(57)【要約】  光起電構造体であって、半導体基板と、当該半導体基板に接合された金属粒子を具える。光起電構造体は十分に薄く、透明または半透明である。金属粒子は、金属層を半導体基板上に堆積させて加熱して提供される。光起電構造体は、赤外線スペクトル、可視光スペクトル、または紫外線スペクトルの１またはそれ以上のなかで電磁放射に晒されると電流を生成可能である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電構造体であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に接合された第１の複数の金属粒子とを具え、
前記光起電構造は、赤外線スペクトル、可視光スペクトル、または紫外線スペクトルの１またはそれ以上の中の電磁放射に晒されたときに電流を生成することが可能であることを特徴とする光起電構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記光起電構造対は透明または半透明であることを特徴とする光起電構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記第１の複数の金属粒子は、
スパッタリング、蒸着、または印刷の１またはそれ以上によって前記半導体基板上に第１の金属層を堆積するステップと、
前記光起電構造体を摂氏４００度ないし１２００度の範囲の温度で加熱するステップにより製造されることを特徴とする光起電構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の光起電構造体において、前記第１の金属層が、ニッケル、銅、またはコバルトのうちの１またはそれ以上を含むことを特徴とする光起電構造体。
【請求項５】
請求項３に記載の光起電構造体において、前記第１の金属層が、５ないし２０ナノメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする光起電構造体。
【請求項６】
請求項１に記載の光起電構造体において、さらに第２の複数の金属粒子を具え、前記第１の複数の金属粒子と前記第２の複数の金属粒子は、
スパッタリング、蒸着、または印刷の１またはそれ以上によって前記半導体基板上に第１の金属層を堆積するステップと、
スパッタリング、蒸着、または印刷の１またはそれ以上によって前記第１の金属層の上に第２の金属層を堆積するステップと、
前記光起電構造体を摂氏４００度ないし１２００度の範囲の温度で加熱するステップにより製造されることを特徴とする光起電構造体。
【請求項７】
請求項６に記載の光起電構造体において、前記第１および第２の複数の金属粒子は、銀、金、プラチナ、銅、パラジウム、コバルト、チタン、タングステン、ニッケル、クロム、およびアルミニウムの１またはそれ以上を含むことを特徴とする光起電構造体。
【請求項８】
請求項６に記載の光起電構造体において、前記第１の金属層は５ないし２０ナノメートルの範囲の厚さを有し、前記第２の金属層は２０ないし２００ナノメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする光起電構造体。
【請求項９】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記半導体基板が、１０ナノメートルないし５００マイクロメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする光起電構造体。
【請求項１０】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記半導体基板は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンの１またはそれ以上を含むケイ素を具えることを特徴とする光起電構造体。
【請求項１１】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記第１の複数の金属粒子の任意の粒子が、０．００１ないし５０マイクロメートルの範囲のサイズを有することを特徴とする光起電構造体。
【請求項１２】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記第１の複数の金属粒子は、基板上に均等に分散していることを特徴とする光起電構造体。
【請求項１３】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記第１の複数の金属粒子の粒子間は、０．００１ないし１００マイクロメートルの範囲で離れていることを特徴とする光起電構造体。
【請求項１４】
請求項１に記載の光起電構造体において、前記光起電構造体は、１００ナノメートルないし５００マイクロメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする光起電構造体。
【請求項１５】
光起電構造体の製造法であって、
スパッタリング、蒸着、または印刷の１またはそれ以上によって半導体基板上に第１の金属層を堆積するステップと、
前記第１の金属層および前記半導体基板を摂氏４００度ないし１２００度の範囲の温度で加熱して前記半導体基板に接合した第１の複数の金属粒子を提供するステップとを具え、
前記堆積するステップと加熱するステップにより生成される光起電構造体は、赤外線スペクトル、可視光スペクトル、または紫外線スペクトルの１またはそれ以上のなかで電磁放射に晒されると電流を生成可能であることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５の方法において、前記光起電構造対は透明または半透明であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５の方法において、前記第１の金属層が、ニッケル、銅、またはコバルトのうちの１またはそれ以上を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５の方法において、前記第１の金属層が、５ないし２０ナノメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５の方法において、さらに、
スパッタリング、蒸着、または印刷の１またはそれ以上によって前記第１の金属層の上に第２の金属層を堆積するステップを具えるとともに、
前記加熱するステップがさらに、前記第２の金属層と前記半導体基板を摂氏４００度ないし１２００度の範囲の温度で加熱して前記半導体基板に接合した第２の複数の金属粒子を提供するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９の方法において、前記第１の金属層は５ないし２０ナノメートルの範囲の厚さを有し、前記第２の金属層は２０ないし２００ナノメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５の方法において、前記半導体基板が、１０ナノメートルないし５００マイクロメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１５の方法において、前記半導体基板は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンの１またはそれ以上を含むケイ素を具えることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１５の方法において、前記第１の複数の金属粒子の任意の粒子が、０．００１ないし５０マイクロメートルの範囲のサイズを有することを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１５の方法において、前記第１の複数の金属粒子は、基板上に均等に分散していることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１５の方法において、前記第１の複数の金属粒子の粒子間は、０．００１ないし１００マイクロメートルの範囲で離れていることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１５の方法において、前記光起電構造体は、１００ナノメートルないし５００マイクロメートルの範囲の厚さを有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１月１４日提出の米国暫定特許出願第６１／４３３，１８５の優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は一般に光電池に関し、より具体的には、限定しないが、高効率かつ製造が安価な薄膜光電池の製造に関する。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の一実施例によると、光電池の製造方法が提供され、この方法は、１またはそれ以上のスパッタリングにより半導体基板上に第１の金属層を堆積させるステップと、摂氏４００乃至１２００度の範囲の温度で前記第１の金属層と前記半導体基板を熱して、前記半導体基板に接着された第１の複数の金属粒子を提供するステップとを具え、これにより前記堆積により製造された光起電性構造を１またはそれ以上の赤外線スペクトル内で電磁放射に晒すと電流が生成され得る。
【０００４】
本発明の一実施例によると、光起電性構造が、半導体基板と、前記半導体基板に接着された第１の複数の金属粒子とを具え、これにより前記堆積により製造された光起電性構造を、赤外線スペクトル、可視光スペクトル、または紫外線スペクトルのいずれか内で電磁放射に晒すと電流が生成され得る。一実施例では、前記光起電成功増は透過型または半透明である。
【０００５】
さらに、光電池は特性が向上され、前記光電池は半導体基板と、粒子面とを具え、当該理由紙面は厚さ０．００１乃至１００マイクロメートルである。
【０００６】
本発明の他のおよびさらなる特徴と利点が、添付の図面とともに以下の多様な実施例の説明を読んだ場合に明らかになる。当業者であれば、以下の実施例は説明と例示の目的のみ提供され、本発明の多様な実施例の要素の多数の組み合わせが可能であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の非限定的かつ非排他的な実施例が、以下の図面を参照して説明される。図面において、同じ参照符号は他に特記しない限り複数の図面を通して同じ部品を示す。
【０００８】
本発明の実施例のより良好な理解のために、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照する。
【図１】図１は、本発明の一実施例にかかる光電池の側面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例にかかる光電池の上面図であり、粒子面を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施例にかかる例示的な光電池の上面に沿った電極を示し、特性Ｉ−Ｖの測定値を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施例にかかる試験用に構成された例示的な光電池の側面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例にかかる例示的な光電池の特性を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施例にかかる光電池の製造方法の実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照して本発明の実施例をより完全に説明するが、図面はその一部であり、本発明を実施する場合の特定の実施例を図面で説明するものである。しかしながら本発明は、多くの異なる形態で実施可能であり、本書にある実施例に限定されると解されるべきではなく、むしろこれらの実施例は本開示が詳細であるとともに完全であり、本発明の範囲を当業者に伝えるために提供される。本書において用語「または」は包括的な機能後「または」であり、文脈で明確に他を示さない限り用語「および／または」と同義である。用語「基づく」は排他的ではなく、文脈で明確に他を示さない限り記載しない追加の要素に基づくことを許容するものである。さらに、明細書を通して、「ある」、「一の」、「その」の意味は複数の表示を含む。「中に」の意味は「中に」と「上に」を含む。用語「結合する」は、直接連結されていてもよいし、１またはそれ以上の介在要素を通して連結されていてもよい。
【００１０】
図１は、光電池（ＰＶ電池）１００の構造を示す図である。このＰＶ電池は半導体基板上に構成されている。基礎構造の上に半導体基板１１０からなる下側基板が設けられる。半導体基板は基礎構造の上面に結合されている。半導体基板の上面に隣接して、一連の製造された粒子１２０がある。これらの粒子は単一金属、半金属、合金、金属間化合物、またはこれらすべての組み合わせでなる。
【００１１】
半導体基板は様々な厚さであってよい。好適には、半導体基板は１０ナノメートルから５００マイクロメートルの厚さであり、好ましくは数百ナノメートルの範囲である。従来はいくつかのＰＶ電池は潜在的に有毒な成分で構成されるが、本発明の実施例ではこのような材料は用いられない。むしろ、半導体はアモルファスシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンその他の材料で構成される。さらに、有効性を高めるべくドーピングして不純物を導入してもよいが、これは本書に開示する実施例では必須ではない。ドーピングはしてもしなくてもよい。
【００１２】
半導体基板の上面に導入される粒子のサイズは、０．００１から５０マイクロメートルで変化してもよい。一実施例では、粒子は半導体基板の上面に０．００１から１００マイクロメートルの間隔で均等に分散している。
【００１３】
その後、粒子面の上面に電極が配置され、エネルギが集められる。好適には、ＰＶ電池の合計厚さは１００ナノメートルから５００ナノメートルである。ＰＶ電池は従来型電池と比べて非常に薄く構成することがでるため、製造されるＰＶ電池はほぼ透明か、半透明となる。
【００１４】
本発明の一実施例によると、ＰＶ電池の製造はレイヤー処理そのものではない。粒子は半導体基板の上面に配置される。
【００１５】
図２は、ＰＶ電池の表面２００の一実施例である。図２には、ＰＶ電池の表面２００の走査型電子顕微鏡写真が示されている。図２には基礎基板２１０が示され、これは色の濃い面で、平坦面で、本質的に半導体基板の表面である。半導体基板２１０の上面には一連の粒子２２０が接合している。粒子２２０は互いに２〜３ミクロン隔てられており、粒子の分散はマイクロメータレベルであり、ナノメータレベルではない。これらの粒子は一実施例では形状やサイズが異なってもよく、粒子の直径は１から１０ミクロンの間である。好適な実施例は本書で特定した粒子を具えてもよいが、これらの実施例に限定するものではなく、他の形状およびサイズの粒子もこれらの実施例の範疇にあると解すべきである。
【００１６】
粒子の分析において、これらの粒子は上述した金属または合金からなることが好ましい。半導体基板は従来の材料、例えばケイ素やガリウムといった結晶無機固体でなる。粒子は、例えば銀、金、プラチナ、銅、パラジウム、コバルト、チタン、タングステン、ニッケル、クロム、およびアルミニウムなどの金属成分でなる。
【００１７】
製造後、光電池は特定の特性を有する。従来技術を用いて、これらの特性を測定する。図３は、ＰＶ電池の測定方法３００を示す。図示のように、光３１０がＰＶ電池３２０の粒子面に導入される。ＰＶ電池の電位差を測定するために電圧計３３０を用いる。バイアス電圧３４０がデバイスにかけられ、電流計で発生電流を測定する。図４は、ＰＶ電池４００が試験状態にある状態を示す。ＰＶ電池は、半導体基板４１０を有し、この半導体基板４１０の上面に粒子４２０が接合している。光起電特性を測定するために、上述した電池に加えて、粒子４２０の上面に陰極４３０を設け、半導体基板４１０に直接陽極４４０を配置する。陰極４３０と陽極４４０の間に電源（図示せず）が接続される。
【００１８】
従来方法で試験が行われ、材料の光起電測定が測定される。電圧が−２ボルトから＋２ボルトの範囲でかけられる。ここから一連の電流測定が取得される。例えば、電池に０ボルトがかかると、図５のように電流が生成される。図５は、Ｉ−Ｖデータチャート５００を示す。このチャートは、ＰＶ電池の一実施例における印加電圧に対する電流密度を示す。一実施例では、予備試験結果では光起電特性はおよそ２０ｍＡ／ｃｍ２である。
【００１９】
本書の光電池は多様な方法で製造することができる。図６は、電池を製造する一のプロセス６００を示す。このプロセスは半導体基板６０２の成長から始まる。金属（または合金など）層６０４が半導体基板６０２の上部に堆積される。この堆積プロセスはいくつかの方法で達成することができ、限定しないが、スパッタリング、蒸着（ＶＰ）、および印刷が含まれる。その後、さらなる金属（または合金など）６０６が第１の層６０４の上に上述と同様の方法を用いて堆積される。２つの層の堆積方法は同じであっても違っていても実施例の範囲内と解すべきである。第２の層が堆積されたら、電池は焼成される６０８。この焼成プロセスや状態は、電池を製造するのに用いる特定の材料（半導体、金属、合金、半金属）によって変化してもよい。また使用する材料に応じて、焼成温度は摂氏４００ないし１２００度で変化してもよく、焼成時間は数分から数時間まで変化してもよい。この焼成プロセスの結果、この層が粒子６１０となる。焼成の後に電極が配置される（６１２）。
【００２０】
一実施例では、２つの層が半導体基板上に堆積される。第１の層は金属である（ニッケル、コバルト、または銅など）。第２の堆積層は第２の金属である（銀、金など）。これらの層の組み合わせは本発明の実施例の限定を意図するものではなく、これらの層は同一または異なる材料を具えてもよいし、金属であっても合金であってもよい。一実施例では、両方の層が標準的なスパッタリング技術、例えばＲＦ、ＤＣ、またはＶＰを用いて製造される。各層の厚さは変わってもよく、好適には第１の層は５から２０ナノメートル、第２の層は２０から２００ナノメールである。一実施例の厚さをここで特定したが、これは実施例の限定を意図するものではなく、上述した他の厚さも実施例の範囲内と解すべきである。
【００２１】
次に、焼成プロセスを実行して、半導体基板上に粒子を構成する。好適には、焼成温度は金属成分に依存して摂氏６００ないし１１００度であり、焼成時間は材料や最初の層の厚さに依存して２０ないし６０分である。一実施例は記載した通りの焼成プロセスにかけられるが、これは他の実施例を限定するものではなく、上述した以外の焼成温度や時間も実施例の範囲内と解すべきである。
【００２２】
次に、陰極４３０や陽極４４０のような電極が設けられる。粒子の上面に配置される電極は、ＴＣＯ（透明導電酸化膜）またはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）の層を用いたものが最も多く製造されている。対極は半導体基板のオーム接点の標準的な製造技術を用いて構成することができる。一実施例では、オーム接点はアルミニウムである。別の実施例では、オーム接点はニッケルである。オーム接点の一実施例はここに記載した材料を具えてもよいが、これは実施例を限定するものではなく、他の材料を用いても実施例の範囲内と解すべきである。
【００２３】
本書記載の新規なＰＶ電池は、限定しないが以下のように現在入手可能なものより多くの利点がある。
【００２４】
第１に、本書記載の光電池の製造に用いる材料のすべてが不活性であるため、従来の光電池に用いられるものより有害であったり発がん性の材料がない。これは今日の市場にある高効率電池と異なる点である。
【００２５】
第２に、製造の性質上、このＰＶ電池は非常に薄くでき、数百ナノメートル以下となる。その結果、材料を通る光の伝達制御が非常に簡単であり、電池を透明にすることもできる。この電池は、透過して見ることができる半透明の膜のようになる。このユニークな特性により、窓などの多様な面に適用することが可能となる。このため、本発明の実施例は例えば住居、車両、またはビルディングの発電窓を実現することができる。この電池は、従来のＰＶ電池では不可能であった多様な構造物に適用することができる。
【００２６】
本書で紹介する構成の他の利点や新規性として、製造プロセスが簡単で、直接的で、安価であることがある。本書記載の新規なプロセスは、今日の市場にある同種のいかなるＰＶ電池の製造プロセスよりも１０から１００倍も安価に見積もられ、これは新規性に寄与し、革命的である。
【００２７】
さらに、生成されるエネルギ量は、表面がいかに大きいまたは小さいかといった電池の表面に依存する。表面積が異なっても本発明の実施例の範囲内であると解すべきである。さらに、ＰＶ電池の効率が向上すると、小さな表面積の展開が企図される。
【００２８】
別の実施例では、ＰＶ電池は、０．４ミクロンから１．１ミクロンの波長の可視光範囲のみならず、赤外線スペクトルやＵＶ光からも電力を生成しうる。
【００２９】
前述したように、上記の特定の実施例は説明と解説目的で提示されている。これらは排他的でなく、本発明を精密な形の開示に限定するものではなく、均等物を含む多数の変形例や変更例を上記の教示から実現することができる。これらの実施例は本発明の原理や特定の応用例を説明するために記載されており、このため当業者であれば本発明とその多様な実施例を特定の使用に適するように利用可能である。
【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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【国際調査報告】
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