(57)【要約】  ある実施形態では、本発明は薄いコンフォーマル皮膜で被覆された細長いナノ構造体を含む光起電力装置（例えば、太陽電池）に関する。通例、かかるコンフォーマル皮膜は実質的に連続した電荷分離接合を与える。実施形態に応じ、かかる装置はｐｎ接合（１００）、（ｐ層とｎ層との間に薄い真性トンネリング層を有する）ｐｉｎ接合（４００）、及び／又はヘテロ接合（６００）を含み得る。しかし、いずれの場合にも、細長いナノ構造体は光起電力装置中の能動光起電（ＰＶ）要素である。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法にも関する。かかる光電解装置又は太陽電池は、コスト的には薄膜型太陽電池と同等であると思われるが、コンフォーマルである電荷分離接合のために一層高い効率を有する可能性がある。さらに、ナノ構造体は全体として優れた光トラッピング特性及び光吸収特性を与える。【選択図】    図１
2008053730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の（ａ）〜（ｃ）を備える光起電力装置。
（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る複数の細長いナノ構造体であって、第一のタイプのドーピングを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体、
（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料のコンフォーマル層であって、第二のタイプのドーピングを有する半導体材料からなり、複数の細長いナノ構造体と共に電荷分離接合を形成するコンフォーマル層、並びに
（ｃ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点。
【請求項２】
さらに、コンフォーマル層上に設けられた導電性透明材料を含む、請求項１記載の光起電力装置。
【請求項３】
細長いナノ構造体が、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載の光起電力装置。
【請求項４】
以下の（ａ）〜（ｄ）を備える光起電力装置。
（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る複数の細長いナノ構造体であって、第一のタイプのドーピングを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体、
（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに設けられた真性半導体材料の第一のコンフォーマル層４０３、
（ｃ）第一のコンフォーマル層４０３の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマル層であって、第二のタイプのドーピングを有することで電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマル層、並びに
（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点。
【請求項５】
さらに、第二のコンフォーマル層上に設けられた導電性透明材料を含む、請求項４記載の光起電力装置。
【請求項６】
細長いナノ構造体が実質的に垂直な方位で多孔質ナノテンプレートから延び出ている、請求項４記載の光起電力装置。
【請求項７】
以下の（ａ）〜（ｃ）を備える光起電力装置。
（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る複数の細長いナノ構造体であって、第一のバンドギャップを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体、
（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料のコンフォーマル層であって、第二のバンドギャップを有する半導体材料からなり、複数の細長いナノ構造体と共に電荷分離ヘテロ接合を形成するコンフォーマル層、並びに
（ｃ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点。
【請求項８】
さらに、コンフォーマル層上に設けられた導電性透明材料を含む、請求項７記載の光起電力装置。
【請求項９】
多孔質ナノテンプレートが基板上に位置している、請求項７記載の光起電力装置。
【請求項１０】
光起電力装置の製造方法であって、
ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のバンドギャップを有する段階、
ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りに半導体材料のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、半導体材料のコンフォーマル層は第二のタイプのバンドギャップを有することで下方の細長いナノ構造体と共に電荷分離ヘテロ接合を形成する段階、並びに
ｃ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階
を含んでなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光起電力装置に関し、詳しくは細長いナノ構造体及びコンフォーマルに誘導された接合を含む光起電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、太陽電池の製造で最も常用されている材料はシリコン（Ｓｉ）であり、かかる太陽電池は日光を電気に変換するために使用される。このような目的のためには単一接合及び多重接合のｐｎ型太陽電池が使用されているが、いずれもこの技術の製造及び使用に関係するコストを低減させるのに十分なほど効率的でない。その結果、通常の電気供給源との競争により、かかる太陽電池技術の広汎な普及が妨げられている。
【０００３】
既存の太陽電池における主な損失過程は、光励起電子がバンドギャップを超えて有し得るエネルギーを（フォノンとして知られる）格子振動として急速に失って再結合率が増加する場合に起こる。このような損失だけで、標準電池の変換効率は約４４％に制限される。さらに、点欠陥（格子間不純物）、金属クラスター、線欠陥（転位）、平面欠陥（積層欠陥）及び／又は結晶粒界に関連した半導体結晶中のトラップ状態による光生成電子及び正孔の再結合はさらに効率を低下させる。このような後者の効率低下は適当な性質（特に、光生成キャリヤーの長い拡散距離）を有する材料を使用することで解消できるが、それでもこの技術を通常の電気供給源とコスト的に同等なものにするには至らない。使用した材料のバンドギャップよりもエネルギーの低い光を半導体が吸収しないという事実のためにさらなる損失が起こる。光起電力損失のすべてを考慮に入れて、Ｓｈｏｃｋｌｅｙ及びＱｕｅｉｓｓｅｒは、単一接合電池の性能が１．３電子ボルト（ｅＶ）のバンドギャップを有する最適電池について３０％をわずかに上回る効率に制限されることを証明できた（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  ａｎｄ  Ｑｕｅｉｓｓｅｒ，“Ｄｅｔａｉｌｅｄ  Ｂａｌａｎｃｅ  Ｌｉｍｉｔ  ｏｆ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｐ−ｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１９６１，３２（３），ｐｐ．５１０−５１９）。さらに最近の計算では、単一接合に関するこの「限界効率」は２９％であると証明されている（Ｋｅｒｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｌｉｆｅｔｉｍｅ  ａｎｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｌｉｍｉｔｓ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ”，Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌａｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１）。
【０００４】
太陽電池の効率を向上させることを目指して、ナノワイヤ及び他の類似ナノ構造体を利用しようという努力が続けられてきた。これらの努力を下記に略述する。
【０００５】
シリコンナノワイヤはｐｎ接合ダイオードアレイ中において記載されている（Ｐｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｐ−ｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｒａｙｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００４，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．７３−７６）。しかし、かかるアレイは光起電力装置で使用するように形成されていない上、かかるアレイが太陽電池の効率を高めるために役立ち得ることも示唆されていない。
【０００６】
シリコンナノワイヤは太陽電池装置中においても記載されている（Ｊｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  （ＭＩＧ）  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｅｍｉｔｔｅｒｓ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，２００２，ｐｐ．１３１４−１３１７）。かかる装置では、ニッケル（Ｎｉ）予備層上にＳｉをスパッタリングすることにより、微晶質Ｓｉ薄膜中に埋め込まれた状態でＳｉナノワイヤを形成でき、Ｓｉナノワイヤが薄膜の内部で成長するか否かはその厚さで決定される。しかし、かかるナノワイヤは能動ＰＶ要素でない。これらは単に反射防止能力の点で役立つにすぎない。
【０００７】
シリコンナノ構造体が能動ＰＶ要素であるような、シリコンナノ構造体を含む太陽電池は、本願出願人に譲渡された２００５年３月１６日出願の米国特許出願第１１／０８１９６７号に記載されている。この特許出願では、電荷分離接合は主としてナノ構造体そのものの内部に含まれていて、一般にかかるナノ構造体の合成中にドーピングの変更が要求される。
【０００８】
上述の説明の結果、さらなる改良及び従来の電気供給源と同等な効率をもたらすようにかかる太陽電池技術の修正（特に、ナノスケール材料及び装置を組み込んだ修正）を行うことは極めて有益であろう。
【非特許文献１】Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  ａｎｄ  Ｑｕｅｉｓｓｅｒ，“Ｄｅｔａｉｌｅｄ  Ｂａｌａｎｃｅ  Ｌｉｍｉｔ  ｏｆ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｐ−ｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１９６１，３２（３），ｐｐ．５１０−５１９
【非特許文献２】Ｋｅｒｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｌｉｆｅｔｉｍｅ  ａｎｄ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  Ｌｉｍｉｔｓ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ”，Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌａｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１
【非特許文献３】Ｐｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｐ−ｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｒａｙｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００４，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．７３−７６
【非特許文献４】Ｊｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  （ＭＩＧ）  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｅｍｉｔｔｅｒｓ”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，２００２，ｐｐ．１３１４−１３１７
【非特許文献５】Ｂｏｇａｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，１７，１１４（２００５）
【非特許文献６】Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ａｒｒａｙｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００１，１３（１６），ｐｐ．１２３８−１２４１
【非特許文献７】Ｃｈｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ＧａＮ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｉｎ  Ａｎｏｄｉｃ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．＆  Ｅｎｇ．，２０００，Ａ２８６，ｐｐ．１６５−１６８
【非特許文献８】Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  ＩｎＳｂ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ａｒｒａｙｓ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ａｎｏｄｉｃ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１５２（１０），ｐｐ．Ｃ６６４−Ｃ６６８
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある実施形態では、本発明は薄いコンフォーマル皮膜で被覆された細長いナノ構造体を含む光起電力装置（例えば、太陽電池）に関する。個々の実施形態に応じ、かかる装置はｐｎ接合、ｐｉｎ接合及び／又はヘテロ接合を含み得る。しかし、いずれの場合にも、細長いナノ構造体の少なくとも一部は光起電力装置中の能動光起電（ＰＶ）要素である。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法にも関する。かかる光電解装置又は太陽電池は、コスト的には薄膜型太陽電池と同等であると思われるが、光吸収を電荷輸送から分離できるという事実のために一層高い効率を有する可能性がある。即ち、大抵の電荷キャリヤーが空乏領域の付近又は内部で生成されるので、電荷キャリヤーを迅速に分離して再結合の機会を低減させると共に、強い光トラッピングが光を吸収するために必要な厚さを最小にする。このような幾つかの実施形態では、これは単一のコンフォーマル接合又は実質的に連続したコンフォーマル接合である。さらに、ナノ構造体は優れた光トラッピング特性及び光吸収特性を与える。
【００１０】
ある実施形態では、本発明は、（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る複数の細長いナノ構造体であって、第一のタイプのドーピングを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体、（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料のコンフォーマル層であって、第二のタイプのドーピングを有する半導体材料からなり、複数の細長いナノ構造体と共に電荷分離接合を形成するコンフォーマル層、（ｃ）コンフォーマル層上に設けられた導電性透明材料、並びに（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を含んでなるｐｎ型光起電力装置に関する。
【００１１】
ある実施形態では、本発明はｐｎ型光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のタイプのドーピングを有する段階、（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りに半導体材料のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、半導体材料のコンフォーマル層は第二のタイプのドーピングを有することで下方の細長いナノ構造体と共に電荷分離接合を形成する段階、（ｃ）コンフォーマル層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
【００１２】
ある実施形態では、本発明は、ドープト非晶質シリコンより真性ａ−Ｓｉの方が良好に役立つ表面パッシベート層として真性層を使用する（擬似）ｐｉｎ型光起電力装置に関する。かかる実施形態では、この真性層は電荷キャリヤーがトンネル効果で通過し得るように十分に薄く保たれる。幾つかのかかるｐｉｎ型光起電力装置は、（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る複数の細長いナノ構造体であって、第一のタイプのドーピングを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体、（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに設けられた真性半導体材料の第一のコンフォーマル層、（ｃ）第一のコンフォーマル層の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマル層であって、第二のタイプのドーピングを有することで電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマル層、（ｄ）第二のコンフォーマル層上に設けられた導電性透明材料、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を含んでなる。
【００１３】
ある実施形態では、本発明は、（擬似）ｐｉｎ型光起電力装置（上記の装置説明を参照されたい）の製造方法に関する。かかる方法は、（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のタイプのドーピングを有する段階、（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りに真性半導体材料の第一のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階、（ｃ）第一のコンフォーマル層の回りに半導体材料の第二のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、第二のコンフォーマル層は第二のタイプのドーピングを有することで細長いナノ構造体及び第一のコンフォーマル層と共に電荷分離接合を形成する段階、（ｄ）第二のコンフォーマル層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
【００１４】
ある実施形態では、本発明は、（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る複数の細長いナノ構造体であって、第一のバンドギャップを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体、（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料のコンフォーマル層であって、第二のバンドギャップを有する半導体材料からなり、複数の細長いナノ構造体と共に電荷分離ヘテロ接合を形成するコンフォーマル層、（ｃ）コンフォーマル層上に設けられた導電性透明材料、並びに（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を含んでなるヘテロ接合型光起電力装置に関する。
【００１５】
ある実施形態では、本発明はヘテロ接合型光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（ａ）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のバンドギャップを有する段階、（ｂ）複数の細長いナノ構造体の回りに半導体材料のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、半導体材料のコンフォーマル層は第二のバンドギャップを有することで下方の細長いナノ構造体と共に電荷分離ヘテロ接合を形成する段階、（ｃ）コンフォーマル層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
【００１６】
以上、本発明に関する以下の詳しい説明を一層よく理解できるようにするため、本発明の特徴をかなり大まかに略述した。本発明の特許請求の範囲の内容をなす本発明の追加の特徴及び利点は以下に記載される。
【００１７】
図面の簡単な説明
添付の図面を参照しながら以下の説明を考察することで、本発明及びその利点を一層完全に理解できよう。
【００１８】
図１は、本発明のある実施形態に係る、細長いナノ構造体を含むｐｎ接合型光起電（ＰＶ）装置を示している。
【００１９】
図２は、細長いナノ構造体を載せると共に下部接点として機能し得る導電層を示していて、かかる導電層は導電性領域（１０６ａ）及び非導電性領域（１０６ｂ）を含み得る。
【００２０】
図３は、本発明のある実施形態に係るｐｎ接合型ＰＶ装置の製造方法を段階的に示している。
【００２１】
図４は、本発明のある実施形態に係る、細長いナノ構造体を含むｐｎ接合型光起電（ＰＶ）装置を示している。
【００２２】
図５は、本発明のある実施形態に係るｐｎ接合型ＰＶ装置の製造方法を段階的に示している。
【００２３】
図６は、本発明のある実施形態に係る、細長いナノ構造体を含むｐｎ接合型光起電（ＰＶ）装置を示している。
【００２４】
図７は、本発明のある実施形態に係るｐｎ接合型ＰＶ装置の製造方法を段階的に示している。
【００２５】
図８は、エッチング技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【００２６】
図９は、図８に示すタイプの被覆Ｓｉナノワイヤを示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（及び対応するエネルギー分散型Ｘ線スペクトル）である。
【００２７】
図１０は、化学蒸着（ＣＶＤ）で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡写真である。
【００２８】
図１１は、図１０に示すタイプの被覆Ｓｉナノワイヤを示す透過電子顕微鏡写真（及び対応するエネルギー分散型Ｘ線スペクトル）である。
【００２９】
図１２Ａ及び１２Ｂは、厚さ１１ｍｍのむくＳｉ薄膜及び本発明のある実施形態に係るガラス基板上のナノワイヤフィルムに関する全反射率（１２Ａ）及び透過率（１２Ｂ）データを示している。
【００３０】
図１３は、厚さ１１ｍｍのむくＳｉ薄膜及びガラス基板上のナノワイヤフィルムに関する全吸収率データを示しており、挿入図は試料の横断面の走査電子顕微鏡写真である。
【００３１】
図１４は、（ａ）５０Å、（ｂ）２５Å及び（ｃ）１０Åの触媒厚さを用いてガラス上に成長させたＣＶＤ成長ナノワイヤ試料に関する全光吸収率データを示していて、（ｄ）むくＳｉフィルムに比べてナノワイヤ試料の吸収率が高いことを示しており、（シランの流れを用いずに）ナノワイヤ成長と同じ温度及び時間で行った熱アニールの前（ｅ）及び後（ｆ）におけるガラス上の厚さ５０ÅのＡｕフィルムに関する吸収率データを示しており、並びに（ｇ）上記の試料で使用したものと同様なガラス基板に関する吸収率データを示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
ある実施形態では、本発明は、薄いコンフォーマル皮膜で被覆された細長いナノ構造体を含む光起電力装置（例えば、太陽電池）に関する。実施形態に応じ、かかる装置はｐｎ接合、ｐｉｎ接合及び／又はヘテロ接合を含み得る。しかし、いずれの場合にも、細長いナノ構造体の少なくとも一部は光起電力装置中の能動光起電（ＰＶ）要素である。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法にも関する。かかる光電解装置又は太陽電池は、コスト的には薄膜型太陽電池と同等であると思われるが、下記の事実のために一層高い効率を有する可能性がある。即ち、電荷キャリヤーが空乏領域の付近又は内部で生成されるので、電荷キャリヤーは非常に効果的に分離され、電荷キャリヤーの再結合が低減する。さらに、ナノ構造体は優れた光トラッピング特性及び光吸収特性を与える。
【００３３】
以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を可能にするため、特定の細目（例えば、特定の数量、サイズなど）が記載される。しかし、かかる特定の細目なしでも本発明を実施できることは当業者にとって自明であろう。多くの場合、かかる細目は本発明の完全な理解を得るためには不要であり、関連技術分野の当業者のスキルの範囲内に含まれるので、かかる考慮事項などに関する細目は省略されている。図面全般について言えば、図は本発明の特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明をそれに限定するためのものでないことはもちろんである。
【００３４】
本明細書で用いる用語の大部分は当業者には明らかであろうが、本発明の理解を図るために以下の定義を示す。しかし、明確に定義されない場合、用語は当業者によって現在容認されている意味を有するものと解釈すべきであることを理解すべきである。
【００３５】
本明細書で定義される「光起電力装置」は、１以上のホトダイオードを含むと共に、光起電効果を利用して起電力（ｅ．ｍ．ｆ．）を生み出す装置である。Ｐｅｎｇｕｉｎ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖ．Ｉｌｌｉｎｇｗｏｒｔｈ，Ｅｄ．，Ｐｅｎｇｕｉｎ  Ｂｏｏｋｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９９８を参照されたい。例示的なかかる装置は「太陽電池」であり、太陽電池ではその分光応答が太陽からの日中放射に対して最適化されているホトダイオードである。
【００３６】
本明細書で定義される「ナノスケール」は、一般に１μｍ未満の寸法をいう。
【００３７】
本明細書で定義される「ナノ構造体」は、２以上の寸法についてナノスケールである構造体をいう。
【００３８】
本明細書で定義される「細長いナノ構造体」は、２つの寸法についてナノスケールであるナノ構造体をいう。
【００３９】
本明細書で定義される「ナノワイヤ」は、一般に、主として円筒形の形状を有すると共に通例は２以上の寸法についてサブミクロン（＜１μｍ）である細長いナノ構造体をいう。
【００４０】
実質的に垂直でない構造体（例えば、ミクロ加工されたトレンチ、ナノワイヤなど）の表面を覆う皮膜に関して本明細書で定義される「コンフォーマル」は、皮膜が主として下方の構造体の形状にならう（即ち、その形状に従う）ことをいう。しかし、この用語は広義に解釈すべきであって、少なくともある実施形態では被覆構造体間の空隙を実質的に満たすことも許す。
【００４１】
本明細書で定義される「半導体材料」は、一般に金属と絶縁体との中間の導電率を有する材料であって、かかる材料はその価電子帯と伝導体との間にエネルギーギャップ（又はバンドギャップ）を有する。純粋な非ドープト状態では、かかる半導体材料は通例「真性」であるといわれる。
【００４２】
本明細書で定義される「ｐドーピング」は、真性半導体材料の導電率を高めると共に、フェルミ準位を価電子帯に向かって移動させて接合を形成し得るのに有効な正孔を導入する不純物による半導体材料のドーピングをいう。例示的なかかるｐドーピングは、シリコン（Ｓｉ）への少量のホウ素（Ｂ）の添加である。
【００４３】
本明細書で定義される「ｎドーピング」は、真性半導体材料の導電率を高めると共に、フェルミ準位を伝導帯に向かって移動させて接合を形成し得るのに有効な電子を導入する不純物による半導体材料のドーピングをいう。例示的なかかるｎドーピングは、シリコン（Ｓｉ）への少量のリン（Ｐ）の添加である。
【００４４】
本明細書で「電荷分離接合」は、反対のドーピングタイプを有する２種の材料間の境界であって、境界の一方の側の少数電荷キャリヤーをそれが多数電荷キャリヤーである境界の他方の側に分離することを可能にする境界と定義される。
【００４５】
本明細書で定義される「能動ＰＶ要素」は、電荷分離接合の形成に関与するＰＶ装置の構成要素である。
【００４６】
本明細書で定義される「ｐｎ型光起電力装置」は、ｐドープト半導体とｎドープト半導体との接触によって形成された電荷分離接合を含む１以上のホトダイオードを含んでなる装置である。
【００４７】
本明細書で定義される「ｐｉｎ型光起電力装置」は、ｐドープト半導体、真性（ｉ型）半導体及びｎ型半導体の積層によって形成された電荷分離接合を含む１以上のホトダイオードを含んでなる装置である。この場合、ｉ型半導体はｐドープト半導体とｎドープト半導体との間に位置し、ｉ型半導体は真性トンネリング層として役立つ。
【００４８】
本明細書で定義される「ヘテロ接合型光起電力装置」は、異なるバンドギャップを有する２種の半導体材料の接触によって形成された電荷分離接合を含む１以上のホトダイオードを含んでなる装置であって、通例は伝導帯及び価電子帯のエッジオフセットが複数の構成（即ち、タイプＩ、タイプII又はスタガード形）の１つをなしている。
【００４９】
本明細書で定義される「多孔質ナノテンプレート」は、ナノスケール寸法を有する細孔又はカラムのアレイを含む無機又は有機フィルムである。
【００５０】
ｐｎ型装置
図１について説明すれば、ある実施形態では、本発明は、（ａ）多孔質ナノテンプレート１０２から延び出る複数の細長いナノ構造体１０１であって、第一のタイプのドーピングを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体１０１、（ｂ）複数の細長いナノ構造体１０１の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料のコンフォーマル層１０３であって、第二のタイプのドーピングを有する半導体材料からなり、複数の細長いナノ構造体と共に電荷分離接合を形成するコンフォーマル層１０３、（ｃ）コンフォーマル層１０３上に設けられた導電性透明材料１０４、並びに（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点（１０５）及び下部接点（１０６）であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点１０６、及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点１０５を含んでなるｐｎ型光起電力装置１００に関する。
【００５１】
一般に、細長いナノ構造体１０１は、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ及び類似のナノ構造体並びにこれらの組合せからなる群から選択される。通例、細長いナノ構造体は実質的に垂直な方位で多孔質ナノテンプレート１０２から延び出ている。「実質的に垂直な」とは、少なくとも大部分のナノ構造体が基板及び／又はテンプレートと４５°を超える角をなすことを意味する。しかし、細長いナノ構造体はランダムな方位で多孔質ナノテンプレートから延び出ることもある。通例、細長いナノ構造体は約１ｎｍ〜約１μｍの直径を有すると共に、細長いナノ構造体は約１００ｎｍ〜約１００μｍの長さを有する。第一のタイプのドーピングについていえば、細長いナノ構造体はｐドープ及びｎドープからなる群から選択されるドーピングを有し、唯一の条件は第一のタイプのドーピングが第二のタイプのドーピングと異なることである。通例、細長いナノ構造体はｐドープされている。
【００５２】
ある実施形態では、上述の光起電力装置はさらに、その上にナノテンプレートが位置する基板１０８を含んでいる。ある実施形態では、基板は金属及び縮退ドープトシリコンからなる群から選択される導電性材料からなる。このような幾つかの実施形態では、下部接点１０６は基板１０８と一体化している。ある実施形態では、基板はガラス及びセラミックからなる群から選択される非導電性材料からなり、その上に下部接点１０６が位置している。
【００５３】
図２について説明すれば、ある実施形態では、下部接点１０６は例えば層１０６ａ及び１０ｂのような複数の層を含んでいる。かかる複数の層は、ナノポーラステンプレート１０２を基板１０８に付着させる方法に関係することがあり、及び／又は装置を製造するために使用する技術に依存することがある（下記参照）。
【００５４】
ある実施形態では、細長いナノ構造体１０１は、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＧｅ、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ＧａＩｎＰ、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＩｎＡｓ、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、セレン（Ｓｅ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、Ｃｄ−Ｏ−Ｔｅ、Ｃｄ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＺｎＴｅ、Ｚｎ−Ｏ−Ｔｅ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＭｎＴｅ、Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、銅酸化物、炭素、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ及び類似組成物並びにこれらの組合せからなる群から選択される半導体材料からなる。細長いナノ構造体が通例形成される例示的なかかる材料には、Ｓｉ及び／又はＣｄＴｅがある。
【００５５】
ある実施形態では、多孔質ナノテンプレート１０２は、陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などからなる群から選択される材料からなる。ある実施形態では、多孔質ナノテンプレートは約０．１〜約１００μｍの厚さ（又は平均厚さ）を有すると共に、多孔質ナノテンプレートは約１ｎｍ〜約１μｍの細孔径（又は平均細孔径）を有し、多孔質ナノテンプレートは約１０５〜約１０１１／ｃｍ２の細孔密度を有する。
【００５６】
実施形態に応じ、装置１００は一般に上部、下部又はその両方から照明されるように構成できる。一般に、下部（背面）照明では、基板１０８、下部接点１０６及びナノポーラステンプレート１０２が透明であることが要求される。「上部」及び「下部」という用語は図示された装置に関係し、必ずしも使用時におけるそれの方位に関係しないことに注意されたい。
【００５７】
実施形態に応じ、コンフォーマル層１０３はｎドープ又はｐドープされ得る（上記参照）。一般に、コンフォーマル層は少なくとも実質的に連続しているが、少なくともある実施形態では、不連続であってもよい。一般に、細長いナノ構造体上のかかるコンフォーマル層は装置に大きい耐故障性を付与する。ドーピングの違いにもかかわらず、かかるｐｎ型装置のコンフォーマル層は一般に細長いナノ構造体と同じ半導体材料からなり、その結晶性（例えば、結晶質又は非晶質）にも違いが存在し得る。通例、コンフォーマル層はｎドープされている。
【００５８】
ある実施形態では、コンフォーマル層１０３は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、Ｓｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、Ｃｄ−Ｏ−Ｔｅ、Ｃｄ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＺｎＴｅ、Ｚｎ−Ｏ−Ｔｅ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＭｎＴｅ、Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、銅酸化物、炭素、酸化チタン、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ及び類似のかかる組成物並びにこれらの組合せからなる群から選択される半導体材料からなる。さらに詳しくは、ある実施形態では、コンフォーマル層は非晶質シリコン、ナノ結晶質シリコン、非晶質ＳｉＧｅ、非晶質ＳｉＣ及びこれらの組合せからなる群から選択される半導体材料からなる。しかし、一般に、コンフォーマル層１０３は細長いナノ構造体１０１のドーピングと反対のドーピングを有するものの、ナノ構造体と同じバルク組成物からなる。通例、コンフォーマル層は約１〜約１００ｎｍの厚さを有する。
【００５９】
通例、導電性透明材料１０４は、装置１００中においてコンフォーマルに被覆されたナノ構造体間の空隙を実質的に満たしている。ある実施形態では、導電性透明材料は透明導電性酸化物（ＴＣＯ）である。このような幾つかの実施形態では、透明導電性酸化物は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）である。幾つかの他のかかる実施形態では、透明導電性酸化物はドープトＺｎＯである。通例、導電性透明材料は約０．０５〜約１μｍの厚さを有する。
【００６０】
ｐｎ型装置の製造方法
図３について説明すれば、ある実施形態では、本発明は上述のようなｐｎ型光起電力装置（即ち、装置１００）の製造方法に関する。かかる方法は、（段階３０１）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のタイプのドーピングを有する段階、（段階３０２）複数の細長いナノ構造体の回りに半導体材料のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、半導体材料のコンフォーマル層は第二のタイプのドーピングを有することで下方の細長いナノ構造体と共に電荷分離接合を形成する段階、（段階３０３）コンフォーマル層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（段階３０４）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
【００６１】
ある実施形態では、ナノテンプレートは基板上に位置していて、基板は下部接点を提供又は支持する。即ち、基板１０８は下部接点１０６を支持するか、又はそれと一体化している（図１参照）。
【００６２】
ある実施形態では、細長いナノ構造体は、化学蒸着（ＣＶＤ）、金属有機物ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ホットワイヤＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）、原子層堆積、電気化学堆積、溶液型化学堆積及び類似のかかる方法並びにこれらの組合せからなる群から選択される方法で成長させる。ＡＡＯテンプレート中に細長いナノ構造体を成長させるための例示的な方法については、Ｂｏｇａｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００５，１７（１），ｐｐ．１１４−１１７及びそれに含まれる参考文献１７〜２２を参照されたい。かかる細長いナノ構造体を生成するための他の方法については、Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ａｒｒａｙｓ”，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２００１，１３（１６），ｐｐ．１２３８−１２４１、Ｃｈｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈｌｙ  ｏｒｄｅｒｅｄ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ＧａＮ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｉｎ  ａｎｏｄｉｃ  ａｌｕｍｉｎａ  ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．＆  Ｅｎｇ．，２０００，Ａ２８６，ｐｐ．１６５−１６８、及びＺｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  ＩｎＳｂ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ａｒｒａｙｓ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ａｎｏｄｉｃ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ”，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００５，１５２（１０），ｐｐ．Ｃ６６４−Ｃ６６８を参照されたい。
【００６３】
ある実施形態では、細長いナノ構造体は触媒を用いて金属ナノ粒子又は金属フィルムから成長させるが、後者は通例は多孔質ナノテンプレートの下方に位置している。このような幾つかの実施形態では、金属ナノ粒子又は金属フィルムは、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）及び類似のかかる金属並びにこれらの組合せ及び／又は合金からなる群から選択される金属からなり、金属の選択は成長させるべき細長いナノ構造体に依存する。
【００６４】
ある実施形態では、上述の金属ナノ粒子は最初に多孔質ナノテンプレートの底部に供給される。このような幾つかの実施形態では、金属ナノ粒子は電着法で供給される。
【００６５】
ある実施形態では、ナノポーラステンプレートをエッチングで後退させて細長いナノ構造体をさらに十分に露出させることで、ナノ構造体がナノポーラステンプレートから適度に延び出るようにする（上記参照）追加段階が存在する。
【００６６】
ある実施形態では、コンフォーマル層は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング、原子層堆積、電気化学堆積、類似のかかる方法及びこれらの組合せからなる群から選択される方法で堆積させる。
【００６７】
ナノ構造体及びコンフォーマル層のドーピングは、一般に合成／堆積中に実施される。例えばＣＶＤを使用するある実施形態では、ドーピングは、所望に応じてジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリメチルボラン又はホスフィンのようなドーパントガスを少量導入することで実施される。通例、ドーパントレベルはＣＶＤ反応器内に供給するガス混合物中のドーパント前駆体ガスの濃度で調節される。
【００６８】
ある実施形態では、導電性透明材料は、コンフォーマル層で被覆されたナノワイヤ間の空隙を実質的に満たすようにしてコンフォーマル層上に堆積させる。ある実施形態では、導電性透明材料は、スパッタリング、ゾルゲルスピニングと熱分解、真空蒸着、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、他のプラズマ堆積方法及びこれらの組合せからなる群から選択される技術で堆積させる。
【００６９】
（薄い真性トンネル接合を有する）ｐｉｎ型装置
図４について説明すれば、ある実施形態では、本発明は、（ａ）多孔質ナノテンプレート４０２から延び出る複数の細長いナノ構造体４０１であって、第一のタイプのドーピングを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体４０１、（ｂ）複数の細長いナノ構造体４０１の回りにコンフォーマルに設けられた真性半導体材料の第一のコンフォーマル層４０３、（ｃ）第一のコンフォーマル層４０３の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料の第二のコンフォーマル層４０４であって、第二のタイプのドーピングを有することで電荷分離接合を形成する第二のコンフォーマル層４０４、（ｄ）第二のコンフォーマル層４０４上に設けられた導電性透明材料４０５、並びに（ｅ）装置を外部回路に接続するための上部接点（４０６）及び下部接点（４０７）であって、複数のナノワイヤと電気的に接触している下部接点４０７、及び第二のコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点４０６を含んでなる（擬似）ｐｉｎ型光起電力装置４００に関する。
【００７０】
ある実施形態では、細長いナノ構造体４０１は実質的に垂直な方位で多孔質ナノテンプレート４０２から延び出ている（上記参照）。通例、細長いナノ構造体は約１ｎｍ〜約１μｍの直径を有すると共に、約１００ｎｍ〜約１００μｍの長さを有する。一般に、細長いナノ構造体はｐドープ又はｎドープされている。
【００７１】
ある実施形態では、細長いナノ構造体４０１は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、Ｓｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｃｄ−Ｏ−Ｔｅ、Ｃｄ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＺｎＴｅ、Ｚｎ−Ｏ−Ｔｅ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＭｎＴｅ、Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、銅酸化物、炭素、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ及び類似の材料並びにこれらの組合せからなる群から選択される半導体材料からなる。
【００７２】
ある実施形態では、多孔質ナノテンプレート４０２は、陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）、ＳｉＯ２、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４及び類似のかかる材料からなる群から選択される材料からなる。
【００７３】
ある実施形態では、多孔質ナノテンプレート４０２は約０．１〜約１００μｍの厚さを有すると共に、多孔質ナノテンプレートは約１ｎｍ〜約１μｍの細孔径を有し、多孔質ナノテンプレートは約１０５〜約１０１１／ｃｍ２の細孔密度を有する。
【００７４】
一般に、第二のコンフォーマル層４０４はｎドープ又はｐドープされていて、そのドーピングは細長いナノ構造体のドーピングと異なること、及び第一のコンフォーマル層は非ドープ又は真性のものであることのみが要求される。
【００７５】
ある実施形態では、第一のコンフォーマル層（４０３）及び第二のコンフォーマル層（４０４）は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、Ｓｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｃｄ−Ｏ−Ｔｅ、Ｃｄ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＺｎＴｅ、Ｚｎ−Ｏ−Ｔｅ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、ＭｎＴｅ、Ｍｎ−Ｏ−Ｔｅ、銅酸化物、炭素、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ、類似のかかる組成物及びこれらの組合せからなる群から選択される半導体材料からなる。ドーピングに違いはあるものの、細長いナノ構造体並びに第一及び第二のコンフォーマル層はいずれも同じ半導体材料からなっている。
【００７６】
ある実施形態では、第一のコンフォーマル層４０３は約１〜約５０ｎｍの厚さを有し、第二のコンフォーマル層４０４は約１〜約５０ｎｍの厚さを有する。
【００７７】
導電性透明材料４０５は、一般に、コンフォーマルに被覆されたナノ構造体間の空隙を実質的に満たしている。ある実施形態では、導電性透明材料は透明導電性酸化物（ＴＣＯ）である。このような幾つかの実施形態では、透明導電性酸化物は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）及びドープトＺｎＯからなる群から選択される。幾つかの他のかかる実施形態では、導電性透明材料は約０．０５〜約１μｍの厚さを有する。
【００７８】
（薄い真性トンネル接合を有する）ｐｉｎ型装置の製造方法
図５について説明すれば、ある実施形態では、本発明は上述のｐｉｎ型装置のようなｐｉｎ型光起電力装置（即ち、装置４００）の製造方法に関する。かかる方法は、（段階５０１）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のタイプのドーピングを有する段階、（段階５０２）複数の細長いナノ構造体の回りに真性半導体材料の第一のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階、（段階５０３）第一のコンフォーマル層の回りに半導体材料の第二のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、第二のコンフォーマル層は第二のタイプのドーピングを有することで細長いナノ構造体及び第一のコンフォーマル層と共に電荷分離接合を形成する段階、（段階５０４）第二のコンフォーマル層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（段階５０５）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及び第二のコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
【００７９】
ある実施形態では、ナノテンプレートは基板上に位置していて、基板は下部接点を提供又は支持する。例えば、前者の実施形態では、基板４０９は下部接点４０７と一体化している。上述のｐｎ型装置の場合と同じく、下部接点４０７は複数の層を有し得る。
【００８０】
ある実施形態では、細長いナノ構造体は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、原子層堆積、電気化学堆積、溶液型化学堆積、類似のかかる方法及びこれらの組合せからなる群から選択される方法で成長させる。
【００８１】
ある実施形態では、細長いナノ構造体は触媒を用いて金属ナノ粒子又は金属フィルムから成長させるが、後者は通例は多孔質ナノテンプレートの下方に位置している。このような幾つかの実施形態では、金属ナノ粒子は、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）及びこれらの組合せからなる群から選択される金属からなる。このような幾つかの実施形態では、金属ナノ粒子は最初に多孔質ナノテンプレートの底部に供給される。
【００８２】
ある実施形態では、多孔質ナノテンプレートにエッチングを施して細長いナノ構造体をさらに十分に露出させることで、ナノ構造体がナノポーラステンプレートから一層適度に延び出るようにする追加段階が存在する。
【００８３】
ある実施形態では、第一及び第二のコンフォーマル層は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング、原子層堆積及びこれらの組合せからなる群から選択される方法で堆積させる。
【００８４】
ある実施形態では、導電性透明材料は、第一及び第二のコンフォーマル層で被覆された細長いナノ構造体間の空隙を実質的に満たすようにして第二のコンフォーマル層上に堆積させる。
【００８５】
ある実施形態では、導電性透明材料は、スパッタリング、ゾルゲルスピニングと熱分解、真空蒸着、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ及びこれらの組合せからなる群から選択される技術を用いて堆積させる。
【００８６】
ヘテロ接合型装置
図６について説明すれば、ある実施形態では、本発明は、（ａ）多孔質ナノテンプレート６０２から延び出る複数の細長いナノ構造体６０１であって、第一のバンドギャップを有する半導体材料からなる細長いナノ構造体６０１、（ｂ）複数の細長いナノ構造体６０１の回りにコンフォーマルに設けられた半導体材料のコンフォーマル層６０３であって、第二のバンドギャップを有する半導体材料からなり、複数の細長いナノ構造体と共に電荷分離ヘテロ接合を形成するコンフォーマル層６０３、（ｃ）コンフォーマル層６０３上に設けられた導電性透明材料６０４、並びに（ｄ）装置を外部回路に接続するための上部接点（６０５）及び下部接点（６０６）であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点６０６、及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点６０５を含んでなるヘテロ接合型光起電力装置６００に関する。
【００８７】
かかる上述のヘテロ接合型装置（６００）は、細長いナノ構造体６０１及びコンフォーマル層６０３を構成する材料が必然的に異種であって、その少なくとも一方がドープされ又は自然ドープされている点を除き、主として上述のｐｎ型装置（１００）に（構造的にも機能的にも）類似している。さらに、かかる材料の意図的なドーピングは通例は不要であるが、使用する材料に応じて必要なこともある。ヘテロ接合型装置を形成し得る例示的な材料対には、特に限定されないが、ＣｄＴｅ／ＣｄＳ、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅ、ＣｕＩｎＳ２／ＴｉＯ２及びＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２／ＣｄＳがある。
【００８８】
ヘテロ接合型装置の製造方法
図７について説明すれば、ある実施形態では、本発明はヘテロ接合型光起電力装置の製造方法に関する。かかる方法は、（段階７０１）多孔質ナノテンプレートから延び出る細長いナノ構造体を成長させる段階であって、細長いナノ構造体は半導体材料からなると共に第一のバンドギャップを有する段階、（段階７０２）複数の細長いナノ構造体の回りに半導体材料のコンフォーマル層をコンフォーマルに堆積させる段階であって、半導体材料のコンフォーマル層は第二のバンドギャップを有することで下方の細長いナノ構造体と共に電荷分離ヘテロ接合を形成する段階、（段階７０３）コンフォーマル層上に導電性透明材料を堆積させる段階、並びに（段階７０４）装置を外部回路に接続するための上部接点及び下部接点であって、複数の細長いナノ構造体と電気的に接触している下部接点及びコンフォーマル層と電気的に接触している上部接点を形成する段階を含んでなる。
【００８９】
上述のヘテロ接合型装置の製造は、主として前述のｐｎ型装置の製造に類似している。しかし、注目すべき相違点は材料のドーピングが通例は不要なことである。
【００９０】
変形例
上述の装置及びその製造方法に関しては多数の変形例が存在する。特定の一変形例では、テンプレートの存在なしに基板上にナノワイヤを成長させ、次いで酸化シリコンのＰＥＣＶＤ成長或いは硬化させたスピンオンガラス材料又はポリマー材料の使用でナノワイヤ間に誘電体層を形成する。酸化物の形成後、エッチング操作でワイヤを部分的に露出させ、次いでその上に標準的なコンフォーマル層及びＴＣＯ層を堆積させる。
【００９１】
用途
上述の装置は、特に限定されないが、住居用建物、商業用建物及び発電所のためのグリッド接続発電、オフグリッド住宅用発電、オフグリッド工業用発電、屋外用及び屋内用消費製品、並びに軍用及び宇宙用発電などを含む各種の用途で有用である。
【実施例】
【００９２】
以下の実施例は本発明の特定の実施形態を実証するために示される。当業者であれば、以下の実施例中に開示される方法は本発明の例示的な実施形態を表すものにすぎないことが理解されるはずである。しかし、本開示に照らせば、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、記載された特定の実施形態中に多くの変更を行うことができ、それでも同じ結果又は類似の結果が得られることが当業者には理解されるはずである。
【００９３】
実施例１
本実施例は、本発明のある実施形態に係るｐｎ型光起電力装置の製造を例示するために役立つ。
【００９４】
ガラス基板上にｐｎ型光起電力装置を製造する実施例を示す。ガラス基板を縮退ドープト多結晶質シリコン（ポリＳｉ）薄膜のような導電層で被覆する。ポリＳｉ上にアルミニウム（Ａｌ）を堆積させ、陽極処理してナノポーラス酸化アルミニウムテンプレートを形成する。テンプレートの細孔中に金属触媒を電着させ、次いで基板をＣＶＤ反応器内に配置し、シランガス、トリメチルホウ素ガス及び水素ガスを用いてＳｉナノワイヤ（例示的な細長いナノ構造体）を成長させる。次に、装置をＰＥＣＶＤ反応器内に配置し、ナノワイヤ上にリンドープト非晶質シリコンをコンフォーマルに堆積させる。次に、スパッタリングでワイヤ上にＩＴＯを堆積させ、スパッタリング中のシャドウマスク使用又はスクリーン印刷でパターン化接点を形成する。
【００９５】
実施例２
本実施例は、本発明のある実施形態に係る（薄い真性トンネル接合を有する）ｐｉｎ型光起電力装置の製造を例示するために役立つ。
【００９６】
ステンレス鋼基板上にｐｉｎ型光起電力装置を製造する実施例を示す。ステンレス鋼基板を窒化タンタル（Ｔａ２Ｎ）のような導電性バリヤー層で被覆する。Ｔａ２Ｎ上にアルミニウムを堆積させ、陽極処理してナノポーラス酸化アルミニウムテンプレートを形成する。テンプレートの細孔中に金属触媒を電着させ、次いで基板をＣＶＤ反応器内に配置し、シランガス、トリメチルホウ素ガス及び水素ガスを用いてＳｉナノワイヤを成長させる。次に、装置をＰＥＣＶＤ反応器内に配置し、ナノワイヤ上に真性非晶質シリコンをコンフォーマルに堆積させ、次いでリンドープト非晶質シリコンを堆積させる。次に、スパッタリングでワイヤ上にＩＴＯを堆積させる。スパッターされた酸化シリコン層中にパターンを形成し、背面金属に達するまで湿式エッチングを施すことで背面接点へのアクセスを行う。かかるプロセスは、記載される実施例のいずれでも使用できる。最後に、スパッタリング中のシャドウマスク使用又はスクリーン印刷でパターン化上部接点を形成する。
【００９７】
実施例３
本実施例は、本発明のある実施形態に係るヘテロ接合型光起電力装置の製造を例示するために役立つ。
【００９８】
ガラス基板上にヘテロ接合型光起電力装置を製造する実施例を示す。ガラス基板をＴｉ／Ａｕ／Ｗのような導電層スタックで被覆する。スパッタリングでＷ上に厚いアルミニウムフィルム（０．５〜５ミクロン）を堆積させ、陽極処理してナノポーラス酸化アルミニウムテンプレートを形成する。次に、ナノ細孔中にＣｄＴｅナノワイヤを電着で形成し、乾式エッチング法でＡＡＯを後退させる。次に、電子ビーム蒸着でＣｄＳを堆積させ、次いでＩＴＯのスパッタリングを施す。スパッタリング中のシャドウマスク使用又はスクリーン印刷でパターン化上部接点を形成する。
【００９９】
実施例４
本実施例は、コンフォーマル非晶質Ｓｉ皮膜で被覆したＳｉナノワイヤを視覚的に例示するために役立つ。
【０１００】
図８は、エッチング技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。それに対応して図９は、図８に示すタイプの被覆Ｓｉナノワイヤを示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（及び対応するエネルギー分散型Ｘ線スペクトル）である。
【０１０１】
図１０は、化学蒸着（ＣＶＤ）で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡写真である。それに対応して図１１は、図１０に示すタイプの被覆Ｓｉナノワイヤを示す透過電子顕微鏡写真（及び対応するエネルギー分散型Ｘ線スペクトル）である。
【０１０２】
実施例５
本実施例は、細長いナノ構造体に基づく太陽電池の光学的性質に関する固有の利点を示している。
【０１０３】
図１２Ａ及び１２Ｂは、バルクＳｉ薄膜及びナノワイヤを形成した薄膜の全反射率（１２Ａ）及び透過率（１２Ｂ）を示している。ナノワイヤに関して反射率の劇的な低下が存在することが明らかである。かかる試料に関しては、対応する透過率の低下も存在しているが、これは図１３に示すような強い吸収を表している。図１３には、厚さ１１ｍｍのむくＳｉ薄膜及びガラス基板上のナノワイヤフィルムに関する全吸収率データが示されており、挿入図は試料の横断面の走査電子顕微鏡写真を示している。様々な触媒厚さ、即ち（ａ）５０Å、（ｂ）２５Å及び（ｃ）１０Åに関して、ＣＶＤで形成したナノワイヤフィルムの光吸収率のプロットを図１４に示すが、これらは（ｄ）むくＳｉフィルムに比べてナノワイヤ試料の吸収率が高いことを示している。また、（シランの流れを用いずに）ナノワイヤ成長と同じ温度及び時間で行った熱アニールの前（ｅ）及び後（ｆ）におけるガラス上の厚さ５０ÅのＡｕフィルムに関する吸収率データ、並びに（ｇ）上記の試料で使用したものと同様なガラス基板に関する吸収率データも示されている。この場合にも、主として波長以下の光学的効果に関連する光トラッピングのため、ナノ構造化フィルムではバルクに比べて強い吸収が存在する。
【０１０４】
実施例６
本実施例は、本発明のある実施形態に従って本明細書中に記載した光起電力装置を使用できる典型的な用途を例示するために役立つ。
【０１０５】
住居用又は商業用建物に組み込まれる製品の場合、光起電力装置は光起電モジュールの内部に実装されるのが通例である。これらは、各種の公知技術を用いて電気的に接続される。ナノワイヤ太陽電池をガラス基板上に成長させる場合には、ガラスをモジュール中に直接組み込むことができ、この場合には元の透明下部接点が上部接点として働く。
【０１０６】
要約
要約すれば、本発明は薄いコンフォーマル皮膜で被覆された細長いナノ構造体を含む光起電力装置（例えば、太陽電池）に関する。実施形態に応じ、かかる装置はｐｎ接合、ｐ層とｎ層との間に薄い真性トンネリング層を有するｐｉｎ接合、及び／又はヘテロ接合を含み得る。あらゆるタイプのヘテロ接合（タイプＩ、タイプII、スタガード形など）が可能である。しかし、いずれの場合にも、細長いナノ構造体の少なくとも一部は光起電力装置中の能動光起電（ＰＶ）要素である。さらに、本発明はかかる装置の製造方法及び使用方法にも関する。かかる光電解装置又は太陽電池は、コスト的には薄膜型太陽電池と同等であると思われるが、光が一層効果的に吸収されると共に、電荷分離接合に近接しているため電荷分離が一層良好に処理されるので、一層高い効率を有する可能性がある。コンフォーマル層はまた、細長いナノ構造体の表面を効果的にバッシベートする。さらに、ナノ構造体は全体として優れた光トラッピング特性及び光吸収特性を与える。
【０１０７】
上述の実施形態に関して上記に記載した構造、機能及び操作のあるものは本発明を実施するためには不要であり、単に本発明の例示的な実施形態を完全なものにするため説明中に含めてあることが理解されよう。さらに、上記に引用した特許及び刊行物中に記載された特定の構造、機能及び操作を本発明と共に実施できるが、これらはそれの実施にとって不可欠ではないことも理解されよう。したがって、特許請求の範囲で定義される本発明の技術思想及び技術的範囲から実際に逸脱することなしに、詳しく記載されたやり方とは異なるやり方で本発明を実施してもよいことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明のある実施形態に係る、細長いナノ構造体を含むｐｎ接合型光起電（ＰＶ）装置を示している。
【図２】細長いナノ構造体を載せると共に下部接点として機能し得る導電層を示していて、かかる導電層は導電性領域（１０６ａ）及び非導電性領域（１０６ｂ）を含み得る。
【図３】本発明のある実施形態に係るｐｎ接合型ＰＶ装置の製造方法を段階的に示している。
【図４】本発明のある実施形態に係る、細長いナノ構造体を含むｐｎ接合型光起電（ＰＶ）装置を示している。
【図５】本発明のある実施形態に係るｐｎ接合型ＰＶ装置の製造方法を段階的に示している。
【図６】本発明のある実施形態に係る、細長いナノ構造体を含むｐｎ接合型光起電（ＰＶ）装置を示している。
【図７】本発明のある実施形態に係るｐｎ接合型ＰＶ装置の製造方法を段階的に示している。
【図８】エッチング技術で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】図８に示すタイプの被覆Ｓｉナノワイヤを示す透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真（及び対応するエネルギー分散型Ｘ線スペクトル）である。
【図１０】化学蒸着（ＣＶＤ）で形成されたＳｉナノワイヤアレイ上のコンフォーマル非晶質Ｓｉ層の走査電子顕微鏡写真である。
【図１１】図１０に示すタイプの被覆Ｓｉナノワイヤを示す透過電子顕微鏡写真（及び対応するエネルギー分散型Ｘ線スペクトル）である。
【図１２Ａ】厚さ１１ｍｍのむくＳｉ薄膜及び本発明のある実施形態に係るガラス基板上のナノワイヤフィルムに関する全反射率データを示している。
【図１２Ｂ】厚さ１１ｍｍのむくＳｉ薄膜及び本発明のある実施形態に係るガラス基板上のナノワイヤフィルムに関する透過率データを示している。
【図１３】厚さ１１ｍｍのむくＳｉ薄膜及びガラス基板上のナノワイヤフィルムに関する全吸収率データを示しており、挿入図は試料の横断面の走査電子顕微鏡写真である。
【図１４】（ａ）５０Å、（ｂ）２５Å及び（ｃ）１０Åの触媒厚さを用いてガラス上に成長させたＣＶＤ成長ナノワイヤ試料に関する全光吸収率データを示していて、（ｄ）むくＳｉフィルムに比べてナノワイヤ試料の吸収率が高いことを示しており、（シランの流れを用いずに）ナノワイヤ成長と同じ温度及び時間で行った熱アニールの前（ｅ）及び後（ｆ）におけるガラス上の厚さ５０ÅのＡｕフィルムに関する吸収率データを示しており、並びに（ｇ）上記の試料で使用したものと同様なガラス基板に関する吸収率データを示している。
【符号の説明】
【０１０９】
１００  ｐｎ型光起電力装置
１０１  細長いナノ構造体
１０２  ナノポーラステンプレート
１０３  半導体材料のコンフォーマル層
１０４  導電性透明材料
１０５  上部接点
１０６  下部接点
１０８  基板
【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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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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