(57)【要約】【課題】反射防止層（１６）が前方に配置された光吸収体層（１２）を備えた光起電力セル、特に太陽電池において、素子内で吸収させる光子数の増加につながる改良された光起電力セルを提供する。【解決手段】反射防止層（１６）が前方に配置された吸収体層（１２）を備えた光起電力セル、特に太陽電池であって、前記反射防止層（１６）が、導電性材料が周期的に配置されたアンテナ要素（２２）を有するナノ構造層（２０）であって、前記吸収体層（１２）からの距離（ｄ）が１〜５０ナノメートルで配置され、少なくともその一部が当該反射防止層（１６）に埋め込まれたナノ構造層（２０）を備え、さらにその上から保護層（１８）が覆っている、光起電力セル。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射防止層（１６）が前方に配置された吸収体層（１２）を備える光起電力セルであって、
前記反射防止層（１６）が、導電性材料が周期的に配置された複数のアンテナ要素（２２）を有するナノ構造層（２０）を備え、
前記複数のアンテナ要素（２２）は、前記吸収体層（１２）からの距離（ｄ）が１〜５０ナノメートルの規則的なパターンで配置され、かつ少なくともその一部が当該反射防止層（１６）に埋め込まれ、
前記ナノ構造層（２０）は、当該光起電力セル（１０）の背面コンタクト（１４）とともに、光共振器を構成し、
前記複数のアンテナ要素（２２）は、互いに２００〜８００ナノメートルの距離で周期的に配置され、前記ナノ構造層（２０）は前記反射防止層（１６）を構成する材料とは異なる材料からなる保護層（１８）でさらに覆われている、光起電力セル。
【請求項２】
前記ナノ構造層（２０）が、前記吸収体層（１２）から２〜２０ナノメートルの距離に配置されている、請求項１に記載の光起電力セル。
【請求項３】
前記アンテナ要素（２２）が、互いに２５０〜７５０ナノメートルの距離で周期的に配置されている、請求項１または請求項２に記載の光起電力セル。
【請求項４】
前記アンテナ要素（２２）が、１０〜２００ナノメートルの高さを有する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項５】
前記アンテナ要素（２２）が、２０〜４００ナノメートルの横方向への最大延長を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項６】
前記アンテナ要素（２２）が、２５〜５０ナノメートルの横方向への最小延長を有する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項７】
前記反射防止層が、ＳｉＯｘＮｙ、Ｓｉ3Ｎ4、酸化チタン、またはＩＴＯから成る、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項８】
前記前記ナノ構造層（２０）の上に配置される前記保護層（１８）がＳｉＯ2で構成される、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項９】
前記ナノ構造層（２０）が、規則的なパターンで互いに組み合わされた同一のアンテナ要素または形状および／もしくは大きさが異なるアンテナ要素から成る、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項１０】
前記ナノ構造層が、円形、多角形、三角形、もしくは四角形のアンテナ要素、対称構成で互いに交差したバーの形態、対称構成で各外側に小さな正方形が取り付けられた正方形の形状、対称構成で各隅領域に四角形凹部を備えた正方形の形状、もしくは対称構成で接線方向に４つの長方形が取り付けられ、前記長方形が単位セルの方向もしくはその４５°オフセット方向に延びた円の形状の十字形アンテナ要素、または単位セル上で六角形に配置された６つの頂点を有し、各頂点が互いに向かい合うか、もしくは頂点間の辺が互いに向かい合った星形アンテナ要素から成る、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項１１】
前記アンテナ要素（２２）が、当該光起電力セル（１０）の主延長方向と垂直に延びた円筒または直角柱として構成される、請求項１０に記載の光起電力セル。
【請求項１２】
前記アンテナ要素が、銀、銅、アルミニウム、金、およびこれらの合金から成る群から選択された金属から成る、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項１３】
前記アンテナ要素が、銀、銅、アルミニウム、金、およびこれらの合金から成る群から選択された金属から成り、前記アンテナ要素の前記吸収体層に対向する少なくとも１つの面または前記吸収体層に対向しない少なくとも１つの面が、銀、銅、アルミニウム、金、およびこれらの合金から成る群から選択された異なる金属で被覆された、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項１４】
太陽電池として構成され、前記ナノ構造層が直円筒から成る、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項１５】
前記ナノ構造層が、４００〜６００ナノメートルの距離かつ前記吸収体層まで５〜１３ナノメートルの距離の直交パターンで配置された、直径が１５０〜２５０ナノメートル、高さが５０〜９０ナノメートルの円筒から成る、請求項１４に記載の光起電力セル。
【請求項１６】
厚さが最大２００マイクロメートルの標準的な厚膜太陽電池として構成され、前記ナノ構造層の前記円筒が、直交パターンにおいて互いに４６０〜４７０ナノメートルの距離で、１８５〜１９５ナノメートルの直径と、６８〜７２ナノメートルの高さと、前記吸収体層まで８．５〜９．５ナノメートルの距離とを有する、請求項１５に記載の光起電力セル。
【請求項１７】
厚さが最大２００マイクロメートルのＨＩＴ厚膜太陽電池（１０）として構成され、前記ナノ構造層（２０）の前記円筒が、およそ１８５〜１９５ナノメートルの直径と、６８〜７２ナノメートルの高さ（ｈ）と、前記吸収体層（１２）まで８．５〜９．５ナノメートルの距離（ｄ）とを有し、互いに４８５〜４９５ナノメートルの距離の直交パターンで配置された、請求項１５に記載の光起電力セル。
【請求項１８】
前記ナノ構造層が、４００〜６００ナノメートルの距離かつ前記吸収体層（１２）まで５〜１３ナノメートルの距離（ｄ）の直交パターンで配置された、直径が２００〜３００ナノメートル、高さ（ｈ）が５０〜９０ナノメートルの円筒から成る、請求項１５に記載の光起電力セル。
【請求項１９】
入射照射の選択周波数範囲の吸収が増加した太陽電池（１０）として使用される、請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項２０】
選択周波数範囲の吸収の増加および／または選択周波数範囲にわたる光信号の減衰が図られたセンサとして使用される、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の光起電力セル。
【請求項２１】
光起電力セルを作製する方法であって、前記光起電力セル（１０）が、吸収体層（１２）およびその上に配置された反射防止層（１６）を備えるものであり、前記反射防止層（１６）には、前記吸収体層（１２）の表面までの距離が１〜５０ナノメートルである導電性材料が周期的に配置されたアンテナ要素（２２）を含むナノ構造層（２０）が配置され、
前記ナノ構造層（２０）は、前記吸収体層（１２）および保護層の適用後に、作製される、光起電力セルの作製方法。
【請求項２２】
前記ナノ構造層の作製工程が、ナノ干渉リソグラフィにより行われ、
−  エッチングによって、前記反射防止層に凹部を生成する工程と、
−  導電性材料を用いて前記ナノ構造層を２次元被覆する工程と、
−  前記フォトレジスト層を除去する工程と、
を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記フォトレジスト層の除去後、前記反射防止層（１６）を構成する材料と異なる材料からなる前記保護層が形成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記適用される保護層が二酸化ケイ素ならなる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記反射防止層が、ＳｉＯｘＮｙ、Ｓｉ3Ｎ4、酸化チタン、またはＩＴＯから成る、請求項２１〜請求項２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記吸収体層の作製後および保護層の適用後の前記ナノ構造層の作製工程が、
−  前記保護層上にフォトレジスト層を塗布する工程と、
−  ナノ構造スタンプによって、前記フォトレジスト層をエンボス加工する工程と、
−  ＵＶ光の照射により前記フォトレジスト層を現像して、ナノ構造フォトレジスト層を生成する工程と、
−  エッチングにより凹部を生成する工程と、
−  導電性材料で前記ナノ構造層を２次元被覆する工程と、
−  前記フォトレジスト層を除去する工程と、
を少なくとも含む、請求項２１〜請求項２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記ナノ構造層の作製工程が、ナノ干渉リソグラフィにより、前記吸収体層の作製後および保護層の適用後に行われた後、
−  エッチングによって、前記反射防止層に凹部を生成する工程と、
−  導電性材料を用いて前記ナノ構造層を２次元被覆する工程と、
−  前記フォトレジスト層を除去する工程と、
を含む、請求項２１〜請求項２６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射防止層が前方に配置された吸収体層を備えた光起電力セル(photovoltaic cell)、特に太陽電池(solar cell)に関するものである。
【０００２】
また、本発明は、光起電力セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽電池の製造においては、何年も前から世界中で、効率改善が試みられている。これまで、太陽電池は主にシリコンで作製されており、標準的な厚膜太陽電池は通常、最大約２００マイクロメートルの厚さを有し、単結晶シリコンで作製されている。単結晶太陽電池においては、シリコンが高品質かつ無欠陥であることが必要だが、最近は、厚さが数マイクロメートルあるいはそれ未満の薄膜太陽電池も開発中である。
【０００４】
太陽電池の効率向上に関しては、以下のような実質的に独立した物理的プロセスを伴う。
【０００５】
まず、光をセルに最適に取り込んで、可能な限り長くセル内に保持するのが望ましい。すなわち、可能な限り多くの光子がセル内に吸収されるようにする。したがって、光子管理の最適化が問題となる。
【０００６】
一方、（光吸収後の）生成電荷は、可能な限り良好に、セルから消費者へと移動させる必要がある。損失プロセスを最小限に抑えることを目的とする。すなわち、電子管理の改善が問題となる。
【０００７】
光子管理の改善は直接、太陽電池内で吸収させる光子数の増加につながる。したがって、光子管理が良好になれば、セル内の実際の電子管理とは無関係に、太陽電池の効率が高くなる。
【０００８】
太陽電池の吸収を改善するため、通常は、特にピラミッド構造または逆ピラミッド構造の形態で幾何学的に構造化された反射防止層（ＡＲ層）が用いられる。これにより、太陽電池の光子管理が大幅に改善可能となるため、効率因子が（相対的に）およそ１０％改善可能となる。すなわち、ピラミッド構造のＡＲ層を用いることによって、たとえば効率因子が２０％の太陽電池は、効率因子が２２％まで改善可能である。
【０００９】
ＡＲ層は通常、窒化ケイ素から成り、規則的なピラミッド構造として構成され、四角錘の基部の長さは通例、２〜１０マイクロメートルである。四角形基面を有するピラミッドの頂角は、およそ７０°である。
【００１０】
このようなＡＲ層には特に、太陽スペクトルのごく狭い波長範囲でしか構造が最適に機能しないという不都合がある。
【００１１】
このため、プラズモニック構造(plasmonic structure)によって光子管理を改善することが試みられている。
【００１２】
非特許文献１によれば、プラズモニックナノ構造を具備することによって、特に薄膜セルの吸収に関する問題が回避される。表面プラズモンは、金属と誘電体材料との界面における電子の固定された電磁振動であり、光を案内して少量で蓄積可能である。
【００１３】
したがって、プラズモニック構造により太陽電池を改善する第１の手法は、窒素の存在下で薄い金属層を堆積させてアニールすることにより、従来技術のシリコン太陽電池の表面にナノ粒子を適用して、離散的アイランド構造に変換することであった。ただし、得られる構造は不規則であった。
【００１４】
第２の手法によれば、コロイド状の銀ナノ粒子および金ナノ粒子が分散要素源として用いられていた。これにより、表面で、粒子の大きさが均一になり、密度分布が一様になる。この堆積方法は、結晶シリコン、非晶質シリコンとともに、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰセルにおいて用いられていた。銀ナノ粒子では、８％の効率因子の向上が部分的に確認された。
【００１５】
また、堆積ナノ粒子の高さおよび密度を制御する手段として、蒸着マスクとしてのＡＡＯマスク（「陽極酸化アルミニウム(anodic aluminum oxide)」）を利用した場合のＧａＡｓ太陽電池のナノ粒子の大きさおよび密度分布の影響についても研究がなされた。粒子間の近接場結合を原因とする粒子の高密度な高度配置において、最も大きな効率因子の向上が確認された。
【００１６】
また、銀のナノ構造ＡＲ層がシリコンの表面に及ぼす影響についても研究がなされた。ナノ構造分散物体は、セルの背面から始まって半導体中へと延びる幅１００ナノメートル、高さ５０ナノメートルのリブであった。６マイクロメートルおよび３００ナノメートルの距離について研究がなされ、これらにおいて、特定の吸収改善が確認された。
【００１７】
非特許文献２によれば、プラズモニック太陽電池構造が検討され、薄膜太陽電池において、周囲の半導体材料の吸収を改善するための金属ナノ粒子に関する強い近接場増幅を利用した共鳴プラズモニック励起がなされた。ここで、ナノ粒子は、局所的な表面プラズモニックモードで格納される入射太陽光のアンテナとして作用する。これは、５〜２０ナノメートルという小さな粒径において、特に良好に機能する。
【００１８】
大型表面のプラズモニック太陽電池構造の作製に関しては、金属層の熱蒸着による金属ナノ粒子の形成と、その後の加熱による表面上の凝集体の形成とが検討された。これにより、直径１００〜１５０ナノメートルのナノ粒子が不規則に配置されることとなった。スタンプを用いたリソグラフィ（ソフトリソグラフィによるゾルゲルマスクをゴムスタンプとともに使用）と、これに続く銀の蒸着およびその後の除去とによって、０．１ナノメートル未満の分解能が得られる。これにより、粒径が３００ナノメートルで、形状がおおよそ半球状の銀ナノ粒子の六角形配列が、およそ５００ナノメートルの距離で得られた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】V. E. Ferry. J. M. Munday、H. A. Atwaterによる「Design Considerations for Plasmonic Photovoltaics」，Advanced Materials 2010 Adv． Mater. 2010, 22, 4794-4808
【非特許文献２】H. A. AtwaterおよびA. Polmanによる「Plasmonics for improved photovoltaic devices」，Nature Materials, Vol. 9，March 2010, 205-213
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ピラミッド形状の光学反射防止層を備えた従来技術の構造およびプラズモニック構造を用いた新たな手法によって、光子管理が部分的に改善されるものの、実質的な改善が得られるほど十分には開発されていない。
【００２１】
以上を考慮して、本発明の目的は、光子管理の実質的な改善が得られる改良された光起電力セル、特に太陽電池を開示することにある。
【００２２】
また、そのような光起電力セルの製造方法も開示する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明によれば、上記目的は、反射防止層が前方に配置された吸収体層を備えた光起電力セル、特に太陽電池であって、反射防止層が、吸収体層から１〜５０ナノメートルの距離で周期的に配置された導電性材料のアンテナ要素を有するナノ構造層であり、好ましくは少なくとも一部が反射防止層の中に受け入れられたナノ構造層を備える光起電力セルによって達成される。
【００２４】
本発明の目的は、以下のようにして完全に解決される。
【００２５】
本発明によれば、吸収体層から１〜５０ナノメートルの距離に設けられた導電性材料が周期的に配置されたアンテナ要素を有するナノ構造層を使用することにより、光子管理が実質的に改善される。すなわち、太陽電池内の吸収が実質的に改善される。
【００２６】
アンテナ要素は、全太陽光スペクトル（２８０ナノメートル〜１１００ナノメートルの波長）を太陽電池に広帯域に取り込むことが可能であるとともに、従来使用されているマイクロ構造よりも長く、太陽電池内に光を保持可能である。これは、ナノアンテナ要素が吸収光を再び太陽電池内に受け止めて、太陽電池中に照らし返すためである。このように、新規のナノ構造層によって、従来技術のピラミッド形状のＡＲ層よりも光を２倍良好に吸収可能である（効率因子が（相対的に）およそ２０％改善可能）。本発明に係るナノ構造層において、周期的に配置されたアンテナ要素は、所定の近接場特性を備えた表面プラズモニックとして作用する。
【００２７】
これまで、ナノ構造層を有する従来技術において既知のプラズモニック構造は、周期的に配置されたアンテナ要素を含んでいないか、または未確定であって、広い範囲で最適化された特性が得られない。
【００２８】
本発明に係る光起電力セルは、光起電力セル自体の構造とは無関係に、すべての種類の光起電力セルについて、周期的に配置されたアンテナ要素を有するナノ構造層を利用可能であるため、特に都合が良い。
【００２９】
本発明に係る光起電力セルにおいては、プラズモニックがアンテナとして作用するため、より大きな角度範囲にわたって光が収集された後、基板中に放射される。また、赤外光の照射中のぼやけについても、モード形成すなわちセンサ層の範囲におけるモードの進展によって抑えられるため、生成された電子の収集を改善可能である。
【００３０】
本発明の好適な一展開によれば、ナノ構造層は、光起電力セルの背面コンタクトとともに、光共振器を構成する。
【００３１】
本発明の別の展開によれば、ナノ構造層は、吸収体層から２〜２０ナノメートルの距離、好ましくは５〜１５ナノメートルの距離、特に好ましくは７〜１２ナノメートルの距離に配置されている。
【００３２】
このような距離により、広い波長範囲にわたって、特に良好な特性、具体的には特に良好な吸収改善が得られることが分かっている。
【００３３】
アンテナ要素は、２００〜８００ナノメートルの距離、好ましくは２５０〜７５０ナノメートルの距離で互いに周期的に配置されているのが好ましい。ここで、個々のアンテナ要素は、互いに直角または六角形に、周期的に配置されているのが好ましい。
【００３４】
アンテナ要素の高さは、好ましくは１０〜２００ナノメートル、より好ましくは２０〜１５０ナノメートル、特に好ましくは３０〜１２０ナノメートルである。
【００３５】
アンテナ要素の横方向への最大延長(maximum extension)は、好ましくは２０〜４００ナノメートル、より好ましくは４０〜２５０ナノメートル、特に好ましくは１００〜２５０ナノメートルである。
【００３６】
アンテナ要素の横方向への最小延長(minimum extension)は、好ましくは２５ナノメートル、より好ましくは３０ナノメートル、特に好ましくは少なくとも５０ナノメートルである。
【００３７】
このような寸法により、広い範囲にわたって、特に有利な特性を特定のセル構造に適用可能となるため、特定の周波数スペクトル全体にわたって吸収が改善されるか、または特定の周波数範囲を増幅することにより、光学センサの分野においても光起電力セルを利用可能となる。
【００３８】
アンテナ要素を有するナノ構造層は、好ましくはＳｉＯｘＮｙ（たとえば、ＳｉＯ３Ｎ４）、酸化チタン、またはＩＴＯ（「インジウムスズ酸化物」）から成る反射防止層に少なくともその一部が受け入れられているのが好ましい。ナノ構造層は、その高さが部分的に反射防止層を超えて突き出ている限り、その上に適用され、たとえば酸化ケイ素で構成可能な保護層内に存在しているのが好ましい。
【００３９】
ナノ構造層は、規則的なパターンで互いに組み合わされた同一のアンテナ要素または形状および／もしくは大きさが異なるアンテナ要素から成っていてもよい。
【００４０】
本発明の別の展開によれば、ナノ構造層は、円形、多角形、三角形、もしくは四角形アンテナ要素、対称構成で互いに交差したロッドの形態、対称構成で各外側に小さな正方形が取り付けられた正方形の形状、対称構成で各隅領域に四角形凹部を備えた正方形の形状、もしくは対称構成で接線方向に４つの長方形が取り付けられ、長方形が単位セルの方向もしくは４５°オフセット方向に配置された円の形状の十字形アンテナ要素、または単位セル上で六角形に配置された６つの頂点を有し、各頂点が互いに向かい合うか、もしくは頂点間の辺が互いに向かい合った星形アンテナ要素から成る。
【００４１】
このようなアンテナ要素によって、センサとしての使用時に、特定用途の依存すなわち、特に、特定の太陽電池での吸収改善、特定の周波数範囲の明確な増幅、または特定の周波数範囲のフィルタリングを達成可能である。
【００４２】
このようなアンテナ要素は、光起電力セルの主延長方向と垂直に延びた円筒または直角柱として構成されているのが好ましい。
【００４３】
アンテナ要素は、銀、銅、アルミニウム、金、およびこれらの合金から成る群から選択された金属から成るのがさらに好ましい。
【００４４】
ほとんどの場合は銀が特に好ましいが、特定の用途に関しては、他の金属も好都合となる場合がある。
【００４５】
本発明の別の展開によれば、アンテナ要素は、銀、銅、アルミニウム、金、およびこれらの合金から成る群から選択された金属から成り、アンテナ要素の吸収体に対向する少なくとも１つの面または吸収体に対向しない少なくとも１つの面は、銀、銅、アルミニウム、金、およびこれらの合金から成る群から選択された異なる材料で被覆されている。
【００４６】
このようにアンテナ要素の一面、他面、または両面を被覆することによって、明確に改善された特性を達成可能である。
【００４７】
本発明の別の展開によれば、ナノ構造層は、直円筒から成る。これは、光起電力セルが太陽電池、特にシリコン太陽電池として構成されている場合に特に都合が良い。
【００４８】
直円筒のナノ構造層の設計により、全太陽光スペクトル範囲にわたって、特に良好な吸収改善が得られることが分かっている。
【００４９】
この構成の別の展開によれば、ナノ構造層は、４００〜６００ナノメートル、好ましくは４５０〜５１０ナノメートルの距離かつ吸収体層まで５〜１３ナノメートル、好ましくは８〜１０ナノメートルの距離の直交パターンで好ましくは配置された、直径が１５０〜２５０ナノメートル、好ましくは１８０〜２００ナノメートル、高さが５０〜９０ナノメートルの円筒から成る。
【００５０】
これにより、厚さがおよそ１８０〜２００マイクロメートルの標準的な太陽電池すなわち単結晶太陽電池について、最適化された特性が得られる。
【００５１】
本発明の別の展開によれば、この太陽電池は、厚さが最大２００マイクロメートルの標準的な厚膜太陽電池として構成され、ナノ構造層の円筒は、１８５〜１９５ナノメートル、好ましくはおよそ１９０ナノメートルの直径と、６８〜７２ナノメートル、好ましくはおよそ７０ナノメートルの高さとを有し、吸収体層まで８．５〜９．５ナノメートル、好ましくはおよそ９ナノメートルの距離かつ互いに４６０〜４７０ナノメートル、好ましくはおよそ４６５ナノメートルの距離の直交パターンで配置されている。
【００５２】
これにより、標準的な厚膜太陽電池について、最適化された条件が得られる。
【００５３】
本発明の別の展開によれば、この太陽電池は、厚さが最大２００マイクロメートルのＨＩＴ厚膜太陽電池として構成され、ナノ構造層の円筒は、およそ１８５〜１９５ナノメートル、好ましくはおよそ１９０ナノメートルの直径と、６８〜７２ナノメートル、好ましくはおよそ７０ナノメートルの高さと、吸収体層まで８．５〜９．５ナノメートル、好ましくはおよそ９ナノメートルの距離とを有し、互いに４８５〜４９５ナノメートル、好ましくはおよそ４９０ナノメートルの距離の直交パターンで配置されている。これにより、ＨＩＴ厚膜太陽電池（「真性薄膜とのヘテロ接合」−ＨＩＴ）について、最適な特性が得られる。
【００５４】
超薄膜太陽電池において、ナノ構造層は、４００〜６００ナノメートル、好ましくはおよそ５２５ナノメートルの距離かつ吸収体層まで５〜１３ナノメートル、好ましくはおよそ９ナノメートルの距離の直交パターンで好ましくは配置された、直径が２００〜３００ナノメートル、好ましくはおよそ２５０ナノメートル、高さが５０〜９０ナノメートル、好ましくはおよそ７０ナノメートルの円筒から成るのが好都合である。
【００５５】
これにより、超薄膜太陽電池に関して、理想的な条件が得られる。
【００５６】
たとえば、超薄膜太陽電池は、最大およそ１０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、たとえば厚さが２００ナノメートルの銀の背面コンタクト層と、厚さがおよそ１５０ナノメートルのシリコンの吸収体層と、たとえば厚さがおよそ４５ナノメートルの窒化ケイ素のＡＲ層と、厚さがおよそ６４ナノメートルの二酸化ケイ素の保護層とを備えたセルであってもよい。
【００５７】
本発明の別の構成によれば、この光起電力セルは、入射照射の選択周波数範囲の吸収が増加した太陽電池として利用される。
【００５８】
また、特に太陽電池の厚さに応じて、入射照射の選択周波数範囲に関する吸収を増加させることにより、部分的に未使用の赤外線部分を多く利用できるようになるため、全体として、入射光の全周波数帯にわたる放射の均一な利用が実現される。
【００５９】
本発明の別の展開によれば、この光起電力セルは、選択周波数範囲の吸収の増加および／または特定の周波数範囲にわたる光信号の減衰を含むセンサとして用いられる。
【００６０】
ナノ構造層の選択パラメータに応じて、特性を大きく変化させることにより、たとえば個々の周波数範囲の特定の増幅等、選択周波数範囲の特定の吸収を増加させることができる。逆に、特定の周波数範囲にわたって、光信号の減衰すなわち光学フィルタ機能も得られる。
【００６１】
本発明に係る光起電力セルは、吸収体およびその上の（非構造化）反射防止層を備えた光起電力セルであって、導電性材料の周期的に配置されたアンテナ要素のナノ構造層を備えた反射防止層が、吸収体表面まで１〜５０ナノメートルの距離で作製された、当該光起電力セルを製造することによって製造可能であるのが好都合である。
【００６２】
ここで、アンテナ要素の少なくとも形状、大きさ、配置、周期、および吸収体表面からの距離を光起電力セルの構造および設計パラメータに応じて適応させることにより、第１の所望の周波数範囲における吸収の増加および／または第２の周波数範囲にわたる光信号の減衰を明確に図るのが好ましい。
【００６３】
アンテナ要素を調整することにより、ナノ構造層の特性を所望の用途に対して詳細に適合させることができる。
【００６４】
ナノ構造層の作製は基本的に、所望の用途に対して適応された既知のプロセスを用いて行われる。
【００６５】
上記設計に係る光起電力セルを製造する方法は、（非構造化）吸収体層および保護層の適用後のナノ構造層を作製するために、
−  保護層上にフォトレジスト層を適用する工程と、
−  ナノ構造スタンプによって、フォトレジスト層をエンボス加工する工程と、
−  ＵＶ光の照射によりフォトレジスト層を現像して、ナノ構造フォトレジスト層を生成する工程と、
−  エッチングにより凹部を生成する工程と、
−  導電性材料でナノ構造層を２次元被覆する工程と、
−  フォトレジスト層を除去する工程と、
を少なくとも含む。
【００６６】
ここで、ナノ構造層の作製は、ナノインプリントプロセスすなわちいわゆるナノインプリントリソグラフィである。ここでは、柔軟なエンボス加工スタンプを室温で利用する。接触力は、１０００ニュートン未満である。フォトレジスト層の現像に際しては、波長範囲が３５０〜４５０ナノメートルのＵＶ光を使用する。１５ナノメートル未満の分解能が得られるとともに、１０〜２００ｍｍの基板を処理可能である。これが、いわゆるＵＶナノインプリントリソグラフィ（ＵＶ−ＮＩＬ）である。
【００６７】
あるいは、いわゆるナノ干渉リソグラフィを利用して、フォトレジスト層のパターンを生成することも可能である。
【００６８】
その他の工程は、上記工程に対応しており、すなわち、
−  エッチングによって、反射防止層に凹部を生成する工程と、
−  導電性材料によってナノ構造層を２次元被覆する工程と、
−  フォトレジスト層を除去する工程と、
を含む。
【００６９】
基本的に、ナノ構造層の生成は、完全に処理された太陽電池に行われるのが好都合であるが、反射防止層は、非構造化の状態で作製されている。すなわち、ピラミッド構造を有しない連続層として作製されている。
【００７０】
このように、太陽電池の製造においては、既知の製造プロセスを変更しないものとする。これにより、ナノ構造層を引き続き生成可能であるとともに、その後、好ましくは二酸化ケイ素から成る保護層を適用して再び封止することができる。
【００７１】
このように、既知の製造プロセスに合わせて、ナノ構造層の製造を容易に調整することができる。
【００７２】
本発明の上記特徴および後述の特徴は、所与の組み合わせのみならず、本発明の範囲から逸脱することなく、異なる組み合わせまたは独立して利用可能であることが了解される。
【００７３】
本発明のその他の特徴および利点については、以下のような図面を参照した好適な実施形態の説明から導出可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る、太陽電池の簡易断面図である。
【図２】(ａ)〜(ｃ)は、ＵＶナノリソグラフィプロセスを実行してナノ構造層を生成するさまざまな工程を示す図である。
【図３ａ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｂ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｃ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｄ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｅ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｆ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｇ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｈ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｉ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｊ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｋ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｌ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｍ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｎ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｏ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｐ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｑ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｒ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図３ｓ】アンテナ要素のさまざまな構成および空間配置を示す図である。
【図４ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図４ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図４ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図４ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図４ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図４ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図４ｇ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図５ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図５ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図５ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図５ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図５ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図５ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図６ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図６ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図６ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図６ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図６ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図６ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図７ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図７ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図７ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図７ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図７ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図７ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図８ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図８ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図８ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図８ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図８ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図８ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図９ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図９ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図９ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１０ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１０ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１０ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１１ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１１ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１１ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１１ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１１ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１１ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１２ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１２ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１２ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１２ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１２ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１３ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１３ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１３ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１３ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１３ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１３ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１４ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１４ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１４ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１４ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１４ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１４ｆ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１５ａ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１５ｂ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１５ｃ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１５ｄ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【図１５ｅ】アンテナ要素の選択構成における波長に応じて吸収の増加を演算したさまざまなシミュレーション結果をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
図１には、太陽電池として構成された光起電力セルを全体として番号１０で示している。これは、たとえば吸収層１２、銀の背面コンタクト層１４、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の前面反射防止層１６、およびその上の二酸化ケイ素の保護層を備えた（単結晶）シリコンの標準的な厚膜太陽電池である。また、アンテナ要素２２を具備したナノ構造層２０の一部がＡＲ層１６に受入れられるとともに、保護層１８へと突き出ている。ナノ構造層２０の高さはｈであり、吸収体層１２からの距離はｄである。
【００７６】
個々のアンテナ要素は、たとえば銀から成っていてもよいし、それぞれが銅、アルミニウム、金、またはこれらの合金等の異なる材料から成っていてもよく、場合により、ＡＲ層１６側またはその反対側が異なる材料で被覆されていてもよい。たとえば、銀から成っていてもよく、ＡＲ側が金で被覆されていてもよい。アンテナ要素２２の形状、大きさ、配置、さらにパラメータを広範に変化させることにより、各用途に対して適合したナノ構造層の特性を生成することができる。また、アンテナ要素２２は、背面コンタクト１４とともに、光共振器を構成しており、アンテナ要素２２がプラズモンとして作用する。
【００７７】
さまざまなパラメータのシミュレーションにより、各用途の場合について、最適な設計パラメータの集合を決定することができる。ここで、波長に応じた吸収の増加をシミュレーションにより演算可能であり、「ｇ（λ）＝ナノ構造層を用いた吸収／ナノ構造層を用いない吸収」として規定される。因子ｇが１より大きい限り、ナノ構造層によって、吸収の改善が得られる。このようなシミュレーション結果については、図４ａ〜図４ｅに例示して、以下に説明する。
【００７８】
基本的に、ナノ構造層２０の作製は、各手順に合わせて調整される従来技術において既知のプロセスを用いて行われる。ここで、光起電力セルまたは太陽電池はそれぞれ、従来技術において既知のプロセスに従って完成され、その後にのみ、ナノ構造層が適用されるのが好ましい。また、反射防止層（ＡＲ層）１６のみが２次元層として生成され、従来技術において既知のように、ピラミッドパターンとして構造化されることはない。
【００７９】
ナノ構造層２０を後で生成することの利点は、既知のプロセスに従ってダイ(die)光電変換セルを完全に処理することにより、プロセスの変更を不要にできるという事実に基づく。
【００８０】
図２を参照して、ＵＶ−ＮＩＬプロセスに従ったナノ構造層２０の製法を簡単に説明する。
【００８１】
ここではまず、従来技術において既知であるとともに上記説明したように（ただし、２次元のＡＲ層１６を備える）、太陽電池を作製する。その後、たとえばスピンコートによって、保護層１８上にフォトレジスト層を適用する。図２（ａ）のようなフォトレジスト層２６を備えた基板２４が得られる。この場合の基板２４は、太陽電池１０の保護層１８である（ＡＲ層１６の適用直後かつ保護層１８の適用前に開始することも考えられる）。フォトレジスト層２６はその後、ナノ構造層２０のパターンを有するスタンプ２８によってパターン化される。
【００８２】
図２（ｂ）の矢印３０で示すように、室温で１０００ニュートン未満の接触力により、図２（ｂ）に示されるゴムから成る柔軟なスタンプ２８を押し付ける。これにより、スタンプ２８の構造がフォトレジスト層２６に転写される。図２（ｂ）のこの工程において、およそ３５０〜４５０ナノメートルの光のＵＶ照射により、フォトレジスト層２６を硬化させる。図２（ｃ）のようにスタンプ２８の除去後、ナノ構造フォトレジスト層２６を備えた基板２４がその表面に残留する。
【００８３】
その後、エッチング（ドライエッチング）による処理をさらに行って、銀等の所望の金属層で２次元被覆を行い、最後にフォトレジスト層を除去する。ナノ構造層２０には、所望の配置かつ吸収体層１２に対する所望の距離で、離散したアンテナ要素２２が残留する。エッチング中、被覆中のプロセス実行およびスタンプによるフォトレジスト層へのインプリントの適用深さに応じて、所望の設計パラメータのナノ構造層を生成可能である。個々のアンテナ要素２２は、その高さに応じて、ＡＲ層１６から上方に突き出るか、またはＡＲ層１６に完全に受入れられる。その後、最終工程として、通常は二酸化ケイ素を用いることにより、表面への保護層の適用を実行する。
【００８４】
太陽電池の前面の接触フィンガー電極については、太陽電池１０の各製造方法によって一般的に生成されるため、上記においてはその説明を省略した。
【００８５】
本発明は、上記のようなナノ構造層２０の作製方法だけではなく、実質的に、ナノ構造層の構造、構成、および設計に関する。
【００８６】
図３ａ〜図３ｓに、アンテナ要素２２の一連の設計変形例を示している。いずれにおいても、１つの単位セル（周期Ｐ）の上面図を示している。
【００８７】
説明するすべての場合において、各アンテナ要素は、高さ方向に真っ直ぐ延びており、すなわち、それぞれ直円筒または直角柱として構成されていることに留意するものとする。
【００８８】
図３ａおよび図３ｂには、六角形アンテナ要素の六角形構成を示している。図３ａによれば、側面が互いに平行である一方、図３ｂによれば、隅部が互いに向かい合っている。
【００８９】
図３ｃおよび図３ｄには、中央の六角形アンテナ要素とそれぞれ直交構成の三角形との組み合わせを示している。図３ｃによれば、六角形の頂点が三角形と向かい合う一方、図３ｄによれば、六角形の側面が三角形と向かい合っている。
【００９０】
図３ｅおよび図３ｆは、それぞれ図３ｂおよび図３ａに対応する。
【００９１】
図３ｇおよび図３ｈには、星形アンテナ要素を示している。図３ｇは、六角形構成を示しており、星形アンテナ要素の頂点が互いに向かい合っている。一方、図３ｈによれば、星形アンテナ要素の各辺が互いに向かい合っている。
【００９２】
図３ｉは、四角形アンテナ要素の六角形構成を示している。
【００９３】
図３ｊおよび図３ｋには、正方形と三角形との組み合わせを示しており、それぞれ、中央の正方形と直交構成の側面の三角形とを備える。図３ｊによれば、正方形の側面が単位セルと平行になるように配置される一方、図３ｋによれば、正方形が４５°回転して、頂点が三角形と向かい合っている。
【００９４】
図３ｌ〜図３ｐには、異なる交差構造を示している。これらはそれぞれ、直交構成である。図３ｌによれば、中央に大きな正方形があり、この大きな正方形の側面に、小さな正方形がそれぞれ対称構成で適用されている。
【００９５】
図３ｍは、互いに交差した２つのバーから成る交差構造を示している。
【００９６】
図３ｎは、各隅部で小さな正方形が切り取られた大きな正方形の交差構造を示している。
【００９７】
図３ｏは、中央の円の外側に、互いに９０°の角度距離で小さな正方形が適用された交差構造を示している。図３ｏによれば、正方形は、４５°回転することにより、単位セルの隅部と向かい合っている。図３ｐによれば、適用された正方形が、単位セルの側面と平行である。
【００９８】
図３ｑは、円筒の六角形構成を示している。
【００９９】
図３ｒは、正三角形の六角形構成を示している。
【０１００】
図３ｓは、直交構成の円筒を示している。
【０１０１】
使用した設計パラメータを表１〜表２８にまとめる。ここでは、いずれにおいても、各図を参照している。
【０１０２】
【表１】
2019036755.tif 000003
【０１０３】
【表２】
2019036755.tif 000004
【０１０４】
【表３】
2019036755.tif 000005
【０１０５】
【表４】
2019036755.tif 000006
【０１０６】
【表５】
2019036755.tif 000007
【０１０７】
【表６】
2019036755.tif 000008
【０１０８】
【表７】
2019036755.tif 000009
【０１０９】
【表８】
2019036755.tif 000010
【０１１０】
【表９】
2019036755.tif 000011
【０１１１】
【表１０】
2019036755.tif 000012
【０１１２】
【表１１】
2019036755.tif 000013
【０１１３】
【表１２】
2019036755.tif 000014
【０１１４】
【表１３】
2019036755.tif 000015
【０１１５】
【表１４】
2019036755.tif 000016
【０１１６】
【表１５】
2019036755.tif 000017
【０１１７】
【表１６】
2019036755.tif 000018
【０１１８】
【表１７】
2019036755.tif 000019
【０１１９】
【表１８】
2019036755.tif 000020
【０１２０】
特に、付加的なシリーズ１９〜２８として、別のシミュレーション結果もまとめている。これらは、図３ｓに係る直交構成(orthogonal configuration)の各円筒に関する。
【０１２１】
【表１９】
2019036755.tif 000021
【０１２２】
【表２０】
2019036755.tif 000022
【０１２３】
【表２１】
2019036755.tif 000023
【０１２４】
【表２２】
2019036755.tif 000024
【０１２５】
【表２３】
2019036755.tif 000025
【０１２６】
【表２４】
2019036755.tif 000026
【０１２７】
【表２５】
2019036755.tif 000027
【０１２８】
【表２６】
2019036755.tif 000028
【０１２９】
【表２７】
2019036755.tif 000029
【０１３０】
【表２８】
2019036755.tif 000030
【０１３１】
波長に応じて演算した吸収の増加ｇを表す選択的なシミュレーション結果を図４〜図１５にまとめる。個々の表示から分かるように、選択的な波長範囲においては、部分的に大きな吸収の増加が見られる。このように、反射防止層内のプラズモンの特性によって、光子管理が改善可能となるのみならず、特定の設計パラメータを使用することにより、それぞれ光学フィルタ機能または信号減衰と同時に、特定の波長範囲の増幅を達成可能である。したがって、ナノアンテナ要素２２は、その設計パラメータを変化させることにより、光学センサに関して、特性に影響を及ぼすことができる。
【０１３２】
図４ａ〜図４ｇは、シリーズ１１（表１１参照）の交差構造に係るシミュレーション結果を示している。この波長に応じた吸収の増加の表示は、およそ１０５０ナノメートルおよび７２５ナノメートルにおいて、最大６倍の増幅を伴う２つの強いピークを示している。その他の周波数範囲は、およそ５５０ナノメートルの範囲まで、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３３】
図５ａ〜図５ｆは、シリーズ１２および１３の交差構造に関するシミュレーション結果を示している。１０５０および８２５ナノメートルにおいて、最大１６倍の増幅を伴う２つの強いピークが存在していることが分かる。その他の周波数領域は、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３４】
図６ａ〜図６ｆは、シリーズ１６の交差構造のシミュレーション結果を示している。およそ１０５０ナノメートルおよびおよそ７２５ナノメートルにおいて、最大６倍の増幅を伴う２つの強いピークが見られる。その他の周波数領域は、およそ５５０ナノメートルの領域まで、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３５】
図７ａ〜図７ｆは、シリーズ１５の交差構造のシミュレーション結果を示している。およそ１０００ナノメートルおよびおよそ７５０ナノメートルにおいて、最大４倍の増幅を伴う２つの非常に強いピークが存在していることが分かる。その他の周波数領域は、およそ５５０ナノメートルの領域まで、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３６】
図８ａ〜図８ｆは、シリーズ１７の三角形構造に関するシミュレーション結果を示している。およそ１０５０ナノメートルにおいて、最大１９倍の増幅を伴う非常に強いピークが得られていることが分かる。その他の周波数領域は、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３７】
図９ａ〜図９ｃは、シリーズ６および７の星構造に関するシミュレーション結果を示している。およそ８２５ナノメートルにおいて、最大３．３倍の増幅を伴う非常に強いピークが得られていることが分かる。その他の周波数領域は、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３８】
図１０〜図１５は、シリーズ８の正方形構造のシミュレーション結果を示している。およそ１１００ナノメートル、８５０ナノメートル、および７２５ナノメートルにおいて、最大７倍の増幅を伴う３つの強いピークが見られる。その他の周波数領域は、無影響のままであるか、または相対的に弱くしか増幅されていない。ピークの位置および高さはそれぞれ、設計パラメータの影響を受けている可能性がある。
【０１３９】
図１０〜図１５のシミュレーション結果から、全体として、さまざまな設計パラメータの変更により、具体的には特定の周波数領域を増幅する吸収特性が影響を受ける可能性があり、センサとしての用途に好都合であることが分かる。
【０１４０】
厚さ１５０ナノメートルのシリコンの吸収層、厚さおよそ２００ナノメートルの銀の背面コンタクト、厚さおよそ４５ナノメートルのＳｉ３Ｎ４の反射防止層１６、および厚さおよそ６４ナノメートルの二酸化ケイ素の保護層を備えた超薄膜太陽電池については、以下のパラメータを最適な設計パラメータとして決定した。
【０１４１】
アンテナ要素２２は、周期５２５ナノメートルの直交構成の円筒である。半径は１２５ナノメートルであり、高さｈは７０ナノメートルである。吸収体層１２からの距離ｄは、９ナノメートルである。
【０１４２】
厚さおよそ１８０〜２００マイクロメートルの標準的な厚膜太陽電池の最適なパラメータとして、以下を決定した。
【０１４３】
周期４６４．７５ナノメートルの直交構成のアンテナ要素の円筒形状であって、当該円筒の半径は９５ナノメートル、高さｈは７０ナノメートルである。吸収体層１２からの距離ｄは、９ナノメートルである。
【０１４４】
厚膜ＨＩＴセルの場合、周期は、４９０ナノメートルが最適である。
【図１】
2019036755.tif 000031
【図２】
2019036755.tif 000032
【図３ａ】
2019036755.tif 000033
【図３ｂ】
2019036755.tif 000034
【図３ｃ】
2019036755.tif 000035
【図３ｄ】
2019036755.tif 000036
【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図３ｇ】
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【図３ｈ】
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【図３ｉ】
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【図３ｊ】
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【図３ｋ】
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【図３ｌ】
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【図３ｍ】
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【図３ｎ】
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【図３ｏ】
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【図３ｐ】
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【図３ｑ】
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【図３ｒ】
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【図３ｓ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１１ｅ】
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【図１１ｆ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１２ｅ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１３ｅ】
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【図１３ｆ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１４ｅ】
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【図１４ｆ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１５ｅ】
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