(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の前面上に、前記基板に対して垂直方向に離隔配置された複数個のナノワイヤを含むｐ型半導体層と、
前記複数個のナノワイヤの表面に沿って前記ｐ型半導体層上に位置するｎ型半導体層と、
を含み、
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、傾斜している側壁、および上部から下部へ行くほど直径が減少する部分を有し、
前記下部の直径は、５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記複数個のナノワイヤのそれぞれは、逆円錐型または逆円錐台型構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、上部から下部へ行くにつれ直径が減少する逆円錐型または逆円錐台型構造と、上部から下部へ行くにつれ直径が増加する円錐型または円錐台型構造とを結合した砂時計型またはダイヤモンド型の構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記複数のナノワイヤのそれぞれの側壁が水平面となす角度は１５゜以上９０゜未満であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記複数のナノワイヤのそれぞれの間隔は１５ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記ｎ型半導体層上に位置する透明電極層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記基板と前記ｐ型半導体層は一体に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記基板と前記ｐ型半導体層はｐ型シリコンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記基板の裏面上に位置する裏面電極と、
前記ｎ型半導体層上に位置する前面電極をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記ｎ型半導体層を覆うように形成され、前記複数個のナノワイヤとの間を充填する絶縁膜をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１１】
基板を提供する段階と、
前記基板上に傾斜している側壁を有する複数のナノワイヤを含むｐ型半導体層を形成する段階と、
前記複数のナノワイヤの表面に沿って前記ｐ型半導体層上にｎ型半導体層を形成する段階と、を含み、
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、傾斜している側壁、および上部から下部へ行くほど直径が減少する部分を有し、前記下部の直径は、５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、逆円錐型または逆円錐台型構造を有するように形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１３】
前記ｐ型半導体層は、前記基板をエッチングし、前記基板と一体に形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１４】
前記基板を非等方性エッチングし、傾斜された側壁を有する複数のナノワイヤを含むｐ型半導体層を形成することを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１５】
前記ｎ型半導体層上に透明電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池及びその製造方法に関し、より詳しくは、ナノワイヤを基盤とする太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の原因である二酸化炭素排出を規制するために１９９７年１２月に京都議定書が採択された以来、太陽エネルギー、風力エネルギーまたは水力エネルギー等のような再生可能で、清浄な代替エネルギー源についての研究が活発に行われて来た。
【０００３】
中でも、太陽電池は、代替エネルギー源として注目されている。太陽電池は半導体装置を利用して太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。このような太陽電池は、太陽電池を構成する光活性層の物質によって、大きく無機太陽電池（inorganicsolar cell）、染料感応太陽電池（dye-sensitizedsolar cell）及び有機太陽電池（organicsolar cell）に区分される。
【０００４】
現在、無機太陽電池の一種であるバルクタイプの結晶型シリコン太陽電池（bulktype crystalline Si solar cell）が大部分を占めている。
【０００５】
一般に、シリコン太陽電池は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが接して形成されたｐ−ｎ接合構造を有する。このような太陽電池に光を照射すると、入射された光により励起状態の電子−正孔対、すなわち、エキシトン（exciton）が形成される。前記エキシトンは、任意方向に拡散してから、ｐ−ｎ接合部から発生する電場によって電子と正孔に分離される。このとき、分離された電子はｎ型半導体層に移動し、正孔はｐ型半導体層に移動して電流が流れる。
【０００６】
前記電子と正孔は、分離してから所定時間後に再結合する。このとき、電子または正孔が生成した後再結合するまでの所要時間を電荷寿命（carrierlifetime）といい、電子または正孔が再結合するまで移動する距離を拡散距離（diffusionlength）という。
【０００７】
一例として、シリコンの電荷寿命は約１μsであって、拡散距離は１００μｍ〜３００μｍである。
【０００８】
しかし、シリコン太陽電池は、太陽電池表面での光学的損失、電子または正孔を収集する電極での抵抗による損失、電荷の再結合による損失などにより低い光電効率を示す問題点があって、高効率太陽電池の開発が要求される。
【０００９】
太陽電池の効率を高めるためには限定された体積の素子において光が入射する面積とエキシトンが分離するｐ−ｎ接合面積を最大化することが好ましい。また、電子と正孔との再結合を防止するために拡散距離を減少させ、少ない損失で電子と正孔が電極に伝達されるようにすることが好ましい。
【００１０】
一方、ナノワイヤは一次元的な構造上の特性により高い比表面積を有する。よって、このようなナノワイヤを光活性層に採用する太陽電池は、乱反射された太陽光が素子に再入射される可能性が高く、電子または正孔が移動することができる方向が単一方向に制限される。よって、電子または正孔の平均移動距離が減少され、これによって電子または正孔が損失される確率が減少するので、太陽電池の光電効率が増大される利点がある。
【００１１】
図１は、従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池の斜視図である。
【００１２】
図１を参照すると、従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池は、基板１０、基板上に所定間隔で垂直配列された複数のシリコンナノワイヤ２０、ナノワイヤとの間を充填する絶縁膜３０及び外部との接続のための電極４０、５０を含む。
【００１３】
前記シリコンナノワイヤ２０は、内部から、ｐ型半導体層２２、ｎ型半導体層２４及び透明電極層２６の順に積層された放射状（ｒａｄｉａｌ）構造を有する。しかし、前記放射形構造は、垂直に入射された太陽光が大部分前記ｐ型半導体層２２とｎ型半導体層２４とが接するｐ−ｎ接合部以外の部分を通過するので、光電変換される確率が低く光電効率の向上に限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、垂直方向に入射する太陽光を高効率に捕獲できるように構造が改善された太陽電池及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を達成するために、本発明の一態様は太陽電池を提供する。前記太陽電池は一面に裏面電極が位置する基板、該基板の裏面上に前記基板において垂直方向に離隔配置された複数のナノワイヤを含むｐ型半導体層、前記複数のナノワイヤの表面に沿って前記ｐ型半導体層上に位置するｎ型半導体層、前記ｎ型半導体層上に位置する前面電極及び前記ｎ型半導体層を覆うように形成され、前記複数のナノワイヤとの間を充填する絶縁膜を含み、前記複数ナノワイヤのそれぞれは傾斜された側壁を有する。
【００１６】
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、上部から下部に行くほど直径が減少する逆円錐型または逆円錐台型構造を有することができる。
【００１７】
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、上部から下部に行くほど直径が減少する逆円錐型または逆円錐台型構造と、上部から下部に行くほど直径が増加する円錐型または円錐台型構造を結合した砂時計型またはダイヤモンド型構造を有することができる。
【００１８】
前記複数のナノワイヤのそれぞれの側壁が水平面となす角度は１５゜〜９０゜とすることができる。前記複数のナノワイヤのそれぞれの間隔は１５ｎｍ〜１０μｍとすることができる。
【００１９】
前記ｎ型半導体層上に位置する透明電極層をさらに含むことができる。
【００２０】
前記基板と前記ｐ型半導体層は一体として形成することができる。前記基板と前記ｐ型半導体層はｐ型シリコンを含むことができる。
【００２１】
前記課題を達成するために本発明の一態様は太陽電池の製造方法を提供する。前記製造方法は、基板を提供する段階、前記基板上に傾斜された側壁を有する複数のナノワイヤを含むｐ型半導体層を形成する段階、前記複数のナノワイヤの表面に沿って前記ｐ型半導体層上にｎ型半導体層を形成する段階、前記ｎ型半導体層上に前面電極を形成し、前記基板の裏面に裏面電極を形成する段階、及び前記ｎ型半導体層上に、前記複数のナノワイヤとの間の空間を充填する絶縁膜を形成する段階を含む。
【００２２】
前記複数のナノワイヤのそれぞれは、上部から下部に行くほど直径が減少する逆円錐型または逆円錐台型構造を有するように形成されることができる。
【００２３】
前記ｐ型半導体層は、前記基板をエッチングし、前記基板と一体に形成することができる。前記基板を非等方性エッチングして、傾斜された側壁を有する複数のナノワイヤを含むｐ型半導体層を形成することができる。
【００２４】
前記ｐ型半導体層は、前記基板の上部にナノワイヤパターンを形成する段階と、前記ナノワイヤパターンの上部にハードマスクを形成し、前記ナノワイヤパターンに沿って前記基板をエッチングする段階とを経て形成することができる。
【００２５】
前記基板の上部にナノワイヤパターンを形成する段階は、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、極紫外線リソグラフィ、フォトリソグラフィ及びナノインプリントリソグラフィから選択されるいずれか１つに実行されることができる。
【００２６】
前記複数のナノワイヤの表面に沿って前記ｐ型半導体層上に前記ｎ型半導体層を形成する段階以後に、前記ｎ型半導体層上に透明電極層を形成する段階をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、半導体層と透明電極層との間の屈折率差による光の全反射現象を介して入射された光をｐ−ｎ接合部に集中させることができ、光の移動距離増加による光吸収率増加で光電効率が向上することができる。
【００２８】
また、所定厚さのｐ型基板をエッチングしてｐ型半導体層を形成することで、製造コストを節減することができ、簡単かつ容易に多様な形態の側壁傾斜構造を有するナノワイヤを製造することができる。
【００２９】
本発明の技術的効果は、以上の言及により制限されることなく、言及していないさらなる技術的効果は以下の記載から当業者に明確に理解できることである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池の斜視図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による太陽電池の斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態によるナノワイヤの断面図である。
【図３Ａ】従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池に垂直入射された太陽光の反射模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による太陽電池に垂直入射された太陽光の反射模式図である。
【図４Ａ】従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池に太陽光が垂直入射された場合に形成された電子−正孔対（exiton）の発生率を示すグラフである。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による太陽電池に太陽光が垂直入射された場合に形成された電子−正孔対の発生率を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による太陽電池においてナノワイヤの側壁が水平面となす角（起立角、standingangle）を示す図面である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による太陽電池において起立角による太陽光の吸収率と発生電流を示すグラフである。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｅ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｆ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｇ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図６Ｈ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【図７Ａ】本発明の他の実施形態によるナノワイヤを示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の他の実施形態によるナノワイヤを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付の図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明はここに説明する実施形態に限らず、他の形態に具体化することができ、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての均等物ないし代替物を含むものと理解すべきである。
【００３２】
本明細書において、層が他の層または基板「上」にあると言及された場合に、それは他の層または基板上に直接形成されるか、それらの間に第３の層が介在することもできる。また、本明細書において、上側、上（部）、上面などの方向的な表現はその基準によって下側、下（部）、下面などの意味として理解できるものである。すなわち、空間的な方向の表現は相対的な方向として理解すべきであって、絶対的な方向を意味するものと限定解釈してはいけない。
【００３３】
各図面において、層及び領域の厚さは、明確性を期するために誇張または省略することができる。明細書全体に亘って同一の参照符号は同一の構成要素を示す。
【００３４】
図２Ａは、本発明の一実施形態による太陽電池の斜視図である。
【００３５】
図２Ｂは、本発明の一実施形態によるナノワイヤの断面図である。
【００３６】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本発明の一実施形態による太陽電池は、基板１００、該基板１００の上部に位置するｐ型半導体層２００、該ｐ型半導体層２００上に位置するｎ型半導体層３００、該ｎ型半導体層３００上に位置する透明電極層４００、該透明電極層４００上に位置する前面電極５００、前記基板１００の一面に位置する裏面電極６００及び前記透明電極層４００上に位置する絶縁膜７００を含む。ただし、本実施形態において採用された前記透明電極層４００は、本発明の必須な構成要素ではなく、場合によっては除外される。
【００３７】
前記基板１００は、不純物が高濃度にドーピングされたｐ型シリコン基板とすることができる。このとき、前記不純物は３族元素から選択することができる。一例として、前記３族元素は、Ｂ、ＡｌまたはＧａなどとすることができる。前記基板１００は、単結晶または多結晶の結晶質（crystalline）シリコン基板とすることができる。
【００３８】
前記ｐ型半導体層２００は、前記基板１００上に位置する複数のナノワイヤ２００を含むことができる。すなわち、前記ｐ型半導体層２００は、基板１００上に所定間隔で概して垂直配置された複数のナノワイヤ２００を含むことができる。
【００３９】
前記ｐ型半導体層２００は、ｐ型シリコンからなることができる。よって、前記基板１００を利用することができる。すなわち、ｐ型半導体層２００は、前記基板１００と一体に形成されることができる。前記基板１００の上部をナノワイヤ形態にエッチングして前記ｐ型半導体層２００を形成することができる。
【００４０】
前記ｐ型半導体層２００上にｎ型半導体層３００が位置する。前記ｎ型半導体層３００は前記複数のナノワイヤ２００の表面に沿って形成されることができる。一例として、前記ｎ型半導体層３００は、不純物がドーピングされたｎ型シリコン層とすることができる。前記不純物は、５族元素から選択することができる。一例として、前記５族元素はＰ、ＡｓまたはＳｂなどとすることができる。前記ｎ型半導体層の厚さは１０ｎｍ〜５００ｎｍであるが好ましい。
【００４１】
前記ｐ型半導体層２００とｎ型半導体層３００との界面にｐ−ｎ接合部が形成される。前記ｐ−ｎ接合部は、太陽光が照射されると光子（photon）を吸収して電子−正孔対を生成し、前記電子−正孔対を分離して前面電極５００と裏面電極６００とにそれぞれ伝達する機能を実行する。
【００４２】
前記複数ナノワイヤ２００のそれぞれの側壁は、傾斜を有することができる。すなわち、一定な傾きを有することができる。一例として、前記複数のナノワイヤ２００は上部から下部に行くほどその幅が狭くなるように形成され、上部直径が下部直径よりも大きい逆円錐型または逆円錐台型構造を有することができる。
【００４３】
前記複数のナノワイヤ２００のそれぞれの上部直径と下部直径は５ｎｍ〜１μｍの範囲内で、上部直径が下部直径よりも大きい値を有するように選択されることができる。
【００４４】
特に、前記上部直径と下部直径が２０ｎｍ以下の場合、量子効果（quantum effect）によりナノワイヤ２００の直径が減少する下部に行くほどバンドギャップ（bandgap）が増加し、これで、サブバンド準位（subband level）との間隔が増加する。よって、電子と正孔との再結合が減少されるようになるので、光電効率が向上することができる。
【００４５】
前記複数のナノワイヤ２００のそれぞれの間隔は１５ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい。このとき、ナノワイヤの間隔は１つのナノワイヤから隣接するナノワイヤまでの距離を意味する。
【００４６】
垂直に入射される太陽光が、屈折率が相対的に大きいｎ型半導体層３００で屈折率が相対的に小さい透明電極層４００または絶縁膜７００に入射する場合、前記複数のナノワイヤ２００のそれぞれが有する側壁の傾斜によって光が１００％反射する全反射が起きる。したがって、入射された太陽光が前記ナノワイヤ２００下部のｐ−ｎ接合部に集中され、光の移動距離が増加して光電効率が向上することができる。
【００４７】
前記ｐ型半導体層２００とｎ型半導体層３００との間に真性半導体層（図示せず）がさらに介在されることができる。前記真性半導体層は、ｐ型またはｎ型不純物がドーピングされない真性シリコン層とすることができる。一例として、前記真性半導体層は、水素化された非晶質シリコン層α−Ｓｉ：Ｈであることが好ましい。
【００４８】
前記ｎ型半導体層３００上に透明電極層４００がさらに位置することができる。前記透明電極層４００は前記ｎ型半導体層３００の全面に形成されることができる。よって、前記透明電極層４００は前記複数のナノワイヤ２００の全面または上面を覆うように形成されることができる。
【００４９】
前記透明電極層４００は電子の移動通路であって、反射防止膜としての役割をすることができる。前記透明電極層４００は、透過性を有する導電性物質からなることが好ましい。前記透明電極層４００は、炭素同素体、透明伝導性酸化物及び金属から選択される少なくともいずれか１つからなる。一例として、前記炭素同素体は、グラフェン（graphene）または炭素ナノチューブなどとすることができる。また、前記透明伝導性酸化物は、ＩＴＯ（indiumtin oxide）、ＡｌがドーピングされたＺｎＯ（ＡＺＯ）、ＧａがドーピングされたＺｎＯ（ＧＺＯ）またはＩｎがドーピングされたＺｎＯ（ＩＺＯ）などとすることができる。前記金属は、Ａｌ、ＰｔまたはＴｉなどとすることができる。
【００５０】
前記透明電極層４００上の一部領域に前面電極５００が形成される。前記前面電極５００は、外部回路との接続のために配置されることができる。前記前面電極５００は前記透明電極層４００と電気的に接続されることができる。前記前面電極５００は所定間隔に離隔配置されることができる。
【００５１】
前記前面電極５００は、優れた導電性を有する金属またはそれらの合金からなることができる。一例として、前記前面電極５００は、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、ＣｒまたはＷ及びそれらの合金から選択される少なくともいずれか１つからなる。
【００５２】
前記基板１００の裏面には裏面電極６００が形成される。前記裏面電極６００は、外部回路との接続のために配置されることができる。前記裏面電極６００は前記基板１００と電気的に接続されることができる。前記裏面電極６００は前記前面電極５００と同一金属またはそれらの合金を使用することができる。
【００５３】
前記絶縁膜７００は前記透明電極層４００と前記前面電極５００を覆うように形成される。前記絶縁膜７００は、前記複数のナノワイヤ２００との間を充填することができる。このようなことで、前記絶縁膜７００は複数のナノワイヤ２００を支持するとともに固定して素子の構造的安全性を維持する。
【００５４】
前記絶縁膜７００は、透明絶縁膜とすることができる。一例として、前記絶縁膜７００は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはそれらの二重層とすることができる。しかし、それに限らず、透明性があり、パッシベーション（passivation）の役割をする物質であればいずれでも使用可能である。
【００５５】
前記絶縁膜７００上部には、光の反射を防止するために別途の反射防止膜（図示せず）がさらに位置する。
【００５６】
図３Ａは、従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池に垂直入射された太陽光の反射模式図である。
【００５７】
図３Ａを参照すると、従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池は、側壁に傾斜がない円筒状の複数のナノワイヤ２００を含む。よって、垂直に入射された太陽光は大部分が光の直進性により電子−正孔対の生成及び分離が起きるｐ−ｎ接合以外の部分を通過することになる。よって、分離された電子または正孔が再結合する確率が高くなり、これは光電効率の減少をもたらす。
【００５８】
図３Ｂは、本発明の一実施形態による太陽電池に垂直入射された太陽光の反射模式図である。
【００５９】
図３Ｂを参照すると、本発明の一実施形態による太陽電池は、ナノワイヤ２００の上部から下部に行くほどその直径が小さくなる逆円錐型または逆円錐台型構造を有することができる。すなわち、前記ナノワイヤ２００は、垂直方向に対して所定角度に傾斜された側壁を有することができる。よって、太陽光が垂直に入射される場合、前記光は屈折率が大きいｎ型半導体層３００で、屈折率が小さい透明電極層４００または絶縁膜７００に入射するので、光は屈折せず１００％反射することができる。すなわち、光の全反射が起きることができる。この場合、入射された太陽光が前記ナノワイヤ２００下部のｐ−ｎ接合部に集中される効果が発生する。
【００６０】
図４Ａは、従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池に太陽光が垂直入射された場合に形成された電子−正孔対の発生率を示すグラフである。
【００６１】
図４Ｂは、本発明の一実施形態による太陽電池に太陽光が垂直入射された場合に形成された電子−正孔対の発生の率を示すグラフである。
【００６２】
図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池の場合、生成されたエキシトンが入射距離に反比例して分布し、概して素子の全面に均等に分布される。一方、本発明の一実施形態による太陽電池の場合、生成されたエキシトンが光の全反射によりナノワイヤ下部のｐ−ｎ接合部に集中分布することが確認できる。
【００６３】
この場合、前記ｐ−ｎ接合部近所に印加された電場の影響と、前記ナノワイヤの直径による量子効果により電子と正孔の再結合が減少するので光電効率が向上される。
図５Ａは、本発明の一実施形態によるナノワイヤを基盤とする太陽電池においてナノワイヤの側壁が水平面となす角（起立角）を示す図である。
【００６４】
図５Ｂは、本発明の一実施形態による太陽電池において起立角による太陽光の吸収率と発生電流を示すグラフである。
【００６５】
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、水平面とナノワイヤの側壁がなす角を起立角と定義する。よって、従来上部と下部の直径が同一円錐（cylinderical）形状のナノワイヤの場合、起立角は９０゜であり、約８５％の光吸収率と、約３５ｍＡ／ｃｍ−２の電流値を示す。一方、起立角が９０゜より小さくなるほど、すなわち、起立角の大きさが減少するほど、光吸収率及び電流値が増加することを確認することができる。これは、起立角の大きさが減少するほど入射された太陽光が全反射され、ナノワイヤ内部からさらに遠い距離を移動するからである。
【００６６】
しかしながら、起立角が全反射の臨界角である１５゜以下である場合は、入射された太陽光がナノワイヤの外部方向に散乱され、むしろ従来のナノワイヤを基盤とする太陽電池よりも低い光吸収率と電流値を示す。
【００６７】
したがって、ナノワイヤの側壁は、入射される太陽光の全反射が起きる臨界角以上の傾きを有するように設計しなければならない。よって、ナノワイヤの側壁と水平面のなす角度は１５゜〜９０゜の範囲で選択されることが好ましい。すなわち、起立角が１５゜〜９０゜の大きさを有するようにナノワイヤの側壁の傾斜度を調節することができる。
【００６８】
図６Ａないし図６Ｈは、本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【００６９】
図６Ａを参照すると、基板１００の上部に第１ハードマスク１２０ａを蒸着することができる。一例として、前記基板１００は不純物が高濃度にドーピングされたｐ型シリコン基板とすることができる。前記第１ハードマスク１２０ａはシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜とすることができる。前記第１ハードマスク１２０ａ上の一部にフォトレジストパターン１４０ａを配置して前記基板１００上にナノワイヤパターンを形成することができる。
【００７０】
前記第１ハードマスク１２０ａは、スパッタリングまたは化学気相蒸着法などを介して形成することができる。前記フォトレジストパターン１４０ａは、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、極紫外線リソグラフィ、フォトリソグラフィまたはナノインプリントリソグラフィなどにより形成することができる。
【００７１】
図６Ｂを参照すると、図６Ａのフォトレジストパターン１４０ａを用いてナノワイヤパターンが形成された基板１００上に第２ハードマスク１２０ｂを形成することができる。前記第２ハードマスク１２０ｂは、基板１００のエッチングのためのエッチングマスクとして使用することができる。
【００７２】
前記第２ハードマスク１２０ｂは、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜とすることができる。一例として、前記第２ハードマスク１２０ｂは、スパッタリングまたは化学気相蒸着法などを用いて形成することができる。このとき、通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて特定部位だけをマスキングすることができる。
【００７３】
図６Ｃを参照すると、第２ハードマスク１２０ｂに沿って基板１００をエッチングしてｐ型半導体層２００を形成する。前記ｐ型半導体層２００は、傾斜された側壁を有する複数のナノワイヤ２００を含むことができる。
【００７４】
このとき、エッチングは乾式または湿式エッチングを用いることができる。一例として、前記基板１００の上部から下部に行くほど狭い幅を有するように非等方性にエッチングし、上部直径が下部直径よりも大きい逆円錐型または逆円錐台型構造を有する複数のナノワイヤ２００を形成することができる。
【００７５】
ただし、前記ナノワイヤ２００の形状はこれに限らず、エッチング率と選択比を異なるようにして、上部直径と下部直径の大きさ差を多様に変化させることができる。また、前記ナノワイヤ２００の側壁傾きを調節して起立角を変化させることができる。
【００７６】
このとき、前記起立角が光の全反射臨界角である１５゜以下である場合、入射された太陽光がナノワイヤ２００の外部方向に散乱するので、前記ナノワイヤ２００の側壁は光の全反射が起きることができる臨界角以上の傾きを有するように設計することが好ましい。よって、前記ナノワイヤ２００の側壁と水平面のなす角度は１５゜〜９０゜の範囲内で選択することが好ましい。
【００７７】
一方、各ナノワイヤ２００の上部直径と下部直径は、ナノスケールの素子製造のために５ｎｍ〜１μｍの範囲内で選択することが好ましい。また、複数のナノワイヤ２００との間の間隔は、１５ｎｍ〜１０μｍの範囲内で選択されるように形成することが好ましい。
【００７８】
図６Ｄを参照すると、複数のナノワイヤ２００の表面に沿って前記ｐ型半導体層２００上にｎ型半導体層３００を形成する。前記ｎ型半導体層３００は、ｎ型にドーピングされたシリコン層とすることができる。前記ｎ型半導体層３００は、蒸着またはイオン注入工程によって形成することができる。前記ｎ型半導体層３００は１０〜５００ｎｍの厚さを有するように形成することが好ましい。
【００７９】
図６Ｅを参照すると、ｎ型半導体層３００上に透明電極層４００を形成することができる。前記透明電極層４００はさらに多くの太陽光が入射されるようにするために透過性を有する導電性物質からなることができる。一例として、前記透明電極層４００は、炭素同素体、透明伝導性酸化物及び金属から選択される少なくともいずれか１つからなる。前記透明電極層４００は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、ＲＦスパッタリングまたはマグネトロンスパッタリングなどを用いて形成することができる。
【００８０】
図６Ｆ及び図６Ｇを参照すると、透明電極層４００が外部回路に接続されるように前記透明電極層４００上の一部に前面電極５００を形成することができる。また、ｐ型半導体層２００が外部回路に接続されるように基板１００の裏面に裏面電極６００を形成することができる。前記電極５００、６００は優れた導電性を有する金属またはそれらの合金とすることができる。前記電極５００、６００は、熱蒸着、真空蒸着などを用いて形成することができる。このとき、既に形成された複数のナノワイヤ２００を保護するために前記透明電極層４００上にフォトレジスト１４０ｂを塗布することができる。
【００８１】
図６Ｈを参照すると、透明電極層４００の全面を覆うように、絶縁膜７００を形成する。前記絶縁膜７００は複数のナノワイヤ２００との間を充填し、前記複数のナノワイヤ２００を支持し、固定することができる。前記絶縁膜７００は透明絶縁膜とすることができる。一例として、前記絶縁膜７００は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはそれらの二重層とすることができる。しかしながら、これに限らず、透明性があり、パッシベーション役割ができる物質であればいずれでも使用可能である。前記絶縁膜７００は、スパッタリングまたは化学気相蒸着（ＣＶＤ）などを用いて形成することができる。
【００８２】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の他の実施形態によるナノワイヤを示す断面図である。
【００８３】
図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、ナノワイヤ２００は上部直径が下部直径よりも大きい逆円錐型または逆円錐台型構造と、上部直径が下部直径よりも小さい円錐型または円錐台型構造を結合した形状の砂時計型またはダイヤモンド型の構造を有することができる。前記砂時計型構造は基板１００方向に円錐型または円錐台型構造が配置され、前記円錐型または円錐台型構造の上部に逆円錐型または逆円錐台型構造が配置された構造である。これとは逆に、ダイヤモンド型構造は基板１００方向に逆円錐型または逆円錐台型構造が配置され、前記逆円錐型または逆円錐台型構造の上部に円錐型または円錐台型構造が配置された構造である。
【００８４】
このとき、前記砂時計型またはダイヤモンド型構造のナノワイヤ２００の両側壁の傾きは、所定基点を基準として変化することができる。
【００８５】
しかし、ナノワイヤ２００の形状は、これに限らず、光の全反射を利用することができる構造であれば、いずれの形状のナノワイヤ２００でも可能である。
【００８６】
以上、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲で、本発明を多様に修正及び変更させることができる。
【図１】
0005820075.tif 000002
【図２Ａ】
0005820075.tif 000003
【図２Ｂ】
0005820075.tif 000004
【図３Ａ】
0005820075.tif 000005
【図３Ｂ】
0005820075.tif 000006
【図４Ａ】
0005820075.tif 000007
【図４Ｂ】
0005820075.tif 000008
【図５Ａ】
0005820075.tif 000009
【図５Ｂ】
0005820075.tif 000010
【図６Ａ】
0005820075.tif 000011
【図６Ｂ】
0005820075.tif 000012
【図６Ｃ】
0005820075.tif 000013
【図６Ｄ】
0005820075.tif 000014
【図６Ｅ】
0005820075.tif 000015
【図６Ｆ】
0005820075.tif 000016
【図６Ｇ】
0005820075.tif 000017
【図６Ｈ】
0005820075.tif 000018
【図７Ａ】
0005820075.tif 000019
【図７Ｂ】
0005820075.tif 000020