(57)【要約】  本発明は、太陽光発電デバイス用の光吸収層（１ａ）であって、ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）、及びそれらの結晶粒に物理的に接触する電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を含む光吸収層（１ａ）に関する。結晶粒は、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。また、本発明は、光吸収層（１ａ）を備える太陽光発電デバイスに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープされた半導体材料に物理的に接触する電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を備える太陽光発電デバイス用の光吸収層（１ａ；１ｂ）であって、前記光吸収層が、前記ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）を含み、前記結晶粒が、電荷導体（３）によって一部覆われ、それにより、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部（４）が形成されることを特徴とする光吸収層（１ａ；１ｂ）。
【請求項２】
前記結晶粒（２）の平均サイズが、１μｍ〜３００μｍの間、好ましくは１０μｍ〜８０μｍの間、最も好ましくは２０〜５０μｍの間である、請求項１に記載の光吸収層。
【請求項３】
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又は２に記載の光吸収層。
【請求項４】
前記結晶粒（２）が、主に｛１１１｝面が前記結晶粒の表面に露出されている、請求項３に記載の光吸収層。
【請求項５】
前記電荷伝導体（３）が前記結晶粒（２）の間に配設されている、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項６】
前記電荷伝導体（３）が前記結晶粒（２）上に配設され、前記結晶粒の前記表面の大部分を覆う電荷伝導層（６）によって前記結晶粒の大半が覆われている、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項７】
前記電荷伝導層（６）が、前記結晶粒（２）の前記表面の少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％を覆う、請求項６に記載の光吸収層。
【請求項８】
前記電荷伝導層（６）が、１０ｎｍ〜２００ｎｍの間、好ましくは５０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有する、請求項６又は７に記載の光吸収層。
【請求項９】
前記結晶粒（２）の前記表面の一部が導電層（１６）に付着され、前記結晶粒の残りの自由表面領域が前記電荷伝導体（３）で覆われている、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項１０】
前記電荷伝導体（３）が、導電性ポリマー、又は無機材料、又は金属有機材料のいずれかを含む、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項１１】
前記電荷伝導体（３）がＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項１２】
ドープされた半導体材料に物理的に接触する電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を備える光吸収層（１ａ；１ｂ）を備える太陽光発電デバイス（１０；３０；５０）であって、前記光吸収層が、前記ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）を含み、前記結晶粒（２）が、電荷導体（３）によって一部覆われ、それにより、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部（４）が形成されることを特徴とする太陽光発電デバイス（１０；３０；５０）。
【請求項１３】
第１の導電層（１６）、及び前記第１の導電層（１６）から電気的に絶縁された第２の導電層（１８）を備え、前記光吸収層が、前記第１の導電層（１６）上に配設され、それにより、結晶粒（２）が前記第１の導電層と電気的及び物理的に接触し、電荷伝導体（３）が、前記第２の導電層（１８）に電気的に結合され、前記第１の導電層（１６）から電気的に絶縁される、請求項１２に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１４】
前記結晶粒（２）それぞれの前記表面の一部が、前記第１の導電層（１６）と物理的及び電気的に接触しており、前記結晶粒それぞれの残りの表面の大部分が、電荷伝導体（３）で覆われている、請求項１３に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１５】
前記第１の導電層（１６）と前記第２の導電層（１８）の間に配置された絶縁層（２０）を備える、請求項１３又は１４に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１６】
前記電荷伝導体（３）が、前記結晶粒（２）の前記表面から前記第２の導電層（１８）まで、電荷伝導材料の複数の連続的な経路（２２）を形成するように堆積されている、請求項１３〜１５のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１７】
前記電荷伝導体（３）が、前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）を貫通して前記経路（２２）を形成する、請求項１６に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１８】
前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）が多孔質であり、前記電荷伝導体（３）が前記第１の導電層（１６）の細孔、及び前記絶縁層の細孔に収容され、それにより、前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）を通して前記伝導経路が形成される、請求項１６又は１７に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１９】
前記第１の導電層（１６）が、前記第１の導電層（１６）から前記電荷伝導体（３）を電気的に絶縁するように配置された絶縁酸化物を含む、請求項１３〜１８のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項２０】
前記第１の導電層（１６）が、前記結晶粒（２）と電気的に接触する焼結された金属粒子（２４）を含む、請求項１３〜１９のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項２１】
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（１６）が金属又は金属合金を含み、前記結晶粒（２）と前記第１の導電層（１６）の物理的接触の区域が、金属シリサイド又は金属−シリコン合金の層（２６）からなる、請求項１３〜２０のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項２２】
前記光吸収層（１ａ、１ｂ）が、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の光吸収層である、請求項１２に記載の太陽光発電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。本発明はまた、太陽光発電デバイス用の光吸収層に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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接合を作成する。照明下で光子が吸収され、それにより、ＰＮ接合で分離された電子−正孔対を形成する。太陽電池の裏側では、金属プレート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。
【０００４】
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、光を吸収する機能が高いので高い効率を提供する。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。
【０００５】
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が太陽電池に電気的に組み立てられる。シリコンインゴットは非常に純度が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高価である。
【０００６】
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、伝導性が増加さ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。
【０００７】
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面に配置され、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、且つ高価である。
【０００８】
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。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機能が低いため、その最大効率がより低いことである。
【０００９】
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を開示する。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。
【００１０】
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。
【００１１】
米国特許第４３５７４００号明細書は、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を開示する。太陽電池は、基板の一方の側に交互配置された２つの導電層を有する絶縁基板を含む。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、太陽電池は製造コストが高い。
【００１２】
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を形成することである。
【００１３】
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。
【００１４】
特開第２００４０８７５４６号公報には、Ｓｉ粒子を含有する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。
【００１５】
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が形成される。
【００１６】
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層を述べている。
【００１７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４１６６０９５号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１３／１４９７８７号
【特許文献３】国際公開第２０１４／１８４３７９号
【特許文献４】米国特許第４３５７４００号明細書
【特許文献５】中国特許出願公開第２０１５１１０１２６４号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１１／００００５３７号明細書
【特許文献７】特開第２００４０８７５４６号公報
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１２／０２８５５２１号明細書
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｓａｒａ  Ｊａｅｃｋｌｅ、Ｍａｔｔｈｉａｓ  Ｍａｔｔｉｚａ、Ｍａｒｔｉｎ  Ｌｉｅｂｈａｂｅｒ、Ｇｅｒａｌｄ  Ｂｒｏｅｎｓｔｒｕｐ、Ｍａｔｈｉａｓ  Ｒｏｍｍｅｌ、Ｋｌａｕｓ  Ｌｉｐｓ、及びＳｉｌｋｅ  Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ著「Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ｉｎ  ｈｙｂｒｉｄ  ｎ−Ｓｉ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ」，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｐｏｒｔｓ，２０１５年８月１７日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
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提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１の態様によれば、この目的は、請求項１に記載の太陽光発電デバイス用の光吸収層によって達成される。
【００２２】
本発明による光吸収層は、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なる電荷導体を備え、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部が形成される。
【００２３】
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、ホモ接合又はヘテロ接合であり得る。
【００２４】
ホモ接合は、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接合で生じる。
【００２５】
ヘテロ接合は、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。
【００２６】
本発明による光吸収層は、製造が安価であり、環境に優しく、変換効率が高い。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、機械的に頑強な光吸収層を形成することである。
【００３０】
結晶粒は、導電性基板に付着させることができる。好適には、結晶粒は導電層に付着される。結晶粒表面の一部は、導電性基板又は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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
光吸収層は、入射光に対して多数の角度を示す結晶粒を含むため、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。
【００３４】
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。
【００３５】
光吸収層は、環境に優しい材料によって形成することができる。例えば、結晶粒は、シリコンから成っていてよく、シリコンは、高い変換効率を有する、環境に優しく安定な材料である。電荷伝導体材料は、例えばポリマーなどの有機材料を含むことができ、又は無機若しくは有機金属でもよい。
【００３６】
本発明による光吸収層は、ウェハ又は薄膜など従来のシリコン光吸収層と比較して製造がかなり容易である。光吸収層は、表面、例えば導電性表面上に例えば結晶粒を含むインクを堆積させることによって製造することができる。インクは、任意の適切なパターンで表面上に堆積させることができる。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。
【００３７】
好適には、電荷伝導体は、結晶粒の自由表面上、及び結晶粒間の空いた空間に配設される。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。この実施形態は、光吸収層の物理的強度、及び第１の導電層への結晶粒の付着を改良する。
【００３８】
本発明の一実施形態によれば、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。
【００３９】
電荷伝導体が結晶粒上に配設され、それにより、電荷伝導体が複数の電荷伝導層を形成し、各電荷伝導層が、単一の結晶粒又はいくつかの隣接する結晶粒の自由表面を覆う。電荷伝導層が厚すぎると、導電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。
【００４０】
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、被覆のわずかな崩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。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、各結晶粒は、光に向いた上面を有し、上面は電荷伝導体で覆われる。好ましくは、結晶粒の層は、基板の表面の大部分を覆う。基板上の結晶粒の分布は、結晶粒間の細いギャップ、又は隣接する結晶粒の重なりをもたらし得る。
【００４２】
電荷伝導体は、結晶粒の表面の少なくとも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。正孔伝導体によって覆われてい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。
【００４３】
結晶粒の平均サイズは、好適には１μｍ〜３００μｍの間である。好ましくは、結晶粒の平均サイズは、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。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。結晶粒が小さすぎると、光を吸収する機能が低下される。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により、効率が低下することがある。
【００４４】
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、安定しており、光を吸収する機能が高く、これが光吸収層の高い効率をもたらすので、太陽光発電デバイスで使用するのに適した材料である。シリコンは、不純物又は多結晶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、高いドーピング濃度でＮ型ドープされても、ｐ型ドープされてもよい。
【００４５】
本発明の一実施形態によれば、結晶粒は、主に｛１１１｝面が結晶粒の表面に露出されている。電荷伝導体は、結晶粒の｛１１１｝ピラミッド面と接触している。この実施形態は、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、結晶粒の光吸収が増加されることを意味する。
【００４６】
本発明の一実施形態によれば、電荷伝導体は導電性ポリマーである。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。
【００４７】
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。ドープされたシリコンは、ｐドープされていても、ｎドープされていてもよい。しかし、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。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。
【００４８】
本発明の一実施形態によれば、電荷伝導体材料は、無機材料又は金属有機材料を含む。
【００４９】
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、光励起された電子と正孔が分離される複数の接合部が、結晶粒と粒子の界面に形成される。例えば、接合部はＰＮ接合である。
【００５０】
本発明の第２の態様によれば、この目的は、請求項１２に記載の太陽光発電デバイスによって達成される。
【００５１】
太陽光発電デバイスは、上の説明による光吸収層を備え、光吸収層は、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導体を含み、それにより、結晶粒と電荷伝導体の間に複数の接合部が形成される。
【００５２】
本発明による太陽光発電デバイスは、光吸収層について上述したのと同じ利点を有する。したがって、太陽光発電デバイスに関する製造コストが低減され、光学的損失及び反射損が少ないので太陽光発電デバイスの最大効率が高められ、反射防止コーティングの必要性が低減されるか、又はもはや必要なくなる。本発明による太陽光発電デバイスは、製造が容易であり、薄く且つ可撓性にすることができる。
【００５３】
本発明による太陽光発電デバイスは、半導体材料の結晶粒を含む光吸収層を備える。結晶粒は、より安価であり、取扱いがより容易であり、適用がより容易であり、結晶粒を含む層がより可撓性を有するという点で、ウェハ又は堆積された薄膜に勝るいくつかの利点を有する。結晶粒を含む光吸収層を備える太陽電池では、各結晶粒は「ミニ」太陽電池として作用する。結晶粒は、その体積に比べて大きい表面積を有し、電荷担持材料と半導体の大きな接触面積を形成する。結晶粒のサイズは、太陽光から電気エネルギーへの変換効率に合わせて最適化することができる。したがって、太陽光発電デバイスを設計する際に、より少ない半導体材料を使用することも可能である。結晶粒はまた、半導体表面を種々の方向に向け、したがって光入射角に対する依存性が低減し、光学的損失及び反射損を少なくする。
【００５４】
本発明の一実施形態によれば、デバイスは第１の導電層を含み、光吸収層は、第１の導電層上に配設され、それにより、結晶粒が第１の導電層と電気的及び物理的に接触する。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、本発明のこの実施形態によ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。この実施形態による、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。
【００５５】
結晶粒は、電子や正孔などの電荷担体を抽出するために、第１の導電層に直接付着させることができる。結晶粒の堆積は、印刷などの簡単なプロセスで行うことができる。結晶粒の上には、光吸収層を形成するために正孔又は電子を担持するための電荷伝導材料から成る電荷伝導体が塗布される。本発明の一実施形態によれば、電荷伝導体は導電性ポリマーである。ポリマーは、結晶粒間の接着剤として作用し、それによって光吸収層の機械的安定性を改良する機能を有する。さらに、導電性ポリマーはまた、結晶粒と第１の導電層を接着し合わせ、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。
【００５６】
本発明の一実施形態によれば、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、電荷伝導体で覆わなくてはならない。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。
【００５７】
本発明の一実施形態によれば、デバイスは、第１の導電層から電気的に絶縁された第２の導電層を備える。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、直接的又は間接的に第２の導電層に電気的に接続することができる。好ましくは、太陽光発電デバイスは、第１の導電層と第２の導電層を電気的に絶縁するために第１の導電層と第２の導電層の間に配設された絶縁層を備え、第１の導電層と第２の導電層は、絶縁層の反対の側に配置される。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の導電層、第２の導電層、及び絶縁層が、光吸収層の背面に配置される。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。本発明の一実施形態によれば、第１の接点は、第１の導電層に電気的に結合され、第２の接点は、第２の導電層に結合される。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。
【００５８】
太陽光発電デバイスの第１及び第２の導電層は、外部回路に接続することができ、絶縁層の各側に形成することもでき、光吸収層の背面に配置することもできる。第１の導電層及び絶縁層は、電荷担持材料が構造を貫通して第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。短絡及び正孔と電子の再結合をなくすために、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、太陽光発電電気回路を形成する。
【００５９】
本発明の一実施形態によれば、第１の導電層は金属を含み、結晶粒と第１の導電層の物理的接触の区域は、金属シリサイド、例えばＴｉＳｉ２、又は金属−シリコン合金、例えばＡｌ−Ｓｉ合金からなる。合金又はシリサイドは、太陽光発電デバイスの製造中に、結晶粒と第１の導電層の境界に形成される。金属−シリコン合金又は金属シリサイドは、良好な導電性を有する。物理的接触の区域、すなわち結晶粒と第１の導電層の境界が金属−シリコン合金又は金属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。したがって、太陽光発電デバイスの効率が高められる。例えば、結晶粒がシリコンから成り、第１の導電層がチタンを含む場合、結晶粒と第１の導電層の物理的接触の区域は、太陽光発電デバイスの製造後にチタンシリサイドを含む。導電層がアルミニウムを含む場合、太陽光発電デバイスの製造中に、結晶粒と第１の導電層の境界にアルミニウムシリコン合金が形成される。アルミニウムシリコン合金は、良好な導電性も有する。また、チタン又はアルミニウム以外の金属を第１の導電層に使用することもできる。
【００６０】
チタンシリサイドは、いくつかの形態、例えばＴｉＳｉ２、ＴｉＳｉ、Ｔｉ５Ｓｉ４、Ｔｉ５Ｓｉ３、Ｔｉ３Ｓｉで存在することができる。本発明の一実施形態によれば、結晶粒と第１の導電層の境界は、ＴｉＳｉ２を含む。ＴｉＳｉ２は、２つの形態、すなわちＣ４９−ＴｉＳｉ２及びＣ５４−ＴｉＳｉ２で存在する。
【００６１】
本発明の一実施形態によれば、電荷伝導体は、結晶粒の表面から第２の導電層まで、電荷伝導材料の複数の連続的な経路を形成するように堆積される。電荷伝導体は、第１の導電層及び絶縁層を貫通して経路を形成する。電荷伝導体は、結晶粒の表面から第２の導電層までの導電性材料の連続的な経路を形成して、接合部で生成された正孔／電子が第２の導電層に進み、第２の導電層で電子と再結合することを可能にする。電荷伝導体は、結晶粒上の電荷伝導体層を、第２の導電層に電気的に結合された第２の接点と電気的に接続する。
【００６２】
本発明の一実施形態によれば、第１の導電層は多孔質であり、電荷伝導体は第１の導電層を通って延びる。
【００６３】
本発明の一実施形態によれば、第１の導電層と第２の導電層の間の絶縁層は多孔質であり、電荷伝導体は絶縁層を通って延びる。絶縁層は、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。
【００６４】
本発明の一実施形態によれば、第１の導電層及び絶縁層は多孔質であり、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、光吸収層と第２の接点の間に電荷伝導経路が形成される。電荷伝導経路は、上述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。
【００６５】
本発明の一実施形態によれば、第１の導電層は、第１の導電層から電荷伝導体を電気的に絶縁するように配置された絶縁酸化物を含む。
【００６６】
本発明の一実施形態によれば、第１の導電層は、結晶粒と電気的及び機械的に接触する導電性粒子を含む。導電性粒子は、互いに物理的及び電気的に接触している。結晶粒は、導電性粒子に結合される。好適には、結晶粒はシリコンから成り、導電性粒子は金属から成り、粒子と結晶粒の境界は金属シリサイド合金又は金属シリサイドを含む。したがって、結晶粒と粒子の電気的接触が改良される。
【００６７】
本発明の一実施形態によれば、金属粒子は、少なくとも部分的に絶縁酸化物で覆われている。結晶粒に接触していない金属粒子の表面の部分は、好ましくは酸化物で覆われている。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のを防止し、それにより、導電層と電荷伝導体の短絡を防止する。
【００６８】
本発明の一実施形態によれば、金属粒子は、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。好ましくは、金属粒子の表面の少なくとも一部は、チタンシリサイドで覆われている。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、太陽光発電デバイスの製造中に、結晶粒と第１の導電層の境界に形成される。好適には、金属粒子はチタンを含み、結晶粒と接触していない金属粒子の表面の部分は、酸化チタンで覆われる。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。
【００６９】
本発明の一実施形態によれば、金属粒子は、アルミニウム又はその合金から成る。好適には、金属粒子はアルミニウムを含み、結晶粒と接触していない金属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。酸化物の表面層は、電荷伝導体とアルミニウムの短絡を防止するのに十分な厚さでなければならない。
【００７０】
本発明の一実施形態によれば、第２のコネクタは、電荷伝導体及び第２の導電層に電気的に接続され、第１の導電層から電気的に絶縁された低抵抗接続部位を備える。接続部位は、第２の導電層と電荷伝導体の界面に位置決めされる。接続部位は、第２のコネクタと電荷伝導体の接合部を横切る電子及び正孔のための低抵抗経路を提供する。
【００７１】
本発明の一実施形態によれば、接続部位は銀から成る。
【００７２】
本発明の一実施形態によれば、第２の導電層は多孔質であり、電荷伝導体は第２の導電層を貫通する。好適には、第２の導電層は、金属粒子を含む。
【００７３】
本発明の一実施形態によれば、第２の導電層の金属粒子は、チタン又はその合金から成る。
【００７４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】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。
【図２】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３】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。
【図４】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。
【図５】本発明の第２の実施形態による光吸収層の一例を示す図である。
【図６】本発明の第３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。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
図１は、本発明による光吸収層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を含む。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ている。
【００７７】
結晶粒２の半導体材料は、光子を吸収する機能を備え、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。
【００７８】
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接合などのホモ接合、又はヘテロ接合である。
【００７９】
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、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。結晶粒の下部が層８内に突出していてもよい。
【００８０】
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、結晶粒上に複数の電荷伝導層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ている。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、有機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。各結晶粒は、入射光に面する上面、及び入射光とは逆に面する下面を有する。この実施形態では、結晶粒の上面は、電荷伝導体３によって全体的に又は少なくとも部分的に覆われ、下面は、電荷伝導体がなく、光吸収層の一部ではない導電層８との電気的接触を可能にする。
【００８１】
図２は、本発明の第１の実施形態による太陽光発電デバイス１０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、及び第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、太陽に向いているべきであり、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。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。
【００８２】
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に進むのを可能にする。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及び第２の導電層１６、１８、並びに絶縁層２０は多孔質であり、電荷伝導体が導電層及び絶縁層２０を貫通して経路２２を形成できるようにする。電荷伝導体３は、第１及び第２の導電層１６、１８の細孔、並びに絶縁層２０の細孔に収容することができる。
【００８３】
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。
【００８４】
図３は、光吸収層１ａ及び第１の導電層１６の拡大部分を示す。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、結晶粒と第１の導電層１６の粒子２４の間に十分な接触面積を提供するために、１００μｍ未満のサイズを有する。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で覆われている。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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で覆われている。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（ＴｉＯ２）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（Ａｌ２Ｏ３）で覆われる。
【００８８】
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。
【００８９】
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、光吸収層中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。
【００９０】
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（ＴｉＳｉ２）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。
【００９１】
導電層１６、１８内のチタン粒子は、絶縁性酸化チタン（ＴｉＯ２）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（ＴｉＯ２）及び酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む。
【００９２】
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、金属層を含むことができる。この例では、接続部位３４は、銀（Ａｇ）から成る層を含む。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。酸化物ではなく、第２の導電層１８のチタン粒子２５と接続部位３４の間にはチタン銀（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に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。
【００９３】
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、第２の導電層１８に電気的に結合された接続部位３４と電気的に接触して配置される。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のかなりの部分を覆い、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。
【００９４】
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：
【００９５】
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。
【００９６】
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を超えて進み、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を超えて電荷伝導体３の層内に進む。
【００９７】
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。
【００９８】
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の正孔は、接続部位３４の銀層に移動され、接続部位３４の電子と再結合する。
【００９９】
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：
【０１００】
１．電荷導体−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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
４．電荷導体−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。
【０１０４】
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でなければならない。
【０１０５】
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。
【０１０６】
以下、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について説明する。
【０１０７】
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。これは、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用いて印刷することによって行う。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ある。
【０１０８】
例えば、１０μｍサイズのＴｉＨ２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ＴｉＨ２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する。印刷された層は、第１の多孔質導電層を形成する。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。
【０１０９】
ステップ２：多孔質絶縁基板の反対側に第２の多孔質導電層を形成する。これは、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用いて印刷することによって行う。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。
【０１１０】
例えば、ＴｉＨ２とテルピネオール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マイクロメータよりも小さい直径を有するＴｉＨ２粒子を含む。次いで、濾過したインクを、銀めっきされた導電性粒子と混合させて、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のインクを印刷する。第２の印刷層は、第２の導電層を形成する。
【０１１１】
ステップ３：第１の多孔質導電層に、ドープされた半導体材料から成る結晶粒の層をコーティングして、光吸収層を形成する。これは、例えば、ドープされたシリコンなど、ドープされた半導体材料の結晶粒の粉末を含むインクを第１の導電層上に印刷することによって行う。或いは、ドープされたシリコンなど、ドープされた半導体材料の結晶粒の粉末を第１の導電層上に噴霧することができる。適切な噴霧技法は、例えば、エレクトロスプレー又は静電噴霧である。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。シリコン粒子のエッチングは、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。シリコン粒子の等方性エッチングを使用して、シリコン表面から不純物を除去することができる。シリコン粒子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、ピラミッド形状のシリコン表面は、シリコンによる実効の光吸収を増加することができる。
【０１１２】
ステップ４：結晶粒の一部が第１の多孔質導電層内に突出するように、結晶粒の層に圧力を加える。例えば、メンブレンプレスを使用することによって、又はローラプレスを使用することによって、結晶粒の上に圧力を加えることができる。ステップ４は任意選択である。
【０１１３】
ステップ５：結晶粒が第１の多孔質導電層に焼結されるまで、真空下で太陽電池を熱処理する。結晶粒の層と多孔質導電層を真空焼結させて、第１の導電層上に結晶粒の多孔質層を形成する。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、導電性粒子間の機械的及び電気的接触を有する第１の導電層を形成する。基板、第１及び第２の導電層、並びに結晶粒のアセンブリを、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。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。
【０１１４】
ステップ６：第１の多孔質導電層の露出した表面が酸化されるまで、太陽電池を空気中で熱処理する。次のステップでは、太陽電池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は、空気中での熱処理中に酸化される。
【０１１５】
ステップ７：シリコン粒子上の酸化ケイ素層を除去する。次のステップでは、シリコン粒子の表面をフッ化水素で処理することによって、シリコン粒子上の酸化ケイ素を除去する。シリコン粒子の表面を、ＨＦ水溶液の形でのフッ化水素に露出することができる。或いは、シリコン粒子のＨＦ処理は、シリコン粒子の表面を気体状のＨＦに露出することによって行うことができる。ＨＦ処理は、シリコン粒子の表面から酸化ケイ素を除去する効果を有する。
【０１１６】
ステップ８：ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの堆積。次のステップでは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを、シリコン粒子の表面上、及び第１の導電層の細孔の内部、及び絶縁基板の細孔の内部、及び第２の導電層の細孔の内部に堆積する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む水ベースの溶液から堆積させることができる。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させることができる。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、次いで溶媒を乾燥させて、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。
【０１１７】
本発明による太陽光発電デバイスは、半導体粒子の結晶粒を含み、したがって、ウェハの製造及び取扱い、又は脆性材料の薄膜の蓄積が回避される。結晶粒自体は、より安価な材料であり、工業生産において取扱いがより容易である。結晶粒は、印刷法又は同様の方法によって容易に塗布することができる。結晶粒の表面上に生じ得る欠陥は、電池の効率に局所的な影響しか及ぼさない。それに従って、本発明の太陽光発電デバイスは、従来技術の太陽光発電デバイスよりも安価である。光吸収層内の結晶粒として、シリコンなど、高い変換効率を有する環境に優しく安定した材料を使用することができる。本発明による太陽光発電デバイスは、薄く且つ可撓性にすることができる。
【０１１８】
図５は、本発明の第２の実施形態による光吸収層１ｂの一例を示す。光吸収層１ｂは、第１の型のドーピングの半導体材料から成る複数の結晶粒２、及び第２の型のドーピングの半導体材料から成る複数の粒子５２を含む電荷伝導体３を含む。半導体粒子５２の平均サイズは、結晶粒２の平均サイズよりも小さく、それにより、結晶粒２の間に形成された空間に半導体粒子を収容することが可能である。例えば、結晶粒２の平均サイズは１ｍｍ未満であり、半導体粒子５２の平均サイズは、結晶粒２の間に形成された空間に収容できるように、好ましくは０．１ｍｍ未満である。
【０１１９】
好適には、結晶粒２及び粒子５２の半導体材料はシリコンであり、結晶粒２及び粒子５２は、異なる型のドーピングを有するシリコンから成る。しかし、他の半導体材料を使用することもできる。例えば、結晶粒２は、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、又はＧａＡｓから成っていてよく、半導体粒子５２は、ＣｕＳＣＮ又はＣｕＩから成っていてよい。結晶粒２と粒子５２は互いに物理的及び電気的に接触しており、それらの接触領域に複数の接合部が形成される。結晶粒２及び半導体粒子５２のドーピングの型は、接合部が、光励起された電子と正孔を分離することができるようなものである。結晶粒２と半導体粒子５２の異なる型のドーピングにより、結晶粒２と半導体粒子５２が互いに接触する領域に「空乏領域」が形成される。電子−正孔対が「空乏領域」に達すると、電子と正孔が分離される。第１及び第２の型のドーピングは、例えばＰ型及びＮ型であり、それにより、接合部はＰＮ接合であり、又はＰＩＮ接合であり得る。
【０１２０】
図６は、図５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１ｂを含む、本発明の第３の実施形態による太陽光発電デバイス５０を通る断面を概略的に示す。太陽光発電デバイス５０は、さらに、結晶粒２と電気的に接触する導電性粒子２４を含む第１の導電層１６、電荷伝導体３の半導体粒子５２に電気的に結合された導電性粒子２５を含む第２の導電層１８、及び第１の導電層と第２の導電層の間に配設された絶縁層２０を備える。太陽光発電デバイス５０は、さらに、第１の導電層に電気的に接続された第１の接点１２、及び第２の導電層に電気的に接続された第２の接点１４を備える。
【０１２１】
デバイス５０は、さらに、光吸収層１ｂ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を備える。この実施形態では、電荷伝導経路２２は、電荷伝導材料から成る複数の半導体粒子を含む。例えば、経路２２内の半導体粒子は、ドープされたシリコンから成る。好適には、経路内の半導体粒子は、光吸収層内の半導体粒子５２と同じ材料から成る。電荷伝導体３は、半導体粒子５２のいくらかが結晶粒２を部分的に覆い、半導体粒子５２のいくらかが結晶粒２の表面から第２の導電層への電荷伝導材料の複数の連続的な経路２２を形成するように堆積される。好適には、第１及び第２の導電層、並びに絶縁層２０は多孔質であり、電荷伝導体３の半導体粒子５２が導電層及び絶縁層を貫通できるようにする。電荷伝導体３の半導体粒子５２は、図６に示されるように、第１及び第２の導電層の細孔、並びに絶縁層２０の細孔に収容される。電荷伝導体の半導体粒子５２は、互いに電気的に接触しており、且つ光吸収層内の結晶粒２と電気的に接触しており、それにより、半導体粒子５２の少なくともいくらかは、光吸収層１ｂと第２の導電層の間に半導体ネットワークを形成する。
【０１２２】
本発明は、開示する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され得る。例えば、代替実施形態では、結晶粒を電荷伝導体に埋め込むことができる。太陽光発電デバイスのアーキテクチャも変えることができる。例えば、他の実施形態では、絶縁層及び／又は第２の導電層を省くことができる。本発明による光吸収層は、金属アノードグリッドが光吸収層の上、すなわち電荷伝導体及び結晶粒上に位置決めされているフロントコンタクト型太陽光発電デバイスで使用することもできる。さらに、第２の導電層は、金属被膜の形で非多孔質でもよい。
【図１】
2019522350.tif 000003
【図２】
2019522350.tif 000004
【図３】
2019522350.tif 000005
【図４】
2019522350.tif 000006
【図５】
2019522350.tif 000007
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月22日(2017.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）、及び前記結晶粒に物理的に接触する固体電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を備え、前記結晶粒と前記電荷伝導体の間に複数の接合部（４）が形成された、太陽光発電デバイス用の光吸収層（１ａ；１ｂ）であって、前記結晶粒（２）の平均サイズが、１μｍ〜３００μｍの間であり、前記電荷伝導体（３）が前記結晶粒（２）上及び前記結晶粒（２）間に配設され、前記結晶粒の前記表面の少なくとも５０％を覆う前記電荷伝導体の層（６）によって前記結晶粒の大半が覆われていることを特徴とする、光吸収層（１ａ；１ｂ）。
【請求項２】
前記結晶粒（２）の前記平均サイズが、１０μｍ〜８０μｍの間、好ましくは２０〜５０μｍの間である、請求項１に記載の光吸収層。
【請求項３】
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又は２に記載の光吸収層。
【請求項４】
前記結晶粒（２）が、主に｛１１１｝面が前記結晶粒の表面に露出されている、請求項３に記載の光吸収層。
【請求項５】
前記電荷伝導層（６）が、前記結晶粒（２）の前記表面の少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％を覆う、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項６】
前記電荷伝導層（６）が、１０ｎｍ〜２００ｎｍの間、好ましくは５０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有する、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項７】
第１の導電層（１６）、及び前記第１の導電層上に配設された光吸収層（１ａ、１ｂ）を備える太陽光発電デバイス（１０、３０、５０）であって、前記光吸収層（１ａ、１ｂ）が、ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）、及び前記結晶粒に物理的に接触する固体電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を備え、前記結晶粒と前記電荷伝導体の間に複数の接合部（４）が形成され、前記デバイスが、前記第１の導電層（１６）から電気的に絶縁された第２の導電層（１８）を備え、前記電荷伝導体（３）が、前記第２の導電層（１８）に電気的に結合され、前記第１の導電層（１６）から電気的に絶縁され、前記結晶粒（２）の平均サイズが、１μｍ〜３００μｍの間であり、前記電荷伝導体（３）が前記結晶粒（２）上及び前記結晶粒（２）間に配設され、前記結晶粒（２）それぞれの前記表面の一部が、前記第１の導電層に物理的及び電気的に接触しており、前記結晶粒それぞれの残りの自由表面領域の大部分が前記電荷伝導体（３）で覆われていることを特徴とする、太陽光発電デバイス（１０、３０、５０）。
【請求項８】
前記第１の導電層（１６）と前記第２の導電層（１８）の間に配置された絶縁層（２０）を備える、請求項７に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項９】
前記電荷伝導体（３）が、前記結晶粒（２）の前記表面から前記第２の導電層（１８）まで、電荷伝導材料の複数の連続的な経路（２２）を形成するように堆積されている、請求項７又は８に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１０】
前記電荷伝導体（３）が、前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）を貫通して前記経路（２２）を形成する、請求項９に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１１】
前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）が多孔質であり、前記電荷伝導体（３）が前記第１の導電層（１６）の細孔、及び前記絶縁層の細孔に収容され、それにより、前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）を通して前記伝導経路が形成される、請求項９又は１０に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１２】
前記第１の導電層（１６）が、前記第１の導電層（１６）から前記電荷伝導体（３）を電気的に絶縁するように配置された絶縁酸化物を含む、請求項７〜１１のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１３】
前記第１の導電層（１６）が、前記結晶粒（２）と電気的に接触する焼結された金属粒子（２４）を含む、請求項７〜１２のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１４】
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（１６）が金属又は金属合金を含み、前記結晶粒（２）と前記第１の導電層（１６）の物理的接触の区域が、金属シリサイド又は金属−シリコン合金の層（２６）からなる、請求項７〜１３のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１５】
前記光吸収層（１ａ、１ｂ）が、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の光吸収層である、請求項７に記載の太陽光発電デバイス。
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月31日(2019.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）、及び前記結晶粒に物理的に接触する固体電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を備え、前記結晶粒と前記電荷伝導体の間に複数の接合部（４）が形成された、太陽光発電デバイス用の光吸収層（１ａ；１ｂ）であって、前記結晶粒（２）の平均サイズが、１μｍ〜３００μｍの間であり、前記電荷伝導体（３）が前記結晶粒（２）上及び前記結晶粒（２）間に配設され、前記結晶粒の前記表面の少なくとも５０％を覆う前記電荷伝導体の層（６）によって前記結晶粒の大半が覆われていることを特徴とする、光吸収層（１ａ；１ｂ）。
【請求項２】
前記結晶粒（２）の前記平均サイズが、１０μｍ〜８０μｍの間、好ましくは２０〜５０μｍの間である、請求項１に記載の光吸収層。
【請求項３】
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又は２に記載の光吸収層。
【請求項４】
前記結晶粒（２）が、主に｛１１１｝面が前記結晶粒の表面に露出されている、請求項３に記載の光吸収層。
【請求項５】
前記電荷伝導層（６）が、前記結晶粒（２）の前記表面の少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％を覆う、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項６】
前記電荷伝導層（６）が、１０ｎｍ〜２００ｎｍの間、好ましくは５０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有する、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の光吸収層。
【請求項７】
第１の導電層（１６）、及び前記第１の導電層上に配設された光吸収層（１ａ、１ｂ）を備える太陽光発電デバイス（１０、３０、５０）であって、前記光吸収層（１ａ、１ｂ）が、ドープされた半導体材料の複数の結晶粒（２）、及び前記結晶粒に物理的に接触する固体電荷伝導材料から成る電荷伝導体（３）を備え、前記結晶粒と前記電荷伝導体の間に複数の接合部（４）が形成され、前記デバイスが、前記第１の導電層（１６）から電気的に絶縁された第２の導電層（１８）を備え、前記電荷伝導体（３）が、前記第２の導電層（１８）に電気的に結合され、前記第１の導電層（１６）から電気的に絶縁され、前記結晶粒（２）の平均サイズが、１μｍ〜３００μｍの間であり、前記電荷伝導体（３）が前記結晶粒（２）上及び前記結晶粒（２）間に配設され、前記結晶粒（２）それぞれの前記表面の一部が、前記第１の導電層に物理的及び電気的に接触しており、前記結晶粒それぞれの残りの自由表面領域の大部分が前記電荷伝導体（３）で覆われていることを特徴とする、太陽光発電デバイス（１０、３０、５０）。
【請求項８】
前記第１の導電層（１６）と前記第２の導電層（１８）の間に配置された絶縁層（２０）を備える、請求項７に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項９】
前記電荷伝導体（３）が、前記結晶粒（２）の前記表面から前記第２の導電層（１８）まで、電荷伝導材料の複数の連続的な経路（２２）を形成するように堆積されている、請求項７又は８に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１０】
前記電荷伝導体（３）が、前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）を貫通して前記経路（２２）を形成する、請求項９に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１１】
前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）が多孔質であり、前記電荷伝導体（３）が前記第１の導電層（１６）の細孔、及び前記絶縁層の細孔に収容され、それにより、前記第１の導電層（１６）及び前記絶縁層（２０）を通して前記伝導経路が形成される、請求項９又は１０に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１２】
前記第１の導電層（１６）が、前記第１の導電層（１６）から前記電荷伝導体（３）を電気的に絶縁するように配置された絶縁酸化物を含む、請求項７〜１１のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１３】
前記第１の導電層（１６）が、前記結晶粒（２）と電気的に接触する焼結された金属粒子（２４）を含む、請求項７〜１２のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１４】
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（１６）が金属又は金属合金を含み、前記結晶粒（２）と前記第１の導電層（１６）の物理的接触の区域が、金属シリサイド又は金属−シリコン合金の層（２６）からなる、請求項７〜１３のうちいずれか一項に記載の太陽光発電デバイス。
【請求項１５】
前記光吸収層（１ａ、１ｂ）が、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の光吸収層である、請求項７に記載の太陽光発電デバイス。
【国際調査報告】
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