JP2012522403A - 光起電力電池、及び、半導体層スタックにおいて光補足を高める方法 - Google Patents

光起電力電池、及び、半導体層スタックにおいて光補足を高める方法 Download PDF

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Abstract

光起電力電池は、基材と、半導体層スタックと、反射性導電性電極層と、凹凸テンプレート層とを含む。半導体層スタックは、基材の上に配置されている。電極層は、基材と半導体層スタックとの間に位置する。テンプレート層は、基材と電極層との間に存在する。テンプレート層は、電極層に所定の形状を与える波形の上面を含む。電極層は、その電極層の所定の形状に基づいて光を半導体層スタックの中へ戻すように反射する。
【選択図】図なし

Description

関連出願の相互参照
この出願は、「光起電力電池、及び、薄膜シリコンにおいて光捕捉を高める方法(Photovoltaic Cells And Methods To Enhance Light Trapping In Thin Film Silicon)」と題された同時係属中の米国仮特許出願第６１／１７６，０７２号（「’０７２出願」）の非仮特許出願であり、該仮出願の優先権の利益を主張する。’０７２出願は２００９年５月６日に提出された。’０７２出願の全開示は、本明細書において言及することによってそっくりそのまま組み込まれている。
本明細書に記載されている主題は光起電力装置に関する。いくつかの既知の光起電力装置は、シリコン又は他の半導体材料の薄膜を使用して作られた薄膜ソーラーモジュールを含む。モジュールに入射する光は、シリコンフィルムの中へ進む。光がシリコンフィルムによって吸収されると、光は、シリコンにおいて電子及び孔を生じさせることができる。電子及び孔は、モジュールから取り出されて外的電気負荷に適用することができる電位及び／又は電流を生じさせるために使用される。
光の光子は、シリコンフィルムにおいて電子を励起し、シリコンフィルムにおいて原子から電子を分離させる。光子がフィルムにおいて電子を励起させて電子を原子から分離させるために、光子は、シリコンフィルムにおいてエネルギーバンドギャップを超えるエネルギーを必要とする。光子のエネルギーは、フィルムに入射する光の波長と関係している。したがって、シリコンフィルムによって吸収される光は、フィルムのエネルギーバンドギャップと光の波長に基づく。フィルムによって吸収される光を、フィルムによって「捕捉される」光と呼ぶこともできる。
光起電力装置によって生じる電流又は電力の量は、シリコンフィルム内で補足される光の量と直接的に相関する可能性がある。例えば、入射光を電流に変換することにおける光起電力装置の効率は、その装置のシリコンフィルムにおいて電子を励起する光又は光子の量と相関する可能性がある。しかし、いくつかの既知の光起電力装置は、比較的多量の入射光がシリコンフィルムを通過し、反射電極に反射し、シリコンフィルムにおいて電子を励起することなくシリコンフィルムを通ってその装置から出るようにする。光は、フィルムの下の基材に対してほぼ垂直な方向にフィルムを通過して、反対方向に反射される場合もある。
装置の半導体層内に補足される又は半導体層中の電子を励起する光若しくは光子の量を増やす光起電力装置の必要性がある。
一実施形態において、光起電力電池は、基材と、半導体層スタックと、反射性導電性電極層と、凹凸テンプレート層とを含む。半導体層スタックは基材の上に配置される。電極層は、基材と半導体層スタックとの間に位置する。テンプレート層は、基材と電極層との間に存在する。テンプレート層は、電極層に所定の形状を与える波形の上面を含む。電極層は、電極層の所定の形状に基づいて、光を半導体層スタックの中へ戻すように反射する。
他の一実施形態において、他の光起電力電池を提供する。この光起電力電池は、基材と、半導体層スタックと、電極層とを含む。半導体層スタックは基材の上に配置される。電極層は、基材と半導体層スタックとの間に存在し、反射層及び光透過導電層を含む。導電層は、反射層に対する入射光を散乱する波形の上面を含む。反射層は、光が導電層によって散乱された後に、その光を半導体層スタックの中へ戻すように反射する。
他の一実施形態において、他の光起電力電池を提供する。この光起電力電池は、基材と、半導体層スタックと、反射性導電性電極層とを含む。基材は所定の波形の上面を有する。半導体層スタックは基材の上に配置される。電極層は、基材の上面と半導体層スタックとの間に存在する。基材の波形の上面は、電極層に所定の形状を与える。電極層は、その所定の形状に基づいて光を半導体層スタックの中へ戻すように反射する。
図１は、一実施形態による、光起電力（ＰＶ）装置の概略図の透視図、及び、ＰＶ装置の断面部分の詳細図である。
図２は、図１に示されている一実施形態によるＰＶ電池の図１の線２−２に沿った断面図である。
図３は、図１に示されている一実施形態によるテンプレート層のためのピーク構造の一例の二次元的表現を示す。
図４は、図１に示されている一実施形態によるテンプレート層のための谷構造の一例の二次元的表現を示す。
図５は、図１に示されている一実施形態によるテンプレート層のための円形構造の一例の二次元的表現を示す。
図６は、複数のテンプレート層を含む他の実施形態によるＰＶ電池の断面図である。
図７は、凹凸電極を有する他の実施形態によるＰＶ電池の断面図である。
図８は、不連続層で形成された他の実施形態による凹凸テンプレート層を有するＰＶ電池の断面図である。
図９は、凹凸基材を有する他の実施形態によるＰＶ電池の断面図である。
図１０は、ＰＶ装置に凹凸テンプレート層を与えるための一実施形態による方法のフローチャートである。
図１１は、ＰＶ装置に複数の凹凸テンプレート層を与えるための一実施形態による方法のフローチャートである。
図１２は、ＰＶ装置を提供するための一実施形態による方法のフローチャートである。
図１３は、不連続層で形成された凹凸テンプレート層をＰＶ装置に与えるための一実施形態による方法のフローチャートである。
図１４は、ＰＶ装置に凹凸基材を与えるための一実施形態による方法のフローチャートである。
先の概略、及び、本明細書に記載されている技術の特定の実施形態の下記の詳細な説明は、添付図面と共に参照されることによって一層よく理解されるであろう。本明細書に記載されている技術を説明する目的のために特定の実施形態を図面に示す。しかしながら、本明細書に記載されている技術が添付図面に示されている装置及び手段に限定されないことは理解されるに違いない。さらに、図面中の構成要素が縮尺通りではなく、また、他の構成要素に対する１つの構成要素の相対的な大きさを、そのような相対的な大きさを必要とするように解釈又は判断してはならないことは理解されるに違いない。
先の概要、及び、本明細書に記載されている主題の特定の実施形態の下記の詳細な記載は、添付図面と共に参照されることによって一層よく理解されるであろう。本明細書において用いられているように、単数形で、かつ、「１つの(a)」又は「１つの(an)」という言葉に続けて列挙されている要素又はステップは、明示的に別段の定めがない限り、前記要素又は前記ステップの複数形を排除しないように理解しなければならない。更に、「一実施形態」への言及は、列挙されている特徴をさらに含むさらなる実施形態の存在を排除するものとして解釈されるように意図されていない。明示的に別段の定めがない限り、特定の特性を有する要素又は複数の要素を「含む」又は「有する」実施形態は、その特性を有しないさらなるそのような要素を含んでいてもよい。
図１は、一実施形態による、光起電力（ＰＶ）装置１００の概略図の透視図、及び、ＰＶ装置１００の断面部分の詳細図１１０である。ＰＶ装置１００は、互いに電気的に接続された複数のＰＶ電池１０２を含む。例えば、ＰＶ装置１００は、互いと直列的に接続された１００個又はそれ以上のＰＶ電池１０２を有していてもよい。ＰＶ装置１００の両側１３２及び１３４に又はその両側の近くに位置する、最も外側のＰＶ電池１０２は、各伝導性リード１０４及び１０６と電気的に連結されている。リード１０４及び１０６は、ＰＶ装置１００の対向端部１２８と１３０との間に延在していてもよい。リード１０４及び１０６は、ＰＶ装置１００によって生成された電流が集められるか又は適用される電気負荷を含む回路１０８に接続されている。例えば、ＰＶ装置１００によって生成される電流は、バッテリーのようなエネルギー蓄積装置に集められてもよいし、及び／又は、機能を発揮させるために、電流の少なくとも一部を消費する装置に適用されてもよい。
ＰＶ電池１０２は、多層のスタックを含む。一実施形態において、ＰＶ電池１０２は、支持基材１１２、凹凸テンプレート層１３６、下部電極１１４、半導体層スタック１１６、上部電極１１８、上部粘着層１２０及びカバーシート１２２を含む。あるＰＶ電池１０２の上部電極１１８は、ＰＶ電池１０２を電気的に直列的に連結させるために、隣接するＰＶ電池１０２の下部電極１１４と電気的に接続されていてもよい。
ＰＶ装置１００は、カバーシート１２２の上面１２４に入射する光から電流を生成する。光は、カバーシート１２２、上部粘着層１２０及び上部電極１１８を通過する。光が最初に半導体層スタック１１６の中に入って通過するときに、光の少なくとも一部は半導体層スタック１１６によって吸収される。図示されている実施形態において、半導体層スタック１１６は、ドープされた半導体層又はフィルム１２６、１２８、１３０のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎスタックを含んでいてもよい。代替的に、半導体層スタック１１６は、ドープされた半導体層又はフィルム１２６、１２８、１３０の複数のＮ−Ｉ−Ｐ及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタックを含んでいてもよい。光の一部は半導体層スタック１１６を通過することができる。半導体層スタック１１６を通過する光は、テンプレート層１３６及び／又は下部電極１１４によって半導体層スタック１１６の中へ戻るように反射され得る。
光が半導体層スタック１１６を最初に通過するとき、及び／又は、光がテンプレート層１３６から半導体層スタック１１６の中に戻るように反射されるときに、光の中の光子は、半導体層スタック１１６において電子を励起する。光の波長、及び、半導体層スタック１１６中の材料のエネルギーバンドギャップに依存して、光の光子は、電子を励起し、半導体層スタック１１６において原子から電子を分離させることができる。電子が原子から分離するときに、相補的なプラス電荷又は孔が生じる。光がフィルム１２６、１２８、１３０を通過するときに、電子と正孔のペアを生じさせる半導体層スタック１１６の中の半導体層又はフィルム１２６、１２８、１３０を、活性層又は活性フィルムと呼ぶことができる。電子は、半導体層スタック１１６を通って漂流又は拡散し、上部電極１１８及び下部電極１１４に集まる。孔は、半導体層スタック１１６を通って漂流又は拡散し、上部電極１１８及び下部電極１１４の他方に集まる。上部電極１１８及び下部電極１１４における電子及び孔の集中は、ＰＶ電池１０２における電圧差を生じる。ＰＶ電池１０２における電圧差は、ＰＶ装置１００全体にわたる累積的なものであってもよい。例えば、各ＰＶ電池１０２における電圧差を加算してもよい。ＰＶ電池１０２の数が増加するにつれて、ＰＶ電池１０２の全体にわたる累積的な電圧差は上昇し得る。
電子及び孔は、あるＰＶ電池１０２の上部電極１１８及び下部電極１１４を通って、隣接するＰＶ電池１０２の反対電極１１４及び１１８へ流れる。例えば、光が半導体層スタック１１６に衝突するときに、電子が第１のＰＶ電池１０２の下部電極１１４へ流れる場合、電子は、下部電極１１４を通って、隣接するＰＶ電池１０２の上部電極１１８へ流れる。同様に、孔が第１のＰＶ電池１０２の上部電極１１８へ流れる場合、孔は、上部電極１１８を通って、隣接するＰＶ電池１０２の下部電極１１４へ流れる。
電流及び電圧は、上部電極１１８及び下部電極１１４を経た、並びに、隣接するＰＶ電池１０２の間における電子及び孔の流れによって生じる。各ＰＶ電池１０２によって生じる電圧は、複数のＰＶ電池１０２の全体で直列的に合計される。その後、電流は、最も外側のＰＶ電池１０２の上部電極１１８及び下部電極１１４へのリード１０４及び１０６の接続を通じて回路１０８に引き込まれる。例えば、第１のリード１０４は、左端のＰＶ電池１０２の上部電極１１８に電気的に接続されていてもよく、一方で、第２リード１０６は、右端のＰＶ電池１０２の下部電極１１４に電気的に接続されていてもよい。
一実施形態によれば、テンプレート層１３６は、半導体層スタック１１６と基材１１２との間の１つ又はそれ以上の反射面がテンプレート層１３６をベースとする又はテンプレート層１３６に対応する形状を有するようにする所定の凹凸の形状を有する。テンプレート層１３６は、制御された又は所定の波形の上面１３８を有する。以下に記載するように、上面１３８は、三次元的な円錐、ピラミッド、円柱のような所定の構造３００、４００及び５００（図３乃至図５に示されている）の規則的な又は周期的な配列によって決定されることができる。光を反射する反射面は、ＰＶ電池１０２の他のある他の層のように下部電極１１４の一部分であってもよい。反射面の凹凸形状は、入射光を散乱して様々な方向で半導体層スタックの中へ戻すように反射することができる。光が散乱して半導体層スタック１１６中へ戻ることによって、原子からさらなる電子を励起させて、ＰＶ電池１０２において生じる電圧差を増大させることができる。
テンプレート層１３６の上面１３８は、制御された又は所定の形状をテンプレート層１３６の上に堆積される層に与えることができる。例えば、テンプレート層１３６の所定のパターン又は配列は、テンプレート層１３６の上に堆積される１つ又はそれ以上の層において再現することができる。例えば、下部電極１１４、半導体層スタック１１６及び／又は上部電極１１８の１つ又はそれ以上は、テンプレート層１３６の形状に対応する、適合する、又は、一致する形状を有していてもよい。テンプレート層１３６は、光散乱、光集束、及び、半導体層スタック１１６における光の吸収を増大させる形状を有することができる。
図２は、図１に示されている一実施形態によるＰＶ電池１０２の図１の線２−２に沿った断面図である。上述したように、ＰＶ電池１０２は、基材１１２の反対側であるＰＶ電池１０２の側１２４からＰＶ電池１０２が光を受け取るという点において基材形態太陽電池である。基材１１２は、ＰＶ電池１０２の他のフィルム又は層を堆積させる堆積面である。基材１１２は、絶縁性若しくは導電性の材料を含んでいてもよいし、又は、該材料から形成されてもよい。一実施形態において、基材１１２は、フロートガラス又はホウケイ酸塩ガラスのようなガラスから形成される。他の一実施形態において、基材１１２は、ソーダ石灰フロートガラス、低鉄フロートガラス、又は、少なくとも１０重量パーセントの酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を含むガラスから形成することができる。他の一実施形態において、基材１１２は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又は酸化アルミニウム（アルミナ、又はＡｌ２Ｏ３）のようなセラミックから形成される。他の一実施形態において、基材１１２は、金属又は金属合金のような導電性材料から形成される。例えば、基材１１２は、ステンレススチール、アルミニウム、チタン、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、及び、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などから形成することができる。
テンプレート層１３６は、基材１１２の上に堆積させるものである。テンプレート層１３６は、下部電極１１４、半導体層スタック１１６及び／又は上部電極１１８の堆積中にテンプレート層１３６が受ける温度に耐えることができる絶縁性又は導電性の材料を含んでいてもよいし、又は、該材料から形成されてもよい。テンプレート層１３６は、例えば、少なくとも摂氏２００度の温度に耐えることができる材料から作ることができる。他の一実施形態において、テンプレート層１３６は、少なくとも摂氏４００度の温度に耐える必要がある場合もある。
基材１１２の上に堆積され、次に、入射光を反射する構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）のような形状構造物にエッチングされる非晶質シリコンからテンプレート層１３６を形成することができる。テンプレート層１３６の反応性イオンエッチングを使用してテンプレート層１３６をエッチングすることができる。テンプレート層１３６の領域がエッチングされるのを防止し、また、テンプレート層１３６の中の構造３００、４００、５００を形成するために、エッチマスクをテンプレート層１３６の上に置いてもよい。単なる例として、下部電極１１４を堆積させる前に、テンプレート層１３６の上に、球形のような二酸化ケイ素構造体を堆積させることができる。その後、その構造体によって覆われたテンプレート層１３６の領域が除去されるのを防ぎながら、二酸化ケイ素物と一緒にテンプレート層１３６をエッチングすることができる。
他の一例において、テンプレート層１３６は、スパッタリングなどによって基材１１２の上に金属又は金属合金の層を堆積させて、次に、金属又は金属合金の層を陽極処理することによって形成することができる。一実施形態において、テンプレート層１３６は、基材１１２の上にアルミニウム及びタンタルをスパッタリングし、次に、テンプレート層１３６において構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）を形成するためにアルミニウム及びタンタルを陽極処理することによって堆積される。酸を含む水槽に基材１１２及びテンプレート層１３６を入れることによって、テンプレート層１３６を陽極処理することができる。テンプレート層１３６と水槽に入れる導電性部材との間に電圧差を適用する。正電圧をテンプレート層１３６に加え、負電圧を導電性部材に加える。電圧差によって、導電性部材又はカソードにおいて水素が放出され、テンプレート層１３６又はアノードにおいて酸素が放出される。テンプレート層１３６の上に酸化アルミニウムを形成することができる。水槽中の酸は、酸化アルミニウムの少なくとも一部を溶解させることによって、構造３００、４００、５００を形成することができる。テンプレート層１３６を酸槽にさらに沈めることによって、テンプレート層１３６の酸化アルミニウムをさらにエッチングすることができ、また、構造３００、４００、５００を決定することができる。構造３００、４００、５００の形状及び／又は大きさを制御するために、テンプレート層１３６の陽極酸化に関与する１つ又はそれ以上のパラメータを変えることができる。例えば、電圧差を適用しながらテンプレート層１３６を水槽に沈める時間、水槽中の酸の種類、電圧差の強度、及び／又は、陽極処理の後に酸エッチングが生じる時間は、以下に記載されている構造３００、４００、５００の１つ又はそれ以上の大きさ及び／又は形状を変化させることができる。
他の一実施形態においては、基材１１２に静電荷を適用し、次に、反対に帯電した粒子を含む雰囲気下に基材１１２を置くことによって、テンプレート層１３６を堆積させる。基材１１２に適用される電荷は、その粒子を基材１１２に引き寄せて、その粒子を基材の上に堆積させることによってテンプレート層１３６の構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）を形成することができる。テンプレート層１３６を形成する粒子は、テンプレート層１３６の上に粘着層を塗布することによって適所に保持されることができる。代替的に、この粒子は、基材１１２及び粒子のアニーリングによって適所に保持されるようにしてもよい。静電荷を使用して堆積する粒子の例は、以下に限定されないが、ファセットセラミックス、及び、ダイヤモンド形状の材料を含む。例えば、この粒子は、炭化ケイ素、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ダイヤモンド、及び、化学蒸着されたダイヤモンド（ＣＶＤ）を含んでいてもよいし、又は、これらから形成されてもよい。
テンプレート層１３６は、ＰＶ電池１０２における電圧差を作るＰＶ電池１０２の層及び／又はＰＶ電池１０２によって生じた電流を運ぶＰＶ電池１０２の層と分離されていてもよい。例えば、テンプレート層１３６は、電極１１４、１１８のいずれかから又はいずれかへ電圧又は電流を伝送する導電層でなくてもよく、また、テンプレート層１３６は、入射光がテンプレート層１３６にぶつかるときに電子及び／又は孔を生じさせる層でなくてもよい。代替的に、テンプレート層１３６は、下部電極１１４の一部を形成してもよい。例えば、テンプレート層１３６は、テンプレート層１３６の上に堆積された下部電極１１４と電気的に結合された反射性導電性材料を含んでいてもよい。
図１に示されているように、テンプレート層１３６が、ＰＶ装置１００（図１に示されている）の中の隣接する電池１０２間で電流を通さない絶縁性又は誘電性の材料である実施形態においては、テンプレート層１３６が複数の隣接する電池１０２の間に連続的に延在していてもよい。代替的に、テンプレート層１３６が電流を通す場合には、隣接する複数の電池１０２の下部電極１１４を電気的に分離するために、隣接する電池１０２の間に位置するテンプレート層１３６の一部分を除去することができる。例えば、テンプレート層１３６が金属若しくは金属合金を含むか、又は、金属若しくは金属合金から形成される場合には、その後に、１つの電池１０２の下部電極１１４から及びテンプレート層１３６を通って、隣接する電池１０２の下部電極１１４へ電流が流れないことを保証するために、複数の電池１０２の間においてテンプレート層１３６をエッチングすることができる。
基材１１２が導電性材料である実施形態においては、テンプレート層１３６を、複数の隣接する電池１０２の間に連続的に延在する絶縁性の又は誘電性の材料として、基材１１２の上に堆積させることができる。例えば、基材１１２が金属又は金属合金を含む場合には、複数の電池１０２の間においてテンプレート層１３６をエッチング又は除去しなくてもよい。代替的に、基材１１２及びテンプレート層１３６のいずれもが導電性材料である場合には、導電性基材１１２と伝導性テンプレート層１３６との間に、さらなる絶縁膜を置いてもよい。例えば、基材１１２及びテンプレート層１３６のいずれもが金属又は金属合金を含む場合には、テンプレート層１３６を堆積させる前に、材料の絶縁層を基材１１２の上に堆積させることができる。さらなる絶縁層は、テンプレート層１３６において伝送される電流を基材１１２の中へ直接的に連結する導電性経路が存在しないように、基材１１２からテンプレート層１３６を電気的に分離する。テンプレート層１３６が隣接する複数の電池１０２の下部電極１１４の間に延在する導電性経路を確立するのを防ぐために、上述したのと同様に、複数の電池１０２の間においてテンプレート層１３６を除去することができる。
一実施形態において、テンプレート層１３６は、少なくとも部分的に不透明である。例えば、テンプレート層１３６は、光がテンプレート層１３６を通って光として通過させないものであってもよい。テンプレート層１３６は光反射性であってもよい。例えば、テンプレート層１３６は、反射性材料から形成されてもよいし、又は、入射光を反射する反射性材料の上部フィルム若しくは層を含んでいてもよい。例えば、テンプレート層１３６は、テンプレート層１３６と下部電極１１４との間の界面において上面１３８の上に反射性の銀（Ａｇ）の層又はフィルムを有していてもよい。そのような伝導性かつ反射性の層又はフィルムを下部電極１１４に電気的に連結させることができる。
他の一実施形態において、テンプレート層１３６は非反射性層である。下部電極１１４に制御された又は所定の形状を与えるために、非反射性テンプレート層１３６を堆積させることができる。例えば、下部電極１１４は、光に対して反射性であってもよい。反射性下部電極１１４がテンプレート層１３６と同一の又は略同一の形状を有するように、下部電極１１４をテンプレート層１３６の上に堆積させる。その後、テンプレート層１３６が光に対して反射性である場合には、成形された下部電極１１４は、テンプレート層１３６と同様に、入射光を反射及び散乱することができる。一実施形態において、下部電極１１４は、テンプレート層１３６の上に堆積させた伝導性反射層２００と、反射層２００の上に堆積させた透明導電層２０２とを含む。例えば、反射層２００は、電流を通す導電性の層又はフィルムであってもよく、入射光を半導体層スタック１１６の中へ戻すように反射することができる。単なる例として、反射層２００は、銀、アルミニウム、銀合金若しくはアルミニウム合金を含んでいてもよいし、又は、これらから形成されてもよい。様々な厚さで反射層２００を堆積させることができる。例えば、約１００〜３００ナノメートルの厚さで反射層２００を堆積させることができる。
導電層２０２は、半導体層スタック１１６に電気的接触を与える。例えば、半導体層スタック１１６において生成される電子又は孔は、導電層２０２へ伝送されることができる。導電層２０２は、導電層２０２が導電性材料を含むか又は導電性材料から形成され、少なくとも光の一部が導電層２０２を通過するようにできるという点において、「透明な」導電層と呼ばれる。「透明な」という用語の使用は、導電層２０２を、光に対して完全に透明な材料に限定するように意図するものではない。単なる例として、導電層２０２は、アルミニウムをドープした酸化亜鉛、酸化亜鉛、及び、インジウムスズ酸化物の１つ若しくはそれ以上を含んでいてもよいし、又は、これらの１つ若しくはそれ以上から形成されたものであってもよい。
導電層２０２は、半導体層スタック１１６と反射層２００との間に、化学的及び／又は光学的緩衝を提供する緩衝層として作用することができる。例えば、導電層２０２は、反射層２００と半導体層スタック１１６との間のドーパント及び／又は不純物の拡散を阻害又は予防する化学的緩衝を与えることができる。
導電層２０２は、光の１つ又はそれ以上の波長に調整された厚さを有する光学的緩衝を与えることができる。例えば、半導体層スタック１１６の中へ戻るように反射する光の波長に基づいて、反射層２００と半導体層スタック１１６との間に延在する導電層２０２の厚さを変更することができる。反射光線中の光子のエネルギーは、光の波長に基づく。したがって、半導体層スタック１１６の中へ戻るように反射する光の光子の少なくとも一部のエネルギーを制御するために、所定の波長が、光の他の波長と比較してより大きな光量で半導体層スタック１１６の中へ戻るように反射するように、導体層２０２の厚さを設定することができる。所定の波長を有する反射光線の量を増幅させるように導体層２０２の厚さを調整することによって、半導体層スタック１１６において生成される電子／孔ペアの量を増加させることができる。単なる例として、導電層２０２のための典型的な厚さ範囲は、５０〜５００ナノメートルであってもよい。
半導体層スタック１１６は、シリコンのような半導体材料の１つ以上の層又はフィルムを含んでいてもよい。代替的に、半導体層スタック１１６は、テルル化カドミウム、カドミウム、インジウム、ガリウム、及び、セレンなどを含んでいてもよいし、又は、これらから形成されてもよい。半導体層スタック１１６は、１つのＰ−Ｉ−Ｎ若しくはＮ−Ｉ−Ｐタイプの接合、又は、２つ以上のＰ−Ｉ−Ｎ若しくはＮ−Ｉ−Ｐ接合を有するタンデム構造を含んでいてもよい。例えば、半導体層スタック１１６は、互いの上に堆積させたｐ−ドープシリコン、真性シリコン、及び、ｎ−ドープシリコンのフィルムを含んでいてもよい。半導体層スタック１１６における半導体材料は、無晶形若しくは微晶質又はこれらの組み合わせであってもよい。
上部電極１１８は、半導体層スタック１１６の上に堆積させるものである。上部電極１１８は、光が上部電極１１８を通過できるようにし、かつ、ＰＶ装置１００（図１に示されている）の内部で電流が通れるようにすることもできる「透明な」導電性の材料を含むか又は該材料から形成される。「透明な」という用語の使用は、上部電極１１８を、光に対して完全に透明な材料に限定するように意図するものではない。単なる例として、上部電極１１８は、アルミニウムをドープした酸化亜鉛、酸化亜鉛、及び、インジウムスズ酸化物の１つ以上を含んでいてもよいし、又は、これらの１つ以上から形成することもできる。
図２に示されているように、テンプレート層１３６は、テンプレート層１３６の上に堆積させる層に形状を与えることができる。例えば、テンプレート層１３６のピーク及び谷は、下部電極１１４、半導体層スタック１１６及び／又は上部電極１１８において再現することができる。上部電極１１８は、テンプレート層１３６に対応し、かつ、テンプレート層１３６に基づいた凹凸パターンを有していてもよい。凹凸状の上部電極１１８は、反射防止特性を生じさせ、より多量の入射光を補足することができる。例えば、凹凸状の上部電極１１８は、上部電極１１８によって半導体層スタック１１６から遠ざかるように反射されるよりも、より多量の光が上部電極１１８を通って半導体層スタック１１６の中へ通過することができるようにする。上部電極１１８、半導体層スタック１１６及び下部電極１１４を通過し、かつ、基材１１２に対して垂直な又はほとんど垂直な入射光は、テンプレート層１３６の種々の構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）に反射して、半導体層スタック１１６の中へ戻ることができる。同様に、鋭角又はかすめるような角度で上部電極１１８に入射する光は、より高い可能性で上部電極１１８に存在する１つ以上の構造３００、４００、５００に衝突することができる。構造３００、４００、５００は、斜めに当たる光が半導体層スタック１１６から遠ざかるように反射されるのを防ぐことができる。むしろ、斜めに当たる光は、構造３００、４００、５００に衝突し、半導体層スタック１１６の中へ上部電極１１８を通過することができる。
粘着層１２０及びカバーシート１２２は、上部電極１１８の上に置かれるものである。テンプレート層１３６の１つ又はそれ以上のパラメータによって、テンプレート層１３６の形状を決定又は制御することができる。それらのパラメータは、ＰＶ電池１０２（図１に示されている）の活性層において補足される光の量を増加させるように制御される。例えば、半導体層スタック１１６（図１に示されている）を通過し、反射層２００（図２に示されている）及び／又はテンプレート層１３６から半導体層スタック１１６の中へ戻るように反射される光の量を増加させるために、テンプレート層１３６のパラメータを変化させることができる。
入射光の波長の望ましい範囲又は所定の範囲に対する光捕捉の量を増加させるために、テンプレート層１３６のパラメータを変化させることができる。例えば、半導体層スタック１１６の中の１つ以上の層又はフィルム１２６、１２８、１３０の結晶構造に基づいた制御されたピッチ、高さ、及び／又は、形状を有する三次元的な円錐、放物体及び／又はピラミッドを含む構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）を用いて、テンプレート層１３６を堆積させることができる。半導体層スタック１１６の非晶質シリコン層に対しては光の波長の可視領域において、又は、半導体層スタック１１６の微晶質のシリコン層に対しては光の波長の赤外線領域において、光の散乱及び吸収を増加させるために、これらのパラメータを変化させることができる。
ＰＶ電池１０２の内部の多重活性層における光散乱及び光の収集を高めるために、ＰＶ電池１０２において、複数の光散乱構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）、及び、構造３００、４００、５００のパターンを実施することができる。例えば、可視層における光散乱を強めるために、半導体層スタック１１６の非晶質活性層に隣接して、テンプレート層１３６において構造３００、４００、５００の１つのパターンを使用することができ、また、赤外線層における光散乱を強めるために、半導体層スタック１１６の微晶質活性層に隣接して、テンプレート層１３６において構造３００、４００、５００の第２パターンを使用することもできる。
図３〜図５は、いくつかの実施形態によるテンプレート層１３６の所定の形状を構築する種々の構造３００、４００、５００の例の二次元的表現を示す。テンプレート層１３６の上面１３８に、及び／又は、テンプレート層１３６の上に堆積若しくは提供される層に、所定の凹凸形状を与えるために、テンプレート層１３６において構造３００、４００、５００を作る。下部電極１１４に所望の凹凸又はパターンを与えるために、構造３００、４００、５００を、例えば、テンプレート層１３６の堆積中又はエッチング中に作成することができる。テンプレート層１３６は、テンプレート層１３６の全体にわたって繰り返された単一種の構造３００、４００、５００を含んでいてもよいし、又は、構造３００、４００及び／若しくは５００の２以上の組み合わせを含んでいてもよい。
図３に示されている構造３００は、テンプレート層１３６の上面１３８に沿った鋭いピークのように見えるので、ピーク構造３００と呼ばれる。ピーク構造３００は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、ピッチ３０４、過渡形状３０６及びベース幅（Ｗｂ）３０８を含む１つ又はそれ以上のパラメータによって定義される。ピーク構造３００は、図３に示されているように、基材１１２からの距離が長くなるにつれて幅が小さくなる形状として形成される。例えば、ピーク構造３００は、基材１１２に位置する又は基材１１２の近くに位置する底部３１０からいくつかのピーク３１２へと、大きさが小さくなる。構造３００は、図３の二次元図において三角形として表されているが、代替的に、三次元的にはピラミッド又は円錐の形状を有していてもよい。
ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２は、構造３００の間の過渡形状３０６からピーク３１２までの距離の平均値又は中央値を意味する。例えば、テンプレート層１３６を、ピーク３１２の底部３１０まで又は過渡形状３０６の領域まで、おおよそ平坦な層として堆積させることができる。ピーク３１２を形成するためにテンプレート層１３６を堆積し続けてもよい。底部３１０又は過渡形状３０６とピーク３１２との間の距離は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２であり得る。
ピッチ３０４は、ピーク構造３００のピーク３１２の間の距離の平均値又は中央値を意味する。ピッチ３０４は、２つ以上の方向においておおよそ同じであってもよい。例えば、ピッチ３０４は、基材１１２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。他の一実施形態において、ピッチ３０４は、様々な方向に沿って異なっていてもよい。代替的に、ピッチ３０４は、隣接する構造３００の上の他の同様の位置の間の距離の平均値又は中央値を意味してもよい。過渡形状３０６は、構造３００の間のテンプレート層１３６の上面１３８の一般的形状である。図示されている実施形態に示されているように、過渡形状３０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。代替的に、平坦なファセット形状は、三次元的に見たときに、円錐又はピラミッドであってもよい。ベース幅（Ｗｂ）３０８は、構造３００とテンプレート層１３６の底部３１０の間の界面において構造３００を横切る距離の平均値又は中央値である。ベース幅（Ｗｂ）３０８は、２つ以上の方向においておおよそ同じであってもよい。例えば、ベース幅（Ｗｂ）３０８は、基材１１２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。代替的に、ベース幅（Ｗｂ）３０８は、様々な方向に沿って異なっていてもよい。
図４は、一実施形態によるテンプレート層１３６の谷構造４００を示す。谷構造４００の形状は、図３に示されているピーク構造３００の形状とは異なるが、図３に関する上記パラメータの１つ又はそれ以上によって決定され得る。例えば、谷構造４００は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）４０２、ピッチ４０４、過渡形状４０６及びベース幅（Ｗｂ）４０８によって決定されることができる。谷構造４００は、上面１３８からテンプレート層１３６の方へ延在する凹部又はくぼみとして形成される。谷構造４００は、図４の二次元図において放物形を有するように示されているが、三次元的に円錐の形状、ピラミッドの形状、又は、放物線形状を有していてもよい。実施において、谷構造４００は、理想的な放物線の形状とわずかに異なっていてもよい。
一般に、谷構造４００は、上面１３８からテンプレート層１３６の中の下方に、かつ、基材１１２の中へ延在するくぼみを含む。谷構造４００は、過渡形状４０６の間に位置するテンプレート層１３６の低点４１０又は天底まで延在する。ピーク高さ（Ｈｐｋ）４０２は、上面４１２と低点４１０との間の距離の平均値又は中央値を表す。ピッチ４０４は、谷構造４００の同じ又は共通する位置間の距離の平均値又は中央値を意味する。例えば、ピッチ４０４は、谷構造４００の間に延在する過渡形状４０６の中央位置間の距離であってもよい。ピッチ４０４は、２つ以上の方向においておおよそ同じであってもよい。例えば、ピッチ４０４は、基材１１２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。他の一実施形態において、ピッチ４０４は、様々な方向に沿って異なっていてもよい。代替的に、ピッチ４０４は、谷構造４００の低点４１０間の距離を意味してもよい。代替的に、ピッチ４０４は、隣接する谷構造４００の上の他の同様の位置の間の距離の平均値又は中央値を意味してもよい。
過渡形状４０６は、谷構造４００の間の上面１３８の一般的形状である。図示されている実施形態に示されているように、過渡形状４０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。代替的に、平坦なファセット形状は、三次元的に見たときに、円錐又はピラミッドであってもよい。ベース幅（Ｗｂ）４０８は、隣接する谷構造４００の低点４１０間の距離の平均値又は中央値を意味する。代替的に、ベース幅（Ｗｂ）４０８は、過渡形状４０６の中央位置間の距離を意味してもよい。ベース幅（Ｗｂ）４０８は、２つ以上の方向においておおよそ同じであってもよい。例えば、ベース幅（Ｗｂ）４０８は、基材１１２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。代替的に、ベース幅（Ｗｂ）４０８は、様々な方向に沿って異なっていてもよい。
図５は、一実施形態によるテンプレート層１３６の円形構造５００を示す。円形構造５００の形状は、図３に示されているピーク構造３００及び図４に示されている谷構造４００の形状とは異なるが、図３及び図４に関する上記パラメータの１つ又はそれ以上によって決定されることができる。例えば、円形構造５００は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）５０２、ピッチ５０４、過渡形状５０６及びベース幅（Ｗｂ）５０８によって決定されることができる。円形構造５００は、テンプレート層１３６の底部フィルム５１０から上方に延在する、テンプレート層１３６の上面１３８の突部として形成される。円形構造５００は、おおよそ放物線又は円形の形状を有していてもよい。実施において、円形構造５００は、理想的な放物線の形状とわずかに異なっていてもよい。円形構造５００は、図５の二次元図において放物線として表されているが、代替的に、円形構造５００は、基材１１２から上方に離れるように延在する三次元的な放物体、ピラミッド又は円錐の形状を有していてもよい。
一般に、円形構造５００は、底部フィルム５１０から上方にかつ基材１１２から遠ざかるように、円形の高点５１２又は円形の頂点の方へ突出している。ピーク高さ（Ｈｐｋ）５０２は、底部フィルム５１０と高点５１２との間の距離の平均値又は中央値を意味する。ピッチ５０４は、円形構造５００の同じ又は共通する位置間の距離の平均値又は中央値を意味する。例えば、ピッチ５０４は、高点５１２の間の距離であってもよい。ピッチ５０４は、２つ以上の方向においておおよそ同じであってもよい。例えば、ピッチ５０４は、基材１１２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。代替的に、ピッチ５０４は、様々な方向に沿って異なっていてもよい。他の一例において、ピッチ５０４は、円形構造５００間に延在する過渡形状５０６の中央位置間の距離を意味してもよい。代替的に、ピッチ５０４は、隣接する円形構造５００の上の他の同様の位置の間の距離の平均値又は中央値を意味してもよい。
過渡形状５０６は、円形構造５００の間の上面１３８の一般的形状である。図示されている実施形態に示されているように、過渡形状５０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。代替的に、平坦なファセット形状は、三次元的に見たときに、円錐又はピラミッドであってもよい。ベース幅（Ｗｂ）５０８は、円形構造５００の両側の過渡形状５０６の間の距離の平均値又は中央値を意味する。代替的に、ベース幅（Ｗｂ）５０８は、過渡形状５０６の中央位置間の距離を意味してもよい。
一実施形態によると、構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４、及び／又は、ベース幅（Ｗｂ）３０８、４０８、５０８は、約４００ナノメートル〜約１５００ナノメートルである。代替的に、構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４は、約４００ナノメートルより小さくてもよいし、又は、約１５００ナノメートルより大きくてもよい。構造３００、４００、５００のピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、４０２、５０２の平均値又は中央値は、対応する構造３００、４００、５００についてのピッチ３０４、４０４、５０４の約２５％〜８０％であってもよい。代替的に、平均のピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、４０２、５０２は、ピッチ３０４、４０４、５０４に対して異なる比率であってもよい。ベース幅（Ｗｂ）３０８、４０８、５０８は、ピッチ３０４、４０４、５０４とおおよそ同じであってもよい。代替的に、ベース幅（Ｗｂ）３０８、４０８、５０８は、ピッチ３０４、４０４、５０４と異なっていてもよい。ベース幅（Ｗｂ）５０８は、２つ以上の方向においておおよそ同じであってもよい。例えば、ベース幅（Ｗｂ）５０８は、基材１１２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。代替的に、ベース幅（Ｗｂ）５０８は、様々な方向に沿って異なっていてもよい。
ＰＶ電池１０２（図１に示されている）が二重又は三重の接合電池１０２であるか、及び／又は、半導体層スタック１１６の中の半導体膜若しくは層のどれが電流制限層であるかに基づいて、テンプレート層１３６の構造３００、４００、５００のパラメータを変化させることができる。例えば、半導体層スタック１１６は、ドープ非晶質半導体層若しくはドープ微晶質半導体層の単一のＮ−Ｉ−Ｐスタック若しくは単一のＰ−Ｉ−Ｎスタックを含んでいてもよいし、又は、Ｎ−Ｉ−Ｐ及び／若しくはＰ−Ｉ−Ｎのドープ非晶質シリコン層若しくはドープ微晶質シリコン層の２つ以上のスタックを含んでいてもよい。上述されているパラメータの１つ又はそれ以上は、Ｎ−Ｉ−Ｐスタック及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタックの中の半導体層のどれが電流制限層であるかに基づくものであってもよい。例えば、Ｎ−Ｉ−Ｐスタック及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタックの層の１つ又はそれ以上は、光がＰＶ電池１０２にぶつかるときにＰＶ電池１０２によって生成される電流の量を制限することができる。構造３００、４００、５００のパラメータの１つ又はそれ以上は、これらの層のどれが電流制限層であるかに基づくものであってもよい。
一実施形態において、ＰＶ電池１０２（図１に示されている）が半導体層スタック１１６（図１に示されている）の中に微晶質シリコン層を含んでおり、その微晶質シリコン層が半導体層スタック１１６の電流制限層である場合には、微晶質シリコン層の下のテンプレート層１３６の中の構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４は、およそ５００ナノメートル〜１５００ナノメートルであってもよい。微晶質シリコン層は、約５００〜１５００ナノメートルの波長を有する赤外線に相当するエネルギーバンドギャップを有する。例えば、構造３００、４００、５００は、ピッチ３０４、４０４、５０４が５００〜１５００ナノメートルの波長におおよそ一致するときに、５００〜１５００ナノメートルの波長を有する赤外線をより多く反射することができる。構造３００、４００、５００の過渡形状３０６、４０６、５０６は、平坦なファセットであってもよく、また、ベース幅（Ｗｂ）３０８、４０８、５０８は、ピッチ３０４、４０４、５０４の６０％から１００％であってもよい。ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、４０２、５０２は、ピッチ３０４、４０４、５０４の２５％から７５％の間であってもよい。例えば、ピッチ３０４、４０４、５０４に対するピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、４０２、５０２のある比率は、構造３００、４００、５００に、他の比率と比べて半導体層スタック１１６の中へより多くの光を戻すように反射する散乱角を与えることができる。
他の一例において、ＰＶ電池１０２が上下に積層された縦列の２つの半導体層スタック１１６を含み、１つの層スタック１１６が非晶質の半導体層であり、他の１つの層スタック１１６が微晶質の半導体層である場合には、層スタック１１６のどれが電流制限スタックであるかに基づいて、テンプレート層１３６のためのピッチ３０４、４０４、５０４の範囲を変えることができる。ＰＶ電池１０２が、非晶質のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎドープ半導体層スタック１１６の上に堆積した微晶質のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ半導体層スタック１１６を含む二重接合微晶質シリコン／非晶質シリコンタンデム電池であり、かつ、微晶質半導体層スタック１１６が電流制限層であるとき、ピッチ３０４、５０４、６０４は、およそ５００〜１５００ナノメートルであってもよい。対照的に、非晶質半導体層スタック１１６が電流制限層であるとき、ピッチ３０４、４０４、５０４は、およそ３５０〜１０００ナノメートルであってもよい。
Ｎ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ半導体膜の単一の半導体層スタック１１６を含むＰＶ電池１０２（図１に示されている）について、半導体層スタック１１６（図１に示されている）の結晶特性又は構造に基づいて、構造３００、４００、５００のパラメータの１つ又はそれ以上を変化させてもよい。例えば、半導体層スタック１１６の中に非晶質シリコン層の単一のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのスタックを含むＰＶ電池１０２において、テンプレート層１３６は、ピッチ３０４、４０４、５０４が約５００ナノメートルである構造３００、４００、５００を有していてもよい。構造３００、４００、５００の過渡形状３０６、４０６、５０６は、平坦な面であってもよく、また、ベース幅（Ｗｂ）３０８、４０８、５０８は、約５００ナノメートルであってもよい。高さ（Ｈｐｋ）３０２、４０２、５０２は、約２５０ナノメートルであってもよい。他の例として、半導体層スタック１１６の中に微晶質シリコン層の単一のＮ−Ｉ−Ｐスタック又はＰ−Ｉ−Ｎスタックを含むＰＶ電池１０２において、テンプレート層１３６は、ピッチ３０４、４０４、５０４が約１０００ナノメートルのよりも大きい構造３００、４００、５００を有していてもよい。構造３００、４００、５００の過渡形状３０６、４０６、５０６は、平坦な面であってもよく、また、ベース幅（Ｗｂ）３０８、４０８、５０８は、約１０００ナノメートルのようにさらに大きくてもよい。高さ（Ｈｐｋ）３０２、４０２、５０２は、約５００ナノメートルであってもよい。
図６は、他の実施形態による、複数のテンプレート層６０４、６１４を含むＰＶ電池６００の断面図である。ＰＶ電池６００は、ＰＶ装置１００（図１に示されている）を形成するためにいくつかのＰＶ電池６００を電気的に接続することができるという点において、ＰＶ電池１０２（図１に示されている）に類似していてもよい。ＰＶ電池６００は、基材１１２（図１に示されている）に類似していてもよい基材６０２と、テンプレート層１３６（図１に示されている）に類似していてもよい下部テンプレート層６０４と、下部電極１１４（図１に示されている）に類似していてもよい下部電極６０６と、半導体層スタック１１６（図１に示されている）に類似していてもよい下部半導体層スタック６０８とを含む。下部電極６０６は、下部電極１１４の反射層２００及び導電層２０２（図２に示されている）に類似していてもよい反射層６１０及び導電層６１２を含んでいてもよい。
ＰＶ電池６００は、下部半導体層スタック６０８の上に接して又は該スタックよりも上に堆積された上部テンプレート層６１４を含む。本明細書に記載されている技術を使用して、構造３００、４００、及び／又は、５００（図３乃至図５に示されている）の１つ又はそれ以上を含むように、上部テンプレート層６１４を堆積させることができる。図６に示されているように、テンプレート層６０４、６１４の中の構造３００、４００、５００のパターンは、互いに異なるものであってもよい。例えば、構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４（図３乃至図５に示されている）は、上部テンプレート層６１４よりも、下部テンプレート層６０４においてさらに大きくてもよい。
上部半導体層スタック６１６は、上部テンプレート層６１４の上に堆積させるものである。上部半導体層スタック６１６は、上部半導体層スタック６１６がＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープされた非晶質又は微晶質の半導体層スタックを含んでいてもよいという点において、半導体層スタック１１６（図１に示されている）に類似していてもよい。一実施形態において、下部半導体層スタック６０８は、微晶質半導体層のＮ−Ｉ−Ｐスタック又はＰ−Ｉ−Ｎスタックであるが、上部半導体層スタック６１６は、非晶質半導体層のＮ−Ｉ−Ｐスタック又はＰ−Ｉ−Ｎスタックである。上部テンプレート層６１４及び下部テンプレート層６０４のそれぞれの中の構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）を決定するパラメータは、テンプレート層６１４及び６０４の上に堆積される半導体層スタック６１６、６０８に適合するものであってもよい。例えば、上部テンプレート層６１４の中の構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４（図３乃至図５に示されている）は、下部テンプレート層６０４の中の構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４より小さくてもよい。上述したように、各テンプレート層６０４、６１４の中の構造３００、４００、５００のピッチ３０４、４０４、５０４は、対応する半導体層スタック６０８、６１６において補足されるか又は電子を励起するために使用される光の波長に基づいたものであってもよい。
上部電極１１８（図１に示されている）に類似していてもよい上部電極６１８を、上部半導体層スタック６１６の上に堆積させることができる。粘着層１２０（図１に示されている）に類似する粘着層６２０を、上部電極６１８の上に堆積させることができる。カバーシート１２２（図１に示されている）に類似するカバーシート６２２を、粘着層６２０の上に置くことができる。
図７は、他の実施形態による、凹凸電極７０４を有するＰＶ電池７００の断面図である。ＰＶ電池７００は、ＰＶ装置１００（図１に示されている）を形成するために、いくつかのＰＶ電池７００を電気的に接続することができるという点において、ＰＶ電池１０２（図１に示されている）に類似していてもよい。ＰＶ電池７００は、基材１１２（図１に示されている）に類似していてもよい基材７０２を含む。テンプレート層７０４は、基材７０２の上に堆積させるものであり、また、上記構造３００、４００、５００（図３乃至図５に示されている）の１つ又はそれ以上を含むように成形されたものであってもよい。図示されている実施形態において、テンプレート層７０４は、基材７０２の上に堆積させた反射層７０６と、反射層７０６の上に堆積させた導電層７０８とを含む。反射層７０６は、入射光を反射する金属若しくは金属合金を含んでいてもよいし、又は、入射光を反射する金属若しくは金属合金から形成されてもよい。導電層２０２（図２に示されている）及び６１２（図６に示されている）の材料の１つ又はそれ以上のように、光透過性であり、かつ、導電性の材料から導電層７０８を形成することができる。反射層７０６と導電層７０８とは、電気的に連結されていてもよく、ＰＶ電池７００のための下部電極として機能することができる。半導体層スタック１１６（図１に示されている）に類似していてもよい半導体層スタック７１０を、テンプレート層７０４の上に堆積させる。
反射層７０６は、おおよそ平滑な層として堆積させたものであってもよい。導電層７０８は、波形の上面７１８を有するように堆積及び／又はエッチングされたものであってもよい。テンプレート層１３６（図１に示されている）の上面１３８（図１に示されている）と類似して、導電層７０８の上面７１８は、反射層７０６に対する入射光を散乱するために、構造３００、４００及び／又は５００（図３乃至図５に示されている）の１つ又はそれ以上の所定のパターン又は配列を有していてもよい。下部電極７０４の上に堆積させた半導体層スタック７１０を通過する入射光は、少なくとも一部が半導体層スタック７１０の中へ戻すように反射されることができる。光の一部は、導電層７０８を通過し、反射層７０６に反射されることができる。入射光が導電層７０８の構造３００、４００、５００にぶつかる角度に依存して、光は、半導体層スタック７１０と導電層７０８との間の界面を超えるときに進路が変化することができる。例えば、入射光は、半導体層スタック７１０を通過し、基材７０２の表面に対して垂直な方向の経路に沿って導電層７０８に達することができる。光が導電層７０８の構造３００、４００、５００にぶつかる角度に基づいて、光は、導電層７０８を通過し、斜めの角度で反射層７０６にぶつかることができる。その後、光は、導電層７０８を通って、かつ、最初にその光が半導体層スタック７１０を通過したのとは異なる角度で、半導体層スタック７１０の中へ戻るように反射される。反射光が半導体層スタック７１０を戻るように通過する角度を変化させることは、半導体層スタック７１０において捕捉される光又は電子を励起する光の量を増加させることができる。
上部電極１１８（図１に示されている）に類似していてもよい上部電極７１２は、半導体層スタック７１０の上に堆積させることができる。粘着層１２０（図１に示されている）に類似する粘着層７１４は、上部電極７１２の上に堆積させることができる。カバーシート１２２（図１に示されている）に類似するカバーシート７１６は、粘着層７１４に置くことができる。
図８は、他の実施形態による、不連続層で形成された凹凸テンプレート層８０４を有するＰＶ電池８００の断面図である。ＰＶ電池８００は、ＰＶ装置１００（図１に示されている）を形成するために、いくつかのＰＶ電池８００を電気的に接続することができるという点において、ＰＶ電池１０２（図１に示されている）に類似していてもよい。ＰＶ電池８００は、基材１１２（図１に示されている）に類似していてもよい基材８０２を含む。
テンプレート層８０４は、基材８０２の上に堆積させるものである。テンプレート層８０４は、反射層８０６及び凹凸層８０８を含む。反射層８０６は、反射層７０６（図７に示されている）に類似していてもよい。例えば、反射層８０６は、基材８０２の上に堆積させた反射性の金属又は金属合金であってもよい。凹凸層８０８は、規則的なものであってもよいし、又は、反射層８０６の上に堆積させた不連続な島状構造体８１２の配列であってもよい。図８に示されているように、凹凸層８０８の島状構造体８１２は、互いに不連続で分離していてもよいし、又は、互いに連続していてもよい。反射層８０６の上に誘電性粒子及び／又は導電性粒子を堆積させることによって、凹凸層８０８を形成することができる。構造３００、４００及び／又は５００（図３乃至図５に示されている）の１つ又はそれ以上を形成するように、粒子をサイズ調整し及び／又は反射層８０６の上に置く。
下部電極８１０は、凹凸層８０８の上だけに、又は、図８に示されているように凹凸層８０８及び反射層８０６の上に堆積させる。下部電極８１０は、下部電極１１４（図１に示されている）の導電層１２２（図１に示されている）に類似していてもよい。一実施形態において、下部電極８１０は、例えば、光透過性導電性材料を含むか又は該材料から形成される。下部電極８１０は、凹凸層８０８の島状構造体８１２の間の伝導性反射層８０６と接触して電気的に連結されていてもよい。島状構造体８１２が伝導性である場合には、下部電極８１０は、島状構造体８１２及び反射層８０６と電気的につながっていてもよい。
半導体層スタック１１６（図１に示されている）に類似する半導体層スタック８１４は、下部電極８１０に堆積させる。上部電極１１８（図１に示されている）に類似していてもよい上部電極８１６は、半導体層スタック８１４の上に堆積させることができる。粘着層１２０（図１に示されている）に類似する粘着層８１８は、上部電極８１６の上に堆積させることができる。カバーシート１２２（図１に示されている）に類似するカバーシート８２０は、粘着層８１８に置くことができる。
図９は、他の実施形態による凹凸基材９０２を有するＰＶ電池９００の断面図である。ＰＶ電池９００は、ＰＶ装置１００（図１に示されている）を形成するために、いくつかのＰＶ電池９００を電気的に接続することができるという点において、ＰＶ電池１０２（図１に示されている）に類似していてもよい。ＰＶ電池９００は、基材１１２（図１に示されている）と同一又は類似の材料を含み得る又は該材料から形成され得る凹凸基材９０２を含む。図示されている実施形態における基材９０２は、基材９０２が、構造３００、４００及び／又は５００（図３乃至図５に示されている）に類似していてもよい１つ又はそれ以上の凹凸形状を含むことに不可欠なテンプレート層を含む。一実施形態において、基材９０２は、おおよそ平坦な層として堆積され、次に、構造３００、４００及び／又は５００を形成するためにエッチングされる。単なる例として、基材９０２は、基材９０２を酸槽に暴露させることによって、及び／又は、粒子を基材９０２に衝突させることによってエッチングすることができる。一実施形態において、基材９０２は、所定のグリットブラスト材料、粒径、粒子速度、及び／又は、望ましい構造３００、４００、５００をベースとした基材９０２に粒子がぶつかる角度により、グリットブラストされる。
基材９０２が望ましい凹凸及び構造３００、４００及び／又は５００（図３乃至図５に示されている）を有する時点で、基材９０２の上に下部電極９０４を提供する。下部電極９０４は、下部電極１１４（図１に示されている）に類似していてもよく、また、反射層２００及び導電層２０２（図２に示されている）に類似する反射層９０６及び導電層９０８を含んでいてもよい。半導体層スタック１１６（図１に示されている）に類似する半導体層スタック９１０は、下部電極９０４の上に提供される。上部電極１１８（図１に示されている）に類似する上部電極９１２は、半導体層スタック９１０の上に堆積させる。粘着層１２０（図１に示されている）に類似する粘着層９１４は、上部電極９１２の上に堆積させることができる。カバーシート１２２（図１に示されている）に類似するカバーシート９１６を粘着層９１２の上に置くことができる。
図１０は、ＰＶ装置に凹凸テンプレート層を与えるための一実施形態による方法１０００のフローチャートである。１００２において基材を提供する。例えば、基材１１２（図１に示されている）を提供することができる。１００４において、基材の上にテンプレート層を堆積させる。例えば、基材１１２の上にテンプレート層１３６（図１に示されている）を配置することができる。上述したように、光を半導体層スタックの中へ戻すように散乱及び／又は反射するために、テンプレート層は、テンプレート層の上に堆積される１つ又はそれ以上の層に所定の凹凸パターンを与える。
１００６においてテンプレート層の上に下部電極を提供する。例えば、テンプレート層１３６（図１に示されている）の上に下部電極１１４（図１に示されている）を堆積させることができる。１００８において、下部電極１１４の上に、半導体層スタック１１６（図１に示されている）のような１つ又はそれ以上の半導体層スタックを堆積させる。
１０１０において、半導体層スタックの上に上部電極を提供する。一実施形態においては、半導体層スタック１１６（図１に示されている）の上に上部電極１１８（図１に示されている）を堆積させる。１０１２において、ＰＶ装置を密封するために、上部電極の上に接着剤を置き、その接着剤の上にカバーシートを提供する。例えば、上部電極１１８の上に、粘着層１２０（図１に示されている）及びカバーシート１２２（図１に示されている）を提供することができる。
図１１は、ＰＶ装置に複数の凹凸テンプレート層を与えるための一実施形態による方法１１００のフローチャートである。１１０２において基材を提供する。例えば、基材６０２（図６に示されている）を提供することができる。１１０４において、基材の上に第１のテンプレート層を堆積させる。例えば、基材６０２上に下部テンプレート層６０４（図６に示されている）を配置することができる。上述したように、下部テンプレート層は、下部テンプレート層の上に堆積させた半導体層スタックの中へ光を戻すように散乱及び／又は反射するように、そのテンプレート層の上に堆積される１つ又はそれ以上の層に所定の凹凸パターンを与える。
１１０６において、下部テンプレート層の上に下部電極を提供する。例えば、下部テンプレート層６０４（図６に示されている）の上に下部電極６０６（図６に示されている）を堆積させることができる。１１０８において、下部電極６０６の上に、少なくとも１つの半導体層、又は、下部半導体層スタック６０８（図６に示されている）のような半導体層スタックを堆積させる。
１１１０において、下部半導体層スタックの上に第２のテンプレート層を提供する。例えば、下部半導体層スタック６０８（図６に示されている）の上に、上部テンプレート層６１４（図６に示されている）を堆積させることができる。１１１２において、第２のテンプレート層の上に上部半導体層スタックを堆積させる。一実施形態においては、上部テンプレート層６１４の上に上部半導体層スタック６１６（図６に示されている）を提供する。
１１１４において、第２の半導体層スタックの上に上部電極を提供する。一実施形態においては、上部半導体層スタック６１６（図６に示されている）の上に上部電極６１８（図６に示されている）を堆積させる。１１１６において、ＰＶ装置を密封するために、上部電極の上に接着剤を置き、その接着剤の上にカバーシートを提供する。例えば、上部電極６１８の上に粘着層６２０（図６に示されている）及びカバーシート６２２（図６に示されている）を提供することができる。
図１２は、ＰＶ装置に凹凸電極を与えるための一実施形態による方法１２００のフローチャートである。１２０２において基材を提供する。例えば、基材７０２（図７に示されている）を提供することができる。１２０４において、基材の上に反射層を堆積させる。例えば、基材７０２の上に反射層７０６を堆積させることができる。１２０６において、反射層の上に凹凸導電層を堆積させる。一実施形態においては、凹凸下部電極を形成するために、反射層７０６の上に凹凸導電層７０８を堆積させる。
１２０８において、反射層７０６（図７に示されている）及び凹凸導電層７０６（図７に示されている）を含む凹凸下部電極７０４（図７に示されている）の上に、半導体層スタック７１０（図７に示されている）のような１つ又はそれ以上の半導体層スタックを堆積させる。
１２１０において、半導体層スタックの上に上部電極を提供する。一実施形態においては、半導体層スタック７１０（図７に示されている）の上に上部電極７１２（図７に示されている）を堆積させる。１２１２において、ＰＶ装置を密封するために、上部電極の上に接着剤を置き、その接着剤の上にカバーシートを提供する。例えば、上部電極７１２の上に、粘着層７１４（図７に示されている）及びカバーシート７１６（図７に示されている）を提供することができる。
図１３は、不連続層で形成された凹凸テンプレート層をＰＶ装置に与えるための一実施形態による方法１３００のフローチャートである。１３０２において基材を提供する。例えば、基材８０２（図８に示されている）を提供することができる。１３０４において、基材の上に反射層を堆積させる。例えば、基材８０２の上に反射層８０６（図８に示されている）を堆積させることができる。１３０６において、反射層の上に凹凸層を提供する。一実施形態においては、反射層８０６の上に凹凸層８０８（図８に示されている）を堆積させる。反射層８０６及び凹凸層８０８とは、光を半導体層スタックの中へ戻すように反射する凹凸テンプレート層の不連続な複数層を形成する。
１３０８において、凹凸層及び／又は反射層の上に下部電極を提供する。上述したように、例えば、凹凸層８０８（図８に示されている）及び／又は反射層８０６（図８に示されている）の上に、下部電極８１０（図８に示されている）を堆積させることができる。１３１０において、下部電極８１０の上に、半導体層スタック８１４（図８に示されている）のような１つ又はそれ以上の半導体層スタックを堆積させる。
１３１２において、半導体層スタックの上に上部電極を提供する。一実施形態においては、半導体層スタック８１４（図８に示されている）の上に、上部電極８１６（図８に示されている）を堆積させる。１３１４において、ＰＶ装置を密封するために、上部電極の上に接着剤を置き、その接着剤の上にカバーシートを提供する。例えば、上部電極８１６の上に、粘着層８１８（図８に示されている）及びカバーシート８２０（図８に示されている）を提供することができる。
図１４は、ＰＶ装置に凹凸基材を与えるための一実施形態による方法１４００のフローチャートである。１４０２において凹凸基材を提供する。例えば、基材９０２（図９に示されている）を提供することができる。上述したように、基材９０２の上に堆積させるさらなる層に与えられる凹凸構造を提供するために、基材９０２をエッチングすることができる。
１４０４において、凹凸基材の上に下部電極を提供する。例えば、凹凸基材９０２（図９に示されている）の上に、下部電極９０４（図９に示されている）を堆積させることができる。１４０６において、下部電極９０４の上に、半導体層スタック９１０（図９に示されている）のような１つ又はそれ以上の半導体層スタックを堆積させる。
１４０８において、半導体層スタックの上に上部電極を提供する。一実施形態において、半導体層スタック９１０（図９に示されている）の上に、上部電極９１２（図９に示されている）を堆積させる。１４１０において、ＰＶ装置を密封するために、上部電極の上に接着剤を置き、その接着剤の上にカバーシートを提供する。例えば、上部電極９１２の上に、粘着層９１４（図９に示されている）及びカバーシート９１６（図９に示されている）を提供することができる。
方法１０００、１１００、１２００、１３００、１４００は、光が半導体層スタックの中へ戻るように反射するのを助ける１つ又はそれ以上の凹凸層を含むＰＶ装置を提供又は作成する様々な実施形態を記載する。ＰＶ装置を製造するために、方法１０００、１１００、１２００、１３００、１４００に記載されている操作と共に、さらなる操作、方法、プロセス及び／又はステップを実行することができる。例えば、製造するＰＶ装置に応じて、ＰＶ装置の隣接する複数のＰＶ電池の中の層を電気的に分離するために又は他の態様で分離するために、方法１０００、１１００、１２００、１３００、１４００において提供される１つ又はそれ以上の層をエッチングする必要がある場合もある。
上記説明が例示的であって限定的でないように意図されていることは理解されるであろう。例えば、上記実施形態（又はその態様）を互いに組み合わせて使用してもよい。さらに、特定の状態又は材料を本発明の教示に適合させるために、その範囲から外れることなく、多くの修正を行うことができる。寸法、材料の種類、様々な構成要素の方向、並びに、ここに記載されている様々な構成要素の数及び位置は、特定の実施形態のパラメータを定義するように意図されており、決して限定なものではなく、例示的実施形態に過ぎない。特許請求の範囲の精神及び範囲の内の他の多数の実施形態及び修正は、上記説明を参照した当業者に明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、そのような特許請求の範囲に権利付与される均等物の全範囲と共に、添付されている特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。添付されている特許請求の範囲において、「含む(including)」及び「ここで(in which)」という用語は、「含む(comprising)」及び「そこにおいて(wherein)」という各用語の平易な英語の同義語として使用されている。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の(first)」、「第２の(second)」及び「第３の(third)」などの用語は、単なるラベルとして使用されており、それらの対象物に数の要件を課すようには意図されていない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で記載されておらず、そのような特許請求の範囲の限定がさらなる構造を含まない機能の記述を後に伴う「〜のための方法(means for)」というフレーズを明示的に使用しない限り及び使用するまでは、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１２第６パラグラフに基づいて解釈されるようには意図されていない。

Claims (19)

  1. 基材と、
    前記基材の上に配置された半導体層スタックと、
    前記基材と前記半導体層スタックとの間の反射性導電性電極層と、
    前記基材と前記電極層との間の凹凸テンプレート層と含む光起電力電池であって、
    前記テンプレート層は、前記電極層に所定の形状を与える波形の上面を有し、
    前記電極層は、前記所定の形状に基づいて光を半導体層スタックの中へ戻すように反射することを特徴とする光起電力電池。
  2. 前記テンプレート層は、前記テンプレート層の波形の上面を提供するピーク構造、谷構造、又は、円形構造の１つ又はそれ以上の配列を含むこと特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  3. 前記基材から遠ざかるように突出するか又は前記基材の中へ凹む構造であって、隣接する前記構造間の所定のピッチ、所定のベース幅、又は、所定の高さの１つ又はそれ以上を有する構造によって、前記テンプレート層の波形の上面が決定されることを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  4. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さの１つ以上が、前記半導体層スタックの結晶構造に基づいていることを特徴とする請求項３に記載の光起電力電池。
  5. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さの１つ以上が、前記半導体層スタックの中へ戻るように反射する光の波長に基づいていることを特徴とする請求項３に記載の光起電力電池。
  6. 前記テンプレート層が下部テンプレート層であり、前記半導体層スタックが下部半導体層スタックであり、
    前記光起電力電池は、上部電極と下部半導体層スタックとの間の上部半導体層スタック、及び、下部半導体層スタックと上部半導体層スタックとの間の上部テンプレート層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  7. 互いに分離され、かつ、前記基材と前記下部電極との間に配置された複数の不連続な島状構造体が前記テンプレート層に含まれていることを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  8. 基材と、
    前記基材の上に配置された半導体層スタックと、
    前記基材と前記半導体層スタックとの間に配置された電極層とを含む光起電力電池であって、
    前記電極層が、反射層と光透過性導電性層とを含み、
    前記導電層が、入射光を反射層の中へ戻すように散乱させる波形の上面を含み、
    前記反射層は、光が前記導電層によって散乱された後に、その光を半導体層スタックの中へ戻すように反射することを特徴とする光起電力電池。
  9. 前記導電層が、波形の上面を提供するピーク構造、谷構造、又は、円形構造の１つ又はそれ以上の配列を含むことを特徴とする請求項８に記載の光起電力電池。
  10. 前記基材から遠ざかるように突出するか又は前記基材の中へ凹む構造であって、隣接する前記構造間の所定のピッチ、所定のベース幅、又は、所定の高さの１つ又はそれ以上を有する構造によって、前記波形の上面が決定されることを特徴とする請求項８に記載の光起電力電池。
  11. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さの１つ以上が、前記半導体層スタックの結晶構造に基づいていることを特徴とする請求項１０に記載の光起電力電池。
  12. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さの１つ又はそれ以上が、前記反射層によって前記半導体層スタックの中へ戻るように反射する光の波長に基づいていることを特徴とする請求項１０に記載の光起電力電池。
  13. 所定の波形の上面を有する基材と、
    前記基材の上に配置された半導体層スタックと、
    前記基材の上面と前記半導体層スタックとの間の反射性導電性電極層と、含む光起電力電池であって、
    前記基材の波形の上面が、前記電極層に所定の形状を与え、
    前記電極層が、前記所定の形状に基づいて光を前記半導体層スタックの中へ戻すように反射することを特徴とする光起電力電池。
  14. 前記基材が、前記基材の波形の上面を提供するピーク構造、谷構造、又は、円形構造の１つ又はそれ以上の配列を含むことを特徴とする請求項１３に記載の光起電力電池。
  15. 前記基材から遠ざかるように突出するか又は前記基材の中へ凹む構造であって、隣接する前記構造間の所定のピッチ、所定のベース幅、又は、所定の高さの１つ又はそれ以上を有する構造によって、前記基材の波形の表面が決定されることを特徴とする請求項１３に記載の光起電力電池。
  16. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さの１つ以上が、前記半導体層スタックの結晶構造に基づいていることを特徴とする請求項１５に記載の光起電力電池。
  17. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さは、前記半導体層スタックが微晶質層を含む場合に小さくなり、前記半導体層スタックが非晶質層を含む場合に大きくなることを特徴とする請求項１６に記載の光起電力電池。
  18. 前記構造のピッチ、ベース幅又は高さの１つ以上が、前記半導体層スタックの中へ戻るように反射する光の波長に基づいていることを特徴とする請求項１５に記載の光起電力電池。
  19. 前記半導体層スタックが、前記基材の上面に基づいた形状を有することを特徴とする請求項１３に記載の光起電力電池。
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