JP2014505993A

JP2014505993A - 半導体薄膜を製造する方法

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Publication number: JP2014505993A
Application number: JP2013539281A
Authority: JP
Inventors: ドミニクバーグ，; アレックスレディンガー，; フィリップデル，; スザンヌシェベントリット，
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US9306111B2; LU91754B1; US20130269783A1; WO2012066116A1

Abstract

Ａｇ及び／又はＣｕを含み、Ｚｎをさらに含む薄膜を形成するステップと、Ｓ及び／又はＳｅを含み、Ｓｎをさらに含む雰囲気中で、前記薄膜をアニールするステップと、を備える、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜を製造する方法。
【選択図】図１ｂ）

Description

発明の詳細な説明

［発明の分野］
本発明は、半導体薄膜の製造法に関する。特に、本発明は、かかる薄膜をアニールする方法に関する。より詳細には、本発明は、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜（ｘ及びｙは０〜１の間から選択することができる）の製造に関する。

［発明の技術的背景］
Ｃｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収層は、薄膜太陽電池のＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２吸収層を代替する一番手の候補であるとみなされている。その理由は、該吸収層が安価で豊富な元素のみを含むからである。Ｃｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４太陽電池は、電力変換効率９．７％に達しており、この材料の潜在能力を明確に示しているからである（Ｔｏｄｏｒｏｖら、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．、２０１０、２２、１〜４）。

太陽電池用途のためのＣｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜は、多様な異なる技法によって製造することができる。薄膜を製造するために、多数の異なる堆積技法が使用されている（例えば、蒸発技法、スパッタリング、電子線、電析、スプレー熱分解、光化学蒸着、スピンコーティング、ヨウ素輸送法、印刷、パルスレーザー蒸着）。第一に可能なのは、吸収体が１つのステップで形成されるように元素又は二元化合物のすべてを高温で堆積することである。さらなる技法は、元素又は二元化合物のすべてを一度に（室温又は高温で）堆積し、次いで加熱して再結晶させることと予測される。最後に、元素又は二元化合物のすべてを、順次堆積し、次いで加熱して相互に混合し結晶化させてもよい。

ある場合には、Ｃｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４半導体化合物は、加熱基板上に自発的に形成され（例えば、共蒸着、スパッタリング技法）、その他の場合には、金属又は二元合金が室温近傍で最初に堆積され、次いで、Ｓ／Ｓｅ雰囲気炉でさらにアニールされてＣｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４が形成される。

とりわけ、Ｗｅｂｅｒらは、多段蒸発技法（ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ、５１７（２００９）２５２４〜２５２６）を適用した。彼らは、最初にＺｎＳを、続いてＳ、Ｓｎ及びＣｕを堆積することによって効率１．１％の太陽電池が実現され得ることを示した。

（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４（ｘ、ｙ、ｚ＝０．．．１）吸収体層製作の最新技術では、金属、又はセレン及び／若しくはイオウと一緒に金属を含む前駆体膜は、ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ４９（１９９７）４０７〜４１４におけるＫａｔａｇｉｒｉらによる提案に従ってＳ／Ｓｅ雰囲気中でアニールされるか又は熱処理される。

しかし、こうしたアニーリング／熱処理にも拘らず、スズ損失が文献の至る所で観察及び報告されている：例えば、Ｗｅｂｅｒら、ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ、１０７巻、頁０１３５１６（２０１０）は、スズ損失を低減するために不活性ガスを使用することを提案している。類似の観察結果が、Ｗｅｂｅｒら、ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ、５１７巻（２００９）頁２５２４〜２５２６；Ｆｒｉｅｄｌｍｅｉｅｒら、第１４回ＥｕｒｏｐｅａｎＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｏｌａｒＣｅｌｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＢａｒｃｅｌｏｎａ、Ｓｐａｉｎ１９９７；Ｒｅｄｉｎｇｅｒら、ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、頁０９２１１１（２０１０）；Ｓｃｒａｇｇ、ＰｈＤ論文、ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＢａｔｈ（英国）（２０１０）；Ｗｅｂｅｒ、ＰｈＤ論文、ＨｅｌｍｈｏｌｔｚＺｅｎｔｒｕｍＢｅｒｌｉｎ（独国）（２００９）で得られている。

Ｋａｔａｇｉｒｉらは、ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ、４９（１９９７）、４０７〜４１４において、アニーリング中にＳ／Ｓｅ雰囲気を使用することによってこの課題を解決することを提案している；しかし、この提案によってはスズ損失の低減が実現されるが、損失を完全に防止することはできない。

炉内のアニーリングは、通常、多様なガス：すなわち、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、Ｈ_２／Ｎ_２を一緒に含むＳ／Ｓｅ蒸気中で実施される。イオウ元素蒸気を加えたＮ_２ガス中でのアニーリングは、Ａｒａｋｉら、ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ、５１７（２００８）１４５７〜１４６０に記載されている。Ｎ_２及び５重量％Ｈ_２Ｓガス中のアニーリングは、Ｋａｔａｇｉｒｉら、ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ、４９（１９９７）４０７〜４１４に開示されている。Ｎ_２及び２０重量％Ｈ_２Ｓガス中のアニーリングは、Ｋａｔａｇｉｒｉら、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ、１（２００８）０４１２０１に記載されている。Ａｒ及びＳ元素蒸気中のアニーリング、或いはＡｒ及び５重量％Ｈ_２Ｓガス中のアニーリングは、Ｓｃｒａｇｇら、ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ、５１７（２００９）２４８１〜２４８４に示唆されている。Ｎ_２＋１０重量％Ｈ_２及び元素Ｓ蒸気中のアニーリングは、Ｓｃｒａｇｇら、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、６４６（２０１０）５２〜５９に開示されている。最後に、いくつかのアニーリング実験が、真空下でも実施されている。

したがって、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４半導体薄膜を製造する公知の方法の少なくとも一部の欠点を克服又は軽減することが本発明の目的である。

［発明の概要］
これまで、スズ損失の問題が立証及び言及されてきたが、全体の環境圧を単純に増加すること（例えば、Ｎ_２分圧を増加させることなどによって）以外では、この問題を処理する方策のための現実的な提案は存在しない。故に、本発明による手法は、アニーリングのプロセス中に（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体層を安定化することによってスズ損失を防止することを目的とする。同時に、本発明はまた、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体層を製作するための新規な方法を創出する。

本発明の第１の態様によれば、太陽電池用途のための（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜を製造する方法が提供される。上記方法は、Ａｇ及び／又はＣｕを備え、Ｚｎをさらに含む薄膜を形成するステップを備える。上記薄膜は、Ｓ及び／又はＳｅを含み、Ｓｎをさらに含む雰囲気中でアニールされ、上記薄膜の表面と実質的に接触する雰囲気中のＳｎ又はＳｎ化合物の蒸気圧が、上記薄膜に由来するＳｎの分圧以上である。

本発明を実施するさらなる有利な方式が、従属請求項において記載される。
アニールするステップの前に形成される上記薄膜は、Ｓｎをさらに含んでよい。
アニールするステップの前に形成される上記薄膜は、Ｓ及び／又はＳｅをさらに含んでよい。
上記薄膜をアニールするステップは、Ｓｎ元素又はＳｎ含有組成物の形態のＳｎ源を供給する工程と、上記薄膜と一緒に上記Ｓｎ源を加熱する工程とを有してよい。
上記Ｓｎ源は、Ｓ又はＳｅをさらに含むＳｎ含有組成物であってよい。
Ｓｎを含む雰囲気中で上記薄膜をアニールするステップは、Ｓｎ及びＳ／Ｓｅを含むガス流を供給する工程と、上記薄膜と一緒に上記ガスを加熱する工程とをさらに有してよい。
上記アニールするステップは、上記薄膜及び上記雰囲気を不活性容器内に封じ込める工程をさらに有してよい。
少なくとも１個の開口部が、上記容器中に設けられていてよい。
上記薄膜は、基板上に形成されてよい。
上記基板は、モリブデンであってよい。
形成された上記薄膜は、Ｚｎを含む少なくとも１つの層を有してよい。
形成された上記薄膜は、Ａｇ及び／又はＣｕを含む少なくとも１つの層を有してよい。
形成された上記薄膜は、Ｓ及び／又はＳｅを含む少なくとも１つの層を有してよい。
形成された上記薄膜は、Ｓｎを含む少なくとも１つの層を有してよい。

［利点］
本発明による（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４半導体薄膜の製造法の主たる利点は、以下の通りである：
上記方法によって、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体膜の製造が可能になり、スズの損失を防止することができる。上記方法によって、上記薄膜中のスズ含量の精密な制御が可能になり、したがって、こうした吸収体膜の製造を十分制御することが可能になる。本発明の方法に基づいて、最新技術を使用しても不可能であった十分に制御された（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４製造プロセスを確立することを可能にすることができる。
さらなる利点は、最終生成物が、従来の生成法によって作製された（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体と原理的に大きく相違しないという事実に由来する。しかし、本発明によって製造プロセスをはるかに良好に制御することを可能にすることができる。さらには、本発明によって、薄膜表面の性質を改良することを可能にすることができる。その理由は、Ｓｎ損失を防止できるからである。
本発明による新規なアニーリングプロセスは、従来から使用されているアニーリングプロセス以上には複雑ではなく、したがって、その工業的な実施において障害は全く予想されない。
以下、本発明のこうした態様及び他の態様を添付の図面を参照してさらに説明するが、それは例としてのみの説明である。

図１ａ）〜１ｃ）は、本発明の方法のステップの説明図である。図２は、本発明を実施する有利なステップの説明図である。図３ａ）及び３ｂ）は、本発明を実施するさらなる有利なステップの説明図である。図４ａ）〜４ｄ）は、本発明の方法と共に使用するための有利な薄膜の説明図である。図５は、照明下での２種のＣＺＴ（Ｓ，Ｓｅ）太陽電池の電流−電圧特性である。図６は、３種の異なるアニーリング実験の、斜入射Ｘ線回折走査、並びにエネルギー分散型Ｘ線マッピング及びライン走査結果を示す。図７は、Ｃｕ／Ｚｎ積層体が、それぞれａ）Ｓ＋ＳｎＳ_２及びｂ）Ｓｅ＋ＳｎＳｅ_２粉末と一緒にアニールされた場合の、ａ）ＣＺＴＳ及びｂ）ＣＺＴＳｅ薄膜のＸ線回折分析を示す。

［発明の詳細な説明］
本発明に従って、太陽電池用途のための（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜を製造及び安定化するための方法が提供される。図１ａに示されるように、Ａｇ及び／又はＣｕを含む薄膜２０が提供される。上記薄膜２０は、Ｚｎをさらに含む。図１ｂに示されるように、Ｓ及び／又はＳｅを含み、Ｓｎをさらに含む雰囲気３０中で、上記薄膜２０は高温Ｔ及び圧力ｐでアニールされる。上記薄膜２０の表面と本質的に接触している上記雰囲気３０中のＳｎ又はＳｎ化合物の蒸気圧は、それが上記薄膜２０から生じるＳｎ又はＳｎ化合物の分圧以上であるように調整される。この方法が、図１ｃに示されるように、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜２０を製造する。

本発明は、薄膜のアニーリング中に高蒸気圧でＳｎ、好ましくはＳ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ（ｈ、ｋ＝０．．．１である）を含む雰囲気を提供するステップによって、Ｓｎの脱着と組込みとの間の平衡を形成することが可能になり、スズ損失を示さない（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４の製造がもたらされるという成果に基づいている。

したがって、本発明は、Ｓ／Ｓｅ雰囲気中でかかる薄膜をそれぞれ熱処理し、アニールするのに適切であるのみならず、同様の方法により、Ｓ／Ｓｅ＋Ｓｎ又はＳ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ環境中でも適用される。したがって、本発明は、（ｉ）所要量のスズを含まない前駆体薄膜中へのスズの組込み、及び（ｉｉ）完全な（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜吸収体層のアニーリングプロセス中での安定化における適用に対して適切である。

図１ａ〜１ｃを参照する本発明の第１の態様によれば、任意の方法によって作製された、残りの金属とカルコゲンとの任意の組合せのスズ不含又はスズ不足前駆体薄膜２０は、上記前駆体薄膜２０にＳ／Ｓｅ及びＳｎを供給することによって、Ｓ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ雰囲気３０中でアニーリング／熱処理されて、所望の薄膜（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体層を形成及び安定化する。

かかるＳ／Ｓｅ＋Ｓｎ（Ｓ／Ｓｅ）_ｚ環境は、可能性のある多様な方法によって創出することができる。

図２を参照すると、Ｓｎを含む雰囲気３０中で上記薄膜２０をアニールするステップは、有利には、Ｓｎ元素又はＳｎ含有組成物の形態のＳｎ源４０を供給する工程と、上記薄膜２０と一緒に上記Ｓｎ源４０を加熱する工程とを有する。上記Ｓｎ源４０が、Ｓ又はＳｅをさらに含むＳｎ含有組成物であることがさらに好ましい場合がある。

図３ａ）に示されるように、上記アニールは、有利には不活性容器６０、好ましくはグラファイトボックス内で、管状炉（ｔｕｂｅｆｕｒｎａｃｅ）で行ってもよい。図３ｂ）に示されるように、少なくとも１個の開口部６１を上記容器６０に設けられていることがさらに好ましい場合がある。

図４ａ）を参照すると、少なくとも１つの層２１がＺｎを含み、少なくとも１つの層２２がＡｇ及び／又はＣｕを含む前駆体薄膜２０’を形成することが好ましい場合がある。図４ｂ）に例示されているように、少なくとも１つの層２３がＳ及び／又はＳｅを含む前駆体薄膜２０’’を形成することが好ましい場合がある。また、図４ｃ）に示されるように、少なくとも１つの層２４がＳｎを含む前駆体薄膜２０’’’を形成することが好ましい場合がある。

図４ｄ）に示されているように、Ｚｎを含む少なくとも１つの層２１、Ａｇ及び／又はＣｕを含む少なくとも１つの層２２、Ｓ及び／又はＳｅを含む少なくとも１つの層２３、及びＳｎを含む少なくとも１つの層２４を有する薄膜２０’’’’を使用することが有利な場合がある。上記の層２１、２２、２３、２４を要求に応じて組み合わせてもよく、こうした層の任意の１つ又は複数が、中間層の有無に拘らず上記薄膜２０中で反復されてもよいことは当業者に理解されよう。

スズを前駆体薄膜内に組込んで所望の（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体層を形成することは、試料の内／外へのＳｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋの内向き及び外向き拡散が平衡に到達するまで試料内へＳｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋが内向き拡散（ｉｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）することによって実施される。さらには、Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋの内向き及び外向き拡散（ｉｎ− ａｎｄｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）の平衡の形成によって、スズ損失によって上記試料が劣化することが防止される。

この最後の効果は本発明の第２の態様：すなわち、アニーリング／熱処理ステップ中の（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４吸収体層の安定化をもたらす。この場合、すべての金属及び／若しくはカルコゲンを含む前駆体薄膜２０、又は成長したそのままの（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜（ａｓ−ｇｒｏｗｎ（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４ｔｈｉｎｆｉｌｍ）の、Ｓ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ環境３０中でのアニーリング／熱処理は、試料の内／外へのＳｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋの内向き及び外向き拡散の類似の平衡をもたらす。前に議論したように、かかる平衡によって上記試料がスズ損失によって劣化することが防止される。所要のＳ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ雰囲気３０は、所要のＳ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ雰囲気３０は、考え得る多様な方法によって取得することができ、例の中でもとりわけ、Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ粉末と一緒のＳ／Ｓｅ元素（又はＨ_２Ｓ／Ｓｅガス若しくはその他）によって、すなわちＳｎ元素をＳ／Ｓｅ元素と一緒に導入することによって、Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ＋Ｓ／Ｓｅを形成するか又は所望量を超えるＳｎ及びＳ／Ｓｅを上記試料内に供給することにより得ることができ、所望量を超えるＳｎ及びＳ／Ｓｅは、その後Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ損失と上記試料内へのＳｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ組込みとの平衡が実現するまで、例えばＳｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ形態で環境内に部分的に放出される。必要なＳ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ環境を供給するためのさらなる方法を、本発明の基本概念を変更しないものから考え出すことは可能である。

したがって、本発明の方法は、スズ損失の公知の課題を解決するのに必要なアニーリング／熱処理ステップのための優れた機構を提供し、該方法は、前もってスズを含んでいない前駆体材料中にスズを組込む新規な方法をさらに提供する。

本発明の方法は、Ｓ／Ｓｅ＋Ｓｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋ雰囲気中でのアニーリングによるスズを含まない前駆体中へのスズの組込みと、成長したそのままのＣｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜のそのアニールするステップ中での安定化との両方について首尾よく試験された。

図４ａ）に例示されたように、基板１０としてのＭｏ上のＺｎ層２１とＣｕ層２２の積層体からなる前駆体薄膜２０’は、電析法を使用して作製された。次いで、この前駆体は、４個の等しい断片に切断され、そのうちの３個がＳ環境のみでアニールされ、その後、その３個のうちの２個がＳ＋ＳｎＳ_ｚ環境でアニールされた。図３に示されるように、管状炉内のアニーリングはグラファイトボックス内で行われ、そのボックスの中に試料がＳ元素及び粉末状ＳｎＳ_２と一緒に入れられた。両方の場合の条件は以下の通りであった：
真空下（ｐ＝１０^−３ミリバール）Ｔ＝１００℃で６０分間
ｐ＝５００ミリバールの９０％Ｎ_２＋１０％Ｈ_２でＴ＝５６０℃で１２０分間
ボックスの容積：２４．３ｃｍ^３（蓋に直径２ｍｍの孔を有するボックス）
イオウ元素の質量ｍ_ｓ約１００ｍｇ（過剰に投入されている）
粉末状ＳｎＳ_２の質量ｍ_ＳｎＳ２約１０ｍｇ（Ｓ＋ＳｎＳ_ｚアニーリングの場合、過剰に投入されている）。

ＥＤＸ測定によって試験したところ、このアニーリングの成果は、Ｓ中でのみアニールされた４個中の１個が、薄膜内にＳｎの徴候を示さずに、Ｓの徴候のみを示したが、Ｓ＋ＳｎＳ_ｚ環境で追加的にアニールされた２個中の１個が、膜内に所望量のＳｎ（及びＳ）を実質的に示し、その量は、所望の組成のＣｕ_２ＺｎＳｎＳ_４を形成するのに必要なものであったということであった。Ｓｎ環境中のアニーリング実験は、Ｓｅ元素及び少量のＳｎＳｅ_２微細結晶を用いてアニールした点以外は同じ条件を使用し、Ｓｅ及びＳｅ＋ＳｎＳｅ_ｚを用いて首尾よく反復された。

２つの場合において所望のＣｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ／Ｓｅ）_４化合物が形成されたことを確認するために、最初に、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析が実施され、所望の結晶構造を証明し、２番目にエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）が上記薄膜の化学量論的組成を確かに確認し、最後に、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）が、均一層を確かに示した。こうした分析に加えて、光電気化学測定が実施され、ｐ型半導体性及び光導電特性を、文献データを参照しながら確認することができた。特に、吸収測定によって、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４のバンドギャップが、約１．４〜１．５ｅＶであると測定することができ、この値は、文献値と良く一致しており、太陽電池を作製しようとした最初の試みでは、０．３４％という低い効率が示された（この特定の試料の非化学量論組成にも拘らず）。

成長したそのままのＣｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜のそのアニールするステップ中での安定化の点を証明するために、以下の条件下での物理蒸着（ＰＶＤ）によって３種のＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４薄膜を並行して成長させた：
試料温度３３０℃におけるＣｕ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＳｅの単一ステップ共蒸発、
ＥＤＸにより推定された組成：Ｃｕ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）＝０．８８；Ｚｎ／Ｓｎ＝１．０８

試料１を使用して太陽電池を作製した。この成長したそのままの試料は、効率０．１４％を示す。

試料２は、Ｓ＋（Ｈ_２／Ｎ_２）環境中でアニールされた。成長したそのままの試料に比較して、ＥＤＸ分析によってＳｎ損失が明らかにされる。表面形態分析では、単一相は見られず、表面領域の激しい劣化が起きたことは明白である。結果として、完成した太陽電池は、非常に低い性能（約０．０２％）しか示さない。

試料３は、Ｓｎ元素及び（Ｈ_２／Ｎ_２）を一緒に含むＳ雰囲気中でアニールされた。アニーリング中を通じて、Ｓｎ＋ＳがＳｎＳ_ｚを形成し、ＳｎＳ_ｚの内向き及び外向き拡散平衡によって試料のＳｎ損失が防止される。アニーリング前後で測定されたＥＤＸ比は、誤差範囲内で同一であり、これは、膜中で同じ濃度のＳｎが維持されたことを示す。試料２と対照的に、表面形態分析により単一相が見られる。この吸収体から実行された太陽電池は、最高効率５．４％を示す。これは、試料１及び２に比較して極めて大きな改良である。

本発明者らは、Ｓｎ又はＳｎ_ｈ（Ｓ／Ｓｅ）_ｋの追加の存在下でのアニーリングは、スズの損失を防止し、したがって自己調整方式で組成物を安定化するのみならず、前駆体中にスズを組込むための新規な方法として使用することもできることを示した。両方の効果は、非常に望ましく、太陽電池及び他の用途のためのケステライト系半導体膜（ｋｅｓｔｅｒｉｔｅ−ｂａｓｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｌｍｓ）の作製を大きく改良することになる。

基板１０のための現在好ましい材料は、モリブデン（Ｍｏ）であるが、他の適切な基板もまた使用することができる。

［実験データ］
上で議論したように、銅−亜鉛−スズ−カルコゲニドケステライト、すなわち、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４及びＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳ（ｅ））は、すべての構成成分が天然に極めて豊富に存在すること、１．０〜１．５ｅＶの範囲の同調可能直接バンドギャップ、大きな吸収係数、及び１０％に近い実証電力変換効率のために、大規模薄膜太陽電池作製用の理想的な候補である［１］。しかし、高温（約４００℃）［２〜５］でのＣＺＴＳ（ｅ）からのＳｎＳ（ｅ）脱着を介してのＳｎ損失が膜組成及び膜均一性の完全な制御を妨害する。全く粗野でなく、実行可能な製作プロセスが、現在利用可能である。ここで、本発明者らは、ケステライト吸収体の形成反応を理解することが、成長プロセスを制御し、太陽電池効率を劇的に改良するための鍵であることを示す。さらには、本発明者らは、この知見が、（４種の異なる要素によって張られた）４次元パラメーター空間を容易で強固な２次元的なプロセスに単純化するのに使用できることを実際に示す。ＳｎＳ（ｅ）及びＳ（ｅ）の十分に高い分圧によって、（ａ）高温でのＣＺＴＳ（ｅ）の分解反応が防止され、（ｂ）如何なる失われたＳｎもＳｎ欠乏膜内に導入される。この発見によって、吸収体製作に使用される前駆体膜をＣｕ／Ｚｎ含有層に単純化することが可能になり、Ｓｎ及びＳ（ｅ）が、自己調整プロセスによってガス相から導入される。

コスト的に有利な太陽電気のための主な課題は、便利で製造可能な形態で太陽光の低コスト捕捉及び変換を可能にする技術を提供することである［６］。強固で実施可能な製造プロセスを定義することが可能であれば、ケステライトは、その原料コストが極端に低いのでこうした技術で大きな役割を果たすことができる。ＣＺＴＳ（ｅ）薄膜を作製するために、この１０年間に多様な異なる手順が導入されている。太陽電池効率の点で最も成功したのは、液体系プロセスであり、そこでは、すべての構成成分がヒドラジン溶液に溶解され、その溶液が、モリブデンコートガラス基板上にスピンコートされ、次いで、ホットプレート上で５４０℃まで短時間アニールされる［１］。この技法を用いて最高記録の効率９．７％が達成されたが、他方、真空系プロセスは７％未満の効率を示す［７〜９］。真空プロセスの主な問題は、４００℃超の温度におけるＳｎの損失であり［２〜５］、この損失は、ＣＺＴＳ（ｅ）の分解反応を介して生ずる［４］。最も高性能なデバイスは、高速共蒸発［８］（４．１％ＣＺＴＳ太陽電池）によって、低温共蒸発とそれに続くアニーリングによって［７］（６．８％ＣＺＴＳ）、又はＨ_２Ｓ雰囲気中の前駆体のアニーリングによって［９］（６．７％ＣＺＴＳ）製造された。こうした方法は、実験的に開発された。太陽電池に適したＣＺＴＳ（ｅ）薄膜を形成するための要件を記載した文献全体を通して、意見の一致は見られていない。いくつかの慣例のアニーリングが有利である理由、及びどのステップが有害であるかが明白ではない。ここで本発明者らは、太陽電池性能を制約する重要な物理機構は、慣例の作製に依存しないＳｎの損失であり、太陽電池性能を改良するための方式は、分解反応の化学平衡の使用によってＳｎの損失を防止することであることを示したい。

図５は、照明下の２種のＣＺＴ（Ｓ，Ｓｅ）太陽電池の電流−電圧特性を示す。プロセスＡ：イオウのみの中でのアニーリング、プロセスＢ：イオウ及びＳｎＳ（ｇ）中のアニーリング。

図５は、２つの異なるアニーリング手順によって製造された２つの試料の太陽電池性能を示す。両方の前駆体は、基板温度３３０℃でＭｏコートガラス基板上でのＣｕ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＳｅの共蒸発によって形成された。エネルギー分散型Ｘ線分析から推定された両方の前駆体の組成は、Ｃｕ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）＝０．９及びＺｎ／Ｓｎ＝１．１であることが判明した。こうした値は、最高効率の太陽電池で観測されたものに近い［１、７、及び９］。選択された処理温度は、Ｓｎの損失を防止するのに十分な低さであり、したがって、膜組成の完全な制御が可能である［５］。追加のアニーリングステップは、薄膜の結晶性を改良するのに必須である。熱処理は、温度５６０℃で１２０分間過剰のイオウ雰囲気で小さいグラファイトボックスで実施された。これは、ＳによるＳｅの不完全置換、すなわち、関連のＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２化合物で周知の現象をもたらす（例えば、［１０］を参照されたい）。混合ＣＺＴ（Ｓ／Ｓｅ）薄膜は、現在では、最も高性能なデバイスである［１］。第１の実験（プロセスＡと表示された）では、膜は、１ミリバール形成ガス及びペレット形態で供給される過剰のイオウ元素中でアニールされた。図５に示された電流−電圧特性は、デバイスの性能が許容できないことを例示している。効率０．０２％、及び極端に小さい短回路電流Ｊ_ＳＣ＝０．７２ｍＡ／ｃｍ^２、及び開回路電圧Ｖ_ＯＣ＝８０ｍＶが観測された。第２の実験（プロセスＢ）では、追加の１ｍｇＳｎがボックスの中に存在することを除いて上記アニーリング手順が反復された。図５は、短回路電流Ｊ_ＳＣ＝２０ｍＡ／ｃｍ^２、及び開回路電圧Ｖ_ＯＣ＝４９７ｍＶ、及び例Ａより２桁超も高い効率５．４％を有する、得られた太陽電池の電流−電圧特性を示す。上記電池は、量子効率測定によって示された約１．２ｅＶのバンドギャップを示す（補助的な図６を参照されたい）。ＣＺＴＳｅの硫化中に、ＥＤＸ分析で推定されたように、Ｓｅの約５０％が、Ｓで置換された。太陽電池の性能は、他の報告されたＣＺＴ（Ｓ，Ｓｅ）太陽電池と同様に直列抵抗３Ωｃｍ^２によって制限される［７］（太陽電池パラメーター用の補助表１を参照されたい）。プロセスの再現性の試験は首尾よく実施され、組成及びアニーリング手順の点でのさらなる最適化は、これまでのところ実施されていない。本発明者らは、追加のＳｎなしでアニールすることによってさえも、これまでのプロセス（Ａ）のものより良好な太陽電池を作製したが、これは、プロセス（Ｂ）の結果はさらに最適化することができることを示す。しかし、プロセス（Ａ）及び（Ｂ）によって追加のＳｎがある場合とない場合のプロセスの直接的な比較が可能になる。その結果は、吸収体形成中のＳｎ源の有利な効果を明確に示す。

真空中で５００℃以上までのＣＺＴＳ膜のアニーリングが分解をもたらすことは公知である。Ｗｅｂｅｒらは、ｉｎｓｉｔｕＸ線回折及び蛍光測定によって、ＣＺＴＳが分解して固体Ｃｕ_２Ｓ及びＺｎＳになることを示した［４］。彼らは、揮発性のＳｎＳ及びＳが試料から失われたことを暗示している。この反応によれば、Ｓｎの損失はＳｎＳ（ｅ）の脱着を介して進行する。ＳｎＳ及びＳｎＳｅは、４００℃超で大きな蒸気圧を有する材料である［１１及び１２］。提案された分解反応は、真空中で生じ、揮発性種は冷たい壁上で凝縮する、すなわち、このプロセスは平衡からははるかに遠い。しかし、条件が平衡に到達できるようなものであれば、分解反応は、揮発性生成物の分圧が飽和圧力ｐ_ｖに到達するとすぐに停止する。次いで、固体化合物は、その蒸気と動的平衡になる。したがって、アニールすると、ＳｎＳ（ｅ）及びＳは、その分圧がｐ_ｖより小さい場合にのみ蒸発する。式１は、Ｗｅｂｅｒ［４］によって提案された分解反応に基づいて、提案の化学量論平衡反応を例示しているが、今や、生成物の十分大きい所与の圧力により、反応はＣＺＴＳ（ｅ）に向かって進行することを示している（←→で例示）。
Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ｓ）←→Ｃｕ_２Ｓ（ｓ）＋ＺｎＳ（ｓ）＋ＳｎＳ（ｇ）＋１／２Ｓ_２（ｇ）（１）

これは、実験（Ａ）ではＳｎＳ（ｅ）の損失はいかなる大きなＳｎＳ（ｅ）分圧によっても補償されず、そのために、たとえＳｎ損失は膜の全体の組成では微細であっても表面領域からのＳｎの損失をもたらすことを説明している。明白ではあるが、プロセス（Ａ）によって得られた不十分な効率によって示されるように、Ｓｎ枯渇表面の電子構造は、ｐ／ｎ接合の形成に好ましくない。実験（Ｂ）では、追加のＳｎは、Ｓの存在下ですみやかにＳｎＳ（ｇ）に転換され、このＳｎＳ（ｇ）が、アニーリングプロセスのまさに最初から必要なｐｓを供給する。結果として、ＣＺＴＳ（ｅ）の分解が阻害される。

式（１）に基づいて、過剰のＳ（ｅ）雰囲気はまた、分解反応を停止させることを仮定することができると思われる。しかし、Ｓ（ｅ）の必要な分圧は、ＳｎＳ（ｓ）→ＳｎＳ（ｇ）の場合における約１０^−３ミリバールと比較して５５０℃でＳ_２の飽和分圧約１０^−１ミリバールを有する、ＳｎＳ_２→ＳｎＳ（ｓ）＋１／２Ｓ_２（ｇ）の分解から推論できるように、非常に高い［１１］。さらには、アニーリングボックス中のＳ（ｅ）元素は、大部分がＳ（ｅ）_８環を形成するが、これは反応性Ｓ（ｅ）_２の圧力とバランスするのに不適切である。したがって、平衡に到達するための唯一の方策は、ｐ_ｖにすみやかに到達するためにＳｎＳ（ｅ）又は反応性Ｓ（ｅ）_２を供給することであり、その理由は、このことが、式（１）に示された分解反応を防止するからである。

提示された太陽電池の結果から、本発明者らは、Ｓｎ損失の制御が優れた太陽電池を形成するための要件であると結論する。この場合、このＳｎ損失の制御は、Ｓ（ｅ）の存在下でＳｎ元素をアニールする空間内に導入することによって実現される。Ｓｎ元素は、揮発性ＳｎＳ（ｅ）の分圧を形成し、分解を防止する。次いで、式１の平衡が、反応側に向かって、すなわち、ＣＺＴＳ（ｅ）に向かって移動する。この平衡の制御が、高品質ＣＺＴＳ（ｅ）膜への鍵である。

上記平衡を調査するために、本発明者らは、Ｍｏコートガラス上に電析されたＣｕ及びＺｎのみの積層体から出発して、一連のアニーリング実験を実施した。金属積層体の厚さは最終ＣＺＴＳ組成に合うように選択される。

以下に記載された３種のアニールする実験材料が、単一試料から連続して製造された。（Ｉ）と表示される第１のアニーリングは、Ｃｕ_ｘＳ＋ＺｎＳを形成するために、温度５６０℃で１２０分間イオウ雰囲気中で実施される。したがって、アニーリング（Ｉ）は、ガス相種、ＳｎＳ及び１／２Ｓ_２が存在しないことを除けば、式１の右手側に等価な試料をもたらす。（ＩＩ）と表示される第２の熱処理は、温度５６０℃で１２０分間イオウ及びＳｎＳ雰囲気中で実施されて、ＣＺＴＳを形成し、式（１）の左手側に反応を推し進める。ＳｎＳ（ｇ）の供給は、ＳｎＳ_２粉末をボックス内に導入することによって実現される。固体ＳｎＳ_２は、すみやかに分解してＳｎＳ（ｇ）＋１／２Ｓ_２（ｇ）になることは公知である［１１］。第３の実験（（ＩＩＩ）と標識された）では、ＣＺＴＳ薄膜は、温度５６０℃で６時間真空中、すなわち、非常に低いＳｎＳ分圧下でアニールされる。式（１）によれば、薄膜は、分解してＣｕ_ｘＳ及びＺｎＳになるべきである。試料は、斜入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー及び波長分散型Ｘ線マッピング（ＥＤＸ／ＷＤＸ）によって調査された。

図６は、３つの異なるアニーリング実験の斜入射Ｘ線回折走査であり、それによって式（１）で提案された平衡が明らかにされる。走査（Ｉ）：Ｓ（ｇ）中でのＣｕ／Ｚｎ積層体のアニーリング後。走査（ＩＩ）：Ｓ（ｇ）及びＳｎＳ（ｇ）中でのＣｕ_９Ｓ_５とＺｎＳとの混合膜のアニーリング後。走査（ＩＩＩ）：真空中でのＣＺＴＳのアニーリング後。同定された相：−ＺｎＳ、−−Ｃｕ_９Ｓ_５、−−Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４、＊Ｍｏ基板、＃ＭｏＳ_２（方法の章で示されたＪＣＰＤＳ図形）、ｂ（２２０）ＣＺＴＳ反射上の拡大図。（ｃ）（ｅ）（ｇ）ＥＤＸ平面図マッピング：赤−Ｃｕ、緑−Ｚｎ、青−Ｓｎ、詳細は本文を参照のこと。（ｃ）はプロセス（Ｉ）に対応し、ｅはプロセスＩＩに対応し、ｇはプロセスＩＩＩに対応する。ｄはｃで示された走査線、ｆはｅで示された走査線、ｈはｇで示された走査線である。ＳＥＭ像中の棒は、３μｍに等しい。

図６（ａ）及び（ｂ）は、異なる加熱ステップのＸＲＤ分析を示し、ＥＤＸマッピング結果は図６（ｃ）〜（ｈ）に示されている。第１のアニーリング（Ｉ）では、ＺｎＳ及びＣｕ_９Ｓ_５、すなわち、わずかに銅が不足のＣｕ_２Ｓに由来する反射が同定される。さらには、Ｍｏ基板（＊によって表示される）及びＭｏＳ_２（＃によって標識される）の少ない寄与が見られる。ＷＤＸ分析は、Ｃｕ／Ｚｎ組成１．６をもたらす。図６（ｃ）に示された表面のＥＤＸマッピングによって、本発明者らがＣｕ_ｘＳ及びＺｎＳ粒の横方向分布を分析することが可能になる。ＣｕＫ線に等しいエネルギーを有するＸ線強度は、赤で色分けされ、ＺｎＫ線は、緑に着色される。２つのＥＤＸ像を合成した後は、赤及び緑のみが見えることから、Ｃｕ及びＺｎの信号の混合は生じていない。これは、ＥＤＸ走査線が示されている図６（ｄ）で確認される。Ｃｕ及びＺｎの信号は、反相関であり、これはＣｕ_２Ｓ及びＺｎＳが混合しないことを意味することが明確に見える。

ＳｎＳが存在するアニーリング（ＩＩ）のＸＲＤ分析では、図６（ａ）で示されるように、Ｃｕ_ｘＳの兆候はもう見えなかった。さらには、追加の反射は、ＣＺＴＳが形成された（２θ＝２９．７°、３７°、３８°、４５°を参照されたい）ことを裏付けている。ＺｎＳ及びＣＺＴＳの主な反射は、非常に接近しているので（２θ＝２８．５°及び４７．３°）、本発明者らは、変換されてＣＺＴＳになっていない残留ＺｎＳの存在を排除することができない。しかし、図６（ｂ）に示されるより低角度への小さなシフトは、ＺｎＳの大部分が消費されたことを保証する。これは図６（ｅ）及び（ｆ）で明白であり、それらの図では、Ｃｕ、Ｚｎ、ＳｎのＥＤＸ信号は、Ｃｕ及びＺｎが強い反相関を示した図６（ｃ）と完全に対照的に強い相関を示す。さらにより興味深いことには、得られたＷＤＸ濃度比、すなわち、Ｃｕ／（Ｚｎ＋Ｓｎ）＝０．７８及びＺｎ／Ｓｎ＝０．９７は、高性能太陽電池吸収体に対する最適値に非常に近い。これは、ＳｎＳを介してのＳｎの組込みは、ランダムな様式ではなくて自己制御的に進行することを示す。

十分なＣｕ_ｘＳ及びＺｎＳが存在する限り、ガス相からのＳｎＳ及びＳは膜内に組込まれてＣＺＴＳを形成する。このモデル実験は、式（１）が、揮発性種の分圧を制御することによってＣＺＴＳを形成するのに使用できることを示す。提示した場合では、Ｓｎ源の存在がＣＺＴＳ側への反応を推し進める。当然のことながら、完成ＣＺＴＳ吸収体を用い、ボックス中にＳ又はＳｎＳ_２を存在させずに第３回目のアニールするステップを反復することによって状況は逆転させることができる。Ｓ及びＳｎＳ分圧を最小まで低減するために加熱（ＩＩＩ）が、真空下で実施された。６時間の加熱後、ＸＲＤ分析（図６（ａ））に示されるように、上記ＣＺＴＳは変換されてＣｕ_ｘＳ及びＺｎＳに戻った。ＷＤＸ分析によってＳｎ濃度は、わずか０．２原子％と分析され、図６（ｇ）、（ｈ）に示されたマッピングは、ふたたび反相関である。

式（１）の平衡に基づいて、本発明者らは、Ｓｎ損失を防止し、高品質の吸収体及び表面を実現するためには、（ｉ）ケステライト吸収体の任意の前駆体のアニーリングプロセスのアニールするステップ中に、過剰のＳｎＳ（ｅ）が存在しなければならない、（ｉｉ）共蒸発プロセスではＳｎＳ（ｅ）の約１０^−３ミリバールという高分圧が必要である、（ｉｉｉ）熱分解源からの反応性Ｓ（ｅ）_２種は、Ｓｎ損失を防止するのに十分高い分圧を供給しないことを予測している。こうした予測は、これまでまずまずの効率を有するケステライト太陽電池を実現するプロセスによって部分的に確認されている：非常に速い共蒸発プロセス［８］又は非常に短いアニーリングプロセス［１及び７］は、分解反応に利用できる時間を最小にし、したがってＳｎ損失を低減するのである。Ｈ_２Ｓ中のアニーリング［９］は、反応（１）をＣＺＴＳに向けて推し進めるＨ_２Ｓの分解を介して十分高い分圧のＳラジカルを供給することができる。

図７は、ａ）ＣＺＴＳ及びｂ）ＣＺＴＳｅのＸ線回折分析を示す。ａ）Ｓ及びＳｎＳ_２ペレットを用いてアニールされたＣｕ／Ｚｎ積層体。大部分のピークは、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４ケステライト相（−）として同定することができる。さらには、Ｍｏ（＊として表示された）及びＭｏＳ_２（＃として表示された）の少ない寄与が同定された。ｂ）Ｓ及びＳｎＳｅ_２ペレットを用いてアニールされたＣｕ／Ｚｎ積層体。反射は、ＣＺＴＳｅ（−）、Ｍｏ及びＭｏＳｅ_２（§として表示された）に割り当てることができる。ＪＣＰＤＳデータに関しては方法の章を参照されたい。

さらなる予測は、Ｓｎ組込みの自己調整性は、作製プロセスを劇的に単純化するのに使用することができる。図７は、Ｃｕ／Ｚｎ積層体が（ａ）Ｓ及びＳｎＳ_２並びに（ｂ）Ｓｅ及びＳｎＳｅ_２中で直接アニールされているプロセスの結果を示す。ＸＲＤ分析は、両方の場合において四元半導体が形成されたことを裏付けている。すべての反射は、基板に由来するＭｏ及びＭｏＳ_２を除いてＣＺＴ（Ｓ，Ｓｅ）として同定することができる。ＥＤＸの結果は、ふたたび組込みが自己制御方式で進行し、二次相をＸＲＤによって検出することができないことを示す。文献値と比較した場合のＣＺＴＳｅの格子定数の小さな相違は、アニーリング炉に依然として存在し、そのために膜内に組込まれた少量のＳのためである。

結論として、本発明者らは、ＣＺＴＳ（ｅ）を形成するための成長反応を理解することが太陽電池効率を劇的に改良するための鍵であることを示した。高品質ｐ型表面を形成するためには、Ｓｎ損失は、制御されなければならない。過剰のＳｎ＋Ｓをアニーリング環境に組込むことによって、太陽電池効率が顕著に及び再現性良く２桁超も改良される。さらには、提示された発見は、非常に簡単な前駆体、すなわち、Ｃｕ／Ｚｎ積層体及び１つのアニールするステップに基づいてＣＺＴ（Ｓ，Ｓｅ）薄膜を製造するための独特な可能性を提示する。ＣＺＴＳの最終組成は、Ｓｎ及びＳが自己制御方式で含まれるので前駆体中のＣｕ／Ｚｎ比を制御することによって簡単に左右することができる。記載の平衡反応は、ＣＺＴＳ、ＣＺＴＳｅ及び混合ＣＺＴＳ（ｅ）薄膜に関して妥当である。４要素で張られた４次元パラメーター空間が２次元に縮小される。

［方法］
物理蒸着
ＣＺＴＳｅ薄膜は、ベークアウトなしで基礎圧力１・１０^−８ミリバールを用いて分子線エピタキシーシステムで物理蒸着によって作製されている。噴散セルが、市販のＭｏコートソーダ石灰ガラス上でＺｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、及びＳｅを蒸発させるのに使用される。試料温度は、高温計で測定され、堆積速度は、石英結晶モニター、電子線発光分光法システム、及びビームフラックスモニターで制御される。

電析
低コストのＣＺＴＳ及びＣＺＴＳｅ薄膜は、Ｍｏコートソーダ石灰基板上へ３電極モードの定電圧で実施されるＣｕ／Ｚｎ積層体の逐次電析をした後、Ｓｎ及びＳを組込むアニールするステップによって製造する。電析では、基板は、電析溶液中に面を下にして置かれた円筒状ポリプロピレンブロックに対面して搭載され、堆積中、回転される。酸性ＺｎＣｌ_２溶液からのＺｎの堆積に対しては、白金ホイルカウンターとＡｇ｜ＡｇＣｌ参照電極が、塩基性ＣｕＳＯ_４溶液からのＣｕの堆積に対しては、白金ホイルカウンターとＨｇ｜ＨｇＯ参照電極が、それぞれ使用された。堆積と堆積の間に、層は、脱イオン水で完全にすすがれ、窒素で乾燥された。Ｃｕ堆積用の水溶液は、３ＭＮａＯＨ、０．２Ｍソルビトール、０．１ＭＣｕＳ０_４・７Ｈ_２０、及び０．９３ｍＭのＥｍｐｉｇｅｎを含み、堆積電位は、−１．２０Ｖである。Ｚｎ堆積用の水溶液は、３ＭのＫＣｌ、５０ｍＭのＺｎＣｌ_２、１重量％ｐＨ３ヒドリオン緩衝液、及び０．２重量％ポリ［ビス（２−クロロエチル）エーテル−ａｌｔ−１，３−ビス［３−（ジメチルアミノ）プロピル］−尿素］を含み、堆積電位は、−１．２４Ｖである。記載の堆積電位はすべて、飽和カロメル電極に対するものである。

アニーリング炉
Ｃｕ／Ｚｎ前駆体及び成長したままのＣＺＴＳｅ試料のアニーリングは、真空／ガス機能を用いて管状炉で実施された。基板は、過剰のＳ（ｅ）及び過剰のＳｎＳ（ｅ）_２、過剰のＳｎと一緒にグラファイト容器内部に置かれ、その容器が、それぞれ管状炉内に移動される。ボックスの容積は、２４．３ｃｍ^３に等しく、小孔（直径＝２ｍｍ）によってアニーリング前にバックグランドガスの充填が可能である。Ｃｕ／Ｚｎ前駆体は、５００ミリバールの９０％Ｎ_２＋１０％Ｈ_２を形成するガス雰囲気中５６０℃で２時間アニールされ、成長したそのままのＣＺＴＳｅ試料は、約１ミリバールの形成ガス下でアニールされた。

デバイス製作
太陽電池を製作する前に、表面からいかなる銅スルフィド／セレニド相をも除去するために、膜はＫＣＮ（５重量％）水溶液中でエッチングされた。デバイスは、ＣｄＳが堆積される化学浴、続いてのｉ−ＺｎＯ及びＡｌ：ＺｎＯ層のスパッタリング及びＮｉ／Ａｌ接触グリッドによって形成された。

ＪＶ特性評価
太陽電池の特性評価は、家庭用電流−電圧設定で実施された。ハロゲン（ＥＬＨ１２０Ｖ）ランプ由来の照明電力１０００Ｗ／ｍ^２が使用される。試料ホルダーは、試料下部に位置するペルチェ素子を介して２５℃まで調整される。

Ｘ線回折
Ｘ線回折は、Ｃｕ源（Ｋα_１＋２線）からのＸ線の入射角θ＝０．７５°を用いて斜入射モードで室温で実施された。走査範囲は２０°〜８０°に設定され、積算時間は３秒、ステップサイズは０．０１°に設定された。相の同定は、ＪＣＰＤＳデータベース２００８に基づいている。マニュスクリプトを通じて使用したディフラクトグラムは、Ｍｏ（ＰＤＦ：０４−００１−００５９）、ＭｏＳ_２（ＰＤＦ：０４−００４−４３３０）、ＭｏＳｅ_２（ＰＤＦ：０４−００３−６６２３）、ＺｎＳ（ＰＤＦ：００−００５−０５６６）、Ｃｕ_９Ｓ_５（ＰＤＦ：００−０２３−０９６２）、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＰＤＦ：００−０２６−０５７５）、及びＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＰＤＦ：０４−０１０−６２９５）である。最後のものの場合、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４試料が約１０原子％のＳも含んでいたので、データベースからのＰＤＦの単位胞パラメーターは、測定スペクトルに合わせるために、より小さい値（ａ＝５．６５４Å、ｃ＝１１．２７４Å）に変更された。

エネルギー及び波長分散型Ｘ線分析
組成分析は、冷陰極電界放出走査電子顕微鏡に取り付けられたエネルギー及び波長分散型Ｘ線分析システム（ＥＤＸ／ＷＤＸ）を用いて実施された。全組成は、２０ｋｅＶ電子エネルギーで測定され、表面上の３種の異なる点が平均化されて代表測定値を得る。ＥＤＸマッピングは、面積約６００μｍ^２にわたって走査することによって実施され、エネルギー２０ｋｅＶが使用される。元素は以下のように同定される。それぞれの元素は、放射Ｘ線スペクトルの小エネルギー範囲にわたる積分を介して同定される。例Ｃｕ、線：Ｋａ１、エネルギー：８．０５ｋｅＶ、積分：７．９５〜８．１５ｋｅＶ；Ｚｎ、線：Ｋａ１、エネルギー：８．６３ｋｅＶ、積分：８．５５〜８．７４ｋｅＶ；Ｓｎ、線：Ｌａ１、エネルギー：３．４５ｋｅＶ、積分：３．３８〜３．５０ｋｅＶ。像は、以下のように処理される：それぞれの元素マップは、着色され、表面の形態に重ねられる。元素マップの色が、加えられて相関効果を視覚化する。Ｃｕ信号は、赤に着色され、Ｚｎ信号は、緑に着色され、Ｓｎ信号は、青に着色される。したがって、Ｃｕ、Ｚｎ及びＳｎからなる粒は、白として表示され、バックグランドとして灰色のＳＥＭ像がある。したがって、Ｃｕ、Ｚｎ及びＳｎ（存在する場合）が、分離されている粒は、その元素に帰属するそれぞれの色で表示される。

本発明の方法は、（Ａｇ_ｘＣｕ_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４系における応用に限定されるのみならず、本方法は、ＡがＣｕ、Ａｇ、Ａｕのうちの少なくとも１種から選択され、ＢがＺｎ、Ｃｄ、Ｈｇのうちの少なくとも１種から選択され、ＣがＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのうちの少なくとも１種から選択され、ＤがＯ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏのうちの少なくとも１種から選択されるＡ_２ＢＣＤ_４系から形成できる考え得るすべての化合物においても応用できることを述べておく。本発明の方法は、それぞれのアニーリング環境及び条件に対応してそれぞれのこうした化合物に合うように容易に構成し得ることは当業者には明白である。

当業者であれば、多数の他の有効な代替形態を思いつくことは疑いの余地がない。本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されず、本明細書に添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内にあり、当業者には明白である改変形態も包含することを理解されたい。

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Claims

Ａｇ及び／又はＣｕを含み、Ｚｎをさらに含む薄膜（２０）を形成するステップと、
Ｓ及び／又はＳｅを含み、Ｓｎをさらに含む雰囲気（３０）中で、前記薄膜をアニールするステップと、
を備え、
前記薄膜の表面と本質的に接触している雰囲気（３０）中のＳｎ又はＳｎ化合物の蒸気圧が、前記薄膜（２０）から生じるＳｎの分圧以上である、
（Ａｇ_ｘＣu_１−ｘ）_２ＺｎＳｎ（Ｓ_ｙＳｅ_１−ｙ）_４薄膜を製造する方法。
アニールするステップの前に形成される前記薄膜（２０）がＳｎをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
アニールするステップの前に形成される前記薄膜（２０）がＳ及び／又はＳｅをさらに含む、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
前記薄膜をアニールするステップが、
Ｓｎ元素又はＳｎ含有組成物の形態のＳｎ源（４０）を供給する工程と、
前記薄膜（２０）と一緒に前記Ｓｎ源（４０）を加熱する工程と、
を有する、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
前記Ｓｎ源（４０）が、Ｓ又はＳｅをさらに含むＳｎ含有組成物である、
請求項４に記載の方法。
Ｓｎを含む雰囲気（３０）中で前記薄膜（２０）をアニールするステップが、
Ｓｎ及びＳ／Ｓｅを含むガス流を供給する工程と、
前記薄膜と一緒に前記ガスを加熱する工程と、
をさらに有する、
請求項４に記載の方法。
前記アニールするステップが、前記薄膜（２０）及び前記雰囲気（３０）を不活性容器（６０）内に封じ込める工程をさらに有する、
請求項４又は５に記載の方法。
少なくとも１個の開口部（６１）が、前記容器（６０）に設けられている、
請求項７に記載の方法。
前記薄膜（２０）が基板（１０）上に形成される、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
前記基板（１０）がモリブデンである、
請求項９に記載の方法。
形成された前記薄膜（２０）が、Ｚｎを含む少なくとも１つの層（２１）を有する、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
形成された前記薄膜（２０）が、Ａｇ及び／又はＣｕを含む少なくとも１つの層（２２）を有する、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
形成された前記薄膜（２０）が、Ｓ及び／又はＳｅを含む少なくとも１つの層（２３）を有する、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
形成された前記薄膜（２０）が、Ｓｎを含む少なくとも１つの層（２４）を有する、
先行請求項のいずれか一項に記載の方法。