説明

化合物半導体粒子とその製造方法、化合物半導体膜、光電変換素子、及び太陽電池

【課題】炭素濃度の低減された化合物半導体粒子を製造する。
【解決手段】本発明の化合物半導体粒子の製造方法は、超臨界流体状態のアンモニア、又はアンモニアが溶存した液体溶媒からなるアンモニア溶媒(B)の存在下、最終組成のすべての構成金属元素を含む少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を化学反応させるものである。アンモニアガスを含む雰囲気下、少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を加熱及び加圧下で反応させることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、化合物半導体粒子とその製造方法、化合物半導体膜、光電変換素子、及び太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
カルコパイライト系化合物半導体は、一般式LMX(Lは少なくとも1種のIB族元素、Mは少なくとも1種のIIIB族、Xは少なくとも1種のVIB族を各々示す。)で表される化合物である。
LはCu,Ag,及びAuからなる群より選ばれた少なくとも1種である。MはAl,Ga,及びInからなる群より選ばれた少なくとも1種が好ましい。XはS,Se,及びTeからなる群より選ばれた少なくとも1種が好ましい。
【0003】
上記カルコパイライト系化合物半導体の中でも、CuInSe(CIS)及びCu(In,Ga)Se(CIGS)等は直接遷移型の吸収係数を示すため、薄膜で高光電変換効率が得られることが期待され、太陽電池の光吸収層材料として研究されている。本明細書では、「CIS及びCIGS」を合わせてCI(G)S系と称す。
CI(G)S系等のカルコパイライト系化合物半導体は、従来のシリコンを用いた太陽電池と比較して、軽量化ができること、材料コストを抑えることができるため低コストで製造できること、フレキシブル基板を使用できること等の利点を有する。
【0004】
カルコパイライト系化合物半導体膜の成膜方法としては、多元蒸着法あるいはセレン化法等の気相法があるが、真空下で成膜する必要があることから製造コストが高い。
そこで、より低コストな製造方法として、カルコパイライト系化合物半導体粒子を塗布し、これを焼成する方法が検討されている。
【0005】
化合物半導体粒子の製造方法としては、最終組成のすべての構成金属元素を含む少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物を含む溶液又は懸濁液用い、これを化学反応させる液相法がある。
例えば非特許文献1には、銅、インジウム、ガリウムの各塩化物塩とセレンとをオレイルアミン(炭素数18)に懸濁した液を用いてCIGS粒子を得る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特願2011-055790号(本件出願時において未公開)
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】J.Am.Chem.Soc.,Vol.130,No.49,p.16770 (2008)
【非特許文献2】Advanced Materials, Vol.21, No.31,p.3141-3158 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
非特許文献1では数十ナノメートルのCIGS粒子が得られている。しかしながら、非特許文献1では、溶媒としてオレインアミンが用いられており、得られたCIGS粒子の周囲に有機化合物がキャッピングするため、炭素濃度は高くなる。
本発明者が非特許文献1に記載の方法に準拠してCIGS粒子を合成し、燃焼・赤外線吸収法により炭素量を測定したところ、6.5質量%であった(本明細書の比較例1)。
【0009】
粒子に含まれる炭素は粒子を塗布し焼成する際にその多くが消失するが、粒子の時点で炭素濃度が少ない方が、焼成後により不純物の少ない薄膜が形成可能であると考えられる(非特許文献2を参照)。より炭素数が少ない溶媒を用い、炭素濃度が低い、例えば炭素濃度が0.1質量%以下である化合物半導体粒子を製造できることが好ましい。
ここで、「例えば炭素濃度が0.1質量%以下」としているのは、本発明者が用いたSEM-EDXの検出限界が0.1質量%であったためである。
【0010】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、炭素濃度の低減された化合物半導体粒子を製造することが可能な化合物半導体粒子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の化合物半導体粒子の製造方法は、
超臨界流体状態のアンモニア、又はアンモニアが溶存した液体溶媒からなるアンモニア溶媒(B)の存在下、最終組成のすべての構成金属元素を含む少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を化学反応させるものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、炭素濃度の低減された化合物半導体粒子を製造することが可能な化合物半導体粒子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明に係る一実施形態の光電変換素子の模式断面図である。
【図2】実施例1で得られたCIS粒子のXRDパターンである。
【図3】実施例1で得られたCIS粒子のTEM写真である。
【図4】比較例1で得られたCIGS粒子のXRDパターンである。
【図5】比較例1で得られたCIGS粒子のTEM写真である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明について詳細に説明する。
「化合物半導体粒子とその製造方法」
本発明の化合物半導体粒子の製造方法は、
超臨界流体状態のアンモニア、又はアンモニアが溶存した液体溶媒からなるアンモニア溶媒(B)の存在下、最終組成のすべての構成金属元素を含む少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を化学反応させるものである。
【0015】
上記の化合物半導体粒子は、
下記一般式で表される少なくとも1種のカルコパイライト系化合物半導体(i)からなる化合物半導体膜の製造に好ましく利用できる(化合物半導体膜は不可避不純物を含むことができる。)。
LMX(ここで、Lは少なくとも1種のIB族元素、Mは少なくとも1種のIIIB族、Xは少なくとも1種のVIB族を各々示す。)・・・(i)
【0016】
高い光電変換効率が得られることから、上記の化合物半導体膜は、下記一般式で表される少なくとも1種のカルコパイライト系化合物半導体(ii)からなることが好ましく、下記一般式で表される少なくとも1種の化合物半導体(iii)からなることがより好ましい。
【0017】
(L1)(M1)(X1)(ここで、L1はCu,Ag,及びAuからなる群より選ばれた少なくとも1種のIB族元素、M1はAl,Ga,及びInからなる群より選ばれた少なくとも1種のIIIB族、X1はS,Se,及びTeからなる群より選ばれた少なくとも1種のVIB族を各々示す。)・・・(ii)
【0018】
(L2)(M2)(X2)(ここで、L2はCuを含む少なくとも1種のIB族元素、M2はGa及び/又はInを含む少なくとも1種のIIIB族、X2はSeを含む少なくとも1種のVIB族を各々示す。)・・・(iii)
【0019】
化合物半導体(iii)としては、CuInSe(CIS)、及びCu(In,Ga)Se(CIGS)等が挙げられる。これらCI(G)S系はバンドギャップが整合しており、かつ光吸収係数が高く、薄膜で高光電変換効率を得ることができる。
【0020】
<成分(A)>
金属単体及び/又は金属化合物(A)は、製造する化合物半導体粒子の組成に応じて、選定される。
金属化合物としては、ハロゲン化金属塩等の各種金属塩が挙げられる。
ΙB族金属(塩)及びΙΙΙB族金属(塩)は、金属カチオンとアンモニア溶媒(B)とが錯体を形成して可溶化すると考えられる。VΙB族金属(塩)は、アンモニア溶媒(B)と反応して錯体及び/又は有機VΙB族化合物を形成して可溶化すると考えられる。ここで、「金属(塩)」は金属単体又は金属塩を意味している。
【0021】
例えば、CIGSあるいはCIS用であれば、金属単体及び/又は金属化合物(A)として、ハロゲン化銅と、ハロゲン化インジウム及び/又はハロゲン化ガリウムと、セレン単体又はセレン化合物とを用いることができる。
【0022】
<成分(B)>
成分(B)は、超臨界流体状態のアンモニア、又はアンモニアが溶存した液体溶媒からなるアンモニア溶媒である。
【0023】
液体溶媒としては特に制限されず、水等の無機溶媒でもよいし、有機溶媒でもよく、任意である。
ただし、有機溶媒を用いる場合、用いる有機溶媒の量にもよるが、有機溶媒の炭素数が多いと、製造される粒子の炭素濃度が高くなる恐れがある。したがって、有機溶媒を全く用いないことが最も好ましく、用いる場合には炭素数の少ない有機溶媒を極少量用いることが好ましい。
有機溶媒を用いる場合、炭素数は少ない方がより好ましく、非特許文献1で使用されているオレイルアミンの炭素数が18であるので、それ未満、すなわち、炭素数17以下の溶媒を用いることが好ましく、炭素数5以下の溶媒が特に好ましい。
本発明者は先の出願において、炭素数5以下のアミン、好ましくは炭素数5以下の低級アミンを用いたCIGS粒子及びCIGS膜の製造に成功している(「背景技術」の項で挙げた特許文献1を参照)。使用可能な具体的なアミンについては、特許文献1を参照されたい。
【0024】
少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)が可溶化しやすく、有機溶媒を使用しなくてもよいことから、アンモニア溶媒(B)としては、超臨界流体状態のアンモニアが最も好ましい。
【0025】
例えば、アンモニアガスを含む雰囲気下、少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を加熱及び加圧下で反応させることが好ましい。
この場合、アンモニアが超臨界流体化する温度及び圧力に設定することで、アンモニアの超臨界流体化と少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)の化学反応とを同時に行うことができる。
【0026】
アンモニアが超臨界流体化しない条件であっても、水等の無機溶媒及び/又は有機溶媒からなる液体溶媒を用い、雰囲気中のアンモニアを液体溶媒中に溶存可能な温度及び圧力に設定することで、アンモニアの溶媒中への溶存化と少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)の化学反応とを同時に行うことができる。
【0027】
アンモニアガスを含む雰囲気下で反応を行う代わりに、アンモニア水、あるいはアンモニア水と他の液体溶媒との混合溶媒中に、少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を溶解又は懸濁させ、この溶液又は懸濁液を加熱、又は加熱及び加圧して、化学反応を行ってもよい。
【0028】
<任意成分>
本発明の反応には、本発明の効果を損なわない範囲において、pH調整剤、あるいは分散剤等の上記必須成分以外の任意成分を用いてもよい。
【0029】
本発明の化合物半導体粒子の製造方法は、カルコパイライト系化合物半導体粒子以外の任意の化合物半導体粒子の製造に適用可能である。
【0030】
本発明の化合物半導体粒子の製造方法は例えば、Cd,Zn,Pb,Ag,Sb,及びBiからなる群より選ばれた少なくとも1種と、S,Se,及びTeからなる群より選ばれた少なくとも1種とを含むカルコゲニドからなる化合物半導体粒子の製造に適用可能である。
具体的には、Cd,Zn,Pb,Ag,Sb,及びBiからなる群より選ばれた少なくとも1種の硫化物、Pbのセレン化物、Cdのテルル化物等が挙げられる。
【0031】
本発明の化合物半導体粒子の製造方法は例えば、Zn,Ga,In,及びCdからなる群より選ばれた少なくとも1種と、P及びAsからなる群より選ばれた少なくとも1種とを含む化合物半導体粒子の製造に適用可能である。
具体的には、Zn,Ga,In,及びCdからなる群より選ばれた少なくとも1種のリン化物、及びGaの砒素化物等が挙げられる。
【0032】
本発明の製造方法では、化学反応終了後、アンモニア溶媒(B)中に化合物半導体粒子が生成される。
化合物半導体粒子は、化合物半導体膜の製造等に好ましく使用できる。
この場合、反応終了後の状態のものをそのまま成膜用塗布剤として使用してもよいし、必要に応じて、溶媒の交換あるいは溶媒の添加を行うことができる。
また、溶媒を除き、必要に応じて洗浄及び乾燥等を実施して、化合物半導体粒子単独の状態としてもよい。さらに、得られた化合物半導体粒子単独に溶媒を添加してもよい。
【0033】
本発明の製造方法によれば、有機溶媒を使用せずに化合物半導体粒子を製造することが可能である。また、有機溶媒を用いる場合も、その使用量を低減することができる。
したがって、本発明の製造方法によって製造される化合物半導体粒子は、炭素濃度の低減されたものとなる。
【0034】
「化合物半導体膜とその製造方法」
本発明の化合物半導体膜は、
上記の本発明の製造方法によって製造された化合物半導体粒子を含む成膜用塗布剤を用意する工程(1)と、
基板上に、前記成膜用塗布剤を塗布して塗布膜を形成する工程(2)と、
前記塗布膜を焼成する工程(3)とを順次有する製造方法により製造されたものである。
【0035】
本発明の化合物半導体膜の製造方法は、
上記の本発明の成膜用塗布剤を用意する工程(1)と、
基板上に、前記成膜用塗布剤を塗布して塗布膜を形成する工程(2)と、
前記塗布膜を焼成する工程(3)とを順次有するものである。
【0036】
<工程(1)>
【0037】
上記したように、本発明の化合物半導体粒子の製造方法では、化学反応終了後、アンモニア溶媒(B)中に化合物半導体粒子が生成される。
これをそのまま成膜用塗布剤として使用してもよいし、必要に応じて、溶媒の交換あるいは添加を行って、成膜用塗布剤としてもよい。
溶媒を用いず、化合物半導体粒子そのものを成膜用塗布剤として用いてもよい。この時、必要に応じて、固体の分散剤等を添加しても構わない。
有機溶媒を用いる場合、用いる有機溶媒の量にもよるが、有機溶媒の炭素数が多いと、製造される粒子の炭素濃度が高くなる恐れがある。したがって、有機溶媒を全く用いないことが最も好ましく、用いる場合には炭素数の少ない有機溶媒を極少量用いることが好ましい。
有機溶媒を用いる場合、炭素数は少ない方がより好ましく、非特許文献1で使用されているオレイルアミンの炭素数が18であるので、それ未満、すなわち、炭素数17以下の溶媒を用いることが好ましく、炭素数5以下の溶媒が特に好ましい。
本発明者は先の出願において、炭素数5以下のアミン、好ましくは炭素数5以下の低級アミンを用いたCIGS粒子及びCIGS膜の製造に成功している(「背景技術」の項で挙げた特許文献1を参照)。使用可能な具体的なアミンについては、特許文献1を参照されたい。
成膜用塗布剤は、化合物半導体粒子と溶媒以外にも、pH調製剤、及び分散剤等の任意の添加剤を含むことができる。
【0038】
<工程(2)>
工程(2)は、基板上に工程(1)で用意した塗布剤を塗布して塗布膜を形成する工程である。
【0039】
塗布剤の塗布法としては特に制限されず、スプレーコーティング法、キャスト法、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、アプリケータやブロックコーターで塗工する塗工法、凹版印刷法、凸版印刷法、平版印刷法、グラビア印刷法、及びフレキソ印刷法等の各種塗布法が挙げられる。
【0040】
<工程(3)>
工程(3)は工程(2)で得られた塗布膜を焼成する工程(3)である。
この工程では、粒子同士の焼結が起こる。
焼成温度は、膜組成等により、特に制限されない。
焼成温度は塗布剤の組成により特に制限されず、カルコパイライト系であれば、400〜800℃の範囲内が好ましく、より好ましくは450〜650℃の範囲内である。
焼成雰囲気は特に制限されず、カルコパイライト系であれば、カルコパイライト化合物の酸化を抑制するという観点で、窒素及びアルゴン等の不活性ガス、水素あるいは水素と不活性ガスとの混合ガス、あるいはI−III−VI族カルコパイライト化合物と同種のVI族元素ガスを用いることが好ましい。
焼成工程(3)は加熱温度を変えて複数段階で実施してもよい。ここで言う「複数段階の焼成工程」には、本焼成前の仮焼成工程、及び本焼成後のアニール工程も含むものとする。
以上のようにして、本発明の化合物半導体膜が製造される。
【0041】
本発明の化合物半導体膜は、全体の組成が均一でもよいし、厚み方向に組成分布を有しても構わない。
例えば、塗布剤の組成を変えて、工程(1)〜工程(3)を繰り返すことで、厚み方向に組成分布を有する化合物半導体膜が得られる。
【0042】
I−III−VI族カルコパイライト系化合物においては、III族元素によって、バンドギャップを制御できることが知られている。例えば、CuInSeのバンドギャップは約1.0eVであり、CuGaSeのバンドギャップは約1.65eVである。III族元素としてInとGaの双方を用いたCIGS等の混晶系では、InとGaの複合比を変えることでバンドギャップを変えることができる。しかしながら、InとGaの複合比が異なる界面はバンドの不整合による再結合が行われ、キャリアの失活につながり好ましくない。このため、CIGS膜の場合、厚み方向のIn/(In+Ga)=x±0.1(0<x<1)に収めることが好ましい。
【0043】
本発明の化合物半導体膜は粒子塗布法で製造されたものであるので、真空成膜を必要とする気相法に比較して低コストである。
本発明の化合物半導体膜は炭素濃度の低減された化合物半導体粒子を用いて製造されたものであるので、結晶性が良く緻密な膜構造を有するものとなる。
結晶性が良く緻密な膜構造を有する本発明のカルコパイライト系化合物半導体膜は、光電変換素子の光吸収層として用いた場合に高効率な素子が得られることが期待される。
【0044】
「光電変換素子」
次に図面を参照して、上記の本発明のカルコパイライト系化合物半導体膜を光吸収層(光電変換層)として備えた光電変換素子の一実施形態について説明する。図1は断面図であり、視認しやすくするため、各層の縮尺等は実際のものは適宜異ならせてある。
【0045】
本実施形態の光電変換素子10は、基板11上に、裏面電極層12、光吸収層(p型半導体層)13、バッファ層(n型半導体層)14、透光性高抵抗層15、透光性電極層16とが順次積層されたものである。透光性高抵抗層15は必要に応じて設けられる層であり、必須なものではない。
光電変換素子1においては必要に応じて、裏面電極層12及び透光性電極層16上に取出し電極17、18を設けられる。
光電変換素子10では、p型半導体とn型半導体との界面に光が照射されたときに電子及びホールが生成することで、光から電気への変換が起きる。
【0046】
基板11の種類は限定されるものはなくガラス基板が一般的に使用される。また、光電変換素子10にフレキシブル性を付与することを目的として、PET(ポリエチレンテレフタレート)やポリイミド等の樹脂フィルム、アルミやステンレス等の金属箔等のフレキシブル基板を用いてもよい。アルミやステンレス等の金属箔を用いる場合には、基板表面に絶縁膜が必要である。
CI(G)S系等では、光吸収層の成膜時に基板側からNa等のアルカリ金属及び/又はMg等のアルカリ土類金属が供給されると、膜の結晶性が良くなり、光電変換効率が向上することが知られている。青板ガラス等のNaを含む基板を使用したり、Naを含まない上述の基板と光吸収層13との間にハロゲン化ナトリウム等のアルカリ(土類)金属供給層を公知の方法で形成してもよい。
【0047】
裏面電極層12には、光吸収層13とオーミック接触が取れるものであれば公知の材料を適用することができる。そのような材料として、金、モリブデン、ニッケル、チタン、タンタル、及びこれらの組合わせ等が挙げられ、その中でも安価で入手容易などの理由からモリブデン等が好ましく適用される。また、裏面電極層12の成膜方法としては公知の方法が適用でき、スパッタ法、加熱蒸着法、電解メッキ法、及び無電解メッキ法等が適用できる。
【0048】
光吸収層13は、上記の本発明のカルコパイライト系化合物半導体膜からなるp型半導体層である。
光吸収層13の膜厚は厚い方が光吸収を増加できるためキャリアを多く発生することができ、好ましい。一方で、p型半導体層は抵抗成分としても働くため、発生キャリアの効率的な取出しという観点からは膜厚が薄い方が好ましい。両者を加味すると、光吸収層13の膜厚は0.5〜10μmであることが好ましく、1〜5μmであることがより好ましく、1.5〜3μmであることがさらに好ましい。
【0049】
光吸収層13上に形成されるバッファ層14は、n型半導体層である。
バッファ層14の材料としては、II−VI族化合物及び/又はIII−VI族化合物等が主に適用される。例えば、Cd(S,O)、Zn(S,O)、In(S,O)、及びInSe等が公知の物質として適用される。また、これらの化合物中は水酸化物等を微量含んでいてもよい。
バッファ層14は、化学浴析出法(CBD法:Chemical Bath Deposition法)、及びスパッタ法等で形成できる。例えば、CdSの場合、カドミウム塩(例えば、ヨウ化カドミウム)と硫黄含有化合物(例えば、チオ尿素)とを含む水溶液を硫黄が解離するpHに調整して、CdSが析出する温度で、光吸収層13が形成された基板11を浸漬することでバッファ層14を堆積することができる。
【0050】
バッファ層14にピンホールのような孔が存在すると、それを介して電流がリークするため好ましくない。一方、バッファ層14の膜厚が厚いときには光の透過率が低下するためキャリアの発生数の低下を招き、また直列抵抗成分の増大に繋がることから発生したキャリアが伝送する際のロスの増加に繋がる。両者を加味すると、バッファ層14の膜厚は1〜300nmであることが好ましく、より好ましくは10〜200nmであり、さらに好ましくは20〜150nmである。
【0051】
上記のバッファ層14中のピンホールを介したリーク電流を抑制するために、バッファ層14上に必要に応じて高抵抗膜15を導入することができる。高抵抗膜15の材料としてはZnO等が挙げられる。ただし、高抵抗膜の膜厚が厚いときは直列抵抗成分の増大によるキャリア伝送の際のロスに繋がるため、その膜厚は100nm以下であることが好ましい。
【0052】
透光性電極層16の材料としては、光の透過率が高く、抵抗が低いものが適用される。このような材料としては、インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、あるいは各種金属をドープした酸化亜鉛ZnO等が好適な例として挙げられる。酸化亜鉛のドープ元素としては、ガリウム、アルミニウム、ホウ素、ケイ素、スズ、インジウム、ゲルマニウム、アンチモン、イリジウム、レニウム、セリウム、ジルコニウム、スカンジウム、イットリウム、及びランタノイドが挙げられ、これらの少なくとも1種以上を0.05〜15モル%ドープすることができる。
【0053】
透光性電極層16の膜厚が厚いときには光の透過率が低下するためキャリアの発生数の低下を招くため好ましくない。一方、膜厚が薄いときには取出し電極18までの抵抗成分が大きくなるためキャリア伝送時のロスに繋がるため好ましくない。両者を加味すると、透光性電極層16の膜厚は10〜1000nmであることが好ましく、より好ましくは100〜700nmであり、さらに好ましくは200〜500nmである。
【0054】
透光性電極層16の成膜方法は公知の技術が適用でき、例えばスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、イオン化蒸着法、レーザーアブレーション法、アークプラズマ蒸着法、熱CVD法、プラズマCVD法、MOCVD法、スプレー熱分解法、ゾルゲル法、無電解めっき法、電解めっき法、塗布焼成法、エアロゾルデポジション法、及び微粒子塗布法等が適用できる。
【0055】
光電変換素子10内で生成したキャリアを外部回路に取り出す際の接触抵抗を低減させる目的で、裏面電極層12及び透光性電極層16上に取出し電極17,18を設置してもよい。取出し電極17/18は裏面電極層12/透光性電極16とオーミック接合を取れる抵抗が低いものであれば制限はなく、例えば金、あるいはアルミニウム等をスパッタ法や蒸着法で堆積することで形成できる。
【0056】
本実施形態の光電変換素子10は必要に応じて、上記以外の任意の層を備えることができる。
【0057】
本実施形態の光電変換素子10は、上記の本発明の化合物半導体膜を光吸収層13として用いたものであるので、低コストで製造でき、光電変換効率の向上を図ることが可能なものである。
【0058】
光電変換素子1は、カバーガラス及び保護フィルム等を付けて、太陽電池として利用することができる。
【実施例】
【0059】
以下、本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
【0060】
(実施例1)
200mlのオートクレーブにマグネティック撹拌子を入れた後、容器内を窒素雰囲気にした。その後、この容器内に0.8g(8.0mmol)の塩化銅(I)、4.0g(8.0mmol)の塩化インジウム、及び2.0g(16.0mmol)のセレン化ナトリウムを加え、容器内をアンモニアガスに置換した。次に、温度200℃、圧力20MPaの条件で4時間加熱加圧して、CIS粒子のアンモニア懸濁液を得た。
上記の加熱加圧条件は、アンモニアが超臨界流体状態化する反応条件である。
10gの蒸留水を加えた後、窒素をブローして、容器内を窒素雰囲気にした。さらに蒸留水を30g加えた後、遠心分離(3400G)を10分間行った。上澄み液はデカンテーションした。
沈殿物に水40g加えた後、超音波を5分間照射した。次に、遠心分離(3400G)を10分間行った後、上澄み液をデカンテーションした。これらの操作を繰り返して水のpHが7になったところで、CIS粒子を1.0g含有する水懸濁液を得た。
【0061】
<分析>
得られたCIS粒子のXRD分析を実施した。XRDパターンを図2に示す。得られたCIS粒子は、カルコパイライト型のCISであることが確認された。
誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−AES)にて組成を分析した。得られたCIS粒子の金属元素の組成比(モル比)は、Cu:In:Se=1.0:1.0:2.0であった。
燃焼・赤外線吸収法にて炭素濃度の分析をした。得られたCIS粒子の炭素濃度は600ppmであった。
透過型電子顕微鏡(TEM)観察を実施した。TEM写真を図3に示す。粒子径は60〜200nmであった。
【0062】
(比較例1)
1Lの容器にマグネティック撹拌子を入れた後、系内をアルゴン雰囲気にした。その後、この容器内に5.0g(50.5mmol)の塩化銅(I)と8.1g(36.6mmol)の塩化インジムと2.4g(13.6mmol)の塩化ガリウムと7.9g(100.1mmol)のセレンと406.5gのオレイルアミンとを加え、110℃で30分間加熱した後、240℃で4時間加熱して、CIGSのオレイルアミン溶液を得た。
上記のオレイルアミン溶液にクロロホルム740.0g、エタノール197.3gを加えた後、遠心分離(1080G)を15分間行った。上澄み液はデカンテーションした。
沈殿物にクロロホルム740.0gを加え、超音波に5分間照射した。次に、遠心分離(1080G)を15分間行った。沈殿物は除去した。
上澄み液にオレイルアミン8.1gを加え、超音波に5分間照射した後、エタノール197.3gを加え、遠心分離遠心分離(3000ppm)を15分間行った。上澄み液はデカンテーションした。これら操作を3回繰り返し、沈殿物にクロロホルムを加えて、CIGS粒子を6.7g含有するクロロホルム分散液を得た。
【0063】
<分析>
得られたCIGS粒子のXRD分析を実施した。XRDパターンを図4に示す(28.4°のピークは内部標準でのシリコンピークである)。得られたCIGS粒子は、カルコパイライト型のCIGSであることが確認された。
誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−AES)にて組成を分析した。得られたCIGS粒子の金属元素の組成比(モル比)は、Cu:In:Ga:Se=1.0:0.8:0.2:2.0であった。
燃焼・赤外線吸収法にて炭素濃度の分析をした。得られたCIGS粒子の炭素濃度は6.5質量%であった。
透過型電子顕微鏡(TEM)観察を実施した。TEM写真を図5に示す。粒子径は10〜20nmであった。
【0064】
(実施例1と比較例1のまとめ)
オレイルアミンを用いた比較例1で得られたCIGS粒子の炭素濃度は6.5質量%であったが、アンモニア溶媒を用いた実施例1で得られたCIS粒子の炭素濃度は僅か600ppmであり、本発明の製造方法によれば、炭素濃度の低減された化合物半導体粒子を製造できることが示された。
【0065】
本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【0066】
本発明の化合物半導体粒子を用いた化合物半導体粒子膜を光吸収層とする光電変換素子は、太陽電池、光センサ、イメージセンサ、及びフォトダイオード等の光電変換素子として利用できる。
【符号の説明】
【0067】
10 光電変換素子
11 基板
12 裏面電極層
13 光吸収層(化合物半導体膜)
14 バッファ層
15 透光性高抵抗層
16 透光性電極層
17、18 取出し電極

【特許請求の範囲】
【請求項1】
超臨界流体状態のアンモニア、又はアンモニアが溶存した液体溶媒からなるアンモニア溶媒(B)の存在下、最終組成のすべての構成金属元素を含む少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を化学反応させる化合物半導体粒子の製造方法。
【請求項2】
アンモニア溶媒(B)が超臨界流体状態のアンモニアである請求項1に記載の化合物半導体粒子の製造方法。
【請求項3】
アンモニアガスを含む雰囲気下、少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)を加熱及び加圧下で反応させる請求項1又は2に記載の化合物半導体粒子の製造方法。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかの化合物半導体粒子の製造方法により製造された化合物半導体粒子。
【請求項5】
下記一般式で表される少なくとも1種のカルコパイライト系化合物半導体(i)からなる請求項4に記載の化合物半導体粒子。
LMX(ここで、Lは少なくとも1種のIB族元素、Mは少なくとも1種のIIIB族、Xは少なくとも1種のVIB族を各々示す。)・・・(i)
【請求項6】
下記一般式で表される少なくとも1種のカルコパイライト系化合物半導体(ii)からなる請求項5に記載の化合物半導体粒子。
(L1)(M1)(X1)(ここで、L1はCu,Ag,及びAuからなる群より選ばれた少なくとも1種のIB族元素、M1はAl,Ga,及びInからなる群より選ばれた少なくとも1種のIIIB族、X1はS,Se,及びTeからなる群より選ばれた少なくとも1種のVIB族を各々示す。)・・・(ii)
【請求項7】
下記一般式で表される少なくとも1種のカルコパイライト系化合物半導体(iii)からなる請求項6に記載の化合物半導体粒子。
(L2)(M2)(X2)(ここで、L2はCuを含む少なくとも1種のIB族元素、M2はGa及び/又はInを含む少なくとも1種のIIIB族、X2はSeを含む少なくとも1種のVIB族を各々示す。)・・・(iii)
【請求項8】
Cu(In,Ga)Seである請求項7に記載の化合物半導体粒子。
【請求項9】
CuInSeである請求項7に記載の化合物半導体粒子。
【請求項10】
少なくとも1種の金属単体及び/又は金属化合物(A)が、ハロゲン化銅と、ハロゲン化インジウム及び/又はハロゲン化ガリウムと、セレン単体又はセレン化合物である請求項8又は9に記載の化合物半導体粒子。
【請求項11】
Cd,Zn,Pb,Ag,Sb,及びBiからなる群より選ばれた少なくとも1種と、S,Se,及びTeからなる群より選ばれた少なくとも1種とを含むカルコゲニドからなる化合物半導体である請求項4に記載の化合物半導体粒子。
【請求項12】
Zn,Ga,In,及びCdからなる群より選ばれた少なくとも1種と、P及びAsからなる群より選ばれた少なくとも1種とを含む化合物半導体である請求項4に記載の化合物半導体粒子。
【請求項13】
請求項4〜12のいずれかに記載の化合物半導体粒子を含む成膜用塗布剤を用意する工程(1)と、
基板上に、前記成膜用塗布剤を塗布して塗布膜を形成する工程(2)と、
前記塗布膜を焼成する工程(3)とを順次有する製造方法により製造された化合物半導体膜。
【請求項14】
請求項13に記載の化合物半導体膜からなる光吸収層と、
一対の電極とを備えた光電変換素子。
【請求項15】
請求項14記載の光電変換素子を備えた太陽電池。

【図1】
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【図2】
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【図4】
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【図3】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−51224(P2013−51224A)
【公開日】平成25年3月14日(2013.3.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−186650(P2011−186650)
【出願日】平成23年8月30日(2011.8.30)
【出願人】(000001085)株式会社クラレ (1,607)
【Fターム(参考)】