專利名稱：光電轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光電效應(yīng)發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
利用半導(dǎo)體薄膜的用于光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換裝置(例如，薄膜太陽(yáng)能電池)中一個(gè)問(wèn)題是在轉(zhuǎn)換效率上的提高。與集成在單晶半導(dǎo)體芯片上的光電轉(zhuǎn)換裝置相比，基于薄膜的光電轉(zhuǎn)換裝置具有降低的效率。在轉(zhuǎn)換效率上的提高是基于薄膜的光電轉(zhuǎn)換裝置商業(yè)應(yīng)用的最重要的要求。
在襯底上設(shè)置粗糙透明電極是提高轉(zhuǎn)換效率的有希望技術(shù)之一，這種技術(shù)例如在第2862174號(hào)日本專利公報(bào)、第2003-243676號(hào)和第2002-222975號(hào)日本公開(kāi)專利文件上得到披露。在采用此技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換裝置中，用于光電轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體層形成在粗糙透明電極上。該粗糙透明電極為光電轉(zhuǎn)換裝置提供入射光的散射，有效地提高了光吸收即轉(zhuǎn)換效率。
用于形成粗糙透明電極的各種技術(shù)已經(jīng)公知。如在第2862174號(hào)專利公報(bào)中披露的那樣，第一種傳統(tǒng)技術(shù)采用熱力CVD(化學(xué)汽相沉積)來(lái)形成透明電極；利用最優(yōu)化的生長(zhǎng)條件，粗糙透明電極經(jīng)由熱力CVD技術(shù)形成。如在第P2002-222975號(hào)日本公開(kāi)專利文件中披露的第二種技術(shù)包括對(duì)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(hào)日本公開(kāi)專利文件中披露的第三種技術(shù)包括形成這樣的薄膜，該薄膜由絕緣精細(xì)顆粒組成，其中該顆粒與在襯底上的介質(zhì)結(jié)合，該技術(shù)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(shù)在提高轉(zhuǎn)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(duì)微晶硅太陽(yáng)能電池的影響”(Jpn.J.Appl.Phys.，日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)，2001年4月1日卷40，第303-305行)已經(jīng)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(dǎo)體薄膜產(chǎn)生缺陷。雖然增強(qiáng)了半導(dǎo)體層光吸收，但在該透明電極表面上設(shè)置的不規(guī)則結(jié)構(gòu)不希望地增加了半導(dǎo)體薄膜內(nèi)的缺陷，并導(dǎo)致該光電轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓的降低。因此，通過(guò)利用粗糙透明電極獲得提高轉(zhuǎn)換效率存在根本性的局限。
這樣，就需要為提高轉(zhuǎn)換效率提供新穎的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供提高光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率的新穎技術(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，光電轉(zhuǎn)換裝置包括襯底、用來(lái)覆蓋襯底的下電極、以及形成在該下電極上的第一半導(dǎo)體層。該下電極層包括由透明導(dǎo)電材料制成的第一基體(matrix)和嵌在該第一基體內(nèi)的光散射顆粒。
上述設(shè)計(jì)的下電極層有效地對(duì)入射光進(jìn)行散射，并從而增加了在第一半導(dǎo)體層內(nèi)的有效光學(xué)路徑長(zhǎng)度。這就有效地提高了光電轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率。
另外的優(yōu)點(diǎn)是，該結(jié)構(gòu)不需要在下電極層上設(shè)置不規(guī)則結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，上述結(jié)構(gòu)使下電極層大致平整。這就有益于避免在第一半導(dǎo)體層內(nèi)形成缺陷，并從而提高轉(zhuǎn)換效率。術(shù)語(yǔ)“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(zhǎng)度的任意橫截面上確定。
第一基體和光散射顆粒的相對(duì)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(zhì)。
優(yōu)選的是，光散射顆粒包括由具有不同相對(duì)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(shí)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(gè)光散射顆粒近似為具有長(zhǎng)軸的橢圓，并且外部尺寸每個(gè)定義為是長(zhǎng)軸和光散射顆粒中相關(guān)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(jìn)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(dāng)所述光散射顆粒由具有中心的結(jié)構(gòu)形成時(shí)，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(gè)定義為在光散射顆粒中相關(guān)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(jìn)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(zhǎng)度的平均值等于或者小于4000nm，其中光散射顆粒的間隔長(zhǎng)度每個(gè)定義為光散射顆粒中相鄰兩個(gè)中心之間的距離。更優(yōu)選的是，間隔長(zhǎng)度的平均值等于或者小于2400nm。
在優(yōu)選實(shí)施例中，比值δAVE/dAVE定義為光散射顆粒的平均間隔長(zhǎng)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(zhǎng)度δAVE定義為光散射顆粒的間隔長(zhǎng)度平均值，其中的光散射顆粒的間隔長(zhǎng)度每個(gè)定義為在光散射顆粒中相鄰兩個(gè)中心之間的距離，同時(shí)平均直徑dAVE定義為光散射顆粒直徑的平均值，而直徑每個(gè)定義為是在所述光散射顆粒中相關(guān)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(qiáng)第一半導(dǎo)體層內(nèi)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(dǎo)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(shí)施例中，光散射顆粒與接觸面接觸。
當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置還包括形成在第一半導(dǎo)體層上的中間層和形成在所述中間層上的第二半導(dǎo)體層時(shí)，優(yōu)選的是，該中間層包括由透明導(dǎo)電材料制成的第二基體和嵌在第二基體內(nèi)的光散射顆粒。這種結(jié)構(gòu)不需要在中間層的上表面上設(shè)置不規(guī)則結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)光散射，并因此提高了轉(zhuǎn)換效率，避免了在第二半導(dǎo)體層內(nèi)形成缺陷。
優(yōu)選的是，用來(lái)覆蓋所述第一半導(dǎo)體層的上電極層包括由透明導(dǎo)電材料制成的第三基體和嵌在第三基體內(nèi)的光散射顆粒；這種結(jié)構(gòu)有效地提供了光散射，并因此提高了光電轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，光電轉(zhuǎn)換裝置包括襯底、用來(lái)覆蓋襯底上表面的第一半導(dǎo)體層、用來(lái)覆蓋第一半導(dǎo)體上表面的第二半導(dǎo)體層、以及位于第一和第二半導(dǎo)體層之間的中間層。該中間層包括由透明導(dǎo)電材料制成的基體以及嵌在基體內(nèi)的光散射顆粒。
在本發(fā)明的又一個(gè)方面，用于光電轉(zhuǎn)換裝置的襯底結(jié)構(gòu)包括襯底以及用來(lái)覆蓋襯底的下電極層。該下電極層包括由透明導(dǎo)電材料制成的基體以及嵌在基體內(nèi)的光散射顆粒。
在本發(fā)明的再一個(gè)方面，制造用于光電轉(zhuǎn)換裝置的襯底結(jié)構(gòu)的方法包括用由透明導(dǎo)電材料制成的第一層覆蓋襯底；把含有透明導(dǎo)電材料和光散射顆粒的母體的溶液涂在第一層上；以及對(duì)溶液進(jìn)行燒結(jié)，以在第一層上完成第二層，第二層包括基體和嵌在基體內(nèi)的光散射顆粒。


圖1為示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中串接薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2A為示出了串接薄膜太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓與下電極層平直度之間的關(guān)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(yáng)能電池的下電極的優(yōu)選制造過(guò)程的剖面圖；圖3B為示出了串接薄膜太陽(yáng)能電池的下電極的優(yōu)選制造過(guò)程的剖面圖；圖4為示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的串接薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖5為示出了本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的串接薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖6為示出了本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的串接薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖7為示出了用于特征模擬的目標(biāo)結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度之間關(guān)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(zhǎng)度之間關(guān)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(zhǎng)度之間關(guān)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(zhǎng)度之間關(guān)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(zhǎng)度之間關(guān)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(zhǎng)度之間關(guān)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(guān)系的圖表，其中δ為光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)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(guān)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(guān)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(guān)系的圖表；以及圖13為示出了本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的串接薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，串接薄膜太陽(yáng)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(guān)技術(shù)中披露的光電轉(zhuǎn)換裝置不同，在本實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置中下電極層2沒(méi)有不規(guī)則，用于提高轉(zhuǎn)換效率；在下電極層2的上表面2a上確定地沒(méi)有不規(guī)則結(jié)構(gòu)。與上電池3接觸的上表面2a大致是平整的。術(shù)語(yǔ)“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(zhǎng)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(dǎo)致的開(kāi)路電壓的降低。圖2為確保此種情況的圖表，該圖示出了開(kāi)路電壓與平均值θ之間的關(guān)系。從圖2中可以理解，當(dāng)平均值θ為5度或者更小時(shí)，該開(kāi)路電壓不降低。
如圖1所示，取代了設(shè)置不規(guī)則結(jié)構(gòu)，該下電極層2由通過(guò)透明導(dǎo)電材料形成的基體6和嵌在該基體6內(nèi)的光散射顆粒7組成。該光散射顆粒7對(duì)從玻璃襯底1后表面入射的光進(jìn)行散射，并增強(qiáng)在上電池3和下電池4內(nèi)的光吸收。換句話說(shuō)，對(duì)其中光散射顆粒7嵌在基體6內(nèi)的下電極層2的使用，可不需要在下電極層2表面上設(shè)置用來(lái)散射入射光的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。這就有效地提高了轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)抑制了構(gòu)成上電池3和下電池4的半導(dǎo)體層的缺陷生成。
下面詳細(xì)描述基體6和光散射顆粒7的優(yōu)選結(jié)構(gòu)和物理性能。
基體6可由通用的透明導(dǎo)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(duì)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(duì)折射率的材料制成。具體地說(shuō)，當(dāng)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(shí)，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(duì)折射率，金剛石具有2.1到2.2的相對(duì)折射率，SiO2或者玻璃具有1.53的相對(duì)折射率，MgF2具有1.29的相對(duì)折射率，ZnO具有1.88的相對(duì)折射率以及LiTaO3具有2.18的相對(duì)折射率。
光散射顆粒7不需要由導(dǎo)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(duì)于降低由光散射顆粒7進(jìn)行的光吸收是相當(dāng)優(yōu)選的。需要注意的是，由于由上電池3和下電池4產(chǎn)生的光電流經(jīng)由基體6流動(dòng)，因此利用絕緣體作為光散射顆粒7不阻礙光電流的流動(dòng)。
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(dāng)每個(gè)光散射顆粒7的形狀近似為橢圓時(shí)，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(gè)光散射顆粒7的外部尺寸限定為是光散射顆粒7的長(zhǎng)軸7a與其表面之間距離L的平均值LAVE的兩倍。
當(dāng)光散射顆粒7由具有中心的結(jié)構(gòu)形成時(shí)，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(shè)計(jì)成具有從此范圍中選擇的平均直徑，可有效地提高具有產(chǎn)生電能的波長(zhǎng)的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太陽(yáng)能電池10的轉(zhuǎn)換效率。
此外，優(yōu)選的是，光散射顆粒7的平均間隔長(zhǎng)度為4000nm或更少；在相鄰光散射顆粒7之間的間隔長(zhǎng)度是指在光散射顆粒7中心之間的距離，而平均間隔長(zhǎng)度是指光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)度平均值。更優(yōu)選的是，光散射顆粒7的平均間隔長(zhǎng)度為2400nm或者更少，該范圍限定為等于或者小于用于產(chǎn)生電能的光的波長(zhǎng)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(zhǎng)度，這樣可有效地提高了具有產(chǎn)生電能的波長(zhǎng)的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太陽(yáng)能電池10的轉(zhuǎn)換效率。
比率δAVE/dAVE定義為光散射顆粒7的平均間隔長(zhǎng)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(chǎn)生電能的波長(zhǎng)的光的散射效率，并因此有效地提高了串接薄膜太陽(yáng)能電池10的轉(zhuǎn)換效率。
下電極層2的在上電池3側(cè)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(jié)構(gòu)。減小上表面2a和光散射顆粒7之間的距離促進(jìn)了在上電池3和下電池4內(nèi)的光密封，同時(shí)有效地提高了串接薄膜太陽(yáng)能電池10的轉(zhuǎn)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(shuō)，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(shuō)，用于產(chǎn)生電能的光的波長(zhǎng)范圍下限(300nm)的1/10或者更小。
如圖2B所示，對(duì)于在當(dāng)光散射顆粒7每個(gè)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(shuō)，用于產(chǎn)生電能的光的波長(zhǎng)范圍上限(1200nm)的1/10或者更小。相應(yīng)地，對(duì)于在每個(gè)光散射顆粒7由具有中心的結(jié)構(gòu)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(duì)轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(nèi)的下電極層2經(jīng)由CVD技術(shù)、濺射技術(shù)、離子鍍膜技術(shù)或者在前期的溶膠凝膠(sol-gel)技術(shù)以及在后期的溶膠凝膠技術(shù)形成。當(dāng)在后期采用溶膠凝膠技術(shù)時(shí)，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(jìn)光散射顆粒7穿越基體6而均勻擴(kuò)散。
圖3A和3B為示出了下電極層2優(yōu)選形成過(guò)程的剖面圖。首先，如圖3A所示，通過(guò)從CVD技術(shù)、濺射技術(shù)、離子鍍膜技術(shù)和溶膠凝膠技術(shù)中選擇的技術(shù)，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(gè)實(shí)施例中，該第一層6a可直接經(jīng)由CVD技術(shù)、濺射技術(shù)或者離子鍍膜技術(shù)形成。可選擇的是，第一層6a可由溶膠凝膠技術(shù)形成，該技術(shù)包括把含基體6母體的溶液涂到玻璃襯底1上并對(duì)該母體溶液進(jìn)行燒結(jié)。由于經(jīng)驗(yàn)表明，與溶膠凝膠技術(shù)相比，利用CVD技術(shù)、濺射技術(shù)和離子鍍膜技術(shù)可以有效地改善基體6的性能，因此最好是，第一層6a通過(guò)CVD技術(shù)、濺射技術(shù)、離子鍍膜技術(shù)和溶膠凝膠技術(shù)形成。
然后第二層6b通過(guò)溶膠凝膠技術(shù)形成。詳細(xì)地說(shuō)，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(duì)該母體溶液進(jìn)行燒結(jié)，從而形成第二層6b。
這種制造工藝實(shí)現(xiàn)了形成這樣的結(jié)構(gòu)，其中光散射顆粒7位于下電極層2的上表面2a附近。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)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(shè)計(jì)成光散射顆粒7由具有不同折射率的不同材料制成；通過(guò)利用使下電極層2沉積的溶膠凝膠技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)很容易得到。在優(yōu)選實(shí)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(duì)折射率的兩個(gè)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(dāng)中間層設(shè)置在上電池3和下電池4之間時(shí)，優(yōu)選的是，該光散射顆粒7嵌在該中間層內(nèi)。圖5為示出了這種設(shè)計(jì)的串接薄膜太陽(yáng)能電池10A的典型結(jié)構(gòu)的剖面圖。該串接薄膜太陽(yáng)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(shí)該中間層8包括由透明導(dǎo)電材料制成的基體11和嵌在該基體11內(nèi)的光散射顆粒12。從中間層8入射到下電池4內(nèi)的光通過(guò)把光散射顆粒12嵌在中間層8內(nèi)而充分散射，同時(shí)入射光的散射有效地增加了在下電池4內(nèi)傳輸光的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。這就有效地增強(qiáng)了在下電池4內(nèi)的光吸收。此外，嵌入其中光散射顆粒12嵌入在基體11內(nèi)的上述結(jié)構(gòu)，消除了在中間層8的上表面8a上設(shè)置用于提高轉(zhuǎn)換效率的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的需要；把光散射顆粒12嵌入在基體11內(nèi)使中間層8的上表面8a大致平整；術(shù)語(yǔ)“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(duì)于提高下電池4的轉(zhuǎn)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(nèi)形成缺陷，并因此提高了下電池4的轉(zhuǎn)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(nèi)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(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(nèi)。圖6為示出了這樣設(shè)計(jì)的串接薄膜太陽(yáng)能電池10B的典型結(jié)構(gòu)。替代圖1所示的上電極層6，該串接薄膜太陽(yáng)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(yáng)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(nèi)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(dǎo)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(duì)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(dǎo)電材料形成。
本發(fā)明還用于具有這種結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池，其中日光從上電極入射。圖13為示出了這種設(shè)計(jì)的串接薄膜太陽(yáng)能電池10C的典型結(jié)構(gòu)。該串接薄膜太陽(yáng)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(dǎo)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(yáng)能電池10的情況那樣，不規(guī)則結(jié)構(gòu)沒(méi)有明確地設(shè)置在透明電極層18的上表面上。替代設(shè)置不規(guī)則結(jié)構(gòu)，該透明電極層18由通過(guò)透明導(dǎo)電材料形成的基體19和嵌在該基體19內(nèi)的光散射顆粒20組成。該光散射顆粒20對(duì)從上電極層5C入射的日光進(jìn)行散射，并從而促進(jìn)在上電池3C和下電池4C內(nèi)的光吸收。這種結(jié)構(gòu)有效地提高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)抑制在上電池3C和下電池4C內(nèi)缺陷的產(chǎn)生。
中間層可附加地為圖13所示的串接薄膜太陽(yáng)能電池10C而設(shè)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(yáng)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(jié)構(gòu)不同的各種結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池。例如，由基體和光散射顆粒組成的上下電極結(jié)構(gòu)每個(gè)均可用于采用不同于串接太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池中。
還需要注意的是，薄膜太陽(yáng)能電池由除了硅以外的材料制成；該薄膜太陽(yáng)能電池可基于SiC或者SiGe.
模擬結(jié)果在下文中，描述根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換裝置的有效性。通過(guò)模擬證實(shí)了具有圖1所示結(jié)構(gòu)的串接薄膜太陽(yáng)能電池10的有效性。通過(guò)有限差分時(shí)域分析技術(shù)(FDTD)直接解麥克斯韋電磁方程來(lái)進(jìn)行模擬。該FDTD分析的計(jì)算條件的細(xì)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(shuō)，該襯底假定為直接朝向太陽(yáng)。Berenger的完美匹配層技術(shù)(參見(jiàn)J.P.Berenger，J.計(jì)算物理學(xué)，114，185(1994))用作確定光吸收邊界的算法。在整個(gè)計(jì)算時(shí)間內(nèi)，在每個(gè)電池中反射波和電磁波的振幅的時(shí)間變化被記錄，在從300nm到1200nm(在空氣或者真空中的波長(zhǎng))的范圍內(nèi)以5nm的間隔通過(guò)傅立葉變換來(lái)確定該振幅。在吸收率和反射率之和確定為100％的事實(shí)基礎(chǔ)上，確認(rèn)硅吸收率計(jì)算的收斂(convergence)。通過(guò)該計(jì)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(nèi)相應(yīng)波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)日光內(nèi)(在JIS C8911描述)的光子密度與每個(gè)電池量子效率光譜的乘積相對(duì)于其波長(zhǎng)積分，同時(shí)吸收光子整個(gè)密度定義為短路電流密度。這種假設(shè)在實(shí)際太陽(yáng)能電池中是適當(dāng)?shù)模渲性撾姵卦诠怆娹D(zhuǎn)換層內(nèi)包括降低的缺陷。
圖7示出了模擬結(jié)構(gòu)的剖面圖。在假設(shè)光散射顆粒7由具有相同直徑的球體形成的情況下進(jìn)行該模擬；這意味著光散射顆粒7的平均直徑與每個(gè)光散射顆粒7直徑相同。另外的假設(shè)為圖7中所示的結(jié)構(gòu)在玻璃襯底1的平面方向上無(wú)限重復(fù)。換句話說(shuō)，光散射顆粒7的平均間隔長(zhǎng)度與任意兩個(gè)相鄰光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)度相同。還假設(shè)下電極層2的基體6由涂有氟化物的SnO2形成。最后，假設(shè)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(nèi)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(shí)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(yáng)能電池10的短路電流相應(yīng)地由短路電流率(％)來(lái)表示，該短路電流率通過(guò)使串接薄膜太陽(yáng)能電池10的短路電流與形成在平整TCO(透明導(dǎo)電氧化物)襯底上的串接薄膜太陽(yáng)能電池10的上電池和下電池的相應(yīng)的短路電流規(guī)格化而得到。短路電流比超過(guò)100％意味著該裝置結(jié)構(gòu)在該串接太陽(yáng)能電池內(nèi)提供有效的光散射。我們認(rèn)為，基于短路電流的爭(zhēng)論是有根據(jù)的；在Yoahiyuki Nasuno等人的上述文件中提出了類似的爭(zhēng)論，其中該文件中提出對(duì)由AsahiGlass公司制造的粗糙化透明電極“Asahi-UTM”的評(píng)估。
圖8A、8B、9A和9B為示出了串接薄膜太陽(yáng)能電池10的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)度和直徑之間關(guān)系的圖表，其中光散射顆粒7由TiO2制成。具體地說(shuō)，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(zhǎng)度之間的關(guān)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(zhǎng)度之間的關(guān)系。圖8A和8B所示的結(jié)果是假設(shè)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(zhǎng)度之間的關(guān)系。相應(yīng)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(zhǎng)度之間的關(guān)系。圖9A和9B所示的結(jié)果是假設(shè)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(duì)于間隔長(zhǎng)度為“0nm”的短路電流比對(duì)應(yīng)于具有如下結(jié)構(gòu)的串接薄膜太陽(yáng)能電池的短路電流比，其中在該結(jié)構(gòu)中，光散射顆粒7從下電極層2上去掉，同時(shí)連續(xù)TiO2層設(shè)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(dāng)光散射顆粒7的直徑范圍在60nm到1200nm之間時(shí)，可得到上電池3和下電池4的超過(guò)100％的短路電流比，同時(shí)光散射顆粒7以2400nm或者更小的間隔長(zhǎng)度分開(kāi)，也就是說(shuō)，以用于能量生成的光波長(zhǎng)范圍上限(1200nm)的兩倍或者更小的間隔長(zhǎng)度分開(kāi)。這意味著光散射顆粒7的上述布置對(duì)于提高轉(zhuǎn)換效率是有效的。
當(dāng)光散射顆粒7由金剛石制成時(shí)也是如此。圖10A和10B為示出了串接薄膜太陽(yáng)能電池10的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)度和直徑之間關(guān)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(shè)為0.7μm。具體地說(shuō)，圖10A示出了當(dāng)光散射顆粒7的直徑范圍為從60nm到600nm時(shí)、上電池3的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)度之間的關(guān)系，而圖10B示出了當(dāng)光散射顆粒7的直徑處于相同范圍時(shí)、下電池4的短路電流比與光散射顆粒7的間隔長(zhǎng)度之間的關(guān)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(lái)使用。
需要注意的是，針對(duì)圖8A、8B、9A、9B、10A和10B的討論也可用于每個(gè)光散射顆粒7近似為橢圓的情況中。當(dāng)光散射顆粒7中每個(gè)近似為橢圓(特別是主軸具有2000nm或者更大長(zhǎng)度時(shí))時(shí)，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(lái)確定。這樣，圖8A、8B、9A、9B、10A和10B所示的數(shù)據(jù)為把光散射顆粒7設(shè)計(jì)成具有從60nm到1200nm范圍的外部尺寸的有效性提供了基礎(chǔ)，該光散射顆粒7外部尺寸定義成在光散射顆粒7的長(zhǎng)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(yáng)能電池10的短路電流比與比值δ/d之間的關(guān)系，其中該比值δ/d定義為間隔長(zhǎng)度δ與光散射顆粒7的直徑d的比值。具體地說(shuō)，圖11示出了上電池3的短路電流比與比值δ/d之間的關(guān)系，而圖11B示出了下電池4的情況。假設(shè)光散射顆粒7的直徑范圍是從60nm到600nm之間。針對(duì)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(guò)60nm，對(duì)于比值δ/d為20或更小，可以得到超過(guò)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(guān)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(shuō)，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(guān)系，而圖12B示出了對(duì)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(zhǎng)度選擇為對(duì)于每個(gè)直徑使短路電流設(shè)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(duì)于上電池3，通過(guò)把光散射顆粒7的深度減小到30nm或更小，可得到超過(guò)100％的短路電流比。如圖12B所示，對(duì)于下電池4，通過(guò)把光散射顆粒7的深度減小到50nm或更小，可得到超過(guò)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(lái)描述發(fā)明，但可以理解的是，該優(yōu)選形式的公開(kāi)內(nèi)容已經(jīng)在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上進(jìn)行變化，同時(shí)在不脫離在下文中權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍情況下，可進(jìn)行部件的組合和布置。
權(quán)利要求
1.一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包括襯底；用來(lái)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(dǎo)體層，其特征在于，所述下電極層包括由透明導(dǎo)電材料制成的第一基體，以及嵌在所述第一基體內(nèi)的光散射顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述下電極層與所述第一半導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(duì)折射率之間的差值為2.0或者更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒包括由具有不同相對(duì)折射率的不同材料制成的第一和第二光散射顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(gè)近似為具有長(zhǎng)軸的橢圓，并且所述外部尺寸每個(gè)定義為是所述長(zhǎng)軸和所述光散射顆粒中相關(guān)之一的表面之間距離的平均值兩倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(gè)定義為在所述光散射顆粒中相關(guān)之一的中心和表面之間距離平均值的兩倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求10的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求10的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述光散射顆粒間隔長(zhǎng)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(zhǎng)度每個(gè)定義為所述光散射顆粒中相鄰兩個(gè)中心之間的距離。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述間隔長(zhǎng)度的所述平均值等于或者小于2400nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)度δAVE定義為所述光散射顆粒的間隔長(zhǎng)度平均值，而所述光散射顆粒的間隔長(zhǎng)度每個(gè)定義為在所述光散射顆粒中相鄰兩個(gè)中心之間的距離，同時(shí)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(gè)定義為是在所述光散射顆粒中相關(guān)之一的中心和表面之間的距離平均值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述比值δAVE/dAVE等于或者小于4。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述間隔長(zhǎng)度的最大值和最小值之間的差值等于或者小于120nm。
19.根據(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求2的光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換裝置，還包括形成在所述第一半導(dǎo)體層上的中間層；以及形成在所述中間層上的第二半導(dǎo)體層，其中所述中間層包括由透明導(dǎo)電材料制成的第二基體，以及嵌在所述第二基體內(nèi)的光散射顆粒。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述中間層在另一個(gè)接觸面上與所述第二半導(dǎo)體層接觸，以及其中所述另一個(gè)接觸面大致平整。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換裝置，還包括用來(lái)覆蓋所述第一半導(dǎo)體層的上電極層，其中所述上電極層包括由透明導(dǎo)電材料制成的第三基體，以及嵌在所述第三基體內(nèi)的光散射顆粒。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層形成在從硅、SiC和SiGe中選擇的物質(zhì)上。
26.一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包括襯底；用來(lái)覆蓋所述襯底上表面的第一半導(dǎo)體層；用來(lái)覆蓋所述第一半導(dǎo)體的上表面的第二半導(dǎo)體層；以及位于所述第一和第二半導(dǎo)體層之間的中間層，其特征在于，所述中間層包括由透明導(dǎo)電材料制成的基體，以及嵌在所述基體內(nèi)的光散射顆粒。
27.一種用于光電轉(zhuǎn)換裝置的襯底結(jié)構(gòu)，所述襯底結(jié)構(gòu)包括襯底；以及用來(lái)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(dǎo)電材料制成的基體，以及嵌在所述基體內(nèi)的光散射顆粒。
28.一種制造用于光電轉(zhuǎn)換裝置的襯底結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括用由透明導(dǎo)電材料制成的第一層覆蓋襯底；把含有所述透明導(dǎo)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(duì)所述溶液進(jìn)行燒結(jié)，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(nèi)的所述光散射顆粒。
全文摘要
一種光電轉(zhuǎn)換裝置，包括襯底(1)、用來(lái)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(dǎo)體層(3)。該下電極層(2)包括由透明導(dǎo)電材料制成的第一基體(6)和嵌在該第一基體(6)內(nèi)的光散射顆粒(7)。
文檔編號(hào)H01L31/04GK1767216SQ200510009428
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社