KR20230071459A - Method for manufacturing antimony/bismuth chalcohalide thin films using one-step solution process and solar cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원 스텝 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 기판을 준비하는 단계; 및 전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅한 후, 가열하는 단계;를 포함하며, 상기 전구체 용액은 SbCl3 및 SeU(NH2CSeNH2)를 DMF(N,N-dimethylformamide)에 용해시킨 용액 A 및 SbI3 또는 BiI3를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone)에 용해시킨 용액 B를 혼합한 혼합용액인 것을 특징으로 하는 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법, 상기 방법으로 제조된 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 및 상기 박막을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process and a solar cell including the same. Specifically, the present invention relates to preparing a substrate; and spin-coating a precursor solution on the substrate and then heating the precursor solution, wherein the precursor solution is solution A obtained by dissolving SbCl 3 and SeU (NH 2 CSeNH 2 ) in N,N-dimethylformamide (DMF) and Antimony or bismuth chalcohalide thin film production using a one-step solution process, characterized in that it is a mixed solution in which SbI 3 or BiI 3 is dissolved in NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone) and solution B is mixed A method, a high-purity antimony or bismuth chalcohalide thin film prepared by the method, and a solar cell including the thin film.
Description
본 발명은 원 스텝 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process and a solar cell including the same.
안티몬과 비스무트의 삼원 칼코할라이드(MChX, 여기서 M = Sb, Bi; Ch = S, Se; X = I, Br, Cl)는 우수한 특성, 높은 안정성, 낮은 독성 등으로 최근 무연 태양전지의 응용분야에서 잠재적 후보로 각광받고 있다. 특히, 이러한 재료를 기반으로 하는 태양전지는 결함 내성 기능을 가능하게 하는 Pb 페로브스카이트에서 Pb2+와 같은 Sb3+/Bi3+의 ns2 전자 구성으로 인해 높은 장치 성능을 나타낼 것으로 예상하고 있으며, 이러한 특징으로 차세대 태양전지에 대한 적용 측면에서 널리 연구되고 있는 Pb 페로브스카이트에 대한 매력적인 대안이 될 것으로 예상하고 있다.Antimony and bismuth ternary chalcohalides (MChX, where M = Sb, Bi; Ch = S, Se; X = I, Br, Cl) have been recently used in lead-free solar cell applications due to their excellent properties, high stability, and low toxicity. It is being highlighted as a potential candidate. In particular, solar cells based on these materials are expected to exhibit high device performance due to the ns 2 electronic configuration of Sb 3+ /Bi 3+ like Pb 2+ in Pb perovskite enabling defect-tolerant function. With these characteristics, it is expected to be an attractive alternative to Pb perovskite, which is widely studied in terms of application to next-generation solar cells.
그러나 현재까지 안티몬과 비스무트의 삼원 칼코할라이드를 기반으로 하는 태양전지의 효율은 5% 미만으로, 이는 Pb 페로브스카이트 태양전지(> 25%) 보다 훨씬 낮고 효율 개선을 위한 연구도 미비하다. 따라서 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 그러나, 태양전지 응용에 적합한 고순도 칼코할로겐화물을 합성하고 그 특성을 조절할 수 있는 제조방법에 대한 기술은 아직까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.However, to date, the efficiency of solar cells based on ternary chalcohalides of antimony and bismuth is less than 5%, which is much lower than that of Pb perovskite solar cells (> 25%), and research on efficiency improvement is insufficient. Therefore, it is necessary to develop a technology capable of improving performance. However, a technology for a manufacturing method capable of synthesizing high-purity chalcohalides suitable for solar cell applications and adjusting their properties has not yet been developed.
Sb/Bi 칼코할라이드는 다양한 방법을 통해 태양전지용으로 제조되고 있는데, 이들 방법 중에서 2단계 용액상 방법은 다양한 물질에 대해 비교적 효과적으로 적용되고 있다. 2단계 용액상 방법은 two-step 중 첫 번째 단계에서 형성된 칼코게나이드(chalcogenides)의 전환으로 칼코할라이드(chalcohalide)를 수득할 수 있고, 최종 생성물은 첫 번째 단계 및 두 번째 단계 각각에서 사용되는 칼코게나이드 및 할로겐화물(halide)의 종에 따라 조절될 수 있다. 이러한 2단계 용액상 방법에 의해 SbSI, (Sb,Bi)SI, BiSI, SbSeI, Sb(S,Se)I와 같은 다양한 재료가 합성된다.Sb/Bi chalcohalides are being prepared for solar cells through various methods, and among these methods, the two-step solution phase method is relatively effectively applied to various materials. The two-step solution phase method can obtain chalcohalides by converting chalcogenides formed in the first step of the two-step, and the final product is the It can be controlled according to the species of cogenide and halide. Various materials such as SbSI, (Sb,Bi)SI, BiSI, SbSeI, and Sb(S,Se)I are synthesized by this two-step solution phase method.
또한, 안티몬 셀레노이오다이드 SbSeI를 기반으로 하는 태양전지에서는 2단계 용액상 방법으로 4.1%의 높은 효율을 얻을 수 있다. 그러나 이러한 효율에도 불구하고, 상기 방법은 고순도의 박막을 얻는데 어려움이 있다.In addition, in a solar cell based on antimony selenoidide SbSeI, a high efficiency of 4.1% can be obtained by a two-step solution phase method. However, despite this efficiency, the method has difficulty in obtaining a thin film of high purity.
고순도의 상을 형성하려면 첫 번째 단계에서 형성된 모든 칼코게나이드가 두 번째 단계에서 할로겐화물과 반응해야 한다. 그러나 칼코게나이드는 바람직하지 않은 형태 때문에 할로겐화물과 종종 반응할 수 없으며 최종산물로 모두 전환되지 못하고 남는 문제점이 있다.To form a highly pure phase, all the chalcogenides formed in the first step must react with the halide in the second step. However, chalcogenide often cannot react with halides because of its undesirable form and remains unconverted to final products.
그러므로 종래 이러한 문제점을 해결하면서 효율적으로 고순도의 안티몬/비스무트 칼코할라이드 박막을 제조할 수 있는 새로운 방법의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a new method capable of efficiently manufacturing a high-purity antimony/bismuth chalcohalide thin film while solving these conventional problems.
이에 본 발명자들은 안티몬/비스무트 칼코할라이드 박막을 고순도로 제조할 수 있는 새로운 방법을 연구하던 중, 특정 몰비로 혼합하여 제조된 전구체 용액을 이용한 원 스텝(one-step) 공정으로 고순도의 안티몬/비스무트 칼코할라이드 박막을 형성할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, while the present inventors were researching a new method for producing a high purity antimony/bismuth chalcohide thin film, a one-step process using a precursor solution prepared by mixing at a specific molar ratio resulted in high purity antimony/bismuth chalcochalide. The present invention was completed by confirming that a halide thin film could be formed.
따라서 본 발명의 목적은, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for preparing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process.
본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명의 방법으로 제조되는 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an antimony or bismuth chalcohalide thin film prepared by the method of the present invention.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 포함하는 태양전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a solar cell comprising the antimony or bismuth chalcohalide thin film of the present invention.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판을 준비하는 단계; 및 전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅한 후, 가열하는 단계;를 포함하며, 상기 전구체 용액은 SbCl3 및 SeU(NH2CSeNH2)를 DMF(N,N-dimethylformamide)에 용해시킨 용액 A 및 SbI3 또는 BiI3를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone)에 용해시킨 용액 B를 혼합한 혼합용액인 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a substrate; and spin-coating a precursor solution on the substrate and then heating the precursor solution, wherein the precursor solution is solution A obtained by dissolving SbCl 3 and SeU (NH 2 CSeNH 2 ) in N,N-dimethylformamide (DMF) and Antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process, characterized in that it is a mixed solution in which solution B in which SbI 3 or BiI 3 is dissolved in NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone) is mixed A manufacturing method is provided.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1:1.25~1:1.75의 몰비로 혼합한 혼합용액일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the precursor solution may be a mixed solution in which Solution A and Solution B are mixed in a molar ratio of 1:1.25 to 1:1.75.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1:1.5의 몰비로 혼합한 혼합용액일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the precursor solution may be a mixed solution in which solution A and solution B are mixed in a molar ratio of 1:1.5.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1~2시간 동안 각각 교반한 후, 용액 A 및 용액 B를 혼합한 다음 다시 1~2시간 동안 교반한 혼합용액일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the precursor solution may be a mixed solution obtained by stirring solution A and solution B for 1 to 2 hours, mixing solution A and solution B, and then stirring again for 1 to 2 hours. there is.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 스핀 코팅은 4000~6000rpm에서 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the spin coating may be performed at 4000 to 6000 rpm.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 가열은 150~200℃에서 5~10분 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heating may be performed at 150 to 200 ° C. for 5 to 10 minutes.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 가열은 150℃에서 5분 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heating may be performed at 150 ° C. for 5 minutes.
또한 본 발명은 본 발명의 방법으로 제조되는 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 제공한다.In addition, the present invention provides an antimony or bismuth chalcohalide thin film prepared by the method of the present invention.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드는 SbSeI 또는 (Bi,Sb)SeI일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the antimony or bismuth chalcohalide may be SbSeI or (Bi,Sb)SeI.
또한 본 발명은 본 발명의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 포함하는 태양전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a solar cell comprising the antimony or bismuth chalcohalide thin film of the present invention.
본 발명에서 제공하는 원 스텝 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법은 전구체 용액을 이용한 원 스텝의 간단한 용액공정으로 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 제조할 수 있는 효과가 있으며 본 발명의 방법으로 제조된 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막은 광전특성이 우수한 태양전지의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.The method for manufacturing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process provided by the present invention has the effect of producing a high-purity antimony or bismuth chalcohalide thin film through a simple one-step solution process using a precursor solution. The high-purity antimony or bismuth chalcohalide thin film prepared by the method can be usefully used for manufacturing a solar cell having excellent photoelectric properties.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원-스텝 공정에 따른 SbSeI 박막 증착에 대한 공정도를 나타낸 것으로, (a)는 전구체 용액의 합성 과정을 나타낸 것이고, (b)는 이 용액을 활용한 SbSeI 박막 증착 공정의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서, 서로 다른 몰비(Sol A: Sol B)를 이용하여 제조된 전구체 용액으로 원-스텝 공정에 따라 제조된 SbSeI 박막의 특성을 분석한 것으로, (a) 흡수 스펙트럼, (b) XRD 패턴, (c) FESEM 분석이미지를 나타낸 것이다. 또한 여기서 Sb2Se3 및 SbSeI의 피크 위치는 Sb2Se3(ICDD # 98-065-1518) 및 SbSeI(ICDD # 98-003-1292)의 참조 데이터를 기반으로 (b)에 표시하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서, 다양한 어닐링 온도에서 원-스텝 공정으로 제조된 SbSeI 박막의 특성을 분석한 것으로, (a) 흡수 스펙트럼, (b) XRD 패턴, (c), (d) FESEM 분석이미지를 나타낸 것이다. 이때 분석한 샘플은 Sol A: Sol B가 1:1.5의 몰비로 혼합된 전구체 용액을 사용하여 제조한 것을 사용하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 전구체 용액 제조시 SbI3 대신 BiI3을 이용하여 제조한 (Bi,Sb)SeI 박막에 대한 (a) 흡수 스펙트럼 및 (b) XRD 패턴 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에서 SbSI 및 (Bi,Sb)SeI 박막에 대한 (a) UPS 스펙트럼 및 (b) 파생된 에너지 수준 다이어그램을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 CdS/FTO 기판에 Sol A 및 Sol B 용액을 각각 처리하여 제조한 박막에 대한 (a) 흡수 스펙트럼 및 (b) XRD 패턴분석 결과를 나타낸 것이며, XRD 패턴분석에서 사방정계 Sb2Se3(ICDD #98-065-1519) 및 단사정계 SbI3 (ICDD #98-002-6082)에 대한 두 가지 참조 결과를 기반으로 분석한 것이며, “Sub”는 Sol A 및 Sol B를 모두 처리하지 않은 CdS/FTO 기판을 나타낸 것이고, Sol A 및 Sol B 박막은 글로브 박스에서 150°C에서 어닐링한 것이다.1 shows a process chart for depositing an SbSeI thin film according to a one-step process according to an embodiment of the present invention, (a) shows a synthesis process of a precursor solution, and (b) shows a SbSeI using this solution. It shows a schematic diagram of the thin film deposition process.
2 is an analysis of the characteristics of SbSeI thin films prepared according to a one-step process with precursor solutions prepared using different molar ratios (Sol A: Sol B) in one embodiment of the present invention, (a) absorption It shows the spectrum, (b) XRD pattern, and (c) FESEM analysis image. Also, the peak positions of Sb 2 Se 3 and SbSeI are shown in (b) based on reference data of Sb 2 Se 3 (ICDD # 98-065-1518) and SbSeI (ICDD # 98-003-1292).
Figure 3 is an analysis of the characteristics of the SbSeI thin film prepared in one-step process at various annealing temperatures in one embodiment of the present invention, (a) absorption spectrum, (b) XRD pattern, (c), (d) It shows the FESEM analysis image. At this time, the analyzed sample was prepared using a precursor solution in which Sol A: Sol B was mixed at a molar ratio of 1:1.5.
4 shows (a) absorption spectrum and (b) XRD pattern analysis results for a (Bi,Sb)SeI thin film prepared using BiI 3 instead of SbI 3 when preparing a precursor solution in one embodiment of the present invention.
5 shows the results of analyzing (a) a UPS spectrum and (b) a derived energy level diagram for SbSI and (Bi,Sb)SeI thin films in one embodiment of the present invention.
Figure 6 shows (a) absorption spectrum and (b) XRD pattern analysis results for thin films prepared by treating Sol A and Sol B solutions on a CdS / FTO substrate, respectively. In the XRD pattern analysis, orthorhombic Sb 2 Se 3 (ICDD #98-065-1519) and monoclinic SbI 3 (ICDD #98-002-6082), with “Sub” being both Sol A and Sol B untreated. A CdS/FTO substrate is shown, and Sol A and Sol B thin films are annealed at 150 °C in a glove box.
본 발명은 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법을 제공함에 특징이 있다.The present invention is characterized by providing a method for preparing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process.
구체적으로 본 발명은, (1) 기판을 준비하는 단계; 및 (2) 전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅한 후, 가열하는 단계;를 포함하며, 이때 상기 전구체 용액은 SbCl3 및 SeU(NH2CSeNH2)를 DMF(N,N-dimethylformamide)에 용해시킨 용액 A 및 SbI3 또는 BiI3를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone)에 용해시킨 용액 B를 혼합한 혼합용액인 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법을 제공함에 특징이 있습니다.Specifically, the present invention, (1) preparing a substrate; and (2) spin-coating a precursor solution on the substrate and then heating it, wherein the precursor solution dissolves SbCl 3 and SeU (NH 2 CSeNH 2 ) in N,N-dimethylformamide (DMF). Antimony or It is characterized by providing a method for manufacturing a bismuth chalcohalide thin film.
이하 본 발명에 따른 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for manufacturing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process according to the present invention will be described in detail.
먼저, 기판을 준비한다.First, prepare a substrate.
본 발명의 일실시예에서는, CdS 층을 FTO 유리 위에 화학 수조 증착방법을 사용하여 증착시킨 기판을 사용하였다.In one embodiment of the present invention, a substrate on which a CdS layer was deposited on FTO glass using a chemical bath deposition method was used.
기판의 준비가 완료되면, 상기 기판 상에 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드를 증착시킬 수 있는데, 전구체 용액을 이용한 용액공정을 통해 원-스텝의 간편한 공정으로 수행할 수 있다.When the preparation of the substrate is completed, antimony or bismuth chalcohalide can be deposited on the substrate, which can be performed in a simple one-step process through a solution process using a precursor solution.
구체적으로 전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅한 후, 가열하는 단계를 통해 상기 기판 상에 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드를 형성시킬 수 있으며, 이때 상기 전구체 용액은 SbCl3 및 SeU(NH2CSeNH2)를 DMF(N,N-dimethylformamide)에 용해시킨 용액 A 및 SbI3 또는 BiI3를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone)에 용해시킨 용액 B를 혼합한 혼합용액을 사용한다.Specifically, after spin-coating a precursor solution on the substrate, antimony or bismuth chalcohalide may be formed on the substrate through a step of heating, wherein the precursor solution is SbCl 3 and SeU (NH 2 CSeNH 2 ). A mixed solution is used by mixing solution A dissolved in DMF (N,N-dimethylformamide) and solution B dissolved in SbI 3 or BiI 3 in NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone).
본 발명의 일실시예에서 상기 용액 A는 0.5mmol SbCl3와 1.25mmol SeU를 1mL의 DMF에 용해시켜 제조한 용액을 사용하였고, 용액 B는 0.5mmol SbI3를 NMP 1mL에 용해시켜 제조한 용액을 사용하였다.In one embodiment of the present invention, the solution A was a solution prepared by dissolving 0.5 mmol SbCl 3 and 1.25 mmol SeU in 1 mL of DMF, and the solution B was a solution prepared by dissolving 0.5 mmol SbI 3 in 1 mL of NMP. used
각각 용액 A 및 용액 B의 제조가 완료되면 1~2시간 동안 각각의 용액을 교반한 후, 용액 A 및 용액 B를 혼합한 다음, 다시 1~2시간 동안 교반하여 전구체 용액을 제조한다.When the preparation of solutions A and B is completed, the respective solutions are stirred for 1 to 2 hours, then solutions A and B are mixed, and stirred again for 1 to 2 hours to prepare a precursor solution.
또한, 본 발명에서 상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1:1.25~1:1.75의 몰비로 혼합한 혼합용액을 사용한다.In addition, in the present invention, the precursor solution uses a mixed solution in which solution A and solution B are mixed in a molar ratio of 1:1.25 to 1:1.75.
한편 본 발명자들은 용액 A 및 용액 B를 혼합한 전구체 용액을 이용하여 원 스텝 공정으로 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조에 있어서, 상기 용액 A 및 용액 B의 혼합비가 제조된 박막의 특성에 영향을 줄 수 있는지를 분석하였다.On the other hand, the inventors of the present invention, in manufacturing an antimony or bismuth chalcohalide thin film in a one-step process using a precursor solution in which solution A and solution B are mixed, the mixing ratio of solution A and solution B can affect the characteristics of the prepared thin film It was analyzed whether
이를 위해, 용액 A 및 용액 B를 각기 다른 몰비로 혼합한 전구체 용액을 각각 제조하고 이를 기판 상에 코팅하여 제조된 칼코할라이드 박막의 특성을 분석하였는데, 그 결과, 용액 A 대 용액 B 몰비가 1:1.25~1:1.75의 혼합비를 벗어난 경우에서는 본 발명에서 제조하려는 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드가 형성되지 못하는 것으로 나타났는데, 용액 A 대 용액 B를 1:0.75 몰비로 혼합한 전구체용액을 사용한 경우, Sb2Se3 상이 대부분인 것으로 관찰되었고, SbSeI 상은 형성되지 않는 것으로 나타났다. 한편 1:1.25 혼합 비율부터는 SbSeI 상이 관찰되었으며, 1:1.5의 혼합 비율일 때, 최대의 SbSeI 상이 관찰되었으며 Sb2Se3 상은 관찰되지 않는 것으로 나타났다.To this end, the properties of the prepared chalcohalide thin film were analyzed by preparing precursor solutions in which solution A and solution B were mixed at different molar ratios and coating them on a substrate. As a result, the molar ratio of solution A to solution B was 1: When the mixing ratio of 1.25 to 1:1.75 was exceeded, antimony or bismuth chalcohalide to be prepared in the present invention was not formed. The Se 3 phase was observed to be predominant, and no SbSeI phase appeared to be formed. Meanwhile, the SbSeI phase was observed from the mixing ratio of 1:1.25, and when the mixing ratio was 1:1.5, the maximum SbSeI phase was observed and the Sb 2 Se 3 phase was not observed.
따라서 본 발명자들은 이러한 결과를 통해 용액 A 대 용액 B 용액의 혼합 몰비가 칼코할라이드 박막의 제조 및 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, A 대 용액 B를 1:1.25~1:1.75의 몰비로 혼합하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. 또한 바람직하게는 용액 A 대 용액 B를 1:1.5의 혼합몰비로 혼합할 수 있다.Therefore, the present inventors have found that the mixing molar ratio of Solution A to Solution B affects the manufacturing and properties of the chalcohalide thin film through these results, and mixing A to Solution B at a molar ratio of 1:1.25 to 1:1.75. I knew it was important to do. Also preferably, Solution A to Solution B may be mixed at a mixing molar ratio of 1:1.5.
전구체 용액의 제조가 완료되면, 상기 기판 상에 상기 전구체 용액을 상기 기판 상에 용액 공정 처리한 다음, 가열을 통해 어닐링을 수행하여, 상기 기판 상에 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드를 형성시킨다.When the preparation of the precursor solution is completed, the precursor solution is subjected to a solution process on the substrate and then annealed by heating to form antimony or bismuth chalcohalide on the substrate.
용액공정은 이에 제한되지는 않으나, 예를 들어, 화학용액증착법(Chemical bath deposition, CBD), 분자용액공정(Molecular solution processing), 연속적인 화학 반응법(Successive ionic layer adsorption and reaction method, SILAR)으로 수행할 수 있고, 본 발명의 일실시예에서는 상기 전구체 용액을 기판 상에 떨어뜨려 스핀 코팅을 수행하였다.The solution process is not limited thereto, but, for example, chemical bath deposition (CBD), molecular solution processing, successive chemical reaction method (Successive ionic layer adsorption and reaction method, SILAR). In one embodiment of the present invention, spin coating was performed by dropping the precursor solution on the substrate.
상기 스핀 코팅은 4000~6000rpm에서 수행할 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서는 5000rpm에서 수행하였다.The spin coating may be performed at 4000 to 6000 rpm, and in one embodiment of the present invention, it was performed at 5000 rpm.
스핀 코팅 후, 가열처리, 즉 어닐링 과정을 수행할 수 있는데, 상기 가열은 150~200℃에서 5~10분 동안 수행한다.After spin coating, a heat treatment, that is, an annealing process may be performed, and the heating is performed at 150 to 200° C. for 5 to 10 minutes.
본 발명자들은 상기 전구체 용액의 2가지 용액의 혼합 몰비가 제조된 칼코할라이드의 특성에 영향을 줄 수 있음을 확인하였는데, 나아가 가열 조건도 본 발명의 칼코할라이드 특성에 영향을 줄 수 있는지를 확인하기 위한 분석을 수행하였다.The present inventors have confirmed that the mixing molar ratio of the two solutions of the precursor solution can affect the characteristics of the prepared calcohalide, and furthermore, to confirm whether the heating condition can also affect the characteristics of the calcohalide of the present invention analysis was performed.
이를 위해 열처리 온도를 각각 달리하여 형성된 칼코할라이드 박막을 분석한 결과, 150~200°C의 온도를 벗어난 250°C의 경우, SbSeI에서 Sb2Se3로의 위상 변화가 나타났으며, 300°C에 도달하면 Sb2Se3 상에 해당하는 XRD 피크만 관찰되었다. 또한, 150°C 미만의 온도에서는 완전한 반응이 일어나지 않아 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드가 완벽하게 형성되지 못하는 문제가 있다. 따라서 상기 온도를 벗어난 조건에서는 불특정 상이 형성되어 고순도의 칼코할라이드를 형성할 수 없기 때문에, 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 얻기 위해서는 150~200°C의 온도에서 열처리를 수행하는 것이 중요하며, 바람직하게는 150°C에서 어닐링을 수행할 수 있다.To this end, as a result of analyzing the chalcohalide thin films formed at different heat treatment temperatures, a phase change from SbSeI to Sb 2 Se 3 was shown in the case of 250 °C outside the temperature of 150 ~ 200 °C, and at 300 °C Upon arrival, only XRD peaks corresponding to the Sb 2 Se 3 phase were observed. In addition, there is a problem in that high-purity antimony or bismuth chalcohalide is not completely formed because a complete reaction does not occur at a temperature of less than 150 ° C. Therefore, since an unspecified phase is formed under conditions outside the above temperature range and high purity chalcohalide cannot be formed, it is important to perform heat treatment at a temperature of 150 to 200 ° C in order to obtain a high purity antimony or bismuth chalcohalide thin film. Preferably, annealing can be performed at 150 °C.
또한 본 발명의 방법으로 상기 전구체 용액의 스핀 코팅 및 가열처리는 수회 반복 수행할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 5회 반복 수행하였다.In addition, by the method of the present invention, the spin coating and heat treatment of the precursor solution may be repeatedly performed several times. In one embodiment of the present invention, it was repeated 5 times.
이상 본 발명의 방법은 전구체 용액을 이용한 원-스텝 공정을 통해 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.As described above, the method of the present invention can efficiently manufacture a high-purity antimony or bismuth chalcohalide thin film through a one-step process using a precursor solution.
나아가 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 의해 고순도의 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 제공할 수 있다.Furthermore, the present invention can provide a high-purity antimony or bismuth chalcohalide thin film by the method of the present invention.
상기 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드는 SbSeI 또는 (Bi,Sb)SeI일 수 있다.The antimony or bismuth chalcohalide may be SbSeI or (Bi,Sb)SeI.
또한 본 발명은 상기 본 발명의 방법으로 제조된 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 포함하는 태양전지를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a solar cell including the antimony or bismuth chalcohalide thin film manufactured by the method of the present invention.
상기 본 발명에 따른 태양전지는, 기판 상에 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 상기 본 발명의 방법으로 제조된 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및 제2 전극을 형성하는 단계를 통해 제조될 수 있고, 상기 방법은 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래 기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다. The solar cell according to the present invention includes forming a first electrode on a substrate; forming a photoactive layer including an antimony or bismuth chalcohalide thin film prepared by the method of the present invention on the first electrode; And it can be manufactured through the step of forming a second electrode, the method is not particularly limited in the present invention, any method known in the prior art can be used without limitation.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
<제조예 및 실험방법><Manufacturing Examples and Experimental Methods>
(1) 시약준비(1) Reagent preparation
염화안티몬(III)(SbCl3, 99+%), 요오드화안티몬(III)(SbI3, 99.999%), SeU(NH2CSeNH2, 99.97%), N-메틸-2-피롤리디논(NMP, C5H9NO, 무수 99.5%) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF, HCON(CH3)2, 무수 99.8%)는 Alfa Aesar에서 구입하여 사용하였다. 황산카드뮴 수화물(CdSO4·8/3H2O, ≥99.0%), 티오요소(TU, NH2CSNH2, ≥99.0%) 및 비스무트(III) 요오드화물(BiI3, 99%)은 시그마 알드리치에서 구입하여 사용하였다. 수산화암모늄 용액(NH4OH, H2O 중 28% NH3)은 Junsei에서 구입하여 사용하였다. 모든 화학 물질은 추가 정제 없이 구입한 그대로를 사용하였고, 면저항이 15Ω/sq인 FTO 유리는 Pilkington에서 구입하여 사용하였다.Antimony (III) chloride (SbCl 3 , 99+%), Antimony (III) iodide (SbI 3 , 99.999%), SeU (NH 2 CSeNH 2 , 99.97%), N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP, C 5 H 9 NO, 99.5% anhydrous) and N,N-dimethylformamide (DMF, HCON(CH 3 ) 2 , 99.8% anhydrous) were purchased from Alfa Aesar and used. Cadmium sulfate hydrate (CdSO 4 8/3H 2 O, ≥99.0%), thiourea (TU, NH 2 CSNH 2 , ≥99.0%) and bismuth(III) iodide (BiI 3 , 99%) were obtained from Sigma Aldrich. purchased and used. Ammonium hydroxide solution (NH 4 OH, 28% NH 3 in H 2 O) was purchased from Junsei and used. All chemicals were used as purchased without further purification, and FTO glass having a sheet resistance of 15 Ω/sq was purchased from Pilkington and used.
(2) CdS/FTO 기판 제조(2) CdS/FTO substrate manufacturing
50nm 두께의 CdS 층을 FTO 유리 위에 화학 수조 증착방법을 사용하여 증착시켰다. CdS 증착은 FTO 유리를 CdSO4·8/3H2O, NH4OH 및 TU를 포함하는 수용액에 침지하는 방법으로 수행하였는데, 침지 과정 동안, 용액의 온도와 pH는 각각 65 °C와 11~11.5로 유지시켰다. 12분 30초 동안 침지시킨 후, 유리를 용액에서 제거하고 탈이온수로 여러 번 세척한 다음 건조시켰다. 그런 다음, 샘플을 즉시 H2O 수준이 1ppm 미만으로 유지되는 수분 조절 시스템이 있는 N2가 채워진 글로브 박스로 옮겨 불활성 가스에서 어닐링시켰다. 이후 글러브 박스에서 400°C에서 1시간 동안 가열하여 CdS/FTO 기판을 얻었다.A 50 nm thick CdS layer was deposited on FTO glass using a chemical bath deposition method. CdS deposition was carried out by immersing the FTO glass in an aqueous solution containing CdSO 4 8/3H 2 O, NH 4 OH and TU. During the immersion process, the temperature and pH of the solution were 65 °C and 11–11.5, respectively. kept as After soaking for 12 minutes and 30 seconds, the glass was removed from the solution, washed several times with deionized water and dried. The samples were then immediately transferred to a N 2 -filled glove box with a moisture control system maintaining H 2 O levels below 1 ppm and annealed in an inert gas. Afterwards, the substrate was heated at 400 °C for 1 hour in a glove box to obtain a CdS/FTO substrate.
(3) 전구체 용액의 제조 및 SbSeI 박막 증착(3) Preparation of precursor solution and deposition of SbSeI thin film
전구체 용액은 도 1a에 나타낸 바와 같이, 2 종류의 스톡 용액인 Sol A와 Sol B 용액을 혼합하여 제조하였다. Sol A 용액은 0.5mmol SbCl3와 1.25mmol SeU를 1mL의 DMF에 용해시켜 제조하였다. Sol B 용액은 0.5mmol SbI3를 NMP 1mL에 용해시켜 제조하였다. 이후 두 용액을 1시간 동안 각각 교반한 후, 서로 다른 몰비로 혼합하고 1시간 동안 교반하여 2가지 용액이 혼합된 전구체 용액을 제조하였다. 이후, 제조된 전구체 용액 180 μL을 미리 세척시킨 CdS/FTO 기판상에 5000 rpm으로 스핀 코팅한 다음, 150 °C에서 5분 동안 가열하였다(도 1b). 이 과정을 5회 반복하였으며, 모든 과정은 글로브 박스에서 수행하였다. 용액 합성 동안 CdS/FTO 기판은 글로브 박스 외부에서 20분 동안 UV/O3로 세척하였고 스핀 코팅 전에 즉시 글로브 박스로 옮겼다.As shown in Figure 1a, the precursor solution was prepared by mixing Sol A and Sol B solutions, which are two types of stock solutions. Sol A solution was prepared by dissolving 0.5 mmol SbCl 3 and 1.25 mmol SeU in 1 mL of DMF. Sol B solution was prepared by dissolving 0.5 mmol SbI 3 in 1 mL of NMP. Thereafter, the two solutions were stirred for 1 hour, mixed at different molar ratios, and stirred for 1 hour to prepare a precursor solution in which the two solutions were mixed. Thereafter, 180 μL of the prepared precursor solution was spin-coated at 5000 rpm on the pre-cleaned CdS/FTO substrate, followed by heating at 150 °C for 5 minutes (Fig. 1b). This process was repeated 5 times, and all processes were performed in a glove box. During solution synthesis, the CdS/FTO substrates were cleaned with UV/O 3 for 20 min outside the glove box and immediately transferred to the glove box before spin coating.
(4) 특성분석(4) Characterization
광 흡수는 400-1200 nm 파장 범위에서 UV-VIS 흡수 분광 광도계(Shimadzu UV-2600)를 사용하여 측정하였다. 샘플의 결정 구조는 θ/2θ 스캔 모드에서 X선 회절계(Malvern Panalytical Empyrean)를 사용하여 측정하였다. 전계 방출 주사 전자현미경(Hitachi S-4800)을 사용하여 샘플 형태를 관찰하였고, 전자 구조는 X선 광전자 분광계(Thermo Scientific ESCALAB 250Xi)를 사용하여 자외선 광전자 분광법(UPS)으로 조사하였다.Light absorption was measured using a UV-VIS absorption spectrophotometer (Shimadzu UV-2600) in the wavelength range of 400-1200 nm. The crystal structure of the sample was measured using an X-ray diffractometer (Malvern Panalytical Empyrean) in θ/2θ scan mode. The sample morphology was observed using a field emission scanning electron microscope (Hitachi S-4800), and the electronic structure was investigated by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) using an X-ray photoelectron spectrometer (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi).
<실시예 1><Example 1>
SbSel 형성을 위한 최적의 용액 A 대 용액 B의 혼합 몰비 규명Identification of the optimal mixing molar ratio of Solution A to Solution B for SbSel formation
상기 실험방법에 기재된 전구체 용액의 제조 및 SbSeI 박막 증착과정에서 SbSeI 박막 형성을 위한 최적의 전구체 용액의 성분 배합비를 규명하기 위해, 전구체 용액 제조시 용액 A와 용액 B의 혼합 몰비를 달리하여 합성과정을 수행하였고, 이러한 전구체 용액을 사용하여 제작된 박막의 흡수 특성, 결정 구조 및 형태를 분석하였다.In order to identify the optimal component mixing ratio of the precursor solution for forming the SbSeI thin film in the process of preparing the precursor solution and depositing the SbSeI thin film described in the above experimental method, the mixing molar ratio of solution A and solution B was varied during the preparation of the precursor solution, and the synthesis process was performed. and analyzed the absorption characteristics, crystal structure and morphology of thin films fabricated using these precursor solutions.
그 결과, 용액 A 대 용액 B를 1:0.75의 비율로 혼합한 군에서는 ~1050nm의 흡수 가장자리가 관찰되어 Sb2Se3 값과 일치하는 것으로 확인되었고(도 2a), X선 회절(XRD) 패턴 결과에서도 지배적으로 Sb2Se3 상을 확인할 수 있었다(도 2b).전계 방출 주사 전자현미경(FESEM) 이미지 확인 결과, 직경이 ~50nm인 나노로드가 기판에서 무작위로 성장한 것으로 나타났다(도 2c). 이러한 결과는 Sol A 대 Sol B가 1:0.75 혼합비로 사용한 조건에서는 Sb2Se3 나노로드가 주로 형성됨을 의미한다. 한편, SbI3, 즉 용액 B 용액의 몰비가 증가된 1:1.5 혼합비의 경우, 흡수 가장자리는 도 2a의 노란색 화살표로 표시된 대로 SbSeI의 값에 해당하는 740nm의 파장(밴드갭 EG 1.68eV)으로 이동하는 것으로 나타났고, 740 nm 미만의 단파장 영역에서의 흡수 강도도 점차 증가하는 것으로 나타났다(빨간색 화살표로 표시). 또한 SbSeI 상이 우세한 것으로 확인되었고, 1:1.25 혼합 비율부터는 SbSeI 상만이 관찰되었으며, 1:1.5의 혼합 비율일 때, 최대의 SbSeI 상이 관찰되었고 SbI3 함량이 증가함에 따라 나노로드가 응집되어 나노 구조를 형성하는 것을 확인할 수 있었다(도 2b. 2c). 한편, Sb2Se3 상은 감소하는 것으로 나타났고 1:1.5의 몰비에서는 Sb2Se3 상이 관찰되지 않는 것으로 나타났다.As a result, in the group where solution A and solution B were mixed at a ratio of 1:0.75, an absorption edge of ~1050 nm was observed, which was confirmed to be consistent with the Sb 2 Se 3 value (FIG. 2a), and an X-ray diffraction (XRD) pattern In the results, the Sb 2 Se 3 phase was predominantly identified (Fig. 2b). As a result of the field emission scanning electron microscope (FESEM) image, nanorods with a diameter of ~50 nm were randomly grown on the substrate (Fig. 2c). This result means that Sb 2 Se 3 nanorods are mainly formed under the condition that Sol A and Sol B are used in a mixing ratio of 1:0.75. On the other hand, in the case of SbI 3 , that is, in the case of a 1:1.5 mixing ratio in which the molar ratio of the solution B solution is increased, the absorption edge appears at a wavelength of 740 nm (band gap E G 1.68 eV) corresponding to the value of SbSeI as indicated by the yellow arrow in FIG. 2a. It was found to move, and the absorption intensity in the short wavelength region of less than 740 nm also gradually increased (indicated by a red arrow). In addition, the SbSeI phase was confirmed to be dominant, and only the SbSeI phase was observed from the mixing ratio of 1:1.25, and when the mixing ratio was 1:1.5, the maximum SbSeI phase was observed, and as the SbI 3 content increased, the nanorods aggregated to form a nanostructure. formation was confirmed (Fig. 2b. 2c). On the other hand, the Sb 2 Se 3 phase was found to decrease, and the Sb 2 Se 3 phase was not observed at a molar ratio of 1:1.5.
또한, SbI3의 증가는 흡수 강도의 감소를 유도하는 것으로 나타났으나, XRD 패턴 및 형태에 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.In addition, an increase in SbI 3 was shown to induce a decrease in absorption intensity, but did not affect the XRD pattern and shape.
따라서 본 발명자들은 이러한 결과를 통해 용액 A 대 용액 B를 1:1.5의 혼합 몰비로 제조된 전구체 용액을 사용할 경우, 결정도가 높은 나노구조의 SbSeI 박막을 제조할 수 있음을 알 수 있었다.Therefore, the inventors of the present invention found out from these results that a nanostructured SbSeI thin film having high crystallinity could be prepared when a precursor solution prepared in a mixing molar ratio of solution A to solution B of 1:1.5 was used.
<실시예 2><Example 2>
SbSel 형성을 위한 최적의 열처리 조건 규명Identification of optimal heat treatment conditions for SbSel formation
본 발명자들은 순수한 SbSeI 박막 형성에 전구체 용액의 몰비 외에도 어닐링 온도가 영향을 줄 수 있는지를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 각기 다른 어닐링 온도(150°C, 200°C, 250°C, 300°C) 조건에서 SbSeI 박막을 제조하였고, 제작된 박막의 흡수 특성, 결정 구조 및 형태를 분석하였다.The present inventors performed an experiment to confirm whether the annealing temperature could affect the formation of a pure SbSeI thin film in addition to the mole ratio of the precursor solution. To this end, SbSeI thin films were prepared under different annealing temperatures (150 °C, 200 °C, 250 °C, and 300 °C), and the absorption characteristics, crystal structure, and morphology of the fabricated thin films were analyzed.
그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 200°C의 온도에서 흡수 스펙트럼은 150°C와 거의 동일한 것으로 나타났으며(도 3a), SbSeI 상이 감소하면서 알 수 없는 피크가 나타나 블특정한 상이 형성되는 것을 알 수 있었다(녹색 아래쪽 화살표)(도 3b). 또한, 온도를 250°C로 증가시킬 경우, 흡수 가장자리가 740nm에서 1050nm(파란색 화살표로 표시됨)로 이동하여 SbSeI에서 Sb2Se3로의 위상 변화가 나타나는 것을 확인하였다. 이 변화는 온도가 250°C로 증가할 때 Sb2Se3 상이 주로 나타나는 XRD 분석결과에 의해서도 확인되었다(도 3b). 미지의 상은 Sb2Se3 상과 SbSeI 상이 공존할 수 있는 온도 영역에서 형성되기 때문에 중간 Sb-Se-I 상으로 여겨진다. 또한, 온도가 300°C에 도달하면 Sb2Se3 상에 해당하는 XRD 피크만 관찰되었다. 확대된 이미지에서 녹색 화살표로 표시된 것처럼 나노구조에서 여러 공극이 관찰되었지만 형태는 150°C와 매우 유사한 것으로 나타났다(도 3c, 3d). 이러한 형태의 유사성은 SbSeI가 300°C에서 형성되는 동안 초기 단계에서 형성되었음을 시사한다. 그러나 SbSeI 상은 더 높은 온도에서는 불안정하고 분해되기 쉽기 때문에, SbI3는 반응이 진행됨에 따라 초기에 형성된 SbSeI에서 증발하여 나노구조에 공극을 생성할 수 있다. 따라서 SbSeI와 형태는 유사하지만 많은 기공을 포함하는 Sb2Se3가 형성된다.As a result, as shown in FIG. 3, the absorption spectrum at a temperature of 200 ° C was found to be almost the same as that at 150 ° C (Fig. 3a), and an unknown peak appeared as the SbSeI phase decreased, indicating that an unspecified phase was formed. could be seen (green down arrow) (Fig. 3b). In addition, when the temperature was increased to 250 °C, it was confirmed that the absorption edge shifted from 740 nm to 1050 nm (indicated by a blue arrow), resulting in a phase change from SbSeI to Sb 2 Se 3 . This change was also confirmed by XRD analysis results in which the Sb 2 Se 3 phase appeared mainly when the temperature increased to 250 °C (FIG. 3b). The unknown phase is considered an intermediate Sb-Se-I phase because it is formed in a temperature region where the Sb 2 Se 3 phase and the SbSeI phase can coexist. In addition, when the temperature reached 300 °C, only the XRD peak corresponding to the Sb 2 Se 3 phase was observed. Several voids were observed in the nanostructure, as indicated by green arrows in the magnified images, but the morphology was very similar to that at 150 °C (Fig. 3c, 3d). This morphological similarity suggests that SbSeI was formed at an early stage during its formation at 300 °C. However, since the SbSeI phase is unstable and prone to decomposition at higher temperatures, SbI 3 may evaporate from the initially formed SbSeI as the reaction proceeds, creating pores in the nanostructure. Therefore, Sb 2 Se 3 having a similar shape to SbSeI but containing many pores is formed.
그러므로 이러한 결과를 통해 본 발명자들은 순수한 SbSeI 박막을 얻기 위해서는 150°C의 낮은 온도에서 어닐링을 수행하는 것이 최적의 조건임을 확인하였다.Therefore, through these results, the present inventors confirmed that performing annealing at a low temperature of 150 ° C is the optimal condition in order to obtain a pure SbSeI thin film.
<실시예 3><Example 3>
(Bi,Sb)SeI 칼코할라이드의 제조Preparation of (Bi,Sb)SeI chalcohalide
나아가 본 발명자들은 상기 실시예 1 및 2에서 규명한 최적의 전구체 용액 내 혼합용액의 최적 몰비 및 어닐링 최적 온도 조건 하에서, 전구체 용액 제조에 SbI3 대신 BiI3를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 전구체 용액을 CdS/FTO 기판에 증착시켜, (Bi,Sb)SeI 칼코할라이드를 제조하였고, 이의 특성을 분석하였다. 이때 대조군(control)은 전구체 용액 제조에 SbI3를 사용하여 제조한 SbSeI을 사용하였다.Furthermore, the present inventors used the same method as the precursor solution, except that BiI 3 was used instead of SbI 3 in preparing the precursor solution under the optimal molar ratio of the mixed solution in the optimal precursor solution and the optimal annealing temperature conditions identified in Examples 1 and 2 above. was deposited on a CdS/FTO substrate to prepare a (Bi,Sb)SeI chalcohalide, and its properties were analyzed. At this time, as a control group, SbSeI prepared using SbI 3 was used to prepare the precursor solution.
그 결과, 도 4a에 나타낸 바와 같이, (Bi,Sb)SeI은 ~ 1.41 eV의 EG에 해당하는 ~ 880 nm의 흡수 가장자리를 나타내었고, 이러한 EG 값은 SbSeI(~1.68 eV)보다 낮지만 종래의 BiSeI(~1.32 eV)보다 높은 것으로 나타났다. 또한 도 4b 및 표 1은 (Bi,Sb)SeI의 XRD 피크가 BiSeI(ID: mp-23020, The Materials Project)[APL Mater. 2013, 1, 011002] 및 SbSeI(ICDD # 98-003-1292)에 대한 두 참조 사이에 위치하고 있는 것으로 나타났다. 또한 검출된 피크는 대칭적이어서 단일 상이 형성되었음을 알 수 있었다.As a result, as shown in Fig. 4a, (Bi,Sb)SeI showed an absorption edge of ~880 nm corresponding to an E G of ~1.41 eV, and this E G value was lower than that of SbSeI (~1.68 eV), but It was found to be higher than conventional BiSeI (~1.32 eV). In addition, FIG. 4b and Table 1 show the XRD peak of (Bi,Sb)SeI from BiSeI (ID: mp-23020, The Materials Project) [APL Mater. 2013, 1, 011002] and SbSeI (ICDD # 98-003-1292). In addition, the detected peak was symmetrical, indicating that a single phase was formed.
이러한 결과를 바탕으로 본 발명자들은 전구체 용액 제조 시 SbI3 대신 BiI3을 사용할 경우, (Bi,Sb)SeI로 구성된 단일상 물질도 성공적으로 형성할 수 있음을 알 수 있었다.Based on these results, the present inventors found that when BiI 3 is used instead of SbI 3 when preparing a precursor solution, a single-phase material composed of (Bi,Sb)SeI can be successfully formed.
나아가 본 발명자들은 UPS 스펙트럼을 통해 전자 구조 분석도 수행하였다(도 5a, 5b). 스펙트럼에서 컷오프 에너지 Ecutoff와 가전자대 가장자리 에너지 EVE에 대한 두 가지 값을 얻었고, 또한 EV = EF + EVE 및 EV = hυ - (Ecutoff - EVE)의 두 방정식에서 전도대 최소값(EC), 가전자대 최대값(EV) 및 페르미 준위 에너지(EF)의 3개의 값을 계산하였고, 결과는 하기 표 2 및 도 5b에 나타내었다.Furthermore, the present inventors also performed electronic structure analysis through the UPS spectrum (FIG. 5a, 5b). From the spectrum, we obtain two values for the cutoff energy E cutoff and the valence band edge energy E VE , and also the conduction band minimum in the two equations E V = E F + E VE and E V = hυ - (E cutoff - E VE ) E C ), valence band maximum (E V ) and Fermi level energy (E F ) were calculated, and the results are shown in Table 2 and FIG. 5B below.
그 결과, 도5b 및 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, (Bi,Sb)SeI 샘플은 SbSeI와 유사한 EV값을 보였으나 EC 값은 더 낮게 나타났다. 이 결과는 Bi를 SbSeI에 통합하면 EC의 하향 이동 유도가 발생함을 의미한다. 이 결과는 또한 전자 구조가 조성 공학(compositional engineering)을 통해 제어될 수 있음을 의미한다. 따라서 본 발명의 방법은 조성 공학을 통해 태양전지 응용 분야에 적합한 재료를 만들기 위해 전자 특성을 최적화하는 데 적용될 수 있음을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 5b and Table 2, the (Bi,Sb)SeI sample showed a similar E V value to that of SbSeI, but a lower E C value. This result implies that incorporation of Bi into SbSeI induces the downshifting of EC . This result also implies that the electronic structure can be controlled through compositional engineering. Therefore, it was found that the method of the present invention can be applied to optimize the electronic properties to make materials suitable for solar cell applications through compositional engineering.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at mainly with its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from a descriptive point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.
Claims (10)
전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀 코팅한 후, 가열하는 단계;를 포함하며,
상기 전구체 용액은 SbCl3 및 SeU(NH2CSeNH2)를 DMF(N,N-dimethylformamide)에 용해시킨 용액 A 및 SbI3 또는 BiI3를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone)에 용해시킨 용액 B를 혼합한 혼합용액인 것을 특징으로 하는,
원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.preparing a substrate; and
After spin-coating the precursor solution on the substrate, heating; includes,
The precursor solutions are solution A in which SbCl 3 and SeU (NH 2 CSeNH 2 ) are dissolved in DMF (N,N-dimethylformamide) and solution B in which SbI 3 or BiI 3 is dissolved in NMP (N-methyl-2-pyrrolidinone). Characterized in that it is a mixed solution mixed with
Antimony or bismuth chalcohalide thin film manufacturing method using a one-step solution process.
상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1:1.25~1:1.75의 몰비로 혼합한 혼합용액인 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.According to claim 1,
The precursor solution is a mixed solution in which solution A and solution B are mixed in a molar ratio of 1: 1.25 to 1: 1.75, characterized in that antimony or bismuth chalcohalide thin film manufacturing method using a one-step solution process .
상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1:1.5의 몰비로 혼합한 혼합용액인 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.According to claim 2,
The precursor solution is a mixed solution in which solution A and solution B are mixed in a molar ratio of 1: 1.5, a method for producing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process.
상기 전구체 용액은 용액 A 및 용액 B를 1~2시간 동안 각각 교반한 후, 용액 A 및 용액 B를 혼합한 다음 다시 1~2시간 동안 교반한 혼합용액인 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.According to claim 1,
The precursor solution is a mixed solution obtained by stirring solution A and solution B for 1 to 2 hours, mixing solution A and solution B, and then stirring again for 1 to 2 hours. -step) Antimony or bismuth chalcohalide thin film manufacturing method using a solution process.
상기 스핀 코팅은 4000~6000rpm에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.According to claim 1,
Characterized in that the spin coating is performed at 4000 to 6000 rpm, a method for producing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process.
상기 가열은 150℃~200℃에서 5~10분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.According to claim 1,
The heating is performed at 150 ° C. to 200 ° C. for 5 to 10 minutes.
상기 가열은 150℃에서 5분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 원-스텝(one-step) 용액공정을 이용한 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막 제조방법.According to claim 6,
The heating is performed at 150 ° C. for 5 minutes, a method for producing an antimony or bismuth chalcohalide thin film using a one-step solution process.
상기 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드는 SbSeI 또는 (Bi,Sb)SeI인 것을 특징으로 하는, 안티몬 또는 비스무트 칼코할라이드 박막.According to claim 8,
The antimony or bismuth chalcohalide is SbSeI or (Bi,Sb)SeI, characterized in that, the antimony or bismuth chalcohalide thin film.
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