JP2015056421A - Method for manufacturing photoelectric conversion element, and electrode for light water electrolysis - Google Patents

Method for manufacturing photoelectric conversion element, and electrode for light water electrolysis Download PDF

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茂 池田
豊 江
Feng Jiang
豊 江
東 耕平
Kohei Azuma
耕平 東
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a method for manufacturing a photoelectric conversion element that has a high photoelectric conversion efficiency; and an electrode for light water electrolysis, which is utilized for hydrogen production through water electrolysis.SOLUTION: A method for manufacturing a photoelectric conversion element includes: a first step of forming a Cu-Zn-Sn-based metal layered film including a Cu film, an Sn film and a Zn film, using an electrodeposition method on a substrate; a second step of annealing the Cu-Zn-Sn-based metal layered film to form a Cu-Zn-Sn-based metal alloy precursor; and a third step of sulfurizing the Cu-Zn-Sn-based metal alloy precursor to form a CZTS film. The CZTS film formed through the third step has a surface having a surface roughness of 0.5 μm or less.

Description

本発明は、光電変換層をCZTS(CuZnSnS)で構成した光電変換素子の製造方法および、その製造方法により製造されたCZTS(CuZnSnS)膜を有する光水分解用電極に関し、特に、光電変換効率が高い光電変換素子の製造方法および水を分解して水素を発生させることに利用される光水分解用電極に関する。 The present invention is method of manufacturing a photoelectric conversion element constituting the photoelectric conversion layer in CZTS (Cu 2 ZnSnS 4) and relates to an optical water for electrolysis having the CZTS manufactured by the manufacturing method (Cu 2 ZnSnS 4) film, In particular, the present invention relates to a method for producing a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and a photo-water splitting electrode used for decomposing water to generate hydrogen.

現在、太陽電池の研究が盛んに行われている。太陽電池は、光吸収により電流を発生する半導体の光電変換層を裏面電極と透明電極とで挟んだ積層構造を有する。
光電変換層にカルコパイライト系のCuInSe(CIS)、Cu(In,Ga)Se(以下、単にCIGSともいう)を用いたものが検討されている。このCIGS膜を光電変換層に用いた太陽電池(以下、CIGS太陽電池という)は、効率が比較的高く、光吸収率が高いため薄膜化できることから、盛んに研究されている。
Currently, research on solar cells is actively conducted. A solar cell has a laminated structure in which a semiconductor photoelectric conversion layer that generates current by light absorption is sandwiched between a back electrode and a transparent electrode.
A photoelectric conversion layer using chalcopyrite-based CuInSe 2 (CIS) or Cu (In, Ga) Se 2 (hereinafter also simply referred to as CIGS) has been studied. A solar cell using the CIGS film as a photoelectric conversion layer (hereinafter referred to as a CIGS solar cell) has been studied actively because it has a relatively high efficiency and a high light absorptance, and can be thinned.

しかし、CIGS太陽電池ではInおよびGaのレアメタルを使用しているため、銅(Cu),亜鉛(Zn),スズ(Sn),硫黄(S),セレン(Se)(以下、単にCZTSという)を用いたものが検討されている。CZTSでは、レアメタルを使用せず、しかもSnおよびZnは豊富に存在し,In等に比べてはるかに安価である。   However, since CIGS solar cells use rare metals of In and Ga, copper (Cu), zinc (Zn), tin (Sn), sulfur (S), selenium (Se) (hereinafter simply referred to as CZTS) is used. The one used is being studied. CZTS does not use rare metals, and Sn and Zn are abundant and much cheaper than In and the like.

非特許文献1には、電着法(electrodeposited)を用いたCuZnSnS太陽電池が記載されている。非特許文献1のCuZnSnS太陽電池では、7.3%の変換効率が得られている。
また、非特許文献1のCuZnSnS太陽電池では、以下のようにして、CuZnSnSの光電変換層(光吸収層)を作製する。
まず、電気メッキ法により、Cu/Zn/SnまたはCu/Sn/Znの金属積層体を作製する。そして、均質なCu,Zn合金、Cu,Sn合金を生じさせるために、温度210℃〜350℃、N雰囲気で低温アニール(ソフトアニール)を行う。そして、温度550℃〜590℃、硫黄雰囲気で5〜15分間アニールする。これにより、高い単結晶質のCuZnSnS相に完全に変換され、CuZnSnSの光電変換層が得られるとされている。
Non-Patent Document 1 describes a Cu 2 ZnSnS 4 solar cell using an electrodeposited method. In the Cu 2 ZnSnS 4 solar cell of Non-Patent Document 1, a conversion efficiency of 7.3% is obtained.
Further, the Cu 2 ZnSnS 4 solar cell of the non-patent document 1, as described below, to produce a photoelectric conversion layer of Cu 2 ZnSnS 4 (light absorbing layer).
First, a Cu / Zn / Sn or Cu / Sn / Zn metal laminate is produced by electroplating. Then, in order to generate a homogeneous Cu, Zn alloy, Cu, Sn alloy, low temperature annealing (soft annealing) is performed at a temperature of 210 ° C. to 350 ° C. in an N 2 atmosphere. Then, annealing is performed at a temperature of 550 ° C. to 590 ° C. in a sulfur atmosphere for 5 to 15 minutes. Thereby, it is said that it is completely converted into a high single crystalline Cu 2 ZnSnS 4 phase, and a photoelectric conversion layer of Cu 2 ZnSnS 4 is obtained.

Adv.Energy.Mater.,2012,2,253−259Adv. Energy. Mater. , 2012,2,253-259

上述の非特許文献1のCuZnSnS太陽電池では、効率が十分ではないという問題点がある。このため、CuZnSnSの光電変換層を、水を分解して水素を発生させることに利用した場合、効率よく、水素を発生させることができないという問題点がある。 The Cu 2 ZnSnS 4 solar cell described in Non-Patent Document 1 has a problem that the efficiency is not sufficient. For this reason, when the photoelectric conversion layer of Cu 2 ZnSnS 4 is used for decomposing water to generate hydrogen, there is a problem that hydrogen cannot be generated efficiently.

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、光電変換効率が高い光電変換素子の製造方法および水を分解して水素を発生させることに利用される光水分解用電極を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for producing a photoelectric conversion element with high photoelectric conversion efficiency and an optical water splitting electrode used for decomposing water and generating hydrogen by solving the problems based on the conventional technology. There is to do.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、基板上に、電析法によりCu膜、Sn膜およびZn膜を備えるCu−Zn−Sn系金属積層膜を形成する第1の工程と、Cu−Zn−Sn系金属積層膜にアニールを施し、Cu−Zn−Sn系金属合金前駆体を形成する第2の工程と、Cu−Zn−Sn系金属合金前駆体を硫化し、CZTS膜を形成する第3の工程とを有し、第3の工程で形成されたCZTS膜は、表面の表面粗さが0.5μm以下であることを特徴とする光電変換素子の製造方法を提供するものである。
なお、本発明において、表面粗さとは、測定対象の表面のうち、200μm×284.7μmの測定範囲における表面の凹凸を測定して、測定範囲の凹凸の測定結果に基づいて得られた算術平均粗さのことである。上述の算術平均粗さは、JIS B0601:2001に基づいて算出される。このため、算術平均粗さの算出方法の詳細な説明は省略する。このように、本発明の表面粗さは、JIS B0601:2001を拡張したものである。本発明において、上記測定範囲の凹凸の測定には、例えば、レーザ顕微鏡を用いて、非接触で測定することができる。レーザ顕微鏡としては、例えば、株式会社キーエンス 形状測定レーザマイクロスコープVK−9700(商品名)を用いることができる。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a first aspect in which a Cu—Zn—Sn-based metal multilayer film including a Cu film, a Sn film, and a Zn film is formed on a substrate by an electrodeposition method. A second step of annealing the Cu-Zn-Sn-based metal multilayer film to form a Cu-Zn-Sn-based metal alloy precursor, and sulfiding the Cu-Zn-Sn-based metal alloy precursor; And a third step of forming a CZTS film, and the CZTS film formed in the third step has a surface roughness of 0.5 μm or less. It is to provide.
In the present invention, the surface roughness is an arithmetic average obtained by measuring surface irregularities in a measurement range of 200 μm × 284.7 μm out of the surface to be measured, and measuring the irregularities in the measurement range. It is roughness. The above arithmetic average roughness is calculated based on JIS B0601: 2001. For this reason, the detailed description of the calculation method of arithmetic average roughness is abbreviate | omitted. Thus, the surface roughness of the present invention is an extension of JIS B0601: 2001. In the present invention, the unevenness in the measurement range can be measured in a non-contact manner using, for example, a laser microscope. As a laser microscope, for example, KEYENCE shape measurement laser microscope VK-9700 (trade name) can be used.

第1の工程で形成されたCu−Zn−Sn系金属積層膜は、表面の表面粗さが0.1μm以下であることが好ましい。
また、Cu−Zn−Sn系金属積層膜は、基板側からCu膜、Sn膜およびZn膜の順で積層されていることが好ましい。
The Cu—Zn—Sn-based metal multilayer film formed in the first step preferably has a surface roughness of 0.1 μm or less.
Further, the Cu—Zn—Sn-based metal laminated film is preferably laminated in the order of the Cu film, the Sn film, and the Zn film from the substrate side.

また、本発明の第2の態様は、光水分解用電極であって、本発明の第1の態様の光電変換素子の製造方法を用いて作製されたCZTS膜を有することを特徴とする光水分解用電極を提供するものである。   A second aspect of the present invention is an optical water splitting electrode, which has a CZTS film produced using the method for producing a photoelectric conversion element of the first aspect of the present invention. An electrode for water splitting is provided.

本発明によれば、コストが低く、かつ大面積化への展開が可能な電解析出法(電析法)で、光電変換層にCZTSを用いた、光電変換効率が高い光電変換素子を得ることができる。また、水素発生の効率が高い光水分解用電極を得ることができる。   According to the present invention, a photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion efficiency using CZTS for a photoelectric conversion layer is obtained by an electrolytic deposition method (electrodeposition method) that is low in cost and can be expanded to a large area. be able to. In addition, it is possible to obtain a photohydrolysis electrode with high hydrogen generation efficiency.

(a)〜(d)は、本発明の実施形態の光電変換素子の製造方法を工程順に示す模式的斜視図である。(A)-(d) is a typical perspective view which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment of this invention in process order. (a)〜(d)は、本発明の実施形態の光電変換素子の製造方法を工程順に示す模式的斜視図である。(A)-(d) is a typical perspective view which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment of this invention in process order. 光水分解用電極を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing an electrode for water splitting.

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の光電変換素子の製造方法および光水分解用電極を詳細に説明する。
図1(a)〜(d)は、本発明の実施形態の光電変換素子の製造方法を工程順に示す模式的斜視図である。図2(a)〜(d)は、図1(d)の次工程から本発明の実施形態の光電変換素子の製造方法を工程順に示す模式的斜視図である。
Below, based on suitable embodiment shown in an accompanying drawing, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of the present invention, and the electrode for photo-water splitting are explained in detail.
Drawing 1 (a)-(d) is a typical perspective view showing a manufacturing method of a photoelectric conversion element of an embodiment of the present invention in order of a process. FIGS. 2A to 2D are schematic perspective views showing, in the order of steps, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of the embodiment of the present invention from the next step of FIG.

本実施形態の光電変換素子の製造方法では、光電変換素子の光電変換素層としてCZTS膜を形成する。
光電変換素子40(図2(d)参照)の構成としては、基板10上に裏面電極12が形成されており、この裏面電極12上に、光電変換層として機能するCZTS膜24が形成されている。CZTS膜24上にバッファ層26、窓層28および透明電極30の順で形成されている。この透明電極30上にバスライン32が形成されている。
光電変換素子40では、透明電極30側から入射した光により、CZTS膜24で光電変換により電流が生じ、バスライン32を介して外部に電流が取り出される。
以下、本実施形態の光電変換素子40の製造方法について具体的に説明する。
In the method for manufacturing a photoelectric conversion element of this embodiment, a CZTS film is formed as a photoelectric conversion element layer of the photoelectric conversion element.
As a configuration of the photoelectric conversion element 40 (see FIG. 2D), the back electrode 12 is formed on the substrate 10, and the CZTS film 24 functioning as a photoelectric conversion layer is formed on the back electrode 12. Yes. A buffer layer 26, a window layer 28 and a transparent electrode 30 are formed on the CZTS film 24 in this order. A bus line 32 is formed on the transparent electrode 30.
In the photoelectric conversion element 40, current is generated by photoelectric conversion in the CZTS film 24 by light incident from the transparent electrode 30 side, and current is extracted to the outside through the bus line 32.
Hereinafter, the manufacturing method of the photoelectric conversion element 40 of this embodiment is demonstrated concretely.

図1(a)に示すように、まず、表面10aに裏面電極12が形成された基板10を用意する。基板10は、例えば、ガラスで構成される。裏面電極12は、例えば、Moで構成されており、スパッタ法で形成される。
次に、図1(b)に示すように、裏面電極12の表面12aに、例えば、電析法により、Cu層14を形成する。Cu層14の形成には、例えば、裏面電極12付き基板10を作用極とし、対極に白金箔を用い、参照電極にAg/AgClを用い、CuSO、クエン酸三ナトリウムおよびクエン酸の混合溶液を用いる。
As shown in FIG. 1A, first, a substrate 10 having a back electrode 12 formed on a front surface 10a is prepared. The substrate 10 is made of glass, for example. The back electrode 12 is made of, for example, Mo and is formed by a sputtering method.
Next, as shown in FIG. 1B, a Cu layer 14 is formed on the surface 12a of the back electrode 12 by, for example, an electrodeposition method. For forming the Cu layer 14, for example, the substrate 10 with the back electrode 12 is used as a working electrode, a platinum foil is used as a counter electrode, Ag / AgCl is used as a reference electrode, and a mixed solution of CuSO 4 , trisodium citrate and citric acid. Is used.

次に、図1(c)に示すように、Cu層14の表面14aに、例えば、電析法により、Sn層16を形成する。Sn層16の形成には、例えば、Cu層14が形成された基板10を作用極とし、対極に白金箔を用い、参照電極にAg/AgClを用い、Sn(SOCH、CHSOH、およびn−ドデシル−N,N−ジメチルグリシン(DDMG)の混合溶液を用いる。 Next, as shown in FIG. 1C, the Sn layer 16 is formed on the surface 14a of the Cu layer 14 by, for example, an electrodeposition method. In order to form the Sn layer 16, for example, the substrate 10 on which the Cu layer 14 is formed is used as a working electrode, a platinum foil is used as a counter electrode, Ag / AgCl is used as a reference electrode, Sn (SO 3 CH 3 ) 2 , CH A mixed solution of 3 SO 3 H and n-dodecyl-N, N-dimethylglycine (DDMG) is used.

次に、図1(d)に示すように、Sn層16の表面16aに、例えば、電析法により、Zn層18を形成する。これにより、Cu−Zn−Sn系金属積層膜20(以下、金属積層膜20という)が形成される。
Zn層18の形成には、例えば、Sn層16が形成された基板10を作用極とし、対極に白金箔を用い、参照電極にAg/AgClを用い、ZnSO、KSO、およびpH3緩衝液の混合溶液を用いる。
Next, as shown in FIG. 1D, a Zn layer 18 is formed on the surface 16a of the Sn layer 16 by, for example, an electrodeposition method. Thereby, a Cu—Zn—Sn-based metal multilayer film 20 (hereinafter referred to as a metal multilayer film 20) is formed.
For forming the Zn layer 18, for example, the substrate 10 on which the Sn layer 16 is formed is used as a working electrode, a platinum foil is used as a counter electrode, Ag / AgCl is used as a reference electrode, ZnSO 4 , K 2 SO 4 , and pH 3 Use a mixed solution of buffers.

金属積層膜20の表面20aの表面粗さは0.1μm以下であることが好ましい。金属積層膜20の表面20aの表面粗さを0.1μm以下とすることにより、後述するCZTS膜24の表面24aの表面粗さの規定とともに、最終的に得られる光電変換素子40の変換効率を高くすることができる。
ここで、金属積層膜20の表面20aの表面粗さの規定および算出方法は、上述の本発明の表面粗さの説明の通りであるため、その詳細な説明は省略する。なお、金属積層膜20の表面20aの表面粗さの測定に、例えば、レーザ顕微鏡を用いると非接触で測定することができ、インラインで表面粗さの測定が可能である。
The surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 is preferably 0.1 μm or less. By setting the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 to 0.1 μm or less, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element 40 finally obtained can be adjusted together with the definition of the surface roughness of the surface 24a of the CZTS film 24 described later. Can be high.
Here, the regulation and calculation method of the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 is as described for the surface roughness of the present invention, and a detailed description thereof will be omitted. For example, when a laser microscope is used to measure the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20, it can be measured in a non-contact manner, and the surface roughness can be measured in-line.

次に、図1(d)に示す金属積層膜20に対して、例えば、0.01Pa〜0.5Paの減圧下で、温度200℃〜400℃で、10分以上の条件で、プレアニール処理を行う。これにより、金属積層膜20を合金化し、図2(a)に示すように、Cu−Zn−Sn系金属合金前駆体22(以下、前駆体22という)を形成する。
なお、プレアニール処理は、窒素雰囲気またはアルゴン雰囲気であれば、減圧下雰囲気でなくてもよく、常圧またはそれ以上の圧力であってもよい。
Next, the pre-annealing process is performed on the metal laminated film 20 shown in FIG. 1D at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. for 10 minutes or more under a reduced pressure of 0.01 Pa to 0.5 Pa, for example. Do. Thereby, the metal laminated film 20 is alloyed to form a Cu—Zn—Sn-based metal alloy precursor 22 (hereinafter referred to as the precursor 22) as shown in FIG.
Note that the pre-annealing treatment does not have to be an atmosphere under reduced pressure as long as it is a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere, and may be a normal pressure or higher pressure.

次に、前駆体22に対して、例えば、硫黄雰囲気下で、温度400℃〜620℃で、3〜60分の条件で硫化処理を行う。これにより、前駆体22から、図2(b)に示すように、CZTS膜24が形成される。このCZTS膜24が光電変換層である。
このとき、CZTS膜24の表面24aの表面粗さは0.5μm以下である。
なお、CZTS膜24の表面24aの表面粗さの規定および測定方法は、上述の本発明の表面粗さの説明の通りであるため、その詳細な説明は省略する。なお、CZTS膜24の表面24aの表面粗さの測定に、例えば、レーザ顕微鏡を用いると非接触で測定することができ、インラインで表面粗さの測定が可能である。
Next, the precursor 22 is subjected to sulfiding treatment under a sulfur atmosphere at a temperature of 400 ° C. to 620 ° C. for 3 to 60 minutes. As a result, a CZTS film 24 is formed from the precursor 22 as shown in FIG. The CZTS film 24 is a photoelectric conversion layer.
At this time, the surface roughness of the surface 24a of the CZTS film 24 is 0.5 μm or less.
Note that the definition and measurement method of the surface roughness of the surface 24a of the CZTS film 24 are as described for the surface roughness of the present invention, and a detailed description thereof will be omitted. For example, when a laser microscope is used for measuring the surface roughness of the surface 24a of the CZTS film 24, the surface roughness can be measured in-line.

次に、CZTS膜24に対して、例えば、シアン化カリウム水溶液または塩酸水溶液処理を施す。その後、図2(c)に示すように、CZTS膜24の表面24aに、例えば、化学浴析出法(以下、CBD法という)によりバッファ層26を形成する。バッファ層26は、例えば、CdSで構成される。このバッファ層26とCZTS膜24とでpn接合が形成される。
次に、バッファ層26の表面26aに、図2(d)に示すように、例えば、RFスパッタ法により、窓層28を形成する。この窓層28は、pn接合部に生じる並列抵抗成分を抑制するために、バッファ層26上に形成されるものである。窓層28は、例えば、i−ZnO等からなる高抵抗の絶縁膜により構成される。
Next, for example, a potassium cyanide aqueous solution or a hydrochloric acid aqueous solution treatment is performed on the CZTS film 24. Thereafter, as shown in FIG. 2C, a buffer layer 26 is formed on the surface 24a of the CZTS film 24 by, for example, chemical bath deposition (hereinafter referred to as CBD method). The buffer layer 26 is made of CdS, for example. The buffer layer 26 and the CZTS film 24 form a pn junction.
Next, as shown in FIG. 2D, the window layer 28 is formed on the surface 26a of the buffer layer 26 by RF sputtering, for example. The window layer 28 is formed on the buffer layer 26 in order to suppress a parallel resistance component generated at the pn junction. The window layer 28 is composed of a high-resistance insulating film made of, for example, i-ZnO.

次に、窓層28の表面28aに、裏面電極12と対になる透明電極30を、例えば、電子ビーム蒸着法、スパッタ法およびCVD法等の気相成膜法または塗布法により形成する。透明電極30は、例えば、ITOで構成される。
そして、透明電極30の表面30aの一部に、矩形状のバスライン32を、例えば、蒸着法、スパッタ法、またはCVD法等によって形成する。これにより、光電変換素子40が形成される。
バスライン32は、例えば、アルミニウムより構成されるものである。バスライン32は、光電変換層24で発生した電流を透明電極30から取り出すための電極である。このため、バスライン32は設けられていなくてもよい。
なお、光電変換素子40の製造方法における搬送方式は、ロールツーロール方式でも枚葉方式でもよく、基板10のフレキシブル性等に応じて搬送方式を適宜選択することができる。
Next, a transparent electrode 30 that is paired with the back electrode 12 is formed on the front surface 28a of the window layer 28 by, for example, a vapor deposition method such as an electron beam evaporation method, a sputtering method, or a CVD method, or a coating method. The transparent electrode 30 is made of, for example, ITO.
Then, a rectangular bus line 32 is formed on a part of the surface 30a of the transparent electrode 30 by, for example, vapor deposition, sputtering, CVD, or the like. Thereby, the photoelectric conversion element 40 is formed.
The bus line 32 is made of aluminum, for example. The bus line 32 is an electrode for taking out the current generated in the photoelectric conversion layer 24 from the transparent electrode 30. For this reason, the bus line 32 may not be provided.
In addition, the conveyance method in the manufacturing method of the photoelectric conversion element 40 may be a roll-to-roll method or a single wafer method, and the conveyance method can be appropriately selected according to the flexibility of the substrate 10 or the like.

金属積層膜20を長時間アニールするとSn抜けが生じ、組成ずれが生じる結果、硫化後のCZTS膜24の光電変換効率が低下することが知られている。このため、一般的には金属積層膜20を合金にするために、必要な時間以上アニール処理することは行われない。しかし、本発明では、この金属積層膜20を合金にするために必要な時間以上の長時間アニールでもSn抜け等は確認されなかった。ここで、キャリアが消滅して光電変換に使われなくなってしまう再結合が界面でかなり起こることが知られているが、界面を減少させることにより、界面での再結合を抑制することができる。硫化後のCZTS膜24の表面24aの表面粗さRaを0.5μm以下とすることにより、CZTS膜24とバッファ層26との界面を減少させることができ、光電変換素子40の特性が向上する。結果として、光電変換素子40について高い変換効率が得られる。このように、CZTS膜24の表面24aの表面粗さを0.5μm以下とすることにより、最終的に得られる光電変換素子40の変換効率を高くすることができる。なお、表面粗さRaは小さい程、最終的に得られる光電変換素子40の変換効率を高くなる傾向にある。光電変換素子の特性の向上については、後で詳細に説明する。   It is known that when the metal laminated film 20 is annealed for a long time, Sn loss occurs and a composition shift occurs, resulting in a decrease in photoelectric conversion efficiency of the CZTS film 24 after sulfidation. For this reason, in general, in order to make the metal laminated film 20 into an alloy, annealing is not performed for a necessary time or more. However, in the present invention, Sn omission or the like was not confirmed even after long-time annealing longer than the time necessary for making the metal laminated film 20 into an alloy. Here, although it is known that recombination that causes carriers to disappear and is no longer used for photoelectric conversion occurs at the interface, recombination at the interface can be suppressed by reducing the interface. By setting the surface roughness Ra of the surface 24a of the CZTS film 24 after sulfidation to 0.5 μm or less, the interface between the CZTS film 24 and the buffer layer 26 can be reduced, and the characteristics of the photoelectric conversion element 40 are improved. . As a result, high conversion efficiency is obtained for the photoelectric conversion element 40. Thus, the conversion efficiency of the finally obtained photoelectric conversion element 40 can be increased by setting the surface roughness of the surface 24a of the CZTS film 24 to 0.5 μm or less. In addition, it exists in the tendency for the conversion efficiency of the photoelectric conversion element 40 finally obtained to become high, so that surface roughness Ra is small. The improvement of the characteristics of the photoelectric conversion element will be described in detail later.

本実施形態では、金属積層膜20を形成する際、基板10側からCu層14、Sn層16およびZn層18の順で形成した。積層順としては、基板10側からCu層14、Sn層16およびZn層18であることが好ましいが、積層順は、特に限定されるものではない。積層順としては、例えば、基板10側からCu層、Zn層およびSn層、またはCu層、Sn層、Cu層およびZn層の順である。   In this embodiment, when forming the metal laminated film 20, the Cu layer 14, the Sn layer 16, and the Zn layer 18 are formed in this order from the substrate 10 side. The stacking order is preferably Cu layer 14, Sn layer 16 and Zn layer 18 from the substrate 10 side, but the stacking order is not particularly limited. The stacking order is, for example, the order of Cu layer, Zn layer and Sn layer, or Cu layer, Sn layer, Cu layer and Zn layer from the substrate 10 side.

光電変換素子40において、基板10としては、光電変換素子または太陽電池の基板として通常用いられる絶縁性を有する基板であれば、特に限定されるものではない。基板10としては、例えば、ソーダライムガラス基板、セラミックス基板、樹脂基板等を用いることができる。また、基板10として、金属基板上に絶縁層が形成されたものを用いることができる。この金属基板は、例えば、Al基板もしくはSUS基板等の金属基板、またはAl基材と、例えば、SUS等の他の金属基材との複合材料からなる複合Al基板等の複合金属基板である。更には、基板10として、表面を陽極酸化して形成した陽極酸化膜が絶縁層としてAl基板等の表面にある絶縁膜付金属基板を用いることもできる。   In the photoelectric conversion element 40, the substrate 10 is not particularly limited as long as it is an insulating substrate that is usually used as a substrate for a photoelectric conversion element or a solar cell. As the substrate 10, for example, a soda lime glass substrate, a ceramic substrate, a resin substrate, or the like can be used. Further, as the substrate 10, a substrate in which an insulating layer is formed on a metal substrate can be used. This metal substrate is, for example, a metal substrate such as an Al substrate or a SUS substrate, or a composite metal substrate such as a composite Al substrate made of a composite material of an Al base and another metal base such as SUS. Furthermore, as the substrate 10, a metal substrate with an insulating film in which an anodized film formed by anodizing the surface is used as an insulating layer on the surface of an Al substrate or the like can also be used.

基板10の厚さは、光電変換素子40の大きさ、基板10の形成材料、および基板10のフレキシブル性の有無等に応じて、十分な強度を確保できれば、特に限定されるものではない。基板10の厚さは、例えば、0.02〜10mmであることが好ましい。なお、基板10は、例えば、平板状であり、その形状および大きさ等は適用される光電変換素子40の大きさ等に応じて適宜決定されるものである。   The thickness of the substrate 10 is not particularly limited as long as sufficient strength can be ensured according to the size of the photoelectric conversion element 40, the forming material of the substrate 10, the presence or absence of flexibility of the substrate 10, and the like. The thickness of the substrate 10 is preferably 0.02 to 10 mm, for example. In addition, the board | substrate 10 is flat form, for example, The shape, a magnitude | size, etc. are suitably determined according to the magnitude | size etc. of the photoelectric conversion element 40 applied.

裏面電極12は、例えば、例えば、Mo、Al、Cu、Cr、W、Ni、Ta、Fe、Co等の金属、またはそれらの金属を組み合わせたものにより構成される。裏面電極12は、単層構造でもよく、2層構造等の積層構造でもよい。裏面電極12は、Moで構成することが好ましい。裏面電極12は、厚さが200nm〜1000nm(1μm)程度であることが好ましい。   The back electrode 12 is made of, for example, a metal such as Mo, Al, Cu, Cr, W, Ni, Ta, Fe, Co, or a combination of these metals. The back electrode 12 may have a single-layer structure or a laminated structure such as a two-layer structure. The back electrode 12 is preferably composed of Mo. The back electrode 12 preferably has a thickness of about 200 nm to 1000 nm (1 μm).

CZTS膜24は、バッファ層26との界面で、CZTS膜24側をP型、バッファ層26側をN型とするpn接合を形成し、透明電極30、窓層28およびバッファ層26を透過して到達した光を吸収して、p側に正孔を、n側に電子を生じさせる層であり、光電変換機能を有する。   The CZTS film 24 forms a pn junction with the CZTS film 24 side being P-type and the buffer layer 26 side being N-type at the interface with the buffer layer 26, and is transmitted through the transparent electrode 30, the window layer 28, and the buffer layer 26. It is a layer that absorbs light that has arrived and generates holes on the p side and electrons on the n side, and has a photoelectric conversion function.

バッファ層26は、CZTS膜24とpn接合を形成するため、および透明電極30を形成する際に生じるダメージからCZTS膜24を保護するために形成されたものである。
バッファ層26は、CdS以外に、ZnS,Zn(S,O)および/またはZn(S,O,OH)、SnS,Sn(S,O)および/またはSn(S,O,OH)、InS,In(S,O)および/またはIn(S,O,OH)等の、Cd,Zn,Sn,Inからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む金属硫化物を含むことが好ましい。バッファ層26の膜厚は、10nm〜2μmが好ましく、15〜200nmがより好ましい。バッファ層26の形成には、例えば、CBD法が用いられる。
The buffer layer 26 is formed to form a pn junction with the CZTS film 24 and to protect the CZTS film 24 from damage that occurs when the transparent electrode 30 is formed.
In addition to CdS, the buffer layer 26 is made of ZnS, Zn (S, O) and / or Zn (S, O, OH), SnS, Sn (S, O) and / or Sn (S, O, OH), InS. , In (S, O) and / or In (S, O, OH) and the like, preferably containing a metal sulfide containing at least one metal element selected from the group consisting of Cd, Zn, Sn, In. . The thickness of the buffer layer 26 is preferably 10 nm to 2 μm, and more preferably 15 to 200 nm. For example, the CBD method is used to form the buffer layer 26.

窓層28は、pn接合部に生じる並列抵抗成分を抑制するために、バッファ層26上に形成されるものであり、上述のi−ZnO等からなる高抵抗の絶縁膜により構成される。窓層28は、例えば、スパッタ法等により形成される。特に、CBD−CdS等のバッファ層26とZnO:Al等の透明電極30との間には、ZnO等の高抵抗膜からなる窓層28を形成することが好ましい。なお、窓層28は、必ずしも設ける必要はない。   The window layer 28 is formed on the buffer layer 26 in order to suppress a parallel resistance component generated at the pn junction, and is configured by a high-resistance insulating film made of the above-described i-ZnO or the like. The window layer 28 is formed by, for example, a sputtering method. In particular, it is preferable to form a window layer 28 made of a high resistance film such as ZnO between the buffer layer 26 such as CBD-CdS and the transparent electrode 30 such as ZnO: Al. Note that the window layer 28 is not necessarily provided.

透明電極30は、透光性を有し、光をCZTS膜24に取り込むとともに、裏面電極12と対になって、CZTS膜24で生成された電流が流れる電極として機能するものである。透明電極30は、例えば、IMO(Moが添加されたIn)、Al、B、Ga、In等がドープされたZnO、またはITOにより構成される。透明電極30は、単層構造でもよいし、2層構造等の積層構造でもよい。透明電極30の膜厚は、例えば、50nm〜2μmである。
なお、透明電極30の形成方法は、特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法およびCVD法等の気相成膜法または塗布法により形成することができる。また、透明電極30の表面30aにMgF等からなる反射防止膜を形成してもよい。
The transparent electrode 30 has translucency, takes light into the CZTS film 24, and functions as an electrode through which a current generated by the CZTS film 24 flows in a pair with the back electrode 12. The transparent electrode 30 is made of, for example, IMO (In 2 O 3 to which Mo is added), ZnO doped with Al, B, Ga, In, or the like, or ITO. The transparent electrode 30 may have a single layer structure or a laminated structure such as a two-layer structure. The film thickness of the transparent electrode 30 is, for example, 50 nm to 2 μm.
In addition, the formation method of the transparent electrode 30 is not specifically limited, It can form by vapor phase film-forming methods, such as an electron beam vapor deposition method, a sputtering method, and CVD method, or the apply | coating method. Further, an antireflection film made of MgF 2 or the like may be formed on the surface 30 a of the transparent electrode 30.

なお、例えば、特開2011−165790号公報の図1A、図1Bに示されるように、光電変換素子40を1つの基板10上に、電気的に直列に接続して太陽電池とした構成であってもよい。この場合、例えば、太陽電池は、裏面電極12とCZTS膜24とバッファ層26と窓層28と透明電極30とが積層されており、裏面電極12のみを貫通する第1の開溝部、CZTS膜24とバッファ層26とを貫通する第2の開溝部、およびCZTS膜24とバッファ層26と透明電極30とを貫通する第3の開溝部が形成されている。これにより、複数の光電変換素子40が基板上で電気的に直列に接続されて太陽電池をなす。   For example, as shown in FIGS. 1A and 1B of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-165790, the photoelectric conversion element 40 is electrically connected in series on one substrate 10 to form a solar cell. May be. In this case, for example, in the solar cell, the back electrode 12, the CZTS film 24, the buffer layer 26, the window layer 28, and the transparent electrode 30 are stacked, and the first groove portion that penetrates only the back electrode 12, CZTS A second groove portion that penetrates the film 24 and the buffer layer 26 and a third groove portion that penetrates the CZTS film 24, the buffer layer 26, and the transparent electrode 30 are formed. Thereby, the some photoelectric conversion element 40 is electrically connected in series on a board | substrate, and makes a solar cell.

次に、水を分解して水素を発生させることに利用される光水分解用電極について説明する。図3は、光水分解用電極を示す模式的断面図である。
本実施形態の製造方法で形成されたCZTS膜24は、光水分解用電極に利用することができる。
図3に示すように、光水分解用電極50は、集電極52上にp型半導体膜54、n型半導体膜56の順で積層され、このn型半導体膜56の表面56aに反応助触媒58が形成されている。
p型半導体膜54に、上述のCZTS膜24が用いられる。n型半導体膜56には、上述のバッファ層26が用いられる。このため、その詳細な説明は省略する。
p型半導体膜54についても、その表面54aの表面粗さは、上述のCZTS膜24と同様に0.5μm以下である。これにより、p型半導体膜54とn型半導体膜56との界面を減少させることができ、キャリアが消滅して光−水素変換に使われなくなってしまう再結合が抑制されて、水を分解する効率を高くすることができる。
Next, a description will be given of an optical water splitting electrode used for decomposing water to generate hydrogen. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an electrode for water splitting.
The CZTS film 24 formed by the manufacturing method of the present embodiment can be used for an electrode for water photolysis.
As shown in FIG. 3, the water splitting electrode 50 is laminated on the collector electrode 52 in the order of a p-type semiconductor film 54 and an n-type semiconductor film 56, and a reaction promoter is formed on a surface 56 a of the n-type semiconductor film 56. 58 is formed.
The CZTS film 24 described above is used for the p-type semiconductor film 54. The buffer layer 26 described above is used for the n-type semiconductor film 56. For this reason, the detailed description is abbreviate | omitted.
As for the p-type semiconductor film 54, the surface roughness of the surface 54a is 0.5 μm or less as in the case of the CZTS film 24 described above. As a result, the interface between the p-type semiconductor film 54 and the n-type semiconductor film 56 can be reduced, and recombination that can no longer be used for photo-hydrogen conversion due to disappearance of carriers is suppressed, thereby decomposing water. Efficiency can be increased.

集電極52は、導電性を有し、かつ電気化学的に耐久性のある材料であれば、特に限定されるものではないが、耐熱性の観点から、例えば、Fe、Cu、Al、Ni、SUS、Ti、Ta、Mo、AuおよびPt等の金属材料が好ましい。また、ガラス等の絶縁材料を基板として、この基板に導電層を被覆したものを集電極52として用いることもできる。この場合、導電層としては、上記金属材料を用いることができる。
基板に用いる絶縁材料としては、石英およびソーダライムガラス等を用いることができる。
なお、集電極52の形状は、特に限定されるものではないが、厚さが1μm〜1mm程度のシート状のものを用いることが好ましい。また、絶縁材料の表面に形成した導電層の厚さは、100nm〜10μmであることが好ましい。
The collector electrode 52 is not particularly limited as long as it has conductivity and is electrochemically durable, but from the viewpoint of heat resistance, for example, Fe, Cu, Al, Ni, Metal materials such as SUS, Ti, Ta, Mo, Au, and Pt are preferable. In addition, an insulating material such as glass can be used as a substrate, and the substrate can be used as a collecting electrode 52 with a conductive layer coated thereon. In this case, the metal material can be used for the conductive layer.
As the insulating material used for the substrate, quartz, soda lime glass, or the like can be used.
The shape of the collecting electrode 52 is not particularly limited, but it is preferable to use a sheet-like one having a thickness of about 1 μm to 1 mm. Further, the thickness of the conductive layer formed on the surface of the insulating material is preferably 100 nm to 10 μm.

反応助触媒58としては、例えば、Pt、Pd、Ru、Ni、Fe等が挙げられ、これ以外にも、例えば、NiO、RuO、IrO、Rh、Cr−Rh複合酸化物、コアシェル型Rh/Cr、Pt/Cr、NiS、MoS、およびNiMoS等が挙げられる。
反応助触媒58の形成方法は、特に限定されるものではなく、光電着法、スパッタ法、および含侵法等により形成することができる。
Examples of the reaction co-catalyst 58 include Pt, Pd, Ru, Ni, Fe, etc. In addition to this, for example, NiO, RuO 2 , IrO 2 , Rh 2 O 3 , Cr—Rh composite oxide, Examples thereof include core-shell type Rh / Cr 2 O 3 , Pt / Cr 2 O 3 , NiS, MoS 2 , and NiMoS.
The formation method of the reaction co-catalyst 58 is not particularly limited, and can be formed by a photo-deposition method, a sputtering method, an impregnation method, or the like.

光水分解用電極50は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、集電極52として、例えば、スパッタ法によりMo膜が形成されたソーダライムガラス板を用意する。
次に、集電極52上、すなわち、Mo膜上にp型半導体膜54として、CZTS膜を形成する。このCZTS膜の形成方法は、上述の通りであるため、その詳細な説明は省略する。
次に、p型半導体膜54上にn型半導体膜56として、例えば、CdS膜を形成する。このCdS膜の形成方法は、上述の通りであるため、その詳細な説明は省略する。なお、上述のようにp型半導体膜54の表面54aの表面粗さは0.5μm以下である。p型半導体膜54も、CZTS膜の形成工程において、金属積層膜の表面の表面粗さは0.1μm以下であることが好ましい。
次に、n型半導体膜56の表面56aに、反応助触媒58として、例えば、光電着法にてPt助触媒を担持させる。このようにして、光水分解用電極50を製造することができる。
The photo-water splitting electrode 50 can be manufactured, for example, as follows.
First, as the collector electrode 52, for example, a soda lime glass plate on which a Mo film is formed by sputtering is prepared.
Next, a CZTS film is formed as a p-type semiconductor film 54 on the collector electrode 52, that is, on the Mo film. Since the method of forming this CZTS film is as described above, its detailed description is omitted.
Next, for example, a CdS film is formed on the p-type semiconductor film 54 as the n-type semiconductor film 56. Since the method for forming this CdS film is as described above, its detailed description is omitted. As described above, the surface roughness of the surface 54a of the p-type semiconductor film 54 is 0.5 μm or less. Also in the p-type semiconductor film 54, the surface roughness of the surface of the metal laminated film is preferably 0.1 μm or less in the step of forming the CZTS film.
Next, as the reaction promoter 58, a Pt promoter is supported on the surface 56a of the n-type semiconductor film 56 by, for example, a photo-deposition method. In this way, the photo-water splitting electrode 50 can be manufactured.

光水分解用電極50を用いた水分解方法においては、光水分解用電極50を、電解液に浸漬させて、光照射することにより、水を分解して、水素を発生させることができる。電解液のpHは、効率的に水分解反応を行う観点から、7以上13以下とすることが好ましい。従来、光触媒電極による水分解は、J. Kaneshiro et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 94 (2010) 12-16に示されるように、強酸水溶液で反応を行うことが多い。しかしながら、オンセット電位、および電極安定性の観点から、電解液は弱アルカリ性であることが好ましい。   In the water splitting method using the photo-water splitting electrode 50, the photo-water splitting electrode 50 is immersed in an electrolytic solution and irradiated with light, whereby water can be decomposed to generate hydrogen. The pH of the electrolytic solution is preferably 7 or more and 13 or less from the viewpoint of efficiently performing a water splitting reaction. Conventionally, water decomposition using a photocatalytic electrode is often carried out in a strong acid aqueous solution as shown in J. Kaneshiro et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 94 (2010) 12-16. However, from the viewpoint of onset potential and electrode stability, the electrolyte is preferably weakly alkaline.

本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の光電変換素子の製造方法および光水分解用電極について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。   The present invention is basically configured as described above. As mentioned above, although the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention and the electrode for optical water splitting were demonstrated in detail, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the main point of this invention, various improvement or change Of course, you may do it.

以下、本発明の光電変換素子の製造方法を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated concretely based on an Example. The present invention is not limited to these examples.

本実施例においては、本発明の効果を確認するために、プレアニーリング時間(分)を変えて、下記に示す比較例1〜実施例5の光電変換素子を製造した。比較例1〜実施例5の各光電変換素子について、AM(Air mass)1.5、100mW/cmの疑似太陽を用いて、電流密度−電圧特性(I−V特性)を測定した。
比較例1〜実施例5の各電流密度−電圧特性から、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)および変換効率を求めた。その結果を、プレアニーリング時間(分)およびCZTS膜24の表面24aの表面粗さRaとともに下記表1に示す。
In the present Example, in order to confirm the effect of this invention, the pre-annealing time (minute) was changed and the photoelectric conversion element of the comparative examples 1-5 shown below was manufactured. About each photoelectric conversion element of Comparative Examples 1 to 5, current density-voltage characteristics (IV characteristics) were measured using a pseudo sun of AM (Air mass) 1.5 and 100 mW / cm 2 .
From each current density-voltage characteristic of Comparative Examples 1 to 5, the short circuit current density (Jsc), the open circuit voltage (Voc), the fill factor (FF), and the conversion efficiency were determined. The results are shown in Table 1 below together with the pre-annealing time (minutes) and the surface roughness Ra of the surface 24a of the CZTS film 24.

なお、CZTS膜24の表面24aの表面粗さRaについては、CZTS膜24の表面24aのうち、200μm×284.7μmの測定範囲の凹凸を、レーザ顕微鏡(株式会社キーエンス 形状測定レーザマイクロスコープVK−9700(商品名))を用いて測定し、上述のようにJIS B0601:2001に基づいて、測定範囲における算術平均粗さを算出した。この算術平均粗さをCZTS膜24の表面24aの表面粗さRaとした。
CZTS膜24の表面24aの表面粗さRaの測定は、実施例1〜5では硫化処理後に行った。
実施例1〜5については、金属積層膜20の表面20aの表面粗さの測定も行った。実施例1〜5は、いずれも金属積層膜20の表面20aの表面粗さが0.067μmであった。
比較例1については、プレアニール処理をしないため、硫化処理前に、金属積層膜20の表面20aの表面粗さの測定を行い、このときに得られた表面粗さを、上記CZTS膜24の表面24a表面粗さRaとして扱った。
また、比較例1の金属積層膜20の表面20aの表面粗さは、CZTS膜24の表面24aの表面粗さRaと同様にして測定した。このため、その詳細な説明は省略する。
Regarding the surface roughness Ra of the surface 24a of the CZTS film 24, the unevenness in the measurement range of 200 μm × 284.7 μm of the surface 24a of the CZTS film 24 was measured using a laser microscope (Keyence Corporation, Shape Measurement Laser Microscope VK−). 9700 (trade name)), and the arithmetic average roughness in the measurement range was calculated based on JIS B0601: 2001 as described above. This arithmetic average roughness was defined as the surface roughness Ra of the surface 24a of the CZTS film 24.
In Examples 1 to 5, the surface roughness Ra of the surface 24a of the CZTS film 24 was measured after the sulfurization treatment.
About Examples 1-5, the measurement of the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 was also performed. In each of Examples 1 to 5, the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 was 0.067 μm.
In Comparative Example 1, since the pre-annealing treatment is not performed, the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 is measured before the sulfiding treatment, and the surface roughness obtained at this time is measured on the surface of the CZTS film 24. 24a was treated as surface roughness Ra.
Further, the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 of Comparative Example 1 was measured in the same manner as the surface roughness Ra of the surface 24a of the CZTS film 24. For this reason, the detailed description is abbreviate | omitted.

以下、実施例1〜実施例5および比較例1の光電変換素子の製造方法について説明する。
(実施例1)
実施例1では、図2(d)に示す構成の光電変換素子40を作製した。まず、ソーダライムガラス基板を基板10として用意する。
次に、裏面電極12として厚さ600nmのMo膜を、スパッタ法を用いて、基板10の表面10aに形成する。
次に、Mo膜上に、電析法を用いてCu層14を作製した。Cu層14の形成には、裏面電極12付き基板10を作用極とし、対極に白金箔を用い、参照電極にAg/AgClを用い、0.05MのCuSO、0.04Mのクエン酸三ナトリウムおよび0.02Mのクエン酸の混合溶液を用いた。
次に、Cu層14上に電析法を用いてSn層16を作製した。Sn層16の形成には、Cu層14が形成された基板10を作用極とし、対極に白金箔を用い、参照電極にAg/AgClを用い、0.05MのSn(SOCH、1MのCHSOH、および1Mのn−ドデシル−N,N−ジメチルグリシン(DDMG)の混合溶液を用いた。
Hereinafter, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of Example 1- Example 5 and Comparative Example 1 is demonstrated.
Example 1
In Example 1, the photoelectric conversion element 40 having the configuration shown in FIG. First, a soda lime glass substrate is prepared as the substrate 10.
Next, a Mo film having a thickness of 600 nm is formed as the back electrode 12 on the surface 10a of the substrate 10 by sputtering.
Next, a Cu layer 14 was formed on the Mo film by using an electrodeposition method. The Cu layer 14 is formed by using the substrate 10 with the back electrode 12 as a working electrode, using a platinum foil as a counter electrode, using Ag / AgCl as a reference electrode, 0.05M CuSO 4 , 0.04M trisodium citrate. And a mixed solution of 0.02M citric acid was used.
Next, the Sn layer 16 was produced on the Cu layer 14 using the electrodeposition method. The Sn layer 16 is formed by using the substrate 10 on which the Cu layer 14 is formed as a working electrode, using a platinum foil as a counter electrode, using Ag / AgCl as a reference electrode, and 0.05M Sn (SO 3 CH 3 ) 2. , 1M in CH 3 SO 3 H, and 1M of n- dodecyl -N, a mixed solution of N- dimethylglycine (DDMG) was used.

次に、Sn層16上に電析法を用いてZn層18を形成し、厚さ1.3μmの金属積層膜20を得た。Zn層18の形成には、Sn層16が形成された基板10を作用極とし、対極に白金箔を用い、参照電極にAg/AgClを用い、0.1MのZnSO、0.5MのKSO、およびpH3緩衝液(HYDRION(登録商標))の混合溶液を用いた。
そして、金属積層膜20の表面20aの表面粗さを上述のように、レーザ顕微鏡を用いてインラインで測定する。
次に、金属積層膜20に対して、0.01Pa〜0.5Paの減圧下のもと、温度320℃で、10分のプレアニール時間でプレアニール処理を施し、前駆体22を形成した。
次に、前駆体22に対して、硫黄雰囲気中、温度550℃で15分の硫化処理を行って、CZTS膜24を形成した。そして、CZTS膜24の表面24aの表面粗さを上述のように、レーザ顕微鏡を用いてインラインで測定する。
Next, a Zn layer 18 was formed on the Sn layer 16 by using an electrodeposition method to obtain a metal laminated film 20 having a thickness of 1.3 μm. The Zn layer 18 is formed by using the substrate 10 on which the Sn layer 16 is formed as a working electrode, using a platinum foil as a counter electrode, using Ag / AgCl as a reference electrode, 0.1M ZnSO 4 , 0.5M K A mixed solution of 2 SO 4 and pH 3 buffer (HYDRION (registered trademark)) was used.
And the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 is measured in-line using a laser microscope as described above.
Next, a pre-annealing process was performed on the metal laminated film 20 under a reduced pressure of 0.01 Pa to 0.5 Pa at a temperature of 320 ° C. for a pre-annealing time of 10 minutes, thereby forming a precursor 22.
Next, the precursor 22 was subjected to a sulfurization treatment in a sulfur atmosphere at a temperature of 550 ° C. for 15 minutes to form a CZTS film 24. Then, the surface roughness of the surface 24a of the CZTS film 24 is measured in-line using the laser microscope as described above.

次に、CBD法を用いて、CZTS膜24の表面24aに、厚さ100nmのCdS膜をバッファ層26として形成する。その後、RFスパッタ法を用いて、厚さ80nmのi−ZnO膜を窓層28として形成する。
次に、窓層28の表面28aに、RFスパッタ法を用いて、厚さ420nmのITO膜を透明電極30として形成する。
次に、透明電極30の表面30aの一部に、蒸着法により、Alのバスライン32を形成する。
Next, a CdS film having a thickness of 100 nm is formed as the buffer layer 26 on the surface 24a of the CZTS film 24 by using the CBD method. Thereafter, an i-ZnO film having a thickness of 80 nm is formed as the window layer 28 by using an RF sputtering method.
Next, an ITO film having a thickness of 420 nm is formed as the transparent electrode 30 on the surface 28a of the window layer 28 by RF sputtering.
Next, an Al bus line 32 is formed on a part of the surface 30a of the transparent electrode 30 by vapor deposition.

(実施例2)
実施例2は、実施例1に比して、温度320℃で20分のプレアニール時間でプレアニール処理を施した点以外は、実施例1と同様の工程で光電変換素子を製造した。このため、実施例2の詳細な説明は省略する。
(実施例3)
実施例3は、実施例1に比して、温度320℃で40分のプレアニール時間でプレアニール処理を施した点以外は、実施例1と同様の工程で光電変換素子を製造した。このため、実施例3の詳細な説明は省略する。
(Example 2)
In Example 2, as compared with Example 1, a photoelectric conversion element was manufactured in the same process as in Example 1 except that the pre-annealing treatment was performed at a temperature of 320 ° C. for 20 minutes. For this reason, detailed description of Example 2 is omitted.
(Example 3)
In Example 3, as compared with Example 1, a photoelectric conversion element was produced in the same process as Example 1 except that the pre-annealing treatment was performed at a temperature of 320 ° C. for 40 minutes. For this reason, detailed description of Example 3 is omitted.

(実施例4)
実施例4は、実施例1に比して、温度320℃で80分のプレアニール時間でプレアニール処理を施した点以外は、実施例1と同様の工程で光電変換素子を製造した。このため、実施例4の詳細な説明は省略する。
(実施例5)
実施例5は、実施例1に比して、温度320℃で150分のプレアニール時間でプレアニール処理を施した点以外は、実施例1と同様の工程で光電変換素子を製造した。このため、実施例5の詳細な説明は省略する。
(比較例1)
比較例1は、実施例1に比して、プレアニール処理を施すことなく、硫黄雰囲気中、温度550℃で15分の硫化処理を行い、CZTS膜24を形成した点、および上述のように、レーザ顕微鏡を用いてインラインで金属積層膜20の表面20aの表面粗さを測定し、これを表面粗さRaとした点以外は、実施例1と同様の工程で光電変換素子を製造した。このため、比較例1の詳細な説明は省略する。なお、金属積層膜20の表面20aの表面粗さは、0.067μmであった。
Example 4
In Example 4, as compared with Example 1, a photoelectric conversion element was manufactured in the same process as Example 1 except that the pre-annealing treatment was performed at a temperature of 320 ° C. for 80 minutes. For this reason, detailed description of Example 4 is omitted.
(Example 5)
In Example 5, a photoelectric conversion element was manufactured in the same process as in Example 1 except that the pre-annealing treatment was performed at a temperature of 320 ° C. and a pre-annealing time of 150 minutes as compared with Example 1. For this reason, detailed description of Example 5 is omitted.
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, as compared with Example 1, the CZTS film 24 was formed by performing a sulfurization treatment at a temperature of 550 ° C. for 15 minutes without performing a pre-annealing treatment, and as described above. A photoelectric conversion element was manufactured in the same process as in Example 1 except that the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 was measured in-line using a laser microscope, and this was changed to the surface roughness Ra. For this reason, the detailed description of the comparative example 1 is abbreviate | omitted. In addition, the surface roughness of the surface 20a of the metal laminated film 20 was 0.067 μm.

Figure 2015056421
Figure 2015056421

上記表1に示すように、プレアニール処理を施した実施例1〜実施例5は、プレアニール処理していない比較例1に比して、CZTS膜の表面粗さRaが0.5μm以下であり、変換効率が向上した。また、実施例1〜実施例5では、CZTS膜の表面粗さRaが小さくなると変換効率が向上する。   As shown in Table 1 above, Example 1 to Example 5 subjected to the pre-annealing treatment had a surface roughness Ra of the CZTS film of 0.5 μm or less as compared with Comparative Example 1 where the pre-annealing treatment was not performed. Improved conversion efficiency. Moreover, in Example 1- Example 5, if the surface roughness Ra of a CZTS film | membrane becomes small, conversion efficiency will improve.

本実施例においては、第1の実施例の実施例1〜実施例5および比較例1のCZTS膜を用いて、下記に示す実施例10〜14および比較例10の光水分解用電極を作製した。
各光水分解用電極について、AM(Air mass)1.5、100mW/cmの疑似太陽を用いて、光照射を行い、電流密度―電圧特性(以下、I−V特性という)を電解質溶液中で測定した。このI−V特性に対して、以下の式を適応し、印加電圧Vに対して最大値となる値をH効率とした。
なお、実施例10〜14および比較例10のH効率は、実施例10のH効率の値を1とした相対値で示す。この結果を下記表2のH効率(相対値)の欄に示す。
I−V特性の測定では、参照電極(可逆水素電極、RHE)にAg/AgCl電極を用い、対極にPtワイヤーを用い、電解質溶液に、NaOHを用いてpH9.5に調整した0.1MのNaSOを用いた。
In this example, using the CZTS films of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the first example, the electrodes for photo-water splitting of Examples 10 to 14 and Comparative Example 10 shown below are produced. did.
Each electrode for water splitting is irradiated with light using a pseudo sun of AM (Air mass) 1.5, 100 mW / cm 2 , and the current density-voltage characteristics (hereinafter referred to as IV characteristics) are used as an electrolyte solution. Measured in. For this the I-V characteristic, and adapting the following formula, a value that is a maximum value and with H 2 efficiency with respect to the applied voltage V.
Incidentally, H 2 efficiency of Examples 10 to 14 and Comparative Example 10 are shown in relative values with a value of 1 H 2 efficiency of Example 10. The results are shown in the column of H 2 efficiency (relative value) in Table 2 below.
In the measurement of IV characteristics, an Ag / AgCl electrode was used as a reference electrode (reversible hydrogen electrode, RHE), a Pt wire was used as a counter electrode, and 0.1 M of 0.1 M adjusted to pH 9.5 using NaOH as an electrolyte solution. Na 2 SO 4 was used.

ηABPE=(I×VRHE/P)×100
I:光電流密度(mA/cm
V:印加電圧(V vs RHE(可逆水素電極))
P:入射照射強度(100mW/cm
η ABPE = (I × V RHE / P) × 100
I: Photocurrent density (mA / cm 2 )
V: Applied voltage (V vs RHE (reversible hydrogen electrode))
P: Incident irradiation intensity (100 mW / cm 2 )

以下、実施例10〜14および比較例10の光水分解用電極の製造方法について説明する。
(実施例10)
実施例10は、スパッタ法により、Mo膜が形成されたソーダライムガラス基板を集電極に用いた。集電極のMo膜上に、第1の実施例の実施例5のCZTS膜24をp型半導体膜54として形成し、その上に、n型半導体膜56として、厚さ100nmのCdS膜(バッファ層26)を形成した。n型半導体膜56の表面56aに、反応助触媒として、Pt粒子を電着法により形成した。
Pt粒子の電着法としては、以下のようにして行った。
Pt粒子の電着法では、参照電極にAg/AgCl電極、対極にPtワイヤーを用い、NaOHを用いてpH9.5に調整した0.1MのNaSOと10μMのヘキサクロロ白金酸(HPtCl)の電解質溶液に、上述のCdS膜(バッファ層26)を形成したものを浸漬し、Ag/AgCl電極に対して−1V〜0Vに制御しながら、AM(Air mass)1.5、100mW/cmの光照射を行い、Ptの光電着を行った。観測される光カソード電流値が飽和したところで電析を終了した。
なお、CZTS膜24およびCdS膜の製造方法は、上述の通りであるため、詳細な説明は省略する。
Hereinafter, the manufacturing method of the electrode for optical water splitting of Examples 10-14 and Comparative Example 10 will be described.
(Example 10)
In Example 10, a soda lime glass substrate on which a Mo film was formed by sputtering was used as a collector electrode. The CZTS film 24 of Example 5 of the first example is formed as a p-type semiconductor film 54 on the Mo film of the collector electrode, and a 100 nm thick CdS film (buffer) is formed thereon as an n-type semiconductor film 56. Layer 26) was formed. Pt particles were formed on the surface 56a of the n-type semiconductor film 56 by electrodeposition as a reaction promoter.
The electrodeposition method for Pt particles was performed as follows.
In the electrodeposition method of Pt particles, an Ag / AgCl electrode is used as a reference electrode, a Pt wire is used as a counter electrode, 0.1 M Na 2 SO 4 adjusted to pH 9.5 using NaOH and 10 μM hexachloroplatinic acid (H 2 In the electrolyte solution of PtCl 6 ), the above-mentioned CdS film (buffer layer 26) is immersed, and the Ag / AgCl electrode is controlled to −1 V to 0 V, while AM (Air mass) 1.5, Light irradiation of 100 mW / cm 2 was performed, and Pt photodeposition was performed. The electrodeposition was terminated when the observed photocathode current value was saturated.
In addition, since the manufacturing method of the CZTS film | membrane 24 and the CdS film | membrane is as above-mentioned, detailed description is abbreviate | omitted.

(実施例11)
実施例11は、実施例10に比して、p型半導体膜54として、第1の実施例の実施例4のCZTS膜24を形成した点以外は、実施例10と同様の工程で光水分解用電極を製造した。このため、実施例11の詳細な説明は省略する。
(実施例12)
実施例12は、実施例10に比して、p型半導体膜54として、第1の実施例の実施例3のCZTS膜24を形成した点以外は、実施例10と同様の工程で光水分解用電極を製造した。このため、実施例12の詳細な説明は省略する。
(Example 11)
Example 11 is similar to Example 10 except that the CZTS film 24 of Example 4 of the first example is formed as the p-type semiconductor film 54. A decomposition electrode was produced. Therefore, detailed description of the eleventh embodiment is omitted.
(Example 12)
Example 12 is similar to Example 10 except that the CZTS film 24 of Example 3 of the first example is formed as the p-type semiconductor film 54. A decomposition electrode was produced. Therefore, detailed description of the twelfth embodiment is omitted.

(実施例13)
実施例13は、実施例10に比して、p型半導体膜54として、第1の実施例の実施例2のCZTS膜24を形成した点以外は、実施例10と同様の工程で光水分解用電極を製造した。このため、実施例13の詳細な説明は省略する。
(実施例14)
実施例14は、実施例10に比して、p型半導体膜54として、第1の実施例の実施例1のCZTS膜24を形成した点以外は、実施例10と同様の工程で光水分解用電極を製造した。このため、実施例14の詳細な説明は省略する。
(Example 13)
Example 13 is similar to Example 10 except that the CZTS film 24 of Example 2 of the first example is formed as the p-type semiconductor film 54. A decomposition electrode was produced. Therefore, detailed description of the thirteenth embodiment is omitted.
(Example 14)
Example 14 is similar to Example 10 except that the CZTS film 24 of Example 1 of the first example is formed as the p-type semiconductor film 54. A decomposition electrode was produced. For this reason, detailed description of Example 14 is omitted.

(比較例10)
実施例14は、実施例10に比して、p型半導体膜54として、第1の実施例の比較例1のCZTS膜24を形成した点以外は、実施例10と同様の工程で光水分解用電極を製造した。このため、比較例10の詳細な説明は省略する。
(Comparative Example 10)
Example 14 is similar to Example 10 except that the CZTS film 24 of Comparative Example 1 of the first example is formed as the p-type semiconductor film 54. A decomposition electrode was produced. For this reason, the detailed description of the comparative example 10 is abbreviate | omitted.

Figure 2015056421
Figure 2015056421

上記表2に示すように、p型半導体膜(CZTS膜)の表面粗さRaが0.5μm以下である実施例10〜実施例14は、p型半導体膜(CZTS膜)の表面粗さRaが0.5μmを超える比較例10に比して、H効率(相対値)高い。また、実施例10〜実施例14では、p型半導体膜(CZTS膜)の表面粗さRaが小さくなるとH効率(相対値)が向上する。このことは、上述の第1の実施例での、CZTS膜の表面粗さRa表面粗さが小さくなると変換効率が向上する傾向と一致する。 As shown in Table 2 above, the surface roughness Ra of the p-type semiconductor film (CZTS film) is 10 to 14 in which the surface roughness Ra of the p-type semiconductor film (CZTS film) is 0.5 μm or less. H 2 efficiency (relative value) is higher than that of Comparative Example 10 having a thickness exceeding 0.5 μm. In Examples 10 to 14, the H 2 efficiency (relative value) is improved when the surface roughness Ra of the p-type semiconductor film (CZTS film) is reduced. This coincides with the tendency that the conversion efficiency is improved when the surface roughness Ra of the CZTS film in the first embodiment is reduced.

10 基板
12 裏面電極
14 Cu層
16 Sn層
18 Zn層
20 Cu−Zn−Sn系金属積層膜(金属積層膜)
22 Cu−Zn−Sn系金属合金前駆体(前駆体)
24 CZTS膜
26 バッファ層
28 窓層
30 透明電極
32 バスライン
40 光電変換素子
50 光水分解用電極
52 集電極
54 p型半導体膜
56 n型半導体膜
58 反応助触媒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Board | substrate 12 Back electrode 14 Cu layer 16 Sn layer 18 Zn layer 20 Cu-Zn-Sn type metal laminated film (metal laminated film)
22 Cu—Zn—Sn-based metal alloy precursor (precursor)
24 CZTS film 26 Buffer layer 28 Window layer 30 Transparent electrode 32 Bus line 40 Photoelectric conversion element 50 Electrode for water splitting 52 Collector electrode 54 P-type semiconductor film 56 N-type semiconductor film 58 Reaction promoter

Claims (4)

基板上に、電析法によりCu膜、Sn膜およびZn膜を備えるCu−Zn−Sn系金属積層膜を形成する第1の工程と、
前記Cu−Zn−Sn系金属積層膜にアニールを施し、Cu−Zn−Sn系金属合金前駆体を形成する第2の工程と、
前記Cu−Zn−Sn系金属合金前駆体を硫化し、CZTS膜を形成する第3の工程とを有し、
前記第3の工程で形成された前記CZTS膜は、表面の表面粗さが0.5μm以下であることを特徴とする光電変換素子の製造方法。
A first step of forming a Cu-Zn-Sn-based metal laminated film including a Cu film, a Sn film, and a Zn film on a substrate by an electrodeposition method;
A second step of annealing the Cu-Zn-Sn-based metal multilayer film to form a Cu-Zn-Sn-based metal alloy precursor;
A third step of sulfiding the Cu-Zn-Sn based metal alloy precursor to form a CZTS film,
The method of manufacturing a photoelectric conversion element, wherein the CZTS film formed in the third step has a surface roughness of 0.5 μm or less.
前記第1の工程で形成された前記Cu−Zn−Sn系金属積層膜は、表面の表面粗さが0.1μm以下である請求項1に記載の光電変換素子の製造方法。   2. The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the Cu—Zn—Sn-based metal multilayer film formed in the first step has a surface roughness of 0.1 μm or less. 前記Cu−Zn−Sn系金属積層膜は、前記基板側から前記Cu膜、前記Sn膜および前記Zn膜の順で積層されている請求項1または2に記載の光電変換素子の製造方法。   The said Cu-Zn-Sn type metal laminated film is a manufacturing method of the photoelectric conversion element of Claim 1 or 2 laminated | stacked in order of the said Cu film | membrane, the said Sn film | membrane, and the said Zn film | membrane from the said substrate side. 光水分解用電極であって、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子の製造方法を用いて作製されたCZTS膜を有することを特徴とする光水分解用電極。
An electrode for water photolysis,
A CZTS film produced by using the method for producing a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photo-water splitting electrode is characterized in that it has a CZTS film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104409566A (en) * 2014-11-06 2015-03-11 云南师范大学 Two-electrode electrochemical preparation method of copper zinc tin sulfide thin film material

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