(57)【要約】  太陽電池用の光散乱基板、スーパーストレート、および／または層について本明細書に記載する。これらの構造は、薄膜太陽電池における体積散乱に使用することができる。
2011515866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機マトリクスおよび前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域を含む基板と、
前記基板に隣接する導電体と、
前記導電体に隣接する光起電性の活性媒体と、
を備えた、光起電装置。
【請求項２】
前記導電体が透明導電膜であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記透明導電膜がテクスチャー化表面を含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
無機マトリクスおよび、前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域を含む層をさらに備え、
前記層が、前記基板と物理的に接触し、前記基板と前記導電体との間に位置することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記マトリクスが、ガラス、ガラスセラミック、およびそれらの組合せから選択される材料を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記領域が、１つ以上の粒子、塊、球体、沈殿物、結晶、樹枝状結晶、分相成分、分相化合物、気泡、エアライン、空隙またはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記領域が、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、金属酸化物、複数の金属の酸化物、およびそれらの組合せから選択される材料を含むことを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
基板と、
無機マトリクスおよび、前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域を含む層と、
導電体と、
前記導電体に隣接する光起電性の活性媒体と、
を備え、
前記層が、前記基板と物理的に接触し、前記基板と前記導電体との間に位置する、
光起電装置。
【請求項９】
前記領域が、粒子、塊、球体、沈殿物、結晶、樹枝状結晶、分相成分、分相化合物、気泡、エアライン、空隙またはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記領域が、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、金属酸化物、複数の金属の酸化物、およびそれらの組合せから選択される材料を含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２００８年３月２５日出願の米国仮特許出願第６１／０３９，３９８号の優先権の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
実施の形態は一般に太陽電池に関し、さらに詳細には、太陽電池用の光散乱基板およびスーパーストレートに関する。
【背景技術】
【０００３】
薄膜シリコン太陽光電池では、光は、シリコン層に効果的に結合し、その後、層に捕捉されて、光吸収のための十分な路程を提供することが有利である。シリコンの厚さよりも光路長が大きいことが特に有利である。
【０００４】
非晶質および微晶質のシリコンを取り込んだ典型的なタンデム電池は、典型的には、基板上に蒸着された透明の電極、非晶質シリコンのトップセル、微晶質シリコンのボトムセル、および、裏面コンタクト電極または対電極を備えた基板を有する。光は、典型的には、基板がセルの構造におけるスーパーストレートとなるように、蒸着基板の側から入射する。
【０００５】
非晶質シリコンは、主に７００ナノメートル（ｎｍ）未満のスペクトルの可視部で吸収するのに対し、微晶質シリコンは、約１２００ｎｍにまで及ぶ、吸収の段階的な減少を伴うバルク結晶型シリコンと同様に吸収する。両方の材料が、散乱の強化および／または透過率の改善を有する表面の利益を受けうる。
【０００６】
透明の電極（透明の導電性酸化物、ＴＣＯとしても知られる）は、典型的には、光を非晶質のＳｉと微晶質のＳｉに散乱するようにテクスチャー化した、約１μｍの厚さを有する、フッ素ドープＳｎＯ2（ＦＴＯ）、あるいは、アルミニウムドープＺｎＯまたはホウ素ドープＺｎＯ（それぞれＡＺＯまたはＢＺＯ）の膜である。散乱の主な目安は「ヘイズ」と呼ばれ、セルに進入する光線の外側２．５度よりも大きく散乱した光と、セルを透過する全前方光の比として定義される。散乱表面の波長依存性に起因して、ヘイズは、典型的には、３００ｎｍ〜１２００ｎｍの幅広い太陽スペクトル全体にわたり、一定の値にはならない。また、上述のように、光トラッピングは、シリコンの薄層さえも通過する単一光路で吸収される短波長よりも、長波長について、より重要である。
【０００７】
従来の幾つかの太陽光発電用途では、ヘイズは、５５０ｎｍの波長で測定して約１０パーセント〜１５パーセントである。しかしながら、散乱分布関数は、単一のパラメータでは捕らえられず、大角散乱は、狭角散乱と比較して、シリコンの路程の強化にとって有益である。異なるタイプの散乱関数についての文献は、大角散乱の改善がセルの性能に重大な影響を有すること示唆している。
【０００８】
ＴＣＯ表面は、さまざまな技術によってテクスチャー化することができる。ＦＴＯでは、例えば、テクスチャーは、膜の沈着に用いられる化学蒸着（ＣＶＤ）法のパラメータによって調節することができる。ＡＺＯまたはＢＺＯでは、典型的には蒸着後に所望の形態を生成するために、プラズマ処理またはウェットエッチングが用いられる。
【０００９】
過去には、ヘイズ値は、典型的には１つの数字として報告されていた。長波長応答は、微晶質シリコンにとって特に重要である。最近になって、波長依存性のヘイズ値が報告されている。散乱は、波長および散乱体の大きさと直接関連することから、波長応答は、テクスチャー化表面上の特徴の大きさを変えることによって改質することができる。単一のテクスチャー内に大小の特徴の大きさを組み合わせて、長波長および短波長の両方に散乱を提供することができる。これらの構造は、改善された透過率を有する光トラッピングの機能をも兼ね備える。他方、非晶質のＳｉでは、より短い波長が有利である。
【００１０】
テクスチャー化されたＴＣＯ技術に伴う不利な点は、次のうち１つ以上を含みうる：１）テクスチャーの粗さは、沈着したシリコンの質を低下させ、電気的短絡を生じ、太陽電池の全体的性能が低下する；２）テクスチャーの最適化は、蒸着またはエッチング法から利用可能なテクスチャーおよび、より厚いＴＣＯ層に関連する透過率の低下の両方によって制限される；３）テクスチャーを生み出すためのプラズマ処理またはウェットエッチングは、ＺｎＯの場合には追加費用がかかる。
【００１１】
薄膜シリコン太陽電池についての光トラッピングの必要性に対する別の手法は、シリコン窒化物の蒸着前に、沈着した膜のテクスチャー化ではなく、シリコンの真下の基板のテクスチャー化をすることである。従来の一部の薄膜シリコン太陽電池では、ＴＣＯの代わりにビアを用いて、基板と接触するＳｉの底面で接触させる。一部の従来の薄膜シリコン太陽電池におけるテクスチャリングは、平らなガラス基板上に沈着した結合剤マトリクス上のＳｉＯ2粒子からなる。このタイプのテクスチャリングは、典型的には、ゾル−ゲルタイプの工程を使用して行われ、ここで粒子は液体に懸濁され、基板は液体を通ってドローされ、その後に焼結される。ビードは球形の形状を保ち、焼結ゲルによって所定の位置に保持される。
【００１２】
ガラス基板のテクスチャー化の手法に伴う不利点には、次のうち１つ以上が含まれうる：１）ガラスのミクロスフェアの基板への結合をもたらすために、ゾル−ゲル化学および関連する処理を必要とする；２）その処理はガラス基板の両面にテクスチャー化表面を作り出す；３）シリカ・ミクロスフェアおよびゾル−ゲル材料に関する追加の費用がかかる；４）シリコン膜における膜付着および／または亀裂の発生の問題。
【００１３】
ＴＣＯ蒸着前にテクスチャー化表面を作り出すために、多くの追加の方法が研究されている。これらの方法としては、サンドブラスティング、ポリスチレンミクロスフェア蒸着およびエッチング、および化学エッチングが挙げられる。テクスチャー化表面に関するこれらの方法は、作り出される表面テクスチャーのタイプに関連して制限されうる。
【００１４】
光トラッピングは、約１００μｍ未満のＳｉ厚さを有するバルク結晶Ｓｉ太陽電池にとって有益である。この厚さでは、単一または二重のパス（反射接触を伴う）において、すべての太陽放射を効率的に吸収するためには不十分である。したがって、光トラッピングを増強するために、大規模な幾何学的構造を有するカバーガラスが開発されている。例えば、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル）カプセル材料がカバーガラスとシリコンの間に配置される。このようなカバーガラスの例として、サンゴバン社製のガラスに由来する、Ａｌｂａｒｉｎｏ（商標登録）タイプの製品がある。典型的には、この大規模構造を形成するのに圧延工程が用いられる。
【００１５】
特に長い波長において光トラッピングするのに十分な光散乱特性を有する基板を有することが有利であろう。さらには、平面的であることは、例えば、有害な電子的効果なしにその後の膜蒸着を可能にするなど、基板にとって有利であろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本明細書に記載の基板は、太陽光発電用途に有用な従来の基板の上述の不利点の１つ以上に取り組むものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
１つの実施の形態は、
無機マトリクスおよび前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域を含む基板と、
前記基板に隣接する導電体と、
前記導電体に隣接する光起電性の活性媒体と、
を備えた光起電装置である。
【００１８】
別の実施の形態は、
基板と、
無機マトリクスおよび前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域を含む層と、
導電体と、
前記導電体に隣接する光起電性の活性媒体と、
を備え、
前記層が前記基板と物理的に接触し、前記基板と前記導電体との間に位置する、
光起電装置である。
【００１９】
本発明のさらなる特性および利点は、以下の詳細な説明に記載され、ある程度はその記載から当業者に容易に明らかとなるか、または明細書および特許請求の範囲、ならびに添付の図面に記載される本発明を実施することによって認識されよう。
【００２０】
前述の概要および後述する詳細な説明は、単に本発明の典型例であって、特許請求の範囲に記載される本発明の本質および特徴を理解するための概観または枠組みを提供することを意図していることが理解されるべきである。
【００２１】
添付の図面は、本発明のさらなる理解をもたらすために含まれ、本明細書に取り込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の原理および動作を説明する役割をする記述と併せて、本発明の１つ以上の実施の形態を例証している。
【００２２】
本発明は、次の詳細な説明のみ、または添付の図面と共に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】１つの実施の形態に従った、光起電装置の特徴の例証。
【図２】１つの実施の形態に従った、光起電装置の特徴の例証。
【図３】１つの実施の形態に従った、光起電装置の特徴の例証。
【図４】一部の実施の形態に従った、散乱基板の例証。
【図５】一部の実施の形態に従った、典型的な粒子の形状、分布、および大きさの走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）。
【図６】一部の実施の形態に従った、典型的な粒子の形状、分布、および大きさの走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）。
【図７】一部の実施の形態に従った、典型的な粒子の形状、分布、および大きさの走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）。
【図８】５００ｎｍの直径を有する粒子についての粒子密度の関数としての空気への透過率を示すグラフ。
【図９】５００ｎｍの直径を有する粒子についての被積分関数（Ｓｉ吸収率、太陽スペクトル、および波長の積）の波長に対するグラフ。
【図１０】５ｅ６の最適化粒子密度についての透過率および反射率のグラフ。
【図１１】５ｅ６の最適化粒子密度についての対応する角度強度のグラフ。
【図１２】感光性のガラスを使用する、１つの実施の形態に従った、基板についての透過率の波長に対するグラフ。
【図１３】１つの実施の形態に従った、Ｆｏｔａ−Ｌｉｔｅ（商標）基板についての角度強度のグラフ。
【図１４】１つの実施の形態に従った、層についての全透過率の波長に対するグラフ。
【図１５】１つの実施の形態に従った、層についての拡散透過率の波長に対するグラフ。
【図１６】１つの実施の形態に従った、層についての角度強度のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
これより本発明のさまざまな実施の形態について詳細に述べるが、その例が添付の図面に示されている。図面全体を通して、可能な限り、同一または同様の部分についての言及には、同一の参照番号を使用する。
【００２５】
本明細書では「体積散乱」という用語は、光が通過する材料の屈折率の不均等性によって生じる光の進路における影響として定義することができる。
【００２６】
本明細書では「表面散乱」という用語は、太陽電池における層間の接触面の粗さによって生じる光の進路における影響として定義することができる。
【００２７】
本明細書では「基板」という用語は、太陽電池の構成に応じて、基板またはスーパーストレートのいずれかを説明するために用いられうる。例えば、基板はスーパーストレートであり、太陽電池を組み立てる場合には、太陽電池の光の入射する側に存在する。スーパーストレートは、太陽スペクトルの適切な波長の透過を可能にすると同時に、衝撃および環境の悪化から光起電性の材料を保護するために提供されうる。さらには、複数の太陽電池を光起電性のモジュール内に配置することができる。
【００２８】
本明細書では「隣接」という用語は、近接近しているものとして定義することができる。隣接構造は、互いに物理的接触をしていてもよく、していなくてもよい。隣接構造は、他の層および／またはそれらの間に配置される構造を有しうる。
【００２９】
本明細書では「平面的な」という用語は、実質的に地形的に平らな表面を有するものとして定義することができる。
【００３０】
１つの実施の形態は、図１に示すように、
無機マトリクス１８および前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域２０を備えた基板１０、
前記基板に隣接した導電体１２、および
前記導電体に隣接した光起電性の活性媒体１４
を備えた、光起電装置１００である。
【００３１】
１つの実施の形態では、図１に示すように、光起電装置１００は、さらに、光起電性の活性媒体１４と物理的に接触し、導電体１２として光起電性の活性媒体１４の反対面２２に配置された対電極１６を備える。
【００３２】
１つの実施の形態によれば、光起電性の活性媒体は、導電体と物理的に接触する。１つの実施の形態によれば、導電体は、透明導電膜、例えば、透明の導電性酸化物である。透明導電膜はテクスチャー化表面を含みうる。
【００３３】
１つの実施の形態によれば、領域は、１つ以上の粒子、塊（bodies）、球体、沈殿物、結晶、樹枝状結晶、分相成分、分相化合物、気泡、エアライン、空隙、またはそれらの組合せを含む。あるいは、例えば、領域は、多数の粒子、多数の塊、多数の球体、多数の沈殿物、多数の結晶、多数の樹枝状結晶、多数の分相成分、多数の分相化合物、多数の気泡、多数のエアライン、多数の空隙、またはそれらの組合せを含みうる。
【００３４】
１つの実施の形態では、マトリクスは、ガラス、ガラスセラミック、およびそれらの組合せから選択される材料を含む。１つの実施の形態では、領域は、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、金属酸化物、複数の金属の酸化物、およびそれらの組合せから選択される材料を含む。
【００３５】
図２に示すように１つの実施の形態では、光起電装置２００は、無機マトリクス２８および前記無機マトリクスに配置された光散乱特性を有する領域２６を含む、層２４をさらに備え、ここで、前記層は前記基板１０と物理的に接触し、前記基板１０と前記導電体１２の間に配置される。
【００３６】
一部の実施の形態によれば、層は、１ｍｍ以下の厚さ、例えば８００μｍ未満、例えば５００μｍ未満、例えば２５０μｍ未満、例えば１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば２５μｍ未満、例えば１５μｍ未満、例えば１０μｍ未満である。別の実施の形態によれば、層は１μｍ以上の厚さ、例えば１μｍ〜１０μｍである。
【００３７】
一部の実施の形態では、光起電性の活性媒体は多数の層を含む。例えば、多数の層は、例えばＳｉセルに１つ以上のｐｎ接合を含みうる。１つの実施の形態では、光起電性の活性媒体は、タンデム接合、ＣｄＴｅ、または銅のインジウムガリウム（ｄｉ）セレン化物（ＣＩＧＳ）を含む。
【００３８】
図３に示す別の実施の形態は、
基板３０、
無機マトリクス２８および前記無機マトリクスに配置される光散乱特性を有する領域２６を含む層３２、
導電体１２、および
前記導電体に隣接した光起電性の活性媒体１４
を備え、
前記層が前記基板３０と物理的に接触し、前記基板と前記導電体の間に配置される、
光起電装置３００である。
【００３９】
一部の実施の形態によれば、層の厚さは１ｍｍ以下であり、例えば８００μｍ未満、例えば５００μｍ未満、例えば２５０μｍ未満、例えば１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば２５μｍ未満、例えば１５μｍ未満、例えば１０μｍ未満である。別の実施の形態によれば、層の厚さは１μｍ以上であり、例えば１μｍ〜１０μｍである。
【００４０】
１つの実施の形態では、図３に示すように、光起電装置３００は、光起電性の活性媒体１４と物理的に接触し、導電体１２として光起電性の活性媒体１４の反対面に位置する対電極１６をさらに備える。
【００４１】
図３に示す実施の形態では、基板は、体積散乱特性を含んでも含まなくてもよい。１つの実施の形態によれば、基板は平らである。１つの実施の形態によれば、基板は、ガラス、ガラスセラミック、およびそれらの組合せから選択される材料を含む。
【００４２】
上述のように、従来のシリコン太陽電池は、シリコン層内に光の向きを変え、光子の路程を増強する手段として、構造化表面を利用する。別の方法は、平らな基板内の体積散乱の利用である。これらの材料は、光拡散用途に使用されている。一般的な例として、乳白色の（オパール）ガラスおよびガラスセラミックが挙げられる。
【００４３】
１つの実施の形態では、基板は、無機マトリクスの体積全体に分散した複数の領域を含む。別の実施の形態では、基板は、無機マトリクスの体積の一部に分散した複数の領域を含む。例えばＴＣＯなど、その後の蒸着のために平面を維持しつつ、基板内における散乱領域のパターン化する利点が存在しうる。
【００４４】
一部の実施の形態では、基板は、厚さ全体にわたり最上部から最下部まで、厚さ全体にわたり左から右まで、厚さの一部にわたり最上部から最下部まで、厚さの一部にわたりわたり左から右まで、またはそれらの組合せの勾配で配置される領域を含む。１つまたは複数のパターンで配置された領域は、その１つまたは複数のパターン内に前述の勾配を含みうる。領域を有する基板１０の典型的な実施の形態を、図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、および図４ｄに示す。マトリクス材料、領域構造、領域材料、および領域の配置は、一部の実施の形態によれば、前述のものと同一でありうる。
【００４５】
パターン化領域を有する基板または層は、基板の非散乱部分に光トラッピングを提供すると同時に、Ｓｉ内にも光トラッピングを提供しうる。さまざまな実施の形態では、散乱層は、薄層化、薄層溶融、薄膜蒸着、または光誘発型の結晶化（例えば「Ｆｏｔａ−Ｌｉｔｅ」）によって形成されうる。１つの実施の形態では、散乱層または膜は、平面化した薄層に高インデックス（または低インデックス）の微粒子またはミクロスフェアを埋め込むことによって形成されうる。１つの実施の形態では、バルクまたは薄層体積散乱材料は、分相したガラスまたはガラスセラミックである。
【００４６】
体積散乱基板および／または層としての使用には、さまざまな材料が適している。適切な材料としては、限定はしないが、例えば、ムライト、β−水晶、ウイレマイト、カナサイト、およびＤｉｃｏｒ（商標）などのガラスセラミック；限定はしないが、例えば、バリウムオパール、バリウムケイ酸塩オパール、フッ化物オパール、およびケイ酸鉛オパールなどの分相したガラス（例えばオパール）；限定はしないが、例えば、Ｆｏｔａｌｉｔｅ（商標）およびＦｏｔａＦｏｒｍ（商標）（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社から市販されている）などの感光性のガラス；光屈折性の材料（ガラス、ガラスセラミック、および結晶を含む）が挙げられる。
【００４７】
これらの材料のそれぞれにおいて、散乱粒子は、均質の材料からインサイチュ（in situ）で形成されるか、または複合体混合物を生成するように加える。材料は、熱加工技術（例えば加熱）、化学処理技術（例えばイオン交換）および／または感光性の技術（例えばＵＶ、紫外線、および／またはレーザ露光）を含めた適切な加工技術によって溶融されうる。一部の実施の形態では、体積散乱構造は、例えば、フォトリソグラフィー技術によって材料を物理的に配向させることによって（伸張などの機械的手段、または基板に温度勾配を適用するなどの熱的手段により）、または表面層のイオン交換によって、形成される。１つの実施の形態では、加工技術は、基板材料の相分離を引き起こす。１つの実施の形態では、加工技術は、基板に沈殿物を生じる。１つの実施の形態では、加工技術は結果的に２相媒質を生じる。
【００４８】
例えば「ＦｏｔａＬｉｔｅ」などの感光性のガラスでは、体積散乱領域または領域の深さおよびパターンは、曝露する時間、面積、および強度を調節することによって調節することができる。
【００４９】
基板の所望の特性（例えば、散乱角度、透過速度、および波長依存）に応じて、幅広い材料が使用されうる。ＰＶ用途では、望ましい特性としては、典型的には、幅広い角度散乱、高い透過速度、および波長の非依存性が挙げられる。それらの特性のそれぞれは、散乱粒径、形状、および分布の影響を受ける。図５、図６、および図７に、それぞれ、ｍａｃｏｒ、ムライト、および「Ｆｏｔａ−Ｌｉｔｅ」の材料の典型的な粒子の形状および大きさを示す。これらの材料は基板として、または層として使用することができ、あるいは、基板および層に、または基板および層のために使用することができる。
【００５０】
１つの実施の形態では、ＰＶ電池の性能を低下させるほど粗い表面を生じることなく、全般的な最適性能について、基板内における体積散乱を、粗表面（粗面化ＴＣＯに由来するなど）から得られた散乱と組み合わせる。１つの実施の形態では、異なる屈折率（ＴＣＯ〜２．０、Ｓｉ〜４）を有する平面材料から予想されるフレネル反射を低減するために、粗いＴＣＯが提供される。
【００５１】
ＴＣＯをＥＶＡに代えた、薄い（＜〜１００μｍ）バルクＳｉの事例では、Ｓｉははるかに厚くなる。薄膜Ｓｉの場合のように、透過率と光トラッピングに必要な散乱との間には、トレードオフが存在する。これらの厚さにおける光トラッピングの要件はＳｉが吸収する最長波長についてのみであることから、可視波長における高い透過率は、この事例ではさらに重要な傾向にある。
【００５２】
１つの実施の形態によれば、基板は平面的である。１つの実施の形態では、層は平面的である。別の実施の形態によれば、基板と層の組合せは平面的である。体積散乱の利点の１つは、光散乱のための平らな基板が構造化基板の電気的欠陥および結晶成長欠陥を克服することである。シリコンの性質改善は、直接、太陽電池の性能改善につながる。透明の導電性電極を必要とする薄膜技術では、ＴＣＯは二相性の（bimodal）テクスチャーを示す必要はなく、したがって、オンラインおよび連続的なＣＶＤシステムを使用して費用効率よく配置することができる。さらに、活性なＳｉ薄膜の厚さは、潜在的に微調整され、モジュールの蒸着費用が最小限になるように低減されうる。
【００５３】
透明の導電性電極を必要としない薄膜技術では、光閉じ込めシステムは、ガラス基板内に直接統合され、それによってモジュール製造工程数を最小限にし、耐久性がよく費用効率が高い溶液をもたらす。薄いバルクＳｉ太陽電池では、平らな散乱基板は、環境に曝露され、埃を蓄積する傾向のあるスーパーストレートの上に、テクスチャーなしに光トラッピングを提供するという利点をもたらす。散乱基板を製作するために選択する方法に応じて、実施の形態は、基板（１つの実施の形態では、例えば、溶融形成可能な乳白色のガラス基板）の形成後に、その後の加工段階を必要としないという利点ももたらす。下記の製作方法は、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社によってディスプレイ用途として現在製造されているものなど、非常に大規模な溶融形成可能な基板に適合する。
【００５４】
体積散乱基板は、非常に拡散した光分布を生じさせることができる。薄膜太陽光発電（ＰＶ）用途では、体積散乱基板の実施の形態は、入射光の吸収を可能にする十分な透過を提供する。これは、光透過率および光トラッピングの競合要件にとって最適量の散乱が存在することを暗示している。
【００５５】
分散型の体積散乱、単純化したセルアーキテクチャを有する基板の性能を評価するため、基板および該基板上の１μｍのＳｉで構成されるようにモデル化した。さらには、裏面コンタクトが実施されるであろう領域に、１００％反射する裏面を有するように、Ｓｉの裏側をモデル化した。ガラス基板の厚さは０．７ｍｍであった。このモデルでは、ＴＣＯの影響を無視した。散乱粒子は、５０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲で変化し、屈折率１．５１のガラスにおいて、２．１または１．８の屈折率を有する直径で定義される。各粒径について、達成可能な最大電流密度（ＭＡＣＤ）が最大化するように密度を変化させた。ＭＡＣＤは次の式Ｉによって定義される：
【数１】
2011515866.tif 000003
【００５６】
ここで、ｑは素電荷であり、ｈはプランク定数であり、ｃは真空における光の速さであり、Ａは波長の関数としてのＳｉにおける吸収率であり、ＩAM1.5Gは太陽スペクトルであり、λは波長である。３００ｎｍ〜１２００ｎｍで積分を行う。ＭＡＣＤの使用により、Ｓｉが吸収したすべての光子が電子に転換される。これは、材料および装置の電気的特性を無視した、明らかに理想的な事例である。しかしながら、それは、装置構造の集光の有効性を特徴付ける。Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社によるＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓでモデルを構築し、その後Ｓｉ吸収率を計算し、ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓの外側でＭＡＣＤを行う。
【００５７】
ｎ＝２．１を有する粒子について、ｎは粒子の屈折率であり、最適化値を表１に示す。粒径は粒子の直径である。
【表１】
2011515866.tif 000004
【００５８】
ｎ＝１．８を有する粒子では、同様のパーセントの改善が見られた。
【００５９】
２００ｎｍ、５００ｎｍ、および２０００ｎｍの粒子間のＭＡＣＤにおけるわずかな変化は、シミュレーションの誤差の範囲内でありうる。粒子の屈折率は、結果に重大な影響を与えないが、最適な粒子密度を変化させる。散乱を有さない基板についてのパーセント改善を表に示す。これらは予備段階における結果であり、平らな非散乱基板に対する大幅な改善が可能であることを示唆している。
【００６０】
図８は、ｎ＝１．５１を有する材料における、ｎ＝２．１の粒子の５００ｎｍの粒径を使用した、最良のＰＶ電池性能についての粒子密度の最適化の例を提示しており（ＭＡＣＤによって決定する）、ここでｎは屈折率である。粒子密度を１ｅ６〜１ｅ７の粒子密度（１／ｍｍ3）で変化させた。結晶線シリコンの１μｍの層についての最適な粒子密度は５ｅ６の粒子密度（１／ｍｍ3）であることが判明した。ＭＡＣＤを計算するための被積分関数を、３つの異なる粒子密度についてプロットした。プロットは、低い粒子密度では、特により長い波長で低い値を示しており、最適な粒子密度ではすべての波長で高い値を示し、高い粒子密度では短波長で低い値、長波長で高い値を示している。線３４は１ｅ６の粒子密度（１／ｍｍ3）についての波長に対する透過率を示す。線３６は５ｅ６の粒子密度（１／ｍｍ3）についての波長に対する透過率を示す。線３８は粒子密度（１／ｍｍ3）of１ｅ７の粒子密度（１／ｍｍ3）についての波長に対する透過率を示す。
【００６１】
透過率、反射率、および散乱特性を評価するために、これらの粒子密度に関連するガラスを空気中のスラブとしてモデル化した。粒子密度の関数としての全透過率を図９のグラフに示す。粒子密度が増大するにつれて、スラブを透過する全透過率は予想通りに低下する。これは、上述の被積分関数における波長依存性の特性にシフトを生じる。より長い波長における透過率の低下は、ガラス／Ｓｉ接触面からＳｉの方に反射する光の方向を変えることによって、長波長におけるＳｉの吸収率を増強する。この利益は、短波長の透過率の低下のオフセットであり、したがって、吸収率はこれら２つの影響のバランスを取る最適点をもたらす。線４４は、１ｅ６の粒子密度（１／ｍｍ3）についての波長に対する被積分関数を示している。線４０は、５ｅ６の粒子密度（１／ｍｍ3）についての波長に対する被積分関数を示している。線４２は、１ｅ７の粒子密度（１／ｍｍ3）についての波長に対する被積分関数を示している。
【００６２】
５ｅ６の最適化粒子密度について、透過率および反射率を図１０のグラフに示し、ここで、線４６は透過率であり、線４８は反射率である。角散乱の幅広いペデスタルを有する強い正反射性ピークを示す、最適化粒子密度についての対応する角度強度のプロットを図１１のグラフに示す。線５０は透過散乱であり、線５２は反射散乱である。
【００６３】
図１２は、感光性のガラスを使用した、１つの実施の形態に従った、基板における透過率の波長に対するグラフである。この実施例では、感光性のガラスは、２ｍｍの厚さの「Ｆｏｔａ−Ｌｉｔｅ」であり、１０mJoules／パルスを用いて２４８ｎｍで曝露される。線５４は、１０パルスに曝露したガラスの全透過率を示している。線５４ａは、１０パルスに曝露したガラスの拡散透過率を示している。線５５は、１２パルスに曝露したガラスの全透過率を示している。線５５ａは、１２パルスに曝露したガラスの拡散透過率を示している。線５６は、１５パルスに曝露したガラスの全透過率を示している。線５６ａは、１５パルスに曝露したガラスの拡散透過率を示している。
【００６４】
図１３は、４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、および１０００ｎｍの波長の１２パルスに曝露した「Ｆｏｔａ−Ｌｉｔｅ」についての角度に対する角度強度、余弦補正双方向伝送関数（ｃｃＢＴＤＦ）のグラフである。図１３のグラフは、幅広い角散乱を有する正反射性ピークがほとんどまたは全くないことを示している。
【００６５】
図１４は、１つの実施の形態に従って、ＴｉＯ2粒子を含む、複合ガラスマトリクスを備えた層についての全透過率の波長に対するグラフである。１パーセント、２．５パーセント、５パーセント、および７．５パーセントのＴｉＯ2を含んだ層のサンプルを作製した。１パーセント、２．５パーセント、５パーセント、および７．５パーセントのＴｉＯ2を含んだ層の全透過率は、それぞれ、線５８、線６０、線６２、および線６４によって示されている。
【００６６】
図１５は、１つの実施の形態に従って、ＴｉＯ2粒子を含む、複合ガラスマトリクスを備えた層についての拡散透過率の波長に対するグラフである。１パーセント、２．５パーセント、５パーセント、および７．５パーセントのＴｉＯ2を含んだ層のサンプルを調製した。１パーセント、２．５パーセント、５パーセント、および７．５パーセントのＴｉＯ2を含む層の拡散透過率は、それぞれ、線６６、線６８、線７０、および線７２で示している。
【００６７】
図１６は、４５０ｎｍ、６００ｎｍ、および８００ｎｍの波長についての１パーセントのＴｉＯ2を含む層の、角度に対する角度強度、余弦補正双方向伝送関数（ｃｃＢＴＤＦ）のグラフである。
【００６８】
ヘイズは、拡散透過率の全透過率に対する比を計算することによって決定することができる。
【００６９】
本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明にさまざまな変更およびバリエーションをなしうることは、当業者には明白であろう。よって、本発明の変更およびバリエーションが添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に入ることを条件に、本発明がそれらにも及ぶことが意図されている。
【図１】
2011515866.tif 000005
【図２】
2011515866.tif 000006
【図３】
2011515866.tif 000007
【図４ａ】
2011515866.tif 000008
【図４ｂ】
2011515866.tif 000009
【図４ｃ】
2011515866.tif 000010
【図４ｄ】
2011515866.tif 000011
【図５】
2011515866.tif 000012
【図６】
2011515866.tif 000013
【図７】
2011515866.tif 000014
【図８】
2011515866.tif 000015
【図９】
2011515866.tif 000016
【図１０】
2011515866.tif 000017
【図１１】
2011515866.tif 000018
【図１２】
2011515866.tif 000019
【図１３】
2011515866.tif 000020
【図１４】
2011515866.tif 000021
【図１５】
2011515866.tif 000022
【図１６】
2011515866.tif 000023
【国際調査報告】
2011515866.tif 000024
2011515866.tif 000025
2011515866.tif 000026