JP2010283328A - 光起電装置およびそれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光起電力変換効率を向上させる光起電装置およびそれを製造する方法に関する。
【解決手段】光起電装置は、第１半導体層と、第１半導体層上に配置される第２半導体層と、第１半導体層に接続している第１電極層と、第２半導体層に接続し、第２半導体層を露出させるために開かれた領域を有する第２電極層と、開かれた領域に配置されて、第２電極層および第２半導体層に接続している低反射導電膜とから成り、低反射導電膜の抵抗率は第２半導体層の抵抗率以下である。従って、本発明によって提供される光起電装置は有効に低下した浮遊直列抵抗作用を呈し、それによって光起電力変換効率を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光起電装置およびそれを製造する方法、より詳細には、浮遊直列抵抗作用を減らし、それによって光起電力変換効率を向上させることができる光起電装置、およびそれを製造する方法に関する。

石油および石炭のような従来エネルギーの有限性に因り、代替種類のエネルギーが従来エネルギーを置き換えるために開発されてきた。あらゆる種類の代替エネルギーの中で、太陽エネルギーは豊富で環境に優しいエネルギーの１つであり、従って太陽電池に関する研究が活発に行われてきた。太陽電池は光を電気に変換する光起電装置である。最も良く知られた太陽電池はｐｎ接合として構成され、これはｐ型とｎ型の半導体を非常に近接して結合することによって形成される。ｐｎ接合が光を吸収して、電子と正孔を分離した後に、電界は得られた電子および正孔がそれぞれｎ型およびｐ型半導体へ移動するのを妨害して、電流を生じる。最後に、電流は電極を通して抽出されて、使用または貯蔵のための電気を形成する。

図１は従来の太陽電池の基本構造を示す。図１Ａに示すように、従来の太陽電池は、主として、ｐ型半導体層１１、ｐ型半導体層１１上に配置されるｎ型半導体層１２、ｐ型半導体層１１に接続している第１電極層１３、およびｎ型半導体層１２に接続している第２電極層１４から成り、そこでは光入射面に設けられる第２電極層１４は開かれた領域１４１を有する。ここに、光入射領域を増大するために、第２電極層１４は互いに入り込んだ形（Ｕ字形）をしている。さらに、光抽出の量を増大するために、反射防止層１５は第２電極層１４の開かれた領域１４１に配置されて、入射光の反射を減らす。しかしながら、互いに入り込んだ電極は太陽電池の浮遊直列抵抗作用（parasitic series resistance effect）を増大して、それによってその光起電力変換効率を低下させる。

それ故に、光入射面に設けられる電極として透明導電体（例えば、ＩＴＯ）を用いる提案が計画された。光入射面に設けられる電極は透明導電体で作られ、それで電極は半導体層の表面全体に形成することが可能であり、そして電極の形状は互いに入り込んだ形で設計する必要がない。さらに、図１Ｂは別の従来の太陽電池の斜視図である。図１Ｂに示すように、従来の太陽電池の構成は、透明導電体１６が、導電率を増大するために、第２電極層１４とｎ型半導体層１２の間に配置されることを除いて、図１Ａに示す太陽電池の構成とほぼ同じである。

さらに、図１Ｃは別の従来の太陽電池の斜視図である。図１Ｃに示すように、従来の太陽電池の構成は、第２電極層１４の開かれた領域１４１に配置される反射防止層がないことを除いて、図１Ｂに示す太陽電池の構成とほぼ同じである。

結論として、２つの方法が太陽電池の光起電力変換効率を向上させるための技術として提案された。１つの方法は、透明導電体が電極として使用され、これは半導体層の表面全体に形成され、それで電極の形状は互いに入り込んだ形で設計する必要がないことである。他の方法は、透明導電体が導電率を増大するために電極と半導体層の間に形成されることである。しかしながら、前述の透明導電体が、電極として機能するために電極と半導体の間に形成されようと、半導体上に直接形成されようとも、透明導電体の抵抗は余りにも大き過ぎて、光起電力変換効率を大いに向上させることはできない。さらに、前述の構成を有する太陽電池によって、異なる材料間の界面電位障壁は透明導電体の抵抗に因って高くなり、これは太陽電池の光起電力変換効率の低下をもたらす。

本発明の目的は、浮遊直列抵抗作用を減らすことができる光起電装置を提供することである。また、光入射面に設けられる電極の材料は透明材料に限定されない。それ故に、有効荷電粒子を抽出することができる材料は光起電装置の光起電力変換効率を大いに向上させるために使用することができる。

この目的を達成するために、本発明の光起電装置は、第１半導体層と、第１半導体層上に配置される第２半導体層と、第１半導体層に接続している第１電極層と、第２半導体層に接続し、第２半導体層を露出させるために開かれた領域を有する第２電極層と、開かれた領域に配置されて、第２電極層および第２半導体層に接続している低反射導電膜とから成る。開かれた領域の導電率を増大して、浮遊直列抵抗作用を減らすために、低反射導電膜の抵抗率は第２半導体層の抵抗率以下である。

本発明の光起電装置によれば、開かれた領域の導電率は低反射導電膜を開かれた領域に形成することによって増大する。光が開かれた領域に入射できるので、第２電極層の材料は透明材料に限定されず、そして電極を加工するのに適するどんな種類の従来の材料でもよい。好ましくは、電極の材料は、太陽電池の光起電力変換効率を効率良く増大するために、有効荷電粒子を効率良く抽出することができる材料から作ることができる。例えば、電極はＡｇ電極でありうる。さらに、本発明の開かれた領域を有するどんな従来の構成にも設計することができる。例えば、第２電極層の形は、互いに入り込んだ形（Ｕ字形）、ストリップ形、または網形でありうる。

本発明の光起電装置は反射防止層をさらに備えることができて、反射防止層は低反射導電層上に配置される。ここに、反射防止層は入射光の反射を減らし、それによって光抽出の量を増大することができる。

本発明の光起電装置によれば、低反射導電膜は、第２半導体層以下の抵抗率、低反射、および光透過率を有するどんな種類の導電膜でもよい。好ましくは、低反射導電膜は、高視感透過率、低反射、および高導電率を有する導電膜である。低反射導電膜の例は、金属膜、金属酸化物膜、または導電性ナノ材料膜でありうる。ここに、金属膜は、Ａｌ膜、Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ｃｕ膜、Ｗ膜、Ｃｒ膜、またはＮｉ膜でありうる。好ましくは、異なる材料間の反発を防止するために、金属膜の材料は第２電極膜の材料と同じである。例えば、第２電極層はＡｌ電極層であり、そして金属膜はＡｌ膜でありうる。さらに、金属酸化物膜の主要材料は、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ-ＳｎＯ₂、またはＺｎＯ-Ｉｎ₂Ｏ₃であり、さらに他の元素を含むことができる。元素の例は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ、Ｙ、Ｓｃ、Ｆ、Ｖ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎ、Ｂｅ、またはその組み合わせでありうる。好ましくは、金属酸化物膜はＩＴＯ膜である。加えて、導電性ナノ材料膜は、導電性ナノチューブ膜、導電性ナノワイヤ膜、導電性ナノベルト膜、導電性ナノロッド膜、または導電性ナノボール膜であり、さらに導電性の非金属ナノ材料膜または金属ナノ材料膜でありうる。非金属ナノ材料膜の例は、カーボン・ナノチューブ膜、導電性ポリマー繊維膜などを含むことがあり、そして金属ナノ材料膜の例は、金属元素ナノ材料膜、金属合金ナノ材料膜、金属化合物ナノ材料膜、および金属酸化物ナノ材料膜を含むことがある。より好ましくは、低反射導電膜はカーボン・ナノチューブ膜であり、これは光抽出の量を増大するためにより良い反射防止を有する。さらに、低反射導電膜は第２電極層の表面にも配置することがある。

本発明の光起電装置によれば、第１半導体層はｐ型半導体層であり、第２半導体層はｎ型半導体層であるか、または第１半導体層はｎ型半導体層であり、第２半導体層はｐ型半導体層でありうる。ｐ型半導体のドーパントは周期律表のＩＩＩ族の元素であり、そしてｎ型半導体のドーパントは周期律表のＶ族の元素でありうる。

本発明の光起電装置によれば、第１電極層の材料は限定されず、当該技術分野に使用される適切などんな種類の電極材料でもよい。好ましくは、第１電極層の材料はオーム接触層を形成するために高い仕事関数(work function)を有する材料である。第１電極層の１つの例はＡｌ電極である。

本発明の光起電装置によれば、第２電極層の材料は限定されず、当該技術分野に使用される適切などんな種類の電極材料でもよい。好ましくは、第２電極層の材料は低い仕事関数を有する材料であり、これはオーム接触層を形成し、そしてまた有効荷電粒子を効率良く伝導して、光起電力変換効率を効率良く増大する。第１電極層の１つの例はＡｇ電極である。

本発明の光起電装置によれば、好ましくは、低反射導電膜の厚さは１０Å〜１０μｍの範囲にあり、低反射導電膜の抵抗率は１０^-3Ωｃｍ〜１０^-8Ωｃｍの範囲にあり、そして低反射導電膜の反射率は１０％未満でありうる。

加えて、本発明は前述の光起電装置を製造する方法をさらに提供し、この方法は、第１半導体層上に第２半導体層を形成する工程と、第１半導体層上に第１電極層を形成する工程と、第２半導体層上に第２電極層を形成する工程であって、第２電極層は第２半導体層を露出させるために開かれた領域を有する工程と、低反射導電膜を第２電極層および第２半導体層に接続するために、開かれた領域に低反射導電膜を形成する工程であって、低反射導電膜の抵抗率は第２半導体層の抵抗率以下である工程とを含む。

本発明の光起電装置を製造する方法は、低反射導電膜上に反射防止層を形成する工程をさらに含む。

本発明の光起電装置を製造する方法によれば、低反射導電膜は第２電極層の表面にさらに形成することがある。

結論として、光起電装置の光起電力変換効率を向上させる従来の方法と比較して、開かれた領域の浮遊直列抵抗作用は、本発明の光起電装置に低反射導電膜を用いることによって減らすことができる。それ故に、光入射面に設けられる電極の形は限定されず、そして互いに入り込んだ形（Ｕ字形）、ストリップ形、または網形でありうる。また、光入射面に設けられる電極の材料は限定されず、そしてどんな種類の従来の電極材料でもあり、これは荷電粒子を効率良く伝導することができる。例えば、光入射面に設けられる電極はＡｇ電極でありうる。それ故に、透明導電体を電極として用いる従来の光起電装置と比較して、本発明の光起電装置は光起電力変換効率をより効率良く向上させることができる。加えて、電極と半導体の間に透明導電体を有する従来の光起電装置と比較して、本発明の光起電装置の電極と半導体の間に形成される追加の層がない。それ故に、本発明の光起電装置を使用すると、界面電位障壁の増大に起因する光起電力変換効率の低下の問題は解決することができる。

従来の太陽電池の斜視図である。 別の従来の太陽電池の斜視図である。 さらに別の従来の太陽電池の斜視図である。 図２Ａ〜２Ｃは本発明の実施形態１の光起電装置を製造するプロセスを示す斜視図である。 本発明の実施形態４の光起電装置の断面図である。 本発明の実施形態５の光起電装置の断面図である。 実施形態１および比較例１で製造される光起電装置の電流と電圧の関係を示すグラフであり、−■−は実施形態１を表し、そして−△−は比較例１を表す。 実施形態１および比較例１で製造される光起電装置の電力と電圧の関係を示すグラフであり、−■−は実施形態１を表し、そして−△−は比較例１を表す。 実施形態４および比較例２で製造される光起電装置の電圧と短絡電流の関係を示すグラフであり、−■−は実施形態４を表し、そして−△−は比較例２を表す。

以下に、本発明は実施形態を参照して詳細に説明される。しかしながら、本発明は多くのいろいろな形で実現可能であり、そして本願明細書で述べる実施形態に限定されると考えるべきではない。むしろ、これらの実施形態は本発明の考えを当業者に完全に伝えるために提供される。

実施形態１
図２Ａ〜２Ｃは本発明の実施形態１の光起電装置を製造するプロセスを示す斜視図である。最初に、図２Ａに示すように、第２半導体層２２は第１半導体層２１上に形成される。本実施形態では、第１半導体層２１はｐ型シリコン層であり、そして第２半導体層２２はｎ型シリコン層である。

次に、図２Ｂに示すように、第１電極層２３は第１半導体層２１上に形成され、そして第２電極層２４は第２半導体層上に形成される。ここに、第２電極層２４は第２半導体層２２を露出するために開かれた領域２４１を有する。本実施形態では、第２電極層２４は、図１Ａおよび１Ｂに示すように、互いに入り込んだ形をしている。さらに、第１半導体層と接触する第１電極層２３はオーム接触層を形成するために高い仕事関数を有する材料から作られ、そして第２半導体層２２と接触する第２電極層２４はオーム接触層を形成するために低い仕事関数を有する材料から作られ得る。本実施形態では、第１電極層２３はＡｌ電極であり、そして第２電極層２４はＡｇ電極である。

次に、図２Ｃに示すように、低反射導電膜２５は開かれた領域２４１に形成され、そこでは低反射導電膜２５は第２電極層２４および第２半導体層２２に接続している。本実施形態では、低反射導電膜２５はカーボン・ナノチューブ膜である。カーボン・ナノチューブ膜は、カーボン・ナノチューブを揮発性溶剤、例えばエタノール、イソプロパノール、およびアセトンなどに分散させて、その後にカーボン・ナノチューブ溶液を開かれた領域２４１に塗布して、開かれた領域２４１にカーボン・ナノチューブ膜を形成することによって形成され、そこではカーボン・ナノチューブは網形状構成に配置される。本実施形態では、カーボン・ナノチューブはエタノール中に分散されて、カーボン・ナノチューブ溶液を形成する。カーボン・ナノチューブは任意の従来の方法、例えばアーク放電プロセス、レーザアブレーション法、化学蒸着（ＣＶＤ）、太陽エネルギー法、およびマイクロ波で強化されたプラズマ化学蒸着（ＭＥＰ−ＣＶＤ）によって調製される。本実施形態では、カーボン・ナノチューブはアーク放電プロセスによって調製される。

図２Ｃに示すように、本実施形態は光起電装置を提供し、この装置は、第１半導体層２１と、第１半導体層２１上に配置される第２半導体層２２と、第１半導体層２１に接続している第１電極層２３と、第２半導体層２２に接続し、第２半導体層２２を露出するために開かれた領域２４１を有する第２電極層２４と、開かれた領域２４１に配置され、第２電極層２４および第２半導体層２２に接続している低反射導電膜２５とから成り、低反射導電膜２５の抵抗率は第２半導体層２２の抵抗率以下である。

実施形態２
本発明の光起電装置は、本実施形態の低反射導電膜２５がＡｇ膜であることを除いて、実施形態１のそれと同じである。

実施形態３
本発明の光起電装置は、本実施形態の低反射導電膜２５がＡｌ膜であることを除いて、実施形態１のそれと同じである。

実施形態４
本発明の光起電装置は、本実施形態の低反射導電膜２５がＩＴＯ膜であることを除いて、実施形態１のそれと同じである。

実施形態５
本発明の光起電装置は、図３に示すように、本実施形態の光起電装置が低反射導電膜２５上に形成される反射防止層２６をさらに備えることを除いて、実施形態１のそれと同じである。それ故に、入射光の反射を減らして、光抽出の量を増大することができる。

実施形態６
本発明の光起電装置は、図４に示すように、本実施形態の低反射導電膜２５が第２電極層２４の表面にさらに形成されることを除いて、実施形態５のそれと同じである。

比較例１
本比較例の光起電装置は、本実施形態の光起電装置の開かれた領域２４１に形成される低反射導電膜２５が無いことを除いて、実施形態１のそれと同じである。

比較例２
本比較例の光起電装置は図１Ｃに示す光起電装置と同じ構成を有する。本比較例では、ｐ型半導体層１１、ｎ型半導体層１２、第１電極層１３、および第２電極層１４の材料および状態は実施形態１に示すそれと同じである。加えて、本比較例の透明導電体１６はＩＴＯ層である。

実験例１
電流と電圧の関係、電圧と電力の関係、ならびに実施形態１および比較例１によって調製される光起電装置の光起電力変換特性に関する他のデータは本実験例で測定される。試験結果を図５と６、および次の表１に示す。

図５と６、および表１に示す結果によれば、実施形態１で調製される光起電装置は、比較例１で調製される光起電装置と比較して、より良い光起電力変換特性を呈することができる。それ故に、これらの結果は、光起電装置の光起電力変換特性が光起電装置の開かれた領域の導電率を増大することによって有効に向上させることができることを示している。

実験例２
電圧と短絡電流の関係、ならびに実施形態４および比較例２によって調製される光起電装置の光起電力変換特性に関する他のデータは本実験例で測定される。試験結果を図７および次の表２に示す。

図７および表２に示す結果によれば、実施形態４で調製される光起電装置は、比較例２で調製される光起電装置と比較して、より良い光起電力変換特性を呈することができる。導電率を増大するために電極と半導体の間に透明導電体を有する従来の光起電装置と比較して、開かれた領域の導電率は本発明の光起電装置を用いることによって直接に増大する。それ故に、本発明の光起電装置によれば、電極と半導体の間に透明導電体を置くことに起因する界面障壁の増大という問題を解決することができる。従って、光起電装置の光起電力変換特性をより有効に向上させることができる。

本発明がその好ましい実施形態に関連して説明されたけれども、多くの他の可能な変更態様および変形例は後で請求される本発明の範囲を逸脱せずに行うことができることを理解されるべきである。

１１ ｐ型半導体層１１
１２ ｎ型半導体層
１３ 第１電極層
１４ 第２電極層
１５ 反射防止層
１６ 透明導電体
２１ 第１半導体層
２２ 第２半導体層
２３ 第１電極層
２４ 第２電極層
２５ 低反射導電膜
２６ 反射防止層
１４１ 開かれた領域
２４１ 開かれた領域

Claims (28)

1. 第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に配置される第２半導体層と、
   前記第１半導体層に接続している第１電極層と、
   前記第２半導体層に接続し、前記第２半導体層を露出させるために開かれた領域を有する第２電極層と、
   前記開かれた領域に配置されて、前記第２電極層および前記第２半導体層に接続している低反射導電膜であって、該低反射導電膜の抵抗率が前記第２半導体層の抵抗率以下である低反射導電膜と、
   を備える光起電装置。
2. 前記低反射導電膜上に配置される反射防止層をさらに備える請求項１に記載の光起電装置。
3. 前記低反射導電膜が前記第２電極層の表面に配置される請求項１に記載の光起電装置。
4. 前記第１半導体層がｐ型半導体層であり、かつ前記第２半導体層がｎ型半導体層である請求項１に記載の光起電装置。
5. 前記第１半導体層がｎ型半導体層であり、かつ前記第２半導体層がｐ型半導体層である請求項１に記載の光起電装置。
6. 前記低反射導電膜が、金属膜、金属酸化物膜、または導電性ナノ材料膜である請求項１に記載の光起電装置。
7. 前記金属膜の材料が前記第２電極層の材料と同じである請求項６に記載の光起電装置。
8. 前記金属膜がＡｌ膜またはＡｇ膜である請求項６に記載の光起電装置。
9. 前記金属酸化物膜がＩＴＯ膜である請求項６に記載の光起電装置。
10. 前記導電性ナノ材料膜がカーボン・ナノチューブ膜である請求項６に記載の光起電装置。
11. 前記第２電極層が互いに入り込んだ形をしている請求項１に記載の光起電装置。
12. 前記低反射導電膜の厚さが１０Å〜１０μｍの範囲にある請求項１に記載の光起電装置。
13. 前記低反射導電膜の抵抗率が１０^-3Ωｃｍ〜１０^-8Ωｃｍの範囲にある請求項１に記載の光起電装置。
14. 前記低反射導電膜の反射率が１０％未満である請求項１に記載の光起電装置。
15. 第１半導体層上に第２半導体層を形成する工程と、
    前記第１半導体層上に第１電極層を形成する工程と、
    前記第２半導体層上に第２電極層を形成する工程であって、前記第２電極層は前記第２半導体層を露出させるために開かれた領域を有する工程と、
    前記開かれた領域に低反射導電膜を形成して、前記低反射導電膜を前記第２電極層および前記第２半導体層に接続する工程であって、前記低反射導電膜の抵抗率が前記第２半導体層の抵抗率以下である工程と、
    を含む光起電装置を製造する方法。
16. 前記低反射導電膜上に反射防止層を形成する工程をさらに含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記低反射導電膜が前記第２電極層の表面にさらに形成される請求項１５に記載の方法。
18. 前記第１半導体層がｐ型半導体層であり、かつ前記第２半導体層がｎ型半導体層である請求項１５に記載の方法。
19. 前記第１半導体層がｎ型半導体層であり、かつ前記第２半導体層がｐ型半導体層である請求項１５に記載の方法。
20. 前記低反射導電膜が、金属膜、金属酸化物膜、または導電性ナノ材料膜である請求項１５に記載の方法。
21. 前記金属膜の材料が前記第２電極層の材料と同じである請求項２０に記載の方法。
22. 前記金属膜がＡｌ膜またはＡｇ膜である請求項２０に記載の方法。
23. 前記金属酸化物膜がＩＴＯ膜である請求項２０に記載の方法。
24. 前記導電性ナノ材料膜がカーボン・ナノチューブ膜である請求項２０に記載の方法。
25. 前記第２電極層が互いに入り込んだ形をしている請求項１５に記載の方法。
26. 前記低反射導電膜の厚さが１０Å〜１０μｍの範囲にある請求項１５に記載の方法。
27. 前記低反射導電膜の抵抗率が１０^-3Ωｃｍ〜１０^-8Ωｃｍの範囲にある請求項１５に記載の方法。
28. 前記低反射導電膜の反射率が１０％未満である請求項１５に記載の方法。

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