(57)【要約】本発明は、上面に絶縁層を有して成る半導体基板を供する工程、イオン注入フルエンスが１．１０１７原子/ｃｍ２である注入絶縁層を得るため、絶縁層中にイオン注入によりシリコン、ゲルマニウムおよびこれらの混合物から成る群から選択される半導体イオンを注入して、注入後の絶縁層中の最大半導体濃度を絶縁層中の半導体溶解度よりも高くする工程、量子ドット内に半導体の析出を導くため注入絶縁層を熱処理する工程、使用の際に生じた電流を集めるため少なくとも２つの導電性コンタクトを設ける工程を含む、太陽電池を製造するための方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の製造方法であって、
−上面に絶縁層を有して成る半導体基板を供する工程、
−注入絶縁層を得るため絶縁層中へのイオン注入により、シリコン、ゲルマニウム、およびこれらの混合物から成る群から選択される半導体イオンを注入する工程、
−量子ドット内に半導体の析出を生じさせるため注入絶縁層を熱処理する工程、
−使用する際に発生電流を集めるため少なくとも２つの導電性コンタクトを載置する工程
を含んで成り、イオン注入フルエンスは１×１０１７原子／ｃｍ２よりも高く、注入後の絶縁層中の最大の半導体濃度は絶縁層中の半導体の溶解度よりも高い、製造方法。
【請求項２】
９００℃よりも高い温度で熱処理を行う、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
１５〜１００ｋｅＶ、好ましくは２０〜８０ｋｅＶの平均エネルギーを有するイオンで注入を行う、請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
半導体イオンエネルギー分布が、単一のエネルギー分布（ガウス・プロファイル）である、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
イオン注入の半導体イオンフルエンスが、１．４×１０１７原子／ｃｍ２、好ましくは約２×１０１７原子／ｃｍ２よりも高い、請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
半導体イオンエネルギー分布が、多重エネルギー分布（プラトー・プロファイル）である、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
イオン注入の半導体イオンフルエンスが、２．１×１０１６〜１．４×１０１７原子／ｃｍ２含まれて成る、請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
絶縁層中の注入イオンの最大過剰濃度が、２０〜３６原子パーセント、好ましくは約２８原子パーセント含まれて成る、請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
【請求項９】
ドーパント、好ましくはホウ素又はリンを注入する工程を更に含んで成り、前記工程を熱処理後に行う、請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１０】
前記ドーパントのフルエンスが、７．５×１０１４〜１．５×１０１５原子／ｃｍ２含まれて成る、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
絶縁層の厚さが１００〜３００ｎｍ含まれて成る、請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１２】
絶縁層が、基板半導体の酸化物である、請求項１〜１１のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１３】
絶縁層が、半導体基板の窒化物又は炭化物から成る群から選択される、請求項１〜１１のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１４】
半導体基板が、シリコンおよびゲルマニウムから成る群から選択される、請求項１〜１３のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池を生産するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代、モジュールがモノ結晶シリコンおよびポリ結晶シリコンを含む結晶シリコンに基づく場合に、シリコン材は、第１世代の太陽電池と一般に知られているいわゆる標準的な太陽電池用途のために研究されていた。
【０００３】
最近では、二酸化炭素を排出することなくエネルギーを要するため、シリコン量子ドット（Ｓｉ−ＱＤｓ）で有利な量子閉じ込め効果を生じる現代の太陽電池用途で重要な役割を果たすシリコンが盛り返してきた。単一の入射する高エネルギーの光子が太陽電池の表面と接触する際、電子正孔対が生じ、残りのエネルギーが熱として失われる。現代の考えでは、第２又はそれよりも多い電子放射を形成するために（熱効果を通じて失われた）このエネルギーが利用される。
【０００４】
多重励起子生成（ＭＥＧ）に由来するこの技術は、第３世代の太陽電池のうちの１つとして知られている。太陽電池の用途のためＳｉ−ＱＤｓ合成での最新の開発がされている中、マグネトロンプラズマ蒸着による量子ドット（ＱＤｓ）の精巧を認識している。他の類似の研究が、ノージックらにより特にＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅおよびＩｎＡｓ材料を使用して行われている。
【０００５】
他の研究者は、気−液−固プロセス（ＶＬＳ）又はホット・ワイヤーの化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）のいずれかによりシリコンナノワイヤーを、太陽電池を研究するために選択している。時には、ナノワイヤーは、容易にキャリア輸送および収集をするためＱＤｓ間の有益な電荷輸送チャネルとして使用されている。
【０００６】
パウダー状のシリコン・ナノ結晶は、開発され、化学手段により液体シリカに組み入れられ、続いてＶ．Ｓｖｒｃｅｋらによる薄固体フィルムの４５１〜４５２（２００４）３８４の「太陽電池のための光コンバーターとしてのシリコン・ナノ結晶」で記載されているように太陽電池で使用されていた。
【０００７】
イオン注入は、ｐ−ｎ接合（又はジャンクション；ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を生成するため半導体の表面層をドープするための周知の方法である。この場合、フルエンス、注入エネルギーおよび続く熱処理は、大変小さなドープ濃度を得るために調整される。この時、フルエンス（又は流束量；ｆｌｕｅｎｃｅ）は典型的には、ドーパントの析出を避けるために、又、好ましいキャリア移動度および寿命を維持するために１０１６原子／ｃｍ２（又はａｔｏｍ／ｃｍ２又はａｔ．／ｃｍ２）未満である。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、従来技術の欠陥を示さない太陽電池を製造するための方法を供することを目的とする。
【０００９】
又、本発明は当該方法により生産された太陽電池を供することを目的とする。
【００１０】
本発明の利点は下記の記載から明らかになるであろう。
【００１１】
本発明は、
−上面に絶縁層を有して成る半導体基板を供する工程、
−注入絶縁層を得るため絶縁層中へのイオン注入により、シリコン、ゲルマニウム、およびこれらの混合物から成る群から選択される半導体イオンを注入する工程、
−量子ドット内に半導体の析出を生じさせるため注入絶縁層を熱処理する工程、
−使用する際に発生電流を集めるため少なくとも２つの導電性コンタクトを載置する工程
を含んで成り、イオン注入フルエンスは１×１０１７原子／ｃｍ２よりも高く、注入後の絶縁層中の最大の半導体濃度は絶縁層中の半導体の溶解度よりも高い、太陽電池の製造方法に関する。
【００１２】
特定の好ましい態様では、本発明の製造方法は、下記の特徴を１つ又は適当に組み合わせたものを含んで成る。
−少なくとも２つの導電性コンタクトが、前側コンタクトおよび後側コンタクトから成る。
−少なくとも２つの導電性コンタクトが、太陽電池の後側に設けられている。
−熱処理は、９００℃よりも高い温度で行われる。
−注入は、１５〜１００ｋｅＶ、好ましくは２０〜８０ｋｅＶの平均エネルギーを有するイオンで行われる。
−半導体イオンエネルギー分布が、単一のエネルギー分布（ガウス・プロファイル）である。
−イオン注入の半導体イオンフルエンスが、１．４×１０１７原子／ｃｍ２、好ましくは約２×１０１７原子／ｃｍ２よりも高い。
−半導体イオンエネルギー分布が、多重エネルギー分布（プラトー・プロファイル）である。
−イオン注入の半導体イオンフルエンスが、２．１×１０１６〜１．４×１０１７原子／ｃｍ２含まれて成る。
−絶縁層中の注入イオンの最大過剰濃度が、２０〜３６原子パーセント、好ましくは約２８原子パーセント含まれて成る。
−製造方法が、ドーパント、好ましくはホウ素又はリンを注入する工程を更に含んで成り、この工程を熱処理後に行う。
−ドーパントのフルエンスが、７．５×１０１４〜１．５×１０１５原子／ｃｍ２含まれて成る。
−注入後のドーパント濃度が、０．１〜０．２原子％含まれて成る。
−絶縁層厚さが、１００〜３００ｎｍ含まれて成る。
−絶縁層が、基板半導体の酸化物である。
−絶縁層が、半導体基板の窒化物又は炭化物から成る群から選択される。
−半導体基板が、シリコンおよびゲルマニウムから成る群から選択される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、前側および後側に導電性コンタクトを備えた本発明の製造方法の例を概略的に示したものである。
【図２】図２は、フルエンスＤ＝２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２（ａ）で７０ｋｅＶのＳｉイオンで注入されたＳｉＯ２/Ｓｉサンプルから記録された２メガ電子ボルトのα粒子を使用する後方散乱スペクトル（ａ）、ＲＢＳ測定から取り出されたＳｉ深さプロファイルでのアニーリング時間の効果を示したものである。
【図３】図３は、２．１×１０１６、４．２×１０１６、および１．４×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２のフルエンスまで２０、３５、８０ｋｅＶのＳｉ多重エネルギー注入で注入されたサンプルのＲＢＳ測定から取り出されたＳｉ深さプロファイルでのアニーリング時間の効果を示したものである。Ｓｉ深さプロファイルはアニーリング時間が１時間経過後、より均一になる。
【図４】図４は、異なる注入フルエンス（（ａ）６×１０１６Ｓｉ/ｃｍ２、（ｂ）１×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２、（ｃ）１．４×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２、（ｄ）２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２）のＰＬスペクトルにおける１１００℃でのアニーリング時間の効果を示したものである。全てのサンプルは不動態化された。
【図５】図５は、６０分で固定されたアニーリング時間での動態化されたサンプルで記録されたＰＬスペクトルでの注入フルエンスの効果を示したものである。
【図６】図６は、２４０ｎｍのＳｉＯ２中のＳｉＱＤｓのＴＥＭ画像を示したものである。
【図７】図７は、（ＴＣＯ：インジウムスズ酸化物又は同種のもの等の透明導電酸化物）連続層の透明の前側コンタクトを有する本発明により製造された太陽電池の例を示したものである。
【図８】図８は、バイアスを有した後側に位置する導電性コンタクトを有する本発明の製造方法により製造された太陽電池の態様を示したものである。
【図９】図９は、バイアスのないバック・コンタクトのみを有する本発明により製造された太陽電池の態様の断面図を示したものである。
【図１０】図１０は、相互に組み合わせたバック・コンタクトを示す本発明の太陽電池の３Ｄ図を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、活性化領域中の量子ドットを使用して太陽電池を製造するための方法に関する。ＱＤｓにより、太陽電池デバイスの平均効率が改善される。より具体的には、本発明は、ＱＤｓのサイズ、分布および密度の良好な制御をしつつ、半導体ＱＤｓを含む太陽電池酸化物層を容易に製造するための方法を供することを目的とする。
【００１５】
又、本発明は、高い純度を有する基板の品質を落とすことないＱＤｓの生産物を供し、それにより酸化物層の汚れを低減する。
【００１６】
本発明の特定の態様では、基板に対するドーピング剤の拡散が回避される。
【００１７】
本発明の方法の第１工程は、上面に絶縁層を有して成る半導体基板を供することである。
【００１８】
好ましくは、半導体はシリコンおよびゲルマニウムから成る群から選択される。
【００１９】
好ましくは、絶縁層は酸化、浸炭又は窒化種で半導体の表面を化学的に処理することで得られる。シリコン基板の場合、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素絶縁層が生成される。
【００２０】
又、化学蒸着又は任意の別の既知の蒸着方法により前記絶縁層を得ることが可能である。
【００２１】
次なる工程では、半導体イオンが絶縁層中に注入され、それにより、絶縁層の化学量論的組成と比べて相当な半導体の原子濃度が得られる。好ましくは、前記半導体の最大過剰濃度は２０〜３６％、好ましくは約２８％から成る。
【００２２】
好ましくは、注入された半導体イオンはシリコンおよびゲルマニウムから成る群から選択される。
【００２３】
一般的な注入フルエンスに対して、１×１０１７原子／ｃｍ２よりも大きい大変高いイオンフルエンスという最良の結果が得られることが分かった。最良の結果では、２×１０１７原子／ｃｍ２のフルエンスが得られた。高いフルエンスのため、ＱＤｓ密度が高くなり過ぎて、ＱＤｓの合体の制御が困難になり、ＱＤｓサイズの制御が複雑となる。
【００２４】
好ましくは、注入の間、イオンのエネルギープロファイルは、矩形の注入プロファイル（平坦なプロファイル）をもたらすいくつかのエネルギーを含む。これは、通常、いくつかの準モノ−エネルギーイオンビームを使用することにより得られる（ガウスプロファイル）。このため、その種の平坦なプロファイルは通常「多重注入」と呼ばれる。そのような多重注入の主たる利点は、絶縁層の最も外側面から絶縁層/半導体の界面に分布されるＳｉ−ＱＤｓを得て、それによって太陽電池の効率を改善することである。平坦なエネルギープロファイルは、既知の他の方法により得ることが可能である。
【００２５】
得られた注入絶縁体は、核形成および化学量論組成物に対する過剰な半導体原子の成長を促し、それに伴うＱＤｓを生成するために十分な温度で熱的に処理される。
【００２６】
熱処理温度は、ＱＤｓ密度（核の数）および大きさを制御するために選択される。高い温度は核の数を少なくし核の成長を増やすことで、大きなＱＤｓの数を少なくする。
【００２７】
処理時間を長くすることで、（絶縁層での化学量論に対して過剰な半導体を除いて）平衡に到達するまでＱＤｓが成長する。この時、合体のみが生じ、それはＱＤｓ分布および密度に対して弊害をもたらす。
【００２８】
熱処理は、好ましくは１０００℃よりも高い温度、より好ましくは約１１００℃で行われる。
【００２９】
熱処理の間の酸化物成長および酸化による半導体の過剰な消費を避けるために、好ましくは、熱処理は窒素等の不活性雰囲気で行われる。
【００３０】
熱処理の時間は１５分、３０分、４５分、および６０分であり、６０分が最も良い結果を示している。
【００３１】
この時、追加の注入ステップで適当なドーパントによりＱＤｓをドープすることが可能である。ドーパントは、ｎ−タイプ基板の場合ｐ−タイプ、又はｐ−タイプ基板の場合ｎ−タイプであり得、射光により生じる電荷キャリアを集めるためｐ−ｎ又はｎ−ｐ接合を生じさせる。好ましくは、ｐ−タイプのドーパントはホウ素である。有利には、ｎ−タイプのドーパントはリンである。
【００３２】
本発明の利点は、ドーパントの注入を熱処理後に行って、ＱＤｓの生成を促し、基板に対してドーパントの拡散を避けるということである。
【００３３】
有利には、ドーパントの注入後に第２の熱処理を行って、置換部位にドーパントを有した最終の接合構造を得て、注入プロセスにより生じる欠陥を緩和することが可能である。
【００３４】
次いで、前側および後側コンタクトを基板の前面および背面に設けてよい。前側コンタクトは、図１に示すような製造された太陽電池を部分的に覆う不透明な電極、又は図７に示すようなＩＴＯ材料により製造された電極等の透明な導体電極のいずれか一方であり得る。後側コンタクトは不透明な電極、好ましくはアルミニウムであり得る。
【００３５】
又、全てのコンタクトは、図８に示すような太陽電池の背面に設けられてよい。この種の形態は、コンタクトの近くの太陽電池の影を低減し、それによって、太陽電池の転換効率を改善する。この場合、特許出願ＵＳ２００４/２６１８３９に示されているように、例えばバイアスを介した既知の方法により、又はＷＯ２００９/０７７１０３に示されているように、いわゆるエミッタ・ラップ・スルー技術により、前側層から生じる電流を集めることが可能である。
【００３６】
更に有利なことには、後側導体コンタクトは、図９に示すようにバイアスのない交互のＰ＋のドープされた領域およびＮ＋のドープされた領域に設けられる。この図に示すように、基板を介してＱＤｓの拡散で生成された励起子および電荷キャリアは、その際背面側のＰＮ接合により誘導された電場により離され、又、集められる。後側の導体コンタクトは、図１０に示すように有利には少なくとも２つの相互にかみ合ったグリッド電極を形成してよい。
【００３７】
又、本発明の太陽電池は積層電池に含むことが可能である。本発明の太陽電池の後側コンタクトは、積層電池内の後続の電池の上側電極である。
【００３８】
Ｓｉ（１００）ウェーハの高温（酸素流れの下、１１００℃〜）での熱酸化により全てのＳｉＯ２/Ｓｉサンプルを製造した。ガス流れは約１Ｌ/ｍｉｎ〜であった。
【００３９】
全ての酸化物の厚さおよび化学量論を、ＲＢＳおよび偏光解析法により決定した。ＲＢＳおよび偏光解析法は、化学量論および純度の観点から酸化物の質が高いことを示している。化学量論により得られた結果は、酸化層の屈折率の変化が理論上のＳｉＯ２曲線に大変近似していることを示している。これより、これらの層は完全に化学当量であることが結論づけられる。一連の薄い酸化層は熱的に合成され、上記条件で特徴づけ、その厚さは１００〜３００ｎｍであった。
【００４０】
主たる問題の一つとして、酸化の間、酸化物がウェーハの上面および底面のいずれにも成長した。この問題を解決するために現像プロセスを用いる。すなわち、フォトレジストで表面Ａ（上面）を被覆し、次いでＨＦ（５％）バスでサンプルを含浸して背面から酸化物を除去し、最後に有機溶媒を使用して表面Ａからポリマーを除去する。
【００４１】
６×１０１６、１×１０１７、１．４×１０１７、および２×１０１７Ｓｉ＋/ｃｍ２の異なる線量で７０ｋｅＶのＳｉ＋イオンと共にこれらサンプルを注入した。更に、２．１×１０１６、４．２×１０１６、および１．４×１０１７Ｓｉ＋/ｃｍ２のフルエンスに２０、３５、８０ｋｅＶのエネルギーで多重エネルギー注入を行った。
【００４２】
次いで、１５、３０および６０分間窒素流れの下、１１００℃でウェーハをアニール処理した。炉内のサンプルの酸化を避けるために特別なケアを行った。
【００４３】
電池製造のため１×１ｃｍ２のＳｉＯ２が注入されたクーポンを特別に切断した。そのクーポンを１．５×１０１５Ｂ＋/ｃｍ２のフルエンスを有した２６ｋｅＶのＢ＋イオンによりドープし、８００℃で加熱した。
【００４４】
マスクを介して蒸着により上側にある櫛状の電極を設け、Ａｌ層の蒸着により後側コンタクトを得た。Ａｌコンタクトの厚さは８００ｎｍであった。イオン注入の利点の１つは、（ドーピングのための）ホウ素の注入をアニーリング（ＱＤｓの析出アニーリング）後に行い、それにより界面にドーピング・エレメントが拡散しないことを保証するということである。
【００４５】
２ＭＶのタンデトロン加速装置を使用して１６５度の検出角度で、２ＭｅＶのα粒子でラザフォ−ド後方散乱分析（ＲＢＳ）を行った。ＲＢＳ分析の間、入射したイオンビームがそのサンプルに当たる際、イオンビームと同じ大きさを有する発光スポットをアニールされたサンプルでのみ観察した。これは、Ｓｉ−ｎｃ発光による。
【００４６】
アニーリング時間が増えると際立つアニールされたチャネリングの挙動を観察した。
【００４７】
これは、アニールされていない注入サンプルの場合ではなかった。この観察は、アニーリングが再結晶化させ、イオン注入により形成された欠陥を再結合することが可能であることを示している。又、この挙動は、チャネリングを減じる結果となることが分かった。このチャネリングを抑制するために、入射角を７度に設定した。
【００４８】
２００ｋＶのＦＥＧ（電界放射銃）を使用して透過電子顕微鏡画像をとった。ＵＳＢ２０００のオーシャンオプティクスのスペクトル計および１ｍＷｎｍのレーザーダイオードを使用して、フォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定を行った。
【００４９】
不動態化の場合、５％のＨ２＋９５％のＮ２の雰囲気で６０分間５００℃でアニーリングすることにより、水素でサンプルを不動態化させた。１５ｍＷの定格電力で４０５ｎｍのアルゴンレーザー（Ａｒ＋）を使用して室温でＰＬの測定を行った。スペクトル計の検出範囲は、５３０〜１１００ｎｍの波長に及ぶ。
【００５０】
最後に、光起電装置の電気特性は、各々１０ｆＡおよび０．１ｆＡの解像度を有する４太陽光測定ユニット（ＳＭＵｓ）および２ＳＭＵｓを備えたアジレントＢ１５００により、室温で暗いという特徴を有している。それは、最も感度のある範囲で０．１ｆＡの解像度を有する大変安定した測定回路を有し、最大１００ｍＡまで測定することが可能である。
【００５１】
ＡＭ１．５Ｇの地太陽電池のランプにより、照射電池のＩ−Ｖ特性を測定した。ＡＭ１．５Ｇの太陽電池のシミュレーターランプのスペクトルは、ベルギーの太陽光と同様であると考えられる。
【００５２】
±５μＶ（ソーシング）および±１μＶ（測定）から±２００Ｖ ＤＣまでの電圧、および±１０ｐＡ〜±１Ａの電流を調達し、測定することが可能であるケースレー２４００ソース−メーターで、照射下でのＩ−Ｖ測定を行った。ほとんどの外部の電磁波から遮断された暗室で測定を行った。
【００５３】
結果および検討
深さプロファイル
図２（ａ）は、２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ−２のフルエンスを有した７０ｋｅＶのＳｉイオンが注入された２４０ｎｍのＳｉＯ２/Ｓｉサンプルにおいて記録されたＲＢＳスペクトルを示す。ガウス形態のピークはＳｉＯ２の表面から後方散乱されたイオンから生じ、ＳｉＯ２/Ｓｉの界面の低下は、２４０ｎｍのシリコン酸化層内の７０ｋｅＶのＳｉイオンのガウス分布に正確に現れている。
【００５４】
注入されたイオンの範囲は、１００ｎｍの典型的なＦＷＨＭで約１００ｎｍである。理論上の計算では、約４０ｎｍのスパッタリングが望まれている。結果として、酸化層は注入されたイオンにより完全に覆われる。
【００５５】
図２（ｂ）は、ＲＢＳスペクトルから抽出された深さプロファイルを示している。注入されたサンプルの深さプロファイルは、２８％の最大の過剰濃度を示している。アニール処理されたサンプルから得られる結果と比べて、Ｓｉ深さ分布は３０分未満のアニーリング時間では著しく変わらないが、マトリックスは（１２〜２８％に）増える。これは、小さなＳｉ−ｎｃが徐々に形成されていることを示している。図２（ｂ）は、６０分間のアニーリングで深さ分布が狭くなる一方、Ｓｉイオンが界面に拡散するにつれて、最大濃度が増えることを示している。
【００５６】
フォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定
注入され、加熱され、および不動態化された全てのサンプルは、８００ｎｍ〜８９０ｎｍのＰＬピークを有したフォトルミネッセンス発光を示している。８００ｎｍのピークは、（図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように）６×１０１６Ｓｉ/ｃｍ２および１×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２のフルエンスで注入されたサンプルで観察された。
【００５７】
このピークは、大きな線量（１．４×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２および２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２）で８９０ｎｍ未満に向かって赤方偏移していることを示している。又、この挙動は、図４に示すように動態化されたサンプルで観察されている。この結果は、全てのサンプルがＳｉナノ結晶を含み、ＱＤｓの大きさが注入線量に対して増大していることを示している。その大きさの増大は、１．４×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２以上の線量から開始する。
【００５８】
動態化されたサンプルの場合では、フルエンスが６×１０１６Ｓｉ/ｃｍ２から２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２に増えた場合にＰＬ強度は減る。この矛盾は、サンプルが動態化されていない際、小さなＱＤｓが大きなＱＤｓよりも、より発光性があるという事実により説明することができる。すなわち、大きなＳｉ−ｎｃサイズのため、欠陥がインターフェースで生じ、不動態化させる必要がある。
【００５９】
ＰＬ強度の実験的大きさと線量との間の中間物は、理論的な計算を通じて、他のエネルギーレベルや酸化物厚さで実験的に調べるが、干渉現象等の他の作用により確かめることを要する。
【００６０】
（図４の）動態化されたサンプルと（図３の）不動態化されたサンプルのＰＬ信号波形とを比べると、後者は界面状態および非局在化状態により非対称性が低減していることを示している。ＰＬ歪みの減少は、欠陥の不動態化、および界面状態又は非局在化状態での直接発光（閉じ込め）の増大の結果に過ぎないと結論づけられる。
【００６１】
ＴＥＭ
上記で説明するように、Ｓｉ−ｎｃサイズは注入フルエンスに対して増大することを示した。サイズ分布の制御は、大きなフルエンスおよび長いアニーリング時間でより一層難しくなるため、ＴＥＭ測定の選択を、２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２のフルエンスおよび６０分のアニーリングで注入されたサンプルでのみ集中させた。
【００６２】
図５は、高いＳｉ濃度（２８％）および/又は極端なアニーリング条件から生じるわずかな合体の場合での２〜４ｎｍのＳｉ−ｎｃのＴＥＭ画像を示す。（図２（ｂ）の）ＲＢＳ測定から抽出される上記の深さプロファイルで観察している濃度の増加は、この挙動を説明することができる。
【００６３】
ＳｉＯ２マトリックス内へのＳｉＱＤｓの量子封じ込めの確かな証拠がある。ＱＤｓ間の距離（内部ＱＤ距離）を制御することは、ＳｉＯ２内への過剰なＳｉの制御沈降メカニズムと合体挙動との間に競合があるので、欠陥を有したままである。これは、トンネル効果およびその結果としての光の電気への全変換により、電荷輸送に影響を与える。
【００６４】
電気特性：Ｉ−Ｖ特性
単一エネルギー注入の場合（ガウスプロファイル）
表１は、非注入の、２つの異なる線量（ライン）で注入された、非アニール処理の、アニール処理された、アニール処理されドープされたサンプルから作成された照明ＳｉＱＤｓ  ｐ−ｎデバイスの光起電力特性を示している。注入、アニーリングおよび（ｎ−ｐ接合のための）ドーピングにより作成されたＰＶ電池のみが、高い電気反応を示した。しかしながら、Ｖｏｃ＝４６．８ｍＶの開回路電圧およびＩｓｃ＝１０．８μＡのショート回路電流を用いて２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２で注入されたサンプルは、Ｖｏｃ＝１４２ｍＶの開回路電圧およびＩｓｃ＝２．２μＡのショート回路電流を用いて１×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２で注入されたサンプルよりも良い結果を示しており、この違いは、ある点で注入濃度およびそれに伴うＱＤｓ密度と大きさがスペクトル反応に重要な役割を果たしていることを示している。更に、シリコンＱＤｓが豊富なデバイスは多くのキャリアを供することが可能である。
【００６５】
表１：デバイスが、（列）アニールされず、アニールされ、又はアニールおよびドープされた際、注入せず、（行）２つの異なる線量で注入した場合のＩ−Ｖパラメーターの比較
【００６６】
2013536993.tif 000003
【００６７】
注入されるが、アニールされないサンプルから製造される電池はこの挙動を示さず、電池のパラメーターはゼロ近傍であるであるため、この電力発生の改善は、バルクＳｉからの光吸収により説明することができない。２×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２近くまでフルエンスを増やすかもしれないが、ＱＤｓサイズの制御はより複雑になるであろう。
【００６８】
１×１０１７Ｓｉ/ｃｍ２のフルエンスで行われるデバイスの最弱の反応（Ｖｏｃ＝０．００３ｍＶ）は、ドーピングの重要性およびｎ−ｐ接合の必要性を明確に示している。一般的には、ＶｏｃおよびＩｓｃの高くない値は、酸化シリコンの厚さ（２４０ｎｍ）による。
【００６９】
光吸収に直接的に依存し、および酸化物の厚さで電気伝導度に間接的に依存するため、吸収/伝導の中間物は最適化されるに違いない。
【００７０】
第３世代のＰＶデバイスは、イオン注入により初めてうまく達成されたことを示している。アニールされていないサンプル（ＱＤｓ無し）とアニールされたサンプル（ＱＤｓ有り）とから製造された照明デバイスの違いは、一対の又は多重の電子−正孔が光子吸収の間生じることを間接的に示している。
【００７１】
ＲＢＳ測定結果は、Ｓｉイオンが注入されていることを示していた。ＴＥＭおよびＰＬは、（２〜５ｎｍの大きさを有した）Ｓｉ ＱＤｓが異なるアニーリング時間後、ＳｉＯ２マトリックス内に形成されていることを現している。
【００７２】
最終のＩ−Ｖスペクトル反応（又は感度；ｒｅｓｐｏｎｓｅ）は、光の吸収がＳｉ ＱＤｓにより電気に転換していることを示している。驚くべきことに、１時間の高フルエンスの注入により最良の結果を得た。
【００７３】
多重エネルギー注入の場合（プラトー）
表２は、２．１×１０１６、４．２×１０１６、１．４×１０１７Ｓｉ＋/ｃｍ２のフルエンスに、２０、３５、８０ｋｅｖのＳｉ多重エネルギー注入で注入されたサンプルから作られた照明Ｓｉ ＱＤｓ ｎ−ｐデバイスの光起電特性を示している。
【００７４】
全てのサンプルは、アニールされ、リンのドープがされている。多重注入、アニーリング、およびドーピング（（ｎ−タイプ）Ｓｉ ＱＤ／（ｐ−タイプ）ｃ−Ｓｉ）により製造された全てのＰＶ電池は、電気反応を生じた。
【００７５】
しかしながら、前側部中の５つのアルミニウムのコンタクトフィンガーで製造されたＰＶ電池は、１７のフィンガーで製造した電池よりもよい結果である（前者がＶｏｃ＝３９６ｍＶの開回路電圧およびＩｓｃ＝１８．３μＡのショート回路電流であるのに対し、後者がＶｏｃ＝１０５ｍＶの開回路電圧およびＩｓｃ＝１７．３μＡのショート回路電流である）。この違いは影と接触抵抗の損失の違いによる。
【００７６】
この実施例（多重注入）では、Ｐｍａｘ（ｎＷ）＝７２４６．８の値は、（表１に示すように）最大値が５０５ｎｗである単一注入装置の場合よりも１４高い。１５０ｎｍの全酸化物層を外面からＳｉＯ２／Ｓｉ界面までＳｉ −ＱＤｓと共に埋め込むことを提案する。これは、多重注入層が電池効率を改善することを示している。
【００７７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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