JP6293061B2 - 可撓性のナノワイヤをベースにした太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ナノワイヤを有する太陽電池に関する。
光電池又は太陽電池の分野において、ポリマ誘電材料に埋め込まれるp/nをドープした半導体ナノワイヤを用いることが提案されている。半導体ナノワイヤは、一般に、エピタキシャル成長のための結晶基板における有機金属気相成長（MOVPE）又は分子線エピタキシ（MBE）などの化学蒸着技術によって成長させられる。通常、ナノワイヤの成長は、ナノワイヤの直径を規定する金属触媒粒子によって引き起こされる。金属触媒粒子は、基板上に金の薄膜を堆積させることによって、又は整列が必要とされる場合には、SCIL(substrate-conformal imprint lithography)のようなナノインプリント技術によって、構造化され得る。この技術を用いて、半径方向及び軸方向のpn接合の成長、並びにヘテロエピタキシャル成長が、実証されている。ナノワイヤは、＜１１１＞結晶学的方向に優先的に成長し、故に、（１１１）基板上で成長させられるナノワイヤは、垂直配向のものである。成長した垂直配向ナノワイヤは、ポリマに埋め込まれることができ、これは、基板からのナノワイヤの拭い取りを可能にし、別の成長の実施のための基板の再使用を可能にする。この種の半導体ナノワイヤ光起電装置は、例えば、文献US 2011/0240099 A1に記載されている。
可撓性構造及び向上した効率を示す半導体ナノワイヤを用いる太陽電池を提供することは望ましい。
それ故、本発明の目的は、機械的に安定しており、可撓性であり、入射光を変換する効率の向上も示す、半導体ナノワイヤをベースにした太陽電池を提供することである。
本発明の或る態様においては、前記目的は、p/nをドープした半導体ナノワイヤの層と、少なくとも１つのポリマ層とを有する太陽電池であって、前記p/nをドープした半導体ナノワイヤの層が、前記ポリマ層に部分的に埋め込まれる太陽電池によって達成される。前記ポリマ層は、第１面及び第２面を持ち、動作状態において、前記第１面は、前記第２面と比べて、入射位置にある入射光に対してより近い。更に、前記第１面の面積は、前記第２面の面積より大きい。本願において用いられている「面の面積」という表現は、詳細には、前記面に対して平行であり、同じ境界線によって境界をつけられる総面積全体として理解されるべきであり、これは、詳細には、前記面の領域から突き出る如何なる物体によって占められる前記面の領域の一部も、前記面の領域から減算されるべきでないことを意味する。
本発明は、前記第１面の面積が前記第２面の面積より大きいことで、前記半導体ナノワイヤの体積密度が、前記第２面の近くと比べて、前記第１面の近くにおいて、より低くなるという概念に基づいている。
これの効果は、２要素から成る。１つには、前記ポリマ層及び前記少なくとも部分的に埋め込まれるp/nをドープした半導体ナノワイヤの層から成る複合層の有効屈折率も、前記第１面の近くにおいて最も低く、空気の屈折率と一致するように、変えられる。前記入射光の反射分は、空気／複合層境界面の近くにおける空気の屈折率と前記複合層の有効屈折率との差の二乗に比例するので、これは、前記入射光の前記複合層内へのほぼ完璧な結合を可能にするだろう。適している実施例においては、如何なる反射防止（AR）コーティングも用いずに前記入射光の前記複合層内への結合の実質的な改善が達成され得る。
第２に、前記第１面の面積が前記第２面の面積より大きいことで、前記半導体ナノワイヤの体積密度が、前記第１面の近くと比べて、前記第２面の近くにおいて、より高くなる。これは、前記第２面の近くにおけるより高い吸収媒体密度をもたらし、そこでの最大吸収を可能にする。
更に、材料の選択により、結果として生じる太陽電池は、軽量であり、且つコスト効率が高い。それらの構造の固有の可撓性は、本発明の太陽電池を、街灯の柱、又は他の電子的に制御される標識、例えば、ハイウェイにおける速度標識などのまわりに取り付けられるのに優れたものにする。
本発明の別の態様においては、前記第１面の少なくとも一部が、少なくとも１つの方向に湾曲している。それによって、前記第１面のより大きな面積が、容易に達成され得る。或る実施例においては、前記第１面の前記一部は、円筒のように湾曲させられてもよく、前記第１面が湾曲させられる方向は、前記円筒の中心軸のまわりの方位方向である。更に別の実施例においては、前記第１面の前記一部は、交差する又はとりわけ互いに対して垂直である２つの方向に湾曲させられてもよく、球状キャップの形状又はより一般的には楕円体表面の一部の形状を持つ前記第１面をもたらす。
本発明の他の態様においては、前記pnをドープした半導体ナノワイヤの上部が、前記ポリマ層の前記第１面から突き出ており、従って、前記半導体ナノワイヤの前記上部と電気的に接続するための容易なアクセスを供給する。
前記pnをドープした半導体ナノワイヤの大部分を前記第１面に対して本質的に垂直である方向に配向することによって、前記第１面から前記第２面に向かう方向における前記複合層の有効屈折率の単調増加が得られ得る。本願において用いられる「本質的に垂直」という表現は、詳細には、前記ナノワイヤの配向は、前記第１面に対して垂直である配向から、30°までの角度だけ、好ましくは、20°までの角度だけ、より好ましくは、10°までの角度だけ異なり得るというように理解されるべきである。境界に入射する光の反射の原因となる屈折率の観点からの境界がないため、前記入射光の如何なる反射も防止されることができ、これは、前記入射光のほぼ全てが、前記太陽電池内で捕らえられるだろうこと意味する。好ましくは、前記p/nをドープした半導体ナノワイヤは、マイクロメートルのレンジ内の長さを持つ。
好ましい実施例においては、前記pnをドープした半導体ナノワイヤの層は、少なくとも１つの方向において周期構造を持つ。本願において用いられる「周期構造」という表現は、詳細には、構造であって、前記構造の或る特徴が、少なくとも１つの方向において規則的な距離において繰り返される構造として理解されるべきである。前記繰り返される特徴は、前記構造の幾つかの特徴の組み合わせを含み得る。前記距離は、好ましくは、100nmと1500nmとの間の範囲内にある。それによって、前記入射光の均一な屈折条件が達成可能であり得る。
本発明の別の態様においては、前記ポリマ層の前記第１面及び前記第２面は、本質的に平行に整列される。本願において用いられる「本質的に整列される」という表現は、詳細には、完璧な整列からのずれが、前記第１面と前記第２面との間の平均距離の20%より小さく、好ましくは、10%より小さいというように理解されるべきである。これは、埋め込まれた半導体ナノワイヤを備える平板状ポリマ層からの、単純な曲げるプロセスによる、前記第２面の面積より大きい前記第１面の面積の容易な実現を可能にし得る。
本発明の別の態様においては、前記太陽電池は、透明導電酸化物（TCO）から作成される最上層を更に有し、前記最上層は、動作状態において、前記第１面と比べて、前記入射位置にある前記入射光に対してより近い、より上の第３面を持つ。それによって、適している実施例においては、前記pnをドープした半導体ナノワイヤに対する透明な電気接続が達成されることができ、湾曲した第１面も持つ。好ましくは、前記最上層と前記半導体ナノワイヤとの間に供給される前記電気接続は、オーミック接触である。
好ましくは、前記太陽電池は、金属によって形成される底部層を更に有してもよく、前記底部層は、前記p/nをドープした半導体ナノワイヤの大部分及び前記ポリマ層の前記第２面と接触する。従って、前記第２面の近くにおける前記pnをドープした半導体ナノワイヤとの電気接続の容易な実現が、達成されることができ、前記半導体ナノワイヤに面する好ましくは光沢のある金属面による入射光の反射も達成されることができ、故に、前記入射光の光路長は、前記層の最初の通過中に吸収されない光を前記光沢のある面において反射することによって、増加させられる。
下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。しかしながら、このような実施例は、必ずしも、本発明の全範囲を表すものではなく、本願明細書において本発明の範囲を解釈するためには、請求項に対する参照がなされる。
半導体ナノワイヤの層を平面図及び傾斜上面図で図示する。 製造の中間ステップにおける図１の半導体ナノワイヤ及びポリマの複合層の概略的な断面図を示す。 製造のより後のステップにおける図１の半導体ナノワイヤ及びポリマ層の複合層の概略的な断面図を示す。 空気／複合層境界に対する距離と図２の複合層の有効屈折率の関数依存性を図示する図である。
図１は、層１２の面内にあり、互いに垂直に配設される２つの方向２６、２８において周期構造を持つ半導体ナノワイヤ２２の層１２を示している。周期構造のピッチ３０は、両方の方向２６、２８において約515nmである。
半導体ナノワイヤ２２は、有機金属気相成長によって（１１１）半導体基板上に成長させられ、基板の面に対して垂直に配向され、約3μmの平均長さを持つ。半導体ナノワイヤ２２の各々は、軸方向pn接合を呈する。成長後、スピンコーティングによって、半導体ナノワイヤ２２上にポリマ層１０が付される。ポリマ層１０は、第１面３２及び第２面３４を持ち、これらの両方が、図２の断面図に図示されているように、半導体基板の面に対して平行に整列される。第１面３２及び第２面３４は、破線によって示されている。それ故、pnをドープした半導体ナノワイヤ２２の大部分は、第１面３２に対して垂直である方向３８に配向される。
ポリマ層１０及びp/nをドープした半導体ナノワイヤ２２の層１２は、p/nをドープした半導体ナノワイヤ２２の層１２がポリマ層１０に部分的に埋め込まれ、pnをドープした半導体ナノワイヤ２２の上部２４がポリマ層１０の第１面３２から突き出るような複合層１４を形成する。次のステップにおいて、複合層１４は、下にある半導体基板からかみそりの刃を用いて機械的に取り除かれる。図２は、半導体基板の除去後の複合層を示しており、半導体基板は、洗浄後に再使用可能であり、それによって、製造コストが低下させられる。
次いで、複合層１４は、第１面３２全体が、第１半径４０を持つ円筒面の一部の形状を構築するよう湾曲させられるように曲げられる（図３）。第１面３２及び第２面３４は互いに対して平行に整列したままであり、故に、第２面３４も、より小さい第２半径４２の別の円筒面の形状を持つ。従って、曲げるプロセスによって、第１面３２の面積は、明らかに、第２面３４の面積より大きくなる。
曲げた結果として、周期構造のピッチ３０より大きい辺長を持つ立方体の体積にわたる半導体ナノワイヤ２２の平均体積密度は、第２面３４の近くと比べて、第１面３２の近くにおいて、より低くなる。従って、複合層１４の有効屈折率neffも、第１面３２の近くで最も低くなり、第２面３４の近くで最も高くなるように変えられる（図４）。複合層１４の曲げ加工は、第１面３２に対する距離に関して有効屈折率neffの所望の依存性が達成されるように実行される。完成後、太陽電池は、入射光２０が、第２面３４に到達する前に第１面３２を通過するように、配設される必要がある。
太陽電池の他の製造ステップにおいて、第２面３４上に金属底部層１８が蒸着又はスパッタリングされる（図３）。金属底部層１８は、p/nをドープした半導体ナノワイヤ２２及びポリマ層１０の第２面３４と接触する。金属は、その仕事関数が、第２面３４の近くにおいてp/nをドープした半導体ナノワイヤ２２とのオーミック接触を供給するように、選択される。金属底部層１８は、ポリマ層１０の第２面３４に面する光沢のある面４４を持ち、故に、太陽電池には、光反射器が備わっており、第１面３２から底部層１８への第１経路中に吸収されなかった入射光２０は、前記構造から漏れることができず、引き続き吸収され、従って、太陽電池の変換効率を向上させる。
太陽電池の製造の更に別のステップにおいて、複合層１４の上部における透明導電酸化物（TCO）の蒸着又はスパッタリングによって最上層１６が形成される。最上層１６は、より上の第３面３６を形成する（図３）。更に、最上層１６は、p/nをドープした半導体ナノワイヤ２２とのオーミック接触を構築する。
図３は、動作可能な状態の太陽電池を示している。第１面３２は、第２面３４と比べて、入射位置にある入射光２０に対してより近く、第３面３６は、第１面３２と比べて、入射位置にある入射光２０に対してより近い。図４に示されているように、太陽電池の複合層１４の屈折率neffは、空気と透明導電酸化物（TCO）層との間の境界を形成する第３面３６において階段状に上昇し、第１面３２からの距離と共に、半導体ナノワイヤ２２の体積密度の増加により、ゆっくりと増加していく。
本発明を、図面において図示し、上記の説明において詳細に説明しているが、このような図及び説明は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであって、限定するものとみなされるべきではない。本発明は、開示されている実施例に限定されない。請求項に記載の発明を実施する当業者は、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。
１０ ポリマ層
１２ 半導体ナノワイヤの層
１４ 複合層
１６ 最上層
１８ 底部層
２０ 入射光
２２ 半導体ナノワイヤ
２４ 上部
２６ 方向
２８ 方向
３０ ピッチ
３２ 第１面
３４ 第２面
３６ 第３面
３８ 方向
４０ 第１半径
４２ 第２半径
４４ 光沢のある面
neff 有効屈折率

Claims (7)

  1. p/nをドープした半導体ナノワイヤの層と、少なくとも１つのポリマ層とを有する太陽電池であって、前記p/nをドープした半導体ナノワイヤの層が、複合層を形成するよう、前記ポリマ層に部分的に埋め込まれ、前記ポリマ層が、第１面及び第２面を持ち、動作状態において、前記第１面が、前記第２面と比べて、入射位置にある入射光に対してより近く、前記pnをドープした半導体ナノワイヤの上部が、前記ポリマ層の前記第１面から突き出ており、
    前記第１面の面積が、前記第２面の面積より大きくなり、前記複合層の有効屈折率が、前記第１面の近くにおいて、空気の屈折率と一致すると共に、前記p/nをドープした半導体ナノワイヤの平均体積密度が、前記第１面の近くと比べて、前記第２面の近くにおいて、より高くなるように、前記複合層が曲げられている太陽電池。
  2. 前記第１面の少なくとも一部が、少なくとも１つの方向に湾曲している請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記pnをドープした半導体ナノワイヤの大部分が、前記第１面に対して本質的に垂直である方向に配向される請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記pnをドープした半導体ナノワイヤの層が、少なくとも１つの方向において周期構造を持つ請求項１乃至３のいずれか一項に記載の太陽電池。
  5. 前記ポリマ層の前記第１面及び前記第２面が、本質的に平行に整列される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の太陽電池。
  6. 透明導電酸化物から作成される最上層を更に有し、前記最上層が、動作状態において、前記第１面と比べて、前記入射位置にある前記入射光に対してより近い、より上の第３面を持つ請求項１乃至５のいずれか一項に記載の太陽電池。
  7. 金属によって形成される底部層を更に有し、前記底部層が、前記p/nをドープした半導体ナノワイヤの大部分及び前記ポリマ層の前記第２面と接触する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の太陽電池。
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