JP2002529937A - ＳｉＯ２膜によるガラスのテクスチュアリング - Google Patents

ＳｉＯ２膜によるガラスのテクスチュアリング

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Abstract

(57)【要約】 シリコン薄膜太陽電池をガラス基板（１１）上に形成する。前記ガラス基板は形成されたテクスチュアリング層（３２）を有し、該テクスチュアリング層は１〜２μｍのオーダーの直径を有するテクスチュアリング粒子（３４）が混入されたＳｉＯ2膜（３３）を含む。この粒子によりテクスチュア化された表面（３９）が形成される。ＳｉＯ2膜はテクスチュアリング粒子の平均直径よりも薄い、そのため石英はスピン−オンガラスから突出する。この場合の誘電層はバリヤ層機能を提供するが、前記テクスチュア化された表面（３９）と等角な上面（３５）を有する別の反射防止コーティング（３８）を必要に応じて使用してもよい。図に示されるように、シリコン膜（１５）をその後、反射防止コーティング（３８）のテクスチュア化された表面（３５）上に形成する。シリコン膜の厚さは好ましくは０．５〜２μｍ（すなわち、ＳｉＯ2層の表面上に設けられたテクスチュア特徴の寸法と同様の厚さ）である。この方法により製造されたシリコン膜は形成されるテクスチュア化された表面にゆるく適合するけれども、膜の反対面は、少なくとも小さなスケールでは実質的には非平行であり、光は一般にシリコン面に対しある角度でシリコン膜を通過するであろう。より重要なことは、光はしばしば表面（３６）に対する垂線に対しかなりの角度でシリコン膜の裏面（図において上面）に当たり、そのためかなりの数の入射に対し、内面全反射が起こる。表面（３６）はまた（裏面金属コンタクトなどの）反射材料（４０）でコートしてこの面に当たる光の内反射を補助してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） この発明は一般に、薄膜光起電デバイスに関し、特にこの発明は薄膜電池内で
の光閉じ込め（トラッピング：trapping）を達成する薄膜電池に対する構造及び
その製造方法を提供する。
【０００２】 （背景技術） 光閉じ込めの使用は、単結晶シリコン電池においては周知であり、この電池に
おいて、電池の表面での光閉じ込め構造は、そのデバイスのシリコン基板の厚さ
よりもずっと小さく空気中の光の波長よりもかなり大きな寸法を有することであ
る。
【０００３】 太陽電池では電池の活性領域内に光を閉じ込めるのに光の散乱が使用されてい
る。電池内に閉じ込められる光が多くなればなるほど、発生可能な光電流が高く
なり、効率が高くなる。そのため、光閉じ込めは太陽電池において効率を改善し
ようとする際に重要な問題であり、特に薄膜電池設計において重要である。
【０００４】 しかしながら、活性シリコン層がガラスなどの基板上に形成された薄膜である
薄膜デバイスにおいては、光閉じ込めは不可能であるか、あるいは少なくとも効
率が減少することが示されると広く考えられてきた。なぜなら、周知の単結晶デ
バイスにおいて、膜厚は、光閉じ込め構造の寸法と同じオーダーの大きさ、又は
、それよりも薄い大きさであるためである。薄膜デバイスでは、膜厚を減少させ
ているので、ガラス基板のエッチングされた表面上に大体平行な面を有する等角
コーティングになる傾向があり、従来の考えはそのような配列では光閉じ込めか
ら有意な利点は達成されないというものである。また、膜厚を（空気中における
）波長以下のオーダーに減少させているので、従来のデバイスにおける光閉じ込
めを提供するメカニズムは無効となるというのが従来の考えである。
【０００５】 これは、テクスチュアリング（texturing）における意図的な試みがなされな
い従来の薄膜アモルファスシリコン太陽電池において現れる。今日では、アモル
ファスシリコンデバイスは典型的にはガラススパーストレート（superstrate）
と、その上に形成された透明導電酸化物（ＴＣＯ）コンタクト層とｐ‐ｎ接合を
含む薄いアモルファスシリコン膜（１μｍ）活性層と、反射器及びバックコンタ
クトとして作用する裏面金属層とを備える。そのような構造が始めて案出された
とき、いくつかの状況においては（ＴＣＯの表面が濁っていると）、電池性能は
予期されたものよりもずっとよいが、文献はそのような予期されない性能に対す
る理由に関する説明をしていないことが指摘された。
【０００６】 本発明者等には、光閉じ込めが薄膜デバイスにおいて可能であること、従来の
アモルファスシリコンデバイスは本発明者等が現在認識し、結晶シリコン薄膜電
池に適合させた特性を実際に有していることを示していることが今では明らかに
なっている。
【０００７】 本発明者等は現在のところ、薄膜内において光閉じ込めが達成可能な条件を認
識し、特に発明者等は光閉じ込め特性を示す薄膜結晶シリコン太陽電池構造を製
造するための方法を案出した。
【０００８】 本発明者等により案出された光閉じ込めを達成する方法は、一般に、薄膜が形
成される基板の表面のテクスチュアリングを含む。従来、ガラスのテクスチュア
（texture）は、化学的テクスチュアリング及びサンドブラストにより形成され
る。最近、基板表面上での金属結晶析出が使用され、非常に細かい結晶が形成さ
れ、テクスチュア効果が生じている。
【０００９】 しかしながら、化学的テクスチュアリング及びサンドブラストのどちらにおい
てもガラス表面にクラック及び不均一な特徴サイズが生じ、例えばデバイス内に
おける分路（シャンティング，shunting）を引き起こすことにより、太陽電池の
製作及び／または性能に悪影響を及ぼすことがある。この理由のために、化学的
テクスチュア加工されたあるいはサンドブラスト加工された基板上のどちらにお
いても効率の高い太陽電池の作製が達成されたという報告がされていないと考え
られる。さらに、化学テクスチュアリングを実行するために使用される方法はま
た、環境的に危険で、そのためにひどい公害の危険を示す廃棄物を生成する。一
方、テクスチャー化された表面を形成するのに細かい金属結晶を使用するのは非
常に高価なアプローチであり、この技術を用いて製造された太陽電池のコストは
かなり高くなる。
【００１０】 （発明の開示） 第１の観点によれば、本発明はガラス基板またはスーパーストレート上に形成
された薄膜太陽電池中に光閉じ込め構造を形成する方法を提供する。この方法は
、 ａ）ガラス基板またはスーパーストレート上でテクスチュア化された表面を提供
する工程であって、テクスチュアリング層は結合マトリクス中に保持されたテク
スチュアリング粒子を含む工程と、 ｂ）テクスチュア化された表面上にシリコン膜を形成すると共にそのシリコン膜
内に光起電性デバイスを形成する工程であって、シリコン膜の厚さは１０μｍよ
り小さい工程と、 を含む。
【００１１】 第２の観点によれば、本発明は光閉じ込め構造を組み入れた光起電薄膜デバイ
スを提供する。この光起電デバイスはガラス基板あるいはスーパーストレート上
に設けられたテクスチュア化された表面上に形成されると共に、少なくとも１つ
のｐｎ光起電性接合がその中に形成されるシリコン薄膜を含み、前記シリコン膜
の厚さは１０μｍ未満であり、テクスチュア化された表面は基板あるいはスーパ
ーストレートの表面上のテクスチュアリング層により提供されると共に結合マト
リクス中に保持されたテクスチュアリング粒子を含む。
【００１２】 この発明は結晶及びアモルファスシリコン太陽電池の両方に適用することがで
きる。アモルファスシリコン電池の場合、シリコン薄膜はＴＣＯ層上に形成され
、あるいはその代わりにテクスチュアリング粒子を含むテクスチュアリング膜自
体がＴＣＯ材料であってもよい。
【００１３】 この発明の実施の形態では、テクスチュアリング層は好ましくは、シリコン膜
の厚さの０．５〜０．２倍の範囲の寸法を有する表面特徴を含む。
【００１４】 シリコン膜の厚さは典型的には５μｍ未満であり、好ましくは２μ以下である
。シリコン膜は典型的には少なくとも０．５μｍ以上であり、好ましくは１μｍ
を超える。典型的にはテクスチュア化された表面構造のスケールは０．０１〜１
０μｍの範囲である。構造のサイズの有効な下限は結晶シリコン中の光の波長の
オーダーであり、典型的には有効な下限は０．０５μｍである。テクスチュアリ
ングはまたシリコン膜の厚さよりも大きい寸法を有する大規模な構造を含んでも
よい。
【００１５】 １組の実施の形態では、テクスチュア化された層は、０．５〜３μｍのオーダ
ー、好ましくは１〜２μｍのオーダーの粒子寸法を有する粉砕石英をガラスゾル
中に混ぜ込み、その混合物をガラス表面に形成し、加熱してそのガラスゾルを焼
結させ誘電層を形成することにより、ガラス表面に形成される。この場合、表面
の最終構造の寸法はかなり小さな構図尾を含み、石英の粒子サイズと共に、主に
粉砕石英の表面粗さ及び誘電層の厚さにより決定される。
【００１６】 この発明の好ましい実施の形態では、基板あるいはスーパーストレートのテク
スチュアリングは直径０．１〜２μｍの範囲の単球ＳｉＯ2粒子を含むＳｉＯ2層
により達成される。好ましくは単球粒子は０．５〜０．９μｍの範囲であり、特
に好ましい実施の形態では、粒子は約０．７μｍ（例えば、０．６５〜０．７５
μｍ）である。粒子は単球粒子の直径の０．２〜０．８倍の範囲の厚さを有する
平滑なＳｉＯ2膜内に配置される。好ましくはＳｉＯ2層は粒子直径の０．３５〜
０．５倍の範囲であり、特に好ましい実施の形態では約０．３μｍ（例えば、０
．２５〜０．３５μｍ）である。粒子寸法と膜厚の間の差によりテクスチュア化
された表面が得られるが、この場合、その構造が大きくなるにつれその間隔がよ
り大きくなる。ＳｉＯ2粒子及び膜はどちらもゾル−ゲルプロセスにより作製さ
れる。
【００１７】 ＳｉＯ2層はまたガラス基板とシリコン膜との間のバリヤ層を提供する。別の
バリヤ層が反射防止層として機能しても良く、４分の１波長±２０％と等しい厚
さを有するように配列される。窒化珪素の場合、その厚さは７０ｎｍ±２０％で
ある。
【００１８】 この発明の典型的な実施の形態では、シリコン膜構造の裏面（すなわちガラス
から離れた側）は該裏面上に形成された反射材料を有する。典型的には、反射材
料は電池の活性領域に接触するために使用されるメタライゼーション構造である
。幾つかの実施の形態では、メタライゼーション構造は絶縁層によりシリコン裏
面のほとんどから絶縁される。
【００１９】 この発明の実施の形態について、添付の図面を用いて実施例により説明する。
【００２０】 （発明を実施するための最良の形態） 形成されたテクスチュアリング層３２を有するガラス基板１１上に薄膜シリコ
ン太陽電池を形成する。前記テクスチュアリング層は１〜２μｍのオーダーの直
径を有するテクスチュアリング粒子３４が混合されたＳｉＯ2膜を含み、これに
よりテクスチュア化された表面３９が形成される。ＳｉＯ2膜はテクスチュアリ
ング粒子の平均直径よりも薄く、そのため石英はスピンオン（spin-on）ガラス
から突出している。
【００２１】 この場合誘電層はバリヤ層機能を提供するが、別の反射防止コーティングを必
要に応じて使用してもよく、このコーティングはテクスチュア化された表面３９
と等角な上面３５を有する。図２に示されるように、その後シリコン膜１５を反
射防止コーティング３８のテクスチュア化された表面３５上に形成する。シリコ
ン膜の厚さは好ましくは０．５〜２μｍの範囲（すなわち、ＳｉＯ2層の表面上
に設けられたテクスチュア構造の寸法と同様の厚さ）である。この方法により製
造されたシリコン膜は、該シリコン膜が形成されるテクスチュア化された表面に
ゆるく適合するが、膜の反対面は少なくとも小さなスケールでは実質的には平行
ではない。そのため、光は、一般にシリコン表面に対してある角度を持ってシリ
コン膜を通過する。
【００２２】 より重要なことは、光がたいてい表面３６に対する垂線に対してかなりの角度
でシリコン膜の裏面（図１及び図２中の上面）に当たることである。そのため、
かなりの数の入射に対し、内面全反射が起こる。表面３６は、また反射材料３０
でコートしても良く（例えば金属裏面コンタクト）、この表面に当たる光の内反
射を補助してもよい。
【００２３】 図３，図４，図５について説明する。各図には、ＳｉＯ2３３の層３２が基板
１１の表面に形成されている他の実施の形態が示されている。ＳｉＯ2層３２は
ＳｉＯ2単球（モノスフェア）３７を含み、これによりスピン−オン層のテクス
チュア化された表面が得られる。
【００２４】 図３，図４，図５の実施の形態を形成するための工程は、ゾル−ゲルプロセス
によりＳｉＯ2ゾルを形成する工程を含み、ＳｉＯ2の単球粒子は調製中にＳｉＯ 2 ゾル中で形成され、ＳｉＯ2ゾルは基板またはスーパーストレート１１に形成さ
れ、そのため得られたＳｉＯ2層３２は薄膜太陽電池製作においてテクスチュア
化された表面３９を形成する。上面３５を有する反射防止コーティング３８もま
た形成してもよい。好ましい実施の形態では、ＳｉＯ2層３２は直径約０．７μ
ｍの単球ＳｉＯ2粒子と、ＳｉＯ2粒子３７を覆う約０．３μｍの厚さの平滑なＳ
ｉＯ2層３２を含む。粒子寸法と膜厚との差によりテクスチュア化された表面が
得られる。しかしながら、０．５〜２μｍの範囲の粒子を、単球直径の０．２〜
０．８倍の範囲のＳｉＯ2膜厚と共に使用することができる。
【００２５】 図４について説明する。プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）などの形成方法
を使用して、シリコン膜１５がバリヤ層３８のテクスチュア化された表面３５上
に蒸着される過程では、膜は表面上の全ての点から同時に、実質的に一定の速度
で、各点において表面に垂直な方向に成長する。これにより図５に示されたもの
と同様の膜が得られる。図５では、基板の表面上の（すなわち、表面３５上の）
小さなかなりまばらなテクスチュアリング構造がシリコン膜の反対面３６上で互
いに合併しより大きな特徴となっている。これにより、シリコン膜の表面間でか
なりの非平行性が得られ、基板を通って光が膜に照射されると良好な光閉じ込め
が形成される。このアプローチはアモルファスシリコンデバイスに対し有効であ
り、かつ、結晶構造が直接形成される場合及び結晶構造がアモルファスシリコン
を結晶化させることにより（例えば、固相結晶化により）形成される場合の両方
における結晶シリコンデバイスに対しても有効であることに注意すべきである。
【００２６】 最後に、シリコンが形成され、シリコン層全体上で実行するのに必要な全ての
処理が完了した後、例えば、誘電層１９が形成された後、金属層４０がシリコン
表面３６上に形成され、裏面反射器が提供され、シリコン膜内に形成された半導
体デバイスに接触するように処理されてコンタクトとされる。誘電層１９はシリ
コン１５と金属層４０との間に配置され、金属を半導体膜の上部領域から絶縁し
ている。そのため、金属部分は接合の短絡を起こさずに半導体膜の低部領域に接
続されることが可能である。
【００２７】 形成されるＳｉＯ2粒子３７及び膜３２はどちらもゾル−ゲルプロセスにより
製作される。ゾル−ゲルプロセスは、加水分解剤として作用する水及び溶剤とし
てのアルコールと金属有機化合物を混合する工程を含む。金属有機化合物は、溶
液中の水と反応して金属酸化物ポリマーを形成する。ポリマー粒子のサイズは溶
液のｐＨ値に依存する。反応後の溶液はゾルと呼ばれる。溶剤を蒸発させるとゾ
ルはゲルに転移する。更に焼結させるとゲルは固い金属酸化物（すなわち、Ｓｉ
Ｏ2誘電層）となる。
【００２８】 ゾル−ゲルプロセスは、純度が高い、濃度がよく制御されている、形成が簡単
などの所定の利点を有する。これらの利点によりこのプロセスの用途は広い。例
えば、スピン−オンガラス（ＳＯＧ）として知られているゾル−ゲルプロセスは
半導体業界において何年間も使用されてきている。しかしながら、通常、この場
合のように、かなりのサイズの粒子を含むゲルを製作するには望ましくない。
【００２９】 ゾル−ゲルプロセスにより形成される金属酸化物のうち、ＳｉＯ2ゾルは様々
な産業で適用されている。半導体業界では、このプロセスにより形成されるＳｉ
Ｏ2層が使用されて誘電層及び平坦化（プラナリゼーション：planarization）層
が形成されている。ドーパントがＳｉＯ2ゾル中に添加された場合、ドーピング
源を形成するためにも使用される。ＳｉＯ2膜はまた、反射防止層、バリヤ層、
強化層、耐薬品性層などとしても使用されている。
【００３０】 上述したように、ポリマー粒子３７のサイズは溶液のｐＨ値により調整するこ
とができる。一般に、溶液のｐＨ値が７より低いと、粒子サイズは１００ｎｍよ
り小さくなる。ほとんどのスピン−オンガラスはこのように挙動する。ｐＨが７
を超えると、粒子サイズは増加し１．０μｍを超える。
【００３１】 この実施の形態は、以下の通り、この発明の他の望ましい実施の形態よりも重
大な利点を有する。
【００３２】 ｉ） ＳｉＯ2粒子は単一サイズ及び単球（球状）とすることができる。そのた
め、ＳｉＯ2膜と共に、テクスチュアは、テクスチュア構造の高さの観点から非
常に平滑にかつ均一に製作することができる。この構造は、効率の高い薄膜太陽
電池を製作するのに重要である。というのは、この構造により鋭い溝／クラック
が減少し、このためテクスチュアリングをさらに処理しなくても分路（シャンテ
ィング）の問題が減少する。 ｉｉ） 化学的テクスチュアリングまたはサンドブラスト加工によりガラス表面
に傷を形成するかわりに、ゾル−ゲルテクスチュア層は、実質的にその傷をふさ
ぎ、そのためガラスはテクスチュアリング後に強化されることがある。 ｉｉｉ） ゾル−ゲルテクスチュアにより不純物がガラスからＳｉ膜に移動する
のを妨げる余分なバリヤ層が提供される。 ｉｖ） テクスチュアは、そのテクスチュア構造に損害を与えずに、非常に高い
温度（例えば、Ｓｉの融点まで）にさらすことができる。というのは、テクスチ
ュアは、ＳｉＯ2により形成されており、ガラス基板よりも高い融点を有してい
るからである。一方、化学的なテクスチュア構造は、高温で溶融し、光閉じ込め
効果が減少する。 ｖ） 環境的に優しいプロセスである。問題がある可能性のある工程は、処理中
に大気中にエタノールを放出することがある工程のみである。しかし、エタノー
ルを再利用するのは比較的簡単な問題である。化学的テクスチュアリングでは、
比較すると膨大な量のＨＦ廃棄物が生成される。 ｖｉ）テクスチュア層を形成するプロセスは、スケールアップすることが容易で
ある。 ｖｉｉ）廃棄物処理のコストが化学テクスチュアリングのコストに含まれるする
と、本プロセスのコストは化学テクスチュアリングのコストよりも低い。
【００３３】 上記実施の形態は平面基板あるいはスーパーストレート上にテクスチュア化さ
れた層を形成するものであるが、基板あるいはスーパーストレート表面に直接テ
クスチュアリングを施すことも可能である。
【００３４】 図８には図３〜５の実施の形態と同様の実施の形態の断面図が示されている。
この図では、基板から経路１８に沿ってシリコン膜１５に入るか、又は、その膜
から出て行く光の光子と、シリコン膜１５における低誘電／シリコン界面２０（
あるいは反射防止層／シリコン界面）と上部シリコン／誘電界面２１あるいは金
属（裏面コンタクト）１９の表面との間で数回反射される光の光子とが示されて
いる。この反射により、シリコン薄膜内で形成される光起電性電池の変換効率が
増加する。
【００３５】 この発明はまたアモルファスシリコン電池に適用してもよい。この場合、アモ
ルファス電池を製造する従来の処理工程は以下のように修正される。
【００３６】 １）ガラス基板またはスーパーストレートの表面に、ＴＣＯマトリクス内に拘束
されたテクスチュアリング粒子を含むテクスチュアリング層を適用する。ＴＣＯ
材料は、ゾル−ゲルプロセス、スパッタリングを用いる析出、あるいは他の適し
た技術により形成することができる。テクスチュアリング粒子は、ＳｉＯ2ビー
ズ、粉砕石英、あるいはＴＣＯ材料自体の粒子としてもよい。 ２）ＴＣＯマトリクス上にアモルファスシリコン膜を形成する。 あるいは、その代わりに １）図１から図５を用いて説明したように、ガラス基板またはスーパーストレー
トの表面に、ＳｉＯ2マトリクス内に拘束されたテクスチュアリング粒子を含む
テクスチュアリング層を形成する。 ２）ＳｉＯ2マトリクス上にＴＣＯ膜を形成する。 ３）ＴＣＯ膜上にアモルファスシリコン膜を形成する。
【００３７】 当業者であれば、広く説明されたこの発明の精神及び範囲内であれば、特定の
実施の形態において示したこの発明に様々な変更及び／または改良をすることが
可能であることは理解されるであろう。そのため、これらの実施の形態は全ての
観点から例示的なものであり限定するものではないと考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 テクスチュア化された層が基板に形成されている本発明の第１の
実施の形態の製造における２つの段階の概略を示したものである。
【図２】 テクスチュア化された層が基板に形成されている本発明の第１の
実施の形態の製造における２つの段階の概略を示したものである。
【図３】 異なるテクスチュア化された層が基板に形成されている本発明の
第２の実施の形態の製造における３つの段階の概略を示したものである。
【図４】 異なるテクスチュア化された層が基板に形成されている本発明の
第２の実施の形態の製造における３つの段階の概略を示したものである。
【図５】 異なるテクスチュア化された層が基板に形成されている本発明の
第２の実施の形態の製造における３つの段階の概略を示したものである。
【図６】 図３、図４、図５について説明した方法にかかるテクスチュア化
された表面の斜視図である。
【図７】 図３、図４、図５について説明した方法により製造したデバイス
の断面写真である。
【図８】 テクスチュア化された誘電（ＳｉＯ2）層を有するガラス基板及
びその表面上に形成されたシリコン薄膜の側断面図であり、ガラス基板、テクス
チュアリング層及びシリコン層を通過する入射光子の代表的な経路を示したもの
である。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年５月８日（２００１．５．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 シー チェンロン オーストラリア ニュー サウス ウェー ルズ州 ビーコン ヒル プリンセス メ アリー ストリート 37 Ｆターム(参考） 5F051 AA03 AA05 CB30 FA02 GA03 GA16 【要約の続き】 も小さなスケールでは実質的には非平行であり、光は一 般にシリコン面に対しある角度でシリコン膜を通過する であろう。より重要なことは、光はしばしば表面（３ ６）に対する垂線に対しかなりの角度でシリコン膜の裏 面（図において上面）に当たり、そのためかなりの数の 入射に対し、内面全反射が起こる。表面（３６）はまた （裏面金属コンタクトなどの）反射材料（４０）でコー トしてこの面に当たる光の内反射を補助してもよい。

Claims (52)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガラス基板またはスーパーストレート上に形成された薄膜シ
    リコン太陽電池内に光閉じ込め構造を形成する方法であって、 ａ）結合マトリクス中に保持されたテクスチュアリング粒子を含むテクスチュア
    リング層を前記ガラス基板または前記スーパーストレートの表面に形成する工程
    と、 ｂ）テクスチュア化された表面上に厚さが１０μｍ未満のシリコン膜を形成し、
    前記シリコン膜内に光起電性デバイス構造を形成する工程と、 を含む方法。
  2. 【請求項２】 前記薄膜シリコンデバイスは結晶シリコン薄膜中に形成され
    る請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記薄膜シリコンデバイスはＴＣＯ層上に形成されたアモル
    ファスシリコン薄膜中に形成される請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記テクスチュアリング層のテクスチュア化された表面は前
    記シリコン膜の厚さの０．０５〜２倍の範囲の寸法を有する表面構造を含む請求
    項１、２または３のいずれか１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記テクスチュアリング層は、テクスチュアリング粒子を含
    むゾル−ゲルガラスを調製し、形成後のガラス膜の厚さが前記テクスチュアリン
    グ粒子の平均直径より小さくなるように前記ゾル−ゲルガラスを前記基板または
    前記スーパーストレートの表面に形成し、前記ゾル−ゲルガラス層を加熱し焼結
    させ誘電層とすることにより、前記基板または前記スーパーストレートの表面に
    形成される請求項１、２、３または４のいずれか１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記テクスチュアリング層は、テクスチュアリング粒子を含
    むゾル−ゲルガラスを調製し、形成後のガラス膜の厚さはテクスチュアリング粒
    子の平均直径より小さくなるように前記ゾル−ゲルガラスを前記基板または前記
    スーパーストレートの表面に形成し、前記ゾル−ゲルガラス層を加熱し焼結させ
    ることによりＴＣＯ層とすることにより前記基板またはスーパーストレートの表
    面に形成され、前記ＴＣＯ層上に形成されたアモルファスシリコン薄膜中に薄膜
    シリコンデバイスが形成される請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記ゾル−ゲルガラス層から製造された前記誘電層はＳｉＯ 2 層である請求項５に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記テクスチュアリング粒子はＳｉＯ2単球粒子である請求
    項６または７記載の方法。
  9. 【請求項９】 ＳｉＯ2粒子の直径は０．２〜１．５μｍの範囲にある請求
    項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ＳｉＯ2粒子の直径は０．５〜０．９μｍの範囲にある請
    求項８記載の方法。
  11. 【請求項１１】 ＳｉＯ2粒子の直径は０．６５〜０．７５μｍの範囲にあ
    る請求項８記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記テクスチュアリング粒子は粉砕石英である請求項７記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記石英粒子の直径の大部分は０．５〜３．０μｍの範囲
    にある請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記石英粒子の直径の大部分は１．０〜２．０μｍの範囲
    にある請求項１２記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記結合マトリクスの厚さは前記テクスチュアリング粒子
    の平均直径の０．２〜０．８倍の範囲にある請求項９ないし１４のいずれか１つ
    に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記結合マトリクスの厚さは前記テクスチュアリング粒子
    の平均直径の０．３５〜０．５倍の範囲にある請求項９ないし１４のいずれか１
    つに記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記結合マトリクスの厚さは０．２５〜０．３５μｍの範
    囲であり、前記テクスチュアリング粒子の平均直径は０．６５〜０．７５μｍの
    範囲である請求項８記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記テクスチュアリング層を形成する工程を完了した後、
    シリコン薄膜を形成する前に薄い等角バリヤ層を形成する請求項５ないし１７の
    いずれか１つに記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記バリヤ層は、前記バリヤ層材料内の光の４分の１波長
    ±２０％と等しい厚さで形成される請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記バリヤ層材料は窒化珪素であり、厚さは７０ｎｍ±２
    ０％である請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記テクスチュア化された表面上に形成されたシリコン薄
    膜の厚さは前記表面テクスチュアリングの構造の平均高さの１〜１０倍の範囲に
    ある請求項４ないし２０のいずれか１つに記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記テクスチュア化された表面上に形成されたシリコン薄
    膜の厚さは前記表面テクスチュアリングの構造の平均高さの２〜３倍の範囲にあ
    る請求項４ないし２０のいずれか１つに記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記テクスチュア化された表面上に形成されたシリコン薄
    膜の厚さは１〜２μｍの範囲である請求項１７記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記シリコン膜を形成した後、前記基板または前記スーパ
    ーストレートから離れた前記シリコン膜の表面上に反射材料層を形成する請求項
    １ないし２３のいずれか１つに記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記反射材料層の形成前に、前記基板または前記スーパー
    ストレートから離れた前記シリコン膜の表面上に絶縁層を形成する請求項２４記
    載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記反射材料層は、前記電池の活性領域に接触するメタラ
    イゼーション構造を形成する請求項２４または２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 光閉じ込め構造を組み入れた薄膜光起電性デバイスであっ
    て、 ガラス基板またはスパーストレート上に設けられたテクスチュア化された表面
    上に形成され、 少なくとも１つのｐｎ光起電性接合が形成されたシリコン薄膜を含む光起電性
    デバイスであって、 前記シリコン薄膜の厚さは、１０μｍ未満であり、 前記テクスチュア化された表面は、前記基板または前記スーパーストレートの
    表面に配置されると共に結合マトリクス中に保持されたテクスチュアリング粒子
    を含むテクスチュアリング層により提供されている 薄膜光起電性デバイス。
  28. 【請求項２８】 前記シリコン薄膜は結晶シリコン薄膜である請求項２７記
    載のデバイス。
  29. 【請求項２９】 前記シリコン薄膜はＴＣＯ膜上に形成されたアモルファス
    シリコン薄膜である請求項２７記載のデバイス。
  30. 【請求項３０】 前記テクスチュアリング層のテクスチュア化された表面は
    、シリコン膜の厚さの０．０５〜０．２倍の範囲の寸法を有する表面構造を含む
    請求項２７、２８または２９のいずれか１つに記載のデバイス。
  31. 【請求項３１】 前記テクスチュアリング層はテクスチュアリング粒子を含
    む硬化ゾル−ゲルガラスとして形成された誘電層であり、前記ゾル−ゲルガラス
    の厚さは前記テクスチュアリング粒子の平均直径よりも小さい請求項２７、２８
    、２９または３０のいずれか１つに記載のデバイス。
  32. 【請求項３２】 前記テクスチュアリング層はテクスチュアリング粒子を含
    む硬化ＴＣＯゾル−ゲル膜として形成されたＴＣＯ層であり、前記ゾル−ゲル膜
    の厚さは前記テクスチュアリング粒子の平均直径よりも小さく、前記シリコン薄
    膜はＴＣＯ膜上で形成されたアモルファスシリコン薄膜である請求項２７に記載
    のデバイス。
  33. 【請求項３３】 前記誘電層はＳｉＯ2層である請求項３１記載のデバイス
    。
  34. 【請求項３４】 前記テクスチュアリング粒子は単球ＳｉＯ2粒子である請
    求項３２または３３記載のデバイス。
  35. 【請求項３５】 前記ＳｉＯ2粒子の直径は０．２〜１．５μｍの範囲であ
    る請求項３４記載のデバイス。
  36. 【請求項３６】 前記ＳｉＯ2粒子の直径は０．５〜０．９μｍの範囲であ
    る請求項３４記載のデバイス。
  37. 【請求項３７】 前記ＳｉＯ2粒子の直径は０．６５〜０．７５μｍの範囲
    である請求項３４記載のデバイス。
  38. 【請求項３８】 前記テクスチュアリング粒子は粉砕石英である請求項３１
    または３３記載のデバイス。
  39. 【請求項３９】 前記石英粒子の直径の大部分は０．５〜３．０μｍの範囲
    にある請求項３８記載のデバイス。
  40. 【請求項４０】 前記石英粒子の直径の大部分は１．０〜２．０μｍの範囲
    にある請求項３８記載のデバイス。
  41. 【請求項４１】 前記結合マトリクスの厚さは前記テクスチュアリング粒子
    の平均直径の０．２〜０．８倍の範囲にある請求項３５ないし４０のいずれか１
    つに記載のデバイス。
  42. 【請求項４２】 前記結合マトリクスの厚さは前記テクスチュアリング粒子
    の平均直径の０．３５〜０．５倍の範囲にある請求項３５ないし４０のいずれか
    １つに記載の方法。
  43. 【請求項４３】 前記結合マトリクスの厚さは０．２５〜０．３５μｍの範
    囲であり、前記テクスチュアリング粒子の平均直径は０．６５〜０．７５μｍの
    範囲である請求項３４記載のデバイス。
  44. 【請求項４４】 薄い等角バリヤ層が前記テクスチュアリング層と前記シリ
    コン薄膜との間に配置される請求項３０、３１、３３ないし４３のいずれか１つ
    に記載のデバイス。
  45. 【請求項４５】 前記バリヤ層は、前記バリヤ層材料における光の４分の１
    波長±２０％と等しい厚さを有する請求項４４記載のデバイス。
  46. 【請求項４６】 前記バリヤ層材料は窒化珪素であり、厚さは７０ｎｍ±２
    ０％である請求項４５記載のデバイス。
  47. 【請求項４７】 前記シリコン薄膜の厚さは前記表面テクスチュアリングの
    構造の平均高さの１〜１０倍の範囲にある請求項３０ないし４６のいずれか１つ
    に記載のデバイス。
  48. 【請求項４８】 前記シリコン薄膜の厚さは前記表面テクスチュアリングの
    構造の平均高さの２〜３倍の範囲にある請求項３０ないし４６のいずれか１つに
    記載のデバイス。
  49. 【請求項４９】 前記シリコン薄膜の厚さは１〜２μｍの範囲である請求項
    ４３記載のデバイス。
  50. 【請求項５０】 反射材料層が前記基板または前記スーパーストレートから
    離れたシリコン膜の表面上に配置された請求項２７ないし４９のいずれか１つに
    記載のデバイス。
  51. 【請求項５１】 絶縁層が前記シリコン膜と前記反射材料膜との間に配置さ
    れた請求項５０記載のデバイス。
  52. 【請求項５２】 前記反射材料層は、また前記電池の活性領域に接触するた
    めのメタライゼーション構造を形成する請求項５０または５１記載のデバイス。
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