JP2010219399A - ショットキー型太陽電池及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のショットキー型太陽電池は、受光面の金属電極を、サブミクロンの開口を有するナノメッシュ金属電極にすることを特徴とする。ナノメッシュ金属にすることで開口部に発生する強い局在電場により、ナノメッシュ金属電極と半導体界面近傍に通常よりも多くのキャリアが励起され、変換効率を向上することが可能となることを特徴とする太陽電池である。
【選択図】図2
Description
W=(2*εs*Vbi/q/ND)0.5 (1)
ここで、εsは半導体の誘電率、Vbiは内臓電位、NDは半導体のドーピング濃度である(この場合はn型を仮定している)。半導体がSiの場合ではVbiはだいたい0.5eV程度であり、NDは太陽電池では1016cm−3前後で使用され、(1)式から空乏層幅Wを計算すると0.3μm程度になる。金属電極にナノメッシュ構造が無い場合には、空乏層は金属−半導体界面から全領域に0.3μm程度空乏層が形成される。金属電極にナノメッシュ構造がある場合には、空乏層はナノメッシュ金属電極直下−半導体界面から電極直下領域に0.3μm程度の空乏層が形成され、ナノメッシュ金属電極端から開口部部分へ0.3μm程度空乏層が形成される。そのため、ナノメッシュ電極の開口部径が0.6μmよりも大きい場合は開口部中心近傍に空乏層が形成されなくなり光吸収が十分でなくなる。そのため、ナノメッシュ電極の開口部径は0.6μmより小さいのが好ましく、より十分な光吸収が起こるには0.5μm以下が好ましい。また、ショットキー型太陽電池において上記で述べたように、ショットキー障壁を超えるエネルギーの光は金属に吸収され電子を励起し半導体に注入される光電流と半導体の中性域で吸収される光電流も発生するため、ナノメッシュ電極の厚みは大きすぎないほうが良く、50nm以下の膜厚が好ましい。
200nm以下の開口を有する金属電極パターンを形成するには、半導体集積回路で用いられている最新の露光装置や、EB描画装置を用いる必要が去る。しかし、最新の露光装置やEB描画装置を用いると大面積でかつ低コストで形成することは不可能であると思われる。大面積でかつ低コストで形成可能な方法の一つとしてナノインプリントを用いる方法がある。以下、ナノインプリントによるナノメッシュ電極の形成方法について記述する。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板1を準備した。そのn型Si基板1の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層2を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にAl層3を蒸着法により20nm形成した。この場合、基板表面はAl層3とショットキー接合を有していた(図3(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板11を準備した。そのn型Si基板11の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層12を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にAl層13を蒸着法により20nm形成した。この場合、基板表面はAl層13とショットキー接合を有していた(図4(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板21を準備した。そのn型Si基板21の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層22を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にAl層23を蒸着法により20nm形成した。この場合、基板表面はAl層23とショットキー接合を有していた(図5(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板31を準備した。そのn型Si基板31の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層32を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にAl層33を蒸着法により10nm形成した。この場合、基板表面はAl層33とショットキー接合を有していた(図6(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板41を準備した。そのn型Si基板41の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層42を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にAu層43を蒸着法により30nm形成した。この場合、基板表面はAu層43とショットキー接合を有していた(図7(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板を準備した。そのn型Si基板51の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層52を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にAg層53を蒸着法により30nm形成した。この場合、基板表面はAg層53とショットキー接合を有していた(図8(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型GaAs基板61を準備した。そのn型GaAs基板61の裏面にAu−Ge(1%)層62を蒸着法により100nm形成した。形成後、窒素雰囲気下によって450℃、30分間アニールを行った。アニール後、裏面にオーミック接触を有する電極が形成された。
SiH4とPH3の混合ガスでプラズマCVD法により電極72付きガラス基板71へn型ポリシリコン層を1μm形成した。次いで、基板表面にAl層73を蒸着法により20nm形成した。この場合、基板表面はAl層73とショットキー接合を有していた(図10(a))。
SiH4とPH3の混合ガスでプラズマCVD法により電極82付きガラス基板81へn型アモルファスシリコン層を1μm形成した。次いで、基板表面にAl層83を蒸着法により20nm形成した。この場合、基板表面はAl層83とショットキー接合を有していた(図11(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するp型GaAs基板91を準備した。そのp型GaAs基板91の裏面にAu/Au−Zn(5%)層92を蒸着法により100nm形成した。形成後、窒素雰囲気下によって450℃、30分間アニールを行った。アニール後、裏面にオーミック接触を有する電極が形成された。
1016cm−3のドーピング濃度を有するp型Si基板101を準備した。そのp型Si基板101の裏面にBを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。次いで、基板裏面にAl層102を蒸着法により100nm形成し、裏面はオーミック接触を有する電極を形成した。次いで、基板表面にNi層をスパッタリング法により堆積し、900℃でアニールしてNiSi2層103を30nm形成した。この場合、基板表面はNiSi2層103とショットキー接合を有していた(図13(a))。
1016cm−3のドーピング濃度を有するn型Si基板111を準備した。そのn型Si基板111の裏面にPを熱拡散によりドーピングし1020cm−3にした。
Claims (10)
- 第一の電極層と半導体層と第二の電極とが積層されて構成された太陽電池であって、
前記第一の電極層は光照射面側に存在し、前記半導体層とショットキー壁を有する電極であって、
前記第二の電極層は光照射面とは反対側に存在し、前記半導体層とオーミック接触を有する電極であって、
前記電極層を貫通する複数の開口部を有しており、
開口部1つあたりの面積が80nm2以上0.25μm2以下の範囲にあり、
開口率が10%以上66%以下の範囲にあり、
膜厚が5nm以上50nm以下の範囲にあることを特徴とする太陽電池。 - 第一の電極層と半導体層と第二の電極とが積層されて構成された太陽電池であって、
第一の電極層と半導体層の間には光透過性の絶縁膜が形成されてあって、
前記第一の電極層は光照射面側に存在し、前記半導体層とショットキー壁を有する電極であって、
前記第二の電極層は光照射面とは反対側に存在し、前記半導体層とオーミック接触を有する電極であって、
前記電極層を貫通する複数の開口部を有しており、
開口部1つあたりの面積が80nm2以上0.25μm2以下の範囲にあり、
開口率が10%以上66%以下の範囲にあり、
膜厚が5nm以上50nm以下の範囲にあることを特徴とする太陽電池。 - 前記開口部間に存在する金属の最小部分の距離の平均値が10nm以上200nm未満であることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池。
- 前記第一の電極層の材料が、Al、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Co、Cr、Ti、そしてPtSi、NiSi2、CoSi2、MoSi2、TiSi2、TaSi2、WSi2、ZrSi2、Pd2Si、HfSi2からなる群であり、前記光電変換層とショットキー接合となるよう選択される材料となることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池。
- 前記開口が円形かつ開口部径が10nm以上0.5μm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池。
- 前記半導体層が、p型またはn型のいずれかの層を有し、前記半導体層は単結晶シリコン、あるいは多結晶シリコン、あるいはアモルファスシリコンからなることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池。
- 前記半導体層が、p型またはn型のいずれかの層を有し、前記半導体層は化合物半導体であることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池。
- 請求項1または2記載の太陽電池の製造方法であって、
半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の第二の電極層を形成する工程と、
前記半導体層の第一の電極層を形成する工程を含み、
開口に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記第一の電極の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記第一の電極層にパターンを形成する工程と
を備えた請求項1または2記載の太陽電池の製造方法。 - 請求項1または2記載の太陽電池の製造方法であって、
半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の第二の電極層を形成する工程と、
前記半導体層の第一の電極層を形成する工程を含み、
前記第一の電極層の少なくとも一部にレジストを塗布してレジスト塗布層を形成する工程と、
前記レジスト塗布層の表面にナノ粒子の単粒子層を形成する工程と、
前記単粒子層をエッチングマスクとして微細凹凸パターンを有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを鋳型として無機物質層に逆鋳型を形成する工程と、
前記無機物質層をエッチングマスクとして前記第一の電極層にパターンを形成する工程と
を備えた請求項1または2記載の太陽電池の製造方法。 - 請求項1または2記載の太陽電池の製造方法であって、
半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の第二の電極層を形成する工程と、
前記半導体層の第一の電極層を形成する工程を含み、
前記第一の電極層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマー膜のドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ブロックコポリマー膜の前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記第一の電極層にパターンを形成する工程と
を備えた請求項1または2記載の太陽電池の製造方法。
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