DE112011101009T5

DE112011101009T5 - Antireflexbeschichtung für Mehrfachsolarzellen

Info

Publication number: DE112011101009T5
Application number: DE112011101009T
Authority: DE
Inventors: Lucas Alves; Paul Morand
Original assignee: Deposition Sciences Inc
Current assignee: Deposition Sciences Inc
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2013-01-03
Also published as: US20110232745A1; CN103025913A; WO2011119727A1

Abstract

Eine photovoltaische Solarzelle weist eine mehrschichtige Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche auf. Die Beschichtung kann abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid aufweisen und eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 5% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm haben, wobei das Siliziumdioxid bei einer Wellenlänge von 550 nm ein Brechungsindex von weniger als 1,4 hat.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Provisional Anmeldung Nr. 61/316,772 vom 23. März 2010 mit dem Titel „Efficiency Enhancement Antireflection Coating an Multi-junction Solar Cells”. Auf diese Anmeldung wird in ihrer Gesamtheit Bezug genommen.
Hintergrund
Ausführungen des vorliegenden Gegenstandes betreffen allgemein Antireflexschichten und -beschichtungen für verschiedene Anwendungen, wie Mehrfachsolarzellen, Solararrays und dergleichen, ohne hierauf beschränkt zu sein.
In der jüngeren Vergangenheit wurde auf dem Gebiet der Halbleitermaterialien für Solarzellen und der Technologie der Solarzellenstruktur erhebliche Forschung und Entwicklung betrieben. Als ein Resultat kamen fortschrittliche Halbleiter-Solarzellen in einer Anzahl von kommerziellen und verbraucherorientierten Anwendungen zum Einsatz. Die Solartechnologie wurde z. B. angewandt in Satelliten, im Weltraum, im Mobilfunk usw. Die Energieumwandlung von Sonnenenergie oder Photonen in elektrische Energie ist ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Erzeugung von Sonnenenergie. In einer Satellitenanwendung und/oder einer anderen weltraumbezogenen Anwendung sind die Größe, Masse und Kosten eines Satelliten-Energiesystems direkt bezogen auf die Leistung und den Wirkungsgrad der Energieumwandlung der verwendeten Solarzellen. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung, gemäß dem Sonnenenergie (oder Photonen) in elektrische Energie umgewandelt werden, hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie den Strukturen der Solarzellen, den Halbleitermaterialien etc. Die Energieumwandlung in jeder Solarzelle ist im Allgemeinen abhängig von der effektiven Ausnutzung des verfügbaren Sonnenlichts über dem Sonnenspektrum. Die Charakteristik der Sonnenlichtabsorption in dem Halbleitermaterial an sich ist wichtig, um den Wirkungsgrad der Energieumwandlung zu ermitteln.
Herkömmliche Solarzellen verwenden üblicherweise Verbindungen, wie Indiumgalliumphosphid (InGaP), Galliumarsen (GaAs), Germanium (Ge) und so weiter, um die Abdeckung des Absorptionsspektrums von UV bis 890 nm zu erhöhen. Das Hinzufügen eines Ge-Übergangs zu einer Zellenstruktur kann den Absorptionsbereich vergrößern (d. h. bis ungefähr 1800 nm). Die Auswahl der Halbleiterverbindungen kann die Leistungsfähigkeit der Solarzelle verbessern.
Das physische oder strukturelle Design von Solarzellen kann ferner die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Umwandlung der Solarzellen verbessern. Solarzellen wurden üblicherweise in Mehrfach-Übergangsstrukturen oder Mehrfach-Sperrschichtstrukturen entworfen, um die Abdeckung des Sonnenspektrums zu erhöhen. Solarzellen werden normalerweise hergestellt, indem ein Homo-Übergang zwischen einer n-Schicht und einer p-Schicht gebildet wird, wobei die dünne oberste Schicht des Übergangs auf der Seite des Bauteils, auf der Strahlung einfällt, als Emitter und die relativ dünne Bodenschicht als Basis verwendet werden.
Ferner müssen konzentrierte Sonnenenergiesammelsysteme, z. B. konzentrierte photovoltaische Solarzellen (CPV-Solarzellen) üblicherweise große Teile des elektromagnetischen Spektrums reflektieren. Das elektromagnetische Spektrum auf Erdniveau enthält z. B. erhebliche Energie im Bereich von 300 nm bis ungefähr 2500 nm, und Fortschritte in der Materialforschung und der Halbleiterepitaxie haben höhere Wirkungsgrade der Umwandlung bei CPV-Solarzellen in diesem Spektrum möglich gemacht. Der Beitrag der Bandlückenmodulation, Zellenmorphologie mit mehrfachen Übergängen und eine Standardisierung von Lichtquelle/Konzentrator haben es ferner möglich gemacht, in der letzten Dekade die externe Quantenausbeute (External Quantum Efficiency, EQE) um ungefähr zweihundert Prozent zu erhöhen. Aufgrund der verfügbaren Arten von Halbleitermaterialien gibt es einen besonderen Bedarf an einem hohen Wirkungsgrad in dem kurzen Wellenlängenbereich in dieser Range, von ungefähr 300 nm bis ungefähr 450 nm. Wenn nicht ausreichend Licht in diesem Wellenlängenbereich vorhanden ist, kann der Halbleiterübergang, der für die Umwandlung dieses Lichts verantwortlich ist, jedoch rückwärts vorgespannt werden und abhängig von der Struktur der Zelle die Leistungsabgabe anderer Übergänge begrenzen. Es wird daher auf diesem Gebiet ein Mechanismus benötigt, der die Leistungsfähigkeit von Solarzellenstrukturen mit Mehrfachübergang verbessert und eine hoch effiziente Beschichtung oder einen Film für den Bereich von 300 nm bis 1850 nm für CPV-Solarzellen und/oder Solarzellen-Arrays für Anwendungen im Weltraum und terrestrische Anwendungen vorsieht.
Abriss
Eine Ausführung der vorliegenden Offenbarung sieht daher einen Gegenstand vor, mit einem Substrat und einem durch Sputtern aufgebrachten Film aus Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,45 bei einer Wellenlänge von 550 nm.
Eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung sieht einen Gegenstand vor, mit einem Substrat und einem durch Sputtern aufgebrachten Film aus Siliziumdioxid mit einem mittleren Brechungsindex von weniger als 1,41 über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung sieht einen Gegenstand vor, mit einem Substrat und einer mehrschichtigen Antireflexbeschichtung mit einer mittleren Reflektivität auf der Frontseite von weniger als zwanzig Prozent über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm.
Eine zusätzliche Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung sieht einen Dünnfilm-Interferenzfilter vor, mit abwechselnden Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex durch Sputtern aufgebrachtes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,45 umfasst.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung sieht eine photovoltaische Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche vor, wobei die Antireflexbeschichtung ein Material mit einem Brechungsindex von weniger als 1,45 bei einer Wellenlänge von 550 nm aufweist.
In noch einer weiteren Ausgestaltung kann die vorliegende Offenbarung eine photovoltaische Solarzelle vorsehen, mit einer Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität auf ihrer Vorderseite von weniger als zwanzig Prozent über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Eine weitere Ausgestaltung kann eine photovoltaische Solarzelle vorsehen, mit einer mehrschichtigen Antireflexbeschichtung auf einer Außenseite, wobei die Beschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid umfasst, wobei das Siliziumdioxid einen Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm hat.
Eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung kann eine photovoltaische Solarzelle vorsehen, mit einer mehrschichtigen Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche, wobei die Beschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid umfasst, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität auf ihrer Frontseite von weniger als fünf Prozent über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm aufweist.
Eine weitere Ausführung kann ein Verfahren zum Herstellen eines Films aus Siliziumdioxid umfassen, mit dem Schritt des Sputter-Abscheidens des Films auf ein Substrat bei einem Betriebsdruck von wenigstens 10 mTorr.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung sieht ein Verfahren zum Abscheiden eines Films aus Siliziumdioxid auf einem Substrat vor. Das Verfahren kann folgende Schritte umfassen: Vorsehen einer Vakuumkammer, Positionieren eines Targets aus Silizium innerhalb der Vakuumkammer und Anlegen von Energie an das Target, um dadurch das Sputtern von Silizium von dem Target zu bewirken. Innerhalb der Vakuumkammer kann ein Mikrowellengenerator angeordnet sein, und Sauerstoff kann in der Nähe des Mikrowellengenerators in die Vakuumkammer eingeführt werden. An den Mikrowellengenerator kann Energie angelegt werden, um dadurch ein Plasma zu erzeugen, welches einatomigen Sauerstoff enthält. Das Substrat kann an dem Target vorbeibewegt werden, um die Abscheidung von Silizium auf dem Substrat zu bewirken, und kann dann an dem Mikrowellengenerator vorbeibewegt werden, um die Reaktion des Siliziums mit Sauerstoff zu bewirken, um dadurch auf dem Substrat Siliziumdioxid zu bilden. Der Druck innerhalb der Kammer kann während des Sputterns und der Reaktion des Siliziums auf einem Druck von wenigstens 10 mTorr gehalten werden, um dadurch einen Film aus Siliziumdioxid auf dem Substrat zu bilden.
Diese Ausgestaltungen und viele andere Gegenstände und Vorteile werden für den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung aus der Lektüre der Ansprüche, den Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausgestaltungen leicht verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Mehrfach-Solarzelle oder Solarzelle mit Mehrfachübergang gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine grafische Darstellung der Reflektivität über der Wellenlänge für eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine grafische Wiedergabe der Solarspektren gemäß ASTM G173-03.
4 ist eine grafische Darstellung der Reflektivität einer üblichen Mehrfachsolarzelle mit und ohne eine aufgebrachte Antireflexbeschichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine perspektivische Darstellung eines Magnetron-Sputtersystems.
6 ist eine perspektivische Darstellung eines Sputtersystems mit einem Werkzeug, das mehr als einen Freiheitsgrad in der Drehung erlaubt.
7 ist eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Brechungsindizes zwischen einer üblichen Siliziumdioxidschicht und einer Siliziumdioxidschicht gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Mit Bezug auf die Figuren, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, um das Verständnis des vorliegenden Gegenstandes zu erleichtern, werden im Folgenden die verschiedenen Ausgestaltungen einer Antireflexbeschichtung für eine Mehrfachsolarzelle oder Solarzelle mit Mehrfachübergang und entsprechender Verfahren beschrieben.
Dünnfilme und Dünnfilmtechnologie haben in der Energieerzeugung mittels Photovoltaik (PV) und konzentrierter Photovoltaik (CPV) für terrestrische Anwendungen und Anwendungen, die für den Weltraum qualifiziert sind, eine wichtige Rolle gespielt. Traditionell war die Deckschicht von Solarzellen ein dünnes Abdeckglas, das mit einer herkömmlichen Antireflexbeschichtung (AR-Beschichtung) beschichtet war. Dieses Abdeckglas kann auch als eine Strahlungssperre, als ein optisches Kopplungselement und/oder als ein Schutzmittel gegen Fremdkörper, Stöße und andere Umwelteinflüsse dienen. Die beispielhaften Dünnfilmbeschichtungen werden daher allgemein als wichtig für die Leistungsfähigkeit und die Beständigkeit von PV-Systemen gegen Umwelteinflüsse angesehen.
Beispielhafte funktionale PV-Materialien können somit so entworfen werden, dass sie die Umwandlung jedes Photons in dem Sonnenspektrum in Ladungsträger maximieren. Materialien, die von kristallinem Silizium (c-Si) bis zu dünnfilmbasiertem amorphem Silizium (α-Si) und von Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS) bis zu Verbindungen der Gruppe III–V rangieren, werden verbreitet eingesetzt. Beispielhafte Designs von Solarzellen gemäß Ausführungen des vorliegenden Gegenstandes können von Designs mit einzelnen Übergängen bis zu Designs mit Mehrfachübergängen oder invertierten Mehrfachübergängen und von monolithischen Konstruktionen bis zu Konstruktionen mit Mehrfachelementen rangieren. Beispielhafte Systeme können terrestrische Systeme (z. B. AM 1,5 etc.) oder weltraumbasierte Systeme (AM 0) sein. Weitere beispielhafte terrestrische System gemäß Ausführungen des vorliegenden Gegenstands können Ein-Sonnen-Systeme (One-Sun-Systeme) und Konzentrator-Systeme (5 bis 1000 Sonnen) umfassen, welche Linsen und/oder Spiegel als primäre Lichtkollektoren verwenden.
Mit der Weiterentwicklung der Technologie für den Bau von Solarzellen ergab sich auch ein Bedarf für diese Dünnfilmbeschichtungen, sowohl einfache als auch komplexe, die auf Solarsystemelementen verwendet werden, wie z. B. Linsen, Kollektoren, Spiegeln oder die Solarzelle selbst, ohne hierauf beschränkt zu sein. AR-Beschichtungen gemäß Ausführungen des vorliegenden Gegenstandes können auf Linsen beispielhafter terrestrischer und/oder weltraumbasierter System aufgebracht werden und können ferner als Deckschicht auf Zellen aufgebracht werden, um den Photonenfluss zu erhöhen, der das PV-Medium erreicht, während ein Teil der auftreffenden Energie, der im Ergebnis nur zu unerwünschter Aufheizung der Zelle führt, reflektiert wird. In einer beispielhaften Mehrfach-Solarzelle oder Solarzelle mit Mehrfachübergängen kann ferner eine AR-Beschichtung die Spektralantwort maßschneidern, um die Ströme bei den verschiedenen Übergängen anzupassen. Die AR-Beschichtung kann dazu als eine spektrale oder stromregulierende Mehrzweckbeschichtung verwendet werden.
Mehrlagige Beschichtungen gemäß Ausführungen des vorliegenden Gegenstandes können auch in beispielhaften Solarzellen verwendet werden. In ihrer Grundform ist eine Solarzelle ein Halbleiterbauteil, das dafür ausgelegt ist, elektrische Energie zu erzeugen, wenn es elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist. Die Verteilung von Licht im Weltraum ist grundsätzlich der theoretischen Strahlung ähnlich, die von einem schwarzen Körper ausgeht; wenn das Licht die Atmosphäre durchläuft, kann jedoch ein Teil des Lichtes von Gasen, wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon und dergleichen, absorbiert oder reflektiert werden. Die übliche Verteilung von Licht auf der Oberfläche der Erde ist daher anders als die Verteilung des Lichtes im Weltraum, und Ingenieure sollten das Spektrum des eintreffenden Lichtes, das auf eine Solarzelle auftrifft, welche Beschichtungen gemäß Ausführung des vorliegenden Gegenstandes verwendet als eine Funktion der Umgebung, in der die Solarzelle eingesetzt wird, berücksichtigen. Eine Solarzelle gemäß einer Ausführung des vorliegenden Gegenstandes kann einen oder mehrere p-n-Übergange haben, wobei Licht in das Halbleitermaterial durch den n-Bereich eintritt und ein Elektronen-Loch-Paar („EHP”) in dem Material aufgrund des photoelektrischen Effekts erzeugt. Der n-Bereich kann im Wesentlichen dünn sein, während der Verarmungsbereich dick ist. Wenn das EHP in dem Verarmungsbereich erzeugt wird, führt das eingebaute elektrische Feld zum Auseinanderdriften von Elektron und Loch, woraus sich ein Strom durch das Bauteil ergibt, der als Photostrom bezeichnet wird. Wenn das EHP in dem n- oder dem p-Bereich erzeugt wird, können das Elektron und das Loch in beliebige Richtungen driften und Teil des Photostroms werden oder auch nicht. Die Leistung einer Solarzelle kann in verschiedenen Größen gemessen werden: Kurzschlussstrom (der Strom einer Solarzelle, wenn negative und positive Anschlüsse (Ober- und Unterseite der Zelle) durch einen Kurzschluss verbunden werden); Leerlaufspannung (die Spannung zwischen der Oberseite und der Unterseite einer Solarzelle); Leistungspunkt (der Punkt auf der Strom-Spannungs-Kurve einer Solarzelle, der die maximale Leistung für das Bauteil liefert); Füllfaktor (ein Wert, der beschreibt, wie nahe die Strom-Spannungs-Kurve einer Solarzelle einer idealen Solarzelle ähnlich ist); Quantenausbeute (Anzahl der EHPs, die erzeugt und erfasst werden, geteilt durch die Anzahl der auftreffenden Photonen); externe Quantenausbeute (EQE) (eine Funktion des Photonenflusses, der das photovoltaische Medium erreicht); Gesamtwirkungsgrad (Prozentsatz der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, die in elektrische Leistung umgewandelt wird).
In einschichtigen Solarzellen wird ein großer Anteil der Energie des auftreffenden Lichtes nicht in Elektrizität umgewandelt. Wenn ein auftreffendes Photon weniger Energie hat als die Bandbreite des Halbleitermaterials (d. h. die Energiedifferenz oder die Range (in eV) zwischen der Oberseite des Valenzbandes und der Unterseite des Leitungsbandes und die Energiemenge, die notwendig ist, um ein Elektron der äußeren Elektronenhülle in einen freien Zustand freizusetzen), kann das Photon nicht absorbiert werden, weil nicht ausreichend viel Energie vorhanden ist, um ein Elektron von dem Leitungsband in das Valenzband anzuregen; daher wird kein Anteil des Lichts, dessen Energie geringer ist als der Bandabstand oder die Bandlücke, in der Solarzelle genutzt. Wenn ein auftreffendes Photon eine höhere Energie hat als die Bandlücke, wird die überschüssige Energie in Wärme umgewandelt, weil das Elektron nur genau die Energiemenge absorbieren kann, die für die Bewegung in das Valenzband notwendig ist. Solarzellen mit mehreren Übergängen nutzen das Sonnenspektrum besser aus, weil sie mehrere Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandlücken haben. Jede Schicht kann aus einem anderen Material hergestellt sein (üblicherweise ein Halbleiter der Gruppen III–V, möglicherweise aber auch ein Halbleiter der Gruppen II–VI) und einen anderen Anteil des Spektrums absorbieren. Die oberste Schicht sieht üblicherweise die größte Bandlücke vor, so dass die Photonen mit der höchsten Energie in dieser Schicht absorbiert werden. Photonen mit geringerer Energie müssen durch die obere Schicht hindurch gehen, weil sie nicht ausreichend Energie haben, um in dem Material EHPs zu erzeugen. Jede Schicht kann, von oben nach unten, eine kleinere Bandlücke als die vorhergehende Schicht haben; daher kann jede Schicht Photonen absorbieren, deren Energie größer ist als die Bandlücke dieser Schicht und geringer als die Bandlücke der höheren Schicht. Eine beispielhafte Form einer Solarzelle mit mehreren Übergängen kann drei Schichten umfassen und kann allgemein als Dreifachübergangs-Solarzelle oder Dreifach-Solarzelle bezeichnet werden. Dieses Beispiel soll selbstverständlich nicht den Bereich der Ansprüche begrenzen, da Beschichtungen und Filme gemäß Ausführungen des vorliegenden Gegenstandes in jeder Anzahl für verschiedene Typen von Solarzellen verwendet werden können.
1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Mehrfachsolarzelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung. Mit Bezug auf 1 kann eine Mehrfachübergangs-Solarzelle oder kurz „Mehrfachsolarzelle” 100 mehrere Zellen umfassen, wobei jede Zelle für die Umwandlung eines anderen Teils des Sonnenspektrums verantwortlich ist. Die in 1 gezeigte Ausgestaltung ist eine Dreifachsolarzelle mit einer unteren Zelle 120, einer mittleren Zelle 130 und einer oberen Zelle 140. Selbstverständlich ist diese Dreifachsolarzelle nur ein Beispiel und soll den Bereich der Ansprüche nicht begrenzen, weil mehr oder weniger Übergänge in den Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit der Solarzelle zu erhöhen. Die Solarzelle 100 kann auch zwei Kontakte 110 und 142 aufweisen, wie leitende Metallpads, die dazu verwendet werden, elektrischen Strom in der Mehrfachsolarzelle 100 zu transportieren, ohne hierauf beschränkt zu sein. Jegliche Anschlüsse (nicht gezeigt) zu oder von den Kontakten 110, 142 können die Mehrfachsolarzelle 100 mit benachbarten Solarzellenstrukturen und/oder anderen elektrischen Bauteilen verbinden. Ein Fachmann sollte somit verstehen, dass er den Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht verlässt, wenn er zusätzliche Blöcke, Schaltkreise und/oder Elemente zu der Mehrfachsolarzellenstruktur 100 hinzufügt.
Jede der Zellen 120, 130, 140 kann eine Zelle mit Homo-Übergang oder Hetero-Übergang sein. Zellen mit Hetero-Übergang bieten jedoch grundsätzlich eine größere Bandlücke als Zellen mit Homo-Übergang indem die Lichtpassivierung zu benachbarten und unteren Zellen verbessert ist. Ein weiterer Vorteil im Zusammenhang mit Zellen mit Hetero-Übergang und großer Bandlücke kann sein, dass sie eine bessere Gitteranpassung vorsehen, so dass die Abdeckung des Sonnenspektrums erhöht wird. Beispielsweise eine mittlere Zelle 130 mit Hetero-Übergang und großer Bandbreite kann einen größeren Teil des Sonnenspektrums absorbieren als eine mittlere Zelle mit Homo-Übergang. Ferner kann eine mittlere Zelle mit Hetero-Übergang und großer Bandlücke auch eine größere Leerlaufspannung und einen größeren Kurzschlussstrom vorsehen; d. h., dass der von dem Sonnenlicht erzeugte Photostrom mit einem Emitter-Hetero-Übergang mit größerer Bandlücke zunehmen kann.
Auf die Solarzelle 100 auftreffendes Sonnenlicht 150 kann mehrere Gruppen von Photonen umfassen, einschließlich Photonen 152 von einem Hochfrequenzanteil des Sonnenspektrums, Photonen 154 aus wenigstens dem sichtbaren Lichtanteil des Sonnenspektrums und Photonen 156 aus dem Niederfrequenzanteil des Sonnenspektrums. Die obere Zelle 140, die einen Homo-Übergang oder einen Hetero-Übergang aufweisen kann, kann Photonen 152 absorbieren und Photonen 154 und 156 durch die obere Solarzelle 140 hindurchlassen. Bei Absorption der Photonen 152 wandelt die obere Zelle 140 diese Photonen in elektrische Energie um und gibt die elektrische Energie zusammen mit der von der mittleren und der unteren Zelle 130, 120 erzeugten elektrischen Energie an den Kontakt 142 weiter, der seinerseits die elektrische Energie an eine nächste Stufe weitergeben kann, z. B. an benachbarte Solarzellen und/oder elektrische Geräte.
Die mittlere Solarzelle 130, die einen Homo-Übergang oder einen Hetero-Übergang aufweisen kann, kann Photonen 154 absorbieren und andere Photonen 156 hindurchlassen, so dass diese zur unteren Zelle 120 gelangen. Die mittlere Zelle 130 kann die Photonen 154 in elektrische Energie umwandeln und die elektrische Energie dann zusammen mit der von der unteren Zelle 120 erzeugten elektrischen Energie an die obere Zelle 140 weitergeben. Die untere Zelle 120, die einen Homo-Übergang oder einen Hetero-Übergang aufweisen kann, kann Photonen 156 absorbieren, diese Photonen dann in elektrische Energie umwandeln und die elektrische Energie an die mittlere Zelle 130 weitergeben. In einer Ausgestaltung kann die untere Zelle ein Substrat auf Germaniumbasis (Ge) oder ein Substrat auf Galliumarsenidbasis (GaAs) aufweisen. Die Zellen 120, 130, 140 können aus jeder Kombination von Halbleitermaterialien der Gruppen III–V oder II–VI gebildet sein. Die mittlere Zelle 130 kann z. B. eine Schicht aus Indiumgalliumphosphid (InGaP) als Emitter und eine Schicht aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) als Basis aufweisen. InGaAs hat im Allgemeinen eine gute Gitteranpassung an ein Substrat auf Ge-Basis. Es sei bemerkt, dass die Zellen durch jede Kombination von Elementen der Gruppen III, IV, V und VI in der Periodentabelle gebildet werden können; die Gruppe III kann z. B. Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thantal (Tl) umfassen, die Gruppe IV kann Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Ge und Zinn (Sn) umfassen, die Gruppe V kann Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Bismuth (Bi) umfassen, usw.; das vorstehende Beispiel für die mittlere Zelle 130 soll daher den Bereich der Ansprüche nicht begrenzen, weil eine Vielzahl von Materialien in jeder der Zellen verwendet werden kann. Die obere Zelle 140 kann z. B. hauptsächlich GaInP aufweisen, die mittlere Zelle 130 kann hauptsächlich GaAs aufweisen, und die untere Zelle 120 kann InGaAs aufweisen. In anderen Ausführungen kann die oberen Zelle 140 hauptsächlich GaInP aufweisen, die mittlere Zelle 130 kann hauptsächlich AlInP aufweisen, und die untere Zelle 120 kann hauptsächlich ein Substrat aus GeAs aufweisen. Ferner können die Dotierungskonzentrationen in jeder der Zellen variiert werden, und benachbarte Zellen können z. B. p-GaInN, n-GaInN, n-InN, p-InN usw. aufweisen.
Der Wirkungsgrad der beispielhaften Solarzellen kann grundsätzlich begrenzt sein durch den Wirkungsgrad des am wenigsten effizienten Übergangs. Übliche Übergange arbeiten in den Bereichen zwischen 300 nm bis 550 nm, 700 nm bis 880 nm und 900 nm bis 1800 nm. Spektralselektive Beschichtungen oder Antireflexbeschichtungen (Reflexe unterdrückende Beschichtungen) gemäß Ausführungen des vorliegenden Gegenstandes können verwendet werden, um die Sonnenenergie auszugleichen und/oder zu verstärken und dadurch den Wirkungsgrad einer Solarzelle zu optimieren. Eine beispielhafte mehrlagige Beschichtung 160 kann z. B. auf die Oberfläche aufgebracht werden, welche das einfallende Sonnenlicht empfangt. Auch wenn dies nicht ausdrücklich dargestellt ist, kann die Beschichtung 160 eine Vielzahl von Schichten aufweisen, so dass die vereinfachte Darstellung der 1 die beigefügten Ansprüche nicht beschränken soll. Die Beschichtung 160 kann z. B. in einer Ausgestaltung vierzehn (14) Schichten umfassen, die aus abwechselnden Materialien mit einem hohen Brechungsindex und Materialien mit einem niedrigen Brechungsindex bestehen.
Die Beschichtung 160 kann selbstverständlich jede Anzahl von Schichten umfassen, ob geradzahlig oder ungeradzahlig, und das vorstehende Beispiel soll den Bereich der beigefügten Ansprüche nicht beschränken. Diese Beschichtung 160 kann dazu verwendet werden, den Lichtfluss (d. h. Anti-Reflexion) über dem Betriebsband jedes Übergangs zu modulieren und den Lichtfluss an die Quantenausbeute des Übergangs, der Photonen am stärksten benötigt, anzupassen. Eine andere Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann eine oder mehrere mehrlagige Beschichtungen an den Grenzflächen 121, 130 jeder oder mehrerer Zellen 120, 130, 140 aufbringen, um eine aktive Steuerung des Lichtflusses vorzusehen, welcher zu jeden Übergang gelangt, indem sie mehr oder weniger durchlässig werden, wenn ein Strom an sie angelegt wird. Diese beispielhaften Beschichtungen können somit einen elektro-chromatischen Effekt nutzen, um den Photonendurchsatz zu jedem Übergang und somit die Quantenausbeute für die gesamte Solarzelle 100 zu modulieren.
Eine Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann daher ein Dünnfilm-Interferenzfilter sein, das auf eine Oberfläche einer Mehrfachsolarzelle aufgebracht wird, wie der in 1 gezeigten. Eine Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann z. B. ein Dünnfilm-Interferenzfilter vorsehen, der abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1.45 umfasst. In weiteren Ausführungen kann das Material mit niedrigem Brechungsindex einen Brechungsindex von weniger als 1,4, weniger als 1,38 oder ungefähr 1,3 haben. Dieser beispielhafte Film kann sich somit wie ein Koppler für den Fluss der Sonnenstrahlung in das Halbmaterial hinein verhalten und als eine Antireflexbeschichtung dienen. Die Minimierung der integrierten Reflektivität und somit die Maximierung der Anti-Reflexionseigenschaft zwischen dem auftreffenden Medium und dem obersten Übergang in einer Mehrfachsolarzelle kann in bestimmten Ausgestaltungen die Umwandlung der Anzahl der Photonen in einen Photostrom des Halbleitermaterials maximieren. Eine beispielhafte AR-Beschichtung kann zwischen 300 nm und 2500 nm arbeiten und die in der unten stehenden Gleichung (1) angegebene Antwort minimieren:
Die Anwendung eines mehrlagigen reaktiv gesputterten Films gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes auf eine Mehrfachsolarzelle kann somit ein breites Anti-Reflexionsband in Solarzellen, Solar-Arrays usw. vorsehen. Da die Auswahl des Materials hinsichtlich optischer Eigenschaften und hinsichtlich der Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse in der CPV-Industrie wichtig ist, können Beschichtungen, welche eines oder mehrere von Titandioxid, Niobpentoxid, Tantalpentoxid, Hafniumdioxid und Siliziumdioxid verwenden, große Vorteile hinsichtlich der optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften bei dem Aufbau von AR-Breitbandbeschichtungen bieten, welche winkelunempfindlich und beständig sind.
Eine beispielhafte Beschichtung gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann durch reaktives Sputtern als ein poröser Film gebildet werden. Beispielhafte Verfahren gemäß Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes können den Abscheidungsdruck während des Sputtervorgangs erhöhen oder senken und eine daraus resultierende Orientierung des Filmwachstums vorsehen, welche den Brechungsindex des gesputterten Materials von 1,45 auf bis zu 1,1 senkt. 7 ist eine graphische Wiedergabe eines Vergleichs des Brechungsindex zwischen einer üblichen Siliziumdioxidschicht 701 und einer Siliziumdioxidschicht gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes 720. Tabelle 1A gibt die Brechungsindizes für übliche SiO₂-Beschichtungen 710 an. Tabelle 1B gibt die Brechungsindizes für SiO₂-Beschichtungen 720 mit niedrigem n an. Tabelle 1A

Wellenlänge (nm) Standard SiO₂-Beschichtung Brechungsindex (n)

300 1.478

350 1.472

400 1.467

450 1.463

500 1.459

550 1.455

600 1.452

650 1.45

700 1.446

900 1.437

1000 1.434

Tabelle 1B

Wellenlänge (nm) SiO₂-Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex (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
Mit Bezug auf 7 und die Tabelle 1A und 1B ist es offensichtlich, dass eine SiO₂-Beschichtung gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes 720 deutlich niedrigere Brechungsindizes in dem Spektralband von 300 nm bis 800 nm aufweist als eine übliche SiO₂-Beschichtung. Besonders bemerkenswert sind die niedrigen Brechungsindizes, die in dem Hochenergie-Spektralband von 300 nm bis 400 nm auftreten. Die Verwendung von Metalloxid mit niedrigem Index, z. B. Titanoxid, Niobpentoxid, Hafniumdioxid, Tantalpentoxid und Siliziumdioxid für einen Film in dem AR-Filter oder eine Beschichtung für eine Mehrfachsolarzelle kann somit eine höhere Erfassungsrate für Hochenergie-Photonen (z. B. blaue Photonen) in dem Spektralband von 300 nm bis 400 nm ermöglichen. Ein Vorteil der Verfügbarkeit mehrerer dieser Photonen ist die Möglichkeit, strombegrenzende Effekte in der Morphologie der Solarzelle zu korrigieren.
Eine weitere Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann eine Verringerung der Reflektivität (R) auf einer Solarzelle auf weniger als 2,25% von 300 nm bis zu Wellenlängen von mehr als 800 nm erzielen, wie in dem experimentell erhaltenen Spektrum gezeigt ist, das in 2 dargestellt ist. 2 ist eine graphische Wiedergabe der Reflektivität (R) über der Wellenlänge in nm für eine Antireflex-Breitbandbeschichtung (BBAR-Beschichtung) 210 gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes. Eine andere Ausführung kann eine Reduktion von R auf einer Solarzelle auf weniger als 2,25% zwischen 300 und 1850 nm ergeben, wie in dem experimentell erhaltenen Spektrum gezeigt ist, das in 2 wiedergegeben ist. Ein beispielhaftes Material für die BBAR-Beschichtung kann Siliziumdioxid sein, wobei andere Beschichtungen verwendet werden können, wie Titandioxid, Tantalpentoxid, Niobpentoxid, Hafniumdioxid etc., ohne hierauf beschränkt zu sein. Solche Beschichtungen können auch porös sein, um dadurch nach Bedarf die AR-Eigenschaften zu beeinflussen.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung kann somit einen Gegenstand, Bauteil oder Gerät vorsehen, mit einem Substrat und einem durch Sputtern abgeschiedenen Film aus Siliziumdioxid, der ein Brechungsindex von weniger als 1,45 bei einer Wellenlänge von 550 nm hat. Andere Ausgestaltungen können einen Siliziumdioxid-Film mit niedrigeren Brechungsindizes vor 1,4 bis zu ungefähr 1,3 bei der Wellenlänge von 550 nm umfassen.
Wie zuvor erwähnt, kann der Wirkungsgrad einer photovoltaischen (PV) Solarzelle durch eine Anzahl von Größen quantifiziert werden, wobei eine die externe Quantenausbeute (EQE) des Bauteils ist. Ob eine PV-Solarzelle einen einfachen Übergang oder mehrere Übergänge hat, ihre EQE ist eine Funktion des Photonenflusses, der das PV-Medium erreicht. Es ist daher wichtig, die PV-Solarzelle an das Medium (Luft/Raum), in dem sie arbeitet, optimal anzupassen, wobei gefordert wird, dass eine oder mehrere Grenzflächen zwischen der Solarzelle und dem Medium in der Form einer AR-Beschichtung gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes hinzugefügt werden. Eine Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann somit eine photovoltaische Solarzelle mit einer AR-Beschichtung auf einer Außenfläche vorsehen, wobei die Antireflexbeschichtung ein Material mit einem Brechungsindex umfasst, der bei einer Wellenlänge von 550 nm geringer ist als 1,45. Das Material kann ein Siliziumdioxid sein und durch Sputtern abgeschieden werden. In noch einer anderen Ausgestaltung kann die AR-Beschichtung wechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und einem zweiten Material umfassen, wie z. B. Titandioxid, Hafniumdioxid, Tantalpentoxid und Niobpentoxid, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Eine weitere Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes kann eine photovoltaische Solarzelle mit einer AR-Beschichtung auf einer Außenfläche vorsehen, wobei die Antireflex-Beschichtung eine mittlere Frontflächenreflektivität von weniger als 20% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat. In anderen Ausgestaltungen kann die AR-Beschichtung eine mittlere Frontflächenreflektivität von weniger als 15%, weniger als 10%, weniger als 5% und sogar weniger als 3% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm haben. Die AR-Beschichtung kann abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex haben, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm umfasst. Das Material mit niedrigem Brechungsindex kann in weiteren Ausführungen ein Index von weniger als 1,8 bei einer Wellenlänge von 550 nm haben.
Eine Ausgestaltung kann eine photovoltaische Solarzelle mit einer mehrlagigen Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche vorsehen, wobei die Beschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid aufweist, wobei das Siliziumdioxid ein Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm hat. Die äußerste Schicht der mehrlagigen AR-Beschichtung kann Siliziumdioxid umfassen, und in anderen Ausgestaltungen kann die innerste Schicht der mehrlagigen AR-Beschichtung Tantalpentoxid umfassen.
Andere Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes können eine photovoltaische Solarzelle mit einer mehrlagigen Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche umfassen, wobei die Beschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid umfasst, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Frontflächenreflektivität von weniger als 5% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat. In einer Ausgestaltung kann das Siliziumdioxid einen Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm haben.
Das Design einer AR-Beschichtung kann charakterisiert werden durch die Strahlungsdichte, das Emissionsvermögen und das Absorptionsvermögen der Quellen und Medien, in denen die AR-Beschichtung arbeitet, und sie kann auch charakterisiert werden durch die optischen Eigenschaften, den Brechungsindex und den Extinktionskoeffizienten der Beschichtungsmaterialien und Substrate, die in dem dazugehörigen optischen System verwendet werden. Das Spektralband, innerhalb dessen die Beschichtung arbeitet, definiert das Antireflexproblem. In PV-Solarzellen impliziert dies z. B. das Sonnenspektrum.
3 ist eine graphische Wiedergabe des Sonnenspektrums gemäß ASTM G173-03. Mit Bezug auf 3 sind die Eingangsgrößen eines beispielhaften PV-Geräts das Sonnenspektrum, das durch die Norm ASTM G173-03 wiedergegeben wird, wobei die Strahlungsdichte des terrestrischen Sonnenspektrums auf einer spezifisch orientierten Oberfläche unter einer Menge von Umgebungsbedingungen gegeben ist. Eine erste Kurve 310 sieht ein globales geneigtes Strahlungsspektrum in W·m²/nm vor. Eine zweite Kurve 320 sieht ein direktes und die Sonne umgebendes (cicumsolar) Strahlungsspektrum in W·m²/nm vor. Eine dritte Kurve 330 sieht ein extraterrestrisches Strahlungsspektrum in W·m²/nm vor. Diese drei Kurven bestimmen eine Einhüllende für eine integrierte Photoneneingangsgröße des PV-Mediums in dem funktionalen Band von 300 bis 2500 nm. Wie in 3 gezeigt, fällt ungefähr 5% des Sonnenspektrums in den Bereich von 1900 bis 2500 nm; dieser Spektralbereich ist jedoch normalerweise nicht operativ, weil er hauptsächlich aus unerwünschter Wärme besteht. Eine optimierte AR-Breitband-Solarbeschichtung sollte in dem Band von 300 bis 1850 nm arbeiten.
Das Design einer beispielhaften BBAR-Beschichtung für ein Solarzellensystem sollte die optischen Eigenschaften des PV-Materials und der komplementären optischen Dünnfilme berücksichtigen. Die Fresnel-Reflektivität der Frontfläche für eine Übergangsstelle kann durch die folgende Beziehung berechnet werden: R = [(n_material – n_medium)² + k_material ²]/[(n_material + n_medium)² + k_material ² (2) wobei n_material den Brechungsindex eines Materials wiedergibt, n_medium den Brechungsindex eines Mediums wiedergibt, und k_material den Extinktionskoeffizienten des Materials wiedergibt. Für den größten Teil der Elemente und Verbindungen der Gruppen III–V fällt n_material im Allgemeinen in den Bereich von 3,0 bis 5,0, so dass sich Verluste aufgrund der Reflektivität der Frontfläche (bei AM 1,5) irgendwo zwischen R_max ~ 25 bis 45% ergeben. Durch Verwenden einer robusten mehrschichtigen BBAR-Beschichtung, die an das Sonnenspektrum von AM 1,5 angepasst ist, kann die Reflektivität der Frontfläche über dem Betriebsband von 300 nm bis 1800 nm auf R_avg ≤ 3% reduziert werden. 4 ist eine graphische Wiedergabe der Reflektivität einer üblichen Mehrfachsolarzelle mit und ohne einer aufgebrachten AR-Beschichtung gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstands. 4 sieht das globale geneigte, das direkte und die Sonne umgebende, und das extraterrestrische Strahlungsspektrum 310, 320 und 330 von 3 vor und zeigt auch eine Kurve für eine Mehrfachsolarzelle ohne die beispielhafte AR-Beschichtung 410. 4 zeigt ferner eine Kurve für eine Mehrfachsolarzelle mit einer beispielhaften AR-Beschichtung 420 gemäß einer Ausführung des vorliegenden Gegenstandes. Mit Bezug auf 4 ist für den Fachmann offensichtlich, dass die Anwendung einer mehrschichtigen BBAR gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes zu einer Verbesserung von 3 bis 5% in dem EQE für eine Mehrfachsolarzelle (bei 500-facher Konzentration) im Vergleich zu der EQE derselben Zelle mit einer herkömmlichen V-Beschichtung AR führen kann. Diese Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle macht es möglich, dass im Handel erhältliche Solarzellen einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung im Bereich von 40 bis 50% erreichen können.
Das Design der AR-Beschichtung kann gekennzeichnet werden durch die Strahlungsdichte, das Emissionsvermögen und die Absorptivität der Quellen und Medien, in den die AR-Beschichtung arbeitet, und ferner durch die optischen Eigenschaften, den Brechungsindex und den Extinktionskoeffizienten der Beschichtungsmaterialien und Substrate, die in den zugehörigen optischen Systemen verwendet werden. Das Spektralband, innerhalb dessen die Beschichtung arbeitet, definiert das Antireflexproblem. In PV-Solarzellen impliziert dies z. B. das Sonnenspektrum.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung kann daher ein Gegenstand oder ein Gerät mit einem Substrat und einem durch Sputtern abgeschiedenen Film aus Siliziumdioxid vorsehen, der einen mittleren Brechungsindex von weniger als 1,41 über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat. Dieser durch Sputtern abgeschiedene Film aus Siliziumdioxid kann in einer anderen Ausgestaltung auch ein Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm haben.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung kann einen Gegenstand oder ein Gerät mit einem Substrat und einer mehrlagigen Antireflexbeschichtung vorsehen, mit einer mittleren Reflektivität der Frontfläche von weniger als 20% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm. In anderen Ausgestaltungen kann die mehrlagige AR-Beschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 15%, weniger als 10%, weniger als 5% und sogar weniger als 3% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm haben. Die mehrlagige AR-Beschichtung kann natürlich abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex aufweisen, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm ist. In weiteren Ausgestaltungen kann die Schicht aus dem Material mit niedrigem Brechungsindex einen Brechungsindex von weniger als 1,38 bei der Wellenlänge von 550 nm haben. Diese mehrlagige AR-Beschichtung kann ferner eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 5% und sogar weniger als 3% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm haben. In einer Ausgestaltung kann das Material mit hohem Brechungsindex eines oder mehrere Materialien umfassen, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, welche besteht aus: Titandioxid, Hafniumdioxid, Tantalpentoxid und Niobpentoxid.
Mehrlagige Beschichtungen gemäß Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Beispielhafte Beschichtungen können beispielsweise mit Hilfe eines Magnetron-Sputtersystems gesputtert werden. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Magnetron-Sputtersystems. Mit Bezug auf 5 kann das Magnetron-Sputtersystem eine zylindrische, drehbare Trommel 502 verwenden, die in einer Vakuumkammer 501 montiert ist, wobei Sputter-Targets 503 in einer Wand der Vakuumkammer 501 liegen. Plasma- oder Mikrowellengeneratoren 504, die im Stand der Technik an sich bekannt sind, können ebenfalls in einer Wand der Vakuumkammer 501 angeordnet sein. Substrate 506 können an Platten oder Substrathaltern 505 auf der Trommel 502 lösbar befestigt werden.
Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes können auch in Sputtersystemen hergestellt werden, die Werkzeuganordnungen haben, die mehr als einen Freiheitsgrad für die Rotation zulassen. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines solchen Sputtersystems. Mit Bezug auf 6 kann ein beispielhaftes Sputtersystem eine im Wesentlichen zylindrische, drehbare Trommel oder einen Träger 602 verwenden, der in einer Vakuumkammer 601 montiert ist, wobei Sputter-Targets 603 in einer Wand der Vakuumkammer 601 liegen. Plasma- oder Mikrowellengeneratoren 604, die im Stand der Technik an sich bekannt sind, können ebenfalls in einer Wand der Vakuumkammer 601 angeordnet sein. Der Träger 602 kann einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben und ist dazu eingerichtet, um eine zentrale Achse zu drehen. Ein Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) kann zum Drehen des Trägers 602 um seine zentrale Achse vorgesehen sein. Eine Vielzahl von Lagerelementen 650 können an dem Träger 602 in der Vakuumkammer 670 montiert sein. Jedes Lagerelement 650 kann einen drehbaren zentralen Schaft 652 und eine oder mehrere Scheiben 611 aufweisen, die entlang des zentralen Schaftes 652 axial ausgerichtet sind. Die Platten 611 können eine Vielzahl von Vertiefungen zum Tragen von Spindeln aufweisen, die um den Umfang der Platte 611 angeordnet sind. Spindeln können in den Vertiefungen getragen werden, und jede Spindel kann ein oder mehrere Substrate tragen, die um jeweils ihre eigene Achse drehen können. Zusätzliche Einzelheiten und Ausgestaltungen dieses beispielhaften Systems sind in der ebenfalls anhängigen und verwandten US-Patentanmeldung Nr. 12/155,544 vom 5. Juni 2008, mit dem Titel „Method and Apparatus for Low Cost High Rate Deposition Tooling” und in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 12/289,398 vom 27. Oktober 2008, mit dem Titel „Thin Film Coating System and Method” beschrieben. Auf die beiden Dokumente wird in ihrer Gesamtheit Bezug genommen. Selbstverständlich können Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung auch in einem Reihen-Beschichtungsmechanismus oder Sputtersystem und/oder jedem herkömmlichen chemischen Dampfabscheidungssystem hergestellt werden. Um eine ausreichende Gleichmäßigkeit der Beschichtung zu erhalten, können ferner mehrere Umdrehungen an dem Target vorbei oder mehrere Targets notwendig sein.
In den obigen Verarbeitungsverfahren und -systemen kann ein Film aus Siliziumdioxid gemäß einer Ausgestaltung des vorliegenden Gegenstandes durch Sputtern auf ein Substrat bei einem Betriebsdruck von mindestens 10 mTorr aufgebracht oder abgeschieden werden und vorzugsweise bei einem Druck zwischen 10 mTorr und 25 mTorr. In einer Ausgestaltung, die ein Magnetron-Sputtersystem verwendet, das ähnlich wie das in 5 gezeigte ist, wurde z. B. der Betriebsdruck auf 22 mTorr gehalten, der Argonstrom betrug 305 sccm, die Targetleistung betrug 5.0 kW, der O₂-Teildruck betrug 0,45 mTorr und die Drehung der Trommel erfolgte bei 600 Umdrehung pro Minute. Mit diesen Werten wurde eine Abscheidungsrate von 18 nm pro Minute erreicht, woraus sich ein Brechungsindex eines Metalloxidfilms von ungefähr 1,372 bei einer Wellenlänge von 550 nm ergab. Der Metalloxidfilm kann natürlich ein Siliziumdioxid sein und besitzt einen Brechungsindex zwischen 1,45 und 1,3 bei einer Wellenlänge von 550 nm, abhängig von den verwendeten Prozessbedingungen.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren zum Abscheiden eines Films aus Siliziumdioxid auf einem Substrat umfasssen. Dies kann durch das in den 5 und 6 gezeigte Magnetronsystem erreicht werden, durch Inline-Systeme oder andere herkömmliche Sputtersysteme. Das Verfahren kann das Vorsehen einer Vakuumkammer mit einem oder mehreren Mikrowellengeneratoren darin und das Positionieren eines Targets aus Silizium oder ein anderes Substrat innerhalb der Vakuumkammer umfassen. Leistung kann dann an das Target angelegt werden, um dadurch das Sputtern von Silizium von dem Target zu bewirken. Sauerstoff kann in die Vakuumkammer in der Nähe des Mikrowellengenerators zugeführt werden, und an den Mikrowellengenerator angelegte Energie erzeugt dadurch ein Plasma, welches einatomigen Sauerstoff enthält. Das Substrat kann an dem Target vorbeibewegt werden, um die Abscheidung von Silizium auf dem Substrat zu bewirken, und anschließend an dem Mikrowellengenerator vorbeigeführt werden, um die Reaktion des Siliziums mit dem Sauerstoff zu bewirken, um auf dem Substrat Siliziumdioxid zu bilden. Natürlich können zusätzliche Schichten aus Materialien durch Sputtern auf dem Substrat oder seine Oberflächen abgeschieden werden. Der Druck innerhalb der Kammer kann während des Sputterns und der Reaktion des Siliziums auf einem Druck von wenigstens 10 mTorr, vorzugszeise zwischen 10 mTorr und 25 mTorr gehalten werden, um dadurch einen Film aus Siliziumdioxid auf dem Substrat zu bilden. In einer Ausgestaltung kann der Siliziumdioxidfilm ein Brechungsindex von zwischen 1,45 und 1,3 bei einer Wellenlänge von 550 nm aufweisen, abhängig von den eingesetzten Prozessbedingungen.
Es ist somit ein Aspekt der Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes, höhere Wirkungsgrade bei der Erfassung und Umwandlung in kommerziellen CPV-Systemen zu erreichen, wobei eine optische Dünnfilmbeschichtung eine wichtige Rolle spielt sowohl für die Leistungsfähigkeit der Erfassungsoptik als auch für den Wirkungsgrad auf Ebene der Zelle. Es ist ferner ein Aspekt der Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes, eine gegen Umwelteinflüsse stabile, besonders dauerhafte BBAR-Beschichtung für metamorphe und hinsichtlich ihres Gitters angepasste Solarzellen mit Mehrfachübergang vorzusehen. Solche Beschichtungen können bis zu 5% relative Steigerung des Wirkungsgrades in der Energieumwandlung der Solarzellen-Bauteile erzielen.
Wie in den verschiedenen Konfigurationen und Ausgestaltungen der 1 bis 7 gezeigt, wurden verschiedene Ausgestaltungen einer Antireflexbeschichtung für Mehrfachsolarzellen und Verfahren beschrieben.
Während bevorzugte Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstandes beschrieben wurden, wird man verstehen, dass die beschriebenen Ausgestaltungen nur der Illustrierung dienen und dass der Bereich der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche definiert wird, wobei diese auch Äquivalente, zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen umfassen, die sich dem Fachmann ohne Weiteres ergeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM G173-03 [0020]
ASTM G173-03 [0048]
Norm ASTM G173-03 [0048]

Claims

Gegenstand mit einem Substrat und einem durch Sputtern abgeschiedenen Film aus Siliziumdioxid, der ein Brechungsindex von weniger als 1,45 bei einer Wellenlänge von 550 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des durch Sputtern abgeschiedenen Films aus Siliziumdioxid bei einer Wellenlänge von 550 nm weniger als 1,4 beträgt.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der Brechungsindex des durch Sputtern abgeschiedenen Films aus Siliziumdioxid bei einer Wellenlänge von 550 nm weniger als 1,38 beträgt.
Gegenstand nach Anspruch 3, wobei der Brechungsindex des durch Sputtern abgeschiedenen Films aus Siliziumdioxid bei einer Wellenlänge von 550 nm etwa 1,3 beträgt.
Gegenstand mit einem Substrat und einem durch Sputtern abgeschiedenen Film aus Siliziumdioxid mit einem mittleren Brechungsindex von weniger als 1,41 über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm.
Gegenstand nach Anspruch 5, wobei der durch Sputtern abgeschiedene Film aus Siliziumdioxid bei einer Wellenlänge von 550 nm einen Brechungsindex von weniger als 1,4 hat.
Gegenstand mit einem Substrat und einer mehrschichtigen Antireflexbeschichtung mit einer mittleren Reflektivität der Frontfläche von weniger als 20% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm.
Gegenstand nach Anspruch 7, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 15% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 10% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 9, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 5% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 10, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 3% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 7, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex ein durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 12, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex ein durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,38 bei einer Wellenlänge von 550 nm umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 12, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 5% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 14, wobei die mehrschichtige Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 3% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Gegenstand nach Anspruch 12, wobei das Material mit hohem Brechungsindex ein oder mehrere Materialien umfasst, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, welche besteht aus: Titandioxid, Hafniumdioxid, Tantalpentoxid und Niobpentoxid.
Dünnfilm-Interferenzfilter mit abwechselnden Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,45 umfasst.
Dünnfilm-Interferenzfilter nach Anspruch 17, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxids kleiner als 1,4 ist.
Dünnfilm-Interferenzfilter nach Anspruch 18, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxids kleiner als 1,38 ist.
Dünnfilm-Interferenzfilter nach Anspruch 19, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxids etwa 1,3 ist.
Photovoltaische Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche, wobei die Antireflexbeschichtung ein Material mit einem Brechungsindex von weniger als 1,45 bei einer Wellenlänge von 550 nm umfasst.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 21, wobei das Material Siliziumdioxid umfasst.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 22, wobei das Siliziumdioxid durch Sputtern abgeschieden ist.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 22, wobei die Antireflexbeschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und einem zweiten Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe, welche besteht aus: Titandioxid, Hafniumdioxid, Tantalpentoxid und Niobpentoxid.
Photovoltaische Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 20% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 25, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 15% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 26, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 10% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 27, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 5% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 28, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 3% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm hat.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 25, wobei die Antireflexbeschichtung abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex ein durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm umfasst.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 30, wobei die Antireflexbeschichtung abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Brechungsindex und Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst, wobei das Material mit niedrigem Brechungsindex ein durch Sputtern abgeschiedenes Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von weniger als 1,38 bei einer Wellenlänge von 550 nm umfasst.
Photovoltaische Solarzelle mit einer mehrschichtigen Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche, wobei die Beschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid umfasst, wobei das Siliziumdioxid ein Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm hat.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 32, wobei die äußerste Schicht der mehrschichtigen Antireflexbeschichtung Siliziumdioxid aufweist.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 32, wobei die innerste Schicht der mehrschichtigen Antireflexbeschichtung Tantalpentoxid aufweist.
Photovoltaische Solarzelle mit einer mehrschichtigen Antireflexbeschichtung auf einer Außenfläche, wobei die Beschichtung abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Tantalpentoxid aufweist, wobei die Antireflexbeschichtung eine mittlere Reflektivität der Frontfläche von weniger als 5% über dem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1850 nm aufweist.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 35, wobei das Siliziumdioxid einen Brechungsindex von weniger als 1,4 bei einer Wellenlänge von 550 nm hat.
Verfahren zum Herstellen eines Films aus Siliziumdioxid, welches umfasst: Sputterabscheiden des Films auf einem Substrat bei einem Betriebsdruck von wenigstens 10 mTorr.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Betriebsdruck wenigstens 15 mTorr ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei der Betriebsdruck wenigstens 20 mTorr ist.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Betriebsdruck wenigstens 10 mTorr aber nicht größer als 25 mTorr ist.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxidfilms bei einer Wellenlänge von 550 nm kleiner ist als 1,45.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxidfilms bei einer Wellenlänge von 550 nm kleiner ist als 1,4.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxidfilms bei einer Wellenlänge von 550 nm kleiner ist als 1,38.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxidfilms bei einer Wellenlänge von 550 nm kleiner ist als 1,3.
Verfahren zum Abscheiden eines Films aus Siliziumdioxid auf einem Substrat mit den Verfahrensschritten: Vorsehen einer Vakuumkammer; Positionieren eines Targets aus Silizium innerhalb der Vakuumkammer; Anlegen von Leistung an das Target, um dadurch das Sputtern von Silizium von dem Target zu bewirken; Positionieren eines Mikrowellengenerators innerhalb der Vakuumkammer; Einführen von Sauerstoff in die Vakuumkammer in der Nähe des Mikrowellengenerators; Anlegen von Leistung an den Mikrowellengenerator, um dadurch ein Plasma zu erzeugen, das einatomigen Sauerstoff enthält; Bewegen des Substrats vorbei an dem Target, um die Abscheidung von Silizium auf dem Substrat zu bewirken; Bewegen des Substrats vorbei an dem Mikrowellengenerator, um die Reaktion des Siliziums mit Sauerstoff zu bewirken, um dadurch Siliziumdioxid auf dem Substrat zu bilden; Aufrechterhalten des Drucks innerhalb der Kammer während des Sputterns und der Reaktion des Siliziums auf einem Druck von wenigstens 10 mTorr, um dadurch einen Film aus Siliziumdioxid auf dem Substrat zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Druck innerhalb der Kammer in einem Bereich von mindestens 10 mTorr aber nicht mehr als 25 mTorr gehalten wird.