JP2008192542A - Manufacturing method of chalcopyrite nanoparticle and photoelectric conversion element - Google Patents

Manufacturing method of chalcopyrite nanoparticle and photoelectric conversion element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of producing high-quality chalcopyrite nanoparticles, with their size, composition, shape and crystal structure controlled, at a low cost. <P>SOLUTION: The manufacturing method of chalcopyrite nanoparticles shown in Ib group metal-IIIb group metal-VIb group element by mixing Ib group metal compound, IIIb group metal compound, and VIb group compound of the periodic table, in an organic solvent and forming nanoparticles, is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、カルコパイライトナノ粒子の製造方法と、カルコパイライトナノ粒子を用いた太陽電池を始めとする光電変換素子に関する。   The present invention relates to a method for producing chalcopyrite nanoparticles and a photoelectric conversion element including a solar cell using chalcopyrite nanoparticles.

近年、バルク物質とは異なった特異な物性から、ナノ材料が盛んに研究されている。半導体は、そのサイズがナノメートルオーダーになると、電子−正孔対(エキシトン)が狭い領域に閉じ込められる「量子閉じ込め効果」が観測されるようになる。その一例として、CdSを始めとする直接遷移型半導体ナノ粒子は、「量子ドット」と呼ばれ、粒子サイズにより発光波長及びバンドギャップが制御できることがよく知られている。また、電子線リソグラフィー等の方法を用いて、半導体超薄膜を一方向に切り刻み、線状の量子井戸構造が造られ、形状の伴った量子サイズ効果が得られることが知られている。このように、電子状態を制御できる半導体ナノ粒子は、次世代の発光材料、光学材料又はエネルギー変換材料への応用が期待されている。   In recent years, nanomaterials have been actively researched because of their unique properties different from bulk materials. When the size of a semiconductor is on the order of nanometers, a “quantum confinement effect” in which electron-hole pairs (excitons) are confined in a narrow region is observed. As an example, direct transition semiconductor nanoparticles such as CdS are called “quantum dots”, and it is well known that the emission wavelength and band gap can be controlled by the particle size. In addition, it is known that a semiconductor ultrathin film is cut in one direction by using a method such as electron beam lithography to form a linear quantum well structure, and a quantum size effect with a shape can be obtained. As described above, semiconductor nanoparticles capable of controlling an electronic state are expected to be applied to next-generation light-emitting materials, optical materials, or energy conversion materials.

光電変換材料としては、CdS、HgS、PbS、PbSeなどの化合物半導体が有力であるが、Hg、Cd、Pbなどの重金属類は欧州のRoHS指令などで使用が厳しく制限されており、これらの重金属を含まない材料の開発が強く望まれている。
一方、光電変換材料としてカルコパイライト系化合物も数多く提案されている。カルコパイライト系化合物は、そのバンドギャップが、CuInSで〜1.5eV、CuInSeで〜1eVと、太陽光とのマッチングが良く、また、光吸収係数が可視領域で〜10cm−1と非常に大きいため太陽電池の吸収層として非常に優れている。しかも、構成する元素は比較的無害なものであり、環境に調和した代替物質として、その光電変換材料への応用が期待されている。なかでも、これらの化合物がナノ粒子の形態で得られれば、光電変換素子等の素子の作成が容易になると考えられる。
As photoelectric conversion materials, compound semiconductors such as CdS, HgS, PbS, and PbSe are promising, but heavy metals such as Hg, Cd, and Pb are severely restricted by European RoHS directives, and these heavy metals There is a strong demand for the development of materials that do not contain.
On the other hand, many chalcopyrite compounds have been proposed as photoelectric conversion materials. The chalcopyrite-based compound has a band gap of ~ 1.5 eV for CuInS 2 and ~ 1 eV for CuInSe 2 and good matching with sunlight, and has a light absorption coefficient of 10 5 cm -1 in the visible region. Since it is very large, it is very excellent as an absorption layer for solar cells. In addition, the constituent elements are relatively innocuous, and are expected to be applied to photoelectric conversion materials as alternative materials in harmony with the environment. Especially, if these compounds are obtained in the form of nanoparticles, it is considered that creation of devices such as photoelectric conversion devices is facilitated.

従来のナノ粒子の作成法は、ブレイクダウン法(トップダウン法)とビルドアップ法(ボトムアップ法)とに大別される。ブレイクダウン法は、バルク物質を粉砕して微粒子とする方法であるが、粒子サイズはサブミクロンレベルが限界である。ビルドアップ法は、さらに固相法、気相法及び液相法の三種類に分類される。固相法は、製造過程に長時間を要し、粒子の凝集が著しく、サイズ制御が困難であるため、実用には不向きであり、主に気相法と液相法とが利用されている。気相法では、蒸気及び反応ガスの濃度とキャリアガス種の選択とにより、粒子サイズ、結晶構造等を制御できる上、純粋な組成のナノ粒子が得られるが、大量合成には向いていない、また、得られたナノ粒子が基板上にランダムに蓄積するため、ナノ粒子を秩序配列させてデバイスを形成することは困難である。一方、液相法は、大量生産が可能であること、またナノ粒子の自己組織化の利用によるデバイスの作成が可能となること等の利点がある(非特許文献1)。   Conventional methods for producing nanoparticles are roughly divided into a breakdown method (top-down method) and a build-up method (bottom-up method). The breakdown method is a method in which a bulk material is pulverized into fine particles, but the particle size is limited to the submicron level. The build-up method is further classified into three types: a solid phase method, a gas phase method, and a liquid phase method. The solid phase method takes a long time in the production process, and particle aggregation is remarkable and size control is difficult. Therefore, the solid phase method is not suitable for practical use, and the gas phase method and the liquid phase method are mainly used. . In the vapor phase method, the particle size, crystal structure, and the like can be controlled by selecting the concentration of vapor and reaction gas and the carrier gas type, and nanoparticles with a pure composition can be obtained, but they are not suitable for mass synthesis. In addition, since the obtained nanoparticles accumulate randomly on the substrate, it is difficult to form a device by arranging the nanoparticles in an ordered manner. On the other hand, the liquid phase method is advantageous in that it can be mass-produced and a device can be created by utilizing self-assembly of nanoparticles (Non-Patent Document 1).

液相法では、希薄溶液中での合成が古くから試みられており(均一液相合成)、初期における量子ドットの研究において多大な貢献をした。また、逆ミセルを利用したナノ粒子の合成も近年盛んに研究されており、単分散ナノ粒子が比較的大量に合成できることが示されている(逆ミセル法)。このような研究の流れの中で、BawendiやAlivissatosらのグループは、高温極性溶媒中で非常に単分散な半導体ナノ粒子を合成する方法を見出した(ホットソープ法)。この方法では、粒子の表面に吸着する界面活性剤が粒子成長の制御及び凝集防止をすることで、単分散なナノ粒子を得ることができる。このホットソープ法は、逆ミセル法とは異なり、非水溶媒中で合成を行うため、酸化等の影響が少なく、また界面活性剤が表面のダングリングボンドを不活性化するため、従来のナノ粒子に比べ非常に量子効率が高いということが特徴である。
しかし、ホットソープ法は、金属アルコキシド等の危険な原材料を用いることや、表面保護剤として用いられるTOP/TOPOが高価な上に腐食性も強いため、生産工程のスケールアップが非常に困難である(非特許文献2、3)という欠点があった。
In the liquid phase method, synthesis in a dilute solution has been tried for a long time (homogeneous liquid phase synthesis), and made a great contribution to the study of quantum dots in the early stage. In addition, the synthesis of nanoparticles using reverse micelles has been actively studied in recent years, and it has been shown that monodisperse nanoparticles can be synthesized in a relatively large amount (reverse micelle method). In such a research flow, the group of Bawendi and Alivissatos found a method for synthesizing very monodispersed semiconductor nanoparticles in a high-temperature polar solvent (hot soap method). In this method, the surfactant adsorbed on the surface of the particles controls particle growth and prevents aggregation, whereby monodispersed nanoparticles can be obtained. Unlike the reverse micelle method, this hot soap method is synthesized in a non-aqueous solvent, so it is less affected by oxidation and the like, and the surfactant inactivates dangling bonds on the surface. It is characterized by extremely high quantum efficiency compared to particles.
However, the hot soap method uses a dangerous raw material such as a metal alkoxide, and TOP / TOPO used as a surface protective agent is expensive and highly corrosive, so it is very difficult to scale up the production process. (Nonpatent literature 2, 3) There existed a fault.

カルコパイライト系化合物のナノ粒子の製造法については、非特許文献4、5においては、特殊な原材料“シングルプレカーサー”(PPhCuIn(SEt)を用いて高品位なカルコパイライトナノ粒子を合成しているが、組成制御の自由度がないという欠点を有する。非特許文献6においては、生成した粒子が粗大であり、またカルコパライト構造でない相(固溶体)が共存するという欠点がある。
一方、本発明者ら及びKorgelのグループは、銅前駆体とチオール化合物とを反応させて硫化銅ナノ粒子を得ており(非特許文献7、8)、また金属前駆体とチオール化合物とを反応させて硫化金属ナノ粒子を製造する方法を提案している(特許文献1)。
Regarding the method of producing nanoparticles of chalcopyrite compounds, in Non-Patent Documents 4 and 5, high-grade chalcopyrite nanoparticles are produced using a special raw material “single precursor” (PPh 3 ) 2 CuIn (SEt) 4. Although it is synthesized, it has a drawback that there is no freedom of composition control. Non-Patent Document 6 has the disadvantages that the generated particles are coarse and a phase (solid solution) that does not have a chalcopyrite structure coexists.
On the other hand, the inventors and the group of Korgel have obtained copper sulfide nanoparticles by reacting a copper precursor with a thiol compound (Non-patent Documents 7 and 8), and reacting a metal precursor with a thiol compound. And a method for producing metal sulfide nanoparticles is proposed (Patent Document 1).

奥村喜久夫,「ナノマテリアル最前線」,化学同人,2002年Kikuo Okumura, “The Forefront of Nanomaterials”, Chemistry Doujin, 2002 「ジャーナル オブ ザ アメリカン ケミカル ソサイアティー(J. Am. Chem. Soc.)」,1993年,第115巻,p.8706“Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.)”, 1993, 115, p. 8706 「ジャーナル オブ ザ アメリカン ケミカル ソサイアティー(J. Am. Chem. Soc.)」,1997年,第119巻,p.7019"Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.)", 1997, Vol. 119, p. 7019 「ザ ジャーナル オブ フィジカル ケミストリー B(J.Phys.Chem.B),2004年,第108巻,p.12429−12435"The Journal of Physical Chemistry B (J. Phys. Chem. B), 2004, Vol. 108, pp. 12429-12435. 「ナノ レターズ(Nano Lett.)」,2006年,第6巻,p.1218“Nano Letters”, 2006, Vol. 6, p. 1218 「ジャーナル オブ ザ アメリカン ケミカル ソサイアティー(J. Am. Chem. Soc.)」,2006年,第128巻,p.2520“Journal of the American Chemical Society”, 2006, Vol. 128, p. 2520 「ケミストリー レターズ(Chem. Lett.)」,2004年,第33巻,p.352−353“Chem. Lett.”, 2004, Vol. 33, p. 352-353 「ジャーナル オブ ザ アメリカン ケミカル ソサイアティー(J. Am. Chem. Soc.)」,2003年,第125巻,p.5638"Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.)", 2003, vol. 125, p. 5638 特開2005−325016号公報JP 2005-325016 A

上記したように、現状では、サイズが制御され、組成が制御され、形状が制御され、結晶構造が制御された高品位なカルコパイライトナノ粒子を安価に合成することは困難であった。
本発明者らは、さらに鋭意検討した結果、上記課題を解決した高品位なカルコパイライトナノ粒子を製造する方法を見出したものである。
As described above, at present, it has been difficult to inexpensively synthesize high-quality chalcopyrite nanoparticles with controlled size, controlled composition, controlled shape, and controlled crystal structure.
As a result of further intensive studies, the present inventors have found a method for producing high-quality chalcopyrite nanoparticles that solves the above problems.

すなわち、本発明は、周期律表第Ib族金属化合物、第IIIb族金属化合物、および第VIb族化合物を有機溶媒中で混合してナノ粒子を形成することを特徴とする第Ib族金属―第IIIb族金属―第VIb族元素で表わされるカルコパイライトナノ粒子の製造方法に関する。   That is, the present invention provides a group Ib metal-group characterized in that a group Ib metal compound, a group IIIb metal compound, and a group VIb compound in the periodic table are mixed in an organic solvent to form nanoparticles. It relates to a method for producing chalcopyrite nanoparticles represented by Group IIIb metal-Group VIb element.

また本発明は、周期律表第Ib族金属化合物と第VIb族化合物を有機溶媒中で混合し、第Ib族金属―第VIb族元素で表わされるナノ粒子を形成させ、しかる後、該ナノ粒子に第IIIb族金属をドープすることを特徴とする第Ib族金属―第IIIb族金属―第VIb族元素で表わされるカルコパイライトナノ粒子の製造方法に関する。   In addition, the present invention also includes mixing a Group Ib metal compound and a Group VIb compound in an organic solvent in an organic solvent to form nanoparticles represented by a Group Ib metal-Group VIb element, and then the nanoparticles. Further, the present invention relates to a method for producing chalcopyrite nanoparticles represented by a Group Ib metal-Group IIIb metal-Group VIb element, which is doped with a Group IIIb metal.

また本発明は、周期律表第Ib族金属化合物がCuまたはAgを含有する化合物であり、第IIIb族金属化合物がIn、GaまたはAlを含有する化合物であり、第VIb族化合物がSまたはSeを含有する化合物であることを特徴とする前記カルコパイライトナノ粒子の製造方法に関する。   In the present invention, the Group Ib metal compound of the periodic table is a compound containing Cu or Ag, the Group IIIb metal compound is a compound containing In, Ga or Al, and the Group VIb compound is S or Se. It is related with the manufacturing method of the said chalcopyrite nanoparticle characterized by the above-mentioned.

また本発明は、周期律表第Ib族金属化合物が銅塩または銅錯体であり、第VIb族化合物が硫黄を溶解したチオール化合物またはセレンを溶解したセレノール化合物であることを特徴とする前記カルコパイライトナノ粒子の製造方法に関する。   In the present invention, the chalcopyrite is characterized in that the Group Ib metal compound of the periodic table is a copper salt or a copper complex, and the Group VIb compound is a thiol compound in which sulfur is dissolved or a selenol compound in which selenium is dissolved. The present invention relates to a method for producing nanoparticles.

さらに本発明は、上記の方法で製造されたカルコパイライトナノ粒子を用いた光電変換素子に関する。   Furthermore, this invention relates to the photoelectric conversion element using the chalcopyrite nanoparticle manufactured by said method.

本発明により、従来の合成方法と比較して温和な条件で、サイズが制御され、組成が制御され、形状が制御され、結晶構造が制御された高品位なカルコパイライトナノ粒子を安価に合成することができ、得られるカルコパイライトナノ粒子は光電変換素子、その他の電子デバイスへ応用することができる。   According to the present invention, high-quality chalcopyrite nanoparticles whose size is controlled, composition is controlled, shape is controlled, and crystal structure is controlled under mild conditions as compared with conventional synthesis methods are inexpensively synthesized. The chalcopyrite nanoparticles obtained can be applied to photoelectric conversion elements and other electronic devices.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において、第Ib族金属―第IIIb族金属―第VIb族元素で表わされるカルコパイライトナノ粒子を製造する方法としては、以下で述べる2step合成法およびone―pot合成法の2つの方法を採用することができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the present invention, as the method for producing chalcopyrite nanoparticles represented by Group Ib metal-Group IIIb metal-Group VIb element, the following two methods, ie, the two-step synthesis method and the one-pot synthesis method are employed. can do.

先ず2step合成法について具体的に説明する。
2step合成法とは、周期律表第Ib族金属化合物と第VIb族化合物を有機溶媒中で混合し、第Ib族金属―第VIb族元素で表わされるナノ粒子を形成させ、しかる後、該ナノ粒子に第IIIb族金属をドープすることによりカルコパイライトナノ粒子を製造する方法である。
本発明においては、第VIb族元素としては、SまたはSeが好適に用いられる。以下、便宜上、第VIb族元素を硫黄として説明する。
First, the 2-step synthesis method will be specifically described.
In the 2step synthesis method, a group Ib metal compound and a group VIb compound in the periodic table are mixed in an organic solvent to form nanoparticles represented by a group Ib metal-group VIb element. This is a method for producing chalcopyrite nanoparticles by doping particles with Group IIIb metals.
In the present invention, S or Se is preferably used as the Group VIb element. Hereinafter, for convenience, the Group VIb element will be described as sulfur.

(1)第Ib族金属硫化物ナノ粒子の合成(Step1)
第Ib族金属ナノ粒子は第Ib族金属化合物と第VIb族化合物(以下、硫黄化合物で説明する。)を有機溶媒中で混合することにより合成する。
具体的には、第Ib族金属化合物としては、第Ib族金属−アミン錯体(前駆体金属錯体)が用いられる。また、硫黄化合物としては、硫黄を溶解したチオール化合物溶液(以下、「硫黄/チオール溶液」と呼ぶ。)が用いられる。この前駆体金属錯体と硫黄/チオール溶液とを混合することにより、第Ib族金属硫化物ナノ粒子を合成する。
(1) Synthesis of Group Ib metal sulfide nanoparticles (Step 1)
Group Ib metal nanoparticles are synthesized by mixing a Group Ib metal compound and a Group VIb compound (hereinafter described as a sulfur compound) in an organic solvent.
Specifically, a Group Ib metal-amine complex (precursor metal complex) is used as the Group Ib metal compound. As the sulfur compound, a thiol compound solution in which sulfur is dissolved (hereinafter referred to as “sulfur / thiol solution”) is used. Group Ib metal sulfide nanoparticles are synthesized by mixing the precursor metal complex and a sulfur / thiol solution.

上記前駆体金属錯体は、目的の金属(第Ib族金属)を含有する金属塩とアミン化合物とをエーテル化合物、トルエン、ヘキサン等の溶媒中で接触させたり、あるいはアミン化合物自体を溶媒としてアミン化合物の中に直接金属塩を加えたりすることにより調製することができる。
金属塩とアミン化合物との反応で、金属−アミン錯体(前駆体金属錯体)が形成される。
The precursor metal complex is prepared by bringing a metal salt containing a target metal (Group Ib metal) into contact with an amine compound in a solvent such as an ether compound, toluene, hexane, or the amine compound itself as a solvent. It can be prepared by adding a metal salt directly to the inside.
A metal-amine complex (precursor metal complex) is formed by the reaction between the metal salt and the amine compound.

本発明において、第Ib族金属塩としては、特にCuまたはAgの化合物が好ましく用いられ、かかる金属の酢酸塩、アセチルアセトナート塩、金属ハロゲン化物、硫酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、塩酸塩、過塩素酸塩、酸化物、有機酸塩等が好ましく、なかでも酢酸塩、アセチルアセトナート塩が特に好ましい。具体的には、酢酸銅、銅アセチルアセトナート、酢酸銀、銀アセチルアセトナート等を挙げることができる。   In the present invention, as the Group Ib metal salt, a compound of Cu or Ag is particularly preferably used, and acetate, acetylacetonate, metal halide, sulfate, nitrate, perchlorate, hydrochloride of such metal are used. Perchlorate, oxide, organic acid salt and the like are preferable, and acetate and acetylacetonate are particularly preferable. Specific examples include copper acetate, copper acetylacetonate, silver acetate, and silver acetylacetonate.

この金属−アミン錯体に硫黄/チオール溶液を反応させて硫化することにより硫化金属ナノ粒子が得られる。
硫黄/チオール溶液は、硫黄とチオール化合物を混合して調製される。硫黄はチオール化合物に溶解する際、下記式(1)の反応式(Rはアルキル基である。)の下、チオール化合物の還元能により硫化水素となり、目的とする硫化金属ナノ粒子の硫黄源となる。
S+2RSH→(RSH)2S→H2S+RSSR (1)
Metal sulfide nanoparticles can be obtained by reacting this metal-amine complex with a sulfur / thiol solution and sulfiding.
The sulfur / thiol solution is prepared by mixing sulfur and a thiol compound. When sulfur is dissolved in the thiol compound, it becomes hydrogen sulfide by the reducing ability of the thiol compound under the reaction formula (R) below (1), and the sulfur source of the target metal sulfide nanoparticles Become.
S + 2RSH → (RSH) 2 S → H 2 S + RSSR (1)

チオール化合物は、炭素数3〜20のアルキル基、炭素数6〜14のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、又は窒素、硫黄及び酸素から選ばれる1種以上を含む複素環基から選ばれる官能基を有し得る。チオール化合物は、硫黄の還元剤として機能する以外に、表面保護剤としても機能する。   The thiol compound is selected from an alkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms, or a heterocyclic group containing at least one selected from nitrogen, sulfur and oxygen. Functional groups may be present. In addition to functioning as a sulfur reducing agent, the thiol compound also functions as a surface protecting agent.

アルキル基を有するチオール化合物としては、具体的には、エタンチオール、1−プロパンチオール、2−プロパンチオール、1−ブタンチオール、2−ブタンチオール、1−ペンタンチオール、オクタンチオール、デカンチオール、ドデカンチオール、ペンタデカンチオール等を挙げることができる。また、チオール部を複数有するジチオール、トリチオール等も使用できる。
アリール基を有するチオール化合物としては、具体的には、チオフェノール、2−ナフタレンチオール、3−ナフタレンチオール、ジメチルベンゼンチオール、エチルベンゼンチオール等を挙げることができる。また、チオール部を複数有するジチオール、トリチオール等も使用できる。
アラルキル基を有するチオール化合物としては、具体的には、ベンジルチオール、2−フェニルエタンチオール、3−フェニルプロピルチオール等を挙げることができる。また、チオール部を複数有するジチオール、トリチオール等も使用できる。
Specific examples of the thiol compound having an alkyl group include ethanethiol, 1-propanethiol, 2-propanethiol, 1-butanethiol, 2-butanethiol, 1-pentanethiol, octanethiol, decanethiol, and dodecanethiol. And pentadecanethiol. Moreover, dithiol, trithiol, etc. which have two or more thiol parts can also be used.
Specific examples of the thiol compound having an aryl group include thiophenol, 2-naphthalenethiol, 3-naphthalenethiol, dimethylbenzenethiol, and ethylbenzenethiol. Moreover, dithiol, trithiol, etc. which have two or more thiol parts can also be used.
Specific examples of the thiol compound having an aralkyl group include benzylthiol, 2-phenylethanethiol, and 3-phenylpropylthiol. Moreover, dithiol, trithiol, etc. which have two or more thiol parts can also be used.

複素環基を有するチオール化合物としては、具体的には、2−メルカプトピリジン、4−メルカプトピリジン、2−メルカプトピリミジン、2−メルカプトイミダゾール、2−メルカプトベンズイミダゾール、2−メルカプトベンゾチアゾール等を挙げることができる。また、チオール部を複数有するジチオール、トリチオール等も使用できる。
以上挙げたチオール化合物の中で、アルキル基を有するチオール化合物が好ましく用いられ、特に好ましくはアルキル基の炭素数が6以上のチオール化合物が用いられる。
Specific examples of the thiol compound having a heterocyclic group include 2-mercaptopyridine, 4-mercaptopyridine, 2-mercaptopyrimidine, 2-mercaptoimidazole, 2-mercaptobenzimidazole, 2-mercaptobenzothiazole and the like. Can do. Moreover, dithiol, trithiol, etc. which have two or more thiol parts can also be used.
Among the thiol compounds listed above, a thiol compound having an alkyl group is preferably used, and a thiol compound having an alkyl group having 6 or more carbon atoms is particularly preferably used.

チオール化合物に硫黄を溶解させる方法としては、硫黄の溶解を促進するため、混合後加熱攪拌を行うのが好ましい。反応時間は10分〜1時間程度で、反応温度によって任意に設定できる。反応温度は、室温から200℃、好ましくは50℃〜150℃の範囲である。   As a method for dissolving sulfur in the thiol compound, it is preferable to perform heating and stirring after mixing in order to promote dissolution of sulfur. The reaction time is about 10 minutes to 1 hour, and can be arbitrarily set depending on the reaction temperature. The reaction temperature ranges from room temperature to 200 ° C, preferably 50 ° C to 150 ° C.

本発明においては、上記前駆体金属錯体と硫黄/チオール溶液とを有機溶媒中で混合する。このとき、前駆体金属錯体と硫黄/チオール溶液との混合比は、特に限定されないが、金属と硫黄との原子比が目的とする硫化金属ナノ粒子となるように混合するのが好ましい。   In the present invention, the precursor metal complex and the sulfur / thiol solution are mixed in an organic solvent. At this time, the mixing ratio of the precursor metal complex and the sulfur / thiol solution is not particularly limited, but the mixing is preferably performed so that the atomic ratio of metal to sulfur is the target metal sulfide nanoparticles.

使用できる溶媒としては、エーテル類、アルコール類、ハロゲン化物、炭化水素、芳香族類(トルエンやベンゼン)、アミン類等が挙げられる。反応温度は、0℃以上、好ましくは室温以上であり、300℃以下、好ましくは200℃以下である。
反応温度によって、粒子サイズをコントロールすることができる。また、同様に粒子の形状をコントロールすることもできる。一般的には、反応温度を高温にすると、初期過程の金属−チオール錯体の形成が早くなり、核となる量が増加するため、最終的に形成されるナノ粒子のサイズは小さくなる傾向にある。
Examples of the solvent that can be used include ethers, alcohols, halides, hydrocarbons, aromatics (toluene and benzene), amines, and the like. The reaction temperature is 0 ° C or higher, preferably room temperature or higher, 300 ° C or lower, preferably 200 ° C or lower.
The particle size can be controlled by the reaction temperature. Similarly, the shape of the particles can be controlled. In general, when the reaction temperature is increased, the formation of the metal-thiol complex in the initial process is accelerated and the amount of the core increases, so that the size of the finally formed nanoparticles tends to decrease. .

(2)第Ib族金属硫化物ナノ粒子への第IIIb族金属のドープ(Step2)
次に、上記により得られた第Ib族金属硫化物ナノ粒子に第IIIb族金属をドープすることにより、本発明のカルコパイライトナノ粒子を製造する。
まず、第IIIb族金属塩とチオール化合物を有機溶媒中で混合し、不活性ガス雰囲気下で攪拌しながら所定時間加温して均一溶液とする(以後、溶液Aと呼ぶ)。ここで、チオール化合物としては、前述したものと同様のものを用いることができる。また有機溶媒も前述したものと同様のものが用いられる。
次いで、前記Step1で得られた第Ib族金属硫化物ナノ粒子を有機溶媒中に分散して硫化物ナノ粒子分散液(以後、分散液Bと呼ぶ。)を得る。得られた分散液Bを溶液Aに加えて攪拌混合する。
(2) Doping of Group IIIb metal into Group Ib metal sulfide nanoparticles (Step 2)
Next, the group Ib metal sulfide nanoparticles obtained above are doped with a group IIIb metal to produce the chalcopyrite nanoparticles of the present invention.
First, a Group IIIb metal salt and a thiol compound are mixed in an organic solvent, and heated for a predetermined time with stirring in an inert gas atmosphere to obtain a uniform solution (hereinafter referred to as Solution A). Here, as a thiol compound, the thing similar to what was mentioned above can be used. In addition, the same organic solvent as described above is used.
Next, the Group Ib metal sulfide nanoparticles obtained in Step 1 are dispersed in an organic solvent to obtain a sulfide nanoparticle dispersion (hereinafter referred to as Dispersion B). The obtained dispersion B is added to solution A and mixed with stirring.

溶液Aと分散液Bの混合比は、目的とするカルコパイライトナノ粒子の元素比となるように第Ib族金属硫化物ナノ粒子と第IIIb族金属塩を仕込めば良く、溶液Aおよび分散液Bの濃度により任意に調整可能である。   The mixing ratio of the solution A and the dispersion B may be charged with the group Ib metal sulfide nanoparticles and the group IIIb metal salt so that the element ratio of the target chalcopyrite nanoparticles is obtained. It can be arbitrarily adjusted according to the concentration of.

溶液Aと分散液Bを攪拌混合する際、混合温度は特に限定されないが、通常、室温以上、好ましくは100℃以上であり、また、300℃以下、好ましくは260℃以下である。混合時間は特に限定されないが、通常0.5〜2時間である。
上記の反応を行うことにより、溶液B中の第Ib族金属硫化物ナノ粒子がアニーリングされ、また、第IIIb族金属が、第Ib族金属硫化物ナノ粒子にドープされ、目的とするカルコパイライトナノ粒子が得られる。得られたカルコパイライトナノ粒子を反応液から分離する方法は特に限定されず、通常、エタノール等を加えて凝集させたのち、遠心分離法により回収する方法が好ましく採用される。
When stirring and mixing the solution A and the dispersion B, the mixing temperature is not particularly limited, but is usually room temperature or higher, preferably 100 ° C. or higher, and 300 ° C. or lower, preferably 260 ° C. or lower. The mixing time is not particularly limited, but is usually 0.5 to 2 hours.
By performing the above reaction, the Group Ib metal sulfide nanoparticles in the solution B are annealed, and the Group IIIb metal is doped into the Group Ib metal sulfide nanoparticles, so that the target chalcopyrite nanoparticle is obtained. Particles are obtained. The method for separating the obtained chalcopyrite nanoparticles from the reaction solution is not particularly limited. Usually, a method of adding ethanol or the like to agglomerate and then recovering by centrifugation is preferably employed.

第IIIb族金属としては、Al、Ga、In等が挙げられ、特にGa、Inが好ましい。
また、第IIIb族金属塩としては特に限定さないが、酢酸塩、アセチルアセトナート塩、金属ハロゲン化物、硫酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、塩酸塩、過塩素酸塩、酸化物、有機酸塩、水素化物等が挙げられ、なかでも酢酸塩、アセチルアセトナート塩が好ましい。
第IIIb族金属塩の具体例としては、酢酸インジウム、酢酸ガリウム、酢酸アルミニウム、インジウムアセチルアセトナート、ガリウムアセチルアセトナート、アルミニウムアセチルアセトナート、水素化アルミニウムリチウム(LiAlH)等が挙げられ、このうち酢酸インジウム、インジウムアセチルアセトナートが特に好ましい。
Examples of the Group IIIb metal include Al, Ga, and In, and Ga and In are particularly preferable.
Further, the group IIIb metal salt is not particularly limited, but acetate, acetylacetonate salt, metal halide, sulfate, nitrate, perchlorate, hydrochloride, perchlorate, oxide, organic acid Examples thereof include salts and hydrides. Among them, acetate and acetylacetonate are preferable.
Specific examples of the Group IIIb metal salt include indium acetate, gallium acetate, aluminum acetate, indium acetylacetonate, gallium acetylacetonate, aluminum acetylacetonate, lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), etc. Indium acetate and indium acetylacetonate are particularly preferred.

以上は、第VIb族として硫黄をもって便宜上説明したが、同様にしてセレンも好適に用いることができる。第VIb族化合物としては、セレンを溶解したセレノール化合物が用いられる。
セレノール化合物としては、具体的には、ベンゼンセレノール、ブタンセレノール、ヘキサンセレノール等を挙げることができる。
Although the above has been described for convenience with sulfur as the VIb group, selenium can also be suitably used in the same manner. As the Group VIb compound, a selenol compound in which selenium is dissolved is used.
Specific examples of the selenol compound include benzene selenol, butane selenol, hexane selenol and the like.

以上の2step合成法により、本発明のカルコパイライトナノ粒子を製造することができる。
本発明のカルコパイライトナノ粒子のサイズ、形状、組成(第Ib族金属/第IIIb族金属モル比)、結晶構造は、通常、ステップ1で合成された第Ib族金属硫化物ナノ粒子のサイズ、形状、組成、結晶構造の影響を受け、特に、第Ib族金属硫化物ナノ粒子の組成に大きく影響を受ける。
また、本発明のカルコパイライトナノ粒子の組成(第Ib族金属/第IIIb族金属モル比)、結晶構造は、溶液Aと分散液Bの反応条件、すなわち、第Ib族金属/第IIIb族金属仕込みモル比、アニーリング温度(混合温度)の影響を受ける。
The chalcopyrite nanoparticles of the present invention can be produced by the above two-step synthesis method.
The size, shape, composition (group Ib metal / group IIIb metal molar ratio) and crystal structure of the chalcopyrite nanoparticles of the present invention are usually the size of the group Ib metal sulfide nanoparticles synthesized in step 1, It is influenced by the shape, composition, and crystal structure, and particularly greatly influenced by the composition of the Group Ib metal sulfide nanoparticles.
Further, the composition (group Ib metal / group IIIb metal molar ratio) and crystal structure of the chalcopyrite nanoparticles of the present invention are the reaction conditions of the solution A and the dispersion B, that is, the group Ib metal / group IIIb metal. It is affected by the charged molar ratio and annealing temperature (mixing temperature).

2step合成法で得られるカルコパイライトナノ粒子の組成としては、CuIn、CuInSe、CuGay、CuxGaySe、CuAl(式中、x+y=2、0<x<2、0<y<2の範囲の数)、CuIn1-XGa,CuIn1-XGaSe、CuIn等が挙げられる。 The composition of the resultant chalcopyrite nanoparticles 2step synthesis, Cu x In y S 2, Cu x In y Se 2, Cu x Ga y S 2, Cu x Ga y Se 2, Cu x Al y S 2 ( wherein, x + y = 2,0 <x <2,0 < number in the range of y <2), CuIn 1- X Ga X S 2, CuIn 1-X Ga X Se 2, CuIn 5 S 8 etc. Can be mentioned.

次に、one―pot合成法について説明する。
one―pot合成法は、第Ib族金属化合物、第IIIb族金属化合物、および第VIb族化合物を有機溶媒中で混合してナノ粒子を形成する方法である。混合は、通常、不活性ガス雰囲気下で行う。
このときの混合温度、混合時間は、特に限定されないが、通常、混合液を約100℃まで加温し、0.5〜2時間攪拌し、次に該混合液をさらに200〜300℃まで加温し、0.5〜2時間攪拌することにより目的とするカルコパイライトナノ粒子を得ることができる。得られたカルコパイライトナノ粒子を反応液から分離する方法は特に限定はされず、通常、エタノール等を加えて凝集させたのち、遠心分離方法により回収する方法が挙げられる。
Next, the one-pot synthesis method will be described.
The one-pot synthesis method is a method of forming nanoparticles by mixing a Group Ib metal compound, a Group IIIb metal compound, and a Group VIb compound in an organic solvent. Mixing is usually performed in an inert gas atmosphere.
The mixing temperature and mixing time at this time are not particularly limited. Usually, the mixed solution is heated to about 100 ° C., stirred for 0.5 to 2 hours, and then the mixed solution is further heated to 200 to 300 ° C. The target chalcopyrite nanoparticles can be obtained by heating and stirring for 0.5 to 2 hours. A method for separating the obtained chalcopyrite nanoparticles from the reaction solution is not particularly limited, and there is usually a method in which ethanol or the like is added to agglomerate and then collected by a centrifugation method.

第Ib族金属化合物としては、第Ib族金属塩が用いられ、当該金属の酢酸塩、アセチルアセトナート塩、金属ハロゲン化物、硫酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、塩酸塩、過塩素酸塩、酸化物、有機酸塩等が挙げられ、なかでも酢酸塩、アセチルアセトナート塩が好ましい。第Ib族金属塩の具体例としては、酢酸銅、銅アセチルアセトナート、酢酸銀、銀アセチルアセトナート等を挙げることができる。   As the Group Ib metal compound, a Group Ib metal salt is used, and acetate, acetylacetonate salt, metal halide, sulfate, nitrate, perchlorate, hydrochloride, perchlorate of the metal, Examples thereof include oxides and organic acid salts, and acetate salts and acetylacetonate salts are particularly preferable. Specific examples of the Group Ib metal salt include copper acetate, copper acetylacetonate, silver acetate, silver acetylacetonate and the like.

第IIIb族金属化合物としては、第IIIb族金属塩が用いられ、当該金属の酢酸塩、アセチルアセトナート塩、金属ハロゲン化物、硫酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、塩酸塩、過塩素酸塩、酸化物、有機酸塩等が挙げられ、なかでも酢酸塩、アセチルアセトナート塩が好ましい。第IIIb族金属塩の具体例としては、酢酸インジウム、酢酸ガリウム、酢酸アルミニウム、インジウムアセチルアセトナート、ガリウムアセチルアセトナート、アルミニウムアセチルアセトナート等、またはこれらの1〜3種類の混合物が挙げられ、酢酸インジウム、インジウムアセチルアセトナートが好ましい例として挙げられる。   As the Group IIIb metal compound, a Group IIIb metal salt is used, and acetate, acetylacetonate salt, metal halide, sulfate, nitrate, perchlorate, hydrochloride, perchlorate of the metal, Examples thereof include oxides and organic acid salts, and acetate salts and acetylacetonate salts are particularly preferable. Specific examples of the Group IIIb metal salt include indium acetate, gallium acetate, aluminum acetate, indium acetylacetonate, gallium acetylacetonate, aluminum acetylacetonate, etc., or a mixture of 1 to 3 thereof, and acetic acid. Preferable examples include indium and indium acetylacetonate.

第VIb族元素としてはS、Seが挙げられ、第VIb族元素化合物としては、チオール類、セレノール類が挙げられ、アルカンチオール、セレノールが好ましい例として挙げられる。   Examples of the Group VIb element include S and Se. Examples of the Group VIb element compound include thiols and selenols. Preferred examples include alkanethiol and selenol.

また溶媒に用いる有機溶媒としては、特に限定されないが、低配位性溶媒が好ましく、エーテル類、アルコール類、ハロゲン化物、炭化水素、芳香族類(トルエンやベンゼン)、アミン類等が挙げられる。   The organic solvent used for the solvent is not particularly limited, but a low-coordinating solvent is preferable, and examples thereof include ethers, alcohols, halides, hydrocarbons, aromatics (toluene and benzene), amines, and the like.

以上のone−pot合成法により、本発明のカルコパイライトナノ粒子を製造することができる。
本発明においては、カルコパイライトナノ粒子の第Ib族金属/第IIIb族金属の原子比は、第Ib族金属塩/第IIIb族金属塩/第VIb族元素の仕込みモル比に支配される。
one―pot合成方法で得られるカルコパイライトナノ粒子の組成としては、CuIn、CuInSe、CuGa、CuGaSe、CuAl(式中、x+y=2、0<x<2、0<y<2の範囲の数)、CuIn1−XGa,CuIn1−XGaSe、CuIn等が挙げられる。
The chalcopyrite nanoparticles of the present invention can be produced by the above one-pot synthesis method.
In the present invention, the atomic ratio of Group Ib metal / Group IIIb metal of chalcopyrite nanoparticles is governed by the charged molar ratio of Group Ib metal salt / Group IIIb metal salt / Group VIb element.
The composition of the resultant chalcopyrite nanoparticles one-pot synthesis method, Cu x In y S 2, Cu x In y Se 2, Cu x Ga y S 2, Cu x Ga y Se 2, Cu x Al y S 2 (wherein, x + y = 2,0 <x <2,0 <y < number 2 range), CuIn 1-X Ga X S 2, CuIn 1-X Ga X Se 2, CuIn 5 S 8 etc. Can be mentioned.

本発明の光電変換素子は、上記で得られたカルコパイライトナノ粒子を酸化チタン等の半導体層上に吸着させた電極を用いることを特徴とする。   The photoelectric conversion device of the present invention is characterized by using an electrode in which the chalcopyrite nanoparticles obtained above are adsorbed on a semiconductor layer such as titanium oxide.

本発明の光電変換素子の具体例である太陽電池について説明する。太陽電池の例としては、例えば、図1に示す断面を有する素子を挙げることができる。
この素子は、透明導電性基板1上に光吸収剤として働く硫化金属ナノ粒子を吸着させた半導体層3が配置され、半導体層3と対向電極基板2の間に電解質層4が配置され、周辺がシール材5で密封されている。なお、リード線は透明導電性基板1と対向電極基板2との導電部分に接続され、電力を取り出すことができる。
A solar cell which is a specific example of the photoelectric conversion element of the present invention will be described. As an example of a solar cell, the element which has the cross section shown in FIG. 1 can be mentioned, for example.
In this element, a semiconductor layer 3 in which metal sulfide nanoparticles that act as a light absorber are adsorbed is disposed on a transparent conductive substrate 1, and an electrolyte layer 4 is disposed between the semiconductor layer 3 and the counter electrode substrate 2. Is sealed with a sealing material 5. Note that the lead wire is connected to the conductive portion of the transparent conductive substrate 1 and the counter electrode substrate 2 so that electric power can be taken out.

透明導電性基板1は、通常、透明基板上に透明電極層を積層させて製造される。透明基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、無色あるいは有色の透明性を有する樹脂でも良い。かかる樹脂としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテン等が挙げられる。なお、本発明における透明とは、10〜100%の透過率を有することである。また、本発明における基板とは、常温において平滑な面を有するものであり、その面は平面あるいは曲面であってもよく、また応力によって変形するものであってもよい。   The transparent conductive substrate 1 is usually manufactured by laminating a transparent electrode layer on a transparent substrate. The transparent substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose.For example, colorless or colored glass, netted glass, glass blocks, etc. are used. A colorless or colored resin having transparency may be used. Specific examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. Etc. In addition, the transparency in this invention is having the transmittance | permeability of 10 to 100%. Moreover, the board | substrate in this invention has a smooth surface at normal temperature, The surface may be a plane or a curved surface, and may deform | transform by stress.

また、電極の導電層を形成する透明導電膜としては、本発明の目的を果たすものである限り特に限定されなく、例えば、金、銀、クロム、銅、タングステン等の金属薄膜、金属酸化物からなる導電膜等が挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化錫や酸化亜鉛に、他の金属元素を微量ドープしたIndium Tin Oxide(ITO(In23:Sn))、Fluorine doped Tin Oxide(FTO(SnO2:F))、Aluminum doped Zinc Oxide(AZO(ZnO:Al))等が好適なものとして用いられる。
膜厚は、通常10nm〜10μm、好ましくは100nm〜2μmである。また、表面抵抗(抵抗率)は、本発明の基板の用途により適宜選択されるところであるが、通常、0.5〜500Ω/sq、好ましくは2〜50Ω/sqである。
Further, the transparent conductive film for forming the conductive layer of the electrode is not particularly limited as long as it fulfills the object of the present invention. For example, a metal thin film such as gold, silver, chromium, copper, tungsten, or a metal oxide is used. And a conductive film. Examples of the metal oxide include Indium Tin Oxide (ITO (In 2 O 3 : Sn)) obtained by doping a small amount of other metal elements with tin oxide or zinc oxide, or Fluorine doped Tin Oxide (FTO (SnO 2 : F)). ), Aluminum doped Zinc Oxide (AZO (ZnO: Al)) and the like are preferably used.
The film thickness is usually 10 nm to 10 μm, preferably 100 nm to 2 μm. The surface resistance (resistivity) is appropriately selected depending on the use of the substrate of the present invention, but is usually 0.5 to 500 Ω / sq, preferably 2 to 50 Ω / sq.

対向電極基板2の電極としては、通常、白金、カーボン電極等を用いることができる。対向電極基板2の材質は、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、無色あるいは有色の透明性を有する樹脂でも良い。具体的には、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテン等が挙げられる。また、金属プレート等を基板として用いることもできる。   As an electrode of the counter electrode substrate 2, platinum, a carbon electrode, etc. can be normally used. The material of the counter electrode substrate 2 is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose. For example, colorless or colored glass, meshed glass, glass block, or the like is used. In addition, a colorless or colored resin having transparency may be used. Specifically, polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, polymethylpentene, and the like can be given. Moreover, a metal plate etc. can also be used as a board | substrate.

太陽電池において用いられる半導体層3としては、特に限定されないが、例えば、TiO2、ZnO、SnO2、Nb25からなる層等が挙げられ、なかでもTiO2、ZnOからなる層が好ましい。半導体は単結晶でも多結晶でも良い。結晶系としては、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型等が主に用いられるが、好ましくはアナターゼ型である。
半導体層3の形成には公知の方法を用いることができる。半導体層3の形成方法としては、上記半導体のナノ粒子分散液、ゾル溶液等を公知の方法により基板上に塗布することで得ることができる。この場合の塗布方法としては、特に限定されず、キャスト法による薄膜状態で得る方法、スピンコート法、ディップコート法、バーコート法の他、スクリーン印刷法を初めとした各種の印刷方法を挙げることができる。
半導体層3の厚みは任意であるが、通常0.5μm以上50μm以下、好ましくは1μm以上20μm以下である。
As the semiconductor layer 3 used in the solar cell is not particularly limited, for example, TiO 2, ZnO, such as a layer made of SnO 2, Nb 2 O 5 and the like, the layer preferably consists of among others TiO 2, ZnO. The semiconductor may be single crystal or polycrystalline. As the crystal system, anatase type, rutile type, brookite type and the like are mainly used, and anatase type is preferable.
A known method can be used to form the semiconductor layer 3. As a formation method of the semiconductor layer 3, it can obtain by apply | coating the said semiconductor nanoparticle dispersion liquid, a sol solution, etc. on a board | substrate by a well-known method. The coating method in this case is not particularly limited, and examples thereof include various printing methods including a screen printing method, in addition to a method obtained in a thin film state by a casting method, a spin coating method, a dip coating method, and a bar coating method. Can do.
The thickness of the semiconductor layer 3 is arbitrary, but is usually 0.5 μm or more and 50 μm or less, preferably 1 μm or more and 20 μm or less.

本発明においては、上記半導体層3の上にカルコパイライトナノ粒子層を配置する。半導体層3の上にカルコパイライトナノ粒子層を配置する方法としては、特に限定はされないが、カルコパイライトナノ粒子を溶媒に分散させた懸濁液中に、導電性ガラス基板上に半導体層3を配置した積層物を浸漬し、吸着させることが通常行われる。好ましくは、吸着後、乾燥又は焼成する。乾燥は、通常、室温〜200℃程度で行われ、焼成は、残存するアルキル基等の炭素源を除去するため、300℃以上、好ましくは300〜500℃で焼成される。また焼成時間は20分〜2時間程度である。   In the present invention, a chalcopyrite nanoparticle layer is disposed on the semiconductor layer 3. A method for disposing the chalcopyrite nanoparticle layer on the semiconductor layer 3 is not particularly limited, but the semiconductor layer 3 is placed on a conductive glass substrate in a suspension in which chalcopyrite nanoparticles are dispersed in a solvent. It is common practice to immerse and adsorb the placed laminate. Preferably, after adsorption, drying or baking. The drying is usually performed at room temperature to about 200 ° C., and the baking is performed at 300 ° C. or more, preferably 300 to 500 ° C. in order to remove the remaining carbon source such as an alkyl group. The firing time is about 20 minutes to 2 hours.

本発明において用いられる電解質層4としては、特に限定されず、液体系でも固体系のいずれでもよく、可逆な電気化学的酸化還元特性を示すものが望ましい。ここで、可逆な電気化学的酸化還元特性を示すということは、光電変換素子の作用する電位領域において、可逆的に電気化学的酸化還元反応を起こし得ることをいう。典型的には、通常、水素基準電極(NHE)に対して、−1〜+2V vs NHEの電位領域で可逆的であること
が望ましい。
The electrolyte layer 4 used in the present invention is not particularly limited, and may be either a liquid system or a solid system and desirably exhibits reversible electrochemical redox characteristics. Here, showing reversible electrochemical redox characteristics means that an electrochemical redox reaction can occur reversibly in the potential region where the photoelectric conversion element acts. Typically, it is usually desirable to be reversible in the potential region of −1 to +2 V vs NHE with respect to the hydrogen reference electrode (NHE).

電解質層4のイオン伝導度は、通常、室温で1×10-7S/cm以上、好ましくは1×10-6S/cm以上、さらに好ましくは1×10-5S/cm以上であることが望ましい。
電解質層4の厚さは、特に制限されないが、1μm以上であることが好ましく、より好ましくは10μm以上であり、また、3mm以下が好ましく、より好ましくは1mm以下である。
かかる電解質層4としては、上記の条件を満足すれば特に制限されるものでなく、液体系及び固体系とも、本技術分野で公知のものを使用することができる。
The ionic conductivity of the electrolyte layer 4 is usually 1 × 10 −7 S / cm or more at room temperature, preferably 1 × 10 −6 S / cm or more, more preferably 1 × 10 −5 S / cm or more. Is desirable.
The thickness of the electrolyte layer 4 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and preferably 3 mm or less, more preferably 1 mm or less.
The electrolyte layer 4 is not particularly limited as long as the above-described conditions are satisfied, and liquid and solid systems known in the art can be used.

以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例になんら制限されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
(1)硫化銅ナノ粒子の合成(Step1)
酢酸銅(79mg)とオレイルアミン(1.9ml)をジオクチルエーテル(20ml)中で混合し、アルゴン雰囲気下に数分間攪拌した後、100℃まで昇温した。次に硫黄(13mg)をドデカンチオール(2.5ml)に溶解した後、この溶液を酢酸銅とオレイルアミンの溶液に添加した。100℃で30分間攪拌した後、冷却し、続いて遠心分離機にて目的の硫化銅ナノ粒子を得た。硫化銅ナノ粒子(Cu1.8S)の平均粒径は5nmであった。
(2)硫化銅ナノ粒子へのInのドープ(Step2)
酢酸インジウム(115mg)と1−ドデカンチオール(1ml)をトリオクチルアミン(15ml)中で混合し、アルゴン雰囲気下で攪拌しながら90℃まで昇温した(約30分間攪拌する)。次に、硫化銅ナノ粒子(Cu1.8S、0.2mmol)をトリオクチルアミン(5ml)に溶解した物を、上記の酢酸インジウム溶液に加え200℃で30分間攪拌した。得られたナノ粒子は、反応溶液にエタノールを加える事で凝集させ、遠心分離により回収した。得られた、銅インジウム硫化物のTEM、XRD、吸収および蛍光スペクトル測定結果を示す(図2、図3)。
<Example 1>
(1) Synthesis of copper sulfide nanoparticles (Step 1)
Copper acetate (79 mg) and oleylamine (1.9 ml) were mixed in dioctyl ether (20 ml), stirred for several minutes under an argon atmosphere, and then heated to 100 ° C. Next, sulfur (13 mg) was dissolved in dodecanethiol (2.5 ml), and this solution was added to a solution of copper acetate and oleylamine. After stirring at 100 ° C. for 30 minutes, the mixture was cooled, and then the intended copper sulfide nanoparticles were obtained with a centrifuge. The average particle diameter of the copper sulfide nanoparticles (Cu 1.8 S) was 5 nm.
(2) In doping of copper sulfide nanoparticles (Step 2)
Indium acetate (115 mg) and 1-dodecanethiol (1 ml) were mixed in trioctylamine (15 ml) and heated to 90 ° C. with stirring under an argon atmosphere (stirring for about 30 minutes). Next, copper sulfide nano-particles (Cu 1.8 S, 0.2mmol) a material obtained by dissolving in trioctylamine (5 ml), and stirred for 30 minutes at 200 ° C. In addition to the above indium acetate solution. The obtained nanoparticles were aggregated by adding ethanol to the reaction solution and collected by centrifugation. The TEM, XRD, absorption and fluorescence spectrum measurement results of the obtained copper indium sulfide are shown (FIGS. 2 and 3).

<実施例2(one―pot合成方法)>
酢酸銅(74.9mg:0.4mmol)および酢酸インジウム(116.8mg:0.4mmol)と1−ドデカンチオール(2.46ml:10mmol)をトリオクチルアミン(20mmol)中で混合し、アルゴン雰囲気下で攪拌しながら90℃まで昇温した(約30分間攪拌する)。次に、溶液200℃まで加熱し30〜120分間攪拌した。得られたナノ粒子は、反応溶液にエタノールを加える事で凝集させ、遠心分離により回収した。得られた、銅インジウム硫化物のXRD、吸収および蛍光スペクトル測定結果を示す(図4、図5)。
<Example 2 (one-pot synthesis method)>
Copper acetate (74.9 mg: 0.4 mmol) and indium acetate (116.8 mg: 0.4 mmol) and 1-dodecanethiol (2.46 ml: 10 mmol) were mixed in trioctylamine (20 mmol), and under an argon atmosphere. The temperature was raised to 90 ° C. with stirring (stirring for about 30 minutes). Next, the solution was heated to 200 ° C. and stirred for 30 to 120 minutes. The obtained nanoparticles were aggregated by adding ethanol to the reaction solution and collected by centrifugation. The XRD, absorption and fluorescence spectrum measurement results of the obtained copper indium sulfide are shown (FIGS. 4 and 5).

<実施例3(太陽電池への適用)>
実施例1で得られたCuInナノ粒子をチタニアペースト(ソラロニクス社製)に混合し、よく分散させた後、導電膜付ガラス基板に塗布を行なった。乾燥(90℃)・焼成(450℃、1時間)を行い、CuInSナノ粒子とチタニアナノ粒子の混合薄膜を得た。
この基板を光電変換層とし、対極に白金層を形成した導電性ガラスを用い、2枚の基板を対向し、周辺をシーリングし、基板間に、ヨウ素レドックスを行う電解液を注入して、太陽電池を作製した。
得られた太陽電池に、擬似太陽光(AM1.5)を照射し、変換効率を測定したところ、3.5%の効率を得ることができた。この太陽電池を、1000時間室温にて放置し、変換効率を測定したところ、3.4%の効率を得ることができた。
<Example 3 (application to solar cell)>
The Cu x In y S 2 nanoparticles obtained in Example 1 were mixed with titania paste (manufactured by Solaronics) and dispersed well, and then applied to a glass substrate with a conductive film. Drying (90 ° C.) and firing (450 ° C., 1 hour) were performed to obtain a mixed thin film of CuInS nanoparticles and titania nanoparticles.
Using this substrate as a photoelectric conversion layer, using conductive glass with a platinum layer formed on the counter electrode, facing the two substrates, sealing the periphery, and injecting an electrolyte for iodine redox between the substrates, A battery was produced.
When the obtained solar cell was irradiated with simulated sunlight (AM1.5) and the conversion efficiency was measured, an efficiency of 3.5% could be obtained. When this solar cell was allowed to stand at room temperature for 1000 hours and the conversion efficiency was measured, an efficiency of 3.4% could be obtained.

<実施例4(太陽電池への適用)>
実施例2で得られたCuInナノ粒子をチタニアペースト(ソラロニクス社製)に混合し、よく分散させた後、導電膜付ガラス基板に塗布を行なった。乾燥(90℃)・焼成(450℃、1時間)を行い、CuInSナノ粒子とチタニアナノ粒子の混合薄膜を得た。
この基板を光電変換層とし、対極に白金層を形成した導電性ガラスを用い、2枚の基板を対向し、周辺をシーリングし、基板間に、ヨウ素レドックスを行う電解液を注入して、太陽電池を作製した。
得られた太陽電池に、擬似太陽光(AM1.5)を照射し、変換効率を測定したところ、3.2%の効率を得ることができた。この太陽電池を、1000時間室温にて放置し、変換効率を測定したところ、3.2%の効率を得ることができた。
<Example 4 (application to solar cell)>
The Cu x In y S 2 nanoparticles obtained in Example 2 were mixed with titania paste (manufactured by Solaronics) and dispersed well, and then applied to a glass substrate with a conductive film. Drying (90 ° C.) and firing (450 ° C., 1 hour) were performed to obtain a mixed thin film of CuInS nanoparticles and titania nanoparticles.
Using this substrate as a photoelectric conversion layer, using conductive glass with a platinum layer formed on the counter electrode, facing the two substrates, sealing the periphery, and injecting an electrolyte for iodine redox between the substrates, A battery was produced.
When the obtained solar cell was irradiated with simulated sunlight (AM1.5) and the conversion efficiency was measured, an efficiency of 3.2% could be obtained. When this solar cell was allowed to stand at room temperature for 1000 hours and the conversion efficiency was measured, an efficiency of 3.2% could be obtained.

太陽電池の断面の例である。It is an example of the cross section of a solar cell. 実施例1で得られた銅インジウム硫化物のXRDスペクトルを示す。The XRD spectrum of the copper indium sulfide obtained in Example 1 is shown. 実施例1で得られた銅インジウム硫化物の吸収および蛍光スペクトルを示す。The absorption and fluorescence spectrum of the copper indium sulfide obtained in Example 1 are shown. 実施例2で得られた銅インジウム硫化物のXRDスペクトルを示す。The XRD spectrum of the copper indium sulfide obtained in Example 2 is shown. 実施例2で得られた銅インジウム硫化物の吸収および蛍光スペクトルを示す。The absorption and fluorescence spectrum of the copper indium sulfide obtained in Example 2 are shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 透明導電性基板
2 対向電極基板
3 カルコパイライトナノ粒子を含浸した半導体層
4 電解質層
5 シール材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent conductive substrate 2 Counter electrode substrate 3 Semiconductor layer impregnated with chalcopyrite nanoparticles 4 Electrolyte layer 5 Sealing material

Claims (5)

周期律表第Ib族金属化合物、第IIIb族金属化合物、および第VIb族化合物を有機溶媒中で混合してナノ粒子を形成することを特徴とする第Ib族金属―第IIIb族金属―第VIb族元素で表わされるカルコパイライトナノ粒子の製造方法。   A Group Ib metal-Group IIIb metal-Group VIb characterized in that a Group Ib metal compound, a Group IIIb metal compound, and a Group VIb compound are mixed in an organic solvent to form nanoparticles. A method for producing chalcopyrite nanoparticles represented by a group element. 周期律表第Ib族金属化合物と、第VIb族化合物を有機溶媒中で混合し、第Ib族金属―第VIb族元素で表わされるナノ粒子を形成させ、しかる後、該ナノ粒子に第IIIb族金属をドープして得られることを特徴とする第Ib族金属―第IIIb族金属―第VIb族元素で表わされるカルコパイライトナノ粒子の製造方法。   A group Ib metal compound of the periodic table and a group VIb compound are mixed in an organic solvent to form nanoparticles represented by a group Ib metal-group VIb element, and then the group IIIb is added to the nanoparticles. A method for producing chalcopyrite nanoparticles represented by Group Ib metal-Group IIIb metal-Group VIb element obtained by doping a metal. 周期律表第Ib族金属化合物がCuまたはAgを含有する化合物であり、第IIIb族金属化合物がIn、GaまたはAlを含有する化合物であり、第VIb族化合物がSまたはSeを含有する化合物であることを特徴とする請求項1または2に記載のカルコパイライトナノ粒子の製造方法。   The group Ib metal compound of the periodic table is a compound containing Cu or Ag, the group IIIb metal compound is a compound containing In, Ga or Al, and the group VIb compound is a compound containing S or Se. The method for producing chalcopyrite nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein: 周期律表第Ib族金属化合物が銅塩または銅錯体であり、第VIb族化合物が硫黄を溶解したチオール化合物またはセレンを溶解したセレノール化合物であることを特徴とする請求項1または2に記載のカルコパイライトナノ粒子の製造方法。   The group Ib metal compound of the periodic table is a copper salt or a copper complex, and the group VIb compound is a thiol compound in which sulfur is dissolved or a selenol compound in which selenium is dissolved. A method for producing chalcopyrite nanoparticles. 請求項1または2に記載の方法で製造されたカルコパイライトナノ粒子を用いた光電変換素子。   The photoelectric conversion element using the chalcopyrite nanoparticle manufactured by the method of Claim 1 or 2.
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