(57)【要約】      （修正有）【課題】光起電力デバイスにおいて、効率を低下させる原因となる表面及び界面欠陥を低減するデバイス構造、および製造方法を提供する。【解決手段】光起電力デバイスを、（ａ）基板上に配設された複数の細長い半導体ナノ構造であって、第１のタイプのドーピングを有する複数の細長い半導体ナノ構造（ナノワイヤーはその１種である）と、ｂ）細長い半導体ナノ構造上にコンフォーマルに設けられ、第２のタイプのドーピングを有する半導体材料の単一の非晶質層、により構成する。該非晶質層は、細長い半導体ナノ構造との界面においては実質的に真性組成とし、非晶質層の反対側においては実質的に導電性組成となるよう、第２のタイプのドーピングにより組成を傾斜させる。かかる組成傾斜非晶質層により、連続的に変化する局在化状態を有するバンドギャップが得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）基板上に配設された複数の細長い半導体ナノ構造であって、第１のタイプのドーピングを有する複数の細長い半導体ナノ構造と、
ｂ）細長い半導体ナノ構造にコンフォーマルに設けられた半導体材料の非晶質層であって、非晶質層と細長い半導体ナノ構造との間に界面を有しており、非晶質層が界面における実質的に真性組成から非晶質層の反対側における実質的に導電性の組成まで組成が傾斜しており、非晶質層の傾斜組成が第２のタイプのドーピングによってもたらされる、非晶質層と
を含んでなる光起電力デバイス。
【請求項２】
組成傾斜非晶質層が、局在化状態の連続的変化を伴うバンドギャップを与える、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
さらに、非晶質層の上に層として配置された透明な導電性材料を含んでいる、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
さらに、デバイスを外部回路に接続するように動作可能な上部及び下部接点を含んでいる、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
さらに、基板上にあるか、又は基板と一体になっているナノ多孔質テンプレートを含んでおり、そこから細長い半導体ナノ構造が出ている、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
細長い半導体ナノ構造が、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＧｅ、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ＧａＩｎＰ、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＩｎＡｓ、アルミニウムガリウムヒ素（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、銅の酸化物、炭素、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料からなる、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
細長い半導体ナノ構造が１００ｎｍ〜１００μｍの範囲の長さ、及び５ｎｍ〜１μｍの範囲の幅を有する、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
細長い半導体ナノ構造がｐ−ドープである、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
非晶質層が、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、銅の酸化物、炭素、酸化チタン、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料からなる、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
非晶質層が２０〜２００Åの範囲の相対的厚さからなる、請求項１記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
透明な導電性材料がＩＴＯ、ＺｎＯ及びＺｎＡｌＯからなる群から選択され、透明な導電性材料層が約０．０５〜約１μｍの厚さを有する、請求項３記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
基板が下部電極を含む、請求項４記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
ａ）第１のタイプのドーピングを有する複数の細長い半導体ナノ構造を基板上に準備し、
ｂ）細長い半導体ナノ構造上にコンフォーマルに半導体材料の非晶質層を界面を形成するようにして設ける
段階を含んでなり、
非晶質層が、界面における実質的に真性組成から非晶質層の反対側における実質的に導電性の組成まで組成が傾斜しており、非晶質層の傾斜組成が第２のタイプのドーピングによってもたらされる、光起電力デバイスを製造する方法。
【請求項１４】
さらに、非晶質層上に導電性の透明な材料を付着させることを含んでいる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
さらに、デバイスを外部回路に接続するために動作可能な上部及び下部接点を確立することを含んでいる、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
細長いナノ構造を、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、原子層蒸着、電気化学蒸着、溶液化学蒸着、及びこれらの組合せからなる群から選択される方法によって成長させることによって得る、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
細長いナノ構造を、金属ナノ粒子から触媒的に成長させることによって得る、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
金属ナノ粒子がナノ多孔質テンプレート中に存在する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
金属ナノ粒子が、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される金属からなる、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
コンフォーマルに非晶質層を設ける段階を、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング、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行う、請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
蒸着の際にドーパント種に分解するドーパント前駆体でドーピングすることにより非晶質層を組成が傾斜させ、この際非晶質層が蒸着されるにつれてドーパント前駆体濃度を次第に増大することにより蒸着中に傾斜様式でドーピングを与える、請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
下部接点が基板によってもたらされる、請求項１５記載の方法。
【請求項２３】
上部接点が導電性で透明な材料の層によってもたらされる、請求項１５記載の方法。
【請求項２４】
請求項１記載の光起電力デバイスを１以上含んでいる太陽電池パネルであって、かかるデバイスをその周囲の大気環境から隔離し、電気出力の生成を可能にする、前記太陽電池パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光起電力デバイスに関し、特にデバイス内の能動素子として細長いシリコンナノ構造を含むような光起電力デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、シリコン（Ｓｉ）は、太陽光を電気に変換するために使用されるような太陽電池の製造において最も普遍的に使われている材料である。単接合及び多接合のｐｎ太陽電池がこの目的で使用されているが、いずれも生産及びこの技術の使用にかかるコストを大きく低減するほど十分に効率的ではない。その結果として、従来の電気源との競合により、かかる太陽電池技術の普及を妨げている。
【０００３】
現在の太陽電池における主要な喪失過程は、光励起された電子がバンドギャップを越えて有し得るエネルギーを格子振動（フォノンといわれる）との相互作用により急速に失う結果再結合が増大するときに起こる。この喪失だけで、標準電池の変換効率が約４４％に制限される。その上、光によって生成した電子と、半導体結晶内で点欠陥（格子間不純物）、金属クラスター、線欠陥（転位）、面欠陥（積層欠陥）、及び／又は粒界と関連したトラップ状態(trap state)を有する正孔との再結合により、効率はさらに低下する。この後者の効率の低下は適当な特性、特に光によって生成した担体の長い拡散距離を有する他の材料を使用することによって克服することができるが、それでもこの技術はより慣用的な電気源とコスト面で対等にはならない。また、半導体は使用する材料のバンドギャップより低いエネルギーの光を吸収しないという現実によって、さらなる喪失が賦課される。これら全ての光起電力喪失を考慮して、ＳｈｏｃｋｌｅｙとＱｕｅｉｓｓｅｒは、単接合電池の性能が、１．３電子ボルト（ｅＶ）のバンドギャップを有する最適の電池で３０パーセントを越える程度の効率に制限されることを示すことができた（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  ａｎｄ  Ｑｕｅｉｓｓｅｒ，“Ｄｅｔａｉｌｅｄ  Ｂａｌａｎｃｅ  Ｌｉｍｉｔ  ｏｆ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｐｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１９６１，３２（３），ｐｐ．５１０−５１９）。さらに最近の計算では、単接合に対するこの「制限効率」が２９パーセントであることが示されている（Ｋｅｒｒら、“Ｌｉｆｅｔｉｍｅ  ａｎｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｌｉｍｉｔｓ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ，”  Ｐｒｏｃ．２９ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ｐｐ．４３８−４４１）。
【０００４】
ナノ構造
ｐｎ接合ダイオードアレイにおけるシリコンナノワイヤーは既に記載されている（Ｐｅｎｇら、“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｐｎ  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デバイスに使用するために構成されたものではないし、かかるアレイが太陽電池の効率増大にいかに役立ち得るか示唆してもいない。
【０００５】
太陽電池デバイスにおけるシリコンナノ構造が既に記載されている（Ｊｉら、“Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  （ＭＩＧ）  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｅｍｉｔｔｅｒｓ，”  Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，２００２，ｐｐ．１３１４−１３１７）。かかるデバイスでは、ニッケル（Ｎｉ）プレ層(pre-layer)上にＳｉをスパッタリングすることにより、微晶質Ｓｉ薄膜内に埋め込まれたＳｉナノワイヤーを形成することができる。このプレ層の厚さにより、その膜内でＳｉナノワイヤーが成長するか否かが決まる。しかし、かかるナノワイヤーは能動光起電力（ＰＶ）素子ではなく、反射防止能を果たすだけである。
【０００６】
能動ＰＶ素子であるシリコンナノ構造を含む太陽電池が、２００５年３月１６日に出願された本出願人に譲渡されている同時係属中の米国特許出願第１１／０８１９６７号に記載されている。この特定の出願では、電荷分離接合部の大部分がナノ構造自体内に含まれており、通常かかるナノ構造の合成中にドーピングの変化が必要とされる。
【０００７】
表面及び界面欠陥
構造上の不完全又は不純物原子に起因する欠陥状態は、単結晶半導体の表面上及びバルク内部にに存在する可能性がある。加えて、多結晶半導体材料は粒界を有するランダムに配向した結晶粒からなり、この粒界は多数のバルク及び表面欠陥状態を誘発する。電荷担体は欠陥部位で再結合することができ、従って電流担体として失われるので、欠陥は通例太陽電池のような電子及び／又は光電子デバイスの動作又は性能に悪影響を与える。従って、単結晶又は多結晶半導体基板の表面は、表面欠陥のマイナスの影響を最小限にするために、デバイス製造中に不動態化することが多い。表面不動態化のための１つの方法は、単結晶又は多結晶半導体基板上に真性（ドープされてない）非晶質半導体材料の層を形成することである。これは、基板表面における電荷担体の再結合を減少させ、デバイスの性能を改善する。
【０００８】
殆どの電子及び／又は光電子デバイスは接合の形成を必要とする。例えば、１つの導電型の材料を反対の導電型の材料と接触して配置してヘテロ接合を形成する。ヘテロ接合部における導電型の変化及び／又はバンドギャップの急激なバンド屈曲(band bending)により、高密度の界面状態となり、結果として電荷担体の再結合を生じる。加えて、デバイス製造中の加工処理段階間の中断で、不純物原子及び／又は擬似汚染物質が多層構造の界面においてトラップされ得る。これらの欠陥はデバイスの性能を低下させる電荷担体再結合の部位として作用し得る。従って、別個の層間の界面を排除するデバイス設計は極めて有用であろう。
【０００９】
１９９３年、Ｓａｎｙｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．は、基板表面の所要の不動態化を与えるために、プラズマ蒸着された真性ａ−Ｓｉ：Ｈ層を有する光起電力デバイスの製造に向けた開発アプローチを開始した。別個にドープされたａ−Ｓｉ：Ｈ層を真性層の上に蒸着してヘテロ接合を形成する。この構造は真性薄層を有するヘテロ接合に因んで「ＨＩＴ」といわれる。この真性層の厚さは２５０Å未満であり、最適な厚さは４０〜５０Åの範囲である。米国特許第５２１３６２８号及び同第５６４８６７５号、並びに米国特許出願公開第２００２００６９９１１号を参照されたい。
【００１０】
ａ−Ｓｉ／金属基板ｐｉｎ薄膜太陽電池のｐ層とｉ層の間に配置された傾斜組成のｐ−タイプａ−ＳｉＣ：Ｈ層の影響に関する実験的な研究が行われた（Ｋ．Ｓ．Ｌｉｍら，Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｐ−ＳｉＣ／ｇｒａｄｅｄ  ｐ−ＳｉＣ／ｉ−Ｓｉ／ｎ−Ｓｉ／  ｍｅｔａｌ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ｔｙｐｅ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５６（２），１５  Ｊｕｌ．１９８４）。結果は、短めの波長における収集効率の顕著な増大を含めて、従来のａ−Ｓｉ／金属基板ｐｉｎデバイスと比べて高まったＶｏｃ及びＩｓｃ値を示していた。青色応答における観察された改善は界面再結合の低減に帰因する。さらに、ａ−Ｓｉ：Ｈに基づくｐｉｎ薄膜太陽電池のｐ層とｉ層の間に配置された傾斜バンドギャップ層の効果に関するコンピューターによる分析（Ｐ．Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ，Ａ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ａ  ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ−ｇａｐ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｌａｙｅｒ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ−Ｓｉ：Ｈ−ｂａｓｅｄ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９（９），１  Ｍａｙ  １９９６）は、傾斜バンドギャップ層の使用により、界面状態の数が低減し、これらのデバイスの変換効率を２５％以上高めることができるということを示している。
【００１１】
可変バンドギャップ材料で形成されたｉ−タイプ半導体吸収層を有し、このｉ−層がｐ−タイプ半導体層とｎ−タイプ半導体層の間に位置するｐｉｎ薄膜太陽電池が既に記載されている。米国特許第５２５２１４２号を参照されたい。可変バンドギャップｉ−層吸収体が改善された光電変換効率をもたらす。
【００１２】
最近、基板表面と、基板表面上に配置された傾斜組成の皮膜とからなる複合物品が記載されている。米国特許出願公開第２００４００４６４９７号を参照されたい。この皮膜材料の組成はその厚さを横切って実質的に連続的に変化しており、その基板を通過する酸素、水蒸気、及びその他の化学種の透過速度を低下させて、化学的に感受性のデバイス又は材料を保護するべく拡散障壁を与える。
【特許文献１】米国特許出願第１１／０８１９６７号明細書
【特許文献２】米国特許第５２１３６２８号明細書
【特許文献３】米国特許第５６４８６７５号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２００６９９１１号明細書
【特許文献５】米国特許第５２５２１４２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００４００４６４９７号明細書
【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 Photovoltaic 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】K.S. Lim, et al., A novel structure, high conversion efficiency p-SiC/graded p-SiC/i-Si/n-Si/ metal substrate-type amorphous silicon solar cell, J. Appl. Phys. 56(2), 15 Jul. 1984
【非特許文献６】P. Chatterjee, A computer analysis of the effect of a wide-band-gap emitter layer on the performance of a-Si:H-based heterojunction solar cells, J. Appl. Phys. 79(9), 1 May 1996Ｐ．Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ，Ａ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ａ  ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ−ｇａｐ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｌａｙｅｒ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ−Ｓｉ：Ｈ−ｂａｓｅｄ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９（９），１  Ｍａｙ  １９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上の結果、より伝統的な電気源と同等の容易な製造と促進された効率が得られるようなかかるＰＶ技術の改変、特にナノスケール材料を使用した改変は、有益であり、特にかかる改変が表面及び界面欠陥を低下させる場合、極めて有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施形態は、一般に、組成傾斜ハイブリッド光起電力ナノ構造系デバイス、かかるデバイスを作成する方法、及びかかるデバイスを組み込んだ系と応用に関する。
【００１５】
幾つかの実施形態では、かかる上記ナノ構造系デバイスは、半導体、金属、又はガラス基板の１つの導電型の半導体ナノワイヤー（又はその他適切な細長いナノ構造）膜と、基板／ナノワイヤー膜との界面における実質的に真性組成からその反対側における実質的に導電性の組成までその厚さを横切って組成が傾斜している非晶質半導体層とからなる。非晶質半導体層が基板／ナノワイヤー膜と反対の導電型まで組成が傾斜している場合ヘテロ接合が形成される。
【００１６】
幾つかの実施形態では、本発明は、（ａ）基板上に配設された複数の細長い半導体ナノ構造であって、第１のタイプのドーピングを有する複数の細長い半導体ナノ構造（ナノワイヤーはその１種である）と、（ｂ）細長い半導体ナノ構造上にコンフォーマルに設けられた半導体材料の単一の非晶質層とからなる光起電力デバイスに関し、非晶質層と細長い半導体ナノ構造との間には界面があり、非晶質層は界面における実質的に真性組成から非晶質層の反対側における実質的に導電性の組成まで組成が傾斜しており、この非晶質層の傾斜組成は第２のタイプのドーピングによって与えられる。一般に、かかる組成傾斜非晶質層により、連続的に変化する局在化状態を有するバンドギャップが得られる。幾つかのかかる実施形態では、透明な導電性材料（ＴＣＭ）の層が非晶質層上に設けられる。また、通例、デバイスを外部回路に接続するように動作可能な上部及び下部接点が設けられ、この下部電極は通例（常にということはない）基板と一体化される。
【００１７】
通例、かかる上記組成上の傾斜は、非晶質半導体層の製造中ドーピングレベルを調節することによって達成される。この傾斜非晶質層は半導体ナノ構造／基板表面上に一致コンフォーマルに配置され、この場合単一の組成が傾斜している層が使用される（これは、ハイブリッドデバイスを形成するのに別々の個々の層の組合せを使用するが、その層のいずれもナノワイヤー（又は他のナノ構造変形）膜能動層上にはない従来技術の方法と対照的である）。
【００１８】
幾つかの実施形態では、本発明は、（ａ）第１のタイプのドーピングを有する複数の細長い半導体ナノ構造を基板上に準備し、（ｂ）細長い半導体ナノ構造上に半導体材料の非晶質層をコンフォーマルに設けて、界面を形成するようにする段階からなる方法に関し、ここで非晶質層は界面における実質的に真性組成から非晶質層の反対側における実質的に導電性の組成まで組成が傾斜しており、この非晶質層の傾斜組成は第２のタイプのドーピングによりもたらされる。
【００１９】
幾つかの実施形態では、本発明は、（モジュール又は太陽電池パネルの形態の）光起電力デバイス又は太陽電池のアセンブリ、及びビルの屋根上におけるかかるアセンブリの使用に関し、かかるアセンブリはインバーターを介して電気グリッドに接続することができる。
【００２０】
以上、以下の発明の詳細な説明がより良く理解できるように、幾らか大まかに本発明の特徴を概論した。特許請求の範囲に記載の本発明の主題を形成する本発明の追加の特徴と利点については以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明、及びその利点をより完全に理解するために、以下、添付の図面を参照して説明する。
【００２２】
幾つかの実施形態では、本発明は、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤー（又は他の半導体材料の細長いナノ構造）と、ナノワイヤー上にコンフォーマルに設けられた組成傾斜非晶質層とからなる光起電力（ＰＶ）デバイスに関する。一般に、非晶質層はナノワイヤーと同一又は同様なバルク組成であるが、ナノワイヤーは均一にドープされているのに対して、非晶質層は、この層を横切って、ナノワイヤー／非晶質層界面における実質的に真性のものから、この層の反対側における実質的に導電性のものまで（量に関して）変化するドーピング（電荷分離接合部を確立するように反対のタイプである）を有する。
【００２３】
以下の説明では、本発明の実施形態の十分な理解が得られるように特定の量、大きさ、などのような特定の詳細を記載する。しかし、当業者には明らかなように、本発明はかかる特定の詳細に関係なく実施することができる。多くの場合において、かかる事項などに関する詳細は、かかる詳細が当業者の能力内で本発明の完全な理解を得るのに必要でない限りにおいて省略されている。
【００２４】
図面を参照して、一般にこれらの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って、本発明を制限することはないものと了解されたい。
【００２５】
本明細書で使用する用語の殆どは当業者が認識可能であろうが、本発明の理解に役立てるために以下に定義を記載する。しかし、明確に定義されていない場合、用語は当業者によって現在認められている意味を有するものと解釈されるべきであると了解されたい。
【００２６】
「光起電力デバイス」とは、本明細書で定義される場合、起電力（ｅ．ｍ．ｆ．）を生じさせるために光起電力効果を利用する１以上のホトダイオードを含むデバイスである。Ｐｅｎｇｕｉｎ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖ．Ｉｌｌｉｎｇｗｏｒｔｈ，Ｅｄ．，Ｐｅｎｇｕｉｎ  Ｂｏｏｋｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９９８を参照されたい。代表的なかかるデバイスは「太陽電池」であり、太陽電池は、そのスペクトル応答が太陽からの日中の放射線に対して最適化されているホトダイオードである。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。代表的なかかる細長いナノ構造には、限定されることはないが、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノチューブ、などがある。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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帯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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
本明細書で「電荷分離接合」は、電子と正孔の分離を可能にする異なるタイプ（例えば、異なるドーパント及び／又はバルク組成）の材料間の境界からなる。
【００３６】
光起電力デバイスに関して本明細書で定義される「ヘテロ接合」とは、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である。
【００３７】
本明細書で定義される「能動ＰＶ素子」は、電荷分離接合の形成に関与するＰＶデバイスの構成要素である。
【００３８】
本明細書で定義される「ｐｎ型光起電力デバイス」は、ｐドープ半導体とｎドープ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むデバイスである。
【００３９】
本明細書で定義される「ｐｉｎ型光起電力デバイス」は、３種の材料の積層物であって、１つの層はｐ型ドープされており（主として正孔伝導用）、１つの層はドープされておらず（即ち、真性であり）、残りの層はｎ型にドープされている（主として電子伝導用）。
【００４０】
「組成傾斜」とは、本明細書に記載したＰＶデバイスのコンフォーマル非晶質層に関連して本明細書で定義される場合、バルク半導体材料が層の厚さを横切って変化するドーパント濃度を有していて、細長いナノ構造（第１のタイプのドーピングを有する、例えば、ｐドーピング）との界面においては実質的に真性であり、層の厚さを横切って次第により多くドープされ（第２のタイプのドーパントによる、例えば、ｎドーピング）て、反対側ではＰＶデバイス内に電荷分離接合を確立するのに充分なドーピングレベルを有するようになっていることを意味する。「組成傾斜ハイブリッド」とは、本明細書に記載したＰＶデバイスに関連して本明細書で定義される場合、組成傾斜非晶質層がその下にあるシリコンナノ構造又はナノワイヤーと共に存在することを意味する。
【００４１】
本明細書で定義される「太陽電池」とは、本質的に、太陽放射からのエネルギー変換用の光起電力デバイスである。
【００４２】
本明細書で定義される「ナノテンプレート」とは、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膜である。
【００４３】
デバイス
図１を参照して、幾つかの実施形態では、本発明は、（ａ）基板１０２上に配置され、第１のタイプのドーピングを有する複数の細長い半導体ナノ構造１０１と、（ｂ）細長い半導体ナノ構造上にコンフォーマルに設けられた半導体材料の非晶質層１０３とからなる組成傾斜ハイブリッドナノ構造系光起電力デバイスに関し、非晶質層と細長い半導体ナノ構造との間には界面があり、非晶質層は界面における実質的に真性組成から非晶質層の反対側上における実質的に導電性の組成まで組成が傾斜しており、非晶質層の傾斜組成は第２のタイプのドーピングにより提供されている。かかる実施形態では、組成傾斜非晶質層は連続的に変化する局在化状態を有するバンドギャップを提供し、非晶質半導体層が半導体ナノワイヤーと反対の導電型に組成傾斜している場合ヘテロ接合が形成される。幾つかのかかる実施形態では、透明な導電性材料（ＴＣＭ）の層１０４が非晶質層１０３上に設けられる。また、通例、デバイスを外部回路に接続するように動作可能な上部接点１０５及び下部接点が設けられており、ここで下部電極は通例（常にということはない）基板と一体化される（下記参照）。
【００４４】
細長い半導体ナノ構造１０１は、本発明の実施形態に従ってＰＶデバイスを提供するのに適したいかなる材料からなることもできる。適切な材料としては、限定されることはないが、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＧｅ、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ＧａＩｎＰ、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＩｎＡｓ、アルミニウムガリウムヒ素（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、銅の酸化物、炭素、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ、及び同様な組成物、並びにこれらの組合せがある。
【００４５】
ナノ構造１０１は通例、約１００ｎｍ〜約１００μｍの範囲の長さ、及び約５ｎｍ〜約１μｍの範囲の幅からなる。幾つかの実施形態では、ナノ構造は、実質的に垂直、すなわち基板の平面に対して実質的に垂直の配向で基板上に配列され、前記ナノ構造の大部分は４５°より大きい角度を形成する。他の実施形態では、ナノ構造は殆どランダムに基板上に配設される。
【００４６】
幾つかの実施形態では、上記デバイスはさらに、基板上にある、又は基板と一体になっているナノ多孔質テンプレートも含んでおり、ここから細長い半導体ナノ構造が延び出ている。かかるナノ構造がテンプレート中で成長するときにこうなることが多い。図３を参照すると、幾つかの実施形態では、層状基板１０２は基板支持体１０２ａ上にあるナノ多孔質テンプレート１０２ｃ及び／又は導電性層１０２ｂを含むことができる。
【００４７】
幾つかの実施形態では、多孔質ナノテンプレート１０２ｃは、陽極酸化された酸化アルミニウム（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空なる。幾つかの実施形態では、多孔質ナノテンプレート１０２ｃは約０．１〜約１００μｍの厚さ（又は平均厚さ）を有し、多孔質ナノテンプレートは孔の直径（又は平均直径）が約１ｎｍ〜約１μｍであり、また多孔質ナノテンプレートの孔密度は約１０５／ｃｍ２〜約１０１１／ｃｍ２である。
【００４８】
幾つかのかかるデバイスの実施形態では、細長い半導体ナノ構造はｐ−ドープされているが、ｎ−ドープされていることもできよう。しかし、デバイス内に電荷分離接合を生成するには、ナノ構造のドーピングは非晶質層の傾斜ドーピングと反対であるべきである。
【００４９】
幾つかのかかるデバイスの実施形態では、非晶質層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、銅の酸化物、炭素、酸化チタン、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ、及び同様なかかる組成物、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。通例、非晶質層は２０〜２００Åの範囲の相対的厚さを有する。
【００５０】
既に述べたように、また図２に示されているように、非晶質層１０３はその厚さＡを横切って（ドーパント濃度に関して）組成が傾斜しており、ドーパント濃度は通例、ナノ構造１０１及び表面１０２の付近でのほぼゼロから、この層の反対側で電荷分離接合を確立するのに充分な量まで増大している。通例、かかるドーピングはｎ−ドーパント（例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、など）からなるｎドーピングであるが、或いはナノ構造１０１がｎ−ドープされている状況ではかかるドーピングがｐドーピングであることができよう。
【００５１】
透明な導電性材料の層を使用するデバイスの実施形態では、透明な導電性材料は透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）であることができる。幾つかのかかる実施形態では、透明な導電性酸化物はインジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）である。幾つかの他のかかる実施形態では、透明な導電性酸化物はドープされたＺｎＯである。通例、透明な導電性材料は約０．０５〜約１μｍの厚さを有する。
【００５２】
幾つかの実施形態では、基板は下部接点を与える。幾つか又はその他の実施形態では、透明な導電性材料の層が上部接点を与える。使用目的に応じて、デバイスは上部及び／又は下部照明用に設定することができる。
【００５３】
デバイス製造
幾つかの実施形態では、本発明は上記組成傾斜ハイブリッドナノ構造系光起電力デバイスを作成する方法に関し、かかる方法は次の段階からなる。（段階５０１）基板上に複数の細長い半導体ナノ構造を準備する。この細長い半導体ナノ構造は第１のタイプのドーピングを有する。（段階５０２）その細長い半導体ナノ構造上にコンフォーマルに半導体材料の非晶質層を設けて、界面を形成する。ここで、この非晶質層は、界面における実質的に真性のものから、非晶質層の反対側における実質的に導電性のものまで組成が傾斜しており、非晶質層のこの傾斜組成は第２のタイプのドーピングによってもたらされる。（段階５０３）非晶質層上に１つの層として導電性で透明な材料を付着させる。（段階５０４）デバイスを外部回路に接続するように動作可能な上部及び下部の接点を確立する。
【００５４】
幾つかのかかる上記方法の実施形態では、細長いナノ構造は、化学蒸着（ＣＶＤ）、金属−有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、熱線化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）、原子層蒸着、電気化学蒸着、溶液化学蒸着、及びこれらの組合せからなる群から選択される方法により成長させることによってもたらされる。幾つかのかかる実施形態では、細長いナノ構造は金属ナノ粒子から触媒的に成長させることによって提供され、この場合金属ナノ粒子はナノ多孔質テンプレート中に存在し得、また金属ナノ粒子は金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される金属からなり得る。
【００５５】
幾つかの実施形態では、ナノ多孔質テンプレートを使用して、２００５年５月２７日に出願された本出願人に譲渡されている米国特許出願第１１／１４１６１３号に記載されているような細長いナノ構造を成長させる。
【００５６】
幾つかのかかる上記方法の実施形態では、非晶質層をコンフォーマルに設ける段階は、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＨＷＣＶＤ、スパッタリング、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実施される。幾つかのかかる実施形態では、非晶質層は、蒸着の際にドーパント種に分解するドーパント前駆体をドーピングすることによって組成が傾斜させる。ここで、ドーピングは、蒸着中、非晶質層が蒸着されるにつれてドーパント前駆体濃度を次第に増大することによって傾斜様式で提供される。適切なドーパント前駆体としては、限定されることはないが、Ｂ２Ｈ６、Ｂ（ＣＨ３）３、ＰＨ３、などがある。
【００５７】
太陽電池パネル
幾つかの実施形態では、本発明は、１以上の組成傾斜ハイブリッドナノワイヤー系光起電力デバイスを含む太陽電池パネルに関し、この太陽電池パネルはかかるデバイスをその周囲の大気環境から隔離し、電気出力の発生を可能にする。
【００５８】
効果
伝統的な（従来技術の）ハイブリッド光起電力デバイスは、１つの導電型の半導体基板と、その基板と接触して配置されてヘテロ接合を形成する反対の導電型の非晶質半導体層とからなる。この基板はｎ−タイプ又はｐ−タイプの単結晶又は多結晶半導体材料であり得る。
【００５９】
かかる上記の伝統的なハイブリッドＰＶデバイスとは対照的に、組成傾斜ハイブリッド光起電力ナノ構造系デバイスは通例、半導体、金属、又はガラス基板上にある１つの導電型の半導体ナノワイヤー（又はナノ構造の変形）膜（又はアレイ）と、基板との界面における実質的に真性組成から反対側における実質的に導電性の組成までその厚さを横切って組成が傾斜している非晶質半導体層とからなる。非晶質半導体層の組成が基板と反対の導電型まで傾斜している場合ヘテロ接合が形成される。組成の傾斜は、非晶質半導体層の製造中ドーピングレベルを調節することによって達成される。傾斜非晶質層は一般に、半導体ナノワイヤー／基板表面上にコンフォーマルに配置される。単一の組成傾斜層の利用により、本明細書に記載したアプローチが、Ｓａｎｙｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．が使用したもの（背景技術の欄参照）と区別されることに留意されたい。後者は、別々の個々の層の組合せを用いてハイブリッドデバイスを形成しており、そのいずれもナノワイヤー膜能動層上にはない（すなわち、能動ＰＶ素子としてナノワイヤーを使用していない）。
【００６０】
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５６（２），１５  Ｊｕｌ．１９８４（Ｋ．Ｓ．Ｌｉｍら，Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｐ−ＳｉＣ／ｇｒａｄｅｄ  ｐ−ＳｉＣ／ｉ−Ｓｉ／ｎ−Ｓｉ／  ｍｅｔａｌ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ｔｙｐｅ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ）に発表された実験的な研究では、ａ−Ｓｉ／金属基板ｐｉｎ（正−真性−負）薄膜太陽電池のｐ層とｉ層との間に配置された傾斜組成のａ−ＳｉＣ：Ｈ層の効果が検討された。結果は、従来のａ−Ｓｉ／金属基板ｐｉｎデバイスに対して高まったＶｏｃ及びＩｓｃ、殊に短めの波長における収集効率の顕著な増大を示した。観察された青色応答の改善は界面再結合の低減の結果であった。Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９（９），１  Ｍａｙ  １９９６（Ｐ．Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ，Ａ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ａ  ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ−ｇａｐ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｌａｙｅｒ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ−Ｓｉ：Ｈ−ｂａｓｅｄ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ）に発表されたコンピューターによる分析では、ｐｉｎ型ａ−Ｓｉ薄膜太陽電池のｐ層とｉ層との間に位置する傾斜バンドギャップ層の効果が検討された。この研究では、傾斜バンドギャップ層を用いた結果、界面状態の数が低減し、これらのデバイスの変換効率が２５％以上高まったことが示された。
【００６１】
既に述べたように、幾つかの実施形態では、本発明のデバイスは、１つの表面領域で真性特性をもち、反対の表面領域で導電性の特性をもつ単一の組成が傾斜している半導体層を含んでいる。この傾斜層は、基板上で成長させた吸収体として機能する半導体ナノワイヤーからなる薄膜と、電極として作用する透明な導電性皮膜との間に形成される。この単一層は同時に３つの重要な特徴を与える。すなわち、（１）ナノワイヤー表面の不動態化、（２）多層構造に真性の余分な界面の排除、及び（３）ｐｎ接合の近接性に基づく、ナノワイヤーで生成した電荷の効率的な分離である。単一層を用いてこれら２つの特性を組み合わせると、担体再結合を最小限にすることによりハイブリッド光起電力デバイスの性能を最大限にするためのユニークな設計が得られる。
【００６２】
上記背景技術の欄に記載した表面不動態化の問題に関して、幾つかの実施形態では、組成が傾斜している単一の層を、実質的に真性領域がナノワイヤー薄膜表面とコンフォーマルに接触するように製造する（上記参照）。これにより、所要の表面不動態化が得られ、その結果電荷担体の再結合が低減する。
【００６３】
上記界面再結合の問題（背景技術の欄参照）に関して、単一の組成が傾斜している層を使用すると、電荷担体再結合が起こり得る、多層設計における層間の界面が排除される。界面再結合は主として２つの効果に起因している。１つは構造である。ヘテロ接合部（例えば、ｐ／ｉ又はｎ／ｉ接合部）における急激なバンド屈曲は、電荷担体再結合を生じる高密度の界面状態をもたらす。単一層中のドーパント濃度を傾斜させると、エネルギーバンドギャップ中に局在化状態の連続的変化が生じる。バンドギャップ内における局在化エネルギー状態の緩やかな変化は、急激なバンド屈曲を排除して電荷担体再結合を低下させる。第２はプロセスである。デバイス製造中、加工処理段階間の中断により、不純物原子及び／又は擬似汚染物質が多層構造界面にトラップされ得る。これらの欠陥はデバイスの性能を低下させる電荷担体再結合の部位として作用し得る。単一の（ドーパント濃度に関して）傾斜した層の連続的形成により、プロセスの列の不連続が除かれ、その結果多層設計の界面が排除され、電荷担体の再結合が低減する。
【実施例】
【００６４】
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挙げるものである。当業者には分かるように、以下の実施例で開示する方法は単に本発明の代表的な実施形態を示すのみである。しかし、当業者であれば、本開示に基づいて、本発明の思想と範囲から逸脱することなく、記載される特定の実施形態に多くの変更をなすことができ、それでも類似又は同様な結果を得ることができるということが分かるであろう。
【００６５】
実施例１
本実施例は、本発明の幾つかの実施形態に従って組成が傾斜したハイブリッドナノワイヤー光起電力デバイスを製造するプロセス段階を例証するものである。
【００６６】
ガラス、金属、又は半導体基板上の１つの導電型のシリコンナノワイヤー膜をプラズマ反応チャンバー（例えば、プラズマ助長化学蒸着系）に入れる。真空ポンプでチャンバーから大気ガスを排除する。加工処理すべき基板を１２０〜２４０℃に予熱する。組成が傾斜した層の蒸着に先立って水素プラズマ表面前処理段階を行う。Ｈ２を５０〜５００ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル／分）の流量でチャンバー内に導入する。スロットルバルブを用いて、２００〜８００ｍＴｏｒｒの範囲の一定のプロセス圧力を維持する。６〜５０ｍＷ／ｃｍ２の範囲の出力密度の交流周波数入力電力を用いてプラズマを発生させ、維持する。印加する入力電力は１００ｋＨｚ〜２．４５ＧＨｚであることができる。水素プラズマ表面前処理時間は１〜６０秒である。
【００６７】
水素プラズマ前処理段階（これは任意である）の終わりに、シラン（ＳｉＨ４）を１０〜６０ｓｃｃｍの流量でプロセスチャンバー内に導入する。これで、組成が傾斜した単一の非晶質半導体層の蒸着が始まる。プラズマにはドーパント前駆体が含まれていないため、最初非晶質層の組成は真性であり（ドープされてない）、従って半導体基板の表面を不動態化する役割を果たす。その後、蒸着過程が進行すると共に、ドーパント前駆体をプラズマ混合物に加える。ドーパント前駆体の例はＢ２Ｈ６、Ｂ（ＣＨ３）３、及びＰＨ３である。これらは純粋な形態でもよいし、又はアルゴン、水素又はヘリウムのような担体ガスで希釈してもよい。前駆体の流量は、組成が傾斜した層の蒸着の間増大させる。この増大するドーパント前駆体流は単一の非晶質層中に（蒸着されるにつれて）ドーピング濃度の勾配を形成する。傾斜層の蒸着プロセスの終わりに、プラズマ中のドーパント前駆体の濃度は、実質的にドープされた非晶質半導体の特性が達成されるようにする。
【００６８】
１つの実施形態では、ｐ−タイプのシリコンナノワイヤー膜を吸収層として使用する。水素プラズマ表面前処理の後、組成が傾斜した非晶質半導体単一層の蒸着を開始する。純粋な水素とシランの混合物を用いて、最初に基板表面を不動態化する役割を果たす真性の（ドープされてない）材料特性を形成するとよい。その後、プラズマにリン含有前駆体を次第に増量しながら導入する。リンはｎ−タイプのドーパントとして機能するので、非晶質材料はｎ−タイプの電気特性をもち始める。この過程を、実質的に導電性の材料特性が達成されるまでリン含有前駆体流を増やしながら進める。その結果、厚さを横切って連続的に変化するリン濃度を有する組成が傾斜した層が得られる。傾斜層の厚さは≦２００Åが最適である。幾つかのかかる実施形態では、この層は組成が傾斜したハイブリッドデバイスの前部構造の部分を形成する。他のかかる実施形態では、この層は組成が傾斜したハイブリッドデバイスの後部構造の部分を形成する（光源に対するデバイスの配向に依存する）。
【００６９】
電極を形成するために組成が傾斜した層上に透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）皮膜を蒸着する。これらの皮膜は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）でよい。厚さを含めてＴＣＯの特性は、これらの層が反射防止（ＡＲ）皮膜として機能するように選択することができる。デバイスにより発生した電流を伝達するように、上部及び下部（前部及び後部）電極上に金属接点（例えば、Ａｌ、Ａｇ、など）を形成する。
【００７０】
実施例２
この実施例は、本発明の幾つかの実施形態に従って光起電力デバイス１００（又はその変形）を使用することができる代表的な応用を例証するものである。
【００７１】
複数の光起電力デバイス１００を含有する光起電力モジュールは、通例、グリッド接続した発電のために家庭の屋根の上に取り付けられる。これらモジュールは機能的及び審美的品質を得るように幾つかの方法で取り付けられる。モジュールは電力を提供し、この電力は蓄えてもよいし、又は現在標準的な住宅の太陽電池モジュールで行われているように電気会社に売り戻して利益を得てもよい。太陽電池は、標準の大きさに切断し、モジュールフレームにはめ込み、標準ハンダ系接続計画を用いて、幾つかの場合にはシェード効果を最小限にするためにバイパスダイオードと、直列に接続することができる。ナノワイヤーを透明な材料上で成長させる場合、そのガラス基板全体を直接フレーム入りモジュールで使用してもよいし、又はガラスを積層し、フレームを必要としないモジュールとして使用してもよい。この場合、当技術分野で一般に知られているレーザースクライブ法を前部及び後部接点用に用いて太陽電池セグメントを直列に接続することができる。
【００７２】
変形
Ｓｉナノワイヤーが上記した実施形態の多くで使用されているが、これは広範な半導体系の細長いナノ構造の単なる代表である。従って、当業者には認識されるように、上記実施形態の多くを変化させて、シリコン以外の材料を含む細長いナノ構造を使用することができる。かかる変形実施形態は、対応して（シリコンとは）異なる組成傾斜の非晶質層を有する。
【００７３】
図４は、図１に描いた非晶質層のコンフォーマル性に関する変形を示す。かかる実施形態では、非晶質層４０３はナノチューブ１０１間の空隙を実質的に充填している。場合により、透明な導電性材料４０４の層は、上部及び下部電極（図示してない）と同じように非晶質層４０３上に蒸着することができる。
【００７４】
要約
要約すると、幾つかの実施形態では、本発明は、細長い半導体ナノ構造と、その厚さを横切って実質的に真性ののものから実質的に導電性のものまで連続的に傾斜したドーピング濃度を有する非晶質半導体単一層とからなる組成傾斜ハイブリッドナノ構造系光起電力デバイスに関する。他の実施形態では、本発明は、かかる光起電力デバイスを作成する方法、及びかかるデバイスを利用する応用（例えば、太陽電池モジュール）に関する。
【００７５】
より特定的に幾つかのかかる上記実施形態に関連して、本発明は、組成が連続的に傾斜した単一の半導体層の使用を提供する。その１つの表面領域付近の真性特性は半導体基板の不動態化を提供して電荷担体再結合を低減し、反対の表面領域付近の導電特性は電子又は光電子デバイスを形成するのに必要とされる電気特性を与える。幾つかのかかる実施形態では、本発明は、真性非晶質層と導電性の非晶質層との間の、電荷担体再結合が起こり得る界面を除去する。幾つかのかかる実施形態では、本発明は、真性非晶質層と導電性非晶質層との間の界面にある、デバイス製造中に形成され電荷担体再結合を増大させる不純物原子及び／又は擬似汚染物質を除去する。幾つかの実施形態では、本発明は、組成が傾斜している単一の非晶質層のエネルギーバンドギャップ内に局在化エネルギー状態の傾斜を提供し、このため異なるバンドギャップ及び／又は導電型を有する層間の界面で電荷担体再結合を起こさせる局在化エネルギー状態における不連続性を排除する。幾つかの実施形態では、本発明では、一段階プラズマ蒸着法を利用して組成傾斜単一層を製造する。
【００７６】
上記実施形態の上記構造、機能、及び作動の幾つかは、本発明を実施するのに必要ではなく、単に代表的な１以上の実施形態を完全に説明するためのものであることが了解されよう。加えて、上記で引用した特許及び刊行物に記載されている特定の構造、機能、及び作動は、本発明に関連して実施することができるが、その実施に必須というわけではないものと了解されたい。従って、本発明は、特許請求の範囲に記載の本発明の思想と範囲から実際上逸脱することなく特に説明した以外のやり方で実施することができることと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明の幾つかの実施形態による、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤー（又は他の細長い半導体ナノ構造）を含む組成傾斜ハイブリッド光起電力（ＰＶ）ナノワイヤー系電池を示す。
【図２】図２は、本発明の幾つかの実施形態に従うコンフォーマル層がどのように組成が傾斜しているかを示す図である。
【図３】図３は、本発明の幾つかの実施形態に従って、基板が層状領域を含む基板１０２の変形を示す図である。
【図４】図４は、本発明の幾つか又はその他の実施形態に従う、図１に示したコンフォーマル皮膜の変形を示す図である。
【図５】図５は、本発明の幾つかの実施形態に従って、細長いナノ構造と組成傾斜非晶質層とを含む光起電力デバイスを形成する方法の概略を段階的に示す。
【符号の説明】
【００７８】
１００  光起電力デバイス
１０１  細長い半導体ナノ構造
１０２  層状基板
１０２ａ  基板支持体
１０２ｂ  導電性層
１０２ｃ  ナノ多孔質テンプレート
１０３  半導体材料の非晶質層
１０４  透明な導電性材料（ＴＣＭ）
１０５  接点
４０３  非晶質層
４０４  透明な導電性材料（ＴＣＭ）
段階５０１  半導体の細長いナノ構造を基板上に準備する
段階５０２  組成が傾斜した非晶質半導体層をナノ構造／基板上にコンフォーマルに蒸着する
段階５０３  導電性の透明な材料を蒸着する
段階５０４  上部及び下部接点を設ける
【図１】
2008177539.tif 000003
【図２】
2008177539.tif 000004
【図３】
2008177539.tif 000005
【図４】
2008177539.tif 000006
【図５】
2008177539.tif 000007
【外国語明細書】
2008177539000001.pdf