(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、金属層と半導体層とそれらの間に形成された絶縁体とを有するエネルギー吸収用構造物を含み、上記金属層、上記半導体層及び上記絶縁体のうち少なくとも一つは複数のナノワイヤ構造である太陽電池を提供する。エネルギー吸収用構造物をナノワイヤＭＩＳ接合構造とすることにより、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することが出来る。さらに、この構造は、エピタキシャル成長工程を代替することが出来るため、結晶欠陥のようにエピタキシャル層の問題を解決することが出来る。【選択図】        図２
2009141320.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、金属層と半導体層とこれらの間に形成された絶縁体とを有するエネルギー吸収用構造物とを含み、
前記金属層、前記半導体層及び前記絶縁体のうち少なくとも一つは複数のナノワイヤ構造であることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記金属層、前記半導体層及び前記絶縁体は、一体にナノワイヤ構造を形成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３】
前記絶縁体は、酸化物または窒化物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４】
前記絶縁体は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ及びＨｆで構成されたグループから選択された少なくとも一つの元素の酸化物または窒化物を含むことを特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記絶縁体の厚さは、０．１〜５ｎｍ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６】
前記ナノワイヤ構造は、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用構造物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８】
基板と、
前記基板上に形成され、透明伝導性酸化物層と半導体層とこれらの間に形成された絶縁体とを有するエネルギー吸収用構造物とを含み、
前記透明伝導性酸化物層、前記半導体層及び前記絶縁体のうち少なくとも一つは複数のナノワイヤ構造であることを特徴とする太陽電池。
【請求項９】
前記透明伝導性酸化物層は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡｌＺｎＯ及びＩｎＺｎＯで構成されたグループから選択された物質からなることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記エネルギー吸収用構造物は多層構造で、それぞれの層はトンネリング層で連結されたことを特徴とする請求項１または８に記載の太陽電池。
【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、さらに詳しくは、ナノワイヤＭＩＳ構造を有する太陽電池に関する。
【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の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とに分けられる。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、太陽電池と称する）に対する研究が活発に行われている。
【０００４】
図１は、一般の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、従来の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にそれぞれ電極パッド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など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光起電力効果により起電力が発生する。これは、ＬＥＤなどの発光素子において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と赤外光の付近にあり、可視光線の付近（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％となる。
【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あっても４５％となり、実際には他の損失を考えると２８％程度となる。
【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吸収して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、エネルギー吸収用構造物をナノワイヤＭＩＳ構造とし、これにより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べく、本発明の一実施形態は、基板と、上記基板上に形成され、金属層と半導体層とこれらの間に形成された絶縁体とを有するエネルギー吸収用構造物を含み、上記金属層、上記半導体層及び上記絶縁体のうち少なくとも一つは複数のナノワイヤ構造であることを特徴とする太陽電池を提供する。
【００１３】
上記金属層、上記半導体層及び上記絶縁体は一体にナノワイヤ構造を形成することが出来る。
【００１４】
好ましくは、上記絶縁体は酸化物または窒化物からなることができ、より具体的には、上記絶縁体はＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ及びＨｆで構成されたグループから選択された少なくとも一つの元素の酸化物または窒化物を含むことが出来る。
【００１５】
また、上記絶縁体の厚さは０．１〜５ｎｍであることが好ましい。また、上記ナノワイヤ構造は直径が５〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００１６】
更なる構成として、上記エネルギー吸収用構造物上に形成された透明電極層がさらに含まれてもよい。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、基板と、上記基板上に形成され、透明伝導性酸化物層と半導体層とそれらの間に形成された絶縁体とを有するエネルギー吸収用構造物を含み、上記透明伝導性酸化物層、上記半導体層及び上記絶縁体のうち少なくとも一つは複数のナノワイヤ構造であることを特徴とする太陽電池を提供する。
【００１８】
上記透明伝導性酸化物層はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＡｌＺｎＯ及びＩｎＺｎＯで構成されたグループから選択された物質からなることが出来る。
【００１９】
上述の実施形態において、上記エネルギー吸収用構造物は多層構造で、それぞれの層はトンネリング層で連結されたものであってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、エネルギー吸収用構造物がナノワイヤＭＩＳ接合構造を有することで高い光電変換効率を実現した太陽電池を提供することが出来る。
【００２１】
さらに、本発明によれば、ナノワイヤＭＩＳ接合構造の採用により、エピタキシャル成長工程を代替することが出来るため、結晶欠陥のようなエピタキシャル層の問題を解決することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下に説明する実施形態により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的な知識を有する者に対して本発明をさらに完全に説明するため提供される。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上の同一の符号で表される要素は同一の要素を表す。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態による太陽電池を表した断面図である。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、エネルギー吸収用構造物２２、透明電極層２３、第１電極２４ａ及び第２電極２４ｂを含む。
【００２４】
エネルギー吸収用構造物２２は、太陽光を受けて起電力を発生させるように提供され、複数のナノワイヤ構造を有し、それぞれのナノワイヤ構造は半導体層２２ａ、絶縁体２２ｂ及び金属層２２ｃを有する。
【００２５】
図３は、図２のナノワイヤ構造を詳しく表した斜視図である。図３を参照すると、本実施形態では、ナノワイヤ構造２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、金属−絶縁体−半導体からなるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造である。
【００２６】
このような、ＭＩＳ構造の素子を利用する場合、単結晶薄膜成長方法による素子の場合に比べて必要となる層の数は少なく、太陽電池構造を簡単にすることができ、これによって製造工程の簡素化が期待できる。また、エピタキシャル成長工程を代替することが出来るため、結晶欠陥のようなエピタキシャル層の問題を解決することが出来る。
【００２７】
図４ａ及び図４ｂを参照してＭＩＳ構造を説明する。先ず、図４ａはＭＩＳ構造を用いた素子を表した断面図である。
【００２８】
以下では説明の便宜上本実施形態とは異なって、電力が加わると光を放出できる発光素子を中心に説明するが、発光素子の動作原理を逆にすると太陽電池の動作原理もまた理解できる。
【００２９】
ＭＩＳ構造は半導体層２２ａ、絶縁体２２ｂ及び金属層２２ｃを含む。ここで、図４ａに示すように、半導体層２２ａの下面には電極２７がさらに形成されている。半導体層２２ａのＡ領域は発光を担う部分であり、Ａ領域では金属からの電子のトンネリング効果により再結合が起きて光が発生する。
【００３０】
このような発光メカニズムに対するエネルギーダイヤグラムを図４ｂに示す。図４ｂにおいて、金属層２２ｃ側には（−）電圧が、半導体層２２ａ側には（＋）電圧が印加された場合のエネルギー準位について示されている。
【００３１】
金属層２２ｃに（−）電圧が印加されると、電子（ｅ−）はトンネリング効果により絶縁体２２ｂを通過するようになる。通過した電子（ｅ−）は半導体層２２ａに到達し、到達した電子（ｅ−）は半導体層２２ａの価電子帯にある正孔（ｈ＋）と結合し、これにより光子が発生する。
【００３２】
以上に説明したＭＩＳ発光素子の動作原理を逆に適用すると、太陽電池では上記Ａ領域は太陽光の主な受光領域で、電子（ｅ−）のトンネリングにより電流が流れるものと理解できる。
【００３３】
このような方法で生成された電気エネルギーは、図２に示された第１電極２４ａ及び第２電極２４ｂに連結されたキャパシタ（図示せず）により蓄電されることが出来る。
【００３４】
図３を参照すると、エネルギー吸収用構造物に採用された上記ＭＩＳ構造は、ナノワイヤ構造２２ａ，２２ｂ，２２ｃを用いて光電変換効率の向上が期待できる。
【００３５】
一方、本明細書で使用される「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の棒状の物質を表す用語である。ここで、ナノ棒より長さが長い場合は線状を表すが、この物質を「ナノワイヤ」という。
【００３６】
本実施形態のように、受光領域となるエネルギー吸収用構造物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の受光面積を増加させることができ、これによって、受光効率の大きい向上が期待できる。但し、本実施形態では受光領域と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短いナノ棒が採用されてもよい。
【００３７】
さらに、上述の通り、基板上に薄膜成方法で形成された半導体単結晶ではないため、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。
【００３８】
ここで、絶縁体２２ｂの厚さｔは電子のトンネリングを考えて０．１〜５ｎｍであることが好ましい。
【００３９】
一方、図２において、エネルギー吸収用構造物２２に含まれた複数のナノワイヤ構造２２ａ，２２ｂ，２２ｃ間の隙間は空気で満たされるか、光吸収率が低下しないよう透明な物質で満たされることが出来る。
【００４０】
基板２１は、太陽光を反射させ再度、エネルギー吸収用構造物２２に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出来る。
【００４１】
同様に、本実施形態では、エネルギー吸収用構造物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、場合によっては、太陽光反射層が代わりに採用されてもよく、その場合には、基板２１が透明電極層となることが好ましい。
【００４２】
即ち、本発明においてナノワイヤ構造からなるエネルギー吸収用構造物２２を覆っている基板２１と透明電極層２３は、太陽光が入る方向などを考えて相互位置が変わったり、何れも透明電極層或いは何れも反射層として機能するよう適切に調整することが出来る。
【００４３】
但し、本実施形態で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。
【００４４】
なお、半導体層２２ａは、例えば、シリコン半導体、ＧａＮ系半導体、ＺｎＯ系半導体、ＧａＡｓ系半導体、ＧａＰ系半導体、ＧａＡｓＰ系半導体などである。
【００４５】
特に、半導体層２２ａは、吸収できる太陽光の波長帯域を考えて適切に選ぶことが出来る。具体的には、半導体層２２ａを成す物質は、ＡｌＧａＩｎＰ（２．１ｅＶ）、ＩｎＧａＰ（１．９ｅＶ）、ＡｌＧａＩｎＡｓ（１．６ｅＶ）、ＩｎＧａＡｓ（１ｅＶ）、Ｇｅ（０．７ｅＶ）などが使用でき、括弧の中は吸収可能な太陽光のエネルギーを大体の値で表したものである。
【００４６】
また、ＭＩＳ構造を成す金属層２２ｃに該当する層として必ずしも金属を使用するものではなく、他の導電性物質が採用されることもある。好ましい場合として、上記金属層に該当する層を透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）で形成することが出来る。
【００４７】
この場合、上記透明伝導性酸化物として採用可能な物質には、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＡｌＺｎＯ、ＩｎＺｎＯなどが挙げられる。
【００４８】
図５及び図６は、図２に示された実施形態からそれぞれ変形された実施形態による太陽電池を表した断面図である。先ず、図５に示された実施形態による太陽電池５０は、図２の場合と同様に、基板５１、エネルギー吸収用構造物５２、透明電極層５３、第１電極５４ａ及び第２電極５４ｂを含む。
【００４９】
本実施形態の場合、図２の実施形態でエネルギー吸収用構造物を構成するナノワイヤ構造が半導体層５２ａと絶縁体５２ｂとからなり、金属層５２ｃは薄膜形態で形成されることを特徴とする。この違いを除いて、同一の用語を使用した他の構成要素は図２と同一であり、それらに対する具体的な説明は省略する。
【００５０】
同様に、図６に図示された実施形態による太陽電池６０は、図２の場合と同様に、基板６１、エネルギー吸収用構造物６２、透明電極層６３、第１電極６４ａ及び第２電極６４ｂを含む。
【００５１】
本実施形態の場合、図２の実施形態でエネルギー吸収用構造物を構成するナノワイヤ構造が半導体層６２ａのみからなり、絶縁体６２ｂ及び金属層６２ｃは、薄膜の形態で形成されることを特徴とする。この違いを除いて、同一の用語を使用した他の構成要素は図２と同一であり、これに対する具体的な説明は省略する。
【００５２】
図５及び図６に示された実施形態は、本発明で採用可能な実施形態の一例であり、ナノワイヤ構造を成す層として半導体層、絶縁体及び金属層から一つ以上を選んで構成することが出来る。
【００５３】
図７は、本発明の他の実施形態による太陽電池を表した断面図である。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、エネルギー吸収用構造物７２，７２’、透明電極層７３、第１電極７４ａ及び第２電極７４ｂを含む。
【００５４】
本実施形態は、図２の実施形態においてエネルギー吸収用構造物が２層に拡張されたことを特徴とし、他の構成要素は図２と同一なものであり、これに対する具体的な説明は省略する。
【００５５】
図７に示すように、太陽電池７０は上述した太陽電池とは異なっており、第１エネルギー吸収用構造物７２ａ及び第２エネルギー吸収用構造物７２ｂと、これらの間に形成されてキャリアがトンネリングできるトンネリング層７５とをさらに含む。多層構造のエネルギー吸収用構造物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となる。
【００５６】
勿論、この場合、エネルギー吸収用構造物及びトンネリング層を成す物質と層数などは必要に応じて適切に調整できる。
【００５７】
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ず、添付の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により様々な形態の置換、変形及び変更ができ、これもまた本発明の範囲に属すると言える。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】一般の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した断面図である。
【図３】図２のナノワイヤ構造を詳しく表した斜視図である。
【図４ａ】ＭＩＳ構造を用いた素子を表した断面図である。
【図４ｂ】ＭＩＳ構造の発光メカニズムを説明するためのエネルギーダイヤグラムを示す図である。
【図５】図２に示した実施形態の変形例である太陽電池を表した断面図である。
【図６】図２に示した実施形態の別の変形例である太陽電池を表した断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態による太陽電池を表した断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
２１  基板
２２  エネルギー吸収用構造物
２２ａ  半導体層
２２ｂ  絶縁体
２２ｃ  金属層
２３  透明電極層
２４ａ  第１電極
２４ｂ  第２電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
2009141320.tif 000009
【図７】
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