JP2015061061A - 光電変換素子 - Google Patents
光電変換素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015061061A JP2015061061A JP2013196105A JP2013196105A JP2015061061A JP 2015061061 A JP2015061061 A JP 2015061061A JP 2013196105 A JP2013196105 A JP 2013196105A JP 2013196105 A JP2013196105 A JP 2013196105A JP 2015061061 A JP2015061061 A JP 2015061061A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- photoelectric conversion
- semiconductor layer
- conversion element
- metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 117
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 91
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 91
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 66
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910005898 GeSn Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- -1 GaAb Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010408 film Substances 0.000 abstract description 33
- 239000002106 nanomesh Substances 0.000 description 44
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 description 24
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 23
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 17
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 17
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 15
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 9
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- LZCLXQDLBQLTDK-UHFFFAOYSA-N ethyl 2-hydroxypropanoate Chemical compound CCOC(=O)C(C)O LZCLXQDLBQLTDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 7
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 6
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229940116333 ethyl lactate Drugs 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 1
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005872 GeSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
- H01L31/022433—Particular geometry of the grid contacts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0328—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/035281—Shape of the body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/078—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers including different types of potential barriers provided for in two or more of groups H01L31/062 - H01L31/075
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
【課題】長波長領域の光を大きく吸収できる光電変換素子を提供する。
【解決手段】第1の金属層と第1の半導体層と第2の半導体層と第2の金属層とが積層されて構成された光電変換層を含む光電変換素子であって、前記第1の金属層または第2の金属層が金属製の多孔質薄膜を含み、前記多孔質薄膜が前記金属薄膜を貫通する複数の開口を有しており、前記開口1つあたりの面積の平均が80nm2以上0.8μm2以下の範囲であり、前記多孔質薄膜の膜厚が2nm以上200nm以下の範囲であり、前記第2半導体層は前記第1半導体層よりも小さいバンドギャップを有し、前記第2半導体層は前記第1半導体層とは反対の極性を有し、前記第2半導体層が前記多孔質薄膜層から5nm以内の位置に存在することを特徴とする、光電変換素子。
【選択図】図5
【解決手段】第1の金属層と第1の半導体層と第2の半導体層と第2の金属層とが積層されて構成された光電変換層を含む光電変換素子であって、前記第1の金属層または第2の金属層が金属製の多孔質薄膜を含み、前記多孔質薄膜が前記金属薄膜を貫通する複数の開口を有しており、前記開口1つあたりの面積の平均が80nm2以上0.8μm2以下の範囲であり、前記多孔質薄膜の膜厚が2nm以上200nm以下の範囲であり、前記第2半導体層は前記第1半導体層よりも小さいバンドギャップを有し、前記第2半導体層は前記第1半導体層とは反対の極性を有し、前記第2半導体層が前記多孔質薄膜層から5nm以内の位置に存在することを特徴とする、光電変換素子。
【選択図】図5
Description
本発明の実施形態は、光電変換素子に関する。
一般的な半導体を用いた光電変換素子では、吸収波長帯域は、半導体のバンドギャップによって決まるため、太陽光のスペクトルを十分に取り込むことができない。例えばSiの単結晶太陽電池においては300〜1100nmの吸収しか起きないため、発電効率は20%を超える程度である。そこで、一般的な光電変換素子の発電効率をあげるためには、光電変換層内へ光電変換層自体が吸収できない長波長の吸収領域を形成する必要がある。
また、光電変換素子の高効率化における手段の一つとして、金属のナノ構造体によるプラズモン共鳴により増強電場を発生させることによりキャリア励起を増大させる方法が提案されている。
これまでに半導体基板裏面へ半導体のバンドギャップ内にドーピングにより長波長吸収領域を形成し、その上へナノメッシュ金属を形成することにより長波長領域の吸収分だけ光電流を多く取り込むことで太陽電池の変換効率向上を図ってる。
しかし、その長波長吸収層はドーピングにより形成していたため、直接遷移的な吸収が起きてもドーピングの濃度が低いため吸収率がそれほど大きくないという問題が発生している。
本発明が解決しようとする課題は、従来の光電変換素子では吸収できない長波長領域の光を大きく吸収できる光電変換素子を提供することである。
本発明の実施形態による光電変換素子は、
第1の金属層と第1の半導体層と第2の半導体層と第2の金属層とが積層されて構成された光電変換層を含む光電変換素子であって、
前記第1の金属層または第2の金属層が金属製の多孔質薄膜を含み、
前記多孔質薄膜が前記金属薄膜を貫通する複数の開口を有しており、
前記開口1つあたりの面積の平均が80nm2以上0.8μm2以下の範囲であり、
前記多孔質薄膜の膜厚が2nm以上200nm以下の範囲であり、
前記第2半導体層は前記第1半導体層よりも小さいバンドギャップを有し、
前記第2半導体層は前記第1半導体層とは反対の極性を有し、
前記第2半導体層が前記多孔質薄膜層から5nm以内の位置に存在することを特徴とするものである。
第1の金属層と第1の半導体層と第2の半導体層と第2の金属層とが積層されて構成された光電変換層を含む光電変換素子であって、
前記第1の金属層または第2の金属層が金属製の多孔質薄膜を含み、
前記多孔質薄膜が前記金属薄膜を貫通する複数の開口を有しており、
前記開口1つあたりの面積の平均が80nm2以上0.8μm2以下の範囲であり、
前記多孔質薄膜の膜厚が2nm以上200nm以下の範囲であり、
前記第2半導体層は前記第1半導体層よりも小さいバンドギャップを有し、
前記第2半導体層は前記第1半導体層とは反対の極性を有し、
前記第2半導体層が前記多孔質薄膜層から5nm以内の位置に存在することを特徴とするものである。
以下、実施形態について図面を用いて説明する。
以下、実施形態の光電変換素子について、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
以下、実施形態の光電変換素子について、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
最初に、実施形態の光電変換素子の光電変換層よりもバンドギャップの小さな半導体層による長波長吸収の原理について、図1、図2を参照して説明する。図1は、従来の光電変換素子の太陽光のスペクトル(AM1.5)を示すグラフであり、図2は、従来の光電変換素子の単結晶Si太陽電池の分光感度特性を示すグラフである。図1の横軸は、光の波長を示し、図1の縦軸は、分光放射分布を示している。また、図2の横軸は、光の波長を示し、図2の縦軸は、量子効率を示している。
まず、図1に示すように、太陽光のスペクトルは太陽の黒体放射に基づくものであるから、放射する光の波長範囲は、広く300nmから2500nmの長波長範囲にまで及ぶことが分かる。
一方、図2に示すように、単結晶Siの光吸収スペクトルは、バンドギャップ1.12eVによって決まるため、300nmから1100nm付近の狭い範囲でしか光を吸収できないことが分かる。そのため、従来の光電変換素子では、光吸収電流は、太陽光の部分的にしか獲得できず、発電効率は20%程度に留まっている。
ここで、一般的に、光電変換素子にて、より長波長領域で光を吸収するためには、半導体のバンドギャップをGeのように小さいものを使用すれば良いように思われるが、バンドギャップが小さくなると、光の吸収波長範囲は広くなるが、バンドギャップが小さいため、開放電圧も小さくなってしまい、結果として発電効率自体は増加しない。それどころか、開放電圧が低いため、発電効率は下がってしまう。
よって、光電変換素子のバンドギャップについては、それなりの大きさ(1〜2eV)を保ったまま、光の長波長領域を吸収する必要がある。
そこで、発明者らは、図3に示すような、それなりのバンドギャップの大きさ(1〜2eV)の光電変換素子に、その光電変換素子よりもバンドギャップの小さな半導体層を設けることにより長波長吸収することを見出した。
ただし、通常、バンドギャップの小さな半導体を接合するとバンド不連続に起因するエネルギー障壁が発生してしまう。そのため、上記半導体層で光によるキャリアが発生しても光電変換層側へキャリアを注入できない問題がある。
そのため、上記問題を解決するため、光電変換層と上記長波長吸収層である半導体層間にトンネル接合を形成すると障壁をトンネル効果により通過してキャリアが光電変換層側へ流れるようになる。
また、上記半導体層で発生するキャリアを光電変換層側へ流すためには、光を吸収して発生したキャリア分布の勾配は上記半導体層表面側から光電変換層である必要がある。通常は、勾配は光電変換層から半導体層であり光電変換層にキャリアを流すことができない。
よって、上記半導体層で発生するキャリアの勾配を半導体表面側から光電変換層にする方法が必要である。
そこで、発明者らは、金属のナノ構造体によるプラズモン共鳴により増強電場を発生させることによりキャリア励起を増大させて、金属のナノ構造体の直下に数十nm内に、通常の数倍から数百倍の大きさの増強電場が発生することにより、その金属のナノ構造体の電場増強効果を用いて、キャリアの勾配を半導体表面側から光電変換層にする構成を見出した。このような光電変換素子によって、半導体層での光の吸収量を光電変換層へ送ることが可能となる。
図3は、実施形態の光電変換素子の太陽光スペクトルを示すグラフである。
図3に示すように、SiのEg=1.12eVで、バンドギャップの小さな半導体としてGeを選択すると、GeのEg=0.67eVであるので1600nmの長波長領域まで光の吸収が伸びていることが分かる。
図3に示すように、SiのEg=1.12eVで、バンドギャップの小さな半導体としてGeを選択すると、GeのEg=0.67eVであるので1600nmの長波長領域まで光の吸収が伸びていることが分かる。
次に、実施形態の光電変換素子の構成について、図4、図5を参照して、説明する。図4(a)は、従来の光電変換素子の構成を示す概略図であり、図4(b)は、従来の光電変換素子の光の波長と量子効率の関係を示すグラフである。また、図5(a)は、実施形態の長波長吸収層を有する光電変換素子の構成を示す概略図であり、図5(b)は光電変換層と長波長吸収層とナノメッシュ電極を含んだエネルギーバンド図であり、トンネル接合とキャリアの分布を示すものであり、図5(c)は、実施形態の長波長吸収層を有する光電変換素子の構成における光の波長と量子効率の関係を示すグラフである。
図4(a)に示すように、従来の光電変換素子は、P−Si層上にn+層が積層されており、n+層の表面には、表電極が設けられている。また、P−Si層の裏面には、裏面電極が設けられている。従来の光電変換素子では、外部の光がP−Si層に入射されると、電子と正孔がバンドギャップの準位に応じて、伝導帯と価電子帯に分離し、光電流として、外部のVocに取り出される。
この場合、図4(b)に示すように、従来の光電変換素子では、光の波長が長波長の場合には、量子効率が減少していることが分かる。よって、従来の光電変換素子では、光の波長が長波長の場合には、量子効率が減少し、光電流を外部に取り出せない。
図5(a)に示すように、実施形態の長波長吸収層とナノメッシュ電極を有する光電変換素子は、p−Si層上にn+層が積層されており、n+層の表面には、表電極が設けられている。また、p−Si層の裏面には、裏面電極が設けられている。さらに、光電変換層よりもバンドギャップの小さいn−Ge層が、裏面電極とは接することがないよう、P−Si層の裏面に設けられている。n−Ge層は、p―Si層の裏面から、CVD(Chemical Vapor Deposition)等で成膜することにより形成される。また、ナノメッシュ電極が、n−Ge層と接して、裏面電極の間に設けられている。ナノメッシュ電極は、n−Ge層上に、金属の微小構造体を形成する。
図5(b)に示すように、バンドギャップの異なる半導体のp−Siとn−Geの界面ではバンド不連続からくるエネルギー障壁が発生する。その障壁をなくすため、トンネル接合を形成している。トンネル接合を形成するには界面近傍の半導体層のキャリア濃度を高くする必要がある。そのため、界面近傍の濃度を1019cm−3以上にしてある。半導体層のキャリア濃度の上限は1022cm−3程度あるため、それ以上に多くしてしまうと(1×1022cm−3〜)、母体の半導体自体の物性(バンドギャップ等)が変わってしまうため好ましくない。
ここで、図5(c)に示すように、実施形態の長波長吸収層とナノメッシュ電極を有する光電変換素子は、n−Ge層は、裏面電極とは接していないため、バンドギャップに応じた電圧が得られる。また、n−Ge層があるため、光の長波長領域での吸収領域も現れる(図の破線部分)。また、ナノメッシュ電極がn−Ge層上に存在するため、増強電場の効果により、光の吸収量が多くなり、図5(c)に示すように、量子効率が向上する(図5(c)の破線太線)。
ここでは、バンドギャップの小さい半導体材料としてGeをあげているが、GeSn、GaAb、PbS、PbSe、InSbなどがあげられる。また、半導体材料の厚みは10nmもあればそれなりの効果があり、1000nmもあれば吸収は十分である。
また、n−Ge層は、ナノメッシュ電極の近傍に存在する必要がある。ナノメッシュ電極によって発生する電場増強の範囲は、ナノメッシュ電極直下から数十nmの範囲であり、電場増強のピークは、ナノメッシュ電極直下であるためである。よって、n−Ge層が電場増強の恩恵を受けるためには、n−Ge層は、ナノメッシュ電極から5nm以内に存在することが好ましい。
さらに、n−Ge層の厚さは、ナノメッシュ電極によって発生する電場増強の範囲がナノメッシュ電極直下から数十nmの範囲であり、かつ、電場増強のピークがナノメッシュ電極直下であるため、少なくとも10nmあれば電場増強の恩恵を受けることが可能となる。
以上から、図5(a)に示す実施形態の光電変換素子では、n−Ge層5とナノメッシュ電極6を形成することにより、従来の光電変換素子よりも、発電効率が向上する。
次に、金属のナノ構造体によるプラズモン共鳴により増強電場が発生する原理について、図6を参照して、説明する。図6(a)は、金属のナノ構造体に光を照射した場合の自由電子の動きを示す概略図であり、図6(b)は、金属のナノ構造体に光を照射した場合の局在電場の発生を示す概略図である。
図6(a)に示すように、金属のナノ構造体10に光12を照射した場合、そのナノ構造体10の寸法が、光12の波長もしくはそれよりも小さい構造であると、表面プラズモンの励起が起こることが知られている。光13がナノ構造体10へ照射されると、ナノ構造体10の自由電子11が光12の進行方向に対して垂直に振動する。その際、ナノ構造体10の端部の上面側(光13が照射される側)では、自由電子11の振動により、自由電子11が密な部分13と自由電子が疎な部分14が生じる。
その結果、図6(b)に示すように、ナノ構造体10の端部近傍に、光12の進行方向と平行に振動する局在電場15が発生する。このとき生じる局在電場15は、光12により発生する電場の数百倍にも及び、この局在電場15は、電子・正孔対の生成を促進させる。
ここで、金属のナノ構造体であるナノメッシュ電極6とドット金属7の構造について、図7を参照して、説明する。図7(a)は、ナノメッシュ電極6の斜視図であり、図6(b)は、ドット金属7の斜視図である。
図7に示すように、金属のナノ構造体とは、例えば、図7(a)に示すように、連続した金属薄膜に入射光の波長程度の開口を複数設けた、多孔質膜構造を有するナノメッシュ金属6を用いることができる。
あるいは、金属のナノ構造体とは、例えば、図7(b)に示すように、p―Si層1上に入射光の波長程度の直径r、間隔lで設けられた複数の金属ドット7の集まりである金属構造体を用いることができる。
次に、金属のナノ構造体による強い局在電場の様子を、図8を参照して、説明する。
図8(a)は、金属のナノ構造体の概略図であり、図8(b)は、金属のナノ構造体のFinite Diffrence Time Domain(FDTD)法によるシミュレーション結果を示すグラフである。
図8(a)は、金属のナノ構造体の概略図であり、図8(b)は、金属のナノ構造体のFinite Diffrence Time Domain(FDTD)法によるシミュレーション結果を示すグラフである。
図8(a)に示すように、Si20/Al21/空気22の構造を構成し、Alの厚さは、30nmとし、Al21には開口23を用意した。そのAl21の開口30の径lを100nm、開口30のピッチrを200nmとした。
次に、図8(b)は、図8(a)の構造に、Finite Diffrence Time Domain(FDTD)法によって、入射光24(λ=1000nm、進行方向)を与えた時の電場強度をシミュレーションにて計算した結果である。シミュレーションの結果から、電場がAl21の端部近傍で増強され、局在電場25が発生していることがわかる。
また、金属のナノ構造体であるナノメッシュ電極6の開口径と電場増強の関係について、図9を参照して、説明する。図9は、ナノメッシュ電極の間隔と電場増強の関係を示すグラフである。縦軸は、電場の強さを示し、横軸は、ナノメッシュ電極6の間隔を示している。
図9に示すように、光の波長1000nm程度以上の領域で、Al21の端部が電場増強を発生するためには、開口23のピッチlは、1μm以下であれば良い。これは、開口23の1個あたりの面積に換算すると、0.8μm2以下であれば良いこととなる。なお、開口23のピッチlは、開口23のピッチlの加工精度から、数十nm程度あれば良く、開口23の1個あたりの面積に換算すると、80nm2以上であれば良い。
また、前述したシミュレーションの結果から、Al21の膜厚が2nm以上あれば、十分に電場増強を発生させられることが分かっている。なお、Al21の膜厚が200nmよりも厚くなると、それよりも厚い膜厚では、電場増強は飽和してしまう。
さらに、金属のナノ構造体であるドット金属7についても、ナノメッシュ電極6の場合と同様にシミュレーションを行った。図10は、ドット金属7の半径と局在電場の広がりの関係を示すグラフである。縦軸は、ドット金属直下の局在電場の広がりを示し、横軸は、ドット金属の半径を示している。
図10に示すように、ドット金属7の半径が1nmから1000nmの範囲を示しており、これは、ドット金属7を球と仮定した場合、ドット金属7の体積が4nm3以上0.52μm3以下の範囲に相当する。すなわち、ドット金属7の平均の体積が、4nm3以上0.52μm3以下の範囲であれば、十分に電場増強効果が発生することが分かった。
また、1000nm程度以上の領域で電場増強を発生するには、ドット金属7の間隔があまりにも狭い場合には、ドット金属7間に、エネルギー移動が起こってしまい、電場増強の効果が弱まってしまうことが分かっている。
図10に示すように、ドット金属7の寸法が小さい場合には、局在電場の広がりは、その寸法の1/2程度である。具体的には、ドット金属7の半径が1nm(体積4nm3)のドット金属である場合、局在電場の広がりは1nm(半径程度)である。しかし、ドット金属7の寸法が大きければ、局在電場の広がりも大きいというわけではなく、ドット金属7の寸法が一定値以上になると、局在電場は100nm程度あるいはそれ以下にしか広がらない。具体的には、ドット金属7の半径が100nm(体積4×10−3μm)以上の球である場合には、局在電場は100nm程度あるいはそれ以下である。
よって、ドット金属7の体積が4×10−3μm3未満である場合には、隣り合う2つのドット金属7の間隔の平均が1nm以上であれば、ドット金属7の間でエネルギー移動は起こらない。
また、ドット金属7の体積が4×10−3μm3以上である場合には、隣り合う2つのドット金属7の間隔の平均は100nm以上であれば、ドット金属7の間のエネルギー移動は起こらない。
しかし、ドット金属7の間隔が大きすぎると、ドット金属7の占有率が低くなり、電場増強が弱くなることが分かっているため、隣り合う2つのドット金属7の間隔の平均は、1μm以下であることが好ましい。
次に、実施形態の光電変換素子の製造方法について、図11〜図13を参照して、説明する。図11〜図13は、実施形態の光電変換素子の製造方法を示す断面図である。
なお、200〜300nm以下の開口を有する金属電極パターンを形成するには、半導体集積回路で用いられている最新の露光装置や、EB描画装置を用いる必要がある。しかし、最新の露光装置やEB描画装置を用いると、大面積でかつ低コストで形成することは不可能である。大面積でかつ低コストで形成可能な方法の一つとして、ナノインプリントを用いる方法がある。以下、ナノメッシュ型金属の形成方法についてはナノインプリント法を用いて説明する。
まず、図11(a)に示すように、基板として、1×1016cm−3のドーピング濃度を有するp型Si単結晶基板を用意した。表面側にPを、裏面側にBをイオン注入した。イオン注入後、活性化アニールを行い、Si表面から200nm内に、1×1020cm−3の濃度のn+層、Si裏面から200nm内に1×1020cm−3の濃度のP+層が得られた。
次に、図11(b)に示すように、n−Ge膜をCVD法により1ミクロン成膜した。成膜時にドーピング濃度を調節することによりSiとの界面から100nmは1019cm−3の濃度にして、その後の濃度は1017cm−3にしてある。
さらに、図11(c)に示すように、n−Ge面に、Agを蒸着法により30nm形成して、Ag層を形成した。
また、図12(a)に示すように、n−Ge面に形成したAg層上に、レジストを形成した。
さらに、図12(b)に示すように、200nmの大きさを持つ凸形状が形成された石英スタンパー(形状は9cm2内に形成されている)を用意し、レジストが形成されているp型Si単結晶基板を加熱した状態で、石英スタンパーの凸形状がある側をレジストに押し付けて、インプリントを行った。
さらに、図12(c)に示すように、インプリント後、冷却して、石英スタンパー7をリリースする。その結果、レジスト上に、200nmの大きさの凹形状が形成された。
また、図12(d)に示すように、凹形状が形成されたレジストを、CF4のリアクティブイオンエッチング(RIE)によりエッチングし、レジストの底出しを行う。
さらに、図12(e)に示すように、レジストの底出しを行なった後、イオンミリング法により、Ag層のエッチングを行う。Ag層のエッチングした後、残留したレジストを取り除くことにより、Ag層中に、開口を持つナノメッシュ金属を形成した。
また、図13(a)に示すように、ナノメッシュ金属上にレジストを形成した。フォトリソグラフィー法により、幅100ミクロン、間隔1mmの格子状のパターンマスクを用いて露光して、その後現像して、レジストパターンを形成した。
さらに、図13(b)に示すように、そのレジストパターンをマスクとして、イオンミリング法により、ナノメッシュ金属8のエッチングを行い、続いて、CF4RIEによりGe層をエッチングしてp+−Si層を露出させた。その後、残留したレジストを取り除いた。
また、図13(c)に示すように、露出したp+−Si部分に、リフトオフ法により、裏面電極を形成した。
最後に、図13(d)に示すように、n+層に、櫛型電極を形成し、光電変換素子を完成させた。
なお、上記では、Si単結晶光電変換素子について説明したが、それ以外にも、他結晶、アモルファスSi光電変換素子、または、化合物半導体においても上記と似たような方法で、バンドギャップの小さい半導体層を有し、その層上へナノメッシュ金属を有する光電変換素子を形成できる。なお、化合物半導体として、GaAs、CdTe、CIS系などがあげられる。
実施形態の光電変換素子を、実施例によって、さらに詳細に説明する。光電変換素子は、9cm2の大きさで作製して、特性を評価した。なお、実施例では、ナノメッシュ金属及びドット金属の作製方法は、ナノインプリント法に関して記述してあるが、それ以外の方法(例えば自己組織化を利用する)でも同様に作製できる。
まず、実施例1〜12について、表形式にて、概要を説明する。
(実施例1)
実施例1の光電変換素子の製造方法について、図11〜図13を参照して説明する。図11〜図13は、実施形態の光電変換素子の製造方法を示す断面図である。
実施例1の光電変換素子の製造方法について、図11〜図13を参照して説明する。図11〜図13は、実施形態の光電変換素子の製造方法を示す断面図である。
まず、図11(a)に示すように、基板として、厚さが500μm、1×1016cm−3のドーピング濃度を有するp型Si単結晶基板を用意した。表面側にPを、裏面側にBをイオン注入した。イオン注入後、活性化アニールを行い、Si表面から200nm内に、1×1020cm−3の濃度のn+層、Si裏面から200nm内に1×1020cm−3の濃度のP+層が得られた。
次に、図11(b)に示すように、n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜した。成膜時にドーピング濃度を調節することによりSiとの界面から100nmは1019cm−3の濃度にして、その後の濃度は1017cm−3にしてある。
次に、図11(c)で示すように、n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成した。
さらに、図12(a)に示すように、n−Ge面に形成したAg層上に、レジスト(THMR IP3250、(株)東京応化工業)を乳酸エチル(EL)で1:2に希釈した溶液を2000rpm、30秒でスピンコートを行った後、ホットプレート上において、110℃で90秒間加熱して、溶媒を蒸発させた。レジストの膜厚は150nmであった。
次いで、図12(b)に示すように、200nmのピッチ、大きさ100nm、高さ150nmの高さを持つ凸形状が形成された石英スタンパー(形状は9cm2内に形成されている)を用意し、レジストを形成したp型Si単結晶基板30を120℃に加熱した状態で、石英スタンパーの凸形状がある側を、レジストに10MPaの圧力で押し付けて、インプリントを行った。
また、図12(c)に示すように、インプリント後、室温まで冷却し、石英スタンパー37をリリースした。インプリント後、レジスト上に、200nmのピッチ大きさ100nm、深さ100nmの凹形状が形成された。
次に、図12(d)に示すように、凹パターンが形成されたレジストパターンを、CF4:30sccm、10mTorr、RFパワー100Wの条件で30秒間エッチングを行った。CF4RIE後、レジストの底出しが行われ、Ag層が露出した。
次いで、図12(e)に示すように、イオンミリング装置を用いて、加速電圧500V、イオン電流40mAの条件で、80秒間、Ag層のエッチングを行って、開口部を有するナノメッシュ電極を形成した。イオンミリングにより、Ag層5に、200nmピッチ、100nmの開口を有するパターンが形成された。ここで、残留したレジストを有機溶媒により取り除いた。
次に、図13(a)に示すように、ナノメッシュ電極上に、レジスト(THMR IP3250、(株)東京応化工業)溶液を2000rpm、30秒でスピンコートを行った後、ホットプレート上において、110℃で90秒間加熱して、溶媒を蒸発させた。レジストの膜厚は1ミクロンであった。その後、幅100ミクロン、間隔1mmの格子状のマスクを用いて、フォトリソグラフィー法にて、レジストに幅100ミクロン、間隔1mmの格子状にパターニングした。
また、図13(b)に示すように、そのレジストパターンをマスクとして、イオンミリング法により、加速電圧500V、イオン電流40mAの条件で80秒間、ナノメッシュ金電極のエッチングを行い、ナノメッシュ金属を除去した。続いて、CF4RIEにより、CF4:30sccm、10mTorr、RFパワー100Wの条件で10分間間エッチングを行った。n−Ge層をエッチングしてp+−Si層を露出させた。その後、残留したレジストを取り除いた。
次に、図13(c)に示すように、p+−Si層が露出した部分に、リフトオフ法により、裏面電極を形成した。
最後に、図13(d)に示すように、n+層に、エポキシ系熱硬化型のAgペーストを用いたスクリーン印刷法により、櫛型電極を作製し、n−Ge層とナノメッシュ電極を有するSi光電変換素子を完成させた。
(太陽電池セルの特性)
上記のようにして作製した光電変換素子に、AM1.5の擬似太陽光を照射し、室温における光電変換効率を評価した。その結果、n−Ge層とナノメッシュ電極を有するSi単結晶高変換素子の光電変換効率は、13.5%と良好な値を示した。
上記のようにして作製した光電変換素子に、AM1.5の擬似太陽光を照射し、室温における光電変換効率を評価した。その結果、n−Ge層とナノメッシュ電極を有するSi単結晶高変換素子の光電変換効率は、13.5%と良好な値を示した。
一方、n−Ge層とナノメッシュ電極を有していない従来のSi単結晶光電変換素子の光電変換効率は、10.0%であった。
また、分光感度特性を行うと、従来のSi単結晶光電変換素子では、1100nm周辺までしか光の吸収が起きていなかったが、n−Ge層とナノメッシュ電極を有するSi単結晶光電変換素子は、分光感度の強度はそれほど強くは無いが、1100nm〜1500nmにも、光吸収のスペクトルが観測された。
この結果から、n−Ge層とナノメッシュ電極により、光の長波長領域で、光の吸収が起きたため、光電変換率が上昇したことが示された。
(実施例2)
「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−Ge面に、蒸着法により、Au層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−Ge面に、蒸着法により、Au層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例3)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GeSn膜を蒸着法により300nm成膜」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GeSn膜を蒸着法により300nm成膜」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例4)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GaSb膜を蒸着法により200nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−GaSb面に、蒸着法により、Cu層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GaSb膜を蒸着法により200nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−GaSb面に、蒸着法により、Cu層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例5)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−PbS膜を蒸着法により500nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−PbS面に、蒸着法により、Au層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−PbS膜を蒸着法により500nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−PbS面に、蒸着法により、Au層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例6)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−PbSe膜を蒸着法により200nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−PbSe面に、蒸着法により、Cu層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−PbSe膜を蒸着法により200nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−PbSe面に、蒸着法により、Cu層を30nm形成」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例7)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−InSb膜を蒸着法により200nm成膜」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−InSb膜を蒸着法により200nm成膜」した以外は実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例8)
実施例1のSi単結晶基板の代わりに、下記の膜厚が小さい単結晶Si基板を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
膜厚が小さい単結晶Si基板:厚さ50μmの単結晶Si基板。
実施例1のSi単結晶基板の代わりに、下記の膜厚が小さい単結晶Si基板を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
膜厚が小さい単結晶Si基板:厚さ50μmの単結晶Si基板。
(実施例9)
実施例1のナノメッシュ電極の代わりに、下記方法によって作成したドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
ドット金属からなる電極:実施例1と同様に、Ag層を形成した。さらに、図13に示すように、p型Si単結晶基板表面に形成したAg層上に、レジスト(THMR IP3250、(株)東京応化工業)を乳酸エチル(EL)で1:2に希釈した溶液を2000rpm、30秒でスピンコートを行ったのち、ホットプレート上において、110℃で90秒間加熱して溶媒を蒸発させた。レジスト36の膜厚は150nmであった。次いで、図(b)に示すように、大きさ150nm、高さ100nmの高さを持つ凹形状が形成された石英スタンパー(形状は9cm2内に形成されている)を用意し、レジストが形成されたp型Si単結晶基板を120℃に加熱した状態で、石英スタンパーの凸形状がある側を、レジストに10MPaの圧力で押し付けて、インプリントを行った。さらに、図(c)に示すように、インプリント後、p型Si単結晶基板を室温まで冷却し、石英スタンパーをリリースした。インプリント後、レジスト上に、大きさ150nm、深さ80nmの凹形状が形成された。次に、図(d)に示すように、凹パターンが形成されたレジストパターンを、CF4:30sccm、10mTorr、RFパワー100Wの条件で、30秒間エッチングを行った。CF4RIE後、レジストの底出しが行われ、Ag層が露出した。次いで、図(e)に示すように、イオンミリング装置を用いて、加速電圧500V、イオン電流40mAの条件で80秒間、Ag層のエッチングを行って、p−Si層1上にドット金属を形成した。イオンミリングにより、Ag層にドット状で、大きさ150nmのパターンが形成した。残留したレジストを、有機溶媒により取り除くことによって、ドット金属からなる電極を作成した。
実施例1のナノメッシュ電極の代わりに、下記方法によって作成したドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
ドット金属からなる電極:実施例1と同様に、Ag層を形成した。さらに、図13に示すように、p型Si単結晶基板表面に形成したAg層上に、レジスト(THMR IP3250、(株)東京応化工業)を乳酸エチル(EL)で1:2に希釈した溶液を2000rpm、30秒でスピンコートを行ったのち、ホットプレート上において、110℃で90秒間加熱して溶媒を蒸発させた。レジスト36の膜厚は150nmであった。次いで、図(b)に示すように、大きさ150nm、高さ100nmの高さを持つ凹形状が形成された石英スタンパー(形状は9cm2内に形成されている)を用意し、レジストが形成されたp型Si単結晶基板を120℃に加熱した状態で、石英スタンパーの凸形状がある側を、レジストに10MPaの圧力で押し付けて、インプリントを行った。さらに、図(c)に示すように、インプリント後、p型Si単結晶基板を室温まで冷却し、石英スタンパーをリリースした。インプリント後、レジスト上に、大きさ150nm、深さ80nmの凹形状が形成された。次に、図(d)に示すように、凹パターンが形成されたレジストパターンを、CF4:30sccm、10mTorr、RFパワー100Wの条件で、30秒間エッチングを行った。CF4RIE後、レジストの底出しが行われ、Ag層が露出した。次いで、図(e)に示すように、イオンミリング装置を用いて、加速電圧500V、イオン電流40mAの条件で80秒間、Ag層のエッチングを行って、p−Si層1上にドット金属を形成した。イオンミリングにより、Ag層にドット状で、大きさ150nmのパターンが形成した。残留したレジストを、有機溶媒により取り除くことによって、ドット金属からなる電極を作成した。
(実施例10)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GeSn膜を蒸着法により300nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−GeSn面に、蒸着法により、Au層を30nm形成」し、かつ、ナノメッシュ電極の代わりに、実施例9のドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GeSn膜を蒸着法により300nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−GeSn面に、蒸着法により、Au層を30nm形成」し、かつ、ナノメッシュ電極の代わりに、実施例9のドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例11)
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GaSb膜を蒸着法により200nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−GeSb面に、蒸着法により、Cu層を30nm形成」し、かつ、ナノメッシュ電極の代わりに、実施例9のドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−GaSb膜を蒸着法により200nm成膜」し、かつ、「n−Ge面に、蒸着法により、Ag層を30nm形成」する代わりに「n−GeSb面に、蒸着法により、Cu層を30nm形成」し、かつ、ナノメッシュ電極の代わりに、実施例9のドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例12)
実施例1のSi単結晶基板の代わりに多結晶Si基板を用い、かつ、「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−Ge膜をCVD法により200nm成膜」した以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
実施例1のSi単結晶基板の代わりに多結晶Si基板を用い、かつ、「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−Ge膜をCVD法により200nm成膜」した以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
(実施例13)
実施例1のSi単結晶基板の代わりに多結晶Si基板を用い、かつ、「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−Ge膜をCVD法により300nm成膜」し、かつ、ナノメッシュ電極の代わりに、実施例9のドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
実施例1のSi単結晶基板の代わりに多結晶Si基板を用い、かつ、「n−Ge膜をCVD法により1000nm成膜」する代わりに「n−Ge膜をCVD法により300nm成膜」し、かつ、ナノメッシュ電極の代わりに、実施例9のドット金属からなる電極を用いた以外は、実施例1と同様にして、Si光電変換素子を作成した。
そして、実施例1と同様にして、光電変換効率を測定した。結果は、表1に示される通りである。
Claims (8)
- 第1の金属層と第1の半導体層と第2の半導体層と第2の金属層とが積層されて構成された光電変換層を含む光電変換素子であって、
前記第1の金属層または第2の金属層が金属製の多孔質薄膜を含み、
前記多孔質薄膜が前記金属薄膜を貫通する複数の開口を有しており、
前記開口1つあたりの面積の平均が80nm2以上0.8μm2以下の範囲であり、
前記多孔質薄膜の膜厚が2nm以上200nm以下の範囲であり、
前記第2半導体層は前記第1半導体層よりも小さいバンドギャップを有し、
前記第2半導体層は前記第1半導体層とは反対の極性を有し、
前記第2半導体層が前記多孔質薄膜層から5nm以内の位置に存在することを特徴とする、光電変換素子。 - 第1の金属層と半導体層と第2の金属層とが積層されて構成された光電変換層を含む光電変換素子であって、
前記半導体層上へ金属製の微小体を複数個有する層を含み、
前記各微小体の体積の平均が4nm3以上0.52μm3以下の範囲であり、
隣り合う2つの前記微小体の間隔の平均は、微小体の体積が4×10−3μm3未満で ある場合には1nm以上、
微小体の体積が4×10−3μm3以上である場合には100nm以上で、且つ、1μm以下であり、
前記第2半導体層は前記第1半導体層よりも小さいバンドギャップを有し、
前記第2半導体層は前記第1半導体層とは反対の極性を有し、
前記第2半導体層が前記微小体から5nm以内の位置に存在することを特徴とする、光電変換素子。 - 前記第1の金属層または前記第2の金属層の材料が、Al、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Co、CrおよびTiからなる群から選ばれたものである、請求項1または2記載の光電変換素子。
- 前記第1半導体層と前記第2半導体層の界面近傍の少なくとも1つの半導体層の濃度が1019cm−3以上1022cm−3以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記第2半導体層が、Ge、GeSn、GaAb、PbS、PbSeおよびInSbからなる群から選ばれた材料からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記第2半導体層の厚みが10nm以上1000nm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記第1半導体層が、p型またはn型のいずれかの層を有し、前記半導体層は、単結晶シリコン、あるいは多結晶シリコン、あるいはアモルファスシリコンである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記半導体層が、p型またはn型のいずれかの層を有し、前記第1半導体層は、化合物半導体である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013196105A JP2015061061A (ja) | 2013-09-20 | 2013-09-20 | 光電変換素子 |
US14/488,627 US20150083205A1 (en) | 2013-09-20 | 2014-09-17 | Photoelectric conversion element |
EP14185106.3A EP2851960A1 (en) | 2013-09-20 | 2014-09-17 | Photoelectric conversion element |
CN201410478643.7A CN104465818A (zh) | 2013-09-20 | 2014-09-18 | 光电转换元件 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013196105A JP2015061061A (ja) | 2013-09-20 | 2013-09-20 | 光電変換素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015061061A true JP2015061061A (ja) | 2015-03-30 |
Family
ID=51542242
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013196105A Pending JP2015061061A (ja) | 2013-09-20 | 2013-09-20 | 光電変換素子 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20150083205A1 (ja) |
EP (1) | EP2851960A1 (ja) |
JP (1) | JP2015061061A (ja) |
CN (1) | CN104465818A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017038060A (ja) * | 2015-08-12 | 2017-02-16 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | 太陽電池及び太陽電池の製造方法 |
JP2018174657A (ja) * | 2017-03-31 | 2018-11-08 | 国立大学法人横浜国立大学 | エネルギー変換装置及びその製造方法 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104851981B (zh) * | 2014-02-18 | 2018-02-06 | 财团法人工业技术研究院 | 蓝光发光元件及发光元件 |
CN111933726B (zh) * | 2020-07-31 | 2023-06-09 | 浙江晶科能源有限公司 | 电极、电极制备方法及太阳能电池 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7148417B1 (en) * | 2003-03-31 | 2006-12-12 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | GaP/silicon tandem solar cell with extended temperature range |
US7812249B2 (en) * | 2003-04-14 | 2010-10-12 | The Boeing Company | Multijunction photovoltaic cell grown on high-miscut-angle substrate |
WO2008150295A2 (en) * | 2007-06-07 | 2008-12-11 | California Institute Of Technology | Plasmonic photovoltaics |
EP2279054A2 (en) * | 2008-04-25 | 2011-02-02 | National University of Ireland, Galway | An ink comprising nanostructures |
CN102947952A (zh) * | 2010-06-23 | 2013-02-27 | 吉坤日矿日石能源株式会社 | 光电转换元件 |
JP5398678B2 (ja) * | 2010-09-29 | 2014-01-29 | 株式会社東芝 | 光電変換素子 |
JP5681607B2 (ja) * | 2011-03-28 | 2015-03-11 | 株式会社東芝 | 光電変換素子 |
CN102544177B (zh) * | 2011-03-30 | 2014-06-25 | 郑州大学 | 用于太阳电池的等离子体激元增强上转换器及其制备方法 |
-
2013
- 2013-09-20 JP JP2013196105A patent/JP2015061061A/ja active Pending
-
2014
- 2014-09-17 US US14/488,627 patent/US20150083205A1/en not_active Abandoned
- 2014-09-17 EP EP14185106.3A patent/EP2851960A1/en not_active Withdrawn
- 2014-09-18 CN CN201410478643.7A patent/CN104465818A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017038060A (ja) * | 2015-08-12 | 2017-02-16 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | 太陽電池及び太陽電池の製造方法 |
JP2018174657A (ja) * | 2017-03-31 | 2018-11-08 | 国立大学法人横浜国立大学 | エネルギー変換装置及びその製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN104465818A (zh) | 2015-03-25 |
US20150083205A1 (en) | 2015-03-26 |
EP2851960A1 (en) | 2015-03-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yu et al. | Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells | |
CN107452823A (zh) | 一种微米线阵列光探测器及其制备方法 | |
JPWO2011125101A1 (ja) | 光電変換素子及びその製造方法 | |
JP5681607B2 (ja) | 光電変換素子 | |
TW201001726A (en) | Techniques for enhancing efficiency of photovoltaic devices using high-aspect-ratio nanostructures | |
JP2011138804A (ja) | ナノワイヤ太陽電池及びその製造方法 | |
JP2015061061A (ja) | 光電変換素子 | |
CN103094374B (zh) | 太阳能电池 | |
JP5398678B2 (ja) | 光電変換素子 | |
JP2011513962A (ja) | 高アスペクト比ナノ構造体を用いた光起電デバイス及びその作成方法 | |
CN103094401B (zh) | 太阳能电池的制备方法 | |
TWI603489B (zh) | 太陽能電池 | |
JP2013115417A (ja) | 光電変換素子及びその製造方法 | |
WO2014136691A1 (ja) | 光電変換装置及び同装置の製造方法 | |
JP5443602B2 (ja) | 光電変換素子及びその製造方法 | |
JP5437486B2 (ja) | 光電変換素子 | |
TWI603488B (zh) | 太陽能電池的製備方法 | |
KR101491749B1 (ko) | 유기태양전지 및 그의 제조방법 | |
KR20110102322A (ko) | 박막 광전 변환 소자와 박막 광전 변환 소자의 제조 방법 | |
JP2013106025A (ja) | 光電変換素子 | |
JP5732162B2 (ja) | 光電変換素子及びその製造方法 | |
KR101629690B1 (ko) | 터널링 금속금속산화물금속 핫전자 에너지 소자 | |
JP2013115418A (ja) | 光蓄電装置 | |
KR101142513B1 (ko) | 에피택셜층을 포함하는 태양전지 및 그 제조 방법 | |
KR101694485B1 (ko) | 태양 전지의 제조 방법 및 이에 의한 태양 전지 |