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JP5745622B2 - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池およびその製造方法に関するものである。より詳細には、本発明は、光吸収率および光電変換効率を向上させた太陽電池およびその製造方法に関するものである。
最近、資源の枯渇および資源価格の上昇によりクリーンエネルギーの研究開発が盛んに行われている。クリーンエネルギーとしては、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギーなどを例に挙げることができる。特に、太陽エネルギーを効率的に利用するために太陽電池の研究開発が持続的に行われている。
太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。太陽電池に太陽光を照らすと、太陽電池の内部で電子および正孔が発生する。発生した電子および正孔は、太陽電池に含まれているＰ極およびＮ極に移動し、Ｐ極およびＮ極の間に電位差が発生して電流が流れる。
簡単な工程を用いて製造することができ、かつ、光電変換効率および光吸収率に優れた太陽電池を提供しようとする。また、前述した太陽電池の製造方法を提供しようとする。
本発明の一実施形態にかかる太陽電池は、ｉ）第１導電層と、ｉｉ）第１導電層上に位置し、第１導電層の板面に交差する方向に伸び、互いに離隔した複数のナノ構造体と、ｉｉｉ）第１導電層上に位置し、複数のナノ構造体間の空間に充填された樹脂層と、ｉｖ）樹脂層上に位置し、複数のナノ構造体を覆う１つ以上の半導体層と、ｖ）半導体層を覆い、第１導電層の光透過率より低い光透過率を有する第２導電層とを含む。
本発明の一実施形態にかかる太陽電池は、複数のナノ構造体の表面上に位置し、樹脂層と接する誘電体層をさらに含むことができる。
第２導電層の厚さは、２０μｍ〜１００μｍであり得る。本発明の一実施形態にかかる太陽電池は、第１導電層上に位置し、複数のナノ構造体の下端と接する１つ以上の電子移送体をさらに含むことができる。第２導電層および電子移送体は、互いに同一の金属を含むことができる。金属は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）および白金（Ｐｔ）からなる群より選択された１つ以上の元素であり得る。１つ以上の電子移送体は、複数の電子移送体を含み、複数の電子移送体は、互いに離隔できる。電子移送体の平均直径は、複数のナノ構造体の平均直径より大きくなり得る。
電子移送体は、第１導電層を覆い、電子移送体は、ｐ＋型半導体物質またはｎ＋型半導体物質を含むことができる。１つ以上の半導体層は、複数の半導体層を含み、複数の半導体層のうち、電子移送体と接する半導体層は、真性物質を含むことができる。
１つ以上の半導体層は、複数の半導体層を含み、複数の半導体層のうちの１つ以上の半導体層は、ｉ）複数の第１ナノ構造体上に位置する複数の第１半導体部と、ｉｉ）第１半導体部に連結されて一体に形成され、樹脂層上に位置する第２半導体部とを含むことができる。複数の第１半導体部の上端部間の幅は、１００ｎｍ〜２μｍであり得る。
本発明の一実施形態にかかる太陽電池は、第２導電層を覆い、樹脂層の側面と接するカバー層をさらに含むことができる。本発明の一実施形態にかかる太陽電池は、カバー層の内部に位置し、第２導電層と接触して第２導電層を外部に電気的に連結させるコンタクト電極をさらに含むことができる。
複数のナノ構造体は、半導体物質を含むことができる。第１導電層の厚さは、５００ｎｍ〜１０μｍであり得る。誘電体層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化シリコン（ＳｉＮx）、炭化シリコン（ＳｉＣ）および二酸化シリコン（ＳｉＯx）からなる群より選択された１つ以上の物質を含むことができる。
本発明の他の実施形態にかかる太陽電池は、ｉ）第１導電層と、ｉｉ）第１導電層上に位置し、第１導電層の板面に交差する方向に伸び、互いに離隔した複数のナノ構造体と、ｉｉｉ）複数のナノ構造体を覆う複数の半導体層と、ｉｖ）複数の半導体層を覆い、第１導電層の光透過率より高い光透過率を有する第２導電層とを含む。複数の半導体層のうちの１つ以上の半導体層は、ｉ）複数の第１ナノ構造体上に位置する複数の第１半導体部と、ｉｉ）複数の第１半導体部に連結されて一体に形成され、第１導電層上に位置する第２半導体部とを含む。
可視光線領域において、第２導電層の光透過率は、第１導電層の光透過率より９０％〜９９％低くなり得る。複数のナノ構造体の直径は、第１導電層の板面から遠くなるほど小さくなり得る。複数のナノ構造体は、ｉ）入射する光を閉じ込めるように適用された第１ナノ構造体と、ｉｉ）第１ナノ構造体と共に位置し、入射する光を電力に変換するように適用された第２ナノ構造体とを含むことができる。
本発明の他の実施形態にかかる太陽電池は、第１導電層および複数のナノ構造体の間に位置する他の半導体層をさらに含むことができる。他の半導体層は、ｎ＋型半導体物質またはｐ＋型半導体物質を含むことができる。他の半導体層と接する前記複数のナノ構造体の下面は、凹凸に形成できる。本発明の他の実施形態にかかる太陽電池は、第１導電層の下に位置する反射防止膜をさらに含むことができる。
本発明の一実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、ｉ）基板と、基板上に位置し、互いに離隔した複数のナノ構造体とを提供するステップと、ｉｉ）基板上に位置し、複数のナノ構造体間の空間を充填させる樹脂層を提供するステップと、ｉｉｉ）樹脂層の上部をエッチングして複数のナノ構造体を部分的に露出させるステップと、ｉｖ）露出した複数のナノ構造体上に１つ以上の半導体層を提供するステップと、ｖ）半導体層上に導電層を提供するステップと、ｖｉ）導電層を覆うカバー層を提供するステップと、ｖｉｉ）基板を分離させるステップと、ｖｉｉｉ）樹脂層の下に、導電層の光透過率より低い光透過率を有する他の導電層を提供するステップとを含む。
本発明の一実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、樹脂層と接し、複数のナノ構造体の表面上に位置する誘電体層を提供するステップをさらに含むことができる。複数のナノ構造体を部分的に露出させるステップにおいて、誘電体層のうち、樹脂層の上部と接する誘電体層をエッチングすることができる。半導体層上に導電層を提供するステップにおいて、導電層を半導体層上に無電解メッキすることができる。本発明の一実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、基板を分離させるステップの後に、ｉ）樹脂層をエッチングして複数のナノ構造体の下端を外部露出させるホールを樹脂層に形成するステップと、ｉｉ）ホールに電子移送体を提供するステップとをさらに含むことができる。電子移送体を提供するステップにおいて、電子移送体は、無電解メッキされて提供できる。
基板と複数のナノ構造体とを提供するステップにおいて、複数のナノ構造体の直径は、基板の板面から遠くなるほど小さくなるように提供できる。基板と複数のナノ構造体は、無電解エッチングされて一体に提供できる。複数のナノ構造体は、追加的にエッチングできる。
カバー層を提供するステップにおいて、カバー層は、樹脂を含むことができる。１つ以上の半導体層を提供するステップにおいて、１つ以上の半導体層は、複数の半導体層を含み、複数の半導体層は、イオンドーピングされて形成できる。本発明の一実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、導電層を提供するステップの後に、導電層上に、導電層と接触して導電層を外部に電気的に連結させるコンタクト電極を提供するステップをさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、ｉ）基板と、基板上に位置し、互いに離隔した複数のナノ構造体とを提供するステップと、ｉｉ）複数のナノ構造体上に１つ以上の半導体層を提供するステップと、ｉｉｉ）半導体層上に導電層を無電解メッキして提供するステップと、ｉｖ）導電層を覆うカバー層を提供するステップと、ｖ）基板を分離させるステップと、ｖｉ）複数のナノ構造体の下に、導電層の光透過率より低い光透過率を有する他の導電層を提供するステップとを含む。
本発明の他の実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、複数のナノ構造体および他の導電層の間に他の半導体層を提供するステップをさらに含むことができる。他の半導体層を提供するステップにおいて、他の半導体層は、ｐ＋型半導体物質またはｎ＋型半導体物質を含むことができる。本発明の他の実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、他の導電層の下に反射防止膜を提供するステップをさらに含むことができる。
ナノ構造体、誘電体層および樹脂層を用いて光吸収率および光電変換効率に優れた太陽電池を製造することができる。また、基板を分離させて太陽電池を製造するため、基板を再活用することができる。そして、無電解エッチング法を利用して太陽電池を簡単に製造することができる。
本発明の第１実施形態にかかる太陽電池の概略的な断面図である。 図１の太陽電池の製造方法の概略的なフローチャートである。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる太陽電池の概略的な断面図である。 図１３の太陽電池の製造方法の概略的なフローチャートである。 図１３の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１３の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１３の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１３の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１３の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 図１３の太陽電池の製造方法を順に示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる太陽電池の概略的な断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる太陽電池の概略的な断面図である。
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは、他の部分の上にあるか、その間に別の部分を伴うことができる。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に別の部分が介在しない。
ここで使われる専門用語は、単に特定の実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使われる単数の形態は、言葉がこれと明らかに反対の意味を示さない限り、複数の形態も含む。明細書で使われる「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分および／または群の存在や付加を除外させるものではない。
「下」、「上」などの相対的な空間を示す用語は、図面に示されたある部分の他の部分に対する関係をより容易に説明するために使用できる。このような用語は、図面で意図した意味と共に、使用中の装置の他の意味や動作を含むように意図される。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の部分の「下」にあると説明されたある部分は、他の部分の「上」にあると説明される。したがって、「下」という例示的な用語は、上と下の方向をすべて含む。装置は、９０°回転または他の角度で回転することができ、相対的な空間を示す用語もこれに従って解釈される。
別に定義していないが、ここで使われる技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。
以下で使う「ナノ」という用語は、客体の大きさがナノ単位であることを意味する。しかし、ナノ単位は、マイクロ単位まで含むものとして解釈できる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
図１は、本発明の第１実施形態にかかる太陽電池１００の概略的な断面構造を示す。図１の太陽電池１００の断面構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、太陽電池１００の断面構造を他の形態に変形することができる。
図１に示すように、太陽電池１００は、第１導電層１０と、複数のナノ構造体２０と、誘電体層２２と、樹脂層３０と、複数の半導体層４０と、第２導電層５０とを含む。このほか、太陽電池１００は、電子移送体２４と、カバー層７０と、コンタクト電極６０、６２と、引出配線８０とをさらに含むことができる。太陽電池１００で光によって生成された電力は、受動素子Ｐを駆動するために使用される。一方、太陽電池１００は、図１に示した素子のほか、他の素子をさらに含むことができる。
第１導電層１０および第２導電層５０がそれぞれコンタクト電極６０、６２および引出配線８０に連結されるため、太陽電池１００で生成された電力は、受動素子Ｐを駆動させる。図１の矢印で示すように、光は第１導電層１０を介して＋ｚ軸方向に入射する。したがって、第１導電層１０は、透明電極であって、例えば、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、インジウムチンオキシド）またはＡｌ／Ｇａでドーピングした酸化亜鉛などの素材を用いて光を透過させるように透明に製造する。
一方、第２導電層５０は、光を再び半導体層４０に反射させ、起電力の発生を最大化する。このために、第２導電層５０は、反射しやすいように不透明な層に形成され、金属をその素材として製造する。例えば、第２導電層５０は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）などを含むことができる。半導体層４０をｎ＋型半導体物質で製造する場合、オーミックコンタクト（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）を形成するアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）を第２導電層５０の素材として使用することができる。また、半導体層４０をｐ＋型半導体物質で製造する場合、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）を第２導電層５０の素材として使用することができる。一方、第２導電層５０の光透過率は、第１導電層１０の光透過率より低い。したがって、光は第２導電層５０を通過せずに全反射するため、複数のナノ構造体２０および半導体層４０によって電力に変換される。
より具体的には、可視光線領域において、第２導電層５０の光透過率は、第１導電層１０の光透過率より９０％〜９９％低い。前述した範囲で第１導電層１０および第２導電層５０の光透過率の差を調整し、太陽電池１００における光損失を最少化することができる。第２導電層５０は光を透過させない。ここで、第２導電層５０は、無電解蒸着法または電解蒸着法を利用して形成することができる。第２導電層５０は、１１００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲を有する近赤外線をより吸収しやすい後面反射体（ｂａｃｋ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として機能する。したがって、第２導電層５０によってナノ構造体２０で光を最大に吸収することができる。結論的に、前述した光透過率の範囲内で第１導電層１０を通過する光の量を最大化しながら、第２導電層５０による光の反射率を最大化することができる。
図１に示すように、複数のナノ構造体２０は、第１導電層１０上に互いに離隔して位置する。複数のナノ構造体２０は、基板１０の板面１０１に交差する方向、つまり、＋ｚ軸方向に伸びている。ナノ構造体２０は、円錐形状を有する。図１には示していないが、ナノ構造体２０は、円筒形状を有することもできる。単結晶に製造されるナノ構造体２０は、ｎ型物質またはｐ型物質で形成され、光を吸収する。
半導体層４０は、ナノ構造体２０とコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）に形成されるため、短キャリア収集（ｓｈｏｒｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）によって光を吸収しやすい。また、複数のナノ構造体２０は、ｎ＋型またはｐ＋型であって、光を吸収せず、積層された半導体層４０から吸収された電子または空孔の電気的通路として利用できる。この場合、複数のナノ構造体２０は、ｎ＋選択型エミッタ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｅｍｉｔｔｅｒ）として機能し、半導体層４０による短キャリア収集によって吸収された電子および空孔を速やかにエミッタに伝達することにより、これらの再結合を遮断する。したがって、多量の電子および空孔が生成されるため、これを用いて起電力の発生を最大化することができる。また、ナノ構造体２０および半導体層４０は、その積層構造を通じて光をトラッピング（ｔｒａｐｐｉｎｇ）し、光吸収率を最大化することができる。一方、複数のナノ構造体２０が円錐形状を有するため、複数のナノ構造体２０の直径は、第１導電層１０の板面から遠くなるほど小さくなる。
一般的に、ナノ構造体の形状のうち、円錐上端から光が入射する太陽電池が多量存在する。しかし、本発明の一実施形態では、これとは反対となるように太陽電池１００を製造することにより、複数のナノ構造体２０による光吸収率を最大化することができる。つまり、入射した光は、マルチ反射（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）および分散（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）効果によって太陽電池３００の内部に吸収されやすい。また、ナノ構造体２３３で生成された電子または正孔は、酸化膜３３をトンネリングし、第２導電層７５を介してキャリア収集（ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）が可能である。前述のように、半導体層４０が形成されたナノ構造体２０のうち、一部のナノ構造体は光を閉じ込めて電子および空孔のパスとして使用され、残りのナノ構造体は光電変換のために使用できる。例えば、半導体層４０が形成されたナノ構造体２０のうち、半分は入射する光を閉じ込めて電子および空孔のパスとして使用され、残りの半分は光を電力に変換するために使用できる。また、樹脂層３０を用いることにより、図１に示した構造を有する太陽電池１００を製造することができる。
樹脂層３０は、第１導電層１０上に位置する。樹脂層３０は、複数のナノ構造体２０間の空間に充填され、複数のナノ構造体２０の表面に位置する誘電体層２２と接する。ここで、誘電体層２２は、複数のナノ構造体２０の表面に形成され、複数のナノ構造体２０をパッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）させる。このために、誘電体層２２は、反射を防止する特性を有したりパッシベーション特性を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化シリコン（ＳｉＮx）、炭化シリコン（ＳｉＣ）または二酸化シリコン（ＳｉＯ2）などを含む物質で製造される。特に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）は、ｐ型半導体物質に対するパッシベーション能力に優れ、窒化シリコン（ＳｉＮx）または二酸化シリコン（ＳｉＯ2）は、ｐ型半導体物質に対するパッシベーション能力に優れている。誘電体層２２は、ナノ構造体２０の表面に生成された電荷が互いに再結合されることを防止することにより、ナノ構造体２０で生成された正孔または電荷を損失させることなく外部に移送させやすい。その結果、電子または空孔の移送効率を増大させることにより、太陽電池１００の起電力を向上させることができる。一方、複数のナノ構造体２０が第１半導体層４０２と接触する表面には、半導体接合のために誘電体層２２を形成しない。場合によって誘電体層２２の製造を省略することもできる。
図１に示すように、電子移送体２４は、第１導電層１０上に位置し、複数のナノ構造体２０の下端と接する。ここで、電子移送体２４は、金属で製造することができる。したがって、半導体層４０およびナノ構造体２０との相互作用によって生成された電子は、電子移送体２４を介して第１導電層１０側に効率的に流れる。このために、電子移送体２４をニッケルなどの金属で製造することができる。つまり、電子移送体２４と第２導電層５０は、互いに同一の金属を含むことができる。
また、電子移送体２４の平均直径、つまり、電子移送体２４をｘｙ平面方向に切断した断面の直径の平均値は、複数のナノ構造体２０の平均直径、つまり、ナノ構造体２０をｘｙ平面方向に切断した断面の直径の平均値より大きい。したがって、複数のナノ構造体２０から生成された電子が、電子移送体２４を介して第１導電層１０側に効率的に抜けやすくなり得る。
半導体層４０は、第１半導体層４０２と、第２半導体層４０４と、第３半導体層４０６とを含む。図１には、複数の半導体層４０２、４０４、４０６を示したが、半導体層を１つの層または２つの層から構成することもできる。また、半導体層の数が４つ以上であってもよい。
ここで、半導体層４０は、ＰＥＣＶＤ（ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、プラズマ化学気相蒸着法）によってＳｉＨ4ガスをチャンバに注入しながら、ドーピングソースだけを変更する方法で一度に形成することができる。複数のナノ構造体２０は、半導体物質を含むため、半導体層４０と半導体接合を形成する。例えば、ナノ構造体２０をｎ＋型半導体物質、第１半導体層４０２をｎ型物質、第２半導体層４０４を真性物質、そして、第３半導体層４０６をｐ型半導体物質で製造することができる。ここで、使用される複数のナノ構造体２０および半導体層４０は、シリコンをイオンドーピングして製造することができる。この場合、複数のナノ構造体２０、第１半導体層４０２、第２半導体層４０４および第３半導体層４０６がコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）に形成されるため、エネルギーバンドギャップを低くし、起電力を効率的に向上させることができる。真性物質としては非晶質シリコンを使用する。ｎ＋型半導体物質で製造した複数のナノ構造体２０は、選択的エミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）および電子の伝導通路として利用される。一方、第３半導体層４０６上には第２導電層５０が位置するため、第３半導体層４０６を透過した光を全反射させ、ナノ構造体２０および半導体層４０によって生成される起電力を最大化することができる。
そして、図１には示していないが、ナノ構造体２０をｎ型半導体物質またはｎ＋型半導体物質で製造し、これを覆う半導体層を２つの層から形成し、ナノ構造体２０と接する層は真性物質で製造し、再びこれを覆う層はｐ型半導体物質で製造することができる。また、ナノ構造体２０をｎ型半導体物質またはｎ＋型半導体物質で製造し、これを覆う半導体層をｐ型半導体物質で製造することもできる。前述した半導体物質は、非晶質シリコンを用いて製造することができる。
一方、カバー層７０は、第２導電層５０を覆い、樹脂層３０の側面と接する。カバー層７０は、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ、ポリジメチルシロキサン）またはポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）などで製造することができる。カバー層７０がこのような素材で製造されるため、太陽電池１００は、フレキシブルな特性を有する。したがって、手でカバー層７０を把持して太陽電池１００を曲げることもできる。
図１に示すように、コンタクト電極６０、６２は、第１コンタクト電極６０と、第２コンタクト電極６２とを含む。第１コンタクト電極６０は、カバー層７０の内部に位置する。第１コンタクト電極６０は、第２導電層５０と接触して第２導電層５０を外部に電気的に連結させる。つまり、第１コンタクト電極６０は、引出配線８０と第２導電層５０とを互いに連結させる。以下、図２〜図１２を通じて、図１の太陽電池１００の製造方法をより詳細に説明する。
図２は、図１の太陽電池１００の製造工程のフローチャートを概略的に示し、図３ないし図１２は、図２の太陽電池１００の製造工程の各ステップを概略的に示す。以下、図２と共に図３〜図１２を参照して、太陽電池１００の製造工程を順に説明する。
まず、図２のステップＳ１０では、基板２９と、複数のナノ構造体２０（図３に示す）とを提供する。基板２９と複数のナノ構造体２０は、シリコンをｎ＋型にドーピングして製造することができる。比較的低価格の素材で製造された基板２９と複数のナノ構造体２０を用いることで、太陽電池１００（図１に示す）の製造費用を低減することができる。ここで、基板２９と複数のナノ構造体２０は、バルクシリコンをＡｇなどの粒子を用いて無電解エッチングして一体に提供することができる。また、複数のナノ構造体２０を円錐形状に製造するために、複数のナノ構造体２０をＫＯＨなどの溶液を用いて追加的にエッチングすることができる。
次に、図２のステップＳ２０では、複数のナノ構造体２０の表面上に誘電体層２２を提供する（図４に示す）。誘電体層２２を、基板２９と複数のナノ構造体２０の表面の上に蒸着することができる。
図２のステップＳ３０では、誘電体層２２と接する樹脂層３０を提供する（図５に示す）。樹脂層３０は、基板２９上に位置して形成される。樹脂層３０は、複数のナノ構造体２０間の空間に充填され、誘電体層２２と接する。例えば、複数のナノ構造体２０間の空間に液状樹脂を配置した後、スピンコーティングしてから、これを硬化して樹脂層３０を形成することができる。
次に、図２のステップＳ４０では、樹脂層３０の上部と誘電体層２２をエッチングして複数のナノ構造体２０を部分的に露出させる（図６に示す）。ここで、誘電体層２２は、樹脂層３０の上部と接する部分を意味する。したがって、複数のナノ構造体２０の上部が樹脂層３０上で外部に露出する。
図２のステップＳ５０では、複数のナノ構造体２０上に半導体層４０を形成する。ここで、半導体層４０は、複数の第１半導体部４０ａと、第２半導体部４０ｂとを含む。複数の第１半導体部４０ａは、複数の第１ナノ構造体２０上に位置する。複数の第１半導体部４０ａの上端部４０１ａ間の幅Ｗは、１００ｎｍ〜２μｍであり得る。複数の第１半導体部４０ａの上端部４０１ａ間の幅Ｗが小さ過ぎる場合、複数の第１ナノ構造体２０が過度に密に形成され、その間の空間に樹脂層３０を形成しにくい。逆に、複数の第１半導体部４０ａの上端部４０１ａ間の幅Ｗが大き過ぎる場合、複数の第１ナノ構造体２０が過度に疎に形成され、所望の光起電力を得にくい。一方、複数の第１半導体部４０ａの上端部４０１ａ間の幅Ｗが小さいと、光を閉じ込めるのに有利であり、複数の第１半導体部４０ａの上端部４０１ａ間の幅Ｗが大きいと、第１半導体部４０ａとナノ構造体２０との接触面積が広くなるため、キャリア収集（ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）に有利である。一方、第２半導体部４０ｂは、複数の第１半導体部４０ａに連結されて一体に形成され、 第１導電層３０上に位置する。
次に、図２のステップＳ６０では、半導体層４０上に導電層５０を提供する（図８に示す）。一方、半導体層４０は、多段階蒸着およびドーピングを通じて順次に積層された第１半導体層４０２と、第２半導体層４０４と、第３半導体層４０６とを含む。図８に示すように、導電層５０の厚さｔ５０は、２０μｍ〜１００μｍであり得る。導電層５０の厚さｔ５０は、ナノ構造体２０の長さに応じて変化可能である。導電層５０の厚さｔ５０が大き過ぎる場合、太陽電池１００の厚さが大きくなることがある。逆に、導電層５０の厚さｔ５０が小さ過ぎる場合、半導体層４０が外部に露出し得るため、導電層５０による光反射が難しい。その結果、太陽電池１００の起電力の生成力が低下する。一方、導電層５０は、長波長の光を透過させなかったり、ハンドリングのためにある程度厚い必要がある。導電層５０は、半導体層４０上に無電解メッキして形成することができる。
図９に示すように、導電層５０上にコンタクト電極６０を形成する。例えば、コンタクト電極６０を導電層５０上に蒸着した後、引出配線８０をコンタクト電極６０に連結する。したがって、導電層５０を介して伝送される電力を、コンタクト電極６０および引出配線８０を介して外部に供給することができる。
一方、図２のステップＳ７０では、導電層５０を覆うカバー層７０を提供する（図１０に示す）。カバー層７０は、基板２９上で樹脂層３０、導電層５０およびコンタクト電極６０を覆って形成される。したがって、カバー層７０を用いて太陽電池１００（図１に示す）の外観を形成する。カバー層７０は、樹脂をスピンコーティングおよび硬化して形成することができる。
次に、ステップＳ８０では、矢印方向に沿って基板２９を樹脂層３０から分離させる（図１１に示す）。分離された基板２９は再活用し、他の太陽電池を製造することができる。
図２のステップＳ９０では、樹脂層３０にホール３０１を形成する（図１１に示す）。つまり、ナノ構造体２０の下端に対応する樹脂層３０を水酸化カリウム（ＫＯＨ）などでエッチングしてホール３０１を形成する。
図２のステップＳ１００では、ホール３０１に電子移送体２４を提供する（図１２に示す）。電子移送体２４は、樹脂層３０の下部にマスクを被せた後、ホール３０１だけを露出させ、無電解メッキすることによって提供することができる。
次に、ステップＳ１１０では、樹脂層３０の下に他の導電層１０を提供する（図１２に示す）。ここで、他の導電層１０の光透過率は、導電層５０の光透過率より低い。他の導電層１０の厚さｔ１０は、５００ｎｍ〜１０μｍであり得る。導電層１０の厚さｔ１０が大き過ぎる場合、導電層１０の光透過率が低下することがある。ここで、光透過率は８０％以上に維持することが好ましい。また、導電層１０の厚さｔ１０が小さ過ぎる場合、導電層１０が過度に薄く、外部との電気的連結状態がよくない。さらに、導電層１０の厚さｔ１０が小さ過ぎると、ナノ構造体２０の表面粗さより小さく、ナノ構造体２０を十分にカバーすることができない。したがって、前述した範囲の厚さｔ１０を有する導電層１０を形成する。
図１３は、本発明の第２実施形態にかかる太陽電池２００の概略的な断面構造を示す。図１３の太陽電池２００の構造は、図１の誘電体層２２および樹脂層３０を除いては、図１の太陽電池１００の構造と類似しているので、同一の部分には同一の図面符号を用い、その詳細な説明を省略する。また、図１３の太陽電池２００の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、太陽電池２００の断面構造を他の形態に変形することができる。
図１３に示すように、電子移送体２１は、第１導電層１０を覆う。ここで、電子移送体２１は、第１半導体層４０２と接する。電子移送体２１は、ｐ＋型半導体物質またはｎ＋型半導体物質を含む。電子移送体２１がｐ＋型半導体物質、例えば、ｐ＋型ドーピングされたシリコンの場合、ナノ構造体２０、第１半導体層４０２、第２半導体層４０４および第３半導体層４０６をそれぞれ、ｐ型半導体物質、真性物質、ｎ型半導体物質およびｎ＋型半導体物質で製造することができる。したがって、複数のナノ構造体２０と半導体層４０をコンフォーマルに形成し、エネルギーバンドギャップを低くすることができる。一方、図１３には、３つの半導体層４０２、４０４、４０６が含まれたと示したが、１つ、２つまたは４つ以上の半導体層から形成することもできる。
図１４は、図１３の太陽電池２００の製造工程のフローチャートを概略的に示し、図１５ないし図２０は、図１４の太陽電池２００の製造工程の各ステップを概略的に示す。以下、図１４と共に図１５ないし図２０を参照して、太陽電池２００の製造工程を順に説明する。
まず、図１４のステップＳ１２では、基板２９と、複数のナノ構造体２０（図１５に示す）とを提供する。基板２９と複数のナノ構造体２０は、シリコンをｎ＋型にドーピングして製造することができる。基板２９と複数のナノ構造体２０は、バルクシリコンをＡｇなどの粒子を用いて無電解エッチングして製造することができる。また、複数のナノ構造体２０を円錐形状に製造するために、複数のナノ構造体２０をＫＯＨなどで追加的にエッチングすることができる。
図１４のステップＳ２２では、複数のナノ構造体２０上に１つ以上の半導体層４０を提供する。つまり、図１６に示すように、３つの半導体層４０２、４０４、４０６を形成することができる。半導体層４０は、イオンドーピングされて形成できる。
次に、図１４のステップＳ３２では、半導体層４０上に導電層５０を提供する（図１７に示す）。また、導電層５０上に、導電層５０を外部に電気的に連結させるコンタクト電極６０を提供することができる。例えば、コンタクト電極６０を導電層５０上に蒸着した後、引出配線８０をコンタクト電極６０に連結する。したがって、導電層５０を介して伝送される電力を、コンタクト電極６０および引出配線８０を介して外部に供給することができる。
一方、図１４のステップＳ４２では、導電層５０を覆うカバー層７０を提供する（図１８に示す）。カバー層７０は、基板２９上で導電層５０およびコンタクト電極６０を覆って形成される。したがって、カバー層７０を用いて太陽電池２００（図１３に示す）の外観を形成する。
次に、ステップＳ５２では、矢印方向に沿って基板２９を半導体層４０から分離させる（図１９に示す）。分離された基板２９は再活用し、他の太陽電池を製造することができる。
図１９の拡大円に示すように、基板２９を切り離したナノ構造体２０の下面２０ｓは、凹凸に形成される。したがって、下面２０ｓを介して入射する光は、下面２０ｓによって反射せず、ナノ構造体２０に入射しやすい。したがって、ナノ構造体２０の光吸収効率を最大化することができる。必要な場合、ナノ構造体２０の下面２０ｓをグラインディングして不規則に製造することもできる。
ステップＳ６２では、複数のナノ構造体２０の下に他の半導体層２１を提供する（図２０）。ここで、他の半導体層２１は、ｎ＋型半導体物質またはｐ＋型半導体物質で製造することができる。他の半導体層２１は、イオンドーピングして形成される。前述したナノ構造体２０の下面２０ｓ（図１９に示す）は、他の半導体層２１と接する。他の半導体層２１は、前述した半導体物質で製造するため、光の反射が大きいことがある。しかし、ナノ構造体２０の下面２０ｓが凹凸に形成されるため、光の反射を最大限防止させることができる。
次に、ステップＳ７２では、他の半導体層２１の下に他の導電層１０を提供する（図２０に示す）。ここで、可視光線領域において、他の導電層１０の光透過率は、導電層５０の光透過率より低い。
図２１は、本発明の第３実施形態にかかる太陽電池３００の概略的な断面構造を示す。図２１の太陽電池３００の構造は、図１３の太陽電池２００の構造と類似しているので、同一の部分には同一の図面符号を用い、その詳細な説明を省略する。また、図２１の太陽電池３００の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、太陽電池３００の断面構造を他の形態に変形することができる。
図２１に示すように、第１導電層１０は、複数の半導体層４０および複数のナノ構造体２０と直接接することができる。ここで、複数のナノ構造体２０、第１半導体層４０２、第２半導体層４０４および第３半導体層４０６はそれぞれ、ｐ＋型半導体物質、ｐ型半導体物質、真性物質およびｎ型半導体物質で形成することができる。あるいは、複数のナノ構造体２０、第１半導体層４０２、第２半導体層４０４および第３半導体層４０６をそれぞれ、ｎ＋型半導体物質、ｎ型半導体物質、真性物質およびｐ型半導体物質で形成することができる。したがって、コンフォーマルに形成された第１導電層１０、複数の半導体層４０および複数のナノ構造体２０を介してエネルギーバンドギャップを低くすることにより、太陽電池３００の光電変換効率を最大化することができる。
図２２は、本発明の第４実施形態にかかる太陽電池４００の概略的な断面構造を示す。図２２の太陽電池４００の構造は、図２１の太陽電池３００の構造と類似しているので、同一の部分には同一の図面符号を用い、その詳細な説明を省略する。また、図２２の太陽電池４００の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、太陽電池４００の断面構造を他の形態に変形することができる。
図２２に示すように、反射防止膜６４を他の導電層１０の下に提供する。反射防止膜（ａｎｔｉ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ、ＡＲ）６４は、光が反射しないようにし、太陽電池４００に入射する光を最大限吸収する。その結果、太陽電池４００の光吸収率を最大化することができる。
本発明を上述したように説明したが、以下に記載する特許請求の範囲の概念と範囲を逸脱しない限り、多様な修正および変形が可能であることを、本発明の属する技術分野に従事する者は容易に理解するはずである。
１００、２００、３００：太陽電池
１０、５０：導電層
１０１、２９１：板面
２０：ナノ構造体
２０ｓ：下面
２２：誘電体層
２４：電子移送体
２９：基板
３０：樹脂層
３０１：ホール
２１、４０、４０２、４０４、４０６：半導体層
４０ａ、４０ｂ：半導体部
４０１ａ：上端
６０、６２：コンタクト電極
６４：反射防止膜
７０：カバー層
８０：引出配線
Ｐ：受動素子

Claims (18)

  1. 透明電極として光が入射され透過される第１導電層と、
    前記第１導電層上に位置し、前記第１導電層の板面に交差する方向に伸び、互いに離隔した複数のナノ構造体と、
    前記第１導電層上に位置し、前記複数のナノ構造体間の空間に充填された樹脂層と、前記樹脂層上に位置し、前記複数のナノ構造体を覆う１つ以上の半導体層と、
    前記半導体層を覆い、前記第１導電層の光透過率より低い光透過率を有する第２導電層および
    前記第１導電層上に位置し、前記複数のナノ構造体の下端と接する１つ以上の電子移送体とを含み、
    前記複数のナノ構造体の直径は前記第１導電層の板面から遠くなるほど小さくなることを特徴とする太陽電池。
  2. 前記複数のナノ構造体の表面上に位置し、前記樹脂層と接する誘電体層をさらに含み、前記誘電体層は前記ナノ構造体の表面と前記樹脂層との間に配置され、且つ、前記ナノ構造体と前記半導体との間には配置されていないことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
  3. 前記第２導電層および前記電子移送体は、互いに同一の金属を含むことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
  4. 前記１つ以上の電子移送体は、複数の電子移送体を含み、前記複数の電子移送体は、互いに離隔していることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
  5. 前記電子移送体の平均直径は、前記複数のナノ構造体の平均直径より大きいことを特徴とする請求項４記載の太陽電池。
  6. 前記電子移送体は、前記第１導電層を覆い、前記電子移送体は、ｐ＋型半導体物質またはｎ＋型半導体物質を含むことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
  7. 前記１つ以上の半導体層は、複数の半導体層を含み、前記複数の半導体層のうち、前記電子移送体と接する半導体層は、真性物質を含むことを特徴とする請求項６記載の太陽電池。
  8. 前記１つ以上の半導体層は、複数の半導体層を含み、前記複数の半導体層のうちの１つ以上の半導体層は、
    前記複数の第１ナノ構造体上に位置する複数の第１半導体部と、
    前記第１半導体部に連結されて一体に形成され、前記樹脂層上に位置する第２半導体部とを含み、
    前記複数の第１半導体部の上端部間の幅は、１００ｎｍ〜２μｍであることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
  9. 前記誘電体層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）および二酸化シリコン（ＳｉＯｘ）からなる群より選択された１つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項２記載の太陽電池。
  10. 透明電極として光が入射され透過される第１導電層と、
    前記第１導電層上に位置し、前記第１導電層の板面に交差する方向に伸び、互いに離隔した複数のナノ構造体と、
    前記複数のナノ構造体を覆う複数の半導体層と、
    前記複数の半導体層を覆い、前記第１導電層の光透過率より低い光透過率を有する第２導電層とを含み、
    前記複数の半導体層のうちの１つ以上の半導体層は、
    前記複数の第１ナノ構造体上に位置する複数の第１半導体部と、
    前記複数の第１半導体部に連結されて一体に形成され、前記第１導電層上に位置する第２半導体部、および
    前記第１導電層を覆い、前記複数の半導体層と接し、ｐ＋型半導体物質またはｎ＋型半導体物質を含む電子移送体とを含み、
    前記複数のナノ構造体の直径は前記第１導電層の板面から遠くなるほど小さくなることを特徴とする太陽電池。
  11. 可視光線領域において、前記第２導電層の光透過率は、前記第１導電層の光透過率より９０％〜９９％低いことを特徴とする請求項１または１０記載の太陽電池。
  12. 前記複数のナノ構造体は、
    入射する光を閉じ込めるように適用された第１ナノ構造体と、
    第１ナノ構造体と共に位置し、入射する光を電力に変換するように適用された第２ナノ構造体とを含むことを特徴とする請求項１１記載の太陽電池。
  13. 前記第１導電層および前記複数のナノ構造体の間に位置する他の半導体層をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の太陽電池。
  14. 前記他の半導体層と接する前記複数のナノ構造体の下面は、凹凸に形成されたことを特徴とする請求項１３記載の太陽電池。
  15. 基板と、前記基板上に位置し、互いに離隔し、その直径が前記基板の板面から遠くなるほど小さくなる複数のナノ構造体とを提供するステップと、
    前記基板上に位置し、前記複数のナノ構造体間の空間を充填させる樹脂層を提供するステップと、
    前記樹脂層の上部をエッチングして前記複数のナノ構造体を部分的に露出させるステップと、
    前記露出した複数のナノ構造体上に１つ以上の半導体層を提供するステップと、
    前記半導体層上に導電層を提供するステップと、
    前記導電層を覆うカバー層を提供するステップと、
    前記基板を分離させるステップと、
    前記樹脂層をエッチングして前記複数のナノ構造体の下端を外部露出させるホールを前記樹脂層に形成するステップと、
    前記ホールに電子移送体を提供するステップ、および
    前記樹脂層の下に、前記導電層の光透過率より低い光透過率を有し、透明電極として光が入射され透過される他の導電層を提供するステップとを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  16. 前記複数のナノ構造体を提供するステップの後であって、前記樹脂層を提供するステップの前に、前記複数のナノ構造体の表面上に位置する誘電体層を提供するステップをさらに含み、
    前記複数のナノ構造体を部分的に露出させるステップにおいて、前記誘電体層のうち、前記樹脂層の上部と接する誘電体層をエッチングすることを特徴とする請求項１５記載の太陽電池の製造方法。
  17. 前記電子移送体を提供するステップにおいて、前記電子移送体は、無電解メッキされて提供されることを特徴とする請求項１５記載の太陽電池の製造方法。
  18. 前記基板と前記複数のナノ構造体とを提供するステップにおいて、前記複数のナノ構造体の直径は、前記基板の板面から遠くなるほど小さくなるように提供されたことを特徴とする請求項１５記載の太陽電池の製造方法。
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