JP2010219407A - メッシュ構造を有する電極を具備した太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の太陽電池は、光電変換層と、光入射面側電極層と、対向電極層とを具備し、前記光入射面側電極層が前記層を貫通する複数の開口部を有し、かつその膜厚が10nm以上200nm以下の範囲にあり、前記開口部の1つあたりの面積が80nm2以上0.8μm2以下の範囲にあり、開口部の開口率が10%以上66%以下の範囲にあり、光吸収層の少なくとも一部が、前記光入射面側電極層と前記光電変換層の接触面から1μm以内の距離に配置されていることを特徴とする。この電池の光入射面側電極層は、微粒子の単粒子層や、ブロックコポリマーの自己組織化によるドットパターンをマスクにエッチングしたり、スタンパーを利用して形成させることができる。
【選択図】図1
Description
前記光入射面側電極層が金属により構成され、前記層を貫通する複数の開口部を有し、かつその膜厚が10nm以上200nm以下の範囲にあり、
前記開口部の1つあたりの面積が80nm2以上0.8μm2以下の範囲にあり、
前記光入射面側電極層の総面積に対する前記開口部の総面積の割合である開口率が10%以上66%以下の範囲にある
ことを特徴とするものである。
金属薄膜層を形成させる工程と、前記金属薄膜層の少なくとも一部にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成させる工程と、前記レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成させる工程と、前記単粒子層をエッチングマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成させる工程と、前記レジストパターンの開口部に無機物質を充填して反転パターンマスクを形成させる工程と、前記反転パターンマスクをエッチングマスクとして前記金属薄膜層をエッチングすることにより微細な開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、を含むことを特徴とするものである。
(1)光電変換層を形成させてから、その一方の面に光入射面側電極、そして反対側の面に対向電極を形成させる方法、
(2)光入射面側電極、または対向電極の上に、半導体を積層すること等により光電変換層を形成させ、さらに光電変換層の上に対向電極または光入射面側電極を形成させる方法、
のいずれであってもよい。
(A)電極のもととなる金属薄膜上にレジストを塗布してレジスト層を形成させ、
そのレジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成させ、
その単粒子層をエッチングマスクとして微細な開口部に対応するレジストパターンを形成させ、
そのレジストパターンの開口部に無機物質を充填して、反転パターンマスクを形成させ、
その反転パターンマスクを介して金属薄膜をエッチングして微細な開口部を形成させる方法、
(B)電極のもととなる金属薄膜上にブロックコポリマーを含む組成物を塗布して、ブロックコポリマー膜を形成させ、
ブロックコポリマーのドット状のミクロドメインを生成させ、
生成したミクロドメインのパターンを介して金属薄膜をエッチングして微細な開口部を形成させる方法、
(C)形成させようとする光入射面側電極の形状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し、
電極のもととなる金属薄膜上にそのスタンパーを利用してレジストパターンを転写し、
そのレジストパターンを介して金属薄膜にパターンを形成させる方法
などが挙げられる。
本例では、単結晶Si型太陽電池の製造方法及びその特性について、図8を参照しながら説明する。
まず、単結晶Siの光電変換層の製造方法について説明する。
図8(a)示すように、まず、半導体基板としてp型の単結晶シリコンからなるp型シリコン基板601を用意する。ここでは、不純物としてボロンがドープされチョクラルスキー法で引き上げたシリコンインゴッドをマルチワイヤソーで厚さ540μmにスライスして作製された比抵抗が約8Ω・cmのp型の単結晶シリコンからなるp型シリコン基板601を機械研磨により380μmまで薄くした。なお、本発明においては、ここで半導体基板として多結晶シリコンを用いてもよいし、不純物としてボロン以外の一般的に知られている不純物をドープしてもよい。
次に、n+層602上に、微細開口を有する光入射面側電極としてアルミニウムからなるナノメッシュ構造を有する光入射面側電極を作成した。本発明者らは、基板上に細密充填構造に配向された微粒子の単粒子層を形成させ、配列したナノ粒子をエッチングによって任意のサイズに縮小してドットパターンを作成する方法を見出した。この配向されたドット状パターンを金属薄膜605に転写することで、開口部を有する光入射面側電極605Aとして用いることができる。その光入射面側電極の具体的な作成方法を説明すると以下の通りである。
以上の工程によって、前記n+層上に、厚み50nm、平均開口面積9.8×10−3μm2(開口径112nm)、平均開口率28.4%、の開口を有するアルミニウムからなるメッシュ構造を有する表面電極605Aを作成した。また、作製した光入射面側電極の入射光波長500nmにおける透過率を測定した結果、透過率は約39%であり、抵抗率は約107.3μΩ・cmであった。
上記のようにして作製した実施例1の太陽電池にAM1.5の擬似太陽光を照射した際の室温における光電変換効率を評価した。その結果、光電変換効率は6.1%と良好な値を示した。また、アルミニウム以外の金属材料を光入射面側電極の材料として用いた場合についても、同様の検討を行った結果、本発明の効果が得られることが確認された。
実施例1と同様の方法で、膜厚および平均開口率は等しいが、平均開口径がおよそ20倍の2μm(平均開口面積3.1μm2)である光入射面側電極を有する太陽電池を作成した。開口部の開口径が大きいので、作成にはフォトリソグラフィー技術を用いた。実施例1と同様の評価を行った結果、得られた変換効率は3.6%であった。
実施例2では、多結晶Si型太陽電池の作製方法について説明する。多結晶Si型の太陽電池の製造方法は、実施例1に述べた単結晶Siの場合のそれとほぼ類似している。
実施例2と同様の方法で、膜厚および平均開口率は等しいが、平均開口径がおよそ20倍の2μm(平均開口面積3.1μm2)である光入射面側電極を有する太陽電池を作成した。開口部の開口径が大きいので、作成にはフォトリソグラフィー技術を用いて作製した。実施例2と同様の評価を行った結果、得られた変換効率は3.7%であった。
本例では、アモルファスSi型太陽電池の作製方法について、図9を参照しながら説明する。
本例では、カルコパイライト系化合物半導体型太陽電池の作製方法について説明する。
本例では、GaASを用いた化合物半導体型太陽電池について説明する。
p型GaAsウェハの表面に有機金属気相堆積方によりn+型層をエピタキシャル成長させ、セルを作製した。続いて、実施例1と同様に、微細開口部を有する光入射面側電極と対向電極とを形成させた。作製したGaASを用いた化合物半導体型太陽電池の光電変換効率を実施例1と同様の方法で評価したところ、6.3%と良好な値を示した。
本例では、ブロックコポリマーの相分離を用いた方法で作成した微細開口部を有する光入射面側電極を有する単結晶Si型太陽電池の作製方法について説明する。単結晶Siの光電変換層の製造は、実施例1と同様の方法で行った。
本例では、ナノインプリント法を利用して作成した微細開口部を有する光入射面側電極を有する単結晶Si型太陽電池の作製方法について、図11を参照しながら説明する。単結晶Siの光電変換層の製造は、実施例1と同様の方法で行った。
102 対向電極
103 光電変換層
104 開口部
301 光入射面側電極層の端部
302 電場
601 p型半導体
602 n+層
603 光電変換層
604 対向電極
605 金属薄膜
605A 光入射面側電極
606 レジスト層
607 トラップ層
608 シリカ微粒子
609 スピンオングラス
701 透明基板
702 光入射面側電極
706 光電変換層
707 裏面基板
803 光電変換層
807 ブロックコポリマー層
807A ポリメチルメタクリレートのマトリックス
807B ポリスチレンのドット状のミクロドメイン
808 光入射面側電極
906 レジスト層
907 スタンパー
Claims (10)
- 少なくともp型半導体とn型半導体を含む光電変換層と、前記光電変換層の光照射面に形成された光入射面側電極層と、光照射面とは反対側の面に形成された対向電極層とを具備し、
前記光入射面側電極層が金属により構成され、前記層を貫通する複数の開口部を有し、かつその膜厚が10nm以上200nm以下の範囲にあり、
前記開口部の1つあたりの面積が80nm2以上0.8μm2以下の範囲にあり、
前記光入射面側電極層の総面積に対する前記開口部の総面積の割合である開口率が10%以上66%以下の範囲にある
ことを特徴とする太陽電池。 - 空乏層の少なくとも一部が、前記光入射面側電極層と前記光電変換層の接触面から1μm以内の距離に配置されている、請求項1に記載の太陽電池。
- 隣接する開口部の間の距離の平均値が10nm以上200nm以下である、請求項1または2に記載の太陽電池。
- 前記光入射面側電極層を構成する金属が、アルミニウム、銀、金、白金、ニッケル、コバルト、クロム、銅、およびチタンからなる群から選択される、請求項1に記載の太陽電池。
- 光電変換層を形成させる工程と、
前記光電変換層の光照射面側に光入射面側電極層を形成させる工程と、
前記光電変換層の光照射面と反対側に対向電極層を形成させる工程と、を含む太陽電池の製造方法であって、前記光入射面側電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成させる工程と、
前記レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成させる工程と、
前記単粒子層をエッチングマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンの開口部に無機物質を充填して反転パターンマスクを形成させる工程と、
前記反転パターンマスクをエッチングマスクとして前記金属薄膜層をエッチングすることにより微細な開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と
を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記微粒子がシリカ粒子である、請求項5に記載の方法。
- 光電変換層を形成させる工程と、
前記光電変換層の光照射面側に光入射面側電極層を形成させる工程と、
前記光電変換層の光照射面と反対側に対向電極層を形成させる工程と、を含む太陽電池の製造方法であって、前記光入射面側電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
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金属薄膜をエッチングして微細な開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記ブロックコポリマーが、ポリスチレン−ポリメチルメタクリレートのジブロックコポリマーである、請求項7に記載の方法。
- 光電変換層を形成させる工程と、
前記光電変換層の光照射面側に光入射面側電極層を形成させる工程と、
前記光電変換層の光照射面と反対側に対向電極層を形成させる工程と、を含む太陽電池の製造方法であって、前記光入射面側電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする光入射面側電極の形状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、
前記金属薄膜層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金属薄膜層をエッチングして微細な開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記スタンパーが、電子ビーム露光を用いて作成される、請求項9に記載の方法。
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