(57)【要約】  基板（１０１）の上で透明電極（１１０）を製造する方法は次の各ステップを含んでおり、すなわち、基板（１０１）を準備し、第１の透明導電性層（１１１）が基板（１０１）の上に析出され、基板（１０１）と反対を向いているほうの導電性層（１１１）の表面（１１４）に金属酸化物層（１１５）が析出され、金属酸化物層（１１５）が熱分解によって複数の金属粒子（１１２）に分割され、金属粒子（１１２）の上に第２の透明導電性層（１１３）が析出される。光電池を製造するために、光活性のある積層（１２０）が第２の透明導電性層（１１３）の上に析出される。こうして製造された光電池は、金属酸化物からなる複数の金属粒子（１１２）を有している。
2013535830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上で透明電極を製造する方法であって、次の各ステップを含んでおり、すなわち、
基板を準備し、
第１の透明導電性層が前記基板の上に析出され、
前記基板と反対を向いているほうの前記導電性層の表面に金属酸化物層が析出され、
前記金属酸化物層が熱分解によって複数の金属粒子に分割され、
前記金属粒子の上に第２の透明導電性層が析出される、方法。
【請求項２】
光電池を製造する方法であって、次の各ステップを含んでおり、すなわち、
基板を準備し、
第１の透明導電性層が前記基板の上に析出され、
前記基板と反対を向いているほうの前記導電性層の表面に金属酸化物層が析出され、
前記金属酸化物層が熱分解によって複数の金属粒子に分割され、
前記金属粒子の上に第２の透明導電性層が析出され、
光電池を完成させるために前記第２の透明導電性層に層が塗布される、方法。
【請求項３】
光電池を製造する方法であって、次の各ステップを含んでおり、すなわち、
基板を準備し、
透明導電性の電極が前記基板の上に析出され、
前記透明導電性の電極に第１の光活性のある積層が塗布され、
前記第１の光活性のある積層に第１の中間層が塗布され、
前記基板と反対を向いているほうの前記第１の中間層の表面に金属酸化物層が析出され、
前記金属酸化物層が熱分解によって複数の金属粒子に分割され、
前記金属粒子に第２の中間層が塗布され、
前記第２の中間層に第２の光活性のある積層が塗布される、方法。
【請求項４】
光電池を製造する方法であって、次の各ステップを含んでおり、すなわち、
基板を準備し、
透明な導電性の電極が前記基板の上に析出され、
前記透明導電性の電極に光活性のある積層が塗布され、
前記光活性のある積層に第１の背面リフレクタ層が塗布され、
前記基板と反対を向いているほうの前記第１の背面リフレクタ層の表面に金属酸化物層が析出され、
前記金属酸化物層が熱分解によって複数の金属粒子に分割され、
前記金属粒子に第２の背面リフレクタ層が塗布される、方法。
【請求項５】
前記金属酸化物層はスパッタにより析出される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記金属酸化物層は銀、金、および／または白金を含んでいる、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記熱分解の温度は５００℃よりも低いか、またはこれに等しい、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記金属酸化物層は金属粒子が１００ナノメートルよりも小さいか、またはこれに等しい直径を有するように分解される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記金属酸化物層の析出中に気体酸素が供給される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の透明導電性層の厚みは５０ナノメートルよりも小さいか、またはこれに等しい、請求項１または２に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の背面リフレクタ層の厚みは５０ナノメートルよりも小さいか、またはこれに等しい、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
光電池の構造において、次のものを含んでおり、すなわち、
基板と、
２つの透明導電性の部分層を含み、金属酸化物からなる複数の金属粒子を含んでいる２つの前記部分層の間で平坦に広がる領域を含む、前記基板の上の透明導電性の電極とを含んでいる構造。
【請求項１３】
構造において、次のものを含んでおり、すなわち、
基板と、
２つの透明導電性の部分層を含み、金属酸化物からなる複数の金属粒子を含んでいる２つの前記部分層の間で平坦に広がる領域を含む、前記基板の上の透明導電性の電極と、
前記導電性の電極の上の光活性のある積層とを含んでいる構造。
【請求項１４】
構造において、次のものを含んでおり、すなわち、
基板と、
前記基板の上の透明導電性の電極と、
前記透明導電性の電極の上の第１の光活性のある積層と、
２つの透明導電性の部分層を含み、金属酸化物からなる複数の金属粒子を含んでいる２つの前記部分層の間で平坦に広がる領域を含む、前記光活性のある積層の上の中間層と、
前記中間層の上の第２の光活性のある積層とを含んでいる構造。
【請求項１５】
構造において、次のものを含んでおり、すなわち、
基板と、
前記基板の上の透明導電性の電極と、
前記透明導電性の電極の上の第１の光活性のある積層と、
２つの透明導電性の部分層を含み、金属酸化物からなる複数の金属粒子を含んでいる２つの前記部分層の間で平坦に広がる領域を含む、前記光活性のある積層の上の背面リフレクタ層とを含んでいる構造。
【請求項１６】
前記金属粒子はそれぞれ銀、金、および／または白金を含んでいる、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の構造。
【請求項１７】
前記光活性のある積層のほうを向いている前記部分層の厚みは５０ナノメートルよりも小さいか、またはこれに等しい、請求項１３から１６のいずれか１項に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に光電池のために基板の上で透明電極を製造する方法に関する。さらに本発明は、光電池を製造する方法に関する。さらに本発明は、光電池の構造ならびに光電池を有する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光に含まれるエネルギーを利用するために、特に、太陽モジュールとも呼ばれる光起電モジュールが適用される。光起電モジュールは、通常、相互に電気的に結合された複数の光電池を含んでおり、これらの光電池が作動時に光電効果を通じて、光に含まれる放射エネルギーを少なくとも部分的に電気エネルギーへと変換する。
【０００３】
光電池は１つまたは複数のｐｎ接合を有している。これは、それぞれｐ型層とｎ型層とで構成されている。ｐ型層とｎ型層の間にはｉ型層が配置されていてよく、すなわち、ドーピングされていない、またはｐ型層やｎ型層に比べて非常にわずかしかドーピングされていない、実質的に真性の層が配置されていてよい。ｐ型層は正にドーピングされた層であり、ｎ型層は負にドーピングされた層である。
【０００４】
光電池は、たとえばミクロ結晶のシリコン層、非晶質のシリコン層、多結晶のシリコン層、および／またはその他の半導体を含んでいる。それぞれの半導体層を電気接触するために、光電池では透明導電性層（ＴＣＯ、ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｏｘｉｄ）が使用される。
【０００５】
このような接触層の構造化されて粗面化された表面により、同じく太陽光が当該層で散乱し、それにより、いっそう高い割合の放射エネルギーを電気エネルギーへと変換することができる。それによって光電池の効率が高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光電池の優れた効率を可能にする、透明な基板の上で透明電極を製造する方法を提供することが望まれる。さらに、優れた効率をもつ光電池を具体化可能である、光電池を製造する方法を提供することが望まれる。さらに、光電池の優れた効率を可能にする、光電池の構造を提供することが望まれる。さらに、優れた効率を有する光電池を備えた構造を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの実施形態では、基板の上で透明電極を製造する方法は、基板の準備を含んでいる。第１の透明導電性層が基板の上に析出される。金属酸化物層が、基板と反対を向いているほうの導電性層の表面に析出される。金属酸化物層が、熱分解によって複数の金属粒子に分割される。金属粒子の上に第２の透明導電性層が析出される。
【０００８】
金属粒子を含んだ透明電極を備えるこのような基板は、特に、薄層光電池ないし薄膜光電池のための正面電極を備える支持基板として利用可能である。次いで、光電池の光活性のある積層のｐ型層、ｉ型層、およびｎ型層が、第２の導電性層の上に析出される。ある態様では基板は透明であり、たとえばガラスでできている。別の態様では基板は半透明であり、たとえば薄板でできている。
【０００９】
特に、基板の上で透明電極を製造する方法は、１．４ｍ２以上、特に５．５ｍ２以上、たとえば５．７２ｍ２の広い面積の基板で適用可能であり、それにより、基板の面全体にわたって金属粒子の均等な分布を具体化可能である。さらにこの方法により、ほぼ等しい大きさの金属粒子を基板の面全体にわたって製造することが可能である。金属粒子の平均サイズはわずかな変動しか有していない。さらにこの方法により、比較的小さい金属粒子を製造することが可能であり、特に、複数の金属粒子は１５０ｎｍ以下の平均直径を有しており、特に１００ｎｍ以下、たとえば７０ｎｍ以下の平均直径を有している。
【００１０】
別の態様では、金属酸化物層はスパッタによって析出される。すなわち金属酸化物層は、金属がターゲットとして利用される陰極スパッタリング（スパッタ蒸着）によって析出され、したがって、金属酸化物層はたとえば銀、金、および／または白金を含んでいる。
【００１１】
金属酸化物層を複数の金属粒子に分割するための熱分解中の温度は、別の態様では５００℃よりも低いか、またはこれに等しい。特に熱分解のための温度は２００℃よりも高く、特に２５０℃よりも高い。別の実施形態では、熱分解のための温度は３００℃よりも高く４００℃よりも低いか、またはこれに等しい。別の態様では、熱分解のための温度は４５０℃よりも低いか、またはこれに等しく、たとえば３８０℃よりも低いか、もしくはこれに等しく、特に３５０℃よりも低いか、もしくはこれに等しい。
【００１２】
金属酸化物層の析出中に、別の態様では酸素が供給される。金属に対する酸素の割合によって、金属酸化物層の密度が制御される。金属に対する酸素の割合によって、ある態様では金属粒子の大きさを制御可能である。たとえば、平均直径が１００ｎｍよりも小さく、またはこれに等しい金属粒子を製造することが可能である。金属粒子の大きさは、特に、金属に対する酸素の比率に依存して決まる。さらに金属粒子の大きさは熱分解のときの温度に依存して決まり、それにより、金属酸化物層が金属粒子に分解される。
【００１３】
別の態様では熱分解に続いて、第２の透明導電性層が析出される前に、いわゆる焼なましプロセス（英語：ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が実施され、それによって金属粒子の大きさをさらに調整可能である。金属粒子が加熱され、一定の温度で保たれ、引き続いて冷却される。それにより、金属粒子の定義された所定の特性が実現される。金属酸化物層の物質特性が変化し、その結果、金属粒子は当初の金属酸化物層とは異なる物質特性を有するようになる。
【００１４】
電極の金属粒子によって作動時に、基板に当たり、基板を通って電極へ達する光が、電極で吸収される。特に金属粒子で吸収が行われる。光が金属粒子に当たると、吸収によってプラズモンが形成される。入ってくる光が金属粒子のプラズモンを励起する。
【００１５】
プラズモンと呼ばれるのは、半導体、金属、およびアイソレータにおける電荷担体の量子化された密度変動である。プラズモンは、陽イオンに対して相対的に振動する電子と見なすこともできる。電子はたとえばプラズマ周波数で振動する。プラズモンは、このような固有周波数の量子化である。
【００１６】
ある態様では、励起されたプラズモンは作動時にそのエネルギーを、電極に配置された光活性のある積層へと再び伝達する。そこでエネルギーが電気エネルギーへと変換される。
【００１７】
プラズモンと光活性のある積層との間のエネルギー伝達は、複数の形式で可能である。たとえばプラズモンのエネルギーが再び放射され、光活性のある積層に放射伝達される。たとえば非放射性のエネルギー伝達は、特に、光活性のある積層へのプラズモンの導波モードの入力結合によって行われる。たとえばエネルギーは、いわゆる制限された導波モード（英語：ｔｒａｐｐｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｍｏｄｅ）として伝達される。
【００１８】
別の態様では、金属粒子の大きさは光活性のある積層に依存して設定され、たとえば光活性のある積層の材料および／または光活性のある積層の吸収の波長領域に依存して設定される。それによって良好なエネルギー伝達が可能である。
【００１９】
別の態様では、金属粒子の材料は光活性のある積層に依存して設定され、たとえば光活性のある積層の材料および／または光活性のある積層の吸収の波長領域に依存して設定される。それによって良好なエネルギー伝達が可能である。
【００２０】
基板およびその上に配置された電極が光電池のために使用されるとき、プラズモンから電極の上に配置された光活性のある積層へのエネルギー伝達は、光電流という結果をもたらす。したがって光電流は、ないし金属粒子による光電池の効率は、金属粒子のない従来式の光電池に対して高くなる。特に金属粒子によって、光散乱のために従来使用されている電極の粗面化を省略することが可能である。それは金属粒子が、入ってくる光の十分に高い収量をもたらすように作用するからである。
【００２１】
別の態様では、光電池を製造するために、さらに別の層が第２の透明導電性層に塗布され、特に光活性のある積層、背面リフレクタ層、および／または背面電極層が塗布される。
【００２２】
別の態様では、金属酸化物層は正面電極の代替または追加として、光活性のある積層に塗布された、背面リフレクタ層の第１の部分層の上に析出される。金属酸化物層は熱分解によって複数の金属粒子に分割され、背面リフレクタ層の第２の部分層に塗布される。このように、金属粒子は背面リフレクタ層に配置される。
【００２３】
ｐ−ｉ−ｎ層をそれぞれ備える光活性のある２つの積層を有する、いわゆるタンデムジャンクション光電池において、別の態様では、中間層の第１の部分層が第１の光活性のある積層の上に析出されてから、第２の光活性のある積層が析出される。金属酸化物層が、中間層の第１の部分層の上に析出される。金属酸化物層は熱分解によって複数の金属粒子に分割され、中間層の第２の部分層が金属粒子に塗布される。第２の光活性のある積層が金属粒子に塗布される。
【００２４】
すなわち正面電極、中間層、ないし背面リフレクタ層の各層のうち少なくとも１つに金属粒子を取り込ませることが可能である。各層のうちの２つに、または上述した各層の全部に、金属粒子を取り込ませることも可能である。
【００２５】
光活性のある３つの積層を相上下して有する、いわゆるトリプル電池では、特に金属粒子をそれぞれ備える２つの中間層が設けられ、これらの中間層がそれぞれ光活性のある３つの積層のうちの２つの間に配置される。
【００２６】
別の態様では、３つを超える光活性のある積層が配置される。作動時に入射する光の主入射方向での金属粒子の可能な位置決めは、第１の光活性のある積層の前、第１および第２の光活性のある積層の間、第２および第３の光活性のある積層の間、（ｎ−１）番目とｎ番目の光活性のある積層の間、ならびにｎ番目の光活性のある積層の後である。
【００２７】
金属粒子はそれぞれ光活性のある積層から、たとえば５０ｎｍより小さい、またはこれに等しい厚みを有する薄い層によって分離される。こうして光活性のある積層と金属粒子との間の直接的な接触が回避される。それによって特に、金属粒子ないしプラズモンから光活性のある積層への良好なエネルギー伝達が具体化される。
【００２８】
その他の利点、構成要件、発展例は図１から図８との関連で説明する以下の実施例から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】１つの実施形態に基づくオプトエレクトロニクス構造の断面を示す模式図である。
【図２Ａ】プラズモン効果を示す模式図である。
【図２Ｂ】プラズモン効果を示す模式図である。
【図３】プラズモン効果を示す模式図である。
【図４】１つの実施形態に基づく光電池を製造する方法のフローチャートである。
【図５】製造の時点での構造の断面を示す模式図である。
【図６】１つの実施形態に基づく構造の断面を示す模式図である。
【図７】１つの実施形態に基づく構造の断面を示す模式図である。
【図８】１つの実施形態に基づく構造の断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
同じ部材、同じ種類の部材、および同じ作用をする部材は、各図面において同じ符号が付されている場合がある。図示している各層および各領域、およびこれらの相互の比率は、原則として縮尺に忠実であると見なすことはできず、むしろ、たとえば層や領域のような個々の要素はより良い図示のために、および／またはより良い理解のために誇張して太く、あるいは大きく寸法決めして、図示されている場合がある。
【００３１】
図１は、光電池１００の断面の模式図を示している。平坦に広がる基板１０１の表面１０２の上に、同じく平坦に広がる透明電極１１０が配置されている。透明導電性の電極１１０は、作動中に入射する放射の主方向で層状に基板１０１の上に配置されている。作動中に入射する放射の主方向は、図１のＸ方向と等しい向きである。
【００３２】
透明導電性の電極１１０の上に、光電効果によって放射エネルギーを電気エネルギーへ変換するようにセットアップされた光活性のある積層１２０が配置されている。光活性のある積層１２０の上には、背面リフレクタ層１３０が配置されている。背面リフレクタ層１３０により、光活性のある積層１２０を通って電気エネルギーに変換されることなく到達した放射を、光活性のある積層１２０の方向へ反射して戻すことが可能である。背面リフレクタ層１３０の上には別の電極１４０、いわゆる背面電極が配置されている。
【００３３】
基板１０１は、ある実施形態では太陽光に対してできる限り透明である。特に基板１０１は、可視スペクトルの光および赤外領域の光に対して特別に透過性であり、４００ｎｍから１２００ｎｍの波長領域で８５％を超える透過率を有している。基板はたとえばガラス、特に鉄分の乏しい板ガラス、石英ガラス、または圧延ガラスを含んでいる。基板１０１は、基板１０１の上に配置される積層を支持するように構成されている。
【００３４】
光電性の積層１２０は、ある実施形態では、ｐドーピングされた層と、ｎドーピングされた層と、ｐドーピング層とｎドーピング層との間に配置された実質的に真性の層とを含んでいる。光活性のある積層は平坦に広がっている。ある実施形態では、ｐドーピング層はＸ方向で透明電極１１０の表面１１６の上に配置されている。別の実施形態では、ｎドーピング層が表面１１６の上に配置される。
【００３５】
実質的に真性の層はドーピングされておらず、ないしは隣接するｐドーピング層ないしｎドーピング層に比べて非常にわずかにドーピングされている。実質的に真性の層は、光を吸収して光電式に変換するようにセットアップされている。実質的に真性の層は、エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換するようにセットアップされている。この光電式の構造は、特に４００から１２００ｎｍの波長領域の光を吸収するようにセットアップされている。
【００３６】
別の実施形態では、基板１０１は半透明であり、すなわち４００から１２００ｎｍの波長領域の光に対して実質的に透過性でない。この実施形態に基づく層列は、半透明の基板、その上に任意選択で配置される電気絶縁層、その上に任意選択で配置される背面リフレクタ層、その上に任意選択で配置される金属の背面接触部、その上に配置される金属粒子を含む導電性層、その上に配置される光活性のある積層１２０、その上に配置される金属粒子を含む導電性層１１０である。別の実施形態では、別の光活性のある積層１６０（図７）が、導電性層１３０と導電性層１１０の間に配置される。特に３つまたはそれ以上の光活性のある積層が、導電性層１３０と導電性層１１０の間に配置される。
【００３７】
Ｘ方向において、光活性のある積層１２０の上には背面リフレクタ層１３０が配置されており、およびその上には、光活性のある積層１２０から電流ないし電圧を運び出すようにセットアップされた背面電極１４０が配置されている。別の態様では、少なくとも別の光活性のある積層１６０（図７）が、電極１１０と背面リフレクタ層１３０ないし電極１４０との間に配置される。
【００３８】
透明導電性層１１０は、たとえば酸化亜鉛を含んでいる。別の実施形態では、透明電極１１０はこれ以外の透明導電性の酸化物を含んでおり、たとえばＩＴＯやＳｎＯ２を含んでいる。透明導電性層１１０は良好な光学的な透過率を有しており、ならびに良好な導電性を有している。
【００３９】
光活性のある積層１２０は特にシリコンを含んでおり、たとえばミクロ結晶シリコンおよび／または非晶質シリコンを含んでいる。光電池１００はいわゆる薄膜太陽電池ないし薄層太陽電池として施工される。光電池１００の各層は、Ｘ方向で、数十ｎｍから数マイクロメートルの範囲内の厚みを有している。通常、光活性のある層は電極および場合により反射層とともに広い面積で基板１０１に塗布される。１つまたは複数の構造化ステップにより、電気的に直列に配線された複数の個々のストライプ状の太陽電池が形成される。セルストライプとも呼ばれるストライプ状の太陽電池の幅は、ミリメートル単位からセンチメートル単位の範囲内にある。たとえば複数の光電池１００を備えるソーラーモジュールが構成される。外側のセルストライプに集電装置が塗布されるのが普通であり、これを介して薄層ソーラーモジュールに接続して、生成された電気出力を運び出すことができる。
【００４０】
基板と反対を向いているほうの透明電極１１０の表面１１６は、ある実施形態では、できるだけ均一に構成された粗面のテクスチャーを有しており、それにより表面１１６は、４００から１２００ｎｍの波長領域の入射光に対して良好な散乱能力を有するようになっている。それにより、光活性のある積層１２０の効率を高めることができる。光活性のある積層１２０を通る入射放射の経路が平均的に長くなり、入射光が光活性のある積層１２０へより良く入力結合され、入射放射のいっそう高い吸収確率が達成されるからである。
【００４１】
別の実施形態では、透明電極１１０の表面１１６は平滑に構成される。この実施形態では、表面１１６に粗面のテクスチャーをつけることが省略される。後で詳しく説明するように、それにもかかわらず本発明では、光活性のある積層１２０に当たる放射の高い吸収確率、およびこれに伴って高い効率を可能にすることが可能である。
【００４２】
透明電極は複数の金属粒子１１２を有している。金属粒子１１２は、表面１１６に沿って配置されている。金属粒子１１２は光活性のある積層１２０に対して間隔を有しており、光活性のある積層１２０と直接的に接触してはいない。金属粒子１１２と光活性のある積層１２０との間には、透明電極１１０の透明導電性の部分層１１３が配置されている。透明導電性の部分層１１３は、５０ｎｍよりも小さい厚み１１７（図６）をＸ方向で有しており、特に厚み１１７は４０ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しく、たとえば３５ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しい。
【００４３】
金属粒子１１２と基板１０１の間には、電極１１０の透明導電性の部分層１１１が構成されている。金属粒子１１２は、導電性層１１０の材料で取り囲まれている。導電性の部分層１１１と導電性の部分層１１３は透明導電性の酸化物をそれぞれ有しており、金属粒子１１２を共同で包囲している。
【００４４】
金属粒子１１２が配置されている平坦に広がる領域の主伝搬方向は、表面１０２および表面１１６の平坦な広がりと実質的に同じ方向である。
【００４５】
金属粒子１１２は実質的に球形である。金属粒子はこれ以外の形態を有することもでき、たとえば円板形である。金属粒子１１２は、１００ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しい平均直径を有している。金属粒子のそれぞれの大きさは、断面でそれぞれ１２０ｎｍより小さいか、またはこれに等しく、たとえば８０ｎｍより小さいか、またはこれに等しく、特に７０ｎｍより小さいか、またはこれに等しい。金属粒子１１２は、表面１０２およびこれに伴って基板１０１よりも、表面１１６およびこれに伴って光活性のある積層１２０の近くに配置されるように、電極１１０に配置されている。金属粒子１１２は、たとえば銀をそれぞれ含んでいる。別の実施形態では、金属粒子は金をそれぞれ含んでいる。別の実施形態では、金属粒子１１２は白金をそれぞれ含んでいる。
【００４６】
作動時に入ってくる放射Ｒは金属粒子１１２に当たる。入ってくる放射は金属粒子１１２で改変され、引き続いて放射に由来するエネルギーが、光活性のある積層１２０に転移される。入ってくる放射Ｒが金属粒子１１２で改変されることで、光活性のある積層１２０を通る放射の平均経路が長くなり、それにより、吸収確率が高くなるので、太陽電池の効率の向上が実現される。
【００４７】
たとえば、入ってくる放射Ｒは金属粒子１１２でプラズモン効果によって改変される。
【００４８】
図２Ａは、場所的に限られた表面プラズモンを金属粒子１１２でそれぞれ励起する、入ってくる放射Ｒを模式的に示している。この励起は時点ｔのとき、時点ｔ＋Δｔに比べて相違する電場Ｅを生じさせる。放射Ｒの吸収はプラズモンの形成につながる。プラズモンのエネルギーは光活性のある積層１２０に転移され、そこで電気エネルギーへと変換される。それによって作動時の効率が向上する。入ってくる放射Ｒが、従来よりも高い割合で電気エネルギーに変換されるからである。吸収確率は、従来の光電池に比べたとき、金属粒子１１２の配置およびその結果として生じるプラズモン効果によって高くなる。
【００４９】
図２Ｂは、非放射性のエネルギー伝達の形態を示している。入ってくる放射Ｒは、たとえば金属粒子１１２で表面プラズモン共鳴を励起する。このようなプラズモンの共鳴およびこれに伴うエネルギーは、その後、限定された導波モードＭとして光活性のある積層に伝達される。さらにこれが光活性のある積層１２０で、電気エネルギーへと変換される。このように金属粒子１１２により、入ってくる放射Ｒが、金属粒子１１２がない場合よりも高い割合で電気エネルギーに変換される。
【００５０】
図３Ａは、密度の低い銀からなる金属粒子１１２の近距離場分布を示している。
【００５１】
図３Ｂは、金属粒子１１２の密度が高い銀からなる金属粒子１１２の近距離場分布を示している。
【００５２】
図４は、ある実施形態に基づく光電池を製造する方法の手順を模式的に示している。
【００５３】
ステップ２０１では基板１０１が準備され、導電性の透明な部分層１１１が基板１０１の上に析出される。
【００５４】
ある実施形態では、部分層１１１の粗面の表面が形成される。別の実施形態では、できるだけ平坦で均等に平たい部分層１１１の表面１１４（図５）が形成される。
【００５５】
次にステップ２０２で、部分層１１１の表面１１４に金属酸化物層１１５（図５）が析出される。金属酸化物層１１５はスパッタ蒸着法によって析出される。そのようにして、たとえば５平方メートルを超える広い面の上でも、金属酸化物層の均等な析出が可能である。金属酸化物層１１５は、ある実施形態では金、銀、および白金のうち少なくとも１つを含んでいる。
【００５６】
ステップ２０２で、ある実施形態では金属酸化物層１１５の析出中に気体酸素が析出室へ導入される。供給される酸素の量により、酸化物層１１５の単位面積あたりの金属密度を制御可能である。さらにステップ２０２では、層１１５のＸ方向での厚みが設定事項にしたがって制御される。金属密度と厚みはステップ２０２で、次にステップ２０３で形成される金属粒子１０２が１００ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しい平均直径を有するように制御される。
【００５７】
ステップ２０３で、熱分解（英語：ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）が実施される。別の態様では、ステップ２０３で焼きなまし（英語：ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が実施される。金属酸化物層１１５はステップ２０３で加熱され、再び冷却される。ステップ２０３で金属酸化物層１１５は複数の金属粒子１１２に分割される。ステップ２０３で金属酸化物層１１５は分解して複数の金属粒子１１２になる。金属粒子は金属酸化物層１１５から形成される。金属酸化物層１１５の分割と金属粒子１１２の形成は、５００℃よりも低いか、またはこれに等しい温度で行われる。金属酸化物層１１５の分割は、金属粒子１１２の平均直径が１００ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しくなるような温度で行われる。
【００５８】
次いでステップ２０４で、透明導電性層１１３が析出される。特に層１１３はスパッタ蒸着によって析出される。層１１３は、金属粒子１１２を覆うように析出される。層１１３の表面１１６（図６）は金属粒子１１２に対して間隔をおいており、それにより、金属粒子１１２が電極１１０の外部に達することはない。金属粒子１１２は表面１１６と接触しない。
【００５９】
次いでステップ２０５で、特にプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により、光活性のある積層１２０が表面１１６の上に析出される。
【００６０】
図５は、図４の方法ステップ２０２の後の実施形態に基づく層１１１と層１１５とを備える基板１０１の模式図を示している。
【００６１】
基板１０１と反対を向いているほうの第１の透明導電性層１１１の表面１１４には、平坦に広がる金属酸化物層１１５が塗布されている。金属酸化物層１１５は、熱分解によって、特に過熱と冷却によって、１００ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しい平均直径を有する金属粒子１１２へと分解するように塗布されている。
【００６２】
図６は、図４の方法ステップ２０４の後の層１１１および層１１３ならびに金属粒子１１２を備える基板１０１の断面の模式図を示している。金属粒子１１２は金属酸化物層１１５から形成されており、第２の透明導電性層１１３により覆われている。層１１３は、層１１３がＸ方向で約５０ｎｍの厚み１１７を有するように、金属粒子１１２を覆っている。
【００６３】
図６の構造は、基板１０１と、金属粒子１１２を備えた電極１１０とを含んでいる。次いで図６の構造の上に、特に表面１１６の上に、光活性のある積層１２０を析出することができる。
【００６４】
図５の表面１１４と図６の表面１１６は平滑であり、層１１１ないし層１１３の平坦な広がりの全体にわたってできるだけ平面的になっている。別の実施形態では、これらの表面はそれぞれ粗面にテクスチャーがつけられている。層１１１はＸ方向で層１１３よりも厚いので、金属粒子１２０が配置されている平坦に広がる領域は、基板１０１の表面１０２よりも表面１１６の近傍に配置されている。
【００６５】
図７は、２つの光活性のある積層１２０および１６０をＸ方向に積み重ねて有するタンデムジャンクション光電池断面の模式図を示している。
【００６６】
基板と反対を向いているほうの光活性のある積層１２０の表面１２１の上には、中間層１５０が配置されている。第２の光活性のある積層１６０は、光活性のある積層１２０と反対を向いているほうの中間層１５０の表面に配置されている。中間層１５０はＸ方向で、これら両方の光活性のある積層１２０および１６０の間に配置されている。
【００６７】
中間層１５０は、光活性のある積層１２０に接する第１の部分層１５１を含んでいる。中間層１５０の第２の部分層１５２は、第２の光活性のある積層１６０に接している。中間層１５０は、特に、ドーピングされたＳｉＯｘ、ＳｉＣＯ、ＳｉＮｘ、ＳｉＣｘＯｙ、ＳｉＣｘＯｙＮｚ、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２のうちの１つを含んでいる。
【００６８】
ある実施形態では、第２の光活性のある積層１６０の上に背面リフレクタ層１３０が配置されている。
【００６９】
別の実施形態では第２の光活性のある積層１６０の上に、機能に関して中間層１５０に相当する別の中間層が配置される。この別の中間層の上に別の光活性のある積層が配置され、それにより、いわゆるトリプル電池が構成される。
【００７０】
ある態様では、これら両方の光活性のある積層１２０および１６０はそれぞれ異なる波長領域で特別に良好に吸収をし、それにより、全体として広い波長領域で特別に良好な吸収が行われる。中間層１５０は、ある実施形態では半透過性であり、このことは特に中間層１５０への金属粒子１１２の配置によって可能となる。中間層１５０は、光活性のある積層１２０で特別に良好に吸収される波長領域の放射を反射して、光活性のある積層１２０へとはね返す。中間層１５０は、光活性のある積層１６０で特別に良好に吸収される波長領域の放射に対しては透過性である。
【００７１】
中間層１５０は複数の金属粒子１１２を含んでいる。金属粒子１１２は、両方の光活性のある積層１２０および１６０の間で、表面１２１に沿って平坦に広がる領域に配置されている。金属粒子１１２は、形状や機能に関して、図１から図６の実施形態のものに相当している。
【００７２】
製造にあたっては、光活性のある積層１２０の析出に引き続いて、部分層１５１が表面１２１の上に析出される。これに続いて、金属酸化物層１１５が部分層１５１の上に析出されて、５００℃を下回る温度で加熱と冷却により金属粒子１１２へと分解される。これに続いて、第２の部分層１５２が析出される。そして部分層１５２の上に、第２の光活性のある積層１６０が析出される。
【００７３】
金属粒子１１２は部分層１５１および１５２によって覆われ、それにより、光活性のある積層１２０および１６０とは直接的に接触しなくなる。このようにして、金属粒子１１２によるこれら両方の光活性のある積層１２０および１６０の意図しない電気接続が回避される。さらに、このようにして中間層から光活性のある積層１２０および１６０への良好なエネルギー伝達が可能である。中間層１５０の金属粒子１１２の材料と大きさは、特に、両方の光活性のある積層１２０および１６０の材料や吸収をする波長領域に依存して設定される。
【００７４】
図８は、別の実施形態に基づく基板１０１を備える光電池の断面の模式図を示している。背面リフレクタ層１３０は、光活性のある積層１２０の表面１２１の上に配置されてこれに接する第１の部分層１３１を有している。背面リフレクタ層１３０は、光活性のある積層１２０と反対を向く第２の部分層１３２を有している。第１の部分層１３１と第２の部分層１３２は、複数の金属粒子１１２を取り囲んでいる。金属粒子１１２が配置されている平坦に広がる領域は、実質的に表面１２１に沿って延びている。表面１２１と金属粒子１１２の間の部分層１３１の厚み１３３は、５０ｎｍよりも小さいか、またはこれに等しい。
【００７５】
背面リフレクタ層１３０にある金属粒子１１２により、吸収されることなく光活性のある積層１２０を通って背面リフレクタ層１３０まで達した放射が、光活性のある積層１２０の方向へ戻るように案内され、それによってこの放射を吸収することができる。
【００７６】
別の態様では、複数の金属粒子１１２は正面電極１１０に配置されるだけでなく、背面リフレクタ１３０にも配置される。さらに別の実施形態では、たとえば図７に示すようなタンデムジャンクション電池において、金属粒子１１２は中間層１５０だけでなく正面電極１１０にも配置される。さらに別の実施形態では、金属粒子１１２はタンデムジャンクション電池においても、正面電極１１０と背面電極１３０の両方に配置される。金属粒子は、タンデムジャンクション太陽電池における実施形態では、中間層なしで正面電極および／または背面電極に配置される。
【００７７】
金属粒子１１２は、ある実施形態では、Ｘ方向で基板１０１の次に位置する光活性のある積層１２０の前に配置される。その代替または追加として金属粒子１１２は、ある実施形態では、それぞれ直接的に隣接する２つの光活性のある積層の間に配置される。その代替または追加として金属粒子１１２は、ある実施形態では、基板１０１と反対に配置された光活性のある積層の後に配置される。金属粒子１１２は、ある実施形態では、光活性のある各々の積層の前および／または後にそれぞれ配置される。
【００７８】
特に金属粒子１１２の平均サイズおよび／または材料は、金属粒子が配置される層に依存して設定される。たとえば電極１１０の金属粒子１１２の平均サイズおよび／または材料は、背面リフレクタ層１３０の金属粒子１１２の平均サイズおよび／または材料とは別様に設定される。たとえば電極１１０および／または背面電極層１３０の金属粒子１１２の平均サイズおよび／または材料は、中間層１５０の金属粒子１１２の平均サイズおよび／または材料とは別様に設定される。
【００７９】
ある実施形態では、タンデムジャンクション電池において金属粒子１１２は、光活性のある積層１２０で特別に良好に吸収される波長領域の放射が、光活性のある積層１２０へ戻るように反射されるとともに、光活性のある積層１６０で特別に良好に吸収される波長領域の放射が反射されないように構成される。光活性のある積層１２０で特別に良好に吸収される波長領域の放射の吸収が可能であり、これに続いて光活性のある積層１２０へと戻る非放射性の伝達も可能である。
【００８０】
別の態様では、タンデムジャンクション電池において金属粒子１１２は、光活性のある積層１６０で特別に良好に吸収される波長領域の放射が中間層１５０でプラズモンを励起し、そのエネルギーが光活性のある積層１６０へ伝達されるように構成される。
【００８１】
光電池１１０に金属粒子１１２を配置することで、入ってくる放射の吸収確率およびこれに伴って太陽電池の効率が高くなる。それにより、光活性のある積層１２０ないし積層１６０の厚みを、特に実質的に真性の層の厚みを減らすことができ、それによって特に製造コストが削減される。スパッタ蒸着によって金属酸化物層１１５を塗布することで、５ｍ２を超える大きさの、特に５．７ｍ２を超える大きさの、広い面積の光電池モジュールの場合にも、金属粒子を使用することができる。このように広い面積のソーラーモジュールでも、ソーラーモジュールないしソーラーモジュールのセルの面全体にわたって均等に、金属粒子が配分されるからである。さらにスパッタ蒸着プロセスおよびこれに後続する加熱と冷却を、薄膜ソーラーセルの既存の製造プロセスへそのまま組み込むことができる。
【００８２】
金属粒子１１２を利用することで、電極ないし中間層の構造化を省略することが可能である。テクスチャーなしで高い吸収確率が実現されるからである。それにより、太陽電池の電圧を高めることができる。表面テクスチャーがなければ、スパッタ／エッチングされた酸化亜鉛で低い直列抵抗が生じるからである。さらに、ある実施形態では背面リフレクタ層１３０への金属粒子１１２の配置によって、追加の背面電極１４０を省略することが可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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