(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に形成された第１の導電タイプの薄膜光吸収半導体層と、
前記光吸収半導体層の上側に接触する表面プラズモン共鳴生成上部電極、及び前記光吸収半導体層の背面に接触する背面電極と
を備え、
前記表面プラズモン共鳴生成上部電極は、前記光吸収半導体層内に光を共鳴的にカップリングし、前記光吸収半導体層の外に光誘起電荷キャリアを輸送するように構成され、
前記上部電極は、前記光吸収半導体層と電気的に接触している複数の金属フィンガを備え、それぞれのフィンガの断面の寸法は、３００ｎｍより小さい、
太陽電池。
【請求項２】
それぞれのフィンガの断面の寸法は、５０ｎｍと３００ｎｍとの間、または１００ｎｍと２００ｎｍとの間の範囲内にある、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記フィンガの誘電環境は、その長さに沿って、前記フィンガのうちの少なくとも１つを高屈折率材料および／または低屈折率材料と局所的に接触させることによって変わる、請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記フィンガのうちの少なくとも１つは、前記薄膜半導体層全体にわたって形成された低屈折率絶縁層内の１つまたは複数の接触窓を通じて、前記薄膜半導体と接触する、請求項３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記フィンガのうちの少なくとも１つは、前記薄膜半導体内に埋め込まれるか、または部分的に埋め込まれる、請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記薄膜半導体層は、厚さが、１μｍと１００μｍとの間、または２μｍと５０μｍとの間であり、かつ／または前記フィンガは、それぞれに隣接して長手方向に配置され、２つの隣り合うフィンガ間の距離は、０．３μｍと１０μｍとの間、または０．６μｍと５μｍとの間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記フィンガは、前記半導体層内に配設された第２の導電タイプの局所的にドープされた領域と接触しており、前記ドープされた領域は、実質的に、前記接触構造の前記フィンガの下に位置し、前記フィンガと接触している、請求項１から６のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項８】
Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはＡｌの群から選択される、複数の金属ナノ構造は、前記半導体層全体にわたって配置され、前記フィンガ間に配設され、それぞれのナノ構造の断面は、３００ｎｍより小さい、請求項１から７のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項９】
それぞれのナノ構造の形状は、実質的に、異方性であり、前記形状は、前記半導体層内に光を共鳴的にカップリングするための前記半導体層との相対的に広い接触範囲をもたらす、請求項８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記ナノ構造の形状は、実質的に、半球形、円筒形、または半円筒形である、請求項９に記載の太陽電池。
【請求項１１】
太陽電池上にプラズモン共鳴生成金属接触部を製作する方法において、
支持基板上に電極層を形成するステップと,
前記電極層上に第１の導電タイプの薄膜光吸収半導体層を形成するステップと、
金属表面プラズモン共鳴生成上部電極を前記光吸収半導体層上に堆積するステップであって、前記表面プラズモン共鳴生成上部電極は、前記光吸収半導体層内に光を共鳴的にカップリングさせ、前記光吸収半導体層の外に前記半導体層上への光誘起電荷キャリアを輸送させように構成され、前記上部電極は、前記光吸収半導体層と電気的に接触している複数の金属フィンガを備え、それぞれのフィンガの断面の寸法は、３００ｎｍより小さい、ステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記堆積のステップは、
前記半導体層の前部側に硬化性樹脂を提供するステップと、
前記樹脂にインプリントテンプレートのパターンを転写するステップであって、前記インプリントテンプレートの前記パターンは、複数のフィンガを含む所定のプラズモン共鳴生成上部電極のパターンに対応し、それぞれのフィンガの断面の寸法は、３００ナノメートルより小さい、ステップと、
前記半導体層の表面を暴露するために、前記インプリントされた樹脂パターンをエッチングするステップと、
前記インプリントされた樹脂パターン全体にわたって、金属層を堆積させるステップと、
前記半導体層から前記樹脂を取り除くステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記インプリントテンプレートの前記パターンは、複数の突起部をさらに含み、前記突起部は、前記上部電極のストリップ間にある前記半導体層上に形成される広い接触領域を有する複数の異方性形状のナノ構造に対応し、それぞれのナノ構造の断面は、３００ナノメートルより小さい、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属層は、ＩＩＩ族金属を含み、前記方法は、前記ＩＩＩ族金属の共融温度前後、またはその温度を超えて前記半導体層をアニーリングすることによって、前記金属上部接触部の下に局所的にドープされた領域を形成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、前記金属上部電極を含む前記半導体層全体にわたって、薄い金属膜を堆積させ、前記薄い金属膜が、ランダム分布の金属ナノサイズ粒子を形成するように融合することを可能にするために、摂氏１５０度と摂氏４００度との間の温度を使用して、前記薄い金属膜をアニーリングするステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴生成ナノ構造を有する太陽光電池に関する。より詳細には、本発明は、その電池内に光をカップリングし、かつ／またはその電池の外に光誘起電荷キャリアを輸送するための金属表面プラズモン共鳴生成ナノ構造を有する太陽光電池に関する。本発明はさらに、このような構造を製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用シリコン太陽電池製造において現在、支配的技術である従来のスクリーン印刷の太陽電池技術は、一般に、上部接触構造に優れた接触部を形成して、発生光電流を回収するために、高濃度に拡散されたエミッタを有するウェハタイプ半導体ベースを備える。上部電極は、外部リードと、半導体の表面範囲全体にわたって延在して、半導体の外に光誘起電荷キャリアを回収する金属化範囲であるフィンガとに接続された金属構造体を備える。しかし、この従来の太陽電池設計には、いくつかの欠点がある。
【０００３】
１つの問題は、上面真下の半導体層における低接触抵抗と、適切な側方導電性とを達成するために、高濃度にドープされたエミッタを必要とする上面スクリーン印刷の金属化に関するものである。ドープされたエミッタは、上面の高い割合の金属被覆によって過度の反射が生じないようにするために、上部接触部のフィンガ同士が十分に離間されることを可能にする。しかし、高濃度にドープされたエミッタ領域は、電池の短波長応答に著しい劣化をもたらす。
【０００４】
ドープされたエミッタの問題を抑える１つのやり方が、国際公開第２００６／１３０９１０号に記載されている。この文書には、高濃度にドープされたラインを備える太陽電池についての電極構造が記載されており、そのラインは、シリコン上面の残存部分の抵抗が、短波長で効率的な光変換に必要とされる１００オームパースクエア程度であることを可能にするスクリーン印刷のフィンガに、実質的に垂直に走る。比較的高価なレーザドーピング工程ステップを使用して達成される高濃度にドープされたラインもやはり、短波長応答に劣化を導く。さらには、スクリーン印刷の金属フィンガは、比較的高い反射率損失を生成する。エミッタの側方導電性を改善するための別のアプローチが、酸化亜鉛またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電酸化物を使用することである。しかし、このような導電酸化物は高価であり、特に湿気の存在下では、長い時間周期にわたって劣化する傾向がある。
【０００５】
従来の太陽電池に関するさらなる問題が、費用削減である。大規模で、広範囲の実装には、さらなる費用の削減が必要である。これを達成する１つのやり方は、シリコンウェハの厚さを抑えることである。あるいは、薄膜シリコン層が、支持基板上に堆積可能である。しかし、このような薄膜電池の効率性は、吸光度が比較的低いため、従来のウェハベースのシリコン電池と比較すると、現在は、やや低い。吸収度を改善する従来の表面テクスチャ構造は、シリコン吸収体の厚さを抑えるため、使用することはできない。
【０００６】
薄膜太陽光電池における吸収度を改善するために、Ｐｉｌｌａｉらは（「Ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｅｎｈａｎｃｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１０１巻、０９３１０５、２００７年）、金属ナノ粒子の使用を提案している。電池の受光範囲上に配置されるこれらの粒子は、表面プラズモンの共鳴励起を可能にし、それによって、シリコン太陽電池内への光の吸収を増強する。このような構造はまた、米国特許出願第２００７／０２８９６２３号にも記載されている。この文書には、薄膜太陽光電池内への効率的な光のカップリングのための、Ａｌ／Ｃｕナノ粒子プラズモン共鳴散乱層を含むプラズモンインカップリング構造が記載されている。
【０００７】
表面プラズモン共鳴は、入射光によって励起される金属ナノ粒子における伝導電子の集団振動である。共鳴周波数は、粒子の大きさ、形状、および局所屈折率によって決まる。粒子の寸法は、粒子が、光を反射するほどのものではなく、散乱させるほどのものである。このような構造が半導体表面に近接している場合、その半導体内の光学モードは高密度であるため、光は、周囲空気内ではなく、半導体内に選択的に散乱する。
【０００８】
Ｐｉｌｌａｉらによる論文には、太陽電池の薄膜シリコンオン絶縁体（ＳＯＩ）タイプのスペクトル応答の改善が報告されているが、広範囲の薄膜吸収体からの光誘起電流の回収には、このような薄膜電池における高濃度にドープされたエミッタ領域は電子の質が非常に劣悪な傾向にあるということに伴う問題が依然として残されている。光生成電流の回収もまた、エミッタを通じて高電流を接触部に輸送しなくてはならない集光型電池に特有の問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３０９１０号
【特許文献２】米国特許出願第２００７／０２８９６２３号
【特許文献３】米国特許出願第２００８／００１１９３４号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｐｉｌｌａｉら、「Ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｅｎｈａｎｃｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１０１巻、０９３１０５、２００７年
【非特許文献２】Ｚｈａｏら、「Ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ  ｉｎｋｊｅｔ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｇｏｌｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １０１、０６４５１３、２００７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術における欠点のうちの少なくとも１つを抑えるか、または解消し、半導体層、好ましくは支持基板上に形成された第１の導電タイプの薄膜半導体層を備える太陽光電池を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
表面プラズモン共鳴生成接触構造が、半導体層上に形成されて、薄膜半導体層内に光を共鳴的にカップリングし、半導体層の外に光誘起電荷キャリアを輸送し、接触構造は、半導体層と電気的に接触している複数の金属フィンガを備え、それぞれのフィンガの断面の寸法は、３００ｎｍより小さい。
【００１３】
本発明による金属接触構造は、断面が３００ナノメートル、可視太陽スペクトルの短波長境界より小さい複数の金属フィンガを備える。したがって、接触構造は、電池に対して入射する光を反射するのではなく、表面プラズモン共鳴の形成を可能にし、それによって、基板上に堆積された半導体であっても、または支持基板に貼り付けられた薄い半導体ウェハであってもよい薄膜半導体層内に光を効率的にカップリングし、同時に、電池の低波長応答に影響をもたらすことなく、吸収体の外に光誘起電荷キャリアを効率的に輸送する。
【００１４】
１つの実施形態においては、それぞれのフィンガの断面の寸法は、１００ナノメートルと２００ナノメートルとの間の範囲内にある。これらの寸法は、半導体層内への可視光の表面プラズモン共鳴散乱を確実なものにする。寸法が１００ｎｍを下回ると、フィンガは、光を散乱させるのではなく、選択的に吸収する傾向がある。
【００１５】
さらなる実施形態においては、フィンガの誘電環境は、フィンガを高屈折率材料および低屈折率材料と局所的に交互に接触させることによって、その長さに沿って変わる。１つの実施形態においては、それぞれのフィンガの所定の数の範囲が、高屈折率材料でカバーされる。高屈折率を有する範囲は、対象（すなわち、太陽スペクトル）の波長に対してほとんど完全に透明であり、低屈折率を有する範囲は、太陽スペクトルの波長に対して有効に表面プラズモン共鳴散乱を形成する。したがって、このように、高屈折率を有する範囲の存在は、フィンガの軸に平行に偏向する光の吸収の問題を防ぐか、または抑える。
【００１６】
ある実施形態においては、それぞれのフィンガは、薄膜半導体層全体にわたって形成された低屈折率絶縁層内のいくつかの接触窓を通じて、薄膜半導体と接触する。この構成においては、半導体層と接触している金属フィンガの範囲は、高い屈折率を有する範囲を形成し、不動態化層と接触している金属フィンガの範囲は、低い屈折率を有する範囲を形成する。いくつかの特定の接触範囲においてフィンガが半導体とのみ接触する利点は、金属−半導体界面において光誘起電荷キャリアの電子−正孔の再結合が抑えられることである。
【００１７】
１つの実施形態においては、低屈折率範囲および／または高屈折率範囲の断面は、３００ｎｍより小さい。別の実施形態においては、高屈折率範囲および／または低屈折率範囲の寸法は、フィンガに沿って変わる。屈折材料範囲および金属フィンガの断面寸法の変動は、透明範囲および散乱範囲の設計の単純な制御を可能にして、太陽スペクトルから半導体層内への光のカップリングを最適化にする。
【００１８】
さらなる実施形態においては、フィンガは、薄膜半導体内に埋め込まれるか、または部分的に埋め込まれる。これは、表面プラズモン共鳴を赤外線に、すなわち、太陽電池のバンドギャップより下にシフトさせることになり、それによって、両方の偏光方向の可視太陽スペクトルにおける波長に対して金属フィンガの透明度を高める。
【００１９】
１つの実施形態においては、堆積半導体層であっても、または薄いもしくは薄くされた半導体ウェハであってもよい薄膜半導体層は、厚さが１μｍと１００μｍとの間、好ましくは２μｍと５０μｍとの間である。別の実施形態においては、第１の所定の数のフィンガが、それぞれに隣接して長手方向に配置され、２つの隣り合うフィンガの間の距離は、０．３μｍと１０μｍとの間、好ましくは０．６μｍと５μｍとの間である。ナノサイズ金属接触フィンガは、従来の接触構造と比較すると、より微細な金属化パターンを可能にする。したがって、光生成電荷キャリアは、太陽電池の青応答を劣化させることになる高濃度にドープされた表面エミッタ層の必要なしに、半導体層の外に輸送可能である。マイクロサイズのフィンガ間間隔を有するナノサイズフィンガを含む金属化パターンもまた、品質の低い半導体層の外に光生成電荷キャリアを効率的に輸送することを可能にする。
【００２０】
１つの実施形態においては、フィンガは、半導体層内に配設された第２の導電型の局所的にドープされた領域と接触しており、ドープされた領域は、実質的に、接触構造のフィンガの下に位置し、フィンガと接触している。さらなる実施形態においては、ドープされた領域およびフィンガは、ＩＩＩ属金属、好ましくはアルミニウムを含む。ＩＩＩ属金属を含む金属フィンガを使用することにより、接触フィンガとのＯｈｍｉｃ接触をもたらす自己整合ｐ−ｎ接合部の形成が可能になり、したがって、半導体の外への光誘起電荷キャリアの効率的な輸送にさらなる改善をもたらす。
【００２１】
さらなる実施形態においては、好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはＡｌの属から選択される、複数の金属ナノ構造は、半導体層全体にわたって、かつフィンガ間に配置され、それぞれのナノ構造の断面は、３００ｎｍより小さい。
【００２２】
１つの実施形態においては、それぞれのナノ構造の形状は、実質的に、異方性であり、かつ／またはナノ粒子の形状は、下部半導体層と共鳴的にカップリングするための比較的広い接触範囲を有する。さらなる実施形態においては、ナノ構造の形状は、実質的に、半球形か、円筒形か、または半円筒形である。円筒形状または半球形状のナノ構造などの異方性形状のナノ構造は、広い範囲が半導体層に近接していることを可能にし、したがって、非常に効率的な光の共鳴カップリングをもたらす。
【００２３】
１つの実施形態においては、円筒形および半球形構造の直径は、半導体層内に太陽スペクトルの種々の波長を効率的にカップリングするために、１００ナノメートルと３００ナノメートルとの間で変動可能である。
【００２４】
別の態様においては、本発明は、半導体層、好ましくは、支持基板上に形成された第１の導電タイプの薄膜半導体層を備える太陽光電池に関し、複数の表面プラズモン共鳴ナノ構造が、その半導体層全体にわたって形成されて、半導体層内に光を共鳴的にカップリングし、それぞれのナノ構造の断面の寸法は、３００ｎｍより小さく、それぞれのナノ構造の形状は、実質的に、異方性であり、下層との比較的広い接触範囲を有する。
【００２５】
ナノ構造の使用は、半導体の表面をテクスチャ加工するような従来の太陽電池製作技術に使用された薄膜太陽光電池の有効表面範囲を増大させる方策の必要性を解消する。したがって、広い接触範囲を有する異方性形状のナノ構造の金属ナノ構造の使用は、高効率の平面（すなわち、テクスチャ加工されていない）太陽電池の単純な製作を可能にする。１つの実施形態においては、ナノ構造の形状は、実質的に、半球形か、円筒形か、または半円筒形である。さらなる実施形態においては、ナノ構造はまた、半導体層の背面と、背面接触部との間に形成可能であり、それによって、電池の効率性をさらに高める。
【００２６】
さらなる態様においては、本発明は、太陽光電池の上にプラズモン共鳴生成金属接触部を製作する方法に関する。この方法は、半導体層、好ましくは、支持基板上に第１の導電タイプの薄膜半導体層を形成するステップと、金属表面プラズモン共鳴生成接触構造を堆積させて、半導体層内に光を共鳴的にカップリングし、半導体層の外に光誘起電荷キャリアを輸送するステップとを含み、接触構造は、半導体層と電気的に接触している複数の金属フィンガを備え、それぞれのフィンガの断面の寸法は、３００ｎｍより小さい。
【００２７】
１つの実施形態においては、堆積のステップは、半導体層の前部側に硬化性樹脂を形成するステップと、その樹脂内にインプリントテンプレートのパターンを転写するステップであって、インプリントテンプレートのパターンは、複数のフィンガを備える所定のプラズモン共鳴生成接触構造のパターンに対応し、それぞれのフィンガの断面の寸法は、３００ナノメートルより小さい、ステップと、半導体層の表面を暴露するために、インプリントされた樹脂パターンをエッチングするステップと、インプリントされた樹脂パターン全体にわたって金属層を堆積させるステップと、半導体層から樹脂を取り除くステップとを含む。インプリント技術の使用は、広範囲ナノ構造の表面プラズモン生成接触金属化の単純な製作を可能にする。
【００２８】
１つの実施形態においては、インプリントテンプレートのパターンはさらに、複数の突起部を含み、その突起部は、上部接触構造のストリップ間の半導体層上に形成されることになる広い接触範囲を有する複数の異方性形状のナノ構造に対応し、それぞれのナノ構造の断面は、３００ナノメートルより小さい。
【００２９】
１つの実施形態においては、金属層は、ＩＩＩ属金属、好ましくはアルミニウムを含み、この方法は、ＩＩＩ属金属の共融温度前後で、またはその温度より上で、半導体層をアニーリングすることによって、金属上部接触部の下に局所的にドープされた領域を形成するステップをさらに含む。
【００３０】
さらなる実施形態においては、この方法は、金属上部接触部を含む半導体層全体にわたって、薄い金属膜を、好ましくはＡｇを堆積させるステップと、薄い金属膜が、ランダムに分布された金属ナノサイズ粒子を形成するために融合することを可能にするために、摂氏１５０度と摂氏４００度との間の温度を使用して、薄い金属膜をアニーリングするステップとをさらに含む。
【００３１】
さらに、さらなる態様においては、本発明は、太陽光電池の半導体層全体にわたって、複数の表面プラズモン共鳴ナノ構造を製作する方法に関する。この方法は、半導体層、好ましくは支持基板上に第１の導電タイプの薄膜半導体層を形成するステップと、半導体層全体にわたって、形成された複数の表面プラズモン共鳴ナノ構造を堆積させて、半導体層内に光を共鳴的にカップリングするステップとを含み、それぞれのナノ構造の断面の寸法は、３００ｎｍより小さく、それぞれのナノ構造の形状は、実質的に、異方性であり、下層との比較的広い接触範囲を有する。
【００３２】
１つの実施形態においては、堆積のステップは、半導体層の前部側に硬化性樹脂を形成するステップと、その樹脂にインプリントテンプレートのパターンを転写するステップであって、インプリントテンプレートのパターンは、広い接触範囲を有する複数の異方性形状のナノ構造に対応する複数の突起部を含み、それぞれの突起部の断面は、３００ナノメートルより小さい、ステップと、インプリントされた樹脂パターン全体にわたって、金属層を堆積させるステップと、半導体層から樹脂を取り除くステップとを含む。
【００３３】
本発明を、本発明による実施形態を概略的に示す添付の図面を参照して、さらに示すことにする。本発明が、いかなる形においてもこれらの特定の実施形態に制限されるものでないことは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ナノスケール寸法を有する金属接触フィンガを備える接触構造を示す概略図である。
【図２】接触フィンガの真下に形成されたｐ−ｎ接合部を示す概略図である。
【図３Ａ】部分的に埋め込まれた接触フィンガを有する太陽光発電構造の例示的な実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】部分的に埋め込まれた接触フィンガを有する太陽光発電構造の例示的な実施形態を示す図である。
【図４Ａ】様々なナノ構造の形状に対するＳｉ基板内に散乱した光の割合を示すグラフである。
【図４Ｂ】様々なナノ構造の形状に対する半導体基板内に散乱した波長８００ｎｍでの光に対する最大経路長の増大を示すグラフである。
【図５】金属接触フィンガ間に形成されたナノスケール構造を有する接触構造を示す図である。
【図６】金属フィンガの表面に沿って屈折率が局所的に変わる接触構造の１つの実施形態を示す図である。
【図７】Ａｇ円筒形状のナノ構造に対する波長の関数として、標準化された全散乱断面積（実線）と、Ｓｉ基板内に散乱した光に対する断面積（破線）とを示すグラフである。
【図８】金属フィンガの表面に沿って屈折率が局所的に変わる接触構造の別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、本発明の１つの実施形態による接触構造を有する太陽電池１００の概略図を示す。厚さが１μｍ〜１００μｍの間、好ましくは２μｍ〜５０μｍの間であることが可能な薄膜半導体吸収体層１０２が、支持基板１０４全体にわたって形成される。半導体層は、支持基板上に堆積された半導体であっても、または支持基板に、例えば接合または接着によって、貼り付けられた薄い半導体ウェハであってもよい。半導体層は、非結晶質半導体であっても、または（ポリ）結晶質半導体であってもよい。半導体は、シリコンから成る族、ＧａＡｓおよび関連のＩＩＩ−Ｖ化合物、ＣｄＴｅ、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）（Ｓｅ、Ｓ）、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、工学的材料、例えばシリコン量子ドット超格子、または太陽光電池に使用するのに適切な任意の他の半導体材料から選択可能である。
【００３６】
いくつかの金属フィンガ１０６ａ〜１０６ｃが、半導体層の上面全体にわたって、互いに隣接して配置され、半導体層と電気的に接触している。オプションで、透明導電酸化物、例えば酸化亜鉛または酸化スズの薄い中間層が、フィンガの誘電環境を調整するとともにさらに、フィンガと半導体層との間の導通を可能にするために、金属接触フィンガと半導体層との間に形成可能である。接触フィンガは、半導体層の上部範囲のかなりの部分にわたって延在し、１つまたは複数の金属母線（図示せず）によって、互いに電気的に接続可能である。半導体層の底部側は、外側に接触部を有する背面電極１０８と接触している。金属フィンガは、ナノ構造の接触構造を形成して、半導体層内に光を共鳴的にカップリングし、同時に、半導体層の外に光誘起電荷キャリアを輸送することが可能である。ナノ構造の接触構造の詳細は、より詳細に後述する。
【００３７】
フィンガの断面の寸法は、３００ｎｍ、すなわち、波長が約３００ｎｍから１８００ｎｍに及ぶ太陽スペクトルの下側境界より小さい。断面の寸法は、５０ｎｍと３００ｎｍとの間、好ましくは約１００ｎｍと２００ｎｍとの間である。フィンガの寸法を抑えることは、抵抗の増加を招くが、このような増加は、フィンガ間の間隔を減らすことによって補償され、金属層の厚さを増大させることによってさらに補償可能である。低吸収損失を示す金属は、好ましくは、金属フィンガの形成に使用される。１つの実施形態においては、金属フィンガは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはＡｌのうちの１つから選択された金属を含むことが可能である。
【００３８】
フィンガの長手方向軸に垂直な偏光の場合、フィンガは、下部半導体層内に光を有効に散乱させる金属表面プラズモン共鳴散乱を構成する。フィンガの長手方向軸に平行な偏光の場合、光は、金属内に吸収されることになる。したがって、ナノスケールフィンガを備える表面プラズモン共鳴生成接触構造は、基板の同じ割合をカバーするそれらのマクロ相対物のほぼ半分の損失をもたらす。
【００３９】
フィンガ間間隔１１０、すなわち、２つの隣り合うフィンガ間の距離は、１μｍから１００μｍの間、好ましくは２μｍと１０μｍとの間であることが可能である。フィンガは、フィンガの長手方向軸に垂直に偏向された光に有効に透明であり、フィンガは、従来型スクリーン印刷の太陽電池のフィンガよりもはるかに細いので、フィンガ間間隔は、従来型スクリーン印刷の太陽電池のものよりもはるかに小さくすることが可能である。したがって、光生成電荷キャリアは、太陽電池の青応答を劣化させることになる高濃度にドープされた表面エミッタ層の必要性なしに、半導体層の外に輸送可能である。
【００４０】
ナノサイズ金属接触フィンガを備えるプラズモン共鳴生成金属接触部と、太陽光電池に使用するためのプラズモン共鳴生成ナノ構造とは、ＵＶ、Ｘ線、イービームリソグラフィなどの様々の知られているリソグラフィ技術および他の関連技術を使用して製作可能である。あるいは、ナノサイズ金属構造の直接印刷を可能にする適合スクリーン印刷またはインクジェット印刷技術が使用可能である（例えば、Ｚｈａｏら、「Ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ  ｉｎｋｊｅｔ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｇｏｌｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １０１、０６４５１３、２００７年を参照のこと）。
【００４１】
広範囲の適用についての１つの具体的な有用な技術は、インプリントリソグラフィ技術である。この技術は、米国特許出願第２００８／００１１９３４号に記載されており、それは、参照することにより本明細書によって本願に組み込まれる。この方法を使用して、図１に関連して説明した典型的な寸法により所定のプラズモン共鳴生成接触構造のパターンに対応するインプリントテンプレートが形成される。インプリントテンプレートの構造は、太陽光電池の半導体層全体にわたって配設される硬化性樹脂層に転写される。樹脂の硬化後、パターニングされたレジストは、半導体層の表面を暴露するためにエッチングされる。インプリントされたレジストパターン全体にわたって、金属層が堆積された後、リフトオフが続いて、接触構造の達成を図る。
【００４２】
図２は、本発明の別の実施形態による接触構造を備える太陽電池構造２００を示す。この実施形態においては、金属フィンガの下に、局所的にドープされた領域が形成可能である。ＩＩＩ族金属、好ましくはアルミニウムを含む金属フィンガ２０２が、ｎ型ドープされたシリコン層２０４上に形成される。ＩＩＩ族金属の共融温度、例えばアルミニウムに対しては摂氏約５００度を上回る温度を上昇させることによって、自己整合ｐ−ｎ接合部２０６が、金属フィンガが半導体と接触している範囲の真下に形成される。加熱ステップが、例えば、急速熱的アニーリングステップ、またはレーザアニーリング技術によって提供可能である。ｐ型領域は、アルミニウム接触フィンガとのＯｈｍｉｃ接触をもたらし、したがって、半導体の外への光誘起電荷キャリアの効率的な輸送にさらなる改善をもたらす。
【００４３】
図３Ａおよび３Ｂは、本発明による太陽電池構造３００ａ、３００ｂの２つの代替の実施形態を示す。それぞれの構造は、支持基板３０２ａ、３０２ｂ、金属接触フィンガ３０４ａ、３０４ｂ、および半導体層３０６ａ、３０６ｂを備え、金属接触フィンガは、半導体層内に部分的に埋め込まれる。金属フィンガは半導体層内に形成されるいくつかの長手方向トレンチ内に位置する。これらのトレンチは、図１に関連して説明したのと同じインプリント技術を使用して製作可能である。金属フィンガの上面は、半導体層の上面とほぼ同じレベルで形成可能であり、それによって、金属フィンガの単純な電気的接触を可能にする。金属フィンガを部分的に埋め込むことは、吸収体層の半導体材料との金属フィンガの接触表面を増大させることになる。半導体材料は、高屈折率材料であり、したがって、表面プラズモン共鳴を赤外線に、すなわち、太陽電池のバンドギャップより下にシフトさせることになる。これは、両方の偏光方向の可視太陽スペクトルにおける波長に対して金属フィンガの透明度を高めることになる。
【００４４】
図３Ｂは、埋込み接触電極３０４ｂが、（図３Ａに示す不透明の支持基板ではなく）透明な支持基板３０２ｂ上に製作される変形形態を示す。このような基板は、ガラスまたはプラスチックから形成可能である。この実施形態においては、金属接触構造は、例えば、図１に関連して説明したナノインプリント技術を使用して、ガラス基板上に堆積される。金属接触構造全体にわたって、薄膜半導体３０６ｂは堆積され、それによって、埋込み接触構造をもたらす。
【００４５】
さらなる実施形態においては、金属フィンガは、半導体層によって完全にカバーされる。この実施形態の表面プラズモン共鳴は、さらなる赤外線スペクトルにさらに一層シフトされ、したがってさらに、接触構造の透明度を高め、フィンガに平行な方向の偏向を有する可視光の吸収による損失を抑える。このようなやり方で光学的損失を抑えることは、接触構造のパラメータが、接触構造の電気的特性の最適化のみから確定されることを可能にし、それによって、太陽光電池の性能を高めるとともに、太陽電池設計についてのルールを単純化する。
【００４６】
ナノ構造の断面の形状は、表面プラズモン励起の共鳴挙動に非常に影響を与える。形状の効果は、より詳細に図４Ａに示し、それは、基板の表面をカバーする１０ｎｍ厚のＳｉＯ２薄膜層上の銀ナノ構造の種々の形状に対する波長の関数として、シリコン基板内に散乱した光の計算上の割合（すなわち、全散乱パワーで除算した基板内に散乱したパワー）ｆｓｕｂを示す。粒子からの散乱は、完全に適合した境界条件を使用する有限差分時間範囲計算を使用して計算される。誘電関数は、Ａｇに対してはＤｒｕｄｅモデルを使用して、かつＳｉおよびＡｕに対してはＤｒｕｄｅ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルを使用してモデル化される。散乱パワーは、その後、粒子を取り囲むボックス全体にわたる散乱場のＰｏｙｎｔｉｎｇベクトルを積分することによって計算される。図４Ａは、全波長帯の場合、（直径１００ｎｍ、および高さ５０ｎｍの）円筒形、および（直径１００ｎｍの）半球形の形態のナノ構造は、高屈折率基板内への光の散乱において、球形粒子よりもはるかに有効であり、理想的な双極子散乱の性能に近づきつつあることを示している。（直径１００ｎｍおよび１５０ｎｍそれぞれの）ナノ球形は、半導体基板内に光をそれほど多く散乱せず、ｆｓｕｂは、球形の直径が増加するにつれて、著しく減少する。直径１００ｎｍおよび１５０ｎｍの円筒形の場合、ｆｓｕｂは、粒子直径により大きくは変わらない（図示せず）。円筒形および半球形の構造について基板に散乱する光の割合が高いことは、高い面内波動ベクトルを有し、かつ空気中でエバネッセントであるが、シリコン内を伝播することが可能な散乱光の一部の効率的なカップリングを可能にするこれらの幾何学的形状に対して、基板に対する平均空間がより小さいという事実に帰属可能である。
【００４７】
図４Ａに示すシリコン基板に散乱する光の計算上の割合ｆｓｕｂは、強い形状異方性を有するナノ構造と、下部薄膜半導体層との比較的広い接触範囲を有するナノ構造とが、表面プラズモン共鳴挙動の増大を示すことを意味する。したがって、１つの実施形態においては、フィンガは、強い形状異方性との組合せで、下部半導体との優れた光カップリングをもたらす比較的広い接触範囲を有するように形作られる。１つの選択的な実施形態は、実質的に、半円筒形に形作られた１つまたは複数の金属フィンガを備える。
【００４８】
図４Ｂは、図４Ａに示した幾何学的形状を使用する半導体基板に散乱した波長８００ｎｍでの光に対する最大経路長の増大を示している。このグラフは、直径１００ｎｍの半球形に対する経路長の増大は２８であるが、１５０ｎｍの球形に対する経路長の増大は、ほんの５であることを示している。
【００４９】
さらなる実施形態においては、様々な形状のナノスケール構造は、金属フィンガ間に形成可能である。図５は、半導体層と電気的に接触している接触フィンガ５０４間に配設された円筒形状のナノ構造５０２を含むこのような接触構造５００の例示的な実施形態を示している。フィンガ間にランダムな、周期的な、または準周期的な配列で配置可能なナノ構造はさらに、表面プラズモン共鳴散乱をもたらして、半導体内に光をカップリングする。厚さが１ｎｍ〜５０ｎｍ、好ましくは２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内にある表面不動態化のための薄い中間層（例えば、薄膜の二酸化シリコン、窒化シリコン、非結晶質シリコン層、または樹脂タイプ中間層）が、ナノ構造５０２と半導体層との間に形成可能である。中間層の厚さおよび／または誘電性を制御することによって、プラズモン共鳴周波数は、増加または減少可能である。この効果は、共鳴周波数の調整を可能にし、図７に関連して、より詳細に後述する。
【００５０】
ナノ構造と半導体層との間のカップリングは、空気中でエバネッセントな面内波動ベクトルを有するモードにより、ならびに適用可能な場合は、半導体の表面を不動態化し、かつ／またはプラズモン共鳴を調整するための中間層において、部分的に生じる。急速なカップリングは、基板表面からの距離の増加とともに減少し、したがって、ナノ構造の距離および形状は、効率的なカップリングにとって重要なパラメータである。円筒形状、または半球形状のナノ構造などの半導体層に近接する広い範囲をもたらすナノ構造は、非常に効率的な光の共鳴カップリングをもたらす。
【００５１】
さらなる実施形態においては、ナノ構造はまた、半導体層の背面と、背面接触部との間に形成可能であり、それによって、電池の効率性をさらに高める。
【００５２】
ナノ構造の使用は、例えば、テクスチャ加工された表面を使用することによって、従来の太陽電池製作技術に使用された電池の有効表面範囲を増大させるための方策の必要性を解消する。半導体吸収体をテクスチャ加工することによって表面範囲を増大させることは、表面再結合損失の増大を招き、したがって、全体的な太陽電池性能を劣化させる。したがって、本発明の金属接触フィンガとの組合せでの金属ナノ構造の使用は、高効率平面（すなわち、テクスチャ加工されていない）太陽電池の単純な製作を可能にする。
【００５３】
図４に関連して説明した接触フィンガの形状と類似して、ナノ構造の選択的形状は、強い形状異方性との組合せで比較的広い接触範囲をもたらすものである。このような選択的形状は、円筒形状、半球形状、または半円筒形状の構造を含む。（半）円筒形および半球形構造の直径は、半導体層内に太陽スペクトルの種々の波長を効率的にカップリングするために、１００ナノメートルと３００ナノメートルとの間で変動可能である。
【００５４】
別の実施形態においては、ナノ構造は、図３に関連して説明した部分的に埋め込まれた接触フィンガと組合せ可能である。この実施形態においては、ナノ構造は、部分的に埋め込まれたフィンガを含む半導体の表面上に直接、形成可能である。金属フィンガのプラズモン共鳴が、半導体のバンドギャップを下回ることになり、したがって、対象の波長に透明になるとともに、ナノ構造のプラズモン共鳴が、半導体のバンドギャップであることになり、したがって、弱い吸収光に有効な光トラッピングをもたらすことになるように、金属フィンガおよび粒子の寸法ならびに形状が選択可能である。
【００５５】
ナノ構造は、例えば、円筒形または半球形の構造を製作する場合に必要なナノ粒子の形状の精密な制御を可能にするリソグラフィック技術、ナノインプリント技術、および図１に関連して説明した技術を使用して製作可能である。蒸着条件の変化により、円筒形状の構造から半球形状の構造に形状を変えることが可能である。これらの技術はまた、１つの製作ステップで、接触フィンガおよびナノ構造の製作を可能にする。
【００５６】
インプリント技術の場合には、インプリントテンプレートのパターンは、上部接触構造のストリップ間の半導体層上に形成されることになる複数の選択的な形状のナノ構造に対応する複数の突起部を含む。これらの突起部の断面は、３００ナノメートルより小さい。
【００５７】
あるいは、ナノ構造は、Ｐｉｌｌａｉらに記載されている約１０ｎｍ〜３０ｎｍの薄膜金属層の蒸着、およびその後のアニーリングによって製作可能である。この技術は、半導体の上部範囲上にランダムな配列の球形状または楕円形状の粒子を形成する単純なやり方を可能にする。このような粒子はまた、化学的または電気化学的堆積を使用して形成可能である。
【００５８】
ナノ構造の接触範囲は、金属を堆積させる前に、例えば、その粗さ、または表面化学を変えることによって、下層の濡れ特性を変更することによって変動可能である。アニーリングのステップは、粒子がより最適な形状を取ることを可能にすることができる。
【００５９】
図６は、本発明のさらなる別の実施形態による太陽光電池６００についての金属接触フィンガの概略図を示している。薄膜半導体層６０２は、支持基板６０４上に形成される。金属フィンガ６０６は、薄膜半導体全体にわたって、かつその薄膜半導体と接触して形成される。フィンガに沿ういくつかの位置６０８ａ、６０８ｂで、金属は、半導体、例えば非結晶質シリコンまたはＧａＰなどの高屈折率材料でカバーされるか、または部分的にカバーされる。他の高屈折率材料は、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２のような金属酸化物、および窒化シリコンを含む。位置は、高屈折材料のいくつかの薄膜ラインを金属フィンガ全体にわたって堆積させることによって形成可能であり、高屈折材料ラインの長手方向軸は、金属フィンガの長手方向軸に垂直に配置される。
【００６０】
高屈折率材料ラインは、図１に関連して説明したリソグラフィック技術および／またはプリント技術を使用して製作可能である。１つの実施形態においては、薄い１層の絶縁樹脂（例えば、ＳｉＯ２またはＴｉＯ２ベースのソル−ゲル）が、ストライプパターンでインプリント可能である。さらに、さらなる実施形態においては、高屈折率材料ラインは、図３に関連して説明した部分的に埋め込まれた金属接触フィンガを有する接触構造全体にわたって形成される。
【００６１】
高屈折率材料によってカバーされる金属フィンガの表面に沿う部分は、高屈折率を有する範囲を画定する。これらの範囲は、低屈折率を有する範囲、すなわち、高屈折率材料でカバーされていないか、またはＳｉＯ２などの低屈折率材料でカバーされている範囲によって分離される。高屈折率を有する範囲においては、両方の（すなわち、フィンガの長手方向軸に垂直な、かつ平行な）偏光方向に対する表面プラズモン共鳴は、赤外線に、すなわち、半導体層のバンドギャップより下にシフトされる。
【００６２】
したがって、その長手方向軸に沿って、電気的な連続金属フィンガは、（ｉ）対象（すなわち、太陽スペクトル）の波長に対してほとんど完全に透明な高屈折率を有する範囲、および（ｉｉ）太陽スペクトルの波長に対して表面プラズモン共鳴散乱を有効に形成する低屈折率を有する範囲に分割される。したがって、高屈折率を有する範囲の存在は、フィンガの軸に平行に偏向される光の吸収の問題を防ぐか、または抑える。
【００６３】
１つの実施形態においては、接触構造は、いくつかの平行に整合された電気的連続金属フィンガと、フィンガ全体にわたって形成された高屈折材料のいくつかのラインとを含み、ラインの長手方向軸は、フィンガの長手方向軸に垂直である。この接触構造は、薄膜半導体層内への光の有効なカップリングと、半導体層の外への光誘起電荷キャリアの輸送とをともに可能にする表面プラズモン共鳴散乱の人工格子を有効に形成する。加えて、フィンガ全体にわたって形成された高屈折材料のラインはまた、（金属ナノ構造の代わりに、または金属ナノ構造と併用して）高屈折率材料から半導体内への光の回折による光トラッピングをもたらす利点を提供する。
【００６４】
高屈折材料のラインの断面寸法が変わると、金属フィンガ、およびこれらのラインとフィンガとの間の距離はそれぞれ、透明範囲および散乱範囲の設計の単純な制御を可能にする。好ましくは、散乱範囲の寸法は、３００ナノメートルより小さい。
【００６５】
図７は、金属ナノ構造の上および／または金属ナノ構造をコーティングした誘電体を使用することによって、表面プラズモン共鳴を制御する効果を示している。このグラフは、直径と高さが１００ｎｍのＡｇ円筒形に対する波長の関数として、標準化された全散乱断面積（実線）およびＳｉ基板内に散乱する光に対する断面積（破線）を示している。円筒形は、１０ｎｍ厚か、または３０ｎｍ厚のいずれかのＳｉ３Ｎ４下層上に位置し、３０ｎｍ厚のＳｉ３Ｎ４上層でカバーされる。図７は、下層の厚さの増加は、高屈折率Ｓｉ基板へのプラズモン近接場のカップリング減少により、双極子共鳴を８８０ｎｍから７８０ｎｍにシフトすることを示している。さらには、下層の厚さの減少は、基板内に散乱する光の割合を増加させるが、粒子の散乱断面積を減少させる。したがって、誘電体スペーサ層の厚さ、ならびに金属構造の大きさおよび形状は、金属表面プラズモン共鳴構造の設計において重要なパラメータである。
【００６６】
図８は、１つまたは複数の金属フィンガの表面に沿って屈折率が局所的に変わる接触構造８００の別の実施形態の概略図を示している。この実施形態においては、低屈折率絶縁層８０２、例えばＳｉＯ２薄膜層が、支持層８０６によって支持される半導体層８０４全体にわたって形成される。金属フィンガ８０８は、絶縁層全体にわたって、かつ絶縁層内の所定の数の接触ホール８１０ａ、８１０ｂ全体にわたって堆積される。接触ホールにおいては、金属フィンガは、半導体層と電気的に接触する。この構成においては、半導体層と接触している金属フィンガの範囲は、高屈折率を有する範囲を形成し、不動態化層と接触している金属フィンガの範囲は、低屈折率を有する範囲を形成する。フィンガがいくつかの特定の接触範囲で半導体とのみ接触することの利点は、金属−半導体界面での光誘起電荷キャリアの電子−正孔の再結合が抑えられることになることである。
【００６７】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で変形可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１００  太陽電池
１０２  薄膜半導体吸収体層
１０４  支持基板
１０６ａ  金属フィンガ
１０６ｂ  金属フィンガ
１０６ｃ  金属フィンガ
１０８  背面電極
１１０  フィンガ間の間隔
２００  太陽電池構造
２０２  金属フィンガ
２０４  シリコン層
２０６  自己整合ｐ−ｎ接合部
３００ａ  太陽電池構造
３００ｂ  太陽電池構造
３０２ａ  支持基板
３０２ｂ  支持基板
３０４ａ  金属接触フィンガ
３０４ｂ  金属接触フィンガ
３０６ａ  半導体層
３０６ｂ  半導体層
５００  接触構造
５０２  円筒形ナノ構造
５０４  接触フィンガ
６００  太陽光電池
６０２  薄膜半導体層
６０４  支持基板
６０６  金属フィンガ
６０８ａ  フィンガに沿う位置
６０８ｂ  フィンガに沿う位置
８００  接触構造
８０２  低屈折率絶縁層
８０４  半導体層
８０６  支持層
８０８  金属フィンガ
８１０ａ  接触ホール
８１０ｂ  接触ホール
【図１】
0005518835.tif 000002
【図２】
0005518835.tif 000003
【図３Ａ】
0005518835.tif 000004
【図３Ｂ】
0005518835.tif 000005
【図４Ａ】
0005518835.tif 000006
【図４Ｂ】
0005518835.tif 000007
【図５】
0005518835.tif 000008
【図６】
0005518835.tif 000009
【図７】
0005518835.tif 000010
【図８】
0005518835.tif 000011