JP6155264B2 - 光吸収層形成用塗布液の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2012年7月26日に米国に出願された、米国仮出願第61/675976号及び61/675997号に基づき優先権主張し、その内容をここに援用する。
図1に示すように、カルコパイライト系太陽電池又はCZTS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。
なお、第2の電極7の表面は、例えばMgF2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。
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(Cu2Se)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。
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光吸収層形成用塗布液の製造方法(以下、「第一の製造方法」という場合がある。)であって、Zn元素、ZnO及び水酸化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種と、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を混合して均一系溶液(homogeneous solution)を得る混合工程を含むことを特徴とする。
以下、本発明の第一の製造方法について説明する。
本発明の第一の製造方法は、Zn及びZn化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種(以下、「Zn及び/又はZn化合物」という。)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を混合して均一系溶液を得る混合工程を含む。
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。
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及びチオグリセロールが特に好ましい。
23℃の水100gに対して1g以上溶解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、チオ尿素、チオアセトアミド等が挙げられる。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。
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。
また、カルコゲン元素含有有機化合物の量は、使用するZn及び/又はZn化合物の種類によって適宜選択することができる。例えば、Zn及び/又はZn化合物1モルに対し1〜10モルが好ましく、2.5〜5モルが好ましい。特に、Zn及び/又はZn化合物としてZn元素を用いる場合、カルコゲン元素含有有機化合物の量は、Zn1モルに対し、2.5〜5モルが好ましく、2.5モル〜3モルがより好ましい。また、例えば、Zn及び/又はZn化合物としてZnOを用いる場合、カルコゲン元素含有有機化合物の量は、1.5〜5モルが好ましく、1.5〜2モルがより好ましい。また、例えば、Zn及び/又はZn化合物として水酸化亜鉛を用いる場合、カルコゲン元素含有有機化合物の量は、1.5〜5モルが好ましく、1.5〜2モルがより好ましい。
前記溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド(DMSO)、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)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、非プロトン性極性溶媒及び/又は水が好ましく、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より好ましい。
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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、若しくはアミンまたはそれらの塩が好ましい。前記アミンとしては、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、脂肪族アミン、芳香族アミン等が挙げられる。
脂肪族アミンとしては、アンモニアNH3の水素原子の少なくとも1つを、炭素数12以下のアルキル基またはヒドロキシアルキル基で置換したアミン(アルキルアミンまたはアルキルアルコールアミン)又は環式アミンが挙げられる。
アルキルアミンおよびアルキルアルコールアミンの具体例としては、n−ヘキシルアミン、n−ヘプチルアミン、n−オクチルアミン、n−ノニルアミン、n−デシルアミン等のモノアルキルアミン;ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、ジ−n−ヘプチルアミン、ジ−n−オクチルアミン、ジシクロヘキシルアミン等のジアルキルアミン;トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−n−ブチルアミン、トリ−n−ペンチルアミン、トリ−n−ヘキシルアミン、トリ−n−ヘプチルアミン、トリ−n−オクチルアミン、トリ−n−ノニルアミン、トリ−n−デシルアミン、トリ−n−ドデシルアミン等のトリアルキルアミン;モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ジ−n−オクタノールアミン、トリ−n−オクタノールアミン等のアルキルアルコールアミン;エチレンジアミン等のジアミン;ジエチレントリラミン等のトリラミン;トリエチレンテトラミン等のテトラミン等が挙げられる。
脂肪族単環式アミンとして、具体的には、ピペリジン、ピペラジン等が挙げられる。
脂肪族多環式アミンとしては、炭素数が6〜10のものが好ましく、具体的には、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン、ヘキサメチレンテトラミン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン等が挙げられる。
塩基性物質としては、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。
塩基性物質の量は、Zn及び/又はZn化合物1モルに対し、Zn1モルに対し、1モル〜10モルが好ましく、1〜5モルが特に好ましい。Zn及び/又はZn化合物としてZn元素を用いる場合、塩基性物質の量は1モル〜10モルが好ましく、1〜5モルが特に好ましい。また、Zn及び/又はZn化合物としてZnOを用いる場合、塩基性物質の量は1モル〜10モルが好ましく、2〜5モルが特に好ましい。また、Zn及び/又はZn化合物として水酸化亜鉛を用いる場合、塩基性物質の量は1モル〜10モルが好ましく、2〜5モルが特に好ましい。
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。
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。
(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、塩基性物質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ならびに塩基性物質としては、第一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、前記カルコゲン元素含有有機化合物ならびに前記塩基性物質を用いることができる。
また、塩基性物質の量は、Cu1モルに対し、1〜10モルが好ましい。
Cu及び/又はCu化合物として、Cu2Sを用いる場合、Cu1モルに対して塩基性物質の量は5〜10モルが好ましく、5〜7モルが特に好ましい。Cu及び/又はCu化合物としてCuOを用いる場合、Cu1モルに対して塩基性物質1〜10モルが好ましく、2〜5が特に好ましい。
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)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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
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を混合することにより得られる。
Zn及び/又はZn化合物ならびにカルコゲン元素含有有機化合物としては、第一の製造方法の説明において例示した前記Zn及び/又はZn化合物ならびに前記カルコゲン元素含有有機化合物を用いることができる。
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を混合した後に溶媒を添加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)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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
塩基性物質としては、第一の製造方法の説明において例示した前記塩基性物質を用いることができる。
塩基性物質の量は、Zn及び/又はZn化合物1モルに対し、Zn1モルに対し、1モル〜10モルが好ましく、1〜5モルが特に好ましい。Zn及び/又はZn化合物としてZn元素を用いる場合、塩基性物質の量は1モル〜10モルが好ましく、1〜5モルが特に好ましい。また、Zn及び/又はZn化合物としてZnOを用いる場合、塩基性物質の量は1モル〜10モルが好ましく、2〜5モルが特に好ましい。また、Zn及び/又はZn化合物として水酸化亜鉛を用いる場合、塩基性物質の量は1モル〜10モルが好ましく、2〜5モルが特に好ましい。
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、塩基性物質と、硫黄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ならびに塩基性物質としては、第一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、前記カルコゲン元素含有有機化合物ならびに前記塩基性物質を用いることができる。
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。
また、塩基性物質の量は、Sn1モルに対し、1〜5モルが好ましく、1〜2がより好ましい。
また、硫黄の量は、Sn1モルに対し、1〜5モルが好ましい。
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)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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
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)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、Cu、Zn、Sn各金属の合計量または、400℃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)におけるCu及び/又はCu化合物、Zn及び/又はZn化合物、Sn及び/又はSn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物ならびに塩基性物質としては、それぞれ第一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、前記Sn及び/又はSn化合物、前記Zn及び/又はZn化合物、前記カルコゲン元素含有有機化合物ならびに前記塩基性物質と同様のものが挙げられる。
Cu及び/又はCu化合物としては、Cu2S、CuO、Cu2Oが好ましい。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。
Zn及び/又はZn化合物としては、Zn元素及びZnOが好ましい。Zn成分としては、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。
Sn及び/又はSn化合物としては、Sn元素が好ましい。Sn成分としては、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。
Cu成分と、Zn成分と、Sn成分との組み合わせとしては特に限定されないが、Cu2Sと、Zn元素と、Sn元素との組み合わせ、CuOと、Zn元素と、Sn元素との組み合わせ、Cu2Sと、ZnOと、Sn元素との組み合わせ、及びCuOと、ZnOと、Sn元素との組み合わせが特に好ましい。
カルコゲン元素含有有機化合物の量は、金属に対して2〜50当量が好ましく、好ましくは2〜25当量がより好ましい。
塩基性物質の量は、各原料の種類によって適宜調整することができるが、Cu、Zn、Sn各金属の合計量1モルに対し、5〜500モルであることが好ましく、5〜300モルであることがさらに好ましく、5〜20モルであることが最も好ましい。
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)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、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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
また、本発明の第一の製造方法によれば、Znの溶解性が高いので、Zn前駆体を高収率で得ることができる。
また、本発明の第一の製造方法によれば、金属塩ではなく、金属元素、金属酸化物、金属水酸化物等からZn前駆体を調製できるので、CZTS層を製膜する際に妨害成分になる可能性のある塩素イオン、硫酸イオンなどの金属塩中のアニオン成分が塗布液中に残存することがない。そのため、本発明の第一の製造方法により得られたZn前駆体は、特にCZTS層形成用塗布液のZn成分として極めて有用である。
以下、本発明の第一製造方法により得られたZn前駆体を用いたCZTS層形成用塗布液の一例について説明する。
CZTS系太陽電池の光吸収層の形成に用いられるCZTS層形成用塗布液は、Cu成分と、Sn成分と、Zn成分とを混合することにより得られる。
Cu成分と、Zn成分と、Sn成分とを混合する方法は特に限定されない。例えば、Cu成分としてCu前駆体と、Zn成分として本発明の製造方法により得られるZn前駆体と、Sn成分としてSn前駆体とをそれぞれ調製し、得られたCu前駆体と、Sn前駆体と、Zn前駆体とを混合する方法(以下、「第一の調製方法」という。)や、Cu成分、Sn成分、Zn成分、カルコゲン元素含有有機化合物、塩基性物質、その他所望の成分の各原料を一括に混合する方法(以下、「第二の調製方法」という。)等が挙げられる。
(Cu前駆体)
本発明において、Cu前駆体の調製方法は特に限定されないが、例えば以下のCu前駆体調製方法(1)又はCu前駆体調製方法(2)により調製することができる。
Cu前駆体調製方法(1)では、金属Cuとカルコゲンをヒドラジンが添加されたジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させ、得られた溶液に貧溶媒を加えて、再結晶させることにより、Cu前駆体としてヒドラジン配位Cuカルコゲニド錯体成分得られる。
具体的には、金属Cuと2〜4当量のSeとジメチルスルホキシド中にて金属Cuに対し2当量のヒドラジン存在下、室温で3日〜1週間撹拌した後、減圧条件下にて残留ヒドラジンを除去し、さらに濃縮を行い、その後に得た濃縮液をろ過することでもヒドラジン配位Cu−Se錯体/ジメチルスルホキシド溶液を調製することができる。
以上のようなヒドラジン配位Cuカルコゲニド錯体の生成を化学式に示すと、下記式(1)の通りとなる。
Cu前駆体調製方法(2)では、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、塩基性物質とを混合することによりCu前駆体を得ることができる。
Cu及び/又はCu化合物としては、例えばCu元素、Cu(OH)2、Cu2S、CuO、Cu2O等が挙げられる。これらの中でも、コスト面(原材料、製造コスト)及び反応時間の観点から、Cu2S、CuO、Cu2Oが好ましく、CuO、Cu2Oが特に好ましい。
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。
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。
塩基性物質としては、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。
また、塩基性物質の量は、Cu1モルに対し、1〜10モルが好ましい。
Cu及び/又はCu化合物として、Cu2Sを用いる場合、Cu1モルに対して塩基性物質の量は5〜10モルが好ましく、5〜7モルが特に好ましい。Cu及び/又はCu化合物としてCuOを用いる場合、Cu1モルに対して塩基性物質1〜10モルが好ましく、2〜5が特に好ましい。
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)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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
Zn前駆体は、上記の本発明の第一の製造方法により得られる。
本発明において、Sn前駆体の調製方法は特に限定されないが、例えば以下のSn前駆体調製方法(1)又はSn前駆体調製方法(2)により調製することができる。
次いで、粗生成物からジメチルスルホキシドにて生成物を抽出(80゜C,1hr)、濃縮し、その後に得た濃縮液をろ過することでもヒドラジン配位Sn−Se錯体/ジメチルスルホキシド溶液を調整することができる。
Sn前駆体調製方法(2)では、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、塩基性物質と、硫黄とを混合することによりSn前駆体を得ることができる。
Sn及び/又はSn化合物としては、例えばSn元素、SnS、SnO等が挙げられる。これらの中でも、Sn元素及びSnSが好ましく、Sn元素が特に好ましい。
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。
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。
塩基性物質としては、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。
また、塩基性物質の量は、Sn1モルに対し、1〜5モルが好ましく、1〜2がより好ましい。
また、硫黄の量は、Sn1モルに対し、1〜5モルが好ましい。
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)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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
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)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、Cu、Zn、Sn各金属の合計量または、400℃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。
第二の調整方法におけるCu成分、Sn成分、カルコゲン元素含有有機化合物及び塩基性物質としては、それぞれ前記第一の調整方法の説明において例示したCu及び/又はCu化合物、Sn及び/又はSn化合物、カルコゲン元素含有有機化合物及び塩基性物質と同様のものが挙げられる。また、Zn成分としては、本発明のZn前駆体の製造方法の説明において例示したZn及び/Zn化合物と同様のものが挙げられる。
Cu成分としては、Cu2S、CuO、Cu2Oが好ましい。Cu成分としては、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。
Zn成分としては、Zn元素及びZnOが好ましい。Zn成分としては、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。
Sn成分としては、Sn元素が好ましい。Sn成分としては、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。
Cu成分と、Zn成分と、Sn成分との組み合わせとしては特に限定されないが、Cu2Sと、Zn元素と、Sn元素との組み合わせ、CuOと、Zn元素と、Sn元素との組み合わせ、Cu2Sと、ZnOと、Sn元素との組み合わせ、及びCuOと、ZnOと、Sn元素との組み合わせが特に好ましい。
カルコゲン元素含有有機化合物の量は、金属に対して2〜50当量が好ましく、好ましくは2〜25当量がより好ましい。
塩基性物質の量は、各原料の種類によって適宜調整することができるが、Cu、Zn、Sn各金属の合計量1モルに対し、5〜500モルであることが好ましく、5〜300モルであることがさらに好ましく、5〜20モルであることが最も好ましい。
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)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、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、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
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。
Naの添加量は、CZTSの金属モル量に対して0.1〜5atm%が好ましく、0.3〜2atm%が更に好ましい。
本発明の第二の製造方法は、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であって、金属および金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種と、カルコゲン元素含有有機化合物と、水と、塩基性物質とを混合して均一系溶液を得る混合工程を含む。
前記金属としては、例えば第8〜10族金属、第11族金属、第12族金属、第13族金属および第14族金属からなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましい。
前記金属化合物としては、例えば第8〜10族金属化合物、第11族金属化合物、第12族金属化合物、第13族金属化合物、および第14族金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましい。
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。
中でも、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、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及びジエチルジチオカルバミン酸ジエチルアンモニウム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、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からなる群より選ばれる少なくとも1種が特に好ましい。
また、塩基性物質としては、アンモニア、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、エチレンジアミン、ジエチレントリラミン、トリエチレンテトラミンが好ましく、アンモニアが特に好ましい。
(金属前駆体)
金属前駆体の調製方法は特に限定されず、使用する金属の種類によって適宜選択することができる。例えば、CZTS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は、第一の製造方法における「調製方法(I)」と同様の方法により各金属前駆体を調製することができる。
例えば、CZTS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は、以下の量の範囲とすることができる。
例えば、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。
カルコゲン元素含有有機化合物の量は、金属に対して2〜50当量が好ましく、好ましくは2〜25当量がより好ましい。
水の量は、使用する各原料の種類によって異なるが、混合した際に金属成分の濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lになる量が好ましく、0.5〜1.5mol/Lがより好ましく、0.8〜1.2mol/Lが特に好ましい。
塩基性物質の量は、Cu、Zn、Sn各金属の合計量1モルに対し、5〜500モルであることが好ましく、5〜300モルであることがさらに好ましく、、5〜20モルであることが最も好ましい。
また、反応温度、反応時間は、前記調製方法(I)の場合と同様である。
調製方法(II’)における各原料の量、反応時間、反応温度は、調製方法(I’)の場合と同様である。
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。
Naの添加量は、CZTSの金属モル量に対して0.1〜5atm%が好ましく、0.3〜2atm%が更に好ましい。
本発明の太陽電池は、前記第一の製造方法又は前記第二の製造方法により得られた光吸収層形成用塗布液を用いて形成した太陽電池用光吸収層を備える。
本発明の太陽電池の製造方法は特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。
以下、第一の製造方法又は第二の製造方法により得られた光吸収層形成用塗布液を用いた太陽電池の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の太陽電池の製造方法は、基板上に第1の電極を形成する工程と、第1の電極上に光吸収層を形成する工程と、光吸収層上にバッファ層を形成する工程と、バッファ層上に第2の電極を形成する工程と、から概略構成されている。
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。
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。
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。
これにより、光吸収層が硬化される。
上記実施形態では、本発明の製造方法により得られたZn前駆体を用いたCZTS層形成用塗布液の調製方法として、第一の調製方法及び第二の調製方法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、塩基性物質、その他所望の成分とを混合することもできる。また、例えば第二の調製方法において、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。
また、上記実施形態では、任意成分として、カルコゲン元素含有有機化合物以外のカルコゲン、例えば硫黄、硫酸ナトリウム、酸化硫黄、セレン酸、セレン、酸化セレン、テルル、酸化テルル等を添加することも可能である。
(実施例1〜7)
酸化亜鉛ZnO 5mmolに表1に示す各カルコゲン元素含有有機化合物をそれぞれ25mmol添加し、更にアンモニア28%水溶液をNH3換算で200mmol添加し、室温(23℃)で30分撹拌した。得られた溶液の状態を表1に示す。
酸化亜鉛ZnO 5mmol にアンモニア28%水溶液をNH3換算で200mmol添加し、室温(23℃)で3日間撹拌した。得られた溶液の状態を表1に示す。
一方、原料としてカルコゲン元素含有有機化合物を用いなかった比較例1では、溶液を3日間撹拌したにもかかわらず、得られた溶液に白色沈殿が観察され、ZnOが溶解した均一溶液が生成していないことが確認された。
純亜鉛Zn 5mmol に1−メルカプトエタノール25mmol添加し、更にH2OをZn濃度0.6mol/Lになるように添加し、室温で1日撹拌した。得られた溶液の状態を表2に示す。
純亜鉛Zn 5mmol に1−メルカプトエタノール25mmol添加し、更にジメチルスルホキシド(DMSO)をZn濃度0.6mol/Lになるように添加し、室温で1日撹拌した。得られた溶液の状態を表2に示す。
酸化亜鉛ZnO 5mmol に1−メルカプトエタノール25mmol添加し、更にH2OをZn濃度0.6mol/Lになるように添加し、室温で1日撹拌した。得られた溶液の状態を表2に示す。
酸化亜鉛ZnO 5mmol に1−メルカプトエタノール25mmol添加し、更にジメチルスルホキシド(DMSO)をZn濃度0.6mol/Lになるように添加し、室温で1日撹拌した。得られた溶液の状態を表2に示す。
ZnSe 30mmolにSe 90mmol、ヒドラジン120mmolを添加し、更にジメチルスルホキシド(DMSO)をZn濃度0.4mol/Lになるように添加し、室温で2週間撹拌した。撹拌した溶液の上澄み部分を採取し、ICP−OESでZn濃度を測定したところ、0.03mol/Lであった。得られた溶液の状態を表2に示す。
一方、カルコゲン元素含有有機化合物の替わりにSe及びヒドラジンを用いた比較例2では、溶液を2週間撹拌したにもかかわらず、得られた溶液にZnSeの沈殿が観察され、均一溶液が生成していないことが確認された。
(実施例12)
・チオール配位Zn前駆体の調整
金属亜鉛 Zn 10mmol に1−チオグリセロール30mmol, H2O 300mmolを添加し、更にジメチルスルホキシドをZn濃度0.4mol/Lになるように添加し、室温で1日撹拌し、Zn前駆体中間液Aを作成した。
次に上記Zn前駆体中間液Aに約10倍体積量のイソプロピルアルコール(IPA)を添加し白色沈殿物を生成し、白色沈殿物以外の上澄み液を取り除き、その後、白色沈殿をIPAを用いて洗浄し、更に、白色沈殿物に残存する少量のIPAを真空乾燥にて除去した。
次に真空乾燥を行った白色沈殿物にジメチルスルホキシドをZn濃度0.8mol/Lになるように再溶解させ、0.45 μm PTFEフィルタにてろ過を行い、Zn前駆体を作成した。
金属銅Cu 6.03 mmolにSe 24.10 mmol、ヒドラジン 12.05mmolを添加し、更にジメチルスルホキシドをCu濃度1.0mol/Lになるように添加し、室温で3日間撹拌した後、減圧条件下にて残留ヒドラジンを除去し、さらに濃縮を行い、その後に得た濃縮液を0.45μm PTFEフィルタにてろ過を行い、ヒドラジン配位Cu前駆体を作成した。
純Sn 3.00 mmolにSe 9.00 mmolとヒドラジン 5 mlを添加し、室温で3日間撹拌した後IPAを加え撹拌すると黄色生成物が沈殿するため、上澄み液を除去し、IPAにて沈殿物を洗浄、乾燥することで、粗生成物を得た。
また、粗生成物からジメチルスルホキシドにて生成物を抽出 (80℃, 1 hr)、濃縮し、その後に得た濃縮液を0.45μm PTFEフィルタでろ過し、ヒドラジン配位Sn前駆体を作成した。
セレノジナトリウム(Na2Se; 255.4 mg, 2.04 mmol)に2当量のSe (322.8 mg, 4.09 mmol)を加え、ジメチルスルホキシド中 (10 ml)にて室温で3日〜1週間撹拌した後、均一な黒色溶液を得た。
ICP−OESにて各金属濃度を確認した、上記チオール配位Zn前駆、ヒドラジン配位Cu前躯体、ヒドラジン配位Sn前躯体溶液を任意の割合で混合した。
更に、混合溶液中の金属濃度に対し、Na成分として0.5atm%となるよう上記のNa添加剤溶液を加え、CZTS溶液を得た。
ドクターブレード法により、上記CZTS溶液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、真空ポンプにて塗布基板中の余分な有機溶剤を除去した後に、基板焼成装置(東京応化工業(株)製)にて400℃で4分間ソフトベークを行い、少量の硫黄存在下で630℃で10分間アニーリングを行った。
得られたケステライト膜に、化学浴析出法(Chemical Bath Deposition)にて膜厚60nmのCdSバッファ層、スパッタリングにて膜厚100nmのZnO絶縁層及び膜厚130nmのITO層(インジウムドープ酸化スズ)、並びに電子ビーム蒸着にてNi/Alメタルコンタクトグリッドをそれぞれ成膜することにより、面積が約0.45平方センチメートル(cm2)のCZTS太陽電池を製造した。
ソーラーシミュレーターにて変換効率を測定したところ、6.71%の変換効率を得た。
(実施例13)
Cu2S 1.273g(16mmol)、Zn 0.712g(10.9mmol)、Sn 1.051g(8.9mmol)、S 0.852g(26.6mmol)、アンモニア28%水溶液 79.798g (NH3換算で1312mmol)、 メルカプトエタノール30.73g (393.3mmol)を混合し、室温で3日間撹拌した。
次に、上記溶液を0.45μm PTFEフィルタでろ過し、80℃のオイルバスで減圧蒸留を行い、濃縮処理を行った。
上記濃縮処理にてNH3、H2Oを除去し、更に未反応のメルカプトエタノールを除去し、重量変化から金属元素に対して4.5当量のメルカプトエタノール残量になった時点で減圧蒸留を終了した。
濃縮液中のCu2S、Zn、Sn、Sの合計含有量を固形分とし、固形分濃度10wt%となるように、濃縮液をH2Oに溶解させてCZTS溶液Aを作成した。
次にCZTS溶液AにNa2Sを合計金属モル量に対して1.0mol%添加し、室温で1時間撹拌後、0.45μm PTFEフィルタでろ過し、CZTS溶液A’を作成した。
濃縮液をH2Oの替わりにジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させる以外は、実施例13と同様の方法によりCZTS溶液Bを作成した。
次にCZTS溶液BにNa2Sを合計金属モル量に対して1.0mol%添加し、室温で1時間攪拌後、0.45μm PTFEフィルタでろ過し、CZTS溶液B’を作成した。
実施例13及び14で得られたCZTS溶液A’、B’をそれぞれドクターブレード法により、上記CZTS溶液をMo蒸着したガラス基板上に塗布し、セラミックホットプレートにて420℃で2分間のソフトベークを行い、さらに少量のセレン存在下で、550℃で15分間アニーリングを行った。
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。
Claims (12)
- 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であって、
Zn元素、ZnO及び水酸化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種と、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を混合して均一系溶液を得る混合工程
を含む光吸収層形成用塗布液の製造方法。 - 前記混合工程において、更に塩基性物質を混合することを含む請求項1に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法。
- 前記混合工程において、更にCuおよびCu化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種と、SnおよびSn化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種とを混合することを含む請求項2に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法。
- 前記混合工程において、溶媒として非プロトン性極性溶媒を混合することを含む請求項1に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法。
- 前記非プロトン性極性溶媒がジメチルスルホキシドである請求項4に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法。
- 前記混合工程において、溶媒として水を混合することを含む請求項1に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法。
- 前記塩基性物質がアンモニアである請求項2に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法により光吸収層形成用塗布液を調製する工程と、
前記光吸収層形成用塗布液を基体に塗布し、焼成する工程と、
を有する太陽電池用光吸収層の製造方法。 - 基板上に第1の電極を形成する工程と、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法により光吸収層形成用塗布液を調製する工程と、
前記光吸収層形成用塗布液を前記第1の電極上に塗布し、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、
を有する太陽電池の製造方法。 - 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であって、
Cu元素及びCu金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の第11族金属又は第11族金属化合物、Zn元素、ZnO及び水酸化亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種の第12金属又は第12金属化合物、ならびにSn金属又はSn金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の第14族金属又は第14族金属化合物を含有する金属成分と、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、水と、塩基性物質とを、前記水における前記金属成分の濃度が0.1mol/L〜2.0mol/Lとなる量で混合して均一系溶液を得る混合工程
を含む光吸収層形成用塗布液の製造方法。 - 請求項10に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法により光吸収層形成用塗布液を調製する工程と、
前記光吸収層形成用塗布液を基体に塗布し、焼成する工程と、
を有する太陽電池用光吸収層の製造方法。 - 基板上に第1の電極を形成する工程と、
請求項10に記載の光吸収層形成用塗布液の製造方法により光吸収層形成用塗布液を調製する工程と、
前記光吸収層形成用塗布液を前記第1の電極上に塗布し、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、
を有する太陽電池の製造方法。
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