금속 칼코게나이드의 합성과 콜로이드 나노입자 개질 및 광전류 소자에 응용

Abstract

이 박사학위 논문의 주제는 새로운 형태의 금속 칼코게나이드를 합성하여 표면 개질, 무기 리간드, 태양 전지, 광전 소자에 응용하는 것이다. 금속 칼코게나이드는 단분자, 나노입자, 나노와이어등의 다양한 형태로 합성되었다. Na2Se2와 M2Se2(ClO4)2 (M=Mn, Zn, Sn)은 단분자 형태로 합성되어 무기리간드로 응용되었다. FeS2는 안정한 나노입자로 합성되어 BHJ 무기물 태양전지에 응용되었다. 무기물 태양전지는 기존의 태양전지보다 안정성이 높았다. Sb2Se3 나노와이어는 새로운 방법으로 합성되었으며, 단점인 전도성을 개선시키기 위해 새로운 방법이 도입되었다. 1 장에서는 알칼리 금속 칼코게나이드 Na2Se2의 새로운 응용분야를 찾았다. Na2Se2는 기존 합성법을 약간 변형하여 순수한 Na2Se2를 합성하였다. Na2Se2는 나노입자의 종류에 따라 다른 작용을 보인다. PbS나노입자와 반응하면 PbS/PbSe 코어/쉘 나노입자로 만드는 음이온 교환 전구체로 작용하며, Ag 나노입자와 반응하면 Ag2Se 나노입자로 만드는 금속 셀레나이드 전구체로 작용하며, FeO 나노입자와 반응하면 FeO의 표면의 유기리간드를 제거하는 무기리간드로 작용한다. 2장에서는 새로운 양이온 무기리간드 M2Se2(ClO4)2 (M = Mn, Zn, Sn)를 합성하였다. 양이온 무기리간드로 치환된 나노입자와 음이온 무기리간드로 치환된 나노입자를 정적기적인 인력으로 결합하여 새로운 3차원 나노구조물질을 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 양이온 무기리간드로 치환된 나노입자는 휘발성이 거의 없어 소자에 적용가능한 나노입자 박막을 만들 수 있다. 3장에서는 FeS2와 CdSe 나노입자를 이용하여 donor?acceptor (D?A) bulk heterojunction (BHJ) Inverted 태양 전지를 제작하였다. 무기 BHJ 나노복합체는 넓은 흡수 영역과 type II 밴드갭 형태 에서 주개-받개쌍을 통한 효율적인 전하 분리를 보였다. FeS2 나노입자는 친환경적이고 자연계에 많이 존재하며 용액공정으로 태양전지 제작이 가능하다. 제작된 태양전지는 일반적인 태양전지보다 안정성이 뛰어나다. 4장에서는 CdO 나노입자는 2-6족 산화물 반도체로 2.27 eV 의 밴드갭과 0.55eV의 간접 밴드갭을 가지고 있다. CdO는 단순한 암염형 구조, 높은 전하 이동도, 높은 전기 전도도를 가지고 있어 투명전극으로 이용 가능하다. 우리는 단순한 합성방법으로 크기와 모양이 조절되는 CdO 나노입자를 합성하였다. 5장에서는 Sb2Se3는 좁은 밴드갭과 높은 화학적 안정성, 높은 제벡상수를 가지고 있어 광전소자, 열전소자 및 태양전지에 응용이 가능하다. 하지만 Sb2Se3의 전기 전도도가 매우 낮아 응용이 제한되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 두께가 조절되는 Sb2Se3 나노와이어와 Ag2Se가 붙어 있는 Sb2Se3나노와이어를 합성하였다. 두께가 조절되는 나노와이어의 광전류를 측정한 결과, 나노와이어의 두께와 흐르는 전류사이에서 비선형적인 증가를 발견하였다. 100nm 두께를 가지고 있는 Sb2Se3 나노와이어의 photosensitivity factor를 측정한 결과 낮은 인가전압에도 불구하고 75라는 높은 수치가 나왔다. Ag2Se가 붙어 있는 Sb2Se3나노와이어의 광전류를 측정한 결과 Sb2Se3나노와이어 대비 암전류는 50배, 광전류는 7배 증가하였다.