JP4794480B2 - Ｉａ族元素測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｉａ属元素測定方法に関し、一層詳細には、カルコパイライト型太陽電池の半製品に含まれるアルカリ層中のＩａ族元素を定量するＩａ族元素測定方法に関する。

図４Ａ〜図４Ｅは、カルコパイライト型太陽電池１０（図４Ｅ参照）の製造工程を模式的に示すための工程フロー説明図である。このカルコパイライト型太陽電池１０を作製するに際しては、先ず、図４Ａに示すように、例えば、スパッタリングを行うことにより、ガラス基板１２上にＭｏ又はＷ等からなる下部電極層１４を成膜する。

次に、スパッタリング製膜等により、図４Ｂに示すように、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａを含むプリカーサ層２０を設ける。

そして、このプリカーサ層２０の上端面に、例えば、塩化ナトリウム水溶液をはじめとするナトリウム塩水溶液等のアルカリ溶液を塗布した後、該溶液を乾燥することにより、図４Ｃに示すように、プリカーサ層２０上にアルカリ層２２を形成する。なお、前記溶液の塗布は、スピンコート等によって行われる。

次に、アルカリ層２２が形成された半製品を熱処理炉に収容し、プレヒートを行った後、熱処理炉内にＨ₂Ｓｅガスを導入して前記プリカーサ層２０をセレン化し、図７Ｄに示すように、カルコパイライト化合物であるＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ、すなわち、いわゆるＣＩＧＳからなる光吸収層２４を設ける。特許文献１に記載されているように、この際、前記アルカリ層２２に含まれるＮａ等のアルカリ成分、すなわち、Ｉａ属元素が、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅの結晶化を促進する。アルカリ層２２は、最終的に光吸収層２４に拡散して消滅し、その結果、光吸収層２４の上端面が露呈する。

その後、必要に応じてｎ型のバッファ層２６を積層し、さらに、図４Ｅに示すように、ｎ型の透明電極層２８を積層することで、カルコパイライト型太陽電池１０が得られる。バッファ層２６、透明電極層２８の各材質としては、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＯ−Ａｌをそれぞれ選定すればよい。

上記したように、アルカリ層２２中のＩａ属元素は、光吸収層２４を設ける際にカルコパイライト型化合物の結晶化に影響をもたらす。換言すれば、カルコパイライト型太陽電池１０の性能は、アルカリ層２２に由来するＩａ属元素量に依存して変化する。このため、Ｉａ属元素量を管理することが重要となる。

Ｉａ属元素量を測定する手法としては、特許文献２に記載されているように、振動石英測定法、吸収分光分析法又は質量分光分析法等のいわゆる乾式測定方法が知られている。又は、グロー放電分光法（ＧＤＳ）、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）、誘導結合プラズマ発光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）等が採用されることもある。

特開２００６−２１０４２４号公報（段落［００２０］、［００２５］） 特開平８−２２２７５０号公報（段落［００３０］）

上記した乾式測定方法に用いられる測定装置のいずれにおいても、大型の測定用試料をセットすることができない。このため、製造したカルコパイライト型太陽電池から測定用試料を切り出すことが必要となり、煩雑である。しかも、スピンコートでアルカリ層を形成した場合、厚みにムラが生じ易い。換言すれば、厚みが大きい部位と小さい部位とが混在したアルカリ層が形成される傾向がある。従って、一部を切り出した測定用試料に基づいてＩａ属元素を正確に定量することはできない。

また、乾式測定には比較的長時間を要するので、アルカリ層の複数部位につきＩａ属元素の定量を短時間で行うことができない。従って、カルコパイライト型太陽電池を量産する場合に乾式測定を採用すると、生産数に対応した測定を行うことが困難となる。

その上、乾式測定用の測定装置、特に、ＧＤＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、ＩＣＰ−ＡＥＳはいずれも、装置が高額であるので設備投資が高騰するという不都合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ＮａをはじめとするＩａ族元素を短時間で正確に定量することが容易であり、しかも、低廉な設備投資で実施することが可能なＩａ族元素測定方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、カルコパイライト型太陽電池の半製品に含まれるアルカリ層中のＩａ族元素を定量するＩａ族元素測定方法であって、
基板上に形成された第１電極層の上方にカルコパイライト化合物のプリカーサ層を設ける前又は後に、Ｉａ族元素を含むアルカリ層を設ける工程と、
前記アルカリ層に含まれる前記Ｉａ族元素の定量を行う工程と、
を有し、
前記定量は、前記アルカリ層の所定部位を閉塞部材で覆い、且つ前記閉塞部材に設けられた導電率測定手段によって該閉塞部材内の水溶液の導電率を測定し、該導電率に基づいて前記水溶液中のＩａ族元素の濃度を求めることで行うことを特徴とする。

本発明においては、アルカリ層に含まれるＩａ族元素を水に溶解して水溶液とし、該水溶液の導電率を測定するという湿式測定が実施される。上記したように、この湿式測定を行う際には、アルカリ層の所定部位が閉塞部材で覆われる。従って、測定用試料を切り出す必要がない。

しかも、この湿式測定による定量は、ＧＤＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、ＩＣＰ−ＡＥＳ等の乾式測定方法に比して短時間で終了する。すなわち、測定効率が大幅に向上するので、量産された大量のカルコパイライト型太陽電池の検査に対応することが可能である。

その上、この定量に続き、アルカリ層における別部位のＩａ族元素量の定量も可能であるので、アルカリ層の塗布ムラが如何なる程度であるのかを調べることもできる。

さらに、この湿式測定を行うための測定装置は、アルカリ層の所定部位を覆う閉塞部材と導電率測定手段とで構成することができる。すなわち、構成が著しく簡素であり、このために設備投資が低廉化する。従って、定量（検査）に要するコストが著しく安価となる。

なお、閉塞部材に撹拌手段を設け、この撹拌手段で該閉塞部材に収容された水を撹拌しながらＩａ族元素を溶解させることが好ましい。この場合、前記第１電極層や前記プリカーサ層の各界面に溶け込んだＩａ族元素をも定量することが可能となるので、測定精度が一層向上するからである。

本発明によれば、カルコパイライト型太陽電池を構成する際に設けられるアルカリ層の一部を閉塞部材で覆い、前記アルカリ層に含まれるＩａ族元素を該閉塞部材に収容された水に溶解させて導電率を測定し、この測定結果に基づいてアルカリ層のＩａ族元素を定量するようにしているので、測定用試料を切り出す必要がない。しかも、導電率の測定は短時間で終了するので、定量を効率よく行うことができる。従って、量産時の検査に対応することも可能である。

また、このような湿式測定を行うための測定装置を簡素に構成することができるので、設備投資も低廉化する。

以下、本発明に係るＩａ族元素測定方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図４Ａ〜図４Ｅに示される構成要素と同一の構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施の形態に係るＩａ族元素測定方法は、図１のガラス基板１２上に形成された下部電極層１４（第１電極層）上にカルコパイライト化合物のプリカーサ層２０を設ける第１工程と、アルカリ層２２を前記プリカーサ層２０上に設ける第２工程と、前記アルカリ層２２に含まれるＩａ族元素の定量を行う第３工程とを有する。すなわち、本実施の形態においては、先ず、図１に示す半製品３０を作製する。

はじめに、例えば、スパッタリング製膜によって、ガラス基板１２上に下部電極層１４を製膜する。

次に、レーザ加工等を行った後、スパッタリング製膜等によって、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａを含むプリカーサ層２０を設ける。さらに、スピンコート等によってプリカーサ層２０の上端面にアルカリ溶液（例えば、ナトリウム塩水溶液）を塗布し、乾燥によって該液を固化させてアルカリ層２２とすれば、半製品３０が得られる。

次に、図２に示す湿式測定装置４０を用い、前記半製品３０におけるアルカリ層２２中のＩａ族元素の定量を行う。

この場合、湿式測定装置４０は、純水ＰＷを収容するための筐体４２（閉塞部材）と、導電率測定手段である導電率測定計４４と、撹拌手段である撹拌翼４６とを有し、導電率測定計４４及び撹拌翼４６はいずれも筐体４２に設けられている。さらに、筐体４２の天井板には、供給管４８及び排出管５０が連結されている。

筐体４２の下方には、開口５２が形成されている。図２から諒解されるように、筐体４２は半製品３０のアルカリ層２２の一部を閉塞するものであり、この際、開口５２がアルカリ層２２に臨む。勿論、開口５２の周囲にはシール部材５４が貼着されており、このシール部材５４により、純水ＰＷが筐体４２から漏洩することが防止される。

一方、筐体４２の天井面には第１貫通孔５６が設けられており、前記導電率測定計４４の胴体は、この第１貫通孔５６に通されている。なお、導電率測定計４４における筐体４２から露出した端部は、ケーブルを介して導電率表示器（いずれも図示せず）に電気的に接続されている。すなわち、筐体４２内に収容された純水ＰＷの導電率は、前記導電率表示器を介して表示される。

前記撹拌翼４６は、筐体４２の天井面略中心部に設置されている。この撹拌翼４６は、筐体４２の上端面に設置されたモータ５８によって回転付勢される。

筐体４２の天井面には、さらに、第２貫通孔６０、第３貫通孔６２をそれぞれ有する突出部６４、６６が設けられている。前記供給管４８及び前記排出管５０の各々は、図示しない管継手を介して突出部６４、６６に連結されている。

この中、供給管４８は図示しない純水供給源に接続され、一方、排出管５０にはポンプ６８が介装されている。すなわち、筐体４２内の純水ＰＷは、前記ポンプ６８の作用下に排出管５０を介して古いものを排出した後、前記純水供給源から供給管４８を経由して新たなものを導入することで交換可能である。なお、供給管４８及び排出管５０の各々には、バルブ７０、７２が介在されている。

アルカリ層２２中のＩａ族元素の定量は、上記のように構成された湿式測定装置４０を用い、次のようにして実施される。なお、以下においては、Ｉａ族元素の一例としてＮａを挙げて説明することとする。

先ず、湿式測定装置４０を構成する筐体４２を、アルカリ層２２の所定部位に載置する。すなわち、アルカリ層２２の所定部位を筐体４２で覆う（図２参照）。次に、前記純水供給源から純水ＰＷを供給し、供給管４８を介して筐体４２の内部に純水ＰＷを導入する。勿論、この際には、供給管４８側のバルブ７０を開放する一方、排出管５０側のバルブ７２を閉止し、所定量の純水ＰＷが筐体４２内に導入された後は、バルブ７０を閉止することで筐体４２への純水ＰＷの供給を停止する。なお、撹拌翼４６は、モータ５８の作用下に予め回転付勢させておく。

アルカリ層２２に含まれるＮａは、純水ＰＷに溶解する。撹拌翼４６によって純水ＰＷが撹拌されているためにアルカリ層２２に振動が付与されるので、該アルカリ層２２に含まれるＮａ、さらには、プリカーサ層２０の界面に溶け込んだＮａの溶解が十分に進行する。この溶解に伴い、純水ＰＷが水溶液となる。

Ｎａが純水ＰＷないし水溶液に溶解する間、水溶液の導電率が前記導電率表示器によってモニタリングされる。最終的に、アルカリ層２２やプリカーサ層２０に含まれたＮａの全てが溶解すると、水溶液の導電率が略一定となる。

勿論、水溶液におけるＮａ濃度と、アルカリ層２２やプリカーサ層２０に含まれたＮａ量との間には比例関係が成り立つ。その一方で、Ｎａ濃度と導電率との間にも比例関係が成立する。従って、略一定値となった前記水溶液の導電率を測定することで、アルカリ層２２やプリカーサ層２０に含まれたＮａ量を求めることができる。換言すれば、Ｎａの定量が可能となる。

なお、この測定結果は、ＧＤＳによる測定結果に略合致する。ＧＤＳは測定精度の高い測定装置として知られており、従って、本実施の形態において得られた測定結果も高精度であるといえる。また、導電率に基づくＮａ量の定量を繰り返し行っても、その測定結果はＧＤＳによる測定結果と略同一である。すなわち、再現性も良好である。

以上のようにしてアルカリ層２２の一部位におけるＮａ濃度を調べることでＮａ量を定量した後、別部位のＮａ濃度を調べる場合には、ポンプ６８を付勢して排出管５０側のバルブ７２を開放し、筐体４２内の水溶液を全て排出する。さらに、純水供給源から純水ＰＷを供給して筐体４２内に純水ＰＷを流通させ、水溶液の残渣を洗い流すことが好ましい。

そして、筐体４２をアルカリ層２２の別部位に移動させる。その後、上記と同様にして該部位におけるＮａの定量を行えば、ナトリウム塩水溶液の塗布ムラが如何なる程度であるかについての情報を得ることができる。

このように、本実施の形態によれば、測定装置にセットするために測定用試料を切り出す必要がなく、しかも、同一のアルカリ層２２の別部位におけるＮａの定量を連続して行うことができるようになる。さらに、定量に要する時間も著しく短縮される。

その上、湿式測定装置４０の構成は著しく簡素であり、しかも、導電率測定計４４、撹拌翼４６は極めて安価である。従って、ＧＤＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、ＩＣＰ−ＡＥＳ等に比して設備投資が著しく低廉化するという利点が得られる。勿論、測定コストも低廉化する。

定量に供したアルカリ層２２と同一条件で設けられたアルカリ層２２を具備するカルコパイライト型太陽電池１０（図４Ｅ参照）においては、Ｎａ量は略同等である。従って、上記のようにして得られたＮａ量に関する知見に基づき、該カルコパイライト型太陽電池１０の諸特性を推測することが可能となる。このため、該カルコパイライト型太陽電池１０が所望の品質を満足するものであるか否かを容易に判別することができる。

なお、上記した実施の形態においては、プリカーサ層２０上にアルカリ層２２を設けるようにしているが、図３に示すように、下部電極層１４上に設けるようにしてもよい。この場合においては、下部電極層１４に溶け込んだＩａ族元素をも純水ＰＷに溶解させることが可能である。

また、アルカリ層２２の形成は、スピンコートをはじめとするスプレー塗布に特に限定されるものではなく、アルカリ元素（Ｉａ族元素）を含む水溶液に半製品３０を浸漬した後に乾燥を行うことで形成するようにしてもよい。

さらに、アルカリ層２２はＮａを含むものに特に限定されるものではなく、Ｋ等の別種のＩａ族元素を含むものであってもよい。勿論、アルカリ層２２を設けるための原材料もナトリウム塩水溶液に特に限定されるものではなく、カリウム塩水溶液であってもよい。

Ｉａ族元素の定量を行うための半製品の概略縦断面構成説明図である。 Ｉａ族元素の定量を行うための湿式測定装置の概略全体縦断面図である。 Ｉａ族元素の定量を行うための別の半製品の概略縦断面構成説明図である。 図４Ａ〜図４Ｅは、カルコパイライト型太陽電池の製造過程を示す工程フロー説明図である。

符号の説明

１０…カルコパイライト型太陽電池 １２…ガラス基板
１４…下部電極層 ２０…プリカーサ層
２２…アルカリ層 ２４…光吸収層
２６…バッファ層 ２８…透明電極層
３０…半製品 ４０…湿式測定装置
４２…筐体 ４４…導電率測定計
４６…撹拌翼 ４８…供給管
５０…排出管 ６８…ポンプ
ＰＷ…純水

Claims (2)

1. カルコパイライト型太陽電池の半製品に含まれるアルカリ層中のＩａ族元素を定量するＩａ族元素測定方法であって、
   基板上に形成された第１電極層の上方にカルコパイライト化合物のプリカーサ層を設ける前又は後に、Ｉａ族元素を含むアルカリ層を設ける工程と、
   前記アルカリ層に含まれる前記Ｉａ族元素の定量を行う工程と、
   を有し、
   前記定量は、前記アルカリ層の所定部位を閉塞部材で覆い、且つ前記閉塞部材に設けられた導電率測定手段によって該閉塞部材内の水溶液の導電率を測定し、該導電率に基づいて前記水溶液中のＩａ族元素の濃度を求めることで行うことを特徴とするＩａ族元素測定方法。
2. 請求項１記載の測定方法において、前記閉塞部材に設けられた撹拌手段で該閉塞部材に収容された水を撹拌しながら、前記Ｉａ族元素を前記水に溶解させることを特徴とするＩａ族元素測定方法。

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