JP2012522404A - 光起電モジュール、及び複数半導体層スタックを有する光起電モジュールを製造する方法 - Google Patents

光起電モジュール、及び複数半導体層スタックを有する光起電モジュールを製造する方法 Download PDF

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Abstract

一体的に統合された光起電モジュールを提供する。このモジュールは、電気絶縁基材と、その基材の上の微晶質シリコン層の下部スタックと、その下部スタックの上の非晶質シリコン層の中間スタックと、その中間スタックの上の非晶質シリコン層の上部スタックと、その上部スタックの上の光透過カバー層とを含む。下部スタック、中間スタック及び上部スタックのそれぞれによって入射光の異なるスペクトルが吸収されるように、下部スタック、中間スタック及び上部スタックのそれぞれのエネルギーバンドギャップが互いに異なる。
【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００９年６月１０日に提出された「タンデム型半導体層スタックを有する光起電装置（Photovoltaic Devices Having Tandem Semiconductor Layer Stacks）」と題された同時係属中の米国仮特許出願シリアルナンバー６１／１８５，７７０（７７０出願）、２００９年６月３０日に提出された「複数の半導体層スタックを有する光起電装置（Photovoltaic Devices Having Multiple Semiconductor Layer Stacks）」と題された同時係属中の米国仮特許出願シリアルナンバー６１／２２１，８１６（８１６出願」）、及び、２００９年８月３日に提出された「複数の半導体層スタックを有する光起電装置（Photovoltaic Devices Having Multiple Semiconductor Layer Stacks）」と題された同時係属中の米国仮特許出願シリアルナンバー６１／２３０，７９０（７９０出願）の非仮特許出願であり、これらの特許出願の優先権利益を主張する。７７０出願、８１６出願及び７９０出願の全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれている。
本明細書に記載されている主題は光起電装置に関する。いくつかの既知の光起電装置は、シリコンの薄膜の活性部分を有する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活性シリコン膜の中へ進む。光がシリコン膜に吸収されれば、光はそのシリコンの中で電子及び孔を生じさせることができる。この電子及び孔は、モジュールから取り出して外部の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。
光の中の光子は、シリコン膜中の電子を励起し、シリコン膜中の原子から電子を分離させる。光子が電子を励起して膜中の原子から電子を分離させるためには、光子は、シリコン膜中のエネルギーバンドギャップを超えるエネルギーを有していなければならない。光子のエネルギーは、膜に入射する光の波長と関連がある。したがって、光は、膜のエネルギーバンドギャップ及び光の波長に応じてシリコン膜に吸収される。
いくつかの既知の光起電装置は、互いに重なるように、かつ、下部電極と上部電極との間に堆積させた２組以上のシリコン膜を含むタンデム型層スタックを含む。膜の異なる組は、異なるエネルギーバンドギャップを有し得る。装置に入射光のより多くの波長を吸収させることができるので、膜の異なる組に異なるバンドギャップを与えることによって、装置の効率を高めることができる。例えば、膜の第１の組は、膜の第２組より大きいエネルギーバンドギャップを有していてもよい。膜の第１の組のエネルギーバンドギャップを超えるエネルギーを伴う波長を有する光の一部は、膜の第１の組に吸収されて電子と正孔とのペアを生じる。膜の第１の組のエネルギーバンドギャップを超えないエネルギーを伴う波長を有する光の一部は、電子と正孔とのペアを生じさせずに、膜の第１の組を通過する。膜の第２の組がより低いエネルギーバンドギャップを有していれば、膜の第１の組を通過する光の少なくとも一部は、膜の第２組に吸収され得る。
膜の異なる組に異なるエネルギーバンドギャップを与えるために、シリコン膜にゲルマニウムを混ぜることによって膜のバンドギャップを変えることができる。しかし、膜にゲルマニウムを混ぜることは、製造において使用することができる堆積速度を下げる傾向がある。更に、ゲルマニウムを混ぜたシリコン膜は、ゲルマニウムを含まないものよりも光によって分解される傾向が強い。さらに、ゲルマン（シリコンゲルマニウム合金を堆積させるために使用される原料ガス）は高価で危険である。
ゲルマニウムをシリコン膜に混ぜることに代えて、非晶質のシリコン膜に代えて微晶質のシリコン膜としてシリコン膜を堆積させることによって、光起電装置中のシリコン膜のエネルギーバンドギャップを低下させることができる。非晶質シリコン膜は、一般に、微晶質の状態で堆積させたシリコン膜よりも大きなエネルギーバンドギャップを有する。いくつかの既知の光起電装置は、微晶質シリコン膜と連続した非晶質のシリコン膜スタックを有する半導体層スタックを含む。そのような装置においては、接合体におけるキャリア輸送に伴う損失を低減させるために、非晶質シリコン膜を比較的薄い厚さで堆積させる。例えば、入射光によってシリコン原子から励起されて、上部電極又は下部電極に届く前に他のシリコン原子又は他の電子及び孔に再結合する電子及び孔の量を減らすために、非晶質シリコン膜を薄い厚さで堆積させることができる。電極に届かない電子及び孔は、光起電装置によって生じる電圧又は電流に寄与しない。しかし、非晶質シリコン接合体の厚さを薄くすると、非晶質シリコン接合体に吸収される光がより少なくなり、シリコン膜における光電流の流れが減少する。結果として、入射光を電流に変換することにおける光起電装置の効率は、その装置スタック中の非晶質シリコン接合体によって制限される可能性がある。
比較的薄い非晶質シリコン膜を有するいくつかの光起電装置においては、活性非晶質シリコン膜を有する装置中の光起電電池の表面積を、その電池の不活性領域に対して大きくしてもよい。活性領域は、入射光を電力に変換するシリコン膜を含む。一方で、非活性領域又は不活性領域は、シリコン膜が存在しない又は入射光を電力に変換しない電池の一部分を含む。装置中の不活性領域に対して、装置中の光起電電池の活性領域を増加させることによって、その光起電装置によって生じる電力を増加させることができる。例えば、活性非晶質シリコン膜を有する一体的に統合された薄膜光起電モジュールの電池の幅を大きくすることは、モジュールにおいて光に暴露される活性光起電材料の割合又はパーセンテージを増大させる。活性光起電材料の割合が増加すると、その装置によって生じる全光電流が増大し得る。
電池の幅を長くすることによっても、その装置の光透過電極の大きさ又は面積が大きくなる。光透過電極は、装置の電圧又は電流を生じさせるために電池において生成された電子又は孔を伝導する電極である。光透過電極の大きさ又は面積が大きくなると、光透過電極の電気抵抗（Ｒ）も増加する。光透過電極を通る電流（Ｉ）も増加し得る。光透過電極を通る電流及び光透過電極の抵抗が増加すると、光起電装置においてＩ２Ｒ損失のようなエネルギーロスが増加する。エネルギーロスが増加すると、光起電装置が効率的でなくなり、装置によって生じる電力が小さくなる。したがって、一体的に統合された薄膜光起電装置においては、装置中の活性光起電材料の割合と、装置の透明な導電性電極において生じるエネルギーロスとの間に相反関係が存在する。
入射光を電流に変換する際の高められた効率及び／又は低減されたエネルギーロスを有する光起電装置の必要性がある。
一実施形態において、一体的に統合された光起電モジュールを提供する。このモジュールは、電気絶縁基材と、その基材の上の微晶質シリコン層の下部スタックと、下部スタックの上の非晶質シリコン層の中間スタックと、中間スタックの上の非晶質シリコン層の上部スタックと、上部スタックの上の光透過カバー層とを含む。入射光の異なるスペクトルが下部スタック、中間スタック及び上部スタックのぞれぞれによって吸収されるように、下部スタック、中間スタック及び上部スタックの各エネルギーバンドギャップが互いに異なる。
他の一実施形態において、光起電モジュールを製造する方法を提供する。この方法は、電気絶縁基材及び下部電極層を提供するステップと、下部電極の上に微晶質シリコン層の下部スタックを堆積させるステップと、下部スタックの上に非晶質シリコン層の中間スタックを堆積させるステップと、中間スタックの上に非晶質シリコン層の上部スタックを堆積させるステップと、上部スタックの上に上部電極層を提供するステップとを含む。下部スタック、中間スタック及び上部スタックの各エネルギーバンドギャップは、入射光の異なるスペクトルが下部スタック、中間スタック及び上部スタックのぞれぞれによって吸収されるように、互いに異なる。
図１は、一実施形態による基材構造光起電電池の概略図である。
図２は、図１に示されているの一実施形態によるテンプレート層の構造を概略的に示している。
図３は、図１に示されている他の一実施形態によるテンプレート層の構造を概略的に示している。
図４は、図１に示されている他の一実施形態によるテンプレート層の構造を概略的に示している。
図５は、一実施形態による基材構造の光起電装置５００の概略図である。
図６は、一実施形態による基材構造光起電装置を製造するプロセス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記載は、添付図面と共に読めば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図示する目的で特定の実施形態が図面に示されている。しかしながら、本明細書に記載されている技術は、添付図面に示されている装置及び手段に限定されないように理解しなければならない。さらに、図面中の構成材が縮尺通りのものではないことを理解しなければならない。また、別の構成材に対するある構成材の相対的な大きさを、そのような相対的な大きさを要求するものとして解釈又は理解してはならない。
図１は、一実施形態による基材形態の光起電電池１００の概略図である。電池１００は、基材１０２と光透過カバー層１０４とを含み、基材１０２とカバー層１０４との間に３つの半導体接合スタック、又は層スタック、１０６、１０８及び１１０が配置されている。一実施形態において、半導体接合スタック１０６、１０８、１１０は、シリコンのＮ−Ｉ−Ｐ層スタックを含む。電池１００は基材構造の光起電電池である。例えば、基材１０２の反対側のカバー層１０４の上で電池１００に入射する光は、電池１００によって電位に変換される。光は、カバー層１０４と電池１００のさらなる層及び構成材とを通って、上部層スタック１０６、中間層スタック１０８、及び、下部層スタック１１０の方へ通過する。光は、上部層スタック１０６、中間層スタック１０８、及び、下部層スタック１１０に吸収される。
光の中の光子は、電子を励起し、層スタック１０６、１０８、１１０の中の原子から電子を分離させる。電子が原子から分離するとき、相補的なプラス電荷又は孔が生成される。層スタック１０６と、層スタック１０８と、層スタック１１０とは、光の波長のスペクトルの異なる部分を吸収する異なるエネルギーバンドギャップを有する。電子は、層スタック１０６、１０８、１１０を通って漂流又は拡散し、上部電極層１１２及び下部電極層１１４の一方、又は電極１１２、電極１１４の一方に集まる。孔は、上部電極層１１２及び下部電極層１１４を通って漂流又は拡散し、上部電極層１１２及び下部電極層１１４の他方に集まる。上部電極層１１２及び下部電極層１１４における電子及び孔の集合は、電池１００において電位差を作り出す。電池１００における電圧差は、さらなる電池（図示せず）において生じる電位差に加えることができる。以下に説明するように、互いに連続的に連結された複数の電池１００において生じる電位差は、複数の電池１００によって生じる全電位差を増加させるために合計することができる。電流は、隣接する複数の電池１００の間の電子及び孔の流れによって生じる。電流は、電池１００から取り出して外部の電気負荷に適用することができる。
電池１００の構成材及び層は、図１に概略的に図示されている。また、図１に示されている構成材及び層の形状、方向及び相対的大きさは、限定するように意図されていない。基材１０２は、電池１００の底に位置する。基材１０２は、電池１００の他の層及び構成材に機械的支持を与える。基材１０２は、非導電性材料のような誘電材料を含んでいてもよいし、又は、非導電性材料のような誘電材料から形成されたものであってもよい。基材１０２は、摂氏約７５０℃未満の軟化点を有する１つ又はそれ以上の誘電材料のような、比較的低い軟化点を有する誘電体から形成することができる。単なる例として、基材１０２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。他の一例において、基材は、フロートガラス又はホウケイ酸塩ガラスのような他の種類のガラスから形成することができる。代替的に、基材１０２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１０２は、金属のような導電性材料から形成される。単なる例として、基材１０２は、ステンレススチール、アルミニウム又はチタンから形成することができる。
基材１０２は、電池１００の残りの層を機械的支持するのに充分な厚さを有しており、さらに、電池１００を製造及び出荷する間に電池１００に機械的安定性及び熱安定性を与える。一実施形態において、基材１０２の厚さは、少なくとも約０．７ミリメートル〜５．０ミリメートルである。単なる例として、基材１０２は、厚さ約２ミリメートルのフロートガラスの層であってもよい。代替的に、基材１０２は、厚さ約１．１ミリメートルのホウケイ酸ガラスの層であってもよい。他の一実施形態において、基材１０２は、厚さ約３．３ミリメートルの、低鉄フロートガラス又は標準的なフロートガラスの層であってもよい。
凹凸テンプレート層１１６は、基材１０２の上に堆積させることができる。代替的に、電池１００にテンプレート層１１６が含まれない。テンプレート層１１６は、管理された所定の三次元凹凸を有する層であって、電池１００においてテンプレート層１１６の上方に堆積させる層及び構成材の１つ以上の上に凹凸を与える層である。一実施形態において、凹凸テンプレート層１１６は、２０１０年４月１９日に提出された「光起電電池及び薄膜シリコンに光捕捉を増強する方法(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特許出願番号第１２／７６２，８８０号（８８０出願）に記載された実施形態の１つに従って堆積及び形成することができる。８８０出願の全開示は、参照することによって本明細書にそっくりそのまま組み込まれている。テンプレート層１１６の凹凸は、テンプレート層１１６の１つ又はそれ以上の構造２００、３００、４００（図２乃至図４に示されている）の形状及び範囲によって決定され得る。テンプレート層１１６は基材１０２の上に堆積させる。テンプレート層１１６は、例えば、基材１０２の上に直接堆積させることができる。
図２は、一実施形態によるテンプレート層１１６のピーク構造２００を概略的に示している。テンプレート層１１６の上の層に所定の凹凸を与えるために、ピーク構造２００をテンプレート層１１６の中に作成する。ピーク構造２００は、テンプレート層１１６の上面２０２に沿った鋭いピークのようにみえるので、構造２００をピーク構造２００と称する。ピーク構造２００は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、ピッチ２０６、移行形状２０８及び底部幅（Ｗｂ）２１０を含む１つ又はそれ以上のパラメータによって決定される。図２に示されているように、ピーク構造２００は、基材１０２から距離が遠くなるにつれて幅が短くなる形状として形成されている。例えば、ピーク構造２００は、基材１０２の位置又は基材１０２の近くに存在する底２１２からいくつかのピーク２１４の方へと大きさが小さくなる。ピーク構造２００は、図２の二次元図において三角形として示されているが、代替的に、三次元的に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）２０４は、ピーク構造２００間の移行形状２０８からピーク２１４までの距離の平均値又は中央値を意味する。テンプレート層１１６は、例えば、ピーク２１４の底２１２まで又は移行形状２０８の領域まで、略平坦な層として堆積させることができる。ピーク２１４を形成するためにテンプレート層１１６を堆積し続けることができる。底２１２又は移行形状２０８とピーク２１４との間の距離が、ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４であってもよい。
ピッチ２０６は、２つのピーク構造２００の２つのピーク２１４の間の距離の平均値又は中央値を示す。ピッチ２０６は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。ピッチ２０６は、例えば、基材１０２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２０６は、異なる方向において異なっていてもよい。あるいは、ピッチ２０６は、隣接する２つのピーク構造２００の上の他の同様な２つの点の間の距離の平均値又は中央値を示すものであってもよい。移行形状２０８は、ピーク構造２００の間のテンプレート層１１６の上面２０２の一般的な形状である。図示した実施形態に示されているように、移行形状２０８は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。あるいは、この平坦なファセット形状は、三次元的にみたときに円錐又はピラミッドであってもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０は、ピーク構造２００とテンプレート層１１６の底２１２との間の界面においてピーク構造２００を横切る距離の平均値又は中央値である。底部幅（Ｗｂ）２１０は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。例えば、底部幅（Ｗｂ）２１０は、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同一であってもよい。あるいは、底部幅（Ｗｂ）２１０は、異なる方向において異なっていてもよい。
図３は、一実施形態によるテンプレート層１１６の谷構造３００を示している。谷構造３００の形状は、図２に示されているピーク構造２００の形状とは異なるが、図２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することができる。谷構造３００は、例えば、ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、ピッチ３０４、移行形状３０６及び底部幅（Ｗｂ）３０８によって決定することができる。谷構造３００は、谷構造３００の上面３１０からテンプレート層１１６の中へ延在する凹部又はくぼみとして形成されている。谷構造３００は、図３の二次元図において放物形を有するものとして示されているが、三次元的に、円錐、ピラミッド、又は、放物面の形状を有していてもよい。実施において、谷構造３００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３００は、上面３１０から基材１０２の方向にテンプレート層１１６の中へ延在するくぼみを含む。谷構造３００は、２つの移行形状３０６の間に位置するテンプレート層１１６の低点３１２又は底へ伸びる。ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２は、上面３１０と低点３１２との間の距離の平均値又は中央値を示す。ピッチ３０４は、２つの谷構造３００の同じ位置又は共通する２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を示す。ピッチ３０４は、例えば、２つの谷構造３００の間に伸びる移行形状３０６の中央点の間の距離であってもよい。ピッチ３０４は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。ピッチ３０４は、例えば、基材１０２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、異なる方向において異なっていてもよい。あるいは、ピッチ３０４は、２つの谷構造３００の２つの低点３１２の間の距離を表すものであってもよい。あるいは、ピッチ３０４は、隣接する２つの谷構造３００の上の他の同様な２つの点の間の距離の平均値又は中央値を表すものであってもよい。
移行形状３０６は、谷構造３００の間の上面３１０の一般的な形状である。図示されている実施形態に示されているように、移行形状３０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。あるいは、この平坦なファセット形状は、三次元的にみたときに円錐又はピラミッドであってもよい。底部幅（Ｗｂ）３０８は、隣接する２つの谷構造３００の低点３１２の間の距離の平均値又は中央値を示す。あるいは、底部幅（Ｗｂ）３０８は、２つの移行形状３０６の２つの中央点の間の距離を表すものであってもよい。底部幅（Ｗｂ）３０８は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。底部幅（Ｗｂ）３０８は、例えば、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同一であってもよい。あるいは、底部幅（Ｗｂ）３０８は、異なる方向におい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１１６の円形構造４００を示している。円形構造４００の形状は、図２に示されているピーク構造２００の形状及び図３に示されている谷構造３００の形状とは異なるが、図２及び図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することができる。円形構造４００は、例えば、ピーク高さ（Ｈｐｋ）４０２、ピッチ４０４、移行形状４０６及び底部幅（Ｗｂ）４０８によって決定することができる。円形構造４００は、テンプレート層１１４の上面４１４の突部であって、テンプレート層１１６の基層膜４１０から上方に伸びる突部として形成される。円形構造４００は、略放物線又は略円形の形状を有していてもよい。実施において、円形構造４００は、理想的な放物線の形状とはわずかに異なっていてもよい。円形構造４００は、図４の二次元図において放物線として示されているが、代替的に、円形構造４００は、放物面、ピラミッド又は円錐の三次元の形状であって、基材１０２から離れるように上方に伸びた形状を有していてもよい。
一般に、円形構造４００は、基層フィルム４１０から上方に、かつ、基材１０２から遠ざかるように円形の高点４１２又は円形の頂点の方に突出する。ピーク高さ（Ｈｐｋ）４０２は、基層膜４１０と高点４１２との間の距離の平均値又は中央値を示す。ピッチ４０４は、２つの円形構造４００の同じ位置又は共通する２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を示す。ピッチ４０４は、例えば、２つの高点４１２の間の距離であってもよい。ピッチ４０４は、２以上の方向において略同一であってもよい。ピッチ４０４は、例えば、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同一であってもよい。あるいは、ピッチ４０４は、異なる方向において異なっていてもよい。他の一例において、ピッチ４０４は、円形構造４００の間に伸びる２つの移行形状４０６の２つの中央点の間の距離を表すものであってもよい。あるいは、ピッチ４０４は、隣接する２つの円形構造４００の上の他の同様な２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を表すものであってもよい。
移行形状４０６は、円形構造４００の間の上面４１４の一般的な形状である。図示した実施形態に示されているように、移行形状４０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。あるいは、この平坦なファセット形状は、三次元的にみたときに円錐又はピラミッドであってもよい。底部幅（Ｗｂ）４０８は、１つの円形構造４００の両側の２つの移行形状４０６の間の距離の平均値又は中央値を示す。あるいは、底部幅（Ｗｂ）４０８は、２つの移行形状４０６の２つの中央点の間の距離を表すものであってもよい。
一実施形態によれば、構造２００、３００、４００のピッチ２０４、３０２、４０２、及び／又は、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、約４００ナノメートル乃至約１５００ナノメートルである。あるいは、構造２００、３００、４００のピッチ２０４、３０２、４０２は、約４００ナノメートル未満又は約１５００ナノメートル超であってもよい。構造２００、３００、４００のピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２の平均値又は中央値は、対応する構造２００、３００、４００のピッチ２０６、３０４、４０４の約２５％〜８０％であってもよい。あるいは、平均ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２は、ピッチ２０６、３０４、４０４に対して異なる比率であってもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、ピッチ２０６、３０４、４０４と略同一であってもよい。他の一実施形態においては、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８が、ピッチ２０６、３０４、４０４と異なっていてもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、２以上の方向において略同一であってもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、例えば、基材１０２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。あるいは、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、異なる方向において異なっていてもよい。
テンプレート層１１６の中の構造２００、３００、４００のパラメータは、光起電電池１００（図１に示されている）が二重接合又は三重接合部の電池１００であるかどうか、及び／又は、スタック１０６、１０８、１１０（図１に示されている）の中の半導体の膜又は層のどれが電流制限層であるかに応じて異なってもよい。層スタック１０６、１０８、１１０は、例えば、Ｎ−Ｉ−Ｐ及び／又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ非晶質又はドープ微晶質のシリコン層の３つ以上のスタックを含んでいてもよい。上述されている１つ又はそれ以上のパラメータは、Ｎ−Ｉ−Ｐ及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタック中の半導体層のどれが電流制限層であるかに基づいたものであってもよい。例えば、Ｎ−Ｉ−Ｐ及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタック中の層の１つ又はそれ以上は、光が光起電電池１００にぶつかるときに光起電電池１００によって生じる電流の量を制限することができる。構造２００、３００、４００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いていてもよい。
一実施形態において、光起電電池１００（図１に示されている）が層スタック１０６、１０８、１１０（図１に示されている）の１つ又はそれ以上の中に微晶質シリコン層を含んでおり、かつ、その微晶質シリコン層が層スタック１０６、１０８、１１０の電流制限層である場合には、その微晶質シリコン層より下のテンプレート層１１６の中の構造２００、３００、４００のピッチ２０６、３０４、４０４は、約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ナノメートル〜１５００ナノメートルの波長を有する赤外線に対応するエネルギーバンドギャップを有する。例えば、ピッチ２０６、４０４、５０４がこの波長にほぼ一致する場合には、構造２００、３００、４００は、５００ナノメートル〜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２００、３００、４００の移行形状２０８、３０６、４０６は、平坦なファセットであってもよい。また、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、ピッチ２０６、３０４、４０４の６０％乃至１００％であってもよい。ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２は、ピッチ２０６、３０４、４０４の２５％乃至７５％であってもよい。例えば、ピッチ２０６、３０４、４０４に対するピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２のある比率は、構造２００、３００、４００における散乱角であってシリコン層スタック１０６、１０８、１１０の中へ他の比率に比べて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、光起電電池１００（図１に示されている）が、非晶質シリコンから形成された又は非晶質シリコンを含む層スタック１０６、１０８、１１０の１つ又はそれ以上を含む場合には、テンプレート層１１６のピッチ２０６、３０４、４０４の範囲は、層スタック１０６、１０８、１１０（図１に示されている）のどれが電流制限スタックであるかに応じて変化してもよい。上部層スタック１０６及び／又は中間層スタック１０８が、微晶質のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ半導体層スタックを含み、かつ、下部層スタック１１０が、非晶質のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ半導体層スタックを含み、かつ、上部層スタック１０６及び／又は中間層スタック１０８が電流制限層である場合には、ピッチ２０６、３０４、５０４は、約５００ナノメートル〜１５００ナノメートルであってもよい。対照的に、下部シリコン層スタック１０８が電流制限層である場合には、ピッチ２０６、３０４、４０４が約３５０ナノメートル〜１０００ナノメートルであってもよい。
図１に示されている電池１００の検討に戻る。テンプレート層１１６は、８８０出願に記載されている実施形態の１つ以上に従って形成することができる。例えば、テンプレート層１１６は、基材１０２の上に非晶質シリコン層を堆積させ、その後に、その非晶質シリコンの上面に置いた二酸化ケイ素球体による反応性イオンエッチングを使用して非晶質シリコンに凹凸を形成することによって、形成することができる。あるいは、テンプレート層１１６は、基材１０２の上にアルミニウム及びタンタルの二重層をスパッタリングし、次に、テンプレート層１１６を陽極処理することによって形成することができる。他の一実施形態において、テンプレート層は、凹凸フッ素ドープ酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）の膜を、常圧化学蒸着を使用して堆積させることによって形成することができる。テンプレート層１１６のこれらの膜の１つ以上は、アサヒガラス社又はピルキントンガラス(Pilkington Glass)のような業者から入手することができる。他の実施形態において、テンプレート層１１６は、基材１０２に静電荷を適用し、次に、その帯電した基材１０２を反対に帯電した粒子が存在する環境に置くことによって形成することができる。静電力は、基材１０２に荷電粒子を引きつけることによってテンプレート層１１６を形成する。次に、粒子は、後の堆積ステップにおいてその粒子の上に粘着性の「接着剤」層（図示せず）を堆積させることによって、又は、粒子及び基材１０２をアニーリングすることによって、基材１０２に永続的に付着する。微粒子材料の例には、炭化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、ダイヤモンド及びＣＶＤダイヤモンドなどのような、ファセットセラミックス及びダイヤモンド様物質粒子が含まれる。
下部電極層１１４は、テンプレート層１１６の上に堆積させる。下部電極層１１４は、導電性の反射層１１８と導電性の緩衝層１２０とで構成される。反射層１１８は、テンプレート層１１６の上に堆積させる。反射層１１８は、例えば、テンプレート層１１６の上に直接堆積させることができる。反射層１１８は、テンプレート層１１６によって決定された凹凸の上面１２２を有する。例えば、反射層１１８が大きさ及び／又は形状においてテンプレート層１１６の構造２００、３００、４００（図２乃至図４に示されている）に類似した構造（図示せず）を含むように、反射層１１８をテンプレート層１１６の上に堆積させることができる。
反射層１１８は、銀のような反射性の導電性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。あるいは、反射層１１８は、アルミニウム又は銀若しくはアルミニウムを含む合金を含んでいてもよいし、又は、それらから形成されてもよい。反射層１１８は、一実施形態において厚さが約１００ナノメートル〜３００ナノメートルであり、テンプレート層１１６の上に反射層１１８の材料をスパッタリングすることによって堆積させることができる。
反射層１１８は、層スタック１０６、１０８、１１０の中へ上方に光を反射するための導電層及び反射面を提供する。例えば、カバー層１０４に入射して層スタック１０６、１０８、１１０を通る光の一部は、層スタック１０６、１０８、１１０によって吸収されない可能性がある。この光の一部は、この反射された光が層スタック１０６、１０８、１１０に吸収されるように、層スタック１０６、１０８、１１０の中へ戻るように反射層１１８に反射することができる。反射層１１８の凹凸上面１２２は、層スタック１０６、１０８、１１０の平面の中へ光を部分的に又は完全に散乱することによって、吸収又は補足される光の量を増やす。ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０３、ピッチ２０６、３０４、４０４、移行形状２０８、３０６、４０６、及び、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８（図２乃至図４に示されている）は、入射光の波長の所望の又は所定の範囲に対して層スタック１０６、１０８、１１０の中に補足される光の量を増やすために、変更することができる。
緩衝層１２０は、反射層１１８の上に堆積させるものであり、反射層１１８の上に直接堆積させることができる。緩衝層１２０は、下部層スタック１１０に電気接触を与える。緩衝層１２０は、例えば、下部層スタック１１０中の活性シリコン層と電気的に連結された透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）材料を含んでいてもよいし、又は、該材料から形成することができる。一実施形態において、緩衝層１２０は、アルミニウムをドープした酸化亜鉛、酸化亜鉛、及び／又は、インジウムスズ酸化物を含む。緩衝層１２０は、約５０ナノメートル〜５００ナノメートルの厚さで堆積させることができるが、異なる厚さを用いてもよい。
一実施形態において、緩衝層１２０は、反射層１１８と下部層スタック１１０との間に化学的緩衝を与える。例えば、緩衝層１２０は、電池１００の加工中及び製造中に反射層１１８による下部層スタック１１０に対する化学攻撃を防ぐことができる。緩衝層１２０は、下部層スタック１１０におけるシリコンの汚染を遅延又は防止し、下部層スタック１１０におけるプラズモン吸収ロスを低減することができる。
緩衝層１２０は、反射層１１８と下部層スタック１１０との間に光学的緩衝を与えることができる。例えば、緩衝層１２０は、反射層１１８に反射される波長の所定の範囲内の光の量を増やす厚さで堆積させた光透過層であってもよい。緩衝層１２０の厚さは、光の特定の波長が、緩衝層１２０を通過し、反射層１１８に反射されて、緩衝層１２０を通って下部層スタック１１０の中へ戻るようにすることができる。単なる例として、緩衝層１２０は、約７５ナノメートル〜８０ナノメートルの厚さで堆積させることができる。
下部層スタック１１０は、下部電極層１１４の上方に堆積させるか、又は、下部電極層１１４の上に直接堆積させることができる。一実施形態において、下部層スタック１１０は、複数の活性シリコン層からなるＮ−Ｉ−Ｐの接合体又は層スタックであって、約１マイクロメートル〜３マイクロメートルの厚さで堆積させた接合体又は層スタックを含む。下部層スタック１１０は、異なる半導体材料を使用して、及び／又は、異なる厚さで、堆積させることができる。下部層スタック１１０は、半導体材料の３つの副層１２４、１２６、１２８を含む。一実施形態において、副層１２４、１２６、１２８は、それぞれ、ｎ−ドープ微晶質シリコン膜、真性微晶質シリコン膜、及び、ｐ−ドープ微晶質シリコン膜である。副層１２４、１２６、１２８は、比較的低い堆積温度でプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を使用して堆積させることができる。副層１２４、１２６、１２８は、例えば、摂氏約１６０℃〜２５０℃の範囲内の温度で堆積させることができる。比較的低い堆積温度における副層１２４、１２６、１２８の堆積は、副層１２４、１２６、１２８の間におけるドーパントの拡散を低減することができる。さらに、規定の副層１２４、１２６、１２８におけるより低い堆積温度の使用は、下部層スタック１１０の中に内在する副層１２４、１２６、１２８からの水素放出を防ぐのを助けることができる。
あるいは、下部層スタック１１０は、比較的高い堆積温度で堆積させることもできる。下部層スタック１１０は、例えば、摂氏約２５０℃〜３５０℃の範囲内の温度で堆積させることができる。堆積温度が上昇するにつれて、平均粒子サイズが大きくなり、下部層スタック１１０における赤外線の吸収が増加する可能性がある。したがって、下部層スタック１１０においてシリコン結晶の平均粒子サイズを大きくするために、下部層スタック１１０をより高い温度で堆積させることができる。さらに、より高い温度で下部層スタック１１０を堆積させることは、その後の中間層スタック１０８及び上部層スタック１０６の堆積中に、下部層スタック１１０を熱的により安定にすることができる。以下に説明するように、上部副層１２８は、ｐ−ドープシリコン膜であってもよい。そのような実施形態においては、約摂氏１５０℃〜２５０℃の範囲内の比較的低い温度で上部副層１２８を堆積させる一方で、摂氏約２５０℃〜３５０℃の範囲内の比較的高い堆積温度で下部副層１２４及び中間副層１２６を堆積させることができる。あるいは、上部副層１２８は、摂氏少なくとも１６０℃の温度で堆積させることができる。ｐ−ドープ上部副層１２８と真性中間副層１２６との間の拡散の量を低減するために、ｐ−ドープ副層１２８をより低い温度で堆積させることもできる。あるいは、ｐ−ドープ上部副層１２８は、例えば、摂氏約２５０℃〜３５０℃のようなさらに高い堆積温度で堆積させる。
副層１２４、１２６、１２８は、少なくとも約１０ナノメートルの平均粒子サイズを有していてもよい。他の一実施形態において、副層１２４、１２６、１２８における平均粒子サイズは、少なくとも約２０ナノメートルである。あるいは、副層１２４、１２６、１２８の平均粒子サイズは、少なくとも約５０ナノメートルである。他の一実施形態において、平均粒子サイズは、少なくとも約１００ナノメートルである。選択的に、平均粒子サイズは、少なくとも約１マイクロメートルであってもよい。副層１２４、１２６、１２８における平均粒子サイズは、様々な方法によって測定することができる。例えば、透過型電子顕微鏡（「ＴＥＭ」）を使用して平均粒子サイズを測定することができる。そのような一例において、副層１２４、１２６、１２８の薄いサンプルを得る。例えば、副層１２４、１２６、１２８の１つ以上のサンプルであって、約１マイクロメートル以下の厚さを有するサンプルを得る。電子ビームにサンプルを透過させる。サンプルの全体又は一部分において電子ビームをドット変換することができる。電子がサンプルを通過するとき、電子はサンプルの結晶構造と相互作用する。電子の透過経路がサンプルによって変化する可能性がある。電子がサンプルを通過した後にその電子を集めて、集めた電子に基づいて画像を生成する。その画像は、サンプルの二次元表示を提供する。サンプル中の結晶粒子は、そのサンプルの非晶質部分とは異なるように見える可能性がある。この画像に基づいてサンプル中の結晶粒子の大きさを測定することができる。例えば、画像中に出現するいくつかの結晶粒子の表面積を測定して平均することができる。この平均値は、サンプルが得られた位置におけるそのサンプルの結晶粒子サイズの平均値である。この平均値は、例えば、サンプルを得た副層１２２、１２４、１２６における平均結晶粒子サイズであってもよい。
下部副層１２４は、ｎドープシリコンの微晶質層であってもよい。一実施形態において、下部副層１２４は、約２〜３トールの真空圧力で、かつ、約５００〜１０００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン又は三水素化りん（ＰＨ３）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバにおいて堆積させる。下部副層１２４を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約２００部〜３００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．０１の部ホスフィンであってもよい。
中間副層１２６は、真性シリコンの微晶質層であってもよい。中間副層１２６は、例えば、ドープされていない又は１０１８／ｃｍ３未満のドーパント濃度を有するシリコンを含んでいてもよい。一実施形態において、中間副層１２６は、約９〜１０トールの真空圧力で、かつ、約２〜４キロワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバにおいて堆積させる。中間副層１２６を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約５０部〜６５部の水素ガス：約１部のシランであってもよい。
上述したように、上部副層１２８は、ｐ−ドープシリコンの微晶質層であってもよい。あるいは、上部副層１２８は、ｐ−ドープシリコンのプロト結晶層であってもよい。一実施形態において、上部副層１２８は、約２〜３トールの真空圧力で、かつ、約５００〜１０００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）とトリメチルホウ素（B(ＣＨ3)又はTMB）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。上部副層１２８を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約２００〜３００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．０１部のホスフィンであってもよい。上部副層１２８のシリコンにホウ素をドープするためにＴＭＢを使用することができる。上部副層１２８のシリコンにドープするためにＴＭＢを使用することによって、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）のような異なる種類のドーパントを使用するよりも優れた熱安定性を与えることができる。例えば、シリコンをドープするためにＴＭＢを使用することによって、三フッ化ホウ素又はジボランを使用した場合と比較して、その後の層の堆積中に上部副層１２８から中間副層１２６などの隣接層の中へ拡散するホウ素をより少なくすることができる。単なる例として、上部副層１２８にドープするためにＴＭＢを使用することによって、上部副層１２８をドープするために三フッ化ホウ素又はジボランを使用する場合に比べて、上部層スタック１０６の堆積中に中間副層１２６の中へ拡散するホウ素をより少なくすることができる。
一実施形態において、３つの副層１２４、１２６、１２８は、複数の活性シリコン層のＮ−I−Ｐ接合体又はＮ−Ｉ−Ｐスタック１１０を形成し、この複数の活性シリコン層は、約１．１ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。あるいは、下部層スタック１１０は、異なるエネルギーバンドギャップを有していてもよい。以下に説明するように、下部層スタック１１０は、上部層スタック１０６及び／又は中間層スタック１０８とは異なるエネルギーバンドギャップを有する。層スタック１０６、１０８、１１０の２つ以上の異なるエネルギーバンドギャップは、層スタック１０６、１０８、１１０が入射光の異なる波長を吸収できるようにする。
一実施形態において、中間反射層１３０は、中間層スタック１０８と下部層スタック１１０との間に堆積させる。中間反射層１３０は、例えば、下部層スタック１１０の上に直接堆積させることができる。あるいは、電池１００に中間反射層１３０が含まれない。中間反射層１３０は、光を部分的に上部層スタック１０６及び中間層スタック１０８の中へ反射し、光の一部が中間反射層１３０を通って下部層スタック１１０の中へ入るようにする。例えば、中間反射層１３０は、電池１００の上に入射する光の波長のスペクトルの一部を上方へ反射し、上部層スタック１０６及び中間層スタック１０８の中へ戻す。一実施形態において、反射層１３０は、光を中間層スタック１０８の中へ戻すように反射することによって中間層スタック１０８に吸収される光の量を増加させる。電池１００の中の３つの層スタック１０６、１０８、１１０のうち、中間層スタック１０８が、電流を制限する接合体スタックであってもよい。例えば、層スタック１０６、１０８及び１１０のうち、中間層スタック１０８は、電池１００において、最も少ない量の光を吸収し、及び／又は、最も小さい電位を生じる接合体スタックであってもよい。中間層スタック１０８の中へ少なくとも一部の光を戻すように反射することによって中間層スタック１０８を通って伝播する光の量を増加させることは、中間層スタック１０８によって吸収される及び／又は電位に変換される光の量を増加させることができる。
中間反射層１３０は、部分的に反射性の材料を含むか、又は、該材料から形成される。中間反射層１３０は、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ドープシリコン酸化物又はドープシリコン窒化物から形成することができる。一実施形態において、中間反射層１３０は、厚さ約１０ナノメートル〜２００ナノメートルであるが、異なる厚さを使用することもできる。
中間層スタック１０８は、下部層スタック１１０の上に堆積させる。一実施形態においては、反射層１３０の上に中間層スタック１０８を堆積させる。中間層スタック１０８は、約２００〜３５０ナノメートルの厚さで堆積させることができるが、他の厚さで中間層スタック１０８を堆積させることもできる。一実施形態において、中間層スタック１０８は、シリコンの３つの副層１３２、１３４、１３６を含む。
中間層スタック１０８の副層１３２、１３４、１３６は、それぞれ、ｎ−ドープ、真性、及び、ｐ−ドープの非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜であってもよい。例えば、副層１３２、１３４、１３６は、非晶質のＮ−Ｉ−Ｐ接合体又は層スタックを形成することができる。一実施形態において、中間層スタック１０８は、副層１３２、１３４、１３６の中にゲルマニウム（Ｇｅ）を含まないシリコン層の接合体スタックとして、又は、ゲルマニウムの非存在下において、堆積させる。副層１３２、１３４及び／又は１３６は、例えば、０．０１％以下のゲルマニウム含有量を有していてもよい。ゲルマニウム含有量は、副層１３２、１３４及び／又は１３６の中の他の材料に対する副層１３２、１３４及び／又は１３６の中のゲルマニウムの量を表す。副層１３２、１３４、１３６は、比較的高い堆積温度でプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を使用して堆積させることができる。例えば、摂氏約２００℃〜３５０℃の温度で副層１３２、１３４、１３６を堆積させることができる。一実施形態において、上部副層１３６は、摂氏約２００℃のように摂氏２５０℃未満の温度で堆積させる一方で、下の副層１３２及び１３４は、摂氏約２５０℃〜３５０℃の温度で堆積させる。上部副層１３６は、例えば、摂氏約１５０℃〜２５０℃の温度で堆積させることができる。
比較的高い堆積温度で副層１３２、１３４、１３６の１つ以上を堆積させることは、より低い堆積温度で堆積させた非晶質シリコン層と比較して、中間層スタック１０８のエネルギーバンドギャップを低下させることができる。非晶質シリコンの堆積温度を上昇させるにつれて、シリコンのエネルギーバンドギャップを低下させることができる。摂氏約２００℃〜３５０℃の温度において、比較的少量のゲルマニウムを含む乃至全くゲルマニウムを含まない非晶質シリコン層として副層１３２、１３４、１３６を堆積させることによって、中間層スタック１０８のバンドギャップを、例えば、少なくとも１．６０ｅＶにすることができる。一実施形態において、シリコン中のゲルマニウム含有量が０．０１％である非晶質シリコンから形成された中間層スタック１０８のバンドギャップは、１．６５ｅＶ〜１．８０ｅＶである。ゲルマニウム含有量は、中間層スタック１０８中のシリコンなどの他の材料に対する中間層スタック１０８中のゲルマニウムの割合又はパーセンテージを表すものであってもよい。中間層スタック１０８のバンドギャップを低下させることは、副層１３２、１３４、１３６が入射光中の波長のスペクトルのより多くの部分を吸収できるようにし、連続的に相互に電気的に連結された複数の電池１００によって生じる電流をより大きくすることができる。
比較的高い堆積温度における中間層スタック１０８中の副層１３２、１３４、１３６の１つ以上の堆積は、中間層スタック１０８の水素含有量を測定することによって確認することができる。一実施形態において、摂氏約２５０℃より高い温度で副層１３２、１３４、１３６を堆積させた場合には、副層１３２、１３４、１３６の１以上の最終水素含有量が約１２原子パーセント未満である。他の一実施形態において、副層１３２、１３４、１３６を摂氏約２５０℃より高い温度で堆積させた場合には、副層１３２、１３４、１３６の１つ以上の最終水素含有量が約１０原子パーセント未満である。他の一実施形態において、副層１３２、１３４、１３６を摂氏約２５０℃より高い温度で堆積させた場合には、副層１３２、１３４、１３６の１つ以上の最終水素含有量が約８原子パーセント未満である。副層１３２、１３４、１３６の１つ以上における最終水素含有量は、二次イオン質量分析計（「ＳＩＭＳ」）を使用して測定することができる。副層１３２、１３４、１３６の１つ以上のサンプルをＳＩＭＳに入れる。その後、そのサンプルをイオンビームでスパッタリングする。イオンビームは、そのサンプルから二次イオンを放出させる。二次イオンを集めて質量分析計を使用して分析する。その後、質量分析計によってサンプルの分子組成を決定する。質量分析計によってそのサンプル中の水素の原子パーセントを決定することができる。
あるいは、フーリエ変換赤外分光分光法（「ＦＴＩＲ」）を使用して、副層１３２、１３４、１３６の１つ以上における最終水素濃度を測定することができる。次に、ＦＴＩＲにおいて、副層１３２、１３４、１３６の１つ以上のサンプルを通るように赤外線のビームを送る。サンプル中の異なる分子構造及び種は、異なるように赤外線を吸収することができる。サンプル中の異なる分子種の相対濃度に基づいて、サンプル中の分子種のスペクトルが得られる。このスペクトルからサンプル中の水素の原子パーセントを決定することができる。あるいは、いくつかのスペクトルを得て、このスペクトルのグループからサンプル中の水素の原子パーセントを決定する。
以下に説明するように、上部副層１３６は、ｐ−ドープシリコン膜であってもよい。そのような実施形態において、上部副層１３６は、摂氏約１５０℃〜２００℃の範囲内の比較的低い温度で堆積させる一方で、下部副層１３２及び中間副層１３４は、摂氏約２５０℃〜３５０℃の範囲内の比較的高い堆積温度で堆積させることができる。ｐ−ドープ上部副層１３６は、ｐ−ドープ上部副層１３６と真性中間副層１３４との間の相互拡散の量を減らすために、より低い温度で堆積させる。より低い温度でｐ−ドープ上部副層１３６を堆積させることによって、上部副層１３６のバンドギャップを高めることができ、及び／又は、上部副層１３６が可視光をより透過するようにできる。
下部副層１３２は、ｎ−ドープシリコンの非晶質層であってもよい。一実施形態において、下部副層１３２は、約１〜３トールの真空圧力で、かつ、約２００〜４００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ２）とシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン又は三水素化りん（ＰＨ３）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。下部副層１３２を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約４部〜１２部の水素ガス：約１部のシラン：約０．００７部のホスフィンであってもよい。
中間副層１３４は、真性シリコンの非晶質層であってもよい。あるいは、中間副層１３４は、真性シリコンの多形性層であってもよい。一実施形態において、中間副層１３４は、約１〜３トルの真空圧力で、かつ、約１００〜４００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。中間副層１３４を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約４部〜１２部の水素ガス：約１部のシランであってもよい。
一実施形態において、上部副層１３６は、ｐ−ドープシリコンのプロト結晶層である。あるいは、上部副層１３６は、ｐ−ドープシリコンの非晶質層であってもよい。一実施形態において、上部副層１３６は、約１〜２トールの真空圧力で、かつ、約２００〜４００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）と三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ＴＭＢ又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で摂氏約２００℃の温度で堆積させる。上部副層１３６を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約１００部〜２０００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．１部〜１部のドーパントガスであってもよい。
３つの副層１３２、１３４、１３６は、活性シリコン層のＮ−Ｉ−Ｐ接合体又はＮ−Ｉ−Ｐスタックを形成することができる。中間層スタック１０８は、下部層スタック１１０及び／又は上部層スタック１０６のエネルギーバンドギャップとは異なるエネルギーバンドギャップを有していてもよい。中間層スタック１０６及び下部層スタック１０８の異なるエネルギーバンドギャップは、中間層スタック１０６と下部層スタック１０８とが入射光の異なる波長を吸収することを可能にし、入射光を電位及び／又は電流に変換することにおける電池１００の効率を高めることができる。
上部層スタック１０６は、中間層スタック１０８の上に堆積させる。上部層スタック１０６は、例えば、中間層スタック１０８の上に直接堆積させることができる。一実施形態において、上部層スタック１０６は、約５０ナノメートル〜２００ナノメートルの厚さで堆積させるが、上部層スタック１０６は、異なる厚さで堆積させることもできる。上部層スタック１０６は、シリコンの３つの副層１３８、１４０、１４２を含んでいてもよい。一実施形態において、副層１３８、１４０、１４２は、ｎ−ドープ、真性、及び、ｐ−ドープの非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の複数の膜であって、この複数の膜が、Ｎ−Ｉ−Ｐ接合体又は層スタックを形成する。副層１３８、１４０、１４２は、比較的低い堆積温度でプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を使用して堆積させることができる。副層１３８、１４０、１４２は、例えば、摂氏約１５０℃〜２２０℃のように摂氏２５０℃未満の温度で堆積させることができる。
比較的低い堆積温度で副層１３８、１４０、１４２を堆積させることによって、下部層スタック１１０中の副層１２４、１２６及び１２８、中間層スタック１０８中の副層１３２、１３４及び１３６、及び／又は、上部層スタック１０６中の副層１３８、１４０及び１４２の間におけるドーパントの相互拡散を低減することができる。副層１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０及び１４２が加熱される温度が上昇するにつれて、副層１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２におけるドーパントの拡散及びこれらの副層間におけるドーパントの拡散が増加する。より低い堆積温度を使用することによって、副層１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０及び１４２におけるドーパント相互拡散の量を低減することができる。所定の副層１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２においてより低い堆積温度を使用することによって、電池１００の中に内在する副層１２４、１２６、１２８、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２からの水素放出を低減することができる。
比較的低い堆積温度における副層１３８、１４０、１４２の堆積は、より高い堆積温度で堆積させた非晶質シリコン層と比較して、上部層スタック１０６のエネルギーバンドギャップを高めることができる。例えば、摂氏約１５０℃〜２００℃の温度で、非晶質シリコン層として、副層１３８、１４０、１４２を堆積させることによって、上部層スタック１０６のバンドギャップを約１．８０ｅＶ〜２．００ｅＶにすることができる。上部層スタック１０６のバンドギャップを高めることによって、上部層スタック１０６は、入射光中の波長のスペクトルのより少ない部分を吸収できるようになるが、電池１００において生じる電位差を増大させることができる。
下部副層１３８は、ｎ−ドープシリコンの非晶質層であってもよい。一実施形態において、下部副層１３０は、約１〜３トールの真空圧力で、かつ、約２００〜４００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ２）と、シラン（ＳｉＨ４）と、ホスフィン又は三水素化りん（ＰＨ３）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバにおいて摂氏約１５０℃〜２２０℃の温度で堆積させる。下部副層１３８を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約４〜１２部の水素ガス：約１部のシラン：約０．００５部のホスフィンであってもよい。
中間副層１４０は、真性シリコンの非晶質層であってもよい。あるいは、中間副層１４０は、真性シリコンの多形態層であってもよい。一実施形態において、中間副層１４０は、約１〜３トールの真空圧力で、かつ、約２００〜４００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で摂氏約１５０℃〜２２０℃の温度で堆積させる。中間副層１４０を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約４〜２０部の水素ガス：約１部のシランであってもよい。
一実施形態において、上部副層１４２は、ｐ−ドープシリコンのプロト結晶層である。あるいは、上部副層１４２は、ｐ−ドープシリコンの非晶質層であってもよい。一実施形態において、上部副層１４２は、約１〜２トールの真空圧力で、かつ、約２０００〜３０００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）と三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ＴＭＢ又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で摂氏約１５０℃〜２００℃の温度で堆積させる。上部副層１４２を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約１００〜２００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．１〜１部のドーパントガスであってもよい。
上部層スタック１０６、中間層スタック１０８及び下部層スタック１１０は、入射光波長のスペクトルの異なる部分をそれぞれ吸収するように異なるエネルギーバンドギャップを有していてもよい。一実施形態において、層スタック１０６、１０８、１１０は、光の波長の異なる部分をそれぞれ吸収し、層スタック１０６、１０８、１１０の２つ以上は、入射光の波長の少なくとも部分的に重複するスペクトルを吸収する。上部層スタック１０６は、３つの層スタック１０６、１０８、１１０の中で最も大きいエネルギーバンドギャップを有していてもよく、下部層スタック１１０は、３つの層スタック１０６、１０８、１１０の中で最も小さいエネルギーバンドギャップを有していてもよく、中間層スタック１０８は、上部層１０６スタックのエネルギーバンドギャップと下部層スタック１１０のエネルギーバンドギャップとの間のエネルギーバンドギャップを有していてもよい。電池１００中の異なるエネルギーバンドギャップは、電池１００が入射光のかなりの部分を電流に変換できるようにする。例えば、３つの層スタック１０６、１０８、１１０のうち、下部層スタック１１０の最も小さいエネルギーバンドギャップは、下部層スタック１１０が入射光の最も長い波長を吸収できるようにする。層スタック１０６、１０８及び１１０のうち、中間層スタック１０８の中間のエネルギーバンドギャップは、中間層スタック１０８が、下部層スタック１１０より大きい電位を出力しながら、下部層スタック１１０と比較して入射光のより短い波長を吸収できるようにする。層スタック１０６、１０８、１１０のうち、上部層スタック１０６の最も大きいエネルギーバンドギャップは、上部層スタック１０６が、中間層スタック１０８及び下部層スタック１１０と比較して入射光の最も短い波長を吸収できるようにする。例えば、上部層スタック１０６は、３つの層スタック１０６、１０８、１１０の中で最大の電位を提供しながら、入射する可視光の波長の様々な範囲を吸収することができる。
層スタック１０６、１０８、１１０のエネルギーバンドギャップは、楕円偏光法を使用して測定することができる。あるいは、層スタック１０６、１０８、１１０のエネルギーバンドギャップを得るために、外部量子効率（ＥＱＥ）測定値を使用することができる。このＥＱＥ測定値は、半導体の層又は層スタックの上に入射する光の波長を変更し、入射する光子を外部回路に届く電子に変換する際の層又は層スタックの効率を測定することによって得られる。異なる波長において入射光を電子に変換する際の層スタック１０６、１０８、１１０の効率に基づいて、層スタック１０６、１０８、１１０のエネルギーバンドギャップを導き出すことができる。例えば、層スタック１０６、１０８、１１０のそれぞれは、層スタック１０６、１０８又は１１０のバンドギャップより大きいエネルギーを有する入射光の変換において、異なるエネルギーの光を変換する際よりも、さらに効率的であり得る。特に、１．６０ｅＶ〜１．８０ｅＶの範囲内のエネルギーバンドギャップを有する中間層スタック１０８を堆積させるメリットは、中間層スタック１０８が約７００ナノメートル〜８００ナノメートルの波長領域において光を吸収する際により有効的であることである。一実施形態において、中間層スタック１０８のＥＱＥ測定値は、７００ナノメートルにおいて少なくとも１５％である。他の一実施形態において、中間層スタック１０８のＥＱＥ測定値は、７００ナノメートルにおいて少なくとも３０％である。第三の実施形態において、中間層スタック１０８のＥＱＥは、７００ナノメートルにおいて少なくとも５０％である。
上部電極層１１２は上部層スタック１０６の上に堆積させる。上部電極層１１２は、例えば、上部層スタック１０６の上に直接堆積させることができる。上部電極層１１２は、導電性かつ光透過の材料を含むか、又は、該材料から形成される。上部電極層１１２は、例えば、透明な導電性酸化物から形成することができる。そのような材料の例には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、フッ素をドープした酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）、スズをドープしたインジウムオキシド（ＩＴＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び／又は、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（Ａｌ：ＺｎＯ）が含まれる。上部電極層１１２は、様々な厚さで堆積させることができる。いくつかの実施形態において、上部電極層１１２は、厚さが約５０ナノメートルから２マイクロメートルである。
一実施形態において、上部電極層１１２は、６０ナノメートル〜９０ナノメートルのＩＴＯ又はＡｌ：ＺｎＯの層から形成される。上部電極層１１２は、電池１００の上部電極層１１２において反射防止（ＡＲ）効果を生じさせる厚さを有する導電性材料と光透過材料との両方として機能することができる。例えば、上部電極層１１２は、上部電極層１１２によって電池１００の活性層から離れるように反射される光の波長の比較的少ない割合を反射する一方で、入射光の１つ以上の波長の比較的大きい割合が上部電極層１１２を通って伝播するようにできる。単なる例として、上部電極層１１２は、入射光の所望の波長の１つ又はそれ以上の約５％以下を層スタック１０６、１０８、１１０から遠ざけるように反射することができる。他の一例において、上部電極層１１２は、入射光の所望の波長の約３％以下を層スタック１０６、１０８、１１０から遠ざけるように反射することができる。他の一実施形態において、上部電極層１１２は、入射光の所望の波長の約２％以下を層スタック１０６、１０８、１１０から遠ざけるように反射することができる。さらに別の例において、上部電極層１１２は、入射光の所望の波長の約１％以下を層スタック１０６、１０８、１１０から遠ざけるように反射することができる。上部電極層１１２の厚さは、層スタック１０６、１０８、１１０の中へ上部電極層１１２を通って下方へ伝播する入射光の所望の波長を変更するために調節することができる。１つ又はそれ以上の実施形態において、比較的薄い上層電極層１１２のシート抵抗は、約２０〜５０オーム／スクエアのように比較的高くてもよいが、以下に説明するように、上部電極層１１２の比較的高いシート抵抗は、光起電モジュールの各電池１００の上層電極層１１２の幅を短くすることによって補うことができる。
粘着層１４４は、上部電極層１１２の上に堆積させる。例えば、粘着層１４４は、上部電極層１１２の上に直接堆積させることができる。あるいは、粘着層１４４が電池１００に含まれない。粘着層１４４は、カバー層１０４を上部電極層１１２に対して固定する。粘着層１４４は、電池１００の中へ湿気が進入するのを防ぐことができる。粘着層１４４は、例えば、ポリビニルブチラール「ＰＶＢ」、ｓｕｒｌｙｎ（サーリン）、又は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）共重合体などの材料を含んでいてもよい。
カバー層１０４は、粘着層１４４の上に配置される。あるいは、カバー層１０４は、上部電極層１１２の上に配置される。カバー層１０４は、光透過材料を含むか又は光透過材料から形成される。一実施形態において、カバー層１０４は１枚の強化ガラスである。カバー層１０４において強化ガラスを使用することによって、電池１００を物理的なダメージから保護するのを助けることができる。例えば、強化ガラスカバー層１０４は、あられ及び他の環境ダメージから電池１００を保護するのを助けることができる。他の一実施形態において、カバー層１０４は、ソーダ石灰ガラス、低鉄強化ガラス又は低鉄焼きなましガラスのシートである。高度に透明な低鉄ガラスカバー層１０４の使用は、層スタック１０６、１０８、１１０の方への光の透過を高めることができる。選択的に、カバー層１０４の上部に反射防止（ＡＲ）コーティング（図示せず）を与えることができる。
図５は、一実施形態による基材構造の光起電装置５００の概略図、及び、その装置５００の拡大図５０２である。この装置５００は、互いに電気的に直列に結合された複数の光起電電池５０４を含む。この電池５０４は、電池１００（図１に示されている）に類似するものであってもよい。例えば、電池５０４のそれぞれは、層スタック１０６、１０８、１１０（図１に示されている）のような３つ以上の半導体層スタックのタンデム配置であって、各層スタックが光の波長のスペクトルの異なる部分を吸収するタンデム配置を有していてもよい。一実施形態において、電池５０４の中の２つ以上の層スタックによって吸収される光の波長のスペクトルは、少なくとも部分的に互いに重複していてもよい。図１の略図は、図５の線１−１に沿った装置５００の横断面図であり得る。装置５００は、互いに電気的に直列に接続された多数の電池５０４を含んでいてもよい。単なる例として、装置５００は、２５個、５０個、１００個、又は、さらに多くの、互いに直接に接続された電池５０４を有していてもよい。さらに、最も外側の電池５０４のそれぞれは、複数のリード５０６、５０８の１つに電気的に接続されていてもよい。リード５０６及び５０８は、装置５００の両側の端部５１０と５１２との間に延在する。リード５０６及び５０８は、外部の電気負荷５１０に接続される。装置５００によって生じる電流は、外部の負荷５１０に適用される。
上述したように、電池５０４のそれぞれは、いくつかの層を含む。例えば、電池５０４のそれぞれは、基材１０２（図１に示されている）に類似した基材５１２、下部電極層１１４（図１に示されている）に類似した下部電極層５１４、半導体材料の複数層スタック５１６、上部電極層１１２（図１に示されている）に類似した上部電極層５１８、粘着層１４４（図１に示されている）に類似した粘着層５２０、及び、カバー層１０４（図１に示されている）に類似したカバー層５２２を含む。複数層スタック５１６は、装置５００に入射する光の波長のスペクトルの異なる部分をそれぞれ吸収又は捕捉する活性シリコン層の上部と中間と下部の接合体スタックを含んでいてもよい。例えば、複数層スタック５１６は、上部層スタック１０６（図１に示されている）に類似した上部層スタック、中間層スタック１０８（図１に示されている）に類似した中間層スタック、及び、下部層スタック１１０（図１に示されている）に類似した下部層スタックを含んでいてもよい。装置５００は、基材５１２の反対側に配置されたカバー層５２２に光が入射するので、基材構造の装置である。
複数層スタック５１６中の層スタックの２つ以上は、中間反射層１３０（図１に示されている）に類似した中間反射層によって互いから分離されていてもよい。例えば、複数層スタック５１６の下部層スタック及び中間層スタックは、中間反射層によって互いから分離されていてもよい。
ある電池５０４の上部電極層５１８は、近隣の又は隣接する電池５０４の下部電極層５１４と電気的に接続されている。上述したように、上部電極層５１８及び下部電極層５１４における電子及び孔の集合は、電池５０４のそれぞれにおいて電圧差を生じさせる。電池５０４における電圧差は、装置５００の複数の電池５０４にわたる累積的なものであってもよい。電子及び孔は、ある電池５０４の上部電極層５１８及び下部電極層５１４を通って、隣接する電池５０４の対向電極層５１８、５１４へ流れる。例えば、光がタンデム型層スタック５１６にぶつかるときに、第１の電池５０４の中の電子が下部電極層５１４に流れる場合には、その電子は、次に、第１の電池５０４の下部電極層５１４を通って、第１の電池５０４に隣接する第２の電池５０４の上部電極層５１８へ流れる。同様に、孔が第１の電池５０４の上部電極層５１８へ流れる場合には、その孔は、第１の電池５０４の上部電極層５１８から第２の電池５０４の下部電極層５１４へ流れる。電流及び電圧は、上部電極層５１８及び下部電極層５１４を通った電子及び孔の流れによって生じる。電流は外部荷重５１０に適用される。
装置５００は、２００９年９月２９日に提出された「一体的に統合されたソーラーモジュール（Monolithically-Integrated Solar Module）」（５１０出願」）と題された同時係属中の米国出願番号第１２／５６９，５１０に記載されている１つ又はそれ以上の実施形態に類似した一体的に統合されたソーラーモジュールであってもよい。５１０出願の全開示は、言及することによって本明細書に組み込まれている。例えば、装置５００の中の下部電極層５１４及び上部電極層５１８の形状、並びに、タンデム型層スタック５１６を作るために、５１０出願に記載されているような一体的に統合されたモジュールとして装置５００を作成することができる。一実施形態において、下部電極層５１４の一部分は、下部分離ギャップ５２４を作るために除去される。下部電極層５１４の一部分は、下部電極層５１４に対してパターニング技術を使用して除去することができる。下部分離ギャップ５２４を作るために、例えば、下部電極層５１４において下部分離ギャップ５２４を削るレーザー光を使用することができる。下部分離ギャップ５２４を作るために下部電極層５１４の一部分を除去した後に、下部電極層５１４の残りの部分は、拡大図５０２の平面に対して横方向に延在する線形の細長片として配置される。
複数層スタック５１６は、複数層スタック５１６が下部分離ギャップ５２４の中の体積を埋めるように、下部電極層５１４の上に堆積させる。その後、複数層スタック５１６の一部分を除去して、複数層スタック５１６の中に中間層ギャップ５２６を与えるために、複数層スタック５１６を、レーザー光線のようなエネルギー集束ビームに暴露させる。中間層ギャップ５２６は、隣接する電池５０４の複数層スタック５１６を分離する。中間層ギャップ５２６を作るために複数層スタック５１６の一部分を除去した後に、複数層スタック５１６の残りの部分は、拡大図５０２の平面に対して横方向に延在する直鎖細長片として配置される。
上部電極層５１８は、複数層スタック５１６及び中間層ギャップ５２６における下部電極層５１４に堆積させる。一実施形態においては、反射防止（ＡＲ）効果を与えるように調節又は調整された厚さを有する比較的薄い上部電極層５１８を堆積させることによって、装置５００の変換効率を高めることができる。例えば、上部電極層５１８の厚さ５３８は、上部電極層５１８を通って複数層スタック５１６の中へ透過する可視光の量が増えるように調節することができる。上部電極層５１８を通って透過する可視光の量は、入射光の波長及び上部電極層５１８の厚さによって変化し得る。上部電極層５１８のある厚さは、他の波長の光より多く、ある波長の光が上部電極層５１８を通って伝播するようにできる。単なる例として、上部電極層５１８は、約６０ナノメートル〜９０ナノメートルの厚さで堆積させることができる。
上部電極層５１８によって与えられる反射防止効果は、より多くの光が上部電極層５１８を通って複数層スタック５１６へ伝播することができるので、装置５００によって生じる全電力を高めることができる。上部電極層５１８によって与えられる反射防止効果から生じる増加した電力出力は、上部電極層５１８において生じるＩ２Ｒロスのようなエネルギーロスの、すべてではないにしても、その一部を少なくとも克服するのに充分であり得る。例えば、上部電極層５１８を通過する光の増加した量に起因する増加した量の光電流は、薄い上部電極層５１８の比較的高いシート抵抗に伴うＩ２Ｒパワーロスを克服するか又は部分的に補うことができる。単なる例として、複数層スタック５１６の中に連続的に積み重ねられた２つの非晶質シリコン接合体と１つの微晶質シリコン接合体とを有する電池５０４は、約２．１ボルト〜２．６ボルトの範囲内の出力電圧及び平方センチメートル当たり約６ミリアンプ〜１２ミリアンプの範囲内の電流密度を達成することができる。比較的高い出力電圧及び比較的低い電流密度のそのような条件下において、薄い上部電極層５１８におけるＩ２Ｒロスは、上部電極層５１８のシート抵抗が少なくとも約１５〜３０オーム／スクエアのシート抵抗のように１０オーム／スクエア以上であっても、電池５０４の幅５４０が約０．６センチメートル〜１．２センチメートル程であり得る程に充分な小さくなり得る。装置５００において電池５０４の幅５４０を制御することができるので、薄い上部電極層５１８の上部に導電グリッドを使用することなく、上部電極層５１８におけるＩ２Ｒパワーロスを低減することができる。
上部電極層５１８の一部分は、上部電極層５１８の中に上部分離ギャップ５２８を作り、隣接する２つの電池５０４の上部電極層５１８の部分を互いから電気的に分離するために除去される。上部分離ギャップ５２８は、レーザー光などのエネルギー集束ビームに上部電極層５１８を暴露させることによって作ることができる。エネルギー集束ビームは、上部分離ギャップ５２８に近接する複数層スタック５１６の結晶化度を局所的に高めることができる。例えば、上部電極層５１８と下部電極層５１４との間に伸びる垂直部分５３０の中の複数層スタック５１６の結晶化度は、エネルギー集束ビームへの暴露によって高めることができる。さらに、エネルギー集束ビームは、複数層スタック５１６内のドーパントの拡散を生じさせる可能性がある。複数層スタック５１６の垂直部分５３０は、上部電極５１８と下部電極層５１４との間に、かつ、上部電極層５１８の左端５３４の下に配置される。図５に示されているように、上部電極層５１８の中のギャップ５２８のそれぞれは、隣接する電池５０４の左端５３４と、隣接する電池５０４の上層電極層５１８の反対側の右端５３６とによって境界されている。
複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の結晶化度は、様々な方法によって決定することができる。複数層スタック５１６及び垂直部分５３０における結晶質材料に対する非晶質材料の相対体積の比較を得るために、例えば、ラマン分光法を使用することができる。例えば、試験を行うことが求められる複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の１つ以上を、レーザー装置からの単色光に暴露させることができる。複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の化学物質含有量及び結晶構造に応じて単色光を散乱することができる。光が散乱されるときに、光の周波数（及び波長）が変化する。例えば、散乱光の周波数が変化し得る。散乱光の周波数を測定及び分析する。散乱された光の強度及び／又は周波数の変化に基づいて、試験を行っている複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の非晶質材料及び結晶質材料の相対体積を決定することができる。これらの相対体積に基づいて、調査している多層スタック５１６及び垂直部分５３０における結晶化度を測定することができる。複数層スタック５１６及び垂直部分５３０のいくつかのサンプルを試験する場合には、この結晶化度は、測定したいくつかの結晶化度の平均値であってもよい。
他の一例において、複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の結晶化度を決定するために、複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の１つ以上のＴＥＭ画像を得ることができる。調査している複数層スタック５１６及び垂直部分５３０の１枚以上の薄片を得る。各ＴＥＭ画像中の結晶質材料を表す表面積の割合を各ＴＥＭ画像について測定する。次に、調査している複数層スタック５１６及び垂直部分５３０における結晶化度を決定するために、ＴＥＭ画像中のその結晶質材料の割合を平均化することができる。
一実施形態において、複数層スタック５１６の残りの部分と比較して高められた垂直部分５３０の結晶化度及び／又は拡散は、図５に示されている図形中の複数層スタック５１６の厚さの端から端まで垂直に延在する埋め込みバイパスダイオード５３２を形成する。例えば、垂直部分５３０の中の複数層スタック５１６の結晶化度及び／又は相互拡散を、複数層スタック５１６の残り部分における結晶化度及び／又は相互拡散より大きくすることができる。エネルギー集束ビームのエネルギー及びパルス幅の制御を通じて、個々の電池５０４において電気的短絡を生じることなく、個々の電池５０４の個々の端から端まで、埋め込みバイパスダイオード５３２を形成することができる。埋め込みバイパスダイオード５３２は、装置５００の中の電池５０４を通った電気的迂回路であり、特定の電池５０４が遮光されたときに、特定の電池５０４、電池５０４のグループ、及び／又は、装置５００に対するダメージを防ぐことができる電気的迂回路を与える。例えば、埋め込みバイパスダイオード５３２がなければ、他の電池５０４が光に暴露され続ける間に、遮光されている又はもはや光に暴露されない電池５０４は、暴露されている電池５０４によって生じる電位によって逆バイアスされる可能性がある。光に暴露された電池５０４によって生じる電位は、遮光された電池５０４の上部電極層５１８及び下部電極層５１４において、遮光された電池５０４の両端で高まる可能性がある。結果として、遮光された電池５０４の温度が上昇し、その遮光された電池５０４の温度が著しく上昇する場合には、その遮光された電池５０４が永続的に破損又は灰化する可能性がある。埋め込みバイパスダイオード５３２を有しない遮光された電池５０４は、全装置５００によって電位又は電流が生じるのを阻害する可能性がある。従って、埋め込みバイパスダイオード５３２を有しない遮光された電池５０４は、装置５００から相当量の電流を浪費し又は失う可能性がある。
埋め込みバイパスダイオード５３２があれば、光に暴露された電池５０４によって生じる電位は、遮光された電池５０４の上部分離ギャップ５２８の両端に形成されたバイパスダイオード５３２を通って、バイパスダイオード５３２を有する遮光された電池５０４を迂回することができる。複数層スタック５１６の部分５３０の高められた結晶化度、及び／又は、上部電極層５１８と複数層スタック５１６の中の部分５３０との間の相互拡散は、遮光された電池５０４が逆バイアスされたときに電流が通過するための経路を与える。例えば、バイパスダイオード５３２は、逆バイアスにおいて遮光された電池５０４の大部分よりも低い電気抵抗特性を有するので、遮光された電池５０４の両端の逆バイアスは、バイパスダイオード５３２を通って消散することができる。
電池５０４又は装置５００の中の埋め込みバイパスダイオード５３２の有無は、個々の電池５０４の遮光前後における装置５００の電気出力を比較することによって究明することができる。例えば、装置５００に光を当てて、装置５００によって生じる電位を測定する。１つ又はそれ以上の電池５０４を遮光しながら、残りの電池５０４に光を当てることができる。装置５００は、リード５０６、５０８を連結することによって短絡させることができる。その後、１時間のような所定時間にわたって装置５００を光に暴露することができる。その後、遮光した電池５０４と遮光しなかった電池５０４との両方に再度光を当てて、装置５００によって生じる電位を測定する。一実施形態において、電池５０４の遮光前後における電位差が約１００ミリボルト以内である場合には、装置５００が埋め込みバイパスダイオード５３２を含む。あるいは、電池５０４を遮光した後の電位が電池５０４を遮光する前の電位より約２００ミリボルト〜２５００ミリボルト低い場合には、装置５００は、埋め込みバイパスダイオード５３２を含んでいない可能性がある。
他の一実施形態においては、電池５０４を電気的に調べることによって、特定の電池５０４に関する埋め込みバイパスダイオード５３２の有無を究明することができる。電池５０４が光に当たらずに逆バイアスされたときに、その電池５０４が可逆的で非永続的なダイオード降伏を示す場合には、その電池５０４は、埋め込みバイパスダイオード５３２を含む。例えば、光を当てずに約−５〜−８ボルトの逆バイアスを電池５０４の上部電極層５１４及び下部電極層５１８の両端に適用したときに、電池５０４が平方センチメートル当たり約１０ミリアンペアを超えるリーク電流を示す場合には、その電池５０４が埋め込みバイパスダイオード５３２を含む。
図６は、一実施形態による基材形態の構造光起電装置を製造するプロセス６００のフローチャートである。６０２において基材を提供する。例えば、基材１０２（図１に示されている）のような基材を提供することができる。６０４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１０２の上にテンプレート層１１６（図１に示されている）を堆積させることができる。あるいは、プロセス６００のフローは、光起電装置がテンプレート層を含まないようにするように、経路６０６に沿って６０４を迂回することができる。６０８においてテンプレート層又は基材の上に下部電極層を堆積させる。例えば、テンプレート層１１６又は基材１０２の上に下部電極層１１４（図１に示されている）を堆積させることができる。
６１０において、装置中の各電池の下部電極層を互いから分離するために、下部電極層の一部分を除去する。上述したように、レーザー光線のようなエネルギー集束ビームを使用して下部電極層の部分を除去することができる。６１２において下部接合体スタックを堆積させる。例えば、下部電極層１１４（図１に示されている）の上に、下部層スタック１１０（図１に示されている）のようなシリコン層のＮ−Ｉ−Ｐ下部スタックを堆積させることができる。６１４において下部層スタックの上に中間反射層を堆積させる。例えば、下部層スタック１１０の上に中間反射層１３０（図１に示されている）を堆積させることができる。あるいは、プロセス６００のフローは、６１４における中間反射層の堆積を経路６１６に沿って迂回する。６１８において中間接合体スタックを提供する。例えば、中間反射層１３０又は下部層スタック１１０の上に、中間層スタック１０８（図１に示されている）のようなシリコン層のＮ−Ｉ−Ｐ中間スタックを堆積させることができる。６２０において上部接合体スタックを提供する。例えば、中間層スタック１０８の上に、上部層スタック１０６（図１に示されている）のようなシリコン層のＮ−Ｉ−Ｐ上部スタックを堆積させることができる。下部層スタック、中間層スタック、及び、上部層スタックは、前記装置の複数層スタックを形成し、上述した複数層スタック５１６（図５に示されている）に類似している。
６２２において、装置中の隣接する電池の間において複数層スタックの一部分を除去する。上述したように、例えば、隣接する電池（図５に示されている）の間において、上部層スタック、中間層スタック、及び、下部層スタック１０６−１１０（図１に示されている）の一部分を除去することができる。一実施形態において、複数層スタックの除去は、装置内の隣接する電池間の中間反射層の一部分を除去するステップも包含する。６２４において上部層スタックの上に上部電極層を堆積させる。例えば、上部層スタック１０６の上に上部電極層１１２（図１に示されている）を堆積させることができる。６２６において上部電極層の一部分を除去する。例えば、装置５００（図５に示されている）内の隣接する電池５０４の上層電極層１１２を互いから分離するために、上部電極層１１２の一部分を除去する。上述したように、上部電極層１１２の一部分を除去することによって、装置内の電池中に埋め込みバイパスダイオードを形成することができる。
６２８において、装置内の最も外側の電池に導電リードを電気的に接続する。例えば、装置５００（図５に示されている）内の最も外側の電池５０４（図５に示されている）とリード５０６、５０８（図５に示されている）を電気的に連結することができる。６３０において上部電極層の上に粘着層を堆積させる。例えば、上部電極層１１２（図１に示されている）の上に粘着層１４４（図１に示されている）を堆積させることができる。６３２において粘着層にカバー層を貼り付ける。例えば、粘着層１４４によって、カバー層１０４（図１に示されている）を、電池１００（図１に示されている）の内在する層及び構成材に連結することができる。６３４において装置にジョイントボックスを取り付ける。例えば、装置５００から１つ以上のコネクターへ電位及び／又は電流を届けるように構成されたジョイントボックスを、装置５００に取り付けて電気的に接続することができる。
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、特定の状況又は材料を、開示されている主題の教示に適合させるために、その範囲から外ることれなく数多くの変形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、本明細書に記載されている主題の範囲は、そのような特許請求の範囲に付与される均等物の全範囲と共に、添付された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。

Claims (20)

  1. 一体的に統合された光起電モジュールであって、前記光起電モジュールは、
    電気絶縁基材と、
    前記基材の上の微晶質シリコン層の下部スタックと、
    前記下部スタックの上の非晶質シリコン層の中間スタックと、
    前記中間スタックの上の非晶質シリコン層の上部スタックと、
    前記上部スタックの上に配置された光透過カバー層とを含み、
    前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックのそれぞれのエネルギーバンドギャップは、入射光の異なるスペクトルが前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックのそれぞれによって吸収されるように、互いに異なることを特徴とする光起電モジュール。
  2. 前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックのそれぞれが、複数のシリコン副層からなるＮ−Ｉ−Ｐ接合体を含むことを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  3. 前記上部スタックのエネルギーバンドギャップが前記中間スタックのエネルギーバンドギャップより大きく、前記中間スタックのエネルギーバンドギャップが前記下部スタックのエネルギーバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  4. 前記下部スタックと前記中間スタックとの間の反射層をさらに含み、
    前記反射層は、光の一部を前記中間スタックの中へ反射して戻し、光の他の部分が前記反射層を通過して前記下部スタックの中へ入るようにすることを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  5. 前記下部スタックと前記基材との間の下部電極、及び、前記上部スタックと前記カバー層との間の上部電極をさらに含み、
    前記上部スタック、前記中間スタック又は前記下部スタックの１つ又はそれ以上が、前記上部スタック、前記中間スタック又は前記下部スタックの１つ又はそれ以上を通って前記下部電極から前記上部電極まで垂直に延在する埋め込みバイパスダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  6. 前記バイパスダイオードは、前記上部スタック、前記中間スタック又は前記下部スタックの１つ又はそれ以上の一部分であって、前記上部スタック、前記中間スタック、又は、前記下部スタックの１つ又はそれ以上の残りの部分より高い結晶化度を有する一部分で構成されており、
    前記バイパスダイオードは、電池が逆バイアスされたときに前記上部電極と前記下部電極との間で電流を導電することを特徴とする請求項５に記載の光起電力電池。
  7. 前記バイパスダイオードは、前記上部スタック、前記中間スタック又は前記下部スタックの１つ又はそれ以上の一部分であって、前記上部スタック、前記中間スタック、又は、前記下部スタックの１つ又はそれ以上の残りの部分より高い結晶化度を有する一部分で構成されており、
    前記バイパスダイオードは、その電池が遮光され、かつ、隣接する電池が光に暴露されたときに、前記上部電極と前記下部電極との間で電流を導電することを特徴とする請求項５に記載の光起電力電池。
  8. 前記上部スタックのエネルギーバンドギャップは、少なくとも約１．８５ｅＶであり、
    前記中間スタックのエネルギーバンドギャップは、少なくとも約１．６５ｅＶであり、かつ、前記上部スタックのエネルギーバンドギャップより小さく、
    前記下部スタックのエネルギーバンドギャップは、少なくとも約１．１ｅＶであり、かつ、前記中間スタックのエネルギーバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  9. 前記上部スタックの上の上部電極と、前記下部スタックの下の下部電極とをさらに含み、
    前記上部電極の厚さが前記上部電極を通過する光の波長に基づい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。
  10. 前記中間スタックが、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含まない、シリコン又はドープシリコンから形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  11. 光起電モジュールを製造する方法であって、前記方法は、
    電気絶縁基材及び下部電極を提供するステップと、
    前記下部電極の上に微晶質シリコン層の下部スタックを堆積させるステップと、
    前記下部スタックの上に非晶質シリコン層の中間スタックを堆積させるステップと、
    前記中間スタックの上に非晶質シリコン層の上部スタックを堆積させるステップと、
    前記上部スタックの上に上部電極を提供するステップとを含み、
    前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックのそれぞれのエネルギーバンドギャップは、前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックのそれぞれによって入射光の異なるスペクトルが吸収されるように、互いに異なることを特徴とする方法。
  12. 前記下部スタック及び前記中間スタックのそれぞれが、ｎドープ層、真性層、及び、ｐドープ層を含み、
    前記下部スタック及び前記中間スタックのｎドープ及び真性層を少なくとも摂氏２５０℃の温度で堆積させ、
    前記下部スタック及び前記中間スタックのｐドープ層を摂氏２５０℃以下の温度で堆積させることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 摂氏２２０℃以下の温度で前記上部スタックを堆積させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 前記非晶質シリコン層の中間スタックを堆積させる前に、前記微晶質シリコン層の下部スタックの上に反射層を堆積させるステップをさらに含み、
    前記反射層は、光の一部を中間スタックの中へ反射して戻し、光の他の部分が前記反射層を通過して下部スタックの中へ入るようにすることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  15. 光起電電池の輪郭を決定するために、及び、隣接する光起電電池の上部電極の部分を電気的に分離するために、前記上部電極の一部分を除去するステップをさらに含み、
    前記除去ステップによって、前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックを通って前記下部電極から前記上部電極まで垂直に延在するバイパスダイオードが形成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  16. 前記除去ステップは、前記下部スタック、前記中間スタック及び前記上部スタックの一部分の結晶化度を、前記下部スタック、前記中間スタック、及び、前記上部スタックの残りの部分よりも高め、その高められた結晶化度を有する一部分が前記バイパスダイオードを形成することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 前記バイパスダイオードを有する光起電電池が逆バイアスされたときに、前記バイパスダイオードを通して上部電極と下部電極との間で電流を導電するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  18. 前記バイパスダイオードを有する光起電電池が入射光から遮光され、かつ、隣接する電池が光に暴露されたときに、前記バイパスダイオードを通して上部電極と下部電極との間で電流を導電するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  19. 上部電極を堆積させる前記ステップが、前記上部電極を通過する入射光の波長に基づいた厚さで前記上部電極を堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  20. 前記中間スタックを堆積させるステップが、ゲルマニウム（Ｇｅ）を堆積させることなく、非晶質シリコン層の中間スタックを堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
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