JP2013512191A - 光発電用表面模様付スーパーストレート - Google Patents
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Abstract
光発電セル、例えばシリコンタンデム光発電セルのための、波長に依存しない光トラッピングに十分な光散乱特性をもつ、表面模様付スーパーストレートが開示される。スーパーストレートの模様付表面の構造は、表面模様付スーパーストレートの作製に用いられる方法によって、所望の光散乱／トラッピング特性を与えるために調製することができる。方法は、ガラススーパーストレートの、研削及び研磨工程、または、研磨、研削及びエッチング工程を含む。
Description
本出願は、２００９年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６１/２６４９２９号及び２０１０年１１月２９日に出願された米国特許出願第１２/９５５１２６号の優先権の恩典を主張する。
実施形態は、全般的には光発電セルに関し、さらに詳しくは、例えばシリコンベース光発電セル用の、光散乱性表面模様付スーパーストレート及び光散乱性表面模様付スーパーストレートの作製方法に関する。
いずれの構成の太陽電池においても重要な特性の１つは効率、すなわち、標準日照の下で発電される単位面積当たりの電力量である。最終的なワット当たりコストを決定するのはこの特性である。アモルフォスシリコン及び微結晶シリコンを有する、デュアル(またはタンデム)構造の理論効率は、アモルフォスシリコンだけまたは微結晶シリコンだけに基づくセルより優れていると考えられる。アモルフォスシリコン及び微結晶シリコンのいずれをも利用するタンデム構造の利点は、アモルフォスシリコン及び微結晶シリコンの両者の組合せの利用による太陽光スペクトルの多くの捕捉を強化するように設計されることである。セルのアモルフォスシリコン領域は太陽光スペクトルの高エネルギー領域を吸収し、微結晶領域は低エネルギー領域を吸収する。
アモルフォスシリコン及び微結晶シリコンの両者を組み込んでいる代表的なタンデムセルは、透明電極がその上に被着されている基板、アモルフォスシリコンの上部セル、微結晶シリコンの下部セル、及び背面コンタクトまたは電流電極を有する。光は一般に、基板がセル構成のスーパーストレートになるように、基板の透明電極被着側から入射する。
アモルフォスシリコン層の実用厚は、アモルフォスシリコン層厚が増大するにしたがいキャリア集積を減少させるステブラー−ロンスキー効果によって制限される。アモルフォスシリコン層厚は僅か約３００ｎｍに制限され、よってこの層における光吸収は最大化される必要がある。そのようなアモルフォスシリコン層における光吸収を最大化する方法の１つはセルの層の界面、特に導電性透明酸化物(ＴＣＯ)／アモルフォスシリコン界面における散乱を与えることである。
上で論じたように、このタイプの薄膜太陽電池デバイスにおける主要な課題は効率を高めることである。ほとんど全ての場合、活性膜厚、したがって吸収の限界のため、主な攻略策は光路を長くすることで光の捕捉を高めるための手段を見いだすことである。代表的なアプローチはＴＣＯ膜に表面模様を与えることである。従来の光発電セルの多くは表面模様付ＴＣＯ膜、例えば、日本国旭硝子(株)が製造したＡｓａｈｉ-Ｕ膜を用いている。
業界で知られている別のＴＣＯ散乱表面はＺｎＯで作製され、Ａｓａｈｉ-Ｕ膜と同等の、表面モルフォロジー、全透過率及び散漫透過率を有する。
技術上既知の別の散乱性ＴＣＯは、ユーリヒ総合研究機構(Forschungszentrum Juelich)によって開発され、アプライドマテリアルズ(AMAT)によって使用されるＴＣＯである。
旭硝子はＴＣＯ膜における別のタイプの表面構造、Ａｓａｈｉ-ＨＵも示した。Ａｓａｈｉ-ＨＵは可視スペクトル及び近ＩＲスペクトルにかけて非波長依存性散乱を有する。
表面模様付ＴＣＯ技術にともなう欠点には、
(１)表面模様粗さが、堆積シリコンの品質を低下させ、電気的短絡を生じさせ、よって太陽電池の全体性能を低下させる、
(２)表面模様最適化が、堆積プロセスまたはエッチングプロセスで利用で得られる表面模様及びＴＣＯ層の厚化にともなう透過率の低下の両者によって制限される、及び
(３)ＺｎＯの場合、表面模様を形成するためのプラズマ処理またはウエットエッチングがコストを押し上げる、
の内の１つ以上を含めることができる。
(１)表面模様粗さが、堆積シリコンの品質を低下させ、電気的短絡を生じさせ、よって太陽電池の全体性能を低下させる、
(２)表面模様最適化が、堆積プロセスまたはエッチングプロセスで利用で得られる表面模様及びＴＣＯ層の厚化にともなう透過率の低下の両者によって制限される、及び
(３)ＺｎＯの場合、表面模様を形成するためのプラズマ処理またはウエットエッチングがコストを押し上げる、
の内の１つ以上を含めることができる。
薄膜シリコン太陽電池に対する光トラッピング要件への別のアプローチでは、被着膜に表面模様が形成されるのではなく、窒化シリコン膜被着の前に、ＴＣＯ及び／またはシリコンの下で基板の表面模様が形成される。従来の薄膜シリコン太陽電池のいくつかでは、基板と接触しているＳｉの底面にコンタクトを形成するため、ＴＣＯの代わりに、バイアが用いられる。従来の薄膜シリコン太陽電池のいくつかにおける表面模様はガラス基板上に被着された結合材マトリクス内のＳｉＯ２粒子で形成されている。このタイプの表面模様形成は一般に、粒子が液内に懸濁され、基板が液にくぐらされ、その後焼結される、ゾル−ゲル型プロセスを用いてなされる。ビーズ形状は球形のままであり、焼結されたゲルによって適所に保持される。
ＴＣＯ被着前に模様付表面を形成するための多くの方法がさらに探求された。これらの方法には、サンドブラスト、ポリスチレン微小球堆積及びエッチング、及び化学エッチングがある。模様付表面に関するこれらの方法は、形成され得る模様付表面のタイプにより限定され得る。
光トラッピングは、Ｓｉ厚が約１００μｍより薄いバルク結晶Ｓｉ太陽電池に対しても有用である。この厚さにおいて、１回のパスまたは(反射性背面コンタクトによる)２回のパスで全ての太陽光を有効に吸収するには厚さが十分ではない。したがって、光トラッピングを強めるために、大規模幾何学的構造を有するカバーガラスが開発された。例えば、カバーガラスとシリコンの間にＥＶＡ(酢酸エチル-ビニル)封入材料が配置される。そのようなカバーガラスの一例は、Saint-Gobain Glass社の製品のAlbarino(登録商標)ファミリーである。この大規模構造の形成には一般にロールプロセスが用いられる。
表面模様付ガラススーパーストレートアプローチにともなう欠点には、
(１)ゾル−ゲル化学プロセス及び関連プロセスには基板へのガラス微少球の結合が必要である、
(２)プロセスはガラス基板の両面に模様付表面を形成する、
(３)シリカ微少球及びゾル−ゲル材料にともなう付加コスト、及び
(４)シリコン膜における膜密着及びクラック形成の問題、
に内の１つ以上を含めることができる。
(１)ゾル−ゲル化学プロセス及び関連プロセスには基板へのガラス微少球の結合が必要である、
(２)プロセスはガラス基板の両面に模様付表面を形成する、
(３)シリカ微少球及びゾル−ゲル材料にともなう付加コスト、及び
(４)シリコン膜における膜密着及びクラック形成の問題、
に内の１つ以上を含めることができる。
光発電セル、例えば、波長に依存しない光トラッピングに十分な光散乱特性を有するシリコンタンデム光発電セルのための表面模様付スーパーストレートを有することが有利であろう。所望の光散乱／トラッピング特性を与えるために、表面模様付スーパーストレートの作製に用いられる方法によってスーパーストレートの模様付表面の構造を調製できることも有利であろう。
本明細書に説明されるような、表面模様付スーパーストレート及び表面模様付スーパーストレートの作製方法は、光発電用途、例えばシリコンタンデム光発電セルに有用な、従来の表面模様付スーパーストレート及び表面模様付スーパーストレートの作製方法の上述した欠点の内の１つ以上に対処する。
一実施形態は光散乱性表面模様付スーパーストレートの作製方法であり、本方法は、
ガラスシートを提供する工程、及び
光散乱性模様付表面を形成するためにガラスシートの表面上に構造を形成するため、ガラスシートの表面を研削及び研磨する工程、
を含む。
ガラスシートを提供する工程、及び
光散乱性模様付表面を形成するためにガラスシートの表面上に構造を形成するため、ガラスシートの表面を研削及び研磨する工程、
を含む。
別の実施形態は光散乱性表面模様付スーパーストレートであり、本光散乱性表面模様付スーパーストレートは、
構造を有する模様付表面を有するガラスシート、
−模様付表面は、１００ｎｍから１.５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ、及び５００ｎｍから２μｍの範囲の相関長を有する、
を有する。
構造を有する模様付表面を有するガラスシート、
−模様付表面は、１００ｎｍから１.５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ、及び５００ｎｍから２μｍの範囲の相関長を有する、
を有する。
別の実施形態は、説明される方法によって作製される光散乱性表面模様付スーパーストレートを有する、光発電デバイスである。
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、記述及び添付される特許請求の範囲に、また添付図面にも、説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の例示に過ぎず、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の１つ以上の実施形態を示し、記述とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
本発明は以下の詳細な説明だけでも、あるいは添付図面と合わせて、理解することができる。
本発明の、それぞれの例が添付図面に示されている、様々な実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して、同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。
本明細書に用いられるように、語句「体積散乱」は、光が通過する材料の屈折率における不均一性によって生じる光路への効果として定義することができる。
本明細書に用いられるように、語句「表面散乱」は、光発電セルの層間の界面粗さによって生じる光路への効果として定義することができる。
本明細書に用いられるように、語句「基板」は、光発電セルの構成に依存して基板またはスーパーストレートを表すために用いられ得る。例えば、光発電セルに集成されたときに光発電セルの光入射側にあれば、基板はスーパーストレートである。スーパーストレートは、光発電材料に対して衝撃及び環境による劣化からの保護を提供することができ、同時に太陽光スペクトルの適切な波長の透過を可能にすることができる。さらに、複数の光発電セルを配列して光発電モジュールにすることができる。
本明細書に用いられるように、語句「隣接する」は「極めて近くにあること」と定義することができる。隣接する構造は相互に物理的に接触していることもいないこともあり得る。隣接する構造はそれらの間に配置された他の層及び／または構造を有することができる。
例えばシリコンタンデム光発電デバイスにおける、活性シリコン層による入射太陽光のより効率的な捕捉を可能にする散乱挙動を提供する、ガラススーパーストレート上の表面模様を形成することが有利であろう。
一実施形態は、
構造を有する模様付表面を有するガラスシートであって、模様付表面は、１００ｎｍから１.５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び５００ｎｍから２μｍの範囲の相関長を有するものであるガラスシート、
を有する光散乱性表面模様付スーパーストレートである。
構造を有する模様付表面を有するガラスシートであって、模様付表面は、１００ｎｍから１.５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び５００ｎｍから２μｍの範囲の相関長を有するものであるガラスシート、
を有する光散乱性表面模様付スーパーストレートである。
別の実施形態は、
構造を有する模様付表面を有するガラスシートであって、模様付表面は、５００ｎｍから１.２５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び７５０ｎｍから１.６μｍの範囲の相関長を有するものであるガラスシー、
を有する光散乱性表面模様付スーパーストレートである。
構造を有する模様付表面を有するガラスシートであって、模様付表面は、５００ｎｍから１.２５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び７５０ｎｍから１.６μｍの範囲の相関長を有するものであるガラスシー、
を有する光散乱性表面模様付スーパーストレートである。
別の実施形態は、
構造を有する模様付表面を有するガラスシートであって、模様付表面は、７００ｎｍから１μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び８００ｎｍから１.２μｍの範囲の相関長を有するものであるガラスシート、
を有する光散乱性表面模様付スーパーストレートである。
構造を有する模様付表面を有するガラスシートであって、模様付表面は、７００ｎｍから１μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び８００ｎｍから１.２μｍの範囲の相関長を有するものであるガラスシート、
を有する光散乱性表面模様付スーパーストレートである。
一実施形態は、本明細書の実施形態によって説明されるような光散乱性表面模様付スーパーストレートを有する、光発電デバイスである。本ガラスシート構成においては、表面積が最大の表面に模様が形成される。一実施形態において、ガラスシートは実質的に平板である。一実施形態において、平ガラスシートは２つの、互いに表裏をなす、平表面を有する。光発電デバイスでは、一実施形態において、ガラスシートの一方の表面に模様が形成され、表面模様付ガラスシートはスーパーストレート構成にあって、光を受け、模様付表面はガラスの光が入る側とは逆の側にある。一実施形態において、反対側にも模様が形成される。
本明細書に説明される光散乱性表面模様付スーパーストレートの光散乱挙動の特徴を表すパラメータは、全１８０°前方透過率、−２.５°＜θ＜２.５°の領域を除く全前方散乱である全散漫透過率(ＡＳＴＭ標準による定義)、波長対全反射率及び散漫反射率、波長の関数としての角度散乱、表面モルフォロジー、二乗平均平方根(ＲＭＣ)粗さ及び空間周波数構造(パワースペクトルによる相関長)、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)像、及び走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)像である。Ｌｃ(相関長)は相関関数−数学的相関関数によって特徴が表され、相異なる位置における微視的変数がどのように相関されるかを表す、系のオーダーの尺度−である。
基板の最適化された模様付表面の特性を定めるため、シリコンタンデムセルの効率(最大達成電流密度(ＭＡＣＤ))をシミュレートするためにレイトレーシングモデルを用いた。２５μｍ×２５μｍのＡＦＭスキャン面積で模様付スーパーストレート表面を構成して、ｘ,ｙ次元のスケールを−２/３，１，２/３、高さのスケールを−２/３，１，２/３とした。合計で９回のシミュレーションを行った。続いて、薄膜共形成長(ＴＦＣＧ)モデルを用いて、界面を導出した。表１はレイトレーシング結果を示す。
図１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ及び１６Ｅは、開示される方法にしたがって作製され、表１に挙げられた特性を有する、光散乱性表面模様付スーパーストレートの例のＡＦＭ像である。図１６ＡはＬｃが３/２で相対表面粗さが２/３の表面模様付スーパーストレートの表面の上面図を示す。図１６ＢはＬｃが２/３で相対表面粗さが２/３の表面模様付スーパーストレートの表面の上面図を示す。図１６ＢはＬｃが１で相対表面粗さが１の表面模様付スーパーストレートの表面の上面図を示す。
図１６ＤはＬｃが３/２で相対表面粗さが３/２の表面模様付スーパーストレートの表面の上面図を示す。図１６ＥはＬｃが３/２で相対表面粗さが３/２の表面模様付スーパーストレートの表面の上面図を示す。
Ｌｃが１で相対表面粗さが１の表面模様付スーパーストレートのシミュレーションは、６％の増強を示す。以前の結果と比較して高いこの値はおそらく改善された(「丸め」が少ない)表面整合によって生じている。強められた粗さ及び／または縮められた相関長により性能が改善される。強められた粗さだけまたは縮められた相関長だけで性能は高められる。強められた粗さ及び縮められた相関長が合わさると、性能は最も高められる。これらの限界を無制限に広げることはできない。一般に、電気的性能によって粗さが制限される。ＴＦＣＧは相関長の短縮による恩恵を制限し得る。「余分の」シリコンを(共形成長で)堆積しても性能を向上は少しでしかない。
いくつかの実施形態にしたがえば、光散乱性表面模様付スーパーストレートの厚さは、４.０ｍｍ以下、例えば３.５ｍｍ以下、例えば３.２ｍｍ以下、例えば３.０ｍｍ以下、例えば２.５ｍｍ以下、例えば２.０ｍｍ以下、例えば１.９ｍｍ以下、例えば１.８ｍｍ以下、例えば１.５ｍｍ以下、例えば１.１ｍｍ以下、例えば０.５ｍｍから２.０ｍｍ、例えば０.５ｍｍから１.１ｍｍ、例えば０.７ｍｍから１.１ｍｍである。これらは厚さの例であるが、ガラスシートは０.１ｍｍから４.０ｍｍを含んで４.０ｍｍまでの範囲内の小数を含むいずれの数値の厚さも有することができる。
一実施形態において、光散乱性表面模様付スーパーストレートの表面は１００ｎｍから１.５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び５００ｎｍから２μｍの範囲の相関長を有する。別の実施形態において、光散乱性表面模様付スーパーストレートの表面は５００ｎｍから１.２５μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び７５０ｎｍから１.６μｍの範囲の相関長を有する。別の実施形態において、光散乱性表面模様付スーパーストレートの表面は７００ｎｍから１μｍの範囲のＲＭＳ粗さ及び８００ｎｍから１.２μｍの範囲の相関長を有する。
一実施形態は光散乱性表面模様付スーパーストレートの作製方法であり、本方法は、
ガラスシートを提供する工程、及び
光散乱性表面模様付スーパーストレートを形成するためにガラスシートの表面上に構造を形成するため、ガラスシートを研削及び研磨する工程、
を含む。
ガラスシートを提供する工程、及び
光散乱性表面模様付スーパーストレートを形成するためにガラスシートの表面上に構造を形成するため、ガラスシートを研削及び研磨する工程、
を含む。
表面模様付スーパーストレートの構造がどのように形成されていくかを最終的に決定し得る、研削及び研磨する工程のためのパラメータを規定することができる。パラメータは、例えば、グリット組成、グリット寸法、グリット堆積であり、例えば、パッド、スラリー、研磨方法、または、ガラスの硬度に関係するから、ガラス組成である。
一実施形態において、方法は、研磨粒子及び水、例えば脱イオン水を含む、研磨材スラリーを用いて研削及び研磨する工程を含む。研磨粒子は、０より大きく１５μｍまでの、例えば１〜１０μｍ、例えば１〜５μｍの、平均直径を有することができる。一実施形態において、研磨粒子はアルミナを含む。
一実施形態において、研削及び研磨する工程は研磨パッドに研磨材スラリーを供給する工程を含む。一実施形態にしたがえば、研磨材スラリーを供給する工程は研磨パッド上に研磨材スラリーを液滴態様でしたたらせる工程を含む。
一実施形態にしたがえば、研磨パッドは、ステンレス鋼、ガラス、銅またはこれらの組合せから選ばれる材料を有するプレートである。研磨プレートは模様付表面またはパターン付表面を有することができ、例えば溝付ガラスプレートである。
一実施形態にしたがえば、研削及び研磨する工程はガラスシートの表面の下で研磨パッドを回転させる工程を含み、研磨材スラリーがガラスシートの表面に接触している。一実施形態において、ガラスシートは静止している。回転速度はスーパーストレートの最終の模様付表面を最適化するために調節することができる。回転が速すぎると、例えば、ガラスシートの研磨ではなく、ガラスシートにすり傷をつけることになり得る。
方法は、一実施形態において、研削及び研磨された表面上に酸を用いて構造をエッチングする工程をさらに含む。エッチング条件、例えばエッチング溶液組成及びエッチング時間が、模様付表面の構造をさらに調製するために変えることができるパラメータである。
一実施形態において、エッチングする工程は、フッ酸、塩酸、水またはこれらの組合せを含む酸溶液に、研削及び研磨された表面をさらす工程を含む。酸溶液は、フッ酸、塩酸及び水を、例えば１：１：２０，例えば２：２：２０，または例えば５：５：２０の比で含むことができる。水は、例えば、脱イオン水とすることができる。
一実施形態において、研削、研磨及びエッチングする工程は、ガラスシートを、表面モルフォロジーの制御された平滑化を提供するため、微細グリットで研削及び研磨する工程に続いてフッ酸(ＨＦ)／塩酸(ＨＣｌ)溶液エッチング処理する工程を含む。
研削及び研磨する工程、またはエッチング処理する工程により、光散乱性スーパーストレート上の構造の粗さ及び形態を、したがって全透過率及び散漫透過率を、また角度散乱も、制御するためのプロセスの調整が可能になる。
後者のパラメータ及び、表面粗さ及び光散乱挙動への、それらの影響を調べた。
小(５０〜２５０ｎｍ)、中(２５０〜５００ｎｍ程度)及び大(５００ｎｍ〜１μｍ)の、または非常に大きい、表面粗さを有する模様付表面を有する光散乱性ガラススーパーストレートを、本明細書に開示される方法にしたがって、作製した。
Ｅａｇｌｅ ＸＧガラス、ＨＰＦＳ(登録商標)ガラス、ソーダライムガラス、ＣｄＴｅ太陽電池用特殊ガラス、等のような、ディスプレイ品質ガラスから超高品質ガラスまでの、また特殊ガラスの、いくつかの異なるタイプのガラスを試験した。いくつかのガラスは他のガラスよりもメカノケミカル表面ポリッシング、研磨、研削及びエッチングのプロセスに適している。さらに、ガラスの屈折率が低くなるほどガラス表面からのフレネル反射が低下することから、低屈折率ガラスは若干高いＱＥを提供することができる。
一実施形態にしたがえば、模様付ガラス表面は、１００ｎｍから１５μｍの範囲、例えば１００ｎｍから１０μｍの範囲、または、例えば１００ｎｍから５μｍの範囲の、平均直径を有する構造を有する。一実施形態にしたがえば、模様付ガラス表面は、１００ｎｍから２μｍの範囲、例えば２５０ｎｍから１.５μｍの範囲の、平均直径を有する構造を有する。
一実施形態にしたがえば、模様付ガラス表面は、平均直径が１.５μｍより大きい構造を有し、いくつかの構造は１０μｍに達するかまたはさらに大きい。通常、散乱性構造の寸法が光の波長程度のときにしか散乱はおこらないと考えられる。非常に高度に構造が作製されたガラス表面のＳＥＭ像が図２Ａ及び２Ｂに示される。これらの例の光散乱性模様付ガラス表面はＴＣＯでコーティングした。
一実施形態において、光散乱性物品は、活性シリコン層内の光吸収を高めるため、制御可能な態様で光を前もって散乱する構造をもつ表面を有する、ガラスシートを含む。本実施例においては、研削及び研磨され、エッチングされたガラスシートの、模様付ガラス表面によって与えられる散乱機能は本質的に波長に関係しない。さらに、太陽光スペクトルにわたって、全透過率は＞８０％であり、図１に示されるように、ヘーズすなわち散乱比(総合前方強度に対する角度が＞２.５°の散乱光の比)は８５％より大きい。図１は、図２Ａ及び２Ｂに示される、巨構造をもつ模様付ガラス表面の例の全透過率及び散漫透過率のグラフである。
ガラスシートを研削及び研磨するため、０.５μｍから１０μｍの範囲、例えば、２，３，５，７及び９μｍの平均直径を有するアルミナ粒子、及び脱イオン水を含む研磨材スラリーを用いた。５，７及び９μｍのグリットを用いて得られた表面模様付ガラススーパーストレートの間では、光散乱挙動に有意な差は見られなかった。
グリット平均粒径が２μｍ程度のアルミナ粒子及び脱イオン水を含むスラリーを用い、溝付ガラス研磨パッドを用いて、研削及び研磨することで、無エッチングガラス表面の例を作製した。これらの模様付表面のＳＥＭ像を図５Ａ及び５Ｂに示す。図８は，研削及び研磨及びエッチングによって作製した、例えば、粗さが小(５０〜２５０ｎｍ)、中(２５０〜５００ｎｍ程度)及び大(５００ｎｍ〜１μｍ)の、模様付表面を有するガラス基板についてヘーズをそれぞれ、線１５，線１６及び線１７で示すグラフである。ヘーズは全透過率に対する散漫透過率の散乱比として表すことができる。図９は、研削及び研磨だけで作製した、表面粗さが同様の、２つの異なるタイプのガラスの全透過率及び散漫透過率を示す。高純度石英ガラスについての全透過率及び散漫透過率がそれぞれ線２０及び線２２で示されている。ソーダライムガラスについての全透過率がそれぞれ線１８及び２４で示されている。
５％ＨＦ／ＨＣｌ溶液内の、５分から９０分の範囲の一連のエッチング時間も試験した。図１０，１１(５分エッチング)及び１２(１１分エッチング)はそれぞれ、例えば、粗さが小(５０〜２５０ｎｍ)、中(２５０〜５００ｎｍ程度)及び大(５００ｎｍ〜１μｍ)の、模様付表面を有する、研削及び研磨され、エッチングされたガラススーパーストレートについてＢＴＤＦを示す。模様付表面のＳＥＭ像が図５Ａ及び６Ａに示され、続いてエッチングされた表面のＳＥＭ像が図５Ｂ及び６Ｂに示される。図５Ａ及び６Ａに示される模様付表面を５％ＨＦ／ＨＣｌ溶液でそれぞれ５分及び１１分エッチングし、得られた模様付表面が図５Ｂ及び６Ｂに示される。例に挙げた、小、中及び大の表面粗さについて、Ｚｙｇｏ測定を行った。小粗さ表面の平均ＲＭＳ粗さは１２３.４ｎｍで、標準偏差は２６.５ｎｍであった。中粗さ表面の平均ＲＭＳ粗さは４４９.４ｎｍで、標準偏差は６３.６ｎｍであった。大粗さ表面の平均ＲＭＳ粗さは７１３.１ｎｍで、標準偏差は９.３ｎｍであった。大きな散漫透過率と組み合わされた８５％より大きな全透過率が望ましい。粗さが中及び大の模様付表面の例の相関長は７５０ｎｍから２μｍである。モルフォロジー及び粒径、したがって相関長は本明細書に説明される方法によって調整することができる。
研削及び研磨されたガラススーパーストレートを、フッ酸(ＨＦ)／塩酸(ＨＣｌ)／水の比が１／１／２０の溶液で、３０分、４５分、６０分及び９０分エッチングした。ＨＦ及びＨＣｌには市販化学製品を用いた。全光スペクトルにわたる透過率を無エッチの研削及び研磨されたガラススーパーストレートと比較した。全透過率はエッチング時間にともなって高くなり、波長に対して平坦であることは透過率が波長に依存しないことを示す。いずれの挙動も有益である。３０分エッチングに対し、散漫散乱は、さらに長いエッチング時間に比較して、全透過率が低下することなく大きくなり、このことも有益である。１５分エッチングに対しても同様の結果が見られた。これは、透過率及び散乱に最適化におけるエッチング工程の役割を示す。図３は同じサンプルセットについて、波長６３３ｎｍにおいて測定した角度散乱である。
６３３ｎｍにおいて測定した角度散乱の幅の傾向はエッチング時間とともに減少する。３０分間エッチングした表面模様付ガラススーパーストレートの例についての異方性透過散乱分布関数(ＢＴＤＦ)が図４に示される。ＢＴＤＦデータは模様付表面の非波長依存性を示す。
図１３Ａ及び１３Ｂはそれぞれ、エッチングされた光散乱性表面模様付ガラススーパーストレートの例及びエッチングされていない光散乱性表面模様付ガラススーパーストレートの例の全透過率及び散漫透過率を示すグラフである。線３２及び線３０は、研削及び研磨及びエッチングによって作製された光散乱性表面模様付スーパーストレートの例の全透過率及び散漫透過率を示す。線２６及び２８は研削及び研磨によって作製された光散乱性表面模様付スーパーストレートの例の全透過率及び散漫透過率を示す。
図１４及び１５はそれぞれ、表面粗さが大きい(〜０.５μｍ)、エッチングされていないディスプレイガラスＥａｇｌｅ ＸＧ及びエッチングされたディスプレイガラスＥａｇｌｅ ＸＧのｃｃＢＴＤＦを示すグラフである。
散乱挙動と特定の表面模様の間の正確な物理的関係は簡単な言葉では説明できない。表面模様の特徴は一般にＲＭＳ粗さ及び相関長によって表される。
図２Ａ及び２Ｂに示される巨表面模様をもつ模様付ガラス表面の例についてＡＦＭ測定を行った。高倍率ＳＥＭにおいて微細構造が示される。構造の微細表面模様は散乱の高空間周波数成分に寄与する。これらの模様付表面の例の相関長は５μｍより長い。
別の実施形態は、説明される方法によって作製された光散乱性表面模様付スーパーストレートを有する光発電デバイスである。一実施形態にしたがえば、光発電デバイスは、スーパーストレートに隣接する導電材料及び導電材料に隣接する活性光発電材料を有する。導電材料は、いくつかの実施形態において、透明導電膜である。透明導電膜は、一実施形態において、模様付表面を有する。一実施形態にしたがえば、活性光発電材料は透明導電膜に物理的に接触している。
一実施形態にしたがえば、デバイスは、活性光発電材料に物理的に接触していて、導電材料として活性光発電材料の反対側の表面に配置された、対向電極をさらに有する。活性光発電材料は複数の層からなることができる。一実施形態において、活性光発電材料は、アモルフォスシリコン、微結晶シリコン、またはこれらの組合せを含む。
表面模様付導電性透明酸化物(ＴＣＯ)基板の光散乱特性は薄膜太陽電池の性能の最適化のプロセスにおいて重要な課題になっている。タンデムアモルフォスシリコン／微結晶シリコン(ａ-ＳｉＨ/μｃ-Ｓｉ：Ｈ)光発電太陽電池における光トラッピング効果は、μｃ-Ｓｉ：Ｈ薄膜の光吸収係数がａ-ＳｉＨ膜より小さいから、高量子効率を提供するために非常に重要である。高効率光トラッピングは高閉路電流(ＪＳＣ)をもたらすだけでなく、真性μｃ-Ｓｉ：Ｈ膜及びＴＣＯ膜の薄化も可能にし、このことはそのような太陽電池の総作製コストの低減に特に重要である。ａ-ＳｉＨ/μｃ-Ｓｉ：Ｈタンデム光発電太陽電池における光トラッピングがかなりの関心を集めているのは、これらの理由及び巨大な潜在市場機会のためである。
光散乱は模様付ガラス表面(界面)のモルフォロジーにも依存する。したがって、これらの薄膜太陽電池における高効率光トラッピングは、模様付表面をもつスーパーストレートを用いることで太陽電池に導入される、粗界面における光の散乱に基づく。従来、スーパーストレート構成のａ-ＳｉＨ太陽電池には、一般にＺｎＯまたはＳｎＯ２の、表面模様付ＴＣＯコンタクト層が用いられている。しかし、スーパーストレート及びＴＣＯのいずれにも光トラッピング効果の最大化のために表面構造を付けることができる。発明者等は、表面模様付ＴＣＯとともに、高ＪＳＣを提供し、ａ-ＳｉＨ/μｃ-Ｓｉ：Ｈタンデム光発電太陽電池において真性μｃ-Ｓｉ：Ｈ膜及びＴＣＯ膜の薄化を可能にする、ガラス表面構造形成のためのメカノケミカル法を開発した。スーパーストレートとしての表面模様付ガラスは光トラッピングを向上させることができ、したがって薄膜シリコンタンデム光発電太陽電池における量子効率を向上させることができる。メカノケミカルプロセスによる表面構造形成はそのような表面からの強められた光散乱をおこさせることができ、強められた光散乱はＳｉタンデムシリコン層における高められた光トラッピングをおこさせることができる。しかし、量子効率に有益であろう表面粗さの大きさには限界があり得る。例えば、表面を粗くし過ぎると、太陽電池にかなりの短絡がおこり得る。図７Ａは、方法例にしたがって作製された、ピンホール３６を有する粗表面の例である、導電性透明酸化物被覆表面模様付ガラススーパーストレートのＳＥＭ像である。これらのピンホールは光発電セルにおいて短絡またはＴＣＯの離層を生じさせ得るであろう。他方で、表面を平滑にし過ぎると、それでもいくらかの光散乱は生じるが、ＱＥ効率の大きな向上は望めず、費用効果が非常に低くなるであろう。図７Ｂは、方法例にしたがって作製され、最適粗さを有する、導電性透明酸化物被覆表面模様付ガラススーパーストレートのＳＥＭ像である。
本発明の精神または範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項またはそれらの等価形態の範囲に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
Claims (5)
- 光散乱性表面模様付スーパーストレートの作製方法において、前記方法が、
ガラスシートを提供する工程、及び
前記ガラスシートの表面を、前記光散乱性表面模様付スーパーストレートを形成するために前記ガラスシートの前記表面上に構造を形成するため、研削及び研磨する工程、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記研削及び研磨された表面を、酸を用いてエッチングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 光散乱性表面模様付スーパーストレートにおいて、
構造を有する模様付表面を有するガラスシート、
を有し、
前記模様付表面が、１００ｎｍから１.５μｍの範囲にあるＲＭＳ粗さ及び５００ｎｍから２μｍの範囲にある相関長を有する、
ことを特徴とする光散乱性表面模様付スーパーストレート。 - 光発電デバイスにおいて、
請求項１に記載の方法にしたがって作製された前記光散乱性スーパーストレート、
を有することを特徴とする光発電デバイス。 - 前記スーパーストレートに隣接する導電性材料、及び
前記導電性材料に隣接する活性光発電材料、
を有することを特徴とする請求項４に記載の光発電デバイス。
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