JP2014022569A - Photoelectric conversion element and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element including a light absorption layer that can be deposited at a low cost by a spray thermal decomposition method, and having a sufficient conversion efficiency, and to provide a manufacturing method of such a photoelectric conversion element.SOLUTION: A photoelectric conversion element 10 includes a light absorption layer containing CuBiSas a main component, and having a thickness from 20 nm to 10 μm. Preferably, the light absorption layer is obtained by a spray thermal decomposition method. The light absorption layer is a p-type semiconductor layer 5, and includes an n-type semiconductor layer 3 composed of a transparent semiconductor material and laminated on one side of the p-type semiconductor layer 5.

Description

本発明は、CuBiSを主成分として含む光吸収層を備える光電変換素子及びこの製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element including a light absorption layer containing Cu 3 BiS 3 as a main component and a manufacturing method thereof.

光電変換素子は、太陽光や室内灯などの光を電気に変換する素子であり、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光センサや太陽電池として利用される。これらの光電変換素子に用いられる材料として、光センサ用途においては、シリコン結晶半導体、亜酸化銅(CuO)などが知られており、太陽電池用途においては、結晶シリコンウエハ、アモルファスシリコン薄膜、ガリウム砒素(GaAs)などが実用化されている。これらの光電変換素子の製造には、通常、高価な単結晶製造設備や半導体製造装置などが必要となる。例えば、シリコン結晶やGaAs結晶は、高純度の単結晶を製造した後、ウエハを加工し、精密な高温熱処理を行うため、比較的高価な材料となっている。また、アモルファスシリコン薄膜は、化学気相成長(CVD)法を用いて成膜し、この際特殊材料ガスであるシランガスを用いることから大がかりな設備が必要である。 The photoelectric conversion element is an element that converts light such as sunlight or room light into electricity, and is used as an optical sensor such as a photodiode or a phototransistor or a solar cell. As materials used for these photoelectric conversion elements, silicon crystal semiconductors, cuprous oxide (Cu 2 O), and the like are known for optical sensor applications, and crystalline silicon wafers, amorphous silicon thin films, Gallium arsenide (GaAs) has been put into practical use. In order to manufacture these photoelectric conversion elements, expensive single crystal manufacturing equipment, semiconductor manufacturing equipment, and the like are usually required. For example, silicon crystals and GaAs crystals are relatively expensive materials because a high-purity single crystal is manufactured, a wafer is processed, and precise high-temperature heat treatment is performed. In addition, the amorphous silicon thin film is formed by using a chemical vapor deposition (CVD) method, and at this time, since a silane gas that is a special material gas is used, a large facility is required.

一方、上記従来の各材料に替わる新たな光電変換材料を用いた光電変換素子が提案されている。例えば、硫化カドミウム又はテルル化カドミウムを含む化合物半導体を用いる光起電力装置の製造方法(特開平1−168073号公報参照)、Cu(InGa)SeからなるCIS形薄膜太陽電池の光吸収層の作成方法(特開2006−186114号公報参照)、Cu−Zn−Sn−Sを含む硫化物系化合物半導体を光吸収層として用いた光電素子(特開2009−26891号公報及び特開2009−135316号公報参照)が提案されている。これらの各種材料を成膜する方法としては、化学気相成長(CVD)法や物理気相成長(PVD)法が一般的である。しかし、CVD法は、成膜できる膜種類が原料ガスの反応性で制約される。また、蒸着法やスパッタ法等のPVD法においては、真空成膜装置が必要であり、コスト増となる。そこで、スピンコート法、塗布法、印刷法など、非真空プロセスでの成膜手段を用いることが考えられる。しかし、スピンコート法や塗布法は、溶媒と反応しないことや、塗工液が適度な粘性となる必要があることなど、材料に対する制約が多い。また、印刷法においては、熱処理で焼結可能な材料を用いる必要がある。 On the other hand, a photoelectric conversion element using a new photoelectric conversion material replacing each of the conventional materials has been proposed. For example, a method for producing a photovoltaic device using a compound semiconductor containing cadmium sulfide or cadmium telluride (see Japanese Patent Laid-Open No. 1-168073), a light absorption layer of a CIS type thin film solar cell made of Cu (InGa) Se 2 Production method (see JP-A-2006-186114), photoelectric device using a sulfide-based compound semiconductor containing Cu-Zn-Sn-S as a light absorption layer (JP-A 2009-26891 and JP-A 2009-135316) No. gazette) has been proposed. As a method for depositing these various materials, a chemical vapor deposition (CVD) method and a physical vapor deposition (PVD) method are generally used. However, in the CVD method, the type of film that can be formed is limited by the reactivity of the source gas. In addition, in the PVD method such as the vapor deposition method or the sputtering method, a vacuum film forming apparatus is necessary, which increases the cost. Therefore, it is conceivable to use film forming means in a non-vacuum process such as a spin coating method, a coating method, and a printing method. However, the spin coating method and the coating method have many restrictions on materials, such as not reacting with the solvent and the coating liquid being required to have an appropriate viscosity. In the printing method, it is necessary to use a material that can be sintered by heat treatment.

このように各種成膜方法においては使用できる材料が制限されるところ、光電変換材料をスプレー熱分解法により成膜することが検討されている。このスプレー熱分解法とは、水やエタノールなどの有機溶媒に金属塩化物や硝酸塩、酢酸塩、酸化物などを溶解させた原料溶液を用意し、ホットプレートなどで過熱した基材に噴霧することによって薄膜を得る方法であり、低コストで薄膜を形成することができるとされている。スプレー熱分解法を用いた光電変換素子の製造方法としては、色素増感太陽電池用のFTO膜を形成する方法や(特開2009−158388号公報参照)、酸化物半導体の混合層を形成する方法(特開2009−87573号公報参照)が提案されている。このように、スプレー熱分解法を用いて酸化物を成膜する方法は提案されているものの、光吸収層として好適な材料をスプレー熱分解法により成膜することについての研究は十分に進んでいない。   As described above, in various film forming methods, materials that can be used are limited, and it has been studied to form a photoelectric conversion material by spray pyrolysis. This spray pyrolysis method prepares a raw material solution in which metal chlorides, nitrates, acetates, oxides, etc. are dissolved in an organic solvent such as water or ethanol, and sprays it on a heated substrate with a hot plate. It is said that the thin film can be formed at low cost. As a method for producing a photoelectric conversion element using a spray pyrolysis method, a method for forming an FTO film for a dye-sensitized solar cell or a mixed layer of an oxide semiconductor is formed (see JP 2009-158388 A). A method (see JP 2009-87573 A) has been proposed. Thus, although a method for forming an oxide film using a spray pyrolysis method has been proposed, research on forming a material suitable as a light absorption layer by a spray pyrolysis method has been sufficiently advanced. Not in.

特開平1−168073号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-168073 特開2006−186114号公報JP 2006-186114 A 特開2009−26891号公報JP 2009-26891 A 特開2009−135316号公報JP 2009-135316 A 特開2009−158388号公報JP 2009-158388 A 特開2009−87573号公報JP 2009-87573 A

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、スプレー熱分解法により低コストで成膜することができる光吸収層を備え、十分な変換効率を有する光電変換素子及びこのような光電変換素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made based on the above circumstances, and includes a photoelectric conversion element having a light absorption layer that can be formed at low cost by a spray pyrolysis method and having sufficient conversion efficiency, and such An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion element.

発明者は、スプレー熱分解法により成膜可能な光電変換素子の光吸収層用材料を鋭意検討した結果、CuBiSによればスプレー熱分解法により光吸収層を形成可能であることを見出し、本発明の完成に至った。 As a result of intensive studies on materials for light absorption layers of photoelectric conversion elements that can be formed by spray pyrolysis, the inventors have found that a light absorption layer can be formed by spray pyrolysis according to Cu 3 BiS 3. The headline, the present invention has been completed.

すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、
CuBiSを主成分として含み、厚さが20nm以上10μm以下である光吸収層
を備える光電変換素子である。
That is, the invention made to solve the above problems is
It includes Cu 3 BiS 3 as a main component, a photoelectric conversion element comprising a light-absorbing layer thickness is 20nm or more 10μm or less.

当該光電変換素子によれば、CuBiSを主成分とする所定厚さの層を光吸収層として備えているため、十分な変換効率を発揮することができる。また、CuBiSはスプレー熱分解法により成膜することができるため、当該光電変換素子は、低コストで製造することができる。 According to the photoelectric conversion element, since a layer having a predetermined thickness mainly composed of Cu 3 BiS 3 is provided as the light absorption layer, sufficient conversion efficiency can be exhibited. In addition, since Cu 3 BiS 3 can be formed by spray pyrolysis, the photoelectric conversion element can be manufactured at low cost.

上記光吸収層がスプレー熱分解法により得られることが好ましい。光吸収層をスプレー熱分解法で得ることで、当該光電変換素子の低コストでの製造が可能となる。   The light absorption layer is preferably obtained by a spray pyrolysis method. By obtaining the light absorption layer by the spray pyrolysis method, the photoelectric conversion element can be manufactured at low cost.

上記光吸収層におけるCuに対するBiの原子数比(Bi/Cu)が0.25以上0.35以下であり、Sに対するBiの原子数比(Bi/S)が0.25以上0.4以下であるとよい。Cu、Bi及びSの原子数比を上記範囲とすることで、光吸収層としての機能を高めることができる。   The atomic ratio (Bi / Cu) of Bi to Cu in the light absorption layer is 0.25 to 0.35, and the atomic ratio (Bi / S) of Bi to S is 0.25 to 0.4. It is good to be. By setting the atomic ratio of Cu, Bi and S in the above range, the function as a light absorption layer can be enhanced.

上記光吸収層がp型半導体層であり、このp型半導体層の一方の面側に積層され、透明半導体材料からなるn型半導体層を備えることが好ましい。当該光電変換素子をこのような構造とすることで、pn接合型の太陽電池等として好適に用いることができる。   The light absorption layer is a p-type semiconductor layer, and is preferably provided with an n-type semiconductor layer which is laminated on one surface side of the p-type semiconductor layer and made of a transparent semiconductor material. When the photoelectric conversion element has such a structure, it can be suitably used as a pn junction solar cell or the like.

上記透明半導体材料としては、TiO、ZnO、SnO及びInからなる群より選ばれる少なくとも一種が好ましい。これらの材料は、n型半導体として機能させることができると共に、十分な透明性を有し、かつ電子輸送層としても機能することができる。また、これらの材料は、スプレー熱分解法によって成膜することもできるため、製造コストを抑えることができる。 The transparent semiconductor material is preferably at least one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, SnO 2 and In 2 O 3 . These materials can function as an n-type semiconductor, have sufficient transparency, and can also function as an electron transport layer. Moreover, since these materials can be formed into a film by a spray pyrolysis method, manufacturing cost can be suppressed.

上記p型半導体層とn型半導体層との間に配設される短絡防止層を備えることが好ましい。このように短絡防止層を設けることで、光電変換素子における短絡の発生を防止することができる。   It is preferable to provide a short-circuit prevention layer disposed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. By providing the short-circuit prevention layer in this way, occurrence of a short circuit in the photoelectric conversion element can be prevented.

上記短絡防止層の主成分がInであることが好ましい。Inは、スプレー熱分解法によって成膜することができ、この成膜性にも優れる。加えて、Inはn型半導体としても機能するため、発電効率をさらに高めることができる。 The main component of the short-circuit prevention layer is preferably In 2 S 3 . In 2 S 3 can be formed by spray pyrolysis, and is excellent in film formability. In addition, since In 2 S 3 functions as an n-type semiconductor, power generation efficiency can be further increased.

上記p型半導体層及びn型半導体層にそれぞれ連結される一対の電極を備えるとよい。このように電極を設けることで、当該光電変換素子の利用性等を高めることができる。   A pair of electrodes connected to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer may be provided. By providing the electrode in this way, the usability of the photoelectric conversion element can be increased.

上記課題を解決するためになされた別の発明は、
スプレー熱分解法により光吸収層を形成する工程
を有し、
上記光吸収層が、CuBiSを主成分として含み、膜厚が20nm以上10μm以下である光電変換素子の製造方法である。
Another invention made to solve the above problems is as follows:
A step of forming a light absorption layer by spray pyrolysis,
This is a method for manufacturing a photoelectric conversion element, in which the light absorption layer contains Cu 3 BiS 3 as a main component and has a thickness of 20 nm to 10 μm.

当該製造方法によれば、CuBiSを主成分として含む光吸収層をスプレー熱分解法によって形成するため、光電変換素子の製造の低コスト化を図ることができる。 According to the manufacturing method, since the light absorption layer containing Cu 3 BiS 3 as a main component is formed by the spray pyrolysis method, the manufacturing cost of the photoelectric conversion element can be reduced.

上記光吸収層がp型半導体層であり、
スプレー熱分解法によりn型半導体層を形成する工程、及び
スプレー熱分解法により短絡防止層を形成する工程
をさらに有することが好ましい。
The light absorption layer is a p-type semiconductor layer;
It is preferable to further include a step of forming an n-type semiconductor layer by a spray pyrolysis method and a step of forming a short-circuit prevention layer by a spray pyrolysis method.

このようにp型半導体層、n型半導体層及び短絡防止層の3層をいずれもスプレー熱分解法により形成することで、より製造コストの低減を図ることができる。   Thus, by forming all three layers of the p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the short-circuit prevention layer by the spray pyrolysis method, the manufacturing cost can be further reduced.

以上説明したように、本発明の光電変換素子は、光吸収層が所定厚さのCuBiSを主成分とする層からなるため、低コストで製造することができ、十分な変換効率を発揮することができる。また、本発明の光電変換素子の製造方法は、十分な変換効率を有する光電変換素子を低コストで製造することができる。従って、当該光電変換素子及びこの製造方法は、太陽電池や光センサ及びこれらの製造に好適に用いることができる。 As described above, the photoelectric conversion element of the present invention can be manufactured at low cost because the light absorption layer is composed of a layer having Cu 3 BiS 3 having a predetermined thickness as a main component, and has sufficient conversion efficiency. It can be demonstrated. Moreover, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention can manufacture the photoelectric conversion element which has sufficient conversion efficiency at low cost. Therefore, the said photoelectric conversion element and this manufacturing method can be used suitably for a solar cell, an optical sensor, and these manufacture.

本発明の光電変換素子の一実施形態を示す模式的断面図Typical sectional drawing which shows one Embodiment of the photoelectric conversion element of this invention 製造例1で得られたCuBiS膜のX線回折スペクトルX-ray diffraction spectrum of Cu 3 BiS 3 film obtained in Production Example 1 製造例2で得られたTiO膜のX線回折スペクトルX-ray diffraction spectrum of the TiO 2 film obtained in Production Example 2 製造例3で得られたZnO膜のX線回折スペクトルX-ray diffraction spectrum of the ZnO film obtained in Production Example 3 製造例4で得られたSnO膜のX線回折スペクトルX-ray diffraction spectrum of SnO 2 film obtained in Production Example 4 製造例5で得られたIn膜のX線回折スペクトルX-ray diffraction spectrum of In 2 O 3 film obtained in Production Example 5 製造例6で得られたIn膜のX線回折スペクトルX-ray diffraction spectrum of In 2 S 3 film obtained in Production Example 6

以下、適宜図面を参照にしつつ、本発明の光電変換素子及びこの製造方法の実施の形態を詳述する。   Hereinafter, embodiments of the photoelectric conversion element and the manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

<光電変換素子>
図1の光電変換素子10は、薄膜型であり、透明基板1、透明電極層2、n型半導体層3、短絡防止層4、p型半導体層5(光吸収層)及び電極層6を備え、これらがこの順に積層されてなる層構造体である。
<Photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element 10 of FIG. 1 is a thin film type, and includes a transparent substrate 1, a transparent electrode layer 2, an n-type semiconductor layer 3, a short-circuit prevention layer 4, a p-type semiconductor layer 5 (light absorption layer), and an electrode layer 6. These are layer structures formed by laminating in this order.

透明基板1は、透明な材料から形成されている。透明基板1の材料としては、例えば、ケイ酸アルカリガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等のガラスや、アクリル樹脂、PET等の合成樹脂などを用いることができる。これらの中でも、強度や熱安定性等の点から、ガラスが好ましい。また、このガラスは、化学的に又は熱的に強化されたものが好ましい。   The transparent substrate 1 is formed from a transparent material. As a material of the transparent substrate 1, for example, glass such as alkali silicate glass, non-alkali glass and quartz glass, synthetic resin such as acrylic resin and PET, and the like can be used. Among these, glass is preferable from the viewpoints of strength and thermal stability. The glass is preferably chemically or thermally strengthened.

透明基板1の厚さとしては、特に限定されないが、通常0.1mm以上10mm以下程度である。なお、この透明基板1は、例えば合成樹脂製で、かつ厚さを薄く設けたフレキシブル基板であってもよい。   Although it does not specifically limit as thickness of the transparent substrate 1, Usually, it is about 0.1 mm or more and 10 mm or less. The transparent substrate 1 may be a flexible substrate made of, for example, a synthetic resin and thin.

透明電極層2は、透明基板1の表面に積層されている。この透明電極層2は、導電性を有し、かつ透明な材料から形成されている。上記透明電極層2の材料としては、例えば、In:Sn(ITO)、SnO:Sb、SnO:F(FTO)、ZnO:Al、ZnO:F、CdSnO等の金属酸化物を挙げることができる。上記透明電極層2の厚さとしては、特に限定されず、例えば100nm以上10μm以下とすることができる。 The transparent electrode layer 2 is laminated on the surface of the transparent substrate 1. The transparent electrode layer 2 has conductivity and is formed from a transparent material. Examples of the material of the transparent electrode layer 2 include metals such as In 2 O 3 : Sn (ITO), SnO 2 : Sb, SnO 2 : F (FTO), ZnO: Al, ZnO: F, and Cd 2 SnO 4. Oxides can be mentioned. The thickness of the transparent electrode layer 2 is not particularly limited, and can be, for example, 100 nm or more and 10 μm or less.

透明電極層2の表面の一部(n型半導体層3が積層されていない部分)には、リード線7aが導電性接合部材8aを介して電気的に接続されている。上記導電性接合部材8aとしては、インジウム製の半田や銀ペーストなどを用いることができる。   A lead wire 7a is electrically connected to a part of the surface of the transparent electrode layer 2 (a portion where the n-type semiconductor layer 3 is not laminated) via a conductive bonding member 8a. As the conductive bonding member 8a, indium solder, silver paste, or the like can be used.

n型半導体層3は、透明電極層2の表面に積層されている。このn型半導体層3は、透明なn型半導体材料から形成されている。当該光電変換素子10においては、このようにn型半導体層3が透明であることで、透明基板1側から光を入射させ、この入射光をp型半導体層5まで到達させることができる。   The n-type semiconductor layer 3 is laminated on the surface of the transparent electrode layer 2. The n-type semiconductor layer 3 is formed from a transparent n-type semiconductor material. In the photoelectric conversion element 10, the n-type semiconductor layer 3 is transparent as described above, so that light can be incident from the transparent substrate 1 side and the incident light can reach the p-type semiconductor layer 5.

n型半導体層3の具体的材料としては、TiO、ZnO、SnO及びInからなる群より選ばれる少なくとも一種が好ましい。これらの材料は、n型半導体として機能させることができると共に、十分な透明性を有し、かつ電子輸送層としても機能することができる。また、これらの材料は、スプレー熱分解法によって成膜することもできるため、製造コストを抑えることができる。なお、n型半導体層3には、n型半導体としての機能及び透明性等を阻害しない範囲で他の成分が含有されていてもよい。 The specific material of the n-type semiconductor layer 3 is preferably at least one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, SnO 2 and In 2 O 3 . These materials can function as an n-type semiconductor, have sufficient transparency, and can also function as an electron transport layer. Moreover, since these materials can be formed into a film by a spray pyrolysis method, manufacturing cost can be suppressed. The n-type semiconductor layer 3 may contain other components as long as the function and transparency as an n-type semiconductor are not impaired.

n型半導体層3の厚さ(平均厚さ)としては、10nm以上10μm以下が好ましく、100nm以上1μm以下がより好ましい。n型半導体層3の厚さが上記下限未満の場合は、所望する範囲を完全に被覆されない場合があり、変換効率が低下するおそれがある。逆に、この厚さが上記上限を超える場合は、抵抗が高くなったり、光透過性が低下するおそれがあるため好ましくない。   The thickness (average thickness) of the n-type semiconductor layer 3 is preferably 10 nm or more and 10 μm or less, and more preferably 100 nm or more and 1 μm or less. When the thickness of the n-type semiconductor layer 3 is less than the above lower limit, the desired range may not be completely covered, and conversion efficiency may be reduced. Conversely, when the thickness exceeds the above upper limit, there is a possibility that the resistance may be increased or the light transmittance may be reduced.

短絡防止層4は、n型半導体層3の表面に積層されている。当該光電変換素子10は、このように短絡防止層4を備えることで、短絡の発生や、n型半導体層3とp型半導体層5でそれぞれ生じる電子と正孔との再結合の抑制などができ、変換効率を高めることができる。特に、上記n型半導体層3がスプレー熱分解法で形成されている場合、高温で加熱されるため、その後の冷却でピンホールや割れが生じやすい。このようにピンホールや割れが生じた場合、短絡防止層4が無いとp型半導体層5が透明電極層2と接触し、短絡が生じる。そこで、短絡防止層4を設けることで、この短絡を防ぐことができる。   The short-circuit prevention layer 4 is laminated on the surface of the n-type semiconductor layer 3. Since the photoelectric conversion element 10 includes the short-circuit prevention layer 4 as described above, occurrence of a short-circuit and suppression of recombination of electrons and holes generated in the n-type semiconductor layer 3 and the p-type semiconductor layer 5 can be suppressed. Conversion efficiency can be increased. In particular, when the n-type semiconductor layer 3 is formed by a spray pyrolysis method, it is heated at a high temperature, so that pinholes and cracks are likely to occur during subsequent cooling. Thus, when a pinhole or a crack arises, if there is no short circuit prevention layer 4, the p-type semiconductor layer 5 will contact the transparent electrode layer 2, and a short circuit will arise. Therefore, this short circuit can be prevented by providing the short circuit prevention layer 4.

短絡防止層4を形成する材料としては、特に限定されず、n型半導体層3やp型半導体層5を形成する各材料の特性等に応じて適宜設定することができるが、主成分としてInであることが好ましい。Inは、スプレー熱分解法によって成膜することができ、n型半導体層3の表面形状に追従して膜を形成し、成膜性にも優れる。加えて、Inはn型半導体としても機能するため、発電効率をさらに高めることができる。この短絡防止層4におけるInの含有率としては、90質量%以上100質量%以下が好ましく、99質量%以上がより好ましく、99.9質量%以上がさらに好ましい。 The material for forming the short-circuit prevention layer 4 is not particularly limited, and can be appropriately set according to the characteristics of each material for forming the n-type semiconductor layer 3 and the p-type semiconductor layer 5. 2 S 3 is preferred. In 2 S 3 can be formed by spray pyrolysis, forms a film following the surface shape of the n-type semiconductor layer 3, and is excellent in film formability. In addition, since In 2 S 3 functions as an n-type semiconductor, power generation efficiency can be further increased. The content of the an In 2 S 3 in the short-circuit preventing layer 4 is preferably 90 mass% or more to 100 mass% or less, more preferably at least 99 wt%, more preferably at least 99.9 mass%.

短絡防止層4の厚さ(平均厚さ)としては、特に限定されないが、10nm以上200nm以下が好ましい。短絡防止層4の厚さを上記範囲とすることで、高い発電効率と短絡発生の防止とを両立させることができる。この厚さが上記下限未満の場合は、短絡防止層4自体にピンホールが生じて短絡発生の防止効果が低下するおそれがある。逆に、この厚さが上記上限を超えると、この短絡防止層4による光吸収量や抵抗が高まるため、発電効率が低下するおそれがある。   Although it does not specifically limit as thickness (average thickness) of the short circuit prevention layer 4, 10 nm or more and 200 nm or less are preferable. By setting the thickness of the short-circuit prevention layer 4 in the above range, both high power generation efficiency and prevention of short-circuit occurrence can be achieved. When this thickness is less than the above lower limit, there is a possibility that a pinhole is generated in the short-circuit prevention layer 4 itself and the effect of preventing the occurrence of a short-circuit is lowered. On the contrary, if the thickness exceeds the upper limit, the light absorption amount and resistance by the short-circuit prevention layer 4 are increased, which may reduce the power generation efficiency.

p型半導体層5は、上記短絡防止層4の表面に積層されている。このp型半導体層5はCuBiSを主成分として含む光吸収層である。上述のとおり、CuBiSはスプレー熱分解法により成膜することができるため、低コストで製造することができる。このp型半導体層5には、p型半導体としての機能を阻害しない範囲で他の成分が含有されていてもよい。p型半導体層5におけるCuBiSの含有率としては、90質量%以上100質量%以下が好ましく、99質量%以上がより好ましく、99.9質量%以上がさらに好ましい。 The p-type semiconductor layer 5 is laminated on the surface of the short-circuit prevention layer 4. The p-type semiconductor layer 5 is a light absorption layer containing Cu 3 BiS 3 as a main component. As described above, since Cu 3 BiS 3 can be formed by spray pyrolysis, it can be manufactured at low cost. The p-type semiconductor layer 5 may contain other components as long as the function as a p-type semiconductor is not impaired. The content of Cu 3 BiS 3 in the p-type semiconductor layer 5 is preferably 90% by mass or more and 100% by mass or less, more preferably 99% by mass or more, and further preferably 99.9% by mass or more.

このp型半導体層5におけるCuに対するBiの原子数比(Bi/Cu)としては0.25以上0.35以下が好ましい。また、この層5におけるSに対するBiの原子数比(Bi/S)としては0.25以上0.4以下が好ましい。p型半導体層5において、Cu、Bi及びSの原子数比を上記範囲とすることで、光吸収性や変換効率等の機能を高めることができる。   The atomic ratio (Bi / Cu) of Bi to Cu in the p-type semiconductor layer 5 is preferably 0.25 or more and 0.35 or less. Further, the atomic ratio (Bi / S) of Bi to S in this layer 5 is preferably 0.25 or more and 0.4 or less. In the p-type semiconductor layer 5, by setting the atomic ratio of Cu, Bi, and S in the above range, functions such as light absorption and conversion efficiency can be enhanced.

p型半導体層5の厚さ(平均厚さ)は、20nm以上10μm以下であり、30nm以上8μm以下が好ましい。p型半導体層5の厚さを上記範囲とすることで、十分な変換効率を発揮させることができる。この厚さが上記下限未満の場合は、光の吸収量が減ったり、膜に欠陥が生じやすくなり、十分な起電力を得ることができない。逆に、この厚さが上記上限を超える場合は、剥離が生じたり、抵抗が高くなり起電力が低下する。   The thickness (average thickness) of the p-type semiconductor layer 5 is 20 nm or more and 10 μm or less, and preferably 30 nm or more and 8 μm or less. By setting the thickness of the p-type semiconductor layer 5 within the above range, sufficient conversion efficiency can be exhibited. When this thickness is less than the above lower limit, the amount of light absorption is reduced, or defects are easily generated in the film, so that a sufficient electromotive force cannot be obtained. On the contrary, when this thickness exceeds the upper limit, peeling occurs, resistance increases, and electromotive force decreases.

このp型半導体層5の形成方法としては、特に制限されないが、スプレー熱分解法により得られることが好ましい。p型半導体層5をスプレー熱分解法で得ることで、当該光電変換素子の低コストでの製造が可能となる。   A method for forming the p-type semiconductor layer 5 is not particularly limited, but it is preferably obtained by a spray pyrolysis method. By obtaining the p-type semiconductor layer 5 by spray pyrolysis, the photoelectric conversion element can be manufactured at low cost.

電極層6は、p型半導体層5の表面に薄膜状に積層されている。この電極層6を形成する材料としては導電性を有する限り特に限定されないが、Pt、Al、Au、Cu、Ti、Ni等の金属や、グラファイト等を用いることができる。また、この電極層6の厚さ(平均厚さ)としては、特に限定されないが、例えば10nm以上1μm以下とすることができる。   The electrode layer 6 is laminated on the surface of the p-type semiconductor layer 5 in a thin film shape. The material for forming the electrode layer 6 is not particularly limited as long as it has conductivity, but metals such as Pt, Al, Au, Cu, Ti, Ni, graphite, and the like can be used. Further, the thickness (average thickness) of the electrode layer 6 is not particularly limited, but may be, for example, 10 nm or more and 1 μm or less.

電極層6の表面には、リード線7bが導電性接合部材8bを介して電気的に接続されている。上記導電性接合部材8bとしては、インジウム製の半田や銀ペーストなどを用いることができる。   A lead wire 7b is electrically connected to the surface of the electrode layer 6 via a conductive bonding member 8b. As the conductive bonding member 8b, indium solder, silver paste, or the like can be used.

当該光電変換素子10によれば、透明基板1側から太陽光等の光が照射されることで、n型半導体層3とp型半導体層5との間で電位差が生じ、光を電力に変換することができる。この電力は、n型半導体層3及びp型半導体層5にそれぞれ連結される一対の電極(透明電極層2及び電極層6)から出力される。   According to the photoelectric conversion element 10, when light such as sunlight is irradiated from the transparent substrate 1 side, a potential difference is generated between the n-type semiconductor layer 3 and the p-type semiconductor layer 5, and light is converted into electric power. can do. This electric power is output from a pair of electrodes (transparent electrode layer 2 and electrode layer 6) connected to the n-type semiconductor layer 3 and the p-type semiconductor layer 5, respectively.

<光電変換素子の製造方法>
当該光電変換素子10の製造方法は特に限定されず、各層を順に積層することで得ることができるが、
(1)スプレー熱分解法により、透明電極層2の表面にn型半導体層3を形成する工程、
(2)スプレー熱分解法により、n型半導体層3の表面に短絡防止層4を形成する工程、及び
(3)スプレー熱分解法により、短絡防止層4の表面にp型半導体層5(光吸収層)を形成する工程
を有する製造方法により好適に得ることができる。以下、各工程について詳説する。
<Method for producing photoelectric conversion element>
The manufacturing method of the photoelectric conversion element 10 is not particularly limited and can be obtained by sequentially laminating each layer.
(1) A step of forming an n-type semiconductor layer 3 on the surface of the transparent electrode layer 2 by spray pyrolysis,
(2) a step of forming a short-circuit prevention layer 4 on the surface of the n-type semiconductor layer 3 by spray pyrolysis, and (3) a p-type semiconductor layer 5 (light) on the surface of the short-circuit prevention layer 4 by spray pyrolysis. It can obtain suitably by the manufacturing method which has the process of forming an absorption layer. Hereinafter, each step will be described in detail.

(1)n型半導体層形成工程
本工程においては、スプレー熱分解法により、透明基板1の表面に積層された透明電極層2の表面にn型半導体層3を形成する。この際、透明基板1と透明電極層2との積層体としては、市販の透明電極層(膜)付ガラス基板等を用いることができる。なお、透明電極層2の表面は、中性洗剤等による洗浄、純水等による超音波洗浄等を予め施しておくことが好ましい。
(1) n-type semiconductor layer forming step In this step, the n-type semiconductor layer 3 is formed on the surface of the transparent electrode layer 2 laminated on the surface of the transparent substrate 1 by spray pyrolysis. Under the present circumstances, as a laminated body of the transparent substrate 1 and the transparent electrode layer 2, a commercially available glass substrate with a transparent electrode layer (film | membrane) etc. can be used. The surface of the transparent electrode layer 2 is preferably previously subjected to cleaning with a neutral detergent or the like, ultrasonic cleaning with pure water or the like.

本工程のスプレー熱分解法に用いられる原料溶液としては、水や、エタノール、プロパノール等のアルコールなどの有機溶媒に金属塩化物、硝酸塩、酢酸塩、酸化物などの溶質を溶解させたものを用いることができる。上記溶質は、n型半導体層3を形成する材質に応じて適宜選択すればよい。   As a raw material solution used in the spray pyrolysis method of this step, a solution obtained by dissolving a solute such as metal chloride, nitrate, acetate, oxide in an organic solvent such as water or alcohol such as ethanol or propanol is used. be able to. The solute may be appropriately selected according to the material forming the n-type semiconductor layer 3.

上記原料溶液として、n型半導体層3をTiOで形成する場合、例えば、チタン(IV)ビス・アセチルアセトナート・ジイソプロポキシドのアルコール溶液を、n型半導体層3をZnOで形成する場合、例えば、硝酸亜鉛の水溶液を、n型半導体層3をSnOで形成する場合、例えば、塩化スズ及び塩化水素の水溶液を、n型半導体層3をInで形成する場合、例えば、塩化インジウムの水溶液を用いることができる。 When the n-type semiconductor layer 3 is formed of TiO 2 as the raw material solution, for example, an alcohol solution of titanium (IV) bisacetylacetylate diisopropoxide is formed, and the n-type semiconductor layer 3 is formed of ZnO. For example, when an aqueous solution of zinc nitrate is formed of the n-type semiconductor layer 3 with SnO 2 , for example, an aqueous solution of tin chloride and hydrogen chloride is formed with an n-type semiconductor layer 3 of In 2 O 3 , for example, An aqueous solution of indium chloride can be used.

このような原料溶液を加熱した透明電極層2の表面に噴霧することによって、化学反応(酸化)が進行すると共に、溶媒等の余分な成分が揮発し、各酸化物からなる層を得ることができる。この加熱の方法は特に限定されず、ホットプレートなどを用いればよい。この加熱の際の温度(透明電極層2表面の温度)は、用いる原料溶液の種類等によるが、例えば、300℃以上500℃以下程度である。また、上記噴霧は、スプレー熱分解法を行う際に通常用いられる公知の噴霧器を用いて行うことができる。   By spraying such a raw material solution on the surface of the heated transparent electrode layer 2, a chemical reaction (oxidation) proceeds, and extra components such as a solvent are volatilized to obtain a layer made of each oxide. it can. The heating method is not particularly limited, and a hot plate or the like may be used. The temperature at the time of heating (the temperature of the surface of the transparent electrode layer 2) depends on the type of the raw material solution used and is, for example, about 300 ° C. or more and 500 ° C. or less. Moreover, the said spraying can be performed using the well-known sprayer normally used when performing a spray pyrolysis method.

なお、電極取り出し場所を確保すべく、透明電極層2の表面の一部をマスクした状態で原料溶液の噴霧を行ってもよい。   Note that the raw material solution may be sprayed in a state where a part of the surface of the transparent electrode layer 2 is masked in order to secure an electrode extraction place.

(2)短絡防止層形成工程
本工程においては、上記工程(1)で得られたn型半導体層3の表面に、スプレー熱分解法により短絡防止層4を形成する。
(2) Short-circuit preventing layer forming step In this step, the short-circuit preventing layer 4 is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 3 obtained in the step (1) by a spray pyrolysis method.

本工程のスプレー熱分解法に用いられる原料溶液も、短絡防止層4を形成する材質に応じて適宜選択すればよい。例えば、短絡防止層4をInで形成する場合、塩化インジウムとチオ尿素との混合水溶液を用いることができる。この際、塩化インジウムとチオ尿素との含有量比(質量比)としては、1:1以上3:1以下が好ましい。 What is necessary is just to select the raw material solution used for the spray pyrolysis method of this process suitably according to the material which forms the short circuit prevention layer 4. FIG. For example, when the short-circuit prevention layer 4 is formed of In 2 S 3 , a mixed aqueous solution of indium chloride and thiourea can be used. In this case, the content ratio (mass ratio) of indium chloride and thiourea is preferably 1: 1 or more and 3: 1 or less.

このような原料溶液を加熱したn型半導体層3の表面に噴霧することによって、短絡防止層4を形成することができる。なお、上記塩化インジウムとチオ尿素との混合水溶液を用いる場合、加熱温度(n型半導体層3表面の温度)としては例えば、200℃以上300℃以下とすることができる。また、この加熱や噴霧の手段は、上記工程(1)と同様である。   By spraying such a raw material solution onto the surface of the heated n-type semiconductor layer 3, the short-circuit prevention layer 4 can be formed. In addition, when using the mixed aqueous solution of the said indium chloride and thiourea, as heating temperature (temperature of the n-type semiconductor layer 3 surface), it can be 200 degreeC or more and 300 degrees C or less, for example. The means for heating and spraying is the same as in step (1).

(3)p型半導体層形成工程
本工程においては、上記工程(2)で得られた短絡防止層4の表面に、スプレー熱分解法によりp型半導体層5を形成する。
(3) p-type semiconductor layer forming step In this step, the p-type semiconductor layer 5 is formed on the surface of the short-circuit preventing layer 4 obtained in the step (2) by spray pyrolysis.

本工程のスプレー熱分解法に用いられる原料溶液としては、銅を含む塩(塩化銅、硝酸銅、酢酸銅等)、ビスマスを含む塩(塩化ビスマス、酢酸ビスマス等)及び硫黄源(チオ尿素、硫酸ナトリウム、硫黄等)を溶質として含む水溶液やアルコール溶液等を用いることができる。このような原料溶液を用いることで、加熱された短絡防止層4表面において、溶媒や他の不要成分が蒸発すると共に硫黄と金属成分との化学反応が進行し、硫化物(CuBiS)の膜が形成される。 The raw material solution used in the spray pyrolysis method of this step includes a salt containing copper (copper chloride, copper nitrate, copper acetate, etc.), a salt containing bismuth (bismuth chloride, bismuth acetate, etc.) and a sulfur source (thiourea, An aqueous solution or an alcohol solution containing sodium sulfate, sulfur, etc.) as a solute can be used. By using such a raw material solution, on the surface of the heated short-circuit prevention layer 4, the solvent and other unnecessary components evaporate, and a chemical reaction between sulfur and the metal component proceeds, and sulfide (Cu 3 BiS 3 ). Is formed.

これらの中でも、溶質として、塩化銅、塩化ビスマス及びチオ尿素を含む水溶液が好ましい。このような原料溶液を調製する場合、まず、純水に塩化銅とチオ尿素とを溶解して溶液Aを調製し、塩酸に塩化ビスマスを溶解して溶液Bを調製し、これら溶液A及び溶液Bを混合して原料溶液とすることが好ましい。このようにすることで、沈殿物を生じさせることなく原料溶液を得ることができる。沈殿物を含む原料溶液は、噴霧器を用いた噴霧に支障をきたし好ましくない。なお、例えば、純水に、塩化銅、塩化ビスマス及びチオ尿素を溶解させようとすると黄白色の沈殿物が生じる。また、純水に塩化銅とチオ尿素を溶解させた溶液Aと、酸性溶液に硝酸ビスマスを溶解させた溶液B’とを混合させた場合も黄白濁が生じる。   Among these, an aqueous solution containing copper chloride, bismuth chloride and thiourea is preferable as a solute. When preparing such a raw material solution, first, a solution A is prepared by dissolving copper chloride and thiourea in pure water, and a solution B is prepared by dissolving bismuth chloride in hydrochloric acid. It is preferable to mix B into a raw material solution. By doing in this way, a raw material solution can be obtained, without producing a precipitate. A raw material solution containing precipitates is not preferable because it hinders spraying using a sprayer. For example, when copper chloride, bismuth chloride and thiourea are dissolved in pure water, a yellowish white precipitate is generated. Further, yellowish white turbidity also occurs when a solution A in which copper chloride and thiourea are dissolved in pure water and a solution B ′ in which bismuth nitrate is dissolved in an acidic solution are mixed.

塩化銅、塩化ビスマス及びチオ尿素を含む水溶液を用いる場合、これらの使用量比(質量比)としては、塩化銅100質量部に対して、塩化ビスマスは40質量部以上80質量部以下が好ましく、55質量部以上65質量部以下がより好ましい。また、塩化銅100質量部に対して、チオ尿素は150質量部以上250質量部以下が好ましく、210質量部以上230質量部以下がより好ましい。このような使用量比とすることで、p型半導体層5における、Cu、Bi及びSの原子数比が良好な範囲となり、光吸収性や変換効率等の機能を高めることができる。   When using an aqueous solution containing copper chloride, bismuth chloride and thiourea, the amount ratio (mass ratio) of these is preferably 40 parts by weight or more and 80 parts by weight or less of bismuth chloride with respect to 100 parts by weight of copper chloride. 55 parts by mass or more and 65 parts by mass or less are more preferable. Moreover, 150 mass parts or more and 250 mass parts or less are preferable with respect to 100 mass parts of copper chloride, and 210 mass parts or more and 230 mass parts or less are more preferable. By setting it as such usage-amount ratio, the atomic ratio of Cu, Bi, and S in the p-type semiconductor layer 5 becomes a favorable range, and functions such as light absorption and conversion efficiency can be enhanced.

なお、この原料溶液の固形分濃度としては、特に限定されないが、例えば1質量%以上5質量%以下とすることができる。このようにすることで、噴霧の際の制御性等を高めることができる。   In addition, although it does not specifically limit as solid content concentration of this raw material solution, For example, it can be 1 mass% or more and 5 mass% or less. By doing in this way, the controllability etc. in the case of spraying can be improved.

なお、噴霧の際の短絡防止層4の表面の温度(加熱温度)としては、250℃以上350℃以下が好ましい。また、この加熱や噴霧の手段は、上記工程(1)と同様である。   In addition, as temperature (heating temperature) of the surface of the short circuit prevention layer 4 in the case of spraying, 250 degreeC or more and 350 degrees C or less are preferable. The means for heating and spraying is the same as in step (1).

このようにn型半導体層3、短絡防止層4及びp型半導体層5の3層をいずれもスプレー熱分解法により形成することで、製造コストを抑えて、当該光電変換素子10を得ることができる。   Thus, by forming all three layers of the n-type semiconductor layer 3, the short-circuit prevention layer 4, and the p-type semiconductor layer 5 by the spray pyrolysis method, the photoelectric conversion element 10 can be obtained while suppressing the manufacturing cost. it can.

<その他の実施形態>
本発明の光電変換素子及びその製造方法は上記実施形態に限定されるものではない。当該光電変換素子としては、例えばCuBiSを主成分として含む光吸収層にドナーを添加し、n型半導体層として機能させたものであってもよい。また、短絡防止層は有していなくてもよいし、上記実施形態において短絡防止層として用いたInは、n型半導体としても機能するため、n型半導体層として用いることもできる。
<Other embodiments>
The photoelectric conversion element and the manufacturing method thereof of the present invention are not limited to the above embodiment. As the photoelectric conversion element, for example a Cu 3 BiS 3 donor is added to the light-absorbing layer containing as a main component, or may be made to function as an n-type semiconductor layer. In addition, the short-circuit prevention layer may not be provided, and In 2 S 3 used as the short-circuit prevention layer in the above embodiment also functions as an n-type semiconductor, and can also be used as an n-type semiconductor layer.

また、n型半導体層、p型半導体層及び短絡防止層は、スプレー熱分解法以外の手段により形成することもできる。他の手段としては、スパッタ法、蒸着法等を挙げることができる。さらに、形成順も、逆にp型半導体層から順に形成してもよい。   In addition, the n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the short-circuit prevention layer can be formed by means other than spray pyrolysis. Examples of other means include a sputtering method and a vapor deposition method. Furthermore, the formation order may be reversed from the p-type semiconductor layer.

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

<製造例1:スプレー熱分解法によるCuBiS膜の製造>
純水15ccに、塩化銅0.15gとチオ尿素0.33gとを溶解した。次に、1規定の塩酸5ccに塩化ビスマス0.09gを溶解させた後、両者を混合してスプレー用の原料溶液を得た。一方、ホットプレートで基板となるガラス(5cm角)を300℃に加熱した。次に、上記原料溶液をガラス製のスプレー噴霧器具に移した。その後、空気ポンプを用いて圧空(0.2MPa)をスプレーノズルに流すことで、原料溶液をスプレーノズル先端から基板めがけて噴霧した。このようにすることで、原料溶液10ccあたり200nmの薄膜を形成した。
<Production Example 1: Production of Cu 3 BiS 3 Film by Spray Pyrolysis Method>
In 15 cc of pure water, 0.15 g of copper chloride and 0.33 g of thiourea were dissolved. Next, 0.09 g of bismuth chloride was dissolved in 5 cc of 1N hydrochloric acid, and then both were mixed to obtain a raw material solution for spraying. On the other hand, the glass (5 cm square) used as a board | substrate was heated at 300 degreeC with the hotplate. Next, the raw material solution was transferred to a glass sprayer. Then, the raw material solution was sprayed toward the substrate from the tip of the spray nozzle by flowing compressed air (0.2 MPa) to the spray nozzle using an air pump. By doing in this way, the thin film of 200 nm was formed per 10 cc of raw material solutions.

得られた薄膜について、X線回折によって構造を調べたところ、CuBiSの組成をもつ硫化物であった(図2参照)。また、この薄膜の抵抗を測定したところ3MΩであった。また、分光計を用いて透過率及び反射率を測定し、これらから吸収率を算出し、さらにこれから光学バンドギャップを概算した。バンドギャップは1.5eVであり、太陽電池(光電変換素子)の光吸収層として良好なバンドギャップを有していることがわかった。 When the structure of the obtained thin film was examined by X-ray diffraction, it was a sulfide having a composition of Cu 3 BiS 3 (see FIG. 2). Further, when the resistance of this thin film was measured, it was 3 MΩ. In addition, the transmittance and reflectance were measured using a spectrometer, the absorptance was calculated from these, and the optical band gap was estimated from this. The band gap was 1.5 eV, and it was found to have a good band gap as a light absorption layer of a solar cell (photoelectric conversion element).

<製造例2:スプレー熱分解法によるTiO膜の製造>
エタノール43ccにチタン(IV)ビス・アセチルアセトナート・ジイソプロポキシド:75%2−プロパノール溶液7ccを混合して原料溶液を得た。この原料溶液を、ホットプレートで450℃に加熱したガラス基板に噴霧して薄膜を得た。得られた薄膜について、X線回折によって構造を調べたところ、TiO膜が形成されたことを確認した(図3参照)。
<Production Example 2: Production of TiO 2 film by spray pyrolysis method>
Titanium (IV) bis-acetylacetonate-diisopropoxide: 7 cc of a 75% 2-propanol solution was mixed with 43 cc of ethanol to obtain a raw material solution. This raw material solution was sprayed on a glass substrate heated to 450 ° C. with a hot plate to obtain a thin film. When the structure of the obtained thin film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that a TiO 2 film was formed (see FIG. 3).

<製造例3:スプレー熱分解法によるZnO膜の製造>
純水30ccに0.24gの硝酸亜鉛を溶解し原料溶液を得た。この原料溶液を、400℃に加熱したガラス基板に噴霧して薄膜を得た。得られた薄膜について、X線回折によって構造を調べたところ、ZnO膜が形成されたことを確認した(図4参照)。
<Production Example 3: Production of ZnO film by spray pyrolysis>
0.24 g of zinc nitrate was dissolved in 30 cc of pure water to obtain a raw material solution. This raw material solution was sprayed onto a glass substrate heated to 400 ° C. to obtain a thin film. When the structure of the obtained thin film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that a ZnO film was formed (see FIG. 4).

<製造例4:スプレー熱分解法によるSnO膜の製造>
純水30ccに塩化スズ0.17gと1ccの1規定塩酸とを混合して原料溶液を得た。この原料溶液を400℃に加熱したガラス基板に噴霧して薄膜を得た。得られた薄膜について、X線回折によって構造を調べたところ、SnO膜が形成されたことを確認した(図5参照)。
<Production Example 4: Production of SnO 2 film by spray pyrolysis method>
30 cc of pure water was mixed with 0.17 g of tin chloride and 1 cc of 1 N hydrochloric acid to obtain a raw material solution. This raw material solution was sprayed on a glass substrate heated to 400 ° C. to obtain a thin film. When the structure of the obtained thin film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that a SnO 2 film was formed (see FIG. 5).

<製造例5:スプレー熱分解法によるIn膜の製造>
純水30ccに塩化インジウム0.25gを溶解して原料溶液を得た。この原料溶液を400℃に加熱したガラス基板に噴霧して薄膜を得た。得られた薄膜について、X線回折によって構造を調べたところ、In膜が形成されたことを確認した(図6参照)。
<Production Example 5: Production of In 2 O 3 film by spray pyrolysis>
0.25 g of indium chloride was dissolved in 30 cc of pure water to obtain a raw material solution. This raw material solution was sprayed on a glass substrate heated to 400 ° C. to obtain a thin film. When the structure of the obtained thin film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that an In 2 O 3 film was formed (see FIG. 6).

<製造例6:スプレー熱分解法によるIn膜の製造>
純水30ccに塩化インジウム0.1gとチオ尿素0.05gとを溶解して原料溶液を得た。この原料溶液を250℃に加熱したガラス基板に噴霧して薄膜を得た。得られた薄膜について、X線回折によって構造を調べたところ、In膜が形成されたことを確認した(図7参照)。
<Production Example 6: Production of In 2 S 3 film by spray pyrolysis>
A raw material solution was obtained by dissolving 0.1 g of indium chloride and 0.05 g of thiourea in 30 cc of pure water. This raw material solution was sprayed onto a glass substrate heated to 250 ° C. to obtain a thin film. When the structure of the obtained thin film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that an In 2 S 3 film was formed (see FIG. 7).

<実施例1>
市販の透明導電層付ガラス基板(ピルキントン社TEC15:FTOガラス)を2cm角に切断した後、中性洗剤で洗浄し、さらに純水で超音波洗浄した。この基板のFTO表面を上にした状態でホットプレートに乗せ、所望の温度になるまで加熱した。なお、電極取り出し用に、FTO上端部に5mm×2cmのガラス小片をのせ、スプレー原料溶液が噴霧されない場所を設けた。
<Example 1>
A commercially available glass substrate with a transparent conductive layer (Pilkinton TEC15: FTO glass) was cut into 2 cm square, then washed with a neutral detergent, and further ultrasonically washed with pure water. The substrate was placed on a hot plate with the FTO surface facing up and heated to a desired temperature. For electrode removal, a small glass piece of 5 mm × 2 cm was placed on the upper end of the FTO to provide a place where the spray raw material solution was not sprayed.

まず、スプレー熱分解法によりTiO膜(n型半導体層)を形成した。具体的には、エタノール43ccにチタン(IV)ビス・アセチルアセトナート・ジイソプロポキシド:75%2−プロパノール溶液7ccを混合して、TiO膜用の原料溶液を調製した。この原料溶液をガラス製のスプレー噴霧器具に移し、スプレーノズルをとりつけた。次いで、ホットプレートで400℃に加熱したFTO基板ガラスにむけて原料溶液を噴霧した。噴霧は、空気ポンプを用いて圧空(0.2MPa)をスプレーノズルに流すことで行った。このようにすることで原料溶液をスプレーノズル先端から基板に対して噴霧させ、TiO膜(n型半導体層)を得た。 First, a TiO 2 film (n-type semiconductor layer) was formed by spray pyrolysis. Specifically, titanium (IV) bis-acetylacetonate diisopropoxide: 7 cc of a 75% 2-propanol solution was mixed with 43 cc of ethanol to prepare a raw material solution for a TiO 2 film. This raw material solution was transferred to a glass spray device and a spray nozzle was attached. Next, the raw material solution was sprayed toward the FTO substrate glass heated to 400 ° C. with a hot plate. Spraying was performed by flowing compressed air (0.2 MPa) through the spray nozzle using an air pump. Such a raw material solution was sprayed on the substrate from the spray nozzle tip be in the to obtain a TiO 2 film (n-type semiconductor layer).

次に、スプレー熱分解法によりIn膜(短絡防止層)を形成した。具体的には、純水30ccに塩化インジウム0.1gとチオ尿素0.05gを溶解して原料溶液を調製し、300℃で成膜を行った。 Next, an In 2 S 3 film (short-circuit prevention layer) was formed by spray pyrolysis. Specifically, 0.1 g of indium chloride and 0.05 g of thiourea were dissolved in 30 cc of pure water to prepare a raw material solution, and film formation was performed at 300 ° C.

次に、スプレー熱分解法によりCuBiS膜(p型半導体層)を形成した。具体的には、純水15ccに、塩化銅0.15gとチオ尿素0.33gを溶解して溶液Aを得た。次に、1規定の塩酸5ccに塩化ビスマス0.09gを溶解させて溶液Bを得た。溶液Aと溶液Bとを混合して原料溶液とした。この原料溶液を用いてスプレー成膜を行った。基板は300℃に加熱した。成膜後、ホットプレートの温度を下げ、低温になってから基板を取り出した。CuBiS膜の厚さを触針式膜厚計で測定したところ1200nmであった。なお、この厚さは任意の5箇所で測定しその平均値とした。 Next, a Cu 3 BiS 3 film (p-type semiconductor layer) was formed by spray pyrolysis. Specifically, 0.15 g of copper chloride and 0.33 g of thiourea were dissolved in 15 cc of pure water to obtain a solution A. Next, 0.09 g of bismuth chloride was dissolved in 5 cc of 1N hydrochloric acid to obtain a solution B. Solution A and solution B were mixed to obtain a raw material solution. Spray film formation was performed using this raw material solution. The substrate was heated to 300 ° C. After the film formation, the temperature of the hot plate was lowered and the substrate was taken out after the temperature became low. When the thickness of the Cu 3 BiS 3 film was measured with a stylus type film thickness meter, it was 1200 nm. In addition, this thickness was measured in arbitrary 5 places, and it was set as the average value.

その後、市販のカーボンペーストを用い、10mm角のカーボン電極層をCuBiS膜表面に印刷により形成した。さらにグラファイトシートを銅リード線にとりつけて、上記カーボン電極と銅リード線とをテープで貼り付けた。一方、FTO面(上記カーボン電極の対極)には、リード線をインジウム半田で取り付けた。このようにして、実施例1の光電変換素子を得た。 Thereafter, using a commercially available carbon paste, a 10 mm square carbon electrode layer was formed on the surface of the Cu 3 BiS 3 film by printing. Further, a graphite sheet was attached to a copper lead wire, and the carbon electrode and the copper lead wire were attached with a tape. On the other hand, lead wires were attached to the FTO surface (counter electrode of the carbon electrode) with indium solder. Thus, the photoelectric conversion element of Example 1 was obtained.

<実施例2>
n型半導体層をZnO膜としたこと以外は実施例1と同様の操作により、実施例2の光電変換素子を得た。具体的には、n型半導体層の形成において、純水30ccに0.24gの硝酸亜鉛を溶解し原料溶液を得て、これを400℃に加熱した基板に噴霧した。
<Example 2>
A photoelectric conversion element of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the n-type semiconductor layer was changed to a ZnO film. Specifically, in the formation of the n-type semiconductor layer, 0.24 g of zinc nitrate was dissolved in 30 cc of pure water to obtain a raw material solution, which was sprayed onto a substrate heated to 400 ° C.

<実施例3>
n型半導体層をSnO膜としたこと以外は実施例1と同様の操作により、実施例3の光電変換素子を得た。具体的には、n型半導体層の形成において、純水30ccに塩化スズ0.17gと1ccの1規定塩酸を混合し原料溶液を得て、これを400℃に加熱した基板に噴霧した。
<Example 3>
A photoelectric conversion element of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the n-type semiconductor layer was a SnO 2 film. Specifically, in the formation of the n-type semiconductor layer, 0.17 g of tin chloride and 1 cc of 1 N hydrochloric acid were mixed with 30 cc of pure water to obtain a raw material solution, which was sprayed on a substrate heated to 400 ° C.

<実施例4>
n型半導体層をIn膜としたこと以外は実施例1と同様の操作により、実施例4の光電変換素子を得た。具体的には、n型半導体層の形成において、純水30ccに塩化インジウム0.25gを溶解し原料溶液を得て、これを400℃に加熱した基板に噴霧をした。
<Example 4>
A photoelectric conversion element of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the n-type semiconductor layer was changed to an In 2 O 3 film. Specifically, in the formation of the n-type semiconductor layer, 0.25 g of indium chloride was dissolved in 30 cc of pure water to obtain a raw material solution, which was sprayed onto a substrate heated to 400 ° C.

<実施例5>
In膜(短絡防止層)を形成せず、TiO膜(n型半導体層)の表面に直接CuBiS膜(p型半導体層)を形成したこと以外は、実施例1と同様の操作により、実施例5の光電変換素子を得た。
<Example 5>
Example 1 except that an In 2 S 3 film (short-circuit prevention layer) was not formed, and a Cu 3 BiS 3 film (p-type semiconductor layer) was formed directly on the surface of the TiO 2 film (n-type semiconductor layer). The photoelectric conversion element of Example 5 was obtained by the same operation.

<実施例6>
TiO膜を形成せず、FTO表面にIn膜を形成したこと以外は、実施例1と同様の操作により、実施例6の光電変換素子を得た。なお、この実施例6の光電変換素子において、In膜はn型半導体層として機能する。
<Example 6>
A photoelectric conversion element of Example 6 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the TiO 2 film was not formed and an In 2 S 3 film was formed on the FTO surface. In the photoelectric conversion element of Example 6, the In 2 S 3 film functions as an n-type semiconductor layer.

<実施例7〜8及び比較例1〜2>
CuBiS膜(p型半導体層)を表2に示す厚さとしたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例7〜8及び比較例1〜2の光電変換素子を得た。
<Examples 7-8 and Comparative Examples 1-2>
Photoelectric conversion elements of Examples 7 to 8 and Comparative Examples 1 to 2 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the Cu 3 BiS 3 film (p-type semiconductor layer) had a thickness shown in Table 2.

<評価>
得られた光電変換素子に設けた一対のリード線をテスタと接続した。この光電変換素子に対し、基板側から色温度4500K、照度10万LUXの光(岩崎電気社製 アーバンアクト使用)を照射し、光起電力素子の光起電力及び短絡電流を測定した。測定結果を表1及び表2に示す。
<Evaluation>
A pair of lead wires provided in the obtained photoelectric conversion element was connected to a tester. The photoelectric conversion element was irradiated with light having a color temperature of 4500 K and an illuminance of 100,000 LUX (using Urban Act manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.) from the substrate side, and the photovoltaic power and short-circuit current of the photovoltaic element were measured. The measurement results are shown in Tables 1 and 2.

Figure 2014022569
Figure 2014022569

Figure 2014022569
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なお、比較例2では、p型半導体層(CuBiS膜)の剥離が生じていた。 In Comparative Example 2, peeling of the p-type semiconductor layer (Cu 3 BiS 3 film) occurred.

各実施例で得られた光電変換素子は、太陽電池として機能することがわかる。特に、短絡防止層を設けた実施例1〜4、7及び8の光電変換素子は、高い光電変換効率を有することがわかる。   It turns out that the photoelectric conversion element obtained in each Example functions as a solar cell. In particular, it can be seen that the photoelectric conversion elements of Examples 1-4, 7 and 8 provided with the short-circuit prevention layer have high photoelectric conversion efficiency.

本発明の光電変換素子及びこの製造方法は、太陽電池や光センサ及びこれらの製造に好適に用いることができる。   The photoelectric conversion element of this invention and this manufacturing method can be used suitably for a solar cell, an optical sensor, and these manufacture.

1 透明基板
2 透明電極層
3 n型半導体層
4 短絡防止層
5 p型半導体層
6 電極層
7a、7b リード線
8a、8b 導電性接合部材
10 光電変換素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent substrate 2 Transparent electrode layer 3 N-type semiconductor layer 4 Short-circuit prevention layer 5 P-type semiconductor layer 6 Electrode layer 7a, 7b Lead wire 8a, 8b Conductive joining member 10 Photoelectric conversion element

Claims (10)

CuBiSを主成分として含み、厚さが20nm以上10μm以下である光吸収層
を備える光電変換素子。
Cu 3 comprises BiS 3 as a main component, a photoelectric conversion element comprising a light-absorbing layer thickness is 20nm or more 10μm or less.
上記光吸収層がスプレー熱分解法により得られる請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the light absorption layer is obtained by a spray pyrolysis method. 上記光吸収層におけるCuに対するBiの原子数比(Bi/Cu)が0.25以上0.35以下であり、Sに対するBiの原子数比(Bi/S)が0.25以上0.4以下である請求項1又は請求項2に記載の光電変換素子。   The atomic ratio (Bi / Cu) of Bi to Cu in the light absorption layer is 0.25 to 0.35, and the atomic ratio (Bi / S) of Bi to S is 0.25 to 0.4. The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2. 上記光吸収層がp型半導体層であり、
このp型半導体層の一方の面側に積層され、透明半導体材料からなるn型半導体層を備える請求項1、請求項2又は請求項3に記載の光電変換素子。
The light absorption layer is a p-type semiconductor layer;
4. The photoelectric conversion element according to claim 1, comprising an n-type semiconductor layer made of a transparent semiconductor material and laminated on one surface side of the p-type semiconductor layer.
上記透明半導体材料がTiO、ZnO、SnO及びInからなる群より選ばれる少なくとも一種である請求項4に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the transparent semiconductor material is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, SnO 2 and In 2 O 3 . 上記p型半導体層とn型半導体層との間に配設される短絡防止層を備える請求項4又は請求項5に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 4, further comprising a short-circuit prevention layer disposed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. 上記短絡防止層の主成分がInである請求項6に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 6, wherein a main component of the short-circuit prevention layer is In 2 S 3 . 上記p型半導体層及びn型半導体層にそれぞれ連結される一対の電極を備える請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to any one of claims 4 to 7, further comprising a pair of electrodes connected to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, respectively. スプレー熱分解法により光吸収層を形成する工程
を有し、
上記光吸収層が、CuBiSを主成分として含み、膜厚が20nm以上10μm以下である光電変換素子の製造方法。
A step of forming a light absorption layer by spray pyrolysis,
The light absorbing layer, Cu 3 includes BiS 3 as a main component, method for manufacturing the film thickness is 20nm or more 10μm or less photoelectric conversion element.
上記光吸収層がp型半導体層であり、
スプレー熱分解法によりn型半導体層を形成する工程、及び
スプレー熱分解法により短絡防止層を形成する工程
をさらに有する請求項9に記載の光電変換素子の製造方法。

The light absorption layer is a p-type semiconductor layer;
The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 9, further comprising: a step of forming an n-type semiconductor layer by a spray pyrolysis method; and a step of forming a short-circuit prevention layer by a spray pyrolysis method.

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