CN1767216A - 光电转换装置 - Google Patents

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小林靖之
坂井智嗣
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Abstract

一种光电转换装置，包括衬底(1)、用来覆盖该衬底(1)的下电极层(2)、和形成在该下电极层(2)上的第一半导体层(3)。该下电极层(2)包括由透明导电材料制成的第一基体(6)和嵌在该第一基体(6)内的光散射颗粒(7)。

Description

光电转换装置
技术领域
本发明涉及利用光电效应发电的光电转换装置。
背景技术
利用半导体薄膜的用于光电转换的光电转换装置(例如，薄膜太阳能电池)中一个问题是在转换效率上的提高。与集成在单晶半导体芯片上的光电转换装置相比，基于薄膜的光电转换装置具有降低的效率。在转换效率上的提高是基于薄膜的光电转换装置商业应用的最重要的要求。
在衬底上设置粗糙透明电极是提高转换效率的有希望技术之一，这种技术例如在第2862174号日本专利公报、第2003-243676号和第2002-222975号日本公开专利文件上得到披露。在采用此技术的光电转换装置中，用于光电转换的半导体层形成在粗糙透明电极上。该粗糙透明电极为光电转换装置提供入射光的散射，有效地提高了光吸收即转换效率。
用于形成粗糙透明电极的各种技术已经公知。如在第2862174号专利公报中披露的那样，第一种传统技术采用热力CVD(化学汽相沉积)来形成透明电极；利用最优化的生长条件，粗糙透明电极经由热力CVD技术形成。如在第P2002-222975号日本公开专利文件中披露的第二种技术包括对玻璃衬底的粗糙表面抛光，然后在该抛光表面上形成透明电极。如在第P2003-243676号日本公开专利文件中披露的第三种技术包括形成这样的薄膜，该薄膜由绝缘精细颗粒组成，其中该颗粒与在衬底上的介质结合，该技术还包括形成透明电极以覆盖该薄膜。
然而，基于粗糙透明电极的传统技术在提高转换效率上具有局限性，例如在Yoshiyuki Nasuno等人的“衬底表面形态对微晶硅太阳能电池的影响”(Jpn.J.Appl.Phys.，日本应用物理学会，2001年4月1日卷40，第303-305行)已经披露的那些。这种困难是由于不希望的粗糙透明电极使集成在其中的半导体薄膜产生缺陷。虽然增强了半导体层光吸收，但在该透明电极表面上设置的不规则结构不希望地增加了半导体薄膜内的缺陷，并导致该光电转换装置输出电压的降低。因此，通过利用粗糙透明电极获得提高转换效率存在根本性的局限。
这样，就需要为提高转换效率提供新颖的技术。
发明内容
因此，本发明提供提高光电转换装置转换效率的新颖技术。
在本发明的一个方面，光电转换装置包括衬底、用来覆盖衬底的下电极、以及形成在该下电极上的第一半导体层。该下电极层包括由透明导电材料制成的第一基体(matrix)和嵌在该第一基体内的光散射颗粒。
上述设计的下电极层有效地对入射光进行散射，并从而增加了在第一半导体层内的有效光学路径长度。这就有效地提高了光电转换装置的转换效率。
另外的优点是，该结构不需要在下电极层上设置不规则结构。换句话说，上述结构使下电极层大致平整。这就有益于避免在第一半导体层内形成缺陷，并从而提高转换效率。术语“大致平整”意思是指其中在下电极层的上表面和衬底的主表面之间角度平均值θ减小到5度或者更小，该角度在与衬底的主表面平行的方向上在具有300到1200nm长度的任意横截面上确定。
第一基体和光散射颗粒的相对折射率之间的差值为2.0或者更小。
还优选的是，光散射颗粒由绝缘材料制成，特别是选自氧化钛、金刚石、氧化硅、氟化镁、氧化镁、氧化锌和钽酸锂的物质。
优选的是，光散射颗粒包括由具有不同相对折射率的不同材料制成的第一和第二光散射颗粒。
在优选实施例中，光散射颗粒的外部尺寸的平均值范围为从60到2000nm，其中所述每个光散射颗粒近似为具有长轴的椭圆，并且外部尺寸每个定义为是长轴和光散射颗粒中相关之一的表面之间距离的平均值的两倍。更优选的是，光散射颗粒的外部尺寸平均值等于或者小于1200nm，进一步优选的是，光散射颗粒的外部尺寸平均值等于或者大于300nm。
当所述光散射颗粒由具有中心的结构形成时，优选的是，光散射颗粒直径的平均值范围为从60到2000nm，其中直径每个定义为在光散射颗粒中相关之一的中心和表面之间距离平均值的两倍。更优选的是，直径的平均值等于或者小于1200nm，进一步优选的是，直径的平均值等于或者大于300nm。在这种情况下，在直径最大值和最小值之间的差值等于或者小于120nm。
优选的是，光散射颗粒间隔长度的平均值等于或者小于4000nm，其中光散射颗粒的间隔长度每个定义为光散射颗粒中相邻两个中心之间的距离。更优选的是，间隔长度的平均值等于或者小于2400nm。
在优选实施例中，比值δAVE/dAVE定义为光散射颗粒的平均间隔长度δAVE与平均直径dAVE的比值，该比值δAVE/dAVE等于或者小于20，其中所述平均间隔长度δAVE定义为光散射颗粒的间隔长度平均值，其中的光散射颗粒的间隔长度每个定义为在光散射颗粒中相邻两个中心之间的距离，同时平均直径dAVE定义为光散射颗粒直径的平均值，而直径每个定义为是在所述光散射颗粒中相关之一的中心和表面之间的距离平均值。更优选的是，比值δAVE/dAVE等于或者小于4。
为了增强第一半导体层内的光密封，优选的是，在光散射颗粒和下电极层接触第一半导体层的接触面之间的距离等于或者小于50nm。更优选的是，在光散射颗粒和接触面之间的距离等于或者小于30nm。在最优选的实施例中，光散射颗粒与接触面接触。
当光电转换装置还包括形成在第一半导体层上的中间层和形成在所述中间层上的第二半导体层时，优选的是，该中间层包括由透明导电材料制成的第二基体和嵌在第二基体内的光散射颗粒。这种结构不需要在中间层的上表面上设置不规则结构用于增强光散射，并因此提高了转换效率，避免了在第二半导体层内形成缺陷。
优选的是，用来覆盖所述第一半导体层的上电极层包括由透明导电材料制成的第三基体和嵌在第三基体内的光散射颗粒；这种结构有效地提供了光散射，并因此提高了光电转换装置的转换效率。
在本发明的另一个方面，光电转换装置包括衬底、用来覆盖衬底上表面的第一半导体层、用来覆盖第一半导体上表面的第二半导体层、以及位于第一和第二半导体层之间的中间层。该中间层包括由透明导电材料制成的基体以及嵌在基体内的光散射颗粒。
在本发明的又一个方面，用于光电转换装置的衬底结构包括衬底以及用来覆盖衬底的下电极层。该下电极层包括由透明导电材料制成的基体以及嵌在基体内的光散射颗粒。
在本发明的再一个方面，制造用于光电转换装置的衬底结构的方法包括：
用由透明导电材料制成的第一层覆盖衬底；
把含有透明导电材料和光散射颗粒的母体的溶液涂在第一层上；以及
对溶液进行烧结，以在第一层上完成第二层，第二层包括基体和嵌在基体内的光散射颗粒。
附图说明
图1为示出了在本发明一个实施例中串接薄膜太阳能电池结构的剖面图；
图2A为示出了串接薄膜太阳能电池开路电压与下电极层平直度之间的关系的图表；
图2B为解释椭圆外部尺寸的定义的示意图；
图3A为示出了串接薄膜太阳能电池的下电极的优选制造过程的剖面图；
图3B为示出了串接薄膜太阳能电池的下电极的优选制造过程的剖面图；
图4为示出了本发明另一个实施例的串接薄膜太阳能电池结构的剖面图；
图5为示出了本发明又一个实施例的串接薄膜太阳能电池结构的剖面图；
图6为示出了本发明再一个实施例的串接薄膜太阳能电池结构的剖面图；
图7为示出了用于特征模拟的目标结构的剖面图；
图8A为示出了在光散射颗粒由TiO2制成以及其直径范围为从60nm到600nm的条件下、上电池的短路电流比与光散射颗粒间隔长度之间关系的图表；
图8B为示出了在光散射颗粒由TiO2制成以及其直径的范围为从60nm到600nm的条件下、下电池的短路电流比与光散射颗粒间隔长度之间关系的图表；
图9A为示出了在光散射颗粒由TiO2制成以及其直径的范围为从300nm到1200nm的条件下、上电池的短路电流比与光散射颗粒间隔长度之间关系的图表；
图9B为示出了在光散射颗粒由TiO2制成以及其直径的范围为从300nm到1200nm的条件下、下电池的短路电流比与光散射颗粒间隔长度之间关系的图表；
图10A为示出了在光散射颗粒由金刚石制成以及其直径的范围为从60nm到600nm的条件下、上电池的短路电流比与光散射颗粒间隔长度之间关系的图表；
图10B为示出了在光散射颗粒由金刚石制成以及其直径的范围为从60nm到600nm的条件下、下电池的短路电流比与光散射颗粒间隔长度之间关系的图表；
图11A为示出了上电池的短路电流比与比值δ/d之间关系的图表，其中δ为光散射颗粒7的间隔长度，而d为其直径；
图11B为示出了下电池的短路电流比与比值δ/d之间关系的图表；
图12A为示出了上电池短路电流比与光散射颗粒深度位置之间关系的图表；
图12B为示出了下电池短路电流比与光散射颗粒深度位置之间关系的图表；以及
图13为示出了本发明又一个实施例的串接薄膜太阳能电池结构的剖面图。
具体实施方式
下面参照附图来详细描述本发明的优选实施例。应当注意的是，在附图中，相同参考数字表示相同或者类似部件。
装置结构
在本发明的一个实施例中，如图1所示，串接薄膜太阳能电池10带有玻璃衬底1、依次形成以覆盖玻璃衬底1的主表面1a的下电极层2、上电池3、下电池4和上电极层5。该上电池3由p-型非晶硅层3a、i-型非晶硅层3b和n-型非晶硅层3c组成，这些层依次形成以覆盖下电极层2。下电池4由p-型微晶硅层4a、i-型微晶硅层4b和n-型微晶硅层4c组成，这些层依次形成以覆盖上电池3。上电极层5由形成在下电池4上的ZnO层5a和形成在ZnO层5a上的Ag层5b组成。该ZnO层5a涂有镓(Ga)。
与在相关技术中披露的光电转换装置不同，在本实施例的光电转换装置中下电极层2没有不规则，用于提高转换效率；在下电极层2的上表面2a上确定地没有不规则结构。与上电池3接触的上表面2a大致是平整的。术语“大致平整”意思是指其中在下电极层2的上表面2a和玻璃衬底1的主表面1a之间角度平均值θ减小到5度或者更小，该角度在与玻璃衬底1的主表面1a平行的方向上在具有300到1200nm长度的任意横截面上确定。有效地平整地形成下电极层2避免了由于硅层缺陷导致的开路电压的降低。图2为确保此种情况的图表，该图示出了开路电压与平均值θ之间的关系。从图2中可以理解，当平均值θ为5度或者更小时，该开路电压不降低。
如图1所示，取代了设置不规则结构，该下电极层2由通过透明导电材料形成的基体6和嵌在该基体6内的光散射颗粒7组成。该光散射颗粒7对从玻璃衬底1后表面入射的光进行散射，并增强在上电池3和下电池4内的光吸收。换句话说，对其中光散射颗粒7嵌在基体6内的下电极层2的使用，可不需要在下电极层2表面上设置用来散射入射光的不规则结构。这就有效地提高了转换效率，同时抑制了构成上电池3和下电池4的半导体层的缺陷生成。
下面详细描述基体6和光散射颗粒7的优选结构和物理性能。
基体6可由通用的透明导电材料制成，这些材料例如氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)。
该光散射颗粒7由具有与基体6不同相对折射率的材料制成。优选的是，该光散射颗粒7由具有与基体6相差2或者更小相对折射率的材料制成。具体地说，当基体6由从氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO中选择的一种材料制成时，优选的是，该光散射颗粒7由从氧化钛、金刚石、SiO2或者玻璃、MgF2、MgO、ZnO、和LiTaO3中选择的一种材料制成；需要注意的是，氧化钛具有2.2到2.3的相对折射率，金刚石具有2.1到2.2的相对折射率，SiO2或者玻璃具有1.53的相对折射率，MgF2具有1.29的相对折射率，ZnO具有1.88的相对折射率以及LiTaO3具有2.18的相对折射率。
光散射颗粒7不需要由导电材料制成；光散射颗粒7由包括减小数量的自由电子的绝缘材料制成，这对于降低由光散射颗粒7进行的光吸收是相当优选的。需要注意的是，由于由上电池3和下电池4产生的光电流经由基体6流动，因此利用绝缘体作为光散射颗粒7不阻碍光电流的流动。
光散射颗粒7的尺寸是提高入射光散射效率的重要参数。如图2B所示，当每个光散射颗粒7的形状近似为椭圆时，优选的是，该光散射颗粒7的外部尺寸范围为从60nm到2000nm，每个光散射颗粒7的外部尺寸限定为是光散射颗粒7的长轴7a与其表面之间距离L的平均值LAVE的两倍。
当光散射颗粒7由具有中心的结构形成时，例如为球形和规则多面体，优选的是，该光散射颗粒7平均直径的范围从10nm到2000nm，更优选的是从60nm到1200nm；特定光散射颗粒7的直径限定为是在光散射颗粒7与其表面之间距离平均值的两倍，而平均直径是指如上所述限定的光散射颗粒7的直径的平均值。把光散射颗粒7设计成具有从此范围中选择的平均直径，可有效地提高具有产生电能的波长的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太阳能电池10的转换效率。
此外，优选的是，光散射颗粒7的平均间隔长度为4000nm或更少；在相邻光散射颗粒7之间的间隔长度是指在光散射颗粒7中心之间的距离，而平均间隔长度是指光散射颗粒7的间隔长度平均值。更优选的是，光散射颗粒7的平均间隔长度为2400nm或者更少，该范围限定为等于或者小于用于产生电能的光的波长范围的上限(1200nm)的两倍。把光散射颗粒7布置成从此范围中选择的间隔长度，这样可有效地提高了具有产生电能的波长的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太阳能电池10的转换效率。
比率δAVE/dAVE定义为光散射颗粒7的平均间隔长度δAVE与平均直径dAVE的比率，该比率优选的是20或者更少，更优选的是为4或者更少。把光散射颗粒7布置成满足此要求，这样可有效地提高了具有产生电能的波长的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太阳能电池10的转换效率。
下电极层2的在上电池3侧的上表面2a和光散射颗粒7之间的距离可以作为光散射颗粒7的深度，该距离优选的是小于50nm，更优选的是小于30nm。最优选的是，光散射颗粒7与上表面2a接触；在图1中示出了其中光散射颗粒7与上表面2a接触的典型结构。减小上表面2a和光散射颗粒7之间的距离促进了在上电池3和下电池4内的光密封，同时有效地提高了串接薄膜太阳能电池10的转换效率。
优选的是，光散射颗粒7尽可能规则布置。更具体地说，优选的是，光散射颗粒7深度(定义为上表面2a和光散射颗粒7之间的距离)最大值和最小值之间的差值降低到30nm或者更小，也就是说，用于产生电能的光的波长范围下限(300nm)的1/10或者更小。
如图2B所示，对于在当光散射颗粒7每个为近似椭圆的情况中，优选的是，在光散射颗粒7外部尺寸最大值和最小值之间的差值为120nm或者更小，也就是说，用于产生电能的光的波长范围上限(1200nm)的1/10或者更小。相应地，对于在每个光散射颗粒7由具有中心的结构形成的情况中，优选的是，光散射颗粒7直径最大值和最小值之间的差值为120nm或者更小。由于光散射颗粒7尺寸变化对转换效率的影响比光散射颗粒7深度的影响小，因此与光散射颗粒7深度相比，可使光散射颗粒7直径具有较大变化。同样地，优选的是，在光散射颗粒7间隔长度最大值和最小值之间的差值为120nm或者更小。
优选的是，其中光散射颗粒7嵌在基体6内的下电极层2经由CVD技术、溅射技术、离子镀膜技术或者在前期的溶胶凝胶(sol-gel)技术以及在后期的溶胶凝胶技术形成。当在后期采用溶胶凝胶技术时，优选的是，在把基体6的母液涂在玻璃衬底1上前，光散射颗粒7混合在该母液中；这样就有效地促进光散射颗粒7穿越基体6而均匀扩散。
图3A和3B为示出了下电极层2优选形成过程的剖面图。首先，如图3A所示，通过从CVD技术、溅射技术、离子镀膜技术和溶胶凝胶技术中选择的技术，由与基体6相同材料制成的第一层6a形成在玻璃衬底1的主表面1a上。在一个实施例中，该第一层6a可直接经由CVD技术、溅射技术或者离子镀膜技术形成。可选择的是，第一层6a可由溶胶凝胶技术形成，该技术包括把含基体6母体的溶液涂到玻璃衬底1上并对该母体溶液进行烧结。由于经验表明，与溶胶凝胶技术相比，利用CVD技术、溅射技术和离子镀膜技术可以有效地改善基体6的性能，因此最好是，第一层6a通过CVD技术、溅射技术、离子镀膜技术和溶胶凝胶技术形成。
然后第二层6b通过溶胶凝胶技术形成。详细地说，与光散射颗粒7混合的基体6的母体溶液涂在玻璃衬底1上，然后对该母体溶液进行烧结，从而形成第二层6b。
这种制造工艺实现了形成这样的结构，其中光散射颗粒7位于下电极层2的上表面2a附近。通过适当地调节形成第二层6b采用的母体溶液粘度而使第二层6b形成具有与光散射颗粒7直径相等的厚度，该光散射颗粒7可理想地处于与上表面2a接触的位置上。
优选变型
为了更有效地散射入射光，优选的是，该下电极层2设计成光散射颗粒7由具有不同折射率的不同材料制成；通过利用使下电极层2沉积的溶胶凝胶技术，这种结构很容易得到。在优选实施例中，如图4所示，该光散射颗粒7可包括由氧化钛制成的光散射颗粒7a和由SiO2(或者玻璃)制成的光散射颗粒7b。这就有效地降低了具有相同相对折射率的两个或者更多光散射颗粒7彼此接触，从而提高了入射光的散射效率。
当中间层设置在上电池3和下电池4之间时，优选的是，该光散射颗粒7嵌在该中间层内。图5为示出了这种设计的串接薄膜太阳能电池10A的典型结构的剖面图。该串接薄膜太阳能电池10A带有位于上电池3和下电池4之间的中间层8。该中间层8的上表面8a与下电池4接触，该上表面8a形成为“大致平整”，同时该中间层8包括由透明导电材料制成的基体11和嵌在该基体11内的光散射颗粒12。从中间层8入射到下电池4内的光通过把光散射颗粒12嵌在中间层8内而充分散射，同时入射光的散射有效地增加了在下电池4内传输光的光学路径长度。这就有效地增强了在下电池4内的光吸收。此外，嵌入其中光散射颗粒12嵌入在基体11内的上述结构，消除了在中间层8的上表面8a上设置用于提高转换效率的不规则结构的需要；把光散射颗粒12嵌入在基体11内使中间层8的上表面8a大致平整；术语“大致平整”的含义与上面定义的相同。平整地形成中间层8对于提高下电池4的转换效率是有效的；这就有效地抑制了在依次形成在上表面8a上的p-型微晶硅层4a、i-型微晶硅层4b和n-型微晶硅层4c内形成缺陷，并因此提高了下电池4的转换效率。
中间层8的基体11和光散射颗粒12的优选物理性能与在下电极层2内基体6和光散射颗粒7的那些相同。该基体11可由例如氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)等通用透明导电材料形成。该光散射颗粒12可由具有与基体11不同的相对折射率的材料形成，例如氧化钛、金刚石、SiO2(或者玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3。该光散射颗粒12不需要由导电材料形成。
还优选的是，光散射颗粒7可嵌在上电极层内。图6为示出了这样设计的串接薄膜太阳能电池10B的典型结构。替代图1所示的上电极层6，该串接薄膜太阳能电池10B带有形成在下电池4上的透明电极13和形成在透明电极13上的Ag层14；该透明电极13和Ag层14作为串接薄膜太阳能电池10B的上电极。该透明电极13由基体15和嵌在该基体15内的光散射颗粒16组成。
透明电极13的基体15和光散射颗粒16的优选物理性能与下电极层2的基体6和光散射颗粒7的那些相同。该基体15可由例如氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)等通用透明导电材料形成。该光散射颗粒16可由具有与基体15不同的相对折射率的材料形成，这些材料例如为氧化钛、金刚石、SiO2(玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3。该光散射颗粒16不需要由导电材料形成。
本发明还用于具有这种结构的薄膜太阳能电池，其中日光从上电极入射。图13为示出了这种设计的串接薄膜太阳能电池10C的典型结构。该串接薄膜太阳能电池10C带有玻璃衬底1、下电极层2C、下电池4C、上电池3C和上电极层5C。该下电池4C由依次形成在下电极层2C上的n-型微晶硅层4c、i-型微晶硅层4b和p-型微晶硅层4a组成。该上电池3C由依次形成在下电池4C上的n-型非晶硅3c、i-型非晶硅3b和p-型非晶硅3a组成。该上电极层5C由例如氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)等通用透明导电材料形成。
该下电极层2C由金属电极层17和形成在该金属电极层17上的透明电极层18组成。如在图1中所示的串接薄膜太阳能电池10的情况那样，不规则结构没有明确地设置在透明电极层18的上表面上。替代设置不规则结构，该透明电极层18由通过透明导电材料形成的基体19和嵌在该基体19内的光散射颗粒20组成。该光散射颗粒20对从上电极层5C入射的日光进行散射，并从而促进在上电池3C和下电池4C内的光吸收。这种结构有效地提高转换效率，同时抑制在上电池3C和下电池4C内缺陷的产生。
中间层可附加地为图13所示的串接薄膜太阳能电池10C而设置。在这种情况下，优选的是，与图5中所示的串接薄膜太阳能电池10A相同的方式，该中间层由基体和光散射颗粒组成。另外，优选的是，上电极层5C由基体和光散射颗粒组成。
需要注意的是，本发明还可用于具有与上述结构不同的各种结构的薄膜太阳能电池。例如，由基体和光散射颗粒组成的上下电极结构每个均可用于采用不同于串接太阳能电池结构的薄膜太阳能电池中。
还需要注意的是，薄膜太阳能电池由除了硅以外的材料制成；该薄膜太阳能电池可基于SiC或者SiGe.
模拟结果
在下文中，描述根据本发明的光电转换装置的有效性。通过模拟证实了具有图1所示结构的串接薄膜太阳能电池10的有效性。通过有限差分时域分析技术(FDTD)直接解麦克斯韦电磁方程来进行模拟。该FDTD分析的计算条件的细节如下：入射光假定为是具有与衬底平行的表面波前阵的平面波；也就是说，该衬底假定为直接朝向太阳。Berenger的完美匹配层技术(参见J.P.Berenger，J.计算物理学，114，185(1994))用作确定光吸收边界的算法。在整个计算时间内，在每个电池中反射波和电磁波的振幅的时间变化被记录，在从300nm到1200nm(在空气或者真空中的波长)的范围内以5nm的间隔通过傅立叶变换来确定该振幅。在吸收率和反射率之和确定为100％的事实基础上，确认硅吸收率计算的收敛(convergence)。通过该计算方法可得到上电池3和下电池4的量子效率光谱。在从300nm到1200nm范围内相应波长标准日光内(在JIS C8911描述)的光子密度与每个电池量子效率光谱的乘积相对于其波长积分，同时吸收光子整个密度定义为短路电流密度。这种假设在实际太阳能电池中是适当的，其中该电池在光电转换层内包括降低的缺陷。
图7示出了模拟结构的剖面图。在假设光散射颗粒7由具有相同直径的球体形成的情况下进行该模拟；这意味着光散射颗粒7的平均直径与每个光散射颗粒7直径相同。另外的假设为图7中所示的结构在玻璃衬底1的平面方向上无限重复。换句话说，光散射颗粒7的平均间隔长度与任意两个相邻光散射颗粒7的间隔长度相同。还假设下电极层2的基体6由涂有氟化物的SnO2形成。最后，假设光散射颗粒7与下电极层2的上表面2a接触。
需要注意的是，上电池3的厚度从0.1到0.5μm之间的范围内选择。还需注意的是，ZnO层5a的厚度从20到200nm之间范围中选择，同时该Ag层5b的厚度从0.1到10μm之间的范围中选择。
此外，串接薄膜太阳能电池10的短路电流相应地由短路电流率(％)来表示，该短路电流率通过使串接薄膜太阳能电池10的短路电流与形成在平整TCO(透明导电氧化物)衬底上的串接薄膜太阳能电池10的上电池和下电池的相应的短路电流规格化而得到。短路电流比超过100％意味着该装置结构在该串接太阳能电池内提供有效的光散射。我们认为，基于短路电流的争论是有根据的；在Yoahiyuki Nasuno等人的上述文件中提出了类似的争论，其中该文件中提出对由AsahiGlass公司制造的粗糙化透明电极“Asahi-UTM”的评估。
图8A、8B、9A和9B为示出了串接薄膜太阳能电池10的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度和直径之间关系的图表，其中光散射颗粒7由TiO2制成。具体地说，图8A示出了在光散射颗粒7的直径范围是从60到600nm之间的情况下上电池3的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度之间的关系，而图8B示出了在光散射颗粒7的直径处于相同范围的情况下下电池4的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度之间的关系。图8A和8B所示的结果是假设下电极层2的薄膜厚度为0.7μm的情况下得到的。
另一方面，图9A示出了在光散射颗粒7的直径范围为从300nm到1200nm之间的情况下上电池3的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度之间的关系。相应地，图9B示出了在光散射颗粒7的直径处于相同范围的情况下下电池4的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度之间的关系。图9A和9B所示的结果是假设下电极层2的薄膜厚度为1.2μm的情况下得到的。
还需要注意的是，在图8A、8B、9A和9B中，对于间隔长度为“0nm”的短路电流比对应于具有如下结构的串接薄膜太阳能电池的短路电流比，其中在该结构中，光散射颗粒7从下电极层2上去掉，同时连续TiO2层设置在上电池3和下电极层2之间。
从图8A、8B、9A和9B中可以理解的是，当光散射颗粒7的直径范围在60nm到1200nm之间时，可得到上电池3和下电池4的超过100％的短路电流比，同时光散射颗粒7以2400nm或者更小的间隔长度分开，也就是说，以用于能量生成的光波长范围上限(1200nm)的两倍或者更小的间隔长度分开。这意味着光散射颗粒7的上述布置对于提高转换效率是有效的。
当光散射颗粒7由金刚石制成时也是如此。图10A和10B为示出了串接薄膜太阳能电池10的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度和直径之间关系的图表，其中光散射颗粒7由金刚石制成；下电极层2的膜厚度假设为0.7μm。具体地说，图10A示出了当光散射颗粒7的直径范围为从60nm到600nm时、上电池3的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度之间的关系，而图10B示出了当光散射颗粒7的直径处于相同范围时、下电池4的短路电流比与光散射颗粒7的间隔长度之间的关系。
从图10A和10B中可以理解的是，在光散射颗粒7由金刚石制成的情况下，上电池3和下电池4的短路电流比的性能与在光散射颗粒7由TiO2制成情况下上电池3和下电池4的短路电流比性能类似。这意味着金刚石可替代氧化钛而作为光散射颗粒7的材料来使用。
需要注意的是，针对图8A、8B、9A、9B、10A和10B的讨论也可用于每个光散射颗粒7近似为椭圆的情况中。当光散射颗粒7中每个近似为椭圆(特别是主轴具有2000nm或者更大长度时)时，该光散射颗粒7的光散射性能由在短轴方向的光散射颗粒7的尺寸来确定。这样，图8A、8B、9A、9B、10A和10B所示的数据为把光散射颗粒7设计成具有从60nm到1200nm范围的外部尺寸的有效性提供了基础，该光散射颗粒7外部尺寸定义成在光散射颗粒7的长轴7a与其表面之间平均距离LAVE的两倍。
图11A和11B示出了串接薄膜太阳能电池10的短路电流比与比值δ/d之间的关系，其中该比值δ/d定义为间隔长度δ与光散射颗粒7的直径d的比值。具体地说，图11示出了上电池3的短路电流比与比值δ/d之间的关系，而图11B示出了下电池4的情况。假设光散射颗粒7的直径范围是从60nm到600nm之间。针对上电池3和下电池4两种情况，只要光散射颗粒7的直径超过60nm，对于比值δ/d为20或更小，可以得到超过100％的短路电流比。
图12A和12B示出了短路电流比与光散射颗粒7的深度之间的关系，该深度也就是在光散射颗粒7和下电极层2的上表面2a之间的距离。具体地说，图12A示出了上电池3的短路电流比与光散射颗粒7的深度之间的关系，而图12B示出了对于下电池4的情况。光散射颗粒7的直径从120nm、240nm、360nm和600nm中选择，并且间隔长度选择为对于每个直径使短路电流设定为最大值。
从图12A和12B中可以理解的是，该短路电流比随着光散射颗粒7的深度减小而增加。如图12A所示，对于上电池3，通过把光散射颗粒7的深度减小到30nm或更小，可得到超过100％的短路电流比。如图12B所示，对于下电池4，通过把光散射颗粒7的深度减小到50nm或更小，可得到超过100％的短路电流比。如图12A和12B所示，优选的是，光散射颗粒7的深度减小到50nm或者更小，更优选的是，减小到30nm或者更小。
尽管以一定程度的特殊性以优选形式来描述发明，但可以理解的是，该优选形式的公开内容已经在结构细节上进行变化，同时在不脱离在下文中权利要求限定的本发明范围情况下，可进行部件的组合和布置。

Claims (28)

1.一种光电转换装置，包括：
衬底；
用来覆盖所述衬底的下电极层；以及
形成在所述下电极层上的第一半导体层，
其特征在于，所述下电极层包括：
由透明导电材料制成的第一基体，以及
嵌在所述第一基体内的光散射颗粒。
2.根据权利要求1的光电转换装置，其特征在于，所述下电极层与所述第一半导体层在接触面上接触，以及
其中所述接触面大致平整。
3.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述第一基体和第二光散射颗粒的相对折射率之间的差值为2.0或者更小。
4.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒由绝缘材料制成。
5.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒由选自氧化钛、金刚石、氧化硅、氟化镁、氧化镁、氧化锌和钽酸锂的材料制成。
6.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒包括：
由具有不同相对折射率的不同材料制成的第一和第二光散射颗粒。
7.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒的外部尺寸的平均值范围为从60到2000nm，其中所述光散射颗粒中每个近似为具有长轴的椭圆，并且所述外部尺寸每个定义为是所述长轴和所述光散射颗粒中相关之一的表面之间距离的平均值两倍。
8.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒的所述外部尺寸的所述平均值等于或者小于1200nm。
9.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒的所述外部尺寸的所述平均值等于或者大于300nm。
10.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒直径的平均值范围为从60到2000nm，其中所述直径每个定义为在所述光散射颗粒中相关之一的中心和表面之间距离平均值的两倍。
11.根据权利要求10的光电转换装置，其特征在于，所述直径的所述平均值等于或者小于1200nm。
12.根据权利要求10的光电转换装置，其特征在于，所述直径的所述平均值等于或者大于300nm。
13.根据权利要求10的光电转换装置，其特征在于，在所述直径的最大值和最小值之间的差值等于或者小于120nm。
14.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒间隔长度的平均值等于或者小于4000nm，其中所述光散射颗粒的所述间隔长度每个定义为所述光散射颗粒中相邻两个中心之间的距离。
15.根据权利要求14的光电转换装置，其特征在于，所述间隔长度的所述平均值等于或者小于2400nm。
16.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，比值δAVE/dAVE定义为所述光散射颗粒的平均间隔长度δAVE与平均直径dAVE的比值，该比值δAVE/dAVE等于或者小于20，其中所述平均间隔长度δAVE定义为所述光散射颗粒的间隔长度平均值，而所述光散射颗粒的间隔长度每个定义为在所述光散射颗粒中相邻两个中心之间的距离，同时所述平均直径dAVE定义为所述光散射颗粒直径的平均值，而所述直径每个定义为是在所述光散射颗粒中相关之一的中心和表面之间的距离平均值。
17.根据权利要求16的光电转换装置，其特征在于，所述比值δAVE/dAVE等于或者小于4。
18.根据权利要求14的光电转换装置，其特征在于，所述间隔长度的最大值和最小值之间的差值等于或者小于120nm。
19.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒和所述接触面之间的距离等于或者小于50nm。
20.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒和所述接触面之间的距离等于或者小于30nm。
21.根据权利要求2的光电转换装置，其特征在于，所述光散射颗粒与所述接触面接触。
22.根据权利要求1的光电转换装置，还包括：
形成在所述第一半导体层上的中间层；以及
形成在所述中间层上的第二半导体层，
其中所述中间层包括：
由透明导电材料制成的第二基体，以及
嵌在所述第二基体内的光散射颗粒。
23.根据权利要求22的光电转换装置，其特征在于，所述中间层在另一个接触面上与所述第二半导体层接触，以及
其中所述另一个接触面大致平整。
24.根据权利要求1的光电转换装置，还包括：
用来覆盖所述第一半导体层的上电极层，
其中所述上电极层包括：
由透明导电材料制成的第三基体，以及
嵌在所述第三基体内的光散射颗粒。
25.根据权利要求1的光电转换装置，其特征在于，所述第一半导体层形成在从硅、SiC和SiGe中选择的物质上。
26.一种光电转换装置，包括：
衬底；
用来覆盖所述衬底上表面的第一半导体层；
用来覆盖所述第一半导体的上表面的第二半导体层；以及
位于所述第一和第二半导体层之间的中间层，
其特征在于，所述中间层包括：
由透明导电材料制成的基体，以及
嵌在所述基体内的光散射颗粒。
27.一种用于光电转换装置的衬底结构，所述衬底结构包括：
衬底；以及
用来覆盖所述衬底的下电极层，
其特征在于，所述下电极层包括：
由透明导电材料制成的基体，以及
嵌在所述基体内的光散射颗粒。
28.一种制造用于光电转换装置的衬底结构的方法，所述方法包括：
用由透明导电材料制成的第一层覆盖衬底；
把含有所述透明导电材料和光散射颗粒的母体的溶液涂在所述第一层上；以及
对所述溶液进行烧结，以在所述第一层上完成第二层，所述第二层包括基体和嵌在所述基体内的所述光散射颗粒。
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