JP2015201522A - Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof - Google Patents
Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015201522A JP2015201522A JP2014078806A JP2014078806A JP2015201522A JP 2015201522 A JP2015201522 A JP 2015201522A JP 2014078806 A JP2014078806 A JP 2014078806A JP 2014078806 A JP2014078806 A JP 2014078806A JP 2015201522 A JP2015201522 A JP 2015201522A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light absorption
- photoelectric conversion
- metal chalcogenide
- electrode layer
- absorption layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光電変換素子及びその製造方法に関し、より詳細には、エネルギー変換効率や生産性に優れた光電変換素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a photoelectric conversion element excellent in energy conversion efficiency and productivity and a manufacturing method thereof.
近年、環境問題や資源問題を解決するため光エネルギーと電気エネルギーの変換を行う光電変換素子、とりわけ太陽電池の開発が盛んに行われている。太陽電池の分野では、従来、結晶性のシリコンを光吸収性の半導体として用いる手法が主流であったが、シリコンは光吸収特性に劣るため、膜厚を厚くすることが必要である。そのため、光吸収特性に優れた、CIGS(銅−インジウム、ガリウム−硫黄、セレン)系やCZTS(銅−亜鉛−錫−硫黄、セレン)系といった金属カルコゲナイド半導体を用いた太陽電池の開発が急速に進められている。 In recent years, in order to solve environmental problems and resource problems, photoelectric conversion elements that convert light energy and electric energy, particularly solar cells, have been actively developed. Conventionally, in the field of solar cells, a method of using crystalline silicon as a light-absorbing semiconductor has been mainstream, but silicon is inferior in light absorption characteristics, so that it is necessary to increase the film thickness. Therefore, rapid development of solar cells using metal chalcogenide semiconductors such as CIGS (copper-indium, gallium-sulfur, selenium) and CZTS (copper-zinc-tin-sulfur, selenium), which have excellent light absorption characteristics It is being advanced.
このような化合物半導体薄膜型の光電変換素子やそれからなる太陽電池の光吸収層は、金属薄膜をスパッタリング法で成膜し、それに続いて硫化水素やセレン化水素の雰囲気で焼成されて製造されたり、構成金属元素を加熱基板上の同時に蒸着する方法で製造されたりするのが一般的である。
また、発電時のキャリア再結合による発電低下と光利用効率向上による電流増大のバランスをとることでエネルギー変換効率を向上させることを目的として、例えば、特許文献1には、Cux(Al,In,Ga)yTe1−x−yで表される特定範囲のTeテルル化物半導体を用いた太陽電池のpn界面の粗度を10nm以上100nm以下に制御する技術が開示され、特許文献2には、表面に凹凸を付与した基板を使用しスクライビング適性を改善する方法が提案されている。
Such a compound semiconductor thin film type photoelectric conversion element and a light absorption layer of a solar cell comprising the compound semiconductor are manufactured by forming a metal thin film by a sputtering method, followed by firing in an atmosphere of hydrogen sulfide or hydrogen selenide. In general, it is manufactured by a method in which constituent metal elements are vapor-deposited simultaneously on a heating substrate.
Further, for the purpose of improving energy conversion efficiency by balancing power generation decrease due to carrier recombination during power generation and current increase due to light utilization efficiency improvement, for example, Patent Document 1 discloses Cu x (Al, In , Ga) y Te 1-xy , a technology for controlling the roughness of the pn interface of a solar cell using a Te telluride semiconductor in a specific range represented by 10 to 100 nm is disclosed in
一方、生産性の向上などを目的として、溶液を塗布して光吸収層を作製する方法が種々提案されている(非特許文献1)。このような溶液を塗布する方法では、結晶粒子の成長を実現することが重要であり、特許文献3には、予め製造した金属セレン化物の粒子を混合して基材上に塗布し、水素雰囲気で焼成した後改めてセレン含有溶液を塗布して水素雰囲気で焼成することによって結晶粒子の成長を促進する技術が開示されている。また、特許文献4には同様に予め製造したナノ粒子を基材上に塗布し、Se雰囲気で焼成する技術が開示されている。 On the other hand, for the purpose of improving productivity and the like, various methods for applying a solution to produce a light absorption layer have been proposed (Non-Patent Document 1). In such a method of applying a solution, it is important to realize the growth of crystal particles. In Patent Document 3, particles of metal selenide prepared in advance are mixed and applied onto a substrate, and a hydrogen atmosphere A technique for promoting the growth of crystal grains is disclosed by applying a selenium-containing solution again after firing in, and firing in a hydrogen atmosphere. Similarly, Patent Document 4 discloses a technique in which nanoparticles prepared in advance are coated on a substrate and fired in an Se atmosphere.
更に、特許文献5には、予め製造したミクロンスケールの大きな粒子を有機バインダーにて固定することによって光吸収層を形成する技術が開示されている。
塗布法を用いて高いエネルギー変換効率を実現した例としては、例えば、非特許文献2にヒドラジンを溶媒として、金属セレン化物等の原料を用い、スピンコートを繰り返して光吸収層を製造する方法が開示されているが、ヒドラジンという爆発性を有し、かつ、熱分解によってホスゲンなどの危険性ガスを生じる、製造工程において安全対策が必要になり生産性が劣るという欠点を有していた。
Furthermore, Patent Document 5 discloses a technique for forming a light absorption layer by fixing large micron-scale particles produced in advance with an organic binder.
As an example of realizing high energy conversion efficiency using a coating method, for example, Non-Patent
そのため、比較的安全な溶媒を用いる塗布法が検討され、非特許文献3には、エタノール等を溶媒として塗布し、セレン化する方法が開示されているが、硫化物より高性能が実現されやすいセレン化物を用いているにもかかわらず、エネルギー変換効率が十分ではなく、また、塗布液の調製に数日間かかるため生産性が劣るという問題を有していた。このような状況の中、水を溶媒として加熱基板上にスプレー塗布し硫化する方法が非特許文献4に開示されているが、エネルギー変換効率が不十分であった。 Therefore, a coating method using a relatively safe solvent has been studied, and Non-Patent Document 3 discloses a method of coating with ethanol or the like as a solvent for selenization, but high performance is more easily realized than sulfide. Despite the use of selenides, the energy conversion efficiency is not sufficient, and the preparation of the coating liquid takes several days, which has the problem of poor productivity. In such a situation, Non-Patent Document 4 discloses a method of spraying water on a heating substrate using water as a solvent and sulfiding, but the energy conversion efficiency is insufficient.
しかしながら、特許文献1のものは、Cux(Al,In,Ga)yTe1−x−yで表される特定範囲のTeテルル化物半導体を用いた太陽電池のpn界面の粗度を10nm以上100nm以下に制御する技術が開示されているが、本発明とは異なる半導体を用いた技術であり、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層を用いていない。 However, in Patent Document 1, Cu x (Al, In , Ga) y Te 1-x-y in the roughness of the pn interface between the solar cell using a Te telluride semiconductor particular range of 10nm represented Although a technique for controlling to 100 nm or less is disclosed, it is a technique using a semiconductor different from the present invention, and uses a light absorption layer including a metal chalcogenide semiconductor containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. Not.
また、特許文献2のものは、表面に凹凸を付与した基板を使用しスクライビング適性を改善する方法が提案されているが、本発明の略球形の金属カルコゲナイド半導体の形状を活用して表面に凹凸を付与するのとは異なり製造工程が煩雑である。
また、特許文献3のものは、予め製造した金属セレン化物の粒子を混合して基材上に塗布し、水素雰囲気で焼成した後改めてセレン含有溶液を塗布して水素雰囲気で焼成することによって結晶粒子の成長を促進する技術が開示されているが、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層上に複数回噴霧して製造された光吸収層とは異なり、工程が煩雑な上に粒子の成長が十分ではない。
Moreover, although the method of
In addition, in Patent Document 3, particles of a metal selenide produced in advance are mixed and applied onto a substrate, fired in a hydrogen atmosphere, then coated again with a selenium-containing solution and fired in a hydrogen atmosphere. Although a technique for promoting particle growth is disclosed, what is an optical absorption layer produced by spraying an aqueous solution containing the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention a plurality of times on a heated first electrode layer? In contrast, the process is complicated and the particle growth is not sufficient.
また、特許文献4のものは、上述した特許文献3と同様に、予め製造したナノ粒子を基材上に塗布し、Se雰囲気で焼成する技術が開示されているが、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層上に複数回噴霧して製造された光吸収層とは異なり、工程が煩雑な上に、本発明の略球形とは異なる柱状の結晶が得られるために、高いエネルギー変換効率が実現されていない。 Moreover, the thing of patent document 4 is the same as patent document 3 mentioned above, but the technique of apply | coating the nanoparticle manufactured beforehand on a base material and baking in Se atmosphere is disclosed, but the metal chalcogenide semiconductor of this invention is disclosed. Unlike the light absorption layer produced by spraying the aqueous solution containing the raw material a plurality of times on the heated first electrode layer, the process is complicated and the columnar crystal is different from the substantially spherical shape of the present invention. Therefore, high energy conversion efficiency is not realized.
また、特許文献5のものは、予め製造したミクロンスケールの大きな粒子を有機バインダーにて固定することによって光吸収層を形成する技術が開示されているが、本発明の光吸収層とは異なり、粒子を有機物で接合することが必須であり、光吸収層に有機物を混在させるため、耐久性が十分ではない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、エネルギー変換効率や生産性に優れた光電変換素子及びその製造方法を提供することにある。
In addition, the technique of Patent Document 5 discloses a technique for forming a light absorption layer by fixing large particles of micron scale produced in advance with an organic binder, but unlike the light absorption layer of the present invention, It is essential to join the particles with an organic substance, and the organic substance is mixed in the light absorption layer, so that the durability is not sufficient.
This invention is made | formed in view of such a problem, The place made into the objective is to provide the photoelectric conversion element excellent in energy conversion efficiency and productivity, and its manufacturing method.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、第1の電極層上に設けられ、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体からなる光吸収層と、この光吸収層上に設けられ、この光吸収層と異なる極性の半導体からなるバッファ層と、バッファ層上に設けられた第2の電極層を備える光電変換素子であって、金属カルコゲナイド半導体が略球形の形状を有し、光吸収層とバッファ層の界面において、光吸収層が特定範囲の凹凸状の粗面を有し、かつ、バッファ層が、第1の電極層と接していない場合に優れたエネルギー変換効率を有する光電変換素子が得られること、更には、その光吸収層が、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された前記第1の電極層上に複数回噴霧した後、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気で焼成して製造された場合に、より効果が顕著になることを見出し本発明に至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have provided a light absorption layer made of a metal chalcogenide semiconductor provided on the first electrode layer and containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. A photoelectric conversion element comprising a buffer layer made of a semiconductor having a polarity different from that of the light absorption layer and a second electrode layer provided on the buffer layer, the metal chalcogenide semiconductor Has a substantially spherical shape, and at the interface between the light absorption layer and the buffer layer, the light absorption layer has an irregular rough surface in a specific range, and the buffer layer is not in contact with the first electrode layer. A photoelectric conversion element having excellent energy conversion efficiency is obtained, and moreover, the light absorption layer contains at least one water-soluble metal salt containing a metal constituting a metal chalcogenide semiconductor, and sulfur. An aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor raw material containing one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing a chalcogen element selected from selenium and / or selenium is applied to the heated first electrode layer a plurality of times. After spraying, it discovered that an effect became more remarkable when it baked and manufactured in the gas atmosphere containing the chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, and it came to this invention.
本発明は、上述したような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、導電性の第1の電極層(1)と、該第1の電極層(1)上に設けられ、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層(2)と、該光吸収層(2)上に設けられ、該光吸収層(2)と異なる極性の半導体を含むバッファ層(3)と、該バッファ層(3)上に設けられた第2の電極層(4)を備えている光電変換素子であって、前記金属カルコゲナイド半導体が、略球形の形状を有し、前記光吸収層(2)と前記バッファ層(3)の界面において、前記光吸収層(2)が、20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を有し、かつ、前記バッファ層(3)が、前記第1の電極層(1)と接していないことを特徴とする光電変換素子である。 The present invention has been made to achieve the above-described object, and the invention according to claim 1 includes a conductive first electrode layer (1) and the first electrode layer (1). A light absorption layer (2) comprising a metal chalcogenide semiconductor containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, and provided on the light absorption layer (2), the light absorption layer (2 ) And a second electrode layer (4) provided on the buffer layer (3), wherein the metal chalcogenide semiconductor is , Having a substantially spherical shape, and at the interface between the light absorption layer (2) and the buffer layer (3), the light absorption layer (2) has an uneven rough surface of 20 nm to 400 nm, The buffer layer (3) is in contact with the first electrode layer (1). A photoelectric conversion element characterized in that no.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記金属カルコゲナイド半導体が、銅を含有することを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記金属カルコゲナイド半導体が、さらに、インジウム及び/又はガリウムを含有することを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、前記光吸収層(2)が、前記金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された前記第1の電極層(1)上に複数回噴霧して形成されていることを特徴とする。
The invention according to
The invention according to claim 3 is the invention according to
The invention according to claim 4 is the invention according to
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記光吸収層(2)が、前記金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された前記第1の電極層(1)上に複数回噴霧した後、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で焼成して形成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the light absorption layer (2) contains one or more water-soluble substances containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor. A heated aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor raw material containing a metallic metal salt and at least one water-soluble chalcogen-containing organic compound containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. After spraying a plurality of times on the electrode layer (1), it is formed by firing in a gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium and having an oxygen partial pressure of 1 Pa or less. .
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記バッファ層(3)が、化学バス堆積法によって形成されていることを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の発明において、前記第1及び第2の電極層(1,4)のいずれか一方は、前記光吸収層(2)に光を導入するために透光性であることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the buffer layer (3) is formed by a chemical bath deposition method.
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein any one of the first and second electrode layers (1, 4) is the light absorption layer ( 2) It is characterized by being translucent in order to introduce light.
また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法であって、第1の電極層(1)上に金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層(2)を積層して形成された積層構造を含み、前記第1の電極層(1)を加熱し、該第1の電極層(1)上に、前記金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を複数回噴霧して光吸収層(2)の前駆体を形成する第1の工程と、該第1の工程における前記光吸収層(2)の前記前駆体を焼成して光吸収層(2)を形成する第2の工程とを有することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the method for manufacturing a photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, wherein the light absorption layer includes a metal chalcogenide semiconductor on the first electrode layer (1). (1) includes a laminated structure formed by laminating (2), heating the first electrode layer (1), and containing the metal constituting the metal chalcogenide semiconductor on the first electrode layer (1) Multiple times an aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor raw material containing one or more water-soluble metal salts and one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium A first step of spraying to form a precursor of the light absorbing layer (2), and firing the precursor of the light absorbing layer (2) in the first step to form the light absorbing layer (2) And a second step of .
また、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の発明において、前記第1の工程で使用するカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物が硫黄を含有する化合物であり、前記第2の工程の焼成を、セレンを含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で行うことを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項8又は9に記載の発明において、前記第1の工程における前記前駆体が、金属カルコゲナイド半導体で、前記第2の工程における前記前駆体の焼成により、前記光吸収層(2)と前記バッファ層(3)の界面において、前記光吸収層(2)に20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を形成することを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the compound according to claim 8, wherein the one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing the chalcogen element used in the first step are compounds containing sulfur. And firing in the second step is performed in a gas atmosphere containing selenium and having an oxygen partial pressure of 1 Pa or less.
The invention according to claim 10 is the invention according to claim 8 or 9, wherein the precursor in the first step is a metal chalcogenide semiconductor, and the precursor in the second step is fired. In the interface between the light absorption layer (2) and the buffer layer (3), a rough surface having an irregular shape of 20 nm to 400 nm is formed in the light absorption layer (2).
また、請求項11に記載の発明は、導電性の第1の電極層(1)と、該第1の電極層(1)上に設けられ、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層(2)と、該光吸収層(2)上に設けられ、該光吸収層(2)と異なる極性の半導体を含むバッファ層(3)と、該バッファ層(3)上に設けられた第2の電極層(4)を備えている光電変換素子の製造方法であって、前記金属カルコゲナイド半導体に略球形の形状を形成する工程と、前記光吸収層(2)と前記バッファ層(3)の界面において、前記光吸収層(2)に20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を形成する工程とを有し、前記バッファ層(3)が、前記第1の電極層(1)と接していないことを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a conductive first electrode layer (1) and a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium provided on the first electrode layer (1). A light absorption layer (2) containing a metal chalcogenide semiconductor, a buffer layer (3) provided on the light absorption layer (2) and containing a semiconductor having a polarity different from that of the light absorption layer (2), and the buffer A method for manufacturing a photoelectric conversion element comprising a second electrode layer (4) provided on a layer (3), the step of forming a substantially spherical shape in the metal chalcogenide semiconductor, and the light absorption layer (2) and a step of forming an uneven rough surface having a roughness of 20 nm or more and 400 nm or less on the light absorption layer (2) at the interface between the buffer layer (3), and the buffer layer (3) It is not in contact with the first electrode layer (1).
また、請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の発明において、前記金属カルコゲナイド半導体が、銅を含有することを特徴とする。
また、請求項13に記載の発明は、請求項12に記載の発明において、前記金属カルコゲナイド半導体が、さらに、インジウム及び/又はガリウムを含有することを特徴とする。
The invention according to claim 12 is the invention according to claim 11, wherein the metal chalcogenide semiconductor contains copper.
The invention according to claim 13 is the invention according to claim 12, wherein the metal chalcogenide semiconductor further contains indium and / or gallium.
また、請求項14に記載の発明は、請求項11,12又は13に記載の発明において、前記光吸収層(2)が、前記金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された前記第1の電極層(1)上に複数回噴霧して形成されることを特徴とする。 The invention according to claim 14 is the invention according to claim 11, 12 or 13, wherein the light absorption layer (2) contains one or more water-soluble substances containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor. The first electrode in which an aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor material containing a metal salt and one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium is heated. It is formed by spraying a plurality of times on the layer (1).
また、請求項15に記載の発明は、請求項11乃至14のいずれかに記載の発明において、前記光吸収層(2)が、前記金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された前記第1の電極層(1)上に複数回噴霧した後、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で焼成して形成されることを特徴とする。 The invention according to claim 15 is the invention according to any one of claims 11 to 14, wherein the light absorption layer (2) contains one or more water-soluble substances containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor. A heated aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor raw material containing a metallic metal salt and at least one water-soluble chalcogen-containing organic compound containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. It is characterized by being formed by spraying a plurality of times on the electrode layer (1), followed by firing in a gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium and having an oxygen partial pressure of 1 Pa or less.
また、請求項16に記載の発明は、請求項11乃至15のいずれかに記載の発明において、前記バッファ層(3)が、化学バス堆積法によって形成されることを特徴とする。
また、請求項17に記載の発明は、請求項11乃至16のいずれかに記載の発明において、前記第1及び第2の電極層(1,4)のいずれか一方は、前記光吸収層(2)に光を導入するために透光性である特徴とする。
The invention according to claim 16 is the invention according to any one of claims 11 to 15, wherein the buffer layer (3) is formed by a chemical bath deposition method.
The invention according to claim 17 is the invention according to any one of claims 11 to 16, wherein any one of the first and second electrode layers (1, 4) is the light absorption layer ( 2) It is characterized by being translucent in order to introduce light.
本発明によれば、特定範囲の構造を有する光吸収層とバッファ層を有することにより優れたエネルギー変換効率の光電変換素子が得られる。更に、高いエネルギー光電変換効率を有する光電変換素子を容易に製造できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion element of the outstanding energy conversion efficiency is obtained by having the light absorption layer and buffer layer which have a structure of a specific range. Furthermore, a photoelectric conversion element having high energy photoelectric conversion efficiency can be easily manufactured.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
[実施形態]
図1は、本発明に係る光電変換素子の実施形態を説明するための構成図である。図中符号1は第1の電極層、2は光吸収層、3はバッファ層、4は第2の電極層を示している。
本発明の光電変換素子は、導電性の第1の電極層1と、この第1の電極層1上に設けられ、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層2と、この光吸収層2上に設けられ、この光吸収層2と異なる極性の半導体を含むバッファ層3と、このバッファ層3上に設けられた第2の電極層4を備えている光電変換素子である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining an embodiment of a photoelectric conversion element according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a first electrode layer, 2 denotes a light absorption layer, 3 denotes a buffer layer, and 4 denotes a second electrode layer.
The photoelectric conversion element of the present invention includes a conductive first electrode layer 1 and a metal chalcogenide semiconductor provided on the first electrode layer 1 and containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. A
金属カルコゲナイド半導体が球形又は略球形の形状を有し、光吸収層2とバッファ層3の界面において、光吸収層2が、20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を有し、かつ、バッファ層3が、第1の電極層1と接していない構成になっている。
また、金属カルコゲナイド半導体は、銅を含有する。また、金属カルコゲナイド半導体は、インジウム及び/又はガリウムを含有する。
The metal chalcogenide semiconductor has a spherical or substantially spherical shape, and the
The metal chalcogenide semiconductor contains copper. The metal chalcogenide semiconductor contains indium and / or gallium.
また、光吸収層2は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧して形成されている。
また、光吸収層2は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧した後、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で焼成して形成されている。
The
The
また、バッファ層3は、化学バス堆積法によって形成されている。また、第1及び第2の電極層1,4のいずれか一方は、光吸収層2に光を導入するために透光性である。
以下、本発明の光電変換素子を構成する各構成要素について順次説明する。
まず、電極層について説明する。
本発明における電極層は、光吸収層2とバッファ層3を挟持するように一対をなしており、光吸収層2側を第1の電極層1と、バッファ層3側を第2の電極層4とを備えている。この第1及び第2の電極層1,4は、本発明の光電変換素子において、正負の電極の一対をなしている。
The buffer layer 3 is formed by a chemical bath deposition method. In addition, one of the first and second electrode layers 1 and 4 is translucent in order to introduce light into the
Hereafter, each component which comprises the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated sequentially.
First, the electrode layer will be described.
The electrode layers in the present invention are paired so as to sandwich the
第1及び第2の電極層1,4を構成する材料は、導電性であれば特に限定されないが、いずれか片方は、本発明の光吸収層2に光を導入するために透光性である。
また、本発明における導電性とは、シート抵抗が、1kΩ/□以下の材料を意味し、好ましくは100Ω/□以下、更に好ましくは、50Ω/□以下である材料である。
具体的には、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、ニッケルやこれらの合金といった金属類、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、インジウムとガリウムをドープした酸化亜鉛(IGZO)などの酸化亜鉛系材料、錫をドープした酸化インジウム(ITO)に代表される酸化インジウム系材料、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、アンチモンをドープした酸化錫(ATO)、燐をドープした酸化錫(PTO)などの酸化錫系材料といった酸化物半導体類、更には、カーボンブラックに代表される炭素系材料などが例示できる。
The material constituting the first and second electrode layers 1 and 4 is not particularly limited as long as it is conductive, but one of them is translucent to introduce light into the
Further, the conductivity in the present invention means a material having a sheet resistance of 1 kΩ / □ or less, preferably 100Ω / □ or less, more preferably 50Ω / □ or less.
Specifically, gold, silver, copper, platinum, aluminum, iron, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, nickel and alloys thereof, zinc doped with aluminum (AZO), and gallium are doped. Zinc oxide materials such as zinc oxide (GZO), zinc oxide doped with indium and gallium (IGZO), indium oxide materials represented by indium oxide doped with tin (ITO), tin oxide doped with fluorine (FTO) ), Oxide semiconductors such as tin oxide materials such as tin oxide doped with antimony (ATO) and tin oxide doped with phosphorus (PTO), and carbon materials represented by carbon black.
本発明における第1の電極層1と第2の電極層4は、上述したように、一対をなし、少なくともいずれか片方が透光性を有するため、金属材料と酸化物半導体の組合せが好ましく用いられる。
電極層に金属を用いる場合、後述するように、本発明の光吸収層2は、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体からなるため、硫黄やセレンと接触した際の腐食性が低いものが好ましく、具体的には、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ及びこれらの合金が好ましく、加工性の観点から、モリブデンやタンタルがより好ましく、更に好ましくはモリブデンである。とりわけ、光吸収層と直接接する第1の電極層1として金属類を用いる場合は、これらの硫黄やセレンと接触した際の腐食性が低い材料が好ましく選択される。
As described above, the first electrode layer 1 and the second electrode layer 4 in the present invention form a pair, and at least one of them has a light-transmitting property. Therefore, a combination of a metal material and an oxide semiconductor is preferably used. It is done.
When a metal is used for the electrode layer, as described later, the
電極層に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の電極は、透光性の機能を有するため、導電性と透光性のバランスの取れた材料が好ましく用いられる。
ここで透光性とは、本発明の光吸収層2の感度波長に応じて光を導出入できることを意味するが、本発明においては、可視光の代表値として550nmの波長の光を用いて測定した光透過性が、50%以上、好ましくは60%以上、より好ましくは70%以上のことをいう。なお、光透過性は、光電変換素子において高いほど受発光の効率が高くなるため好ましいので上限については限定されず、100%以下である。
In the case where an oxide semiconductor is used for the electrode layer, an oxide semiconductor electrode has a light-transmitting function, and thus a material having a good balance between conductivity and light-transmitting property is preferably used.
Here, translucency means that light can be led in and out according to the sensitivity wavelength of the
本発明における透光性の電極に用いる材料は、特に限定されないが、具体的には、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、錫をドープした酸化インジウム(ITO)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)が好ましい。更に、これらの材料を、第一の電極層として用いる場合は、耐熱性や耐薬品性が要求される場合があるので、フッ素をドープした酸化錫(FTO)が好ましく用いられる。 The material used for the translucent electrode in the present invention is not particularly limited. Specifically, zinc oxide doped with aluminum (AZO), zinc oxide doped with gallium (GZO), and indium oxide doped with tin ( ITO) and fluorine-doped tin oxide (FTO) are preferred. Furthermore, when these materials are used as the first electrode layer, heat resistance and chemical resistance may be required, and therefore, tin oxide (FTO) doped with fluorine is preferably used.
一方、第2の電極層4として用いるためには、比較的低温で作製して、高導電性を得やすいといった観点から、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、錫をドープした酸化インジウム(ITO)が好ましく用いられる。
また、本発明における第1の電極層1は、それを支持する基板上に形成されていてもよい。本発明における基板は、特に限定されず、本発明の光電変換素子の用途に応じて選択すればよい。
On the other hand, in order to use it as the second electrode layer 4, zinc oxide doped with aluminum (AZO), zinc oxide doped with gallium (GZO) from the viewpoint that it is manufactured at a relatively low temperature and easily obtains high conductivity. ), Tin-doped indium oxide (ITO) is preferably used.
Moreover, the 1st electrode layer 1 in this invention may be formed on the board | substrate which supports it. The board | substrate in this invention is not specifically limited, What is necessary is just to select according to the use of the photoelectric conversion element of this invention.
具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどの各種樹脂基板、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどの各種ガラス基板、酸化亜鉛、サファイア、ジルコニウムなどの各種セラミックス基板、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、ニッケルなどの各種金属やそれらの合金の金属基板、シリコン、ガリウム砒素などの各種半導体基板などが例示できる。 Specifically, various resin substrates such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate and polyimide, various glass substrates such as soda lime glass, alkali-free glass and quartz glass, various ceramic substrates such as zinc oxide, sapphire and zirconium, gold and silver Examples thereof include various metals such as copper, platinum, aluminum, iron, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium and nickel, metal substrates of these alloys, and various semiconductor substrates such as silicon and gallium arsenide.
次に、本発明の光吸収層について説明する。
本発明の光吸収層2は、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含んでなる。このような半導体は、直接遷移型の電子遷移特性を有するため、光電変換素子の受発光高効率が高くなる。
具体的には、ZnS、CdS、FeS、Fe2S3、FeS2、MoS、MoS2、CuS、Cu2S、Ag2S、Al2S3、Ga2S3、In2S3、SnS、SnS2、PbS、Sb2S3、Bi2S3などの金属硫化物類、ZnSe、CdSe、FeSe、Fe2Se3、FeSe2、MoSe、MoSe2、CuSe、Cu2Se、Ag2Se、Al2Se3、Ga2Se3、In2Se3、SnSe、SnSe2、PbSe、Sb2Se3、Bi2Se3などの金属セレン化物類や、例えば、(Cd(1−x),Znx)Se(0<x<1)のように、金属元素の一部が置換された混晶化合物類などがある。
Next, the light absorption layer of the present invention will be described.
The
Specifically, ZnS, CdS, FeS, Fe 2 S 3 , FeS 2 , MoS, MoS 2 , CuS, Cu 2 S, Ag 2 S, Al 2 S 3 , Ga 2 S 3 , In 2 S 3 , SnS , SnS 2 , PbS, Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3 and other metal sulfides, ZnSe, CdSe, FeSe, Fe 2 Se 3 , FeSe 2 , MoSe, MoSe 2 , CuSe, Cu 2 Se, Ag 2 Se , Al 2 Se 3 , Ga 2 Se 3 , In 2 Se 3 , SnSe, SnSe 2 , PbSe, Sb 2 Se 3 , Bi 2 Se 3 and other metal selenides, such as (Cd (1-x) , There are mixed crystal compounds in which a part of a metal element is substituted, such as Zn x ) Se (0 <x <1).
また、Zn(S(1−x),Sex)(0<x<1)のように、カルコゲン元素の一部が置換された混晶化合物類、CuInS2、CuGaS2、Ag8SnS6、Ag4Sn3S8、CuInSe2、CuGaSe2、Ag8SnSe6、Ag4Sn3Se8などの三元系金属カルコゲナイド半導体類、Cu(In(1−x),Gax)S2(0<x<1)やCu(In(1−x),Gax)(S(1−y),Sey)2(0<x,y<1)の如くの三元系金属カルコゲナイド半導体類の一部元素が置換された混晶化合物類などがある。 Further, mixed crystal compounds in which a part of the chalcogen element is substituted, such as Zn (S (1-x) , Se x ) (0 <x <1), CuInS 2 , CuGaS 2 , Ag 8 SnS 6 , Ternary metal chalcogenide semiconductors such as Ag 4 Sn 3 S 8 , CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Ag 8 SnSe 6 , Ag 4 Sn 3 Se 8 , Cu (In (1-x) , Ga x ) S 2 (0 <x <1) or Cu (in (1-x) , Ga x) (S (1-y), Se y) 2 (0 <x, y <1) of the three-component metal chalcogenide semiconductor such as the There are mixed crystal compounds in which some elements are substituted.
また、Cu2ZnSnS4、Cu2ZnGeS4、Ag2ZnSnS4、Ag2FeSnS4、Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnGeSe4、Ag2ZnSnSe4、Ag2FeSnSe4などの四元系金属カルコゲナイド半導体類、(Cu(1−x),Agx)ZnSnS4(0<x<1)、Cu2ZnSn(S(1−x),Sex)4(0<x<1)、(Cu(1−x),Agx)ZnSn(S(1−y),Sey)4(0<x,y<1)の如くの四元系金属カルコゲナイド半導体類の一部元素が置換された混晶化合物類などが例示できる。 Further, quaternary compounds such as Cu 2 ZnSnS 4 , Cu 2 ZnGeS 4 , Ag 2 ZnSnS 4 , Ag 2 FeSnS 4 , Cu 2 ZnSnSe 4 , Cu 2 ZnGeSe 4 , Ag 2 ZnSnSe 4 , Ag 2 FeSnSe 4 metal such as Cu 2 ZnSnS 4 , (Cu (1-x) , Ag x ) ZnSnS 4 (0 <x <1), Cu 2 ZnSn (S (1-x) , Se x ) 4 (0 <x <1), (Cu (1- x) , Ag x ) ZnSn (S (1-y) , Se y ) 4 (0 <x, y <1) mixed crystal compounds in which some elements of quaternary metal chalcogenide semiconductors are substituted Etc. can be exemplified.
とりわけ、本発明の光電変換素子を太陽電池に代表される受光素子に用いる場合は、CuS、Cu2S、CuSe、Cu2Se、CuInS2、CuGaS2、CuInSe2、CuGaSe2、Cu2ZnSnS4、Cu2ZnGeS4、Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnGeSe4並びにこれらの混晶化合物といったCuを含有する金属カルコゲナイド半導体が、高い光電変換性能を有する半導体として好ましく用いられる。
Especially, when using the light-receiving element typified by a solar cell photoelectric conversion element of the present invention, CuS, Cu 2 S, CuSe ,
即ち、銅を含有するカルコゲナイド半導体は、銅とカルコゲン元素の軌道の混成によってp型半導体になりやすく、このような銅を含有するp型半導体では、電子遷移によって発生したキャリアの拡散がn型半導体に比べて遅いため、カルコゲナイド半導体の結晶品質がより重要になるためである。従って、本発明のカルコゲナイド半導体が、銅を金属元素として含有し、かつ、硫黄及び又はセレンをカルコゲン元素として含有するカルコゲナイド半導体である場合に光電変換性能が向上するため好ましい。 That is, a chalcogenide semiconductor containing copper is likely to become a p-type semiconductor due to the hybrid of orbits of copper and chalcogen elements. In such a p-type semiconductor containing copper, the diffusion of carriers generated by electron transition is an n-type semiconductor. This is because the crystal quality of the chalcogenide semiconductor becomes more important because it is slower than the above. Accordingly, the chalcogenide semiconductor of the present invention is preferably a chalcogenide semiconductor containing copper as a metal element and containing sulfur and / or selenium as a chalcogen element because the photoelectric conversion performance is improved.
とりわけ、本発明のカルコゲナイド半導体が、銅に加えて、インジウム及び/又はガリウムから選択される元素を金属元素として含有し、かつ、硫黄及び又はセレンをカルコゲン元素として含有するカルコゲナイド半導体である場合、高い光電変換性能が得られるので好ましい。
本発明の光吸収層2に含まれる金属カルコゲナイド半導体は、略球形の形状をしている。本発明における略球形とは、電子顕微鏡を用いて、光電変換素子の断面を観察し、カルコゲナイド半導体のドメインの最長と最短の比が1.3以下のドメインの割合が、5割より多いことを言う。
In particular, when the chalcogenide semiconductor of the present invention is a chalcogenide semiconductor containing, in addition to copper, an element selected from indium and / or gallium as a metal element and containing sulfur and / or selenium as a chalcogen element. It is preferable because photoelectric conversion performance can be obtained.
The metal chalcogenide semiconductor contained in the
即ち、そのような形状になることによって、後述するように、適度な凹凸状の粗面を有する光吸収層が容易に得られる。
本発明における金属カルコゲナイド半導体ドメインのサイズは、特に限定されないが、小さすぎると発電特性が低下する場合があるので、好ましくは平均で100nm以上、より好ましくは150nm以上、更に好ましくは200nm以上である。上限については、大きすぎると、金属カルコゲナイド半導体ドメイン中で光を吸収して発生した電子が電極層まで流れることができなくなるので、好ましくは3000nm以下、より好ましくは2000nm以下、更に好ましくは1500nm以下である。
That is, by having such a shape, as will be described later, a light absorption layer having an appropriate rough surface can be easily obtained.
The size of the metal chalcogenide semiconductor domain in the present invention is not particularly limited, but if it is too small, the power generation characteristics may be lowered. Therefore, the average size is preferably 100 nm or more, more preferably 150 nm or more, and still more preferably 200 nm or more. As for the upper limit, if it is too large, electrons generated by absorbing light in the metal chalcogenide semiconductor domain cannot flow to the electrode layer, so that it is preferably 3000 nm or less, more preferably 2000 nm or less, and even more preferably 1500 nm or less. is there.
光吸収層2と後述するバッファ層3の界面において、光吸収層2が20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を有する。光吸収層2に凹凸状の粗面を有することによって、光の光吸収層2への進入が促進され、かつ内部電界のかかるpn接合界面が増大するため起電流が増加するが、凹凸が大きすぎると、pn接合界面の面積が増え、再結合が増えるために起電圧が減少する。
At the interface between the
そのため、本発明の光吸収層2とバッファ層3の界面における光吸収層2の凹凸は20nm以上400nm以下であり、起電流増加効果がより顕著になるので、下限に関しては、より好ましくは50nm以上、更に好ましくは80nm以上、最も好ましくは110nm以上である。また、上限に関しては、再結合による電圧低下が顕著になったり、凹部における光吸収層の膜厚が不足したりする場合があるのでより好ましくは400nm以下、更に好ましくは300nm以下である。
Therefore, the unevenness of the
本発明の光吸収層2は、キャリア濃度が高く、薄い膜厚でも高い光起電流が得られやすい特徴を有するため、後述するように、膜厚が厚くなり過ぎると光を吸収して発生した電子の取り出しが困難になる場合がある。従って、光吸収層2と後述するバッファ層3の界面において、光吸収層2が20nm以上400nm以下の適度な凹凸状の粗面を有する場合、内部電界のかかるpn接合界面を起電圧が低下しない範囲で増大させることが有効に作用する。
Since the
本発明において、光吸収層2とバッファ層3界面の光吸収層2の凹凸状の粗面は、光電変換素子を断面方向から電子顕微鏡で観察し、光吸収層2上面の基板面からの高さの最大値と最小値の差を光吸収層2とバッファ層3の界面における光吸収層2の凹凸状の粗面とする。
本発明の光電変換素子において、バッファ層3が、第1の電極層1と接していないことが必要である。即ち、本発明においてバッファ層3は、第1の電極層1と接する光吸収層2と異なる極性の半導体を含み、第1の電極層1と正負の電極の一対をなす第2の電極層4と接する材料であるため、バッファ層3が第1の電極層1と接することにより、ショートしたり、起電圧の低下が発生したりするためである。
In the present invention, the uneven rough surface of the
In the photoelectric conversion element of the present invention, it is necessary that the buffer layer 3 is not in contact with the first electrode layer 1. That is, in the present invention, the buffer layer 3 includes a semiconductor having a polarity different from that of the
このような、バッファ層3と第1の電極層1との接触は、光電変換素子の断面方向からの電子顕微鏡観察及びエネルギー分散型X線分光法(EDX法)によって、各層の場所を特定することによって確認できる。
本発明の光電変換素子において、光吸収層2は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧して製造されたものであることが好ましい。
Such contact between the buffer layer 3 and the first electrode layer 1 specifies the location of each layer by electron microscope observation and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX method) from the cross-sectional direction of the photoelectric conversion element. Can be confirmed.
In the photoelectric conversion element of the present invention, the
即ち、加熱された電極層上に金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する溶液を噴霧して光吸収層2を製造すると、加熱された電極層上において、本発明の金属カルコゲナイド半導体の結晶核が生成するため、上述したような略球形の形状を有する金属カルコゲナイド半導体が容易に得られるためである。
That is, one or more water-soluble chalcogens containing one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting a metal chalcogenide semiconductor and a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium on a heated electrode layer. When the light-absorbing
そして、加熱された電極層上に噴霧する溶液は、後述する引火などの懸念より水性媒体を溶媒とした水溶液が好ましく使用される。更に複数回噴霧することによって、上述したバッファ層3が、第1の電極層1と接していない光電変換素子が容易に得られる。また、複数回に分けて噴霧することによって、本発明の光電変換素子の光吸収層2として好ましい組成の1つであるCIGSと称されるCuInS2、CuGaS2、CuInSe2、CuGaSe2から選択される化合物の混晶化合物を用いる場合などにおいて、第1の電極層1と第2の電極層4間に組成の傾斜をつけることが可能になり、高い発電電流と高い発電電圧を兼ね備える光電変換素子が得られる。
The solution sprayed onto the heated electrode layer is preferably an aqueous solution using an aqueous medium as a solvent because of concerns such as ignition that will be described later. Further, by spraying a plurality of times, a photoelectric conversion element in which the buffer layer 3 is not in contact with the first electrode layer 1 can be easily obtained. Moreover, by spraying in multiple times, it is selected from CuInS 2 , CuGaS 2 , CuInSe 2 and CuGaSe 2 called CIGS, which is one of the preferred compositions as the
本発明において、金属カルコゲナイド半導体原料は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有し、水性媒体に溶解して水溶液して使用される。
本発明において水溶性とは、水を50容量%以上含有する水性媒体に0.0001モル%以上溶解することであり、好ましくは0.001モル%以上溶解することである。即ち、本発明の金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩や水溶性カルコゲン含有有機化合物の水性媒体への溶解度が低いとそれらの溶液を作製する際に、水性媒体の割合が大きくなり、水性媒体の揮発に多くのエネルギーを要するためである。
In the present invention, the metal chalcogenide semiconductor raw material is one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor and one or more water-soluble metals containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. It contains a chalcogen-containing organic compound and is used as an aqueous solution by dissolving in an aqueous medium.
In the present invention, water-soluble means to dissolve 0.0001 mol% or more, preferably 0.001 mol% or more, in an aqueous medium containing 50 vol% or more of water. That is, if the solubility of one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor of the present invention or a water-soluble chalcogen-containing organic compound in an aqueous medium is low, the aqueous medium This is because the ratio of the above increases, and much energy is required for volatilization of the aqueous medium.
本発明において水性媒体とは、上述した範囲で水を含有すれば特に制限は無く、水とメタノール、エタノール、プロパノールといったアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンといったケトン類、トリメチルアミン、トリエチルアミン、エタノールアミンといったアミン化合物類、ジメチルフォルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどの有機溶媒との混合溶媒が使用できる。 In the present invention, the aqueous medium is not particularly limited as long as it contains water in the above-mentioned range. Water and alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and amine compounds such as trimethylamine, triethylamine and ethanolamine , A mixed solvent with an organic solvent such as dimethylformamide and dimethylsulfoxide can be used.
なお、水性媒体に有機溶剤が混合されることによって、本発明の塗布組成物の使用時に引火の危険が高くなるため、好ましくは、水を70容量%、より好ましくは、90容量%以上含有する溶媒であり、最も好ましい水性媒体は、水である。
このような水性媒体に、後述する水溶性金属塩と水溶性カルコゲン含有有機化合物とを独立に又は混合して溶解させて、水溶液を作製する。
Note that, when an organic solvent is mixed in the aqueous medium, there is a high risk of ignition when using the coating composition of the present invention. Therefore, water is preferably contained in an amount of 70% by volume, more preferably 90% by volume or more. The solvent and the most preferred aqueous medium is water.
In such an aqueous medium, a water-soluble metal salt described later and a water-soluble chalcogen-containing organic compound are dissolved independently or mixed to prepare an aqueous solution.
本発明において、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩とは、上述したカルコゲナイド半導体を構成する金属の、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの無機化合物塩、酢酸塩に代表される有機化合物塩であって、上述の水溶性を有するものである。
具体的には、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、カドミウム、鉄、ニッケル、モリブデン、銅、銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマスなどの金属のフッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの無機化合物塩、酢酸塩に代表される有機化合物塩などが例示できる。
In the present invention, one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor are halide salts such as fluoride, chloride, bromide, iodide, etc. of the metal constituting the chalcogenide semiconductor described above. Inorganic compound salts such as nitrates, sulfates and phosphates, and organic compound salts typified by acetates, which have the above-mentioned water-solubility.
Specifically, fluoride, chloride of metals such as magnesium, calcium, strontium, barium, zinc, cadmium, iron, nickel, molybdenum, copper, silver, aluminum, gallium, indium, tin, lead, antimony, bismuth, Examples thereof include halide salts such as bromide and iodide, inorganic compound salts such as nitrate, sulfate and phosphate, and organic compound salts typified by acetate.
これらの中で、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物塩、硝酸塩は本発明の金属カルコゲナイド半導体原料を噴霧した際、加熱された第1の電極層1上で分解等によって排除されるアニオン成分の体積が小さいために好ましく用いられる。即ち、排除されるアニオン成分の体積が小さいことにより、光吸収層2の孔状欠陥が発生しにくくなり、本発明のバッファ層3が、第1の電極層1と接しにくくなるためである。
Among them, halide salts such as fluoride, chloride, bromide, iodide, and nitrate are excluded by decomposition or the like on the heated first electrode layer 1 when the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is sprayed. It is preferably used since the volume of the anion component to be produced is small. That is, because the volume of the anion component to be excluded is small, it is difficult for pore defects of the
本発明における水溶性カルコゲン含有有機化合物とは、1つ以上の炭素元素と1つ以上の硫黄、セレンから選択されるカルコゲン元素とを含有する化合物であって、上述した水溶性を示す化合物である。
具体的には、スルホン酸、セレノン酸などのカルコゲン酸基を有する有機化合物類、スルホキシド、セレノキシド基のカルコゲノキシド基を有する有機化合物類、チオール、セレノールといったカルコゲノール基を有する有機化合物類、チオケトン、セレノケトンといったカルコゲノケトン基を有する有機化合物類が例示できる。
The water-soluble chalcogen-containing organic compound in the present invention is a compound containing one or more carbon elements and one or more chalcogen elements selected from sulfur and selenium and exhibiting the above-described water-solubility. .
Specifically, organic compounds having a chalcogenic group such as sulfonic acid and selenonic acid, sulfoxide, organic compounds having a chalcogenoxide group of selenoxide group, organic compounds having a chalcogenol group such as thiol and selenol, thioketone, selenoketone, etc. Examples include organic compounds having a chalcogenoketone group.
これらの中で、チオール、セレノールといったカルコゲノール基を有する有機化合物類、チオケトン、セレノケトンといったカルコゲノケトン基を有する有機化合物類が好ましく用いられる。
即ち、本発明における水溶性カルコゲン含有有機化合物は、本発明の金属カルコゲナイド半導体にカルコゲン元素を供給する機能を有するため、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液が第1の電極層1上に塗布され、加熱などのエネルギーを付与された際に分解してカルコゲン元素を放出する必要があるが、カルコゲン酸基を有する有機化合物類やカルコゲノキシド基を有する有機化合物類は、酸素とカルコゲン元素の強い結合を有するため、カルコゲン元素の放出する機能が劣る場合があるためである。
Of these, organic compounds having a chalcogenol group such as thiol and selenol, and organic compounds having a chalcogenoketone group such as thioketone and selenoketone are preferably used.
That is, since the water-soluble chalcogen-containing organic compound in the present invention has a function of supplying a chalcogen element to the metal chalcogenide semiconductor of the present invention, an aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is applied onto the first electrode layer 1. However, it is necessary to decompose and release the chalcogen element when energy such as heating is applied, but organic compounds having a chalcogen acid group and organic compounds having a chalcogenoxide group have a strong bond between oxygen and the chalcogen element. This is because the function of releasing the chalcogen element may be inferior.
より具体的には、チオウレア、チオアセトアミド、N−メチルチオウレア、N−アリルチオウレア、N,N’−ジメチルチオウレア、N,N’−ジエチルチオウレア、テトラメチルチオウレア、セレノウレア、N−メチルセレノウレア、N,N’−ジメチルセレノウレア、1−ヘキサンチオール、オクタン−1−チオールなどが例示できる。
これらの中で、チオール、チオケトンから選択される硫黄含有有機化合物類は、安全対策等を必要とせず、取り扱いが容易になるため本発明の水溶性カルコゲン含有有機化合物として好ましい。更に、チオケトン類は、水溶性が高いために好ましく使用される。
More specifically, thiourea, thioacetamide, N-methylthiourea, N-allylthiourea, N, N′-dimethylthiourea, N, N′-diethylthiourea, tetramethylthiourea, selenourea, N-methylselenourea, N , N′-dimethylselenourea, 1-hexanethiol, octane-1-thiol and the like.
Among these, sulfur-containing organic compounds selected from thiols and thioketones are preferable as the water-soluble chalcogen-containing organic compounds of the present invention because they do not require safety measures and are easy to handle. Furthermore, thioketones are preferably used because of their high water solubility.
このような硫黄をカルコゲン元素として含有する金属カルコゲナイド半導体は、しばしば、セレンをカルコゲン元素として含有する金属カルコゲナイド半導体に比べて、半導体物性が劣る場合があるが、後述するように、本発明の金属カルコゲナイド半導体水溶液を第1の電極層1上に噴霧したのちに、カルコゲン元素を含有する雰囲気で焼成することによってカルコゲン元素の置換も可能であるので、とりわけこのような場合に、金属カルコゲナイド半導体原料の安全性が重視されるため、チオール類、チオケトン類から選択される硫黄含有有機化合物類が好ましく用いられる。 Such metal chalcogenide semiconductors containing sulfur as a chalcogen element often have inferior semiconductor physical properties compared to metal chalcogenide semiconductors containing selenium as a chalcogen element, but as described later, the metal chalcogenide of the present invention After the semiconductor aqueous solution is sprayed on the first electrode layer 1, the chalcogen element can be replaced by firing in an atmosphere containing the chalcogen element. In such a case, in particular, the safety of the metal chalcogenide semiconductor raw material Since importance is attached to the property, sulfur-containing organic compounds selected from thiols and thioketones are preferably used.
一方、本発明の金属カルコゲナイド半導体が、カルコゲン元素としてセレンを含有する際に優れた半導体物性を得られやすい。そのため、本発明の金属カルコゲナイド半導体を第1の電極層1上に噴霧した後にカルコゲン元素を置換する焼成を行わない場合は、セレン含有有機化合物類が、本発明の水溶性カルコゲン含有有機化合物として好ましく用いられる。 On the other hand, when the metal chalcogenide semiconductor of the present invention contains selenium as a chalcogen element, excellent semiconductor physical properties can be easily obtained. For this reason, when the metal chalcogenide semiconductor of the present invention is sprayed on the first electrode layer 1 and firing is not performed to replace the chalcogen element, selenium-containing organic compounds are preferred as the water-soluble chalcogen-containing organic compounds of the present invention. Used.
本発明のカルコゲナイド半導体原料中の水溶性金属塩と水溶性カルコゲン含有有機化合物の比率は、特に限定されず、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料水溶液を用いて加熱された第1の電極層1上に噴霧した後、目的とする金属カルコゲナイド半導体を得られれば良い。
即ち、金属カルコゲナイド半導体原料における金属塩とカルコゲン含有有機化合物の混合比が、目的とする金属カルコゲナイド半導体の量論比からずれた場合であっても、未反応成分を洗浄したり、加熱等のエネルギーを与えることで除去したりすることが可能であり、さらに、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料を噴霧後に、カルコゲン元素を含有する雰囲気で焼成することによってカルコゲン元素を加えたり、置換したりすることも可能なためである。
The ratio of the water-soluble metal salt to the water-soluble chalcogen-containing organic compound in the chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is not particularly limited, and is on the first electrode layer 1 heated using the metal chalcogenide semiconductor raw material aqueous solution of the present invention. What is necessary is just to obtain the target metal chalcogenide semiconductor after spraying.
That is, even when the mixing ratio of the metal salt and chalcogen-containing organic compound in the metal chalcogenide semiconductor raw material deviates from the stoichiometric ratio of the target metal chalcogenide semiconductor, the unreacted components are washed and energy such as heating is used. Furthermore, after the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is sprayed, the chalcogen element may be added or replaced by firing in an atmosphere containing the chalcogen element. This is possible.
一方、未反応の成分が多すぎると、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液を加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧して製造された膜の均一性が低下する場合があるので、水溶性金属塩の水溶性カルコゲン含有有機化合物に対する比率は、目的の金属カルコゲナイド半導体の量論比に対して、10以下が好ましく、より好ましくは5以下であり、更に好ましくは2以下であり、最も好ましくは、1以下である。 On the other hand, when there are too many unreacted components, the uniformity of the film | membrane manufactured by spraying the aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of this invention on the heated 1st electrode layer 1 several times may fall. Therefore, the ratio of the water-soluble metal salt to the water-soluble chalcogen-containing organic compound is preferably 10 or less, more preferably 5 or less, still more preferably 2 or less, relative to the stoichiometric ratio of the target metal chalcogenide semiconductor. Most preferably, it is 1 or less.
下限に関しては、水溶性カルコゲン含有有機化合物が、金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液を噴霧する際に、金属塩との混合液の場合は水溶液の安定性を向上させる効果があったり、第1の電極層1上の噴霧した際に加熱によって分解したりするので、上限に比べて広く許容され、好ましくは、0.01以上、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、最も好ましくは0.1以上である。 Regarding the lower limit, when the water-soluble chalcogen-containing organic compound is sprayed with an aqueous solution of a metal chalcogenide semiconductor raw material, there is an effect of improving the stability of the aqueous solution in the case of a mixed solution with a metal salt, or the first electrode layer Is decomposed by heating when sprayed on 1, and is widely accepted compared to the upper limit, preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, more preferably 0.05 or more, most preferably It is 0.1 or more.
上述したように、本発明において、光吸収層2は、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧して製造されたものであることが好ましい。このようにして第1の電極層1上に形成された金属カルコゲナイド半導体を含有する膜は、孔状の欠陥が発生せず、本発明の光電変換素子においてバッファ層3と第1の電極層1の接触が発生しない。
As described above, in the present invention, the
即ち、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液において、水溶性の金属塩は、水中でイオン乖離するカウンターイオンを有するのが一般的であり、このカウンターイオンが脱離して金属カルコゲナイド半導体に転換するので、カウンターイオンの脱離を塗布によって固着した膜で行うと、膜が多孔質になって、均一性が不足する場合が発生するため、加熱された第1の電極層1上でこの脱離を行うことにより孔状の欠陥が発生しにくくなるためである。 That is, in the aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention, the water-soluble metal salt generally has a counter ion that dissociates ions in water, and this counter ion is desorbed and converted into a metal chalcogenide semiconductor. If the desorption of the counter ions is performed with a film fixed by coating, the film becomes porous and the uniformity may be insufficient. Therefore, this desorption is performed on the heated first electrode layer 1. This is because hole defects are less likely to occur.
また、水溶性カルコゲン含有有機化合物は、上述したように、本発明の金属カルコゲナイド半導体にカルコゲン元素を供給する機能を有するため、カルコゲン元素以外の有機成分が脱離する場合があり、この場合も、塗布によって固着した膜で行うと、膜が多孔質になって、均一性が不足する場合が発生するため、加熱された第1の電極層1上でこの脱離を行うことにより孔状の欠陥が発生しにくくなるためである。 In addition, as described above, the water-soluble chalcogen-containing organic compound has a function of supplying a chalcogen element to the metal chalcogenide semiconductor of the present invention, so that organic components other than the chalcogen element may be detached. If a film fixed by coating is used, the film becomes porous and the uniformity may be insufficient. Therefore, by performing this desorption on the heated first electrode layer 1, pore defects It is because it becomes difficult to generate | occur | produce.
更に、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液を噴霧によって第1の電極層1上に金属カルコゲナイド半導体を含有する膜を形成することによって、本発明の水性媒体がその場で容易に揮発し、第1の電極層1上に金属カルコゲナイド半導体を含有する膜の孔状欠陥が減少する。
そして、その操作を複数回繰り返すことによって製造された本発明の光吸収層2を含有する光電変換素子では、バッファ層3が、第1の電極層1と接することなく高いエネルギー変換効率が実現できる。
Further, by forming a film containing the metal chalcogenide semiconductor on the first electrode layer 1 by spraying an aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention, the aqueous medium of the present invention easily volatilizes in situ, and the first Hole defects in a film containing a metal chalcogenide semiconductor on one electrode layer 1 are reduced.
And in the photoelectric conversion element containing the
本発明において第1の電極層1を加熱する温度は、特に限定されず、本発明のカルコゲナイド半導体原料の反応性や基板の耐熱温度によって適宜選択される。
例えば、水溶性カルコゲン含有有機化合物として好適に使用されるチオウレアを1つのカルコゲナイド半導体原料と使用する場合、チオウレアは240℃付近で分解して硫黄を放出する機能を有するため、好ましい基板を加熱する温度は240℃以上であり、より好ましくは270℃以上である。更に、加熱された基板が、本発明の水性媒体で多少冷却されることを考慮すると、更に好ましくは300℃以上である。また、大気雰囲気に代表される酸素を含有する雰囲気で使用する場合は、チオウレアが発火する恐れがあるので、好ましくは、430℃以下、より好ましくは400℃以下が、基板を加熱する温度として好適である。
In the present invention, the temperature for heating the first electrode layer 1 is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the reactivity of the chalcogenide semiconductor raw material of the present invention and the heat-resistant temperature of the substrate.
For example, when thiourea, which is suitably used as a water-soluble chalcogen-containing organic compound, is used as one chalcogenide semiconductor raw material, thiourea has a function of decomposing at around 240 ° C. to release sulfur, and therefore a preferable temperature for heating a substrate. Is 240 ° C. or higher, more preferably 270 ° C. or higher. Furthermore, considering that the heated substrate is somewhat cooled with the aqueous medium of the present invention, the temperature is more preferably 300 ° C. or higher. Further, when used in an atmosphere containing oxygen typified by an air atmosphere, thiourea may ignite, and therefore, preferably 430 ° C. or less, more preferably 400 ° C. or less is suitable as a temperature for heating the substrate. It is.
本発明の光吸収層2は、金属カルコゲナイド半導体の結晶品質が向上するので、加熱された第1の電極層1上に噴霧して形成した後に熱、プラズマ、マイクロ波などのエネルギーを加えることが好ましい。このようなエネルギーの付与は、大気下、非反応性ガス雰囲気下、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気下、真空雰囲気下など、目的に応じた雰囲気で行うことが可能であるが、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気下で行うことが好ましい。
Since the
即ち、金属カルコゲナイド半導体にエネルギーを与えると、カルコゲン元素の脱離が発生して、半導体の電気物性が低下する場合があるためである。
また、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気下で金属カルコゲナイド半導体にエネルギーを与える場合は、酸素分圧1Pa以下の雰囲気で行うことが好ましい。即ち、酸素分圧が高いと、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素が酸化されるばかりか、金属カルコゲナイド半導体の結晶成長が阻害される場合があるためである。
That is, when energy is applied to the metal chalcogenide semiconductor, desorption of the chalcogen element occurs, and the electrical physical properties of the semiconductor may deteriorate.
In addition, when energy is applied to the metal chalcogenide semiconductor in a gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, it is preferably performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 Pa or less. That is, when the oxygen partial pressure is high, the chalcogen element selected from sulfur and / or selenium is not only oxidized but also the crystal growth of the metal chalcogenide semiconductor may be inhibited.
なお、酸素分圧の下限は、特に限定されず、酸素分圧が低いほど好ましいが、低い酸素分圧を実現するために、装置が大掛かりになったりして生産性が低下する場合があるので、好ましくは100nPa以上である。
このようなエネルギー付与を行う場合、電気炉に代表される加熱設備加熱するのが簡便で好ましい。その際の加熱温度は特に限定されず、金属カルコゲナイド半導体の物性に応じて適宜設定すればよいが、結晶成長の観点から、高温の方が好ましく、好ましくは300℃以上、より好ましくは350℃以上、更に好ましくは400℃以上、最も好ましくは450℃以上である。上限については、特に限定されないが、第1の電極層1や第1の電極層1を支持する基板の耐熱温度以下が好ましい。
The lower limit of the oxygen partial pressure is not particularly limited, and it is preferable that the oxygen partial pressure is low. However, in order to achieve a low oxygen partial pressure, the apparatus may become large and productivity may decrease. , Preferably it is 100 nPa or more.
When such energy application is performed, it is simple and preferable that heating equipment represented by an electric furnace is heated. The heating temperature at that time is not particularly limited, and may be appropriately set according to the physical properties of the metal chalcogenide semiconductor. However, from the viewpoint of crystal growth, a higher temperature is preferable, preferably 300 ° C. or higher, more preferably 350 ° C. or higher. More preferably, it is 400 ° C. or higher, most preferably 450 ° C. or higher. Although it does not specifically limit about an upper limit, The heat resistance temperature or less of the board | substrate which supports the 1st electrode layer 1 and the 1st electrode layer 1 is preferable.
具体的には、例えば、石英ガラスの基板を用いる場合は、1000℃以下が好ましく、ソーダライムガラスの基板を用いる場合は600℃以下が好ましく、ポリイミド基板を用いる場合は、450℃以下が好ましい。
従って、本発明において光吸収層2が、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧した後、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で焼成して製造されたことものであることが好ましい。
Specifically, for example, when a quartz glass substrate is used, 1000 ° C. or lower is preferable, when a soda lime glass substrate is used, 600 ° C. or lower is preferable, and when a polyimide substrate is used, 450 ° C. or lower is preferable.
Accordingly, in the present invention, the
このような、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気としては、硫化水素、セレン化水素、二硫化炭素の蒸気、硫黄元素の蒸気、セレン元素の蒸気やこれらの混合物の気体雰囲気が例示できるが、これらの中で、硫黄元素の蒸気、セレン元素の蒸気またはこれらの混合物が好ましく使用される。
即ち、硫黄元素の蒸気、セレン元素の蒸気やこれらの混合物は、単体元素の蒸気のため副生成物がなく純度の高いカルコゲナイド半導体を製造するのに適しているばかりか、常温で固体のため、余剰分を冷却することで容易に取り除くことが可能となり生産性に優れるためである。
Examples of the gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium include hydrogen sulfide, hydrogen selenide, carbon disulfide vapor, sulfur element vapor, selenium element vapor, and mixtures thereof. Examples of the atmosphere include elemental sulfur vapor, selenium elemental vapor, or a mixture thereof.
In other words, elemental vapor, selenium elemental vapor, and mixtures of these elements are suitable for producing chalcogenide semiconductors with high purity and no by-products because they are vapors of simple elements. This is because the excess can be easily removed by cooling and is excellent in productivity.
本発明における光吸収層2の膜厚は、特に限定されず、本発明のカルコゲナイド半導体の光吸収特性や移動度といった物性や、本発明の光電変換素子の使用目的に応じて適宜選択できるが、厚いと光照射によって発生した電子の取り出し効率が下がる場合があるので、好ましくは5ミクロン以下、より好ましくは3ミクロン以下、更に好ましくは2ミクロン以下である。
The film thickness of the
下限に関しては、薄すぎると、金属カルコゲナイド半導体の均一性が低下したり、光吸収が不十分になったりする場合があるので、好ましくはり好ましくは0.1ミクロン以上、より好ましくは0.3ミクロン以上、更に好ましくは0.5ミクロン以上である。
次に、本発明のバッファ層について説明する。
本発明におけるバッファ層3は、光吸収層2上に設けられ、光吸収層2と異なる極性の半導体を含んでいる。そして、光吸収層2とバッファ層3は、第1の電極層1と第2の電極層4に挟持されている。このような構造にすることによって、本発明の光電変換素子は、発電素子として機能する。
Regarding the lower limit, if it is too thin, the uniformity of the metal chalcogenide semiconductor may be reduced or light absorption may be insufficient, so it is preferably 0.1 microns or more, more preferably 0.3 microns. More preferably, it is 0.5 microns or more.
Next, the buffer layer of the present invention will be described.
The buffer layer 3 in the present invention is provided on the
本発明において、バッファ層3は、上述した範囲の半導体であれば特に限定されず、有機材料であっても無機材料であってもよい。
例えば、本発明の光吸収層2を形成する金属カルコゲナイド半導体として、CIGSと称されるCuInS2、CuGaS2、CuInSe2、CuGaSe2から選択される化合物の混晶化合物を用いる場合、一般に、光吸収層2は、p型半導体になる場合が多い。その場合は、バッファ層3はn型半導体である必要があり、CdS、ZnS、In2S3、ZnO、(Znx,Mg(1−x))Oといった各種材料やそれらの混晶化合物類、或いは、それらを積層した材料などが好ましく使用される。
In the present invention, the buffer layer 3 is not particularly limited as long as it is a semiconductor in the above-described range, and may be an organic material or an inorganic material.
For example, a metal chalcogenide semiconductor forming the
本発明のバッファ層3は、化学バス堆積法に代表される溶液法で形成されたものでも、スパッタリング法や真空蒸着法といった真空成膜法を用いて形成されたものでも構わないが、化学バス堆積法で形成されたものが好ましい。即ち、化学バス堆積法で形成されたバッファ層は、本発明の金属カルコゲナイド半導体膜に欠陥等のダメージを与えにくく、優れた光電変換性能を実現しやすいためである。 The buffer layer 3 of the present invention may be formed by a solution method typified by a chemical bath deposition method, or may be formed by using a vacuum film formation method such as a sputtering method or a vacuum evaporation method. Those formed by a deposition method are preferred. That is, the buffer layer formed by the chemical bath deposition method is less likely to cause damage such as defects in the metal chalcogenide semiconductor film of the present invention, and can easily realize excellent photoelectric conversion performance.
次に、本発明の光電変換素子の製造方法について説明する。
本発明の光電変換素子の製造方法は、基板上に設けられた第1の電極層1と、この第1の電極層1上に設けられ、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層2と、この光吸収層2上に設けられ、この光吸収層2と異なる極性の半導体を含むバッファ層3と、このバッファ層3上に設けられた第2の電極層4を備えた光電変換素子の製造方法である。
Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated.
The method for producing a photoelectric conversion element of the present invention includes a first electrode layer 1 provided on a substrate, and a chalcogen element provided on the first electrode layer 1 and selected from sulfur and / or selenium. A
金属カルコゲナイド半導体に略球形の形状を形成する工程と、光吸収層2とバッファ層3の界面において、光吸収層2に20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を形成する工程とを有し、バッファ層3が、第1の電極層1と接していないように形成されている。
また、金属カルコゲナイド半導体は、銅を含有する。また、金属カルコゲナイド半導体は、さらに、インジウム及び/又はガリウムを含有する。
A step of forming a substantially spherical shape in the metal chalcogenide semiconductor, and a step of forming an uneven rough surface of 20 nm or more and 400 nm or less in the
The metal chalcogenide semiconductor contains copper. The metal chalcogenide semiconductor further contains indium and / or gallium.
また、光吸収層2は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧して形成される。
また、光吸収層2は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧した後、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で焼成して形成される。
The
The
また、バッファ層3は、化学バス堆積法によって形成される。また、第1及び第2の電極層1,4のいずれか一方は、光吸収層2に光を導入するために透光性である。
図2は、本発明に係る光電変換素子の製造方法を説明するための工程図を示す図である。
本発明の光電変換素子の製造方法は、第1の電極層1上に金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層2を積層して形成された積層構造を含んでいる。光吸収層(2)の前駆体を形成する第1の工程と、前駆体を焼成して光吸収層(2)を形成する第2の工程とを有している。
The buffer layer 3 is formed by a chemical bath deposition method. In addition, one of the first and second electrode layers 1 and 4 is translucent in order to introduce light into the
FIG. 2 is a view showing process drawings for explaining a method for producing a photoelectric conversion element according to the present invention.
The method for manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention includes a stacked structure formed by stacking a
第1の工程は、第1の電極層1を加熱し、この第1の電極層1上に、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を複数回噴霧して光吸収層2の前駆体を形成する。
In the first step, the first electrode layer 1 is heated, and on the first electrode layer 1, one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting a metal chalcogenide semiconductor, sulfur and / or An aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor raw material containing one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing a chalcogen element selected from selenium is sprayed a plurality of times to form a precursor of the
第2の工程は、第1の工程における光吸収層2の前駆体を焼成して光吸収層2を形成する。
また、第1の工程で使用するカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物が硫黄を含有する化合物であり、第2の工程の焼成を、セレンを含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で行う。
In the second step, the
In addition, the one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing the chalcogen element used in the first step are compounds containing sulfur, and the baking in the second step includes selenium and oxygen partial pressure. It is performed in a gas atmosphere of 1 Pa or less.
また、第1の工程における前駆体が、略球形の形状を有し、金属カルコゲナイド半導体で、第2の工程における前駆体の焼成により、光吸収層2とバッファ層3の界面において、光吸収層2に20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を形成する。
つまり、本発明の光電変換素子は、上述したように、第1の電極層1と、第1の電極層1上に設けられ、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層2と、この光吸収層2上に設けられ、光吸収層2と異なる極性の半導体を含むバッファ層3と、このバッファ層3上に設けられた第2の電極層4を備える光電変換素子である。
Further, the precursor in the first step has a substantially spherical shape and is a metal chalcogenide semiconductor, and the light absorption layer is formed at the interface between the
That is, as described above, the photoelectric conversion element of the present invention is provided on the first electrode layer 1 and the first electrode layer 1, and includes a metal chalcogenide containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. A
金属カルコゲナイド半導体が略球形の形状を有し、光吸収層2とバッファ層3の界面において、光吸収層2が20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を有し、かつ、バッファ層3が、第1の電極層1と接していない構造を有していれば、その製造方法は、特に限定されないが、本発明の光電変換素子は、第1の電極層1を加熱し、第1の電極層1上に、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を複数回噴霧して光吸収層2の前駆体を形成する第1の工程と、光吸収層2の前駆体を焼成して光吸収層を形成する第2の工程とを経て好適に製造される。
The metal chalcogenide semiconductor has a substantially spherical shape, and at the interface between the
即ち、このようにして製造されることによって、容易に本発明の特徴を有する光電変換素子が得られる。
本発明の光電変換素子の好ましい製造方法の第1の工程について説明する。
本発明の光電変換素子の製造方法における第1の工程では、第1の電極層1を加熱し、第1の電極層1上に、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を複数回噴霧して光吸収層2の前駆体を形成する。
That is, by manufacturing in this way, a photoelectric conversion element having the characteristics of the present invention can be easily obtained.
The 1st process of the preferable manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated.
In the 1st process in the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention, the 1st electrode layer 1 is heated and the 1st or more types of water solution containing the metal which comprises a metal chalcogenide semiconductor on the 1st electrode layer 1 are included. Light-absorbing layer by spraying an aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor material containing a metallic metal salt and one or more water-soluble chalcogen-containing organic compounds containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium
即ち、加熱された電極層上に金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する溶液を噴霧して光吸収層2を製造すると、加熱された電極層上において、本発明の金属カルコゲナイド半導体の前駆体である結晶核が生成するため、上述したような略球形の形状を有する金属カルコゲナイド半導体が容易に得られるためである。そして、加熱された電極層上に噴霧する溶液は、後述する引火などの懸念より水性媒体を溶媒とした水溶液が好ましく使用される。更に複数回噴霧することによって、孔状の欠陥が生成せず、上述したバッファ層3が、第1の電極層1と接していない光電変換素子が容易に得られる。また、複数回に分けて噴霧することによって、本発明の光電変換素子の光吸収層2として好ましい組成の1つであるCIGSと称されるCuInS2、CuGaS2、CuInSe2、CuGaSe2から選択される化合物の混晶化合物を用いる場合などにおいて、光吸収層2の組成に傾斜をつけることが可能になり、高い発電電流と高い発電電圧を兼ね備える光電変換素子が得られる。
That is, one or more water-soluble chalcogens containing one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting a metal chalcogenide semiconductor and a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium on a heated electrode layer. When the light-absorbing
また、本発明における第1の電極層は、導電性を有する。本発明における導電性とは、シート抵抗が、1kΩ/□以下の材料を意味し、好ましくは100Ω/□以下、更に好ましくは、50Ω/□以下である材料である。
具体的には、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、ニッケルやこれらの合金といった金属類、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、インジウムとガリウムをドープした酸化亜鉛(IGZO)などの酸化亜鉛系材料、錫をドープした酸化インジウム(ITO)に代表される酸化インジウム系材料、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、アンチモンをドープした酸化錫(ATO)、燐をドープした酸化錫(PTO)などの酸化錫系材料といった酸化物半導体類、更には、カーボンブラックに代表される炭素系材料などが例示できる。
Moreover, the 1st electrode layer in this invention has electroconductivity. The conductivity in the present invention means a material having a sheet resistance of 1 kΩ / □ or less, preferably 100Ω / □ or less, more preferably 50Ω / □ or less.
Specifically, gold, silver, copper, platinum, aluminum, iron, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, nickel and alloys thereof, zinc doped with aluminum (AZO), and gallium are doped. Zinc oxide materials such as zinc oxide (GZO), zinc oxide doped with indium and gallium (IGZO), indium oxide materials represented by indium oxide doped with tin (ITO), tin oxide doped with fluorine (FTO) ), Oxide semiconductors such as tin oxide materials such as tin oxide doped with antimony (ATO) and tin oxide doped with phosphorus (PTO), and carbon materials represented by carbon black.
これらの中で、本発明の第2の工程において、後述するように、硫黄やセレンを含む気体雰囲気で焼成することが好ましいため、硫黄やセレンと接触した際の腐食性が低いものが好ましく、具体的には、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ及びこれらの合金が好ましく、加工性の観点から、モリブデンやタンタルがより好ましく、更に好ましくはモリブデンである。 Among these, in the second step of the present invention, as described later, since it is preferable to fire in a gas atmosphere containing sulfur and selenium, those having low corrosiveness when contacting with sulfur and selenium are preferable, Specifically, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of workability, molybdenum and tantalum are more preferable, and molybdenum is more preferable.
本発明において、電極層に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の電極は透光性の機能を有するため、導電性と透光性のバランスの取れた材料が好ましく用いられる。
透光性とは、本発明の光吸収層2の感度波長に応じて光を導出入できることを意味するが、本発明においては、可視光の代表値として550nmの波長の光を用いて測定した光透過性が、50%以上、好ましくは60%以上、より好ましくは70%以上のことをいう。なお、光透過性は、光電変換素子において高いほど発電効率が高くなるため好ましいので上限については限定されず、100%以下である。
In the present invention, in the case where an oxide semiconductor is used for the electrode layer, an oxide semiconductor electrode has a light-transmitting function, and thus a material having a balance between conductivity and light-transmitting property is preferably used.
Translucency means that light can be led in and out in accordance with the sensitivity wavelength of the
本発明において透光性の電極に用いる材料は、特に限定されないが、具体的には、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、錫をドープした酸化インジウム(ITO)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)が好ましい。更に、これらの材料を、第1の電極層1として用いる場合は、耐熱性や耐薬品性が要求される場合があるので、フッ素をドープした酸化錫(FTO)が好ましく用いられる。 The material used for the light-transmitting electrode in the present invention is not particularly limited. Specifically, zinc oxide doped with aluminum (AZO), zinc oxide doped with gallium (GZO), indium oxide doped with tin ( ITO) and fluorine-doped tin oxide (FTO) are preferred. Furthermore, when these materials are used as the first electrode layer 1, heat resistance and chemical resistance may be required, and therefore, tin oxide (FTO) doped with fluorine is preferably used.
一方、第2の電極層4として用いるためには、比較的低温で作製して、高導電性を得やすいといった観点から、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、錫をドープした酸化インジウム(ITO)が好ましく用いられる。
また、本発明における第1の電極層1は、それを支持する基板上に形成されていてもよい。本発明における基板は、特に限定されず、本発明の光電変換素子の用途に応じて選択すればよい。
On the other hand, in order to use it as the second electrode layer 4, zinc oxide doped with aluminum (AZO), zinc oxide doped with gallium (GZO) from the viewpoint that it is manufactured at a relatively low temperature and easily obtains high conductivity. ), Tin-doped indium oxide (ITO) is preferably used.
Moreover, the 1st electrode layer 1 in this invention may be formed on the board | substrate which supports it. The board | substrate in this invention is not specifically limited, What is necessary is just to select according to the use of the photoelectric conversion element of this invention.
具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどの各種樹脂基板、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどの各種ガラス基板、酸化亜鉛、サファイア、ジルコニウムなどの各種セラミックス基板、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、ニッケルなどの各種金属やそれらの合金の金属基板、シリコン、ガリウム砒素などの各種半導体基板などが例示できる。 Specifically, various resin substrates such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate and polyimide, various glass substrates such as soda lime glass, alkali-free glass and quartz glass, various ceramic substrates such as zinc oxide, sapphire and zirconium, gold and silver Examples thereof include various metals such as copper, platinum, aluminum, iron, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium and nickel, metal substrates of these alloys, and various semiconductor substrates such as silicon and gallium arsenide.
これらの中で、第2の工程で硫黄やセレンを含む気体雰囲気で焼成された時に、加熱されて形状を維持でき、かつ反応性が高くない材料が好ましく、ポリイミドに代表される耐熱性樹脂基板、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどの各種ガラス基板、鉄、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブの各種金属やそれらの合金の金属基板が好ましい。 Among these, when fired in a gas atmosphere containing sulfur or selenium in the second step, a material that can be heated to maintain its shape and is not highly reactive is preferable, and a heat resistant resin substrate typified by polyimide. Various glass substrates such as soda lime glass, alkali-free glass, and quartz glass, and various metal substrates of iron, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, and alloys thereof are preferable.
本発明において、金属カルコゲナイド半導体原料は、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有し、水溶液として噴霧される。
本発明において水溶性とは、水を50容量%以上含有する水性媒体に0.0001モル%以上溶解することであり、好ましくは0.001モル%以上溶解することである。即ち、本発明の金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩や水溶性カルコゲン含有有機化合物の水性媒体への溶解度が低いとそれらの溶液を作製する際に、水性媒体の割合が大きくなり、水性媒体の揮発に多くのエネルギーを要するためである。
In the present invention, the metal chalcogenide semiconductor raw material is one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor and one or more water-soluble metals containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. Contains a chalcogen-containing organic compound and is sprayed as an aqueous solution.
In the present invention, water-soluble means to dissolve 0.0001 mol% or more, preferably 0.001 mol% or more, in an aqueous medium containing 50 vol% or more of water. That is, if the solubility of one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor of the present invention or a water-soluble chalcogen-containing organic compound in an aqueous medium is low, the aqueous medium This is because the ratio of the above increases, and much energy is required for volatilization of the aqueous medium.
本発明において水性媒体とは、上述した範囲の水を含有すれば特に制限は無く、水とメタノール、エタノール、プロパノールといったアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンといったケトン類、トリメチルアミン、トリエチルアミン、エタノールアミンといったアミン化合物類、ジメチルフォルムアミド、ジメチルスルフォキシドなどの有機溶媒との混合溶媒が使用できる。 In the present invention, the aqueous medium is not particularly limited as long as it contains water in the above-mentioned range. Water and alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and amine compounds such as trimethylamine, triethylamine and ethanolamine , A mixed solvent with an organic solvent such as dimethylformamide and dimethylsulfoxide can be used.
なお、水性媒体に有機溶剤が混合されることによって、本発明の塗布組成物の使用時に引火の危険が高くなるため、好ましくは、水を70容量%、より好ましくは、90容量%以上含有する溶媒であり、最も好ましい水性媒体は、水である。
このような水性媒体に、後述する水溶性金属塩と水溶性カルコゲン含有有機化合物とを独立に又は混合して溶解させて、水溶液を作製する。
Note that, when an organic solvent is mixed in the aqueous medium, there is a high risk of ignition when using the coating composition of the present invention. Therefore, water is preferably contained in an amount of 70% by volume, more preferably 90% by volume or more. The solvent and the most preferred aqueous medium is water.
In such an aqueous medium, a water-soluble metal salt described later and a water-soluble chalcogen-containing organic compound are dissolved independently or mixed to prepare an aqueous solution.
本発明において、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩とは、上述したカルコゲナイド半導体を構成する金属の、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの無機化合物塩、酢酸塩に代表される有機化合物塩であって、上述した水溶性を有するものである。
具体的には、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、カドミウム、鉄、ニッケル、モリブデン、銅、銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマスなどの金属のフッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの無機化合物塩、酢酸塩に代表される有機化合物塩などが例示できる。
In the present invention, one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor are halide salts such as fluoride, chloride, bromide, iodide, etc. of the metal constituting the chalcogenide semiconductor described above. Inorganic compound salts such as nitrates, sulfates and phosphates, and organic compound salts typified by acetates, which have the above-mentioned water-solubility.
Specifically, fluoride, chloride of metals such as magnesium, calcium, strontium, barium, zinc, cadmium, iron, nickel, molybdenum, copper, silver, aluminum, gallium, indium, tin, lead, antimony, bismuth, Examples thereof include halide salts such as bromide and iodide, inorganic compound salts such as nitrate, sulfate and phosphate, and organic compound salts typified by acetate.
これらの中で、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物塩、硝酸塩は本発明の金属カルコゲナイド半導体原料を噴霧した際、加熱された第1の電極層1上で分解等によって排除されるアニオン成分の体積が小さいために好ましく用いられる。即ち、排除されるアニオン成分の体積が小さいことにより、光吸収層の孔状欠陥が発生しにくくなり好ましい。 Among them, halide salts such as fluoride, chloride, bromide, iodide, and nitrate are excluded by decomposition or the like on the heated first electrode layer 1 when the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is sprayed. It is preferably used since the volume of the anion component to be produced is small. That is, a small volume of the anion component to be excluded is preferable because pore defects in the light absorption layer are hardly generated.
本発明において水溶性カルコゲン含有有機化合物とは、1つ以上の炭素元素と1つ以上の硫黄、セレンから選択されるカルコゲン元素とを含有する化合物であって、上述した水溶性を示す化合物である。
具体的には、スルホン酸、セレノン酸などのカルコゲン酸基を有する有機化合物類、スルホキシド、セレノキシド基のカルコゲノキシド基を有する有機化合物類、チオール、セレノールといったカルコゲノール基を有する有機化合物類、チオケトン、セレノケトンといったカルコゲノケトン基を有する有機化合物類が例示できる。
In the present invention, the water-soluble chalcogen-containing organic compound is a compound containing one or more carbon elements and one or more chalcogen elements selected from sulfur and selenium and exhibiting the above-described water-solubility. .
Specifically, organic compounds having a chalcogenic group such as sulfonic acid and selenonic acid, sulfoxide, organic compounds having a chalcogenoxide group of selenoxide group, organic compounds having a chalcogenol group such as thiol and selenol, thioketone, selenoketone, etc. Examples include organic compounds having a chalcogenoketone group.
これらの中で、チオール、セレノールといったカルコゲノール基を有する有機化合物類、チオケトン、セレノケトンといったカルコゲノケトン基を有する有機化合物類が好ましく用いられる。
即ち、本発明において水溶性カルコゲン含有有機化合物は、本発明の金属カルコゲナイド半導体にカルコゲン元素を供給する機能を有するため、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液が第1の電極層1上に塗布され、加熱などのエネルギーを付与された際に分解してカルコゲン元素を放出する必要があるが、カルコゲン酸基を有する有機化合物類やカルコゲノキシド基を有する有機化合物類は、酸素とカルコゲン元素の強い結合を有するため、カルコゲン元素の放出する機能が劣る場合があるためである。
Of these, organic compounds having a chalcogenol group such as thiol and selenol, and organic compounds having a chalcogenoketone group such as thioketone and selenoketone are preferably used.
That is, in the present invention, the water-soluble chalcogen-containing organic compound has a function of supplying a chalcogen element to the metal chalcogenide semiconductor of the present invention. Therefore, an aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is applied onto the first electrode layer 1. However, it is necessary to decompose and release the chalcogen element when energy such as heating is applied, but organic compounds having a chalcogen acid group and organic compounds having a chalcogenoxide group have a strong bond between oxygen and the chalcogen element. This is because the function of releasing the chalcogen element may be inferior.
より具体的には、チオウレア、チオアセトアミド、N−メチルチオウレア、N−アリルチオウレア、N,N’−ジメチルチオウレア、N,N’−ジエチルチオウレア、テトラメチルチオウレア、セレノウレア、N−メチルセレノウレア、N,N’−ジメチルセレノウレア、1−ヘキサンチオール、オクタン−1−チオールなどが例示できる。
これらの中で、チオール、チオケトンから選択される硫黄含有有機化合物類は、安全対策などを必要とせず、取り扱いが容易になるため本発明の水溶性カルコゲン含有有機化合物として好ましい。更に、チオケトン類は、水溶性が高いために好ましく使用される。
More specifically, thiourea, thioacetamide, N-methylthiourea, N-allylthiourea, N, N′-dimethylthiourea, N, N′-diethylthiourea, tetramethylthiourea, selenourea, N-methylselenourea, N , N′-dimethylselenourea, 1-hexanethiol, octane-1-thiol and the like.
Among these, sulfur-containing organic compounds selected from thiols and thioketones are preferred as the water-soluble chalcogen-containing organic compounds of the present invention because they do not require safety measures and are easy to handle. Furthermore, thioketones are preferably used because of their high water solubility.
このような硫黄をカルコゲン元素として含有する金属カルコゲナイド半導体は、しばしば、セレンをカルコゲン元素として含有する金属カルコゲナイド半導体に比べて、半導体物性が劣る場合があるが、後述のように、本発明の金属カルコゲナイド半導体水溶液を第1の電極層1上に噴霧したのちに、カルコゲン元素を含有する雰囲気で焼成することによってカルコゲン元素の置換も可能であるので、とりわけこのような場合に、金属カルコゲナイド半導体原料の安全性が重視されるため、チオール類、チオケトン類から選択される硫黄含有有機化合物類が好ましく用いられる。 Such metal chalcogenide semiconductors containing sulfur as a chalcogen element often have inferior semiconductor physical properties compared to metal chalcogenide semiconductors containing selenium as a chalcogen element, but as described below, the metal chalcogenide semiconductor of the present invention. After the semiconductor aqueous solution is sprayed on the first electrode layer 1, the chalcogen element can be replaced by firing in an atmosphere containing the chalcogen element. In such a case, in particular, the safety of the metal chalcogenide semiconductor raw material Since importance is attached to the property, sulfur-containing organic compounds selected from thiols and thioketones are preferably used.
本発明のカルコゲナイド半導体原料中の水溶性金属塩と水溶性カルコゲン含有有機化合物の比率は、特に限定されず、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料水溶液を用いて加熱された第1の電極層1上に噴霧した後、目的とする金属カルコゲナイド半導体を得られれば良い。即ち、金属カルコゲナイド半導体原料における金属塩とカルコゲン含有有機化合物の混合比が、目的とする金属カルコゲナイド半導体の量論比からずれた場合であっても、未反応成分を洗浄したり、加熱等のエネルギーを与えることで除去したりすることが可能であり、さらに、第2の工程を硫黄やセレンの気体雰囲気で行うことによって、カルコゲン元素を含有する雰囲気で焼成することによってカルコゲン元素を加えたり、置換したりすることも可能なためである。 The ratio of the water-soluble metal salt to the water-soluble chalcogen-containing organic compound in the chalcogenide semiconductor raw material of the present invention is not particularly limited, and is on the first electrode layer 1 heated using the metal chalcogenide semiconductor raw material aqueous solution of the present invention. What is necessary is just to obtain the target metal chalcogenide semiconductor after spraying. That is, even when the mixing ratio of the metal salt and chalcogen-containing organic compound in the metal chalcogenide semiconductor raw material deviates from the stoichiometric ratio of the target metal chalcogenide semiconductor, the unreacted components are washed and energy such as heating In addition, by performing the second step in a sulfur or selenium gas atmosphere, the chalcogen element is added or replaced by firing in an atmosphere containing the chalcogen element. It is also possible to do.
一方、未反応の成分が多すぎると、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液を加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧して製造された膜の均一性が低下する場合があるので、水溶性金属塩の水溶性カルコゲン含有有機化合物に対する比率は、目的の金属カルコゲナイド半導体の量論比に対して、10以下が好ましく、より好ましくは5以下であり、更に好ましくは2以下であり、最も好ましくは、1以下である。 On the other hand, when there are too many unreacted components, the uniformity of the film | membrane manufactured by spraying the aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of this invention on the heated 1st electrode layer 1 several times may fall. Therefore, the ratio of the water-soluble metal salt to the water-soluble chalcogen-containing organic compound is preferably 10 or less, more preferably 5 or less, still more preferably 2 or less, relative to the stoichiometric ratio of the target metal chalcogenide semiconductor. Most preferably, it is 1 or less.
下限に関しては、水溶性カルコゲン含有有機化合物が、金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液を噴霧する際に、金属塩との混合液の場合は、水溶液の安定性を向上させる効果があったり、第1の電極層1上の噴霧した際に加熱によって分解したりするので、上限に比べて広く許容され、好ましくは、0.01以上、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.05以上、最も好ましくは0.1以上である。 Regarding the lower limit, when the water-soluble chalcogen-containing organic compound is sprayed with an aqueous solution of a metal chalcogenide semiconductor raw material, it has an effect of improving the stability of the aqueous solution when mixed with a metal salt, or the first electrode. Since it decomposes by heating when sprayed on the layer 1, it is widely accepted compared to the upper limit, preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.05 or more, most preferably Is 0.1 or more.
本発明の第1の工程において、金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を、加熱された第1の電極層1上に複数回噴霧する必要がある。
即ち、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液において、水溶性の金属塩は、水中でイオン乖離するカウンターイオンを有するのが一般的であり、このカウンターイオンが脱離して金属カルコゲナイド半導体に転換するので、カウンターイオンの脱離を塗布によって固着した膜で行うと、膜が多孔質になって、均一性が不足する場合が発生するため、加熱された第1の電極層1上でこの脱離を行うことにより孔状の欠陥が発生しにくくなるためである。
In the first step of the present invention, it is necessary to spray the aqueous solution containing the metal chalcogenide semiconductor raw material a plurality of times on the heated first electrode layer 1.
That is, in the aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention, the water-soluble metal salt generally has a counter ion that dissociates ions in water, and this counter ion is desorbed and converted into a metal chalcogenide semiconductor. If the desorption of the counter ions is performed with a film fixed by coating, the film becomes porous and the uniformity may be insufficient. Therefore, this desorption is performed on the heated first electrode layer 1. This is because hole defects are less likely to occur.
また、水溶性カルコゲン含有有機化合物は、上述したように、本発明の金属カルコゲナイド半導体にカルコゲン元素を供給する機能を有するため、カルコゲン元素以外の有機成分が脱離する場合があり、この場合も、塗布によって固着した膜で行うと、膜が多孔質になって、均一性が不足する場合が発生するため、加熱された第1の電極層1上でこの脱離を行うことにより孔状の欠陥が発生しにくくなるためである。 In addition, as described above, the water-soluble chalcogen-containing organic compound has a function of supplying a chalcogen element to the metal chalcogenide semiconductor of the present invention, so that organic components other than the chalcogen element may be detached. If a film fixed by coating is used, the film becomes porous and the uniformity may be insufficient. Therefore, by performing this desorption on the heated first electrode layer 1, pore defects It is because it becomes difficult to generate | occur | produce.
更に、本発明の金属カルコゲナイド半導体原料の水溶液を噴霧によって第1の電極層1上に金属カルコゲナイド半導体を含有する膜を形成することによって、本発明の水性媒体がその場で容易に揮発し、第1の電極層1上に金属カルコゲナイド半導体を含有する膜の孔状欠陥が減少する。
そして、その操作を複数回繰り返すことによって孔状欠陥がなくなる。
Further, by forming a film containing the metal chalcogenide semiconductor on the first electrode layer 1 by spraying an aqueous solution of the metal chalcogenide semiconductor raw material of the present invention, the aqueous medium of the present invention easily volatilizes in situ, and the first Hole defects in a film containing a metal chalcogenide semiconductor on one electrode layer 1 are reduced.
The hole defect is eliminated by repeating the operation a plurality of times.
本発明において第1の電極層1を加熱する温度は特に限定されず、本発明のカルコゲナイド半導体原料の反応性や基板の耐熱温度によって適宜選択される。
例えば、水溶性カルコゲン含有有機化合物として好適に使用されるチオウレアを1つのカルコゲナイド半導体原料と使用する場合、チオウレアは240℃付近で分解して硫黄を放出する機能を有するため、好ましい基板を加熱する温度は240℃以上であり、より好ましくは270℃以上である。更に、加熱された基板が、本発明の水性媒体で多少冷却されることを考慮すると、更に好ましくは300℃以上である。また、大気雰囲気に代表される酸素を含有する雰囲気で使用する場合は、チオウレアが発火する恐れがあるので、好ましくは、430℃以下、より好ましくは400℃以下が、基板を加熱する温度として好適である。
In the present invention, the temperature for heating the first electrode layer 1 is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the reactivity of the chalcogenide semiconductor raw material of the present invention and the heat-resistant temperature of the substrate.
For example, when thiourea, which is suitably used as a water-soluble chalcogen-containing organic compound, is used as one chalcogenide semiconductor raw material, thiourea has a function of decomposing at around 240 ° C. to release sulfur, and therefore a preferable temperature for heating a substrate. Is 240 ° C. or higher, more preferably 270 ° C. or higher. Furthermore, considering that the heated substrate is somewhat cooled with the aqueous medium of the present invention, the temperature is more preferably 300 ° C. or higher. Further, when used in an atmosphere containing oxygen typified by an air atmosphere, thiourea may ignite, and therefore, preferably 430 ° C. or less, more preferably 400 ° C. or less is suitable as a temperature for heating the substrate. It is.
本発明の第2の工程において、金属カルコゲナイド半導体の結晶品質を目的として、加熱された第1の電極層1上に噴霧して形成した後に焼成を行う。
このような焼成は、大気下、非反応性ガス雰囲気下、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気下、真空雰囲気下など、目的に応じた雰囲気で行うことが可能であるが、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気下で行うことが好ましい。即ち、金属カルコゲナイド半導体を硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含まない環境で焼成すると、カルコゲン元素の脱離が発生して、半導体の電気物性が低下する場合があるためである。
In the second step of the present invention, for the purpose of crystal quality of the metal chalcogenide semiconductor, it is fired after being formed by spraying on the heated first electrode layer 1.
Such firing can be performed in an atmosphere according to the purpose, such as in the air, in a non-reactive gas atmosphere, in a gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, or in a vacuum atmosphere. Is preferably performed in a gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium. That is, when a metal chalcogenide semiconductor is baked in an environment that does not contain a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, the chalcogen element may be detached and the electrical properties of the semiconductor may be reduced.
焼成温度は、特に限定されず、金属カルコゲナイド半導体の物性に応じて適宜設定すればよいが、結晶成長の観点から、高温の方が好ましく、好ましくは300℃以上、より好ましくは350℃以上、更に好ましくは400℃以上、最も好ましくは450℃以上である。上限については、特に限定されないが、第1の電極層1や第1の電極層1を支持する基板の耐熱温度以下が好ましい。 The firing temperature is not particularly limited and may be appropriately set according to the physical properties of the metal chalcogenide semiconductor. However, from the viewpoint of crystal growth, a higher temperature is preferable, preferably 300 ° C. or higher, more preferably 350 ° C. or higher. Preferably it is 400 degreeC or more, Most preferably, it is 450 degreeC or more. Although it does not specifically limit about an upper limit, The heat resistance temperature or less of the board | substrate which supports the 1st electrode layer 1 and the 1st electrode layer 1 is preferable.
具体的には、例えば、石英ガラスの基板を用いる場合は、1000℃以下が好ましく、ソーダライムガラスの基板を用いる場合は600℃以下が好ましく、ポリイミド基板を用いる場合は、450℃以下が好ましい。
このような、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気としては、硫化水素、セレン化水素、二硫化炭素の蒸気、硫黄元素の蒸気、セレン元素の蒸気やこれらの混合物の気体雰囲気が例示できるが、これらの中で、硫黄元素の蒸気、セレン元素の蒸気またはこれらの混合物が好ましく使用される。
Specifically, for example, when a quartz glass substrate is used, 1000 ° C. or lower is preferable, when a soda lime glass substrate is used, 600 ° C. or lower is preferable, and when a polyimide substrate is used, 450 ° C. or lower is preferable.
Examples of the gas atmosphere containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium include hydrogen sulfide, hydrogen selenide, carbon disulfide vapor, sulfur element vapor, selenium element vapor, and mixtures thereof. Examples of the atmosphere include elemental sulfur vapor, selenium elemental vapor, or a mixture thereof.
即ち、硫黄元素の蒸気、セレン元素の蒸気やこれらの混合物は、単体元素の蒸気のため副生成物がなく純度の高いカルコゲナイド半導体を製造するのに適しているばかりか、常温で固体のため、余剰分を冷却することで容易に取り除くことが可能となり生産性に優れるためである。
また、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含む気体雰囲気下で金属カルコゲナイド半導体を焼成する場合は、酸素分圧1Pa以下の雰囲気で行うことが好ましい。即ち、酸素分圧が高いと、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素が酸化されるばかりか、金属カルコゲナイド半導体の結晶成長が阻害される場合があるためである。
In other words, elemental vapor, selenium elemental vapor, and mixtures of these elements are suitable for producing chalcogenide semiconductors with high purity and no by-products because they are vapors of simple elements. This is because the excess can be easily removed by cooling and is excellent in productivity.
Moreover, when baking a metal chalcogenide semiconductor in the gas atmosphere containing the chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, it is preferable to carry out in the atmosphere of oxygen partial pressure 1Pa or less. That is, when the oxygen partial pressure is high, the chalcogen element selected from sulfur and / or selenium is not only oxidized but also the crystal growth of the metal chalcogenide semiconductor may be inhibited.
酸素分圧の下限は特に限定されず、酸素分圧が低いほど好ましいが、低い酸素分圧を実現するために、装置が大掛かりになったりして生産性が低下する場合があるので、好ましくは、100nPa以上である。
また、本発明において、第2の工程の焼成をセレンを含む気体雰囲気で行うことが好ましい。即ち、上述したように、金属カルコゲナイド半導体がカルコゲン元素としてセレンを多く含む場合、硫黄を多く含む場合に比べて半導体物性に優れるためである。このようにすることによって、上述したような生産性に優れるチオール、チオケトンから選択される硫黄含有有機化合物類を本発明の第1の工程で使用される水溶性カルコゲン含有有機化合物として使用した場合であっても、その硫黄の大部分をセレンに置き換え、半導体物性に優れた金属カルコゲナイド半導体が得られる。
The lower limit of the oxygen partial pressure is not particularly limited, and it is preferable that the oxygen partial pressure is low.However, in order to achieve a low oxygen partial pressure, the apparatus may become large and productivity may be reduced. , 100 nPa or more.
Moreover, in this invention, it is preferable to perform baking of a 2nd process in the gas atmosphere containing selenium. That is, as described above, when the metal chalcogenide semiconductor contains a large amount of selenium as a chalcogen element, the semiconductor physical properties are excellent as compared with a case where it contains a large amount of sulfur. By doing in this way, when the sulfur-containing organic compounds selected from the thiol and thioketone excellent in productivity as described above are used as the water-soluble chalcogen-containing organic compound used in the first step of the present invention. Even if it exists, the metal chalcogenide semiconductor excellent in the semiconductor physical property can be obtained by replacing most of the sulfur with selenium.
従って、本発明の光電変換素子は、第1の電極層1を加熱し、第1の電極層1上に、金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を複数回噴霧して光吸収層2の前駆体を形成する第1の工程と、光吸収層2の前駆体を、セレンを含み、かつ、酸素分圧1Pa以下の気体雰囲気で焼成して光吸収層2を形成する第2の工程とを経てより好適に製造される。
Therefore, the photoelectric conversion element of the present invention heats the first electrode layer 1, and on the first electrode layer 1, one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor, and sulfur A first step of forming a precursor of the
更に、上述したように、セレンを含む気体雰囲気がセレン元素の蒸気であることが好ましい。
このようにして製造された光吸収層2上には、光電変換素子のところで述べた、バッファ層3や第2の電極層4を形成して光電変換素子が作製できる。
また、このような場合、光電変換素子のところで述べたとの同様に、バッファ層3は、光吸収層2と異なる極性の半導体であり、第2の電極層4と第1の電極層のいずれか片方は透光性を有する。
Further, as described above, the gas atmosphere containing selenium is preferably vapor of selenium.
On the
In such a case, as described in the photoelectric conversion element, the buffer layer 3 is a semiconductor having a polarity different from that of the
次に、本発明の光電変換素子の用途について説明する。
本発明の光電変換素子は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。従って、光エネルギーを与えて発電する光触媒電極、光センサーや太陽電池といった受光素子として用いられる。また、本発明の光電変換素子は、容易に大面積で製造できることも特徴であり、太陽電池として好適に使用される。さらに、本発明の光電変換素子に、電気エネルギーを与えると発光することも可能なので、発光素子としての使用も可能になる。
Next, the use of the photoelectric conversion element of the present invention will be described.
The photoelectric conversion element of the present invention has a function of converting light energy into electric energy. Therefore, it is used as a light receiving element such as a photocatalytic electrode, a photosensor, or a solar cell that generates light by applying light energy. In addition, the photoelectric conversion element of the present invention is also characterized in that it can be easily manufactured in a large area, and is suitably used as a solar cell. Furthermore, since light can be emitted when electric energy is applied to the photoelectric conversion element of the present invention, it can be used as a light-emitting element.
以下、本発明を実施例と比較例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの技術的範囲に限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example and a comparative example, this invention is not limited to these technical scopes.
本発明で用いられる測定法は、以下のとおりである。
<透過型電子顕微鏡測定、エネルギー分散型X線分光法測定>
株式会社日立ハイテクノロジーズ製、集束イオンビーム装置FB−2100型を用いて、40kVの加速電圧で試料の切片を作製し、株式会社日立ハイテクノロジーズ製、走査透過型電子顕微鏡HD−2300A型を用いて、透過型電子顕微鏡像を観察した。また、エネルギー分散型X線分光法測定はアメテック株式会社製、EDAX Genesis型を用いて行った。観察及び測定は、加速電圧200kVの条件で行った。
The measuring method used in the present invention is as follows.
<Transmission electron microscope measurement, energy dispersive X-ray spectroscopy measurement>
Using a focused ion beam apparatus FB-2100 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, a sample section was prepared at an acceleration voltage of 40 kV, and using a scanning transmission electron microscope HD-2300A model manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation. A transmission electron microscope image was observed. Further, energy dispersive X-ray spectroscopy measurement was performed using an EDAX Genesis type manufactured by Ametech Corporation. Observation and measurement were performed under the condition of an acceleration voltage of 200 kV.
<結晶構造>
株式会社リガク製X線回折装置Ultima−IVを用い、ターゲットとしてCuを用い、励起電圧40kV、励起電流40mAとし、操作軸は2θ/θとして測定した。検出器には、高速1次元X線検出器D/teX Ultraを用いた。
<Crystal structure>
Using an X-ray diffractometer Ultima-IV manufactured by Rigaku Corporation, Cu was used as a target, an excitation voltage was 40 kV, an excitation current was 40 mA, and an operation axis was 2θ / θ. A high-speed one-dimensional X-ray detector D / teX Ultra was used as the detector.
<発電特性>
光学顕微鏡を用いて、光電変換素子の面積を算出し、次いで、ソーラーシミュレーター(ワコム電創(株)製)によって、約100mW/cm2である擬似太陽光を光電変換素子に照射し、ソースメジャーメーター(Agilent Technologies社製B2902A型)を用いて、電流−電圧特性を測定し、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧値(Voc)、曲線因子(F.F.)、エネルギー変換効率を求めた。
<Power generation characteristics>
Using an optical microscope, calculate the area of the photoelectric conversion element, and then irradiate the photoelectric conversion element with about 100 mW / cm 2 of pseudo-sunlight using a solar simulator (manufactured by Wacom Denso Co., Ltd.). Using a meter (Agilent Technologies B2902A type), current-voltage characteristics were measured, and short-circuit current density (Jsc), open-circuit voltage value (Voc), fill factor (FF), and energy conversion efficiency were determined. .
<金属カルコゲナイド半導体原料水溶液の調製>
金属カルコゲナイド半導体原料としてCu(NO3)2・3H2O、In(NO3)3・3H2Oを0.18/0.20mol/Lの濃度になるよう秤量、調合した水溶液A1を調整した。別に、チオウレアの1.6mol/Lの水溶液B1を調整した。次いで、水溶液Aと水溶液Bを容量比1:1で混合し、噴霧に供する水溶液C1を作製した。
<Preparation of aqueous metal chalcogenide semiconductor material solution>
An aqueous solution A1 prepared by weighing and mixing Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O and In (NO 3 ) 3 .3H 2 O as metal chalcogenide semiconductor raw materials to a concentration of 0.18 / 0.20 mol / L was prepared. . Separately, a 1.6 mol / L aqueous solution B1 of thiourea was prepared. Next, the aqueous solution A and the aqueous solution B were mixed at a volume ratio of 1: 1 to prepare an aqueous solution C1 to be used for spraying.
<光電変換素子の作製>
330℃にセットしたホットプレート上に、1mm厚のソーダライムガラス上に第一の電極層として1μm厚のモリブデンを成膜した導電性の基板をモリブデンが表面側になるようにセットし、次いで、水溶液C1を2mL/分の速度で1分間噴霧する操作を3回行って、合計6mLの水溶液を噴霧した。この試料をX線回折法で分析したところ、低結晶性のCuInS2が形成していた。
<Production of photoelectric conversion element>
On a hot plate set at 330 ° C., a conductive substrate in which 1 μm thick molybdenum was deposited as a first electrode layer on 1 mm thick soda lime glass was set so that the molybdenum was on the surface side, The operation of spraying the aqueous solution C1 at a rate of 2 mL / min for 1 minute was performed three times to spray a total of 6 mL of the aqueous solution. When this sample was analyzed by an X-ray diffraction method, low crystalline CuInS 2 was formed.
次いで、得られた基板をホウ珪酸ガラス製の片方を封じた管に投入し、次いで硫黄を10mg同じ管に投入した後、酸素分圧が約0.4Paの真空に保ちながら、ホウ珪酸ガラス製管の他方を封じて、管内を真空に保った状態にした。次いで、この管を電気炉を用いて600℃で10分間加熱し、p型のCuInS2の光吸収層を形成した。
次いで、水70.5mLを60℃に加熱し、次いで、3CdSO4・8H2Oの粉0.13gを水に溶解して10.5mLにした硫酸カドミウム水溶液を添加し、更に、28%アンモニア水19mLを添加した。この水溶液が60℃になった時点で、上記、光吸収層と第一の電極層を有する基板をこの水溶液に浸漬し、更に、チオウレアを0.845g添加して7分間、攪拌しながら60℃に保ち、n型のCdSのバッファ層を作製した。
更に、スッパッタリング装置を用いて、電極として錫ドープの酸化インジウム(ITO)を約300nm成膜して光電変換素子を作製した。錫ドープ酸化インジウム電極のシート抵抗は、約30Ω/□であった。
Next, the obtained substrate was put into a tube made of borosilicate glass, and then 10 mg of sulfur was put into the same tube. Then, the oxygen partial pressure was kept at a vacuum of about 0.4 Pa, and the product made of borosilicate glass was used. The other side of the tube was sealed, and the inside of the tube was kept in a vacuum state. Next, this tube was heated at 600 ° C. for 10 minutes using an electric furnace to form a p-type CuInS 2 light absorption layer.
Next, 70.5 mL of water was heated to 60 ° C., then an aqueous cadmium sulfate solution prepared by dissolving 0.13 g of 3CdSO 4 .8H 2 O powder in water to 10.5 mL was added, and 28% ammonia water was further added. 19 mL was added. When this aqueous solution reached 60 ° C., the substrate having the light absorption layer and the first electrode layer was immersed in this aqueous solution, and 0.845 g of thiourea was further added and stirred for 60 minutes at 60 ° C. An n-type CdS buffer layer was prepared.
Furthermore, a photoelectric conversion element was manufactured by depositing about 300 nm of tin-doped indium oxide (ITO) as an electrode using a sputtering apparatus. The sheet resistance of the tin-doped indium oxide electrode was about 30Ω / □.
<光電変換素子の評価>
この光電変換素子の発電特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc):19.4mA/cm2、開放電圧(Voc):0.62V、曲線因子(F.F.):51%でエネルギー変換効率:6.1%であった。
また、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法測定を用いて評価したところ、光吸収層のCuInS2は略球形であり、その平均粒径は350nmで、光吸収層2とバッファ層3の界面の凹凸は200nmであった。また、バッファ層3を構成するCdSと第1の電極層1のモリブデンとの接触は観測されなかった。
<Evaluation of photoelectric conversion element>
When the power generation characteristics of the photoelectric conversion element were evaluated, energy conversion was performed at a short-circuit current density (Jsc) of 19.4 mA / cm 2 , an open circuit voltage (Voc) of 0.62 V, and a fill factor (FF) of 51%. Efficiency: 6.1%.
In addition, when evaluated using transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy measurement, CuInS 2 of the light absorption layer is substantially spherical, its average particle size is 350 nm, and the
<金属カルコゲナイド半導体原料水溶液の調製>
金属カルコゲナイド半導体原料としてCu(NO3)2・3H2O、In(NO3)3・3H2O、Ga(NO3)3・nH2O(n=7〜9)を0.18/0.12/0.08mol/Lの濃度になるよう秤量、調合した水溶液A2を調整した。この際、Ga(NO3)3・nH2O(n=7〜9)のnは8と計算して秤量した。別に、チオウレアの1.6mol/Lの水溶液B1を調整した。次いで、水溶液A2と水溶液B2を容量比1:1で混合し、噴霧に供する水溶液C2を作製した。
<Preparation of aqueous metal chalcogenide semiconductor material solution>
0.18 / 0 Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O, In (NO 3 ) 3 .3H 2 O, Ga (NO 3 ) 3 .nH 2 O (n = 7 to 9) as metal chalcogenide semiconductor raw materials The aqueous solution A2 weighed and prepared was adjusted to a concentration of 12 / 0.08 mol / L. At this time, n of Ga (NO 3 ) 3 .nH 2 O (n = 7 to 9) was calculated as 8 and weighed. Separately, a 1.6 mol / L aqueous solution B1 of thiourea was prepared. Next, the aqueous solution A2 and the aqueous solution B2 were mixed at a volume ratio of 1: 1 to prepare an aqueous solution C2 to be used for spraying.
<光電変換素子の作製>
噴霧に供する水溶液をC2に変え、硫黄の10mgにかえて、セレンの5mgをホウ珪酸ガラス製の片方を封じた管に投入し、酸素分圧が約0.01Paの真空雰囲気で管を封じ、電気炉による加熱を560℃、10分とした以外は実施例1と同様にして光吸収層を作製した以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。光吸収層の組成は、Cu(In,Ga)(S,Se)2であった。
<Production of photoelectric conversion element>
Change the aqueous solution to be sprayed to C2, change to 10 mg of sulfur, put 5 mg of selenium into a tube sealed with one side made of borosilicate glass, seal the tube in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of about 0.01 Pa, A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the light absorption layer was produced in the same manner as in Example 1 except that heating with an electric furnace was set at 560 ° C. for 10 minutes. The composition of the light absorption layer was Cu (In, Ga) (S, Se) 2 .
<光電変換素子の評価>
この光電変換素子の発電特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc):36.6mA/cm2、開放電圧(Voc):0.64V、曲線因子(F.F.):36%でエネルギー変換効率:8.5%であった。
また、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法測定を用いて評価したところ、光吸収層2のCu(In,Ga)(S,Se)2は略球形であり、その平均粒径は200nmで、光吸収層2とバッファ層3の界面の凹凸は110nmであった。また、バッファ層3を構成するCdSと第1の電極層1のモリブデンとの接触は観測されなかった。
<Evaluation of photoelectric conversion element>
When the power generation characteristics of the photoelectric conversion element were evaluated, energy conversion was performed at a short circuit current density (Jsc): 36.6 mA / cm 2 , an open circuit voltage (Voc): 0.64 V, and a fill factor (FF): 36%. Efficiency: 8.5%.
Moreover, when evaluated using transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy measurement, Cu (In, Ga) (S, Se) 2 of the light absorption layer 2 is substantially spherical, and its average particle size is At 200 nm, the unevenness at the interface between the
[比較例1]
噴霧による成膜を3回に分けずに連続して4mL噴霧して行った以外は実施例1と同様にして光電変換素子を作製し評価したところ、この光電変換素子の発電特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc):22.0mA/cm2、開放電圧(Voc):0.52V、曲線因子(F.F.):46%でエネルギー変換効率:5.2%であった。
また、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法測定を用いて評価したところ、光吸収層2のCuInS2は略球形であり、その平均粒径は200nmで、光吸収層とバッファ層の界面の凹凸は500nmであり、バッファ層3を構成するCdSと第1の電極層1のモリブデンが部分的に接触していた。
[Comparative Example 1]
When the photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the film formation by spraying was performed by continuously spraying 4 mL without dividing the film into three times, the power generation characteristics of the photoelectric conversion element were evaluated. Short-circuit current density (Jsc): 22.0 mA / cm 2 , open-circuit voltage (Voc): 0.52 V, fill factor (FF): 46%, and energy conversion efficiency: 5.2%.
Further, when evaluated using transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy measurement, CuInS 2 of the light absorption layer 2 is substantially spherical, its average particle diameter is 200 nm, and the light absorption layer and the buffer layer The unevenness of the interface was 500 nm, and CdS constituting the buffer layer 3 and molybdenum of the first electrode layer 1 were in partial contact.
[比較例2]
酸素分圧が約4Paの真空雰囲気で管を封じた以外は実施例2と同様にして光吸収層を作製した以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製し、評価した。光吸収層の組成は、Cu(In,Ga)(S,Se)2であった。この光電変換素子の発電特性を評価したところ、短絡電流密度(Jsc):1.4mA/cm2、開放電圧(Voc):0.15V、曲線因子(F.F.):31%でエネルギー変換効率:0.063%であった。
[Comparative Example 2]
A photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the light absorption layer was produced in the same manner as in Example 2 except that the tube was sealed in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of about 4 Pa. The composition of the light absorption layer was Cu (In, Ga) (S, Se) 2 . When the power generation characteristics of the photoelectric conversion element were evaluated, energy conversion was performed at a short circuit current density (Jsc): 1.4 mA / cm 2 , an open circuit voltage (Voc): 0.15 V, and a fill factor (FF): 31%. Efficiency: 0.063%.
また、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法測定を用いて評価したところ、光吸収層2のCu(In,Ga)(S,Se)2は略球形であり、その平均粒径は80nmで、光吸収層2とバッファ層3の界面の凹凸は10nmであり、バッファ層3を構成するCdSと第1の電極層1のモリブデンが部分的に接触していなかった。
Moreover, when evaluated using transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy measurement, Cu (In, Ga) (S, Se) 2 of the light absorption layer 2 is substantially spherical, and its average particle size is At 80 nm, the unevenness at the interface between the
[比較例3]
セレンの蒸気雰囲気での焼成を行わなかった以外は実施例2と同様にして光電変換素子を作製し評価したところ、X線回折測定の結果、光吸収層のCu(In,Ga)(S,Se)2が形成され、その結晶子サイズは0.004μmであり、バッファ層の形成過程で、部分的に剥離は発生し、発電しなかった。
[Comparative Example 3]
A photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example 2 except that selenium was not baked in the vapor atmosphere. As a result of X-ray diffraction measurement, Cu (In, Ga) (S, Se) 2 was formed, the crystallite size was 0.004 μm, and partial peeling occurred during the formation of the buffer layer, and no power was generated.
本発明の光電変換素子は、高いエネルギー変換効率を有し、また、容易に製造することが可能であり、とりわけ太陽電池として好適である。 The photoelectric conversion element of the present invention has high energy conversion efficiency, can be easily manufactured, and is particularly suitable as a solar cell.
1 第1の電極層
2 光吸収層
3 バッファ層
4 第2の電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (17)
前記金属カルコゲナイド半導体が、略球形の形状を有し、
前記光吸収層と前記バッファ層の界面において、前記光吸収層が、20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を有し、
かつ、前記バッファ層が、前記第1の電極層と接していないことを特徴とする光電変換素子。 A conductive first electrode layer, a light absorption layer provided on the first electrode layer and including a metal chalcogenide semiconductor containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, and the light absorption layer A photoelectric conversion element comprising: a buffer layer including a semiconductor having a polarity different from that of the light absorption layer; and a second electrode layer provided on the buffer layer,
The metal chalcogenide semiconductor has a substantially spherical shape;
At the interface between the light absorption layer and the buffer layer, the light absorption layer has a rough surface with an uneven shape of 20 nm to 400 nm,
The photoelectric conversion element is characterized in that the buffer layer is not in contact with the first electrode layer.
第1の電極層上に金属カルコゲナイド半導体を含む光吸収層を積層して形成された積層構造を含み、
前記第1の電極層を加熱し、該第1の電極層上に、前記金属カルコゲナイド半導体を構成する金属を含有する1種以上の水溶性金属塩と、硫黄及び/又はセレンから選択されるカルコゲン元素を含有する1種以上の水溶性カルコゲン含有有機化合物とを含有する金属カルコゲナイド半導体原料を含有する水溶液を複数回噴霧して光吸収層の前駆体を形成する第1の工程と、
該第1の工程における前記光吸収層の前記前駆体を焼成して光吸収層を形成する第2の工程と
を有することを特徴とする光電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7,
Including a laminated structure formed by laminating a light absorption layer including a metal chalcogenide semiconductor on the first electrode layer;
A chalcogen selected from one or more water-soluble metal salts containing a metal constituting the metal chalcogenide semiconductor and sulfur and / or selenium on the first electrode layer by heating the first electrode layer A first step of spraying an aqueous solution containing a metal chalcogenide semiconductor raw material containing at least one water-soluble chalcogen-containing organic compound containing an element a plurality of times to form a precursor of a light absorption layer;
And a second step of forming the light absorption layer by firing the precursor of the light absorption layer in the first step.
前記金属カルコゲナイド半導体に略球形の形状を形成する工程と、
前記光吸収層と前記バッファ層の界面において、前記光吸収層に20nm以上400nm以下の凹凸状の粗面を形成する工程とを有し、
前記バッファ層が、前記第1の電極層と接していないことを特徴とする光電変換素子の製造方法。 A conductive first electrode layer, a light absorption layer provided on the first electrode layer and including a metal chalcogenide semiconductor containing a chalcogen element selected from sulfur and / or selenium, and the light absorption layer A photoelectric conversion element comprising: a buffer layer including a semiconductor having a polarity different from that of the light absorption layer; and a second electrode layer provided on the buffer layer,
Forming a substantially spherical shape in the metal chalcogenide semiconductor;
Forming an uneven rough surface of 20 nm to 400 nm in the light absorption layer at the interface between the light absorption layer and the buffer layer;
The method for manufacturing a photoelectric conversion element, wherein the buffer layer is not in contact with the first electrode layer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014078806A JP2015201522A (en) | 2014-04-07 | 2014-04-07 | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014078806A JP2015201522A (en) | 2014-04-07 | 2014-04-07 | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015201522A true JP2015201522A (en) | 2015-11-12 |
Family
ID=54552546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014078806A Pending JP2015201522A (en) | 2014-04-07 | 2014-04-07 | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2015201522A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114649481A (en) * | 2022-02-17 | 2022-06-21 | 信阳师范学院 | Preparation method of copper-zinc-germanium-sulfur hole transport layer in perovskite battery and perovskite battery comprising hole transport layer |
| CN114899271A (en) * | 2022-05-12 | 2022-08-12 | 宁波大学 | A flexible photodetector with broadband infrared response |
| CN115458332A (en) * | 2022-08-31 | 2022-12-09 | 上海电子信息职业技术学院 | Ag 8 SnS x Se 6-x Preparation method and application of film |
-
2014
- 2014-04-07 JP JP2014078806A patent/JP2015201522A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114649481A (en) * | 2022-02-17 | 2022-06-21 | 信阳师范学院 | Preparation method of copper-zinc-germanium-sulfur hole transport layer in perovskite battery and perovskite battery comprising hole transport layer |
| CN114899271A (en) * | 2022-05-12 | 2022-08-12 | 宁波大学 | A flexible photodetector with broadband infrared response |
| CN115458332A (en) * | 2022-08-31 | 2022-12-09 | 上海电子信息职业技术学院 | Ag 8 SnS x Se 6-x Preparation method and application of film |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lei et al. | Review of recent progress in antimony chalcogenide‐based solar cells: materials and devices | |
| Jathar et al. | Ternary Cu2SnS3: synthesis, structure, photoelectrochemical activity, and heterojunction band offset and alignment | |
| Ramasamy et al. | Routes to copper zinc tin sulfide Cu 2 ZnSnS 4 a potential material for solar cells | |
| Mali et al. | Synthesis and characterization of Cu2ZnSnS4 thin films by SILAR method | |
| Whittles et al. | Core levels, band alignments, and valence-band states in CuSbS2 for solar cell applications | |
| Jo et al. | 8% Efficiency Cu2ZnSn (S, Se) 4 (CZTSSe) thin film solar cells on flexible and lightweight molybdenum foil substrates | |
| Krishnan et al. | Progress in development of copper antimony sulfide thin films as an alternative material for solar energy harvesting | |
| Xiao et al. | Influencing mechanism of the selenization temperature and time on the power conversion efficiency of Cu2ZnSn (S, Se) 4-based solar cells | |
| Akram et al. | Arrays of CZTS sensitized ZnO/ZnS and ZnO/ZnSe core/shell nanorods for liquid junction nanowire solar cells | |
| JP5928612B2 (en) | Compound semiconductor solar cell | |
| CN102458832A (en) | Thin Films for Photovoltaic Cells | |
| Zhao et al. | Kesterite Cu 2 Zn (Sn, Ge)(S, Se) 4 thin film with controlled Ge-doping for photovoltaic application | |
| Mkawi et al. | Influence of substrate temperature on the properties of electrodeposited kesterite Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films for photovoltaic applications | |
| Patil et al. | Investigating the Role of Selenium-Ion Concentration on Optoelectronic Properties of the Cu2ZnSn (S1–x Se x) 4 Thin Films | |
| US20130125962A1 (en) | Method for manufacturing light absorber layer of bismuth-doped ib-iiia-via compound and solar cell including the same | |
| CN102628161A (en) | Method for making semiconducting film and photovoltaic device | |
| US20150027896A1 (en) | METHOD FOR PRODUCING Cu2ZnSnS4-xSex (0 LESS THAN-EQUAL TO X LESS THAN-EQUAL TO 4) THIN FILM BY ONE STEP ELECTRODEPOSITION IN ELECTROLYTIC BATH CONTAINING IONIC LIQUID | |
| JP2015201522A (en) | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof | |
| Pandey et al. | Preparation and characterization of spray deposited NiMoO4 thin films for photovoltaic electrochemical studies | |
| JP2015201523A (en) | Photoelectric conversion element and manufacturing method of the same | |
| JP5278778B2 (en) | Chalcogenite compound semiconductor and method for producing the same | |
| Xue et al. | Fabrication of Cu2ZnSn (SxSe1− x) 4 solar cells by ethanol-ammonium solution process | |
| WO2013111443A1 (en) | Photoelectric conversion device | |
| JP2015195318A (en) | Metal chalcogenide compound coating composition, substrate with metal chalcogenide compound film, and photoelectric conversion element | |
| Madhusudanan et al. | Alloyed Cu2Fe1-xBaxSnS4 for photoelectrochemical applications: band gap tailoring and structural transition |