음이온 치환에 의한 이중 할로겐화물 페로브스카이트의 밴드갭 튜닝에 관한 연구. 우리 연구에서 Cs2AgBiBr6-xClx는 이중 할로겐화물 페로브스카이트 Cs2AgBiBr6의 부분 음이온 대체에 의해 합성되었습니다.
유해물질 제한지침 (RoHS)
첫째, 동일한 전자가를 갖는 물질을 이용한 치환방법이다. 두 번째 전자의 원자가가 다른 두 물질을 대체하는 방법입니다.
광전자 물질: 납 기반 할라이드 페로브스카이트
태양전지 분야에서는 작은 간격의 요오드(I) 기반 할로겐화물 페로브스카이트가 주로 사용된다. 이러한 할로겐화물 페로브스카이트의 가장 큰 장점은 합성이 용이하고 제조원가가 저렴하다는 점이다.
광전자 신 물질: 무연계 이중 할라이드 페로브스카이트
연구동기: 밴드 갭 제어
앞서 언급한 것처럼 이중 할로겐화물 페로브스카이트는 단일 물질로서 밴드갭이 있어 소자로 사용하기에는 부적합하다. 그러나 이중할로겐화물 페로브스카이트의 경우 음이온 치환도에 따른 밴드갭 조절에 대한 체계적인 연구는 없다.
단결정 성장을 위한 수열 합성법
초기 전구체 화학적 환경에 따른 Cs 2 AgBiBr 6 단결정 성장법
준비된 전구체 용액을 테플론 라이너에 넣고 스테인리스 스틸 오토클레이브에 밀봉합니다. 단결정과 반응이 완료된 용액을 감압플라스크와 유리섬유 여과지를 이용하여 여과한 후 진공오븐에 넣고 60oC에서 약 12시간 동안 건조시킨다.
박막 성장을 위한 졸-겔 법(Sol-gel)
X-선 회절 분석 (X-ray diffraction analysis)
회절된 X-선의 강도가 연속적으로 변화하면서 기록되면 다양한 강도의 여러 회절 피크로부터 패턴을 얻을 수 있습니다. 결정성 물질의 원자에 평행한 방향, 즉 결정구조는 물질에 따라 달라지며, 회절무늬는 물질 고유의 값으로 결정된다.
자외선-가시광선 분광분석법(UV-Visible Spectroscopy)
에너지분산형 X-선 분광법(Energy dispersive x-ray spectroscopy)
전자현미경은 가시광선 대신 전자빔을 사용하기 때문에 현미경 내부는 진공 상태여야 한다. 광학현미경은 실제 이미지를 볼 수 있지만 전자현미경은 형광판이나 사진판을 통해 이미지를 볼 수 있습니다. 전자현미경을 사용하면 재료의 표면을 직접 관찰하여 재료의 다양한 특성에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.
주사전자현미경의 특성을 살펴보면, 첫째, 해상도가 높아 대상물을 고배율로 관찰할 수 있다.
유전상수 측정 (Dielectric permittivity)
측정을 위해 단결정의 양면을 평탄화하고 금을 전극으로 사용하여 간단한 커패시터를 준비하였다. 커패시터 주파수 커패시턴스는 임피던스 분석기 모델 HP4192A를 사용하여 어두운 환경에서 측정되었습니다. 평행판 커패시터 모델에서 비유전율은 다음 관계식을 만족한다.
C는 정전용량, 𝜖0은 진공에서의 유전율, A는 전극의 면적, d는 커패시터의 두께이다.
J - V measurement (Space Charge Limited Current)
측정에는 Kithley 237 모델을 사용하였고, 금을 전극으로 사용하여 정공의 전기적 이동을 측정하였다. 측정은 어두운 상태의 환경을 조성하여 실온에서 진행하였다.
이중 할라이드 페로브스카이트 단결정
- XRD
- 결정성장 정도
- SEM, EDX
- 주사투과전자현미경(Scanning Tunneling Electron Microscopy, STEM)) 36
- 밴드 갭 측정
- 온도에 따른 전도도 측정
Ag 과잉 조건 하에서 성장한 단결정은 결정학적 대칭성을 갖는 단결정이다. 반면, Bi 과량 조건에서 성장한 단결정의 경우 화학양론적 조건에서 합성된 단결정에 비해 Bi/Ag 값이 더 높은 것을 확인하였다. XRD 분석과 유사하게 Ag 과잉 조건에서 합성된 고결정성 단결정이 STEM 측정에 사용되었습니다.
HAADF(High Angle Ringular Dark Field) - 성장한 단결정의 STEM입니다. 단결정의 주파수에 따른 유전상수. Ag 과잉 조건에서 성장한 단결정은 화학양론적 조건에서 더 적은 기공을 가져야 합니다.
음이온 치환 이중 할라이드 페로브스카이트
음이온 치환 단결정
Direct Bandgap의 경우 결과 값이 증가하는 것처럼 보이지만, Indirect Bandgap의 경우 계단 모양과 같이 특정 Bandgap 값을 유지하는 것으로 보입니다. 이를 확인하기 위해 단결정 분말 XRD를 측정하였다. 음이온 중 원자번호가 높은 음이온은 모두 이온 뒤에 치환되어 부분 치환만으로 단결정의 안정적인 성장에 실패하였다.
음이온이 치환된 분말 이중 할라이드 페로브스카이트
이중 할라이드 페로브스카이트 단결정
이는 단결정 내부의 공동이 트랩 역할을 하여 전하의 이동을 방해할 뿐만 아니라, 결정 내부의 공동으로 인해 트랩의 밀도가 증가하고 2차 상에 의한 계면이 분리되기 때문이다. 쇼트키 장벽 등 외부 영향에 쉽게 영향을 받는 것으로 확인됐다. 페르미 에너지 준위는 0으로 설정되어 점선으로 표시됩니다.
음이온 치환된 이중 할라이드 페로브스카이트
추가 분석을 위해서는 완벽한 모양의 결정이 필요했습니다. 이미 단결정이 성장하여 단결정으로 완전히 대체되었음에도 불구하고, 부분적으로만 치환되어 단결정 합성에 실패하였다. 음이온이 부분적으로 치환된 안정한 단결정을 합성하는 다양한 방법이 모색되었으나 모두 음이온이 치환된 단결정만 성장하였다.
또한, 졸-겔법으로 박막을 만들면서 용매를 특정할 필요가 있다.
이중 할라이드 페로브스카이트 단결정
음이온 치환된 이중 할라이드 페로브스카이트
저 역시 연구실 분들에게 많은 도움을 받았습니다. 저는 최진산 선생님께 여러 가지 도움을 받았습니다. 볼 때마다 제가 더 힘을 낼 수 있도록 사랑한다고 말씀해주셨어요.
많은 분들의 도움으로 석사과정을 마칠 수 있었습니다.
단결정
단결정
단결정
Lead-based perovskite halides have proven to be a promising candidate in the field of optoelectronic devices, including photovoltaic solar cells, light-emitting diodes and photodetectors. Despite their excellent functionality (for example, the highest solar cell efficiency of 23.7%), their use in actual devices has been limited due to the global regulation of toxic lead. But lead-free double perovskite halides are currently of enormous interest as an alternative to lead-based perovskite halides.
However, it is important to tune the electronic band gap of double perovskite halides, enabling them.
