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(NaO)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(Si)又は酸化アルミニウム(アルミナ、又はAl)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(Al)、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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