JP3091599B2 - カルコパイライト型化合物の製造方法 - Google Patents

カルコパイライト型化合物の製造方法

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JP3091599B2 JP05132754A JP13275493A JP3091599B2 JP 3091599 B2 JP3091599 B2 JP 3091599B2 JP 05132754 A JP05132754 A JP 05132754A JP 13275493 A JP13275493 A JP 13275493A JP 3091599 B2 JP3091599 B2 JP 3091599B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、カルコパイライト型化
合物の製造方法に関し、特にエネルギー変換効率の高い
薄膜太陽電池等に用いられるカルコパイライト型化合物
薄膜の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】太陽電池の吸収層として用いられるカル
コパイライト型化合物薄膜は、従来、図8に示したよう
な2段階プロセスを用いて作製されている。すなわち、
基板11上にMo等の電極12を形成し、その電極12
上にCu薄膜13とIn薄膜14とを両者の膜厚比が
1:2.2〜2.4程度となるように積層し、その基板
を例えばSeやS等のカルコゲン雰囲気中、あるいはカ
ルコゲンを含むガス、例えばH2SeやH2S中で熱処理
を行い、カルコパイライト型化合物薄膜15としてCu
InSe2やCuInS2薄膜を形成している。
【0003】また、図9に示すように、図8に示したの
と同様に、基板11の電極12上にCu薄膜13とIn
薄膜14の積層膜を形成した後、前記薄膜上にさらに例
えばS、SeやTe等のカルコゲン薄膜16を蒸着し、
熱処理を行って固相反応によってカルコパイライト型化
合物薄膜17としてCuInS2、CuInSe2やCu
InTe2の薄膜を形成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、Ib族
元素の薄膜とIIIb族元素の薄膜との2層をカルコゲン
共存下で加熱処理してカルコパイライト型化合物を得る
従来の製造方法において改善すべき最大の課題は、得ら
れる化合物中のIb族元素とIIIb族元素の組成がずれて
いることと、微視的に組成が一定していないことであ
る。カルコパイライト型化合物の電気的特性はその組成
に大きく依存しているので、前述の組成ずれと微視的に
組成が一定していないことが、カルコパイライト型化合
物の電気特性を低下させる大きな要因であり、特に薄膜
を積層して構成する例えば太陽電池においては、カルコ
パイライト型化合物の組成ずれ等により電気特性が低下
する傾向が顕著である。
【0005】しかし、従来のカルコパイライト型化合物
の製造方法では、厳密な組成制御は困難であった。つま
り、IIIb族元素の融点が低いため、例えばSeやS等
の雰囲気中、あるいは例えばH2S、CS2あるいはH2
Se等の雰囲気中でIb族元素の膜とIIIb族元素の膜と
の積層膜を加熱処理すると、IIIb族元素の膜が溶融す
る。そして、溶融したIIIb族元素は、凝集して多数の
液滴となるから、本来薄膜として一様に存在すべきIII
b族元素の分布状態は不均一となる。従って、このよう
なIIIb族元素とIb族元素とをカルコゲン共存下で加熱
処理して得られるカルコパイライト型化合物薄膜は、微
視的な組成が不均一となる。また、従来の製造方法で
は、組成のばらつきは特にIn薄膜14の状態に起因し
ている。つまり、蒸着法によりIn薄膜14を形成する
と、図8(a)および図9(a)のSに示したように、
In薄膜14の表面に凹凸がどうしても生じてしまう。
このため、Inの量が場所により不均一となるから、従
来の製造法によると、得られるカルコパイライト型化合
物薄膜には組成的に微視的なばらつきを生じるという問
題点があった。
【0006】したがって、本発明の目的は、組成ずれが
なく、しかも微視的な組成のばらつきのないカルコパイ
ライト型化合物の製造方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】Ib族元素とIIIb族元素
とを含むI族−III族酸化物を、VIb族元素を含む還元性
雰囲気または還元性VIb族化合物を含む雰囲気中で加熱
処理するカルコパイライト型化合物の製造方法によっ
て、本発明の目的を達成した。
【0008】
【作用】本発明の製造方法は、あらかじめI族−III族酸
化物を形成した後、I族−III族酸化物中に含まれる酸素
原子を還元性雰囲気で除去すると同時に、酸素原子が除
去された部分をVIb族元素で置き換え、カルコパイライ
ト型化合物を合成する手法である。本発明でいうI族−I
II族酸化物とは、Ib族元素の酸化物とIIIb族元素の酸
化物との混合物、Ib族元素とIIIb族元素との複合酸化
物あるいはIb族元素とIIIb族元素と酸素元素とを含む
組成物等、少なくとも1種のIb族元素、少なくとも1
種のIIIb族元素及び酸素元素を含む物質を指し、結晶
質であるか非晶質であるか等その形態は問わない。
【0009】本発明者らは、従来のカルコパイライト型
化合物の製造法においては、カルコゲンと反応させる薄
膜を構成する例えばInまたはGa等のIIIb族元素の
融点が低いことが、得られるカルコパイライト型化合物
の組成制御の困難さ及び微視的な組成のばらつきの主原
因であることをつきとめた。これに対して、本発明で用
いるI族−III族酸化物の融点は、例えばIn23では1
910℃でありInの融点157℃よりはるかに高く、
例えばGa23では1795℃でありGaの融点30℃
よりはるかに高く、また例えばCu2In2O5またはC
uGaO2等のIb族元素とIIIb族元素との複合酸化物
の融点も1000℃以上であり、何れもIIIb族元素単
体の融点よりもIIIb族元素の酸化物またはIb族元素と
IIIb族元素との複合酸化物の融点が高い。このため、I
b族−IIIb族酸化物は、VIb族元素を含む還元性雰囲
気または還元性VIb族化合物を含む雰囲気中で加熱処理
しても溶融せず、仕込組成が維持でき、微視的にも均一
な組成を有するカルコパイライト型化合物の合成ができ
る。
【0010】また、本発明で用いるI族−III族酸化物
は、その形態の如何によらず、後述のように均一な薄膜
を形成できる。従って、従来の例えばIn薄膜の表面の
凹凸に起因する微視的な組成のばらつきもなくなる。本
発明のI族−III族酸化物は、前述したように、Ib族元
素の酸化物とIIIb族元素の酸化物との混合物、Ib族元
素とIIIb族元素との複合酸化物、あるいはIb族元素と
IIIb族元素と酸素元素とを含む組成物等、Ib族元素、
IIIb族元素及び酸素元素を含む物質を指し、その形態
は問わない。しかし、薄膜状態のカルコパイライト型化
合物を得るには、I族−III族酸化物としては、Ib族元
素とIIIb族元素との複合酸化物を用いることが好まし
い。さらに、I族−III族酸化物が非晶質状態を形成して
いると、この酸化物をカルコパイライト型化合物に変換
するためにVIb族元素を含む還元性雰囲気または還元性
VIb族化合物を含む雰囲気中で処理する温度が、250
℃程度という極めて低温でもよいため望ましい。
【0011】なお、本発明で言う非晶質のI族−III族酸
化物とは、I族−III族酸化物自体全体が非晶質の場合、
および、Ib族酸化物またはIIIb族酸化物の何れか一方
が非晶質で他方が結晶質の場合も含む。また、たとえI
族−III族酸化物が非晶質であっても、カルコパイライ
ト化を確実に行うため、またはI族−III族酸化物の膜厚
等の形態に対応するため等の理由から、例えば400℃
程度の温度で処理することが望ましい。I族−III族酸化
物をVIb族元素を含む還元性雰囲気または還元性VIb族
化合物を含む雰囲気中で加熱処理する温度は、通常25
0〜700℃が望ましい範囲であり、400〜600℃
がより望ましい範囲である。処理温度の上限は合成する
カルコパイライト型化合物の融点で制限される。ところ
で、CuInS2やCuInSe2の融点は900℃以上
である。そこで、このプロセスでカルコパイライト型化
合物の薄膜を作製する場合は、処理温度の上限は通常、
用いる基板の耐熱性に制限されることになる。ソーダガ
ラスを基板に用いる場合には処理温度は600℃以下が
望ましく、ホウ硅酸ガラスの基板の場合でも700℃以
下が望ましい。
【0012】熱処理の時間としては、処理する酸化物の
粒径や膜厚、処理温度によって変化させるのが適当であ
る。酸化物膜の膜厚が薄く、処理温度が高い場合には短
時間の熱処理で十分に化学反応が進行し、所定のカルコ
パイライト型化合物が得られる。逆に、酸化物膜の膜厚
が厚く、処理温度が低い場合には長い時間の熱処理を必
要とする。本発明に適用できるIb族元素としては、例
えばCu、Ag等であるが、中でもCuを用いると、太
陽光を吸収するのに適したバンドギャップを有するカル
コパイライト型化合物を得られるため、太陽電池に適用
する場合には好ましい。
【0013】また、本発明に適用できるIIIb族元素と
しては、例えばAl、Ga、In、Tl等であるが、中
でもGaおよび/またはInを用いると、太陽光を吸収
するのに適したバンドギャップを有するカルコパイライ
ト型化合物が得られるため、太陽電池に適用する場合に
は好ましい。本発明に適用されるVIb族元素としては、
S、Se等のいわゆるカルコゲンである。また、本発明
で適用される還元性VIb族化合物としては、例えばH2
S、CS2、H2Seもしくは(CH32Se、(C
252Se等が挙げられるが、取扱いが容易であるた
めH2S、CS2、またはH2Seが好ましい。また、本
発明で適用されるVIb族元素または還元性VIb族化合物
は、単一種類でも複数種類でもよく、製造条件に応じて
適宜選択できる。
【0014】なお、本発明で用いるVIb族元素を含む還
元性雰囲気、または還元性VIb族化合物を含む雰囲気
は、例えばSもしくはSe等のVIb族元素の蒸気とH2
等の還元性ガスの混合雰囲気、例えばS等のVIb族元素
の蒸気、H2等の還元性ガスおよび/またはH2S等の還
元性VIb族化合物の混合雰囲気、または例えばH2S等
の還元性VIb族化合物の雰囲気等の何れの形態であって
もよい。但し、VIb族元素を含む雰囲気がVIb族元素の
みを用いる場合には、例えばH2、CO等の還元性雰囲
気を同時に作製する必要がある。また、本発明で言う還
元性雰囲気は、少なくともI族−III族酸化物自体を取り
囲む雰囲気のことであり、例えば条件に合致した粉末を
I族−III族酸化物上に敷き詰める方法であってもよい
が、上述した元素または化合物を気化して雰囲気を作製
する手法が一般的であり、また製造上も好ましい。
【0015】次に、本発明の方法により、VIb族元素を
含む還元性雰囲気または還元性VIb族化合物を含む雰囲
気中での加熱処理により、カルコパイライト型化合物に
転化するI族−III族酸化物を得る方法について説明す
る。このI族−III族酸化物としては、Ib族元素の酸化
物とIIIb族元素の酸化物との混合物でもよく、また前
記酸化物の混合物を焼成して得られるIb−IIIb−O系
組成物、好ましくは、Ib族元素とIIIb族元素との複合
酸化物が適用される。これらは粉末の状態でVIb族元素
を含む還元性雰囲気または還元性VIb族化合物を含む雰
囲気中で加熱処理してカルコパイライト型化合物に転化
することができるが、以下にはカルコパイライト型化合
物の薄膜を得るための酸化物混合物の薄膜及びIb−III
b−O系組成物ないしはIb族元素とIIIb族元素との複
合酸化物の薄膜を得る方法を述べる。この薄膜を得る方
法は、薄膜化技術として当業者によく知られている方法
を用いることができる。以下に述べる方法は単なる例示
である。
【0016】(1)Ib族元素の酸化物とIIIb族元素の
酸化物との混合物を焼成するなどの方法により得られる
Ib−IIIb−O系組成物ないしは複合酸化物をターゲッ
トとして、レーザーアブレーション法やスパッタ法など
のPVD法により基板上に前記組成物ないしは複合酸化
物の薄膜を得る方法。 (2)前記と同様のIb−IIIb−O系組成物ないしは複
合酸化物の粉末をペーストとし、この粉末のペーストを
用いてスクリーン印刷などの印刷技術により基板上に前
記組成物ないしは複合酸化物の薄膜を得る方法。 (3)Ib族元素の酸化物のターゲットとIIIb族元素の
酸化物のターゲットとを用いて薄膜化技術により、Ib
族元素とIIIb族元素とを含むIb−IIIb−O系組成物
ないしは複合酸化物の薄膜を基板上に得る方法。
【0017】(4)Ib族元素の酸化物の粉末とIIIb族
元素の酸化物の粉末との混合物をペーストとし、この粉
末のペーストを用いて印刷技術により基板上に前記酸化
物混合物の薄膜を得る方法。 ここにおいて、PVD法により得る薄膜の膜厚みは、均
質のカルコパイライト型化合物を得るためには、10μ
mより薄いのが適当であり、5μmより薄いのがより好
ましい。また、印刷技術により得る薄膜の膜厚みは、同
様に5μmより厚いのが適当であり、10μmより厚い
のがより好ましい。印刷のためのペーストとする粉末の
粒径は、3μmより小さいのが適当であり、1μmより
小さいのが好ましい。
【0018】ところで、本発明で作製したカルコパイラ
イト型化合物薄膜を太陽電池等に用いる場合には、カル
コパイライト型化合物の合成後反応副生物の除去を行う
のが望ましい。これは、本発明のカルコパイライト型化
合物の製造方法では、Ib族とIIIb族元素を含む酸化物
から酸素とVIb族元素を置き換える際に、H2OやCO2
などの酸素を含む副生成物として、酸素化合物がつくら
れるからである。これらの化合物は通常気体の形で系外
に除去される。しかし、このH2OやCO2は薄膜中に吸
着されたり、捕らえられたりしやすい。そして、このH
2OやCO2はこの薄膜の上にn型窓層を形成して素子を
作製する際にその特性に悪影響を及ぼすことがある。そ
こで、本発明の製造方法でカルコパイライト型化合物の
合成後、できるだけ速やかにこれらの副生成物を試料か
ら除去しておくのが望ましい。除去する一つの方法は、
合成したカルコパイライト型化合物と反応しない乾燥し
た不活性なガス、例えばN2やAr等のガス中や減圧雰
囲気中で熱処理することである。加熱温度としては80
℃以上が望ましい。この条件は、本発明の製造方法で合
成したCuInS2粉末の各種雰囲気中で熱重量分析
(TG)と質量分析(MS)を行なうことから見いだし
た。
【0019】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。図1は、本
発明によりカルコパイライト型化合物の薄膜を得る工程
を示している。同図において、1はガラスなどよりなる
基板であり、その上にモリブデンなどの薄膜2が形成し
てある。本発明では、前述したような方法によって、膜
2上にI族−III族酸化物の薄膜3を形成する(図1
a)。次に、この基板をVIb族元素を含む還元性雰囲気
または還元性VIb族化合物を含む雰囲気中で加熱処理し
て、前記薄膜3をカルコパイライト型化合物の薄膜4に
転化する(図1b)。上記のようにして得られるカルコ
パイライト型化合物薄膜を光吸収層とする太陽電池の構
成は、図2に示すように、前記薄膜4上にn型窓層5、
透明電極6を順次形成した構成が代表的なものの1つで
ある。膜2は裏面電極として機能し、通常はMoが用い
られる。また、n型窓層5としてCdS、透明電極6と
してZnOが通常用いられる。
【0020】[実施例1]純度99.9%以上のCuO
粉末(粒径3μm以下)と純度99.9%以上のIn2
3粉末(粒径3μm以下)とを2:1のモル比になる
ように秤量し、直径5mmのジルコニア製ボールと水を
用いて20時間湿式ボールミル混合した。得られた混合
粉末を乾燥後空気中950℃で10時間仮焼し、仮焼後
粉砕・造粒し、プレス成形した。この成形体を空気中1
000℃で10時間焼成して、焼結体ターゲットを作成
した。この焼結体ターゲットの相をX線回折により分析
したところ、Cu2In25であった。
【0021】このターゲットを用いて、XeClのエキ
シマレーザーを用いたレーザーアブレーション法によっ
て、Moを被覆したガラス基板のMo上に、厚さ約0.
5μmの酸化物薄膜(Cu−In−O系薄膜)を作製し
た。なお、ガラス基板上のモリブデンは、電子ビーム蒸
着により厚み約1μmに作製した。また、酸化物薄膜作
製時の基板温度は室温に保持した。
【0022】得られた酸化物薄膜の組成を、ICP発光
分析法により分析したところ、焼結体の組成がそのまま
保持され、Cu:Inのモル比は1:1であった。ま
た、この酸化物薄膜を、X線回折によって分析したとこ
ろ、図3に示すように、はっきりした回折ピークは現わ
れず非晶質であることがわかった。また、この酸化物薄
膜の走査電子顕微鏡写真を図4に示した。この写真は断
面に対して10度傾斜させている。図4において、1、
2および3はそれぞれガラス基板、モリブデン層および
酸化物層を示している。1〜3の部分は断面を表し、3
aは酸化物層の表面を表している。この図4から、得ら
れた酸化物薄膜は、その表面状態が非常に均一なことが
わかる。
【0023】この酸化物薄膜を、H2S雰囲気中(5%
2S+95%N2)400℃で、4時間熱処理した。得
られたカルコパイライト型化合物薄膜(Cu−In−S
系薄膜)のX線回折図形を図5に示した。このX線回折
図形から、Cu−In−S系薄膜は、カルコパイライト
型の結晶構造を有する単相のCuInS2であることが
わかる。また、この薄膜をICP発光分析法により組成
分析を行なったところ、Cu:In:Sのモル比が1:
1:2であることを確認した。さらに、X線マイクロア
ナライザーを用いて、各元素の二次元的分布状態を調べ
たところ、この薄膜には、Cu、In、Sの偏在が見ら
れず、微視的にみても組成が均質であることがわかっ
た。
【0024】図6に、本実施例で作製したカルコパイラ
イト型化合物薄膜の走査電子顕微鏡写真を示した。図6
の写真は、図4と同様断面に対して10度傾斜させてい
る。図6において、1、2および4はそれぞれガラス基
板、モリブデン層およびカルコパイライト型化合物層を
示している。1、2および4の部分は断面を表し、4a
はカルコパイライト型化合物層の表面を表している。こ
の走査電子顕微鏡写真から、本実施例のカルコパイライ
ト型化合物薄膜は、結晶粒の大きさも非常に均一であ
り、結晶粒も十分に成長しいることが確認できる。ま
た、このカルコパイライト型化合物薄膜は、従来問題と
なっていたMoとの付着性も十分であり、問題がないこ
とがわかった。
【0025】[実施例2]カルコパイライト型化合物薄
膜を形成する基板には、実施例1と同様に、モリブデン
を厚み約1μmに電子ビーム蒸着したガラス基板を用い
た。まず、実施例1で用いたのと同様のCu2In25
の焼結体ターゲットを用いて、マグネトロンスパッタ法
によって、300℃に保持した基板上に酸化物薄膜とし
てCu−In−O系薄膜を作製した。
【0026】得られた酸化物薄膜は、その組成をICP
発光分析法により分析したところ、焼結体の組成をその
まま保持しており、Cu:Inのモル比は1:1であっ
た。また、この酸化物薄膜を、X線回折によって分析し
たところ、In23のピークのみが観察された。このこ
とは、前記の薄膜が非晶質のCu−In−OまたはCu
−Oと結晶質のIn23の混合物であることを示してい
る。
【0027】この酸化物薄膜を、実施例1と同様のH2
S雰囲気中において、500℃で2時間加熱処理した。
こうして得たCu−In−S系薄膜を、X線回折により
分析したところ、カルコパイライト型の結晶構造を有す
る単相のCuInS2のカルコパイライト型化合物であ
ることがわかった。
【0028】また、このカルコパイライト型化合物をI
CP発光分析法により組成分析を行なったところ、C
u:In:Sのモル比が1:1:2であることを確認し
た。さらに、X線マイクロアナライザーによって、この
Cu−In−S系薄膜における各元素の二次元的分布状
態を調べたところ、その組成は微視的にみても均質であ
ることを確認した。また、走査電子顕微鏡観察から、本
実施例のカルコパイライト型化合物薄膜が組成的に非常
に均一であり、結晶粒も十分に成長していることが確認
できた。また、このカルコパイライト型化合物薄膜は、
従来問題となっていたMoとの付着性も十分であり、問
題がないことがわかった。
【0029】[実施例3]実施例1と同様のCuOとI
23原料を用いて、実施例1と同様にCuとInをモ
ル比で1.1:0.9および0.9:1.1の比率で含
む2種類のCu−Inの酸化物の焼結体ターゲットを作
製した。まず、Cu:In=1.1:0.9の組成のタ
ーゲットを用いてレーザーアブレーションによって、C
u−In−O薄膜を、実施例1と同様のガラス基板のM
o上に約0.2μm形成した。この上にCu:In=
0.9:1.1の組成のターゲットを用いてCu−In
−O薄膜を約0.2μm形成した。二次イオン質量分析
(SIMS)を用いて、得られた酸化物薄膜の深さ方向
の元素分布の測定を行なった。この分析から基板側では
Cu>Inのモル比であり、表面側ではCu<Inであ
ることを確認した。
【0030】この組成の異なる二層のCu−In−O膜
を、実施例1と同様にH2S雰囲気中400℃で4時間
熱処理した。得られた薄膜は、X線回折からカルコパイ
ライト型構造を有するCuInS2であった。走査型電
子顕微鏡で薄膜表面を観察したところ、CuInS2
粒径が、図6に示した実施例1で作製した試料に比較し
て大きく発達していることがわかった。カルコパイライ
ト型化合物の粒径が大きい方が太陽電池に用いた場合変
換効率が高くなることが知られている。また、十分にVI
b族元素が存在する条件で、Ib族元素がIIIb族元素に
比較して過剰に存在すると、カルコパイライト相以外に
Ib族元素のカルコゲン化合物、Cu2-xSやCu2-x
e等の低抵抗不純物が生成する。この低抵抗不純物は、
太陽電池素子の特性に悪影響を及ぼす。そこで、通常n
型窓層と接合を形成するカルコパイライト型化合物薄膜
の表面付近の組成は、化学量論比組成(Cu:In=
1:1)かIn過剰組成(Cu<In)が望ましい。従
って、本実施例で作製したCuInS2薄膜は、粒径も
大きく、表面付近の組成もCu<Inのモル比であるの
で、この上にn型窓層を形成して太陽電池素子を作製す
るうえで非常に望ましい特性を有していることがわか
る。
【0031】[実施例4]実施例1と同様の方法でCu
InS2薄膜を作製した。実施例1と異なるのは、熱処
理の時に流すガスを、H2SとN2の混合ガスからCS2
中でバブリングしたN2ガスに変えたことである。この
場合も、実施例1〜3と同様に、単相のカルコパイライ
ト型化合物のCuInS2薄膜が得られた。X線回折や
走査電子顕微鏡、X線マイクロアナライザー等を用いて
分析すると、得られたカルコパイライト型化合物薄膜
は、組成的に非常に均一であり、結晶粒も十分に成長
し、Moとの付着性も良好であることがわかった。
【0032】[実施例5]実施例1と同様の方法でCu
GaS2及びCu(In0.7Ga0.3)S2薄膜を各々作製
した。実施例1と異なるのは、焼結体ターゲットの原料
として、CuO粉末とGa23粉末とのモル比2:1の
混合物及びCuO粉末とIn23粉末とGa23粉末と
のモル比2:0.7:0.3の混合物を用いたことであ
る。
【0033】実施例1と同様に、焼結体ターゲットから
酸化物薄膜のCu−Ga−O系及びCu−In−Ga−
O系薄膜が得られ、これらをH2S雰囲気中で熱処理す
ると、単相のカルコパイライト型化合物のCuGaS2
およびCu(In0.7Ga0.3)S2薄膜が各々得られ
た。X線回折や走査電子顕微鏡、X線マイクロアナライ
ザー等を用いて分析すると、得られたカルコパイライト
型化合物薄膜は、何れも組成的に非常に均一であり、結
晶粒も十分に成長し、Moとの付着も良好であることが
わかった。
【0034】[実施例6]実施例1と同様の方法で、C
uInSe2およびCuIn(S0.5Se0.52薄膜を各
々作製した。実施例1と異なるのは、酸化物薄膜の熱処
理雰囲気としてH2Se雰囲気及びH2SeとH2Sとの
混合ガス雰囲気を各々用いたことである。すなわち、実
施例1と同様にCu−In−O系酸化物薄膜を、H2
e雰囲気中で熱処理すると、単相のカルコパイライト型
化合物のCuInSe2薄膜が得られた。また、Cu−
In−O系酸化物薄膜を、H2SeとH2Sとの混合ガス
雰囲気中で熱処理すると、単相のカルコパイライト型化
合物のCuIn(S0.5Se0.52薄膜が得られた。X
線回折や走査電子顕微鏡、X線マイクロアナライザー等
を用いて分析すると、得られたこれらカルコパイライト
型化合物薄膜は、各々組成的に非常に均一であり、結晶
粒も十分に成長し、Moとの付着性も良好であることが
わかった。
【0035】[実施例7]CuO粉末とIn23粉末を
2:1のモル比で湿式混合した。得られた混合粉末を乾
燥後、空気中950℃で10時間仮焼した。仮焼粉末を
再粉砕・造粒・プレス成形した。この成形体を空気中1
000℃で10時間焼成し、所定の複合酸化物を作製し
た。この焼結体の相をX線回折により分析したところ、
Cu2In25であった。この試料の粉末X線回折図形
を図7に示した。
【0036】この焼結体を粉砕し、これにポリエチレン
グリコールを混合して、Cu2In25のペーストを作
製した。このペーストをガラス基板上に直にスクリーン
印刷して、厚さ約10μmのCu2In25の膜を作製
した。この複合酸化物膜をH2S雰囲気中(5%H2S+
95%N2)600℃で4時間熱処理した。
【0037】得られたCu−In−S系薄膜は、そのX
線回折図形からカルコパイライト型の結晶構造を有する
単相のCuInS2であることがわかった。また、同薄
膜は、ICP発光分析法によって組成分析を行なったと
ころ、Cu:In:Sのモル比が1:1:2であること
を確認した。X線マイクロアナライザーによって、この
CuInS2薄膜における各元素の二次元的分布状態を
調べたところ、同薄膜の組成は微視的にみても均質であ
ることがわかった。走査電子顕微鏡観察から、本実施例
のカルコパイライト型化合物薄膜は、組成的に非常に均
一であり、結晶粒も十分に成長していることが確認でき
た。
【0038】[実施例8]CuO粉末とGa23粉末を
2:1のモル比で湿式混合した。得られた混合粉末を乾
燥後、空気中950℃で10時間仮焼し、造粒・プレス
成形した。この成形体を空気中1000℃で10時間焼
成して、所定の複合酸化物を作製した。この焼結体の相
をX線回折により分析したところ、CuGaO2であっ
た。この焼結体を粉砕し、ポリエチリングリコールと混
合して、CuGaO2のペーストを作製した。このペー
ストをガラス基板上にスクリーン印刷して、厚さ約10
μmのCuGaO2膜を作製した。
【0039】この複合酸化物膜を、H2S雰囲気中(5
%H2S+95%N2)600℃で4時間熱処理した。得
られたCu−Ga−S系薄膜は、X線回折からカルコパ
イライト型の結晶構造を有する単相のCuGaS2であ
ることがわかった。また、ICP発光分析法により組成
分析を行なったところ、Cu:Ga:Sのモル比が1:
1:2であることを確認した。X線マイクロアナライザ
ーによって、このCuGaS2薄膜における各元素の二
次元的分布状態を調べたところ、同薄膜の組成は微視的
にみても均質であることがわかった。走査電子顕微鏡観
察から、本実施例のカルコパイライト型化合物薄膜は、
組成的に非常に均一であり、結晶粒も十分に成長してい
ることが確認できた。
【0040】[実施例9]基板としてはガラス基板を用
いた。Cu2O粉末とIn23粉末を1:1のモル比で
湿式混合した。乾燥後、この混合粉末をポリエチリング
リコールと混合して、ペーストを作製した。このペース
トをガラス基板上にスクリーン印刷して、厚さ約15μ
mの膜を作製した。
【0041】この膜を、H2S雰囲気中(5%H2S+9
5%N2)600℃で4時間熱処理した。得られたCu
−In−S系薄膜は、そのX線回折図形からカルコパイ
ライト型の結晶構造を有する単相のCuInS2である
ことがわかった。また、ICP発光分析によって組成分
析を行なったところ、Cu:In:Sのモル比が1:
1:2であることを確認した。X線マイクロアナライザ
ーによって、このCuInS2薄膜における各元素の二
次元的分布状態を調べたところ、同薄膜の組成は微視的
にみても均質であることがわかった。走査電子顕微鏡観
察から、本実施例のカルコパイライト型化合物薄膜は組
成的に非常に均一であり、結晶粒も十分に成長している
ことが確認できた。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、従来技術における課題
であった組成ずれや微視的な組成のばらつきのない均一
なカルコパイライト型化合物ができるようになり、太陽
電池などのデバイスの作製に適した均質な薄膜が作製で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるカルコパイライト型化
合物の製造工程を示すもので、(a)は酸化物層を積層
する工程を示す図であり、(b)はカルコパイライト型
化合物を合成する工程を示す図である。
【図2】本発明により得られるカルコパイライト型化合
物薄膜を用いた太陽電池の構成例を示す縦断面図であ
る。
【図3】本発明の実施例1の酸化物薄膜(Cu−In−
O型)のX線回折図形である。
【図4】本発明の実施例1の酸化物薄膜(Cu−In−
O型)の走査電子顕微鏡写真である。
【図5】本発明の実施例1で得られたカルコパイライト
型化合物(CuInS2)のX線回折図形である。
【図6】 本発明の実施例1で得られたカルコパイライ
ト型化合物薄膜(CuInS2)の走査電子顕微鏡写真
である。
【図7】本発明の実施例7で用いた酸化物(Cu2In2
5)の粉末X線回折図形である。
【図8】従来のカルコパイライト型化合物薄膜の製造工
程を示すもので、(a)は金属層を積層する工程を示す
図であり、(b)はカルコパイライト型化合物を合成す
る工程を示す図である。
【図9】従来のカルコパイライト型化合物薄膜の製造工
程を示すもので、(a)は金属およびカルコゲンを積層
する工程を示す図であり、(b)はカルコパイライト型
化合物を合成する工程を示す図である。
【符号の説明】
1 基板 2 モリブデン層 3 酸化物層 4 カルコパイライト型化合物層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−326525(JP,A) 特開 平4−369871(JP,A) 特開 平4−243169(JP,A) 特開 平4−320381(JP,A) 特開 平1−231313(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/078 H01L 21/363

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ib族元素とIIIb族元素との複合酸化物
    を、VIb族元素を含む還元性雰囲気または還元性VIb族
    化合物を含む雰囲気中で加熱処理することにより、前記
    酸化物をカルコパイライト型化合物に転化することを特
    徴とするカルコパイライト型化合物の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記複合酸化物が、非晶質である請求項
    記載のカルコパイライト型化合物の製造方法。
  3. 【請求項3】 基板上に前記複合酸化物の薄膜を得る工
    程を有し、得られた薄膜を前記の加熱処理によりカルコ
    パイライト型化合物に転化することを特徴とする請求項
    または2記載のカルコパイライト型化合物の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 前記薄膜を得る工程が、Ib族元素とIII
    b族元素との複合酸化物から、薄膜化手段により前記複
    合酸化物の薄膜を得る工程である請求項記載のカルコ
    パイライト型化合物の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記薄膜を得る工程が、Ib族元素とIII
    b族元素との複合酸化物の粉末のペーストから薄膜を形
    成する工程である請求項3記載のカルコパイライト型化
    合物の製造方法
  6. 【請求項6】 Ib族元素の酸化物とIIIb族元素の酸化
    物との混合物を焼成して前記複合酸化物を得る工程を有
    する請求項4または5記載のカルコパイライト型化合物
    の製造方法
  7. 【請求項7】 前記薄膜を得る工程が、Ib族元素の酸
    化物とIIIb族元素の酸化物から、薄膜化手段によりIb
    族元素とIIIb族元素との複合酸化物薄膜を得る工程で
    ある請求項記載のカルコパイライト型化合物の製造方
    法。
  8. 【請求項8】 基板上に形成されたIb族元素とIIIb族
    元素を含むI族−III族酸化物薄膜であって、この薄膜中
    におけるIb族元素のIIIb族元素に対するモル比が基板
    側で大きく、かつ薄膜表面側において小さい薄膜を、VI
    b族元素を含む還元性雰囲気または還元性VIb族化合物
    を含む雰囲気中で加熱処理することにより、前記酸化物
    薄膜をカルコパイライト型化合物に転化することを特徴
    とするカルコパイライト型化合物の製造方法。
  9. 【請求項9】 Ib族元素とIIIb族元素を含むI族−III
    族酸化物を、VIb族元素を含む還元性雰囲気または還元
    性VIb族化合物を含む雰囲気中で加熱処理することによ
    り、前記酸化物をカルコパイライト型化合物に転化した
    後、副生した酸素化合物を前記カルコパイライト型化合
    物から除去することを特徴とするカルコパイライト型化
    合物の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記副生した酸素化合物を除去する工
    程が、乾燥雰囲気中において前記カルコパイライト型化
    合物を80℃以上の温度で加熱処理することからなる請
    求項9記載のカルコパイライト型化合物の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記Ib族元素がCuであり、前記III
    b族元素がInおよびGaよりなる群から選択される少
    なくとも1種である請求項110のいずれかに記載の
    カルコパイライト型化合物の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記還元性VIb族元素が、H2S、C
    2およびH2Seよりなる群から選択される少なくとも
    1種である請求項111のいずれかに記載のカルコパ
    イライト型化合物の製造方法。
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