JP2012151221A - Chalcogenide-based compound semiconductor and method of producing the same - Google Patents

Chalcogenide-based compound semiconductor and method of producing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel chalcogenide-based compound semiconductor having a relatively high conversion efficiency, and to provide a method of producing the same.SOLUTION: A chalcogenide-based compound semiconductor and a production method therefor are provided. (1) The chalcogenide-based compound semiconductor contains Cu, Zn, Sn, an element X(=S and/or Se), and O as essential elements. (2) The chalcogenide-based compound semiconductor is obtained by performing sulfidation and/or selenization of a precursor containing (a) Cu, Zn and Sn, and (b) one kind or more than one kind of non-crystalline oxide and/or hydroxide containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn. Preferably, the precursor is formed by supplying a CVD material containing a Cu source, a Zn source and an Sn source to a CVD apparatus open to the atmosphere, and then gasifying the CVD material simultaneously.

Description

本発明は、カルコゲナイト系化合物半導体及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、光電素子の光吸収層などに用いられ、所定量の酸素を必須の元素として含む新規なカルコゲナイト系化合物半導体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a chalcogenite-based compound semiconductor and a method for producing the same, and more specifically, to a novel chalcogenite-based compound semiconductor that is used in a light absorption layer of a photoelectric element and contains a predetermined amount of oxygen as an essential element, and a method for producing the same. .

光電素子とは、光量子のエネルギーを何らかの物理現象を介して電気的信号に変換(光電変換)することが可能な素子をいう。太陽電池は、光電素子の一種であり、太陽光線の光エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換することができる。   A photoelectric element refers to an element that can convert photon energy into an electrical signal (photoelectric conversion) through some physical phenomenon. A solar cell is a kind of photoelectric element, and can efficiently convert light energy of sunlight into electric energy.

太陽電池に用いられる半導体としては、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi、GaAs、InP、CdTe、CuIn1-xGaxSe2(CIGS)、Cu2ZnSnS4(CZTS)などが知られている。
これらの中でも、CIGSやCZTSに代表されるカルコゲナイト系の化合物は、光吸収係数が大きいので、低コスト化に有利な薄膜化が可能である。特に、CIGSを光吸収層に用いた太陽電池は、薄膜太陽電池中では変換効率が高く、多結晶Siを用いた太陽電池を超える変換効率も得られている。しかしながら、CIGSは、環境負荷元素及び希少元素を含んでいるという問題がある。
一方、CZTSは、太陽電池に適したバンドギャップエネルギー(1.4〜1.5eV)を持ち、しかも、環境負荷元素や希少元素を含まないという特徴がある。
The semiconductor used in solar cells, monocrystalline Si, polycrystalline Si, amorphous Si, GaAs, InP, CdTe, CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) such as is known Yes.
Among these, chalcogenite-based compounds represented by CIGS and CZTS have a large light absorption coefficient, so that a thin film advantageous for cost reduction is possible. In particular, a solar cell using CIGS as a light absorption layer has high conversion efficiency in a thin film solar cell, and conversion efficiency exceeding that of a solar cell using polycrystalline Si is also obtained. However, CIGS has a problem that it contains an environmental load element and a rare element.
On the other hand, CZTS has a band gap energy (1.4 to 1.5 eV) suitable for a solar cell and is characterized by not containing an environmental load element or a rare element.

このような薄膜太陽電池の光吸収層の製造方法については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、非特許文献1には、
(a)非真空下で、2種以上の金属粉末を900℃程度で溶解して溶湯とし、溶湯を噴霧、急冷、及び、粉砕して合金粉末を作製し、
(b)合金粉末からなるインクを基板上に塗布、乾燥、及び、固着して、合金からなる前駆体を作製し、
(c)前駆体をセレン化してカルコパイライト系化合物半導体(CIS、CIGS、CIGSSe)を作製する
方法が開示されている。
Various proposals have heretofore been made for a method for producing a light absorption layer of such a thin-film solar cell.
For example, in Non-Patent Document 1,
(A) Two or more metal powders are melted at about 900 ° C. under non-vacuum to form a molten metal, and the molten metal is sprayed, quenched, and pulverized to produce an alloy powder,
(B) An ink made of an alloy powder is applied on a substrate, dried, and fixed to produce a precursor made of an alloy;
(C) A method for producing a chalcopyrite compound semiconductor (CIS, CIGS, CIGSSe) by selenizing the precursor is disclosed.

また、非特許文献2には、
(a)非真空下で、2種以上の酸化物粉末を酸で溶解して水酸化物とし、水酸化物を乾燥、分散、及び、粉砕して酸化物微粒子を作製し、
(b)酸化物微粒子からなるインクを基板上に塗布、乾燥、及び、固着して、酸化物からなる前駆体を作製し、
(c)前駆体をH2+N2雰囲気中で500〜550℃程度で還元し、
(d)還元処理した前駆体をセレン化してカルコパイライト系化合物半導体を作製する
方法が開示されている。
Non-Patent Document 2 includes
(A) Under non-vacuum, two or more oxide powders are dissolved with an acid to form a hydroxide, and the hydroxide is dried, dispersed, and pulverized to produce oxide fine particles,
(B) An ink composed of oxide fine particles is applied on a substrate, dried, and fixed to produce a precursor composed of oxide;
(C) reducing the precursor at about 500 to 550 ° C. in an H 2 + N 2 atmosphere;
(D) A method for producing a chalcopyrite compound semiconductor by selenizing a reduced precursor is disclosed.

また、特許文献1及び非特許文献3には、
(a)酢酸亜鉛二水和物、塩化スズ二水和物及び酢酸銅一水和物を溶解した溶液をソーダライムガラス基板上にスピンコーティングし、300℃で5分間乾燥させる操作を5回繰り返し、
(b)得られた膜を500℃×1時間、空気中で保持し、
(c)さらに、膜を500℃×1時間、硫化水素5%+窒素95%雰囲気中で保持する
硫化物薄膜の作製方法が開示されている。
非特許文献3には、このような方法により得られるCZTS系化合物半導体を光吸収層に用いると、η=2.23%、Voc=529mV、Jsc=10.2mA/cm2、F.F.=41.6%である太陽電池が得られる点が記載されている。
Patent Document 1 and Non-Patent Document 3 include
(A) Spin coating a solution of zinc acetate dihydrate, tin chloride dihydrate and copper acetate monohydrate on a soda lime glass substrate and drying at 300 ° C. for 5 minutes is repeated 5 times. ,
(B) holding the obtained membrane in air at 500 ° C. for 1 hour;
(C) Further, a method for producing a sulfide thin film is disclosed in which the film is held at 500 ° C. for 1 hour in an atmosphere of 5% hydrogen sulfide + 95% nitrogen.
In Non-Patent Document 3, when a CZTS compound semiconductor obtained by such a method is used for a light absorption layer, η = 2.3%, V oc = 529 mV, J sc = 10.2 mA / cm 2 , F.R. It describes that a solar cell with F. = 41.6% is obtained.

また、特許文献2には、
(a)スパッタリング法により、Cu−Zn−Sn−S前駆体膜を形成し、
(b)20%H2S+N2ガス雰囲気中、550〜580℃×3hで前駆体膜の硫化処理を行う
硫化物系化合物半導体の製造方法が開示されている。
In addition, in Patent Document 2,
(A) A Cu—Zn—Sn—S precursor film is formed by sputtering,
(B) A method for producing a sulfide-based compound semiconductor is disclosed in which a precursor film is subjected to sulfurization treatment at 550 to 580 ° C. for 3 hours in a 20% H 2 S + N 2 gas atmosphere.

また、特許文献3には、光吸収層の製造方法ではないが、イオウ化合物を含むガス雰囲気下において結晶性酸化チタンを加熱する部分硫化酸化チタンの製造方法が開示されている。
さらに、特許文献4には、光吸収層として用いられる材料ではないが、Cu2Zn(Ge1-xSix)S4からなる発光材料用保護材が開示されている。
Patent Document 3 discloses a method for producing partially oxidized titanium oxide in which crystalline titanium oxide is heated in a gas atmosphere containing a sulfur compound, although it is not a method for producing a light absorption layer.
Further, Patent Document 4 discloses a protective material for a light emitting material made of Cu 2 Zn (Ge 1 -x Si x ) S 4 , although it is not a material used as a light absorption layer.

合金粉末、酸化物微粒子、塩などを分散又は溶解させたインクを基板上に塗布して前駆体膜を形成する方法は、大面積の薄膜を低コストで製造できるという利点がある。
しかしながら、この方法は、粉末を製造する時点又はインクを製造する時点でカルコゲナイト系化合物半導体の前駆体の組成を決定する必要があるため、前駆体の組成制御が困難である。また、ウェットプロセスであるため、インクを基板上に固着させるために乾燥工程が必要であり、厚膜を得るためには、インクの塗布及び乾燥を複数回繰り返す必要がある。さらに、基板上に既に形成されている薄膜(例えば、下部電極)がインクにより劣化するおそれがある場合、前駆体膜を形成する前に基板表面に劣化防止層を形成する必要がある。
The method of forming a precursor film by applying an ink in which an alloy powder, oxide fine particles, salt, or the like is dispersed or dissolved on a substrate, has an advantage that a large-area thin film can be manufactured at low cost.
However, in this method, it is necessary to determine the composition of the precursor of the chalcogenite compound semiconductor at the time of producing the powder or the ink, and thus it is difficult to control the composition of the precursor. Also, since it is a wet process, a drying step is required to fix the ink on the substrate, and in order to obtain a thick film, it is necessary to repeat the application and drying of the ink a plurality of times. Furthermore, when a thin film (for example, the lower electrode) already formed on the substrate may be deteriorated by ink, it is necessary to form a deterioration preventing layer on the substrate surface before forming the precursor film.

一方、スパッタリング法により前駆体膜を形成する方法は、前駆体膜の組成制御が比較的容易である。また、ドライプロセスであるため、乾燥工程、塗布及び乾燥の繰り返し、並びに、劣化防止層の形成が不要である。
しかしながら、スパッタリング法は、
(1)真空プロセスであるため、製造コストが高く、大面積化が困難である、
(2)カルコゲナイト系化合物半導体の前駆体膜作製時に、結晶形態、結晶性、配向性などを制御することは困難である、
(3)ZnO、CuO、及び、SnO2を同時蒸着して酸化物系の前駆体膜を形成する場合、SnO2のスパッタレートが低いため、前駆体膜の組成制御には限界がある、
等の問題がある。
さらに、従来の方法により得られるCZTS系半導体は、相対的に変換効率が低いという問題がある。
On the other hand, in the method of forming the precursor film by the sputtering method, the composition control of the precursor film is relatively easy. Moreover, since it is a dry process, it is not necessary to perform a drying step, repeated application and drying, and formation of a deterioration preventing layer.
However, the sputtering method is
(1) Since it is a vacuum process, the manufacturing cost is high and it is difficult to increase the area.
(2) It is difficult to control the crystal form, crystallinity, orientation, etc. during the preparation of the precursor film of the chalcogenite compound semiconductor.
(3) ZnO, CuO, and, if co depositing SnO 2 to form a precursor film of the oxide-based, since SnO 2 sputtering rate is low, there is a limit to the composition control of the precursor film,
There are problems such as.
Furthermore, the CZTS semiconductor obtained by the conventional method has a problem that the conversion efficiency is relatively low.

特開2007−269589号公報JP 2007-269589 A 特開2009−026891号公報JP 2009-026891 A 特開2004−277269号公報JP 2004-277269 A 特開2009−021543号公報JP 2009-021543 A

Thin Solid Films 361-362(2000)p.514-519Thin Solid Films 361-362 (2000) p.514-519 Thin Solid Films 431-432(2003)p.53-57Thin Solid Films 431-432 (2003) p.53-57 第57回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 2010春 20p-TE-2、p.14-249Proceedings of the 57th Joint Conference on Applied Physics 2010 Spring 20p-TE-2, p.14-249

本発明が解決しようとする課題は、相対的に高い変換効率を持つ新規なカルコゲナイト系化合物半導体及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、組成制御が容易であり、しかも、製造コストを増大させることなく、大面積の薄膜を形成することが可能なカルコゲナイト系半導体の製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a novel chalcogenite compound semiconductor having relatively high conversion efficiency and a method for producing the same.
In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a chalcogenite-based semiconductor that can be easily controlled in composition and can form a large-area thin film without increasing the manufacturing cost. There is to do.

上記課題を解決するために本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記カルコゲナイト系化合物半導体は、Cu、Zn、Sn、元素X3(=S及び/又はSe)、及び、Oを必須元素として含む。
(2)前記カルコゲナイト系化合物半導体は、
(a)Cu、Zn及びSnを含み、
(b)Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む
前駆体を硫化及び/又はセレン化することにより得られる。
In order to solve the above-described problems, the chalcogenite compound semiconductor according to the present invention is summarized as having the following configuration.
(1) The chalcogenite-based compound semiconductor contains Cu, Zn, Sn, element X 3 (= S and / or Se), and O as essential elements.
(2) The chalcogenite compound semiconductor is:
(A) including Cu, Zn and Sn,
(B) Sulfurizing and / or selenizing a precursor containing one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn. Can be obtained.

本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体の製造方法は、
(a)Cu、Zn及びSnを含み、かつ、
(b)Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む
前駆体を形成する前駆体作製工程と、
前記前駆体を硫化及び/又はセレン化させ、カルコゲナイト系化合物半導体を得るカルコゲナイト化工程と
を備えていることを要旨とする。
前記前駆体作製工程は、
大気開放型CVD装置にCu源、Zn源及びSn源を含むCVD原料を供給し、前記CVD原料を同時に気化させ、大気中において基板上にCu、Zn及びSnを含む非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む前記前駆体を形成する大気開放CVD工程を備えているのが好ましい。
The method for producing a chalcogenite-based compound semiconductor according to the present invention includes:
(A) containing Cu, Zn and Sn, and
(B) a precursor preparation step of forming a precursor containing one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn; ,
The gist of the present invention is to provide a chalcogenite-forming step of sulfiding and / or selenizing the precursor to obtain a chalcogenite-based compound semiconductor.
The precursor preparation step includes
A CVD raw material including a Cu source, a Zn source and a Sn source is supplied to an atmospheric open type CVD apparatus, and the CVD raw material is vaporized at the same time. In the atmosphere, an amorphous oxide containing Cu, Zn and Sn and / or Alternatively, it is preferable to provide an atmospheric open CVD process for forming the precursor containing hydroxide.

所定量のOを含有するカルコゲナイト系化合物半導体は、Oを含まないカルコゲナイト系化合物半導体と同等以上の変換効率を示す。このようなカルコゲナイト系化合物半導体は、Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物又は水酸化物を含む前駆体を作製し、これを硫化及び/又はセレン化することにより得られる。
特に、大気開放型CVD装置を用いて前駆体の作製を行うと、組成制御が容易であり、しかも、製造コストを増大させることなく、大面積の薄膜を形成することが可能となる。
A chalcogenite compound semiconductor containing a predetermined amount of O exhibits a conversion efficiency equal to or higher than that of a chalcogenite compound semiconductor not containing O. Such a chalcogenite-based compound semiconductor is prepared by preparing a precursor containing one or more amorphous oxides or hydroxides including any one or more selected from Cu, Zn and Sn. It can be obtained by sulfurization and / or selenization.
In particular, when a precursor is prepared using an open-air CVD apparatus, composition control is easy, and a large-area thin film can be formed without increasing manufacturing costs.

実施例1で得られた硫化前の膜のSEM像(図1(a):断面、図1(c):平面)、及び、硫化後の膜のSEM像(図1(b):断面、図1(d):平面)である。SEM image (FIG. 1 (a): cross section, FIG. 1 (c): plane) of the film before sulfidation obtained in Example 1, and SEM image (FIG. 1 (b): cross section) of the film after sulfidation. FIG. 1 (d): a plane. 実施例1で得られた硫化前の膜のXRDパターンである。2 is an XRD pattern of a pre-sulfurized film obtained in Example 1. 実施例1で得られた硫化後の膜のXRDパターンである。2 is an XRD pattern of a film after sulfiding obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた硫化前後の膜の光学特性である。2 is an optical characteristic of a film before and after sulfiding obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた硫化後の膜のEDSスペクトルである。2 is an EDS spectrum of the film after sulfiding obtained in Example 1. 実施例1で得られた硫化後の膜の断面のSEM像である。SEM像中の番号は、EDS分析位置を表す。2 is a SEM image of a cross section of the film after sulfiding obtained in Example 1. FIG. The number in the SEM image represents the EDS analysis position. 実施例2で得られた太陽電池のI−V特性である。It is an IV characteristic of the solar cell obtained in Example 2.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. カルコゲナイト系化合物半導体]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体は、以下の構成を備えている。
(1)前記カルコゲナイト系化合物半導体は、Cu、Zn、Sn、元素X3(=S及び/又はSe)、及び、Oを必須元素として含む。
(2)前記カルコゲナイト系化合物半導体は、
(a)Cu、Zn及びSnを含み、
(b)Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む
前駆体を硫化及び/又はセレン化することにより得られる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Chalcogenite compound semiconductor]
The chalcogenite compound semiconductor according to the present invention has the following configuration.
(1) The chalcogenite-based compound semiconductor contains Cu, Zn, Sn, element X 3 (= S and / or Se), and O as essential elements.
(2) The chalcogenite compound semiconductor is:
(A) including Cu, Zn and Sn,
(B) Sulfurizing and / or selenizing a precursor containing one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn. Can be obtained.

[1.1. 必須元素]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体は、必須元素として、Cu、Zn、Sn、元素X3、及び、Oを含む。
より具体的には、本発明においてカルコゲナイト系化合物半導体とは、
(a)Cu2ZnSnS4(CZTS)系化合物のSの一部が、Oで置換された化合物(以下、これを「CZTSO系化合物」ともいう)、又は、
(b)CZTSO化合物のSの全部又は一部が、Seで置換された化合物、
をいう。
[1.1. Essential elements]
The chalcogenite-based compound semiconductor according to the present invention contains Cu, Zn, Sn, element X 3 , and O as essential elements.
More specifically, in the present invention, the chalcogenite compound semiconductor is
(A) a compound in which part of S of the Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) -based compound is substituted with O (hereinafter also referred to as “CZTSO-based compound”), or
(B) a compound in which all or part of S in the CZTSO compound is substituted with Se;
Say.

[1.2. 必須元素の元素比]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体の必須元素の元素比は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な元素比を選択することができる。
高い変換効率を得るためには、Zn及びSnの含有量(at%)の和に対するCuの含有量(at%)の比(=Cu/(Zn+Sn)比)は、0.12以上0.98以下が好ましい。
同様に、Snの含有量(at%)に対するZnの含有量(at%)の比(=Zn/Sn比)は、0.50以上3.91以下が好ましい。
同様に、元素X3及びOの含有量(at%)の和に対するOの含有量(at%)の比(=O/(X3+O)比)は、0.17以上0.27以下が好ましい。
[1.2. Element ratio of essential elements]
The element ratio of the essential elements of the chalcogenite compound semiconductor according to the present invention is not particularly limited, and an optimum element ratio can be selected according to the purpose.
In order to obtain high conversion efficiency, the ratio of Cu content (at%) to the sum of Zn and Sn contents (at%) (= Cu / (Zn + Sn) ratio) is 0.12 or more and 0.98. The following is preferred.
Similarly, the ratio of Zn content (at%) to Sn content (at%) (= Zn / Sn ratio) is preferably 0.50 or more and 3.91 or less.
Similarly, the ratio of the content of O (at%) to the sum of the contents of elements X 3 and O (at%) (= O / (X 3 + O) ratio) is 0.17 or more and 0.27 or less. preferable.

[1.3. 結晶構造]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体の結晶構造は、特に限定されるものではなく、光電効果を示す限りにおいて、種々の結晶構造を取ることができる。カルコゲナイト系化合物半導体の結晶構造としては、具体的には、ケステライト構造、スタナイト構造、ウルツ−スタナイト構造などがある。
[1.3. Crystal structure]
The crystal structure of the chalcogenite compound semiconductor according to the present invention is not particularly limited, and various crystal structures can be adopted as long as the photoelectric effect is exhibited. Specific examples of the crystal structure of the chalcogenite compound semiconductor include a kesterite structure, a stannite structure, and a wurtz-stannite structure.

カルコゲナイト系化合物半導体は、これらの結晶構造を取る相(光電効果を示す相)のみからなるのが好ましいが、異相が含まれていても良い。しかしながら、異相の含有量が過剰になると、高い変換効率は得られない。高い変換効率を得るためには、異相の含有量は、50vol%以下が好ましい。異相の含有量は、さらに好ましくは、30vol%以下、さらに好ましくは、10vol%以下である。
ここで、「異相の含有量」とは、X線回折パターンのピーク分離・フィッティング法により得られる値をいう。
The chalcogenite-based compound semiconductor preferably includes only a phase having such a crystal structure (a phase exhibiting a photoelectric effect), but may include a different phase. However, when the heterogeneous phase content is excessive, high conversion efficiency cannot be obtained. In order to obtain high conversion efficiency, the content of the heterogeneous phase is preferably 50 vol% or less. The heterogeneous phase content is more preferably 30 vol% or less, and still more preferably 10 vol% or less.
Here, the “heterophase content” refers to a value obtained by a peak separation / fitting method of an X-ray diffraction pattern.

[1.4. 前駆体]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体は、以下の条件を満たす前駆体を硫化及び/又はセレン化することにより得られる。
(a)第1に、前駆体は、Cu、Zn及びSn(必須金属元素)を含んでいる必要がある。
前駆体は、すべての必須金属元素を含む単一相であっても良く、あるいは、1種又は2種以上の必須金属元素を含む2種以上の相の混合物であっても良い。
[1.4. precursor]
The chalcogenite compound semiconductor according to the present invention can be obtained by sulfiding and / or selenizing a precursor that satisfies the following conditions.
(A) First, the precursor needs to contain Cu, Zn, and Sn (essential metal element).
The precursor may be a single phase containing all essential metal elements, or may be a mixture of two or more phases containing one or more essential metal elements.

(b)第2に、前駆体は、Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含んでいる必要がある。
ここで、「非結晶」とは、空間的に周期的な配列を持たない固体物質をいう。ガラス基板上に非結晶膜を形成した場合、「非結晶」とは、XRDパターンにおいて、10〜30°付近に生じるハローと呼ばれるピーク以外のピークが明確に現れない状態を指す。しかしながら、前駆体は、各元素の組成比も制御して作製されるため、組成比によっては、ハローに加えて、いずれかの構成元素を含む酸化物及び/又は水酸化物のピークを含む場合もある。
(B) Secondly, the precursor contains one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn. There is a need.
Here, “non-crystal” refers to a solid substance having no spatially periodic arrangement. In the case where an amorphous film is formed on a glass substrate, “non-crystalline” refers to a state in which no peak other than a peak called halo that occurs in the vicinity of 10 to 30 ° appears in the XRD pattern. However, since the precursor is produced by controlling the composition ratio of each element, depending on the composition ratio, in addition to the halo, the precursor may include an oxide and / or hydroxide peak containing any of the constituent elements. There is also.

例えば、前駆体は、非結晶の酸化物及び/又は水酸化物(非結晶相)のみからなるものでも良い。この場合、前駆体は、すべての必須金属元素を含む単一の非結晶相からなるものでも良く、あるいは、1種又は2種以上の必須金属元素を含む2種以上の非結晶相の混合物(例えば、組成の異なる複数の非結晶相の積層体)であっても良い。
また、例えば、前駆体は、1種又は2種以上の非結晶相と、その他の相(例えば、結晶性の酸化物又は水酸化物、硫化物など)との混合物であっても良い。
For example, the precursor may be composed of only an amorphous oxide and / or a hydroxide (noncrystalline phase). In this case, the precursor may consist of a single amorphous phase containing all essential metal elements, or a mixture of two or more amorphous phases containing one or more essential metal elements ( For example, it may be a laminate of a plurality of amorphous phases having different compositions.
Further, for example, the precursor may be a mixture of one or more amorphous phases and other phases (for example, crystalline oxide, hydroxide, sulfide, etc.).

また、例えば、前駆体は、大気開放型CVD装置を用いて得られる非結晶相を含むものでも良い。この場合、前駆体は、大気開放型CVD装置を用いて得られる1種又は2種以上の非結晶相のみからなるものでも良く、あるいは、大気開放型CVD装置を用いて得られる1種又は2種以上の非結晶相と、他の方法を用いて得られる非結晶相やその他の相(例えば、スパッタ法により形成される硫化物)との混合物でも良い。
さらに、前駆体は、大気開放型CVD装置にCu源、Zn源及びSn源を含むCVD原料を供給し、CVD原料を同時に気化させ、大気中において基板上にCu、Zn及びSnを含む非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を形成することにより得られるものでも良い。
これらの中でも、大気開放型CVD装置を用いて、すべての必須金属元素を含むCVD原料を同時に気化・析出させる方法は、他の方法を用いる場合に比べて、硫化及び/又はセレン化後の材料の変換効率が高くなるので、前駆体の製造方法として特に好適である。
Further, for example, the precursor may include an amorphous phase obtained using an atmospheric open type CVD apparatus. In this case, the precursor may be composed of only one or two or more amorphous phases obtained using an atmospheric open CVD apparatus, or one or two obtained using an atmospheric open CVD apparatus. It may be a mixture of an amorphous phase of at least a seed and an amorphous phase obtained by using another method or other phase (for example, a sulfide formed by sputtering).
Further, the precursor is supplied to a CVD source including a Cu source, a Zn source and a Sn source in an atmospheric open type CVD apparatus, and the CVD source is vaporized at the same time, and the amorphous material containing Cu, Zn and Sn on the substrate in the atmosphere. It may be obtained by forming an oxide and / or hydroxide.
Among these, the method of vaporizing and precipitating CVD raw materials containing all the essential metal elements at the same time using an open-air CVD apparatus is a material after sulfurization and / or selenization compared to the case of using other methods. Is particularly suitable as a precursor production method.

[2. カルコゲナイト系化合物半導体の製造方法]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体の製造方法は、前駆体作製工程と、カルコゲナイト化工程とを備えている。
[2. Method for producing chalcogenite compound semiconductor]
The manufacturing method of the chalcogenite-based compound semiconductor according to the present invention includes a precursor manufacturing step and a chalcogenite forming step.

[2.1. 前駆体作製工程]
前駆体作製工程は、
(a)Cu、Zn及びSnを含み、かつ、
(b)Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む
前駆体を形成する工程である。
[2.1. Precursor manufacturing process]
The precursor production process is
(A) containing Cu, Zn and Sn, and
(B) A step of forming a precursor containing one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn.

[2.1.1. 前駆体の作製方法]
前駆体の作製方法は、特に限定されるものではなく、必須金属元素を含む非結晶相を含む前駆体を作製可能な方法であれば良い。また、前駆体が非結晶相とその他の相(例えば、結晶性の酸化物又は水酸化物、硫化物など)との混合物である場合、2種以上の方法を組み合わせて前駆体を作製しても良い。
[2.1.1. Method for producing precursor]
The method for producing the precursor is not particularly limited as long as it is a method capable of producing a precursor containing an amorphous phase containing an essential metal element. Further, when the precursor is a mixture of an amorphous phase and other phases (for example, crystalline oxide, hydroxide, sulfide, etc.), a precursor is prepared by combining two or more methods. Also good.

前駆体は、必ずしも薄膜である必要はないが、カルコゲナイト系化合物半導体は、通常、薄膜の状態で使用されるため、前駆体も薄膜状に形成される。
前駆体が薄膜である場合、前駆体膜の形成方法としては、具体的には、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、メッキ法、化学溶液析出(CBD)法、電気泳動成膜(EPD)法、化学気相成膜(CVD)法、大気開放型CVD法、スプレー熱分解成膜(SPD)法、スクリーン印刷法、スピンコート法、微粒子堆積法などがある。
これらの中でも、大気開放型CVD法は、1種又は2種以上の必須金属元素を含む非結晶相を作製する方法として好適である。前駆体が複数の相の混合物である場合、少なくとも1つの非結晶相を大気開放型CVD法を用いて形成するのが好ましい。
The precursor is not necessarily a thin film, but a chalcogenite compound semiconductor is usually used in a thin film state, and therefore the precursor is also formed into a thin film.
When the precursor is a thin film, the method for forming the precursor film includes, specifically, a sputtering method, a vacuum evaporation method, a pulse laser deposition (PLD) method, a plating method, a chemical solution deposition (CBD) method, and electrophoresis. There are a film formation (EPD) method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an atmospheric open CVD method, a spray pyrolysis film formation (SPD) method, a screen printing method, a spin coating method, a fine particle deposition method and the like.
Among these, the open air CVD method is suitable as a method for producing an amorphous phase containing one or more essential metal elements. When the precursor is a mixture of phases, it is preferred to form at least one amorphous phase using an open-air CVD method.

さらに、大気開放型CVD法を用いて前駆体膜を作製する場合、大気開放型CVD装置にCu源、Zn源及びSn源を含むCVD原料を供給し、CVD原料を同時に気化させ、大気中において基板上にCu、Zn及びSnを含む非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む前駆体を形成するのが好ましい。
ここで、「大気開放型CVD法」とは、CVD原料を窒素などの不活性ガス雰囲気中で気化させ、気化原料を不活性ガスで輸送し、ノズルにより大気中に配置した基板上にCVD原料を噴霧する方法である。CVD原料を基板上に噴霧すると、CVD原料が雰囲気中の酸素又は水と反応し、基板上に、直接、非結晶の金属酸化物又は金属水酸化物を作製することができる。
「同時に気化」とは、
(a)複数の原料の混合物を単一の気化器で気化させること、又は、
(b)個々の原料を個々の気化器で独立に気化させ、得られた原料ガスを混合すること、
をいう。
Furthermore, when producing a precursor film using the atmospheric open type CVD method, a CVD raw material including a Cu source, a Zn source and an Sn source is supplied to the atmospheric open type CVD apparatus, and the CVD raw material is vaporized at the same time. It is preferable to form a precursor containing an amorphous oxide and / or hydroxide containing Cu, Zn and Sn on the substrate.
Here, “atmospheric open type CVD method” means that a CVD raw material is vaporized in an inert gas atmosphere such as nitrogen, the vaporized raw material is transported with an inert gas, and a CVD raw material is deposited on the substrate placed in the air by a nozzle. Is a method of spraying. When the CVD raw material is sprayed on the substrate, the CVD raw material reacts with oxygen or water in the atmosphere, and an amorphous metal oxide or metal hydroxide can be directly formed on the substrate.
“At the same time vaporization”
(A) vaporizing a mixture of a plurality of raw materials with a single vaporizer, or
(B) vaporizing individual raw materials independently with individual vaporizers and mixing the obtained raw material gases;
Say.

[2.1.2. 前駆体の原料]
前駆体の原料は、前駆体の作製方法に応じて最適な材料を選択する。
例えば、大気開放型CVD装置を用いて非結晶相を作製する場合、CVD原料には、ビスアセチルアセトナート銅、ビスアセチルアセトナート亜鉛、ビスアセチルアセトナート錫などの金属錯体を用いることができる。
[2.1.2. Precursor raw material]
As the precursor material, an optimum material is selected according to the method for producing the precursor.
For example, when an amorphous phase is produced using an atmospheric open type CVD apparatus, a metal complex such as bisacetylacetonate copper, bisacetylacetonate zinc, or bisacetylacetonate tin can be used as a CVD raw material.

[2.1.3. 前駆体の製造条件]
前駆体の製造条件は、前駆体の組成、前駆体の作製方法、使用する原料等に応じて最適な条件を選択する。
例えば、大気開放型CVD装置を用いて基板上に前駆体膜を作製する場合、所定の温度に加熱された基板上に、所定量のCVD原料を噴霧する。
この場合、基板の温度は、非結晶相が形成される温度であれば良い。例えば、CZTSO系化合物の前駆体を形成する場合、基板の温度は、250〜500℃が好ましい。
CVD原料の気化温度は、原料の種類にもよるが、90〜200℃である。CVD原料を輸送するための窒素ガス流量は、大気開放型CVD装置のノズル形状や寸法に応じて、適切な流量(例えば、0.1〜10L/min)を選択すれば良い。複数の気化器を用いて複数のCVD原料を同時に気化させる場合、各気化器は、CVD原料毎に独立していても良く、あるいは、直並列に接続されていても良い。
[2.1.3. Precursor manufacturing conditions]
The optimum manufacturing conditions for the precursor are selected according to the composition of the precursor, the method for producing the precursor, the raw material used, and the like.
For example, when a precursor film is formed on a substrate using an atmospheric open type CVD apparatus, a predetermined amount of CVD raw material is sprayed onto the substrate heated to a predetermined temperature.
In this case, the temperature of the substrate may be a temperature at which an amorphous phase is formed. For example, when forming the precursor of a CZTSO-based compound, the temperature of the substrate is preferably 250 to 500 ° C.
The vaporization temperature of the CVD raw material is 90 to 200 ° C. although it depends on the type of the raw material. An appropriate flow rate (for example, 0.1 to 10 L / min) may be selected as the nitrogen gas flow rate for transporting the CVD raw material in accordance with the nozzle shape and dimensions of the open-air CVD apparatus. When a plurality of CVD raw materials are vaporized simultaneously using a plurality of vaporizers, each vaporizer may be independent for each CVD raw material, or may be connected in series and parallel.

また、前駆体は、硫化及び/又はセレン化の時点において、
(a)Zn及びSnの含有量(at%)の和に対するCuの含有量(at%)の比(=Cu/(Zn+Sn)比)が、0.12以上0.98以下となり、
(b)Snの含有量(at%)に対するZnの含有量(at%)の比(=Zn/Sn比)が、0.50以上3.91以下となるように、
作製するのが好ましい。
従って、例えば、大気開放型CVD装置を用いて前駆体を作製する場合において、前駆体の作製時、又は、硫化及び/又はセレン化時において、元素比のずれが生じるときには、目的とする組成を有するカルコゲナイト系化合物が得られるように、各CVD原料の供給量を制御するのが好ましい。
The precursor is also at the time of sulfidation and / or selenization.
(A) The ratio of Cu content (at%) to the sum of Zn and Sn contents (at%) (= Cu / (Zn + Sn) ratio) is 0.12 or more and 0.98 or less,
(B) The ratio of Zn content (at%) to Sn content (at%) (= Zn / Sn ratio) is 0.50 or more and 3.91 or less,
It is preferable to produce it.
Therefore, for example, when a precursor is produced using an atmospheric open type CVD apparatus, when a deviation in element ratio occurs during production of the precursor or during sulfidation and / or selenization, the target composition is set. It is preferable to control the supply amount of each CVD raw material so that the chalcogenite-based compound is obtained.

[2.2. カルコゲナイト化工程]
カルコゲナイト化工程は、前駆体を硫化及び/又はセレン化させ、カルコゲナイト系化合物半導体を得る工程である。
硫化及びセレン化は、いずれか一方のみを行っても良く、あるいは、双方を行っても良い。また、硫化及びセレン化の双方を行う場合、硫化を先に行っても良く、あるいは、セレン化を先に行っても良い。
[2.2. Chalcogenite conversion process]
The chalcogenitization step is a step of obtaining a chalcogenite-based compound semiconductor by sulfiding and / or selenizing the precursor.
Only one or both of sulfidation and selenization may be performed. Further, when both sulfurization and selenization are performed, sulfurization may be performed first, or selenization may be performed first.

硫化及びセレン化の条件は、それぞれ、前駆体の組成や結晶構造などに応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
例えば、硫化は、前駆体を硫黄源存在下で所定の温度で所定時間加熱することにより行う。硫黄源としては、例えば、硫化水素、硫黄、二硫化炭素などがある。加熱温度及び加熱時間は、前駆体の組成や硫黄源の種類にもよるが、通常、500〜600℃×1〜4時間程度である。
同様に、セレン化は、前駆体をセレン源存在下で所定の温度で所定時間加熱することにより行う。セレン源としては、例えば、セレン化水素、セレンなどがある。加熱温度及び加熱時間は、前駆体の組成やセレン源の種類にもよるが、通常、500〜600℃×1〜4時間である。
As the conditions for sulfidation and selenization, optimum conditions are preferably selected according to the composition of the precursor and the crystal structure, respectively.
For example, sulfurization is performed by heating the precursor in the presence of a sulfur source at a predetermined temperature for a predetermined time. Examples of the sulfur source include hydrogen sulfide, sulfur, and carbon disulfide. The heating temperature and the heating time are usually about 500 to 600 ° C. × 1 to 4 hours, although depending on the composition of the precursor and the type of sulfur source.
Similarly, selenization is performed by heating the precursor at a predetermined temperature for a predetermined time in the presence of a selenium source. Examples of the selenium source include hydrogen selenide and selenium. The heating temperature and heating time are usually 500 to 600 ° C. × 1 to 4 hours, although depending on the composition of the precursor and the type of selenium source.

[3. 光電素子]
本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体は、光電素子の光吸収層として用いることができる。光吸収層以外の膜構成及びその材料については、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
例えば、光電素子の一種である薄膜太陽電池は、基板上に、下部電極、光吸収層、バッファ層(界面層)、窓層及び上部電極がこの順で形成された構造を備えている。本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体を光吸収層に用いる場合、その他の層の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。また、各層の厚さも特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。
[3. Photoelectric element]
The chalcogenite compound semiconductor according to the present invention can be used as a light absorption layer of a photoelectric element. The film configuration other than the light absorption layer and the material thereof are not particularly limited, and an optimal one can be selected according to the purpose.
For example, a thin film solar cell which is a kind of photoelectric element has a structure in which a lower electrode, a light absorption layer, a buffer layer (interface layer), a window layer, and an upper electrode are formed in this order on a substrate. When the chalcogenite-based compound semiconductor according to the present invention is used for the light absorption layer, the materials of the other layers are not particularly limited, and various materials can be used. Further, the thickness of each layer is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the purpose.

[4. カルコゲナイト系化合物半導体及びその製造方法の作用]
非特許文献2に開示されているように、酸化物を前駆体としてカルコゲナイト系化合物半導体を製造する場合、セレン化前に還元処理が行われていた。これは、変換効率に対して酸素が有害であると考えられていたためである。
これに対し、CZTS系化合物半導体のSの一部をOで置換したCZTSO系化合物半導体は、Oを含まないCZTS系化合物半導体と同等以上の変換効率を示す。
Seは、Sと同族であるため、CZTSO系化合物半導体のSの全部又は一部をSeで置換しても、同様の効果が得られる。
また、カルコゲナイト系化合物半導体の所定のサイトに所定量のOを導入することによって、バンドギャップを制御することができる。
[4. Action of chalcogenite compound semiconductor and manufacturing method thereof]
As disclosed in Non-Patent Document 2, when a chalcogenite compound semiconductor is produced using an oxide as a precursor, a reduction treatment has been performed before selenization. This is because oxygen was considered harmful to the conversion efficiency.
On the other hand, a CZTSO compound semiconductor in which a part of S in the CZTS compound semiconductor is substituted with O exhibits a conversion efficiency equal to or higher than that of a CZTS compound semiconductor containing no O.
Since Se is in the same family as S, the same effect can be obtained even when all or part of S in the CZTSO-based compound semiconductor is replaced with Se.
In addition, the band gap can be controlled by introducing a predetermined amount of O into a predetermined site of the chalcogenite compound semiconductor.

このようなカルコゲナイト系化合物半導体を製造する場合において、結晶性の酸化物膜を前駆体に用いて硫化及び/又はセレン化しても高い変換効率は得られない。
これに対し、Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物又は水酸化物を含む前駆体を作製し、これを硫化及び/又はセレン化すると、相対的に高い変換効率を有するカルコゲナイト系化合物半導体が得られる。これは、結晶性に比べて非結晶の酸化物前駆体の方が、比較的還元・硫化(セレン化)しやすく、CZTSOを形成しやすいためと考えられる。また、結晶性の酸化物であるCZTOは、Cu:Zn:Sn:O=1:1:1:1であるため、CZTSO(Cu:Zn:Sn:(S、O)=2:1:1:4)を得るための組成範囲や硫化条件が限られ、良質なCZTSOが得られにくいためと考えられる。
In the case of manufacturing such a chalcogenite compound semiconductor, high conversion efficiency cannot be obtained even if a crystalline oxide film is used as a precursor and is sulfided and / or selenized.
On the other hand, a precursor containing one or two or more amorphous oxides or hydroxides containing any one or more selected from Cu, Zn, and Sn is produced, and this is sulfided and / or selenium. As a result, a chalcogenite compound semiconductor having relatively high conversion efficiency can be obtained. This is presumably because the amorphous oxide precursor is more easily reduced / sulfurized (selenized) and forms CZTSO more easily than crystalline. In addition, since CZTO which is a crystalline oxide has Cu: Zn: Sn: O = 1: 1: 1: 1, CZTSO (Cu: Zn: Sn: (S, O) = 2: 1: 1. : 4) It is considered that the composition range and sulfiding conditions for obtaining 4) are limited, and it is difficult to obtain high-quality CZTSO.

さらに、前駆体を作製する場合において、大気開放型CVD装置を用いて、すべての必須金属元素を含むCVD原料を同時に気化・析出させる方法を用いると、他の方法を用いる場合に比べて、硫化及び/又はセレン化後の材料の変換効率が高くなる。
これは、個別に気化・析出させる方法では、酸化物前駆体の各層が結晶性の酸化物又は硫化物となるのに対し、同時に気化・析出させる方法では、非結晶の酸化物前駆体となるためと考えられる。
Furthermore, in the case of producing a precursor, if a method of vaporizing and precipitating CVD raw materials containing all the essential metal elements at the same time using an atmospheric open type CVD apparatus is used, the sulfurization is performed as compared with the case of using other methods. And / or the conversion efficiency of the material after selenization increases.
This is because each layer of the oxide precursor becomes a crystalline oxide or sulfide in the method of vaporizing and precipitating individually, whereas it becomes an amorphous oxide precursor in the method of vaporizing and precipitating simultaneously. This is probably because of this.

本発明に係る方法により得られる材料は、Oを含んだカルコゲナイト系化合物半導体であるので、硫化及びセレン化の方法・条件の制約が小さくなる。すなわち、硫黄源やセレン源、加熱方式、温度条件などの選択肢が広がる。また、大気開放型CVD装置を用いて前駆体を作製する方法は、非真空のドライプロセスであり、原料の気化量をリアルタイムで制御するだけで組成を決定することができるため組成制御性が高く、工程数が少ないので、大面積・低コスト化が容易である。   Since the material obtained by the method according to the present invention is a chalcogenite-based compound semiconductor containing O, restrictions on the method and conditions for sulfidation and selenization are reduced. That is, options such as a sulfur source, a selenium source, a heating method, and temperature conditions are expanded. In addition, the method for producing the precursor using an open-air CVD apparatus is a non-vacuum dry process, and the composition can be determined simply by controlling the vaporization amount of the raw material in real time, so that the composition controllability is high. Since the number of processes is small, large area and low cost are easy.

(実施例1)
[1. 試料の作製]
[1.1. 前駆体の作製]
大気開放型CVD装置を用いて、前駆体となる非結晶(Cu、Zn、Sn)−O膜を作製した。Cu源、Zn源及びSn源となるビスアセチルアセトナート銅、ビスアセチルアセトナート亜鉛及びビスアセチルアセトナート錫を、それぞれ気化器に配置した後、気化器内を窒素ガス雰囲気とした。Cu源、Zn源及びSn源を、それぞれ、160〜200℃、90〜130℃、及び、100〜160℃に加熱し、Cu源、Zn源及びSn源を同時に気化させた。気化原料を窒素ガスで輸送し、大気中に配置した250〜500℃に加熱されたソーダライムガラス(SLG)基板又はMo/SLG基板上に噴霧して、基板上に、直接、非結晶(Cu、Zn、Sn)−O膜を作製した。非結晶(Cu、Zn、Sn)−O膜の膜厚は、800nmとした。
[1.2. 前駆体の硫化]
次に、非結晶(Cu、Zn、Sn)−O膜を硫化し、CZTSO膜を作製した。硫化は、5%H2S−N2雰囲気中で、540〜560℃×3時間保持することにより行った。
Example 1
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of precursor]
An amorphous (Cu, Zn, Sn) -O film to be a precursor was produced using an atmospheric open type CVD apparatus. After bisacetylacetonate copper, bisacetylacetonate zinc and bisacetylacetonate tin serving as a Cu source, Zn source and Sn source were respectively arranged in the vaporizer, the inside of the vaporizer was made a nitrogen gas atmosphere. The Cu source, Zn source and Sn source were heated to 160 to 200 ° C., 90 to 130 ° C. and 100 to 160 ° C., respectively, and the Cu source, Zn source and Sn source were vaporized at the same time. The vaporized raw material is transported with nitrogen gas and sprayed onto a soda lime glass (SLG) substrate or Mo / SLG substrate heated to 250 to 500 ° C. arranged in the atmosphere, and directly on the substrate, amorphous (Cu , Zn, Sn) -O films were prepared. The film thickness of the amorphous (Cu, Zn, Sn) -O film was 800 nm.
[1.2. Sulfurization of precursor]
Next, the amorphous (Cu, Zn, Sn) -O film was sulfided to produce a CZTSO film. Sulfurization was performed by holding at 540 to 560 ° C. for 3 hours in a 5% H 2 S—N 2 atmosphere.

[2. 試験方法]
[2.1. 蛍光X線分析(XRF)]
硫化後の膜の組成をXRFにより測定した。
[2.2. SEM観察]
硫化前後の膜のSEM観察を行った。
[2.3. X線回折]
硫化前後の膜のX線回折パターンの測定を行った。
[2.4. 光学特性]
分光光度計を用いて、硫化前後の膜の透過率及び光吸収係数を測定した。
[2.5. EDS分析]
硫化後の膜のEDS分析を行った。EDS分析は、電子線の加速電圧を20kVとして行い、膜厚方向及び膜面方向に対して点分析を数箇所行った。
[2. Test method]
[2.1. X-ray fluorescence analysis (XRF)]
The composition of the film after sulfidation was measured by XRF.
[2.2. SEM observation]
SEM observation of the film before and after sulfidation was performed.
[2.3. X-ray diffraction]
The X-ray diffraction pattern of the film before and after sulfiding was measured.
[2.4. optical properties]
Using a spectrophotometer, the transmittance and light absorption coefficient of the film before and after sulfiding were measured.
[2.5. EDS analysis]
EDS analysis of the film after sulfidation was performed. In the EDS analysis, the acceleration voltage of the electron beam was set to 20 kV, and several point analyzes were performed in the film thickness direction and the film surface direction.

[3. 結果]
[3.1. XRF]
硫化後の膜のCu/(Zn+Sn)比は、0.78であった。また、硫化後の膜のZn/Sn比は、1.29であった。
[3.2. SEM観察]
図1に、硫化前後の膜のSEM像を示す。図1(a)及び図1(c)は、それぞれ、硫化前の膜の断面及び平面である。また、図1(b)及び図1(d)は、それぞれ、硫化後の膜の断面及び平面である。図1より、硫化処理によって、結晶粒が粗大化していることがわかる。
[3. result]
[3.1. XRF]
The Cu / (Zn + Sn) ratio of the film after sulfidation was 0.78. The Zn / Sn ratio of the film after sulfidation was 1.29.
[3.2. SEM observation]
FIG. 1 shows SEM images of the film before and after sulfidation. FIG. 1A and FIG. 1C are a cross section and a plane of the film before sulfidation, respectively. Moreover, FIG.1 (b) and FIG.1 (d) are the cross sections and planes of a film | membrane after sulfidation, respectively. FIG. 1 shows that the crystal grains are coarsened by the sulfidation treatment.

[3.3. X線回折]
図2に、硫化前の膜のXRDパターンを示す。また、図3に、硫化後の膜のXRDパターンを示す。硫化前の試料からは、SLG基板を示す10〜30°のハローのみを確認できた。一方、硫化後の試料からは、CZTSを示す各ピークを確認できた。
[3.3. X-ray diffraction]
FIG. 2 shows the XRD pattern of the film before sulfidation. FIG. 3 shows the XRD pattern of the film after sulfidation. From the sample before sulfidation, only a 10-30 ° halo indicating an SLG substrate could be confirmed. On the other hand, each peak indicating CZTS could be confirmed from the sample after sulfidation.

[3.4. 光学特性]
図4に、硫化前後の膜の光学特性を示す。光学特性を外挿して光学バンドギャップを見積もった結果、硫化前の膜は2.52eV程度、硫化後の膜は1.57eV程度の光学バンドギャップを有することを確認した。一般に報告されている発電組成範囲内のCZTSの光学バンドギャップは、1.45〜1.50eV程度である。従って、これらの結果より、非結晶(Cu、Zn、Sn)−O膜を硫化することにより、Oを含んだCZTS膜(Cu2ZnSn(S,O)4膜)が得られることを確認した。
[3.4. optical properties]
FIG. 4 shows the optical characteristics of the film before and after sulfidation. As a result of extrapolating the optical characteristics and estimating the optical band gap, it was confirmed that the film before sulfidation had an optical band gap of about 2.52 eV, and the film after sulfidation had an optical band gap of about 1.57 eV. The optical band gap of CZTS within the generally reported power generation composition range is about 1.45 to 1.50 eV. Therefore, from these results, it was confirmed that a CZTS film (Cu 2 ZnSn (S, O) 4 film) containing O can be obtained by sulfiding the amorphous (Cu, Zn, Sn) -O film. .

[3.4. EDS分析]
硫化後の膜のEDS分析を行った。図5に、EDSスペクトルの一例を示す。図6に、硫化後の膜の断面のSEM像を示す。SEM像中の番号は、EDS分析位置を表す。
EDSスペクトルの内、0.5keV付近のO−Kaと、2.3keV付近のS−Kaを用いて、O及びSの組成値(at%)を算出した。さらに、図6に示す各分析位置のO及びSの組成値(at%)を膜厚方向及び膜面方向について平均し、O/(S+O)比を算出した。
[3.4. EDS analysis]
An EDS analysis of the film after sulfidation was performed. FIG. 5 shows an example of the EDS spectrum. FIG. 6 shows an SEM image of the cross section of the film after sulfidation. The number in the SEM image represents the EDS analysis position.
Of the EDS spectra, O-Ka around 0.5 keV and S-Ka around 2.3 keV were used to calculate the composition values (at%) of O and S. Furthermore, the composition values (at%) of O and S at each analysis position shown in FIG. 6 were averaged in the film thickness direction and the film surface direction, and the O / (S + O) ratio was calculated.

膜厚方向について算出した平均のO/(S+O)比は、図6中の測定位置(1,2,3)が0.27、(4,5,6)が0.19、(7,8,9)が0.22であった。また、膜面方向について算出した平均のO/(S+O)比は、図6中の測定位置(1,4,7)が0.27、(2,5,8)が0.17、(3,6,9)が0.24であった。さらに、全測定点の平均のO/(S+O)比は、0.23であった。
以上の結果から、本発明に係る方法により作製したCZTSO膜は、O/(S+O)比で、0.17〜0.27程度の酸素を含むことを確認した。
The average O / (S + O) ratio calculated in the film thickness direction is 0.27 at the measurement position (1, 2, 3) in FIG. 6, 0.19 at (4, 5, 6), and (7, 8). 9) was 0.22. The average O / (S + O) ratio calculated for the film surface direction is 0.27 for the measurement position (1, 4, 7) in FIG. 6, 0.17 for (2, 5, 8), (3 , 6, 9) was 0.24. Furthermore, the average O / (S + O) ratio of all measurement points was 0.23.
From the above results, it was confirmed that the CZTSO film produced by the method according to the present invention contained oxygen of about 0.17 to 0.27 at an O / (S + O) ratio.

(実施例2、比較例1)
[1. 試料の作製]
上部電極/窓層/バッファ層/光吸収層/下部電極/基板の構造を持つ太陽電池を作製した。上部電極には、Alを用いた。窓層には、ZnO:Alを用いた。バッファ層には、CdSを用いた。下部電極には、Moを用いた。基板には、SLGを用いた。
光吸収層には、
(a)実施例1で得られたCZTSO膜(実施例1)、又は、
(b)結晶性の酸化物膜(ZnCuSnO4膜)を硫化させることにより得られるCu2ZnSn(S,O)4膜(比較例1)
を用いた。
結晶性の酸化物膜は、大気開放型CVD装置を用いて、基板加熱温度を400〜600℃程度にし、Cu:Zn:Sn=1:1:1となるように組成制御(気化温度や原料量などを調節)することにより作製した。
(Example 2, Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
A solar cell having a structure of upper electrode / window layer / buffer layer / light absorption layer / lower electrode / substrate was produced. Al was used for the upper electrode. ZnO: Al was used for the window layer. CdS was used for the buffer layer. Mo was used for the lower electrode. SLG was used for the substrate.
In the light absorption layer,
(A) CZTSO film obtained in Example 1 (Example 1), or
(B) Cu 2 ZnSn (S, O) 4 film (Comparative Example 1) obtained by sulfiding a crystalline oxide film (ZnCuSnO 4 film)
Was used.
The crystalline oxide film is controlled in composition by using an open-air CVD apparatus so that the substrate heating temperature is about 400 to 600 ° C. and Cu: Zn: Sn = 1: 1: 1 (vaporization temperature and raw material). The amount was adjusted).

[2. 試験方法]
作製された太陽電池を用いて、短絡電流密度(JSC)、開放端電圧(VOC)、形状因子(F.F.)、及び、変換効率(Eff)を評価した。測定には、太陽光シミュレータを用いた。測定は、エアマス1.5(AM1.5)の疑似太陽光を太陽電池に当て、時間を置かずに測定を開始し、約20secで測定を完了した。
なお、変換効率(Eff)、開放端電圧(VOC)、短絡電流密度(JSC)、形状因子(F.F.)、及び、照射面の単位面積当たりの疑似太陽光のエネルギー(Esun)には、次の(1)式の関係が成り立つ。
ff=VOC×JSC×F.F.÷Esun ・・・(1)
[2. Test method]
Using the produced solar cell, the short-circuit current density (J SC ), the open-circuit voltage (V OC ), the form factor (FF), and the conversion efficiency (E ff ) were evaluated. A solar simulator was used for the measurement. In the measurement, artificial solar light of air mass 1.5 (AM1.5) was applied to the solar cell, the measurement was started without taking time, and the measurement was completed in about 20 seconds.
Conversion efficiency (E ff ), open-circuit voltage (V OC ), short-circuit current density (J SC ), form factor (F.F.), and pseudo-sunlight energy per unit area of the irradiated surface (E The relationship of the following formula (1) is established in sun ).
E ff = V OC × J SC × F.F. ÷ E sun (1)

[3. 結果]
図7に、実施例2で得られた太陽電池のI−V特性を示す。実施例2で得られた太陽電池の場合、I−V特性より、Voc=654mV、Jsc=15.5mA、F.F.=52.1%、η=5.26%の発電を確認した。
一方、比較例1で得られた太陽電池は、発電を確認することができなかった。
[3. result]
In FIG. 7, the IV characteristic of the solar cell obtained in Example 2 is shown. In the case of the solar cell obtained in Example 2, the generation of V oc = 654 mV, J sc = 15.5 mA, FF = 52.1%, η = 5.26% was confirmed from the IV characteristics. did.
On the other hand, the solar cell obtained in Comparative Example 1 could not confirm power generation.

以上より、大気開放型CVD装置を用いて、複数の原料を同時気化して作製した非結晶(Cu、Zn、Sn)−O膜を前駆体として用いると、他の非真空法により作製した前駆体を用いる場合に比べて、硫化後の膜の変換効率が高いことを確認した。
本発明に係る方法により得られるCZTSO膜は、従来のCZTS膜とは異なり、前駆体の膜中酸素を積極的に除去する必要がないことから、硫化方法・条件の制約を小さくする(すなわち、硫黄源、加熱方式、温度条件などの選択肢を広げる)ことができると言える。さらに、大気開放型CVD法は、非真空のドライプロセスで、組成制御性が高く、工程数が少ないので、CZTSO膜の大面積化・低コスト化が容易である。
From the above, when an amorphous (Cu, Zn, Sn) -O film prepared by simultaneously vaporizing a plurality of raw materials using an atmospheric open type CVD apparatus is used as a precursor, a precursor prepared by another non-vacuum method It was confirmed that the conversion efficiency of the membrane after sulfidation was higher than when using the body.
Unlike the conventional CZTS film, the CZTSO film obtained by the method according to the present invention does not need to positively remove oxygen in the precursor film, so that the restriction of the sulfidation method and conditions is reduced (that is, It can be said that the options such as the sulfur source, the heating method, and the temperature condition can be expanded. Furthermore, the open-air CVD method is a non-vacuum dry process, has high composition controllability, and has a small number of steps, so that it is easy to increase the area and cost of the CZTSO film.

(実施例3〜5)
[1. 試料の作製]
[1.1. 前駆体の作製]
大気開放型CVD装置を用いて、複数の膜の積層体からなる前駆体を作製した。前駆体を構成する膜の内、Cu、Zn及びSnの一部を含む非結晶酸化物膜は、大気開放型CVD装置を用いて、Cu源、Zn源及びSn源を個別に気化させることにより作製した。その他の製造条件は、実施例1と同様とした。また、前駆体を構成する膜の内、硫化物膜は、スパッタ法により作製した。
前駆体の膜構成は、膜表面から順に、
(a)非結晶ZnO/非結晶CuO/非結晶SnO2(実施例3)、
(b)非結晶(Zn、Cu)−O/非結晶SnO2(実施例4)、又は、
(c)非結晶(Zn、Cu)−O/SnS(実施例5)
とした。
積層膜を構成する各膜の内、非結晶ZnO、非結晶CuO、非結晶SnO2、及び、SnSの膜厚は、それぞれ、300nmとし、非結晶(Zn、Cu)−Oの膜厚は、700nmとした。
[1.2. 前駆体の硫化]
実施例1と同一条件下で、前駆体の硫化を行った。
(Examples 3 to 5)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of precursor]
A precursor composed of a laminate of a plurality of films was produced using an atmospheric open type CVD apparatus. Among the films constituting the precursor, an amorphous oxide film containing a part of Cu, Zn, and Sn is obtained by vaporizing the Cu source, the Zn source, and the Sn source individually using an atmospheric open type CVD apparatus. Produced. Other manufacturing conditions were the same as in Example 1. Of the films constituting the precursor, the sulfide film was produced by sputtering.
The film configuration of the precursor is in order from the film surface,
(A) Amorphous ZnO / Amorphous CuO / Amorphous SnO 2 (Example 3),
(B) Amorphous (Zn, Cu) -O / Amorphous SnO 2 (Example 4) or
(C) Amorphous (Zn, Cu) -O / SnS (Example 5)
It was.
Of each film constituting the laminated film, the film thickness of amorphous ZnO, amorphous CuO, amorphous SnO 2 , and SnS is 300 nm, respectively, and the film thickness of amorphous (Zn, Cu) -O is It was 700 nm.
[1.2. Sulfurization of precursor]
Under the same conditions as in Example 1, the precursor was sulfided.

[2. 試験方法]
実施例1と同様にして、硫化後の膜のX線回折測定及び光学特性の評価を行った。また、実施例2と同様にして、太陽電池特性の評価を行った。
[3. 結果]
硫化後の試料は、いずれも、CZTSのXRDパターンを示した。また、硫化後の試料は、いずれも、1.52〜1.55eV程度の光学バンドギャップを有することを確認した。また、太陽電池特性を評価した結果、η=1.7%(実施例5)を確認した。
以上より、大気開放型CVD装置を用いて前駆体を作製する場合、複数の原料を同時に気化・析出させる方法を用いると、複数の原料を個別に気化・析出させる方法に比べて、硫化後の膜の変換効率が高くなることを確認した。
[2. Test method]
In the same manner as in Example 1, the X-ray diffraction measurement and optical characteristics of the film after sulfidation were evaluated. In addition, the solar cell characteristics were evaluated in the same manner as in Example 2.
[3. result]
All the samples after sulfidation exhibited an XRD pattern of CZTS. In addition, it was confirmed that all the samples after sulfurization had an optical band gap of about 1.52 to 1.55 eV. Moreover, as a result of evaluating the solar cell characteristics, η = 1.7% (Example 5) was confirmed.
From the above, when producing a precursor using an atmospheric open type CVD apparatus, using a method of vaporizing and precipitating a plurality of raw materials at the same time, compared with a method of vaporizing and precipitating a plurality of raw materials individually, It was confirmed that the conversion efficiency of the membrane was increased.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係るカルコゲナイト系化合物半導体子及びその製造方法は、薄膜太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、増感型太陽電池などの光吸収層及びその製造に用いることができる。   The chalcogenite-based compound semiconductor element and the manufacturing method thereof according to the present invention can be used for light absorption layers such as thin film solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors, sensitized solar cells, and the manufacture thereof.

Claims (6)

以下の構成を備えたカルコゲナイト系化合物半導体。
(1)前記カルコゲナイト系化合物半導体は、Cu、Zn、Sn、元素X3(=S及び/又はSe)、及び、Oを必須元素として含む。
(2)前記カルコゲナイト系化合物半導体は、
(a)Cu、Zn及びSnを含み、
(b)Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む
前駆体を硫化及び/又はセレン化することにより得られる。
A chalcogenite compound semiconductor having the following configuration.
(1) The chalcogenite-based compound semiconductor contains Cu, Zn, Sn, element X 3 (= S and / or Se), and O as essential elements.
(2) The chalcogenite compound semiconductor is:
(A) including Cu, Zn and Sn,
(B) Sulfurizing and / or selenizing a precursor containing one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn. Can be obtained.
前記前駆体は、
大気開放型CVD装置にCu源、Zn源及びSn源を含むCVD原料を供給し、前記CVD原料を同時に気化させ、大気中において基板上にCu、Zn及びSnを含む前記非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を形成することにより得られるものからなる請求項1に記載のカルコゲナイト系化合物半導体。
The precursor is
A CVD source including a Cu source, a Zn source and a Sn source is supplied to an atmospheric open type CVD apparatus, the CVD source is vaporized at the same time, and the amorphous oxide containing Cu, Zn and Sn on the substrate in the atmosphere and The chalcogenite-based compound semiconductor according to claim 1, wherein the chalcogenite-based compound semiconductor is obtained by forming a hydroxide.
(a)Zn及びSnの含有量(at%)の和に対するCuの含有量(at%)の比(=Cu/(Zn+Sn)比)は、0.12以上0.98以下であり、
(b)Snの含有量(at%)に対するZnの含有量(at%)の比(=Zn/Sn比)が、0.50以上3.91以下であり、
(c)前記元素X3及びOの含有量(at%)の和に対する前記Oの含有量(at%)の比(=O/(X3+O)比)が、0.17以上0.27以下である
請求項1又は2に記載のカルコゲナイト系化合物半導体。
(A) The ratio of Cu content (at%) to the sum of Zn and Sn contents (at%) (= Cu / (Zn + Sn) ratio) is 0.12 or more and 0.98 or less,
(B) The ratio of Zn content (at%) to Sn content (at%) (= Zn / Sn ratio) is 0.50 or more and 3.91 or less,
(C) The ratio of the content of O (at%) to the sum of the contents of elements X 3 and O (at%) (= O / (X 3 + O) ratio) is 0.17 or more and 0.27 The chalcogenite-based compound semiconductor according to claim 1 or 2, which is:
(a)Cu、Zn及びSnを含み、かつ、
(b)Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1以上の元素を含む、1種又は2種以上の非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む
前駆体を形成する前駆体作製工程と、
前記前駆体を硫化及び/又はセレン化させ、カルコゲナイト系化合物半導体を得るカルコゲナイト化工程と
を備えたカルコゲナイト系化合物半導体の製造方法。
(A) containing Cu, Zn and Sn, and
(B) a precursor preparation step of forming a precursor containing one or more amorphous oxides and / or hydroxides containing any one or more elements selected from Cu, Zn and Sn; ,
A method for producing a chalcogenite-based compound semiconductor comprising: a chalcogenite-forming step for obtaining a chalcogenite-based compound semiconductor by sulfiding and / or selenizing the precursor.
前記前駆体作製工程は、
大気開放型CVD装置にCu源、Zn源及びSn源を含むCVD原料を供給し、前記CVD原料を同時に気化させ、大気中において基板上にCu、Zn及びSnを含む非結晶の酸化物及び/又は水酸化物を含む前記前駆体を形成する大気開放CVD工程を備えている請求項4に記載のカルコゲナイト系化合物半導体の製造方法。
The precursor preparation step includes
A CVD raw material including a Cu source, a Zn source and a Sn source is supplied to an atmospheric open type CVD apparatus, and the CVD raw material is vaporized at the same time. In the atmosphere, an amorphous oxide containing Cu, Zn and Sn and / or Or the manufacturing method of the chalcogenite type compound semiconductor of Claim 4 provided with the air release CVD process which forms the said precursor containing a hydroxide.
前記前駆体作製工程は、硫化及び/又はセレン化の時点において、
(a)Zn及びSnの含有量(at%)の和に対するCuの含有量(at%)の比(=Cu/(Zn+Sn)比)が、0.12以上0.98以下となり、
(b)Snの含有量(at%)に対するZnの含有量(at%)の比(=Zn/Sn比)が、0.50以上3.91以下となるように、
前記前駆体の作製を行うものであり、
前記カルコゲナイト化工程は、
(c)前記元素X3及びOの含有量(at%)の和に対する前記Oの含有量(at%)の比(=O/(X3+O)比)が、0.17以上0.27以下となるように、硫化及び/又はセレン化を行うものである
請求項4又は5に記載のカルコゲナイト系化合物半導体の製造方法。
In the precursor preparation step, at the time of sulfurization and / or selenization,
(A) The ratio of Cu content (at%) to the sum of Zn and Sn contents (at%) (= Cu / (Zn + Sn) ratio) is 0.12 or more and 0.98 or less,
(B) The ratio of Zn content (at%) to Sn content (at%) (= Zn / Sn ratio) is 0.50 or more and 3.91 or less,
To produce the precursor,
The chalcogenite conversion step includes
(C) The ratio of the content of O (at%) to the sum of the contents of elements X 3 and O (at%) (= O / (X 3 + O) ratio) is 0.17 or more and 0.27 The method for producing a chalcogenite-based compound semiconductor according to claim 4 or 5, wherein sulfidation and / or selenization is performed so as to satisfy the following conditions.
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