JP2012523125A - 光起電モジュール、及び、タンデム型半導体層スタックを有する光起電モジュールを製造する方法 - Google Patents

光起電モジュール、及び、タンデム型半導体層スタックを有する光起電モジュールを製造する方法 Download PDF

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Abstract

一体的に統合された光起電モジュールを提供する。このモジュールは、基材の上に絶縁基材と下部電極とを含む。この方法は、下部電極の上の微晶質シリコン層の下部スタックと、下部スタックの上の非晶質シリコン層の上部スタックと、上部スタックの上の上部電極とをさらに含む。シリコン層の上部スタックと下部スタックとが異なるエネルギーバンドギャップを有する。このモジュールは、シリコン層の上部スタック及び下部スタックの中において下部電極から上部電極まで垂直に延在する埋め込みバイパスダイオードをさらに含む。この埋め込みバイパスダイオードは、下部スタック及び上部スタックの一部分であって、下部スタック及び上部スタックの残りの部分より高い結晶化度を有する一部分を含む。
【選択図】図なし

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００９年６月１０日に提出した「タンデム型半導体層スタックを有する光起電装置(Photovoltaic Devices Having Tandem Semiconductor Layer Stacks)」と題された同時係属中の米国仮特許出願シリアルナンバー６１／１８５，７７０（「７７０出願」）、２００９年６月３０日に提出した「複数の半導体層スタックを有する光起電装置(Photovoltaic Devices Having Multiple Semiconductor Layer Stacks)」と題された同時係属中の米国仮特許出願シリアルナンバー６１／２２１，８１６（「８１６出願」）、及び、２００９年８月３日に提出した「複数の半導体層スタックを有する光起電装置(Photovoltaic Devices Having Multiple Semiconductor Layer Stacks)」と題された同時係属中の米国仮特許出願シリアルナンバー６１／２３０，７９０（「７９０出願」）の非仮特許出願であり、かつ、これらの仮特許出願の優先権の利益を主張する。７７０出願、８１６出願及び７９０出願のすべての開示は、参照することによって本明細書に組み込まれている。
本明細書に記載されている主題は、光起電装置に関する。いくつかの既知の光起電装置は、シリコンの薄膜の活性部分を有する薄膜ソーラーモジュールを含む。モジュールに入射する光は、活性シリコン膜の中へ進む。光がシリコン膜に吸収されれば、光は、シリコンの中で電子及び孔を生じさせることができる。電子及び孔は、モジュールから取り出して外部の電気負荷に適用することができる電位及び／又は電流を生じさせるために使用される。
光の中の光子は、シリコン膜の中で電子を励起し、シリコン膜の中で原子から電子を分離させる。光子が電子を励起して、膜の中で原子から電子を分離させるためには、光子は、シリコン膜におけるエネルギーバンドギャップを超えるエネルギーを有していしなければならない。光子のエネルギーは、膜に入射する光の波長と関連がある。したがって、光は、膜のエネルギーバンドギャップ及び光の波長に応じてシリコン膜に吸収される。
いくつかの既知の光起電装置は、互いに重なるように、かつ、下部電極と上部電極との間に堆積させた２組以上のシリコン膜を含むタンデム型層スタックを含む。膜の異なる組は、異なるエネルギーバンドギャップを有することができる。装置に入射光のより多くの波長を吸収させることができるので、膜の異なる組に異なるバンドギャップを与えることによって、装置の効率を高めることができる。例えば、膜の第１の組は、膜の第２の組より大きなエネルギーバンドギャップを有していてもよい。膜の第１の組のエネルギーバンドギャップを超えるエネルギーを伴う波長を有する光の一部は、膜の第１の組に吸収されて電子と正孔とのペアを生じさせる。膜の第１の組のエネルギーバンドギャップを超えないエネルギーを伴う波長を有する光の一部は、電子と正孔とのペアを生じさせずに、膜の第１の組を通過する。膜の第２の組がより低いエネルギーバンドギャップを有していれば、膜の第１の組を通過する光の少なくとも一部は、膜の第２の組に吸収され得る。
膜の異なる組に異なるエネルギーバンドギャップを与えるために、シリコン膜にゲルマニウムを混ぜることによって膜のバンドギャップを変えることができる。しかし、膜にゲルマニウムを混ぜることは、製造において使用することができる堆積速度を低下させる傾向がある。更に、ゲルマニウムを混ぜたシリコン膜は、ゲルマニウムを含まないものよりも、光によってより分解される傾向がある。さらに、ゲルマン（シリコンゲルマニウム合金を堆積させるために使用する原料ガス）は、高価で危険である。
ゲルマニウムをシリコン膜に混ぜることに代えて、非晶質のシリコン膜に代えて微晶質のシリコン膜としてシリコン膜を堆積させることによって、光起電装置中のシリコン膜のエネルギーバンドギャップを低下させることができる。非晶質シリコン膜は、一般に、微晶質の状態で堆積させたシリコン膜よりも大きなエネルギーバンドギャップを有する。いくつかの既知の光起電装置は、微晶質シリコン膜と連続した非晶質のシリコン膜スタックを有する半導体層スタックを含む。そのような装置においては、接合体におけるキャリア輸送に伴う損失を低減させるために、非晶質シリコン膜を比較的薄い厚さで堆積させる。例えば、入射光によってシリコン原子から励起されて、上部電極又は下部電極に届く前に他のシリコン原子又は他の電子及び孔に再結合する電子及び孔の量を減らすために、非晶質シリコン膜を薄い厚さで堆積させることができる。電極に届かない電子及び孔は、光起電装置によって生じる電圧又は電流に寄与しない。しかし、非晶質シリコン接合体の厚さを薄くすると、非晶質シリコン接合体に吸収される光が少なくなり、シリコン膜における光電流の流れが減少する。結果として、入射光を電流に変換することにおける光起電装置の効率は、その装置スタックの中の非晶質シリコン接合体によって限定される可能性がある。
比較的薄い非晶質シリコン膜を有するいくつかの光起電装置においては、活性非晶質シリコン膜を有する装置中の光起電電池の表面積を、その電池の不活性領域に対して大きくしてもよい。活性領域は、入射光を電力に変換するシリコン膜を含む。一方で、非活性領域又は不活性領域は、シリコン膜が存在しない又は入射光を電力に変換しない電池の一部分を含む。装置中の不活性領域に対して、装置中の光起電電池の活性領域を増加させることによって、その光起電装置によって生成される電力を増加させることができる。例えば、活性非晶質シリコン膜を有する一体的に統合された薄膜光起電モジュールの電池の幅を大きくすることは、モジュールにおいて光に暴露される活性光起電材料の割合又はパーセンテージを増大させる。活性光起電材料の割合が増加すると、その装置によって生じる全光電流が増大し得る。
電池の幅を長くすることによっても、その装置の光透過電極の大きさ又は面積が大きくなる。光透過電極は、装置の電圧又は電流を生じさせるために電池において生じた電子又は孔を伝導する電極である。光透過電極の大きさ又は面積が大きくなると、光透過電極の電気抵抗（Ｒ）も増加する。光透過電極を通る電流（Ｉ）も増加し得る。光透過電極を通る電流及び光透過電極の抵抗が増加すると、光起電装置においてＩ２Ｒ損失のようなエネルギーロスが増加する。エネルギーロスが増加すると、光起電装置が効率的でなくなり、装置によって生成される電力が小さくなる。したがって、一体的に統合された薄膜光起電装置においては、装置中の活性光起電材料の割合と、装置の透明な導電性電極において生じるエネルギーロスとの間に相反関係が存在する。
入射光を電流に変換する際の高められた効率及び／又は低減されたエネルギーロスを有する光起電装置の必要性がある。
一実施形態において、一体的に統合された光起電モジュールを提供する。このモジュールは、絶縁基材と、その基材の上の下部電極とを含む。この方法は、下部電極の上の微晶質シリコン層の下部スタックと、下部スタックの上の非晶質シリコン層の上部スタックと、上部スタックの上の上部電極とをさらに含む。シリコン層の上部スタックと下部スタックとは、異なるエネルギーバンドギャップを有する。このモジュールは、シリコン層の上部スタック及び下部スタックの中において下部電極から上部電極まで垂直に延在する埋め込みバイパスダイオードも含む。この埋め込みバイパスダイオードは、下部スタック及び上部スタックの一部分であって、下部スタック及び上部スタックの残りの部分よりも高い結晶化度の部分を有する一部分を含む。
他の一実施形態において、光起電モジュールを製造する方法を提供する。この方法は、基材を提供するステップと、基材の上に下部電極を堆積させるステップとを含む。この方法は、さらに、下部電極の上に微晶質シリコン層の下部スタックを堆積させるステップと、微晶質シリコン層の下部スタックの上に非晶質シリコン層の上部スタックを堆積させるステップと、非晶質シリコン層の上部スタックの上に上部電極を堆積させるステップと含む。下部スタック及び上部スタックの少なくとも１つは、ｎ−ドープシリコン層、真性シリコン層及びｐ−ドープシリコン層を有するシリコン層のＮ−Ｉ−Ｐスタックを含む。真性シリコン層は、少なくとも摂氏２５０℃の温度で真性シリコン層を堆積させることによって低減されたエネルギーバンドギャップを有する。
他の一実施形態において、光起電モジュールを製造する他の方法を提供する。この方法は、基材及び下部電極を提供するステップと、下部電極の上に微晶質シリコン層の下部スタックを堆積させるステップとを含む。この方法は、下部スタックの上に非晶質シリコン層の上部スタックを堆積させるステップと、非晶質シリコンの上部スタックの上に上部電極を提供するステップとをさらに含む。この方法は、上部電極の一部を除去することによって下部スタック及び上部スタックの結晶化度を高めるステップをさらに含む。下部スタック及び上部スタックの結晶化度は、下部スタックと上部スタックとを通り抜けて下部電極から上部電極まで延在する埋め込みバイパスダイオードを形成するために高められている。
図１は、一実施形態による光起電電池の概略図である。
図２は、図１に示されている一実施形態によるテンプレート層の構造を概略的に示している。
図３は、図１に示されている他の一実施形態によるテンプレート層の構造を概略的に示している。
図４は、図１に示されている他の一実施形態によるテンプレート層における構造を概略的に示している。
図５は、光起電装置の概略図及び一実施形態による装置の拡大図である。
図６は、一実施形態による光起電装置を製造するプロセスのフローチャートである。
先の概略、及び、本明細書に記載されている技術の特定の実施形態の下記の詳細な記載は、添付図面と共に読めば一層よく理解されるであろう。本明細書に記載されている技術を図示する目的で特定の実施形態が図面に示されている。しかしながら、本明細書に記載されている技術は、添付図面に示されている装置及び手段に限定されないように理解しなければならない。さらに、図面中の構成材が縮尺通りのものではないことを理解しなければならない。また、別の構成材に対するある構成材の相対的な大きさを、そのような相対的な大きさを要求するものとして解釈又は理解してはならない。
図１は、一実施形態による光起電電池１００の概略図である。電池１００は、上部電極層１１０と下部電極層１１２との間に又は上部電極１１０と下部電極１１２との間に配置された上部活性シリコン層スタック１０６及び下部活性シリコン層スタック１０８とともに、基材１０２及び光透過カバー層１０４を含む。上部電極層１１０及び下部電極層１１２、並びに、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８は、基材１０２とカバー層１０４との間に位置する。電池１００は基材形態の光起電電池である。例えば、基材１０２の反対側のカバー層１０４の上において電池１００に入射する光は、電池１００の活性シリコン層スタック１０６、１０８の中へ進み、これらの活性シリコン層スタックによって電位に変換される。この光は、カバー層１０４と電池１００のさらなる層及び構成材とを通って、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の方へ通過する。光は、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８に吸収される。
上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８に吸収される入射光の中の光子は、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の中の電子を励起し、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の中の原子から電子を分離させる。電子が原子から分離するときに、相補的なプラス電荷（又は孔）が生じる。上部層スタック１０６と下部層スタック１０８とは、入射光中の波長のスペクトルの異なる部分を吸収する異なるエネルギーバンドギャップを有する。電子は、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８を通って漂流又は拡散し、上部電極層１１０及び下部電極層１１２の一方に集まる。孔は、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８を通って漂流又は拡散し、上部電極層１１０及び下部電極層１１２の他方に集まる。上部電極層１１０及び下部電極層１１２における電子及び孔の集合は、電池１００における電位差を作り出す。電池１００における電位差を、さらなる電池（図示せず）において生じる電位差に加えてもよい。複数の電池１００によって生じる全電位差を増やすために、互いに連続的に結合された複数の電池１００において生じる電位差を合計してもよい。電流は、隣接する複数の電池１００の間における電子及び孔の流れによって生じる。この電流を電池１００から取り出して外部の電気負荷に適用することができる。
電池１００の構成材及び層は、図１に概略的に図示されている。構成材及び層の形状、方向及び相対的な大きさは、限定されるように意図されていない。基材１０２は電池１００の底に位置する。基材１０２は、電池１００の他の層及び構成材に機械的支持を与える。基材１０２は、非導電材料のような誘電材料を含むか、又は、該誘電材料から形成される。基材１０２は、摂氏約７５０℃未満の軟化点を有する１つ又はそれ以上の誘電材料のような、比較的低い軟化点を有する誘電体から形成することができる。単なる例として、基材１０２は、ソーダ石灰フロートガラス、低鉄フロートガラス、又は、少なくとも１０重量パーセントの酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を含むガラスから形成することができる。他の一例において、基材は、フロートガラス又はホウケイ酸塩ガラスのような他の種類のガラスから形成することができる。あるいは、基材１０２は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又は酸化アルミニウム（アルミナ又はＡｌ２Ｏ３）のようなセラミックから形成される。他の一実施形態においては、基材１０２が金属のような導電材料から形成される。単なる例として、基材１０２はステンレススチール、アルミニウム又はチタンから形成することができる。
基材１０２は、電池１００の製造及び出荷の間に機械的安定性及び熱的安定性を電池１００に与える一方で、電池１００の残りの層を機械的に支持するのに充分な厚さを有する。一実施形態において、基材１０２の厚さは、少なくとも約０．７ミリメートル〜５．０ミリメートルである。単なる例として、基材１０２は、厚さ約２ミリメートルのフロートガラスの層であってもよい。あるいは、基材１０２は、厚さ約１．１ミリメートルのホウケイ酸ガラスの層であってもよい。他の一実施形態において、基材１０２は、厚さ約３．３ミリメートルの低鉄フロートガラス又は標準的なフロートガラスの層であってもよい。
凹凸テンプレート層１１４は、基材１０２の上に堆積させることができる。あるいは、テンプレート層１１４が電池１００に含まれない。テンプレート層１１４は、電池１００においてテンプレート層１１４の直上に又は該テンプレート層の上方に堆積させた１つ以上の層及び構成材に凹凸を与える制御された所定の三次元凹凸を有する層である。一実施形態において、凹凸テンプレート層１１４は、２０１０年４月１９日に提出した「光起電電池及び薄膜シリコンに光捕捉を増強する方法（Photovoltaic Cells And Methods To Enhance Light Trapping In Thin Film Silicon）」と題された同時係属中の米国非仮特許出願シリアルナンバー１２／７６２，８８０（「８８０出願」）に記載されている一実施形態に従って堆積及び形成することができる。８８０出願のすべての開示は、参照することによって本明細書にそっくりそのまま組み込まれている。８８０出願に関して、本明細書に記載されているテンプレート層１１４は、８８０出願に記載されているテンプレート層１３６に類似しており、８８０出願に記載及び図示されている構造３００、４００、５００の１つ又はそれ以上の配列を含んでいてもよい。
図示した実施形態におけるテンプレート層１１４の凹凸は、テンプレート層１１４の１つ又はそれ以上の構造２００、３００、４００（図２〜図４に示されている）の形状及び大きさによって決定することができる。テンプレート層１１４は、基材１０２の上に堆積させる。テンプレート層１１４は、例えば、基材１０２のすぐ上に堆積させてもよい。
図２は、一実施形態によるテンプレート層１１４の中のピーク構造２００を概略的に示している。ピーク構造２００は、テンプレート層１１４の上の層において所定の凹凸を与えるために、テンプレート層１１４の中に作成される。構造２００は、テンプレート層１１４の上面２０２に沿った鋭いピークのようにみえるので、構造２００はピーク構造２００と呼ばれる。ピーク構造２００は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、ピッチ２０６、移行形状２０８及び底部幅（Ｗｂ）２１０を含む１つ又はそれ以上のパラメータによって決定される。図２に示されているように、ピーク構造２００は、基材１０２からの距離が長くなるにつれて幅が短くなる形状として形成される。例えば、ピーク構造２００は、基材１０２のところに位置する又は基材１０２の近くの底２１２から個々のピーク２１４の方に向かって小さくなる。ピーク構造２００は、図２の二次元図において三角形として示されているが、代替的に、三次元的にピラミッド形状又は円錐形状を有していてもよい。
ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４は、ピーク構造２００の間の移行形状２０８からのピーク２１４の距離の平均値又は中央値を意味する。例えば、テンプレート層１１４は、ピーク２１４の底２１２まで又は移行形状２０８の領域まで、略平坦な層として堆積させることができる。ピーク２１４を形成するためにテンプレート層１１４を堆積し続けてもよい。底２１２又は移行形状２０８とピーク２１４との間の距離がピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４であってもよい。
ピッチ２０６は、複数のピーク構造２００のピーク２１４の間の距離の平均値又は中央値を表す。ピッチ２０６は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。例えば、ピッチ２０６は、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同一であってもよい。他の一実施形態において、ピッチ２０６は、異なる方向において異なっていてもよい。あるいは、ピッチ２０６は、隣接する２つのピーク構造２００の他の同様な２つの点の間の距離の平均値又は中央値を表すものであってもよい。移行形状２０８は、ピーク構造２００の間のテンプレート層１１４の上面２０２の一般的な形状である。図示されている実施形態に示されているように、移行形状２０８は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。あるいは、この平坦なファセット形状は、三次元的にみたときに円錐又はピラミッドであってもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０は、ピーク構造２００とテンプレート層１１４の底２１２との間の界面においてピーク構造２００を横切る距離の平均値又は中央値である。底部幅（Ｗｂ）２１０は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。例えば、底部幅（Ｗｂ）２１０は、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同一であってもよい。あるいは、底部幅（Ｗｂ）２１０は、異なる方向において異なっていてもよい。
図３は、一実施形態によるテンプレート層１１４の谷構造３００を示す。谷構造３００の形状は、図２に示されているピーク構造２００の形状とは異なるが、図２に関する上記パラメータの１つ又はそれ以上によって決定することができる。例えば、谷構造３００は、ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２、ピッチ３０４、移行形状３０６及び底部幅（Ｗｂ）３０８によって決定することができる。谷構造３００は、谷構造３００の上面３１０からテンプレート層１１４の中へ伸びる凹部又はくぼみとして形成される。谷構造３００は、図３の二次元図においては放物線形状を有するものとして示されているが、三次元的には、円錐形の形状、ピラミッド形の形状又は放物面の形状を有していてもよい。実施において、谷構造３００は、理想的な放物線の形状とわずかに異なっていてもよい。
一般に、谷構造３００は、上面３１０から基材１０２の方向にテンプレート層１１４の中へ延在するくぼみを含む。谷構造３００は、移行形状３０６の間に位置するテンプレート層１１４の低点３１２又は底までへこむように延在する。ピーク高さ（Ｈｐｋ）３０２は、上面３１０と低点３１２との間の距離の平均値又は中央値を表す。ピッチ３０４は、２つの谷構造３００の同じ又は共通する２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を表す。例えば、ピッチ３０４は、２つの谷構造３００の間に伸びる移行形状３０６の中間点間の距離であってもよい。ピッチ３０４は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。ピッチ３０４は、例えば、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。他の一実施形態において、ピッチ３０４は、異なる方向において異なっていてもよい。あるいは、ピッチ３０４は、２つの谷構造３００の２つの低点３１２の間の距離を表すものであってもよい。あるいは、ピッチ３０４は、隣接する２つの谷構造３００の他の同様な２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を表すものであってもよい。
移行形状３０６は、２つの谷構造３００の間の上面３１０の一般的な形状である。図示した実施形態に示されているように、移行形状３０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。あるいは、この平坦なファセット形状は、三次元的にみたときに円錐又はピラミッドであってもよい。底部幅（Ｗｂ）３０８は、隣接する２つの谷構造３００の２つの低点３１２の間の距離の平均値又は中央値を表す。あるいは、底部幅（Ｗｂ）３０８は、２つの移行形状３０６の２つの中間点の間の距離を意味するものであってもよい。底部幅（Ｗｂ）３０８は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。例えば、底部幅（Ｗｂ）３０８は、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同一であってもよい。あるいは、底部幅（Ｗｂ）３０８は、様々な方向において異なっていてもよい。
図４は、一実施形態によるテンプレート層１１４の円形構造４００を示している。円形構造４００の形状は、図２に示されているピーク構造２００、及び、図３に示されている谷構造３００の形状とは異なるが、図２及び図３に関する上記パラメータの１つ又はそれ以上によって決定することができる。円形構造４００は、例えば、ピーク高さ（Ｈｐｋ）４０２、ピッチ４０４、移行形状４０６及び底部幅（Ｗｂ）４０８によって決定することができる。円形構造４００は、テンプレート層１１４の上面４１４の突部として、テンプレート層１１４の底部膜４１０から上方に伸びるように形成される。円形構造４００は、お略放物線又は略円形の形状を有していてもよい。実施において、円形構造４００は、理想的な放物線形状とわずかに異なっていてもよい。円形構造４００は、図４の二次元図において放物線として示されているが、代替的に、円形構造４００は、三次元の放物面、ピラミッド又は円錐の形状であって、基材１０２から離れるように上方へ伸びる形状を有していてもよい。
一般に、円形構造４００は、底部フィルム４１０から上方に、かつ、基材１０２から遠ざかるように、円形の高点４１２又は円形の頂点まで突出する。ピーク高さ（Ｈｐｋ）４０２は、底部膜４１０と高点４１２との間の距離の平均値又は中央値を意味する。ピッチ４０４は、２つの円形構造４００の同じ又は共通する２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を表す。ピッチ４０４は、例えば、２つの高点４１２の間の距離であってもよい。ピッチ４０４は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。例えば、ピッチ４０４は、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。あるいは、ピッチ４０４は、異なる方向において異なっていてもよい。他の一例において、ピッチ４０４は、２つの円形構造４００の間に延在する２つの移行形状４０６の中点の間の距離を表すものであってもよい。あるいは、ピッチ４０４は、隣接する２つの円形構造４００の上の他の同様な２つの位置の間の距離の平均値又は中央値を表すものであってもよい。
移行形状４０６は、２つの円形構造４００の間の上面４１４の一般的な形状である。図示した実施形態に示されているように、移行形状４０６は、平坦な「ファセット」の形態をとることができる。あるいは、この平坦なファセット形状は、三次元的にみたときに円錐又はピラミッドであってもよい。底部幅（Ｗｂ）４０８は、１つの円形構造４００の両側における２つの移行形状４０６の間の距離の平均値又は中央値を表す。あるいは、底部幅（Ｗｂ）４０８は、移行形状４０６の中央点の間の距離を表すものであってもよい。
一実施形態によれば、構造２００、３００、４００のピッチ２０４、３０２、４０２、及び／又は、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、約４００ナノメートル乃至約１５００ナノメートルである。あるいは、構造２００、３００、４００のピッチ２０４、３０２、４０２は、約４００ナノメートル未満又は約１５００ナノメートル超であってもよい。構造２００、３００、４００のピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２の平均値又は中央値は、対応する構造２００、３００、４００のためのピッチ２０６、３０４、４０４のおよそ２５％〜８０％であってもよい。あるいは、平均ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２は、ピッチ２０６、３０４、４０４に対して異なる比率であってもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８はピッチ２０６、３０４、４０４と略同一であってもよい。他の一実施形態において、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、ピッチ２０６、３０４、４０４と異なっていてもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、２つ以上の方向において略同一であってもよい。例えば、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、基材１０２に対して平行に延在する２つの垂直方向において同じであってもよい。あるいは、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、異なる方向において異なっていてもよい。
テンプレート層１１４の中の構造２００、３００、４００のパラメータは、光起電電池１００（図１に示されている）が二重接合体又は三重接合体電池１００であるか、及び／又は、上部層スタック１０６及び／又は下部層スタック１０８（図１に示されている）の中の半導体の膜又は層のどれが電流制限層であるかによって変化する可能性がある。例えば、上部シリコン層スタック１０６及び下部シリコン層スタック１０８は、ドープされた非晶質シリコン又はドープされた微晶質シリコンのＮ−Ｉ−Ｐ層及び／又はＰ−Ｉ−Ｎ層からなる２つ以上のスタックを含んでいてもよい。上記パラメータの１つ又はそれ以上は、Ｎ−Ｉ−Ｐスタック及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタックの中の半導体層のどれが電流制限層であるかに基づくものであってもよい。例えば、Ｎ−Ｉ−Ｐスタック及び／又はＰ−Ｉ−Ｎスタックの中の１つ又はそれ以上の層は、光が光起電電池１００に衝突するときにその光起電電池１００によって生じる電流の量を制限することができる。構造２００、３００、４００のパラメータの１つ又はそれ以上は、これらの層のどれが電流制限層であるかに基づくものであってもよい。
一実施形態において、光起電電池１００（図１に示されている）が上部シリコン層スタック１０６及び／又は下部シリコン層スタック１０８（図１に示されている）の中に微晶質シリコン層を含み、かつ、その微晶質シリコン層が上部シリコン層スタック１０６及び下部シリコン層スタック１０８の電流制限層である場合には、その微晶質シリコン層の下のテンプレート層１１４の中の構造２００、３００、４００のピッチ２０６、３０４、４０４は、およそ５００ナノメートル〜１５００ナノメートルの間であってもよい。微晶質シリコン層は、およそ５００ナノメートル乃至１５００ナノメートルの波長を有する赤外線に対応するエネルギーバンドギャップを有する。例えば、ピッチ２０６、４０４、５０４が波長におおよそ一致していれば、構造２００、３００、４００は、５００ナノメートル〜１５００ナノメートルの波長を有する赤外線をより多く反射することができる。構造２００、３００、４００の移行形状２０８、３０６、４０６は、平坦なファセットであってもよい。底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８、４０８は、ピッチ２０６、３０４、４０４の６０％乃至１００％であってもよい。ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２は、ピッチ２０６、３０４、４０４の２５％から７５％の間であってもよい。例えば、ピッチ２０６、３０４、４０４に対するピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２、４０２のある比率は、上部シリコン層スタック１０６及び／又は下部シリコン層スタック１０８の中へ他の比率に比べてより多くの光を戻すように反射する散乱角度を構造２００、３００、４００において与えることができる。
他の一例において、光起電電池１００（図１に示されている）が、非晶質シリコン層である１つの層スタック１０６又は１０８と、微晶質の半導体層である別の層スタック１０６又は１０８を含む場合には、テンプレート層１１４のためのピッチ２０６、３０４、４０４の範囲は、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８のどれが電流制限スタックであるかによって異なってもよい。上部シリコン層スタック１０６が微晶質のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ半導体層スタックを含む場合には、下部シリコン層スタック１０８が非晶質のＮ−Ｉ−Ｐ又はＰ−Ｉ−Ｎのドープ半導体層スタックを含み、上部シリコン層スタック１０６が電流制限層であり、ピッチ２０６、３０４、５０４がおよそ５００ナノメートルから１５００ナノメートルであってもよい。一方で、下部シリコン層スタック１０８が電流制限層である場合には、ピッチ２０６、３０４、４０４がおよそ３５０ナノメートル〜１０００ナノメートルであってもよい。
図１に示されている電池１００の検討に戻る。テンプレート層１１４は、８８０出願に記載されている１つ以上の実施形態に従って形成することができる。例えば、テンプレート層１１４は、基材１０２の上に非晶質シリコン層を堆積させ、その後に、非晶質シリコンの上面に置いた二酸化ケイ素球体による反応性イオンエッチングを用いて非晶質シリコンに凹凸を作ることによって形成することができる。あるいは、テンプレート層１１４は、アルミニウムとタンタルとの二重層を基材１０２の上にスパッタリングし、次に、テンプレート層１１４を陽極処理することによって形成することができる。他の一実施形態において、テンプレート層は、常圧化学蒸着を使用して、凹凸フッ素ドープ酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）の膜を堆積させることによって形成することができる。テンプレート層１１４のこれらの膜の１つ以上は、アサヒガラス社又はPilkingtonガラスのような製造業者から入手することができる。他の代替的一実施形態において、テンプレート層１１４は、基材１０２に静電荷を適用し、次に、その帯電させた基材１０２を、逆に帯電した粒子を有する環境に置くことによって形成することができる。静電力は、基材１０２に荷電粒子を引き寄せることによってテンプレート層１１４を形成する。次に、その粒子は、後の堆積ステップにおいてその粒子の上に粘着性の「接着剤」層（図示せず）を堆積させることによって、又は、粒子及び基材１０２をアニーリングすることによって、基材１０２に永続的に付着する。微粒子材料の例には、炭化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、ダイヤモンド及びＣＶＤダイヤモンドのような、ファセットセラミックス及びダイヤモンド様物質粒子が含まれる。
下部電極層１１２は、テンプレート層１１４の上に堆積させる。下部電極層１１２は、導電性反射層１１６と導電性緩衝層１１８とで構成される。この反射層１１６は、テンプレート層１１４の上に堆積させる。例えば、反射層１１６は、テンプレート層１１４の上に直接堆積させることができる。反射層１１６は、テンプレート層１１４によって決定された凹凸上面１２０を有する。例えば、反射層１１６が、テンプレート層１１４の（図２〜図４に示されている）構造２００、３００、４００と大きさ及び／又は形状が類似した構造（図示せず）を含むように、テンプレート層１１４の上に反射層１１６を堆積させることができる。
反射層１１６は、銀のような反射性導電性材料を含んでいてもよいし、又は、該材料から形成されたものであってもよい。あるいは、反射層１１６は、アルミニウム又は銀若しくはアルミニウムを含む合金を含んでいてもよいし、又は、それらから形成されたものであってもよい。反射層１１６は、厚さがおよそ１００ナノメートル〜３００ナノメートルであり、テンプレート層１１４の上に反射層１１６の材料をスパッタリングすることによって堆積させることができる。
反射層１１６は、導電層と、上部活性シリコン層スタック１０６及び下部活性シリコン層スタック１０８の中へ光を上方に反射するための反射面とを提供する。例えば、カバー層１０４に入射し、上部活性シリコン層スタック１０６及び下部活性シリコン層スタック１０８を通過する光の一部は、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８に吸収されない可能性がある。光の一部は、反射層１１６に反射し、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の中へ戻るように反射して、その反射光線が上部層スタック１０６及び／又は下部層スタック１０８に吸収されることができる。反射層１１６の凹凸上面１２０は、上部活性シリコン層スタック１０６及び下部活性シリコン層スタック１０８の中へ光が部分的に又は完全に散乱されることによって、吸収又は補足される光の量を増加させる。入射光の波長の所望の又は所定の範囲に対して、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８において補足される光の量を増やすために、ピーク高さ（Ｈｐｋ）２０４、３０２及び４０２、ピッチ２０６、３０４及び４０４、移行形状２０８、３０６及び４０６、並びに／又は、底部幅（Ｗｂ）２１０、３０８及び４０８（図２〜図４に示されている）を変更してもよい。
緩衝層１１８は、反射層１１６の上に堆積させるものであり、反射層１１６の上に直接堆積させることができる。緩衝層１１８は、下部活性シリコン層スタック１０８に電気接触を与える。例えば、緩衝層１１８は、下部活性シリコン層スタック１０８と電気的に連結された透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）材料を含んでいてもよいし、又は、該材料から形成されたものであってもよい。一実施形態において、緩衝層１１８は、アルミニウムをドープした酸化亜鉛、酸化亜鉛、及び／又は、インジウムスズ酸化物を含む。緩衝層１１８は、およそ５０ナノメートル〜５００ナノメートルの厚さで堆積させることができるが、異なる厚さを使用することもできる。
一実施形態において、緩衝層１１８は、反射層１１６と下部活性シリコン層スタック１０８との間に化学的緩衝を与える。例えば、緩衝層１１８は、電池１００の加工中及び製造中に下部活性シリコン層スタック１０８が反射層１１６によって化学的に浸食されるのを防ぐことができる。緩衝層１１８は、下部層スタック１０８においてシリコンの汚染を遅延又は防止し、下部層スタック１０８におけるプラズモン吸収ロスを低減することができる。
緩衝層１１８は、反射層１１６と下部活性シリコン層スタック１０８との間に光学的緩衝を与えることができる。例えば、緩衝層１１８は、反射層１１６に反射される所定範囲の波長に基づいた厚さで堆積させた光透過層であってもよい。緩衝層１１８の厚さは、特定波長の光が、緩衝層１１８を通過し、反射層１１６に反射し、緩衝層１１８を通過して下部層スタック１０８の中へ戻るようにすることができる。単なる例として、緩衝層１１８は、およそ７５ナノメートル〜８０ナノメートルの厚さで堆積させることができる。
下部活性シリコン層スタック１０８は、緩衝層１１８の上方に、又は、緩衝層１１８の上に直接堆積させる。一実施形態においては、およそ１マイクロメートル〜３マイクロメートルの厚さで下部層スタック１０８を堆積させるが、異なる厚さで下部層スタック１０８を堆積させてもよい。下部層スタック１０８は、シリコンの３つの副層１２２、１２４、１２６を含む。一実施形態において、副層１２２、１２４、１２６は、それぞれ、ｎ−ドープ微晶質シリコン膜、真性微晶質シリコン膜、及び、ｐ−ドープ微晶質シリコン膜であり、これらの膜は、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を使用して比較的低い堆積温度で堆積させる。副層１２２、１２４、１２６は、例えば、摂氏およそ１６０℃〜２５０℃の範囲内の温度で堆積させることができる。比較的低い堆積温度における副層１２２、１２４、１２６の堆積は、副層１２２、１２４、１２６のある層から副層１２２、１２４、１２６の他の層へのドーパントの拡散を低減することができる。さらに、所定の副層１２２、１２４、１２６においてより低い堆積温度を使用することは、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の内部にそれぞれ存在する副層１２２、１２４、１２６からの水素放出を防止するのを助けることができる。
代替的に、下部層スタック１０８は、比較的高い堆積温度で堆積させることができる。下部層スタック１０８は、例えば、摂氏およそ２５０℃〜３５０℃の範囲内の温度で堆積させることができる。堆積温度が上昇するにつれて、下部層スタック１０８の中の結晶構造の平均粒子サイズが増大する可能性があり、また、下部層スタック１０８における赤外線吸収が増加する可能性がある。したがって、下部層スタック１０８の中のシリコン結晶の平均粒子サイズを増大させるために、下部層スタック１０８をより高い温度で堆積させることができる。さらに、下部層スタック１０８をより高い温度で堆積させることは、その後の上部層スタック１０６の堆積中に、下部層スタック１０８をより熱的に安定にすることができる。以下に説明するように、下部層スタック１０８の上部副層１２６は、ｐ−ドープシリコン膜であってもよい。そのような実施形態において、下部層スタック１０８の下部副層１２２及び中間副層１２４は、摂氏約２５０℃〜３５０℃の範囲内の比較的高い堆積温度で堆積させることができる。一方で、上部副層１２６は、摂氏約１５０℃〜２５０℃の範囲内の比較的低い温度で堆積させる。あるいは、上部副層１２６は、少なくとも摂氏１６０℃の温度で堆積させることができる。上部のｐ−ドープ副層１２６と中間の真性副層１２４との間の拡散の量を低減するために、より低い温度でｐ−ドープ副層１２６を堆積させる。あるいは、ｐ−ドープ副層１２６を、例えば、摂氏およそ２５０℃〜３５０℃のようなより高い堆積温度で堆積させる。
副層１２２、１２４、１２６は、少なくとも約１０ナノメートルの平均粒子サイズを有していてもよい。他の一実施形態において、副層１２２、１２４、１２６における平均粒子サイズは、少なくとも約２０ナノメートルである。あるいは、副層１２２、１２４、１２６の平均粒子サイズは、少なくとも約５０ナノメートルである。他の一実施形態において、この平均粒子サイズは、少なくとも約１００ナノメートルである。選択的に、この平均粒子サイズは、少なくとも約１マイクロメートルであってもよい。副層１２２、１２４、１２６における平均粒子サイズは、様々な方法によって測定することができる。平均粒子サイズは、例えば、透過型電子顕微鏡（「ＴＥＭ」）を使用して測定することができる。そのような一例においては、副層１２２、１２４、１２６の薄いサンプルを得る。例えば、約１マイクロメートル以下の厚さを有する副層１２２、１２４、１２６の１つ以上のサンプルを得る。電子ビームがサンプルを透過する。サンプルの全体又は一部分において電子ビームをドット変換することができる。電子がサンプルを通過するとき、電子はサンプルの結晶構造と相互作用する。電子の透過経路は、サンプルによって変化し得る。電子がサンプルを通過した後にその電子を集めて、集めた電子に基づいて画像を生成する。その画像は、サンプルの二次元表示を提供する。サンプル中の結晶粒子は、そのサンプルの非晶質部分とは異なるように見える可能性がある。この画像に基づいて、サンプル中の結晶粒子の大きさを測定することができる。例えば、画像中に出現するいくつかの結晶粒子の表面積を測定して平均することができる。この平均値は、サンプルが得られた位置におけるそのサンプルの結晶粒子サイズの平均値である。この平均値は、例えば、サンプルを得た副層１２２、１２４、１２６における平均結晶粒子サイズであってもよい。
下部副層１２２は、ｎ−ドープシリコンの微晶質層であってもよい。一実施形態において、下部副層１２２は、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン又は三水素化リン（ＰＨ３）との組み合わせの原料ガスを使用して、約２〜３トールの真空圧力で、かつ、約５００〜１０００ワットのエネルギーで、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバにおいて堆積させる。下部副層１２２を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約２００部〜３００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．０１部ホスフィンであってもよい。
中間副層１２４は、真性シリコンの微晶質層であってもよい。中間副層１２４は、例えば、ドープされていないシリコン、又は、１０１８／ｃｍ３未満のドーパント濃度を有するシリコンを含んでいてもよい。一実施形態において、中間副層１２４は、およそ９〜１０トールの真空圧力で、かつ、約２〜４キロワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。中間副層１２４を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約１部のシランに対して約５０部〜６５部の水素ガスであってもよい。
上部副層１２６は、ｐ−ドープシリコンの微晶質層であってもよい。あるいは、上部副層１２６は、ｐ−ドープシリコンのプロト結晶層であってもよい。一実施形態において、上部副層１２６は、約２〜３トールの真空圧力で、かつ、約５００〜１０００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）とトリメチルホウ素（Ｂ（ＣＨ３）又はＴＭＢ）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。上部副層１２６を堆積させるために使用される原料ガスの比率は、約２００〜３００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．０１部のホスフィンであってもよい。上部副層１２６のシリコンにホウ素をドープするためにＴＭＢを使用することができる。上部副層１２６のシリコンにドープするためにＴＭＢを使用することは、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）のような異なる種類のドーパントを使用するよりも優れた熱的安定性を提供することができる。三フッ化ホウ素又はジボランを使用するのと比較すると、シリコンにドープするためにＴＭＢを使用することは、例えば、次の層の堆積時に、上部副層１２６から、中間副層１２４のような隣接する層の中へ拡散するホウ素が少なくなる。単なる例として、上部副層１２６をドープするためにＴＭＢを使用することは、上部層スタック１０６の堆積時に上部副層１２６にドープするために三フッ化ホウ素又はジボランを使用するときよりも、中間副層１２４の中へ拡散するホウ素が少なくなる。
３つの副層１２２、１２４、１２６は、活性シリコン層のＮ−Ｉ−Ｐ接合体又はＮ−Ｉ−Ｐスタックを形成する。下部層スタック１０８として、３つの副層１２２、１２４、１２６は、約１．１ｅＶのエネルギーバンドギャップを有する。あるいは、下部層スタック１０８は、異なるエネルギーバンドギャップを有していてもよい。以下に説明するように、下部層スタック１０８は、上部層スタック１０６とは異なるエネルギーバンドギャップを有する。上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の異なるエネルギーバンドギャップは、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８が異なる波長の入射光を吸収することを可能にする。
一実施形態において、中間反射層１２８は、上部層スタック１０６と下部層スタック１０８との間に堆積させる。中間反射層１２８は、例えば、下部層スタック１０８の上に直接堆積させることができる。あるいは、電池１００に中間反射層１２８を含ませず、上部層スタック１０６を下部層スタック１０８の上に堆積させる。中間反射層１２８は、光を部分的に上部層スタック１０６の中へ反射し、光の一部が中間反射層１２８を通過して下部層スタック１０８の中へ入るようにする。例えば、中間反射層１２８は、電池１００に入射する光の波長のスペクトルの一部を反射して上部層スタック１０６の中へ戻すように上方へ反射することができる。
中間反射層１２８は、部分的に反射性の材料を含むか、又は、該材料から形成される。中間反射層１２８は、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ドープシリコン酸化物、又は、ドープシリコン窒化物から形成することができる。一実施形態において、中間反射層１２８は、厚さが約１０ナノメートル〜２００ナノメートルであるが、これとは異なる厚さを用いてもよい。
上部活性シリコン層スタック１０６は、下部活性シリコン層スタック１０８の上に堆積させる。上部層スタック１０６は、例えば、中間反射層１２８の上に又は下部層スタック１０８の上に直接堆積させることができる。一実施形態において、上部層スタック１０６は、約２００〜４００ナノメートルの厚さで堆積させるが、これとは異なる厚さで上部層スタック１０６を堆積させることができる。上部層スタック１０６は、シリコンの３つの副層１３０、１３２、１３４を含む。
一実施形態において、副層１３０、１３２、１３４は、それぞれ、ｎ−ドープ非晶質シリコン膜、真性非晶質シリコン膜、及び、ｐ−ドープ非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜であり、これらの膜は、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）を使用して比較的低い堆積温度で堆積させる。副層１３０、１３２、１３４は、例えば、摂氏約１８５℃〜２５０℃の温度で堆積させることができる。他の一例においては、副層１３０、１３２、１３４を、摂氏１８５℃〜２２５℃の温度で堆積させることができる。あるいは、ｐ−ドープ副層１３４は、ｎ−ドープ副層１３０及び真性副層１３２を堆積させる温度より低い温度で堆積させる。真性副層１３２及び／又はｎ−ドープ副層１３０は、少なくとも摂氏約２００℃の温度で堆積させるが、ｐ−ドープ副層１３４は、例えば、摂氏約１２０℃〜２００℃の温度で堆積させることができる。単なる例として、真性副層１３２及び／又はｎ−ドープ副層１３０は、摂氏約２５０℃〜３５０℃の温度で堆積させることができる。
比較的低い堆積温度において副層１３０、１３２、１３４の１つ又はそれ以上を堆積させることによって、下部層スタック１０８の中の副層１２２、１２４、１２６の間における、及び／又は、上部層スタック１０６の中の副層１３０、１３２、１３４の間におけるドーパントの拡散を低減することができる。副層１２２、１２４、１２６の内部及び各副層間におけるドーパントの拡散、及び、副層１３０、１３２、１３４の内部及び各副層間におけるドーパントの拡散は、副層１２２、１２４、１２６及び副層１３０、１３２、１３４を加熱する温度に基づいている可能性がある。例えば、副層１２２、１２４、１２６、１３０、１３２、１３４の間におけるドーパントの拡散は、温度上昇加への暴露につれて増加し得る。より低い堆積温度の使用は、副層１２２、１２４、１２６、及び／又は、副層１３０、１３２、１３４におけるドーパント拡散量を低減できる。所定の副層１２２、１２４、１２６、１３０、１３２、１３４においてより低い堆積温度を使用することは、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の中にそれぞれ存在する副層１２２、１２４、１２６、１３０、１３２、１３４からの水素放出を低減することができる。
比較的低い堆積温度で副層１３０、１３２、１３４を堆積させることは、より高い堆積温度で堆積させた非晶質シリコン層と比較して、上部層スタック１０６のエネルギーバンドギャップを高めることができる。例えば、摂氏約１８５℃〜２５０℃の温度で非晶質シリコン層として副層１３０、１３２、１３４を堆積させることによって、上部層スタック１０６のバンドギャップを約１．８５ｅＶ〜１．９５ｅＶにすることができる。上部層スタック１０６のバンドギャップを高めることは、副層１３０、１３２、１３４が入射光中の波長のスペクトルのより少ない部分を吸収するようにすることができるが、電池１００において生じる電位差を増大させることができる。
あるいは、上部層スタック１０６は、比較的高い堆積温度で堆積させることができる。上部層スタック１０６は、例えば、摂氏約２５０℃〜３５０℃の範囲内の温度で堆積させることができる。非晶質シリコンの堆積温度が上昇するにつれて、シリコンのエネルギーバンドギャップが低下する。例えば、摂氏約２５０℃〜３５０℃の温度で、比較的少量のゲルマニウムを含む乃至全くゲルマニウムを含まない非晶質シリコン層として、副層１３０、１３２、１３４を堆積させることによって、上部層スタック１０６のバンドギャップを少なくとも１．６５ｅＶにすることができる。一実施形態において、シリコン中のゲルマニウム含有量が０．０１％以下の非晶質シリコンから形成された上部層スタック１０６のバンドギャップは、１．６５ｅＶ〜１．８０ｅＶである。ゲルマニウム含有量は、上部層スタック１０６の中のシリコンのような他の材料に対する、上部層スタック１０６の中のゲルマニウムの割合又はパーセンテージを示すものであってもよい。上部層スタック１０６のバンドギャップを低下させることによって、副層１３０、１３２、１３４が入射光中の波長のスペクトルのより多い部分を吸収することができ、電気的に直列に相互接続された複数の電池１００によって生じる電流がより多くなる。
比較的高い堆積温度での上部層スタック１０６の堆積は、上部層スタック１０６の水素含量の測定によって確認することができる。一実施形態において、摂氏約２５０℃より高い温度で上部層スタック１０６を堆積させた場合、上部層スタック１０６の最終水素含量は、約８原子パーセント未満である。上部層スタック１０６中の最終水素含量は、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）を使用して測定することができる。上部層スタック１０６のサンプルをＳＩＭＳに入れる。その後、そのサンプルをイオンビームでスパッタリングする。イオンビームによってサンプルから二次イオンが放出される。二次イオンを回収し、質量分析計を使用して分析する。その後、質量分析計によって、サンプルの分子組成が決定される。質量分析計によってサンプル中の水素の原子パーセントを決定することができる。
あるいは、上部層スタック１０６の中の最終水素濃度は、フーリエ変換赤外分光分光法（「ＦＴＩＲ」）を使用して測定することもできる。ＦＴＩＲにおいて、上部層スタック１０６のサンプルを通して赤外線ビームを送る。サンプル中の異なる分子構造及び分子種は、赤外線を異なるように吸収することができる。サンプル中の異なる分子種の相対濃度に基づいて、サンプル中の分子種のスペクトルが得られる。このスペクトルから、サンプル中の水素の原子パーセントを決定することができる。あるいは、いくつかのスペクトルを得て、そのスペクトルのグループからサンプル中の水素の原子パーセントを決定する。
以下に説明するように、上部副層１３４は、ｐ−ドープシリコン膜であってもよい。そのような実施形態においては、上部副層１３４を摂氏約１５０℃〜２００℃の範囲内の比較的低い温度で堆積させる一方で、下部副層１３０及び中間副層１３２は、摂氏約２５０℃〜３５０℃の範囲内の比較的高い堆積温度で堆積させることができる。ｐ−ドープ上部副層１３４と真性中間副層１３２との間の拡散量を低減するために、ｐ−ドープ上部副層１３４をより低い温度で堆積させる。より低い温度でｐ−ドープ上部副層１３４を堆積させることは、副層１３４のバンドギャップを増大させることができ、及び／又は、副層１３４を可視光に対してより透過性にする。
下部副層１３０は、ｎ−ドープシリコンの非晶質層であってもよい。一実施形態において、下部副層１３０は、約２〜３トールの真空圧力で、かつ、約５００〜１０００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ２）とシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン又は三水素化リン（ＰＨ３）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。下部副層１３０を堆積させるために使用する原料ガスの比率は、約２００部〜３００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．０１の部ホスフィンであってもよい。
中間副層１３２は、真性シリコンの非晶質層であってもよい。あるいは、中間副層１３２は、真性シリコンの多形態の層であってもよい。一実施形態において、中間副層１３２は、約１トール〜３トールの真空圧力で、かつ、約２００ワット〜４００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）とシラン（ＳｉＨ４）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバにおいて堆積させる。中間副層１３２を堆積させるために使用する原料ガスの比率は、約４部〜１２部の水素ガス：約１部のシランであってもよい。
一実施形態において、上部副層１３４は、ｐ−ドープシリコンのプロト結晶層であってもよい。あるいは、上部副層１３４は、ｐ−ドープシリコンの非晶質層である。一実施形態において、上部副層１３４は、約２トール〜３トールの真空圧力で、かつ、約５００ワット〜１０００ワットのエネルギーで、水素（Ｈ）と、シラン（ＳｉＨ４）と、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ＴＭＢ又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）との組み合わせの原料ガスを使用して、約１３．５６ＭＨｚの動作周波数のＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させる。上部副層１２６を堆積させるために使用する原料ガスの比率は、約２００部〜３００部の水素ガス：約１部のシラン：約０．０１の部ドーパントガスであってもよい。
３つの副層１３０、１３２、１３４は、活性シリコン層のＮＩＰ接合体を形成する。３つの副層１３０、１３２、１３４は、下部層スタック１０８のエネルギーバンドギャップとは異なるエネルギーバンドギャップを有する。上部層スタック１０６のエネルギーバンドギャップは、例えば、下部層スタック１０８より少なくとも約５０％大きくてもよい。他の一例において、上部層スタック１０６は、下部層スタック１０８のエネルギーバンドギャップより少なくとも約６０％大きいエネルギーバンドギャップを有していてもよい。あるいは、上部層スタック１０６のエネルギーバンドギャップは、下部層スタック１０８のエネルギーバンドギャップより少なくとも約４０％大きくてもよい。上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の異なるエネルギーバンドギャップは、上部層スタック１０６と下部層スタック１０８とが入射光の異なる波長を吸収できるようにし、入射光を電位及び／又は電流に変換することにおける電池１００の効率を高めることができる。
上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８のエネルギーバンドギャップは、楕円偏光法を使用して測定することができる。あるいは、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８のエネルギーバンドギャップを得るために、外部量子効率（ＥＱＥ）測定を使用することもできる。ＥＱＥ測定値は、半導体の層又は層スタックに入射する光の波長を変化させること、及び、入射する光子を外部回路に到達する電子に変換することにおけるその層又は層スタックの効率を測定することよって得られる。異なる波長において入射光を電子に変換することにおける上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の効率に基づいて、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８のエネルギーバンドギャップを導くことができる。上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８のそれぞれは、例えば、他のエネルギーの光を変換するよりも、上部層スタック１０６又は下部層スタック１０８のバンドギャップより大きいエネルギーを有する入射光の変換においてより効率的であり得る。
上部電極層１１０は、上部層スタック１０６の上に堆積させる。上部電極層１１０は、例えば、上部層スタック１０６の上に直接堆積させることができる。上部電極層１１０は、導電性材料及び光透過材料を含むか、又は、これらから形成される。上部電極層１１０は、例えば、透明な導電性酸化物から形成することができる。そのような材料の例には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、フッ素をドープした酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）、スズをドープしたインジウムオキシド（ＩＴＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び／又は、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（Ａｌ：ＺｎＯ）が含まれる。上部電極層１１０は、多様な厚さで堆積させることができる。いくつかの実施形態において、上部電極層１１０は、厚さが約５０ナノメートルから２マイクロメートルである。
一実施形態において、上部電極層１１０は、ＩＴＯ又はＡｌ：ＺｎＯの厚さ６０ナノメートル〜９０ナノメートルの層で形成される。上部電極層１１０は、電池１００の上部電極層１１０において反射防止（ＡＲ）効果を作り出す厚さを有する導電性材料と光透過材料との両方として機能することができる。例えば、上部電極層１１０は、上部電極層１１０によって電池１００の活性層から遠ざかるように反射される光の波長の割合を比較的少なくする一方で、入射光の１つ又はそれ以上の波長の比較的大きな割合が上部電極層１１０を通って伝播するようにする。単なる例として、上部電極層１１０は、入射光の１つ又はそれ以上の波長の約５％以下を反射し得る。他の一例において、上部電極層１１０は、光の約３％以下を反射し得る。他の一実施形態において、上部電極層１１０は、光の約２％以下を反射し得る。さらに他の実施例において、上部電極層１１０は、光の約０．５％以下を反射し得る。
上部電極層１１０の厚さは、上部電極層１１０を通って上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の中へ伝播する入射光の量が増加するように調節することができる。比較的薄い上層電極層１１０のシート抵抗は、約２０〜５０オーム／スクエアのように比較的高い可能性があるが、以下に説明するように、上層電極層１１０の幅を短くすることによって上部電極層１１０の比較的高いシート抵抗を補うことができる。
粘着層１３６は、上部電極層１１０の上に堆積させる。粘着層１３６は、例えば、上部電極層１１０の上に直接堆積させてもよい。あるいは、粘着層１３６が電池１００に含まれない。粘着層１３６は、カバー層１０４を上部電極層１１０に固定する。粘着層１３６は、電池１００の内部に湿気が進入するのを防ぐことができる。粘着層１３６は、例えば、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、surlyn（サーリン）、又は、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）共重合体のような材料を含んでいてもよい。
カバー層１０４は、粘着層１３６の上に配置される。あるいは、カバー層１０４は、上部電極層１１０の上に配置される。カバー層１０４は、光透過材料を含むか又は光透過材料から形成される。一実施形態において、カバー層１０４は１枚の強化ガラスである。カバー層１０４における強化ガラスの使用は、電池１００を物理的なダメージから保護するのを助けることができる。強化ガラスカバー層１０４は、例えば、あられ及び他の環境ダメージから電池１００を保護するのを助けることができる。他の一実施形態において、カバー層１０４は、ソーダ石灰ガラス、低鉄強化ガラス、又は、低鉄焼きなましガラスの１枚である。高度に透明な低鉄ガラスのカバー層１０４の使用は、シリコン層スタック１０６及び１０８への光の透過を高めることができる。選択的に、カバー層１０４の上にＡＲコーティング（図示せず）を提供することもできる。
図５は、光起電装置５００の概略図、及び、一実施形態による装置５００の拡大図５０２である。装置５００は、互いに電気的に直列に接続された複数の光起電電池５０４を含む。電池５０４は、電池１００（図１に示されている）に類似したものであってもよい。例えば、複数の電池５０４のそれぞれが、光の波長のスペクトルの異なる部分をそれぞれ吸収する上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８のタンデム配置を有していてもよい。図１の略図は、図５の線１−１に沿った横断面図であり得る。装置５００は、互いに電気的に直列に接続された多数の電池５０４を含んでいてもよい。単なる例として、装置５００は、互いに電気的に直列に接続された２５個、５０個、１００個又はそれ以上の電池５０４を有していてもよい。最も外側の電池５０４は、それぞれ、複数のリード５０６、５０８の１つと電気的に接続されていてもよい。リード５０６、５０８は、装置５００の両端５１０、５１２の間に延在する。リード５０６、５０８は、外部の電気負荷５１０と接続されている。装置５００によって生じる電流は、外部荷重５１０に適用される。
上述されているように、複数の電池５０４のそれぞれは、いくつかの層を含む。例えば、それぞれ電池５０４は、基材１０２（図１に示されている）に類似した基材５１２と、下部電極層１１２（図１に示されている）に類似した下部電極層５１４と、タンデム型シリコン層スタック５１６と、上部電極層１１０（図１に示されている）に類似した上部電極層５１８と、粘着層１３６（図１に示されている）に類似した粘着層５２０と、カバー層１０４（図１に示されている）に類似したカバー層５２２とを含む。タンデム型シリコン層スタック５１６は、装置５００に入射する光の波長のスペクトルの異なる部分をそれぞれ吸収又は捕捉する活性シリコン層の上部スタック及び下部スタックを含む。例えば、タンデム型層スタック５１６は、上部活性シリコン層スタック１０６（図１に示されている）に類似した上部層スタック、及び、下部活性シリコン層スタック１０８（図１に示されている）に類似した下部層スタックを含んでいてもよい。タンデム型層スタック５１６の中の上部層スタック及び下部層スタックは、中間反射層１２８（図１に示されている）に類似した中間反射層によって互いから分離されていてもよい。
電池５０４の上部電極層５１８は、隣接又は近接する電池１００の下部電極層５１４と電気的に連結されている。上述したように、上部電極層５１８及び下部電極層５１４における電子及び孔の集合は、複数の電池５０４のそれぞれにおいて電位差を作り出す。複数の電池５０４における電位差は、装置５００の中の複数の電池５０４にわたって累計的であり得る。電子及び孔は、電池５０４の上部電極層５１８及び下部電極層５１４を通って、隣接する電池５０４の反対の電極層５１８、５１４へ流れる。例えば、光がタンデム型層スタック５１６にぶつかるときに、第１の電池５０４の中の電子が下部電極層５１４に流れる場合、その後、その電子は、第１の電池５０４の下部電極層５１４を通って、第１の電池５０４に隣接する第２の電池５０４の上部電極層５１８へ流れる。同様に、孔が第１の電池５０４の上部電極層５１８へ流れるときに、その孔は、第１の電池５０４の上部電極層５１８から第２の電池５０４の下部電極層５１４へ流れる。電流及び電圧は、上部電極層５１８及び下部電極層５１４を通る電子及び孔の流れによって生じる。電流は外部荷重５１０に適用される。
装置５００は、２００９年９月２９日に提出された「一体的に統合されたソーラーモジュール（Monolithically-Integrated Solar Module）」と題された同時係属中の米国非仮特許出願シリアルナンバー１２／５６９，５１０（５１０出願）に記載されている１つ又はそれ以上の実施形態に類似した一体的に統合されたソーラーモジュールであってもよい。５１０出願の全開示は、言及することによって本明細書に組み込まれている。装置５００の中の上部電極層５１４及び下部電極層５１８並びにタンデム型層スタック５１６の形状を作るために、例えば、５１０出願に記載されているような一体的に統合されたモジュールとして、装置５００を作成することができる。一実施形態においては、下部分離ギャップ５２４を作るために下部電極層５１４の一部分を除去する。下部電極層５１４にパターニング技術を使用して下部電極層５１４の一部分を除去することができる。下部分離ギャップ５２４を作るために、例えば、下部電極層５１４を削って下部分離ギャップ５２４を作るレーザー光を使用することができる。下部分離ギャップ５２４を作るために下部電極層５１４の一部分を除去した後に、下部電極層５１４の残りの部分は、拡大図５０２の平面に対して横方向に延在する線形の細長片として配置される。
タンデム型層スタック５１６は、そのタンデム型層スタック５１６が下部分離ギャップ５２４の中の体積を埋めるように、下部電極層５１４の上に堆積させる。その後、タンデム型層スタック５１６の一部分を除去して、タンデム型層スタック５１６の内部に中間層ギャップ５２６を与えるために、タンデム型層スタック５１６をレーザー光線のようなエネルギー集束ビームに暴露させる。中間層ギャップ５２６は、隣接する２つの電池５０４の２つのタンデム型層スタック５１６を分離する。中間層ギャップ５２６を作るためにタンデム型層スタック５１６の一部分を除去した後に、タンデム型層スタック５１６の残りの部分は、拡大図５０２の平面に対して横方向に延在する線形の細長片として配置される。
上部電極層５１８は、タンデム型層スタック５１６の上に、及び、中間層ギャップ５２６においては下部電極層５１４の上に堆積させる。一実施形態において、装置５００の変換効率は、反射防止効果を与えるために調節又は調整された厚さを有する比較的薄い上部電極層５１８を堆積させることによって向上させることができる。上部電極層５１８の厚さ５３８は、例えば、上部電極層５１８を通ってタンデム型層スタック５１６の中へ透過する可視光の量を増やすように調節することができる。上部電極層５１８を透過する可視光の量は、入射光の波長及び上部電極層５１８の厚さによって異なる可能性がある。上部電極層５１８のある厚さは、他の波長の光よりも、ある波長の光がより多く上部電極層５１８を通って伝播するようにすることができる。単なる例として、上部電極層５１８は、約６０ナノメートル〜９０ナノメートルの厚さで堆積させることができる。
光起電装置５００によって生じる全電力を高める観点において、薄い上部電極層５１８によって与えられる反射防止効力によって生じる電力出力の増加は、上部電極層５１８において生じ得るエネルギーロスの、すべてではないにしても、少なくとも一部を克服するのに充分である可能性がある。例えば、比較的薄い上部電極層５１８においては、上部電極層５１８の抵抗に起因して、電池５０４によって生じる光電流のある程度のＩ２Ｒロスが生じる可能性がある。しかし、上部電極層５１８を通過する入射光の量を増やすための、入射光の波長に基づいた上部電極層５１８の厚さに起因して、増加した量の光電流を生成することができる。増加した量の光電流は、上部電極層５１８を通過する光の量が増加したことに起因したものである可能性がある。増加した量の光電流は、薄い上部電極層５１８の比較的高いシート抵抗に伴うＩ２Ｒ電力ロスを克服することができるか、又は、部分的に補うことができる。
単なる例として、タンデム型層スタック５１６の中に連続的に積み重ねられた１つの非晶質シリコン接合体層スタックと、１つの微晶質シリコン接合部とを有する電池５０４において、約１．２５ボルト〜１．５ボルトの範囲内の出力電圧、及び、１センチメートル当たり約１０ミリアンペア〜１５ミリアンペアの範囲内の電流密度を達成することができる。上部電極層５１８が比較的高いシート抵抗を有していても、電池５０４の幅５４０を長くすることができるので、電池５０４の薄い上部電極層５１８におけるＩ２Ｒロスは、充分に小さくなり得る。例えば、少なくとも約１５乃至３０オーム／スクエアのシート抵抗のように、上部電極層５１８のシート抵抗が少なくとも１０オーム／スクエアであっても、電池５０４の幅５４０を、およそ０．４〜１センチメートル程度にすることができる。装置５００において電池５０４の幅５４０を制御することができるので、薄い上部電極層５１８の上に導電グリッドを使用又は添加することなく、上部電極層５１８におけるＩ２Ｒ電力ロスを低減することができる。
上部電極層５１８の一部分は、上部分離ギャップ５２８を作るために除去される。上部分離ギャップ５２８は、隣接する２つの電池５０４に存在する上部電極層５１８の一部分を電気的に分離する。上部分離ギャップ５２８は、レーザー光のようなエネルギー集束ビームに上部電極層５１８を暴露させることによって作ることができる。エネルギー集束ビームは、上部分離ギャップ５２８に隣接するタンデム型層スタック５１６の結晶化度を局所的に高めることができる。例えば、上部電極層５１８と下部電極層５１４との間に延在する垂直部分５３０の中のタンデム型層スタック５１６の結晶化度は、エネルギー集束ビームへの暴露によって高まり得る。さらに、エネルギー集束ビームは、タンデム型層スタック５１６においてドーパントの拡散を生じさせることができる。タンデム型層スタック５１６の垂直部分５３０は、上部電極層５１８と下部電極層５１４との間に、かつ、上部電極層５１８の左端５３４の下に配置される。図５に示されているように、上部電極層５１８の中のギャップ５２８のそれぞれは、左端５３４と、隣接する電池５０４の上層電極層５１８の対向する右端５３６とによって境界されている。
タンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の結晶化度は、様々な方法によって測定することができる。タンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０における結晶材料に対する非晶質材料の相対体積の比較を得るために、例えば、ラマン分光法を使用することができる。例えば、試験することが求められているタンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の１つ以上を、レーザー装置からの単色光に暴露させることができる。タンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の化学物質含有量及び結晶構造に基づいて単色光を散乱することができる。光が散乱されるときに、光の周波数及び波長が変化する。例えば、散乱された光の周波数は変化する可能性がある。散乱された光の周波数を測定及び分析する。散乱された光の周波数における強度及び／又は変化に基づいて、試験したタンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の非晶材料及び結晶材料の相対体積を決定することができる。これらの相対体積に基づいて、試験するタンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０における結晶化度を測定することができる。タンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０のいくつかのサンプルを試験する場合、結晶化度は、測定したいくつかの結晶化度の平均値であってもよい。
他の一例において、タンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の１つ又はそれ以上のＴＥＭ画像を得ることによって、タンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の結晶化度を決定することができる。試験するタンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０の１つ又はそれ以上の薄片を得る。各ＴＥＭ画像中の結晶材料を表す表面積の割合を各ＴＥＭ画像について測定する。その後、試験したタンデム型層スタック５１６及び垂直部分５３０における結晶化度を決定するために、ＴＥＭ画像中の結晶材料のパーセンテージを平均化することができる。
一実施形態において、タンデム型層スタック５１６の残り部分に比べて、増加した垂直部分５３０の結晶化度及び／又は拡散は、図５に示されているタンデム型層スタック５１６の厚さの端から端まで垂直に延在する埋め込みバイパスダイオード５３２を形成する。例えば、垂直部分５３０の中のタンデム型スタック５１６の結晶化度及び／又は拡散は、タンデム型スタック５１６の残りの部分の結晶化度及び／又は拡散より高くてもよい。エネルギー集束ビームのエネルギー及びパルス持続時間の制御によって、それぞれの電池５０４において電気的短絡を生じさせることなく、埋め込みバイパスダイオード５３２を、ぞれぞれの電池５０４を通理抜けるように形成することができる。埋め込みバイパスダイオード５３２は、装置５００の中の電池５０４を通り抜ける電気迂回路を与える。
埋め込みバイパスダイオード５３２がなければ、他の電池５０４が光に暴露され続ける間に遮光されている又は暴露されていない電池５０４は、露光した電池５０４によって生じた電位によって逆バイアスされる可能性がある。露光された電池５０４によって生じる電位は、例えば、遮光された電池５０４の上部電極層５１８及び下部電極層５１４において遮光された電池５０４の両端で高まる可能性がある。結果として、遮光された電池５０４の温度が上昇する可能性があり、遮光された電池５０４の温度が著しく上昇する場合には、遮光された電池５０４が永久に破損又は灰化する可能性がある。さらに、埋め込みバイパスダイオード５３２を有しない遮光された電池５０４は、全装置５００によって電位又は電流が生じるのを阻害する可能性がある。
埋め込みバイパスダイオード５３２があれば、露光された電池５０４によって生じる電位は、遮光された電池５０４の上部分離ギャップ５２８の端に形成されたバイパスダイオード５３２を通って、遮光された電池５０４を迂回することができる。タンデム型層スタック５１６の部分５３０の増加した結晶化度、及び／又は、上部電極層５１８とタンデム型層スタック５１６の中の部分５３０との間の拡散は、遮光された電池５０４が逆バイアスされたときに電流が通るための経路を与える。例えば、逆バイアス下において、バイパスダイオード５３２が、遮光された電池５０４の大部分より低い電気抵抗特性を有するときには、遮光された電池５０４の両端の逆バイアスは、バイパスダイオード５３２を通り抜けて消散することができる。
埋め込みバイパスダイオード５３２の有無は、それぞれの電池５０４を遮光する前及び後における装置５００の電気出力を比較することによって明らかにすることができる。例えば、装置５００に光を当てて、装置５００によって生じる電位を測定することができる。残りの電池５０４に光を当てる間に、１つ又はそれ以上の電池５０４を遮光することができる。装置５００は、リード５０６とリード５０８とを連結することによって短絡することができる。その後、１時間のような所定時間にわたって装置５００を露光させることができる。その後、遮光された電池５０４及び遮光されていない電池５０４の両方を光に当てて、装置５００によって生じる電位を測定する。電池５０４の遮光前及び遮光後の電位差が約１００ミリボルト以内であれば、装置５００は、埋め込みバイパスダイオード５３２を含んでいる可能性がある。あるいは、電池５０４を遮光した後の電位が、電池５０４の遮光前の電位より約２００ミリボルト〜１５００ミリボルト低い場合には、装置５００は、おそらく埋め込みバイパスダイオード５３２を含んでいない。他の一実施形態において、特定の電池５０４に関する埋め込みバイパスダイオード５３２の有無は、電池５０４を電気的に調べることによって決定することができる。電池５０４が光に当たることなく逆バイアスされているときに電池５０４が可逆的な非永久のダイオード降伏を示す場合には、電池５０４は、埋め込みバイパスダイオード５３２を含む。例えば、光を当てていない電池５０４の上部電極層５１４及び下部電極層５１８の両端に約−５乃至−８ボルトの逆バイアスを適用したときに、電池５０４が平方センチメートル当たり約１０のミリアンプを超えるリーク電流を示す場合、電池５０４は埋め込みバイパスダイオード５３２を含む。
図６は、一実施形態による光起電装置を製造するプロセス６００のフローチャートである。６０２において基材を提供する。例えば、基材１０２（図１に示されている）のような基材を提供することができる。６０４において基材の上にテンプレート層を堆積させる。例えば、基材１０２の上にテンプレート層１１４（図１に示されている）を堆積させることができる。あるいは、プロセス６００のフローは、光起電装置にテンプレート層が含まれないようにするために、経路６０６に従って６０４を飛び越えることができる。６０８において、テンプレート層又は基材の上に下部電極層を堆積させる。例えば、テンプレート層１１４又は基材１０２の上に下部電極層１１２（図１に示されている）を堆積させることができる。
６１０において、装置中の各電池の下部電極層を互いから分離するために下部電極層の一部分を除去する。上述したように、レーザー光線のようなエネルギー集束ビームを使用して下部電極層の一部分を除去することができる。６１２において下部活性シリコン層スタックを堆積させる。例えば、下部電極層１１２（図１に示されている）の上に下部層スタック１０８（図１に示されている）を堆積させることができる。６１４において、下部層スタックの上に中間反射層を堆積させる。例えば、下部層スタック１０６の上に中間反射層１２８（図１に示されている）を堆積させることができる。あるいは、プロセス６００のフローは、経路６１６に従って、６１４における中間体反射層の堆積を飛ばす。６１８において、中間反射層又は下部層スタックの上に上部活性シリコン層スタックを堆積させる。一実施形態においては、例えば、中間反射層１２８の上に上部層スタック１０６（図１に示されている）を堆積させる。あるいは、下部層スタック１０８の上に上部層スタック１０６を堆積させることができる。
６２０において、装置中の隣接する電池の間において上部層スタック及び下部層スタックの一部分を除去する。例えば、上述したように、隣接する電池５０４（図５に示されている）の間において上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８（図１に示されている）の一部分を除去することができる。６２２において、上部層スタック及び下部層スタックの上に上部電極層を堆積させる。例えば、上部層スタック１０６及び下部層スタック１０８の上に、上部電極層１１０（図１に示されている）を堆積させることができる。６２４において上部電極層の一部分を除去する。例えば、装置５００（図５に示されている）中の隣接する２つの電池５０４の２つの上層電極層１１０を互いから分離するために、上部電極層１１０の一部分を除去する。上述したように、上部電極層１１０の一部分の除去は、上部層スタック１０６が形成されるときに、埋め込みバイパスダイオードが与えることができる。
６２６において、装置中の最も外側の電池に導電リードを電気的に接続する。例えば、装置５００（図５に示されている）中の最も外側の電池５０４（図５に示されている）に、リード５０６、５０８（図５に示されている）を電気的に連結することができる。６２８において上部電極層の上に粘着層を堆積させる。例えば、上部電極層１１０（図１に示されている）の上に粘着層１３６（図１に示されている）を堆積させることができる。６３０において粘着層にカバー層を貼り付ける。例えば、電池１００（図１に示されている）の内在する層及び構成材に、粘着層１３６によってカバー層１０４（図１に示されている）を接合させることができる。６３２において、装置にジョイントボックスを取り付ける。例えば、装置５００からコネクターの１つ又はそれ以上に電位及び／又は電流を届けるように構成されたジョイントボックスを装置５００に取り付けて電気的に連結することができる。
上記説明が例示的であって限定的でないように意図されていることは理解されるであろう。例えば、上記実施形態（又はその態様）を互いに組み合わせて使用してもよい。さらに、特定の状況又は材料を、本明細書に開示されている主題の教示に適合させるために、その範囲から外ることれなく数多くの変形を行うことができる。寸法、材料の種類、様々な構成要素の方向、並びに、ここに記載されている様々な構成要素の数及び位置は、特定の実施形態のパラメータを定義するように意図されており、決して限定なものではなく、例示的実施形態に過ぎない。特許請求の範囲の精神及び範囲の中の他の多数の実施形態及び修正は、上記説明を参照した当業者に明らかであろう。したがって、本明細書に開示されている主題の範囲は、そのような特許請求の範囲に付与される均等物の全範囲と共に、添付された特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。添付されている特許請求の範囲において、「含む(including)」及び「ここで(in which)」という用語は、「含む(comprising)」及び「そこにおいて(wherein)」という各用語の平易な英語の同義語として使用されている。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の（first)」、「第２の(second)」及び「第３の(third)」などの用語は、単なるラベルとして使用されており、それらの対象物に数の要件を課すようには意図されていない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で記載されておらず、そのような特許請求の範囲の限定がさらなる構造を含まない機能の記述を後に伴う「〜のための方法(means for)」というフレーズを明示的に使用しない限り及び使用するまでは、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１２第６パラグラフに基づいて解釈されるようには意図されていない。

Claims (20)

  1. 一体的に統合された光起電モジュールであって、前記光起電モジュールは、
    絶縁基材と、
    前記基材の上に配置された下部電極と、
    前記下部電極の上に配置された微晶質シリコン層の下部スタック、及び、前記微晶質シリコン層の下部スタックの上に配置された非晶質シリコン層の上部スタックであって、異なるエネルギーバンドギャップを有する下部スタック及び上部スタックと、
    前記非晶質シリコン層の上部スタックの上に配置された上部電極と、
    前記微晶質シリコン層の下部スタック及び前記非晶質シリコン層の上部スタックの中に前記下部電極から前記上部電極まで垂直に延在する埋め込みバイパスダイオードと、を含み、
    前記埋め込みバイパスダイオードは、前記微晶質シリコン層の下部スタック及び前記非晶質シリコン層の上部スタックの一部分であって、前記微晶質シリコン層の下部スタック及び前記非晶質シリコン層の上部スタックの他の部分よりも高い結晶化度を有する一部分で構成されたことを特徴とする光起電モジュール。
  2. 前記バイパスダイオードは、前記モジュールの光起電電池の中に形成されたものであり、かつ、前記モジュールの中の隣接する２つの光起電電池の間で光起電電池が逆バイアスされたときに微晶質シリコン層の下部スタック及び非晶質シリコン層の上部スタックを通り抜けて電流を通すことを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  3. 前記バイパスダイオードは、光起電電池中の非晶質シリコン層の上部スタック及び微晶質シリコン層の下部スタックが遮光され、かつ、隣接する１つ又はそれ以上の電池が露光されたときに、上部電極と下部電極との間で、かつ、前記モジュールのその電池の非晶質シリコン層の上部スタック及び微晶質のシリコン層の下部スタックを通り抜けて電流を導電することを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  4. 前記非晶質シリコン層の上部スタックのエネルギーバンドギャップが、前記微晶質シリコン層の下部スタックのエネルギーバンドギャップより少なくとも５０％大きいことを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  5. 前記非晶質シリコン層の上部スタックのエネルギーバンドギャップが少なくとも１．６５ｅＶであることを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  6. 前記非晶質シリコン層の上部スタックのゲルマニウム含有量が０．０１％未満であることを特徴とする請求項５に記載の光起電モジュール。
  7. 前記非晶質シリコン層の上部スタックのエネルギーバンドギャップが１．８５ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  8. 前記上部スタックの非晶質シリコン層の水素含有量が約１０原子パーセント未満であることを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  9. 前記非晶質シリコン層の上部スタックと前記微晶質シリコン層の下部スタックとの間に中間反射層をさらに含み、
    前記中間反射層は、前記非晶質シリコン層の上部スタックの中へ入射光の一部を反射し、前記微晶質シリコン層の下部スタックの中へ入射光のその他の部分を通すことを特徴とする請求項１に記載の光起電モジュール。
  10. 光起電モジュールを製造する方法であって、前記方法は、
    基材を提供するステップと、
    前記基材の上に下部電極を堆積させるステップと、
    前記下部電極の上に微晶質シリコン層の下部スタックを堆積させるステップと、
    前記微晶質シリコン層の下部スタックの上に非晶質シリコン層の上部スタックを堆積させるステップと、
    前記非晶質シリコン層の上部スタックの上に上部電極を堆積させるステップとを含み、
    前記下部スタック及び前記上部スタックの少なくとも１つが、ｎ−ドープシリコン層と、少なくとも摂氏２５０℃の温度で堆積させることによって低下したエネルギーバンドギャップを有する真性シリコン層と、ｐ−ドープシリコン層とを有するシリコン層のＮ−Ｉ−Ｐスタックを含むことを特徴とする製造方法。
  11. 前記下部スタックがＮ−Ｉ−Ｐスタックを含み、
    前記下部スタックを堆積させるステップが、少なくとも摂氏２５０℃の温度で真性シリコン層を堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 前記上部スタックがＮ−Ｉ−Ｐスタックを含み、
    前記上部スタックを堆積させるステップが、少なくとも摂氏２５０℃の温度で真性シリコン層を堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  13. 下部スタックを堆積させる前記ステップ及び上部スタックを堆積させる前記ステップが、前記上部スタックのエネルギーバンドギャップが前記下部スタックのエネルギーバンドギャップより少なくとも５０％大きくなるように前記下部スタック及び前記上部スタックを堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  14. 上部スタックを堆積させる前記ステップは、上部スタックが少なくとも１．６５ｅＶのエネルギーバンドギャップを有するように上部スタックを堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  15. 上部スタックを堆積させる前記ステップは、上部スタックが１．８５ｅＶ以下のエネルギーバンドギャップを有するように上部スタックを堆積させるステップで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  16. 前記上部電極の一部分を除去することによって前記下部スタック及び前記上部スタックの結晶化度を高めるステップであって、下部スタック及び上部スタックの結晶化度を高めることによって上部スタック及び下部スタックを通り抜けて下部電極から上部電極まで延在する埋め込みバイパスダイオードを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  17. 埋め込みバイパスダイオードを含む光起電電池が入射光から遮光され、かつ、隣接する光起電電池が露光されたときに、又は、埋め込みバイパスダイオードを含む光起電電池が逆バイアスされたときに、埋め込みバイパスダイオードを通して上部電極と下部電極との間で光電流を導電するステップさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 光起電モジュールを製造する方法であって、前記方法は、
    基材及び下部電極を提供するステップと、
    前記下部電極の上に微晶質シリコン層の下部スタックを堆積させるステップと、
    前記下部スタックの上に非晶質シリコン層の上部スタックを堆積させるステップと、
    前記非晶質シリコン層の上部スタックの上に上部電極を提供するステップと、
    前記上部電極の一部分を除去することによって前記下部スタック及び前記上部スタックの結晶化度を高めるステップであって、下部スタック及び上部スタックの結晶化度を高めることによって、下部スタック及び上部スタックを通り抜けて下部電極から上部電極まで延在する埋め込みバイパスダイオードを形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
  19. 前記結晶化度を高めるステップは、前記光起電装置の隣接する複数の電池中の上部電極の部分を電気的に分離するために、前記上部電極を除去するエネルギー集束ビームに前記上部電極を暴露させるステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 前記埋め込みバイパスダイオードを含む光起電電池が入射光から遮光され、かつ、隣接する光起電電池が露光されたときに、又は、前記埋め込みバイパスダイオードを含む光起電電池が逆バイアスされたときに、前記埋め込みバイパスダイオードを通して前記上部電極と前記下部電極との間で光電流を導電するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
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