JP2012049358A - Method of producing metal chalcogenide particle and method of manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple method of producing metal chalcogenide particles that can stably produce metal chalcogenide particles having few impurities as well as fine particle size by a simple method, and to provide a method of manufacturing a photoelectric conversion device.SOLUTION: A method of producing metal chalcogenide particles includes the steps of: preparing a material solution where chalcogen elements are dissolved, in a state of elementary substance, in a first organic solvent containing alcohol amine having an amino group and a hydroxyl group as a main component and a metal elements are also dissolved; and producing metal chalcogenide particles obtained by reacting the chalcogen element with metal element by heating the material solution.

Description

本発明は、金属カルコゲナイド粒子の製造方法およびそれを用いた光電変換装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing metal chalcogenide particles and a method for producing a photoelectric conversion device using the same.

太陽電池として、CIGS等のカルコパライト系のI−III−VI族化合物半導体から成
る光吸収層を具備する光電変換装置を用いたものがある。この光電変換装置は、例えば、ソーダライムガラスからなる基板上に裏面電極となる、例えば、Moからなる第1の電極層が形成され、この第1の電極層上にI−III−VI族化合物半導体からなる光吸収層が形
成されている。さらに、その光吸収層上には、ZnS、CdSなどからなるバッファ層を介して、ZnOなどからなる透明の第2の電極層が形成されている。
Some solar cells use a photoelectric conversion device including a light absorption layer made of a chalcopyrite-based I-III-VI group compound semiconductor such as CIGS. In the photoelectric conversion device, for example, a first electrode layer made of, for example, Mo is formed on a substrate made of soda lime glass, and the I-III-VI group compound is formed on the first electrode layer. A light absorption layer made of a semiconductor is formed. Further, a transparent second electrode layer made of ZnO or the like is formed on the light absorption layer via a buffer layer made of ZnS, CdS or the like.

このような光吸収層を構成する半導体層を形成するための製法としては、従来用いられていたスパッタ法など真空系の装置を用いる高コストの製法に代わり、低コスト化を目的とした製法が開発されている。そのような製法としては、原料を溶媒中に分散して成る原料溶液を用いて半導体層を作製するものがある。   As a manufacturing method for forming a semiconductor layer constituting such a light absorption layer, a manufacturing method for reducing cost is used instead of a high-cost manufacturing method using a vacuum system such as a sputtering method which has been conventionally used. Has been developed. As such a manufacturing method, there is a method in which a semiconductor layer is manufactured using a raw material solution obtained by dispersing a raw material in a solvent.

例えば、特許文献1には、有機溶媒中で金属塩をカルコゲナイド塩と反応させて金属カルコゲナイドナノ粒子を形成し、この金属カルコゲナイドナノ粒子の懸濁液を用いて半導体前駆体膜を形成することが開示されている。   For example, in Patent Document 1, a metal salt is reacted with a chalcogenide salt in an organic solvent to form metal chalcogenide nanoparticles, and a semiconductor precursor film is formed using a suspension of the metal chalcogenide nanoparticles. It is disclosed.

また、特許文献2には、I−B族金属化合物、III−B族金属化合物およびVI−B族化
合物を有機溶媒中で混合してカルコパイライトナノ粒子を形成し、これを用いて光電変換素子を形成することが開示されている。
Patent Document 2 discloses that a group I-B metal compound, a group III-B metal compound, and a group VI-B compound are mixed in an organic solvent to form chalcopyrite nanoparticles, and a photoelectric conversion element is formed using this. Is disclosed.

特表2002−501003号公報Special table 2002-501003 gazette 特開2008−192542号公報JP 2008-192542 A

しかしながら、特許文献1や特許文献2では、金属カルコゲナイド粒子を作製するための金属元素の原料として、金属塩または金属錯体等の金属化合物を用いている。また、カルコゲン元素の原料として、カルコゲナイド塩、またはカルコゲン元素を含む有機化合物(チオール等)等の化合物を用いている。そのため、所望とする金属カルコゲナイド粒子以外に、対イオンや有機配位子などの不純物が多く存在している。このような不純物を多く含む溶液から金属カルコゲナイド粒子を取り出し、洗浄しても、不純物を十分に取り除くことが困難である。そのため、このような金属カルコゲナイド粒子を用いて皮膜を形成し、これを熱処理して半導体層にする際、上記不純物が結晶化を阻害して良好な半導体層が得られなかったり、あるいは作製された半導体層中に不純物が残存し、この不純物が光電変換効率を低下させるという問題がある。   However, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a metal compound such as a metal salt or a metal complex is used as a raw material of a metal element for producing metal chalcogenide particles. Further, as a raw material for the chalcogen element, a chalcogenide salt or a compound such as an organic compound (such as a thiol) containing the chalcogen element is used. Therefore, in addition to the desired metal chalcogenide particles, there are many impurities such as counter ions and organic ligands. Even if the metal chalcogenide particles are taken out from the solution containing a large amount of impurities and washed, it is difficult to sufficiently remove the impurities. Therefore, when a film is formed using such metal chalcogenide particles and this is heat-treated to form a semiconductor layer, the impurities inhibit crystallization and a good semiconductor layer cannot be obtained or has been produced. There is a problem that impurities remain in the semiconductor layer, and the impurities lower the photoelectric conversion efficiency.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、不純物が少ないとともに微細な粒径の金属カルコゲナイド粒子を簡易な方法で安定に作製することのできる、金属カルコゲナイド粒子の製造方法および光電変換装置の製造方法を提供することである。   The present invention has been completed in view of the above-described conventional problems, and its object is to provide a metal chalcogenide that can stably produce metal chalcogenide particles with a small amount of impurities and a fine particle diameter by a simple method. It is providing the manufacturing method of particle | grains, and the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus.

本発明の一実施形態に係る金属カルコゲナイド粒子の製造方法は、アミノ基および水酸基を有するアルコールアミンを主成分とする第1の有機溶媒にカルコゲン元素が単体の状態で溶解されているとともに金属元素が溶解されている原料溶液を作製する工程と、該原料溶液を加熱して、前記カルコゲン元素と前記金属元素とを反応させて成る金属カルコゲナイド粒子を作製する工程とを具備する。   In the method for producing metal chalcogenide particles according to an embodiment of the present invention, the chalcogen element is dissolved in a single state in the first organic solvent mainly composed of an alcohol amine having an amino group and a hydroxyl group, and the metal element is A step of producing a dissolved raw material solution, and a step of heating the raw material solution to produce metal chalcogenide particles obtained by reacting the chalcogen element and the metal element.

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、上記金属カルコゲナイド粒子の製造方法で金属カルコゲナイド粒子を作製する工程と、該金属カルコゲナイド粒子を第2の有機溶媒に分散して成る半導体層用溶液を電極層上に塗布して皮膜を形成する工程と、該皮膜を加熱して、前記金属カルコゲナイド粒子を反応させて成る、光電変換層としての半導体層を作製する工程とを具備する。   A method for producing a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention includes a step of producing metal chalcogenide particles by the method for producing metal chalcogenide particles, and a semiconductor layer formed by dispersing the metal chalcogenide particles in a second organic solvent. And a step of forming a film by applying a solution to the electrode layer, and a step of heating the film to react the metal chalcogenide particles to produce a semiconductor layer as a photoelectric conversion layer.

本発明の金属カルコゲナイド粒子の製造方法によれば、不純物が少ないとともに微細な粒径の金属カルコゲナイド粒子を安定かつ容易に作製することができる。   According to the method for producing metal chalcogenide particles of the present invention, metal chalcogenide particles having a small particle size and a small particle size can be produced stably and easily.

また、本発明の光電変換層の製造方法によれば、光電変換効率の高い光電変換装置を作製することができる。   Moreover, according to the manufacturing method of the photoelectric converting layer of this invention, a photoelectric conversion apparatus with high photoelectric conversion efficiency can be produced.

本発明の金属カルコゲナイド粒子の製造方法および光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of embodiment of the photoelectric conversion apparatus produced using the manufacturing method of the metal chalcogenide particle | grains of this invention, and the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 図1の光電変換装置の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion apparatus of FIG. 本発明の金属カルコゲナイド粒子の製造方法および光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of embodiment of the photoelectric conversion apparatus produced using the manufacturing method of the metal chalcogenide particle | grains of this invention, and the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus.

図1は、本発明の金属カルコゲナイド粒子の製造方法および光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図2はその断面図である。また、図3は本発明の金属カルコゲナイド粒子の製造方法および光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の実施の形態の他の例を示す断面図である(図1〜図3において同じ構成のものには同じ符号を付している)。光電変換装置10は、基板1と、その上に設けられた光電変換セル11とで構成されている。光電変換セル11は、第1の電極層2と、第1の半導体層3と、第2の半導体層4と、第2の電極層5とを含んで構成されている。本実施例においては、第1の半導体層3が光吸収層であり、第2の半導体層4が第1の半導体層3に接合されたバッファ層である例を示すがこれに限定されず、第1の半導体層3がバッファ層であってもよい。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of a photoelectric conversion device manufactured using the method for manufacturing metal chalcogenide particles and the method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view thereof. FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the embodiment of the photoelectric conversion device manufactured using the method for manufacturing metal chalcogenide particles and the method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention (in FIGS. 1 to 3). The same symbols are attached to the same components). The photoelectric conversion device 10 includes a substrate 1 and a photoelectric conversion cell 11 provided on the substrate 1. The photoelectric conversion cell 11 includes a first electrode layer 2, a first semiconductor layer 3, a second semiconductor layer 4, and a second electrode layer 5. In the present embodiment, an example in which the first semiconductor layer 3 is a light absorption layer and the second semiconductor layer 4 is a buffer layer bonded to the first semiconductor layer 3 is not limited to this. The first semiconductor layer 3 may be a buffer layer.

図1、図2において、光電変換装置10は、光電変換セル11が複数並べて形成されている。そして、光電変換セル11は、第1の半導体層3の基板1側に第1の電極層2と離間して設けられた第3の電極層6を具備している。そして、第1の半導体層3に設けられた接続導体7によって、第2の電極層5と第3の電極層6とが電気的に接続されている。この第3の電極層6は、隣接する光電変換セル11の第1の電極層2と一体化されている。この構成により、隣接する光電変セル11同士が直列接続されている。なお、一つの光電変換セル11内において、接続導体7は第1の半導体層3および第2の半導体層4を貫通するように設けられており、第1の電極層2と第2の電極層5とで挟まれた第1の半導体層3と第2の半導体層4とで光電変換が行なわれる。   1 and 2, a photoelectric conversion device 10 is formed by arranging a plurality of photoelectric conversion cells 11. The photoelectric conversion cell 11 includes a third electrode layer 6 provided on the substrate 1 side of the first semiconductor layer 3 so as to be separated from the first electrode layer 2. The second electrode layer 5 and the third electrode layer 6 are electrically connected by the connection conductor 7 provided in the first semiconductor layer 3. The third electrode layer 6 is integrated with the first electrode layer 2 of the adjacent photoelectric conversion cell 11. With this configuration, adjacent photoelectric conversion cells 11 are connected in series. In one photoelectric conversion cell 11, the connection conductor 7 is provided so as to penetrate the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4, and the first electrode layer 2 and the second electrode layer are provided. The first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 sandwiched between 5 and 5 perform photoelectric conversion.

基板1は、光電変換セル11を支持するためのものである。基板1に用いられる材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が挙げられる。   The substrate 1 is for supporting the photoelectric conversion cell 11. Examples of the material used for the substrate 1 include glass, ceramics, resin, and metal.

第1の電極層2および第3の電極層6は、Mo、Al、TiまたはAu等の導電体が用いられ、基板1上にスパッタリング法または蒸着法等で形成される。   The first electrode layer 2 and the third electrode layer 6 are made of a conductor such as Mo, Al, Ti, or Au, and are formed on the substrate 1 by a sputtering method or a vapor deposition method.

第1の半導体層3は、金属カルコゲナイドを主成分とする化合物半導体である。金属カルコゲナイドとは、金属元素とカルコゲン元素の化合物であり、カルコゲン元素とはVI−B族元素のうちのS、Se、Teをいう。第1の半導体層3を光吸収層として用いる場合、第1の半導体層3は光電変換装置10に入射される光の波長に対して感度を有する金属カルコゲナイドが用いられる。例えば、光電変換装置10を太陽電池として用いる場合、第1の半導体層3は、CdS等のII−VI族化合物半導体やI−III−VI族化合物半導体が
好ましい。II−VI族化合物半導体とは、II−B族元素(本明細書においては、族の名称は、短周期型周期表に従う。なお、II−B族元素は、IUPACの長周期型周期表では12族元素ともいう)とVI−B族元素(16族元素ともいう)との化合物半導体である。また、I−III−VI族化合物半導体とは、I−B族元素(11族元素ともいう)とIII−B族元素(13族元素ともいう)とVI−B族元素との化合物半導体であり、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体と呼ばれる(CIS系化合物半導体ともいう)。
The first semiconductor layer 3 is a compound semiconductor containing metal chalcogenide as a main component. The metal chalcogenide is a compound of a metal element and a chalcogen element, and the chalcogen element is S, Se, or Te among VI-B group elements. When the first semiconductor layer 3 is used as a light absorption layer, a metal chalcogenide having sensitivity to the wavelength of light incident on the photoelectric conversion device 10 is used for the first semiconductor layer 3. For example, when the photoelectric conversion device 10 is used as a solar cell, the first semiconductor layer 3 is preferably an II-VI group compound semiconductor such as CdS or an I-III-VI group compound semiconductor. The II-VI group compound semiconductor is a group II-B element (in this specification, the name of the group follows the short-period periodic table. Note that the group II-B element is a long-period periodic table of IUPAC. It is a compound semiconductor of a group 12 element and a VI-B group element (also referred to as a group 16 element). The I-III-VI group compound semiconductor is a compound semiconductor of a group IB element (also referred to as a group 11 element), a group III-B element (also referred to as a group 13 element), and a group VI-B element. It has a chalcopyrite structure and is called a chalcopyrite compound semiconductor (also called a CIS compound semiconductor).

特にI−III−VI族化合物半導体は、光電変換効率が高いとともにCdのような有害な
物質を含まないことから、好ましく用いることができる。I−III−VI族化合物半導体と
しては、例えば、Cu(In,Ga)Se(CIGSともいう)、Cu(In,Ga)(Se,S)(CIGSSともいう)、およびCuInS(CISともいう)が挙げられる。なお、Cu(In,Ga)Seとは、Cuと、InおよびGaの少なくとも一種と、Seとから主に構成された化合物をいい、Cu(InGa1−X)Se(ただし、Xは0≦X≦1である。)で表わされる化合物である。また、Cu(In,Ga)(Se,S)とは、Cuと、InおよびGaの少なくとも一種と、SeおよびSの少なくとも一種とから主に構成された化合物をいう。
In particular, I-III-VI group compound semiconductors can be preferably used because they have high photoelectric conversion efficiency and do not contain harmful substances such as Cd. Examples of the I-III-VI group compound semiconductor include Cu (In, Ga) Se 2 (also referred to as CIGS), Cu (In, Ga) (Se, S) 2 (also referred to as CIGSS), and CuInS 2 (CIS). Also called). Cu (In, Ga) Se 2 refers to a compound mainly composed of Cu, at least one of In and Ga, and Se, and Cu (In x Ga 1-X ) Se 2 (however, X is 0 ≦ X ≦ 1.) Cu (In, Ga) (Se, S) 2 refers to a compound mainly composed of Cu, at least one of In and Ga, and at least one of Se and S.

このような第1の半導体層3は、次のようにして作製される。先ず、第1の電極層2を有する基板1上に、金属カルコゲナイド粒子を有機溶媒に分散して成る半導体層用溶液を塗布することにより、第1の半導体層3の前駆体としての皮膜を形成する。この皮膜は、異なる組成の複数の積層体であってもよい。   Such a first semiconductor layer 3 is manufactured as follows. First, a film as a precursor of the first semiconductor layer 3 is formed by applying a solution for a semiconductor layer formed by dispersing metal chalcogenide particles in an organic solvent on the substrate 1 having the first electrode layer 2. To do. The film may be a plurality of laminated bodies having different compositions.

そして、上記皮膜を熱処理することにより、金属カルコゲナイドを主成分とする第1の半導体層3を作製することができる。なお、半導体層用溶液に分散された金属カルコゲナイド粒子は、第1の半導体層3を構成する金属カルコゲナイドと同じ組成であってもよく、異なるものであってもよい。金属カルコゲナイド粒子として第1の半導体層3と同じ組成のものを用いる場合、金属カルコゲナイド粒子同士の反応を良好に行うことができ、第1の半導体層3の結晶化を促進することが容易となる。また、金属カルコゲナイド粒子として、第1の半導体層3とは異なる組成であり、複数種の金属カルコゲナイド粒子の混合物を用いる場合、それら複数種の金属カルコゲナイド粒子の比率を容易に調整することができるので、第1の半導体層3の組成比を所望のものとすることが容易となる。   And the 1st semiconductor layer 3 which has a metal chalcogenide as a main component can be produced by heat-processing the said film | membrane. The metal chalcogenide particles dispersed in the semiconductor layer solution may have the same composition as or different from the metal chalcogenide constituting the first semiconductor layer 3. When metal chalcogenide particles having the same composition as that of the first semiconductor layer 3 are used, the metal chalcogenide particles can be favorably reacted with each other, and crystallization of the first semiconductor layer 3 can be facilitated. . Further, the metal chalcogenide particles have a composition different from that of the first semiconductor layer 3, and when a mixture of a plurality of types of metal chalcogenide particles is used, the ratio of the plurality of types of metal chalcogenide particles can be easily adjusted. It becomes easy to make the composition ratio of the first semiconductor layer 3 desired.

例えば、第1の半導体層3がI−III−VI族化合物半導体層である場合、金属カルコゲ
ナイド粒子としてI−III−VI族化合物粒子を用いると、I−III−VI族化合物粒子同士が結合して良好に結晶成長を行い、結晶粒径の大きなI−III−VI族化合物半導体層を容易
に作製することができる。あるいは、金属カルコゲナイド粒子としてI−VI族化合物粒子とIII−VI族化合物粒子との混合物を用いると、これらI−VI族化合物粒子とIII−VI族化
合物粒子との比率を自由に変えることが可能となり、形成されるI−III−VI族化合物半
導体層の組成比を容易に制御することが可能となる。
For example, when the first semiconductor layer 3 is an I-III-VI group compound semiconductor layer, when I-III-VI group compound particles are used as the metal chalcogenide particles, the I-III-VI group compound particles are bonded to each other. Thus, crystal growth can be carried out satisfactorily, and an I-III-VI group compound semiconductor layer having a large crystal grain size can be easily produced. Alternatively, when a mixture of group I-VI compound particles and group III-VI compound particles is used as the metal chalcogenide particles, the ratio of these group I-VI compound particles to group III-VI compound particles can be freely changed. Thus, the composition ratio of the formed I-III-VI group compound semiconductor layer can be easily controlled.

具体的な例として、上記I−III−VI族化合物半導体層がCIGSの場合、金属カルコ
ゲナイド粒子としてCIGS粒子を用いることができる。あるいは、金属カルコゲナイド粒子として、セレン化銅(CuSeおよびCuSeの少なくとも一方)とセレン化インジウム(InSe)とセレン化ガリウム(GaSe)との混合物を用いることもできる。
As a specific example, when the I-III-VI group compound semiconductor layer is CIGS, CIGS particles can be used as the metal chalcogenide particles. Alternatively, as the metal chalcogenide particles, a mixture of copper selenide (at least one of Cu 2 Se and CuSe), indium selenide (In 2 Se 3 ), and gallium selenide (Ga 2 Se 3 ) can also be used.

また、金属カルコゲナイド粒子として、第1の半導体層3と同じ組成の金属カルコゲナイド粒子と、第1の半導体層3とは異なる組成の複数の金属カルコゲナイド粒子の混合物とを混ぜて用いてもよい。例えば、第1の半導体層3がI−III−VI族化合物半導体層で
ある場合、金属カルコゲナイド粒子として、I−III−VI族化合物粒子とI−VI族化合物
粒子とIII−VI族化合物粒子との混合物を用いてもよい。これにより、結晶化促進と組成
制御とを良好に行うことができる。
Further, as the metal chalcogenide particles, a mixture of metal chalcogenide particles having the same composition as the first semiconductor layer 3 and a plurality of metal chalcogenide particles having a composition different from that of the first semiconductor layer 3 may be used. For example, when the first semiconductor layer 3 is an I-III-VI group compound semiconductor layer, the metal chalcogenide particles include I-III-VI group compound particles, I-VI group compound particles, and III-VI group compound particles. A mixture of these may also be used. Thereby, crystallization promotion and composition control can be performed satisfactorily.

このような金属カルコゲナイド粒子は、反応性を高め、大きな結晶粒を有する第1の半導体層3を良好に作製するという観点からは、平均粒径が0.1μm以下のものを用いることが望ましい。より好ましくは、前駆体としての皮膜をより緻密にして結晶化を促進するという観点からは平均粒径が50〜500nmであることが好ましい。   As such metal chalcogenide particles, it is desirable to use particles having an average particle size of 0.1 μm or less from the viewpoint of improving the reactivity and satisfactorily producing the first semiconductor layer 3 having large crystal grains. More preferably, the average particle size is preferably from 50 to 500 nm from the viewpoint of making the film as a precursor more dense and promoting crystallization.

金属カルコゲン粒子は以下のようにして作製することができる。まず、一つの分子内にアミノ基および水酸基を有するアルコールアミンを主成分とする第1の有機溶媒にカルコゲン元素が単体の状態で溶解されているとともに金属元素が溶解されている原料溶液を作製する。アミノ基および水酸基を有するアルコールアミンとしては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N−メチルエタノールアミン等が挙げられる。水酸基またはアミノ基は複数あってもよい。また、アミノ基は1級、2級、3級のいずれのアミノ基でもよい。第1の有機溶媒は、このアルコールアミンを主成分としている。アルコールアミンを主成分とするというのは、第1の有機溶媒中、アルコールアミンが60mol%以上含まれることをいい、より好ましくは80mol%以上含まれるのがよい。   Metal chalcogen particles can be produced as follows. First, a raw material solution in which a chalcogen element is dissolved in a single state and a metal element is dissolved in a first organic solvent whose main component is an alcohol amine having an amino group and a hydroxyl group in one molecule is prepared. . Examples of the alcohol amine having an amino group and a hydroxyl group include monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, and N-methylethanolamine. There may be a plurality of hydroxyl groups or amino groups. The amino group may be any of primary, secondary and tertiary amino groups. The first organic solvent contains this alcohol amine as a main component. Having alcohol amine as the main component means that the first organic solvent contains 60 mol% or more of alcohol amine, more preferably 80 mol% or more.

また、この第1の有機溶媒に、金属カルコゲナイド粒子を構成するカルコゲン元素が、単体の状態で溶解されている。カルコゲン元素が単体の状態で溶解されているというのは、カルコゲン元素が他の元素と化合物を形成したものではなく、カルコゲン元素単体の状態のものを直接、第1の有機溶媒に溶解させることをいう。これにより、カルコゲン元素以外の不要な元素が不純物として混入することを抑制できる。   Further, the chalcogen element constituting the metal chalcogenide particles is dissolved in the first organic solvent in a single state. The fact that the chalcogen element is dissolved in the simple substance state means that the chalcogen element is not formed into a compound with other elements, but is dissolved directly in the first organic solvent. Say. Thereby, it can suppress that unnecessary elements other than a chalcogen element mix as an impurity.

また、この第1の有機溶媒に、金属カルコゲナイド粒子を構成する金属元素が溶解されている。この金属元素は、単体の状態で、または、金属塩もしくは金属錯体のような化合物の状態で第1の有機溶媒に溶解されている。不要な元素が不純物として混入するのをより抑制するという観点から、好ましくは、金属元素も単体の状態で第1の有機溶媒に溶解されていることが好ましい。   Moreover, the metal element which comprises metal chalcogenide particle | grains is melt | dissolved in this 1st organic solvent. This metal element is dissolved in the first organic solvent in a simple substance state or in a compound state such as a metal salt or a metal complex. From the viewpoint of further suppressing unwanted elements from being mixed as impurities, it is preferable that the metal element is also dissolved in the first organic solvent in a single state.

次に、上記原料溶液を加熱して、第1の有機溶媒中に溶解したカルコゲン元素および金属元素を反応させて、金属カルコゲナイド粒子を作製する。原料溶液の加熱は、150〜200℃の温度で1分〜20時間行われる。これにより金属カルコゲナイド粒子が生成するが、アミノ基および水酸基を有するアルコールアミンを主成分とする第1の有機溶媒を用いることにより、この金属カルコゲナイド粒子をナノサイズの微粒子として安定に作製することができる。   Next, the said raw material solution is heated and the chalcogen element and metal element which were melt | dissolved in the 1st organic solvent are made to react, and metal chalcogenide particle | grains are produced. The raw material solution is heated at a temperature of 150 to 200 ° C. for 1 minute to 20 hours. As a result, metal chalcogenide particles are produced. By using a first organic solvent mainly composed of an alcohol amine having an amino group and a hydroxyl group, the metal chalcogenide particles can be stably produced as nano-sized fine particles. .

具体例を以下に示す。第1の有機溶媒としてのモノエタノールアミンに、組成比でCuが0.7〜1molとなる分量の塩化銅(CuClおよびCuClの少なくとも一方)と、Inが0.6〜0.8molとなる分量の塩化インジウム(InCl)と、Gaが0.2〜0.4molとなる分量の塩化ガリウム(GaCl)と、Seが2〜2.5molとなる分量のセレン単体(Se)とを溶解し、これを加熱することにより、CIGS粒子を作製することができる。あるいは、Cuが組成比で1〜2molとなる分量の塩化銅(CuClおよびCuClの少なくとも一方)とSeが0.9〜1.1molとなる分量のセレン単体とを溶解した第1原料溶液、Inが0.9〜1.1molとなる分量の塩化インジウム(InCl)とSeが1.4〜1.6molとなる分量のセレン単体とを溶解した第2原料溶液、および、Gaが0.9〜1.1molとなる分量の塩化ガリウム(GaCl)とSeが1.4〜1.6molとなる分量のセレン単体とを溶解した第3原料溶液をそれぞれ作製した後、これらの各原料溶液を加熱したものを混合してもよい。この場合、第1〜第3の原料溶液の加熱によって、セレン化銅粒子(CuSeおよびCuSeの少なくとも一方)が分散した第1原料溶液、セレン化インジウム粒子(InSe)が分散した第2原料溶液、および、セレン化ガリウム粒子(GaSe)が分散した第3原料溶液が作製され、これらを混合することによって各金属カルコゲン粒子の混合物が分散した原料溶液となる。 Specific examples are shown below. To monoethanolamine as the first organic solvent, copper chloride (at least one of Cu 2 Cl and CuCl) in an amount such that Cu is 0.7 to 1 mol in composition ratio, and In is 0.6 to 0.8 mol A quantity of indium chloride (InCl 3 ), a quantity of gallium chloride (GaCl 3 ) such that Ga is 0.2 to 0.4 mol, and a quantity of selenium simple substance (Se) where Se is 2 to 2.5 mol. CIGS particle | grains can be produced by melt | dissolving and heating this. Alternatively, the first raw material solution Cu (at least one of Cu 2 Cl and CuCl) and Se copper chloride amount to be 1~2mol composition ratio is dissolved and selenium single quantity to be 0.9~1.1mol A second raw material solution in which indium chloride (InCl 3 ) in an amount of 0.9 to 1.1 mol and selenium in an amount of 1.4 to 1.6 mol are dissolved, and Ga is 0 After preparing third raw material solutions in which gallium chloride (GaCl 3 ) in an amount of 0.9 to 1.1 mol and selenium simple substance in an amount of Se of 1.4 to 1.6 mol were respectively prepared, each of these raw materials You may mix what heated the solution. In this case, the first raw material solution in which the copper selenide particles (at least one of Cu 2 Se and CuSe) are dispersed and the indium selenide particles (In 2 Se 3 ) are dispersed by heating the first to third raw material solutions. A second raw material solution and a third raw material solution in which gallium selenide particles (Ga 2 Se 3 ) are dispersed are prepared. By mixing these, a raw material solution in which a mixture of metal chalcogen particles is dispersed is obtained.

上記具体例では、第1の有機溶媒にセレン単体と金属塩化物とを溶解した例を示したが、金属塩化物のような塩に代えて金属単体を溶解させる方がより好ましい。これにより、さらに不純物を減少させることができる。例えば、第1の有機溶媒としてモノエタノールアミン、ジエタノールアミン、またはトリエタノールアミンを用いた場合、ガリウムを金属の状態で直接溶解させることができる。   In the above specific example, an example is shown in which selenium simple substance and metal chloride are dissolved in the first organic solvent, but it is more preferable to dissolve the metal simple substance instead of the salt such as metal chloride. Thereby, impurities can be further reduced. For example, when monoethanolamine, diethanolamine, or triethanolamine is used as the first organic solvent, gallium can be directly dissolved in a metal state.

このようにして金属カルコゲナイド粒子が分散された原料溶液は、そのまま半導体層用溶液として第1の電極層2上に塗布して乾燥し、第1の半導体層3の前駆体としての皮膜を形成してもよい。この場合、工程を簡略化できる。あるいは、上記の金属カルコゲナイド粒子が分散された原料溶液に、ヘキサンなどの極性の低い有機溶媒を添加して金属カルコゲナイド粒子を沈殿させることによって金属カルコゲナイド粒子を取り出し、その後、第2の有機溶媒に上記の取り出した金属カルコゲナイド粒子を分散させることによって半導体層用溶液としてもよい。この場合、金属カルコゲナイド粒子を洗浄することができ、不純物を有効に除去することができる。このような第2の有機溶媒は、上記の第1の有機溶媒と同じものを用いてもよく、ピリジンやアニリン等のような極性の高い他の有機溶媒を用いてもよい。   The raw material solution in which the metal chalcogenide particles are dispersed in this way is applied as it is on the first electrode layer 2 as a solution for a semiconductor layer and dried to form a film as a precursor of the first semiconductor layer 3. May be. In this case, the process can be simplified. Alternatively, the metal chalcogenide particles are taken out by adding a low polarity organic solvent such as hexane to the raw material solution in which the metal chalcogenide particles are dispersed to precipitate the metal chalcogenide particles. The metal chalcogenide particles taken out may be dispersed to form a semiconductor layer solution. In this case, the metal chalcogenide particles can be washed and impurities can be effectively removed. Such a second organic solvent may be the same as the first organic solvent described above, or may be another organic solvent having a high polarity such as pyridine or aniline.

このようにして作製した半導体層用溶液は、第1の電極2を有する基板1の表面に、スピンコータ、スクリーン印刷、ディッピング、スプレーまたはダイコータなどを用いて塗布され、乾燥されて皮膜となる。乾燥は、還元雰囲気下で行うことが望ましい。乾燥時の温度は、例えば、50〜300℃で行うことができる。   The semiconductor layer solution thus prepared is applied to the surface of the substrate 1 having the first electrode 2 by using a spin coater, screen printing, dipping, spraying, or a die coater, and dried to form a film. Drying is desirably performed in a reducing atmosphere. The temperature at the time of drying can be performed at 50-300 degreeC, for example.

そして、この皮膜を熱処理することによって、1.0〜2.5μmの厚みの第1の半導体層3を作製することができる。熱処理は、酸化を防止して良好な半導体層とするために、還元雰囲気で熱処理することが好ましい。熱処理における還元雰囲気としては、特には、窒素雰囲気、フォーミングガス雰囲気および水素雰囲気のうちいずれかであることが望ましい。熱処理温度は、例えば、400℃〜600℃とする。この熱処理の際、第1の半導体層3を良好に結晶化させるという観点から、雰囲気中にカルコゲン元素を、例えば、Se蒸気やHSe等の状態で混合させてもよい。 And the 1st semiconductor layer 3 of thickness 1.0-2.5 micrometers can be produced by heat-processing this membrane | film | coat. The heat treatment is preferably performed in a reducing atmosphere in order to prevent oxidation and form a good semiconductor layer. In particular, the reducing atmosphere in the heat treatment is preferably any one of a nitrogen atmosphere, a forming gas atmosphere, and a hydrogen atmosphere. The heat treatment temperature is, for example, 400 ° C to 600 ° C. In this heat treatment, from the viewpoint of satisfactorily crystallizing the first semiconductor layer 3, a chalcogen element may be mixed in the atmosphere in a state such as Se vapor or H 2 Se.

光電変換装置10は、上記第1の半導体層3を光吸収層として用い、この第1の半導体
層3上に第2の半導体層4が10〜200nmの厚みで形成され、この第2の半導体層4上に第2の電極層5が形成される。なお、第2の半導体層4を形成せず、第1の半導体層3上に第2の電極層5を形成してもよい。あるいは第2の電極層5を形成せず、第2の半導体層4を電極として機能させることもできる。
The photoelectric conversion device 10 uses the first semiconductor layer 3 as a light absorption layer, and a second semiconductor layer 4 is formed on the first semiconductor layer 3 with a thickness of 10 to 200 nm. A second electrode layer 5 is formed on the layer 4. Note that the second electrode layer 5 may be formed on the first semiconductor layer 3 without forming the second semiconductor layer 4. Alternatively, the second semiconductor layer 4 can function as an electrode without forming the second electrode layer 5.

第2の半導体層4は、第1の半導体層3に対してヘテロ接合を行う半導体層をいう。第1の半導体層3と第2の半導体層4とは異なる導電型であることが好ましく、例えば、第1の半導体層3がp型半導体である場合、第2の半導体層4はi型またはn型半導体である。好ましくはリーク電流を低減するという観点からは、第2の半導体層は、抵抗率が1Ω・cm以上の層であるのがよい。第2の半導体層4としては、CdS、ZnS、ZnO、InSe、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等が挙げられ、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で形成される。なお、In(OH,S)とは、InとOHとSとから主に構成された化合物をいう。(Zn,In)(Se,OH)は、ZnとInとSeとOHとから主に構成された化合物をいう。(Zn,Mg)Oは、ZnとMgとOとから主に構成された化合物をいう。第2の半導体層4は第1の半導体層3の吸収効率を高めるため、第1の半導体層3が吸収する光の波長領域に対して光透過性を有するものが好ましい。 The second semiconductor layer 4 is a semiconductor layer that forms a heterojunction with the first semiconductor layer 3. The first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 are preferably of different conductivity types. For example, when the first semiconductor layer 3 is a p-type semiconductor, the second semiconductor layer 4 is i-type or It is an n-type semiconductor. Preferably, from the viewpoint of reducing leakage current, the second semiconductor layer is a layer having a resistivity of 1 Ω · cm or more. Examples of the second semiconductor layer 4 include CdS, ZnS, ZnO, In 2 Se 3 , In (OH, S), (Zn, In) (Se, OH), and (Zn, Mg) O. For example, it is formed by a chemical bath deposition (CBD) method or the like. In (OH, S) refers to a compound mainly composed of In, OH, and S. (Zn, In) (Se, OH) refers to a compound mainly composed of Zn, In, Se, and OH. (Zn, Mg) O refers to a compound mainly composed of Zn, Mg and O. In order to increase the absorption efficiency of the first semiconductor layer 3, the second semiconductor layer 4 preferably has a light transmittance with respect to the wavelength region of light absorbed by the first semiconductor layer 3.

第2の電極層5は、ITO、ZnO等の0.05〜3.0μmの透明導電膜である。第2の電極層5は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長(CVD)法等で形成される。第2の電極層5は、第2の半導体層4よりも抵抗率の低い層であり、第1の半導体層3で生じた電荷を取り出すためのものである。電荷を良好に取り出すという観点からは、第2の電極層5の抵抗率が1Ω・cm未満でシート抵抗が50Ω/□以下であるのがよい。なお、第2の電極層5は、第1の半導体層と異なる導電型の半導体層であってもよく、いわゆる窓層と呼ばれるものも含まれる。   The second electrode layer 5 is a 0.05 to 3.0 μm transparent conductive film such as ITO or ZnO. The second electrode layer 5 is formed by sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), or the like. The second electrode layer 5 is a layer having a resistivity lower than that of the second semiconductor layer 4, and is for taking out charges generated in the first semiconductor layer 3. From the viewpoint of taking out charges well, it is preferable that the resistivity of the second electrode layer 5 is less than 1 Ω · cm and the sheet resistance is 50 Ω / □ or less. The second electrode layer 5 may be a semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer, and includes what is called a window layer.

第2の電極層5は第1の半導体層3の吸収効率を高めるため、第1の半導体層3の吸収光に対して光透過性を有するものが好ましい。光透過性を高めると同時に光反射ロス防止効果および光散乱効果を高め、さらに光電変換によって生じた電流を良好に伝送するという観点から、第2の電極層5は0.05〜0.5μmの厚さとするのが好ましい。また、第2の電極層5と第2の半導体層4との界面での光反射ロスを防止する観点からは、第2の電極層5と第2の半導体層4の屈折率は等しいのが好ましい。   In order to increase the absorption efficiency of the first semiconductor layer 3, it is preferable that the second electrode layer 5 has optical transparency with respect to the absorbed light of the first semiconductor layer 3. The second electrode layer 5 has a thickness of 0.05 to 0.5 μm from the viewpoint of enhancing the light transmittance and at the same time enhancing the light reflection loss prevention effect and the light scattering effect and further transmitting the current generated by the photoelectric conversion. Thickness is preferred. From the viewpoint of preventing light reflection loss at the interface between the second electrode layer 5 and the second semiconductor layer 4, the refractive indexes of the second electrode layer 5 and the second semiconductor layer 4 are equal. preferable.

光電変換装置10は、第1および第2の半導体層3,4を第1および第2の電極層1,5で挟んだ構成の光電変換セル11を、複数個並べてこれらを電気的に接続して成る。隣接する光電変換せる11同士を容易に直列接続するために、図1、図2に示すように、光電変換セル11は、第1の半導体層3の基板1側に第1の電極層2と離間して設けられた第3の電極層6を具備している。そして、第1の半導体層3に設けられた接続導体7によって、第2の電極層5と第3の電極層6とが電気的に接続されている。   The photoelectric conversion device 10 includes a plurality of photoelectric conversion cells 11 having a configuration in which the first and second semiconductor layers 3 and 4 are sandwiched between the first and second electrode layers 1 and 5 and are electrically connected to each other. It consists of In order to easily connect adjacent photoelectric converters 11 in series, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the photoelectric conversion cell 11 is connected to the first electrode layer 2 on the substrate 1 side of the first semiconductor layer 3. A third electrode layer 6 is provided so as to be spaced apart. The second electrode layer 5 and the third electrode layer 6 are electrically connected by the connection conductor 7 provided in the first semiconductor layer 3.

接続導体7は、第1および第2の半導体層3,4よりも電気抵抗率の低い材料で構成されている。このような接続導体7は、例えば、第1および第2の半導体層3,4を貫通する溝を形成し、この溝内に導体を形成することにより形成することができる。このような導体としては、例えば、第1および第2の半導体層3,4を貫通する溝を形成した後、上部電極層5をこの溝内にも形成することで接続導体7を形成してもよく(図1,2参照)、上記溝内に導電ペーストを充填することで接続導体7を形成してもよい(図3参照)。なお、図3は、集電電極8を導電ペーストで形成する際、第1および第2の半導体層3,4を貫通する溝内にも導電ペーストを充填して接続導体7を形成している。あるいは、上記のような溝を形成せず、第1および第2の半導体層3,4の一部を改質して電気抵抗率を低くすることによっても形成することができる。   The connection conductor 7 is made of a material having a lower electrical resistivity than the first and second semiconductor layers 3 and 4. Such a connection conductor 7 can be formed, for example, by forming a groove penetrating the first and second semiconductor layers 3 and 4 and forming a conductor in the groove. As such a conductor, for example, after forming a groove penetrating the first and second semiconductor layers 3, 4, the connection electrode 7 is formed by forming the upper electrode layer 5 also in this groove. Alternatively, the connection conductor 7 may be formed by filling the groove with a conductive paste (see FIG. 3). In FIG. 3, when the current collecting electrode 8 is formed of a conductive paste, the connection conductor 7 is formed by filling the conductive paste in the grooves penetrating the first and second semiconductor layers 3 and 4. . Alternatively, it is possible to form the first and second semiconductor layers 3 and 4 by modifying a part of the first and second semiconductor layers 3 and 4 to lower the electric resistivity without forming the groove as described above.

また、光電変換装置10は、図1,図2に示すように、第2の電極層5上に集電電極8が形成されていてもよい。集電電極8は、第2の電極層5の電気抵抗を小さくするためのものである。集電電極8は、例えば、図1に示すように、光電変換セル11の一端から接続導体7にかけて線状に形成されている。これにより、第1の半導体層3の光電変換により生じた電流を第2の電極層5を介して集電電極8に集電し、これを接続導体7を介して隣接する光電変換セル11に良好に導電することができる。よって、集電電極8が設けられていることにより、第2電極層5を薄くしても第1の半導体層3で発生した電流を効率よく取り出すことができる。その結果、発電効率を高めることができる。   Moreover, as shown in FIGS. 1 and 2, the photoelectric conversion device 10 may have a collecting electrode 8 formed on the second electrode layer 5. The collecting electrode 8 is for reducing the electric resistance of the second electrode layer 5. For example, as shown in FIG. 1, the collector electrode 8 is formed in a linear shape from one end of the photoelectric conversion cell 11 to the connection conductor 7. Thereby, the current generated by the photoelectric conversion of the first semiconductor layer 3 is collected through the second electrode layer 5 to the current collecting electrode 8, and this current is collected to the adjacent photoelectric conversion cell 11 through the connection conductor 7. It can conduct well. Therefore, by providing the current collecting electrode 8, the current generated in the first semiconductor layer 3 can be efficiently taken out even if the second electrode layer 5 is thinned. As a result, power generation efficiency can be increased.

集電電極8は第1の半導体層3への光を遮るのを抑制するとともに良好な導電性を有するという観点からは、50〜400μmの幅を有するのが好ましい。また、集電電極8は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。   The collector electrode 8 preferably has a width of 50 to 400 μm from the viewpoint of suppressing light from being blocked to the first semiconductor layer 3 and having good conductivity. The current collecting electrode 8 may have a plurality of branched portions.

集電電極8は、例えば、Ag等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストをパターン状に印刷し、これを硬化することによって形成することができる。   The collector electrode 8 can be formed, for example, by printing a metal paste in which a metal powder such as Ag is dispersed in a resin binder or the like in a pattern and curing it.

1:基板
2:第1の電極層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:第2の電極層
6:第3の電極層
7:接続導体
8:集電電極
10:光電変換装置
1: Substrate 2: First electrode layer 3: First semiconductor layer 4: Second semiconductor layer 5: Second electrode layer 6: Third electrode layer 7: Connection conductor 8: Current collecting electrode 10: Photoelectric Conversion device

Claims (6)

アミノ基および水酸基を有するアルコールアミンを主成分とする第1の有機溶媒にカルコゲン元素が単体の状態で溶解されているとともに金属元素が溶解されている原料溶液を作製する工程と、
該原料溶液を加熱して、前記カルコゲン元素と前記金属元素とを反応させて成る金属カルコゲナイド粒子を作製する工程と
を具備することを特徴とする金属カルコゲナイド粒子の製造方法。
A step of preparing a raw material solution in which a chalcogen element is dissolved in a simple substance state and a metal element is dissolved in a first organic solvent mainly composed of an alcohol amine having an amino group and a hydroxyl group;
A method for producing metal chalcogenide particles, comprising: heating the raw material solution to produce metal chalcogenide particles obtained by reacting the chalcogen element and the metal element.
前記金属元素としてI−B族元素を用い、前記金属カルコゲナイド粒子としてI−VI族化合物を含むものを作製する、請求項1に記載の金属カルコゲナイド粒子の製造方法。   The method for producing metal chalcogenide particles according to claim 1, wherein an IB group element is used as the metal element, and the metal chalcogenide particles include an I-VI group compound. 前記金属元素としてIII−B族元素を用い、前記金属カルコゲナイド粒子としてIII−VI族化合物を含むものを作製する、請求項1に記載の金属カルコゲナイド粒子の製造方法。   The method for producing metal chalcogenide particles according to claim 1, wherein a group III-B element is used as the metal element, and the metal chalcogenide particles include a group III-VI compound. 前記金属元素としてI−B族元素およびIII−B族元素を用い、前記金属カルコゲナイ
ド粒子としてI−III−VI族化合物を含むものを作製する、請求項1に記載の金属カルコ
ゲナイド粒子の製造方法。
The manufacturing method of the metal chalcogenide particle | grains of Claim 1 which produces what contains an I-III-VI group compound as the said metal chalcogenide particle | grain using the IB group element and the III-B group element as said metal element.
前記金属元素を、少なくとも一部が金属の状態で前記第1の有機溶媒に溶解されているものとする、請求項1乃至4のいずれかに記載の金属カルコゲナイド粒子の製造方法。   5. The method for producing metal chalcogenide particles according to claim 1, wherein at least a part of the metal element is dissolved in the first organic solvent in a metal state. 請求項1乃至5のいずれかに記載の金属カルコゲナイド粒子の製造方法で金属カルコゲナイド粒子を作製する工程と、
該金属カルコゲナイド粒子を第2の有機溶媒に分散して成る半導体層用溶液を電極層上に塗布して皮膜を形成する工程と、
該皮膜を加熱して、前記金属カルコゲナイド粒子を反応させて成る、光電変換層としての半導体層を作製する工程と
を具備することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
Producing metal chalcogenide particles by the method for producing metal chalcogenide particles according to any one of claims 1 to 5,
Applying a solution for a semiconductor layer formed by dispersing the metal chalcogenide particles in a second organic solvent on the electrode layer to form a film;
And a step of producing a semiconductor layer as a photoelectric conversion layer obtained by heating the coating and reacting the metal chalcogenide particles.
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