JP6291236B2 - 結晶成長促進剤及びそれを用いたカルコゲナイド化合物の製造方法 - Google Patents
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Description
また、例えば、特許文献2には、セシウム、ルビジウム、バリウム及びランタンを融剤として含有する第四級カルコゲナイド化合物の製造方法が開示されている。
また、例えば、特許文献3には、カルコゲナイド化合物が広く利用される、CIGS太陽電池の光吸収層材料の1種であるCuInSe2の単結晶を合成する際に、CuSeやSeの溶融状態を利用してCuInSe2の結晶成長を促進する技術が開示されている。
さらに、例えば、特許文献6には、各種複合材料だけでなく、光センサや太陽電池などの高効率光電変換材料、発光素子などの半導体素子に利用することのできる金属カルコゲナイド化合物超格子の製造方法が開示されている。
一方、フラックスを用いて酸化物を合成する技術については、例えば、特許文献7にはフラックスを用いてコバルト酸リチウムを合成する技術が開示され、特許文献8には、フラックスを用いて基材上に酸化物ナノ無機結晶を形成した積層体が開示されている。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、カルコゲナイド化合物の結晶成長に供される結晶成長促進剤及びそれを用いたカルコゲナイド化合物の製造方法を提供することにある。
また、請求項3に記載の発明は、カルコゲナイド化合物の結晶成長に供される無機材料の結晶成長促進剤用いたカルコゲナイド化合物の製造方法であって、前記カルコゲナイド化合物を構成する元素を1種以上の化合物にすべて含むカルコゲナイド化合物原料と、前記カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する前記結晶成長促進剤とを接触させて加熱することを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項3又は4に記載の発明において、基板上に少なくとも前記カルコゲナイド化合物に転換する第1の原料を付着し、前記基板上に少なくとも前記カルコゲナイド化合物に転換する第2の原料と、該カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する前記結晶成長促進剤を付着させて加熱することを特徴とする。
本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討した結果、硫黄、セレンから選択されるカルコゲン元素と、銅、インジウム、ガリウムから選択される金属元素の内のいずれか1種以上の元素を含有するカルコゲナイド化合物の結晶成長に、このカルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する結晶成長促進剤が高い効果を示すこと、また、結晶成長促進剤の揮発温度以上に加熱することで、結晶成長の優れたカルコゲナイド化合物を製造できることを見出して本発明に至った。
また、本発明の結晶成長促進剤を用いたカルコゲナイド化合物の製造方法は、カルコゲナイド化合物の結晶成長に供される無機材料の結晶成長促進剤を用いたカルコゲナイド化合物の製造方法である。カルコゲナイド化合物を構成する元素を1種以上の化合物にすべて含むカルコゲナイド化合物原料と、カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する前記結晶成長促進剤とを接触させて加熱する。
また、基板上に少なくともカルコゲナイド化合物に転換する第1の原料を付着し、基板上に少なくともカルコゲナイド化合物に転換する第2の原料と、このカルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する結晶成長促進剤を付着させて加熱する。
そこで、まず、カルコゲナイド化合物について以下に説明する。
本発明において、カルコゲナイド化合物は、硫黄、セレンから選択されるカルコゲン元素と、銅、インジウム、ガリウムから選択される金属元素の内のいずれか1種以上の元素を含有するカルコゲナイド化合物であれば特に限定されないが、例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、カドミウム、鉄、ニッケル、モリブデン、銅、銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマスなどの金属の硫化物、セレン化物、テルル化物及び、これらの混晶化合物などが例示できる。
本発明の、結晶成長促進剤は、カルコゲナイド化合物の結晶成長を促進し、結晶性を向上し、結晶面の発達した高品質の結晶を形成する機能を有する。そのため、結晶粒内の結晶性や結晶接合面の接合状態といった結晶品質を求められる、光機能や電子機能を有するカルコゲナイド化合物の結晶成長に供されるとその効果が顕著に現れる。
このような、インジウム及び又はガリウムを含有するカルコゲナイド化合物に対しては、後述のように、インジウムやガリウムを含有する結晶成長促進剤が好ましく用いられるが、インジウムやガリウムを含有する結晶成長促進剤には、低温での揮発性を有する化合物が多くあるために、結晶成長の温度に代表される製造条件の選択肢が増える。そのため、本発明の結晶成長促進剤との組合せとして、インジウム及びガリウムを含有するカルコゲナイド化合物は好ましく用いられる。
本発明の結晶成長促進剤は、上述したように、カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する無機化合物であることが必要である。
本発明において、カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有するとは、例えば、カルコゲナイド化合物が、金属硫化物の場合は、金属硫化物の金属や硫黄を含有する化合物であり、カルコゲナイド化合物が、前述の如くの混晶化合物の場合は、その化合物を構成する金属元素やカルコゲン元素を含有する化合物である。
このような、本発明のカルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有する化合物を結晶成長促進剤として用いることにより、本発明のカルコゲナイド化合物やカルコゲナイド化合物原料との親和性が高まり、結晶成長がより促進される。
一方、本発明の結晶成長促進剤は、後述するように、揮発性を有するため、結晶成長促進剤がカルコゲナイド化合物やカルコゲナイド化合物原料と同一の場合には、カルコゲナイド化合物の収率が下がったり、反応制御が困難になったりして好ましくない場合がある。このような場合は、結晶成長促進剤として混晶化合物を用いるなどして、融解特性や揮発性を調整して使用することも可能である。
本発明の結晶成長促進剤が、昇華や沸騰による揮発性を有することによって、本発明のカルコゲナイド化合物の結晶成長が促進される。
なお、昇華点や沸点は、多くの場合、化合物の性状として知られているが、熱重量測定法などによって実測した値を用いることも可能である。とりわけ、後述のように本発明の結晶成長促進剤は他の化合物と混合して使用することが可能であり、その結果、揮発温度が単体の場合と異なる温度になることがあり、このような場合は、熱重量測定法によって求めた揮発温度を用いる必要がある。
このような本発明の結晶成長促進剤と混合して用いられる化合物としては、本発明の結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物が好ましい。即ち、結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物を使用することによって、低い温度で結晶成長促進剤と、結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物の混合物は融解して融液状態となるため、物質の拡散等が促進され、カルコゲナイド化合物の結晶成長が促進されるためである。とりわけ、本発明のカルコゲナイド化合物が複数の化合物から製造される場合に、この融液状態での反応促進が顕著になるため、本発明の結晶成長促進剤とともに、結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物を組み合わせて好ましく用いられる。
本発明のカルコゲナイド化合物と結晶成長促進剤は、上述したように、少なくとも1つの同一の元素を有している。従って、カルコゲナイド化合物がCu(In(1−x),Gax)(S(1−y),Sey)2(0<x,y<1)の場合は、本発明においては、結晶成長促進剤は、銅、インジウム、ガリウム、硫黄、セレンから選択される1つの元素を少なくとも含有することが必要である。具体的には、銅、インジウム、ガリウム、硫黄、セレンの単体、臭化銅、ヨウ化銅などのハロゲン化銅、塩化インジウム、臭化インジウム、ヨウ化インジウムなどのハロゲン化インジウム、塩化ガリウム、臭化ガリウム、ヨウ化ガリウムなどのハロゲン化ガリウム、硫化亜鉛や硫化モリブデンといった揮発性を有する化合物が結晶成長促進剤として例示できる。
また、上述したように、本発明の結晶成長促進剤は、共晶点を有する他の化合物と組み合わせて好ましく用いられる。本発明の結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物は、共晶点があればその組合せは特に限定されないが、共晶点を有する化合物類は、陰イオンを共有する場合に共晶温度の低下が観測されやすく、塩化インジウムや塩化ガリウムに対しては、塩化物類、臭化インジウムや臭化ガリウムに対しては臭化物類、ヨウ化インジウムやヨウ化ガリウムに対してはヨウ化物類が好ましく用いられる。
本発明の結晶成長促進剤は、カルコゲナイド化合物の結晶成長に有効なので、カルコゲナイド化合物、或いは、その製造に必要な原料、即ち1種以上の化合物に、カルコゲナイド化合物を構成する元素をすべて含むカルコゲナイド化合物原料と結晶成長促進剤を接触させて加熱することによって、カルコゲナイド化合物の結晶成長を促進する。
本発明において、結晶成長促進剤とカルコゲナイド化合物原料の混合法は、特に限定されず、結晶成長促進剤とカルコゲナイド化合物原料が接触して存在すればよい。具体的には、坩堝に代表される1つの容器の中に一緒に存在させたり、あるいは、基板上に一緒に存在させたりする方法が例示できる。
本発明において、本発明のカルコゲナイド化合物を基板上で製造する際に用いられる基板は特に限定されず、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどの各種樹脂基板、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどの各種ガラス基板、酸化亜鉛、サファイア、ジルコニウムなどの各種セラミックス基板、シリコン、ガリウム砒素などの各種半導体基板や、これらの基板上に、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどの絶縁層を設置した基板や、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、ニッケルなどの各種金属層を設置した基板、アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)、ガリウムをドープした酸化亜鉛(GZO)、インジウムとガリウムをドープした酸化亜鉛(IGZO)、錫をドープした酸化インジウム(ITO)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、アンチモンをドープした酸化錫(ATO)、燐をドープした酸化錫(PTO)などの透明導電層を設置した基板など、本発明のカルコゲナイド化合物膜の用途に応じて適宜選択できる。
また、このような場合は、例えば、極性の異なる半導体層や、バッファ層、更には、基板と対極を為す電極層などを設置して、デバイス化して用いることも可能である。
以下、本発明を実施例、比較例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの技術的範囲に限定されない。
<結晶構造>
粉末測定時は粉末を粉末試料ホルダーに詰めて固定し、基板測定時は、基板を粘土でホルダーに固定し、株式会社リガク製X線回折装置MiniFlexIIを用い、ターゲットとしてCuを用い、励起電圧30kV、励起電流15mAとし、操作軸は2θ/θとして測定した。検出器には、株式会社リガク製高速一次元検出器D/teX Ultraを用いた。
結晶構造の測定と同様の測定を行い、CuInS2の112面のピークの半値幅を評価した。
<粒子サイズ>
粉末をホルダーに導電性両面テープで固定し、走査型電子顕微鏡を用いて、電子顕微鏡写真を撮影し、10個の粒子のサイズを測定して平均化し平均粒径として求めた。粒子の形状が球状(写真では円状)でない場合は、最も長い部位と最も短い部位の平均をその粒子の粒径とした。
株式会社リガク製示差熱天秤Thermo plus EVO TG8120型を用い、白金製の容器に試料を投入して、高純度窒素雰囲気下、10℃/分の昇温速度で600℃まで加熱して測定した。
結晶成長促進剤と結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物とを添加しなかった以外は、実施例1と同様にして黒色の粉末Zを得た。粉末Zを実施例1と同様にして評価したところ、粉末ZはCuInS2であり、平均0.63ミクロンの粒子であった。また、粉末Zでは結晶面が観察されなかった。また、CuInS2の112面に起因する回折線の半値幅は0.143degであった。
カルコゲナイド化合物の原料として、Cu2Sを0.1366gとIn2S3を0.2797gを秤量し、結晶成長促進剤として加えた、InCl3とNaClに代えて、融剤として融点308℃のNaNO3を0.5837g秤量し、乳鉢を用いて15分間混合した以外は実施例1と同様にして、灰色の粉末Yを得た。粉末Yを実施例1と同様にして評価したところ、粉末YはNaInO2およびIn2O3であり、CuInS2は生成しなかった。また、粉末は結晶面の発達が乏しい平均0.32ミクロンの結晶粒子であった。
カルコゲナイド化合物の原料として、Cu2Sを0.2671gとIn2S3を0.5469gを秤量し、融剤としてLiClを0.0783gとNaClを0.0177gとKClを0.0901g秤量し、乳鉢を用いて15分間混合して混合粉を作製し、焼成温度を内温440℃とした以外は実施例1と同様にして、黒色の粉末Xを得た。粉末Xを実施例1と同様にして評価したところ、粉末XはCuInS2であり、平均0.49ミクロンの粒子であった。また,粉末Xでは結晶面が観察されなかった。また、CuInS2の112面に起因する回折線の半値幅は0.145degであった。別に、この組成比で混合した融剤を、熱重量・示唆熱分析装置を用いて、窒素雰囲気下で評価したところ、融解温度(融点)が355℃であったが、揮発性は観測されなかった。
結晶成長促進剤と結晶成長促進剤と共晶点を有する化合物とを添加しなかった以外は実施例4と同様にして,赤褐色の粉末Wを得た。粉末Wを実施例1と同様にして評価したところ,粉末Wは部分的にCuInS2に転換していたが、原料のIn2S3が多く残存し、CuInS2の生成反応が十分に進行していないことが分かった。粉末Wは、平均0.49ミクロンの粒子であり、結晶面が観察されなかった。また、部分的に生成したCuInS2の112面に起因する回折線の半値幅は0.300degであった。
なお、以下の表1に、各実施例と各比較例とを表にしてまとめてある。
Claims (5)
- 硫黄、セレンから選択されるカルコゲン元素と、銅、インジウム、ガリウムから選択される金属元素の内のいずれか1種以上の元素とを含有するカルコゲナイド化合物の結晶成長に供される無機材料の結晶成長促進剤であって、
前記結晶成長促進剤は、前記カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つを含有し、かつ、揮発性を有することを特徴とする結晶成長促進剤。 - 前記結晶成長促進剤が含有する前記カルコゲナイド化合物を構成する元素が、インジウム、ガリウムの元素の内のいずれか1種以上であることを特徴とする請求項1に記載の結晶成長促進剤。
- カルコゲナイド化合物の結晶成長に供される無機材料の結晶成長促進剤を用いたカルコゲナイド化合物の製造方法であって、
前記カルコゲナイド化合物を構成する元素を1種以上の化合物にすべて含むカルコゲナイド化合物原料と、前記カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する前記結晶成長促進剤とを接触させて加熱することを特徴とするカルコゲナイド化合物の製造方法。 - 前記加熱温度が、前記結晶成長促進剤の揮発温度以上であることを特徴とする請求項3に記載のカルコゲナイド化合物の製造方法。
- 基板上に少なくとも前記カルコゲナイド化合物に転換する第1の原料を付着し、前記基板上に少なくとも前記カルコゲナイド化合物に転換する第2の原料と、該カルコゲナイド化合物を構成する元素を少なくとも1つ含有し、かつ、揮発性を有する前記結晶成長促進剤を付着させて加熱することを特徴とする請求項3又は4に記載のカルコゲナイド化合物の製造方法。
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