(57)【要約】      （修正有）【課題】薄膜太陽電池の効率を高める光トラッピング層を提供する。【解決手段】光トラッピング層は、複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部の間の複数の実質的に平坦な領域を有する。複数の実質的に平坦な領域は、前記光トラッピング層上で透明導電酸化物層の堆積及び成長を容易にする。複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部は、薄膜太陽電池の半導体層においてクラック、ボイド、及び低密度領域の少なくとも１つの形成を制限する。尖っていない凹部の周期は、100ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、前記尖っていない凹部の深さは、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜太陽電池で使用される、光トラッピングテクスチャーを有する光トラッピング層であって、
前記光トラッピングテクスチャーは、前記薄膜太陽電池の効率を高め、
前記光トラッピング層は、複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部の間の複数の実質的に平坦な領域を有し、
前記複数の実質的に平坦な領域は、前記光トラッピング層上への透明導電酸化物層の堆積及び成長を容易にし、
前記複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部は、前記薄膜太陽電池の半導体層においてクラック、ボイド、及び低密度領域の少なくとも１つの形成を制限し、
前記尖っていない凹部の周期は、100ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、前記尖っていない凹部の深さは、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である光トラッピング層。
【請求項２】
前記尖っていない凹部は、逆ピラミッド、逆コーン及びU-形状凹部を備える群から選択される、請求項１に記載の光トラッピング層。
【請求項３】
前記尖っていない凹部は、硬化材料層の表面上で２つの互いに垂直な方向において周期的に繰り返す、請求項１に記載の光トラッピング層。
【請求項４】
前記薄膜太陽電池は、a-Si:H太陽電池であり、
前記尖っていない凹部の周期は、100ナノメートルと1000ナノメートルの間の範囲であり、前記尖っていない凹部の深さは、50ナノメートルと500ナノメートルの間の範囲である、請求項１に記載の光トラッピング層。
【請求項５】
前記薄膜太陽電池は、μc-Si:H太陽電池であり、
前記尖っていない凹部の周期は、500ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、前記尖っていない凹部の深さは、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である、請求項１に記載の光トラッピング層。
【請求項６】
前記薄膜太陽電池は、a-Si:H/μc-Si:Hタンデム太陽電池であり、
前記尖っていない凹部の周期は、500ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、前記尖っていない凹部の深さは、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である、請求項１に記載の光トラッピング層。
【請求項７】
前記光トラッピング層の材料は、アクリレート、紫外線硬化材料、光硬化樹脂ラッカー及びゾルゲル材料を備える群から選択される、請求項１に記載の光トラッピング層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここで開示される本発明は、一般に、光電デバイス（例：太陽電池）に関する。より詳しくは、本発明は薄膜太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電デバイス（例：薄膜太陽電池）の効率は、入射太陽光の最大量を捕捉する能力によってかなり決定される。薄膜太陽電池での光トラッピングテクスチャーを使用することは、入射光のトラッピングを助け、その吸収を増大させる。
【０００３】
結晶シリコン太陽電池では、太陽電池の効率は、一般に、反射防止コーティングを塗布するか及び／又は結晶シリコン太陽電池の表面にテクスチャーを形成することによって高められる。薄膜太陽電池の場合、太陽電池の効率を高めることは、結晶シリコン太陽電池より難しい。現在、薄膜太陽電池の効率は、約50-200nmのテクスチャーサイズを有するランダムナノテクスチャーを薄膜太陽電池のサブストレート又はスーパーストレート上に提供することによって高められる。このランダムナノテクスチャーは、入射光を散乱させ、従って、光の光路長を増大させ、薄膜太陽電池の半導体層による光の吸収を増大させる。
【０００４】
これらのランダムナノテクスチャーの欠点は、これらのナノテクスチャーのパラメーターは、容易かつ独立して変化させることができないことである。なぜなら、これらのパラメーターは、使用される材料のタイプ及びプロセスパラメーターに依存している。その結果、所定の太陽電池層スタックデザインにおいて最大の光-トラッピングを得るようにナノテクスチャーパラメーターを独立して最適化することは可能ではない。
【０００５】
最適化された周期的ナノテクスチャーを有するサブストレート又はスーパーストレートを用いることは、薄膜太陽電池の効率に大きな効果を与え得る。なぜなら、この周期的ナノテクスチャーは、回折及び散乱を用いることによって太陽電池による光のトラッピングを高めるからである。周期的ナノ-構造は、ラッカー及びゾルゲル材料を用いることによって、サブストレート又はスーパーストレート上に設けることができる。しかしながら、このようなナノ-構造上のTCO成長は、容易ではなく、薄膜太陽電池のTCO及び半導体層の両方にクラック、ボイド又は低密度領域を発生させる場合がある。
【０００６】
上記議論に照らすと、従来技術の欠点を除去するために現在の薄膜太陽電池における改良に対して要求がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の例示的実施形態は、薄膜太陽電池で使用される光トラッピング層を提供する。
【０００８】
本発明の目的は、光トラッピング層上に透明導電酸化物の堆積及び成長を容易にする光トラッピング層を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、薄膜太陽電池の効率及び品質を向上させ且つこれを高める光トラッピング層を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、薄膜太陽電池の半導体層において、クラック、ボイド、及び低密度領域の形成を制限する光トラッピング層を提供することである。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態は、光電デバイスを製造する方法を提供する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、薄膜太陽電池で使用される光トラッピング層が提供される。この光トラッピングテクスチャーは、薄膜太陽電池の効率を高める。この光トラッピング層は、複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部の間の複数の実質的に平坦な領域を有する。複数の実質的に平坦な領域は、前記光トラッピング層上に十分な導電度を有する透明導電酸化物層の堆積及び成長を容易にする。複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部は、薄膜太陽電池の半導体層にクラック、ボイド、及び低密度領域の少なくとも１つの形成を制限する。尖っていない凹部の周期は、100ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、前記尖っていない凹部の深さは、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
新規であると信じられている本発明の特徴は、添付の請求の範囲で詳細に言及している。本発明は、添付図面と共に次の説明を参照して最もよく理解することができる。これらの図面及び関連する説明は、本発明のいくつかの実施形態を例示するために提供され、本発明の範囲を限定しない。
【００１４】
【図１】図1は、本発明の実施形態による、例示的光電デバイスの種々のコンポーネントの図示である。
【００１５】
【図２ａ−ｂ】図2a及び2bは、従来技術による、硬化材料層上に形成されたテクスチャーを示す。
【００１６】
【図３】図3は、従来技術に従ってTCO層に作成される欠陥を示す。
【００１７】
【図４】図4は、本発明に従って硬化材料層上に形成されたテクスチャーを示す。
【００１８】
【図５】図5は、本発明に従って硬化材料層上に形成されたテクスチャーのジオメトリを示す。
【００１９】
【図６】図6は、本発明の一実施形態に従って硬化材料層上に形成されたテクスチャーのジオメトリを示す。
【００２０】
【図７ａ−ｂ】図7a及び7bは、本発明のいくつかの実施形態に従って硬化材料層上に形成されたテクスチャーを示す。
【００２１】
【図８】図8は、本発明の一実施形態に従って硬化材料層上に形成されたテクスチャーを示す。
【００２２】
【図９】図9は、本発明の実施形態に従って光電デバイスを製造する例示的方法を説明するフローチャートである。
【００２３】
当業者は、図中の要素は、簡潔さ及び明確さのための例示であり、寸法は必ずしも正確ではないことを理解するであろう。例えば、図中の要素のいくつかの寸法は、本発明の理解を向上させるために、他の要素に比べて誇張している。
【００２４】
明細書中には説明があって図面には記載していない構造がある場合、そのような構造が明細書から省略されていると解釈すべきではない。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明を詳細に説明する前に、本発明が薄膜太陽電池で使用される光トラッピング層に関連した方法ステップ及び装置コンポーネントの組み合わせを利用することに注目すべきである。従って、装置コンポーネント及び方法ステップは、図面中では慣用的な記号を用いて表され、本発明の理解に関連がある部分のみを詳細に表している。これは、当業者にとって明らかな内容を詳細に記載しすぎて本発明の開示をぼやかすことが無いようにするためである。
【００２６】
明細書は、本発明の新規であると思われる特徴を規定する請求の範囲で締めくくっているが、本発明は、次の説明と、符号を付した図面からより良く理解されるであろう。
【００２７】
本発明の詳細な実施形態をここに開示しているが、開示された実施形態は、本発明の単なる例示であり、本発明は、種々の形態で実施可能であることを理解すべきである。従って、ここで開示される具体的な構造及び機能の詳細は、権利範囲を限定するものと解釈すべきではなく、請求の範囲の基礎となり、かつ本発明を種々の形態で実施する際に当業者に与える教示の代表的な基礎であるとして解釈すべきである。さらに、ここで示される用語とフレーズは、限定的に解釈すべきではなく、本発明の理解可能な説明を提供するためものであると解釈すべきである。
【００２８】
本明細書では、「一つ」は、１又は複数を意味している。「他の」は、「少なくとも第２の」を意味しており、「含む」及び／又は「有する」は、他の要素の追加を許容するオープンな用語である。「連結」又は「作動的に連結」は、結合されていることを意味するが、直接である必要はなく、機械的である必要もない。
【００２９】
図面を参照して、図1に本発明の実施形態による、例示的光電デバイス100の種々のコンポーネントを図示する。光電デバイス100の例は、薄膜太陽電池、有機太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、微結晶シリコン太陽電池、マイクロモーフォシリコンタンデム太陽電池、銅インジウムガリウムセレナイド(CIGS)太陽電池、カドミウムテルリド(CdTe)太陽電池などを含むがこれに限定されない。光電デバイス100は、基板102、硬化材料層104、TCOの第一層108、複数の半導体層110、112、114、116及び118、TCOの第二層120、銀層122、及びアルミニウム層124のスタックを含むように示される。
【００３０】
基板102は、光電デバイス100へ強度を提供し、光電デバイス100を構成する他の層の堆積のための出発点として使用される。基板102の材料の例は、ガラス及び透明プラスチックを含むがこれに限定されない。いくつかの例示的実施形態では、実生活での適用の間、光電デバイス100は、基板102が太陽に面し、光電デバイス100に当たる全ての太陽光が基板102上に入射するように配置される。これらの実施形態では、基板102は、最大の光が自身を通過して次の層に到達することを可能にするように透明材料で形成される。基板102は、他の次の層が堆積可能である平坦な表面を含む。
【００３１】
硬化材料層104に移る。硬化材料層104は、基板102の上に堆積される。硬化材料は、媒体（例：熱又は光）を用いることによって硬化されると、その上に型押しされたナノテクスチャーを保持可能である。硬化材料は、紫外線硬化材料、光硬化樹脂ラッカー、アクリレート、及びシリカ又はシリカ-チタニアベースのゾルゲル材料を含むがこれに限定されない。
【００３２】
本発明に従って、硬化材料層104は、テクスチャーが硬化材料層104の表面上に形成されるように堆積される。テクスチャーの例は、1D又は2D周期的U-形状特徴、1D又は2D周期的正弦波回折格子、1D又は2D周期的逆ピラミッド、及び1D又は2D周期的逆コーンを含むがこれに限定されない。このテクスチャーは、光電デバイス100の半導体層の光トラッピング能力を可能にし且つこれを高める。このテクスチャーは、光の散乱及び回折を助け、従って、光電デバイス100を通る光路を長くし、従って、光電デバイス100の半導体層による光の吸収の機会を増大させる。従って、テクスチャーは、光トラッピングテクスチャーとも称され、このテクスチャーが硬化材料層104上に形成されるので、層104は、光トラッピング層とも称される。
【００３３】
硬化材料層104上に光トラッピングを可能にするテクスチャーを作成するためにいくつかの方法が使用可能である。一実施形態では、テクスチャーは、薄い硬化材料（例：光硬化樹脂ラッカー又はゾルゲル材料）層104を基板102上に塗布し、次に、ナノ-テクスチャー表面を有するスタンパーをこの層104内に押圧することによって生成可能である。さらに、硬化材料層104上にナノテクスチャーを固定するためにUV硬化プロセスが適用される。
【００３４】
別の実施形態では、テクスチャーは、熱硬化材料104（例：光硬化樹脂ラッカー又はゾルゲル材料）の薄い層を基板102上に塗布し、次に、ナノ-テクスチャー表面を有するスタンパーをこの層104内に押圧することによって生成可能である。さらに、硬化材料層104上にナノテクスチャーを固定するために層104へ熱が加えられる。
【００３５】
さらに別の実施形態では、テクスチャーは、変形(ガラス転移)温度以上に加熱している間に基板102に対してスタンパーを押圧(熱エンボス加工)し、その後に急冷プロセスを行うことによって生成可能である。この後、硬化材料層104が基板102上に堆積される。別の実施形態では、テクスチャーは、射出成形技術を使用することによって生成可能である。この実施形態では、射出成形ダイは、基板102の表面上にマウントされ、射出成形ダイに硬化材料を注入することによってテクスチャーが形成される。
【００３６】
TCOの第一層108に移る。TCOの第一層108は、硬化材料層104上に堆積される。TCOは、光電デバイスで使用されるドープされた金属酸化物である。TCOの例は、アルミニウム-ドープされた酸化亜鉛(AZO)、ボロンドープされた酸化亜鉛(BZO)、ガリウムドープされた酸化亜鉛(GZO)、フッ素ドープされた酸化スズ(FTO)及びインジウムドープされた酸化スズ(ITO)を含むがこれに限定されない。TCOは、80%より大きい入射光透過率を有し、効率的なキャリア輸送103S/cmより高い導電率を有する。TCOの透過率は、透明材料と同様に、欠陥及び粒界での光散乱によって制限される。
【００３７】
光電デバイス100のスタック中の次のセットの層は、半導体層110、112、114、116、及び118である。一般に、半導体層は、プラズマCVD(PECVD)、スパッタリング、及びホットワイヤー技術を用いてTCOの第一層108上に堆積される。この説明の目的のために、半導体層は、第一ｐ型半導体層110、第二ｐ型半導体層112、バッファー層114、ｉ型半導体層116、及びｎ型半導体層118を含むように示される。しかしながら、光電デバイス100が本発明の範囲から逸脱することなく１又は複数の半導体層を含むか除外することは、当業者に明らかであろう。
【００３８】
この説明の目的のために、第一ｐ型半導体層110は、μc-Si:Hで形成される。しかしながら、第二ｐ型半導体層112、ｉ型半導体層116、及びｎ型半導体層118は、a-Si:Hで形成される。
【００３９】
一般に、スーパーストレート又は基板としてガラスが使用される場合、半導体層は、p-i-n（つまりｐ型半導体、ｉ型半導体、及びｎ型半導体）の順序で堆積される。これは、a-Si:Hにおける電子の移動度がa-Si:Hにおける正孔の移動度のほぼ二倍であり、従って、p型-n型コンタクトから移動する電子の回収率がp型-n型コンタクトから移動する正孔に比べて優れているからである。従って、ｐ型半導体層は、光の強度が強いトップに配置される。
【００４０】
半導体層に続いて、カバーサブストレートが堆積される。一実施形態では、カバーサブストレートは、TCOの第二層120、銀層122、及びアルミニウム層124を含む。他の実施形態では、カバーサブストレートは、TCOの第二層120、銀層122、及びアルミニウム層124の少なくとも１つを含んでもよい。これらの層は、単独で又は組み合わせで、光電デバイス100のバックコンタクトを形成する。いくつかの場合には、市販の光電デバイス100は、効率を高めるか又は信頼性を向上させるために追加の層を有する場合がある。
【００４１】
上述した全ての層は、封入技術を用いて封入され、光電デバイス100を得る。
【００４２】
従来技術では、図2a及び2bに示すように、成長したままのランダムにテクスチャーが形成された透明導電酸化物202が基板102上に堆積される。これらのランダムテクスチャー202は、透明導電酸化物層の特定の堆積条件の間に基板102上に形成される。さらに、これらのランダムテクスチャー202の堆積は、一般に、図1で述べた方法（例：リソグラフィー及びスタンピング）の使用を必要としない。なぜならこれらのランダムテクスチャー202は、基板102上に成長したままで形成される。これらのランダムテクスチャー202は、散乱を通じて光路を増大させることによって光電デバイス100の効率を向上させる。これらのランダムテクスチャー202についての問題は、これらのランダムテクスチャー202の特徴(feature)サイズ及びジオメトリがTCOの第一層108の成長の間に制御困難であることである。特に、広いスペクトル範囲を有するタンデムの場合、これらのランダムテクスチャー202は、最適化が困難である。これ以外に、これらのランダムテクスチャー202は、鋭い特徴によって、後に続く半導体層110、112、114、116及び118上に欠陥を作成する傾向を有する。
【００４３】
図3は、周期的テクスチャー202の最適でないジオメトリによってTCOの第一層108に作成される欠陥のタイプを示す。この場合、光トラッピング硬化材料層104は、304に示すように完全に平坦化されており、機能を完全に失っている。いくつかの場合には、第一TCO層材料108がスパッタリングによって堆積されると、硬化材料層104の直立した特徴の間の平坦領域は、より少ない量のTCO材料を受け取り、これによって、TCO層が薄くなり、シート抵抗が増大する。従って、より厚い層が必要であるが、TCOは、主に、核生成中心として役立つ直立した特徴(feature)の上に成長する。TCO特徴が連結するほどTCOが厚い場合、低密度領域すなわちボイド306が形成され、共形TCOを有する回折格子の代わりに"デンタル"構造が形成される。従来技術のランダムナノテクスチャーと同様に、この厚いTCO層の上に、新たなランダムに成長したままのテクスチャー302がTCOの第一層108上に形成される。
【００４４】
硬化材料層104上の最適でないテクスチャージオメトリによって生じ得る欠陥を克服するために、硬化材料層104上のテクスチャーは、図3に示す欠陥を除去するように制御及び最適化する必要がある。図4は、本発明に従って図3に示す欠陥を除去するように硬化材料層104上にインプリントされるテクスチャー402の例の図示を含む。テクスチャー402は、光電デバイス100の半導体層の光トラッピング能力を可能にし、且つこれを高める。このテクスチャー402は、光の散乱及び回折を助け、従って、光電デバイス100を通る光路を長くし、従って、光電デバイス100の半導体層による光の吸収の機会を増大させる。従って、テクスチャー402は、光トラッピングテクスチャー402とも称され、このテクスチャー402が硬化材料層104上に形成されるので、層104は、光トラッピング層とも称される。テクスチャー402は、これによって、硬化材料層104上へのTCOの第一層108の成長を容易にし、後に続く半導体層110、112、114、116及び118にクラックが形成されることを防ぐ。
【００４５】
テクスチャー402のジオメトリは、複数の周期的に繰り返す尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部の間の複数の平坦領域502(図5を参照)を有する。テクスチャー402のジオメトリは、複数の平坦領域502が尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部の間にあるものである。さらに、平坦領域502及び尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部は、硬化材料層104の表面上で周期(P)で周期的に繰り返し、テクスチャー402を形成する。平坦領域502及び尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部の両方の周期(P)は、図5に示すように同じである。
【００４６】
一実施形態では、複数の平坦領域502及び複数の周期的に繰り返す尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部は、硬化材料層104上で等しい面積を占める。言い換えると、硬化材料層104の表面上で複数の平坦領域502が占める面積の合計は、複数の尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部が占める面積の合計に等しい。一実施形態では、平坦領域502及び尖っていない凹部504は、二次元に、つまり硬化材料層104の表面上の２つの互いに垂直方向に周期的に繰り返してもよい。この実施形態の詳細図は、図7a及び図8に示した。別の実施形態では、平坦領域502及び尖っていない凹部504は、(図7bに示すように)一次元で周期的に繰り返し、従って、硬化材料層104の表面上の実質的に平坦な領域502の間にU-形状溝504を形成してもよい。
【００４７】
テクスチャー402のジオメトリは、TCOの第一層108の改善された成長を助け、同時に、後に続く半導体層110、112、114、116及び118上にクラック、ボイド、及び低密度領域の形成を制限する。TCOの第一層108の成長は、改善される。なぜなら複数の実質的に平坦な領域502は、TCO堆積について従来技術と比べて、TCO堆積についてより良く平坦化された表面を提供するからである。従って、複数の実質的に平坦な領域502は、TCOの第一層108の堆積及び成長を容易にすることによってTCOの第一層108の改善された成長を助ける。
【００４８】
複数の周期的に繰り返す尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部は、後に続く半導体層110、112、114、116及び118上にクラック、ボイド、及び低密度領域の形成を制限する。通常、クラック、ボイド、及び低密度領域は、微結晶半導体層が表面法線に沿って結晶成長するので、後に続く半導体層110、112、114、116及び118上に形成される。これらのくぼみの壁角が大きすぎると、結晶が成長の間に衝突し、クラック又は低密度領域となる。ここで、尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部である場合、結晶は、成長の間に衝突せず、従って、尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部を使用することによってクラック又は低密度領域が形成されない。
【００４９】
尖っていない凹部504は、種々の形状（例：逆ピラミッド、逆コーン又はU-形状凹部など）であってもよい。尖っていない丸まったエッジ504を有する凹部は、これによって、尖っていない凹部504のカーブ506が平坦になり、鋭い特徴が硬化材料層104の表面上に形成されないように、これらのカーブ506が平坦領域502に出会う。これらのカーブによって、凹部504は、尖っておらず丸まったエッジを有する。一般に、より大きい曲率半径を有するカーブ506がより良い結果を提供する。従って、一般に、丸まったカーブが鋭いエッジの代わりに好まれる。この発明を説明するために、U-形状の尖っていない凹部を使用してきた。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく尖っていない凹部504の他の形状（例：逆ピラミッド、逆コーン）を用いて本発明を実施してもよいことは当業者に明らかであろう。
【００５０】
尖っていない凹部504の周期(P)、深さ(D)及びデューティサイクル又は凹部幅(W)は、TCOの材料、TCO層の厚さ、TCO堆積プロセスのタイプ、光電デバイス100のタイプなどに依存している。上述のパラメーターに依って、尖っていない凹部504の特定の形状、周期及び深さが最適化可能である。例えば、U-形状の尖っていない凹部504の幅を増大させると、非常に広い凹部が生成される。ここで、TCO層がこれらの非常に広いU-形状凹部504上に堆積されると、後に続く半導体層110、112、114、116及び118の堆積のために十分に広い凹み特徴が得られる。また、U-形状の尖っていない凹部504の、平坦な面604(図6を参照)に向かうカーブ602は、TCOがU-形状の尖っていない凹部504を狭めることを防ぐために、より平坦にしてもよい。一般に、より大きい曲率半径を有するカーブ602は、より良い結果を提供する。なぜなら、より大きい曲率半径を有するカーブ602は、TCOがU-形状の尖っていない凹部504を狭めることを防ぐからである。カーブ602が鋭く尖っている場合、つまりカーブ602の曲率半径がより小さい場合、U-形状の尖っていない凹部504を平坦にしてしまう可能性を増大させる。U-形状の尖っていない凹部504の平坦化は、幅広でないU-形状凹部上のTCO成長による回折格子の完全平坦化によって生じ、TCO層中のボイド形成に繋がる。従って、一般に、鋭いエッジの代わりに丸まったカーブが好まれる。
【００５１】
尖っていない凹部504の周期(P)は、100ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、尖っていない凹部504の深さ(D)は、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲であり、デューティサイクル又は凹部幅(W)は、周期(P)の1/4と周期(P)の3/4の間の範囲である。
【００５２】
一般に、尖っていない凹部504の周期(P)の範囲は、回折される光の波長に等しい。例えば、600ナノメートルの周期(P)を有する尖っていない凹部504は、波長600ナノメートル以下を有する光を回折させることができる。
【００５３】
尖っていない凹部504の深さ(D)は、尖っていない凹部504の光回折及び散乱能力及び光反射の量に影響を与える。一般に、より深い凹部504は、浅い凹部504と比べて、光を回折及び散乱させる能力が高く、より深い凹部504は、最大の反射低減に関して最適な深さを提供する。反射は、尖っていない凹部の導入によって生じる、ガラス/フロントTCO/半導体層から起こる屈折率の傾斜によって減少させる。材料の混合又はブレンドによって光学的にガラスから半導体層への屈折率の傾斜を有する有効媒質が得られる。これは、入射光の反射の大幅な低減に繋がる。50ナノメートルより小さい深さ(D)を有する尖っていない凹部504は、光学的に無関係である、なぜなら、これらの凹部504は、光を十分に散乱させないからである。尖っていない凹部504の深さの上限は、これらの凹部504を製造する際のメカニカルな問題によって制限される。凹部504の大きなアスペクト比のために1200ナノメートルより大きい深さ(D)を有する非常に深い凹部504を製造することは困難である。
【００５４】
尖っていない凹部504の周期(P)、尖っていない凹部504の深さ(D)、及びデューティサイクル又は凹部幅(W)は、CdTe太陽電池、CIGS太陽電池、有機PV太陽電池、a-Si:H太陽電池、μc-Si:H太陽電池、及びa-Si:H/μc-Si:Hタンデム太陽電池に対して異なっている。例えば、光電デバイス100がa-Si:H太陽電池である場合、尖っていない凹部504の周期(P)は、100ナノメートルと1000ナノメートルの間の範囲であり、尖っていない凹部504の深さ(D)は、50ナノメートルと500ナノメートルの間の範囲である。別の例では、光電デバイス100がμc-Si:H太陽電池である場合、尖っていない凹部504の周期(P)は、500ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、尖っていない凹部504の深さ(D)は、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である。さらに別の例では、光電デバイス100がa-Si:H/μc-Si:Hタンデム太陽電池である場合尖っていない凹部504の周期(P)は、500ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲であり、尖っていない凹部504の深さは、50ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である。
上述したように、各タイプの太陽電池に対して選択した周期範囲は、これらの異なる吸収材料によって吸収される光の波長に依存する。例えば、a-Si太陽電池は、300ナノメートル800ナノメートルの間の波長を有する光を吸収する。これに基づいて、a-Si太陽電池については、上限1000ナノメートル及び下限100ナノメートルを選択した。同様に、μc-Si太陽電池及びa-Si/μc-Si太陽電池は、300ナノメートルと1200ナノメートルの間の波長を有する光を吸収する。従って上限1500ナノメートルで十分であるはずである。μc-Siについては、より長い波長を散乱させることが重要であり、従って、500ナノメートルより短い波長を有する光を散乱させることは必要でない。従って、周期の下限は、500ナノメートルに設定した。
【００５５】
一般に、周期(P)の値は、吸収材料のバンドギャップ（a-Si:H太陽電池については1.7eV, μc-Si:H太陽電池については1.1eV）に対応する。さらに、吸収材料のバンドギャップは、a-Si:H太陽電池及びμc-Si:H太陽電池のそれぞれについての、約800nm及び1200nmの長波長感度に対応する。
【００５６】
一実施形態では、図7aに示すように、尖っていない凹部504は、二次元に、つまり硬化材料層104の表面上の２つの互いに垂直方向に周期的に繰り返す。この実施形態のより詳細な図を図8に示した。図8に示すように、硬化材料層104は、尖っていない凹部504の二次元テクスチャーを有する。硬化材料層104の領域802は、硬化材料層104のテクスチャーをより詳細に示す。硬化材料層104の領域802の助けを借りて示すように、尖っていない凹部504の周期(P)は、50ナノメートルと1500ナノメートルの間の範囲である。この実施形態では、尖っていない凹部504の周期(P)は、両方の次元で等しい。しかしながら、尖っていない凹部504の周期は、異なる次元で異なっていてもよいことを当業者は理解するであろう。
例えば、尖っていない凹部504の周期は、X-軸に沿ってP1で、尖っていない凹部504の周期は、Y-軸に沿ってP2であってもよい。尖っていない凹部504の深さ(D)は、100ナノメートルと1200ナノメートルの間の範囲である。別の実施形態では、尖っていない凹部504は、(図7bに示すように)一次元で周期的に繰り返してもよく、これによって、硬化材料層104の表面上の実質的に平坦な領域502の間にU-形状溝504が形成される。この実施形態では、周期(P)の範囲及び尖っていない凹部504の深さ(D)は、上述の通りである。さらに別の実施形態では、尖っていない凹部504は、ハニカム構造を形成するように硬化材料層104の表面上に周期的に繰り返す方向であってもよい。
【００５７】
図9に移ると、図9は、本発明の実施形態に従って光電デバイス100を製造するための例示的方法900を説明するフローチャートである。方法900を説明するために、図1を参照するが、方法900は、他の適切なデバイスを製造するために実行可能であることは理解されるであろう。さらに、本発明は、方法900にリストされるステップの順序に限定されない。さらに、方法900は、図9に示すものより多い又はより少ないステップ数を含んでもよい。
【００５８】
光電デバイス100を製造する方法900は、ステップ902で開始される。ステップ904では、基板102が提供される。図1を用いて説明したように、基板102は、光電デバイス100へ強度を提供し、光電デバイス100の堆積のための出発点として使用される。基板102は、本質的に透明であり、ガラス及び透明プラスチックのような材料で形成可能である。基板102は、最大の光が自身を通過し、後に続く半導体層に到達することを可能にするように透明材料で形成される。さらに、基板102は光電デバイス100の他の層が堆積可能である実質的に平坦な表面を含む。
【００５９】
この後、ステップ906では、基板102の平坦な表面上に硬化材料層104が堆積される。硬化材料は、ブラシ又はローラー、ディスペンシング、スロットダイコーティング、スクリーン印刷、スピン-コーティング、スプレーコーティング又は印刷を用いることによって堆積可能である。粘性硬化材料は、紫外線硬化材料、光硬化樹脂ラッカー、アクリレート、及びゾルゲル材料を含んでもよいがこれに限定されない。硬化材料層104は、硬化材料層104の表面上にテクスチャーが形成されるように堆積される。このテクスチャーは、光電デバイス100の半導体層の光トラッピング能力を可能にし、これを高める。
このテクスチャーは、光の散乱及び回折を助け、これによって、光電デバイス100を通る光路を長くして、光電デバイス100の半導体層による光の吸収の機会を増大させる。従って、このテクスチャーは、光トラッピングテクスチャーとも称され、このテクスチャーが硬化材料層104上に形成されるので、層104は、光トラッピング層とも称される。このテクスチャーは、硬化材料層104上にTCOの第一層108の成長を容易にし、後に続く半導体層110、112、114、116及び118上においてクラックの形成を防ぐ。
【００６０】
テクスチャーのジオメトリは、複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部の間の複数の平坦領域を有する。複数の実質的に平坦な領域は、TCOの第一層108の堆積及び成長を容易にすることによってTCOの第一層108の改善された成長を助ける。複数の周期的に繰り返す丸まったエッジを有する尖っていない凹部は、後に続く半導体層110、112、114、116及び118上にクラック、ボイド、及び低密度領域の形成を制限する。尖っていない凹部は、種々の形状（例：逆ピラミッド、逆コーン又はU-形状凹部など）であってもよい。テクスチャーのジオメトリの種々の例は、図4、5、6、7a、7b、及び8を用いて説明してきた。
【００６１】
ステップ908では、硬化材料層104上にTCOの第一層108が堆積される。その後、ステップ910では、TCOの第一層108上に複数の半導体層が堆積される。これらの複数の半導体層は、第一ｐ型半導体層110、第二ｐ型半導体層112、バッファー層114、ｉ型半導体層116、及びｎ型半導体層118を含んでもよい。図1を用いて説明したように、半導体層は、p-i-n構造を形成するように堆積される。
【００６２】
この後、ステップ912では、複数の半導体層上にカバーサブストレートが提供される。カバーサブストレートは、TCOの第二層120、銀層122、及びアルミニウム層124を含んでもよい。方法900がステップ914で完了する。
【００６３】
上述したように、種々の実施形態が薄膜太陽電池で使用される光トラッピング層を提供し、いくつかの利点を有する。この方法のいくつかの実施形態のいくつかの利点の一つは、光トラッピング層上に透明導電酸化物層の堆積及び成長を容易にすることである。この発明の他の利点は、薄膜太陽電池の効率及び品質を向上させ且つ高めることである。さらに、開示された光トラッピング層は、薄膜太陽電池の半導体層においてクラック、ボイド、及び低密度領域の形成を制限する。
【００６４】
好ましい実施形態に基づいて本発明の開示を行ってきたが、種々の修正及び改良は、当業者に明らかになるであろう。従って、本発明の精神及び範囲は、前記例によって制限されず、法律によって許容される最も広い意味で理解される。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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