Se pellet으로부터 기화된 Se을 황화수소가 1-10% 포함된 질소혼합가스를 운반가스로 하여 상기 광흡수성 나노입자 전구체와 반응시키는 단계를 포함한다. In a preferred embodiment, the step of selenization heat treatment is disposed by separating the Se pellet and the light-absorbing nanoparticle precursor; Heat treating the Se pellets spaced apart; And reacting Se vaporized from the heat-treated Se pellet with the light-absorbing nanoparticle precursor using a nitrogen gas containing 1-10% hydrogen sulfide as a carrier gas.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Se pellet은 350 ℃ 내지 550 ℃로 열처리되는데, 열처리되는 온도에 따라 기화되는 Se양이 조절된다.In a preferred embodiment, the Se pellet is heat-treated at 350 ℃ to 550 ℃, the amount of Se is evaporated according to the temperature to be heat-controlled.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기화된 Se을 광흡수성 나노입자 전구체와 반응시키는 단계는 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 열처리하여 수행된다. In a preferred embodiment, the step of reacting the vaporized Se with the light absorbing nanoparticle precursor is carried out by heat treatment of the light absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 30 minutes to 90 minutes.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 황화 열처리하는 단계는 황화수소가 1-10%포함된 질소분위기하에서 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 처리하여 수행된다. In a preferred embodiment, the sulfidation heat treatment step is carried out by treatment for 30 to 90 minutes at 500 to 600 ℃ under a nitrogen atmosphere containing hydrogen sulfide 1-10%.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.The present invention has the following excellent effects.

먼저, 본 발명에 의하면 독성물질을 거의 사용하지 않고 광흡수성 나노입자 합성에 사용될 수 있는 광흡수성 나노입자 전구체를 제조할 수 있어 친환경적이다. First, according to the present invention, it is possible to manufacture light-absorbing nanoparticle precursors that can be used for synthesizing light-absorbing nanoparticles with little use of toxic substances.

또한, 본 발명에 의하면 기존의 박막 태양전지의 대체 물질로 활용 가능한 광흡수성 나노입자를 생산원가를 절감시켜 저가로 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention can be provided at low cost by reducing the production cost of the light-absorbing nanoparticles that can be used as a substitute material of the conventional thin film solar cell.

또한, 본 발명에 의하면 닥터 블레이딩이나 스핀 코팅 방법 등과 같은 전구체 박막 제작 기술을 활용하여 기존 태양전지 제조 방법에 대해 초저가 태양전지 구현이 가능하다.
In addition, according to the present invention, it is possible to implement ultra-low cost solar cells with respect to the existing solar cell manufacturing method by using precursor thin film manufacturing technology such as doctor blading or spin coating method.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 광흡수성 나노입자 전구체로부터 CISS 또는 CIGSS 나노입자를 합성하는 제조방법의 개략도,
도 2는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CIS 나노입자의 X-ray 회절 패턴,
도 3은 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CISS 나노입자의 X-ray 회절 패턴,
도 4는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH에 따른 CIGS 나노입자의 X-ray 회절 패턴,
도 5는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH에 따른 CIGSS 나노입자의 X-ray 회절 패턴,
도 6은 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH에 따른 CIS 나노입자의 광흡수계수를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CISS 나노입자의 광흡수계수를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH에 따른 CIGS 나노입자의 광흡수계수를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CIGSS 나노입자의 광흡수계수를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CIS 나노입자의 밴드갭에너지를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CISS 나노입자의 밴드갭에너지를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CIGS 나노입자의 밴드갭에너지를 나타낸 그래프,
도 13는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH 에 따른 CIGSS 나노입자의 밴드갭에너지를 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH에 따른 CISS 나노입자의 화학조성비를 나타낸 그래프,
도 15는 본 발명의 광흡수성 나노입자 제조방법에서 반응용액의 pH에 따른 CIGSS 나노입자의 화학조성비를 나타낸 그래프.
1 is a schematic diagram of a manufacturing method for synthesizing CISS or CIGSS nanoparticles from a light absorbing nanoparticle precursor according to one embodiment of the present invention;
2 is an X-ray diffraction pattern of CIS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the method for preparing light absorbing nanoparticles of the present invention;
3 is an X-ray diffraction pattern of the CISS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
Figure 4 is an X-ray diffraction pattern of the CIGS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
5 is an X-ray diffraction pattern of the CIGSS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
Figure 6 is a graph showing the light absorption coefficient of the CIS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
7 is a graph showing the light absorption coefficient of the CISS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the method for preparing light absorbing nanoparticles of the present invention;
8 is a graph showing the light absorption coefficient of CIGS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the method for preparing light absorbing nanoparticles of the present invention;
9 is a graph showing the light absorption coefficient of the CIGSS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the method for preparing light-absorbing nanoparticles of the present invention,
10 is a graph showing the band gap energy of the CIS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
11 is a graph showing the band gap energy of the CISS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
12 is a graph showing the band gap energy of the CIGS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
Figure 13 is a graph showing the band gap energy of CIGSS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
14 is a graph showing the chemical composition ratio of CISS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention,
15 is a graph showing the chemical composition ratio of the CIGSS nanoparticles according to the pH of the reaction solution in the light-absorbing nanoparticles manufacturing method of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terms used in the present invention were selected as general terms as widely used as possible, but in some cases, the terms arbitrarily selected by the applicant are included. In this case, the meanings described or used in the detailed description of the present invention are considered, rather than simply the names of the terms. The meaning should be grasped.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments will be described in detail the technical configuration of the present invention.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals used to describe the present invention throughout the specification denote like elements.

본 발명의 기술적 특징은 마이크로웨이브조사를 통해 광흡수용 나노입자 전구체를 형성함으로써 독성물질을 거의 사용하지 않고 친환경적으로 합성된 광흡수용 나노입자 및 그 합성에 사용될 수 있는 광흡수성 나노입자 전구체를 제공하는 것이다. 여기서, 광흡수용 나노입자 전구체는 CuInS2[이하 "CIS"] 나노입자 전구체, CuIn(S,Se)2[이하 "CISS"] 나노입자 전구체, Cu(In,Ga)S2 [이하 "CIGS"] 나노입자전구체 또는 Cu(In,Ga)(S,Se)2 [이하 "CIGSS"]나노입자 전구체 중 어느 하나이다.Technical features of the present invention provide light-absorbing nanoparticle precursors that can be used in the synthesis of environmentally friendly light-absorbing nanoparticles with little use of toxic substances by forming light-absorbing nanoparticle precursors through microwave irradiation. It is. Here, the light-absorbing nanoparticle precursor is CuInS 2 [hereinafter "CIS"] Nanoparticle Precursor, CuIn (S, Se) 2 [hereinafter “CISS”] Nanoparticle Precursor, Cu (In, Ga) S 2 [hereinafter “CIGS”] Nanoparticle Precursor or Cu (In, Ga) (S, Se) 2 [hereinafter referred to as "CIGSS"] nanoparticle precursor.

먼저, 본 발명의 광흡수성 나노입자전구체(CIS, CISS, CIGS, CIGSS nano-particle Precursor)는 Cu 및 S 와 In 또는 Ga 중 어느 하나 이상이 포함된 반응용액에 Microwave를 조사하여 합성되는 것을 특징으로 하는데, 반응용액의 pH에 따라 상기 Cu, In, Ga, 및 S의 조성비가 조절된다. 여기서, Microwave 조사는 Microwave 파워가 100 내지 700W인 범위에서 5분 내지 1시간 수행되는 것이 바람직하다.First, the light-absorbing nanoparticle precursor of the present invention (CIS, CISS, CIGS, CIGSS nano-particle Precursor) is characterized in that synthesized by irradiating microwave to the reaction solution containing any one or more of Cu and S and In or Ga The composition ratio of the Cu, In, Ga, and S is adjusted according to the pH of the reaction solution. Here, the microwave irradiation is preferably carried out for 5 minutes to 1 hour in the microwave power range of 100 to 700W.

따라서, 광흡수성 나노입자전구체 제조방법은 일정한 몰농도를 갖도록 Cu 및 S 와 In 또는 Ga 중 어느 하나 이상이 포함된 반응용액을 준비한 후, 준비된 반응용액의 pH를 조절하고, pH조절된 반응용액을 Microwave 조사하여 광흡수성 나노입자 전구체를 형성한 다음, 형성된 광흡수성 나노입자 전구체를 분리하는 단계를 포함한다. 여기서, pH는 산성 또는 염기성물질을 이용하여 pH 2-10의 범위로 조절되고, 반응용액은 광흡수용 나노입자 전구체가 CIS 및 CISS나노입자 전구체인 경우에는 Cu의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 Cu 수용성염, In의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 In 수용성염, 및 S의 몰농도가 0.02M 내지 0.08인 수용성 황을 포함하고, 광흡수용 나노입자가 CIGS 및 CIGSS 나노입자 전구체인 경우에는 Cu의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 Cu 수용성염, In의 몰농도가 0.007 내지 0.0175 M인 In 수용성염, Ga의 몰농도가 0.003 내지 0.0075 M인 Ga 수용성염, 및 S의 몰농도가 0.02M 내지 0.08인 수용성 황을 포함하는데, 수용성염은 아세테이트염, 염산염 또는 황산염 중 어느 하나 이상일 수 있고, 수용성 황은 티오우레아(thiourea) 또는 티오아세트아마이드(thioacetamide) 중 어느 하나이다. Therefore, in the method for preparing the light absorbing nanoparticle precursor, after preparing a reaction solution containing any one or more of Cu and S and In or Ga to have a constant molar concentration, the pH of the prepared reaction solution is adjusted, and the pH adjusted reaction solution is prepared. Microwave irradiation to form a light absorbing nanoparticle precursor, and then separating the formed light absorbing nanoparticle precursor. Here, the pH is adjusted to a range of pH 2-10 using an acidic or basic substance, and the reaction solution is a molar concentration of Cu of 0.01 to 0.025 M when the light absorbing nanoparticle precursors are CIS and CISS nanoparticle precursors. When Cu water-soluble salts, In water-soluble salts with a molar concentration of In 0.01 to 0.025 M, and water-soluble sulfur with a molar concentration of S 0.02M to 0.08, and the light-absorbing nanoparticles are CIGS and CIGSS nanoparticle precursors Cu water-soluble salt having a molar concentration of Cu of 0.01 to 0.025 M, In water-soluble salt having a molar concentration of In of 0.007 to 0.0175 M, Ga water-soluble salt having a molar concentration of Ga of 0.003 to 0.0075 M, and a molar concentration of 0.02 M of S Water-soluble sulfur, wherein the water-soluble salt may be any one or more of an acetate salt, a hydrochloride salt or a sulfate salt, and the water-soluble sulfur is either thiourea or thioacetamide.

또한, 고품질 광흡수성 나노입자는 광흡수성 나노입자 전구체를 황화열처리 또는 셀렌화 열처리하여 합성되는 것을 특징으로 하는데, UV-vis 영역 내에서 104 이상의 광흡수 계수를 나타내고, 밴드갭은 1.0 eV에서 1.5 eV이다. 여기서, 황화 열처리는 황화수소가 1-10%포함된 질소분위기하에서 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 처리하여 수행되고, 셀렌화 열처리는 황화수소가 1-10% 포함된 질소혼합가스를 운반가스로 하여 Se pellet가 350 ℃ 내지 550 ℃로 열처리되어 기화된 Se이 상기 광흡수성 나노입자 전구체와 반응하도록 30분 내지 90분간 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 열처리하여 수행되는 것이 바람직하다. In addition, the high quality light-absorbing nanoparticles are synthesized by sulfide heat treatment or selenization heat treatment of the light-absorbing nanoparticle precursor, exhibiting a light absorption coefficient of 10 4 or more in the UV-vis region, the band gap is 1.5 at 1.0 eV eV. Here, the sulfidation heat treatment is performed by treating the light-absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 ° C. for 30 minutes to 90 minutes under a nitrogen atmosphere containing 1-10% hydrogen sulfide, and the selenization heat treatment includes 1-10% hydrogen sulfide. Se pellet is heat treated at 350 ° C. to 550 ° C. using a nitrogen gas mixture as a carrier gas, and the light absorbing nano particle precursor is heat treated at 500 ° C. to 600 ° C. for 30 minutes to 90 minutes so that the vaporized Se reacts with the light absorbing nano particle precursor. It is preferable to carry out.

따라서, 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법은 광흡수성 나노입자 전구체 제조방법으로 광흡수성 나노입자 전구체를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 광흡수성 나노입자 전구체를 황화열처리 또는 셀렌화 열처리하는 단계를 포함하는데, 셀렌화 열처리하는 단계는 Se pellet과 광흡수성 나노입자 전구체를 이격시켜 배치하는 단계; 이격되어 배치된 상기 Se pellet을 열처리하는 단계; 및 열처리된 상기 Se pellet으로부터 기화된 Se을 황화수소가 1-10% 포함된 질소혼합가스를 운반가스로 하여 상기 광흡수성 나노입자 전구체와 반응시키는 단계를 포함한다. 여기서, Se pellet은 350 ℃ 내지 550 ℃로 열처리되는데, 열처리되는 온도에 따라 기화되는 Se양이 조절된다. 또한 기화된 Se을 광흡수성 나노입자 전구체와 반응시키는 단계는 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 열처리하여 수행된다.
Therefore, the method for preparing high quality light absorbing nanoparticles includes preparing a light absorbing nanoparticle precursor with a method for preparing light absorbing nanoparticle precursors; And sulfidation heat treatment or selenization heat treatment of the prepared light absorbing nanoparticle precursor, wherein the selenization heat treatment comprises: disposing a Se pellet and the light absorbing nanoparticle precursor; Heat treating the Se pellets spaced apart; And reacting Se vaporized from the heat-treated Se pellet with the light-absorbing nanoparticle precursor using a nitrogen gas containing 1-10% hydrogen sulfide as a carrier gas. Here, the se pellet is heat-treated at 350 ℃ to 550 ℃, the amount of Se vaporized according to the temperature to be heat-treated is controlled. In addition, the step of reacting the vaporized Se with the light absorbing nanoparticle precursor is carried out by heat-treating the light absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 ℃ 30 minutes to 90 minutes.

실시예 1-1Example 1-1

반응용액은 D.I.에 용해된 Cu acetate 0.01M, InCl2 0.01M, 그리고 Thioacetamide 0.02M을 순서대로 혼합한 후 10분간 마그네틱 혼합기를 이용하여 혼합하여 준비하였다. 그 후 염산(29 %)을 이용하여 pH 3이 되도록 조절하였다. 가정용 Microwave를 이용하여 파워 700 W에서 pH조절된 반응용액에 Microwave를 10 분간 조사 하여 CIS 및 CISS 전구체를 형성하였다. 반응이 끝난 용액을 원심 분리기에 넣어 30분간 회전 시켜 용액과 전구체를 분리하여 CIS 및 CISS nano-particle 전구체1-1(pH 3)을 얻었다. 얻어진 전구체를 90도 오븐에 12시간 동안 건조 하는 것이 보다 바람직하다.
The reaction solution was prepared by mixing Cu acetate 0.01M, InCl 2 0.01M, and Thioacetamide 0.02M dissolved in DI in that order using a magnetic mixer for 10 minutes. It was then adjusted to pH 3 with hydrochloric acid (29%). CIS and CISS precursors were formed by irradiating the microwave solution to the pH-controlled reaction solution for 10 minutes at 700 W using household microwaves. The reaction solution was placed in a centrifuge and rotated for 30 minutes to separate the solution and the precursor to obtain CIS and CISS nano-particle precursor 1-1 (pH 3). It is more preferable to dry the obtained precursor in a 90 degree oven for 12 hours.

실시예 1-2Example 1-2

반응용액의 pH를 pH 5로 조절한 것 외에는 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 CIS 및 CISS nano-particle 전구체1-2(pH 5)를 얻었다.
A CIS and CISS nano-particle precursor 1-2 (pH 5) were obtained in the same manner as in Example 1 except that the pH of the reaction solution was adjusted to pH 5.

실시예 1-3Example 1-3

반응용액의 pH를 염산 대신 암모니아수를 이용하여 pH 7로 조절한 것 외에는 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 CIS 및 CISS nano-particle 전구체1-3(pH 7)를 얻었다.
The CIS and CISS nano-particle precursors 1-3 (pH 7) were obtained in the same manner as in Example 1 except that the pH of the reaction solution was adjusted to pH 7 using ammonia water instead of hydrochloric acid.

실시예 1-4Example 1-4

반응용액의 pH를 염산 대신 암모니아수를 이용하여 pH 9로 조절한 것 외에는 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 CIS 및 CISS nano-particle 전구체1-4(pH 9)를 얻었다.
The CIS and CISS nano-particle precursors 1-4 (pH 9) were obtained in the same manner as in Example 1 except that the pH of the reaction solution was adjusted to pH 9 using ammonia water instead of hydrochloric acid.

실시예 2-1Example 2-1

반응용액을 Cu acetate 0.01M, InCl2 0.0066M, GaNO3 0.0033M 그리고 Thioacetamide 0.02M을 포함하도록 준비한 것을 제외하면 실시예 1-1과 동일한 방법을 수행하여 CIGS 및 CIGSS nano-particle 전구체2-1(pH 3)를 얻었다.
The reaction solution was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that Cu acetate 0.01M, InCl 2 0.0066M, GaNO 3 0.0033M, and Thioacetamide 0.02M were used for CIGS and CIGSS nano-particle precursors 2-1 ( pH 3) was obtained.

실시예 2-2Example 2-2

반응용액의 pH를 pH 5로 조절한 것 외에는 실시예2-1과 동일한 방법을 수행하여 CIGS 및 CIGSS nano-particle 전구체2-2(pH 5)를 얻었다.
CIGS and CIGSS nano-particle precursor 2-2 (pH 5) were obtained in the same manner as in Example 2-1 except that the pH of the reaction solution was adjusted to pH 5.

실시예 2-3Example 2-3

반응용액의 pH를 염산 대신 암모니아수를 이용하여 pH 7로 조절한 것 외에는 실시예2-1과 동일한 방법을 수행하여 CIGS 및 CIGSS nano-particle 전구체2-3(pH 7)를 얻었다.
CIGS and CIGSS nano-particle precursor 2-3 (pH 7) were obtained in the same manner as in Example 2-1 except that the pH of the reaction solution was adjusted to pH 7 using ammonia water instead of hydrochloric acid.

실시예 2-4Examples 2-4

반응용액의 pH를 염산 대신 암모니아수를 이용하여 pH 9로 조절한 것 외에는 실시예2-1과 동일한 방법을 수행하여 CIGS 및 CIGSS nano-particle 전구체2-4(pH 9)를 얻었다.
CIGS and CIGSS nano-particle precursors 2-4 (pH 9) were obtained in the same manner as in Example 2-1, except that the pH of the reaction solution was adjusted to pH 9 using ammonia water instead of hydrochloric acid.

실시예 3Example 3

실시예1-1 내지 실시예1-4와 동일한 방법을 수행하여 CIS nano-particle 전구체1-1 내지 1-4를 얻었다. 그 후, 얻어진 전구체1-1 내지 1-4를 N2(95 %)+H2S (5%) 분위기, 550℃에서 한 시간 동안 열처리 하여 고품질 CIS nano-particle 1-1 내지 1-4를 제조하였다. 이 때 전구체들은 건조된 것이 보다 바람직하다.
The CIS nano-particle precursors 1-1 to 1-4 were obtained by the same method as Example 1-1 to Example 1-4. Thereafter, the obtained precursors 1-1 to 1-4 were heat-treated at 550 ° C. for 1 hour in N 2 (95%) + H 2 S (5%) atmosphere to obtain high quality CIS nano-particles 1-1 to 1-4. Prepared. At this time, the precursors are more preferably dried.

실시예 4Example 4

실시예1-1 내지 실시예1-4와 동일한 방법을 수행하여 CISS nano-particle 전구체1-1 내지 1-4를 얻었다. 그 후, 얻어진 CISS nano-particle 전구체1-1 내지 1-4를 각각 도1과 같이 처리하였다. 즉 도1에 도시된 바와 같이 2개의 존으로 분리되어 있는 퍼니스의 한쪽에는 Se pellet을 다른 한쪽에는 전구체를 배치시킨 후 Se pellet을 350 ℃로 열처리하면서 N2(95 %)+H2S (5%)분위기에서 즉 질소 및 황화수소 혼합가스를 운반가스로 하여 기화된 Se이 CISS nano-particle 전구체1-1 내지 1-4와 반응하도록 550 ℃에서 1시간 동안 열처리 하여 고품질 CISS 나노입자 1-1 내지 1-4를 각각 제조하였다.
The CISS nano-particle precursors 1-1 to 1-4 were obtained by the same method as Example 1-1 to Example 1-4. Thereafter, the obtained CISS nano-particle precursors 1-1 to 1-4 were treated as shown in FIG. 1, respectively. That is, as shown in FIG. 1, the se pellet is disposed on one side of the furnace divided into two zones, and the precursor is placed on the other side, and the Se pellet is heat-treated at 350 ° C., whereby N 2 (95%) + H 2 S (5 %) In the atmosphere, that is, nitrogen and hydrogen sulfide mixed gas as a carrier gas, heat-treated at 550 ° C. for 1 hour so that the vaporized Se reacts with the CISS nano-particle precursors 1-1 to 1-4. 1-4 were prepared respectively.

실시예 5Example 5

실시예2-1 내지 실시예2-4와 동일한 방법을 수행하여 CIGS nano-particle 전구체2-1 내지 2-4를 얻었다. 그 후, 얻어진 전구체2-1 내지 2-4를 실시예3과 동일한 방법으로 처리하여 고품질 CIGS nano-particle 2-1 내지 2-4를 제조하였다.
CIGS nano-particle precursors 2-1 to 2-4 were obtained by the same method as Example 2-1 to Example 2-4. Thereafter, the obtained precursors 2-1 to 2-4 were treated in the same manner as in Example 3 to prepare high quality CIGS nano-particles 2-1 to 2-4.

실시예 6Example 6

실시예2-1 내지 실시예2-4와 동일한 방법을 수행하여 CIGSS nano-particle 전구체2-1 내지 2-4를 얻었다. 그 후, 얻어진 CIGSS nano-particle 전구체2-1 내지 2-4를 실시예4와 동일한 방법으로 처리하여 고품질 CIGSS 나노입자 2-1 내지 2-4를 각각 제조하였다.
The CIGSS nano-particle precursors 2-1 to 2-4 were obtained in the same manner as in Example 2-1 to Example 2-4. Thereafter, the obtained CIGSS nano-particle precursors 2-1 to 2-4 were treated in the same manner as in Example 4 to prepare high quality CIGSS nanoparticles 2-1 to 2-4, respectively.

실험예 1Experimental Example 1

CIS nano particle 및 CISS nano particle의 구조적 특성을 확인하기 위해 실시예3에서 얻어진 고품질 CIS nano-particle 1-1 내지 1-4와, 실시예4에서 얻어진 고품질 CISS nano-particle 1-1 내지 1-4를 X-선 회절기 (X-ray diffractometer : X`pert PRO, Philips, Eindhoven, Netherlands)로 분석 하고, 그 X-ray 회절패턴을 도 2 및 도 3에 각각 도시하였다. 도 2 및 도3에서 CIS 및 CISS 나노입자 1-1 내지 1-4는 반응용액의 pH인 pH 3, pH 5, pH 7, pH 9로 각각 표시되었다.High quality CIS nano-particles 1-1 to 1-4 obtained in Example 3 and high quality CISS nano-particles 1-1 to 1-4 obtained in Example 4 to confirm the structural characteristics of the CIS nano particles and CISS nano particles. The X-ray diffractometer (X-ray diffractometer: X`pert PRO, Philips, Eindhoven, Netherlands) was analyzed, and the X-ray diffraction pattern is shown in Figs. 2 and 3, CIS and CISS nanoparticles 1-1 to 1-4 are represented as pH 3, pH 5, pH 7, and pH 9, respectively, pH of the reaction solution.

도 2 및 도 3으로부터 알 수 있듯이, X-ray 회절 패턴은 모든 반응 용액의 pH에서 이상이 관찰 되지 않았다. 황화 및 셀렌화 열처리 과정을 거친 nano-particle에서는 여러 회절 패턴 피크가 관찰 되었다. 이 피크들은 tetragonal 구조의 CIS 또는 CISS 상의 (112), (220), (312) 방향에서 회절 된 것들이다.
As can be seen from Figure 2 and Figure 3, the X-ray diffraction pattern was not observed abnormal in the pH of all the reaction solution. Several diffraction pattern peaks were observed in nano-particles after sulfidation and selenization heat treatment. These peaks are the CIS or CISS of the tetragonal structure. These are diffracted in the (112), (220), and (312) directions of the phase.

실험예 2Experimental Example 2

CIGS nano particle 및 CIGSS nano particle의 구조적 특성을 확인하기 위해 실시예5에서 얻어진 CIGS nano-particle 2-1 내지 2-4와, 실시예6에서 얻어진 CIGSS nano-particle 2-1 내지 2-4를 X-선 회절기 (X-ray diffractometer : X`pert PRO, Philips, Eindhoven, Netherlands)로 분석 하고, 그 X-ray 회절패턴을 도 4 및 도 5에 각각 도시하였다. 도 4 및 도 5에서 CIGS 및 CIGSS 나노입자 2-1 내지 2-4는 반응용액의 pH인 pH 3, pH 5, pH 7, pH 9로 각각 표시되었다.To confirm the structural characteristics of the CIGS nanoparticles and the CIGSS nanoparticles, the CIGS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 5 and the CIGSS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 6 were The X-ray diffractometer (X-ray diffractometer: X'pert PRO, Philips, Eindhoven, Netherlands) was analyzed and the X-ray diffraction patterns are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. In FIGS. 4 and 5, CIGS and CIGSS nanoparticles 2-1 to 2-4 are represented as pH 3, pH 5, pH 7, and pH 9, respectively.

도 4 및 도 5로부터 알 수 있듯이, X-ray 회절 패턴은 반응 용액의 pH가 9인 경우 약간의 이상이 있었으나 그 밖의 모든 반응 용액의 pH에서 이상이 관찰 되지 않았다. 황화 및 셀렌화 열처리 과정을 거친 nano-particle에서는 여러 회절 패턴 피크가 관찰 되었다. 이 피크들은 tetragonal 구조의 CIGS 또는 CIGSS 상의 (112), (220), (312) 방향에서 회절 된 것들이다.
As can be seen from Figure 4 and 5, the X-ray diffraction pattern was slightly abnormal when the pH of the reaction solution is 9, but no abnormality was observed at the pH of all other reaction solutions. Several diffraction pattern peaks were observed in nano-particles after sulfidation and selenization heat treatment. These peaks are CIGS or CIGSS in tetragonal structure. These are diffracted in the (112), (220), and (312) directions of the phase.

실험예 3Experimental Example 3

CIS, CISS, CIGS 및 CIGSS nano particle의 광학적 특성을 확인하기 위해 실시예3에서 얻어진 고품질 CIS nano-particle 1-1 내지 1-4 및 실시예4에서 얻어진 고품질 CISS nano-particle 1-1 내지 1-4와 실시예5에서 얻어진 고품질 CIGS nano-particle 2-1 내지 2-4 및 실시예6에서 얻어진 고품질 CIGSS nano-particle 2-1 내지 2-4의 광흡수계수를 분석하고 그 결과 그래프를 도6 내지 도 9에 나타내었다. 도 6 내지 도 9에서 CIS 및 CISS 나노입자 1-1 내지 1-4 와 CIGS 및 CIGSS 나노입자 2-1 내지 2-4는 반응용액의 pH인 pH 3, pH 5, pH 7, pH 9로 각각 표시되었다.In order to confirm the optical properties of CIS, CISS, CIGS and CIGSS nanoparticles, high quality CIS nano-particles 1-1 to 1-4 obtained in Example 3 and high quality CISS nano-particles 1-1 to 1- obtained in Example 4 The light absorption coefficients of the high quality CIGS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 4 and Example 5 and the high quality CIGSS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 6 were analyzed and the graphs of the results are shown in FIG. 9 to 9 are shown. 6 to 9, CIS and CISS nanoparticles 1-1 to 1-4 and CIGS and CIGSS nanoparticles 2-1 to 2-4 are respectively pH 3, pH 5, pH 7, and pH 9 of the reaction solution. Displayed.

기존에 보고된 문헌에 의하면 광 흡수 계수가 UV-vis 영역 내에서 104 이상이면 빛을 잘 흡수 할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 CIS 및 CISS 나노입자 1-1 내지 1-4 와 CIGS 및 CIGSS 나노입자 2-1 내지 2-4가 UV-vis 영역 내에서 모두 104 이상 광흡수 계수를 나타냈다. 따라서, 본 발명의 광흡수성 나노입자로 태양전지를 제조 시 좋은 특성의 태양전지의 성능을 나타낼 수 있을 것이 예측된다.
According to the previously reported literature, if the light absorption coefficient is 10 4 or more in the UV-vis region, it is reported that light can be absorbed well. As shown in FIGS. 6 to 9, the CIS and CISS nanoparticles 1-1 to 1-4 and the CIGS and CIGSS nanoparticles 2-1 to 2-4 all exhibited light absorption coefficients of 10 4 or more in the UV-vis region. . Therefore, it is expected that the performance of the solar cell having good properties when manufacturing the solar cell with the light absorbing nanoparticles of the present invention.

실험예 4Experimental Example 4

CIS, CISS, CIGS 및 CIGSS nano particle의 광학적 특성을 확인하기 위해 실시예3에서 얻어진 고품질 CIS nano-particle 1-1 내지 1-4 및 실시예4에서 얻어진 고품질 CISS nano-particle 1-1 내지 1-4와 실시예5에서 얻어진 고품질 CIGS nano-particle 2-1 내지 2-4 및 실시예6에서 얻어진 고품질 CIGSS nano-particle 2-1 내지 2-4의 밴드갭에너지를 UV-visible spectroscopy (Cary 100, Varian, Mulfrave, Australia)을 이용하여 분석하고 그 결과 그래프를 도10 내지 도 13에 나타내었다. 도 10 내지 도 13에서 CIS 및 CISS 나노입자 1-1 내지 1-4 와 CIGS 및 CIGSS 나노입자 2-1 내지 2-4는 반응용액의 pH인 pH 3, pH 5, pH 7, pH 9로 각각 표시되었다.In order to confirm the optical properties of CIS, CISS, CIGS and CIGSS nanoparticles, high quality CIS nano-particles 1-1 to 1-4 obtained in Example 3 and high quality CISS nano-particles 1-1 to 1- obtained in Example 4 The bandgap energies of the high quality CIGS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 4 and Example 5 and the high quality CIGSS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 6 were UV-visible spectroscopy (Cary 100, Varian, Mulfrave, Australia) and the results are shown in FIGS. 10 to 13. In FIGS. 10 to 13, CIS and CISS nanoparticles 1-1 to 1-4 and CIGS and CIGSS nanoparticles 2-1 to 2-4 are respectively pH 3, pH 5, pH 7, and pH 9 of the reaction solution. Displayed.

도 10 내지 도 13에 나타난 바와 같이, 반응 용액의 pH에 따라 밴드갭이 1.15 eV에서 1.4 eV 사이 값을 나타냈음을 알 수 있다. As shown in Figure 10 to Figure 13, it can be seen that the bandgap showed a value between 1.15 eV and 1.4 eV depending on the pH of the reaction solution.

이 실험 결과들은 반응용액의 pH와 제조된 고품질 광흡수성 nano-particle의 흡수단 및 밴드갭에너지는 비례관계인 것을 보여준다.
The experimental results show that the pH of the reaction solution and the absorption edge and bandgap energy of the prepared high-quality light-absorbing nano-particles are proportional to each other.

실험예 5Experimental Example 5

CISS 및 CIGSS nano particle 나노입자의 화학적 특성을 확인하기 위해 실시예4에서 얻어진 고품질 CISS nano-particle 1-1 내지 1-4와 실시예6에서 얻어진 고품질 CIGSS nano-particle 2-1 내지 2-4의 화학 조성을 FE-SEM에 장착되어 있는 EDS (JNS-7500F, JEOL, Japan)을 이용하여 분석 하였으며, 그 결과를 도 14 및 도 15에 각각 나타내었다. 도 14 및 도 15에서 CISS 나노입자 1-1 내지 1-4 및 CIGSS 나노입자 2-1 내지 2-4는 반응용액의 pH인 pH 3, pH 5, pH 7, pH 9로 각각 표시되었다.In order to confirm the chemical properties of the CISS and CIGSS nanoparticle nanoparticles of the high quality CISS nano-particles 1-1 to 1-4 obtained in Example 4 and the high quality CIGSS nano-particles 2-1 to 2-4 obtained in Example 6 The chemical composition was analyzed using EDS (JNS-7500F, JEOL, Japan) mounted on FE-SEM, and the results are shown in FIGS. 14 and 15, respectively. In FIGS. 14 and 15, CISS nanoparticles 1-1 to 1-4 and CIGSS nanoparticles 2-1 to 2-4 are represented as pH 3, pH 5, pH 7, and pH 9, respectively, pH of the reaction solution.

도 14에 도시된 바와 같이, CISS 나노입자의 경우 pH가 올라 갈수록 Se의 원소 비율이 상승 하였고, 전반적으로 Cu rich의 조성을 나타내었다. CIGSS의 경우 도 15에 도시된 바와 같이 반응 용액의 pH가 7까지는 In과 Ga의 조성비가 증가 하였다가 반응 용액의 pH 9인 경우 감소하였으며, CIGSS nano-particle 역시 Cu rich 조성을 나타내었다.As shown in FIG. 14, in the case of CISS nanoparticles, as the pH is increased, the element ratio of Se is increased, and the overall composition of Cu rich is shown. In the case of CIGSS as shown in FIG. 15, the composition ratio of In and Ga was increased until pH of the reaction solution was increased to 7 and decreased at pH 9 of the reaction solution. CIGSS nano-particles also exhibited Cu rich composition.

이상의 결과들은 본 발명의 광흡수성 나노입자 전구체 및 광흡수성 나노입자 제조방법에 의해 독성물질을 거의 사용하지 않고 친환경적으로 제조된 전구체로부터 제조된 광흡수성 나노입자가 각종 박막 태양전지의 대체 물질로 활용할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있음을 보여준다.
The above results indicate that the light-absorbing nanoparticle precursor and the light-absorbing nanoparticles prepared from the environmentally friendly precursors using little toxic substances by the method of manufacturing the light-absorbing nanoparticle precursors and the light-absorbing nanoparticles of the present invention can be used as an alternative material for various thin film solar cells. Shows that it has excellent properties.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.

Claims (20)

Cu 및 S 와 In 또는 Ga 중 어느 하나 이상이 포함된 반응용액에 Microwave를 조사하여 합성된 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체.
Light absorbing nanoparticle precursor, characterized in that synthesized by irradiating microwave to the reaction solution containing any one or more of Cu and S and In or Ga.
제 1 항에 있어서,
상기 반응용액의 pH에 따라 상기 광흡수용 나노입자 전구체에 함유될 Cu, S, In 또는 Ga의 조성비가 조절되는 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체.
The method of claim 1,
The light absorption nanoparticle precursor, characterized in that the composition ratio of Cu, S, In or Ga to be contained in the light absorption nanoparticle precursor according to the pH of the reaction solution.
제 1 항에 있어서,
상기 광흡수용 나노입자 전구체는 CuInS2[CIS] 나노입자 전구체, Cu(In,Ga)S2 [CIGS] 나노입자전구체, CuIn(S,Se)2[CISS] 나노입자 전구체 또는 Cu(In,Ga)(S,Se)2 [CIGSS]나노입자 전구체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체.
The method of claim 1,
The light absorption nanoparticle precursor is CuInS 2 [CIS] Nanoparticle Precursor, Cu (In, Ga) S 2 [CIGS] Nanoparticle Precursor, CuIn (S, Se) 2 [CISS] Nanoparticle Precursor or Cu (In, Ga) (S, Se) 2 [CIGSS] Nanoparticle Light absorption nanoparticle precursor, characterized in that any one of the precursor.
제 1 항에 있어서,
상기 Microwave 조사는 Microwave 파워가 100 내지 700W인 범위에서 5분 내지 1시간 수행되는 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체.
The method of claim 1,
The microwave irradiation is light absorption nanoparticle precursor, characterized in that performed for 5 minutes to 1 hour in the range of 100 to 700W microwave power.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법으로서,
Cu 및 S 와 In 또는 Ga 중 어느 하나 이상이 포함된 반응용액을 준비하는 단계;
준비된 상기 반응용액의 pH를 조절하는 단계;
pH조절된 상기 반응용액을 Microwave 조사하여 광흡수 나노입자 전구체를 형성하는 단계; 및
형성된 상기 광흡수 나노입자 전구체를 분리하는 단계를 포함하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
As a method for producing a light absorption nanoparticle precursor of any one of claims 1 to 4,
Preparing a reaction solution containing any one or more of Cu and S and In or Ga;
Adjusting the pH of the prepared reaction solution;
irradiating the pH-controlled reaction solution with microwaves to form light-absorbing nanoparticle precursors; And
Method for producing a light absorption nanoparticle precursor comprising the step of separating the light absorption nanoparticle precursor formed.
제 5 항에 있어서,
상기 pH는 산성 또는 염기성물질을 이용하여 pH 2-10의 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The pH is light absorption nanoparticle precursor manufacturing method characterized in that it is adjusted to the range of pH 2-10 using an acidic or basic material.
제 5 항에 있어서,
상기 Microwave 조사는 Microwave 파워가 100 내지 700W인 범위에서 5분 내지 1시간 수행되는 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The microwave irradiation is a light absorption nanoparticle precursor manufacturing method, characterized in that performed for 5 minutes to 1 hour in the range of 100 to 700W microwave power.
제 5 항에 있어서,
상기 분리된 광흡수용 나노입자 전구체를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
The method of claim 5, wherein
Method for producing a light absorption nanoparticle precursor further comprises the step of drying the separated light-absorbing nanoparticle precursor.
제 5 항에 있어서,
상기 반응용액은 상기 광흡수용 나노입자 전구체가 CIS 및 CISS나노입자 전구체인 경우에는 Cu의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 Cu 수용성염, In의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 In 수용성염, 및 S의 몰농도가 0.02M 내지 0.08인 수용성 황을 포함하고,
상기 광흡수용 나노입자가 CIGS 및 CIGSS 나노입자 전구체인 경우에는 Cu의 몰농도가 0.01 내지 0.025 M인 Cu 수용성염, In의 몰농도가 0.007 내지 0.0175 M인 In 수용성염, Ga의 몰농도가 0.003 내지 0.0075 M인 Ga 수용성염, 및 S의 몰농도가 0.02M 내지 0.08인 수용성 황을 포함하는 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The reaction solution is a Cu water-soluble salt having a molar concentration of 0.01 to 0.025 M, In a water-soluble salt having a molar concentration of In 0.01 to 0.025 M when the light absorption nanoparticle precursor is a CIS and CISS nanoparticle precursor, and A water-soluble sulfur having a molar concentration of S of 0.02 M to 0.08,
When the light-absorbing nanoparticles are CIGS and CIGSS nanoparticle precursors, Cu water-soluble salts having a molar concentration of 0.01 to 0.025 M, In water-soluble salts having a molar concentration of In 0.007 to 0.0175 M, and a molar concentration of Ga are 0.003 Ga-soluble salts of 0.0075 M, and water-soluble nanoparticle precursor manufacturing method comprising a water-soluble sulfur of 0.02M to 0.08 S.
제 5 항에 있어서,
상기 Cu 수용성염,In 수용성염 및 Ga 수용성염은 아세테이트염, 염산염 또는 황산염 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The Cu water-soluble salts, In water-soluble salts and Ga water-soluble salts is a method for producing a light absorption nanoparticle precursor, characterized in that at least one of acetate salts, hydrochloride salts or sulfates.
제 10 항에 있어서,
상기 수용성 황은 티오우레아(thiourea) 또는 티오아세트아마이드(thioacetamide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광흡수용 나노입자 전구체 제조방법.
The method of claim 10,
The water-soluble sulfur is thiourea (thiourea) or thioacetamide (thioacetamide), characterized in that any one of the nanoparticle precursor for light absorption manufacturing method.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 광흡수용 나노입자 전구체를 황화열처리 또는 셀렌화 열처리하여 합성되는 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자.
High-quality light-absorbing nanoparticles, characterized in that synthesized by sulfidation heat treatment or selenization heat treatment nanoparticle precursor of any one of claims 1 to 4.
제 12 항에 있어서,
상기 광흡수용 나노입자 전구체를 황화 열처리하여 합성되는 고품질 광흡수성 나노입자는 CIS 및 CIGS나노입자이고,
셀렌화 열처리하여 합성되는 고품질 광흡수성 나노입자는 CISS 및 CIGSS나노입자인 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자.
The method of claim 12,
The high quality light absorbing nanoparticles synthesized by sulfiding heat treatment of the light absorbing nanoparticle precursors are CIS and CIGS nanoparticles,
The high quality light absorbing nanoparticles synthesized by selenization heat treatment are CISS and CIGSS nanoparticles.
제 12 항에 있어서,
상기 광흡수성 나노입자는 UV-vis 영역 내에서 104 이상의 광흡수 계수를 나타내고, 밴드갭은 1.0 eV에서 1.5 eV인 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자.
The method of claim 12,
The light absorbing nanoparticles exhibit a light absorption coefficient of 10 4 or more in the UV-vis region, and the band gap is 1.0 eV to 1.5 eV.
제 12 항에 있어서,
상기 황화 열처리는 황화수소가 1-10%포함된 질소분위기하에서 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 처리하여 수행되고,
상기 셀렌화 열처리는 황화수소가 1-10% 포함된 질소혼합가스를 운반가스로 하여 Se pellet이 350 ℃ 내지 550 ℃로 열처리되어 기화된 Se이 상기 광흡수성 나노입자 전구체와 반응하도록 30분 내지 90분간 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 열처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자.
The method of claim 12,
The sulfidation heat treatment is performed by treating the light absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 ° C. for 30 to 90 minutes under a nitrogen atmosphere containing 1-10% of hydrogen sulfide,
The selenization heat treatment is a nitrogen gas mixture containing 1-10% hydrogen sulfide as a carrier gas, and the se pellet is heat-treated at 350 ° C. to 550 ° C., so that the vaporized Se reacts with the light-absorbing nanoparticle precursor. High-quality light-absorbing nanoparticles, characterized in that carried out by heat-treating the light-absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 ℃.
제 5 항의 광흡수성 나노입자 전구체 제조방법으로 광흡수성 나노입자 전구체를 제조하는 단계; 및
상기 제조된 광흡수성 나노입자 전구체를 황화열처리 또는 셀렌화 열처리하는 단계를 포함하는 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법.
Preparing a light absorbing nanoparticle precursor using the light absorbing nanoparticle precursor manufacturing method of claim 5; And
High-quality light-absorbing nanoparticles manufacturing method comprising the step of sulphide heat treatment or selenization heat treatment of the prepared light-absorbing nanoparticle precursor.
제 16 항에 있어서, 상기 셀렌화 열처리하는 단계는
Se pellet과 광흡수성 나노입자 전구체를 이격시켜 배치하는 단계;
이격되어 배치된 상기 Se pellet을 열처리하는 단계; 및
열처리된 상기 Se pellet으로부터 기화된 Se을 황화수소가 1-10% 포함된 질소혼합가스를 운반가스로 하여 상기 광흡수성 나노입자 전구체와 반응시키는 단계를 포함하는 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법.
The method of claim 16, wherein the selenization heat treatment is
Disposing the se pellet from the light absorbing nanoparticle precursor;
Heat treating the Se pellets spaced apart; And
A method of manufacturing high quality light absorbing nanoparticles, the method comprising: reacting Se vaporized from the heat treated Se pellet with the light absorbing nanoparticle precursor using a nitrogen mixed gas containing 1-10% hydrogen sulfide as a carrier gas.
제 17 항에 있어서,
상기 Se pellet은 350 ℃ 내지 550 ℃로 열처리되는데, 열처리되는 온도에 따라 기화되는 Se양이 조절되는 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법.

The method of claim 17,
The Se pellet is heat-treated at 350 ℃ to 550 ℃, the high-quality light-absorbing nanoparticles manufacturing method, characterized in that the amount of Se is evaporated according to the temperature to be heat-treated.

제 17 항에 있어서,
상기 기화된 Se을 광흡수성 나노입자 전구체와 반응시키는 단계는 상기 광흡수성 나노입자 전구체를 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 열처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법.
The method of claim 17,
The step of reacting the vaporized Se with the light-absorbing nanoparticle precursor is a high-quality light-absorbing nanoparticles manufacturing method, characterized in that carried out by heat-treating the light-absorbing nanoparticle precursor at 500 to 600 ℃ 30 minutes to 90 minutes.
제 16 항에 있어서,
상기 황화 열처리하는 단계는 황화수소가 1-10%포함된 질소분위기하에서 500 내지 600℃로 30분 내지 90분간 처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고품질 광흡수성 나노입자 제조방법.
17. The method of claim 16,
The sulfiding heat treatment step is a high-quality light-absorbing nanoparticles manufacturing method, characterized in that carried out for 30 to 90 minutes at 500 to 600 ℃ under a nitrogen atmosphere containing hydrogen sulfide 1-10%.
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