專利名稱：光電轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電轉換裝置。更具體地，本發明涉及一種將陽光轉換為電能的太陽能電池。
背景技術：
近年來，已經減小了光電轉換裝置的生產成本，并且因而使得光電轉換裝置中的光電轉換層變薄。然而，變薄的光電轉換層將一部分入射光透射通過，其結果是不足的光吸收。因此，包括變薄的光電轉換層的光電轉換裝置具有減小的光能量轉換效率。基于這樣的背景，已經開發了技術，以在光電轉換裝置的表面上形成結構來提高光電轉換層中的光吸收。例如，這樣的太陽能電池是已知的，其中由電介質物質形成的許多桿狀天線設置 在太陽能電池本體的表面上(參見日本未審專利公開No. 2002-76414)。所述專利文獻報道了在太陽能電池中，通過桿狀天線有效地接收了從太陽發射的電磁波(也就是陽光)，并且將其能量提供給太陽能電池本體。此外，這樣的光電裝置是已知的，其中將精細顆粒分散在光電轉換層(例如量子阱結構)的上表面上，并且所述精細顆粒每一個均具有復合結構，所述復合結構包括電介質核以及覆蓋電介質核的外圍表面的金屬殼部分，并且當接收光時所述精細顆粒每一個均產生具有兩個波長光的局部表面等離子體諧振(例如，參見日本未審專利公開No. 2010-21189)。所述專利文獻公開了當將引起局部表面等離子體諧振的波長的光遞送至光電裝置時，在所述精細顆粒周圍產生由局部表面等離子體諧振加強的高電場(近場光)，作為其結果，光電轉換層中光吸收的概率增加，以提高光電裝置的轉換效率。然而，具有這種桿狀天線的傳統太陽能電池不能將陽光局部化(即集中)到所述桿狀天線，因為通過再輻射將陽光提供給太陽能電池。因此在變薄的光電轉換層的情況下，可以在沒有被光電轉換層足夠吸收的情況下透射陽光。此外，桿狀天線的生產是昂貴的，可能妨礙了成本減小(例如，生產較大的桿狀天線需要更多材料)。除此之外，在其中將精細顆粒設置在光電轉換層上表面上的傳統光電裝置中，除了用于局部表面等離子體諧振的諧振波長之外，沒有波長來加強電場，并且精細顆粒可能阻礙光形成陰影。也就是說，針對局部表面等離子體諧振的諧振波長寬度較窄，因此電場的加強可能局限于整個太陽光光譜的一部分。例如，甚至當產生多個諧振波長時，每一個精細顆粒只具有一個諧振波長，并且將利用其他波長形成陰影。因此，局部表面等離子體諧振不能對光電裝置的效率提高足夠地貢獻。另外，精細顆粒的金屬殼部分(主要由貴金屬構成)的生廣也是昂貴的。基于上述背景，期望一種包括變薄的光電轉換層并且具有高轉換效率的光電轉換裝置。此外，期望一種可以低成本生產的光電轉換裝置
發明內容
考慮到上述情況，實現了本發明以提供ー種具有高轉換效率的光電轉換裝置，其中可以應用變薄的光電轉換層。此外，本發明還提出了一種可以低成本生產的光電轉換裝置。本發明提出了ー種光電轉換裝置，包括光電轉換層；由電介質物質構成的多個結構；以及用于透射光的介質層，夾在光電轉換層和所述結構之間、或者夾在所述結構之間、或者夾在光電轉換層和所述結構之間以及所述結構之間，其中所述多個結構和介質層滿足ndie > nmed以及DaveXnmed/λ max < O. 3，其中λ max是光電轉換層對光能量的靈敏度最大的最大靈敏度波長，Iinred是介質層在波長λ max的折射率，ndie是所述結構在波長λ max的折射率，以及Dave是光電轉換層的光暴露表面和所述結構之間的最短距離的平均。
根據本發明的配置，所述多個結構和所述介質層滿足ndie > nffled,因此當所述結構微小時，遞送至光電轉換裝置的光產生局部化在所述結構周圍的近場光。與此同時，所述多個結構和所述介質層滿足DaveXnmralMmax < O. 3，因此可以按照集中的方式在光電轉換層中吸收所述結構周圍的近場光。因此，提高了光電轉換裝置的轉換效率。 ー些包括變薄的光電轉換層的傳統光電轉換裝置透射光以致不能足夠地吸收光。相反，根據本發明，甚至可以利用變薄的光電轉換層提高光電轉換裝置的轉換效率。此外，因為與金屬相比電介質物質不吸收光或者吸收較少的光，所述結構的陰影幾乎不會遮蔽所述光電轉換層。因此，幾乎不可能降低光電轉換的轉換效率，以提供ー種具有更高轉換效率的光電轉換裝置。此外，采用由電介質物質構成的結構，本發明允許比采用貴金屬精細顆粒的傳統光電裝置的生產成本更低的成本來生產。如上所述，本發明提出了ー種具有更高轉換效率的光電轉換裝置，可以向其應用變薄的光電轉換層。本發明也提出了ー種可以低成本生產的光電轉換裝置。
圖I是說明了根據本發明實施例I的太陽能電池的配置的示意性截面圖；圖2是示出了微小電介質周圍的光的電場強度分布的仿真圖；圖3是示出了微小電介質的折射率和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖；圖4是示出了從微小電介質到光電轉換層的距離與光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖；圖5是示出了微小電介質的高度和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖；圖6是示出了具有圓柱形形狀的微小電介質的直徑和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖；圖7是示出了在微小電介質中產生的電場強度的節點影響的仿真圖；圖8是示出了微小電介質的形狀(圓柱形、圓錐形、球形)和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖；圖9是用于說明根據本發明的實施例I生產太陽能電池的方法的生產步驟的圖；圖10是說明了根據本發明實施例2的太陽能電池的配置的示意性截面圖11是說明了根據本發明實施例3的太陽能電池的配置的示意性截面圖；以及圖12是用于說明根據本發明的實施例3生產太陽能電池的方法的生產步驟的圖。
具體實施例方式本發明提出了一種光電轉換裝置，包括光電轉換層；由電介質構成的多個結構；以及用于透射光的介質層，夾在光電轉換層和所述結構之間、或者夾在所述結構之間、或者夾在光電轉換層和所述結構之間以及所述結構之間，其中所述多個結構和介質層滿足以下表達式(I)和2)ndie > nmed表達式(I)Dave X nmed/ λ max < 0. 3 表達式(2)
其中λ _是光電轉換層對光能量的靈敏度最大的最大靈敏度波長，nmed是介質層在波長λ max的折射率，ndie是所述結構在波長λ max的折射率，以及Dave是光電轉換層的光暴露表面和所述結構之間的最短距離的平均。根據一個方面，所述光電轉換裝置包括這樣的實施例，其中所述結構由在光電轉換層的光暴露表面一側處的電介質物質構成。根據另一個方面，光電轉換裝置的典型實施例包括光電轉換層；所述光電轉換層上形成介質層，用于透射光能量；以及所述介質層上的由電介質物質構成的多個結構。光電轉換裝置的另一個典型實施例包括光電轉換層；以及所述光電轉換層上的由電介質物質構成的多個結構。在前一種典型實施例的結構中，光電轉換層、介質層和所述結構按順序堆疊。在后一個典型實施例的結構中，光電轉換層和所述結構按順序堆疊，而介質層插入所述結構之間。如上所述，將所述介質層插入到光電轉換層和所述結構之間和/或所述結構之間。優選地，所述光電轉換裝置包括多個結構，因為優選地是在光電轉換層的整個光暴露表面上產生隨后所述的近場光。例如，將所述多個結構分布在介質層上。在本發明的另一個實施例中，除了光電轉換裝置的上述配置之外，所述結構可以滿足表達式⑶(以及表達式⑴和(2))have Xndie/ λ max < 2. 5表達式(3)其中，haTC是所述結構沿著與光暴露表面垂直的方向的平均大小。根據實施例，可以加強在所述結構周圍產生的近場光。當所述結構太高時，可能不會產生近場光，但是所述實施例允許產生近場光以提高光電轉換裝置的轉換效率。此外，根據實施例的結構比不滿足表達式(3)的光電轉換裝置中的結構需要更少的材料和更少的生產時間。因此，所述實施例允許按照更低的成本生產光電轉換裝置。在本發明的另一個實施例中，除了光電轉換裝置的上述配置之外，所述結構可以滿足表達式⑷(以及表達式⑴和(2))O. 2 < WaveXndie/ λ max < I. 5 表達式(4)其中Wave是所述結構沿著與光暴露表面水平的方向的平均尺寸。其中所述結構滿足表達式(4)的光電轉換裝置還可以滿足上述的表達式(3)。根據實施例，可以加強在所述結構周圍產生的近場光，并且可以防止在近場光電場中產生“節點”。因此，可以在整個結構上加強近場光，以提高光電轉換裝置的轉換效率。在本發明的實施例中，除了本發明的上述配置之外，所述結構可以具有圓柱形形狀。可以通過簡單的方法產生這種形狀(例如，可以通過納米壓印和各種光刻技術來容易地生產)。替代地，所述結構可以具有無定形形狀(例如，可以通過在氣體和束沉積中的氣相沉積來容易地生產)。在本發明的實施例中，除了本發明的上述配置之外，所述結構可以由GaP或TiO2構成。根據實施例，GaP或TiO2可以幫助加強在所述結構周圍產生的近場光，并且增加在光電轉換層中吸收的光的強度，因為其在太陽光譜范圍內具有更高的折射率和更低的吸收率。因為這些物質是半導體材料，在其中所述結構與光電轉換層接觸的配置中的接觸界面處防止了載流子重新復合。當所述結構由金屬物質構成并且與光電轉換層接觸時，在接觸界面發生載流子重新復合，但是該實施例防止了這種不利的效果。 在本發明的實施例中，除了本發明的配置之外，所述光電轉換裝置還可以包括電極對，所述電極對設置為使得所述光電轉換層位于所述電極對之間。例如，電極可以分別與光電轉換層的光暴露表面和相對表面相連，使得將通過所述電極提取通過光電轉換層中的轉換產生的電能。 在本發明實施例中，除了本發明的配置之外，光電轉換層、介質層和所述結構可以按順序堆疊以形成光電轉換単元，并且多個光電轉換單元可以串聯，并且可以具有不同的最大靈敏度波長λ_。在所謂的疊層型(tandem)太陽能電池中，各個光電轉換單元將各個波長的光轉換為電能以實現提高的轉換效率。而該實施例還采用了適用于各個光電轉換單元的各個最大靈敏度波長的結構，以實現光電轉換裝置進ー步提高的轉換效率。在本發明的實施例中，除了本發明配置之外，所述結構的周圍可以是空氣。例如，所述介質層可以是空氣層。替代地，所述多個結構形成干與光暴露表面平行的平面上，并且其間具有空氣。更具體地，例如，根據所述實施例的光電轉換裝置可以具有這樣的配置其中如上所述的光電轉換層、介質層和結構(所述多個結構整體上形成了結構層)堆疊，并且空氣存在于所述結構之間。根據實施例，所述結構的周圍(例如介質層)是其折射率η最小的空氣(折射率η = I)，以允許在更寬的范圍內選擇所述結構的材料。此外，可以加強在所述結構周圍的近場光(即將要在光電轉換層中吸收的光)，以允許增強光電轉換裝置的轉換效率。在本發明的實施例中，除了本發明的配置之外，可以將介質層設置在光電轉換層和所述結構之間，并且由透明電極材料構成。根據實施例，可以利用光電轉換層和所述結構之間的透明電極、按照相距光聚集的區域最短的距離來提取由所述結構周圍的近場光在光電轉換層中產生的大量載流子。下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。所述實施例的以下描述在所有方面對本發明的說明，而不應該解釋為限制本發明。[實施例I]圖I是說明了根據本發明實施例I的太陽能電池的結構的示意性截面圖。如圖I所示，根據本實施例的太陽能電池10(光電轉換裝置)包括襯底20、背面電極30、光電轉換層40、微小電介質50 (結構)和透明電極60。光電轉換層40、微小電介質50 (結構)形成了光電轉換單元。襯底20是用于支撐諸如背面電極30和光電轉換層40之類的其他部件的薄片。例如，襯底20可以由玻璃或樹脂模構成。通常，使用具有3_至5_厚度的玻璃襯底。替代地，所述膜可以用于賦予柔韌性。襯底20可以是非透明的，作為在與光暴露表面一側相對一側處支撐光電轉換層40的片。背面電極30用于提取通過光電轉換層40中的轉換產生的電能，并且形成與透鏡電極60的配對,所述電極之間具有光電轉換層40。與光電轉換層40的襯底一側表面處的光電轉換層40相連，即在與光暴露表面相對的表面處，所述背面電極30不需要是透明電極。例如，背面電極30可以是Al、Ag等的不透明電極(金屬電極)。天然地，背面電極30可以是有例如摻Ga ZnO之類的透明電極材料構成的透明電極。優選地，因為從光電轉換層40提取電能的作用，選擇允許背面電極30形成與光電轉換層40的歐姆接觸的材料(具體地，隨后所述的η-型半導體層41)。
光電轉換層40用于將輸入光轉換為電能,例如將輸入太陽光轉換為電能來發電。在本實施例中，作為示例如圖I所示，所述光電轉換層40包括三層η-型半導體層41、i型半導體層42和P-型半導體層43。在本實施例中，形成p-i-n結以產生針對光吸收的電勢梯度和載流子分離，從而產生電能。光電轉換層40可以具有任意厚度，例如總共IOOnm或以上以及5μπι或以下的厚度，只要所述厚度允許吸收在微小電介質50周圍產生的近場光，如下所述。就生產成本而言，例如，較小的厚度對于成本減小是優選的。光電轉換層40的材料的特定示例包括非晶硅、微晶硅、微晶SiGe、III-V族半導體、II-VI族半導體、CIGS基半導體和有機半導體。對于光電轉換層40的結構，可以采用p-n結、體異質結和量子點，并且在本實施例中使用p-i-n結。微小電介質50是用于從遞送至太陽能電池10的光產生近場光的構造(結構)，并且例如在光電轉換層40的光暴露表面一側由諸如GaP和TiO2之類的電介質物質構成。在本實施例中，根據隨后所述的仿真結果，考慮在光電轉換層40和用于透射輸入光的微小電介質50(介質層)插入的層的關系(本實施例中與透明電極60的關系)，來確定微小電介質50的材料。具體地，當給出光電轉換層40中最高光電轉換效率的光的波長(分光波長)是λ _ (也稱作最大靈敏度波長)時，選擇在λ _處比透明電極60的材料更高折射率的材料用于微小電介質50，以便滿足以下表達式(I)。ndie > nmed 表達式(I)其中λ _是其中光電轉換層對于光能量的靈敏度最大的最大靈敏度波長，nmed是介質層在波長λ max的折射率，以及ndie是所述結構在波長λ max的折射率。例如，在隨后所述的仿真的情況下，當透明電極60的材料是ITO時，微小電介質50的材料是GaP。具有比透明電極60的材料更高折射率的這種材料允許在微小電介質50附近產生近場光。例如，在具有600nm波長的光的情況下，ITO具有I. 8的折射率，而GaP具有3. 3的折射率。(如眾所周知的，因為薄膜的折射率依賴于膜的形成條件和光的波長，這里提供的數值只是作為示例。同樣適用于下述的薄膜)。
更具體地，微小電介質50的材料示例包括諸如GaP、TiO2, ZrO2, SiO2之類的電介質物質(包括他們的折射率的細節將和仿真結果一起描述)。考慮到太陽光譜范圍內的折射率和透明性，這些電介質物質中的GaP、Ti02作為微小電解質50的材料是優選的。GaP和TiO2是半導體材料，與其中微小電介質50由金屬物質構成的情況不同,在微小電解質50與光電轉換層40直接接觸的配置下，所述半導體材料不會引起接觸界面處的載流子重新復合。因此，GaP和TiO2對于太陽能電池的功率產生效率沒有不利影響。作為薄膜，例如在具有600nm波長的光的情況下，GaP、TiO2和ZrO2分別具有3. 3,2. 9和2. 2的折射率。微小電介質50的形狀沒有具體地限制，并且其特定示例包括圓柱形、圓錐形和球形。如根據隨后所述的仿真結果所理解的，這些形狀允許產生 實質上相同的近場光。因為微笑電介質50可以具有任意形狀，例如，它們可以具有包括不同形狀的隨機(無定形)形狀。優選地，微小電介質50的形狀滿足根據仿真結果所規定的尺寸(高度和寬度(例如直徑))。微小電介質50的數量沒有具體地限制，但是優選地是提供多個微小電介質50以便在整個光電轉換層40實現近場光的效果。例如如圖I所示，可以在光電轉換層40的光暴露表面上分布所述微小電解質50。優選的是將所有的微小電介質50設置在具有與光暴露表面的最優距離的平面上(隨后將與仿真結果一起描述詳細的距離和位置)，但是不需要將所述微小電介質設置在相同的平面上，只要它們產生效果即可。如同在上述背面電極30的情況，透明電極60用于通過在光電轉換層40中的轉換來提取電能。透明電極60與背面電極30形成配對，在電極之間具有光電轉換層40。結合光電轉換層40的光暴露表面處的光電轉換層40,與背面電極30不同,透明電極60需要是光透射電極(例如，透明電極)。例如，透明電極60可以由諸如ITO和FTO之類的透明導電材料構成，并且具有幾百納米至幾十微米的厚度，以便具有不太高的電阻和足夠的透射率。優選地，如在背面電極30的情況下，因為從光電轉換層40 (因為透明電極60與組成光電轉換層40的P型半導體層43相連，允許透明電極60形成與P型半導體層43的歐姆接觸的材料是優選的)提取電能的功能，選擇允許透明電極60形成與光電轉換層40的歐姆接觸的材料。在本實施例的情況下，透明電極60配置為包圍微小電介質50，并且設置為與光電轉換層40接觸，用于有效地提取通過光電轉換層40中的轉換產生的電能。具體地，透明電極60形成于光電轉換層40上，并且將微小電介質50嵌入到透明電極60中。更具體地，透明電極60是插入到光電轉換層40與微小電介質50之間的層，用于透射輸入光(介質層)。同時，透明電極60是形成于微小電介質50上的層。同時,透明電極60填充排列的微小電介質50 (也稱作微小電介質層50(結構層))的層中的微小電介質50中的空間。例如，可以將微小電介質50按照以下方式定位為依靠在透明電極60上，使得將部分微小電介質50嵌入到透明電極60中。然而，當將微小電介質50的一部分(例如下半部分)嵌入到透明電極60中并且將其他部分(例如上半部分)暴露到空氣中時，也就是說當包圍微小電介質50的媒介(物質)不均勻時，近場光強度減小了約10%至約50%。這種現象歸因于由于微小電介質50周圍的物質的影響、在微小電介質50中不均勻分布的電場強度。因此，將微小電介質50形成為使得周圍的媒介(物質)是均勻的。例如，如上所述當將微小電介質50完全嵌入到透明電極60中時，可以有效地提取來自光電轉換層40的電能，并且可以加強近場光。替代地，可以在不用透明電極60覆蓋的情況下將微小電介質50暴露到太陽能電池10的表面上。在這種情況下，微小電介質50周圍的媒介是空氣，以擴展對于微小電介質50材料的選擇范圍。另外在這種情況下，由于微小電介質50周圍的媒介的上述不均勻性(例如當具有圓柱形形狀時，除了與光電轉換層40接觸的底部表面之外，在所有表面處將所述微小電介質暴露到空氣中)，優選的是將所述微小電介質50完全暴露在太陽能電池10的表面上。在根據本實施例的太陽能電池的情況下，透明電極60和微小電介質50配置為滿足以下表達式(2)。因為根據仿真結果推導了關系表達式，接下來將描述仿真。Dave X nffled/ λ max < O. 3 表達式(2)其中λ max是光電轉換層對光能量的靈敏度最大的最大靈敏度波長，nmed是介質層 在波長入max的折射率；以及Dave是光電轉換層的光暴露表面和所述結構之間的最短距離的平均。[仿真]將參考仿真結果詳細描述實施例I的配置。圖2至8是示出了通過FDTD(有限差分時域方法)方法執行的根據實施例I的太陽能電池10的仿真結果。在針對每一幅圖而變化的條件來執行所述仿真。光電轉換層40中的最大靈敏度波長λ_通常在500nm至SOOnm的范圍，盡管依賴于所采用的半導體材料和配置而變化。因此，基于最大靈敏度波長在這一范圍的假設而執行仿真。圖2是示出了在微小電介質周圍的光的電場強度的仿真圖。基于以下假設來執行圖2所示的仿真光電轉換層40中的最大靈敏度波長λ_分別是500nm、600nm和800nm,以看出將這些波長的光遞送至實施例I的太陽能電池10時，所述微小電介質50周圍的光的電場強度將如何變化。光電轉換層40的材料是無定形硅，而微小電介質50的材料是GaP。因此，微小電介質50的折射率ndie是GaP在每一個波長λ max的折射率。在波長λ = 500和600nm的情況下，微小電介質50具有圓柱形形狀以及R =200nm的直徑尺寸和h = 200nm的高度尺寸,在波長λ = 800nm的情況下,微小電介質具有R = 300nm的直徑尺寸和高度h = 300nm。透明電極60由ITO構成，其中嵌入了微小電介質50。因此，微小電介質50周圍的物質的折射率nmed是ITO在每一個波長λ max的折射率。從微小電介質50到光電轉換層40的距離是IOnm,其間插入ΙΤ0。圖2表不在微小電介質50中和微小電介質50的光電轉換層40 —側處產生的高電場強度區域，將光朝著光電轉換層40會聚。根據圖2所示的結果應該理解的是允許光電轉換層40吸收會聚光(在微小電介質50周圍產生的近場光)的配置與不具有微小電介質50的情況相比將能夠提高太陽能電池10的轉換效率。具體地，應該理解的是在光電轉換層40如此薄而使其不是足夠地吸收光而是透射光的情況下提高轉換效率。接下來，就折射率而言執行微小電介質50的特定材料的仿真。圖3是示出了微小電介質的折射率和光的電場強度(即，近場光強度)之間關系的仿真圖。作為微小電介質50，在圖3所示的仿真中，就微小電介質50周圍的近場光強度而言，對具有不同折射率的各種電介質物質(GaP、Ti02、Zr02、SiO2)進行比較。為了一般地描述仿真結果，通過將具有和不具有微小電介質50的情況進行比較的電場強度比來表達近場光強度。(具體地，通過將具有微小電介質50情況下光電轉換層40表面上的電場強度除以在不具有微小電介質50的情況下光電轉換層40表面上的電場強度來獲得電場強度比。相同的定義可應用于下面的“將具有和不具有微小電介質50的情況進行比較的電場強度比”)。在圖3，將折射率歸ー化為 IldieAlnledtj除了這里所述的折射率之外，采用與圖2所示的仿真相同的條件。圖3表示了微小電介質50的折射率越小，電場強度比趨向于λ = 500nm、600nm和800nm的最大靈敏度波長λ max中的任ー個的趨勢越小。圖3也示出了當ndiノnme;d < I時，電場強度比小于I。因為當η- < nffled時不會產生局部化在微小電介質上的近場光，考慮這種情況。圖3還示出了 ndie越比nmed大,近場光越集中于微小電介質。因此當ndie > nmed時，通過輸入光產生了局部化在微小電介質50上的近場光。也就是說，當ndie > nmed時,所述光可以會聚于微小電介質50。
接下來，執行從微小電介質50的底部到光電轉換層40的光暴露表面的距離D和近場光強度之間關系的仿真。圖4是示出了從微小電介質到光電轉換層的距離和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖。在圖4所示的仿真中，透明電極60由ITO構成，并且插入到微小電介質50的底部和光電轉換層40之間。如在圖3的情況，通過將具有和不具有微小電介質50的情況進行比較的電場強度比來表達所述近場光強度。此外在圖4中，通過DXnmed/ λ max來表達距離D，將光程長度利用波長進行歸ー化。除了這里所述的距離D之外，采用與圖2所示的仿真相同的條件。圖4示出了電場強度比隨著微小電介質50和光電轉換層40之間的距離在λ =500nm、600nm和800nm的最大靈敏度波長λ _的任ー個處變大而迅速減小。在最大靈敏度波長λ max = 500nm的情況下,具體地當D X nmed/ λ max > O. 3時電場強度比近似為I,表示顯著減小了微小電介質50的效果。因為當微小電介質50和光電轉換層40之間的距離太大時，防止了在微小電介質50周圍產生的近場光到達光電轉換層40，考慮這種情況。根據圖4所示的結果應該理解的是由于當微小電介質50和光電轉換層40之間的距離D滿足DXnmed/ λ max < O. 3時在微小電介質50周圍產生的近場光，可以在光電轉換層40中吸收所會聚的光。例如，當最大靈敏度波長λ max是500nm時，透明電極60由ITO構成，并且所述距離D近似小于83nm，可以在光電轉換層40中吸收近場光(參加圖4)。所述微小電介質50可以具有不同的距離D，只要距離D的平均Dave滿足DaveXnnied/ Amax < O. 30接下來，執行具有圓柱形形狀的微小電介質50的高度h和近場光強度之間關系的仿真。圖5是示出了微小電介質的高度和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖。在圖5所示的仿真中，如圖3和圖4的情況，通過將具有和不具有微小電介質50的情況進行比較的電場強度比來表達近場光強度。此外在圖5中，通過hXndie/λ _來表達高度，用波長對光程長度進行歸ー化。圖5示出了當光程長度在λ = 500nm、600nm和800nm的最大靈敏度波長λ max的任一個時近似為I時，電場強度比達到峰值。此外，當歸一化的光程長度大于2. 5時，電場強度比近似為I，表示顯著減小了微小電介質50的效果。因為當微小電介質50的高度h太大時不會產生局部化在微小電介質5上的近場光，考慮這種情況。根據圖5所示的結果應該理解的是當微小電介質50的高度h在hXndie/ λ max < 2. 5的范圍內時，可以加強微小電介質50周圍產生的近場光。此外，這種范圍內的微小電介質50的高度允許減小形成微小電介質50的膜所需要的材料，并且允許減小生產成本。圖5所示的結果已經揭示了優選地是，例如當最大靈敏度波長是500nm并且微小電介質50由GaP構成時，所述高度h近似小于348nm。還優選地是當微小電介質50由TiO2構成時,所述高度h近似小于413nm。接下來，執行具有圓柱形形狀的微小電介質50的直徑R和近場光強度之間的關系的仿真。圖6是示出了具有圓柱形形狀的微小電介質的直徑和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖。在圖6所示的仿真中，如圖3至圖5的情況那樣，通過將具有和不具有微小電介質50的電場強度表達了近場光強度。此外在圖6中，通過RXndieAmax表達了直徑R，將光程長度用波長進行歸一化。圖6示出了當歸一化光程長度在λ = 500nm、600nm和800nm的最大靈敏度波長Afflax的任一個下處于RXndieMmax < O. 2的范圍時，電場強度比近似為1，表示顯著減小了微小電介質50的效果。因為當微小電介質50的直徑R太小而不能產生近場光時，電場不 能進入微小電介質50，考慮這種情況。另一方面，當歸一化光程長度大于I. 5時，如圖6所示在微小電介質50中產生電場強度的節點(在圖6的圓圈標注的點處產生電場強度的節點)。接下來，為了研究在圖6中觀察到的節點的影響，通過將不具有節點的情況(入max 500nm, R 200nm)和具有節點(λ max 500nm, R 300nm)的情況進行比較，進行電場強度如何在微小電介質50正下方的光電轉換層40的表面上分布的仿真。圖7是不出了在微小電介質中產生的電場強度的節點的影響。在圖7的每一條曲線中，假設將微小電介質50定位于由中間的箭頭所表示的范圍內(以灰度著色的范圍)，水平軸表示相對于微小電介質50的位置，而垂直軸表示如在圖3至6的情況下的電場強度。圖7示出了在不具有節點的情況下在整個微小電介質50上獲得的近場光(參見圖7左側的曲線)。另一方面，在微小電介質50的中心周圍獲得了近場光，但是在具有節點的情況下近場光在邊緣周圍較弱(參見圖7右側的曲線)。所述結果已經揭示了節點的產生減小了微小電介質50中每單位橫截面產生近場光的效率。因此，圖7所示的結果得出了這樣的結論當微小電介質50的直徑R在0.2 < RXndie/λ max < 1.5的范圍內時，可以加強在微小電介質50周圍產生的近場光，并且防止在微小電介質50中沿光電轉換層40的層方向產生電場的節點，使得可以將在微小電介質50周圍產生的近場光有效地發送至光電轉換層40。例如，當最大靈敏度波長λ max是500nm并且微小電介質50由GaP構成時，只要直徑R在近似28nm至近似209nm的范圍內，可以將近場光有效地發送至光電轉換層40。替代地，當微小電介質50由TiO2構成時，只要直徑R在近似33nm至近似248nm的范圍內(參見圖7)，可以將近場光有效地發送至光電轉換層40。接下來，執行在微小電介質50的不同形狀(圓柱形、圓錐形和球形)情況下如何在微小電介質50周圍形成光的電場強度的仿真。圖8是示出了微小電解質的形狀(圓柱形、圓錐形、球形)和光的電場強度(即近場光強度)之間關系的仿真圖。在圖8中，(a)表示微小電介質50具有圓柱形形狀的情況，(b)表示微小電介質50具有圓錐形狀的情況，以及(c)表示微小電介質50具有球形形狀的情況(所述微小電介質50的形狀由圖中的虛線表不)。
圖8示出了與形狀無關地獲得了實質上相同的近場光。所述結果得出這樣的結論微小電介質50可以具有任意形狀。例如，所述形狀可以是隨機的(無定形的)，包括不同的形狀。當具有隨機形狀時，所述微小電介質50包括具有一定平均尺寸的各種尺寸。因此考慮結合圖5至7所示結果的圖8所示結果，應該確定微小電介質50的平均尺寸，使得平均 have 處于 IiaveXndieAniax く 2.5 的范圍內，平均 Wave 處于 O. 2 < WaveXndie/λ max < 1.5的范圍內。這里，平均have是微小電介質50沿著與光電轉換層40的表面(光暴露表面)垂直的方向的尺寸(例如高度)，而平均Wave是微小電介質50沿著與光電轉換層40的表面水平的方向的尺寸(例如直徑)。[生產方法I]接下來將描述生產根據實施例I的太陽能電池的方法。圖9是用于說明生產根據本發明實施例I的太陽能電池的方法的生產步驟的圖。首先準備襯底20。然后在襯底20上，通過眾所周知的濺射方法形成背面電極30，并且通過眾所周知的PECVD方法形成光電轉換層40。例如，將Al薄膜形成為背面電極30， 并且按順序形成包括P型無定形硅層、i型無定形硅層和η型無定形硅層的半導體層。用于形成背面電極30和光電轉換層40的方法不局限于濺射方法和PECVD方法，并且可以是金屬薄膜和半導體薄膜領域眾所周知的任意方法。例如，可以通過印刷方法印刷諸如Al之類的金屬粘膠來形成背面電極30。根據上述步驟，生產了具有按照圖9(a)所示順序形成的背面電極30和光電轉換層40的襯底20。隨后如圖9(b)所示，在光電轉換層40上形成透明電極60，然后在透明電極60上形成抗蝕劑70。例如，通過眾所周知的派射方法形成具有IOnm至50nm厚度的透明電極60 (例如ITO薄膜)，然后在其上涂覆諸如PMMA之類的抗蝕劑70。例如，通過旋涂方法或噴涂方法形成抗蝕劑70的膜。這里，在圖9(b)所示步驟中形成的透明電極60的厚度與光電轉換層40和微小電介質50之間的距離D相對應。隨后如圖9(c)所示，將具有預定圖案的鑄模80用于將所述圖案轉移到抗蝕劑70上(納米壓印方法)。具體地，在鑄模80中預先形成與微小電介質50的形狀相對應的所需圖案，并且將鑄模80按壓抵靠在抗蝕劑70的表面。將要在鑄模80中形成的圖案可以是規則的(例如，在平面上均勻分布的多個圓柱體)或不規則的(例如包括不同形狀的隨機形狀)，因為所述圖案與微小電介質50的形狀和布置相對應。作為用于在抗蝕劑70中形成圖案的方法，除了上述納米壓印方法之外，可以使用光學光刻方法和電子束光刻方法。隨后如圖9(d)所示，刮掉轉移到抗蝕劑70上的圖案的凹部底部，直到暴露出透明電極60的表面為止。例如通過諸如RIE之類的刻蝕去除在圖案的凹部留下的抗蝕劑70的殘留物，以暴露出透明電極60的表面。隨后如圖9(e)所不,在具有暴露表面和抗蝕劑70的透明電極60上形成電介質膜90。例如，通過眾所周知的濺射方法形成GaP膜。這里，在圖9(e)中所示步驟中形成的電介質膜90的厚度與微小電介質50的高度h相對應。
隨后如圖9(f)所示，從具有電介質膜90的襯底上去除抗蝕劑70，以在透明電極60上形成微小電介質50。例如，通過剝離工藝去除抗蝕劑70。如上所述，可以獲得其上形成具有所需形狀的微小電介質50的襯底。隨后如圖9(g)所不,在具有微小電介質50的襯底上形成另一個透明電極60。例如，通過與圖9 (b)所示步驟相同的方法形成透明電極60。因此，完成了根據實施例I的太陽能電池。根據這里所述的生產方法，可以生產具有尺寸上更小差異的微小電介質50的太陽能電池。當形成具有圓柱形形狀的微小電介質時，具體地，可以通過納米壓印和各種光刻技術來容易地生產這種太陽能電池以允許低成本地生產。當根據實施例I的太陽能電池傾向于具有其中微小電介質50暴露在太陽能電池10的表面上的配置時，通過遵從圖9 (a)到圖9 (f)所示的步驟9 ( S卩，圖9 (g)所示的步驟是可選的)來完成太陽能電池。 [生產方法I的改進]當根據實施例I的太陽能電池傾向于具有其中微小電介質50具有隨機形狀的配置時，在圖9(b)所示的步驟之后采樣由精細顆粒準備方法形成微小電介質50的步驟來代替在圖9(c)至圖9(f)中所示的步驟。精細顆粒準備方法的示例包括在氣體和束沉積中的氣相沉積。從而可以在透明電極60的表面上形成具有隨機形狀的微小電介質50。可以通過控制準備期間的氣體壓力來控制精細顆粒的尺寸和密度。替代地，可以散布微小電介質50的化學合成精細顆粒。通過采用這種步驟，可以按照更少的步驟和更低的成本生產具有隨機形狀的微小電介質50。[實施例2]接下來將描述根據實施例2的太陽能電池。實施例I的太陽能電池具有一個光電轉換單兀(光電轉換層40和微小電介質50)。另一方面，當太陽能電池具有多個光電轉換單元，并且所述光電轉換單元具有不同的最大靈敏度波長λ_時(當采用所謂的疊層型太陽能電池或所謂的多結太陽能電池的配置時)，可以實現太陽能電池更加提高的光電轉換效率。通過將包括微小電介質50的部件的上述配置應用于具有多個光電轉換單元的太陽能電池，獲得了根據實施例2的太陽能電池。圖10示出了這種配置。圖10是示出了根據本發明實施例2的太陽能電池配置的示意性截面圖。如圖10所示，根據本實施例的太陽能電池110(光電轉換裝置)包括襯底120、背面電極130、第一光電轉換層140、第一微小電介質150 (第一結構)、第二光電轉換層170、第二微小電介質151 (第二結構)、中間層180和透明電極160。實施例I的太陽能電池具有由光電轉換層40和微小電介質50 (結構)構成的光電轉換單兀。而本實施例(實施例2)具有兩個光電轉換單元由第一光電轉換層140和第一微小電介質150構成的第一光電轉換單元；以及由第二光電轉換層170和第二微小電介質151構成的第二光電轉換單元。這兩個光電轉換單元經由中間層180聯合在一起。下文中將描述與實施例I的部件和構件不同的部分，而省略掉與實施例I的相同部件和構件的描述。第一和第二光電轉換層140和170具有不同的最大靈敏度波長λ _。可以通過改變形成光電轉換層的材料來改變最大靈敏度波長λ_。例如，第一光電轉換層140可以由無定形硅構成(入_近似500nm)，而第二光電轉換層170可以由微晶硅構成(λ _近似800nm)。因此，用于形成各個光電轉換層的不同材料的使用允許第一光電轉換層140和第ニ光電轉換層170具有不同的最大靈敏度波長λ_。優選地,第一和第二微小電介質150和151具有不同的配置，因為第一和第二光電轉換層140和170具有不同的最大靈敏度波長λ_。具體地,第一和第二微小電介質150和151均配置用于在各個最大靈敏度波長λ max處滿足實施例I所述的表達式(I)。更具體地，第一微小電介質150由在相關的最大靈敏度波長XmaxOmax :當第一光電轉換層140由無定形硅構成時是近似500nm)下比透明電極160更高折射率的物質構成，而第二微小電介質151由在相關的最大靈敏度波長λ_(λ_ :當第二光電轉換層17由微晶硅構成時是近似80nm)下比透明電極160更高折射率的物質構成。例如，它們可以由諸如GaP和TiO2之類的電介質物質構成，并且配置用于滿足折射率的關系以加強近場光。此外,第一和第二微小電介質150和151形成為使得相距姆一個相對應光電轉換 層表面的最短距離D滿足實施例I中所述的表達式(2)。例如，從上述第一光電轉換層140到第一微小電介質150的距離D近似小于83nm( λ max近似500nm ;透明電極160由ITO構成)。如同在透鏡電極60的情況那樣，中間層180由透明導電材料構成，以便將來自第一光電轉換層140 —側的光透射至第二光電轉換層170 —側。透明導電材料的示例包括ITO、FTO和ZnO。因為中間層180也用于將第一光電轉換層140和第二光電轉換層170電連接，優選的是透明導電材料是允許在第一光電轉換層140和第二光電轉換層170之間形成歐姆接觸的材料。優選地，膜厚度通常從50nm至2 μ m。第一和第二光電轉換層140和170構成各個光電轉換單兀,姆ー個光電轉換單兀包括從襯底120 —側觀看按順序的光電轉換層、插入到光電轉換層和用于透射光的微小電介質(介質層)之間的層和微小電介質(結構)。因此，當將光遞送至透明電極160的表面ー側時，所述光首先到達第一光電轉換単元，在第一光電轉換単元中將具有特定波長的光轉換為電能，然后通過中間層180到達第二光電轉換單元，在第二光電轉換單元中將具有與在第一光電轉換単元中轉換的光不同波長的光轉換為電能。因為每ー個光電轉換單元滿足表達式⑴和⑵(ndie > nmed和DXnmed/ λ max < O. 3),在姆ー個光電轉換單兀中加強了近場光，并且在每ー個光電轉換單元中加強了轉換效率，以最終增加整個光電轉換裝置的轉換效率。[生產方法2]可以通過重復上述生產方法來生產這種形式的太陽能電池。更具體地，在圖9(a)至圖9(g)所示步驟之后，在透明電極(其在圖9(g)所示的步驟中形成，用作中間層180)上形成另ー個光電轉換単元(例如形成包括微晶硅的光電轉換単元)。隨后，接著是圖9(b)至圖9(g)所示的步驟以完成實施例2的太陽能電池110。盡管作為特定示例將包括兩個光電轉換単元的形式描述為實施例2，明顯的是太陽能電池可以包括例如三個或更多的光電轉換単元，并且所述光電轉換単元可以具有不同的最大靈敏度波長λ _。[實施例3]接下來將描述根據實施例3的太陽能電池。實施例I將遞送至與襯底20相対的透明電極60的光轉換為電能(襯底型)。替代地，本發明可以應用于將遞送至襯底的轉換為電能的實施例(頂襯型(superstrate type))。圖11示出了這種實施例。圖11是示出了根據本發明實施例3的太陽能電池的配置的示意性截面圖。如圖11所示，根據本實施例的太陽能電池210 (光電轉換裝置)包括襯底220、透明電極230、微小電介質250 (結構)、光電轉換層240和背面電極260。與實施例I不同,在實施例3中將光遞送至襯底一側，因此襯底一側電極是透明電極，并且經由光電轉換層相對的電極是背面電極。相對于光電轉換層240的光暴露一側的局部,襯底220由在本實施例中具有高透明性的材料構成。其示例包括玻璃和樹脂膜。通常，使用具有3mm至5mm厚度的玻 璃襯底。可以使用膜來賦予柔韌性。透明電極230和背面電極260分別與實施例I中的透明電極60和背面電極30相對應。因此，透明電極230和背面電極260可以由于透明電極60和背面電極30相同厚度的相同材料構成，以滿足相同的功能。例如，透明電極230可以由諸如ITO和FTO之類的透明導電材料構成，并且優選地由允許透明電極230形成與P型半導體層243的歐姆接觸的材料構成。另一方面，背面電極260不需要是透明的，例如可以是Al或Ag的不透明電極(金屬電極)。背面電極260可以是由透明電極材料構成的透明電極(例如摻Ga的ZnO)。優選地，背面電極260由允許形成與η型半導體層241的歐姆接觸的材料構成。此外，如透明電極60的情況那樣，微小電介質250嵌入到透明電極230中。在本實施例中，透明電極230和微小電介質250之間的折射率之間的關系、以及透明電極230、微小電介質250和光電轉換層240之間的位置關系與實施例I中的相同。也就是說，本實施例配置為滿足表達式⑴和⑵的關系(ndie > nmed和DXnmed/ λ max < O. 3)。因為滿足表達式(I)和(2)的關系，在每一個光電轉換單元中加強了近場光，并且即使在將遞送至襯底一側的光轉換為電能的上述實施例中也可以加強太陽能電池的轉換效率。[生產方法3]接下來，將描述用于生產根據實施例3的太陽能電池的方法。圖12是用于說明生產根據本發明實施例3的太陽能電池的方法的生產步驟的圖。首先，準備襯底220。然后，按順序在襯底220上形成透明電極230和抗蝕劑70。它們可以通過眾所周知的方法形成。例如，透明電極230通過PECVD方法或濺射方法形成，而抗蝕劑膜通過旋涂方法或噴涂方法形成(采用與實施例I的太陽能電池相同的方法)。因此，生產了具有按照如圖12(a)所示順序形成的透明電極230和抗蝕劑70的襯底220。隨后，如圖12(b)所示，具有預定圖案的鑄模80用于將圖案轉移至抗蝕劑70 (納米壓印方法)。因為圖12(b)所示的步驟與在生產實施例I的太陽能電池的方法中的圖9(c)所示的步驟相同，將省略其細節。隨后，如圖12(c)所示，刮掉轉移至抗蝕劑70的圖案凹部的底部，直到暴露出透明電極230的表面為止，并且進一步將透明電極230刮掉至預定的深度。也就是說，根據轉移到抗蝕劑70的圖案來切削透明電極230的表面(在透明電極230中形成根據所述圖案的凸起和凹陷)。因為在透明電極230中形成的凹陷的深度將是微小電介質250的高度h，將透明電極230刮掉(切削)至等于微小電介質250高度的量(深度)。隨后如圖12(d)所示，形成電介質膜90以便填充在透明電極230中形成的凹陷。例如，通過眾所周知的濺射方法形成GaP膜。將所述膜形成為具有等于在透明電極230中形成的凹陷深度的膜厚度。隨后如圖12(e)所示，從具有電介質膜90的襯底中去除抗蝕劑70，以在透明電極230的凹陷中形成為微小電介質250。例如，通過剝離エ藝去除抗蝕劑70。隨后如圖12(f)所不，另ー個透明電極230形成于具有微小電介質50的襯底上。通過眾所周知的PECVD方法或濺射方法形成透明電極230。隨后如圖12(g)所示，光電轉換層240形成于透明電極230上。因為可以按照與根據實施例I的太陽能電池的光電轉換層40相同的方式形成光電轉換層240,將省略其詳細描述。隨后如圖12(h)所示，將背面電極260形成于光電轉換層240上以完成根據實施例3的太陽能電池210。
根據上述生產方法，可以生產具有與實施例I的生產方法的情況有更小尺寸差異的微小電介質250的太陽能電池。當形成具有圓柱形形狀的微小電介質時，可以通過納米壓印和各種光刻結束來生產這種太陽能電池，以允許按照與實施例I的生產方法同樣的低成本進行生產。可以將在上述實施例中所示的各種特征彼此組合。當一個實施例包括多個特征時，可以適當地選擇所述特征的ー個或多個以獨立地或組合地應用于本發明。例如，可以將根據實施例3的太陽能電池(頂襯型)與根據實施例2的太陽能電池(疊層型)進行組合。在本發明的范圍內包含了基于在不同實施例中公開的技術手段的這種適當組合的實施例。
權利要求
1.ー種光電轉換裝置，包括 光電轉換層； 由電介質物質構成的多個結構；以及 用于透射光的介質層，夾在光電轉換層和所述結構之間、或者夾在所述結構之間、或者夾在光電轉換層和所述結構之間以及所述結構之間， 其中所述多個結構和所述介質層滿足ndie > nmed以及DaveXrw/ λ max < O. 3，其中 λ max是光電轉換層對光能量的靈敏度最大的最大靈敏度波長， nmeda4i介質層在波長的折射率， ndie是所述結構在波長λ max的折射率，以及 Dave是光電轉換層的光暴露表面和所述結構之間的最短距離的平均。
2.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，其中所述多個結構滿足h_Xndie/Amax<2. 5，其中h_是所述結構沿著與光暴露表面垂直的方向的平均尺寸。
3.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，其中所述多個結構滿足O.2 < WaveXndie/Amax<I- 5，其中是所述結構沿著與光暴露表面水平的方向的平均尺寸。
4.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，其中每ー個所述結構具有圓柱形形狀。
5.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，其中所述多個結構由GaP或TiO2構成。
6.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，其中所述介質層是空氣層。
7.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，其中所述介質層設置在所述光電轉換層和所述結構之間，并且所述介質層由透明電極材料構成。
8.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，還包括電極對，所述電極對設置為使得所述光電轉換層位于所述電極對之間。
9.根據權利要求I所述的光電轉換裝置，包括多個光電轉換單元，每ー個光電轉換單元具有按順序堆疊的所述光電轉換層、所述介質層和所述結構，其中 所述光電轉換單元串聯連接并且具有不同的最大靈敏度波長λ _。
全文摘要
公開了一種光電轉換裝置，包括光電轉換層；由電介質物質構成的多個結構；以及用于透射光的介質層，夾在光電轉換層和所述結構之間、或者夾在所述結構之間、或者夾在光電轉換層和所述結構之間以及所述結構之間，其中所述多個結構和介質層滿足ndie＞nmed以及Dave×nmed/λmax＜0.3，其中λmax是光電轉換層對光能量的靈敏度最大的最大靈敏度波長，nmed是介質層在波長λmax下的折射率，ndie是所述結構在波長λmax下的折射率，以及Dave是光電轉換層的光暴露表面和所述結構之間的最短距離的平均。
文檔編號H01L31/0725GK102820364SQ20121018107
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月4日 優先權日2011年6月8日
發明者佐藤隆信, 北澤田鶴子 申請人:夏普株式會社