JP2013136481A - Czts系化合物半導体及び光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のCZTS系化合物半導体とはバンドギャップが異なるCZTS系化合物半導体及びこれを用いた光電変換素子を提供する。
【解決手段】Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snの合計モル数に占めるCuのモル数の割合よりも、Cuのモル数の割合が大きいCZTS系化合物半導体とし、該CZTS系化合物半導体を用いた光電変換素子とする。
【選択図】図1
【解決手段】Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snの合計モル数に占めるCuのモル数の割合よりも、Cuのモル数の割合が大きいCZTS系化合物半導体とし、該CZTS系化合物半導体を用いた光電変換素子とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、CZTS系化合物半導体及びこれを用いた光電変換素子に関する。
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、地球温暖化を抑制するエネルギー源として期待されており、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のpn接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。このほか、近年では、シリコンに依存しない薄膜太陽電池等についても、盛んに研究が進められている。
CZTS系薄膜太陽電池は、シリコンの代わりにCu、Zn、Sn、及び、S(以下において、「CZTS系材料」ということがある。また、以下において、CZTS系材料を用いた化合物半導体を「CZTS系化合物半導体」という。)を光吸収層に使用する太陽電池である。これらは入手しやすく安価であるため、薄膜太陽電池の光吸収層の材料として有望視されている。
CZTS系薄膜太陽電池に関する技術として、例えば特許文献1には、Cu、Zn、Sn、及びSを含み、Na及びOを含む物質を含まない硫化物系化合物半導体、及び、該硫化物系化合物半導体を光吸収層に用いた光電素子が開示されている。
特許文献1に開示されているような、従来のCu2ZnSnS4(以下において、「CZTS」ということがある。)は、バンドギャップが1.45eV程度である。CZTS系薄膜太陽電池の変換効率を高めるためには、太陽光の広い波長を吸収して発電することが望まれるが、これまでに発見されているCu2ZnSnS4の組成材料だけでは、単一のバンドギャップを有するのみであるため、太陽光の吸収域が制限される。太陽光の広い波長を吸収可能なCZTS系薄膜太陽電池を開発するには、バンドギャップが異なる複数のCZTS系材料を積層した、いわゆる多接合型太陽電池セルを構成することが有効と考えられる。しかしながら、CZTS系材料におけるバンドギャップの変更・調整方法はこれまでに見出されておらず、CZTS系材料のバンドギャップの変更・調整方法が確立してなかったため、多接合型のCZTS系薄膜太陽電池セルを構成することはできなかった。
そこで本発明は、従来のCZTS系化合物半導体とはバンドギャップが異なるCZTS系化合物半導体及びそのようなCZTS系化合物半導体を用いた光電変換素子を提供することを課題とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、CZTS系化合物半導体を構成するCu、Zn、及び、Snの比率を、従来のCu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snの比率とは異なる比率とすることにより、従来のCZTSとはバンドギャップが異なるCZTS系化合物半導体が得られることを知見した。より具体的には、従来のCZTSよりも(1)Cuの含有比率を増大させて価電子帯上端(VBM)を上昇させる、(2)Snの含有比率を低減させて伝導帯下端(CBM)を低下させる、(3)Znのイオン半径よりも大きいイオン半径を有する2価イオン(例えばCa、Sr、Ba等)でZnの一部を置換させる、ことにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になることを知見した。また、従来のCZTSよりも(4)Cuの含有比率を低減させて価電子帯上端(VBM)を低下させる、(5)Snの含有比率を増大させて伝導帯下端(CBM)を上昇させる、(6)Znのイオン半径よりも小さいイオン半径を有する2価イオン(例えばMg、Be等)でZnの一部を置換させる、ことにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になることを知見した。本発明は、これらの知見に基づいて完成させた。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第1の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合が大きい、CZTS系化合物半導体である。Cuのモル数の割合を大きくすることにより、価電子帯上端(VBM)を上昇させることが可能になるので、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第1の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合が大きい、CZTS系化合物半導体である。Cuのモル数の割合を大きくすることにより、価電子帯上端(VBM)を上昇させることが可能になるので、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
また、上記本発明の第1の態様において、さらに、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合を小さくしても良い。かかる形態であっても、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第2の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合が小さい、CZTS系化合物半導体である。Znのモル数の割合を小さくして、例えばCu及びSnのモル数の割合を大きくすることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第3の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合が小さい、CZTS系化合物半導体である。Snのモル数の割合を小さくすることにより、伝導帯下端(CBM)を低下させることが可能になるので、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第4の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するZnの一部が、Znのイオン半径よりも大きいイオン半径を有する2価イオンになる元素(例えば、Ca、Sr、Ba等)で置換されている、CZTS系化合物半導体である。Znの一部をCa、Sr、Ba等で置換することにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第5の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合が小さい、CZTS系化合物半導体である。Cuのモル数の割合を小さくすることにより、価電子帯上端(VBM)を低下させることが可能になるので、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
また、上記本発明の第5の態様において、さらに、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合を大きくすることが好ましい。かかる形態とすることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体を得やすくなる。
本発明の第6の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合が大きい、CZTS系化合物半導体である。Snのモル数の割合を大きくすることにより、伝導帯下端(CBM)を上昇させることが可能になるので、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第7の態様は、Cu2ZnSnS4を構成するZnの一部が、Znのイオン半径よりも小さいイオン半径を有する2価イオンになる元素(例えば、Mg、Be等)で置換されている、CZTS系化合物半導体である。Znの一部をMg、Be等で置換することにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体を得ることが可能になる。
本発明の第8の態様は、バンドギャップが異なる複数のCZTS系化合物半導体が用いられ、該複数のCZTS系化合物半導体に、上記本発明の第1の態様乃至上記本発明の第7の態様にかかるCZTS系化合物半導体が含まれている、光電変換素子である。かかる形態とすることにより、バンドギャップが異なる複数のCZTS系材料を積層した、多接合型太陽電池セルを構成することが可能になるので、太陽光の広い波長を吸収可能な光電変換素子を提供することが可能になる。
本発明によれば、従来のCZTS系化合物半導体とはバンドギャップが異なるCZTS系化合物半導体及びその製造方法、並びに、そのようなCZTS系化合物半導体を用いた光電変換素子及びその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。
図1は、本発明の概念を説明する図である。上述のように、本発明では、例えば、従来のCZTSよりもCuの含有比率を増大させて価電子帯上端(VBM)を上昇させることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体にする。このようなCZTS系化合物半導体は、例えば、図1にαで示した領域にすることによって得ることが可能である。
また、本発明では、例えば、従来のCZTSよりもSnの含有比率を低減させて伝導帯下端(CBM)を低下させることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体にする。このようなCZTS系化合物半導体は、例えば、図1にβで示した領域にすることによって得ることが可能である。
また、本発明では、例えば、Znのイオン半径よりも大きいイオン半径を有する2価イオン(例えばCa、Sr、Ba等)でZnの一部を置換させることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを低減させたCZTS系化合物半導体を得る。このような形態とすることによってCZTS系化合物半導体のバンドギャップを低減させることが可能になるのは、格子定数が大きくなるからである。
このほか、本発明では、例えば、従来のCZTSよりもCuの含有比率を低減させて価電子帯上端(VBM)を低下させることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体にする。このようなCZTS系化合物半導体は、例えば、図1にγで示した領域にすることによって得ることが可能である。
また、本発明では、例えば、従来のCZTSよりもSnの含有比率を増大させて伝導帯下端(CBM)を上昇させることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体にする。このようなCZTS系化合物半導体は、例えば、図1にγで示した領域にすることによって得ることが可能である。
また、本発明では、例えば、Znのイオン半径よりも小さいイオン半径を有する2価イオン(例えばMg、Be等)でZnの一部を置換させることにより、従来のCZTSよりもバンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体を得る。このような形態とすることによってCZTS系化合物半導体のバンドギャップを増大させることが可能になるのは、格子定数が小さくなるからである。
図1にα、β、γで示した領域には、それぞれ、原料として用いるCu2S、ZnS、及び、SnS2の混合比率を適宜調整することによって到達することができる。従来のCZTSとはバンドギャップが異なる本発明のCZTS系化合物半導体は、例えば、混合比率を調整したCu2S、ZnS、及び、SnS2を用いて製造することができる。これらの原料を用いてCZTSを合成する方法は特に限定されず、例えば、金属プレカーサをスパッタ成膜した後にH2Sガス中で硫化する方法や、硫化物粉末を溶剤で溶かして印刷し成膜した後に焼成しH2Sガス中で硫化する方法や、硫化物粉末を混合した後に熱処理により合成して印刷した後に焼成しH2Sガス中で硫化する方法や、化学液相合成法によりCZTS粒子を合成した後に印刷し焼成してH2Sガス中で硫化する方法等を挙げることができる。
本発明によれば、CZTS系の同種の元素からバンドギャップを変化させられるので、作製プロセスにおいて同様の操作(温度や取り扱い方法等)を用いて、バンドギャップが異なる複数のCZTS系化合物半導体を作製することができる。それゆえ、性能が安定している光電変換素子を低コストで製造することが可能になる。
以下に、実施例及び比較例を示して本発明についてさらに具体的に説明する。
1.CZTS系化合物半導体の作製
Cu2S(高純度化学社製)、ZnS(高純度化学社製)、及び、SnS2(高純度化学社製)の各粉末を所定量計量してボールミルに投入した。続いて、エタノールを50vol%投入し、24時間に亘って混合した後、120℃にて10時間に亘って乾燥することにより粉末を得た。
得られた粉末をガラス管に投入し、真空引きを行った後に窒素置換し、ガラス管を加熱して封印することによりガラスカプセルを作製した。
次いで、作製したガラスカプセルを電気炉(ヤマト社製)に入れ、700℃で5時間に亘って熱処理をすることにより、合成粉末を作製した。
Cu2S、ZnS、及び、SnS2の合計量を1とした場合の、Cu2S、ZnS、及び、SnS2の混合比率を表1に示す。表1におけるCu2S、ZnS、及び、SnS2の混合比率は、小数第三位を四捨五入して示しており、便宜上、Cu比率(Cu、Zn、Snの合計に占めるCuの割合)、Zn比率(Cu、Zn、Snの合計に占めるZnの割合)、及び、Sn比率(Cu、Zn、Snの合計に占めるSnの割合)は、少数第四位を四捨五入して示している。また、各合成粉末の原料の混合比率を図2に併せて示す。
Cu2S(高純度化学社製)、ZnS(高純度化学社製)、及び、SnS2(高純度化学社製)の各粉末を所定量計量してボールミルに投入した。続いて、エタノールを50vol%投入し、24時間に亘って混合した後、120℃にて10時間に亘って乾燥することにより粉末を得た。
得られた粉末をガラス管に投入し、真空引きを行った後に窒素置換し、ガラス管を加熱して封印することによりガラスカプセルを作製した。
次いで、作製したガラスカプセルを電気炉(ヤマト社製)に入れ、700℃で5時間に亘って熱処理をすることにより、合成粉末を作製した。
Cu2S、ZnS、及び、SnS2の合計量を1とした場合の、Cu2S、ZnS、及び、SnS2の混合比率を表1に示す。表1におけるCu2S、ZnS、及び、SnS2の混合比率は、小数第三位を四捨五入して示しており、便宜上、Cu比率(Cu、Zn、Snの合計に占めるCuの割合)、Zn比率(Cu、Zn、Snの合計に占めるZnの割合)、及び、Sn比率(Cu、Zn、Snの合計に占めるSnの割合)は、少数第四位を四捨五入して示している。また、各合成粉末の原料の混合比率を図2に併せて示す。
2.X線回折測定
粉末X線回折装置(RINT2000、理学電機社製)を用いたX線回折測定を行うことにより、作製した各合成粉末が単一組成であることを確認した。標準サンプル、サンプルNo.1−4、及び、サンプルNo.2−3の各合成粉末のX線回折結果を図3に示す。図3の紙面上側から順に、標準サンプルの結果、サンプルNo.1−4の結果、及び、サンプルNo.2−3の結果である。また、標準サンプル及びサンプルNo.3−3の各合成粉末のX線回折結果を図4に示す。図4の紙面上側から順に、標準サンプルの結果、及び、サンプルNo.3−3の結果である。図3及び図4の縦軸は強度[arb.unit]であり、横軸は2θ[deg]である。
粉末X線回折装置(RINT2000、理学電機社製)を用いたX線回折測定を行うことにより、作製した各合成粉末が単一組成であることを確認した。標準サンプル、サンプルNo.1−4、及び、サンプルNo.2−3の各合成粉末のX線回折結果を図3に示す。図3の紙面上側から順に、標準サンプルの結果、サンプルNo.1−4の結果、及び、サンプルNo.2−3の結果である。また、標準サンプル及びサンプルNo.3−3の各合成粉末のX線回折結果を図4に示す。図4の紙面上側から順に、標準サンプルの結果、及び、サンプルNo.3−3の結果である。図3及び図4の縦軸は強度[arb.unit]であり、横軸は2θ[deg]である。
3.光学特性測定
紫外可視近赤外分光光度計(LAMBDA950、パーキンエルマー社製)を用いた光学特性測定を行うことにより、作製した各合成粉末のバンドギャップを特定した。特定したバンドギャップ(Eg[eV])を表1に示す。表1におけるバンドギャップEg[eV]は、少数第三位を四捨五入して示している。また、標準サンプル、サンプルNo.1−4、及び、サンプルNo.2−3の各合成粉末の光学特性測定結果を図5に、標準サンプル及びサンプルNo.3−3の各合成粉末の光学特性測定結果を図6に、それぞれ示す。図5及び図6の縦軸はKubelka-Munkの式により変換した光の強度KM[a.u.]、横軸は波長[nm]である。
紫外可視近赤外分光光度計(LAMBDA950、パーキンエルマー社製)を用いた光学特性測定を行うことにより、作製した各合成粉末のバンドギャップを特定した。特定したバンドギャップ(Eg[eV])を表1に示す。表1におけるバンドギャップEg[eV]は、少数第三位を四捨五入して示している。また、標準サンプル、サンプルNo.1−4、及び、サンプルNo.2−3の各合成粉末の光学特性測定結果を図5に、標準サンプル及びサンプルNo.3−3の各合成粉末の光学特性測定結果を図6に、それぞれ示す。図5及び図6の縦軸はKubelka-Munkの式により変換した光の強度KM[a.u.]、横軸は波長[nm]である。
4.結果
図3及び図4に示したように、作製した全ての合成粉末はピークの位置が揃っており、CZTS単一組成であった。また、図5及び図6に示したように、それぞれの合成粉末は異なる光学特性を示した。これは、表1に示したように各合成粉末のバンドギャップが異なっているためと考えられる。
図3及び図4に示したように、作製した全ての合成粉末はピークの位置が揃っており、CZTS単一組成であった。また、図5及び図6に示したように、それぞれの合成粉末は異なる光学特性を示した。これは、表1に示したように各合成粉末のバンドギャップが異なっているためと考えられる。
表1及び図2と図1との比較より、図1にαで示した領域とすることにより、バンドギャップを大きく低減したCZTS系化合物半導体(バンドギャップ:1.09eV〜1.14eV)が得られることが分かった。また、図1にβで示した領域とすることにより、バンドギャップを低減したCZTS系化合物半導体(バンドギャップ:1.3eV〜1.4eV)が得られることが分かった。また、図1にγで示した領域とすることにより、バンドギャップを増大させたCZTS系化合物半導体(バンドギャップ:1.50eV〜1.71eV)が得られることが分かった。
以上より、本発明によれば、従来のCZTS系化合物半導体とはバンドギャップが異なるCZTS系化合物半導体を提供できる。また、このようなCZTS系化合物半導体を用いることにより、バンドギャップが異なる複数のCZTS系材料を積層した多接合型太陽電池セルを構成することが可能になるので、本発明によれば、変換効率を高めた光電変換素子を提供することも可能になる。
Claims (10)
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合が大きい、CZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合が小さい、請求項1に記載のCZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるZnのモル数の割合が小さい、CZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合が小さい、CZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するZnの一部が、Znのイオン半径よりも大きいイオン半径を有する2価イオンになる元素で置換されている、CZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるCuのモル数の割合が小さい、CZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合が大きい、請求項6に記載のCZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するCu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合よりも、Cu、Zn、及び、Snのモル数の合計に占めるSnのモル数の割合が大きい、CZTS系化合物半導体。
- Cu2ZnSnS4を構成するZnの一部が、Znのイオン半径よりも小さいイオン半径を有する2価イオンになる元素で置換されている、CZTS系化合物半導体。
- バンドギャップが異なる複数のCZTS系化合物半導体が用いられ、該複数のCZTS系化合物半導体に、請求項1〜9のいずれか1項に記載のCZTS系化合物半導体が含まれている、光電変換素子。
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