JP2005064246A - Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof, and solar cell - Google Patents

Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof, and solar cell Download PDF

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和彦 福谷
Hirokatsu Miyata
浩克 宮田
Toru Den
透 田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element that is excellent in photoelectric conversion efficiency. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion element comprises a first p-type semiconductor layer 13, a second semiconductor layer (function layer) 14 formed on the first p-type semiconductor layer, and a third n-type semiconductor layer 17 formed on the second semiconductor layer. The second semiconductor layer 14 has a first member 15 comprising a columnar n-type semiconductor nearly vertically formed to the first semiconductor layer, and a second member 16 that is formed while surrounding the first member and contains a p-type semiconductor. The photoelectric conversion element is manufactured by processes. The processes comprise a process for creating a structure having the first columnar member nearly vertical to a substrate and the second member for surrounding the first one on a substrate having a semiconductor layer, a process for eliminating the first member and forming a hole, and a process for filling the hole with an n-type semiconductor material. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は光電変換素子とその製造方法に関するもので、特に半導体特性を有する機能性ナノ多孔質体とその多孔質体内に充填した半導体材料から構成される機能層を有した、光電変換効率の高い光電変換素子、その製造方法および太陽電池に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element and a method for manufacturing the same, and in particular, has a functional nanoporous body having semiconductor characteristics and a functional layer composed of a semiconductor material filled in the porous body, and has high photoelectric conversion efficiency. The present invention relates to a photoelectric conversion element, a manufacturing method thereof, and a solar cell.

光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子は、主にシリコンやガリウム−砒素などの半導体のp−n接合またはp−i−n接合を用いた太陽電池が一般的であり、特に単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池等は実用化が進んでいる。   A photoelectric conversion element that converts light energy into electric energy is generally a solar cell using a pn junction or a pin junction of a semiconductor such as silicon or gallium arsenide, and particularly single crystal silicon. Solar cells, polycrystalline silicon solar cells, amorphous silicon solar cells and the like have been put into practical use.

シリコン系の太陽電池の場合、大量生産プロセスが確立しているため製造コストが非常に安く済む反面、ガリウム−砒素等の化合物半導体を用いた太陽電池と比較して変換効率が低い。これは結晶シリコンおよびアモルファスシリコンのバンドギャップや光吸収係数等の材料物性に起因する問題である。このため結晶シリコン太陽電池において変換効率の向上を達成するために、無反射コーティング層の作製による表面反射の抑制や、光入射面に異方性エッチングによりテクスチャ構造を作製することで表面反射の減少や光閉じ込めを改善するといった素子構造の工夫が行われている(例えば非特許文献1等参照)。また、アモルファスシリコン太陽電池は粒界が存在しないために大面積に一様に作製できる、格子整合の問題が無いためにヘテロ接合を形成しやすい、低エネルギープロセスである、結晶シリコンと比較して吸収係数が約1桁大きいために薄膜化が可能であるという長所があるが、キャリア拡散長が短い、ステブラー・ロンスキー(Staebler−Wronski)効果と呼ばれる特性劣化といった問題点がある。   In the case of a silicon-based solar cell, the manufacturing cost is very low because a mass production process has been established, but the conversion efficiency is lower than that of a solar cell using a compound semiconductor such as gallium-arsenide. This is a problem caused by material properties such as band gap and light absorption coefficient of crystalline silicon and amorphous silicon. For this reason, in order to achieve improved conversion efficiency in crystalline silicon solar cells, the surface reflection is reduced by suppressing the surface reflection by creating a non-reflective coating layer and by creating a texture structure on the light incident surface by anisotropic etching. And device structures have been devised to improve optical confinement (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, amorphous silicon solar cells can be produced uniformly over a large area because there are no grain boundaries, and because there is no lattice matching problem, it is easy to form heterojunctions, compared to crystalline silicon, which is a low energy process. Although the absorption coefficient is about one digit larger, there is an advantage that a thin film can be formed. However, there is a problem that the carrier diffusion length is short and the characteristic deterioration is called a Stebler-Wronski effect.

シリコン系以外の材料を用いた太陽電池としては化合物半導体を用いたものがある。化合物半導体としてはガリウム−砒素(GaAs)等のIII−V族化合物半導体、カドミウム−テルル(CdTe)等II−VI族化合物半導体を用いたもの等が挙げられる。これらは直接遷移半導体であるために間接遷移半導体であるSiと比べて吸収係数が大きい、バンドギャップが光電変換に最適な値に近い、等の特徴があり、Si太陽電池と比べて変換効率が高い。   Some solar cells using materials other than silicon-based materials use compound semiconductors. Examples of the compound semiconductor include those using III-V group compound semiconductors such as gallium-arsenic (GaAs) and II-VI group compound semiconductors such as cadmium-tellurium (CdTe). Since these are direct transition semiconductors, they have characteristics such as a large absorption coefficient compared to Si, which is an indirect transition semiconductor, and a band gap close to the optimum value for photoelectric conversion. Conversion efficiency is higher than that of Si solar cells. high.

また、近年では色素増感太陽電池と呼ばれる湿式太陽電池が注目を集めている。特にGraetzelらが発表したグレッツェルセルと呼ばれる色素増感太陽電池(非特許文献2)は理論変換効率が比較的高く、製造プロセスも低エネルギープロセスであるため、現在研究が盛んに行われている。この太陽電池においては増感色素、半導体電極膜、電解質の改良により変換効率の向上が試みられている。   In recent years, wet solar cells called dye-sensitized solar cells have attracted attention. In particular, a dye-sensitized solar cell called “Gretzel cell” (Non-Patent Document 2) announced by Graetzel et al. Has a relatively high theoretical conversion efficiency and a manufacturing process is a low-energy process. In this solar cell, attempts have been made to improve conversion efficiency by improving sensitizing dyes, semiconductor electrode films, and electrolytes.

Si系太陽電池で、Si基板を陽極化成によりポーラス化したポーラスシリコンを太陽電池に用いようという試みがなされている(例えば特許文献1)。ポーラスシリコンは陽極化成条件により細孔径をコントロールでき、細孔径を数nm程度にまで小さくすることが可能である。この程度の細孔を有するポーラスシリコンを光電変換素子に用いた場合では、光の量子閉じ込め効果、間接遷移半導体であるSiの直接遷移半導体化が起こり、その光吸収が増加する。また細孔壁に存在するSiが量子細線構造をとるため、キャリアの移動度が大きくなる効果も得られる。これらの効果は光電変換効率の向上に寄与する。またポーラスシリコンの細孔表面は陽極化成中の水素拡散によって格子間隔がわずかに広がっており、そのためSiと格子定数の異なる材料、例えばGaAs等をヘテロエピタキシャル成長させることが可能である。これを利用したヘテロ接合太陽電池も可能である。
特開平06−104463号公報 21th IEEE Photo−voltaic Specialist Conference,(May 21−25 1990)、p333−335 Nature,353,737(1991)
Attempts have been made to use porous silicon in which a Si substrate is made porous by anodization in a Si solar cell (for example, Patent Document 1). Porous silicon can control the pore diameter according to anodization conditions, and can reduce the pore diameter to about several nanometers. When porous silicon having such a small pore is used for a photoelectric conversion element, the quantum confinement effect of light and the direct transition semiconductor of Si, which is an indirect transition semiconductor, occur, and the light absorption increases. In addition, since Si present in the pore walls has a quantum wire structure, an effect of increasing carrier mobility can be obtained. These effects contribute to the improvement of photoelectric conversion efficiency. Further, the pore surface of the porous silicon has a lattice spacing slightly widened by hydrogen diffusion during anodization, so that a material having a lattice constant different from Si, for example, GaAs can be heteroepitaxially grown. Heterojunction solar cells using this can also be used.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-104463 21th IEEE Photo-voltaic Specialist Conference, (May 21-25 1990), p333-335 Nature, 353, 737 (1991)

しかしながら、上記従来技術を用いた光電変換素子では実質的に十分な変換効率が得られていないのが現状である。また、ポーラスシリコンを用いた光電変換素子においては量子サイズ効果により光電変換効率の向上が試みられているものの、基板材料の制限やp−n接合作製が困難、積層構造が困難、等の問題があった。   However, in the present situation, substantially sufficient conversion efficiency is not obtained in the photoelectric conversion element using the above-described conventional technology. In addition, in photoelectric conversion elements using porous silicon, attempts have been made to improve the photoelectric conversion efficiency by the quantum size effect, but there are problems such as limitation of substrate material, difficulty in pn junction production, and difficulty in stacking structure. there were.

よって本発明は、開放電位や短絡電流値など光電変換効率の高い素子を提供することである。特に、新規な機能性ナノ多孔質膜を用いることによりポーラスシリコンを用いた光電変換素子の問題点を解決した光電変換素子を提供するものである。
また本発明は、開放電位や短絡電流値など光電変換効率が高い素子の製造方法を提供することにある。特に、新規な機能性ナノ多孔質膜を用いることによりポーラスシリコンを用いた光電変換素子の問題点を解決した光電変換素子の製造方法を提供するものである。
Therefore, this invention is providing the element with high photoelectric conversion efficiency, such as an open circuit potential and a short circuit current value. In particular, the present invention provides a photoelectric conversion element that solves the problems of a photoelectric conversion element using porous silicon by using a novel functional nanoporous film.
Moreover, this invention is providing the manufacturing method of an element with high photoelectric conversion efficiency, such as an open circuit potential and a short circuit current value. In particular, the present invention provides a method for producing a photoelectric conversion element that solves the problems of a photoelectric conversion element using porous silicon by using a novel functional nanoporous film.

上記の課題は本発明の光電変換素子により解決可能である。即ち本出願に係る第一の発明は、
前記p型の第1の半導体層の上に形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成されたn型の第3の半導体層と、を備え、
前記第2の半導体層は、前記第1の半導体層に対してほぼ垂直に形成した柱状のn型の半導体からなる第1の部材と前記第1の部材を取り囲むように形成されp型の半導体を含有する第2の部材を備えていることを特徴とするものである。
The above problems can be solved by the photoelectric conversion element of the present invention. That is, the first invention according to this application is
A second semiconductor layer formed on the p-type first semiconductor layer;
An n-type third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer,
The second semiconductor layer is formed so as to surround a first member made of a columnar n-type semiconductor formed substantially perpendicular to the first semiconductor layer and the first member. It is characterized by having the 2nd member containing.

特に前記第2の部材が、酸素を除く主成分がシリコン、あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物であることが好ましい。   In particular, the second member is preferably composed of silicon, germanium, or a mixture of silicon and germanium as a main component excluding oxygen.

また前記第2の部材の一部もしくは全部が結晶質であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that a part or all of the second member is crystalline.

また前記第1の部材の平均直径が1nm以上20nm以下であることが好ましい。   The average diameter of the first member is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

さらに、本発明は上記の構造を有する光電変換素子の製造方法を提供する。   Furthermore, this invention provides the manufacturing method of the photoelectric conversion element which has said structure.

即ち、本出願にかかる第2の発明は、基板上に電極を用意する工程と、前記電極上にp型の第1の半導体層を用意する工程と、前記第1の半導体層上に、第1の成分を含み構成される柱状物質が、前記第1の成分と共晶を形成し得る半導体材料である第2の成分を含み構成される部材中に分散している構造体を用意する工程と、前記柱状物質を除去し、多孔質体を形成する除去工程と、前記除去工程により得られる柱状の空孔を有する多孔質体を熱処理する工程と、前記多孔質体の柱状の空孔中にn型半導体材料を充填して第2の半導体層を用意する工程と、前記第2の半導体層上にn型の第3の半導体層を用意する工程と、前記n型半導体層上に電極を用意する工程と、を有することを特徴とするものである。   That is, the second invention according to the present application includes a step of preparing an electrode on a substrate, a step of preparing a p-type first semiconductor layer on the electrode, a first semiconductor layer on the first semiconductor layer, Preparing a structure in which a columnar substance including one component is dispersed in a member including a second component which is a semiconductor material capable of forming a eutectic with the first component Removing the columnar substance to form a porous body; heat treating the porous body having columnar pores obtained by the removing process; and in the columnar pores of the porous body And a step of preparing a second semiconductor layer by filling an n-type semiconductor material, a step of preparing an n-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer, and an electrode on the n-type semiconductor layer And a step of preparing the device.

特に前記第1の成分がアルミニウムであり、前記第2の成分がシリコンまたはゲルマニウムまたはシリコンとゲルマニウムの混合物であることが好ましい。   In particular, it is preferable that the first component is aluminum and the second component is silicon, germanium, or a mixture of silicon and germanium.

また前記多孔質体を熱処理する工程が非酸化雰囲気中での熱処理であることが好ましい。ここで、非酸化雰囲気とは、人が生活している大気中の酸素濃度より酸素濃度の低い雰囲気であり、材料が酸化されない程度の酸素濃度である雰囲気である。酸素が含まれない雰囲気もこれに含まれる。具体的には、スパッタ装置等の密封容器中で、基板に成膜を行うときの雰囲気である。   Moreover, it is preferable that the process of heat-treating the porous body is a heat treatment in a non-oxidizing atmosphere. Here, the non-oxidizing atmosphere is an atmosphere having an oxygen concentration lower than the oxygen concentration in the atmosphere in which a person lives, and an oxygen concentration at which the material is not oxidized. This includes atmospheres that do not contain oxygen. Specifically, the atmosphere is when a film is formed on a substrate in a sealed container such as a sputtering apparatus.

本発明によれば、従来よりも光電変換効率の高い光電変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a photoelectric conversion element with higher photoelectric conversion efficiency than before can be provided.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本実施形態にかかる光電変換素子は、p型の半導体的導電性を有する機能性ナノ多孔質膜に、n型の半導体材料を充填することによって細孔壁面および多孔質膜表面にp−n接合を形成することで接合領域を増大させ、光照射によって発生したキャリアを速やかに分離するものである。このことにより少数キャリアの再結合を効率的に防ぐことが可能となり、その結果短絡電流値が増加する。また多孔質体に充填するn型半導体材料を最適化することで内部電界を大きくすることができ、その結果開放電圧が増加する。   The photoelectric conversion element according to the present embodiment includes a p-n junction on the pore wall surface and the porous film surface by filling a functional nanoporous film having p-type semiconductivity with an n-type semiconductor material. The bonding region is increased by forming, and carriers generated by light irradiation are quickly separated. This makes it possible to efficiently prevent minority carrier recombination, resulting in an increase in the short-circuit current value. Also, by optimizing the n-type semiconductor material filled in the porous body, the internal electric field can be increased, and as a result, the open circuit voltage increases.

また、細孔径および細孔壁の厚さが数nmであるため、機能性ナノ多孔質体がシリコンである場合には間接遷移型半導体であるシリコンの直接遷移化による吸収係数の増加、および機能性ナノ多孔質膜およびそれに充填した半導体材料が量子細線構造となることによるキャリア移動度の増加が実現できる。   In addition, since the pore diameter and pore wall thickness are several nanometers, when the functional nanoporous material is silicon, the absorption coefficient is increased by direct transition of silicon, which is an indirect transition type semiconductor, and the function The carrier mobility can be increased due to the quantum wire structure of the porous nanoporous film and the semiconductor material filled therein.

また、本実施形態にかかる光電変換素子の製造方法は、非常に簡便な方法で数nmの細孔を多数有した半導体的電気伝導性を有する機能性ナノ多孔質膜が作製でき、この細孔は膜面に垂直であり、かつ貫通しているので電着法により導電性物質を容易に導入でき、本実施形態の光電変換素子を作製できる。   In addition, the method for producing a photoelectric conversion element according to the present embodiment can produce a functional nanoporous film having semiconducting electrical conductivity having many pores of several nm by a very simple method. Is perpendicular to the film surface and penetrates, so that a conductive substance can be easily introduced by an electrodeposition method, and the photoelectric conversion element of this embodiment can be manufactured.

以下、発明の実施形態の説明に先立って本実施形態で用いるアルミニウムシリコン構造体薄膜について説明する。   Prior to the description of the embodiments of the present invention, the aluminum silicon structure thin film used in the present embodiment will be described.

(実験例1:第1の材料Al、第2の材料Si)
シリコンに周囲を囲まれたアルミニウム構造体部分が円柱状構造であり、その径2rが3nmであり、間隔2Rが7nm、長さLが200nmであるアルミニウム細線について示す。
(Experimental example 1: first material Al, second material Si)
The aluminum structure part surrounded by silicon is a columnar structure, and an aluminum fine wire having a diameter 2r of 3 nm, an interval 2R of 7 nm, and a length L of 200 nm is shown.

まず、アルミニウム細線の作製方法を説明する。   First, a method for producing an aluminum thin wire will be described.

ガラス基板上に、RFマグネトロンスパッタリング法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して55atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜を約200nm形成する。ターゲットには、4インチのアルミニウムターゲット上に15mm角のシリコンチップを8枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:1kWとした。また、基板温度は室温とした。   An aluminum silicon mixed film containing silicon at 55 atomic% with respect to the total amount of aluminum and silicon is formed on a glass substrate by using an RF magnetron sputtering method. The target used was 8 pieces of 15 mm square silicon chips on a 4 inch aluminum target. Sputtering conditions were as follows: using an RF power source, Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 1 kW. The substrate temperature was room temperature.

なお、ここではターゲットとして、アルミニウムターゲット上にシリコンチップを8枚置いたものを用いたが、シリコンチップの枚数はこれに限定されるものではなく、スパッタ条件により変化し、アルミニウムシリコン混合膜の組成が約55atomic%近辺になれば良い。また、ターゲットはアルミニウムターゲット上にシリコンチップを置いたものに限定したものではなく、シリコンターゲット上にアルミニウムチップを置いたものでも良いし、シリコンとアルミニウムの粉末を焼結したターゲットを用いても良い。   In this example, the target used was eight silicon chips placed on an aluminum target. However, the number of silicon chips is not limited to this, and the composition of the aluminum silicon mixed film varies depending on sputtering conditions. Is about 55 atomic%. The target is not limited to a silicon chip placed on an aluminum target, and an aluminum chip placed on a silicon target may be used, or a target obtained by sintering silicon and aluminum powder may be used. .

次に、このようにして得られたアルミニウムシリコン混合膜をICP(誘導結合型プラズマ発光分析)にて、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量(atomic%)を分析した。その結果、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量は約55atomic%であった。なお、ここでは測定の都合上、基板として、カーボン基板上に堆積したアルミニウムシリコン混合膜を用いた。   Next, the amount (atomic%) of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon was analyzed by ICP (inductively coupled plasma emission analysis) for the aluminum silicon mixed film thus obtained. As a result, the amount of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon was about 55 atomic%. Here, for convenience of measurement, an aluminum silicon mixed film deposited on a carbon substrate was used as the substrate.

FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、アルミニウムシリコン混合膜を観察した。基板真上方向から見た表面の形状は、シリコンに囲まれた円形のアルミニウムナノ構造体が二次元的に配列していた。アルミニウムナノ構造体部分の孔径は3nmであり、その平均中心間間隔は7nmであった。また、断面をFE−SEMにて観察した所、高さは200nmであり、それぞれのアルミニウムナノ構造体部分はお互いに独立していた。   The aluminum silicon mixed film was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). The shape of the surface viewed from directly above the substrate was a two-dimensional array of circular aluminum nanostructures surrounded by silicon. The pore diameter of the aluminum nanostructure part was 3 nm, and the average center-to-center distance was 7 nm. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, the height was 200 nm and each aluminum nanostructure part was mutually independent.

また、X線回折法でこの試料を観察した所、結晶性を示すシリコンのピークは確認できず、シリコンは非晶質であった。   Further, when this sample was observed by an X-ray diffraction method, a silicon peak showing crystallinity could not be confirmed, and the silicon was amorphous.

従って、シリコンに周囲を囲まれた間隔2Rが7nm、径2rが3nm、高さLが200nmのアルミニウム細線を含んだアルミニウムシリコンナノ構造体を作製することができた。   Therefore, an aluminum silicon nanostructure including an aluminum fine wire surrounded by silicon and having an interval 2R of 7 nm, a diameter 2r of 3 nm, and a height L of 200 nm could be produced.

(比較例)
また、比較試料Aとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して15atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜を約200nm形成した。ターゲットには、4インチのアルミニウムターゲット上に15mm角のシリコンチップを2枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:1kWとした。また、基板温度は室温とした。
(Comparative example)
Further, as a comparative sample A, an aluminum silicon mixed film containing silicon at 15 atomic% with respect to the total amount of aluminum and silicon was formed on a glass substrate by a sputtering method with a thickness of about 200 nm. The target used was a two inch 15 mm square silicon chip on a 4 inch aluminum target. Sputtering conditions were as follows: using an RF power source, Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 1 kW. The substrate temperature was room temperature.

FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、比較試料Aを観察した。基板真上方向から見た表面の形状は、アルミニウム部分は円形状にはなっておらず、縄状になっていた。即ち、アルミニウムの柱状構造体がシリコン領域内に均質に分散した微細構造体となっていなかった。さらに、その大きさは10nmを遥かに超えていた。また、断面をFE−SEMにて観察した所、アルミニウム部分の幅は15nmを超えていた。なお、このようにして得られたアルミニウムシリコン混合膜をICP(誘導結合型プラズマ発光分析)にて、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量(atomic%)を分析した。その結果、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量は約15atomic%であった。   Comparative sample A was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). The shape of the surface viewed from directly above the substrate was not a circular shape in the aluminum portion but a rope shape. That is, the aluminum columnar structure was not a fine structure uniformly dispersed in the silicon region. Furthermore, its size was far over 10 nm. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, the width | variety of the aluminum part exceeded 15 nm. The aluminum silicon mixed film thus obtained was analyzed by ICP (inductively coupled plasma emission analysis) for the amount of silicon (atomic%) relative to the total amount of aluminum and silicon. As a result, the amount of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon was about 15 atomic%.

さらに、比較試料Bとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して75atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜を約200nm形成した。ターゲットには、4インチのアルミニウムターゲット上に15mm角のシリコンチップを14枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:1kWとした。また、基板温度は室温とした。   Further, as a comparative sample B, an aluminum silicon mixed film containing 75 atomic% of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon was formed on a glass substrate by sputtering to a thickness of about 200 nm. The target was a 14-inch aluminum target with 14 15 mm square silicon chips. Sputtering conditions were as follows: using an RF power source, Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 1 kW. The substrate temperature was room temperature.

FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、比較試料Bを観察した。基板真上方向から見た試料表面には、アルミニウム部分を観察することができなかった。また、断面をFE−SEMにて観察しても、明確にアルミニウム部分を観察することができなかった。なお、このようにして得られたアルミニウムシリコン混合膜をICP(誘導結合型プラズマ発光分析)にて、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量(atomic%)を分析した。その結果、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量は約75atomic%であった。   Comparative sample B was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). An aluminum portion could not be observed on the sample surface viewed from directly above the substrate. Further, even when the cross section was observed with FE-SEM, the aluminum portion could not be clearly observed. The aluminum silicon mixed film thus obtained was analyzed by ICP (inductively coupled plasma emission analysis) for the amount of silicon (atomic%) relative to the total amount of aluminum and silicon. As a result, the amount of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon was about 75 atomic%.

また、比較試料Aを作製した場合と、シリコンチップの枚数の条件のみを変え、アルミニウムシリコン混合体の全量に対するシリコンの割合が、20atomic%、35atomic%、50atomic%、60atomic%、70atomic%である試料を作製した。アルミニウムの柱状構造体がシリコン領域内に均質に分散した微細構造体となっている場合を○、なっていない場合を×としたものを以下に示す。   Further, the sample in which the comparative sample A is manufactured and the condition of the number of silicon chips is changed, and the ratio of silicon to the total amount of the aluminum silicon mixture is 20 atomic%, 35 atomic%, 50 atomic%, 60 atomic%, and 70 atomic%. Was made. The case where the columnar structure of aluminum is a fine structure uniformly dispersed in the silicon region is indicated by ◯, and the case where it is not indicated by × is shown below.

Figure 2005064246
このように、アルミニウムとシリコンの全量に対するシリコン含有量を、20atomic%以上70atomic%以下に調整することで、作製されたアルミニウムナノ構造体の径の制御が可能であり、また、直線性に優れたアルミニウム細線の作製が可能になる。なお、構造の確認には、SEMの他にもTEM(透過型電子顕微鏡)等を利用するのがよい。なお、上記含有量に関しては上記シリコンに代えてゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物を用いても同様であった。
Figure 2005064246
Thus, by adjusting the silicon content with respect to the total amount of aluminum and silicon to 20 atomic% or more and 70 atomic% or less, it is possible to control the diameter of the manufactured aluminum nanostructure, and excellent linearity is achieved. Fabrication of an aluminum thin wire becomes possible. For confirmation of the structure, a TEM (transmission electron microscope) or the like may be used in addition to the SEM. The content was the same even when germanium or a mixture of silicon and germanium was used instead of silicon.

さらに、比較試料Cとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して55atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜を約200nm形成した。ターゲットには、4インチのアルミニウムターゲット上に15mm角のシリコンチップを8枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:1kWとした。また、基板温度は250℃とした。   Further, as a comparative sample C, an aluminum-silicon mixed film containing silicon at 55 atomic% with respect to the total amount of aluminum and silicon was formed on a glass substrate by sputtering using a sputtering method. The target used was 8 pieces of 15 mm square silicon chips on a 4 inch aluminum target. Sputtering conditions were as follows: using an RF power source, Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 1 kW. The substrate temperature was 250 ° C.

FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、比較試料Cを観察した。基板真上方向から見た試料表面には、アルミニウムとシリコンの明瞭な境界を確認することができなかった。つまり、アルミニウムナノ構造体を確認することができなかった。即ち、基板温度が高すぎると、より安定な状態に変化してしまうため、このようなアルミニウムナノ構造体を形成する膜成長ができていないと思われる。   Comparative sample C was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). A clear boundary between aluminum and silicon could not be confirmed on the sample surface viewed from directly above the substrate. That is, the aluminum nanostructure could not be confirmed. That is, if the substrate temperature is too high, the state changes to a more stable state, so that it is considered that film growth for forming such an aluminum nanostructure cannot be performed.

なお、柱状の部材が分散した構造体を得る為に、ターゲットの組成をAl:Si=55:45などに設定することも好ましい形態である。   In order to obtain a structure in which columnar members are dispersed, it is also preferable to set the target composition to Al: Si = 55: 45 or the like.

次に、光電変換素子及びその製造方法に関する構成等を以下に説明する。
<本発明の光電変換装置の構成について>
まず本発明の構成について説明する。
Next, the structure etc. regarding a photoelectric conversion element and its manufacturing method are demonstrated below.
<Regarding Configuration of Photoelectric Conversion Device of the Present Invention>
First, the configuration of the present invention will be described.

図1は本発明の光電変換素子の構成例を示すものである。図1において11は基板、12は下部電極、13はp型半導体層、14は機能層、15は機能層14を構成する柱状のn型の半導体からなる第1の部材、16は機能層14を構成する第1の部材を取り囲むように形成されたp型の半導体を含有している第2の部材、17はn型半導体層、18は上部電極である。   FIG. 1 shows a structural example of a photoelectric conversion element of the present invention. In FIG. 1, 11 is a substrate, 12 is a lower electrode, 13 is a p-type semiconductor layer, 14 is a functional layer, 15 is a first member made of a columnar n-type semiconductor constituting the functional layer 14, and 16 is a functional layer 14. , A second member containing a p-type semiconductor formed so as to surround the first member, 17 is an n-type semiconductor layer, and 18 is an upper electrode.

はじめに機能層14を構成する第2の部材16について説明する。   First, the second member 16 constituting the functional layer 14 will be described.

機能層14を構成する第2の部材16は、図2(a)に示す第一の成分を含み構成される柱状物質21が、第一の成分と共晶を形成し得る第二の成分を含み構成される母材物質24中に分散している構造体薄膜23から、柱状物質21を除去して形成されている。これを図2(b)に示す。図2(b)において、25は柱状物質21を除去して形成された多孔質体薄膜であり、26が柱状物質21が除去された細孔である。この多孔質体薄膜25の細孔26に第1の部材の材料が充填されて機能層14が形成される。母材部質24は第2の部材を構成する。   The second member 16 constituting the functional layer 14 includes a columnar substance 21 including the first component shown in FIG. 2A, and a second component that can form a eutectic with the first component. The columnar substance 21 is removed from the structure thin film 23 dispersed in the base material substance 24 that is included. This is shown in FIG. In FIG. 2B, 25 is a porous thin film formed by removing the columnar substance 21, and 26 is a pore from which the columnar substance 21 has been removed. The functional layer 14 is formed by filling the pores 26 of the porous thin film 25 with the material of the first member. The base material part 24 constitutes a second member.

ここで、第一の成分を含み構成される柱状物質21は、例えば、アルミニウムを主成分とする材料から構成されている。また、第一の成分と共晶を形成し得る第二の成分を含み構成される母材物質24は、例えば、ゲルマニウム、シリコン、あるいはゲルマニウムとシリコンの混合物からなる。   Here, the columnar substance 21 including the first component is made of, for example, a material mainly composed of aluminum. The base material 24 including the second component that can form a eutectic with the first component is made of, for example, germanium, silicon, or a mixture of germanium and silicon.

この母材物質24は、シリコンあるいはゲルマニウムを主成分とすることが好ましい。また、シリコンとゲルマニウムの混合物を主成分とすることも可能である。また、母材物質24は、シリコンあるいはゲルマニウムを主成分とすることが望ましいが、数atomic%から数十atomic%程度のアルミニウム(Al)、酸素(O)、アルゴン(Ar)、窒素(N)、水素(H)などの各種の元素を含有してもよい。   The base material 24 is preferably composed mainly of silicon or germanium. It is also possible to use a mixture of silicon and germanium as a main component. The base material 24 is preferably composed mainly of silicon or germanium, but aluminum (Al), oxygen (O), argon (Ar), nitrogen (N) of several atomic% to several tens atomic%. Various elements such as hydrogen (H) may be contained.

この母材物質24は、その一部もしくは全部が結晶質であることが望ましい。   The base material 24 is preferably partly or entirely crystalline.

また、母材物質24を構成している細孔部分の基板上面からみた形状は、図3(a)のように、ほぼ円形のものでもよいし、また楕円形など任意の形状のものでもよい。   Further, the shape of the pore portion constituting the base material 24 as viewed from the top surface of the substrate may be substantially circular as shown in FIG. 3A, or may be of an arbitrary shape such as an ellipse. .

また、母材物質24を構成している細孔部分の基板断面からみた形状は、図3(b)のように長方形形状でもよいし、正方形や台形など任意の形状のものでもよい。   In addition, the shape of the pore portion constituting the base material 24 seen from the cross section of the substrate may be a rectangular shape as shown in FIG. 3B, or an arbitrary shape such as a square or a trapezoid.

また、図3(b)に示す細孔26の平均直径2rは0.5nm以上50nm以下のものが作製可能であるが、1nm以上20nm以下であることが好ましい。また多孔質薄膜の膜厚Lに制限は無く、基本的にはどのような膜厚でもよい。   In addition, the average diameter 2r of the pores 26 shown in FIG. 3 (b) can be prepared from 0.5 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 20 nm. Moreover, there is no restriction | limiting in the film thickness L of a porous thin film, Basically what kind of film thickness may be sufficient.

次に機能層14を構成する柱状のn型の半導体からなる第1の部材15について説明する。   Next, the first member 15 made of a columnar n-type semiconductor constituting the functional layer 14 will be described.

柱状のn型半導体部材15を構成する材料としては、基本的にはn型の伝導性を有する半導体であればどのようなものでもよく、例としてシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族半導体、ガリウム−砒素(GaAs)、インジウム−燐(InP)、インジウム−ガリウム−燐(InGaP)等のIII−V族半導体、硫化カドミウム(CdS)、カドミウム−亜鉛−硫黄(CdZnS)、亜鉛−セレン(ZnSe)、カドミウム−セレン(CdSe)、カドミウム−テルル(CdTe)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)等のII−VI族半導体、また硫化銅(Cu2S)、銅−インジウム−セレン(CuInSe2:CIS)等が挙げられるが、その他のn型伝導性を有する半導体を用いてもかまわない。ここに挙げた半導体材料の内、光電変換効率の高い半導体材料が好ましく、具体的にはCuInSe2,GaAs,CdTe,InP等が好ましい。さらに好ましくは電着法により多孔質薄膜の細孔に充填できる半導体材料が好ましい。 The material constituting the columnar n-type semiconductor member 15 may be basically any semiconductor as long as it has n-type conductivity. Examples thereof include IV such as silicon (Si) and germanium (Ge). Group semiconductors, III-V semiconductors such as gallium-arsenic (GaAs), indium-phosphorus (InP), indium-gallium-phosphorus (InGaP), cadmium sulfide (CdS), cadmium-zinc-sulfur (CdZnS), zinc- II-VI group semiconductors such as selenium (ZnSe), cadmium-selenium (CdSe), cadmium-tellurium (CdTe), zinc sulfide (ZnS), zinc oxide (ZnO), copper sulfide (Cu 2 S), copper-indium -Selenium (CuInSe 2 : CIS) and the like can be mentioned, but other semiconductors having n-type conductivity may be used. Of the semiconductor materials listed here, semiconductor materials having high photoelectric conversion efficiency are preferable, and specifically, CuInSe 2 , GaAs, CdTe, InP, and the like are preferable. More preferably, a semiconductor material capable of filling the pores of the porous thin film by an electrodeposition method is preferable.

また1つの柱状部材が複数のn型半導体材料から構成されていても構わない。具体的には図4に示す様な構造であっても構わない。図4において、41は基板、42は下部電極、43はp型半導体層、442は機能層、451,452,453は機能層441を構成する柱状のn型の半導体からなる第1の部材、46は機能層442を構成する第1の部材を取り囲むように形成されたp型の半導体を含有している第2の部材、47はn型半導体層、48は上部電極である。柱状のn型の半導体からなる第1の部材層451、452,453はそれぞれ異なる半導体材料であり、バンドギャップの異なる半導体材料であることが好ましい。このような半導体材料の組み合わせとしては例えばInGaPとGaAsとInGaAsが挙げられる。この様な構成にすることにより波長感度帯域が拡大して異なる波長の光を効率よく吸収することが可能となり、光電変換効率が向上することが期待される。
<本発明の光電変換素子の製造方法について>
次に本発明にかかる光電変換素子の製造方法について詳細に説明する。
One columnar member may be composed of a plurality of n-type semiconductor materials. Specifically, a structure as shown in FIG. 4 may be used. In FIG. 4, 41 is a substrate, 42 is a lower electrode, 43 is a p-type semiconductor layer, 442 is a functional layer, 451, 452 and 453 are first members made of columnar n-type semiconductors constituting the functional layer 441, 46 denotes a second member containing a p-type semiconductor formed so as to surround the first member constituting the functional layer 442, 47 denotes an n-type semiconductor layer, and 48 denotes an upper electrode. The first member layers 451, 452, and 453 made of columnar n-type semiconductors are different semiconductor materials, and are preferably semiconductor materials having different band gaps. Examples of such a combination of semiconductor materials include InGaP, GaAs, and InGaAs. With such a configuration, it is expected that the wavelength sensitivity band is expanded and light of different wavelengths can be efficiently absorbed, and the photoelectric conversion efficiency is improved.
<About the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention>
Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion element concerning this invention is demonstrated in detail.

以下に光電変換素子の製造方法の一実施態様の各工程を示す。光電変換素子の製造方法は、下記の工程(a)〜工程(h)を有する。   Each process of one embodiment of the manufacturing method of a photoelectric conversion element is shown below. The manufacturing method of a photoelectric conversion element has the following process (a)-process (h).

工程(a):基板上に電極を形成する工程
工程(b):前記電極上にp型半導体層を形成する工程
工程(c):前記p型半導体層上に、第一の成分を含み構成される柱状物質が、前記第一の成分と共晶を形成し得る半導体材料である第二の成分を含み構成される部材中に分散している構造体を形成する工程
工程(d):前記柱状物質を除去し、多孔質体を形成する除去工程
工程(e):前記除去工程により得られる柱状の空孔を有する多孔質体を熱処理する工程
工程(f):前記多孔質体の柱状の空孔中にn型半導体材料を充填して機能層を形成する工程
工程(g):前記機能層上にn型半導体層を形成する工程
工程(h):前記n型半導体層上に電極を形成する工程
以下、図5、図6を用いて各工程について説明する。図5(a)〜(d)は工程(a)〜(d)、図6(e)〜(h)は工程(e)〜(h)に対応し、各構成を説明する断面図である。
Step (a): Step of forming an electrode on a substrate Step (b): Step of forming a p-type semiconductor layer on the electrode Step (c): Containing a first component on the p-type semiconductor layer A step of forming a structure in which the columnar substance is dispersed in a member including the second component which is a semiconductor material capable of forming a eutectic with the first component Step (d): Removal step of removing columnar substance and forming porous body Step (e): Step of heat-treating porous body having columnar pores obtained by the removal step Step (f): Columnar shape of the porous body Step of forming functional layer by filling n-type semiconductor material in pores Step (g): Step of forming n-type semiconductor layer on the functional layer Step (h): Electrode on the n-type semiconductor layer Step of Forming Each step will be described below with reference to FIGS. FIGS. 5A to 5D correspond to the steps (a) to (d), and FIGS. 6E to 6H correspond to the steps (e) to (h), and are cross-sectional views illustrating each configuration. .

工程(a):図5(a)に示すように、基板511上に電極512を形成する。電極材料にはどのようなものを用いても構わない。具体的にはAl、Ti、Pt、Au等の金属電極、スズをドープした酸化インジウム(SnドープIn23:ITO)等の酸化物透明電極など、基本的にはどのようなものを用いても構わないが、p型半導体とオーミック接触を形成する材料が好ましい。また電極の作製方法はスパッタリング法、蒸着等、どのような手段を用いても構わない。 Step (a): As shown in FIG. 5A, an electrode 512 is formed on a substrate 511. Any electrode material may be used. Specifically, any metal electrodes such as Al, Ti, Pt, Au, etc., and oxide transparent electrodes such as tin-doped indium oxide (Sn-doped In 2 O 3 : ITO) are basically used. However, a material that forms ohmic contact with the p-type semiconductor is preferable. The electrode may be produced by any means such as sputtering or vapor deposition.

工程(b):図5(b)に示すように、前記工程(a)で形成した電極512上にp型半導体層521を形成する。p型半導体材料としては製膜可能なものであれば基本的にどのようなものでも良いが、好ましくはボロン(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)等のアクセプターをドープしたアモルファスシリコン(a−Si)、もしくは水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)、もしくは多結晶シリコン(poly−Si)が好ましい。さらには上記a−Si、a−Si:H、poly−Si中のアクセプターの濃度が1019cm-3以上であるのがより好ましい。またp型半導体材料の作製方法はCVD法で行うのが好ましく、さらにはプラズマCVD法を用いて行うのがより好ましいが、特にこれらの作製方法に限定されるものではなく、スパッタリング法、液相反応法等の製膜方法を用いても構わない。 Step (b): As shown in FIG. 5B, a p-type semiconductor layer 521 is formed on the electrode 512 formed in the step (a). The p-type semiconductor material may be basically any material as long as it can be formed into a film, but preferably amorphous silicon doped with an acceptor such as boron (B), aluminum (Al), or gallium (Ga). a-Si), hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), or polycrystalline silicon (poly-Si) is preferred. Furthermore, it is more preferable that the concentration of the acceptor in the a-Si, a-Si: H, and poly-Si is 10 19 cm −3 or more. Further, the p-type semiconductor material is preferably formed by a CVD method, and more preferably by a plasma CVD method. However, the method is not particularly limited to these methods, and a sputtering method, a liquid phase A film forming method such as a reaction method may be used.

工程(c):図5(c)に示すように、前記工程(b)で形成したp型半導体層521上に、第一の成分を含み構成される柱状物質532が、前記第一の成分と共晶を形成し得る半導体材料である第二の成分を含み構成される母材物質533中に分散している構造体層531を用意する。例えば、母材物質(第二の成分)内に柱状物質(第一の成分)を形成するアルミニウムとシリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物)を用意し、スパッタリング法、電子ビーム蒸などの非平衡状態で物質を形成可能な方法により、p型半導体層上に構造体層である混合膜(アルミニウムシリコン混合膜あるいはアルミニウムゲルマニウム混合膜あるいはアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜)を形成する。 Step (c): As shown in FIG. 5C, the columnar substance 532 including the first component is formed on the p-type semiconductor layer 521 formed in the step (b). And a structure layer 531 dispersed in a base material 533 including a second component which is a semiconductor material capable of forming a eutectic crystal. For example, providing a matrix material (a mixture of or germanium or silicon and germanium,) columnar substance (second component) in the aluminum and silicon to form a (first component), a sputtering method, an electron beam vapor deposition, etc. A mixed film (an aluminum silicon mixed film, an aluminum germanium mixed film, or an aluminum silicon germanium mixed film), which is a structure layer, is formed on the p-type semiconductor layer by a method capable of forming a substance in the non-equilibrium state.

このような方法でアルミニウムシリコン混合膜(あるいはアルミニウムゲルマニウム混合膜、あるいはアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜)を形成すると、アルミニウムとシリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物)が準安定状態の共晶型組織となり、アルミニウムからなる柱状物質がアモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)からなる母材物質内に数nmレベルのナノ構造体(柱状構造体)を形成し、自己組織的に分離する。そのときのアルミニウム柱状物質はほぼ円柱状形状であり、その孔径は0.5nm以上〜50nm未満であり、間隔は3nm以上30nm未満である。   When an aluminum silicon mixed film (or aluminum germanium mixed film or aluminum silicon germanium mixed film) is formed by such a method, an eutectic structure in which aluminum and silicon (or germanium, or a mixture of silicon and germanium) are metastable. A columnar substance made of aluminum forms a nanostructure (columnar structure) of several nanometers in a base material made of amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium), and is self-organized. Separate. At that time, the aluminum columnar substance has a substantially cylindrical shape, the pore diameter is 0.5 nm or more and less than 50 nm, and the interval is 3 nm or more and less than 30 nm.

なお、アルミニウムとアモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)の混合膜において、形成される膜中のシリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物)の量は、アルミニウムとシリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物)の全量に対して20〜70atomic%であり、好ましくは25〜65atomic%、さらに好ましくは30〜60atomic%である。シリコン量が斯かる範囲内であれば、アモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)母材物質内にアルミニウムの柱状物質が分散したアルミニウムシリコン混合膜(あるいはアルミニウムゲルマニウム混合膜、あるいはアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜)が得られる。   Note that in a mixed film of aluminum and amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium), the amount of silicon (or germanium, or a mixture of silicon and germanium) in the formed film is the same as that of aluminum. It is 20 to 70 atomic%, preferably 25 to 65 atomic%, more preferably 30 to 60 atomic%, based on the total amount of silicon (or germanium, or a mixture of silicon and germanium). If the amount of silicon is within such a range, an aluminum-silicon mixed film (or aluminum-germanium mixed film) in which aluminum columnar substances are dispersed in an amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium) base material. Or an aluminum silicon germanium mixed film).

上記のアルミニウムとシリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物)の割合を示すatomic%とは、シリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物)とアルミニウムそれぞれの原子数の割合を示し、atom%あるいはat%とも記載され、例えば誘導結合型プラズマ発光分析法(ICP法)でアルミニウムシリコン混合膜(あるいはアルミニウムゲルマニウム混合膜、あるいはアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜)中のシリコン(あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウム)とアルミニウムの量を定量分析したときの値である。   The atomic% indicating the ratio of aluminum and silicon (or germanium, or a mixture of silicon and germanium) indicates the ratio of the number of atoms of silicon (or germanium, or a mixture of silicon and germanium) and aluminum, and atom% Alternatively, it is also described as at%. For example, silicon (or germanium, or silicon and germanium) in an aluminum silicon mixed film (or aluminum germanium mixed film or aluminum silicon germanium mixed film) by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP method). It is the value when the amount of aluminum is quantitatively analyzed.

工程(d):図5(d)に示すように、前記第一の成分を含み構成される柱状物質532を除去し、細孔542を有した多孔質体層541を形成する。例えば、上記のアルミニウムシリコン混合膜(あるいはアルミニウムゲルマニウム混合膜、あるいはアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜)中の柱状物質であるアルミニウムをリン酸を用いたエッチングにより除去し、母材物質内(ここではアモルファスシリコンあるいはアモルファスゲルマニウムあるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)内に細孔を形成する。これによりp型半導体層上に多孔質体層が形成される。   Step (d): As shown in FIG. 5D, the columnar substance 532 including the first component is removed, and a porous body layer 541 having pores 542 is formed. For example, aluminum that is a columnar substance in the aluminum silicon mixed film (or aluminum germanium mixed film or aluminum silicon germanium mixed film) is removed by etching using phosphoric acid, and the inside of the base material (here, amorphous silicon or A pore is formed in amorphous germanium or a mixture of silicon and germanium in an amorphous state. Thereby, a porous body layer is formed on the p-type semiconductor layer.

なお、上記の多孔質体層中の細孔542は、間隔が5nm以上20nm未満、孔径が0.5nm以上15nm未満である。   Note that the pores 542 in the porous body layer have an interval of 5 nm or more and less than 20 nm, and a pore diameter of 0.5 nm or more and less than 15 nm.

エッチングに用いる溶液は、例えばアルミニウムを溶かしアモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)をほとんど溶解しない酸が好ましく、例えばりん酸、硫酸、塩酸、硫酸、濃硫酸、クロム酸溶液などである。さらには前記の酸のうち、多孔質体層を形成するアモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)の酸化が進行しないような酸がより望ましい。例えば濃硫酸などである。しかしエッチングによる細孔形成に不都合がなく、かつ多孔質体層表面の酸化が進行しないものであれば、水酸化ナトリウムなどのアルカリを用いることができ、特に酸の種類やアルカリの種類に限定されるものではない。また、数種類の酸溶液やあるいは数種類のアルカリ溶液を混合したものを用いてもかまわない。またエッチング条件は、例えば、溶液温度、濃度、時間などは、作製する多孔質体層に応じて、適宜設定することができる。   The solution used for the etching is preferably an acid that dissolves aluminum and hardly dissolves amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium), for example, phosphoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, chromic acid. Such as a solution. Furthermore, among the above acids, an acid that does not proceed with oxidation of amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium) forming the porous body layer is more desirable. For example, concentrated sulfuric acid. However, an alkali such as sodium hydroxide can be used as long as there is no inconvenience in the formation of pores by etching and the oxidation of the porous body layer surface does not proceed, and it is particularly limited to the type of acid and the type of alkali. It is not something. Also, a mixture of several types of acid solutions or several types of alkali solutions may be used. In addition, for example, the etching conditions such as solution temperature, concentration, and time can be appropriately set according to the porous layer to be produced.

工程(e):図6(e)に示すように、前記除去工程により得られる細孔542を有する多孔質構造体543を熱処理し、細孔552および結晶質多孔質体層551を有する多孔質構造体553を用意する。例えば、前記多孔質構造体に対して、多孔質体層を構成するアモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)が結晶化する条件、例えば加熱処理やレーザ照射を行うことにより前記アモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)の一部もしくは全部が結晶化する。その結果アモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)領域中に結晶シリコン(あるいは結晶ゲルマニウム、あるいは結晶のシリコンとゲルマニウムの混合物)が形成され、p型半導体層上に結晶質シリコン多孔質体層(あるいは結晶質ゲルマニウム多孔質体層、あるいは結晶質シリコンゲルマニウム多孔質体層)が形成される。この際、高還元雰囲気中での加熱処理が好ましく、高濃度水素雰囲気中での加熱処理がより好ましい。また加熱処理は300℃以上1000℃以下の温度で行うことが望ましく、さらには600℃以上900℃以下の温度で行うのがより望ましい。しかしアモルファスシリコン(あるいはアモルファスゲルマニウム、あるいはアモルファス状態のシリコンとゲルマニウムの混合物)の結晶化及び結晶質シリコン多孔質体層(あるいは結晶質ゲルマニウム多孔質体層、あるいは結晶質シリコンゲルマニウム多孔質体層)の構造に問題がなければどのような方法、条件を用いてもよく、加熱処理とレーザ照射を同時に行うというような、数種類の方法を複合して用いてもよい。   Step (e): As shown in FIG. 6 (e), the porous structure 543 having the pores 542 obtained by the removing step is heat-treated, and the porous structure having the pores 552 and the crystalline porous body layer 551 is obtained. A structure 553 is prepared. For example, the porous structure is subjected to conditions for crystallization of amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium) constituting the porous layer, for example, heat treatment or laser irradiation. As a result, part or all of the amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium) is crystallized. As a result, crystalline silicon (or crystalline germanium, or a mixture of crystalline silicon and germanium) is formed in the region of amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium), and crystalline on the p-type semiconductor layer. A silicon porous body layer (or a crystalline germanium porous body layer or a crystalline silicon germanium porous body layer) is formed. At this time, heat treatment in a highly reducing atmosphere is preferable, and heat treatment in a high concentration hydrogen atmosphere is more preferable. The heat treatment is preferably performed at a temperature of 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. However, crystallization of amorphous silicon (or amorphous germanium, or a mixture of amorphous silicon and germanium) and crystalline silicon porous layer (or crystalline germanium porous layer or crystalline silicon germanium porous layer) Any method and condition may be used as long as there is no problem in the structure, and several types of methods such as heat treatment and laser irradiation may be used in combination.

また、前記工程(b)で作製したp型半導体層521がa−Si、a−Si:H等のアモルファス半導体である場合、本工程における熱処理によってアモルファスのp型半導体層が結晶化しても構わない。   When the p-type semiconductor layer 521 manufactured in the step (b) is an amorphous semiconductor such as a-Si or a-Si: H, the amorphous p-type semiconductor layer may be crystallized by the heat treatment in this step. Absent.

工程(f):図6(f)に示すように、結晶質多孔質体層551の柱状の細孔552中にn型半導体材料を充填し、n型半導体柱状部材562および結晶質多孔質体層551から構成される機能層561を形成する。n型半導体材料を前記結晶質多孔質体層中に充填する方法は基本的にはどのような方法でも良いが、細孔内部にn型半導体を隙間無く充填できる方法、例えば電着法で行うことが好ましい。   Step (f): As shown in FIG. 6 (f), the n-type semiconductor material is filled into the columnar pores 552 of the crystalline porous body layer 551, and the n-type semiconductor columnar member 562 and the crystalline porous body are filled. A functional layer 561 including the layer 551 is formed. The method of filling the n-type semiconductor material into the crystalline porous layer may be basically any method, but a method that can fill the n-type semiconductor into the pores without gaps, for example, an electrodeposition method. It is preferable.

また、前記多孔質体表面に酸化物層が形成している場合には、n型半導体材料を多孔質体の細孔内に充填する前に前記酸化物層を除去することが好ましい。除去方法は、例えば沸酸(HF)等のシリコン酸化物を溶解する酸を用いることが好ましいがこれに限定されるものではなく、多孔質体層表面に存在する酸化物層を除去し、かつ多孔質体層の構造を保つことが出来るものであればどのような方法を用いても良い。   Further, when an oxide layer is formed on the surface of the porous body, it is preferable to remove the oxide layer before filling the pores of the porous body with the n-type semiconductor material. The removal method is preferably, but not limited to, an acid that dissolves silicon oxide such as hydrofluoric acid (HF), but the oxide layer present on the porous body layer surface is removed, and Any method may be used as long as the structure of the porous body layer can be maintained.

工程(g):図6(g)に示すように、前記機能層561上にn型半導体層571を形成する。本工程で形成するn型半導体層は基本的にはどのような物質を用いてもよいが、前記工程(f)で作製したn型半導体材料及び製造方法を本工程において連続して用いるとプロセス上都合が良く、好ましい。   Step (g): As shown in FIG. 6G, an n-type semiconductor layer 571 is formed on the functional layer 561. The n-type semiconductor layer formed in this step may basically use any substance, but if the n-type semiconductor material and the manufacturing method prepared in the step (f) are continuously used in this step, a process is performed. It is convenient and preferable.

工程(h):図6(h)に示すように、n型半導体層上571に電極581を形成する。電極材料は基本的にどのようなものを用いても良いが、下部にあるn型半導体層571とオーミック接触を形成する材料を用いることが望ましい。電極の形成方法はスパッタリング法、蒸着法等どのような方法を用いて形成してもよい。   Step (h): As shown in FIG. 6H, an electrode 581 is formed on the n-type semiconductor layer 571. Basically, any electrode material may be used, but it is desirable to use a material that forms ohmic contact with the n-type semiconductor layer 571 underneath. The electrode may be formed by any method such as sputtering or vapor deposition.

また本工程において電極を用意する前にn型半導体層571の表面をCMP研磨等の平坦化処理を行ってもよい。   In addition, the surface of the n-type semiconductor layer 571 may be subjected to planarization treatment such as CMP polishing before preparing an electrode in this step.

また、基板511及び工程(a)で作製する電極512に光透過性が無い、もしくは非常に低い場合には、本工程で電極を形成する際、マスク等を用いて電極形状を最適化することが望ましい。具体的には光電変換素子中への光の導入が電極により妨げられないようにすることが望ましく、例えばフィンガー電極のようなパターニングを行った電極の形成により、素子中に十分な量の光を導入することが出来る構造にすることが望ましい。   In addition, when the substrate 511 and the electrode 512 manufactured in the step (a) have no light transmission property or are very low, the electrode shape should be optimized using a mask or the like when forming the electrode in this step. Is desirable. Specifically, it is desirable that the introduction of light into the photoelectric conversion element is not hindered by the electrode. For example, by forming a patterned electrode such as a finger electrode, a sufficient amount of light is supplied into the element. It is desirable to have a structure that can be introduced.

しかし基板511及び工程(a)で作製する電極512が十分に光を透過する場合、例えば基板511にガラス基板を用い、電極512にITO等の透明電極を用いる場合には電極形状は基本的にどのような形でもかまわないが、n型半導体層571の表面を全面被覆している形状が好ましい。さらには基板511から素子に光が照射された場合に、n型半導体層571と電極581の境界面に到達した光を電極581で反射し、素子中に光を戻す様な形状を有していることが好ましい。   However, when the substrate 511 and the electrode 512 manufactured in step (a) sufficiently transmit light, for example, when a glass substrate is used as the substrate 511 and a transparent electrode such as ITO is used as the electrode 512, the electrode shape is basically Any shape may be used, but a shape that covers the entire surface of the n-type semiconductor layer 571 is preferable. Further, when light is emitted from the substrate 511 to the element, the light reaching the boundary surface between the n-type semiconductor layer 571 and the electrode 581 is reflected by the electrode 581 and returned to the element. Preferably it is.

以上が光電変換素子の構成及びその作製方法であるが、前記光電変換素子の構成および前記作製方法を大幅に変更するものでなければ、前記素子構成に加えて現在シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、色素増感太陽電池等に用いられている変換効率向上のため工夫、例えば反射防止膜、テクスチャ構造、表面パッシベーション構造等を光電変換素子の構成に追加しても構わない。また前記作製方法に前記変換効率向上のための工夫を導入する工程を追加しても構わない。   The above is the configuration of the photoelectric conversion element and the manufacturing method thereof. However, unless the configuration of the photoelectric conversion element and the manufacturing method are significantly changed, in addition to the element configuration, the present silicon solar cell and compound solar Devices for improving the conversion efficiency used in batteries, dye-sensitized solar cells and the like, for example, an antireflection film, a texture structure, a surface passivation structure, etc. may be added to the configuration of the photoelectric conversion element. Moreover, you may add the process of introducing the device for the said conversion efficiency improvement to the said manufacturing method.

以下、実施例を用いて本発明を説明する。   Hereinafter, the present invention will be described using examples.

本実施例は、基板材料として石英基板を用いた。   In this example, a quartz substrate was used as the substrate material.

次に、基板上にスパッタリング法を用いてITO透明電極を200nm製膜した。その上にプラズマCVD装置を用いてボロン(B)をドープしたp型の伝導性を有するアモルファスシリコン薄膜を作製した。このときボロンのドープ量は原料ガスSiH4とドーピングガスB26の比を変化させることで制御可能である。 Next, an ITO transparent electrode having a thickness of 200 nm was formed on the substrate by sputtering. A p-type amorphous silicon thin film doped with boron (B) was produced thereon using a plasma CVD apparatus. At this time, the doping amount of boron can be controlled by changing the ratio of the source gas SiH 4 and the doping gas B 2 H 6 .

次にこのp型アモルファスシリコン薄膜上に、マグネトロンスパッタ法を用いてアルミニウムをアルミニウムとシリコンの全量に対して56atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜を約100nmの厚さに形成した。ターゲットには、直径が4インチ(101.6mm)の円形のアルミニウムシリコン混合ターゲットを用いた。アルミニウムシリコン混合ターゲットはアルミニウムの粉末とシリコンの粉末を56atomic%:44atomic%の割合で焼結したものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:30sccm、放電圧力:0.15Pa、投入電力:100Wとした。また、基板温度は100℃とした。   Next, on the p-type amorphous silicon thin film, an aluminum silicon mixed film containing 56 atomic% of aluminum with respect to the total amount of aluminum and silicon was formed to a thickness of about 100 nm by magnetron sputtering. A circular aluminum silicon mixed target having a diameter of 4 inches (101.6 mm) was used as the target. As the aluminum silicon mixed target, an aluminum powder and silicon powder sintered at a ratio of 56 atomic%: 44 atomic% was used. Sputtering conditions were as follows: RF flow rate, Ar flow rate: 30 sccm, discharge pressure: 0.15 Pa, input power: 100 W. The substrate temperature was 100 ° C.

なお、FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、アルミニウムシリコン混合膜を観察した。その結果、基板斜め上方向から見た表面の形状は、図2(a)に示す様にシリコン領域に囲まれた円形のアルミニウム柱状構造体が二次元的に配列していた。アルミニウム柱状構造体部分の平均径は4nmであり、平均密度は1.5×1011cm-2以上であった。また、断面をFE−SEMにて観察した所、それぞれのアルミニウム柱状構造体はお互いに独立していた。 In addition, the aluminum silicon mixed film was observed with FE-SEM (field emission scanning electron microscope). As a result, as shown in FIG. 2A, the shape of the surface viewed from the obliquely upward direction of the substrate was a two-dimensional array of circular aluminum columnar structures surrounded by silicon regions. The average diameter of the aluminum columnar structure portion was 4 nm, and the average density was 1.5 × 10 11 cm −2 or more. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, each aluminum columnar structure was mutually independent.

このように作製したアルミニウムシリコン混合膜を98%濃硫酸溶液中にて24時間浸し、アルミニウム柱状構造部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。その形状をFE−SEMで観察したところ図2(b)に示す様な膜面に対して垂直な細孔が多数存在する膜であった。この結果、酸素を除いた主成分をシリコンとした部材で構成された多孔質膜が作製された。この多孔質膜を顕微ラマン分光装置により測定したところ、アモルファスシリコンであることが分かった。   The aluminum silicon mixed film thus produced was immersed in a 98% concentrated sulfuric acid solution for 24 hours, and only aluminum columnar structure portions were selectively etched to form pores. When the shape was observed with an FE-SEM, it was a film having a large number of pores perpendicular to the film surface as shown in FIG. As a result, a porous film composed of a member whose main component excluding oxygen was silicon was produced. When this porous film was measured with a microscopic Raman spectroscope, it was found to be amorphous silicon.

次にこのようにして作製した構造体を大気圧、100%の水素雰囲気中で600℃で5時間加熱処理し、p型アモルファスシリコン膜と多孔質膜を結晶化させた。この時エックス線回折装置および顕微ラマン分光装置により結晶シリコンの存在を確認した。また熱起電力法により結晶化した多孔質膜の導電型を判定したところ、p型の伝導性を有することが分かった。   Next, the thus produced structure was heat-treated at 600 ° C. for 5 hours in a 100% hydrogen atmosphere at atmospheric pressure to crystallize the p-type amorphous silicon film and the porous film. At this time, the presence of crystalline silicon was confirmed by an X-ray diffractometer and a microscopic Raman spectroscope. Moreover, when the conductivity type of the porous film crystallized by the thermoelectromotive force method was determined, it was found to have p-type conductivity.

この膜の結晶化した多孔質膜の表面に形成された酸化膜を2%沸酸(HF)で除去し、その後電着法によりセレン化カドミウム(CdSe)を多孔質体の孔の中に導入した。電解液は濃度0.05mol・L-1の二塩化カドミウム(CdCl2)とジメチルスルホキシド(di−methylsulfoxide:DMSO)溶媒中に二塩化カドミウム(CdCl2)とセレン(Se)を溶解したものを用い、電流密度0.85mA・cm-2で30分、溶液温度185℃で電着を行った。 The oxide film formed on the surface of the crystallized porous film is removed with 2% hydrofluoric acid (HF), and then cadmium selenide (CdSe) is introduced into the pores of the porous body by electrodeposition. did. The electrolyte used was a solution of cadmium dichloride (CdCl 2 ) and selenium (Se) in a solvent of 0.05 mol·L −1 cadmium dichloride (CdCl 2 ) and dimethyl sulfoxide (DMSO). Electrodeposition was performed at a current temperature of 185 ° C. for 30 minutes at a current density of 0.85 mA · cm −2 .

この電着後の膜を表面研磨して表面を平滑にした。断面構造をFE−SEMにより観察したところ、多孔質体の細孔中にCdSeが充填しており、さらに多孔質膜の上部にCdSe膜が形成されていることが確認できた。またエックス線回折測定によりCdSeが多結晶として存在していることを確認した。   The film after electrodeposition was surface polished to smooth the surface. When the cross-sectional structure was observed by FE-SEM, it was confirmed that CdSe was filled in the pores of the porous body, and that a CdSe film was formed on the porous film. Further, it was confirmed by X-ray diffraction measurement that CdSe exists as a polycrystal.

最後に上部にチタン−銀(Ti−Ag)電極を蒸着法により、CdSe膜上部全面に作製した。まずTiを100nm作製してオーミック接触を形成し、その上にAgを300nm作製した。   Finally, a titanium-silver (Ti-Ag) electrode was formed on the entire upper surface of the CdSe film by vapor deposition. First, 100 nm of Ti was formed to form ohmic contact, and 300 nm of Ag was formed thereon.

このようにして作製した光電変換素子に、素子の石英基板側から100mWの擬似太陽光(AM1.5、100mW・cm-2)を照射したところ、図7に示すような、機能層(多孔質膜にCdSeを充填した層)をp型半導体層64に置き換えて作製した光電変換素子と比較して、10%程度の光電変換効率の向上が確認された。 When the photoelectric conversion element thus fabricated was irradiated with 100 mW pseudo sunlight (AM1.5, 100 mW · cm −2 ) from the quartz substrate side of the element, a functional layer (porous) as shown in FIG. It was confirmed that the photoelectric conversion efficiency was improved by about 10% as compared with the photoelectric conversion element manufactured by replacing the layer in which the film was filled with CdSe) with the p-type semiconductor layer 64.

本実施例は、基板材料として石英基板を用いた。   In this example, a quartz substrate was used as the substrate material.

次に、基板上にスパッタリング法を用いてITO透明電極を200nm製膜した。その上にプラズマCVD装置を用いてボロン(B)をドープしたp型の伝導性を有するアモルファスシリコン薄膜を作製した。このときボロンのドープ量は原料ガスSiH4とドーピングガスB26の比を変化させることで制御可能である。 Next, an ITO transparent electrode having a thickness of 200 nm was formed on the substrate by sputtering. A p-type amorphous silicon thin film doped with boron (B) was produced thereon using a plasma CVD apparatus. At this time, the doping amount of boron can be controlled by changing the ratio of the source gas SiH 4 and the doping gas B 2 H 6 .

次にこのp型アモルファスシリコン薄膜上に、マグネトロンスパッタ法を用いてアルミニウムをアルミニウムとゲルマニウムの全量に対して60atomic%含んだアルミニウムゲルマニウム混合膜を約100nmの厚さに形成した。ターゲットには、直径が4インチ(101.6mm)の円形のアルミニウムゲルマニウム混合ターゲットを用いた。アルミニウムゲルマニウム混合ターゲットはアルミニウムの粉末とゲルマニウムの粉末を60atomic%:40atomic%の割合で焼結したものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:30sccm、放電圧力:0.15Pa、投入電力:100Wとした。また、基板温度は25℃とした。   Next, an aluminum germanium mixed film containing aluminum at 60 atomic% with respect to the total amount of aluminum and germanium was formed on the p-type amorphous silicon thin film by a magnetron sputtering method to a thickness of about 100 nm. As a target, a circular aluminum germanium mixed target having a diameter of 4 inches (101.6 mm) was used. As the aluminum germanium mixed target, an aluminum powder and a germanium powder were sintered at a ratio of 60 atomic%: 40 atomic%. Sputtering conditions were as follows: RF flow rate, Ar flow rate: 30 sccm, discharge pressure: 0.15 Pa, input power: 100 W. The substrate temperature was 25 ° C.

なお、FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、アルミニウムゲルマニウム混合膜を観察した。基板斜め上方向から見た表面の形状は、図2(a)に示すようにゲルマニウム領域に囲まれた円形のアルミニウム柱状構造体が二次元的に配列していた。アルミニウム柱状構造体部分の平均孔径は10nmでり、平均密度は1.5×1010cm-2以上であった。また、断面をFE−SEMにて観察した所、それぞれのアルミニウム柱状構造体はお互いに独立していた。 In addition, the aluminum germanium mixed film was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). As shown in FIG. 2 (a), the shape of the surface seen from the diagonally upward direction of the substrate was a two-dimensional array of circular aluminum columnar structures surrounded by a germanium region. The average pore diameter of the aluminum columnar structure portion was 10 nm, and the average density was 1.5 × 10 10 cm −2 or more. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, each aluminum columnar structure was mutually independent.

このように作製したアルミニウムゲルマニウム混合膜を98%濃硫酸溶液中にて24時間浸し、アルミニウム柱状構造部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。その形状をFE−SEMで観察したところ図2(b)に示す様な膜面に対して垂直な細孔が多数存在する膜であった。この結果、酸素を除いた主成分をゲルマニウムとした部材で構成された多孔質膜が作製された。この多孔質膜を顕微ラマン分光装置により測定したところ、アモルファスゲルマニウムであることが分かった。   The aluminum germanium mixed film thus prepared was immersed in a 98% concentrated sulfuric acid solution for 24 hours, and only aluminum columnar structure portions were selectively etched to form pores. When the shape was observed with an FE-SEM, it was a film having a large number of pores perpendicular to the film surface as shown in FIG. As a result, a porous film composed of a member whose main component excluding oxygen was germanium was produced. When this porous film was measured with a microscopic Raman spectroscope, it was found to be amorphous germanium.

次にこのようにして作製した構造体を大気圧、100%の水素雰囲気中で600℃で5時間加熱処理し、p型アモルファスシリコン膜と多孔質膜を結晶化させた。この時エックス線回折装置および顕微ラマン分光装置により結晶シリコンおよび結晶ゲルマニウムの存在を確認した。   Next, the thus produced structure was heat-treated at 600 ° C. for 5 hours in a 100% hydrogen atmosphere at atmospheric pressure to crystallize the p-type amorphous silicon film and the porous film. At this time, the presence of crystalline silicon and crystalline germanium was confirmed by an X-ray diffractometer and a microscopic Raman spectroscope.

この膜の結晶化した多孔質膜の表面に形成された酸化膜を2%沸酸(HF)で除去し、その後電着法によりセレン化カドミウム(CdSe)を多孔質体の孔の中に導入した。電解液は濃度0.05mol・L-1の二塩化カドミウム(CdCl2)とジメチルスルホキシド(di−methylsulfoxide:DMSO)溶媒中に二塩化カドミウム(CdCl2)とセレン(Se)を溶解したものを用い、電流密度0.85mA・cm-2で30分、溶液温度185℃で電着を行った。 The oxide film formed on the surface of the crystallized porous film is removed with 2% hydrofluoric acid (HF), and then cadmium selenide (CdSe) is introduced into the pores of the porous body by electrodeposition. did. The electrolyte used was a solution of cadmium dichloride (CdCl 2 ) and selenium (Se) in a solvent of 0.05 mol·L −1 cadmium dichloride (CdCl 2 ) and dimethyl sulfoxide (DMSO). Electrodeposition was performed at a current temperature of 185 ° C. for 30 minutes at a current density of 0.85 mA · cm −2 .

この電着後の膜を表面研磨して表面を平滑にした。断面構造をFE−SEMにより観察したところ、多孔質体の細孔中にCdSeが充填しており、さらに多孔質膜の上部にCdSe膜が形成されていることが確認できた。またエックス線回折測定によりCdSeが多結晶として存在していることを確認した。   The film after electrodeposition was surface polished to smooth the surface. When the cross-sectional structure was observed by FE-SEM, it was confirmed that CdSe was filled in the pores of the porous body, and that a CdSe film was formed on the porous film. Further, it was confirmed by X-ray diffraction measurement that CdSe exists as a polycrystal.

最後に上部にチタン−銀(Ti−Ag)電極を蒸着法により、CdSe膜上部全面に作製した。まずTiを100nm作製してオーミック接触を形成し、その上にAgを300nm作製した。   Finally, a titanium-silver (Ti-Ag) electrode was formed on the entire upper surface of the CdSe film by vapor deposition. First, 100 nm of Ti was formed to form ohmic contact, and 300 nm of Ag was formed thereon.

このようにして作製した光電変換素子に、素子の石英基板側から100mWの擬似太陽光(AM1.5、100mW・cm-2)を照射したところ、図7に示すような、機能層(多孔質膜にCdSeを充填した層)をp型半導体層64に置き換えて作製した光電変換素子と比較して、15%程度の光電変換効率の向上が確認された。 When the photoelectric conversion element thus fabricated was irradiated with 100 mW pseudo sunlight (AM1.5, 100 mW · cm −2 ) from the quartz substrate side of the element, a functional layer (porous) as shown in FIG. It was confirmed that the photoelectric conversion efficiency was improved by about 15% as compared with the photoelectric conversion element manufactured by replacing the layer filled with CdSe with the p-type semiconductor layer 64.

本実施例は、基板材料として石英基板を用いた。   In this example, a quartz substrate was used as the substrate material.

次に、基板上にスパッタリング法を用いてITO透明電極を200nm製膜した。その上にプラズマCVD装置を用いてボロン(B)をドープしたp型の伝導性を有するアモルファスシリコン薄膜を作製した。このときボロンのドープ量は原料ガスSiH4とドーピングガスB26の比を変化させることで制御可能である。 Next, an ITO transparent electrode having a thickness of 200 nm was formed on the substrate by sputtering. A p-type amorphous silicon thin film doped with boron (B) was produced thereon using a plasma CVD apparatus. At this time, the doping amount of boron can be controlled by changing the ratio of the source gas SiH 4 and the doping gas B 2 H 6 .

次にこのp型アモルファスシリコン薄膜上に、マグネトロンスパッタ法を用いてアルミニウムをアルミニウムとシリコンとゲルマニウムの全量に対して56atomic%、シリコンをシリコンとゲルマニウムの全量に対して50atomic%含んだアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜を約100nmの厚さに形成した。ターゲットには、直径が4インチ(101.6mm)の円形のアルミニウムシリコンゲルマニウム混合ターゲットを用いた。アルミニウムシリコンゲルマニウム混合ターゲットはアルミニウムの粉末とシリコンの粉末とゲルマニウムの粉末を56atomic%:22atomic%:22atomic%の割合で焼結したものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:30sccm、放電圧力:0.15Pa、投入電力:100Wとした。また、基板温度は25℃とした。   Next, on this p-type amorphous silicon thin film, an aluminum silicon germanium mixture containing 56 atomic% of aluminum with respect to the total amount of aluminum, silicon and germanium and 50 atomic% of silicon with respect to the total amount of silicon and germanium is formed by magnetron sputtering. A film was formed to a thickness of about 100 nm. As the target, a circular aluminum silicon germanium mixed target having a diameter of 4 inches (101.6 mm) was used. As the aluminum silicon germanium mixed target, an aluminum powder, silicon powder, and germanium powder sintered at a ratio of 56 atomic%: 22 atomic%: 22 atomic% were used. Sputtering conditions were as follows: RF flow rate, Ar flow rate: 30 sccm, discharge pressure: 0.15 Pa, input power: 100 W. The substrate temperature was 25 ° C.

なお、FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、アルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜を観察した。基板斜め上方向から見た表面の形状は、図2(a)に示すようにシリコンゲルマニウム領域に囲まれた円形のアルミニウム柱状構造体が二次元的に配列していた。アルミニウム柱状構造体部分の平均孔径は7nmであり、平均密度は5.0×1010cm-2以上であった。また、断面をFE−SEMにて観察した所、それぞれのアルミニウム柱状構造体はお互いに独立していた。 In addition, the aluminum silicon germanium mixed film was observed with FE-SEM (field emission scanning electron microscope). As shown in FIG. 2A, the shape of the surface seen from the obliquely upward direction of the substrate was a two-dimensional array of circular aluminum columnar structures surrounded by silicon germanium regions. The average pore diameter of the aluminum columnar structure portion was 7 nm, and the average density was 5.0 × 10 10 cm −2 or more. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, each aluminum columnar structure was mutually independent.

このように作製したアルミニウムシリコンゲルマニウム混合膜を98%濃硫酸溶液中にて24時間浸し、アルミニウム柱状構造部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。その形状をFE−SEMで観察したところ図2(b)に示す様な膜面に対して垂直な細孔が多数存在する膜であった。この結果、酸素を除いた主成分をシリコンゲルマニウムとした部材で構成された多孔質膜が作製された。この多孔質膜を顕微ラマン分光装置により測定したところ、アモルファスシリコンゲルマニウムであることが分かった。   The aluminum silicon germanium mixed film thus prepared was immersed in a 98% concentrated sulfuric acid solution for 24 hours, and only aluminum columnar structure portions were selectively etched to form pores. When the shape was observed with an FE-SEM, it was a film having a large number of pores perpendicular to the film surface as shown in FIG. As a result, a porous film composed of a member whose main component excluding oxygen was silicon germanium was produced. When this porous film was measured with a microscopic Raman spectroscope, it was found to be amorphous silicon germanium.

次にこのようにして作製した構造体を大気圧、100%の水素雰囲気中で600℃で5時間加熱処理し、p型アモルファスシリコン膜と多孔質膜を結晶化させた。この時エックス線回折装置および顕微ラマン分光装置により結晶シリコンおよび結晶のシリコンゲルマニウム化合物の存在を確認した。   Next, the thus produced structure was heat-treated at 600 ° C. for 5 hours in a 100% hydrogen atmosphere at atmospheric pressure to crystallize the p-type amorphous silicon film and the porous film. At this time, the presence of crystalline silicon and crystalline silicon germanium compound was confirmed by an X-ray diffractometer and a microscopic Raman spectroscope.

この膜の結晶化した多孔質膜の表面に形成された酸化膜を2%沸酸(HF)で除去し、その後電着法によりセレン化カドミウム(CdSe)を多孔質体の孔の中に導入した。電解液は濃度0.05mol・L-1の二塩化カドミウム(CdCl2)とジメチルスルホキシド(di−methylsulfoxide:DMSO)溶媒中に二塩化カドミウム(CdCl2)とセレン(Se)を溶解したものを用い、電流密度0.85mA・cm-2で30分、溶液温度185℃で電着を行った。 The oxide film formed on the surface of the crystallized porous film is removed with 2% hydrofluoric acid (HF), and then cadmium selenide (CdSe) is introduced into the pores of the porous body by electrodeposition. did. The electrolyte used was a solution of cadmium dichloride (CdCl 2 ) and selenium (Se) in a solvent of 0.05 mol·L −1 cadmium dichloride (CdCl 2 ) and dimethyl sulfoxide (DMSO). Electrodeposition was performed at a current temperature of 185 ° C. for 30 minutes at a current density of 0.85 mA · cm −2 .

この電着後の膜を表面研磨して表面を平滑にした。断面構造をFE−SEMにより観察したところ、多孔質体の細孔中にCdSeが充填しており、さらに多孔質膜の上部にCdSe膜が形成されていることが確認できた。またエックス線回折測定によりCdSeが多結晶として存在していることを確認した。   The film after electrodeposition was surface polished to smooth the surface. When the cross-sectional structure was observed by FE-SEM, it was confirmed that CdSe was filled in the pores of the porous body, and that a CdSe film was formed on the porous film. Further, it was confirmed by X-ray diffraction measurement that CdSe exists as a polycrystal.

最後に上部にチタン−銀(Ti−Ag)電極を蒸着法によりCdSe膜上部全面に作製した。まずTiを100nm作製してオーミック接触を形成し、その上にAgを300nm作製した。   Finally, a titanium-silver (Ti-Ag) electrode was formed on the entire upper surface of the CdSe film by vapor deposition. First, 100 nm of Ti was formed to form ohmic contact, and 300 nm of Ag was formed thereon.

このようにして作製した光電変換素子に、素子の石英基板側から100mWの擬似太陽光(AM1.5、100mW・cm-2)を照射したところ、図7に示すような、機能層(多孔質膜にCdSeを充填した層)をp型半導体層64に置き換えて作製した光電変換素子と比較して、12%程度の光電変換効率の向上が確認された。 When the photoelectric conversion element thus produced was irradiated with 100 mW pseudo sunlight (AM1.5, 100 mW · cm −2 ) from the quartz substrate side of the element, a functional layer (porous) as shown in FIG. It was confirmed that the photoelectric conversion efficiency was improved by about 12% as compared with the photoelectric conversion element manufactured by replacing the layer in which the film was filled with CdSe with the p-type semiconductor layer 64.

本発明は、シリコンやゲルマニウムなどの半導体を用いた太陽電池等の光電変換素子に適用可能である。   The present invention can be applied to a photoelectric conversion element such as a solar cell using a semiconductor such as silicon or germanium.

本発明の光電変換素子の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の機能層を構成する、柱状物質と母材物質から構成される構造体薄膜及び前記構造体薄膜から柱状物質を除去して形成される多孔質薄膜の概略図である。It is the schematic of the porous thin film formed by removing a columnar substance from the structure thin film comprised from the columnar substance and base material which comprises the functional layer of this invention, and the said structure thin film. 本発明の機能層を構成する、多孔質薄膜を説明する概略図である。It is the schematic explaining the porous thin film which comprises the functional layer of this invention. 本発明の光電変換素子の他の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other structural example of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子の製造方法の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子の製造方法の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子との性能比較のために用いた光電変換素子の概略図である。It is the schematic of the photoelectric conversion element used for the performance comparison with the photoelectric conversion element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11、22、41、511、61 基板
12、42、62 下部電極
18、48、66 上部電極
512、581 電極
13、43、521、64 p型半導体層
63 p+型半導体層
17、47、571、65 n型半導体層
562 n型半導体材料
14、561 機能層
441 機能層
442 機能層
15 第1の部材
451 第1の部材層
452 第1の部材層
453 第1の部材層
16、46 第2の部材
21、532 柱状物質
23 構造体薄膜
24、533 母材物質
25、541 多孔質体薄膜
26、542、552 細孔
531 構造体層
543、553 多孔質構造体
551 結晶質多孔質構造体
11, 22, 41, 511, 61 Substrate 12, 42, 62 Lower electrode 18, 48, 66 Upper electrode 512, 581 Electrode 13, 43, 521, 64 p-type semiconductor layer 63 p + -type semiconductor layer 17, 47, 571 , 65 n-type semiconductor layer 562 n-type semiconductor material 14, 561 functional layer 441 functional layer 442 functional layer 15 first member 451 first member layer 452 first member layer 453 first member layer 16, 46 second 21, 532 Columnar material 23 Structure thin film 24, 533 Base material 25, 541 Porous thin film 26, 542, 552 Pore 531 Structure layer 543, 553 Porous structure 551 Crystalline porous structure

Claims (9)

p型の第1の半導体層と、
前記p型の第1の半導体層の上に形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成されたn型の第3の半導体層と、を備え、
前記第2の半導体層は、前記第1の半導体層に対してほぼ垂直に形成した柱状のn型の半導体からなる第1の部材と前記第1の部材を取り囲むように形成されp型の半導体を含有する第2の部材を備えていることを特徴とする光電変換素子。
a p-type first semiconductor layer;
A second semiconductor layer formed on the p-type first semiconductor layer;
An n-type third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer,
The second semiconductor layer is formed so as to surround a first member made of a columnar n-type semiconductor formed substantially perpendicular to the first semiconductor layer and the first member. The photoelectric conversion element characterized by including the 2nd member containing this.
前記第2の部材の酸素を除く成分がシリコン、あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the component excluding oxygen of the second member is silicon, germanium, or a mixture of silicon and germanium. 前記第2の部材の一部もしくは全部が結晶質であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein a part or all of the second member is crystalline. 前記第1の部材の平均直径が20nm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein an average diameter of the first member is 20 nm or less. 前記第3の半導体層と前記第1の部材とは同一プロセスで形成されてなる請求項1から4のいずれか1項に記載の光電変換素子。 5. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the third semiconductor layer and the first member are formed by the same process. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光電変換素子を用いた太陽電池。 The solar cell using the photoelectric conversion element of any one of Claims 1-5. 半導体層を有する基板上に、該基板に対してほぼ垂直な柱状の第1の部材とそれを取り囲む第2の部材を備える構造体を形成する工程と、前記第1の部材を除去し、孔を形成する工程と、前記孔にn型の半導体材料を充填する工程と、を備えることを特徴とする光電変換素子の製造方法。 Forming a structure including a columnar first member substantially perpendicular to the substrate and a second member surrounding the first member on the substrate having the semiconductor layer; removing the first member; And a step of filling the hole with an n-type semiconductor material. A method for manufacturing a photoelectric conversion element, comprising: 前記第2の部材の酸素を除く成分がシリコン、あるいはゲルマニウム、あるいはシリコンとゲルマニウムの混合物であることを特徴とする請求項7に記載の光電変換素子の製造方法。 The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 7, wherein the component excluding oxygen of the second member is silicon, germanium, or a mixture of silicon and germanium. 前記第1の部材を除去し、孔を形成する工程の後に、前記構造体を非酸化雰囲気中で熱処理する工程を備えることを特徴とする請求項7又は8記載の光電変換素子の製造方法。
The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 7, further comprising a step of heat-treating the structure in a non-oxidizing atmosphere after the step of removing the first member and forming the hole.
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