Glycol Process법에 의한 CuS, CuInS2 nano-powders 제조 및 광학특성에 관한 연구 = Study on Preparation of CuS, CuInS2 nano-powders using Glycol process method and Optical Properties

국문 초록 (Abstract)

최근 세계적으로 지속되는 고유가와 화석연료 고갈에 대응하기 위하여 대체 에너지원 발굴에 대한 필요성이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 청정한 에너지원으로서 지구상의 인류가 사용하는 총 에너지의 10,000배에 해당하는 분량이며, 이 태양광에너지를 활용하는 기술을 개발하는 것은 에너지 및 환경문제를 해결하는 유력한 방안이 될 것이다.
따라서 저비용 고효율 태양전지의 연구 및 개발이 필수적이며, 고효율을 위한 새로운 물질의 연구와 광 특성 분석은 필연적이라 할 수 있다. 현재 태양 전지용으로 연구되어지는 재료 중 가장 각광받고 있는 물질인 CuInS₂는 에너지 밴드갭이 약 1.45 eV로, 이론적으로 계산된 태양전지의 흡수층으로서 가장 적합한 1.4 eV에 매우 가까운 에너지 밴드갭을 갖고 있다. 현재 많은 연구자들에 의해 박막형태의 CuInS₂태양전지가 연구되고 있으나, 대부분의 연구는 진공증착을 통하여 행해지고 있다. 이 공정은 화학정량적인 CuInS₂를 얻을 수 있지만 설비비용 및 제조 단가가 높고, 대면적 태양전지 제작이 어렵다는 단점이 있다. 또한 증착 시 550 °C이상의 고온으로 인하여 Mo 배면전극과 S 가 반응하여 효율저하를 가져온다. 이에 저가이며 대면적 태양전지 제작이 가능한 silk screen 법이나 spray deposition 법을 통하여 태양전지를 제작하고자 분산성이 좋고 입도분포가 좁으며, 소결온도가 낮은 CuInS₂나노 분말을 제조하였다.
CuInS₂나노 분말 제작에 이용된 glycol process 법은 낮은 반응온도에서 직접 결정질의 나노 분말을 얻을 수 있고, 반응조건에 따라 분말의 구조, 형태 및 크기를 조절할 수 있다.
본 연구에서는 copper acetate, thiourea 와 indium acetate를 출발물질로, ethylene glycol을 용매로 사용하여 다양한 조건의 glycol 법 및 glycothermal 법을 이용하여 CuS, CuInS₂분말을 제조하였다. 제조 된 분말은 XRD, FE-SEM, EDAX, FTIR, HR-TEM, UV-VIS Spectrameter를 통하여 그 특성을 관찰하였다, 50 °C 에서 1시간의 glycol 반응을 통하여 hexagonal 구조의 6~8 ㎚의 크기를 갖는 결정성이 좋은 CuS 분말을 얻을 수 있었고, 240 °C에서 1시간의 glycothermal 반응을 통하여 tetragonal 구조의 10~15 ㎚의 크기를 갖는 화학정량적이고, 결정성이 좋은 CuInS₂분말을 얻을 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the need of alternative energy source development has been increased to cope with continuous high oil price and the fossil fuel depletion crisis. Solar lighting, above all, is the most abundant on earth as it amounts to 10,000 times higher than total energy consumption used by human beings and emission-free energy source. Therefore, it will be the powerful solution to develop the technology of utilizing solar lighting energy to deal with limited energy and environmental problems.
In this study, CuS/CuInS₂nano-powders for solar cell were successfully synthesized by using a relatively simple and convenient Glycol process. From the reactions of copper acetate, thiourea and indium acetate in a flask with ethylene glycol as a solvent, spherical CuS/CuInS₂nanoparticles with diameter in the range of 5-30 ㎚ were obtained at temperatures in the range of 50-200℃ for 1 hour. The products were characterized by X-ray diffractometry, scanning electron microscopy, Transmission electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and UV/VIS Spectrometer.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1.Ⅰ-III-VI₂족 화합물 5
• 1) Ⅰ-III-VI₂족 화합물 반도체 5
• 2) CuInS₂물성 5
• 2. 나노 분말 11
• 1) 물리적 합성 방법 12
• 2) 화학적 합성 방법 13
• 3. 결정성장기구 15
• 1) 핵생성 및 결정성장 15
• 2) 입자의 크기 및 형상제어 24
• 4. Glycothermal process 27
• Ⅲ. 실험방법 및 고찰 30
• 1. Glycol 법을 통한 CuS 분말 합성 30
• 1) 출발원료 31
• 2) 실험방법 32
• 3) 결과 및 고찰 35
• 2. Glycol 법을 통한 CuInS₂분말 합성 45
• 1) 출발원료 46
• 2) 실험방법 47
• 3) 결과 및 고찰 49
• 3. Glycothermal법을 통한 CuInS₂분말 합성 58
• 1) 출발원료 58
• 2) 실험방법 59
• 3) 결과 및 고찰 62
• Ⅴ. 결론 72
• 참고문헌 74
• 영문초록 77
• 감사의글 79