JP2012256781A - Method for manufacturing semiconductor layer, method for manufacturing photoelectric conversion device, and semiconductor layer forming solution - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor layer, method for manufacturing photoelectric conversion device, and semiconductor layer forming solution Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To further improve photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion device.SOLUTION: A method for manufacturing a semiconductor layer comprises the steps of: preparing a first compound containing a first chalcogen element-containing organic compound, a Lewis base, a group I-B element, and a first group III-B element; preparing a second compound containing a second chalcogen element-containing organic compound, a second group III-B element, and ammonium ions; producing a semiconductor layer forming solution containing the first compound, the second compound, and an organic solvent; and forming a semiconductor layer containing a group I-III-VI compound using the semiconductor layer forming solution.

Description

本発明は、I−III−VI族化合物を含む半導体層の製造方法およびそれを用いた光電変換装置の製造方法、ならびに半導体層形成用溶液に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a semiconductor layer containing an I-III-VI group compound, a method for producing a photoelectric conversion device using the same, and a solution for forming a semiconductor layer.

太陽電池として、CIGS等のカルコパライト系のI−III−VI族化合物を含む光吸収層を具備する光電変換装置を用いたものがある。このような光電変換装置は、ソーダライムガラスを含む基板を有している。この基板上には、裏面電極となる、例えば、Moを含む第1の電極層が形成されている。そして、この第1の電極層上に、光吸収層としてI−III−VI族化合物を含む第1の半導体層が形成されている。さらに、その第1の半導体層上には、バッファ層としてZnSおよびCdS等から選ばれる第2の半導体層が形成されている。さらに、この第2の半導体層上には、ZnO等を含む透明の第2の電極層が形成されている。   As a solar cell, there is a solar cell using a photoelectric conversion device including a light absorption layer containing a chalcopyrite-based I-III-VI group compound such as CIGS. Such a photoelectric conversion device has a substrate containing soda lime glass. On this substrate, for example, a first electrode layer containing Mo, which becomes a back electrode, is formed. A first semiconductor layer containing an I-III-VI group compound is formed as a light absorption layer on the first electrode layer. Further, a second semiconductor layer selected from ZnS, CdS, and the like is formed as a buffer layer on the first semiconductor layer. Further, a transparent second electrode layer containing ZnO or the like is formed on the second semiconductor layer.

このような第1の半導体層を形成するための製法としては、以下のような方法が開示されている。   As a manufacturing method for forming such a first semiconductor layer, the following method is disclosed.

特許文献1には、1つの有機化合物内にCuと、Seと、InもしくはGaとを存在させた化合物である単一源前駆体(Single Source Precursor)を用いて、Cu(In,Ga)Se半導体層を形成することが記載されている。 In Patent Document 1, a single source precursor (Single Source Precursor) that is a compound in which Cu, Se, and In or Ga are present in one organic compound is used, and Cu (In, Ga) Se is used. The formation of two semiconductor layers is described.

米国特許第6992202号明細書US Pat. No. 6,992,202

しかしながら、上記単一源前駆体を用いた製法では、第1の半導体層の組成、すなわちCu/(In+Ga)のモル比の制御が困難であり、光電変換効率の向上には限界がある。そこで本発明の目的は、光電変換装置の光電変換効率をさらに向上させることを目的とする。   However, in the manufacturing method using the single source precursor, it is difficult to control the composition of the first semiconductor layer, that is, the molar ratio of Cu / (In + Ga), and there is a limit in improving the photoelectric conversion efficiency. Therefore, an object of the present invention is to further improve the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device.

本発明の一実施形態に係る半導体層の製造方法は、第1のカルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基、I−B族元素および第1のIII−B族元素を含む第1化合物を準備する工程と、第2のカルコゲン元素含有有機化合物、第2のIII−B族元素およびアンモニウムイオンを含む第2化合物を準備する工程と、前記第1化合物、前記第2化合物および有機溶媒を含む半導体層形成用溶液を作製する工程と、該半導体層形成用溶液を用いてI−III−VI族化合物を含む半導体層を作製する工程とを具備する。   The manufacturing method of the semiconductor layer which concerns on one Embodiment of this invention is a process of preparing the 1st compound containing a 1st chalcogen element containing organic compound, a Lewis base, a IB group element, and a 1st III-B group element. And a step of preparing a second compound containing a second chalcogen element-containing organic compound, a second group III-B element and an ammonium ion, and forming a semiconductor layer containing the first compound, the second compound and an organic solvent And a step of producing a semiconductor layer containing a group I-III-VI compound using the solution for forming a semiconductor layer.

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、上記の半導体層の製造方法によって第1の半導体層を作製する工程と、該第1の半導体層に電気的に接続されるように、該第1の半導体層とは異なる導電型の第2の半導体層を作製する工程とを具備する。   A method for manufacturing a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention includes a step of manufacturing a first semiconductor layer by the above-described method for manufacturing a semiconductor layer, and being electrically connected to the first semiconductor layer. And a step of producing a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer.

本発明の一実施形態に係る半導体層形成用溶液は、第1のカルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基、I−B族元素および第1のIII−B族元素を含む第1化合物と、第2のカルコゲン元素含有有機化合物、第2のIII−B族元素およびアンモニウムイオンを含む第2化合物と、有機溶媒とを含む。   A solution for forming a semiconductor layer according to an embodiment of the present invention includes a first compound containing a first chalcogen element-containing organic compound, a Lewis base, a group IB element, and a first group III-B element, and a second compound. A chalcogen element-containing organic compound, a second compound containing a second group III-B element and an ammonium ion, and an organic solvent.

本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を向上させることが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to improve the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion apparatus.

光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of embodiment of a photoelectric conversion apparatus. 図1の光電変換装置の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion apparatus of FIG.

以下に本発明の実施形態に係る半導体層の製造方法、光電変換装置の製造方法および半導体形成用溶液について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, a semiconductor layer manufacturing method, a photoelectric conversion device manufacturing method, and a semiconductor forming solution according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る半導体層の製造方法を用いて作製した光電変換装置の一例を示す斜視図であり、図2はその断面図である。光電変換装置11は、基板1と、第1の電極層2と、I−III−VI族化合物を含む半導体層である第1の半導体層3と、第2の半導体層4と、第2の電極層5とを具備している。なお、これに限定されず、第2の半導体層4がI−III−VI族化合物を含む半導体層であってもよい。   FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of a photoelectric conversion device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view thereof. The photoelectric conversion device 11 includes a substrate 1, a first electrode layer 2, a first semiconductor layer 3 that is a semiconductor layer containing an I-III-VI group compound, a second semiconductor layer 4, and a second semiconductor layer 4. And an electrode layer 5. However, the present invention is not limited to this, and the second semiconductor layer 4 may be a semiconductor layer containing an I-III-VI group compound.

第1の半導体層3と第2の半導体層4とは導電型が異なっており、これらが電気的に接続されている。これにより、電荷を良好に取り出すことが可能な光電変換体が形成される。例えば、第1の半導体層3がp型であれば、第2の半導体層4はn型である。なお、第1の半導体層3と第2の半導体層4との間に高抵抗のバッファ層が介在していてもよい。本実施形態では、第1の半導体層3が一方導電型の光吸収層であり、第2の半導体層4がバッファ層と他方導電型半導体層とを兼ねている例を示している。   The first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 have different conductivity types and are electrically connected. Thereby, the photoelectric conversion body which can take out an electric charge favorably is formed. For example, if the first semiconductor layer 3 is p-type, the second semiconductor layer 4 is n-type. A high-resistance buffer layer may be interposed between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. In the present embodiment, an example is shown in which the first semiconductor layer 3 is a one-conductivity type light absorption layer, and the second semiconductor layer 4 serves both as a buffer layer and the other conductivity-type semiconductor layer.

また、本実施形態における光電変換装置11は、第2の電極層5側から光が入射されるものを想定しているが、これに限定されず、基板1側から光が入射されるものであってもよい。   Moreover, although the photoelectric conversion apparatus 11 in this embodiment assumes what light enters from the 2nd electrode layer 5 side, it is not limited to this, Light enters from the board | substrate 1 side. There may be.

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

基板1は、光電変換セル10を支持するためのものである。基板1に用いられる材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が挙げられる。   The substrate 1 is for supporting the photoelectric conversion cell 10. Examples of the material used for the substrate 1 include glass, ceramics, resin, and metal.

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

第1の半導体層3はI−III−VI族化合物を含んでいる。I−III−VI族化合物とは、I−B族元素(11族元素ともいう)とIII−B族元素(13族元素ともいう)とVI−B族元素(16族元素ともいう)との化合物であり、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物と呼ばれる(CIS系化合物ともいう)。I−III−VI族化合物としては、例えば、Cu(In,Ga)Se(CIGSともいう)、Cu(In,Ga)(Se,S)(CIGSSともいう)、およびCuInSe(CISともいう)が挙げられる。なお、Cu(In,Ga)Seとは、CuとInとGaとSeとを主に含んだ化合物をいう。また、Cu(In,Ga)(Se,S)とは、CuとInとGaとSeとSとを主に含んだ化合物をいう。このようなI−III−VI族化合物は光電変換効率が高く、10μm以下の薄層として用いても有効な起電力を得ることができる。 The first semiconductor layer 3 contains a I-III-VI group compound. An I-III-VI group compound is a group consisting of a group IB element (also referred to as a group 11 element), a group III-B element (also referred to as a group 13 element), and a group VI-B element (also referred to as a group 16 element). It is a compound, has a chalcopyrite structure, and is called a chalcopyrite compound (also called a CIS compound). Examples of the I-III-VI group compound include Cu (In, Ga) Se 2 (also referred to as CIGS), Cu (In, Ga) (Se, S) 2 (also referred to as CIGSS), and CuInSe 2 (also referred to as CIS). Say). Incidentally, Cu (In, Ga) and Se 2 refers mainly a compound containing Cu and In, Ga and Se. Cu (In, Ga) (Se, S) 2 refers to a compound mainly containing Cu, In, Ga, Se, and S. Such an I-III-VI group compound has high photoelectric conversion efficiency, and an effective electromotive force can be obtained even when used as a thin layer of 10 μm or less.

このような第1の半導体層3は、次のようにして作製される。先ず、第1の半導体層3を形成するための半導体層形成用溶液が準備される。そして、この半導体層形成用溶液を用いて皮膜が形成され、この皮膜が熱処理されることにより、第1の半導体層3となる。このような半導体層形成用溶液は、第1化合物を準備する工程と、第2化合物を準備する工程と、半導体層形成用溶液を作製する工程とにより作製される。以下にそれぞれの工程を詳細に説明する。   Such a first semiconductor layer 3 is manufactured as follows. First, a solution for forming a semiconductor layer for forming the first semiconductor layer 3 is prepared. Then, a film is formed using the semiconductor layer forming solution, and the film is heat-treated to form the first semiconductor layer 3. Such a solution for forming a semiconductor layer is prepared by a step of preparing a first compound, a step of preparing a second compound, and a step of preparing a solution for forming a semiconductor layer. Each step will be described in detail below.

<<第1化合物を準備する工程>>
第1化合物は、第1のカルコゲン元素含有有機化合物とルイス塩基とI−B族元素と第1のIII−B族元素とを1つの錯体分子内に含んでいる。すなわち、第1化合物は、I−III−VI族化合物を構成する元素である、I−B族元素、III−B族元素およびVI−B族元素をすべて含んでいる。そして、これらの元素の化学反応でI−III−VI族化合物を形成し得る。よって、第1化合物を単一源前駆体ということもある。
<< Step of Preparing First Compound >>
The first compound contains a first chalcogen element-containing organic compound, a Lewis base, a group IB element, and a first group III-B element in one complex molecule. That is, the 1st compound contains all the IB group element, the III-B group element, and the VI-B group element which are the elements which comprise an I-III-VI group compound. And I-III-VI group compound can be formed by the chemical reaction of these elements. Thus, the first compound is sometimes referred to as a single source precursor.

カルコゲン元素含有有機化合物は、カルコゲン元素(カルコゲン元素とはVI−B族元素のうちのS、Se、Teをいう)を有する有機化合物であり、炭素元素とカルコゲン元素との共有結合を有する有機化合物である。カルコゲン元素含有有機化合物は、例えば、チオール、スルフィド、ジスルフィド、チオフェン、スルホキシド、スルホン、チオケトン、スルホン酸、スルホン酸エステル、スルホン酸アミド、セレノール、セレニド、ジセレニド、セレノキシド、セレノン、テルロール、テルリド、ジテルリド等がある。特に、配位力が高く金属元素と安定な錯体を形成しやすいという観点からは、チオール、スルフィド、ジスルフィド、セレノール、セレニド、ジセレニド、テルロール、テルリド、ジテルリドが用いられてもよい。   The chalcogen element-containing organic compound is an organic compound having a chalcogen element (the chalcogen element is S, Se, or Te among VI-B group elements), and an organic compound having a covalent bond between a carbon element and a chalcogen element It is. Examples of the chalcogen element-containing organic compound include thiol, sulfide, disulfide, thiophene, sulfoxide, sulfone, thioketone, sulfonic acid, sulfonic acid ester, sulfonic acid amide, selenol, selenide, diselenide, selenoxide, selenone, tellurol, telluride, ditelluride, etc. There is. In particular, thiol, sulfide, disulfide, selenol, selenide, diselenide, tellurol, telluride, ditelluride may be used from the viewpoint of high coordination power and easy formation of a stable complex with a metal element.

ルイス塩基は、非共有電子対を有する化合物である。ルイス塩基としては、非共有電子対を有するV−B族元素(15族元素ともいう)を具備した官能基や非共有電子対を有するVI−B族元素を具備した官能基を有する有機化合物が用いられる。   A Lewis base is a compound having an unshared electron pair. As the Lewis base, an organic compound having a functional group including a VB group element having an unshared electron pair (also referred to as a Group 15 element) or a VI-B group element having an unshared electron pair is used. Used.

第1化合物の一例を構造式1に示す。式中、R’−E’は第1のカルコゲン元素含有有機化合物(R’は有機化合物、E’はカルコゲン元素である)である。また、Lは第1のルイス塩基である。また、MはI−B族元素である。また、MIII’は第1のIII−B族元素である。 An example of the first compound is shown in Structural Formula 1. In the formula, R′-E ′ is a first chalcogen element-containing organic compound (R ′ is an organic compound, and E ′ is a chalcogen element). L is the first Lewis base. MI is an IB group element. M III ′ is a first group III-B element.

Figure 2012256781
Figure 2012256781

このような第1化合物は以下のようにして作製される。第1化合物の作製方法は、第1錯体溶液の作製工程と、第2錯体溶液の作製工程と、第1化合物を有する沈殿物の作製工程とを具備している。以下にそれぞれの工程を詳細に説明する。   Such a first compound is prepared as follows. The production method of the first compound includes a production process of the first complex solution, a production process of the second complex solution, and a production process of the precipitate having the first compound. Each step will be described in detail below.

<第1錯体溶液の作製工程>
まず、ルイス塩基と、I−B族元素とを含む第1錯体が存在する第1錯体溶液が作製される。ルイス塩基としては、P(C、As(C、N(C等のV−B族元素(15族元素ともいう)を含む有機化合物が用いられてもよい。また、I−B族元素の原料としては、Cu(CHCN)・PF等の有機金属錯体が挙げられる。この有機金属錯体に用いられる有機配位子としては上記ルイス塩基よりも塩基性が弱いものがよい。また、第1錯体溶液の有機溶媒としては、アセトニトリル、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロパノール等が挙げられる。
<Process for producing first complex solution>
First, the 1st complex solution in which the 1st complex containing a Lewis base and an IB group element exists is produced. As the Lewis base, an organic compound containing a VB group element (also referred to as a Group 15 element) such as P (C 6 H 5 ) 3 , As (C 6 H 5 ) 3 , and N (C 6 H 5 ) 3 is used. May be used. As the raw material of the I-B group element, Cu (CH 3 CN) organometallic complex such as 4 · PF 6 and the like. As the organic ligand used in the organometallic complex, those having weaker basicity than the above Lewis base are preferable. Moreover, acetonitrile, acetone, methanol, ethanol, isopropanol etc. are mentioned as an organic solvent of a 1st complex solution.

ルイス塩基をLとし、I−B族元素の有機金属錯体を[M ](X)とし、第1錯体を[L (m−n)(X)としたときに、上記第1錯体を形成する反応は、反応式1のように表される。このとき、MはI−B族元素、Rは任意の有機配位子、(X)は任意の陰イオンを示す。 The Lewis base is L, the organometallic complex of the group IB element is [M I R 1 m ] + (X 1 ) −, and the first complex is [L n M I R 1 (mn) ] + ( When X 1 ) , the reaction for forming the first complex is represented by Reaction Formula 1. In this case, M I is I-B group element, R 1 is any organic ligand, (X 1) - shows the any anion.

Figure 2012256781
Figure 2012256781

反応式1の具体例として、例えば、ルイス塩基LがP(C、I−B族元素の有機金属錯体[M’R’](X’)がCu(CHCN)・PFの場合は、第1錯体[LM’R’(m−n)(X’)が{P(CCu(CHCN)・PFとして生成する。 As a specific example of Reaction Formula 1, for example, Lewis base L is P (C 6 H 5 ) 3 , organometallic complex [M′R ′ m ] + (X ′) − of group IB element is Cu (CH 3 CN) 4 · PF 6 , the first complex [L n M′R ′ (mn) ] + (X ′) is {P (C 6 H 5 ) 3 } 2 Cu (CH 3 CN) 2. Generated as PF 6 .

<第2錯体溶液の作製工程>
第1のカルコゲン元素含有有機化合物と第1のIII−B族元素とを含む第2錯体が存在する第2錯体溶液が作製される。第1のカルコゲン元素含有有機化合物としては、フェニルセレノール、ジフェニルジセレニド等が用いられてもよい。また、第1のIII−B族元素の原料としては、InCl、GaCl等の金属塩が挙げられる。また、第2錯体溶液の有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール等が挙げられる。
<Process for producing second complex solution>
A second complex solution in which a second complex containing the first chalcogen element-containing organic compound and the first group III-B element is present is produced. As the first chalcogen element-containing organic compound, phenyl selenol, diphenyl diselenide, or the like may be used. In addition, examples of the material of the first group III-B element include metal salts such as InCl 3 and GaCl 3 . Moreover, methanol, ethanol, propanol etc. are mentioned as an organic solvent of a 2nd complex solution.

カルコゲン元素をE'とし、第1のカルコゲン元素含有有機化合物の金属塩をA(E'R’)とし、第1のIII−B族元素の金属塩をMIII’(X)とし、第2錯体をA[MIII’(E’R’)としたときに、上記第2錯体を形成する反応は、反応式2のように表される。このとき、R’は有機化合物、Aは任意の陽イオン、MIII’は第1のIII−B族元素、Xは任意の陰イオンを示す。なお、第1のカルコゲン元素含有有機化合物の金属塩A(E’R’)は、NaOCHのような金属アルコキシドとフェニルセレノール(HSeC)のような第1のカルコゲン元素含有有機化合物とを反応させることによって得られる。 The chalcogen element is E ′, the metal salt of the first chalcogen element-containing organic compound is A (E′R ′), the metal salt of the first group III-B element is M III ′ (X 2 ) 3 , When the second complex is A + [M III ′ (E′R ′) 4 ] , the reaction for forming the second complex is represented by reaction formula 2. At this time, R ′ represents an organic compound, A represents an arbitrary cation, M III ′ represents a first group III-B element, and X 2 represents an arbitrary anion. In addition, the metal salt A (E′R ′) of the first chalcogen element-containing organic compound is a metal alkoxide such as NaOCH 3 and a first chalcogen element-containing organic compound such as phenyl selenol (HSeC 6 H 5 ). It is obtained by reacting.

Figure 2012256781
Figure 2012256781

反応式2の具体例として、例えば、第1のカルコゲン元素含有有機化合物の金属塩A(E’R’)がNaSeC、第1のIII−B族元素の金属塩MIII’(X)がInClまたはGaCl、の場合は、第2錯体A[MIII’(E’R’)]が、Na[In(SeC)]またはNa[Ga(SeC)]として生成する。 As a specific example of Reaction Formula 2, for example, the metal salt A (E′R ′) of the first chalcogen element-containing organic compound is NaSeC 6 H 5 , and the metal salt M III ′ (X 2 ) When 3 is InCl 3 or GaCl 3 , the second complex A + [M III ′ (E′R ′) 4 ] is Na + [In (SeC 6 H 5 ) 4 ] or Na +. It is generated as [Ga (SeC 6 H 5 ) 4 ] .

なお、第2錯体溶液に含まれる第1のIII−B族元素は、1種類に限らず、複数種類が含まれていてもよい。例えば、InとGaの両方が第2錯体溶液中に含まれてもよい。そのような第2錯体溶液は、第2錯体溶液の原料として複数種の第1のIII−B族元素の金属塩の混合体が用いられることによって作製される。あるいは、1種類の第1のIII−B族元素を含む第2錯体溶液が、各第1のIII−B族元素ごとに作製され、これらが混合されることによって作製されてもよい。   In addition, the 1st III-B group element contained in a 2nd complex solution is not restricted to one type, Multiple types may be contained. For example, both In and Ga may be included in the second complex solution. Such a second complex solution is prepared by using a mixture of a plurality of types of metal salts of the first group III-B elements as a raw material of the second complex solution. Alternatively, a second complex solution containing one kind of first group III-B element may be prepared for each first group III-B element and mixed together.

<第1化合物を有する沈殿物の作製工程>
上記のようにして作製された第1錯体溶液と第2錯体溶液とが混合されることにより、第1錯体と第2錯体とが反応し、Cu等のI−B族元素、InやGa等の第1のIII−B族元素、および、Se等のカルコゲン元素を含有する第1化合物を含む沈殿物が生じる。このような第1化合物[L(E’R’)III’(E’R’)]を形成する反応は、反応式3のように表される。
<Preparation Step of Precipitate Having First Compound>
By mixing the first complex solution and the second complex solution prepared as described above, the first complex reacts with the second complex, and an IB group element such as Cu, In, Ga, etc. And a first compound containing a first compound containing a first group III-B element and a chalcogen element such as Se. A reaction for forming such a first compound [L n M I (E′R ′) 2 M III ′ (E′R ′) 2 ] is represented by Reaction Scheme 3.

Figure 2012256781
Figure 2012256781

反応式3の具体例として、第1錯体が{P(CCu(CHCN)・PF、第2錯体がNa[MIII’(SeC)](MIII’はInおよび/またはGaである)の場合は、第1化合物は{P(CCu(SeC)III’(SeC)として生成する。 Specific examples of Scheme 3, the first complex is {P (C 6 H 5) 3} 2 Cu (CH 3 CN) 2 · PF 6, second complex is Na + [M III '(SeC 6 H 5) 4 ] (M III ′ is In and / or Ga), the first compound is {P (C 6 H 5 ) 3 } 2 Cu (SeC 6 H 5 ) 2 M III ′ (SeC 6 H 5 ) Generate as 2 .

そして、この第1化合物を含む沈殿物と沈殿物の上方の溶液とが分離され、溶液部分が排出され、乾燥されることにより、第1化合物を含む沈殿物が取り出される。   Then, the precipitate containing the first compound is separated from the solution above the precipitate, and the solution portion is discharged and dried, whereby the precipitate containing the first compound is taken out.

第1錯体と第2錯体との反応の際に設定される温度は、例えば0〜30℃である。また、この反応の時間は、例えば1〜5時間である。反応によって生じた沈殿物は、NaやClなどの不純物の除去のために、遠心分離もしくは濾過などの手法を用いて洗浄されてもよい。   The temperature set in the reaction between the first complex and the second complex is, for example, 0 to 30 ° C. Moreover, the time of this reaction is 1 to 5 hours, for example. The precipitate generated by the reaction may be washed using a technique such as centrifugation or filtration in order to remove impurities such as Na and Cl.

<<第2化合物を準備する工程>>
次に、第2化合物を準備する工程を示す。第2化合物は、第2のカルコゲン元素含有有機化合物と第2のIII−B族元素とアンモニウムイオンとを含んでいる。つまり、第2化合物は、第2のカルコゲン元素含有有機化合物が第2のIII−B族元素に配位した錯体のアンモニウム塩であり、例えば、構造式2のように表わされる。構造式2において、MIII’’は第2のIII−B族元素であり、R''−E''はカルコゲン元素含有有機化合物(R''は有機化合物、E''はカルコゲン元素である)である。第2錯体の具体例としては、MIII’’がInまたはGaであり、R''−E''がフェニルセレノールまたはジフェニルジセレニドであるものが挙げられる。
<< Step of Preparing Second Compound >>
Next, the process of preparing a 2nd compound is shown. The second compound contains a second chalcogen element-containing organic compound, a second group III-B element, and ammonium ions. That is, the second compound is an ammonium salt of a complex in which the second chalcogen element-containing organic compound is coordinated to the second group III-B element, and is represented by, for example, Structural Formula 2. In Structural Formula 2, M III ″ is a second group III-B element, R ″ -E ″ is a chalcogen element-containing organic compound (R ″ is an organic compound, and E ″ is a chalcogen element. ). Specific examples of the second complex include those in which MIII ″ is In or Ga and R ″ -E ″ is phenyl selenol or diphenyl diselenide.

Figure 2012256781
Figure 2012256781

なお、第2のカルコゲン元素含有有機化合物は、上記第1のカルコゲン元素含有有機化合物と同じであってもよく、異なるものであってもよい。また、第2のIII−B族元素は、上記第1のIII−B族元素と同じであってもよく、異なるものであってもよい。   The second chalcogen element-containing organic compound may be the same as or different from the first chalcogen element-containing organic compound. The second group III-B element may be the same as or different from the first group III-B element.

このような第2化合物は、カルコゲン元素含有有機化合物のアンモニウム塩を含む溶媒に、III−B族元素が溶解されることによって作製される。上記溶媒としては、カルコゲン元素含有有機化合物のアンモニウム塩を溶解可能な有機溶媒が用いられ、例えば、メタノールが挙げられる。III−B族元素は、金属の状態、金属塩の状態、または有機配位子が配位した有機金属錯体の状態で、上記カルコゲン元素含有有機化合物のアンモニウム塩が溶解した溶媒に溶解される。そして、この溶液に非極性溶媒や低極性溶媒が添加されることによって第2化合物が析出する。この第2化合物の析出に用いられる非極性溶媒や低極性溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン、四塩化炭素、ベンゼン等の非極性溶媒が用いられてもよく、または、第2化合物を溶解する溶媒よりも極性が低い低極性溶媒が用いられてもよい。   Such a 2nd compound is produced when a III-B group element is melt | dissolved in the solvent containing the ammonium salt of a chalcogen element containing organic compound. As said solvent, the organic solvent which can melt | dissolve the ammonium salt of a chalcogen element containing organic compound is used, For example, methanol is mentioned. The group III-B element is dissolved in a solvent in which the ammonium salt of the chalcogen element-containing organic compound is dissolved in a metal state, a metal salt state, or an organometallic complex in which an organic ligand is coordinated. And a 2nd compound precipitates by adding a nonpolar solvent or a low polarity solvent to this solution. As the nonpolar solvent or low polarity solvent used for the precipitation of the second compound, a nonpolar solvent such as hexane, heptane, carbon tetrachloride, benzene or the like may be used, or a solvent that dissolves the second compound may be used. Alternatively, a low polarity solvent with low polarity may be used.

第2化合物はアンモニウム塩となっているため、この第2化合物を原料として半導体層を形成した場合でも、アンモニウムイオンはアンモニア等となって気化しやすく、半導体層中に不純物が残存するのを有効に低減できる。   Since the second compound is an ammonium salt, even when the semiconductor layer is formed using the second compound as a raw material, ammonium ions are easily vaporized as ammonia or the like, and it is effective that impurities remain in the semiconductor layer. Can be reduced.

<<半導体層形成用溶液を作製する工程>>
上述した第1化合物と、上述した第2化合物とが有機溶媒に溶解されることにより、半導体層形成用溶液が作製される。このように第1化合物と第2化合物とを混合することにより、I−B族元素とIII−B族元素とのモル比を容易に調整することが可能となり、光電変換効率の高い第1の半導体層3の作製が容易となる。
<< Process for Producing Semiconductor Layer Forming Solution >>
By dissolving the first compound and the second compound described above in an organic solvent, a semiconductor layer forming solution is prepared. Thus, by mixing the first compound and the second compound, the molar ratio of the IB group element and the III-B group element can be easily adjusted, and the first photoelectric conversion efficiency is high. The semiconductor layer 3 can be easily manufactured.

また、第2化合物は、第2のIII−B族元素を取り囲むように第2のカルコゲン元素含有有機化合物が存在することによって、第1化合物との親和性が高くなる。そのため、このような半導体層形成用溶液を用いて皮膜が形成された際には、第1化合物と第2化合物とが良好に近づきあい、第1化合物と第2化合物とが相分離することなく、良好に分散した状態となる。さらに、第2のIII−B族元素を取り囲むように第2のカルコゲン元素含有有機化合物が存在することによって、第2のIII−B族元素のカルコゲン化が起こりやすくなる。その結果、皮膜が熱処理された際に、第1化合物に含まれるI−B族元素、III−B族元素およびVI−B族元素と、第2化合物に含まれるIII−B族元素およびVI−B族元素とが良好に反応して、I−III−VI族化合物が良好に生成する。   In addition, the second compound has higher affinity with the first compound due to the presence of the second chalcogen element-containing organic compound so as to surround the second group III-B element. Therefore, when a film is formed using such a solution for forming a semiconductor layer, the first compound and the second compound approach each other well, and the first compound and the second compound do not undergo phase separation. , Well dispersed. Further, the presence of the second chalcogen element-containing organic compound so as to surround the second group III-B element facilitates chalcogenization of the second group III-B element. As a result, when the film is heat-treated, the IB group element, III-B group element and VI-B group element contained in the first compound, and the III-B group element and VI- The group B element reacts satisfactorily to form a group I-III-VI group.

半導体層形成用溶液の作製に用いられる有機溶媒としては、第1化合物および第2化合物が溶解可能なものが用いられる。このような有機溶媒としては、例えば、ピリジン、アセトン等が用いられる。   As the organic solvent used for preparing the semiconductor layer forming solution, a solvent capable of dissolving the first compound and the second compound is used. Examples of such an organic solvent include pyridine and acetone.

上記のようにして作製された半導体層形成用溶液が、第1の電極2を有する基板1の表面に、スピンコータ、スクリーン印刷、ディッピング、スプレーまたはダイコータなどを用いて塗布され、乾燥されることによって、皮膜が形成される。乾燥は、還元雰囲気下で行なわれてもよい。乾燥時の温度は、例えば、50〜300℃であってもよい。   The solution for forming a semiconductor layer produced as described above is applied to the surface of the substrate 1 having the first electrode 2 by using a spin coater, screen printing, dipping, spraying or a die coater, and dried. A film is formed. Drying may be performed in a reducing atmosphere. The temperature during drying may be, for example, 50 to 300 ° C.

そして、上記皮膜が熱処理されて、1〜2.5μmの厚みの第1の半導体層3が作製される。熱処理は、酸化を防止して良好な第1の半導体層3とするために、還元雰囲気で熱処理されてもよい。熱処理における還元雰囲気としては、窒素雰囲気、フォーミングガス雰囲気および水素雰囲気等のいずれであってもよい。熱処理温度は、例えば、400℃〜600℃であってもよい。   And the said membrane | film | coat is heat-processed and the 1st semiconductor layer 3 with a thickness of 1-2.5 micrometers is produced. The heat treatment may be performed in a reducing atmosphere in order to prevent oxidation and obtain a good first semiconductor layer 3. The reducing atmosphere in the heat treatment may be any of a nitrogen atmosphere, a forming gas atmosphere, a hydrogen atmosphere, and the like. The heat treatment temperature may be, for example, 400 ° C to 600 ° C.

上記熱処理において、皮膜中の金属元素は、皮膜中にカルコゲン元素含有有機化合物として含まれているカルコゲン元素と反応し、I−III−VI族化合物を形成可能である。なお、金属元素のカルコゲン化をより促進するため、半導体層形成用溶液に上記第1化合物および第2化合物以外にカルコゲン元素が別途溶解されていてもよい。また、皮膜が熱処理される際に、雰囲気中にカルコゲン元素が含まれていてもよい。これにより蒸発等によって不足しやすいカルコゲン元素が十分に供給され、所望の組成比の第1の半導体層3が良好に形成されやすくなる。   In the heat treatment, a metal element in the film can react with a chalcogen element contained as a chalcogen element-containing organic compound in the film to form an I-III-VI group compound. In addition, in order to further promote chalcogenization of the metal element, a chalcogen element may be separately dissolved in the semiconductor layer forming solution in addition to the first compound and the second compound. Further, when the film is heat-treated, a chalcogen element may be contained in the atmosphere. As a result, a chalcogen element that is easily deficient due to evaporation or the like is sufficiently supplied, and the first semiconductor layer 3 having a desired composition ratio is easily formed.

以上のような半導体層形成用溶液を用いることにより、所望の組成比の第1の半導体層3を容易に形成することができ、この第1の半導体層3を具備する光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。   By using the semiconductor layer forming solution as described above, the first semiconductor layer 3 having a desired composition ratio can be easily formed. The photoelectric conversion of the photoelectric conversion device including the first semiconductor layer 3 Efficiency can be increased.

光電変換装置10では、第1の半導体層3上に第1の半導体層3とは異なる導電型の第2の半導体層4が形成される。第1半導体層3および第2半導体層4は、一方がn型で他方がp型の異なる導電型を有しており、これらがpn接合している。または、第1半導体層3がp型であり第2半導体層4がn型であってもよく、逆の関係であってもよい。なお、第1半導体層3および第2半導体層4によるpn接合は、第1半導体層3と第2半導体層4とが直接接合しているものに限らない。例えば、これらの間に第1半導体層3と同じ導電型の他の半導体層かまたは第2半導体層4と同じ導電型の他の半導体層をさらに有していてもよい。また、第1半導体層3と第2半導体層4との間に、i型の半導体層を有するpin接合であってもよい。   In the photoelectric conversion device 10, a second semiconductor layer 4 having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer 3 is formed on the first semiconductor layer 3. The first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 have different conductivity types, one being n-type and the other being p-type, and these are pn-junctioned. Alternatively, the first semiconductor layer 3 may be p-type and the second semiconductor layer 4 may be n-type, or the reverse relationship may be used. The pn junction by the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 is not limited to the one in which the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 are directly joined. For example, another semiconductor layer having the same conductivity type as that of the first semiconductor layer 3 or another semiconductor layer having the same conductivity type as that of the second semiconductor layer 4 may be further provided therebetween. Further, a pin junction having an i-type semiconductor layer may be provided between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4.

第2半導体層4としては、CdS、ZnS、ZnO、InSe、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等が挙げられる。この場合、第2半導体層4は、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で10〜200nmの厚みで形成される。なお、In(OH,S)とは、InとOHとSとを主に含む化合物をいう。(Zn,In)(Se,OH)は、ZnとInとSeとOHとを主に含む化合物をいう。(Zn,Mg)Oは、ZnとMgとOとを主に含む化合物をいう。 Examples of the second semiconductor layer 4 include CdS, ZnS, ZnO, In 2 Se 3 , In (OH, S), (Zn, In) (Se, OH), and (Zn, Mg) O. In this case, the second semiconductor layer 4 is formed with a thickness of 10 to 200 nm by, for example, a chemical bath deposition (CBD) method or the like. In (OH, S) refers to a compound mainly containing In, OH, and S. (Zn, In) (Se, OH) refers to a compound mainly containing Zn, In, Se, and OH. (Zn, Mg) O refers to a compound mainly containing Zn, Mg and O.

第2の電極層5は、ITO、ZnO等の0.05〜3μmの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、第2の電極層5は第2の半導体層4と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。第2の電極層5は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長(CVD)法等で形成される。第2の電極層5は、第2の半導体層4よりも抵抗率の低い層であり、第1の半導体層3で生じた電荷を取り出すためのものである。電荷を良好に取り出すという観点からは、第2の電極層5の抵抗率が1Ω・cm未満でシート抵抗が50Ω/□以下であってもよい。   The second electrode layer 5 is a 0.05 to 3 μm transparent conductive film such as ITO or ZnO. In order to improve translucency and conductivity, the second electrode layer 5 may be made of a semiconductor having the same conductivity type as the second semiconductor layer 4. The second electrode layer 5 is formed by sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), or the like. The second electrode layer 5 is a layer having a resistivity lower than that of the second semiconductor layer 4, and is for taking out charges generated in the first semiconductor layer 3. From the viewpoint of taking out charges well, the resistivity of the second electrode layer 5 may be less than 1 Ω · cm and the sheet resistance may be 50 Ω / □ or less.

第2の電極層5は第1の半導体層3の吸収効率を高めるため、第1の半導体層3の吸収光に対して光透過性を有していてもよい。光透過性を高めるとともに光電変換によって生じた電流を良好に伝送するという観点から、第2の電極層5は0.05〜0.5μmの厚さであってもよい。また、第2の電極層5と第2の半導体層4との界面での光反射を低減するという観点から、第2の電極層5と第2の半導体層4の屈折率差は小さくてもよい。   The second electrode layer 5 may have optical transparency with respect to the light absorbed by the first semiconductor layer 3 in order to increase the absorption efficiency of the first semiconductor layer 3. The second electrode layer 5 may have a thickness of 0.05 to 0.5 μm from the viewpoint of improving the light transmittance and transmitting the current generated by the photoelectric conversion satisfactorily. Further, from the viewpoint of reducing light reflection at the interface between the second electrode layer 5 and the second semiconductor layer 4, even if the refractive index difference between the second electrode layer 5 and the second semiconductor layer 4 is small. Good.

光電変換セル10は、複数個が並べられて電気的に接続され、光電変換装置11と成る。隣接する光電変換セル10同士を容易に直列接続するために、図1に示すように、光電変換セル10は、第1の半導体層3の基板1側に第1の電極層2と離間して設けられた第3の電極層6を具備している。そして、第1の半導体層3に設けられた接続導体7によって、第2の電極層5と第3の電極層6とが電気的に接続されている。   A plurality of photoelectric conversion cells 10 are arranged and electrically connected to form a photoelectric conversion device 11. In order to easily connect adjacent photoelectric conversion cells 10 in series, as shown in FIG. 1, the photoelectric conversion cell 10 is separated from the first electrode layer 2 on the substrate 1 side of the first semiconductor layer 3. A third electrode layer 6 is provided. The second electrode layer 5 and the third electrode layer 6 are electrically connected by the connection conductor 7 provided in the first semiconductor layer 3.

図1において、接続導体7は、第1の半導体層3、第2の半導体層4および第2の電極層5を貫通する溝内に、導電性ペースト等の導体が充填されて形成されている。接続導体7はこれに限定されず、第2の電極層5が延長されて形成されていてもよい。   In FIG. 1, the connection conductor 7 is formed by filling a conductor such as a conductive paste in a groove that penetrates the first semiconductor layer 3, the second semiconductor layer 4, and the second electrode layer 5. . The connection conductor 7 is not limited to this, and may be formed by extending the second electrode layer 5.

また、図1、図2に示すように、第2の電極層5上に集電電極8が形成されていてもよい。集電電極8は、第2の電極層5の電気抵抗を小さくするためのものである。集電電極8は、例えば、図1に示すように、光電変換セル10の一端から接続導体7にかけて線状に形成されている。これにより、第1の半導体層3の光電変換によって生じた電流が第2の電極層5を介して集電電極8に集電され、接続導体7を介して隣接する光電変換セル10に良好に導電される。よって、集電電極8が設けられていることにより、第1の半導体層3への光透過率を高めるために第2電極層5を薄くした場合でも、第1の半導体層3で発生した電流を効率よく取り出すことができる。その結果、光電変換効率を高めることができる。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a collecting electrode 8 may be formed on the second electrode layer 5. The collecting electrode 8 is for reducing the electric resistance of the second electrode layer 5. For example, as shown in FIG. 1, the collector electrode 8 is formed in a linear shape from one end of the photoelectric conversion cell 10 to the connection conductor 7. As a result, the current generated by the photoelectric conversion of the first semiconductor layer 3 is collected by the current collecting electrode 8 via the second electrode layer 5, and is favorably applied to the adjacent photoelectric conversion cell 10 via the connection conductor 7. Conducted. Therefore, the current generated in the first semiconductor layer 3 is provided even if the second electrode layer 5 is thinned in order to increase the light transmittance to the first semiconductor layer 3 by providing the collecting electrode 8. Can be taken out efficiently. As a result, the photoelectric conversion efficiency can be increased.

集電電極8は、第1の半導体層3への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、50〜400μmの幅を有していてもよい。また、集電電極8は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。   The collector electrode 8 may have a width of 50 to 400 μm from the viewpoint of increasing the light transmittance to the first semiconductor layer 3 and having good conductivity. The current collecting electrode 8 may have a plurality of branched portions.

集電電極8は、例えば、Ag等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストがパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。   The collector electrode 8 is formed, for example, by printing a metal paste in which a metal powder such as Ag is dispersed in a resin binder or the like in a pattern and curing it.

なお、本発明は上述の実施の形態に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内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1:基板
2:第1の電極層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:第2の電極層
6:第3の電極層
7:接続導体
8:集電電極
11:光電変換装置
1: Substrate 2: First electrode layer 3: First semiconductor layer 4: Second semiconductor layer 5: Second electrode layer 6: Third electrode layer 7: Connection conductor 8: Current collecting electrode 11: Photoelectric Conversion device

Claims (4)

第1のカルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基、I−B族元素および第1のIII−B族元素を含む第1化合物を準備する工程と、
第2のカルコゲン元素含有有機化合物、第2のIII−B族元素およびアンモニウムイオンを含む第2化合物を準備する工程と、
前記第1化合物、前記第2化合物および有機溶媒を含む半導体層形成用溶液を作製する工程と、
該半導体層形成用溶液を用いてI−III−VI族化合物を含む半導体層を作製する工程と
を具備することを特徴とする半導体層の製造方法。
Providing a first compound comprising a first chalcogen element-containing organic compound, a Lewis base, a group IB element, and a first group III-B element;
Preparing a second compound containing a second chalcogen element-containing organic compound, a second group III-B element and ammonium ions;
Producing a semiconductor layer forming solution containing the first compound, the second compound and an organic solvent;
And a step of producing a semiconductor layer containing an I-III-VI group compound using the solution for forming a semiconductor layer.
前記第2化合物を準備する工程は、アンモニウムイオン、前記第2のカルコゲン元素含有有機化合物および前記第2のIII−B族元素を含む溶液に低極性溶媒を添加して析出した前記第2化合物を取り出す工程である、請求項1に記載の半導体層の製造方法。   In the step of preparing the second compound, the second compound precipitated by adding a low-polarity solvent to a solution containing ammonium ions, the second chalcogen element-containing organic compound, and the second group III-B element. The method for producing a semiconductor layer according to claim 1, which is a step of taking out. 請求項1または2に記載の半導体層の製造方法によって第1の半導体層を作製する工程と、
該第1の半導体層に電気的に接続されるように、該第1の半導体層とは異なる導電型の第2の半導体層を作製する工程と
を具備することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
Producing a first semiconductor layer by the method for producing a semiconductor layer according to claim 1 or 2,
And a step of producing a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer so as to be electrically connected to the first semiconductor layer. Production method.
第1のカルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基、I−B族元素および第1のIII−B族元素を含む第1化合物と、
第2のカルコゲン元素含有有機化合物、第2のIII−B族元素およびアンモニウムイオンを含む第2化合物と、
有機溶媒と
を含む半導体層形成用溶液。
A first compound comprising a first chalcogen element-containing organic compound, a Lewis base, a group IB element and a first group III-B element;
A second compound containing a second chalcogen element-containing organic compound, a second group III-B element and ammonium ions;
A solution for forming a semiconductor layer containing an organic solvent.
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