JP5963088B2 - 半導体膜を形成する方法およびその膜を含む光起電デバイス - Google Patents
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Description
Cu2−xZn1+ySn(S1−zSez)4+q
この式において、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、−1≦q≦1である。
適切な液体媒体(溶剤)中の(粒子ベースの)固体および溶解成分両方の前駆体成分から成るハイブリッド前駆体インクを形成するステップであって、固体および溶解成分の両方は望ましくは金属原子を含み、両方は最終的にほぼ単相の組成中に実質的に組み込まれるよう意図されている、該形成するステップと、
上記ハイブリッド前駆体インクを基板にコーティングし乾燥して、コーティングされた基板を生成するステップであって、溶剤が蒸発すると、溶解成分は固体粒子の周りに連続的媒体を形成するバインダとして作用し、これにより、非圧縮性成分が応力解放および亀裂偏向効果を得るので、一回のコーティングでより厚い膜の堆積が可能になる、該コーティングし乾燥するステップと、
コーティングされた基板を望ましい雰囲気で加熱し、前駆体粒子と(ほぼ溶解された)結合前駆体成分との間の化学反応を誘起するステップと、
によって、超高スループットでの作製に適応し、従来技術に関連する欠点を克服する。
この溶剤は水または非水性液体とすることができ、後者は有機または無機液体のいずれとすることもできる。望ましくは、この溶剤は、蒸発によってほぼ除去できる、すなわち、分解温度もしくは熱アニールまたはその両方以下で、ほぼ気体相に変換されるのに十分な蒸気圧を有し、目的とする組成に対し異物である元素の残留汚染を残さない。
この溶解成分は、望ましくは、合計濃度約5〜約1000mg/mlの、SもしくはSeまたはその両方と組み合わされたCuおよびSnを含む。任意で、溶解成分は、Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Sb、Bi、およびBから成る群から選択された元素を含む。
本明細書では「粒子」と称する固体成分は、結晶またはアモルファス・タイプの固体構造体として定義され、溶剤中に分散される。この固体成分は、例えば、以下に限らないが、X線回析、光学(レーザ)散乱、および光学、電子、または原子間力顕微鏡法などの技法を含む、当業者に既知の任意の分析技法によって検出可能である。
d≧2e
で表され、dは粒子の少なくとも一つの寸法でありeはそれら粒子の他の任意の寸法である。
全ての作業は窒素充填のグローブ・ボックス内で実施された。堆積溶液は、磁気撹拌されているガラス・バイアル瓶の2つの部分で調合された。すなわち、3mlのヒドラジン中に0.573gのCu2S、および0.232gの硫黄を溶解させたA1、並びに、0.790gのSnSe、1.736gのSeおよび0.32gのZnを7mlのヒドラジンと混合したB1である。3日間の磁気撹拌の後、溶液A1は透明オレンジ色の外観を呈し、一方、B1は緑暗色で不透明であった。堆積の前に溶液A1とB1とを混合(C1)した。
実施例1の手順を繰り返して、最終アニールには元素硫黄の蒸気を包含する雰囲気(0.12g/l N2)が用いられた。
化学浴析出により60nmのCdSバッファ層を、スパッタリングにより100nmの絶縁ZnOおよび130nmのITO(インジウムドーピング酸化亜鉛)を堆積することによって、前述のCu2ZnSn(Se,S)4膜から太陽電池が作製された(図3)。図示の構造体に加えて、電子ビーム蒸着によってNi/Al金属コンタクトおよび110nmのMgFコーティングが堆積された。
Claims (20)
- 以下の化学式で表される化合物を含むケステライト膜を堆積する方法であって、
Cu2−xZn1+ySn(S1−zSez)4+q
前記化学式において、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z<1、−1≦q≦1であり、
前記方法は、
ヒドラジン、Cuの供給源、Snの供給源、Sの供給源、Seの供給源、並びにZnの供給源を接触させて、Zn含有固体粒子を含む分散液を形成するステップと、
前記分散液を基板上に塗付して薄膜を形成するステップと、
前記ケステライト膜を形成するのに十分な温度、圧力および時間長でアニールするステップと、
を含む、方法。 - 前記分散液は、溶剤、アミン、ポリマー、および添加物の少なくとも一つをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- x、y、z、およびqは、それぞれ0≦x≦0.5、0≦y≦0.5、0<z<1、−0.5≦q≦0.5である、請求項1に記載の方法。
- 前記Cuの供給源は、Cu2SおよびCu2Seの少なくとも一つである、請求項1に記載の方法。
- 前記Snの供給源は、SnSe、SnS、SnSe2およびSnS2の少なくとも一つである、請求項1に記載の方法。
- 前記Znの供給源は、金属亜鉛、ZnS、およびZnSeの少なくとも一つである、請求項1に記載の方法。
- 前記Znの供給源は、2〜2000nmの範囲の粒子サイズを有する粒子を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記粒子の寸法は以下の式、
d≧2e
で表され、上式のdは前記粒子の一つの寸法であり、eは前記粒子の他の任意の寸法である、請求項7に記載の方法。 - 前記Sの供給源は、元素硫黄、CuS、Cu2S、SnS、SnS2、ZnS、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記Seの供給源は、元素セレン、SnSe2、およびSnSeから成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記基板は透明な導電コーティングで被覆される、請求項1に記載の方法。
- 前記塗付するステップは、スピン・コーティング、浸漬コーティング、ドクターブレード法、カーテン式コーティング、スライド・コーティング、スプレー法、スリット・キャスティング、メニスカス・コーティング、スクリーン印刷、インク・ジェット印刷、パッド印刷、フレキソ印刷、およびグラビア印刷から成る群から選択された方法によって実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記アニールするステップは、200〜800℃の範囲の温度で実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記アニールは、
N2、Ar、He、フォーミング・ガス、およびこれらの混合体の少なくとも一つ、並びに
任意で、硫黄、セレン、およびこれらの化合物の少なくとも一つの気体、
を含む雰囲気で実施される、請求項1に記載の方法。 - 前記添加物は金属またはその化合物を包含し、前記金属は、0.01〜5質量%の量で、Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Sb、およびBiから成る群から選択される、請求項2に記載の方法。
- 前記供給源の各々の濃度は、5〜1000mg/mlである、請求項1に記載の方法。
- ヒドラジン、Cuの供給源、Snの供給源、Znの供給源、Sの供給源、並びにSeの供給源から形成された、Zn含有固体粒子の分散液を含む組成物であって、アニールされたとき、化学式Cu2−xZn1+ySn(S1−zSez)4+qの化合物を形成し、この式において0≦x≦1、0≦y≦1、0<z<1、−1≦q≦1である、
前記組成物。 - 透明な導電材料を有する最上部電極と、
n型半導体層と、
導電性の表面を有する基板と、
Cu 2−x Zn 1+y Sn(S 1−z Se z ) 4+q (化学式中、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z<1、−1≦q≦1である。)の組成を有する前記基板上のケステライト膜と、
を含む、光起電デバイス。 - 前記基板はモリブデン層でコーティングされており、ガラス、プラスチック、ポリマー、セラミック、およびアルミニウム・ホイルから成る群から選択され、
前記n型半導体層は、ZnS、CdS、InSこれらの酸化物、およびこれらのセレン化物の少なくとも一つを有し、
前記透明な導電材料は、ドープZnO、インジウム錫酸化物、ドープ錫酸化物、およびカーボン・ナノチューブから成る群から選択される、
請求項18に記載の光起電デバイス。 - 請求項18または19に記載の光起電デバイスを複数含み、前記光起電デバイスが電気的に相互接続された、光起電モジュール。
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