JP2019522351A - 太陽光発電デバイスを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、太陽光発電デバイスを製造するための方法であって、−多孔質絶縁基板の一方の側に多孔質の第１の導電層を形成するステップ；−第１の導電層に、ドープされた半導体材料の結晶粒の層をコーティングして、構造体を形成するステップ；−構造体の第１の熱処理を行って、結晶粒を第１の導電層に結合するステップ；−第１の導電層の表面上に電気絶縁層を形成するステップ；−多孔質絶縁基板の反対側に第２の導電層を形成するステップ；−結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、及び絶縁基板の細孔内に電荷伝導材料を塗布するステップ；及び−電荷伝導材料を第２の導電層に電気的に接続するステップを含む方法に関する。【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池など、光吸収層を含む太陽光発電デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明はまた、太陽光発電デバイスを製造するための方法に関する。

太陽光発電デバイスは、光起電力効果を示す半導体材料を使用して、光を電気に変換する。

典型的な太陽光発電システムは、ソーラーパネルを採用し、各ソーラーパネルが、電力を発生するいくつかの太陽電池を備える。太陽電池又は太陽光発電デバイスは、太陽光を電気に直接変換するデバイスである。太陽電池の表面に入射する光が、電力を生成する。太陽電池は、光吸収層を有する。光子のエネルギーが光吸収層の材料のバンドギャップ以上であるとき、光子が材料によって吸収され、光励起された電子が発生される。表側の表面は、ベースとは別の様式でドープされ、ＰＮ接合部を作成する。照明下で光子が吸収され、それにより、ＰＮ接合部で分離された電子−正孔対を形成する。太陽電池の裏側では、金属板がベースから過剰の電荷担体を収集し、表側では、金属ワイヤがエミッタから過剰の電荷担体を収集する。

シリコンが、太陽電池で最も一般的に使用される半導体材料である。シリコンにはいくつかの利点があり、例えば、化学的に安定であり、光を吸収する能力が高いので高い効率をもたらす。標準的なシリコン太陽電池は、ドープされたシリコンの薄いウェハから形成される。シリコンウェハの欠点は、高価であることである。

シリコンウェハの表側の表面は、ベースとは別の様式でドープされ、ＰＮ接合部を作成する。太陽電池の製造中、ドープされたシリコンウェハのいくつかのサンプルをシリコンインゴットから切断又はソーイングし、次いで、シリコンウェハのサンプルを電気的に組み立てて太陽電池にしなければならない。シリコンインゴットは純度が非常に高くなければならず、ソーイングは時間がかかり、かなりの量の廃棄材料を生成するので、そのような太陽電池の製造は費用がかかる。

従来の太陽電池の裏側では、金属板がベースから余剰の電荷担体を収集し、表側では、金属グリッド及び金属ワイヤがエミッタから余剰の電荷担体を収集する。したがって、従来のシリコン太陽電池は、表側接触型のエミッタを有する。太陽電池の表側で集電グリッド及びワイヤを使用することに伴う問題は、良好な集電と光ハーベスティングの兼ね合いがあることである。金属ワイヤのサイズを増加することによって、伝導性が高められて集電が改良される。しかし、金属グリッド及びワイヤのサイズを増加することによって、太陽光ハーベスティング領域のより多くの部分が遮光され、太陽電池の効率が低下する。

この問題に対する既知の解決策は、リアコンタクト型太陽電池である。米国特許出願公開第２０１４１６６０９５号明細書に、バックコンタクトバックジャンクション型シリコン太陽電池の製造方法が記載されている。リアコンタクト型太陽電池は、表側接触型のエミッタを太陽電池の背面側に移動させることによって、より高い効率を実現する。より高い効率は、太陽電池の表側での遮光の低減によるものである。リアコンタクト型太陽電池のいくつかの構成が存在する。例えば、バックコンタクトバックジャンクション（ＢＣ−ＢＪ）型シリコン太陽電池では、エミッタ領域及び全ての配線が太陽電池の裏側に配置され、その結果、遮光する構成要素を太陽電池の表側から効果的に取り除く。しかし、これらのＢＣ−ＢＪシリコン太陽電池の製造は、複雑であり、費用がかかる。

国際公開第２０１３／１４９７８７号には、リアコンタクトを有する色素増感型太陽電池が開示されている。この太陽電池は、多孔質絶縁層、多孔質絶縁層の上に形成された多孔質導電金属層を含む作用電極、及び太陽に向くように多孔質導電性金属層の上に配置された吸着された色素を含む光吸収層を含む。光吸収層は、ＴｉＯ２粒子の表面上の光吸着色素分子によって染色されたＴｉＯ２金属酸化物粒子を含む。色素増感型太陽電池は、多孔質絶縁層の反対側に配設された導電層を含む対電極をさらに含む。作用電極と対電極の間に電解質が充填されている。この太陽電池の利点は、製造が容易で迅速であり、したがって製造の費用対効果が高いことである。シリコン太陽電池と比較したこのタイプの太陽電池の欠点は、色素分子がシリコンよりも光を吸収する能力が低いため、その最大効率がより低いことである。

色素増感型太陽電池のさらなる開発において、色素が注入されたＴｉＯ２層の代替としてペロブスカイトを使用することによって、電池の効率が向上されている。国際公開第２０１４／１８４３７９号には、ペロブスカイトを含む光吸収層を有する色素増感型太陽電池が開示されている。ペロブスカイトを使用する利点は、より高い太陽電池効率に達することができることである。しかし、ペロブスカイト太陽電池は、製造が難しく、高価であり、不安定であり、環境に有害であるなど、いくつかの欠点を有する。

太陽電池のコストを削減するために、固体シリコンウェハの代わりにシリコン結晶粒を使用することが提案されている。

米国特許第４３５７４００号明細書には、ドープされたシリコン粒子を酸化還元電解質中に含む太陽電池が開示されている。この太陽電池は、２つの導電層が基板の一方の側に交互配置された絶縁基板を含む。一方の型のドーピングの別個の半導体粒子は、一方の導電層上に位置決めされ、他方の型のドーピングの半導体粒子は、他方の導電層上に位置決めされる。全ての粒子が酸化還元電解質に浸漬されて、カプセル化される。酸化還元電解質は粒子と接触し、光子が半導体粒子に衝突したのに応答して２つの導電層間に電圧ポテンシャルが生成される。導電層は、例えばアルミニウムの薄層である。導電層は、スパッタリングされ、例えば櫛形フィンガを有するパターンで基板上にエッチングされる。半導体粒子は、シルクスクリーン法によって塗布して、導体の表面に接着することができる。この太陽電池の欠点は、製造プロセスが複雑であり、時間がかかることである。したがって、この太陽電池は製造コストが高い。

中国特許出願公開第２０１５１１０１２６４号明細書には、シリコンウェハ、並びにフロントコンタクト及びバックコンタクトを備える従来の太陽電池が記載されている。充填率及び変換効率を改良するために、発光性多孔質シリコン粒子が、太陽電池のシリコンウェハの表面上にスピンコートされる。シリコン結晶粒は、ＨＦ及びエタノール溶液中での電気化学エッチングによって調製され、その後、２〜２００ｎｍの粒径に粉砕される。このタイプの太陽電池の欠点は、シリコン結晶粒がシリコンウェハに付着され、それにより、大きく且つ大体積のシリコン構造体を形成することである。

米国特許出願公開第２０１１／００００５３７号明細書には、水素化非晶質シリコン、並びに水素化非晶質シリコンベースの材料に埋め込まれた非シリコンベースの元素及び結晶シリコン結晶粒を含む光吸収層を有する太陽電池が記載されている。

特開第２００４０８７５４６号公報には、Ｓｉ粒子を含む組成物を使用することによってシリコン被膜を形成する方法が記載されている。Ｓｉ粒子は、シリコンインゴットを破砕し、破片を適切なサイズに粉砕することによって形成される。この粒子は、酸化ケイ素を除去するために洗浄され、分散媒と混合される。組成物をガラス基板上に塗布した後、基板を熱処理してシリコン被膜を得る。

製造コストを削減する狙いで、有機材料を使用して太陽光発電デバイスを製造することが知られている。有機材料は無機半導体材料と接触しており、それによって、電子と正孔が分離されたヘテロ接合部が形成される。

単結晶ｎ型シリコン（ｎ−Ｓｉ）と高導電性ポリマーであるポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を組み合わせたハイブリッド無機−有機太陽電池の使用が、２０１５年８月１７日発行のＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＲｅｐｏｒｔｓにおけるＳａｒａ Ｊａｅｃｋｌｅ、Ｍａｔｔｈｉａｓ Ｍａｔｔｉｚａ、Ｍａｒｔｉｎ Ｌｉｅｂｈａｂｅｒ、Ｇｅｒａｌｄ Ｂｒｏｅｎｓｔｒｕｐ、Ｍａｔｈｉａｓ Ｒｏｍｍｅｌ、Ｋｌａｕｓ Ｌｉｐｓ、及びＳｉｌｋｅ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ著の「Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｎ−Ｓｉ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ」という名称の記事に記載されている。この記事には、Ｉｎ／Ｇａ共晶バックコンタクトに積層されたｎ型Ｓｉウェハ、及びＡｕグリッドフロントコンタクトと共にウェハの上部にあるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層が記載されている。

米国特許出願公開第２０１２／０２８５５２１号明細書には、無機半導体層が有機層と積層され、金属アノードグリッドが有機層の上に位置決めされ、カソード層がＳｉ層の下に位置決めされた太陽光発電デバイスが記載されている。例えば、半導体層はシリコンウェハから成り、有機層は、例えばＰＥＤＯＴ：ＰＳＳから成る。この太陽光発電デバイスの欠点は、金属アノードグリッドが有機層の上に位置決めされ、それに従って太陽光ハーベスティング領域の一部を遮光し、太陽電池の効率低下をもたらすことである。

米国特許出願公開第２０１４１６６０９５号明細書 国際公開第２０１３／１４９７８７号 国際公開第２０１４／１８４３７９号 米国特許第４３５７４００号明細書 中国特許出願公開第２０１５１１０１２６４号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００００５３７号明細書 特開第２００４０８７５４６号公報 米国特許出願公開第２０１２／０２８５５２１号明細書

Ｓａｒａ Ｊａｅｃｋｌｅ， Ｍａｔｔｈｉａｓ Ｍａｔｔｉｚａ， Ｍａｒｔｉｎ Ｌｉｅｂｈａｂｅｒ， Ｇｅｒａｌｄ Ｂｒｏｅｎｓｔｒｕｐ， Ｍａｔｈｉａｓ Ｒｏｍｍｅｌ， Ｋｌａｕｓ Ｌｉｐｓ， Ｓｉｌｋｅ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ， "Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｎ−Ｓｉ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，" Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ，２０１５年８月１７日発行

本発明の目的は、上述の問題を少なくとも一部克服し、改良された太陽光発電デバイスを製造するための方法を提供することである。

この目的は、請求項１で定義する太陽光発電デバイスを製造するための方法によって達成される。

その方法は、
−多孔質絶縁基板の一方の側に多孔質の第１の導電層を形成するステップ、
−第１の導電層に、ドープされた半導体材料の結晶粒の層をコーティングして、構造体を形成するステップ、
−構造体の第１の熱処理を行って、結晶粒を第１の導電層に結合するステップ、
−第１の導電層の表面上に電気絶縁層を形成するステップ、
−多孔質絶縁基板の反対側に第２の導電層を形成するステップ、
−結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、及び絶縁基板の細孔内に電荷伝導材料を塗布するステップ、並びに
−電荷伝導材料を第２の導電層に電気的に接続するステップ
を含む。

本発明による方法は、低コストで、環境に優しく、変換効率が高い太陽光発電デバイスを製造することを可能にする。本発明による方法は、ウェハ又は薄膜に基づくシリコン太陽電池の従来の製造方法に比べてかなり容易である。

本発明による方法で製造された太陽光発電デバイスは、ドープされた半導体材料の複数の結晶粒、及び結晶粒を一部覆う電荷伝導材料から成る電荷伝導体を備え、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部が形成される。接合部は、結晶粒と、光励起された電子と正孔を分離することができる電荷伝導体との界面である。結晶粒は、電荷伝導体と電気的及び物理的に接触して接合部を形成する。半導体材料及び電荷伝導材料のタイプに応じて、接合部は、ホモ接合部又はヘテロ接合部であり得る。

ドープされた半導体とは、ドーパント、例えばホウ素（ｐ型）、リン（ｎ型）、又はヒ素（ｎ型）を含む半導体を意味する。ドープされた半導体を作製するために、ドーパントが半導体に添加される。ドーパント材料の種類に応じて、半導体はｐドープ又はｎドープされる。

用語「構造体」とは、それまでに製造されたデバイスを意味する。例えば、ステップ２において、構造体は、多孔質絶縁基板、第１の導電層、及び結晶粒の層を備える。

本明細書で使用される電荷伝導体は、正孔伝導材料又は電子伝導材料から成る。正孔伝導材料では、大部分の電荷担体は正孔であり、電子伝導材料では、大部分の電荷担体は電子である。正孔伝導材料は、主に正孔の輸送を可能にし、主に電子の輸送を妨げる材料である。電子伝導材料は、主に電子の輸送を可能にし、主に正孔の輸送を妨げる材料である。理想的な電荷伝導体は、結晶粒と共に接合部を形成することができ、形成された接合部は、光発生された電子と正孔を分離することができる。理想的な電荷伝導体は、１つのタイプの電荷担体のみを受け入れて伝導し、他のタイプの電荷担体を遮る。例えば、電荷伝導体が理想的な正孔伝導体である場合、電荷伝導体は正孔のみを伝導し、電子が正孔伝導体に入るのを遮る。電荷伝導体が理想的な電子伝導体である場合、電荷伝導体は電子のみを伝導し、正孔が電子伝導体に入るのを遮る。

電荷伝導体は、いくつかの目的に役立つ。主な目的は、電子と正孔を分離することができる接合部を提供することである。第２の目的は、１タイプの電荷担体を接合部から伝導して放出することである。第３の目的は、結晶粒を互いに機械的に結合し、結晶粒を第１の導電層に機械的に結合して、機械的に頑強な太陽光発電デバイスを形成することである。

結晶粒は、導電性基板に付着される。結晶粒表面の一部は、第１の導電層と物理的に接触しているので、電荷伝導体は、結晶粒の全表面積を一部のみ覆うことができる。結晶粒の残りの自由表面領域は、好ましくは電荷伝導体で覆われて、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部が形成される。

本発明による光吸収層の材料は、従来のシリコン太陽電池の光吸収層よりも大幅に安価である。これは、高価なウェハの代わりに半導体結晶粒を含む粉末から形成することができ、また、必要とされる半導体材料の量が従来の半導体太陽電池よりも少ないからである。好適には、半導体材料はシリコンである。しかし、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＧａＡｓ、又はペロブスカイトなど、他の半導体材料を使用することもできる。また、より高価な色素分子ではなく、シリコンなど安価な半導体を光吸収体として使用することができるので、光吸収層の材料は、色素増感型太陽電池の光吸収層よりも安価である。

結晶粒により、ウェハが使用される場合に比べて光吸収層の表面は粗くなる。平坦なシリコンウェハと比較して、結晶粒のより粗い表面は、反射光が吸収される可能性を高め、これは、表面での反射による効率損失を低減する。したがって、しばしば従来のシリコン太陽電池の表面上で使用される反射防止コーティングの必要性が低減されるか、もはや必要なくなる。

電荷伝導体は、結晶粒上、及び結晶粒間に形成された空間内に配設される。結晶粒の大半は、結晶粒の表面の大部分を覆う電荷伝導体の層によって覆われる。これにより、入射光の大部分を電気に変換することができ、したがって変換効率が高くなる。電荷伝導材料は、ある固有の機械的安定性を有するので、結晶粒間の接着剤として働き、したがって光吸収層を安定させる。さらに、電荷伝導体はまた、結晶粒と第１の導電層を接着し、それにより、結晶粒と第１の導電層の機械的接着を改良する。これは、光吸収層の物理的強度、及び第１の導電層への結晶粒の接着を改良する。

好ましくは、電荷伝導体は結晶粒上に配設され、結晶粒の表面の大部分を覆う電荷伝導層によって結晶粒の大半が覆われる。電荷伝導層は、上で定義したような電荷伝導材料から成る層である。好ましくは、電荷伝導体が結晶粒上に配設され、電荷伝導体は、結晶粒の自由表面を覆う電荷伝導層を形成する。電荷伝導層が厚すぎると、伝導層が光吸収フィルタとして作用し、光の一部が結晶粒に到達するのを妨げる。好ましくは、電荷伝導層は、１０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する。より好ましくは、電荷伝導層は、５０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有し、さらにより好ましくは７０ｎｍ〜９０ｎｍの間の厚さを有する。そのような薄い層は、光の大部分が電荷伝導層を貫通して結晶粒に到達することを可能にする。

好ましくは、結晶粒の自由表面全体、すなわち基板／導電層と接触していない表面が、電荷伝導体によって覆われる。自由表面の電荷伝導体の被覆は、プロセスパラメータ又は電荷伝導体材料の特性のばらつきにより、被覆の小さな破壊を含むことがある。結晶粒の幾何形状が自由表面の完全な被覆を妨げることにより、被覆が破壊されることもある。電荷伝導体が小さな結晶粒／粒子を含むこともあり、結晶粒／粒子間の空間が結晶粒の被覆の破壊を引き起こすことがある。被覆の破壊は、電池の効率を低下させる。

電荷伝導材料は、第１の導電層の細孔及び絶縁基板の細孔が電荷伝導材料で充填されるように塗布される。第１の導電層及び絶縁基板は多孔質であり、電荷伝導体は、第１の導電層の細孔及び多孔質絶縁層の細孔に収容され、それにより、光吸収層から第１の導電層及び絶縁基板を通って第２の導電層まで複数の電荷伝導経路が形成される。電荷伝導経路は、上で定義したような電荷伝導材料から形成された経路であり、この経路は、電荷、すなわち電子又は正孔の輸送を可能にする。さらに、電荷伝導材料は、第２の導電層と電気的に接触するように塗布される。例えば、第２の導電層が多孔質絶縁基板の表面上に配設され、それにより、第２の導電層は、絶縁基板の細孔内に蓄積された電荷伝導材料と電気的に接触する。或いは、第２の多孔質絶縁基板が第１の多孔質絶縁基板と第２の導電層との間に配置され、第２の多孔質絶縁基板の細孔が電荷伝導材料で充填され、第２の導電層と電気的に接触する。

本方法は、多孔質絶縁基板の反対側に第２の導電層を形成するステップを含む。したがって、第１の導電層と第２の導電層は、多孔質絶縁基板の異なる側に形成される。このステップは、様々なやり方で、様々な順序で行うことができる。第２の導電層の形成は、構造体の第１の熱処理を行う前及び後に行うことができる。例えば、第２の導電層は、導電性粒子を含むインクを多孔質絶縁基板の反対側に堆積することによって形成される。或いは、第２の導電層は、多孔質絶縁基板の反対側に取り付けられてサンドイッチ構造体を形成する。

第１の導電層の露出した表面上に電気絶縁層が形成されて、電荷伝導材料と第１の導電層の電気的接触を避け、それにより、第１の導電層と第２の導電層の短絡を避ける。このステップは、電荷伝導材料が塗布される前に行うべきである。

第１及び第２の導電層は、外部回路に接続することができる。

本発明の一実施形態によれば、結晶粒の層は単層である。結晶粒は第１の導電層上に配設され、それにより結晶粒の単層が第１の導電層上に形成される。結晶粒は、第１の導電層の上に直接堆積することができる。結晶粒の堆積は、噴霧や印刷など簡単なプロセスで行うことができる。単層は、互いに重なり合った２つ以上の結晶粒層を含む多層とは対照的に、結晶粒のただ１つの層のみを含む。結晶粒の単層では、結晶粒の大部分は、第１の導電層と物理的及び電気的に直接接触している。したがって、結晶粒の大半が発電に寄与し、太陽光発電デバイスの高効率を実現する。多層の結晶粒では、最下層の結晶粒のみが第１の導電層と物理的及び電気的に直接接触し、他の結晶粒は第１の導電層と間接的にのみ接触する。多層の結晶粒の欠点は、結晶粒の大部分が第１の導電層と間接的にしか電気的に接触せず、太陽光発電デバイスの効率が低減することである。さらに、単層の結晶粒においては、結晶粒の大部分は光に面する上面を有し、下面は第１の導電層と直接機械的及び電気的に接触している。上面は電荷伝導材料で覆われる。第１の導電層上の結晶粒の分散は、結晶粒間に狭い隙間を生じることがある。好ましくは、それらの隙間は、隙間に収まるより小さな粒子で充填することができる。

結晶粒が第１の導電層と物理的及び電気的に直接接触していることにより、電子が収集されるまでに進まなければならない距離は短く、したがって、電子と正孔が収集される前に再結合する可能性は低い。これにより変換効率が高くなる。

結晶粒それぞれの表面の一部が、第１の導電層と物理的及び電気的に接触しており、結晶粒それぞれの残りの表面の主要部分が、電荷伝導体で覆われている。結晶粒はそれぞれ、電荷伝導体によって覆われる上部、並びに第１の導電層と物理的及び電気的に接触する下部を有する。電気的短絡を避けるために、第１の導電層に電気的に接触している結晶粒の下部は、電荷伝導体との低オーム接合部を形成しないことが重要である。電荷伝導体と結晶粒の下部の間の電気抵抗が低すぎると、短絡による損失が大きくなりすぎる。したがって、第１の導電層と電気的に接触している結晶粒の表面の部分は、電荷伝導体で覆うべきである。好ましくは、結晶粒の残りの表面は、高い変換効率を実現するために電荷伝導体で覆われる。理想的には、電荷伝導体は、結晶粒の残りの自由表面全体を覆う。

第１の導電層は、光励起された電子を接合部から収集し、その電子を太陽光発電デバイス外部の外部回路に輸送する。結晶粒が第１の導電層と物理的及び電気的に直接接触していることにより、電子が収集されるまでに進まなければならない距離は短く、したがって、電子と正孔が収集される前に再結合する可能性は低い。したがって、従来の太陽光発電デバイスと比較して、本発明による方法によって作製される太陽光発電デバイスの利点は、電子が収集されるまでに進む距離がより短いので、光吸収層での電気抵抗損がより小さいことである。電荷担体が第１の導電層によって収集されるまでの距離は、典型的には数マイクロメートルから数十マイクロメートルの範囲であるのに対し、従来のシリコンウェハ太陽電池では、電子は、典型的には、表側の集電体に到達するまでに数千マイクロメートル、すなわち数ミリメートル、又は裏側の集電体に到達するまでに数百マイクロメートル進む必要がある。

好ましくは、結晶粒の層は、基板の表面の大半を覆う。電荷伝導体は、結晶粒の露出した表面の少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは少なくとも８０％を覆う。正孔伝導体によって覆われる結晶粒の面積が大きいほど、変換効率が高くなる。すなわち、入射光のより大きな割合が電気に変換される。理想的には、電荷伝導体は、各結晶粒の露出した表面全体を覆う。結晶粒の露出した表面は、第１の導電層と接触していない表面部分である。

第１の熱処理中、導電性粒子は互いに結合され、結晶粒は導電性粒子に結合される。好ましくは、構造体の第１の熱処理は、非酸化性環境内で行われる。大半の結晶粒は、好ましくは互いに距離をおいて配置されて、第１の熱処理中に互いに結合されず、それにより個々の結晶粒のままである。好適には、結晶粒はシリコンから成り、導電性粒子は金属又は金属合金から成り、粒子と結晶粒の境界は、金属シリコン合金又は金属シリサイドを含む。したがって、結晶粒と粒子の間の電気的接触が改良される。

本発明の一実施形態によれば、結晶粒の平均サイズは１μｍよりも大きく、好ましくは１０μｍよりも大きく、最も好ましくは２０μｍよりも大きい。したがって、結晶粒の表面は大きく、それにより、光を吸収する能力が大きい。結晶粒が小さすぎる場合、光を吸収する能力が低下する。

本発明の一実施形態によれば、結晶粒の平均サイズは、３００μｍ未満、好ましくは８０μｍ未満、最も好ましくは５０μｍ未満である。結晶粒が大きすぎると、結晶粒／電荷伝導体界面までの距離のために効率が低下することがある。

結晶粒の平均サイズは、好適には１μｍ〜３００μｍの間である。結晶粒の平均サイズは、好ましくは１０μｍ〜８０μｍの間であり、最も好ましくは、結晶粒の平均サイズは２０〜５０μｍの間である。この実施形態は、高い効率を有する薄い太陽光発電デバイスを製造するための方法を提供する。結晶粒の単層により、光吸収層の厚さは、結晶粒のサイズに依存する。シリコンウェハは、典型的には、約１５０〜２００μｍである。本発明による光吸収層は、従来の半導体太陽電池の光吸収層よりも薄く且つ可撓性にすることができる。本発明による光吸収層は、例えば２０〜５０μｍの間のサイズの結晶粒が使用される場合には、約４０〜８０μｍにすることができる。

本発明の一実施形態によれば、本方法は、上記結晶粒の粉末を含むインクを第１の導電層上に堆積するステップを含む。光吸収層は、好適には、結晶粒を含むインクを第１の導電層上に堆積することによって製造することができる。インクは、表面上に任意の適切なパターンで堆積することができる。次いで、電荷伝導体材料が、結晶粒の自由表面上に堆積される。インクは、例えば、印刷又は噴霧によって堆積することができる。

本発明の一実施形態によれば、結晶粒は、静電噴霧によって第１の導電層上に堆積される。結晶粒からなる乾燥粉末を使用する静電噴霧は、第１の導電層上に結晶粒の薄い単層を設けるのに特に適していることが判明している。

本発明の一実施形態によれば、本方法は、非酸化環境下で構造体の第１の熱処理を行う前に、結晶粒を酸化するステップを含む。酸化は、第１の熱処理中に結晶粒が汚染されるのを防ぐ保護酸化物層を結晶粒の表面に提供する。第１の熱処理は、例えば真空炉内で行われ、オーブンからの粒子は結晶粒の汚染を引き起こす可能性がある。

本発明の一実施形態によれば、結晶粒は、ドープされたシリコンから成る。シリコンは、安価であり、環境に優しく、安定した材料であり、高い変換効率を備える。シリコンは、光を吸収する能力が高く、そのため光吸収層の効率が高くなる。シリコンは、不純物又は多結晶粒の度合いが低い、結晶質の純粋なソーラーグレードタイプのものでよい。シリコンは、ｎ型ドープされても、ｐ型ドープされてもよい。

本発明の一実施形態によれば、本方法は、第１の導電層に結晶粒をコーティングする前に、シリコン結晶粒の第１のエッチングを行って、結晶粒上に｛１１１｝ピラミッド面を形成するステップを含む。エッチングは、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用して行うことができる。第１のエッチングは、主に｛１１１｝面が結晶粒の表面に露出されている結晶粒を提供する。電荷伝導体は、結晶粒の｛１１１｝ピラミッド面と接触している。これは光トラッピングを引き起こし、これは、光が表面で数回反射され、それによって結晶粒の光吸収が増加されることを意味する。結晶粒は、入射光に対して多数の角度を示すため、太陽光発電デバイスの効率は、平坦なシリコンウェハの場合のように、層に対する光の入射角に大きく依存しない。したがって、平坦なシリコンウェハに比べて光学的損失が低減される。

本発明の一実施形態によれば、本方法は、第２の熱処理を行った後、結晶粒の表面上に電荷伝導材料を塗布する前に、結晶粒の第２のエッチングを行うステップを含む。第２のエッチングは、例えばフッ化水素（ＨＦ）を使用して行うことができる。結晶粒の第２のエッチングは、電荷伝導材料を塗布する前に結晶粒の表面を清浄にし、これは、結晶粒と電荷伝導材料の電気的接触を改良する。

本発明の一実施形態によれば、電荷伝導材料は、導電性ポリマー、無機材料、及び金属有機材料の任意のものである。好適には、電荷伝導体は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと呼ばれるポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホネート）である。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、高い導電性を有する正孔伝導性ポリマーである。電荷伝導体は、無機材料又は金属有機材料から成っていてもよい。

本発明の一実施形態によれば、電荷伝導体は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳから成り、結晶粒は、ドープされたシリコンから成る。ＰＥＤＯＴは正孔伝導体であるので、ＰＥＤＯＴと共に用いるには、ｎドープされたシリコンが好ましい。ｎドープされたシリコンのドーパントは、例えば、リンである。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、シリコンと共に良好に機能し、協働して高い光−電気エネルギー変換効率を実現することができる。

本発明の一実施形態によれば、電荷伝導材料を結晶粒の表面上に塗布するステップが、電荷伝導材料の粒子を含む液体ベースの溶液を結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔の内部、及び絶縁基板の細孔の内部に塗布し、構造体を乾燥させて、固体電荷伝導体の層が、結晶粒上に堆積され、固体電荷伝導体が、第１の導電層の細孔及び絶縁基板の細孔の内部に堆積されることを含む。

本発明の一実施形態によれば、多孔質絶縁基板の一方の側に多孔質の第１の導電層を形成するステップが、多孔質絶縁基板の一方の側に導電性粒子を含むインクを堆積することを含む。堆積は、例えば、印刷又は噴霧によって行うことができる。

導電性粒子は、第２の熱処理中に絶縁酸化物で少なくとも部分的に覆われる。結晶粒と接触していない導電性粒子の表面の部分は、酸化物で覆われる。酸化物は、粒子上に保護及び電気絶縁層を提供し、これは、電子又は正孔が導電層と電荷伝導体の間で移動されることを防止し、それによって導電層と電荷伝導体の短絡を防止する。

本発明の一実施形態によれば、導電性粒子は、チタン又はその合金から成る。チタンは、腐食に耐えることができるので、且つシリコンとの良好な電気的接触を形成することができるので、導電層に使用するのに適した材料である。第２の熱処理中、チタン粒子上に酸化チタンの層が形成される。酸化チタンは、チタン粒子上に保護酸化層を提供し、これは、第１の導電層と電荷伝導体の短絡を防止する。

本発明の一実施形態によれば、導電性粒子はチタンから成り、結晶粒はドープされたシリコンから成り、第１の熱処理中、結晶粒のシリコンと粒子のチタンが反応して、結晶粒と粒子の境界にチタンシリサイドを形成する。したがって、第１の熱処理中、結晶粒と第１の導電層の境界にチタンシリサイドが形成される。チタンシリサイドは、良好な導電性を有する。結晶粒と第１の導電層の境界がチタンシリサイドを含むことにより、結晶粒と導電層の電気的接触が改良される。チタンシリサイドは、いくつかの形態、例えばＴｉＳｉ_２、ＴｉＳｉ、Ｔｉ_５Ｓｉ_４、Ｔｉ_５Ｓｉ_３、Ｔｉ_３Ｓｉで存在することができる。好適には、結晶粒と第１の導電層の境界は、ＴｉＳｉ_２を含む。ＴｉＳｉ_２は、２つの形態、すなわちＣ４９−ＴｉＳｉ_２及びＣ５４−ＴｉＳｉ_２で存在する。

本発明の一実施形態によれば、導電性粒子は、アルミニウム又はその合金から成る。好適には、導電性粒子はアルミニウムから成り、第２の熱処理中、結晶粒と接触していない導電性粒子の表面の部分は、酸化アルミニウムなどの酸化物で覆われる。

本発明の一実施形態によれば、本方法は、第１の導電層のコーティングの後、第１の導電層の第１の熱処理を行う前に、結晶粒の層に圧力を加えて、結晶粒の一部が第１の多孔質導電層に突き出るようにするステップを含む。結晶粒の下部が第１の多孔質導電層内に突き出ているので、結晶粒と多孔質導電層の接触面の面積が増加される。接触面積を増加させることによって、結晶粒と多孔質導電層の結合が容易にされる。さらに、接触面積の増加により、結晶粒と導電層の電気的接触が改良される。例えば、結晶粒は、焼結によって多孔質導電層に結合される。

本発明の一実施形態によれば、多孔質絶縁基板は、多孔質ガラスマイクロファイバベースの基板である。

本発明の一実施形態によれば、第１の熱処理は、真空中で、５５０℃超の温度で少なくとも２時間、構造体を熱処理することを含む。

本発明の一実施形態によれば、電荷伝導体は、結晶粒とは異なる型のドーピングの半導体材料から成る粒子を含む。したがって、結晶粒と粒子の界面に、光励起された電子と正孔が分離される複数の接合部が形成される。例えば、接合部は、ＰＮ接合部である。

絶縁基板は、第１の導電層と第２の導電層の間に配設されて、第１の導電層と第２の導電層を電気的に絶縁する。電荷伝導体は、第２の導電層に電気的に結合され、第１の導電層から電気的に絶縁される。電荷伝導体は、第２の導電層に直接的又は間接的に電気的に接続することができる。光吸収層は、第１の導電層上に配設される。したがって、第１及び第２の導電層が、光吸収層の背面側に配置される。この実施形態の利点は、バックコンタクトを有することである。太陽に向いた光吸収層の表側で集電グリッド及びワイヤを使用する代わりに、光吸収層の背面側に第１及び第２の導電層が配置される。したがって、光吸収層の遮光はなく、効率の向上が実現される。この実施形態の別の利点は、第１の導電層が絶縁層と光吸収層の間に配置されることである。したがって、デバイスの導電層は透明である必要はなく、高い導電性の材料から形成することができ、これは、電流取扱い機能を高め、デバイスの高い効率を保証する。第１の接点は、第１の導電層に電気的に結合することができ、第２の接点は、第２の導電層に電気的に結合することができる。したがって、第１の接点は、光吸収層のドープされた半導体材料に電気的に結合され、第２の接点は、電荷伝導体に電気的に結合される。第１及び第２の接点は、表側ではなく、デバイスの縁部に配設することができる。したがって、光吸収層の遮光はなく、効率の向上が実現される。

本発明の一実施形態によれば、本方法は、多孔質絶縁基板の反対側に多孔質の第２の導電層を形成するステップを含み、結晶粒の表面上に電荷伝導材料を塗布するステップは、第２の導電層の細孔内に電荷伝導材料を塗布することを含む。例えば、多孔質の第２の導電層は、導電性粒子を含むインクを多孔質絶縁基板の反対側に堆積することによって形成される。第１及び第２の導電層、並びに絶縁層は、電荷担持材料が構造体を貫通して第２の導電層と接続することができる程度に多孔質にすることができる。第１の層と第２の層の短絡及び正孔と電子の再結合をなくすために、絶縁酸化物層によって第１の導電層を電荷伝導材料から隔離すべきである。結晶粒は、電荷伝導体を介して、場合によってはデバイスの他の層を介して間接的に第２の導電層に電気的に接続される。したがって、光吸収層の各結晶粒は、第１及び第２の導電層に直接的又は間接的に接続され、太陽光発電回路を形成する。

本発明の一実施形態によれば、第１の導電層の表面上に電気絶縁層を形成するステップが、酸化環境内で構造体の第２の熱処理を行って、第１の導電層の露出した表面上に絶縁酸化物層を形成することを含む。本方法は、酸化環境内で構造体の第２の熱処理を行うステップを含む。構造体の第２の熱処理は、第１の導電層上に絶縁酸化物を生成し、この絶縁酸化物は、電荷伝導体を第１の導電層から電気的に絶縁する。

本発明の一実施形態によれば、第１の導電層の表面上に電気絶縁層を形成するステップが、第１の導電層の露出した表面上に絶縁コーティングを堆積することを含む。酸化環境内で構造体の第２の熱処理を使用する代わりに、例えば印刷によって、第１の導電層の露出した表面上に薄い絶縁コーティングを堆積することが可能である。絶縁材料を含む特定量のインクを第１の導電層上に印刷することによって、第１の導電層の細孔をインクで満たすことが可能である。インクの溶剤を蒸発させて除去することによって、インク中の絶縁材料が、第１の導電層の露出した内面及び外面上に堆積される。乾燥したインクコーティングを加熱して、第１の導電層の露出した表面に付着する絶縁コーティングを作製することができる。

酸化環境内で構造体の第２の熱処理を使用する代わりに、印刷によって、第１の導電層の露出した表面上に薄い絶縁コーティングを堆積することが可能である。絶縁材料を含む特定量のインクを第１の導電層上に印刷することによって、第１の導電層の細孔をインクで満たすことが可能である。インクの溶剤を蒸発させて除去することによって、インク中の絶縁材料が、第１の導電層の露出した内面及び外面上に堆積される。乾燥したインクコーティングを加熱して、第１の導電層の露出した表面に付着する絶縁コーティングを作製することができる。コーティングは多孔質でよく、或いは稠密でもよい。コーティングは、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２、又は他の電気絶縁材料、若しくは材料の組合せ若しくは混合物からなっていてよい。第１の導電層と電荷伝導材料の電気絶縁性をさらに改良するために、まず酸化環境内で構造体の第２の熱処理を行い、第１の導電層の露出した表面上に絶縁酸化物層を形成し、次いで薄い絶縁コーティングを第１の導電層の酸化物層上に堆積することによって、上記のステップを組み合わせることが可能である。

ここで、本発明の様々な実施形態の説明によって、及び添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態による光吸収層の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態による太陽光発電デバイスを通る断面を概略的に示す図である。 図２に示される太陽光発電デバイスの一部の拡大図である。 本発明の第２の実施形態による太陽光発電デバイスを通る断面を概略的に示す図である。 本発明による太陽光発電デバイスを製造するための方法の一例の流れ図である。 本発明の第１の実施形態による太陽光発電デバイスを製造するための方法の一例の流れ図である。 本発明の第２の実施形態による太陽光発電デバイスを製造するための方法の一例の流れ図である。 本発明の第３の実施形態による太陽光発電デバイスを製造するための方法の一例の流れ図である。

図１は、本発明による方法により作製された光吸収層１ａの概略図を示す。光吸収層１ａは、ドープされた半導体材料から成る複数の結晶粒２、並びに結晶粒２と物理的及び電気的に接触する電荷伝導体３を備える。電荷伝導体３と結晶粒２の接触領域に接合部４が形成される。結晶粒２は、電荷伝導体３によって部分的に覆われ、それにより、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部４が形成される。好ましくは、結晶粒２の表面の少なくとも５０％が電荷伝導体で覆われる。

結晶粒２の半導体材料は、光子を吸収する能力を有し、光子は、電子を価電子帯から伝導帯に励起し、それによって半導体材料内に電子−正孔対を生成する。好適には、半導体材料はシリコンである。しかし、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＧａＡｓ、又はペロブスカイトなど他の半導体材料を使用することもできる。好ましくは、結晶粒の平均サイズは１μｍ〜３００μｍの間であり、典型的には、結晶粒２の平均サイズは２０μｍ〜１００μｍの間である。

電荷伝導体３は、固体材料から成り、すなわち液体ではなく、正孔伝導体又は電子伝導体でよい。結晶粒がｎドープされている場合、電荷伝導体３は好ましくは正孔伝導体であり、結晶粒がｐドープされている場合、電荷伝導体３は好ましくは電子伝導体である。電荷伝導体３は、電荷伝導材料、例えばシリコンなどのドープされた半導体材料又は導電性ポリマーなどの有機導電性材料から成る。十分な導電性を有するいくつかの透明な導電性ポリマーをこの目的のために使用することができる。シリコン結晶粒と組み合わせて使用される適切な正孔伝導性ポリマーの例は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）である。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、２つのアイオノマーのポリマー混合物である。電荷伝導体３に適した材料の他の例は、ポリアニリン、Ｐ３ＨＴ、及びスピロＯＭｅＴＡＤである。ポリマー導体が使用される場合、電荷伝導体は、ポリマー又はポリマーの混合物から成る複数の粒子を含む。電荷伝導体の粒子は、結晶粒の表面を部分的に覆う。接合部４は、光励起された電子と正孔の対を分離することができる。結晶粒及び電荷伝導体の材料に応じて、接合部は、ｐ−ｎ接合部などのホモ接合部、又はヘテロ接合部である。

ホモ接合部は、同種の半導体材料間の界面である。これらの材料は、等しいバンドギャップを有するが、典型的には異なるドーピングを有する。例えば、ホモ接合部は、ｎドープされた半導体とｐドープされた半導体の界面、いわゆるＰＮ接合部で生じる。

ヘテロ接合部は、金属、絶縁体、高速イオン伝導体、及び半導体材料の結晶質及び非晶質構造を含む、任意の２つの固体材料間の界面である。２つの固体材料は、２つの無機材料の組合せ、又は２つの有機材料の組合せ、又は１つの無機材料と１つの有機材料の組合せから成っていてよい。

結晶粒２は、光吸収層に本質的に一様に分散されており、電荷伝導体３は、結晶粒上、及び結晶粒間の空間内に位置する。結晶粒２のサイズ及び形状は様々でよい。光吸収層１ａは、導電層８に塗布される。例えば、層８は導電層である。結晶粒２は、層８と物理的及び電気的に接触している。結晶粒の下部が導電層８内に突出していてもよい。

図３に示される例では、電荷伝導体３は有機導体である。電荷伝導体は結晶粒２の表面上に配設され、それにより、結晶粒上に電荷伝導層６が形成される。したがって、各結晶粒２の表面は、電荷伝導層６によって部分的に覆われる。好ましくは、電荷伝導層６は、１０ｎｍ〜２００ｎｍの間の厚さを有する。典型的には、電荷伝導層６は、５０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有する。電荷伝導体３は結晶粒間に配設され、それにより、電荷伝導体によって結晶粒が互いに結合される。したがって、電荷伝導体は、光吸収層の機械的強度を増加させる。電荷伝導層６は、単層である。各結晶粒は、入射光に面する上面、並びに導電層８と物理的及び電気的に直接接触する下面を有する。結晶粒の上面は、全体的に又は少なくとも部分的に電荷伝導体３で覆われ、下面は、電荷伝導体がなく、導電層８の電気的接触を可能にする。

図２は、本発明の一実施形態による方法により作製された太陽光発電デバイス１０の一例を通る断面を概略的に示す。この実施形態では、太陽光発電デバイス１０は太陽電池である。図３は、太陽光発電デバイス１０の一部の拡大図を示す。太陽光発電デバイス１０は、図１に示されるように結晶粒２及び電荷伝導体３を含む光吸収層１ａ、光吸収層１ａの結晶粒２と電気的に接触する第１の導電層１６、電荷伝導体３に電気的に結合された第２の導電層１８、並びに第１の導電層１６と第２の導電層１８の間に配設されて第１の導電層と第２の導電層を電気的に絶縁する絶縁層２０を備える。光吸収層１ａは、太陽光発電デバイスの上側に位置決めされる。上側は、太陽光が結晶粒２に当たり、光励起された電子を発生させるように、太陽に向いているべきである。第１の導電層１６は、光発生された電子を光吸収層１ａから引き出すバックコンタクトとして働く。光吸収層１ａは、第１の導電層上に配設されている。したがって、励起された電子及び／又は正孔が収集されるまでに進む必要がある距離は短い。第１の接点１２は、第１の導電層１６に電気的に接続され、第２の接点１４は、第２の導電層１８に電気的に接続される。接点１２、１４の間には負荷Ｌが接続される。第１の導電層１６及び第２の導電層１８は、好適には金属又は金属合金、例えばチタン、若しくはアルミニウム、又はそれらの合金から成る金属層である。

デバイス１０は、光吸収層１ａと第２の導電層１８の間に配設された電荷伝導材料の複数の電荷伝導経路２２をさらに備えて、電荷、すなわち正孔又は電子が光吸収層１ａから第２の導電層１８に進むことができるようにする。伝導経路２２は、好適には結晶粒上の電荷伝導層６と同じ材料から成るが、必ずしもそうである必要はない。この実施形態では、電荷伝導体３は、結晶粒上の層６、及び伝導経路２２を形成する。伝導経路２２は、第１の導電層１６及び絶縁層２０を貫通する。好適には、第１の導電層１６及び絶縁層２０は多孔質であり、電荷伝導体が第１の導電層及び絶縁層２０を貫通して、第２の導電層への経路２２を形成できるようにする。電荷伝導体３は、第１の導電層１６の細孔及び絶縁層２０の細孔に収容することができる。本発明の一実施形態では、第２の導電層１８も多孔質でよく、電荷伝導体３を第２の導電層１８の細孔に収容することができる。

絶縁層２０は、多孔質絶縁基板を含むことがある。例えば、多孔質絶縁基板は、ガラスマイクロファイバ又はセラミックマイクロファイバから成る。第１の導電層１６は、多孔質絶縁基板の上側に配設され、第２の導電層１８は、多孔質絶縁基板の下側に配設される。光吸収層１ａは、第１の導電層１６上に配設される。

図３は、光吸収層１ａ及び第１の導電層１６の拡大した一部分を示す。この実施形態では、第１の導電層１６は、導電性材料から成る複数の導電性粒子２４を含む。導電性粒子２４は、好適には、金属又は金属合金、例えばチタン、若しくはアルミニウム、又はそれらの合金から成る金属粒子である。第１の導電層の導電性粒子２４は、互いに物理的及び電気的に接触している。結晶粒２は、第１の導電層の導電性粒子２４のいくつかと物理的及び電気的に接触している。好ましくは、結晶粒２は、１００μｍ未満のサイズを有し、結晶粒と第１の導電層１６の粒子２４の十分な接触面積を提供する。結晶粒２は、太陽光発電デバイスとは逆に面する上部、及び第１の導電層の導電性粒子２４と物理的に接触する下部を有する。結晶粒２の上部は、電荷伝導体３の導電層６で覆われる。

結晶粒は、好ましくはドープされたシリコンから成り、シリコン結晶粒２と第１の導電層の導電性粒子２４の物理的接触の区域は、結晶粒２と粒子２４の良好な電気的接触を可能にするために、金属−シリコン合金又は金属シリサイドの層２６からなる。例えば、結晶粒２はシリコン（Ｓｉ）から成り、導電性粒子２４はチタン（Ｔｉ）から成り、又は少なくとも一部チタンを含み、結晶粒２と粒子２４の境界は、チタンシリサイドの層２６を含み、この層は、ＳｉとＴｉの良好な電気的接触を可能にする。

互いに結合された複数の導電性粒子２４によって第１の導電層１６が形成されることにより、粒子間にキャビティが形成される。したがって、第１の導電層１６は、電荷伝導体３が第１の導電層を通って延び、複数の電荷伝導経路２２を形成できるようにする。電荷伝導体３は、第１の導電層１６内の導電性粒子２４間に形成されたキャビティのいくつかに収容される。

第１の導電層１６と電荷伝導体３の伝導経路２２の電気的接触を避けるために、導電性粒子２４は、絶縁材料、例えば絶縁酸化物の絶縁層２８で少なくとも部分的に覆われる。好ましくは、結晶粒２又は層内の他の導電性粒子２４と接触していない導電性粒子２４の表面の部分が絶縁層２８で覆われる。図３に示されるように、電荷伝導体３の電荷伝導経路２２は、粒子２４上の絶縁層２８と接触している。絶縁性金属酸化物の層は、例えば、デバイス１０の製造中に導電性粒子２４を酸化することによって形成される。金属酸化物の絶縁層２８は、粒子上に保護及び電気絶縁層を提供し、これは、第１の導電層１６と電荷伝導体３の間で電荷が移動されるのを防止し、それにより、第１の導電層１６と電荷伝導体３の短絡を防止する。例えば、導電性粒子がチタンを含む場合、結晶粒と接触していないチタン粒子の表面の部分は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）で覆われる。例えば、導電性粒子がアルミニウムを含む場合、結晶粒と接触していない導電性粒子の表面の部分は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）で覆われる。

第２の導電層１８も、導電性粒子を含むことがある。第２の導電層１８の導電性粒子は、好適には金属又は金属合金、例えばチタン、若しくはアルミニウム、又はそれらの合金から成る金属粒子である。この例では、第２の導電層１８の導電性粒子（図示せず）がアルミニウムから成り、アルミニウム粒子は絶縁層で覆われておらず、それに従って、電荷伝導体は、第２の導電層１８の粒子と電気的に接触される。導電層１６、１８の導電性粒子は、焼結されて導電層を形成する。各導電層１６、１８内の導電性粒子は、互いに電気的に接触して導電層を形成する。しかし、導電性粒子間に空間も存在して、電荷伝導体３を収容する。光吸収層の結晶粒２上の接合部４は、電荷伝導材料の経路２２と電気的に接触しており、これらの経路２２は、第２の導電層１８内の導電性粒子と電気的に接触している。

図４は、本発明の第２の実施形態による太陽光発電デバイス３０の一部を通る断面を概略的に示す。太陽光発電デバイス３０は太陽電池である。図４では、図１〜３と同じ及び対応する部品は、同じ参照番号で示されている。図４は、デバイスのアーキテクチャの非常に単純化された概略図である。この例では、結晶粒２は、ｎドープされたシリコンから成り、第１及び第２の導電層は、チタンから成る導電性粒子２４、２５を含み、電荷伝導体３は、正孔伝導性ポリマーである。この例では、正孔伝導性ポリマーはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳであり、以下ではＰＥＤＯＴと表記する。ＰＥＤＯＴは、正孔伝導体であり、正孔を第２の導電層１８に輸送する。ｎドープされたシリコンの結晶粒は、電子伝導体であり、電子を第１の導電層に輸送する。次いで、第１の導電層は、外部電気回路を介して電子を第２の導電層に輸送する。結晶粒２は、例えば結晶シリコンから成る。シリコン結晶粒は、主に｛１１１｝面が表面に露出されていることがある。多くのシリコン結晶粒２及び多くのチタン導電性粒子２４、２５を示すのではなく、導電層１６、１８のそれぞれに２つのシリコン結晶粒２及び２つのチタン導電性粒子２４、２５のみが示されている。実際の太陽電池は、光吸収層内に互いに並んで位置する数千、さらには数百万の結晶粒２を含むことを理解されたい。しかし、２つの粒子が、太陽電池のアーキテクチャ及び動作原理を示すのに必要な最小数である。

太陽光発電デバイス３０は、多孔質絶縁基板の形での絶縁層２０、絶縁層の一方の側に配設された第１の導電層１６、絶縁層の反対の側に配設された第２の導電層１８、及び第１の導電層１６上に配設され、第１の導電層と電気的に接触する光吸収層１ａを備える。導電層１６、１８は、外部電気負荷３２に接続される。第１の導電層１６と第２の導電層１８は、絶縁層２０によって物理的及び電気的に分離される。光吸収層１ａのシリコン結晶粒２と第１の導電層１６のチタン導電性粒子２４の間に、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ_２）の層２６が形成される。光吸収層１ａのシリコン結晶粒２は、チタン粒子に結合される。第１の導電層１６内のチタン導電性粒子２４は、互いに物理的及び電気的に接触しており、第２の導電層１８内のチタン導電性粒子２５は、互いに物理的及び電気的に接触している。

導電層１６、１８内のチタン粒子は、絶縁性酸化チタン（ＴｉＯ_２）の絶縁層２８で部分的に覆われている。結晶粒２又は層内の他の導電性粒子２４と接触するチタン導電性粒子２４の表面の部分は、酸化チタンで覆われていない。光吸収層１ａと第１の導電層１６の間の区域３８は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含む。

太陽光発電デバイス３０は、第２の導電層１８には電気的に結合され、第１の導電層からは電気的に絶縁された接続部位３４を含む点で、図２に示される太陽光発電デバイス１０とは異なる。接続部位３４は、金属層を備えることができる。この例では、接続部位３４は、銀（Ａｇ）から成る層を備える。チタンとＰＥＤＯＴの両方との良好な電気的接触が可能であるので、銀を使用することが好適である。銀を使用する別の利点は、銀が、チタン粒子と接続部位３４の接触領域において、第２の導電層１８のチタン粒子２５上での酸化物の形成を防止することである。第２の導電層１８のチタン粒子２５と接続部位３４の間には、酸化物ではなく、チタン銀（ＡｇＴｉ）の層３６が形成される。したがって、ＰＥＤＯＴは、銀との良好な低オーム接触を形成することができ、銀は、ＡｇＴｉを介してチタンとの良好な低オーム接触を形成することができる。その結果、ＰＥＤＯＴは、銀及びＡｇＴｉを介して間接的にチタンと接触することができる。他の材料、例えばグラファイト又はアモルファスカーボンなどの炭素ベースの材料を接続部位に使用してもよい。

電荷伝導体３は、光吸収層１ａの結晶粒２と物理的及び電気的に接触して配置される。また、電荷伝導体３は、接続部位３４と電気的に接触して配置され、接続部位３４は、第２の導電層１８に電気的に結合される。この実施形態では、電荷伝導体３は、導電性粒子２４、２５上の絶縁層２８によって第１及び第２の導電層１６、１８から電気的に絶縁されている。電荷伝導体３は、図４に示されるように、結晶粒２の主要部分を覆い、第１の導電層１６、絶縁層２０、及び第２の導電層１８を通って延びる。電荷伝導体３は、第１及び第２の導電層内の粒子上の酸化物層２８と接触している。電荷伝導体３は、絶縁酸化物２８によって、導電性粒子２４、２５から、したがって第１及び第２の導電層から電気的に絶縁されている。電荷伝導体３は、接続部位３４と物理的及び電気的に接触している。電荷伝導体３は、接続部位３４を介して間接的にチタン粒子２５と物理的及び電気的に接触している。したがって、接続部位は、電荷伝導体が第２の導電層のチタン粒子２５に正孔を確実に移動させることができるようにするという目的を果たす。また、太陽光発電デバイスは、太陽光発電デバイスを取り囲むためのケーシング又は他の手段を備えていてもよい。

以下では、図４に開示されている太陽電池がどのように機能するかをステップごとに説明する。

ステップ１。光子が、結晶粒２内に、励起された電子−正孔対を生成する。この例では、電荷伝導体３はＰＥＤＯＴであり、結晶粒２はシリコンから成り、界面４０はＰＥＤＯＴ−シリコン界面である。

ステップ２。次いで、励起された電子は、結晶粒２を通り、金属シリコン界面の区域２６を越えて進み、導電性粒子２４に入る。この例では、粒子２４はＴｉ粒子であり、層２６はＴｉＳｉ２を含む。したがって、電子は、Ｓｉ−ＴｉＳｉ２−Ｔｉ界面を通過する。他方、励起された正孔は、界面４０を越えて電荷伝導体３の層内に進む。

ステップ３。次いで、導電性粒子２４中の電子を隣接する粒子２４に移動させ、次いで外部電気負荷３２を介して外部電気回路に収集することができる。その間に、正孔は、電荷伝導体３の電荷伝導経路２２の内部を、接続部位３４の低オーム銀層まで進む。

ステップ４。外部電気負荷３２を通過した後、電子は第２の導電層１８に移動される。次いで、電子は、Ｔｉ−ＴｉＡｇ−Ａｇ層３６に移動される。電荷伝導体３内の正孔は、接続部位３４の銀層に移動され、接続部位３４内の電子と再結合する。

図４に開示される例では、６つの重要な界面を識別することができる。

１．電荷伝導体−結晶粒界面
結晶粒２と電荷伝導体３の界面４０において電子と正孔の効率的な電荷分離を実現して、高い光電流及び高い光電圧の生成を可能にするために、結晶粒２は本質的に酸化物を含んでいてはならない。効率的な電荷分離を得るためには、結晶粒上の酸化物層の厚さは、わずか数ナノメートルの厚さ、さらにはそれよりも薄くすべきである。この実施形態では、結晶粒２はドープされたシリコンから成り、電荷伝導体３はＰＥＤＯＴから成り、それに従って、界面４０はＰＥＤＯＴ−Ｓｉ界面である。シリコンは、ＰＥＤＯＴ−Ｓｉ界面での電子と正孔の効率的な電荷分離を実現するために、本質的に酸化物を含んではならず、すなわちＳｉ表面上にＳｉＯ２をほとんど又は全く含んではならない。

２．導電性粒子−結晶粒
結晶粒２と第１の導電層の導電性粒子２４の間に金属シリサイドの層２６が形成される。金属シリサイドは、電子が結晶粒から導電性粒子に移動されるときの抵抗損を最小にするために十分に高い導電性を有するべきである。この実施形態では、導電性粒子はチタン（Ｔｉ）から成り、それに従って、シリコン結晶粒とチタン粒子の間の層２６はチタンシリサイド（ＴｉＳｉ２）からなる。

３．電荷伝導体−金属シリサイド−酸化物
短絡を避けるために、電荷伝導体３、金属シリサイド層２６、及び絶縁酸化物層２８の間に絶縁層３８が存在すべきである。この実施形態では、絶縁層３８は、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる。ＴｉＯ２−ＳｉＯ２層３８は、ＰＥＤＯＴとＴｉＳｉ２の良好な電気的絶縁を実現するのに十分に厚くしなければならない。ＴｉＯ２−ＳｉＯ２層３８が薄すぎる場合、ＰＥＤＯＴとＴｉＳｉ２の間で短絡が生じ、その結果、光電流及び光電圧が低下する。

４．電荷伝導体−導電性粒子
電荷伝導体３と第１及び第２の導電層の導電性粒子２４、２５の間の絶縁を実現するために、導電性粒子は絶縁酸化物層２８で覆われる。この実施形態では、絶縁酸化物層２８は、ＴｉＯ２などの酸化チタンからなる。酸化チタン層２８は、ＰＥＤＯＴとチタンの十分な電気的絶縁を実現するために十分に厚くしなければならない。酸化チタン層が薄すぎる場合、ＰＥＤＯＴとチタンの短絡により、光電圧及び光電流が低下される。

５．接続部位−導電性粒子
第２の導電層の導電性粒子２５と接続部位３４の間に、導電層３６がある。この実施形態では、導電層３６はチタン銀（ＴｉＡｇ）からなる。導電層３６は、第２の導電層の導電性粒子２５と接続部位３４の間、例えば銀（Ａｇ）とチタン（Ｔｉ）の間に良好な低オーム電気接触を提供するのに十分な厚さにしなければならない。

６．接続部位−電荷伝導体
電荷伝導体３は、界面４２で接続部位３４と接触している。電荷伝導体３、この実施形態ではＰＥＤＯＴは、最大の光電流を実現するために抵抗損を避けるのに十分に、接続部位３４の銀を覆うべきである。

以下、太陽光発電デバイス２、３０を製造するための方法の複数の例を述べる。

図５は、本発明による太陽光発電デバイスの製造方法の一例の流れ図を示す。図５の流れ図の７つのステップをより詳細に以下に説明する。ステップの少なくともいくつかは、異なる順序で行うことができる。

ステップ１：多孔質絶縁基板の片側に第１の多孔質導電層を形成する。第１の多孔質導電層の形成は、様々なやり方で行うことができる。例えば、多孔質絶縁基板の片側に、導電性粒子を含むインクを噴霧又は印刷することによって行うことができる。導電性粒子は、例えば、チタン若しくはその合金、又はアルミニウム若しくはその合金から成っていてよい。多孔質絶縁基板は、例えば、多孔質ガラスマイクロファイバベースの基板でよい。好ましくは、導電性粒子は、多孔質絶縁基板を貫通しないように、多孔質絶縁基板の細孔よりも大きい。

ステップ２：第１の導電層に、ドープされた半導体材料の結晶粒の層をコーティングして、構造体を形成する。この例では、構造体は、多孔質絶縁基板、第１の導電層、及び結晶粒の層を備える。結晶粒は、ドープされたシリコンなど、ドープされた半導体材料から成る。コーティングは、好ましくは、第１の導電層の表面が結晶粒の単層によって覆われるように行われる。これは、結晶粒の粉末を含む液体、例えばインクを第１の導電層上に塗布することによって行うことができる。結晶粒の堆積は、例えば印刷又は噴霧によって行うことができる。適切な噴霧技法は、例えば、静電噴霧法又はエレクトロスプレーである。第１の導電層上への堆積前に、別のステップでシリコン粒子をエッチングしてもよい。

結晶粒の平均サイズは、好適には１μｍ〜３００μｍの間であり、好ましくは１０μｍ〜８０μｍの間であり、最も好ましくは２０〜５０μｍの間である。結晶粒の粉末は、例えば粉砕によって作製することができる。粉砕は、例えば、ディスク型又は円錐型の粉砕機を用いて行うことができる。粉砕中に作製される結晶粒のサイズ及び形状は、ミリング時間やミリング速度など、選択される粉砕プロセスパラメータに応じて決まる。結晶粒の平均サイズは、粉砕プロセスパラメータを調整することによって制御することができる。粉末の平均粒径は、例えばメッシュを使用することによって測定することができる。粉末の平均粒径を測定するためにメッシュを使用することはよく知られている。

ステップ３：構造体の第１の熱処理を行って、結晶粒を第１の導電層、例えば、第１の導電層の導電性粒子に結合させる。第１の熱処理はまた、第１の導電層中の導電性粒子を互いに結合させる。好ましくは、熱処理は非酸化環境内で行われる。例えば、この構造体は、真空中で、５５０℃超の温度で少なくとも２時間熱処理される。第１の熱処理は、例えば、構造体の真空焼結によって行われる。このステップ中、結晶粒及び導電性粒子は真空焼結される。焼結中、結晶粒は、第１の導電層の導電性粒子に結合して、それらの間での機械的及び電気的接触を実現する。また、真空焼結中、導電性粒子どうしが焼結されて、導電性粒子どうしが機械的及び電気的に接触した第１の導電層を形成する。

ステップ４：第１の導電層の表面上に電気絶縁層を形成する。このステップは、酸化環境内で構造体の第２の熱処理を行うことを含むことができ、第１の導電層の露出した表面上、例えば、他の導電性粒子又は結晶粒と物理的に接触していない導電性粒子の表面の部分に絶縁酸化物層を形成する。これにより、第１の導電層と電荷伝導体との間の電気的接触が防止され、したがって、第１の導電層と電荷伝導体の間で電子又は正孔が移動するのを防止し、それにより、第１の導電層と第２の導電層の短絡を防止する。酸化環境は、例えば空気である。構造体の第２の熱処理は、例えば、５００℃で３０分間行うことができる。

酸化環境内で構造体の第２の熱処理を使用する代わりに、印刷によって第１の導電層の露出した表面上に薄い絶縁コーティングを堆積することが可能である。絶縁材料を含む特定量のインクを第１の導電層上に印刷することによって、第１の導電層の細孔をインクで満たすことが可能である。インクの溶剤を蒸発させて除去することによって、インク中の絶縁材料が、第１の導電層の露出した内面及び外面上に堆積される。乾燥したインクコーティングを加熱して、第１の導電層の露出した表面に付着する絶縁コーティングを作製することができる。

コーティングは多孔質でよく、或いは稠密でもよい。コーティングは、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２、又は他の電気絶縁材料、若しくは材料の組合せ又は混合物から成っていてよい。コーティングは、例えば、第１の導電層の上に、例えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２の粒子を含むインクを印刷することによって堆積することができる。インク中で粒子が使用される場合、堆積される絶縁コーティングは多孔質になり得る。粒子は、第１の導電層の細孔よりも小さい直径を有するべきである。第１の導電層の細孔が約１μｍである場合、粒子は、好ましくは１００ｎｍ以下の直径を有するべきである。或いは、粒子を含むインクを使用する代わりに、印刷インクは前駆体材料を含むことができ、前駆体材料は、堆積されたインクを空気などの酸素含有雰囲気中で高温で乾燥及び熱処理するときに、例えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２に変換される。そのような前駆体材料は、稠密の堆積された絶縁コーティングを形成することができる。そのような前駆体材料の例は、例えば、ＤｕＰｏｎｔ社によって製造されているＴｙｚｏｒ（商標）系列からの（ＴｉＯを形成するための）有機チタン酸塩又は（ＺｒＯを形成するための）有機ジルコン酸塩である。他の前駆体材料としては、（ＳｉＯ２を形成するための）シラン又は（Ａｌ２Ｏ３を形成するための）アルミニウムクロロハイドレートがあり得る。

第１の導電層の露出した表面上に絶縁層を作製するために、インク中に粒子と前駆体の両方を混合することが可能である。

第１の導電層が電荷伝導材料から電気的に絶縁されていることをさらに確実にするために、第２の熱処理及び表面のコーティングを行うことも可能である。

ステップ５：第２の導電層を形成する。第２の導電層の形成は、第２の導電層を形成するための選択された方法に応じて、他のステップとは異なる時点で行うことができる。第２の導電層は、多くの異なるやり方で形成することができる。一実施形態では、第２の導電層は、多孔質絶縁基板の反対側に形成された多孔質導電層でよい。例えば、第２の導電層は、絶縁基板の反対側の表面上に導電性粒子を含むインクを堆積することによって形成することができる。この実施形態では、第２の導電層の形成は、ステップ３での熱処理を行う前、さらにはステップ２の前又はステップ１の前に行うこともできる。或いは、第２の絶縁基板上に第２の導電層を形成することができ、次のステップで第２の絶縁基板を第１の基板に貼着する。或いは、第２の導電層は、電荷伝導材料と電気的に接触する導電箔でよい。導電箔は、例えば金属箔でよい。この場合、第２導電層の形成は、ステップ７の後に行うことができる。

ステップ７：結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、及び絶縁基板の細孔内に電荷伝導材料を塗布する。電荷伝導材料は、例えば、導電性ポリマー、無機材料、及び金属有機材料の任意のものである。電荷伝導材料の塗布は、例えば、電荷伝導材料の粒子を含む液体ベースの溶液を結晶粒の表面上に塗布し、溶液を第１の導電層の細孔内及び絶縁基板の細孔内に浸透させ、構造体を乾燥させて、固体電荷伝導体の層を結晶粒上に堆積し、固体電荷伝導体を第１の導電層の細孔内及び絶縁基板の細孔内に堆積することによって行うことができる。或いは、電荷伝導材料の堆積は、いくつかのステップで行うことができる。例えば、まず、電荷伝導材料を含む溶液を結晶粒上に噴霧し、次いで溶剤を乾燥させて、結晶粒の表面上に電荷伝導材料の乾燥した固体層を生成することができる。第２のステップでは、構造体の反対側に電荷伝導材料の溶液を噴霧する。電荷伝導材料を含む溶液の塗布は、例えば、浸漬又は噴霧、例えば超音波噴霧によって行うことができる。結晶粒の表面上の電荷伝導体は、例えば結晶粒の露出した表面の少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは、結晶粒の表面の少なくとも８０％を覆う。結晶粒の露出した表面は、第１の導電層と接触していない表面部分である。

ステップ８：電荷伝導材料を第２の導電層に電気的に接続する。ステップ８は、ステップ５若しくは７の一部若しくはその結果でよく、又は別個のステップで実施することもできる。例えば、ステップ７中、電荷伝導材料は、第２の導電層と電気的に接触するように塗布される。第２の導電層が多孔質絶縁基板の表面上に配設される場合、第２の導電層は、絶縁基板の細孔内に蓄積された電荷伝導材料と電気的に接触する。第２の多孔質絶縁基板が第１の多孔質絶縁基板と第２の導電層との間に配置され、第２の多孔質絶縁基板の細孔が電荷伝導材料で充填される場合、電荷伝導材料は第２の導電層と電気的に接触する。それらの場合、電荷伝導材料は、多孔質絶縁基板の細孔に塗布されると、第２の導電層に電気的に接続される。第２の導電層が、電荷伝導材料と電気的に接触する導電箔である場合、電荷伝導材料と第２の導電層は、ステップ５中に電気的に接続される。

電荷伝導材料と第２の導電層の電気的接続は、例えば、第２の導電層上に接続部位を提供し、接続部位と電荷伝導材料を電気的に接続することによって行うことができる。接続部位は、第２の導電層と電荷伝導材料の両方に物理的及び電気的に接続される。例えば、接続部位は、第２の導電層上に配設された銀（Ａｇ）の層を含む。或いは、第２の導電層は、銀から成る導電性粒子、又は第２の熱処理中に酸化しない別の導電性材料を含むことがあり、これらの粒子が接続部位を形成する。チタンとＰＥＤＯＴの両方と良好な電気的接触を可能にするので、銀を使用することが好適である。銀を使用する別の利点は、銀が、チタン粒子と接続部位の接触領域において、第２の導電層のチタン粒子上での酸化物の形成を防止することである。銀の層の形成中、第２の導電層のチタン粒子と接続部位の間にチタン銀（ＡｇＴｉ）の層が形成される。したがって、ＰＥＤＯＴは、銀との良好な低オーム接触を形成することができ、銀は、ＡｇＴｉを介してチタンとの良好な低オーム接触を形成することができる。その結果、ＰＥＤＯＴは、銀及びＡｇＴｉを介して間接的にチタンと接触することができる。他の材料、例えば、高ドープシリコン、又はグラファイト、グラフェン、ＣＮＴ、若しくはアモルファスカーボンなど炭素ベースの材料を接続部位に使用してもよい。

図６は、本発明の第１の実施形態による太陽光発電デバイスを製造するための方法の流れ図を示す。本方法により、モノリシック太陽光発電デバイスが得られる。図６に示される本発明の第１の実施形態は、図５に示されるのと同じステップを含むが、ステップは異なる順序で行われる。ステップ１、２、及び３は、図５を参照して述べたのと同様に行うことができ、ここではより詳細には説明しない。この実施形態では、ステップ５における第２の導電層の形成は、第１の導電層に結晶粒をコーティングする前、すなわちステップ２の前に行われる。ステップ５は、ステップ１の前に行うこともできる。

ステップ５：多孔質絶縁基板の反対側に多孔質の第２の導電層を形成する。例えば、第２の導電層は、導電性粒子を含むインクなどの液体を多孔質絶縁基板の反対側に堆積することによって形成することができる。好適には、導電性粒子は、多孔質絶縁基板を貫通できない大きさである。第２の導電層は、第１の導電層と同様に堆積される。例えば、第２の導電層に使用される導電性粒子は、第１の導電層の導電性粒子と同じ材料から成る。一実施形態では、第２の導電層は、第２の導電層の酸化を回避するために、銀又は炭素など、酸化に耐えることができる材料の導電性粒子を含むことができる。

この実施形態では、構造体は、多孔質絶縁基板、第１及び第２の導電層、並びに結晶粒の層を含む。したがって、ステップ３において、第２の導電層の導電性粒子が互いに結合され、ステップ４において、第２の導電層の導電性粒子の露出した表面が酸化物層で覆われる。ステップ５において、第２の導電層の細孔内にも電荷伝導材料が塗布される。

ステップ７＋８：電荷伝導材料を結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、及び絶縁基板の細孔内に塗布し、第２の導電層と電気的に接触させる。第２の導電層が多孔質絶縁基板の表面上に配設され、電荷伝導材料が多孔質絶縁基板の細孔内に塗布されることにより、第２の導電層は、絶縁基板の細孔内に蓄積された電荷伝導材料と電気的に接触する。

図７は、本発明の第２の実施形態によるモノリシック太陽光発電デバイスを製造するための方法の一例の流れ図を示す。この実施形態では、太陽光発電デバイスの製造のより具体的な例を説明する。本方法のこの実施形態は、デバイスの製造を改良する及び／又はデバイスの性能を改良するいくつかの任意選択のステップを含む。この例では、第１の導電層の表面上への電気絶縁層の形成を含むステップ４は、２つのステップを含む：酸化環境４ａで第２の熱処理を行うステップ、及び第１の導電層４ｂの表面上に電気絶縁材料を塗布するステップ。以下、図７での流れ図の様々なステップをより詳細に説明する。

ステップ１：多孔質絶縁基板の一方の側に多孔質の第１の導電層を形成する。この例では、１０μｍのサイズのＴｉＨ_２粒子をテルピネオールと混合することによって第１のインクを調製する。インクは、１０マイクロメートルよりも小さい直径を有するＴｉＨ_２粒子を含む。その後、第１のインクを多孔質ガラスマイクロファイバベースの基板上に印刷又は噴霧する。印刷された層は、第１の多孔質導電層を形成する。

ステップ５：多孔質絶縁基板の反対側に多孔質の第２の導電層を形成する。この例では、ＴｉＨ２とテルピネオールとを混合することによって第２のインクを調製する。インクは、１０マイクロメートルよりも小さい直径を有するＴｉＨ２粒子を含む。次いで、インクを、銀めっきされた導電性粒子と混合して、第２の導電層を堆積するためのインクを形成する。その後、多孔質絶縁基板の反対側に第２のインクを印刷又は噴霧する。第２の印刷層は、多孔質の第２の導電層を形成する。銀めっきされた導電性粒子は、ステップ８において、第２の導電層を電荷伝導材料と電気的に接続するための接続部位を形成する。或いは、銀又は別の適切な材料の層を第２の導電層の表面上に塗布して、接続部位を形成する。

ステップ６ａ（任意選択）：結晶粒の第１のエッチングを行う。第１のエッチングは、結晶粒の異方性エッチングである。結晶粒のエッチングは、例えば等方性エッチング溶液又は異方性エッチング溶液を使用して行うことができる。結晶粒、例えばシリコン結晶粒の異方性エッチングは、ピラミッド形状のエッチングピットに使用することができ、ピラミッド形状の結晶粒表面は、結晶粒による実効光吸収を増加させることができる。エッチングは、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用して行うことができる。第１のエッチングは、主に｛１１１｝面が結晶粒の表面に露出されている結晶粒を提供する。電荷伝導体は、結晶粒の｛１１１｝ピラミッド面と接触している。これは光トラッピングを引き起こし、これは、光が表面で数回反射され、それによって結晶粒の光吸収が増加されることを意味する。結晶粒が、ドープされたシリコンから成る場合、エッチングの目的は、シリコン上に｛１１１｝ピラミッド面を形成することである。エッチングステップは、第１の導電層に結晶粒をコーティングする前に行われる。或いは、このステップは、ステップ１及びステップ１ｂの前に行われる。

ステップ２：第１の導電層を、ドープされた半導体材料の結晶粒の層でコーティングして、構造体を形成する。このステップは、図５を参照して前述したのと同様に行うことができる。

ステップ２ｂ（任意選択）：構造体の第１の熱処理を行う前に、結晶粒の層に圧力を加えて、結晶粒の一部が第１の多孔質導電層に突き出るようにする。例えば、メンブレンプレスを使用して、又はローラープレスを使用して、結晶粒の上に圧力を加えることができる。それにより、結晶粒と多孔性導電層の接触面の面積が増加され、その結果、結晶粒と多孔質導電層の結合が容易になる。さらに、接触面積の増加により、結晶粒と導電層の電気的接触が改良される。

ステップ２ｃ（任意選択）：構造体の第１の熱処理を行う前に結晶粒を酸化する。酸化は、第１の熱処理中に結晶粒が汚染されるのを防ぐ保護酸化物層を結晶粒の表面に提供する。酸化は、例えば、５００℃以上の高温の、水を含む又は含まない空気又は酸素ガスに結晶粒を露出させることによって行うことができる。水の存在は、酸化を促進する。

ステップ３：非酸化性環境内で構造体の第１の熱処理を行って、結晶粒を第１の導電層に結合させる。さらに、第１及び第２の導電層の導電性粒子は、第１の熱処理中に層内の他の導電性粒子に結合される。この構造体は、結晶粒が第１の多孔質導電層に焼結されるまで、真空下で熱処理される。焼結中、結晶粒は、第１の導電層の導電性粒子に結合して、それらの間の機械的及び電気的接触を実現する。また、真空焼結中、導電性粒子どうしが焼結されて、導電性粒子どうしが機械的及び電気的に接触した第１の導電層を形成する。基板、第１及び第２の導電層、並びに結晶粒の層を含む構造体を、真空中で少なくとも２時間、５５０℃超の温度で熱処理することが好ましい。例えば、印刷された基板を、６５０℃で真空焼結し、次いで室温まで冷却させる。焼結中の圧力は、０．０００１ｍｂａｒ未満である。

この例では、結晶粒はドープされたシリコンから成り、導電性粒子はチタンから成る。真空中での熱処理中、結晶粒のシリコンと粒子のチタンとが反応しており、結晶粒と粒子の境界にチタンシリサイドを生成する。したがって、結晶粒と第１の導電層の粒子の間にチタンシリサイドの層が形成され、この層は、結晶粒と粒子の電気的接触を改良する。

ステップ４ａ：酸化環境内で構造体、すなわち絶縁基板、第１及び第２の導電層、並びに結晶粒の層の第２の熱処理を行って、第１及び第２の導電層の導電性粒子の露出した表面上に絶縁酸化物層を形成する。構造体を、第１の多孔質導電層の露出した表面が酸化されるまで空気中で熱処理する。例えば、構造体を空気中で熱処理して、第１及び第２の導電層の導電性粒子上に電気絶縁酸化物層を実現する。シリコン粒子の表面も第２の熱処理中に酸化される。

ステップ４ｂ：第１の導電層の表面上に電気絶縁材料を塗布する。酸化環境内での構造体の第２の熱処理を使用することに加えて、例えば印刷によって、第１の導電層の露出した表面上に薄い絶縁コーティングを堆積することが可能である。絶縁材料を含む特定量のインクを第１の導電層上に印刷することによって、第１の導電層の細孔をインクで満たすことが可能である。インクの溶剤を蒸発させて除去することによって、インク中の絶縁材料が、第１の導電層の露出した内面及び外面上に堆積される。乾燥したインクコーティングを加熱して、第１の導電層の露出した表面に付着する絶縁コーティングを作製することができる。コーティングは、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２、又は他の電気絶縁材料、若しくは材料の組合せ又は混合物からなっていてよい。コーティングは、例えば、第１の導電層の上に、例えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２の粒子を含むインクを印刷することによって堆積することができる。インク中で粒子が使用される場合、堆積される絶縁コーティングは多孔質になり得る。粒子は、第１の導電層の細孔よりも小さい直径を有するべきである。第１の導電層の細孔が約１μｍである場合、粒子は、好ましくは１００ｎｍ以下の直径を有するべきである。或いは、粒子を含むインクを使用する代わりに、印刷インクは前駆体材料を含むことができ、前駆体材料は、堆積されたインクを空気などの酸素含有雰囲気中で高温で乾燥及び熱処理するときに、例えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、アルミノケイ酸塩、ＳｉＯ２に変換される。そのような前駆体材料は、稠密の堆積された絶縁コーティングを形成することができる。そのような前駆体材料の例は、例えば、ＤｕＰｏｎｔ社によって製造されているＴｙｚｏｒ（商標）系列からの（ＴｉＯを形成するための）有機チタン酸塩又は（ＺｒＯを形成するための）有機ジルコン酸塩である。他の前駆体材料としては、（ＳｉＯ２を形成するための）シラン又は（Ａｌ２Ｏ３を形成するための）アルミニウムクロロハイドレートがあり得る。第１の導電層の露出した表面上に絶縁層を作製するために、インク中に粒子と前駆体の両方を混合することが可能である。

ステップ６ｂ（任意選択）：第２の熱処理を行った後、結晶粒の表面上に電荷伝導材料を塗布する前に、結晶粒の第２のエッチングを行う。第２のエッチングは、例えば、結晶粒の等方性エッチングであり、結晶粒の表面から酸化物及び不純物を除去するために使用される。第２のエッチングは、例えば結晶粒の表面をフッ化水素（ＨＦ）で処理することによって行うことができる。この処理は、例えば、ＨＦ水溶液の形態でのＨＦに結晶粒の表面を露出させる、又は気体のＨＦに結晶粒の表面を露出させるなどの方法によって行うことができる。ＨＦ処理は、酸化物、例えば酸化ケイ素を結晶粒の表面から除去する効果を有する。結晶粒の第２のエッチングは、電荷伝導材料を塗布する前に結晶粒の表面を清浄にし、これにより結晶粒と電荷伝導材料の電気的接触が改良される。この例では、シリコン結晶粒の第２のエッチングは、シリコン結晶粒の表面をＨＦで処理することによって、結晶粒の酸化ケイ素を除去する。

ステップ７＋８：電荷伝導材料を結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、及び絶縁基板の細孔内に塗布し、第２の導電層と電気的に接触させる。この例では、電荷伝導材料は、第２の導電層中の銀めっきされた粒子と電気的に接触している。この例では、電荷伝導材料はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳである。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを、結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、及び絶縁基板の細孔内、及び第２の導電層の細孔内に堆積する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む水ベースの溶液から堆積することができる。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液は、第１及び第２の導電層並びにシリコン結晶粒を含む基板をＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの溶液中に浸漬することによって堆積することができる。或いは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ堆積は、いくつかのステップで実施することができる。例えば、まずＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液をシリコン結晶粒上に噴霧し、次いで溶剤を乾燥させて、シリコン結晶粒の表面上に乾燥固体ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層を形成することができる。第２のステップで、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの溶液を第２の導電層に噴霧する。シリコン結晶粒上でＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの薄層を実現するのに適した噴霧技法は、例えば超音波噴霧である。

図８は、本発明の第３の実施形態によるサンドイッチ型太陽光発電デバイスを製造する方法の流れ図を示す。本発明のこの実施形態は、第２の具体的な実施例を用いて第２の導電層を形成するときに太陽光発電デバイスの製造がどのように行われるかを示している。以下では、図８の流れ図の様々なステップをより完全に説明する。

図８に示される本発明の第３の実施形態は、図５に示されるのと同じステップ１〜４を含む。

ステップ５：第２の多孔質絶縁基板上に第２の導電層を形成する。第２の導電層は、第２の多孔質絶縁基板上に形成される。第２の導電層は、例えば前述したのと同様に、多くの異なるやり方で第２の基板上に塗布することができる。第２の導電層は、多孔質である必要はない。第２の導電層は、例えば、第２の多孔質絶縁基板に取り付けられた金属箔でもよい。

ステップ９：第１の多孔質基板と第２の多孔質基板を互いに機械的に接続して、単一の構造体を形成する。例えば、第１の多孔質基板と第２の多孔質基板を接着して、第１の導電層と第２の導電層が基板の反対側に配置された単一の基板を形成する。

ステップ７＋８：電荷伝導材料を結晶粒の表面上、第１の導電層の細孔内、並びに第１及び第２の絶縁基板の細孔内に塗布し、第２の導電層と電気的に接触させる。このステップは、前述したのと同様に行うことができる。

ステップ１〜５及び１、８は、本発明による太陽光発電デバイスを製造する際に行う必要があるステップである。第２の導電層を形成するステップ、すなわちステップ５は、ステップがどのように行われているかに応じて、様々なやり方で、プロセス中の様々な時点に行うことができ、これは図６及び図８に示されている。実施することが有利であるが必須ではない図７に示されるステップのいくつかの例、すなわちステップ２ｂ、２ｃ、６ａ、及び６ｂがあり、これらのステップを全て実施しても、いくつかだけ実施しても、又はどれも実施しなくてもよい。しかし、これらのステップは、太陽光発電デバイスの性能を高めることができるので、実施が有用であり得る。好ましくは、ステップ４ａ、４ｂのいずれか又は両方が行われる。

本発明は、開示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変更及び修正することができる。方法ステップの多くは、異なる順序で行うことができる。例えば、第２の導電層の形成は、構造体の第１の熱処理を行う前及び後に行うことができる。第２の導電層は、多孔質でも固体でもよい。例えば、第２の導電層は金属箔でよい。第２の導電層は、絶縁基板の表面に直接塗布することができ、又は絶縁基板から距離をおいて配置することができる。結晶粒の第１のエッチングは、例えば、第１及び第２の導電層が形成される前に行うことができる。

Claims (15)

1. 太陽光発電デバイスを製造するための方法であって、
   多孔質絶縁基板（２０）の一方の側に多孔質の第１の導電層（１６）を形成するステップ、
   前記第１の導電層に、ドープされた半導体材料の結晶粒（２）の層をコーティングして、構造体を形成するステップ、
   前記構造体の第１の熱処理を行って、前記結晶粒を前記第１の導電層に結合するステップ、
   前記第１の導電層の表面上に電気絶縁層を形成するステップ、
   前記多孔質絶縁基板（２０）の反対側に第２の導電層（１８）を形成するステップ、
   前記結晶粒の前記表面上、前記第１の導電層の細孔内、及び前記絶縁基板の細孔内に電荷伝導材料（３）を塗布するステップ、並びに
   前記電荷伝導材料を前記第２の導電層に電気的に接続するステップ
   を含む方法。
2. 前記結晶粒（２）の平均サイズが、１μｍ〜３００μｍ、好ましくは１０μｍ〜８０μｍ、最も好ましくは２０〜５０μｍである、請求項１に記載の方法。
3. 結晶粒の前記層（６）が単層である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の導電層（１６）が、前記結晶粒（２）の粉末を含むインクを前記第１の導電層上に堆積することによってコーティングされる、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法。
5. 前記結晶粒（２）を含む前記インクが、静電噴霧によって前記第１の導電層（１６）上に堆積される、請求項４に記載の方法。
6. 前記構造体の前記第１の熱処理を行う前に前記結晶粒（２）を酸化することを含む、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の方法。
7. 前記結晶粒（２）が、ドープされたシリコンから成る、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１の導電層（１６）に前記結晶粒をコーティングする前に、前記結晶粒の第１のエッチングを行って、前記結晶粒上に｛１１１｝ピラミッド面を形成するステップを含む、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の方法。
9. 前記結晶粒の表面上に前記電荷伝導材料（３）を塗布する前に、前記結晶粒（２）の第２のエッチングを行うステップを含む、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法。
10. 前記電荷伝導材料（３）が、導電性ポリマー、無機材料、及び金属有機材料の任意のものである、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法。
11. 電荷伝導材料（３）を前記結晶粒（２）の前記表面上に塗布する前記ステップが、前記電荷伝導材料の粒子を含む液体ベースの溶液を前記結晶粒の前記表面上、前記第１の導電層の細孔の内部、及び前記絶縁基板の前記細孔の内部に塗布し、前記構造体を乾燥させて、固体電荷伝導体の層（６）が前記結晶粒上に堆積され、固体電荷伝導体が前記第１の導電層の前記細孔の内部及び前記絶縁基板の前記細孔の内部に堆積される、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の方法。
12. 前記多孔質絶縁基板（２０）の一方の側に多孔質の第１の導電層（１６）を形成する前記ステップが、前記多孔質絶縁基板の一方の側に導電性粒子（２４）を含むインクを堆積することを含む、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の方法。
13. 前記結晶粒（２）が、ドープされたシリコンから成り、前記第１の導電層が、金属又は金属合金の粒子（２４）を含み、金属シリサイド又は金属シリコン合金の区域（２６）が、前記第１の熱処理中に前記結晶粒と前記粒子の境界に形成される、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の導電層（１６）の表面上に電気絶縁層を形成する前記ステップが、酸化環境内で前記構造体の第２の熱処理を行って、前記第１の導電層の前記露出した表面上に絶縁酸化物層（２８）を形成することを含む、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。
15. 前記第１の導電層（１６）の表面上に電気絶縁層を形成する前記ステップが、前記第１の導電層の前記露出した表面上に絶縁コーティングを堆積することを含む、請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載の方法。