JP2011511464A - 薄膜光起電力デバイスおよび関連製造方法 - Google Patents

薄膜光起電力デバイスおよび関連製造方法 Download PDF

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Abstract

本明細書で記載されるのは、薄膜光起電力デバイスおよび関連する製造方法である。一実施形態において、光起電力デバイスは、（１）構造特徴部のアレイを含む構造化基板と、（２）前記構造化基板に隣接して配置され、かつ、前記構造特徴部のアレイに実質的に適合するような形状である、第１の電極層と、（３）前記第１の電極層に隣接して配置され、かつ、前記第１の電極層に実質的に適合するような形状である、活性層であって、一組の光活性材料を含む、活性層と、（４）前記活性層に隣接して配置され、かつ、前記第１の電極層および第２の電極層がインターロッキング構成を有するような形状である、第２の電極層とを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年２月３日に出願された米国仮出願シリアル番号第６１／０２５，７８６号の恩恵を主張する。本明細書中、同文献の開示内容全体を参考のため援用する。
発明の分野
本発明は、主に光起電力デバイスに関する。より詳細には、本発明は、構造化基板を用いて形成された薄膜光起電力デバイスに関する。
背景
光起電力デバイス（太陽電池としても知られる）は、太陽放射エネルギーからのエネルギーを電気へと変換するように動作し、この電気は外部負荷へと送達されて、有用な作業に用いられる。既存の光起電力デバイスの動作中、入射太陽放射エネルギーは前記光起電力デバイスを貫通し、前記光起電力デバイス内の一組の光活性材料によって吸収される。太陽放射エネルギーが吸収されることにより、電荷キャリアが電子正孔対つまり励起子の形態で発生する。前記光活性材料間の界面における駆動力（例えば、ｐｎ接合におけるドーピング差に起因するもの）に起因して、電子が一電極を通じて前記光起電力デバイスから出て行く一方、ホールは別の電極を通じて前記光起電力デバイスから出て行く。その正味の効果とは、入射太陽放射エネルギーによって駆動された光起電力デバイスを通じて電流が流れることである。
莫大な量のある再生可能太陽エネルギー源を活用することにより、光起電力デバイスは、化石燃料エネルギー源に代わる有望なエネルギー源となっている。しかしながら、光起電力デバイスは、現在のところ化石燃料エネルギー源と比較してコスト競争力に欠けている。バルク結晶性半導体材料の代わりに光活性材料の薄膜を用いることにより光起電力デバイスのコストを低減するというアプローチは、特に有望である。このようにコスト低減面において恩恵はあるものの、既存の薄膜光起電力デバイスの場合、入射太陽放射エネルギーを有用な電気エネルギーに効率的に変換する能力においていくつかの技術的制約が有ることが多く、このような制約は、薄膜処理に起因する材料品質の低下に少なくとも部分的に由来する。全入射太陽放射エネルギーを有用な電気エネルギーに変換できないということは、既存の薄膜光起電力デバイスの損失または非効率を意味する。
このような背景に照らして、本明細書中記載される薄膜光起電力デバイスおよび関連製造方法を開発する必要が生じている。
概要
特定の実施形態は、光起電力デバイスに関する。一実施形態において、前記光起電力デバイスは、（１）構造特徴部（functional structure）のアレイを含む構造化基板と、（２）前記構造化基板に隣接して配置され、かつ、前記構造特徴部のアレイに実質的に適合するような形状である、第１の電極層と、（３）前記第１の電極層に隣接して配置され、かつ、前記第１の電極層に実質的に適合するような形状である、活性層であって、一組の光活性材料を含む、活性層と、（４）前記活性層に隣接して配置され、かつ、前記第１の電極層および第２の電極層がインターロッキング構成を有するような形状である、第２の電極層とを含む。
別の実施形態において、前記光起電力デバイスは、（１）構造化基板と、（２）前記構造化基板に隣接して配置され、かつ、前記構造化基板に合わせた形状である一組の突起部を含む、第１の電極層と、（３）前記第１の電極層から間隔を空けて配置された第２の電極層であって、前記第１の電極層の前記一組の突起部を補完する一組の凹部を含む、第２の電極層と、（４）前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置された一組の光活性層とを含む。
さらに別の実施形態において、前記光起電力デバイスは、（１）構造化基板と、（２）前記構造化基板に隣接して配置された第１の電極層であって、前記構造化基板に合わせた形状である一組の凹部を含む、第１の電極層と、（３）前記第１の電極層から間隔を空けて配置された第２の電極層であって、前記第１の電極層の前記一組の凹部を補完する一組の突起部を含む、第２の電極層と、（４）前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置された一組の光活性層とを含む。
他の実施形態は、構造化基板を形成する方法に関する。一実施形態において、前記方法は、（１）導電層を含む基板を提供するステップと、（２）（ａ）金属の第１供給源と、（ｂ）前記金属の第２供給源および錯化剤を含む成長溶液とに前記基板を曝露することにより、前記基板の前記導電層に隣接するナノ構造のアレイを形成するステップとを含む。前記ナノ構造のアレイは、金属酸化物を含む。
本発明の他の局面および実施形態も企図される。上記の要旨および以下の詳細な説明は、本発明を任意の特定の実施形態に限定することを意図しておらず、ひとえに本発明のいくつかの実施形態を記述することを意図するものである。
本発明のいくつかの実施形態の本質および目的のより深い理解のために、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照すべきである。図面中、文脈から明らかに違うことが分かる場合を除いて、類似の参照符号は類似の要素を指す。
本発明の一実施形態に従って実装された折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスを示す。 本発明の一実施形態による、図１の光起電力デバイスの動作中の光吸収増大のための機構を示す。 本発明の一実施形態に従って実装された構造化基板を示す。 本発明の一実施形態に従って実装された構造化基板のさらなる局面および利点を示す。 本発明の別の実施形態に従って実装された構造化基板を示す。 本発明の別の実施形態に従って実装された折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスを示す。 本発明の一実施形態による、階層構造形成によって実装された折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスを示す。 本発明の一実施形態に従って実装された多接合光起電力デバイスを示す。 本発明の別の実施形態に従って実装された薄膜光起電力デバイスを示す。 本発明の一実施形態による、折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスを形成するための製造方法を示す。 本発明の一実施形態による、構造化基板を形成するための製造方法を示す。 本発明の別の実施形態による、構造化基板を形成するための製造方法を示す。 本発明の一実施形態に従って実装された折り畳み接合光起電力デバイスを示す。 本発明の一実施形態による、ドーピングを空間的に変化させることにより形成された折り畳み接合を含む光起電力デバイスを示す。 本発明の一実施形態に従って実装された、コーティングされた構造化基板の走査型電子顕微鏡画像を示す。 本発明の一実施形態による、コーティングされた構造化基板およびコーティングされた平坦基板の透過率値および反射率値を波長の関数としてプロットしたものを示す。 図１６から得られたにもののような、本発明の一実施形態による、コーティングされた構造化基板およびコーティングされた平坦基板の吸光度値を波長の関数としてプロットしたものを示す。 本発明の一実施形態による、コーティングされた構造化基板およびコーティングされた平坦基板の散乱損失測定結果を狭い波長領域における波長および統合透過測定の関数としてプロットしたものを示す。
詳細な説明
概要
本発明の特定の実施形態は、構造化基板を用いて形成された薄膜光起電力デバイスに関する。構造化基板を用いることにより、製造容易性を維持しつつ、太陽光の変換効率を向上させることが可能になる。いくつかの実施形態において、薄膜光起電力デバイス層は、構造特徴部のアレイを含む構造化基板の上に形成される。得られた光起電力接合は、蒸着体積内において分散するかまたは「折り畳まれ」、これにより折り畳み接合が形成されて、電荷分離が発生する。前記構造特徴部による散乱に起因する光吸収向上と、有効光学厚さまたは表面積を増加させるような前記構造特徴部の縦方向寸法の増加とにより、効率向上を達成することができる。折り畳みジオメトリおよび電極に対する近接性に基づいて前記折り畳み接合からの電荷収集効率を向上させることにより、さらなる効率向上を達成することができる。さらに、前記構造化基板により、一組の光活性材料からなる、より薄い活性層を用いることが可能となり、電荷収集効率が向上し、材料品質に対する制約が緩和される。このようにして、前記構造化基板を用いることにより、太陽光の変換効率の増加を達成しつつ、コスト削減が可能となる。
定義
以下の定義は、本発明のいくつかの実施形態に関して記載される要素のうちのいくつかに適用される。これらの定義は、本明細書中同様に拡大され得る。
本明細書で用いられる単数形である「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈から明らかに違うことが分かる場合を除いて、複数の指示対象を含む。よって、例えば、１つ（ａ）の材料について言及した場合、文脈から明らかに違うことが分かる場合を除いて、複数の材料が含まれる。
本明細書で用いられる用語である「（一）組（の）」とは、１つもしくは複数の物体の集合を指す。よって、例えば、一組の層は、単一の層または複数の層を含み得る。一組の物体はまた、前記組の構成要素のことを指す場合もある。一組の物体は、同一である場合もあるし、異なる場合もある。いくつかの場合において、一組の物体は、１つもしくは複数の共通の特性を共有し得る。
本明細書で用いられる用語である「隣接する」とは、近接または隣接している状態を指す。隣接する物体は、相互に間隔を空けて配置されている場合もあるし、あるいは実際にまたは直接的に相互接触している場合もある。いくつかの場合において、隣接する物体は、相互に接続されている場合もあるし、あるいは相互に一体形成されている場合もある。
本明細書で用いられる用語である「接続する」「接続された」および「接続」とは、動作可能な様態の連結または結合を指す。接続されている物体は、相互に直接連結されていてもよいし、あるいは別の一組の物体を介して相互に関接的に連結されていてもよい。
本明細書で用いられる用語である「実質的に」および「実質的」とは、相当な程度または範囲を指す。ある事象または状況と共に用いられた場合、これらの用語は、当該事象または状況がまさに発生する場合および当該事象または状況が似たような様態で発生する場合（例えば、本明細書中記載される製造方法の典型的な許容レベルを含む）を指す。
本明細書で用いられる用語である「自由選択の」および「自由選択的に」とは、後で説明する事象または状況が発生してもしなくてもよく、その記載には当該事象または状況が発生する場合と発生しない場合が含まれることを意味する。
本明細書で用いられる用語である「曝露する」、「曝露されている」および「曝露された」とは、特定の物体を別の物体と相互作用させることを指す。相互に実際にまたは直接的に接触させることなく、特定の物体を別の物体に対して曝露することができる。また、２物体間の間接的な相互作用を介して（例えば、一組の中間物体を介して）特定の物体を別の物体に曝露することができる。
本明細書で用いられる用語である「紫外線領域」とは、約５ナノメートル（「ｎｍ」）〜約４００ｎｍの波長範囲を指す。
本明細書で用いられる用語である「可視範囲」とは、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲を指す。
本明細書で用いられる用語である「赤外領域」とは、約７００ｎｍ〜約２ミリメートル（「ｍｍ」）の波長範囲を指す。
本明細書で用いられる用語である「反射」、「反射する」および「反射性」とは、光の屈折または偏向を指す。光の屈折または偏向は、実質的に単一の方向（例えば、鏡面反射の場合など）であり得、または複数の方向（例えば、乱反射または散乱の場合など）であり得る。一般的に、ある角度で反射性材料に入射する光と、別の角度で前記反射性材料から反射される光とは、波長が同一または異なる。
本明細書で用いられる用語である「フォトルミネセンス」、「光輝性」および「フォトルミネス」とは、エネルギー励起に応答して発生する発光（例えば、光吸収に応答して発生するもの）を指す。一般的に、光輝性材料に入射する光および前記光輝性材料から放射される光の波長は、同一であるかまたは異なり得る。
本明細書で用いられる用語である「光活性」とは、光を吸収可能でありかつ光を電気エネルギーへと変換するエネルギー変換が可能なデバイスにおいて使用可能な材料を指す。
本明細書で用いられる用語である「ナノメートル範囲」または「ｎｍ範囲」とは、約１ｎｍ〜約１マイクロメータ（「μｍ」）の寸法範囲を指す。前記ｎｍ範囲は、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの寸法範囲を指す「下方ｎｍ範囲」と、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの寸法範囲を指す「中間ｎｍ範囲」と、約１００ｎｍ〜約１μｍの寸法範囲を指す「上方ｎｍ範囲」とを含む。
本明細書で用いられる用語である「マイクロメータ範囲」または「μｍ範囲」とは、約１μｍ〜約１ｍｍの寸法範囲を指す。前記μｍ範囲は、約１μｍ〜約１０μｍの寸法範囲を指す前記「下方μｍ範囲」と、約１０μｍ〜約１００μｍの寸法範囲を指す前記「中間μｍ範囲」と、約１００μｍ〜約１ｍｍの寸法範囲を指す前記「上方μｍ範囲」とを含む。
本明細書で用いられる用語である「アスペクト比」とは、物体の最大の寸法または範囲と、前記物体の残りの寸法または範囲の平均との比を指し、前記残りの寸法は、相互に対してかつ前記最大寸法に対して直交する。いくつかの場合において、物体の残りの寸法は実質的に同一であり得、前記残りの寸法の平均は、前記残りの寸法のどちらにも実質的に対応し得る。例えば、円筒のアスペクト比とは、前記円筒の長さと前記円筒の断面直径との比を指す。別の例として、回転楕円体のアスペクト比とは、前記回転楕円体の主軸と、前記回転楕円体の短軸との比を指す。
本明細書で用いられる用語である「ナノ構造」とは、少なくとも１つの寸法を前記ｎｍ範囲内に有する物体を指す。ナノ構造は、多様な広範囲の形状のうち任意の形状であり得、多様な広範囲の材料うちの任意の材料で形成され得る。ナノ構造の例を挙げると、ナノロッド、ナノチューブおよびナノ粒子がある。
本明細書で用いられる用語である「ナノロッド」とは、実質的に固体である細長ナノ構造を指す。典型的には、ナノロッドの横方向寸法は前記ｎｍ範囲内であり、縦方向寸法は前記μｍ範囲内であり、アスペクト比は約３以上である。
本明細書で用いられる用語である「ナノチューブ」とは、細長の中空のナノ構造を指す。典型的には、ナノチューブの横方向寸法は前記ｎｍ範囲内であり、縦方向寸法は前記μｍ範囲内であり、アスペクト比は約３以上である。
本明細書で用いられる用語である「ナノ粒子」とは、回転楕円体ナノ構造を指す。典型的には、ナノ粒子の各寸法は前記ｎｍ範囲内であり、前記ナノ粒子のアスペクト比は約３未満である。
本明細書で用いられる用語である「微細構造」とは、少なくとも１つの寸法を前記μｍ範囲内に有する物体を指す。典型的には、微細構造の各寸法は、前記μｍ範囲内であるかまたは前記μｍ範囲を超える。微細構造は、多様な広範囲の形状のうちの任意の形状であり得、多様な広範囲の材料のうちの任意の材料から形成され得る。微細構造の例を挙げると、マイクロロッド、マイクロチューブおよび微粒子がある。
本明細書で用いられる用語である「マイクロロッド」とは、実質的に固体である細長微細構造を指す。典型的には、マイクロロッドの横方向寸法は前記μｍ範囲内であり、アスペクト比は約３以上である。
本明細書で用いられる用語である「マイクロチューブ」とは、細長の中空の微細構造を指す。典型的には、マイクロチューブの横方向寸法は前記μｍ範囲内であり、アスペクト比は約３以上である。
本明細書で用いられる用語である「微粒子」とは、回転楕円体微細構造を指す。典型的には、微粒子の各寸法は前記ｎｍ範囲内であり、前記微粒子のアスペクト比は約３未満である。
構造化基板を用いて形成された薄膜光起電力デバイス
図１は、本発明の一実施形態に従って実装された折り畳み接合型薄膜光起電力デバイス１００を示す。光起電力デバイス１００は、構造化基板１０２を含む。構造化基板１０２は、ベース基板１０４と、ベース基板１０４から延びる構造特徴部１０６のアレイとを含む。図示の実施形態において、構造特徴部１０６のアレイは、ベース基板１０４の上面から上方に延びる細長構造のアレイに対応する。構造特徴部１０６のアレイの位置決めおよび方向付けは、図１中に示すものと異なってよく、構造特徴部１０６のアレイは、均一または不均一な様態で分布させることができる点が認識されるべきである。
構造化基板１０２の上側には、一組の光起電力デバイス層が配置される。前記一組の光起電力デバイス層は、第１の電極層１０８と、活性層１１６と、第２の電極層１１４とを含む。第１の電極層１０８、活性層１１６および第２の電極層１１４はそれぞれ、一組のコーティングつまり一組の膜として形成される。図１に示すように、第１の電極層１０８は、構造特徴部１０６のアレイの上側に形成され、かつ、前記残りの光起電力デバイス層のための空間を残しつつ、構造特徴部１０６のアレイに実質的に適合するような形状である。活性層１１６は、第１の電極層１０８の上側に形成され、かつ、第２の電極層１１４のための空間を残しつつ、第１の電極層１０８に実質的に適合するような形状である。図示の実施形態において、活性層１１６は、一対の光活性層１１０および１１２を含み、光活性層１１０と光活性層１１２との間の界面は、電荷分離の発生場所となる光起電力接合を形成する。他の実装（例えば、多接合実装）において、より多数またはより少数の光活性層および電極層を設けてもよいことが企図される。図１に示すように、第２の電極層１１４は、活性層１１６の上側に形成され、かつ、活性層１１６に実質的に適合するような形状である。
構造特徴部１０６のアレイを等角的に被覆することにより、第１の電極層１０８は、突起部のアレイを含むような形状である。前記突起部のアレイは、ベース基板１０４から上方に延び、かつ、構造特徴部１０６のアレイをそれぞれ被覆する。補完的様態で、第２の電極層１１４は、凹部のアレイを含むような形状である。前記凹部のアレイは、第１の電極層１０８から遠離方向に延び、かつ、第１の電極層１０８の突起部のアレイのそれぞれ１つを覆う。図１に示すように、第１の電極層１０８の突起部のアレイはそれぞれ、第２の電極層１１４の凹部のアレイそれぞれの内部に延びかつ第２の電極層１１４の凹部のアレイそれぞれによって包囲される。このようにして、第１の電極層１０８および第２の電極層１１４は、インターロッキングまたは相互嵌合構成において間隔を空けて配置される。インターロッキング電極層１０８とインターロッキング電極層１１４との間の空間つまり体積内に活性層１１６を配置することにより、得られる光起電力接合がこの空間内に分布するかまたは「折り畳まれ」、その結果、本明細書でさらに説明するように効率が向上する。
光起電力デバイス１００の動作中、特定の割合の入射太陽放射エネルギーが第２の電極層１１４を貫通し、活性層１１６内の一組の光活性材料によって吸収される。太陽放射エネルギーが吸収されることにより、光励起電荷キャリアが電子正孔対の形態で生成される。電子が輸送され、電極層１０８および電極層１１４のうち１つを通じて光起電力デバイス１００から出て行く。ホールが輸送され、電極層１０８および電極層１１４のうち他方の電極層を通じて光起電力デバイス１００から出て行く（すなわち、前記電極層は、電子の輸送先である電極層を補完する）。その全体の効果は、入射太陽放射エネルギーによって駆動される光起電力デバイス１００を通じて流れる電流である。
有利なことに、光起電力デバイス１００は、入射太陽放射エネルギーの有用な電気エネルギーへの変換という観点において、向上した効率を示す。特に、前記光起電力接合の折り畳みジオメトリと、電極層１０８および電極層１１４のインターロッキング構成とが、電荷収集効率を向上させる働きをする。電極層１０８および電極層１１４に折り畳み接合が近接しているので、分離された電荷キャリアが電極層１０８および電極層１１４のどちらかに（十分な光吸収のためにより厚い層を備えた平面薄膜実装に対して）到達する前に短距離移動しなければならないため、電荷キャリア再結合が低減し、太陽光の変換効率が増加する。電極層１０８および電極層１１４は残りの光起電力デバイス層と共に構造化基板１０２の上側に形成されているため、製造容易性を維持しつつ、信頼性のある電気接点を容易に確立することができる。
加えて、次に図２を参照して、光起電力デバイス１００内の太陽放射エネルギーの散乱により、光吸収が向上する。特に、第２の電極層１１４を貫通する入射太陽放射エネルギーは、コーティングされた構造特徴部１０６のアレイから散乱する。この光学散乱により、前記太陽放射エネルギー線が活性層１１６を複数回通過することが可能になり、よって、電荷キャリアを生成する吸収可能性が大きくなる。望ましくは、関連する寸法および構造特徴部１０６のアレイのスペーシングは微小（例えば、前記μｍ範囲内または前記ｎｍ範囲内）であり、これにより、回折効果を可能にし、大量製造を容易化する。加えて、光活性デバイス１００内に構造特徴部１０６のアレイを設けることにより、平面薄膜の実装に比べて広帯域反射率が低下し、これにより、入射太陽放射エネルギーの反射損失が低下し、光起電力デバイス１００内の光吸収がさらに上昇する。
活性層１１６の特定の厚さについて、構造特徴部１０６のアレイの縦方向寸法を調節することにより、光吸収の範囲を制御することができる。該縦方向寸法を増加することにより、活性層１１６の特定の厚さを維持しつつ、より大きな表面積の活性層１１６が入射太陽放射エネルギーおよび散乱した太陽放射エネルギー線を遮断することができる。いくつかの場合において、前記縦方向寸法を活性層１１６の光吸収深さよりも大きくなるように調節するまたはおよそ活性層１１６の光吸収深さになるように調節することにより、光吸収を向上させることができる。実際、この向上した光吸収によって、活性層１１６の厚さを平面薄膜実装と比べて低減することができる。このような厚さ低減により、光活性材料要求が低減し、これによりコスト節約が可能になる。加えて、このような厚さ低減により、少なくとも２つの点において電荷収集効率を向上させることが可能になる。第１に、光活性層１１０および光活性層１１２が折り畳み接合に近接しているので（すなわち、光活性層１１０および光活性層１１２中の材料体積が、前記材料体積内の位置と無関係に、前記折り畳み接合に近接して存在しているので）、活性層１１６内の光励起電荷キャリア対の位置に関係なく、より高い割合の光励起電荷キャリア対の電荷分離を有効にすることができる。第２に、分離された電荷キャリアが電極層１０８および電極層１１４のいずれか一方に到達する前に短距離移動しなければならないため、電荷再結合が低減する。さらに、光活性材料としてアモルファスシリコンを用いた場合、このような厚さ低減は、Ｓｔａｅｂｌｅｒ‐Ｗｒｏｎｓｋｉ効果を回避または低減することができ、この効果は比較的高速の光誘起効率低下および後の安定化を伴うことができる。
図１および図２に示す光起電力デバイス１００は、多様な様式で実装することができる。図示の実施形態において、第１の電極層１０８はバック電気接点として機能し、第２の電極層１１４は、入射太陽放射エネルギーに対向する透明電気接点として機能する。従って、第２の電極層１１４は望ましくは、実質的に透明であるかまたは前記可視範囲において半透明であり（なおかつ前記可視範囲に隣接する紫外線領域および赤外領域において実質的に透明または半透明である）導電性材料から形成される。第２の電極層１１４を構成する適切な導電性材料を挙げると、透明導電性酸化物（例えば、インジウムスズ酸化物（「ＩＴＯ」）、アルミニウムドープ酸化亜鉛、およびフッ素化酸化スズ）、透明導電性ポリマー、およびそれらの混合物がある。第１の電極層１０８は、実質的に透明または半透明である導電性材料から構成してもよい。第２の電極層１１４が前記可視範囲内において実質的に透明または半透明である場合、光が光活性材料を通過する回数を増加させるために、第１の電極層１０８が前記可視範囲において実質的に反射性であることが望ましい。第１の電極層１０８を構成する適切な導電性材料の他の例を挙げると、金属（例えば、銅、金、銀、アルミニウム、および鋼）、合金、ドープ材料およびそれらの混合物がある。光起電力デバイス１００は、本明細書でさらに説明するように、上層基板構成つまり逆構成で実装してもよい。第１の電極層１０８および第２の電極層１１４それぞれの厚さは、コーティングされた構造特徴部１０６のアレイに全体にわたって実質的に均一であり得る（例えば、前記厚さが示す偏差は、平均厚さの約４０パーセント未満または約３０パーセント未満であり、前記ｎｍ範囲内にある（例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約１００ｎｍ））。
図示の実施形態において、活性層１１６は一対の光活性層１１０および光活性層１１２を含むが、他の実装においてより多数またはより少数の光活性層を設けてもよい。光活性層１１０および光活性層１１２は、ホモ接合を形成するように、同一の光活性材料（でありかつ異なるドーピングレベルまたは異なるドーピング型を有する材料）から形成され得る。あるいは、光活性層１１０および光活性層１１２は、ヘテロ接合を形成するように、異なる光活性材料（例えば、異なるドーピング型の光活性材料）で形成され得る。適切な光活性材料の例を挙げると、アモルファスシリコン、結晶性シリコン、テルル化カドミウム（「ＣｄＴｅ」）、銅インジウムガリウム（ｄｉ）セレン化物（「ＣＩＧＳ」）、硫化カドミウム、金属酸化物、シロキセン、ｐ型有機材料およびｎ型有機材料、ならびにそれらの混合物がある。光活性層１１０および光活性層１１２のそれぞれの厚さは、コーティングされた構造特徴部１０６のアレイ全体にわたって実質的に均一である（例えば、前記厚さの示す偏差は、平均厚さに対して約４０パーセント未満または約３０パーセント未満であり、前記ｎｍ範囲内である（例えば、約１ｎｍ〜約７００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約５００ｎｍ））。いくつかの場合において、光活性層の厚さは、特定の光活性材料の光吸収特性によって異なり得る。例えば、アモルファスシリコンの場合において、厚さは約１０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲内である（例えば、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約２５０ｎｍ、または約１００ｎｍ〜約２００ｎｍ）。別の例として、結晶性シリコンの場合において、厚さは約３５０ｎｍ〜約６５０ｎｍの範囲内であり得る（例えば、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍまたは約４５０ｎｍ〜約５５０ｎｍ）。光活性層の厚さは、構造特徴部１０６のアレイの特定の寸法によって異なり得、このような寸法は望ましくは、十分なレベルの構造的安定性を維持しつつ、前記光活性層の厚さを低減するように選択される。
折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスのさらなる局面および利点は、図３を参照すれば理解することができる。図３は、本発明の一実施形態に従って実装された構造化基板３００を示す。構造化基板３００は、直接的でありかつ信頼性のある電気接点を可能にする薄膜光起電力デバイス層の堆積を支援しつつ、散乱および広帯域反射の防止のための構造特徴部を提供する。構造化基板３００は電荷生成または輸送（これらは、後続的に堆積される光起電力デバイス層によって実施され得る）に関与する必要が無いため、構造化基板３００の材料品質に関連する制約を緩めることが可能になり、低コストの処理技術を有利に用いて、構造化基板３００を形成することができる。加えて、構造化基板３００は、特徴部寸法および特徴部スペーシングを緊密に分布させる必要が無い。なぜならば、後続的に堆積される電極層により、平滑な表面が有効に形成可能であり、かつ、被覆範囲内の任意の隙間に対して欠陥寛容性が得られるからである。この電極層に堆積された光起電力デバイス層が、前記電極層を等角的におよび実質的に被覆することができる限り、得られる折り畳み接合光起電力デバイスは、望ましいレベルの性能向上を示すことができる。いくつかの場合において、構造特徴部をほぼ垂直に方向付けかつおよび相互に適切に間隔を空けて配置することで前記構造特徴部上に光起電力デバイス層が堆積可能である限り、望ましいレベルの性能を達成することが可能である。図示の実施形態により、構造光起電力デバイス層を直接的に構築する他のアプローチと対照的に、これらの利点を容易に達成することができる。
図３を参照すると、構造化基板３００は、ベース基板３０２と、ベース基板３０２から上方に延びるナノ構造のアレイ３０４とを含む。図示の実施形態において、ナノ構造のアレイ３０４は、ベース基板３０２の上面から上方に延びるナノロッドのアレイに対応する。本明細書でさらに説明するように、これらのナノロッドは、金属酸化物（例えば、酸化亜鉛（「ＺｎＯ」）、金属カルコゲニド、または別の適切な材料から形成することができる。これらのナノロッドは、円筒形状に形成され、それぞれ実質的に円形断面を含む。前記ナノロッドの形状は一般的には、多様な形状のうちの任意の形状でよいことが企図される。例えば、ナノロッドを別の種類の円筒形状（例えば、楕円柱形状、正方形柱形状、または角柱形状）にしてもよく、または、非円筒形状（例えば、円錐、じょうご状、テーパー形状、六角形状、または別の幾何学的または非幾何学的形状）であってもよい。また、ナノロッドの、横方向境界を曲線状にするかまたは粗テクスチャにすることが可能であることが企図される。特定の実装において、ナノロッドの横方向寸法Ｌ１（これは、ベース基板３０２の上面に隣接する）を前記ｎｍ範囲内（例えば、約１００ｎｍ〜約１μｍまたは約２００ｎｍ〜約６００ｎｍ）にすることができ、前記ナノロッドの縦方向寸法Ｌ２を前記μｍ範囲内（例えば、約１μｍ〜約３０μｍまたは約１μｍ〜約１０μｍ）にすることができる。ナノロッドの断面が不均一である場合、当該ナノロッドの横方向寸法Ｌ１は、例えば、直交方向に沿った横方向寸法の平均に対応し得る。ナノロッドのアスペクト比は、約５〜約１００の範囲内（例えば、約１０〜約５０または約１０〜約４０）であり得る。性能の向上および製造容易性の維持のため、ナノロッドを実質的に均一な様態で平均して分布させることができ、（前記ナノロッドの中心に対する）最近接のナノロッドのスペーシングＳ１を約５００ｎｍ〜約１０μｍの範囲（例えば、約１μｍ〜約１０μｍまたは約１μｍ〜約５μｍ）にすることができる。ナノロッドの数および前記ナノロッドのベース基板３０２に対する位置決めは、図３中に図示のものと異なり得ることが企図される。また、いくつかの実施形態において、縦方向寸法Ｌ２をより大きくし（例えば、＞１０μｍおよび約１００μｍまで）、横方向寸法Ｌ１をより大きくする（例えば、＞１μｍ）ことが望ましい場合があることが企図される。光活性材料が低い吸収係数を有しかつより厚い光活性層内に設けられている場合、スペーシングＳ１を増大させることが望ましい。
図４は、本発明の一実施形態に従って実装された構造化基板４００のさらなる局面および利点を示す。構造化基板４００は、ベース基板４０２と、ベース基板４０２の上面から上方に延びるナノロッド４０６のアレイとを含む。有利なことに、構造化基板４００は、ナノロッド４０６の特性を厳密に制御する必要が無く、低コストの処理技術を用いて、構造化基板４００を形成することができる。図４に示すように、これらのナノロッド４０６は、ベース基板４０２の上面に対して、縦方向軸において異なった方向に方向付けられる。しかしながら、これらのナノロッド４０６の上側に電極層４０８を等角堆積することにより、その後の光起電力デバイス層のための平滑な表面が有効に形成され、これにより、構造化基板４００および前記デバイス層に対して欠陥寛容性および材料可撓性が得られる。これらのナノロッド４０６を等角的にコーティングすることにより、電極層４０８は、ベース基板４０２に対するナノロッド４０６の接着も向上させる。この接着をさらに向上させるために、比較的薄い接着層４０４を設けて、ナノロッド４０６をベース基板４０２にアンカー固定することができる。層４０４は、電極層４０８のベース基板４０２への接着も支援することができる。特定の実装において、層４０４は、層４０４および層４０８の有効導電率を向上させるよう、導電性であり得る。金属または金属ナノ粒子からなる比較的薄い層を層４０４の代わりにまたは層４０４と共に設けることで、導電率を向上させることができる。
図５は、本発明の別の実施形態に従って実装された構造化基板５００を示す。図３を参照して説明した構造化基板３００と同様に、構造化基板５００は、薄膜光起電力デバイス層の堆積の支援を提供しつつ、散乱および広帯域反射の防止のための構造特徴部を提供する。
図５を参照すると、構造化基板５００は、構造化基板５００の上面から下方に延びる細孔５０２のアレイを含む。これらの細孔は、円筒形状に形成されたチャンネルまたはホールとして実施され、それぞれ実質的に円形断面を有する。前記細孔の形状は一般的には、多様な形状のうちの任意の形状であり得る。例えば、細孔は、別の種類の円筒形状（例えば、楕円柱形状、正方形柱形状、または角柱形状）を有してもよいし、あるいは、非円筒形状（例えば、円錐、じょうご状、または別のテーパー形状）を有してもよい。また、細孔の横方向境界を曲線状または粗テクスチャにすることができることが企図される。特定の実装において、細孔の横方向寸法Ｌ３（これは、構造化基板５００の上面に隣接する）は前記ｎｍ範囲内（例えば、約１００ｎｍ〜約１μｍまたは約２００ｎｍ〜約６００ｎｍ）であり得、前記細孔の縦方向寸法Ｌ４は前記μｍ範囲（例えば、約１μｍ〜約３０μｍまたは約１μｍ〜約１０μｍ）であり得る。細孔の断面が不均一である場合、当該細孔の横方向寸法Ｌ３は、例えば、直交方向に沿った横方向寸法の平均に対応し得る。細孔のアスペクト比は約５〜約１００の範囲内（例えば、約１０〜約５０または約１０〜約４０）であり得る。性能の向上および製造容易性の維持のため、細孔を実質的に均一な様態で平均的に分布させることができ、（前記細孔の中心に対する）最近接の細孔のスペーシングＳ２を約５００ｎｍ〜約１０μｍの範囲内（例えば、約１μｍ〜約１０μｍまたは約１μｍ〜約５μｍ）にすることができる。細孔の数および構造化基板５００に対する当該細孔の位置決めは、図５中に示すものと異なり得ることが企図される。
細孔５０２のアレイを等角的に被覆することにより、１つの光起電力デバイス層（例えば、第１の電極層）を、細孔５０２のアレイそれぞれの内部に下方に延びる凹部のアレイを含むような形状にすることができる。補完的様態で、別の光起電力デバイス層（例えば、第２の電極層）を、前記凹部のアレイそれぞれの内部に延びる突起部のアレイを含むような形状にすることができる。このようにして、前記２つのデバイス層をインターロッキングまたは相互嵌合構成において配置構成することができる。前記インターロッキングデバイス層間の空間つまり体積内に活性層を配置することにより、得られる光起電力接合は、この空間内において分布するかまたは「折り畳まれ」、その結果、上述したように効率が向上する。また、光起電力デバイス層（例えば、第１の電極層）を凹部のアレイを含むように直接的に構築することができ、前記光起電力デバイス層（例えば、第１の電極層）は、さらなる光起電力デバイス層を堆積させるための構造化基板として機能することができることが企図される。
図６は、本発明の別の実施形態に従って実装された折り畳み接合型薄膜光起電力デバイス６００を示す。光起電力デバイス６００は、構造化基板６０２を含む。構造化基板６０２は、ベース基板６０４と、ベース基板６０４から延びる構造特徴部６０６のアレイとを含む。構造化基板６０２の上側には、一組の光起電力デバイス層が堆積される。前記一組の光起電力デバイス層は、第１の電極層６０８と、活性層６１６と、第２の電極層６１４とを含む。光起電力デバイス６００の特定の局面は、上述したような同様の様態で実装可能であるため、本明細書で説明を省略する。
図６を参照して、光起電力デバイス６００の動作中、構造化基板６０２が入射太陽放射エネルギーに対向するように、光起電力デバイス６００は、上層基板構成つまり逆構成で実装される。入射太陽放射エネルギーが光起電力デバイス６００を貫通しかつ活性層６１６それぞれに到達するよう、構造化基板６０２および第１の電極層６０８は望ましくは、前記可視範囲において実質的に透明または半透明である。よって、例えば、第１の電極層６０８は、透明導電性酸化物からまたは実質的に透明または半透明である別の導電性材料から形成することができる。構造化基板６０２は以下にさらに説明するように導電性にすることができ、その場合、第１の電極層６０８を自由選択的に省略することができることが企図される。
光吸収および他の性能特性をさらに最適化するために、異なる寸法の構造特徴部の階層構造を用いることができる。図７は、本発明の一実施形態による、このような階層構造形成が実装された折り畳み接合型薄膜光起電力デバイス７００を示す。光起電力デバイス７００は、構造化基板７０２を含む。構造化基板７０２は、ベース基板７０４と、ベース基板７０４から延びる構造特徴部７０６のアレイとを含む。図７を参照して、光起電力デバイス７００の動作中、構造化基板７０２が入射太陽放射エネルギーに対向するように、光起電力デバイス７００は、上層基板構成つまり逆構成で実装される。従って、構造化基板７０２は望ましくは、前記可視範囲において実質的に透明または半透明である。加えて、構造特徴部７０６のアレイは、（例えば、ドーピングによりまたは金属ナノ粒子または透明導電性酸化物を含めることにより）導電性とされ、透明電気接点として機能する。ベース基板７０４も、前記可視範囲内において導電性および実質的に透明であり得る。構造化基板７０２の上側には、一組の光起電力デバイス層が堆積される。前記一組の光起電力デバイス層は、一対の光活性層７０８および光活性層７１０と、電極層７１２とを含み、バック電気接点として機能する。光起電力デバイス７００は、電極層７１２が透明電気接点として機能するように、基板構成において実装してもい。光起電力デバイス７００の特定の局面は、上述したような同様の様態で実装可能であるため、本明細書では説明を省略する。
前記バック電気接点の微細構造に起因するプラズモン損失を回避または低減するために、電極層７１２は、堆積の容易性および電荷収集効率の増大も可能にしつつ、より大型の特徴部を有し、これにより、（例えば大きな角度反射に起因する）いくつかの光吸収増大を可能にする。例えば、電極層７１２を、波状パターンによって調整することができ、この波状パターンにおいて、最近接の頂点の間の（かまたは最近接の谷の間の）スペーシングを前記可視範囲内の関連波長よりも若干大きなスケールで設けている。構造化基板７０２は、より小さな特徴部を提供し、構造特徴部７０６のアレイは散乱中心として機能し、スペーシングのスケールは前記可視範囲内の関連波長と同程度となる。
薄膜光起電力デバイス内に階層構造形成を設けるために、異なる寸法の粒子（例えば、ナノ粒子または微粒子分散ガラス粒子）を用いることができ、より小規模の構造をより大型の構造上に堆積させるかまたはその逆でもよいことが企図される。また、粗面のまたは未研磨の基板を粒子または調整されたバック接点と共に用いて、階層構造形成を達成することもできる。さらに、多段階成長を用いて構造特徴部の階層構造を実装することもでき、その場合、より大型の構造をより小型のスケール構造上に成長させてもよいし、あるいはその逆でもよい。
構造化基板の上側に多接合光起電力デバイス層を堆積させることにより、さらなる性能向上を達成することができる。図８は、本発明の一実施形態に従って実装された多接合光起電力デバイス８００を示す。光起電力デバイス８００は、基板８１６を含む。基板８１６の上側には、一組の多接合光起電力デバイス層が堆積される。前記一組の多接合光起電力デバイス層は、第１の電極層８１４と、第１の光起電力接合を形成する第１の一対の光活性層８１０および８１２と、第２の光起電力接合を形成する第２の一対の光活性層８０４および８０６と、第２の電極層８０２とを含む。図８中には一対の接合を図示しているが、他の実装において３つ以上の接合を設けてもよいことが企図される。光起電力デバイス８００の特定の局面は、上述したような同様の様態で実装可能であるため、本明細書では説明を省略する。
基板８１６を実質的に平面なものとして図示しているが、折り畳み型の多接合実装において構造化基板を有利に用いることができることが企図される。特に、より薄い光活性層によって材料品質要求を緩和することができ、これにより十分な光吸収を達成することができる。このような材料品質の緩和により、前記構造化基板に対する格子整合に関する要求を緩和して、多接合光起電力デバイス層を堆積させることが可能となる。従って、より薄い層にかかわる短尺化された電気経路により、多結晶多接合層を前記構造化基板上に堆積させ、十分な電荷収集を得ることができる。いくつかの場合において、隣接セル間において緩衝層を利用することにより、多接合層の堆積を容易化することができる。格子整合に関する要求の緩和により、前記構造化基板を用いることで、利用可能な光活性材料の可能な範囲を大幅に拡張することが可能になる。
折り畳み型の多接合実装において用いられる特に望ましい光活性材料としてアモルファスシリコンがある。アモルファスシリコンは、ゲルマニウムと共に合金化してもよいし、あるいは、非晶質から多結晶の異なる形態のシリコンと共に用いてもよい。構造化基板を用いることにより、特定のアモルファスシリコン光起電力デバイスに対して悪影響を与え得る厚さおよび光吸収の問題に対処することが可能になる。アモルファスシリコン光起電力デバイス内により厚い層が存在する場合、アモルファスシリコンの電荷移動度が低いので、性能に悪影響が発生し得る。しかしながら、厚さを低減した場合にも、平面薄膜実装の場合に光吸収が不十分になることで、性能に悪影響が発生し得る。前記構造化基板を用いることで、より薄い層を用いて、アモルファスシリコンの低い電荷移動度に対処することができ、前記構造化基板の散乱特性によって光吸収を向上させることができる。
別の多接合実装において、結晶性構造を実質的に平面の基板上に堆積させ、前記結晶性構造を多接合光起電力セルのエピタキシャル成長または堆積のための構造化基板として用いることができる。格子不整合に起因する歪みを緩和することが可能であるため、エピタキシャル成長により、高効率の多接合結晶性光起電力デバイスを比較的安価の基板上に形成する機構を、デバイス全体のコスト低減と共に得ることができる。
図８を参照して、光起電力デバイス８００は、多接合光起電力デバイス８００を形成する隣接するセル間のオーム接点領域内に配置されたナノ粒子８０８の層を含む。これらのナノ粒子８０８は、金属または別の適切な電気導電性材料から形成される。図示の実施形態において、ナノ粒子８０８からの入射太陽放射エネルギーの散乱により、光吸収を向上させることができる。ナノ粒子８０８の寸法は、前記可視範囲において散乱を改善するように、最適化することができる。これらのナノ粒子８０８はまた、隣接するセル間の高効率オーム接点としても機能することができる。横方向の導電率は、光吸収に起因する全ての局所的な電流異方性を実質的にオフセットさせることができ、これにより、直列接続セルに対して望ましい電流出力を得ることができる。上方接合のエピタキシャル成長条件に応じて、ナノ粒子８０８を、オーム接点として用いられるｐｎトンネル接合の代替として用いることができる。あるいは、上記と共に、以下にさらに説明するように、ナノ粒子８０８を下方変換または上方変換を行うように実装することもできる。
図９は、本発明の別の実施形態に従って実装された薄膜光起電力デバイス９００を示す。光起電力デバイス９００は、基板９１２を含む。基板９１２の上側には、一組の光起電力デバイス層が堆積される。前記一組の光起電力デバイス層は、第１の電極層９１０と、一対の光活性層９０６および９０８と、第２の電極層９０４とを含む。基板９１２を実質的に平面として図示しているが、構造化基板を折り畳み接合実装に用いることが可能であることが企図される。光起電力デバイス９００の特定の局面は、上述したような同様の様態で実装可能であるため、本明細書では説明を省略する。
図９を参照して、第２の電極層９０４は、入射太陽放射エネルギーに対向する透明電気接点として機能する。従って、第２の電極層９０４は望ましくは、透明導電性酸化物または前記可視範囲において実質的に透明または半透明である別の導電性材料から形成される。紫外線領域内において、大量の太陽エネルギーが存在する。しかしながら、透明の導電性酸化物は前記紫外線領域内において比較的低い透明度を有し得るため、この太陽エネルギーの多くは典型的には、電気エネルギーへの変換に寄与しない。従って、前記紫外線領域内の入射太陽放射エネルギーを前記可視範囲に変換するのには下方変換型の実装が望ましく、これにより、前記透明電気接点のための透明導電性酸化物の利用を可能にしつつ、入射太陽スペクトルの利用が増大する。
図示の実施形態において、第２の電極層９０４の内部には、一組のナノ粒子９０２が分布されている。これらのナノ粒子９０２は、光輝性材料（例えば、ＺｎＯまたは前記可視範囲において比較的高いフォトルミネセンス量子効率を有する別の適切な材料）から形成される。光起電力デバイス９００の動作中、前記紫外線領域内の入射太陽放射エネルギーはナノ粒子９０２によって吸収され、その後、ナノ粒子９０２は、前記可視範囲の放射線を放射し、前記放射は、第２の電極層９０４を通過して、光活性層９０６および９０８に到達する。前記入射太陽スペクトルの利用の増大に加えて、ナノ粒子９０２は、入射太陽放射エネルギーの散乱も誘発することができ、これにより、紫外線放射への曝露に起因する劣化から光起電力デバイス９００を保護しつつ、光起電力デバイス９００内での光吸収を向上させることができる。あるいは、第２の電極層９０４内にナノ粒子９０２を分布させる代わりに、ナノ粒子９０２を第２の電極層９０４上の別個の層として設けてもよいことが企図される。また、光起電力デバイス９００の表面に実質的に適合するように適切な光輝性材料の層を電着させてもよいことが企図される。さらに、（例えば、前記赤外領域内の入射太陽放射エネルギーを前記可視範囲へと変換することにより）上方変換を行うようにナノ粒子９０２を実装することが可能であることが企図される。
薄膜光起電力デバイスを形成するための製造方法
図１０は、本発明の一実施形態による折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスを形成するための製造方法を示す。比較目的のため、従来の製造方法も図示している。先ず、工程１０００において、構造特徴部のアレイを含むように、構造化基板を形成する。工程１００２において、構造特徴部を被覆し、かつ、前記構造特徴部のアレイに実質的に適合する第１の電極層を形成するように、導電性材料（例えば、金属）を塗布する。工程１００４において、前記第１の電極層を被覆し、かつ、前記第１の電極層に実質的に適合する第１の光活性層を形成するように、光活性材料を塗布する。工程１００６において、前記第１の光活性層を被覆し、かつ、前記第１の光活性層に実質的に適合する第２の光活性層を形成するように、同一の光活性材料または異なる光活性材料を付加する。図１０中には光活性層を２つ図示しているが、他の実装においてより多数またはより少数の光活性層を設けてもよいことが企図される。また、他の実装において、より多数またはより少数の電極層を設けてもよいことが企図される。次に、工程１００８において、前記第２の光活性層を被覆し、かつ、前記第２の光活性層に実質的に適合する第２の電極層を形成するように、導電性材料（例えば、透明導電性酸化物）を塗布する。
上記とは対照的に、従来の製造方法では、構造特徴部のアレイを含まない平坦基板を用いる。前記従来の方法は、工程１００２’〜工程１００８’に沿って進行するが、この進行する工程は上記折り畳み接合製造方法の工程１００２〜工程１００８に対応する。よって、製造可能性について、前記折り畳み接合方法は、太陽変換効率の実質的増大を達成しつつ、光起電力デバイス層を塗布するための既存の製造工程および基礎構造を実質的に活用することができる。また、前記折り畳み接合方法の場合、構造形成に起因する反射防止特性によって、前記従来の方法の工程１０１０’において塗布される反射防止コーティングを自由選択的に省略することが可能であり、これにより、構造化基板を形成するためのさらなる工程１０００を少なくとも部分的にオフセットすることができる。
前記折り畳み接合型薄膜光起電力デバイスを形成するための製造コストを比較的低くするために、工程１０００は、プロセスの観点および材料の観点双方において低コストであることが望ましい。よって、そこで課題となるのは、この低コストという目的を達成しつつ、向上した性能を有しかつより薄い光起電力デバイス層の堆積のための担持体として作用できる適切な構造化基板を形成することである。前記構造化基板の場合、特徴部寸法の緊密な分布および特徴部スペーシングが不要であるため、低コストの処理技術を有利に用いて、前記構造化基板を形成することができる。加えて、前記構造化基板の場合、電荷輸送（これは、電極層によって実行され得る）が不要であるため、前記構造化基板の材料品質に関連する制約を緩和することができる。いくつかの場合において、前記特徴部上への光起電力デバイス層の堆積が可能なように、構造特徴部が基板表面に対してほぼ垂直に方向付けられかつ相互に適切に間隔を空けて配置されている限り、望ましいレベルの性能を達成することができる。その結果、前記折り畳み接合方法は、低コストに実装することが可能な初期工程１０００の追加により、既存の製造工程および基礎構造を実質的に活用することができる。
１つの適切な処理技術として、自己組織化堆積法がある。自己組織化堆積法において、気相プロセスまたは化学浴析出法（「ＣＢＤ」）が行われ得る。気相プロセスを用いて、カーボンナノチューブ、金属、金属酸化物および金属カルコゲニド（例えば、金属および硫黄、セレンまたはテルルのうちの１つ）を含むナノ構造ならびに他の半導体材料から形成されたナノ構造のアレイを形成することができる。しかしながら、これらの気相プロセスの場合、真空条件および高温が必要となり得るため、基板材料の選択および工業規模の製造の実行可能性に制約が出得る。それとは対照的に、ＣＢＤの場合、処理条件が、比較的中温（例えば、＜１００℃）の溶液への試薬の溶解、表面上へのコーティングが望まれる基板の浸漬などであるため、低コストで、環境的に安全であり、かつ大量の製造に実施可能である。
本明細書で記載されるのは、「ワンステップ」プロセスに従ってナノ構造を形成する改善されたＣＢＤ方法である。この改善法により、成長、特徴部寸法、および得られるナノ構造の特徴部スペーシングに対して、優れた再現性および望ましいレベルの制御が可能になる。また、この改善法は、大量製造用の大型基板に合わせて容易に拡張可能であり、かつ、環境災害の原因となり得る有毒材料の使用も容易に回避することができる。例えば、この改善法を用いて、多様な基板（例えば、ガラス基板、ＩＴＯコーティングガラス基板、別の金属酸化物から形成された基板、ステンレス鋼基板、別の金属から形成された基板、セラミック基板、およびプラスチック基板）上にＺｎＯナノロッドを容易に形成することができる。ＺｎＯナノロッドの形成にこの改善法を用いる場合、この方法をＺｎＯ成長法と呼ぶこともできる。この改善法は、他の種類のナノ構造および他の材料から形成されたナノ構造（例えば、他の種類の金属酸化物（例えば、酸化チタン、酸化銅および酸化鉄）ならびに金属カルコゲニド）を形成するように適合可能である。加えて、この改善法は、他の種類の構造特徴部（例えば、微細構造物）を形成するように適合可能である。
特定の実装において、前記改善されたＣＢＤ方法では、基板上においてシーディングおよび成長メカニズムを組み合わせて行って、前記基板上にナノ構造物のアレイを形成する。例えば、ＺｎＯナノロッドを形成する場合、前記シーディングおよび成長メカニズムにおいて亜鉛金属の酸化（または腐食）を行って、ＺｎＯを形成する。特定の理論に縛られることを望むわけではないが、前記亜鉛の酸化において、亜鉛イオンを水酸化物イオンと共に生成して、［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−およびＺｎ（ＯＨ）２のうち一方または双方を生成し得、その後、これを脱水してＺｎＯを形成する。水酸化物イオンは、水溶液中の水を脱プロトン化することによって形成してもよいし、あるいは、水酸化物イオン源から直接供給してもよい。
例えば、ＺｎＯナノロッドを形成する場合、亜鉛源および基板を容器内の成長溶液中に浸漬させ、前記亜鉛源から亜鉛イオンを前記溶液中に供給する。前記亜鉛源として亜鉛箔を用いることができる。上記の代わりにまたは上記と共に、別の亜鉛源（例えば、亜鉛ワイヤ、亜鉛メッシュ、亜鉛顆粒、亜鉛粉末、粒状亜鉛、亜鉛チップ、亜鉛ピースまたはそれらの混合物）を用いてもよい。前記ＺｎＯナノロッドのシーディングおよび成長を表面張力によって支援することができ、いくつかの場合において、前記基板上への亜鉛の輸送を促進するために、前記亜鉛源および前記基板は間接的に接触している。その結果、前記亜鉛箔が前記容器の底部において実質的に平坦に配置されかつ前記基板がその上に実質的に垂直に配置された状態かまたはその逆の状態で、シーディングおよび成長を実施することができる。また、前記亜鉛箔を前記基板上に寄りかからせることによって成長を達成することも可能である。
いくつかの場合において、シーディングおよび成長は、基板の導電率に応じて異なり得る。従って、導電性となるようにまたはそうでなければ導電層を含むように前記基板を選択することができる。例えば、ＺｎＯナノロッドはＩＴＯコーティングガラス基板上に容易に形成することができる一方、ベアガラス基板の場合、同一条件下においてほとんど成長がみられない。このような選択性によって、ＩＴＯコーティングをスクラッチングすることにより画定された基板の領域にＺｎＯナノロッドの成長を制限することができる。前記スクラッチによって画定された閉領域内において亜鉛源が前記ＩＴＯコーティングと接触する場合、ＺｎＯナノロッドの成長をこの閉領域に制限することができる。
ナノ構造物の形成は、適切な成長溶液によって支援することができる。例えば、ＺｎＯナノロッドを形成する場合、亜鉛源（例えば、亜鉛箔）および基板を成長溶液中に浸漬させる。前記成長溶液は、別の亜鉛源を含む水溶液であり得る。この第２の亜鉛源は、可溶性の亜鉛イオン源であり得、前記成長溶液中の所望の亜鉛イオン濃度を達成し、かつ、前記ＺｎＯナノロッドを所望の温度で形成することを促進するように機能し得る。いくつかの場合において、前記成長溶液は、約０．０００１モル（「Ｍ」）〜約０．１Ｍ（例えば、約０．０００５Ｍ〜約０．００５Ｍ）のこの第２の亜鉛源を含み得る。可溶性の亜鉛イオン源の例を挙げると、亜鉛塩（例えば、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、スルホン酸亜鉛（例えば、メタンスルホン酸亜鉛および亜鉛ｐ−トルエンスルホン酸塩）、ハロゲン化亜鉛（例えば、塩化亜鉛、臭化亜鉛、およびヨウ化亜鉛）、過塩素酸亜鉛、テトラフルオロホウ酸亜鉛、ヘキサフルオロホスファート亜鉛、亜鉛カルボキシラート（例えば、ギ酸亜鉛、酢酸亜鉛、安息香酸亜鉛、アセチルアセトン酸亜鉛、およびしゅう酸亜鉛）、亜鉛アミドならびにそれらの混合物がある。
望ましくは、成長溶液は、少なくとも１つの錯化剤も含む。例えば、亜鉛源（例えば、亜鉛箔）を用いてＺｎＯナノロッドを形成する場合、錯化剤により、亜鉛イオン錯体としての成長溶液中への亜鉛の輸送を促進することができ、最終的に基板上へと輸送することができる。錯化剤は、（例えば、前記成長溶液中の水を脱プロトン化することにより）水酸化物イオンを生成する別の機能も有し得る。いくつかの場合において、前記成長溶液は、約０．１Ｍ〜約１０Ｍの一組の錯化剤（例えば、約０．５Ｍ〜約５Ｍ）を含み得る。適切な錯化剤を挙げると、アミド（例えば、ホルムアミド、アセトアミド、ベンズアミド、こはく酸アミド、ポリアクリルアミド、およびポリビニルピロリドン）、尿素類（例えば、尿素およびジメチル尿素）、ビウレット類（例えば、ビウレットおよびトリメチルビウレット）、カルバメート類（例えば、カルバミン酸メチルおよびカルバミン酸エチル）、イミド類（例えば、アセチミド、スクシンイミド、およびベンジミド）、アンモニア、第１級アミン（例えば、ブチルアミン、アニリン、およびエタノールアミン）、第２級アミン（例えば、ジエチルアミン、ジエタノールアミン、ピペリジン、およびピロリジン）、第３級アミン（例えば、トリエチアミン、トリエタノールアミン、およびヘキサメチレンテトラミン）、ジアミン（例えば、エチレンジアミン、ジアミノプロパン、およびジアミノブタン）、ポリアミン（例えば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、およびポリエチレンイミン）、ヘテロ環（例えば、ピリジン、ピリミジン、イミダゾ、およびピラゾール）、ヒドラジン（例えば、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン、およびジフェニルヒドラジン）、アルコール類（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、およびエチレングリコール）、水酸化物イオン供給源（例えば、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、およびテトラブチル水酸化アンモニウム）、無機塩（例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、および硝酸カリウム）、ならびにそれらの混合物がある。特定の場合において、錯化剤およびｐＨ緩衝として有効に機能することが可能な他のアミン（例えば、ヘキサメチレンテトラミン）からアンモニアを実質的に連続的にin situで生成することが可能である。
成長溶液は、さらなる試薬を含み得る。例えば、前記成長溶液は、前記溶液のイオン強度の増加および亜鉛酸化の促進のために、一組の不活性塩（例えば、塩化リチウム、塩化ナトリウム、および硝酸カリウム）を含み得る。別の例として、前記成長溶液は、一組の結晶面選択的キレート剤（例えば、ポリカルボン酸塩（例えば、クエン酸塩）およびポリマー（例えば、ポリエチレンイミン、ポリアクリルアミド、およびポリビニルピリジン））を含み得る。別の例として、前記成長溶液は、約百万分の一（「ｐｐｍ」）〜約１，０００ｐｐｍの一組の核形成剤（例えば、インジウムイオン、スズイオン、鉄イオンおよびマンガンイオン）を含み得る。これらの核形成剤は、核形成中心としてＺｎＯナノロッド形成におけるシードを促進させるよう機能し得る酸化物または水和水酸化物を形成することができる。別の例として、前記成長溶液は、一組の酸化剤（例えば、酸素、過酸化物、および次亜塩素酸塩）を含み得る。いくつかの場合において、前記成長溶液を通気して、所望の濃度の溶解酸素を前記成長溶液中に達成し、得られるナノ構造物内の酸素空孔および欠陥濃度を低減することができる。さらなる例として、前記成長溶液は、約１パーセント〜約５０重量パーセントまたは容量パーセントの有機共溶媒を含み得る。得られるナノ構造物において所望の結晶形態を達成するように、適切な有機共溶媒を選択することができる。ドーパントを含有させて、得られるＺｎＯナノロッドにおいて向上した導電率が得られるようにしてもよい。
特定の実装において、成長溶液は、約２０℃〜約１００℃（例えば、約４０℃〜約９０℃または約６０℃〜約８０℃）の温度範囲において維持される。いくつかの場合において、前記溶液中の亜鉛の酸化速度は急速に上昇し、約７０℃において最大に達し得る。この温度後、前記速度は急速に低下する。他の実装において、成長溶液は、閉反応槽中の成長溶液の沸点（例えば、＞１００℃）よりも高い温度において維持される。前記酸化速度は、溶解酸素または溶解二酸化炭素の濃度を上昇させるように、前記溶液の通気により上昇させることもできる。前記酸化速度に影響を与え得る他の変数を挙げると、前記成長溶液中のｐＨおよび濃度ならびにイオンおよび錯化剤の種類がある。
別の適切なＣＢＤ方法として「２ステップ」プロセスがある。このプロセスでは、図１１に示すように、本発明の一実施形態に従って、基板上で別個のシーディングおよび成長を行って、ナノ構造物のアレイを前記基板上に形成する。この方法は、比較的中温でかつ触媒の不在下で実施することが可能である。工程１１００において、シード層を基板上に堆積させる。前記シード層は、多様な技術（例えば、原子層堆積（「ＡＬＤ」）、無線周波数マグネトロンスパッタリング、電気化学析出、ＣＢＤ、および予備熱処理）のうちのいずれかを用いて形成することができる。前記シード層はまた、事前形成されたナノ粒子を用いて形成することも可能である。前記事前形成されたナノ粒子は、別個の工程において溶液中に形成され得、多様な技術（例えば、スプレーコーティング、ディップコーティング、スピンコーティング、ゾルゲルコーティング、および電気泳動）のうちのいずれかを用いて前記基板上に後続的に堆積され得る。例えば、前記シード層は、ＺｎＯナノ粒子の層であり得る。上記に変えてあるいは上記と共に、前記シード層は、金層、銀層、または機能自己組織化単分子膜を含み得る。
前記シード層の堆積により、得られるナノ構造物の位置が画定される。これらのナノ構造物は、工程１１０２においてほぼ垂直方向に前記シード層から後続的に成長する。例えば、得られるＺｎＯナノロッドの位置を画定するようにＺｎＯナノ粒子のシード層を堆積させることができる。これらのＺｎＯナノロッドは、ＺｎＯナノロッド成長を促進させる溶液中において、選択的に垂直方向にこれらのナノ粒子から後続的に成長する。ここで、前記ＺｎＯナノロッド間のスペーシングは、前記シード層中のＺｎＯナノ粒子の密度を調節することにより制御可能であり、前記ＺｎＯナノロッドの横方向寸法および縦方向寸法は、前記成長溶液の条件を調節することにより制御可能である。構造化基板の形成においてさらなる制御が望まれる場合、ＺｎＯナノロッドの成長を電気化学的に行ってもよい。ナノ構造物の横方向寸法をさらに制御するために、その後のエッチング工程を用いて、前記ナノ構造物の横方向寸法を低減することができる。
別の適切な「２ステップ」プロセスとして、金属酸化物ナノ構造物（例えば、ＺｎＯナノロッド）の部位特異的パターン成長がある。このプロセスでは、パターニングと、基板上での成長を行って、ナノ構造物のアレイを前記基板上に形成する。前記パターン層は、多様な技術（例えば、電子ビームリソグラフィー、フォトリソグラフィー、レーザー干渉リソグラフィー、ブロック共重合体ミセル、陽極アルミニウム酸化物テンプレーティング、マイクロ成型加工、およびナノスフェアリソグラフィー）のうちいずれかを用いて形成することができる。このプロセスにより、マスクのアパチャサイズを調節することにより得られるナノロッドの横方向寸法およびスペーシングを制御することができ、成長溶液の条件を調節することによりナノロッドの縦方向寸法を制御することができる。
「１ステップ」プロセスまたは「２ステップ」プロセスを用いてナノ構造を基板上に形成するか否かを決定する際に考えるべき１つの事項として、前記基板に対する前記ナノ構造物の十分な接着がある。この接着を増強させるために、適切な接着材料からなる比較的薄い層を前記基板上に塗布した後、前記ナノ構造物の形成を行うことができる。上記に変えてまたは上記と共に、導電性材料を前記基板上に塗布した後、前記ナノ構造物の形成を行うことができる。その後、これらのナノ構造物を同一の導電性材料または異なる導電性材料によって等角的にして、前記ナノ構造物を前記基板にアンカー固定する電極層を形成する。成長後のアニーリングを、接着を増強させるように自由選択的に実施することができる。
所望であれば、構造化基板を多様な様式で導電性にすることができる。ＺｎＯナノロッドの場合、例えば、成長中にドーパントを含有させることにより、導電率を向上させることができる。上記に変えてまたは上記と共に、金属（例えば、アルミニウム）から形成されたナノ粒子をＺｎＯナノロッドの成長中に含有させることができる。ＺｎＯナノロッド中に金属ナノ粒子を含有させた場合、導電率の向上ならびにプラズモン電界効果および光学散乱の増大が可能となる。別の実装では、金属（または金属から形成されたナノ粒子）からなる層でＺｎＯナノロッドをコーティングした後、ＺｎＯまたは透明導電性酸化物（例えば、ＩＴＯ）によるトップコーティングと、自由選択のアニーリング動作（例えば、ＺｎＯまたは他の透明導電性酸化物中でのドーピングを誘発するための成長後アニーリング工程）とを行う。導電率をさらに向上させるために、構造化基板の先端をコーティングするかまたは前記構造化基板の谷部をコーティングすることにより、微細グリッド線を堆積させることができる。
構造化基板を形成するための別の適切な処理技術として、エッチングがある。エッチングにおいて、マスクは用いても用いなくてもよい。特に、陽極酸化を適切な最適化と共に用いて、細孔のアレイを含む構造化基板を生成することができる。金属層を含む基板を酸電解質中で陽極処理した場合、金属酸化物層を前記金属表面において形成することができ、細孔のアレイを前記金属酸化物層中に形成することができる。陽極酸化処理電圧は、横方向寸法（例えば、細孔サイズ）およびスペーシング（例えば、細孔密度）を制御するのに調節可能であり、輸送される電荷の総量は、縦方向寸法（例えば、細孔高さ）を制御するのに調節可能である。例えば、アルミニウムをリン酸電解質中で陽極処理して、細孔のアレイを形成することができる。得られた細孔に対し、空隙拡大処理（例えば、化学エッチングを用いたもの）を行うことができる。別の例として、アルミニウムを陽極酸化処理して、細孔のアレイを含むアルミナ層を形成することができる。前記アルミナ層に対して、パターンマスクとして機能する空隙拡大処理を行う。次に、アルミニウムまたは別の材料を前記細孔内に堆積させ、前記アルミナ層を溶解させて、ナノ構造物のアレイを形成することができる。絶縁層を設けることが望ましい基板（例えば、ステンレス鋼基板）の場合、残留アルミナ層を絶縁層として用いることができ、電極層および他の光起電力デバイス層は、前記アルミナ層上に堆積される。同様のパターンエッチングを用いて、多様な材料（例えば、シリコン、ＺｎＯ、および他の金属酸化物）に合わせたナノ構造物のアレイを複数形成することができる。例えば、アルミニウムをＺｎＯ基板上に堆積した後に陽極酸化を行って、細孔のアレイを含むアルミナ層を形成することができる。次に、ＺｎＯを前記細孔中に堆積させ、前記アルミナ層を溶解させて、ＺｎＯナノ構造物のアレイを形成することができる。あるいは、エッチングを細孔内に行い、前記アルミナ層を溶解させて、前記ＺｎＯ基板中に細孔アレイを形成することができる。
特定の金属（例えば、ステンレス鋼）を含む構造化基板を形成するには、エッチングが望ましい場合がある。マスクを用いることにより、非対称または選択的エッチングを促進することができ、これにより、比較的高アスペクト比を有しかつ特徴部間のスペーシングが適切である構造特徴部を形成することができる。比較的大きな表面積上にマスクを塗布する際のコスト面において効果的な一方法として、スクリーン印刷がある。このスクリーン印刷を用いて、選択的エッチングを促進させるパターンを堆積させることができる。また、アルミニウムの銅支援エッチングの場合、薄い銅層をアルミニウム上に電着させた後、マスクを塗布する。いくつかの場合において、選択的エッチングのためのマスクとして、多孔質ポリマー層を用いることができる。
また、図１２に示すように本発明の一実施形態に従って、ナノ構造物の成長およびエッチングの組み合わせを用いて構造化基板を形成することができる。工程１２００において、ナノ構造物のアレイを基板上に形成して、後続エッチングのためのマスクとして機能させる。あるいは、前記ナノ構造物を膜上に形成した後、前記基板に接着させてもよい。次に、工程１２０２においてエッチングを実施し、前記マスク材料を溶解させて、前記構造化基板を形成する。図示の方法により、得られる構造特徴部の前記基板への接着に対処しつつ、エッチマスクの生成を低コストで行うことが可能になる。
構造化基板を形成するための他の適切な処理技術を挙げると、電気化学エッチング、相分離技術、ゾルゲル技術または多孔質材料の使用がある。パターンニング型電気化学析出または空間的に異なる電気化学析出を用いて、例えば基板に近接するパターンシリコン陽極を用いて、金属ナノ構造物を堆積させることができる。ＺｎＯナノ構造物は、硝酸亜鉛電解質（ここで、硝酸アニオンが亜硝酸イオンおよび水酸化物イオンに還元される）または塩化亜鉛の水溶液（ここで、電解質中の溶解酸素が水酸化物イオンに還元される）のいずれか一方から、電気化学的に導電性ガラス基板上に形成することができる。得られる水酸化物イオンにより、亜鉛イオンが前記水酸化物イオンと反応することが可能な場所である陰極に近接する局所的ｐＨを増加させることが可能となり、これにより、前記陰極表面上へのＺｎＯ堆積が可能となる。また、低コストのリソグラフィー（例えば、ナノインプリントリソグラフィー）を反応性イオンエッチングと共に用いて、比較的大きな表面積上のＺｎＯ中に構造特徴部を形成することもできる。
再度図１０を参照して、工程１０００において前記構造化基板を形成した後、工程１００２〜工程１００８を行って、前記構造化基板の比較的高アスペクト比の構造特徴部上に薄膜光起電力デバイス層を堆積させる。特徴部の寸法およびスペーシングを適切に制御することにより、光起電力デバイス層を塗布するための既存の製造動作および基礎構造を活用することができる。従って、多様な堆積技術（例えば、電気化学析出、ＣＢＤ（例えば、無電解析出）、蒸着、スパッタリング、プレーティング、イオンプレーティング、分子線エピタキシー、ＡＬＤ、プラズマ支援ＡＬＤ、原子層エピタキシー、ゾルゲル堆積、噴霧熱分解、気相堆積、溶媒蒸気堆積、金属有機気相堆積、金属有機気相エピタキシー、化学蒸着（「ＣＶＤ」）、パルスＣＶＤ、プラズマ支援ＣＶＤ（「ＰＥＣＶＤ」）、金属有機ＣＶＤ（「ＭＯＣＶＤ」）、金属有機気相エピタキシー、自己組織化、静電自己組織化、溶融充填／コーティング、多層堆積、および液相堆積を用いることが可能である。
例えば、ＰＥＣＶＤを用いてアモルファスシリコンを堆積させて、アモルファスシリコンの折り畳み接合光起電力デバイスを形成することができる。アモルファスシリコンは比較的豊富に存在しかつ安価であり、折り畳み接合光起電力デバイス内での用途に特に望ましい。前記デバイスは、より大幅に薄いアモルファスシリコン層を含み得、これにより、（折り畳み接合ジオメトリによって）望ましいレベルで光吸収を維持しつつ、（前記より薄い層によって）電気性能を大幅に向上させることができる。
別の例として、原子層エピタキシーまたは電気化学析出を用いて、構造化基板上に光起電力デバイス層を堆積させることができる。電気化学析出は真空条件を含まない場合が多いため、特定の実装において望ましい場合がある。特に、電気化学析出を用いて、ＣｄＴｅ光起電力デバイス層をＺｎＯ構造化基板の上側に堆積させることができる。前記構造化基板を透明導電性酸化物基板（例えば、ＩＴＯコーティングガラス基板）の上側のＺｎＯナノ構造物により形成した後、層（例えば、硫化カドミウム層（例えば、電気ショートを回避または低減するための障壁層としてのもの））と、ＣｄＴｅ層と、銅電極層（例えば、オーム接点を形成するためのＣｕ２Ｔｅｐ＋層としてのもの）とを堆積させる。
例えば電気化学析出またはスパッタリングを介して、ＣＩＧＳ光起電力デバイス層を構造化基板上に堆積させることもできる。材料コストをさらに低減するために、低コストの半導体酸化物をＣＩＧＳ光起電力デバイスと同様の様式で、ヘテロ接合光起電力デバイス内に用いることができる。例えば、電気化学的に堆積可能な半導体酸化物として、第一銅（または銅（Ｉ））酸化物（「Ｃｕ２Ｏ」）、銀（Ｉ）酸化物および酸化カドミウムがある。また、ｐ型吸収体としてのＣｕ２Ｏおよびｎ型ナノ構造物としてのＴｉＯ２を用いて、固体状態の色素増感太陽電池の類似体に基づいた光起電力デバイスを形成することができる。多接合光起電力デバイス内において半導体酸化物を用いることにより、さらなる効率向上を達成することができる。金属ナノ粒子を用いて、各デバイス間のオーム接点を形成することができる。光吸収が不十分で有る場合、同一のデバイスまたは類似のデバイスのスタックを用いて、多接合光起電力デバイスを形成することができる。このようなスタッキングにより、プロセスの観点または材料の観点から見て大幅な改変を必要とすることなく、出力電圧を段階的に増加させることができる。さらなる例として、シリコンに対する低コストの代替物としてシロキセン（ｓｉｌｏｘｅｎｅ）を用いることができ、ヘテロ接合光起電力デバイス内で用いられる多様な技術を用いて堆積させることができる。
構造特徴部が結晶性粒子（例えば、結晶性半導体ナノロッド）から得られたものである場合、多接合エピタキシャルデバイス層を前記特徴部上に堆積させて、高効率の多接合光起電力デバイスをコスト効果の高い様式で形成することができる。
他の実施形態
上述した本発明の実施形態はひとえに例示目的のために示したものであり、他の多様な実施形態も本発明によって包含される点が認識されるべきである。
例えば、図１３は、本発明の別の実施形態による色素増感太陽電池において実装可能な折り畳み接合光起電力デバイス１３００を示す。光起電力デバイス１３００は、金属または別の適切な導電性材料から形成可能な電極層１３０８と、透明導電性酸化物または前記可視範囲において実質的に透明または半透明である別の適切な導電性材料から形成可能な電極層１３０２とを含む。電極層１３０２および電極層１３０８は、電極層１３０８に隣接しかつ前記μｍ範囲の寸法を有する微粒子分散ガラス粒子１３０６のアレイと、電極層１３０２に隣接するナノ構造物１３０４のアレイによって間隔を空けて配置される。これらのナノ構造物１３０４は、ナノ多孔質の広バンドギャップ半導体材料から形成可能であり、光吸収色素でコーティングされる。酸化還元電極１３１０が、光起電力デバイス１３００の多様な要素間のギャップを充填する。図示の実施形態において、前記折り畳み接合は、記色素と酸化還元電極１３１０との間の界面である。
光起電力デバイス１３００の動作中、入射太陽放射エネルギーは電極層１３０２を通過し、前記光吸収色素によって吸収され、これにより電荷キャリアが生成される。１つの種類の電荷キャリアは、ナノ構造物１３０４および電極層１３０２を通じて光起電力デバイス１３００から出て行き、別の種類の電荷キャリアは、電解質１３１０および電極層１３０８を通じて光起電力デバイス１３００から出て行く。その全体の効果とは、入射太陽放射エネルギーによって駆動される光起電力デバイス１３００を通じて電流が流れることである。
図示の実施形態において、散乱中心として機能する、より大型の微粒子分散ガラス粒子１３０６が階層構造形成に提供される一方、ナノ構造物１３０４は、前記折り畳み接合アプローチを用いた吸収および電荷収集を増大させるための、より小さなスケールの特徴部を提供する。また、高結晶性である場合、ナノ構造物１３０４は、光起電力デバイス１３００からの電荷輸送のための効率的チャンネルを提供することにより、電荷収集効率を向上させるよう機能することができる。
図１４は、本発明の一実施形態による、折り畳み接合ドーピングを空間的に変化させることにより形成された光起電力デバイス１４００を示す。光起電力デバイス１４００は、電極層１４０２と、電極層１４０８でコーティングされた基板１４１０とを含む。電極層１４０２と電極層１４０８との間には、一対の光活性層１４０４および１４０６が堆積される。これら一対の光活性層１４０４および１４０６は、インターロッキングまたは相互嵌合構成で配置構成される。光活性層１４０４および光活性層１４０６のドーピングレベルが異なるかまたはドーピング型が異なり、光活性層１４０４と光活性層１４０６との間の界面は、電極層１４０２と電極層１４０８との間の空間つまり体積内で分布されるまたは折り畳まれる光起電力接合を形成する。光活性層１４０４および光活性層１４０６は望ましくは、高純度の結晶性半導体材料（例えば、結晶性シリコン）から形成される。電極層１４０２および電極層１４０８のうちのどちらかまたは双方を構築することにより、前記折り畳み接合を介した電荷収集効率の向上に加えて、光吸収向上のための散乱も可能となる。
結晶性シリコンまたは別の結晶性材料を用いた光起電力セルにおいて、空間的に異なるドーピングを用いると、光励起電荷キャリアをより効率的に収集するための折り畳み接合を導入しつつ、高品質の結晶性材料を維持することができる。結晶性シリコンの場合、折り畳み接合を形成するための１つの技術において、結晶性シリコンの異方性エッチングを用いて構造（例えば、ナノ構造物または細孔構造物）を形成した後、アモルファスシリコンを堆積させて、折り畳みヘテロ接合を形成する。表面からの拡散ドーピングを用いて、折り畳みｐｎ接合を形成することもできる。
いくつかの実施形態において、事前形成されたナノ構造物をプラスチックまたは別の適切な封入材料内に包埋することにより構造化基板を形成することができ、前記ナノ構造の一部を露出させ、前記プラスチックまたは前記封入材料の表面を越えて延ばす。前記ナノ構造物は、例えば、半導体ナノ粒子、ドープまたは非ドープ金属酸化物ナノ粒子、および他の材料から形成されたナノ粒子であり得る。
いくつかの実施形態において、建物と一体化した光起電力デバイス（例えば、光起電力窓）の構築のために、前記可視範囲における不完全な光吸収を用いることができる。
いくつかの実施形態において、構造化基板上への堆積に由来する構築の代わりに一組の光起電力デバイス層（例えば、一組の電極層）を直接構築することにより、折り畳み接合光起電力デバイスを形成することができる。
また、いくつかの実施形態について光起電力デバイスを参照して説明してきたが、本明細書で記載の折り畳み接合技術を、他の光電子デバイス（例えば、動作中に光子および電荷キャリアを用いる、光伝導体、光検知器、発光ダイオード、レーザおよび他のデバイス）において用いられるように適合させることも可能であることが企図される。例えば、本明細書で記載した技術は、画像取得デバイスおよび関連製造方法に適合させることが可能である。
以下の実施例は、当業者のための説明を図示および提供するために、本発明のいくつかの実施形態の特定の局面を示すものである。これらの実施例は、ひとえに本発明のいくつかの実施形態の理解および実施において有用である特定の方法論を提供するためのものであるため、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
実施例１
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛箔（３０ｍｍｘ１０ｍｍｘ０．２５ｍｍ）をガラス容器の底部に実質的に水平に配置し、ＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１０ｍｍ）を実質的に垂直にかつ前記亜鉛箔の上で若干傾けて配置する。水、ホルムアミド（２．２モル）および硝酸亜鉛（０．００１モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約８９℃の炉内に配置する。約１０時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例２
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛箔（３０ｍｍｘ１０ｍｍｘ０．２５ｍｍ）をガラス容器の底部に実質的に水平に配置し、ＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１０ｍｍ）を実質的に垂直にかつ前記亜鉛箔の上で若干傾けて配置する。水、ホルムアミド（１．０モル）および硝酸亜鉛（０．０００５モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約７０℃の炉内に配置する。約１０時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例３
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛粉末（０．４ｇ、３２５メッシュ）をガラス容器の底部に実質的に水平に配置し、ＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１５ｍｍ）を実質的に垂直にかつ前記亜鉛箔の上で若干傾けて配置する。水およびホルムアミド（１．０モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約７０℃の炉内に配置する。約２０時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例４
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛粉末（０．４ｇ、３２５メッシュ）をガラス容器の底部に実質的に水平に配置し、ＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１５ｍｍ）を実質的に垂直ににかつ前記亜鉛粉末の上で若干傾けて配置する。水および尿素（２．０モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約９０℃の炉内に配置する。約１６時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例５
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛箔（３０ｍｍｘ１０ｍｍｘ０．２５ｍｍ）およびＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１０ｍｍ）をガラス容器内に配置し、前記亜鉛箔を前記基板に寄りかからせる。水、ホルムアミド（２．２モル）および硝酸亜鉛（０．００２モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約８０℃の炉内に配置する。約２２時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例６
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛粉末（０．４ｇ、３２５メッシュ）をガラス容器の底部に配置し、ＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１５ｍｍ）を実質的に垂直にかつ前記亜鉛粉末の上で若干傾けて配置する。水およびヘキサメチレンテトラミン（０．５モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約９０℃の炉内に配置する。約１６時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例７
ＺｎＯ成長法を介した構造化基板の形成
金属亜鉛箔（３０ｍｍｘ１０ｍｍｘ０．２５ｍｍ）およびＩＴＯコーティングガラス基板（３０ｍｍｘ１０ｍｍ）をガラス容器内に配置し、前記亜鉛箔を前記基板に寄りかからせる。水および水酸化ナトリウム（２．０モル）を含む成長溶液約２０ｍｌを前記容器中に注入する。前記容器をキャップし、約８０℃の炉内に配置する。約１２時間後、得られた構造化基板を前記成長溶液から取り出す。前記構造化基板を脱イオン水およびメタノールで連続的に洗い流し、その後デシケーター内で乾燥させる。
実施例８
コーティングされた構造化基板の特性評価
構造化基板を前記ＺｎＯ成長法を介して形成し、前記構造化基板のＺｎＯ層上にコーティングを塗布した。図１５は、前記コーティングされた構造化基板の走査型電子顕微鏡画像を示す。前記画像から、ＺｎＯナノロッドのアレイが形成されており、また、前記コーティングから、前記ＺｎＯナノロッドの実質的に等角被覆が得られていることが分かる。
実施例９
アモルファスシリコンコーティングされた構造化基板の特性評価
アモルファスシリコンのコーティングを構造化基板上に塗布して、厚さが約２００ｎｍであるアモルファスシリコン層を形成した。前記構造化基板は、平均断面直径が約３００ｎｍであり、平均長さが約３μｍであり、平均スペーシングが約３μｍであるＺｎＯナノロッドのアレイを含んでいた。比較目的のため、同様のアモルファスシリコン層を実質的に平坦な基板上に形成した。前記コーティングされた構造化基板および前記コーティングされた平坦基板に対して光学的測定を行って、透過特性、反射特性および吸収特性を判定した。
図１６は、前記コーティングされた構造化基板および前記コーティングされた平坦基板の透過率値および反射率値を波長の関数としてプロットしたものである。前記コーティングされた平坦基板と比較して、前記コーティングされた構造化基板は、６５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲において、光透過の低減量が約９倍も高かった。特に、この波長範囲において、前記コーティングされた平坦基板の平均透過率値が約０．４５であるのに対し、前記コーティングされた構造化基板の平均透過率値は約０．０５未満であった。これに関連して、前記コーティングされた構造化基板は、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲において、光反射の低減量が約４倍も高かった。特に、この波長範囲において、前記コーティングされた平坦基板の平均反射率値は約０．３５であるのに対し、前記コーティングされた構造化基板の平均反射率値は約０．１である（この反射率のうち大部分は、前記コーティングされた構造化基板を保持するために用いられたガラス被覆スリップに起因する）。ここで、１０°の入射角に基づいてかつ参考としてアルミニウム鏡を用いて、反射率値を判定した。前記コーティングされた構造化基板の場合、反射低減および透過低減双方を示し、これは、より高い割合の入射光が（反射されるかまたは吸収されずに透過されるのではなく）吸収されたことを示す。
図１７は、前記コーティングされた構造化基板および前記コーティングされた平坦基板の吸光度値を波長の関数としてプロットしたものである。前記コーティングされた平坦基板と比較して、前記コーティングされた構造化基板は、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲において、光吸収の増加が約３倍も高かった。特に、この波長範囲において、前記コーティングされた平坦基板の平均吸光度値が約０．３であったのに対し、前記コーティングされた構造化基板の平均吸光度値は約０．９であった。
図１８は、前記コーティングされた構造化基板および前記コーティングされた平坦基板の透過光散乱損失の測定結果を波長の関数として示し、およびそれらの統合透過率の測定結果を狭波長領域において示す。前記透過光散乱損失の測定を、未散乱透過光経路（０°の検出角度）に対する１０°の検出角度に基づいて実施した。基板の片側上へのレーザ源入射と、前記基板の他方側に配置された光検知器に連結された積分球とを用いて、統合透過率測定を行った。前記未散乱の透過光と比較して、前記コーティングされた構造化基板は、前記１０°の検出角度において大幅に小さな信号を示した。加えて、前記統合透過率測定は、図１６中の透過測定よりも若干大きな、コーティングされた構造化基板に対する透過信号を示す。積分球測定におけるこのより大きな透過信号は、散乱透過光が検出されていることを示す。どちらの組の測定も、構造化基板の詳細に応じて、約５パーセント〜約１０パーセントの範囲において小さな散乱損失を安定して示している。
本発明について、その特定の実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の意図および範囲から逸脱することなく、多様な変更が可能であり、均等物との代替が可能であることを理解する。加えて、本発明の目的、意図および範囲に合わせて、特定の状況、材料、物の組成、方法またはプロセスに適合するように多くの改変が可能である。このような改変は全て、本明細書に添付される特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。特に、本明細書で開示される方法について、特定の順序で行われる特定の動作を参照して説明してきたが、これらの動作を組み合わせるか、細分化するかまたは再度順序を変更して、本発明の教示内容から逸脱することなく相当する方法を形成することが可能であることが理解される。従って、本明細書で明示的に記載無き限り、上記工程の順序およびグループ分けは、本発明の制約とならない。

Claims (29)

  1. 構造特徴部（functional structure）のアレイを含む構造化基板と、
    前記構造化基板に隣接して配置され、かつ、前記構造特徴部のアレイに実質的に適合するような形状である、第１の電極層と、
    前記第１の電極層に隣接して配置され、かつ、前記第１の電極層に実質的に適合するような形状である、活性層であって、一組の光活性材料を含む、活性層と、
    前記活性層に隣接して配置され、かつ、前記第１の電極層および第２の電極層がインターロッキング構成を有するような形状である、第２の電極層と、
    を含む、光起電力デバイス。
  2. 前記構造特徴部のアレイのうちの少なくとも１つの横方向寸法が、１００ｎｍ〜１μｍの範囲である、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  3. 前記構造特徴部のアレイのうちの少なくとも１つの縦方向寸法が、１μｍ〜１０μｍの範囲である、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  4. 前記構造特徴部のアレイのうちの少なくとも１つのアスペクト比が、５〜１００の範囲である、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  5. 前記構造特徴部のアレイのうち最近接の構造特徴部のスペーシングが、５００ｎｍ〜１０μｍの範囲である、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  6. 前記構造化基板がベース基板を含み、前記構造特徴部のアレイが、前記ベース基板から延びるナノロッドのアレイに対応する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  7. 前記ナノロッドのアレイが、金属酸化物および金属カルコゲニドのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の光起電力デバイス。
  8. 前記第１の電極層が、前記ナノロッドのアレイに従った形状である突起部のアレイを含み、前記第２の電極層が、前記突起部のアレイを補完する凹部のアレイを含む、請求項６に記載の光起電力デバイス。
  9. 前記構造特徴部のアレイが細孔のアレイに対応する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  10. 前記第１の電極層が、前記細孔のアレイに従った形状である凹部のアレイを含み、前記第２の電極層が、前記凹部のアレイを補完する突起部のアレイを含む、請求項９に記載の光起電力デバイス。
  11. 前記第１の電極層および前記第２の電極層のうちの少なくとも１つが、前記可視範囲において実質的に透明である、請求項１に記載の光起電力デバイス。
  12. 構造化基板と、
    前記構造化基板に隣接して配置された第１の電極層であって、前記構造化基板に合わせた形状である一組の突起部を含む、第１の電極層と、
    前記第１の電極層から間隔を空けて配置された第２の電極層であって、前記第１の電極層の前記一組の突起部を補完する一組の凹部を含む、第２の電極層と、
    前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置された一組の光活性層と、
    を含む、光起電力デバイス。
  13. 前記構造化基板が、ベース基板と、前記ベース基板から延びる一組のナノロッドとを含み、前記第１の電極層の前記一組の突起部が、前記一組のナノロッドに合わせた形状である、請求項１２に記載の光起電力デバイス。
  14. 前記第１の電極層の前記一組の突起部のそれぞれが、前記第２の電極層の前記一組の凹部のそれぞれ1つの内部に延びる、請求項１２に記載の光起電力デバイス。
  15. 前記一組の光活性層のうちの隣接する光活性層間の界面が折り畳み接合に対応し、前記折り畳み接合が、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の空間に合わせた形状である、請求項１２に記載の光起電力デバイス。
  16. 前記一組の光活性層のうちの少なくとも１つが、アモルファスシリコンを含み、かつ５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１２に記載の光起電力デバイス。
  17. 構造化基板と、
    前記構造化基板に隣接して配置された第１の電極層であって、前記構造化基板に合わせた形状である一組の凹部を含む、第１の電極層と、
    前記第１の電極層から間隔を空けて配置された第２の電極層であって、前記第１の電極層の前記一組の凹部を補完する一組の突起部を含む、第２の電極層と、
    前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置された一組の光活性層と、
    を含む、光起電力デバイス。
  18. 前記構造化基板が一組の細孔を含み、前記第１の電極層の前記一組の凹部が、前記一組の細孔に合わせた形状である、請求項１７に記載の光起電力デバイス。
  19. 前記第２の電極層の前記一組の突起部のそれぞれが、前記第１の電極層の前記一組の凹部のそれぞれ1つの内部に延びる、請求項１７に記載の光起電力デバイス。
  20. 前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置された導電層をさらに含む、請求項１７に記載の光起電力デバイス。
  21. 前記導電層が、導電性材料を含む一組のナノ粒子を含む、請求項２０に記載の光起電力デバイス。
  22. 導電層を含む基板を提供するステップと、
    （ａ）金属の第１供給源と、
    （ｂ）前記金属の第２供給源および錯化剤を含む成長溶液と、
    に前記基板を曝露することにより、前記基板の前記導電層に隣接するナノ構造のアレイを形成するステップと
    を含み、
    前記ナノ構造物のアレイが金属酸化物を含む、
    構造化基板を形成する方法。
  23. 前記金属が亜鉛であり、前記金属酸化物が酸化亜鉛である、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記金属の第１供給源が、亜鉛箔、亜鉛ワイヤ、亜鉛メッシュ、亜鉛顆粒、粒状亜鉛、亜鉛ピース、亜鉛チップおよび亜鉛粉末のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記金属の第２供給源が亜鉛塩を含む、請求項２３に記載の方法。
  26. 前記基板を前記金属の第１供給源に曝露するステップが、前記基板の前記導電層を前記金属の第１供給源と接触させるステップを含む、請求項２２に記載の方法。
  27. 前記金属の第１供給源と接触している前記導電層内の領域を画定するステップをさらに含み、前記ナノ構造物のアレイを形成するステップが、前記画定された領域に隣接する前記ナノ構造のアレイを選択的に形成するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記基板を前記成長溶液に曝露するステップが、
    前記基板を前記成長溶液中に浸漬するステップと、
    前記成長溶液を２０℃〜１００℃の範囲の温度で維持するステップと
    を含む、請求項２２に記載の方法。
  29. 前記錯化剤が、アミド、尿素、カルバメート、ビウレット、イミド、アンモニア、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン、ジアミン、ポリアミン、ヒドラジン、ヘテロ環、アルコール、水酸化物イオン供給源、および無機塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の方法。
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