JP2012524397A - ナノワイヤを有する多接合光電池 - Google Patents

Abstract

光を電気エネルギーに変換する多接合光電池であって、面（３１）を有する基板（３）を備え、基板（３）に第１ＰＮ接合が形成されるように基板（３）の面（３１）の領域（４）に不純物が添加された多接合光電池。光電池は、基板（３）に不純物添加領域（４）が形成されている位置で基板（３）の面（３１）に配置されたナノワイヤ（２）を有し、それにより、第１ＰＮ接合と直列に接続するように第２ＰＮ接合がナノワイヤ（２）に形成される。

Description

本発明は能動素子としてナノワイヤを含む光電池に関する。

エネルギー価格の上昇が続き、化石燃料を利用することの欠点も次々に明らかになっているので、近年、太陽電池技術に対する関心が増している。更に、技術革新によって、高性能光（太陽）電池の大量生産が可能になった。

例えば、太陽電池デバイスだけでなく光検出器で使用される光電池を製造するために、ＰＮ接合及びショットキーダイオードなどの整流接合が半導体材料で製造されている。光電池は、光がＰＮ接合を照明し、複数の極性に帯電した粒子対、すなわち電子及び正孔を発生することによって光を電気に変換する。それらの電荷は整流接合により分離されて、電流を発生する。光検出器も同様の原理に基づいて動作する。

従来の光電池は、前面コンタクト及び裏面コンタクトを有し且つ少なくとも２つの非対称に不純物が添加された半導体層から構成された平面デバイスである場合が多い。従来の光電池では、光は、前面コンタクトにより形成された格子の間から入射した後にＮ型層及びＰ型層により吸収され、その結果、複数の電子‐正孔対が生成される。電子‐正孔対はＰＮ接合により分離され、光電池で電圧が発生する。電池のコンタクトに負荷を印加することにより有効電力が得られるので、光電池は放射を有効電気エネルギーに直接変換する。

光から電気への変換の効率を制限する要因の１つは、ＰＮ接合における逆電流漏れである。平面電池について、ＰＮ接合の面積が大きいほど、逆電流漏れは増加する。

平面電池について望ましくない逆電流漏れを低減する方法は多くあるが、どの方法を使用した場合でも、逆電流漏れの低減幅はＰＮ接合の面積によって限定されてしまう。平面電池では、面積を低減させることは電池を小さくすることに直接つながり、それに伴って光の回収量も減少する。異なる電池構造（非平面）を使用することにより、電池の総面積を低減することなくＰＮ接合の面積を減少できる。

非平面構造の一つの成功例は、特許文献１に記載されるシリコン点接合光電池である。本特許には点接合電池が開示され、シリコン基板の一方の面が一連の局所的に不純物が添加されたＮ₊型領域及び局所的に不純物が添加されたＰ₊型領域（点接合）を有する。このような構造であるため、不純物添加領域の面積は点接合電池の総面積よりはるかに小さい。Ｐ₊型領域は大きなＰＮ接合を形成し、Ｎ₊型領域はＮ型コンタクトとして抵抗率の低い領域を形成する。

しかしながら、逆電流漏れが制限されたとしても、点接合電池の効率は最適とはいえない。例えば、各点接合は単一禁制帯幅太陽電池であるために太陽光スペクトル中の光子が有する広範囲のエネルギーを効率よく変換することができないので、効率は限定される。理想限界では、禁制帯幅エネルギーと等しいエネルギーを有する光子のみが効率よく電気に変換される。電池材料の禁制帯幅に満たない光子は失われ、電池を通過してしまうか又は材料中で熱に変換されるだけである。禁制帯幅エネルギーを超える光子のエネルギーも、帯域端へのキャリア緩和によって失われ、熱に変わる。

従って、点接合光電池は逆電流漏れの低減という利点を有しているとしても、点接合太陽電池は光子エネルギー効率に関しては依然として欠点を有する。すなわち、太陽光スペクトルの多くの部分が失われて熱に変わり、電気には変換されない。

更なる背景技術は特許文献２に示される。

米国特許第４２３４３５２号明細書 欧州特許第１９４４８１１号明細書 国際公開第２００７／１０２７８１号 米国特許第７３３５９０８号明細書

以上の説明を考慮して、本発明の目的は、上記の技術及び従来技術の改良を提供することである。更に詳細には、本発明の目的は、光電池が光をより効率的に電気に変換するように点接合光電池を改良することである。

従って、光を電気エネルギーに変換する多接合光電池が提供される。光電池は、面を有する基板を備え、基板に第１ＰＮ接合が形成されるように基板の面の一部の領域に不純物が添加される。光電池は、基板に不純物添加領域が配置されている位置で基板の面上に配置されたナノワイヤを有し、それにより、第１ＰＮ接合と直列に接続された第２ＰＮ接合がナノワイヤに形成される。

ナノワイヤ「に」ＰＮ接合が形成されるとは、ナノワイヤにＰＮ接合のＰ型部分及びＮ型部分の両方が形成される可能性又はナノワイヤがＰＮ接合のＰ型部分及びＮ型部分のうちの一方のみを含み、接合の他方の部分は基板の不純物添加領域又は光電池の他の任意の部分、例えばナノワイヤと接続するコンタクトに形成される可能性を含む。

ナノワイヤは基板の面上に配置されるので、ナノワイヤは基板の面から成長するか、又は基板の面上に又は面に位置すると言い換えてもよい。

本発明に係る光電池は、２つのＰＮ接合（ダイオード）の各々がスペクトルの別々の部分の光を吸収する別々の特性の禁制帯幅エネルギーを有してもよいという利点を有する。２つのＰＮ接合は、組み合わされて太陽光スペクトルを可能な限り多く吸収することにより可能な限り多くの太陽エネルギーから電気を生成し、太陽電池の効率を向上するように選択される。簡単に言えば、基板の不純物添加領域にナノワイヤを配置することによって、第２ＰＮ接合は第１ＰＮ接合に近接して配置されるので、その結果の光電池はいわゆる多接合光電池の原理及び利点を利用する。

また、第２ＰＮ接合を形成するためにナノワイヤが使用されるので、更に多くの利点が実現される。利点は、従来の平面III‐Ｖ族多接合太陽電池と比較して、例えば、１つのナノワイヤにより多くのＰＮ接合素子を配置することが容易になるために高い効率の値を実現できること、転位を回避するための広い基板領域にわたる完全な格子整合の必要性が低減されること及び非常に均一な組成を得ることが容易になるために機能性が向上することなどを含む。

典型的に、第１ＰＮ接合は点接触フォトダイオードであるが、第２ＰＮ接合はアキシャルフォトダイオード又はラジアルフォトダイオードである。ナノワイヤは細長い構造ではなく、切り株（stump）に類似した形状となるように非常に短くてもよい。しかしながら、ナノワイヤが非常に短くてもよいとしても、核生成（成長）時間の時間値が異なる点は別として、長いナノワイヤと同様に成長する。

典型的に、基板はそれぞれ異なるように不純物が添加された複数の部分を備えてもよいということができ、そのうちの１つの部分は不純物添加領域を含むが、残る部分は不純物が添加されないか又は不純物添加領域とは異なる方法で不純物が添加される。基板の不純物添加領域と残る部分との機能上の差は、不純物添加領域が基板に第１ＰＮ接合を形成するように不純物が添加されるというところにあってもよい。よって、不純物添加領域は、不純物が添加されていること及びＰＮ接合が形成されることにより差別化されてもよい。

第１ＰＮ接合を形成できるのであれば、不純物添加領域の厳密な大きさは多接合光電池の基本原理には重要ではない。しかしながら、不純物添加領域の大きさは、典型的に９００ナノメートル未満であってもよい。更に詳細には、不純物添加領域の大きさは例えば１００〜３００ナノメートルであってもよく、その大きさは基板の表面から見た不純物添加領域の直径又は深さを指してもよい。

第２ＰＮ接合はナノワイヤ中に形成されてもよい。これは、ナノワイヤが第２ＰＮ接合を含むように構成されてもよいということ、すなわち、ナノワイヤが接合のＰ型部分及びＮ型部分の両方を含むことを意味する。これにより、ナノワイヤを成長させ且つワイヤを基板又は電気コンタクトに対して配置する場合に大きな融通性が得られる。

不純物添加領域は、イオン注入、ドーパント拡散、ヘテロエピタキシ及びホモエピタキシのうちの何れか１つの方法により形成されればよいので、表面に不純物添加領域を含む基板を製造する技術を自由に選択できる。

ナノワイヤは不純物添加領域と直接接触してもよい。更に詳細には、ナノワイヤは不純物添加領域の上に成長してもよい（すなわち、不純物添加領域「の上に配置されてもよい」）。第２ＰＮ接合で吸収されなかった光スペクトルの部分が第１ＰＮ接合で吸収されるという理解に基づいて、光電池の効率の向上が確実に保証されるという点で、これは極めて有利な構造である。好適には、ＰＮ接合は、短い波長の光が第２（上部）ＰＮ接合により吸収され、相対的に長い波長の光が第１（下部）ＰＮ接合により吸収されるように構成される。

ナノワイヤは不純物添加領域とエピタキシャル関係にあってもよい。その場合に、太陽電池の効率を向上するために２つのＰＮ接合の禁制帯幅を更によく適合させることができる。

多接合光電池は、第１ＰＮ接合と第２ＰＮ接合との間に配置された第３ＰＮ接合を備えてもよい。第３ＰＮ接合は、好適には、ナノワイヤの成長プロセス中に形成され且つ第１ＰＮ接合と第２ＰＮ接合とを電気的に接続させる働きをするトンネルダイオード（江崎ダイオード）である。多接合光電池は、第１ＰＮ接合と第２ＰＮ接合との間に配置され且つ第１ＰＮ接合と第２ＰＮ接合とを直列に接続する金属導電接続素子を第３ＰＮ接合の代わりに又は第３ＰＮ接合を補足する構造として備えてもよい。

ナノワイヤは、表面の法線方向に沿ってテーパ形状に形成されたシェルにより取り囲まれていてもよく、シェルとナノワイヤとの間にＰＮ接合が形成されるように、シェルに不純物が添加される。これにより、（シェルを含む）ナノワイヤ構造を通過して、基板に形成された第１ＰＮ接合に到達する高エネルギー光の量を増減させることができるという意味でシェルのアスペクト比を最適化できる。特定の本実施形態において、このような構造にしなければ第１（底部）セルは光をまったく受けられなくなってしまい、デバイスの総電流量が制限されるので、シェルを含む構造は多接合光電池の効率を更に向上できる。

基板は、シリコン又は不純物添加シリコン、ゲルマニウム又は不純物添加ゲルマニウム、若しくは場合によっては場合によってはシリコン‐ゲルマニウム合金から成る半導体材料から形成されてもよい。ナノワイヤは、III‐Ｖ族半導体材料を含む半導体材料から形成されてもよく、III‐Ｖ族材料は、不純物添加領域を形成するために基板中に拡散されるドーパント原子の拡散源であってもよい。各材料の選択、特に組み合わせにより、多接合太陽電池を費用効率よく製造できる。

以上のことから、基板は、不純物添加領域（群）を形成するためのドーパント原子として作用するIII‐Ｖ族材料を含んでもよいことがわかる。

多接合光電池は、基板の表面が光源に向かって配置されるように構成されてもよい。これは、表面の不純物添加領域、すなわち点接触ダイオードが、光電池の動作中に光を受ける基板の面に配置されることを意味する。これは多くの既知の点接触太陽電池とは異なっており、このような向きに配置することにより、第１ＰＮ接合と第２ＰＮ接合とが効率よく協調動作するようになるので、太陽のエネルギーを効率よく発電に利用できる。

多接合光電池は、基板の表面に複数の領域を備えてもよく、各領域は、基板にそれぞれ対応する第１ＰＮ接合を形成するようにそれらの領域に不純物が添加される。基板の表面から複数のナノワイヤが成長し（すなわち、基板の表面「上に配置され」）、各ナノワイヤは、それぞれ対応する第１ＰＮ接合と直列に接続する第２ＰＮ接合を形成するように各不純物添加領域の所定の位置に形成される。

本明細書において、複数は２以上を意味するが、実際には、少なくとも１×１０⁴ｍｍ^-2対の不純物添加領域及びナノワイヤ、すなわち少なくとも１×１０⁴ｍｍ^-2対の第１ＰＮ接合及び第２ＰＮ接合が基板上に形成されてもよい。

多接合光電池が基板の表面に複数の領域を備える場合に、各領域に、それらの領域が基板に第１ＰＮ接合をそれぞれ形成するように不純物が添加され、基板の表面から複数のナノワイヤが成長する（すなわち、「基板の上に配置される」）。各ナノワイヤは、それぞれ対応する第１ＰＮ接合と直列に接続する第２ＰＮ接合を形成するように各不純物添加領域の所定の位置に形成される。複数の不純物添加領域及びナノワイヤが形成される場合に、適用可能であれば、不純物添加領域及びナノワイヤのうちの一部又はすべてについて上述の種々の特徴を実現できる。

本発明に係る多接合太陽電池を説明する図である。 図１の太陽電池の部分図である。 、 、 、 、 図２の図と同様であるが、太陽電池の他の実施形態を説明する部分図である。 、 、 、 、 、 第１実施形態に従って太陽電池構造がどのように製造されるかを説明する図である。 、 、 、 、 第２実施形態に従って太陽電池構造がどのように製造されるかを説明する図である。

添付の概略図を参照しつつ例示によって本発明の実施形態が以下に記載される。

図１を参照すると、多接合光（太陽）電池１は、Ｐ型不純物添加Ｓｉ（シリコン）から形成された平坦な基板３を備える。基板３は、太陽電池１に入射する光Ｌを受けるための上面３１を有する。すなわち、上面３１は基板３の上部正面である。上面３１とは反対側の基板３の下面に、例えばＡｌ（アルミニウム）から形成された平坦な裏面コンタクト９が配置される。基板３の上面３１にＮ型不純物添加領域４が位置する。この領域４はドーム形状であり、領域４の平坦な部分は、上面３１により形成される平面と同一平面にある。従って、ドーム形状の領域４の曲面部分は基板３の中まで延びている。しかしながら、領域４の広がりは基板３の全体の厚さよりも小さい。基板３の不純物添加領域４の中心位置にナノワイヤ２が位置する。これは、ナノワイヤ２の長手方向により規定される幾何学的軸が不純物添加領域４の中心を通ることを意味する。すなわち、言い換えれば、ナノワイヤ２は、上面３１の法線方向Ｎから見て不純物添加領域４の頂点に配置される。

好適には、ナノワイヤ２は上面３１の法線方向Ｎと平行であるが、法線方向Ｎに対して傾斜した関係で配置されてもよい。

基板３の上面３１はＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）の絶縁層８で覆われてもよいが、ナノワイヤ２は、絶縁層８を貫通することにより基板３との電気的な接触を確立する。絶縁層８の他の材料は、Ｓｉ_xＮ_y、Ａｌ_xＯ_y、ＨｆＯ₂及びＳｉＯ_xＮ_yがある。

ナノワイヤ２は、ナノワイヤ２を支持する支持絶縁層７に埋め込まれている。支持絶縁層７は、絶縁層８の上に配置され且つ特定の本実施形態において、Ｓｉ_xＮ_y、Ａｌ_xＯ_y、ＨｆＯ₂、ＳｉＯ_xＮ_y、ポリマー、ホウリン酸ケイ酸ガラス又は塗布酸化膜などの絶縁保護誘電体材料から形成される。場合によって、ナノワイヤは空気に取り囲まれる。

支持絶縁層７は次いでＴＣＯ６（透明導電性酸化物層）により覆われる。ナノワイヤ２はその最上部がＴＣＯ６の中まで突出しているため、ＴＣＯ６はナノワイヤ２と電気的に接触している。これに代えて、ＴＣＯ６は導電性ポリマー又は他の任意の透明導電体から形成されてもよい。ナノワイヤに対するオーミック接触を実現するために、図示されてはいないが、ナノワイヤとＴＣＯとの間に金属薄層が配置されてもよい。ＴＣＯ６及び裏面コンタクト９は次いで、多接合光電池１により発生する電気を使用する電気装置（図示せず）に接続するように構成されてもよい。

更に図２を参照すると、図１に多接合太陽電池１のＡで示される部分が詳細な拡大図で説明される。ここで、Ｐ型不純物添加基板３及びＮ型不純物添加領域４は、第１ＰＮ接合１１、すなわち第１点接触ダイオードを形成する。当然のことながら、第１ＰＮ接合１１が図中符号１１により示される部分のみにより形成されるのではなく、基板６のＰ型不純物添加Ｓｉと不純物添加領域４のＮ型不純物添加Ｓｉとの境界を形成する面全体により形成される。

不純物添加領域４の上にナノワイヤ２が成長、すなわち位置し、ナノワイヤ２の最下部２２はＮ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ（ヒ化リン化ガリウム）から形成される。Ｎ₊型不純物添加ＧａＡｓＰの部分２２よりも上のナノワイヤ２の部分は、ナノワイヤ２の中間部分２３を形成し且つ同様にＧａＡｓＰから形成されるが、Ｎ₊型不純物が添加されるのではなく、Ｐ₊型不純物が添加されている。これは、ナノワイヤ２の下部２２と中間部分２３との間には高濃度不純物添加（Ｐ₊Ｎ₊）接合１３が形成され、この接合１３は典型的にトンネルダイオードを形成することを意味する。

中間部分２３よりも上のナノワイヤ２の部分は、ナノワイヤ２の上部２４を形成する。この部分２４にはＰ型不純物が添加され且つ例えばＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）から形成される。部分２４は、絶縁層８からナノワイヤ２の頂点まで延びるＮ型不純物添加ＧａＡｓの層２５により取り囲まれる。ここで、ナノワイヤの上部のＰ型不純物添加部分２４と、Ｎ型不純物添加包囲層２５とは、Ｎ型不純物添加ＧａＡｓ層２５と接触するナノワイヤの上部のＰ型不純物添加ＧａＡｓ部分２４の周囲面に沿って延びる第２ＰＮ接合１２、すなわちいわゆるラジアルダイオードを形成する。

ナノワイヤ２の下部２２と中間部分２３との間に形成された前述の高濃度不純物添加接合１３は、「第３ＰＮ接合」１３と呼ばれ、第１ＰＮ接合１１と第２ＰＮ接合１２との間に電気的接続を実現するいわゆるトンネルダイオードを形成する。

図３を参照して、多接合太陽電池の別の実施形態が詳細な拡大図で説明される。図２の実施形態と比較すると、本実施形態においてＮ型不純物添加Ｓｉ領域４は、不純物添加領域４の形状に対応する形状を有するが、図３からわかりうるように図２の不純物添加領域よりも小さい幾何学的寸法を有する高濃度不純物（Ｎ₊）添加Ｓｉ領域４１を備える。更に、Ｎ₊型Ｓｉ領域４１の上にナノワイヤのＰ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ部分２３´が成長するように図２のナノワイヤのＮ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ部分２２が省略される。これは、ナノワイヤ２と基板３との間の境界面にＰ₊Ｎ₊接合１３´が位置することを意味する。図３の接合１３´は機能的に図２の接合１３に対応し、両実施形態において接合１１及び接合１２は同一である。

図４を参照して、多接合太陽電池の更なる実施形態が詳細な拡大図で説明される。図２の実施形態と比較すると、本実施形態においてナノワイヤ２の最上部のＮ型不純物添加ＧａＡｓ部分２５´は、Ｎ型不純物添加ＧａＡｓ包囲層２５と機能的に取って代わる。この最上部２５´は、ナノワイヤ２の前述の中間にあるＰ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ部分２３の上に配置されたナノワイヤ２のＰ型不純物添加ＧａＡｓ部分２４´の上に位置する。図４のＰ型不純物添加ＧａＡｓ部分２４´は図４のＰ型不純物添加ＧａＡｓ部分２４に対応する。これは、最上部２５´と部分２４´との間にＰＮ接合１２´が形成されることを意味する。この接合１２´は、図２の接合１２に対応するＰＮダイオードを形成し、図２及び図４の実施形態において接合１１及び接合１３は同一である。

図５を参照して、多接合太陽電池の更に別の実施形態が詳細な拡大図で説明される。図４の実施形態と比較すると、本実施形態においてＮ型不純物添加Ｓｉ領域４は、不純物添加領域４の形状に対応する形状を有するが、図５からわかるように図４の不純物添加領域４よりも小さい幾何学的寸法を有する高濃度不純物添加（Ｎ₊）Ｓｉ領域４１を備える。更に、Ｎ₊型不純物添加Ｓｉ領域４１の上にＰ₊型不純物添加ＧａＡｓＰナノワイヤ部分２３´が成長するように、図４のナノワイヤのＮ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ部分２２が省略される。このＰ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ部分２３´は機能的に図４のＰ₊型不純物添加ＧａＡｓＰ部分２３に対応する。従って、ナノワイヤ２と基板３との間の境界面にＰ₊Ｎ₊接合１３´が位置する。図５の接合１３´は図２又は図４の接合１３に機能的に対応し、図４の接合１２´は図５の接合１２´と同一である。

図６を参照して、多接合太陽電池の更なる実施形態が説明される。本実施形態は図２の実施形態に類似するが、i）短い切り株形状２４´´のみを形成するナノワイヤの最上部のＰ型不純物添加部分、ii）円錐形の包囲層２５´´、すなわちシェル及びiii）本実施形態においてはＴＣＯ層である支持層７´が異なる。本実施形態において、ナノワイヤの上部のＰ型不純物添加部分２４´´及びＮ型不純物添加包囲シェル２５´´は、第２ＰＮ接合１２´´を形成する。このＰＮ接合１２"は、Ｎ型不純物添加ＧａＡｓ層２５´´と接触するナノワイヤの上部のＰ型不純物添加ＧａＡｓ部分２４´´の周囲面に沿って延びるラジアルダイオードの形式である。

図６の実施形態のような円錐形のナノワイヤ包囲層の代わりに、包囲層は四角錐又は図７に示されるような円筒２５´´´の形状を有してもよい。しかしながら、図７の実施形態において、図６の実施形態の場合と同様にナノワイヤ２は絶縁層８の上面８１から比較的短く突出する切り株形状を形成する。

絶縁層の上面８１からのこの距離、すなわち高さは、好適にはナノワイヤの幅（すなわち直径）の１０倍未満であり、さらに好適にはナノワイヤの幅の５倍未満であり、さらに一層好適にはナノワイヤの幅の２倍未満である。既知のナノワイヤと比較すると、図６及び図７の実施形態のナノワイヤはきわめて短いので、ナノワイヤと包囲層との間に形成されるＰＮ接合１２´´は比較的小さくなる。この結果として、ＰＮ接合を介する逆電流漏れは低減する。

すべての実施形態において、ナノワイヤは３つ以上の面を有する角柱形の横断面を有してもよいことが留意されるべきである。ナノワイヤ包囲層にもまったく同じことが言える。

動作中、光エネルギーが発電に使用されるように、多接合太陽電池１は、その正面が太陽又は別の光源３０、例えば屋内灯に向くように配置される。太陽電池１が適切に配置されると、光線Ｌが法線Ｎに対して斜めから太陽電池１へ入射するように、基板３の面３１の法線Ｎが光源３０に向く方向に向けられる。

ナノワイヤ２は基板３上にエピタキシャル成長され、第１ＰＮ接合１１及び第２ＰＮ接合１２、１２´は太陽からの特定の帯域の光を吸収するようにそれぞれ調整される。不純物添加領域４及びナノワイヤの部分２４、２５、２４´、２５´に沿って、基板３の禁制帯幅は、従来の適切なプロセス及び相互関係に従って最適化される。ナノワイヤの太さが限定されるため、基板とナノワイヤとの間の接合又はナノワイヤ中のあらゆる垂直接合で格子整合は必ずしも必要とされない。

第１接合１１及び第２接合１２、１２´は光学的には直列であり、頂点に最大禁制帯幅材料がある。光の進行方向に見て、最上部の第２ＰＮ接合１２、１２´は全スペクトルを受光し、第２ＰＮ接合１２、１２´の禁制帯幅を超える光子はこの接合１２、１２´で吸収される。第２ＰＮ接合１２、１２´の禁制帯幅に満たない光子は、下方の第１ＰＮ接合１１に到達し、そこで吸収される。この場合に、「上方の」接合とは、「下方の」接合よりもＴＣＯ６に近い接合を意味する。

実施形態における特定の材料についての禁制帯幅（Ｅ_g）のいくつかの典型的な値は、Ｓｉ基板の場合に、Ｅ_g＝１．６９ｅＶを有するワイヤを含み、これはＧａＡｓ_0.8Ｐ_0.2（理論上の効率４８％）にほぼ相当する。Ｇｅ（ゲルマニウム）基板の場合に、ワイヤはＥ_g＝１．４３ｅＶを有してもよく、これはほぼＧａＡｓ（理論上の効率４８％）に相当する。ワイヤの底部の材料は、ワイヤのその他の部分よりも０．２ｅＶ高い値を有する。しかし、実際には、Ｓｉの禁制帯幅（１．１ｅＶ）と２．０ｅＶとの間の範囲内のどの禁制帯幅でもＳｉ基板に対して十分であり、Ｇｅの禁制帯幅（０．６７ｅＶ）と１．７ｅＶとの間の範囲内のどの禁制帯幅でもＧｅ基板に対して十分である。

太陽電池１はタンデム電気接続を利用する。タンデム電気接続は、ＰＮ接合１１、１２、その代わりに１２´又は１２´´、１３、その代わりに１３´が電気的に直列に接続され、組み合わせ型電池１が２つの端子、すなわちＴＣＯ６（図６又は図７の実施形態の場合は７´）及び平面裏面コンタクト９を有することを意味する。ＰＮ接合１１、１２、これに代えて１２´又は１２´´、１３、これに代えて１３´が直列接続であるため、各接合１１、１２、これに代えて１２´又は１２´´、１３、これに代えて１３´を流れる電流は同一である。従って、前述のように、効率の低下を回避するために、第１接合１１及び第２接合１２、これに代えて１２´又は１２´´の禁制帯幅は、それらの接合１１、１２、これに代えて１２´又は１２´´の最大電力点電流が同一になるように最適化される。これに代えて、最適ではない禁制帯幅の組み合わせに対しても電流整合を実現するために、第２（最上部）接合の有効光吸収が低減される。第３接合１３、１３´は第１接合１１と第２接合１２、１２´、１２´´との間のコネクタとして機能する。

前述のように、これに対応する状況は図３〜図７の実施形態のＰＮ接合にも当てはまる。

更に詳細には、基板３は、イオン注入、ヘテロエピタキシャル成長中の拡散によるドーパント拡散、又は他の任意の従来の適切なプロセスを利用することによりＮ型不純物添加領域が形成された従来のＰ型不純物添加Ｓｉウェハから形成される。

図８ａ〜図８ｆを参照して、図２の太陽電池１を製造する方法が例示される。当該技術内の任意の既知の適切な方法に従って、基板３に裏面コンタクト９が装着される（図８ａ）。これはナノワイヤの成長前又は成長後のいずれかの時点で実行される。次に、Ｐ型不純物添加基板３の上面３１が誘電体層８で覆われる（図８ｂ）。次いで、この誘電体層８に直径２０〜２００ナノメートルのホール１０を形成するために、誘電体層８はパターニングされる（図８ｃ）。ホール１０を通して下方の基板３は第Ｖ族ソースガスにさらされ、それにより、ホール１０と中心位置を合わせて小さなＮ型不純物添加領域４が形成される（図８ｄ）。詳細には、ホール１０の形成されると、不純物拡散プロセスを使用することにより、拡散領域４の直径が例えば約１００〜３００ナノメートルになるように、基板３の（ホール１０により）露出された部分にＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）のような第Ｖ族物質がＮ型不純物として添加される。以下に説明するナノワイヤ２のヘテロエピタキシャル成長中に、すなわち個別の拡散工程を実行する必要なく、基板の不純物拡散を実行することも可能である。以上説明したのは好適な不純物添加方法であるが、それ以外の方法を使用する方が適切であれば使用されてもよい代替の方法として、例えばイオン注入など、半導体に不純物を添加する既知の方法が多数ある。このようにして形成された不純物添加領域４は、典型的に約１×１０¹⁶ｃｍ³以上の過剰キャリア濃度を有する。

基板３上におけるナノワイヤの成長も、面３１に形成された誘電体テンプレート８のホール１０により誘導されてもよい。誘電体テンプレート８は、不純物添加領域４に中心位置を合わせて形成されたホール１０を除いて基板の上面３１全体を覆うので、不純物添加領域４の一部の領域が露出される。このホール１０はこの時点でも２０〜２００ナノメートルの直径を有し、不純物添加領域４の露出領域における核生成の確率を高めることによりナノワイヤ核生成（成長）を促進する。このように核生成の確率が高められた領域を核生成開始位置と呼ぶ。

更に詳細に説明すると、ホール１０は、ナノワイヤ成長のための核生成開始位置を規定する誘電体テンプレートとして機能し、基板の面３１の不純物添加領域４には、先に図面と関連して説明したナノワイヤに対応するように、任意のナノワイヤ包囲層２５又はシェル２５´、２５´´を含む直立してエピタキシャル成長したナノワイヤ２が形成される（図８ｅ）。

ナノワイヤ２を成長させるのに適した方法は当該技術分野において既知であり、例えば参照によって本明細書に組み込まれる特許文献３に示される。この文献によれば、本明細書において説明される方法以外の方法を使用して、ナノワイヤ２は、触媒として粒子を使用せずに基板３の不純物添加領域４から成長させてもよい。

ナノワイヤ２が成長すると、例えば化学気相成長に配線を露出させるためのバックエッチングを加えた蒸着を使用することにより、頂点部分を除くナノワイヤ２のすべての部分が支持層７によって覆われる。最後に、ナノワイヤ２の最上部がＴＣＯ６に埋め込まれてＴＣＯ６と電気的に接触するように、支持層７が例えばスパッタリングによりＴＣＯ６で覆われる（図８ｆ）。場合によってはＴＣＯが支持層に置き換わるが、その場合にＴＣＯがナノワイヤを覆う。

以上説明した製造方法の代替方法として、図９ａ〜図９ｅに示されるプロセスように触媒粒子が使用されてもよい。

この場合にも、基板３は従来のＰ型不純物添加Ｓｉウェハであり、基板３の裏面にＡｌ裏面コンタクト９が装着される（図９ａ）。前述のように、裏面コンタクトの装着は、ナノワイヤの成長前又は成長後のいずれかの時点で当該技術において既知の任意の適切な方法に従って実行される。次に、典型的に金（Ａｕ）から形成される触媒粒子１５が基板３の上面３１の上に配置される。触媒粒子は、絶縁誘電体層８のホール（図８ｃの１０）を介して堆積させるか又は上面３１を絶縁誘電体層８で覆うかのいずれかの方法によって配置される。いずれの場合も、触媒粒子１５の頂点が露出するように、すなわち、粒子１５が絶縁誘電体層８で覆われないように、粒子１５は絶縁誘電体層８のホールの中に配置される（図９ｂ）。この後、III族及びＶ族を含有する化合物が粒子１５上で分解する。次いで、粒子１５が成長種で飽和し、粒子１５の下方の部分圧及び部分濃度が高くなるので、成長種は粒子の下方の領域４で基板３の中へ拡散する（図９ｃ）。拡散時の成長種、時間及び温度は、典型的な直径が例えば３００ナノメートルであるドーム形状のＮ型不純物添加領域４が触媒粒子１５の下方に形成されるように選択される。

その後、参照によって本明細書に組み込まれる特許文献４に記載されるいわゆるＶＬＳ（気相‐液相‐固相）メカニズムを使用することによりナノワイヤ２が成長する（図９ｄ）。このナノワイヤは、先に示した図に関連して説明したナノワイヤに対応する。上述の不純物添加プロセスはナノワイヤ２の成長中にある程度継続されてもよいが、最終結果に差は生じない。

先の実施形態の場合と同様に、ナノワイヤ２が成長すると、粒子１５を含むナノワイヤ２の最上部を除いてナノワイヤ２のすべての部分が支持層７で覆われる。最後に、ナノワイヤ２の最上部及び粒子１５全体がＴＣＯ６に埋め込まれてＴＣＯ６と電気的に接触するように、支持層７がＴＣＯ６で覆われる（図９ｅ）。

図３及び図５に説明される太陽電池について、高濃度不純物添加（Ｎ₊）Ｓｉ領域４１は、不純物添加領域４を形成する場合と同一の不純物拡散処理を使用することにより形成されるが、不純物添加領域４１が典型的に約１×１０¹⁹ｃｍ³以上の過剰キャリア濃度を有するように、不純物添加領域４を形成する場合とは異なるプロセス設定値が使用される。図示される太陽電池について、各実施形態のナノワイヤは、上述の方法のうちの何れかを使用することにより成長する。

実際には、図１に説明される通り、当該技術では一般的に実施されているように、いくつかの同一のナノワイヤ２、２´´、２´´´及びそれに対応する不純物添加領域４、４´、４´´が基板３上に同時に形成される。その結果、基板３の面３１に膨大な数のナノワイヤが配置され、面３１から突出する芝生状構造が形成される。典型的に、不純物添加領域は、不純物添加領域の直径の少なくとも２倍の距離だけ互いに離れるように配置される。

当然のことながら、本明細書において示される測定値、範囲及び数値は太陽電池の特定の必要性及び条件に適合されてもよく、場合によっては不純物添加部分２５の代わりに、従ってＰＮ接合１２の代わりにショットキーバリアが使用されてもよい。

以上の説明中に挙げた材料は単なる例であり、次に示す代替材料が任意に組み合わされる場合でも、以上の説明はすべて原理として等しく有効である。シリコン基板の代わりにゲルマニウム又はＳｉ_xＧｅ_1-x合金が使用されてもよい。ワイヤ材料などはIII‐Ｖ族半導体のＩｎ_x-Ｇａ_1-xＡｓ_yＰ_1-y系から主に選択されるが、III族の代替材料としてＡｌを使用し且つＶ族の代替材料としてＳｂを使用するか、又はＩｎ_xＧａ_1-xＮ系を使用することにより部分的に代用可能である。理想の禁制帯幅、吸収率及び電力変換を実現するために実際にどの材料を選択するかは、詳細な分析及び実験によって判定される。

しかしながら、基板に適する材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＰ：Ｚｎ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＺｎＯ、ＩｎＳｂ、ＳＯＩ（絶縁膜上シリコン）、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどであるが、それらに限定されない。

ナノワイヤ及びナノワイヤの部分に適する材料は、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＰ、ＢＮ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓ（ｐ）、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮ、ＧａＡｌＩｎＰ、ＧａＡｌＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＳｂ、Ｇｅ、ＩｎＧａＰ：Ｓｉ、ＩｎＧａＰ：Ｚｎ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、ＺｎＯなどであるが、それらに限定されない。ドナードーパントとして使用できるのはＳｉ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓなどであり、アクセプタドーパントとして使用できるのはＺｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄなどである。ナノワイヤ技術によりＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮなどの窒化物の使用が可能であることに留意されるべきである。

光電池の文脈で本発明を説明したが、光検出器又は発光ダイオードなどの光電子工学の他の分野にも本発明を適用することが期待される。

本発明の種々の実施形態を説明し且つ図示したが、本発明はそれらの実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲において規定される本発明の主題の範囲内に含まれる他の態様で実施されてもよい。特に、各ＰＮ接合の極性はＮ ｏｎ Ｐ又はＰ ｏｎ Ｎ（逆極性）のいずれであってもよく且つ更に多くの接合が含まれてもよい。

Claims (14)

1. 光を電気エネルギーに変換する多接合光電池であって、
   面（３１）を有する基板（３）であって、第１ＰＮ接合が前記基板（３）内に形成されるように前記基板（３）の前記面（３１）の領域（４）に不純物が添加された基板（３）と、
   前記第１ＰＮ接合と直列に接続する第２ＰＮ接合がナノワイヤ（２）に形成されるように、前記不純物添加領域（４）が前記基板（３）内に位置する場所で前記基板（３）の前記面（３１）に配置された前記ナノワイヤ（２）と
   を備えることを特徴とする多接合光電池。
2. 前記第２ＰＮ接合（１２）は前記ナノワイヤ（３）内に形成されることを特徴とする請求項１に記載の多接合光電池。
3. 前記不純物添加領域（４）はヘテロ接合、イオン注入、ドーパント拡散及びホモエピタキシのうちの何れか１つによって形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の多接合光電池。
4. 前記ナノワイヤ（２）は前記不純物添加領域（４）に直接に接触していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の多接合光電池。
5. 前記ナノワイヤ（２）は前記不純物添加領域（４）から成長することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の多接合光電池。
6. 前記ナノワイヤ（２）は前記不純物添加領域（４）とエピタキシャル関係にあることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の多接合光電池。
7. 前記第１ＰＮ接合（１１）と前記第２ＰＮ接合（１２）との間に第３ＰＮ接合（１３）が配置されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の多接合光電池。
8. 前記面（３１）の法線方向（Ｎ）にあるテーパ形状のシェル（２５´´)と前記ナノワイヤ（２）との間にＰＮ接合（１２´´）が形成されるように、前記ナノワイヤ（２）が前記シェル（２５´´）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の多接合光電池。
9. 前記基板（３）はシリコン又は不純物添加シリコンからなる半導体材料で生成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の多接合光電池。
10. 前記基板（３）はゲルマニウム又は不純物添加ゲルマニウムからなる半導体材料で生成されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の多接合光電池。
11. 前記ナノワイヤ（２）はIII‐Ｖ族の半導体材料を含む半導体材料で生成されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の多接合光電池。
12. III‐Ｖ族の材料は前記不純物添加領域（４）を形成するための前記基板（３）へのドーパント原子の拡散源であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の多接合光電池。
13. 前記基板（３）の前記面が光源（３０）に向かって配置されるように構成されることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の多接合光電池。
14. 前記基板（３）の前記面（３１）に複数の領域（４、４´´）を有し、前記複数の領域（４、４´´）が前記基板（３）内に別々の第１ＰＮ接合（１１、１１´´）を形成するように各領域に不純物が添加され、複数のナノワイヤ（２、２´´）が前記基板（３）の前記面（３１）から成長し、各ナノワイヤ（２、２´´）が別々の第１ＰＮ接合（１１、１１´´）と直列に接続する第２ＰＮ接合（１２、１２´´）を形成するように各ナノワイヤ（２、２´´）が別々の不純物添加領域（４、４´´）の場所にある
    ことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の多接合光電池。

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