太陽電池及びその製造方法
【課題】太陽光を受け取る面積が大きく、且つ太陽光の吸収率が高い太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に形成される。
【解決手段】本発明の太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は光合成原理を応用して、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する電池であり、具体的には、光起電力効果を利用して、太陽光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力する。主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。
【０００３】
現在、太陽電池は主にシリコン太陽電池である。従来のシリコン太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン太陽電池の中で、前記シリコン基板と前記ドープシリコン層はｐｎ接合を形成し、該ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって、複数の電子と正孔が発生する。該複数の電子と正孔は、電場の作用下で分離し、且つ背面電極と前面電極にそれぞれ移動する。前記シリコン太陽電池の背面電極及び前面電極が負荷を受けると、該背面電極及び電極の間に外部回路の負荷を通じて電流が流れる。
【０００４】
しかし、従来のシリコン太陽電池の前記ドープシリコン層の表面は、平坦な平面構造を有し、また、その表面積は小さいので、シリコン太陽電池の太陽光を受け取る面積は小さい。また、太陽光が前記ドープシリコン層の表面に達した際、その一部の太陽光は前記ドープシリコン層の平坦な表面で反射される。従って、従来のシリコン太陽電池は、太陽光の吸収率が低い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】張明杰等、“太陽電池及び多晶シリコンの製造”、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、前記課題を解決するために、本発明は太陽光を受け取る面積が大きく、且つ太陽光の吸収率が高い太陽電池及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に形成される。前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体である。
【０００８】
本発明の太陽電池の製造方法は、対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成する第一ステップと、前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成する第二ステップと、前記シリコン基板の第二表面にドープシリコン層を形成する第三ステップと、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に前面電極を形成する第四ステップと、前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させる第五ステップと、を含む。前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体である。
【発明の効果】
【０００９】
従来の技術と比べて、本発明の太陽電池は、シリコン基板に、複数の三次元ナノ構造体が形成されている。前記三次元ナノ構造体は、Ｍ型構造を有するので、前記太陽電池の太陽光を受け取る面積を増大させる。また、複数の前記三次元ナノ構造体は、バンドギャップの特性を有するので、光量子の前記複数の三次元ナノ構造体に滞留する時間が長くなり、複数の前記三次元ナノ構造体の光に対して吸収できる周波数が広くなる。従って、前記太陽電池の光吸収率を高め、前記太陽電池の光電変換効率を高めることができる。更に、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の前記三次元ナノ構造体が形成されているので、太陽光が前記シリコン基板の前記第二表面に達すると、繰り返して屈折―反射―屈折することにより、太陽光の大部分が前記シリコン基板の前記第二表面における複数の三次元ナノ構造体に吸収されるので、前記太陽電池の太陽光に対する吸収率を更に高めることができる。また、前記太陽電池の製造工程は簡単で、且つコストも低い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１の太陽電池の構造を示す図である。
【図２】図１に示す太陽電池のシリコン基板の構造を示す図である。
【図３】図１に示す太陽電池のシリコン基板の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図２中の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】本発明の実施例１の太陽電池の製造工程を示す図である。
【図６】図１に示す太陽電池のシリコン基板の第二表面の複数の三次元ナノ構造体の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の実施例２の太陽電池の構造を示す図である。
【図８】本発明の実施例２の太陽電池の製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１を参照すると、本発明の実施例１は、太陽電池１０を提供する。該太陽電池１０は、順次的に積層された背面電極１００と、シリコン基板１１０と、ドープシリコン層１２０及び前面電極１３０と、を含む。太陽光は、前記太陽電池１０の前記前面電極１３０側から入射する。前記シリコン基板１１０は、第一表面１１２及び該第一表面１１２に対向する第二表面１１４を含む。前記背面電極１００は、前記シリコン基板１１０の前記第一表面１１２に設置され、該第一表面１１２とオーミック接触する。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の三次元ナノ構造体１１３が形成されている。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４は、複数の三次元ナノ構造体１１３の表面及び隣接する前記三次元ナノ構造体１１３の間の面を含むパターン化された表面を示す。各々の前記三次元ナノ構造体１１３はＭ型構造体である。また、前記ドープシリコン層１２０は、前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４に形成される。前記前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０の少なくとも一部の表面と接触するように配置される。
【００１３】
前記背面電極１００は、アルミニウム、マグネシウム、銀など金属材料のいずれか一種又は数種からなる。前記背面電極１００の厚さは１０μｍ〜３００μｍである。本実施例において、前記背面電極１００は、アルミニウムからなる薄膜であり、その厚さは２００μｍである。
【００１４】
図２及び図３を参照すると、前記シリコン基板１１０は、ｐ型シリコン基板である。前記シリコン基板１１０は、単結晶シリコン、多結晶シリコン或は他のｐ型半導体材料からなる。本実施例において、前記シリコン基板１１０は、ｐ型単結晶シリコン片であり、その厚さは２０μｍ〜３０μｍである。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の三次元ナノ構造体１１３がアレイの形態によって配列して形成されている。
【００１５】
前記三次元ナノ構造体１１３はＭ型構造体である。前記Ｍ型構造体とは、前記シリコン基板１１０から前記シリコン基板１１０を離れる方向に延伸するＭ型の突起を有する構造のことである。前記三次元ナノ構造体１１３は前記シリコン基板１１０と一体構造を有する。ここで、一体構造を有するとは、前記三次元ナノ構造体１１３が、前記シリコン基板１１０との間に間隙を有さず、前記シリコン基板１１０と一体であることを指す。前記三次元ナノ構造体１１３は、前記シリコン基板１１０に形成されたストリップ状の突起構造を有する。
【００１６】
前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、直線、折れ線或いは曲線によって、前記シリコン基板１１０上に並列し、且つ該シリコン基板１１０に平行に延伸している。前記複数の三次元ナノ構造体１１３の延伸する方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。延伸する方向が変化しない場合、前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、直線で、並列に延伸する。該延伸する方向と垂直な方向において、前記複数の三次元ナノ構造体１１３の横断面はそれぞれＭ型であり、且つそれらの形状や面積は同じである。延伸する方向が変化する場合、前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、折れ線或いは曲線で、並列に延伸する。該延伸する方向において、任意の点を選び、前記複数の三次元ナノ構造体１１３の該任意の点における横断面は各々Ｍ型であり、且つそれらの形状や面積は同じである。
【００１７】
図４を参照すると、本実施例において、前記三次元ナノ構造体１１３はストリップ状の突起構造体であり、該ストリップ状の突起構造は、直線で同じ方向に沿って延伸している。前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、一次元アレイによって、前記シリコン基板１１０に分布して、前記三次元ナノ構造体アレイを形成する。ここで、一次元アレイとは、複数のストリップ状の突起構造が同じ方向に沿って延伸し、且つ、前記シリコン基板１１０に平行することを指す。前記複数の三次元ナノ構造体１１３が、前記シリコン基板１１０に均一に分布しているので、前記三次元ナノ構造体アレイは対称的なパターンを形成する。
【００１８】
ここで、前記ストリップ状の突起構造の延伸する方向をＸ方向と定義し、該ストリップ状の突起構造の延伸する方向と垂直な方向をＹ方向と定義する。前記Ｘ方向には、該Ｘ方向に沿って、前記ストリップ状の突起構造の一端が、対向する他端までそれぞれ延在し、前記Ｙ方向には、該Ｙ方向に沿って、二つの突起構造からなるストリップ状の前記複数の三次元ナノ構造体１１３が、互いに並列している。また、この際、各々の前記三次元ナノ構造体１１３のＸ方向における断面はＭ型である。従って、前記三次元ナノ構造体１１３はＭ型の三次元ナノ構造体である。
【００１９】
図４を参照すると、各々の前記三次元ナノ構造体１１３は、第一突部１１３２及び第二突部１１３４をそれぞれ有する。前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４は、その延伸方向は同じであり、互いに並列して、全てＸ方向に沿って延伸している。前記第一突部１１３２は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂである。前記第一面１１３２ａ及び前記第二面１１３２ｂは、それぞれ平面、曲面或いは折り面でも良い。本実施例において、前記第一面１１３２ａ及び前記第二面１１３２ｂは、それぞれ平面である。また、前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂは前記シリコン基板１１０と離れる方向にそれぞれ延伸して交差し、前記第一突部１１３２の先端（図示せず）を形成する。
【００２０】
前記第一突部１１３２の先端の角度θは０°（０°は含まず）〜１８０°（１８０°は含まず）であるが、好ましくは、３０°〜６０°である。
【００２１】
前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａと、前記シリコン基板１１０の表面（図示せず）とがなす角度αは０°（０°は含まず）〜９０°であるが、好ましくは、８０°〜９０°である。
【００２２】
前記第二突部１１３４の構造は、前記第一突部１１３２の構造と基本的に同じである。前記第二突部１１３４は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ前記第一面１１３４ａと前記第二面１１３４ｂである。前記第一面１１３４ａ及び前記第二面１１３４ｂは、前記シリコン基板１１０と離れる方向にそれぞれ延伸して交差し、前記第二突部１１３４の先端を形成する。
【００２３】
前記第二突部１１３４の前記第一面１１３４ａは、角度αのまま、前記シリコン基板１１０と離れる方向に延伸し、且つ前記第二面１１３４ｂと交差する。前記第二面１１３４ｂは、角度βのまま、前記シリコン基板１１０と離れる方向に延伸し、且つ前記第一面１１３４ａと交差する。前記第二突部１１３４の前記第二面１１３４ｂは、前記第一突部１１３２の前記第二面１１３２ｂと、前記シリコン基板１１０の表面に近接する部分で交差して、前記三次元ナノ構造体１１３の第一溝１１３６を形成する。また、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の間には、第二溝１１３８が形成される。具体的には、一つの前記三次元ナノ構造体１１３の前記第二突部１１３４の前記第一面１１３４ａと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体１１３の前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａとは、前記シリコン基板１１０の表面で交差して、前記第二溝１１３８を形成する。
【００２４】
前記第一突部１１３２の前記第二面１１３２ｂが延伸して、前記シリコン基板１１０の前記第一表面１１２と平行な面となす角度βは０°（０°は含まず）〜９０°であるが、前記角度αと同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００２５】
前記第一突部１１３２及び前記第二突部１１３４に関して、前記シリコン基板１１０の表面から、該シリコン基板１１０の表面と離れる方向に突出するその高さに対する制限はない。ここで、該前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との高さとは、図４のｈ２で示すように、前記シリコン基板１１０の表面から前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の最高点までの距離である。前記第一突部１１３２の高さと前記第二突部１１３４の高さは同じでも、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１１３２の高さと前記第二突部１１３４の高さは、それぞれ１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記第一突部１１３２、或いは前記第二突部１１３４の最高点の集合体は直線、折れ線或いは曲線でも良い。即ち、前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂと交差して形成される線は、直線、折れ線或いは曲線である。これと同様に、前記第二突部１１３４の前記第一面１１３４ａと前記第二面１１３４ｂと交差して形成される線は、直線、折れ線或いは曲線である。各々の前記三次元ナノ構造体１１３において、前記第一突部１１３２の最高点と前記第二突部１１３４の最高点との距離は、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。本実施例において、前記第一突部１１３２の高さと前記第二突部１１３４の高さは同じであり、その高さは、１８０ｎｍである。また、前記第一突部１１３２の最高点と前記第二突部１１３４の最高点の集合体は直線である。
【００２６】
前記Ｘ方向において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４の横断面は、台形或いは三角形である。本実施例において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４のＸ方向での横断面はそれぞれ三角形である。前記第一突部１１３２及び前記第二突部１１３４は、二つの突部を形成し、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは接触して、接触線を形成する。また、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との横断面は互いに同じか、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との横断面が同じである場合、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは対称構造を呈する。ここで、「対称構造」とは、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との横断面が接触線に対して、対称であることを指す。また、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは非対称構造であっても良い。本実施例において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは対称構造を呈する。
【００２７】
前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との間に間隙がある、或いは間隔がなくても良い。製造における制限またはその他の条件の影響により、前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂとは平面ではなく、例えば、その一部分の表面が弧面、折れ面であっても良い。この場合、前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂとが交差して形成された角度θは、尖った角ではなく、弧角などの他の形状である。しかし、該角の具体的な形状は、前記第一突部１１３２の全体の構造に影響しなければ良い。また、前記第二突部１１３４もその一部分の表面が弧面、折れ面である場合、前記第二面１１３４ｂと前記第二面１１３４ａと交差して形成される角度θも、尖った角ではない。つまり、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部１１３４の全体の構造に影響しなければ良い。
【００２８】
各々のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との間には、前記第一溝１１３６がそれぞれ形成されている。前記第一溝１１３６の延伸する方向は、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４の延伸する方向と同じである。前記第一溝１１３６の横断面の形状はＶ型である。該Ｖ型を呈する溝は、前記三次元ナノ構造体１１３の表面に位置し、前記三次元ナノ構造体１１３が延伸する方向に沿って延伸する。前記第一溝１１３６の深度ｈ１は、前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の最高点が位置する面と、前記第一溝１１３６の最低点が位置する面との間の最短距離を指す。即ち、前記第一溝１１３６の深度ｈ１は、前記第一溝１１３６が前記シリコン基板１１０の方向に凹む最小距離である。各々のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３の前記第一溝１１３６の深度ｈ１は同じである。前記第一溝１１３６の深度ｈ１は、前記第二突部１１３４の高さｈ２より小さい。
【００２９】
前記第二溝１１３８は、隣接するＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３の間に形成される。前記第二溝１１３８の延伸方向は、Ｍ型の前記三次元ナノ構造体１１３の延伸方向と同じである。前記第二溝１１３８の横断面はＶ型或いは倒立の台形である。前記第二溝１１３８の深度ｈ２は、前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の最高点が位置する面から前記シリコン基板１１０の表面までの距離である。即ち、前記第二溝１１３８の深度ｈ２は、前記第一溝１１３８が、前記シリコン基板１１０の方向に凹む最小距離である。前記Ｘ方向において、前記第二溝１１３８の横断面の形状及び面積は基本的に同じであるが、製造の制限またはその他の条件の影響により、誤差が生じ得る。しかし、該誤差は、横断面の全体の形状に影響しない程度であることが好ましい。
【００３０】
前記第一溝１１３６と前記第二溝１１３８との横断面の形状、面積及び深度は異なる。前記第二溝１１３８の深度ｈ２は、前記第一溝１１３６の深度ｈ１より深い。好ましくは、前記第一溝１１３６の深度ｈ１と前記第二溝１１３８の深度ｈ２との比率は、１：１．２≦ｈ１：ｈ２≦１：３である。前記第一溝１１３６の深度ｈ１は３０ｎｍ〜１２０ｎｍであり、前記第二溝１１３８の深度ｈ２は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。本実施例において、前記第一溝１１３６の深度ｈ１は８０ｎｍであり、前記第二溝１１３８の深度ｈ２は１８０ｎｍである。前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との間の距離及び前記第一溝１１３６の深度ｈ１と前記第二溝１１３８の深度ｈ２の比率は、製品の具体的な条件に応じて選択することができる。
【００３１】
前記三次元ナノ構造体１１３の幅とは、前記三次元ナノ構造体１１３のＸ方向での断面の、異なる水平面で、前記Ｙ方向に沿って延伸する長さを指す。本実施例における前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅λとは、前記三次元ナノ構造体１１３のＸ方向での断面の、前記シリコン基板１１０の表面で、Ｙ方向に沿って延伸する長さを指す。Ｍ型の前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅λは、１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記シリコン基板１１０と離れる方向に沿って、前記三次元ナノ構造体１１３の幅は短くなる。即ち、各々の前記三次元ナノ構造体１１３において、前記第一突部１１３２の最高点と前記第二突部１１３４の最高点との間の距離は、三次元ナノ構造体１１３の最大幅より短い。
【００３２】
近接する二つの前記第二溝１１３８の間の距離は、一つの前記第二溝１１３８の、前記シリコン基板１１０の方向に凹んだ最底点から、該一つの第二溝１１３８に近接するもう一つの前記第二溝１１３８の、前記シリコン基板１１０の方向に凹んだ最底点までの距離である。即ち、近接する二つの前記第二溝１１３８の間の距離は、前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅である。また、近接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の間の距離λ０は同じか、或いは同じでなくても良い。前記距離λ０は、前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の高さの増加によって増加し、その高さが減少する場合、該距離λ０も減少する。
【００３３】
前記Ｙ方向において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の距離λ０は０ｎｍ〜２００ｎｍである。前記λ０が０である場合、前記第二溝１１３８の横断面はＶ型である。しかし、前記λ０＞０である場合、前記第二溝１１３８の横断面は倒立の台形になる。前記Ｙ方向において、複数の前記三次元ナノ構造体１１３は、前記シリコン基板１１０に、周期性を持って互いに平行に設置される。前記三次元ナノ構造体１１３の周期Ｐは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、該周期Ｐと、前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅λと、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の距離λ０と、は、下記の式（１）を満たす。
【００３４】
（式１）
Ｐ＝λ＋λ０ （１）
【００３５】
前記Ｐ、前記λ及びλ０の単位はナノメートルである。前記周期Ｐが固定値である場合、λ０が増加すると、λは減少する。これとは逆に、λ０が減少すると、λは増加する。また、複数の前記三次元ナノ構造体１１３は、複数の周期性によって、前記シリコン基板１１０に形成されることもできる。即ち、一部の前記三次元ナノ構造体１１３は、周期Ｐで配列され、もう一部の前記三次元ナノ構造体１１３は周期Ｐ１（Ｐ≠Ｐ１）で配列されることができる。前記三次元ナノ構造体１１３が複数の周期性で配列する場合、その応用できる領域を拡大することができる。本実施例において、前記周期Ｐは約２００ｎｍであり、前記三次元ナノ構造体１１３の幅λは約１９０ｎｍである。隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の距離λ０は約１０ｎｍである。本実施例において、前記三次元ナノ構造体１１３と、前記シリコン基板１１０とは一体構造である。従って、三次元ナノ構造体アレイは、その性能が更に優れている。
【００３６】
前記ドープシリコン層１２０は、ｎ型ドープシリコン層である。具体的には、前記ドープシリコン層１２０は、前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４上に形成され、且つ過量の例えば燐又はヒ素などを注入させて形成されたｎ型ドープシリコン層である。前記ｎ型ドープシリコン層１２０の厚さは、１０ｎｍ〜１ｍｍである。前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０は、ｐｎ接合を形成するので、前記太陽電池１０は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の前記三次元ナノ構造体１１３が形成されているので、前記シリコン基板１１０と前記ドープシリコン層１２０との間に形成されたｐｎ接合の界面の面積が増大され、前記太陽電池１０の太陽光を受け取る面積を増大させることができる。また、複数の前記三次元ナノ構造体１１３は、バンドギャップの特性を有するので、光量子が複数の前記三次元ナノ構造体１１３に滞留する時間が長くなり、前記複数の三次元ナノ構造体１１３で吸収できる光の周波数が広くなる。従って、前記太陽電池１０の光吸収率を高め、前記太陽電池１０の光電変換効率を高めることができる。
【００３７】
更に、前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の前記三次元ナノ構造体１１３が形成されているので、太陽光が前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４に照射されると、数回屈折―反射―屈折できるので、前記太陽光は繰り返して利用され、前記シリコン太陽電池の太陽光に対する吸収率を更に高めることができる。
【００３８】
前記前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０に部分的に接触する、又は完全に接触する。前記前面電極１３０が、前記ドープシリコン層１２０に部分的に接触する場合、前記前面電極１３０の一部は、複数の前記三次元ナノ構造体１１３によって、隣接する前記三次元ナノ構造体１１３の間に懸架される。また、もう一部は複数の前記三次元ナノ構造体１１３上の前記ドープシリコン層１２０と接触する。前記前面電極１３０が、前記ドープシリコン層１２０の全ての表面に被覆して配置される場合、前記前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０に完全に接触することができる。前記前面電極１３０は、例えば、ＩＴＯ又はカーボンナノチューブを含む良好な導電性及び透明性を有する材料からなる。この場合、前記太陽電池１０の光電変換効率は高くなり、前記太陽電池１０は良好な耐用性及び均一な抵抗などの特性を有することができる。従って、前記太陽電池１０の性能を高めることができる。
【００３９】
前記前面電極１３０がＩＴＯからなる場合、該前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０の表面を被覆して、前記ドープシリコン層１２０に完全に接触する。
【００４０】
前記前面電極１３０がカーボンナノチューブからなる場合、該前面電極１３０は、カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体である。該カーボンナノチューブ構造体は、自立構造を有するカーボンナノチューブフィルム又はカーボンナノチューブワイヤである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、前記カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。例えば、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数の前記三次元ナノ構造体１１３によって部分的に懸架されて、該複数の三次元ナノ構造体１１３上の前記ドープシリコン層１２０と部分的に接触する。前記前面電極１３０は、前記太陽電池１０のｐｎ接合において、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する際に生じる電流を収集することに用いられる。
【００４１】
更に、前記太陽電池１０は、パッシベーション層（ｐａｓｓｉｖａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ，図示せず）を含むことができる。該パッシベーション層は、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の間に配置される。前記パッシベーション層は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなり、その厚さは１オングストローム〜３０オングストロームである。前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の間に該パッシベーション層を配置することにより、電子及び正孔が、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面に接合する速度を緩めるので、前記太陽電池１０の光電変換効率を更に高める。
【００４２】
前記太陽電池１０において、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面にｐｎ接合が形成され、前記ドープシリコン層１２０に生じた過量の電子は、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面に隣接して分布し、前記ドープシリコン層１２０から前記シリコン基板１１０への電場を形成する。太陽光は、前記太陽電池１０の前記前面電極１３０側から入射して、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面に到達すると、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の間に形成されたｐｎ接合を衝撃して、複数の電子と正孔を生成する。前記複数の電子と正孔は、前記電場の作用下で分離し、電子は前記前面電極１３０へ移動し、正孔は前記背面電極１００へ移動して、それぞれ前記前面電極１３０及び前記背面電極１００に収集され、電流を形成する。
【００４３】
図５を参照すると、前記太陽電池１０の製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板１１０１を形成するステップ（Ｓ１０）と、前記シリコン基板１１０１の第二表面に複数のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３を形成して、前記パターン化シリコン基板１１０を形成するステップ（Ｓ１１）と、前記シリコン基板１１０のパターン化表面上に、ドープシリコン層１２０を形成するステップ（Ｓ１２）と、前記ドープシリコン層１２０の少なくとも一部に、前面電極１３０を接触するように形成するステップ（Ｓ１３）と、前記シリコン基板１１０の第一表面に背面電極１００を形成して、前記背面電極１００を前記シリコン基板１１０の第一表面とオーミック接触させるステップ（Ｓ１４）と、を含む。
【００４４】
前記ステップ（Ｓ１０）において、互いに対向する前記第一表面及び前記第二表面を含む平板状の前記シリコン基板１１０１を提供する。該シリコン基板１１０１は、ｐ型シリコン基板であり、該ｐ型シリコン基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコン或は他の半導体材料からなる。本実施例において、前記シリコン基板１１０１は、ｐ型単結晶シリコン片であり、その厚さは２００μｍ〜３００μｍである。前記シリコン基板１１０１のサイズ、厚さ、形状は限定されず、必要に応じて選択できる。
【００４５】
図６を参照すると、前記ステップ（Ｓ１１）は、前記シリコン基板１１０１の表面に、前記マスク層１０３を設置するステップ（Ｓ１１１）と、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターニングするステップ（Ｓ１１２）と、前記シリコン基板１１０１をエッチングして、該シリコン基板１１０１の表面をパターニングした後、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成するステップ（Ｓ１１３）と、前記マスク層１０３を取り除き、複数の三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ１１４）と、を含む。
【００４６】
前記ステップ（Ｓ１１１）において、前記マスク層１０３は単層構造或いは複合構造である。前記マスク層１０３が単層構造である場合、該マスク層１０３の材料は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどであり、前記マスク層１０３によって、前記シリコン基板１１０１の被覆される部分を保護する。本実施例において、前記マスク層１０３は複合マスク層である。前記マスク層１０３は第一マスク層１０３２及び第二マスク層１０３４を含む。前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、前記シリコン基板１１０１に積層され、前記第二マスク層１０３４は前記第一マスク層１０３２に被覆される。前記シリコン基板１１０１は、前記第一マスク層１０３２の一つの表面に隣接し、前記第二マスク層１０３４は、前記第一マスク層１０３２が前記シリコン基板１１０１と隣接する表面の反対側の表面に隣接し、且つ前記第一マスク層１０３２を覆う。前記第一マスク層１０３２と前記第二マスク層１０３４の材料は限定されず、必要とするエッチングする深度及びエッチング用気体などに応じて選択できる。前記第一マスク層１０３２は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＰＭＭＡ、ＰＳ、ＳＡＬ６０１、ＡＲＺ７２０等から、前記第二マスク層１０３４は、ＨＳＱ、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。本実施例において、前記第一マスク層１０３２の材料はＺＥＰ５２０Ａであり、前記第二マスク層１０３４の材料はＨＳＱである。スクリーン印刷法或いはスピンコーティング法によって、前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、前記シリコン基板１１０１の表面に堆積される。
【００４７】
前記ステップ（Ｓ１１１）は、前記第一マスク層１０３２を形成するステップ（Ｓ１１１ａ）と、前記第二マスク層１０３４を形成するステップ（Ｓ１１１ｂ）と、を含む。
【００４８】
前記ステップ（Ｓ１１１ａ）において、第一段階では、前記シリコン基板１１０１の表面を洗浄し、前記シリコン基板１１０１の表面に、ＺＥＰ５２０Ａをスピンコーティングする。該スピンコーティングの回転速度は５００回転／分〜６０００回転／分であり、時間は０．５分間〜１．５分間である。第二段階では、１４０℃〜１８０℃の温度で乾燥させて、前記シリコン基板１１０１の表面に前記第一マスク層１０３２を形成する。乾燥時間は３分間〜５分間である。この際、前記第一マスク層１０３２の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍに達する。
【００４９】
前記ステップ（Ｓ１１１ｂ）において、第一段階では、高圧の条件下で、前記第一マスク層１０３２の表面に、前記ＨＳＱをスピンコーティングする。該スピンコーティングの回転速度は２５００回転／分〜７０００回転／分であり、時間は０．５分〜２分間である。第二段階では、前記ＨＳＱを固化して、前記第二マスク層１０３４を形成する。この際、前記第二マスク層１０３４の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍであるが、好ましくは、３００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二マスク層１０３４は構造の安定性に優れ、室温でプレスでき、且つプレスの解像度が１０ｎｍ以下に達する。
【００５０】
また、前記ステップ（Ｓ１１１ａ）と前記ステップ（Ｓ１１１ｂ）の間に更に一つのステップ（Ｓ１１１ｃ）を含むことができる。該ステップ（Ｓ１１１ｃ）において、前記第一マスク層１０３２の表面に一つの過渡層（図示せず）を形成する。本実施例において、該過渡層はシリカからなり、且つ前記第二マスク層１０３４をエッチングする際、前記第一マスク層１０３２を保護することに用いられる。
【００５１】
前記ステップ（Ｓ１１２）は、ナノパターン化表面を有する金型２００を提供するステップ（Ｓ１１２ａ）と、前記金型２００のナノパターン化表面を前記第二マスク層１０３４に貼合し、常温でプレスした後、分離させるステップ（Ｓ１１２ｂ）と、形成された凹溝の底部の前記第二マスク層１０３４を除去し、前記第一マスク層１０３２を露出させるステップ（Ｓ１１２ｃ）と、凹溝の部分に対応する前記第一マスク層１０３２を除去し、前記シリコン基板１１０１を露出させ、パターニングした前記マスク層１０３を形成するステップ（Ｓ１１２ｄ）と、を含む。
【００５２】
前記ステップ（Ｓ１１２ａ）において、前記金型２００は、硬質材料、或いは軟質材料からなる。前記金型２００が硬質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、例えば、ニッケル、シリコン或いはシリカである。前記金型２００が軟質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、またはＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。前記金型２００の表面には、ナノパターンが形成されている。ナノパターンとは、複数の突部が間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部、或いは間隔をおいて配列された複数の同心円状の突部構造、或いは同心四角状の突部構造体からなるアレイである。本実施例において、前記金型２００の表面に形成されたナノパターンとは、複数の突部が間隔をおいて配列されたアレイである。前記複数の突部はストリップ状の突部構造であり、且つ同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つのストリップ状の突部構造の間には、凹溝が形成されている。前記ストリップ状の突部構造と凹溝との、それらの延伸する方向での断面は、それぞれ矩形である。前記複数の突部の延伸する方向と垂直する方向に沿った、前記ストリップ状の突部構造の幅は限定されず、必要に応じて選択できる。本実施例において、前記金型２００の材料はシリカであり、前記ストリップ状の突部構造の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記凹溝の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記ストリップ状の突部構造の幅と溝の幅は同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００５３】
前記ステップ（Ｓ１１２ｂ）において、常温下で、前記金型２００を通じて、前記シリコン基板１１０１までに圧力を加えることによって、前記金型２００の表面のナノパターンを、前記第二マスク層１０３４に転写させる。具体的には、先ず、ナノパターンを有する前記金型２００を、前記第二マスク層１０３４と貼合させ、次に、真空度が１×１０-１ｍｂａｒ〜１×１０-５ｍｂａｒであり、圧力が２ポンド／平方フット〜１００ポンド／平方フットである条件で、前記金型２００と前記第二マスク層１０３４とを貼合し続け、この状態を２分間〜３０分間保持し、最後に、前記金型２００と前記第二マスク層１０３４とを分離させる。これにより、前記金型２００の表面のパターニングしたナノパターンは、記第二マスク層１０３４に転写される。
【００５４】
前記第二マスク層１０３４の表面に転写されたパターニングしたナノパターンは、並列に延伸する複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状の突部構造間には、凹溝が形成され、且つ、前記第二マスク層１０３４の凹溝の大きさ及び形状は、前記金型２００の突部の大きさ及び形状と対応し、前記第二マスク層１０３４のストリップ状の突部の大きさ及び形状は、前記金型２００の凹溝の大きさ及び形状と対応する。圧力を加える過程において、前記第二マスク層１０３４は、前記金型２００の突部に圧縮されて、薄くなり、前記第二マスク層１０３４中に凹溝を形成する。これにより、凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４が薄層となり、前記第一マスク層１０３２の表面に付着する。
【００５５】
前記ステップ（Ｓ１１２ｃ）において、プラズマエッチング法によって、前記凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４を除去する。本実施例において、前記凹溝の底部に残留した前記第二マスク層１０３４は、反応性プラズマエッチング法によって除去し、前記第一マスク層１０３２を露出させる。具体的には、パターン化された前記第二マスク層１０３４が形成された前記基板前記シリコン基板１０１１を、反応性プラズマエッチングのシステムに設置し、該反応性プラズマエッチングのシステムによって、四フッ化炭素（ＣＦ４）のプラズマを形成する。その後、該形成された前記四フッ化炭素のプラズマは拡散し、前記第二マスク層１０３４に移動する。この際、前記凹溝底部の前記第二マスク層１０３４は、前記四フッ化炭素プラズマによってエッチングされる。該四フッ化炭素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入速度は、２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、気圧は、０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、前記四フッ化炭素プラズマでエッチングする時間は、２秒間〜４分間である。本実施例において、前記四フッ化炭素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該該四フッ化炭素プラズマの導入流量は２６ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１０秒間である。以上の方法により、前記凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４は、前記四フッ化炭素プラズマにエッチングされて、前記第一マスク層１０３２を露出させる。同時に、前記第二マスク層１０３４の突部構造はエッチングされて薄くなる。しかし、この際、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、完全な形態を保持することができる。
【００５６】
前記ステップ（Ｓ１１２ｄ）において、前記凹溝の底部の前記第一マスク層１０３２を、酸素プラズマエッチングのシステム中で、酸素プラズマによってエッチングして、前記シリコン基板１１０１を露出させる。該酸素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、前記酸素プラズマの導入速度は２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、酸素プラズマにエッチングされる時間は５秒間〜５分間である。本実施例において、前記酸素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該酸素プラズマの導入流量は４０ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１２０秒である。以上の方法により、前記凹溝と対応する前記第一マスク層１０３２は、酸化によってエッチングされ、前記第二マスク層１０３４は、前記凹溝と対応しない領域を被覆し、エッチング過程において、前記第一マスク層１０３２の解像度を有効に保持する。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンを、前記第一マスク層１０３２に複製でき、これにより、前記マスク層１０３は全体的にパターン化される。
【００５７】
前記マスク層１０３は、前記シリコン基板１１０１の表面に形成される複数の突部構造１０３１を含む。隣接する該突部構造１０３１の間には、溝１０３３がそれぞれ形成される。前記溝１０３３と対応する領域における前記シリコン基板１１０１の表面は露出され、前記突部構造１０３１は、前記溝１０３３と対応する領域以外の領域を被覆する。また、エッチング気体全体の流動速度及びエッチング方向を抑制させることにより、エッチングが終わった後に形成された前記突部構造１０３１の側壁は、前記シリコン基板１１０１とほぼ垂直となる。これにより、後続の前記シリコン基板１１０１のエッチング中において形成される前記三次元ナノ構造体予備成形物の形状の一致性及び均一性を、保証することができる。前記第一マスク層１０３２をエッチングする過程において、前記第二マスク層１０３４の突部構造は多少エッチングされる。しかし、前記第二マスク層１０３４がエッチングされる速度は、前記第一マスク層１０３２がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、基本的に保持される。
【００５８】
前記ステップ（Ｓ１１３）において、前記シリコン基板１１０１を、誘導結合プラズマエッチングのシステムに設置した後、エッチング用気体を利用して、前記シリコン基板１１０１をエッチングする。エッチングする過程において、前記溝１０３３に対応する部分の前記シリコン基板１１０１は、該気体によって除去され、前記シリコン基板１１０１の表面に凹溝が形成される。
【００５９】
更に、前記エッチングする過程は、前記マスク層１０３に被覆されない前記シリコン基板１１０１の表面をエッチングして、前記シリコン基板１１０１の表面に複数の凹溝を形成し、該複数の凹溝の深度は、全て基本的に同じであるステップ（Ｓ１１３ａ）と、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層１０３中の隣接する二つの前記突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部（前記シリコン基板１１０１と離れる一端）が二つずつ互いに接近して、最後は接触するステップ（Ｓ１１３ｂ）と、を含む。
【００６０】
前記ステップ（Ｓ１１３ａ）において、エッチングする過程で、エッチングに採用した気体は、前記マスク層１０３に被覆されない前記シリコン基板１１０１と反応して、保護層を形成する。該保護層は、前記シリコン基板１１０１がさらにエッチングされることを阻止できるので、前記シリコン基板１１０１のエッチングする面積は徐々に小さくなる。即ち、前記シリコン基板１１０１に形成された凹溝の広さは、前記シリコン基板１１０１のエッチング方向に沿って小さくなり、該凹溝の壁は、前記シリコン基板１１０１の表面とほぼ垂直となる。同時に、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３の前記突部構造１０３１の頂部をエッチングすることによって、前記突部構造１０３１の頂部の幅を次第に狭くさせる。前記エッチングする過程において、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３もエッチングする。しかし、前記マスク層１０３がエッチングされる速度は、前記シリコン基板１１０１の表面がエッチングされる速度より遅い。従って、前記シリコン基板１１０１がエッチングされて、前記複数の凹溝が形成される過程において、前記マスク層１０３の形態及び分布を保持することができる。
【００６１】
前記ステップ（Ｓ１１３ｂ）は、以下の三つのサブステップを含む。
【００６２】
第一サブステップにおいて、気体によってエッチングする過程中に、プラズマの衝突作用によって、隣接する二つの前記突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部（前記シリコン基板１１０１と離れる一端）は二つずつ互いに接近して、最後は接触する。
【００６３】
第二サブステップにおいて、隣接する二つの前記突部構造１０３１の頂部は、次第に互いに接近して接触するので、前記シリコン基板１１０１の、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する部分のエッチングする速度は遅くなる。即ち、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する位置に形成された凹溝の幅は、エッチングされる深度に伴い狭くなり、更に、Ｖ型構造の凹溝を形成し、この際、該凹溝の深さは比較的浅い。従って、エッチングする気体は同じエッチングする速度で、未だ接触していない前記突部構造１０３１間において、前記シリコン基板１１０１をエッチングする。これにより、未だ接触していない前記突部構造１０３１の間に形成されている溝の深度は、前記突部構造１０３１の頂部における接触する部分に形成される凹溝より深い。
【００６４】
第三サブステップにおいて、前記突部構造１０３１の頂部が二つずつ接触した後、気体は、接触する部分に被覆された前記シリコン基板１１０１をエッチングし続けることができない。従って、前記シリコン基板１１０１の表面に、前記第一溝１１３６が形成される。同時に、気体は、接触していない二つの前記突部構造１０３１間における前記基板１０１をエッチングし続け、前記第二溝１１３８を形成する。これにより、前記第二溝１１３８の深度は前記第一溝１１３６の深度より深くなり、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成する。
【００６５】
本実施例において、前記気体は混合気体であり、該混合気体はＣｌ２、ＢＣｌ３、Ｏ２、Ａｒ２を含む。プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、混合気体の導入速度は８ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、エッチングする時間は５秒〜５分間である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入速度は２ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は３ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍである。エッチングする速度と精確性を保証するために、混合気体の導入速度は、好ましくは、４０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍである。本実施例において、前記プラズマエッチングのシステムの仕事率は７０Ｗであり、プラズマの導入流動は４０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は２Ｐａであり、エッチングする時間は１２０秒である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２６ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入速度は１６ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は２０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１０ｓｃｃｍである。
【００６６】
前記マスク層１０３及びエッチングする気体は制限されず、必要に応じて選択できる。エッチングする過程において、前記マスク層１０３における前記突部構造１０３１が二つずつ接触することができるならば、純粋な気体、或いは混合気体でも良い。また、必要とする三次元ナノ構造体のサイズと寸法によって、気体の導入速度、気圧、エッチング時間、気体の比率などを選択できる。
【００６７】
前記ステップ（Ｓ１１４）において、有機溶剤によって、前記マスク層１０３を溶解して除去した後、前記三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成する。該有機溶剤は、例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール或いはエタノールなどである。本実施例において、前記有機溶剤はブタノンである。前記マスク層１０３はブタノンに溶解されて、前記シリコン基板１１０１から脱離する。前記マスク層１０３を除去した後、前記シリコン基板１１０を形成する。即ち前記シリコン基板１１０に複数の前記三次元ナノ構造体１１３が形成される。前記三次元ナノ構造体１１３と前記シリコン基板１１０は一体成型である。
【００６８】
本実施例において、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチングの方法によって、前記マスク層１０３に複数のストリップ状の突部構造及び凹溝を形成する。しかし、前記マスク層１０３を処理する方法はこれらに限定されず、パターニングされた前記マスク層１０３が、複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状突部構造の間に凹溝を形成し、前記マスク層１０３が、前記シリコン基板１１０１に設置された後、前記シリコン基板１１０１の表面が前記凹溝によって、露出されれば良い。又は、他の媒介或いは基板に、前記パターニングされた前記マスク層１０３を形成した後、前記マスク層１０３が前記シリコン基板１１０１の表面に設置されれば良い。
【００６９】
（実施例２）
図７を参照すると、実施例２は、太陽電池２０を提供する。該太陽電池２０は、順次に積層された背面電極１００と、シリコン基板１１０と、ドープシリコン層１２０と、前面電極１３０と、ナノ金属層１４０と、を含む。前記シリコン基板１１０には、複数の三次元ナノ構造体１１３が形成されている。前記太陽電池２０は、実施例１の太陽電池１０と比べて、次の異なる点がある。前記太陽電池２０は、更にナノ金属層１４０を含み、該ナノ金属層１４０は、前記ドープシリコン層１２０と前面電極１３０との間に設置され、前記ドープシリコン層１２０の前面電極１３０と隣接する表面に被覆される。前記ナノ金属層１４０は、複数の金属ナノ粒子が展開する単層構造体又は多層構造体である。前記ナノ金属層１４０の厚さは２ｎｍ〜２００ｎｍであるが、好ましくは５０ｎｍである。前記ナノ金属層１４０は、金、銀、銅、鉄及びアルミニウムなどのいずれか一種からなる。この場合、前記前面電極１３０は、前記ナノ金属層１４０に部分的に接触する、又は完全に接触する。前記前面電極１３０が、前記ナノ金属層１４０に部分的に接触する場合、前記前面電極１３０の一部は、前記複数の三次元ナノ構造体１１３によって、隣接する三次元ナノ構造体１１３の間に懸架され、別の一部は前記複数の三次元ナノ構造体１１３上の前記ナノ金属層１４０と接触する。前記前面電極１３０の全ての表面が前記ナノ金属層１４０に被覆される場合、前記前面電極１３０は、前記ナノ金属層１４０に完全に接触する。
【００７０】
太陽光が前記前面電極１３０を通じて、前記ナノ金属層１４０に照射した際、前記ナノ金属層１４０の表面にプラズマが発生するので、前記ナノ金属層１４０に隣接した前記ドープシリコン層１２０の光量子の吸収率を増加させる。また、前記ナノ金属層１４０の表面のプラズマによって形成された電磁場は、ｐｎ接合箇所に形成された複数の電子と正孔の分離を有利にさせる。
【００７１】
前記ナノ金属層１４０は、電子ビーム蒸着方法によって前記ドープシリコン層１２０の表面に被覆される。
【００７２】
図８を参照すると、前記太陽電池２０の製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板１１０１を形成する（Ｓ２０）と、前記シリコン基板１１０１の第二表面に複数のＭ型の三次元ナノ構造体１１３を設置し、シリコン基板１１０を形成するステップ（Ｓ２１）と、前記複数のＭ型の三次元ナノ構造体１１３の表面にドープシリコン層１２０を形成するステップ（Ｓ２２）と、前記ドープシリコン層１２０上に、ナノ金属層１４０を形成するステップ（Ｓ２３）と、前面電極１３０を、前記ナノ金属層１４０の少なくとも一部に接触するように形成するステップ（Ｓ２４）と、前記シリコン基板１１０の前記第一表面に背面電極１００を形成し、前記背面電極１００を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させるステップ（Ｓ２５）と、を含む。
【００７３】
前記太陽電池２０の製造方法は、実施例１の太陽電池１０の製造方法と比べて、次の異なる点がある。該異なる点とは、前記複数のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３の表面にドープシリコン層を形成した後、更に、前記ドープシリコン層の上に前記ナノ金属層１４０を形成することである。
【符号の説明】
【００７４】
１０、２０ 太陽電池
１００ 背面電極
１０３ マスク層
１１０ シリコン基板
１１２ 第一表面
１１３ 三次元ナノ構造体
１１４ 第二表面
１２０ ドープシリコン層
１３０ 前面電極
１４０ ナノ金属層
１０３１ 突部構造
１０３２ 第一マスク層
１０３３ 溝
１０３４ 第二マスク層
１１０１ シリコン基板
１１３１ 三次元ナノ構造体予備成形物
１１３２ 第一突部
１１３４ 第二突部
１１３６ 第一溝
１１３８ 第二溝
１１３２ａ、１１３４ａ、 第一面
１１３２ｂ、１１３４ｂ、 第二面
２００ 金型
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は光合成原理を応用して、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する電池であり、具体的には、光起電力効果を利用して、太陽光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力する。主流のシリコン太陽電池（非特許文献１を参照）の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されている。
【０００３】
現在、太陽電池は主にシリコン太陽電池である。従来のシリコン太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン太陽電池の中で、前記シリコン基板と前記ドープシリコン層はｐｎ接合を形成し、該ｐｎ接合に太陽光があたると、それが刺激となって、複数の電子と正孔が発生する。該複数の電子と正孔は、電場の作用下で分離し、且つ背面電極と前面電極にそれぞれ移動する。前記シリコン太陽電池の背面電極及び前面電極が負荷を受けると、該背面電極及び電極の間に外部回路の負荷を通じて電流が流れる。
【０００４】
しかし、従来のシリコン太陽電池の前記ドープシリコン層の表面は、平坦な平面構造を有し、また、その表面積は小さいので、シリコン太陽電池の太陽光を受け取る面積は小さい。また、太陽光が前記ドープシリコン層の表面に達した際、その一部の太陽光は前記ドープシリコン層の平坦な表面で反射される。従って、従来のシリコン太陽電池は、太陽光の吸収率が低い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】張明杰等、“太陽電池及び多晶シリコンの製造”、「材料及び冶金の学報」、２００７年、第１６巻、第３３頁〜第３８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、前記課題を解決するために、本発明は太陽光を受け取る面積が大きく、且つ太陽光の吸収率が高い太陽電池及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の太陽電池は、背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む。前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に形成される。前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体である。
【０００８】
本発明の太陽電池の製造方法は、対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成する第一ステップと、前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成する第二ステップと、前記シリコン基板の第二表面にドープシリコン層を形成する第三ステップと、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に前面電極を形成する第四ステップと、前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させる第五ステップと、を含む。前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体である。
【発明の効果】
【０００９】
従来の技術と比べて、本発明の太陽電池は、シリコン基板に、複数の三次元ナノ構造体が形成されている。前記三次元ナノ構造体は、Ｍ型構造を有するので、前記太陽電池の太陽光を受け取る面積を増大させる。また、複数の前記三次元ナノ構造体は、バンドギャップの特性を有するので、光量子の前記複数の三次元ナノ構造体に滞留する時間が長くなり、複数の前記三次元ナノ構造体の光に対して吸収できる周波数が広くなる。従って、前記太陽電池の光吸収率を高め、前記太陽電池の光電変換効率を高めることができる。更に、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の前記三次元ナノ構造体が形成されているので、太陽光が前記シリコン基板の前記第二表面に達すると、繰り返して屈折―反射―屈折することにより、太陽光の大部分が前記シリコン基板の前記第二表面における複数の三次元ナノ構造体に吸収されるので、前記太陽電池の太陽光に対する吸収率を更に高めることができる。また、前記太陽電池の製造工程は簡単で、且つコストも低い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１の太陽電池の構造を示す図である。
【図２】図１に示す太陽電池のシリコン基板の構造を示す図である。
【図３】図１に示す太陽電池のシリコン基板の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図２中の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】本発明の実施例１の太陽電池の製造工程を示す図である。
【図６】図１に示す太陽電池のシリコン基板の第二表面の複数の三次元ナノ構造体の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の実施例２の太陽電池の構造を示す図である。
【図８】本発明の実施例２の太陽電池の製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１を参照すると、本発明の実施例１は、太陽電池１０を提供する。該太陽電池１０は、順次的に積層された背面電極１００と、シリコン基板１１０と、ドープシリコン層１２０及び前面電極１３０と、を含む。太陽光は、前記太陽電池１０の前記前面電極１３０側から入射する。前記シリコン基板１１０は、第一表面１１２及び該第一表面１１２に対向する第二表面１１４を含む。前記背面電極１００は、前記シリコン基板１１０の前記第一表面１１２に設置され、該第一表面１１２とオーミック接触する。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の三次元ナノ構造体１１３が形成されている。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４は、複数の三次元ナノ構造体１１３の表面及び隣接する前記三次元ナノ構造体１１３の間の面を含むパターン化された表面を示す。各々の前記三次元ナノ構造体１１３はＭ型構造体である。また、前記ドープシリコン層１２０は、前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４に形成される。前記前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０の少なくとも一部の表面と接触するように配置される。
【００１３】
前記背面電極１００は、アルミニウム、マグネシウム、銀など金属材料のいずれか一種又は数種からなる。前記背面電極１００の厚さは１０μｍ〜３００μｍである。本実施例において、前記背面電極１００は、アルミニウムからなる薄膜であり、その厚さは２００μｍである。
【００１４】
図２及び図３を参照すると、前記シリコン基板１１０は、ｐ型シリコン基板である。前記シリコン基板１１０は、単結晶シリコン、多結晶シリコン或は他のｐ型半導体材料からなる。本実施例において、前記シリコン基板１１０は、ｐ型単結晶シリコン片であり、その厚さは２０μｍ〜３０μｍである。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の三次元ナノ構造体１１３がアレイの形態によって配列して形成されている。
【００１５】
前記三次元ナノ構造体１１３はＭ型構造体である。前記Ｍ型構造体とは、前記シリコン基板１１０から前記シリコン基板１１０を離れる方向に延伸するＭ型の突起を有する構造のことである。前記三次元ナノ構造体１１３は前記シリコン基板１１０と一体構造を有する。ここで、一体構造を有するとは、前記三次元ナノ構造体１１３が、前記シリコン基板１１０との間に間隙を有さず、前記シリコン基板１１０と一体であることを指す。前記三次元ナノ構造体１１３は、前記シリコン基板１１０に形成されたストリップ状の突起構造を有する。
【００１６】
前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、直線、折れ線或いは曲線によって、前記シリコン基板１１０上に並列し、且つ該シリコン基板１１０に平行に延伸している。前記複数の三次元ナノ構造体１１３の延伸する方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。延伸する方向が変化しない場合、前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、直線で、並列に延伸する。該延伸する方向と垂直な方向において、前記複数の三次元ナノ構造体１１３の横断面はそれぞれＭ型であり、且つそれらの形状や面積は同じである。延伸する方向が変化する場合、前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、折れ線或いは曲線で、並列に延伸する。該延伸する方向において、任意の点を選び、前記複数の三次元ナノ構造体１１３の該任意の点における横断面は各々Ｍ型であり、且つそれらの形状や面積は同じである。
【００１７】
図４を参照すると、本実施例において、前記三次元ナノ構造体１１３はストリップ状の突起構造体であり、該ストリップ状の突起構造は、直線で同じ方向に沿って延伸している。前記複数の三次元ナノ構造体１１３は、一次元アレイによって、前記シリコン基板１１０に分布して、前記三次元ナノ構造体アレイを形成する。ここで、一次元アレイとは、複数のストリップ状の突起構造が同じ方向に沿って延伸し、且つ、前記シリコン基板１１０に平行することを指す。前記複数の三次元ナノ構造体１１３が、前記シリコン基板１１０に均一に分布しているので、前記三次元ナノ構造体アレイは対称的なパターンを形成する。
【００１８】
ここで、前記ストリップ状の突起構造の延伸する方向をＸ方向と定義し、該ストリップ状の突起構造の延伸する方向と垂直な方向をＹ方向と定義する。前記Ｘ方向には、該Ｘ方向に沿って、前記ストリップ状の突起構造の一端が、対向する他端までそれぞれ延在し、前記Ｙ方向には、該Ｙ方向に沿って、二つの突起構造からなるストリップ状の前記複数の三次元ナノ構造体１１３が、互いに並列している。また、この際、各々の前記三次元ナノ構造体１１３のＸ方向における断面はＭ型である。従って、前記三次元ナノ構造体１１３はＭ型の三次元ナノ構造体である。
【００１９】
図４を参照すると、各々の前記三次元ナノ構造体１１３は、第一突部１１３２及び第二突部１１３４をそれぞれ有する。前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４は、その延伸方向は同じであり、互いに並列して、全てＸ方向に沿って延伸している。前記第一突部１１３２は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂである。前記第一面１１３２ａ及び前記第二面１１３２ｂは、それぞれ平面、曲面或いは折り面でも良い。本実施例において、前記第一面１１３２ａ及び前記第二面１１３２ｂは、それぞれ平面である。また、前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂは前記シリコン基板１１０と離れる方向にそれぞれ延伸して交差し、前記第一突部１１３２の先端（図示せず）を形成する。
【００２０】
前記第一突部１１３２の先端の角度θは０°（０°は含まず）〜１８０°（１８０°は含まず）であるが、好ましくは、３０°〜６０°である。
【００２１】
前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａと、前記シリコン基板１１０の表面（図示せず）とがなす角度αは０°（０°は含まず）〜９０°であるが、好ましくは、８０°〜９０°である。
【００２２】
前記第二突部１１３４の構造は、前記第一突部１１３２の構造と基本的に同じである。前記第二突部１１３４は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ前記第一面１１３４ａと前記第二面１１３４ｂである。前記第一面１１３４ａ及び前記第二面１１３４ｂは、前記シリコン基板１１０と離れる方向にそれぞれ延伸して交差し、前記第二突部１１３４の先端を形成する。
【００２３】
前記第二突部１１３４の前記第一面１１３４ａは、角度αのまま、前記シリコン基板１１０と離れる方向に延伸し、且つ前記第二面１１３４ｂと交差する。前記第二面１１３４ｂは、角度βのまま、前記シリコン基板１１０と離れる方向に延伸し、且つ前記第一面１１３４ａと交差する。前記第二突部１１３４の前記第二面１１３４ｂは、前記第一突部１１３２の前記第二面１１３２ｂと、前記シリコン基板１１０の表面に近接する部分で交差して、前記三次元ナノ構造体１１３の第一溝１１３６を形成する。また、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の間には、第二溝１１３８が形成される。具体的には、一つの前記三次元ナノ構造体１１３の前記第二突部１１３４の前記第一面１１３４ａと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体１１３の前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａとは、前記シリコン基板１１０の表面で交差して、前記第二溝１１３８を形成する。
【００２４】
前記第一突部１１３２の前記第二面１１３２ｂが延伸して、前記シリコン基板１１０の前記第一表面１１２と平行な面となす角度βは０°（０°は含まず）〜９０°であるが、前記角度αと同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００２５】
前記第一突部１１３２及び前記第二突部１１３４に関して、前記シリコン基板１１０の表面から、該シリコン基板１１０の表面と離れる方向に突出するその高さに対する制限はない。ここで、該前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との高さとは、図４のｈ２で示すように、前記シリコン基板１１０の表面から前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の最高点までの距離である。前記第一突部１１３２の高さと前記第二突部１１３４の高さは同じでも、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１１３２の高さと前記第二突部１１３４の高さは、それぞれ１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記第一突部１１３２、或いは前記第二突部１１３４の最高点の集合体は直線、折れ線或いは曲線でも良い。即ち、前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂと交差して形成される線は、直線、折れ線或いは曲線である。これと同様に、前記第二突部１１３４の前記第一面１１３４ａと前記第二面１１３４ｂと交差して形成される線は、直線、折れ線或いは曲線である。各々の前記三次元ナノ構造体１１３において、前記第一突部１１３２の最高点と前記第二突部１１３４の最高点との距離は、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。本実施例において、前記第一突部１１３２の高さと前記第二突部１１３４の高さは同じであり、その高さは、１８０ｎｍである。また、前記第一突部１１３２の最高点と前記第二突部１１３４の最高点の集合体は直線である。
【００２６】
前記Ｘ方向において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４の横断面は、台形或いは三角形である。本実施例において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４のＸ方向での横断面はそれぞれ三角形である。前記第一突部１１３２及び前記第二突部１１３４は、二つの突部を形成し、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは接触して、接触線を形成する。また、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との横断面は互いに同じか、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との横断面が同じである場合、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは対称構造を呈する。ここで、「対称構造」とは、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との横断面が接触線に対して、対称であることを指す。また、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは非対称構造であっても良い。本実施例において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４とは対称構造を呈する。
【００２７】
前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との間に間隙がある、或いは間隔がなくても良い。製造における制限またはその他の条件の影響により、前記第一突部１１３２の前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂとは平面ではなく、例えば、その一部分の表面が弧面、折れ面であっても良い。この場合、前記第一面１１３２ａと前記第二面１１３２ｂとが交差して形成された角度θは、尖った角ではなく、弧角などの他の形状である。しかし、該角の具体的な形状は、前記第一突部１１３２の全体の構造に影響しなければ良い。また、前記第二突部１１３４もその一部分の表面が弧面、折れ面である場合、前記第二面１１３４ｂと前記第二面１１３４ａと交差して形成される角度θも、尖った角ではない。つまり、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部１１３４の全体の構造に影響しなければ良い。
【００２８】
各々のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３において、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との間には、前記第一溝１１３６がそれぞれ形成されている。前記第一溝１１３６の延伸する方向は、前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４の延伸する方向と同じである。前記第一溝１１３６の横断面の形状はＶ型である。該Ｖ型を呈する溝は、前記三次元ナノ構造体１１３の表面に位置し、前記三次元ナノ構造体１１３が延伸する方向に沿って延伸する。前記第一溝１１３６の深度ｈ１は、前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の最高点が位置する面と、前記第一溝１１３６の最低点が位置する面との間の最短距離を指す。即ち、前記第一溝１１３６の深度ｈ１は、前記第一溝１１３６が前記シリコン基板１１０の方向に凹む最小距離である。各々のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３の前記第一溝１１３６の深度ｈ１は同じである。前記第一溝１１３６の深度ｈ１は、前記第二突部１１３４の高さｈ２より小さい。
【００２９】
前記第二溝１１３８は、隣接するＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３の間に形成される。前記第二溝１１３８の延伸方向は、Ｍ型の前記三次元ナノ構造体１１３の延伸方向と同じである。前記第二溝１１３８の横断面はＶ型或いは倒立の台形である。前記第二溝１１３８の深度ｈ２は、前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の最高点が位置する面から前記シリコン基板１１０の表面までの距離である。即ち、前記第二溝１１３８の深度ｈ２は、前記第一溝１１３８が、前記シリコン基板１１０の方向に凹む最小距離である。前記Ｘ方向において、前記第二溝１１３８の横断面の形状及び面積は基本的に同じであるが、製造の制限またはその他の条件の影響により、誤差が生じ得る。しかし、該誤差は、横断面の全体の形状に影響しない程度であることが好ましい。
【００３０】
前記第一溝１１３６と前記第二溝１１３８との横断面の形状、面積及び深度は異なる。前記第二溝１１３８の深度ｈ２は、前記第一溝１１３６の深度ｈ１より深い。好ましくは、前記第一溝１１３６の深度ｈ１と前記第二溝１１３８の深度ｈ２との比率は、１：１．２≦ｈ１：ｈ２≦１：３である。前記第一溝１１３６の深度ｈ１は３０ｎｍ〜１２０ｎｍであり、前記第二溝１１３８の深度ｈ２は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。本実施例において、前記第一溝１１３６の深度ｈ１は８０ｎｍであり、前記第二溝１１３８の深度ｈ２は１８０ｎｍである。前記第一突部１１３２と前記第二突部１１３４との間の距離及び前記第一溝１１３６の深度ｈ１と前記第二溝１１３８の深度ｈ２の比率は、製品の具体的な条件に応じて選択することができる。
【００３１】
前記三次元ナノ構造体１１３の幅とは、前記三次元ナノ構造体１１３のＸ方向での断面の、異なる水平面で、前記Ｙ方向に沿って延伸する長さを指す。本実施例における前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅λとは、前記三次元ナノ構造体１１３のＸ方向での断面の、前記シリコン基板１１０の表面で、Ｙ方向に沿って延伸する長さを指す。Ｍ型の前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅λは、１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記シリコン基板１１０と離れる方向に沿って、前記三次元ナノ構造体１１３の幅は短くなる。即ち、各々の前記三次元ナノ構造体１１３において、前記第一突部１１３２の最高点と前記第二突部１１３４の最高点との間の距離は、三次元ナノ構造体１１３の最大幅より短い。
【００３２】
近接する二つの前記第二溝１１３８の間の距離は、一つの前記第二溝１１３８の、前記シリコン基板１１０の方向に凹んだ最底点から、該一つの第二溝１１３８に近接するもう一つの前記第二溝１１３８の、前記シリコン基板１１０の方向に凹んだ最底点までの距離である。即ち、近接する二つの前記第二溝１１３８の間の距離は、前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅である。また、近接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の間の距離λ０は同じか、或いは同じでなくても良い。前記距離λ０は、前記第一突部１１３２或いは前記第二突部１１３４の高さの増加によって増加し、その高さが減少する場合、該距離λ０も減少する。
【００３３】
前記Ｙ方向において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の距離λ０は０ｎｍ〜２００ｎｍである。前記λ０が０である場合、前記第二溝１１３８の横断面はＶ型である。しかし、前記λ０＞０である場合、前記第二溝１１３８の横断面は倒立の台形になる。前記Ｙ方向において、複数の前記三次元ナノ構造体１１３は、前記シリコン基板１１０に、周期性を持って互いに平行に設置される。前記三次元ナノ構造体１１３の周期Ｐは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、該周期Ｐと、前記三次元ナノ構造体１１３の最大幅λと、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の距離λ０と、は、下記の式（１）を満たす。
【００３４】
（式１）
Ｐ＝λ＋λ０ （１）
【００３５】
前記Ｐ、前記λ及びλ０の単位はナノメートルである。前記周期Ｐが固定値である場合、λ０が増加すると、λは減少する。これとは逆に、λ０が減少すると、λは増加する。また、複数の前記三次元ナノ構造体１１３は、複数の周期性によって、前記シリコン基板１１０に形成されることもできる。即ち、一部の前記三次元ナノ構造体１１３は、周期Ｐで配列され、もう一部の前記三次元ナノ構造体１１３は周期Ｐ１（Ｐ≠Ｐ１）で配列されることができる。前記三次元ナノ構造体１１３が複数の周期性で配列する場合、その応用できる領域を拡大することができる。本実施例において、前記周期Ｐは約２００ｎｍであり、前記三次元ナノ構造体１１３の幅λは約１９０ｎｍである。隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１１３の距離λ０は約１０ｎｍである。本実施例において、前記三次元ナノ構造体１１３と、前記シリコン基板１１０とは一体構造である。従って、三次元ナノ構造体アレイは、その性能が更に優れている。
【００３６】
前記ドープシリコン層１２０は、ｎ型ドープシリコン層である。具体的には、前記ドープシリコン層１２０は、前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４上に形成され、且つ過量の例えば燐又はヒ素などを注入させて形成されたｎ型ドープシリコン層である。前記ｎ型ドープシリコン層１２０の厚さは、１０ｎｍ〜１ｍｍである。前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０は、ｐｎ接合を形成するので、前記太陽電池１０は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の前記三次元ナノ構造体１１３が形成されているので、前記シリコン基板１１０と前記ドープシリコン層１２０との間に形成されたｐｎ接合の界面の面積が増大され、前記太陽電池１０の太陽光を受け取る面積を増大させることができる。また、複数の前記三次元ナノ構造体１１３は、バンドギャップの特性を有するので、光量子が複数の前記三次元ナノ構造体１１３に滞留する時間が長くなり、前記複数の三次元ナノ構造体１１３で吸収できる光の周波数が広くなる。従って、前記太陽電池１０の光吸収率を高め、前記太陽電池１０の光電変換効率を高めることができる。
【００３７】
更に、前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４には、複数の前記三次元ナノ構造体１１３が形成されているので、太陽光が前記シリコン基板１１０の前記第二表面１１４に照射されると、数回屈折―反射―屈折できるので、前記太陽光は繰り返して利用され、前記シリコン太陽電池の太陽光に対する吸収率を更に高めることができる。
【００３８】
前記前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０に部分的に接触する、又は完全に接触する。前記前面電極１３０が、前記ドープシリコン層１２０に部分的に接触する場合、前記前面電極１３０の一部は、複数の前記三次元ナノ構造体１１３によって、隣接する前記三次元ナノ構造体１１３の間に懸架される。また、もう一部は複数の前記三次元ナノ構造体１１３上の前記ドープシリコン層１２０と接触する。前記前面電極１３０が、前記ドープシリコン層１２０の全ての表面に被覆して配置される場合、前記前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０に完全に接触することができる。前記前面電極１３０は、例えば、ＩＴＯ又はカーボンナノチューブを含む良好な導電性及び透明性を有する材料からなる。この場合、前記太陽電池１０の光電変換効率は高くなり、前記太陽電池１０は良好な耐用性及び均一な抵抗などの特性を有することができる。従って、前記太陽電池１０の性能を高めることができる。
【００３９】
前記前面電極１３０がＩＴＯからなる場合、該前面電極１３０は、前記ドープシリコン層１２０の表面を被覆して、前記ドープシリコン層１２０に完全に接触する。
【００４０】
前記前面電極１３０がカーボンナノチューブからなる場合、該前面電極１３０は、カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体である。該カーボンナノチューブ構造体は、自立構造を有するカーボンナノチューブフィルム又はカーボンナノチューブワイヤである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、前記カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。例えば、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数の前記三次元ナノ構造体１１３によって部分的に懸架されて、該複数の三次元ナノ構造体１１３上の前記ドープシリコン層１２０と部分的に接触する。前記前面電極１３０は、前記太陽電池１０のｐｎ接合において、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する際に生じる電流を収集することに用いられる。
【００４１】
更に、前記太陽電池１０は、パッシベーション層（ｐａｓｓｉｖａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ，図示せず）を含むことができる。該パッシベーション層は、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の間に配置される。前記パッシベーション層は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなり、その厚さは１オングストローム〜３０オングストロームである。前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の間に該パッシベーション層を配置することにより、電子及び正孔が、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面に接合する速度を緩めるので、前記太陽電池１０の光電変換効率を更に高める。
【００４２】
前記太陽電池１０において、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面にｐｎ接合が形成され、前記ドープシリコン層１２０に生じた過量の電子は、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面に隣接して分布し、前記ドープシリコン層１２０から前記シリコン基板１１０への電場を形成する。太陽光は、前記太陽電池１０の前記前面電極１３０側から入射して、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の接触面に到達すると、前記シリコン基板１１０及び前記ドープシリコン層１２０の間に形成されたｐｎ接合を衝撃して、複数の電子と正孔を生成する。前記複数の電子と正孔は、前記電場の作用下で分離し、電子は前記前面電極１３０へ移動し、正孔は前記背面電極１００へ移動して、それぞれ前記前面電極１３０及び前記背面電極１００に収集され、電流を形成する。
【００４３】
図５を参照すると、前記太陽電池１０の製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板１１０１を形成するステップ（Ｓ１０）と、前記シリコン基板１１０１の第二表面に複数のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３を形成して、前記パターン化シリコン基板１１０を形成するステップ（Ｓ１１）と、前記シリコン基板１１０のパターン化表面上に、ドープシリコン層１２０を形成するステップ（Ｓ１２）と、前記ドープシリコン層１２０の少なくとも一部に、前面電極１３０を接触するように形成するステップ（Ｓ１３）と、前記シリコン基板１１０の第一表面に背面電極１００を形成して、前記背面電極１００を前記シリコン基板１１０の第一表面とオーミック接触させるステップ（Ｓ１４）と、を含む。
【００４４】
前記ステップ（Ｓ１０）において、互いに対向する前記第一表面及び前記第二表面を含む平板状の前記シリコン基板１１０１を提供する。該シリコン基板１１０１は、ｐ型シリコン基板であり、該ｐ型シリコン基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコン或は他の半導体材料からなる。本実施例において、前記シリコン基板１１０１は、ｐ型単結晶シリコン片であり、その厚さは２００μｍ〜３００μｍである。前記シリコン基板１１０１のサイズ、厚さ、形状は限定されず、必要に応じて選択できる。
【００４５】
図６を参照すると、前記ステップ（Ｓ１１）は、前記シリコン基板１１０１の表面に、前記マスク層１０３を設置するステップ（Ｓ１１１）と、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターニングするステップ（Ｓ１１２）と、前記シリコン基板１１０１をエッチングして、該シリコン基板１１０１の表面をパターニングした後、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成するステップ（Ｓ１１３）と、前記マスク層１０３を取り除き、複数の三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ１１４）と、を含む。
【００４６】
前記ステップ（Ｓ１１１）において、前記マスク層１０３は単層構造或いは複合構造である。前記マスク層１０３が単層構造である場合、該マスク層１０３の材料は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどであり、前記マスク層１０３によって、前記シリコン基板１１０１の被覆される部分を保護する。本実施例において、前記マスク層１０３は複合マスク層である。前記マスク層１０３は第一マスク層１０３２及び第二マスク層１０３４を含む。前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、前記シリコン基板１１０１に積層され、前記第二マスク層１０３４は前記第一マスク層１０３２に被覆される。前記シリコン基板１１０１は、前記第一マスク層１０３２の一つの表面に隣接し、前記第二マスク層１０３４は、前記第一マスク層１０３２が前記シリコン基板１１０１と隣接する表面の反対側の表面に隣接し、且つ前記第一マスク層１０３２を覆う。前記第一マスク層１０３２と前記第二マスク層１０３４の材料は限定されず、必要とするエッチングする深度及びエッチング用気体などに応じて選択できる。前記第一マスク層１０３２は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＰＭＭＡ、ＰＳ、ＳＡＬ６０１、ＡＲＺ７２０等から、前記第二マスク層１０３４は、ＨＳＱ、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。本実施例において、前記第一マスク層１０３２の材料はＺＥＰ５２０Ａであり、前記第二マスク層１０３４の材料はＨＳＱである。スクリーン印刷法或いはスピンコーティング法によって、前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、前記シリコン基板１１０１の表面に堆積される。
【００４７】
前記ステップ（Ｓ１１１）は、前記第一マスク層１０３２を形成するステップ（Ｓ１１１ａ）と、前記第二マスク層１０３４を形成するステップ（Ｓ１１１ｂ）と、を含む。
【００４８】
前記ステップ（Ｓ１１１ａ）において、第一段階では、前記シリコン基板１１０１の表面を洗浄し、前記シリコン基板１１０１の表面に、ＺＥＰ５２０Ａをスピンコーティングする。該スピンコーティングの回転速度は５００回転／分〜６０００回転／分であり、時間は０．５分間〜１．５分間である。第二段階では、１４０℃〜１８０℃の温度で乾燥させて、前記シリコン基板１１０１の表面に前記第一マスク層１０３２を形成する。乾燥時間は３分間〜５分間である。この際、前記第一マスク層１０３２の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍに達する。
【００４９】
前記ステップ（Ｓ１１１ｂ）において、第一段階では、高圧の条件下で、前記第一マスク層１０３２の表面に、前記ＨＳＱをスピンコーティングする。該スピンコーティングの回転速度は２５００回転／分〜７０００回転／分であり、時間は０．５分〜２分間である。第二段階では、前記ＨＳＱを固化して、前記第二マスク層１０３４を形成する。この際、前記第二マスク層１０３４の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍであるが、好ましくは、３００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二マスク層１０３４は構造の安定性に優れ、室温でプレスでき、且つプレスの解像度が１０ｎｍ以下に達する。
【００５０】
また、前記ステップ（Ｓ１１１ａ）と前記ステップ（Ｓ１１１ｂ）の間に更に一つのステップ（Ｓ１１１ｃ）を含むことができる。該ステップ（Ｓ１１１ｃ）において、前記第一マスク層１０３２の表面に一つの過渡層（図示せず）を形成する。本実施例において、該過渡層はシリカからなり、且つ前記第二マスク層１０３４をエッチングする際、前記第一マスク層１０３２を保護することに用いられる。
【００５１】
前記ステップ（Ｓ１１２）は、ナノパターン化表面を有する金型２００を提供するステップ（Ｓ１１２ａ）と、前記金型２００のナノパターン化表面を前記第二マスク層１０３４に貼合し、常温でプレスした後、分離させるステップ（Ｓ１１２ｂ）と、形成された凹溝の底部の前記第二マスク層１０３４を除去し、前記第一マスク層１０３２を露出させるステップ（Ｓ１１２ｃ）と、凹溝の部分に対応する前記第一マスク層１０３２を除去し、前記シリコン基板１１０１を露出させ、パターニングした前記マスク層１０３を形成するステップ（Ｓ１１２ｄ）と、を含む。
【００５２】
前記ステップ（Ｓ１１２ａ）において、前記金型２００は、硬質材料、或いは軟質材料からなる。前記金型２００が硬質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、例えば、ニッケル、シリコン或いはシリカである。前記金型２００が軟質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、またはＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。前記金型２００の表面には、ナノパターンが形成されている。ナノパターンとは、複数の突部が間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部、或いは間隔をおいて配列された複数の同心円状の突部構造、或いは同心四角状の突部構造体からなるアレイである。本実施例において、前記金型２００の表面に形成されたナノパターンとは、複数の突部が間隔をおいて配列されたアレイである。前記複数の突部はストリップ状の突部構造であり、且つ同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つのストリップ状の突部構造の間には、凹溝が形成されている。前記ストリップ状の突部構造と凹溝との、それらの延伸する方向での断面は、それぞれ矩形である。前記複数の突部の延伸する方向と垂直する方向に沿った、前記ストリップ状の突部構造の幅は限定されず、必要に応じて選択できる。本実施例において、前記金型２００の材料はシリカであり、前記ストリップ状の突部構造の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記凹溝の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記ストリップ状の突部構造の幅と溝の幅は同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００５３】
前記ステップ（Ｓ１１２ｂ）において、常温下で、前記金型２００を通じて、前記シリコン基板１１０１までに圧力を加えることによって、前記金型２００の表面のナノパターンを、前記第二マスク層１０３４に転写させる。具体的には、先ず、ナノパターンを有する前記金型２００を、前記第二マスク層１０３４と貼合させ、次に、真空度が１×１０-１ｍｂａｒ〜１×１０-５ｍｂａｒであり、圧力が２ポンド／平方フット〜１００ポンド／平方フットである条件で、前記金型２００と前記第二マスク層１０３４とを貼合し続け、この状態を２分間〜３０分間保持し、最後に、前記金型２００と前記第二マスク層１０３４とを分離させる。これにより、前記金型２００の表面のパターニングしたナノパターンは、記第二マスク層１０３４に転写される。
【００５４】
前記第二マスク層１０３４の表面に転写されたパターニングしたナノパターンは、並列に延伸する複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状の突部構造間には、凹溝が形成され、且つ、前記第二マスク層１０３４の凹溝の大きさ及び形状は、前記金型２００の突部の大きさ及び形状と対応し、前記第二マスク層１０３４のストリップ状の突部の大きさ及び形状は、前記金型２００の凹溝の大きさ及び形状と対応する。圧力を加える過程において、前記第二マスク層１０３４は、前記金型２００の突部に圧縮されて、薄くなり、前記第二マスク層１０３４中に凹溝を形成する。これにより、凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４が薄層となり、前記第一マスク層１０３２の表面に付着する。
【００５５】
前記ステップ（Ｓ１１２ｃ）において、プラズマエッチング法によって、前記凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４を除去する。本実施例において、前記凹溝の底部に残留した前記第二マスク層１０３４は、反応性プラズマエッチング法によって除去し、前記第一マスク層１０３２を露出させる。具体的には、パターン化された前記第二マスク層１０３４が形成された前記基板前記シリコン基板１０１１を、反応性プラズマエッチングのシステムに設置し、該反応性プラズマエッチングのシステムによって、四フッ化炭素（ＣＦ４）のプラズマを形成する。その後、該形成された前記四フッ化炭素のプラズマは拡散し、前記第二マスク層１０３４に移動する。この際、前記凹溝底部の前記第二マスク層１０３４は、前記四フッ化炭素プラズマによってエッチングされる。該四フッ化炭素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入速度は、２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、気圧は、０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、前記四フッ化炭素プラズマでエッチングする時間は、２秒間〜４分間である。本実施例において、前記四フッ化炭素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該該四フッ化炭素プラズマの導入流量は２６ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１０秒間である。以上の方法により、前記凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４は、前記四フッ化炭素プラズマにエッチングされて、前記第一マスク層１０３２を露出させる。同時に、前記第二マスク層１０３４の突部構造はエッチングされて薄くなる。しかし、この際、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、完全な形態を保持することができる。
【００５６】
前記ステップ（Ｓ１１２ｄ）において、前記凹溝の底部の前記第一マスク層１０３２を、酸素プラズマエッチングのシステム中で、酸素プラズマによってエッチングして、前記シリコン基板１１０１を露出させる。該酸素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、前記酸素プラズマの導入速度は２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、酸素プラズマにエッチングされる時間は５秒間〜５分間である。本実施例において、前記酸素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該酸素プラズマの導入流量は４０ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１２０秒である。以上の方法により、前記凹溝と対応する前記第一マスク層１０３２は、酸化によってエッチングされ、前記第二マスク層１０３４は、前記凹溝と対応しない領域を被覆し、エッチング過程において、前記第一マスク層１０３２の解像度を有効に保持する。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンを、前記第一マスク層１０３２に複製でき、これにより、前記マスク層１０３は全体的にパターン化される。
【００５７】
前記マスク層１０３は、前記シリコン基板１１０１の表面に形成される複数の突部構造１０３１を含む。隣接する該突部構造１０３１の間には、溝１０３３がそれぞれ形成される。前記溝１０３３と対応する領域における前記シリコン基板１１０１の表面は露出され、前記突部構造１０３１は、前記溝１０３３と対応する領域以外の領域を被覆する。また、エッチング気体全体の流動速度及びエッチング方向を抑制させることにより、エッチングが終わった後に形成された前記突部構造１０３１の側壁は、前記シリコン基板１１０１とほぼ垂直となる。これにより、後続の前記シリコン基板１１０１のエッチング中において形成される前記三次元ナノ構造体予備成形物の形状の一致性及び均一性を、保証することができる。前記第一マスク層１０３２をエッチングする過程において、前記第二マスク層１０３４の突部構造は多少エッチングされる。しかし、前記第二マスク層１０３４がエッチングされる速度は、前記第一マスク層１０３２がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、基本的に保持される。
【００５８】
前記ステップ（Ｓ１１３）において、前記シリコン基板１１０１を、誘導結合プラズマエッチングのシステムに設置した後、エッチング用気体を利用して、前記シリコン基板１１０１をエッチングする。エッチングする過程において、前記溝１０３３に対応する部分の前記シリコン基板１１０１は、該気体によって除去され、前記シリコン基板１１０１の表面に凹溝が形成される。
【００５９】
更に、前記エッチングする過程は、前記マスク層１０３に被覆されない前記シリコン基板１１０１の表面をエッチングして、前記シリコン基板１１０１の表面に複数の凹溝を形成し、該複数の凹溝の深度は、全て基本的に同じであるステップ（Ｓ１１３ａ）と、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層１０３中の隣接する二つの前記突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部（前記シリコン基板１１０１と離れる一端）が二つずつ互いに接近して、最後は接触するステップ（Ｓ１１３ｂ）と、を含む。
【００６０】
前記ステップ（Ｓ１１３ａ）において、エッチングする過程で、エッチングに採用した気体は、前記マスク層１０３に被覆されない前記シリコン基板１１０１と反応して、保護層を形成する。該保護層は、前記シリコン基板１１０１がさらにエッチングされることを阻止できるので、前記シリコン基板１１０１のエッチングする面積は徐々に小さくなる。即ち、前記シリコン基板１１０１に形成された凹溝の広さは、前記シリコン基板１１０１のエッチング方向に沿って小さくなり、該凹溝の壁は、前記シリコン基板１１０１の表面とほぼ垂直となる。同時に、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３の前記突部構造１０３１の頂部をエッチングすることによって、前記突部構造１０３１の頂部の幅を次第に狭くさせる。前記エッチングする過程において、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３もエッチングする。しかし、前記マスク層１０３がエッチングされる速度は、前記シリコン基板１１０１の表面がエッチングされる速度より遅い。従って、前記シリコン基板１１０１がエッチングされて、前記複数の凹溝が形成される過程において、前記マスク層１０３の形態及び分布を保持することができる。
【００６１】
前記ステップ（Ｓ１１３ｂ）は、以下の三つのサブステップを含む。
【００６２】
第一サブステップにおいて、気体によってエッチングする過程中に、プラズマの衝突作用によって、隣接する二つの前記突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部（前記シリコン基板１１０１と離れる一端）は二つずつ互いに接近して、最後は接触する。
【００６３】
第二サブステップにおいて、隣接する二つの前記突部構造１０３１の頂部は、次第に互いに接近して接触するので、前記シリコン基板１１０１の、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する部分のエッチングする速度は遅くなる。即ち、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する位置に形成された凹溝の幅は、エッチングされる深度に伴い狭くなり、更に、Ｖ型構造の凹溝を形成し、この際、該凹溝の深さは比較的浅い。従って、エッチングする気体は同じエッチングする速度で、未だ接触していない前記突部構造１０３１間において、前記シリコン基板１１０１をエッチングする。これにより、未だ接触していない前記突部構造１０３１の間に形成されている溝の深度は、前記突部構造１０３１の頂部における接触する部分に形成される凹溝より深い。
【００６４】
第三サブステップにおいて、前記突部構造１０３１の頂部が二つずつ接触した後、気体は、接触する部分に被覆された前記シリコン基板１１０１をエッチングし続けることができない。従って、前記シリコン基板１１０１の表面に、前記第一溝１１３６が形成される。同時に、気体は、接触していない二つの前記突部構造１０３１間における前記基板１０１をエッチングし続け、前記第二溝１１３８を形成する。これにより、前記第二溝１１３８の深度は前記第一溝１１３６の深度より深くなり、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成する。
【００６５】
本実施例において、前記気体は混合気体であり、該混合気体はＣｌ２、ＢＣｌ３、Ｏ２、Ａｒ２を含む。プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、混合気体の導入速度は８ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、エッチングする時間は５秒〜５分間である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入速度は２ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は３ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍである。エッチングする速度と精確性を保証するために、混合気体の導入速度は、好ましくは、４０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍである。本実施例において、前記プラズマエッチングのシステムの仕事率は７０Ｗであり、プラズマの導入流動は４０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は２Ｐａであり、エッチングする時間は１２０秒である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２６ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入速度は１６ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は２０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１０ｓｃｃｍである。
【００６６】
前記マスク層１０３及びエッチングする気体は制限されず、必要に応じて選択できる。エッチングする過程において、前記マスク層１０３における前記突部構造１０３１が二つずつ接触することができるならば、純粋な気体、或いは混合気体でも良い。また、必要とする三次元ナノ構造体のサイズと寸法によって、気体の導入速度、気圧、エッチング時間、気体の比率などを選択できる。
【００６７】
前記ステップ（Ｓ１１４）において、有機溶剤によって、前記マスク層１０３を溶解して除去した後、前記三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成する。該有機溶剤は、例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール或いはエタノールなどである。本実施例において、前記有機溶剤はブタノンである。前記マスク層１０３はブタノンに溶解されて、前記シリコン基板１１０１から脱離する。前記マスク層１０３を除去した後、前記シリコン基板１１０を形成する。即ち前記シリコン基板１１０に複数の前記三次元ナノ構造体１１３が形成される。前記三次元ナノ構造体１１３と前記シリコン基板１１０は一体成型である。
【００６８】
本実施例において、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチングの方法によって、前記マスク層１０３に複数のストリップ状の突部構造及び凹溝を形成する。しかし、前記マスク層１０３を処理する方法はこれらに限定されず、パターニングされた前記マスク層１０３が、複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状突部構造の間に凹溝を形成し、前記マスク層１０３が、前記シリコン基板１１０１に設置された後、前記シリコン基板１１０１の表面が前記凹溝によって、露出されれば良い。又は、他の媒介或いは基板に、前記パターニングされた前記マスク層１０３を形成した後、前記マスク層１０３が前記シリコン基板１１０１の表面に設置されれば良い。
【００６９】
（実施例２）
図７を参照すると、実施例２は、太陽電池２０を提供する。該太陽電池２０は、順次に積層された背面電極１００と、シリコン基板１１０と、ドープシリコン層１２０と、前面電極１３０と、ナノ金属層１４０と、を含む。前記シリコン基板１１０には、複数の三次元ナノ構造体１１３が形成されている。前記太陽電池２０は、実施例１の太陽電池１０と比べて、次の異なる点がある。前記太陽電池２０は、更にナノ金属層１４０を含み、該ナノ金属層１４０は、前記ドープシリコン層１２０と前面電極１３０との間に設置され、前記ドープシリコン層１２０の前面電極１３０と隣接する表面に被覆される。前記ナノ金属層１４０は、複数の金属ナノ粒子が展開する単層構造体又は多層構造体である。前記ナノ金属層１４０の厚さは２ｎｍ〜２００ｎｍであるが、好ましくは５０ｎｍである。前記ナノ金属層１４０は、金、銀、銅、鉄及びアルミニウムなどのいずれか一種からなる。この場合、前記前面電極１３０は、前記ナノ金属層１４０に部分的に接触する、又は完全に接触する。前記前面電極１３０が、前記ナノ金属層１４０に部分的に接触する場合、前記前面電極１３０の一部は、前記複数の三次元ナノ構造体１１３によって、隣接する三次元ナノ構造体１１３の間に懸架され、別の一部は前記複数の三次元ナノ構造体１１３上の前記ナノ金属層１４０と接触する。前記前面電極１３０の全ての表面が前記ナノ金属層１４０に被覆される場合、前記前面電極１３０は、前記ナノ金属層１４０に完全に接触する。
【００７０】
太陽光が前記前面電極１３０を通じて、前記ナノ金属層１４０に照射した際、前記ナノ金属層１４０の表面にプラズマが発生するので、前記ナノ金属層１４０に隣接した前記ドープシリコン層１２０の光量子の吸収率を増加させる。また、前記ナノ金属層１４０の表面のプラズマによって形成された電磁場は、ｐｎ接合箇所に形成された複数の電子と正孔の分離を有利にさせる。
【００７１】
前記ナノ金属層１４０は、電子ビーム蒸着方法によって前記ドープシリコン層１２０の表面に被覆される。
【００７２】
図８を参照すると、前記太陽電池２０の製造方法は、互いに対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板１１０１を形成する（Ｓ２０）と、前記シリコン基板１１０１の第二表面に複数のＭ型の三次元ナノ構造体１１３を設置し、シリコン基板１１０を形成するステップ（Ｓ２１）と、前記複数のＭ型の三次元ナノ構造体１１３の表面にドープシリコン層１２０を形成するステップ（Ｓ２２）と、前記ドープシリコン層１２０上に、ナノ金属層１４０を形成するステップ（Ｓ２３）と、前面電極１３０を、前記ナノ金属層１４０の少なくとも一部に接触するように形成するステップ（Ｓ２４）と、前記シリコン基板１１０の前記第一表面に背面電極１００を形成し、前記背面電極１００を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させるステップ（Ｓ２５）と、を含む。
【００７３】
前記太陽電池２０の製造方法は、実施例１の太陽電池１０の製造方法と比べて、次の異なる点がある。該異なる点とは、前記複数のＭ型の前記三次元ナノ構造体１１３の表面にドープシリコン層を形成した後、更に、前記ドープシリコン層の上に前記ナノ金属層１４０を形成することである。
【符号の説明】
【００７４】
１０、２０ 太陽電池
１００ 背面電極
１０３ マスク層
１１０ シリコン基板
１１２ 第一表面
１１３ 三次元ナノ構造体
１１４ 第二表面
１２０ ドープシリコン層
１３０ 前面電極
１４０ ナノ金属層
１０３１ 突部構造
１０３２ 第一マスク層
１０３３ 溝
１０３４ 第二マスク層
１１０１ シリコン基板
１１３１ 三次元ナノ構造体予備成形物
１１３２ 第一突部
１１３４ 第二突部
１１３６ 第一溝
１１３８ 第二溝
１１３２ａ、１１３４ａ、 第一面
１１３２ｂ、１１３４ｂ、 第二面
２００ 金型
【特許請求の範囲】
【請求項１】
背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む太陽電池であって、
前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、
前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、
前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、
前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に形成され、
前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体であることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成する第一ステップと、
前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成する第二ステップと、
前記シリコン基板の第二表面にドープシリコン層を形成する第三ステップと、
前記ドープシリコン層の少なくとも一部に前面電極を形成する第四ステップと、
前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させる第五ステップと、を含み、
前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体であることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１】
背面電極と、シリコン基板と、ドープシリコン層と、前面電極と、を含む太陽電池であって、
前記シリコン基板は、第一表面及び該第一表面に対向する第二表面を含み、前記シリコン基板の前記第二表面には、複数の三次元ナノ構造体が形成され、
前記背面電極は、前記シリコン基板の第一表面に設置され、該第一表面とオーミック接触し、
前記ドープシリコン層は、前記シリコン基板の第二表面に形成され、
前記前面電極は、前記ドープシリコン層の少なくとも一部に形成され、
前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体であることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
対向する第一表面及び第二表面を含むシリコン基板を形成する第一ステップと、
前記シリコン基板の第二表面に複数の三次元ナノ構造体を形成する第二ステップと、
前記シリコン基板の第二表面にドープシリコン層を形成する第三ステップと、
前記ドープシリコン層の少なくとも一部に前面電極を形成する第四ステップと、
前記シリコン基板の第一表面に背面電極を形成し、前記背面電極を前記シリコン基板の第一表面とオーミック接触させる第五ステップと、を含み、
前記三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部を含み、前記第一突部と前記第二突部とは接触して並列し、隣接する前記第一突部と前記第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する前記三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、前記第二溝の深度は第一溝より深い三次元ナノ構造体であることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９８５４７（Ｐ２０１３−９８５４７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２９６３４（Ｐ２０１２−２２９６３４）
【出願日】平成２４年１０月１７日（２０１２．１０．１７）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１７日（２０１２．１０．１７）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
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