JP2015040154A - Czts-based compound semiconductor material and use of the same - Google Patents

Czts-based compound semiconductor material and use of the same Download PDF

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太郎 上田
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Hajime Okawa
元 大川
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酒井  武信
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Hiromoto Awano
宏基 粟野
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諒介 前川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CZTS-based compound semiconductor material, which can be sintered at lower firing temperature, for a solar battery.SOLUTION: A CZTS-based compound semiconductor material having Cu, Zn, Sn and S as main components is made to include a CZTS-based compound, and one or both of Sn and Zn as a sintering aid, and a dense sintered compact is obtained by firing at a low temperature of 500 to 670°C. 1 to 9 mass%, preferably 4 to 7 mass% or less of Sn or Zn is contained in the sintered compact based on the CZTS-based compound. In addition, the CZTS-based compound semiconductor material is fired at a firing temperature of preferably 500-670°C, or more preferably at a firing temperature of 550-570°C.

Description

本明細書は、CZTS系化合物半導体材料及びその利用に関する。   The present specification relates to a CZTS compound semiconductor material and use thereof.

太陽電池は、発電量あたりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要であるため、地球温暖化防止等に寄与することが期待されている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた一組のpn接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。このほか、近年では、シリコンに依存しない薄膜太陽電池等についても、盛んに研究開発がすすめられている。   Solar cells are expected to contribute to the prevention of global warming and the like because they emit less carbon dioxide per power generation and do not require fuel for power generation. At present, single-junction solar cells having a pair of pn junctions using single crystal silicon or polycrystalline silicon are the mainstream among solar cells in practical use. In addition, in recent years, research and development has been actively promoted for thin-film solar cells that do not depend on silicon.

なかでも、シリコンの代わりにCu、Zn、Sn及びSを用いた化合物半導体(本明細書においてCZTS系化合物半導体という。)を、光吸収層に使用するCZTS系薄膜太陽電池がある。これらの物質は入手しやすく安価であるため、この種の太陽電池が注目されている。   In particular, there is a CZTS thin film solar cell that uses a compound semiconductor (referred to as a CZTS compound semiconductor in this specification) using Cu, Zn, Sn, and S instead of silicon for a light absorption layer. Since these materials are easily available and inexpensive, this type of solar cell has attracted attention.

CZTS系薄膜太陽電池に関する技術としては、例えば、特許文献1には、第二硫化銅、硫化亜鉛及び硫化亜鉛の紛体を混合したのち、ホットプレス法にて10Mpa以上に亘って焼成する硫化物焼結体ターゲットの製造方法が開示されている。   As a technique related to the CZTS-based thin film solar cell, for example, Patent Document 1 discloses sulfide firing in which powders of cupric sulfide, zinc sulfide, and zinc sulfide are mixed and then fired over 10 Mpa by a hot press method. A method for manufacturing a bonded target is disclosed.

特開2010−245238号公報JP 2010-245238 A

特許文献1に開示されるように、緻密なCZTS系化合物半導体の焼結体を製造するには、675℃以上の温度で焼成する必要があった。一方、CZTS系化合物半導体を太陽電池に用いる場合、電極の表面にCZTS系化合物半導体を形成する形態が想定される。こうした積層構造は、電極の表面に塗布した未焼成のCZTS系化合物半導体膜を675℃以上で焼成して焼結させることになる。   As disclosed in Patent Document 1, in order to manufacture a dense sintered body of a CZTS-based compound semiconductor, it was necessary to fire at a temperature of 675 ° C. or higher. On the other hand, when using a CZTS type compound semiconductor for a solar cell, the form which forms a CZTS type compound semiconductor in the surface of an electrode is assumed. In such a laminated structure, an unfired CZTS-based compound semiconductor film applied to the surface of the electrode is fired at 675 ° C. or higher and sintered.

しかしながら、例えば、電極としてMo電極を使用する場合等には、焼成温度が570℃以上であるとCZTS系化合物半導体とMo電極との界面で反応が進行して異相が形成されてしまう。そのため、CZTS系化合物半導体膜を電極表面に付与したCZTS系薄膜太陽電池に、本来の性能を発揮させるのが困難であった。   However, for example, when a Mo electrode is used as an electrode, the reaction proceeds at the interface between the CZTS-based compound semiconductor and the Mo electrode and a different phase is formed when the firing temperature is 570 ° C. or higher. Therefore, it has been difficult for the CZTS-based thin film solar cell provided with the CZTS-based compound semiconductor film on the electrode surface to exhibit its original performance.

本明細書は、より低い焼成温度で焼結可能なCZTS系化合物半導体材料及びその利用を提供する。   The present specification provides a CZTS-based compound semiconductor material that can be sintered at a lower firing temperature and use thereof.

本発明者らは、種々の検討を重ねた結果、特定の焼結助剤を添加して焼成することにより、より低い焼成温度でCZTS系化合物半導体を焼結体とし緻密化できるという知見を得た。この知見に基づき本明細書は以下の手段を提供する。   As a result of various studies, the present inventors have obtained knowledge that a CZTS compound semiconductor can be densified as a sintered body at a lower firing temperature by adding a specific sintering aid and firing. It was. Based on this finding, the present specification provides the following means.

(1)Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体材料であって、
Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物と、
Sn及びZnのいずれか又は双方と、
を含む、材料。
(2)さらに、SnSを含む、(1)に記載の材料。
(3)前記Snは前記CZTS系化合物に対して1質量%以上9質量%以下含有する、(1)又は(2)に記載の材料。
(4)前記Snを、前記CZTS系化合物に対して4質量%以上7質量%以下含む、(1)〜(3)のいずれかに記載の材料。
(5)前記Znは前記CZTS系化合物に対して1質量%以上9質量%以下含有する、(1)〜(4)のいずれかに記載の材料。
(6)前記Znを、前記CZTS系化合物に対して4質量%以上7質量%以下含む、(1)〜(5)のいずれかに記載の材料。
(7)Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体の製造方法であって、
Sn及びZnのいずれか又は双方の存在下、Cu、Zn、Sn及びSを含有する被焼結体を焼成する工程、
を備える、方法。
(8)前記被焼結体は、CZTS系化合物である、(7)に記載の方法。

(9)前記焼成工程を、さらに、SnSの存在下で実施する、(7)又は(8)に記載の方法。
(10)前記焼成工程は、500℃以上670℃以下の温度で前記CZTS系化合物を焼成する工程である、(7)〜(9)のいずれかに記載の方法。
(11)前記焼成工程は、500℃以上570℃以下の温度で前記CZTS系化合物を焼成する工程である、(7)〜(10)のいずれかに記載の方法。
(12)前記焼成工程は、550℃以上570℃以下の温度で前記CZTS系化合物を焼成する工程である、(7)〜(11)のいずれかに記載の方法。
(13)Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体層を備えるCZTS系光電変換装置であって、
電極層と、
(1)〜(6)のいずれかに記載の前記CZTS系化合物半導体材料が焼成により前記電極層に一体化されたCZTS系化合物半導体層と、
を備える、装置。
(14)前記電極層は、Moを含む、(12)に記載の装置。
(15)Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体層を備えるCZT系光電変換装置の製造方法であって、
電極層に対して(1)〜(6)のいずれかに記載の前記CZTS系化合物半導体材料を供給してCZTS系化合物半導体材料層を形成する工程と、
前記電極層と前記CZTS系化合物半導体材料層とを500℃以上670℃以下の温度で焼成する工程と、
を備える、方法。
(16)CZTS系化合物の焼結助剤であって、
Sn及びZnのいずれか又は双方を含む、焼結助剤。
(17)さらに、SnSを含む、(16)に記載の焼結助剤。
(1) A CZTS compound semiconductor material containing Cu, Zn, Sn, and S as main components,
A CZTS-based compound containing Cu, Zn, Sn and S as main components;
Either or both of Sn and Zn;
Including, material.
(2) The material according to (1), further comprising SnS.
(3) The material according to (1) or (2), wherein the Sn is contained in an amount of 1% by mass to 9% by mass with respect to the CZTS compound.
(4) The material according to any one of (1) to (3), wherein the Sn is contained in an amount of 4% by mass to 7% by mass with respect to the CZTS compound.
(5) The material according to any one of (1) to (4), wherein the Zn is contained in an amount of 1% by mass to 9% by mass with respect to the CZTS compound.
(6) The material according to any one of (1) to (5), wherein the Zn is contained in an amount of 4% by mass to 7% by mass with respect to the CZTS compound.
(7) A method for producing a CZTS-based compound semiconductor comprising Cu, Zn, Sn and S as main components,
Firing a sintered body containing Cu, Zn, Sn and S in the presence of either or both of Sn and Zn;
A method comprising:
(8) The method according to (7), wherein the object to be sintered is a CZTS-based compound.

(9) The method according to (7) or (8), wherein the firing step is further performed in the presence of SnS.
(10) The method according to any one of (7) to (9), wherein the baking step is a step of baking the CZTS compound at a temperature of 500 ° C. or higher and 670 ° C. or lower.
(11) The method according to any one of (7) to (10), wherein the baking step is a step of baking the CZTS compound at a temperature of 500 ° C. or higher and 570 ° C. or lower.
(12) The method according to any one of (7) to (11), wherein the baking step is a step of baking the CZTS compound at a temperature of 550 ° C. or higher and 570 ° C. or lower.
(13) A CZTS photoelectric conversion device including a CZTS compound semiconductor layer mainly composed of Cu, Zn, Sn, and S,
An electrode layer;
(1) to (6) CZTS-based compound semiconductor material in which the CZTS-based compound semiconductor material is integrated with the electrode layer by firing;
An apparatus comprising:
(14) The device according to (12), wherein the electrode layer includes Mo.
(15) A method for producing a CZT photoelectric conversion device comprising a CZTS compound semiconductor layer containing Cu, Zn, Sn and S as main components,
Supplying the CZTS compound semiconductor material according to any one of (1) to (6) to the electrode layer to form a CZTS compound semiconductor material layer;
Firing the electrode layer and the CZTS-based compound semiconductor material layer at a temperature of 500 ° C. or higher and 670 ° C. or lower;
A method comprising:
(16) A sintering aid for CZTS compounds,
A sintering aid containing either or both of Sn and Zn.
(17) The sintering aid according to (16), further comprising SnS.

CZTS系化合物に対するSn添加量の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of Sn addition amount with respect to a CZTS type compound. CZTS系化合物に対するSn添加量(SnS3質量%添加)を示す図である。It is a figure which shows Sn addition amount (SnS3 mass% addition) with respect to a CZTS type compound. CZTS系化合物に対するSn添加量(SnS3質量%添加)と焼成温度との効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of Sn addition amount (SnS3 mass% addition) with respect to a CZTS type compound, and a calcination temperature. CZTS系化合物に対するZn添加量の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the Zn addition amount with respect to a CZTS type compound. CZTS系化合物に対するZn添加量(SnS3質量%添加)を示す図である。It is a figure which shows Zn addition amount (SnS3 mass% addition) with respect to a CZTS type compound. 焼成温度と焼結助剤と相対密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a calcination temperature, a sintering auxiliary agent, and a relative density. SnSの添加量と相対密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the addition amount of SnS, and a relative density. 焼成温度と相対密度との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between a calcination temperature and a relative density.

本明細書の開示は、焼結性が向上したCZTS系化合物半導体材料及びその利用に関する。   The present disclosure relates to a CZTS-based compound semiconductor material with improved sinterability and use thereof.

本明細書に開示されるCZTS系化合物半導体材料は、CZTS系化合物のほかに、焼結助剤として機能するSn及びZnのいずれか又は双方を含むことができる。これにより、CZTS系化合物の焼結性を向上させることができる。すなわち、CZTS系化合物を、より低い焼成温度で焼結できる、及び/又はより高い密度の焼結体として得ることができる。   The CZTS-based compound semiconductor material disclosed in the present specification can contain either or both of Sn and Zn that function as a sintering aid in addition to the CZTS-based compound. Thereby, the sinterability of a CZTS type compound can be improved. That is, the CZTS compound can be sintered at a lower firing temperature and / or can be obtained as a sintered body having a higher density.

また、本明細書に開示されるCZTS系化合物半導体材料を、CZTS系薄膜太陽電池に適用することで、当該化合物半導体や電極の本来の特性を生かした優れた電池を得ることができる。CZTS系化合物半導体材料は、従来に比してより低温で焼結可能となっているため、例えば、Moなど従来のCZTS系化合物半導体の焼結温度(675℃以上)では分解・反応する可能性のある金属を含む電極に対して直接当該組成物を供給して一括焼成しても電極中のMo等と反応して異相を形成したりすることがないからである。以下、本明細書の開示について詳細に説明する。   In addition, by applying the CZTS-based compound semiconductor material disclosed in this specification to a CZTS-based thin film solar cell, an excellent battery utilizing the original characteristics of the compound semiconductor and the electrode can be obtained. Since CZTS compound semiconductor materials can be sintered at a lower temperature than conventional ones, for example, there is a possibility of decomposition and reaction at the sintering temperature of conventional CZTS compound semiconductors such as Mo (above 675 ° C.). This is because even if the composition is supplied directly to an electrode containing a certain metal and fired at once, it does not react with Mo or the like in the electrode to form a different phase. Hereinafter, the disclosure of this specification will be described in detail.

(CZTS系化合物半導体材料)
本明細書に開示される材料は、Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体を得るための材料であって、CZTS系化合物と、Sn及びZnのいずれか又は双方と、を含むことができる。本材料は、Sn及び/又はZnを含むことで、CZTS系化合物の焼結を促進してより低温の焼成温度での焼結が可能となる。
(CZTS compound semiconductor materials)
The material disclosed in the present specification is a material for obtaining a CZTS-based compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S as main components, the CZTS-based compound, and one or both of Sn and Zn, Can be included. By including Sn and / or Zn, the present material promotes the sintering of the CZTS-based compound and enables sintering at a lower firing temperature.

CZTS系化合物としては、例えば、Cu2+xZn1+ySn1+z4+δ(−0.1≦x≦0.1、−0.1≦y≦0.1、−0.1≦z≦0.1、0.1≦δ≦0.1)で表される化合物が挙げられる。なかでも、典型的には、Cu2ZnSnS4ほか、Cu2Zn(Sn,S)4などが挙げられる。好ましくは、Cu2ZnSnS4である。 Examples of the CZTS compound include Cu 2 + x Zn 1 + y Sn 1 + z S 4 + δ (−0.1 ≦ x ≦ 0.1, −0.1 ≦ y ≦ 0.1, −0. 1 ≦ z ≦ 0.1, 0.1 ≦ δ ≦ 0.1). Among them, typically, Cu 2 ZnSnS 4 and Cu 2 Zn (Sn, S) 4 are listed. Cu 2 ZnSnS 4 is preferable.

本材料は、CZTS系化合物のほかに、焼結助剤として機能するSnを含むことができる。Snは、単体としてのSnを意味し、SnSなどの化合物を包含しない趣旨である。Snは、好ましくは粉末として本材料に含まれている。   This material can contain Sn which functions as a sintering aid in addition to the CZTS-based compound. Sn means Sn as a simple substance and does not include a compound such as SnS. Sn is preferably included in the material as a powder.

本材料は、CZTS系化合物のほか、焼結助剤として機能するZnを含むことができる。Znは、単体としてのZnを意味し、Znを含む化合物を包含しない趣旨である。Znは、好ましくは粉末として本材料に含まれている。   This material can contain Zn that functions as a sintering aid in addition to the CZTS-based compound. Zn means Zn as a simple substance and does not include a compound containing Zn. Zn is preferably contained in the material as a powder.

本材料は、焼結助剤として機能するSnとZnとをそれぞれ単独で含むこともできるし、これらを双方含むことができる。好ましくは、少なくともSnを含む。   This material can also contain Sn and Zn each functioning as a sintering aid, or both of them. Preferably, at least Sn is included.

Sn及びZnは、いずれも、CZTS系化合物の構成元素であるため、焼結後はCZTSに固溶し、カルコパイライト単相となり、CZTS系化合物の好ましい特性を発揮させることができる。   Since both Sn and Zn are constituent elements of the CZTS-based compound, they can be dissolved in CZTS after sintering to form a chalcopyrite single phase and exhibit the preferable characteristics of the CZTS-based compound.

本材料におけるSnは、CZTS系化合物に対して、焼結温度を低下させることができるように含めることができる。好ましくは、Snは、CZTS系化合物に対して1質量%以上9質量%以下含有している。この範囲であると、570℃以下の温度で焼成しても、Sn添加により相対密度を向上させることができる。1質量%未満であると、ほとんど添加効果が認められず、9質量%を超えると相対密度添加効果が不十分になるからである。より好ましくは、3質量%以上であり、さらに好ましくは4質量%以上であり、一層好ましくは5質量%以上である。また、より好ましくは8質量%以下であり、さらに好ましくは7質量%以下であり、一層好ましくは6質量%以下である。   Sn in this material can be included with respect to the CZTS compound so that the sintering temperature can be lowered. Preferably, Sn is contained in an amount of 1% by mass to 9% by mass with respect to the CZTS compound. Within this range, even when firing at a temperature of 570 ° C. or lower, the relative density can be improved by adding Sn. If the amount is less than 1% by mass, the addition effect is hardly recognized, and if it exceeds 9% by mass, the relative density addition effect becomes insufficient. More preferably, it is 3 mass% or more, More preferably, it is 4 mass% or more, More preferably, it is 5 mass% or more. More preferably, it is 8 mass% or less, More preferably, it is 7 mass% or less, More preferably, it is 6 mass% or less.

また、Znは、CZTS系化合物に対して、焼結温度を低下させることができるように含めることができる。好ましくは、Znは、CZTS系化合物に対して1質量%以上9質量%以下含有している。この範囲であると、570℃以下の温度で焼成しても、Zn添加により相対密度を向上させることができる。1質量%未満であると、ほとんど添加効果が認められず、9質量%を超えると相対密度添加効果が不十分になるからである。より好ましくは、3質量%以上であり、さらに好ましくは4質量%以上であり、一層好ましくは5質量%以上である。また、より好ましくは8質量%以下であり、さらに好ましくは7質量%以下であり、一層好ましくは6質量%以下である。   Moreover, Zn can be included so that a sintering temperature can be lowered | hung with respect to a CZTS type compound. Preferably, Zn is contained in an amount of 1% by mass to 9% by mass with respect to the CZTS compound. Within this range, even when firing at a temperature of 570 ° C. or lower, the relative density can be improved by adding Zn. If the amount is less than 1% by mass, the addition effect is hardly recognized, and if it exceeds 9% by mass, the relative density addition effect becomes insufficient. More preferably, it is 3 mass% or more, More preferably, it is 4 mass% or more, More preferably, it is 5 mass% or more. More preferably, it is 8 mass% or less, More preferably, it is 7 mass% or less, More preferably, it is 6 mass% or less.

本材料においてSn及びZnを含む場合、カルコパイライト単相の結晶相の取得を考慮すると、Sn及びZnは、モル比で約1:約1となるように含まれていることが好ましい。   When Sn and Zn are contained in this material, it is preferable that Sn and Zn are contained in a molar ratio of about 1: about 1 in consideration of obtaining a chalcopyrite single phase crystal phase.

本材料は、さらに、Sn及び/又はZnに加えて、SnSを含むことができる。SnSは、Sn又はZnと組み合わせることで焼結性をさらに向上させることができる。特に、570℃以下、例えば、500℃以上560℃以下程度で焼結させる場合には、Sn及び/又はZnとSnSとの組合せが好ましい。より好ましくは、500℃以上550℃以下であり、上限温度はさらに好ましくは540℃以下であり、一層好ましくは530℃以下であり、より一層好ましくは520℃以下である。   The material can further contain SnS in addition to Sn and / or Zn. SnS can further improve sinterability by combining with Sn or Zn. In particular, in the case of sintering at 570 ° C. or lower, for example, about 500 ° C. or higher and 560 ° C. or lower, a combination of Sn and / or Zn and SnS is preferable. More preferably, they are 500 degreeC or more and 550 degrees C or less, More preferably, it is 540 degrees C or less, More preferably, it is 530 degrees C or less, More preferably, it is 520 degrees C or less.

SnSは、単独でもCZTS系化合物の焼結性を向上させることができるが、その場合には、CZTS系化合物に対して、Cu2ZnSnS4に対するSnSの添加量は、1%質量%以上9質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは、上限が7質量%以下であり、さらに好ましくは5質量%以下である。また、上限は、4質量%以下としてもよい。また、好ましくは下限は2質量%以上としてもよい。一層好ましくは、2質量%以上4質量%以下であり、典型的には3質量%であることが好ましい。 SnS alone can improve the sinterability of the CZTS compound, but in that case, the amount of SnS added to Cu 2 ZnSnS 4 is 1% by mass or more and 9% by mass with respect to the CZTS compound. % Or less, more preferably, the upper limit is 7% by mass or less, and further preferably 5% by mass or less. Moreover, an upper limit is good also as 4 mass% or less. Preferably, the lower limit is 2% by mass or more. More preferably, it is 2% by mass or more and 4% by mass or less, and typically 3% by mass.

本材料は、例えば、CZTS系化合物と上記した焼結助剤成分から選択される1又は2以上を混合することによって得ることができる。混合は、乾式であっても湿式であってもよいが、好ましくは乾式である。典型的にはボールミルを用いて数時間〜数十時間程度、好ましくは30時間以内程度混合して本材料を得ることができる。   This material can be obtained, for example, by mixing one or two or more selected from CZTS compounds and the above-mentioned sintering aid components. Mixing may be dry or wet, but is preferably dry. Typically, this material can be obtained by mixing with a ball mill for several hours to several tens of hours, preferably within about 30 hours.

本材料は、混合粉末であってもよいし、スラリー等適当な媒体に分散した懸濁液やペースト等であってもよい。さらに、本材料は、適当な形状(膜状、板状、ディスク状等)に成形された焼結用の成形体であってもよい。これらはセラミックスに適用される一般的な成形方法によって得ることができる。   The material may be a mixed powder or a suspension or paste dispersed in a suitable medium such as a slurry. Further, the material may be a sintered compact formed into an appropriate shape (film shape, plate shape, disk shape, etc.). These can be obtained by a general molding method applied to ceramics.

(焼結助剤)
本明細書に開示される焼結助剤は、CZTS系化合物の焼結助剤である。本焼結助剤は、Sn及びZnのいずれか又は双方を含むことができる。本焼結助剤によれば、CZTS系化合物の焼結性を向上させて、より低温の焼成温度で焼結させることができる、及び/又はより緻密にCZTS系化合物を焼結させることができる。
(Sintering aid)
The sintering aid disclosed in this specification is a sintering aid for CZTS-based compounds. The present sintering aid can contain either or both of Sn and Zn. According to the present sintering aid, the sinterability of the CZTS-based compound can be improved, the sintering can be performed at a lower firing temperature, and / or the CZTS-based compound can be sintered more densely. .

本焼結助剤に含まれるSn及びZnについては、既に説明した本組成物におけるSn及びZnと同様であり、本組成物は、Sn及びZnをそれぞれ単独であるいは双方を含むこともできるし、さらに、SnSを含むことができる。   About Sn and Zn contained in this sintering aid, it is the same as Sn and Zn in the present composition already explained, and the present composition can contain Sn and Zn alone or both, Furthermore, SnS can be included.

本焼結助剤がSn又はZnとSnSを含む場合、CZTS系化合物に対して好適な比率になるように含んでいることが好ましい。質量比でSn又はZn:SnSが1〜9:2〜4であることが好ましい。より好ましくは、既に記載した本組成物におけるSn又はZnのCZTS系化合物に対する好ましい比率を参照して、2〜8/3〜8/4〜7/4〜6:2〜4とすることができる。   When this sintering auxiliary agent contains Sn or Zn and SnS, it is preferable to contain so that it may become a suitable ratio with respect to a CZTS type compound. It is preferable that Sn or Zn: SnS is 1-9: 2-4 by mass ratio. More preferably, it can be set to 2-8 / 3 to 8/4 to 7/4 to 6: 2 to 4 with reference to a preferable ratio of Sn or Zn to the CZTS compound in the present composition already described. .

本焼結助剤は、Sn、Zn及びSnSからなる群から選択される1種又は2種以上のキットの形態としてしてもよい。すなわち、それぞれの金属単体及び金属化合物をそれぞれ単一の製剤として含有し、これを適宜組み合わせて使用するようなキットとすることもできる。   The present sintering aid may be in the form of one or more kits selected from the group consisting of Sn, Zn and SnS. That is, it can also be set as the kit which contains each metal single-piece | unit and a metal compound as a single formulation, respectively, and uses it combining this suitably.

本焼結助剤は、焼結助剤として、CZTS系化合物に対して添加混合して用いられるほか、CZTS系化合物を焼成により得ることができる焼成用原料に対して混合して用いられる。   The sintering aid is used as a sintering aid by being added to and mixed with the CZTS compound, and also used by being mixed with a firing raw material that can be obtained by firing the CZTS compound.

(CZTS系化合物半導体の製造方法)
本製造方法は、Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体の製造方法である。本方法では、Sn及びZnのいずれか又は双方の存在下、Cu、Zn、Sn及びSを含有する被焼結体を焼成する工程を備えることができる。好ましくは、前記焼成工程は、前記被焼結体としてCZTS系化合物である。さらに、前記焼成工程は、SnSの存在下でCZTS系化合物を焼成する工程とする。本方法によれば、Sn及びZnのいずれか又は双方の存在下でCu、Zn、Sn及びSを含有する被焼結体を焼成するため、本来のCZTS系化合物の焼結温度(675℃)よりも低い温度で前記被焼結体を焼結させることができる。このため、エネルギーコスト的に有利であるほか、他材料と一体焼成する際においてCZTS系化合物の焼成温度による他材料への悪影響が抑制又は回避される。
(CZTS compound semiconductor manufacturing method)
This manufacturing method is a method for manufacturing a CZTS-based compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S as main components. In this method, the process of baking the to-be-sintered body containing Cu, Zn, Sn, and S in presence of either or both of Sn and Zn can be provided. Preferably, the firing step is a CZTS-based compound as the sintered body. Further, the firing step is a step of firing the CZTS compound in the presence of SnS. According to this method, since the sintered body containing Cu, Zn, Sn and S is fired in the presence of either or both of Sn and Zn, the sintering temperature of the original CZTS compound (675 ° C.) The sintered body can be sintered at a lower temperature. For this reason, in addition to being advantageous in terms of energy cost, adverse effects on the other materials due to the firing temperature of the CZTS compound are suppressed or avoided when firing integrally with the other materials.

Cu、Zn、Sn及びSを含有する被焼結体とは、既に説明したCZTS系化合物のほか、焼成により緻密化したCZTS系化合物となる材料をいう。例えば、スパッタ法や真空蒸着法等の真空法によって形成した硫化工程を経るまえの前駆体膜のほか、いわゆる固相合成法や液相から合成したCZTS系化合物が挙げられる。   The to-be-sintered body containing Cu, Zn, Sn, and S refers to a material that becomes a CZTS-based compound densified by firing in addition to the CZTS-based compound described above. For example, in addition to a precursor film formed by a vacuum method such as a sputtering method or a vacuum vapor deposition method before passing through a sulfidation process, a so-called solid phase synthesis method or a CZTS compound synthesized from a liquid phase can be used.

焼成工程で用いるSn及びZn並びにSnSについては、既に本材料に関する説明において記載したとおり、各種態様を適用できる。すなわち、Sn、Zn及びSnSのCZTS系化合物に対する比率等が適用されうる。CZTS系化合物についても既に説明した通りの各態様を適用できる。また、焼結性を考慮すると、これら焼結助剤成分とCZTS系化合物とは、好ましくは混合状態、すなわち、各種形態の組成物の状態で焼成工程に付される。   Various aspects can be applied to Sn, Zn, and SnS used in the firing step, as already described in the description of the present material. That is, the ratio of Sn, Zn, and SnS to the CZTS compound can be applied. Each aspect as already demonstrated is applicable also about a CZTS type compound. In consideration of sinterability, the sintering aid component and the CZTS compound are preferably subjected to the firing step in a mixed state, that is, in a state of various forms of compositions.

焼成工程においては、焼結助剤成分とCZTS系化合物とは、例えば、膜状体、板状体、ディスク状体等として、単独で焼成することができるほか、他の要素と接触させた積層又は一体化した状態で一体焼成することもできる。例えば、他の材料の層上に本材料層を形成するためには、一般的なセラミックス薄膜の成膜方法を採用できる。また、例えば、CZTS系薄膜太陽電池などの光電変換装置の製造に際しては、本材料層を、Mo(モリブデン)金属層と一体化したCZTS系化合物半導体材料層の状態で焼成することもできる。   In the firing step, the sintering aid component and the CZTS-based compound can be fired alone, for example, as a film-like body, a plate-like body, a disk-like body, etc., or a laminated layer brought into contact with other elements Alternatively, it can be integrally fired in an integrated state. For example, in order to form this material layer on another material layer, a general method for forming a ceramic thin film can be employed. For example, when manufacturing a photoelectric conversion device such as a CZTS-based thin film solar cell, the material layer can be fired in a state of a CZTS-based compound semiconductor material layer integrated with a Mo (molybdenum) metal layer.

焼成工程は、500℃以上670℃以下の温度で、CZTS系化合物を焼成することが好ましい。CZTS系化合物の焼結温度は675℃であるが、少なくともSn及び/又はZnの存在下では、670℃以下でもCZTS系化合物を焼結させることができる。焼結体の密度を考慮すると、焼成温度は、好ましくは、520℃以上であり、より好ましくは530℃以上であり、さらに好ましくは540℃以上であり、一層好ましくは550℃以上である。また、Moなど一体焼成される要素に含まれる原料の温度特性や一体焼成によって得られる一体物の特性を考慮すると、焼成温度は、より低いことが好ましい。具体的には、焼成温度は、好ましくは650℃以下であり、より好ましくは600℃以下であり、さらに好ましくは580℃以下であり、一層好ましくは570℃以下である。焼成温度は、CZTS系化合物の焼結性等を考慮すると550℃以上570℃以下であることが好ましい。   In the firing step, it is preferable to fire the CZTS-based compound at a temperature of 500 ° C. or higher and 670 ° C. or lower. The sintering temperature of the CZTS compound is 675 ° C., but at least in the presence of Sn and / or Zn, the CZTS compound can be sintered even at 670 ° C. or less. Considering the density of the sintered body, the firing temperature is preferably 520 ° C. or higher, more preferably 530 ° C. or higher, further preferably 540 ° C. or higher, and more preferably 550 ° C. or higher. In consideration of the temperature characteristics of the raw materials contained in the element that is integrally fired, such as Mo, and the characteristics of the integral product obtained by the integral firing, the firing temperature is preferably lower. Specifically, the firing temperature is preferably 650 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or lower, further preferably 580 ° C. or lower, and more preferably 570 ° C. or lower. The firing temperature is preferably 550 ° C. or higher and 570 ° C. or lower in consideration of the sinterability of the CZTS compound.

焼成工程は、窒素ガス雰囲気下など、非酸化性ガス雰囲気下で行う。   The firing step is performed in a non-oxidizing gas atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere.

焼成工程における焼成時間は特に限定しないが、膜厚や焼結性を考慮して適宜設定することができる。例えば、1時間以内から十数時間程度とすることができ、典型的には、数時間程度とすることができる。   The firing time in the firing step is not particularly limited, but can be appropriately set in consideration of the film thickness and sinterability. For example, the time can be from about one hour to about several tens of hours, and typically about several hours.

(Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体層を備えるCZTS系光電変換装置)
本明細書に開示されるCZTS系光電変換装置は、電極層と、CZTS系化合物半導体材料が焼成により前記電極層に一体化されたCZTS系化合物半導体層と、を備えることができる。本装置によれば、CZTS系化合物の焼結温度である675℃以下の温度で焼成一体化が可能であるため、電極層及びCZTS系化合物半導体層のそれぞれの本来の特性を発揮できる光電変換装置となっている。また、より低温での焼成が可能であるため、電極層とCZTS系化合物半導体層との間に異相が存在していないか異相の形成が抑制されている。
(CZTS photoelectric conversion device including a CZTS compound semiconductor layer containing Cu, Zn, Sn and S as main components)
The CZTS-based photoelectric conversion device disclosed in the present specification can include an electrode layer and a CZTS-based compound semiconductor layer in which a CZTS-based compound semiconductor material is integrated with the electrode layer by firing. According to this apparatus, since it is possible to perform integration by sintering at a temperature of 675 ° C. or less, which is the sintering temperature of the CZTS compound, a photoelectric conversion device that can exhibit the original characteristics of the electrode layer and the CZTS compound semiconductor layer It has become. Moreover, since firing at a lower temperature is possible, there is no foreign phase between the electrode layer and the CZTS-based compound semiconductor layer, or the formation of the foreign phase is suppressed.

CZTS系光電変換装置としては、光吸収層としてCZTS系化合物半導体層を備えるものであれば特に限定されないが、典型的には、CZTS系薄膜太陽電池が挙げられる。また、本光電変換装置が備える電極層は、Mo、Ti及びCr等が挙げられるが、好ましくはMoである。   The CZTS-based photoelectric conversion device is not particularly limited as long as it includes a CZTS-based compound semiconductor layer as a light absorption layer, but typically, a CZTS-based thin film solar cell can be mentioned. Moreover, although the electrode layer with which this photoelectric conversion apparatus is provided is Mo, Ti, Cr, etc., Preferably it is Mo.

本装置は、光電変換装置として必要な他の要素を備えることができる。例えば、CZTS系薄膜太陽電池の場合、CZTS系化合物半導体層に対してさらにITO薄膜やZnO膜等の透明導電膜を備えるほか、必要に応じて高抵抗バッファ層等をCZTS系化合物半導体層上に備えることができる。   This device can include other elements necessary as a photoelectric conversion device. For example, in the case of a CZTS-based thin film solar cell, a transparent conductive film such as an ITO thin film or a ZnO film is further provided on the CZTS-based compound semiconductor layer, and a high-resistance buffer layer is provided on the CZTS-based compound semiconductor layer as necessary. Can be provided.

(Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS化合物半導体層を備えるCZTS系光電変換装置の製造方法)
本明細書に開示されるCZTS系光電変換装置の製造方法は、電極層に対して本明細書に開示されるCZTS系化合物半導体材料を供給してCZTS系化合物半導体材料層を形成する工程と、前記電極層と前記CZTS化合物半導体材料層とを500℃以上670℃以下の温度で焼成する工程と、を備えることができる。本方法によれば、CZTS系化合物の本来の焼結温度(675℃)よりも低い温度でCZTS系化合物を焼成して緻密化して電極に一体化させることができるため、電極層及びCZTS系化合物半導体層のそれぞれの本来の特性を発揮できる光電変換装置を容易に得ることができる。
(Manufacturing method of a CZTS photoelectric conversion device including a CZTS compound semiconductor layer containing Cu, Zn, Sn, and S as main components)
A method for producing a CZTS-based photoelectric conversion device disclosed in the present specification includes a step of supplying a CZTS-based compound semiconductor material disclosed in the present specification to an electrode layer to form a CZTS-based compound semiconductor material layer; Firing the electrode layer and the CZTS compound semiconductor material layer at a temperature of 500 ° C. or higher and 670 ° C. or lower. According to this method, since the CZTS compound can be fired and densified at a temperature lower than the original sintering temperature (675 ° C.) of the CZTS compound, the electrode layer and the CZTS compound can be integrated. A photoelectric conversion device that can exhibit the original characteristics of each semiconductor layer can be easily obtained.

CZTS系光電変換装置は、公知の方法によって製造することができる。典型的には、基板上に電極層を形成し、当該電極層上にCZTS系半導体材料を供給してその層を形成する。金属電極層に対する材料層の形成にあたっては、セラミックスの成膜に用いられる各種方法を適宜採用することができる。   The CZTS photoelectric conversion device can be manufactured by a known method. Typically, an electrode layer is formed on a substrate, and a CZTS-based semiconductor material is supplied on the electrode layer to form the layer. In forming the material layer for the metal electrode layer, various methods used for film formation of ceramics can be appropriately employed.

焼成工程は、既に説明したCZTS系化合物半導体の製造方法における各種態様を適用できる。特に、金属電極にMoを用いている場合には、MoとCZTS系化合物とは570℃以上で反応して電極層と材料層との間に異相が形成されてしまう。しかしながら、本組成物層の場合には、こうした望ましくない反応及び異相の形成を抑制又は回避して焼結した緻密なCZTS系化合物半導体層を形成できる。このため、好ましいCZTS系光電変換装置を作製することができる。   The various aspects in the manufacturing method of the CZTS type compound semiconductor already demonstrated can be applied to a baking process. In particular, when Mo is used for the metal electrode, Mo and the CZTS-based compound react at 570 ° C. or more, and a different phase is formed between the electrode layer and the material layer. However, in the case of the present composition layer, it is possible to form a dense CZTS compound semiconductor layer that is sintered while suppressing or avoiding the formation of such undesirable reactions and heterogeneous phases. For this reason, a preferable CZTS type photoelectric conversion device can be produced.

焼成工程によりCZTS系化合物半導体層を形成後、さらに、光電変換装置として必要な膜を形成する。例えば、CZTS系薄膜太陽電池の場合には、CZTS系化合物半導体層上にCdSなどのn型半導体層を形成し、当該n型半導体層に対してITO薄膜やZnO膜等の透明導電膜のほか、必要に応じて高抵抗バッファ層等を形成して、CZTS系薄膜太陽電を完成することができる。   After forming the CZTS-based compound semiconductor layer by the firing process, a film necessary as a photoelectric conversion device is further formed. For example, in the case of a CZTS-based thin film solar cell, an n-type semiconductor layer such as CdS is formed on the CZTS-based compound semiconductor layer, and a transparent conductive film such as an ITO thin film or a ZnO film is formed on the n-type semiconductor layer. A CZTS-based thin film solar cell can be completed by forming a high resistance buffer layer or the like as necessary.

以下、本明細書の開示を具現化する具体例について説明するが、これらの具体例は本明細書の開示を限定するものではない。   Hereinafter, specific examples embodying the disclosure of the present specification will be described, but these specific examples do not limit the disclosure of the present specification.

本実施例では、Cu2ZnSnS4粉末に対して1〜10質量%のSn粉末を添加し、ボールミルに投入し乾式で24時間混合した。この混合粉末を直径10mmのディスク状に成形し、さらに245MpaでCIP成形して焼成用圧粉体を得た。この圧粉体を窒素雰囲気中で560℃で2時間焼成して試料を取り出し、試料の密度を測定した。Sn添加量と相対密度の測定結果を図1に示す。 In this example, 1 to 10% by mass of Sn powder was added to Cu 2 ZnSnS 4 powder, put into a ball mill and mixed for 24 hours in a dry manner. This mixed powder was molded into a disk shape having a diameter of 10 mm, and further CIP molded at 245 MPa to obtain a green compact for firing. The green compact was calcined at 560 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, a sample was taken out, and the density of the sample was measured. The measurement results of the Sn addition amount and the relative density are shown in FIG.

図1に示すように、Snが未添加では、相対密度は70%程度であったが、Snを添加することで、最大90%程度の高い相対密度を得ることができた。また、Cu2ZnSnS4粉末に対するSn添加量が1質量%以上9質量%以下の範囲で相対密度が75%以上を確保することができ、同3質量%以上8質量%以下で相対密度80%以上を確保することができ、同5質量%以上7質量%以下で相対密度80%を確保できることがわかった。 As shown in FIG. 1, when Sn was not added, the relative density was about 70%, but by adding Sn, a high relative density of about 90% at the maximum could be obtained. Further, the relative density of 75% or more can be ensured when the Sn addition amount to the Cu 2 ZnSnS 4 powder is in the range of 1% by mass to 9% by mass, and the relative density of 80% by 3% to 8% by mass. It was found that the above can be secured, and a relative density of 80% can be secured at 5% by mass or more and 7% by mass or less.

本実施例では、Cu2ZnSnS4粉末に対して3質量%のSnS粉末と同1〜10質量%のSn粉末を添加し、ボールミルに投入し乾式で24時間混合した。この混合粉末を直径10mmのディスク状に成形し、さらに245MpaでCIP成形して焼成用圧粉体を得た。この圧粉体を窒素雰囲気中で560℃で2時間焼成して試料を取り出し、試料の密度を測定した。Sn添加量と相対密度の測定結果を図2に示す。 In this example, 1 to 10% by mass of Sn powder of 3% by mass and 3% by mass of SnS powder were added to Cu 2 ZnSnS 4 powder, put into a ball mill, and mixed in a dry process for 24 hours. This mixed powder was molded into a disk shape having a diameter of 10 mm, and further CIP molded at 245 MPa to obtain a green compact for firing. The green compact was calcined at 560 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, a sample was taken out, and the density of the sample was measured. The measurement results of the Sn addition amount and the relative density are shown in FIG.

図2に示すように、Snが未添加では、相対密度は70%程度であったが、Snを添加することで、最大97%の高い相対密度を得ることができた。また、SnS添加のみでSnの添加なしでは、相対密度が93%であったが、Snと組み合わせることで、さらに高い相対密度が得られることがわかった。また、Cu2ZnSnS4粉末に対するSn添加量が1質量%以上9質量%以下の範囲で相対密度が93%以上を確保することができ、同3質量%以上8質量%以下で相対密度95%以上を確保することができ、同5質量%以上7質量%以下で相対密度96〜97%を確保できることがわかった。 As shown in FIG. 2, when Sn was not added, the relative density was about 70%. However, by adding Sn, a high relative density of 97% at the maximum could be obtained. Further, the relative density was 93% without addition of Sn but only with the addition of SnS, but it was found that a higher relative density can be obtained by combining with Sn. In addition, the relative density of 93% or more can be ensured when the Sn addition amount with respect to the Cu 2 ZnSnS 4 powder is in the range of 1% by mass to 9% by mass, and the relative density of 95% by 3% by mass to 8% by mass. It was found that the above can be secured, and a relative density of 96 to 97% can be secured at 5% by mass to 7% by mass.

本実施例では、焼成温度を500℃とする以外は、実施例2と同様に操作して試料を取り出し、試料の密度を測定した。Sn添加量と相対密度の測定結果を図3に示す。   In this example, the sample was taken out in the same manner as in Example 2 except that the firing temperature was 500 ° C., and the density of the sample was measured. The measurement results of the Sn addition amount and the relative density are shown in FIG.

図3に示すように、500℃の焼成温度でも、SnS3質量%添加の下Snが未添加では、相対密度は65%程度であったが、Snを添加することで、最大87%の高い相対密度を得ることができた。また、Cu2ZnSnS4粉末に対するSn添加量が3質量%以上7質量%以下の範囲で相対密度が85%以上を確保することができることがわかった。また、5質量%で最も良好な相対密度が得られることがわかった。 As shown in FIG. 3, even at a firing temperature of 500 ° C., the relative density was about 65% when Sn was not added under the addition of 3% by mass of SnS, but by adding Sn, the relative density was as high as 87% at maximum. The density could be obtained. Further, it was found that the relative density of 85% or more can be ensured when the amount of Sn added to the Cu 2 ZnSnS 4 powder is in the range of 3 mass% to 7 mass%. It was also found that the best relative density was obtained at 5% by mass.

本実施例では、Cu2ZnSnS4粉末に対して1〜10質量%のZn粉末を添加し、ボールミルに投入し乾式で24時間混合した。この混合粉末を直径10mmのディスク状に成形し、さらに245MpaでCIP成形して焼成用圧粉体を得た。この圧粉体を窒素雰囲気中560℃で2時間焼成して試料を取り出し、試料の密度を測定した。Zn添加量と相対密度の測定結果を図4に示す。 In this example, 1 to 10% by mass of Zn powder was added to the Cu 2 ZnSnS 4 powder, put into a ball mill, and mixed in a dry manner for 24 hours. This mixed powder was molded into a disk shape having a diameter of 10 mm, and further CIP molded at 245 MPa to obtain a green compact for firing. The green compact was calcined at 560 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, a sample was taken out, and the density of the sample was measured. The measurement results of the Zn addition amount and the relative density are shown in FIG.

図4に示すように、Znが未添加では、相対密度は70%程度であったが、Znを添加することで、最大78%程度の高い相対密度を得ることができた。また、Cu2ZnSnS4粉末に対するZn添加量が1質量%以上9質量%以下の範囲で相対密度が72%以上を確保することができ、同3質量%以上8質量%以下で相対密度75%以上を確保することができ、同5質量%以上7質量%以下で相対密度78%を確保できることがわかった。 As shown in FIG. 4, when Zn was not added, the relative density was about 70%, but by adding Zn, a high relative density of about 78% at the maximum could be obtained. In addition, the relative density of 72% or more can be ensured when the Zn addition amount with respect to the Cu 2 ZnSnS 4 powder is 1% by mass or more and 9% by mass or less. It was found that the above can be secured, and a relative density of 78% can be secured at 5% by mass or more and 7% by mass or less.

本実施例では、Cu2ZnSnS4粉末に対して3質量%のSnS粉末と同1〜10質量%のZn粉末を添加し、ボールミルに投入し乾式で24時間混合した。この混合粉末を直径10mmのディスク状に成形し、さらに245MpaでCIP成形して焼成用圧粉体を得た。この圧粉体を窒素雰囲気中で560℃で2時間焼成して試料を取り出し、試料の密度を測定した。Zn添加量と相対密度の測定結果を図5に示す。 In this example, 1 to 10% by mass of Zn powder of 3% by mass of SnS powder was added to Cu 2 ZnSnS 4 powder, put into a ball mill, and mixed in a dry process for 24 hours. This mixed powder was molded into a disk shape having a diameter of 10 mm, and further CIP molded at 245 MPa to obtain a green compact for firing. The green compact was calcined at 560 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, a sample was taken out, and the density of the sample was measured. The measurement results of the Zn addition amount and the relative density are shown in FIG.

図5に示すように、Znが未添加では、相対密度は70%程度であったが、Znを添加することで、最大97%の高い相対密度を得ることができた。また、SnS添加のみでSnの添加なしでは、相対密度が93%であったが、Snと組み合わせることで、さらに高い相対密度が得られることがわかった。また、Cu2ZnSnS4粉末に対するSn添加量が1質量%以上9質量%以下の範囲で相対密度が93%以上を確保することができ、同3質量%以上8質量%以下で相対密度95%以上を確保することができ、同5質量%以上7質量%以下で相対密度96〜97%を確保できることがわかった。 As shown in FIG. 5, when Zn was not added, the relative density was about 70%, but by adding Zn, a high relative density of 97% at the maximum could be obtained. Further, the relative density was 93% without addition of Sn but only with the addition of SnS, but it was found that a higher relative density can be obtained by combining with Sn. In addition, the relative density of 93% or more can be ensured when the Sn addition amount with respect to the Cu 2 ZnSnS 4 powder is in the range of 1% by mass to 9% by mass, and the relative density of 95% by 3% by mass to 8% by mass. It was found that the above can be secured, and a relative density of 96 to 97% can be secured at 5% by mass or more and 7% by mass or less.

Cu2ZnSnS4及び焼結助剤の質量比がCu2ZnSnS4:焼結助剤=100:3となるように、焼結助剤(Cu2S、ZnS、SnS及びSnS2の各粉末)を、計量した。そして、Cu2ZnSnS4のみ又はCu2ZnSnS4及び焼結助剤をボールミルに投入して乾式で24時間にわたって混合することにより、混合粉末を得た。その後、得られた混合粉末を、直径10mm程度のディスク状に成形し、さらに、圧力245MPaで冷間等方圧成形(CIP成形)することにより、焼結用圧粉体を得た。そして、得られた圧粉体を、窒素雰囲気中で焼成温度675℃又は560℃で2時間にわたって焼成した後、取り出した試料の相対密度を測定した。結果を図6に示す。 Sintering aid (Cu 2 S, ZnS, SnS and SnS 2 powders) so that the mass ratio of Cu 2 ZnSnS 4 and sintering aid is Cu 2 ZnSnS 4 : sintering aid = 100: 3 Was weighed. Then, Cu 2 ZnSnS 4 alone or Cu 2 ZnSnS 4 and a sintering aid were charged into a ball mill and mixed for 24 hours in a dry manner to obtain a mixed powder. Thereafter, the obtained mixed powder was formed into a disk shape having a diameter of about 10 mm and further subjected to cold isostatic pressing (CIP molding) at a pressure of 245 MPa to obtain a green compact for sintering. The obtained green compact was fired at a firing temperature of 675 ° C. or 560 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, and then the relative density of the sample taken out was measured. The results are shown in FIG.

図6に示したように、焼成温度が675℃の場合、焼結助剤を添加しない試料では、相対密度が97%程度のCZTS系化合物半導体が得られた。また、焼結助剤としてCu2S、ZnS及びSnS2からなる群より選択した1種を添加した試料では、相対密度が85%程度のCZTS系化合物半導体が得られ、焼結助剤としてSnSを添加した試料では、相対密度が98%以上のCZTS系化合物半導体が得られた。 As shown in FIG. 6, when the firing temperature was 675 ° C., a CZTS-based compound semiconductor having a relative density of about 97% was obtained in the sample to which the sintering aid was not added. In addition, in a sample to which one kind selected from the group consisting of Cu 2 S, ZnS and SnS 2 was added as a sintering aid, a CZTS compound semiconductor having a relative density of about 85% was obtained, and SnS was used as a sintering aid. In the sample to which CZTS was added, a CZTS compound semiconductor having a relative density of 98% or more was obtained.

一方、焼成温度が560℃の場合、焼結助剤を添加しない試料及び焼結助剤としてCu2S又はZnSを添加した試料では、相対密度が70%程度(最低で67.8%、最高で70.3%)のCZTS系半導体が得られた。これに対し、焼結助剤としてSnSを添加した試料では、相対密度が95%程度(最低で94.7%、最高で95.8%)のCZTS系化合物半導体が得られ、焼結助剤としてSnS2を添加した試料では、相対密度が70%よりも高い(最低で73.9%、最高で80.4%)のCZTS系化合物半導体が得られた。以上の結果から、焼結助剤としてSnSやSnS2を用いることにより、焼成温度を低減しても緻密化されたCZTS系化合物半導体を製造可能であることがわかった。 On the other hand, when the firing temperature is 560 ° C., the relative density is about 70% (the minimum is 67.8%, the maximum) in the sample to which the sintering aid is not added and the sample to which Cu 2 S or ZnS is added as the sintering aid. 70.3%) of CZTS semiconductors were obtained. On the other hand, in the sample to which SnS was added as a sintering aid, a CZTS compound semiconductor having a relative density of about 95% (minimum 94.7%, maximum 95.8%) was obtained. As a sample to which SnS 2 was added, a CZTS compound semiconductor having a relative density higher than 70% (minimum 73.9%, maximum 80.4%) was obtained. From the above results, it was found that by using SnS or SnS 2 as a sintering aid, a densified CZTS compound semiconductor can be manufactured even if the firing temperature is reduced.

Cu2ZnSnS4及びSnSの質量比が、Cu2ZnSnS4SnsS=100:1以上13以下となるように、SnS粉末を計量した。そして、Cu2ZnSnS4のみ、並びにCu2ZnSnS4及びSnSを、それぞれボールミルに投入して乾式で24時間にわたって混合することにより、混合粉末を得た。その後、得られた混合粉末を、直径10mm程度のディスク状に成形し、さらに、圧力245MPaで冷間等方圧成形(CIP成形)することにより、焼結用圧粉体を得た。そして、得られた圧粉体を、窒素雰囲気中で焼成温度560℃で2時間にわたって焼成した後、取り出した試料の相対密度を測定した。結果を図7に示す。図7の縦軸は相対密度、横軸はSnSの添加量である。 The SnS powder was weighed so that the mass ratio of Cu 2 ZnSnS 4 and SnS was Cu 2 ZnSnS 4 SnsS = 100: 1 or more and 13 or less. Then, only the Cu 2 ZnSnS 4, and the Cu 2 ZnSnS 4 and SnS, by mixing for 24 hours in a dry and respectively placed in a ball mill to obtain a mixed powder. Thereafter, the obtained mixed powder was formed into a disk shape having a diameter of about 10 mm and further subjected to cold isostatic pressing (CIP molding) at a pressure of 245 MPa to obtain a green compact for sintering. The obtained green compact was fired at a firing temperature of 560 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, and then the relative density of the sample taken out was measured. The results are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 7 is the relative density, and the horizontal axis is the amount of SnS added.

図7に示すように、SnSを添加せずに焼成する過程を経て製造してCZTS系化合物半導体は、相対密度が70%程度(最低で67.8%、最高で70.3%)であったが、Cu2ZnSnS4に対して1質量%以上のSnSを添加して焼成することにより、相対密度を向上させたCZTS系化合物半導体を製造することができた。今回の実験では、Cu2ZnSnS4に対して3質量%のSnSを添加して焼成する過程を経て製造したCZTS系化合物半導体の相対密度が最も高かった。図7に示す結果からは、Cu2ZnSnS4に対するSnSの添加量は、1%質量%以上9質量%以下とすることが好ましく、より好ましくは、上限が7質量%以下であり、さらに好ましくは5質量%以下である。また、上限は、4質量%以下としてもよい。また、好ましくは下限は2質量%以上としてもよいことがわかった。 As shown in FIG. 7, the CZTS compound semiconductor manufactured through the process of firing without adding SnS has a relative density of about 70% (minimum 67.8%, maximum 70.3%). However, by adding 1% by mass or more of SnS to Cu 2 ZnSnS 4 and firing, a CZTS compound semiconductor with improved relative density could be produced. In this experiment, the relative density of the CZTS-based compound semiconductor manufactured through the process of adding 3% by mass of SnS to Cu 2 ZnSnS 4 and firing was the highest. From the results shown in FIG. 7, the amount of SnS added to Cu 2 ZnSnS 4 is preferably 1% by mass or more and 9% by mass or less, more preferably the upper limit is 7% by mass or less, and still more preferably 5% by mass or less. Moreover, an upper limit is good also as 4 mass% or less. It was also found that the lower limit may preferably be 2% by mass or more.

Cu2ZnSnS4及びSnSの質量比が、Cu2ZnSnS4:SnS=100:3となるように、SnS粉末を計量した。そして、Cu2ZnSnS4のみ並びにCu2ZnSnS4及びSnSを、それぞれボールミルに投入して、乾式で24時間にわたって混合することにより、混合粉末を得た。その後、得られた混合粉末を、直径10mm程度のディスク状に成形し、さらに、圧力245MPaで冷間等方圧成形(CIP成形)することにより、焼結用圧粉体を得た。そして、得られた圧粉体を、窒素雰囲気中で焼成温度500℃、560℃及び675℃でそれぞれ2時間にわたって焼成した後、取り出した試料の相対密度を測定した。結果を図8に示す。図8の縦軸は相対密度、横軸は焼成温度である。 The SnS powder was weighed so that the mass ratio of Cu 2 ZnSnS 4 and SnS was Cu 2 ZnSnS 4 : SnS = 100: 3. Then, only the well Cu 2 ZnSnS 4 and SnS Cu 2 ZnSnS 4, each placed in a ball mill, by mixing for 24 hours in a dry, to give a mixed powder. Thereafter, the obtained mixed powder was formed into a disk shape having a diameter of about 10 mm and further subjected to cold isostatic pressing (CIP molding) at a pressure of 245 MPa to obtain a green compact for sintering. The obtained green compact was fired at a firing temperature of 500 ° C., 560 ° C., and 675 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, and then the relative density of the sample taken out was measured. The results are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 8 is the relative density, and the horizontal axis is the firing temperature.

図8に示したように、SnSを添加せずに焼成する過程を経てCZTS系化合物半導体は、焼成温度500℃にした場合の相対密度が96.1%、焼成温度を560℃にした場合の相対密度が68.8%であり、焼成温度を675℃にしたとき、同96.8%であった。すなわち、SnSを添加しないで焼成する場合には、焼成温度を560℃にしても相対密度を高めることができなかった。   As shown in FIG. 8, the CZTS compound semiconductor has a relative density of 96.1% when the firing temperature is set to 500 ° C. and the firing temperature is set to 560 ° C. through the process of firing without adding SnS. The relative density was 68.8%, and it was 96.8% when the firing temperature was 675 ° C. That is, when firing without adding SnS, the relative density could not be increased even when the firing temperature was 560 ° C.

これに対して,Cu2ZnSnS4に対して3%のSnSを添加して焼成する過程を経て製造してCZTS系化合物半導体は、焼成温度が500℃のとき、相対密度が69.6%、同560℃のとき同95.3%、同675℃のとき同99.5%であった。すなわち、SnSを添加して焼成することにより、緻密なCZTS系化合物半導体を得られる焼成温度を、SnS非添加時よりも115℃低減(675℃から560℃へと)できることがわかった。 In contrast, a CZTS compound semiconductor manufactured through a process of adding 3% SnS to Cu 2 ZnSnS 4 and firing it has a relative density of 69.6% when the firing temperature is 500 ° C. At 560 ° C., it was 95.3%, and at 675 ° C., it was 99.5%. In other words, it was found that the firing temperature at which a dense CZTS compound semiconductor can be obtained can be reduced by 115 ° C. (from 675 ° C. to 560 ° C.) when SnS is not added by adding SnS and firing.

また、焼成後の生成層をX線回折により調査したところ、SnSを添加して675℃で焼成した場合には、過剰となったSnO2が不純物として生成した。これに対して、SnSを添加した560℃で焼成した場合には、SnSを添加しないで焼成した場合と同様、不純物(SnO2)が生成されないことがわかった。 Further, when the generation layer after firing was examined by X-ray diffraction, when fired at was added SnS and 675 ° C. is, SnO 2 was produced as impurities becomes excessive. On the other hand, when firing at 560 ° C. with SnS added, it was found that no impurity (SnO 2 ) was generated as in the case of firing without adding SnS.

Claims (17)

Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体材料であって、
CZTS系化合物と、
Sn及びZnのいずれか又は双方と、
を含む、材料。
A CZTS compound semiconductor material mainly composed of Cu, Zn, Sn and S,
A CZTS compound,
Either or both of Sn and Zn;
Including, material.
さらに、SnSを含む、請求項1に記載の組成物。   Furthermore, the composition of Claim 1 containing SnS. 前記Snを、前記CZTS系化合物に対して1質量%以上9質量%以下含有する、請求項1又は2に記載の組成物。   The composition of Claim 1 or 2 which contains the said Sn 1 mass% or more and 9 mass% or less with respect to the said CZTS type compound. 前記Snを、前記CZTS系化合物に対して4質量%以上7質量%以下含む、請求項1〜3のいずれかに記載の組成物。   The composition in any one of Claims 1-3 which contains the said Sn 4 mass% or more and 7 mass% or less with respect to the said CZTS type compound. 前記Znを、前記CZTS系化合物に対して1質量%以上9質量%以下含有する、請求項1〜4のいずれかに記載の組成物。   The composition in any one of Claims 1-4 which contains the said Zn 1 to 9 mass% with respect to the said CZTS type compound. 前記Znを、前記CZTS系化合物に対して4質量%以上7質量%以下含む、請求項1〜5のいずれかに記載の組成物。   The composition in any one of Claims 1-5 which contains 4 to 7 mass% of said Zn with respect to the said CZTS type compound. Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体の製造方法であって、
Sn及びZnのいずれか又は双方の存在下、Cu、Zn、Sn及びSを含有する被焼結体を焼成する工程、
を備える、方法。
A method for producing a CZTS compound semiconductor comprising Cu, Zn, Sn and S as main components,
Firing a sintered body containing Cu, Zn, Sn and S in the presence of either or both of Sn and Zn;
A method comprising:
前記被焼結体は、CZTS系化合物である、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, wherein the object to be sintered is a CZTS-based compound. 前記焼成工程は、さらに、SnSの存在下で実施する、請求項7又は8に記載の方法。   The method according to claim 7 or 8, wherein the firing step is further performed in the presence of SnS. 前記焼成工程は、500℃以上670℃以下の温度で前記CZTS系化合物を焼成する工程である、請求項7〜9のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 7, wherein the baking step is a step of baking the CZTS compound at a temperature of 500 ° C. or more and 670 ° C. or less. 前記焼成工程は、500℃以上570℃以下の温度で前記CZTS系化合物を焼成する工程である、請求項7〜10のいずれかに記載の方法。   The said baking process is a method in any one of Claims 7-10 which is a process of baking the said CZTS type compound at the temperature of 500 to 570 degreeC. 前記焼成工程は、550℃以上570℃以下の温度で前記CZTS系化合物を焼成する工程である、請求項7〜11のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 7 to 11, wherein the firing step is a step of firing the CZTS compound at a temperature of 550 ° C or higher and 570 ° C or lower. Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体層を備えるCZTS系光電変換装置であって、
電極層と、
請求項1〜6のいずれかに記載の前記CZTS系化合物半導体材料が焼成により前記電極層に一体化されたCZTS系化合物半導体層と、
を備える、装置。
A CZTS photoelectric conversion device comprising a CZTS compound semiconductor layer mainly composed of Cu, Zn, Sn and S,
An electrode layer;
A CZTS compound semiconductor material in which the CZTS compound semiconductor material according to any one of claims 1 to 6 is integrated with the electrode layer by firing;
An apparatus comprising:
前記電極層は、Moを含む、請求項13に記載の装置。   The apparatus of claim 13, wherein the electrode layer comprises Mo. Cu、Zn、Sn及びSを主成分とするCZTS系化合物半導体層を備えるCZT系光電変換装置の製造方法であって、
電極層に対して請求項1〜6のいずれかに記載の前記CZTS系化合物半導体材料を供給してCZTS系化合物半導体材料層を形成する工程と、
前記電極層と前記CZTS系化合物半導体材料層とを500℃以上670℃以下の温度で焼成する工程と、
を備える、方法。
A method of manufacturing a CZT-based photoelectric conversion device including a CZTS-based compound semiconductor layer containing Cu, Zn, Sn, and S as main components,
Supplying the CZTS compound semiconductor material according to any one of claims 1 to 6 to an electrode layer to form a CZTS compound semiconductor material layer;
Firing the electrode layer and the CZTS-based compound semiconductor material layer at a temperature of 500 ° C. or higher and 670 ° C. or lower;
A method comprising:
CZTS系化合物の焼結助剤であって、
単体のSn及び単体のZnのいずれか又は双方を含む、焼結助剤。
A sintering aid for CZTS compounds,
A sintering aid containing either or both of simple Sn and simple Zn.
さらに、SnSを含む、請求項16に記載の焼結助剤。   The sintering aid according to claim 16, further comprising SnS.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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