JP2011514003A - 光起電力装置および光起電力装置の製造方法 - Google Patents

光起電力装置および光起電力装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

アモルファス材料で構成されるアクティブ層であって、該アクティブ層は領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイを有するアクティブ層を備える光起電力装置であって、該幾何学的な構造体は底面と、少なくとも３つのｎ多角形の表面によって結びつけられている１つの頂上部とを備え、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする。

Description

本発明は、支持基板とアクティブ層とを備える薄膜型の光起電力装置に関する。本発明はさらに、支持基板とアモルファス材料から構成されるアクティブ層とを備える光起電力装置の製造方法に関する。
光起電力装置は、光エネルギを電気エネルギに変換するのに通常用いられる。光起電力装置は、露光下にて電荷キャリアを生成する光吸収材料からなるアクティブ層を有している。光起電力装置に現在共通するアクティブ層はケイ素である。しかし、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）のような種々の材料が用いられる場合もある。電荷はアクティブ層で生成され、電気を伝導する導電コンタクトへと分散される。アクティブ層は薄くて壊れやすいため、例えばガラス製の透明なカバープレートにより、外部影響から通常保護される。当該技術分野からは、アクティブ層およびカバープレートの双方が光起電力装置への入射光の一部を反射することが知られている。とりわけ、アクティブ層は高屈折率を有するので、大きな反射損失が引き起こされ、シリコンの場合には反射損失が入射光の最大３０％にもなる可能性がある。反射光は電気エネルギには変換されないため、これらの反射損失は光起電力装置の効率を大きく低下させる。
これらの反射損失を低減するため、光吸収材料またはいわゆるアクティブ層の上に、反射防止コーティングが被覆される場合がある。反射防止コーティングは、アクティブ層の反射率とカバープレートの反射率との間にある反射率を有する透明な材料から構成される、単層の４分の１波長層から構成される。これは理論的には、中心波長でゼロ反射率と、中心付近の広帯域での波長に対して低減された反射とをもたらすものの、これらの層の加工と材料のコストはかなり高いものとなる。また、コーティングを形成する加工技術（例えば、化学気相成長法）は非常に複雑、精密であり、かつ時間がかかる。
カバー層の受光面上の表面構造体を、カバープレートの反射損失を低減させるのに用いることができることが当該技術分野から知られている。ここで、G.A. Landis, 21st IEEE photovoltaic specialist conference, 1304-1307 (1990)に開示されたＶ字型、または、ＷＯ０３／０４６６１７に開示されたピラミッド型の構造体は、ガラス製のカバープレートの受光面に形成され、このプレートの反射損失を低減させ、すなわち、光透過率を向上させる。ＣＨ６９３７７１Ａ５には、カバー層の両面に形成された、三角形状表面を有するコーン型構造体およびピラミッド型構造体により、該プレートの反射損失を低減させ、すなわち、光透過率を向上させることが開示されている。これらの構造体は、カバー層の両面に形成され、カバー層が下向きに取り付けられることによる好ましからぬ結果を防ぐ。これらの構造体はガラスプレートに、例えば注入成形またはプレスにより設けることができる。しかし、モデル研究（U. Bieske et al, 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 188-191 (2003)）によれば、光起電力装置のカバープレートとして該プレートを用いる場合、該装置の最大効率は６％の向上のみ可能であり、これは約３０％の反射損失の低減である。実際には、その結果はもっと低く、３％しか得ることはできない。該構造体はアクティブ層の反射損失をいくぶんかは低減するものの、主にはカバープレートの反射損失を低減する。すなわち、反射損失の全体の低減、そして光起電力装置の効率の向上は低いものである。
カバープレートの受光面の表面加工によりアクティブ層の反射損失を低減させるよりよい方法が、未公開の欧州特許出願ＥＰ０７０２１４５８に記載されている。ここで、表面レリーフ構造体のアレイが、アクティブ層と光学的にコンタクトしているカバープレートに設けられる。該アレイの単一の構造体は、底面と、少なくとも３つのｎ多角形表面に結びつけられている１つの頂上部であって、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする。この特別なデザインは、ガラス製のカバープレートの反射損失を低減させるたけでなく、カバープレート下のアクティブ層の反射損失をも大きく低減させる。この方法はコスト効率がよく、効率的な反射防止コーティングを提供するが、光起電力装置の外側に位置するレリーフ構造体が汚れに弱い。
反射損失を低減させる他の方法は、アクティブ層表面の構造化である。これは材料そのものを直接構造化することにより可能である。例えばサンドブラスト、切削、アニオン性酸化、スパッタエッチングといったいくつかの方法により、これらの構造体を形成することが知られている。ＵＳ４６２６６１３はアクティブ層を直接構造化するためのレーザを利用した加工を開示する。ＵＳ５７０２５３８はアクティブ層を直接構造化（パターニング）するためのフォトリソグラフィを用いた表面処理を開示する。特開平１０−１６３５１３は所定のエッチング剤によるアクティブ層の直接エッチングを開示する。ピラミッド型、Ｖ字型、立方体型またはランダムの構造体を用いたアクティブ層の構造化により、アクティブ層における反射損失の低減が、表面での多重反射により達成され、光がいっそう多くパネルに入力するようになる。溝が形成された領域に入力した光は、アクティブ層により最初に吸収されなければ、溝の別の表面上に向かって反射され、これにより吸収率が向上する。この効果はアクティブ層表面での反射損失を低減させ、従ってしばしば反射防止効果と称される。さらに、該構造体は、場合により、アクティブ層により吸収されず、基板表面で反射された一部の光を吸収する。結果として、アクティブ層による光吸収の機会が増加する。このように、アクティブ層の構造化は光起電セルの効率を有意に向上させることができるものの、製造方法は非常に複雑であり、毒性があり、極めて費用がかかる。
アクティブ層を直接構造化する別の方法は、基板、すなわち、アクティブ層が後に蒸着されるカバー層の表面構造化である。この方法は、例えばアモルファスシリコンのようなアクティブ層を用いる薄膜太陽電池に採用される場合がある。この場合、太陽電池は、前面電極、アクティブ層および背面電極をそれぞれ透明なカバープレートの上に設けることにより製造される。アクティブ層の反射損失を低減するため、前面電極は、アクティブ層の蒸着に先だってウェットエッチングによりランダムに表面処理される。
表面をランダムに表面処理する代わりに、カバー層が、アクティブ層が次に蒸着される領域として画定された繰り返しの表面構造体を収容するように、カバー層の表面構造化をすることも可能である。ＤＥ４２０１１２６は電気エネルギ変換用の半導体薄膜要素を備える光起電力装置に関する。アクティブ層、すなわち、半導体薄膜要素はアモルファスシリコンであってもよい。該装置のカバープレートは背面上、すなわち、アクティブ層が蒸着される表面上に、鋸歯状の形状で画定された繰り返しの表面構造体を有し、これによりアクティブ層の鋸歯形状を導く。鋸歯の形成の効果は、吸収されない光の、内部での多重反射である。
上記より、光起電力装置の反射損失を低減するいくつかの技術が存在すると結論づけることができる。これらの技術は、アクティブ層の構造化、または、該層の上に反射防止コーティングを設けることを含む。しかし、これらは複雑で費用がかかる。代わりに、別の透明な構造化層をアクティブ層またはカバープレートに設けることができる。これらの技術はコスト効率がよいけれども、そのパフォーマンスは効率的ではない。
従って、本発明は、アクティブ層の太陽エネルギ吸収特性を強化することにより、光起電力装置の効率を向上すること、および、アクティブ層の反射損失がさらに低減された光起電力装置を提供することを目的とする。
本目的は領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイの形状を有するアクティブ層を備えた薄膜型の光起電力装置であって、当該幾何学的な構造体は底面と、少なくとも３つのｎ多角形の表面によって結びつけられている１つの頂上部とを備え、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする光起電力装置により達成される。
頂上部は、個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体の上部として定義される。頂上部は、個々の幾何学的なオプティカルレリーフ構造体の、底面から最も遠い１つの点である。頂上部は、底面に垂直な直線で測定したときに底面までの距離が最大である点である。
薄膜光起電力装置は、アクティブ層が支持基板上に蒸着される任意の光起電力装置として定義される。本発明にかかる薄膜材料のアクティブ層は、それ自体で、または他の任意の層との組み合わせで、露光下で電荷キャリアを生成するいかなる層であってもよい。このような材料は、例えば、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化銅インジウム（ＣＩＳ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、二セレン化銅インジウム（ＣＩＤ）、ナノ結晶性シリコン、マイクロ結晶性シリコン、ルテニウム有機金属色素やポリマーなどの光吸収性色素、および、ポリフェニレンビニレン、銅フタロシアニンおよび炭素フラーレンのような小分子化合物であってよい。本発明にかかるアクティブ層は、好ましくは、アモルファス材料を含む。より好ましくは、アクティブ層はアモルファスシリコンを含む。
アクティブ層は、ただ１つの幾何学的形状の構造体を含んでもよいが、アクティブ層は領域画定された繰り返しの幾何学的形状を有する構造体のアレイ、すなわち、レリーフ構造体を含むことが好ましい。アレイは、この場合幾何学的な構造体であり、お互いに隣接して配置されるかまたは行列にアレイされる、要素の集団またはグループとして理解されるべきである。アレイは、好ましくは、少なくとも４つの幾何学的形状のレリーフ構造体を含む。
各幾何学的な構造体の底面は、好ましくは、ｍ個の辺からなる多角形形状を備え、各幾何学的な構造体は少なくともｍ＋１個の表面を有し、ただし底面はそれら表面の１つとして考慮されない。
レリーフ構造体のｎ多角形の底面が円で表され、多角形の底面のエッジが円の周線上に延在する場合には、円の半径Ｄは好ましくは３０ｍｍ未満、より好ましくは１０ｍｍ未満、最も好ましくは３ｍｍ未満である。
構造体の高さは底面の半径Ｄに依存し、好ましくは０．１＊Ｄおよび２＊Ｄの間である。
本発明の好ましい実施形態では、アクティブ層は、境界を互いに接する隣接した幾何学的な構造体を有する、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイを含む。該構造体はすべての構造体の配向が互いに同一であるか、異なるかまたはランダムであるように配置することができる。
本発明にかかるレリーフ構造体に関するこれらの所与の条件は、Ｖ字型、ピラミッド型、立方体型または完全にランダムな構造体の場合には満たされない。本発明にかかる幾何学的な構造体のアレイは、従来技術から知られる光起電力装置のアクティブ層内のいかなるレリーフ構造体、すなわち、Ｖ字型、ピラミッド型、立方体型またはランダムな構造体とも異なる。Ｖ字型構造体には、無限長と考える場合には、領域当たりただ一つの平行面が含まれる。有限長のＶ字型構造体は、四角形の底面と、溝の長さに沿った２つの他の面とを有する。ピラミッド型構造体は、ｍ多角形の底面を頂上部に結びつける、画定領域当たりｍ個の三角形を含む。立方体型構造体は、立方体型構造体の表面の内の１つが底面である場合には、１つの頂上部を含まない。立方体型構造体が角の１つについて鋭角的である１つの頂上部を有する場合には、立方体型構造体は底面を画定する面を表すことができない。これらの幾何学的な構造体は本発明における条件のいずれも満たさない。
驚くべきことに、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイの形状を備えたアクティブ層であって、該幾何学的な形状が底面と、少なくとも３つのｎ多角形面に結びつけられている１つの頂上部とを備え、ただしｎは４以上である、ことを特徴とするアクティブ層は、アクティブ層の太陽エネルギ吸収特性を強化し、これにより光起電力装置の効率を向上させることが示される。
本発明にかかる幾何学的な構造体のアレイは、アクティブ層の２つの主面の内の少なくとも１つの上にある。本発明の好ましい実施形態において、幾何学的な構造体のアレイは、アクティブ層の２つの主面の上に存在する。アクティブ層の外縁上の面は、表面構造化されない。
本発明の好ましい実施形態において、光起電力装置は、アクティブ層の主面に平行な２つの主面を有する支持基板を備え、アクティブ層に隣接する面の形状はアクティブ層の形状、または、アクティブ層の逆の形状を有することを特徴とする。逆の形状とは、元の形状に対応するまたは元の形状と一致する形状として理解されるべきである。光起電力装置の構築にボトムアップ手法を選択する場合には、アクティブ層が蒸着される支持基板は、光起電力装置の非受光面に背面プレートとして用いられる。この場合、該構造体は、好ましくはアクティブ層の光受光面上の、所望の幾何学的な構造体と同一の形状を有する。
本発明にかかる光起電力装置の構築にトップダウン手法を選択する場合には、透明なカバープレートが、光起電力装置の光受光面に支持基板として用いられる。この場合、該構造体は好ましくはアクティブ層の、所望の幾何学的な構造体の逆形状を有する。
本発明の別の好ましい実施形態において、光起電力装置はそれ故２つの主面、すなわち、光受光面およびアクティブ層に隣接する面を有する透明なカバープレートを備え、アクティブ層に隣接する面の形状がアクティブ層の形状と逆であることを特徴とする。逆の形状は、元の形状と対応する、または、元の形状と一致する形状として理解されるべきである。
２つの主面とは別に、透明なカバープレートはその外縁に構造化されない複数の面を備える。例えば、長方形のプレートの場合には、４つの面である。
透明な材料は、４００〜１２００ｎｍの範囲で０．２ｍｍ−１未満の線吸収係数を示す材料として理解される。
アクティブ層の形状と逆の幾何学的な構造体を含む透明なカバープレートは、当業者には既知の任意の透明な材料で構成されてもよい。例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアラミド（ＰＡ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルアセテート（ＰＶＡｃ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはエチルビニルアセテート（ＥＶＡ）などのポリマー、または、ガラスなどの無機材料、あるいはこれらの任意の組み合わせが例として挙げられる。
２つの主面、すなわち、光受光面およびアクティブ層に隣接する面を有する本発明にかかる光起電力装置の透明なカバープレートは、好ましくは、光受光面も領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体を有することを特徴とする。透明なカバープレートの光受光面上の、これらの領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体は、Ｖ字型溝またはピラミッド型構造体であってもよい。より好ましくは、透明なカバー層の光受光面上の幾何学的な構造体（パターン）は、底面と、少なくとも３つのｎ多角形面に結びつけられている１つの頂上部とから構成され、ただしｎは４以上である。
アクティブ層の形状とは逆の幾何学的な構造体を含む透明なカバープレートにルミネセンス色素が存在する場合には、光起電力装置の効率はさらに向上可能である。
該層により効率的に利用されない波長光をより効率的に利用される波長光に変換することにより、ルミネセンス色素は光起電力装置のスペクトル感度を向上させる。
ルミネセンス色素のルミネセンス分子により発せられる一部の光は、しかし、該層により反射されるので、従来技術の光起電力装置のアクティブ層によっては利用されない。結果として、ルミネセンス色素は実際には従来技術の光起電力装置の効率を約２％しか向上させることができない（H.J. Hovel et al., Solar energy materials, 2, 19-29 (1979)）。
本発明にかかる光起電力装置を当該業界で既知のルミネセンス色素と組み合わせると、驚くべきことに、相乗効果が発生し、光起電力装置のスペクトル感度はルミネセンス色素のルミネセンス分子の単純な付加から予測されるものを超えて向上される。
本発明にかかるアクティブ層の形状とは逆の幾何学的な構造体を備える透明なカバープレートにルミネセンス分子を付加する場合、光起電力装置のスペクトル感度は、構造化していない面と比較して向上する。該構造体を備える透明なプレートは、発光の反射損失を低減することにより、光起電力装置のアクティブ層の受光面でルミネセンス分子により発光される光の吸収を上昇させる。ルミネセンス分子は、好ましくは、プレートの内側に分散されるものの、幾何学的な構造体のアレイを含む透明なカバープレートと、光起電力装置のアクティブ層の受光面との間の分離層に存在してもよい。
従って、使用可能なルミネセンス分子は、例えば蛍光分子または燐光分子であってよく、該分子は下方変換発光および上方変換発光の両方が可能である。好ましい分子は蛍光性であり、例えば、ペリレン、クマリン、ローダミン、ナフタルイミド、ベンゾキサンテン、アクリジン、オーラミン、ベンズアントロン、サイアニン、スチルベン、ルブレン、ルシフェリンまたはその誘導体である。
ルミネセンス分子を含むルミネセンス色素は、それ故好ましくは有機色素である。しかし、ルミネセンス色素は、無機色素であってもよい。好ましくはルミネセンス色素はＵＶ吸収体として働き、透明なカバープレートを構築するポリマーを安定化させる。
ルミネセンス色素は、数種のルミネセンス色素の混合物から構成されてもよい。ルミネセンス色素の濃度は、好ましくは、カバープレート面積１ｍ２およびカバープレート厚１ｍｍ当たり、０．００１〜５０ｇの間である。
幾何学的な構造体のアレイの形状を備えたアクティブ層は、アクティブ層が含むアモルファス材料を、アクティブ層に対して望まれる逆の構造体を備えたプレートまたは層に適用することにより、製造することができる。アクティブ層は、種々の方法、例えば、流し込み、スパッタコーティング、化学気相成長法、プラズマ化学気相成長法、または、物理気相成長法により形成可能である。
本発明のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの他の特徴および／または層が、アクティブ層とレリーフが設けられたプレートとの間に存在していてもよい。この層は、例えば剥離層、導電層、反射防止層、導体路、汚れ防止層またはくもり防止層であってもよい。
本発明にかかる光起電力装置の好ましい製造方法において、アクティブ層の逆の構造体を有するプレートまたは層は、透明な材料から構成されている場合には、光起電力装置のカバープレートとして用いることができる。この実施形態において、アクティブ層はその後の工程で除去されない。アクティブ層が、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイの形状を備えるこのような光起電力装置の製造方法は、２つの主面、すなわち、受光面およびアクティブ層が設けられる面を有する透明なカバープレートを設けるステップと、アクティブ層が設けられる面にアクティブ層の領域画定される繰り返しの幾何学的な構造体の逆の形状を設けるステップと、透明なカバープレートの面上にアクティブ層を設けるステップとを備え、幾何学的な構造体は底面と、少なくとも３つのｎ多角形の表面によって結びつけられている１つの頂上部とを有し、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする。
図１は、ａ）ランダム構造体を有するアクティブ層、ｂ）Ｖ字型の溝を有するアクティブ層を備えた従来技術にて知られた薄膜光起電力装置の概略を示す。 図２は、本発明にかかる個々の幾何学的な構造体の透視図を示す。 図３は、個々の幾何学的な構造体の、ａ）上面図、ｂ）０°方向から見た側面図、ｃ）６０°方向から見た側面図を示す。 図４ａ）、ｂ）、ｃ）は、互いに境界を接する隣接した幾何学的な的なオプティカルレリーフ構造体のアレイの一部を示す。
図１は構造化されたアクティブ層を備える、従来技術の薄膜光起電力装置の概略を示す。アクティブ層の反射損失を低減するため、前面電極を図１ａ）に示されるようにランダムに表面処理してもよい。ランダムに表面処理された表面の代わりに、カバー層が、その後アクティブ層がその上に蒸着される領域画定された繰り返しの表面構造体を受け入れるように、アクティブ層の表面構造化が行われてもよい。Ｖ字型の溝を有するアクティブ層を備えるこのような光起電力装置が図１ｂ）に示される。
図２は、本発明にかかる個々の幾何学的な構造体の例の透視図を示す。しかし、この例は本発明の限定を意図するものではない。図中、幾何学的な構造体は、六角形の底面を１つの頂上部と直接結びつけている３つの四辺形の表面を有し、該構造体は全体で９つの表面を有する。該構造体は、Ｖ字型、ピラミッド型またはランダム構造体などの従来技術から知られた光起電力装置のアクティブ層の、いかなる幾何学的な構造体とも異なっている。Ｖ字型構造体は４つの辺を備えた多角形の基板と、４つの他の面、すなわち、溝の長さ方向に沿った２面と、エッジの２面を有する。Ｖ字型構造体は、無限長と考える場合、１領域当たり１つの平行面を有する。ピラミッド型構造体は１領域当たりｍ個の、ｍ多角形の底面を頂上部と結びつけている三角形を有する。図２に記載された構造体はこれらの条件をいずれも満たさない。
図３は、図２の個々の幾何学的な構造体の、ａ）上面図、ｂ）０°方向から見た側面図、ｃ）６０°方向から見た側面図を示す。
本発明の好ましい実施形態において、アクティブ層は幾何学的な構造体のアレイを有する。図４は、互いに領域を接する隣接した構造体を有する幾何学的な構造体のアレイの一部を示す、アクティブ層の概略上面図である。図４ａ）は、すべての構造体の配向が互いに同一であるように配列された幾何学的な構造体を有するアクティブ層を示す。図４ｂ）は構造体の配向が交互に入れ替わるように配列された幾何学的な構造体を示す。図４ｃ）はすべての構造体の配向が互いにランダムなように配列された幾何学的な構造体を示す。アクティブ層の反射損失をさらに低減するために、個々の幾何学的な構造体の頂上部がアクティブ層から突出し、または、頂上部がアクティブ層の内側を向くようにしてもよい。
本発明の範囲を明らかとするために、本発明を限定するものではないが、以下に実施例を示す。
比較例１
光線追跡実験を行い、表面構造化加工を行わない、ほぼ平坦なアクティブ層について、反射損失をシミュレートした。
シミュレートしたアクティブ層は、シリコンの光学的特性を有する薄層から構成した（λ＝５００ｎｍでｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）。
アクティブ層から出射された光の反射損失を、シミュレートされるアクティブ層の上に光源を配置してシミュレートした。光源は、全体強度１０００Ｗおよび波長５００ｎｍで、全体として１０００光線を発した。
反射損失は入射光の強度とアクティブ層により吸収された光量とを比較して求めた。反射光の光量は、入射光量と吸収光量との差から算出した。下記表において、光源が発する光が平行になるか、または、ランバート分布を示す場合に、反射損失が得られる。
下記表にプロットした結果から、有意な量の光が反射されることが観察可能であり、従って、非構造化アクティブ層を有する光起電力装置の効率が、この層に起因する反射損失により有意に減少したと結論づけることができる。
比較例２
光線追跡実験を行い、従来技術で知られたＶ字溝で構造化されたアクティブ層について反射損失をシミュレートした。シミュレーションの設定は比較例１と同様であった。
シミュレートしたアクティブ層は、シリコンの光学特性を有する薄層から構成した（λ＝５００ｎｍでｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）。Ｖ字溝のアレイの単位構造体は、底面の長さ／幅の比が２０、頂角が９０°である。アレイは、１０個の単位構造体から構成した。
下記表にプロットした結果から、Ｖ字溝でアクティブ層を構造化することは、該層の反射損失を減少させることがわかる。
比較例３
光線追跡実験を行い、従来技術で知られた逆ピラミッド型に構造化した層の反射損失をシミュレートした。シミュレーションの設定は、比較例１と同様であった。
シミュレートしたアクティブ層は、シリコンの光学特性を有する薄層から構成した（λ＝５００ｎｍでｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）。逆ピラミッド型に構造化した層のアレイの単位構造体は、底面の長さ／幅の比が１、頂角が９０°である。アレイは、１０個×１０個の単位構造体から構成した。
下記表にプロットした結果から、逆ピラミッド型に構造化した層は、該層の反射損失を低減することが観察可能である。
実施例１
光線追跡実験を行い、本発明にかかる領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイ形状を有するアクティブ層の反射損失をシミュレートした。
シミュレートしたアクティブ層は、シリコンの光学特性を有する薄層から構成した（λ＝５００ｎｍでｎ＝４．２９５、吸収係数８８９／ｍｍ）。アクティブ層の形状の基となっている、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイの単位構造体は、図２および３に記載の構造体と等しかった。アレイは、１５個×１５個の単一構造体から構成し、図４ｃ）に従って形成した。
アクティブ層から出る光の反射損失は、シミュレートされるアクティブ層の上に光源を配置してシミュレートした。光源は、全体強度１０００Ｗおよび波長５００ｎｍで、全体として１０００光線を発した。
反射損失は、入射光強度とアクティブ層による吸収光量とを比較して求められる。反射光の量は、入射光量と吸収光量との差から算出した。下記表において、光源が発する光がコリメートされるか、または、ランバート分布を示す場合に反射損失を得た。
下記表に示すこれらの結果を比較例１、２および３と比較すれば、本発明に従って構造化されたアクティブ層が最も低い反射損失を示すと結論づけることができる。この原理に基づく光起電力装置は、従って、向上された効率を示すこととなる。
Figure 2011514003

Claims (14)

  1. 領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイの形状を有するアクティブ層を備える薄膜型の光起電力装置であって、
    前記幾何学的な構造体は、底面と、少なくとも３つのｎ多角形の表面によって結びつけられている１つの頂上部とを有し、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする光起電力装置。
  2. それぞれの前記幾何学的な構造体の底面はｍ個の辺からなる多角形形状からなり、それぞれの前記幾何学的な構造体は少なくともｍ＋１個の表面を有する、ことを特徴とする請求項１記載の光起電力装置。
  3. 前記アクティブ層は、互いに境界を接する隣接した複数の幾何学的な構造体を有することによって、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体を有する、ことを特徴とする請求項１または２記載の光起電力装置。
  4. 前記アクティブ層は、お互いに、同一の配向、異なる配向またはランダムの配向を有する、幾何学的なオプティカルレリーフ構造体のアレイを有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光起電力装置。
  5. 前記アクティブ層はアモルファス材料を含有する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の光起電力装置。
  6. 前記アクティブ層はアモルファスシリコンを含有する、請求項５に記載の光起電力装置。
  7. 前記光起電力装置は、前記アクティブ層の支持基板を備え、前記支持基板は、前記アクティブ層の主面に平行な２つの主面を有し、前記アクティブ層に隣接する前記面は前記アクティブ層の形状または逆形状を有する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光起電力装置。
  8. 前記アクティブ層の支持基板は透明なカバープレートであり、前記透明なカバープレートは２つの主面、すなわち、受光面と前記アクティブ層に隣接する面とを有し、前記アクティブ層に隣接する面の形状は前記アクティブ層の形状の逆である、ことを特徴とする請求項７記載の光起電力装置。
  9. ルミネセンス色素が前記透明なカバープレートに含まれる、ことを特徴とする請求項８記載の光起電力装置。
  10. 前記受光面は、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイを有する、ことを特徴とする請求項８または９記載の光起電力装置。
  11. 前記受光面の幾何学的な構造体は、底面と、少なくとも３つのｎ多角形の表面によって結びつけられている１つの頂上部を有し、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする請求項１０記載の光起電力装置。
  12. アクティブ層が、領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体のアレイの形状を有する光起電力装置の製造方法であって、
    前記アクティブ層の主面に平行な、２つの主面を有する支持基板を設けるステップと、
    アクティブ層が設けられる前記主面を、前記アクティブ層の領域画定された繰り返しの幾何学的な構造体の形状またはその逆の形状に形作るステップと、
    前記アクティブ層を前記支持基板の面上に設けるステップと、を備え、
    前記幾何学的な構造体は底面と、少なくとも３つのｎ多角形の表面によって結びつけられている１つの頂上部とを有し、ただしｎは４以上である、ことを特徴とする方法。
  13. 前記アクティブ層は、化学気相成長法または物理気相成長法により形成される、ことを特徴とする請求項１２記載の光起電力装置の製造方法。
  14. 前記光起電層は透明なカバープレートを備え、前記透明なカバープレートは前記アクティブ層の支持基板である、ことを特徴とする請求項１２記載の光起電力装置の製造方法。
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