(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属カルコゲナイドナノ粒子および揮発性キャップ剤を含み、前記金属カルコゲナイドナノ粒子の金属組成比がＣｕ1.10Ｉｎ0.68Ｇａ0.23Ｓｅ2であり、前記金属カルコゲナイドナノ粒子が１０〜３０ｎｍの平均粒子径を有し、前記揮発性キャップ剤が、メタノール、アセトニトリルまたはピリジンであることを特徴とする非水系コロイド縣濁液。
【請求項２】
金属カルコゲナイドナノ粒子の非水系コロイド縣濁液の製造方法であって、
（ａ）金属塩をカルコゲナイド塩と反応させて金属カルコゲナイドナノ粒子を形成させる工程；および
（ｂ）金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合して非水系コロイド縣濁液を形成させる工程を含み、前記金属カルコゲナイドナノ粒子の金属組成比がＣｕ1.10Ｉｎ0.68Ｇａ0.23Ｓｅ2であり、前記金属カルコゲナイドナノ粒子が、１０〜３０ｎｍの平均粒子径を有し、前記揮発性キャップ剤が、アセトニトリルまたはピリジンであることを特徴とする方法。
【請求項３】
金属塩が、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属リン酸塩、錯体金属塩、金属アルコラート、金属フェノラート、金属炭酸塩、カルボン酸金属塩および金属有機化合物からなる群から選らばれた請求項２記載の方法。
【請求項４】
金属塩が金属ヨウ化物である請求項２記載の方法。
【請求項５】
カルコゲナイド塩がアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含む請求項２記載の方法。
【請求項６】
カルコゲナイド塩がナトリウムを含む請求項２記載の方法。
【請求項７】
金属塩を金属塩とカルコゲナイド塩を反応させる有機溶媒中でカルコゲナイド塩と反応させて金属カルコゲナイドナノ粒子および可溶性副生成物を形成させる工程を含む請求項２記載の方法。
【請求項８】
金属塩とカルコゲナイド塩を反応させる有機溶媒が、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ブトキシエタノール、酢酸エチル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサンおよびトルエンからなる群から選ばれた請求項７記載の方法。
【請求項９】
金属塩とカルコゲナイド塩を反応させる有機溶媒がメタノールである請求項７記載の方法。
【請求項１０】
金属カルコゲナイドナノ粒子を可溶性副生成物から分離したのちに金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合する工程を含む請求項７記載の方法。
【請求項１１】
金属カルコゲナイドナノ粒子を分離する工程が、さらに、
（ａ）金属カルコゲナイドナノ粒子および可溶性副生成物の混合物を音波処理する工程；および
（ｂ）工程（ａ）で得られた混合物を遠心分離して金属カルコゲナイドナノ粒子と可溶性副生成物を含む上清とのスラリーを形成する工程を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
金属カルコゲナイドナノ粒子のスラリーから上清をデカントする工程を含む請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合する工程が、金属カルコゲナイドナノ粒子と揮発性キャップ剤との混合物を音波処理する工程を含む請求項２記載の方法。
【請求項１４】
金属カルコゲナイドナノ粒子の非水系コロイド縣濁液の製造方法であって、
（ａ）メタノール、アセトニトリルまたはピリジンである揮発性キャップ剤を含む非水媒体中で金属塩をカルコゲナイド塩と反応させて金属カルコゲナイドナノ粒子および可溶性副生成物を形成する工程；
（ｂ）金属カルコゲナイドナノ粒子を可溶性副生成物から分離する工程；および
（ｃ）金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合して非水系コロイド縣濁液を形成する工程を含み、前記金属カルコゲナイドナノ粒子の金属組成比がＣｕ1.10Ｉｎ0.68Ｇａ0.23Ｓｅ2であり、前記金属カルコゲナイドナノ粒子が、１０〜３０ｎｍの平均粒子径を有し、前記揮発性キャップ剤が、メタノール、アセトニトリルまたはピリジンであることを特徴とする方法。
【請求項１５】
金属カルコゲナイドナノ粒子を分離する工程が、さらに、
（ａ）金属カルコゲナイドナノ粒子と可溶性副生成物との混合物を音波処理する工程；および
（ｂ）工程（ａ）で得られた混合物を遠心分離して金属カルコゲナイドナノ粒子と可溶性副生成物を含む上清とのスラリーを形成する工程を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
上清を金属カルコゲナイドナノ粒子のスラリーからデカントする工程を含む請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
金属塩が、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属リン酸塩、錯体金属塩、金属アルコラート、金属フェノラート、金属炭酸塩、カルボン酸金属塩および金属有機化合物からなる群から選択された請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
金属塩が金属ヨウ化物である請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
カルコゲナイド塩がアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含む請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
カルコゲナイド塩がナトリウムを含む請求項１４記載の方法。
【請求項２１】
非水媒体が、さらに、金属塩とカルコゲナイド塩を反応させる有機溶媒を含む請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
金属塩とカルコゲナイド塩を反応させる有機溶媒が、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ブトキシエタノール、酢酸エチル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサンおよびトルエンからなる群から選択された請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
金属塩とカルコゲナイド塩を反応させる有機溶媒がメタノールである請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合する工程が、金属カルコゲナイドナノ粒子と揮発性キャップ剤との混合物を音波処理する工程を含む請求項１４記載の方法。
【請求項２５】
金属カルコゲナイド半導体材料の膜を基体表面に形成する方法であって、
（ａ）金属カルコゲナイドナノ粒子と揮発性キャップ剤とを含むコロイド縣濁液を製造する工程；および
（ｂ）工程（ａ）で得たコロイド縣濁液を基体表面上に析出させる工程を含み、前記金属カルコゲナイドナノ粒子の金属組成比がＣｕ1.10Ｉｎ0.68Ｇａ0.23Ｓｅ2であり、前記金属カルコゲナイドナノ粒子が、１０〜３０ｎｍの平均粒子径を有し、前記揮発性キャップ剤が、メタノール、アセトニトリルまたはピリジンであることを特徴とする方法。
【請求項２６】
コロイド縣濁液を析出させる工程が、さらに、基体を充分な温度に加熱して金属カルコゲナイドナノ粒子を溶融させて連続金属カルコゲナイド膜を製造する工程を含む請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
コロイド縣濁液を基体表面上にスプレー析出させる請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
温度が約３００℃未満である請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
温度が約２７０℃未満である請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
温度が約２４０℃未満である請求項２６記載の方法。
【請求項３１】
基体がソーダ−ライムガラスである請求項２５記載の方法。
【請求項３２】
表面が平滑な金属層または透明な導電性酸化物である請求項２５記載の方法。
【請求項３３】
請求項２５記載の方法で製造される金属カルコゲナイド材料の膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本特許出願は、１９９５年９月２９日に提出された米国特許出願第０８／５３６，３４８号（発明の名称「半導体薄膜の製造」）と同じく１９９５年９月２９日に提出された米国特許出願第０８／５３５，９８１号（発明の名称「半導体ナノ粒子コロイド」）に続くものである。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、一般的に半導体ナノ粒子のコロイド懸濁液の製造、および、とくに混合金属カルコゲナイドナノ粒子のコロイド懸濁液の製造、ならびに、混合金属カルコゲナイド前駆体膜のスプレー析出に関する。
【０００３】
［背景技術］
幅広くきわめて多くの用途で用いられる光起電力装置は、近年、多くの学問的、商業的な関心を生んだ。光起電力装置（太陽電池）は、半導体の特有の電子的性質を利用して、太陽の可視および近可視光エネルギーを使用可能な電気エネルギーに変換する。この変換は、いくつかの価電子を放出し、その結果として電子正孔対を発生させる半導体材料中の放射エネルギーを吸収することによって起こる。半導体材料中で電子正孔対を発生させるのに必要なエネルギーは、バンドギャップエネルギーと呼ばれ、一般に、それは原子価帯から伝導帯まで電子を励起するのに必要な最小のエネルギーである。
【０００４】
金属と第１６族元素（一般的にカルコゲンと称される）からなる半導体材料は、光起電力用に用いられる材料として有力な候補となっている。これは、これらの化合物（金属カルコゲナイド）が地球上の太陽スペクトルとうまく適合する光学的バンドギャップ値を有しているからである。銅−インジウム−２セレン（ＣｕＩｎＳｅ2）、銅−ガリウム−２セレン（ＣｕＧａＳｅ2）および銅−インジウム−ガリウム−２セレン（ＣｕＩｎ1-xＧａxＳｅ2）のような混合金属カルコゲナイド半導体（これらすべては、しばしば一般的にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2と表わされる）は、太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高いので、光起電力機器用に向けて強い関心がもたれている。セレンはイオウ（Ｓ）によっても置換することが可能であり（現に時々用いられている）、このためにこの化合物はこれらすべての可能性のある組み合わせを包括して、さらに一般的にはＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）2とも表わされる。混合金属カルコゲナイドを、通常、異なった伝導率型の２番目の半導体材料と結合して、高効率のヘテロ接合光電池を製造する。混合金属カルコゲナイド半導体材料の変換効率が、有効面積の１７％を超え、総面積の１７％に近づくことが示され、現在の最新技術の太陽電池技術としてはかなり高い。トゥテル，ジェイ．アール．（Tuttle, J. R.）ら マテリアル  リサーチ  ソサエティ  シンポ．プロセ．（Mat. Res. Soc. Symp. Proc.）(1996)426:143-151を参照。
【０００５】
ティー．シゼク（T. Cizec）が有する米国特許第４，６５２．３３２号明細書に記載されているような単結晶ＣｕＩｎＳｅ2の成長に関する研究が行なわれているあいだ、多結晶薄膜を使用することはさらに実用的なことである。ケース（Case）らが有する米国特許第４，８１８．３５７号明細書には、多層構造のようにスッパタ方法の条件を変えることによって製造される三元単相ＣｕＩｎＳｅ2層のスパッタ蒸着法および薄膜の特性を決める能力について記載されている。しかしながら、選択できる２つの製造方法はつぎに示すとおりである：（１）チェン（Chen）らが有する米国特許第５，１４１，５６４号明細書に示されており、一般的に研究用に用いられる構成元素の物理蒸着；（２）Ｈ2ＳｅまたはＳｅ蒸気によってＣｕ／Ｉｎ金属前駆体をセレン化する。一般的にエルマー（Ermer）らが有する米国特許第４，７９８，６６０号明細書、ポラック（Pollack）らの米国特許第４，９１５，７４５号明細書およびエバースペイチャー（Eberspacher）らの米国特許第５，０４５，４０９号明細書に記載されているセレン化技術は、現在、製造方法として好んで用いられている。しかしながら、セレン化方法は通常、目視できる程度の不均一性が生ずるという欠点を有し、これが特性と歩留りを低下させ、製造バッチ間で一貫した性能を再現性よく得ることを困難し、予断を許さない状況を引き起こす。したがって、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）2材料を用いて製造を行なうことはいまだに難しい状況であり、とくにスケールアップの際にはなおさらである。
【０００６】
トゥテル（Tuttle）の有する米国特許第５，３５６，８３９号明細書、ノウフィ（Noufi）らの有する米国特許第５，４４１，８９７号明細書、アルビン（Albin）らの米国特許第５，４３６，２０４号明細書には、気相再結晶法を用いた高品質Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）2薄膜を製造するための方法が述べられている。それぞれが、現在の用途の譲受人に譲渡されているところのこれら特許に記載される製造方法によって、特性と歩留りの向上、加えて従来の方法に比べて優れた再現性と一貫した品質を得ることができる。たとえば、米国特許第５，３５６，８３９号明細書には、まずＣｕリッチで相分離した基体上のＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）：ＣｕxＳｅを含む混合物を形成し、つぎにこれをＩｎおよび／またはＧａ（いずれもＩｎおよび／またはＧａ蒸気、または固体の（Ｉｎ，Ｇａy）Ｓｅz）に曝すことによって、余剰のＣｕxＳｅをＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅに転換することによるＣｕw（Ｉｎ，Ｇａy）Ｓｅz薄膜の製造方法が記載されている。このようにして得られたＣｕw（Ｉｎ，Ｇａy）Ｓｅzの特性は、温度によって制御することができる。５００℃〜６００℃のような高温で処理した場合、ほとんど組成比に近いＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2が得られるのに対して、３００℃〜４００℃のような比較的低温で処理した場合には、Ｃｕ2（Ｉｎ，Ｇａ）4Ｓｅ7のような、よりＣｕ含有量の少ない化合物が生成する。米国特許第５，４４１，８９７号明細書と第５，４３６，２０４号明細書には、再結晶方法のさらなる改良について記載されている。
【０００７】
セレンと硫黄に加えて、別のカルコゲンであるテルル（Ｔｅ）は、カドミウム（Ｃｄ）や水銀（Ｈｇ）のような第１２族の金属と組み合わせて、薄膜太陽電池の半導体材料の構成成分として用いられてきた。ＣｄＴｅを製造するための１つの一般的な方法は、塩化カドミウムと酸化テルルの水溶液を約４２５℃〜５００℃に保った基体上に析出させることによるスプレーパイロリシス法である。Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）2化合物のようなＴｅ系の材料は、通常、硫化カドミウム（ＣｄＳ）のような異なった伝導型の第２の半導体材料と結合する。
【０００８】
上記の金属カルコゲナイド半導体薄膜では比較的高い変換効率が得られるが、これら薄膜の商業的利用にはいくつかの問題がある。前記のように、セレン化によって作られた薄膜は、通常、目視できるほどの不均一性があるという問題点があり、これによって機器の性能が影響を受ける。そのうえ、カルコゲナイド系の半導体薄膜の生成には、通常、高真空と複雑な化学反応、多段処理工程で製品歩留りの低い比較的手の込んだ高価な合成方法が必要とされる。商業的に役立つように、 金属カルコゲナイド薄膜は経済的な大量生産法として扱いやすいものでなければならない。一般に、安価で、高品質的で高能率的な薄膜太陽電池が開発されるときにのみ、カルコゲナイド系材料を使用する大規模な地球的光起電力発電が経済性を有するようになるとされている。しかしながら、現在のカルコゲナイド系薄膜の主要な欠点は、前駆体膜を付ける際に高真空と高い製造温度が必要とされることである。高真空が初期費用の額を押し上げるのに対して、高い製造温度は、エネルギーコストをかなり上昇させ、下層、基体および他の関連する構成物に厳しい熱的条件を与えることになる。
【０００９】
半導体前駆体膜の高い析出温度を下げる１つの方法は、分子性結晶のサイズを下げることによって半導体物質の融点を下げることである。ナノメートルサイズの金属と分子クラスターの融点の低下は、多くの研究とシミュレーションの焦点となっていた。（たとえば、ピーエッチ．バファト（Ph. Buffat）およびジェイ．ピー．ボレル（J. P. Borel）,フィジカル  レビュー  エイ（Phys, Rev. A）(1976)13:2287;エム．ワイ．ハーン（M. Y. Hahn）およびアール．エル．ウェッテン（R. L. Whetten）,フィジカル  レビュー  レター（Phys. Rev. Lett.）(1988)61:1190;およびアール  エス  ベリー（R. S. Berry）ら,フィジカル  レビュー  エイ（Phys. Rev. A）(1984)30:919を参照）第II族〜第VI族と第III族〜第Ｖ族の材料、たとえばＣｄＳおよびＧａＡｓにおいて、融点が低下することが示された。（エイ．エヌ．ゴールドステイン（A. N. Goldstein）,シー．エム．エチャー（C. M. Echer）およびエイ．ピー．アリヴィサトス（A. P. Alivisatos）,サイエンス（Science）(1992)256:1425）
融点の低下に加えて、ナノ結晶半導体は量子サイズ効果、サイズ依存性のある化学反応性、光学非線形性や高効率な光電子放出のようなユニークな物理化学的性質を有する。半導体ナノ粒子前駆体を利用する１つの特別な用途は、共に審査中で、共に譲渡されている米国特許出願第０８／５３６，３４８号明細書に記述されており、これはすべて本発明の中に引例として組み込まれている。そこに記述されているように、テルル化カドミウムのような半導体ナノ粒子が基体上に析出する。ここで、ナノ粒子の析出中の基体温度は、従来の析出温度よりかなり低いにもかかわらず、ナノ粒子が同時に融解するのに充分であり、これによって効果的な膜成長が起こる。熱負荷に関連した固有の省エネルギー効果に加えて、析出温度を低下させることは、ソーダ・ライムガラスなどのより低価格の基体を用いることを可能にし、基体の拡散を緩和し、熱応力を緩和する。そのうえ、簡単な一工程、低温の蒸着過程に加えて、引例の出願特許に記載された方法もまた従来の方法で製造された膜に比べて比較的厚い半導体膜を製造することができる。
【００１０】
アリヴィサトス（Alivisatos）らが有する米国特許第５，２６２，３５７号明細書は、とくに「逆ミセル」の方法を使用したコロイド沈降法を用いたナノ結晶製造法について記載している。アリヴィサトスらの方法は有機溶媒存在下での塩の反応、および引き続いて起こるチオ酸のような従来のキャップ剤（cappinng agent）による合成懸濁液の不安定化を含んでいる。従来の半導体材料と違い、半導体ナノ粒子は相互作用する傾向があり、コロイド懸濁液中で凝集する。このために、コロイド懸濁液の分解を防ぐために安定化あるいは「キャップ」されることが必要である。あいにく、従来のキャップ剤は不揮発性であるので、それらは揮発するよりむしろ分解する傾向があり、その結果、かなりの不純（たとえば炭素）を膜中に導入してしまう。そのような不純物は膜の性能にとって必ずしも致命的であるわけではないが、半導体膜の電子的性質を下げる。
【００１１】
本発明者らは、破壊したり膜中に不純物を導入したりする代わりに、分解中に揮発する揮発性キャップ剤（volatile capping agent）を用いて、上述のナノ粒子前駆体に関連した不純物の問題を解決する方法を見出した。安定したナノ粒子コロイド懸濁液を生成するための揮発性キャップ剤を使用することは、米国特許出願第０８／５３５，９８１号明細書に記述されており、これはすべて本発明の中に引例として組み込まれている。そこに記述されるように、揮発性の配位ルイス塩基などの揮発性キャップ剤はナノ粒子沈殿の合成中および／または合成後に添加される。結果として生成する混合物を、濃縮コロイド懸濁液を製造するために音波処理し、遠心分離し、さらにコロイド懸濁液を製造するために追加の揮発性キャップ剤によって希釈する。これを基体上に析出させると、コロイド懸濁液は実質的に炭素フリーの前駆体膜を形成する。
【００１２】
前述のように、混合金属カルコゲナイドに関連した高エネルギーコストに加えて、多くの他の実用的で技術的な制約によって、生産レベルへのスケールアップを妨げてきた。カルコゲン系の膜の大量生産を妨げる１つの複雑さは、膜質の予測と均質性が欠如していることである。どんな半導体前駆体材料においても、再現性のよく均質な膜を得ることは困難であるにもかかわらず、混合金属カルコゲナイドのような多元系を用いる場合、問題はさらに深刻である。装置に適用する品質を有する半導体膜を製造するための工程では、面内および垂直方向に対する高度の組成制御が要求される。あいにく、従来の合成方法の複雑さのために、これらカルコゲナイド材料ではこのような制御を行なうに至っていなかった。そのうえ、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）2化合物でのインジウムとガリウムなどの混合金属カルコゲナイド材料中のいくつかの主要な成分が非常に高価であるのに、現在の過程はこれらの材料をいくらか無駄にしてしまう。
【００１３】
必要とされるものは、基体の上にスプレー析出した際に、高品質な半導体前駆体膜を形成する改良された金属カルコゲナイド材料である。この改良されたカルコゲナイド系材料には、比較的低い融点、効率的な光電子放出、および揮発性キャップ剤を含んださまざまな所望の物理化学的性質を有することが必要とされる。改良された材料は、適当な温度条件のもとでスプレー析出させるのに扱いやすい安定なナノ粒子コロイド懸濁状態を与える。続いてスプレー析出では、金属カルコゲナイドは低価格、高品質な前駆体膜を形成する。また、揮発性のキャップ剤を用いたナノ粒子コロイドを製造するための改善策も必要である。最後に、よりよい品質の混合金属カルコゲナイド膜を、従来から周知の方法に比べてより安定して、より再現性よく生産し、そして材料の使用をより効率的で収益性の高いものにするための製造方法が必要である。改良された方法では、処理中に金属比率の正確な調整をしなくても、所定の膜組成を得ることができる。本発明以前には、そのようなどんな合成物も方法も存在しなかった。
【００１４】
［発明の開示］
これらのことに鑑み、本発明は、全般的に、それが基体に析出する際に、低価格、高品質な半導体前駆体膜を生成する金属カルコゲナイドナノ粒子を含むコロイド懸濁液を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明は、改善された物理化学的性質を有する金属カルコゲナイド組成物に関する。
【００１６】
本発明は、比較的低融点を有する金属カルコゲナイド組成物に関する。
【００１７】
本発明は、揮発性のキャップ剤によって安定化された半導体ナノ粒子によってなる前駆体材料に関する。
【００１８】
本発明は、基体の上に析出する際に、実質的に不純物を含まない膜を生成する金属カルコゲナイド組成物に関する。
【００１９】
本発明は、上述の特性をすべて有する金属カルコゲナイド組成物一般に関する。
【００２０】
本発明は、前記の特性のすべてを有する金属カルコゲナイド組成物の製造方法に関する。
【００２１】
本発明は、揮発性キャップ剤を用いた安定な非水系ナノ粒子コロイド懸濁液の製造に関する。
【００２２】
本発明は、従来から知られている方法に比べて、高品質な混合金属カルコゲナイド膜をさらに安定して再現性よく製造する方法に関する。
【００２３】
本発明は、高品質な混合金属カルコゲナイド膜をさらに安定して製造し、そして材料の使用をより効率的で収益性の高いものにするための製造方法に関する。
【００２４】
本発明は、前駆体コロイドと実質的に同じ化学量論比を有する混合金属カルコゲナイド膜前駆体の析出方法に関する。
【００２５】
本発明は、処理中に金属比率の正確なコントロールを必要とせず、このために大面積の製造や商業規模の量に容易にスケールアップできる高品質な混合金属カルコゲナイド薄膜の製造に関する。
【００２６】
本発明に具体的にかつ広く記述されるように、前述および他の発明の目的を達成して、加えて本発明の目的を包括するために、本発明のコロイド懸濁液は、金属カルコゲナイドナノ粒子と揮発性キャップ剤を含む。金属カルコゲナイドは、たとえば、Ｃｕ（Ｉｎ1-xＧａx）Ｓｅ2、ＣｄＳやＣｄＴｅであることができる。金属は、好ましくは第１１族、第１２族または第１３族の金属、たとえば、銅、インジウム、ガリウムまたはカドミウムである。カルコゲンは、セレニウム、硫黄またはテルルであることができる。揮発性キャップ剤は、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、アセトニトリル、エチルアセテート、メタノール、プロパノール、ブタノール、ピリジン、エタンチオール、テトラヒドロフランおよびジエチルエーテルであることができる。好ましくは、揮発性のキャップ剤は、メタノール、アセトニトリル、またはピリジンである。ナノ粒子は、好ましくは約1〜約１００ｎｍ、さらに好ましくは１０〜３０ｎｍの平均粒子径を有する。
【００２７】
本発明に具体的にかつ広く記述されるように、前述および他の発明の目的を達成し、加えて本発明の目的を包括するために、本発明は、基体上に析出する際に高品質、低価格の前駆体膜を生成する金属カルコゲナイドナノ粒子非水系コロイド懸濁液を製造するための方法を含んでいる。本発明の方法は、金属塩とカルコゲナイド塩の反応によって金属カルコゲナイドナノ粒子を生成する工程、および、金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合し、非水系コロイド懸濁液を形成する工程を含む。金属塩は、金属ハロゲン化物、金属硫化物、金属硝酸塩、金属リン酸塩、錯体金属塩、金属アルコラート、金属フェノラート、金属炭酸塩、カルボン酸金属塩、金属水素化物または金属有機化合物であることができる。好ましくは、金属塩が金属ヨウ化物である。カルコゲナイド塩は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属、たとえばナトリウムを含むことができる。揮発性キャップ剤は、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、アセトニトリル、酢酸エチル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ピリジン、エタンチオール、テトラヒドロフラン、およびジエチルエーテルであることができる。好ましくは、揮発性のキャップ剤は、メタノール、アセトニトリル、またはピリジンである。本方法は、金属塩をカルコゲナイド塩と有機溶媒中で反応させて、金属カルコゲナイドナノ粒子および可溶性副生成物を形成させる工程を含むことができる。有機溶媒は、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ブトキシエタノール、酢酸エチル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキセン、またはトルエンであることができる。好ましくは有機溶媒がメタールである。本方法は、金属カルコゲナイドナノ粒子を可溶性副生成物から分離したのちに、金属カルコゲナイド粒子を揮発性キャップ剤に混合する工程を含むこともできる。本工程は、さらに、金属カルコゲナイドナノ粒子と可溶性副生成物の混合物を音波処理させ、遠心分離して金属カルコゲナイドナノ粒子のスラリーと可溶性副生成物を含む上清を生成する工程を含むことができる。上清は、金属カルコゲナイドナノ粒子のスラリーからデカントすることができる。金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合する工程は、さらに金属カルコゲナイドナノ粒子と揮発性キャップ剤との混合物を音波処理させる工程を含むことができる。
【００２８】
他の実施の形態では、金属カルコゲナイドナノ粒子の非水系コロイド縣濁液の製造方法は、揮発性キャップ剤を含む非水媒体中で金属塩をカルコゲナイド塩と反応させて金属カルコゲナイドナノ粒子と可溶性副生成物を生成させる工程、金属カルコゲナイドナノ粒子を可溶性副生成物から分離する工程、および、金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤と混合して非水系コロイド縣濁液を生成させる工程を含むことができる。金属カルコゲナイドナノ粒子を分離する工程は、金属カルコゲナイドナノ粒子と可溶性副生成物の混合物に音波処理をかける工程、および、混合物を遠心分離して金属カルコゲナイドナノ粒子のスラリーと可溶性の副生成物を包む上清を形成する工程を含むことができる。上清は、金属カルコゲナイドナノ粒子のスラリーからデカントすることができる。非水媒体は、有機溶媒、たとえば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ブトキシエタノール、酢酸エチル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキセンまたはトルエンなどを含むことができる。金属カルコゲナイドナノ粒子を揮発性キャップ剤に混合する工程は、金属カルコゲナイドナノ粒子と揮発性キャップ剤の混合物を音波処理させる工程を含むことができる。
【００２９】
前述および他の目的を達成するために、また、本発明の目的によれば、本発明の他の実施形態は、基体表面で金属カルコゲナイド材料の膜を形成する方法を含む。本方法は、金属カルコゲナイドナノ粒子および揮発性キャップ剤を含むコロイド懸濁液を製造する工程、ならびに、基体表面にコロイド懸濁液を析出させる工程を含む。コロイド懸濁液を析出させる工程は、基体を金属カルコゲナイドナノ粒子の融解が起こるに足る温度まで加熱し、連続した金属カルコゲナイド膜を製造する工程を含むことができる。コロイド懸濁液は、基体表面にスプレー析出してもよい。基体の温度は、好ましくは約３００℃未満、より好ましくは２７０℃未満、最も好ましくは２４０℃未満である。基体は、ソーダ・ライムガラスであることができる。表面は、滑らかな金属層、たとえば、モリブデン層、または透明導電性酸化物の層を含むことができる。
【００３１】
［発明の実施の形態］
本発明は、光電変換装置のための前駆体膜のスプレー析出に用いる金属カルコゲナイドナノ粒子の非水系コロイド懸濁液を提供する。非水系コロイド懸濁液は、金属カルコゲナイド材料および揮発性キャップ剤を含む。本発明は、金属カルコゲナイドナノ粒子の非水系コロイド懸濁液を製造する方法を提供し、本方法は、金属塩をカルコゲナイド塩と有機溶媒中で反応させて金属カルコゲナイドを沈殿させること、金属カルコゲナイドを回収すること、および、金属カルコゲナイドを揮発性のキャップ剤と混合して金属カルコゲナイドナノ粒子のコロイド懸濁液を製造することを含む。結果として得られるコロイド懸濁液を、適当な基体上に析出させることによって、実質的に不純物を含まない半導体前駆体膜を製造する。半導体ナノ粒子のコロイド懸濁液を基体に析出させる方法は、関連する共に審査中の「半導体薄膜の製造」と題せられる米国特許出願第０８／５３６，３４８号明細書に記載されており、これは本発明の中に参考として組み込まれる。
【００３２】
本発明で用いられる用語「金属」は、包括的に周期律表の３族から１３族の元素を示す。したがって、用語「金属」は、広く遷移金属元素、１３族元素およびランタニド元素を示す。本発明で用いるために適した特定の金属は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）および水銀（Ｈｇ）[遷移金属]）；ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）およびタリウム（Ｔｌ）[１３族 元素]；ならびに、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、およびルテチウム（Ｌｕ）[ランタノイド]を含む。好ましい実施の形態においては、金属は、１１〜１３族の元素を含む。とくに好ましい実施の形態では、金属は、銅、インジウム、ガリウム、またはカドミウムである。
【００３３】
本発明の方法で用いる「金属塩」は、ナトリウム塩（たとえばＮａＸ）が金属カルコゲナイドを沈殿させるために用いる有機溶媒に可溶である金属を含むあらゆる化合物であることができる。金属塩に関して言えば、用語「塩」は、ハロゲン化物、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、錯塩、アルコラート、フェノラート、炭酸塩、カルボン酸塩、金属有機化合物などを示す。好ましくは、塩はハロゲン化物である。とくに好ましい実施の形態では、塩がヨウ化物であり、ナトリウム塩はＮａＩである。
【００３４】
本発明においては、用語「カルコゲン」は周期表の１６族の元素を示す。用語「カルコゲナイド」は、少なくとも１つのカルコゲンおよび少なくとも１つ以上の陽電気を帯びた元素またはラジカルを含む二元系または多元系の化合物を示す。好ましくは、カルコゲンが、硫黄、セレニウムまたはテルルであり、「金属カルコゲナイド」が、金属硫化物、金属セレン化物またはそれらの混合物である。
【００３５】
詳細な説明と実施可能性な実施の形態を提供する目的であり、限定の目的ではなく、本説明は「金属カルコゲナイド」および「混合金属カルコゲナイド」に関連する。本文で別であると示していなければ、これらの用語は互換性をもって使用される。しかしながら、本発明は、二元および多元系のシステムを含み、また、単一もしくは混合金属および／または単一もしくは混合カルコゲンを含む金属とカルコゲンのすべての適当な組み合わせを用いて実施することができる。当業者が理解するように、「単一金属」化合物は金属の１つのタイプだけを含む化合物を意味し；「混合金属」化合物は金属の１つを超えるタイプを含む化合物を意味する。同様に、「単一カルコゲナイド」はカルコゲンの１つのタイプだけを含む化合物を意味し；「混合カルコゲナイド」はカルコゲンの１つを超えるタイプを含む化合物を意味する。したがって、たとえば、本発明の金属カルコゲナイド化合物は、以下の一般式にしたがって表わすことができる：
Ｍ1Ｍ2．．．Ｍn（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）
ここで、Ｍ1Ｍ2．．．Ｍnは金属のあらゆる組み合わせであり、また、（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）はＳおよび／またはＳｅおよび／またはＴｅのあらゆる組み合わせである。
【００３６】
本発明の方法で使用する「カルコゲナイド塩」は、カルコゲンを含み、かつ、金属塩と反応して金属カルコゲナイドを形成するあらゆる化合物であることができる。本特許で使用されるように、「カルコゲナイド塩」は、部分的に反応媒体に可溶なカルコゲナイドアニオンの塩であり、とくに限定するものではないが、該当するアニオンのアルカリまたはアルカリ土類金属塩を包含する。好ましくは、塩はＩ族の金属元素を含む。とくに好ましい実施の形態においては、塩はナトリウムを含む。
【００３７】
金属塩とカルコゲナイド塩は、結果として生成する金属カルコゲナイドが反応媒体に不溶性またはわずかに可溶性であるように選択する。したがって、本発明の方法によれば、反応して不溶性またはわずかに可溶性であるカルコゲナイド生成物を生成するあらゆる金属塩およびあらゆるカルコゲナイド塩が有効な試薬である。さらに、本発明の方法で使用される単数または複数の金属塩および単数または複数のカルコゲナイド塩は、個々の化合物としておよび／または２以上の化合物を含む混合物として適用することができる。
【００３８】
簡略化のために、本発明の方法および組成物の記載は、主としてＣｕ（Ｉｎ1-xＧａx）Ｓｅ2−、ＣｄＴｅ−およびＣｄＳ−系の構造に焦点を当てる。しかしながら、あらゆる金属または金属のあらゆる比率の種々の組み合せで、Ｃｕ、Ｉｎ、ＧａおよびＣｄ化合物を置換することができ、また、Ｓ、ＴｅおよびＳｅまたはＳ、ＴｅおよびＳｅの種々の組み合わせでも、これらの方法および組成物において記載されたＳｅ、ＴｅおよびＳ成分を置換することができ、また、このような置換は、本発明の目的と同等である。また、本発明が関連する成分において、ＩｎおよびＧａ、または、Ｓｅ、ＴｅおよびＳのように、いくつかの元素を組み合わせることまたは相互に置換することができる場合、括弧の組み合わせに（Ｉｎ，Ｇａ）または（Ｓｅ，Ｔｅ，Ｓ）のように組み合せることまたは交換することができるそれらの元素を含むことも珍しくない。本明細書の説明では、この便法を使用する場合がある。最後に、便宜性のために、元素は、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、カドミウム（Ｃｄ）、セレニウム（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）などを含む一般的に許容されている化学記号で記載する。
【００３９】
本発明で使用する「揮発性キャップ剤」は、この分野で知られているあらゆるキャップ剤（安定化剤と呼ぶ場合もある）であることができ、分解して膜中に不純物を導入する代わりに、膜の析出の際に放出されるように充分に揮発性であることができる。本特許で使用されるように、用語「揮発性」は、大気圧で約２００℃未満の沸点を有すると定義される。キャップ剤の目的は、ナノ粒子の相互作用とアグロメレーションを防いで、その結果として分散媒体中でのコロイド物質（金属カルコゲナイドナノ粒子）、すなわち、分散相の均一分散を維持することである。本発明で用いるために好適な揮発性キャップ剤は、少なくとも１つの電子対供与基またはそのような電子対供与基に変換することができる基を含む揮発性化合物であることができる。電子対供与基は電気的に中立または陰性であることができ、通常そのような原子およびＯ、ＮまたはＳを含む。電子対供与基には、第一、第二または第三アミン基またはアミド基、ニトリル基、イソニトリル基、シアン酸塩基、イソシアナート基、チオシアン酸塩基、イソチオシアン酸塩基、アジド基、チオ基、チオラート基、スルフィド基、スルフェイン酸塩基、スルホン酸塩基、リン酸塩基、水酸基、アルコラート基、フェノラート基、カルボニル基およびカルボン酸塩基が包含されるが、この例に限定されるものではない。たとえば、電子対供与基に変換することができる基には、カルボン酸、カルボン酸無水物、グリシジル基が包含される。揮発性キャップ剤の具体例には、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、アセトニトリル、酢酸エチル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ピリジン、エタンチオール、テトラヒドロフラン、およびジエチルエーテルが包含されるが、これに限定されない。好ましくは、揮発性キャップ剤は、メタノール、アセトニトリル、またはピリジンである。
【００４０】
本発明で用いる有機溶媒（分散媒体またはとも呼ばれる）は、発明の重要な部分ではなく（金属塩のほとんど部分的でない溶解度のために）、たとえば、アルコール、エーテル、エーテルアルコール、エステル、脂肪族および環式脂肪族炭化水素および芳香族炭化水素を包含する本技術分野で公知のあらゆる有機溶媒であることができる。適当な有機溶媒の具体例には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ブトキシエタノール、酢酸エチル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、およびトルエンが包含されるが、これに限定されない。とくに好ましい実施の形態では、有機溶媒がメタノールである。
【００４１】
コロイド懸濁液中に水が存在すると、不安定性、凝集およびコロイドの分解の原因になることに注意することが重要である。このため、コロイド系の水の付随する量でさえ加えることを避けるようあらゆる努力をするべきである。不安定化とアグロメレーションのメカニズムは完全には理解されておらず、どんな特定の理論にも縛られることを望んではいないが、水が配位子交換でコロイド性の分解を引き起こすと考えられている。とくに、水分子は、非常に強い結合力のために、アセトニトリルおよびメタノールなどのキャップ剤と置換する。その結果である一般的に「水でキャップした」とよばれるコロイドは、本発明の目的に適さない。水粒子の共有結合の相対的な強度のために、「水でキャップした」コロイドは析出しているあいだに酸素不純物を前駆体膜に導入することになり、その結果、半導体膜の電子的性質を下げる。また、「水でキャップした」ナノ粒子は水のキャップの親水性と有機溶媒の疎水性の結果としてコロイドから沈殿する。
【００４２】
当業者によって認知されるように、特別な方法および装置を使用して、水フリーまたは非水系のコロイド系にすることができる。たとえば、標準の溶媒蒸留を有機相に存在する水および他の不純物を除去することによって、有機溶媒を「無水」状態にするために使用することができる。溶媒蒸留は、標準的で周知の技術である。たとえば、ゴードン，エイ．ジェイ．（Gordon, A. J.）およびアール．エイ．フォード（R. A. Ford）,ザ  ケミスツ  コンパニオン（The Chemist's Companion）(ジョン  ウィレイ  アンド  サンズ（Jhon Wiley & Sons）,ニューヨーク（NY）, 1972) p434を参照のこと。さらに、シュレンク（Schlenk）真空配管および側部に腕のついた丸底フラスコのようないわゆる「シュレンク（Schlenk）」と呼ばれる方法と装置は、有機金属系合成反応で空気に敏感で水に敏感な材料を扱うために、不活性雰囲気使用状態を作り出すのにルーチンとして用いられている。たとえばマクナリー，ジェイ．ピー（McNally,J. P.）ら 「空気に敏感な材料を操作するためのカニューラ法（Cannula Techniques for the Manipulation of Air-Sensitive Materials）」、「実験有機金属系化学」の合成および評価の実際（A Practicum in Synthesis and Characterization）,ワイダ，エイ．エル．（Wayda, A. L.）およびエム．ワイ．デレンスボルグ（M. Y. Derensbourg）編集，エシーエス  シンポジウム  シリーズ（ACS Symposium Series）357版,(アメリカン  ケミカル  ソサエティ（American Chemical Society），ワシントン  ディーシー（Washington DC），1987) ページ6-23を参照のこと。やはり、このような技術は周知であり、技術常識である。
【００４３】
本発明の非水系のコロイド懸濁液の製造方法は、有機溶媒中において還元温度で金属塩の化学量論量をカルコゲナイド塩と反応させることによって開始して、金属カルコゲナイドを沈降させる。結果として起こる金属カルコゲナイドと複分解反応の副生成物とのあいだの溶解度が大きく違うために、本反応の２つの最終生成物は、標準的な分離技術を用いて容易に互いを分離させることができる。このような分離方法には、たとえば、混合物の音波処理、これに続く遠心分離が包含される。たとえば、可溶性の副生成物は、カニューレを用いて上清をデカントすることによって除去され、金属カルコゲナイドの単離したスラリーが残る。そして、揮発性キャップ剤を、単離した金属カルコゲナイドに添加して、非水系混合物を製造する。最後に、キャップ剤でナノ粒子の「キャップ」を促進するために十分な時間、混合物を音波処理することによって、安定な金属カルコゲナイドナノ粒子の非水系コロイド懸濁液を形成させる。
【００４４】
前述の複分解反応の反応条件は、本発明にとって臨界的ではない。したがって、金属塩とカルコゲナイド塩との反応は、温和な条件、好ましくは室温以下および大気圧下で実施することができる。反応は、通常数秒から数分以内に完了する。
【００４５】
本発明の第１の実施の形態では、揮発性キャップ剤は、ナノ粒子合成の際の反応混合物に含まれている。本実施の形態では、揮発性キャップ剤の存在下で、金属およびカルコゲナイド塩の化学量論量が、ナノ粒子沈殿を製造するために十分な温度および時間反応する。沈殿を複分解反応の可溶性副生成物から分離したのち、追加の揮発性キャップ剤を混合して非水系混合物を製造する。そののち、この混合物を音波処理および遠心分離して濃縮したコロイド懸濁液を製造する。そののち、濃縮懸濁液を、充分な量の追加の揮発性キャップ剤で希釈して半導体前駆体膜の析出に適したコロイド懸濁液を製造する。
【００４６】
本発明の第２の実施の形態では、複分解反応の完了後に、揮発性キャップ剤を金属カルコゲナイドナノ粒子に添加する。本実施の形態では、金属およびカルコゲナイド塩の化学量論量を非水有機溶媒中で、充分な温度および時間反応させて、ナノ粒子沈殿を製造する。沈殿を、複分解反応の可溶性副産物から分離したのち、揮発性キャップ剤と混合して非水系混合物を製造する。そののち、混合物を音波処理および遠心分離して濃縮コロイド懸濁液を製造する。この濃縮懸濁液を、充分な量の追加の揮発性キャップ剤で希釈して半導体前駆体膜の析出に適したコロイド懸濁液を製造する。
【００４７】
本発明の方法によって製造した金属カルコゲナイドコロイドの安定性は、安定なコロイドであることを示す音波処理および遠心分離したのちの上清の色特性によって証明される。ナノ粒子コロイドは、本来、不安定であることは周知である；液体媒体中のナノ粒子は凝集する傾向があり、コロイドを不安定にする。
【００４８】
金属カルコゲナイドナノ粒子を溶液合成したのち、その安定なコロイド懸濁液を適当な基体上にスプレー析出させ、前駆体膜を形成する。たとえば、基体は、ソーダ−ライムシリカガラスまたはアモルファス７０５９ガラスであることができる。析出は、裸のガラス基体上であることができるが、平滑な金属表面、たとえばモリブデン（Ｍｏ）の１ミクロン（１μｍ）層を含むことが好ましい。半導体ナノ粒子のコロイド懸濁液を基体上に析出させる方法は「半導体薄膜の製造方法」と題された関連する審査中の米国特許出願第０８／５３６，３４８号明細書に記載されている。概略すれば、その方法は、ナノ粒子が実質的に同時に融解（融合）して連続的な薄膜を形成するのに充分な温度に析出中の表面温度（≧３０℃）を保った基体上にコロイド縣濁液をスプレー析出させ、膜の成長を行なうことを含む。コロイド懸濁液のスプレー析出は、ヘリウムなどのキャリヤーガスを使用して雰囲気調整されたスプレーボックス中で行なう。スプレーすることによっていかなる冷却効果が起こっても、析出物中のサセプター（susceptor）の温度は、ナノ粒子の温度が融解を促進するのに足るくらい充分に高くなっている。本発明によれば、ナノ粒子の析出物は、連続性がよく、不純物がなく、純粋な相の膜を成長させることができる。その結果、そのような析出物は連続的に膜を形成しつづけることができるため、あらゆる用途から求められる複数の粒子で構成されるような厚膜を形成することもできる。
【００４９】
前駆体膜を熱処理したのち、金属カルコゲナイド半導体膜を光電変換装置（太陽電池）に組み入れることができる。一般的な太陽電池は、透明な基体（前述したようなソーダ・ライムガラスなど）、背面接点層（たとえばモリブデン）、吸収層（第１の半導体層という）、中間層（たとえばＣｄＳ；これも第２の半導体層という）と上部接点で構成されている。また、太陽電池は上部接点層上の電気的接点または電極パッド、初期において光を半導体材料中に透過させるのを促進するために設ける基体前面の反射防止（ＡＲ）コートを含むことができる。本発明の半導体材料を除いて、太陽電池の要素構成はこの分野ではよく知られており、本発明の必須の構成要素には含まれない。
【００５０】
前述のように、コロイド懸濁液の製造に用いられる金属塩およびカルコゲナイド塩の量は、その用途によって広く変えることができる。一般に、これらの試薬の量は半導体薄膜に求められる組成によって異なる。たとえば、当業者にとって、最もよい電子デバイスの特性（すなわち最もよい変換効率）は銅のモルパーセントがインジウム、ガリウムとほとんど等しいか、インジウムとガリウムの組み合わせがＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2化合物か合金に等しいときに得られると考えられている。充分なセレンを供給して、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2の約５０原子％を含む所望の陰イオン系結晶格子構造を形成する成長条件の場合には、セレン濃度は半導体の電気的特性に対してそれほど重要ではない。
【００５１】
本発明の方法に関連した重要な利点は、製造方法が予測性と再現性が改善され、半導体膜の最終組成までの制御性が格段に向上したことである。前述のように、従来の方法は析出工程での金属比率の正確な検出と操作が要求されており、これによって混合カルコゲナイド半導体膜の大量生産が阻まれるという問題があった。しかしながら、驚くことに、本発明によって製作される混合金属カルコゲナイド膜の金属の化学量論は出発原料の化学量論ときわめて同等である。
【００５２】
実施例１で示すように、Ｃｕ1.10Ｉｎ0.68Ｇａ0.23の金属化学量論を有するＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−ＳｅコロイドからＣｕ1.13Ｉｎ0.64Ｇａ0.23の金属化学両論を有するＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ前駆体膜が製造され、この差異は誘導高周波結合プラズマ原子発光スペクトル（ＩＣＰＡＥＳ）測定の誤差範囲に等しい。このことから、前駆体膜に特定の金属比率（たとえばＣｕxＩｎyＧａz）が求められるとき、この比率は金属塩の相当するモル比（たとえばｘＣｕＩ＋ｙＩｎＩ3＋ｚＧａＩ3）を揮発性キャップ剤中に単純に溶かすことによって得られ、この溶液とカルコゲナイド塩の溶液（たとえば、Ｎａ2Ｓｅメタノール溶液）を反応させ、加熱した基体上にＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅコロイド懸濁液をスプレーする。驚くことに、反応フラスコ中の金属塩の化学量論比と前駆体膜中の金属カルコゲナイド量論比のあいだの違いは検出感度以下である。前駆体膜の化学的組成は、コロイド懸濁液の組成に類似しているので、これから製造される膜の組成は出発の溶液合成を通して容易に制御することができる。本発明ではＣｕ（Ｉｎ1-xＧａx）Ｓｅ2化合物を例として用いているが、本方法は他のどんな金属または金属の組み合わせにおいても、あらゆるカルコゲンまたはカルコゲンの組み合わせ、さらにあらゆる金属とカルコゲンの組み合わせにおいても使用することができる。このとから、本発明の方法は、膜組成の面内の制御を向上させ、それによって従来の方法を超える再現性と製品の歩留りを改善する手法を提供する。さらに、初めの溶液合成の際に、前駆体膜の組成をあらかじめ決めておくため、本発明は厚さ方向の制御性の向上をも可能にする。言い換えれば、スプレー析出中のコロイドの組成を原料タンクを交換するような方法で変更することによって、層毎に膜厚方向の組成を制御することができる。最終的には、制御性と予測性を改善することによるさらなる結果として、本発明は原料をより効率的で費用効率よく利用できるために、従来の製造方法で一般的に存在していた無駄をなくすことによって、追加的な利益をもたらす。
【００５３】
本発明の方法によってもたらされるもう１つの重要な利点は、現在用いられている方法と比べた場合に半導体膜の品質が向上することである。前述のように、半導体ナノ粒子は液体媒体中で相互作用して塊状になる傾向があるで、コロイド系を維持するためにキャップ剤を使用することが必要である。あいにく、従来のキャップ剤は不揮発性で、析出中に分解する傾向があり、膜中に不純物が残る。本発明で使用するキャップ剤は揮発性であるので、それらは分解するよりむしろ放出され、優れた電気的性質を有する実質的に炭素を含まない膜ができる。
【００５４】
本発明の方法のさらなる重要な利点は、半導体材料の溶融温度を下げることである。これによって、従来の方法に比べて低温で膜を製造することができる。熱負荷に関連した固有の省エネルギーが可能であることに加えて、析出温度の低下はソーダ・ライムガラスなどの低価格な基体を使用することを可能にし、基体の拡散を緩和し、熱応力を緩和する。
【００５５】
以下の実施例は、本発明の実施と効果について説明しているが、これをもって本発明を限定するものではない。コロイド懸濁液を合成し、前駆体膜を製造し、その特性を評価するために、当業者に知られているどんな適当な実験室用機器も用いることができる。たとえば、誘導結合高周波プラズマ原子発光スペクトル観測（ＩＣＰＡＥＳ）にはバリアン社によって製造れたバリアンリバティ１５０を用いた；熱重量分析（ＴＧＡ）はティーエーインスツルメンツ社よって製造されたＴＧＡ５１熱重量分析器を用いて行なった；透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）はフィリップス社によって製造されたフィリップスＣＭ３０を使用して行なった；Ｘ線回折（ＸＲＤ）はシンタグ 社によって製造されたシンタグＸ１回折システムを使用して行なった；そして, 走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、ＪＥＯＬ社によって製造されたＪＥＯＬ  ＪＳＭ  ８４０を使用した。
【００５６】
実施例１
Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅナノ粒子コロイドを、つぎに示すように、ＣｕＩ、ＩｎＩおよびＧａＩの混合物をピリジン中でメタノール中のＮａ2Ｓｅと温度を下げながら、不活性雰囲気下で反応させることによって製造した。
【００５７】
【数１】
0004279455.tif 000002
【００５８】
この反応系では、生成物のナノ粒子が不溶であるのに対して、反応副生成物（すなわちＮａＩ）がメタノールに可溶であることが好都合である。化学的処理のあいだに、ＮａＩ塩は、安定なメタノール／ピリジンコロイドを形成して残留しているＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅナノ粒子との製品混合物から除去される。この反応の収率は、溶媒蒸発を経たサンプリングによって求められたところでは、通常９０％を超える。
【００５９】
Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅナノ粒子をさまざまな手法を用いて評価した。窒素気流中でメタノール／ピリジン溶媒を蒸発させることによって得られたＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅコロイドの固体成分の化学構成の決定は、バリアンリバティ１５０を用いたＩＣＰＡＥＳ分析によって求めた。本分析は、この固体を強酸性物質に溶解させる際に、Ｈ2Ｓｅガスの蒸発があることによって分析が複雑になったので、金属組成比のみを分析評価した。ＩＣＰＡＥＳ分析結果は、生成したコロイドの金属組成比がそれぞれの出発原料であるヨウ化物の化学量論の比率に一致することを示した。ナノ粒子のＴＧＡは、白金パンを用いてＴＡインスツルメンツＴＧＡ５１という熱重量分析器を使用した行なった。このとき、昇温速度は１０℃／分でＮ2パージ速度は９０ｍＬ／分とした。固体成分のサンプルで行なわれたＴＧＡ分析から、２つの異なった領域があることが判った。；５０℃から２５０℃で起こる２０重量％の質量減少（速度〜０．１０重量％／℃）と２５０℃から４００℃で起こる１．３重量％の質量減少（速度〜０．０１重量％／℃）である。
【００６０】
ＴＥＭは、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅナノ粒子に対して、フィリップスＣＭ３０を用い、３００ｋＶの加速電圧で行なった。このとき試料製造は、希釈したＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅコロイドを１００Åの非晶質カーボンでコートした２００メッシュのＭｏグリッド上にドラフトチャンバー中でスプレーすることによって行った。
【００６２】
ＸＲＤデータは、シンタグＸＩ回折装置を用いて測定された。コロイドから窒素気流を用いてメタノール／ピリジン溶媒を除去したのちに得られた残りの固体のＸＲＤは幅広い回折パターンとなり、これも非晶質相であることを示した。４００℃まで加熱されたＴＧＡの残渣（上記を参照）は純粋なＣＩＧＳ相構造を示した。粉末回折のための共同委員会、回折データのための国際センター、１２キャンパス  ブールバード（12Cammpus Blvd.）,ニュータウン  スクエア（Newtown Square,）PA19073，Ｎｏ．３５−１１０２（ＣｕＩｎ0.7Ｇａ0.3Ｓｅ2）、Ｎｏ．２９−５７５（Ｃｕ2Ｓｅ）、Ｎｏ．６−６８０（Ｃｕ2-xＳｅ）、Ｎｏ．２０−４９４（β―Ｉｎ2Ｓｅ3）、Ｎｏ．５−７２４（α―Ｇａ2Ｓｅ3）。
【００６３】
２元系金属セレン合金（すなわちＣｕ2Ｓｅ、Ｉｎ2Ｓｅ3およびＧａ2Ｓｅ3）を、以下のような低温複分解によって製造した。
【００６４】
【数２】
0004279455.tif 000003
【００６５】
ＸＲＤおよびＴＥＭ分析の結果によれば、これらの反応から生成するすべての金属セレン化物は、非晶質であった。アルゴン気流中で１００分間、４００℃で加熱することによって、これらのＣｕ−Ｓｅ、Ｉｎ−Ｓｅ、およびＧａ−Ｓｅ生成物は、それぞれＣｕ2Ｓｅ／Ｃｕ2-xＳｅ混合相、単相β−Ｉｎ2Ｓｅ3、および単相α−Ｇａ2Ｓｅ3のＸＲＤパターンを示した。前記合同委員会を参照。このＸＲＤデータから、これらのＣｕ−Ｓｅ、Ｉｎ−Ｓｅ、およびＧａ−Ｓｅコロイドは合成終了時点では非晶質のＣｕ2Ｓｅ、Ｉｎ2Ｓｅ3およびＧａ2Ｓｅ3であったと推察される。
【００６６】
Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ前駆体膜は、精製したＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅナノ粒子コロイドを加熱したモリブデンコートしたソーダ−ライムガラス基体上にスプレーすることによって製造した。前駆体Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ膜を製造するためのコロイドのスプレー析出は、真空に引くことができる予備室を有するＰｌａｓ−Ｌａｂ８１８−ＧＢグローブボックス中で窒素パージして行なった。Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ前駆体膜は、熱電対を用いたフィードバック機構を有する改造ホットプレート上で１４４℃に加熱したモリブデンコートしたソーダ・ライムガラス基体（２．５ｍｍ×５．１ｍｍ）上に製造した。膜厚２．７±０．２μｍの前駆体膜を、４０ｇ以下の１．２５×１０-2Ｍのコロイドを７５ｃｍ2の面積にスプレーすることによって得た。コンピューター制御のベルメックスＸＹステップモーターシステムをラスタ式べガ２０００アスピレーター式給送噴霧器に連動させて塗布を行なった。良好な膜の成長は、２０ｓ．ｐ．ｉで流速６Ｌ／分以下の窒素キャリアガスを用い、アスピレーターと基体の距離を１３ｃｍにした条件で認められた。
【００６７】
Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ前駆体膜の表面形態はＪＥＯＬＪＳＭ８４０を使用したＳＥＭ観察によって行なった。
【００６９】
ナノ粒子から生成する膜が多孔質であることは、以前から観測されていたことである。カマト，ピー．ブイ．（Kamat,P.V.）,マテリアルズ  テクノロジー（Materials Technology）(1994)9:147-149。
【００７０】
Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ前駆体膜の化学的組成は、ＩＣＰＡＥＳを用いて測定した。膜の組成は前駆体コロイドのそれとほとんど同じであることがわかった。たとえば、金属組成比Ｃｕ1.10Ｉｎ0.68Ｇａ0.23のＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−ＳｅコロイドはＣｕ1.13Ｉｎ0.64Ｇａ0.23の組成比を有するＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ前駆体膜を形成する。；この違いは、ＩＣＰＡＥＳ測定自身の有する誤差とほとんど同等である。このことから、スプレーされた膜（たとえばＣｕxＩｎyＧａz）で特別な陽イオン比率が好まれているとき、ピリジン中にこれに対応したモル比の金属ヨウ化物（たとえばｘＣｕＩ＋ｙＩｎＩ3＋ｚＧａＩ3）を溶解させ、この溶液をＮａ2Ｓｅメタノール溶液と反応させ、加熱した基体上に純粋なＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅをスプレーする。反応フラスコ中の金属ヨウ化物の化学量論と前駆体膜の金属セレン化物の化学量論との間に違いが見られないことが、この方法の有効性を証明している。このナノ粒子前駆体の有効性は、初期の溶液合成を経て製造される膜の組成が制御しうるところにある。
【００７１】
実施例２
ＣｄＳナノ粒子コロイドは、メタノール中のＣｄＳ2とメタノール中のＮａ2Ｓを、温度を下げながら不活性雰囲気中で以下のように反応させることによって製造する。：
この反応系では、生成物のナノ粒子が不溶であるのに対して、反応副生成物（すなわちＮａＩ）がメタノールに可溶であることが好都合である。化学的処理の間に、ＮａＩ塩は、安定なメタノールコロイドを形成して残留しているＣｄＳナノ粒子との製品混合物から除去される。この反応の収率は、溶媒蒸発を経たサンプリングによって求めたところでは、通常９０％を超える。
【００７２】
このＣｄＳナノ粒子をＴＥＭとＸＲＤを用いて評価した。回収したサンプルのフィリップスＣＭ３０を用いて行なったＴＥＭ観察では、いくつかの遊離した粒子に沿った直径が１６ｎｍ近辺のたくさんの非対称粒子と、ナノサイズの非晶質な断片が観測された。合成したままのＸＲＤをシンタグＸ１回折装置を用いて測定したところ、非晶質を示唆するブロードなピークのみが観測された。つぎに、このＣｄＳサンプルを不活性（たとえばＮ2（ｇ））雰囲気中で６００℃、１分加熱を行なった。熱処理されたＣｄＳサンプルのＸＲＤによる評価では、ＣｄＳグリーノカイト（Greenockite）相の生成が認められた。前記合同委員会、Ｎｏ．６−３１４（ＣｄＳ）を参照。
【００７３】
実施例３
非水系コロイド懸濁液をつぎのようにして製造した。０．５１６ｇヨウ化カドミウム（１．４１ｍｍｏｌ）をテフロン（登録商標）コートした攪拌子を入れた５００ｍｌの片手丸底フラスコにいれ、また、不活性雰囲気のグローブボックス中で０．２６７ｇテルル化ナトリウム（１．５４ｍｍｏｌ）をテフロン（登録商標）コートした攪拌子を入れた２５０ｍｌの片手丸底フラスコにいれた。それぞれのこれらフラスコをシュレンク（Schlenk）真空ラインに取り付けたのち、 新たに２００ｍｌ蒸留されて脱酸素されたアセトニトリルをヨウ化カドミウムのフラスコに加えた。同時に、新たに蒸留され、脱酸素された１５ｍｌのメタノールをテルル化ナトリウムのフラスコに加えてテルル化ナトリウムを可溶化した。それぞれのフラスコの内容物を攪拌しているあいだに、それらのフラスコを氷浴で２０分以上０℃に冷やした。続いて、小ゲージのカニューレを用いて、テルル化ナトリウム／メタノール溶液をヨウ化カドミウム／アセトニトリル混合物に移した。このとき暗赤色の沈殿スラリーが生成した。その沈殿物が沈降したのち、無色の上清を注ぎ出し、除去した。残っている液体の中に残留する暗赤色のスラリーを、同量ずつ２つに分け、それぞれべつべつの４０ｍｌの遠心分離管に移し、デカントし、除去される上清を分離するために１５分間４０００ｒｐｍで遠心分離した。そののち、アセトニトリルをおのおのの管に満たし、これによってできた混合物を１５分間音波処理し（ナノ粒子を分散させ）、続いて１５分間４０００ｒｐｍで遠心分離した。遠心分離の最終段階では、生成した上清は暗赤色を呈し、コロイド懸濁液が生成したことを示した。吸光度がほぼ同じ透明なコロイド懸濁液が得られるように、この懸濁液をアセトニトリルで希釈したのち、透明な燈色のコロイド懸濁液が生成した。コロイド懸濁液は、ＵＶ−Ｖｉｓ分光器によって評価し、８５０ｎｍにほとんど吸収のないことがわかった。このことは、アグロメレーションが起こっていないことを示した。さらに、吸光曲線の二次微分の零点は、強結合計算を用いて算出された直径３０Åオーダーのテルル化カドミウムナノ粒子の値に対応する５８５ｎｍに観測された。
【００７４】
実施例４
非水系コロイド懸濁液はつぎのようにして製造した。１．０３３ｇヨウ化カドミウム（２．８２ミリモル）をテフロン（登録商標）コートした攪拌子を入れた５００ｍｌの片手丸底フラスコにいれ、また、不活性雰囲気のグローブボックス中で０．５０２ｇテルル化ナトリウム（２．８９ミリモル）をテフロン（登録商標）コートした攪拌子を入れた２５０ｍｌの片手丸底フラスコにいれた。それぞれのこれらフラスコをシュレンク（Schlenk）真空ラインに取り付けたのち、 新たに２５０ｍｌの蒸留して脱酸素したメタノールをヨウ化カドミウムのフラスコに加え、３０ｍｌの新たに蒸留して脱酸素したメタノールをテルル化ナトリウムのフラスコに加えた。それぞれのフラスコの内容物を攪拌しているあいだに、それらのフラスコをドライアイス／イソプロパノール浴で２５分以上−７８℃に冷却した。続いて、小ゲージのカニューレを用いて、テルル化ナトリウム／メタノール溶液をヨウ化カドミウム／メタノール混合物に移した。このとき暗赤色の沈殿スラリーが生成した。その沈殿物が沈降したのち、無色の上清をデカントして除去した。残っている暗赤色のスラリーを、同量ずつ２つに分け、それぞれべつべつの４０ｍｌの遠心分離管に移した。各チューブは、いかなるヨウ化ナトリウム残渣も溶解するようにメタノールで満たし、１５分間音波処理した。それぞれの管は１０分間、４０００ｒｐｍで遠心分離し、この結果として生成した無色のメタノール上清液を注ぎ出し、除去した。そののち、アセトニトリルを各々の管に満たし、これによってできた混合物を１５分間音波処理し、続いて１０分間４０００ｒｐｍで遠心分離した。遠心分離の最終段階では、生成した上清は暗赤色を呈し、コロイド懸濁液が生成したことを示した。この懸濁液をアセトニトリルで希釈して、吸光度がほぼ同じ透明なコロイド懸濁液が得られたのち、透明な燈色のコロイド懸濁液が形成した。コロイド懸濁液は、ＵＶ−Ｖｉｓ分光器によって評価し、８５０ｎｍにほとんど吸収のないことがわかった。このことは、アグロメレーションが起こっていないことを示した。さらに、吸光曲線の二次微分の零点は、５９３ｎｍに観測された。これは、強結合計算を用いて算出された直径３０Åオーダーのテルル化カドミウムナノ粒子の値に対応する。
【００７５】
以上の説明は、本発明の原理の実証となると考えられる。さらに、多くの手直しや変更が当業者には思い浮かぶであろうから、上記に示されるように正確な構成と工程に発明を限定するつもりはない。したがって、請求項によって定義される発明の範囲の中に帰属するものから考え得るすべての変更と同等物が、本発明の拠り所となる。