JP2016519442A - 半透明薄層光起電力モノセル - Google Patents

Abstract

本発明は、透明ゾーン（６）によって分離された複数の光起電力活性ゾーン（１）を備える光に半透明の光起電力モノセルであって、‐前記光起電力活性ゾーン（１）は少なくとも透明電極（２）、吸収体層（３）および光に透明な基板（５）上に配置された金属電極（４）から構成される薄層スタック（２、３、４）によって形成され、‐及び、前記透明ゾーン（６）は最大限の光を通過させるために少なくとも金属電極（４）内および吸収体層（３）内に形成された開口部であり、さらに、透明電極（２）の電気抵抗を小さくするために前方電極（２）と接触して、または、前記モノセルによって生成する電流の収集を容易にするために吸収体（３）と接触して配置された電気的に導体の収集グリッド（８）を備えることを特徴とする光起電力モノセル。【選択図】図７

Description

本発明は、薄層光起電力モノセルを基本として、電気を生成すると同時に、光起電力セルに組み合わされた画像を透明性によって見るための半透明の光起電力装置の分野に関するものである。

薄層、または、微小な厚さの層とは、いずれの種類であれ（有機、無機）、その吸収体の厚さが数十ナノメートル（有機光起電力材料の場合）から数十マイクロメートル（いくつかの無機光起電力材料の場合）の範囲に含まれる光起電力層を意味する。

そのようなモジュールは、あらゆる一連の商業的応用において、特に、携帯電話、タッチパネルタブレット、コンピュータまたは半透明の光起電力スクリーンを備える他の装置などのスクリーンのような電子装置用の光起電力スクリーンの分野、すなわち、不透明な光起電力活性ゾーンを介して入射光の一部を捕えて、そのようなスクリーンを備える装置に給電するための電気エネルギーにそれを変換して、そのスクリーンの前に位置する観察者にとって画像を出現させるスクリーンの分野において、それらの有効性が明らかになってきている。

米国特許出願公開第２０１２／２３６５４０号明細書に記載されているように、光起電力変換効率に関してと同様に、透明性に関してもそれらの性能を改良するために、そのようなスクリーンは、必ずしもでないが、好ましくは、画像ディスプレイシステムおよび半透明の光起電力モジュールに重ね合わせた、例えば、レンズ網の形状の光学機器に組み合わせる。

ところが、薄層光起電力モジュールは、一般的に直列に配置された、複数の光起電力セルから構成される。そのようなモジュールは、特に欧州特許第０５００４５１号明細書に記載されている。このモジュールの構想は、モジュールの端子で電圧を増大し、モジュールの電極によって通電される電流を減少させ、したがって、セルの正面に配置された透明な電極の位置で抵抗損失を特に減少させる利点がある。しかし、この公知の構想にはまた欠点がある。そのように、光起電力セルの直列配置は薄層を備える光起電力モジュールを構成する様々な層のエッチング方法によって実現される。通常Ｐ１と呼ばれる第一のエッチングは、透明基板上に堆積された、前方電極とも呼ばれる透明電極のエッチングである。Ｐ２と呼ばれる第二のエッチングは、入射光子を吸収するので、吸収体とも呼ばれる光起電力吸収体層のエッチングである。Ｐ３と呼ばれる第三のエッチングは、後方電極とも呼ばれる金属電極および／または光起電力吸収体層のエッチングである。この光起電力モジュールの構想は、サイズの大きい粗いスクリーンを備える装置内で使用する範囲内では特に問題を呈しない。反対に、装置のスクリーンの画像品質の知覚が観察者の視点で完全でなければならないとき、それは例えばいわゆるインテリジェント携帯電話（英語の専門用語では「ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ」）の場合であるが、公知の半透明の光起電力モジュールの構想に関する複数の問題点が出現する。

エッチングのずれに関連する欠点：
平面で見ると、例えば、モジュールの正面に位置する観察者の視点から、エッチングＰ１、Ｐ２、Ｐ３はお互いに対してわずかにずれている。エッチング技術の精度およびそれらを重ね合わせないように採用される公差の精度が制限されるので、このずれは多少とも重要になることがある。

二つの隣接するセルを各々直列に配置する場合、約０．３ｍｍの幅の光起電力材料が光起電力変換の位置で不活性になり、それはスクリーンの全体の変換効率を低下させる。例えば、スマートフォンの典型的なサイズ（すなわち、約４０×７０＝２８００ｍｍ²）では、光起電力アクティブ表面の損失は５％から１０％になり得、すなわち、２８０ｍｍ²にまでなる。したがって、この損失は無視できないものであり、半透明の光起電力スクリーンを採用してさらに得ることができる利点を減少させる。

セルのシャドーイングに関する欠点：
光起電力セルの直列配置のもう一つの結果は、そのように接続されたセルを使用するモジュールのシャドーイングでの感度である。実際、セルの一つが他のセルより劣る照明下にあるならば（例えば、影ができるかシャドーイングの場合）、電流は直列接続された全てのセル内で同様に減少することになるので、シャドーイングのこのセルの電気生成の低下は他の全部のセルに影響することになる。同様に、セルの一つが、例えば光起電力材料の堆積またはドーピングの均質化欠陥のせいで他のセルより性能が劣るとき、他のセルに不利益を与え、光起電力モジュールのその全体での性能を低下させるのはこの欠陥のあるセルである。

エッチング線の可視性に関連する欠点：
透明電極のエッチングは、バックライト付きスクリーンによって放射される光が横切るゾーンの光学インデックスの局所的変化をもたらす。したがって、このゾーンを通過する光線の局所的屈折が存在し、たとえ材料自体が透明であっても観察者はエッチング線を認知し、それは望ましくない光学的作用を生じさせる。

さらに、いくつかの光学的構成では、また、光起電力材料ゾーン上に存在するエッチングゾーンが見られる。スタックの二つの連続する層間のインデックスの変化も各エッチングゾーンにおいて、直接もしくはある角度での反射によって見られる。

約９０％またはそれ以上の透明率をねらうスクリーン産業によって一般的に要求される光学的品質を考慮すると、そのため、光起電力セルの直列配置によるエッチング線の可視性もまた避けるべきである。

したがって、本発明は、前記の欠点を備えない半透明の光起電力モノセル構造および前記モノセルの製造方法を提案することを全体的な目的とする。

本発明は、特に、電子装置、特に携帯電話のスクリーンでその十分な組み込みを可能にするのに適した半透明の光起電力モノセル構造を提案することを目的とする。そのとき、この構造は、ディスプレイ画像の品質、したがって、約８０〜９０％と高い光への透明性要求と、シャドーイングの問題に影響されない、１太陽（ＡＭ１．５Ｇ）に等価な照度下での２ｍＷ／ｃｍ²より大きい電気生成の品質との間の矛盾を解決しなければならない。

所定の目的を達成するために、本発明の目的は、請求項に記載するように、光起電力モノセル、そのようなモノセルを使用する装置およびそのようなモノセルの製造方法である。特に、本発明の第一の目的は、透明ゾーンによって分離された複数の光起電力活性ゾーンを備える光に半透明の光起電力モノセルであり、
‐前記光起電力活性ゾーンは少なくとも透明電極、吸収体層および光に透明な基板上に配置された金属電極から構成される薄層スタックによって形成され、
‐および、前記透明ゾーンは最大限の光を通過させるために少なくとも金属電極内および吸収体層内に形成された開口部であり、
さらに、透明電極（２）の電気抵抗を小さくするために前方電極（２）と接触して、または、前記モノセルによって生成する電流の収集を容易にするために吸収体（３）と接触して配置された電気的に導体の収集グリッド（８）を備えることを特徴とする。

本発明の第一の原理は、変換活性ゾーン全体として、複数の光起電力セルの直列配置をモノセルに取り換えることからなる。単一の支持材の複数の薄層を備え、および、少なくとも二つの電気的に導体の層、すなわち、透明電極と金属電極、および光起電力ダイオードを形成するための半導体中間層を備える単一の光起電力セルを光起電力モノセルと呼ぶ。詳細な説明から分かるように、この配置は前記に挙げた三つの問題を少なくとも部分的に解決する効果がある。

しかしながら、モノセルに基づくこの構想は、電気レベルで不利になるかもしれない新たな問題を生む。実際、透明電極の直列電気抵抗はモノセルによって生成する電流を制限する。この寄生作用を解決するために、本発明は、下記に添付図面を参照して説明するように後方接触を回復することを提案する。本発明は、従来使用されている透明電極の構成材料より導電性の高い収集線または収集グリッドを加えることによって、吸収体層によって生成する電気エネルギーの収集を改良することを提案する。

本発明の範囲内に含まれるいくつかの実施態様によると、透明電極はグラフェン、または金属ナノ構造、さらにまたはＳｎＯ₂、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＢＺＯ、ＧＺＯまたはＺｎＯなどの透明な酸化物導体から構成される。金属電極は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはパラジウム（Ｐｄ）などの金属で形成される。吸収体層は、例えば、アモルファスまたは微結晶シリコン、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＣＩＧＳ（銅‐インジウム‐ガリウム‐セレン）を主成分とする、または、ポリマーを主成分とする無機および／または有機半導体材料の一つまたは複数からなる。ｐ‐ｉ‐ｎまたはｐ‐ｎ型接合または、さらにタンデム構造、すなわち、好ましくは光スペクトルの異なる部分を吸収する複数の材料層を備える構造であることがある。それらは、可視光および／または紫外線光および／または赤外線光を電気に変換するように着想される。好ましくは、半導体材料の選択は、想定される照度条件で光子の捕捉を最大にするように実施される。

光起電力活性ゾーンは、ヒトの目に識別されないようないずれかの形状およびサイズであることがある。これを実施するために、光起電力ゾーンの幅は好ましくは２００マイクロメートルより小さい。特定の一実施態様では、光起電力活性ゾーンまたは透明ゾーンは、直線、円形または多角形の基本幾何学構造網に組織化される。

好ましくは、光起電力モノセルに良好な程度の透明度を確保するために、その光起電力モノセルは、吸収体層および金属電極層に形成された透明ゾーンを備え、それによって、基板の前に位置する観察者は光起電力セルの後方のディスプレイ画像を見ることができ、これらの透明ゾーンはそれらの間に光起電力活性ゾーンが存在するように構成されている。光起電力モノセルの透明度は、不透明な光起電力活性ゾーンによって占められる面積部分に応じる。好ましい一実施態様では、透明ゾーンは金属電極および吸収体層の上の透明電極に形成され、境界面数を減らすと、境界面での反射の光学的現象が最小限になるので、それによって、透明ゾーンの位置での光の透過を増大させる。

このように、同様なサイズを有する公知の光起電力モジュールとは異なり、通常は幅がおよそ１センチメートル未満の、小さなサイズの個々のセルを直列配置しない。さらに、モノセルによって、最終的には見えることになって、したがって、光起電力モジュールに組み合わされた画像の視覚品質を損なうことになる光起電力セルの層のエッチングの大部分を回避することができる。

反対に、本発明によるモノセルは、光起電力モジュールまたは組み合わされた画像のサイズのほぼ均質なゾーンを形成し、この画像はいずれのものでもよい。例えば、携帯電話、タッチタブレット、またはバックライト画像を有する他の装置の場合のように、バックライトスクリーンアクティブ画像に関係することがある。しかし、また、電子ラベル、双安定スクリーンの場合（英語の専門用語でいわゆる「ｅ−ｐａｐｅｒ」の電子紙の場合のように）、または印刷された画像を保持する単純な紙シートでさえある場合のように、単なる反射のパッシブ画像であることもできる。

モノセルの収集グリッドは、電気的に導体であり、好ましくは金属であり、それによって、吸収体層内で生成し、モノセルの透明電極によって輸送された電荷の収集を容易にする。したがって、この収集グリッドによって、モノセルの電気性能を制限する透明電極の電気抵抗を減少させることができる。

この収集グリッドは、多数の方法で作成することができる。第一の実施態様によると、いくつかの光起電力活性ゾーンを、隣接する二つの光起電力活性ゾーン間の透明電極上に配置された収集グリッドに取り換え（図８を参照）、収集グリッド全体を一つの収集バスによって電気的に接続する。

別の好ましい一実施態様によると、光起電力活性ゾーンは吸収体層および透明電極より大きくない金属電極から構成され、収集グリッドは吸収体層にスクエアに位置する透明電極上に配置された微細な金属バンドから構成される（図１０を参照）。これらの金属バンドは非常に微細で、裸眼では見えないことがあり、それによって、モノセルの表面の外観の均質性を大きくすることができる。

別の実施態様によると、収集グリッドは、薄層の堆積によって形成された光起電力活性ゾーンを囲む誘電材料上に配置された金属のふたの形状で作製される（図１１を参照）。

補足の別の実施態様によると、収集グリッドは、透明電極の作製前に基板上に配置され、したがって、前記収集グリッドは透明電極内に埋められる（図１２を参照）。この場合、反射防止層が基板および埋められた収集グリッドの間に介在しており、それによって、埋められた収集グリッドの視覚影響をさらに減少させる。

同様に、収集グリッドゾーン（８）は、光起電力活性ゾーンの下方でおよび基板との境界面に対して後退して、完全に透明電極層の内部に配置することが可能である（図１３を参照）。この場合、好ましい実施例によると、収集グリッドを構成するゾーンの幅は光起電力活性ゾーンの幅より小さく、したがって、収集グリッドは周囲光のシャドーイングを制限し、光起電力活性ゾーンによる電流の生成を最大にする（図１４を参照）。例えば、収集グリッドゾーンはおよそマイクロメートルの幅であり、光起電力活性ゾーンの下方の透明電極内に配置され、したがって、収集グリッドのバンドはモジュールの基板の前に位置する観察者には見えない。

また、収集グリッドは直接吸収体層の内部に存在する。

好ましくは、収集グリッドの視覚影響を最小にするため、前記収集グリッドは逆Ｔ字型でいくつかの光起電力活性ゾーン上に配置され、逆Ｔ字型の基部に対応する収集グリッドの小さな表面だけが透明電極と接触するようにされる（図９を参照）。これによって収集グリッドの視覚影響を減少させるが、そのとき、電流生成ゾーンは分路されるので、対応する収集ゾーンの面積を失う。

それを解決するために、そのとき、逆Ｔ字型の金属バンドおよび光起電力活性ゾーン間の境界面ゾーンを、電気絶縁体を使用して不動態化処理し、収集グリッドを保護層上に配置することが考えられる。以前と同様な収集グリッドの視覚影響の減少が得られるが、対応する光起電力活性ゾーンを機能できる状態に維持する。この実施態様では、前記光起電力活性ゾーンは金属電極および吸収体層内に形成された複数のチャンネルを備え、その位置で電気的に導体の収集グリッドは透明電極と接触し、前記収集グリッドは誘電材料によって金属電極および吸収体層から分離され、それによって、収集グリッドの視覚影響を最小にして、透明電極の電気抵抗を小さくする（図１７を参照）。

収集グリッドおよび透明電極間の接触面積と同様に、光起電力活性ゾーン内に形成されるチャンネルの数は、この収集グリッドの存在を原因とし、観察者にとっては望ましくない光学的作用を最大限減少させて、モノセルの直列電気抵抗を最小にするように調節される。当業者は、透明電極の固有の電気抵抗に応じて、および、目的とする用途で光起電力モノセルが供給しなければならない電流に応じて、チャンネルの密度および収集グリッドのサイズを適合させることができるであろう。

収集グリッドは、誘電材料層によってチャンネルを区画する吸収体層および金属電極から分離されており、誘電材料層は収集グリッドをこれらの薄層から電気的に絶縁し、それによって、モノセルの電気性能の劣化の原因となる短絡の可能性を完全に排除する。

チャンネル全体に配置された収集グリッドは、金属電極を電気的に接続する後面の収集バスから電気的に絶縁された前面の収集バスによって、互いに電気的に接続される。二つのバス間の電気絶縁は、先に記載した誘電材料によって実現される。さらに、誘電材料は、いくつかの実施態様では、単一工程で堆積され、そのようにして、透明ゾーンを被覆することができる。したがって、誘電材料は好ましくは可視光に対して透明または半透明であり、よって、前記透明ゾーンを通過する光の透過を減少させない。さらにまた、誘電材料の屈折率は、好ましくは透明基板または透明電極の屈折率および空気または透明化された不透明な接着剤の屈折率の間の範囲にあり、それによって、境界面での光学的反射現象を減少させ、透明ゾーンでの光の透過を増大させることができる。

異なる実施態様によると、透明基板は、ミネラルガラス、有機ガラス、またはさらにＰＭＭＡ、ＰＥＴまたはポリカーボネート型のポリマーのような固体材料から構成され、剛性または可撓性でもあり得る。

図示していない特定の実施態様では、透明基板は、例えば、反射防止または紫外線防止の機能表面によって被覆される。

本発明は、また、本明細書に記載した一つまたは複数のモノセルを使用するあらゆる装置を目的とする。

本発明のもう一つの目的は、そのような半透明の光起電力モノセルの製造方法であって、その方法は、
‐透明ゾーンによって分離された複数の光起電力活性ゾーンを備える光に対して半透明のモノセルを供給し、
‐金属電極および吸収体層を構成する材料のエッチングまたはアブレーションによって光起電力活性ゾーン内にチャンネルを形成し、
‐チャンネルの位置の透明電極ゾーンを露出させたまま、エッチングしていない光起電力活性ゾーンの周囲に誘電材料を堆積させ、
‐収集グリッド、および、前面の収集バスおよび後面の収集バスを堆積させる。

本発明は、添付図面を参照する下記の詳細な説明からより明らかになるであろう。

従来技術の一部である欧州特許第０５００４５１号明細書に記載されているような、従来のマルチセル光起電力モジュール内に直列接続された隣接する二つの光起電力セルの横断面図である。 図１の公知の光起電力モジュールの上方から見た概略図である。 図１および図２によるモジュールの詳細な概略図、すなわち、光起電力モジュールの隣接する二つのセル間の接続区域Ｅの横断面図である。 従来技術によるマルチセルおよび半透明の光起電力モジュールの概略的な平面図である。 透明ゾーンの作製前を示した、本発明による光起電力モノセルの平面図である。 その透明ゾーンを備える、図５による光起電力モノセルの平面図である。 さらに収集グリッドを備える、図６の光起電力モノセルの平面図である。 本発明による光起電力モノセルの収集グリッドの四つの実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 本発明による光起電力モノセルの収集グリッドの四つの実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 本発明による光起電力モノセルの収集グリッドの四つの実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 本発明による光起電力モノセルの収集グリッドの四つの実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 収集グリッドが光起電力モノセルの透明電極層内、または、吸収体層内に埋められている別の実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 収集グリッドが光起電力モノセルの透明電極層内、または、吸収体層内に埋められている別の実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 収集グリッドが光起電力モノセルの透明電極層内、または、吸収体層内に埋められている別の実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 収集グリッドが光起電力モノセルの透明電極層内、または、吸収体層内に埋められている別の実施態様のうちの一つを示す横断面図である。 図８〜１５の薄層スタックとは異なる薄層スタックを備える別の型の光起電力ダイオードを使用する実施態様の横断面図である。 本発明による別の光起電力モノセルの正面図である。 本発明による別の光起電力モノセルの二つの横断面図のうちの一つである。 本発明による別の光起電力モノセルの二つの横断面図のうちの一つである。 図１７ａ〜１７ｃに図示した光起電力モノセルの製造方法の中間工程の一つを示す物体の概略的な横断面図である。 図１７ａ〜１７ｃに図示した光起電力モノセルの製造方法の中間工程の一つを示す物体の概略的な横断面図である。 図１７ａ〜１７ｃに図示した光起電力モノセルの製造方法の中間工程の一つを示す物体の概略的な横断面図である。 図１７ａ〜１７ｃに図示した光起電力モノセルの製造方法の中間工程の一つを示す物体の概略的な横断面図である。

図面は縮尺通りではなく、モノセルの構成要素の相対的な厚さはその構造をより明らかにするために、任意で誇張されている。

前記の特許文献欧州特許第０５００４５１号明細書の図７の複製である図１を参照する。この図面の参照番号は前記文献に記載されたものである。光起電力モジュールは、平行でほぼ隣接する三つのゾーンから構成された相互接続ゾーン１９によって互いに接続された隣接する二つの光起電力セル２０、３０を備え、その三つのゾーンとは、セルの光起電力吸収体層３が直接基板５と接触する場所である、いわゆるエッチングＰ１に対応する透明電極２の遮断ゾーン２１、金属電極４が隣のセル２０の透明電極２と直接接触する場所である、この同じ半導体層のいわゆるエッチングＰ２に対応する穿孔または遮断ゾーン２３、それから、いわゆるエッチングＰ３に対応する金属電極のもう一つの遮断ゾーン２５である。

公知のこのモジュールの半透明性は、エッチングによって切断され、次に接触の回復によって互いに再接続される、直列相互接続ゾーン１９に垂直な透明バンドによって確実にされる。

図３には図１のこの公知の構造のより概略的な図を示しており、その参照番号は下記の説明でも使用される。構造は、参照番号５のガラス基板および薄層スタック（２，３，４）から構成される。参照番号２は透明電極を構成する透明導体層を示す。参照番号３は、それ自体公知のように、通常はドープシリコン製の光起電力吸収体層を示す。参照番号４は、金属電極を構成する、通常は金属製の導体層を示す。

参照番号１２では、透明電極２の絶縁線を示した。それはエッチングＰ１によって得られ、二つの隣接するセルから前方電極を電気的に絶縁することができる。参照番号１３では、吸収体の絶縁線を示した。それはエッチングＰ２によって得られ、二つの隣接するセルから吸収体を電気的に絶縁することができる。参照番号１４では、金属電極４の絶縁線を示した。それはエッチングＰ３によって得られ、二つの隣接するセルから金属電極を電気的に絶縁することができる。

図２には、図３による光起電力モジュールの平面概略図を示した。エッチングＰ１，Ｐ２およびＰ３に対応する種々のエッチング線は、そのエッチングが実施されている基板の表面に対する深さに応じて、様々な程度で見られる。そのように、参照番号１０は接続バスを示し、バスの一方は陽極に、および、もう一方は陰極に接続されている。参照番号Ｃは直列接続された複数の光起電力セルを示す。参照番号Ｄ、ＥおよびＦは、透明性によって上方から見られ、さまざまな層で作製されたエッチング線に各々対応するレーザまたは化学切断痕跡を示す。

現実で最も見られるゾーンは、図３のゾーンＥに対応するエッチングによって形成され、それは基本の光起電力セルの直列接続ゾーンに対応する。しかし、また、モジュールの陽極および陰極接続バスに対応するエッチングＤ、Ｆも見られる。

基本のセルの直列接続ゾーンＥで最も見えるものは、二つの隣接するセルの直列接続に対応する金属接触１３（図３）（透明導体層上の金属）である。

また、ガラス基板５のインデックス１．５から吸収体３のシリコンのインデックス３．５まで直接通過するので、スタック内のインデックスの飛びによって、透明電極２のエッチングに対応する線１２が見られ、このことから、エッチング線１２上の光反射はより強くなり、見えるようになるだろう。

光起電力モジュールが光を案内するのに光学的装置を使用する場合、金属電極４の絶縁線１４では、金属電極４の不透明な金属内の孔はそのようなモジュールの光学的装置によって案内されない残留光を通過させるので、光学的連続性の断絶がある。

図４は、図２に類似した図面であるが、ここでは、電極と吸収体の層の内部に、例えばレーザーエッチングによって、切り込みを入れた透明バンドの形状で作製される透明ゾーン６を加えた。

透明バンドの存在によって、先に記載したように、エッチング面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の可視性は存続するが、現在は破線のエッチング線が見える。直列接続ゾーンＥのこれらのエッチングの痕跡（１２，１３，１４）の全体が見え、光起電力モジュールの下方に配置されることになる画像の視覚品質を低下させ、したがって、スクリーン上の画像の可視性に対するこれらの痕跡の負の影響があまりに大きいので、公知のこの型のモジュールは携帯電話型の電子装置には正規に搭載することができない。

さて、例えば携帯電話のような、例えば電子表示装置のスクリーンなどの装置の全有効表面を被覆することができる、単一の光起電力セル、いわゆるモノセルを使用して、本発明の原理を説明するために、図５および図６を参照する。

図５には、透明ゾーン６の作製前の、上方から見たモノセルが図示されている。そこから分かるように、単一の光起電力セルおよび単一の支持材Ｃから作製される。それらの側面は接続バス（１０，１１）によって区画されており、接続バスは一つが透明電極２と、および、もう一つが金属電極４と接触し、それは平面図でエッチングレーザの筋Ｄ，Ｆで分かる（図６）。この構成では、図１〜４を参照して説明した公知の光起電力モジュールと異なり、直列接続された多数の小さな基本のセルに代わりに単一の大きなサイズの光起電力セルしかもはや存在しないので、多数のセルの直列接続のためにいかなる接続ゾーンももはや存在しなくなる。

図６には、図５の光起電力モノセルの同様な平面図が示されているが、通常不透明なセル内に透明ゾーン６一式が作製された後である。これらの透明ゾーン６は、例えば、特にレーザービームによるエッチング方法による、規則的なバンドの切込みによって作製される。透明ゾーンまたはバンド６は、好ましくは、規則的な間隔である。

観察者が近い画像では、透明バンドおよび／または光起電力活性バンドは通常約百マイクロメートルより小さい距離で間隔をあけている。観察者がより遠い画像では、透明バンドおよび／または光起電力活性バンドはミリメートルより小さい距離で間隔をあけている。

本発明による光起電力モノセルの好ましい一実施態様によると、いくつかの透明ゾーン６を、図７に平面図で、および、図８に断面図で図示したように、好ましくは一定の間隔で導体収集グリッド８に取り換えることができる。それは透明電極２を構成する材料より導電性がかなり高く、前記透明電極２の直列抵抗を小さくすることができる。収集グリッド８は、透明電極２上に配置された電気分路として作動する。それは、例えば、アルミニウム、ｎまたはｐドープシリコン、銀または他の導電性が高い材料で形成される。

図８に見られるように、収集グリッド８は、そこに存在する吸収体層３を除去した後、透明電極上に配置される。収集グリッド８および隣接する吸収体ゾーン３間に、吸収体層３および金属電極層４が、特にレーザーエッチング、化学エッチングまたはプラズマエッチングによって除去されたゾーンに対応する透明ゾーン６が存在する。電流収集ゾーンは、吸収体ゾーンのスタックの残りおよびそれらに載っている金属電極の残りによって構成される。

後の図面に関連して、そのような収集グリッド８の作製のために複数の可能な実施例を記載する。

図８では、収集グリッド８および透明電極２の間の金属製かつ輝く境界面は、観察者には上方から見えることがあり、それは、光起電力モジュールが組み込まれることがある装置の視覚的外観を損なうことがある。この問題を解決する方法は、収集グリッド８および透明電極２の間に反射しない要素（図示せず）を介在させることからなる。

別の解決方法は、図９に示したように、収集グリッド８の可視サイズを最小にすることからなり、図９では、収集グリッド８は逆Ｔ字型の形状であり、したがって、Ｔ字型の基部が透明電極２との境界面に配置される。そのようにして、収集グリッド８の容積、および、したがって、その導電能力は図８と比較して変化しないにもかかわらず、上方から見える収集グリッド８の金属表面は小さくなる。

図１０は収集グリッド８のさらに別の実施例を図示し、その実施例において、収集グリッドの可視性の光学的最適化は別の方法によって得られる。いくつかの吸収体バンド３の代わりに十分に大きい収集グリッドを作製するよりむしろ、光起電力吸収体層３の各々にスクエアに、透明電極２上により微細な収集グリッド８を作製する。もちろん、当業者は、透明電極２の固有の電気抵抗に応じて、および、目的とする用途で、光起電力セルに供給されなければならない電流に応じて、収集グリッド８の線の密度を決定することができるであろう。

収集グリッド８の別の実施例が図１１に示される。この構造は、光起電力セル内に作製され、透明基板５上に存在する光起電力活性ゾーン１を示す。光起電力活性ゾーン１は、透明電極２、吸収体層３および金属電極４から構成される。誘電材料９（酸化物、窒化物、ポリマーなど）は、光起電力活性バンド１の長さ全体にわたって、層（３，４）をふたのように被覆する。理想的には金属（銅、アルミニウム、銀など）である導体材料が、また、バンド１の長さ全体にわたって、誘電材料９の上に堆積される。そのように、金属材料８および光起電力セルの透明電極２の間に電気接触が存在する。しかしながら、この同じ金属材料８および光起電力セルを構成する他の層（３，４）の間には電気接触が全く存在しない。

この実施例では、材料８が光起電力セルの透明電極２内を循環する電子を収集する金属収集グリッド８の役割を果たす。この構造は、一般的に抵抗がより高い透明導体材料から構成された透明電極２内を電子がたどる電路が小さくなることによって、セルの直列電気抵抗を減少させるという利点がある。層８は、また、セルのエネルギー効率を高める光反射器の役割を果たす。透明電極２が全部の光起電力活性バンド１で共通であり得ることは注目すべきである。そのとき、光起電力活性バンド１全体に分散された透明電極２が得られる。

別の処理方法は、もはや透明電極上に透明電極から浮き彫り状に配置されない収集グリッドを作製し、しかし、図１２〜１５の変形例に図示したように、透明電極の透明電極内部に収集グリッドを埋め込むことからなる。

図１２では、収集グリッド８は、二つの隣接する光起電力活性バンド間の透明電極２内に埋め込まれている。しかし、ガラス基板５および透明電極２の透明性を考慮すると、収集グリッド８が少し大きすぎるとき、その金属反射は、まだガラスおよびそれを被覆する透明導体材料を通して透けて見える。ガラスおよび収集グリッド８間に反射防止層（図示せず）を介在させて、それを弱めることができる。

図１４に図示した別の変形例は、収集グリッド８を微細な導体線の集まり８の形状で作製することからなり、各線の幅はスタック（３，４）によって構成された収集ゾーンの幅より小さく、対応する吸収体線３の正面の透明電極２内に配置されている。吸収体３および収集グリッド８は同様な輝きを有するので、収集グリッドが補足の視覚妨害を付け加えることはない。また、吸収体線３は規則的に間隔をあけた線の網を構成しているので、ほとんど見えないであろう。

収集グリッド８によって形成された導体線は、収集グリッド８のない解決方法と比較すると、光起電力収集表面の損失を作り出すであろうにもかかわらず、損失はいくつかの場合では小さく、そのため利益のあるものであり、透明導体材料によって誘導される損失と比較すると、十分に意義がある。実際、弱い照度（１０００ルクス以下）では、生成した電力への直列電気抵抗の影響は顕著ではなく、したがって、収集グリッドの利点も小さいか、さらには全くない。反対に、強い照度（およそ５００００ルクス、すなわち、０．５ＳＵＮ以下）では、透明電極２の直列抵抗は極めて不利益である（すなわち、約５０％の電力損失である）。

そのように、収集グリッドは、シャドーイング、または、活性表面の減少によって、光起電力活性表面の小さい部分を失うが、反対に、光起電力ダイオードの電位全部を利用することができる。したがって、強い照度では、収集グリッド８は結局生成した電力を獲得する。

この変形例の別の利点は、吸収体材料の標準的な供給を維持し、透明電極のエッチングを必要としないことである。さらに、透明電極は極めて微細であり（約数十ナノメートル）、それは収集ゾーン間のモジュールの大きな透明性を保持することができる。

透明電極２内に埋め込まれた収集グリッド８を備える変形例は、製造効率の観点からも追加の利点があることが注目される。実際、収集グリッド８が、図８〜１１に図示したように透明電極の下方および吸収体バンド間に挿入されているとき、収集グリッドは最後の工程として作製される。ところが、減損が９０％までなることがある極めて高い損失率を有する工程に関している。損失を制限するためには、収集グリッド８を吸収体を構成する層の堆積前にガラス基板上に直接作製する（図１２，１４）か、または、透明電極２の内部に（図１３）、または、透明電極無し（図１５）で作製することさえ可能である。

第一のオプションが経済的に最も利点があるようである。実際、収集グリッド８の作製のとき製造欠陥が出現したら、極めて低いコストでプレートを修正することが極めて簡単である。さらに、埋め込まれた収集グリッドは、収集グリッド／透明電極の接触の作製のときはまだ吸収体層が堆積されていないので、吸収体層３を劣化させる危険性はなく、特に温度範囲に関して、極めて広範囲に透明電極２上に収集グリッド８の金属接触を形成するための可能な製造方法を提供する。

図１５は図１４と類似しているが、そこでは、透明電極が除去されている。収集バンド８は十分に微細であり、したがって、吸収体３の導電性が透明導体材料を使用せずに収集グリッド８の方へ直接電子を収集するのに十分である。

図１６には、図８、１４または１５の構造の変形例である構造を図示し、その構造では、モノセルはＣＩＧＳ（銅，インジウム，ガリウム，セレニウム）型材料である吸収体３を含む。薄層（２，３，４）のスタックはそのとき反転しており、Ｐ‐Ｎ接合を形成する。この場合、光起電力活性ゾーン１間にさらに透明な誘電体と呼ばれる、透明な電気絶縁体９を介在させることが必要である。しかし、それは、特に、光起電力モノセルを使用する本発明が様々な吸収体材料に容易に適合することができ、結局使用される光子捕捉技術とは無関係であることを示す。

さて、本発明による別の光起電力モノセルの正面図（図１７ａ）および前記モノセルの二つの横断面図、すなわち、軸線Ｊによる横断面図（図１７ｂ）または軸線Ｋによる横断面図（図１７ｃ）で示される図１７を参照するが、それらの二つの軸線は図１７ａで定義されている。

モノセルは、それ自体三つの薄層、すなわち、透明電極２、吸収体層３および金属電極４からなる、三つの光起電力活性バンド１から構成される。これらの光起電力活性バンド１は、透明ゾーンに対応するフリーバンド６によって分離されており、その位置には吸収体層３および金属電極４がエッチングされている。光起電力活性バンド１は複数のチャンネル７を含み、それらはまた吸収体層３および金属電極４のエッチングによって、これらの光起電力活性ゾーン１内に形成されたアパーチャである。

これらのチャンネル７によって透明電極２を電気的に導体の収集グリッド６と電気接触させることができ、その結果、このグリッド６の可視性を最小にして、透明電極２の固有の抵抗を小さくする。しかしながら、モノセルの電気性能を低下させないために、誘電材料９によって、収集グリッド６を光起電力活性バンド１の金属電極４および吸収体層３から分離する。

各光起電力活性バンド１上に配置された収集グリッド８の全体は、モノセルの周縁部で前面の収集バス１０に接続され、そのバスは透明電極２まで運搬された電荷を収集することができる。この前面の収集バス１０の反対側に、後面の収集バス１１があり、このバスは各光起電力活性バンド１の金属電極４を接続し、そのようにして、前記金属電極４まで運搬された電荷を収集することができる。

図１８は、本発明による方法の各工程を図示する物体の横断面図を概略的に示しており、その断面の見え方は図１７ａに定義した軸線Ｌに沿った光起電力活性バンド１の位置で実現される。

第一工程（図１８ａ）では、透明ゾーン６によって分離された複数の光起電力活性ゾーン１を備える光に透明な半導体モノセルを供給する。光起電力活性ゾーン１は、その周縁部に、電気接続ゾーンの位置に、通常は平行な、下記の複数の薄層遮断ゾーン（２，３，４）を備える：
‐吸収体層３が直接基板５と接触するようになる、いわゆるＰ１のエッチングに対応する第１の透明電極２の遮断ゾーン；
‐後方電極４が前方電極２と直接接触するようになる、いわゆるＰ２のエッチングに対応する第２の吸収体層３の遮断ゾーン；
‐いわゆるＰ３のエッチングに対応する、第３の後方電極４の遮断ゾーン。

第２工程（図１８ｂ）では、金属電極４および吸収体層３を構成する材料の連続したエッチングによって光起電力活性ゾーン１内にチャンネル７を形成する。これらのエッチングは、フォトリソグラフィ、ナノインプリント（英語では、「ｎａｎｏ−ｉｍｐｒｉｎｔ」）方法、または、直接的にレーザーアブレーションによって、湿式または乾式で実施することができる。フォトリソグラフィおよびナノインプリント工程（図面には示さず）は、当業者には公知であり、エッチング前にあらかじめ決定されたモチーフに応じて感光性または感熱性の非永久樹脂を堆積させ、次に方法の終わりに前記樹脂を溶解させることからなる。エッチングは、層３および４の材料を溶解させるのに適した溶液を使用して、または、プラズマを使用して、あるいはさらにレーザによって実施することができる。

第３の工程（図１８ｃ）では、チャンネル７の位置で透明電極２のゾーンを露出させたまま、エッチングされていない光起電力活性ゾーンの周囲に誘電材料９を堆積させる。この工程で使用する方法は、一般的にフォトリソグラフィ方法であり、その方法では、誘電材料９は、所望のモチーフに応じて展開された、好ましくは透明の永久樹脂である。

さらに、最後の工程（図１８ｄ）は、収集グリッド８と同様に前面および後面の収集バス（１０，１１）を堆積させることからなり、それによって、本発明による半透明の光起電力モノセルが得られる。金属のような、電気的に導体の材料の堆積を、モノセル全体に実施することができ、それによって、収集グリッド８から後面１１の収集バスをフォトリソグラフィおよびエッチングによって、電気的に絶縁し、透明ゾーンを露出する前に、あらかじめエッチングされたゾーンを埋めることができる（図１８ａ）。

本発明による光起電力モノセルによって、目的としていたバスを作製することができる。その設計によって、もはや、活性ゾーンでの直列配置のためのエッチングも、基本セルのシャドーイングの問題も、直列配置のためのエッチングに関係する表面の損失もない。

したがって、本発明による光起電力セルによって、良好な光学的均質性、改良された電気性能および最適な製造有効表面を同時に得ることができる。

標準的な材料に対して、層の堆積、リソグラフィおよびエッチングによるそのようなセルの製造技術は、標準的なままである。

１ 光起電力活性ゾーン
２ 透明電極
３ 吸収体層
４ 金属電極
５ 透明基板
６ 透明ゾーン
７ チャンネル
８ 収集グリッド
９ 誘電材料
１０ 前面の収集バス
１１ 後面の収集バス
１２ 透明電極のエッチング線（エッチングＰ１）
１３ 吸収体のエッチング線（エッチングＰ２）
１４ 金属電極のエッチング線（エッチングＰ３）
２０、３０ 隣接する光起電力セル
２１ 透明電極の遮断ゾーン（エッチングＰ１）
２３ 吸収体の遮断ゾーン（エッチングＰ２）
２５ 金属電極の遮断ゾーン（エッチングＰ３）

米国特許出願公開第２０１２／２３６５４０号明細書 欧州特許第０５００４５１号明細書

Claims (24)

1. 透明ゾーン（６）によって分離された複数の光起電力活性ゾーン（１）を備える光に半透明の光起電力モノセルであって、
   ‐前記光起電力活性ゾーン（１）は少なくとも透明電極（２）、吸収体層（３）および光に透明な基板（５）上に配置された金属電極（４）から構成される薄層スタック（２，３，４）によって形成され、
   ‐および、前記透明ゾーン（６）は最大限の光を通過させるために少なくとも金属電極（４）内および吸収体層（３）内に形成された開口部であり、
   さらに、電極の電気抵抗を小さくするために透明電極（２）と接触して、または、前記モノセルによって生成する電流の収集を容易にするために吸収体（３）と接触して、配置される電気的に導体の収集グリッド（８）を備えることを特徴とする、光起電力モノセル。
2. 前記透明ゾーン（６）は、不連続な、または、連続した直線のバンドの形状の、または、他のいずれかの形状の開口部によって実現され、そのとき、前記収集グリッド（８）は前記開口部に適合したサイズおよび形状で、透明ゾーン（６）の位置でその可視性を制限することを特徴とする、請求項１に記載の光起電力モノセル。
3. いくつかの光起電力活性ゾーン（１）は、隣接する二つの光起電力活性ゾーン（１，１’）間の透明電極（２）上に配置された収集グリッド（８）に置き換えられ、収集グリッド（８）の全体は収集バス（１０）によって電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光起電力モノセル。
4. 収集グリッド（８）の視覚影響を最小にするため、前記収集グリッドは逆Ｔ字型の形状でいくつかの光起電力活性ゾーン（１）上に配置され、逆Ｔ字型の基部に対応する収集グリッド（８）の小さな表面だけが透明電極（２）と接触するようにされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
5. 光起電力活性ゾーン（１）は、吸収体層（３）および透明電極（２）より小さい幅の金属電極（４）からなり、収集グリッド（８）は吸収体層（３）にスクエアに位置する透明電極（２）上に配置された微細な金属バンドであることを特徴とする、請求項１または２に記載の光起電力モノセル。
6. 前記光起電力活性ゾーン（１）は金属電極（４）および吸収体層（３）内に形成された複数のチャンネル（７）をさらに備え、その位置で電気的に導体の収集グリッド（８）は透明電極（２）と接触し、前記収集グリッド（８）は誘電材料（９）によって金属電極（４）および吸収体層（３）から分離され、それによって、収集グリッド（８）の可視性を最小にして、透明電極（２）の直列抵抗を小さくすることを特徴とする、請求項１または２に記載の光起電力モノセル。
7. 収集グリッド（８）は、薄層スタック（２，３，４）によって形成された光起電力活性ゾーン（１）を囲む誘電材料（９）上に配置された金属ふたの形状で作製されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光起電力モノセル。
8. 収集グリッド（８）は、透明電極（２）の作製前に基板（５）上に配置され、したがって、前記収集グリッド（８）は透明電極（２）内に埋め込まれることを特徴とする、請求項１または２に記載の光起電力モノセル。
9. 基板（５）および埋め込まれた収集グリッド（８）間に介在する反射防止層を備えることを特徴とする、請求項８に記載の光起電力モノセル。
10. 収集グリッド（８）のゾーンは、光起電力活性ゾーン（１）の下方でおよび基板（５）との境界面に対して後退して、透明電極層（２）内に配置され、光起電力活性ゾーン（１）の幅より小さい幅を有し、したがって、収集グリッド（８）は周囲光のシャドーイングを制限し、光起電力活性ゾーン（１）による電流の生成を最大にすることを特徴とする、請求項８または９に記載の光起電力モノセル。
11. 収集グリッド（８）は、吸収体層（３）の内部に直接配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光起電力モノセル。
12. 前記収集グリッド（８）は、金属であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
13. 前記収集グリッド（８）は、金属電極（４）を接続する後面の収集バス（１１）から電気的に絶縁された前面の収集バス（１０）によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
14. 前記誘電材料（９）は、可視光に透明または半透明であることを特徴とする、請求項６または７に記載の光起電力モノセル。
15. 誘電材料（９）の屈折率は、有利には透明基板（５）または透明電極（２）の屈折率と空気または透明な光学接着剤の屈折率との間の範囲にあることを特徴とする、請求項６、７、または１４のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
16. 前記光起電力活性ゾーン（１）は、ヒトの目に識別されないようないずれかの形状および寸法であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
17. 前記光起電力活性ゾーン（１）または透明ゾーン（６）は、直線、円形または多角形の基本幾何学構造網に組織化されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
18. 前記透明電極（２）は、グラフェン、または金属ナノ構造、さらにまたはＳｎＯ₂、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＢＺＯ、ＧＺＯまたはＺｎＯなどの透明な酸化物導体から構成されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
19. 前記吸収体層（３）は、例えば、アモルファスまたは微結晶シリコン、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＣＩＧＳ（銅‐インジウム‐ガリウム‐セレン）を主成分とする、または、ポリマーを主成分とする無機および／または有機半導体材料の一つまたは複数からなることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
20. 前記金属電極（４）は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはパラジウム（Ｐｄ）などの金属からなることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
21. 透明基板（５）は、ミネラルガラス、有機ガラス、またはさらにＰＭＭＡ、ＰＥＴまたはポリカーボネート型のポリマーのような固体材料からなり、剛性または可撓性でもあり得ることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
22. 透明基板（５）は、例えば、反射防止または紫外線防止の機能表面によって被覆されることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一つに記載の光起電力モノセル。
23. 請求項１〜２２のいずれか一つに記載した一つまたは複数のモノセルを備えることを特徴とする、電気装置。
24. 請求項６に記載の光起電力モノセルの製造方法であって、
    ‐透明ゾーン（６）によって分離された複数の光起電力活性ゾーン（１）を備える光に半透明のモノセルを供給し、
    ‐金属電極（４）および吸収体層（３）を構成する材料のエッチングまたはアブレーションによって光起電力活性ゾーン（１）内にチャンネル（７）を形成し、
    ‐チャンネル（７）の位置の透明電極（２）のゾーンを露出させたまま、エッチングしていない光起電力活性ゾーン（１）の周囲に誘電材料（９）を堆積させ、
    ‐収集グリッド（８）、および、前面の収集バス（１０）および後面の収集バス（１１）を堆積させる
    ことを特徴とする、方法。

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