MgSb2O6의 결정 구조에 따른 광-전기 화학적 특성 변화

Abstract

MgSb2O6 를 합성온도를 달리하여 합성하고 이에 따른 구조적 변화를 관찰하고, 그 특성을 비교하였다. 각각의 시료에 대해 X-선 회절패턴을 측정하고, Rietveld 정련법을 이용하여 결정구조를 분석하였으며 SEM 을 통해 미세구조를 확인하였다. 저온에서는 Mg와 Sb 양이온들이 결정학적으로 동일한 자리에 혼재되어 있는 rutile 구조를 이루다가, 합성온도가 올라갈수록 양이온의 ordering 비율이 커져 1050 oC 에서 100 % ordering 된 trirutile 구조로 바뀌었다. X-선 회절 피크의 세기를 Fullprof program package의 Thompson–Cox–Hastings pseudo–Voight peak shape법을 통해 계산하였으며 이를 통해 원자의 위츠와 정렬정도를 결정하였다. 아울러 회절피크의 선폭 측정으로부터 Williamson-Hall plot을 그리고, 그 기울기로 결정격자 변형을 추정하고, 또한 y절편을 통해 입자의 크기를 계산하였다. 합성온도가 높을수록 입자크기도 20 nm (700oC)에서 100 nm (1100oC) 이상으로 커졌다. SEM이미지를 통해 입자의 형상과 사이즈를 확인하였고, Williamson-Hall plot을 통해 확인한 값과 유사하였다. UV-Visible diffuse reflectance 와 cyclovoltammetry, Mott-Schottky plot 분석법을 이용하여 각각의 화합물에 대한 에너지 밴드 특성분석을 하였다. MgSb2O6 는 합성 온도가 올라감에 따라 밴드 갭의 크기가 커지며 1000 oC 이상에서 다시 밴드 갭의 크기가 약간 작아진다. Voc 를 결정하는 전도띠 에너지의 위치 또한 합성온도가 높아질수록 더 음의 값을 갖는다. Mott-Schottky plot의 기울기로부터 n-type 반도체 물질임을 확인하였고, 이를 활용해 구한 전하 운반체 농도는 1100oC에서 5.0 x1022 cm-3 의 값을 가지며 이 또한 온도 증가에 따라 값이 커지는 경향성을 보인다. 안티모니 화합물을 N719 Ru 계열 염료와 요오드 계열 전해질을 이용하여 각각의 cell 을 조립하여 광-전류 변환효율을 측정하였다. 950oC 에서 합성한 MgSb2O6 로 만든 태양전지 셀이 1.49%로 가장 큰 효율을 보였다. 온도가 높아질수록 Voc값은 증가하여 1100oC 일 때 0.71V의 값을 가지나 입자 사이즈가 커져 표면적이 작아지므로 염료흡착이 잘 되지 않아 낮은 전류 밀도 값을 보인다. 또한 광전류 영상측정법을 이용하여 전하확산거리를 측정하였다. 부분적으로 식각한 FTO위에 800oC부터 1000oC 까지 50oC 간격으로 합성한 MgSb2O6 로 film을 제작하여 만든 특수 태양전지 cell에 국소적으로 레이저 광을 조사하여 생성되는 전하를 FTO 경계면에서의 lifetime을 측정하여 온도 별 전하확산거리를 알아보았다. 950oC에서 합성한 MgSb2O6 로 제작한 cell이 가장 큰 전하확산거리를 갖는 것을 확인하였다.