JP5328355B2 - 太陽電池吸収層の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池吸収層の製造方法に関するもので、より詳細には、1B―3A―Se化合物からなる太陽電池吸収層の製造方法において、金属セレン化物ナノ粒子を前駆体物質として用いて基材上に塗布した後、急速熱処理を実施して製造することで、従来の酸化物形態の金属を前駆体物質として用いた場合に比べると、1B―3A―Se化合物の結晶大きさを増加できるので、太陽電池の効率が増大し、水素還元工程及びセレン化物化工程が省略されることで、工程が一層簡単になる太陽電池吸収層の製造方法に関するものである。
Cu(In,Ga)Se(CIGS系吸収層)などの物質を吸収層として用いる太陽電池吸収層の製造方法には、真空蒸着による方法と、非真空条件下で前駆体物質を塗布した後、これを高温熱処理する方法とがある。これらのうち、真空蒸着による方法は、高効率の吸収層を製造できるという長所を有する反面、大面積の吸収層製造時に均一性が低下し、高価な装備を使用すべきであるという短所を有する。一方、前駆体物質を塗布した後、これを高温熱処理する方法は、大面積の吸収層を均一に製造できるという長所を有する反面、吸収層の効率が低いという短所を有する。
前記前駆体物質を用いた吸収層製造方法のうち、量産工程に実用化されるのに最も適した方法としては、金属酸化物混合物のペーストを基材上にコーティングした後、これを熱処理して吸収層を製造する方法が挙げられる。斯かる方法は、均一な吸収層を低廉な費用で製造できるという長所を有するが、前駆体として用いる金属酸化物が化学的及び熱的に非常に安定した物質であるので、最終吸収層で大きな結晶を得ることが難しく、結果的に効率が低下するという短所を有する。
したがって、本発明は、上記のような従来技術の問題点と技術的課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明の目的は、セレン化銅、セレン化インジウム、セレン化ガリウムなどの金属セレン化物の混合物を基材上にコーティングした後、急速高温熱処理を実施することで、最終吸収層の結晶大きさを増加させ、結果的に、効率が高く、製造工程を大いに減少できる太陽電池吸収層の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の製造方法で用いられる新規の金属セレン化物混合物ペーストを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、上記のような方法で製造されることで、効率の高い太陽電池を提供することにある。
本発明に係る1B―3A―Se化合物の太陽電池吸収層の製造方法は、(a)反応物質として、1B族金属のセレン化物粒子と3A族金属のセレン化物粒子との混合物ペーストを準備する段階と;(b)前記ペーストを基材上に塗布する段階と;(c)前記塗布層を急速に熱処理する段階と;を含んで構成される。
上記のような本発明の製造方法は、従来の前駆体原料として用いられる金属酸化物の代わりに、金属セレン化物の微細粒子を用いることで、改善した効率を示す太陽電池吸収層を得ることができる。
図1は、複数の層からなる太陽電池の構成を模式的に示した断面図である。図1に示すように、太陽電池10は、ガラス基板11、導電層12、p―タイプ吸収層13、n―タイプバッファ層14、及びn―タイプ透明窓層15が順次配置されて構成される。また、フィンガーパターン16は、図1に示すように塗布されるが、必ず必要なものではない。また、このフィンガーパターン16は、透明窓層15によって誘導される抵抗を減少させるために必要によって適用することで、太陽電池の効率を高める。
本発明は、上記の構成のうち吸収層13を製造する方法に特徴があるので、以下、本発明に係る製造方法を各段階別に一層具体的に説明する。
前記段階(a)では、反応物質として、1B族金属のセレン化物粒子と3A族金属のセレン化物粒子の混合物ペーストを準備する。
前記1B族金属セレン化物の代表的な例としては、Cu―Se、Ag―Se、Au―Seなどが挙げられるが、これらのうち、特にCu―Seが好ましい。
前記3A族金属セレン化物の代表的な例としては、In―Se、Ga―Se、Al―Se、Ti―Seなどが挙げられるが、これらのうち、特にIn―SeとGa―Seが好ましい。前記In―Seは、例えば、InSeまたはInSeの形態であり、前記Ga―Seは、例えば、GaSeまたはGaSeの形態である。
前記金属セレン化物粒子は、5nm〜10μmの粒径を有するが、特に50nm〜5μmの粒径を有することが好ましい。前記各粒子が非常に小さい大きさを有するので、ナノ粒子内部の各原子が反応のために拡散移動すべき距離を大いに減少させることで、大きな結晶大きさを得ることができ、吸収層の効率を高めることができる。したがって、前記範囲内で小さい粒径であることが好ましいが、過度に小さい粒子は、製造が容易でないので好ましくない。
前記混合物ペーストにおける金属セレン化物粒子の混合比は、使用される元素の種類、吸収層での所望の成分比などの多様な要素によって決定される。例えば、1B族金属セレン化物としてCu―Seを使用し、3A族金属セレン化物としてIn―Se及び/またはGa―Seを使用する場合、各金属のモル比は、Cu/(In+Ga)が0.6〜1.5で、Ga/(Ga+In)が0〜0.5であることが好ましい。
本発明で使用される金属セレン化物粒子は、本発明の方法に適用するのに適したものであれば、全てが公知の方法や新しく開発される方法によって製造される。
例えば、銅セレン化物ナノ粒子は、トリ―n―オクチルホスフィン(TOP)に溶解されたCuCl溶液を100℃で加熱し、トリ―n―オクチルホスフィンオキシド(TOPO、tri―n―octylphosphine oxide)を注入した後、250℃の温度でトリ―n―オクチルホスフィンセレン化物(TOPSe)を反応混合物に添加・混合して反応させた後、反応物をメタノールに沈殿して分離することで製造されるか(参照:H.Winkler、A.Birkner、V.Hagen、I.Wolf、R.Schmchel、H.V.Seggern、and R.A.Fischer、Advanced materials、11(17)1444、1999)、または、銅塩化物と亜セレン酸を所定の溶媒に付加した後、前記溶液に超音波を印加して化学反応を誘導することで製造される。その他にも、 銅セレン化物ナノ粒子は、銅塩と亜セレン酸(HSeO)を所定の溶媒に添加した後、加熱して製造されることもあり、これらの製造方法は、溶媒としてエチレングリコールやブタンジオールなどの低廉な有機溶媒を用いるので、非常に経済的である。
セレン化ガリウムナノ粒子は、TOPが溶解されたTOPO溶液にTOPSe溶液を混合し、トリメチルガリウムを混合して反応させた後、反応物をメタノールによって抽出して分離することで製造される(参照:V.Chikan、D.F.Kelly、Nano Letters、141、2、2002)。
セレン化インジウムナノ粒子は、TOPにセレニウムとTOPOを注入して製造した溶液を150℃で混合し、250℃で加熱した後、トリメチルインジウムが溶解されたTOP溶液を前記反応混合物に注入して反応させることで製造されるか(参照:S.Yang and D.F.Kelley、J.Phys.Chem.B、109、12701、2005)、インジウム塩と亜セレン酸(HSeO)を所定の溶媒に添加した後、加熱することで製造される。
前記段階(b)では、製造されたペーストを図1に示した基材11,12上に塗布する。ここで、基材は、基板11と導電層12とに分けられるが、導電層12としては、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti)、金(Au)などの通常的な金属を用いることができ、これらのうち、モリブデンを用いることが好ましい。基板11としては、ガラス、アルミナ、ポリイミド、または、導電性材質であるモリブデン、タングステン、タンタル、チタニウム、アルミニウム、ニッケル、黒鉛などを用いることができる。基板11として導電性材質を用いる場合、導電層12の形成を省略して一つの層で基材を構成することができる。
塗布層は、単層または多層で構成することができ、全体の厚さは約3〜5μmであることが好ましい。多層構造(2層または3層構造)の塗布層を形成する場合の具体的な例を説明すると、3層構造の塗布層の場合、最下部にある第1層は、Cu/(In+Ga)=0〜0.9のモル比を有する層として0.1〜1.0μmの厚さで塗布され、中間層である第2層は、Cu/(In+Ga)=0.8〜3.0のモル比を有する層として0.5〜3.0μmの厚さで塗布され、最上部にある第3層は、Cu/(In+Ga)=0〜0.9のモル比を有する層として0.1〜1.0μmの厚さで塗布される。このように塗布層を多層構造で構成すると、塗布層を急速に熱処理する過程で、塗布層の厚さ方向にCu/(In+Ga)及びGa/(Ga+In)の比が変わり、結果として、最終吸収層が高効率の太陽電池に適した電気的性質を有して製造されるという利点がある。
ペースト塗布は、公知の方法によって行われるが、例えば、ドクターブレードコーティング法、スプレイプリンティング法、グラビアプリンティング法、インクプリンティング法などの塗布方法が用いられる。
前記塗布層は、約50〜150℃の低い温度で乾燥する過程を追加的に経る。前記多層構造の塗布層は、上記のような塗布過程を順次反復して構成することができる。
前記段階(c)では、形成された塗布層を急速に熱処理する。
従来は、金属酸化物粒子の混合物ペーストで塗布層を形成したので、熱処理段階で酸化物粒子を還元させるために水素などの還元剤を用いるべきであった。すなわち、水素還元工程は、熱処理過程と一緒にまたはその前段階で要求された。また、最初の反応物質にセレニウム(Se)が含まれないので、熱処理後にセレン化物化工程を経るべきであった。このセレン化物化工程は、加熱状態でHSe、(CHSe、(CSeなどを提供することで行われた。その反面、本発明では、上記のような水素還元工程及びセレン化物化工程が要求されない。
さらに、上述した従来の方法では、熱処理後、塗布層に各金属がCu―In合金、Cu―Ga合金及びCu―In―Ga合金の形態で主に存在するので、これら金属のセレン化物化を通して、大きな結晶大きさ及び高効率の太陽電池に適したCu(In,Ga)Se吸収層を実現することが容易でなかった。その反面、本発明では、熱処理過程でCu―Se、In―Se、Ga―Seなどの粒子を反応させることで、相対的に低い温度で液相として存在可能なCuSeの性質を用いることができ、結果的に、大きな結晶大きさを有する吸収層を製造することができる。
本発明における前記急速熱処理は、400〜600℃の温度で1〜30分間行うことができる。多様な加熱方式のうち急速熱処理を行う理由は、基板に加えられる熱的負担を最小化しながら塗布層の反応及び結晶成長に充分な温度を得るのに、急速熱処理が最も適した工程であるためである。したがって、熱処理温度が非常に低いか、処理時間が短い場合、塗布層の未反応または結晶大きさの減少などの問題があり、その反対に、熱処理温度が非常に高いか、処理時間が長い場合、基板変形の問題があるので好ましくない。さらに、前記熱処理は、400〜500℃の範囲で行うことが一層好ましい。
また、本発明の前記製造方法には、本発明の効果を害しない範囲内でその他の過程が追加されるが、これら過程は、全て本発明の範疇に含まれるものとして解析されるべきである。
また、本発明は、前記製造方法に用いられる新規の金属セレン化物混合物ペーストとして、具体的に1B族金属のセレン化物粒子と3A族金属のセレン化物粒子を含んで構成された混合物ペーストを提供する。
従来において、本発明に係る金属セレン化物混合物ペーストは、太陽電池の吸収層製造のための反応物としての用途だけでなく、その他の用途としても知られていなかった。
上述したように、本発明の金属セレン化物混合物ペーストは、1B族金属と3A族金属の種類によって多様な組成が可能であり、特にIn―Se粒子とCu―Se粒子を含む組成であることが好ましい。
本発明のペーストにおける固形分の含量は、ペーストが用いられる用途によって変わり得るので、特別に制限されることない。
前記ペーストを構成する溶媒としては、水、アルコール類化合物、グリコール類化合物、カーボネート系化合物などが用いられるが、これらは、単独でまたは二つ以上の組み合わせで使用可能である。
前記ペーストには、Na、K、Ni、P、As、Sb、Biなどのドーパントを単独でまたは二つ以上の組み合わせで添加することができ、このドーパントを含有するペーストを用いて太陽電池吸収層を製造する場合、前記ドーパントによって、吸収層の電気的性質改善及び吸収層の結晶大きさ増加などの効果を得ることができる。
さらに、前記ペーストには、基材に対して安定した塗布層を形成するために所定のバインダーを含むこともでき、このバインダーの好ましい例としては、エチルセルロース、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレンカーボネートなどが挙げられるが、これらは、単独でまたは二つ以上の組み合わせで使用可能である。
前記ペーストは、ボールミリング方法などの公知の方法によって製造することができ、前記ボールミリング方法によってペーストを製造する場合、溶媒として水またはエチレングリコールモノフェニルエーテルなどを用いることができる。また、本発明は、前記方法で製造された吸収層を含む太陽電池に関するものである。
前記方法で製造された吸収層に生成された化合物は、1B―3A―Seで表示される。また、1B―3A―Seを代表する化合物として、Cu(In,Ga)Seを例に挙げることができる。前記吸収層における1B―3A―Se化合物の結晶大きさは、0.5〜1.5μm以上であり、この範囲は、従来技術に比べて大いに単純化された工程で製造されたにもかかわらず、従来技術に比べて相当に増加した水準の結晶大きさを得られることを示している。
上記のように大きな結晶大きさの吸収層を含む太陽電池は、優れた効率を示している。
本発明に係る太陽電池吸収層の製造方法は、従来の方法と比べたとき、製造工程を大いに減少できるだけでなく、大きな結晶大きさを有する吸収層製造を可能にすることで、高効率の吸収層製造及びこれによる最終太陽電池製品の効率増大、そして、製品競争力強化を期待することができ、太陽電池及びその他の電子装置に広くかつ効果的に適用される。
以下、本発明の内容を実施例を参照しつつ詳細に説明するが、本発明の範疇がこれによって限定されることはない。
実施例1:CuSe―InSeによるCISの製造
銅硝酸塩0.03Mと亜セレン酸0.02Mをエチレングリコール溶媒250mlに混合した。前記反応溶液を170℃で加熱して約3時間の間反応させることで、CuSeナノ粒子を製造した。前記溶媒は、ポリエチレングリコールまたはブタンジオールなどに取り替えられることもある。
また、インジウム硝酸塩0.02Mと亜セレン酸0.02Mをジエチレングリコールまたはブタンジオール溶媒250mlに混合した。前記反応溶液を170℃で加熱して約3時間の間反応させることで、InSeナノ粒子を製造した。
その後、α―テルピネオールとプロピレンカーボネート(propylene carbonate;PC)を溶媒とし、ポリプロピレンカーボネートをバインダーとして用いることで、前記製造されたCuSe及びInSeナノ粒子パウダーを分散してペーストを製造した。ここで、それぞれの重量比は、テルピネオール:PC:ポリプロピレンカーボネート:パウダー=43.34:26.65:5.01:25であった。上記のように製造されたペーストをガラス基板上にドクターブレード法でコーティングした後、N雰囲気で430℃で2分間急速熱処理(rapid thermal annealing;RTA)を実施し、CuInSe(以下、‘CIS’と略称する。)を製造した。
図2及び図3は、RTA前後の前記CIS結晶に対する電子顕微鏡(SEM)写真をそれぞれ示している。図2及び図3の写真は、それぞれJEOL社のJSM―6340F電子顕微鏡を用いて15keVの加速電圧で得られた。これら写真に示すように、急速熱処理前に存在していた微細なInSe粒子が消えて、最終的に多少不規則な形態の粒子であるCIS結晶を得られたことが分かる。
また、合成された物質の相を確認するために、Bruker社のD4 endeavor diffractometerを用いてXRD(X―ray Diffraction)分析を行い、その結果を図4に示している。図4に示すように、2θ=26.7°及び44.2°付近でそれぞれCISに該当する(112)ピークと(220)/(204)ピークが確認されることで、CISが合成されたことが分かる。
実施例2:CuSe―InSeによるCISの製造
銅硝酸塩0.03Mと亜セレン酸0.03Mを1,4ブタンジオール溶媒250mlに混合した。前記反応溶液を150℃で加熱して約3時間の間反応させることでCuSeナノ粒子を製造した点を除けば、上記の実施例1と同一の方法で実験を反復した。
図5及び図6の写真は、RTA前後のCIS結晶に対する電子顕微鏡写真をそれぞれ示している。これら写真に示すように、最終的に得られた結晶は、多少不規則な形態の粒子からなることが分かる。また、図7は、そのXRD分析結果を示している。図7に示すように、2θ=26.7°、44.2°及び52.4°付近でそれぞれCISに該当する(112)、(220)/(204)、及び(312)ピークが確認されることで、CISが合成されたことが分かる。
実施例3:CuSe―InSeによるCISの製造
銅硝酸塩0.03Mと亜セレン酸0.06Mを250mlの1,4ブタンジオールに混合した。前記反応溶液を150℃で加熱して約3時間の間反応させることで、CuSeナノ粒子を製造した。前記溶媒は、ポリエチレングリコールまたはジエチレングリコールなどに取り替えることもできる。
また、インジウム硝酸塩0.02Mと亜セレン酸0.02Mをジエチレングリコールまたはブタンジオール溶媒250mlに混合した。前記反応溶液を170℃で加熱して約3時間の間反応させることで、InSeナノ粒子を製造した。
その後、α―テルピネオールとプロピレンカーボネート(PC)を溶媒とし、ポリプロピレンカーボネートをバインダーとして用いることで、前記製造されたCuSe及びInSeナノ粒子パウダーを分散してペーストを製造した。ここで、それぞれの重量(%)比は、テルピネオール:PC:ポリプロピレンカーボネート:パウダー=35:35:5.0:25であった。上記のように製造されたペーストをガラス基板上にドクターブレード法でコーティングした後、N雰囲気で430℃で2分間急速熱処理を実施し、CISを製造した。
図8及び図9は、RTA前後の前記CIS結晶に対する電子顕微鏡写真をそれぞれ示している。これら写真に示すように、急速熱処理前の球形の規則的な結晶形態から、多少不規則な形態の粒子からなる結晶を得られたことが分かる。
また、図10は、XRD分析結果を示している。図10に示すように、2θ=26.7°、44.2°及び52.4°付近でそれぞれCISに該当する(112)、(220)/(204)、及び(312)ピークが確認されることで、CISが合成されたことが分かる。
以上、本発明を具体的な例に基づいて詳細に説明してきたが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて、本発明の範疇内で多様に応用及び変形できるだろう。
本発明の一つの実施例に係る太陽電池吸収層を適用した太陽電池の断面模式図である。 本発明の実施例1で製造されたCuInSe化合物結晶体の電子顕微鏡(SEM)写真である。 本発明の実施例1で製造されたCuInSe化合物結晶体の電子顕微鏡(SEM)写真である。 本発明の実施例1で製造されたCuInSe化合物に対するXRD(X―ray Diffraction)グラフである。 本発明の実施例2で製造されたCuInSe化合物結晶体の電子顕微鏡(SEM)写真である。 本発明の実施例2で製造されたCuInSe化合物結晶体の電子顕微鏡(SEM)写真である。 本発明の実施例2で製造されたCuInSe化合物に対するXRDグラフである。 本発明の実施例3で製造されたCuInSe化合物結晶体の電子顕微鏡(SEM)写真である。 本発明の実施例3で製造されたCuInSe化合物結晶体の電子顕微鏡(SEM)写真である。 本発明の実施例3で製造されたCuInSe化合物に対するXRDグラフである。
符号の説明
11 基板
12 導電層
13 吸収層
14 バッファ層
15 透明窓層
16 フィンガーパターン

Claims (6)

  1. (a)反応物質として、1B族金属のセレン化物粒子と3A族金属のセレン化物粒子との混合物ペーストを準備する段階と;
    (b)前記ペーストを基材上に塗布する段階と;
    (c)前記塗布層を急速に熱処理する段階と;
    を含んで構成され、
    前記1B族金属セレン化物は、銅塩と亜セレン酸(HSeO)を所定の溶媒に添加した後、加熱して製造する銅セレン化物(Cu―Se)であり、
    前記3A族金属セレン化物は、セレン化インジウム(In―Se)および/またはセレン化ガリウム(Ga―Se)であり、前記セレン化インジウム(In―Se)は、インジウム塩と亜セレン酸(HSeO)を所定の溶媒に添加した後、加熱して製造し、
    Cu/(In+Ga)のモル比が0.6〜1.5で、Ga/(Ga+In)のモル比が0〜0.5である、1B―3A―Se化合物の太陽電池吸収層を製造する方法。
  2. 前記金属セレン化物粒子は、5nm〜10μmの粒径を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記金属セレン化物粒子は、50nm〜5μmの粒径を有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記塗布層は、単層または多層の構造として全体厚さが3〜5μmであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 前記塗布層は、3層構造からなり、最下部にある第1層は、Cu/(In+Ga)=0〜0.9のモル比を有する層として0.1〜1.0μmの厚さを有し、中間層である第2層は、Cu/(In+Ga)=0.8〜3.0のモル比を有する層として0.5〜3.0μmの厚さを有し、最上部にある第3層は、Cu/(In+Ga)=0〜0.9のモル比を有する層として0.1〜1.0μmの厚さを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 前記急速熱処理は、400〜600℃の温度で1〜30分間行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。
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