JP5564688B2 - CBD solution for CZTS semiconductor, method for producing buffer layer for CZTS semiconductor, and photoelectric device - Google Patents
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Description
本発明は、CZTS系半導体用CBD溶液、CZTS系半導体用バッファ層の製造方法及び光電素子に関し、さらに詳しくは、CZTS系半導体からなる光吸収層の上にCdSバッファ層が形成された各種光電素子(例えば、薄膜太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、増感型太陽電池など)を製造する際に用いられるCZTS系半導体用バッファ層の製造方法、このような方法に用いられるCZTS系半導体用CBD溶液、及び、このような方法により得られるバッファ層を備えた光電素子に関する。 The present invention relates to a CBD solution for a CZTS-based semiconductor, a method for producing a buffer layer for a CZTS-based semiconductor, and a photoelectric device. CZTS semiconductor buffer layer manufacturing method used in manufacturing thin film solar cells (eg, thin film solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors, sensitized solar cells, etc.), and CZTS systems used in such methods The present invention relates to a CBD solution for a semiconductor and a photoelectric device including a buffer layer obtained by such a method.
光電素子とは、光量子のエネルギーを何らかの物理現象を介して電気的信号に変換(光電変換)することが可能な素子をいう。太陽電池は、光電素子の一種であり、太陽光線の光エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換することができる。 A photoelectric element refers to an element that can convert photon energy into an electrical signal (photoelectric conversion) through some physical phenomenon. A solar cell is a kind of photoelectric element, and can efficiently convert light energy of sunlight into electric energy.
太陽電池に用いられる半導体としては、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi、GaAs、InP、CdTe、CuIn1-xGaxSe2(CIGS)、Cu2ZnSnS4(CZTS)などが知られている。
これらの中でも、CIGSやCZTSに代表されるカルコゲナイト系の化合物は、光吸収係数が大きいので、低コスト化に有利な薄膜化が可能である。特に、CIGSを光吸収層に用いた太陽電池は、薄膜太陽電池中では変換効率が高く、多結晶Siを用いた太陽電池を超える変換効率も得られている。しかしながら、CIGSは、環境負荷元素及び希少元素を含んでいるという問題がある。
一方、CZTSは、太陽電池に適したバンドギャップエネルギー(1.4〜1.5eV)を持ち、しかも、環境負荷元素や希少元素を含まないという特徴がある。
The semiconductor used in solar cells, monocrystalline Si, polycrystalline Si, amorphous Si, GaAs, InP, CdTe, CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS),
Among these, chalcogenite-based compounds represented by CIGS and CZTS have a large light absorption coefficient, so that a thin film advantageous for cost reduction is possible. In particular, a solar cell using CIGS as a light absorption layer has high conversion efficiency in a thin film solar cell, and conversion efficiency exceeding that of a solar cell using polycrystalline Si is also obtained. However, CIGS has a problem that it contains an environmental load element and a rare element.
On the other hand, CZTS has a band gap energy (1.4 to 1.5 eV) suitable for a solar cell and is characterized by not containing an environmental load element or a rare element.
CIGSやCZTSを光吸収層として用いる太陽電池において、バッファ層が必須である。バッファ層は、光吸収層と窓層の間に成膜され、バンドプロファイル及びヘテロ界面の調整のために必要と推測されている。バッファ層の成膜には、溶液成長(Chemical Bath Deposition、CBD)法が用いられる場合が多く、この系において、CdSが用いられる場合が多い。 In a solar cell using CIGS or CZTS as a light absorption layer, a buffer layer is essential. The buffer layer is formed between the light absorption layer and the window layer, and is presumed to be necessary for adjusting the band profile and the heterointerface. In order to form a buffer layer, a solution growth (Chemical Bath Deposition, CBD) method is often used, and CdS is often used in this system.
CdS自体は、光センサ材料として知られており、化学的手法によるSi基板やガラス基板上へのCdSの成膜については、多数の報告がある。
例えば、非特許文献1には、CBD法を用いてガラス基板上にCdS薄膜を形成する原料(CBD溶液)や方法が開示されている。
同文献には、
(1)酢酸カドミウムを使用すると、単相のCdS膜が成膜できる点、
(2)硫酸カドミウムを使用すると、硫酸カドミウムが混在した膜が成膜される点、
(3)塩化カドミウムを使用すると、六方晶と立方晶の混合物となる点、及び、
(4)酢酸カドミウムを使用すると、透光性が向上する点、
が記載されている。
CdS itself is known as an optical sensor material, and there are many reports on the formation of CdS on a Si substrate or a glass substrate by a chemical method.
For example, Non-Patent Document 1 discloses a raw material (CBD solution) and a method for forming a CdS thin film on a glass substrate using the CBD method.
In the same document,
(1) When cadmium acetate is used, a single-phase CdS film can be formed,
(2) When cadmium sulfate is used, a film in which cadmium sulfate is mixed is formed.
(3) When cadmium chloride is used, it becomes a mixture of hexagonal crystals and cubic crystals, and
(4) Use of cadmium acetate improves translucency,
Is described.
また、非特許文献2には、CBD法を用いてガラス基板上にCdS薄膜を形成する原料や方法が開示されている。
同文献には、
(1)塩化カドミウムに比べて、酢酸カドミウムを使用した場合には、緻密で透光性の良い膜ができる点、及び、
(2)溶液中にアンモニウム塩を添加すると、良質な膜が成膜できる点
が開示されている。
Non-Patent
In the same document,
(1) Compared with cadmium chloride, when cadmium acetate is used, a dense and translucent film can be formed; and
(2) It is disclosed that a high-quality film can be formed by adding an ammonium salt to a solution.
さらに、非特許文献3、4には、CBD法を用いてCIGS薄膜表面にCdS膜を形成する原料や方法が開示されている。
Further,
本発明が解決しようとする課題は、CZTS系半導体からなる光吸収層の上に良好な特性を持つCdSバッファ層を形成し、これによって光電素子の特性を向上させることが可能なCZTS系半導体用バッファ層の製造方法、このような方法に用いられるCZTS系半導体用CBD溶液、及び、このような方法により得られるバッファ層を備えた光電素子を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is for a CZTS semiconductor capable of forming a CdS buffer layer having good characteristics on a light absorption layer made of a CZTS semiconductor and thereby improving the characteristics of the photoelectric element. It is providing the manufacturing method of a buffer layer, the CBD solution for CZTS type semiconductors used for such a method, and a photoelectric element provided with the buffer layer obtained by such a method.
上記課題を解決するために本発明に係るCZTS系半導体用CBD溶液は、酢酸カドミウム、硫黄源、及び、硫化物合成助剤を含む水溶液からなり、
前記酢酸カドミウムの濃度が0.001M以上0.05M以下であり、
前記硫黄源の濃度が0.05M以上3.0M以下であり、
前記硫化物合成助剤の濃度が1.7M以上5.5M以下である。
本発明に係るCZTS系半導体用バッファ層の製造方法は、
本発明に係るCZTS系半導体用CBD溶液に、CZTS系半導体層が形成された基板を浸漬し、前記CZTS系半導体層の表面にCdS膜を形成するCBD工程と、
前記CdS膜を200℃以下で熱処理する熱処理工程と
を備えていることを要旨とする。
また、本発明に係る光電素子は、本発明に係る方法により得られるバッファ層を備えている。
In order to solve the above problems, a CBD solution for a CZTS semiconductor according to the present invention comprises an aqueous solution containing cadmium acetate, a sulfur source, and a sulfide synthesis aid .
The concentration of the cadmium acetate is 0.001M or more and 0.05M or less,
The concentration of the sulfur source is 0.05M or more and 3.0M or less,
The concentration of the sulfide synthesis aid is 1.7M or more and 5.5M or less.
The manufacturing method of the buffer layer for CZTS semiconductor according to the present invention
A CBD step of immersing the substrate on which the CZTS semiconductor layer is formed in the CBD solution for CZTS semiconductor according to the present invention to form a CdS film on the surface of the CZTS semiconductor layer;
And a heat treatment step of heat treating the CdS film at 200 ° C. or lower.
The photoelectric device according to the present invention includes a buffer layer obtained by the method according to the present invention.
CBD法を用いてCZTS系半導体層の上にCdS層を形成する場合において、Cd源として酢酸カドミウムを用いると、CZTS系半導体層の特性が向上する。これは、CBD溶液中における酢酸カドミウム由来の酢酸イオンの存在が、バッファ層とCZTS層のヘテロ界面を良好な状態に変化させるためと考えられる。 When a CdS layer is formed on a CZTS semiconductor layer using the CBD method, the use of cadmium acetate as the Cd source improves the characteristics of the CZTS semiconductor layer. This is presumably because the presence of acetate ions derived from cadmium acetate in the CBD solution changes the heterointerface between the buffer layer and the CZTS layer into a good state.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. CZTS系半導体用バッファ層の製造方法及びCZTS系半導体用CBD溶液]
本発明に係るCZTS系半導体用バッファ層の製造方法は、CBD工程と、熱処理工程とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Method for producing buffer layer for CZTS semiconductor and CBD solution for CZTS semiconductor]
The method for producing a CZTS semiconductor buffer layer according to the present invention includes a CBD process and a heat treatment process.
[1.1. CBD工程]
CBD工程は、酢酸カドミウム、硫黄源、及び、硫化物合成助剤を含むCBD溶液に、CZTS系半導体層が形成された基板を浸漬し、CZTS系半導体層の表面にCdS膜を形成するCBD工程を備えている。
[1.1. CBD process]
In the CBD step, the substrate on which the CZTS-based semiconductor layer is formed is immersed in a CBD solution containing cadmium acetate, a sulfur source, and a sulfide synthesis aid, and a CBD step is formed on the surface of the CZTS-based semiconductor layer. It has.
[1.1.1. 光吸収層]
CdS膜は、光吸収層の上に形成される。本発明において、光吸収層は、CZTS(Cu2ZnSnS4)系半導体層からなる。
本発明において、「CZTS系半導体」というときは、化学量論組成の化合物だけでなく、すべての不定比化合物、あるいは、Cu、Zn、Sn、及びSを主成分とするすべての化合物が含まれる。
CZTS系半導体は、Cu、Zn、Sn及びSのみからなるものでも良く、あるいは、これらに加えて他のカルコゲン元素や各種のドーパントや不可避的不純物などがさらに含まれていても良い。
[1.1.1. Light absorption layer]
The CdS film is formed on the light absorption layer. In the present invention, the light absorption layer is made of a CZTS (Cu 2 ZnSnS 4 ) -based semiconductor layer.
In the present invention, “CZTS-based semiconductor” includes not only stoichiometric compounds but also all non-stoichiometric compounds, or all compounds containing Cu, Zn, Sn, and S as a main component. .
The CZTS-based semiconductor may be composed of only Cu, Zn, Sn, and S, or may further contain other chalcogen elements, various dopants, unavoidable impurities, and the like in addition to these.
[1.1.2. 基板]
処理対象は、光吸収層が形成された基板である。基板と、光吸収層の間には、他の層が形成されていても良い。
例えば、CZTS系半導体を用いた薄膜太陽電池は、一般に、基板、下部電極、光吸収層、バッファ層、窓層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。各層の間には、付加的な層(例えば、接着層、光散乱層、反射防止層など)が形成されていても良い。光吸収層には、CZTS系半導体が用いられる。本発明において、光吸収層及びバッファ層以外の各層の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
[1.1.2. substrate]
The processing target is a substrate on which a light absorption layer is formed. Another layer may be formed between the substrate and the light absorption layer.
For example, a thin film solar cell using a CZTS semiconductor generally has a structure in which a substrate, a lower electrode, a light absorption layer, a buffer layer, a window layer, and an upper electrode are stacked in this order. Additional layers (for example, an adhesive layer, a light scattering layer, an antireflection layer, etc.) may be formed between the layers. A CZTS-based semiconductor is used for the light absorption layer. In the present invention, the material of each layer other than the light absorption layer and the buffer layer is not particularly limited, and various materials can be used according to the purpose.
[1.1.3. CZTS系半導体用CBD溶液]
CdS膜を形成するための処理溶液(CZTS系半導体用CBD溶液。以下、単に「CBD溶液」という。)は、酢酸カドミウム、硫黄源、及び、硫化物合成助剤を含む水溶液からなる。
[1.1.3. CBD solution for CZTS semiconductor]
A treatment solution for forming a CdS film (CBD solution for a CZTS-based semiconductor; hereinafter simply referred to as “CBD solution”) is composed of an aqueous solution containing cadmium acetate, a sulfur source, and a sulfide synthesis aid.
[A. 酢酸カドミウム]
本発明においてCd源には、酢酸カドミウムを用いる。Cd源として酢酸カドミウムを用いると、詳細は不明であるが、CZTS系半導体層の上に良質のCdS膜を形成することができる。
[A. Cadmium acetate]
In the present invention, cadmium acetate is used as the Cd source. When cadmium acetate is used as the Cd source, a high-quality CdS film can be formed on the CZTS-based semiconductor layer, although details are unknown.
[B. 硫黄源]
「硫黄源」とは、Sを含み、水溶液中でSを遊離することが可能な水溶性の化合物をいう。
硫黄源としては、具体的には、
(a)チオウレア(SC(NH2)2)、チオアセトアミド(CH3CSNH2)、チオアセティックアシド(CH3COSH)、チオベンザミド(C6H5CSNH2)などの有機系化合物からなる硫黄源、
(b)チオ硫酸ナトリウム(Na2S2O3)、チオ硫酸カリウム(K2S2O3)、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)、亜硫酸水素ナトリウム(NaHSO3)、二亜硫酸ナトリウム(Na2S2O5)、硫化ナトリウム(Na2S)などの無機系化合物からなる硫黄源、
などがある。
CBD溶液には、これらのいずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
[B. Sulfur source]
The “sulfur source” refers to a water-soluble compound containing S and capable of releasing S in an aqueous solution.
Specifically, as a sulfur source,
(A) A sulfur source comprising an organic compound such as thiourea (SC (NH 2 ) 2 ), thioacetamide (CH 3 CSNH 2 ), thioacetic acid (CH 3 COSH), thiobenzamide (C 6 H 5 CSNH 2 ) ,
(B) Sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ), potassium thiosulfate (K 2 S 2 O 3 ), sodium sulfite (Na 2 SO 3 ), sodium hydrogen sulfite (NaHSO 3 ), sodium disulfite (Na 2 S 2 O 5 ), a sulfur source comprising an inorganic compound such as sodium sulfide (Na 2 S),
and so on.
Any one of these may be included in the CBD solution, or two or more thereof may be included.
[C. 硫化物合成助剤]
「硫化物合成助剤」とは、Cdイオンの錯体を形成することができ、かつ、水溶液をアルカリ性にすることができるものをいう。水溶液をアルカリ性にするのは、硫黄源を分解させ、S2-イオンを生成させるためである。
硫化物合成助剤としては、具体的には、
(a)アンモニア水、
(b)NaCN、KCNなどのシアン酸化合物、
(c)NaSCN、KSCNなどのチオシアン酸化合物、
(d)(a)〜(c)のいずれか2以上の混合物、
などがある。
[C. Sulfide synthesis aid]
“Sulfide synthesis aid” refers to an agent capable of forming a complex of Cd ions and making an aqueous solution alkaline. The aqueous solution is made alkaline in order to decompose the sulfur source and generate S 2− ions.
As a sulfide synthesis aid, specifically,
(A) ammonia water,
(B) cyanic acid compounds such as NaCN and KCN,
(C) thiocyanic acid compounds such as NaSCN and KSCN,
(D) a mixture of any two or more of (a) to (c),
and so on.
[D. CBD溶液組成]
CBD溶液の組成は、CdS膜の特性に影響を与える。
CBD溶液中の酢酸カドミウムの濃度が低すぎると、光吸収層の特性が低下する。従って、酢酸カドミウムの濃度は、0.001M以上が好ましい。酢酸カドミウムの濃度は、さらに好ましくは、0.0015M以上である。
一方、酢酸カドミウムの濃度が高すぎると、光吸収層の特性が低下する。従って、酢酸カドミウムの濃度は、0.05M以下が好ましい。酢酸カドミウムの濃度は、さらに好ましくは、0.01M以下である。
[D. CBD solution composition]
The composition of the CBD solution affects the characteristics of the CdS film.
When the concentration of cadmium acetate in the CBD solution is too low, the characteristics of the light absorption layer are deteriorated. Therefore, the concentration of cadmium acetate is preferably 0.001M or more. The concentration of cadmium acetate is more preferably 0.0015M or more.
On the other hand, when the concentration of cadmium acetate is too high, the characteristics of the light absorption layer are degraded. Therefore, the concentration of cadmium acetate is preferably 0.05M or less. The concentration of cadmium acetate is more preferably 0.01M or less.
CBD溶液中の硫黄源の濃度が低すぎると、光吸収層の特性が低下する。従って、硫黄源の濃度は、0.05M以上が好ましい。硫黄源の濃度は、さらに好ましくは、0.1M以上である。
一方、硫黄源の濃度が高すぎると、光吸収層の特性が低下する。従って、硫黄源の濃度は、3.0M以下が好ましい。硫黄源の濃度は、さらに好ましくは、1.0M以下、さらに好ましくは、0.6M以下である。
When the concentration of the sulfur source in the CBD solution is too low, the characteristics of the light absorption layer are deteriorated. Therefore, the concentration of the sulfur source is preferably 0.05M or more. The concentration of the sulfur source is more preferably 0.1M or more.
On the other hand, if the concentration of the sulfur source is too high, the characteristics of the light absorption layer are degraded. Therefore, the concentration of the sulfur source is preferably 3.0M or less. The concentration of the sulfur source is more preferably 1.0M or less, and further preferably 0.6M or less.
CBD溶液中の硫化物合成助剤の濃度が低すぎると、光吸収層の特性が低下する。硫化物合成助剤の濃度は、1.7M以上が好ましい。硫化物合成助剤の濃度は、さらに好ましくは、2.0M以上である。
一方、硫化物合成助剤の濃度が高すぎると、光吸収層の特性が低下する。硫化物合成助剤の濃度は、5.5M以下が好ましい。硫化物合成助剤の濃度は、さらに好ましくは、5.0M以下である。
If the concentration of the sulfide synthesis aid in the CBD solution is too low, the characteristics of the light absorption layer will deteriorate. The concentration of the sulfide synthesis aid is preferably 1.7M or more. The concentration of the sulfide synthesis aid is more preferably 2.0M or more.
On the other hand, if the concentration of the sulfide synthesis aid is too high, the characteristics of the light absorption layer are degraded. The concentration of the sulfide synthesis aid is preferably 5.5M or less. The concentration of the sulfide synthesis aid is more preferably 5.0M or less.
CBD溶液は、上述した酢酸カドミウム、硫黄源、及び、硫化物合成助剤のみを含む水溶液が好ましい。特に、酢酸アンモニウムなどのアンモニウム塩が含まれていると、光吸収層の特性が低下する。光吸収層の特性を向上させるためには、CBD溶液に含まれるアンモニウム塩の濃度は、0.1M以下が好ましい。アンモニウム塩の濃度は、さらに好ましくは、0.01M以下である。CBD溶液中のアンモニウム塩の濃度は、少ないほどよい。 The CBD solution is preferably an aqueous solution containing only the above-mentioned cadmium acetate, a sulfur source, and a sulfide synthesis aid. In particular, when an ammonium salt such as ammonium acetate is contained, the characteristics of the light absorption layer are deteriorated. In order to improve the characteristics of the light absorption layer, the concentration of the ammonium salt contained in the CBD solution is preferably 0.1 M or less. The concentration of the ammonium salt is more preferably 0.01M or less. The lower the ammonium salt concentration in the CBD solution, the better.
[1.1.4. 成膜条件]
CdS膜の成膜は、光吸収層が形成された基板をCBD溶液に浸漬し、所定の温度で加熱することにより行う。加熱は、反応を促進させるために行われる。加熱温度は、通常、30〜80℃である。
CdS膜の膜厚は、反応時間により制御することができる。反応時間は、膜厚にもよるが、通常、5〜60分である。
[1.1.4. Film formation conditions]
The CdS film is formed by immersing the substrate on which the light absorption layer is formed in a CBD solution and heating it at a predetermined temperature. Heating is performed to promote the reaction. The heating temperature is usually 30 to 80 ° C.
The film thickness of the CdS film can be controlled by the reaction time. Although reaction time is based also on a film thickness, it is 5 to 60 minutes normally.
[1.2. 熱処理工程]
熱処理工程は、光吸収層の上に形成されたCdS膜を200℃以下で熱処理する工程である。
CBD法により製造されたCdS膜をそのまま放置すると、残存した水分や反応溶液成分によりCdS膜が劣化しやすい。そのため、CBD法によりCdS膜を成膜した後、残存した水分を除去するために熱処理が行われる。熱処理温度は、残存した水分を除去できる温度(200℃以下)であれば良い。
熱処理時の雰囲気は、特に限定されるものではなく、酸化雰囲気、還元雰囲気、不活性雰囲気のいずれでも良い。
[1.2. Heat treatment process]
The heat treatment step is a step of heat-treating the CdS film formed on the light absorption layer at 200 ° C. or less.
If the CdS film produced by the CBD method is left as it is, the CdS film is likely to be deteriorated due to the remaining moisture and reaction solution components. Therefore, after forming the CdS film by the CBD method, heat treatment is performed to remove the remaining water. The heat treatment temperature may be a temperature (200 ° C. or less) at which remaining moisture can be removed.
The atmosphere during the heat treatment is not particularly limited, and may be any of an oxidizing atmosphere, a reducing atmosphere, and an inert atmosphere.
[2. 光電素子]
本発明に係る光電素子は、基板と、基板の上に形成されたCZTS系半導体からなる光吸収層と、光吸収層の上に形成されたバッファ層とを備えている。バッファ層は、本発明に係る方法により得られるものからなる。基板と光吸収層の間には、他の層が形成されていても良い。
例えば、CZTS系半導体を用いた薄膜太陽電池は、一般に、基板、下部電極、光吸収層、バッファ層、窓層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。各層の間には、付加的な層(例えば、接着層、光散乱層、反射防止層など)が形成されていても良い。本発明において、バッファ層及び光吸収層以外の各層の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
[2. Photoelectric element]
The photoelectric device according to the present invention includes a substrate, a light absorption layer made of a CZTS semiconductor formed on the substrate, and a buffer layer formed on the light absorption layer. The buffer layer is obtained by the method according to the present invention. Another layer may be formed between the substrate and the light absorption layer.
For example, a thin film solar cell using a CZTS semiconductor generally has a structure in which a substrate, a lower electrode, a light absorption layer, a buffer layer, a window layer, and an upper electrode are stacked in this order. Additional layers (for example, an adhesive layer, a light scattering layer, an antireflection layer, etc.) may be formed between the layers. In the present invention, the material of each layer other than the buffer layer and the light absorption layer is not particularly limited, and various materials can be used according to the purpose.
例えば、光電素子が薄膜太陽電池である場合、薄膜太陽電池は、以下のようにして製造することができる。すなわち、まず、基板上に下部電極及び光吸収層をこの順で形成する。次いで、本発明に係る方法を用いて、光吸収層の上にCdSバッファ層を形成する。さらに、CdSバッファ層の上に、窓層及び上部電極をこの順で形成する。
バッファ層以外の層の形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。各部材の形成方法としては、具体的には、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積法(PLD)法、メッキ法、電気泳動成膜法(EPD)、化学気相成膜法(CVD),スプレー熱分解成膜法(SPD)、スクリーン印刷法、スピンコート法、微粒子堆積法などがある。
For example, when the photoelectric element is a thin film solar cell, the thin film solar cell can be manufactured as follows. That is, first, a lower electrode and a light absorption layer are formed in this order on a substrate. Next, a CdS buffer layer is formed on the light absorption layer using the method according to the present invention. Further, a window layer and an upper electrode are formed in this order on the CdS buffer layer.
The formation method of layers other than a buffer layer is not specifically limited, A various method can be used. Specific methods for forming each member include sputtering, vacuum deposition, pulsed laser deposition (PLD), plating, electrophoretic deposition (EPD), and chemical vapor deposition (CVD). , Spray pyrolysis film formation (SPD), screen printing, spin coating, and fine particle deposition.
[3. CZTS系半導体用バッファ層の製造方法及び光電素子の作用]
CBD法を用いてCZTS系半導体層の上にCdS層を形成する場合において、Cd源として酢酸カドミウムを用いると、CZTS系半導体層の特性が向上する。これは、以下のような理由によると考えられる。
[3. Method of manufacturing buffer layer for CZTS semiconductor and operation of photoelectric element]
When a CdS layer is formed on a CZTS semiconductor layer using the CBD method, the use of cadmium acetate as the Cd source improves the characteristics of the CZTS semiconductor layer. This is considered due to the following reasons.
すなわち、CBD法を用いてCdS膜を成膜する場合、アルカリ性水溶液中でカドミウム塩から解離したCd2+と、硫黄源から解離したS2-とが反応することにより基板上にCdS膜が形成される。CdS膜を光センサ材料として使用する場合、CdS膜は、Si基板やガラス基板上に直接成膜される。この場合、Si基板やガラス基板は、化学的に不活性であるため、成膜中の基板とCBD溶液との反応は起こりにくい。そのため、成膜条件を決定する際に、基板との反応を考慮する必要はない。
一方、CZTS系半導体層の上にCdS膜を形成する場合、CZTS系半導体層はSを含むため、CZTS系半導体層とCBD溶液とが反応する。そのため、従来の方法をそのままCZTS系半導体に適用しても、良質なCdS膜は得られない。また、このような反応を考慮したCBD溶液が提案された例は、従来にはない。
That is, when a CdS film is formed using the CBD method, a CdS film is formed on the substrate by the reaction between Cd 2+ dissociated from the cadmium salt and S 2− dissociated from the sulfur source in an alkaline aqueous solution. Is done. When a CdS film is used as an optical sensor material, the CdS film is directly formed on a Si substrate or a glass substrate. In this case, since the Si substrate and the glass substrate are chemically inactive, the reaction between the substrate during film formation and the CBD solution hardly occurs. Therefore, it is not necessary to consider the reaction with the substrate when determining the film formation conditions.
On the other hand, when the CdS film is formed on the CZTS-based semiconductor layer, the CZTS-based semiconductor layer contains S, so that the CZTS-based semiconductor layer reacts with the CBD solution. Therefore, even if the conventional method is applied to a CZTS semiconductor as it is, a good quality CdS film cannot be obtained. In addition, there has never been an example in which a CBD solution considering such a reaction has been proposed.
開放端電圧(Voc)やフィルファクター(FF)値は、バッファ層とCZTS系半導体層のヘテロ界面の状態に影響されると推測できる。アルカリ性水溶液中では、CdS膜の成膜と同時にCZTS系半導体層の腐食やエッチングも同時に発生すると考えられる。さらに、一度溶解したCZTS系半導体層の構成元素がCdS膜に取り込まれる形で、再びCZTS系半導体層の上に堆積することも考えられる。
この時、水溶液のpH、あるいは、配位子(アンモニア、CN)やCd源由来のアニオンの存在は、CdSの成膜と同時に、CZTS系半導体層の腐食などにも影響を及ぼすと推測できる。本発明では、詳細は不明であるが、酢酸カドミウム由来の酢酸イオンの存在が、CZTS系半導体層の腐食や再成膜に影響し、その結果として、バッファ層とCZTS系半導体層のヘテロ界面を良好な状態に変化させたと考えられる。また、これによってVocやFF値が向上したと考えられる。
It can be presumed that the open-circuit voltage (V oc ) and the fill factor (FF) value are affected by the state of the heterointerface between the buffer layer and the CZTS-based semiconductor layer. In an alkaline aqueous solution, it is considered that corrosion and etching of the CZTS-based semiconductor layer occur simultaneously with the formation of the CdS film. Furthermore, it is conceivable that the constituent elements of the CZTS-based semiconductor layer once dissolved are again deposited on the CZTS-based semiconductor layer in the form of being taken into the CdS film.
At this time, it can be estimated that the pH of the aqueous solution or the presence of an anion derived from a ligand (ammonia, CN) or a Cd source affects the corrosion of the CZTS-based semiconductor layer simultaneously with the CdS film formation. Although details are unknown in the present invention, the presence of acetate ions derived from cadmium acetate affects the corrosion and re-deposition of the CZTS-based semiconductor layer. As a result, the heterointerface between the buffer layer and the CZTS-based semiconductor layer is affected. It is thought that it changed to a favorable state. Moreover, it is thought that Voc and FF value improved by this.
太陽電池において、並列抵抗(I−V曲線のV=0の傾き)は、電流の漏れの程度を表す指標となる。並列抵抗は、大きいほど良い。直列抵抗(I−V曲線のI=0の傾き)は、取り出すことが可能な電流の量を表す指標となる。直列抵抗は、小さいほど良い。
CBD法を用いてCdS膜を形成する場合において、Cd塩として酢酸カドミウムを用いると、並列抵抗が向上し、かつ、直列抵抗が低下する。並列抵抗の向上と直列抵抗の低下は、CdSバッファ層の均一性の向上を意味していると推測できる。
本発明の場合、酢酸カドミウム由来の酢酸アニオンの存在が、Cd錯体の形成、及び、CdイオンとSイオンの反応に何らかの影響を及ぼしていると考えられる。その結果として、良質なCdS膜が形成できたと考えられる。
In a solar cell, the parallel resistance (the slope of V = 0 of the IV curve) is an index that represents the degree of current leakage. The larger the parallel resistance, the better. The series resistance (I = 0 slope of the IV curve) is an index representing the amount of current that can be extracted. The smaller the series resistance, the better.
In the case of forming a CdS film using the CBD method, when cadmium acetate is used as the Cd salt, the parallel resistance is improved and the series resistance is lowered. It can be inferred that the improvement in parallel resistance and the reduction in series resistance mean improvement in the uniformity of the CdS buffer layer.
In the case of the present invention, it is considered that the presence of acetate anion derived from cadmium acetate has some influence on the formation of Cd complex and the reaction between Cd ion and S ion. As a result, it is considered that a good quality CdS film was formed.
(実施例1、比較例1〜2)
[1. 試料の作製]
以下の手順に従い、太陽電池を作製した。
(1)ソーダライムガラス(SLG)基板上にMo裏面電極層(層厚:〜1μm)をスパッタ法により形成した。
(2)Mo裏面電極層の上に、Cu−Zn−Sn−S前駆体膜をスパッタ法により形成した。次いで、大気圧、5%H2S+N2ガス雰囲気中、550〜580℃、3hの硫化処理により、前駆体膜をCZTS光吸収層(層厚:〜1.4μm)にした。
(3)CBD法を用いて、CZTS膜の上にCdSバッファ層(層厚:〜70nm)を形成した。
(4)スパッタ法を用いて、CdSバッファ層の上に、Al:ZnO窓層(層厚:〜400nm)及び櫛形Al表面電極層(層厚:〜0.6μm)をこの順で形成した。
(5)作製した太陽電池の有効受光面積は、約0.16cm2であった。
(Example 1, Comparative Examples 1-2)
[1. Preparation of sample]
A solar cell was produced according to the following procedure.
(1) A Mo back electrode layer (layer thickness: ˜1 μm) was formed on a soda lime glass (SLG) substrate by a sputtering method.
(2) A Cu—Zn—Sn—S precursor film was formed on the Mo back electrode layer by sputtering. Subsequently, the precursor film was formed into a CZTS light absorption layer (layer thickness: ˜1.4 μm) by sulfuration treatment at 550 to 580 ° C. for 3 hours in an atmospheric pressure, 5% H 2 S + N 2 gas atmosphere.
(3) A CdS buffer layer (layer thickness: ˜70 nm) was formed on the CZTS film using the CBD method.
(4) An Al: ZnO window layer (layer thickness: ˜400 nm) and a comb-shaped Al surface electrode layer (layer thickness: ˜0.6 μm) were formed in this order on the CdS buffer layer by sputtering.
(5) The effective light receiving area of the produced solar cell was about 0.16 cm 2 .
CdSバッファ層は、以下の条件で成膜した。まず、500mLのビーカに、Cd塩:0.004M相当、チオウレア:10.1g(0.3M)、28%アンモニア水:90mL(3.0M)、イオン交換水:360mLを入れ、室温でこれらを溶解させた。Cd塩には、ヨウ化カドミウム:0.58g(比較例1)、塩化カドミウム:0.36g(比較例2)、又は、酢酸カドミウム:0.43g(実施例1)を用いた。
この反応溶液に、CZTS膜が形成された基板を浸漬した。浸漬後に、ビーカを70℃のウォータバスに投入して加熱した。ビーカ内の溶液温度は徐々に上昇し、20min後には約60℃となった。20min後、基板を速やかに取り出した。基板をイオン交換水で洗浄し、空気吹きつけで乾燥した。乾燥した基板は、管状炉で200℃×30min、窒素中で熱処理した。その後、上述した手順に従い、窓層及び表面電極層を成膜した。
The CdS buffer layer was formed under the following conditions. First, in a 500 mL beaker, Cd salt: 0.004M equivalent, thiourea: 10.1 g (0.3 M), 28% aqueous ammonia: 90 mL (3.0 M), ion-exchanged water: 360 mL are placed at room temperature. Dissolved. As the Cd salt, cadmium iodide: 0.58 g (Comparative Example 1), cadmium chloride: 0.36 g (Comparative Example 2), or cadmium acetate: 0.43 g (Example 1) was used.
The substrate on which the CZTS film was formed was immersed in this reaction solution. After soaking, the beaker was placed in a water bath at 70 ° C. and heated. The solution temperature in the beaker gradually increased and reached about 60 ° C. after 20 minutes. After 20 minutes, the substrate was quickly taken out. The substrate was washed with ion exchange water and dried by blowing air. The dried substrate was heat-treated in nitrogen at 200 ° C. for 30 minutes in a tubular furnace. Thereafter, the window layer and the surface electrode layer were formed in accordance with the procedure described above.
[2. 試験方法]
作製された太陽電池を用いて、短絡電流密度(JSC)、開放端電圧(VOC)、形状因子(F.F.)、変換効率(Eff)、並列抵抗、及び、直列抵抗を評価した。測定には、太陽光シミュレータを用いた。測定は、エアマス1.5(AM1.5)の疑似太陽光を太陽電池に当て、時間を置かずに測定を開始し、数十秒の内に測定を完了した。
なお、変換効率(Eff)、開放端電圧(VOC)、短絡電流密度(JSC)、及び形状因子(F.F.)には、次の(1)式の関係が成り立つ。
Eff=VOC×JSC×F.F. ・・・(1)
[2. Test method]
Using the fabricated solar cell, short circuit current density (J SC ), open circuit voltage (V OC ), form factor (FF), conversion efficiency (E ff ), parallel resistance, and series resistance are evaluated. did. A solar simulator was used for the measurement. In the measurement, artificial solar light of air mass 1.5 (AM1.5) was applied to the solar cell, the measurement was started without taking time, and the measurement was completed within several tens of seconds.
The following equation (1) is established for the conversion efficiency (E ff ), open-circuit voltage (V OC ), short-circuit current density (J SC ), and form factor (FF).
E ff = V OC × J SC × F.F. (1)
[3. 結果]
表1に、その結果を示す。表1より、酢酸カドミウムを用いることにより、Vocが0.15V程度上昇し、Effも2.4倍程度向上していることがわかる。また、並列抵抗が向上し、直列抵抗が低下していることがわかる。これは、Cd源として酢酸カドミウムを用いたことにより、CdS/CZTSヘテロ界面の状態が良好となったため、あるいは、CdSバッファ層の均一性が向上したためと考えられる。
[3. result]
Table 1 shows the results. From Table 1, it can be seen that by using cadmium acetate, V oc is increased by about 0.15 V and E ff is also improved by about 2.4 times. It can also be seen that the parallel resistance is improved and the series resistance is reduced. This is presumably because cadmium acetate was used as the Cd source, the CdS / CZTS heterointerface state was improved, or the uniformity of the CdS buffer layer was improved.
(実施例2、比較例3〜6)
[1. 試料の作製]
CBD溶液にNH4COOCH3:0.58g(0.017M)を添加した以外は、実施例1と同様にして太陽電池を作製した(実施例2)。
また、CBD溶液にNH4Cl:0.23〜7.00g(0.01〜0.29M)を添加した以外は、比較例2と同様にして太陽電池を作製した(比較例3〜6)。
(Example 2, Comparative Examples 3-6)
[1. Preparation of sample]
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that NH 4 COOCH 3 : 0.58 g (0.017 M) was added to the CBD solution (Example 2).
Moreover, NH 4 Cl in CBD solution: except for adding 0.23~7.00g (0.01~0.29M) is to prepare the solar cell in the same manner as in Comparative Example 2 (Comparative Example 3-6) .
[2. 試験方法]
[2.1. 太陽電池特性]
実施例1と同様にして、太陽電池特性を評価した。
[2.2. CdS膜の評価]
CdS膜のTEM観察及びEDS解析を行った。
[2. Test method]
[2.1. Solar cell characteristics]
The solar cell characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.
[2.2. Evaluation of CdS film]
TEM observation and EDS analysis of the CdS film were performed.
[3. 結果]
表2及び表3に、その結果を示す。なお、表2及び表3には、それぞれ、実施例1及び比較例2の結果も併せて示した。
表2より、酢酸カドミウム系のCBD溶液に酢酸アンモニウムを添加すると、僅かな添加で急激に太陽電池特性が劣化することがわかる。同様に、表3より、塩化カドミウム系のCBD溶液に塩化アンモニウムを添加すると、僅かな添加で急激に太陽電池特性が劣化することがわかる。これは、CZTS系半導体層の上にCBD法によりCdS膜を形成する場合において、CBD溶液にアンモニウム塩を添加すると、バッファ層とCZTS系半導体層のヘテロ界面の状態が劣化し、あるいは、CdS膜の均一性が低下するためと考えられる。
[3. result]
Tables 2 and 3 show the results. Tables 2 and 3 also show the results of Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
From Table 2, it can be seen that when ammonium acetate is added to the cadmium acetate-based CBD solution, the solar cell characteristics are rapidly deteriorated by slight addition. Similarly, it can be seen from Table 3 that when ammonium chloride is added to a cadmium chloride-based CBD solution, the solar cell characteristics are rapidly deteriorated by slight addition. This is because when a CdS film is formed on a CZTS-based semiconductor layer by the CBD method, if an ammonium salt is added to the CBD solution, the state of the heterointerface between the buffer layer and the CZTS-based semiconductor layer deteriorates, or the CdS film This is thought to be due to a decrease in uniformity.
図1及び図2に、ぞれぞれ、Cd源として塩化カドミウムを用い、かつ、塩化アンモニウム無添加のCBD溶液を用いて成膜されたCdS膜(比較例2)のTEM写真及びEDS解析結果を示す。また、図3及び図4に、Cd源として塩化カドミウムを用い、かつ、塩化アンモニウムを0.4g添加したCBD溶液を用いて成膜されたCdS膜(比較例4)のTEM写真及びEDS解析結果を示す。
図1〜4より、塩化カドミウム系のCBD溶液に塩化アンモニウムを添加すると、CdS膜内に相対的に多量のZn及びCuが混入していることがわかる。非特許文献2には、ガラス基板上にCdS膜を製膜する場合、アンモニウム塩の添加により良質なCdS膜が成膜できると記載されているが、この結果は、非特許文献2とは対照的である。
塩化アンモニウムの添加によって太陽電池特性が低下したのは、塩化アンモニウムがCZTS系半導体層の腐食を促進したためと考えられる。従って、CBD法を用いてCZTS系半導体層の上にCdS膜を形成する場合、CBD溶液は、Cd塩、硫黄源及び硫化物合成助剤のみを含むものが好ましい。
1 and 2, respectively, a TEM photograph and an EDS analysis result of a CdS film (Comparative Example 2) formed by using cadmium chloride as a Cd source and using a CBD solution without addition of ammonium chloride. Indicates. 3 and 4 show a TEM photograph and an EDS analysis result of a CdS film (Comparative Example 4) formed using a CBD solution using cadmium chloride as a Cd source and 0.4 g of ammonium chloride added. Indicates.
1 to 4, it can be seen that when ammonium chloride is added to the cadmium chloride-based CBD solution, a relatively large amount of Zn and Cu are mixed in the CdS film.
The reason that the solar cell characteristics were deteriorated by the addition of ammonium chloride is considered to be that ammonium chloride promoted corrosion of the CZTS-based semiconductor layer. Therefore, when a CdS film is formed on a CZTS-based semiconductor layer using the CBD method, the CBD solution preferably contains only a Cd salt, a sulfur source, and a sulfide synthesis aid.
(実施例3〜7)
[1. 試料の作製]
酢酸カドミウムの量を0.0086〜1.29g(0.0008〜0.012M)、チオウレアの量を1.01〜30.3g(0.03〜0.9M)、28%アンモニア水の量を45〜180mL(1.5〜6.0M)、イオン交換水の量を270〜360mLとした以外は、実施例1と同様にして、太陽電池を作製した。
(Examples 3 to 7)
[1. Preparation of sample]
The amount of cadmium acetate is 0.0086 to 1.29 g (0.0008 to 0.012 M), the amount of thiourea is 1.01 to 0.33 g (0.03 to 0.9 M), and the amount of 28% aqueous ammonia is A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 45 to 180 mL (1.5 to 6.0 M) and the amount of ion-exchanged water were 270 to 360 mL.
[2. 評価]
実施例1と同一条件下で、太陽電池特性を評価した。
[2. Evaluation]
The solar cell characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1.
[3. 結果]
表4に、その結果を示す。なお、表4には、実施例1の結果も併せて示した。
表4より、
(1)アンモニア水の量が過剰である場合及び少なすぎる場合のいずれも、Jsc、Voc、及び、F.F.値が低下する(実施例1、3、5参照)、
(2)チオウレアの量が少なすぎると、Jsc、Voc、及び、F.F.値が低下する(実施例1、4参照)、
(3)CBD溶液中の酢酸カドミウム及びチオウレアの濃度をともに増大させると、Jscは向上するが、Voc及びF.F.が低下する(実施例1、6参照)、
(4)CBD溶液中の酢酸カドミウム及びチオウレアの濃度をともに減少させると、Jscは向上するが、Voc及びF.F.が極端に低下する(実施例1、7参照)、
(5)高い変換効率を得るためには、酢酸カドミウムの濃度は0.001〜0.05M、チオウレアの濃度は0.05〜1.0M、アンモニア水の濃度は1.7〜5.5Mが好ましい、
ことがわかる。
[3. result]
Table 4 shows the results. Table 4 also shows the results of Example 1.
From Table 4,
(1) J sc , V oc , and FF values decrease in both cases where the amount of aqueous ammonia is excessive and too small (see Examples 1, 3, and 5).
(2) If the amount of thiourea is too small, the J sc , V oc , and FF values decrease (see Examples 1 and 4),
(3) Increasing both the cadmium acetate and thiourea concentrations in the CBD solution improves J sc but decreases V oc and FF (see Examples 1 and 6),
(4) When both the concentrations of cadmium acetate and thiourea in the CBD solution are decreased, J sc is improved, but V oc and FF are extremely decreased (see Examples 1 and 7).
(5) In order to obtain high conversion efficiency, the concentration of cadmium acetate is 0.001 to 0.05M, the concentration of thiourea is 0.05 to 1.0M, and the concentration of aqueous ammonia is 1.7 to 5.5M. preferable,
I understand that.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係るCZTS系半導体用バッファ層の製造方法は、薄膜太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、増感型太陽電池などの光吸収層としてCZTS系半導体層を用いた各種光電素子の製造に用いることができる。 The method for producing a buffer layer for CZTS semiconductor according to the present invention includes various photoelectric elements using a CZTS semiconductor layer as a light absorbing layer of a thin film solar cell, photoconductive cell, photodiode, phototransistor, sensitized solar cell, etc. Can be used in the manufacture of
Claims (6)
前記酢酸カドミウムの濃度が0.001M以上0.05M以下であり、
前記硫黄源の濃度が0.05M以上3.0M以下であり、
前記硫化物合成助剤の濃度が1.7M以上5.5M以下である
CZTS系半導体用CBD溶液。 Consists of an aqueous solution containing cadmium acetate, a sulfur source, and a sulfide synthesis aid ,
The concentration of the cadmium acetate is 0.001M or more and 0.05M or less,
The concentration of the sulfur source is 0.05M or more and 3.0M or less,
The concentration of the sulfide synthesis aid is 1.7M or more and 5.5M or less.
CBD solution for CZ TS-based semiconductors.
(a)チオウレア(SC(NH2)2)、チオアセトアミド(CH3CSNH2)、チオアセティックアシド(CH3COSH)、及び、チオベンザミド(C6H5CSNH2)、並びに、
(b)チオ硫酸ナトリウム(Na2S2O3)、チオ硫酸カリウム(K2S2O3)、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)、亜硫酸水素ナトリウム(NaHSO3)、二亜硫酸ナトリウム(Na2S2O5)、及び、硫化ナトリウム(Na2S)
から選ばれるいずれか1以上である請求項1に記載のCZTS系半導体用CBD溶液。 The sulfur source is
(A) thiourea (SC (NH 2 ) 2 ), thioacetamide (CH 3 CSNH 2 ), thioacetic acid (CH 3 COSH), and thiobenzamide (C 6 H 5 CSNH 2 ), and
(B) Sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ), potassium thiosulfate (K 2 S 2 O 3 ), sodium sulfite (Na 2 SO 3 ), sodium hydrogen sulfite (NaHSO 3 ), sodium disulfite (Na 2 S 2 O 5 ) and sodium sulfide (Na 2 S)
The CBD solution for a CZTS-based semiconductor according to claim 1, which is any one or more selected from the group consisting of:
(a)アンモニア水、
(b)シアン酸化合物、
(c)チオシアン酸化合物、又は、
(d)(a)〜(c)のいずれか2以上の混合物、
である請求項1又は2に記載のCZTS系半導体用CBD溶液。 The sulfide synthesis aid is
(A) ammonia water,
(B) a cyanic acid compound,
(C) a thiocyanic acid compound, or
(D) a mixture of any two or more of (a) to (c),
The CBD solution for CZTS semiconductors according to claim 1 or 2.
前記CdS膜を200℃以下で熱処理する熱処理工程と
を備えたCZTS系半導体用バッファ層の製造方法。 A CBD step of immersing a substrate on which a CZTS-based semiconductor layer is formed in the CBD solution for CZTS-based semiconductor according to any one of claims 1 to 4 to form a CdS film on a surface of the CZTS-based semiconductor layer;
A method of manufacturing a buffer layer for a CZTS semiconductor, comprising a heat treatment step of heat treating the CdS film at 200 ° C. or lower.
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