JP5690136B2 - 多層を基にした電気活性膜の製造 - Google Patents
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Description
先ず図1及び図2を参照する。ここで、図1及び図2はそれぞれ、代表的な一連の過程100、及び、本発明の実施形態を実行する操作装置を図示している。一連の過程は、図1に示されたフローチャートに詳述されている工程を有し、該装置を利用して図2に図示されている中間及び最終の構造を得る。最初の工程110において、基板200と、予め作製されたナノ粒子の異なる分散液を含む流動性を有する複数の印刷塗料とを、更に以下で説明される様に、用意する。印刷塗料202aを、工程112にて第1層用に選択し、そして工程114において、この塗料を、プリンタ204を用いて基板200上に印刷する。以下に説明する様に、エッチング工程116を印刷の後に実行することもある。任意工程118において、堆積層を、熱源206を用いて乾燥させると共にアニールして、連続膜208を形成する。「アニール」は、ナノ粒子が均一な構成の連続層に溶け込む十分な温度及び十分な時間での堆積層の加熱を意味する。アニールを特定の層の堆積の後に実行するか否かは、印刷塗料の仕様、層の厚さ、及び、所望の膜特性に依存する。しかし、一般的には、塗料を、該塗料上に次の塗料を堆積させる前に乾燥させる。アニール源206は、適当な熱源、例えばオーブン、真空オーブン、加熱炉、IRランプ、レーザ、又は、ホットプレートであってもよく、適当なアニールの時間と温度は、過度の実験なしに、印刷装置との関連で以下に記載のキャリブレーションによって得られてもよい。尚、アニールの温度と時間は、インク塗料と同様、ナノ粒子のサイズと組成に依存する。アニール温度は、通常、200℃より高い。
印刷工程114の実行のために、インクジェット印刷、空気圧式噴霧、スクリーン印刷、パッド印刷、レーザ印刷、ドットマトリックス印刷、感熱式印刷、リソグラフィ、及び3D印刷を含むがこれに限られない、よく特徴付けられた種々の印刷方法を、有利に利用することが出来る。コンピュータ制御されたインクジェットプリンタは、直ちに利用することが出来、又、それらが提供する制御のレベルにより発明の実施にとって特に魅力のあるものである。ナノ粒子を基にしたインク(印刷塗料)を、ここに記載する通り印刷するべく、市販のインクジェットプリンタを、殆ど又は全く変更を加えずに使用することが出来る。プリンタヘッドの目詰まりや、他の非互換性の様な問題を避けるべく、印刷塗料の内容について後に詳述する様に、ナノ粒子を基にしたインクの粘度を、プリンタの製造者によって製造されるインクの粘度に調整することが出来る。インクジェットプリンタの様な直ちに利用可能であって低コストの装置への方法100の適用のし易さは、その利点の1つである。
ここにおける印刷塗料は、流動性を有するナノ粒子の分散液である。微粒子の前駆体物質は、主要な成分(例えば、Cu、In、Ga)を前駆体粉に正確に混ぜることが出来るので、例えばCIGSの様な多成分物質のための組成制御を簡素化する。これらの粉を作製する1つの方法には、構成要素を必要とされる割合で混ぜること、それらを酸に溶かして水性混合物を形成すること、水酸化物沈殿物を用いて構成要素の水酸化物のゲル状の混合物を形成すること、及び混合物を乾燥させて混合酸化物の微粉を得ることが含まれる。又、ナノ粒子の合成は、例えば、米国特許第6379635号及び同時係属中の米国特許出願第11/579050号及び第11/588880号に記載されている技術を用いて実行することが出来る。
図1に示される方法に従って作製された半導体薄膜構造は、光電池、LED、トランジスタ、及び他の半導体デバイスに使用することが出来る。図3Aは、CIGS吸収体膜を有する太陽電池の代表的な構造を示している。基板305は、ガラス上にモリブデンを有し、又、サブミクロンのMo層が電池300のバック接点を提供している。吸収体膜307は、一連のCIGSのアニールされた層を有すると共に、Mo接点300に向かってGa濃度の増加とIn濃度の減少を示している。この膜は、連続して各層の印刷とアニールとを行うことによって作製することが出来る。或いは、図3Bに示す様に、それは、先ず全ての層を堆積させ、次にこれらの層を1回のアニール工程で1つの連続膜に結合させることによって作製されてもよい。尚、図3Bは、個々の層のInとGaの含有量を例示している。緩衝層312は、CIGS膜との接合点を形成している。従来、この接合点はCdSを有していた。しかし、Cdに関連した環境と健康の懸念から、好ましいPV電池は、代わりにZnS、ZnO(O,OH)、又はIn2S3を使用したカドミウムフリーのものである。従って、ガラスカバー316上のZnO層314は、電池300のスーパーストレートを形成している。ZnO/ZnO(O,OH)/CIGS/Mo電池の性能は、吸収体層307内に他の半導体材料の層を導入することによって改良又は最適化することが出来る。(例えば、次の表1に示す様に)例えばSeがS又はTeに置換され、CuがAgに置換され、若しくはIn又はGaがAlに置換されたCIGSの変異体は、価電子帯及び伝導帯のエネルギーを操作して電子-ホール捕獲を補助するために使用することが出来る。本発明の実施形態は、これらの付加的な層を結合するための便利な手段を提供する。更に、もしナノ粒子源が接合層及び/又は基板又はスーパーストレートに使用可能であれば、必要とされるアニールの温度がデバイス内の他の層に弊害をもたらさない限り、同様に、これらの層を、印刷又はアニールによってデバイス中に結合することが出来る。
Claims (15)
- 膜を製造する方法であって、
(a)基板と、流動性を有する複数の印刷塗料とを提供する工程であって、該複数の塗料はそれぞれ、予め作製されたナノ粒子の異なる分散液を含むと共に、当該ナノ粒子は、式CuIn1−xGaxSe2、ここで0≦x≦1、であって、100nm以下の平均サイズを有しており、揮発性のキャッピング剤で覆われている工程と、
(b)1つの印刷塗料の層を前記基板上に印刷する工程と、
(c)印刷された層をアニールして連続膜を形成する工程と、
(d)別の又は同じ印刷塗料を用いて工程(b)及び(c)を繰り返して前記膜を形成する工程、
とを有しており、xは複数の印刷塗料を通じて変化する方法。 - 少なくとも幾つかの印刷された層は、1μmより小さい厚さを有している請求項1に記載の方法。
- 工程(c)の前に少なくとも一度、工程(b)を繰り返すことを更に有する請求項1又は2に記載の方法。
- 印刷の後であってアニールの前にエッチングを実行する工程を更に有する請求項1、2、又は3に記載の方法。
- 前記複数の印刷塗料は懸濁液である請求項1乃至4の何れか1つに記載の方法。
- 前記複数の印刷塗料は溶液である請求項1乃至4の何れか1つに記載の方法。
- 印刷工程は、インクジェット印刷、空気圧式噴霧、スクリーン印刷、パッド印刷、レーザ印刷、ドットマトリックス印刷、感熱式印刷、リソグラフィ、又は3D印刷からなる群から選択された印刷技術によって実行される請求項1乃至6の何れか1つに記載の方法。
- 各印刷塗料は異なるタイプのナノ粒子を含んでいる請求項1乃至7の何れか1つに記載の方法。
- 少なくとも幾つかの前記印刷塗料は、同じタイプのナノ粒子を異なる割合で含み、前記層が塗布されることにより前記膜を通して少なくとも1つの材料の濃度勾配が生成される請求項1乃至7の何れか1つに記載の方法。
- 各塗料のナノ粒子は、同じ元素を異なる割合で含み、前記層が塗布されることにより前記膜を通して少なくとも1つの材料の濃度勾配が生成される請求項1乃至9の何れか1つに記載の方法。
- 前記ナノ粒子は、20nm以下のサイズと低いサイズ分散度とを有している請求項1乃至10の何れか1つに記載の方法。
- 薄膜は、半導体を含み、電気的に前記基板と相互作用する請求項1乃至11の何れか1つに記載の方法。
- 導電性のスーパーストレートと外部接点を付加して半導体デバイスを作製することを更に有する請求項12に記載の方法。
- 前記半導体デバイスは太陽電池である請求項13に記載の方法。
- キャリアと、ナノ粒子を含む分散液とを中に含む流動性を有する印刷塗料であって、
前記ナノ粒子は、式CuIn1−xGaxSe2、ここで0≦x≦1、であり、且つ、揮発性のキャッピング剤で覆われており、
実質上、流動率に依存しない粘度を有している印刷塗料。
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