JP4634129B2 - 光散乱膜,及びそれを用いる光デバイス - Google Patents
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Description
くための機能と,光を散乱させる機能との両方が実現されることが好ましい。このような
構造の一つが,特許文献4乃至6に開示されているように,テクスチャ状に(即ち,凹凸
をつけながら)形成された透明電極である。特許文献4乃至6では,テクスチャ状に形成
された透明電極が光電変換装置の基板側の電極として使用されている。テクスチャ状に形
成された透明電極を基板側の電極として使用することは,光電変換装置の変換効率を向上
させるための有力な技術の一つである。テクスチャ状に形成された透明電極は,光電変換
装置への入射光を散乱させ,光吸収量,即ち,変換効率を有効に向上させる。
第1の方法は,特許文献4に開示されているように,熱CVD(Chemical Vapor Deposit
ion)法によって透明電極を形成する方法である。成長条件を最適化することにより、熱
CVD法によってテクスチャ状の透明電極を形成することができる。第2の方法は,特許
文献6に開示されているように,ガラス基板の表面を研磨し,研磨された表面に透明電極
を形成する方法である。第3の方法は,特許文献5に開示されているように,絶縁性微粒
子及びバインダーからなる薄膜を基板上に形成し,その薄膜の上に透明電極を形成する方
法である。
本発明の他の目的は,光電変換装置の変換効率を向上するための新たな技術を提供することにある。
であることが好ましい。
光散乱体(7)は,中心回転軸を有する回転楕円体で近似できるような形状に形成され得る。この場合には,光散乱体(7)の外径を光散乱体(7)の中心回転軸(7a)から表面までの平均距離の2倍として定義して,該光散乱体(7)の外径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)である。光散乱体(7)の外径の平均が1200nm以下であることは,一層に好ましい。
また,光散乱体(7)は,球や正多面体のように,中心を有するような構造体で形成され得る。この場合,光散乱体(7)の直径を光散乱体(7)の中心から表面までの平均距離の2倍として定義して,光散乱体(7)の直径の平均は,60nm以上2000nm以下(400nm以下を除く)である。光散乱体(7)の直径の平均が1200nm以下であることは一層に好ましい。
また,隣接する2つの光散乱体(7)の中心の距離で定義される,光散乱体(7)のピッチの平均は,4000nm以下,一層好ましくは2400nm以下であることが好ましい。
加えて,光散乱体(7)のピッチを隣接する2つの光散乱体(7)の中心の距離で定義し,且つ,光散乱体(7)の直径を前記前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,光散乱体(7)の前記ピッチの平均である平均ピッチδ AVE の光散乱体(7)の直径の平均である平均直径d AVE に対する比δ AVE /d AVE が,10以下であることが好ましい。比δ AVE /d AVE は,4以下であることが更に好ましい。
更に,本発明を光電変換装置に適用することにより,光電変換装置の変換効率を一層に向上することができる。
下部電極層2がゾル・ゲル法を用いて形成される場合に入射光を一層に効率よく散乱させるためには,図2を参照して上述されているように,一の材料で形成された光散乱体7と,当該一の材料と異なる比屈折率を有する材料で形成された光散乱体7とが下部電極層2に含まれることが好適である。例えば,図7に示されているように,光散乱体7が,酸化チタンで形成された光散乱体7aと,SiO2(ガラス)で形成された光散乱体7bとで構成されていることが好適である。異なる材料で形成された光散乱体7を使用することにより,同一の屈折率を有する光散乱体7が直接に接する確率が低くなり,入射光を一層に効率よく散乱させることができる。
本発明による光散乱膜の有用性を検証するために,図13に示されている構造体についてシミュレーションが行われた。当該構造体は,光散乱膜51の上に,多結晶シリコン膜52,ガリウムドープ酸化亜鉛膜(ZnO:Ga膜)53,及びAg膜54が順次に形成されている。光散乱膜51の媒質6としてはフッ素がドープされた酸化錫が使用され,光散乱体7としてはTiO2で形成された球体が使用されている。光散乱膜51の厚さは,0.7μm,又は,1.2μmから選択され,光散乱体7の直径は,60〜1200nmの範囲から選択されている。多結晶シリコン膜52の厚さは,1〜3μmの範囲内の固定した1点であり,ZnO:Ga膜53の厚さは,20〜200nmの範囲内の固定した1点であり,Ag膜54の厚さは,0.1〜10μmの範囲内の固定した1点である。シミュレーションでは,図13に図示されている構造が,面内方向に無限に繰り返されていると仮定されている。
入射光は,光散乱膜51の表面に平行である平面波である。吸収境界のアルゴリズムは,BerengerのPerfect Matching Layer法(J. P. Berenger, J. Computational Physics, 114, 185(1994) 参照)が適用された。反射波の振幅と,各セル内の電磁波の振幅の時間変化が全計算時間で記録され,フーリエ変換により300nm〜1200nm(空気中又は真空中の波長)の振幅が5nm間隔で刻まれた。シリコンの吸収率の計算の収束は,吸収率と反射率の和が100%になることにより確認された。この計算により,多結晶シリコン膜52の量子効率スペクトルが決定された。さらに300nm〜1200nm(空気中の又は真空中の波長)の波長範囲において,基準太陽光(JIS C8911等に記載)の光子数密度と各セルの量子効率スペクトルの積を波長について積分し,吸収した総光子数密度から短絡電流密度JSCが,下記式によって算出された:
更に,光散乱膜による光の反射についてのシミュレーションが行われた。当該シミュレーションでは,光散乱膜による光の反射が積分反射ヘイズ率Hzを用いて評価された;積分反射ヘイズ率Hzとは,光散乱膜によって反射される光のうち,垂直方向以外の方向に反射される光の割合を示す値であり,全方向についての反射率スペクトルrtotal(λ)と,垂直方向についての反射率スペクトルrnormal(λ)とを用いて,下記式(4)のように定義される:
Hzt(λ)=tslant(λ)/ttotal(λ), ・・・(5)
で定義される値である。上記の積分反射ヘイズ率Hzは,反射について同様の概念を適用することによって定義される指標である。
図2を参照して説明されているように,光散乱体7は,2種類以上の比屈折率が異なる材料で形成された光散乱体で構成されていることが好適である。2種類以上の比屈折率が異なる材料で光散乱体7を形成することの有用性が,シミュレーションによって検証された。このシミュレーションでは,図13に示されている光散乱膜51の代わりに,光散乱体7として,TiO2球とガラス球とが交互に配置されている光散乱膜が使用されていると仮定された。光散乱体7のピッチは0.3μmである。光散乱膜を構成する媒質6は,フッ素がドープされた酸化錫で形成されていると仮定された。光散乱膜の厚さは,0.7μmであると仮定された。
続いて,本発明による光散乱膜が図3の構造のタンデム型薄膜太陽電池10に採用されることの有利性が,シミュレーションによって検証された。タンデム型薄膜太陽電池10のシミュレーションの手順は,その対象となる構造が異なる点以外,上述のシミュレーションと概略的には同一である。より具体的には,タンデム型薄膜太陽電池10のシミュレーションの手順は,以下のとおりである。
入射光は,基板面に平行である平面波である;即ち,基板は,太陽に対して真っ直ぐに向けられると仮定された。吸収境界のアルゴリズムは,BerengerのPerfect Matching Layer法(J. P. Berenger, J. Computational Physics, 114, 185(1994)参照)が適用された。反射波の振幅と,各セル内の電磁波の振幅の時間変化を全計算時間で記録され,フーリエ変換により,300nm〜1200nm(空気中又は真空中の波長)の振幅は5nm間隔で刻まれる。シリコンの吸収率の計算の収束は,吸収率と反射率の和が100%になることにより確認された。この計算により,トップセル3,ボトムセル4の量子効率スペクトルを得る。さらに300nm〜1200nm(空気中の又は真空中の波長)の波長範囲において,基準太陽光(JIS C8911等に記載)の光子数密度と各セルの量子効率スペクトルの積が波長について積分され,吸収した総光子数密度をもって短絡電流密度とされた。光電変換層内部の欠陥が少ない実用的な太陽電池であれば,この仮定は妥当である。
1:ガラス基板
1a:主面
2,2C:下部電極層
2a:表面
3,3C:トップセル
3a:p型アモルファスシリコン層
3b:i型アモルファスシリコン層
3c:n型アモルファスシリコン層
4,4C:ボトムセル
4a:p型微結晶シリコン層
4b:i型微結晶シリコン層
4c:n型微結晶シリコン層
5,5C:上部電極層
5a:ZnO層
5b:Ag層
6:媒質
6a:第1層
6b:第2層
7,7a,7b:光散乱体
7c:中心回転軸
8:中間層
8a:面
11:媒質
12:光散乱体
13:透明電極層
14:Ag層
15:媒質
16:光散乱体
17:金属電極層
18:透明電極層
19:媒質
20:光散乱体
31:透明基板
32:対向基板
33:透明電極
34:対向電極
35:偏光フィルム
36:液晶
37:金属薄膜
38:導電性光散乱膜
41:透明基板
42:陽極
43:正孔輸送層
44:発光層
45:電子輸送層
46:陰極
51:光散乱膜
52:多結晶シリコン膜
54:Ag膜
Claims (38)
- 透明な導電体で形成された媒質と,
前記媒質に埋め込まれた光散乱体
とを含む光散乱膜であって,
前記光散乱膜の出光側の表面は,実質的に平坦であり,
前記光散乱膜の出光側の前記表面からの前記光散乱体の距離は,50nm以下であり,
前記光散乱体を中心回転軸を有する回転楕円体で近似し,且つ,前記光散乱体の外径を,前記光散乱体の前記中心回転軸から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記外径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)であり,
前記光散乱体のピッチを,隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均が,4000nm以下である光散乱膜。 - 透明な導電体で形成された媒質と,
前記媒質に埋め込まれた光散乱体
とを含む光散乱膜であって,
前記光散乱膜の出光側の表面は,実質的に平坦であり,
前記光散乱膜の出光側の前記表面からの前記光散乱体の距離は,50nm以下であり,
前記光散乱体の直径を前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記直径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)であり,
前記光散乱体のピッチを,隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均が,4000nm以下である光散乱膜。 - 透明な導電体で形成された媒質と,
前記媒質に埋め込まれた光散乱体
とを含む光散乱膜であって,
前記光散乱膜の出光側の表面は,実質的に平坦であり,
前記光散乱膜の出光側の前記表面からの前記光散乱体の距離は,50nm以下であり,
前記光散乱体の直径を前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記直径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)であり,
前記光散乱体のピッチを,隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均が,4000nm以下であり,
前記光散乱体のピッチを隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義し,且つ,前記光散乱体の直径を前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均である平均ピッチδAVEの前記光散乱体の前記直径の平均である平均直径dAVEに対する比δAVE/dAVEが,10以下である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記媒質の比屈折率と前記光散乱体の比屈折率との差の絶対値は,2.0以内である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体は,絶縁体で形成されている光散乱膜。 - 請求項5に記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体は,酸化チタン,ダイヤモンド,酸化シリコン,フッ化マグネシウム,酸化マグネシウム,酸化亜鉛,及びタンタル酸リチウムのうちから選択された一の材料である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体は,
第1光散乱体と,
前記第1光散乱体を構成する材料と比屈折率が異なる材料で形成されている第2光散乱体とを備える光散乱膜。 - 請求項1に記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体の前記外径の平均が,1200nm以下である光散乱膜。 - 請求項2または請求項3に記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体の前記直径の平均が,1200nm以下である光散乱膜。 - 請求項2または請求項3に記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体の前記直径の最大値と最小値との差は,120nm以下である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体の前記ピッチの平均が,2400nm以下である光散乱膜。 - 請求項3に記載の光散乱膜であって,
前記比δAVE/dAVEが,4以下である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体の前記ピッチの最大値と最小値との差は,120nm以下である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記距離は,30nm以下である光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光散乱膜であって,
前記光散乱体は,前記媒質の前記表面に接している光散乱膜。 - 請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の光散乱膜を備える光デバイス。
- 請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の光散乱膜を備える光電変換装置。
- 請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の光散乱膜を備える発光デバイス。
- 請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の光散乱膜を備える液晶表示装置。
- 基板と,
前記基板を被覆するように形成された下部電極層と,
前記下部電極層の上に形成された第1半導体層
とを具備し,
前記下部電極層は,
透明な導電体で形成された第1媒質と,
前記第1媒質に埋め込まれた光散乱体
とを含み,
前記下部電極層の,前記第1半導体層と接触する接触面は,実質的に平坦であり,
前記光散乱体の前記接触面からの距離は,50nm以下であり,
前記光散乱体を中心回転軸を有する回転楕円体で近似し,且つ,前記光散乱体の外径を,前記光散乱体の前記中心回転軸から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記外径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)であり,
前記光散乱体のピッチを,隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均が,4000nm以下である光電変換装置。 - 基板と,
前記基板を被覆するように形成された下部電極層と,
前記下部電極層の上に形成された第1半導体層
とを具備し,
前記下部電極層は,
透明な導電体で形成された第1媒質と,
前記第1媒質に埋め込まれた光散乱体
とを含み,
前記下部電極層の,前記第1半導体層と接触する接触面は,実質的に平坦であり,
前記光散乱体の前記接触面からの距離は,50nm以下であり,
前記光散乱体の直径を前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記直径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)であり,
前記光散乱体のピッチを,隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均が,4000nm以下である光電変換装置。 - 基板と,
前記基板を被覆するように形成された下部電極層と,
前記下部電極層の上に形成された第1半導体層
とを具備し,
前記下部電極層は,
透明な導電体で形成された第1媒質と,
前記第1媒質に埋め込まれた光散乱体
とを含み,
前記下部電極層の,前記第1半導体層と接触する接触面は,実質的に平坦であり,
前記光散乱体の前記接触面からの距離は,50nm以下であり,
前記光散乱体の直径を前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記直径の平均が,60nm以上,2000nm以下(400nm以下を除く)であり,
前記光散乱体のピッチを,隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均が,4000nm以下であり,
前記光散乱体のピッチを隣接する2つの前記光散乱体の中心の距離で定義し,且つ,前記光散乱体の直径を前記前記光散乱体の中心から表面までの平均距離の2倍として定義した場合に,前記光散乱体の前記ピッチの平均である平均ピッチδAVEの前記光散乱体の前記直径の平均である平均直径dAVEに対する比δAVE/dAVEが,10以下である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記第1媒質の比屈折率と前記光散乱体の比屈折率との差の絶対値は,2.0以内である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体は,絶縁体で形成されている光電変換装置。 - 請求項24に記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体は,酸化チタン,ダイヤモンド,酸化シリコン,フッ化マグネシウム,酸化マグネシウム,酸化亜鉛,及びタンタル酸リチウムのうちから選択された一の材料である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体は,
第1光散乱体と,
前記第1光散乱体を構成する材料と比屈折率が異なる材料で形成されている第2光散乱体とを備える光電変換装置。 - 請求項20に記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体の前記外径の平均が,1200nm以下である光電変換装置。 - 請求項21または請求項22に記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体の前記直径の平均が,1200nm以下である光電変換装置。 - 請求項21または請求項22に記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体の前記直径の最大値と最小値との差は,120nm以下である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体の前記ピッチの平均が,2400nm以下である光電変換装置。 - 請求項22に記載の光電変換装置であって,
前記比δAVE/dAVEが,4以下である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体の前記ピッチの最大値と最小値との差は,120nm以下である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体の前記接触面からの距離は,30nm以下である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記光散乱体は,前記接触面に接している光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
更に,
前記第1半導体層の上に形成されている中間層と,
前記中間層の上に形成されている第2半導体層
とを具備し,
前記中間層は,
導電体で形成された第2媒質と,
前記第2媒質に埋め込まれた光散乱体とを含む光電変換装置。 - 請求項35に記載の光電変換装置であって,
前記中間層の,前記第2半導体層と接触する接触面は,実質的に平坦である光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
更に,
前記第1半導体層の上面側に形成されている上部電極層
を具備し,
前記上部電極層は,
導電体で形成された第3媒質と,
前記第3媒質に埋め込まれた光散乱体とを含む光電変換装置。 - 請求項20乃至請求項22のいずれかに記載の光電変換装置であって,
前記第1半導体層は,シリコン,SiC,SiGeのうちから選択された少なくとも一の材料で形成された光電変換装置。
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