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문제 정의
- )을 일정 비율(0~50%)로 혼합하였다. 이 하이드라진 함량비의 변화에 따른 ZnS 박막의 성장특성과 물성에 미치는 영향을 연구하였다.
제안 방법
- 본 논문은 CBD 방법으로 ZnS 박막을 성장하기 위하여 착화제(complex agent)로서 암모니아(ammonia, NH3)와 하이드라진(hydrazine, N2H4)을 일정 비율(0~50%)로 혼합하였다. 이 하이드라진 함량비의 변화에 따른 ZnS 박막의 성장특성과 물성에 미치는 영향을 연구하였다.
- 중탕 비이커 안으로 기판을 넣은 후 Deionized (DI) water 225 ml를 넣은 다음 착화제를 넣었다. 암모니아 50 ml에 하이드라진을 0 ml, 10 ml, 15 ml, 20 ml를 넣어 착화제 내의 하이드라진의 함량을 0%, 17%, 22%, 29%로 실험했다. 또한 50%의 하이드라진 함량비를 만들기 위하여 암모니아 25 ml에 하이드라진 25 ml를 넣었다.
- 박막 성장시간을 30 min, 60 min, 90 min, 120 min마다 ZnS 시료를 채취하였다. 성장된 ZnS 박막 시료는 DI water로 충분히 씻어 준 후, hotplate (230 V, 60 Hz, DAIHAN Scientific)를 이용하여 200℃에서 10 min 간 열처리하였다.
- ZnS 박막 시료의 표면특성의 확인을 위해 고배율 FE- SEM (field emission scanning electron microscope, JEOL, JSM-7610F)과 EDS (energy dispersive spectro- meter, Zeiss, Ultra-plus)을 사용하였다. 박막의 결정성을 관측하기 위해 XRD (x-ray diffractometer, Rigaku, Smartlab)을 사용하였다.
- 유리기판(SLG) 위에 성장한 ZnS/SLG 박막의 광 투과 특성은 ultraviolet–visible (UV-VIS) 투과측정기 (SHIMADZU, UV-2600)로 측정하였으며, 이 UV-VIS 데이터를 이용하여 추출한 (αhν)2 vs. hν의 Tauc 그래프로부터 ZnS 박막의 밴드갭 값을 추출하였다.
- 본 연구에서 CBD 방법을 이용하여 착화제(complex agent)로서 암모니아(NH3)와 하이드라진(N2H4)을 함께 사용함으로써 ZnS 박막을 제조하였으며, 하이드라진 함량비에 따른 박막 성장 특성에 미치는 효과를 분석하였다. 이 실험에서 하이드라진 함량비는 0%, 17%, 22%, 29%, 50%를 시험하였다.
- )을 함께 사용함으로써 ZnS 박막을 제조하였으며, 하이드라진 함량비에 따른 박막 성장 특성에 미치는 효과를 분석하였다. 이 실험에서 하이드라진 함량비는 0%, 17%, 22%, 29%, 50%를 시험하였다. ZnS 박막 성장에 있어 하이드라진의 첨가는 표면 공극 제거, 결정입자를 줄이며, 균일한 박막 성장을 촉진함으로써 성막 시간을 1/3 이하로 줄일 수 있었다.
- 하이드라진이 첨가되지 않았을 때 기판 위에는 많은 공극(voids)이 생기는 것을 관측하였다 [그림 1
대상 데이터
- Zn와 S의 원료로서 ZnSO4(JUNSEI, ZnSO4⋅7H2O), 씨오리아(thiourea, H2NCSNH2 98.0%, SAMCHUN)를 사용하였다.
- 이 실험에서 기판은 소다라임글라스(SLG: sodalime glass, 25 mm × 25 mm × 1.1 mmt)를 사용하였다.
- CBD 방법을 이용하였으며, 착화제(complex agent)로서 암모니아(NH3)와 하이드라진(N2H4)을 함께 사용하였다. Zn와 S의 원료로서 ZnSO4(JUNSEI, ZnSO4⋅7H2O), 씨오리아(thiourea, H2NCSNH2 98.
- 1 mmt)를 사용하였다. 기판 세척은 아세톤(99.8%, ChemiTop), 에틸알콜(94.5%, SAMCJUN), DI (de-ionized) water 순으로 각각 10 min씩 초음파세척기(DAIHAN Scientific)로 세척 후 질소(N₂) 가스로 건조하였다. 박막 성장은 항온수조의 온도가 85℃로 일정하게 유지하여 제작하였다.
이론/모형
- ZnS 박막 시료의 표면특성의 확인을 위해 고배율 FE- SEM (field emission scanning electron microscope, JEOL, JSM-7610F)과 EDS (energy dispersive spectro- meter, Zeiss, Ultra-plus)을 사용하였다. 박막의 결정성을 관측하기 위해 XRD (x-ray diffractometer, Rigaku, Smartlab)을 사용하였다. 이때, X-ray는 CuKα (λ= 0.
성능/효과
- 또한 그림 2의 SEM 표면 모폴로지(morphology) 관측으로부터 ZnS 박막은 하이드라진 함량비가 증가함에 따라 박막의 균일성이 대폭 향상되는 것을 알 수 있었다. 성막 시간이 증가함에 따라 ZnS결정입자의 크기는 커지는 경향을 보였다. 또한, 동일한 하이드라진의 함량비에서 성막 시간이 길어질수록 결정입자의 크기는 작아지고 공극이 사라지고 박막의 균일성이 크게 향상되었다.
- 성막 시간이 증가함에 따라 ZnS결정입자의 크기는 커지는 경향을 보였다. 또한, 동일한 하이드라진의 함량비에서 성막 시간이 길어질수록 결정입자의 크기는 작아지고 공극이 사라지고 박막의 균일성이 크게 향상되었다.
- 하이드라진 함량비별 오차는 반응 시간 60 min에서 평균오차 ±1%로 가장 작았으며, 120 min에서 가장 큰 ±4% 오차를 보였다.
- 반응 시간 30 min에서 120 min까지 밴드갭 에너지는 3.55 eV에서 3.75 eV까지 평균오차 ±1%의 차이를 보였다.
- 순수 암모니아(NH₃)만을 사용했을 때보다 하이드라진(N₂H₄)을 사용했을 때 광 투과율은 성막 시간과 하이드라진 함량비가 증가함에 따라 감소했다. 하이드라진 0% (순수 암모니아 착화제) 대비 반응 시간 30 min일 때 평균 광투과율은 약 7%, 60 min일 때 약 13%, 90 min일 때 약 13%의 투과율이 감소했다. 하이드라진 50% 함량비에서 광 투과율 상승은 박막의 두께가 오히려 얇게 형성되어 발생한 것으로 추측된다.
- 하이드라진 50% 함량비에서 광 투과율 상승은 박막의 두께가 오히려 얇게 형성되어 발생한 것으로 추측된다. 이 결과로부터 순수 암모니아 속에서 90 min 동안 성장된 ZnS의 박막의 광 투과 성능이 30 min 동안에 하이드라진 보조 착화제를 포함한 용액에서 형성된 박막의 광 투과율(93%)과 대등한 결과를 보이는 것을 알 수 있었다. 이는 그림 2에서 보인 바와 같이 ZnS의 박막 성장이 복합 착화제 내의 하이드라진 함량이 증가함에 따라 현저히 촉진된다는 것을 의미한다.
- 그림 6은 그림 4의 결과로부터 하이드라진 함량비의 변화에 따른 Tauc 그래프의 변화를 보이고 있다. 하이드라진 함량비가 증가함에 따라 흡수 에지(absorption edge)가 급격하게 변화하는 것을 알 수 있었다. 하이드라진함량비가 20%를 초과한 경우에는 광 흡수 특성이 포화되어 곡선 변화가 없는 것으로 관측되었다.
- 6 eV로서 하이드로진 함량비에 무관한 것으로 나타났다. 즉 CBD 방법에 의한 ZnS 박막의 성장에 있어 보조 착화제인 하이드로진의 첨가는 표면의 공극을 제거하고, 결정입자를 줄이며 균일한 표면 형성하지만 Zn2+ 와 S2-의 결합에 의한 형성된 화합물 반도체 특성, 밴드갭 에너지, Eg의 변화에는 영향을 주지 않았다. 본 실험에서는 17%의 하이드라진 함량비에서 30 min 동안 성막한 ZnS의 광 투과 특성은 0%의 조건에서 90 min 동안 성장한 박막과 동일한 결과를 보이는 것을 알 수 있었다.
- 즉 CBD 방법에 의한 ZnS 박막의 성장에 있어 보조 착화제인 하이드로진의 첨가는 표면의 공극을 제거하고, 결정입자를 줄이며 균일한 표면 형성하지만 Zn2+ 와 S2-의 결합에 의한 형성된 화합물 반도체 특성, 밴드갭 에너지, Eg의 변화에는 영향을 주지 않았다. 본 실험에서는 17%의 하이드라진 함량비에서 30 min 동안 성막한 ZnS의 광 투과 특성은 0%의 조건에서 90 min 동안 성장한 박막과 동일한 결과를 보이는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 암모니아와 함께 사용하는 하이드라진 보조 착화제는 CIGS 태양전지의 버퍼층으로 활용되는 범용 무독성 ZnS 성장을 촉진함으로써 성막 시간을 1/3 이하로 현저히 단축하는 매우 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
- 본 실험에서는 17%의 하이드라진 함량비에서 30 min 동안 성막한 ZnS의 광 투과 특성은 0%의 조건에서 90 min 동안 성장한 박막과 동일한 결과를 보이는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 암모니아와 함께 사용하는 하이드라진 보조 착화제는 CIGS 태양전지의 버퍼층으로 활용되는 범용 무독성 ZnS 성장을 촉진함으로써 성막 시간을 1/3 이하로 현저히 단축하는 매우 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
- 이 실험에서 하이드라진 함량비는 0%, 17%, 22%, 29%, 50%를 시험하였다. ZnS 박막 성장에 있어 하이드라진의 첨가는 표면 공극 제거, 결정입자를 줄이며, 균일한 박막 성장을 촉진함으로써 성막 시간을 1/3 이하로 줄일 수 있었다. 그러나 밴드갭 에너지, Eg의 변화에는 영향을 주지 않았다.
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