説明

III元素の膜への取り込みを促進して化合物I−III−VIの薄膜を製造する方法

本発明は、電着によって化合物CIGSの薄膜を製造する方法に関する。本発明によれば、ガリウムのCIGS膜への取り込みを促進するために、ドデシル硫酸ナトリウムなどの界面活性化合物が電解浴溶液に加えられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、特に太陽電池設計用の、薄膜の形のI−III−VI2型半導体の製造に関する。
【背景技術】
【0002】
CuIn(1-x)GaxSey(2-y)型(ただし、xは実質的に0〜1であり、yは実質的に0〜2である)のI−III−VI2化合物はきわめて有望と考えられており、次世代の薄膜光起電力セルの構成要素となる可能性がある。これらの化合物は1.05〜1.6eVの広い直接型バンドギャップを有し、それによって可視の太陽放射が強く吸収されるようになる。
【0003】
記録的な光起電力の変換効率は、小さい領域での蒸着によって薄膜を調製することにより達成されてきた。しかし、原材料が不均質であり、かつ利用度が低いという問題のため、蒸着を工業規模に適合させることは困難である。スパッタリングは広い領域により適しているが、きわめて高価な真空装置および前駆ターゲットを必要とする。
【0004】
したがって、実際には低コストの大気圧による代替技術が求められている。電気化学、特に電気分解による薄膜析出技術は、きわめて魅力的な代替形態であると思われる。この析出技術の利点は多数あるが、特に以下のことがあげられる。
【0005】
−電解浴中で周囲温度および周囲圧力において析出すること;
−高い均質性を有する広い領域の処理が可能であること;
−実施が容易であること;
−設備および原材料のコストが低いこと(特別な成形操作がなく、材料の利用度のレベルが高い);および
−基体上での析出物の局所的な性質により、可能な析出物の形がきわめて多様であること。
【0006】
当分野での広範囲にわたる研究にもかかわらず、直面する困難は、電着させる前駆体の性質(組成およびモフォロジ)をどのように制御するかに関連するものであり、より具体的には、電着電位がきわめて陰極性であるガリウムやアルミニウム(元素III)などの金属を挿入することの困難である。
【0007】
I−III−VI2化合物において、
−元素IはCuに対応し、
−元素IIIはIn、ならびにGaおよび/またはAlに対応し、
−元素VIはSeおよび/またはSに対応する
を以下では省略形CIGSで示す。
【0008】
さらに、「膜」という用語は、基体上に析出される薄層を意味するものと理解されたい。また「前駆体膜」という用語は、電気分解による析出後に任意選択の後続処理なしに直接得られる、全体的な組成がI−III−VI2に近い薄層を意味するものと理解されたい。
【0009】
(蒸着ステップを伴わない)CIGSの純粋な電着については、以下の文書に示されるように、前駆体のモフォロジおよび組成の制御がきわめて困難である。
【0010】
「One step electrodeposited CuIn1-xGaxSe2 thin films:structure and morphology」、M.Fahourme、F.Chraibi、M.Aggour、J.L.Delplancke、A.Ennaoui、M.Lux−Steiner、17th European photovoltaic Solar Energy Conference、2001年10月22〜26日、ミュンヘン、ドイツ;および、「CuIn1-xGaxSe2−based photovoltaic cells from electrodeposited precursor films」、Materials Research Society Symposium−Proceedings、668巻、2001、H8101〜H8106頁、R.N.Bhattacharya、Arturo M.Fernandes著。
【0011】
ごく最近の開発は、電着される膜のInおよびGaの含有量を高めるために、電着後の蒸着ステップを伴っている。こうした開発、特に、WO01/78154号明細書に記載されるものでは、電着は(四元合金を得るための)元素Cu、In、GaおよびSeの事実上の共析出であり、pH緩衝された電解浴中での析出による方法を採用している。緩衝溶液はスルファミン酸および重フタル酸カリウムからなり、pHydrion(登録商標)型の緩衝液を形成する。電着ステップと、その後に続く蒸着ステップを含むハイブリッド法を用いて光起電力セルを与えた電着膜は、低密度の樹脂状のモフォロジを有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、この状況を改善することを意図するものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
このために、電気化学によって薄膜の形のI−III−VIy化合物(ただしyは2に近い)を製造する方法であって、
−浴中に溶解させた少なくとも1種の元素III、および浴中に浸した少なくとも2つの電極を備えた電解浴を提供するステップと、
−一方の電極の表面でI−III−VIyの薄膜の形成を開始するために、2つの電極間に電位差を印加するステップとを含む方法を提案する。
【0014】
本発明によれば、電解浴は、元素IIIの前記膜への取り込みを促進するために、少なくとも1種の界面活性剤化合物をさらに含む。
【0015】
元素IIIがガリウムおよび/またはアルミニウムを含むと有利である。
【0016】
界面活性剤化合物は化学式CH3(CH2nO−SO3−X(ただし、nは5を超えるか、または5に等しく、XはH、Na、Li、Kなどの原子種である)を有することが好ましい。
【0017】
好ましい実施形態では、界面活性剤化合物はドデシル硫酸ナトリウムを含む。
【0018】
その代わりに、あるいはそれに加えて、界面活性剤化合物は、2−ブチン−1,4−ジオール、および/またはマレイン酸、および/またはコハク酸、および/またはフマル酸、および/またはクロトン酸を含む。
【0019】
電解浴中の界面活性剤の濃度は、ガリウムおよび/またはアルミニウムの濃度と実質的に同程度の大きさであることが好ましい。
【0020】
非限定的な例として示される実施形態についての以下の詳細な記載を読むと、またそれに付随する図面についての考察から、本発明の他の利点および特徴が明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
図1を参照すると、周囲圧力および周囲温度において、モリブデンMoで被覆されたガラス基体S上に適切な組成およびモフォロジの薄い前駆体膜を電着することにより、(元素IIIとしての)二セレン化銅およびインジウム−ガリウムの層COが得られている。
【0022】
この電着は、溶液中にインジウム塩、ガリウム塩、銅塩および酸化セレンを含み、刃Mによって撹拌される酸浴B(図2)を用いて実施される。これらの前駆体元素の濃度は10-4M〜10-2Mである(ただし、記号「M」は単位「モル毎リットル」に対応する)。溶液のpHは1〜4に固定される。
【0023】
−電着によってその上に薄膜が形成されるモリブデン電極Ca、および
−硫酸水銀参照電極REF
を含む3つの電極An、CaおよびREFは、浴Bに浸される。
【0024】
モリブデン電極に印加される電位差は、参照電極REFに対して−0.8〜−1.4Vである。
【0025】
0.5〜10mA/cm2の電流密度では、1〜4ミクロンの厚みを有する膜が得られる。
【0026】
決められた組成、溶液撹拌および電位差の条件下では、均質なモフォロジの密な付着膜を得ることが可能であり、その組成は以下の化学量論的組成に近い。すなわち、Cu(25%)、In+Ga(25+ε%)、およびSe(50%)であり、(In+Ga)/Cuの原子比率が1をわずかに超える。したがって、10×10cm2の領域に析出物を形成することが可能になる。
【0027】
しかし、CGIS薄膜を形成するためにガリウムを取り込むことにより、そのモフォロジとその組成の両方の観点からしばしば問題が引き起こされる。図3を参照すると、通常の条件下の電気分解によって形成される前駆体層COは表面に突起PRを呈し、これらは層表面の主平面に対してゼロではない角度αをなしている(図4)。特にその表面が粗い薄膜のこうしたモフォロジは、光の損失を制限するため、とりわけ局所的な短絡(またはシャント(分岐))を回避するためにできるだけ平行かつ平坦な境界面を必要とする光起電力セルの製造には適合しない。
【0028】
さらに、これらの析出物の体積組成はガリウムが不足しており(一般に5%未満)、どんな場合でも最初に所望されたものより少ない。
【0029】
WO01/78154号明細書で提案されているアプローチは、そのpHを確実に安定させ、その結果、形成されるCIGS層へのガリウム(析出電位が陰性である元素)の取り込みを促進するために、電解浴の酸性を制御することにある。このために、前述の文書は、pHの安定を確保するのに十分な濃度のスルファミン酸および重フタル酸カリウムを含む緩衝溶液を提供している。その場合、xが9%に近いCuIn(1-x)GaxSe2膜が得られる。
【0030】
他のアプローチとして、本発明は、CIGS膜を形成するために、1種または複数の界面活性剤添加剤を電解浴に加えることを提案する。後で好ましい実施形態を参照して理解されるように、本発明の方法を実施することによって得られるCuIn(1-x)GaxSe2膜は、満足のいくモフォロジ、および前述の9%という値に近い、またはそれをさらに超えるガリウムの割合xを有する。
【0031】
界面活性剤を浴に加えることによるこの膜の性質改善について考えられる1つの解釈は、下記のとおりである。すなわち、浴中において薄膜をその上に形成する電極Ca上で吸収されることによって働く界面活性剤化合物を加えると、形成される薄膜と浴の溶液との間の境界面での表面張力を緩和することが可能になる。したがって、セレンと結合したガリウムを薄膜内に取り込む反応のための活性化エネルギーが低下する。したがって、ガリウムが他の元素Cu、InおよびSeと混合することにより、膜の均質なモフォロジおよびガリウムを多く含む組成を得ることが可能になる。
【0032】
上述のことに加えて考えられる他の解釈は、使用される界面活性剤がさらに、電気分解で一般に観察される水素発生反応において阻害する役割を果たす可能性があるというものである。これによって、より陰極性の電位が印加されるようになり、したがってガリウムの取り込みが促進される。
【0033】
形成される膜の表面を平坦にすることを可能にする、添加された界面活性剤の水平化効果も注目される。
【0034】
しがたって本発明によれば、モフォロジを改善する、かつ/または電着される様々な元素(Cu−In−Ga−Se)の相対比を変更するために、1種または複数の界面活性剤添加剤が溶液に加えられる。その主要な役割がガリウムの前駆体層への挿入を助けることにあることが理解されよう。膜に挿入可能なガリウムの量は、(原子百分率で)0〜30%の範囲とすることができる。添加剤の濃度は10-5〜10-2Mの範囲とすることができる。
【0035】
界面活性剤添加剤として下記を用いた本発明の様々な実施形態を以下に示す。
【0036】
−ドデシル硫酸ナトリウム;
−2−ブチン−1,4−ジオール;
−コハク酸;
−フマル酸;および
−マレイン酸。
【0037】
好ましい実施形態「ドデシル硫酸ナトリウム」
前駆体元素および界面活性剤CH3(CH211OSO3Naの濃度が下記である酸浴から、典型的な析出物を生成させた。
【0038】
[CuSO4]=4.5×10-3
[In2(SO43]=2.5×10-3
[Ga2(SO43]=2.5×10-3
[H2SeO3]=7.5×10-3
[CH3(CH211OSO3Na]=20×10-3
固定電位、すなわち電極REFに対して−1.1Vでの陰極反応によって前駆体を析出させた。電流密度は−5mA/cm2であった。
【0039】
【表1】

【0040】
有利には、膜のモフォロジはきわめて均質であった。
【0041】
より一般的には、式CH3(CH2nO−SO3−Na(ただし、nは5を超えるか、または5に等しく、XはH、Na、Li、Kなどの原子種である)の界面活性剤の添加によって満足のいく結果が与えられたことが示される。
【0042】
第2の実施形態「2−ブチン−1,4−ジオール」
前駆体元素および界面活性剤HO−CH2−C≡C−CH2−OHの濃度が下記である酸浴から、典型的な析出物を生成させた。
【0043】
[CuSO4]=4.5×10-3
[In2(SO43]=2.5×10-3
[Ga2(SO43]=2.5×10-3
[H2SeO3]=7.5×10-3
[HO−CH2−C≡C−CH2−OH]=20×10-3
電極REFに対して−1.1Vに設定された電位での陰極反応によって前駆体を析出させた。電流密度は−5mA/cm2であった。
【0044】
【表2】

【0045】
膜のモフォロジはあまり均質ではなかった。ただし、膜の剥離は観察されなかった。
【0046】
本発明の第3の実施形態「マレイン酸」
前駆体元素および界面活性剤HO2C−CH=CH−CO2Hの濃度が下記である酸浴から、典型的な析出物を生成させた。
【0047】
[CuSO4]=4.5×10-3
[In2(SO43]=2.5×10-3
[Ga2(SO43]=2.5×10-3
[H2SeO3]=7.5×10-3
[HO2C−CH=CH−CO2H]=20×10-3
電極REFに対して−1.1Vに設定された電位での陰極反応によって前駆体を析出させた。電流密度は−5mA/cm2であった。
【0048】
【表3】

【0049】
膜のモフォロジは実質的に均質であった。
【0050】
第4の実施形態「コハク酸」
前駆体元素および界面活性剤HO2−CH2−CH2−CO2Hの濃度が下記である酸浴から、典型的な析出物を生成させた。
【0051】
[CuSO4]=4.5×10-3
[In2(SO43]=2.5×10-3
[Ga2(SO43]=2.5×10-3
[H2SeO3]=7.5×10-3
[HO2−CH2−CH2−CO2H]=20×10-3
電極REFに対して−1.1Vに設定された電位での陰極反応によって前駆体を析出させた。電流密度は−5mA/cm2であった。
【0052】
【表4】

【0053】
有利には、膜のモフォロジは均質であった。
【0054】
第5の実施形態「フマル酸」
前駆体元素および界面活性剤HO2−CH2−CH2−CO2Hの濃度が下記である酸浴から、典型的な析出物を生成させた。
【0055】
[CuSO4]=4.5×10-3
[In2(SO43]=2.5×10-3
[Ga2(SO43]=2.5×10-3
[H2SeO3]=7.5×10-3
[HO2−CH−CH−CO2H]=20×10-3
電極REFに対して−1.1Vに設定された電位での陰極反応によって前駆体を析出させた。電流密度は−5mA/cm2であった。
【0056】
【表5】

【0057】
膜のモフォロジは実質的に均質であった。
【0058】
より一般的には、本発明の趣旨の範囲内の添加剤は、以下の2種類から選択される界面活性剤化合物とすることができる。
【0059】
−その分子がX−SO3−YまたはZ−SO2−Z’基であって、
YはH、Na、Li、Kから選択され、
Xは、任意の数の炭素原子と共にヘテロ原子を含むことができる不飽和(エチレン、芳香族またはアセチレン)基、あるいはヘテロ原子を含むことができる飽和基であり、
ZおよびZ’は、ヘテロ原子(S、Nなど)を含むことができる飽和または不飽和基である)を含む界面活性剤化合物;ならびに、
−その分子が少なくとも1つの極性基、すなわち−OH−、COOH、−S(または他のヘテロ原子)、および/または(ヘテロ原子の有無にかかわらず)不飽和基、すなわちアルケン、アルキン、芳香族を有し、電着中に分子が吸収される化合物。
【0060】
2つの群の一方の化合物はそれぞれ、単独でまたは混合物として用いることができる。(少なくとも1つの不飽和基および少なくとも1つのSO2基を有する場合)同じ化合物が両方の群に属することもある。
【0061】
これらの界面活性剤化合物は、溶媒和の働きが浴の溶液に対してのみ作用する通常の有機溶媒とは異なることを指摘しておく。これらは、pHを安定させるために電解浴に導入される有機添加剤とも異なる。
【0062】
上述の界面活性剤化合物は、Cu−In−Ga−Al−Se−SなどI−III−VI系を電着させるために、任意の型の電解浴に容易に用いることができる。
【0063】
したがって、ガリウムを前駆体膜に挿入させる界面活性剤により、従来技術に関して記載した複数の困難(前駆体のモフォロジ、組成、特にガリウム含有量についての制御が不十分であること、および広い領域に拡張することの困難)を解決することが可能になる。
【0064】
もちろん、本発明は例示のために前述した実施形態に限定されず、むしろ他の変形形態にまで及ぶものである。
【0065】
したがって、元素IIIとしてのアルミニウムは、実質的にガリウムと同様のCu−In−Al−Se膜への取り込みの問題を引き起こすことが理解されよう。この点に関して、本発明はこうした膜の製造にも適用される。さらに、インジウムは通常、膜へのその取り込みを促進するために浴の溶液に過剰に導入され、元素IIIとしてセレンと結合する。界面活性剤の浴への添加が、元素IIIとしてのインジウムの膜への取り込みも促進するはずであることが指摘される。
【0066】
さらに、クロトン酸も界面活性剤添加剤として満足のいく結果をもたらしたことも指摘しておく。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】図1は、本発明の方法を実施することによって得られる薄膜を概略的に示す。
【図2】図2は、本発明の方法を実施するための電解浴を概略的に示す。
【図3】図3は、上述のことから理解される従来技術の薄膜の外観を概略的に示す。
【図4】図4は、形成される従来技術の薄膜の断面図を概略的に示す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
浴中に溶解させた少なくとも1種の元素III、および浴中に浸した少なくとも2つの電極を備えた電解浴を提供するステップと、
一方の電極の表面でI−III−VIyの薄膜の形成を開始するために、2つの電極間に電位差を印加するステップと、を含む、電気化学によって薄膜の形のI−III−VIy化合物(ただしyは2に近い)を製造する方法であって、
前記電解浴が、元素IIIの前記膜への取り込みを促進するために、少なくとも1種の界面活性剤化合物をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項2】
前記元素IIIがガリウムおよび/またはアルミニウムを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記界面活性剤化合物が化学式CH3(CH2nO−SO3−X(ただし、nは5を超えるか、または5に等しく、XはH、Na、Li、Kなどの原子種である)を有することを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の方法。
【請求項4】
前記界面活性剤化合物がドデシル硫酸ナトリウムを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記界面活性剤化合物が2−ブチン−1,4−ジオールを含むことを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記界面活性剤化合物がマレイン酸を含むことを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
前記界面活性剤化合物がコハク酸を含むことを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
前記界面活性剤化合物がフマル酸を含むことを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
前記界面活性剤化合物がクロトン酸を含むことを特徴とする請求項1および2のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
前記電解浴中の前記界面活性剤の濃度が、前記浴中のガリウムおよび/またはアルミニウムの濃度と実質的に同程度の大きさであることを特徴とする請求項2から9までの一項に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2006−512764(P2006−512764A)
【公表日】平成18年4月13日(2006.4.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−564303(P2004−564303)
【出願日】平成15年12月23日(2003.12.23)
【国際出願番号】PCT/FR2003/003887
【国際公開番号】WO2004/061924
【国際公開日】平成16年7月22日(2004.7.22)
【出願人】(500394214)エレクトリシテ ド フランス (ソシエテ アノニム) (2)
【氏名又は名称原語表記】ELECTRICITE DE FRANCE (SOCIETE ANONYME)
【出願人】(502155356)サントル ナショナル デ ラ ルシェルシュ シィアンティフィク (セ.エヌ.エール.エス.) (10)
【氏名又は名称原語表記】CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (C.N.R.S.)
【Fターム(参考)】