CN102709352A - 光电转换元件 - Google Patents

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CN102709352A CN2012100548500A CN201210054850A CN102709352A CN 102709352 A CN102709352 A CN 102709352A CN 2012100548500 A CN2012100548500 A CN 2012100548500A CN 201210054850 A CN201210054850 A CN 201210054850A CN 102709352 A CN102709352 A CN 102709352A
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Abstract

一种光电转换元件包括光电转换层以包括层叠的第一金属层、半导体层和第二金属层。此外，第一金属层和第二金属层中的至少一个是具有多个通孔的纳米网状金属或者具有多个彼此分开设置于半导体层上的金属点的点状金属。光电转换层包括长波长吸收层，该长波长吸收层包含的杂质不同于用于半导体层的p型掺杂和n型掺杂的杂质。长波长吸收层位于距离纳米网状金属或者点状金属5纳米内的深度。

Description

光电转换元件
相关申请交叉引用
本申请基于并要求于2011年3月28日提交的在先日本专利申请No.2011-069149和2011年9月30日提交的在先日本专利申请No.2011-218681的优先权，这些在先申请的全部内容在此通过参考而并入。
技术领域
实施例基本上涉及光电转换元件。
背景技术
利用半导体的一般光电转换元件由于由半导体的带隙确定的吸收波长带而不能充分吸收太阳光谱。例如，硅单晶太阳能电池只能吸收300-1100纳米的光以提供大约20％或者更小的发电效率。因此，为了提高一般的光电转换元件的发电效率，有必要将吸收区域引入到光电转换层中以吸收光电转换层本身并不能吸收的长波长的光。此外，已经提出一种增大载流子激发的方法以提供高效的光电转换元件。所述方法由于金属纳米结构中的等离子体共振而产生增强的电场。
发明内容
本发明提供一种也能够吸收长波长范围内的光的光电转换元件。这样的长波长范围内的光是背景技术的光电转换元件已经无法吸收的。
根据一实施例，一种光电转换元件包括光电转换层以包括层叠的第一金属层、半导体层和第二金属层。此外，第一金属层和第二金属层中的至少一个是具有多个通孔的纳米网状金属或者具有多个彼此分开设置于半导体层上的金属点的点状金属。光电转换层包括长波长吸收层，该长波长吸收层包含的杂质不同于用于半导体层的p型掺杂和n型掺杂的杂质。长波长吸收层位于距离纳米网状金属或者点状金属5纳米的深度内。这样的光电转换元件能够提供高转换效率。
附图说明
本公开的各个方面在阅读了下面的详细描述并参照附图后将变得明显。
图1是示出背景技术的光电转换元件的太阳光谱(AM1.5)的曲线图。
图2是示出背景技术的光电转换元件的单晶硅太阳能电池的光谱灵敏度特性的曲线图。
图3是示出根据一实施例的光电转换元件的带隙能级的示意图。
图4是示出根据所述实施例的光电转换元件在室温下的ΔE和热激发比率的表。
图5是示出根据所述实施例的光电转换元件的太阳光谱的曲线图。
图6A和6B是示出背景技术的光电转换元件的结构的示意图。
图7A和7B是示出根据所述实施例的具有长波长吸收层的光电转换元件的结构的示意图。
图8A和8B是示出根据所述实施例的具有长波长吸收层和纳米网状电极的光电转换元件的结构的示意图。
图9A和9B是示出在金属纳米结构被光照射的情形下自由电子的运动的示意图。
图10A和10B是纳米网状电极和点状金属的透视图。
图11A和11B是金属纳米结构的示意图。
图12是示出纳米网状电极的间隔与电场增强之间关系的曲线图。
图13是示出点状金属的半径与局部电场的扩展之间关系的曲线图。
图14A-14F是示出根据所述实施例的光电转换元件的制造步骤的截面图。
图15A-15E是示出根据所述实施例的光电转换元件的制造方法的截面图。
图16A-16D是示出根据所述实施例的光电转换元件的制造方法的截面图。
图17A-17F是示出根据示例2的光电转换元件的制造方法的截面图。
图18A-18E是示出根据示例2的光电转换元件的制造方法的截面图。
图19A-19D是示出根据示例2的光电转换元件的制造方法的截面图。
图20A-20F是示出根据示例3的光电转换元件的制造方法的截面图。
图21A-21E是示出根据示例3的光电转换元件的制造方法的截面图。
图22A-22D是示出根据示例3的光电转换元件的制造方法的截面图。
图23A-23F是示出根据示例4的光电转换元件的制造方法的截面图。
图24A-24E是示出根据示例4的光电转换元件的制造方法的截面图。
图25A-25D是示出根据示例4的光电转换元件的制造方法的截面图。
图26A-26F是示出根据示例5的光电转换元件的制造方法的截面图。
图27A-27E是示出根据示例5的光电转换元件的制造方法的截面图。
图28A-28D是示出根据示例5的光电转换元件的制造方法的截面图。
图29A-29F是示出根据示例6的光电转换元件的制造方法的截面图。
图30A-30E是示出根据示例6的光电转换元件的制造方法的截面图。
图31A-31D是示出根据示例6的光电转换元件的制造方法的截面图。
图32A-32F是示出根据示例8的光电转换元件的制造方法的截面图。
图33A-33E是示出根据示例8的光电转换元件的制造方法的截面图。
图34A-34D是示出根据示例8的光电转换元件的制造方法的截面图。
图35A-35F是示出根据示例9的光电转换元件的制造方法的截面图。
图36A-36E是示出根据示例9的光电转换元件的制造方法的截面图。
图37A-37D是示出根据示例9的光电转换元件的制造方法的截面图。
图38A-38F是示出根据示例10的光电转换元件的制造方法的截面图。
图39A-39E是示出根据示例10的光电转换元件的制造方法的截面图。
图40A-40D是示出根据示例10的光电转换元件的制造方法的截面图。
图41A-41F是示出根据示例11的光电转换元件的制造方法的截面图。
图42A-42E是示出根据示例11的光电转换元件的制造方法的截面图。
图43A-43D是示出根据示例11的光电转换元件的制造方法的截面图。
图44A-44F是示出根据示例12的光电转换元件的制造方法的截面图。
图45A-45E是示出根据示例12的光电转换元件的制造方法的截面图。
图46A-46D是示出根据示例12的光电转换元件的制造方法的截面图。
具体实施方式
以下，将参照附图描述实施例。
将参照附图描述根据一实施例的光电转换元件。只要可能，在整个附图中，相同的附图标记用于表示相同或者类似的部分。
首先，将参照图1和2描述长波长吸收的原理。长波长吸收的原理是由于根据所述实施例的光电转换元件的光电转换层的带隙中的杂质能级。图1是示出背景技术的光电转换元件的太阳光谱(AM1.5，气团1.5作为太阳能光谱辐照度)的曲线图。图2是示出根据背景技术的光电转换元件的单晶硅太阳能电池的光谱灵敏度特性的曲线图。图1的横轴和纵轴分别表示光的波长和光谱灵敏度特性。此外，图2的横轴和纵轴分别表示光的波长和量子效率。
如图1所示，太阳光谱是基于太阳的黑体辐射。因此，辐射的光的波长处于300纳米至2500纳米，即长波长的宽范围。
另一方面，如图2所示，单晶硅的光吸收光谱由硅的带隙，即1.12eV，确定。因此，应当注意，光可以仅在300-1100纳米的窄范围内被吸收。由于该原因，光吸收电流在背景技术的光电转换元件中仅由太阳光的一部分产生。结果，背景技术的光电转换元件具有20％的低发电效率。
在此，一般地，窄带隙的半导体，例如锗，在较长的波长范围内用于光电转换元件似乎是有利的。但是，窄带隙扩展了待吸收的光的波长范围，同时降低了光电转换元件的开路电压，从而导致其发电效率没有增加。实际上，发电效率由于低开路电压而降低。
因此，光电转换元件必须吸收长波长范围内的光同时保持特定的带隙(1-2eV)。
结果，发明人发现形成在带隙中的杂质能级吸收长波长的光。具体地，光被带隙中的杂质能级吸收以产生电子和空穴。如果电子(空穴)在室温下被热激发到导带(价带)，电子(空穴)可以作为光电流取出。
图3是示出根据所述实施例的光电转换元件的带隙能级的示意图。
图3示出如果杂质能级和导带(价带)之间的带隙差ΔE是0.1eV，则电子(空穴)通过热激发被取出到导带(价带)，从而允许它吸收光。但是，具有这样的0.1eV带隙差的杂质能级未必形成。或者，杂质能级可以形成为恰好产生杂质能级和导带(价带)之间的带隙差，如果该带隙差允许电子(空穴)从杂质能级激发到导带(价带)并被取出的话。
图4是示出根据所述实施例的光电转换元件在室温下的ΔE和热激发比率exp(ΔE/RT)的表。
如图4所示，小ΔE增大了从杂质能级到导带(价带)的热激发比率exp(ΔE/RT)，从而允许它取出电子(空穴)作为光电流。另一方面，大ΔE减小了热激发比率，从而使得难以取出电子(空穴)作为光电流。因此，ΔE并不优选太大，而是优选ΔE小于0.1eV。
此外，图5是示出根据所述实施例的光电转换元件的太阳光谱的曲线图。
图5示出如果硅的带隙Eg是1.12eV而ΔE是0.1eV时在太阳光谱中光吸收区域延伸到长波长区域大约100纳米。
在此，用于硅的杂质能级的杂质包括S、In、Se和S-O。用于化合物半导体中的杂质能级的杂质包括Be、Cu、Li、Tl、Zn、Cd、O、Zn-O。但是，在硅或者化合物半导体中，杂质并不仅限于上述物质。
此外，用于电子和空穴的掺杂剂(例如，Ga、Al、Mg)的数种组合允许光在不小于带隙的长波长范围内被吸收。
将参照图6A-7B描述根据所述实施例的光电转换元件的结构。图6A是示出背景技术的光电转换元件的结构的示意性视图。图6B是示出光的波长和背景技术的光电转换元件的量子效率之间关系的曲线图。图7A是示出根据所述实施例的具有长波长吸收层的光电转换元件的结构的示意图。图7B是示出光的波长和根据所述实施例的具有长波长吸收层的光电转换元件的结构的量子效率的关系的曲线图。
如图6A所示，在背景技术的光电转换元件中，n+层2层叠在p型硅层1上，前电极4(第一金属层)设置在n+层2的表面。此外，后电极3设置在p型硅层1的后表面。在背景技术的光电转换元件中，当外部光入射到p型硅层1上时，电子和空穴根据带隙中的能级被分开进入导带和价带中，并作为光电流取出到外部电源Voc。
图6B示出长波长的光降低背景技术的光电转换元件的量子效率。因此，长波长光降低量子效率，从而使得不可能取出光电流到外部。
如图7A所示，在根据所述实施例的具有长波长吸收层的光电转换元件中，以与图6A中相同的方式，n+层2层叠在p型硅层1上，前电极4(第一金属层)设置在n+层2。此外，后电极3设置在p型硅层1的后表面。进一步地，长波长吸收层5设置在p型硅层1的后表面以不接触后电极3。长波长吸收层5从p型硅层1的后表面掺杂杂质。在此，具有长波长吸收层5的光电转换元件可以提供对应于带隙的1.12eV的电压。
在这种情况中，如图7B所示，根据所述实施例的光电转换元件具有长波长吸收层5以吸收长于如图6B所示的波长的光。因此，附加的吸收区域出现在更长的波长范围(在图7B中由虚线表示)中。
然而，在如图7B的虚线所示的更长的波长范围中吸收区域的量子效率较小。这可以如下地进行理解。长波长吸收层5中的掺杂浓度至多在从1×1020厘米-3到1×1021厘米-3的范围内。结果，光的吸收系数大，而每单位体积的光吸收量变小，从而降低了实际的光谱灵敏度。
因此，对于根据所述实施例的具有长波长吸收层的光电转换元件需要增大每单位体积的光吸收量的方法。
本发明人已经发现光电转换元件的以下结构有助于光吸收量。在该结构中，通过由于金属纳米结构而导致的等离子体共振来产生增强的电场，从而增大载流子激发。载流子激发在紧接着金属纳米结构下方几十纳米的深度处产生几到几百倍于正常电场的增强电场。利用具有这样的电场增强效果的金属纳米结构，增强的电场有助于光吸收量。具有上述结构的光电转换元件使得能够明显增大长波长吸收层5的光吸收量。
图8A是示出根据所述实施例的具有长波长吸收层和纳米网状电极的光电转换元件的结构的示意图。图8B是示出光的波长和根据所述实施例的具有长波长吸收层和纳米网状电极的光电转换元件的量子效率之间关系的曲线图。
如图8A所示，在根据所述实施例的具有长波长吸收层和纳米网状电极的光电转换元件中，以与图7A中相同的方式，将n+层2层叠在p型硅层1上，前电极4(第一金属层)设置到n+层2的表面。此外，后电极3设置到p型硅层1的后表面。此外，长波长吸收层5设置到p型硅层1的后表面以使得长波长吸收层5不接触后电极3。长波长吸收层5从p型硅层1的后表面掺杂杂质。纳米网状电极6设置在后电极3之间以使得纳米网状电极6接触长波长吸收层5。纳米网状电极6在长波长吸收层5上形成金属微观结构。
在此，如图8A所示，以与图7A中的相同方式，该实施例的光电转换元件具有长波长吸收层5和纳米网状电极6以使得长波长吸收层5不接触后电极3，从而允许获得对应于长波长吸收层5的带隙的电压。长波长吸收层5还在图8B的长波长侧增加附加的吸收区域(图8B中的虚线)。此外，由于电场的增强效果，长波长吸收层5具有其上的纳米网状电极6以增大光吸收量。如图8B中的粗虚线所示，光吸收量的增大提高了量子效率。
此外，当长波长吸收层5掺杂过量的杂质(超过1×1022厘米-3)时，半导体自身，即基材的固态属性(包括带隙)会完全改变。过量的杂质会防止长波长吸收区域(在图7和8B中由虚线表示)的形成。
并且，通过纳米网状电极6产生的增强电场的强度为其正常强度的几到几百倍。在这种情况下，长波长吸收层5中的杂质的低掺杂量减少了长波长区域中的吸收量。因此，其中的吸收量优选为大约1×1019厘米-3。
此外，长波长吸收层5有必要设置在纳米网状电极6的附近。这是因为由于纳米网状电极6而产生的增强电场在紧接着纳米网状电极6的下方数10纳米的深度内产生，并且增强电场在紧接着纳米网状电极6下方达到峰值。因此，长波长吸收层5优选安置在与纳米网状电极6相距5纳米的深度内，以便长波长吸收层5受益于该增强电场。
由于纳米网状电极6所致的电场增强的范围是紧挨着纳米网状电极6下方的几十纳米的范围内，并且直接在纳米网状电极6下方达到峰值，从而允许具有10纳米厚度的长波长吸收层5受益于电场增强。
此外，长波长吸收层5掺杂有杂质以允许在与其表面相距大约1000纳米的深度处至多大约1×1019厘米-3的高浓度。然而，电场增强是在紧接着纳米网状电极6的下方几十纳米的范围内。因此，1000纳米对于长波长吸收层5是一足够厚度。
如上面描述的，根据所述实施例的如图8A所示的光电转换元件设置有长波长吸收层5和纳米网状电极6，从而提供比背景技术的光电转换元件的发电效率更高的发电效率。
接下来，将参照图9A和9B描述利用由于金属纳米结构而导致的等离子体共振来产生增强电场的原理。图9A和9B是分别示出在金属纳米结构被光照射的情形下自由电子的运动和局部电场的产生的示意图。
图9A示出金属纳米结构10具有与光12的波长相当或者更小的尺寸并且用光12照射。已知这样的用光照射的精细金属纳米结构10在其中激发表面等离子体。当金属纳米结构10由光12进行照射时，自由电子11垂直于光12的行进方向而在金属纳米结构10中振动。此时，由于自由电子的振动，在金属纳米结构10的上表面(用光12照射的一侧)上产生密集部分和稀疏部分。密集部分包括密集的自由电子。稀疏部分包括稀疏的自由电子。
如图9B所示，局部电场15在金属纳米结构10的附近激发以平行于光12的行进方向振动。在此时激发的局部电场15具有高达几百倍于由光12产生的电场的强度以增强电子-空穴对的激发。
在此，将参照图10A和10B描述包括纳米网状电极6和点状金属7的金属纳米结构。图10A是示出纳米网状电极6的透视图。图10B是示出点状金属7的透视图。
多孔膜可用作金属纳米结构，例如，纳米网状金属6。在多孔膜结构中，两个或多个开口(通孔)设置于连续的金属膜，如图10A所示。开口具有与入射光的波长相当的尺寸。
或者，在用作金属纳米结构的多孔膜结构中，两个或多个点状金属7形成在p型硅层1上，如图10B所示。金属点具有与入射光的波长相当的直径r并以规则的距离l设置。
接下来，将参照图11A和11B描述通过金属纳米结构激发的强局部电场的情况。
图11A是金属纳米结构的示意图。图11B是示出金属纳米结构通过有限差分时域(FDTD)方法的仿真图。
如图11A所示，如果Al21的厚度是30纳米并且开口23(通孔)在Al21中制备，形成Si20/Al(铝)21/空气22的结构。Al21的开口23具有100纳米的直径和200纳米的间距l。
图11B是示出当入射光24(λ＝1000纳米，行进方向)入射在图11A的结构上时的电场强度通过有限差分时域(FDTD)方法的仿真图。该仿真表明电场在Al21的端部附近增强，从而产生局部电场25。
此外，将参照图12描述纳米网状电极6，即金属纳米结构的开口间隔与电场增强之间的关系。图12是示出纳米网状电极6的开口间隔与电场增强之间关系的曲线图。纵轴和横轴分别表示电场强度和纳米网状电极6的开口间隔。
如图12所示，在光的波长不小于大约1000纳米的区域中，开口(通孔)23的间距l可以不大于1微米以为了Al21的端部产生电场增强。当间距l转换为每一开口23的面积时，所述面积可以不大于0.8平方微米。此外，开口23的间距l与开口23的间距l的工作精度可以为大约几十纳米。当转换为每一开口23的面积时，所述面积可以不小于80平方纳米。
此外，上述仿真表明以下情况。当Al21的膜厚度不小于2纳米时，可以充分地产生电场增强。此外，当Al21的膜厚度厚于200纳米时，电场增强饱和。
并且，已经以与对纳米网状电极6相同的方式对点状金属7，即金属纳米结构执行仿真。图13是示出点状金属7的半径与局部电场的范围之间的关系的曲线图。纵轴和横轴分别表示紧接着点状金属7的下方的局部电场的范围和点状金属7的半径。
如图13所示，点状金属7的半径在1纳米至1000纳米的范围。当点状金属7假定成球状时，该范围对应于具有不小于4立方纳米并且不大于0.52立方微米的体积的点状金属7。具有这样体积的点状金属可以产生高的电场增强效果。
以下情形已经被阐明。当电场增强正在1000纳米或者更大的范围内产生时，电能移动到点状金属7之间的过窄的空间，从而降低电场增强效果。
如图13所示，小尺寸的点状金属7将局部电场的范围限定到大约其尺寸的一半。具体地，具有1纳米半径的点状金属7(体积4立方纳米)提供1纳米范围(大致等于该半径)的局部电场。但是，大尺寸的点状金属7并不必然提供大范围的局部电场。具有大于特定长度的半径的点状金属7可以提供仅100纳米或者更小范围的局部电场。具体地，具有10纳米或者更大半径的点状金属7(体积为4×10-3立方微米)提供大约100纳米或者更小范围的局部电场。
因此，当点状金属具有小于4×10-3立方微米的体积并且两个彼此相邻的点状金属7之间的距离是1纳米或者更大时，在这两个点状金属7之间不发生能量转移。
当点状金属具有大于4×10-3立方微米的体积并且两个彼此相邻的点状金属7之间的距离是100纳米或者更大时，在两个点状金属7之间不发生能量转移。
然而，当两个点状金属7之间的距离太长时，点状金属7的占有比降低以削弱了电场增强，从而导致彼此相邻的两个点状金属7之间不大于1微米的优选距离。
接下来，将在以下描述从长波长吸收层5产生的载流子的情况。
如图7A所示，载流子，即从长波长吸收层5产生的电子扩散通过p型层(P型硅衬底)并需要到达p型硅层1的表面上的n+层2附近的耗尽层(未示出)。因此，载流子的寿命必须非常长或者p型硅层1必须被制造得薄。
使p型硅层1变薄可能使得硅的吸收波长处的量子效率降低，从而产生不期望的结果。当载流子本身具有长的寿命时，载流子即产生的电子完全扩散通过p型硅层1并可以到达p型硅层1的表面上的n+层2附近的耗尽层。因此，载流子的这样的长寿命可以保持量子效率。
相反，一些困难，例如载流子的短寿命防止载流子完全扩散通过p型硅层1以到达p型硅层1的表面上的n+层2附近的耗尽层，从而产生量子效率降低的危险。因此，优选实施例采用具有与p型硅层1的极性相反的极性的n型层作为长波长吸收层5。
这样的配置形成p-n结以在n型长波长吸收层5与p型硅层1之间产生内建电势。少数载流子即空穴在作为n型层的长波长吸收层5中产生。当空穴到达在包括n型长波长吸收层5和p型硅层1的p-n结处的耗尽层时，内建电势将空穴带入p型硅层1(衬底)中。
长波长吸收层5即n型层薄至几微米或者更小，从而允许空穴容易地到达后电极。因此，使衬底变薄或者关心载流子的寿命不是必须的。这使得能够有效地取出在长波长吸收层5中产生的光电流。
包括P、Sb、B的元素可以用于使长波长吸收层5成为具有与光电转换层即p型硅层1的极性相反的极性的n型层。
将参照图14A-16D描述根据实施例的光电转换元件的示例性制造方法。图14A-16D是示出根据实施例的光电转换元件的制造步骤的截面图。
此外，为了形成具有不大于200纳米-300纳米的开口的金属电极图案，有必要使用用于制造半导体集成电路的最新曝光系统和EB光刻系统。然而，利用先进的曝光系统和EB光刻系统并不能实现大面积和成本降低。纳米压印是用于实现大面积和成本降低的有前景的方法之一。将描述纳米网状金属(金属薄膜)的产生方法。
如图14A所示，具有1×1016厘米-3掺杂浓度的p型硅单晶衬底30制备为衬底，然后通过对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化，形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图14B所示，利用光刻方法将二氧化硅膜31构图为宽度100微米且间距1毫米的格栅形状图案。
进一步，如图14C所示，利用二氧化硅掩模32作为掩模，植入S(硫)离子以形成长波长吸收层33。
如图14D所示，去除二氧化硅掩模32，然后对所植入的S进行激活退火以形成长波长吸收层33。在距离硅表面100纳米内以S对长波长吸收层33进行掺杂至1×1020厘米-3的浓度。
如图14E所示，在已经掺杂S的相对侧面植入P(磷)离子。然后进行P离子的离子植入、激活退火后，从而在距离硅表面200纳米内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图14F所示，利用沉积方法，在已经掺杂有S的该侧面形成具有30纳米厚度的Ag层，从而提供Ag层35。
此外，如图15A所示，在形成在p型硅单晶衬底30的后表面上的Ag层35上形成抗蚀剂36。
如图15B所示，进行压印如下。在加热p型硅单晶衬底30的情况下将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有尺寸为200纳米(该形状形成为具有9平方厘米的面积)的凸起形状。
如图15C所示，在压印后，冷却p型硅单晶衬底30并且随后释放石英压模37。结果，具有200纳米尺寸的下凹形状形成在抗蚀剂36上。
此外，如图15D所示，通过CF4的反应离子蚀刻(RIE)，蚀刻具有下凹形状的抗蚀剂36，从而暴露抗蚀剂36的底部。
如图15E所示，在暴露抗蚀剂36的底部后，通过离子铣削(ion milling)对Ag层35进行蚀刻。在蚀刻Ag层35后，去除留在其上的抗蚀剂36，从而在Ag层35中形成具有开口(通孔)的纳米网状金属38(金属薄膜)。
如图16A所示，将抗蚀剂39涂覆在纳米网状金属38(金属薄膜)和p型硅单晶衬底30上。利用光刻方法对没有掺杂S的部分，即长波长吸收层33进行曝光和显影，从而形成抗蚀剂图案。
如图16B所示，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削蚀刻纳米网状金属38(金属薄膜)，从而去除纳米网状金属38(金属薄膜)。然后，去除在蚀刻后留下的抗蚀剂。结果，纳米网状电极38的除了刚好在长波长吸收层33上的部分之外的任何部分被去除。
此外，如图16C所示，将后电极40形成在已经通过剥离工序去除纳米网状金属38(金属薄膜)的部分上。
最后，如图16D所示，在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而完成光电转换元件。
如上所述，已经描述了基于硅单晶衬底的光电转换元件。除基于上面的光电转换元件之外，还可以利用与上面描述的方法类似的方法形成基于多晶衬底、非晶硅衬底或者化合物半导体衬底的另一光电转换元件，其具有长波长吸收层33和形成在长波长吸收层33上的纳米网状金属38(金属薄膜)。此外，化合物半导体衬底的材料示例包括GaAs、CdTe和CIS(由CuInSe2制成的黄铜矿化合物半导体)系统。
示例
将通过示例更详细地描述根据实施例的光电转换元件。光电转换元件形成为具有9平方厘米大小以评价它们的特性。此外，在下面的示例中，针对纳米压印来描述纳米网状金属和点状金属的制造方法，但是其它方法(例如，自组织)也能够用于制造纳米网状金属和点状金属。
示例1-17的概况在表1中列出。
[表1]
在此，示例14示出最高的光电转换效率，即14％，提供了示例1-17中最好的结果。
示例1(单晶硅、S、Ag、纳米网状电极)
将参照图14A-16D描述根据示例1的光电转换元件的制造方法。图14A-16D是示出根据所述实施例的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图14A所示，将p型硅单晶衬底30制备为具有500微米厚度和1×1016立方厘米的掺杂浓度的衬底。通过热氧化，在p型硅单晶衬底30上形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图14B所示，通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上之后，将所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。然后，利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状。利用抗蚀剂作为掩模，在30sccm CF4、10mTorr压力和100WRF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。在CF4 RIE后，通过有机溶剂去除在蚀刻后留下的抗蚀剂，从而形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
进一步，如图14C所示，利用二氧化硅掩模32作为掩模，在20keV植入能量和1×1015厘米-2剂量的条件下植入S离子。
如图14D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图14E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，将P离子植入在已经掺杂S的相对侧面。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图14F所示，利用蒸发法，将具有30纳米厚度的Ag层35形成在已经掺杂S的侧面。
此外，如图15A所示，通过乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)以提供抗蚀剂溶液。通过旋涂，将该溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30的后表面上的Ag层35上。所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。
如图15B所示，在加热在其上具有抗蚀剂36的p型硅单晶衬底30的情况下，执行压印以使得石英压模37在10MPa压力下被按压到抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的大小、间距和高度分别为100纳米、200纳米和150纳米。当石英压模37被按压时，其具有凸起形状的表面接触抗蚀剂36。
如图15C所示，在压印后，冷却p型硅单晶衬底30并且随后释放石英压模37。结果，在抗蚀剂36上形成具有100纳米尺寸、200纳米间距和100纳米深度的下凹形状。
如图15D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，通过CF4的反应离子蚀刻(RIE)对具有下凹形状的抗蚀剂36蚀刻30秒，从而暴露抗蚀剂36的底部以露出Ag层35。
如图15E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Ag层35蚀刻80秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。通过离子铣削，使Ag层35具有100纳米的开口尺寸和200纳米的开口间距的图案。在此，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图16A所示，通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层30上后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。该格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有S掺杂的部分而不是长波长吸收层33。
此外，如图16B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻80秒，以去除纳米网状金属38(金属薄膜)。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，去除长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38。
如图16C所示，通过剥离方法，在已经去除纳米网状金属38(金属薄膜)的部分上形成后电极40。
最后，如图16D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷技术在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下对于光电转换效率进行评价。结果，具有S掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出12％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件展现出10.0％的光电转换效率。背景技术的硅单晶光电转换元件既不具有S掺杂的长波长吸收层33，也不具有纳米网状电极38。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。然而，示例1的实施例的具有S掺杂长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也在1100纳米-1500纳米范围内具有光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，S掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。示例2(单晶硅、S、Au、纳米网状电极)
将参照图17A-19D描述根据示例2的光电转换元件的制造方法。图17A-19D是示出根据示例2的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图17A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图17B所示，通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。该格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。随后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图17C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32植入S离子。
如图17D所示，在利用氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图17E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂S的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图17F所示，通过蒸发法，在已经掺杂有S的侧面上形成具有30纳米厚度的Au层，从而形成Au层50。
此外，如图18A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂溶液在涂覆在形成在p型硅单晶衬底30上的Au层50上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)而获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图18B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸、间距和高度分别为300纳米、150纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图18C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。该压印在抗蚀剂36上形成具有300纳米间距、150纳米尺寸和100纳米深度的下凹形状。
如图18D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，将下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4RIE后，暴露抗蚀剂36的底部以露出Au层50。
如图18E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Au层50蚀刻90秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。离子铣削使Au层50上形成图案。该图案具有开口(通孔)，该开口具有150纳米的尺寸和300纳米的间距。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图19A所示，通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层30上后，所涂覆的抗蚀剂以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。该格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露除了没有掺杂S的长波长吸收层33之外的部分。
此外，如图19B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻90秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，去除除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38。
如图19C所示，通过剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图19D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述地制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有S掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出11.8％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件在没有S掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的情形下展现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，示例2的实施例的具有S掺杂长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，S掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。示例3(单晶硅、S-O、Cu、纳米网状电极)
将参照图20A-22D描述根据示例3的光电转换元件的制造方法。图20A-22D是示出根据示例3的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图20A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图20B所示，通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。该格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100WRF能量的条件下将二氧化硅膜31蚀刻10分钟。随后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物，以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的二氧化硅掩模32。
而且，如图20C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模同时植入S和O离子。
如图20D所示，在利用氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，以1000℃执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图20E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂S和O的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，以800℃执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图20F所示，通过蒸发法，在已经掺杂S的侧面上形成具有30纳米厚度的Cu层，从而形成Cu层51。
此外，如图21A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30上的Cu层51上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)，获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图21B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸、间距和高度分别为400纳米、200纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图21C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。该压印在抗蚀剂36上形成具有400纳米间距、150纳米尺寸和100纳米深度的下凹形状。
如图21D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Cu层51。
如图21E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Cu层51蚀刻90秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。离子铣削在Cu层51上形成图案。该图案具有开口(通孔)，该开口具有150纳米的尺寸和300纳米的间距。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图22A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆到纳米网状电极38和p型硅层30上之后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。该格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂S的部分。
此外，如图22B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻90秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，去除除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38。
如图22C所示，通过剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图22D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有S和O掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出12.5％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件在没有S和O掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的情形下表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，示例3的实施例的具有S掺杂长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。S和O可以形成S-O吸收对，从而与单S掺杂相比提高了吸收量和转换效率。
结果表明，S和O掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。示例4(单晶硅、Se、Ag、纳米网状电极)
将参照图23A-25D描述根据示例4的光电转换元件的制造方法。图23A-25D是示出根据示例4的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图23A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图23B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。随后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图23C所示，利用二氧化硅掩模32作为掩模，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入Se离子。
如图23D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图23E所示，在20keV的植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在已经掺杂Se的相对侧面离子植入P。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图23F所示，将具有30纳米的厚度的Ag层通过蒸发法形成在已经掺杂Se的侧面上，从而形成Ag层35。
此外，如图24A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂溶液在涂覆在形成在p型硅单晶衬底30上的Ag层35上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)而获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图24B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸、间距和高度分别为200纳米、100纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图24C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。该压印在抗蚀剂36上形成具有400纳米间距、150纳米尺寸和100纳米深度的下凹形状。
如图24D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Ag层35。
如图24E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Ag层35蚀刻90秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。离子铣削在Ag层35上形成图案。图案具有开口(通孔)，该开口具有150纳米的尺寸和300纳米的间距。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图25A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)的溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层30上后，所涂覆的抗蚀剂以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔，从而案暴露没有掺杂Se的部分。
此外，如图25B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻90秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，去除除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38。
如图25C所示，通过剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图25D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例4的具有Se掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出13％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件在没有Se掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的情形下表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有Se掺杂长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，Se掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。示例5(单晶硅、In、Au、纳米网状电极)
将参照图26A-28D描述根据示例5的光电转换元件的制造方法。图26A-28D是示出根据示例5的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图26A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图26B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。随后，利用有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图26C所示，利用二氧化硅掩模32作为掩模，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入In离子。
如图26D所示，在利用氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图26E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂In的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图26F所示，将具有30纳米厚度的Au层通过蒸发法形成在已经掺杂In的侧面，从而形成Au层50。
此外，如图27A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30上的Au层50上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图27B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸、间距和高度分别为300纳米、150纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图27C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。该压印在抗蚀剂36上形成具有300纳米间距、150纳米大小和100纳米深度的下凹形状。
如图27D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Au层50。
如图27E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Au层50蚀刻90秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。离子铣削使Au层50形成图案。图案具有开口(通孔)，该开口具有150纳米的尺寸和300纳米的间距。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图28A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层30上后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂In的部分。
此外，如图28B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻90秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，去除除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38。
如图28C所示，通过剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图28D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例5的实施例的具有Se掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出11.5％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件在没有In掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的情形下表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有In掺杂长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，In掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。示例6(单晶硅、In、Au、纳米网状电极)
将参照图29A-31D描述根据示例6的光电转换元件的制造方法。图29A-31D是示出根据示例6的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图29A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图29B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。随后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图29C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模同时植入Mg和Ga离子。
如图29D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图29E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂Mg和Ga的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图29F所示，将具有30纳米厚度的Cu层通过蒸发法形成在已经掺杂有Mg和Ga的侧面上，从而形成Cu层51。
此外，如图30A所示，在通过以2000rpm下旋涂30秒将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30上的Cu层51上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图30B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸、间距和高度分别为300纳米、150纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图30C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上形成具有400纳米间距、200纳米尺寸和100纳米深度的下凹形状。
如图30D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Cu层51。
如图30E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Cu层51蚀刻90秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。离子铣削在Cu层51上形成图案。图案具有开口(通孔)，该开口具有200纳米的尺寸和400纳米的间距。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图31A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层30上后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂Mg和Ga的部分。
此外，如图31B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻90秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38被去除。
如图31C所示，利用剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图31D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例6的实施例的具有Mg和Ga掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出11.5％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件在没有Mg和Ga掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的情形下表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有Mg和Ga掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1400纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，Mg和Ga掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
此外，Mg在导带的一侧具有一能级，Ga在价带的一侧上具有一能级。光的吸收带通过两个能级之间的吸收产生在光的长波长区域中。如上面描述的，光的吸收带很少通过一个杂质能级产生在光的长波长区域中。利用两个或多个杂质能级实现在这样的光的长波长区域中的光吸收。示例7(薄单晶硅、S、Ag、纳米网状电极)
将参照图14A-16D描述根据示例7的光电转换元件的制造方法。图14A-16D是示出根据示例7的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图14A所示，制备具有100微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。将p型硅单晶衬底30的表面热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图14B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。随后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图14C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S离子。
如图14D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图14E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂S的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图14F所示，将具有30纳米厚度的Ag层通过蒸发法形成在已经掺杂有Mg和Ga的侧面上，从而形成Ag层35。
此外，如图15A所示，在通过以2000rpm下旋涂30秒，将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30上的Ag层35上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)而获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图15B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸、间距和高度分别为300纳米、150纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图15C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上形成具有400纳米间距、200纳米尺寸和100纳米深度的下凹形状。
如图15D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Ag层35。
如图15E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Ag层35蚀刻90秒以形成具有开口(通孔)的纳米网状电极38。离子铣削在Ag层35上形成图案。图案具有开口(通孔)，该开口具有200纳米的尺寸和400纳米的间距。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图16A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层30上后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂S的部分。
此外，如图16B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻80秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38被去除。
如图16C所示，利用剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图16D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例7的实施例的具有Mg和Ga掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出13.6％的优良值。
另一方面，背景技术的硅单晶光电转换元件在没有S掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的情形下表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有Mg和Ga掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，S掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
此外，示例7与示例1的不同之处在于硅衬底的厚度。使硅衬底变薄增大了在S掺杂的长波长吸收层33中产生的载流子到达耗尽层的比率，从而提高了光电转换效率。因此，应当注意，使硅衬底变薄对于提高光电转换效率同样是有效的。
示例8(单晶硅、S、Ag、纳米网状电极)
将参照图32A-34D描述根据示例8的光电转换元件的制造方法。图32A-34D是示出根据示例8的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图32A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图32B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。在CF4 RIE后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图32C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S离子。
如图32D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图32E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂S的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图32F所示，将具有30纳米的厚度的Ag层通过蒸发法形成在已经掺杂S的侧面，从而形成Ag层35。
此外，如图33A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30的后表面上的Ag层35上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图33B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸和高度分别为150纳米和100纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图33C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上提供具有150纳米尺寸和80纳米深度的下凹形状。
如图33D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Ag层35。
如图33E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削将Ag层35蚀刻90秒以形成纳米网状电极38。离子铣削在p型硅层30上形成点状金属52。点状金属形成具有150纳米尺寸的点图案。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图34A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在点状金属52和p型硅层1上之后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂S的部分。
此外，如图34B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对点状金属52蚀刻80秒，从而去除点状金属52。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的点状金属52被去除。
如图34C所示，通过剥离方法，在没有点状金属52的部分上形成后电极40。
最后，如图34D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和点状金属52的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例8的具有S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出11％的优良值。另一方面，背景技术的没有S掺杂的长波长吸收层33或者点状金属52的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例9(单晶硅、Se、Au、点状金属)
将参照图35A-37D描述根据示例9的光电转换元件的制造方法。图35A-37D是示出根据示例9的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图35A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。将p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图35B所示，在通过以2000rpm下旋涂30秒，将抗蚀剂(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。在CF4 RIE后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图35C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入Se离子。
如图35D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图35E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂Se的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图35F所示，将具有30纳米厚度的Au层通过蒸发法形成在已经掺杂Se的侧面，从而形成Au层50。
此外，如图36A所示，在通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)获得的抗蚀剂溶液，以2000rpm旋涂30秒而涂覆在形成在p型硅单晶衬底30的后表面上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图36B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸和高度分别为200纳米和100纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图36C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上形成具有200纳米尺寸和80纳米深度的下凹形状。
如图36D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Au层50。
如图36E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Au层50蚀刻90秒以形成纳米网状电极38。离子铣削在p型硅层30上形成点状金属52。点状金属形成具有200纳米尺寸的点图案。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图37A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在点状金属52和p型硅层30上之后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂Se的部分。
此外，如图37B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对点状金属52蚀刻80秒，从而去除点状金属52。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的点状金属52被去除。
如图37C所示，通过剥离方法，在没有点状金属52的部分上形成后电极40。
最后，如图37D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和点状金属52的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例9的具有Se掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出11.2％的优良值。
另一方面，背景技术的没有Se掺杂的长波长吸收层33或者点状金属52的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有Se掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，Se掺杂的长波长吸收层33和点状金属52由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例10(单晶硅、In、Cu、点状金属)
将参照图38A-40D描述根据示例10的光电转换元件的制造方法。图38A-40D是示出根据示例10的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图38A所示，制备具有500微米厚度和1×1016厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。将p型硅单晶衬底30的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图38B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。在CF4 RIE后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图38C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入In离子。
如图38D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图38E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂In的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图38F所示，将具有30纳米厚度的Cu层通过蒸发法形成在已经掺杂In的侧面，从而形成Cu层51。
此外，如图39A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒，将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30的后表面上的Cu层51上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图39B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸和高度分别为100纳米和100纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图39C所示，在压印后，将p型硅单晶衬底30冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上形成具有100纳米尺寸和80纳米深度的下凹形状。
如图39D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Cu层51。
如图39E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Cu层51蚀刻90秒以形成点状金属52。离子铣削在p型硅层30上形成点状金属52。点状金属形成具有200纳米尺寸的点图案。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图40A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在点状金属52和p型硅层30上之后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂In的部分。
此外，如图40B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对点状金属52蚀刻80秒，从而去除点状金属52。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的点状金属52被去除。
如图40C所示，通过剥离方法，在没有点状金属52的部分上形成后电极40。
最后，如图40D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和点状金属52的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例10的具有In掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出11.2％的优良值。
另一方面，背景技术的没有In掺杂的长波长吸收层33或者点状金属52的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有In掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，In掺杂的长波长吸收层33和点状金属52由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例11(多晶硅、S、Ag、纳米网状电极)
将参照图41A-43D描述根据示例11的光电转换元件的制造方法。图41A-43D是示出根据示例11的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图41A所示，制备具有400微米厚度和1×1017厘米-3的掺杂浓度的p型硅单晶衬底30作为衬底。对p型硅多晶衬底53的表面进行热氧化以形成具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图41B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。在CF4 RIE后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图41C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S离子。
如图41D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图41E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下，在与已经掺杂In的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图41F所示，将具有30纳米厚度的Ag层通过蒸发法形成在已经掺杂S的侧面，从而形成Ag层35。
此外，如图42A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂溶液涂覆在p型硅单晶衬底53的后表面上的Ag层35上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)而获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图42B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸小、间距和高度分别为200纳米、100纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图42C所示，在压印后，将p型硅多晶衬底53冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上形成具有200纳米间距、100纳米尺寸和80纳米深度的下凹形状。
如图42D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下，对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4 RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Ag层35。
如图42E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流下，通过离子铣削对Ag层35蚀刻80秒以在p型硅层53上形成纳米网状电极38。Ag层35通过离子铣削处理为具有200纳米间距和100纳米尺寸的开口(通孔)的纳米网状电极38。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图43A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在纳米网状电极38和p型硅层53上后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂S的部分。
此外，如图43B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对纳米网状金属电极38蚀刻80秒，从而去除纳米网状电极38。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的纳米网状电极38被去除。
如图43C所示，利用剥离方法，在没有纳米网状电极38的部分上形成后电极40。
最后，如图43D所示，利用包括环氧基的热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例11的具有S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出10.5％的优良值。
另一方面，背景技术的没有S掺杂的长波长吸收层33或者点状金属52的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅多晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅多晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，In掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例12(多晶硅、S、Ag、点状金属)
将参照图44A-46D描述根据示例12的光电转换元件的制造方法。图44A-46D是示出根据示例12的光电转换元件的制造步骤的截面图。
如图44A所示，制备具有500微米厚度和1×1017厘米-3的掺杂浓度的p型硅多晶衬底53作为衬底。对p型硅多晶衬底53的表面进行热氧化以提供具有150纳米厚度的二氧化硅膜31。
如图44B所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在二氧化硅膜31上之后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂的膜厚度为1微米。利用100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。利用抗蚀剂作为掩模，在30-sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对二氧化硅膜31蚀刻10分钟。在CF4 RIE后，通过有机溶剂去除抗蚀剂的残留物以形成具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状二氧化硅掩模32。
而且，如图44C所示，在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下，利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S离子。
如图44D所示，在通过氢氟酸去除二氧化硅掩模32后，在1000℃下执行激活退火30分钟以形成长波长吸收层33。在长波长吸收层33中，在距离硅表面100纳米的深度内获得1×1020厘米-3的浓度。
如图44E所示，在20keV植入能量和5×1015厘米-2剂量的条件下在已经掺杂S的相对侧面植入P离子。在离子植入之后，在800℃下执行激活退火30分钟，从而在距离硅表面200纳米深度内使n+层34具有1×1020厘米-3的浓度。
如图44F所示，将具有30纳米的厚度的Ag层通过蒸发法形成在已经掺杂S的侧面上，从而形成Ag层35。
此外，如图45A所示，在通过以2000rpm下旋涂30秒将抗蚀剂溶液涂覆在形成在p型硅单晶衬底30的后表面上的Ag层35上后，所涂覆的抗蚀剂在加热板上以110℃加热90秒以蒸发溶剂。通过使用乳酸乙酯(EL)以1∶2稀释抗蚀剂36(THMR IP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)获得抗蚀剂溶液。抗蚀剂36的膜厚度是150纳米。
如图45B所示，执行压印如下。在120℃下加热p型硅单晶衬底30的情况下，以10MPa压力将石英压模37按压到抗蚀剂36，以使得具有凸起形状的石英压模37的表面接触抗蚀剂36。石英压模37设置有凸起形状，该形状的尺寸和高度分别为100纳米和150纳米(该形状形成9平方厘米的面积)。
此外，如图45C所示，在压印后，将p型硅多晶衬底53冷却到室温，然后释放石英压模37。压印在抗蚀剂36上形成具有150纳米尺寸和80纳米深度的下凹形状。
如图45D所示，在30sccm CF4、10mTorr压力和100W RF能量的条件下对下凹图案已经形成在其上的抗蚀剂图案蚀刻30秒。在CF4RIE后，抗蚀剂36的底部被暴露以露出Ag层35。
如图45E所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，通过离子铣削对Ag层35蚀刻80秒以在p型硅层53上形成点状金属52。Ag层35通过离子铣削处理为具有150纳米尺寸的点状金属52。此外，通过有机溶剂去除抗蚀剂36的残留物。
如图46A所示，在通过以2000rpm旋涂30秒将抗蚀剂39(THMRIP3250，TOKYO OHKA KOGYO Co.，Ltd.)溶液涂覆在点状金属52和p型硅层53上之后，所涂覆的抗蚀剂在110℃下加热90秒以蒸发溶剂。抗蚀剂39的膜厚度是1微米。利用具有100微米宽度和1毫米间隔的格栅形状的掩模，通过光刻方法将抗蚀剂39构图为格栅形状。格栅形状具有100微米宽度和1毫米间隔。该构图暴露没有掺杂S的部分。
此外，如图46B所示，在500V的加速电压和40mA的离子电流的条件下，利用抗蚀剂图案作为掩模，通过离子铣削对点状金属52蚀刻80秒，从而去除点状金属52。然后，去除抗蚀剂39的残留物。结果，除了在长波长吸收层33上以外的点状金属52被去除。
如图46C所示，利用剥离方法，在没有点状金属38的部分上形成后电极40。
最后，如图46D所示，利用包括环氧基热固性树脂的Ag胶，通过丝网印刷方法在n+层34上形成梳状电极41(第一金属层)，从而实现具有长波长吸收层33和点状金属52的硅光电转换元件。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，示例12的实施例的具有S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅多晶光电转换元件的光电转换效率表现出9.5％的优良值。
另一方面，背景技术的没有S掺杂的长波长吸收层33或者点状金属52的硅多晶光电转换元件表现出8.0％的光电转换效率。
此外，当评价背景技术的硅多晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有S掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅多晶光电转换元件也具有在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱，尽管其吸收强度不是很高。
结果表明，In掺杂的长波长吸收层33和点状金属52由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
根据上述实施例的至少一个的光电转换元件采用在光电转换元件的光电转换层上的金属纳米结构，通过以杂质对光电转换层进行掺杂而在光电转换层的带隙内引入杂质能级。这样的光电转换元件能够提供高转换效率。
示例13(单晶硅、S、P、Ag、纳米网状电极)
除了在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S和P离子之外，以与示例1的图14C中相同的方式制造硅光电转换元件作为示例13。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出13.5％的优良值。
另一方面，背景技术的没有如示例1中描述的S掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件比在长波长吸收层仅掺杂S时表现出更高的吸收。此外，具有S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出也在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱。
结果表明，S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例14(单晶硅、S-O、P、Cu、纳米网状电极)
除了在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S、O和P离子之外，以与示例3的图20C中的相同的方式制造硅光电转换元件作为示例14。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有S、O和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出14％的优良值。
另一方面，背景技术的没有如示例3中描述的S掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有S、O和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出比在长波长吸收层仅掺杂S和O时更高的吸收。此外，具有S、O和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出也在1100纳米-1500纳米范围内的光吸收光谱。S和O可以形成吸收对S-O。该吸收对提供比仅S更高的吸收量。
结果表明，S、O和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例15(单晶硅、Mg、Ga、P、Cu、纳米网状电极)
除了在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下利用二氧化硅掩模32作为掩模植入Mg、Ga和P离子之外，以与示例6的图29C中的相同的方式制造硅光电转换元件作为示例15。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有Mg、Ga和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出13％的优良值。
另一方面，背景技术的没有如示例6中描述的Mg、Ga和P掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有Mg、Ga和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件比在长波长吸收层仅掺杂Mg和Ga时表现出更高的吸收。此外，具有Mg、Ga和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出也在1100纳米-1400纳米范围内的光吸收光谱。
结果表明：Mg、Ga和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域中的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域中增大。而且，Mg和Ga具有分别在导带和价带附近的能级。由于电子跃迁所导致的吸收产生在光的长波长区域中的吸收带。
如上所述，单个杂质能级提供在光的长波长区域中的很少的吸收带。但是，两个或多个杂质能级能够明显提供在光的长波长区域中的吸收带。
示例16(单晶硅、Se、P、Au、点状金属)
除了在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下利用二氧化硅掩模32作为掩模植入Se和P离子之外，以与示例9的图35C中相同的方式制造硅光电转换元件作为示例16。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有Se和P掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出13％的优良值。
另一方面，背景技术的没有如示例9中描述的Se和P掺杂的长波长吸收层33或者点状金属52的硅单晶光电转换元件表现出10.0％的光电转换效率。
当评价背景技术的硅单晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有Se和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件表现出比在长波长吸收层仅掺杂Se时更高的吸收。此外，具有Mg、Ga和P掺杂的长波长吸收层33和点状金属52的硅单晶光电转换元件表现出也在1100纳米-1400纳米范围内的光吸收光谱。
结果表明，Se和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
示例17(多晶硅、S、P、Ag、纳米网状电极)
除了在20keV的植入能量和1×1015厘米-2的剂量的条件下利用二氧化硅掩模32作为掩模植入S离子之外，以与示例11的图41C中相同的方式制造硅光电转换元件作为示例17。
(太阳能电池的特性)
如上所述制造的光电转换元件以AM 1.5的伪阳光照射并在室温下评价光电转换效率。结果，具有S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅单晶光电转换元件的光电转换效率表现出12％的优良值。
另一方面，背景技术的没有如示例11中描述的S和P掺杂的长波长吸收层33或者纳米网状电极38的硅多晶光电转换元件表现出8.0％的光电转换效率。
当评价背景技术的硅多晶光电转换元件的光谱灵敏度特性时，光在高达大约1100纳米的范围内被吸收。但是，具有S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅多晶光电转换元件表现出比在长波长吸收层仅掺杂S时更高的吸收。此外，具有S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38的硅多晶光电转换元件表现出也在1100纳米-1400纳米范围内的光吸收光谱。
结果表明，S和P掺杂的长波长吸收层33和纳米网状电极38由于在光的长波长区域的光吸收而实现光电转换效率在光的长波长区域增大。
尽管已经描述特定实施例，但是这些实施例仅通过示例的形式给出，并不意在限制本发明的范围。事实上，在此描述的新的实施例可以以各种其它形式实施；而且，在不偏离本发明的精神的情况下，可以进行在此描述的实施例形式的省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物意在覆盖落在本发明的范围和精神内这样的形式或者修改。

Claims (20)

1.一种光电转换元件，包括光电转换层以包括层叠的第一金属层、半导体层和第二金属层，
其中，
所述第一金属层和所述第二金属层中的至少一个是具有多个通孔的纳米网状金属，或者具有多个彼此分开设置于所述半导体层上的金属点的点状金属；
所述光电转换层还包括长波长吸收层，所述长波长吸收层包含的杂质不同于用于所述半导体层的p型掺杂和n型掺杂的杂质；以及
所述长波长吸收层位于距离所述纳米网状金属或者所述点状金属5纳米的深度内。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，
包含所述杂质的所述长波长吸收层的极性与所述光电转换层的极性相反。
3.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述纳米网状金属具有不小于2纳米且不大于200纳米的厚度，并且所述纳米网状金属具有所述通孔，每个所述通孔具有不小于80平方纳米且不大于0.8平方微米的平均开口面积。
4.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述金属点具有不小于4立方纳米且不大于0.52立方微米的平均体积，并且当所述平均体积小于4×10-3立方微米时具有1纳米或者更大的平均间隔，或者当所述平均体积不小于4×10-3立方微米时具有不小于100纳米且不大于1微米的平均间隔。
5.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述第一金属层或者所述第二金属层包括选自由Al、Ag、Au、Cu、Pt、Ni、Co、Cr和Ti构成的组中的至少一种元素。
6.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述长波长吸收层包括选自由S、In、Se、Be、Cu、Li、Tl、Zn、Cd、O、Ga、Al和Mg构成的组中的至少一种元素。
7.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述长波长吸收层具有不小于1019厘米-3且不大于1021厘米-3的杂质浓度以及不小于10纳米且不大于1000纳米的厚度。
8.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层是p型层或者n型层；并且
所述半导体层包括单晶硅、多晶硅或者非晶硅。
9.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层是p型层或者n型层；并且
所述半导体层包括化合物半导体。
10.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括GaAs、CdTe或者SiC。
11.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括中心p型掺杂区域和与所述第一金属层相邻的n型掺杂区域。
12.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述第二金属层包括具有2纳米至200纳米的厚度并包括多个通孔的纳米网状铝。
13.根据权利要求1所述的元件，其中，
通孔开口的面积为80平方纳米至0.8平方微米。
14.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括单晶硅，
所述第二金属层是纳米网状Ag，以及
所述长波长吸收子区域包括S。
15.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括单晶硅，
所述第二金属层是纳米网状Cu，以及
所述长波长吸收子区域包括S和O。
16.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括单晶硅，
所述第二金属层是纳米网状Ag，以及
所述长波长吸收子区域包括Se。
17.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括单晶硅，
所述第二金属层是纳米网状Au，以及
所述长波长吸收子区域包括S。
18.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述半导体层包括单晶硅，
所述第二金属层是纳米网状Au，以及
所述长波长吸收子区域包括In。
19.根据权利要求10所述的元件，其中，
在所述半导体层的所述中心p型掺杂中的p型掺杂剂的浓度是1×1016厘米-3。
20.根据权利要求13所述的元件，其中，
在所述半导体层的所述长波长吸收子区域中的所述S的浓度是1×1020厘米-3。
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