JP6012866B2 - 錯体およびその溶液の製造方法、太陽電池用光吸収層の製造方法および太陽電池の製造方法 - Google Patents

錯体およびその溶液の製造方法、太陽電池用光吸収層の製造方法および太陽電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池の光吸収層の形成に用いられる錯体およびその溶液の製造方法、該錯体溶液を用いた太陽電池用光吸収層の製造方法、及び該錯体溶液を用いた太陽電池の製造方法に関する。
本願は、2013年6月3日に米国に出願された、米国仮出願第61/830294号及び2014年1月9日に米国に出願された、米国仮出願第61/925621号に基づき優先権主張し、その内容をここに援用する。
近年、環境への配慮から太陽電池への関心が高まっており、中でも光電変換効率が高い薄膜太陽電池であるカルコパイライト系太陽電池やインジウム等のレアメタルを他の環境に優しい金属に置き換えたケステライト系太陽電池には特に注目が集まっており、現在、研究開発が活発に行われている。
カルコパイライト系太陽電池は、カルコパイライト系(黄銅鉱系)材料からなる光吸収層を、基板上に成膜して形成される太陽電池である。カルコパイライト系材料の代表的な元素は、銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)及び硫黄(S)等であり、光吸収層の代表的なものとして、Cu(In,Ga)SeやCu(In,Ga)(Se,S)等があり、それぞれCIGS、CIGSS等と略称されている。また、最近ではレアメタルであるインジウムを置き換えた、例えば銅(Cu)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)セレン(Se)及び硫黄(S)からなるケステライト系太陽電池が検討されており、光吸収層の代表的なものとして、CuZnSnSe、CuZnSnS、CuZnSn(S,Se)等がある。
図1は、カルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池の一例を示す断面模式図である。
図1に示すように、カルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池は、基板2上に第1の電極3、CIGS又はCZTS層(光吸収層)4、バッファ層5、i−ZnO層6及び第2の電極7が、この順序で積層されて概略構成されている。なお、バッファ層としては、例えばCdS層や、ZnS層や、InS層等が知られている。
第1の電極3と第2の電極7には、それぞれ端子が接合されており、端子には、配線が接続されている。このようなカルコパイライト系又はケステライト系太陽電池1は、矢印Aの向きに入射された光が、CIGS又はCZTS層4で吸収されることにより、起電力が生じ、矢印Bの向きに電流が流れる。
なお、第2の電極7の表面は、例えばMgF層からなる反射防止膜層8によって覆われることで保護されている。
CIGS又はCZTS層4を成膜する方法としては、真空法や塗布法等の方法が知られている。もっとも、真空法を用いた場合は、装置のスケールアップにつながることから、歩留まりが悪いので、比較的安価に製造することが可能な塗布法の適用が鋭意研究されている。
塗布法は、一般に、CIGS層の場合にはCu,In,Ga,Se,及びS等の元素を特定の溶媒に溶解させて塗布液を調製し、この塗布液をスピンコーティング法、デッピング法やスリットキャスト法等を用いて基板上に塗布し、焼成してCIGS層を形成する。
そして、塗布液を調製する方法としては、溶剤としてヒドラジンを用いる方法と、ヒドラジンを用いない代わりに、溶解促進剤としてアミン類を添加する方法とが知られている(特許文献1及び2参照)。また、CZTS層の場合には、Cu、Zn、Sn、Se、及びS等の元素を特定の溶媒に溶解させて塗布液を調製し、この塗布液をスピンコーティング法、デッピング法やスリットキャスト法等を用いて基板上に塗布し、焼成してCZTS層を形成する。(特許文献3参照)。
また塗布液の調製方法として、カルコゲン元素含有有機化合物およびルイス塩基性有機化合物を含む混合溶媒に、I−B族元素およびIII−B族元素の少なくとも一方を含む金属原料を金属の状態で溶解させる方法も知られている(特許文献4参照)。
米国特許第7094651号明細書 米国特許第7517718号明細書 米国公開公報2011−0094557号 米国公開公報2012−0070937号
しかしながら、塗布液を調製する方法として、塗布溶剤にヒドラジンを用いる方法を採用した場合は、ヒドラジンの有する化学特性(爆発性、毒性)の問題から、プロセスの安全性に問題があることが従来から指摘されていた。
また、亜鉛カルコゲン化合物(zinc chalcogenide)、例えばZnSe等がヒドラジンに対する溶解性が低く、高濃度で均一な亜鉛錯体溶液を調製することが困難であった。また、塗布溶剤にヒドラジンを用いると、塗布液を調製後、2週間程度経過することにより、セレン化銅(CuSe)が析出してしまうため、塗布液の保存期間が短いという問題があった。
一方、特許文献4の方法では、有機化合物を主成分として用いているため、塗布膜中の有機物含有量が多くなるおそれがある。塗布膜中に有機物が残存すると、光吸収層の結晶成長を阻害する要因となるため、好ましくない。
このような背景の下、金属を原料として製造可能な、太陽電池の光吸収層の形成に用いられる光吸収層形成用塗布液の製造方法が要望されていたが、有効適切なものは提供されてこなかったのが実情である。
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の第一の態様は、太陽電池の光吸収層の形成に用いられる錯体およびその溶液の製造方法であって、Cu、Cu化合物、Zn、Zn化合物、Sn、Sn化合物、In、In化合物、Ga、Ga化合物、Sb及びSb化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属又は金属化合物と、メルカプトエタノール、チオグリコール酸およびチオグリセロールからなる群より選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素含有有機化合物を前記金属又は金属化合物1モルに対し、0.1〜10モルと、アンモニアと、S、Seから選ばれる少なくとも1種の第16族元素とを混合して反応液を得ることを含む錯体およびその溶液の製造方法である。
本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る錯体およびその溶液の製造方法により得られた溶液を、基体に塗布し、焼成することを特徴とする太陽電池用光吸収層の製造方法である。
本発明の第三の態様は、基板上に第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極上に、第一の態様に係る錯体およびその溶液の製造方法により得られた溶液を塗布し、焼成して光吸収層を形成する工程と、前記光吸収層上にバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に第2の電極を形成する工程と、を有することを特徴とする太陽電池の製造方法である。
本発明によれば、結晶成長を阻害する要因となる有機物の含有量が低減された光吸収層を形成することが出来る。
カルコパイライト系又はCZTS系太陽電池の一例を示す断面模式図である。
[錯体および溶液の製造方法]
本発明の第一の態様は、太陽電池の光吸収層の形成に用いられる錯体およびその溶液の製造方法(以下、単に「錯体(溶液)の製造方法」という場合がある。)であって、第11族金属、第12族金属、第13族金属、第14族金属、第15族元素、第11族金属化合物、第12族金属化合物、第13族金属化合物、第14族金属化合物及び第15族元素含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の単体または化合物(以下、まとめて「単体および/または化合物」という場合がある。)と、メルカプト基含有有機化合物、スルフィド、ポリスルフィド、チオカルボニル基含有有機化合物、硫黄含有複素環式化合物、ヒドロセレノ基含有有機化合物、セレニド、ポリセレニド、セレノカルボニル基含有有機化合物及びセレン含有複素環式化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して反応液を得ることを含む。
前記第11族金属としては、例えば、Cu元素、およびAg元素等が挙げられる。これらの中でも、Cu元素が特に好ましい。
前記第12族金属としては、例えば、Zn元素、およびCd元素等が挙げられる。これらの中でも、Zn元素が特に好ましい。
前記第13族金属としては、例えば、Al元素、Ga元素、およびIn元素等が挙げられる。これらの中でも、Ga元素およびIn元素が特に好ましい。
前記第14族金属としては、例えば、Si元素、Ge元素、およびSn元素等が挙げられる。これらの中でも、Ge元素およびSn元素が特に好ましい。
前記第15族元素としては、例えば、As元素、Sb元素、P元素、およびBi元素等が挙げられる。これらの中でも、Sb元素が特に好ましい。
前記第11族金属化合物としては、例えば、Cu(OH)、CuS、CuS、CuSe、CuSe、CuTe、CuTe、CuO、CuO、酸化銀、硫化銀、セレン化銀等が挙げられる
前記第12族金属化合物としては、例えば、ZnO、水酸化亜鉛、ZnS、ZnSe、ZnTe等が挙げられる。
前記第13族金属化合物としては、例えば、In(OH)、酸化インジウム、硫化インジウム、セレン化インジウム、テルル化インジウム、酸化ガリウム、硫化ガリウム、セレン化ガリウム、テルル化ガリウム、ホウ酸、酸化ホウ素等が挙げられる。
前記第14族金属化合物としては、例えば、SnS、SnO、SnO、SnS、SnSe、SnTe、酸化ゲルマニウム等が挙げられる。
前記第15族元素含有化合物としては、例えば、Sb、リン酸、亜リン酸、ホスフィン、砒酸、亜砒酸、硫化アンチモン、セレン化アンチモン、テルル化アンチモン等が挙げられる。
単体および/または化合物としては、1種を用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物は、メルカプト基含有有機化合物、スルフィド、ポリスルフィド、チオカルボニル基含有有機化合物、硫黄含有複素環式化合物、ヒドロセレノ基含有有機化合物、セレニド、ポリセレニド、セレノカルボニル基含有有機化合物及びセレン含有複素環式化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種である。
メルカプト基含有有機化合物としては、例えばアルキルチオール(エタンチオール、プロパンチオール等)、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオグリセロール、チオグリコール酸、チオ乳酸、チオリンゴ酸、チオグリコール酸メチル、チオグリコール酸エチル、エタンジチオール、プロパンジチオール、ブタンジチオール、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、meso−2,3−ジメルカプトこはく酸、nブチルメルカプタン、tert−ブチルメルカプタン等が挙げられる。
スルフィドとしては、例えばジブチルスルフィド、エチルメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、チオジグリコール、2,2’−チオジグリコール、ビス(2−ヒドロキシエチル)ジサルファイド、ジチオジグリコール酸、2,2−ジチオプロピオン酸等が挙げられる。
ポリスルフィドとしては、例えばジヘプチルジスルフィド、ジエチルジスルフィド、メチルプロピルジスルフィド、2,2’−ジチオジエタノール、ジチオジグリコール酸、ビス(2−ヒドロキシエチル)ジサルファイド、ジチオジグリコール酸、2,2−ジチオプロピオン酸等が挙げられる。
チオカルボニル基含有有機化合物としては、チオ尿素、チオアセトアミド、ジメチルチオ尿素、トリメチルチオ尿素、エチレンチオ尿素、チオセミカルバジド、ジエチルジチオカルバミン酸ジエチルアンモニウム、ジメチルジチオカルバミン酸ジメチルアンモニウム、テトラメチルチウラムモノスルフィド、グアニルチオ尿素等が挙げられる。
硫黄含有複素環式化合物としては、チオフェン、2−アミノ−5−メルカプト−1,3−チアジアゾール、ビスムチオール等が挙げられる。
ヒドロセレノ基含有有機化合物としては、ベンゼンセレノール、tert−ブチルセレノール等が挙げられる。
セレニドとしては、フェニルセレニド、tert−ブチルセレニド等が挙げられる。
ポリセレニドとしては、ジフェニルジセレニド、tert−ブチルジセレニド等が挙げられる。
セレノカルボニル基含有有機化合物としては、セレノウレア、1,1−ジメチルー2−セレノウレア等が挙げられる。
セレン含有複素環式化合物としては、セレノフェン等が挙げられる。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物としては、メルカプト基含有有機化合物、スルフィド、ポリスルフィド、チオカルボニル基含有有機化合物及び硫黄含有複素環式化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましく、メルカプト基含有有機化合物及びチオカルボニル基含有有機化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種がより好ましく、チオグリコール酸、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオグリセロール、チオ乳酸、チオリンゴ酸、tert−ブチルメルカプタン、ジエチルジチオカルバミン酸ジエチルアンモニウム、ジメチルジチオカルバミン酸ジメチルアンモニウム及びプロパンチオールからなる群より選ばれる少なくとも1種が更に好ましく、塗布膜の焼成時に除去し易く、光吸収層に残存しないという観点から、メルカプトエタノール、チオグリコール酸、アルキルチオール及びチオグリセロールからなる群より選ばれる少なくとも1種が更に好ましく、プロパンチオールが特に好ましい。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物は水溶性であってもよい。水溶性のカルコゲン元素含有有機化合物を用いることにより、単体及び/又は化合物とカルコゲン元素含有有機化合物とを混合する際に溶媒として水を用いることが出来るので、プロセスの安全性がより高まる。
水溶性のカルコゲン元素含有有機化合物としては、例えばメルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオグリセロール、チオ乳酸、チオリンゴ酸、チオグリコール酸、チオ尿素、チオアセトアミド等が挙げられる。これらの中でも、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオ乳酸及びチオグリセロールが特に好ましい。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物の炭素数は4以下であってもよい。炭素数4以下のカルコゲン元素含有有機化合物としては、例えばプロパンチオール、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオグリセロール、チオ乳酸、チオリンゴ酸、チオグリコール酸、チオ尿素、チオアセトアミド、チオグリコール酸メチル、チオグリコール酸エチル、エタンジチオール、プロパンジチオール、ブタンジチオール、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、meso−2,3−ジメルカプトこはく酸、エチルメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、チオジグリコール、2,2’−チオジグリコール酸、チオ乳酸、ジエチルジスルフィド、メチルプロピルジスルフィド、2,2’−ジチオジエタノール、ジチオジグリコール酸、ジメチルチオ尿素、トリメチルチオ尿素、エチレンチオ尿素、ジメチルジチオカルバミン酸ジメチルアンモニウム等が挙げられる。中でも、メルカプトエタノール及びチオグリセロールが特に好ましい。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物は、室温(23℃)の水100gに対して1g以上溶解する化合物であってもよく、5g以上溶解する化合物であることがより好ましく、10g以上溶解する化合物であることが特に好ましい。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物は、少なくとも1つのヒドロキシ基を有するカルコゲン元素含有有機化合物であってもよい。
少なくとも1つのヒドロキシ基を有するカルコゲン元素含有有機化合物としては、例えばメルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオグリセロール、チオ乳酸、チオリンゴ酸、チオグリコール酸、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、meso−2,3−ジメルカプトこはく酸、チオジグリコール、2,2’−チオジグリコール酸、2,2’−ジチオジエタノール、ジチオジグリコール酸等が挙げられる。これらの中でも、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール、チオグリセロール、チオ乳酸及びチオリンゴ酸が好ましく、メルカプトエタノール、メルカプトプロパノール、メルカプトエトキシエタノール及びチオグリセロールが特に好ましい。
本発明において、カルコゲン元素含有有機化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明において、ルイス塩基性無機化合物は特に限定されないが、アンモニア、ヒドラジン、NaOH、KOH等が挙げられる。中でも、アンモニアが好ましい。
ルイス塩基性無機化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明において、第16族元素としては、O、S、Se、Te等が挙げられ、S、Seから選ばれる少なくとも1種が好ましく、Seが特に好ましい。
第16族元素としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明において、前記単体および/または化合物、カルコゲン含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物及び第16族元素に加えて、有機溶媒を任意の割合で添加することができる。有機溶媒としては、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルアセトアミド、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素などの極性の非プロトン性溶媒が好ましい。中でも、ジメチルスルホキシドが好ましい。
本発明の錯体(溶液)の製造方法においては、前記反応液に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(以下、「貧溶媒」という場合がある。)を加えてもよい。貧溶媒を加えることにより、前記反応液を精製することができ、不純物を取り除くことできる。しかしながら、本発明の錯体(溶液)の製造方法においては、そのような精製工程は必ずしも必要ない。精製工程を省略することにより、全体のプロセスを簡略化でき、工業的に有利である。
前記貧溶媒としては、前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒であれば特に限定されないが、アセトン、イソプロパノールが好ましい。
前記貧溶媒は、前記単体および/または化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素と共に混合してもよいが、前記単体および/または化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して反応液を調製した後に混合することが好ましい。反応液を調製した後に貧溶媒を混合することにより、目的物である錯体を沈殿させ、未反応カルコゲン元素含有有機化合物等の不純物を上清として除去できる。錯体と不純物は、例えば遠心分離、ろ過、抽出等で分離できる。
また、不純物を上清として除去した後に、更に貧溶媒で錯体を洗浄できる。洗浄を複数回行うことにより、より確実に不純物を除去することができる。
貧溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明の錯体(溶液)の製造方法においては、水の存在下で前記反応液を得ることが好ましい。水の存在下で前記反応液を得る方法としては特に限定されないが、例えば各原料の混合溶媒として水を含む溶媒を用いることや、前記ルイス塩基性無機化合物としてルイス塩基性無機化合物水溶液を用いることが好ましい。前記ルイス塩基性無機化合物水溶液としては、アンモニア水、ヒドラジン水和物、NaOH水溶液、KOH水溶液等が挙げられ、中でも濃度28%以下のアンモニア水を用いることが好ましい。この場合、後述する溶媒を用いることが好ましく、特にジメチルスルホキシドが好ましい。
本発明の錯体(溶液)の製造方法において、単体および/または化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、CZTS系又はCIGS系太陽電池の光吸収層の形成に用いられる光吸収層形成用塗布液を調製する場合など、複数種類の単体および/または化合物を用いる場合、各錯体溶液(以下、「金属前駆体溶液」という場合がある)を調製した後に、各金属前駆体溶液を混合する方法(以下、「調製方法(I)」という。)、全ての原料を一括に混合する方法(以下、「調製方法(II)」という。)、少なくとも2種の第11族〜第15族金属を用いて二元または三元金属錯体溶液を調製する方法(以下、「調製方法(III)」という。)等が挙げられる。
<調製方法(I)>
(Cu前駆体)
Cu前駆体は、例えばCu及び/又はCu化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより得られる。
Cu及び/又はCu化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記Cu及び/又はCu化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
Cu及び/又はCu化合物としては、Cu、Cu(OH)、CuS、CuS、CuO、CuO、CuSe、CuSe、CuTe、CuTeが好ましく、Cuがより好ましい。
Cu及び/又はCu化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第16族元素の量は、Cu1モルに対し、0.5〜10モルが好ましく、0.5〜4モルがより好ましく、1〜2モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量はCu1モルに対し、0.1〜10モルが好ましく、0.5〜10モルがより好ましく、0.3〜1モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、Cu1モルに対し、1〜20モルが好ましく、2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
Cu及び/又はCu化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、Cu及び/又はCu化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加した後に撹拌する方法や、Cu及び/又はCu化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して得た反応液に溶媒を添加する方法や、反応液に前記貧溶媒を添加して得た錯体に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いでCu及び/又はCu化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、混合した際にCu濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.2〜1.5mol/Lがより好ましく、0.4〜1.2mol/Lが特に好ましい。
Cu前駆体の調製における反応温度は、使用するCu及び/又はCu化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類によっても異なるが、安全性やCu錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
また、Cu前駆体の調製における反応時間は、使用するCu及び/又はCu化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類、撹拌時間、反応温度によっても異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
Cu前駆体の調製後、Cu前駆体に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(貧溶媒)を混合して不純物を除去することが好ましい。貧溶媒としては特にイソプロピルアルコールが好ましい。また、貧溶媒の混合は複数回行うことが好ましく、具体的には1回〜5回行うことが好ましい。
貧溶媒の量は、Cu前駆体に対して2〜20倍が好ましく、5〜20倍がより好ましく、7〜20倍が更に好ましい。
(Zn前駆体)
Zn前駆体は、例えばZn及び/又はZn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより得られる。
Zn及び/又はZn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記Zn及び/又はZn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
Zn及び/又はZn化合物としては、Zn、ZnO、水酸化亜鉛、ZnS、ZnSe、ZnTeが好ましく、ZnおよびZnOがより好ましい。
Zn及び/又はZn化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第16族元素の量は、Zn1モルに対し、0.5〜10モルが好ましく、0.5〜4モルがより好ましく、1〜2モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量はZn1モルに対し、0.1〜10モルが好ましく、0.5〜10モルがより好ましく、0.3〜1モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、Zn1モルに対し、1〜20モルが好ましく、2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
Zn及び/又はZn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、Zn及び/又はZn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加した後に撹拌する方法や、Zn及び/又はZn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して得た反応液に溶媒を添加する方法や、反応液に前記貧溶媒を添加して得た錯体に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いでZn及び/又はZn化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、混合した際にZn前駆体中のZn濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.2〜1.5mol/Lがより好ましく、0.4〜1.2mol/Lが特に好ましい。
Zn前駆体の調製において、反応温度は使用するZn及び/又はZn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類によっても異なるが、安全性やZn錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
また、Zn前駆体の調製において、反応時間は使用するZn及び/又はZn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類、撹拌時間によっても異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
Zn前駆体の調製後、Zn前駆体に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(貧溶媒)を混合して不純物を除去することが好ましい。貧溶媒としては特にアセトンが好ましい。また、貧溶媒の混合は複数回行うことが好ましく、具体的には1回〜5回行うことが好ましい。
貧溶媒の量は、Zn前駆体に対して2〜20倍が好ましく、5〜20倍がより好ましく、7〜20倍が更に好ましい。
(Sn前駆体)
Sn前駆体は、例えばSn及び/又はSn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより得られる。
Sn及び/又はSn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記Sn及び/又はSn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
Sn及び/又はSn化合物としては、Sn、SnS、SnO、SnO、SnS、SnSe、SnTeが好ましく、Snがより好ましい。
Sn及び/又はSn化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第16族元素の量は、Sn1モルに対し、0.5〜10モルが好ましく、0.5〜4モルがより好ましく、1〜2モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量はSn1モルに対し、0.1〜10モルが好ましく、0.5〜10モルがより好ましく、0.3〜1モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、Sn1モルに対し、1〜20モルが好ましく、2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
Sn及び/又はSn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、Sn及び/又はSn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加した後に撹拌する方法や、Sn及び/又はSn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して得た反応液に溶媒を添加する方法や、反応液に前記貧溶媒を添加して得た錯体に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いでSn及び/又はSn化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、混合した際にSn濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.2〜1.5mol/Lがより好ましく、0.4〜1.2mol/Lが特に好ましい。
Sn前駆体の調製における反応温度は、使用するSn及び/又はSn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類によっても異なるが、安全性やSn錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
また、Sn前駆体の調製における反応時間は、使用するSn及び/又はSn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類、撹拌時間によっても異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
Sn前駆体の調製後、Sn前駆体に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(貧溶媒)を混合して不純物を除去することが好ましい。貧溶媒としては特にアセトンが好ましい。また、貧溶媒の混合は複数回行うことが好ましく、具体的には1回〜5回行うことが好ましい。
貧溶媒の量は、Sn前駆体に対して2〜20倍が好ましく、5〜20倍がより好ましく、7〜20倍が更に好ましい。
(In前駆体)
In前駆体は、例えばIn及び/又はIn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより得られる。
In及び/又はIn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記In及び/又はIn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
In及び/又はIn化合物としては、In、In(OH)、酸化インジウム、硫化インジウム、セレン化インジウム、テルル化インジウムが好ましく、In、In(OH)、酸化インジウムがより好ましい。
In及び/又はIn化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第16族元素の量は、In1モルに対し、0.5〜10モルが好ましく、0.5〜4モルがより好ましく、1〜2モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量はIn1モルに対し、0.1〜10モルが好ましく、0.5〜10モルがより好ましく、0.3〜1モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、In1モルに対し、1〜20モルが好ましく、2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
In及び/又はIn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、In及び/又はIn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加した後に撹拌する方法や、In及び/又はIn化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して得た反応液に溶媒を添加する方法や、反応液に前記貧溶媒を添加して得た錯体に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いでIn及び/又はIn化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、混合した際にIn前駆体中のIn濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.2〜1.5mol/Lがより好ましく、0.4〜1.2mol/Lが特に好ましい。
In前駆体の調製において、反応温度は使用するIn及び/又はIn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類によっても異なるが、安全性やIn錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
また、In前駆体の調製において、反応時間は使用するIn及び/又はIn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類、撹拌時間によっても異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
In前駆体の調製後、In前駆体に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(貧溶媒)を混合して不純物を除去することが好ましい。貧溶媒としては特にアセトンが好ましい。また、貧溶媒の混合は複数回行うことが好ましく、具体的には1回〜5回行うことが好ましい。
貧溶媒の量は、In前駆体に対して2〜20倍が好ましく、5〜20倍がより好ましく、7〜20倍が更に好ましい。
(Ga前駆体)
Ga前駆体は、例えばGa及び/又はGa化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより得られる。
Ga及び/又はGa化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記Ga及び/又はGa化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
Ga及び/又はGa化合物としては、Ga、酸化ガリウム、硫化ガリウム、セレン化ガリウム、テルル化ガリウムが好ましく、Ga、酸化ガリウムがより好ましい。
Ga及び/又はGa化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第16族元素の量は、Ga1モルに対し、0.5〜10モルが好ましく、0.5〜4モルがより好ましく、1〜2モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量はGa1モルに対し、0.1〜10モルが好ましく、0.5〜10モルがより好ましく、0.3〜1モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、Ga1モルに対し、1〜20モルが好ましく、2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
Ga及び/又はGa化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、Ga及び/又はGa化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加した後に撹拌する方法や、Ga及び/又はGa化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して得た反応液に溶媒を添加する方法や、反応液に前記貧溶媒を添加して得た錯体に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いでGa及び/又はGa化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、混合した際にGa前駆体中のGa濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.2〜1.5mol/Lがより好ましく、0.4〜1.2mol/Lが特に好ましい。
Ga前駆体の調製において、反応温度は使用するGa及び/又はGa化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類によっても異なるが、安全性やGa錯体の安定性の観点から、通常通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
また、Ga前駆体の調製において、反応時間は使用するGa及び/又はGa化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類、撹拌時間によっても異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
Ga前駆体の調製後、Ga前駆体に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(貧溶媒)を混合して不純物を除去することが好ましい。貧溶媒としては特にアセトンが好ましい。また、貧溶媒の混合は複数回行うことが好ましく、具体的には1回〜5回行うことが好ましい。
貧溶媒の量は、Ga前駆体に対して2〜20倍が好ましく、5〜20倍がより好ましく、7〜20倍が更に好ましい。
(Sb前駆体)
Sb前駆体は、例えばSb及び/又はSb化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより得られる。
Sb及び/又はSb化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記Sb及び/又はSb化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
Sb及び/又はSb化合物としては、Sb、Sb、硫化アンチモン、セレン化アンチモン、テルル化アンチモンが好ましく、Sb、Sbがより好ましい。
Sb及び/又はSb化合物としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第16族元素の量は、Sb1モルに対し、0.5〜10モルが好ましく、0.5〜4モルがより好ましく、1〜2モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量はSb1モルに対し、0.1〜10モルが好ましく、0.5〜10モルがより好ましく、0.3〜1モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、Sb1モルに対し、1〜20モルが好ましく、2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
Sb及び/又はSb化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合する方法は特に限定されない。例えば、Sb及び/又はSb化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加した後に撹拌する方法や、Sb及び/又はSb化合物と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合して得た反応液に溶媒を添加する方法や、反応液に前記貧溶媒を添加して得た錯体に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いでSb及び/又はSb化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、混合した際にSb前駆体中のSb濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.2〜1.5mol/Lがより好ましく、0.4〜1.2mol/Lが特に好ましい。
Sb前駆体の調製において、反応温度は使用するSb及び/又はSb化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類によっても異なるが、安全性やSb錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
また、Sb前駆体の調製において、反応時間は使用するSb及び/又はSb化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物、第16族元素、溶媒等の種類、撹拌時間によっても異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
Sb前駆体の調製後、Sb前駆体に前記ルイス塩基性無機化合物よりも極性の低い溶媒(貧溶媒)を混合して不純物を除去することが好ましい。貧溶媒としては特にアセトンが好ましい。また、貧溶媒の混合は複数回行うことが好ましく、具体的には1回〜5回行うことが好ましい。
貧溶媒の量は、Sb前駆体に対して2〜20倍が好ましく、5〜20倍がより好ましく、7〜20倍が更に好ましい。
上記のように得られた各前駆体を混合する方法は特に限定されない。例えば、各前駆体を溶媒に添加した後に撹拌する方法、各前駆体を混合した後に溶媒を添加する方法、各前駆体を減圧乾燥して固体錯体とした後に各固体錯体を溶媒に添加して錯体溶液を得て、得られた錯体溶液を混合する方法等が挙げられる。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、例えばCZTS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合、Cu、Zn、Sn、Se各金属の合計量または、500℃以上で加熱した際に残る固形分濃度が3%以上になる量が好ましく、5%以上がより好ましく、10%以上が特に好ましい。
また、例えばCIGS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合、Cu、In、Ga、Se各金属の合計量または、500℃以上で加熱した際に残る固形分濃度が3%以上になる量が好ましく、5%以上がより好ましく、10%以上が特に好ましい。
<調製方法(II)>
調製方法(II)における単体及び/又は化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記単体及び/又は化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
各原料の好ましい例としては、前記調製方法(I)と同様のものが挙げられる。
各原料の量は、各原料の種類によって適宜調整することができる。例えばCZTS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合(塗布液が後述する一般式(2)で表される化合物を含む場合)、各金属のモル比で、Cu/(Zn+Sn)=0.5〜1.0、Zn/(Zn+Sn)=0.4〜0.6、Sn/(Zn+Sn)=0.4〜0.6の範囲となるように調製することが好ましい。
Cu、Zn、Sn各金属の合計量1モルに対し、第16族元素の量は0.5〜10当量が好ましく、0.5〜4当量がより好ましく、1〜2当量が更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量は、金属に対して0.1〜10当量が好ましく、0.5〜10当量がより好ましく、0.3〜1当量が更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、1〜20モルであることが好ましく、好ましくは2〜10モルがより好ましく、2〜5当量が更に好ましい。
また、例えばCIGS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合(塗布液が後述する一般式(1)で表される化合物を含む場合)、各金属のモル比で、Cu/(In+Ga)=0.5〜1.0、In/(In+Ga)=0.0〜1.0、Ga/(In+Ga)=0.0〜1.0の範囲となるように調製することが好ましい。
Cu、In、Ga各金属の合計量1モルに対し、第16族元素の量は0.5〜10当量が好ましく、0.5〜4当量がより好ましく、1〜2当量が更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量は、金属に対して0.1〜10当量が好ましく、0.5〜10当量がより好ましく、0.3〜1当量が更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、1〜20モルであることが好ましく、好ましくは2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
調製方法(II)において、各原料を混合する方法は特に限定されないが、例えば各原料を溶媒に添加した後に撹拌する方法や、各原料を混合した後に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いで単体及び/又は化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、使用する各原料の種類によって異なるが、熱重量測定で500℃で加熱したときの残渣成分を固形分としたとき、固形分濃度が1〜30重量%になるよう調製することが好ましく、5〜20重量%がより好ましい。
調製方法(II)における反応温度は、使用する各原料の種類によって異なるが、安全性や錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
調製方法(II)における反応時間は、使用する各原料の種類、撹拌時間によって異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
<調製方法(III)>
調製方法(III)における単体及び/又は化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素としては、本発明の金属前駆体溶液の製造方法の説明において例示した前記単体及び/又は化合物、カルコゲン元素含有有機化合物、ルイス塩基性無機化合物ならびに第16族元素を用いることができる。
各原料の好ましい例としては、前記調製方法(I)と同様のものが挙げられる。
調製方法(III)において、例えば、少なくとも2種の第11族〜第15族金属と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを混合することにより、二元又は三元金属錯体溶液を得ることが出来る。
各原料の好ましい例としては、前記調製方法(I)と同様のものが挙げられる。
各原料の量は、各原料の種類によって適宜調整することができる。例えばCZTS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合(塗布液が後述する一般式(2)で表される化合物を含む場合)、Cu元素及び/又はCu化合物、Zn元素及び/又はZn化合物、並びにSn元素及び/又はSn化合物の少なくとも2種(以下、まとめて「CZTS金属」という場合がある。)を用いることが出来る。この場合、各金属のモル比が後述する一般式(2)で規定される範囲内となるように塗布液を調製することが好ましい。
CZTS金属の合計量1モルに対し、第16族元素の量は0.5〜10当量が好ましく、0.5〜4当量がより好ましく、1〜2当量が更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量は、CZTS金属の合計量1モルに対し、0.1〜10当量が好ましく、0.5〜10当量がより好ましく、0.3〜1当量が更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、CZTS金属の合計量1モルに対し、1〜20モルであることが好ましく、好ましくは2〜10モルがより好ましく、2〜5モルが更に好ましい。
また、例えばCIGS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合(塗布液が後述する一般式(1)で表される化合物を含む場合)、Cu元素及び/又はCu化合物、In元素及び/又はIn化合物、並びにGa元素及び/又はGa化合物の少なくとも2種(以下、まとめて「CIGS金属」という場合がある。)を用いることが出来る。この場合、各金属のモル比が後述する一般式(1)で規定される範囲内となるように塗布液を調製することが好ましい。
CIGS金属の合計量1モルに対し、第16族元素の量は0.5〜10モルが好ましく、0.5〜5モルがより好ましく、1〜3モルが更に好ましい。カルコゲン元素含有有機化合物の量は、金属に対して0.05〜5モルが好ましく、0.1〜2モルがより好ましく、0.25〜0.75モルが更に好ましい。
ルイス塩基性無機化合物の量は、1〜20モルであることが好ましく、好ましくは1〜10モルがより好ましく、2〜6当量が更に好ましい。
調製方法(III)において、各原料を混合する方法は特に限定されないが、例えば各原料を溶媒に添加した後に撹拌する方法や、各原料を混合した後に溶媒を添加する方法等が挙げられる。また、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素とを溶媒に添加して撹拌し、次いで単体及び/又は化合物を添加する方法も好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−メチルホルムアミド(NMF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラメチルグアニンジン、テトラメチル尿素等の非プロトン性の極性溶剤;水;エタノール、メチルジグリコール(MDG)等の水溶性の高いアルコールまたはグリコールエーテル等が挙げられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、ジメチルスルホキシド、水、又はジメチルスルホキシドと水との組み合わせが好ましい。
溶媒の量は、使用する各原料の種類によって異なるが、熱重量測定で500℃で加熱したときの残渣成分を固形分としたとき、固形分濃度が1〜30重量%になるよう調製することが好ましく、5〜20重量%がより好ましい。
調製方法(III)における反応温度は、使用する各原料の種類によって異なるが、安全性や錯体の安定性の観点から、通常室温〜200℃が好ましく、室温〜150℃がより好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。
調製方法(III)における反応時間は、使用する各原料の種類、撹拌時間によって異なるが、通常1時間〜1週間が好ましく、1日〜3日がより好ましく、1日〜2日が更に好ましい。
本発明の製造方法により得られた光吸収層形成用塗布液は、直接光吸収層形成に用いることができるし、減圧蒸留により濃縮して濃縮液とすることも可能である。光吸収層形成用塗布液を濃縮することにより、未反応ルイス塩基性無機化合物、溶媒、水、未反応カルコゲン元素含有有機化合物等を除去することができる。
更に、上記濃縮液を溶媒に溶解して希釈することにより、均一な光吸収層形成用塗布液を得ることができる。前記溶媒としては、水、ジメチルスルホキシド、ヒドラジン等があげられる。溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも水及びジメチルスルホキシドが好ましい。
また、本発明の製造方法により得られた光吸収層形成用塗布液は、Na、K、Cs、Sb及びBiからなる群より選ばれる少なくとも1種(以下、まとめて「添加金属」という場合がある。)を添加することも好ましい。添加金属を添加することにより、光吸収層の結晶成長を促進することができる。また、添加金属は溶液に溶解して添加してもよい。
Na液をとしては、セレン化ナトリウム、セレンをDMSOに溶解したもの等が挙げられる。
Naの添加量は、例えばCZTS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合、CZTSの金属モル量に対して0.1〜10atomic%が好ましく、0.1〜2atomic%が更に好ましい。
また、例えばCIGS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合、CIGSの金属モル量に対して、0.1〜10atomic%が好ましく、0.1〜2atomic%が更に好ましい。
また、本発明の製造方法により得られた光吸収層形成用塗布液は、Sbを添加することも好ましい。
Sbの添加量は、例えばCZTS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合、CZTSの金属モル量に対して0.1〜2atomic%が好ましく、0.1〜0.5atomic%がより好ましい。
また、例えばCIGS系太陽電池用の光吸収層に用いる場合、CIGSの金属モル量に対して、CIGSの金属モル量に対して0.1〜2atomic%が好ましく、0.1〜0.5atomic%がより好ましい。
本発明の錯体(溶液)の製造方法において、錯体またはその溶液は、カルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池の光吸収層の形成に用いられることが好ましい。この場合、前記反応液は、下記一般式(1)又は(2)で表される化合物を含有することが好ましい。
Figure 0006012866
[式中、0≦w≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1、Aは少なくとも1種の16族元素である。
Figure 0006012866
[式中、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、及び−1≦d≦1である。]
前記一般式(1)中、0≦w≦1、好ましくは0.75≦w≦1である。0≦x≦1、好ましくは0.1≦x≦0.5である。0≦y≦1である。0<z≦1である。Aは少なくとも1種の16族元素であり、好ましくはSe及び/又はSである。
前記一般式(2)中、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、及び−1≦d≦1である。
本発明の第一の態様に係る錯体(溶液)の製造方法によれば、結晶成長を阻害する要因となる有機物の含有量が低減された光吸収層を形成することが出来る。
上記効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。太陽電池の光吸収層の形成に用いられる金属前駆体溶液の調製においてカルコゲン元素含有有機化合物を用いた場合、カルコゲン元素含有有機化合物が配位した金属錯体が形成されると推測される。そのため、光吸収層をカルコゲン元素含有有機化合物単体の沸点以上の温度に加熱した場合であっても、カルコゲン元素含有有機化合物が一部光吸収層に残留してしまい、結晶成長を阻害する要因となる。
これに対し、本発明においては、カルコゲン元素含有有機化合物と共に第16族元素を混合する。そのため、カルコゲン元素含有有機化合物は第16族元素の還元剤として作用し、第16族元素はイオン化されると推測される。イオン化された第16族元素は金属に配位して金属錯体を形成するので、金属に配位するカルコゲン元素含有有機化合物の量を低減させることが出来る。その結果、結晶成長を阻害する要因となる有機物の含有量が低減された光吸収層を形成することが出来ると推測される。
また、本発明の第一の態様に係る製造方法により得られた錯体溶液は、塗布溶剤としてヒドラジンが含まれていないので、光吸収層を形成する際に、ヒドラジンの化学特性(爆発性、毒性)が問題とならなくなり、製造プロセスの安全性が向上する。
また、本発明の錯体(溶液)の製造方法において、1種の単体および/または化合物を用いて各金属錯体溶液を調製することができる。あるいは、2種以上の単体および/または化合物を用いて二元または三元金属錯体溶液を調製することもできる。従って、形成する光吸収層の要求に応じ、金属錯体溶液の組成を自由に選択することができる。このように金属錯体溶液の組成を自由に選択できることにより、光吸収層における金属の配列を確実にデザインでき、光吸収層の構造を確実に制御できることが期待される。
[太陽電池用光吸収層の製造方法]
本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る錯体(溶液)の製造方法により得られた溶液を、基体に塗布し、焼成することを特徴とする太陽電池用光吸収層の製造方法である。
本発明の太陽電池用光吸収層の製造方法は、本発明の第三の態様に係る太陽電池の製造方法における光吸収層を形成する工程と同様である。
本発明の太陽電池用光吸収層の製造方法において、光吸収層はカルコパイライト系太陽電池用又はケステライト系太陽電池用であることが好ましい。その場合、前記光吸収層は、前記一般式(1)又は(2)で表される化合物を含むことが好ましい。
[太陽電池の製造方法]
本発明の第三の態様は、基板上に第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極上に、第一の態様に係る錯体(溶液)の製造方法により得られた溶液を塗布し、焼成して光吸収層を形成する工程と、前記光吸収層上にバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に第2の電極を形成する工程と、を有することを特徴とする太陽電池の製造方法である。
本発明の太陽電池の製造方法において、第1の電極上に光吸収層を形成する工程以外は、従来から知られている適宜の方法を用いて形成すればよい。例えば、基板上に第1の電極を形成する際は、窒素をスパッタガスとして、スパッタ法によって例えばMo層を成膜すればよい。また、バッファ層は、例えばCdS層として形成すればよく、例えば、ケミカルバスデポション法を用いて成膜すればよい。また、第2の電極を形成する際は、適宜の材料を用いて透明電極として成膜すればよい。
光吸収層を形成する際には、まず、第1の電極(基体)上に、前記第一の態様に係る錯体(溶液)の製造方法により得られた金属前駆体溶液(光吸収層形成用塗布液)を塗布する。塗布の方法としてはスピンコート法、ディップコート法、ドクターブレード(アプリケーター)法、カーテン/スリットキャスト法、印刷法、スプレー法等を用いることができる。
塗布条件は、所望の膜厚、材料の濃度などに応じて適宜設定すればよい。
例えば、スピンコーティング法を用いる場合には、基体をスピンコーターにセットし、塗布液を塗布する。この際の塗布条件は、形成しようとする膜厚に応じて適宜設定すればよく、例えば回転速度は、300〜3000rpmで、10〜180秒間維持することにより形成することができる。塗布は所望の膜厚が得られるまで、繰り返し行うことができる。
また、ディップ法を用いる場合には、塗布液が入った容器中に、基体を浸漬させることにより行うことができ、浸漬回数は1回でもよいし、複数回行ってもよい。
なお、基体上に光吸収層形成用塗布液を塗布した後に、真空乾燥を行っても構わない。
次に、基体上に塗布液を塗布した後は、基体を焼成して光吸収層を形成する。
焼成条件は、所望の膜厚、材料の種類などに応じて適宜設定することができる。例えば、ホットプレート上でソフトベーク(前焼成)を行った後に、オーブン中で焼成(アニーリング)を行う2段階工程とすることができる。
この場合、例えば、ホットプレート上に、基体を配置して保持した後、ホットプレートの温度を100〜500℃として1〜300秒ソフトベークを行い、基体を室温付近まで冷却した後、再び塗布を行う。所望の膜厚が得られた後、ホットプレートまたはオーブン内部をを300〜700℃に上昇させて1〜180分間保持することでアニーリングを行う。
これにより、光吸収層が硬化される。
なお、上記焼成の各温度は、一条件を示したものであり、これに限られるものではない。例えば、ホットプレートの温度は段階的に上げてもよいし、これらの加熱工程はグローブボックス中の不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。また、硫化水素、セレン化水素、固体硫黄、固体セレンをソフトベイク、アニール時に雰囲気中に共存させてもよい。
本発明の太陽電池の製造方法において、太陽電池はカルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池であることが好ましい。その場合、光吸収層は、前記一般式(1)又は(2)で表される化合物を含むことが好ましい。
前記調製方法(III)により調製した2以上の金属錯体溶液を用いる場合、第1の錯体溶液を基体に塗布し、ベークして第1層を形成し、次いで第1の錯体溶液とは異なる金属組成を有する第2の錯体溶液を第1層に塗布し、ベークして第2層を形成できる。その後、第1層及び第2層をアニールすることにより、所望の組成を有する単一の光吸収層又は所望の金属組成比勾配を有する多層光吸収層を形成することができる。この場合、光吸収層における金属の配列を確実にデザインでき、光吸収層の構造を確実に制御できることが期待される。
以上のようにして、本実施形態の太陽電池を製造することができる。そして、本実施形態の製造方法によって製造された太陽電池は、光吸収層形成用塗布液にヒドラジンが含まれていないので、プロセスの安全性が向上する。
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
上記実施形態では、光吸収層形成用塗布液の調製方法として、調製方法(I)、調製方法(II)及び調製方法(III)について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、一部の金属成分については金属前駆体を調製しておき、調製した金属錯体と、他の金属成分と、カルコゲン元素含有有機化合物と、ルイス塩基性無機化合物と、第16族元素と、その他所望の成分とを混合することもできる。また、例えば調製方法(II)において、一部の原料を先に混合した後に、残りの原料を添加することもできる。
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
<反応液の調製>
(実施例1)
Cu1.311g(20mmol)、Se6.317g(80mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及びジメチルスルホキシド(DMSO)25.474gを混合し、23℃で3日間撹拌後Cu反応液を得た。
(実施例2−1)
Zn1.308g(20mmol)Se2.369g(30mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及び水19.425gを混合し、23℃で3日間撹拌後、Zn反応液を得た。
(実施例2−2)
ZnO1.628g(20mmol)、Se2.369g(30mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及び水19.425gを混合し、23℃で3日間撹拌後、Zn反応液を得た。
(実施例3)
Sn2.374g(20mmol)、Se5.527g(70mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)、水15.201gを混合し、23℃で3日間撹拌後に、Sn反応液を得た。
(実施例4−1)
In(OH)3.317g(20mmol)、Se3.948g(50mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及び水15.837gを混合し、23℃で3日間撹拌後、In反応液を得た。
(実施例4−2)
In5.552g(20mmol)、Se3.948g(50mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及び水15.837gを混合し、23℃で3日間撹拌後、In反応液を得た。
(実施例5−1)
Ga1.394g(20mmol)、Se3.948g(50mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及び水17.759gを混合し、23℃で3日間撹拌後、Ga反応液を得た。
(実施例5−2)
Ga3.749g(20mmol)、Se3.948g(50mmol)、チオグリセロール10.816g(100mmol)、NH28%水溶液6.082g(NH換算で100mmol)及び水17.759gを混合し、23℃で3日間撹拌後、Ga反応液を得た。
(実施例6−1)
Sb1.218g(10mmol)、Se1.974g(25mmol)、チオグリセロール5.408g(50mmol)、NH28%水溶液3.041g(NH換算で50mmol)及び水8.359gを混合し、23℃で3日間撹拌後、Sb反応液を得た。
(実施例6−2)
Sb2.916g(10mmol)、Se1.974g(25mmol)、チオグリセロール5.408g(50mmol)、NH28%水溶液3.041g(NH換算で50mmol)及び水8.359gを混合し、23℃で3日間攪拌後、Sb反応液を得た。
<反応液の精製>
(実施例7)
実施例1で調製したCu反応液に過剰のイソプロピルアルコールを添加して沈殿物を生成し、遠心分離(5000rpm、10min)後に上澄み液を取り除き、再度イソプロピルアルコールを添加する工程を3回行った。さらに減圧乾燥を一晩行い、粉末固体のCu金属錯体1を得た。
(実施例8−1)
実施例2−1で調製したZn反応液に過剰のアセトンを添加することで沈殿物を生成し、遠心分離(5000rpm,10min)後に上澄み液を取り除き、再度アセトンを添加する工程を3回行った。さらに減圧乾燥を一晩行い、粉末固体のZn金属錯体1を得た。
(実施例8−2)
実施例2−2で調製したZn反応液に過剰のアセトンを添加することで沈殿物を生成し、遠心分離(5000rpm,10min)後に上澄み液を取り除き、再度アセトンを添加する工程を3回行った。さらに減圧乾燥を一晩行い、粉末固体のZn金属錯体2を得た。
(実施例9)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例3で調製したSn前駆体溶液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のSn金属錯体1を得た。
(実施例10−1)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例4−1で調製したIn反応液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のIn金属錯体1を得た。
(実施例10−2)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例4−2で調製したIn反応液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のIn金属錯体2を得た。
(実施例11−1)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例5−1で調製したGa反応液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のGa金属錯体1を得た。
(実施例11−2)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例5−2で調製したGa反応液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のGa金属錯体2を得た。
(実施例12−1)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例6−1で調製したSb前駆体溶液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のSb金属錯体1を得た。
(実施例12−2)
実施例2−1で調製したZn反応液の替わりに実施例6−2で調製したSb前駆体溶液を用いた以外は実施例8−1と同様の操作を行い、粉末固体のSb金属錯体2を得た。
[ICP測定]
実施例7、実施例8−1、実施例9、実施例10−1、実施例11−1、及び実施例12−1で精製した各金属錯体(粉末固体)を王水に溶解し、水で希釈後ICP測定を行った。ICP測定結果から各金属錯体の金属、セレン、硫黄のモル比を計算した。なお、硫黄はチオグリセロールに由来する。結果を表1に示す。
Figure 0006012866
いずれの金属錯体も、反応工程ではチオグリセロールの量がセレンの量より大きいが、最終的に得られた金属錯体はいずれもセレンの含有量がチオグリセロールの含有量より大きいことが確認された
これは、金属錯体の反応工程において、チオグリセロールがセレンの還元剤として作用し、イオン化セレンが金属に配位するためと推測される。
<金属錯体溶液の調製>
(実施例13)
実施例7〜12で得られた各金属錯体の熱重量測定を行い、500℃時点の残渣量を固形分と仮定した。
実施例7〜12で得られた各金属錯体をそれぞれ固形分濃度10%になるようにDMSOに溶解し、0.1um PTFEフィルタでろ過して金属錯体溶液をそれぞれ調製した(Cu金属錯体1溶液、Zn金属錯体1溶液、Zn金属錯体2溶液、Sn金属錯体1溶液、In金属錯体1溶液、In金属錯体2溶液、Ga金属錯体1溶液、Ga金属錯体2溶液、Sb金属錯体1溶液及びSb金属錯体2溶液)。
<光吸収層形成用塗布液の調製>
(実施例14)
実施例13で作成したCu金属錯体1溶液と、Zn金属錯体1溶液と、Sn金属錯体1溶液とを、金属比率がCu/(Zn+Sn)=0.78、Zn/(Zn+Sn)=0.51、Sn/(Zn+Sn)=0.49になるよう混合し、CZTS塗布液を調製した。
(実施例15)
実施例13で作成したCu金属錯体1溶液と、In金属錯体1溶液と、Ga金属錯体1溶液とを、金属比率がCu/(In+Ga)=0.92、In/(In+Ga)=0.72、Ga/(In+Ga)=0.28になるよう混合した。
さらに、実施例13で作成したSb金属錯体1溶液をSb/(Cu+In+Ga)=0.005(5atomic%)になるよう混合し、CIGS塗布液を調製した。
<光吸収層の形成>
(実施例16)
実施例14で調製したCZTS塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、400℃で3分間のソフトベイクを行った。この工程を合計15回行った後、少量のセレン存在下で、580℃で10分間アニーリングを行うことにより、CZTS層が成膜されたCZTS基板を作成した。
上記で作成したCZTS基板をSEMで観察したところ、CZTSのグレイン成長が確認された。
更に、上記で作成したCZTS基板をXRD測定したところ、2θ=約27゜、45゜および53〜54゜にそれぞれ、CZTSの(112)面、(220)/(204)面、(312)/(116)面に相当する強いピークが確認された。これらはスパッタ法(R. A. Wibowo et al., Journal of Physics and Chemistry of Solids, 68, 1908−1913 (2007))や同時蒸着法(G. S. Babu et al, Journal of Physics D: Applied Physics, 41, 205305 (2008)およびG. S. Babu et al, Semiconductor Science and Technology, 23, 085023 (2008))などの真空法にて報告されているXRD測定結果と良い一致を示すことから、CZTS膜の生成を確認した。
(実施例17)
実施例15で作成したCIGS塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、300℃で3分間のソフトベイクを行った。この工程を合計15回行った後、少量のセレン存在下で、540℃で30分間アニーリングを行うことにより、CIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
上記で作成したCIGS基板をSEMで観察したところ、CIGSのグレイン成長が確認された。
更に、上記で作成したCIGS基板をXRD測定したところ、2θ=約27゜、45゜および52〜53゜にそれぞれ、CIGSの(112)面、(220)/(204)面、(312)/(116)面に相当する強いピークが確認された。これらは既存のCIGS膜の結果(Souilah, M. , Lafond, A. , Guillot Deudon, C. , Harel, S. , Evain, M. J.Solid State Chem. 183 (2010) 2274)と良い一致を示すことから、CIGS膜の生成を確認した。
<光吸収層形成用塗布液の調製>
(実施例18)
実施例13で作成したCu金属錯体1溶液と、In金属錯体1溶液と、Ga金属錯体1溶液とを、金属比率がCu/(In+Ga)=0.92、In/(In+Ga)=0.72、Ga/(In+Ga)=0.28になるよう混合した。
(実施例19)
更にNa1.0atomic%を混合したこと以外は実施例18と同様にしてCIGS塗布液を調製した。
(比較例1)
米国公開公報2012−0070937号の実施例を参照してCIGS塗布液を調製した。ベンゼンセレノール4.949g(47.1mmol)とピリジン3.726g(47.1mmol)とを混合して混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、固形分濃度14%、金属比率がCu/(In+Ga)=0.78、In/(In+Ga)=0.60、Ga/(In+Ga)=0.40となるように、Cu0.230g(3.619mmol)と、In0.320g (2.787mmol)と、Ga0.130g(1.865mmol)と、Se0.720g(9.119mmol)とを混合し、室温で2週間撹拌した。
得られた溶液の上澄み液の金属比率をICPで確認したところ、Cu/(In+Ga)=0.93、In/(In+Ga)=0.62、Ga/(In+Ga)=0.38であった。
<光吸収層の形成>
(実施例20)
実施例18で調製したCIGS塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、120℃で1分間、300℃で3分間ソフトベイクを行って膜厚約0.3μmの塗布膜を形成した。この工程を合計5回行った後、少量のセレン存在下で、540℃で30分間アニーリングを行うことにより、CIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
(実施例21)
実施例18で調製したCIGS塗布液の替わりに実施例19で調製したCIGS塗布液を用いた以外は実施例20と同様にCIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
(比較例2)
比較例1で調製したCIGS塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、120℃で1分間、300℃で3分間ソフトベイクを行った。その後、少量のセレン存在下で、540℃で30分間アニーリングを行うことにより、CIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
(比較例3)
比較例1で調製したCIGS塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、120℃で1分間、300℃で3分間ソフトベイクを行った。この工程を合計2回行った後、少量のセレン存在下で、540℃で30分間アニーリングを行うことにより、CIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
[XRD測定]
実施例20〜21、比較例2〜3で作成したCIGS基板をXRD測定したところ、実施例20〜21のCIGS基板では、CIGSの(112)面に相当するピークの強度が比較例2〜3のCIGS基板よりも強いことが確認された。実施例20及び比較例2についてのXRD測定における膜厚、積分強度、半値幅を表2に示す。
Figure 0006012866
[ラマン分光測定]
実施例20〜21、比較例2〜3で作成したCIGS基板について、ラマンスペクトルのアモルファス炭素ピークから有機物残存量を見積もったところ、実施例20〜21のCIGS基板では、有機物残存量が比較例2〜3のCIGS基板よりも少ないことが確認された。
<反応液の調製(金属錯体塗布液)>
(実施例22)
3.158g(40mmol)のSe、1.563g(20mmol)の2−メルカプトエタノール、3.041gの28wt%NH水溶液(NH換算で50mmol)及び22gのジメチルスルホキシド(DMSO)を混合し、23℃で6時間撹拌した。その後、1.311g(20mmol)のCuを反応液に添加し、23℃で1日撹拌し、PTFE 0.45umフィルターでろ過を行い、Cu反応液を得た。
(実施例23)
2.369g(30mmol)のSe、1.563g(20mmol)の2−メルカプトエタノール、4.866gの28wt%NH水溶液(NH換算で80mmol)及び16gのジメチルスルホキシド(DMSO)を混合し、23℃で6時間撹拌した。その後、1.38g(12mmol)のIn及び0.84g(12mmol)のGaを反応液に添加し、23℃で3日撹拌し、PTFE 0.45umフィルターでろ過を行い、In−Ga反応液を得た。
(実施例24)
2.685g(34mmol)のSe、1.117g(14.3mmol)の2−メルカプトエタノール、4.136gの28wt%NH水溶液(NH換算で68mmol)及び15gのジメチルスルホキシド(DMSO)を混合し、23℃で6時間撹拌した。その後、0.279g(4.25mmol)のCu、0.42g(4mmol)のIn及び0.46g(6mmol)のGaを反応液に添加し、23℃で1日撹拌した。その後、0.279g(4.25mmol)のCuを添加し、23℃で6時間、70℃で1日の順で撹拌し、PTFE0.45umフィルターでろ過を行い、金属比Cu/(In+Ga)=0.85、In/(In+Ga)=0.40、Ga/(In+Ga)=0.60のCu−In−Ga反応液を得た。
(実施例25)
2.685g(34mmol)のSe、1.117g(14.3mmol)の2−メルカプトエタノール、4.136gの28wt%NH水溶液(NH換算で68mmol)及び15gのジメチルスルホキシド(DMSO)を混合し、23℃で6時間撹拌した。その後、0.279g(4.25mmol)のCu、0.805g(7mmol)のIn及び0.21g(3mmol)のGaを反応液に添加し、23℃で1日撹拌した。その後、0.279g(4.25mmol)のCuを添加し、23℃で6時間、70℃で1日の順で撹拌し、PTFE0.45umフィルターでろ過を行い、金属比Cu/(In+Ga)=0.85、In/(In+Ga)=0.70、Ga/(In+Ga)=0.30のCu−In−Ga反応液を得た。
[ICP測定]
実施例22〜25で得られた各反応液(金属錯体)を王水に溶解し、水で希釈後ICP測定を行った。ICP測定結果から各金属錯体の金属及びセレンのモル比を計算した。結果を表3に示す。
Figure 0006012866
<光吸収層の形成>
(実施例26)
実施例22及び23で調製した金属錯体塗布液(反応液)を用いて光吸収層を形成した。第1の工程において、In−Ga錯体塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、350℃で2分間ソフトベイクを行った。第1の工程を8回繰り返し、In−Ga錯体層を形成した。第2の工程において、Cu錯体塗布液をIn−Ga錯体層の上に塗布し、350℃で2分間ソフトベイクを行った。第2の工程を10回繰り返し、Cu錯体層を形成した。第3の工程において、In−Ga錯体塗布液をCu錯体層の上に塗布し、350℃で2分間ソフトベイクを行った。第3の工程を2回繰り返した。第1の工程、第2の工程及び第3の工程における合計塗布工程数は20回であった。次いで、少量のセレン存在下で、590℃で30分間アニーリングを行うことにより、CIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
(実施例27)
実施例24及び25で調製した金属錯体塗布液(反応液)を用いて光吸収層を形成した。第1の工程において、実施例24で得られたCu−In−Ga錯体塗布液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、350℃で2分間ソフトベイクを行った。第1の工程を10回繰り返し、第1のCu−In−Ga錯体層を形成した。第2の工程において、実施例25で得られたCu−In−Ga錯体塗布液を第1のCu−In−Ga錯体層の上に塗布し、350℃で2分間ソフトベイクを行った。第2の工程を10回繰り返し、第1のCu−In−Ga錯体層の上に第2のCu−In−Ga錯体層を形成した。第1の工程及び第2の工程における合計塗布工程数は20回であった。次いで、少量のセレン存在下で、590℃で30分間アニーリングを行うことにより、CIGS層が成膜されたCIGS基板を作成した。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

Claims (15)

  1. 太陽電池の光吸収層の形成に用いられる錯体およびその溶液の製造方法であって、
    Cu、Cu化合物、Zn、Zn化合物、Sn、Sn化合物、In、In化合物、Ga、Ga化合物、Sb及びSb化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属又は金属化合物と、メルカプトエタノール、チオグリコール酸およびチオグリセロールからなる群より選ばれる少なくとも1種のカルコゲン元素含有有機化合物を前記金属又は金属化合物1モルに対し、0.1〜10モルと、アンモニアと、S、Seから選ばれる少なくとも1種の第16族元素とを混合して反応液を得ることを含む錯体およびその溶液の製造方法。
  2. 前記太陽電池がカルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池である請求項1に記載の錯体およびその溶液の製造方法。
  3. 前記反応液が、下記一般式(1)又は(2)で表される化合物を含有する請求項2に記載の錯体およびその溶液の製造方法。
    Figure 0006012866
    [式中、0≦w≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1、Aは少なくとも1種の16族元素、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、及び−1≦d≦1である。]
  4. 水の存在下で前記反応液を得る請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法。
  5. 更にNa、K、Cs、Sb及びBiからなる群より選ばれる少なくとも1種を添加することを含む請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法により得られた溶液を、基体に塗布し、焼成することを特徴とする太陽電池用光吸収層の製造方法。
  7. 前記太陽電池がカルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池である請求項に記載の太陽電池用光吸収層の製造方法。
  8. 前記光吸収層が、下記一般式(1)又は(2)で表される化合物を含有する請求項に記載の太陽電池用光吸収層の製造方法。
    Figure 0006012866
    [式中、0≦w≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1、Aは少なくとも1種の16族元素、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、及び−1≦d≦1である。]
  9. 請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法により得られた第1の錯体溶液を、基体に塗布し、焼成して第1層を形成し、
    請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法により得られた第2の錯体溶液を前記第1層に塗布し、焼成することを含み、
    前記第1の錯体溶液および前記第2の錯体溶液が異なる金属組成を有する請求項のいずれか一項に記載の太陽電池用光吸収層の製造方法。
  10. 請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法により得られた第1の錯体溶液を、基体に塗布し、焼成して第1層を形成し、
    請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法により得られた第2の錯体溶液を前記第1層に塗布し、焼成することを含み、
    前記第1の錯体溶液および前記第2の錯体溶液がそれぞれCu、Cu化合物、Zn、Zn化合物、Sn、Sn化合物、In、In化合物、Ga、Ga化合物、Sb及びSb化合物からなる群より選ばれる少なくとも2種の金属又は金属化合物を含み、
    前記第1の錯体溶液および前記第2の錯体溶液が同じ金属組成および異なる金属比率を有する請求項のいずれか一項に記載の太陽電池用光吸収層の製造方法。
  11. 基板上に第1の電極を形成する工程と、
    前記第1の電極上に、請求項1〜のいずれか一項に記載の錯体およびその溶液の製造方法により得られた溶液を塗布し、焼成して光吸収層を形成する工程と、
    前記光吸収層上にバッファ層を形成する工程と、
    前記バッファ層上に第2の電極を形成する工程と、を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
  12. 前記太陽電池がカルコパイライト系太陽電池又はケステライト系太陽電池である請求項11に記載の太陽電池の製造方法。
  13. 前記反応液が、下記一般式(1)又は(2)で表される化合物を含有する請求項12に記載の太陽電池の製造方法。
    Figure 0006012866
    [式中、0≦w≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1、Aは少なくとも1種の16族元素、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、及び−1≦d≦1である。]
  14. 前記光吸収層が、請求項に記載の太陽電池用光吸収層の製造方法によって形成される請求項1113のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記光吸収層が、請求項10に記載の太陽電池用光吸収層の製造方法によって形成される請求項1113のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
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