(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた背面電極と、
前記背面電極の上面に離隔して設けられた複数の伝導性炭素ナノチューブ配列体と、
前記伝導性炭素ナノチューブ配列体を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び上部に設けられたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の上面に設けられたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上面に設けられた、複数の半球型マイクロレンズからなる透明電極と、を備えることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記基板が、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレススチール、及びシリコンウエハのうちいずれか１つから構成され、該基板の厚さが０．５〜１ｍｍ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３】
前記背面電極が、モリブデン（Ｍｏ）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記伝導性炭素ナノチューブ配列体を構成する各々の炭素ナノチューブの高さが１〜２μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ｐ型半導体層の厚さが３μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項６】
前記透明電極を構成する各々の半球型マイクロレンズの直径が、０．５〜１μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項７】
基板上に背面電極を設ける背面電極形成工程と、
前記背面電極の上面に複数の伝導性炭素ナノチューブを離隔して設ける配列体形成工程と、
前記伝導性炭素ナノチューブ配列体を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び上部に、ｐ型半導体層を設けるｐ型半導体層形成工程と、
前記ｐ型半導体層の上面にｎ型半導体層を設けるｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体層の上面に複数の半球型マイクロレンズからなる透明電極を設ける透明電極形成工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項８】
前記背面電極を、インクジェットを用いて伝導性インクを前記基板上に印刷することにより形成することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記伝導性インクが、モリブデン（Ｍｏ）からなることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
前記配列体形成工程は、
前記背面電極上に３〜１０ｎｍの長さを有する複数の転移金属層を設ける転移金属層形成工程と、
前記複数の転移金属層の上面に、ＰＥＣＶＤ工程を用いて複数の炭素ナノチューブを形成する炭素ナノチューブ形成工程と、を含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
前記転移金属層が、ＦｅまたはＮｉをスパッタリングすることによって形成されることを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記ｎ型半導体層を、インクジェットを用いてｎ型半導体を前記ｐ型半導体層の上面に印刷することにより形成することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１３】
前記透明電極を、インクジェットを用いて透明電極用インクを前記ｎ型半導体層の上面に印刷することにより形成することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１４】
前記透明電極を構成する各々の半球型マイクロレンズの直径が、０．５〜１μｍとなるように前記透明電極を形成することを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１つ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、高効率太陽電池及びその製造方法に関し、より詳しくは、太陽電池のｐ型半導体層の内部に伝導性炭素ナノチューブ配列体を設け、インクジェット技術を用いて透明電極を半球型のマイクロレンズの形態で形成することによって、高効率が達成できる太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、半導体ｐ−ｎ接合の特性を用いて太陽の光エネルギーを電気エネルギーに転換させるデバイスであり、未来の重要なエネルギー源として認識されてきている。太陽電池は製造形態によって２種類に大別される。一方は、基板にガラス（ｇｌａｓｓ）を用いるスーパーストレート型（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ  ｔｙｐｅ）で、他方は、シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いるサブストレート型（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｔｙｐｅ）である。
【０００３】
サブストレート型の太陽電池は、シリコン半導体工程を用いた太陽電池であって、該工程が複雑で、また材料費が高いという短所があるものの、エネルギー効率が他の太陽電池に比べて高く、量産用に多く使われてきている。
【０００４】
図１ａ〜図１ｆは、従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示す図である。
【０００５】
図１ａ〜図１ｆに示すように、まずガラス（ｇｌａｓｓ）よりなる基板１１上に透明電極（ＴＣＯ）１２を蒸着する。次に、ｎ型半導体１３及びｐ型半導体１４を順次蒸着してｐ−ｎ接合を形成する。そして、透明電極１２及びｐ型半導体１４に前面電極１５及び後面電極１６をそれぞれ設けることによって、太陽電池の製造工程が完了する。ガラス面へ入射した光は、透明電極１２及びｎ型半導体１３を経てｐ型半導体１４で吸収され、それによって励起された電子が起電力により流れて、電力を得ることができる。
【０００６】
前述のようにして製造された太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子であって、ｐ型半導体とｎ型半導体とが接合状態にあり、その基本構造はダイオードと同じである。即ち、外部から光が太陽電池に入射した時、ｐ型半導体の伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｂａｎｄ）電子は、入射した光のエネルギーによって価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ  ｂａｎｄ）に励起され、励起された電子はｐ型半導体の内部に１つの電子・正孔対を形成する。しかしながら、そのような太陽電池のｐ型半導体では、多結晶材料の特性上の問題及び薄膜化による他の界面との接合の問題によって、励起された電子と正孔との再結合現象などが生じる。これは太陽電池の効率向上を阻害する主な原因になっている。
【０００７】
一方、最近、太陽電池の製造工程にインクジェット印刷に関する技術を導入しようという試みが活発になされている。
【０００８】
インクジェット技術としては、１９７０年、Ｋｙｚｅｒ、Ｚａｌｔａｎらによりドロップオンデマンド（ｄｒｏｐ  ｏｎ  ｄｅｍａｎｄ：ＤＯＤ）方式が開発され、産業に用いられている。その後、１９８０年初めにＨＰ社、Ｃａｎｏｎ社がサーマル（ｔｈｅｒｍａｌ）方式のインクジェットヘッドを開発し、続いてＥｐｓｏｎ社がピエゾ（Ｐｉｅｚｏ）方式のヘッドを開発することで、本格的なＯＡ用プリンタへの応用が始まった。
【０００９】
現在、多様な分野において産業用インクジェット印刷が使われてきており、とりわけ太陽電池分野においては、パターニング用のマスキングパターンを設ける際にインクジェット印刷を用いる試みがなされている。インクジェット技術は、時間的且つ空間的に長所があり、中間工程の省略により費用削減ができるという利点を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、太陽電池のｐ型半導体層の内部に伝導性炭素ナノチューブ配列体を設けることによって、変換効率に優れた高効率太陽電池を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、インクジェット技術を用いて半球型のマイクロレンズの形態で透明電極を形成することによって、透明電極に流れ込む光の損失を最小化することができる、高効率な太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池は、基板上に設けられた背面電極と、該背面電極の上面に設けられた伝導性炭素ナノチューブ配列体と、該伝導性炭素ナノチューブ配列体を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び上部に設けられたｐ型半導体層と、該ｐ型半導体層の上面に設けられたｎ型半導体層と、該ｎ型半導体層の上面に設けられ、複数の半球型マイクロレンズからなる透明電極と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記基板は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレススチール、及びシリコンウエハのうちいずれか１つからなり、その厚さは０．５〜１ｍｍであることが望ましい。
【００１４】
また、上記背面電極は、モリブデン（Ｍｏ）からなることが望ましい。
【００１５】
また、上記伝導性炭素ナノチューブ配列体を構成する各々の炭素ナノチューブは、その高さが１〜２μmとなるように構成してもよい。
【００１６】
また、上記ｐ型半導体層は、その厚さが３μmであることが望ましい。
【００１７】
また、上記透明電極を構成する各々の半球型マイクロレンズの直径は、０．５〜１μｍであることが望ましい。
【００１８】
また、本発明の他の好適な実施の形態による高効率太陽電池は、基板上に設けられた背面電極と、該背面電極の上面に設けられたｐ型半導体層と、該ｐ型半導体層の上面に設けられたｎ型半導体層と、該ｎ型半導体層の上面に設けられ、複数の半球型マイクロレンズからなる透明電極と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
上記基板は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレススチール、及びシリコンウエハのうちいずれか１つからなり、その厚さは０．５〜１ｍｍであることが望ましい。
【００２０】
また、上記背面電極は、モリブデン（Ｍｏ）からなることが望ましい。
【００２１】
また、上記ｐ型半導体層は、その厚さが３μmであることが望ましい。
【００２２】
また、上記透明電極を構成する各々の半球型マイクロレンズの直径は、０．５〜１μｍであることが望ましい。
【００２３】
また、本発明のさらに別の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造方法は、基板上に背面電極を設ける背面電極形成工程と、該背面電極の上面に伝導性炭素ナノチューブ配列体を設ける配列体形成工程と、該伝導性炭素ナノチューブ配列体を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び上部にｐ型半導体層を設けるｐ型半導体層形成工程と、該ｐ型半導体層の上面にｎ型半導体層を設けるｎ型半導体層形成工程と、該ｎ型半導体層の上面に複数の半球型マイクロレンズからなる透明電極を設ける透明電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
上記背面電極は、インクジェットを用いて伝導性インクを上記基板上に印刷することにより形成されることが望ましい。また、該伝導性インクは、モリブデン（Ｍｏ）からなることが望ましい。
【００２５】
また、上記配列体形成工程は、背面電極上に３〜１０ｎｍの長さを有する複数の転移金属層を設ける転移金属層形成工程と、上記転移金属層の上面に、ＰＥＣＶＤ工程を用いて複数の炭素ナノチューブを設ける炭素ナノチューブ形成工程と、を含んでもよい。
【００２６】
また、上記転移金属層は、ＦｅまたはＮｉをスパッタリングすることにより形成されことが望ましい。
【００２７】
また、前記ｎ型半導体層は、インクジェットを用いてｎ型半導体をｐ型半導体層の上面に印刷することにより形成されてもよい。
【００２８】
また、上記透明電極は、インクジェットを用いて透明電極用インクを上記ｎ型半導体層の上面に印刷することにより形成されることが望ましい。また、上記透明電極は、上記透明電極を構成する各々の半球型マイクロレンズの直径が、０．５〜１μｍとなるように形成されることが望ましい。
【００２９】
また、本発明のさらに別の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造方法は、基板上に背面電極を設ける背面電極形成工程と、該背面電極の上面にｐ型半導体層を設けるｐ型半導体層形成工程と、該ｐ型半導体層の上面にｎ型半導体層を設けるｎ型半導体層形成工程と、上記ｎ型半導体層の上面に、複数の半球型マイクロレンズからなる透明電極を設ける透明電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
【００３０】
上記背面電極は、インクジェットを用いて伝導性インクを上記基板上に印刷することにより形成されることが望ましい。また、該伝導性インクは、モリブデン（Ｍｏ）からなることが望ましい。
【００３１】
また、上記ｎ型半導体層は、インクジェットを用いてｎ型半導体を上記ｐ型半導体層の上面に印刷することにより形成されてもよい。
【００３２】
また、前記透明電極は、インクジェットを用いて透明電極用インクを上記ｎ型半導体層の上面に印刷することにより形成されることが望ましい。また、前記透明電極は、前記透明電極を構成する各々の半球型マイクロレンズの直径が、０．５〜１μｍとなるように形成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００３３】
前述のように、本発明によれば、高効率太陽電池のｐ型半導体層の内部に伝導性炭素ナノチューブ配列体を設けることにより、太陽電池の変換効率を向上することができるという効果を奏する。
【００３４】
さらに、本発明によれば、インクジェット技術を用いて透明電極を半球型のマイクロレンズの形態で設けることにより、透明電極に流れ込む光の損失を最小化することができる。よって、太陽電池の光電子効率を向上することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記目的を含む本発明の目的及び特徴を、以下の説明及び図面により明らかにする。
【００３６】
本発明に関連する公知の機能及び構成については、その具体的な説明を省略する。
【００３７】
また、後述する各用語は、本発明における機能を考慮して定義されたものであり、使用者及び運用者の意図または慣例などに応じて変わることがある。従って、その定義は本発明の説明によって開示される全体的な内容に基づいて解釈されるものである。
【００３８】
まず、図２ａは、数十マイクロメートルの径を有する液滴がインクジェットヘッドから吐出されている様子を示し、図２ｂは、該液滴が基板に着滴した様子を示す図である。
【００３９】
図２ａ及び図２ｂに示すように、インクジェットヘッドから吐出された液滴が、基板に着滴すると、数十マイクロメートルの径を有する半球型のパターンが形成される。このようなインクジェット技術を用いて透明電極用インクを噴射することにより、太陽電池の透明電極をマイクロレンズの形態で形成することができる。形成された透明電極は、入射する光の損失を低減すると共に集光手段としての機能を有し、高性能な太陽電池の製造を可能にする。
【００４０】
図３は、本発明による高効率太陽電池の断面図である。
【００４１】
図３に示すように、本発明による高効率太陽電池は、基板３１と、基板３１上に設けられた背面電極３２と、背面電極３２の上面に設けられた伝導性の炭素ナノチューブ配列体３３と、炭素ナノチューブ配列体３３を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び炭素ナノチューブ配列体３３の上部に設けられたｐ型半導体層３４と、ｐ型半導体層３４の上面に設けられたｎ型半導体層３５と、ｎ型半導体層３５の上面に設けられた透明電極３６と、ｎ型半導体層３５に接続された前面電極３７と、背面電極３２に接続された後面電極３８と、を含んで構成される。
【００４２】
基板３１の材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレススチール、及びシリコンウエハのうちいずれか１つを用いることができる。また、基板３１の厚さは０．５〜１ｍｍとなるように形成される。
【００４３】
背面電極３２は、モリブデン（Ｍｏ）から構成されることが望ましい。また、背面電極３２は、インクジェット技術を用いて伝導性インクを基板上に印刷することにより形成される。
【００４４】
背面電極３２の上面には、複数の伝導性炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ：Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）で構成される炭素ナノチューブ配列体３３が設けられる。この場合、各々の炭素ナノチューブは、その高さが１〜２μmになるように設けられる。
【００４５】
炭素ナノチューブ配列体３３を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び炭素ナノチューブ配列体３３の上部には、ｐ型半導体層３４が設けられる。ｐ型半導体層３４の厚さは、好ましくは３μmになるように形成される。
【００４６】
ｐ型半導体層３４の上面には、ｎ型半導体層３５が設けられる。ｎ型半導体層３５は、背面電極３２と同様に、インクジェット技術を用いた印刷方式で形成される。
【００４７】
ｎ型半導体層３５の上面には、透明電極３６が設けられる。透明電極２６は、透明電極用インクをインクジェット技術を用いて印刷することによって、複数のマイクロレンズの形態で形成される。上述したように、このような方法で透明電極３６を形成することによって、透明電極３６は、入射する光の損失を低減すると共に、集光手段としての役割を果たすことが出来る。
【００４８】
図４は、本発明による高効率太陽電池の透明電極の詳細構造の拡大図である。
【００４９】
図４に示すように、透明電極３６が半球型のマイクロレンズの形態で設けられることによって、入射した太陽光が透明電極３６を経て集光される。このように構成された透明電極３６は、入射光の損失を低減して光電子の効率を上げることによって、高性能な太陽電池の製造を可能にする。
【００５０】
図５ａ〜図５ｋは、本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【００５１】
まず、図５ａ及び図５ｂに示すように、基板３１上に背面電極３２を設ける。背面電極３２は、モリブデン（Ｍｏ）で構成されることが望ましく、インクジェット１００を用いてモリブデンを含む伝導性インクを基板上に印刷することにより形成される。
【００５２】
次に、図５ｃに示すように、背面電極３２上に転移金属層３３ａを設ける。転移金属層３３ａの蒸着には、通常のスパッタリング法を用いることができる。転移金属層３３ａの材料は、ＦｅまたはＮｉから構成されることが望ましい。
【００５３】
次に、図５ｄに示すように、ＰＥＣＶＤ工程を用いて転移金属層３３ａの上面に、伝導性の炭素ナノチューブ配列体３３を設ける。炭素ナノチューブ配列体３３の高さは１〜２μmであることが望ましい。
【００５４】
続いて、図５ｅに示すように、伝導性炭素ナノチューブ配列体３３を構成する各々の炭素ナノチューブの間及び伝導性炭素ナノチューブ配列体３３の上部に、ｐ型半導体層３４を設ける。このｐ型半導体層３４の高さは約３μmであることが望ましい。
【００５５】
次に、図５ｆに示すように、ｐ型半導体層３４の上面にｎ型半導体層３５を設ける。ｎ型半導体層３５はインクジェット１００を用いた印刷方式によって形成される。
【００５６】
次に、図５のｇに示すように、インクジェット１００を用いて形成されたｎ型半導体層３５を、ポートベーキング工程（Ｐｏａｔ  ｂａｋｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて固定させる。これは、ｎ型半導体層３５が形成された太陽電池を、１２０℃〜２００℃に約２０〜３０分間加熱する工程である。
【００５７】
次に、図５ｈに示すように、ｎ型半導体層３５の上面に複数の半球型のマイクロレンズから構成される透明電極３６を形成する。透明電極３６は、インクジェット１００を用いて透明電極用インクをｎ型半導体層３５の上面に印刷する方式によって形成される。この形成は、図２ｂで示したように、インクジェット１００のノズルを制御して、ｎ型半導体層３５の上面で半球型の液滴が重なり合わないように行う。透明電極３６を構成する半球型のマイクロレンズの直径は、約０．５〜１μｍであることが望ましい。
【００５８】
続いて、図５ｉに示すように、ポートベーキング工程を用いて透明電極３６を固定させる。この工程は、図５ｇで示した工程と同様である。
【００５９】
最後に、図５ｊ及び図５ｋに示すように、ｎ型半導体層３５に接続された前面電極３７を形成し、背面電極３２に接続された後面電極３８を形成する。前面電極３７及び後面電極３８は、図示されるように、インクジェット１００を用いて形成されることが望ましい。
【００６０】
以上、本発明の具体的な実施の形態に関して詳細に説明したが、本発明は、その技術的思想や必須の特徴を変更せずとも他の具体的な形態で実施することができる。よって、上記実施の形態は、全ての面において例示的なものであり、本発明が上記の詳細な説明の内容に限定されないことは当業者には明らかである。本発明の権利範囲は、上記の詳細な説明よりも特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲や、同等の概念から導き出される全ての変更または変形による実施の形態は、本発明の範囲に含まれると解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１ａ】従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示した製造工程図である。
【図１ｂ】従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示した製造工程図である。
【図１ｃ】従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示した製造工程図である。
【図１ｄ】従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示した製造工程図である。
【図１ｅ】従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示した製造工程図である。
【図１ｆ】従来技術によるスーパーストレート型の太陽電池の製造工程を示した製造工程図である。
【図２ａ】液滴がインクジェットヘッドから吐出される様子を示す図である。
【図２ｂ】液滴が基板に着滴する様子を示す図である。
【図３】本発明による高効率太陽電池の断面図である。
【図４】本発明による高効率太陽電池の透明電極の詳細構造の拡大図である。
【図５ａ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｂ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｃ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｄ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｅ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｆ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｇ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｈ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｉ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｊ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【図５ｋ】本発明の好適な実施の形態による高効率太陽電池の製造工程を示す製造工程図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１，３１  基板
１２，３６  透明電極
１３，３５  ｎ型半導体
１４，３４  ｐ型半導体
１５，３７  前面電極
１６，３８  後面電極
３２  背面電極
３３  炭素ナノチューブ配列体
３３ａ  転移金属層
１００  インクジェット
【図１ａ】
0005015056.tif 000002
【図１ｂ】
0005015056.tif 000003
【図１ｃ】
0005015056.tif 000004
【図１ｄ】
0005015056.tif 000005
【図１ｅ】
0005015056.tif 000006
【図１ｆ】
0005015056.tif 000007
【図２ａ】
0005015056.tif 000008
【図２ｂ】
0005015056.tif 000009
【図３】
0005015056.tif 000010
【図４】
0005015056.tif 000011
【図５ａ】
0005015056.tif 000012
【図５ｂ】
0005015056.tif 000013
【図５ｃ】
0005015056.tif 000014
【図５ｄ】
0005015056.tif 000015
【図５ｅ】
0005015056.tif 000016
【図５ｆ】
0005015056.tif 000017
【図５ｇ】
0005015056.tif 000018
【図５ｈ】
0005015056.tif 000019
【図５ｉ】
0005015056.tif 000020
【図５ｊ】
0005015056.tif 000021
【図５ｋ】
0005015056.tif 000022