(57)【要約】  本発明は、光電デバイスで使用される透明サブストレート上に光トラッピング層を形成するための方法に関し、i)実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートを提供する工程と、ii)前記透明サブストレートの露出表面に光トラッピングテクスチャーを適用する工程を少なくとも備える。本発明によるこの方法は、工程ii)において、ii-1)前記透明サブストレートの前記露出表面に適用される前記光トラッピングテクスチャーのネガ像を示す複製テクスチャーを有する複製サブストレートを提供する工程と、ii-2)前記ネガ複製テクスチャーを前記透明サブストレートの前記露出表面に複製する工程を備える。
2012502451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電デバイスで使用される透明サブストレート上に光トラッピング層を形成するための方法であって、
i)実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートを提供する工程と、
ii)前記透明サブストレートの露出表面に光トラッピングテクスチャーを適用する工程を少なくとも備え、
前記方法は、工程ii)において、
ii-1)前記透明サブストレートの前記露出表面に適用される前記光トラッピングテクスチャーのネガ像を示す複製テクスチャーを有する複製サブストレートを提供する工程と、
ii-2)前記ネガ複製テクスチャーを前記透明サブストレートの前記露出表面に複製する工程を備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記ネガ複製テクスチャーは、
a)マスターサポート上にあるフォトレジスト層を局所的に照射し、
b)前記局所的に照射されたフォトレジスト層を現像し、これによって残りのフォトレジスト層にマスターテクスチャーを得、
c)前記残りのフォトレジスト層及び前記マスターサポート上に１又は複数の金属層を堆積し、
d)前記マスターサポートから１又は複数の金属層のスタックを取り外す
ことによって得られる、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記残りのフォトレジスト層に前記マスターテクスチャーを得るために、前記フォトレジスト層は、集束サブミクロンサイズレーザービームを用いて照射される、方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の方法であって、
工程c)において、
c1)前記残りのフォトレジスト層上に第一金属層をスパッタする工程と、
c2)前記第一金属層上に第二金属層を電気めっきによって成長させる工程を備える、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記第一及び第二金属層は、Ni-合金又はAg-合金を含む、方法。
【請求項６】
請求項２〜５の何れか１つに記載の方法であって、工程c)において、
適用される光トラッピングテクスチャーのネガ像を示すテクスチャーを有する１又は複数の金属層のスタックが得られる、方法。
【請求項７】
請求項２〜５の何れか１つに記載の方法であって、工程c)において、
適用される光トラッピングテクスチャーのポジ像を示すテクスチャーを有する１又は複数の金属層のスタックが得られる、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
適用される光トラッピングテクスチャーのポジ像を示すテクスチャーを有する１又は複数の金属層の前記スタック上に、適用される光トラッピングテクスチャーのネガ像を示す複製テクスチャーを有する複製サブストレートを形成する工程e)を備える、方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１つに記載の方法であって、
工程ii-1)及びii-2)の前に、透明サブストレートの前記実質的に平坦な第一表面上に粘性硬化材料の層を提供する工程ii-3)を備え、
工程ii-2)は、光及び／又は熱によって粘性硬化材料の前記テクスチャー層を硬化させる工程ii-4)を備える、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、粘性硬化材料の前記層は、紫外線硬化材料（例：光硬化樹脂ラッカー又はゾルゲル材料）である、方法。
【請求項１１】
請求項１〜８の何れか１つに記載の方法であって、工程ii-1)及びii-2)の前に、前記透明サブストレートの前記実質的に平坦な第一表面を変形温度以上に加熱する工程ii-5)を備え、
工程ii-2)は、前記透明サブストレートの前記加熱されたテクスチャー構造の実質的に平坦な第一表面を変形温度よりも低い温度に冷却する工程ii-6)を備える、方法。
【請求項１２】
請求項１〜８の何れか１つに記載の方法であって、
工程ii-2)において、前記透明サブストレートの前記露出表面に射出成形によって前記ネガ複製テクスチャーを複製する工程ii-7)を備える、方法。
【請求項１３】
光電デバイスを生産するための方法であって、
i)実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートを提供する工程と、
ii)前記透明サブストレートの露出表面に光トラッピングテクスチャーを適用する工程と、
iii)前記光トラッピングテクスチャー上に光電変換用の１又は複数の半導体層を堆積する工程と、
iv)前記１又は複数の半導体層上にカバーサブストレートを提供する工程を備え、
工程ii)は、請求項１〜１２の１又は複数によって実行される、方法。
【請求項１４】
入射太陽光の光電変換用の光電デバイスであって、少なくとも
実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートと、
前記第一表面上にテクスチャー構造の光トラッピング層と、
前記テクスチャー構造の光トラッピング層上での堆積された光電変換用の１又は複数の半導体層と、
カバーサブストレート
のスタックを備え、
前記光トラッピング層にある前記テクスチャーは、請求項１〜１３の何れか１つ又は複数による複製方法を用いて適用される、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電デバイスで使用される透明サブストレート上に光トラッピング層を形成するための方法であって、i)実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートを提供する工程とii)透明サブストレートの露出表面に光トラッピングテクスチャーを適用する工程を少なくとも備える方法に関する。
【０００２】
本発明は、光電デバイスを生産するための方法であって、i)実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートを提供する工程と、ii)透明サブストレートの露出表面に光トラッピングテクスチャーを適用する工程と、iii)光電変換用の１又は複数の半導体層を光トラッピングテクスチャー上に堆積する工程と、iv)１又は複数の半導体層上にカバーサブストレートを提供する工程を少なくとも備える方法にも関する。
【０００３】
本発明は、さらに、入射太陽光の光電変換用の光電デバイスであって、実質的に平坦な第一表面を有する透明サブストレートと、第一表面上にテクスチャー構造の光トラッピング層と、テクスチャー構造の光トラッピング層上に堆積された光電変換用の１又は複数の半導体層と、カバーサブストレートのスタックを備える光電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
薄膜太陽電池/モジュールの効率は、入射太陽光の最大量を捕捉し、これを電気エネルギーに変換する能力によってかなり決定される。太陽電池の吸収層で吸収される光の量を最大化するために、ランダムマイクロ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が使用され、入射光を散乱させて、吸収層内での光の光路長を増大させ、それゆえにできるだけ多くの光を吸収させる。
【０００５】
太陽電池スーパーストレート構成内にこのようなランダムマイクロテクスチャーを形成するための現在の方法は、
(1)TCOフロントコンタクト層の大気圧化学気相堆積プロセス、
(2)スパッタ-堆積されたTCO(透明導電酸化物)フロントコンタクト層の湿式化学エッチングプロセス、及び
(3)TCOフロントコンタクト層のLPCVD(低圧化学気相堆積)
を含む。
【０００６】
太陽電池サブストレート構成では、金属コンタクト層の湿式化学エッチングによって形成されるマイクロテクスチャー構造のバックコンタクト層が使用されることが多い。これらの方法の欠点は、マイクロテクスチャーが本質的にランダムであり、マイクロテクスチャーパラメーターの変更が容易ではなかったり、独立して変更することができなかったりすることである。なぜなら、これらは、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からである。所定の生産プロセスの性質によって、所定の太陽電池層スタックデザインで最大の光-トラッピングのためにマイクロ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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
最適化された周期的サブミクロン構造を有するスーパーストレート上に堆積された太陽電池が、ランダムマイクロテクスチャーを有するスーパーストレート上に堆積された現在の太陽電池よりかなり高いパワー変換効率を有し得ることが知られている。シミュレーション結果は有望であるが、実際の証拠は、報告されてこなかった。なぜなら理論的に最適な構造を作ることができなかったからである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、薄膜太陽電池用のサブストレート又はスーパーストレート上に輪郭のはっきりした.(周期的)マイクロテクスチャーを形成し、薄膜太陽電池の光-トラッピング効率を最大化するための新たな方法を提供する。この方法は、スタンパー上へのサブミクロンサイズの特徴の形成と、大面積太陽電池サブストレート及びスーパーストレート上へのこのマイクロテクスチャーの複製を含む。
【０００９】
本発明は、明確な(周期的)マイクロテクスチャーを太陽電池サブストレート又はスーパーストレート上に形成して、太陽電池での光-トラッピングを向上させる方法を説明する。提案された方法は、サブマイクロメートル寸法を有する、輪郭のはっきりした周期的マイクロテクスチャーを形成することができる。これによって、入射光の回折が生じ、太陽電池での光の吸収が増大する。提案された方法を用いると、マイクロテクスチャーのパラメーターを独立して変化及び最適化させることができる。提案された方法は、サブストレート又はスーパーストレート構成の両方において適用可能であり、コスト効率が良く再現可能な方法で大面積に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図1は、最新技術による薄膜太陽電池用のスーパーストレート(図1a)及びサブストレート構成(図1b)を示す。スーパーストレート構成(図1a)では、マイクロテクスチャー構造を有するTCO層を有するガラス板が出発点として用いられ、太陽電池層スタックがｐ型半導体、ｉ型半導体、ｎ型半導体の順で堆積され、その後に、ここではガラスバックプレート上に堆積されたTCO及び金属層及び中間層によって構成されたバックコンタクトが続く。
【００１１】
サブストレート構成(図1b)では、マイクロテクスチャー構造を有するバックコンタクト層(101-102)を有するサブストレートが出発点として用いられ、太陽電池層スタックがｎ型半導体、ｉ型半導体、ｐ型半導体の順で堆積され、フロントコンタクト(ここではTCO)がその後に続く。両方のタイプの構造において、環境の悪影響から構造を保護するために追加の層が存在している。
【００１２】
【図２】図2は、本発明によるマスタリングプロセスを概略的に示す。フォトレジスト層21は、ガラスマスターサブストレート20(図2a)上に塗布される。集束レーザースポット走査を用いることによって、フォトレジスト層は、局所的に照射される(図2b内の符号22)。適切な現像液を用いることによって、照射されたフォトレジスト材料21が溶解され、明確なサブミクロンテクスチャー23(図2c)が残される。ニッケル金属コンタクト層24は、現像されたガラスマスターサブストレート20-21上に、電気めっきプロセス用のシード層として堆積される。
【００１３】
【図３】図3は、電気めっきプロセスを概略的に示す。出発点は、ニッケル金属コンタクト層24を有する現像されたガラスマスタープレート20-21である。ニッケル金属コンタクト層24は、電気めっきプロセスでの電極として用いられる(図3a)。次に、典型的には数百マイクロメートルの厚さを有するニッケル父スタンパー30が電気めっきによって、ニッケル金属コンタクト層24を有する現像されたガラスマスタープレート20-21上に成長する(図3b)。父スタンパー30は、次に、ガラスマスター20-21から分離され、マスターであるサブミクロンテクスチャー23のネガ像31が得られる。
【００１４】
【図４】図4は、電気めっきでのファミリープロセスを概略的に示す。出発点は、マスターであるサブミクロンテクスチャー23のネガ像31を有するニッケル父スタンパー30である(図4a)。薄いパッシベーション層40は、電気化学又はプラズマプロセスによって父スタンパー30のニッケル材料を酸化することによって、テクスチャー構造を有する表面31上に形成される(図4b)。次にニッケル母スタンパー41は、電気めっきによって成長する(図4c)。最後のステップとして、母スタンパー41は、パッシベーション層40で父スタンパー30から分離される。得られた母スタンパー41は、マスターであるサブミクロンテクスチャー23のポジ像を有する(図4d)。
【００１５】
【図５】図5は、太陽電池スーパーストレート上へのサブミクロンテクスチャーの複製プロセスを概略的に示す。数十ミクロンの厚さを有する液体複製層50がスーパーストレート51上に塗布される(図5a)。次に、スタンパー30がある力で複製層50内へ押圧される。複製層50が例えば、UV照射を用いるか又は熱を加えることによって硬化され(図5b内の符号52)、サブミクロンテクスチャー23は、複製層50内に固定される。次に、スタンパー30は、分離され、サブミクロンテクスチャーを有するスーパーストレート51が残される(図5c)。
【００１６】
【図６】図6aは、最新技術の別の例であり、図6b-6dは、本発明の別の実施形態である。
【００１７】
【図７】図7a及び7bは、本発明の実施形態の別の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ソーラーガラススーパーストレート又はサブストレート上に輪郭のはっきりした周期的マイクロテクスチャーを形成するための本発明による方法は、いくつかの主要ステップ、つまり(1)第一マスターサブストレート20上へのサブミクロン特徴23のマスタリング、(2)１又は複数のスタンパー30内へのマスター表面20の複製、及び(3)スタンパー30を用いることによる、スーパーストレート10又はサブストレート表面100内へのマイクロテクスチャー23の複製を含む。本発明の開示された方法は、３つのプロセスステップの全てに関するものであるが、主にステップ1及び3に焦点を合わせる。
【００１９】
マスタリングプロセス。
サブミクロンサイズの(周期的)マイクロテクスチャーが、最初に、フォトリソグラフィープロセス又は熱リソグラフィー(PTM)プロセスを用いることによって、フォトレジスト層を有するマスターサブストレート上に形成される。マスターサブストレートは、ガラス板、半導体ウエハー又は平坦な金属プレートにすることができるが、必ずしもこれに限定されない。フォトレジスト層は、典型的にはノボラックであるが、必ずしもこれに限定されず、相変化材料を含んでも良い。
【００２０】
マスタリングプロセスの間、フォトレジスト層は、集束サブミクロン-サイズレーザースポットを用いることによって局所的に照射される。このレーザースポットは、静止したスポットの下でサブストレートを動かすことによって、又は静止したサブストレート上でスポットを動かすことによって、又は両方の組み合わせによってフォトレジスト層の上で走査可能である。一つの周知の方法は、回転するマスタープレートと直線的に半径方向に動くレーザースポットを組み合わせて用いて、特徴を有する渦巻き形トラックを形成することである。別の方法は、x、y-ステージを用いて、マスタープレート又はレーザースポットを横方向に動かすことである。
【００２１】
レーザースポットの光強度は、フォトレジストの照射レベルが時間及び／又は位置の関数として変化するように、変調可能である。このようにして、種々の特徴形状が実現可能になる。例えば、レーザースポットの連続的強度と一定の直線的移動によって、直線形状の特徴が得られ、パルス変調された(強度がオン-オフされた)レーザースポットによって、点又はダッシュ形状の特徴が得られる。
【００２２】
マイクロテクスチャー特徴の深さは、フォトレジスト層の厚さと露光中の照射レベルによって制御可能である。特徴の横方向サイズは、種々のパラメーター、すなわち、レーザーの波長I、対物レンズの開口数NA、光の強度レベル、パルスの持続時間、及びレーザースポットとマスターサブストレートの間の相対速度によって決定される。
【００２３】
典型的には、集束レーザースポットでマスタリングできる最小の特徴は、λ/(2.NA)のオーダーでの寸法を有する。可視又は深紫外の範囲の光スペクトル内のレーザー光を用い、0.5〜0.9の範囲のNAを有する対物レンズを用いることによって、得られる最小の特徴サイズは、典型的には100-800nmのオーダーであろう。
【００２４】
局所照射の後、フォトレジスト層は、一般に希釈された酸又は塩基溶液にさらすことによって処理される(いわゆる現像プロセス)。使用されるフォトレジスト及びエッチング液のタイプに依存して、フォトレジストの照射部分は、非照射の対応部分よりもエッチング速度がより高く又はより低くなるであろう。これによって、残りのフォトレジスト層の表面に(明確な)マイクロテクスチャーが形成される。
【００２５】
マイクロテクスチャーの詳細は、上記の照射プロセスのみによって決定されるのではなく、現像プロセスのプロセスパラメーター（例：エッチング液のタイプ、エッチング液の濃度及び現像時間）によっても操作される。
【００２６】
マスターの複製。
現像後、マイクロテクスチャー構造を有するフォトレジスト層を有するマスターサブストレートが複製され、ソーラースーパーストレート又はサブストレート上へのマイクロテクスチャーの大面積複製プロセスに使用可能な可能である一連のスタンパーが形成される。マスターを複製するための可能性のある方法は、電気めっきプロセスを用いることによるが、他の方法も可能である。電気めっきプロセスでは、現像されたマスタープレートは、最初に金属層（典型的にはニッケル-合金又は銀-合金）でスパッタして、めっきプロセス用の導電電極及びシード層を形成する。
【００２７】
次に比較的厚い(典型的には数百ミクロン)金属スタンパー（典型的にはニッケル）をこのシード層の上に成長させる。このスタンパーは、次に、マスターサブストレートから取り外され、表面にマスターのマイクロテクスチャーのネガ像を有する。このようにして形成された第一スタンパー(父スタンパーとも呼ぶ)は、スーパーストレート又はサブストレート上へのマイクロテクスチャーの複製に使用可能である。別の実施形態では、これは、複数のスタンパーのファミリー内にマイクロテクスチャーを複製するためにも使用可能である。
【００２８】
この後者のプロセスでは、最初に、非常に薄い分離層(典型的には単層)がスタンパーの表面に形成され、次に別のスタンパーが電気めっきによって成長する。新たに成長したスタンパーは、第１スタンパーから取り外し可能であり、オリジナルマスターのマイクロテクスチャーのポジ像を表面に有する。第１スタンパーの複製プロセスは、数回、繰り返すことができ、マスターのマイクロテクスチャーのポジ像を有する複製スタンパーのファミリーが得られる。同様に、マスターのマイクロテクスチャーのポジ像を有するスタンパーの一つがマスターのマイクロテクスチャーのネガ像を有する複製スタンパーのファミリーを形成するための使用可能である。
【００２９】
マイクロテクスチャーの複製。
上記の複製プロセスによって形成されたスタンパーは、マイクロテクスチャーを太陽電池サブストレート又はスーパーストレート上に複製するために使用可能である。いくつかの方法がこのような複製プロセスに使用可能である。周知の方法は、粘性UV-硬化材料（例：光硬化樹脂ラッカー又はゾルゲル材料）の薄い層をスーパーストレート又はサブストレート上に塗布し、この層内へマイクロテクスチャー構造を有する表面を有するスタンパーを押し込み、UV-硬化プロセスを行って、マイクロテクスチャーを複製材料の表面に固定する。
【００３０】
別の既知の方法は、粘性熱硬化材料（例：光硬化樹脂ラッカー又はゾルゲル材料）の薄い層をスーパーストレート又はサブストレート上に塗布し、この層内へマイクロテクスチャー構造を有する表面を有するスタンパーを押し込み、熱を加えて、マイクロテクスチャーを複製材料の表面に固定する。
【００３１】
スーパーストレート又はサブストレート内にマイクロテクスチャーを複製するための別の方法は、スーパーストレート又はサブストレートを変形(ガラス転移)温度以上に加熱した状態でこれにスタンパーを押し込み(熱エンボス加工)、その後に急冷プロセスを行うことである。複製のさらに別の方法は、射出成形によることである。この場合、スタンパーは、射出成形キャビティー内にマウントされ、マイクロテクスチャーがスーパーストレート又はサブストレートの表面に形成される。
【００３２】
スーパーストレートorサブストレート表面にマイクロテクスチャーを形成するための上記マスタリング方法の利点の一つは、サブミクロンサイズの特徴の寸法が正確に最適化及び制御可能であることである。特徴の横方向寸法と深さは、独立して最適化可能である。このマスタリング方法は、連続するパターンの間にサブミクロンレベルで制御された且つ正確な距離を有する周期的又はほぼ-周期的構造を形成するのに理想的に適している。このようなマイクロテクスチャーは、反射防止層、回折格子又は両方の組み合わせを形成するように最適化可能である。また、追加のランダム化が光強度又はスポット位置の変調によって可能である。
【００３３】
単一のマスターから複数の複製スタンパーを作るための電気めっき複製プロセスは、サブミクロンサイズスケールでの寸法であっても非常に正確であり、容易で安価に大面積表面にスケールアップすることが可能になる。
【００３４】
図6aは、最新技術による薄膜太陽電池用のスーパーストレート及びサブストレート構成を示す。ここでは、TCO表面でのテクスチャーは、堆積プロセス(例：APCVD、LPCVD)の間に、又は均一のTCO層のウェットエッチングによって形成される。
【００３５】
図6bに、本発明による別の実施形態を示す。ここでは、(周期的)(マイクロ-)テクスチャーは、上記の方法を用いてガラスサブストレートの表面に適用される。次に、TCO層(マイクロテクスチャー有り又は無し)が、従来の既知の方法を用いて、この(周期的)(マイクロ-)テクスチャー構造を有するガラスサブストレートの上に堆積され、次に、半導体層及びバックコンタクト層が堆積される。
【００３６】
図6cに、本発明によるさらに別の実施形態を示す。ここでは、(周期的)(マイクロ-)テクスチャーは、上記の方法を用いてガラスサブストレート上の複製層の表面に適用される。次に、TCO層(マイクロテクスチャー有り又は無し)は、ガラスサブストレート上のこの(周期的)(マイクロ-)テクスチャー構造を有する複製層の上に従来の既知の方法で堆積され、次に、半導体層及びバックコンタクト層が堆積される。
【００３７】
図6dに、本発明によるさらに別の実施形態を示す。ここでは、(周期的)(マイクロ-)テクスチャーは、上記の方法を用いて透明導電ゾルゲル層の表面に適用され、次に、半導体層及びバックコンタクト層が堆積される。
【００３８】
図7a及び7bでのさらに具体的な実施形態として、本発明によるテクスチャー構造を有するTCO層に、すでに存在しているテクスチャーに適用される追加のマイクロテクスチャーを提供することが提案される。図7aでは、複製層19は、周期的、低周波数形状又は構成を有するテクスチャー19aを示す。周期的テクスチャーは、複製及びTCO層19-11上に堆積されるTCO層11及び半導体層12-16にも存在している。
【００３９】
図7bでは、複製層19は、周期的、低周波数形状又は構成を有するテクスチャー19aを示す。しかし、複製層上に堆積されるTCO層11には、ランダムな低周波数形状又は構成を有する追加のマイクロテクスチャー11aが設けられている。同様に、この追加のマイクロテクスチャーは、複製及びTCO層19-11上に堆積される半導体層12-16にも存在している。
【００４０】
このマイクロ-構造は、堆積-プロセスのプロセスパラメーターを調節するによって、例えばウェット又はドライエッチング工程によって、適用可能である。
【図１】
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【図２】
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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７】
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【国際調査報告】
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2012502451.tif 000013
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