JP2012227504A - Substrate for photoelectric conversion element with molybdenum electrode - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a photoelectric conversion element which can efficiently diffuse an alkali metal ion to a photoelectric conversion semiconductor layer, and can enhance the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion element.SOLUTION: The substrate for the photoelectric conversion element has an alkali metal silicate layer 30 including lithium silicate or potassium silicate, and sodium silicate on a substrate 10.

Description

本発明は、光電変換素子用基板および光電変換素子用基板を用いた太陽電池等の用途に好適な光電変換素子に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric conversion element suitable for applications such as a solar cell using the photoelectric conversion element substrate and the photoelectric conversion element substrate.

下部電極(裏面電極)と光吸収により電流を発生する光電変換層と上部電極(透明電極)との積層構造を基板上に有する光電変換素子が、太陽電池等の用途に使用されている。従来、太陽電池においては、バルクの単結晶Si又は多結晶Si、あるいは薄膜のアモルファスSiを用いたSi系太陽電池が主流であったが、近年Siに依存しない化合物半導体系太陽電池の研究開発がなされている。化合物半導体系太陽電池として、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなるCIS(Cu−In−Se)系あるいはCIGS(Cu−In−Ga−Se)系等の薄膜系が光吸収率が高く、光電変換効率が高いことが知られている。   A photoelectric conversion element having a laminated structure of a lower electrode (back electrode), a photoelectric conversion layer that generates current by light absorption, and an upper electrode (transparent electrode) on a substrate is used for applications such as solar cells. Conventionally, in solar cells, Si-based solar cells using bulk single-crystal Si or polycrystalline Si, or thin-film amorphous Si have been mainstream, but in recent years, research and development of compound semiconductor-based solar cells that do not depend on Si have been conducted. Has been made. As a compound semiconductor solar cell, a thin film system such as a CIS (Cu—In—Se) system or a CIGS (Cu—In—Ga—Se) system composed of a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element has a light absorption rate. It is known that the photoelectric conversion efficiency is high.

CIS系あるいはCIGS系等の光電変換素子においては、アルカリ金属、好ましくはNaを光電変換層に拡散させることで、光電変換層の結晶性が良くなり、光電変換効率が向上することが知られている(特許文献1および2)。従来は、Naを含むソーダライムガラス基板を用いて、光電変換層にNaを拡散させることがなされている。   In photoelectric conversion elements such as CIS or CIGS, it is known that the alkalinity, preferably Na, is diffused into the photoelectric conversion layer, whereby the crystallinity of the photoelectric conversion layer is improved and the photoelectric conversion efficiency is improved. (Patent Documents 1 and 2). Conventionally, Na is diffused into the photoelectric conversion layer using a soda-lime glass substrate containing Na.

しかしながら、金属基板、高分子基板、セラミックス基板などを太陽電池基板として用いた場合には、基板からナトリウムを供給することができないため、変換効率が上がらないという問題がある。そこで、ナトリウムを含まない基板を用いる場合には、アルカリ供給層を液相法で設けたり、ナトリウムをCIGSとの共蒸着で導入したり、あるいは電極としてMo−Naを設けること等が行われている。例えば、特許文献3には液相塗布により、アルカリ金属ケイ酸塩、詳細にはナトリウムケイ酸塩を塗布することが開示されている。また、特許文献4には陽極酸化基板を水酸化ナトリウム水溶液と接触させ、ナトリウムをドープすることが開示されている。さらに特許文献5にはステンレス基板にゾルゲル法で酸化ケイ素膜を形成するとともに、さらにNaを含む材料で絶縁層を形成することが記載されている。   However, when a metal substrate, a polymer substrate, a ceramic substrate, or the like is used as a solar cell substrate, there is a problem that conversion efficiency does not increase because sodium cannot be supplied from the substrate. Therefore, when using a substrate that does not contain sodium, an alkali supply layer is provided by a liquid phase method, sodium is introduced by co-evaporation with CIGS, or Mo-Na is provided as an electrode. Yes. For example, Patent Document 3 discloses applying alkali metal silicate, specifically sodium silicate, by liquid phase application. Patent Document 4 discloses that an anodized substrate is brought into contact with a sodium hydroxide aqueous solution and doped with sodium. Further, Patent Document 5 describes that a silicon oxide film is formed on a stainless steel substrate by a sol-gel method, and an insulating layer is further formed of a material containing Na.

特許第2922465号公報Japanese Patent No. 2922465 特開平11−312817号公報JP 11-312817 A 特開2009−267332号公報JP 2009-267332 A 特開2010−232427号公報JP 2010-232427 A 特開2004−158511号公報JP 2004-158511 A

上記のように、従来、光電変換半導体層を形成する際に、ナトリウム供給層からナトリウムが光電変換半導体層に拡散することによって発電効率が向上するという知見がごく一般的なものであったが、ナトリウム供給層を設けても想定している以上には発電効率が高くならないことがわかった。その原因は、ナトリウムが電極のモリブデンと反応するために不純物が生成していること、集積化された太陽電池の製造工程では電極成膜後のスクライブ実施後に、水洗を行う必要が出てくるが、この水洗によってナトリウムが溶出し、ロスにつながっていることが判明した。   As described above, conventionally, when forming the photoelectric conversion semiconductor layer, the knowledge that the power generation efficiency is improved by diffusing sodium from the sodium supply layer into the photoelectric conversion semiconductor layer was very common, It was found that even if a sodium supply layer was provided, the power generation efficiency would not be higher than expected. The cause is that impurities are generated because sodium reacts with the molybdenum of the electrode, and in the manufacturing process of the integrated solar cell, it is necessary to perform water washing after the scribing after the electrode film formation. It was found that sodium was eluted by this washing, leading to loss.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、アルカリ金属イオンを光電変換半導体層に対して効率よく拡散することが可能であって、光電変換素子の光電変換効率を高くすることができる光電変換素子用基板、並びにこの光電変換素子用基板を用いた光電変換素子を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of efficiently diffusing alkali metal ions into the photoelectric conversion semiconductor layer, and can increase the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element. An object of the present invention is to provide an element substrate and a photoelectric conversion element using the photoelectric conversion element substrate.

本発明の光電変換素子用基板は、基板上に、アルカリ金属ケイ酸塩(但し、アルカリ金属はナトリウム以外)と、ケイ酸ナトリウムとを含むアルカリ金属ケイ酸塩層を有することを特徴とするものである。
前記アルカリ金属ケイ酸塩は、ケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムであることが好ましい。
前記アルカリ金属ケイ酸塩層のケイ素に対する前記リチウムまたは前記カリウムのモル比は0.001以上1以下であることが好ましい。
前記ケイ素に対する前記リチウムまたは前記カリウムのモル比と、前記ケイ素に対する前記ナトリウムのモル比との和は1以下であることが好ましい。
前記アルカリ金属ケイ酸塩層はホウ素またはリンを含むことが好ましい。
前記アルカリ金属ケイ酸塩層の厚さは2μm以下であることが好ましい。
The substrate for a photoelectric conversion element of the present invention has an alkali metal silicate layer containing an alkali metal silicate (wherein the alkali metal is other than sodium) and sodium silicate on the substrate. It is.
The alkali metal silicate is preferably lithium silicate or potassium silicate.
The molar ratio of lithium or potassium to silicon in the alkali metal silicate layer is preferably 0.001 or more and 1 or less.
The sum of the molar ratio of lithium or potassium to silicon and the molar ratio of sodium to silicon is preferably 1 or less.
The alkali metal silicate layer preferably contains boron or phosphorus.
The thickness of the alkali metal silicate layer is preferably 2 μm or less.

前記基板は金属基板であることが好ましい。
前記金属基板の表面に陽極酸化アルミニウム皮膜が形成されていることが好ましい。
前記金属基板はアルミニウム、ステンレスまたは鉄鋼板の片面あるいは両面をアルミニウム板で一体化したクラッド材であることが好ましい。
前記陽極酸化アルミニウム皮膜はポーラス型陽極酸化アルミニウム皮膜であって、該ポーラス型陽極酸化アルミニウム皮膜が圧縮応力を有することが好ましい。
本発明の光電変換素子は上記の光電変換素子用基板上に形成されたものであることを特徴とするものである。
The substrate is preferably a metal substrate.
It is preferable that an anodized aluminum film is formed on the surface of the metal substrate.
The metal substrate is preferably a clad material in which one or both surfaces of aluminum, stainless steel, or steel plate are integrated with an aluminum plate.
The anodized aluminum film is a porous anodized aluminum film, and the porous anodized aluminum film preferably has a compressive stress.
The photoelectric conversion element of the present invention is formed on the photoelectric conversion element substrate described above.

本発明の光電変換素子用基板は、アルカリ金属ケイ酸塩(但し、アルカリ金属はナトリウム以外)と、ケイ酸ナトリウムとを含むアルカリ金属ケイ酸塩層を有し、ナトリウムと別のアルカリ金属を併用することによって、アルカリ金属ケイ酸塩層上にモリブデンからなる電極を形成しても、ナトリウムとモリブデンとが反応して不純物が生成したり、水洗によってナトリウムが溶出したりすることが抑制されるので、アルカリ金属ケイ酸塩層のナトリウムを効率よく光電変換半導体層に拡散することができ、光電変換素子の発電効率を向上させることが可能である。   The substrate for a photoelectric conversion element of the present invention has an alkali metal silicate layer containing an alkali metal silicate (wherein the alkali metal is other than sodium) and sodium silicate, and sodium and another alkali metal are used in combination. As a result, even if an electrode made of molybdenum is formed on the alkali metal silicate layer, it is possible to suppress the generation of impurities due to the reaction between sodium and molybdenum and the elution of sodium by washing with water. The sodium of the alkali metal silicate layer can be efficiently diffused into the photoelectric conversion semiconductor layer, and the power generation efficiency of the photoelectric conversion element can be improved.

ナトリウムと別のアルカリ金属を併用することによって、このような効果が得られるその作用機序は必ずしも明らかではないが、ナトリウムに比べると別のアルカリ金属、とりわけリチウムやカリウムは吸湿性が低く、アルカリ金属ケイ酸塩層にリチウムやカリウムが含まれることによって、アルカリ金属ケイ酸塩層の含まれる水分が絶対的に減る結果、水分に起因して生じる酸化反応が起こりにくくなるために、不純物の生成が抑制され、また、水洗によるナトリウム溶出が軽減されるものと推測される。   The mechanism of action by which sodium and another alkali metal are combined is not always clear, but other alkali metals, especially lithium and potassium, are less hygroscopic than sodium and When lithium or potassium is contained in the metal silicate layer, the moisture contained in the alkali metal silicate layer is absolutely reduced, so that the oxidation reaction caused by the moisture is less likely to occur. It is presumed that sodium elution is reduced by washing with water.

本発明の光電変換素子用基板を用いた光電変換素子の一実施の形態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows one Embodiment of the photoelectric conversion element using the board | substrate for photoelectric conversion elements of this invention. 本発明の別の態様の光電変換素子用基板を用いた光電変換素子の一実施の形態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows one Embodiment of the photoelectric conversion element using the board | substrate for photoelectric conversion elements of another aspect of this invention. 実施例4、比較例1および5のCIGS結晶の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the CIGS crystal of Example 4 and Comparative Examples 1 and 5.

本発明の光電変換素子用基板について詳細に説明する。
本発明の光電変換素子用基板におけるアルカリ金属ケイ酸塩層は、アルカリ金属ケイ酸塩(但し、アルカリ金属はナトリウム以外)と、ケイ酸ナトリウムとを含むものである。アルカリ金属ケイ酸塩(但し、アルカリ金属はナトリウム以外)は、複数の種類を含んでいてもよい。
アルカリ金属ケイ酸塩(アルカリ金属はナトリウム以外)は、特に、ケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムが好ましく、ケイ酸リチウムとケイ酸カリウムはその両方を含むものであってもよい。
The substrate for photoelectric conversion element of the present invention will be described in detail.
The alkali metal silicate layer in the substrate for a photoelectric conversion element of the present invention contains an alkali metal silicate (wherein the alkali metal is other than sodium) and sodium silicate. The alkali metal silicate (however, the alkali metal is other than sodium) may include a plurality of types.
The alkali metal silicate (the alkali metal is other than sodium) is particularly preferably lithium silicate or potassium silicate, and the lithium silicate and potassium silicate may contain both.

アルカリ金属ケイ酸塩がケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムである場合、アルカリ金属ケイ酸塩層のケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比は0.001以上1以下であることが好ましく、より好ましくは0.01以上1以下、さらに好ましくは0.02以上1以下、特に好ましくは0.05以上0.5以下が望ましい。ケイ素はアルカリ金属ケイ酸塩層に含まれる全ケイ素(ケイ酸ナトリウム由来のケイ素も含む)であり、ケイ酸リチウムとケイ酸カリウムの両方を含む場合には、ケイ酸リチウム由来、ケイ酸カリウム由来、およびケイ酸ナトリウム由来のケイ素に対するリチウムとカリウムの和のモル比を意味する。ケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比が1よりも大きくなるとリチウムまたはカリウムが多くなりすぎて、ケイ酸塩として固化しにくくなる。一方で、ケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比が0.001未満では、リチウムまたはカリウムが少なすぎて添加効果が得られず、光電変換素子の光電変換効率が高くならない。   When the alkali metal silicate is lithium silicate or potassium silicate, the molar ratio of lithium or potassium to silicon in the alkali metal silicate layer is preferably 0.001 or more and more preferably 1 or less. 01 or more and 1 or less, more preferably 0.02 or more and 1 or less, and particularly preferably 0.05 or more and 0.5 or less. Silicon is the total silicon contained in the alkali metal silicate layer (including silicon derived from sodium silicate). When both lithium silicate and potassium silicate are included, lithium silicate derived, potassium silicate derived , And the molar ratio of the sum of lithium and potassium to silicon from sodium silicate. When the molar ratio of lithium or potassium to silicon is larger than 1, lithium or potassium becomes too much and it becomes difficult to solidify as a silicate. On the other hand, when the molar ratio of lithium or potassium to silicon is less than 0.001, the effect of addition cannot be obtained due to too little lithium or potassium, and the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element does not increase.

アルカリ金属ケイ酸塩がケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムである場合、アルカリ金属ケイ酸塩層に含まれる全ケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比と、アルカリ金属ケイ酸塩層に含まれる全ケイ素に対するナトリウムのモル比との和は1以下であることが好ましく、より好ましくは0.8以下であることが望ましい。リチウムまたはカリウムが含まれないと絶縁性が低くなるほか、一般的に裏面電極に用いられているモリブデンを成膜した際に不純物を形成するため、発電効率が低くなる。これはナトリウムの吸水性が高いためであると推定される。一方で、リチウムまたはカリウムだけでは発電効率を上げることはできない。また、ケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比と、ケイ素に対するナトリウムのモル比との和が1より大きくなると、ケイ酸塩として固化しにくく、またケイ素の量が少ないために基板との密着性が低下する。   When the alkali metal silicate is lithium silicate or potassium silicate, the molar ratio of lithium or potassium to the total silicon contained in the alkali metal silicate layer and the sodium to the total silicon contained in the alkali metal silicate layer Is preferably 1 or less, more preferably 0.8 or less. If lithium or potassium is not contained, the insulating property is lowered, and, in addition, impurities are formed when a molybdenum film generally used for the back electrode is formed, so that the power generation efficiency is lowered. This is presumed to be due to the high water absorption of sodium. On the other hand, power generation efficiency cannot be increased only with lithium or potassium. In addition, when the sum of the molar ratio of lithium or potassium to silicon and the molar ratio of sodium to silicon is greater than 1, it is difficult to solidify as a silicate, and the amount of silicon is small, resulting in reduced adhesion to the substrate. To do.

ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムの製法は、湿式法、乾式法などが知られており、酸化ケイ素を、それぞれ水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウムで溶解するなどの手法によって作製することができる。また、種々のモル比のアルカリ金属ケイ酸塩が市販されており、これを利用することもできる。   Known methods for producing sodium silicate, lithium silicate, and potassium silicate include wet methods and dry methods. Silicon oxide is dissolved in sodium hydroxide, lithium hydroxide, and potassium hydroxide, respectively. Can be produced. In addition, alkali metal silicates having various molar ratios are commercially available and can be used.

ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムとしては、種々のモル比のケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムが市販されている。ケイ素とアルカリ金属の割合を示す指標として、SiO2/A2O(A:アルカリ金属)のモル比がしばしば用いられている。例えば、ケイ酸リチウムとしては、日産化学工業株式会社のリチウムシリケート35、リチウムシリケート45、リチウムシリケート75などがある。ケイ酸カリウムとしては、1号ケイ酸カリウム、2号ケイ酸カリウムなどが市販されている。 As sodium silicate, lithium silicate, and potassium silicate, various molar ratios of sodium silicate, lithium silicate, and potassium silicate are commercially available. The SiO 2 / A 2 O (A: alkali metal) molar ratio is often used as an index indicating the ratio of silicon and alkali metal. For example, as lithium silicate, there are lithium silicate 35, lithium silicate 45, lithium silicate 75, etc. manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. As potassium silicate, No. 1 potassium silicate, No. 2 potassium silicate and the like are commercially available.

ケイ酸ナトリウムとしては、オルトケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、1号ケイ酸ナトリウム、2号ケイ酸ナトリウム、3号ケイ酸ナトリウム、4号ケイ酸ナトリウムなどが知られ、ケイ素のモル比を数十まで高めた高モルケイ酸ナトリウムも市販されている。   As sodium silicate, sodium orthosilicate, sodium metasilicate, No. 1 sodium silicate, No. 2 sodium silicate, No. 3 sodium silicate, No. 4 sodium silicate, etc. are known, and the molar ratio of silicon is up to several tens. Elevated high mol sodium silicate is also commercially available.

上記のケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムを、それぞれ水と任意の比率で混合することにより、任意の濃度の溶液を得ることができる。ケイ素に対するリチウムまたはカリウムの比率は、これらのアルカリ金属ケイ酸塩の混合により変化させることができるほか、各種のケイ酸ナトリウムを任意の比率で混合することによって変化させることができる。水の添加量を変更することにより塗布液の粘度を調整し、適切な塗布条件を定めることができる。塗布液を基板上に塗布する方法としては特に限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ワイヤーバー法、グラビア法、スプレー法、ディップコート法、スピンコート法、キャピラリーコート法等の手法を用いることができる。   By mixing the sodium silicate, lithium silicate, and potassium silicate with water at an arbitrary ratio, a solution having an arbitrary concentration can be obtained. The ratio of lithium or potassium to silicon can be changed by mixing these alkali metal silicates, and can also be changed by mixing various sodium silicates in an arbitrary ratio. By changing the amount of water added, the viscosity of the coating solution can be adjusted to determine appropriate coating conditions. There is no particular limitation on the method for applying the coating liquid on the substrate, and for example, a doctor blade method, a wire bar method, a gravure method, a spray method, a dip coating method, a spin coating method, a capillary coating method, or the like may be used. it can.

なお、アルカリ金属ケイ酸塩層のケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウムは、作製時の供給源が必ずしもケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムおよびケイ酸ナトリウムである必要はない。例えばアルカリ金属ケイ酸塩層がケイ酸リチウムとケイ酸ナトリウムを含む場合には、ケイ酸リチウムと水酸化ナトリウムあるいは、水酸化リチウムとケイ酸ナトリウムとを、アルカリ金属ケイ酸塩層がケイ酸カリウムとケイ酸ナトリウムを含む場合には、水酸化カリウムとケイ酸ナトリウムあるいは、ケイ酸カリウムと水酸化ナトリウムとを、それぞれ水と任意の比率で混合することによっても、ケイ酸リチウムとケイ酸ナトリウムあるいはケイ酸カリウムとケイ酸ナトリウムを含むアルカリ金属ケイ酸塩層を作製することができる。また、供給源として、それぞれ、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩を添加してもよい。例えば、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、リン酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物などが用いられる。   Note that the lithium silicate, potassium silicate, and sodium silicate of the alkali metal silicate layer do not necessarily need to have lithium silicate, potassium silicate, and sodium silicate as the supply source during production. For example, when the alkali metal silicate layer contains lithium silicate and sodium silicate, lithium silicate and sodium hydroxide, or lithium hydroxide and sodium silicate, and the alkali metal silicate layer is potassium silicate. And sodium silicate, potassium silicate and sodium silicate, or potassium silicate and sodium hydroxide can be mixed with water at an arbitrary ratio, respectively, and lithium silicate and sodium silicate or An alkali metal silicate layer comprising potassium silicate and sodium silicate can be made. Moreover, you may add lithium salt, potassium salt, and sodium salt as a supply source, respectively. For example, nitrates, sulfates, acetates, phosphates, chlorides, bromides, iodides and the like are used.

ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム以外のアルカリ金属ケイ酸塩の塗布液は、所望のアルカリ金属の硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、リン酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物などを、ケイ酸ナトリウム溶液に対して添加することによって簡便に得ることができる。   Coating solutions for alkali metal silicates other than lithium silicate, potassium silicate, and sodium silicate include desired alkali metal nitrates, sulfates, acetates, phosphates, chlorides, bromides, iodides, etc. It can be easily obtained by adding to a sodium silicate solution.

アルカリ金属ケイ酸塩水溶液に、ホウ素を含む化合物、またはリンを含む化合物を添加してもよい。これらを添加することにより、さらにMo成膜適性と発電効率を向上させることができる。詳細は必ずしも明らかではないが、ホウ素またはリンが、アルカリ金属ケイ酸塩に添加されることによって、ガラスのミクロな構造が変化し、ガラス中でのアルカリ金属イオンの安定性が向上するために、アルカリ金属イオンの遊離が抑制され、Mo成膜適性が向上し、発電効率が向上するものと推定される。   A compound containing boron or a compound containing phosphorus may be added to the aqueous alkali metal silicate solution. By adding these, the suitability for Mo film formation and the power generation efficiency can be further improved. Although details are not necessarily clear, the addition of boron or phosphorus to the alkali metal silicate changes the microstructure of the glass and improves the stability of the alkali metal ions in the glass. It is presumed that the release of alkali metal ions is suppressed, the suitability of Mo film formation is improved, and the power generation efficiency is improved.

ホウ素源としては、ホウ酸、四ホウ酸ナトリウムなどのホウ酸塩が好ましく挙げられる。
リン源としては、リン酸、ペルオキソリン酸、ホスホン酸、ホスフィン酸、二リン酸、三リン酸、ポリリン酸、シクロ-三リン酸、シクロ-四リン酸、二ホスホン酸、およびこれらの塩、などがあり、例えば、リン酸リチウム、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸水素リチウム、リン酸アンモニウム、リン酸水素ナトリウム、リン酸水素カルシウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素リチウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カルシウム、リン酸二水素アンモニウム、ピロリン酸ナトリウム、三リン酸ナトリウムなどが好ましく挙げられる。
Preferred examples of the boron source include borates such as boric acid and sodium tetraborate.
Phosphoric acid, peroxophosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, diphosphoric acid, triphosphoric acid, polyphosphoric acid, cyclo-triphosphoric acid, cyclo-tetraphosphoric acid, diphosphonic acid, and their salts, For example, lithium phosphate, sodium phosphate, potassium phosphate, lithium hydrogen phosphate, ammonium phosphate, sodium hydrogen phosphate, calcium hydrogen phosphate, ammonium hydrogen phosphate, lithium dihydrogen phosphate, phosphoric acid Preferred examples include sodium dihydrogen, calcium dihydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, sodium pyrophosphate, sodium triphosphate and the like.

塗布液を基板上に塗布した後、熱処理を行うことによりアルカリ金属ケイ酸塩層を作製することができる。熱重量分析、および昇温脱ガス分析の手法を用いて発明者らが脱水温度を測定したところ、脱水は200℃〜300℃程度で起こることがわかった。200℃よりも低温では、塗布液を十分に乾燥させることができず、耐水性の高いアルカリ金属ケイ酸塩層が形成されないため、好ましくない。また、300℃以下の熱処理では、アルカリ金属ケイ酸塩層の残留水分が多く、大気中の二酸化炭素などと反応して表面に炭酸塩などの不純物が形成したり、Mo電極スパッタ時にモリブデン酸ナトリウムなどが生成したり、といった問題が発生する。したがって、熱処理温度は、200℃以上が好ましく、300℃以上がさらに好ましく、400℃以上が特に好ましい。   An alkali metal silicate layer can be prepared by applying a coating solution on a substrate and then performing a heat treatment. When the inventors measured the dehydration temperature using the techniques of thermogravimetric analysis and temperature-programmed degassing analysis, it was found that dehydration occurred at about 200 ° C to 300 ° C. A temperature lower than 200 ° C. is not preferable because the coating solution cannot be sufficiently dried and an alkali metal silicate layer having high water resistance is not formed. In addition, in the heat treatment at 300 ° C. or lower, the alkali metal silicate layer has a large amount of residual moisture and reacts with carbon dioxide in the atmosphere to form impurities such as carbonate on the surface, or sodium molybdate during Mo electrode sputtering. Or other problems occur. Accordingly, the heat treatment temperature is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and particularly preferably 400 ° C. or higher.

このようなより高温での熱処理を実施することから、本発明に用いられる基板は、アルミニウムと異種金属を複合し、アルミニウム表面に陽極酸化皮膜を形成したクラッド基板を用いることが好ましい。クラッド基板については後述するが、400℃以上の高温でも、陽極酸化皮膜のクラックなどが発生せず、高い耐熱性を有していることが知られている。また、基板をあらかじめ300℃以上で熱処理することによって陽極酸化皮膜に圧縮応力を付与することができ、さらに耐熱性を向上させ、絶縁性の長期信頼性を確保できることが知られている。この処理をアルカリ金属ケイ酸塩層の塗布後に実施することにより、アルカリ金属ケイ酸塩層の脱水に必要な熱処理と、陽極酸化皮膜の圧縮応力化に必要な熱処理を兼ねることが可能である。
一方で、600℃を超える温度では、アルカリ金属ケイ酸塩のガラス転移温度を超えるため好ましくない。
Since the heat treatment is performed at a higher temperature, it is preferable to use a clad substrate in which aluminum and a different metal are combined and an anodized film is formed on the aluminum surface as the substrate used in the present invention. As will be described later, the clad substrate is known to have high heat resistance without cracking of the anodized film even at a high temperature of 400 ° C. or higher. It is also known that compressive stress can be applied to the anodized film by heat-treating the substrate at 300 ° C. or higher in advance, heat resistance can be further improved, and long-term reliability of insulation can be ensured. By performing this treatment after the application of the alkali metal silicate layer, it is possible to perform both the heat treatment necessary for dehydration of the alkali metal silicate layer and the heat treatment necessary for increasing the compressive stress of the anodized film.
On the other hand, a temperature exceeding 600 ° C. is not preferable because it exceeds the glass transition temperature of the alkali metal silicate.

熱処理後のアルカリ金属ケイ酸塩層の厚さは0.01〜2μm、好ましくは0.05〜1.5μm、さらには0.1〜1μmであることが好ましい。アルカリ金属ケイ酸塩層の厚さが2μmよりも厚くなると、熱処理時のアルカリ金属ケイ酸塩の収縮量が大きくなってクラックが発生しやすくなるため、好ましくない。   The thickness of the alkali metal silicate layer after the heat treatment is 0.01 to 2 μm, preferably 0.05 to 1.5 μm, more preferably 0.1 to 1 μm. If the thickness of the alkali metal silicate layer is greater than 2 μm, the amount of shrinkage of the alkali metal silicate during the heat treatment increases and cracks are likely to occur, which is not preferable.

本発明の光電変換素子用基板を用いた光電変換素子について説明する。図1は、光電変換素子の一実施の形態を示す概略断面図である。なお、視認しやすくするため、各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。光電変換素子1は、図1に示すように、基板10上に、陽極酸化により形成された陽極酸化膜20と、アルカリ金属ケイ酸塩層30と、下部電極40と、光吸収により正孔・電子対を発生する光電変換半導体層50と、バッファ層60と、透光性導電層(透明電極)70と、上部電極(グリッド電極)80とが順次積層された構成となっている。なお、図1では基板10上に、陽極酸化により形成された陽極酸化膜20と、アルカリ金属ケイ酸塩層30とが形成された光電変換素子を示しているが、図2に示すように、基板10上に、アルカリ金属ケイ酸塩層30が形成された態様であってもよい(なお、図2において、図1中の構成要素と同等の構成要素には同番号を付している)。   A photoelectric conversion element using the photoelectric conversion element substrate of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a photoelectric conversion element. In addition, in order to make it easy to visually recognize, the scales and the like of each component are appropriately changed from actual ones. As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element 1 includes an anodized film 20 formed by anodic oxidation, an alkali metal silicate layer 30, a lower electrode 40, and holes / holes by light absorption. A photoelectric conversion semiconductor layer 50 that generates electron pairs, a buffer layer 60, a translucent conductive layer (transparent electrode) 70, and an upper electrode (grid electrode) 80 are sequentially stacked. 1 shows a photoelectric conversion element in which an anodized film 20 formed by anodization and an alkali metal silicate layer 30 are formed on a substrate 10, but as shown in FIG. An embodiment in which an alkali metal silicate layer 30 is formed on the substrate 10 may be used (in FIG. 2, components equivalent to those in FIG. 1 are given the same numbers). .

基板10としては、セラミックス基板(無アルカリガラス、石英ガラス、アルミナなど)、金属基板(ステンレス、チタン箔、シリコンなど)、高分子基板(ポリイミドなど)を問わず用いることができる。耐熱性・軽量性の観点からは、特に金属基板が好ましい。とりわけ、陽極酸化により金属基板表面上に生成する金属酸化膜が絶縁体となる材料を利用することができる。具体的には、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、マグネシウム(Mg)、銅(Cu)、ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)の中から選ばれる少なくとも1つの金属を含有する基板、あるいは上記金属の合金が好ましい。とりわけ、アルミニウム、ステンレスまたは鉄鋼板の片面あるいは両面をアルミニウム板で一体化したクラッド材が陽極酸化の形成が簡易であること、耐久性が高いという観点からより好ましい。両面をアルミニウム板で挟んだ一体化したクラッド材の場合、アルミニウムと酸化膜(Al23)との熱膨張係数差に起因した基板の反り、及びこれによる膜剥がれ等を抑制することができるため、より好ましい。 As the substrate 10, a ceramic substrate (such as non-alkali glass, quartz glass, or alumina), a metal substrate (such as stainless steel, titanium foil, or silicon), or a polymer substrate (such as polyimide) can be used. From the viewpoint of heat resistance and lightness, a metal substrate is particularly preferable. In particular, a material in which a metal oxide film generated on the surface of a metal substrate by anodic oxidation becomes an insulator can be used. Specifically, at least selected from aluminum (Al), iron (Fe), zirconium (Zr), titanium (Ti), magnesium (Mg), copper (Cu), niobium (Nb) and tantalum (Ta). A substrate containing one metal or an alloy of the above metals is preferred. In particular, a clad material in which one or both surfaces of aluminum, stainless steel, or steel plate are integrated with an aluminum plate is more preferable from the viewpoint of easy formation of anodization and high durability. In the case of an integrated clad material with both surfaces sandwiched between aluminum plates, it is possible to suppress substrate warpage due to the difference in thermal expansion coefficient between aluminum and the oxide film (Al 2 O 3 ), and film peeling due to this. Therefore, it is more preferable.

基板は、必要に応じて洗浄処理・研磨平滑化処理等、例えば付着している圧延油を除く脱脂工程、アルミニウム板の表面のスマットを溶解するデスマット処理工程、アルミニウム板の表面を粗面化する粗面化処理工程が施されたものを用いることが好ましい。   For the substrate, cleaning treatment / polishing smoothing treatment, if necessary, for example, a degreasing step for removing the adhering rolling oil, a desmut treatment step for dissolving the smut on the surface of the aluminum plate, and roughening the surface of the aluminum plate It is preferable to use one subjected to a roughening treatment step.

陽極酸化により形成された陽極酸化膜20は、陽極酸化により複数の細孔を有する絶縁性酸化膜が形成されたものであり、これによって高い絶縁性が確保される。陽極酸化は基板10を陽極とし陰極と共に電解質に浸漬させ、陽極陰極間に電圧を印加することで実施することができる。陰極としてはカーボンやアルミニウム等が使用される。   The anodic oxide film 20 formed by anodic oxidation is obtained by forming an insulating oxide film having a plurality of pores by anodic oxidation, thereby ensuring high insulation. Anodization can be performed by immersing the substrate 10 as an anode in an electrolyte together with a cathode, and applying a voltage between the anode and the cathode. Carbon, aluminum, or the like is used as the cathode.

陽極酸化条件は使用する電解質の種類にもより、特に制限されない。条件としては例えば、電解質濃度0.1〜2mol/L、液温5〜80℃、電流密度0.005〜0.60A/cm2、電圧1〜200V、電解時間3〜500分の範囲にあれば適当である。電解質としては特に制限されず、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、マロン酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、およびアミドスルホン酸等の酸を、1種又は2種以上含む酸性電解液が好ましく用いられる。かかる電解質を用いる場合、電解質濃度0.2〜1mol/L、液温10〜80℃、電流密度0.05〜0.30A/cm2、および電圧30〜150Vが好ましい。 The anodizing conditions are not particularly limited depending on the type of electrolyte used. Conditions include, for example, an electrolyte concentration of 0.1 to 2 mol / L, a liquid temperature of 5 to 80 ° C., a current density of 0.005 to 0.60 A / cm 2 , a voltage of 1 to 200 V, and an electrolysis time of 3 to 500 minutes. Is appropriate. The electrolyte is not particularly limited, and an acidic electrolytic solution containing one or more acids such as sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, oxalic acid, malonic acid, sulfamic acid, benzenesulfonic acid, and amidosulfonic acid is preferable. Used. When such an electrolyte is used, an electrolyte concentration of 0.2 to 1 mol / L, a liquid temperature of 10 to 80 ° C., a current density of 0.05 to 0.30 A / cm 2 , and a voltage of 30 to 150 V are preferable.

陽極酸化膜はバリア層部分とポーラス層部分からなり、ポーラス層部分が室温で圧縮歪みを有するものであることが好ましい。一般にはバリア層は圧縮応力、ポーラス層は引張応力を有しているため、数μm以上の厚膜においては、陽極酸化膜全体が引張応力になることが知られている。一方、前述のクラッド材を用い、例えば後述の加熱処理を実施した場合、圧縮応力を有するポーラス層を作製することができる。そのため、数μm以上の厚膜にしても、陽極酸化膜全体を圧縮応力とすることができ、成膜時の熱膨張差によるクラックの発生がなく、また、室温付近での長期信頼性に優れた絶縁性膜とすることができる。   The anodic oxide film is preferably composed of a barrier layer portion and a porous layer portion, and the porous layer portion has a compressive strain at room temperature. In general, since the barrier layer has compressive stress and the porous layer has tensile stress, it is known that the whole anodic oxide film becomes tensile stress in a thick film of several μm or more. On the other hand, when the above-described clad material is used and, for example, a heat treatment described below is performed, a porous layer having a compressive stress can be produced. Therefore, even if the film thickness is several μm or more, the entire anodic oxide film can be subjected to compressive stress, no cracking occurs due to the difference in thermal expansion during film formation, and long-term reliability near room temperature is excellent. Insulating film can be obtained.

この場合、上記圧縮歪みの大きさは、0.01%以上であることが好ましく、0.05%以上であることがさらに好ましく、0.10%以上であることが特に好ましい。また、0.25%以下であることが好ましい。
圧縮歪みが0.01%未満では、圧縮歪みではあるものの、不充分であり、耐クラック性の効果が得られない。そのため、最終製品形態において曲げ歪みを受けたり、長期にわたって温度サイクルを経たり、外部から衝撃、または応力を受けたりした場合に、絶縁層として形成された陽極酸化膜にクラックが生じて、絶縁性の低下にいたる。
In this case, the magnitude of the compressive strain is preferably 0.01% or more, more preferably 0.05% or more, and particularly preferably 0.10% or more. Moreover, it is preferable that it is 0.25% or less.
When the compressive strain is less than 0.01%, although it is compressive strain, it is insufficient and the effect of crack resistance cannot be obtained. Therefore, when the final product is subjected to bending strain, undergoes a temperature cycle over a long period of time, or receives impact or stress from the outside, cracks occur in the anodized film formed as an insulating layer, resulting in insulating properties. Leading to a decline.

一方、圧縮歪みが大きすぎると、陽極酸化膜が剥離したり、陽極酸化膜に強い圧縮歪みが加わることにより、クラックが発生したり、陽極酸化膜が盛り上がって平坦性が低下したり、剥離したりするため、絶縁性が決定的に低下する。そのため、圧縮歪みは0.25%以下であることが好ましい。
なお、陽極酸化膜のヤング率は、50〜150GPa程度であることが知られており、したがって、上記圧縮応力の大きさは、5〜300MPa程度が好ましい。
On the other hand, if the compressive strain is too large, the anodic oxide film is peeled off or a strong compressive strain is applied to the anodic oxide film, resulting in cracks, rising of the anodic oxide film, lowering the flatness, and peeling. As a result, the insulating property is critically reduced. Therefore, the compressive strain is preferably 0.25% or less.
The Young's modulus of the anodic oxide film is known to be about 50 to 150 GPa. Therefore, the magnitude of the compressive stress is preferably about 5 to 300 MPa.

陽極酸化処理の後、加熱処理を実施してもよい。加熱処理を実施することによって、陽極酸化膜に圧縮応力が付与され、耐クラック性が高まる。よって、耐熱性、絶縁信頼性が向上し、絶縁層つき金属基板としてさらに好適に用いることができるようになる。加熱処理温度は、150℃以上が好ましい。前述のクラッド材を用いた場合、300℃以上での熱処理が好ましい。あらかじめ熱処理を実施しておくことにより、多孔質陽極酸化膜に含まれる水分量を減少させることができ、絶縁性を向上させることができる。   Heat treatment may be performed after the anodizing treatment. By performing the heat treatment, compressive stress is applied to the anodized film, and crack resistance is increased. Therefore, heat resistance and insulation reliability are improved, and the metal substrate with an insulating layer can be more suitably used. The heat treatment temperature is preferably 150 ° C. or higher. When the above clad material is used, heat treatment at 300 ° C. or higher is preferable. By performing the heat treatment in advance, the amount of water contained in the porous anodic oxide film can be reduced, and the insulation can be improved.

従来のアルミニウムのみからなる基板においては、300℃以上での加熱処理を実施すると、アルミニウムが軟化して基板としての機能を喪失したり、アルミニウムと陽極酸化膜の熱膨張率の差によって、陽極酸化膜にクラックが発生して絶縁性を喪失したり、といった問題があったが、アルミニウムと異種金属のクラッド材を用いることによって、300℃以上の温度での加熱が可能になる。   In a conventional substrate made of only aluminum, when heat treatment is performed at 300 ° C. or higher, the aluminum softens and loses its function as a substrate, or anodization occurs due to the difference in thermal expansion coefficient between aluminum and the anodized film. Although there was a problem that the film was cracked and the insulating property was lost, the use of a clad material made of a metal different from aluminum makes it possible to heat at a temperature of 300 ° C. or higher.

陽極酸化膜は水溶液中で形成される酸化被膜であり、固体内部に水分を保持していることが、例えば、「Chemistry Letters Vol.34,No.9,(2005)p1286」に記載されているように知られている。この文献と同様の陽極酸化膜の固体NMR測定から、100℃以上で熱処理した場合、陽極酸化膜の固体内部の水分量(OH基)が減少することが認められ、特に200℃以上で顕著である。従って、加熱によりAl−OとAl−OHの結合状態が変化し、応力緩和(アニール効果)が生じているものと推定される。   An anodized film is an oxide film formed in an aqueous solution, and it is described in, for example, “Chemistry Letters Vol. 34, No. 9, (2005) p1286” that moisture is retained inside a solid. As known. From the solid-state NMR measurement of the anodic oxide film as in this document, it was found that the amount of water (OH group) inside the solid of the anodic oxide film decreased when heat-treated at 100 ° C. or higher, particularly at 200 ° C. or higher. is there. Therefore, it is presumed that the combined state of Al—O and Al—OH changes due to heating, and stress relaxation (annealing effect) occurs.

また、発明者らによる陽極酸化膜の脱水量測定から、大部分の脱水は、室温〜300℃程度までで起こることが明らかになっている。陽極酸化膜を絶縁膜として用いようとする場合、含まれる水分量が多いほど、絶縁性が低下するため、300℃以上で熱処理を行うことは、絶縁性を向上させる観点でも極めて有効である。アルミニウムと異種金属のクラッド材を基材として用い、300℃以上の熱処理と組み合わせることによって、アニール効果を効果的に発現させ、従来技術ではなしえない高い圧縮歪みと、少ない含水量を実現できる。これによって、さらに絶縁信頼性の高い光電変換素子用基板を提供することが可能となる。   Further, from the measurement of the amount of dehydration of the anodic oxide film by the inventors, it has been clarified that most dehydration occurs from room temperature to about 300 ° C. When an anodic oxide film is to be used as an insulating film, the greater the amount of moisture contained, the lower the insulating property. Therefore, performing heat treatment at 300 ° C. or higher is extremely effective from the viewpoint of improving the insulating property. By using a clad material of aluminum and a different metal as a base material and combining with a heat treatment at 300 ° C. or higher, an annealing effect can be effectively expressed, and a high compressive strain and a low water content that cannot be achieved by the prior art can be realized. This makes it possible to provide a photoelectric conversion element substrate with higher insulation reliability.

電気絶縁性の観点からは、陽極酸化膜は厚さが3〜50μmであることが好ましい。3μm以上の膜厚を有することによって、絶縁性および室温で圧縮応力を有することによる成膜時の耐熱性、さらに長期の信頼性の両立を図ることができる。
膜厚は、好ましくは5μm以上30μm以下、特に好ましくは5μm以上20μm以下である。
From the viewpoint of electrical insulation, the anodic oxide film preferably has a thickness of 3 to 50 μm. By having a film thickness of 3 μm or more, it is possible to achieve both insulation, heat resistance during film formation by having compressive stress at room temperature, and long-term reliability.
The film thickness is preferably 5 μm or more and 30 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 20 μm or less.

膜厚が極端に薄い場合、電気絶縁性とハンドリング時の機械衝撃による損傷を防止することができない虞がある。また、絶縁性、耐熱性が急激に低下するとともに、経時劣化も大きくなる。これは、膜厚が薄いことにより、陽極酸化膜表面の凹凸の影響が相対的に大きくなり、クラックの起点となってクラックが入りやすくなったり、アルミニウム中に含まれる金属不純物に由来する陽極酸化膜中の金属析出物、金属間化合物、金属酸化物、空隙の影響が相対的に大きくなって絶縁性が低下したり、陽極酸化膜が外部から衝撃、または応力を受けたときに破断してクラックが入りやすくなったりするためである。結果として、陽極酸化膜が3μmを下回ると、絶縁性が低下するため、可撓性耐熱基板としての用途、またはロールトゥロールでの製造には向かなくなる。   If the film thickness is extremely thin, there is a possibility that damage due to electrical insulation and mechanical shock during handling cannot be prevented. In addition, the insulation and heat resistance are drastically lowered, and deterioration with time is also increased. This is because the influence of the unevenness on the surface of the anodic oxide film becomes relatively large due to the thin film thickness, the crack becomes the starting point of cracks, and the anodic oxidation originates from metal impurities contained in the aluminum. The effect of metal deposits, intermetallic compounds, metal oxides, and voids in the film is relatively large, resulting in a decrease in insulation, and breakage when the anodized film is impacted or stressed from the outside. This is because cracks are likely to occur. As a result, when the anodic oxide film is less than 3 μm, the insulating property is lowered, so that it is not suitable for use as a flexible heat-resistant substrate or for production by roll-to-roll.

また、膜厚が過度に厚い場合には、可撓性が低下する上、陽極酸化に要するコストおよび時間がかかるため好ましくない。また、曲げ耐性や熱歪み耐性が低下する。曲げ耐性が低下する原因は、陽極酸化膜が曲げられた際に、表面とアルミニウム界面での引張応力の大きさが異なるため、断面方向での応力分布が大きくなり、局所的な応力集中が起こりやすくなるためであると推定される。熱歪み耐性が低下する原因は、基材の熱膨張により陽極酸化膜に引張応力がかかった際に、アルミニウムとの界面ほど大きな応力がかかり、断面方向での応力分布が大きくなり、局所的な応力集中が起こりやすくなるためであると推定される。結果として、陽極酸化膜が50μmを超えると、曲げ耐性や熱歪み耐性が低下するため、可撓性耐熱基板としての用途、またはロールトゥロールでの製造には向かなくなる。また、絶縁信頼性も低下する。   On the other hand, an excessively thick film thickness is not preferable because flexibility is lowered and cost and time required for anodization are increased. In addition, bending resistance and thermal strain resistance are reduced. The cause of the decrease in bending resistance is that when the anodized film is bent, the tensile stress at the interface between the surface and the aluminum differs, so the stress distribution in the cross-sectional direction increases and local stress concentration occurs. This is presumed to be easier. The cause of the decrease in thermal strain resistance is that when a tensile stress is applied to the anodized film due to the thermal expansion of the base material, a greater stress is applied to the interface with aluminum, and the stress distribution in the cross-sectional direction increases, resulting in local stress. It is estimated that this is because stress concentration tends to occur. As a result, when the anodic oxide film exceeds 50 μm, bending resistance and thermal strain resistance are lowered, so that it is not suitable for use as a flexible heat-resistant substrate or roll-to-roll production. Also, the insulation reliability is lowered.

下部電極(裏面電極)40の成分としては特に制限されず、Mo,Cr,W,およびこれらの組合せが好ましく、Mo等が特に好ましい。下部電極(裏面電極)40の膜厚は制限されず、200〜1000nm程度が好ましい。   The component of the lower electrode (back electrode) 40 is not particularly limited, and Mo, Cr, W, and combinations thereof are preferable, and Mo or the like is particularly preferable. The film thickness of the lower electrode (back electrode) 40 is not limited and is preferably about 200 to 1000 nm.

光電変換半導体層50は化合物半導体系光電変換半導体層であり、主成分(主成分とは20質量%以上の成分を意味)としては特に制限されず、高光電変換効率が得られることから、カルコゲン化合物半導体、カルコパイライト構造の化合物半導体、欠陥スタナイト型構造の化合物半導体を好適に用いることができる。   The photoelectric conversion semiconductor layer 50 is a compound semiconductor-based photoelectric conversion semiconductor layer, and is not particularly limited as a main component (the main component means a component of 20% by mass or more), and high photoelectric conversion efficiency is obtained. A compound semiconductor, a compound semiconductor having a chalcopyrite structure, or a compound semiconductor having a defect stannite structure can be preferably used.

カルコゲン化合物(S、Se、Teを含む化合物)としては、
II−VI化合物:ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTeなど、
I−III−VI2族化合物:CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2、CuInS2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)(S,Se)2など、
I−III3−VI5族化合物:Culn3Se5、CuGa3Se5、Cu(ln,Ga)3Se5などを好ましく挙げることができる。
As a chalcogen compound (compound containing S, Se, Te),
II-VI compounds: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, etc.
I-III-VI 2 group compounds: CuInSe 2, CuGaSe 2, Cu (In, Ga) Se 2, CuInS 2, CuGaSe 2, Cu (In, Ga) (S, Se) 2 , etc.,
Preferable examples include I-III 3 -VI 5 group compounds: Cull 3 Se 5 , CuGa 3 Se 5 , Cu (ln, Ga) 3 Se 5 and the like.

カルコパイライト型構造および欠陥スタナイト型構造の化合物半導体としては、
I−III−VI2族化合物:CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2、CuInS2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)(S Se)2など、
I−III3-VI5族化合物:CuIn3Se5、CuGa3Se5、Cu(In,Ga)3Se5などを好ましく挙げることができる。
ただし、上の記載において、(In,Ga)、(S,Se)は、それぞれ、(In1-xGax)、(S1-ySey)(ただし、x=0〜1、y=0〜1)を示す。
As a compound semiconductor having a chalcopyrite structure and a defect stannite structure,
I-III-VI 2 group compounds: CuInSe 2, CuGaSe 2, Cu (In, Ga) Se 2, CuInS 2, CuGaSe 2, Cu (In, Ga) (S Se) 2 , etc.,
Preferred examples include I-III 3 -VI 5 group compounds: CuIn 3 Se 5 , CuGa 3 Se 5 , Cu (In, Ga) 3 Se 5 and the like.
In the above description, (In, Ga) and (S, Se) are (In 1-x Ga x ) and (S 1-y Se y ) (where x = 0 to 1, y = 0-1).

光電変換半導体層の成膜方法としては特に制限されない。例えば、Cu,In,(Ga),Sを含むCI(G)S系の光電変換半導体層の成膜では、セレン化法や多元蒸着法等の方法を用いて成膜することができる。
光電変換半導体層50の膜厚は特に制限されず、1.0〜3.0μmが好ましく、1.5〜2.0μmが特に好ましい。
The method for forming the photoelectric conversion semiconductor layer is not particularly limited. For example, a CI (G) S-based photoelectric conversion semiconductor layer containing Cu, In, (Ga), and S can be formed using a method such as a selenization method or a multi-source evaporation method.
The film thickness of the photoelectric conversion semiconductor layer 50 is not particularly limited, and is preferably 1.0 to 3.0 μm, particularly preferably 1.5 to 2.0 μm.

バッファ層60は特に制限されないが、CdS、ZnS,Zn(S,O)及び/又はZn(S,O,OH)、SnS,Sn(S,O)及び/又はSn(S,O,OH)、InS,In(S,O)及び/又はIn(S,O,OH)等の、Cd,Zn,Sn,Inからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む金属硫化物を含むことが好ましい。バッファ層40の膜厚は、10nm〜2μmが好ましく、15〜200nmがより好ましい。   The buffer layer 60 is not particularly limited, but CdS, ZnS, Zn (S, O) and / or Zn (S, O, OH), SnS, Sn (S, O) and / or Sn (S, O, OH). A metal sulfide containing at least one metal element selected from the group consisting of Cd, Zn, Sn, and In, such as InS, In (S, O) and / or In (S, O, OH). Is preferred. The thickness of the buffer layer 40 is preferably 10 nm to 2 μm, and more preferably 15 to 200 nm.

透光性導電層(透明電極)70は、光を取り込むと共に、下部電極40と対になって、光電変換層50で生成された電流が流れる電極として機能する層である。透光性導電層70の組成としては特に制限されず、ZnO:Al等のn−ZnO等が好ましい。透光性導電層70の膜厚は特に制限されず、50nm〜2μmが好ましい。
上部電極(グリッド電極)80としては特に制限されず、Al等が挙げられる。上部電極80膜厚は特に制限されず、0.1〜3μmが好ましい。
The translucent conductive layer (transparent electrode) 70 is a layer that captures light and functions as an electrode that is paired with the lower electrode 40 and through which the current generated in the photoelectric conversion layer 50 flows. The composition of the translucent conductive layer 70 is not particularly limited, and n-ZnO such as ZnO: Al is preferable. The film thickness of the translucent conductive layer 70 is not particularly limited, and is preferably 50 nm to 2 μm.
The upper electrode (grid electrode) 80 is not particularly limited, and examples thereof include Al. The film thickness of the upper electrode 80 is not particularly limited and is preferably 0.1 to 3 μm.

本発明の光電変換素子用基板は、太陽電池等に好ましく使用することができる。光電変換素子1に対して必要に応じて、カバーガラス、保護フィルム等を取り付けて、太陽電池とすることができる。
以下、本発明の光電変換素子用基板を実施例によりさらに詳細に説明する。
The photoelectric conversion element substrate of the present invention can be preferably used for solar cells and the like. If necessary, a cover glass, a protective film, or the like can be attached to the photoelectric conversion element 1 to form a solar cell.
Hereinafter, the substrate for a photoelectric conversion element of the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(基板の準備)
基板として3cm角の無アルカリガラス基板(実施例1、7および32で使用)、SUS430基板(厚さ100um、実施例2、5、8、25、27、比較例1、5、6、8で使用)、陽極酸化アルミ基板(上記以外の実施例および比較例2、3、4、7で使用)を準備した。陽極酸化アルミ基板は、次の手法で作製した。厚さ30μmのアルミニウムと厚さ100μmのSUS430からなるクラッド材を、シュウ酸電解液を用いて40Vの定電圧条件で陽極酸化し、10μmの陽極酸化アルミが表面に形成された基板を作製した。
(Preparation of substrate)
3 cm square non-alkali glass substrate (used in Examples 1, 7 and 32), SUS430 substrate (thickness 100 μm, Examples 2, 5, 8, 25, 27, Comparative Examples 1, 5, 6, 8) Use) and an anodized aluminum substrate (used in Examples other than the above and Comparative Examples 2, 3, 4, and 7) were prepared. The anodized aluminum substrate was produced by the following method. A clad material made of 30 μm thick aluminum and 100 μm thick SUS430 was anodized under a constant voltage condition of 40 V using an oxalic acid electrolytic solution to prepare a substrate on which 10 μm anodized aluminum was formed.

(塗布液の準備と実施例および比較例)
リチウム供給源(日産化学製、商品名:リチウムシリケート45、リチウムシリケート75、水酸化リチウム)、カリウム供給源(富士化学製、商品名:1Kケイ酸カリ、2Kケイ酸カリ)、ナトリウム供給源(昭和化学製、商品名:1号ケイ酸ナトリウム、3号ケイ酸ナトリウム、および、東曹産業製、商品名:4号ケイ酸ナトリウム、高モルケイ酸ソーダ、水酸化ナトリウム)、水をそれぞれ表1および3に示す質量比で、さらにホウ素供給源としてホウ素あるいは四ホウ酸ナトリウム、リン酸源としてリン酸を加えたものを表2に示す質量比で混合し、塗布液を調液した。基板上に塗布液を滴下し、スピンコートにてアルカリ金属ケイ酸塩層を形成した。その後、基板に対して450℃で30分間熱処理を行った。熱処理後、DCスパッタにて、基板上にMoを厚さ800nm形成した。
(Preparation of coating solution and examples and comparative examples)
Lithium supply source (manufactured by Nissan Chemical, trade names: lithium silicate 45, lithium silicate 75, lithium hydroxide), potassium supply source (manufactured by Fuji Chemical, trade names: 1K potassium silicate, 2K potassium silicate), sodium supply source ( Showa Chemical Co., Ltd., trade name: No. 1 sodium silicate, No. 3 sodium silicate, and Toso Sangyo, trade name: No. 4 sodium silicate, high-mol sodium silicate, sodium hydroxide) and water are shown in Table 1. 3 and 3, and boron or sodium tetraborate as a boron supply source and phosphoric acid as a phosphoric acid source were added at a mass ratio shown in Table 2 to prepare a coating solution. The coating solution was dropped on the substrate, and an alkali metal silicate layer was formed by spin coating. Thereafter, the substrate was heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes. After the heat treatment, Mo was formed to a thickness of 800 nm on the substrate by DC sputtering.

(Mo成膜性評価)
上記で形成したアルカリ金属ケイ酸塩層上のMo表面の不純物量を、光学顕微鏡を用いて表面を観察し、異物の量を観察した。1mm四方あたりの異物の個数に応じて、異物が観察されなかった場合は「○」、1個以上10個未満の場合は「△」、10000個以上の場合は「×」を表3に示した。
(Mo film formability evaluation)
The amount of impurities on the Mo surface on the alkali metal silicate layer formed above was observed using an optical microscope to observe the amount of foreign matter. According to the number of foreign matter per 1 mm square, Table 3 shows “◯” when no foreign matter is observed, “△” when it is 1 or more and less than 10, and “×” when it is 10,000 or more. It was.

(太陽電池の作製)
このMo電極上にCIGS太陽電池を成膜した。なお、本実施例では、蒸着源として高純度銅とインジウム(純度99.9999%)、高純度Ga(純度99.999%)、高純度Se(純度99.999%)の粒状原材料を用いた。基板温度モニターとして、クロメル−アルメル熱電対を用いた。主真空チャンバーを10-6Torr(1.3×10-3Pa)まで真空排気した後、各蒸発源からの蒸着レートを制御して、最高基板温度530℃の製膜条件で、膜厚約1.8μmのCIGS薄膜を製膜した。続いてバッファ層として、CdS薄膜を90nm程度溶液成長法で堆積し、その上に、透明導電膜のZnO:A1膜をDCスパッタ法で厚さ0.6μmで形成した。最後に上部電極として、Alグリッド電極を蒸着法で形成し太陽電池セルを作製した。
(Production of solar cells)
A CIGS solar cell was formed on the Mo electrode. In this embodiment, granular raw materials of high-purity copper and indium (purity 99.9999%), high-purity Ga (purity 99.999%), and high-purity Se (purity 99.999%) were used as the evaporation source. . A chromel-alumel thermocouple was used as a substrate temperature monitor. After the main vacuum chamber is evacuated to 10 −6 Torr (1.3 × 10 −3 Pa), the deposition rate from each evaporation source is controlled, and the film thickness is about 530 ° C. under the film forming conditions. A 1.8 μm CIGS thin film was formed. Subsequently, a CdS thin film of about 90 nm was deposited as a buffer layer by a solution growth method, and a ZnO: A1 film of a transparent conductive film was formed thereon with a thickness of 0.6 μm by a DC sputtering method. Finally, an Al grid electrode was formed as an upper electrode by a vapor deposition method to produce a solar battery cell.

(発電効率の測定)
作製した太陽電池セル(面積0.5cm2)に、Air Mass(AM)=1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を照射して、エネルギー変換効率を測定した。実施例、比較例の光電変換素子について、それぞれ、8個のサンプルを作製した。各光電変換素子について上記条件で光電変換効率を測定し、その中での最高値を各実施例、比較例の光電変換素子の変換効率とした。また、変動係数(8セルの標準偏差を、平均値で割った値)をセルの効率ばらつきとして評価した。
(Measurement of power generation efficiency)
The solar cell thus produced (area 0.5 cm 2 ) was irradiated with simulated sunlight of Air Mass (AM) = 1.5 and 100 mW / cm 2 to measure energy conversion efficiency. About the photoelectric conversion element of an Example and a comparative example, 8 samples were produced, respectively. For each photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was measured under the above conditions, and the maximum value among them was defined as the conversion efficiency of the photoelectric conversion element of each example and comparative example. In addition, the coefficient of variation (a value obtained by dividing the standard deviation of 8 cells by the average value) was evaluated as a variation in cell efficiency.

(ナトリウム濃度の測定)
実施例および比較例の光電変換素子について、光電変換層(CIGS層)のナトリウム濃度を測定した。このナトリウム濃度の測定は、SIMS(二次イオン質量分析計)を用いた。測定のための一次イオン種はCs+とし、加速電圧は5.0kVとした。光電変換層(CIGS層)中のナトリウム濃度は厚さ方向に分布を持つが、積分し平均値を導出し、この平均値をナトリウム濃度の評価に用いた。
(Measurement of sodium concentration)
About the photoelectric conversion element of an Example and a comparative example, the sodium concentration of the photoelectric converting layer (CIGS layer) was measured. This sodium concentration was measured using SIMS (secondary ion mass spectrometer). The primary ion species for measurement was Cs + and the acceleration voltage was 5.0 kV. Although the sodium concentration in the photoelectric conversion layer (CIGS layer) has a distribution in the thickness direction, it was integrated to derive an average value, and this average value was used for evaluation of the sodium concentration.

塗布液の処方とともにMo成膜適性、ナトリウム濃度、発電効率の測定結果を表1、2および3に、実施例および比較例で用いたナトリウム供給源、リチウム供給源、カリウム供給源の質量比を表4,5および6に示す。表1、2および3のモル比はこの質量比からモル比に換算したものである(なお、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムは固体)。なお、表1中のモル比の和は、ケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比およびケイ素に対するナトリウムのモル比の小数点以下3桁をまるめる前の数値で計算したものである。   Tables 1, 2 and 3 show the results of measurement of Mo film suitability, sodium concentration, and power generation efficiency together with the formulation of the coating solution. The mass ratio of the sodium source, lithium source and potassium source used in the examples and comparative examples Tables 4, 5 and 6 show. The molar ratios in Tables 1, 2 and 3 are converted from this mass ratio to molar ratio (so that sodium hydroxide and lithium hydroxide are solid). In addition, the sum of the molar ratio in Table 1 is a value calculated before rounding off the three decimal places of the molar ratio of lithium or potassium to silicon and the molar ratio of sodium to silicon.

表1に示すように、ケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムと、ケイ酸ナトリウムとを含むアルカリ金属ケイ酸塩層を設けた実施例1〜10は、ケイ酸ナトリウムのみからなるアルカリ金属ケイ酸塩層である比較例5〜8に比較して、倍近い発電効率が得られた。これらはいずれも、ナトリウム濃度はほぼ同等程度であり、CIGSへのナトリウム拡散は充分になされていると考えられるが、比較例5〜8のMoは不純物のピーク比が高く、これに起因して発電効率が低かったと考えられる。   As shown in Table 1, Examples 1 to 10 in which an alkali metal silicate layer containing lithium silicate or potassium silicate and sodium silicate was provided are alkali metal silicate layers made only of sodium silicate. As compared with Comparative Examples 5 to 8 which are, power generation efficiency nearly doubled was obtained. In any of these cases, the sodium concentration is almost the same level, and it is considered that sodium diffusion into CIGS is sufficiently performed. However, Mo in Comparative Examples 5 to 8 has a high impurity peak ratio, which is attributed to this. It is thought that the power generation efficiency was low.

一方で、ケイ酸リチウムのみからなるアルカリ金属ケイ酸塩層である比較例1および2、ケイ酸カリウムのみからなるアルカリ金属ケイ酸塩層である比較例3および4ではMoの成膜適性はよかったものの、ケイ酸ナトリウムを含まないために発電効率は実施例に比べて平均して30%近く低かった。アルカリ金属ケイ酸塩層にナトリウムが存在しないため、ナトリウムがCIGSに拡散されず、効率が向上しなかったものと考えられる。このことから、ケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムと、ケイ酸ナトリウムを併用することによって、大きく発電効率を上げることができることがわかる。   On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 which are alkali metal silicate layers made only of lithium silicate, and in Comparative Examples 3 and 4 which are alkali metal silicate layers made only of potassium silicate, the film forming suitability of Mo was good. However, since it did not contain sodium silicate, the power generation efficiency was about 30% lower than that of the example on average. Since sodium is not present in the alkali metal silicate layer, it is considered that sodium was not diffused into CIGS and the efficiency was not improved. This shows that the power generation efficiency can be greatly increased by using lithium silicate or potassium silicate in combination with sodium silicate.

実施例11はケイ酸ナトリウムに代えてナトリウム供給源として水酸化ナトリウムを用い、ケイ酸リチウムを併用したものである。また、実施例12、13はケイ酸リチウムに代えてリチウム供給源として水酸化リチウムを用い、ケイ酸ナトリウムを併用したものである。この場合でも、得られたアルカリ金属ケイ酸塩は、本発明であるケイ酸ナトリウムとケイ酸リチウムの混合物になる。ただし、実施例11は、実施例1から10に比べると、成膜適性、発電効率がやや低かった。これは、ケイ素に対するリチウムのモル比とケイ素に対するナトリウムのモル比との和が1よりも大きいためと考えられる。また、実施例13は、実施例1から10に比べると、発電効率がやや劣った。これは、ケイ素に対するリチウムのモル比が1より大きいため考えられる。   In Example 11, sodium hydroxide was used as a sodium supply source instead of sodium silicate, and lithium silicate was used in combination. In Examples 12 and 13, lithium hydroxide was used as a lithium supply source instead of lithium silicate, and sodium silicate was used in combination. Even in this case, the obtained alkali metal silicate is a mixture of sodium silicate and lithium silicate according to the present invention. However, in Example 11, compared with Examples 1 to 10, film forming suitability and power generation efficiency were slightly low. This is presumably because the sum of the molar ratio of lithium to silicon and the molar ratio of sodium to silicon is greater than one. Moreover, compared with Examples 1 to 10, Example 13 was slightly inferior in power generation efficiency. This is considered because the molar ratio of lithium to silicon is larger than 1.

図2は実施例4、比較例1および5のCIGS結晶の電子顕微鏡写真である。この3つのCIGS結晶の電子顕微鏡写真から明らかなように、本発明の光電変換素子用基板である実施例4では、比較例1よりもCIGS結晶の粒径が大きくなり、アルカリ添加効果が確認された。比較例5も粒径が大きく、アルカリ添加効果がみられるが、変換効率が低いのは、Mo成膜適性が低く、Mo/CIGS界面に不純物が形成されているためであると推定される。   FIG. 2 is an electron micrograph of CIGS crystals of Example 4 and Comparative Examples 1 and 5. As is apparent from the electron micrographs of the three CIGS crystals, in Example 4, which is the substrate for photoelectric conversion elements of the present invention, the grain size of the CIGS crystal is larger than that of Comparative Example 1, and the effect of adding an alkali is confirmed. It was. Comparative Example 5 also has a large particle size and an alkali addition effect, but the conversion efficiency is low because the suitability of Mo film formation is low and impurities are formed at the Mo / CIGS interface.

実施例14〜19はナトリウム供給源、リチウム供給源、カリウム供給源の添加量を変えたものである。これらの実施例からケイ素に対するリチウムまたはカリウムのモル比は1以下の範囲で、ケイ素に対するリチウムのモル比とケイ素に対するナトリウムのモル比との和も1以下の範囲で、より良好な発電効率を示していることがわかる。
表2に示す実施例23〜33はアルカリ金属ケイ酸塩層がさらにホウ素あるいはリンを含むものであるが、一見すると、ホウ素あるいはリンを含まない実施例に比べて発電効率には大きな差はないように見えるが、変動係数が小さいため、作製したセル全てが高い発電効率を有するものとなっており、作製したセル全体の発電効率が上昇していることがわかる。
Examples 14-19 change the addition amount of a sodium supply source, a lithium supply source, and a potassium supply source. From these examples, the molar ratio of lithium or potassium to silicon is in the range of 1 or less, and the sum of the molar ratio of lithium to silicon and the molar ratio of sodium to silicon is also 1 or less. You can see that
In Examples 23 to 33 shown in Table 2, the alkali metal silicate layer further contains boron or phosphorus. At first glance, it seems that there is no great difference in power generation efficiency as compared with Examples not containing boron or phosphorus. As can be seen, since the coefficient of variation is small, all of the fabricated cells have high power generation efficiency, and it can be seen that the power generation efficiency of the entire fabricated cell is increased.

1 光電変換素子
10 基板
20 陽極酸化膜
30 アルカリ金属ケイ酸塩層
40 下部電極(裏面電極)
50 光電変換半導体層
60 バッファ層
70 透光性導電層(透明電極)
80 上部電極(グリッド電極)
1 Photoelectric Conversion Element 10 Substrate 20 Anodized Film 30 Alkali Metal Silicate Layer 40 Lower Electrode (Back Electrode)
50 Photoelectric conversion semiconductor layer 60 Buffer layer 70 Translucent conductive layer (transparent electrode)
80 Upper electrode (grid electrode)

Claims (11)

基板上に、アルカリ金属ケイ酸塩(但し、アルカリ金属はナトリウム以外)と、ケイ酸ナトリウムとを含むアルカリ金属ケイ酸塩層を有することを特徴とする光電変換素子用基板。   A substrate for a photoelectric conversion element, comprising an alkali metal silicate layer containing an alkali metal silicate (wherein the alkali metal is other than sodium) and sodium silicate on the substrate. 前記アルカリ金属ケイ酸塩が、ケイ酸リチウムまたはケイ酸カリウムであることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子用基板。   2. The substrate for a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the alkali metal silicate is lithium silicate or potassium silicate. 前記アルカリ金属ケイ酸塩層のケイ素に対する前記リチウムまたは前記カリウムのモル比が0.001以上1以下であることを特徴とする請求項2記載の光電変換素子用基板。   The photoelectric conversion element substrate according to claim 2, wherein a molar ratio of the lithium or the potassium to silicon in the alkali metal silicate layer is 0.001 or more and 1 or less. 前記ケイ素に対する前記リチウムまたは前記カリウムのモル比と、前記ケイ素に対する前記ナトリウムのモル比との和が1以下であることを特徴とする請求項3記載の光電変換素子用基板。   4. The photoelectric conversion element substrate according to claim 3, wherein a sum of a molar ratio of the lithium or the potassium to the silicon and a molar ratio of the sodium to the silicon is 1 or less. 5. 前記アルカリ金属ケイ酸塩層がホウ素またはリンを含むことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の光電変換素子用基板。   The substrate for a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the alkali metal silicate layer contains boron or phosphorus. 前記アルカリ金属ケイ酸塩層の厚さが2μm以下であることを特徴とする請求項1〜5いずれか1項記載の光電変換素子用基板。   The substrate for a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the alkali metal silicate layer has a thickness of 2 μm or less. 前記基板が金属基板であることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項記載の光電変換素子用基板。   The substrate for a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the substrate is a metal substrate. 前記金属基板の表面に陽極酸化アルミニウム皮膜を形成したものであることを特徴とする請求項7記載の光電変換素子用基板。   8. The photoelectric conversion element substrate according to claim 7, wherein an anodized aluminum film is formed on the surface of the metal substrate. 前記金属基板がアルミニウム、ステンレスまたは鉄鋼板の片面あるいは両面をアルミニウム板で一体化したクラッド材であることを特徴とする請求項8記載の光電変換素子用基板。   9. The photoelectric conversion element substrate according to claim 8, wherein the metal substrate is a clad material in which one or both surfaces of aluminum, stainless steel, or steel plate are integrated with an aluminum plate. 前記陽極酸化アルミニウム皮膜がポーラス型陽極酸化アルミニウム皮膜であって、該ポーラス型陽極酸化アルミニウム皮膜が圧縮応力を有することを特徴とする請求項9記載の光電変換素子用基板。   The photoelectric conversion element substrate according to claim 9, wherein the anodized aluminum film is a porous type anodized aluminum film, and the porous type anodized aluminum film has a compressive stress. 請求項1〜10いずれか1項記載の光電変換素子用基板上に形成されたものであることを特徴とする光電変換素子。   A photoelectric conversion element formed on the photoelectric conversion element substrate according to claim 1.
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