CN1786747B - 光散射膜和使用该光散射膜的光学器件 - Google Patents

光散射膜和使用该光散射膜的光学器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光散射膜(2)具有这样的结构，即，将电信号传导到要求的位置并所述入射光，而且其表面基本上是平坦的；以及使用该光散射膜(2)的光电器件。光散射膜(2)包括：介质(6)，由透明导电材料构成；以及光散射物质(7)，嵌入该介质内。利用一个部件，光散射膜实现导电和光散射特性。不需要为了实现光散射特性而有意利用凹体和凸体使表面具有纹理。希望该表面基本上是平坦的。当在该表面上形成半导体层(3)时，抑制缺陷，因为该表面平坦。具有光散射膜和位于该膜的表面上的半导体器件的光电器件的光点变换效率高。

Description

光散射膜和使用该光散射膜的光学器件
技术领域
本发明涉及一种光散射膜和使用该光散射膜的光学器件。
背景技术
支持现代生活的一种器件就是利用电与光之间的相互变换实现要求的功能的光学器件。光电变换器件(例如，太阳能电池)、发光器件(例如，以发光二极管和OLED(有机发光二极管)为典型的场致发光元件)以及液晶元件(例如，液晶显示板)是典型光学器件。这些光学器件是现代日常生活不可缺少的一部分。
光学器件包括：导电结构件，用于将电信号(例如，电流和电压)传导到要求的位置；以及用于散射光的结构件。例如，第JP-A-Heisci，6-313890号日本未决专利申请公开了：后电极板，用于液晶显示器，设置了形成在其上的金属反射层、绝缘光散射层；以及透明电极，用于覆盖光散射层。此外，第JP-A-Heisei，11-323196号日本未决专利申请公开了设置了光散射层的反射式液晶显示器件，在该光散射层上，透明树脂与光散射物质混合(请参考图1)。在反射式液晶显示器件上，分别制备对其施加电信号的透明电极和光散射层。第JP-A-Heisei，11-323196号日本未决专利申请公开了通过混合其折射率接近透明树脂的间隔颗粒，以保证作为光散射物质的透明颗粒之间的距离，可以改善光散射层的光散射效果(例如，[0011]段落)。此外，第JP-P2004-271600A号日本未决专利申请公开了随机分布散射物质的光学材料，它具有：各向同性光子间隙，对于非均匀性散射物质和散射物质的位置偏差具有较小大能量宽度，而且可以实现光波导；以及任意形状的空腔。
为了简化该光学器件的配置，优选利用一个结构件同时实现用于将电信号传送到要求的位置的功能以及散射光的功能。这种结构之一是以纹理形式(即，具有凹体和凸体)形成的透明电极，如第JP-P2004-271600A号日本未决专利申请、第2862174号日本专利、第JP-P2003-243676A号日本未决专利申请所公开的那样。在专利文献3至5中，以纹理形式形成的透明电极用作位于光电变换器件的衬底侧的电极。将以纹理形式形成的透明电极用作衬底侧的电极是用于提高光电变换器件的变换效率的一种有效技术。以纹理形式形成的透明电极形成入射到光电变换器件的散射入射光，有效提高光吸收量，即，有效提高变换效率。此外，在第JP-P2002-222975A号日本未决专利申请中，公开了一种利用纹理形式的导电材料，解决光学特性优点与电特性优点之间的平衡的技术。
作为一种形成纹理形式的透明电极的方法，已知下面3种方法。根据第一种方法，第JP-A-Heisei，6-313890号日本未决专利申请公开了，利用热CVD(化学汽相沉积)方法形成透明电极。通过优化生长条件，可以利用热CVD方法形成纹理形式的透明电极。根据第JP-P2004-271600A号日本未决专利申请公开的第二种方法，抛光玻璃衬底表面，然后，在该抛光面上形成透明电极。第JP-A-Heisei，11-323186号日本未决专利申请公开了一种方法，利用该方法，通过使衬底上的微粒与粘料绝缘形成薄膜，然后，在该薄膜上形成透明电极。
然而，如果为了散射光而对导电材料设置了凹体和凸体，则也产生了不希望的结果。例如，在光电变换器件上，将以纹理方式形成的透明电极用作衬底侧的电极导致破坏形成在其上的半导体薄膜。这说明，在将以纹理方式形成的透明电极用作衬底侧的电极的技术中，对光电变换器件的变换效率的改善是有限的(请参考Yoshiyuki Nasuno等人“Effects of Substrate Surface Morphology on Microcrystalline SiliconSolar Cells”，Jpn.J.Appl.Phys.，The Japan Society of Applied Physics，1April 2001，vol 40，pp.L303-L305)。如果增强透明电极的凹体和凸体，则可以增加半导体层的光吸收。然而，增强透明电极的凹体和凸体增加了对半导体薄膜产生的缺陷，而降低了输出电压。因此，限制了改善通过对透明电极形成凹体和凸体实现的变换效率。
因此，需要提供一种技术，这种技术利用在表面(在理想情况下，该表面是平坦的)上具有较小凹体和凸体的单个结构件，同时实现将电信号传送到要求的位置的功能和散射光的功能。例如，提供这种技术还可以有效提高光电变换器件的变换效率。
根据本发明，可以提供一种技术，这种技术利用在表面(在理想情况下，该表面是平坦的)上具有较小凹体和凸体的单个结构，同时实现将电信号传送到要求的位置的功能和散射光的功能。
此外，通过将本发明应用于光电变换器件，还可以进一步提高光电变换器件的变换效率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种技术，这种技术利用在表面(在理想情况下，该表面是平坦的)上具有较小凹体和凸体的单个结构，同时实现将电信号传送到要求的位置的功能和散射光的功能。
本发明的另一个目的是提供一种用于提高光电变换器件的变换效率的新型技术。
附图说明
图1是示出根据本发明的光散射层实施例的剖视图；
图2是示出根据本发明的光散射层的另一个实施例的剖视图；
图3是示出根据本发明的光电变换器件的实施例的串联(tandem)薄膜太阳能电池的配置的剖视图；
图4是示出串联薄膜太阳能电池的下部电极层的平坦性与开路电压之间关系的曲线图；
图5是说明球体的外径的定义的示意图；
图6A是示出串联薄膜太阳能电池内的下部电极层的优选制造过程的剖视图；
图6B是示出串联薄膜太阳能电池内的下部电极层的优选制造过程的剖视图；
图7是示出根据本发明的光电变换器件的另一个实施例的串联薄膜太阳能电池的配置的剖视图；
图8是示出根据本发明的光电变换器件的另一个实施例的串联薄膜太阳能电池的配置的剖视图；
图9是示出根据本发明的光电变换器件的另一个实施例的串联薄膜太阳能电池的配置的剖视图；
图10是示出根据本发明的光电变换器件的另一个实施例的串联薄膜太阳能电池的配置的剖视图；
图11是示出根据本发明的液晶显示器件实施例的配置的剖视图；
图12是示出根据本发明的发光器件实施例的配置的剖视图；
图13是示出模拟对象的配置的剖视图；
图14是示出等效电流密度与等效层厚度之间关系的曲线图；
图15A是示出在由TiO2构成光散射物质，而且其直径在60nm至600nm的范围内时，光散射物质的间距与等效层厚度比之间关系的曲线图；
图15B是示出在由TiO2构成光散射物质，而且其直径在300nm至1200nm的范围内时，光散射物质的间距与等效层厚度比之间关系的曲线图；
图16是示出在由金刚石构成光散射物质，而且其直径在60nm至600nm的范围内时，光散射物质的间距与等效层厚度比之间关系的曲线图；
图17是示出光散射物质的深度与等效层厚度比之间关系的曲线图；
图18是示出光散射物质的直径和间距与集成反射霾(Haze)比之间关系的曲线图；
图19是示出对于交替排列TiO2球体和玻璃球作为光散射物质的光散射层，光散射物质的直径与等效层厚度比之间关系的曲线图；
图20是示出用于模拟串联薄膜太阳能电池的特性的对象的配置的剖视图；
图21A是示出在由TiO2构成光散射物质，而且其直径在60nm至600nm的范围内时，顶部电池(top cell)的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图；
图21B是示出在由TiO2构成光散射物质，而且其直径在60nm至600nm的范围内时，底部电池(bottom cell)的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图；
图22A是示出在由TiO2构成光散射物质，而且其直径在300nm至1200nm的范围内时，顶部电池的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图；
图22B是示出在由TiO2构成光散射物质，而且其直径在300nm至1200nm的范围内时，底部电池的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图；
图23A是示出在由金刚石构成光散射物质，而且其直径在60nm至600nm的范围内时，顶部电池的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图；
图23B是示出在由金刚石构成光散射物质，而且其直径在60nm至600nm的范围内时，底部电池的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图；
图24A是示出顶部电池的光散射物质7的间距δ与直径d之比δ/d与短路电流比之间关系的曲线图；
图24B是示出底部电池的光散射物质7的间距δ与直径d之比δ/d与短路电流比之间关系的曲线图；
图25A是示出顶部电池的光散射物质的深度与短路电流比之间关系的曲线图；以及
图25B是示出底部电池的光散射物质的深度与短路电流比之间关系的曲线图。
具体实施方式
本发明实施例的光散射膜包括：介质6，它是透明的，而且导电；以及光散射物质7，嵌入介质6内。关于介质6，可以使用广泛用作透明电极的材料，例如，氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)。关于光散射物质7，使用其相对折射率与介质6的相对折射率不同的材料。更具体地说，在将氧化锡、氧化锌氧化铟或者ITO用作介质6时，下面的物质优选用作光散射物质7；氧化钛(相对折射率为2.2至2.3)；金刚石(相对折射率为2.1至2.2)；SiO(玻璃)(相对折射率为1.53)；MgF2(相对折射率为1.29)；MgO(相对折射率为1.73)；ZnO(相对折射率为1.88)；LiTaO3(相对折射率为2.18)等。
因为介质6导电，所以这种光散射膜具有导电性。利用光散射物质7，该光散射膜还具有散射光的功能。对于光散射膜，不需要在该表面上形成凹体和凸体。因此，利用在表面(在理想情况下，该表面是平坦的)上具有较小凹体和凸体的一个结构件，图1所示的光散射膜可以同时实现将电信号传送到要求的位置的功能和散射光的功能。
为了更有效散射光，光散射物质7优选具有其相对折射率互相不同的两种或者两种以上的材料。例如，如图2所示，光散射物质7优选具有由氧化钛构成的光散射物质7a和由SiO(玻璃)构成的光散射物质7b。利用包括不同材料的光散射物质7，抑制了具有相同折射率的光散射物质7互相直接接触的概率，因此，可以更有效散射入射光。
下面说明根据本发明的光散射膜的配置以及使用该光散射膜的光学器件。
[第一实施例]
在第一实施例中，本发明的光散射膜用作光电变换器件的透明电极。在该实施例中，串联薄膜太阳能电池10配置了玻璃衬底1，而且还配置了下部电极层2、顶部电池3、底部电池4以及上部电极层5，它们顺序形成在玻璃衬底1的主面上，如图3所示。顶部电池3包括：P型非晶硅层3a、i型非晶硅层3b以及n型非晶硅层3c，它们顺序形成在下部电极层2上。底部电池4包括包括：P型微晶硅层4a、i型微晶硅层4b以及n型微晶硅层4c，它们顺序形成在顶部电池3上。上部电极层5包括：ZnO层5a，形成在底部电池4上；以及Ag层5b，形成在ZnO层5a上。ZnO层5a上掺入了Ga。
在该实施例的串联薄膜太阳能电池10上，本发明的光散射膜用作下部电极层2。即，利用由透明导电材料构成的介质6以及嵌入该介质6内的光散射物质7形成下部电极层2。光散射物质7散射通过玻璃衬底1入射的入射光，因此，有助于顶部电池3和底部电池4吸收光。即，在该实施例的串联薄膜太阳能电池10内，不需要设置具有凹体和凸体、用于散射入射光的下部电极层2，因为采用了利用其内嵌入了光散射物质7的介质6形成的下部电极层2。这样可以提高变换效率，而且可以抑制在形成顶部电池3和底部电池4的半导体层上产生缺陷。
与传统技术公开的光电变换器件不同，该实施例的下部电极层2没有为了提高变换效率而有意设置凹体和凸体。接触顶部电池3的下部电极层2的表面2a基本上是平坦的。术语“基本上平坦”指其中下部电极层2的表面2a与玻璃衬底的主面1a之间的夹角的平均值θ是5度或者更低的状态，在平行于玻璃衬底1的主面的方向上的长度为300至1200nm的任意截面确定该夹角。上面定义的该夹角的平坦性不导致开路电压降低，开路电压降低导致硅层内出现缺陷。图4所示的曲线图示出这种情况，该曲线图示出平均值θ与开路电压之间的关系。从图4可以看出，在平均值θ是5度或者更低时，开路电压不降低。
下面将详细说明形成下部电极层2的介质6和光散射物质7的优选物理特性和配置。
关于下部电极层2上的介质6，可以使用广泛用作透明电极的传统材料，例如，氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)。
关于光散射物质7，使用其相对折射率与介质6的相对折射率不同的材料。从其绝对值为2或者更低的材料中选择用于形成光散射物质7的材料，该绝对值是形成光散射物质7的材料的相对折射率与介质6的相对折射率之间差值的绝对值。更具体地说，在将氧化锡、氧化锌、氧化铟或者ITO用于介质6时，下面的物质优选用作光散射物质7：氧化钛(相对折射率为2.2至2.3)；金刚石(相对折射率为2.1至2.2)；SiO(玻璃)(相对折射率为1.53)；MgF2(相对折射率为1.29)；MgO(相对折射率为1.73)；ZnO(相对折射率为1.88)；LiTaO3(相对折射率为2.18)等。
不需要导电材料用于光散射物质7。相反，为了抑制光散射物质7吸收光，绝缘材料优选用于光散射物质7。将具有较少自由电子的绝缘材料用作光散射物质7可以有效抑制光散射物质7吸收光。相反，将绝缘材料用作光散射物质7不能防止光电流流动，因为顶部电池3和底部电池4产生的光电流流过介质6。
光散射物质7的大小是用于确定散射入射光的程度的重要参数。在如图5所示，光散射物质7的形状接近球体时，光散射物质7的外径的平均值优选在60nm至2000nm的范围内，更优选在60nm至1200nm的范围内。在此，光散射物质7的外径是一个参数，它被定义为是离开光散射物质7的中心转轴7c的距离L的平均值LAVE的两倍的值。
在被成形以使其中心具有象球体而且是正则多面体的结构用于光散射物质7时，光散射物质7的平均直径优选在10nm至2000nm的范围内，而且更优选在60nm至1200nm的范围内。在此，光散射物质7的直径被定义为是离开光散射物质7的表面中心的距离的平均值的两倍的值，而平均直径是上面定义的光散射物质7的直径的平均值。通过将光散射物质7的平均直径设置在上述范围内，可以更有效散射串联薄膜太阳能电池10为了产生电功率使用的光波长范围内的光，而且还可以提高串联薄膜太阳能电池10的效率。
此外，光散射物质7的平均间距优选是4000nm或者低于4000nm。光散射物质7的平均间距更优选是等于或者低于1200nm的两倍的值，1200nm是串联薄膜太阳能电池10为了产生电功率使用的光波长范围内的高值，即，2400nm或者低于2400nm。在此，相邻光散射物质7的间距是光散射物质7的相邻成员的中心之间的距离，而平均间距是光散射物质7的间距的平均值。通过将光散射物质7的平均间距设置在上述范围内，可以更有效散射串联薄膜太阳能电池10为了产生电功率使用的光波长范围内的光，而且还可以提高串联薄膜太阳能电池10的效率。
此外，光散射物质7的平均间距δAVE与平均直径dAVE的比δAVE/dAVE优选是20或者低于20，而且更优选是4或者低于4。通过将比δAVE/dAVE设置在上述范围内，可以更有效散射串联薄膜太阳能电池10为了产生电功率使用的光波长范围内的光，而且还可以提高串联薄膜太阳能电池10的效率。
顶部电池3侧的下部电极层2的表面2a与光散射物质7之间的距离优选小于50nm，而且更优选小于30nm。光散射物质7最优选接触表面2a。图3示出光散射物质7接触表面2a的配置。通过使光散射物质7与面2a之间的距离变小，可以使入射到顶部电池3和底部电池4的光限制在顶部电池3和底部电池4的范围内，以提高变换效率。
优选尽可能规则地设置光散射物质7。更具体地说，光散射物质7与顶部电池3侧的下部电极层2的表面2a之间的距离(即，嵌入光散射物质7的深度)的最大值与最小值的差值优选为30nm或者低于30nm，是300nm的十分之一，300nm是串联薄膜太阳能电池10为了产生多功能使用的光波长范围内的低值。
此外，如图5所示，在光散射物质7接近球体时，光散射物质7的外径的最大值与最小值之间的差值优选为120nm或者低于120nm，它是1200nm的十分之一，1200nm是串联薄膜太阳能电池10为了产生电功率使用的光波长范围内的高值。同样，在光散射物质7是具有中心的结构时，则光散射物质7的直径的最大值与最小值之间的差值是120nm或者低于120nm。光散射物质7的大小的变化对变换效率的影响小于嵌入光散射物质7的深度对变换效率的影响。因此，光散射物质7的直径的变化可以大于嵌入光散射物质7的深度的变化。同样，光散射物质7的间距的最大值与最小值之间的差值优选为120nm或者低于120nm。
优选在先前级利用从CVD方法、溅射方法、离子喷镀方法以及溶胶-凝胶方法中选择的方法，然后，在较后级利用溶胶-凝胶方法，形成光散射物质7在其上嵌入介质6的下部电极层2。当在较后级使用溶胶-凝胶方法时，如果事先将光散射物质7混合到介质6的前体(precursor)溶液中，则光散射物质7可以轻而易举地扩散到介质6中。
图6A和6B是示出下部电极层2的优选形成过程的剖视图。首先，如图6A所示，利用从CVD方法、溅射方法、离子喷镀方法以及溶胶-凝胶方法中选择的方法，在玻璃衬底1的主面1a上形成与介质6具有相同材料的第一层6a。更具体地说，利用CVD方法、溅射方法或者离子喷镀方法，可以直接形成薄层介质6。利用溶胶-凝胶方法，可以在玻璃衬底1上喷涂含有介质6的前体的溶液，然后，通过烧结该前体溶液，形成第一层6a。由于经验说明与利用溶胶-凝胶方法相比，利用CVD方法、溅射方法以及离子喷镀方法，介质6的性能好，所以优选利用CVD方法、溅射方法以及离子喷镀方法形成第一层6a。接着，如图6B所示，利用溶胶-凝胶方法，形成第二层6b。更具体地说，对玻璃衬底1喷涂混合了介质6的前体和光散射物质7的溶液，然后，通过烧结该溶液，形成第二层6b。利用这种形成方法，可以形成这种配置的下部电极层2，即，光散射物质7位于表面2a的附近。如果调节用于形成第二层6b的前体溶液的粘度，以致第二层6b的厚度相当于光散射物质7的直径，则在理想情况下，可以定位光散射物质7，以接触下部电极层2的表面2a。
(第一实施例的优选修改例)
对于利用溶胶-凝胶方法形成的下部电极层2，为了更有效散射入射光，下部电极层2优选含有：光散射物质7，利用第一材料形成；以及第二材料，其相对折射率与形成光散射物质7的第一材料的相对折射率不同，如上参考图2所述。例如，如图7所示，优选由氧化钛构成的光散射物质7a和SiO2(玻璃)构成的光散射物质7b形成光散射物质7。采用包括不同材料的光散射物质7可以抑制具有相同折射率的光散射物质7直接互相接触的概率，而且可以更有效散射入射光。
如果在顶部电池3与底部电池4之间设置中间层，则本发明的光散射膜也优选用于该中间层。图8是示出这种串联薄膜太阳能电池10A的配置的剖视图。串联薄膜太阳能电池10A具有设置在顶部电池3与底部电池4之间的中间层8。基本平坦形成底部电池4侧上的中间层8的表面8a，而且利用其中由导电材料形成中间层8的介质11以及嵌入介质11内的光散射物质12形成它。通过将光散射物质12嵌入该中间层8，可以有效散射从中间层8照射底部电池4的透射光，而且可以有效延长底部电池4内的透射光的光程长度。因此，增加了底部电池4吸收的光量。此外，通过将光散射物质12嵌入介质11内，不需要为了提高变换效率而对中间层8设置凹体和凸体，因此，可以“基本平坦”形成底部电池4侧上的中间层8的面8a。在此使用的术语“基本平坦”与上面给出的定义相同。重要的是，基本平坦形成中间层8的表面8a，以提高底部电池4的变换效率。通过基本平坦形成中间层8的表面8a，抑制了在顺序形成在表面8a上的P型微晶硅层4a、i型微晶硅层4b以及n型微晶硅层4c上产生缺陷，因此，有效提高了底部电池4的变换效率。
中间层8内的介质11和光散射物质12的优选物理特性与下部电极层2内的介质6和光散射物质7的优选物理特性相同。关于介质11，可以使用广泛用作透明电极的通用材料，例如，氧化锡、氧化锌、氧化铟以及ITO(氧化锡铟)。关于光散射物质12，优选使用其相对折射率与介质11的相对折射率不同的材料，特别是氧化钛、金刚石、SiO2(玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3等。关于光散射物质12，不使用导电材料。
还优选将上述光散射膜用于上部电极层。图9是示出这种串联薄膜太阳能电池10B的配置的剖视图。串联薄膜太阳能电池10B设置了形成在底部电池4上的透明电极层13；以及形成在该透明电极层13上的Ag层14，代替图3所示的上部电极层5。透明电极层13和Ag层14用作串联薄膜太阳能电池10B的上部电极。利用介质层15以及嵌入该介质的光散射物质16形成透明电极层13。
透明电极层13内的介质15和光散射物质16的优选物理特性与下部电极层2内的介质6和光散射物质7的优选物理特性相同。关于介质15，可以使用广泛用作透明电极的传统材料，例如，氧化锡、氧化锌、氧化铟以及ITO(氧化锡铟)。关于光散射物质16，优选使用其相对折射率与介质15的相对折射率不同的材料，特别是氧化钛、金刚石、SiO2(玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3等。关于光散射物质16，不使用导电材料。
本发明还可以应用于具有这种配置的薄膜太阳能电池，即，入射光从上部电极方向进入。图10是示出具有这种配置的串联薄膜太阳能电池的配置的剖视图。串联薄膜太阳能电池10C设置了：玻璃衬底1、下部电极层2C、底部电池4C、顶部电池3C以及上部电极层5C。利用顺序形成在下部电极层2C上的P型微晶硅层4a、i型微晶硅层4b以及n型微晶硅层4c形成底部电池4C。利用顺序形成在底部电池4C上的P型非晶硅层3a、i型非晶硅层3b以及n型非晶硅层3c，形成顶部电池3C。利用广泛用作透明电极的传统材料，例如，氧化锡、氧化锌、氧化铟和ITO(氧化锡铟)，形成上部电极层5C。
利用金属电极层17以及形成在金属电极层17上的透明电极层18，形成串联薄膜太阳能电池10C的下部电极层2C。与图3所示的串联薄膜太阳能电池10相同，未有意对透明电极层18设置凹体和凸体。相反，利用由透明导电材料构成的介质19和嵌入该介质19的光散射物质20形成透明电极层18。光散射物质20散射通过上部电极层5C入射的入射光，而且有助于顶部电池3和底部电池4吸收光。利用这种配置，也可以提高变换效率，同时抑制在顶部电池3和底部电池4上形成的半导体层上产生缺陷。
还可以对图10所示的串联薄膜太阳能电池10C设置中间层。在这种情况下，与图8所示的串联薄膜太阳能电池10A相同，优选利用介质和光散射物质形成该中间层。此外，优选利用介质和光散射物质形成上部电极层5C。
本发明还可以应用于具有各种不同于上述配置的配置的薄膜太阳能电池。例如，利用介质6和光散射物质7形成下部电极层2的配置以及上部电极层含有利用介质15和光散射物质16形成的透明电极层13的配置可以应用于未对其层叠光电变换电池的薄膜太阳能电池(即，不是串联薄膜太阳能电池的电池)。
此外，不是硅的材料，例如，SiC和SiGe可以用作形成薄膜太阳能电池的材料。
[第二实施例]
在第二实施例中，本发明的光散射层用作反射式液晶显示器件的电极，如图11所示。在反射式液晶显示器件上，要求入射到反射式液晶显示器件的外部光被反射，而且还被散射。本发明的光散射膜用作用于对液晶施加要求的电压的电极，而且作为用于散射光的光散射装置。
更具体地说，第二实施例的反射式液晶显示器件设置了：透明衬底31、对置衬底32、透明电极33、对置电极34以及偏振膜35。隔片39支承透明衬底31和对置衬底32，以便相互对着，在透明电极31与对置衬底32之间填充液晶36。透明电极33和对置电极34用于对液晶36施加对应于像素色调的电压。透明电极33连接到透明电极31，而对置电极34连接到对置衬底32。偏振膜35连接到透明电极33连接到其的表面的对面，因此，仅选择性地透射线偏振光。
为了使入射光反射并散射到反射式液晶显示器件，利用金属薄膜37和导电光散射层38形成对置电极34。金属薄膜37连接到对置衬底32，而导电光散射层38形成在金属薄膜37上。关于导电光散射层38，使用如图1所示的本发明的光散射膜。相反，利用透明并导电的介质以及嵌入该介质的光散射物质，形成导电光散射层38。具有这种配置的对置电极34对液晶36施加对应于像素色调的电压，而且，金属薄膜37反射该入射光，散射导电光散射层38反射的光。具有这种配置的对置电极34有效简化反射式液晶显示器件的配置。
应该注意，在第二实施例的反射式液晶显示器件上，不需要对对置电极34设置不希望的凹体和凸体。最好不设置对置电极的凹体和凸体，因为凹体和凸体对液晶36的取向具有不利影响。在不对对置电极34设置不希望的凹体和凸体的情况下，通过对对置电极34插入本发明的光散射层，可以散射光。
正如后面描述的模拟说明的那样，通过调节包含在导电光散射层38内的光散射物质的大小，导电光散射层38可以提高反射比。在这种情况下，可以不采用金属薄膜37。
[第三实施例]
在第三实施例中，本发明的光散射层用作有机EL(场致发光)元件，如图12所示。在有机EL元件中，在某些情况下散射由有机EL元件产生的光是有益的。例如，在有机EL元件用于显示器件时，散射产生的光用于提高显示器件的可见度。在该实施例中，本发明的光散射层将电流送到发光层，而且还用于散射光。
更具体地说，第三实施例的有机EL元件设置了：透明电极41、正极42、正空穴传输层43、发光层44、电子传输层45以及负极46。在有机EL元件上，正空穴从正极42通过正空穴传输层43注入发光层44，而电子通过电子传输层45从负极46注入发光层44。在发光层44上，正空穴和电子复合产生光。
关于正极42，采用图1所示的本发明的发光层。即，透明、导电介质以及嵌入该介质的光散射物质形成正极42。正极42的这种配置使得可以利用简单配置同时实现将正空穴送到发光层44和散射光的两种功能。
此外，显然，对于本技术领域内的技术人员，可以适当修改有机EL元件的配置。例如，本发明的发光层可以用作负极46。此外，发光层44可以直接连接到正极42，而无需包括正空穴传输层43，而且可以直接连接到负极46，而无需包括电子传输层45。
下面利用模拟结果说明本发明的发光层的作用。
[模拟结果1]
为了说明本发明的发光层的作用，模拟图13所示结构。在该结构中，在发光层51上顺序形成多晶硅层52、掺镓氧化锌层(ZnO:Ga层)以及Ag层54。掺杂了氟的Tin氧化物用作发光层51的介质6，而由TiO2形成的球形用作光散射物质7。从0.7μm和1.2μm中选择光散射层51，而从60至1200nm的范围内选择光散射层7。多晶硅层52、ZnO:Ga层53以及Ag层54的厚度分别在1至3μm、20至200nm以及0.1至10μm范围内的固定值。在模拟过程中，假定图13所示的配置在平面方向无限重复。
利用有限差时域(FDTD)，通过象以前一样解Maxwell电磁方程，进行模拟。下面详细说明FDTD分析的计算情况：
入射光是平行于光散射层51的表面的平面波。Berenger的完全匹配层方法(请参考J.P.Berenger，J.Computional Physics，114，185(1994))应用于吸收边界算法。对于整个计算时间，分别记录每个电池内的反射波的振幅和电磁波的振幅随时间的变化，而且利用傅立叶变换，以5nm的间隔表示300nm至1200nm的振幅(空气中或者真空中的波长)。利用吸收比和反射比之和变成100％的事实确认硅吸收比的计算收敛。根据该计算，确定多晶硅层52的量子效率频谱。此外，在300nm至1200nm的波长范围内(空气中和真空中的波长)，对于波长，计算基准阳光的光子数密度(例如在JIS C8901描述的)与每个电池内的量子效率频谱的乘积的积分，然后，利用下面的公式，根据总吸收光子数密度，计算短路电流密度：
JSC＝∫dλG(λ)η(λ)/Q         ...(1)
在此，∫dλ表示300nm至1200nm波长的积分；G(λ)是参考阳光的光谱(在JIS8911C中提及)；η(λ)是量子效率；Q是电子电荷。公式(1)给出的短路电流密度JSC是由一对正空穴和吸收光产生的负空穴产生的电流的电流密度，它等效于光吸收度。因此，在下面的说明中，该术语还可以指等效电流密度JSC。
此外，根据等效电流密度JSC计算层厚度d。等效层厚度是表示因为光散射层51上的光散射获得的光吸收的增加的指示符，因为光散射层51的光散射，光径长度延长，从而导致增加光吸收。这等效于多晶硅层52的层厚度的增加。即，利用多晶硅层52的等效层厚度，等效层厚度表示光散射导致的光径长度增加。
利用下面的公式(2)表示的关系，计算等效层厚度d：
JSC＝∫dλG(λ){1-exp(-α(λ)d)}/Q     ...(2)
在此，α(λ)是单个晶体硅的吸收系数。应该注意，由公式(1)和下面的公式(3)获得公式(2)：
∫dλG(λ){1-exp(-α(λ)d)}＝∫dλG(λ)η(λ)       ...(3)
图14示出由公式(2)获得的等效电流密度Jsc与等效层厚度d之间的关系。
利用多晶硅层52的原始层厚度归一化等效层厚度d(即，位于1至3μm内的固定值，它是在[0070]段描述的多晶硅层52的膜厚度)，然后，计算该等效层厚度作为等效层厚度比。该等效层厚度比用作表示光散射层51散射光的程度的指示符。如果等效层厚度比超过100％，则表示对多晶硅层52存在光散射特性。
图15A是示出在光散射物质7的直径在60nm至600nm的范围内时，光散射物质7的间距与等效层厚度比之间的关系的曲线图。图15B是示出在光散射物质的直径在300nm至1200nm的范围内时，光散射物质7的间距与等效层厚度比之间关系的曲线图。对于图15A所示的情况，假定光散射层51的厚度是0.7μm，而对于图15B所示的情况，假定它是1.2μm。然而，应该注意，在图15A和15B所示的曲线图中，间距值为“0nm”时的等效层厚度比的值是其中在介质6与多晶硅层52之间设置其层厚度等于光散射物质7的直径的连续TiO2层，代替光散射物质7，而且光散射物质7接触光散射物质51与多晶硅层52之间的界面的配置的情况下的值。
从图15A和15B可以看出，通过将光散射物质7的直径设置在60nm至1200nm的范围内，而且还将光散射物质7的间距设置在等于或者低于1200nm的两倍，即，2400或者低于2400，可以获得超过100％的等效层厚度比，1200nm是用于产生功率的光波长范围内的高值。这意味着，将光散射物质7的直径和间距设置在上述范围内有利于提高阳光的散射效率。
这同样可以应用于利用金刚石形成光散射物质7的情况。图16是示出在假定下部电极层2的膜厚度是0.7μm，而且金刚石用作光散射物质7的情况下，光散射物质7的间距与等效层厚度比之间关系的曲线图。更具体地说，图16是示出在光散射物质7接触光散射物质51与多晶硅层52之间的界面，而且光散射物质7的直径在60nm至600nm范围内的情况下，光散射物质7的间距与等效层厚度比之间关系的曲线图。如图16所示，在利用金刚石形成光散射物质7时的等效层厚度比的特性与利用TiO2形成光散射物质7时的等效层厚度比的特性接近相同。这说明可以选择金刚石作为光散射物质7的材料。
图17示出从多晶硅层52侧上的光散射层51到光散射物质7的距离(即，光散射物质7的深度)与等效层厚度比之间关系的曲线图。从120nm、240nm、360nm和600nm中选择光散射物质的直径，然后，选择间距，以致分别对于每个直径，可以使等效层厚度比增加到最大。
从图17可以看出，光散射物质7的深度越浅，可以获得的等效层厚度比越高。更具体地说，通过将光散射物质7的深度设置为30nm或者更低，可以获得超过100％的等效层厚度比。图17示出将光散射物质7的深度设置为50nm或者低于50nm，而且优选设置为30nm或者低于30nm的有效性。
[模拟结果2]
还对光散射层反射光进行模拟。在该模拟过程中，利用积分反射霾比Hz估计光散射层对光的反射。积分反射霾比(Reflection Hazeratio)Hz是表示反射到垂直方向之外的方向的光与光散射层反射的光之比的值，利用对于所有方向rtotal(λ)的反射比频谱以及对于垂直方向rnormal(λ)的反射比频谱，利用下面的公式(4)确定该值。
HZ＝1-Rnormal/Rtotal
Rtotal＝∫dλG(λ)·rtotall(r)/Q             ...(4)
Rnormal＝∫dλG(λ)·rnormal(r)/Q
应该注意，与通常广泛使用的透射霾比(Transmission Haze ratio)相比，可以考虑下面定义的积分反射霾比Hz。透射霾比Hzt(λ)是利用对所有方向的透射比ttotal(A)以及对垂直方向之外的方向的透射比tslant(λ)，利用下面的公式(5)确定的值：
Hzt(λ)＝tslant(λ)/ttoatl(λ)    (5)
上述积分反射霾比Hz是通过将与透射霾比同样的原理应用于反射，确定的因数。
图18是示出光散射物质7的直径和间距与积分反射霾比之间关系的曲线图。假定光散射物质7是利用TiO2形成的球体。应该注意，光散射物质间距值为“0nm”时的透射霾比的值是对于其中在介质6与多晶硅层52之间设置其厚度等于光散射物质7的直径的连续TiO2，而非光散射物质7的配置情况下的等效层厚度比。
如图18所示，随着光散射物质7的直径和间距的增大，积分反射霾比广泛增大。该结果说明本发明的光散射层可以按要求控制散射反射光。当对光散射层设置反射光的功能时，可以对光散射层的反射进行控制特别重要，正如图1示出的反射式液晶显示器件所示。
[模拟结果3]
正如参考图2说明的那样，优选利用由两种或者两种以上的其相对折射率互相不同的材料构成的光散射物质形成光散射物质7。利用该模拟构成说明其相对折射率互相不同的两种或者两种以上的材料构成的光散射物质7形成的有效性。在假定使用与光散射物质7同样交替排列TiO2球体和玻璃球的光散射层，而不使用图13所示光散射层51的情况下，进行模拟。光散射物质7的间距是0.3μm。假定利用对其掺了氟的氧化锡形成构成光散射层的介质6。假定光散射层的厚度是0.7μm。
图19是示出对于交替排列TiO2球体和玻璃球的光散射层，等效层厚度比与光散射物质的直径之间关系的曲线图。从图19可以看出，通过交替排列TiO2球体和玻璃球，可以获得高等效层厚度比。这说明利用其相对折射率互相不同的两种或者两种以上的材料形成光散射物质的有效性。
[模拟结果4]
接着，利用模拟，说明在具有图3所示配置的串联薄膜太阳能电池内使用本发明的光散射层的优点。除了模拟对象的配置不同之外，模拟串联薄膜太阳能电池的过程通常与上面的模拟过程相同。下面将更详细说明模拟串联薄膜太阳能电池10的过程。
利用有限差时域(FDTD)，通过象以前一样解Maxwell电磁方程，模拟串联薄膜太阳能电池10。下面详细说明FDTD分析的计算情况：
入射光是平行于衬底表面的平面波。即，假定衬底直接正对着太阳。Berenger的完全匹配层方法(请参考J.P.Berenger，J.ComputionalPhysics，114，185(1994))应用于吸收边界算法。对于整个计算时间，分别记录每个电池内的反射波的振幅和电磁波振幅的振幅随时间的变化，而且利用傅立叶变换，以5nm的间隔表示300nm至1200nm的振幅(空气中或者真空中的波长)。利用吸收比和反射比之和变成100％的事实确认硅吸收比的计算收敛。根据该计算，获得顶部电池3和底部电池4的量子效率频谱。此外，在300nm至1200nm的波长范围内(空气中和真空中的波长)，对于波长，计算基准阳光的光子数密度(例如在JIS C8901描述的)与每个电池内的量子效率频谱的乘积的积分，而且认为短路电流密度与总吸收光子数密度等效。如果应用于在光点变换层上具有较少缺陷的实际太阳能电池，则这种假定是合理的。
图20示出作为模拟对象的配置的剖视图。在该模拟过程中，假定光散射物质7的成员是具有同样直径的球体。因此，光散射物质7的平均直径等于光散射物质7的任意成员的直径。此外，假定在玻璃衬底1的同面方向无限重复图7所示的配置。换句话说，光散射物质7的平均间距等于光散射物质7中互相相邻的任意两个成员的间距。假定掺杂了氟的SnO2用于下部电极层2中的介质6。此外，假定光散射物质7位于接触下部电极层2的表面2a的位置。(在此，将顶部电池3、底部电池4、ZnO层5a以及Ag层5b的层厚度分别固定在0.1至0.5μm、1至5μm、20至200nm以及0.1至10μm范围内的值。)。
此外，利用形成在平坦TCO(透明导电氧化物)衬底上的串联薄膜太阳能电池上的顶部电池3和底部电池4的短路电流归一化串联薄膜太阳能电池10的短路电流，分别利用短路电流比(％)表示它们。超过100％的短路电流比表示对光点变换层存在光散射特性。在上面的文献中(请参考Yoshiyuki Nasuno等人“Effects of Substratc SurfaceMorphology on Microcrystalline Silicon Solar Cells”，Jpn.J.Appl.Phys.，The Japan Society of Applied Physics，1 April 2001，vol 40，pp.L303-L305)，即使对于形成在纹理上的透明电极(Asahi-U，是Asahi GlassCo.，Ltd生产的纹理TCO衬底)，对使用同样的因数(短路电流)进行了讨论。因此，短路电流接近光散射特性的因数。
图21A、21B、22A和22B是示出在将TiO2用作光散射物质7的串联薄膜太阳能电池10上光散射物质7的间距和直径与短路电流比之间关系的曲线图。更具体地说，图21A是示出在光散射物质7的直径在60nm至600nm的范围内时，顶部电池3的光散射物质的间距与短路电流比之间关系的曲线图。图21B是示出在光散射物质7的直径在60nm至600nm的范围内时，底部电池4的光散射物质7的间距与短路电流比之间关系的曲线图。在图21A和21B所示的曲线图上，假定下部电极层2的层厚度是0.7μm。相反，图22A是示出在光散射物质7的直径在300nm至1200nm的范围内时，顶部电池的光散射物质7的间距与短路电流比之间关系的曲线图。图22B是示出在光散射物质7的直径在300nm至1200nm的范围内时，底部电池的光散射物质7的间距与短路电流比之间关系的曲线图。在图22A和22B所示的曲线图上，假定下部电极层2的层厚度是1.2μm。然而，应该注意，关于图21A、21B、22A和22B所示的所有曲线图，间距值是“0nm”的短路电流比是对于其中对顶部电池3侧上的下部电极层2的表面设置连续TiO2层的配置的短路电流比的值。
关于顶部电池3和底部电池4，从图21A、21B、22A和22B可以看出，通过将光散射物质7的直径设置在60nm至1200nm的范围内，而且还将光散射物质7的间距设置在等于或者低于1200nm的两倍，即，2400或者低于2400，可以获得超过100％的等效层厚度比，1200nm是用于产生功率的光波长范围内的高值。这说明，将光散射物质7的直径和间距设置在上述范围内有利于提高变换效率。
这同样可以应用于利用金刚石形成光散射物质7的情况。图23A和23B是示出在金刚石用作光散射物质其中假定下部电极层2的层厚度为0.7μm的串联薄膜太阳能电池10上，光散射物质7的间距和直径与短路电流比之间关系的曲线图。更具体地说，图23A是示出在光散射物质7的直径在60nm至600nm的范围内时，顶部电池3的光散射物质7的间距与短路电流比之间关系的曲线图。图23B是示出在由光散射物质7的直径在60nm至600nm的范围内时，底部电池4的光散射物质7的间距与短路电流比之间关系的曲线图。
从图23A和23B可以看出，在利用金刚石形成光散射物质7时的顶部电池3和底部电池4的短路电流比接近与利用TiO2形成光散射物质7时的顶部电池3和底部电池4的短路电流相同。这说明，可以选择金刚石用作光散射物质7的材料。
应该注意，对图21A、21B、22A、22B、23A和23B所做的讨论可以应用于使光散射物质7接近球体的情况。在光散射物质7接近球体的情况下(特别是在其横轴的长度为2000nm或者大于2000nm时)，利用短轴的长度确定光散射物质7的光散射特性。因此，图21A、21B、22A、22B、23A和23B的数据说明将光散射物质7的外径设置在60nm至1200nm范围内的有效性。在此，应该注意，如上所述，光散射物质7的外径是被定义为中心转轴7a到光散射物质7的表面的平均距离的两倍的值。
图24A和24B是示出光散射物质7的间距δ与直径d之比δ/d与短路电流比之间关系的曲线图。更具体地说，图24A是示出顶部电池3的光散射物质7的比值δ/d与短路电流比之间关系的曲线图，而图24B是示出底部电池4的比值δ/d与短路电流比之间关系的曲线图。假定光散射物质7的直径在60nm至600nm的范围内。关于顶部电池3和底部电池4，通过将光散射物质7的间距δ与直径d之比δ/d设置为20或者低于20，设置在使光散射物质7的直径超过60nm的范围内，可以获得超过100％的短路电流比。
图25A和25B示出从顶部电池3侧上的下部电极2的表面2a到光散射物质7的距离(即，光散射物质7的深度)与短路电流比之间关系。更具体地说，图25A是示出顶部电池3的光散射物质7的深度与短路电流比之间关系的曲线图，而图25B是示出底部电池4的光散射物质7的深度与短路电流比之间关系的曲线图。从120nm、240nm、360nm和600nm中选择光散射物质7的直径，然后，选择间距，以致分别对于每个直径，可以使等效层厚度比增加到最大。
从图25A和25B可以看出，光散射物质7的深度越浅，可以获得的短路电流比越高。关于顶部电池3，从图25A可以看出，通过将光散射物质7的深度设置为30nm或者更低，可以获得超过100％的等效层厚度比。相反，关于底部电池4，从图25B可以看出，通过将光散射物质7的深度设置为50nm或者低于50nm，可以获得超过100％的短路电流比。图25A和25B示出将光散射物质7的深度设置为50nm或者低于50nm，优选设置为30nm或者低于30nm的有效性。

Claims (20)

1.一种光电器件，其特征在于包括：
按顺序层叠的多个光电层；以及
光散射膜，其包括由透明导电材料形成的介质，并且在所述介质中嵌入有光散射物质，
其中，所述多个光电层被设置在所述介质上，以及
其中，所述光散射物质由一种或更多不同的绝缘材料形成。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述介质(6)的表面基本上是平坦的。
3.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述介质的相对折射率与所述光散射物质的相对折射率的差值是2.0或者低于2.0。
4.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述光散射物质包括氧化钛、金刚石、SiO2、MgF2、MgO、ZnO或者LiTaO3。
5.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光散射物质包括：
第一散射物质；以及
第二散射物质，其相对折射率不同于所述第一散射物质的相对折射率。
6.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述光散射物质的外径的平均值在60nm至2000nm的范围内，所述光散射物质接近具有中心转轴的球体，所述外径的值是从所述中心转轴到所述光散射物质的表面的距离的平均值的两倍。
7.根据权利要求6所述的光电器件，其中所述光散射物质的所述外径的平均值是1200nm或者低于1200nm。
8.根据权利要求6所述的光电器件，其中所述光散射物质的所述外径的平均值是300nm或者高于300nm。
9.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述光散射物质的直径的平均值在60nm至2000nm的范围内，所述光散射物质的所述直径的值是从所述光散射物质的中心到所述光散射物质的表面的距离的平均值的两倍。
10.根据权利要求9所述的光电器件，其中所述光散射物质的所述直径的平均值是1200nm或者低于1200nm。
11.根据权利要求9所述的光电器件，其中所述光散射物质的所述直径的平均值是300nm或者高于300nm。
12.根据权利要求9所述的光电器件，其中所述光散射物质的直径的最大值与最小值之间的差值是120nm或者低于120nm。
13.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述光散射物质的间距的平均值是4000nm或者低于4000nm，所述光散射物质的间距是所述光散射物质的两个相邻成员之间的距离。
14.根据权利要求13所述的光电器件，其中所述光散射物质的所述间距的平均值是2400nm或者低于2400nm。
15.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述光散射物质的平均间距δAVE与该光散射物质的平均直径dAVE的比δAVE/dAVE是20或者低于20，所述光散射物质的所述平均间距是被定义为所述光散射物质的相邻成员的中心之间的距离的间距的平均值，所述光散射物质的所述平均直径是从所述光散射物质的中心到表面的距离的平均值的两倍。
16.根据权利要求15所述的光电器件，其中所述比值δAVE/dAVE是4或者低于4。
17.根据权利要求13所述的光电器件，其中所述光散射物质的所述间距的最大值与最小值的差值是120nm或者低于120nm。
18.根据权利要求2所述的光电器件，其中从所述介质的所述表面到所述光散射物质的距离是50nm或者低于50nm。
19.根据权利要求18所述的光电器件，其中所述距离是30nm或者低于30nm。
20.根据权利要求2所述的光电器件，其中所述光散射物质接触所述介质的所述表面。
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