Applied Chemistry,Vol. 12, No.2, November 2뼈， 385-388

Chalcogenide 계 태양전지 용 CulnTe2 나노입자의

용액열 합성 및 특성 분석

갈-찰 - 김종태 · 손영석‘ · 김기수 · 한윤수대구경북과학기술연구원 나노바이오연구부*계명대학교 화학과

Solvothermal synthesis and characterization of CulnTe2 nanocrystallitesfor chalcogenide-type photovo1taics

ιham쉰쁘 . long Tae Kim· Young Seok Son' . Ki-Soo Kim· Yoon Soo HanDivision of Nano-Bio Technology , Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST)

*Department of Chemistry , Keimyung University

Abstract

Chalcogenide계 태양전지 홉수충용 CuInTe2 나노결정체를 제조하기 위하여 다양한 구성원소

비융， 반응온도 및 시간 하에서 용액열 합성법을 시도하였다. 특성 분석을 통하여 합성된 물질

이 chalcopyrite 구조를 가지는 CuInTe2 나노입자 임을 확인하였고， 260 't, 24 h의 조건에서

용액열 합성을 실시하였을 때 최적의 결정성 및 홉광도를 얻을 수 있었다.

1. 서 론

화석 연료는 인류에게 문명의 발달과 편리한 생활을 주었지만 자원 고갈에 따른 위기와 심각한 환경오

염 같은 문제들도 동시에 안겨 주었다. 그에 따라 인류는 여러 대체에너지 개발에 많은 노력을 기울여

왔다. 그 중 태양에너지는 청정성， 안정성， 무한성으로 인하여 가장 확실한 대체에너지원으로 인식되

어 왔으며 태양전지를 통하여 빛을 전기로 전환하려는 노력이 시도되어 왔다.

현재 실용화 단계에 있는 태양전지는 1세대로 불리는 단결정 실리콘을 사용하는 태양전지이다. 이것

은 광전 효율이 15-20% 정도로 우수하지만높은 제작 비용과 함께 독성 화합물이 사용된다는 점이

문제점으로지적되고 있는 실정이다. 따라서 보다 환경 친화적이고저렴한 제조 단가를 가지는 태양전

지에 대한 관심이 늘어나고 있으며， 이는 박막형 태양전지， 염료감응태양전지및 유기태양전지에대한

많은 연구로 대표될 수 있다. 그 중에서도 chalcogenide 계열의 박막형 태양전지는 다결정 실리콘 태

양전지에 버금가는 광전효융(약 19%)을 보이고 있어 향후 차세대 태양전

지로는 가장 먼저 상용화가될 수 있을 전망이다[1].

Chalcogenide계 태양전지는오른쪽 그림에서 보는 바와 같이 유리 기판

상 (Mo-deposited soda lime glass)에 흡수층， buffer , window 및

antireflective layer7} 차례대로 중착된 구조로 제조된다. 특히， 흡수층으

로는 sputtering이나 vacuum evaporation 동의 건식법을 통해 S , Se , 및

Te가 포함된 chalcogenide 화합물 (CulnS , CulnSe , CulnGaSe , etc.)을

증착시켜 사용해 왔다. 본 연구에서는 고가의 건식법을 배제하고 습식법을

통하여 CulnTe2 (CIT) 나노화합물을제조， 이를 태양전지에 적용하고자

하였다.

Chalcogenide-type PVs.

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386 깅 참，김종태·손영석·겁기수·한윤수

2. 실 험

CIT 나노입자는 용액열 합성을 통하여 제조하였다. 전구체 물질인 CuCl2 ·2H20 (l mo l), InCl3

·4H20 (l mo]) 및 Te powder (2 mol)를 ethylenediamine 50 ml와 함께 상온에서 2시간 동안

교반시킨 후. autoclave를 사용하여 다양한 온도와 시간으로 가열시켰다. Autoclave가 상옹과 유

사한 온도로 자연 냉각된 후， 침전물을 여과시키고 증류수와 에탄올을 사용하여 충분히 세척하였

다. 최종적으로 60 ·C 에서 약 6시간 동안 진공 건조시켜 검은색을 띄는 CIT 분말을 얻었다.

제조된 샘플들의 결정구조， morphology. 구성성분， 흡광도 등을 확인하기 위하여 XRD

(D/MAX -2500 , Rigaku), SEM (S-4800 , Hitachi), XPS (VG EscaLab 220- IXL , VG

scientific), UV - Vis DRS (Cary 500 UV - Vis spectrophotometer , Varian) 등의 특성 분석을

각각 실시하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

CIT 입자를 제조하기 위한 용액열 합성법의 최적 조건을 정하기 위하여 CIT를 반응시간 및 온도

별로 각각 합성하고 XRD pattern을 관찰하였다. Fig. la에 따르면， 반웅 후 12 h까지는 여러 가

지 미확인 결정 peak들이 나타나다가 24 h에는 chalcogenide 계열 화합물의 결정 패턴인

chalcopyrite가 형성되는 것을 확인할 수 있었다 (25펴°:112， 41.1°:220/224, 48.8°:

116/312 , JCPDS card No. 34-1498 , 06-0605), 반응 후 36. 48 h에서는 24 h와 전체적인

결정 패턴에 있어서 큰 차이가 나타나지 않았으므로 향후 실험에서 반응 시간을 24 h로 고정하였

다. 한편， 반응 용도를 200 t에서 260 t까지 변화시켜가며 샘플을 제조하였고 그 결과를 Fig.

lb에 제시하였다. chalcopyrite 결정 패턴은 220 'c에서 서서히 나타나기 시작하였고. 260 'c에

서 가장 뚜렷한 결정을 얻을 수 있었다. Fig. 2에 제시한 온도별 샘플들에 대한 SEM 결과에 따

르면 옹도가 올라감에 따라 CIT 입자가 더 잘 성장하였음을 알 수 있고， 이것이 곧 Fig lb에서

나타나는 반응 옹도별 결정 성장 정도의 차이와 연관되는 것으로 파악된다.

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*Y-Teoz홉 260·C

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a 30 40 50 602 theta I deg.

70 80 때 30 40 50 602tt톨ta I deg.

70 80

Figure 1. Effect of reaction time and temperature on the crystalline patterns of CIT

nanoparπtides.

웅용화학， 제 12 권 제 2 호， 2008

387Chalcogenide 계 태양전지용 CuJnTe'l 나노입자의 용액열 합성 및 특성 분석

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Figure 2. SEM images of CIT nanoparticles prepared at the

temperatures varied from 200 to 260 'C.

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E-

970960950B.E./eV

94093012001000400 600 800B.E./eV

200o

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iiIS드

600

24 h).

595

Figure 3. XPS spectra of the CIT samples (260 'C,

Survey (a) , Cu 2p (b) , In 3d (c) , and Te 3d (d).

580 585 590B.E.leV

575570‘65‘ 60450 ‘55B.E./eV‘45440

합성된 물질의 정성 분석을 실시하기 위하여 XPS 분석을 실시하였다 (C Is reference: 285

eV , Fig. 3a). CU 2P3/2 , CU 2P1/2 , In 3d5/2 , In 3d3/2, Teo 3d3/2 , Tea 3d5/2 , Te 4+ 3d3/2 , Te 4+

3d5/2 특성 peak가 938.1 , 958.5 , 448.5 , 456.3 , 576.7 , 587.2 , 580.3 , 590.8 eV에서 각각 관

찰되었다 (Fig 3b , c , d) [2]. 특히 Te의 경우， Te02를 가리키는 Te 4+ 3d:J/2와 Te 4+ 3d512의

Applied Chemisσy ， Vol. 12, No.2, 2c뼈

388 깅 참·김종태·손영석·김기수·한윤수

Figure 4. UY - Vis diffuse reflectance

spectrum (DRS) of the CIT sample.

The intensity of the spectrum was

normalized.

1100900 1000Wavelength I nm

800

4. 결 론

1. 용액열 합성 법을 적용하여 chalcopyrite 구조

를 가지는 CIT 나노입자를 제조하였다.

2. CIT 나노입자의 표변에는 Te02가 부산물로 존재하는 것으로 파악된다.

3. 향후 연구에서 반응 조건들을 다양하게 조절하여 물질의 band-gap을 최 적 화 시 키고자 한다.

특성 peak틀이 Teo 3d:m , Teo 3ds/2 보다 상대적으로 강하게 나타나는 것으로 확인되었다 (Fig ,

3d). 합성된 물질이 chalcopyrite 구조를 가지는 것으로 보아 (Fig. lb) 물질의 표면에는 Te02

가 많이 존재하고 별크상은 Cu , In , Te의 chalcogenide 화합물로 주로 구성되어 있는 것으로 판

단된다. XRD 분석 결과， 27.5° 부근에서 chalcopyrite 구조에 해당되지 않는 독립적인 peak가

나타났는데， 이것은 r-Te02의 특성 peak와 일치하였다[3]. 결과적으로 물질의 표변에 존재하

는 Te02 결정이 벌크상을 주로 이루고 있는 CIT의 chalcopyrite 결정 구조와 같이 나타난 것으

로 파악된다.

UY-Yis DRS 분석 결과 제조된 CIT는 약， 980

nm에서 threshold wavelength를 가졌으며， 이는

band-gap이 약 1.27eY임을 나타낸다.

chalcopyrite 계열 태양전지에 사용되는 흡광체의

최적 band-gap이 약 1.4eV로 알려져 있으므로

[4] 합성법 수정을 통하여 band-gap

modification을 유도해야 할 것으로 보인다. 이를

위하여 향후 연구에서는 용매 및 반응 pH를 다양

하게 조절하여 CIT 업자 사이즈를 제어하고 부산

물 생성을 억제함으로써 band-gap을 최적화 시키

고자한다.

5. 참고문헌

1. M. Kaelin, D. Rudmann , F. Kurdesau , H. Zogg , T. Meyer , A.N. Tiwari , Thiη Solid

Films, 480-481 , 486 (2005).

2. O.A. Balitskii , W. Jaegermann, Mater. Chern. Phys. , 97 , 98 (2006),

3. D. Tatar , M.L. Ovecoglu , G. Ozen , B. Erim , 1. Euro. Cer. Soc. , in press.

4. K. Das , S. K. Panda , S. Gorai , P. Mishra , S. Chaudhuri , Mat. Res. Bull. , 43 , 2742

(2008) .

웅용화학， 제 12 권 제 2 호， 2008