(57)【要約】  本発明の目的は、太陽電池のエネルギー収量の効率を改善することである。本発明によるシリコン材料は、該材料が層の約６０ｎｍの深さまで浸透するように、１種または２種以上の異なるランタノイドを用いてドープされる。そのエネルギーが１.２ｅＶシリコン材料バンドギャップの少なくとも２倍である光子は、従ってランタノイドの不対４ｆ電子の励起および再結合によってシリコンバンドギャップの領域中でエネルギーを有する少なくとも２つの光子に変換される。シリコンバンドギャップに近い好都合なエネルギーを有する結果として、さらなる光子が電子正穴対の形成のために提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランタノイドが、シリコン材料の吸収特性を変更するために、１μｍ未満の最上層または最上領域中にドープされることを特徴とする、ウェハーまたはその同類のもののような平面形態でシリコン材料が存在する太陽電池用シリコン材料のドーピング方法。
【請求項２】
該ランタノイドまたは該ドーピング物質が、該最上層または該表面に適用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該ランタノイドが、太陽電池用シリコン上のＳｉ3Ｎ4を主に含む層に導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
該ランタノイドが、太陽電池用シリコン上のＴＣＯ層に導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
該ランタノイドが、太陽電池用シリコン上の透明なカーボンナノチューブ層に導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
該ランタノイドが、アモルファス太陽電池用シリコン上の層に導入され、該層が、好ましくは主としてＳｉ3Ｎ4を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
該ランタノイドが、太陽電池用シリコンのｐｎ接合の領域に導入されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
該ランタノイドが、太陽電池用シリコンの裏面電界の領域に導入されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
該ランタノイドが、太陽電池用シリコン上のＳｉＯ2を主に含む層に導入されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
該ランタノイドが、該シリコン材料中に拡散されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
該ランタノイドが、スパッタリング法によって、該シリコン材料中に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
該ランタノイドが、水溶液またはゲルとして、該シリコン材料に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
該ランタノイドが、気相法によって、該シリコン材料に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１４】
該ランタノイドが、プラズマ法によって該シリコン材料に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
該ランタノイドが、凝結することによって、該シリコン材料に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
該ランタノイドが、固体状態の接触によって、該シリコン材料に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
該ランタノイドが、イオン注入によって、該シリコン材料に適用され、または導入されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
ランタノイドが、ランタノイドでドープされた層を介して、該シリコン材料に適用され、または導入されること、および続く該シリコン材料の中への該ランタノイドの拡散を特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
該シリコン材料へ、または該シリコン材料中への該ランタノイドの該適用に続いて、温度調節が行われることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
エルビウムが、該使用されるランタノイドから除外されることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
該ランタノイドが、該シリコン材料の中へ１０００ｎｍ未満、好ましくは５００〜６００ｎｍの深さまで拡散することを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
該ランタノイドでドープされた層が、好ましくはシリコン材料層内に独立した層を形成することを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
シリコン材料が、請求項１〜２２のいずれか一項に記載のランタノイドを用いてドープされることを特徴とする、太陽電池の該生産用のウェハーまたはその同類のものの該形態であるシリコン材料。
【請求項２４】
エルビウムが、使用される該ランタノイドから除外されることを特徴とする、請求項２３に記載のシリコン材料。
【請求項２５】
該ランタノイドが、該シリコン材料の中へ１０００ｎｍ未満、そして好ましくは５００〜６００ｎｍの深さまで拡散することを特徴とする、請求項２３または２４のいずれか一項に記載のシリコン材料。
【請求項２６】
該ランタノイドでドープされる層が、好ましくはシリコン材料層内に独立した層を形成することを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のシリコン材料。
【請求項２７】
請求項２３〜２６のいずれか一項に記載のシリコン材料を有するか、または請求項２３〜２６のいずれか一項に記載のシリコン材料でできている、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用のシリコン材料をドーピングする方法、および対応する方法でドープされたシリコン材料、およびそうしたシリコン材料でできた太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
’’間接的な半導体’’としてのシリコンの特徴により、それは室温において弱い発光特性しか有さない。強度の電界発光は、約２０Ｋの温度で検出できるのみである。したがって、４００〜１２００ｎｍの波長範囲におけるシリコンの良好な吸収特性は、シリコンを光起電工程のための出発材料として、特に好適とする根拠である。
【０００３】
ホウ素およびリン元素でドープされたシリコンは、特徴的な光吸収を有する。ランタノイドの特徴的な特性は、周囲の結晶場から、外殻電子により、４ｆ軌道の不対電子を、ほとんど完全に遮蔽することである。従って、結晶場と独立したこれらの不対電子の励起状態のエネルギーレベルは、概して一定である。結晶場との制約された相互作用にもかかわらず、該エネルギーレベルの個体数の条件付き確率は、結晶場によって非常に影響され、そして結晶構造の関数としての放出バンドの異なる量子効率で明らかである。完全に異なる技術分野において、ランタノイドは、天然および技術的な蛍光体における、発光の活性化物として知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の問題は、従来技術の問題を取り除くことを可能にし、そして特に、完成した太陽電池のエネルギー効率を改善する、前記の方法、シリコン材料および太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この問題は、請求項１の特徴を有する方法、請求項２３の特徴を有するシリコン材料および請求項２７の特徴を有するそうしたシリコン材料でできた太陽電池によって解決される。本発明に好都合でかつ好ましい開発は、さらなる請求項を記載する主題を形成し、そして以下において今まで以上に詳しく説明される。以下の特徴のいくつかは、一旦列挙されただけである。
しかし、これとは無関係に、それらは方法、シリコン材料および完成した太陽電池のすべてに適合する。急いで参照することによって、請求項の言い回しが記載の内容の一部にまでなされる。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
ドープされるシリコン材料は、知られているように、平面すなわちウェハーまたは同様のものの形態で存在する。本発明に従うランタノイドは、続いてシリコン材料の吸収特徴を改質するために、１μｍ未満であるシリコン材料の最上層または最上領域にドープされる。これは、単結晶および多結晶の太陽電池の両者で起こることができる。
【０００７】
このシリコン構造またはさらに太陽電池の構造への、およびこの構造からの混合相中へのランタノイドの取り込みにもかかわらず、太陽光の紫外および近紫外線のさらに効率的な利用を達成することが可能である。これは、ランタノイドの不対４ｆ電子の励起および再結合を通して、シリコン（１.１２ｅＶ）のバンドギャップより少なくとも２倍高いエネルギーを有する光子から、シリコンのバンドギャップ（１.１２ｅＶ）よりわずかに高いだけのまたはバンドギャップに等しいエネルギーを有する、２つまたは３つ以上の光子が生成される形態で生じる。シリコンの主放出線は、１.１２ｅＶより下の範囲にある。エクストリンシック（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ）フォトルミネッセンスは、そこで、次にさらなる光子が、電子正穴対の形成のためにシリコンのギャップに近いエネルギーを得ることができる電気エネルギーの生成に寄与できる。ｆランタノイドの電子の励起および再結合を通して発生した光子は、ｐまたはｎ−シリコンにおける電子正穴対の形成に直接寄与することを目的とする。
【０００８】
ランタノイドまたは対応するドーピング物質は、シリコン材料の最上層または表面に、有利に適用される。これは、適用方法が簡素であり、そしてさらにシリコン材料の最上層中で先に記載した光子の変換が、続く電気エネルギーの生成に特に充分利用できる点で利点を有する。この点で、シリコン材料または太陽電池の最上層のドーピングは、特に好都合である。
【０００９】
本発明の開発において、ランタノイドは、シリコン材料上の層、またはシリコンで部分的にのみできている実（ａｃｔｕａｌ）シリコン材料中に導入できる。ある可能なものは、反射防止層またはＳｉ3Ｎ4層である。さらに可能なものは、ＴＣＯ層、すなわち光を伝達する導電性酸化物材料、例えばＺｎＯまたはＴｉＯである。さらに可能な層は、太陽電池のシリコンに適用できるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）でできている。さらに可能な層は、ある場合においてはまた、ＳｉＯxまたはＳｉＯ2と結合しているアモルファスシリコン（ａ−シリコン）でできている。部分的にのみシリコンで形成されている層に導入するそうした前記の場合においては、ランタノイドはまた、酸素配位子場を有する鉱物性相中に取り込まれる。
【００１０】
本発明のさらなる開発において、ランタノイドは、シリコン材料のｐｎ接合の領域中にドープできる。これはまた、遙かに高いエネルギーを有する光子から、シリコンのバンドギャップに近い光子を生成するのに効果的である。
【００１１】
本発明のさらなる開発において、ランタノイドは、裏面電界、すなわちシリコン材料の裏の領域の中へドープできる。
【００１２】
本発明のさらなる開発において、ランタノイドは、本質的にＳｉＯ2を含むシリコン材料層の中にドープできる。
【００１３】
高温下で自由酸素および窒素が存在する本Ｓｉ−太陽電池の生産中で使用される拡散法は、シリコンへの界面中もしくはシリコンへの界面におけるまたは
１.ランタノイド酸素クラスター
２. Ｓｉ−Ｂ−Ｐ−Ｏ−ランタノイド相
３.ランタノイドｉ−Ｏ−Ｎ−相またはそれらの混合相
等のシリコン材料中に、構造または相を形成できる。
【００１４】
厳密に言えば、純粋なＳｉ−ランタノイド化合物でないこれらの領域はまた、ランタノイドが、結合した正孔対形成の上記の方法を通して、効率の上昇に寄与できる。別の目的は、拡散法が、シリコンを主とする構造中で、ランタノイドと結合する酸素クラスターを生成し、そしてそれによって、スペクトル（４００〜８００ｎｍ）の可視範囲における放出を有する多くのランタノイドで知られたフォトルミネッセンスを可能にすることである。
【００１５】
太陽電池の表面に近いｐｎ−接合中での導入されたランタノイドの拡散は、ｐ−を主とするＯ−ランタノイド構造またはクラスターを生成させるために、ターゲットとする方法で使用できる。１つの可能性は、ランタノイドをシリコン材料中に拡散させることである。別の可能性は、スパッタリング法でのランタノイドの適用からなる。この目的のために、従来のスパッタリング源および適用デバイスを使用できる。
【００１６】
本発明の別の開発では、ランタノイドを用いたドーピングは、それらがシリコン材料に適用される水溶液またはゲル中に含まれることで生じることができる。これは、次に拡散のための温度調節が有利に続く。
【００１７】
本発明のまた別の開発では、ランタノイドは、気相法またはＣＶＤ法によって適用できる。
【００１８】
本発明のさらに開発では、シリコン材料の中へランタノイドを適用し、そして拡散させるプラズマ法を使用することができる。
【００１９】
本発明の別の開発では、ランタノイドは、すなわち気相からの堆積によって適用できる。これは、温度調節なしで起こることができるが、温度調節は、ランタノイドの拡散に、好都合と考えられる。
【００２０】
本発明のさらなる開発では、ランタノイドは、固体状態の接触、すなわちランタノイド材料の直接の適用によって、適用できる。
【００２１】
本発明の別の開発では、ランタノイドを用いたシリコン材料のドーピングは、イオン注入によって起こることができる。
【００２２】
本発明のさらなる開発では、ランタノイドは、該シリコン材料上にランタノイドドープされた層からシリコン材料に、熱作用下で、または温度調節によって有利にドープできる。
【００２３】
ランタノイドの以下のそうした適用に続き、さらなるステップにおいて、シリコン材料または表面は、温度調節できる。ドーピング物質のより良好な拡散のために使用できるが、しかし、絶対的に必要なわけではない。
【００２４】
幾つかのランタノイドは、問題になっている材料に使用できるが、単一のランタノイド材料を使用することもまた可能である。ドーピングのために異なるランタノイドの組み合わせを使用することができ、それらは続いて共に存在する。好適なランタノイドは、特にその主放出線が、光の可視範囲にあるものであり、すなわち１.２ｅＶより多少低く、そして、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕによって構成されている。しかし、本発明の範囲内では、有利に、Ｅｒは、使用されるランタノイドから除外される。ランタノイドを用いたドーピングは、他のドーピング元素、例えばＭｎ2+のドービングと共に起こることができる。特に、主放出線が、光の可視範囲にあるという事実により、紫外および近紫外の範囲内でのシリコン材料中の光吸収は、シリコン材料それ自体の中のみならず、ｐおよびｎ−ドープされるシリコン中、シリコン酸素クラスター中、ＳｉＯ（ｘ）中およびＳｉ3Ｎ4中においても改善できる。シリコン材料の異なる鉱物性相における光吸収はまた、改善できる。
【００２５】
本発明のさらなる開発では、ランタノイドの拡散は、拡散法がより簡単に製造できるように、１μｍ未満、例えば、たった５００〜６００ｎｍの深さで、生じることができる。さらにより深くない拡散が充分と考えられる。
【００２６】
ランタノイドを用いたドーピングで生じた層が、シリコン材料中で発生し、そしてまた独立した層を形成できることは可能である。上記に記載したように、この層は、シリコン材料または完成した太陽電池中の比較的上の方に有利に位置する。
【００２７】
本発明のシリコン材料は、前記の可能性のある方法を用いて本発明で生産される。本発明の太陽電池をそこでそうしたシリコン材料から組み立てることができる。
【００２８】
これらのおよびさらなる特徴は、請求項および記載から集めることができ、そして個々の特徴は、単独または下位の組み合わせの形態の両方で、本発明の態様および他の分野において行うことができ、そして有利で、保護が本明細書中において主張される独立した保護可能な開発を表すことができる。個々のセクションおよび副題は、本明細書中でなされた記述の一般的な価値を決して制限しない。
【国際調査報告】
2009542018.tif 000002
2009542018.tif 000003
2009542018.tif 000004
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