JP2008135740A - 非晶質−結晶質タンデムナノ構造化太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板の表面上に配設された複数の細長いナノ構造体、及び細長いナノ構造体上にコンフォーマルに堆積して複数の光活性接合を形成する多層膜を含んでなる光起電力デバイスを提供する。
【解決手段】基板１０２表面上に複数の細長いナノ構造体１０１を生成し、及び多層膜１０３をコンフォーマルに堆積させて複数の光活性接合を形成する段階を含んでなり、複数の光活性接合は異なる波長の光を捕獲するように設計される。ソーラーパネルは１以上の光起電力デバイスを含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に太陽電池に関し、さらに詳しくは細長いナノ構造体上にコンフォーマルに集成された積層多重接合アレイを含むかかる太陽電池に関する。
現在、太陽電池の製造で最も常用されている材料はシリコン（Ｓｉ）であり、かかる太陽電池は日光を電気に変換するために使用される。このような目的のためには単一接合及び多重接合のｐｎ型太陽電池が使用されているが、いずれもこの技術の製造及び使用に関係するコストを顕著に低減させるのに十分なほど効率的でない。その結果、従来の電気供給源との競争により、かかる太陽電池技術の広汎な使用は妨げられている。
大抵の電子デバイス及び光電子デバイスでは、接合の形成が必要となる。例えば、ある導電型の材料を反対の導電型の異種材料に接触させて配置することでヘテロ接合が形成される。別法として、単一タイプの材料からなる異種ドープ層を対合させることでｐｎ接合（又はホモ接合）を形成できる。導電型の変化及び／又はバンドギャップの変動に原因するヘテロ接合での急激なバンドベンディングは、高密度の界面状態を引き起こし、それが電荷キャリヤーの再結合をもたらすことがある。さらに、製造中に接合の位置に導入された欠陥が電荷キャリヤーの再結合部位として作用してデバイスの性能を低下させることがある。
既存の太陽電池では、光励起電子がバンドギャップを超えて有し得るエネルギーを（フォノンとして知られる）格子振動との相互作用の結果として急速に失って再結合が増加することで効率の損失が起こる。このような損失だけで、標準電池の変換効率は約４４％に制限される。加えて、点欠陥（格子間不純物）、金属クラスター、線欠陥（転位）、平面欠陥（積層欠陥）及び／又は結晶粒界に関連した半導体結晶中のトラップ状態による光生成電子及び正孔の再結合はさらに効率を低下させる。このような後者の効率低下は適当な性質（特に、光生成キャリヤーの長い拡散距離）を有する他の材料を使用することで解消できるが、それでもこの技術を従来の電気供給源とコスト的に同等なものにするには至らない。
半導体は一般に使用する材料のバンドギャップより低いエネルギーをもった光を吸収しないという事実のためにさらなる損失が起こる。光起電力損失のすべてを考慮に入れて、Ｓｈｏｃｋｌｅｙ及びＱｕｅｉｓｓｅｒは、単一接合電池の性能が１．４５電子ボルト（ｅＶ）のバンドギャップを有する最適電池について３０％をわずかに上回る効率に制限されることを証明できた（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ ａｎｄ Ｑｕｅｉｓｓｅｒ，“Ｄｅｔａｉｌｅｄ Ｂａｌａｎｃｅ Ｌｉｍｉｔ ｏｆ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐ−ｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１９６１，３２（３），ｐｐ．５１０−５１９）。さらに最近の計算では、単一接合に関するこの「限界効率」は２９％であると証明されている（Ｋｅｒｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｉｆｅｔｉｍｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ”，Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１）。
ＰＶデバイスを構成する材料の吸収能力もまた、電池の効率に影響を及ぼすことがある。可変バンドギャップ材料で形成されたｉ型半導体吸収剤層をｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に配置したｐｉｎ型薄膜太陽電池が記載されている。米国特許第５，２５２，１４２号を参照されたい。可変バンドギャップのｉ型吸収剤は、向上した光電変換効率をもたらす。
多重接合型太陽電池もまた、向上した効率を有することが実証されている。向上した性能は、異なるバンドギャップをもった積層接合を組み込んで光スペクトルの一層広い領域を捕獲することで達成できる。かかるデバイスは、通例、積層ｐｎ接合又は積層ｐｉｎ接合を用いて製造される。このようなアレイ中における各組の接合は、しばしばセルといわれる。典型的な多重接合型太陽電池は、互いに積層された２つ又は３つのセルを含んでいる。多重接合型太陽電池に関する、積層物中のセル数の関数としての最適バンドギャップ及び理論効率がＭａｒｔｉ及びＡｒａｕｊｏによって理論的に解析された（Ａ．Ｍａｒｔｉ ａｎｄ Ｇ．Ｌ．Ａｒａｕｊｏ，Ｓｏｌ．Ｅｎｅｒ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ，１９９６４３（２），ｐｐ．２０３−２２２）。
ナノ構造体
ｐｎ接合ダイオードアレイ中におけるシリコンナノワイヤは記載されている（Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｐ−ｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００４，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．７３−７６）。しかし、かかるアレイは光起電力デバイスで使用するように形成されていない上、かかるアレイが太陽電池の効率を高めるために役立ち得ることも示唆されていない。
太陽電池デバイス中におけるシリコンナノ構造体は記載されている（Ｊｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ （ＭＩＧ） ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｅｍｉｔｔｅｒｓ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，２００２，ｐｐ．１３１４−１３１７）。かかるデバイスでは、ニッケル（Ｎｉ）予備層上にＳｉをスパッタリングすることにより、微晶質Ｓｉ薄膜中に埋め込まれた状態でＳｉナノワイヤを形成でき、Ｓｉナノワイヤが薄膜の内部で成長するか否かはその厚さで決定される。しかし、かかるナノワイヤは能動光起電（ＰＶ）要素でない。これらは単に反射防止能力の点で役立つにすぎない。
ナノ構造体が能動ＰＶ要素であるような、シリコンナノ構造体を含む太陽電池は、２００５年３月１６日に提出されかつ同じ譲受人に譲渡された同時係属米国特許出願第１１／０８１，９６７号に記載されている。この特定の特許出願では、電荷分離接合は主としてナノ構造体そのものの内部に含まれていて、一般にかかるナノ構造体の合成中にドーピングの変更が要求される。
上述の説明の結果、ナノ構造化された足場上に多重接合セルを組み込むことは、従来の電気供給源と同等な効率をもった太陽電池を生み出すことができる。このように、ＰＶデバイスに関する新しい構成を探求する必要は今なお存在している。これは特に、光吸収時における光トラッピングの向上及び短い電荷輸送経路から利益を得ることができるナノ構造化デバイスについて言える。
米国特許第５，２５２，１４２号明細書 Ｓｈｏｃｋｌｅｙ ａｎｄ Ｑｕｅｉｓｓｅｒ，"Ｄｅｔａｉｌｅｄ Ｂａｌａｎｃｅ Ｌｉｍｉｔ ｏｆ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐ−ｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ"，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１９６１，３２（３），ｐｐ．５１０−５１９ Ｋｅｒｒ ｅｔ ａｌ．，"Ｌｉｆｅｔｉｍｅ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ"，Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１ Ａ．Ｍａｒｔｉ ａｎｄ Ｇ．Ｌ．Ａｒａｕｊｏ，Ｓｏｌ．Ｅｎｅｒ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ，１９９６４３（２），ｐｐ．２０３−２２２ Ｐｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，"Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｐ−ｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙｓ"，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００４，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．７３−７６ Ｊｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ （ＭＩＧ） ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｅｍｉｔｔｅｒｓ"，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，２００２，ｐｐ．１３１４−１３１７ 米国特許出願第１１／０８１，９６７号
若干の実施形態では、光起電力デバイスは、基板の表面上に配設された複数の細長いナノ構造体、及び細長いナノ構造体上にコンフォーマルに堆積した多層膜を含んでなる。多層膜は複数の光活性接合を含んでいる。細長いナノ構造体上に堆積した光活性接合のアレイは、広域スペクトルの光を捕獲するための手段を提供し得る。細長いナノ構造体は、光吸収を最適化するための多重光路を生み出すための手段を提供し得る。
若干の実施形態では、光起電力デバイスの製造方法は、基板表面上に複数の細長いナノ構造体を生成する段階、及び多層膜をコンフォーマルに堆積させる段階を含んでなる。多層膜は複数の光活性接合を含んでいる。
若干の実施形態では、ソーラーパネルは１以上の光起電力デバイスを含んでなり、ソーラーパネルはかかるデバイスを周囲の大気環境から隔離すると共に電力の発生を可能にする。
以上、本発明に関する以下の詳しい説明を一層よく理解できるようにするため、本発明の特徴をかなり大まかに略述した。本発明の特許請求の範囲の内容をなす本発明の追加の特徴及び利点は以下に記載される。
添付の図面を参照しながら以下の説明を考察することで、本発明及びその利点を一層完全に理解できよう。
若干の実施形態では、本発明は光起電（ＰＶ）デバイスに関し、かかるデバイスは細長いナノ構造体及び細長いナノ構造体上にコンフォーマルに配設された多層膜を含み得る。多層膜は、ｐｎ接合及びｐｉｎ接合のような複数の光活性接合を含み得る。これらの光活性接合は、多重接合アレイ中の各セルを分離するトンネル接合と積層し得る。多重接合アレイ中の各セルは直列に配列でき、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合及びこれらの組合せを含み得る。若干の実施形態では、細長いナノ構造体は第１の光活性接合の一部であってよく、ｐ型層又はｎ型層のように適当にドープされていてよい。別の実施形態では、細長いナノ構造体は導電性であり、したがって光活性接合の一部でなくてもよい。
以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を可能にするため、特定の細目（例えば、特定の数量、サイズなど）が記載される。しかし、かかる特定の細目なしでも本発明を実施できることは当業者にとって自明であろう。多くの場合、かかる細目は本発明の完全な理解を得るためには不要であると共に、関連技術分野の当業者のスキルの範囲内に含まれるので、かかる考慮事項などに関する細目は省略されている。
図面全般について言えば、図は本発明の特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明をそれに限定するためのものでないことはもちろんである。
本明細書中で使用する用語の大部分は当業者にとって認識し得るものであろうが、本発明の理解を助けるために以下の定義を示す。しかし、明確に定義されていない場合、用語は当業者によって現在容認されている意味を有するものと解釈すべきであることを理解すべきである。
本明細書中で定義される「光起電力デバイス」は、１以上のホトダイオードを含むと共に、光起電効果を利用して起電力（ｅ．ｍ．ｆ．）を生み出すデバイスである。Ｐｅｎｇｕｉｎ Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖ．Ｉｌｌｉｎｇｗｏｒｔｈ，Ｅｄ．，Ｐｅｎｇｕｉｎ Ｂｏｏｋｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９９８を参照されたい。例示的なかかるデバイスは「太陽電池」であり、太陽電池はその分光応答が太陽からの日中放射に対して最適化されているホトダイオードである。
本明細書中で定義される「ナノスケール」は、一般に１μｍ未満の寸法をいう。
本明細書中で定義される「ナノ構造体」は、一般に２以上の寸法についてナノスケールである構造体をいう。
本明細書中で定義される「細長いナノ構造体」は、２以上の寸法についてナノスケールであるナノ構造体をいう。例示的なかかる細長いナノ構造体には、特に限定されないが、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブなどがある。
本明細書中で定義される「ナノワイヤ」は、一般に、通例は２以上の寸法についてサブミクロン（＜１μｍ）であると共に主として円筒形の形状を有する細長いナノ構造体である。これらはしばしば単結晶である。
本明細書中で定義される「コンフォーマル」は、構造体を被覆する被膜について、被膜が主として構造体の形状にならう（即ち、その形状に従う）ことをいう。しかし、この用語は広義に解釈すべきであって、少なくとも若干の実施形態では被覆構造体間の空隙を実質的に満たすことも許す。単一のコンフォーマル層の厚さは、被覆される構造体の様々な部分に沿って変化し得る。
本明細書中で定義される「半導体材料」は、一般に金属と絶縁体との中間の導電率を有する材料であって、かかる材料はその価電子帯と伝導帯との間にエネルギーギャップ（又はバンドギャップ）を有する。純粋な非ドープト状態では、かかる半導体材料は通例「真性」であるといわれる。
本明細書中で定義される「ｐドーピング」は、真性半導体材料の導電率を高めると共に、フェルミ準位を価電子帯に向かって移動させて接合を形成し得るのに有効な正孔を導入する不純物による半導体材料のドーピングをいう。例示的なかかるｐドーピングは、シリコン（Ｓｉ）への少量のホウ素（Ｂ）の添加である。
本明細書中で定義される「ｎドーピング」は、真性半導体材料の導電率を高めると共に、フェルミ準位を伝導帯に向かって移動させて接合を形成し得るのに有効な電子を導入する不純物による半導体材料のドーピングをいう。例示的なかかるｎドーピングは、シリコン（Ｓｉ）への少量のリン（Ｐ）の添加である。
本明細書中で定義される「電荷分離接合」は、ポテンシャル障壁及び電界勾配の存在によって電子及び正孔の分離を可能にする異なるタイプの材料（例えば、異なるドーパント及び／又はバルク組成物を有する材料）間の境界からなる。
光起電力デバイスに関して本明細書中で定義される「ヘテロ接合」は、異なるバンドギャップを有する２種の異なる半導体材料の接触によって形成された電荷分離接合である。
本明細書中で定義される「能動ＰＶ要素」は、電荷分離接合の形成に関与するＰＶデバイスの構成要素である。
本明細書中で定義される「ｐｎ型光起電力デバイス」は、ｐドープ半導体とｎドープ半導体との接触によって形成された電荷分離接合を含む１以上のホトダイオードを含んでなるデバイスである。
本明細書中で定義される「ｐｉｎ型光起電力デバイス」は、３種の材料の積層物であって、１つの層はｐ型にドープされており（主として正孔伝導用）、１つの層はドープされておらず（即ち、真性であり）、残りの層はｎ型にドープされている（主として電子伝導用）。
本明細書中で定義される「多重接合」は、ｐｎ接合及び／又はｐｉｎ接合を含み得る積層光活性接合のタンデムアレイである。各光活性接合は、トンネル接合によって隣接するセルから分離できる。
本明細書中で定義される「太陽電池」は、本質的に、太陽放射からのエネルギー変換用の光起電力デバイスである。
本明細書中で定義される「ナノテンプレート」は、ナノスケール寸法を有する細孔又はカラムのアレイを含む無機又は有機膜である。細孔は、一般に、膜の平面に対して実質的に垂直な方向に沿って膜を貫通している。
デバイス
図１について説明すれば、若干の実施形態では、本発明は多重接合ナノ構造体に基づく光起電力デバイスに関するものであり、かかるデバイスは下記の構成要素（ａ）及び（ｂ）を含み得る。
（ａ）基板１０２上に配設された複数の細長いナノ構造体。細長いナノ構造体は、例えば結晶質シリコンナノワイヤを含み得ると共に、一実施形態ではｐドープ半導体であり、別の実施形態ではｎドープ半導体であり得る。別法として、これらは導体として役立つように縮退ドープトシリコン又は他の金属材料であってもよい。
（ｂ）細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに配設された多層膜１０３。多層膜１０３の少なくとも一部は、一実施形態では光活性接合の構成要素をなし得る。若干の実施形態では、光活性接合はｐｎ接合であり得ると共に、他の実施形態ではｐｉｎ接合であり得る。さらに別の実施形態では、多層膜１０３の少なくとも一部はトンネル接合からなり得る。
若干の実施形態では、透明導電性材料（ＴＣＭ）１０４の層が多層膜１０３上に堆積している。ＴＣＭ１０４は複数の細長いナノ構造体間の空隙を実質的に満たし得る。加えて、ＴＣＭ１０４は複数の細長いナノ構造体の上方に公称的に平らな表面を形成し得る。さらに、通例はデバイスを外部回路に接続するために機能し得る上部接点１０５及び下部接点（図示せず）が設けられている。（常にではないが）通例、下部電極は基板と一体化されている（下記参照）。
細長いナノ構造体１０１は、通例、約１００ｎｍないし約１００μｍの範囲内の長さ及び約５ｎｍないし約１μｍの範囲内の幅を有する。若干の実施形態では、ナノ構造体は基板１０２の平面に対して実質的に垂直な方位で基板１０２上に配列しており、前記ナノ構造体１０１の大部分は４５°を超える角をなしている。他の実施形態では、ナノ構造体１０１は主としてランダムな状態で基板１０２上に配設されている。
細長いナノ構造体１０１は、様々な実施形態に従って光起電力デバイスを与えるのに適した任意の材料からなり得る。好適な半導体材料には、特に限定されないが、シリコン（Ｓｉ）、シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ＧａＩｎＰ、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、セレン（Ｓｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、Ｃｄ−Ｏ−Ｔｅ、Ｃｄ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＺｎＴｅ、Ｚｎ−Ｏ−Ｔｅ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＭｎＴｅ、Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、銅酸化物、炭素、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ及びこれらの組合せがある。好適な半導体材料には、特に限定されないが、縮退ドープトシリコン、アルミニウム（Ａｌ）や白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）や銀（Ａｇ）のような金属材料、カーボンナノチューブ及びこれらの組合せがある。
若干の実施形態では、多層膜１０３の特定の層は、ｐドープ半導体及びｎドープ半導体である組成物を含み得る。非ドープト層も組み込むことができ、これは真性層及びトンネル接合として作用する層を含み得る。一実施形態では、多層膜１０３は積層されたｐｎ接合のセルを構成し得る。別の実施形態では、多層膜１０３は積層されたｐｉｎ接合のセルを構成し得る。さらに別の実施形態では、多層膜１０３は積層されたｐｎ接合及びｐｉｎ接合の組合せを構成し得る。若干の実施形態では、セルはトンネル接合として役立つ層で分離することができる（下記参照）。
多層膜１０３のうちで光活性接合を構成する部分の組成は、例えば、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）、非晶質シリコン−ゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）、ナノ結晶質シリコン（ｎｃ−Ｓｉ）及び非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）であり得る。一実施形態では、かかる材料は増加するバンドギャップエネルギーをもった層をなすようにして細長いナノ構造体１０１の回りに配列できる。
通例、多層膜１０３は５〜５００００Åの範囲内の厚さを有し得る。多層膜１０３中の個々の層の厚さを決定するのは困難であり得るが、異なるバンドギャップエネルギーの接合間における電流整合を最適化するように厚さを調整すればよい。つまり、所定の層の厚さは、個々のセル（即ち、各々の光活性接合）で発生される光電流が実質的に同等となるように選択すればよい。
若干の実施形態では、多層膜１０３の特定の層はトンネル接合を含み得る。かかる場合、材料組成は金属酸化物（例えば、酸化亜鉛）又は高ドープト非晶質Ｓｉ層であり得る。
若干の実施形態では、細長いナノ構造体はｎドープ半導体であり得るが、ｐドープされていてもよい。しかし、デバイス中に光活性接合を形成するためには、ナノ構造体のドーピングは多層膜中の隣接層のドーピングと反対になるようにすべきである。図２は、本発明の一実施形態に係る、基板２０２上に配設された簡単な多重ｐｎ接合デバイス２００を示している。図２について説明すれば、細長いナノ構造体２０１は例えばｎドープ半導体であり、第１のｐドープト層２１０を含む第１のｐｎ接合（第１のセル）の第１の要素として組み込むことができる。第２のｐｎ接合はｎドープト層２２０及びｐドープト層２３０を含み得ると共に、これはトンネル接合２４０で分離されている。多層膜２０３の各層は、細長いナノ構造体２０１の回りに順次かつコンフォーマルに堆積させることができる。当業者には、異なる波長の光を捕獲するため、２つのｐｎ接合間でバンドギャップを変化させることの利益が認められよう。
図３について説明すれば、別の実施形態では、細長いナノ構造体３０１の回りに堆積させた多層膜３０３（図２中の２０３を参照されたい）に追加の層を付加して新しい多層膜３００を生み出すことができる。追加の層は別のトンネル接合３４０を含み得る。さらに、ｐドープト層３５０及びｎドープト層３６０を含む第３のｐｎ接合が存在し得る。原則として、任意の数の層を付加することで、介在するトンネル接合を含む任意の数のｐｎ接合を生み出すことができる。かかる堆積光活性接合の数は、基板３０２上に堆積させた互いに隣接する細長いナノ構造体３０１間の空隙に対して各層が導入する厚さ、及び電流整合を確保する能力に依存し得る。かくして各々の光活性接合（即ち、セル）は、セル間において実質的に同等な光電流を確保するため、材料のバンドギャップエネルギーに依存する厚さをもった構成層を有し得る。
さらに図３は、本発明の一実施形態に従ってドープト結晶質シリコン（ｃ−Ｓｉ）を基礎セルとして有する多重接合デバイスを示している。下部セルは、半導性のドープトナノワイヤ３０１及び反対のドーピングを受けながらワイヤの回りに配設された第１のコンフォーマル堆積層（図２中の２１０を参照されたい）を含み得る。層３５０及び３６０ヲ含む最も外側のセル（上部セル）は、実質的に非晶質のシリコンであり得る。最後に、中間セル（図２中の２２０／２３０を参照されたい）は、非晶質シリコン−ゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）のような中間のバンドギャップエネルギーをもった材料からなり得る。別の実施形態では、下部から上部に向かって積層されたセルは、それぞれｃ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＧｅ及び非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）であり得る。
図４に示すように、デバイス４００の細長いナノ構造体４０１は導体であり、積層多重接合構造物の一部になり得ない。この実施形態では、細長いナノ構造体４０１は基板４０２上に配設された電極として役立ち得る。多層膜４０３は、（第１のｐドープト層４１０及び第１のｎドープト層４２０を含む）第１のｐｎ接合、（第２のｐドープト層４３０及び第２のｎドープト層４４０を含む）第２のｐｎ接合、及び第１のｐｎ接合と第２のｐｎ接合との間のトンネル接合４５０を含み得る。この実施形態は２つのｐｎ接合を有するデバイス４００を説明しているが、当業者には、細長いナノ構造体４０１の回りに（適当なトンネル接合を中間に配置した）３つのｐｎ接合を積層し得ることが認められよう。追加の実施形態では、任意の数のｐｎ接合を積層することができる。この場合にも、空間的制約及び電流整合が、組み込むことができるｐｎ接合の正確な数を決定する上での制限因子になり得る。
例示目的のために述べれば、細長いナノ構造体４０１が導電性である実施形態に従い、下記の材料構成を（各セルが光活性接合を含む）三セルデバイスにおいて使用できる。４１０及び４２０を含む下部セル（図４を参照されたい）はａ−ＳｉＧｅであり得る。４３０及び４４０を含む中間セルは、中間のバンドギャップエネルギーを得るために異なるＳｉ：Ｇｅ比を有するａ−ＳｉＧｅであり得る。最後に、中間セルの回りにコンフォーマルに配設される上部セル（図示せず）はａ−Ｓｉであり得る。３種の材料の別の構成としては、例えば、下部セルから上部セルに向かって表して、ナノ結晶質シリコン（ｎｃ−Ｓｉ）、（水素含有量を変化させることで中間のバンドギャップエネルギーを有する）ａ−Ｓｉ層、及びａ−Ｓｉが使用できる。さらに別の構成では、下部セルはｎｃ−Ｓｉであり、中間セルはａ−ＳｉＧｅであり、上部セルはａ−Ｓｉであり得る。当業者には、適当なドーピングによって光活性接合を生み出すのに適した任意の組合せの３種の材料が積層セルを形成できることが認められよう。例えば、上述の上部セルの各々はバルク材料としてａ−Ｓｉの代わりにａ−ＳｉＣを有していてもよい。
前記に例示したように、デバイスは積層ｐｎ接合を有することができる。図５に示すように、デバイスはまた、代わりに積層ｐｉｎ接合をコンフォーマルに堆積させるための足場として役立つ導電性の細長いナノ構造体５０１を基板５０２上に含むこともできる。デバイス５００は、２つの積層ｐｉｎ接合を画定する多層膜５０３を含み得る。第１のかかる接合は、第１のｎドープト層５１０、第１の真性層５２５及び第１のｐドープト層５２０を含んでいる。同様に、第２の接合は第２のｎドープト層５３０、第２の真性層５３５及び第２のｐドープト層５４０を含んでいる。第１及び第２のｐｉｎ接合はトンネル接合５５０によって分離されている。デバイス５００は２つの積層ｐｉｎ接合を有するデバイスを示しているが、当業者には、上記に略述した制約の範囲内で細長いナノ構造体５０１の回りに任意の数のｐｉｎ接合を積層し得ることが認められよう。
若干の実施形態では、上記のデバイスはさらに、基板上に位置し又は基板と一体をなすと共に、それから細長い半導性のナノ構造体が延び出ているナノ多孔質テンプレートを含んでいる。これは、しばしば、かかるナノ構造体をテンプレート中で成長させる場合に当てはまる。図６について説明すれば、若干の実施形態では、成層基板１０２は基板支持体１０２ａ上に存在するナノ多孔質テンプレート１０２ｃ及び／又は導電層１０２ｂを含み得る。
若干の実施形態では、多孔質ナノテンプレート１０２ｃは、陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などからなる群から選択される材料からなる。若干の実施形態では、多孔質ナノテンプレート１０２ｃは約０．１〜約１００μｍの厚さ（又は平均厚さ）を有し得ると共に、多孔質ナノテンプレートは約１ｎｍないし約１μｍの細孔径（又は平均細孔径）及び約１０５〜約１０１２／ｃｍ２の細孔密度を有し得る。
透明導電性材料の層を使用するデバイス実施形態では、透明導電性材料は透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり得る。若干のかかる実施形態では、透明導電性酸化物は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）である。若干の他のかかる実施形態では、透明導電性酸化物はドープトＺｎＯである。通例、導電性透明材料は約０．０５〜約１μｍの厚さを有する。
若干の実施形態では、基板は下部接点を提供する。若干の実施形態では、透明導電性材料の層は上部接点を提供する。所期の用途に応じ、デバイスは上部及び／又は下部から照明されるように構成できる。
デバイスの製造
若干の実施形態では、本発明は、本発明の一実施形態に従って、上述のような多重接合ナノ構造体に基づく光起電力デバイスを製造するための方法７００（図７）に関する。図２〜５と関連させながら図７について説明すれば、段階７０１で基板上に複数の細長いナノ構造体を設ける。細長いナノ構造体は、若干の実施形態では半導体（図２〜３）であり、他の実施形態では導体（図４〜５）である。段階７０２では、細長いナノ構造体上に多層膜をコンフォーマルに堆積させるが、各層の材料は若干の実施形態では適当なドーピングを受ける。他の実施形態では、かかる材料は真性であることもあり、或いはトンネル接合として役立つこともある。段階７０３では、多層膜上に透明導電性材料を層として堆積させる。段階７０４では、デバイスを外部回路に接続するために機能し得る上部接点及び下部接点を形成する。上部接点はＴＣＭ上に配設でき、下部接点は細長いナノ構造体の反対側にある基板の表面上に配設するか、又は基板中に組み込むことができる。
上述した方法に関する若干のかかる実施形態では、細長いナノ構造体は、化学蒸着（ＣＶＤ）、金属有機物ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ホットワイヤ化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）、原子層堆積、電気化学堆積、溶液型化学堆積及びこれらの組合せからなる群から選択される方法により成長させることで設けられる。若干のかかる実施形態では、細長いナノ構造体は、触媒を用いて金属ナノ粒子から成長させることで設けられる。この場合、金属ナノ粒子はナノ多孔質テンプレート中に存在し得ると共に、金属ナノ粒子は金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される金属を含み得る。
若干の実施形態では、細長いナノ構造体を成長させるため、２００５年３月２７日に提出されかつ同じ譲受人に譲渡された米国特許出願第１１／１４１，６１３号に記載されているようなナノ多孔質テンプレートが使用される。
上述した方法に関する若干のかかる実施形態では、多層膜をコンフォーマルに堆積させる段階は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング及びこれらの組合せからなる群から選択される技術を用いて実施される。
ソーラーパネル
若干の実施形態では、本発明は、本明細書中に開示されたような多重接合ナノ構造体に基づく光起電力デバイスの１以上を含み得るソーラーパネルに関する。かかるソーラーパネルは、各デバイスを周囲の大気環境から隔離すると共に電力の発生を可能にする。
最後に、本発明の実施形態は、高い効率を示すと共に光誘起劣化に対して抵抗性を有し得る多重接合ナノ構造化光起電力デバイスを提供する。本明細書中に開示された実施形態に従って製造されたＰＶセルは、光の吸収を最適化すると共に、ヘテロ接合界面での再結合を最小限に抑えることができる。他の利益としては、特に主としてシリコンを基材とするセルを含む実施形態における低いコスト及び製造の容易さがある。細長いナノ構造体が導電性を有する実施形態は、電流整合がさらに容易なセルを提供し得る。
以下の実施例は本発明の特定の実施形態を実証するために示される。当業者であれば、以下の実施例中に開示される方法は本発明の例示的な実施形態を表すものにすぎないことが理解されるはずである。しかし、本開示に照らせば、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、記載された特定の実施形態中に多くの変更を行うことができ、それでも同じ結果又は類似の結果が得られることが当業者には理解されるはずである。
実施例１
以下の実験例は、本明細書中に開示されるようなナノワイヤ成長のための実施形態を実証するために示される。これらは本発明を例示するものであり、したがって限定するものではない。図８ａは、５７ｎｍの平均直径を有する長い高密度シリコンナノワイヤの成長を示している。図８ｂは、１８２ｎｍの平均直径を有する短い低密度シリコンナノワイヤを示している。最後に、図８ｃは７０ｎｍの平均直径を有するシリコンナノワイヤのランダム化アレイを示している。
実施例２
以下の実験例は、本明細書中に開示されるようにナノワイヤの回りに層をコンフォーマルに堆積させるための実施形態を実証するために示される。これらは本発明を例示するものであり、したがって限定するものではない。図９ａは、長い高密度シリコンナノワイヤ上にａ−Ｓｉをコンフォーマルに堆積させてなる高密度ワイヤを示している。図９ｂは、ｃ−Ｓｉナノワイヤ９００上にコンフォーマルに堆積させたａ−Ｓｉの断面図を示している。ａ−Ｓｉ層はＣＶＤで導入した。ａ−Ｓｉの第１の層９１０は真性であり、第２の層９２０はｎドープされている。
上述の実施形態に関して上記に記載した構造、機能及び操作のあるものは本発明を実施するためには不要であり、単に本発明の例示的な実施形態を完全なものにするため説明中に含めてあることが理解されよう。さらに、上記に引用した特許及び刊行物中に記載された特定の構造、機能及び操作を本発明と共に実施できるが、これらはそれの実施にとって不可欠ではないことも理解されよう。したがって、特許請求の範囲で定義される本発明の技術思想及び技術的範囲から実際に逸脱することなしに、詳しく記載されたやり方とは異なるやり方で本発明を実施してもよいことを理解すべきである。
本発明の一実施形態に係る光起電力デバイスの部分断面図を示している。 本発明の一実施形態に係る、２つのｐｎ接合をもった多重接合デバイス中の半導性ナノ構造体を示している。 本発明の一実施形態に係る、３つのｐｎ接合をもった多重接合デバイス中の半導性ナノ構造体を示している。 本発明の一実施形態に係る、２つのｐｎ接合をもった多重接合デバイス中の導電性ナノ構造体を示している。 本発明の一実施形態に係る、２つのｐｉｎ接合をもった多重接合デバイス中の導電性ナノ構造体を示している。 本発明の一実施形態に係る、その上にナノ構造体を合成した基板の構成要素を示している。 本発明の一実施形態に係る、光起電力デバイスの製造方法の段階を示している。 図８ａ〜ｃは、本発明の一実施形態に係る、基板表面上に成長させた細長いナノ構造体を示している。 図９ａ〜ｂは、本発明の一実施形態に係る、細長いナノ構造体の回りに堆積させた多層膜を示している。
符号の説明
１００ 光起電力デバイス
１０１ 細長いナノ構造体
１０２ 基板
１０３ 多層膜
１０４ 透明導電性材料の層
１０５ 上部接点

Claims (22)

  1. 基板、
    光起電デバイスの基板の表面上に配設された複数の細長いナノ構造体、及び
    複数の細長いナノ構造体上にコンフォーマルに堆積して複数の光活性接合を形成する多層膜
    を含んでなる光起電力デバイス。
  2. 多層膜が、金属酸化物、非晶質シリコン、非晶質シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ナノ結晶質シリコン及び非晶質シリコンカーバイド（ＳｉＣ）の１種以上からなる、請求項１記載の光起電力デバイス。
  3. 複数の細長いナノ構造体がシリコンナノワイヤからなる、請求項１記載の光起電力デバイス。
  4. 多層膜の層が５〜５００００Åの範囲内の相対厚さを有する、請求項１記載の光起電力デバイス。
  5. 相対厚さは電流整合が得られるように選択される、請求項１記載の光起電力デバイス。
  6. 複数の光活性接合が１以上のｐｎ接合を含む、請求項１記載の光起電力デバイス。
  7. 複数の光活性接合が１以上のｐｉｎ接合を含む、請求項１記載の光起電力デバイス。
  8. 多層膜がさらに１以上のトンネル接合を含む、請求項１記載の光起電力デバイス。
  9. 複数の細長いナノ構造体が第１の光活性接合中に組み込まれている、請求項１記載の光起電力デバイス。
  10. 複数の細長いナノ構造体が導体である、請求項１記載の光起電力デバイス。
  11. さらに、複数の細長いナノ構造体間の空隙を満たすと共に複数の細長いナノ構造体の上方に平らな表面を与えるようにして多層膜上にコンフォーマルに配設された透明導電性材料（ＴＣＭ）を含む、請求項１記載の光起電力デバイス。
  12. さらに、光起電力デバイスを外部回路に接続するために機能し得る上部接点及び下部接点を含み、上部接点はＴＣＭ上に配設されており、下部接点は細長いナノ構造体の反対側にある基板の表面上に配設されるか、又は基板中に組み込まれている、請求項１１記載の光起電力デバイス。
  13. 光起電力デバイスの製造方法であって、
    基板表面上に複数の細長いナノ構造体を生成する段階、及び
    複数の細長いナノ構造体上に多層膜をコンフォーマルに堆積させることで複数の光活性接合を形成する段階
    を含んでなる方法。
  14. 形成される複数の光活性接合の１以上が、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合及びトンネル接合の１以上からなる、請求項１３記載の方法。
  15. さらに、複数の細長いナノ構造体間の空隙を満たすと共に複数の細長いナノ構造体の上方に平らな表面を与えるようにして多層膜上に導電性透明材料をコンフォーマルに配設する段階を含む、請求項１３記載の方法。
  16. さらに、光起電力デバイスを外部回路に接続するために機能し得る上部接点及び下部接点を形成する段階を含む、請求項１３記載の方法。
  17. 細長いナノ構造体が、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、原子層堆積、電気化学堆積、溶液型化学堆積及びこれらの組合せからなる群から選択される方法により成長させることで得られる、請求項１３記載の方法。
  18. 細長いナノ構造体が、触媒を用いて金属ナノ粒子から成長させることで得られる、請求項１３記載の方法。
  19. 金属ナノ粒子がナノ多孔質テンプレート中に存在する、請求項１８記載の方法。
  20. 金属ナノ粒子が、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される金属からなる、請求項１８記載の方法。
  21. 多層膜をコンフォーマルに堆積させる段階が、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング及びこれらの組合せからなる群から選択される技術を用いて実施される、請求項１３記載の方法。
  22. 請求項１記載の光起電力デバイスの１以上を含んでなるソーラーパネルであって、かかるデバイスを周囲の大気環境から隔離すると共に電力の発生を可能にするソーラーパネル。
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