JP2011505679A - Ｉｖ族ナノ粒子接合およびそれを用いたデバイス - Google Patents

Abstract

太陽光で発電するためのデバイスが開示される。デバイスは、第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前面が、太陽光にさらされるように構成されたウェハを含む。このデバイスは、また、前面に堆積された融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜であって、ナノ粒子薄膜が第２のドーパントを含み、第２のドーパントが逆ドーパントであるナノ粒子薄膜も含む。このデバイスは、ナノ粒子薄膜に堆積された第１の電極と、裏面に堆積された第２の電極とをさらに含み、太陽光が前面に当てられるときに、電流が発生する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年２月１２日出願の米国特許出願第１２／０２９８３８号明細書、および「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＲＥＡＴＩＮＧ ＪＵＮＣＴＩＯＮＳ ＯＮ Ａ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」という名称の２００７年９月４日出願の米国仮特許出願第６０／９６９８８７号明細書の利益を主張するものであり、それらの特許出願の開示全体を参照として本明細書に組み込む。

本開示は、一般にナノ粒子に関し、詳細には、ＩＶ族ナノ粒子接合およびそれを用いたデバイスに関する。

半導体は、現代の電子工学の基礎を成すものである。半導体は、導電性と絶縁性との間で選択的に変更して制御することができる物理的特性を有しており、ほとんどの現代の電気デバイス（例えば、コンピュータ、携帯電話、光電池など）に不可欠なものである。一般に、ＩＶ族半導体とは、周期表の第４族にある元素（例えば、炭素、珪素、ゲルマニウムなど）を表す。

一般に、固体半導体は、３つの形態で存在する傾向がある。すなわち、結晶質、多結晶質、および非晶質である。結晶質形態では、半導体原子は、粒界を有さず連続した１つの結晶格子内に位置される。多結晶質形態では、半導体原子は、より小さく、無秩序に配向した多くの結晶体（より小さな結晶）内に位置される。これらの結晶体は、しばしば結晶粒と呼ばれる。非晶質形態では、半導体原子は、長距離の位置秩序をもたない。

一般に、導電とは、電子または正孔（電子の欠如）など、電荷をもつキャリアの電磁界を通る移動を表す。金属は、電荷をもつ使用可能な粒子をかなりの量、有する傾向があり、一方、絶縁体は、電荷をもつ粒子をごくわずかしか有さない。

不純物（ドーパントと呼ばれる）が存在しないとき、半導体は、絶縁体として挙動する傾向があり、電流が流れるのを妨げる。しかし、比較的少量のドーパントを添加した後、電荷をもつキャリアの量を増加させることによって、半導体の電気的特性が導体へと急激に変化することがある。例えば、光励起と呼ばれるプロセスでは、一般に、吸収された光が電子−正孔の対（光キャリア）を生成し、これがさらに全体の導電率（光伝導率）を高める傾向がある。

ドープされた半導体領域は、不純物の種類に応じて、より多くの電子を有する（ｎ型）またはより多くの正孔を有する（ｐ型）ことがある。例えば、１つの一般的な構成では、ｐ型の領域がｎ型の（逆ドープされた）領域に並べて配置されて、「内蔵」電位、すなわち２つのフェルミ準位間のエネルギー差を有する（ｐ−ｎ）接合を形成する。

一般的に受け入れられている量子力学の原理の下では、原子の電子は、特定の状態のみを取ることができ、したがって特定のエネルギー準位のみが可能である。しかし、特定のエネルギー状態の占有を厳密に確定することはできない。したがって、通例、原子の集団（例えば固体）に関して確率分布または密度が用いられ、これはフェルミ準位と呼ばれる。一般に、フェルミ準位とは、エネルギー状態の１／２が占められる所与の温度でのエネルギー準位を表す。エネルギー状態は、固有のものであり、量子数に対応する。

したがって、電界中で接合のｐ型側にある電子は、次いでｎ型領域に引き付けられ、ｐ型領域から反発されることがあり、一方、接合のｎ型側にある電界中の正孔は、次いでｐ型領域に引き付けられ、ｎ型領域から反発されることがある。一般に、各ｎ型領域および／またはｐ型領域は、それぞれ、しばしばｎ−、ｎ＋、ｎ＋＋、ｐ−、ｐ＋、ｐ＋＋などと示される異なるレベルの相対ドーパント濃度で構成することができる。一般に、内蔵電位、したがって電界の大きさは、２つの隣接する層間のドーピングのレベルによって決まる。

別の典型的な構成では、量子トンネル効果の影響を軽減するために、ｎ型領域とｐ型領域との間に真性の（ドープされていない）半導体層（ｉ型）を配置することによって接合が形成されることがある。量子トンネル効果とは、古典力学では取り得ない（ｃｌａｓｓｉｃａｌｌｙ−ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ）エネルギー状態を通って電子が遷移する量子力学的効果である。一般に、空乏層領域において、発生する電磁界は、内蔵電位および印加された逆バイアスを空乏層幅で割った結果である。しかしまた、内蔵電位は、空乏層領域の欠陥密度に反比例する。したがって、高い欠陥密度（すなわち望ましくないエネルギー状態）を有する材料では、トンネル効果が生じることがある。

したがって、トンネル効果を最小限にする、すなわち欠陥密度を低下させるために、より低い欠陥密度を有するｉ型領域を使用することができる。例えば、真性の分離層を有さず、ｐ−ｎ接合が十分に狭い場合には、高い電磁界が、その電磁界と同じ方向でトンネル電流を発生することがある。すなわち、トンネル電子が、ｐ型領域の価電子帯からｎ型領域の伝導帯に直接移動することがある。対照的に、ｐ−ｎ接合が理想的である場合、電磁界が引っ張るキャリアがないので、電流は流れない。

さらに別の典型的な構成では、オーミック（低抵抗）接触を形成するために、高ドープのｎ型領域（ｎ＋＋）またはｐ型領域（ｐ＋＋）を金属領域に並べて配置することによって、金属接合を形成することができる。一般に、ドープされた領域を金属に並べて配置すると、接合に電位障壁が生じる。しかしまた、ドーパント濃度を高めると、空乏層領域が狭くなる傾向があり、これがさらに、より高い電磁界を発生させ、それにより量子トンネル効果の可能性がより高くなる傾向がある。さらにまた、ドーパント濃度を高めると、電荷キャリア（電子または正孔）の少なくともいくつかが、電位障壁を飛び越えるのに十分な熱エネルギーを有し、金属領域内に入って電流となる可能性を高める傾向がある。

半導体をドープするいくつかの方法がある。しかし、それらのほとんどは、問題を含むことがある。例えば、１つの一般的な方法は、シルクスクリーンによってドープガラスを半導体基板上に堆積することを含む。スキージを利用するシルクスクリーン印刷技法は、高ドープのガラス・ペーストなどの液体を基板に機械的に直接塗り付ける。比較的高い温度（例えば８００〜１１００℃）にさらされると、高ドープのガラスから基板内にドーパントが拡散する傾向がある。また、高温は、基板をアニールする傾向もある。

一般に、アニーリングは、材料の内部応力を低減させるため、および／またはその物理的および電気的特性を改善するために、ある臨界温度よりも高い温度に材料を加熱するプロセスである。半導体基板の場合、アニーリングは、ドーパント原子を（高い濃度の領域からより低い濃度の領域へ）適切に拡散させ、格子内に位置させ、したがって電流の伝達に追加の電子または正孔（それぞれ電子または正孔を供与する傾向がある）が利用可能である。これは、一般に、活性化（または「供与」の効果）と呼ばれ、効果的な接合の形成に重要である。

しかしまた、スキージの下方向への機械的な力が、基板に応力を加える傾向があり、したがって基板の電気的および物理的特性に悪影響を及ぼすことがある。バックコンタクト型太陽電池など複数の堆積ステップを必要とするデバイスでは、応力がさらに大きくなる。一般に、どの追加のスクリーン印刷ステップも、損壊または破損によりプロセス歩留まりを減らす（およびコストを増大する）傾向がある。さらに、スクリーン・パターンの位置合わせも、大きな課題を抱えていることがある。例えば、パターン位置合わせが不良である場合、得られる太陽電池は、誤動作（短絡）しがちであり、プロセス歩留まりをさらに減らす。

代替のドーピング方法では、イオン注入によってドーパントが結晶性または多結晶性基板内に堆積されることがある。一般に、イオン注入は、ドーパント・イオンを高いエネルギーで基板内に加速させる。拡散ドーピングと同様に、一般に、基板を修復し、ドーパントを活性化させるためには、やはり基板を高温でアニールしなければならない。しかし、イオン注入は、ドーパント添加量を高精度で制御することはできるが、特殊で高価な半導体製造機器を使用する必要があるので、非常にコストが高くなりがちである。

同様に、ドーパントを添加するための化学気相成長法（ＣＶＤ）の使用も、欠点を含むことがある。典型的なＣＶＤプロセスでは、基板（絶縁体、半導体、または金属であることがある）が、１つまたは複数の揮発性前駆体にさらされ、これらの揮発性前駆体が、基板表面で反応および／または分解して、ドープされた被膜を生成する。しかし、イオン注入と同様に、ＣＶＤは、特殊で高価な半導体製造機器を必要とするので、コストが高くなる。さらにまた、ＣＶＤは、被膜層が一度に１原子ずつ構築されるので、非常に遅くなりがちである。

他の一般的なドーピング技法としては、気相ドーピングおよびスプレー型ドーピングがあり、これらはどちらも、ｐ型ドーピングとｎ型ドーピングを同時にパターン形成することができない。

上記に鑑みて、ＩＶ族接合を製造する改良された方法、および太陽電池などそれを用いたデバイスが望まれる。

本発明は、一実施形態では、太陽光で発電するためのデバイスに関する。このデバイスは、第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前面が、太陽光にさらされるように構成されたウェハを含む。また、このデバイスは、前面に堆積された融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜であって、ナノ粒子薄膜が第２のドーパントを含み、第２のドーパントが逆ドーパントであるナノ粒子薄膜も含む。さらに、このデバイスは、ナノ粒子薄膜に堆積された第１の電極と、裏面に堆積された第２の電極とを含み、太陽光が前面に当てられるときに、電流が発生する。

別の実施形態では、本発明は、太陽光で発電するためのデバイスに関する。このデバイスは、第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前面が、太陽光にさらされるように構成され、ウェハが、前面拡散領域をさらに含み、前面拡散領域が、第２のドーパントでドープされ、第２のドーパントが、第１のドーパントの逆ドーパントであるウェハを含む。また、このデバイスは、前面拡散領域に１組の小面積のパターンとして堆積された融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜であって、第３のドーパントを含み、第３のドーパントが、第１のドーパントの逆ドーパントである融合ナノ粒子薄膜を含む。このデバイスは、前面に堆積された第１の電極であって、１組の小面積のパターンと電気接触する第１の電極と、裏面に堆積された第２の電極とをさらに含み、太陽光が前面に当てられるときに、電流が発生する。

別の実施形態では、本発明は、太陽光で発電するためのデバイスに関する。このデバイスは、第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前面が、太陽光にさらされるように構成され、ウェハが、前面拡散領域をさらに含み、前面拡散領域が、第２のドーパントでドープされ、第２のドーパントが、第１のドーパントの逆ドーパントであるウェハを含む。また、このデバイスは、ウェハの下に構成された裏面層であって、誘電体と、１組の融合粒子の小面積のコンタクトとを含む裏面層を含む。このデバイスは、裏面に堆積された第２の電極であって、小面積のコンタクトと電気接触する第２の電極をさらに含み、太陽光が前面に当てられるときに、電流が発生する。

別の実施形態では、本発明は、太陽光で発電するためのデバイスに関する。デバイスは、第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前面が、太陽光にさらされるように構成されたウェハを含む。このデバイスは、また、裏面に第１のパターンで堆積された第２のドーパントでドープされた第１の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜を含む。このデバイスは、裏面に第２のパターンで堆積された第３のドーパントでドープされた第２の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜であって、第３のドーパントが、第２のドーパントの逆ドーパントであり、第１のパターンが、第２のパターンと交差指型にされている第２の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜をさらに含む。このデバイスは、また、第１の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜に堆積された第１の電極と、第２の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜に堆積された第２の電極とを含み、太陽光が前面に当てられるときに、電流が発生する。

添付図面の各図において、例として、限定せずに本発明を例示する。図中、同様の参照符号は同様の要素を表す。

本発明による、１組のＳｉナノ粒子に関する、直径に対する表面積／体積を比較する簡略図である。 本発明による、ＩＶ族ナノ粒子に関する球形度の簡略図である。 本発明による、Ｓｉナノ粒子に関する、直径に対する表面汚染および融点の比較を示す図である。 本発明による同心流通プラズマ反応器の１組の概略図である。 本発明による同心流通プラズマ反応器の１組の概略図である。 本発明による同心流通プラズマ反応器の１組の概略図である。 従来の拡散均質エミッタ太陽電池の簡略図である。 本発明による粒子均質エミッタ太陽電池の簡略図である。 本発明による、ｐ＋エミッタ・ウェハ、ｎ＋ＢＳＦウェハ、および対照としての不動態化していないブランク・シリコン・ウェハで行われた少数キャリア測定の結果を示す簡略図である。 本発明による、図５Ｂのｐ＋粒子平坦エミッタに関する実験からの電流−電圧プロットの簡略図である。 本発明による、図５Ｂのｐ＋粒子平坦エミッタに関する正規化された量子効率（ＱＥ）プロットの簡略図である。 本発明による、インク堆積ステップを省いた状態での、ｎ型シリコン・ウェハ基板に関する１組のＩＶ曲線の簡略図である。 本発明による、デバイス短絡電流を使用した、図５Ｆと同様の図である。 本発明による、堆積後のエミッタとエッチング後のエミッタとで測定された簡略化された量子効率の図である。 本発明による、堆積後のエミッタとエッチング後のエミッタとで測定された、実験からのＩＶ曲線の簡略図である。 本発明による、スピン速度変更によって変えられる、様々なエミッタ厚さを有するデバイスに関する簡略化された代表的な量子効率の図である。 本発明による、反射防止層を加えたｐ＋粒子均質エミッタ・ウェハと、反射防止層を有さないｐ＋粒子均質エミッタ・ウェハとの反射率を比較する簡略図である。 本発明による、ＡＭ１．５Ｇ照明の下での、３つのより大きな面積のデバイスに関する１組のＩＶ曲線を示す図である。 本発明による、ＡＭ１．５Ｇ照明の下での、２０ｃｍ^２デバイスに関する実験からのＩＶ曲線の簡略図である。 本発明による選択エミッタ型太陽電池の１組の簡略図である。 本発明による選択エミッタ型太陽電池の１組の簡略図である。 本発明による点接合太陽電池の１組の簡略図である。 本発明による点接合太陽電池の１組の簡略図である。 本発明による裏面点電極太陽電池の１組の簡略図である。 本発明による裏面点電極太陽電池の１組の簡略図である。

次に、本発明を、添付図面に示される本発明のいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解できるようにするために、いくつかの特定の詳細を記載する。しかし、本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てを用いずに実施することもできることを当業者は理解されよう。他の例では、本発明を不要に曖昧にしないために、よく知られているプロセス・ステップおよび／または構造は、詳細には説明していない。

前述したように、接合を形成する現在の方法は、高いコストがかかり、パターン形成が難しく、かつ／または基板を損壊しがちである。１つの好ましい様式では、代替方法よりも低コストで、容易なパターン形成性で、かつ基板をあまり損壊せずに、効率的な接合（例えば、ｐ−ｎ接合、金属−シリコン接合など）を形成することができるように、１組のＩＶ族ナノ粒子層が形成されることがある。

一般に、典型的な太陽電池は、少なくとも２つの要素を備える。第１に、吸収体領域（典型的には半導体）が、光の吸収によって電荷キャリア（電子および正孔）を発生するように構成される。第２に、１組の接合が、電荷キャリアを分離するように（ｐ−ｎ接合の場合）、また太陽電池から電荷キャリアを流出するように（金属−半導体接合の場合）構成される。

したがって、太陽電池によって発生する電気の量は、太陽電池内での接合の効率に直接関係する。一般に、接合効率は、界面を越えて実質的な量の電荷キャリアを移動させて抽出することができる能力を反映する。効率の高い接合は、ほとんどの電荷キャリアを通過させ、一方、効率の低い接合は通過させない。

一般に、入射する光子が、キャリアをその原子から解放するのに十分なエネルギーを有するときにのみ、自由電荷キャリアが生成され、それによりキャリアが電気を伝導する。すなわち、価電子エネルギー帯（価電子帯）から伝導エネルギー帯（伝導帯）に電子が移動する。価電子帯では、電子は、ホスト原子に束縛される。対照的に、伝導帯では、電子（およびそれらに対応する、価電子帯での正孔）は自由であり、電荷キャリアとして働くのに十分なエネルギーを有する。価電子帯と伝導帯の間には、一般に、電子が取ることができないエネルギー範囲があり、これはバンドギャップと呼ばれる。

バンドギャップが大きい（約＞５．０ｅＶ）場合、材料は絶縁体である。バンドギャップが小さい、または存在しない（約０．０ｅＶ）場合、材料は金属である。しかし、バンドギャップが中くらいである場合、材料は半導体として働くことがある。例えば、Ｓｉは約１．１２ｅＶのバンドギャップを有する。

前述したように、フェルミ準位とは、エネルギー状態の１／２が占められる所与の温度でのエネルギー準位を表す。エネルギー状態は、固有のものであり、量子数に対応する。したがって、ＩＶ族半導体などの半導体に比較的少量のドーパントを添加することで、電荷をもつキャリアの量を増加することができる。ｎ型ドーパント（例えば、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）など）が添加される場合、フェルミ準位は、より伝導帯に近い位置に上げられる。同様に、ｐ型ドーパント（例えば、Ｂ（ホウ素）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）など）が添加されるとき、フェルミ準位は、より価電子帯に近い位置に下げられる。

一般に、ｐ型領域がｎ型領域と並べて配置されるとき、ｐ−ｎ接合が形成される。したがって、各領域のフェルミ準位が平衡状態になるとき、電界（または内蔵電位）が生じる傾向がある。電界中でｐ型領域で生成された電子（電子少数キャリア）は、次いでｎ型領域に引き付けられ、ｐ型領域から反発されることがあり、一方、電界中でｎ型領域で生成された正孔（正孔少数キャリア）は、次いでｐ型領域に引き付けられ、ｎ型領域から反発されることがある。これらの少数キャリアは、次いで太陽電池から流出されて、電気を生成することができる。

電子と正孔の対が生成されるとき、それぞれ、格子を通って拡散するように使用可能であり、電界の影響下で、それぞれｎ型領域またはｐ型領域に達するまで進み、最終的にコンタクトによって外部回路内に抽出される。しかし、ｐ型領域の内部、ｎ型領域の内部、吸収体の内部、またはそれらの界面での欠陥が、少数キャリアを消滅させることによって電荷トラップを形成することがある。

格子構造の破損箇所、格子間原子の存在（結晶構造内部にあるが、格子部位にない）、または汚染物質（例えば、酸素、酸素錯体など）が、伝導帯よりも下で、バンドギャップ内に中間のエネルギー状態を生み出すことがある。したがって、少数キャリアは、太陽電池から流出されずに再結合し、それにより、発電するのに利用できなくなる。

したがって、太陽光発電用途で再結合を最小限にするための吸収体として、結晶格子構造（例えばＳｉウェハなど）が好ましい。例えば、まず、Ｓｉウェハ（吸収体）をｎ型またはｐ型として作製し、次いで、適切な技法（例えば、化学気相成長、イオン注入、気相拡散、スプレーオン拡散、スピンオン拡散、ドープガラスなど）を使用して、逆ドーパント、すなわちそれぞれｎ型（ｎ＋）またはｐ型（ｐ＋）ドーパントを片面に注入して、ｐ−ｎ接合を形成することができる。しかし、前述したように、この拡散プロセスは、高いコストがかかり、パターン形成に融通性がなくなりがちである。

さらに、前述したように、ドープガラスの堆積は、問題を含むことがある。例えば、ドープガラスは、多くの場合、シルクスクリーンによって塗布される。一般に、シルクスクリーン法は、高ドープのガラス・ペーストなどの液体を基板に機械的に直接塗り付けるためにスキージを利用する印刷技法である。したがって、この下方向への機械的な力が、基板に追加の応力を加える傾向があり、したがって基板の電気的および物理的特性に悪影響を及ぼすことがある。

さらに、バックコンタクト型太陽電池の場合など、ドープガラスと同じ基板の面に交互のｎ型領域とｐ型領域を形成するには、多くのスクリーン印刷ステップが必要である。一般に、どの追加のスクリーン印刷ステップも、印刷または取扱い中の損壊または破損によりプロセス歩留まりを減らすことがある。また、ウェハ破損が、製造ラインのダウンタイムを引き起こすことがあり、さらにコストが増大する。一般に、スクリーン印刷ドーパント拡散プロセス中に形成された酸化物被膜を除去するために、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）が必要である。

また、基板上の既存のパターンに、後続のスクリーン・パターンを位置合わせすることも、大きな課題を抱えている。例えば、パターン位置合わせが不良である場合、得られる太陽電池は、誤動作（短絡）しやすく、プロセス歩留まりをさらに減らす。

さらに、金属−半導体接合も問題を含みがちである。ｐ−ｎ接合と同様に、金属−半導体接合でのフェルミ準位も平衡状態になる傾向があり、金属領域とドープされた半導体領域との間に電位障壁を生成する。したがって、高ドープのｎ型領域（ｎ＋＋）またはｐ型領域（ｐ＋＋）を金属領域に並べて配置することが、量子トンネル効果および／または熱支援トンネル効果によるオーミック（低抵抗）接触を形成する一助となる。

しかしまた、ドーパントの添加により、電荷キャリア拡散距離が減少することもある。一般に、拡散距離は、キャリアが、発生した点から、再結合するまでに移動することができる平均距離である。したがって、より高いドーパント濃度は、金属−半導体界面の効率を高めるが、キャリア拡散距離を短縮するので、金属に接触する太陽電池の領域を最適化するのが難しい。すなわち、金属−半導体界面に達したキャリアの多くが界面を通過するが、そこまで達するキャリアは少ない。

１つの有利な様式では、異なるドーパント濃度の複数の領域を使用して、界面の効率およびキャリア拡散距離を最適化することができる。

ＩＶ族ナノ粒子の特性
一般に、ナノ粒子は、少なくとも１次元で１００ｎｍ未満である微粒子である。一般に、用語「ＩＶ族ナノ粒子」は、平均直径が約１ｎｍ〜１００ｎｍの間である水素終端ＩＶ族ナノ粒子を表し、珪素、ゲルマニウム、炭素、またはそれらの混合物からなる。また、用語「ＩＶ族ナノ粒子」は、ドープされたＩＶ族ナノ粒子も含む。

サイズに関わらない一定の物理的特性（例えば、融点、沸点、密度、導電率など）を有する傾向があるバルク材料（＞１００ｎｍ）とは対照的に、ナノ粒子は、サイズに依存する物理的特性を有することがあり、したがって接合などの用途に有用であることがある。例えば、半導体ナノ粒子は、シルクスクリーンまたは堆積などの代替方法に比べて、より容易に、かつ安価にパターン形成してｐ−ｎ接合を形成することができる。

しかし、ＩＶ族ナノ粒子は、バルク固体に比べてかなり大きい表面積を有するので、汚染を非常に受けやすくなりがちである。一般に、周囲酸素または水素分子がＩＶ族ナノ粒子と接触するのを完全に防ぐのは非常に難しいので、酸化および／または加水分解などの化学反応により、汚染が生じることが多い。その結果、少量の汚染物質でさえ、焼結を妨げ（すなわち、ＩＶ族ナノ粒子の物理的接続に干渉し）、高密度層の形成を遅らせ（すなわち、材料の多孔率を高め、したがって導電率を減少させ）、電子と正孔の再結合部位を生み出す（すなわち、組み立てられた接合での電流発生を減衰させる）ことがある。

１つの有利な様式では、ＩＶ族ナノ粒子は、汚染を最小限にするために、実質的に球状に形成されることがある。一般に、所与の体積を有する全ての固体のうち、球が、最小の表面積を有するものである。同様に、所与の表面積を有する全ての固体のうち、球が、最大の体積を有するものである。したがって、球状のナノ粒子は、最大数のＩＶ族原子を汚染物質から保護する傾向があり、したがって接合形成に有益である。

一般に、接合を形成するために、典型的には、半導体ナノ粒子を、高密度に結び付けられた領域となるように形成しなければならない。１つのそのような方法は、焼結である。一般に、粒子を互いに付着させるための方法では、サイズに依存する溶融が生じる前に、相互作用するナノ粒子が焼結する（Ａ．Ｎ．Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ「Ｔｈｅ ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ」ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ Ａ．，１９９６）。したがって、実質的に球状であり、好ましくは直径が約４ｎｍ〜約１００ｎｍの間であるＩＶ族ナノ粒子は、より低い温度で焼結する傾向があり、したがって接合を形成するのに有益である。さらに別の構成では、ＩＶ族ナノ粒子は、実質的に球状であり、より好ましくは直径が約４．０ｎｍ〜約２０．０ｎｍの間である。さらに別の構成では、ＩＶ族ナノ粒子は、実質的に球状であり、最も好ましくは７．０ｎｍである。

ここで図１を参照すると、本発明による、１組のＳｉナノ粒子に関する、直径に対する表面積／体積を比較する簡略図が示されている。水平軸１０４は、ナノメートル単位でのＳｉナノ粒子の直径を示し、垂直軸１０６は、ｍ^−１でのＳｉの表面積／体積を示す。

一般に、Ｓｉ原子は、原子半径が約０．１１８ｎｍであり、格子寸法が約０．５４３１ｎｍのダイヤモンド結晶構造をとる傾向がある。さらに、図示しないが、原子半径が約０．１２５ｎｍであり、格子寸法が約０．５６６ｎｍであるＧｅが、Ｓｉと実質的に同様の直径に対する面積／体積の曲線を有する。

約４ｎｍ未満で、高汚染領域１０２では、表面積／体積の比は、約１．５ｍ^−１（約４ｎｍで）から約６．０ｍ^−１（１ｎｍで）に、大幅に増加し始める。最終的に、全てのＳｉ原子が、本質的に表面原子または外殻原子であり、汚染の可能性が非常に高い。したがって、汚染を減少させるためには、ＩＶ族ナノ粒子は、直径を約４ｎｍよりも大きくすべきである。

次に図２を参照すると、本発明による、ＩＶ族ナノ粒子に関する球形度を示す簡略図が示されている。一般に、粒子の形状均一性または球形度に関する測定基準は、透過型電子顕微鏡画像を使用することによって得ることができる。透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）は、電子のビームが試料片を通して透過され、次いで画像が生成され、拡大され、蛍光スクリーンまたは写真フィルムの層上に現れるように向けられる、あるいはＣＣＤカメラなどのセンサによって検出されるように向けられる撮像技法である。

図示の例に示されるように、粒子サイズは、個々の粒子を識別し、粒子の最小および最大寸法を横切る直線を描くことによって測定することができる。均一性は、粒子の最大直径と最小直径の比と定義することができる。最長寸法Ｌ１と最短寸法Ｌ２の比として定義される粒子寸法を測定することによって、球形度のレベルとして測定基準Ｌ１／Ｌ２を得ることができる。例えば、理想的な球状粒子に関して、均一性は約１．０である。不定の粒子に関して、均一性は、一般に約１．０よりも実質的に大きい。例えば、粒子がロッド状または針状である場合、Ｌ１／Ｌ２比は５よりも大きいことがある。一般に、最適な球形度は、約１．０〜約２．０の間である。表面汚染は別にして、Ｌ１／Ｌ２比２未満が、インクジェット印刷などナノ粒子塗布技法に有益である。

次に図３を参照すると、本発明によるＳｉナノ粒子に関して、直径に対して表面汚染および融点が比較されている。水平軸３０６は、Ｓｉナノ粒子の直径を示す。左側の垂直軸３０８は、粒子表面汚染を示し、右側の垂直軸３１０は、℃単位での温度を示す。

約４ｎｍの直径で、Ｓｉ粒子表面汚染は、約１．０２×１０^２１原子／ｃｍ^３であり、前述した約１．５ｍ^−１の表面積／体積の比に対応する。高汚染領域（１０２）内でＳｉ粒子表面汚染が約１．０２×１０^２１原子／ｃｍ^３よりも高くなるとき、前述したように、焼結、高密度層形成、および電子と正孔の再結合が悪化する。

対照的に、Ｓｉナノ粒子の焼結温度は、約１３ｎｍ未満で、対応する直径サイズの減少に伴って急激に低下する。約１３ｎｍよりも上では、焼結温度は、対応する直径サイズの増加に伴って徐々に増加し、最終的には約９４７℃、すなわちＳｉの融点（約１４１４℃）の６７％に達すると考えられる。同様に、図示しないが、ゲルマニウムに関しても、焼結温度は、対応する直径サイズの増加に伴ってやはり徐々に増加し、最終的には約６２８℃、すなわちＧｅの融点（約９３８℃）の６７％に達すると考えられる。

前述したように、一般に、焼結は、粒子を互いに付着させ、被膜の高密度化を誘発するための方法である。したがって、一般に、ナノ粒子は、それらの小さな曲率半径により、粒子融点の約２／３の温度に達したときに焼結し始めると考えられる。さらに、ナノ粒子のネック領域で高温によって発生する大きなせん断応力が、２つの近接して位置したナノ粒子の間での塑性変形を引き起こしやすいと考えられる。一般に、所与のナノ粒子材料に関して、より小さなナノ粒子は、焼結温度が、より大きなナノ粒子の焼結温度よりも低い。

一般に、例えば従来の接触熱源（例えば、抵抗加熱器など）や放射熱源（例えば、ランプ、レーザ、マイクロ波処理装置、プラズマ、タングステンハロゲン、連続アークランプ、フラッシュランプなど）など、様々な熱源を使用してナノ粒子を焼結することができる。レーザの場合、一般に、約０．３ミクロン〜約１０ミクロンの間の波長範囲が最適である。

有利な様式では、焼結温度を低下させることにより、後でウェハを損壊して太陽光発電用途での少数キャリアの寿命を縮めるおそれがある下にある基板での熱誘発応力が減少する。

さらに、より低い焼結温度により、ＩＶ族の融点よりも実質的に低い融点を有することがある代替材料を接合（すなわち基板や誘電体層など）内または接合付近で使用することもできるようになる。例えば、約４００℃のガラス温度を有するポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ、Ｋａｐｔｒｅｘなど）が、誘電体として、また電気接合を形成するためのマスクとして使用されることがある。さらに、焼結温度を低下させることで、ＰＶ電池構造内に既に拡散された、またはその他の方法でＰＶ電池構造内部に位置されたドーパントをさらに拡散させずに、被膜の形成を可能にすることができる。したがって、ＩＶ族ナノ粒子の直径を十分に（この例では約７ｎｍまで）低減することによって、高密度ナノ粒子層をポリイミド層の上に形成することができる。

ＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散（インク）の特性
さらに、より小さな粒子は、より簡単にコロイド分散中に縣濁することができる。ナノ粒子は、それらの小さなサイズにより、取扱いが難しくなりがちである。したがって、１つの有利な様式では、ナノ粒子を輸送または保管するために、集められたナノ粒子が、インクなどコロイド分散またはコロイド中に縣濁されることがある。

一般に、粒子の表面と溶媒との相互作用は、通常は液体中で材料を沈下または浮遊させることになる密度の差を克服するほど十分に強いので、ＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散が可能である。すなわち、より小さいナノ粒子は、より大きいナノ粒子よりも簡単に分散する。

一般に、ＩＶ族ナノ粒子は、真空下で、または実質的に酸素を含まない不活性環境下でコロイド分散中に入れられる。さらに、選択された溶媒または溶媒の混合物中でナノ粒子を分散させるのを容易にするために、超音波処理、高せん断ミキサ、および高圧／高せん断ホモジナイザなどの粒子分散法および機器を使用することができる。

溶媒の例としては、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、アミン、オルガノシロキサン、ハロゲン化炭化水素、および他の炭化水素溶媒がある。さらに、粘性、密度、極性などの物理的特性を最適化するために、溶媒が混合されることもある。

さらに、コロイド分散中でＩＶ族ナノ粒子をより良く分散させるために、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、およびアミン、ならびにオルガノシクロキサンなどの有機化合物の添加によって、ナノ粒子キャッピング基を形成することができる。別の方法として、キャッピング基は、インサイチュで、プラズマ・チャンバ内へのガスの添加によって加えられることもある。これらのキャッピング基は、その後、焼結プロセス中に、または焼結プロセス直前の、より低い温度での予熱中に除去することができる。

例えば、キャッピングされたＩＶ族半導体ナノ粒子の調製で使用するのに適したバルク・キャッピング剤は、Ｃ４〜Ｃ８分岐アルコール、環式アルコール、アルデヒド、およびケトン、例えば第３級ブタノール、イソブタノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ブタノール、イソブタナール、シクロヘキサノン、およびオルガノシロキサン、例えばメトキシ（トリス（トリメチルシリル）シラン）（ＭＴＴＭＳＳ）、トリス（トリメチルシリル）シラン（ＴＴＭＳＳ）、デカメチルテトラシロキサン（ＤＭＴＳ）、およびトリメチルメトキシシラン（ＴＭＯＳ）を含む。

配合した後、コロイド分散を基板に塗布して熱処理を施し、ＩＶ族ナノ粒子を焼結して、高密度化された導電性被膜にすることができる。塗布方法の例としては、限定せずに、ロールコーティング、スロットダイコーティング、グラビア印刷、フレキソ・ドラム印刷、およびインクジェット印刷などがある。

１つの特定の構成では、１つの有利な様式において、コロイド分散を、インクジェット・プリンタによって、パターン形成された領域内に塗布することができる。一般に、インクジェット・プリンタは、各ノズルの後ろにあるインク充填チャンバ内に圧電材料を有する構成である。電圧が印加されるとき、結晶が形状またはサイズを変え、これにより流体中で圧力パルスが発生し、インクの小滴をノズルから押し出す。

ＩＶ族ナノ粒子の場合、コロイド分散は、選択された溶媒中でよく分散すべきであり、０．５μｍのフィルタを通して（より好ましくは０．３μｍのフィルタを通して）簡単にフィルタして、印刷適性を最適化すべきである（典型的には、フィルタに関して「ミクロン」の単位が使用される）。

さらに、様々な構成のドープされたＩＶ族ナノ粒子のコロイド分散を、ドープされた、ドープされていない、および／または様々な様式でドープされたＩＶ族ナノ粒子の選択的な混合によって配合することができる。例えば、混合されるＩＶ族ナノ粒子コロイド分散の様々な配合物を調製することができ、その際、ドープされた、およびドープされていないＩＶ族ナノ粒子を、接合の特定の層に関する要件を実現するように混合することによって、その層のためのドーパントレベルが配合される。別の方法として、望ましくないエネルギー状態を減少するために酸素原子の不動態化など基板欠陥を補償するために、ブレンドされたＩＶ族ナノ粒子コロイド分散を使用することができる。

さらに、１つの有利な様式では、ドープされたナノ粒子がそれ自体、ドーパントをウェハ内に拡散するためのキャリアとして使用されることがある。すなわち、上述したドープガラスの使用と同様に、ドープされたナノ粒子（それぞれｎ型またはｐ型）のコロイド分散を、インクジェット印刷など適切な堆積技法を用いてウェハ上に塗布し、次いで加熱して、ドーパントをウェハ内に拡散することができる。したがって、ナノ粒子堆積は（ドープガラスとは異なり）それ自体が導電性であるので、その除去にＢＯＥは必要ない。したがって、液体バッチ・プロセス・ステップをなくすことができ、製造歩留まりが高まる。

ＩＶ族ナノ粒子を製造するための装置
次に図４Ａ〜Ｃを参照すると、本発明による同心流通プラズマ反応器の１組の概略図が示されている。図４Ａは、側面図を示す。図４Ｂは、断面図を示す。図４Ｃは、第１の誘電体および第２の誘電体にコーティングを施した状態での図４Ｂの断面図を示す。

一般に、ＩＶ族前駆体ガス、１組の不活性ガス、および（必要であれば）ドーパント・ガスが、一般に環状チャネルを通して流され、１組の電極の間の反応区域内で点火される。次いで、給電された電極にＲＦ（無線周波数）信号が印加されて、プラズマに当て、その後、解離してＩＶ族ナノ粒子を生成し、これらのナノ粒子は、一般に反応区域の下流で収集される。

一般に、同心流通プラズマ反応器は、外管３２１４と、外管３２１４に関して長手方向軸に沿って同心に位置決めされた内管３２１５とを備えた構成である。外管３２１４の内側であって、かつ内管３２１５の外側である領域によって画定される環状チャネル３２２７は、入口フランジ３２１８ａおよび出口フランジ３２１８ｂによって、周囲雰囲気から封止されることがある。

プラズマ反応区域（すなわちナノ粒子が生成される区域）は、管状の外側電極３２２５（外管３２１４の外側に位置決めされる）と管状の中心電極３２２４（中心電極管）との間の環状チャネル３２２７の内側の領域として画定され、中心電極３２２４は、管状の外側電極３２２５（外側電極管）に関して長手方向軸に沿って同心に位置決めされ、さらに内管３２１５の内側に位置決めされる。典型的には、１つまたは複数の前駆体ガスは、入口フランジ３２１８ａにある入口（図示せず）と流体連絡する前駆体ガス源から流路３２１１に沿って環状チャネル３２２７内に導入することができる。同様に、プラズマ反応器チャンバの内部で生成されたナノ粒子は、出口フランジ３２１８ｂにある出口（図示せず）を通って出て、ナノ粒子収集チャンバ（図示せず）内に入ることができる。別の方法として、ナノ粒子は、プラズマ反応器チャンバ内に収容された基板または格子上に収集されることがある。

一般に、管状の中心電極３２２４は、プラズマ反応器の実質的な部分に沿って延びるように構成される。さらに、管状の中心電極３２２４および管状の外側電極３２２５は、銅またはステンレス鋼などの金属を含む、十分に高い導電性を有する任意の材料から形成することができる。

外管３２１４は、さらに、外管３２１４の内面に配設された外管誘電体層３２０９によってプラズマから遮蔽されることがある。一般に、外管３２１４は、誘電体材料など、発生するプラズマと実質的に干渉しない任意の材料であってよい。一実施形態では、外管３２１４と外管誘電体層３２０９は、異なる材料、例えば異なる誘電体材料から構成される。１つの代替実施形態では、外管３２１４と外管誘電体層３２０９は、水晶など、同じ物理的構造および材料である。同様に、内管３２１５は、さらに、内管誘電体層３２１３によってプラズマから遮蔽されることがある。誘電体材料の例としては、限定せずに、水晶、サファイア、ヒュームドシリカ、ポリカーボネートアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、および硼化珪素がある。

一般に、ナノ粒子合成中のプラズマ反応状態は、生成されるナノ粒子の特性および構造に対して大きな影響をもつ。粒子合成の核生成および成長段階中、各個の粒子が、印加されるプラズマ出力、反応器圧力、ガス組成、および反応器幾何形状によって決まる温度を有する。

典型的には、特定の温度未満で生成されるＩＶ族ナノ粒子は非晶質になり、合成中により高温になるようにして生成される粒子は結晶質になる。結晶度に加えて、合成中の粒子温度が、ドーパント活性に影響を及ぼす。低温で生成された粒子における電気的に不活性なドーパントとは異なり、合成中により高温にさらされたドープされたナノ粒子は、電気的に活性なドーパントを有する。ドープされたＩＶ族粒子のプラズマ合成パラメータを制御することによって、それらの電気的特性および構造的特性を変更することができる。

ドープされたＩＶ族ナノ粒子を生成するために、様々なドーパント・ガスが使用可能である。ＩＶ族前駆体ガスの例としては、シラン、ジシラン、ゲルマン、ジゲルマン、ハロゲン化物類似体などがある。ｎ型ドーパント・ガスの例としては、リン、ヒ素などがある。ｐ型ドーパント・ガスの例としては、２フッ化ホウ素、トリメチルホウ素、ジボランなどがある。不活性ガスの例としては、アルゴン、ヘリウム、ネオンなどがある。

１つの構成では、ＩＶ族ナノ粒子は、約２５Ｔｏｒｒ以下（例えば約３Ｔｏｒｒ〜約２５Ｔｏｒｒ）の全圧でＲＦプラズマ中で生成されることがある。半導体前駆体ガスに関する典型的な流速は、約２ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル）〜約３０ｓｃｃｍにすることができ、一方、ドーパント・ガスに関する流速は、約６０ｓｃｃｍ〜約１５０ｓｃｃｍにすることができる（例えば、Ａｒなど不活性緩衝ガス中の約０．１％のドーパント）。典型的には、プラズマ反応中の半導体前駆体ガス分子とドーパント・ガス分子の比は、約２５：１〜約１０００：１である。

ＲＦプラズマを点火および／または維持するために使用されるＲＦ出力源の周波数は、３００ｋＨｚ〜３００ＧＨｚのＲＦ範囲内で変わることがある。しかし、典型的には、無線周波数プラズマ処理産業で使用される主な周波数であるので１３．５６ＭＨｚの周波数が採用される。典型的な無線周波数出力は、約３０Ｗ〜約３００Ｗの範囲である。

ＩＶ族ナノ粒子中のドーパントの濃度は、ドーパント・ガス濃度および流速などの因子に応じて変わることがある。例えば、ＩＶ族前駆体ガスとしてシランまたはゲルマンを使用することができ、本発明の方法におけるドーパント・ガスとしてリンを使用して、リンでドープされたシリコン・ナノ粒子を生成することができる。しかし、本発明の無線周波数プラズマベースの方法は、結晶性半導体中のドーパントの可溶性限界に迫るドーパント濃度を有するＩＶ族ナノ粒子を生成することができる。

例えば、結晶性Ｓｉナノ粒子の場合、本発明の方法は、少なくとも約２％のｐ型（例えばリンまたはヒ素）ドーピング・レベルを提供することができる。これは、シリコン・ナノ粒子中でのｐ型ドーパント・レベルが約０．０１％〜約５％の間である実施形態を含む。

同様に、本発明の方法は、少なくとも約１％のドーピング・レベルでのｎ型シリコン・ナノ粒子を提供することができる。これは、ｎ型ドーパント・レベルが約０．０１％〜約５％の間である実施形態を含む。

１つの構成では、ドープされたＩＶ族ナノ粒子は、活性化されたドーパントを有する結晶性ナノ粒子として生成されることがある。この構成は、高温ドーパント活性化ステップの必要性をなくすことができ、それにより、方法をより安価で、あまり時間がかからず、かつより効率的なものにするので、有利である。

さらに、本発明の方法は、実質的に狭いナノ粒子サイズ分布範囲内でナノ粒子を生成することができる。例えば、１組のｐ型かつ真性のナノ粒子を、図４Ａ〜Ｃに関して記載したものと実質的に同様のＲＦ反応器内で調製した。ｐ型ナノ粒子に関して、アルゴン中の１０％シラン・ガスを２２．５ｓｃｃｍの流速で使用した。１００ｐｐｍの濃度でのジボランのドーパント・ガスを７５ｓｃｃｍの流速で使用し、反応器内で約０．６６％のホウ素とシリコンの比を与えた。ＲＦプラズマ反応器チャンバ内の圧力は、約１０Ｔｏｒｒで保った。

真性ナノ粒子に関して、アルゴン中の１０％シラン・ガスを２２．５ｓｃｃｍの流速で使用した。前述したのと同様に、ＲＦプラズマ反応器チャンバ内の圧力は、約１０Ｔｏｒｒで保った。

ｐ型シリコン・ナノ粒子に関して得られたナノ粒子サイズ分布は、５．２ｎｍ＋／−１．０ｎｍであり、真性シリコン・ナノ粒子に関するサイズ分布は、５．７ｎｍ＋／−１．２ｎｍであった。

ＩＶ族ナノ粒子を用いて製造された太陽電池に関する構成
一般に、以下のデバイス構成は、逆にすることもできる。例えば、ｐ型ウェハとｎ型エミッタを逆にすることができ、したがってｎ型ウェハとｐ型エミッタを使用することもできる。

Ａ．均質エミッタ太陽電池
ここで図５Ａを参照すると、従来の拡散均質エミッタ太陽電池の簡略図が示されている。一般に、ｎ＋（またはｐ＋）の拡散均質エミッタ５０６が、ｐ−（またはｎ−）のウェハ吸収体５０８の上に堆積されて、電荷分離および抽出のために必要なｐ−ｎ接合を生成する。

さらに、一般に、拡散均質エミッタ５０６の上にＴＣＯ（透明導電性酸化物）または誘電体（ＴＣＯ／誘電体５０４）が堆積される。ＴＣＯは、発生した電荷キャリアが電極に達するように導電路を提供することによって、太陽電池の導電率を高める一助となる。対照的に、誘電体（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２など）は、拡散均質エミッタ５０６の表面を不動態化する一助となり、外部源からのウェハ・バルクの汚染を最小限にするとともに、ウェハ吸収体５０８表面にあるＳｉ結合または欠陥のダングリングボンドにより生じる少数キャリア再結合を実質的に減少させる。

一般に、エミッタ金属電極５０２（典型的には、印刷された銀ペーストからなる）が、（典型的には、誘電体にあるチャネルまたはキャビティを通して、またはＩＴＯ５０４のすぐ上で）拡散均質エミッタ５０６の上に位置決めされて、拡散均質エミッタ５０６と電気接触する。一般に、エミッタ金属電極５０２は、光が吸収されるときにウェハで生成される電荷キャリア（ここでは電子）を抽出するように最適化される。これは、水平表面積を減少させる（したがって、発生する電流を減少させる傾向がある日陰による損失を最小限にする）とともに、断面の体積を増加させる（したがって、デバイスの直列抵抗を減少し、これはデバイスの効率を高める傾向がある）ことによって行われる。

ウェハ吸収体５０８の裏面は、多くの場合、（ウェハと同じタイプの）高ドープの領域を備えた構成であり、この領域が、均質拡散ＢＳＦ（裏面電界）層５１０を形成する。適切に構成されたＢＳＦは、裏面再結合の影響を最小限にして、裏面のより近くに位置する逆の電荷をもつキャリアに反発する傾向がある。すなわち、均質拡散ＢＳＦ層５１０とウェハ吸収体５０８との界面は、裏面への少数キャリアの流れに対する障壁となる傾向があり、ウェハ吸収体内で、より高いレベルの少数キャリア濃度を生じる。例えば、Ａｌ（アルミニウム）またはＢ（ホウ素）がｐ型ウェハに添加されて、電子に反発することがある。対照的に、ｎ型ウェハに関しては、Ｐ（リン）が添加されて、正孔に反発することがある。

さらに、一般に、多数電荷キャリア（ここでは正孔）を抽出するために、ベース金属電極５１２が、ウェハ吸収体５０８の裏面（または適切であれば拡散ＢＳＦ５１０）に付け加えられる。典型的には２つの金属を備え、より安価なＡｌシートが、表面のほとんどを覆うように塗布され、より高価なＡｇパッドが、一般にモジュールへの相互接続のためのはんだ付けを容易にするために挿入される。さらに、ベース金属電極５１２は、長い波長の光を反射して電池内に戻し、吸収体をもう一度通過させるためのミラーとしても働く。

典型的には、拡散均質エミッタ太陽電池を備える構成の太陽電池は、約１５％の電力変換効率を有する。一般に、効率（η）は、太陽電池からのエネルギー出力と、太陽からの入力エネルギーＰ_ｉｎとの比と定義される。

ここで、Ｖ_ＯＣは開回路電圧であり、Ｉ_ＳＣは短絡電流であり、ＦＦは曲線因子である。

次に図５Ｂを参照すると、本発明による粒子均質エミッタ太陽電池の簡略図が示されている。特定の理論に縛られることを望むものではないが、本発明者らは、図５Ａの拡散均質エミッタ５０６をｎ＋（ｐ＋）粒子均質エミッタ５２６で置き換える、かつ／または均質拡散ｐ＋（ｎ＋）ＢＳＦ層５１０をｐ＋（ｎ＋）融合粒子ＢＳＦ５２０で置き換えることによって、従来の太陽電池とほぼ同じコスト、またはそれよりも低コストで、効率的な太陽電池を作製することができると考える。

さらに、ＢＳＦとして粒子層を使用することで、薄いウェハを使用するときのウェハの反りを防止することができ、ウェハの反りは、アルミニウムＢＳＦの形成など高温処理ステップ中に熱膨張係数の不一致によって引き起こされる、拡散層を備えるデバイス構造におけるよくある問題である。

１つの代替構成では、ｐ−（ｎ−）ウェハ吸収体５０８とｎ＋（ｐ＋）粒子均質エミッタ５２６との間に、任意選択の上側真性粒子緩衝層５２７を配置することができる。別の方法として、ｐ−（ｎ−）ウェハ吸収体５０８とｐ＋（ｎ＋）融合粒子ＢＳＦ５２０との間に、任意選択の下側真性粒子緩衝層５１１を配置することもできる。

全ての粒子層（ｎ＋（ｐ＋）粒子均質エミッタ５２６、ｐ＋（ｎ＋）融合粒子ＢＳＦ５１０、ならびに上側真性粒子緩衝層５２７および下側真性粒子緩衝層５２７）を、無接触堆積など適切な堆積技法（例えば、インクジェット印刷、スピンコーティング、ドクターブレード、グラビア塗布など）によってｐ−（ｎ−）ウェハ吸収体５０８の上に直接堆積することができる。その結果、高いコストがかかる、または応力を誘発するドーピング技法を避けることができる。

例えば、ｎ＋（ｐ＋）粒子均質エミッタ５２６は、室温で、大気圧で堆積することができる。別の方法として、ｎ＋（ｐ＋）粒子平坦エミッタ５２６は、窒素環境（＜０．１ｐｐｍの酸素および＜０．１ｐｐｍの水）内でインクジェット印刷によって堆積することができる。堆積後、焼結（高密度化）プロセスを使用して、粒子を一体にネック結合し、連続する半導体層を形成することができる。

１つの構成では、ＲＴＰ（急熱処理）ツールで、約４００〜１１００℃での約５〜２０秒間の短い熱プロセスを用いて、粒子層（例えば、ｎ＋（ｐ＋）粒子均質エミッタ５２６、第１の任意選択の真性粒子緩衝層５２７、ｐ＋（ｎ＋）融合粒子ＢＳＦ５２０、および第２の任意選択の真性粒子緩衝層５１１）を高密度化または焼結することができる。同様に使用することができる焼結を行う代替プロセスは、炉（例えば、ベルト炉、管状バッチ炉など）内での焼成、真空環境中での焼成、または高速フラッシュ・システムの使用を含む。さらに別の代替構成では、粒子層の焼結プロセスは、レーザを使用して達成することができる。これらおよび他の焼結方法は、２００６年１２月１３日出願の「ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＦＲＯＭ ＧＲＯＵＰ ＩＶ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ」という名称の米国仮特許出願第６０／８７４８７３号明細書に開示されており、その出願の全体を参照として本明細書に組み込む。

実施例１
高い太陽電池デバイス性能を保証するために、印刷される層は、ウェハ上に堆積されるときに適切なレベルの表面不動態化を提供することが期待される。少数キャリアの実効寿命の測定が、ウェハ上の拡散層の不動態化特性を評価するための信頼性の高い技法であることが広く認められている（Ａ．ＣｕｅｖａｓおよびＤ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒｓ」，７６ ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ２５５（２００４）参照）。

一般に、より良い不動態化の質とは、対応する太陽電池のより高い値の開回路電圧Ｖ_ＯＣを表し、したがってより高い効率を意味する。この実施例では、ｎ型シリコン・ウェハ上で使用される、印刷されたｐ＋エミッタおよび印刷されたｎ＋ＢＳＦ層の不動態化特性を示す。

この実施例では、約１０〜２０Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープされた１インチ×１インチ×０．０１２インチの両面研磨されたシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニア（Ｐｉｒａｎｈａ）で処理することによって洗浄した。

ｐ＋エミッタの形成に関して、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのホウ素でドープしたシリコン・ナノ粒子から、２０ｍｇ／ｍｌのクロロホルム：クロロベンジン（体積で４：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍのスピン速度で６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を基板の両面に順次に形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｐ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。

ｎ＋ＢＳＦの形成に関して、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのリンでドープしたシリコン・ナノ粒子から、４０ｍｇ／ｍｌのシクロヘキサノール：シクロヘキサノン（体積で１：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。２０００ｄｐｉ（インチ当たりのドット数）のドット間隔でのインクジェット印刷を使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｐ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。

次に図５Ｃを参照すると、本発明による、ｐ＋エミッタ試料５４８（上述したように製造）、ｎ＋ＢＳＦ試料５４６（上述したように製造）、および対照としての不動態化していないブランク・シリコン・ウェハ試料５４４で行われた測定の結果を示す簡略図である。補正された寿命の逆数（単位１／秒で測定される）５４０は、擬似定常状態フォトコンダクタンス（ＱＳＳＰＣ）の結果から計算されたものであり、増加する少数キャリア密度（単位ｃｍ^−３で測定される）５４２の関数として表されている。ｐ＋エミッタ試料５４８とｎ＋ＢＳＦ試料５４６は共に、適切なレベルの不動態化を提供し、これらはまた、ブランク・ウェハ試料の露出面によって提供される不動態化よりもかなり良好であることが明らかである。これは、ウェハの不良な表面不動態化特性に完全に起因する、ブランク・ウェハ試料の露出面に関するはるかに低い実効寿命（またはより高い寿命の逆数）によって表される。

実施例２
次に図５Ｄを参照すると、本発明による、図５Ｂのｐ型粒子平坦エミッタ５２６に関する実験からの電流−電圧（ＩＶ）プロットの簡略図が示されている。このグラフは、３００Ｗ Ｏｒｉｅｌ Ｓｏｌａｒ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒを使用して生成された、シミュレートされたＡＭ１．５Ｇスペクトルからの照明の下でのＩＶ曲線を示す。暗室で測定されたＩＶ曲線もこの図に表される。最適化されていないウェハ構成で得られる結果がここで提示されており、粒子均質エミッタを使用してかなりの効率を得ることができることを示す。本発明者らは、ナノ粒子平坦エミッタ太陽電池の効率が、最終的には従来の太陽電池の効率に達する、またはそれを超えることができると考える。

この実施例では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

さらに、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのシリコン・ナノ粒子から、５ｍｇ／ｍｌのピリジン溶液としてｐ型シリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用して、シリコン・ナノ粒子有孔成形体５２６を形成した。この層を、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した後、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用して第２のシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。得られたシリコン・ナノ粒子有孔成形体層の厚さは約５０ｎｍであった。

堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｎ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。１００Ｗで６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分間の緩衝酸化物エッチングの後、上述したｐ＋粒子平坦エミッタ５２６の上に電流抽出用のコンタクトを堆積した。導電率を高めるために、ｐ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ））を堆積することによって前面電極層５０４を形成した。寄生電流収集を回避するために、ＴＣＯ層によって画定された０．１ｃｍ^２領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｐ＋平坦エミッタ層を除去した。以下の結果が得られた。
Ｖ_ＯＣ：０．５４３Ｖ
Ｊ_ＳＣ：３２．３ｍＡ／ｃｍ^２
ＦＦ：０．７２６
効率：１２．７％

図５Ｅを参照すると、本発明による、図５Ｂのｐ型粒子平坦エミッタ５２６に関する正規化された量子効率（ＱＥ）プロットの簡略図が示されている。

図５Ｆを参照すると、本発明による、インク堆積ステップを省いた状態での、実施例２と同様に処理されたシリコン・ウェハ基板に関する１組のＩＶ曲線の簡略図である。この構成は、ｎ型シリコン基板上に電流抽出用のコンタクトを直接堆積できるようにし、それによりショットキー・ダイオード構造を提供する。所与の電圧５６８に関して、電流密度５６６を暗室でＡＭ１．５Ｇ照明の下で測定した。

そのようなデバイス構造は、非常に低いデバイス性能をもたらし、シミュレートされたＡＭ１．５Ｇ照明の下で、非常に低い０．１２ＶのＶ_ＯＣおよび約０．１％の効率を有する。この比較は、上述した構造でのドープされたｐ＋エミッタ５２６の存在が、このデバイス構成に関する太陽電池デバイス動作に重要であることを示す。

実施例３
本項で既に前述したように、堆積後の粒子有孔成形体は、被膜を融合および高密度化するために様々なプロセスによって処理することができ、それにより被膜を、より機械的に堅牢であり安定なものにする。これを実現するために、この実施例では、レーザ照射を使用して説明する。

この実施例では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

さらに、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのシリコン・ナノ粒子から、５ｍｇ／ｍｌのピリジン溶液としてｐ型シリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成した。この層を、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した後、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用して第２のシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。得られたシリコン・ナノ粒子有孔成形体層の厚さは、約６５〜８０ｎｍであった。

印刷および前処理ステップが完了した後、固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて、９ｎｓのパルス持続期間および２０Ｈｚの繰返し率を有する５３２ｎｍでの放出で、約８０ｍＪ／ｃｍ^２の流束量で１００パルスを用いて被膜を処理した。ビーム・ホモジナイザを使用して、レーザの７ｍｍ円形出力ビームを拡大し、１．１ｃｍ×１．１ｃｍの正方形フラットトップビーム・プロファイルに変形した。処理は、約９×１０^−６〜５×１０^−５Ｔｏｒｒの間の圧力での真空雰囲気内で行った。

レーザ処理を行わなかった同じ基板上での対照領域と比べると、レーザ処理は、有孔成形体よりも実質的に大きい粒径を有する高密度化されたシリコン薄膜をもたらした。シリコン薄膜と結晶性シリコン基板との融合は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面画像から明らかであった。得られたシリコン被膜の厚さは、約６０〜７０ｎｍであった。

別の粒子均質エミッタ構成では、不活性窒素雰囲気内でインクジェット印刷を使用して、ｐ型シリコン基板上にｎ型シリコン・ナノ粒子の第１の層を印刷した。この第１の印刷された有孔成形体層を窒素雰囲気内で５分間、２００℃で加熱した。これらの条件の下で余剰の溶媒を除去し、被膜は、より機械的に堅牢になった。第１の層に従って、第２の有孔成形体層を印刷して前処理した。

次いで、印刷された層を、低圧（４Ｔｏｒｒ）の窒素流の下で約２０分間、３７５℃で加熱し、さらに約６０分間、同じ雰囲気内で冷却させた。印刷および前処理ステップが完了した後、厚さ約４５０ｎｍの粒子均質エミッタ５２６被膜を、固体ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて、６ｎｓのパルス持続期間および２０Ｈｚの繰返し率を有する５３２ｎｍでの放出で、約５０ｍＪ／ｃｍ^２の流束量で１０００パルスを用いて処理した。形成された得られた薄膜は、厚さが約２７０ｎｍであり、有孔成形体の未処理層に比べ、レーザ処理により実質的に高密度化され、これは、ＳＥＭから明らかなように実質的に小さな粒径を有していた。ドープされていない（真性の）粒子層に関しても、粒子被膜に対するレーザ照射の効果が見られた。

実施例４
別の方法として、既に上述したように、ｎ型ドープされた印刷エミッタ層をｐ型ウェハ上で使用して太陽電池構造を構成することもできる。１つのそのような実施例を次に述べる。

この実施例では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までホウ素でドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのｎ＋シリコン・ナノ粒子から、２０ｍｇ／ｍｌの第３級ブタノール：ＤＥＧＤＥ（体積比１：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、２０００ｄｐｉ（インチ当たりのドット数）のドット間隔でのインクジェット印刷を使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成した。その後、この層を、不活性環境中でホットプレート上で２００℃で３０分間ベーキング処理し、その後、３００℃で５分間の追加のベーキング処理を行って余剰の溶媒を除去した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で４０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｎ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層５２６を形成した。導電率を高めるために、ｎ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ３００ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）を堆積することによって前面電極層５０４を形成した。寄生電流収集を回避するために、ＴＣＯ層の０．１ｃｍ^２領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｎ＋平坦エミッタ層を除去し、その後、１００Ｗで６０秒間のＯ_２プラズマ処理を施した。ベース・コンタクト５１２を形成するためにＩｎＧａ共晶の層を塗布する前に、３０秒間、試料の裏面をＨＦ蒸気にさらした。

図５Ｇから分かるように、そのようなデバイスの短絡電流は２４．８ｍＡ／ｃｍ^２であり、Ｖ_ＯＣは５２７ｍＶであり、ＦＦは０．７７であり、したがってＡＭ１．５Ｇ照明の下で１０．０％の効率を生み出した。

実施例５
印刷されるエミッタ太陽電池の効率は、いくつかのデバイス・パラメータを変えることによって改良することができ、そのうちの１つは、エミッタの厚さである。エミッタ層５２６の厚さを調節することによって、粒子均質エミッタ５２６層内で吸収される光の量を調節し、それにより太陽電池の効率を向上させることができる。例えば、厚さは、粒子（ナノ粒子）を含有する溶液の濃度および／または化学的組成を調節することによって、またはｄｐｉ（インチ当たりのドット数）比を変えることによって、または印刷される層の数を変えることによって、またはランプ速度や最大スピン速度などスピン・コーティングプロセス中のパラメータを変えることによって、インクジェット印刷中に制御することができる。別の方法として、まず、粒子均質エミッタ５２６を堆積および焼結し、次いで、化学的混合物（例えば、Ｃｐ−４（ＨＦ：ＨＮＯ_３：ＩＰＡ）、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、または他のよく知られているシリコン・エッチャント）を使用して、またはドライエッチング法（例えばＣＦ_４プラズマ・エッチングなど）を用いてエッチングすることができる。

この実施例では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

さらに、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのシリコン・ナノ粒子から、２０ｍｇ／ｍｌのクロロホルム：クロロベンジン（体積で４：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｎ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。焼結されたｐ＋粒子平坦エミッタ５２６の厚さは、約７８０ｎｍであった。

上述したのと同様にして処理された試料に、１００Ｗプラズマ出力、１８５ｓｃｃｍＣＦ４および２０ｓｃｃｍＯ_２のガス流、５１５ｍＴｏｒｒの圧力で、４０秒間のプラズマドライエッチング・プロセスを施した。断面ＳＥＭによって確認されるように、ドライエッチング・プロセスによって、焼結されたｐ＋粒子平坦エミッタ５３６の厚さが約５３０ｎｍまで減少された。

１００Ｗでの６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分の緩衝酸化物エッチングの後、上述したｐ＋粒子平坦エミッタ５２６の上に電流抽出用のコンタクトを堆積した。導電率を高めるために、ｐ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）を堆積することによって前面電極層５０４を形成した。寄生電流収集を回避するために、ＴＣＯ層の０．１ｃｍ^２領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｐ＋平坦エミッタ層を除去した。

次に図５Ｈを参照すると、本発明による、上の実施例５のシリコン・ウェハ基板に関する簡略化された量子効率の図が示されている。単位ｎｍでの所与の波長５６２に関して、正規化された量子効率（ＱＥ）５６０を測定した。上述したドライエッチング・プロセスを施されたデバイスでは、７００ｎｍ未満の波長の光子に関する量子効率が大幅に高められた。

ここで図５Ｉを参照すると、本発明による、上の実施例５のシリコン・ウェハ基板に関する１組のＩＶ曲線が示される。所与の電圧５６８に関して、電流密度５６６を測定した。図５Ｉに示されるように、元のｐ＋粒子平坦エミッタ層厚さを有するデバイスと比べて、少なくとも２４．６ｍＡ／ｃｍ^２から少なくとも２８．０ｍＡ／ｃｍ^２へ、短絡電流密度が少なくとも１４相対パーセント高められた。

実施例６
この実施例で説明するように、エミッタ厚さを減少させるための別の方法は、スピンコーティング・プロセス中のスピン速度などインク堆積パラメータを変えるものである。

この実施例では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

さらに、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのシリコン・ナノ粒子から、２０ｍｇ／ｍｌのクロロホルム：クロロベンジン（体積で４：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍ〜２９００ｒｐｍの間のスピン速度で６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｎ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。断面ＳＥＭ測定で見られるように、焼結されたｐ＋粒子平坦エミッタ５２６の厚さは、使用されたスピン速度に応じて１９０〜４００ｎｍの間で変わった。

１００Ｗでの６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分の緩衝酸化物エッチングの後、上述したｐ＋粒子平坦エミッタ５２６の上に電流抽出用のコンタクトを堆積した。導電率を高めるために、ｐ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）を堆積することによって前面電極層５０４を形成した。寄生電流収集を回避するために、ＴＣＯ層によって画定された０．１ｃｍ^２領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｐ＋平坦エミッタ層を除去した。

次に図５Ｊを参照すると、本発明による、様々なエミッタ厚さを有するデバイスに関する代表的な量子効率の結果に関わる簡略図が示されている。単位ｎｍでの所与の波長５６２に関して、正規化された量子効率（ＱＥ）５６０を測定した。一般に、エミッタを薄くすることによって、６５０ｎｍ未満の波長での応答が高められる。例えば、３９０ｎｍのエミッタ厚さと１９０ｎｍのエミッタ厚さを比較すると、４５０ｎｍの波長での光電流が３倍に高まっている。また、電流−電圧測定から得られるように、観察されるスペクトル応答の向上は、短絡電流Ｊ_ｓｃの対応する増加によって達成される。

実施例７
さらに、反射率を最小にするため（したがって、より多くの太陽光がウェハに入るようにするため）の反射防止コーティング（例えば、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ、Ｔｉ_ｘＯ_ｙなど）として、また不動態化層として（外部汚染を最小限にするとともに、ウェハ結晶表面でのＳｉ結合または欠陥のダングリングボンドにより生じる電荷トラップを実質的に減少するため）、誘電体層５０４も構成されることがある。

次に図５Ｋを参照すると、本発明による、反射防止層を加えたｐ＋粒子均質エミッタ・ウェハと、反射防止層を有さないｐ＋粒子均質エミッタ・ウェハとの反射率を比較する簡略図である。異なる波長の入射光（波長５７０）に関する反射率を記録する１組の反射率測定値（反射率５６９）が得られた。

実施例７では、ｐ＋平坦粒子エミッタ層の反射率が、平坦粒子エミッタ層の上への７３ｎｍ窒化珪素層のＰＥＣＶＤ堆積によって大幅に減少された。図５Ｋに見られるように、５２５ｎｍ〜１０００ｎｍの間の反射率は、ｐ＋平坦粒子エミッタ層では２５％よりも高いが、追加の窒化珪素反射防止層を有する試料では０％〜１０％の間であった。

実施例８
さらに、例えばスクリーン印刷によって、インクジェット印刷によって（例えば金属ナノ粒子の溶液を使用することによって）、または物理的蒸着（例えば、熱蒸発、電子ビーム堆積、スパッタリングなど）によって、エミッタ金属電極５０２を粒子均質エミッタ５２６の上に直接、または追加のＴＣＯ層５０４（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）など）の上に堆積して、導電率を高めることができる。

以下、上に金属格子コンタクトを備えた１組の平坦粒子エミッタ・デバイスを説明する。３つの構成のうちの２つは、無接触製造法のみを使用して、ウェハに対して応力を誘発せずに製造された。一般に、無接触製造法は、従来の製造法でよくある問題である製造中のウェハ破損による歩留まりの減少を回避しながら、非常に薄いウェハを使用できるようにする。

この実施例では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

さらに、不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのｐ型シリコン・ナノ粒子から、２０ｍｇ／ｍｌのクロロホルム：クロロベンジン（体積で４：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体を処理し、ｐ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。１００Ｗで６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分の緩衝酸化物エッチングの後、電流抽出用のコンタクトを堆積した。導電率を高めるために、ｐ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）を堆積することによって前面電極層５０４を形成した。

寄生電流収集を回避するために、４〜６ｃｍ^２の間になるようにＴＣＯ層によって画定される電池領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｐ＋平坦エミッタ層を除去した。別の方法として、ＴＣＯを除去するために、電池の周縁を一周してレーザ・ビームを走査することによって、電池を隔離することができる。

１つの構成では、３×１０^−６ｍｂａｒの圧力でのＴＣＯ層の上への銀の熱蒸着によって、最も広い点での幅が１．７ｍｍであり、長さが１８ｍｍである、厚さ８００ｎｍのテーパ付き母線と、幅３００μｍ、長さ１８ｍｍ、および厚さ８００ｎｍの５つのフィンガとから構成されるエミッタ金属電極５０２を堆積した。ベース金属電極５１２は、ＩｎＧａ共晶層であった。

別の構成では、ウェハ吸収体５０８、ｐ＋平坦エミッタ層５２６、およびＴＣＯ層５０４の準備は、上述したものと同じであった。しかし、ＴＣＯ層の上に２５℃で銀ナノ粒子溶液をインクジェット印刷し、その後、残りの溶媒を除去するためにホットプレート上で２００℃で３０分間乾燥させることによって、幅が約１．３ｍｍであり、長さが１８ｍｍである、厚さ５００〜８００ｎｍの母線と、幅３００μｍ、長さ１８ｍｍ、および厚さ１０００〜１６００ｎｍの５つのフィンガとから構成されるエミッタ金属電極５０２を堆積した。ベース金属電極５１２は、ＩｎＧａ共晶層であった。

第３の構成では、ｐ＋粒子平坦エミッタを有するデバイス上に前面格子を製造するために、従来のスクリーン印刷技法を使用した。この構成では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までリンでドープした１インチ×１インチ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。

不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのシリコン・ナノ粒子から、５ｍｇ／ｍｌのピリジン溶液としてｐ型シリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成した。この層を、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した後、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用して第２のシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。得られたシリコン・ナノ粒子有孔成形体層５２６の厚さは、約５０ｎｍであった。

堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体５２６を処理し、ｎ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。導電率を高めるために、１００Ｗで６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分の緩衝酸化物エッチングの後、ｐ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）の堆積によって前面電極層５０４を形成した。寄生電流による分流を回避するために、ＴＣＯ層の５．４ｃｍ^２領域以外で、レーザ・ビームによる照射によってｐ＋平坦エミッタ層を除去した。ＴＣＯ層の上への銀ペーストのスクリーン印刷によって、幅が１．５ｍｍであり、長さが２２ｍｍである、厚さ３５μｍの母線と、幅３５０μｍ、長さ２０．５ｍｍ、および厚さ３５μｍの１２個のフィンガとから構成される前部金属格子５０４を堆積し、その後、２００℃で２０分間、硬化させた。ベース金属電極５１２は、ＩｎＧａ共晶層であった。

次に図５Ｌを参照すると、本発明による、ＡＭ１．５Ｇ照明の下での、上の実施例８の３つのデバイスに関する１組のＩＶ曲線が示されている。所与の電圧５６８に関して、電流密度５６６を測定した。以下の値が得られた。蒸着された前面格子を有するデバイスに関して、短絡電流は１９．３ｍＡ／ｃｍ^２、Ｖ_ＯＣは５３６ｍＶ、ＦＦは０．７０、効率は７．２％であった。インクジェット印刷された前面格子を有するデバイスに関して、短絡電流は１７．７ｍＡ／ｃｍ^２、Ｖ_ＯＣは４９９ｍＶ、ＦＦは０．６１、効率は５．４％であった。これらの結果は、特定のデバイス・パラメータを最適化することなく実現されたことに留意されたい。

例えば、最初の２つの実施例におけるｐ＋平坦エミッタ層の厚さは約７８０ｎｍであり、これは、Ｊ_ｓｃの値に関してほぼ最適化されていない。前述したように、より高い短絡電流値は、より薄いエミッタ層を使用して実現することができる。前面格子の使用により、それぞれ遮光、金属の抵抗率、および接触抵抗によって引き起こされる損失が生じる。これらの損失は、例えば、金属厚さを増加することによって減少させることができ、これは、前面格子の寸法の減少および遮光損失の減少を可能にする。最初の２つの実施例における対応する厚さに比べて、スクリーン印刷された前面格子を有するデバイスのｐ＋粒子平坦エミッタの厚さはかなり薄く、すなわち約４０〜７０ｎｍであり、スクリーン印刷された格子の厚さはかなり厚く、すなわち３５μｍであり、これは、より高いデバイス性能を示し、短絡電流が２６．５ｍＡ／ｃｍ^２であり、Ｖ_ＯＣが５４１ｍＶであり、ＦＦが０．８０であり、効率が１１．４％であった。

実施例９
以下、それぞれｐ＋粒子平坦エミッタとｎ＋粒子平坦エミッタとの両方を使用する、さらに大きい、すなわち２０ｃｍ^２の面積の試料の実現を説明する。

１つの構成では、約１〜５Ｏｈｍ／ｃｍの抵抗率までリンでドープした５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を、それぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した。不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのｐ＋シリコン・ナノ粒子から、２０ｍｇ／ｍｌのクロロホルム：クロロベンジン（体積で４：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、１０００ｒｐｍで６０秒間のスピンキャストを使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成し、その後、不活性環境中でホットプレート上で１００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体５２６を処理し、ｐ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。

１００Ｗで６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分の緩衝酸化物エッチングの後、電流抽出用のコンタクトを堆積した。導電率を高めるために、ｐ＋平坦エミッタ５２６の上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）を堆積することによって前面電極層５０４を形成した。寄生電流収集を回避するために、ＴＣＯ層の２０ｃｍ^２領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｐ＋平坦エミッタ層を除去した。３×１０^−６ｍｂａｒの圧力で熱蒸着によって、長さが４３ｍｍであり、最も広い点での幅が６．８ｍｍである、厚さ１０００ｎｍのテーパ付き母線と、長さ４３ｍｍ、幅２５０μｍ、および厚さ１０００ｎｍの１３個のフィンガとから構成されるエミッタ金属電極５０２を堆積した。ベース金属電極５１２は、ＩｎＧａ共晶層であった。

そのようなデバイスの短絡電流は１９．４ｍＡ／ｃｍ^２、Ｖ_ＯＣは５４４ｍＶ、ＦＦは０．７３、効率は７．７％であった（図５Ｍ参照）。

別の構成では、約１〜５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率までホウ素でドープし、次いでそれぞれＮａＯＨ、ＳＣ２、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、およびピラニアで処理することによって洗浄した５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．０１９インチのシリコン・ウェハ基板を使用した。不活性環境中で、約１０．０ｎｍ＋／−０．５ｎｍのｎ＋シリコン・ナノ粒子から、４０ｍｇ／ｍｌのシクロヘキサノール：シクロヘキサノン（体積比１：１）の溶液としてシリコン・ナノ粒子インクを調製し、これを、超音波ホーンを使用して１５％の出力で１５分間、超音波処理した。ウェハ表面を実質的に覆うように十分なシリコン・ナノ粒子インクを塗布し、２０００ｄｐｉ（インチ当たりのドット数）のドット間隔でインクジェット印刷を使用してシリコン・ナノ粒子有孔成形体を形成した。その後、この層を、不活性環境中でホットプレート上で２００℃で３０分間ベーキング処理した。堆積および前処理ステップが完了した後、急熱処理ツールにおいて１０００℃で２０秒間、ナノ粒子有孔成形体５２６を処理し、ｐ＋粒子を一体にネック結合して、連続する半導体層を形成した。

１００Ｗで６０秒間のＯ_２プラズマ処理および１０分の緩衝酸化物エッチングの後、電流抽出用のコンタクトを堆積した。導電率を高めるために、ｎ＋平坦エミッタの上に直接、厚さ２３０ｎｍのＴＣＯ層（ＩＴＯ）を堆積することによってエミッタ金属電極５０４を形成した。寄生電流収集を回避するために、ＴＣＯ層の２０ｃｍ^２領域以外で、ＣＦ_４プラズマを使用してメサエッチングによってｎ＋平坦エミッタ層を除去した。３×１０^−６ｍｂａｒの圧力での銀の熱蒸着によって、長さが４３ｍｍであり、最も広い点での幅が６．８ｍｍである、厚さ１０００ｎｍのテーパ付き母線と、幅２５０μｍおよび厚さ１０００ｎｍの１３個のフィンガとから構成されるエミッタ金属電極５０４を堆積した。ベース金属電極５１２は、ＩｎＧａ共晶層であった。そのようなデバイスの短絡電流は２５ｍＡ／ｃｍ^２であった。

Ｂ．選択エミッタ型太陽電池
次に図６Ａ〜Ｂを参照すると、選択エミッタ型太陽電池の１組の簡略図が示されている。図６Ａは、従来の拡散選択エミッタ型太陽電池の簡略図を示す。図６Ｂは、本発明による粒子選択エミッタ型太陽電池を示す。選択エミッタ型電池構造は、上述した均質拡散エミッタ太陽電池に勝る効率向上をもたらす（Ｍ．ＧＲＥＥＮ「ＳＩＬＩＣＯＮ ＳＯＬＡＲ ＣＥＬＬＳ．ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ」Ｃｈａｐ．１０（Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｓｏｕｔｈ Ｗａｌｅｓ，Ｓｙｄｎｅｙ １９９５）参照）。

均質に拡散されたエミッタ太陽電池では、一般に、単一のドーパント拡散が、キャリア収集と、（図５Ａに示されるような）エミッタ金属電極５０２とのコンタクトとの両方に関して使用される。この拡散の中でのドーパントの濃度は、良好なキャリア収集に関する軽いドーピングと、低抵抗オーミック接触を形成するための重いドーピングとの間での妥協点として選択される。この妥協により、そのようなデバイスの効率は、典型的には、より短い波長の高エネルギーの光子を良好に収集できないことによって制限され、これらの光子は、太陽電池の上面の近くで均質エミッタ内に吸収される傾向がある。

１つの解決策は、図６Ａの拡散選択エミッタ型太陽電池におけるような、複数のドーパント濃度の使用である。すなわち、拡散電極領域６０９など、金属に非常に近い局所化領域内でドーパント濃度を増加させ、拡散均質エミッタ５０６など、金属から離れた領域内でドーパント濃度を減少させる。しかし、追加の拡散ステップおよびマスキングが必要であるので、この効率向上の可能性は、対応する製造コストの増加によって相殺される。

実施例１０
次に図６Ｂを参照すると、本発明による粒子選択エミッタ型太陽電池が示されている。特定の理論に縛られることを望むものではないが、本発明者らは、拡散均質エミッタ５０６でのドーパント濃度を実質的に減少させ、その一方で拡散電極領域６０９内の粒子でのドーパント濃度を実質的に増加させて、従来の拡散選択エミッタ型太陽電池とほぼ同じコスト、またはそれよりも低コストで、効率的な選択エミッタ型太陽電池を作製することができると考える。粒子は、所望のデザイン設計に応じて、連続する線または離れた点として構成されることがある。

さらに、高いコストがかかり、高温または応力を誘発する製造法を使用して拡散領域が塗布される図６Ａの拡散電極領域６０９とは異なり、ここでは、有利には、より単純で安価な堆積方法を用いて、例えばインクジェット・プリンタによって無接触で、ウェハ吸収体５０８の上に粒子電極領域６２９を直接堆積することができる。さらに、堆積されるナノ粒子インクの使用は、良好な堆積パターン制御を可能にし、高いコストのかかるマスキングおよび位置合わせステップの必要性を低減する。

収集接合を修正することに加えて、わずかに修正された選択エミッタ型構造を使用して、より最適な拡散均質ＢＳＦ５１０およびベース金属電極５１２を形成することができる。この場合、光拡散（１００〜３００Ω／□）を使用して裏面を不動態化することができ、例えばインクジェット印刷を使用して、シリコン・インクが、金属に接触するように領域内に選択的に堆積される。

１つの構成では、ＴＣＯ／誘電体５０４を堆積する前に、無接触印刷技法によって、例えばインクジェット印刷によって粒子電極領域６２９内に粒子を堆積する。

次いで、ＣＶＤまたは他の適切な手段を使用して、反射防止コーティングを堆積することができる。次いで、上述したように、シルクスクリーン・プロセス、インクジェット印刷（例えば、金属ナノ粒子の溶液を使用することによって）、または物理的蒸着（例えば、熱蒸着、電子ビーム堆積、スパッタリングなど）によって、エミッタ金属電極５０２を塗布することができる。一般に、添加されたガラス・フリットを有するＡｇペーストが使用され、次いで加熱されて、反射防止コーティングを突き抜け、ｎ＋粒子電極領域６２６と接触して接合を形成する。金属が突き抜けることを試みる位置でエミッタ領域の深さを局所的に増加させることによって、シリコン・インクは、接合が短絡する可能性を低くする。

別の方法として、まず、ＴＣＯ／誘電体５０４を堆積することができる。次いで、レーザまたは他の代替技法を使用してＴＣＯ／誘電体にチャネルを画定することができ、上述したように、このチャネル内にｎ＋粒子インクを堆積し、加熱する。その結果、次いで、露出されたｎ＋粒子チャネルにエミッタ金属電極５０２を付加することができる。

さらに、前述したように、少数電荷キャリアを反発し、それにより全体の効率を高めるために、ウェハ裏面に拡散ＢＳＦ５１０を付加することもできる。一般に、拡散ＢＳＦ５１０にベース・コンタクト５１２（典型的には、より安価なＡｌペーストを備える）が接触して、多数電荷キャリア（ここでは正孔）を抽出する。さらに、ベース・コンタクト５１２は、長い波長の光を反射して電池内に戻し、吸収体をもう一度通過させるためのミラーとしても働く。

Ｃ．点接合太陽電池
次に図７Ａ〜Ｂを参照すると、点接合太陽電池の１組の簡略図が示されている。図７Ａは、従来の拡散点接合太陽電池の簡略図を示す。図７Ｂは、本発明による粒子点接合太陽電池を示す。

ここで図７Ａを参照すると、従来の拡散点接合太陽電池の簡略図が示されている。一般に、太陽電池の高効率を実現するための代替の手法は、比較的大きい面積の拡散均質エミッタから一連の拡散点エミッタ７０６に、収集接合の領域を減少させることである（別の方法として、たとえば線などの、他の減少させた構成を使用することもできる）。その結果、残りの表面の処理を、再結合を減少するように最適化することができ、それにより効率を高める。（Ｒ．Ｒ．Ｋｉｎｇ、Ｒ．Ａ．Ｓｉｎｔｏｎ、Ｒ．Ｍ．Ｓｗａｎｓｏｎ「Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｅｍｉｔｔｅｒｓ：ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」３７ ｎｏ．２，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ．ＥＬＥＣ．ＤＥＶ．（１９９０）参照）。さらに、一連の小面積の拡散コンタクト７１４を有する誘電体層７１０の追加によって、ベース金属電極５１２への界面も縮小することができる。

一般にこれらのデバイスの性能は高いが、様々な領域を画定するためにフォトリソグラフィなど高いコストがかかる従来の半導体処理技法を使用することにより、小面積の収集接合の製造は一般に難しい。

次に図７Ｂを参照すると、本発明による粒子点接合太陽電池が示されている。特定の理論に縛られることを望むものではないが、本発明者らは、図７Ａにおける１組の小面積の拡散エミッタ（拡散点エミッタ７０６）を１組の小面積の融合粒子エミッタ（粒子点エミッタ７２６）で置き換え、また任意選択で、１組の小面積の拡散コンタクト（拡散コンタクト７１４）を１組の小面積の融合粒子コンタクト（粒子コンタクト７２４）で置き換えて、従来の小面積のエミッタ太陽電池とほぼ同じコスト、またはそれよりも低コストで、効率の良い太陽電池を作製することができると考える。

Ｄ．全裏面電極点接触太陽電池
次に図８Ａ〜Ｂを参照すると、全裏面電極点接触太陽電池の１組の簡略図が示されている。図８Ａは、従来の拡散点接触太陽電池の簡略図を示す。図８Ｂは、本発明による裏面電極粒子点接触太陽電池の簡略図を示す。

ここで図８Ａを参照すると、従来の拡散点接触太陽電池の簡略図が示されている。一般に、従来の太陽電池の効率を高める１つの解決策は、全てのコンタクトを裏面に交差指型に、すなわちｎ型領域とｐ型領域とを交互に織り合わせて配置するものであった。前面にある金属によって通常は引き起こされる遮光損失をなくすことによって、電流の増加が実現される。さらに、これらの太陽電池構造は、より簡単にモジュールに相互接続できる。

しかし、一般に、全バックコンタクト型構造は、裏面拡散領域および電極を画定するために複数の位置合わせマスキング・ステップを必要とするので、製造がより難しい。本発明者らは、シリコン・ナノ粒子インクの使用が、そのような構造を製造する複雑さを大幅に低減すると考える。

次に図８Ｂを参照すると、本発明による裏面電極粒子点接触太陽電池の簡略図が示されている。図８Ａの拡散点接触太陽電池とは異なり、本明細書で述べる電池構造のドープされた領域は、より少ない処理ステップで形成することができる。１つの堆積方法では、誘電体層８１０の堆積の前に、インクジェット・プリンタなど適切な堆積技法を使用して、ｎ＋粒子およびｐ＋粒子の線を堆積することができる。次いで、ＰＥＣＶＤなど適切な手段を使用して、誘電体層８１０を堆積することができる。次いで、前述したように、シルクスクリーン・プロセス、インクジェット印刷（例えば、金属マイクロ粒子またはナノ粒子の溶液を使用することによって）、または物理的蒸着（例えば、熱蒸着、電子ビーム堆積、スパッタリングなど）によって、エミッタ金属電極８１２およびベース金属電極８０２を塗布することができる。一般に、ガラス・フリットを有するＡｇペーストが塗布され、次いで加熱されて、誘電体８１０を突き抜け、融合粒子ＢＳＦ８２０および粒子点エミッタ８２６と接触する。

別の方法として、まず、誘電体層８１０を堆積することができる。次いで、レーザまたは他の代替技法を使用してチャネルを画定することができ、上述したように、このチャネル内に粒子を堆積して加熱することができる。その結果、次いで、露出された粒子チャネルに金属を添加することができる。

本開示において、特に指定がない限り、「１つ」は「１つまたは複数」を意味する。本明細書に引用した全ての特許、特許出願、参考文献、および刊行物は、それらが個別に参照として組み込まれている場合と同程度に、それらの全体を参照として組み込む。

本発明を、様々な特定の例示の実施形態を参照して説明してきた。しかし、本発明の精神および範囲内で、多くの変更および修正を施すことができることを理解すべきである。本発明の利点は、太陽電池など電気デバイスに関する低コストで効率的な接合の製造を含む。

例示的な実施形態および最良の形態を開示してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の主題および精神の範囲内で、開示した実施形態に修正および変更を施すことができる。

Claims (43)

1. 太陽光で発電するためのデバイスであって、
   第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前記前面が、前記太陽光にさらされるように構成されたウェハと、
   前記前面に堆積された融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタであって、前記ナノ粒子薄膜が第２のドーパントを含み、前記第２のドーパントが逆ドーパントである融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタと、
   前記ナノ粒子薄膜に堆積された第１の電極と、
   前記裏面に堆積された第２の電極と
   を備え、
   前記太陽光が前記前面に当てられるときに、電流が発生する
   デバイス。
2. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタに反射防止層が堆積され、前記反射防止層が前記前面を不動態化するデバイス。
3. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタに透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層が堆積されるデバイス。
4. 請求項１記載のデバイスであって、前記第１のドーパントがｐ型ドーパントであり、前記第２のドーパントがｎ型ドーパントであるデバイス。
5. 請求項１記載のデバイスであって、前記第１のドーパントがｎ型ドーパントであり、前記第２のドーパントがｐ型ドーパントであるデバイス。
6. 請求項１記載のデバイスであって、前記ウェハが、裏面拡散ＢＳＦをさらに含み、前記第２の電極が、前記裏面拡散裏面電界（ＢＳＦ）と電気接触するデバイス。
7. 請求項１記載のデバイスであって、前記ウェハと前記第２の電極との間に融合ＩＶ族ナノ粒子ＢＳＦ層が堆積され、前記融合ＩＶ族ナノ粒子裏面電界（ＢＳＦ）層が、第３のドーパントを含むデバイス。
8. 請求項７記載のデバイスであって、前記第１のドーパントおよび前記第３のドーパントがｐ型ドーパントであり、前記第２のドーパントがｎ型ドーパントであるデバイス。
9. 請求項７記載のデバイスであって、前記第１のドーパントおよび前記第３のドーパントがｎ型ドーパントであり、前記第２のドーパントがｐ型ドーパントであるデバイス。
10. 請求項１記載のデバイスであって、前記ウェハと前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタとの間に真性粒子緩衝層が構成されるデバイス。
11. 請求項７記載のデバイスであって、前記ウェハと前記融合ＩＶ族ナノ粒子裏面電界（ＢＳＦ）との間に真性粒子緩衝層が構成されるデバイス。
12. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタが、前記前面を実質的に覆うデバイス。
13. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタが、前記前面を部分的に覆うデバイス。
14. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜エミッタが、１組の多点表面であるデバイス。
15. 請求項１記載のデバイスであって、前記ウェハの下に構成された裏面層をさらに含み、前記裏面層が、誘電体と、１組の拡散された小面積のコンタクトとを含み、前記１組の拡散された小面積のコンタクトの各拡散された小面積のコンタクトが、前記第２の電極と電気接触するデバイス。
16. 請求項１記載のデバイスであって、さらに、前記ウェハの下に構成された裏面層を含み、前記裏面層が、誘電体と、１組の融合ＩＶ族ナノ粒子の小面積のコンタクトとを含み、前記１組の融合ＩＶ族ナノ粒子の小面積のコンタクトの各融合ＩＶ族ナノ粒子の小面積のコンタクトが、前記第２の電極と電気接触するデバイス。
17. 請求項１６記載のデバイスであって、前記１組の融合ＩＶ族ナノ粒子の小面積のコンタクトが、１組の融合ＩＶ族ナノ粒子点接触を含むデバイス。
18. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子の薄膜エミッタが、１組のナノ粒子を含み、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの間であるデバイス。
19. 請求項１記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子の薄膜エミッタが、１組のナノ粒子を含み、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約４ｎｍ〜約２０ｎｍの間であるデバイス。
20. 太陽光で発電するためのデバイスであって、
    第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前記前面が、前記太陽光にさらされるように構成され、前記ウェハが、前面拡散領域をさらに含み、前記前面拡散領域が、第２のドーパントでドープされ、前記第２のドーパントが、前記第１のドーパントの逆ドーパントであるウェハと、
    前記前面拡散領域に１組の小面積のパターンとして堆積された融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜であって、第３のドーパントを含み、前記第３のドーパントが、前記第１のドーパントの逆ドーパントである融合ナノ粒子薄膜と、
    前記前面に堆積された第１の電極であって、前記１組の小面積のパターンと電気接触する第１の電極と、
    前記裏面に堆積された第２の電極と
    を備え、
    前記太陽光が前記前面に当てられるときに、電流が発生する
    デバイス。
21. 請求項２０記載のデバイスであって、前記１組の小面積のパターンが、１組の点を含むデバイス。
22. 請求項２０記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜の上に反射防止層が堆積され、前記反射防止層が前記前面を不動態化するデバイス。
23. 請求項２０記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜の上に透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層が堆積されるデバイス。
24. 請求項２０記載のデバイスであって、前記ウェハが、裏面拡散裏面電界（ＢＳＦ）をさらに含み、前記第２の電極が、前記裏面拡散裏面電界（ＢＳＦ）と電気接触するデバイス。
25. 請求項２０記載のデバイスであって、前記ウェハと前記第２の電極との間に融合ＩＶ族ナノ粒子裏面電界（ＢＳＦ）層が堆積され、前記融合ＩＶ族ナノ粒子ＢＳＦ層が、第４のドーパントを含むデバイス。
26. 請求項２５記載のデバイスであって、前記第１のドーパントおよび前記第４のドーパントがｐ型ドーパントであり、前記第２のドーパントおよび前記第３のドーパントがｎ型ドーパントであるデバイス。
27. 請求項２５記載のデバイスであって、前記第１のドーパントおよび前記第４のドーパントがｎ型ドーパントであり、前記第２のドーパントおよび前記第３のドーパントがｐ型ドーパントであるデバイス。
28. 請求項２０記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜が、１組のナノ粒子を含むコロイド分散から形成され、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの間であるデバイス。
29. 請求項２０記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜が、１組のナノ粒子を含み、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約４ｎｍ〜約２０ｎｍの間であるデバイス。
30. 太陽光で発電するためのデバイスであって、
    第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前記前面が、前記太陽光にさらされるように構成され、前記ウェハが、前面拡散領域をさらに含み、前記前面拡散領域が、第２のドーパントでドープされ、前記第２のドーパントが、前記第１のドーパントの逆ドーパントであるウェハと、
    前記ウェハの下に構成された裏面層であって、誘電体と、１組の融合粒子の小面積のコンタクトとを含む裏面層と、
    前記裏面に堆積された第２の電極であって、前記小面積のコンタクトと電気接触する第２の電極と
    を備え、
    前記太陽光が前記前面に当てられるときに、電流が発生する
    デバイス。
31. 請求項３０記載のデバイスであって、前記前面に反射防止層が堆積されるデバイス。
32. 請求項３０記載のデバイスであって、前記１組の融合粒子の小面積のコンタクトが、１組の融合粒子直線コンタクトを含むデバイス。
33. 請求項３０記載のデバイスであって、前記１組の融合粒子の小面積のコンタクトが、１組の融合粒子点接触を含むデバイス。
34. 請求項３０記載のデバイスであって、前記融合粒子の小面積のコンタクトが、１組のナノ粒子を含むコロイド分散から形成され、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの間であるデバイス。
35. 請求項３０記載のデバイスであって、前記融合粒子の小面積のコンタクトが、１組のナノ粒子を含み、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約４ｎｍ〜約２０ｎｍの間であるデバイス。
36. 太陽光で発電するためのデバイスであって、
    第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前記前面が、前記太陽光にさらされるように構成され、前記ウェハが、前面拡散領域をさらに含み、前記前面拡散領域が、第２のドーパントでドープされ、前記第２のドーパントが、前記第１のドーパントの逆ドーパントであるウェハと、
    前記裏面に堆積された融合ＩＶ族ナノ粒子ＢＳＦ層と、
    前記裏面に堆積された第２の電極であって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子ＢＳＦ層と電気接触する第２の電極と
    を備え、
    前記太陽光が前記前面に当てられるときに、電流が発生する
    デバイス。
37. 太陽光で発電するためのデバイスであって、
    第１のドーパントでドープされたウェハであって、前面と裏面とを含み、前記前面が、前記太陽光にさらされるように構成されたウェハと、
    前記裏面に第１のパターンで堆積された第２のドーパントでドープされた第１の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜と、
    前記裏面に第２のパターンで堆積された第３のドーパントでドープされた第２の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜であって、前記第３のドーパントが、前記第２のドーパントの逆ドーパントであり、前記第１のパターンが、前記第２のパターンと交差指型にされている第２の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜と、
    前記第１の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜に堆積された第１の電極と、
    前記第２の融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜に堆積された第２の電極と
    を備え、
    前記太陽光が前記前面に当てられるときに、電流が発生する
    デバイス。
38. 請求項３７記載のデバイスであって、前記前面に反射防止層が堆積され、前記反射防止層が前記前面を不動態化するデバイス。
39. 請求項３７記載のデバイスであって、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが線を含むデバイス。
40. 請求項３７記載のデバイスであって、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが点を含むデバイス。
41. 請求項３７記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜が、１組のナノ粒子を含むコロイド分散から形成され、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの間であるデバイス。
42. 請求項３７記載のデバイスであって、前記融合ＩＶ族ナノ粒子薄膜が、１組のナノ粒子を含み、前記１組のナノ粒子の各ナノ粒子の直径が、約４ｎｍ〜約２０ｎｍの間であるデバイス。
43. 請求項３７記載のデバイスであって、前記第１のパターンと前記第２のパターンとの間に誘電体層が堆積されるデバイス。