JPS59205771A - 太陽電池セル - Google Patents

太陽電池セル

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JPS59205771A
JPS59205771A JP59082094A JP8209484A JPS59205771A JP S59205771 A JPS59205771 A JP S59205771A JP 59082094 A JP59082094 A JP 59082094A JP 8209484 A JP8209484 A JP 8209484A JP S59205771 A JPS59205771 A JP S59205771A
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solar cell
grating
cell according
recesses
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JP59082094A
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English (en)
Inventor
ピング・シエング
ア−ロン・エヌ・ブロツチ
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ExxonMobil Technology and Engineering Co
Original Assignee
Exxon Research and Engineering Co
Esso Research and Engineering Co
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Publication date
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
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    • H01L31/056—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は太陽電池セル、特に二次元反射回折格子によっ
て、半導体の固有の吸収が特に弱い光波長の範囲におい
て、入射太陽光の吸収を増加する太陽電池セルに関する
。
太陽電池セルに使用するけい素のような物質の多くは、
入射光の吸収が弱いので、活性層を厚くする必要がある
。しかし、このように厚くすると、半導体物質に対する
不純物についての要求が厳格になる。吸収された太陽光
によって発生する電子正孔対の寿命が活性物質の純度に
よって決定されるためである。発生した対の寿命は拡散
の長さに比例する。この拡散の長さは発生したキャリア
が再び結合するまでに進行する平均の長さである。太陽
電池セルは入射太陽光を吸収できるように厚くする必要
がある。拡散の長さは太陽電池セルの厚み程度であって
、発生した対が電池によって発生する電流として寄与し
なければならない。
活性物質の厚みの減少が望ましいことは次の理由にもと
づく。第１に、層が薄いと、量が減少するので、活性物
質のコスＩｆ低下させる。第２に、層が薄いと、発生し
たキャリアの拡散の長さを短縮することができる。拡散
の長さが短かいと、上記のように活性物質の純度を低下
させることができる。
発明の概要 本発明は二次元反射回折格子に取付けた半導体物質活性
層を有する太陽電池セルである。
回折格子は格子と活性物質との間の界面において反射物
質層によって被覆されている。格子は多数の凸出部およ
び／または凹入部が六角形に配置されておシ、隣接する
凸出部または凹入部の間の距離すなわち周期が同一であ
る。
実施態様として、活性層がけい素であシ、回折格子が銀
層によって被覆されていることが好ましい。
発明の詳細 便宜上、活性物質がけい素である太陽電池セルについて
本発明を説明するが、他の活性物質も使用できることを
理解すべきである。
本発明は太陽電池セルに入射する光のうち、特定の光が
活性層の内部で「案内された光波」となる太陽電池セル
である。この案内された光波はけい素膜表面に平行して
けい素の内部を水平方向に進行する。その距離は平均し
てけい紫の厚みよりはるかに長い。これによってけい素
の厚みを減少させて、活性物質を薄膜とすることができ
る。このように入射光をセル表面に対して水平に変える
のは、活性物質の一面に固定した回折格子によって行な
う。回折格子は、凸出部または凹入部を六角形に配置し
た二次元格子である。
第１図は本発明の好ましい実施態様の略断面図であって
、太陽電池セル１０の回折格子１６のプロファイルを示
す。太陽電池セル１０け厚みＬの半導体活性層１２を有
する。けい素の構造は、結晶、多結晶または無定形であ
ってもよい。入射光に対向するけい素膜１２の表面は反
射防止１％１４で被覆して、入射光の反射損失を減少さ
せることができる。このような被扮は厚み０．０７μｍ
程度の５ｎ０２　’）たはＺ　ｒ　Ｏ２蒸着層でもよい
。入射光に対して反対側のけい素膜１２の表面は反射回
折格子１６に固定されている。このり折格子１６は入射
光２０に対向する側を反射物質１８で被覆されている。
この物質としては銀またはアルミニウムが好ましく、銀
がもっとも好ましい。けい素膜１２を格子に沈着させる
には蒸着または他の薄膜沈着法によって行なう。太陽光
が任意の角度で太陽電池セル入射するときは、反射防止
膜およびけい素の屈折率が大きいので、太陽光は次の５
ｎａｉ１式によって屈折する。
Ｎ８石１＝ｎｓｉｎｒ 式中、Ｎ＝第１媒質の屈折率、 ｎ＝第２媒質の屈折率、 １−垂直線に対する入射光の角度、 ｒ−第２媒質中における垂＠線に対する光の角度、 入射光２０が太陽電池セルに入ると、各界面において屈
折する。反射防止膜２１の界面において入射光は垂直線
に向かって屈折する、これは５ｎｅｌ１式において反射
防止膜の屈折率が空気の屈折率より大きいためである。
反射防止膜の表面２３において、光線２４は再び垂直線
に向かって屈折する、これはけい素の屈折率が反射防止
膜の屈折率より大きいためである。
けい素層１２は薄膜であるので、光が赤色または赤外光
であるときけ、けい素膜１２を横切るときの吸収がもっ
とも少ない。光が反射回折格子に当ると、図示のように
、０、■およびＨなどの種種な回折次数で回折する。
回折格子１６は二次元格子であって、凸出部または凹入
部が六角形に配置されている。第２図は本発明の格子の
好ましい実施態様を示す、格子は相互１−距離り離れた
円柱形凸出部２８が配置されている。この距離は円柱２
８の断面中心２９から測定した。格子の周期はＤに等し
い。円柱２８相互の間隔はｄ１円柱２８の高さはＨであ
る。
第３図は、第２図の凸出部の平面図であシ、円柱の断面
中心２９間の距離麩＠接する２つの凸出部２８の間では
同一であることを示す。第３図の方向１．２および３に
おいて中心２９を通る断面平面は角度６０°で交差する
。各方向１．２および３における格子のプロファイルは
方形波形である。
第４図は本発明の格子１６の他の実施態様を示す。この
場合、格子１６のな力・で凹入部３０が凸出部２８に入
れかわっている。凸出部２８の断面中心２９は凹入部３
０の断面中心３１に対応する。
第４図に示すように、凹入部３０は円筒であ夛、隣接す
る２つの円筒３０は、断面中心間の距離がり、２つの円
筒間の間隔が６１円筒の深さがＨである。方向１．２お
よび３における断面間の関係は、凹入部３０に対しても
凸出部２８に対するのと同様である。
この図面では凸出部２８または凹入部３０を直角の円柱
または円筒として示したが、これらは同一形状を有すれ
ば他の幾何学的形状とすることもできる。たとえば、凸
出部２８の頂部または凹入部３０の底部を丸形として、
半球形または円錐形の上端または下端としてもよい。こ
の場合、２つの隣接する凸出部２８間の周期を同一とし
、また２つの隣接する凹入部３０間の周期を同一とする
。
さらに、格子１６を切って、すべての凸出部２８または
凹入部３０と交わる断面においては、これらの部分２８
または３０け、第３図の方向１．２または３において、
−線上に一定周期りを繰返して配置されている。この場
合、プロファイルは四角の方形波形ではなくて、第２図
に示す実施態様では丸い上端、また第４図に示す実施態
様では丸い下端全有する波形である。
回折光はすべての格子が同一の全体形状および周期を有
する３つの一次元格子によって順次回折されるとほぼ考
えることができる。
回折格子１６は、けい素膜を沈着させる基板表面を銀１
８で被援することが好ましい。この基板は、たとえばク
ロムのように容易に格子を形成することができる物質か
ら作る。さらに、格子１６をガラスまたは石英で支持し
て基板の強度を増加することができる。回折角の種々な
回折次数は格子周期りによって決定される。種々な回折
次数の間の強さの分布は凸出部２８の高さＨによって決
定される。回折次数がたとえば０の光はけい素層から出
てしまう。しかし多くの回折次数の光、たとえばＩおよ
びＨの光は頂面に入射する光の垂直線に対する角度が臨
界角Ｃ，ｌ）大きいので、全部反射されるであろう。
臨界角は次式によって決定される、 ５ｌｎｃ−１／Ｎけい素 式中、空気に対する屈折率を１と仮定し、Ｎけい素をけ
い素の屈折率とした。反射防止膜は臨界角に影響を与え
ない。
捕獲された光、たとえば回折次数■および■の光は、け
い素層の内部で「案内されたモード」になる。もちろん
全体として反射された光は再び格子に衝当フ、このとき
回折してけい素層の外に出る光もある。
上述のように、入射光を閉込めるモードの機構は、頂部
である界面に回折光が衝当る角度が臨界角よシ大きいこ
とである。しかし、艦界角よル大きいすべての光線がけ
い素層中を進行するとは限らない。周知のように、所定
の波長に対して、特定の角度で表面に交差する光線のみ
が２つの平行面の間に閉込められる。従ってこれらの光
線は「案内されたモード」になることができる、たとオ
ばＴｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｏｐｔ
ｉｃａｌＷａｖｅｇｋ、１ｄｅｓ　、　Ｉ）ｉｅｔｒｉ
ｃｈ　Ｍａｒｃｕｇｅ　、　Ａｃａｄｅ−ｍｉｃ　Ｐｒ
ｅｓｓ　１９７４参照。
本発明の六角形の格子配置の利点は、格子が第３図に示
す方向１．２および３にそう３つの案内されたモードに
同時に適合することである。これに対して、凸出部また
は凹入部を四角形の格子配置としたときは、格子の２つ
の主要な方向（Ｘ、Ｙ）に沿う回折、が、案内されたモ
ードに有効に適合する回折角となる。六角形の格子配置
では、第２および第４図に示すように、３つの主要方向
に沿う周期性が同一である。四角形の格子配置では、垂
直に入射した光に対して２つの方向であるのに対して、
六角形の格子配置では、３つの案内されたモードに同時
に適合することができる。この適合動車の増加によって
、薄膜で吸収される光が増加して、太陽電池セルの効率
を高める結果となる。
この３つの方向のいずれかにおける光の最終的平衡配分
はパラメータ、ｄ２Ｄ、Ｌならびに被覆層および活性物
質の誘電定数によって決定される。
ここでλけ光の波長である。これらの／やラメータは次
の考察によって選択した。波長λく０２５５μｍの光に
対しては結晶けい素の吸収定数が大きいので、吸収を増
加させる必要がない。さらに、波長λ〉１．１μｍの光
はけい素に対するバンドギャップより低いので電子正孔
対を発生することができない。従ってλ＝９．５５μｍ
とλ＝１．１μｍとの間の光スペクトルに対する吸収を
増加することのみが必要となる。太陽電池セルおよび格
子のパラメータは、λ＝０．５５μｍとλ＝１．１μｍ
との間の部分の光の結合、および入射光が水平方向に進
行する案内されたモードへの変換を最大にするように選
択する。
実施例 無定形けい素太陽電池セルは六角形の二次元格子を有し
、クロムのような金属の基板に電子ビームリソグラフィ
ーによって下記ジオメトリ−の格子を形成した。次に格
子基板に蒸着によって厚み５００Ｘの銀層を被覆した。
こうした作成した基板の頂面に５ｌｌ（４のグロー放電
によって厚み０．５μｍの無定形けい素の活性層を沈着
させた。このけい素の頂面に厚み７００ＸのＴｉＯ２ま
たは５５０ＸのＺ　ｒ　Ｏ２を蒸着して反射防止膜とし
た。下記ジオメトリ−の格子つき基板を有する太陽電池
セルの吸収は、六角形の回折格子の効果を細分して、同
一プロファイルを有する３つの一次元格子によって順次
回折するとして計算した。
平坦基板（銀被覆されて匹る）の場合に、ｄ／Ｄ＝　１
／２、Ｄ＝０゜２５μｍ、ｈ−８００Ｘであるときに、
６　ｍＡ７ｃｒｒ？の増加を示した。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の太陽電池セルの断面図であり、第２図
は本発明の回折格子の好ましい実施態様の斜視図であり
、 第３図は第２または第４図の回折格子の平面図であシ、 第４図は本発明の回折格子の他の実施態様の斜視図であ
る。 ｌＯ・・・太陽電池セル、１２・・・活性層、１４・・
・反射防止膜、１６・・・回折格子、１８、・・・反射
物質、２０・・・入射光、２１・・・空気と反射防止膜
との界面１２２．２４・・・屈折光、２３・・・反射防
止膜と活性物質との界面、２８・・・凸出部、２９．３
１・・・断面中心、３０・・・凹入部、０，１．１・・
・回折次数。 特許出願人 エクソン　リサーチ　アンド エンジニアリング　カンパニー 特許出願代理人 弁理士　青　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士　寺　１）　　豊 弁理士　山　口　昭　之 弁理士　西　山　雅　也

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）　　対向する一対の表面を有する半導体物質
    活性層と、 （ｂ）　　この活性層の１つの表面に固定された二次元
    回折格子とを有し、 この回折格子が、回折格子と活性層との間の界面におい
    て反射物質層で被覆されている格子であって、この格子
    が多数の凸出部および／または凹入部を六角形に配置し
    た格子であフ、かつこの凸出部または凹入部が円柱また
    は円筒の形状を有し、この円柱または円筒の円形断面中
    心間の距離が、隣接する２つの円柱または円筒の間で同
    一であることを特徴とする太陽電池セル。 ２、回折格子が円柱形凸出部全配置した格子である、特
    許請求の範囲第１項記載の太陽電池セル。 ３　回折格子が円筒形凹入部を配置した格子である、特
    許請求の範囲第１項記載の太陽電池セル。 ４　隣接する２つの凸出部の間の周期が同一である、特
    許請求の範囲第２項記載の太陽電池セル。 ５、隣接する２つの凸出部の中心を通る格子断面が方形
    波形である、特許請求の範囲第４項記載の太陽電池セル
    。 ６、隣接する２つの凹入部の間の周期が同一である、特
    許請求の範囲第３項記載の太陽電池セル。 ７、隣接する２つの凹入部の中心を通る格子断面が〃形
    波形である、特許請求の範囲第６項記載の太陽電池セル
    。 ８、任意の１つの凸出部およびこれに隣接する任意の２
    つ凸出部の断面中心を通る任意の２つの格子断面の間の
    交差角が、６０°またはその倍数である、特許請求の範
    囲第２項記載の太陽電池セル。 ９、任意の１つの凹入部およびこれに＠接する任意の２
    つの凹入部の断面中心を通る任意の２つの格子断面の間
    の交差角が６０°またはその倍数である、特許請求の範
    囲第３項記載の太陽電池セル。
JP59082094A 1983-04-25 1984-04-25 太陽電池セル Pending JPS59205771A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US488436 1983-04-25
US06/488,436 US4536608A (en) 1983-04-25 1983-04-25 Solar cell with two-dimensional hexagonal reflecting diffraction grating

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Publication Number Publication Date
JPS59205771A true JPS59205771A (ja) 1984-11-21

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ID=23939700

Family Applications (1)

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JP59082094A Pending JPS59205771A (ja) 1983-04-25 1984-04-25 太陽電池セル

Country Status (5)

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US (1) US4536608A (ja)
EP (1) EP0127317A1 (ja)
JP (1) JPS59205771A (ja)
AU (1) AU562159B2 (ja)
CA (1) CA1198801A (ja)

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