JP2012129487A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン基板は、第一表面及び第二表面を含む。前記シリコン基板の前記第二表面に複数の断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部を有する三次元ナノ構造体は形成される。前記背面電極は、前記シリコン基板の該第一表面とオーミック接触する。前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成される。前記前面電極は、前記ドープシリコン層の上に配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。
太陽電池は太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、光合成原理を応用した電池である。太陽電池は光起電力効果を利用し、太陽光エネルギーを直接電力に変換する電力機器であり、光電池とも呼ばれる。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力する。主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。
図１を参照すると、従来のシリコン太陽電池６００は、背面電極６０と、シリコン基板６２と、ドープシリコン層６４と、前面電極６６と、を含む。前記シリコン基板６２は、対向する第一表面６１及び第二表面６３を含む。前記第二表面６３は、平面である。前記背面電極６０は、前記シリコン基板６２の第一表面６１とオーミック接触するように、該第一表面６１に設置される。前記ドープシリコン層６４は、前記シリコン基板６２の第二表面６３と接触するように、該第二表面６３に設置される。前記ドープシリコン層６４の表面は、平坦な平面構造を有する。前記前面電極６６は、前記ドープシリコン層６４の前記シリコン基板６２と接触する表面とは反対側の表面に配置される。前記シリコン太陽電池６００に、前記シリコン基板６２と前記ドープシリコン層６４は、ｐｎ接合を形成する。前記ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって、複数の電子と正孔が発生する。前記複数の電子と正孔は、電場の作用で分離し、且つそれぞれ前記背面電極６０と前記前面電極６６へと移動する。前記シリコン太陽電池６００の前記背面電極６０及び前記前面電極６６の間に負荷を受けると、前記背面電極６０及び前記前面電極６６の間に外部回路の負荷を通じて電流が流れる。
張明杰等、"太陽電池及び多晶シリコンの製造"、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁
しかし、従来のシリコン太陽電池６００の前記シリコン基板６２の第二表面６３に設置された前記ドープシリコン層６４の表面は、平坦な平面構造を有し、その表面積が小さいので、従来のシリコン太陽電池６００の太陽光を受け取る面積が小さい。また、前記ドープシリコン層６４の表面は、平坦な平面構造を有するので、太陽光は前記ドープシリコン層６４の表面に達する場合、一部の太陽光が前記ドープシリコン層６４の平坦な表面で反射されて利用できない。従って、従来のシリコン太陽電池６００が太陽光に対して吸収率が低いなどの課題がある。
従って、前記課題を解決するために、本発明は太陽光を受け取る面積が大きく、太陽光に対して吸収率が高い太陽電池及びその製造方法を提供する。
本発明の太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン基板は、第一表面及び第二表面を含む。前記シリコン基板の前記第二表面に複数の三次元ナノ構造体が形成されている。前記背面電極は、前記シリコン基板の該第一表面とオーミック接触する。前記ドープシリコン層は、前記三次元ナノ構造体の表面及び隣接する前記三次元ナノ構造体の間のシリコン基板の第二表面に形成される。前記前面電極は、前記ドープシリコン層の上に配置される。
本発明の太陽電池の製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成し、前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成する第一ステップと、前記三次元ナノ構造体及び隣接する前記三次元ナノ構造体の間のシリコン基板の第二表面にドープシリコン層を形成する第二ステップと、前面電極を、前記ドープシリコン層の少なくとも一部表面に接触するように形成する第三ステップと、前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させる第四ステップと、を含む。
従来の技術と比べて、本発明の太陽電池のシリコン基板に、複数の三次元ナノ構造体が形成されている。前記三次元ナノ構造体は、断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部構造を有するので、前記太陽電池の太陽光を受け取る面積を高める。一方で、前記複数の三次元ナノ構造体は、バンドギャップの特性を有するので、光量子の前記複数の三次元ナノ構造体に滞留時間が長くなり、前記複数の三次元ナノ構造体の光に対して吸収できる周波数が広くなる。従って、前記太陽電池の光吸収率を高めて、前記太陽電池の光電変換効率を高めることができる。更に、前記シリコン基板の前記第二表面に複数の三次元ナノ構造体が形成されているので、太陽光は前記シリコン基板の前記第二表面に達する場合、繰り返して屈折―反射―屈折することにより、太陽光の大部分は前記シリコン基板の前記第二表面に複数の三次元ナノ構造体に吸収されるので、前記太陽電池の太陽光に対する吸収率を更に高めることができる。前記太陽電池製造工程が簡単であり、コストは廉価である。
従来のシリコン太陽電池の構造を示す図である。 本発明の実施例１の太陽電池の構造を示す図である。 図２に示す太陽電池のシリコン基板の構造を示す図である。 図２に示す太陽電池のシリコン基板の走査型電子顕微鏡写真である。 図２に示す太陽電池の製造方法のフローチャートである。 図２に示す太陽電池のシリコン基板の第二表面の複数の三次元ナノ構造体の製造工程を示す図である。 図６に示す三次元ナノ構造体の製造過程において、基板の表面に単層で一つの形状に配列された複数のナノ微球の走査型電子顕微鏡写真である。 図６に示す三次元ナノ構造体の製造過程に基板の表面に単層でもう一つの形状に配列された複数のナノ微球の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例２の太陽電池の構造を示す図である。 本発明の実施例３の太陽電池の構造を示す図である。 図１０に示す太陽電池のシリコン基板の構造を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図２を参照すると、本実施例は、太陽電池１００を提供する。前記太陽電池１００は、順次的に積層された背面電極１０と、シリコン基板１２と、ドープシリコン層１４と、前面電極１６と、を含む。太陽光は、前記太陽電池１００の前記前面電極１６の側から入射する。前記シリコン基板１２は、第一表面１１及び該第一表面１１に対向する第二表面１３を含む。前記背面電極１０は、前記シリコン基板１２の第一表面１１に設置され、該第一表面１１とオーミック接触する。前記シリコン基板１２の前記第二表面１３には、複数の三次元ナノ構造体１５が形成されている。ここで、前記シリコン基板１２の前記第二表面１３は、複数の三次元ナノ構造体１５の表面及び隣接する前記三次元ナノ構造体１５の間の面を含む構造化された表面を示す。前記三次元ナノ構造体１５は断面階段状の凸形構造である。前記ドープシリコン層１４は、前記シリコン基板１２の第二表面１３に形成される。前記前面電極１６は、前記ドープシリコン層１４の少なくとも一部表面と接触するように配置される。
前記背面電極１０の材料は、アルミニウム、マグネシウム、銀などのいずれか一種の金属である。該背面電極１２の厚さは１０μｍ〜３００μｍである。本実施例において、前記背面電極１０は、厚さが２００μｍであり、アルミニウムからなる薄膜である。
図３を参照すると、前記シリコン基板１２は、ｐ型シリコン基板である。前記シリコン基板１２は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンからなる。本実施例において、前記シリコン基板１２は、ｐ型単結晶シリコン片である。前記シリコン基板１２の厚さが２００μｍ〜３００μｍである。前記シリコン基板１２の前記第二表面１３には、複数の三次元ナノ構造体１５が形成されている。前記複数の三次元ナノ構造体１５は、前記シリコン基板１２にアレイの形態で配列されている。
前記三次元ナノ構造体１５は、断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部である。前記断面階段状の凸部は、前記シリコン基板１２の本体（図示せず）から前記本体を離れる方向に延伸された断面階段状の突起である。前記断面階段状の凹部は、前記シリコン基板１２の内部に凹んで形成された断面階段状の止まり穴である。前記断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部は、例えば、多層三角柱、多層四角錐、多層六角柱又は多層円柱などの断面階段状の多層構造である。前記断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部の長さ、幅及び高さは、それぞれ１０００ｎｍより小さい。好ましくは、前記断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部の長さ、幅及び高さはそれぞれ１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
図３及び図４を参照すると、本実施例において、前記三次元ナノ構造体１５は、第一円柱１５２及び第二円柱１５４からなる二層式の断面階段状の凸部である。前記第一円柱１５２は、前記シリコン基板１２の前記第二表面１３に接触するように配置される。前記第一円柱１５２の側面は、前記シリコン基板１２の前記第二表面１３に垂直である。前記第二円柱１５４は、前記第一円柱１５２の前記シリコン基板１２に隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記第二円柱１５４のすべての側面は、第一円柱１５２の第二円柱１５４が配置された表面に垂直である。前記第二円柱１５４の直径は、前記第一円柱１５２の直径より小さい。好ましくは、前記第一円柱１５２と前記第二円柱１５４とは共軸して設置されている。前記第一円柱１５２及び前記第二円柱１５４は一体化形成されることができる。各々の前記隣接した二つの三次元ナノ構造体１５は等距離で配列される。前記各々の隣接した二つの三次元ナノ構造体１５の間の距離は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。
本実施例において、前記第一円柱１５２の直径が３０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、その高さが５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記第一円柱１５２の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二円柱１５４の直径が１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、その高さが２０ｎｍ〜５００ｎｍである。より好ましくは、前記第二円柱１５４の直径が２０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記アレイの形態で配列された複数の三次元ナノ構造体１５において、隣接した二つの第一円柱１５２の間の距離は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記隣接した二つの第一円柱１５２の間の距離は、１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
一つの例として、前記第一円柱１５２の、直径が３８０ｎｍであり、高さが１０５ｎｍｎｍである。前記第二円柱１５４の、直径が２８０ｎｍであり、高さが５５ｎｍである。前記アレイの形態で配列された複数の三次元ナノ構造体１５において、前記隣接した二つの第一円柱１５２の間の距離は、３０ｎｍである。
前記三次元ナノ構造体１５は、前記シリコン基板１２と一体成型され、両方の材料が同じであることができる。前記複数の三次元ナノ構造体１５は、六角形、方形、同心円環の形状に配列されることができる。前記複数の三次元ナノ構造体１５は、単一のパターン又は複数のパターンに配列されることができる。前記単一のパターンは、三角形、矩形、菱形、正方形又は円形である。
前記ドープシリコン層１４は、ｎ型ドープシリコン層である。前記ドープシリコン層１４は、前記シリコン基板１２の第二表面１３に形成される。前記ドープシリコン層１４は、過量の例えば燐又はヒ素などを注入させて形成されたｎ型ドープシリコン層である。前記ｎ型ドープシリコン層１４の厚さは、１０ｎｍ〜１ｍｍである。前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４は、ｐｎ接合を形成するので、前記太陽電池１００は太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することを実現できる。前記シリコン基板１２の前記第二表面１３には、複数の三次元ナノ構造体１５が形成されているので、前記シリコン基板１２と前記ドープシリコン層１４との間に形成されたｐｎ接合の界面の面積が増大され、前記太陽電池１００の太陽光を受け取る面積が増大されることができる。また、前記複数の三次元ナノ構造体１５は、バンドギャップの特性を有するので、光量子の前記複数の三次元ナノ構造体１５に滞留する時間が長くなり、前記複数の三次元ナノ構造体１５で吸収できる光の周波数が広くなる。従って、前記太陽電池１００の光吸収率を高め、前記太陽電池１００の光電変換効率を高めることができる。
更に、前記シリコン基板１２の前記第二表面１３には複数の三次元ナノ構造体１５が形成されているので、太陽光は前記シリコン基板１２の前記第二表面１３に照射すると、数回で屈折―反射―屈折できるので、前記太陽光は繰り返して利用され、前記シリコン太陽電池の太陽光に対する吸収率を更に高めることができる。
前記前面電極１６は、前記ドープシリコン層１４に部分的接触し、又は完全に接触する。前記前面電極１６は、前記ドープシリコン層１４に部分的接触する場合、前記前面電極１６の一部は、前記複数の三次元ナノ構造体１５によって、隣接する三次元ナノ構造体１５の間に懸架され、そのもう一部が前記複数の三次元ナノ構造体１５の上の前記ドープシリコン層１４と接触する。前記前面電極１６は、前記ドープシリコン層１４の全ての表面に被覆して配置される場合、前記前面電極１６は、前記ドープシリコン層１４に完全的に接触することができる。前記前面電極１６は、例えば、ＩＴＯ又はカーボンナノチューブを含む良好な導電性及び透明性を有する材料からなる。この場合、前記太陽電池１００の光電変換効率が高くなり、前記太陽電池１００は良好な耐用性及び均一な抵抗などの特性を有することができる。従って、前記太陽電池１００の性能を高めることができる。前記前面電極１６は、ＩＴＯからなる場合、前面電極１６は、前記ドープシリコン層１４の表面に被覆して、前記ドープシリコン層１４に完全に接触される。前記前面電極１６は、カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体である。該カーボンナノチューブ構造体は、自立構造を有するカーボンナノチューブフィルム又はカーボンナノチューブワイヤである。例えば、前記カーボンナノチューブ構造体は、前記複数の三次元ナノ構造体１５によって部分懸架されて、前記複数の三次元ナノ構造体１５の上の前記ドープシリコン層１４と部分接触される。前記前面電極１６は、前記太陽電池１００のｐｎ接合に太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する場合生じた電流を収集することに用いられる。
更に、前記太陽電池１００は、パッシベーション層（ｐａｓｓｉｖａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ，図示せず）を含むことができる。該パッシベーション層は、前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の間に配置される。前記パッシベーション層は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなり、その厚さが１オングストローム〜３０オングストロームである。前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の間に該パッシベーション層を配置することにより、電子及び正孔が、前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の接触面に接合する速度を低めるので、前記太陽電池１００の光電変換効率を更に高める。
前記太陽電池１００において、前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の接触面にｐｎ接合が形成される。前記ドープシリコン層１４に生じた過量の電子は、前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の接触面に隣接して分布し、前記ドープシリコン層１４から前記シリコン基板１２への電場を形成する。太陽光は、前記太陽電池１００の前記前面電極１６の側から入射して、前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の接触面に到達すると、前記シリコン基板１２及び前記ドープシリコン層１４の間に形成したｐｎ接合を衝撃して、複数の電子と正孔を発生する。前記複数の電子と正孔は、前記電場の作用で分離し、電子が前記前面電極１６へ移動し、正孔が前記背面電極１０へ移動して、それぞれ前記前面電極１６及び前記背面電極１０に収集され、電流を形成する。
図５を参照すると、前記太陽電池１００の製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成し、前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成するステップ（Ｓ１０）と、前記シリコン基板の第二表面の上にドープシリコン層を形成するステップ（Ｓ１１）と、前面電極を、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に接触するように形成するステップ（Ｓ１２）と、前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させるステップ（Ｓ１３）と、を含む。
図６を参照すると、前記ステップ（Ｓ１０）は、互いに対向する第一表面２１及び第二表面２３を含む平板状なシリコン基板２２を提供するステップ（Ｓ１０１）と、前記シリコン基板２２の第二表面２３に単層ナノ球体アレイ２４を形成するステップ（Ｓ１０２）と、前記単層ナノ球体アレイ２４をマスクとして利用して、前記シリコン基板２２の第二表面２３をエッチングし、同時に前記単層ナノ球体アレイ２４に対して加工処理するステップ（Ｓ１０３）と、前記単層ナノ球体アレイ２４を除去して、前記第二表面２３に複数の三次元ナノ構造体２５が形成された前記シリコン基板を得るステップ（Ｓ１０４）と、を含む。ここで、第二表面２３としては、平板状なシリコン基板２２の平らな表面を示す。
前記ステップ（Ｓ１０１）において、前記シリコン基板２２は、ｐ型シリコン基板である。前記ｐ型シリコン基板は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンからなる。本実施例において、前記シリコン基板２２は、ｐ型単結晶シリコン片である。前記シリコン基板２２の厚さが２００μｍ〜３００μｍである。
更に、前記ステップ（Ｓ１０１）において、シリコン基板２２の第二表面２３を親水処理する。まず、前記シリコン基板２２を洗浄する。次に、３０℃〜１００℃のＮＨ３・Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合物からなる親水性溶液に、前記シリコン基板２２を３０分〜６０分間に浸漬させる。前記親水性溶液混合物において、ＮＨ３・Ｈ２Ｏ:Ｈ２Ｏ２:Ｈ２Ｏ＝０．２−２: ０．２−２: １−２０という体積比率により形成する。最後に、親水化処理した前記シリコン基板２２を純水によって２回〜３回洗浄した後、窒素ガスの雰囲気で乾燥する。
更に、ステップ（Ｓ１０１）において、前記シリコン基板２２の第二表面２３を再び親水処理することができる。一回親水処理された前記シリコン基板２２の第二表面２３を１ｗｔ％〜５ｗｔ％のＳＤＳ溶液に２時〜２４時間に浸漬し、好ましくは、２ｗｔ％のＳＤＳ溶液に２４時間に浸漬する。前記シリコン基板２２の第二表面２３を再び親水処理することにより、次のステップ（Ｓ１０２）において、ナノ球体が前記シリコン基板２２の第二表面２３に展開して、大面積な単層ナノ球体アレイ２４を形成することに利点がある。
前記ステップ（Ｓ１０２）は、ナノ微球体溶液を形成するステップ（Ｓ１０２１）と、前記ナノ微球体溶液によって前記シリコン基板２２の第二表面２３に液態単層ナノ微球膜を形成するステップ（Ｓ１０２２）と、前記シリコン基板２２の第二表面２３に形成された液態単層ナノ微球膜を乾燥するステップ（Ｓ１０２３）と、を含む。
前記ステップ（Ｓ１０２１）において、前記ナノ微球体溶液におけるナノ微球体の直径は、６０ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、前記ナノ微球体溶液におけるナノ微球体の直径は、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ又は４００ｎｍであることができる。前記ナノ微球体は、ポリマー材料又はシリコン材料からなる。前記ポリマー材料は、ポリメタクリル酸（ＰＭＭＡ）又はポリスチレン（ＰＳ）であることができる。乳化重合により、ポリスチレンナノ微球体溶液を合成させることができる。
一つの例として、前記ステップ（Ｓ１０２２）において、浸漬法によって前記シリコン基板２２の第二表面２３に液態単層ナノ微球膜を形成することができる。該浸漬法によって前記シリコン基板２２の第二表面２３に液態単層ナノ微球膜を形成する方法は、前記ナノ微球体溶液の濃度を薄めるステップ（ｃ２１）と、前記シリコン基板２２を前記薄められたナノ微球体溶液に挿入するステップ（ｃ２２）と、前記シリコン基板２２を前記ナノ微球体溶液から取り出すステップ（ｃ２３）と、を含む。
前記ステップ（ｃ２１）において、水又はエタノールを利用して、前記ナノ微球体溶液の濃度を薄めることができる。一つの例として、１５０ｍｌの純水及び１μｌ〜５μｌ、０．１ｗｔ％〜３ｗｔ％のドデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ：ＳＤＳ）を、３μｌ〜５μｌ、０．０１ｗｔ％〜１０ｗｔ％のポリスチレンナノ微球体溶液に混入し混合物を得る。前記混合物を３０分間〜６０分間まで維持する。更に、前記ＰＳナノ球体の表面張力を調節するために、前記混合物に１μｌ〜３μｌ、４ｗｔ％のＳＤＳを加えることができる。前記ポリスチレンナノ微球体溶液、純水及びＳＤＳを、直径が１５ｍｍ〜３８ｍｍの皿に入れて混合することができる。
前記ステップ（ｃ２２）において、前記シリコン基板２２を、前記ナノ微球体溶液に挿入する場合、前記シリコン基板２２を緩やかに傾斜させて皿の側壁に沿って前記ナノ微球体溶液に挿入する。前記シリコン基板２２を前記ナノ微球体溶液から取り出す場合、前記シリコン基板２２を緩やかに傾斜させて前記ナノ微球体溶液から取り出す。前記シリコン基板２２を傾斜させて前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す場合、前記シリコン基板２２の第二表面２３と前記ナノ微球体溶液の水平面の間の角度を、５度〜１５度に維持する。前記シリコン基板２２を前記ナノ微球体溶液に挿入し、取り出す速度は、３ｍｍ/ｈ〜１０ｍｍ/ｈである。本実施例において、前記シリコン基板２２を傾斜させて前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す場合、前記シリコン基板２２の第二表面２３と前記ナノ微球体溶液の水平面の間の角度が９°である。前記シリコン基板２２を前記ナノ微球体溶液に挿入し、取り出す速度は、５ｍｍ/ｈである。
もう一つの例として、前記ステップ（Ｓ１０２２）において、回転コーティング法によって前記シリコン基板２２の第二表面２３に液態単層ナノ微球膜を形成することができる。該回転コーティング方法によって前記シリコン基板２２の第二表面２３に液態単層ナノ微球膜を形成する方法は、前記ナノ微球体溶液の濃度を薄めるステップ（ｃ２１ａ）と、前記シリコン基板２２の第二表面２３に前記薄められたナノ微球体溶液を滴下するステップ（ｃ２２ａ）と、前記シリコン基板２２を４００回/分〜５００回/分の速度で５秒〜３０秒間回転させるステップ（ｃ２３ａ）と、前記シリコン基板２２の回転速度を８００回/分〜１０００回/分まで高め、前記シリコン基板２２を３０秒〜２分間回転させるステップ（ｃ２４ａ）と、前記シリコン基板２２の回転速度を１４００回/分〜１５００回/分まで高め、前記シリコン基板２２を１０秒〜２０秒間回転させるステップ（ｃ２５ａ）と、を含む。
前記ステップ（ｃ２１ａ）において、１０ｗｔ％のポリスチレンナノ微球体溶液を、体積比が１:１のＳＤＳの希釈剤によって薄めることができる。前記ＳＤＳの希釈剤は、体積比が１:４０００のＳＤＳとエタノールの混合物である。
前記ステップ（ｃ２２ａ）において、３ｍｌ〜４ｍｌの薄められたナノ微球体溶液を、前記シリコン基板２２の第二表面２３に十分に分散させる。
前記ステップ（Ｓ１０２３）において、前記シリコン基板２２の第二表面２３に形成された液態単層ナノ微球膜を乾燥させることにより単層ナノ球体アレイ２４を得ることができる。図７を参照すると、一つの例として、前記単層ナノ球体アレイ２４において、各々のナノ球体が６角形で配列する。この場合、前記単層ナノ球体アレイ２４におけるナノ球体の密度が最大である。前記ナノ球体の直径が４００ｎｍである。図８を参照すると、もう一つの例として、前記複数のナノ球体は、方形のパターンに密集して配列する。
前記ステップ（Ｓ１０２）は、前記ステップ（Ｓ１０２３）で単層ナノ球体アレイ２４を得た後、更に前記単層ナノ球体アレイ２４を焼成するステップ（Ｓ１０２４）を含むことができる。前記単層ナノ球体アレイ２４の焼成温度が５０℃〜１００℃であり、焼成時間が１分〜５分間である。
前記ステップ（Ｓ１０３）において、反応気体２６によって前記単層ナノ球体アレイ２４をマスクとして用いて前記シリコン基板２２の第二表面２３をエッチングし、同時に前記単層ナノ球体アレイ２４に対して加工処理することにより断面階段状の複数の三次元ナノ構造体２５を形成することができる。
前記ステップ（Ｓ１０３）において、反応気体２６によって前記シリコン基板２２の第二表面２３をエッチングする工程は、マイクロ波プラズマ装置の中で行われる。前記マイクロ波プラズマ装置には反応気体２６がを生じる。前記反応気体２６は、より低いイオン・エネルギーで前記単層ナノ球体アレイ２４の前記シリコン基板２２と隣接する表面と反対側の表面、及び前記シリコン基板２２の前記ナノ球体の間の間隙から露出された第二表面２３へ拡散する。この場合、前記シリコン基板２２の前記ナノ球体の間の間隙から露出された第二表面２３は、反応気体２６にエッチングされる。同時に、前記単層ナノ球体アレイ２４におけるナノ球体は、前記反応気体２６でエッチングされて、より小さい直径のナノ球体になり、前記単層ナノ球体アレイ２４におけるナノ球体の間の間隙が大きくなる。前記シリコン基板２２の前記ナノ球体の間の間隙から露出された第二表面２３が反応気体２６でエッチングされるので、前記シリコン基板２２の第二表面２３のエッチングされた部分はより大きくなる。この場合、従って、断面階段状の複数の三次元ナノ構造体２５を形成することができる。該三次元ナノ構造体２５は、大きい直径を有する第一円柱２５２及び小さい直径を有する第二円柱２５４を含む。
本実施例において、前記反応気体２６は、六フッ化硫黄（ＳＦ６）及びアルゴン・ガス（Ａｒ）又は六フッ化硫黄（ＳＦ６）及び酸素ガス（Ｏ２）からなる。前記六フッ化硫黄ガスの流量は、１０ＳＣＣＭ〜６０ＳＣＣＭであり、前記アルゴン・ガス又はの酸素ガス流量は、４ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭである。前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、４０Ｗ〜７０Ｗである。前記反応気体２６の作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。前記反応気体２６を利用して前記基板１００をエッチングする時間は１分〜２．５分間である。前記マイクロ波プラズマ装置の出力と前記反応気体２６の作動圧力の数値比は、２０:１であることが好ましい。前記マイクロ波プラズマ装置の出力と前記反応気体２６の作動圧力の数値比が１０:１であることがより好ましい。前記反応気体２６を利用して前記シリコン基板２２をエッチングする時間を制御することにより、前記三次元ナノ構造体２５の間の距離及び、前記第一円柱２５２及び第二円柱２５４の高さを制御することができる。
更に、前記シリコン基板２２のエッチング程度及びエッチング時間を調節するために、反応気体２６に調節ガスを加えることができる。前記調節ガスは、四フッ化炭素（ＣＦ４）、三フッ化メタン（ＣＨＦ３）又はそれらの混合物である。調節ガスの導入流量は、２０ＳＣＣＭ〜４０ＳＣＣＭである。
前記ステップ（Ｓ１０４）において、前記単層ナノ球体アレイ２４を前記シリコン基板１２から除去する場合、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール又はエタノールなどの剥離剤を用いて前記シリコン基板２２の第二表面２３のナノ球体を除去し、前記三次元ナノ構造体２５を維持することができる。前記単層ナノ球体アレイ２４を前記シリコン基板１２から除去する場合、接着テープなどを用いて前記シリコン基板２２の第二表面２３のナノ球体を除去することができる。本実施例において、アセトンによって超音波洗浄して、前記シリコン基板２２の第二表面２３のナノ球体を除去する。
（実施例２）
図９を参照すると、本実施例は、太陽電池３００を提供する。前記太陽電池３００は、順次に積層された背面電極３０と、シリコン基板３２と、ドープシリコン層３４と、前面電極３６と、ナノ金属層３８と、を含む。前記シリコン基板３２に複数の三次元ナノ構造体３５が形成されている。前記太陽電池３００は、実施例１の太陽電池１００と比べて、次の異なる点がある。前記太陽電池３００は、更にナノ金属層３８を含む。前記ナノ金属層３８は、前記ドープシリコン層３４と前面電極３６との間に設置され、前記ドープシリコン層３４の前面電極３６と隣接する表面に被覆される。前記ナノ金属層３８は、展開された複数の金属ナノ粒子からなる単層構造体又は多層構造体である。前記ナノ金属層３８の厚さは２ｎｍ〜２００ｎｍであるが、好ましくはその厚さは５０ｎｍである。前記ナノ金属層３８は、金、銀、銅、鉄及びアルミニウムなどのいずれか一種からなる。この場合、前記前面電極３６は、前記ナノ金属層３８に部分的接触し、又は完全に接触する。前記前面電極３６が前記ナノ金属層３８に部分的接触する場合、前記前面電極３６の一部は、前記複数の三次元ナノ構造体３５によって隣接する三次元ナノ構造体３５の間に懸架され、別の一部が前記複数の三次元ナノ構造体３５の上の前記ナノ金属層３８と接触する。前記前面電極３６の全ての表面が前記ナノ金属層３８で被覆される場合、前記前面電極３６は、前記ナノ金属層３８に完全的に接触することができる。
太陽光が前記前面電極３６を通じて、前記ナノ金属層３８に照射する場合、前記ナノ金属層３８の表面にプラズマが発生されるので、前記ナノ金属層３８に隣接した前記ドープシリコン層３４が光量子を吸収する能率が増加する。また、前記ナノ金属層３８からの表面プラズマによって形成された電磁場が、ｐｎ接合所に形成された複数の電子と正孔を分離するという利点がある。
前記ナノ金属層３８は、電子ビーム蒸着方法によって前記ドープシリコン層３４の表面に被覆される。
（実施例３）
図１０を参照すると、本実施例は、太陽電池４００を提供する。前記太陽電池４００は、順次に積層された背面電極４０と、シリコン基板４２と、ドープシリコン層４４と、前面電極４６と、を含む。太陽光は、前記太陽電池４００の前記前面電極４６の側から入射する。前記シリコン基板４２は、第一表面４１及び該第一表面４１に対向する第二表面４３を含む。前記背面電極４０は、前記シリコン基板４２の第一表面４１に設置され、該第一表面４１とオーミック接触する。前記シリコン基板４２の前記第二表面４３には、複数の三次元ナノ構造体４５が形成される。前記三次元ナノ構造体４５は断面階段状の構造体である。ここで、前記シリコン基板４２の前記第二表面４３は、複数の三次元ナノ構造体４５の表面と隣接する前記三次元ナノ構造体４５の間の面を含む構造化された表面を示す。前記ドープシリコン層４４は、前記シリコン基板４２の第二表面４３に形成される。前記前面電極４６は、前記ドープシリコン層４４の少なくとも一部表面と接触するように配置される。
前記太陽電池４００は、実施例１の太陽電池１００と比べて、次の異なる点がある。図１１を参照すると、前記複数の三次元ナノ構造体４５は、それぞれ断面階段状の凹部である。即ち、前記三次元ナノ構造体４５は、前記シリコン基板４２の内部に凹んで形成された断面階段状の止まり穴である。前記三次元ナノ構造体４５は、第一円柱状空間４５２及び第二円柱状空間４５４からなる二層式の断面階段状の凹部である。前記第一円柱状空間４５２と前記第二円柱状空間４５４とは共軸する。前記第二円柱状空間４５４及び前記第一円柱状空間４５２は、順次に前記シリコン基板４２の第一表面４１から離れるように形成される。且つ前記第一円柱状空間４５２の直径は前記第二円柱状空間４５４の直径より大きい。
前記第一円柱状空間４５２の直径は３０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、その高さは５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記第一円柱状空間４５２の直径は５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二円柱状空間４５４の直径は１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、その高さは２０ｎｍ〜５００ｎｍである。より好ましくは、前記第二円柱状空間４５４の直径が２０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さは１００ｎｍ〜３００ｎｍである。
前記太陽電池４００の製造方法は、実施例１の太陽電池１００の製造方法と比べて、次の異なる点がある。前記複数の三次元ナノ構造体の製造方法は、第一表面と第二表面を含む平板状シリコン基板を提供するステップ（Ｈ１）と、前記シリコン基板の第二表面に複数のナノ穴を含むマスクを形成するステップ（Ｈ２）と、前記複数のナノ穴を含むマスクを利用してシリコン基板の第二表面をエッチングし、同時に前記マスクの複数のナノ穴を調整するステップ（Ｈ３）と、前記マスクを除去するステップ（Ｈ４）と、を含む。ここで、第二表面としては、平板状シリコン基板の平らな表面を示す。
前記ステップＨ２において、前記複数のナノ穴を含むマスクは、アレイの形で配列された複数の穴を含む連続的なフィルムである。前記マスクは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリイミド（ＰＩ）などのポリマー材料からなる。前記複数のナノ穴を含むマスクは、ナノインプリント方法又はテンプレート沈積方法によって形成することができる。
前記ステップＨ３において、前記マスクを利用して前記シリコン基板の前記第二表面をエッチングし、同時に前記マスクの複数のナノ穴を調整することは、前記実施例１の複数の三次元ナノ構造体の製造方法のステップ（Ｓ１０３）と同じである。反応気体は、前記マスクのシリコン基板の第二表面と隣接する表面とは反対の表面、及び前記シリコン基板の第二表面の前記マスクの穴から露出された部分へ拡散する。この場合、前記シリコン基板の第二表面の前記マスクの穴から露出された部分が反応気体にエッチングされる。同時に、前記マスクにおける穴は、反応気体によりエッチングされて孔径が大きくなり、前記マスクの間の間隙が小さくなる。前記シリコン基板の第二表面の前記マスクにおける穴から更に露出された部分が反応気体にエッチングされるので、前記シリコン基板の第二表面のエッチングされた部分はより大きくなる。従って、断面階段状の複数の三次元ナノ構造体を形成することができる。
ステップＨ４では、前記マスクはピーリング方法によって除去することができる。
１００、３００、４００ 太陽電池
１０、３０、４０ 背面電極
１１、２１、３１、４１ 第一表面
１２、２２、３２、４２ シリコン基板
１３、２３、３３、４３ 第二表面
１４、３４、４４ ドープシリコン層
１５、２５、３５、４５ 三次元ナノ構造体
１６、３６、４６ 前面電極
１５２、２５２ 第一円柱
４５２ 第一円柱状空間
１５４、２５４ 第二円柱
４５４ 第二円柱状空間
２４ 単層ナノ球体アレイ
２６ 反応気体
３８ ナノ金属層

Claims (2)

  1. 背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む太陽電池であって、
    前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、
    前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、
    前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、
    前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、
    前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部の表面に接触するように配置され、
    前記三次元ナノ構造体は、断面階段状の凸部又は断面階段状の凹部であることを特徴とする太陽電池。
  2. 対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成し、前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成する第一ステップと、
    前記シリコン基板の第二表面にドープシリコン層を形成する第二ステップと、
    前記ドープシリコン層の少なくとも一部に接触する前面電極を設置する第三ステップと、
    前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させる第四ステップと、
    を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
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