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KR-20260061815-A - measurement method for purity of perovskite compound

KR20260061815AKR 20260061815 AKR20260061815 AKR 20260061815AKR-20260061815-A

Abstract

본 발명은 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법에 관한 것이다.

Inventors

  • 한규원

Assignees

  • 한화솔루션 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (13)

  1. 납(Pb) 원소를 포함하는 페로브스카이트(Perovskite) 화합물을 준비하는 제1단계; 상기 페로브스카이트 화합물에 산화제를 투입하여 pH가 0 이하인 페로브스카이트 용액을 제조한 후, 기화시키는 제2단계; 상기 페로브스카이트 용액에 산-염기 적정(Titration)을 수행하여 페로브스카이트 용액의 pH를 높여주는 제3단계; pH를 높인 페로브스카이트 용액에 포함된 납(Pb) 원소의 적정을 수행하는 제4단계; 및 상기 납(Pb) 원소의 적정을 수행한 페로브스카이트 용액에 포함된 페로브스카이트 화합물의 순도를 계산하는 제5단계; 를 포함하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3단계는 페로브스카이트 용액에 산-염기 적정(Titration)을 수행한 후, 염기(base)를 투입하여 페로브스카이트 용액의 pH를 높여주는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2단계에서 제조한 페로브스카이트 용액은 pH가 -2.0 ~ 0인, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제3단계는 페로브스카이트 용액에 산-염기 적정(Titration)을 수행하여 pH를 0.5 ~ 3.0으로 조절하고, pH를 0.5 ~ 3.0으로 조절한 페로브스카이트 용액에 염기(base)를 투입하여 pH를 3.5 ~ 6.0으로 조절하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서 준비한 페로브스카이트 화합물은 무기 페로브스카이트 화합물인, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 무기 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법. [화학식 1] CPbX 3 상기 화학식 1에 있어서, C는 무기 화합물이고, X는 1가 음이온이다.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 질산(HNO 3 ), 염산(HCl), 황산(H 2 SO 4 ) 및 과염소산(HClO 4 ) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 산-염기 적정은 10 ~ 40% Rh의 습도, 10 ~ 30℃의 온도 및 단파장의 빛을 차단하는 조건에서 수행하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 산-염기 적정에 사용되는 적정제는 수산화 나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na 2 CO 3 ), 탄산칼륨(K 2 CO 3 ) 및 수산화칼륨(KOH) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 염기는 헥사메틸렌테트라민(HMTA) 및 트리에탄올아민(TEA) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제4단계의 납(Pb) 원소의 적정은 광도 적정 센서를 이용하여 수행하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제4단계의 납(Pb) 원소의 적정은 500 ~ 700nm 파장에서 수행하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제4단계의 납(Pb) 원소의 적정에 사용되는 적정제는 ETDA(ethylene-diamine-tetraacetic acid)를 포함하는, 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법.

Description

페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법{measurement method for purity of perovskite compound} 본 발명은 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법에 관한 것이다. 화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양 빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. 현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다. 이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 최근 페로브스카이트 구조의 할로겐 화합물인 (NH3CH3)PbX3 (X=I, Br, Cl)를 광활성체로 사용하는 페로브스카이트 태양전지가 개발되어 상업화를 위한 연구가 진행되고 있다. 페로브스카이트 구조의 일반적인 구조식은 ABX3 구조이며 X 자리에는 음이온이 위치하며, A 자리에는 크기가 큰 양이온이 위치하고 B 자리에는 크기가 작은 양이온이 위치하는 구조를 지닌다. 한편, 페로브스카이트 태양전지는 다양한 소재로 이루어지며, 각 소재들의 상호 작용을 통해 성능을 발현한다. 이 때 페로브스카이트 태양전지를 제작한 후, 제작된 페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)을 측정하여 성능을 확인할 수 있다. 이러한 페로브스카이트 태양전지 성능은 사용된 소재들의 순도 및 함량(Purity, Assay)에 영향을 받기 때문에 적정(Titration) 분석을 통해, 페로브스카이트 태양전지 제작 전에 사용되는 소재들의 순도를 확인하여 품질을 관리할 필요가 있다. 적정(Titration) 분석은 다양한 산업군에서 많이 사용되는 방법이지만 다양한 페로브스카이트 소재 마다 최적의 적정(Titration) 분석법을 적용해야 신뢰도 있는 순도 결과를 확인하는 것이 중요하며, 이를 통해 순도를 확인한 페로브스카이트 소재를 이용하여 제작한 태양전지는 성능을 향상시킬 수 있기에, 이와 같은 순도 확인방법은 품질 확보 관점에서 중요한 의미가 있는 실정이다. 이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 페로브스카이트 태양전지는 다양한 소재로 이루어지며, 각 소재들의 상호 작용을 통해 성능을 발현한다. 이 때 페로브스카이트 태양전지를 제작한 후, 제작된 페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)을 측정하여 성능을 확인할 수 있다. 이러한 페로브스카이트 태양전지 성능은 사용된 소재들의 순도 및 함량(Purity, Assay)에 영향을 받기 때문에 적정(Titration) 분석을 통해, 페로브스카이트 태양전지 제작 전에 사용되는 소재들의 순도를 확인하여 품질을 관리할 필요가 있다. 적정(Titration) 분석은 다양한 산업군에서 많이 사용되는 방법이지만 다양한 페로브스카이트 소재 마다 최적의 적정(Titration) 분석법을 적용해야 신뢰도 있는 순도 결과를 확인하는 것이 중요하며, 이를 통해 순도를 확인한 페로브스카이트 소재를 이용하여 제작한 태양전지는 성능을 향상시킬 수 있기에, 이와 같은 순도 확인방법은 품질 확보 관점에서 중요한 의미가 있는 실정이다. 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법은 제1단계 내지 제5단계를 포함한다. 먼저, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제1단계는 납(Pb) 원소를 포함하는 페로브스카이트(Perovskite) 화합물을 준비할 수 있다. 구체적으로, 제1단계에서 준비한 페로브스카이트 화합물은 무기 페로브스카이트 화합물일 수 있다. 더욱 구체적으로, 제1단계에서 준비한 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. [화학식 1] CPbX3 상기 화학식 1에 있어서, C는 무기 화합물일 수 있고, 바람직하게는 Cs, MA(Methylammonium) 또는 FA(Formamidinium)일 수 있다. 상기 화학식 1에 있어서, X는 1가 음이온일 수 있고, 바람직하게는 F, Cl, Br 및 I 중에서 선택된 1종 이상의 할라이드 원소 및/또는 16족 음이온을 포함할 수 있다. 다음으로, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제2단계는 제1단계에서 준비한 페로브스카이트 화합물에 산화제를 투입하여 pH가 0 이하인 페로브스카이트 용액을 제조한 후, 기화시킬 수 있다. 이 때, 산화제는 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4) 및 과염소산(HClO4) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 질산(HNO3)을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 40 ~ 80% w/v 질산(HNO3) 용액, 더 더욱 바람직하게는 50 ~ 70% w/v 질산(HNO3) 용액을 포함할 수 있다. 또한, 제2단계에서 제조한 페로브스카이트 용액은 pH가 -2.0 ~ 0, 바람직하게는 -1.0 ~ 0, 더욱 바람직하게는 -0.5 ~ 0일 수 있으며, 만일 pH가 -2.0 미만이면 후술할 산-염기 적정(Titration)에 필요한 적정제의 소모량이 많아지는 문제가 있을 수 있다. 또한, 제2단계에서 기화에 의해 페로브스카이트 용액에서 브라운 가스(brown gas)가 발생할 수 있으며, 브라운 가스의 색상이 무색(colorless)으로 변경되면, 페로브스카이트 용액을 더이상 기화시키지 않고, 20 ~ 30℃, 바람직하게는 23 ~ 27℃의 온도까지 냉각시킬 수 있다. 다음으로, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제3단계는 제2단계에서 제조한 페로브스카이트 용액에 산-염기 적정(Titration)을 수행하여 페로브스카이트 용액의 pH를 높여줄 수 있다. 구체적으로, 제3단계는 페로브스카이트 용액의 pH를 0.5 ~ 3.0, 바람직하게는 0.6 ~ 2.0, 더욱 바람직하게는 0.8 ~ 1.5로 조절할 수 있으며, 만일 pH가 0.5 미만이면 산성이 강한 환경이 되어 적정에 문제가 있을 수 있다. 또한, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제3단계는 제2단계에서 제조한 페로브스카이트 용액에 물을 추가 투입한 후, 산-염기 적정(Titration)을 수행할 수 있다. 또한, 산-염기 적정은 10 ~ 40% Rh, 바람직하게는 15 ~ 30% Rh, 더욱 바람직하게는 17 ~ 25% Rh의 습도, 10 ~ 30℃, 바람직하게는 15 ~ 26℃, 더욱 바람직하게는 18 ~ 23℃의 온도 및 단파장, 바람직하게는 300 ~ 450nm 파장, 더욱 바람직하게는 360 ~ 400nm 파장의 빛을 차단하는 조건에서 수행할 수 있으며, 만일 이와 같은 조건을 벗어나게 된다면 순도를 측정하는 물질의 변질을 야기하는 문제가 있을 수 있다. 또한, 산-염기 적정에 사용되는 적정제는 수산화 나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 및 수산화칼륨(KOH) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 수산화 나트륨(NaOH)을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 ~ 10% w/v 수산화 나트륨(NaOH) 용액, 더 더욱 바람직하게는 2 ~ 6% w/v 수산화 나트륨(NaOH) 용액을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제3단계는 페로브스카이트 용액에 산-염기 적정(Titration)을 수행한 후, 염기(base)를 투입하여 페로브스카이트 용액의 pH를 높여줄 수 있다. 구체적으로, 제3단계는 산-염기 적정(Titration)을 수행하여 페로브스카이트 용액의 pH를 0.5 ~ 3.0, 바람직하게는 0.6 ~ 2.0, 더욱 바람직하게는 0.8 ~ 1.5로 조절한 후, 염기(base)를 투입하여 페로브스카이트 용액의 pH를 3.5 ~ 6.0, 바람직하게는 4.0 ~ 5.5, 더욱 바람직하게는 4.3 ~ 5.0로 조절할 수 있으며, 만일 pH가 3.5 미만이거나, 6.0을 초과하면 후술한 제5단계의 적정에서 부반응이 생성되는 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제3단계는 산-염기 적정(Titration)을 수행하여 페로브스카이트 용액의 pH를 0.5 ~ 3.0, 바람직하게는 0.6 ~ 2.0, 더욱 바람직하게는 0.8 ~ 1.5로 조절한 후, 염기(base) 및 물을 투입하여 페로브스카이트 용액의 pH를 3.5 ~ 6.0, 바람직하게는 4.0 ~ 5.5, 더욱 바람직하게는 4.3 ~ 5.0로 조절할 수 있다. 또한, 염기는 헥사메틸렌테트라민(HMTA) 및 트리에탄올아민(TEA) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 헥사메틸렌테트라민(HMTA)을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 ~ 30% w/v 헥사메틸렌테트라민(HMTA) 용액, 더 더욱 바람직하게는 15 ~ 25% w/v 헥사메틸렌테트라민(HMTA) 용액을 포함할 수 있다. 다음으로, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제4단계는 제3단계에서 pH를 높인 페로브스카이트 용액에 포함된 납(Pb) 원소의 적정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 페로브스카이트 화합물의 순도 측정 방법의 제4단계는 제3단계에서 pH를 높인 페로브스카이트