JP6322308B2 - 溶液とその製造方法、混合粉体、及び、金属化合物薄膜とその製造方法 - Google Patents
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Description
[1]
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bと、非プロトン性極性溶媒とを含み、
前記化合物Aの濃度が、0.6mol/L以上5.0mol/L以下であり、かつ、前記化合物Bの濃度が、0.1mol/L以上5.0mol/L以下である、溶液。
[2]
前記化合物Aを構成する一価アニオンが、第17族元素アニオンである、[1]に記載の溶液。
[3]
前記化合物Bを構成する一価アニオンが、第17族元素アニオンである、[1]又は[2]に記載の溶液。
[4]
前記化合物Aの濃度が、1.1mol/L以上4.0mol/L以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の溶液。
[5]
前記化合物Bの濃度が、0.5mol/L以上4.0mol/L以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の溶液。
[6]
前記化合物Aと前記化合物Bのモル濃度比(金属カチオンのモル濃度/アンモニウムカチオンのモル濃度)が0.12以上50以下である、[1]〜[5]のいずれかに記載の溶液。
[7]
前記化合物Aを構成する、一価アニオンが、塩素、臭素又はヨウ素のアニオンである、[1]〜[6]のいずれかに記載の溶液。
[8]
前記化合物Bを構成する、一価アニオンが、塩素、臭素又はヨウ素のアニオンである、[1]〜[7]のいずれかに記載の溶液。
[9]
前記化合物Aを構成する、一価アニオンが、前記化合物Bを構成する、一価アニオンと同じである、[1]〜[8]のいずれかに記載の溶液。
[10]
前記非プロトン性極性溶媒が、ジメチルホルムアミドである、[1]〜[9]のいずれかに記載の溶液。
[11]
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む混合粉体であって、
前記化合物Aと前記化合物Bのモル濃度比が、金属/アンモニウムとして、0.12以上50以下である、混合粉体。
[12]
[1]〜[10]のいずれかに記載の溶液の製造方法であって、
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む混合粉体であり、前記化合物Aと前記化合物Bのモル濃度比が、金属カチオンのモル濃度/アンモニウムカチオンのモル濃度として、0.12以上50以下である、混合粉体を、非プロトン性極性溶媒に溶解させる工程を含む、溶液の製造方法。
[13]
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜。
[14]
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜であって、
[1]〜[10]のいずれかに記載の溶液を用いて作製された、金属化合物薄膜。
[15]
前記化合物A及び前記化合物Bと、ブレンステッド塩基と一価アニオンを含むブレンステッド酸との塩である化合物Cとの反応物をさらに含む、[14]に記載の金属化合物薄膜。
[16]
前記化合物Cのブレンステッド塩基が有機物塩基である、[15]に記載の金属化合物薄膜。
[17]
前記有機物塩基の炭素数が1以上10以下である、[16]に記載の金属化合物薄膜。
[18]
前記有機物塩基がアミンである、[16]又は[17]に記載の金属化合物薄膜。
[19]
前記化合物Cを構成する前記ブレンステッド酸が、ハロゲン化水素である、[15]〜[18]のいずれかに記載の金属化合物薄膜。
[20]
[14]〜[19]のいずれかに記載の金属化合物薄膜から、前記化合物Bが除かれた、金属化合物薄膜。
[21]
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜の製造方法であって、
[1]〜[10]のいずれかに記載の溶液を、スピンコート、スプレーコート、液相反応、含浸又は貧溶媒析出して薄膜を形成する第1の工程を含む、金属化合物薄膜の製造方法。
[22]
前記第1の工程で得られる薄膜を、ブレンステッド塩基と一価アニオンを含むブレンステッド酸との塩である化合物Cとを反応させる第2の工程をさらに含む、[21]に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[23]
前記化合物Cのブレンステッド塩基が有機物塩基である、[22]に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[24]
前記有機物塩基の炭素数が1以上10以下である、[23]に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[25]
前記有機物塩基がアミンである、[23]又は[24]に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[26]
前記化合物Cを構成する前記ブレンステッド酸が、ハロゲン化水素である、[22]〜[25]のいずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[27]
前記化合物Bを除去する第3の工程をさらに含む、[21]〜[26]のいずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[28]
前記第2の工程又は前記第3の工程を経た後の金属化合物薄膜を、有機物塩基が溶解している溶液Aに投入する第4の工程をさらに含む、[22]〜[27]のいずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[29]
前記第4の工程において、前記第2の工程又は前記第3の工程を経た後の金属化合物薄膜を、前記溶液Aに投入後、1秒以上1時間以内維持する、[28]に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
[30]
[13]〜[20]のいずれかに記載の金属化合物薄膜の、半導体材料としての使用。
[31]
[13]〜[20]のいずれかに記載の金属化合物薄膜の、太陽電池材料としての使用。
[32]
[13]〜[20]のいずれかに記載の金属化合物薄膜の、太陽電池材料の光吸収層としての使用。
本実施形態の溶液(以下、「原料溶液」ともいう。)は、第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bと、非プロトン性極性溶媒とを含み、前記化合物Aの濃度が、0.6mol/L以上5.0mol/L以下であり、かつ、前記化合物Bの濃度が、0.1mol/L以上5.0mol/L以下である。このように構成されているため、本実施形態の溶液によれば、光吸収特性に優れる金属化合物薄膜を得ることができる。なお、本実施形態における「光吸収特性に優れる金属化合物薄膜」とは、例えば、750nmの波長において、吸光度が86%以上である薄膜などが挙げられる。
本実施形態の第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aは、アニオン及びカチオンを含み、少なくともアニオンの状態にある元素又は分子、及びカチオンの状態にある所定の無機金属種を含む。このカチオンは、第13族から第15族のいずれかの金属カチオン以外にも、単一元素からなるカチオンや、有機分子カチオン、より具体的には有機アンモニウムなどの分子カチオン、およびこれらが共に存在することができる。
上記のとおり、本実施形態におけるアンモニウムカチオンと一価アニオンとの化合物である化合物Bは、原料溶液に0.1mol/L以上5.0mol/L以下含まれることで、得られる金属化合物薄膜の光吸収特性が向上する。化合物Bの濃度をより濃くすることで、原料溶液の均一性や透明度を向上でき、金属化合物薄膜の光吸収特性を向上する効果を向上する観点から、0.5mol/L以上が好ましく、0.6mol/L以上がより好ましく、1.1mol/L以上がさらに好ましい。また、化合物Bに対する溶解度の高い溶剤を必要とする観点から、4.0mol/L以下が好ましく、2.5mol/L以下がより好ましく、2.0mol/L以下がさらに好ましい。なお、本実施形態における、原料溶液に含まれる化合物Bの量は、種々公知の方法で評価することができる。例えば、イオンクロマトグラフィーや、元素分析などが挙げられる。
本実施形態における原料溶液の溶剤として、ハロゲン化金属及びハロゲン化アンモニウムの溶解度に優れる観点から、非プロトン性極性溶媒を用いることが重要である。非プロトン性極性溶媒としては、特に限定されないが、具体的には、ジメチルホルムアミド(以降、DMFと記す。)、ジメチルスルホキシド又はγブチロラクトンなどが好ましく、化合物Aの溶解に優れる観点から、DMF又はジメチルスルホキシドがより好ましい。
本実施形態の混合粉体は、上述した化合物Aと、上述した化合物Bとを含む混合粉体であって、前記化合物Aと化合物Bのモル濃度比が、金属カチオンのモル濃度/アンモニウムカチオンのモル濃度として、0.12以上50以下である。本実施形態の混合粉体によれば、本実施形態の溶液を容易に得ることができる。なお、本実施形態の混合粉体は、例えば、上述した化合物A及び上述した化合物Bの各粉体を混合する操作により製造することができ、より具体的には、ミリング法や共沈法などにより製造することができる。
本実施形態の溶液は、例えば、本実施形態の混合粉体を用いて製造することができる。すなわち、本実施形態の溶液の製造方法は、前記化合物Aと前記化合物Bとを含む混合粉体であって、ここで、前記化合物Aと化合物Bのモル濃度比が、金属カチオンのモル濃度/アンモニウムカチオンのモル濃度として、0.12以上50以下である混合粉体を、前記非プロトン性極性溶媒に溶解させる工程を含む。
本実施形態の金属化合物薄膜は、上述した化合物Aと上述した化合物Bとを含む。本実施形態の金属化合物薄膜は、本実施形態の溶液を用いて直接製造することができる。すなわち、本実施形態の金属化合物薄膜は、本実施形態の溶液を用いて作製された金属化合物薄膜であることが好ましい。
また、本実施形態の金属化合物薄膜は、原料溶液を用いて製造した金属化合物薄膜をさらにブレンステッド塩基と一価アニオンを含むブレンステッド酸との塩である化合物Cを反応させることなどによっても製造することができる。
本実施形態の金属化合物薄膜は、原料溶液を用いて製造できる。例えば、スピンコート法、スプレー法、液相反応法、含浸法、貧溶媒析出法などを用いて製造することができる。すなわち、本実施形態に係る金属化合物薄膜の製造方法は、第13族から第15族のいずれかの金属カチオンとアンモニウムカチオンと一価アニオンとを含む金属化合物薄膜の製造方法であって、本実施形態の溶液をスピンコート、スプレーコート、液相反応、含浸又は貧溶媒析出して薄膜を形成する第1の工程を含む。薄膜の形成方法としては、原料溶液の引火などの危険性が少なく、及び/又は調製方法の調整が容易である観点から、スピンコート法が好ましい。
金属化合物の純度を向上できる観点から、前記方法などにより製造した金属化合物薄膜を、溶液などで洗浄することが好ましい。洗浄操作に用いる溶液は、特に限定されず、例えば、アルコール、ケトン、炭化水素、水などが挙げられるが、製造した金属化合物との反応性や溶解度が低く、かつ化合物Bの溶解度が高い観点から、アルコールが好ましく、イソプロパノールがより好ましい。
金属化合物薄膜と反応させる化合物Cとしては、塩基及びハロゲン化水素の塩、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物などが挙げられる。金属化合物薄膜との反応性が高い観点、溶剤への溶解性が高い観点から、化合物Cは塩基及びハロゲン化水素の塩であることが好ましく、より好ましくは有機物塩基及びハロゲン化水素の塩である。
前記製造した金属化合物と前記化合物Bとの反応の際に、溶剤の蒸発による金属化合物薄膜の凝集を防ぐ観点や、金属化合物薄膜の核生成を促進する観点から、金属化合物薄膜を、前記化合物Cが溶解した溶液A中に浸すことが好ましい。すなわち、本実施形態に係る金属化合物薄膜の製造方法は、第2の工程又は第3の工程を経た後の金属化合物薄膜を前記有機物塩基が溶解している溶液Aに投入する第4の工程をさらに含むことが好ましい。この際、十分に反応させるために有利である観点から、浸す時間は、1秒以上が好ましく、5秒以上がより好ましく、20秒以上がさらに好ましい。また、金属化合物薄膜の溶液への溶解や剥離を防ぐ観点から、浸す時間は、1時間以下が好ましく、30分以下がより好ましく、5分以下がさらに好ましい。すなわち、本実施形態に係る金属化合物薄膜の製造方法は、第4の工程において、第2の工程又は第3の工程を経た後の金属化合物薄膜を溶液Aに投入後、1秒以上1時間以内、当該溶液A中に維持することが好ましい。
本実施形態の金属化合物薄膜は、前述のとおり、半導体材料として利用することができ、具体的には光電変換素子、発光体等として利用されることができ、より具体的には、太陽電池材料、光センサー、LED等として利用されることができる。製造が他の半導体材料に比べ比較的容易であるため、大面積化に容易である観点から、太陽電池材料として利用することが好ましい。太陽電池材料として利用する際には、金属化合物薄膜は、光吸収層の光吸収剤、集電層の材料、電子輸送材料、正孔輸送材料等として利用されることが挙げられ、太陽光エネルギー変換に適したバンドギャップを有することができる観点から、光吸収層の光吸収剤として利用されることが好ましい。
実施例及び比較例における、金属化合物の形態、及び薄膜の膜厚は、下記SEM装置を用いて評価した。形態は、30倍のSEM像にて、凹凸が観測されなかった場合は、平坦な膜と評価し、凹凸が観測された場合は、凹凸の大きな膜と評価した。膜厚は、25000倍の膜の断面SEM像における、異なる箇所3点から観察される膜厚の平均値から、求めた。
[装置]
SEM:SU−70(日立製作所社製)
実施例及び比較例における、金属化合物薄膜又は金属化合物粒子凝集体の吸光度は、サンプルを、スペクトロフォトメーター U4100(日立製作所社製)を用いて、スキャン速度300nm/分で測定を行い評価した。特に、得られた吸光度曲線の750nmでの吸光度について比較を行った。
溶剤としてDMFを用い、DMFに1.0mol/Lのヨウ化アンモニウム粉末と1.5mol/Lのヨウ化鉛(PbI2)粉末を、それぞれ溶解させ、溶液1とした。
FTO(フッ素ドープ酸化スズ)を堆積したガラスのFTO面上に、電子輸送材として50nmのTiO2の緻密層、さらにその上に粒子径30nmのTiO2粒子が堆積し、TiCl4処理を施した膜厚400nmの多孔質膜層が堆積された基板(TiO2/FTOガラス)に、窒素雰囲気中で70℃に加熱した溶液1を滴下し、5000rpmで5秒間スピンコートを施すことで、PbI2(ハロゲン化金属)薄膜を堆積させ、70℃で60分加熱した。加熱後のPbI2薄膜を、10g/Lのメチルアミンヨウ化水素塩を溶解させたイソプロパノール溶液に、40秒間浸した後、70℃で30分間加熱した。
実施例1と同様のスピンコートでPbI2(金属化合物)薄膜を堆積させた後、70℃で30分加熱を行い、次いで、加熱後のPbI2薄膜を室温下でイソプロパノールにより洗浄する操作を追加したこと以外は、実施例1と同様に操作を行った。
溶液1の代わりに、溶剤としてDMFを用い、DMFに1.0mol/Lのヨウ化アンモニウムと1.5mol/Lのヨウ化鉛となるように、ヨウ化アンモニウム粉体とヨウ化鉛粉体とを混合粉砕させた粉体を溶解させた溶液(溶液2)を用いたこと以外は、実施例1と同様に操作を行った。
溶剤としてDMFを用い、DMFに1.5mol/Lのヨウ化鉛を混合させて調製した溶液3を、溶液1の代わりに用いたこと以外は実施例1と同様に操作を行った。
溶剤としてDMFを用い、DMFに1.0mol/Lのヨウ化鉛を溶解させて調製した溶液4を、溶液1の代わりに用いたこと以外は実施例1と同様に操作を行った。
Claims (31)
- 第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bと、非プロトン性極性溶媒とを含み、
前記化合物Aの濃度が、0.6mol/L以上5.0mol/L以下であり、かつ、前記化合物Bの濃度が、0.1mol/L以上5.0mol/L以下である、金属化合物薄膜形成用溶液。 - 前記化合物Aを構成する一価アニオンが、第17族元素アニオンである、請求項1に記載の溶液。
- 前記化合物Bを構成する一価アニオンが、第17族元素アニオンである、請求項1又は請求項2に記載の溶液。
- 前記化合物Aの濃度が、1.1mol/L以上4.0mol/L以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の溶液。
- 前記化合物Bの濃度が、0.5mol/L以上4.0mol/L以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の溶液。
- 前記化合物Aと前記化合物Bのモル濃度比(金属カチオンのモル濃度/アンモニウムカチオンのモル濃度)が0.12以上50以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の溶液。
- 前記化合物Aを構成する、一価アニオンが、塩素、臭素又はヨウ素のアニオンである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の溶液。
- 前記化合物Bを構成する、一価アニオンが、塩素、臭素又はヨウ素のアニオンである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の溶液。
- 前記化合物Aを構成する、一価アニオンが、前記化合物Bを構成する、一価アニオンと同じである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の溶液。
- 前記非プロトン性極性溶媒が、ジメチルホルムアミドである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の溶液。
- 第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜形成用溶液に用いるための混合粉体であって、
前記化合物Aと前記化合物Bのモル濃度比が、金属/アンモニウムとして、0.12以上50以下である、前記混合粉体。 - 請求項1〜10のいずれか一項に記載の溶液の製造方法であって、
第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む混合粉体であり、前記化合物Aと前記化合物Bのモル濃度比が、金属カチオンのモル濃度/アンモニウムカチオンのモル濃度として、0.12以上50以下である、混合粉体を、非プロトン性極性溶媒に溶解させる工程を含む、溶液の製造方法。 - 第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜。
- 第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜であって、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の溶液を用いて作製された、金属化合物薄膜。 - 前記化合物A及び前記化合物Bと、ブレンステッド塩基と一価アニオンを含むブレンステッド酸との塩である化合物Cとの反応物をさらに含む、請求項14に記載の金属化合物薄膜。
- 前記化合物Cのブレンステッド塩基が有機物塩基である、請求項15に記載の金属化合物薄膜。
- 前記有機物塩基の炭素数が1以上10以下である、請求項16に記載の金属化合物薄膜。
- 前記有機物塩基がアミンである、請求項16又は17に記載の金属化合物薄膜。
- 前記化合物Cを構成する前記ブレンステッド酸が、ハロゲン化水素である、請求項15〜18のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜。
- 第13族から第15族のいずれかの金属カチオンと一価アニオンとの化合物Aと、アンモニウムと一価アニオンとの化合物Bを含む、金属化合物薄膜の製造方法であって、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の溶液を、スピンコート、スプレーコート、液相反応、含浸又は貧溶媒析出して薄膜を形成する第1の工程を含む、金属化合物薄膜の製造方法。 - 前記第1の工程で得られる薄膜を、ブレンステッド塩基と一価アニオンを含むブレンステッド酸との塩である化合物Cとを反応させる第2の工程をさらに含む、請求項20に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記化合物Cのブレンステッド塩基が有機物塩基である、請求項21に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記有機物塩基の炭素数が1以上10以下である、請求項22に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記有機物塩基がアミンである、請求項22又は23に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記化合物Cを構成する前記ブレンステッド酸が、ハロゲン化水素である、請求項21〜24のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記化合物Bを除去する第3の工程をさらに含む、請求項20〜25のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記第2の工程又は前記第3の工程を経た後の金属化合物薄膜を、有機物塩基が溶解している溶液Aに投入する第4の工程をさらに含む、請求項21〜26のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 前記第4の工程において、前記第2の工程又は前記第3の工程を経た後の金属化合物薄膜を、前記溶液Aに投入後、1秒以上1時間以内維持する、請求項27に記載の金属化合物薄膜の製造方法。
- 請求項13〜19のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の、半導体材料としての使用。
- 請求項13〜19のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の、太陽電池材料としての使用。
- 請求項13〜19のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の、太陽電池材料の光吸収層としての使用。
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