(57)【要約】  本発明は、略平面でありパターニング構造を有する金属薄膜層であって、前記金属薄膜層を介して入射光を透過させるように配置される金属薄膜層を含む、電極を開示した。前記パターニング構造を有する金属薄膜層により、光起電力用途と光電用途に適用される電極を製造する時に、比較的に厚い透明導電性酸化物（ＴＣＯ）膜を利用する必要がなくなり、高導電性及び高透過率を確保することができる。【選択図】図２Ａ
2013544024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平面でありパターニング構造を有する金属薄膜層であって、前記金属薄膜層を介して入射光を透過させるように配置される金属薄膜層を含む、電極。
【請求項２】
前記パターニング構造は、Ｅｓｃｈｅｒｉｃシリーズのパターンである、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記パターニング構造は、円孔アレイを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記円孔アレイにおける円孔は周期的に分布されるか又はランダムに分布される、請求項３に記載の電極。
【請求項５】
前記パターニング構造は、複数本の平行な直線を含む、請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記パターニング構造は、複数本の十字交叉型直線を含む、請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記直線又は十字交叉型直線は周期的に分布されるか又はランダムに分布される、請求項５又は６に記載の電極。
【請求項８】
前記金属薄膜層は、可視光、近赤外光又は赤外光に対して透過可能である請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記金属薄膜層の表面粗さは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満又は１ｎｍ未満である、請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
前記金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は、０．００５Ω・ｍ未満、０．００２Ω・ｍ未満、又は０．００１Ω・ｍ未満である、請求項１に記載の電極。
【請求項１１】
前記金属薄膜層は、微小球リソグラフィ工程によって製造されたものである、請求項１に記載の電極。
【請求項１２】
前記金属薄膜層のシート抵抗は下記式により算出され、
【数１】
2013544024.tif 000007
式中、Ｒｓｑは前記金属薄膜層のシート抵抗で、ρは前記金属薄膜層を製造する材料の抵抗率で、ｄは前記金属薄膜層の厚さで、Ｒは微小球リソグラフィ過程を行う前の微小球半径で、ｒは微小球半径縮小処理を行った後の微小球半径である、請求項１１に記載の電極。
【請求項１３】
前記微小球はポリスチレン又はシリカを用いて製造したものである、請求項１２に記載の電極。
【請求項１４】
ｄの数値範囲は５〜１０００ｎｍ、Ｒの数値範囲は１０ｎｍ〜１０μｍ、且つｒ＜Ｒである、請求項１２に記載の電極。
【請求項１５】
基板上に有機物微小球を蒸着する工程と、
前記有機物微小球をエッチバックすることにより、前記基板の表面の一部を露出する工程と、
前記微小球と露出した基板の表面上に金属を蒸着する工程と、
前記微小球を剥離することにより、パターニング構造を有する金属導電性薄膜層を形成する工程と、を含み、
前記金属導電性薄膜層は、前記金属導電性薄膜層を介して入射光を透過させるように配置される、電極の製造方法。
【請求項１６】
前記パターニング構造は、円孔アレイ、複数本の平行直線又は複数本の十字交叉型直線を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
光吸収材料層上に積層される電極であって、
第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを含み、
前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、
前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される、電極。
【請求項１８】
前記平面金属薄膜層パターンは、さらに、第２の寸法と第２の形状を有する第２のマイクロストリップアレイと、第３の寸法と第３の形状を有する第３のマイクロストリップアレイとを含み、
前記平面金属薄膜層パターンは、第２の波長範囲内の入射光及び第３の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、
前記第２の波長範囲は少なくとも部分的に前記第２のマイクロストリップアレイの第２の寸法と第２の形状に基づいて確定され、前記第３の波長範囲は少なくとも部分的に前記第３のマイクロストリップアレイの第３の寸法と第３の形状に基づいて確定される、請求項１７に記載の電極。
【請求項１９】
前記平面金属薄膜層パターンは、透過範囲内の光の透過率が９０％より大きい、請求項１７に記載の電極。
【請求項２０】
前記光吸収材料層は、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合又は複数の接合を含む、請求項１７に記載の電極。
【請求項２１】
前記光吸収材料は、光起電力材料を含む、請求項１７に記載の電極。
【請求項２２】
前記光吸収材料は、シリコン、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｃｕ２Ｏ、Ｚｎ３Ｐ２、ＳｉＣの何れか一つを含む、請求項１７に記載の電極。
【請求項２３】
前記マイクロストリップは長方形である、請求項１７に記載の電極。
【請求項２４】
前記平面金属薄膜層パターンは、可視光、近赤外光又は赤外光に対して透過可能である、請求項１７に記載の電極。
【請求項２５】
前記平面金属薄膜層の表面粗さは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、又は１ｎｍ未満である、請求項１７に記載の電極。
【請求項２６】
前記平面金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は０．００５Ω・ｍ未満、０．００２Ω・ｍ未満、又は０．００１Ω・ｍ未満である、請求項１７に記載の電極。
【請求項２７】
前記マイクロストリップを透過する光の波長とマイクロストリップの寸法及び形状との間の共振関係は、下記式のようであり
【数２】
2013544024.tif 000008
式中、ｌはマイクロストリップ長さ、λはマイクロストリップを透過する光の波長、ｎは光吸収材料の屈折率、ｓは任意の正整数である請求項１７に記載の電極。
【請求項２８】
光吸収材料層上に金属層を蒸着する工程と、
前記金属層に対してパターニングを行うことにより、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを生成する工程と、を含み、
前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、
前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される、電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力用途及び光電用途の分野に関し、より具体的に、光起電力用途又は光電用途に適用される電極及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
社会の発展につれて、石油、石炭等の従来のエネルギー源の地球上の貯蔵量が漸次に減少し、太陽エネルギーが従来のエネルギー源の代替品として、ますます人々に注目されている。光起電力用途において、太陽電池は太陽光を直接電気エネルギーに変換する光電技術での核心となる素子であり、且つ宇宙から家庭に至る各種の用途に広く適用されている。
【０００３】
太陽電池の核心はＰ−Ｎ接合である。エネルギーが半導体のバンドギャップエネルギーより高い太陽光が太陽電池のＰ−Ｎ接合上に入射する時に、電子と空洞の対を生成する。Ｐ−Ｎ接合上に発生された電界による作用で、電子がＮ層に移動するとともに、空洞がＰ層に移動することにより、Ｐ層とＮ層との間に光電効果が発生する。太陽電池の両端が負荷又はシステムに接続される時に、電流形態の電気エネルギーを生成することができる。
【０００４】
真性層（即ち、光吸収層）を形成する材料によって、太陽電池は複数種の類型に分けられる。一般的には、シリコンからなる真性層を有するシリコン太陽電池が最も普及されている。従来、二種類のシリコン太陽電池、つまり結晶型（単結晶又は多結晶）太陽電池と薄膜型（アモルファス又は微結晶）太陽電池がある。この二種類の太陽電池に加え、テルル化カドミウム又は銅・インジウム・セレニウム（ＣＩＳ、ＣｕＩｎＳｅ２）化合物薄膜太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族材料に基づく太陽電池、色素増感（ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ）太陽電池、有機太陽電池等がある。
【０００５】
単結晶シリコン基板型太陽電池は、他の類型の太陽電池に比べ、顕著な高変換効率を有しているが、単結晶シリコンチップを利用したので製造コストが高くなることが致命的な欠陥となっている。また、多結晶シリコン太陽電池は、相対的に低い製造コストで生産できるが、多結晶シリコン太陽電池と単結晶シリコン太陽電池は大きい差別がない。なぜなら、この二種類の太陽電池は、何れも多量の原材料で製造され、それらの原材料の価格が高く、且つそれらの製造過程が複雑なので、製造コストを削減し難いからである。
【０００６】
これらの結晶類太陽電池の欠陥を解決するための一つの形態として、薄膜型シリコン太陽電池は広く注目されている。それは、主に、吸収層として例えばガラス上にシリコン薄膜を蒸着することにより生産コストが非常に低くなるからである。実際的には、薄膜型シリコン太陽電池を結晶型太陽電池の百分の一にまで薄く製造することができる。
【０００７】
薄膜型太陽電池は、ガラス等の材料製の基板上に前面（裏面）電極を形成するステップ、前面（裏面）電極上に半導体層を形成するステップ、及び半導体層上に裏面（前面）電極を形成するステップの順で実行することにより製造される。
【０００８】
従来の太陽電池製造技術では、通常、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）厚膜（約１μｍ厚さのレベル）を利用して電極を製造する。そして、フォトリソグラフィ法を用いたエッチング工程、化学溶液を用いた異方性エッチング工程、又は機械的エッチング工程によって当該ＴＣＯ厚膜の表面に対してテクスチャを行うことにより、不平坦表面を形成し、これによって、太陽スペクトルのうち吸収が比較的に悪い部分の光に対する光捕捉を実現する。図１Ａは、このような技術を利用した太陽電池の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像及び当該太陽電池を示す概略図である。図１Ｂは、テクスチャ処理された後のＺｎＯ膜上に成長するμｃ−Ｓｉ：Ｈ膜の画像を示す図である。
【０００９】
図１Ａにおいて、上記ＳＥＭ画像における灰色領域は、高度テクスチャされたＺｎＯ：Ｂ（ボロンドーピングされた酸化亜鉛）膜を示す。２つの黒色領域は、２つのＰＩＮ接合（上方はａ−Ｓｉ：Ｈ、下方はμｃ−Ｓｉ：Ｈ）を示す。同図から明瞭に分かるように、２つのＰＩＮ接合膜の表面は不平坦であるので、下層の表面も粗くかつテクスチャされている。この点について、図１Ｂからより明確に見える。このようなテクスチャされたことによる接合表面の粗さにより、接合の品質が低下し、例えば低分路抵抗、高暗電流、高キャリア再結合率、低曲線因子及び低開路電圧になるので、太陽電池のエネルギー変換効率と信頼性を低下している。
【００１０】
また、このような光捕捉方式は、吸収体のバンドギャップエネルギーの周波数範囲（即ち、近赤外線周波数）に非常に近い場合、効率が高くないので、当該周波数範囲の光は主に吸収体により吸収される。これによって、厚い吸収体を利用する必要があるので、接合の性能がさらに低下し、特に吸収層がａ−Ｓｉ：Ｈ接合の場合に、ステーブラー‐ロンスキー効果（ＳＷＥ）により、接合の性能はさらに低下する。且つ、特に吸収層がμｃ−Ｓｉ：Ｈの場合に、蒸着時間が長くなることがある。
また、テクスチャされたＴＣＯ膜を蒸着することは、高温と高コストが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記問題を解決するために、本発明は、電極を製造する時に透明導電性酸化物膜を利用しないか又はその利用が極めて少ないとともに、テクスチャリング工程を必要としないことにより、テクスチャ面導電性酸化物厚膜による接合の品質の低下を防止する、電極及びその製造方法を提供することを目的とする。また、当該平面電極は、ウインドウスーパーストレイト（ｗｉｎｄｏｗ  Ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）として用いることにより、当該平面電極上に高品質の平面ＰＶ接合を蒸着することができる。
【００１２】
また、本発明は、太陽電池を製造する時に裏面電極に対するテクスチャ処理を必要としない電極及びその製造方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一つの形態によれば、略平面でありパターニング構造を有する金属薄膜層であって、入射光が前記金属薄膜層を介して透過するように配置される金属薄膜層を含む、電極を提供する。
【００１４】
また、前記パターニング構造は、Ｅｓｃｈｅｒｉｃシリーズのパターンであってもよい。
【００１５】
一つの例では、前記パターニング構造は円孔アレイを含んでもよい。好ましくは、前記円孔アレイにおける円孔は周期的に分布されるか又はランダムに分布されてもよい。
【００１６】
他の例では、前記パターニング構造は、複数本の平行直線を含んでもよい。又は、前記パターニング構造は、複数本の十字交叉型直線を含んでもよい。一つ又は複数の例では、前記平行直線又は十字交叉型直線は周期的に分布されるか又はランダムに分布されてもよい。
【００１７】
また、前記金属薄膜層は、可視光、近赤外光又は赤外光に対して透過可能である。
【００１８】
好ましくは、前記金属薄膜層の表面粗さは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満又は１ｎｍ未満である。
【００１９】
また、好ましくは、前記金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は、０．００５Ω・ｍ未満、０．００２Ω・ｍ未満又は０．００１Ω・ｍ未満である。
【００２０】
また、前記金属薄膜層は、微小球リソグラフィ工程により製造したものである。前記金属薄膜層のシート抵抗は下記式により算出される。
【数１】
2013544024.tif 000003
式中、Ｒｓｑは前記金属薄膜層のシート抵抗、ρは前記金属薄膜層を製造する材料の抵抗率、ｄは前記金属薄膜層の厚さ、Ｒは微小球リソグラフィ過程を行う前の微小球半径、ｒは微小球半径縮小処理を行った後の微小球半径である。
【００２１】
好ましくは、前記微小球はポリスチレンを用いて製造されてもよく、シリカなどの無機材料を用いて製造されてもよい。
【００２２】
好ましくは、前記金属薄膜層を製造するための材料はＡｇであり、ｄ＝４０ｎｍ、Ｒ＝２２０ｎｍ及びｒ＝２１１ｎｍである。
【００２３】
また、ｄの数値範囲は５〜１０００ｎｍ、Ｒの数値範囲は１０ｎｍ〜１０μｍ、且つｒ＜Ｒである。
【００２４】
本発明の他の形態によれば、基板上に微小球を蒸着する工程と、前記有機物微小球をエッチバック（ｅｔｃｈ  ｂａｃｋ）することにより、前記基板の表面の一部を露出する工程と、前記微小球と露出した基板の表面上に金属を蒸着する工程と、前記微小球を剥離することにより、パターニング構造を有する金属導電性薄膜層を形成する工程と、を含み、前記金属導電性薄膜層は、入射光を前記金属導電性薄膜層を介して透過させるように配置される、電極の製造方法を提供する。
【００２５】
また、前記パターニング構造は、円孔アレイ、複数本の平行直線又は複数本の十字交叉型直線を含む。
【００２６】
本発明の他の形態によれば、光吸収材料層上に積層する電極であって、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを含み、前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される、電極を提供する。
【００２７】
また、好ましくは、前記平面金属薄膜層パターンは、さらに、第２の寸法と第２の形状を有する第２のマイクロストリップアレイと、第３の寸法と第３の形状を有する第３のマイクロストリップアレイとを含み、前記平面金属薄膜層パターンは、第２の波長範囲内の入射光及び第３の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、前記第２の波長範囲は少なくとも部分的に前記第２のマイクロストリップアレイの第２の寸法と第２の形状に基づいて確定され、前記第３の波長範囲は少なくとも部分的に前記第３のマイクロストリップアレイの第３の寸法と第３の形状に基づいて確定される。
【００２８】
また、前記光吸収材料層は、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合又は複数の接合を含む。
【００２９】
一つの例では、前記光吸収材料は、光起電力材料を含む。他の例では、前記光吸収材料は、シリコン、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｃｕ２Ｏ、Ｚｎ３Ｐ２、ＳｉＣの何れか一つを含む。
【００３０】
好ましくは、前記マイクロストリップは長方形である。
【００３１】
また、前記平面金属薄膜層の表面粗さは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、又は１ｎｍ未満である。前記平面金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は０．００５Ω・ｍ未満、０．００２Ω・ｍ未満、又は０．００１Ω・ｍ未満である。
【００３２】
また、前記マイクロストリップを透過する光の波長とマイクロストリップの寸法及び形状との間の共振関係は、下記式の示す通りである。
【数２】
2013544024.tif 000004
式中、ｌはマイクロストリップの長さ、λはマイクロストリップを透過する光の波長、ｎは光吸収材料の屈折率、ｓは任意の正整数である。
【００３３】
本発明の他の形態によれば、光吸収材料層上に金属層を蒸着する工程と、前記金属層に対してパターニングを行うことにより、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを生成する工程と、を含み、前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される、電極の製造方法を提供する。
【００３４】
上記の目的を実現するために、本発明の一つの又は複数の形態は、下記において詳しく説明するとともに特許請求の範囲に特別に指摘された特徴を含む。下記の説明及び図面は、本発明の幾つかの例示形態を詳しく説明する。しかし、これらの形態が示すのは、本発明の原理を利用できる各種の形態のうち一部の形態に過ぎない。また、本発明は、これらの形態及びそれらの同等物を含む。
【００３５】
下記のように図面を参照する説明及び特許請求の範囲の内容を参照することによって、本発明の他の目的及び特徴は、より明らかになる。全ての図面において、同一の符号は、類似又は相応の特徴又は機能を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】上記のような技術を利用した太陽電池の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像及び当該太陽電池を示す概略図である。
【図１Ｂ】テクスチャ処理された後のＺｎＯ膜上に成長したμｃ−Ｓｉ：Ｈ膜の画像を示す図である。
【図２Ａ】微小球リソグラフィ技術で製造された第１の実施態様に係る電極サンプル１の構造を示す図であり、フォトリソグラフィを行う前のポリスチレン球の半径はＲ＝２２０ｎｍであり、減小処理後のポリスチレン球の半径はｒ＝１７０ｎｍであり、石英基板上に蒸着する金属膜は３ｎｍのＣｒに２５ｎｍ程度のＡｕを加えたものである。
【図２Ｂ】微小球リソグラフィ技術で製造される第１の実施態様に係る電極サンプル２の構造を示す図であり、フォトリソグラフィを行う前のポリスチレン球の半径Ｒ＝２２０ｎｍであり、減小処理後のポリスチレン球の半径ｒ＝１９２．５ｎｍであり、石英基板上に蒸着する金属膜は３ｎｍのＣｒに２５ｎｍ程度のＡｕを加えたものである。
【図３】測定されたサンプル１、サンプル２（石英基板を含む）及び石英基板の透過率と光波長との間の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施態様に係る最適なサンプル３の透過率（Ｔ）、吸収率（Ａ）及び反射率（Ｒ）と光波長との間の関係を示す図であり、サンプルを製造するために利用する材料はＡｇであり、フォトリソグラフィを行う前のポリスチレン球の半径はＲ＝２２０ｎｍ、微小球半径減少処理を行った後のポリスチレン球の半径ｒ＝２１１ｎｍ、平面金属薄膜層の膜厚はｄ＝４０ｎｍである。
【図５】微小球リソグラフィ技術で金属を蒸発させる過程、及び本発明の第１の実施態様に係るパターニング構造が複数本の平行直線である電極のＳＥＭ画像を示す図である。
【図６】パターニング構造が十字交叉型直線である時、基板を有する場合にライン間距離が３９０ｎｍ、４００ｎｍ、４１０ｎｍ及び４２０ｎｍの時の透過率と光波長との間の関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施態様に係る電極の製造方法を示す概略フローチャートである。
【図８】ＮＳＬ中のマスクの製造過程を示す図である。
【図９】図８中のマスクに対してＲＩＥを行う過程を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施態様に係る単ピーク型電極を示す概略図である。
【図１１】図１０中の単ピーク型電極がマイクロストリップ長さがそれぞれ１５０ｎｍ、１６０ｎｍ、１７０ｎｍ及び１８０ｎｍの時の吸収率と光周波数との間の関係を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施態様に係る３−ピーク型電極を示す概略図である。
【図１３】本発明の第２の実施態様に係る５−ピーク型電極の吸収率と光周波数との間の関係を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施態様に係る電極の製造方法を示す概略フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照しながら本発明の各実施態様に対して詳細に記述する。以下の記述では、説明を行う目的から、一つの又は複数の実施態様に対する全面的な理解を手伝うために、多くの具体的な詳細内容を記述する。しかし、これらの具体的な詳細内容がない場合でもこれらの実施態様を実現可能なのはいうまでもない。他の例中では、一つの又は複数の実施態様の説明の便利さから、公知の構造と設備はブロック図の形式で示される。
【００３８】
第１の実施態様
本発明の第１の実施態様に係る電極は、略平面でありパターニング構造を有する金属薄膜層を含むことができ、前記金属薄膜層は入射光を前記金属薄膜層を介して透過するように配置される。
【００３９】
図２Ａは微小球リソグラフィ技術で製造される第１の実施態様に係る電極サンプル２００−１の構造を示す図であり、フォトリソグラフィを行う前のポリスチレン球の半径Ｒ＝２２０ｎｍであり、微小球半径減小処理を行った後のポリスチレン球の半径ｒ＝１７０ｎｍであり、石英基板上に蒸着する金属膜は３ｎｍのＣｒに２５ｎｍ程度のＡｕを加えたものである。図２Ｂは微小球リソグラフィ技術で製造される第１の実施態様に係る電極サンプル２００−２の構造を示す図であり、フォトリソグラフィを行う前のポリスチレン球の半径Ｒ＝２２０ｎｍであり、微小球半径減小処理を行った後のポリスチレン球の半径ｒ＝１９２．５ｎｍで、石英基板上に蒸着する金属膜は３ｎｍのＣｒに２５ｎｍ程度のＡｕを加えたものである。
【００４０】
図２Ａと２Ｂに示すように、金属薄膜層が有するパターニング構造は円孔アレイであり、且つ前記円孔アレイにおける円孔は前記金属導電性薄膜層中に規則的に分布される。他の例では、前記円孔アレイにおける円孔は前記金属導電性薄膜層中にランダムに分布されてもよい。また、説明すべきことは、前記パターニング構造は、Ｅｓｃｈｅｒｉｃ系列パターンのうちの何れか１種であってもよい。代替実例では、前記パターニング構造は複数本の平行な直線を含むことができる。又は、前記パターニング構造は複数本の十字交叉型直線を含むことができる。同様に、前記平行直線又は十字交叉型直線は前記金属薄膜層中に規則的に分布されてもよく、又は、前記金属薄膜層中にランダムに分布されてもよい。
【００４１】
本発明の第１の実施態様に係るパターニング構造を有する平面金属薄膜層は、可視光、近赤外光又は赤外光を透過することができ、且つその透過率は８０％、９０％、９５％又はそれ以上とすることができる。
【００４２】
また、好ましくは、本発明の第１の実施態様に係る電極中の金属薄膜層の表面粗さは１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満又は１ｎｍ未満である。
【００４３】
また、好ましくは、前記金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は０．００５Ω・ｍ未満、０．００２Ω・ｍ未満又は０．００１Ω・ｍ未満である。
【００４４】
また、微小球リソグラフィ技術で製造されたパターニング構造が円孔アレイである金属薄膜層のシート抵抗は下記式により算出される。
【数３】
2013544024.tif 000005
【００４５】
式中、Ｒｓｑは前記金属薄膜層のシート抵抗、ρは前記金属薄膜層を製造する材料の抵抗率、ｄは前記金属薄膜層の厚さ、Ｒは微小球リソグラフィ過程を行う前の微小球半径、ｒは微小球寸法縮小処理を行った後の微小球半径である。本実施態様では、前記微小球はポリスチレンを用いて製造されたものである。好ましくは、前記微小球は本分野において公知の任意の適当な有機物又は材料、例えば、シリカを用いて製造してもよい。その中、ｄの数値範囲は５〜１０００ｎｍ、Ｒの数値範囲は１０ｎｍ〜１０μｍ、且つｒ＜Ｒである。
【００４６】
以下、上記のように形成した電極サンプル２００−１と電極サンプル２００−２の性能を説明する。
【００４７】
比較するために、まず、金を用いて製造した薄膜厚さが２２ｎｍである円孔アレイなしの電極サンプルの性能に対して測定を行った結果、得られたシート抵抗は１Ω／ｓｑであり、これは、金の抵抗率０．０２２Ω・ｍを用いて算出した結果と非常に合致している（Ｒｓｑ＝ρ／ｄ＝１Ω／ｓｑ）。
【００４８】
次に、上記式（１）に基づいて、電極サンプル２００−１のＲｓｑは約４．４Ω／ｓｑ、電極サンプル２００−２のＲｓｑは約８Ω／ｓｑであり、これは、上記のように形成した電極サンプル２００−１と電極サンプル２００−２を測定して得られた実験結果と非常に合致する。
【００４９】
また、上記のように形成した電極サンプル２００−１と電極サンプル２００−２の光学特性をさらに測定することができ、得られた結果は図３に示される。
【００５０】
図３では、水平軸は光波長、垂直軸は透過率を示す。灰線は石英基板の透過率と光波長との関係を示し、点線は電極サンプル２００−１の透過率と光波長との関係を示し、黒線は電極サンプル２００−２の透過率と光波長との関係を示す。説明すべきことは、上記測定結果は電極サンプル２００−１と２００−２に何れも石英基板を含む時に測定した結果である。石英基板を除去した後、得られた結果はそれよりよくなるはずである。図面から見えるように、電極サンプル２００−２は、石英基板の影響を除去した後の透過率が約７０％、シート抵抗が８Ω／ｓｑである。これは、本発明の第１の実施態様に係る最適な構造を有する電極サンプルではない。
【００５１】
図４は、本発明の第１の実施態様に係る最適な構造を有するサンプル４００の透過率（Ｔ）、吸収率（Ａ）及び反射率（Ｒ）と光波長との間の関係を示す図である。図４に示す電極サンプル４００はＡｇ（ρ＝０．０１６Ω・ｍ）を用いて製造したものであり、平面金属薄膜層の膜厚ｄ＝４０ｎｍ、フォトリソグラフィを行う前のポリスチレン球の半径Ｒ＝２２０ｎｍ、減小処理を行った後のポリスチレン球の半径ｒ＝２１１ｎｍである。この場合に、得られたシート抵抗Ｒｓｑは約８Ω／ｓｑである。
【００５２】
図４に示されたように、波長範囲が５３０ｎｍ〜８００ｎｍの時に、測定された透過率はほぼ１００％である。また、図４では、波長４８０ｎｍにおいて比較的に深い孔内共振があるが、大きい誘電率を有する吸収体（例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用いて、当該深い孔内共振を発生する波長を対象の波長範囲の外へ赤方偏移することができ、これは、本分野において公知のものである。上記から分かるように、図４の場合の電極の透過率Ｔ＞９７％、シート抵抗Ｒｓｑは約８Ω／ｓｑとなっており、その性能はＩＴＯの性能をはるかに超えている。
【００５３】
また、他の例では、前記パターニング構造は複数本の平行な直線を含むことができる。図５の右図は、微小球リソグラフィ技術で製造される本発明の第１の実施態様に係る電極のＳＥＭ画像を示し、当該電極中のパターニング構造は、選択された方向と平行な複数本の直線であり、異方性システムであってもよい。図５の左図は、前記パターニング構造が複数本の平行直線である金属薄膜層を製造する時に、２０〜３５度のグレージング角で金属を蒸発する過程を示す。
【００５４】
また、前記パターニング構造は、複数本の十字交叉型直線を含んでもよい。図６はパターニング構造が十字交叉型直線（即ち、方形孔）であり、かつ基板を有する場合にライン間距離が３９０、４００、４１０及び４２０ｎｍの時の透過率と光波長との間の関係を示す図である。図６では、十字交叉型直線は、膜厚４０ｎｍのＡｇで製造したものである。この場合、ライン間距離３９０、４００、４１０及び４２０ｎｍに対応するシート抵抗はそれぞれ９．３、６．２３、４．６８及び３．７４Ω／ｓｑである。
【００５５】
図７は本発明の第１の実施態様に係る電極の製造方法を示す概略フローチャートである。図７に示すように、まず、ステップＳ７１０において、基板上に微小球を蒸着する。前記基板は、例えば石英基板である。本実例では、微小球はポリスチレンで製造されている。代替実例として、本分野において公知のその他の適当な材料、例えばシリカを用いることもできる。
【００５６】
次に、ステップＳ７２０において、前記微小球に対しエッチバック、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことにより、前記基板の表面の一部を露出する。次に、ステップＳ７３０において、前記微小球と露出した基板の表面上に金属を蒸着する。次に、ステップＳ７４０において、前記微小球を剥離することにより、パターニング構造を有する金属薄膜層を形成し、その中、前記金属薄膜層は、入射光をこの金属薄膜層を介して透過させるように配置される。補足すべきことは、前記パターニング構造は、円孔アレイ、複数本の平行直線又は複数本の十字交叉型直線とすることができる。
【００５７】
図８と図９は、前記パターニング構造が円孔アレイである時の処理過程を示す図であり、当該過程は、例えばナノ球リソグラフィ（ＮＳＬ）技術で行うことができる。図８はＮＳＬ過程中の処理ステップを示す図である。図８の左図に示すように、まず、水面上にポリスチレン微小球を蒸着し、次に緻密に配列された単層を形成する。水を蒸発させた後、ナノ球を基板上に蒸着する。当該蒸着したナノ球アレイは、次の金属蒸発のマスクとして用いられる。図８の右図のうち上図はナノ球が水面上に浮く時の水面の光学画像を示し、下図は緻密に配列されたナノ球アレイを示す。上記のように得られたアレイパターンは離隔した類似三角形であり、非導電である。
【００５８】
上記のように、緻密に配列された微小球アレイを得た後、図９に示すように、ＲＩＥにより当該緻密に配列された微小球アレイ中の微小球の直径を縮小する。次に、当該直径が縮小された微小球アレイをマスクとして金属を蒸発させる。金属を蒸発させた後に当該微小球を剥離することにより、円孔アレイのパターニング構造を有する金属薄膜層を形成する。
【００５９】
図５の左図に示すように、前記パターニング構造は複数本の平行直線又は複数本の十字交叉型直線であり、その処理過程は円孔アレイと略同一で、相違点としては、金属を蒸発する過程が２０〜３５度のグレージング角で行うことだけにある。
【００６０】
上記のように、本発明の第１の実施態様に係る電極の構造と製造方法を記述した。本発明の第１の実施態様に係る電極によれば、当該電極を製造する時に、透明導電性酸化物膜を利用しないか又はその利用が極めて少ないとともに、テクスチャリング工程を必要としないことにより、テクスチャ面透明導電性酸化物厚膜による接合品質の低下を防止することができる。また、図４から分かるように、本発明の第１の実施態様に係る電極中のパターニング構造の寸法と構造に対して適当な設計を行うことにより、当該電極に高導電率と高透過性を付与することができる。また、当該平面電極は、ウインドウスーパーストレイト（ｗｉｎｄｏｗ  Ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）として用いることにより、当該平面電極上に高品質の平面ＰＶ接合を蒸着することができる。
【００６１】
第２の実施態様
以下、図１０〜図１４を参照しながら本発明の第２の実施態様に係る電極及びその製造方法を詳細に記述する。
【００６２】
図１０は、本発明の第２の実施態様に係る単ピーク型電極１０００の構造を示す概略図である。
【００６３】
図１０に示すように、本発明の第２の実施態様に係る単ピーク型電極１０００が光吸収材料層１０１０上に積層され、前記光吸収材料層１０１０が下層金属膜（例えば、金属裏面電極）１０２０上に積層される。ここで、図１０に示す構造は、太陽電池セルと対等することができる。前記単ピーク型電極１０００は、平面金属薄膜層パターンを含み、前記平面金属薄膜層パターンは、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを含む。この場合に、前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、その中、前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される。
【００６４】
本実施態様では、前記マイクロストリップは長方形である。好ましくは、前記マイクロストリップは他の適当な形状、例えばマイクロストリップ孔又は他の形態の孔又は島の形状を取ってもよい。
【００６５】
前記マイクロストリップが透過する光の波長とマイクロストリップの寸法及び形状との間の共振関係は下式である。
【数４】
2013544024.tif 000006
式中、ｌはマイクロストリップの長さ、λはマイクロストリップを透過する光波長、ｎは光吸収材料の屈折率、ｓは任意の正整数、例えば、ｓ＝１，２，３…である。
【００６６】
図１１は、図１０中の単ピーク型電極はマイクロストリップ長さがそれぞれ１５０ｎｍ、１６０ｎｍ、１７０ｎｍと１８０ｎｍの時の吸収率、反射率と光周波数との間の関係を示す図である。
【００６７】
図１１では、水平軸はｅＶを単位とする周波数、垂直軸は百分率を示す。同図に示すように、２．７ｅＶにおける広い吸収ピークは、ａ−Ｓｉの固有のバンド間吸収に起因するものである。隣の衛星ピーク（例えば、１８０ｎｍの時に２．２ｅＶにおけるピーク）は、マイクロストリップ共振を示し、且つ当該周波数（即ち、波長）とマイクロストリップ長さｌとの間は、上記式（２）を満たす。比較的に短いｌに対し、ｓ＝１の時に、対応の吸収ピークが存在している。図１１に示すように、当該吸収ピークが対応する吸収率は約７０％であり、当該値は理想的なものではない。しかし、マイクロストリップ間の距離を減少することにより、当該吸収率を向上することができる。
【００６８】
前記光吸収材料層は、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合又は複数の接合を含むことができる。一つの例では、前記光吸収材料は光起電力材料を含む。他の例では、前記光吸収材料はシリコン、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｃｕ２Ｏ、Ｚｎ３Ｐ２、ＳｉＣの何れか一つを含む。前記光吸収材料層は、量子ドット層であってもよい。又は、前記光吸収材料層は、有機半導体膜、例えばＰＦ１０ＴＢＴ：［Ｃ６０］ＰＣＢＭであってもよい。
【００６９】
前記下層金属膜は、パターニングされていなくてもよいし、パターニングされてもよい。
【００７０】
また、前記平面金属薄膜層の表面粗さは１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満又は１ｎｍ未満である。前記平面金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は０．００５Ω・ｍ未満、０．００２Ω・ｍ未満又は０．００１Ω・ｍ未満である。
【００７１】
他の例では、第２の実施態様に係る電極は、多ピーク型電極であってもよい。図１２は本発明の第２の実施態様に係る３−ピーク型電極１２００を示す図であり、当該３−ピーク型電極１２００では、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイ１２０１に加え、前記平面金属薄膜層パターン１２００は第２の寸法と第２の形状を有する第２のマイクロストリップアレイ１２０２と、第３の寸法と第３の形状を有する第３のマイクロストリップアレイ１２０３とを含んでもよく、その中、前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲の光を前記光吸収材料層に透過することに加え、第２の波長範囲内の入射光及び第３の波長範囲内の入射光をも前記光吸収材料層中に透過するように配置される。その中、前記第２の波長範囲は少なくとも部分的に前記第２のマイクロストリップアレイの第２の寸法と第２の形状に基づいて確定され、前記第３の波長範囲は少なくとも部分的に前記第３のマイクロストリップアレイの第３の寸法と第３の形状に基づいて確定される。同様に、当該３−ピーク型電極１２００は光吸収材料層１２１０上に積層され、前記光吸収材料層１２１０は下層金属膜（例えば、金属裏面電極）１２２０上に積層される。
【００７２】
また、第２の実施態様に係る電極は、５−ピーク型電極であってもよい。図１３は、本発明の第２の実施態様に係る５−ピーク型電極の吸収率と光周波数との間の関係を示す図であり、当該５−ピーク型電極は、赤外光で作動する。
【００７３】
図１３では、当該５−ピーク型電極は、５つの異なる寸法（例えば、異なる長さ）のマイクロストリップユニットを有し、各々のピークは一つの所定の長さのマイクロストリップユニットに対応する。当該形態では、低損失媒質を吸収体として用いるので、得られた吸収ピークは非常に狭い。このような光吸収は、可視光周波数範囲内に実現することができる。
【００７４】
図１４は、本発明の第２の実施態様に係る電極の製造方法を示す概略フローチャートである。図１４に示すように、まず、ステップＳ１４００において、光吸収材料層上に金属層を蒸着する。次に、ステップＳ１４１０において、前記金属層をパターニングすることにより、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを生成し、その中、前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過するように配置され、また、前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される。
【００７５】
上記のように、図１０〜図１４に対して本発明の第２の実施態様に係る電極の構造及び製造方法を記述した。本発明の第２の実施態様に係る電極によれば、太陽電池を製造する時に、裏面電極に対してテクスチャ処理を行う必要がない。
【００７６】
ここで説明すべきことは、本発明の各実施態様に係る電極は、光起電力用途、即ち、太陽電池に適用できるだけでなく、光電デバイス用途、例えばＬＥＤにも適用できる。
【００７７】
詳しく記述した好ましい実施態様に基づいて本発明を開示したが、当業者にとって本発明の主旨と範囲から逸脱しない前提で、本発明に対し各種の改善や変形を行うことができることは自明である。従って、本発明の各種の改善や変形が特許請求の範囲及びその同等記述に限定される本発明の範囲内にある限り、これらの改善や変形は本発明の技術思想内に属すると見るべきである。
【図２Ａ】
2013544024.tif 000009
【図２Ｂ】
2013544024.tif 000010
【図４】
2013544024.tif 000011
【図５】
2013544024.tif 000012
【図６】
2013544024.tif 000013
【図７】
2013544024.tif 000014
【図８】
2013544024.tif 000015
【図１０】
2013544024.tif 000016
【図１１】
2013544024.tif 000017
【図１２】
2013544024.tif 000018
【図１３】
2013544024.tif 000019
【図１４】
2013544024.tif 000020
【図１Ａ】
2013544024.tif 000021
【図１Ｂ】
2013544024.tif 000022
【図３】
2013544024.tif 000023
【図９】
2013544024.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【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】
略平面でありパターニング構造を有する金属薄膜層であって、前記金属薄膜層を介して入射光を透過させるように配置される金属薄膜層を含み、前記パターニング構造は、複数本の平行な直線或いは複数本の十字交叉型直線を含む、電極。
【請求項２】
前記パターニング構造は、Ｅｓｃｈｅｒｉｃシリーズのパターンである、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記パターニング構造は、円孔アレイを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記円孔アレイにおける円孔は周期的に分布されるか又はランダムに分布される、請求項３に記載の電極。
【請求項５】
前記平行直線又は十字交叉型直線は周期的に分布されるか又はランダムに分布される、請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記金属薄膜層は、可視光、近赤外光又は赤外光に対して透過可能である請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記金属薄膜層の表面粗さは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満又は１ｎｍ未満である、請求項１に記載の電極。
【請求項８】
前記金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は、０.００５Ω・ｍ未満、０.００２Ω・ｍ未満、又は０.００１Ω・ｍ未満である、請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記金属薄膜層は、微小球リソグラフィ工程によって製造されたものである、請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
前記金属薄膜層のシート抵抗は下記式により算出され、
【数１】
2013544024.tif 000025
式中、Ｒｓｑは前記金属薄膜層のシート抵抗で、ρは前記金属薄膜層を製造する材料の抵抗率で、ｄは前記金属薄膜層の厚さで、Ｒは微小球リソグラフィ過程を行う前の微小球半径で、ｒは微小球半径縮小処理を行った後の微小球半径である、請求項９に記載の電極。
【請求項１１】
前記微小球はポリスチレン又はシリカを用いて製造したものである、請求項１０に記載の電極。
【請求項１２】
ｄの数値範囲は５〜１０００ｎｍ、Ｒの数値範囲は１０ｎｍ〜１０μｍ、且つｒ<Ｒである、請求項１０に記載の電極。
【請求項１３】
基板上に有機物微小球を蒸着する工程と、
前記有機物微小球をエッチバックすることにより、前記基板の表面の一部を露出する工程と、
前記微小球と露出した基板の表面上に金属を蒸着する工程と、
前記微小球を剥離することにより、パターニング構造を有する金属導電性薄膜層を形成する工程と、を含み、
前記金属導電性薄膜層は、前記金属導電性薄膜層を介して入射光を透過させるように配置される、電極の製造方法。
【請求項１４】
前記パターニング構造は、円孔アレイ、複数本の平行直線又は複数本の十字交叉型直線を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
光吸収材料層上に積層される電極であって、
第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを含み、
前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、
前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される、電極。
【請求項１６】
前記平面金属薄膜層パターンは、さらに、第２の寸法と第２の形状を有する第２のマイクロストリップアレイと、第３の寸法と第３の形状を有する第３のマイクロストリップアレイとを含み、
前記平面金属薄膜層パターンは、第２の波長範囲内の入射光及び第３の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、
前記第２の波長範囲は少なくとも部分的に前記第２のマイクロストリップアレイの第２の寸法と第２の形状に基づいて確定され、前記第３の波長範囲は少なくとも部分的に前記第３のマイクロストリップアレイの第３の寸法と第３の形状に基づいて確定される、請求項１５に記載の電極。
【請求項１７】
前記平面金属薄膜層パターンは、透過範囲内の光の透過率が９０％より大きい、請求項１５に記載の電極。
【請求項１８】
前記光吸収材料層は、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合又は複数の接合を含む、請求項１５に記載の電極。
【請求項１９】
前記光吸収材料は、光起電力材料を含む、請求項１５に記載の電極。
【請求項２０】
前記光吸収材料は、シリコン、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｃｕ２Ｏ、Ｚｎ３Ｐ２、ＳｉＣの何れか一つを含む、請求項１５に記載の電極。
【請求項２１】
前記マイクロストリップは長方形である、請求項１５に記載の電極。
【請求項２２】
前記平面金属薄膜層パターンは、可視光、近赤外光又は赤外光に対して透過可能である、請求項１５に記載の電極。
【請求項２３】
前記平面金属薄膜層の表面粗さは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、又は１ｎｍ未満である、請求項１５に記載の電極。
【請求項２４】
前記平面金属薄膜層を製造するために用いられる材料の抵抗率は０.００５Ω・ｍ未満、０.００２Ω・ｍ未満、又は０.００１Ω・ｍ未満である、請求項１５に記載の電極。
【請求項２５】
前記マイクロストリップを透過する光の波長とマイクロストリップの寸法及び形状との間の共振関係は、下記式のようであり
【数２】
2013544024.tif 000026
式中、ｌはマイクロストリップ長さ、λはマイクロストリップを透過する光の波長、ｎは光吸収材料の屈折率、ｓは任意の正整数である請求項１５に記載の電極。
【請求項２６】
光吸収材料層上に金属層を蒸着する工程と、
前記金属層に対してパターニングを行うことにより、第１の寸法と第１の形状を有する第１のマイクロストリップアレイを少なくとも含む平面金属薄膜層パターンを生成する工程と、を含み、
前記平面金属薄膜層パターンは、第１の波長範囲内の入射光を前記光吸収材料層中に透過させるように配置され、
前記第１の波長範囲は少なくとも部分的に前記第１のマイクロストリップアレイの第１の寸法と第１の形状に基づいて確定される、電極の製造方法。
【国際調査報告】
2013544024.tif 000027
2013544024.tif 000028
2013544024.tif 000029
2013544024.tif 000030
2013544024.tif 000031
2013544024.tif 000032