JP2013224239A - Particle for formation of semiconductor layer, method of producing semiconductor layer and method of manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属カルコゲナイドを含む半導体層を形成するための半導体層形成用粒子、それを用いた半導体層の製造方法および光電変換装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to particles for forming a semiconductor layer for forming a semiconductor layer containing a metal chalcogenide, a method for manufacturing a semiconductor layer using the particle, and a method for manufacturing a photoelectric conversion device.
太陽電池として、CISやCIGS等のI−III−VI族化合物や、CZTS等のI−II
−IV−VI族化合物を含む半導体層を具備する光電変換装置を用いたものがある(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
As solar cells, I-III-VI group compounds such as CIS and CIGS, and I-II such as CZTS
There is one using a photoelectric conversion device including a semiconductor layer containing a -IV-VI group compound (for example, see Patent Document 1 and Patent Document 2).
このような半導体層の作製方法として特許文献1には、金属カルコゲナイドの微粒子を含む溶液を用いてコーティング層を形成し、これを焼結することによって半導体層が形成されることが記載されている。 As a method for manufacturing such a semiconductor layer, Patent Document 1 describes that a semiconductor layer is formed by forming a coating layer using a solution containing metal chalcogenide fine particles and sintering the coating layer. .
近年、光電変換装置の需要は増加傾向にあり、光電変換装置のさらなる光電変換効率の向上が望まれている。光電変換装置の光電変換効率を高めるためには、半導体層の結晶化を促進することが有効である。 In recent years, the demand for photoelectric conversion devices has been increasing, and further improvement in photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion devices is desired. In order to increase the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device, it is effective to promote crystallization of the semiconductor layer.
よって、本発明の目的は、光電変換効率の高い半導体層および光電変換装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor layer and a photoelectric conversion device with high photoelectric conversion efficiency.
本発明の一実施形態に係る半導体層形成用粒子は、金属カルコゲナイドを主として含むとともにアルカリ金属元素を含む。 The particles for forming a semiconductor layer according to an embodiment of the present invention mainly contain a metal chalcogenide and an alkali metal element.
本発明の一実施形態に係る半導体層の製造方法は、上記の半導体層形成用粒子を含む皮膜を形成する工程と、該皮膜を加熱して半導体層に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 comprises the process of forming the membrane | film | coat containing said particle | grains for semiconductor layer formation, and the process of heating this membrane | film | coat and making it 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、電極上に、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の半導体層上に該第1の半導体層とは異なる導電型を有する第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 on an electrode by the above-described method for manufacturing a semiconductor layer, and the first semiconductor layer on the first semiconductor layer. Forming a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the semiconductor layer.
本発明によれば、光電変換効率の高い半導体層および光電変換装置を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide a semiconductor layer and a photoelectric conversion apparatus with high photoelectric conversion efficiency.
以下に本発明の実施形態に係る半導体層形成用粒子、半導体層の製造方法および光電変換装置の製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor layer forming particle, a semiconductor layer manufacturing method, and a photoelectric conversion device manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<(1)半導体層形成用粒子>
半導体層形成用粒子は、金属カルコゲナイドを主として含むとともにアルカリ金属元素を含んでいる。この半導体層形成用粒子は、皮膜状に成形された後、焼成されることによって、半導体層形成用粒子が互いに結合して結晶化し、あるいは互いに反応し合って結晶化して半導体層を形成し得る。
<(1) Particles for forming a semiconductor layer>
The semiconductor layer forming particles mainly contain a metal chalcogenide and an alkali metal element. The semiconductor layer forming particles are formed into a film and then fired, whereby the semiconductor layer forming particles bond to each other to crystallize or react with each other to crystallize to form a semiconductor layer. .
なお、金属カルコゲナイドとは、金属元素とカルコゲン元素との化合物である。カルコゲン元素は、VI−B族元素(16族元素ともいう)のうち、S、Se、Teをいう。半導体層形成用粒子に用いられる金属カルコゲナイドとしては、I−B族元素(11族元素ともいう)とカルコゲン元素との化合物であるI−VI族化合物、II−B族元素(12族元素ともいう)とカルコゲン元素との化合物であるII−VI族化合物、III−B族元素(13族
元素ともいう)とカルコゲン元素との化合物であるIII−VI族化合物、IV−B族元素(1
4族元素ともいう)とカルコゲン元素との化合物であるIV−VI族化合物、I−B族元素とIII−B族元素とカルコゲン元素との化合物であるI−III−VI族化合物、およびI−B族元素とII−VI族化合とIV−B族元素とカルコゲン元素との化合物であるI−II−IV−VI族化合物等が採用され得る。
The metal chalcogenide is a compound of a metal element and a chalcogen element. The chalcogen element is S, Se, or Te among VI-B group elements (also referred to as group 16 elements). As the metal chalcogenide used for the semiconductor layer forming particles, a group I-VI compound or a group II-B element (also referred to as a group 12 element) which is a compound of a group IB element (also referred to as
Group IV-VI compounds which are compounds of group 4 elements and chalcogen elements, Group I-III-VI compounds which are compounds of group IB elements III-B elements and chalcogen elements, and I- An I-II-IV-VI group compound that is a compound of a B group element, a II-VI group compound, an IV-B group element, and a chalcogen element may be employed.
半導体層形成用粒子に含まれる金属カルコゲナイドは、半導体層形成用粒子を焼成して得られる半導体層に主に含まれる化合物と同じであってもよく、あるいは異なる化合物であってもよい。例えば、半導体層形成用粒子を焼成して得られる半導体層がI−III−VI
族化合物の場合、半導体層形成用粒子は、金属カルコゲナイドとしてI−III−VI族化合
物を含むものであってもよく、あるいは、金属カルコゲナイドとしてI−VI族化合物またはIII−VI族化合物を含むものであってもよい。また、半導体層形成用粒子を焼成して得
られる半導体層がI−II−IV−VI族化合物の場合、半導体層形成用粒子は、金属カルコゲナイドとしてI−II−IV−VI族化合物を含むものであってもよく、あるいは、金属カルコゲナイドとしてI−VI族化合物、II−VI族化合物およびIV−B族化合物のいずれかを含むものであってもよい。
The metal chalcogenide contained in the semiconductor layer forming particles may be the same as or different from the compound mainly contained in the semiconductor layer obtained by firing the semiconductor layer forming particles. For example, a semiconductor layer obtained by firing particles for forming a semiconductor layer is I-III-VI
In the case of a group compound, the particles for forming a semiconductor layer may include a group I-III-VI compound as a metal chalcogenide, or a group including a group I-VI compound or a group III-VI compound as a metal chalcogenide It may be. When the semiconductor layer obtained by firing the semiconductor layer forming particles is an I-II-IV-VI group compound, the semiconductor layer forming particles contain an I-II-IV-VI group compound as a metal chalcogenide. Alternatively, the metal chalcogenide may contain any of a group I-VI compound, a group II-VI compound, and a group IV-B compound.
半導体層形成用粒子とそれを焼成して得られる半導体層とが異なる化合物である場合、半導体層形成用粒子に他の化合物を混合させて焼成することによって半導体層とすることができる。例えば、半導体層形成用粒子を焼成して得られる半導体層がCIGSのようなI−III−VI族化合物の場合、セレン化インジウムやセレン化ガリウム等のIII−VI族化合物を半導体層形成用粒子として用い、この半導体層形成用粒子にI−B族元素化合物(例えば、セレン化銅や銅錯体等)を混合させたものを焼成すればよい。あるいは、III−VI
族化合物を半導体層形成用粒子として用い、この半導体す形成用粒子にIII−B族元素化
合物を混合させたものを焼成してもよい。
When the semiconductor layer forming particles and the semiconductor layer obtained by firing the same are different compounds, the semiconductor layer forming particles can be mixed with another compound and fired to form a semiconductor layer. For example, when the semiconductor layer obtained by firing the semiconductor layer forming particles is an I-III-VI group compound such as CIGS, the III-VI group compound such as indium selenide or gallium selenide is used as the semiconductor layer forming particle. The semiconductor layer forming particles may be used as a mixture of an IB group element compound (for example, copper selenide, copper complex, etc.). Or III-VI
A group compound may be used as the semiconductor layer forming particles, and the semiconductor layer forming particles mixed with a group III-B element compound may be fired.
また、半導体層形成用粒子とそれを焼成して得られる半導体層とが異なる化合物である場合、異なる化合物から成る半導体層形成用粒子同士を混合させて焼成することによって半導体層とすることができる。例えば、半導体層形成用粒子を焼成して得られる半導体層がCIGSのようなI−III−VI族化合物の場合、セレン化インジウムを主に含む半導体
層形成用粒子と、セレン化ガリウムを主に含む半導体層形成用粒子と、セレン化銅を主に含む半導体層とを混合させたものを焼成してもよい。
Further, when the semiconductor layer forming particles and the semiconductor layer obtained by firing the same are different compounds, the semiconductor layer forming particles made of different compounds can be mixed and fired to form a semiconductor layer. . For example, when the semiconductor layer obtained by firing the semiconductor layer forming particles is an I-III-VI group compound such as CIGS, the semiconductor layer forming particles mainly containing indium selenide and the gallium selenide mainly. You may bake what mixed the particle for semiconductor layer formation containing, and the semiconductor layer which mainly contains copper selenide.
また、半導体層形成用粒子は、上記金属カルコゲナイドを主として含むとともに、さらにアルカリ金属元素を含んでいる。つまり、半導体層形成用粒子の1つの粒子において、金属カルコゲナイドに加えてアルカリ金属元素が含まれている。なお、アルカリ金属元素
はI−A族元素(1族元素ともいう)のうち、水素元素を除いたものをいう。このような構成により、半導体層形成用粒子が焼成されることによって、金属カルコゲナイド粒子が互いに結合して結晶化する際、あるいは互いに反応し合って結晶化する際、アルカリ金属元素が結晶化を良好に促進し、光電変換効率の高い半導体層が生成する。つまり、アルカリ金属元素が外部から添加されるのではなく、半導体層形成用粒子の中に含有されていることから、アルカリ金属元素による結晶化促進効果が非常に高くなるとともに、反応ばらつきが少なく、安定した結晶化反応が生じる。
The semiconductor layer forming particles mainly contain the metal chalcogenide and further contain an alkali metal element. That is, one particle of the semiconductor layer forming particles contains an alkali metal element in addition to the metal chalcogenide. In addition, an alkali metal element means what remove | excluded the hydrogen element among IA group elements (it is also called 1st group element). With such a configuration, when the semiconductor layer forming particles are fired, when the metal chalcogenide particles bond to each other and crystallize, or react with each other and crystallize, the alkali metal element has good crystallization. And a semiconductor layer with high photoelectric conversion efficiency is generated. That is, the alkali metal element is not added from the outside, but is contained in the particles for forming the semiconductor layer, so that the crystallization promoting effect by the alkali metal element is very high, and the reaction variation is small, A stable crystallization reaction occurs.
半導体層形成用粒子は、緻密で良好な半導体層を形成しやすいという観点からは、平均粒径が20nm〜200nmのものが用いられてもよい。 As the semiconductor layer forming particles, particles having an average particle diameter of 20 nm to 200 nm may be used from the viewpoint of easily forming a dense and good semiconductor layer.
また、半導体層形成用粒子のアルカリ金属元素の含有量は、結晶化反応をより高め、比較的低温でも結晶化を良好に行なうことが可能になるという観点から、半導体層形成用粒子に含まれるカルコゲン元素の全モル数を100molとしたときに、1〜50mol程度であればよい。また、半導体層形成用粒子の平均粒径を数10〜数100nm程度の微細なものにして塗布性を向上するという観点から、半導体層形成用粒子のアルカリ金属元素の含有量は、半導体層形成用粒子に含まれるカルコゲン元素の全モル数を100mol%としたときに、2〜15mol程度であってもよい。半導体層形成用粒子中の元素分析の方法としては、例えばSEM(走査型電子顕微鏡:Scanning Electron Microscope)のEDS(Energy Dispersive Spectroscopy)分析等が用いられる。 Further, the content of the alkali metal element in the semiconductor layer forming particles is included in the semiconductor layer forming particles from the viewpoint of further enhancing the crystallization reaction and enabling favorable crystallization even at a relatively low temperature. When the total number of moles of the chalcogen element is 100 mol, it may be about 1 to 50 mol. From the viewpoint of improving the coatability by making the average particle diameter of the semiconductor layer forming particles as fine as several tens to several hundreds of nanometers, the content of the alkali metal element in the semiconductor layer forming particles is When the total number of moles of the chalcogen element contained in the particles for use is 100 mol%, it may be about 2 to 15 mol. As an elemental analysis method in the semiconductor layer forming particles, for example, EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis of SEM (Scanning Electron Microscope) is used.
<(2)半導体層形成用粒子の製造方法>
半導体層形成用粒子の製造方法の一例について、以下に説明する。まず、金属カルコゲナイドを構成する金属元素、アルカリ金属元素およびカルコゲン元素含有有機化合物を含む原料溶液を用意する。
<(2) Method for Producing Semiconductor Layer Forming Particle>
An example of a method for producing the semiconductor layer forming particles will be described below. First, a raw material solution containing a metal element, an alkali metal element, and a chalcogen element-containing organic compound constituting a metal chalcogenide is prepared.
金属元素の原料としては、塩化物や硝酸塩、過塩素酸塩、有機酸塩、有機錯体、金属カルコゲナイド等の各種化合物を用いることができ、これらをカルコゲン元素含有有機化合物を含む溶媒中に溶解する。また、アルカリ金属元素の原料も同様に、塩化物や硝酸塩、過塩素酸塩、有機酸塩、有機錯体、金属カルコゲナイド等の各種化合物を用いることができ、これらをカルコゲン元素含有有機化合物を含む溶媒中に溶解する。なお、カルコゲン元素含有有機化合物とは、カルコゲン元素を含む有機化合物であり、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としては、例えば、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、ジテルリド等が挙げられる。また、原料溶液の溶媒としては、アニリンやピリジン等の塩基性有機溶媒を用いることができる。以上のような金属元素の原料、アルカリ金属元素の原料、カルコゲン元素含有有機化合物および溶媒を用いて原料溶液を作製することによって、原料溶液中で金属元素およびアルカリ金属元素がカルコゲン元素含有有機化合物に配位されて安定化された状態となる。 Various materials such as chlorides, nitrates, perchlorates, organic acid salts, organic complexes, and metal chalcogenides can be used as the metal element raw material, and these are dissolved in a solvent containing the chalcogen element-containing organic compound. . Similarly, various materials such as chlorides, nitrates, perchlorates, organic acid salts, organic complexes, metal chalcogenides, and the like can be used as the raw materials for alkali metal elements, and these include solvents containing chalcogen element-containing organic compounds. Dissolve in. The chalcogen element-containing organic compound is an organic compound containing a chalcogen element and is an organic compound having a covalent bond between a carbon element and a chalcogen element. Examples of the chalcogen element-containing organic compound include thiol, sulfide, disulfide, selenol, selenide, diselenide, tellurol, telluride, ditelluride and the like. Moreover, basic organic solvents, such as aniline and a pyridine, can be used as a solvent of a raw material solution. By preparing a raw material solution using the above metal element raw material, alkali metal element raw material, chalcogen element-containing organic compound and solvent, the metal element and alkali metal element are converted into the chalcogen element-containing organic compound in the raw material solution. Coordinated and stabilized.
そして、この原料溶液を100〜250℃で加熱する。これにより、平均粒径が20〜200nmで、金属カルコゲナイドを主として含むとともにアルカリ金属元素を含んだ半導体層形成用粒子が生成する。つまり、原料溶液中に溶解した金属元素およびアルカリ金属元素はカルコゲン元素含有有機化合物を介して互いに接近した状態となっているため、金属元素がカルコゲン元素含有有機化合物に含まれるカルコゲン元素と化学反応する際、アルカリ金属元素もカルコゲン元素と化学反応して半導体層形成用原料中に良好に取り込まれることとなる。 And this raw material solution is heated at 100-250 degreeC. As a result, semiconductor layer forming particles having an average particle diameter of 20 to 200 nm and mainly containing metal chalcogenide and containing an alkali metal element are produced. In other words, since the metal element and the alkali metal element dissolved in the raw material solution are in close proximity to each other through the chalcogen element-containing organic compound, the metal element chemically reacts with the chalcogen element contained in the chalcogen element-containing organic compound. At this time, the alkali metal element also chemically reacts with the chalcogen element and is well incorporated into the semiconductor layer forming raw material.
半導体層形成用粒子の作製工程の具体例を以下に示す。例えば、金属元素の原料として、Cuの金属、Inの金属およびGaの金属を用意する。また、アルカリ金属元素の原料として、Na2Seを用意する。また、カルコゲン元素含有有機化合物として、フェニルセレノールを用意する。そして、これらをアニリン中で、50〜120℃で加熱してCu、In、GaおよびNa2Seを溶解した後、100〜250℃に加熱する。これにより、平均粒径が20〜200nmの、CIGS(Cu(In,Ga)Se2)を主として含むとともにNaを含んだ半導体形成用粒子が生成する。 Specific examples of the process for producing the semiconductor layer forming particles are shown below. For example, a Cu metal, an In metal, and a Ga metal are prepared as raw materials for the metal element. Further, Na 2 Se is prepared as a raw material for the alkali metal element. Moreover, phenyl selenol is prepared as a chalcogen element-containing organic compound. These are heated in aniline at 50 to 120 ° C. to dissolve Cu, In, Ga and Na 2 Se, and then heated to 100 to 250 ° C. As a result, semiconductor forming particles mainly containing CIGS (Cu (In, Ga) Se 2 ) having an average particle diameter of 20 to 200 nm and containing Na are generated.
また、半導体層形成用粒子の作製工程の他の具体例を以下に示す。例えば、金属元素の原料として、Cuの金属粉末、Znの金属粉末、Snの金属粉末を用意する。また、アルカリ金属元素の原料として、Na2Se粉末を用意する。また、カルコゲン元素含有有機化合物として、フェニルセレノールを用意する。そして、これらをアニリン中で、100〜250℃で加熱する。これにより、平均粒径が20〜200nmの、CZTSe(Cu2ZnSnSe4)を主として含むとともにNaを含んだ半導体形成用粒子が生成する。 Other specific examples of the process for producing the semiconductor layer forming particles are shown below. For example, Cu metal powder, Zn metal powder, and Sn metal powder are prepared as raw materials for the metal element. Further, as a raw material for the alkali metal element, providing a Na 2 Se powder. Moreover, phenyl selenol is prepared as a chalcogen element-containing organic compound. And these are heated at 100-250 degreeC in aniline. Thereby, particles for forming a semiconductor mainly containing CZTSe (Cu 2 ZnSnSe 4 ) having an average particle diameter of 20 to 200 nm and containing Na are generated.
次に、溶液中に生成した半導体層形成用粒子が遠心分離等で取り出され、十分に洗浄される。洗浄された半導体層形成用粒子は、有機成分をさらに除去するために、100〜300℃で加熱されてもよい。 Next, the semiconductor layer forming particles generated in the solution are taken out by centrifugation or the like and sufficiently washed. The washed particles for forming a semiconductor layer may be heated at 100 to 300 ° C. in order to further remove the organic component.
<(3)光電変換装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体層形成用粒子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る。図2は、図1の光電変換装置11のXZ断面図である。なお、図1および図2には、光電変換セル10の配列方向(図1の図面視左右方向)をX軸方向とする右手系のXYZ座標系が付されている。
<(3) Configuration of photoelectric conversion device>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a photoelectric conversion device manufactured using semiconductor layer forming particles according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an XZ sectional view of the
光電変換装置11は、基板1の上に複数の光電変換セル10が並設された構成を有している。図1では、図示の都合上、2つの光電変換セル10のみが示されているが、実際の光電変換装置11には、図面のX軸方向、或いは更に図面のY軸方向に、多数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配列されている。
The
各光電変換セル10は、下部電極層2、第1の半導体層3、第2の半導体層4、上部電極層5、および集電電極7を主に備えている。光電変換装置11では、上部電極層5および集電電極7が設けられた側の主面が受光面となっている。
Each
基板1は、複数の光電変換セル10を支持するものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、または金属等の材料で構成されている。具体例として、例えば、基板1として、1〜3mm程度の厚さを有する青板ガラス(ソーダライムガラス)が用いられてもよい。
The substrate 1 supports the plurality of
下部電極層2は、基板1の一主面の上に設けられた導電層であり、例えば、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、または金(Au)等の金属、あるいはこれらの金属の積層構造体からなる。また、下部電極層2は、0.2〜1μm程度の厚さを有し、例えば、スパッタリング法または蒸着法等の公知の薄膜形成方法によって形成される。
The
第1の半導体層3は、下部電極層2の+Z側の主面(一主面とも言う)の上に設けられた、第1の導電型(ここではp型の導電型)を有する半導体層であり、1〜3μm程度の厚さを有している。第1の半導体層3は、光吸収層としての機能を有し、金属カルコゲナイドを主として含む半導体層である。第1の半導体層3に含まれる金属カルコゲナイドとしては、I−B族元素とIII−B族元素とVI−B族元素との化合物であるI−III−VI族化合物、およびI−B族元素とII−B族元素とIV−B族元素とVI−B族元素との化合物であるI−II−IV−VI族化合物等が採用され得る。
The
I−III−VI族化合物としては、例えば、CuInSe2(二セレン化銅インジウム、
CISともいう)、Cu(In,Ga)Se2(二セレン化銅インジウム・ガリウム、CIGSともいう)等が挙げられる。また、I−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Cu2ZnSnSe4(CZTSeともいう)等が挙げられる。
Examples of the I-III-VI group compound include CuInSe 2 (indium diselenide,
CIS), Cu (In, Ga) Se 2 (also called copper indium selenide / gallium, CIGS) and the like. Examples of the I-II-IV-VI group compound include Cu 2 ZnSnSe 4 (also referred to as CZTSe).
第1の半導体層3は、次のようにして作製することができる。先ず、上記半導体層形成用粒子が溶媒に分散された原料溶液を用意する。この原料溶液に用いる溶媒は、半導体層形成用粒子を分散可能なものを用いることができ、例えば、アニリンやピリジン等の塩基性有機溶媒を用いてもよい。そして、第1の電極層2を有する基板1上に、上記原料溶液を、例えば、スピンコータ、スクリーン印刷、ディッピング、スプレー、またはダイコータ等によって塗布して皮膜を形成する。そして、この皮膜を、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気、水素ガス等の還元ガス雰囲気において450〜600℃に加熱することにより第1の半導体層3を形成することができる。なお、第1の半導体層3のカルコゲン化をより促進するため、この加熱の雰囲気中にカルコゲン元素を、例えば、H2SやH2Se等のカルコゲン化水素の状態で、あるいは硫黄蒸気やセレン蒸気等の蒸気の状態で混合してもよい。
The
第2の半導体層4は、第1の半導体層3の一主面の上に設けられた半導体層である。この第2の半導体層4は、第1の半導体層3の導電型とは異なる導電型(ここではn型の導電型)を有している。第1の半導体層3と第2の半導体層4との接合によって、第1の半導体層3で光電変換されて生じた正負キャリアが良好に電荷分離される。なお、導電型が異なる半導体とは、伝導担体(キャリア)が異なる半導体のことである。また、上記のように第1の半導体層3の導電型がp型である場合、第2の半導体層4の導電型は、n型でなく、i型であっても良い。更に、第1の半導体層3の導電型がn型またはi型であり、第2の半導体層4の導電型がp型である態様も有り得る。
The second semiconductor layer 4 is a semiconductor layer provided on one main surface of the
第2の半導体層4は、例えば、硫化カドミウム(CdS)、硫化インジウム(In2S3)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)、セレン化インジウム(In2Se3)、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等の化合物半導体によって構成されている。そして、電流の損失が低減される観点から言えば、第2の半導体層4は、1Ω・cm以上の抵抗率を有するものとすることができる。なお、第2の半導体層4は、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で形成される。 The second semiconductor layer 4 includes, for example, cadmium sulfide (CdS), indium sulfide (In 2 S 3 ), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), indium selenide (In 2 Se 3 ), In (OH , S), (Zn, In) (Se, OH), and (Zn, Mg) O. From the viewpoint of reducing current loss, the second semiconductor layer 4 can have a resistivity of 1 Ω · cm or more. The second semiconductor layer 4 is formed by, for example, a chemical bath deposition (CBD) method or the like.
また、第2の半導体層4は、第1の半導体層3の一主面の法線方向に厚さを有する。この厚さは、例えば10〜200nmに設定される。
The second semiconductor layer 4 has a thickness in the normal direction of one main surface of the
上部電極層5は、第2の半導体層4の上に設けられた、n型の導電型を有する透明導電膜であり、第1の半導体層3において生じた電荷を取り出す電極である。上部電極層5は、第2の半導体層4よりも低い抵抗率を有する物質によって構成されている。上部電極層5には、いわゆる窓層と呼ばれるものも含まれ、この窓層に加えて更に透明導電膜が設けられる場合には、これらが一体の上部電極層5とみなされても良い。
The
上部電極層5は、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ZnO、In2O3およびSnO2等の金属酸化物半導体等が採用され得る。これらの金属酸化物半導体には、Al、B、Ga、InおよびF等のうちの何れかの元素が含まれても良い。このような元素が含まれた金属酸化物半導体の具体例としては、例えば、AZO(Aluminum Zinc Oxide)、GZO(Gallium Zinc Oxide)、
IZO(Indium Zinc Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine tin Oxide)等がある。
The
Examples include IZO (Indium Zinc Oxide), ITO (Indium Tin Oxide), and FTO (Fluorine tin Oxide).
上部電極層5は、スパッタ法、蒸着法、または化学的気相成長(CVD)法等によって、0.05〜3.0μmの厚さを有するように形成される。ここで、第1の半導体層3から電荷が良好に取り出される観点から言えば、上部電極層5は、1Ω・cm未満の抵抗率と、50Ω/□以下のシート抵抗とを有するものとすることができる。
The
第2の半導体層4および上部電極層5は、第1の半導体層3が吸収する光の波長領域に対して光を透過させ易い性質(光透過性とも言う)を有する素材によって構成され得る。これにより、第2の半導体層4と上部電極層5とが設けられることで生じる、第1の半導体層3における光の吸収効率の低下が低減される。
The second semiconductor layer 4 and the
また、光透過性が高められると同時に、光反射のロスが防止される効果と光散乱効果とが高められ、更に光電変換によって生じた電流が良好に伝送される観点から言えば、上部電極層5は、0.05〜0.5μmの厚さとなるようにすることができる。更に、上部電極層5と第2の半導体層4との界面で光反射のロスが低減される観点から言えば、上部電極層5と第2の半導体層4との間で絶対屈折率が略同一となるようにすることができる。
In addition, from the viewpoint of improving the light transmittance, the effect of preventing loss of light reflection and the light scattering effect, and further transmitting the current generated by the photoelectric conversion, the
集電電極7は、Y軸方向に離間して設けられ、それぞれがX軸方向に延在している。集電電極7は、導電性を有する電極であり、例えば、銀(Ag)等の金属からなる。
The collecting
集電電極7は、第1の半導体層3において発生して上部電極層5において取り出された電荷を集電する役割を担う。集電電極7が設けられれば、上部電極層5の薄層化が可能となる。
The collecting
集電電極7および上部電極層5によって集電された電荷は、第1の半導体層3および第2の半導体層4を分断する溝部Pに設けられた接続導体6を通じて、隣の光電変換セル10に伝達される。接続導体6は、例えば、図2に示されるように集電電極7のY軸方向への延在部分によって構成されている。これにより、光電変換装置11においては、隣り合う光電変換セル10の一方の下部電極層2と、他方の集電電極7とが、溝部Pに設けられた接続導体6を介して電気的に直列に接続されている。なお、接続導体6は、これに限定されず、上部電極層5の延在部分によって構成されていてもよい。
The electric charge collected by the
集電電極5は、良好な導電性が確保されつつ、第1の半導体層3への光の入射量を左右する受光面積の低下が最小限にとどめられるように、50〜400μmの幅を有するものとすることができる。
The
半導体層形成用粒子、半導体層の製造方法および光電変換装置の製造方法について、以下のようにして評価した。本実施例においては半導体層としてCIGSを用いた。 The semiconductor layer forming particles, the semiconductor layer manufacturing method, and the photoelectric conversion device manufacturing method were evaluated as follows. In this example, CIGS was used as the semiconductor layer.
<半導体層形成用粒子(試料1)の作製>
1mmolのIn固体、1.5mmolのSe粉末および0.25mmolのNa2Se粉末を、5mmolのアニリンと5mmolのフェニルセレノールとの混合溶媒に投入し、80℃で加熱して溶解させた。そして、この混合溶媒を200℃で12時間加熱することによって、試料1としての半導体層形成用粒子を作製した。そして、この試料1としての半導体層形成用粒子を遠心分離で取り出し、トルエンで洗浄した。
<Preparation of semiconductor layer forming particles (sample 1)>
1 mmol of In solid, 1.5 mmol of Se powder, and 0.25 mmol of Na 2 Se powder were put into a mixed solvent of 5 mmol of aniline and 5 mmol of phenylselenol and dissolved by heating at 80 ° C. And this mixed solvent was heated at 200 degreeC for 12 hours, and the semiconductor layer formation particle | grains as the sample 1 were produced. Then, the semiconductor layer forming particles as Sample 1 were taken out by centrifugation and washed with toluene.
上記のように作製した試料1としての半導体層形成用粒子について、SEM観察およびEDS分析を行なった。その結果、試料1としての半導体層形成用粒子は、平均粒径が120nmで、NaとInとSeとを含み、それらのモル比Na:In:Seが0.25:1:1.63(すなわち、Seのモル数に対するNaのモル数の比Na/Seが0.15)であることがわかった。 SEM observation and EDS analysis were performed on the particles for forming a semiconductor layer as Sample 1 produced as described above. As a result, the particles for forming a semiconductor layer as Sample 1 have an average particle diameter of 120 nm and contain Na, In, and Se, and their molar ratio Na: In: Se is 0.25: 1: 1.63 ( That is, it was found that the ratio Na / Se of the number of moles of Na to the number of moles of Se was 0.15).
<半導体層形成用粒子(試料2)の作製>
また、Na2Se粉末を0.05mmolとすること以外は上記試料1としての半導体層形成用粒子の作製と同様にして、試料2としての半導体層形成用粒子を作製した。
<Preparation of semiconductor layer forming particles (sample 2)>
Further, the semiconductor layer forming particles as
上記のように作製した試料2としての半導体層形成用粒子について、SEM観察およびEDS分析を行なった。その結果、試料2としての半導体層形成用粒子は、平均粒径が150nmで、NaとInとSeとを含み、それらのモル比Na:In:Seが0.05:1:1.53(すなわち、Seのモル数に対するNaのモル数の比Na/Seが0.03)であることがわかった。
SEM observation and EDS analysis were performed on the particles for forming a semiconductor layer as
<半導体層形成用粒子(試料3)の作製>
1mmolのCu粉末、1mmolのIn固体、0.7mmolのGa液体、0.3mmolのSe粉末および0.25mmolのNa2Se粉末を、5mmolのアニリンと5mmolのフェニルセレノールとの混合溶媒に投入し、80℃で加熱して溶解させた。そして、この混合溶媒を200℃で12時間加熱することによって、試料3としての半導体層形成用粒子を作製した。そして、この試料3としての半導体層形成用粒子を遠心分離で取り出し、トルエンで洗浄した。
<Preparation of semiconductor layer forming particles (sample 3)>
1 mmol Cu powder, 1 mmol In solid, 0.7 mmol Ga liquid, 0.3 mmol Se powder and 0.25 mmol Na 2 Se powder were put into a mixed solvent of 5 mmol aniline and 5 mmol phenyl selenol. And dissolved at 80 ° C. And this mixed solvent was heated at 200 degreeC for 12 hours, and the semiconductor layer formation particle | grains as the
上記のように作製した試料3としての半導体層形成用粒子について、SEM観察およびEDS分析を行なった。その結果、試料3としての半導体層形成用粒子は、平均粒径が130nmで、NaとCuとInとGaとSeとを含み、それらのモル比Na:Cu:In:Ga:Seが0.25:1:0.7:0.3:2.13(すなわち、Seのモル数に対するNaのモル数の比Na/Seが0.12)であることがわかった。
SEM observation and EDS analysis were performed on the semiconductor layer forming particles as
<半導体層形成用粒子(試料4)の作製>
また、Na2Se粉末を0.05mmolとすること以外は上記試料3としての半導体層形成用粒子の作製と同様にして、試料4としての半導体層形成用粒子を作製した。
<Preparation of semiconductor layer forming particles (sample 4)>
Further, the semiconductor layer forming particles as Sample 4 were prepared in the same manner as the preparation of the semiconductor layer forming particles as
上記のように作製した試料4としての半導体層形成用粒子について、SEM観察およびEDS分析を行なった。その結果、試料4としての半導体層形成用粒子は、平均粒径が130nmで、NaとCuとInとGaとSeとを含み、それらのモル比Na:Cu:In:Ga:Seが0.05:1:0.7:0.3:2.03(すなわち、Seのモル数に対するNaのモル数の比Na/Seが0.02)であることがわかった。 SEM observation and EDS analysis were performed on the semiconductor layer forming particles as Sample 4 produced as described above. As a result, the semiconductor layer forming particles as the sample 4 have an average particle diameter of 130 nm and contain Na, Cu, In, Ga, and Se, and their molar ratio Na: Cu: In: Ga: Se is 0.00. 05: 1: 0.7: 0.3: 2.03 (ie, the ratio of the number of moles of Na to the number of moles of Se, Na / Se was 0.02).
<半導体層形成用粒子(比較試料1)の作製>
また、Na2Se粉末を使用せずに上記試料1としての半導体層形成用粒子の作製と同様にして、比較試料1としての半導体層形成用粒子を作製した。
<Preparation of semiconductor layer forming particles (Comparative Sample 1)>
Further, the semiconductor layer forming particles as the comparative sample 1 were prepared in the same manner as the preparation of the semiconductor layer forming particles as the sample 1 without using the Na 2 Se powder.
上記のように作製した比較試料1としての半導体層形成用粒子について、SEM観察およびEDS分析を行なった。その結果、比較試料1としての半導体層形成用粒子は、平均粒径が120nmで、InとSeとを含み、それらのモル比In:Seが1:1.5であることがわかった。 SEM observation and EDS analysis were performed about the particle for semiconductor layer formation as the comparative sample 1 produced as mentioned above. As a result, it was found that the semiconductor layer forming particles as the comparative sample 1 had an average particle diameter of 120 nm, contained In and Se, and a molar ratio In: Se of 1: 1.5.
<半導体層形成用粒子(比較試料2)の作製>
また、Na2Se粉末を使用せずに上記試料3としての半導体層形成用粒子の作製と同様にして、比較試料2としての半導体層形成用粒子を作製した。
<Preparation of Semiconductor Layer Forming Particles (Comparative Sample 2)>
Further, the semiconductor layer forming particles as the
上記のように作製した比較試料2としての半導体層形成用粒子について、SEM観察およびEDS分析を行なった。その結果、比較試料2としての半導体層形成用粒子は、平均粒径が120nmで、CuとInとGaとSeとを含み、それらのモル比Cu:In:Ga:Seが1:0.7:0.3:2であることがわかった。
SEM observation and EDS analysis were performed about the particle for semiconductor layer formation as the
<光電変換装置の作製>
0.1molの試料1としての半導体層形成用粒子および0.9molの比較試料2としての半導体層形成用粒子をアニリンに均一に分散することによって、試料1としての原料溶液を作製した。
<Production of photoelectric conversion device>
A raw material solution as Sample 1 was prepared by uniformly dispersing 0.1 mol of the semiconductor layer forming particles as Sample 1 and 0.9 mol of the semiconductor layer forming particles as
また、0.1molの試料2としての半導体層形成用粒子および0.9molの比較試料2としての半導体層形成用粒子をアニリンに均一に分散することによって、試料2としての原料溶液を作製した。
Further, 0.1 mol of the semiconductor layer forming particles as
また、0.1molの試料3としての半導体層形成用粒子および0.9molの比較試料2としての半導体層形成用粒子をアニリンに均一に分散することによって、試料3としての原料溶液を作製した。
Further, 0.1 mol of the semiconductor layer forming particles as
また、0.1molの試料4としての半導体層形成用粒子および0.9molの比較試料2としての半導体層形成用粒子をアニリンに均一に分散することによって、試料4としての原料溶液を作製した。
Further, 0.1 mol of the semiconductor layer forming particles as Sample 4 and 0.9 mol of the semiconductor layer forming particles as
また、0.1molの比較試料1としての半導体層形成用粒子および0.9molの比較試料2としての半導体層形成用粒子をアニリンに均一に分散することによって、比較試料1としての原料溶液を作製した。
Moreover, the raw material solution as the comparative sample 1 is produced by uniformly dispersing 0.1 mol of the semiconductor layer forming particles as the comparative sample 1 and 0.9 mol of the semiconductor layer forming particles as the
また、1.0molの比較試料2としての半導体層形成用粒子をアニリンに均一に分散することによって、比較試料2としての原料溶液を作製した。
Moreover, the raw material solution as the
次に、上記の6種類の各原料溶液をそれぞれドクターブレード法にて、ソーダライムガラス基板のMoからなる下部電極層上に皮膜を形成した。 Next, a film was formed on the lower electrode layer made of Mo of the soda lime glass substrate by the doctor blade method for each of the six types of raw material solutions.
皮膜形成後、Se蒸気を含む水素ガス雰囲気下で熱処理を実施した。熱処理条件は500℃で1時間保持することで行い、その後、自然冷却して、厚み2μmの第1の半導体層を作製した。この第1の半導体層のX線回折結果から、得られた第1の半導体層は、6種類の原料溶液のいずれを用いた場合もCIGSであることが確認された。 After the film formation, heat treatment was performed in a hydrogen gas atmosphere containing Se vapor. The heat treatment was performed by holding at 500 ° C. for 1 hour, and then naturally cooling to produce a first semiconductor layer having a thickness of 2 μm. From the X-ray diffraction result of the first semiconductor layer, it was confirmed that the obtained first semiconductor layer was CIGS when any of the six types of raw material solutions was used.
この後、酢酸カドミウム、チオ尿素をアンモニア水に溶解し、これに上記試料を浸漬し、各第1の半導体層上に厚み0.05μmのCdSからなる第2の半導体層を形成した。さらに、第2の半導体層の上に、スパッタリング法にてAlドープ酸化亜鉛膜(上部電極層)を形成して光電変換装置を作製した。 Thereafter, cadmium acetate and thiourea were dissolved in aqueous ammonia, and the above sample was immersed therein to form a second semiconductor layer made of CdS having a thickness of 0.05 μm on each first semiconductor layer. Furthermore, an Al-doped zinc oxide film (upper electrode layer) was formed on the second semiconductor layer by a sputtering method, thereby manufacturing a photoelectric conversion device.
この光電変換装置の光電変換効率を測定したところ、比較試料1としての原料溶液を用いて作製した光電変換装置の光電変換効率は12.6%であり、比較試料2としての原料溶液を用いて作製した光電変換装置の光電変換効率は12.4%であった。一方、試料1としての原料溶液を用いて作製した光電変換装置の光電変換効率は14.5、試料2としての原料溶液を用いて作製した光電変換装置の光電変換効率は13.6%、試料3としての原料溶液を用いて作製した光電変換装置の光電変換効率は14.2、試料4としての原料溶液を用いて作製した光電変換装置の光電変換効率は13.3%であり、いずれも比較試料1および比較試料2よりも優れていることがわかった。以上の結果より、金属カルコ
ゲナイドを主として含むとともにアルカリ金属元素を含む半導体層形成用粒子を用いることによって、光電変換効率の高い光電変換装置が得られることがわかった。
When the photoelectric conversion efficiency of this photoelectric conversion device was measured, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device produced using the raw material solution as the comparative sample 1 was 12.6%, and the raw material solution as the
なお、本発明は上述の実施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が施されることは何等差し支えない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
1:基板
2:下部電極層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:上部電極層
6:接続導体
7:集電電極
10:光電変換セル
11:光電変換装置
1: Substrate 2: Lower electrode layer 3: First semiconductor layer 4: Second semiconductor layer 5: Upper electrode layer 6: Connection conductor 7: Current collecting electrode 10: Photoelectric conversion cell 11: Photoelectric conversion device
Claims (4)
ばれる少なくとも1種の元素を含む、請求項1に記載の半導体層形成用粒子。 2. The semiconductor layer forming particle according to claim 1, wherein the metal chalcogenide contains at least one element selected from a group I-B element and a group III-B element as a metal element.
該皮膜を加熱して半導体層にする工程と
を具備する半導体層の製造方法。 Forming a film containing the semiconductor layer forming particles according to claim 1 or 2,
And a step of heating the film to form a semiconductor layer.
該第1の半導体層上に該第1の半導体層とは異なる導電型を有する第2の半導体層を作製する工程と
を具備する光電変換装置の製造方法。 A step of producing a first semiconductor layer on the electrode by the method for producing a semiconductor layer according to claim 3;
Forming a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer over the first semiconductor layer.
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JP2012097571A JP2013224239A (en) | 2012-04-23 | 2012-04-23 | Particle for formation of semiconductor layer, method of producing semiconductor layer and method of manufacturing photoelectric conversion device |
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---|---|---|---|---|
JP2018140934A (en) * | 2014-01-30 | 2018-09-13 | ナノコ テクノロジーズ リミテッド | Sodium- or antimony-doped nanoparticles |
-
2012
- 2012-04-23 JP JP2012097571A patent/JP2013224239A/en active Pending
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