(57)【要約】【課題】基板上に半導体ナノ素材を配列し、ナノ素材とショットキー接合をなす金属層を構成して、半導体ナノ素材とショットキー接合された金属の仕事関数差によって、太陽光入射時、電子−正孔の流れを生成して電気の流れを誘導する、半導体ナノ素材を利用した光電変換装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置２において、基板２１、基板２１上に多数の半導体ナノ素材２２ａが水平配列された半導体ナノ素材層２２、半導体ナノ素材層２２上に半導体ナノ素材２２ａとショットキー接合される金属層２４とを含み、ショットキー接合された半導体ナノ素材２２ａと金属層２４の間に発生する整流によって電気エネルギーが生成されるようにする。【選択図】図１
2012064990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトンエネルギーを有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置において、
基板、
前記基板上に多数の半導体ナノ素材が水平配列された半導体ナノ素材層、
前記半導体ナノ素材層上に前記半導体ナノ素材とショットキー接合される金属層とを含み、
前記ショットキー接合された前記半導体ナノ素材と前記金属層の間に発生する整流によって電気エネルギーが生成されるようにすることを特徴とする半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項２】
前記半導体ナノ素材層と金属層の間には、前記半導体ナノ素材と前記金属層のショットキー接合がなされ得る厚さの絶縁層が更に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項３】
前記基板の下部に後面接合電極が更に具備されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項４】
前記半導体ナノ素材層の一側上部に、前記半導体ナノ素材とオーミック接合をなす金属物質からなる後面接合電極が更に具備されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項５】
前記金属層が前面接合電極として利用されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項６】
前記金属層の上部に、前記金属層とオーミック接合をなす金属物質からなる前面接合電極が更に具備されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項７】
前記半導体ナノ素材層は、ドーピング工程または接合工程が進行されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項８】
前記絶縁層は、透明材質の反射防止膜であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項９】
前記半導体ナノ素材は、４族真性半導体または４−４族化合物半導体または３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体または４−６族化合物半導体のいずれかから選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項１０】
前記半導体ナノ素材は、ｎ型半導体で、半導体ナノ素材の仕事関数（Фｓ）が金属層の仕事関数（Фｍ）より大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項１１】
前記半導体ナノ素材は、ｐ型半導体で、半導体ナノ素材の仕事関数（Фｓ）が金属層の仕事関数（Фｍ）より小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置。
【請求項１２】
半導体ナノ素材と金属層のショットキー接合によって生成される整流作用によって、フォトンエネルギーを有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置の製造方法において、
基板上に多数の半導体ナノ素材を水平配列して半導体ナノ素材層を形成する段階；
前記半導体ナノ素材層の上部に、前記半導体ナノ素材とショットキー接合されるように金属層を形成する段階とを含むことを特徴とする半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１３】
前記半導体ナノ素材層と金属層の間には、前記半導体ナノ素材と前記金属層のショットキー接合がなされ得る厚さの絶縁層を更に形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１４】
前記基板の下部に後面接合電極を更に形成することを特徴とする請求項１３に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体ナノ素材層の一側上部に、前記半導体ナノ素材とオーミック接合をなす金属物質からなる後面接合電極を更に形成することを特徴とする請求項１３に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１６】
前記金属層の上部に、前記金属層とオーミック接合をなす金属物質からなる前面接合電極を更に形成することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体ナノ素材層にドーピング工程または接合工程を進行することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１８】
前記絶縁層は、透明材質の反射防止膜に形成することを特徴とする請求項１３ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項１９】
前記半導体ナノ素材は、４族真性半導体または４−４族化合物半導体または３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体または４−６族化合物半導体のいずれかから選択された少なくとも一つで形成することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項２０】
前記半導体ナノ素材は、ｎ型半導体で、半導体ナノ素材の仕事関数（Фｓ）が金属層の仕事関数（Фｍ）より大きな半導体を利用することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項２１】
前記半導体ナノ素材は、ｐ型半導体で、半導体ナノ素材の仕事関数（Фｓ）が金属層の仕事関数（Фｍ）より小さな半導体を利用することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項２２】
前記半導体ナノ素材層形成段階は；
化学的気相成長方式（CVD）または物理的気相成長方式（PVD）または電気化学（Electrochemical）方式で半導体ナノ素材を成長させることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項２３】
前記半導体ナノ素材層形成段階は；
ナノ素材成長方式で成長させたナノ素材をスピンコーティングまたはプリンティング方式で配列させることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項２４】
前記半導体ナノ素材層形成段階は；
ナノ素材成長方式によって成長されたナノ素材をスピンコーティングまたはプリンティング方式で配列した後、インプリント（Imprint）方式または腐刻工程を介してパターニングすることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【請求項２５】
前記半導体ナノ素材層形成段階は；
半導体性質の基板を腐刻してナノ構造物を形成することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置およびその製造方法に関するもので、半導体ナノ素材と金属とのショットキー接合による整流作用を適用した半導体ナノ素材を利用した光電変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光のようにフォトンエネルギーを有する光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である太陽電池は、ほかのエネルギー源とは異なり、無限かつ環境親和的なので、時間が経つにつれその重要性が増している。
【０００３】
特に、携帯用コンピュータ、携帯電話、個人携帯端末機などの各種携帯用情報機器に搭載すれば、太陽光だけで充電が可能になるだろうと期待を集めている。
【０００４】
従来の太陽電池は、太陽電池１世代である単結晶または多結晶のシリコンウェハー形態の太陽電池がよく使われてきたが、シリコンウェハー形態の太陽電池は、製造時に大型の高価装備が使用され、かつ原料の価格が高価なので製造費用がたかくなり、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を改善するのにも多くの難関が伴う。
【０００５】
以後、２世代である薄膜太陽電池がこのようなシリコンウェハーのかわりに使われるようになりながら、シリコン消費の少ない薄膜の形態に実用化されている。
【０００６】
そして、最近は低価で製造することができる３世代太陽電池として、有機材料を使用した太陽電池に対する関心が急増しているのだが、特に製造費用が低廉な染料感応型太陽電池が多大なる注目を浴びている。
【０００７】
図５はｐ−ｎ接合半導体太陽電池の概略図である。
【０００８】
図５を参照すると、太陽電池は、ｐ−タイプ１１０とｎ−タイプ１２０の半導体を接合するｐ−ｎ接合構造と、光の反射損失を減らすための反射防止膜（Anti Reflection：AR層）１３０と、前面接触電極１４０および後面接触電極１５０とからなる。
【０００９】
半導体の特性上、光電効果によって半導体が光（光子、photon）を吸収すると、自由電子と正孔が生じることになり、一般的な半導体では、このような自由電子と正孔が再び再結合（recombination）しながら、吸収したフォトンエネルギーを熱のようなフォノンエネルギーに変換させるのだが、太陽電池では、ｐ−ｎ接合周囲にある自由電子とホールがｐ−ｎ接合周囲の電磁場によってお互いの位置が入れ替わり、電気的ポテンシャルが形成されるため、太陽電池の外部に素子を連結することになると、結果的に電流が流れることになるのである。
【００１０】
つまり、図６に示したように、光があたると、光は太陽電池のなかに吸収され、吸収された光が有しているエネルギーで正孔と電子が発生して各々自由に太陽電池のなかを動くことになるのだが、電子はｎ型半導体側に、正孔はｐ型半導体側に集まることになり、電位が発生することになる。
【００１１】
そして、ｎ型半導体側に接触された電極１４０とｐ型半導体側に接触された電極１５０の間に負荷を連結すると電流が流れることになる。これが太陽電池のｐ−ｎ接合による発電の基本原理である。
【００１２】
ところが、このような光電変換装置は、外部から入射される光の反射率が高く、再吸収率が低くて、太陽光発電の効率が低いという短所がある。
【００１３】
そして、高価の大面積基板を利用しなければならないので、製造費用が高いだけでなく、ｐ型基板を使用する場合、反対タイプのｎ型ドーピングをせねばならず、ｎ型基板を使用する場合、反対タイプのｐ型ドーピングを遂行しなければならないので、工程が煩わしいという短所がある。
【００１４】
また、既存は、入射される光の反射率を減らすために、基板表面にピラミッド形態の凹凸を形成するテクスチャリング（texturing）工程を進行するなど、工程段階が増加するという短所がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、基板上に半導体ナノ素材を配列し、ナノ素材とショットキー接合をなす金属層を構成して、半導体ナノ素材とショットキー接合された金属の仕事関数差によって、太陽光入射時、電子−正孔の流れを生成して電気の流れを誘導する、半導体ナノ素材を利用した光電変換装置およ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】
【００１６】
本発明は、フォトンエネルギーを有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置において、基板、前記基板上に多数の半導体ナノ素材が水平配列された半導体ナノ素材層、前記半導体ナノ素材層上に前記半導体ナノ素材とショットキー接合される金属層とを含み、前記ショットキー接合された前記半導体ナノ素材と前記金属層の間に発生する整流によって電気エネルギーが生成されるようにすることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の製造方法は、半導体ナノ素材と金属層のショットキー接合によって生成される整流作用によって、フォトンエネルギーを有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置の製造方法において、基板上に多数の半導体ナノ素材を水平配列して半導体ナノ素材層を形成する段階と、前記半導体ナノ素材層の上部に、前記半導体ナノ素材とショットキー接合されるように金属層を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、別途のｐ−ｎ接合を利用せず、相互ショットキー接合された半導体ナノ素材と金属層の仕事関数の差により、太陽光による電子−正孔流れを誘導して電気の流れを生成することによって、追加のドーピング工程およびテクスチャリング工程を進行しないので、工程を単純化することができるという利点がある。
【００１９】
また、導電性の基板を後面接合電極に利用したり、金属層を前面接合電極に利用することによって、構成要素を簡略化するだけでなく、工程を単純化することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例による半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の断面図である。
【図２】本発明の作用を説明するための参照図である。
【図３】本発明の作用を説明するための参照図である。
【図４】本発明の第２実施例による半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の断面図である。
【図５】光電変換装置の一例である一般的なｐ−ｎ接合半導体太陽電池の概略図である。
【図６】光電変換装置のｐ−ｎ接合による発電原理を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の第１実施例による半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の断面図で、本発明は、フォトンエネルギーを有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関するものである。
【００２３】
図１を参照すると、本発明の第１実施例による光電変換装置２は、基板２１、半導体ナノ素材層２２、絶縁層２３、金属層２４、および後面接合電極２５とを含む。
【００２４】
ここで、基板２１は、非導電性基板であり、半導体ナノ素材層２２は、基板２１上に水平配列された多数の半導体ナノ素材２２ａから構成される。
【００２５】
また、絶縁層２３は、SiO2、SiNなどの絶縁係数が大きくて透明な材質からなっており、反射防止膜の役割をすることもできる。
【００２６】
そして、金属層２４は、半導体ナノ素材層２２上に前記半導体ナノ素材２２ａとショットキー接合され、半導体ナノ素材と前記金属層の間に発生する整流によって電気エネルギーが生成されるようにする。
【００２７】
つまり、ショットキー接合された半導体ナノ素材２２ａと金属層２４の間にフォトンエネルギーを有する光が入射すると、電子と正孔がおたがい反対の方向に移動することになり、これによって整流（Rectifying）形態の電気の流れが生じる。
【００２８】
したがって、本発明は、半導体ナノ素材２２ａと金属層２４の間の電子−正孔の流れによる電気エネルギーを得るために、ｎ型半導体ナノ素材を利用する場合、半導体ナノ素材の仕事関数（Фｓ）が金属層２４の仕事関数（Фｍ）より大きくなければならず、ｐ型半導体ナノ素材を利用する場合、仕事関数（Фｓ）が金属層２４の仕事関数（Фｍ）より小さくなければならない。
【００２９】
つまり、図２の（ａ）に示したように、ｎ型半導体の仕事関数（Фｓ）が金属層の仕事関数（Фｍ）より大きければ、（ｂ）に示されているように、ｎ型半導体ナノ素材が有する電子が電位障壁層を超えて金属層２４方向に移動し、正孔は反対方向に移動して電気の流れを生成する。
【００３０】
また、図３の（ａ）に示したように、ｐ型半導体の仕事関数（Фｓ）が金属層２４の仕事関数（Фｍ）より小さければ、（ｂ）に示されているように、金属層２４内の電子が電位障壁層を超えて半導体ナノ素材２２ａ方向に移動し、正孔は反対方向に移動して電気の流れを生成する。
【００３１】
一方、本発明の半導体ナノ素材２２ａは、４族真性半導体または４−４族化合物半導体または３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体または４−６族化合物半導体のいずれかから選択された少なくとも一つ以上からなることができ、別途のドーピング工程または接合工程を進行することができ、このようにドーピング工程または接合工程を進行すると、電子伝達能力が向上し、光電変換装置の光電変換効率をより高めることができる。
【００３２】
そして、既存ｐ−ｎ接合を利用する光電変換装置では、別途の前面接合金属を更に具備するが、本発明の第１実施例では、金属層２４を前面接合電極として利用することができる。また、金属層２４は、図面には示していないが、金属層２４の上部に金属層とオーミック接合をなす金属物質からなる前面接合電極（未図示）を更に具備することができる。
【００３３】
図４は、本発明の第２実施例による半導体ナノ素材を利用した光電変換装置の断面図で、上述した本発明の第１実施例と同一な構成要素に対する具体的な作用説明は省略することにする。
【００３４】
図４を参照すると、本発明の第２実施例では、基板２１、半導体ナノ素材層２２、絶縁層２３、金属層２４、および後面接合電極２５とを含み、電気の流れを生成するための作用は第１実施例と同一である。
【００３５】
ここで、上述した第１実施例では、後面接合電極２５が基板２１の下部に具備されたが、第２実施例では、半導体ナノ素材層２２の一側上部に後面接合電極２５が具備される。
【００３６】
後面接合電極２５は、半導体ナノ素材２２ａとオーミック接合をなす金属物質からなり、図面では金属層２４が前面接合電極として利用されるように図示したが、他の変形例を介して、金属層の上部に金属層２４とオーミック接合をなす金属物質からなる前面接合電極（未図示）を更に具備することができる。
【００３７】
このように、本発明の第１実施例および第２実施例は、光電変換装置の構成を簡単にすることができる。
【００３８】
このような本発明の第１実施例および第２実施例による半導体ナノ素材を利用した光電変換装置は、下記のような工程によって製造される。
【００３９】
まず、基板２１に多数の半導体ナノ素材２２ａを水平に配列して半導体ナノ素材層２２を形成する。
【００４０】
この時、半導体ナノ素材層２２は、化学的気相成長方式（CVD）または物理的気相成長方式（PVD）または電気化学（Electrochemical）方式を介してナノ素材を成長配列したり、既に合成された半導体ナノ素材を基板２１上に配列することができる。
【００４１】
または、化学的気相成長方式（CVD）または物理的気相成長方式（PVD）または電気化学（Electrochemical）方式で成長させたナノ素材を、スピンコーティングまたはプリンティング方式で配列させて形成することができる。
【００４２】
または、ナノ素材成長方式によって成長されたナノ素材を、スピンコーティングまたはプリンティング方式で配列した後、インプリント（Imprint）方式または腐刻工程を介してパターニングして形成したり、半導体性質の基板を腐刻してナノ構造物を形成することができる。
【００４３】
そして、半導体ナノ素材層２２の上部に絶縁層２３を形成し、半導体ナノ素材２２ａとショットキー接合されるように金属層を形成する。
【００４４】
この時、図面上には絶縁層２３を図示したが、他の変形された実施例を介して、絶縁層は省略することができ、必要によって絶縁層２３を形成する場合、半導体ナノ素材２２ａと金属層２４のショットキー接合がなされ得る薄い厚さになるようにするのが好ましい。
【００４５】
そして、第１実施例は、基板２１の下部に後面接合電極２５を形成し、第２実施例は、半導体ナノ素材層２２の一側上部に半導体ナノ素材とオーミック接合をなす金属物質からなる後面接合電極を更に形成する。
【００４６】
並びに、図面には示していないが、金属層２４の上部に前記金属層とオーミック接合をなす金属物質からなる前面接合電極（未図示）を更に形成することができる。
【００４７】
ここで、既存のｐ−ｎ接合を利用する光電変換装置は、ｐ型基板を利用する場合、ｎ型ドーピングを、ｎ型基板を利用する場合、ｐ型ドーピング工程を進行したが、本発明は別途のドーピング工程を進行しないので、工程を短縮させることができる。
【符号の説明】
【００４８】
２   光電変換装置
２１   基板
２２   半導体ナノ素材層
２２ａ 半導体ナノ素材
２３   絶縁層
２４   金属層
２５   後面接合電極
【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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