CN103025913A - 用于多结太阳能电池的减反射涂层 - Google Patents

用于多结太阳能电池的减反射涂层 Download PDF

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Abstract

一种在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池。该涂层可以包括二氧化硅和五氧化二钽的交错层，并且对于300nm-1850nm的波长可以具有小于5%的平均前表面反射率，二氧化硅对于550nm的波长具有小于1.4的折射率。

Description

用于多结太阳能电池的减反射涂层
相关申请
本申请与在2010年3月23日提交的且题目为“EfficiencyEnhancement Antrireflection Coating on Multi-junction Solar Cells”的美国临时专利申请No.61/316,772共同待决，在此通过引用并入该专利申请的全部内容。
技术领域
本发明主题的实施例一般地涉及用于各种应用（例如，但不限于，多结太阳能电池、太阳能电池阵列等）的减反射层和涂层。
背景技术
近来人们在太阳能电池半导体材料及太阳能电池结构技术技术方面进行了相当多的研究和开发。结果，高级的半导体太阳能电池已经被应用于众多的商用及消费者导向的应用。例如，太阳能技术已经被应用于卫星、太空、移动通信等。从太阳能或光子到电能的能量转换是太阳能发电中的重要问题。例如，在卫星和/或其他太空相关的应用中，卫星电力系统的尺寸、质量及成本与所使用的太阳能电池的功率及能量转换效率直接相关。将太阳能（或光子）转换成电能的能量转换的效率取决于不同的因素，例如，太阳能电池的结构、半导体材料等。因而，每个太阳能电池的能量转换一般地取决于整个太阳光谱上的可用阳光的有效利用。由此，半导体材料的阳光吸收特性对于确定能量转换的效率是重要的。
常规的太阳能电池典型地使用化合物材料，例如，磷化铟镓（InGaP）、砷化镓（GaAs）、锗（Ge）等，以提高从UV到890nm的吸收光谱的覆盖率。例如，将Ge结添加至电池结构中可以扩大吸收范围（即，到大约1800nm）。因而，半导体化合物材料的选用可以提高太阳能电池的性能。
太阳能电池的物理或结构设计同样可以提高太阳能电池的性能和转换效率。太阳能电池通常设计为多结结构，以提高太阳光谱的覆盖率。太阳能电池通常通过在n型层和p型层之间形成同质结（homo-junction）来制作，该结的在器件的其上具有入射辐射的那一侧的最上面的薄层作为发射极，而相对厚的底层作为基极。
此外，聚光型太阳能收集系统，例如，聚光型光伏（CPV）太阳能电池，通常需要反射大部分的电磁光谱。例如，位于基态能级（ground level）的电磁光谱在300nm到大约2500nm的范围内含有大量的能量，并且在材料研究及半导体外延方面的进展使得CPV太阳能电池在该光谱内具有更高的转换效率。此外，带隙调制、多结电池形态及光源/聚光器标准化的贡献使得外部量子效率在过去的十年里获得了大约200%的增加。由于半导体材料的可用类型，因而在该范围的短波长区（从大约300nm到大约450nm）内特别需要高效率。但是，如果在该波长范围内可用的光不足，则负责转换该光的半导体结根据电池的结构可以变为反向偏置的，并且限制其他结的功率输出。因而，在本技术领域内需要一种机制来提高多结太阳能电池结构的性能，并且用于为太空及地面CPV太阳能电池和/或太阳能电池阵列提供在300-1850nm的范围内高效率的涂层或膜。
发明内容
因此，本发明主题的一个实施例提供了包含基板以及对于550nm的波长具有小于1.45的折射率的二氧化硅的溅射沉积膜的物品。
本发明主题的另一个实施例提供了包含基板以及对于300-1850nm的波长范围具有小于1.41的平均折射率的二氧化硅的溅射沉积膜的物品。
本发明主题的又一个实施例提供了包含基板以及对于300-1850nm的波长范围具有小于20%的平均前表面反射率的多层型减反射涂层的物品。
本发明主题的另外一个实施例提供了包含高折射率材料和低折射率材料的交错层的薄膜干涉滤光片，其中低折射率材料包含具有小于1.45的折射率的溅射沉积的二氧化硅。
本发明主题的一个实施例可以提供在外表面上具有减反射涂层的光伏太阳能电池，其中减反射涂层包含对于550nm的波长具有小于1.45的折射率的材料。
本发明主题的再一个实施例可以提供在外表面上具有减反射涂层的光伏太阳能电池，其中减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于20%的平均前表面反射率
一个实施例可以提供在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池，其中该涂层包含二氧化硅和五氧化二钽的交错层，二氧化硅对于550nm的波长具有小于1.4的折射率。
本发明主题的另一个实施例可以提供在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池，其中该涂层包含二氧化硅和五氧化二钽的交错层，减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于5%的平均前表面折射率。
又一个实施例可以提供形成二氧化硅膜的方法，该方法包括在至少10mTorr（毫托）的工作压力下于基板上溅射沉积所述膜的步骤。
本发明主题的另外一个实施例提供了在基板上沉积二氧化硅膜的方法。该方法可以包括提供真空室，将硅靶放置于真空室内，以及给靶施加电能以由此产生靶的硅溅射。可以将微波发生器放置于真空室内，并且可以将氧在微波发生器附近引入真空室内。可以给微波发生器加电，由此生成含有单原子氧的等离子体。可以将基板移过靶以致使硅沉积于基板上，并且然后移过微波发生器以致使硅与氧反应，由此在基板上形成二氧化硅。腔室内的压力在硅的溅射和反应期间可以保持于至少10mTorr的压力，由此在基板上形成二氧化硅膜。
在细阅了本发明的权利要求、附图以及下面关于实施例的详细描述之后，这些实施例及其许多其他目的和优点对于本发明所属领域的技术人员而言将是明了的。
附图说明
图1是根据本发明主题的一个实施例的多结太阳能电池的简图。
图2是本发明主题的一个实施例的反射率对波长的图表。
图3是ASTM G173-03太阳光谱的图表。
图4是根据本发明主题的一个实施例的具有和不具有所施加的减反射涂层的典型多结太阳能电池的反射率的图表。
图5是磁控溅射系统的透视图。
图6是具有允许多个旋转自由度的工具的溅射系统的透视图。
图7是在标准的二氧化硅层与根据本发明主题的一个实施例的二氧化硅层之间的折射率比较的图表。
具体实施方式
参照附图（在附图中，给同样的元件指定同样的数字标记，以便于本发明主题的理解），在此描述用于多结太阳能电池的减反射涂层的各个实施例及方法。
薄膜和薄膜技术在用于适合地面应用和适合太空使用的光伏（PV）和聚光型光伏（CPV）发电中起着重要的作用。在传统上，太阳能电池的顶层是涂有常规的减反射（AR）涂层的薄的盖玻片。该盖玻片还可以用作辐射屏障，用作光耦合元件，和/或用作防止碎片、撞击及其他环境攻击者的保护剂。因而，一般认为示例性的薄膜涂层对于PV系统的性能和环境稳健性是重要的。
因而可以设计示例性的功能PV材料以使太阳光谱内的每个光子最大程度转换成电荷载流子。从单晶硅（c-Si）到基于薄膜的非晶硅（α-Si）以及从二硒化铜铟镓（CIGS）到III-V族化合物的材料通常被使用。根据本发明主题的实施例的示例性的太阳能电池设计可以是从单结到多结或倒置多结，以及从单块结构到多元件结构。示例性系统可以是基于地面的系统（例如，AM 1.5等）或者基于太空的系统（AM 0）。根据本发明主题的实施例的更多示例性的基于地面的系统可以包括单太阳系统（one-sun system）以及将透镜和/或反射镜用作主要聚光器的聚光系统（5-1000个太阳）。
由于人们已经发展了用于太阳能电池构造的技术，因而需要这些用于太阳能系统元件（例如，但不限于，透镜、聚光器、反光镜及太阳能电池自身）上的简单和复杂的薄膜涂层。根据本发明主题的实施例的AR涂层可以应用于示例性的基于地面和/或基于太空的系统的透镜，并且还可以用作电池上的顶层，以提高达到PV介质的光子通量，同时反射入射能量中仅得到不需要的电池加热的部分。例如，在示例性的多结太阳能电池中，一个AR涂层还可以修裁光谱响应，以便使电流匹配不同的结。因而，AR涂层可以被用作多功能的光谱/电流调节涂层。
根据本发明主题的实施例的多层涂层同样可以用于示例性的太阳能电池中。以其基本形式，太阳能电池是设计用于在暴露于电磁辐射时生成电功率的半导体器件。在外太空的光的分布一般类似于由黑体提供的理论辐射；但是，当光线穿过大气时，某些光可以由诸如水蒸气、二氧化碳、臭氧等气体吸收或反射。因而，在地球表面的光的典型分布不同于在太空的光的分布。并且工程师应当根据太阳能电池所使用的环境来考虑在根据本发明主题的实施例的使用涂层的太阳能电池上的入射光的光谱。根据本发明主题的一个实施例的太阳能电池可以包括一个或更多个p-n结，由此光穿过n型区进入半导体材料并且由于光电效应在材料中生成电子-空穴对（“EHP”）。n型区可以是相当薄的，而耗尽区是厚的。如果EHP产生于耗尽区内，则内置的电场使电子和空穴偏离开，产生通过器件的电流（称为光电流）。如果EHP产生于n或p型区内，则电子和空穴可以沿随机方向漂移，并且可以成为或可以不成为光电流的一部分。太阳能电池的性能可以由几个项来度量：短路电流（太阳能电池在负极引线和正极引线（电池的顶部和底部）用短路连接时的电流）；开路电压（在太阳能电池的顶部和底部之间的电压）；功率点（太阳能电池的电流-电压曲线上为器件产生最大量的功率的点）；填充因子（fill factor）（用于描述太阳能电池的电流-电压曲线与理想的太阳能电池的近似程度的值）；量子效率（所产生并收集的EHP的数量除以入射光子的数量）；外部量子效率（EQE）（达到光伏介质的光子通量的函数）；总效率（被转换成电功率的入射电磁辐射的百分比）
在单层太阳能电池的情况下，入射光的许多能量都没有被转换成电力。如果入射光子具有小于半导体材料的带隙（即，在价带的顶部与导带的底部之间并且是将外层电子释放至自由态所需的能量大小的能量差或范围（单位：eV））的能量，则光子不能被吸收，因为没有足够的能量使电子从导带激发到价带；因此，能量小于带隙的光在太阳能电池中都用不上。如果入射光子具有大于带隙的能量，则过量的能量将被转换成热量，因为电子只能吸收移动到价带所需的精确大小的能量。多结太阳能电池通过使多个半导体层具有不同的带隙而使太阳光谱得到更好的利用。每个层都由不同的材料（通常为III-V族的半导体，但也可以是II-VI族的半导体）制成，并且可以吸收光谱的不同部分。一般地，顶层提供最大的带隙，使得能量最高的光子被吸收于该层内。能量较低的光子必须穿过顶层，因为它们的能量并不足以在材料中生成EHP。从顶部到底部的每个层都可以具有比前一层小的带隙；因此，每个层都可以吸收具有大于该层的带隙且小于较高层的带隙的能量的光子。多结太阳能电池的一个示例性形式可以包括三个层，并且可以通称为三结太阳能电池。当然，该实例并不限定附于本文后面的权利要求的范围，因为根据本发明主题的实施例的涂层和膜可以用于许多类型的太阳能电池中。
图1是根据本发明主题的一个实施例的多结太阳能电池的简图。参照图1，多结太阳能电池100可以包含多个电池，其中每个电池都负责转换太阳光谱的不同部分。图1所示的实施例是包含底部电池120、中间电池130和上部电池140的三结太阳能电池。当然，该三结太阳能电池只是示例性的，而不应当限定附于本文后面的权利要求的范围，因为在本发明主题的实施例中可以使用许多更多或更少结来提高太阳能电池的性能。太阳能电池100还可以包括两个触头110和142，例如，但不限于，用来在多结太阳能电池100内传输电流的金属导电焊盘。引至或引自触头110、142的任何引线（未示出）可以将多结太阳能电池100连接至其他相邻的太阳能电池结构和/或其他电器件。因而，本领域技术人员应当意识到，将另外的块、电路和/或元件添加到多结太阳能电池结构100中并不会脱离本发明主题的范围。
电池120、130、140中的任意一个可以是同质结或异质结电池；但是，异质结电池一般地通过将光钝化（light passivation）提高至下方相邻的电池来提供比同质结电池更高的带隙。与高带隙的异质结电池相关的另一个优点可以提供更好的晶格匹配，由此提高太阳光谱覆盖率。例如，与同质结的中间电池相比，高带隙的异质结的中间电池130可以吸收较大部分的太阳光谱。此外，高带隙的异质结中间电池还可以提供较高的开路电压和较高的短路电流，也就是说，太阳光生成的光电流可以随着较高带隙的发射极异质结而增大。
入射到太阳能电池100上的太阳光150可以包括多组光子，包括来自太阳光谱的高频部分的光子152、来自太阳光谱的至少可见光部分的光子154以及来自太阳光谱的低频部分的光子156。可以包含同质结或异质结的顶部电池140可以吸收光子152，并且允许光子154、156穿过顶部的太阳能电池140。在吸收光子152时，顶部的电池140将这些光子转换成电能，并且将该电能与中间和底部的电池130、120所产生的电能一起传递到触头142，该触头142进而可以将电能传递给下一级，例如，相邻的太阳能电池和/或电器件。
可以包括同质结或异质结的中间电池130可以吸收光子154，并且允许其他光子156达到底部的电池120。中间的电池130可以将光子154转换成电能，并且随后将该电能与由底部电池120产生的电能一起传递到顶部的电池140。可以包括同质结或异质结的底部电池120可以吸收光子156，随后将这些光子转换成电能，并且将该电能传递到中间的电池130。在一个实施例中，底部电池120可以包括基于锗（Ge）的基板或者基于砷化锗（GaAs）的基板。电池120、130、140可以由III-V或II-VI族的半导体材料中的任一种或组合形成。例如，中间的电池130可以包括用于发射极的磷化铟镓（InGaP）层以及用于基极的砷化铟镓（InGaAs）。一般地，InGaAs具有与基于Ge的基板间紧密的晶格匹配。应当指出，电池可以由元素周期表中的III、IV、V和VI族的元素的任意组合形成；例如，III族可以包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）和铊（Tl），IV族可以包括碳（C）、硅（Si）、Ge和锡（Sn），V族可以包括氮（N）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）和铋（Bi），等等；因而中间电池130的前一个实例不应限制附于本文后面的权利要求的范围，因为在任意电池中可以使用许多材料。例如，顶部的电池140可以主要包括GaInP，中间的电池130可以主要包括GaAs，并且底部的电池120可以包括InGaAs。在另一个实施例中，顶部的电池140可以主要包括GaInP，中间的电池130可以主要包括AlInP，以及底部的电池120可以主要包括GeAs基板。而且，在任意电池中的掺杂浓度可以改变，并且相邻的电池可以包括例如p-GaInN、n-GaInN、n-InN、p-InN等。
示例性的太阳能电池的效率一般可以由效率最低的结的效率所限定。典型的结在300-550nm、700-880nm和900-1800nm的区域内操作。根据本发明主题的实施例的光谱选择性的或减反射的涂层可以被用来平衡和/或提高太阳能，由此优化太阳能电池的效率。例如，可以将示例性的多层涂层160沉积于接收入射太阳光的表面。虽然没有明确示出，但是涂层160可以包括多个层，因而，图1的简化图不应这样限定附于本文后面的权利要求。例如，在一个实施例中，涂层160可以包括14个层，包括交错的具有高折射率的材料和具有低折射率的材料。当然，涂层160可以包括任意数目的层，不管是奇数还是偶数，并且前一个实例并非意指限定附于本文后面的权利要求的范围。该涂层160可以被用来调制穿过每个结的工作频带的光通量（即，减反射），并且使光通量与最需要光子的结的量子效率相匹配。本发明主题的另一个实施例可以将一个或更多个多层涂层施加于电池120、130、140中的任意一个或更多个电池的界面121、131处，以通过使每个结在电流被施加于其上时变为透射性更高/更低而提供对传递给每个结的光通量的主动控制。因而，这些示例性的涂层可以使用电致变色效应来调制每个结的光子通量，并由此调制整个太阳能电池100的量子效率。
因此，本发明主题的一个实施例可以是应用于任何多结太阳能电池（例如，图1所示的太阳能电池）的表面的薄膜干涉滤光片。例如，本发明主题的一个实施例可以提供包含高折射率材料和低折射率材料的交错层的薄膜干涉滤光片，其中低折射率材料包括具有小于1.45的折射率的溅射沉积的二氧化硅。在另外的实施例中，低折射率材料可以具有小于1.4、小于1.38或大约为1.3的折射率。这种示例性的膜因而可以起着进入半导体材料的太阳辐射通量的耦合物的作用，并且充当减反射涂层。在多结太阳能电池内的入射介质和最上面的结之间的积分反射率的最小化以及因此减反射性质的最大化，在某些实施例中可以使光子数量向半导体材料内的光电流的转换最大化。一个示例性的AR涂层可以在300-2500nm内起作用，并且使下面的公式（1）所提供的响应最小化。
∫ 300 nm 2500 nm R ( λ ) ∂ λ - - - ( 1 )
因而，将根据本发明主题的一个实施例的多层型反应溅射膜施加于多结太阳能电池可以在示例性的太阳能电池、太阳能电池阵列等中提供宽广的减反射带。由于在光学性质和环境稳健性方面的材料选择在CPV工业中是重要的，因而使用二氧化钛、五氧化二铌、五氧化二钽、二氧化铪和二氧化硅中的一种或更多种的涂层在宽频带的、角度不敏感的及耐用的AR涂层的构造方面可以提供大的光学、热学及机械优点。
根据本发明主题的一个实施例的一种示例性涂层可以反应溅射成多孔膜。根据本发明主题的实施例的示例性方法可以在溅射过程中提高或降低沉积压力，由此提供用于将溅射材料的折射率从1.45降低至达到1.1的合成膜生长取向。图7是在标准的二氧化硅层710与根据本发明主题的一个实施例的二氧化硅层720之间的折射率比较的图表。表1A提供了标准的SiO2涂层710的折射率。表1B提供了低n型SiO2涂层720的折射率。
表1A
Figure BDA00002333940900101
表1B
波长(nm) 低n型SiO2涂层的折射率(n)
300 1.407
350 1.395
400 1.385
450 1.377
500 1.375
550 1.372
600 1.37
650 1.369
700 1.368
800 1.367
参照图7和表1A和1B，很明显，与标准的SiO2涂层相比，根据本发明主题的实施例的SiO2涂层720在300-800nm的光谱带内展示出显著较低的折射率。最显著的是在300-400nm的高能光谱带内所展示出的低折射率。因此，在用于多结太阳能电池的AR滤光片或涂层中使用低折射率的金属氧化物（例如，二氧化钛、五氧化二铌、二氧化铪、五氧化二钽和二氧化硅膜），从而可以允许在300-400nm的光谱带内的高能（例如，蓝光）光子更高的俘获率。使这些光子中的更多光子成为可用的一个优点是校正在太阳能电池的形态中的限流效应的能力。
本发明主题的另一个实施例可以提供太阳能电池对从300nm到大于800nm的波长的反射率达2.25%的降低，如同图2所示的在实验上获得的光谱所示。图2是根据本发明主题的一个实施例的宽频带减反射（BBAR）涂层210的反射率（R）对波长（单位：nm）的图表。另一个实施例可以提供任意太阳能电池对300-1850nn的反射率（R）达到小于2.25%的降低，如同图2所示的在实验上获得的光谱所示。用于BBAR涂层的示例性材料可以是二氧化硅，但是，其他涂层也可以使用，例如，但不限于，二氧化钛、五氧化二钽、五氧化二铌、二氧化铪等。此类涂层还可以是多孔的，从而适当地影响其AR性质。
因而，本发明主题的一个实施例可以提供具有基板以及对550nm的波长具有小于1.45的折射率的二氧化硅的溅射沉积膜的物品或器件。其他实施例可以包括对550nm的波长具有从1.4到低至大约1.3的较低的折射率的二氧化硅膜。
如上所述，光伏（PV）太阳能电池的效率可以由多个度量来量化，一个是器件的外部量子效率（EQE）。无论PV太阳能电池是单结的还是多结的，其EQE都是达到PV介质的光子通量的函数。因此，重要的是使PV太阳能电池与它于其中工作的入射介质（空气/空间）光学匹配，由此需要在太阳能电池与入射介质之间添加形式为根据本发明主题的一个实施例的AR涂层的一个或更多个界面。因而，本发明主题的一个实施例可以提供在外表面上具有AR涂层的光伏太阳能电池，其中减反射涂层包括对550nm的波长具有小于1.45的折射率的材料。该材料可以是二氧化硅，并且还可以是溅射沉积的。在又一个实施例中，AR涂层可以包括二氧化硅和第二材料（例如，但不限于，二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽和五氧化二铌）的交错层。
本发明主题的又一个实施例可以提供在外表面上具有AR涂层的光伏太阳能电池，其中减反射涂层对300-1850nm的波长范围具有小于20%的平均前表面反射率。在其他实施例中，AR涂层对于300-1850nm的波长范围可以具有小于15%的、小于10%的、小于5%的以及甚至小于3%的平均前表面反射率。AR涂层可以包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中低折射率材料包括对550nm的波长具有小于1.4的折射率的溅射沉积的二氧化硅。当然，低折射率材料在另外的实施例中对550nm的波长可以具有小于1.38的折射率。
一个实施例可以提供在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池，其中该涂层包含二氧化硅和五氧化二钽的交错层，该二氧化硅对550nm的波长具有小于1.4的折射率。多层型AR涂层的最外层可以包括二氧化硅，而在另一个实施例中，多层型AR涂层的最内层可以包括五氧化二钽。
本发明主题的另一个实施例可以提供在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池，其中该涂层包含二氧化硅和五氧化二钽的交错层，该减反射涂层对300-1850nm的波长范围具有小于5%的平均前表面反射率。在一个实施例中，二氧化硅对550nm的波长可以具有小于1.4的折射率。
AR涂层的设计的特征在于光源以及AR涂层于其中工作的介质的辐照度、发射度和吸收率，并且其特征还可以在于用于辅助光学系统（attendant optical system）中的涂层材料和基板的光学性质、折射率和消光系数。涂层于其上工作的光谱带限定了减反射问题。例如，在PV太阳能电池中，这暗指太阳光谱。
图3是ASTM G173-03的太阳光谱的图表。参照图3，示例性PV器件的输入是太阳光谱，由ASTM G173-03标准表示，具有在一组大气条件之下于特定取向的表面上的地面太阳光谱辐照度。第一曲线310提供全球倾斜的（global tilted）辐射光谱（单位：W*m2/nm）。第二曲线320提供直接及环日的辐射光谱（单位：W*m2/nm）。第三曲线330提供地球外的辐射光谱（单位：W*m2/nm）。这三个曲线构建了在起作用的300-2500nm的频带内对PV介质的积分光子输入的包络。如图3所示，大约5%的太阳光谱落在1900-2500nm的范围内；但是，该光谱区通常是不工作的，因为它主要由不必要的热量组成。一般地，最优化的宽频带太阳光AR涂层应当在300-1850nm的频带内工作。
因而，用于太阳能电池系统的示例性的BBAR涂层的设计应当考虑PV材料和互补光学薄膜的光学性质。界面的前表面菲涅耳反射率可以根据以下关系式来计算：
R=[(nmaterial-nmedium) 2+kmaterial 2]/[(nmaterial+nmedium)2+kmterial 2]    （2）
其中nmaterial代表材料的折射率，nmedium代表介质的折射率以及kmaterial代表材料的消光系数。例如，对于大部分的III-V族元素和化合物，nmaterial通常落在3.0-5.0的范围内，从而导致前表面反射率损失（AM为1.5）为Rmax~25-45%。因而，通过使用与AM 1.5的太阳光谱匹配的稳健的多层型BBAR涂层，在300-1800nm的工作频带下的前表面反射率可以降低至Ravg≤3%。图4是具有和不具有根据本发明主题的一个实施例的所施加的AR涂层的典型的多结太阳能电池的反射率的图表。图4提供了图3的全球倾斜的、直接及环日的以及地球外的辐射光谱310、320、330，并且还提供了示出没有示例性AR涂层410的多结太阳能电池的曲线，以及提供了示出具有根据本发明主题的一个实施例的示例性AR涂层420的多结太阳能电池的曲线。参照图4，本领域技术人员应当清楚，当与使用常规的V涂层AR的相同电池的EQE相比时，根据本发明主题的一个实施例的多层型BBAR的应用可以使多结太阳能电池的EQE获得3-5%的增益（在500x的浓度下）。太阳能电池效率的这种性能增益使得市场上可购得的太阳能电池有可能达到40-50%的转换效率范围。
AR涂层的设计的特征可以在于光源以及AR涂层于其中工作的介质的辐照度、发射度和吸收率，并且其特征还可以在于用于辅助光学系统中的涂层材料和基板的光学性质、折射率和消光系数。涂层于其上工作的光谱带限定了减反射问题。例如，在PV太阳能电池中，这暗指太阳光谱。
因而，本发明主题的一个实施例可以提供包括基板以及对300-1850nm的波长范围具有小于1.41的平均折射率的二氧化硅的溅射沉积膜的物品或器件。二氧化硅的这种溅射沉积膜在另一个实施例中还对550nm的波长具有小于1.4的折射率。
本发明主题的又一个实施例可以提供具有基板以及对300-1850nm的波长范围具有小于20%的平均前表面折射率的多层型减反射涂层的物品或器件。在其他实施例中，多层型AR涂层对于300-1850nm的波长范围可以具有小于15%的、小于10%的、小于5%的以及甚至小于3%的平均前表面折射率。当然，多层型AR涂层可以包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中低折射率材料是对550nm的波长具有小于1.4的折射率的溅射沉积的二氧化硅。在另外的实施例中，低折射率材料层对550nm的波长可以具有小于1.38的折射率。当然，该多层型AR涂层对于300-1850nm的波长范围可以拥有小于5%以及甚至小于3%的平均前表面折射率。在一种示例性的实施例中，高折射率材料可以包括选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽和五氧化二铌中的一种或更多种材料。
根据本发明主题的实施例的多层型涂层可以通过任意数目的方法来制造或生产。例如，示例性的涂层可以使用磁控溅射系统溅射而成。图5是示例性的磁控溅射系统的透视图。参照图5，磁控溅射系统可以使用安装于真空室501内的可旋转的圆柱形滚筒502，溅射靶503位于真空室501的墙壁内。本技术领域所已知的等离子体或微波发生器504同样可以位于真空室501的墙壁内。基板506可以可拆卸地固定于滚筒502上的面板或基板固定器505上。
本发明主题的实施例同样可以在具有允许多个旋转自由度的工具的溅射系统中制造。图6是该溅射系统的透视图。参照图6，示例性的溅射系统可以使用安装于真空室601内的基本上圆柱形的可旋转的滚筒或载体602，溅射靶603位于真空室601的墙壁内。本技术领域所已知的等离子体或微波发生器604同样可以位于真空室601的墙壁内。载体602可以具有通常为圆形的截面，并且适合于围绕中心轴旋转。可以提供驱动机构（未示出）用于使载体602围绕其中心轴旋转。可以将多个托盘650安装于真空室670内的载体602上。每个托盘650可以包含可旋转的中心轴652以及沿中心轴652轴向排列的一个或更多个圆盘611。圆盘611可以提供位于圆盘611的外围附近的多个主轴承载井。主轴可以被承载于井内，并且每个主轴都可以承载适合于围绕其各自的轴旋转的一个或更多个基板。本示例性系统的更多细节及实施例在2008年6月5日提交的、题目为“Method and Apparatus for Low Cost HighRate Deposition Tooling”的共同待决且相关的美国专利申请No.12/155,544以及于2008年10月27日提交的、题目为“Thin FilmCoating System and Method”的共同待决的美国申请No.12/289,398中有进一步的描述，并且在此通过引用并入这两个专利申请的全部内容。当然，本发明主题的实施例同样可以使用在线涂布机构或溅射系统和/或任意常规的化学气相沉积系统来制造。此外，要使涂层达到充分均匀可能需要多次旋转经过靶或者可能需要多个靶。
在上述处理方法和系统中，根据本发明主题的一个实施例的二氧化硅膜可以在至少10mTorr的以及优选为10-25mTorr的工作压力下溅射沉积于基板之上。例如，在使用与图5所示的磁控溅射系统类似的磁控溅射系统的一个实施例中，工作压力被维持于22mTorr，氩气流为305sccm，靶功率为5.0kW，O2分压为0.45mTorr，以及滚筒转速为60rpm。以这些值，达到了每分钟18nm的沉积速率，从而致使金属氧化膜对550nm的波长的折射率为大约1.372。当然，金属氧化膜可以是二氧化硅膜，并且对550nm的波长拥有1.45-1.3的折射率，取决于所使用的处理条件。
本发明主题的一个实施例可以包括在基板上沉积二氧化硅膜的方法。这可以使用图5和6所示的磁控系统、在线系统或其他常规的溅射系统来完成。该方法可以包括：设置其中具有一个或更多个微波发生器的真空室，以及将硅靶或另一个基板放置于真空室内。然后可以对靶加电，由此致使硅从靶中溅射出。氧可以在微波发生器附近被引入真空室内，并且可以对微波发生器加电，由此生成含有单原子氧的等离子体。基板可以被移动通过靶，以致使硅沉积于基板上，并且然后被移动通过微波发生器，致使硅与氧反应，以在基板上形成二氧化硅。当然，可以在基板或其表面上溅射沉积另加的材料层。室内的压力在硅的溅射和反应期间可以被保持于至少10mTorr以及优选为10-25mTorr的压力下，由此在基板上形成二氧化硅膜。在一个实施例中，二氧化硅膜对550nm的波长可以拥有1.45-1.3的折射率，取决于所使用的处理条件。
因而，本发明主题的实施例的一个方面是要为商用的CPV系统提供更高的收集和转换效率，由此示例性的薄膜光学涂层在聚光器件的性能和电池层面的性能方面起着重要的作用。本发明主题的实施例的又一方面是要为多结的异质和晶格匹配的太阳能电池提供环境稳定的、超耐用的BBAR涂层。此类涂层可以显示出太阳能电池器件的转换效率多达5%的相对增益。
如图1-7所示的各种配置和实施例所表明的，以上已经描述了用于多结太阳能电池的减反射涂层各个实施例及方法。
虽然以上描述了本发明主题的优选实施例，但是应当理解，所描述的实施例仅为示例性的，并且本发明的范围应当仅由所附的权利要求来限定，在符合本发明的完整范围的情况下，本领域技术人员在细读本文之后会自然想到各种等价物、许多变化和修改。

Claims (46)

1.一种物品，包括基板以及对于550nm的波长具有小于1.45的折射率的二氧化硅的溅射沉积膜。
2.根据权利要求1所述的物品，其中所述二氧化硅的溅射沉积膜的折射率对于550nm的波长为小于1.4。
3.根据权利要求2所述的物品，其中所述二氧化硅的溅射沉积膜的折射率对于550nm的波长为小于1.38。
4.根据权利要求3所述的物品，其中所述二氧化硅的溅射沉积膜的折射率对于550nm的波长为大约1.3。
5.一种物品，包括基板以及对于300-1850nm的波长范围具有小于1.41的平均折射率的二氧化硅的溅射沉积膜。
6.根据权利要求5所述的物品，其中所述二氧化硅的溅射沉积膜对于550nm的波长具有小于1.4的折射率。
7.一种物品，包括基板以及对于300-1850nm的波长范围具有小于20%的平均前表面反射率的多层型减反射涂层。
8.根据权利要求7所述的物品，其中所述多层型减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于15%的平均前表面反射率。
9.根据权利要求8所述的物品，其中所述多层型减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于10%的平均前表面反射率。
10.根据权利要求9所述的物品，其中所述多层型减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于5%的平均前表面反射率。
11.根据权利要求10所述的物品，其中所述多层型减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于3%的平均前表面反射率。
12.根据权利要求7所述的物品，其中所述多层型减反射涂层包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中所述低折射率材料包括对于550nm的波长具有小于1.4的折射率的溅射沉积的二氧化硅。
13.根据权利要求12所述的物品，其中所述多层型减反射涂层包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中所述低折射率材料包括对于550nm的波长具有小于1.38的折射率的溅射沉积的二氧化硅。
14.根据权利要求12所述的物品，其中所述多层型减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于5%的平均前表面反射率。
15.根据权利要求14所述的物品，其中所述多层型减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于3%的平均前表面反射率。
16.根据权利要求12所述的物品，其中所述高折射率材料包括选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽和五氧化二铌中的一种或更多种材料。
17.一种薄膜干涉滤光片，包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中所述低折射率材料包括具有小于1.45的折射率的溅射沉积的二氧化硅。
18.根据权利要求17所述的薄膜干涉滤光片，其中所述二氧化硅的折射率小于1.4。
19.根据权利要求18所述的薄膜干涉滤光片，其中所述二氧化硅的折射率小于1.38。
20.根据权利要求19所述的薄膜干涉滤光片，其中所述二氧化硅的折射率为大约1.3。
21.一种在外表面上具有减反射涂层的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层包括对于550nm的波长具有小于1.45的折射率的材料。
22.根据权利要求21所述的光伏太阳能电池，其中所述材料包括二氧化硅。
23.根据权利要求22所述的光伏太阳能电池，其中所述二氧化硅是溅射沉积的。
24.根据权利要求22所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层包括所述二氧化硅和选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽和五氧化二铌中的第二材料的交错层。
25.一种在外表面上具有减反射涂层的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于20%的平均前表面反射率。
26.根据权利要求25所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于15%的平均前表面反射率。
27.根据权利要求26所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于10%的平均前表面反射率。
28.根据权利要求27所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于5%的平均前表面反射率。
29.根据权利要求28所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于3%的平均前表面反射率。
30.根据权利要求25所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中所述低折射率材料包括对于550nm的波长具有小于1.4的折射率的溅射沉积的二氧化硅。
31.根据权利要求30所述的光伏太阳能电池，其中所述减反射涂层包括高折射率材料和低折射率材料的交错层，其中所述低折射率材料包括对于550nm的波长具有小于1.38的折射率的溅射沉积的二氧化硅。
32.一种在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池，其中所述涂层包括二氧化硅和五氧化二钽的交错层，所述二氧化硅对于550nm的波长具有小于1.4的折射率。
33.根据权利要求32所述的光伏太阳能电池，其中所述多层型减反射涂层的最外层包括二氧化硅。
34.根据权利要求32所述的光伏太阳能电池，其中所述多层型减反射涂层的最内层包括五氧化二钽。
35.一种在外表面上具有多层型减反射涂层的光伏太阳能电池，其中所述涂层包括二氧化硅和五氧化二钽的交错层，所述减反射涂层对于300-1850nm的波长范围具有小于5%的平均前表面反射率。
36.根据权利要求35所述的光伏太阳能电池，其中所述二氧化硅对于550nm的波长具有小于1.4的折射率。
37.一种形成二氧化硅膜的方法，包括在至少10mTorr的工作压力下于基板上溅射沉积所述膜。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述工作压力为至少15mTorr。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述工作压力为至少20mTorr。
40.根据权利要求37所述的方法，其中所述工作压力为至少10mTorr，但不大于25mTorr。
41.根据权利要求37所述的方法，其中所述二氧化硅膜的折射率对于550nm的波长为小于1.45。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述二氧化硅膜的折射率对于550nm的波长为小于1.4。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述二氧化硅膜的折射率对于550nm的波长为小于1.38。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述二氧化硅膜的折射率对于550nm的波长为小于1.3。
45.一种在基板上沉积二氧化硅膜的方法，包括：
提供真空室；
将硅靶放置于所述真空室内；
对所述靶加电，由此致使硅从所述靶中溅射出；
将微波发生器放置于所述真空室内；
在所述微波发生器附近将氧引入所述真空室内；
对所述微波发生器加电，由此生成含有单原子氧的等离子体；
将所述基板移动通过所述靶，以致使硅沉积于所述基板上；
将所述基板移动通过所述微波发生器，以致使硅与氧反应，从而在所述基板上形成二氧化硅；
在硅的溅射和反应期间将所述腔室内的压力保持于至少10mTorr的压力下，由此在所述基板上形成二氧化硅膜。
46.根据权利要求45所述的方法，其中在所述腔室内的压力被保持于至少10mTorr但不大于25mTorr的范围内。
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