(57)【要約】【課題】高い光電変換効率を実現する太陽電池を提供すること。【解決手段】基板と、上記基板上に形成され、ｎ型半導体及びｐ型半導体の接合構造である複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層及び夫々上記ｎ型半導体及びｐ型半導体と電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極を含む太陽電池を提供する。ナノワイヤ構造体を採用することで、太陽スペクトラムの略全範囲に該当する光を吸収することができ、エピタキシャル成長工程を代替することができるため、結晶欠陥のようなエピタキシャル層の不利益な問題も解決することができる。【選択図】        図２
2009130352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、ｎ型半導体及びｐ型半導体の接合構造である複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層と、
前記ｎ型半導体及びｐ型半導体の夫々と電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、
を含む太陽電池。
【請求項２】
前記ナノワイヤ構造体は、前記エネルギー吸収層内にランダムに配列されたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記ナノワイヤ構造体は、前記エネルギー吸収層の厚さより１．５倍以上の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記エネルギー吸収層上に形成された透明電極層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記基板は、太陽光を反射する物質からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記ナノワイヤ構造体は、直径が５〜５００ｎｍ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７】
前記エネルギー吸収層は、相互に異なる波長帯域の光を吸収することができる異なる物質からなる少なくとも２種類以上のナノワイヤ構造体を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記２種類以上のナノワイヤ構造体は、夫々前記エネルギー吸収層の異なる領域に形成されたことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記エネルギー吸収層は、複数の層から構成され、
前記複数の層の夫々は、異なる波長帯域の光を吸収するように異なる物質からなり、相互間がトンネリング層で連結されたことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記エネルギー吸収層は、ｎ型半導体及びｐ型半導体が相互に接合されたナノワイヤ構造体と有機バインダーとの混合物を塗布した後に当該有機バインダーが脱脂されることで得られたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記ナノワイヤ構造体は、前記混合物の全体の体積に対して７０〜９５体積％で含まれたことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池。
【請求項１２】
基板と、
前記基板上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層に形成され、ｐ型半導体からなる複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層と、
前記ｎ型半導体層及び前記エネルギー吸収層と夫々電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、
を含む太陽電池。
【請求項１３】
基板と、
前記基板上に形成され、ｎ型半導体からなる複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層と、
前記エネルギー吸収層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記エネルギー吸収層及び前記ｐ型半導体層と夫々電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、
を含む太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関するもので、より詳細にはナノワイヤ構造のエネルギー吸収層を有する太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、エネルギー資源が豊富で環境に対する問題がなく且つエネルギー効率が高いということから、さらに、最近の環境問題とエネルギー枯渇に対する関心の高まりに応じて、代替エネルギーとして注目されている。
【０００３】
太陽電池は、太陽熱を用いてタービンを回転させるのに必要な蒸気を発生させる太陽熱電池と、半導体の性質を利用して太陽光（ｐｈｏｔｏｎｓ）を電気エネルギーに変換させる太陽光電池に分けることができる。その中でも光を吸収して生成されたｐ型半導体の電子とｎ型半導体の正孔とを電気エネルギーに変換する太陽光電池（以下、太陽電池とする）に対する研究が活発に行われている。
【０００４】
図１は、一般的に太陽電池が駆動される概念を説明するための概略図である。図１を参照すると、従来技術による太陽電池１０はｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１２とを接合し、ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１２に夫々電極パッド１３ａ、１３ｂが形成された構造である。
【０００５】
このような太陽電池１０の電極パッド１３ａ、１３ｂに発光部として電球１４を連結し、太陽電池１０を太陽光Ｌ等の光源に露出すると、ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１２を横切って電流が流れるようになる光起電力効果により起電力が発生する。これは、ＬＥＤ等の発光素子で電子と正孔が結合して光が発生することとは反対の過程と理解することができる。
【０００６】
このように光起電力効果により発生した起電力で太陽電池１０に電気的に接続された電球１４を点灯させることができる。
【０００７】
従来の太陽電池１０では、例えば、シリコン半導体によりｐｎ接合を形成する場合、シリコンのバンドギャップエネルギーは１．１ｅＶで赤外光付近にあり、可視光線付近（２ｅＶ）の光を受けた場合、原理的にエネルギーの利用効率は約５０％になる。
【０００８】
この光エネルギーの利用効率によりシリコンの単結晶太陽電池の理論効率は最大でも４５％になり、実際にはその他の損失を考慮すると２８％程度になる。
【０００９】
また、単一の半導体物質からなる太陽電池の場合、３００〜１８００ｎｍ波長のうち、一部の波長光のみを吸収し太陽光を効率的に吸収できないという問題がある。
【００１０】
従って、当技術分野では、より高い効率を有する太陽電池の製作が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の目的の一つは、ナノワイヤ構造のエネルギー吸収層によって高い光電変換効率を実現する太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、基板と、上記基板上に形成され、ｎ型半導体及びｐ型半導体の接合構造である複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層及び上記ｎ型半導体及びｐ型半導体と夫々電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、を含む太陽電池を提供する。
【００１３】
上記ナノワイヤ構造体は、上記エネルギー吸収層内にランダムに配列されてもよい。この場合、上記ナノワイヤ構造体は、上記エネルギー吸収層の厚さより１．５倍以上の長さを有することが好ましい。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、上記エネルギー吸収層上に形成された透明電極層をさらに含んでもよい。また、上記基板は太陽光を反射する物質からなるものであることができる。また、上記ナノワイヤ構造体は、直径が５〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００１５】
好ましくは、上記エネルギー吸収層は異なる波長帯域の光を吸収することができる異なる物質からなる少なくとも２種類以上のナノワイヤ構造体を有するものである。この場合、上記２種類以上のナノワイヤ構造体は、夫々上記エネルギー吸収層の異なる領域に形成されることが好ましい。
【００１６】
また、上記エネルギー吸収層は複数の層からなり、上記複数の層の夫々は異なる波長帯域の光を吸収するように異なる物質からなり、相互の間がトンネリング層で連結されたてもよい。
【００１７】
好ましくは、上記エネルギー吸収層は、ｎ型及びｐ型半導体が相互接合されたナノワイヤ構造体と有機バインダーとの混合物を塗布した後に上記有機バインダーを脱脂することによって得られてもよい。
【００１８】
この場合、上記ナノワイヤ構造体は、上記混合物の全体の体積に対して７０〜９５体積％に含まれたことが好ましい。
【００１９】
一方、本発明の他の実施形態は、基板と、上記基板上に形成されたｎ型半導体層と、上記ｎ型半導体層に形成され、ｐ型半導体からなる複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層及び夫々上記ｎ型半導体層及び上記エネルギー吸収層と電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、を含む太陽電池を提供する。
【００２０】
また、本発明のさらに他の実施形態は、基板と、上記基板上に形成され、ｎ型半導体からなる複数のナノワイヤ構造体を有するエネルギー吸収層と、上記エネルギー吸収層上に形成されたｐ型半導体層及び夫々上記エネルギー吸収層及び上記ｐ型半導体層と電気的に連結されるように形成されたｎ型電極及びｐ型電極と、を含む太陽電池を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ナノワイヤ構造のエネルギー吸収層によって高い光電変換効率を実現する太陽電池を提供することができる。
【００２２】
さらに、本発明によると、太陽スペクトラムの略全範囲に該当する光を吸収することができ、エピタキシャル成長工程を代替することができるため、結晶欠陥のようなエピタキシャル層の不利益な問題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、本発明の実施形態は様々な他の形態に変更されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当業界において平均の知識を有する者に対して本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されることができ、図面上に同一の符号で表示される要素は同一の要素を表す。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態による太陽電池を表す断面図である。図２を参照すると、本実施形態による太陽電池２０は、基板２１、エネルギー吸収層２２、透明電極層２３、ｎ型電極２４ａ及びｐ型電極２４ｂを含む。
【００２５】
太陽光を受け、起電力を発生させるように提供されるエネルギー吸収層２２は複数のナノワイヤ構造体２２ａ、２２ｂを有することを特徴とする。
【００２６】
ナノワイヤ構造体２２ａ、２２ｂは、ｎ型半導体２２ａとｐ型半導体２２ｂの接合構造で、図４において説明するようにナノサイズの棒の形状を有する。光が供給される場合、ｎ型半導体２２ａ及びｐ型半導体２２ａの界面において正孔（ｈ＋）と電子（ｅ―）が生成され、正孔はｐ型半導体２２ｂに移動し、電子はｎ型半導体２２ａに移動することにより起電力を発生させる。このような方式で形成された電気エネルギーは、ｎ型電極２４ａ及びｐ型電極２４ｂに連結された蓄電器（未図示）により蓄電されることができる。
【００２７】
一方、本明細書において使用される「ナノワイヤ」について説明すると、先ず、「ナノ棒」は直径が数ｎｍから数十ｎｍである棒形状の物質を表す用語である。ここで、ナノ棒より長さがさらに長い場合は線の形状を表すが、この物質を「ナノワイヤ」という。
【００２８】
本実施形態のように、受光領域になるエネルギー吸収層を複数のナノワイヤ構造にすることにより、量子効果と共に全体的な受光面積を増加させることができ、これにより、受光効率の大きな向上を期待することができる。但し、本実施形態では受光領域になる部分をナノワイヤ構造で採用したが、他の実施形態の場合には、ナノワイヤの代わりにこれより長さが短いナノ棒が採用されることもできる。
【００２９】
このように、本実施形態ではエネルギー吸収層２２としてナノワイヤ構造体２２ａ、２２ｂを使用し光電変換効率の向上を期待することができる。さらに、基板上に薄膜成長方式により形成された半導体の単結晶ではなく、結晶欠陥が非常に少なく、これも光電変換効率の向上に繋がることができる。
【００３０】
複数のナノワイヤ構造体２２ａ、２２ｂの間の空間は、空気で埋められるか、光吸収率が低下しないように透明な物質で埋めることができる。
【００３１】
基板２１は、太陽光を反射させ上記エネルギー吸収層２２に再び向かうようにすることができ、実施形態によっては、透明な物質からなることもできる。
【００３２】
同様に、本実施形態では、エネルギー吸収層２２上に透明電極層２３が形成された構造を説明しているが、場合によって、太陽光の反射層の代わりに採用されることもでき、この場合には、基板２１が透明電極層になることが好ましい。即ち、本発明でナノワイヤ構造体からなるエネルギー吸収層２２を包んでいる基板２１と透明電極層２３は太陽光が入ってくる方向等を考慮して相互の位置が変わるか、全て透明電極層或いは全て反射層として機能するように適切に調整されることができる。
【００３３】
但し、本実施形態において採用された透明電極層２３は、本発明において必須の構成要素ではなく、場合によっては除外されることもある。
【００３４】
図３は、本発明の他の実施形態による太陽電池を表す断面図である。太陽電池３０は、図２の場合と同様に、基板３１、エネルギー吸収層３２、透明電極層３３、ｎ型電極３４ａ及びｐ型電極３４ｂを含む。
【００３５】
本実施形態は、図２の実施形態においてエネルギー吸収層を構成するナノワイヤ構造体の配列状態が変わったものであり、残りの構成要素は図２と同じものであるため、それらに対する具体的な説明は省略する。
【００３６】
本実施形態のエネルギー吸収層３２は、これを構成するナノワイヤ構造体ＮＷがランダムに配列されたことを特徴とする。
【００３７】
このような配列を有するナノワイヤ構造体ＮＷは、有機バインダーと混合物により設け塗布した後に、加熱及び／または加圧工程を通じ脱脂過程を通じ形成されることができる。
【００３８】
この場合、有機バインダー内にナノワイヤ構造体ＮＷが均一に分散されるように分散剤を使用することが好ましい。脱脂された後に、ナノワイヤ構造体ＮＷのみが残留し層を構成するため、混合物の７０〜９５体積％範囲にナノワイヤ構造体ＮＷを添加することが好ましい。ナノワイヤ構造体ＮＷが７０体積％未満である場合に、脱脂後に空隙比率が高いため、構造的に不安定であるという問題があり、充分な量の有機バインダーのためにナノワイヤ構造体ＮＷは９５体積％を超えないことが好ましい。
【００３９】
また、図２の場合とは異なり、ｐｎ接合ナノワイヤ構造体ＮＷが一定の方向性を有して配列されなくても多くのナノワイヤ構造体ＮＷは電気的連結状態が維持されることができるため、電流が流れることに問題はない。
【００４０】
但し、ナノワイヤ構造体ＮＷの電気的連結をさらに活性化するために、ナノワイヤ構造体ＮＷの長さは、一定水準以上を満たすことが好ましい。
【００４１】
即ち、ナノワイヤ構造体ＮＷの長さをエネルギー吸収層３２の厚さより長くした場合に、基板３１及び透明電極層３３の面に接続される可能性を充分に保障することができる。これにより、本実施形態の場合、ナノワイヤ構造体ＮＷはエネルギー吸収層３２より１．５倍以上長い長さを有するようにした。
【００４２】
図４は、図２及び図３において説明したナノワイヤ構造体の一例を表す斜視図である。図４を参照すると、本発明で採用されることができるナノワイヤ構造体の代表的な形態は、ｎ型半導体４１とｐ型半導体４２が相互に接合された構造である。
【００４３】
この場合、上記ナノワイヤ構造体を成す物質は、吸収することができる太陽光の波長帯域を考慮して適切に選択することができる。具体的には、上記ナノワイヤ構造体を成す物質はＡｌＧａＩｎＰ（２．１ｅＶ）、ＩｎＧａＰ（１．９ｅＶ）、ＡｌＧａＩｎＡｓ（１．６ｅＶ）、ＩｎＧａＡｓ（１ｅＶ）、Ｇｅ（０．７ｅＶ）等を使用することができ、括弧の中は吸収可能な太陽光のエネルギーを大略の値で表したものである。
【００４４】
上記ナノワイヤ構造体の直径ｄは５〜５００ｎｍ程度が好ましく、上述したようにその長さｌは特に、図３のような形態の場合、エネルギー吸収層３２より１．５倍以上長い長さを有することが好ましい。
【００４５】
一方、本実施形態では、ナノワイヤ構造体がｐｎ接合構造であることを説明したが、本発明で採用されることができるナノワイヤ構造体はｐｎ接合構造のみで限定されない。
【００４６】
即ち、図示してはいないが、ナノワイヤ構造体はｎ型半導体またはｐ型半導体のみでなることができ、他の導電型半導体物質層は上記エネルギー吸収層と隣接して形成された半導体層として存在することもできる。
【００４７】
図５ａ及び図５ｂは、夫々本発明の一実施形態で採用されることができるエネルギー吸収層のナノワイヤ構造体の配列構造を表す上面図である。
【００４８】
先ず、図５ａは、図３に図示されたエネルギー吸収層３２と同じ配列構造に該当する。
【００４９】
特に、ナノワイヤ構造体ＮＷは複数個で、多様な波長の太陽光を吸収することができるように異なる物質からなり、これらは上記エネルギー吸収層３２内でランダムに混合配列される。これにより、広い波長帯域の太陽光を吸収することができる。また、エネルギー吸収層３２を多層に形成しなくても太陽光の略全範囲の波長を吸収することができる。
【００５０】
これとは異なり、図５ｂに図示された実施形態は、図５ａで変更された実施形態であり、ナノワイヤ構造体ＮＷがエネルギー吸収層３２`内で３つの領域に分かれて形成される。
【００５１】
より具体的には、ナノワイヤ構造体ＮＷは、異なる３種類の物質からなり、夫々赤色Ｒ、緑色Ｇ及び青色Ｂを発光することができる。図５ａと異なる点は、互いが異なる領域に形成されていることである。
【００５２】
図６ａ及び図６ｂは、図４に図示されたナノワイヤ構造体を製造する方法を説明するための概略的な工程の断面図である。
【００５３】
先ず、図６ａのように、基板６１上にナノ大の触媒金属パターン６２を形成する。ここで、触媒金属パターン６２はニッケル、クロムのような 転移金属からなり、基板６１の上面に塗布した後に加熱してナノ大で凝集させることにより得ることができる。
【００５４】
次いで、図６ｂのように、蒸着工程を通じ触媒金属パターン６２上に半導体物質からなるナノワイヤ構造体を成長させる。触媒金属パターン６２上に形成される半導体は、触媒金属パターン６２のサイズと定義される直径を有するナノワイヤ６３、６４として成長することができる。この場合、ｐｎ接合構造を形成するために、ｎ型半導体６３とｐ型半導体６４のドーピング条件は異なるべきである。
【００５５】
但し、上記のように触媒を使用する工程の他にもナノワイヤを形成することができる他の公知の工程、例えば、両極酸化アルミニウム（ＡＡＯ）をテンプレートとして使用する方法等によりナノワイヤを形成することもできる。
【００５６】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による太陽電池を表す断面図である。本実施形態による太陽電池７０は、上記で説明した太陽電池のように基板７１、エネルギー吸収層７２ａ、７２ｂ、透明電極層７３、ｎ型及びｐ型電極７４ａ、７４ｂを含む。
【００５７】
本実施形態の場合、図２の実施形態においてエネルギー吸収層が２層に拡張されたことを特徴とし、残りの構成要素は図２と同じものと理解することができるため、これに対する具体的な説明は省略する。
【００５８】
図７に図示されたように、上記太陽電池７０は上記で説明した太陽電池とは異なり、第１及び第２エネルギー吸収層７２ａ、７２ｂとこれらの間に形成されキャリアがトンネリングされることができるトンネリング層７５をさらに含む。多層構造のエネルギー吸収層を採用することにより光吸収率と吸収できる光の波長帯域をさらに拡張することが容易である。
【００５９】
無論、この場合、エネルギー吸収層及びトンネリング層を成す物質と層数等は必要によって適切に調節されることができる。
【００６０】
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で当技術分野において通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】一般的な太陽電池が駆動される概念を説明するための概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による太陽電池を表す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による太陽電池を表す断面図である。
【図４】図２及び図３において説明したナノワイヤ構造体の一例を表す斜視図である。
【図５ａ】本発明の一実施形態において採用されることができるエネルギー吸収層のナノワイヤ構造体配列構造を表す上面図である。
【図５ｂ】本発明の一実施形態において採用されることができるエネルギー吸収層のナノワイヤ構造体配列構造を表す上面図である。
【図６ａ】図４に図示されたナノワイヤ構造体を製造する方法を説明するための概略的な工程断面図である。
【図６ｂ】図４に図示されたナノワイヤ構造体を製造する方法を説明するための概略的な工程断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による太陽電池を表す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
２１  基板
２２  エネルギー吸収層
２３  透明電極層
２２ａ、２２ｂ  ｎ型及びｐ型半導体
２４ａ、２４ｂ  ｎ型及びｐ型電極
ＮＷ  ナノワイヤ構造体
【図１】
2009130352.tif 000003
【図２】
2009130352.tif 000004
【図３】
2009130352.tif 000005
【図４】
2009130352.tif 000006
【図５ａ】
2009130352.tif 000007
【図５ｂ】
2009130352.tif 000008
【図６ａ】
2009130352.tif 000009
【図６ｂ】
2009130352.tif 000010
【図７】
2009130352.tif 000011