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JP2008053731A - 薄膜シリコン太陽電池中のナノワイヤ - Google Patents

薄膜シリコン太陽電池中のナノワイヤ Download PDF

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JP2008053731A
JP2008053731A JP2007217730A JP2007217730A JP2008053731A JP 2008053731 A JP2008053731 A JP 2008053731A JP 2007217730 A JP2007217730 A JP 2007217730A JP 2007217730 A JP2007217730 A JP 2007217730A JP 2008053731 A JP2008053731 A JP 2008053731A
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バスティアン・アリー・コレヴァー
Loucas Tsakalakos
ルーカス・ツァカラコス
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Abstract

【課題】能動ＰＶ要素としてシリコン（Ｓｉ）ナノワイヤを含む光起電（ＰＶ）装置に関する新規な薄膜Ｓｉ太陽電池を提供する。
【解決手段】本光起電（ＰＶ）装置１００は、以下のａ）〜ｅ）を備える。ａ）基板上に実質的に垂直な配向で設けられた複数のＳｉナノワイヤであって、第一タイプのドーピングを有するＳｉナノワイヤｂ）複数のＳｉナノワイヤ上に設けられた光を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層上にコンフォーマルに設けられた第二のコンフォーマルＳｉ層であって、第二タイプのドーピングを有する第二のコンフォーマルＳｉ層ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層、及びｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に薄膜型光起電力装置に関し、詳しくは装置内の能動要素として細長いシリコンナノ構造体を含むかかる光起電力装置に関する。
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低減させるのに十分なほど効率的でない。その結果、通常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普及が妨げられている。
既存の太陽電池における主な損失過程は、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により急速に失って再結合が増加する場合に起こる。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。さらに、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通常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。使用した材料のバンドギャップよりもエネルギーの低い光を半導体が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１．３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 Ｐｈｏｔｏｖｏｌａｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１）。
非晶質シリコンに基づく薄膜型太陽電池に関する主な問題は、電荷キャリヤーの移動度（特に正孔の移動度）が非常に低いことである。かかる正孔移動度が、非晶質シリコン薄膜型太陽電池に関する制限因子である。かかる太陽電池の真性層を薄くして、正孔が電池の前面に到達する可能性を高めることもできるが、吸収の顕著な損失が生じる。このような損失を解消するため、タンデム接合及びトリプル接合が使用できるが、これは著しく複雑である。
シリコンナノワイヤはｐｎ接合ダイオードアレイ中において記載されている（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装置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。
シリコンナノワイヤは太陽電池装置中においても記載されている（Ｊｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ （ＭＩＧ） ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｅｍｉｔｔｅｒｓ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，２００２，ｐｐ．１３１４−１３１７）。かかる装置では、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。
シリコンナノ構造体が能動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、本願出願人に譲渡された２００５年３月１６日出願の米国特許出願第１１／０８１９６７号に記載されている。この特許出願では、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、製造の容易化及び従来の電気供給源と同等な効率をもたらすようにかかる太陽電池技術の修正（特に、ナノスケール材料及び装置を組み込んだ修正）を行うことは極めて有益であろう。
米国特許出願公開第２００４／０００３８３９号明細書 米国特許第６８７８８７１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 Ｐｈｏｔｏｖｏｌａｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１ 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 Ｂｏｇａｒｔ ｅｔ ａｌ．，"Ｄｉａｍｅｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ Ａｌｕｍｉｎａ Ｍｅｍｂｒａｎｅ"，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，１７，１１４（２００５） Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ"，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００１，１３（１６），ｐｐ．１２３８−１２４１ Ｃｈｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，"Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ＧａＮ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｉｎ Ａｎｏｄｉｃ Ａｌｕｍｉｎａ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ"，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．＆ Ｅｎｇ．，２０００，Ａ２８６，ｐｐ．１６５−１６８ Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，"Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｄｅｒｅｄ ＩｎＳｂ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｏｒｏｕｓ Ａｎｏｄｉｃ Ａｌｕｍｉｎａ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ"，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１５２（１０），ｐｐ．Ｃ６６４−Ｃ６６８
ある実施形態では、本発明は能動ＰＶ要素として細長いシリコン（Ｓｉ）ナノ構造体（例えば、ナノワイヤ、ナノロッドなど）を含む光起電（ＰＶ）装置に関し、かかる装置は通例は薄膜Ｓｉ太陽電池である。一般に、かかる太陽電池はｐｉｎ型のものである。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法、並びにかかる装置を使用するシステム及びモジュール（例えば、ソーラーパネル）にも関する。このような幾つかの実施形態では、細長いナノ構造体は、電荷分離用のフィルムにナノスケールで近接している結果として電荷捕集を増加させることで通常の薄膜型太陽電池の性能を高める。このような幾つかの実施形態では、光はナノ構造体中ではなく薄膜材料中に吸収されるが、かかる電池は通例は実質的な部分の光が薄膜型電池の真性層中に吸収されるように設計されている。
ある実施形態では、本発明は、（ａ）基板上に実質的に垂直な配向で設けられた複数のＳｉナノワイヤ（代表的な細長いナノ構造体）であって、第一のタイプ（ｐ又はｎ）のドーピングを有するＳｉナノワイヤ、（ｂ）複数のＳｉナノワイヤ上にコンフォーマルに設けられた非晶質（又はナノ結晶質）真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層であって、（任意には）複数のナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすことで光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマルＳｉ層であって、第二のタイプ（ｐ又はｎであるが、Ｓｉナノワイヤのタイプとは異なる）のドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層、（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点（基板が下部接点を構成し得る）、及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点を含んでなる光起電力装置に関する。このような幾つかの実施形態では、光起電力装置はさらに、基板上に存在するか或いは基板と一体をなすナノポーラステンプレートであって、そこからＳｉナノワイヤが延び出ているナノポーラステンプレートを含んでいる。
ある実施形態では、本発明は、（ａ）基板上に実質的に垂直な配向で設けられた複数のＳｉナノワイヤであって、第一のタイプ（ｐ又はｎ）のドーピングを有するＳｉナノワイヤ、（ｂ）複数のＳｉナノワイヤ上にコンフォーマルに設けられた非晶質（又はナノ結晶質）真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層であって、複数のナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすことで光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマルＳｉ層であって、第二のタイプ（ｐ又はｎであるが、Ｓｉナノワイヤのタイプとは異なる）のドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層、（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性透明材料層、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点を含んでなる光起電力装置に関する。このような幾つかの実施形態では、光起電力装置はさらに、基板上に存在するか或いは基板と一体をなすナノポーラステンプレートであって、そこからＳｉナノワイヤが延び出ているナノポーラステンプレートを含んでいる。
他の幾つかの実施形態では、本発明は、（ａ）実質的に垂直な方位で透明導電性基板上に設けられた複数のＳｉナノワイヤであって、第一のタイプ（ｐ又はｎ）のドーピングを有するＳｉナノワイヤ、（ｂ）複数のＳｉナノワイヤ上にコンフォーマルに設けられた非晶質（又はナノ結晶質）真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層であって、複数のナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすことで光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマルＳｉ層であって、第二のタイプ（ｐ又はｎであるが、Ｓｉナノワイヤのタイプとは異なる）のドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層、（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層、並びに（ｅ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層（例えば、金属）を含んでなる光起電力装置であって、透明導電性基板及び導電性材料層が装置に対して上部及び下部電気接点を付与する光起電力装置に関する。このタイプの装置は、一般に背面照明（即ち、基板を通しての照明）用として機能し得る。
ある実施形態では、本発明は光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（ａ）基板上に複数のナノワイヤを設ける段階であって、Ｓｉナノワイヤは表面の平面に対して実質的に垂直に配向していると共に、Ｓｉナノワイヤは第一のタイプのドーピングを有する段階、（ｂ）Ｓｉナノワイヤ間の空隙が実質的に満たされるようにして、複数のナノワイヤ上に真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層をコンフォーマルに堆積させる段階、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りに第二のコンフォーマルＳｉ層を堆積させる段階であって、第二のコンフォーマルＳｉ層は第二のタイプのドーピングを有していてＳｉナノワイヤ及び第一のコンフォーマルＳｉ層と共に電荷分離接合を形成する段階、（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のＳｉナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
ある実施形態では、本発明は光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（ａ）透明導電性基板上に複数のナノワイヤを設ける段階であって、Ｓｉナノワイヤは表面の平面に対して実質的に垂直に配向していると共に、Ｓｉナノワイヤは第一のタイプのドーピングを有する段階、（ｂ）Ｓｉナノワイヤ間の空隙が実質的に満たされるようにして、複数のナノワイヤ上に真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層をコンフォーマルに堆積させる段階、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りに第二のコンフォーマルＳｉ層を堆積させる段階であって、第二のコンフォーマルＳｉ層は第二のタイプのドーピングを有していてＳｉナノワイヤ及び第一のコンフォーマルＳｉ層と共に電荷分離接合を形成する段階、並びに（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に導電性材料層を堆積させる段階を含んでなり、透明導電性基板及び導電性材料層は装置を外部回路に接続するために適した上部接点及び下部接点を形成するために役立ち、下部接点は複数のＳｉナノワイヤと電気的に接触している透明導電性基板であり、上部接点は第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している導電性材料層である。
ある実施形態では、本発明は（モジュール又はソーラーパネルの形態を有する）光起電力装置又は太陽電池のアセンブリ並びに建物の屋根上でのかかるアセンブリの使用に関し、かかるアセンブリはインバーターを介して電気グリッドに接続できる。
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。
図面の簡単な説明
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。
図１は、本発明のある実施形態に係る、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤを含む薄膜型光起電（ＰＶ）セルを示している。
図２は、本発明のある実施形態に係る、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤを含む薄膜型光起電（ＰＶ）セルを示しており、このセルは基板を通しての照明用として機能し得る。
図３は、本発明のある実施形態に係る、複数の層を含む基板を示している。
図４は、本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型光起電セルの製造方法を段階的に示している。
図５は、本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型光起電セルの製造方法を段階的に示しており、このセルは透明基板を通しての照明用として機能し得る。
図６は、エッチング技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
図７は、図６に示す領域の高倍率図である。
図８は、化学蒸着（ＣＶＤ）で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡写真である。
図９は、図８に示す領域の高倍率図である。
図１０は、各辺が１ｃｍの寸法をそれぞれ有する平面型太陽電池（Ａ）及びナノワイヤ太陽電池（Ｂ）の光学図であり、ナノワイヤ太陽電池は反射性が低いために黒く見える。
図１１は、平面型太陽電池（■）、低密度ナノワイヤ太陽電池（◆）及び高密度ナノワイヤ太陽電池（▲）に関し、正反射率を波長の関数として示している。
図１２は、本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型太陽電池の側面図走査電子顕微鏡写真である。
図１３は、本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型太陽電池の平面図走査電子顕微鏡写真である。
図１４は、図１及び２に示すコンフォーマル皮膜の変形例を示している。
ある実施形態では、本発明は能動ＰＶ要素としてシリコン（Ｓｉ）ナノワイヤ（又は他の細長いナノ構造体）を含む光起電（ＰＶ）装置に関し、かかる装置は通例は薄膜Ｓｉ太陽電池である。一般に、かかる太陽電池はｐｉｎ型のものであり、前面及び／又は背面照明（即ち、上部及び／又は下部照明）用として製造できる。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法、並びにかかる装置を使用するシステム及びモジュール（例えば、太陽電池）にも関する。
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り、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。
本明細書で用いる用語の大部分は当業者には明らかであろうが、本発明の理解を図るために以下の定義を示す。しかし、明確に定義されない場合、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。
本明細書で定義される「薄膜型太陽電池」は、約２０μｍ未満の厚さを有する光吸収層を含む部類の太陽電池をいう。
本明細書で定義される「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。
本明細書で定義される「コンフォーマル」は、構造体を被覆する皮膜について、皮膜が主として構造体の形状又は構造にならう（即ち、その形状又は構造に従う）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、少なくともある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。
本明細書で定義される「電荷分離接合」は、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。
本明細書で定義される「ｐｉｎ型光起電力装置」は、３種の堆積物であって、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）、別の層はドープされておらず（即ち、真性であり）、さらに別の層は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フィルムである。
ある実施形態では、本発明は一般に、（ａ）基板上に実質的に垂直な配向で設けられた複数のＳｉナノワイヤであって、第一のタイプ（ｐ又はｎ）のドーピングを有するＳｉナノワイヤ、（ｂ）複数のＳｉナノワイヤ上にコンフォーマルに設けられた非晶質（又はナノ結晶質）真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層であって、複数のナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすことで光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマルＳｉ層であって、第二のタイプ（ｐ又はｎであるが、Ｓｉナノワイヤのタイプとは異なる）のドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層、（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点を含んでなる光起電力装置に関する。このような幾つかの実施形態では、光起電力装置はさらに、基板上に存在するか或いは基板と一体をなすナノポーラステンプレートであって、そこからＳｉナノワイヤが延び出ているナノポーラステンプレートを含んでいる。
図１について説明すれば、ある実施形態では、本発明は、（ａ）実質的に垂直な方位で基板１０２上に設けられた複数のＳｉナノワイヤ１０１であって、第一のタイプのドーピングを有するＳｉナノワイヤ１０１、（ｂ）複数のＳｉナノワイヤ１０１の回りにコンフォーマルに設けられた真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層１０３であって、複数のナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすことで光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層１０３、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層１０３の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマルＳｉ層１０４であって、第二のタイプのドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層１０４、（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層１０４上に設けられた導電性透明材料１０５、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点（１０６）及び下部接点（下記図３参照）であって、複数のＳｉナノワイヤ１０１と電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層１０４と電気的に接触している上部接点１０６を含んでなる光起電力装置１００に関する。接点の配置に関して本明細書で使用される「上部」及び「下部」という用語は、図面中に示される部品の相互関係をいうものであり、かかる装置の使用に際して装置が光を受ける方向と必ずしも一致しないことに注意されたい。
次に図２について説明すれば、ある実施形態では、本発明は、（ａ）実質的に垂直な方位で透明導電性基板１０２上に設けられた複数のＳｉナノワイヤ１０１であって、第一のタイプ（ｐ又はｎ）のドーピングを有するＳｉナノワイヤ１０１、（ｂ）複数のＳｉナノワイヤ上にコンフォーマルに設けられた非晶質（又はナノ結晶質）真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層１０３であって、複数のナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすことで光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層１０３、（ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマルＳｉ層１０４であって、第二のタイプ（ｐ又はｎ）のドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層１０４、及び（ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層２０５（例えば、金属）を含んでなる光起電力装置２００であって、透明導電性基板及び導電性材料層が装置に対して上部及び下部電気接点を付与する光起電力装置２００に関する。このタイプの装置は、一般に背面照明（即ち、基板を通しての照明）用として機能し得る。このような幾つかの実施形態では、導電性材料層２０５は反射性である。
幾つかの上記装置実施形態では、基板１０２は複数の二次構成部品からなっている。図３について説明すれば、ある実施形態では、ナノワイヤ１０１はナノポーラステンプレート１０２ｃから延び出ている。ある実施形態では、（下部接点として機能し得る）導電層１０２ｂが非導電層１０２ａ上に設けられている。下部非導電層１０２ａを含むこのような幾つかの実施形態では、下部接点（例えば、１０２ｂ）への電気的アクセスのため、能動層中にスルーホールが存在し得る。
本発明で「実質的に垂直」とは、大部分のナノワイヤがその長さ方向について基板表面と４５〜９０°の角をなすようにして基板上に配置されていることを意味する。しかし、ナノワイヤの方位は主としてランダムであってもよいことに注意されたい。主たる基準は、ナノワイヤが主として第一のコンフォーマル層１０３中に延在することで電荷キャリヤー用の捕集素子として役立つこと、及びコンフォーマル層１０３がワイヤをコンフォーマルに被覆し得ることである。
図３に示すように、幾つかの上記装置実施形態では、上述の光起電力装置はさらに、基板上に存在するか或いは基板と一体をなすナノポーラステンプレートであって、そこからＳｉナノワイヤが延び出ているナノポーラステンプレート１０２ｃを含んでいる。好適なかかるテンプレートには、特に限定されないが、陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素などがある。
通例、Ｓｉナノワイヤ１０１は約５ｎｍ〜約１μｍの直径を有すると共に、約１００ｎｍ〜約１００μｍの長さを有する。通例、Ｓｉナノワイヤは高結晶質のものであるが、非晶質及び／又はナノ結晶質Ｓｉからなっていてもよい。通例、Ｓｉナノワイヤはｐドープされているが、Ｓｉナノワイヤがｎドープされる他の実施形態も想定されている。
ある実施形態では、Ｓｉナノワイヤ１０１の直径は量子閉じ込め状態になるのに十分な程度に小さく、一定の閾値（通例は約５ｎｍ）以下ではそのバンドギャップはその直径の関数として増加する。このような高いバンドギャップには複数の利点があり得る。即ち、（１）光の吸収が少ない（したがって、損失が少ない）。（２）装置に関する電圧Ｖｏｃが高くなる。（３）バンドギャップが非晶質材料のバンドギャップに合わせて最適に調整されるのでバンドベンディングが少なくなる。かかる利点は効率の向上をもたらすことができる。
幾つかの上記装置実施形態では、基板１０２は、非晶質Ｓｉ、非晶質ＳｉＧｅ、非晶質ＳｉＣなどからなる群から選択される材料からなる。他の実施形態では、基板材料は特に限定されない。一般に、基板は導電性又は非導電性と透明又は不透明との任意の組合せであり得る。ある実施形態では、基板は透明導電性酸化物材料からなる。このような幾つかの実施形態では、透明導電性酸化物材料は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）である。
幾つかの上記装置実施形態では、上部接点１０６は、チタンを接着層とするアルミニウム又は金、光起電力工業で常用されている金属ペースト、或いは他の好適な接点材料の組合せからなる。
一般に、下部接点は導電性材料からなる。ある実施形態では、下部接点は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｔａ２Ｎ及びＴｉＮからなる群から選択される金属薄膜を非導電性基板上に配置したものからなる。ある実施形態では、下部接点は、透明であって背面照明を可能にする材料からなる。このような幾つかの実施形態では、下部接点を構成する材料は、導電性かつ透明なもの（例えば、ドープトＺｎＯ）である。ある実施形態では、この材料は（例えば、金属箔基板を使用する実施形態の場合にように）基板１０２であり、他の実施形態では、それは基板の積層部分（例えば、導電層１０２ｂ）である。
上述の通り、第一のコンフォーマル層１０３は一般に真性Ｓｉである。通例、この層は非晶質又はナノ結晶質Ｓｉからなり得る。通例、第一のコンフォーマル層１０３は約５０ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する。
通例、第二のコンフォーマル層１０４はｎドープされている。しかし、（ナノ構造体がｎドープされている場合には）第二のコンフォーマル層がｐドープされる実施形態も想定されている。しかし、電荷分離接合を形成するためには、ナノワイヤがｐドープされている場合には第二のコンフォーマル層がｎドープされることが重要であり、その逆も正しい。通例、この層は非晶質又はナノ結晶質Ｓｉからなり得る。通例、第二のコンフォーマル層１０４は約５〜約１００ｎｍの厚さを有する。
ある実施形態では、導電性透明材料１０５は透明導電性酸化物である。このような幾つかの実施形態では、透明導電性酸化物は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はＺｎＯ或いは当技術分野で公知でありかつ使用されている他のＴＣＯである。通例、導電性透明材料は約５０ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する。
透明導電性基板及び導電性材料層２０５を有する装置実施形態に関しては、このような幾つかの実施形態では、導電性材料層２０５は、特に限定されないが、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉなどの金属からなる。導電性材料層２０５は、通例約１００ｎｍ〜約５μｍの厚さを有する。一般に、材料の反射能がこの層にとっての重要な基準である。
図４について説明すれば、ある実施形態では、本発明は光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（段階４０１）基板上に複数のナノワイヤを設ける段階であって、Ｓｉナノワイヤは表面の平面に対して実質的に垂直に配向していると共に、Ｓｉナノワイヤは第一のタイプのドーピングを有する段階、（段階４０２）Ｓｉナノワイヤ間の空隙が実質的に満たされるようにして、複数のナノワイヤ上に真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層をコンフォーマルに堆積させる段階、（段階４０３）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りに第二のコンフォーマルＳｉ層を堆積させる段階であって、第二のコンフォーマルＳｉ層は第二のタイプのドーピングを有していてＳｉナノワイヤ及び第一のコンフォーマルＳｉ層と共に電荷分離接合を形成する段階、（段階４０４）第二のコンフォーマルＳｉ層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（段階４０５）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のＳｉナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
図５について説明すれば、ある実施形態では、本発明は光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（段階５０１）透明導電性基板上に複数のナノワイヤを設ける段階であって、Ｓｉナノワイヤは表面の平面に対して実質的に垂直に配向していると共に、Ｓｉナノワイヤは第一のタイプのドーピングを有する段階、（段階５０２）Ｓｉナノワイヤ間の空隙が実質的に満たされるようにして、複数のナノワイヤ上に真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層をコンフォーマルに堆積させる段階、（段階５０３）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りに第二のコンフォーマルＳｉ層を堆積させる段階であって、第二のコンフォーマルＳｉ層は第二のタイプのドーピングを有していてＳｉナノワイヤ及び第一のコンフォーマルＳｉ層と共に電荷分離接合を形成する段階、並びに（段階５０４）第二のコンフォーマルＳｉ層上に導電性材料層を堆積させる段階を含んでなり、透明導電性基板及び導電性材料層は装置を外部回路に接続するために適した上部接点及び下部接点を形成するために役立ち、下部接点は複数のＳｉナノワイヤと電気的に接触している透明導電性基板であり、上部接点は第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している導電性材料層である。
ある実施形態では、ナノワイヤは、化学蒸着（ＣＶＤ）、金属有機物化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、ホットワイヤ化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）、臨界点溶液堆積、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で成長させる。
ある実施形態では、ＳｉナノワイヤはＡＡＯ（上記参照）のようなナノポーラステンプレートから成長させる。このような幾つかの実施形態では、成長後にエッチング段階を使用することでテンプレートを後退させるか、或いは完全に除去する。ＡＡＯテンプレート中でのナノワイヤのＣＶＤ成長は、Ｂｏｇａｒｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ ａｌｕｍｉｎａ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，１７，１１４（２００５）に記載されている。ＡＡＯテンプレート中でのナノワイヤの電気化学的成長は、２００５年３月２７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１１／１４１，６１３号に一般的に記載されている。かかる細長いナノ構造体を生成するための他の方法については、Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００１，１３（１６），ｐｐ．１２３８−１２４１、Ｃｈｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｈｉｇｈｌｙ ｏｒｄｅｒｅｄ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ＧａＮ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｉｎ ａｎｏｄｉｃ ａｌｕｍｉｎａ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．＆ Ｅｎｇ．，２０００，Ａ２８６，ｐｐ．１６５−１６８、及びＺｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｄｅｒｅｄ ＩｎＳｂ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｏｒｏｕｓ Ａｎｏｄｉｃ Ａｌｕｍｉｎａ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１５２（１０），ｐｐ．Ｃ６６４−Ｃ６６８を参照されたい。
ある実施形態では、ナノワイヤは触媒を用いて金属ナノ粒子又は薄い金属フィルムから成長させる。このような幾つかの実施形態では、金属ナノ粒子はナノポーラステンプレート中に位置している。このような幾つかの実施形態では、金属ナノ粒子は、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉄（Ｆｅ）及びこれらの組合せからなる群から選択される金属からなる。
ナノワイヤ（及び第二のコンフォーマル層）のドーピングは、通例、成長過程中に適当なガス又は液体（例えば、ｐ型ドーピングのためにはトリメチルボラン（Ｂ(ＣＨ３)３）又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）、ｎ型ドーピングのためにはホスフィン（ＰＨ３））を導入することで達成される。
ある実施形態では、第一及び／又は第二のコンフォーマルＳｉ層は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング、電気化学堆積、真空蒸着及びこれらの組合せからなる群から選択される方法で堆積させる。
ある実施形態では、導電性透明材料は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着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堆積させる。導電性材料層２０５もまた、これらの方法及び他の類似方法で堆積させることができる。
ある実施形態では、本発明は、上述の光起電力装置１００及び／又は２００を含んでなるシステム又はアセンブリに関する。装置１００及び／又は２００は、例えば、ソーラーパネル中に組み込むことができる。装置のサイズ及び所期の用途に応じ、単一のＰＶ装置から直列又は並列に接続された多数のかかる装置までの任意の数を使用できる。
ある実施形態では、光起電力装置１００及び／又は２００は、上述の光起電力装置１００及び／又は２００を含むＰＶモジュールを住宅の屋根に配置した商業的建物用集積ＰＶシステム、農業用ＰＶシステム、上述の光起電力装置１００及び／又は２００を含むＰＶモジュールを住宅の屋根に配置したグリッド接続住宅用ＰＶシステム、商用及び／又は軍用電子機器用の電力システムなどを含む用途で使用するために役立つ。
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
本実施例は、本発明のある実施形態に従って（湿式エッチング法で形成された）結晶質Ｓｉナノワイヤ上に非晶質Ｓｉのコンフォーマル層を形成することを例示するために役立つ。
標準的な冶金的結合方法を用いて金属箔片又は金属化ガラスウェーハにシリコンウェーハを結合する。次に、フッ化水素酸、酢酸及び硝酸の混合物のような標準Ｓｉエッチャント中でウェーハを所望の厚さまで薄くする。所望の厚さ（通例は５〜２０μｍ）に到達した後、硝酸銀／フッ化水素酸溶液中に浸漬することで、シリコン中にナノワイヤ（代表的な細長いナノ構造体）を形成する。プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）でコンフォーマルｉｎ接合を形成し、次いで上部透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を堆積させる。背面接触のためにスルーホールを設け、シャドウマスク堆積法で最終の上部及び下部接点を形成する。図６及び７は、かかるエッチング技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡像であり、図７は図６の高倍率に拡大した領域である。
実施例２
本実施例は、本発明のある実施形態に従ってＣＶＤ成長結晶質Ｓｉナノワイヤ上に非晶質Ｓｉのコンフォーマル層を形成することを例示するために役立つ。
適当な触媒薄膜又はナノ粒子層を堆積させた後、ステンレス鋼箔のような導電性基板材料又はドープトＺｎＯ被覆ガラスウェーハ上にシリコンナノワイヤを成長させる。かかる一実施形態では、まず陽極処理によって背面接点材料上にナノポーラステンプレート層を形成し、次いでテンプレートの細孔の内部に触媒を電気化学的に配置する。ナノワイヤが成長した後、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ）でコンフォーマルｉｎ接合を形成し、次いで上部透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を堆積させる。ＣＶＤ成長Ｓｉナノワイヤ上に堆積させた厚い非晶質シリコン層の例を図８及び９に示す。図８及び９は、かかるＣＶＤ技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡像であり、図９は図８の高倍率に拡大した領域である。背面接触のためにスルーホールを設け、シャドウマスク堆積法で最終の上部及び下部接点を形成する。
実施例３
本実施例は、本発明のある実施形態に係る、光起電力装置１００を含んでなる典型的なシステムを例示するために役立つ。
光起電力装置１００及び／又は２００は、環境から物理的に隔離されるようにして光起電モジュール中にパッケージすることができる。モジュールの前面は日光を透過し得るようにガラスで形成され、ＰＶ電力システム中への組込みのため背面上に電気リードが設けられる。一実施形態では、中間ドープトＺｎＯ層を有する大きいガラス基板上に光起電力装置１００／２００を成長させる結果、ガラス基板はＰＶモジュールに対する保護ガラスとなり、最初にナノワイヤを成長させた層が（照明方向について見た場合に）「前面接点」となる。次いで、細長いナノ構造体層の元の上面に対応する「背面接点」が形成される。
実施例４
この実施例は、本発明の実施形態に係るナノワイヤ太陽電池が光反射率を低下させ、それにより（通常の平面型太陽電池に比べて）太陽電池の効率を高め得ることを例示するために役立つ。
図１０は、通常の平面型太陽電池（Ａ）及びナノワイヤ太陽電池（Ｂ）の光学像を示している。ナノワイヤ太陽電池は目に見えて反射性が低い。図１１は、３００〜１１００ｎｍの範囲にわたり、かかる正反射の程度を波長の関数として示している。
図１２は、本発明のある実施形態に従って、縮退ドープトＳｉ基板上にＳｉナノワイヤ及びＩＴＯ皮膜を含む低密度薄膜型ナノワイヤ太陽電池（図１０（Ｂ）に見られるようなもの）の側面図走査電子顕微鏡写真である。図１３は、同様な薄膜型太陽電池の平面図走査電子顕微鏡写真である。
実施例５
本実施例は、本発明のある実施形態に従って光起電力装置１００／２００を使用し得る典型的な用途を例示するために役立つ。
光起電力装置１００／２００を含む光起電モジュールは、通例、グリッド接続発電のため住宅の屋根上に取り付けられる。かかるモジュールは、機能的及び審美的特性を生み出すためのいくつかの方法で取り付けられる。かかるモジュールが供給する電力は、標準的な住宅用太陽電池モジュールに関して現在行われているように、蓄電するか、或いは電力会社に売り戻して利益を得ることができる。太陽電池は標準サイズに切断し、モジュールフレーム中に取り付け、標準的なはんだ系相互接続方式を用いて直列に接続することができる。場合によっては、シェーディング効果を最小限に抑えるためにバイパスダイオードが使用できる。透明材料上にナノワイヤを成長させた場合には、全面ガラス基板をフレーム式モジュール中に直接使用するか、或いはガラスを積層することでフレームの必要なしにモジュールとして使用することができる。この場合には、当技術分野で通例知られているレーザースクライビング法を前面接点及び背面接点に対して使用することで、太陽電池セグメントを直列に相互接続することができる。
変形例
隣接するナノワイヤ間の空隙がコンフォーマル層材料で実質的に満たされている場合を示す図１及び２に関してコンフォーマル皮膜を説明してきたが、かかるコンフォーマル皮膜は図１４に示すものにも類似し得る。この場合、部分的に構成された装置１４００は、基板１０２上にナノワイヤ１０１を含むと共に、ナノワイヤ上に設けられた第一のコンフォーマル層（皮膜）１４０３及び第二のコンフォーマル層１４０４を含んでいる。
上述の実施形態の多くでＳｉナノワイヤを使用してきたが、これは半導体系の細長いナノ構造体の大きな部類を代表するものにすぎない。したがって、当業者には理解される通り、上述の実施形態の多くはシリコン以外の材料からなる細長いナノ構造体を含むように変形することができる。かかる変形実施形態は、それに対応して（シリコンとは）異なるコンフォーマル層を有するであろう。さらに、上述の実施形態の一部に関しては、真性材料からなるコンフォーマル層はＡ−ＳｉＧｅ：Ｈを含み得る。
要約
要約すれば、本発明は能動ＰＶ要素としてシリコン（Ｓｉ）ナノワイヤを含む光起電（ＰＶ）装置に関し、かかる装置は通例は薄膜Ｓｉ太陽電池である。一般に、かかる太陽電池はｐｉｎ型のものである。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法、並びにかかる装置を使用するシステムにも関する。非晶質Ｓｉ母材中に結晶質Ｓｉナノワイヤを設けることで、正孔の経路は劇的に減少し、それにより正孔捕集の増加及び対応する装置効率が得られる。本明細書中に記載した実施形態は、ナノワイヤ中に電荷キャリヤー用の効率的経路を設けると同時に向上した光学的性質を付与することで先行技術の非晶質シリコン太陽電池を改良したものである。
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。
本発明のある実施形態に係る、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤを含む薄膜型光起電（ＰＶ）セルを示している。 本発明のある実施形態に係る、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤを含む薄膜型光起電（ＰＶ）セルを示しており、このセルは基板を通しての照明用として機能し得る。 本発明のある実施形態に係る、複数の層を含む基板を示している。 本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型光起電セルの製造方法を段階的に示している。 本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型光起電セルの製造方法を段階的に示しており、このセルは透明基板を通しての照明用として機能し得る。 エッチング技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 図６に示す領域の高倍率図である。 化学蒸着（ＣＶＤ）で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡写真である。 図８に示す領域の高倍率図である。 各辺が１ｃｍの寸法をそれぞれ有する平面型太陽電池（Ａ）及びナノワイヤ太陽電池（Ｂ）の光学図であり、ナノワイヤ太陽電池は反射性が低いために黒く見える。 平面型太陽電池（■）、低密度ナノワイヤ太陽電池（◆）及び高密度ナノワイヤ太陽電池（▲）に関し、正反射率を波長の関数として示している。 本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型太陽電池の側面図走査電子顕微鏡写真である。 本発明のある実施形態に係る、Ｓｉナノワイヤを含む薄膜型太陽電池の平面図走査電子顕微鏡写真である。 図１及び２に示すコンフォーマル皮膜の変形例を示している。
符号の説明
１００ 光起電力装置
１０１ Ｓｉナノワイヤ
１０２ 基板
１０３ 第一のコンフォーマルＳｉ層
１０４ 第二のコンフォーマルＳｉ層
１０５ 導電性透明材料
１０６ 上部接点

Claims (10)

  1. 以下のａ）〜ｅ）を備える光起電力装置。
    ａ）基板上に実質的に垂直な配向で設けられた複数のＳｉナノワイヤであって、第一のタイプのドーピングを有するＳｉナノワイヤ、
    ｂ）複数のＳｉナノワイヤ上にコンフォーマルに設けられた非晶質真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層であって、光起電力装置に当たる光の大部分を効果的に吸収する第一のコンフォーマルＳｉ層、
    ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層上にコンフォーマルに設けられた第二のコンフォーマルＳｉ層であって、第二のタイプのドーピングを有していて電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマルＳｉ層、
    ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に設けられた導電性材料層、及び
    ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点。
  2. さらに、基板上に存在するか或いは基板と一体をなすナノポーラステンプレートであって、そこからＳｉナノワイヤが延び出ているナノポーラステンプレートを含む、請求項１記載の光起電力装置。
  3. 基板が透明である、請求項１記載の光起電力装置。
  4. Ｓｉナノワイヤがｐドープされている、請求項１記載の光起電力装置。
  5. 第二のコンフォーマルＳｉ層がｎドープされている、請求項１記載の光起電力装置。
  6. 導電性材料層が金属であり、導電性材料層が約５０ｎｍ〜約２μｍの厚さを有する、請求項１記載の光起電力装置。
  7. 導電性材料層が透明であり、導電性材料層が約５０〜約２００ｎｍの厚さを有する、請求項１記載の光起電力装置。
  8. 導電性材料層が上部接点を形成する、請求項１記載の光起電力装置。
  9. 光起電力装置の製造方法であって、
    ａ）基板上に複数のナノワイヤを設ける段階であって、Ｓｉナノワイヤは表面の平面に対して実質的に垂直に配向していると共に、Ｓｉナノワイヤは第一のタイプのドーピングを有する段階、
    ｂ）複数のナノワイヤ上に真性シリコンの第一のコンフォーマルＳｉ層をコンフォーマルに堆積させる段階、
    ｃ）第一のコンフォーマルＳｉ層の回りに第二のコンフォーマルＳｉ層を堆積させる段階であって、第二のコンフォーマルＳｉ層は第二のタイプのドーピングを有していてＳｉナノワイヤ及び第一のコンフォーマルＳｉ層と共に電荷分離接合を形成する段階、
    ｄ）第二のコンフォーマルＳｉ層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに
    ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のＳｉナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマルＳｉ層と電気的に接触している上部接点を形成する段階
    を含んでなる方法。
  10. 請求項１記載の光起電力装置の１以上を含んでなるソーラーパネルであって、かかる装置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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