마이크로파 하소 공정을 사용한 구리-아연-주석-황 화합물 나노 입자 제조

Abstract

현재 주로 사용되고 있는 화석 연료인 석탄, 석유, 그리고 천연가스 등의 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 추세라면 석유 약 40년, 그리고 천연가스 약 65년 후에는 고갈 될 것이라 예측된다. 또한 화석연료의 대체 발전인 원자력 발전도 초기 투자비용이 크고 발전 후 방사능 물질의 폐기에 대한 문제가 제기되고 있다. 이에 따라 화석 연료를 대체하기 위한 대체에너지 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 특히 태양에너지를 이용하기 위한 연구가 많이 이뤄지고 있다. 태양에너지를 사용하기 위한 연구 중에 태양전지를 이용한 발전에 대한 연구가 대부분을 차지하고 있으며, 그 연구의 비중은 점점 커져가고 있다. 태양광 발전 산업에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 분야는 태양전지이며, 그 중에서도 단결정 실리콘 태양전지가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 하지만 실리콘 태양전지의 주원료로 사용되는 실리콘의 가격 상승으로 인하여 단결정 실리콘 태양전지의 원가가 상승하고 있다. 그래서 태양전지의 발전 단가를 낮추기 위한 연구가 진행되고 있으며, 특히 박막형 태양전지의 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 박막형 태양전지 중 구리-아연-주석-황(CZTS) 화합물은 낮은 발전단가를 갖는 태양전지로 각광받고 있다. 희토류인 갈륨과 중독성 물질인 셀레늄 등을 주석과 황 같은 지구상에 풍부하고 독성을 갖지 않는 물질로 대체할 수 있다. 더욱이 CZTS 화합물은 104 cm-1의 우수한 광흡수계수를 갖으며, 1.5 eV의 밴드갭을 가지고 있다. 현재 CZTS 태양전지의 제조 방법은 고진공을 요하는 스퍼터를 이용한 방식이 주로 연구 및 개발되고 있으나, 고진공을 사용하는 방법은 초기 투자비용이 크고, 대량생산에 용이하지 못한 단점을 갖고 있다. 또한 흡수체 제조 시 유독가스인 황화수소 가스를 사용하기 때문에 환경오염에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 CZTS 흡수체 제조 단가를 낮추고, 유독가스인 황화수소 가스를 사용하지 않는 공정을 개발하여 CZTS 흡수체를 제조하였다. 화학적 공법인 솔-젤 공법을 이용하여 CZTS 전구체를 형성하고 마이크로파 하소 방법을 이용하여 CZTS 분말을 제조한 후, 태양전지 제작을 위한 흡수체의 형성에 관한 연구 및 셀 제작을 실시하였다.