專利名稱：光電轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用光電效應發(fā)電的光電轉換裝置。
背景技術：
利用半導體薄膜的用于光電轉換的光電轉換裝置(例如，薄膜太陽能電池)中一個問題是在轉換效率上的提高。與集成在單晶半導體芯片上的光電轉換裝置相比，基于薄膜的光電轉換裝置具有降低的效率。在轉換效率上的提高是基于薄膜的光電轉換裝置商業(yè)應用的最重要的要求。
在襯底上設置粗糙透明電極是提高轉換效率的有希望技術之一，這種技術例如在第2862174號日本專利公報、第2003-243676號和第2002-222975號日本公開專利文件上得到披露。在采用此技術的光電轉換裝置中，用于光電轉換的半導體層形成在粗糙透明電極上。該粗糙透明電極為光電轉換裝置提供入射光的散射，有效地提高了光吸收即轉換效率。
用于形成粗糙透明電極的各種技術已經公知。如在第2862174號專利公報中披露的那樣，第一種傳統(tǒng)技術采用熱力CVD(化學汽相沉積)來形成透明電極；利用最優(yōu)化的生長條件，粗糙透明電極經由熱力CVD技術形成。如在第P2002-222975號日本公開專利文件中披露的第二種技術包括對玻璃襯底的粗糙表面拋光，然后在該拋光表面上形成透明電極。如在第P2003-243676號日本公開專利文件中披露的第三種技術包括形成這樣的薄膜，該薄膜由絕緣精細顆粒組成，其中該顆粒與在襯底上的介質結合，該技術還包括形成透明電極以覆蓋該薄膜。
然而，基于粗糙透明電極的傳統(tǒng)技術在提高轉換效率上具有局限性，例如在Yoshiyuki Nasuno等人的“襯底表面形態(tài)對微晶硅太陽能電池的影響”(Jpn.J.Appl.Phys.，日本應用物理學會，2001年4月1日卷40，第303-305行)已經披露的那些。這種困難是由于不希望的粗糙透明電極使集成在其中的半導體薄膜產生缺陷。雖然增強了半導體層光吸收，但在該透明電極表面上設置的不規(guī)則結構不希望地增加了半導體薄膜內的缺陷，并導致該光電轉換裝置輸出電壓的降低。因此，通過利用粗糙透明電極獲得提高轉換效率存在根本性的局限。
這樣，就需要為提高轉換效率提供新穎的技術。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明提供提高光電轉換裝置轉換效率的新穎技術。
在本發(fā)明的一個方面，光電轉換裝置包括襯底、用來覆蓋襯底的下電極、以及形成在該下電極上的第一半導體層。該下電極層包括由透明導電材料制成的第一基體(matrix)和嵌在該第一基體內的光散射顆粒。
上述設計的下電極層有效地對入射光進行散射，并從而增加了在第一半導體層內的有效光學路徑長度。這就有效地提高了光電轉換裝置的轉換效率。
另外的優(yōu)點是，該結構不需要在下電極層上設置不規(guī)則結構。換句話說，上述結構使下電極層大致平整。這就有益于避免在第一半導體層內形成缺陷，并從而提高轉換效率。術語“大致平整”意思是指其中在下電極層的上表面和襯底的主表面之間角度平均值θ減小到5度或者更小，該角度在與襯底的主表面平行的方向上在具有300到1200nm長度的任意橫截面上確定。
第一基體和光散射顆粒的相對折射率之間的差值為2.0或者更小。
還優(yōu)選的是，光散射顆粒由絕緣材料制成，特別是選自氧化鈦、金剛石、氧化硅、氟化鎂、氧化鎂、氧化鋅和鉭酸鋰的物質。
優(yōu)選的是，光散射顆粒包括由具有不同相對折射率的不同材料制成的第一和第二光散射顆粒。
在優(yōu)選實施例中，光散射顆粒的外部尺寸的平均值范圍為從60到2000nm，其中所述每個光散射顆粒近似為具有長軸的橢圓，并且外部尺寸每個定義為是長軸和光散射顆粒中相關之一的表面之間距離的平均值的兩倍。更優(yōu)選的是，光散射顆粒的外部尺寸平均值等于或者小于1200nm，進一步優(yōu)選的是，光散射顆粒的外部尺寸平均值等于或者大于300nm。
當所述光散射顆粒由具有中心的結構形成時，優(yōu)選的是，光散射顆粒直徑的平均值范圍為從60到2000nm，其中直徑每個定義為在光散射顆粒中相關之一的中心和表面之間距離平均值的兩倍。更優(yōu)選的是，直徑的平均值等于或者小于1200nm，進一步優(yōu)選的是，直徑的平均值等于或者大于300nm。在這種情況下，在直徑最大值和最小值之間的差值等于或者小于120nm。
優(yōu)選的是，光散射顆粒間隔長度的平均值等于或者小于4000nm，其中光散射顆粒的間隔長度每個定義為光散射顆粒中相鄰兩個中心之間的距離。更優(yōu)選的是，間隔長度的平均值等于或者小于2400nm。
在優(yōu)選實施例中，比值δAVE/dAVE定義為光散射顆粒的平均間隔長度δAVE與平均直徑dAVE的比值，該比值δAVE/dAVE等于或者小于20，其中所述平均間隔長度δAVE定義為光散射顆粒的間隔長度平均值，其中的光散射顆粒的間隔長度每個定義為在光散射顆粒中相鄰兩個中心之間的距離，同時平均直徑dAVE定義為光散射顆粒直徑的平均值，而直徑每個定義為是在所述光散射顆粒中相關之一的中心和表面之間的距離平均值。更優(yōu)選的是，比值δAVE/dAVE等于或者小于4。
為了增強第一半導體層內的光密封，優(yōu)選的是，在光散射顆粒和下電極層接觸第一半導體層的接觸面之間的距離等于或者小于50nm。更優(yōu)選的是，在光散射顆粒和接觸面之間的距離等于或者小于30nm。在最優(yōu)選的實施例中，光散射顆粒與接觸面接觸。
當光電轉換裝置還包括形成在第一半導體層上的中間層和形成在所述中間層上的第二半導體層時，優(yōu)選的是，該中間層包括由透明導電材料制成的第二基體和嵌在第二基體內的光散射顆粒。這種結構不需要在中間層的上表面上設置不規(guī)則結構用于增強光散射，并因此提高了轉換效率，避免了在第二半導體層內形成缺陷。
優(yōu)選的是，用來覆蓋所述第一半導體層的上電極層包括由透明導電材料制成的第三基體和嵌在第三基體內的光散射顆粒；這種結構有效地提供了光散射，并因此提高了光電轉換裝置的轉換效率。
在本發(fā)明的另一個方面，光電轉換裝置包括襯底、用來覆蓋襯底上表面的第一半導體層、用來覆蓋第一半導體上表面的第二半導體層、以及位于第一和第二半導體層之間的中間層。該中間層包括由透明導電材料制成的基體以及嵌在基體內的光散射顆粒。
在本發(fā)明的又一個方面，用于光電轉換裝置的襯底結構包括襯底以及用來覆蓋襯底的下電極層。該下電極層包括由透明導電材料制成的基體以及嵌在基體內的光散射顆粒。
在本發(fā)明的再一個方面，制造用于光電轉換裝置的襯底結構的方法包括用由透明導電材料制成的第一層覆蓋襯底；把含有透明導電材料和光散射顆粒的母體的溶液涂在第一層上；以及對溶液進行燒結，以在第一層上完成第二層，第二層包括基體和嵌在基體內的光散射顆粒。


圖1為示出了在本發(fā)明一個實施例中串接薄膜太陽能電池結構的剖面圖；圖2A為示出了串接薄膜太陽能電池開路電壓與下電極層平直度之間的關系的圖表；圖2B為解釋橢圓外部尺寸的定義的示意圖；圖3A為示出了串接薄膜太陽能電池的下電極的優(yōu)選制造過程的剖面圖；圖3B為示出了串接薄膜太陽能電池的下電極的優(yōu)選制造過程的剖面圖；圖4為示出了本發(fā)明另一個實施例的串接薄膜太陽能電池結構的剖面圖；圖5為示出了本發(fā)明又一個實施例的串接薄膜太陽能電池結構的剖面圖；圖6為示出了本發(fā)明再一個實施例的串接薄膜太陽能電池結構的剖面圖；圖7為示出了用于特征模擬的目標結構的剖面圖；圖8A為示出了在光散射顆粒由TiO2制成以及其直徑范圍為從60nm到600nm的條件下、上電池的短路電流比與光散射顆粒間隔長度之間關系的圖表；圖8B為示出了在光散射顆粒由TiO2制成以及其直徑的范圍為從60nm到600nm的條件下、下電池的短路電流比與光散射顆粒間隔長度之間關系的圖表；圖9A為示出了在光散射顆粒由TiO2制成以及其直徑的范圍為從300nm到1200nm的條件下、上電池的短路電流比與光散射顆粒間隔長度之間關系的圖表；圖9B為示出了在光散射顆粒由TiO2制成以及其直徑的范圍為從300nm到1200nm的條件下、下電池的短路電流比與光散射顆粒間隔長度之間關系的圖表；圖10A為示出了在光散射顆粒由金剛石制成以及其直徑的范圍為從60nm到600nm的條件下、上電池的短路電流比與光散射顆粒間隔長度之間關系的圖表；圖10B為示出了在光散射顆粒由金剛石制成以及其直徑的范圍為從60nm到600nm的條件下、下電池的短路電流比與光散射顆粒間隔長度之間關系的圖表；圖11A為示出了上電池的短路電流比與比值δ/d之間關系的圖表，其中δ為光散射顆粒7的間隔長度，而d為其直徑；圖11B為示出了下電池的短路電流比與比值δ/d之間關系的圖表；圖12A為示出了上電池短路電流比與光散射顆粒深度位置之間關系的圖表；圖12B為示出了下電池短路電流比與光散射顆粒深度位置之間關系的圖表；以及圖13為示出了本發(fā)明又一個實施例的串接薄膜太陽能電池結構的剖面圖。
具體實施例方式
下面參照附圖來詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應當注意的是，在附圖中，相同參考數(shù)字表示相同或者類似部件。
裝置結構在本發(fā)明的一個實施例中，如圖1所示，串接薄膜太陽能電池10帶有玻璃襯底1、依次形成以覆蓋玻璃襯底1的主表面1a的下電極層2、上電池3、下電池4和上電極層5。該上電池3由p-型非晶硅層3a、i-型非晶硅層3b和n-型非晶硅層3c組成，這些層依次形成以覆蓋下電極層2。下電池4由p-型微晶硅層4a、i-型微晶硅層4b和n-型微晶硅層4c組成，這些層依次形成以覆蓋上電池3。上電極層5由形成在下電池4上的ZnO層5a和形成在ZnO層5a上的Ag層5b組成。該ZnO層5a涂有鎵(Ga)。
與在相關技術中披露的光電轉換裝置不同，在本實施例的光電轉換裝置中下電極層2沒有不規(guī)則，用于提高轉換效率；在下電極層2的上表面2a上確定地沒有不規(guī)則結構。與上電池3接觸的上表面2a大致是平整的。術語“大致平整”意思是指其中在下電極層2的上表面2a和玻璃襯底1的主表面1a之間角度平均值θ減小到5度或者更小，該角度在與玻璃襯底1的主表面1a平行的方向上在具有300到1200nm長度的任意橫截面上確定。有效地平整地形成下電極層2避免了由于硅層缺陷導致的開路電壓的降低。圖2為確保此種情況的圖表，該圖示出了開路電壓與平均值θ之間的關系。從圖2中可以理解，當平均值θ為5度或者更小時，該開路電壓不降低。
如圖1所示，取代了設置不規(guī)則結構，該下電極層2由通過透明導電材料形成的基體6和嵌在該基體6內的光散射顆粒7組成。該光散射顆粒7對從玻璃襯底1后表面入射的光進行散射，并增強在上電池3和下電池4內的光吸收。換句話說，對其中光散射顆粒7嵌在基體6內的下電極層2的使用，可不需要在下電極層2表面上設置用來散射入射光的不規(guī)則結構。這就有效地提高了轉換效率，同時抑制了構成上電池3和下電池4的半導體層的缺陷生成。
下面詳細描述基體6和光散射顆粒7的優(yōu)選結構和物理性能。
基體6可由通用的透明導電材料制成，這些材料例如氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)。
該光散射顆粒7由具有與基體6不同相對折射率的材料制成。優(yōu)選的是，該光散射顆粒7由具有與基體6相差2或者更小相對折射率的材料制成。具體地說，當基體6由從氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO中選擇的一種材料制成時，優(yōu)選的是，該光散射顆粒7由從氧化鈦、金剛石、SiO2或者玻璃、MgF2、MgO、ZnO、和LiTaO3中選擇的一種材料制成；需要注意的是，氧化鈦具有2.2到2.3的相對折射率，金剛石具有2.1到2.2的相對折射率，SiO2或者玻璃具有1.53的相對折射率，MgF2具有1.29的相對折射率，ZnO具有1.88的相對折射率以及LiTaO3具有2.18的相對折射率。
光散射顆粒7不需要由導電材料制成；光散射顆粒7由包括減小數(shù)量的自由電子的絕緣材料制成，這對于降低由光散射顆粒7進行的光吸收是相當優(yōu)選的。需要注意的是，由于由上電池3和下電池4產生的光電流經由基體6流動，因此利用絕緣體作為光散射顆粒7不阻礙光電流的流動。
光散射顆粒7的尺寸是提高入射光散射效率的重要參數(shù)。如圖2B所示，當每個光散射顆粒7的形狀近似為橢圓時，優(yōu)選的是，該光散射顆粒7的外部尺寸范圍為從60nm到2000nm，每個光散射顆粒7的外部尺寸限定為是光散射顆粒7的長軸7a與其表面之間距離L的平均值LAVE的兩倍。
當光散射顆粒7由具有中心的結構形成時，例如為球形和規(guī)則多面體，優(yōu)選的是，該光散射顆粒7平均直徑的范圍從10nm到2000nm，更優(yōu)選的是從60nm到1200nm；特定光散射顆粒7的直徑限定為是在光散射顆粒7與其表面之間距離平均值的兩倍，而平均直徑是指如上所述限定的光散射顆粒7的直徑的平均值。把光散射顆粒7設計成具有從此范圍中選擇的平均直徑，可有效地提高具有產生電能的波長的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太陽能電池10的轉換效率。
此外，優(yōu)選的是，光散射顆粒7的平均間隔長度為4000nm或更少；在相鄰光散射顆粒7之間的間隔長度是指在光散射顆粒7中心之間的距離，而平均間隔長度是指光散射顆粒7的間隔長度平均值。更優(yōu)選的是，光散射顆粒7的平均間隔長度為2400nm或者更少，該范圍限定為等于或者小于用于產生電能的光的波長范圍的上限(1200nm)的兩倍。把光散射顆粒7布置成從此范圍中選擇的間隔長度，這樣可有效地提高了具有產生電能的波長的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太陽能電池10的轉換效率。
比率δAVE/dAVE定義為光散射顆粒7的平均間隔長度δAVE與平均直徑dAVE的比率，該比率優(yōu)選的是20或者更少，更優(yōu)選的是為4或者更少。把光散射顆粒7布置成滿足此要求，這樣可有效地提高了具有產生電能的波長的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太陽能電池10的轉換效率。
下電極層2的在上電池3側的上表面2a和光散射顆粒7之間的距離可以作為光散射顆粒7的深度，該距離優(yōu)選的是小于50nm，更優(yōu)選的是小于30nm。最優(yōu)選的是，光散射顆粒7與上表面2a接觸；在圖1中示出了其中光散射顆粒7與上表面2a接觸的典型結構。減小上表面2a和光散射顆粒7之間的距離促進了在上電池3和下電池4內的光密封，同時有效地提高了串接薄膜太陽能電池10的轉換效率。
優(yōu)選的是，光散射顆粒7盡可能規(guī)則布置。更具體地說，優(yōu)選的是，光散射顆粒7深度(定義為上表面2a和光散射顆粒7之間的距離)最大值和最小值之間的差值降低到30nm或者更小，也就是說，用于產生電能的光的波長范圍下限(300nm)的1/10或者更小。
如圖2B所示，對于在當光散射顆粒7每個為近似橢圓的情況中，優(yōu)選的是，在光散射顆粒7外部尺寸最大值和最小值之間的差值為120nm或者更小，也就是說，用于產生電能的光的波長范圍上限(1200nm)的1/10或者更小。相應地，對于在每個光散射顆粒7由具有中心的結構形成的情況中，優(yōu)選的是，光散射顆粒7直徑最大值和最小值之間的差值為120nm或者更小。由于光散射顆粒7尺寸變化對轉換效率的影響比光散射顆粒7深度的影響小，因此與光散射顆粒7深度相比，可使光散射顆粒7直徑具有較大變化。同樣地，優(yōu)選的是，在光散射顆粒7間隔長度最大值和最小值之間的差值為120nm或者更小。
優(yōu)選的是，其中光散射顆粒7嵌在基體6內的下電極層2經由CVD技術、濺射技術、離子鍍膜技術或者在前期的溶膠凝膠(sol-gel)技術以及在后期的溶膠凝膠技術形成。當在后期采用溶膠凝膠技術時，優(yōu)選的是，在把基體6的母液涂在玻璃襯底1上前，光散射顆粒7混合在該母液中；這樣就有效地促進光散射顆粒7穿越基體6而均勻擴散。
圖3A和3B為示出了下電極層2優(yōu)選形成過程的剖面圖。首先，如圖3A所示，通過從CVD技術、濺射技術、離子鍍膜技術和溶膠凝膠技術中選擇的技術，由與基體6相同材料制成的第一層6a形成在玻璃襯底1的主表面1a上。在一個實施例中，該第一層6a可直接經由CVD技術、濺射技術或者離子鍍膜技術形成。可選擇的是，第一層6a可由溶膠凝膠技術形成，該技術包括把含基體6母體的溶液涂到玻璃襯底1上并對該母體溶液進行燒結。由于經驗表明，與溶膠凝膠技術相比，利用CVD技術、濺射技術和離子鍍膜技術可以有效地改善基體6的性能，因此最好是，第一層6a通過CVD技術、濺射技術、離子鍍膜技術和溶膠凝膠技術形成。
然后第二層6b通過溶膠凝膠技術形成。詳細地說，與光散射顆粒7混合的基體6的母體溶液涂在玻璃襯底1上，然后對該母體溶液進行燒結，從而形成第二層6b。
這種制造工藝實現(xiàn)了形成這樣的結構，其中光散射顆粒7位于下電極層2的上表面2a附近。通過適當?shù)卣{節(jié)形成第二層6b采用的母體溶液粘度而使第二層6b形成具有與光散射顆粒7直徑相等的厚度，該光散射顆粒7可理想地處于與上表面2a接觸的位置上。
優(yōu)選變型為了更有效地散射入射光，優(yōu)選的是，該下電極層2設計成光散射顆粒7由具有不同折射率的不同材料制成；通過利用使下電極層2沉積的溶膠凝膠技術，這種結構很容易得到。在優(yōu)選實施例中，如圖4所示，該光散射顆粒7可包括由氧化鈦制成的光散射顆粒7a和由SiO2(或者玻璃)制成的光散射顆粒7b。這就有效地降低了具有相同相對折射率的兩個或者更多光散射顆粒7彼此接觸，從而提高了入射光的散射效率。
當中間層設置在上電池3和下電池4之間時，優(yōu)選的是，該光散射顆粒7嵌在該中間層內。圖5為示出了這種設計的串接薄膜太陽能電池10A的典型結構的剖面圖。該串接薄膜太陽能電池10A帶有位于上電池3和下電池4之間的中間層8。該中間層8的上表面8a與下電池4接觸，該上表面8a形成為“大致平整”，同時該中間層8包括由透明導電材料制成的基體11和嵌在該基體11內的光散射顆粒12。從中間層8入射到下電池4內的光通過把光散射顆粒12嵌在中間層8內而充分散射，同時入射光的散射有效地增加了在下電池4內傳輸光的光學路徑長度。這就有效地增強了在下電池4內的光吸收。此外，嵌入其中光散射顆粒12嵌入在基體11內的上述結構，消除了在中間層8的上表面8a上設置用于提高轉換效率的不規(guī)則結構的需要；把光散射顆粒12嵌入在基體11內使中間層8的上表面8a大致平整；術語“大致平整”的含義與上面定義的相同。平整地形成中間層8對于提高下電池4的轉換效率是有效的；這就有效地抑制了在依次形成在上表面8a上的p-型微晶硅層4a、i-型微晶硅層4b和n-型微晶硅層4c內形成缺陷，并因此提高了下電池4的轉換效率。
中間層8的基體11和光散射顆粒12的優(yōu)選物理性能與在下電極層2內基體6和光散射顆粒7的那些相同。該基體11可由例如氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)等通用透明導電材料形成。該光散射顆粒12可由具有與基體11不同的相對折射率的材料形成，例如氧化鈦、金剛石、SiO2(或者玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3。該光散射顆粒12不需要由導電材料形成。
還優(yōu)選的是，光散射顆粒7可嵌在上電極層內。圖6為示出了這樣設計的串接薄膜太陽能電池10B的典型結構。替代圖1所示的上電極層6，該串接薄膜太陽能電池10B帶有形成在下電池4上的透明電極13和形成在透明電極13上的Ag層14；該透明電極13和Ag層14作為串接薄膜太陽能電池10B的上電極。該透明電極13由基體15和嵌在該基體15內的光散射顆粒16組成。
透明電極13的基體15和光散射顆粒16的優(yōu)選物理性能與下電極層2的基體6和光散射顆粒7的那些相同。該基體15可由例如氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)等通用透明導電材料形成。該光散射顆粒16可由具有與基體15不同的相對折射率的材料形成，這些材料例如為氧化鈦、金剛石、SiO2(玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3。該光散射顆粒16不需要由導電材料形成。
本發(fā)明還用于具有這種結構的薄膜太陽能電池，其中日光從上電極入射。圖13為示出了這種設計的串接薄膜太陽能電池10C的典型結構。該串接薄膜太陽能電池10C帶有玻璃襯底1、下電極層2C、下電池4C、上電池3C和上電極層5C。該下電池4C由依次形成在下電極層2C上的n-型微晶硅層4c、i-型微晶硅層4b和p-型微晶硅層4a組成。該上電池3C由依次形成在下電池4C上的n-型非晶硅3c、i-型非晶硅3b和p-型非晶硅3a組成。該上電極層5C由例如氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)等通用透明導電材料形成。
該下電極層2C由金屬電極層17和形成在該金屬電極層17上的透明電極層18組成。如在圖1中所示的串接薄膜太陽能電池10的情況那樣，不規(guī)則結構沒有明確地設置在透明電極層18的上表面上。替代設置不規(guī)則結構，該透明電極層18由通過透明導電材料形成的基體19和嵌在該基體19內的光散射顆粒20組成。該光散射顆粒20對從上電極層5C入射的日光進行散射，并從而促進在上電池3C和下電池4C內的光吸收。這種結構有效地提高轉換效率，同時抑制在上電池3C和下電池4C內缺陷的產生。
中間層可附加地為圖13所示的串接薄膜太陽能電池10C而設置。在這種情況下，優(yōu)選的是，與圖5中所示的串接薄膜太陽能電池10A相同的方式，該中間層由基體和光散射顆粒組成。另外，優(yōu)選的是，上電極層5C由基體和光散射顆粒組成。
需要注意的是，本發(fā)明還可用于具有與上述結構不同的各種結構的薄膜太陽能電池。例如，由基體和光散射顆粒組成的上下電極結構每個均可用于采用不同于串接太陽能電池結構的薄膜太陽能電池中。
還需要注意的是，薄膜太陽能電池由除了硅以外的材料制成；該薄膜太陽能電池可基于SiC或者SiGe.
模擬結果在下文中，描述根據本發(fā)明的光電轉換裝置的有效性。通過模擬證實了具有圖1所示結構的串接薄膜太陽能電池10的有效性。通過有限差分時域分析技術(FDTD)直接解麥克斯韋電磁方程來進行模擬。該FDTD分析的計算條件的細節(jié)如下入射光假定為是具有與襯底平行的表面波前陣的平面波；也就是說，該襯底假定為直接朝向太陽。Berenger的完美匹配層技術(參見J.P.Berenger，J.計算物理學，114，185(1994))用作確定光吸收邊界的算法。在整個計算時間內，在每個電池中反射波和電磁波的振幅的時間變化被記錄，在從300nm到1200nm(在空氣或者真空中的波長)的范圍內以5nm的間隔通過傅立葉變換來確定該振幅。在吸收率和反射率之和確定為100％的事實基礎上，確認硅吸收率計算的收斂(convergence)。通過該計算方法可得到上電池3和下電池4的量子效率光譜。在從300nm到1200nm范圍內相應波長標準日光內(在JIS C8911描述)的光子密度與每個電池量子效率光譜的乘積相對于其波長積分，同時吸收光子整個密度定義為短路電流密度。這種假設在實際太陽能電池中是適當?shù)模渲性撾姵卦诠怆娹D換層內包括降低的缺陷。
圖7示出了模擬結構的剖面圖。在假設光散射顆粒7由具有相同直徑的球體形成的情況下進行該模擬；這意味著光散射顆粒7的平均直徑與每個光散射顆粒7直徑相同。另外的假設為圖7中所示的結構在玻璃襯底1的平面方向上無限重復。換句話說，光散射顆粒7的平均間隔長度與任意兩個相鄰光散射顆粒7的間隔長度相同。還假設下電極層2的基體6由涂有氟化物的SnO2形成。最后，假設光散射顆粒7與下電極層2的上表面2a接觸。
需要注意的是，上電池3的厚度從0.1到0.5μm之間的范圍內選擇。還需注意的是，ZnO層5a的厚度從20到200nm之間范圍中選擇，同時該Ag層5b的厚度從0.1到10μm之間的范圍中選擇。
此外，串接薄膜太陽能電池10的短路電流相應地由短路電流率(％)來表示，該短路電流率通過使串接薄膜太陽能電池10的短路電流與形成在平整TCO(透明導電氧化物)襯底上的串接薄膜太陽能電池10的上電池和下電池的相應的短路電流規(guī)格化而得到。短路電流比超過100％意味著該裝置結構在該串接太陽能電池內提供有效的光散射。我們認為，基于短路電流的爭論是有根據的；在Yoahiyuki Nasuno等人的上述文件中提出了類似的爭論，其中該文件中提出對由AsahiGlass公司制造的粗糙化透明電極“Asahi-UTM”的評估。
圖8A、8B、9A和9B為示出了串接薄膜太陽能電池10的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度和直徑之間關系的圖表，其中光散射顆粒7由TiO2制成。具體地說，圖8A示出了在光散射顆粒7的直徑范圍是從60到600nm之間的情況下上電池3的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度之間的關系，而圖8B示出了在光散射顆粒7的直徑處于相同范圍的情況下下電池4的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度之間的關系。圖8A和8B所示的結果是假設下電極層2的薄膜厚度為0.7μm的情況下得到的。
另一方面，圖9A示出了在光散射顆粒7的直徑范圍為從300nm到1200nm之間的情況下上電池3的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度之間的關系。相應地，圖9B示出了在光散射顆粒7的直徑處于相同范圍的情況下下電池4的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度之間的關系。圖9A和9B所示的結果是假設下電極層2的薄膜厚度為1.2μm的情況下得到的。
還需要注意的是，在圖8A、8B、9A和9B中，對于間隔長度為“0nm”的短路電流比對應于具有如下結構的串接薄膜太陽能電池的短路電流比，其中在該結構中，光散射顆粒7從下電極層2上去掉，同時連續(xù)TiO2層設置在上電池3和下電極層2之間。
從圖8A、8B、9A和9B中可以理解的是，當光散射顆粒7的直徑范圍在60nm到1200nm之間時，可得到上電池3和下電池4的超過100％的短路電流比，同時光散射顆粒7以2400nm或者更小的間隔長度分開，也就是說，以用于能量生成的光波長范圍上限(1200nm)的兩倍或者更小的間隔長度分開。這意味著光散射顆粒7的上述布置對于提高轉換效率是有效的。
當光散射顆粒7由金剛石制成時也是如此。圖10A和10B為示出了串接薄膜太陽能電池10的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度和直徑之間關系的圖表，其中光散射顆粒7由金剛石制成；下電極層2的膜厚度假設為0.7μm。具體地說，圖10A示出了當光散射顆粒7的直徑范圍為從60nm到600nm時、上電池3的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度之間的關系，而圖10B示出了當光散射顆粒7的直徑處于相同范圍時、下電池4的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長度之間的關系。
從圖10A和10B中可以理解的是，在光散射顆粒7由金剛石制成的情況下，上電池3和下電池4的短路電流比的性能與在光散射顆粒7由TiO2制成情況下上電池3和下電池4的短路電流比性能類似。這意味著金剛石可替代氧化鈦而作為光散射顆粒7的材料來使用。
需要注意的是，針對圖8A、8B、9A、9B、10A和10B的討論也可用于每個光散射顆粒7近似為橢圓的情況中。當光散射顆粒7中每個近似為橢圓(特別是主軸具有2000nm或者更大長度時)時，該光散射顆粒7的光散射性能由在短軸方向的光散射顆粒7的尺寸來確定。這樣，圖8A、8B、9A、9B、10A和10B所示的數(shù)據為把光散射顆粒7設計成具有從60nm到1200nm范圍的外部尺寸的有效性提供了基礎，該光散射顆粒7外部尺寸定義成在光散射顆粒7的長軸7a與其表面之間平均距離LAVE的兩倍。
圖11A和11B示出了串接薄膜太陽能電池10的短路電流比與比值δ/d之間的關系，其中該比值δ/d定義為間隔長度δ與光散射顆粒7的直徑d的比值。具體地說，圖11示出了上電池3的短路電流比與比值δ/d之間的關系，而圖11B示出了下電池4的情況。假設光散射顆粒7的直徑范圍是從60nm到600nm之間。針對上電池3和下電池4兩種情況，只要光散射顆粒7的直徑超過60nm，對于比值δ/d為20或更小，可以得到超過100％的短路電流比。
圖12A和12B示出了短路電流比與光散射顆粒7的深度之間的關系，該深度也就是在光散射顆粒7和下電極層2的上表面2a之間的距離。具體地說，圖12A示出了上電池3的短路電流比與光散射顆粒7的深度之間的關系，而圖12B示出了對于下電池4的情況。光散射顆粒7的直徑從120nm、240nm、360nm和600nm中選擇，并且間隔長度選擇為對于每個直徑使短路電流設定為最大值。
從圖12A和12B中可以理解的是，該短路電流比隨著光散射顆粒7的深度減小而增加。如圖12A所示，對于上電池3，通過把光散射顆粒7的深度減小到30nm或更小，可得到超過100％的短路電流比。如圖12B所示，對于下電池4，通過把光散射顆粒7的深度減小到50nm或更小，可得到超過100％的短路電流比。如圖12A和12B所示，優(yōu)選的是，光散射顆粒7的深度減小到50nm或者更小，更優(yōu)選的是，減小到30nm或者更小。
盡管以一定程度的特殊性以優(yōu)選形式來描述發(fā)明，但可以理解的是，該優(yōu)選形式的公開內容已經在結構細節(jié)上進行變化，同時在不脫離在下文中權利要求限定的本發(fā)明范圍情況下，可進行部件的組合和布置。
權利要求
1.一種光電轉換裝置，包括襯底；用來覆蓋所述襯底的下電極層；以及形成在所述下電極層上的第一半導體層，其特征在于，所述下電極層包括由透明導電材料制成的第一基體，以及嵌在所述第一基體內的光散射顆粒。
2.根據權利要求1的光電轉換裝置，其特征在于，所述下電極層與所述第一半導體層在接觸面上接觸，以及其中所述接觸面大致平整。
3.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述第一基體和第二光散射顆粒的相對折射率之間的差值為2.0或者更小。
4.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒由絕緣材料制成。
5.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒由選自氧化鈦、金剛石、氧化硅、氟化鎂、氧化鎂、氧化鋅和鉭酸鋰的材料制成。
6.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒包括由具有不同相對折射率的不同材料制成的第一和第二光散射顆粒。
7.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒的外部尺寸的平均值范圍為從60到2000nm，其中所述光散射顆粒中每個近似為具有長軸的橢圓，并且所述外部尺寸每個定義為是所述長軸和所述光散射顆粒中相關之一的表面之間距離的平均值兩倍。
8.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒的所述外部尺寸的所述平均值等于或者小于1200nm。
9.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒的所述外部尺寸的所述平均值等于或者大于300nm。
10.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒直徑的平均值范圍為從60到2000nm，其中所述直徑每個定義為在所述光散射顆粒中相關之一的中心和表面之間距離平均值的兩倍。
11.根據權利要求10的光電轉換裝置，其特征在于，所述直徑的所述平均值等于或者小于1200nm。
12.根據權利要求10的光電轉換裝置，其特征在于，所述直徑的所述平均值等于或者大于300nm。
13.根據權利要求10的光電轉換裝置，其特征在于，在所述直徑的最大值和最小值之間的差值等于或者小于120nm。
14.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒間隔長度的平均值等于或者小于4000nm，其中所述光散射顆粒的所述間隔長度每個定義為所述光散射顆粒中相鄰兩個中心之間的距離。
15.根據權利要求14的光電轉換裝置，其特征在于，所述間隔長度的所述平均值等于或者小于2400nm。
16.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，比值δAVE/dAVE定義為所述光散射顆粒的平均間隔長度δAVE與平均直徑dAVE的比值，該比值δAVE/dAVE等于或者小于20，其中所述平均間隔長度δAVE定義為所述光散射顆粒的間隔長度平均值，而所述光散射顆粒的間隔長度每個定義為在所述光散射顆粒中相鄰兩個中心之間的距離，同時所述平均直徑dAVE定義為所述光散射顆粒直徑的平均值，而所述直徑每個定義為是在所述光散射顆粒中相關之一的中心和表面之間的距離平均值。
17.根據權利要求16的光電轉換裝置，其特征在于，所述比值δAVE/dAVE等于或者小于4。
18.根據權利要求14的光電轉換裝置，其特征在于，所述間隔長度的最大值和最小值之間的差值等于或者小于120nm。
19.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒和所述接觸面之間的距離等于或者小于50nm。
20.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒和所述接觸面之間的距離等于或者小于30nm。
21.根據權利要求2的光電轉換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒與所述接觸面接觸。
22.根據權利要求1的光電轉換裝置，還包括形成在所述第一半導體層上的中間層；以及形成在所述中間層上的第二半導體層，其中所述中間層包括由透明導電材料制成的第二基體，以及嵌在所述第二基體內的光散射顆粒。
23.根據權利要求22的光電轉換裝置，其特征在于，所述中間層在另一個接觸面上與所述第二半導體層接觸，以及其中所述另一個接觸面大致平整。
24.根據權利要求1的光電轉換裝置，還包括用來覆蓋所述第一半導體層的上電極層，其中所述上電極層包括由透明導電材料制成的第三基體，以及嵌在所述第三基體內的光散射顆粒。
25.根據權利要求1的光電轉換裝置，其特征在于，所述第一半導體層形成在從硅、SiC和SiGe中選擇的物質上。
26.一種光電轉換裝置，包括襯底；用來覆蓋所述襯底上表面的第一半導體層；用來覆蓋所述第一半導體的上表面的第二半導體層；以及位于所述第一和第二半導體層之間的中間層，其特征在于，所述中間層包括由透明導電材料制成的基體，以及嵌在所述基體內的光散射顆粒。
27.一種用于光電轉換裝置的襯底結構，所述襯底結構包括襯底；以及用來覆蓋所述襯底的下電極層，其特征在于，所述下電極層包括由透明導電材料制成的基體，以及嵌在所述基體內的光散射顆粒。
28.一種制造用于光電轉換裝置的襯底結構的方法，所述方法包括用由透明導電材料制成的第一層覆蓋襯底；把含有所述透明導電材料和光散射顆粒的母體的溶液涂在所述第一層上；以及對所述溶液進行燒結，以在所述第一層上完成第二層，所述第二層包括基體和嵌在所述基體內的所述光散射顆粒。
全文摘要
一種光電轉換裝置，包括襯底(1)、用來覆蓋該襯底(1)的下電極層(2)、和形成在該下電極層(2)上的第一半導體層(3)。該下電極層(2)包括由透明導電材料制成的第一基體(6)和嵌在該第一基體(6)內的光散射顆粒(7)。
文檔編號H01L31/04GK1767216SQ200510009428
公開日2006年5月3日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權日2004年10月29日
發(fā)明者小林靖之, 坂井智嗣, 佐竹宏次 申請人:三菱重工業(yè)株式會社