JP2008506249A - 太陽光電池及びソーラーモジュール - Google Patents

Abstract

上方電極（３）、光散乱及び／又は反射特性を伴う層（４）、及び下方電極（５）を含んでなる太陽光電池（１）であって、前記層（４）は上方電極（３）と下方電極（５）との間に置かれることを特徴とする。

Description

本発明は上方電極、光散乱及び／又は反射特性を伴う層、及び下方電極を含む太陽光電池に関係し、太陽電池はこのタイプの散乱及び／又は反射特性を伴う層を使用し、これらの電池から構築したソーラーモジュールに統合されている。

「ソーラーモジュール」という用語はここでは特にいくつかの太陽電池を一緒に電気的に直列に繋いだ配置を意味すると理解される。

太陽光電池に関する既知の問題は入射光線の利用が不十分なことである。最も特には、現代の薄膜太陽電池（例えば、その薄膜太陽光電池において吸収層が結晶質又は非結晶質珪素から構成される、又はこのようなものを含む）において、光を吸収しそして電気的エネルギーに変換する機能層の厚みは空気中の入射光の波長と同等又はそれ未満であってもよい。特に、この層の厚みは一部分において、入射光がそれぞれの機能吸収層へ浸透する平均深さ未満である。これらの境界条件下では、直接的な（垂直な）放射の下で、入射光に含まれるエネルギーはいかなる場合でも不十分に吸収されるだけである。あるいは、効果的かつ経済的な電気発生という現在の要求及び要望を満たすためには、これらの太陽電池における光の利用効率は結果として不十分であり、他の手段もない。

同様に、従来の太陽電池は、すなわち珪素ウェハーから製造されたもの、または珪素で製造された太陽電池であって、例えば１〜２μｍより大きな厚みを伴い、電流発生のために入射光の利用を最適化するために、例えば構造化した表面及び高い光反射性の後方の又は下方の面によって形成した光トラップの技術を使用して改善され得る。

「ウェハー」という用語は太陽電池の製造のためのベース基材として使用することが可能である結晶質珪素の薄い薄片を意味すると理解される。

概して、薄膜太陽電池はいくつかの層を有し、すなわち透明な上方電極（これは入射光がそれを通過するようにしなければならない）、吸収層（これは光を吸収しそしてそれを電気的エネルギーに変換する）及び第二の下方電極（通常は金属の電極）（これは透明でなくともよくそして結果として比較的厚くすることが可能であり、非常に低い表面抵抗を伴う）である。本発明の文脈では、「上方」電極が光線が最初に通過する基材に最も近接しているとき、該電極が「上方」電極と呼ばれ、「下方」電極と呼ばれるものが反対にある。

珪素ウェハー太陽電池に関して、これらは生来自己支持しておりそして入射光面にグリッド電極（例えばプリント電極）が備えられている。しかしながら、それらはまた通常は予定した使用のために、広い範囲の基材を伴って、組み立てられ、例えば電極が二つのガラス窓の間に挿入される。

薄膜太陽電池が堅固な又は柔軟な基材に築かれることは非常に一般的である。それらの電極は通常連続する平坦な電極である。適当なところでは、背面に機械的なカバーがまだ存在し、ときどき太陽電池が、例えば絶縁している透明板ガラスの組み立て物に、配置される。

基材は「スーパーストレート」と呼ばれ、ソーラーモジュールとして適切な位置に組み立てられるとき、太陽に向けられ、そして結果として太陽と吸収層の間にある。スーパーストレートは従って透明でなければならず、そして付着した層の連続（物）は概して、スーパーストレートの場合：（ｉ）上方電極；（ii）半導体（吸収層）；（iii ）下方電極である。「実際」の基材は、スーパーストレートとは異なり、不透明であってもよく、そして付着した層の連続は概して、基材から始めて：（ｉ）下方電極；（ii）半導体（吸収層）；（iii ）上方電極である。

平坦な電極に関して、これらはいくつかの層から構成されていてもよい。従って、下方電極はドープしたＴＣＯ（透明な導電性酸化物）例えばＺｎＯ：Ａｌ、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２と、銀又はアルミニウムのような金属とのサンドイッチを含んでもよい。上方電極は誘電性反射防止層の間に置かれた金属層を含んでもよく及び／又はＴＣＯから作られてもよい。

太陽電池における光の利用を改善するためのアプローチはまず第一に外側表面の光の反射を低減することにある。この目的のために、一方で、反射防止処理を入射光面の表面に適用することが知られており、その処理において反射防止コーティングが付着されてもよく及び／又は表面にミクロ構造が形成されてもよい。前述したミクロ構造はまた光を屈折させてもよくそして平坦な角度で光を、またさらに拡散のやり方で、吸収層に導入してもよい。他の既知の方法は太陽電池の透明な上方電極を作ることにあり、（吸収層は前記電極の後に直接続く）、この方法は故意に、光が電極層を通じて吸収層へ通過していく際に、光が散乱されるようなやり方で、粗い表面を有する。

これらの手段によって、各光線が吸収層内を進む道程を長くすることが試みられる。

最終的には、光の利用の程度は吸収層（これはその厚みが小さいため部分的に透明である）を通過した光の量の後方反射によって改善されてもよい。この目的のために、金属電極（これは透明ではない）が使用されてもよく、これらは通常は入射光と反対側に設置された太陽電池の面に置かれる。

これらの全ての手段にも関わらず、薄膜太陽電池によって発電される電流は未だ比較的厚い珪素ウェハーからなる太陽電池によって発電されるよりもずっと少ないままである。後者は常に薄膜太陽電池より多くの電流を発電するだろうことを受け入れなければならないが、特に（安上がりの）薄膜太陽電池によってもたらされる低電流は未だに改善の可能性があることを示唆する。しかしながら、太陽電池での粗い表面の存在は常に、光に関する、光学的最適化と純粋に電気的な特性の最適化との間で妥協を構成する。電極と吸収層との間のインターフェースにおける粗い表面が光学的特性（例えば照明の下の短絡電流によって計測される）を改善する傾向にあることが試験によって実証されることもある。だがところが、粗さが増すと概して電気的特性（例えば照明の下の開いた端末にかかる電圧によって測定される）は悪化する。

粗い表面を有することなく光の散乱を得ることは太陽電池の電気的挙動と光トラップ効果を切り離すことになる。より高い照明効果は電気的機能が劣化されるという不利益のない方法で得ることができ、そしてそのため同時に光を電気的エネルギーに変換することについてより高い効果を得ることができる。

国際公開ＷＯ０１／９０７８７ Ａ１号は光源によって放出された光を均一に散乱するのに非常に適している薄い光散乱コーティングを開示する。この適用の例として、平坦なスクリーンのバックライト、平坦なランプ、等について特に言及がされてもよい。コーティングは本質的に無機又は有機バインダーで結合した粒子から作られ、粒子は０．３〜２μｍの直径を有し、バインダーはコーティングの１０〜４０％の体積部に相当する。コーティングは４０％超のコントラスト減衰を有する。特に粒子自身が半透明の（無機）材料から作られる場合、それは４５％又はさらに６０％超の光透過率を有してもよい。粒子の光屈折率は好ましくはバインダーの屈折率より高い。

光散乱層が好適な基材の表面でのプロセス、例えばスクリーンプリント、ディップ、スプリンクル又はスプレーによるプロセス、を使用して好ましくは１〜２０μｍの厚さで付着される。それは生来電気的に導電性ではなく、またさもなければ不良導電体（高オーム抵抗）である。しかしながら、それは、散乱光の強度が各視角において投影面積に比例するように、入射光を均一に散乱する。分散効果を有する添加剤を使用すると、結果として望ましくない層内での透過率の摂動をもたらす粒子の凝集を制限内に止めることが可能である。

ＥＰ特許６８８ ８１８ Ｂ１号は粒子及びバインダーを元にした調製を開示し、これは光散乱の適用、例えば発光ダイオード、に好適でもある。

国際公開ＷＯ２００４／００５９７８ Ａ１は前述のタイプの光散乱層を、相対的に１００Ω／□を超える高い表面抵抗を有する、電磁気放射を絶縁又は減衰する層と組合せて適用することを開示する。この層はまたＴＣＯを含んでもよく、又はそれから構成されてもよく、光散乱層はまず第一に基材に付着され、基材の後ろには電磁気絶縁層が続けられる。このような組合せの前後関係は、バックライト液晶ディスプレーでの光散乱層の適用であり、そこでは電磁気絶縁が液晶に接する基材の背後に置かれた光源の妨害的な影響を妨げなければならない。

本発明の元にある問題は、光起電電池又はソーラーモジュールにおいて、表面の粗さと独立に、光散乱を改善することである。

本発明によると、この問題は、入射光線の経路にある少なくとも一つの電極の後に続く、光散乱又は反射特性を伴う少なくとも一の層、特に無機又は有機バインダーと結合した光反射粒子から構成される層、を使用することによって解決される。

二次的な請求項の特徴は本発明の有利な実施態様を提供する。

前述のタイプの光散乱及び／又は反射層が太陽電池の層表面の一つと結合するときに、光の利用における実質的な改善が光起電電池またはソーラーモジュールにおいて得られる、そしてこの電池は光が伝えられ、または光が電池を通過する。本記載の文脈内では、「吸収層」は結晶質又は非晶質の珪素からなるものだけでなく、珪素ウェハーからなる吸収材若しくは吸収層も、さらに光起電作用をもたらす薄膜、例えばＣＩＳ、ＣｄＴｅ及び類似の材料も意味すると理解される。

より一般的にはさらに（文書中で後に明らかにされる珪素ウェハーを元とする太陽電池の場合）、光散乱及び／又は反射層は入射光面と反対側に配置した反射後方部又は下方電極と結合される。「光散乱層」という用語はここでその散乱効果に加えて光を反射する層も意味すると理解される。

光散乱層は、それが高い光透過率を有する場合、基材と上方電極との間、上方電極と吸収層との間に、又は上方電極がいくつかの透明な部分の層（例えば誘電体層、金属層、誘電体層）からなる場合に、この層の多様な材料が相互に互換性がありそしてそこでの付着が保証され得るならば、上方電極の直前にも、又は少なくとも上方電極の二つの層の間にも置かれてもよい。

本発明によると、特に光入射面と反対側に配置した下方電極と光散乱層とを結合することが好ましい。これはその後常に、入射光が少なくとも部分的に吸収層を通過する場合に、有用である。これはウェハー形態の吸着剤の場合もそうであり、そしてウェハーがより薄い場合にますます重要になる。もっと簡単に言えば、光の入射に対して直角な吸収層の材料の厚みが、吸収層を形成する又はそこに含まれる半導体の吸収帯域限界より上にある波長に対応する光の吸収波長より短い場合、光は（部分的に）吸収層を通過する。

一つの有利な実施態様によると、光散乱層は吸収層と繋がっている下方電極の透明な（ＴＣＯ）層と、最終金属電極の層との間に置かれる。この場合、しかしながらそこに二つの電極層の間に光（高いオーム抵抗の）散乱層を通じて良好な電気的接触が持続することを確実なものにすることが必要である。

吸収層の各辺に光散乱層を伴う太陽電池の「二重」ライニングを有することも考えられる。

光散乱層は、それ自体が公知のやり方で、粒子及びバインダーを含む。好ましくは、光散乱層での出来るだけ高い光透過率を維持するために、粒子は透明又は半透明であり、それらは特に無機粒子、例えば酸化物、窒化物又は炭化物であってもよい。

粒子を製造するために、金属酸化物、例えば珪素、アルミニウム、ジルコニウム、チタニウム又はセリウムの酸化物を利用することがより好ましい。適切な場合には、粒子はこれらの酸化物の少なくとも二つからなる混合物から作られてもよい。

このような粒子は当業者に知られている任意の製造プロセスによって得られてもよい。それらは好ましくは、粒子の少なくとも５０％が平均粒子サイズの５０％以内にある粒子サイズ分布を有し、そしてそれらはそれゆえに比較的均一である。

バインダーは、強い太陽放射に曝される太陽電池内が非常に高い温度になるときに、損傷を受けることなく、持ちこたえることができるように十分な温度安定性を示さなければならない。この点に関して、無機バインダーは有利なことがあり、例えば珪酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸リチウム又はリン酸アルミニウムからなるタイプのものがある。

さらに、本出願の場合では、光散乱層は外部の影響（天候、摩耗）に曝されておらず、その機械的安定性は材料選定において重要な判定基準とならない。その結果、十分に温度安定な有機バインダーを使用することも可能であり、例えばポリビニルアルコールポリマー、熱硬化性樹脂、アクリル酸塩からなるタイプのものがある。

ここで想定される適用のために好適な光散乱層の他の重要な特性は導入部で述べた国際公開ＷＯ ０１／９０７８７ Ａ１で見つけられることもでき、この開示は既に部分的に導入部において複写されており、そして層の特性に関して明示的にここに包含される。

記載される光散乱層は太陽電池の後方反射体において使用され、光散乱層をなお通過する光量は前記光散乱層の背後に横たわる金属層によって反射され、そして再び光散乱の対象とされる。

光反射層の自然な多孔性の結果として、光散乱層に付着した金属と光散乱層の下に横たわるＴＣＯ層との間の十分に良好な電気的接触が高いオーム抵抗の光散乱層を通じて保証される。電極層間の実効的な境界抵抗は無視され得ることが実験的に実証された。

それどころか堅固な基材の又は電極表面の表面粗さを低減すること、又はさらに前記粗さを除去することが、光散乱効果を目につくほど低減することなく可能であれば、これは自然に結果として既に太陽電池の電気的特性において相当の改善をもたらしている。これは下方電極の層間の境界抵抗のいくらかの僅かな増加を相殺する以上のものである。

これとは別に、言うまでもなく基材は光入射面に、光を散乱させる表面構造若しくはコーティング及び／又は入射光の反射を低減する表面コーティング若しくは構造が備えられてもよい。好適なガラスがソーラー利用のために出願人によって何年間も製造されてきており、そして商業的にも商標ＡＬＢＡＲＩＮＯ（登録商標）の下で入手可能である。

通常どおりに、電気的に一緒に直列に繋がった太陽電池から作られるソーラーモジュールであって、本発明により用意した太陽電池から一以上のソーラーモジュールが構築されるとき、次に層構造は、その後個々の太陽電池に通常のやり方で振り分けるために、モジュールの表面全体をまず最初に覆う光屈折層を伴って製造された。

本発明の別の面は、後方部又は下方電極にＴＣＯ層なしですますことが一般的な慣習である、珪素ウェハー太陽電池の使用に関係する。この場合、（吸収材として作用してもよい）基材と金属層との間の接触が直接的に得られる。しかしながら、半導体と金属との間の接触表面は高い再結合活性を有し、すなわち電流発生のための光の入射の結果として珪素中に生じる正孔ペアの少数電荷キャリアが高い蓋然性を伴って金属−半導体インターフェースで「消失」する（「表面再結合」）。この効果は珪素ウェハーが薄くなるほど、またあるいは吸収材又は基剤が薄くなるほど、全面的に明白になる。これは、光によって生じた短絡電流もまた低下するので、太陽電池の無負荷電圧（開回路電圧）が望ましくない低下をすることにつながる。

今までの薄い吸収材、またはそのかわりの、ウェハー、の厚みに対する傾向に関して、太陽電池の後方面の良好な電気的品質を確保すること、またあるいは適切な処理を伴った後方表面を不動態化し、その後は光によって生じた正孔ペアがもはや極端に早くは再結合することができないようにすることが結果としてますます重要である。これは、ウェハーがｐ−ドープまたはｎ−ドープであろうとなかろうと、無関係に価値がある。

高い効率の太陽電池では、吸収材と金属層との間の接触は結果として電流の導電のための必要最小限まで減少される（例えばＰＥＲＬ構造を伴う、ＰＥＲＣ構造を伴う、水玉構造を伴う、等の太陽電池のいわゆる点接触において）。

太陽電池の効率はいわゆる「不動態化」層（通常酸化珪素又は窒化珪素コーティング）をウェハーと金属電極層との間に付着することによって改善され、この不動態化層は金属との望ましい接触のための場所又は点で不通にされる。これは、層が付着される前に局部的なマスキングによって、又はそれに続く初期の完全な層を局部的に除去すること（フォトリソグラフまたはレーザー除去による組織化）によって得ることができる。

後方又は下方電極の付着の前の不動態化層において不通を生じさせる前述の操作（おそらくコスト削減を伴う）は実施できない。

後方又は下方電極の表面全体にわたる付着の後で、随意的にウェハーの表面全体にある不動態／不動態層で、レーザービーム又は「ボンバード」処理によって後方又は下方電極とウェハーとの間に点接触を創ることも可能なことがあり、この接触は現存する不動態を通り抜ける。

層の組織化を排除する別の可能な方法は金属、特にアルミニウム、を後方又は下方電極の金属層の元素として使用することにあり、この金属が好適にプロセス（例えば熱処理）を実施することによって針状形態の不動態(珪素酸化物）層を数カ所のみで通り抜ける。半導体（珪素）はこれらの点でのみそれらをもって接している。

後方又は下方電極の金属はそれ自体が単純な電気接触によって半導体にドーピング−金属次第によって決まるｎ−型ドーピング又はｐ−型ドーピング−を引き起こす。

ｐ−ドーピングアルミニウムの挙動が以下で述べられるが、類似の条件がｎ−ドーピング金属にも適用される。アルミニウムが不動態層（表面のみと仮定する）を通り抜けるときにｐ−型金属に接合する場合、その後局部的なｐ−型ドーピングが生じそしてそれゆえＢＳＦ（裏面電界）がアルミニウム接触を伴って半導体インターフェースに局部的に創られる。

アルミニウムが不動態層（表面のみと仮定する）を通り抜けるときにｎ−型材料と接合する場合、ｎ−型ドーピングはここで局部的に過補償されることがあり、結果として二つの基本的な可能性をもたらす。

まず第一に、ｎ−型半導体に向けた局部的なｐ−ｎ遷移が形成されてもよく、又はｐ−型ドーピング材料からなる局部的に制限されたチャンネルが形成され、これがｎ−ドーピング表面を通じて、アルミニウムとｐ−ドーピング半導体本体との間に直接的なｐ−型結合を提供する。

個々の不動態層のかわりに、Ｘ−型ドーピングを伴う半導体に、Ｙ−型ドーピングを伴う半導体を介した表面不動態、を形成することも可能であり、その表面不動態をＸ−型ドーピングの金属がその後上述した効果を伴って通り抜けることが可能である。この場合Ｘ及びＹは、それぞれｐ及びｎに置き換えられる。

金属と半導体との間での直接接触又は直接接触することの上述した厳しい局所的制限によって、望ましくない急速な再結合は、表面全体にわたる接触と比較すると、非常に大幅に低減される。

国際公開ＷＯ ０１／８６７３２ Ａ１は接触、またはそのかわりに電極を、半導体表面に、製造するためのプロセスを開示する。まず第一に、結晶質の珪素表面が、結果的にアルミニウム層を後方又は下方電極として非導電性酸化物層に付着するために、酸化される。次に、非晶質の珪素層がアルミニウム層に付着される。この構造物をアルミニウム／珪素共晶温度未満の温度で熱することによって、酸化物層は局部的にそれがより低い品質又はより低い密度を有する点に帰せられる。

結果として、中間にある（及び部分的にのみ貫通した）酸化物層（結果的に、電池の開回路電圧は上昇する）のおかげで、Ｓｉ半導体のＡｌ層とのインターフェースでの過剰な再結合は避けられる。しかし同時にこれが、電流が酸化物を通じたほとんど点状の穴又はトンネルを介してウェハーと後方または下方電極との間で飛び立つために、十分な電気的接触を保証する。

太陽電池での光の利用を改善するための装置はまず第一に光の外部表面の反射を低減することを基礎とする。この目的のために、反射防止コーティングを付着することによって及び／又は表面にミクロ構造を形成することによって、入射光面において表面を反射防止とすることがまず第一に知られている。前述のミクロ構造はまた光を屈折させそして光を平坦な角度、またはさらに散乱（diffuse)する角度で吸収層に導くこともできる。これらの手段により各光線が基材の層内を進む経路の長さを増加させるよう試みられている。

「表面」という用語はここでウェハーの表面及びそこに付着した透明なコーティングの表面の両方を意味すると理解される。

最後に、浸透の平均深さと比較すると高度な薄膜太陽電池での光の利用に関して、吸収材を通り抜ける光はまた後方面にも反射されなければならない。光入射と反対側に置かれた太陽電池の平坦な面に通常置かれる金属電極を、鏡として、使用することが可能である。

しかしながら、従来の太陽電池の表面全体にわたってしばしば適用されそして概して高温での拡散によって形成される、後方のアルミニウム接触は僅かな反射効果しか持たない。

珪素ウェハー太陽光電池での光利用の実質的な改善は、上述のタイプの光散乱及び／又は反射層を吸収材と後方又は下方電極との間に置くことによって、得られる。言い換えると、光散乱層は光入射面の反対側に置かれた反射する後方の電極と結合される。「光散乱層」という用語はここではその散乱効果に加えて光を反射する層も意味すると理解される。

このように記載された光散乱層が太陽電池の後方の反射材の中でまたは接して使用されるとき、前記光散乱層又はその後ろに配置した金属層のいずれかによって直接的に、吸収材を通り抜けた後でなお光散乱層に届く光量が反射され、そしてこの場合（光が）再び吸収材に進入する前に毎回光の散乱を被る。

入射光が少なくとも部分的に吸収材を通り抜けるときに、これはなお有益であり、より薄いウェハーの場合にこれはますますそうである。単純な言葉では、入射光に対して直角な吸収材の材料の厚みが、吸収材を形成する又はそこに吸収材が含まれる半導体の吸収帯域限界を越える波長に対応する光の吸収波長より短いとき、あるいはいずれにせよ吸収材を通り抜けそして電池の後方面に達する光のかなりの部分の範囲にすぎない吸収波長より少なくとも長くないとき、光は（部分的に）吸収材を通り抜ける。

しかしながら、この場合、電流の導電を保証する電気的接触が、光散乱層（高いオーム抵抗であってもよい）を通じて、吸収材と後方又は下方電極との間に、維持されることを確実なものにすることが必要である。これは例えば不動態層を通じて離散した点で接触することに関して上記で述べられたような手段によって得られても良い。

光散乱層の多孔性の程度は、付着の間にプロセスパラメーターを用いて広い制限範囲内で調整されることが可能である。一の金属層から別の材料へこの中間の光散乱層を通じて移動することに関する実効的な電気的抵抗は無視できることが実験的に確認されている。結果として、光散乱層に後方又は下方電極を付着する（そして一定の多孔性を伴って創られる）間に、付着した金属の吸収材との光散乱層を通じた十分に良好な電気的接触を得ることが既に可能である。

リンの拡散は、ウェハー型の太陽電池の光入射面に、又はそのかわりに前方の電極にエミッターを製造するための多くの可能性のあるプロセスステップの一つである。例えば、光散乱層及び、それに接するもの、金属層、特にアルミニウム層、は本発明に従って、リンを伴ってｎ−ドープした珪素ウェハーの後方面に、随意的にはその後方表面の周りまたはその上に置かれる。一度金属層（例えばアルミニウム層）が付着されてしまうと、金属は部分的に多孔性の光散乱層を局所的に数カ所で通り抜けそしてそれ故に離れた点で半導体との接触を生じる。好適な熱処理によって、アルミニウムは珪素ウェハーの表面に拡散しそしてそれ故に上述した接触効果（光散乱層に加えて場合により存在する不動態層の貫通を含む）を生じる。

これは結果として、離れた点（これは付着パラメーターによって調整されることが可能である）で接触する、吸収材と光散乱層との間のインターフェースをもたらす。一方で、広い範囲を考慮するとき、表面の不動態／吸収材と金属製の後方又は下方電極との間の絶縁は、光散乱層によって温存される。光散乱及び／又は反射層の本発明による適用がされる間は、特定の手段（フォトリソグラフ、レーザー、マスキング）もまたそれ故に除外される。

従って、後者の層を不動態（例えばＳｉＯ_２）層と結合することによって、不動態層を遮るための別のプロセスのステップなしですませることが可能である、なぜならば、熱処理を適用することによって、金属は所々で不動態層を通り抜けそしてアルミニウム−ドープした点状領域を介して珪素層と接触するからである。

光線の複数の散乱／反射により促進された発光効率の利点に加えて、光散乱層の付着パラメーターを変化させることは結果として、好適にその多孔性を調整しそしてそれゆえに金属層と吸収材との間の点状の接触の頻度又はそのかわりに分布を調整する付加的な可能性をもたらし、そしてそれゆえに太陽電池の後方面の電気的品質に影響を与えそして改善する追加的可能性をもたらす。しかしながら、前述した国際公開ＷＯ ０１／８６７３２号によると、接触点の密度は不動態酸化物の品質に基づいて制御されなければならない。しかしながら、本発明によれば、金属層と珪素ウェハーとの間の光散乱層の多孔性を調整することによって、酸化物の品質とは独立に接触面積（接触点の数）を制御する可能性が存在する。酸化物の品質は結果的として表面不動態の品質に関してのみ最適化され得る。

別の重要な利点として、本発明は金属と珪素ウェハーとの間の部分的に多孔性の層の光散乱特性、入射光の吸収並びに結果として光学的経路の長さを延長することによって及び光トラップ効果によって促進される発生電流量を有効利用する。

従って、光散乱層が高い光透過率を有する場合、光入射面にも光散乱層を付着することが可能である。そのときそれは前方の電極の上方又は前方の電極と吸収材との間に置かれても良い。

前述のタイプの（すなわち珪素ウェハーを伴う）太陽電池を製造するために、以下のプロセスが採用されてもよい。

原材料として、ｐ−型珪素ウェハーが使用される。リンの拡散によって、ｎ−型表面が（エミッターとして）（少なくとも）ウェハーの前方面に創られる。しかしながら、後方面はマスクされていないので、リンの拡散は一般則としてウェハーの両面に作用する。

この後方面に、それゆえに光散乱層が付着され、前記層に金属製の後方又は下方電極として働くアルミニウム層が続く。既に本プロセスのこの段階で、アルミニウムが、局所的に数カ所で、部分的に多孔性の光散乱層を通り抜けそしてその場所で珪素ウェハーに接する。中間製品は熱せられる。アルミニウムが珪素酸化物を貫通すること及びアルミニウムがウェハー中に拡散することの既知の効果の結果として、ウェハーの後方の表面に場合によって存在するリンによるｎ−ドーピングがアルミニウム部分によってそこで過補償される、すなわち後方の面が再び局所的にかつ表面の離れた点で（リンが拡散される前のように）ｐ−ドープされる。

「後は苦もなく」後方の接触を付着する前に、この進め方はそれゆえ結果としてｎ−型表面をもたらし、これはそれゆえにその後、上述したように、光散乱層と組合せて、点状接触を伴うよく不動態化した後方面を得るために、使用され、そしてこの面もまた光を散乱させそして反射する。

後方面のこのｎ−型表面ドーピングが無ければ、不動態層を使用することが同様のやり方で可能であり、例えばＳｉＯｘからなる場合、アルミニウムによって離れた点のみで貫通される。これはまた強いｐ−型表面ドーピングを表面全体に適用する場合にも通用し、その表面は確かに既に自然に一定の不動態層を前述した「裏面電界」の形成により創るが、それは金属との接触が僅かな範囲に制限されるときは品質の点で著しくより優れている。

本発明の自然な拡張は、ｐ−型およびｎ−型両方の領域を後方面に有し、そしてその後例えば統合したコーム(comb)接触を備えらえる、より高価な太陽電池構造に適用することもできるという事実である。

本発明の対象のさらなる詳細及び利点はいくつかの明示的な例の図面から、及びそれらの以下の詳細な説明から明らかになる。

図１では、太陽電池１が、基本構造において、基材２（ガラス又はプラスチックからなる）と、後者に付着し、電気的に導電性の酸化物からなるか又は別の適当な材料若しくは層体系（システム）からなる（図では状況を単純にするために均一な単一層として示される）、透明で平坦な又は上方電極３と、光起電活性を示す材料、例えば非晶質又はポリ結晶質珪素、また場合によってはＣＩＳ又はＣｄＴｅのような薄膜、からなる吸収層（４）と、透明なＴＣＯ層５．１及び金属層５．２からなる下方電極５とを含む。光散乱層５．３が層５．１と５．２との間に置かれる。好ましくは、吸収層に向けられたＴＣＯ層３及び５．１のそれぞれの面は、それらがそこを通過する光を散乱させるように、比較的粗い。（図２参照）

金属層５．２に、それ自体が公知のやり方で、中間層６及び後方のカバー７が続く。中間層６はカバー７に対して基材を一緒に伴う太陽電池１の組み立て物の粘着性の表面として役に立つ。これらの中間層をキャスティング樹脂又は熱可塑性樹脂シートから創ることが知られており、これは言うまでもなく毎回物理的にかつ化学的に太陽電池の層と両立し得るものでなければならない。中間層６は太陽電池の外端に沿ってエッジシール８で密封してシールされる。エッジシールは強固にこの二つの堅固な窓枠(pane)（基材２及びカバー７）に接着する。

これらの二つの窓枠はガラスから創られてもよく、随意的にプレストレスされ、又はプラスチック、例えばポリカーボネートから創られてもよい。随意的に、ガラス、好ましくは透明な基材２からなる一つの窓枠、及びプラスチックからなるもう一方の窓枠を使用することが可能である。

個々の窓枠の厚みはここでは縮尺通りに描くことはできない。しかしながら、中間層６はそれぞれの機能的電極層３から５よりも一様に相当厚い。これが本図が中間層６の割愛されている厚い部分を二重の一点破線で示している理由である。下方電極５の金属層５．２もまた、示されているように、他の機能層より厚くてもよい。

図２で示される詳細は太陽電池１の層の配置の作動原理を明らかにする。図１と同じ構成要素は後者と同じ参照番号によって表示される。これもまたそこに付着した上方電極３を伴った基材２を示し、図を単純にするために均一な層として表している。基材の反対側にありそして吸収層に向けられた後者の表面は意図的に比較的粗くなるように形成される。（その粗さは、好適に付着パラメーターをセットすることによって、例えばこれらの層のスパッタリング、スパッタリングに続くエッチング又は化学気相付着（ＣＶＤ）の間に、例えば、作動ガスの圧力を低減することによって、又はスパッタリングの場合はスパッタリングエネルギーを上昇することによって、広い範囲で多様であってもよい。）

言うまでもなく、顕微鏡下で観察するとき、実に（ガラス）基材２それ自体の表面がある粗さを有するが、しかしながらそれはここでは無視されてきている。しかしながらこのガラスの表面構造が効果的な光散乱のために好適に使用されることが可能である。

ＴＣＯ電極層５．１は吸収層４に続き、またある表面粗さを伴って創られ、それから光散乱層５．３及び最後に金属層５．２が続く。金属層５．２とＴＣＯ層５．１との間の直接的な電気的接触を説明するために、金属層５．２における少数の「ピーク」がここに描かれ、このピークは光散乱層５．３を通り抜ける。

これらのピークはほぼ自然な成り行きで、金属層が比較的多孔性の層５．３に付着されているときに形成される。言い換えると、金属層５．２が光散乱層５．３に付着する間に、金属原子のクラスターが層５．３の気孔を貫通し、それらがＴＣＯ層５．１との直接的なガルバニ接触をもたらす、又はそのかわりに形成する。このプロセスも、層５．３の多孔性を好適に調整することによって及び金属層５．２を付着するためのパラメーターを好適に調整することによって（作動ガスのより低い圧力、高いスパッタリングエネルギー）、促進される。

光散乱層の作動及び同時におこる太陽電池１における入射光のよりよい利用の態様がこれからの図式的観点から非常に単純化した例の助けを伴ってさらに詳細に説明される。説明の基礎を形成する幾何学的な面は（これは純粋にここで議論される光の波長と表面構造のサイズとの間の比率において説明の役にたつが）もはや正確で物理的な説明のためには好適ではないことが指摘される。正確な説明のために、干渉(interference)及び近接場の欠損（near-field defect)を考慮することが必要だろう。しかしながら、本発明によって引き出された効果の原理を理解するためには、幾何学的な面がそれ自体で直感的な説明によく役に立つ。

太陽電池１の基材２及び透明な上方電極３を垂直下向きに通り抜ける光線Ｌはまず第一に上方電極３と吸収層４との間の起伏のあるインターフェースで屈折させられ（引き離され）、そしてその結果としてここで既に後者の中で散乱させられている。入射角に応じて、光の吸収されない部分は層５．１の粗い表面に降りていき、そして部分的にそこでも散乱され、そして部分的に反射もされる。それらの通り抜けた部分はその後光散乱層５．３に達しそしてそこでさらに屈折／散乱させられ、そして金属層５．２によって層５．３に反射されそしてまた後者によって屈折／散乱させられる。

全体で、単一の入射光線Ｌはこのようにして多数の光の経路に分けられ、これらは全て吸収層４を通って比較的長い長さにわたって伸び、そして従ってかなり光利用の程度を増大させる。実際の光線の描写は単に光散乱層の働きを説明するだけで、非常に限定したやり方でのみ効果的な屈折及び反射現象を再生する、ということが強調されるべきでもある。

図２がある種の太陽電池又は粗い電極の表面を伴ってやや月並みに創られた多重層構造の部品を示す一方で、本発明を説明するために、図３の同様の詳細が別の実施態様を示す。ここで、上方電極３及び下方電極のＴＣＯ層５．１も今は滑らかな表面を有しているように示される（少なくとも肉眼で見える観点から）。結果として、それらは光線Ｌを屈折させない又はあらゆる場合に図２における対応する構成要素よりも非常に僅かに屈折させる。

光線Ｌが屈折されそしてかなり分裂するのは光散乱層５．３への進入においてのみであり、その結果金属層５．２に反射した後もさらに伝播する。ここで再び、これは結果として主に吸収層４におけるより良好な光の利用をもたらし、それはまた吸収層４と電極との間での移行（インターフェース）領域における改善された電気的特性が付随する。

図４では、太陽電池１０は、基本構造において、珪素ウェハーの形態の吸収材２０からなり、その吸収材の表面が適当な処理、例えばリンの拡散、によってｎ−型表面ドーピングを受けている。このドーピング（これは表面からウェハー／吸収材の内部に向かって減少する）は非常に単純化したやり方で、吸収材２０の外端に沿って描かれた二つの点線３０によって示される。このドーピングはこの描写に反して側面にも存在してはならない。

本図の上部に横たわる吸収材２０の面は入射光に向けられる。状況を単純化するために、ｎ−型ドーピングを伴うウェハー表面（一般則としてｐ−型珪素ウェハー接しそして前方の電極又はその代わりの「エミッター」を備えられている）は示されていない。

金属製の下方又は後方の電極５が層の形態でかさねて付着されている光散乱層４０が、入射光と反対側に横たわる、吸収材２０の後方の面に直接的に付着される。下方又は後方の電極は好ましくはアルミニウムからなるか又はこの金属を含み、それはその良好な珪素−ドーピング特性及びその表面不動態層（例えば珪素酸化物からなる不動態層）を貫通する能力のために、本応用において特に推奨されている。

概略的に、再び示すが、下方又は後方の電極５０の下に粘着性の又は中間の層６０及び支持プレート７０がある。このプレートは、それ自体が公知のやり方で、並列及び／又は直列に繋いだ多数の太陽電池１０から形成したソーラーモジュールを実装するために、使用されることが可能である。この粘着性の層はキャスティング樹脂又は熱可塑性樹脂フィルムから調製されてもよいが、言うまでもなくそれは物理的及び化学的に太陽電池の隣接する構成要素と両立できなければならない。要求があれば、言うまでもなくカバーも太陽電池の光入射面に備えられ、前記カバーの光透過率は出来るだけ高くなければならない。

光散乱層４０はここで吸収材２０と下方又は後方の電極５０の間の平坦な絶縁体として働く。後者は結果として、それ自体が公知のやり方で、少なくとも離れた点で、吸収材２０との電気的な接続を導く状態にあらねばならない。「離れた点」という表現はここでは接触が、電極及びウェハーの表面全体にわたって伸びており、多数の小さな個々の表面によって形成されることを意味すると理解されるべきである。

この「離れた」という用語の定義はまた、例えば線形の接触領域のような、断面図においてのみ離れた点のように見える構造も含む。これらの領域は多数の下方又は後方の電極層５０の突起５Ｃ（又は「ピーク」）によって示され、これら（突起）は光屈折層４０を通じて伸び、吸収材２０の本体の表面まで望ましい多孔性を有し、或る場合には突起はウェハーのｎ−型表面ドーピングが存在する領域を通り抜ける。非常に単純化した描写からは、言うまでもなくこれらの突起の実際の構造に関して、又は断面に関して、及びそれらの化学的組成物に関して結論を引き出すことは可能ではない。

図５で示される実施態様は吸収材２０及び光散乱層４０との間に光透過性の離れた層の形態の不動態層８０を含む。層８０は図４で示されるウェハーのｎ−型又はｐ−型の表面ドーピング（線３０）と結合されてもよい、又はそれはこのようなドーピングと置換してもよい。好ましくは、前記層８０はＳｉＯ_ｘ又はＳｉＮ_ｘからなり、又はそれはこれらの珪素化合物を含む。

様々の層の厚みはここでは縮尺どおりには描くことができない。

図５で示される例は再び全ての場合で、図４に対応するやり方で、上記で定義したような離れた接点を下方又は後方の電極５０とウェハー又は吸収材２０との間に有する。見られることがあるように、これらは光散乱層４０を通じてのみならず不動態層８０も通じて伸びる。

図６に示される詳細はまた本発明による太陽電池１０の多層構造の働きの原理を明らかにする。図４におけるものと同じ構成要素は同じ参照番号を有する。これはまたウェハー２０を示し、これは後方面に付着した層８０、４０及び５０を伴う。

光散乱層の働きの態様及び太陽電池１０においてそこから始まる入射光の善改した使用は図形的に非常に単純化した例の助けを伴って詳細に説明される。この場合ここで議論される波長と表面構造の大きさとの間の比率に関するこの意図的な説明の役に立つ説明の基礎にある幾何学的な面はもはや正確な物理的説明のためにはそれ自身のために好適ではない。干渉効果及び近接場の効果が正しい説明のために考慮されなければならないだろう。しかしながら、幾何学的な面は本発明によって使用される効果の原理を理解するための、直感的な説明のためには好適である。

垂直下向きに降りていく光線Ｌはさらに吸収材２０を通り抜ける場合、それはまず第一に吸収材２０と不動態層８０との間にある平坦でないインターフェースで屈折させられ（分かれ、散乱され）そして部分的に反射されそして結果として再び後者で散乱される（事柄を単純化するためにここでは示されない）。

入射角度及び微視的な観点に応じて、まだ吸収されておらずそして前述のインターフェースで反射しない光線の部分が光散乱層４０の表面に降りそしてまた部分的にそこで散乱もされ、そしてまた部分的に反射もされる。しかしながら、図を単純化するために、層４０に反射する光量は示されていない。

通り抜けるそれらの部分は多数の反射を受けそしてそのために珪素ウェハーにおいて後方に散乱されるか又はその後再び金属層５０とのインターフェースに進入し、これは再びそれらを光散乱層４０へ反射する。もし光散乱層４０が光を吸収しないならば、又は非常に僅かしか吸収しないならば、光のこれらの部分は再び太陽電池１０の吸収材２０に送られる。

全体で、個々の光線Ｌは多数の光線の経路に分かれ、これはすべて吸収材２０において比較的長い長さに渡って伸びそして従って大きく光の利用の程度を増大する。いま一度、光線の実際の描写は散乱層の効果を説明するためだけに役立つこと及びそれは実際の屈折及び反射現象を非常に制限されたやり方でのみ再生することが指摘されるべきである。

図７及び８で見られることができるとおり、光散乱及び／又は反射特性を有しそして光散乱及び反射を促進する特性ゆえに使用される層（４、４０）もまた多孔性であることが、視覚的にはっきり理解できる。

構成物質の材料は元来電気的非導電体でありそして後処理（レーザー照射処理、エッチング）を受けていないが、この開いた多孔性により、発明者は多孔性のネットワーク内の隙間が層内の電気的な接触を構築することを実証できるようになっている。この層を得るための好ましい条件（粒子サイズの選択、バインダーの選択、粒子の選択）下で、多孔性のネットワークはその結果隣接する層（導電性層及び／又はドープした基材）との電気的接触を構築するために最適な特質を示す。

本発明の別の面はバインダーで凝集した粒子からなる光散乱及び／又は反射層の使用に関係し、その粒子は０．３〜２μｍの平均直径を有し、その中のバインダーは１０〜４０体積％の比率にあり、粒子はサイズが０．５〜２０μｍの、そして好ましくは５μｍ未満の凝集物を形成し、この層が太陽光電池に関して４０％超のコントラスト減衰を有し、この層は或る一定の多孔性を有しそして電極層と吸収層との間又は二つの部分的電極層の間に置かれ、そして光散乱層の両辺に接する導電性層間の電気的接触は前記層の多孔性を通じて創られる。

これらの図面は特定の縮尺ではなく単純化した描写である：
光散乱層が下方電極の二つの層の間に置かれる太陽電池の概略断面図。 太陽電池の第一の実施態様を拡大詳細で明らかにする。 図２と同様に第二の実施態様を明らかにする、しかしながらここでは平坦な電極の表面の粗さが低減されている。 珪素ウェハー太陽電池の概略部分断面図であり、ここでは光散乱層がｎ−型表面ドーピングを伴う吸収材と下方又は後方の電極との間に置かれる。 珪素ウェハー太陽電池の概略部分断面図であり、ここでは光散乱層が不動態層と下方又は後方の電極との間に置かれる。 拡大詳細を示し、図５と同様に、ここでは後方電極と吸収材との間の光線の屈折が示されている。 本発明の実施態様で使用した吸収層のＳＥＭ顕微鏡写真。 本発明の実施態様で使用した吸収層のＳＥＭ顕微鏡写真。

Claims (30)

1. 上方電極（３、３０）、光散乱及び／又は反射特性を伴う層（４、４０）及び下方電極（５、５０）を含んでなる太陽光電池（１、１０）であって、前記層（４、４０）は上方電極（３、３０）と下方電極（５、５０）との間に置かれることを特徴とする太陽光電池。
2. 請求項１に記載された使用を遂行する光起電電池で、透明な上方電極（３）、光散乱及び／又は反射特性を伴う層（４）、下方電極（５）を含んでなりそして吸収層で入射光を散乱させるための手段も伴っていて、光散乱特性を伴う少なくとも一つの層（５．３）、特に無機又は有機バインダーで結合した光反射粒子から構成される層、が入射光線の経路において少なくとも一の電極（３、５）の後に続くことを特徴とする請求項１に記載の光起電電池。
3. 透明な基材（２）を伴う太陽電池であって、電池内の光散乱層（５．３）が６０％以上の高い光透過率を有し、そして電池内の光散乱層（５．３）が基材（２）と上方電極（３）との間又は上方電極（３）と吸収層（４）との間又は上方電極（３）の少なくとも二つの層の間に置かれる、請求項２に記載の太陽電池。
4. 光散乱層（５．３）が下方電極（５）に接して置かれることを特徴とする請求項２又は３に記載の太陽電池。
5. 光散乱層（５．３）が下方電極（５）の少なくとも二つの層（５．１、５．２）の間に取り囲まれ、吸収層（４）と光散乱層（５．３）との間に横たわる層（５．１）は透明であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
6. 下方電極（５）が吸収層（４）の後に続く少なくとも一つの透明なＴＣＯ層（５．１）及び金属層（５．２）を含み、該金属層が特に光入射をそこで反射する請求項５に記載の太陽電池。
7. 直接的な電気的接続が下方電極（５）の少なくとも二つの部分的な層（５．１、５．２）の間に光散乱層（５．３）を通じて、特に光散乱層の気孔を通じて、創られることを特徴とする請求項５又は６に記載の太陽電池。
8. 光反射層（５．３）が、特に０．１〜３μｍの範囲の粒子サイズを伴う、半透明の無機酸化物、窒化物又は炭化物粒子を含むことを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の太陽電池。
9. 光反射層（５．３）が有機又は無機バインダーを１０〜４０％の体積比率で含むことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の太陽電池。
10. 該粒子の光屈折率が該バインダーの光屈折率よりも高いことを特徴とする請求項８又は９に記載の太陽電池。
11. 光屈折層（５．３）が、１〜２０μｍの層厚みに対して、４５％超の、特には６５％超の、光透過率を有することを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１項に記載の太陽電池。
12. 光屈折層（５．３）が粒子の凝集を防止する分散構成要素も含むことを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載の太陽電池。
13. 電極又は電極の部分的な層（３、５．１）の少なくとも一つが、一連の層と接している該表面の粗さが増大することを伴って、付着されることを特徴とする請求項２〜１２のいずれか１項に記載の太陽電池。
14. 透明な基材（２）は光入射面に、光を散乱させる構造若しくは表面コーティング及び／又は光の反射を低減させるコーティングが備えられることを特徴とする請求項２〜１３のいずれか１項に記載の太陽電池。
15. 吸収層が結晶質若しくは非晶質の珪素からなる又はこのようなものを含む請求項２〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池。
16. 薄膜体系（システム）、特にＣＩＳ若しくはＣｄＴｅ膜、から構成される吸収層、又はそのようなものを含む吸収層を伴う、請求項２〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池。
17. 珪素ウェハーからなる吸収層又はこのようなウェハーを含む吸収層を伴う、請求項２〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池。
18. 請求項１に記載された使用を遂行する珪素ウェハー太陽光電池（１０）で、上方電極（３０）、吸収材（２０）、金属製下方電極（５０）及び吸収材（２０）での入射又は反射光を散乱するための手段を伴っていて、下方電極（５０）に向けられた該ウェハーの少なくとも表面が、ドーピングによって及び／又は分離層によって、不動態化されることと、少なくとも一の層（４０）が吸収材（２０）と下方電極（５０）との間での光散乱及び／又は反射特性を備えられ、ここでは下方電極（５０）と吸収材（２０）との間での少なくとも局部的な電気的接触（５Ｃ）が層（４０）を通り抜けることとを特徴とする請求項１に記載の珪素ウェハー太陽光電池（１０）。
19. 局部的な電気的接触が光散乱層（４０）に存在する気孔を通じて又はそこに創られた通路を通じて伸びることを特徴とする請求項１８に記載の太陽電池。
20. 金属製下方電極（５０）に向けられた、ｎ−ドープ又はｐ−ドープ珪素から創られる吸収材（２０）の少なくとも表面は、表面再結合を最小限にするために、それぞれ、ｎ−型ドーピングによってか若しくはｐ−型ドーピングによって、及び／又は例えば珪素酸化物若しくは珪素窒化物の層のような、不動態層によって若しくはそのような材料を含む層によって、不動態化されることを特徴とする請求項１８又は１９のいずれかに記載の太陽電池。
21. 太陽電池の光散乱及び／又は反射層（４０）が無機又は有機バインダーと結合した光反射粒子を含んでいる、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の太陽電池。
22. 光散乱及び／又は反射層（４０）が、特に０．１〜３μｍの範囲の粒子サイズを伴う、酸化物、窒化物又は炭化物粒子を含むことを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の太陽電池。
23. 光散乱層（４０）が有機又は無機バインダーを１０〜４０％の体積比率で含むことを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の太陽電池。
24. 該粒子の屈折率が該バインダーの屈折率と異なることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の太陽電池。
25. カバーが吸収材（２０）の光入射面に備えられ、前記カバーは光を散乱する表面構造又はコーティングを有し及び／又は光反射を低減するコーティングを有することを特徴とする請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の太陽電池。
26. 高い光透過率の、別の光散乱層が吸収材（２０）の光入射面に置かれることを特徴とする請求項１８〜２５のいずれか１項に記載の太陽電池。
27. 請求項２〜２６のいずれか１項に記載の太陽電池を多数伴うソーラーモジュールであって、前記電池は電気的に一緒に繋がれており、ここで該太陽電池は特に共通の支持構造体（７、７０）に固定される、ソーラーモジュール。
28. 請求項２〜２６のいずれか１項に記載の太陽電池を多数伴うソーラーモジュールであって、電気的に一緒に繋がれるソーラーモジュール。
29. 光散乱又は反射層が、該太陽電池に共通で使用される電極層の部品を形成する又はこのような電極層に繋がれる請求項２８に記載のソーラーモジュール。
30. 請求項１〜２６のいずれか１項の太陽光電池のためのバインダーで凝集した粒子からなる光散乱及び／又は反射層を使用する方法であって、該層は或る一定の多孔性を有しそして電極層と吸収層との間又は二つの部分的電極層の間に置かれ、そして光散乱層の両辺に接する導電性層間の電気的接触は後者（光散乱及び／又は反射層）の多孔性を通じて創られる、光散乱及び／又は反射層を使用する方法。

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