중국, 산화제1구리 신에너지재료에 관한 연구성과

Power, Energy

중국, 산화제1구리 신에너지재료에 관한 연구성과

장종엽엔에스 2014. 12. 15. 08:50

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253843&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-15
산화제1구리(cuprous oxide, Cu2O)는 일종의 성능이 우수한 반도체재료로서 이는 2.1eV(590nm)인 직접 에너지 띠간격(direct gap) 및 매우 높은 가시광선 흡수계수(absorption coefficient)를 가지고 있을 뿐만 아니라 독성이 없고 가격이 저렴하고 원재료가 풍부한 등 장점을 가지고 있어 이미 태양에너지 전환과 이용의 연구영역에서 중요한 재료로 되었다. 이론적으로 Cu2O에 기반한 태양전지(solar cell) 효율은 20%에 달할 것으로 예상하지만 적합한 중간대역(intermediate band)을 첨가하여 도입한 후, 광전변환효율(photoelectric conversion efficiency)의 이론적 최고치는 60%까지 향상될 수 있다. 그리고 Cu2O는 광촉매 활성을 가지고 있기에 직접 가시광선으로 물을 열분해하여 수소를 생성하는 과정을 촉매시킬 수 있다. 중국과학원 물리연구소/북경응집물질물리 국가실험실(건설중) 청정에너지 선도연구중점실험실 Xiao-long Du 연구팀은 Cu2O 단결정 박막의 제어 가능한 성장, 첨가 및 결함제어 등 일련의 연구내용을 지속적으로 전개하여 일부의 중요한 성과를 얻었다. Cu2O에서 Cu는 중간 원자가(mid-valence)에 처해 있는데 이는 단일 원자가 Cu2O의 제조에 어려움을 초래하였다. 실험실의 Zeng-xia Mei 연구원, Jun-qiang Li 박사, Xiao-long Du 연구원 등은 Cu막 산화반응률(oxidation kinetics) 과정에 대한 체계적인 연구를 통해 산화과정의 정밀한 제어를 실현하였으며 부족한 산화 혹은 과도한 산화로 인해 초래한 금속 Cu 혹은 2+ CuO 클러스터의 형성을 억제하였다. 그리고 Cu2O의 심도있는 성장공정을 발전시켰는데 분자선 에피택시법(molecular beam epitaxy)으로 ZnO, MgO, SrTiO2 등 다양한 기판에서 고품질의 Cu2O 단결정 박막을 제조하는데 성공하였다. 풍부한 구리(copper rich)/풍부한 산소(oxygen rich) 성장조건을 조절하여 박막에서 진성결함(intrinsic defect) 유형 및 농도에 대한 제어를 실현하였고 실온에서 강렬한 여기자발광(exciton luminescence)을 관찰하였을 뿐만 아니라 구리공백(copper vacancy, VCu)은 여기자 특성에 영향을 미치는 주요한 원인이고 산소공백(oxygen vacancy, VO) 함량은 여기자발광에 미치는 영향은 비교적 작다는 것을 증명하였다. 첨가는 Cu2O 광전특성을 제어하여 부품응용 수요를 만족하는 필수적 수단이다. 최근에 이 팀은 E02팀 Qing-bo Meng 연구원, SF3팀 Ai-ling Ji 부연구원 및 노르웨이 오슬로대학교(Universitetet i Oslo)의 Andrej Kuznetsov 교수 등과 협력하여 질소첨가기술로 Cu2O에 대한 전기적 제어를 실현하였을 뿐만 아니라 불순물과 결함이 Cu2O 격자(lattice)에서 보여준 동적거동(dynamic behavior)을 체계적으로 연구하였다. 질소(N)원자 첨가는 0 원자위치를 차지하여 위치대체 원자를 형성하고 또한 박막에서 VO 함량의 증가를 초래하였으며 부분적 질소원자는 침입원자(Ni)를 형성하였다. Ni은 연구에서 장기적으로 무시된 일종의 결함이지만 이 연구팀의 연구결과에 의하면 이와 다른 결함의 상호작용은 Cu2O 박막의 광전성능에 중요한 영향을 생성한다는 것을 증명하였다. 적당한 풀림조건(annealing conditions)에서 Ni는 VO의 위치까지 천이하여 이 공백을 보충할 수 있으며 VO와 Ni의 감소 및 NO의 증가를 초래하였으며 따라서 박막 성질에는 상응한 변화가 나타났다. 이 연구내용은 Scientific Reports 4, 7240(2014)에 발표되었다. 질소첨가 메커니즘에 대한 이해에 기반하여 첨가 및 풀림조건에 대한 설계로 Cu2O 박막 광전성능을 대폭 향상시킬 수 있으며 이가 에너지부품에서의 응용을 위해 재료기초를 마련하였다. 위의 연구사업은 과학기술부, (중국)국가자연과학기금위원회와 중국과학원의 프로젝트 지원을 받았다. Cu2O 첨가메커니즘 연구논문: Scientific Reports 4, 7240(2014) Cu막 산화 동적과정 연구논문: Chin. Phys. B 21, 076401(2012) Cu2O 단결정 박막 에피택시 성장 연구논문: J. Cryst. Growth 353, 63(2012) Cu2O 여기자발광 연구논문: Opt. Mater. Express 3, 2072(2013) 그림 1: Cu2O 단결정 박막의 제조: ZnO 형판에서 (a) Cu2O(111)과 (b) Cu2O(110) 박막의 XRDθ-2θ 스캔결과 및 RHEED 모니터링 결과. (c) ZnO/Cu2O 헤테로접합 원형 부품 설명도 및 I-V 테스트 결과. (d) 사파이어에서 Cu2O 단결정 박막의 XRD θ-2θ 스캔 및 RHEED 모니터링 결과. (e) 사파이어에서 단결정 Cu2O 박막의 XRD ф 스캔 결과. 그림 2: Cu2O 광전성능 제어 및 결함 연구: (a) 질소첨가 샘플의 XRD θ-2θ 스캔결과. 홀테스트에서 얻은 (b) 전기성질이 첨가 농도에 따른 변화 및 (c) 전기성질이 풀림 온도변화에 따른 결과. (d) 실온에서 PL 테스트결과 및 phonon보조를 사용한 모델이 여기자발광 피크에 대한 적합성. (e) 질소첨가 샘플의 실온 PL스펙트럼. (f) 질소 첨가 샘플에서 불순물결함 작용메커니즘 설명도. Cu2O 01.png Cu2O 02.png http://www.cas.cn/syky/201412/t20141209_4271913.shtml

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253843&cont_cd=GT

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-15

산화제1구리(cuprous oxide, Cu2O)는 일종의 성능이 우수한 반도체재료로서 이는 2.1eV(590nm)인 직접 에너지 띠간격(direct gap) 및 매우 높은 가시광선 흡수계수(absorption coefficient)를 가지고 있을 뿐만 아니라 독성이 없고 가격이 저렴하고 원재료가 풍부한 등 장점을 가지고 있어 이미 태양에너지 전환과 이용의 연구영역에서 중요한 재료로 되었다. 이론적으로 Cu2O에 기반한 태양전지(solar cell) 효율은 20%에 달할 것으로 예상하지만 적합한 중간대역(intermediate band)을 첨가하여 도입한 후, 광전변환효율(photoelectric conversion efficiency)의 이론적 최고치는 60%까지 향상될 수 있다. 그리고 Cu2O는 광촉매 활성을 가지고 있기에 직접 가시광선으로 물을 열분해하여 수소를 생성하는 과정을 촉매시킬 수 있다.

중국과학원 물리연구소/북경응집물질물리 국가실험실(건설중) 청정에너지 선도연구중점실험실 Xiao-long Du 연구팀은 Cu2O 단결정 박막의 제어 가능한 성장, 첨가 및 결함제어 등 일련의 연구내용을 지속적으로 전개하여 일부의 중요한 성과를 얻었다.

Cu2O에서 Cu는 중간 원자가(mid-valence)에 처해 있는데 이는 단일 원자가 Cu2O의 제조에 어려움을 초래하였다. 실험실의 Zeng-xia Mei 연구원, Jun-qiang Li 박사, Xiao-long Du 연구원 등은 Cu막 산화반응률(oxidation kinetics) 과정에 대한 체계적인 연구를 통해 산화과정의 정밀한 제어를 실현하였으며 부족한 산화 혹은 과도한 산화로 인해 초래한 금속 Cu 혹은 2+ CuO 클러스터의 형성을 억제하였다. 그리고 Cu2O의 심도있는 성장공정을 발전시켰는데 분자선 에피택시법(molecular beam epitaxy)으로 ZnO, MgO, SrTiO2 등 다양한 기판에서 고품질의 Cu2O 단결정 박막을 제조하는데 성공하였다.

풍부한 구리(copper rich)/풍부한 산소(oxygen rich) 성장조건을 조절하여 박막에서 진성결함(intrinsic defect) 유형 및 농도에 대한 제어를 실현하였고 실온에서 강렬한 여기자발광(exciton luminescence)을 관찰하였을 뿐만 아니라 구리공백(copper vacancy, VCu)은 여기자 특성에 영향을 미치는 주요한 원인이고 산소공백(oxygen vacancy, VO) 함량은 여기자발광에 미치는 영향은 비교적 작다는 것을 증명하였다.

첨가는 Cu2O 광전특성을 제어하여 부품응용 수요를 만족하는 필수적 수단이다. 최근에 이 팀은 E02팀 Qing-bo Meng 연구원, SF3팀 Ai-ling Ji 부연구원 및 노르웨이 오슬로대학교(Universitetet i Oslo)의 Andrej Kuznetsov 교수 등과 협력하여 질소첨가기술로 Cu2O에 대한 전기적 제어를 실현하였을 뿐만 아니라 불순물과 결함이 Cu2O 격자(lattice)에서 보여준 동적거동(dynamic behavior)을 체계적으로 연구하였다. 질소(N)원자 첨가는 0 원자위치를 차지하여 위치대체 원자를 형성하고 또한 박막에서 VO 함량의 증가를 초래하였으며 부분적 질소원자는 침입원자(Ni)를 형성하였다. Ni은 연구에서 장기적으로 무시된 일종의 결함이지만 이 연구팀의 연구결과에 의하면 이와 다른 결함의 상호작용은 Cu2O 박막의 광전성능에 중요한 영향을 생성한다는 것을 증명하였다.

적당한 풀림조건(annealing conditions)에서 Ni는 VO의 위치까지 천이하여 이 공백을 보충할 수 있으며 VO와 Ni의 감소 및 NO의 증가를 초래하였으며 따라서 박막 성질에는 상응한 변화가 나타났다. 이 연구내용은 Scientific Reports 4, 7240(2014)에 발표되었다. 질소첨가 메커니즘에 대한 이해에 기반하여 첨가 및 풀림조건에 대한 설계로 Cu2O 박막 광전성능을 대폭 향상시킬 수 있으며 이가 에너지부품에서의 응용을 위해 재료기초를 마련하였다.

위의 연구사업은 과학기술부, (중국)국가자연과학기금위원회와 중국과학원의 프로젝트 지원을 받았다.

Cu2O 첨가메커니즘 연구논문: Scientific Reports 4, 7240(2014)
Cu막 산화 동적과정 연구논문: Chin. Phys. B 21, 076401(2012)
Cu2O 단결정 박막 에피택시 성장 연구논문: J. Cryst. Growth 353, 63(2012)
Cu2O 여기자발광 연구논문: Opt. Mater. Express 3, 2072(2013)

그림 1: Cu2O 단결정 박막의 제조: ZnO 형판에서 (a) Cu2O(111)과 (b) Cu2O(110) 박막의 XRDθ-2θ 스캔결과 및 RHEED 모니터링 결과. (c) ZnO/Cu2O 헤테로접합 원형 부품 설명도 및 I-V 테스트 결과. (d) 사파이어에서 Cu2O 단결정 박막의 XRD θ-2θ 스캔 및 RHEED 모니터링 결과. (e) 사파이어에서 단결정 Cu2O 박막의 XRD ф 스캔 결과.

그림 2: Cu2O 광전성능 제어 및 결함 연구: (a) 질소첨가 샘플의 XRD θ-2θ 스캔결과. 홀테스트에서 얻은 (b) 전기성질이 첨가 농도에 따른 변화 및 (c) 전기성질이 풀림 온도변화에 따른 결과. (d) 실온에서 PL 테스트결과 및 phonon보조를 사용한 모델이 여기자발광 피크에 대한 적합성. (e) 질소첨가 샘플의 실온 PL스펙트럼. (f) 질소 첨가 샘플에서 불순물결함 작용메커니즘 설명도.

Cu2O 01.png

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http://www.cas.cn/syky/201412/t20141209_4271913.shtml