JP5311984B2 - Thin film solar cell manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、一対の電極層間に光吸収層を有する薄膜太陽電池の製法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a thin film solar cell having a light absorption layer between a pair of electrode layers.

図1は、一般的な薄膜太陽電池の基本構造を示している。この薄膜太陽電池は、図1に示すように、例えば、ソーダライムガラスからなる基板1上に裏面電極となる、例えば、Moからなる第1電極層2が形成され、この第1電極層2上に化合物半導体薄膜からなる光吸収層3が形成され、その光吸収層3上にZnS、CdSなどからなるバッファ層4を介して、ZnOなどからなる透明の第2電極層5が形成されている。   FIG. 1 shows a basic structure of a general thin film solar cell. As shown in FIG. 1, the thin-film solar cell has a first electrode layer 2 made of, for example, Mo formed on a substrate 1 made of soda lime glass, for example, and is formed on the first electrode layer 2. A light absorption layer 3 made of a compound semiconductor thin film is formed, and a transparent second electrode layer 5 made of ZnO or the like is formed on the light absorption layer 3 through a buffer layer 4 made of ZnS, CdS, or the like. .

化合物半導体からなる光吸収層3としては、高いエネルギー変換効率が得られるものとして、Cu(In,Ga)Seからなる化合物半導体薄膜が用いられている。 As the light absorption layer 3 made of a compound semiconductor, a compound semiconductor thin film made of Cu (In, Ga) Se 2 is used so as to obtain high energy conversion efficiency.

Cu(In,Ga)Seの製法としては、蒸着法やスパッタ法など真空プロセスを用いる製法と、固相または液相原料を塗布または電着によって成膜する非真空プロセスを用いる製法とに大別される。 Cu (In, Ga) as preparation of Se 2 is large in the production process used and the method of using a vacuum process such as vapor deposition or sputtering, a non-vacuum process for deposition by solid or liquid phase material coating or electrodeposition Separated.

このうち、非真空プロセスの原料を塗布するCu(In,Ga)Seの製法としては、Cu、In、Ga、Seの個別の金属塩を有機溶媒に溶解して塗布・乾燥して熱分解、焼成する製法と、Cu、In、Ga、Seの元素を含んだ有機化合物もしくは錯体を溶液化して塗布・熱分解、焼成する製法がある。 Among these methods, Cu (In, Ga) Se 2 is produced by applying a non-vacuum process raw material by dissolving individual metal salts of Cu, In, Ga, and Se in an organic solvent, drying and thermally decomposing them. There are a production method of baking, and a production method of applying an organic compound or complex containing elements of Cu, In, Ga, and Se into a solution, applying thermal decomposition, and baking.

前者の個別の金属塩を使用する製法は、各金属塩によって溶解度が異なるために、乾燥時に組成分離して析出しやすく、薄膜全体の組成が不均一になりやすいという問題がある。一方、有機化合物もしくは錯体を用いる製法では、理想的な有機化合物を作製することができれば、乾燥時に組成分離することがなく、理論的には、均一組成のCu(In,Ga)Se薄膜を形成することが可能である。 The former production method using individual metal salts has a problem in that the solubility differs depending on each metal salt, so that the composition is easily separated and deposited at the time of drying, and the composition of the entire thin film tends to be nonuniform. On the other hand, in the production method using an organic compound or complex, if an ideal organic compound can be produced, the composition does not separate during drying, and theoretically, a Cu (In, Ga) Se 2 thin film having a uniform composition is formed. It is possible to form.

例えば、従来、単一前駆体法(Single Source Precursor法)が知られており、この方法は、1つの有機化合物内にCuとSeとInまたはGaとを存在させ、その有機化合物を有機溶媒に溶解させて塗布、熱分解、焼成することによって、Cu(In,Ga)Se薄膜を形成する製法である(特許文献1参照)。 For example, conventionally, a single precursor method (single source precursor method) is known, and in this method, Cu, Se, In, or Ga is present in one organic compound, and the organic compound is used as an organic solvent. It is a manufacturing method in which a Cu (In, Ga) Se 2 thin film is formed by dissolving, coating, pyrolysis, and baking (see Patent Document 1).

この特許文献1の製法を具体的に説明すると、Cu(CHCN)・PFなどの金属塩とP(Cなどのルイス塩基とを反応させて{P(CCu(CHCN) のような形の錯イオンを作製し、この錯イオンとInもしくはGaとSeとを含む錯イオンとを反応させることによって、CuとInまたはGaとSeとを含む単一前駆体を作製している。
米国特許第6992202号明細書
The production method of Patent Document 1 will be specifically described. A metal salt such as Cu (CH 3 CN) 4 .PF 6 and a Lewis base such as P (C 6 H 5 ) 3 are reacted to produce {P (C 6 A complex ion having a form such as H 5 ) 3 } 2 Cu (CH 3 CN) 2 + is prepared, and this complex ion is reacted with a complex ion containing In or Ga and Se, whereby Cu and In or A single precursor containing Ga and Se is produced.
US Pat. No. 6,992,202

しかしながら、本発明者等の実験によれば、Cu(CHCN)・PFなどの金属塩とP(Cなどのルイス塩基とを反応させて{P(CCu(CHCN) のような形の錯イオンを作製し、この錯イオンとInもしくはGaとSeとを含む錯イオンとを反応させ、CuとInまたはGaとSeとを含む単一前駆体を作製し、この単一前駆体を有機溶媒に溶解させて基板の第1電極層に塗布し、不活性雰囲気中で熱分解、熱処理することによって、Cu(In,Ga)Se薄膜を形成した場合、Cu(In,Ga)Se薄膜と第1電極層との密着性が低く、取り扱い時に剥離し易いという問題があった。 However, according to experiments by the present inventors, a metal salt such as Cu (CH 3 CN) 4 .PF 6 and a Lewis base such as P (C 6 H 5 ) 3 are reacted to produce {P (C 6 H 5 ) 3 } 2 Cu (CH 3 CN) 2 + in the form of a complex ion, and this complex ion is reacted with a complex ion containing In or Ga and Se to form Cu and In or Ga and Se. Is prepared by dissolving the single precursor in an organic solvent and applying it to the first electrode layer of the substrate, followed by thermal decomposition and heat treatment in an inert atmosphere. When the Ga) Se 2 thin film is formed, there is a problem that the adhesion between the Cu (In, Ga) Se 2 thin film and the first electrode layer is low, and it is easy to peel off during handling.

本発明は、光吸収層と第1電極層との接合強度を向上できる薄膜太陽電池の製法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the thin film solar cell which can improve the joint strength of a light absorption layer and a 1st electrode layer.

本発明者等は、単一前駆体が有機溶媒に溶解した光吸収層溶液を塗布して形成された光吸収塗布膜を加熱することにより、単一前駆体を有機成分と金属成分とに熱分解し、有機成分を除去する熱分解工程において、酸素濃度が20〜150ppmの不活性ガス雰囲気中で熱処理して単一前駆体を熱分解することにより、光吸収層と第1電極層との接合強度を向上できることを見いだし、本発明に至った。   The present inventors heated a single precursor into an organic component and a metal component by heating a light absorption coating film formed by applying a light absorption layer solution in which a single precursor is dissolved in an organic solvent. In the thermal decomposition step of decomposing and removing organic components, the single precursor is thermally decomposed by heat treatment in an inert gas atmosphere having an oxygen concentration of 20 to 150 ppm, whereby the light absorption layer and the first electrode layer It has been found that the bonding strength can be improved and has led to the present invention.

すなわち、本発明の薄膜太陽電池の製法は、第1電極層と第2電極層との間に光吸収層を有する薄膜太陽電池の製法であって、1つの有機化合物内にP(C から成るルイス塩基とCuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む単一前駆体が有機溶媒に溶解した光吸収層溶液を、前記第1電極層上に塗布して光吸収塗布膜を形成する光吸収塗布膜形成工程と、前記光吸収塗布膜を酸素濃度が20〜150ppmの不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより前記単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解し、前記有機成分を除去する熱分解工程と、前記金属成分を前記熱分解工程の熱処理温度よりも高い温度で熱処理することにより、CuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む光吸収層を前記第1電極層上に形成する光吸収層形成工程と、前記光吸収層上に前記第2電極層を形成する第2電極層形成工程とを具備することを特徴とする。
That is, the method for producing a thin film solar cell of the present invention is a method for producing a thin film solar cell having a light absorption layer between a first electrode layer and a second electrode layer, and includes P (C 6 H in one organic compound. 5 ) A light absorbing layer solution in which a single precursor containing a Lewis base of 3 and at least one of Cu, S and Se and at least one of In and Ga is dissolved in an organic solvent is used as the first electrode. A light-absorbing coating film forming step of forming a light-absorbing coating film on the layer, and heat-treating the light-absorbing coating film in an inert gas atmosphere having an oxygen concentration of 20 to 150 ppm to form the single precursor A thermal decomposition step of thermally decomposing into an organic component and a metal component and removing the organic component; and heat-treating the metal component at a temperature higher than a heat treatment temperature of the thermal decomposition step, so that at least of Cu, S, and Se 1 type and In And a light absorption layer forming step of forming a light absorption layer containing at least one of Ga on the first electrode layer, and a second electrode layer formation step of forming the second electrode layer on the light absorption layer It is characterized by comprising.

本発明の薄膜太陽電池の製法によれば、単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解する熱分解工程の酸素濃度を20〜150ppmにすることにより、理由は明確ではないが、光吸収層と第1電極層との接合強度を向上できる。   According to the method for producing a thin film solar cell of the present invention, the oxygen concentration in the thermal decomposition step of thermally decomposing a single precursor into an organic component and a metal component is set to 20 to 150 ppm. The bonding strength between the layer and the first electrode layer can be improved.

本発明者等は、上記理由について検討した結果、熱分解工程の不活性ガス雰囲気中の酸素濃度を20〜150ppmにすることにより、光吸収層と第1電極層との界面に酸素が入り、酸素を介して光吸収層と第一電極層が化学結合するため、光吸収層と第1電極層との密着性が向上し、接合強度を向上できると考えている。また、一方で、不活性ガス雰囲気中の酸素量が微量であるため、CuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む化合物が酸化することがなく、Seの酸化が抑制され、Se不足が発生することもないと考えている。   As a result of examining the above reasons, the present inventors set the oxygen concentration in the inert gas atmosphere of the thermal decomposition step to 20 to 150 ppm, so that oxygen enters the interface between the light absorption layer and the first electrode layer, Since the light absorption layer and the first electrode layer are chemically bonded via oxygen, it is considered that the adhesion between the light absorption layer and the first electrode layer is improved and the bonding strength can be improved. On the other hand, since the amount of oxygen in the inert gas atmosphere is very small, a compound containing at least one of Cu, S, and Se and at least one of In and Ga is not oxidized. It is considered that the oxidation of selenium is suppressed and Se deficiency does not occur.

本発明の薄膜太陽電池の製法によれば、単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解する熱分解工程の酸素濃度を20〜150ppmにすることにより、光吸収層と第1電極層との接合強度を向上できる。   According to the method for manufacturing a thin film solar cell of the present invention, the oxygen concentration in the thermal decomposition step of thermally decomposing a single precursor into an organic component and a metal component is set to 20 to 150 ppm, whereby the light absorption layer and the first electrode layer The joint strength can be improved.

本発明の製法により作製された薄膜太陽電池は、一対の電極層間に光吸収層を有する薄膜太陽電池であり、例えば、図1に示したように、基板1上に裏面電極となる第1電極層2が形成され、この第1電極層2上に化合物半導体薄膜からなる光吸収層3が形成され、その光吸収層3上にバッファ層4を介して透明の第2電極層5が形成されている。   The thin film solar cell produced by the manufacturing method of the present invention is a thin film solar cell having a light absorption layer between a pair of electrode layers. For example, as shown in FIG. A layer 2 is formed, a light absorption layer 3 made of a compound semiconductor thin film is formed on the first electrode layer 2, and a transparent second electrode layer 5 is formed on the light absorption layer 3 via a buffer layer 4. ing.

基板1としては、例えば、ソーダライムガラス基板、Mo、SUSなどの金属基板、ポリイミドなどの樹脂基板等を用いることができる。この基板1上には第1電極層2が形成され、この第1電極層2上に光吸収層3が形成されている。この光吸収層3上にバッファ層4を介して第2電極層5が形成され、光吸収層3は第1電極層2と第2電極層5により挟持されており、これにより、一対の第1、第2電極層2、5間に光吸収層3を有する薄膜太陽電池が構成されている。   As the substrate 1, for example, a soda lime glass substrate, a metal substrate such as Mo or SUS, a resin substrate such as polyimide, or the like can be used. A first electrode layer 2 is formed on the substrate 1, and a light absorption layer 3 is formed on the first electrode layer 2. A second electrode layer 5 is formed on the light absorption layer 3 via the buffer layer 4, and the light absorption layer 3 is sandwiched between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 5. 1, a thin film solar cell having a light absorption layer 3 between the second electrode layers 2 and 5 is configured.

尚、基板1、第1電極層2、光吸収層3、バッファ層4、第2電極層5を順次積層した例について説明したが、本発明では、一対の第1、第2電極層2、5間に光吸収層3を有する限り、上記層の間に種々の中間層を形成しても良い。また、本発明は基板1を有しないタイプ、言い換えれば、第1電極層2が基板として機能するタイプであっても良い。   In addition, although the example which laminated | stacked the board | substrate 1, the 1st electrode layer 2, the light absorption layer 3, the buffer layer 4, and the 2nd electrode layer 5 was demonstrated sequentially, in this invention, a pair of 1st, 2nd electrode layer 2, As long as the light absorption layer 3 is provided between the layers 5, various intermediate layers may be formed between the layers. Further, the present invention may be of a type that does not have the substrate 1, in other words, a type in which the first electrode layer 2 functions as a substrate.

化合物半導体からなる光吸収層3としては、高いエネルギー変換効率が得られるものとして、カルコパイライト構造からなる化合物半導体である、CuInSe、CuGaSe、Cu(In,Ga)Se、CuInS、CuGaS、Cu(In,Ga)Sが用いられている。 As the light absorption layer 3 made of a compound semiconductor, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 , CuInS 2 , CuGaS, which are compound semiconductors made of a chalcopyrite structure, can be used to obtain high energy conversion efficiency. 2 , Cu (In, Ga) S 2 is used.

本発明の薄膜太陽電池の製法について説明する。先ず、例えば、ソーダライムガラスからなる基板1を準備する。この基板1に第1電極層2を形成する。この第1電極層2は、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ポリシリコン(SiO)、メタルシリサイド、またはアルミニウム(Al)等のうちいずれかの電極材料を用いることが望ましい。第1電極層2は、蒸着法、スパッタリング法、塗布法などで形成することができる。 The manufacturing method of the thin film solar cell of this invention is demonstrated. First, for example, a substrate 1 made of soda lime glass is prepared. A first electrode layer 2 is formed on the substrate 1. The first electrode layer 2 is made of any electrode material selected from molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), polysilicon (SiO 2 ), metal silicide, aluminum (Al), and the like. desirable. The first electrode layer 2 can be formed by a vapor deposition method, a sputtering method, a coating method, or the like.

次に、第1電極層2上に光吸収層3を形成する。先ず、光吸収層3を形成するための光吸収層溶液を作製する。この光吸収層溶液は、Cu、In、Ga、およびSeを含有する単一前駆体が溶解した溶液である。この単一前駆体は、第1錯イオン溶液作製工程で得られた第1錯イオンと、第2錯イオン溶液作製工程で得られた第2錯イオンとを反応させて作製することができる。
(第1錯イオン溶液作製工程)
まず、P(C から成るルイス塩基Lと、Cu(CHCN)・PFなどのCuの有機金属塩とをアセトニトリルなどの有機溶媒中で反応させて{P(CCu(CHCN) のような形の第1錯イオンが存在する第1錯イオン溶液を作製する(第1錯イオン溶液作製工程)。
Next, the light absorption layer 3 is formed on the first electrode layer 2. First, a light absorption layer solution for forming the light absorption layer 3 is prepared. This light absorption layer solution is a solution in which a single precursor containing Cu, In, Ga, and Se is dissolved. This single precursor can be produced by reacting the first complex ion obtained in the first complex ion solution production step with the second complex ion obtained in the second complex ion solution production step.
(First complex ion solution preparation process)
First, a Lewis base L composed of P (C 6 H 5 ) 3 is reacted with an organic metal salt of Cu such as Cu (CH 3 CN) 4 .PF 6 in an organic solvent such as acetonitrile to obtain {P (C A first complex ion solution in which a first complex ion having a shape such as 6 H 5 ) 3 } 2 Cu (CH 3 CN) 2 + is present is prepared (first complex ion solution preparation step).

ここで、Cuの有機金属塩としては、CuCl、CuCl、CuBr、CuIなどのハロゲン化物を用いても良い。また、ルイス塩基LとCuの有機金属塩とを溶解する有機溶媒としては、アセトニトリルの他に、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどを用いることができる。
Examples of the organic metal salts of Cu, CuCl, CuCl 2, CuBr, may be used halides such as CuI. In addition to acetonitrile, acetone, methanol, ethanol, isopropanol, or the like can be used as an organic solvent for dissolving the Lewis base L and the organometallic salt of Cu.

第1錯イオン溶液は、ルイス塩基LとCuの有機金属塩とを、モル比(Cu/L)が1/3以下となるように配合し、これらのルイス塩基LとCuの有機金属塩とを混合して、この混合物を有機溶媒中に溶解させることが望ましい。特に、反応収率を向上させるという点から、モル比(Cu/L)は0.1以上であることが望ましい。
(第2錯イオン溶液作製工程)
SまたはSeを含む有機化合物とInまたはGaのハロゲン化物とを含む第2錯イオンを作製する。
The first complex ion solution is composed of a Lewis base L and an organometallic salt of Cu so that the molar ratio (Cu / L) is 1/3 or less. It is desirable to mix and dissolve this mixture in an organic solvent. In particular, the molar ratio (Cu / L) is preferably 0.1 or more from the viewpoint of improving the reaction yield.
(Second complex ion solution preparation process)
A second complex ion containing an organic compound containing S or Se and a halide of In or Ga is prepared.

例えば、NaOCHと有機セレン化合物または有機イオウ化合物とが反応した有機化合物と、InClまたはGaClとをメタノールからなる溶媒中で反応させて、In{SeR} またはGa{SeR} のような形の第2錯イオンを形成する。ここで、Rはアクリル、アリル、アルキル、ビニル、パーフルオロ、カルバメートから選ばれる一種である。 For example, an organic compound and NaOCH 3 and an organic selenium compound or an organic sulfur compound reacts with the InCl 3 or GaCl 3 are reacted in a solvent consisting of methanol, In {SeR} 4 - or Ga {SeR} 4 - To form a second complex ion. Here, R is a kind selected from acrylic, allyl, alkyl, vinyl, perfluoro, and carbamate.

有機セレン化合物としては、例えば、HSeCなどが、有機イオウ化合物としては、HSCなどが用いられる。また、メタノールの代わりに、エタノールやプロパノール等の溶媒を用いることができる。尚、第1錯イオンの作製と第2錯イオンの作製の順序はどちらが先でも構わない。
(単一前駆体作製工程)
次に、第1錯イオンと第2錯イオンとを反応させて、Cuと、SまたはSeと、InまたはGaと、ルイス塩基Lとを含む単一前駆体を作製する。すなわち、Cuを含む第1錯イオン溶液と、InまたはGaと、Seとを含む第2錯イオン溶液とを混合して、第1錯イオンと第2錯イオンとを反応させることにより、CuとSまたはSeとInまたはGaとルイス塩基Lとを含む沈殿物と、この沈殿物の上方の溶液とに分離し、溶液部分を排出し、乾燥することにより、単一前駆体を作製できる。
For example, HSeC 6 H 5 is used as the organic selenium compound, and HSC 6 H 5 is used as the organic sulfur compound. Further, a solvent such as ethanol or propanol can be used instead of methanol. Note that the first complex ion and the second complex ion may be produced in any order.
(Single precursor production process)
Next, the first complex ion and the second complex ion are reacted to produce a single precursor containing Cu, S or Se, In or Ga, and the Lewis base L. That is, by mixing a first complex ion solution containing Cu, a second complex ion solution containing In or Ga, and Se, and reacting the first complex ion and the second complex ion, Cu and A single precursor can be prepared by separating a precipitate containing S or Se, In or Ga, and a Lewis base L and a solution above the precipitate, discharging the solution portion, and drying.

第1錯イオンと第2錯イオンとを反応させる時の温度は0〜30℃が望ましく、反応時間は1〜5時間が望ましい。反応して沈殿した部分は、NaやClなどの不純物を取り除くために、遠心分離もしくは濾過などの手法を用いて洗浄することが望ましい。
(光吸収塗布膜形成工程)
単一前駆体が有機溶媒に溶解した光吸収層溶液を、第1電極層上に塗布して光吸収塗布膜を形成する。
The temperature when the first complex ion and the second complex ion are reacted is preferably 0 to 30 ° C., and the reaction time is preferably 1 to 5 hours. In order to remove impurities such as Na and Cl, the portion precipitated by the reaction is desirably washed using a technique such as centrifugation or filtration.
(Light absorption coating film forming process)
A light absorption layer solution in which a single precursor is dissolved in an organic solvent is applied onto the first electrode layer to form a light absorption coating film.

すなわち、上記単一前駆体をトルエン、ピリジン、キシレン、アセトンなどの有機溶媒に溶解することにより、光吸収層溶液を作製する。そして、この光吸収層溶液を、上記した基板1の第1電極2上に塗布することにより光吸収塗布膜を形成する。   That is, the light-absorbing layer solution is prepared by dissolving the single precursor in an organic solvent such as toluene, pyridine, xylene, and acetone. And this light absorption layer solution is apply | coated on the above-mentioned 1st electrode 2 of the board | substrate 1, and a light absorption coating film is formed.

第1電極層2上への光吸収層溶液の塗布は、スピンコータ、スクリーン印刷、ディッピング、スプレー、ダイコータなどを用いることが望ましい
The application of the light absorption layer solution onto the first electrode layer 2 is desirably performed using a spin coater, screen printing, dipping, spraying, a die coater, or the like .

(熱分解工程)
光吸収塗布膜は、乾燥させる。乾燥は、酸素濃度が20〜150ppmの不活性雰囲気下で行うことが望ましい。特には、窒素雰囲気が望ましい。乾燥時の温度は100〜150℃で5〜20分保持することが望ましい。尚、光吸収層溶液の塗布、乾燥を複数回繰り返して、乾燥後の光吸収塗布膜を形成しても良い。
乾燥工程に連続して、光吸収塗布膜を酸素濃度が20〜150ppmの不活性ガス雰囲気中で熱処理する。これにより単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解し、有機成分を除去する。
すなわち、一般に、光吸収塗布膜を窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気中(酸素濃度は10ppm程度)で200〜500℃で熱処理し、単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解し、有機成分を除去させるが、本発明では、このような熱分解工程における不活性ガス雰囲気中の酸素濃度を20〜150ppmに制御する。
(Pyrolysis process)
The light absorbing coating film is dried. The drying is desirably performed in an inert atmosphere having an oxygen concentration of 20 to 150 ppm. In particular, a nitrogen atmosphere is desirable. It is desirable to maintain the temperature at the time of drying at 100 to 150 ° C. for 5 to 20 minutes. The light absorption coating film after drying may be formed by repeating the application and drying of the light absorption layer solution a plurality of times.
Continuously after the drying step, the light absorption coating film is heat-treated in an inert gas atmosphere having an oxygen concentration of 20 to 150 ppm. As a result, the single precursor is thermally decomposed into an organic component and a metal component, and the organic component is removed.
That is, generally, a light-absorbing coating film is heat-treated at 200 to 500 ° C. in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere (oxygen concentration is about 10 ppm), and a single precursor is thermally decomposed into an organic component and a metal component, Although the component is removed, in the present invention, the oxygen concentration in the inert gas atmosphere in such a pyrolysis step is controlled to 20 to 150 ppm.

このように、熱分解工程における不活性ガス雰囲気中の酸素濃度を20〜150ppmとしたのは、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が20ppmよりも低いと光吸収層と第1電極層との接合強度を向上できず、一方、酸素濃度が150ppmよりも高いと、著しく光吸収層の酸化が進んでSe組成が変動し、発電効率を落としてしまうからである。特には、酸素濃度は、50〜100ppmであることが望ましい。   As described above, the oxygen concentration in the inert gas atmosphere in the thermal decomposition step is set to 20 to 150 ppm because when the oxygen concentration in the inert gas atmosphere is lower than 20 ppm, the light absorption layer and the first electrode layer are joined. This is because the strength cannot be improved, and on the other hand, if the oxygen concentration is higher than 150 ppm, the oxidation of the light absorption layer proceeds remarkably, the Se composition fluctuates, and the power generation efficiency is lowered. In particular, the oxygen concentration is desirably 50 to 100 ppm.

単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解する温度は、200〜500℃の範囲であり、特に熱分解が進行する温度で酸素濃度を20〜150ppmとすることが望ましい。この200〜500℃で2〜30分程度保持し、室温まで自然冷却する。
(光吸収層形成工程)
そして、室温から熱分解工程の加熱温度よりも高い温度まで昇温し、熱処理することにより、CuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む光吸収層を形成する。この光吸収層3の厚みは、例えば、1.0〜2.5μmとされている。
The temperature at which the single precursor is thermally decomposed into the organic component and the metal component is in the range of 200 to 500 ° C., and the oxygen concentration is preferably 20 to 150 ppm, particularly at the temperature at which the thermal decomposition proceeds. This is kept at 200 to 500 ° C. for about 2 to 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature.
(Light absorption layer forming process)
Then, the light absorption layer containing at least one of Cu, S, and Se and at least one of In and Ga is heated from room temperature to a temperature higher than the heating temperature of the thermal decomposition step and heat-treated. Form. The thickness of the light absorption layer 3 is, for example, 1.0 to 2.5 μm.

熱処理は、還元雰囲気下で行うことが望ましい。特には、窒素雰囲気、フォーミングガス雰囲気および水素雰囲気のうちいずれかであることが望ましい。このような還元雰囲気での酸素濃度は、光吸収層における粒子の粒成長を促進するという点から、1ppm以下であることが望ましい。   The heat treatment is desirably performed in a reducing atmosphere. In particular, any one of a nitrogen atmosphere, a forming gas atmosphere, and a hydrogen atmosphere is desirable. The oxygen concentration in such a reducing atmosphere is desirably 1 ppm or less from the viewpoint of promoting grain growth of particles in the light absorption layer.

熱処理時の還元雰囲気は、吸湿剤を通して水分除去した還元雰囲気であることが望ましい。吸収剤は、水を除去できるものであれば特に制限はないが、モレキュラーシーブ(商品名)などが好適に用いられる。焼成温度は、例えば、500℃〜600℃とされている。   The reducing atmosphere during the heat treatment is preferably a reducing atmosphere in which moisture is removed through a hygroscopic agent. The absorbent is not particularly limited as long as it can remove water, but molecular sieve (trade name) and the like are preferably used. The firing temperature is, for example, 500 ° C to 600 ° C.

光吸収層3の形成後に、表面のCuSeなどからなる高抵抗層をKCN水溶液でエッチングし、除去することが望ましい。
(バッファ層、第2電極層形成工程)
この後、光吸収層3の上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層4を形成する。バンドギャップが小さくて、短波長側の光を透過しにくい、CdS、ZnS、ZnSe、ZnMgO、ZnS/ZnMgO、ZnO、InS、InSe、In(OH)、ZnInSe、ZnInS、ZnSSe、CuI、Mg(OH)などの材料が用いられる。これらは、浸漬塗布法、CBD法(溶液成長法)等により光吸収層まで形成した基板を水溶液に浸して微粒子を堆積させるようにして形成することができる。
After the formation of the light absorption layer 3, it is desirable to remove the high resistance layer made of Cu 2 Se or the like on the surface by etching with a KCN aqueous solution.
(Buffer layer, second electrode layer forming step)
Thereafter, an n-type buffer layer 4 for heterojunction is formed on the light absorption layer 3. CdS, ZnS, ZnSe, ZnMgO, ZnS / ZnMgO, ZnO, InS, InSe, In (OH) 3 , ZnInSe, ZnInS, ZnSSe, CuI, Mg Materials such as OH) 2 are used. These can be formed by immersing a substrate formed up to the light absorption layer by a dip coating method, a CBD method (solution growth method) or the like in an aqueous solution to deposit fine particles.

次に、バッファ層4上にITOまたはZnOからなる透明の第2電極層5を形成する。スパッタ、スプレー、コーティングにより、形成することができる。バッファ層4の厚みは、例えば、10〜200nmとされ、第2電極層5の厚みは、例えば、0.5〜3.0μmとされている。   Next, a transparent second electrode layer 5 made of ITO or ZnO is formed on the buffer layer 4. It can be formed by sputtering, spraying or coating. The thickness of the buffer layer 4 is, for example, 10 to 200 nm, and the thickness of the second electrode layer 5 is, for example, 0.5 to 3.0 μm.

本発明の薄膜太陽電池の製法では、単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解する熱分解工程の酸素濃度を20〜150ppmにすることにより、熱分解工程の不活性ガス雰囲気中の酸素濃度を20〜150ppmにすることにより、光吸収層と第1電極層との界面に酸素が入り、酸素を介して光吸収層と第一電極層が化学結合するため、光吸収層と第1電極層との密着性が向上し、接合強度を向上できるとともに、不活性ガス雰囲気中の酸素量が微量であるため、CuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む化合物が酸化することがなく、Seの酸化が抑制され、Se不足が発生することもない。   In the method for producing a thin film solar cell of the present invention, the oxygen concentration in the pyrolysis step in which a single precursor is pyrolyzed into an organic component and a metal component is set to 20 to 150 ppm. By setting the concentration to 20 to 150 ppm, oxygen enters the interface between the light absorption layer and the first electrode layer, and the light absorption layer and the first electrode layer are chemically bonded via the oxygen. Adhesion with the electrode layer is improved, the bonding strength can be improved, and the amount of oxygen in the inert gas atmosphere is very small, so at least one of Cu, S, and Se and at least one of In and Ga Is not oxidized, Se oxidation is suppressed, and Se deficiency does not occur.

また、光吸収層溶液の原料となる単一前駆体を製造する際に、CHClのような毒性物質を用いた抽出工程を経ることなく、ほぼ純粋な単一前駆体を得ることができ、Cu/In/Ga/Seのような組成比を制御することが可能となる。 In addition, when producing a single precursor as a raw material for the light absorption layer solution, an almost pure single precursor can be obtained without going through an extraction process using a toxic substance such as CH 2 Cl 2. In addition, the composition ratio such as Cu / In / Ga / Se can be controlled.

すなわち、ルイス塩基LとCuの有機金属塩を有機溶媒中に溶解させ、Cuとルイス塩基Lとを含む第1錯イオンが存在する溶液を作製する際に、ルイス塩基LとCuの有機塩とを、モル比(Cu/L)が1/3以下となるように配合し、通常よりもルイス塩基Lを多く配合して有機溶媒中に溶解させることにより、CuとSeとの化合物のような副生成物の生成を抑制し、{P(CCu(CHCN) のような第1錯イオンを容易にかつ大量に作製することができ、これによりInまたはGaの錯イオン化を抑制し、CuとSまたはSeとInまたはGaとルイス塩基Lとを含む錯イオンの生成を促進でき、単一前駆体中におけるCuと(In+Ga)の比を1:1に近づける組成制御を行うことができる。 That is, when an organic metal salt of Lewis base L and Cu is dissolved in an organic solvent to prepare a solution containing a first complex ion containing Cu and Lewis base L, an organic salt of Lewis base L and Cu Is blended so that the molar ratio (Cu / L) is 1/3 or less, and more Lewis base L is blended than usual and dissolved in an organic solvent, such as a compound of Cu and Se. By suppressing the formation of by-products, the first complex ions such as {P (C 6 H 5 ) 3 } 2 Cu (CH 3 CN) 2 + can be easily and in large quantities, and thus, In Alternatively, complex ionization of Ga can be suppressed, and formation of complex ions containing Cu and S or Se and In or Ga and Lewis base L can be promoted, and the ratio of Cu and (In + Ga) in the single precursor can be 1: 1. The composition can be controlled so as to be close to.

従って、第1錯イオンと第2錯イオンとを反応させて沈殿させ、該沈殿物を乾燥させ、単一前駆体を作製し、この単一前駆体を有機溶媒に溶解した光吸収層溶液を熱分解・焼成して光吸収層を形成すると、CuSeのような導電率の低い化合物の生成を抑制して、Cu(In,Ga)Seの生成を促進でき、エネルギー変換効率を向上できる。 Accordingly, the first complex ion and the second complex ion are allowed to react and precipitate, the precipitate is dried to produce a single precursor, and a light absorbing layer solution in which this single precursor is dissolved in an organic solvent is prepared. When the light absorption layer is formed by pyrolysis and baking, the production of Cu (In, Ga) Se 2 can be promoted by suppressing the production of a compound having low conductivity such as Cu 2 Se, and the energy conversion efficiency is improved. it can.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明の薄膜太陽電池の製法を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, although the example and the comparative example are given and the manufacturing method of the thin film solar cell of this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited only to a following example.

銅の有機金属塩としてCu(CHCN)・PFを1mmol、ルイス塩基LとしてP(Cを10mmol、3mmol、および2mmolを、それぞれ10mlのアセトニトリルに溶解し、Cu(CHCN)・PF/P(Cのモル比(Cu/L)が、表1に示すように、1/10、1/3、1/2の溶液を準備した。これらの溶液が均一に溶解したのを確認した後、マグネチックスターラーにて室温で5時間攪拌させ、第1錯イオンを含有する第1錯イオン溶液を作製した(第1錯イオン溶液作製工程)。 1 mmol of Cu (CH 3 CN) 4 .PF 6 as the organometallic salt of copper and 10 mmol, 3 mmol and 2 mmol of P (C 6 H 5 ) 3 as the Lewis base L were dissolved in 10 ml of acetonitrile, respectively. CH 3 CN) 4 .PF 6 / P (C 6 H 5 ) 3 molar ratios (Cu / L) were prepared as shown in Table 1, and 1/10, 1/3, and 1/2 solutions were prepared. . After confirming that these solutions were uniformly dissolved, the solution was stirred for 5 hours at room temperature with a magnetic stirrer to prepare a first complex ion solution containing the first complex ions (first complex ion solution preparation step). .

一方、NaOCHを4mmol、HSeCを4mmolを30mlのメタノールに溶解させた後、InClおよび/またはGaClを合計1mmolになるように溶解させた。完全に溶解したのを確認した後、マグネチックスターラーにて室温で5時間攪拌させ、第2錯イオンを含有する第2錯イオン溶液を作製した(第2錯イオン溶液作製工程)。表1に、Cu、Se、In、Gaの仕込組成を記載した。 On the other hand, 4 mmol of NaOCH 3 and 4 mmol of HSeC 6 H 5 were dissolved in 30 ml of methanol, and then InCl 3 and / or GaCl 3 was dissolved to a total of 1 mmol. After confirming complete dissolution, the mixture was stirred with a magnetic stirrer at room temperature for 5 hours to prepare a second complex ion solution containing the second complex ions (second complex ion solution preparation step). Table 1 shows the charged compositions of Cu, Se, In, and Ga.

次に、第1錯イオン溶液に第2錯イオン溶液を1分間に10mlの速度で滴下した。これにより、滴下中に白い析出物が生成することが確認された。滴下終了後、マグネチックスターラーにて室温で1時間攪拌させたところ、析出物が沈殿していた。   Next, the second complex ion solution was dropped into the first complex ion solution at a rate of 10 ml per minute. Thereby, it was confirmed that a white precipitate was generated during the dropping. After completion of the dropwise addition, the mixture was stirred at room temperature for 1 hour with a magnetic stirrer. As a result, a precipitate was precipitated.

この析出物のみを取り出すために、遠心分離機にて溶媒を分離し、メタノール50mlに分散させて遠心分離をかけるという操作を2回繰り返した。   In order to take out only this precipitate, the operation of separating the solvent with a centrifuge, dispersing it in 50 ml of methanol, and centrifuging it was repeated twice.

析出物を真空中において室温で乾燥させて溶媒を取り除いて、単一前駆体を作製した。
単一前駆体の組成分析を発光分光分析(ICP)で行い、表1中に記載した。
The precipitate was dried in vacuum at room temperature to remove the solvent to make a single precursor.
Composition analysis of a single precursor was performed by emission spectroscopy (ICP) and listed in Table 1.

この単一前駆体にピリジンを添加して単一前駆体が全量中50質量%の光吸収層溶液を作製した。この光吸収層溶液をドクターブレード法にて、ソーダライムガラス基板のMoからなる第1電極層上に薄膜形成した。薄膜は、グローブボックス内で、キャリアガスとして窒素ガスを用いて光吸収層溶液を塗布し、第1電極層への塗布を行い、光吸収塗布膜を形成した(光吸収塗布膜形成工程)。   Pyridine was added to this single precursor to produce a light absorption layer solution with a single precursor of 50% by mass in the total amount. This light absorption layer solution was formed into a thin film on the first electrode layer made of Mo of the soda lime glass substrate by the doctor blade method. In the glove box, the thin film was coated with the light absorption layer solution using nitrogen gas as a carrier gas, and applied to the first electrode layer to form a light absorption coating film (light absorption coating film forming step).

光吸収塗布膜形成後、ソーダライムガラス基板を、酸素濃度100ppmの窒素雰囲気においてホットプレートで110℃に加熱しながら、5分間乾燥させた。   After forming the light absorbing coating film, the soda lime glass substrate was dried for 5 minutes while being heated to 110 ° C. with a hot plate in a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 100 ppm.

乾燥後、連続して(酸素濃度100ppmの窒素雰囲気)、200〜400℃まで90℃/minの昇温速度で昇温し、400℃で5分保持を行い、単一前駆体を熱分解した後自然冷却した(熱分解工程)。その後焼成工程として、水素雰囲気中(酸素濃度1ppm以下)にて室温から530℃まで250℃/hrの昇温速度で昇温し530℃で1時間保持を行った後、自然冷却し、厚み1.5μmの化合物半導体薄膜からなる光吸収層を形成した(光吸収層形成工程)。   After drying, continuously (nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 100 ppm), the temperature was raised from 200 to 400 ° C. at a rate of 90 ° C./min, held at 400 ° C. for 5 minutes, and the single precursor was pyrolyzed. Then, it was naturally cooled (pyrolysis process). Thereafter, as a firing step, the temperature was raised from room temperature to 530 ° C. at a temperature rising rate of 250 ° C./hr in a hydrogen atmosphere (oxygen concentration of 1 ppm or less), held at 530 ° C. for 1 hour, then naturally cooled to a thickness of 1 A light absorption layer made of a compound semiconductor thin film of .5 μm was formed (light absorption layer forming step).

この後、光吸収層と第1電極層との密着性(接合強度)をSAICAS法にて評価した。すなわち、刃幅0.3mmのバイトを光吸収層上に刃先を接触させ、垂直速度25nm/sec、250nm/secにてこのバイトに荷重をかけて引っかき、膜が剥離する荷重を接合強度とし、表2に記載した。   Thereafter, the adhesion (bonding strength) between the light absorption layer and the first electrode layer was evaluated by the SAICAS method. That is, a cutting tool having a blade width of 0.3 mm is brought into contact with the light-absorbing layer, and the cutting force is applied to the cutting tool at a vertical speed of 25 nm / sec and 250 nm / sec. It described in Table 2.

この後、酢酸カドミウム、チオ尿素をアンモニアに溶解し、これに基板を浸漬し、化合物半導体薄膜上に厚み0.05μmのCdSからなるバッファ層を形成した。さらに、バッファ層の上に、スパッタリング法にてAlドープ酸化亜鉛膜(第2電極層)を形成した。最後に蒸着にてアルミ電極(取出電極)を形成して、薄膜太陽電池セルを作製した。   Thereafter, cadmium acetate and thiourea were dissolved in ammonia, and the substrate was immersed therein to form a buffer layer made of CdS having a thickness of 0.05 μm on the compound semiconductor thin film. Furthermore, an Al-doped zinc oxide film (second electrode layer) was formed on the buffer layer by sputtering. Finally, an aluminum electrode (extraction electrode) was formed by vapor deposition to produce a thin film solar cell.

また、本発明者等は、乾燥工程と熱分解工程の酸素濃度を1、20、50、150、300ppmに変更する以外は、上記と同様にして薄膜太陽電池を作製した場合について、接合強度を評価し、表2中に記載した。   In addition, the present inventors have determined the bonding strength for the case where a thin film solar cell was produced in the same manner as described above except that the oxygen concentration in the drying step and the thermal decomposition step was changed to 1, 20, 50, 150, and 300 ppm. It was evaluated and listed in Table 2.

Figure 0005311984
Figure 0005311984

Figure 0005311984
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表1、2から、熱分解工程において、窒素からなる不活性ガスの酸素濃度が20〜150ppmである本発明の試料では、光吸収層と第1電極層との接合強度が高いことがわかる。一方、熱分解工程の窒素からなる不活性ガスの酸素濃度が1ppmである比較例の試料No.13では、光吸収層と第1電極層との接合強度が低いことがわかる。また、不活性ガスの酸素濃度が300ppmである比較例の試料No.14では、光吸収層が酸化され、光吸収層中のSeが1.55モルとなり、エネルギー変換効率が低いことがわかる。   From Tables 1 and 2, it can be seen that in the thermal decomposition step, the sample of the present invention in which the oxygen concentration of the inert gas composed of nitrogen is 20 to 150 ppm has high bonding strength between the light absorption layer and the first electrode layer. On the other hand, the sample No. of the comparative example whose oxygen concentration of the inert gas consisting of nitrogen of the thermal decomposition process is 1 ppm. No. 13 shows that the bonding strength between the light absorption layer and the first electrode layer is low. Moreover, sample No. of the comparative example whose oxygen concentration of an inert gas is 300 ppm. 14 shows that the light absorption layer is oxidized and Se in the light absorption layer becomes 1.55 mol, and the energy conversion efficiency is low.

また、第1錯イオン作製工程で、Cu(CHCN)・PF/P(Cのモル比(Cu/L)が1/3以下の場合には、仕込組成に近い組成の単一前駆体が得られており、熱処理後においても、Cu(In,Ga)Seの生成を促進することができ、エネルギー変換効率を向上できることがわかる。 In the first complex ion preparation step, when the molar ratio (Cu / L) of Cu (CH 3 CN) 4 .PF 6 / P (C 6 H 5 ) 3 is 1/3 or less, A single precursor having a close composition is obtained, and it can be seen that the formation of Cu (In, Ga) Se 2 can be promoted even after the heat treatment, and the energy conversion efficiency can be improved.

薄膜太陽電池の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a thin film solar cell.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・基板
2・・・第1電極層
3・・・光吸収層
4・・・バッファ層
5・・・第2電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... 1st electrode layer 3 ... Light absorption layer 4 ... Buffer layer 5 ... 2nd electrode layer

Claims (1)

第1電極層と第2電極層との間に光吸収層を有する薄膜太陽電池の製法であって、1つの有機化合物内にP(C から成るルイス塩基とCuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む単一前駆体が有機溶媒に溶解した光吸収層溶液を、前記第1電極層上に塗布して光吸収塗布膜を形成する光吸収塗布膜形成工程と、前記光吸収塗布膜を酸素濃度が20〜150ppmの不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより前記単一前駆体を有機成分と金属成分に熱分解し、前記有機成分を除去する熱分解工程と、前記金属成分を前記熱分解工程の熱処理温度よりも高い温度で熱処理することにより、CuとSおよびSeのうち少なくとも1種とInおよびGaのうち少なくとも1種とを含む光吸収層を前記第1電極層上に形成する光吸収層形成工程と、前記光吸収層上に前記第2電極層を形成する第2電極層形成工程とを具備することを特徴とする薄膜太陽電池の製法。 A method for producing a thin-film solar cell having a light absorption layer between a first electrode layer and a second electrode layer, wherein a Lewis base composed of P (C 6 H 5 ) 3 in one organic compound , Cu and S, and A light absorbing layer solution in which a single precursor containing at least one of Se and at least one of In and Ga is dissolved in an organic solvent is applied onto the first electrode layer to form a light absorbing coating film. A light-absorbing coating film forming step, and thermally treating the light-absorbing coating film in an inert gas atmosphere having an oxygen concentration of 20 to 150 ppm to thermally decompose the single precursor into an organic component and a metal component, A thermal decomposition step of removing components, and heat-treating the metal component at a temperature higher than a heat treatment temperature of the thermal decomposition step, thereby at least one of Cu, S, and Se and at least one of In and Ga; Including light A thin film solar comprising: a light absorbing layer forming step of forming a light collecting layer on the first electrode layer; and a second electrode layer forming step of forming the second electrode layer on the light absorbing layer. Battery manufacturing method.
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