專利名稱：光散射膜和使用該光散射膜的光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光散射膜和使用該光散射膜的光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
支持現(xiàn)代生活的一種器件就是利用電與光之間的相互變換實(shí)現(xiàn)要求的功能的光學(xué)器件。光電變換器件(例如，太陽能電池)、發(fā)光器件(例如，以發(fā)光二極管和OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)為典型的場(chǎng)致發(fā)光元件)以及液晶元件(例如，液晶顯示板)是典型光學(xué)器件。這些光學(xué)器件是現(xiàn)代日常生活不可缺少的一部分。
光學(xué)器件包括導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件，用于將電信號(hào)(例如，電流和電壓)傳導(dǎo)到要求的位置；以及用于散射光的結(jié)構(gòu)件。例如，第JP-A-Heisei，6-313890號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開了后電極板，用于液晶顯示器，設(shè)置了形成在其上的金屬反射層、絕緣光散射層；以及透明電極，用于覆蓋光散射層。此外，第JP-A-Heisei，11-323196號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開了設(shè)置了光散射層的反射式液晶顯示器件，在該光散射層上，透明樹脂與光散射物質(zhì)混合(請(qǐng)參考圖1)。在反射式液晶顯示器件上，分別制備對(duì)其施加電信號(hào)的透明電極和光散射層。第JP-A-Heisei，11-323196號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開了通過混合其折射率接近透明樹脂的間隔顆粒，以保證作為光散射物質(zhì)的透明顆粒之間的距離，可以改善光散射層的光散射效果(例如， 段落)。此外，第JP-P2004-271600A號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開了隨機(jī)分布散射物質(zhì)的光學(xué)材料，它具有各向同性光子間隙，對(duì)于非均勻性散射物質(zhì)和散射物質(zhì)的位置偏差具有較小大能量寬度，而且可以實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)；以及任意形狀的空腔。
為了簡化該光學(xué)器件的配置，優(yōu)選利用一個(gè)結(jié)構(gòu)件同時(shí)實(shí)現(xiàn)用于將電信號(hào)傳送到要求的位置的功能以及散射光的功能。這種結(jié)構(gòu)之一是以紋理形式(即，具有凹體和凸體)形成的透明電極，如第JP-P2004-271600A號(hào)日本未決專利申請(qǐng)、第2862174號(hào)日本專利、第JP-P2003-243676A號(hào)日本未決專利申請(qǐng)所公開的那樣。在專利文獻(xiàn)3至5中，以紋理形式形成的透明電極用作位于光電變換器件的襯底側(cè)的電極。將以紋理形式形成的透明電極用作襯底側(cè)的電極是用于提高光電變換器件的變換效率的一種有效技術(shù)。以紋理形式形成的透明電極形成入射到光電變換器件的散射入射光，有效提高光吸收量，即，有效提高變換效率。此外，在第JP-P2002-222975A號(hào)日本未決專利申請(qǐng)中，公開了一種利用紋理形式的導(dǎo)電材料，解決光學(xué)特性優(yōu)點(diǎn)與電特性優(yōu)點(diǎn)之間的平衡的技術(shù)。
作為一種形成紋理形式的透明電極的方法，已知下面3種方法。根據(jù)第一種方法，第JP-A-Heisei，6-313890號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開了，利用熱CVD(化學(xué)汽相沉積)方法形成透明電極。通過優(yōu)化生長條件，可以利用熱CVD方法形成紋理形式的透明電極。根據(jù)第JP-P2004-271600A號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開的第二種方法，拋光玻璃襯底表面，然后，在該拋光面上形成透明電極。第JP-A-Heisei，11-323186號(hào)日本未決專利申請(qǐng)公開了一種方法，利用該方法，通過使襯底上的微粒與粘料絕緣形成薄膜，然后，在該薄膜上形成透明電極。
然而，如果為了散射光而對(duì)導(dǎo)電材料設(shè)置了凹體和凸體，則也產(chǎn)生了不希望的結(jié)果。例如，在光電變換器件上，將以紋理方式形成的透明電極用作襯底側(cè)的電極導(dǎo)致破壞形成在其上的半導(dǎo)體薄膜。這說明，在將以紋理方式形成的透明電極用作襯底側(cè)的電極的技術(shù)中，對(duì)光電變換器件的變換效率的改善是有限的(請(qǐng)參考Yoshiyuki Nasuno等人“Effects of Substrate Surface Morphology on Microcrystalline SiliconSolar Cells”，Jpn.J.Appl.Phys.，The Japan Society of Applied Physics，1April 2001，vol 40，pp.L303-L305)。如果增強(qiáng)透明電極的凹體和凸體，則可以增加半導(dǎo)體層的光吸收。然而，增強(qiáng)透明電極的凹體和凸體增加了對(duì)半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生的缺陷，而降低了輸出電壓。因此，限制了改善通過對(duì)透明電極形成凹體和凸體實(shí)現(xiàn)的變換效率。
因此，需要提供一種技術(shù)，這種技術(shù)利用在表面(在理想情況下，該表面是平坦的)上具有較小凹體和凸體的單個(gè)結(jié)構(gòu)件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)傳送到要求的位置的功能和散射光的功能。例如，提供這種技術(shù)還可以有效提高光電變換器件的變換效率。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種技術(shù)，這種技術(shù)利用在表面(在理想情況下，該表面是平坦的)上具有較小凹體和凸體的單個(gè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)傳送到要求的位置的功能和散射光的功能。
此外，通過將本發(fā)明應(yīng)用于光電變換器件，還可以進(jìn)一步提高光電變換器件的變換效率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種技術(shù)，這種技術(shù)利用在表面(在理想情況下，該表面是平坦的)上具有較小凹體和凸體的單個(gè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)傳送到要求的位置的功能和散射光的功能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于提高光電變換器件的變換效率的新型技術(shù)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的光散射層實(shí)施例的剖視圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的光散射層的另一個(gè)實(shí)施例的剖視圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的光電變換器件的實(shí)施例的串聯(lián)(tandem)薄膜太陽能電池的配置的剖視圖；圖4是示出串聯(lián)薄膜太陽能電池的下部電極層的平坦性與開路電壓之間關(guān)系的曲線圖；圖5是說明球體的外徑的定義的示意圖；圖6A是示出串聯(lián)薄膜太陽能電池內(nèi)的下部電極層的優(yōu)選制造過程的剖視圖；圖6B是示出串聯(lián)薄膜太陽能電池內(nèi)的下部電極層的優(yōu)選制造過程的剖視圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的光電變換器件的另一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)薄膜太陽能電池的配置的剖視圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的光電變換器件的另一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)薄膜太陽能電池的配置的剖視圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的光電變換器件的另一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)薄膜太陽能電池的配置的剖視圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的光電變換器件的另一個(gè)實(shí)施例的串聯(lián)薄膜太陽能電池的配置的剖視圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的液晶顯示器件實(shí)施例的配置的剖視圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光器件實(shí)施例的配置的剖視圖；圖13是示出模擬對(duì)象的配置的剖視圖；圖14是示出等效電流密度與等效層厚度之間關(guān)系的曲線圖；圖15A是示出在由TiO2構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，光散射物質(zhì)的間距與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖；圖15B是示出在由TiO2構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在300nm至1200nm的范圍內(nèi)時(shí)，光散射物質(zhì)的間距與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖；圖16是示出在由金剛石構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，光散射物質(zhì)的間距與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖；圖17是示出光散射物質(zhì)的深度與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖；
圖18是示出光散射物質(zhì)的直徑和間距與集成反射霾(Haze)比之間關(guān)系的曲線圖；圖19是示出對(duì)于交替排列TiO2球體和玻璃球作為光散射物質(zhì)的光散射層，光散射物質(zhì)的直徑與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖；圖20是示出用于模擬串聯(lián)薄膜太陽能電池的特性的對(duì)象的配置的剖視圖；圖21A是示出在由TiO2構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，頂部電池(top cell)的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖21B是示出在由TiO2構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，底部電池(bottom cell)的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖22A是示出在由TiO2構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在300nm至1200nm的范圍內(nèi)時(shí)，頂部電池的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖22B是示出在由TiO2構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在300nm至1200nm的范圍內(nèi)時(shí)，底部電池的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖23A是示出在由金剛石構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，頂部電池的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖23B是示出在由金剛石構(gòu)成光散射物質(zhì)，而且其直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，底部電池的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖24A是示出頂部電池的光散射物質(zhì)7的間距δ與直徑d之比δ/d與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖24B是示出底部電池的光散射物質(zhì)7的間距δ與直徑d之比δ/d與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；圖25A是示出頂部電池的光散射物質(zhì)的深度與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖；以及圖25B是示出底部電池的光散射物質(zhì)的深度與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例的光散射膜包括介質(zhì)6，它是透明的，而且導(dǎo)電；以及光散射物質(zhì)7，嵌入介質(zhì)6內(nèi)。關(guān)于介質(zhì)6，可以使用廣泛用作透明電極的材料，例如，氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)。關(guān)于光散射物質(zhì)7，使用其相對(duì)折射率與介質(zhì)6的相對(duì)折射率不同的材料。更具體地說，在將氧化錫、氧化鋅氧化銦或者ITO用作介質(zhì)6時(shí)，下面的物質(zhì)優(yōu)選用作光散射物質(zhì)7；氧化鈦(相對(duì)折射率為2.2至2.3)；金剛石(相對(duì)折射率為2.1至2.2)；SiO(玻璃)(相對(duì)折射率為1.53)；MgF2(相對(duì)折射率為1.29)；MgO(相對(duì)折射率為1.73)；ZnO(相對(duì)折射率為1.88)；LiTaO3(相對(duì)折射率為2.18)等。
因?yàn)榻橘|(zhì)6導(dǎo)電，所以這種光散射膜具有導(dǎo)電性。利用光散射物質(zhì)7，該光散射膜還具有散射光的功能。對(duì)于光散射膜，不需要在該表面上形成凹體和凸體。因此，利用在表面(在理想情況下，該表面是平坦的)上具有較小凹體和凸體的一個(gè)結(jié)構(gòu)件，圖1所示的光散射膜可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)傳送到要求的位置的功能和散射光的功能。
為了更有效散射光，光散射物質(zhì)7優(yōu)選具有其相對(duì)折射率互相不同的兩種或者兩種以上的材料。例如，如圖2所示，光散射物質(zhì)7優(yōu)選具有由氧化鈦構(gòu)成的光散射物質(zhì)7a和由SiO(玻璃)構(gòu)成的光散射物質(zhì)7b。利用包括不同材料的光散射物質(zhì)7，抑制了具有相同折射率的光散射物質(zhì)7互相直接接觸的概率，因此，可以更有效散射入射光。
下面說明根據(jù)本發(fā)明的光散射膜的配置以及使用該光散射膜的光學(xué)器件。

在第一實(shí)施例中，本發(fā)明的光散射膜用作光電變換器件的透明電極。在該實(shí)施例中，串聯(lián)薄膜太陽能電池10配置了玻璃襯底1，而且還配置了下部電極層2、頂部電池3、底部電池4以及上部電極層5，它們順序形成在玻璃襯底1的主面上，如圖3所示。頂部電池3包括P型非晶硅層3a、i型非晶硅層3b以及n型非晶硅層3c，它們順序形成在下部電極層2上。底部電池4包括包括P型微晶硅層4a、i型微晶硅層4b以及n型微晶硅層4c，它們順序形成在頂部電池3上。上部電極層5包括ZnO層5a，形成在底部電池4上；以及Ag層5b，形成在ZnO層5a上。ZnO層5a上摻入了Ga。
在該實(shí)施例的串聯(lián)薄膜太陽能電池10上，本發(fā)明的光散射膜用作下部電極層2。即，利用由透明導(dǎo)電材料構(gòu)成的介質(zhì)6以及嵌入該介質(zhì)6內(nèi)的光散射物質(zhì)7形成下部電極層2。光散射物質(zhì)7散射通過玻璃襯底1入射的入射光，因此，有助于頂部電池3和底部電池4吸收光。即，在該實(shí)施例的串聯(lián)薄膜太陽能電池10內(nèi)，不需要設(shè)置具有凹體和凸體、用于散射入射光的下部電極層2，因?yàn)椴捎昧死闷鋬?nèi)嵌入了光散射物質(zhì)7的介質(zhì)6形成的下部電極層2。這樣可以提高變換效率，而且可以抑制在形成頂部電池3和底部電池4的半導(dǎo)體層上產(chǎn)生缺陷。
與傳統(tǒng)技術(shù)公開的光電變換器件不同，該實(shí)施例的下部電極層2沒有為了提高變換效率而有意設(shè)置凹體和凸體。接觸頂部電池3的下部電極層2的表面2a基本上是平坦的。術(shù)語“基本上平坦”指其中下部電極層2的表面2a與玻璃襯底的主面1a之間的夾角的平均值θ是5度或者更低的狀態(tài)，在平行于玻璃襯底1的主面的方向上的長度為300至1200nm的任意截面確定該夾角。上面定義的該夾角的平坦性不導(dǎo)致開路電壓降低，開路電壓降低導(dǎo)致硅層內(nèi)出現(xiàn)缺陷。圖4所示的曲線圖示出這種情況，該曲線圖示出平均值θ與開路電壓之間的關(guān)系。從圖4可以看出，在平均值θ是5度或者更低時(shí)，開路電壓不降低。
下面將詳細(xì)說明形成下部電極層2的介質(zhì)6和光散射物質(zhì)7的優(yōu)選物理特性和配置。
關(guān)于下部電極層2上的介質(zhì)6，可以使用廣泛用作透明電極的傳統(tǒng)材料，例如，氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)。
關(guān)于光散射物質(zhì)7，使用其相對(duì)折射率與介質(zhì)6的相對(duì)折射率不同的材料。從其絕對(duì)值為2或者更低的材料中選擇用于形成光散射物質(zhì)7的材料，該絕對(duì)值是形成光散射物質(zhì)7的材料的相對(duì)折射率與介質(zhì)6的相對(duì)折射率之間差值的絕對(duì)值。更具體地說，在將氧化錫、氧化鋅、氧化銦或者ITO用于介質(zhì)6時(shí)，下面的物質(zhì)優(yōu)選用作光散射物質(zhì)7氧化鈦(相對(duì)折射率為2.2至2.3)；金剛石(相對(duì)折射率為2.1至2.2)；SiO(玻璃)(相對(duì)折射率為1.53)；MgF2(相對(duì)折射率為1.29)；MgO(相對(duì)折射率為1.73)；ZnO(相對(duì)折射率為1.88)；LiTaO3(相對(duì)折射率為2.18)等。
不需要導(dǎo)電材料用于光散射物質(zhì)7。相反，為了抑制光散射物質(zhì)7吸收光，絕緣材料優(yōu)選用于光散射物質(zhì)7。將具有較少自由電子的絕緣材料用作光散射物質(zhì)7可以有效抑制光散射物質(zhì)7吸收光。相反，將絕緣材料用作光散射物質(zhì)7不能防止光電流流動(dòng)，因?yàn)轫敳侩姵?和底部電池4產(chǎn)生的光電流流過介質(zhì)6。
光散射物質(zhì)7的大小是用于確定散射入射光的程度的重要參數(shù)。在如圖5所示，光散射物質(zhì)7的形狀接近球體時(shí)，光散射物質(zhì)7的外徑的平均值優(yōu)選在60nm至2000nm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在60nm至1200nm的范圍內(nèi)。在此，光散射物質(zhì)7的外徑是一個(gè)參數(shù)，它被定義為是離開光散射物質(zhì)7的中心轉(zhuǎn)軸7c的距離L的平均值LAVE的兩倍的值。
在被成形以使其中心具有象球體而且是正則多面體的結(jié)構(gòu)用于光散射物質(zhì)7時(shí)，光散射物質(zhì)7的平均直徑優(yōu)選在10nm至2000nm的范圍內(nèi)，而且更優(yōu)選在60nm至1200nm的范圍內(nèi)。在此，光散射物質(zhì)7的直徑被定義為是離開光散射物質(zhì)7的表面中心的距離的平均值的兩倍的值，而平均直徑是上面定義的光散射物質(zhì)7的直徑的平均值。通過將光散射物質(zhì)7的平均直徑設(shè)置在上述范圍內(nèi)，可以更有效散射串聯(lián)薄膜太陽能電池10為了產(chǎn)生電功率使用的光波長范圍內(nèi)的光，而且還可以提高串聯(lián)薄膜太陽能電池10的效率。
此外，光散射物質(zhì)7的平均間距優(yōu)選是4000nm或者低于4000nm。光散射物質(zhì)7的平均間距更優(yōu)選是等于或者低于1200nm的兩倍的值，1200nm是串聯(lián)薄膜太陽能電池10為了產(chǎn)生電功率使用的光波長范圍內(nèi)的高值，即，2400nm或者低于2400nm。在此，相鄰光散射物質(zhì)7的間距是光散射物質(zhì)7的相鄰成員的中心之間的距離，而平均間距是光散射物質(zhì)7的間距的平均值。通過將光散射物質(zhì)7的平均間距設(shè)置在上述范圍內(nèi)，可以更有效散射串聯(lián)薄膜太陽能電池10為了產(chǎn)生電功率使用的光波長范圍內(nèi)的光，而且還可以提高串聯(lián)薄膜太陽能電池10的效率。
此外，光散射物質(zhì)7的平均間距δAVE與平均直徑dAVE的比δAVE/dAVE優(yōu)選是20或者低于20，而且更優(yōu)選是4或者低于4。通過將比δAVE/dAVE設(shè)置在上述范圍內(nèi)，可以更有效散射串聯(lián)薄膜太陽能電池10為了產(chǎn)生電功率使用的光波長范圍內(nèi)的光，而且還可以提高串聯(lián)薄膜太陽能電池10的效率。
頂部電池3側(cè)的下部電極層2的表面2a與光散射物質(zhì)7之間的距離優(yōu)選小于50nm，而且更優(yōu)選小于30nm。光散射物質(zhì)7最優(yōu)選接觸表面2a。圖3示出光散射物質(zhì)7接觸表面2a的配置。通過使光散射物質(zhì)7與面2a之間的距離變小，可以使入射到頂部電池3和底部電池4的光限制在頂部電池3和底部電池4的范圍內(nèi)，以提高變換效率。
優(yōu)選盡可能規(guī)則地設(shè)置光散射物質(zhì)7。更具體地說，光散射物質(zhì)7與頂部電池3側(cè)的下部電極層2的表面2a之間的距離(即，嵌入光散射物質(zhì)7的深度)的最大值與最小值的差值優(yōu)選為30nm或者低于30nm，是300nm的十分之一，300nm是串聯(lián)薄膜太陽能電池10為了產(chǎn)生多功能使用的光波長范圍內(nèi)的低值。
此外，如圖5所示，在光散射物質(zhì)7接近球體時(shí)，光散射物質(zhì)7的外徑的最大值與最小值之間的差值優(yōu)選為120nm或者低于120nm，它是1200nm的十分之一，1200nm是串聯(lián)薄膜太陽能電池10為了產(chǎn)生電功率使用的光波長范圍內(nèi)的高值。同樣，在光散射物質(zhì)7是具有中心的結(jié)構(gòu)時(shí)，則光散射物質(zhì)7的直徑的最大值與最小值之間的差值是120nm或者低于120nm。光散射物質(zhì)7的大小的變化對(duì)變換效率的影響小于嵌入光散射物質(zhì)7的深度對(duì)變換效率的影響。因此，光散射物質(zhì)7的直徑的變化可以大于嵌入光散射物質(zhì)7的深度的變化。同樣，光散射物質(zhì)7的間距的最大值與最小值之間的差值優(yōu)選為120nm或者低于120nm。
優(yōu)選在先前級(jí)利用從CVD方法、濺射方法、離子噴鍍方法以及溶膠—凝膠方法中選擇的方法，然后，在較后級(jí)利用溶膠—凝膠方法，形成光散射物質(zhì)7在其上嵌入介質(zhì)6的下部電極層2。當(dāng)在較后級(jí)使用溶膠—凝膠方法時(shí)，如果事先將光散射物質(zhì)7混合到介質(zhì)6的前體(precursor)溶液中，則光散射物質(zhì)7可以輕而易舉地?cái)U(kuò)散到介質(zhì)6中。
圖6A和6B是示出下部電極層2的優(yōu)選形成過程的剖視圖。首先，如圖6A所示，利用從CVD方法、濺射方法、離子噴鍍方法以及溶膠—凝膠方法中選擇的方法，在玻璃襯底1的主面1a上形成與介質(zhì)6具有相同材料的第一層6a。更具體地說，利用CVD方法、濺射方法或者離子噴鍍方法，可以直接形成薄層介質(zhì)6。利用溶膠—凝膠方法，可以在玻璃襯底1上噴涂含有介質(zhì)6的前體的溶液，然后，通過燒結(jié)該前體溶液，形成第一層6a。由于經(jīng)驗(yàn)說明與利用溶膠—凝膠方法相比，利用CVD方法、濺射方法以及離子噴鍍方法，介質(zhì)6的性能好，所以優(yōu)選利用CVD方法、濺射方法以及離子噴鍍方法形成第一層6a。接著，如圖6B所示，利用溶膠—凝膠方法，形成第二層6b。更具體地說，對(duì)玻璃襯底1噴涂混合了介質(zhì)6的前體和光散射物質(zhì)7的溶液，然后，通過燒結(jié)該溶液，形成第二層6b。利用這種形成方法，可以形成這種配置的下部電極層2，即，光散射物質(zhì)7位于表面2a的附近。如果調(diào)節(jié)用于形成第二層6b的前體溶液的粘度，以致第二層6b的厚度相當(dāng)于光散射物質(zhì)7的直徑，則在理想情況下，可以定位光散射物質(zhì)7，以接觸下部電極層2的表面2a。
(第一實(shí)施例的優(yōu)選修改例)對(duì)于利用溶膠—凝膠方法形成的下部電極層2，為了更有效散射入射光，下部電極層2優(yōu)選含有光散射物質(zhì)7，利用第一材料形成；以及第二材料，其相對(duì)折射率與形成光散射物質(zhì)7的第一材料的相對(duì)折射率不同，如上參考圖2所述。例如，如圖7所示，優(yōu)選由氧化鈦構(gòu)成的光散射物質(zhì)7a和SiO2(玻璃)構(gòu)成的光散射物質(zhì)7b形成光散射物質(zhì)7。采用包括不同材料的光散射物質(zhì)7可以抑制具有相同折射率的光散射物質(zhì)7直接互相接觸的概率，而且可以更有效散射入射光。
如果在頂部電池3與底部電池4之間設(shè)置中間層，則本發(fā)明的光散射膜也優(yōu)選用于該中間層。圖8是示出這種串聯(lián)薄膜太陽能電池10A的配置的剖視圖。串聯(lián)薄膜太陽能電池10A具有設(shè)置在頂部電池3與底部電池4之間的中間層8?；酒教剐纬傻撞侩姵?側(cè)上的中間層8的表面8a，而且利用其中由導(dǎo)電材料形成中間層8的介質(zhì)11以及嵌入介質(zhì)11內(nèi)的光散射物質(zhì)12形成它。通過將光散射物質(zhì)12嵌入該中間層8，可以有效散射從中間層8照射底部電池4的透射光，而且可以有效延長底部電池4內(nèi)的透射光的光程長度。因此，增加了底部電池4吸收的光量。此外，通過將光散射物質(zhì)12嵌入介質(zhì)11內(nèi)，不需要為了提高變換效率而對(duì)中間層8設(shè)置凹體和凸體，因此，可以“基本平坦”形成底部電池4側(cè)上的中間層8的面8a。在此使用的術(shù)語“基本平坦”與上面給出的定義相同。重要的是，基本平坦形成中間層8的表面8a，以提高底部電池4的變換效率。通過基本平坦形成中間層8的表面8a，抑制了在順序形成在表面8a上的P型微晶硅層4a、i型微晶硅層4b以及n型微晶硅層4c上產(chǎn)生缺陷，因此，有效提高了底部電池4的變換效率。
中間層8內(nèi)的介質(zhì)11和光散射物質(zhì)12的優(yōu)選物理特性與下部電極層2內(nèi)的介質(zhì)6和光散射物質(zhì)7的優(yōu)選物理特性相同。關(guān)于介質(zhì)11，可以使用廣泛用作透明電極的通用材料，例如，氧化錫、氧化鋅、氧化銦以及ITO(氧化錫銦)。關(guān)于光散射物質(zhì)12，優(yōu)選使用其相對(duì)折射率與介質(zhì)11的相對(duì)折射率不同的材料，特別是氧化鈦、金剛石、SiO2(玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3等。關(guān)于光散射物質(zhì)12，不使用導(dǎo)電材料。
還優(yōu)選將上述光散射膜用于上部電極層。圖9是示出這種串聯(lián)薄膜太陽能電池10B的配置的剖視圖。串聯(lián)薄膜太陽能電池10B設(shè)置了形成在底部電池4上的透明電極層13；以及形成在該透明電極層13上的Ag層14，代替圖3所示的上部電極層5。透明電極層13和Ag層14用作串聯(lián)薄膜太陽能電池10B的上部電極。利用介質(zhì)層15以及嵌入該介質(zhì)的光散射物質(zhì)16形成透明電極層13。
透明電極層13內(nèi)的介質(zhì)15和光散射物質(zhì)16的優(yōu)選物理特性與下部電極層2內(nèi)的介質(zhì)6和光散射物質(zhì)7的優(yōu)選物理特性相同。關(guān)于介質(zhì)15，可以使用廣泛用作透明電極的傳統(tǒng)材料，例如，氧化錫、氧化鋅、氧化銦以及ITO(氧化錫銦)。關(guān)于光散射物質(zhì)16，優(yōu)選使用其相對(duì)折射率與介質(zhì)15的相對(duì)折射率不同的材料，特別是氧化鈦、金剛石、SiO2(玻璃)、MgF2、MgO、ZnO、LiTaO3等。關(guān)于光散射物質(zhì)16，不使用導(dǎo)電材料。
本發(fā)明還可以應(yīng)用于具有這種配置的薄膜太陽能電池，即，入射光從上部電極方向進(jìn)入。圖10是示出具有這種配置的串聯(lián)薄膜太陽能電池的配置的剖視圖。串聯(lián)薄膜太陽能電池10C設(shè)置了玻璃襯底1、下部電極層2C、底部電池4C、頂部電池3C以及上部電極層5C。利用順序形成在下部電極層2C上的P型微晶硅層4a、i型微晶硅層4b以及n型微晶硅層4c形成底部電池4C。利用順序形成在底部電池4C上的P型非晶硅層3a、i型非晶硅層3b以及n型非晶硅層3c，形成頂部電池3C。利用廣泛用作透明電極的傳統(tǒng)材料，例如，氧化錫、氧化鋅、氧化銦和ITO(氧化錫銦)，形成上部電極層5C。
利用金屬電極層17以及形成在金屬電極層17上的透明電極層18，形成串聯(lián)薄膜太陽能電池10C的下部電極層2C。與圖3所示的串聯(lián)薄膜太陽能電池10相同，未有意對(duì)透明電極層18設(shè)置凹體和凸體。相反，利用由透明導(dǎo)電材料構(gòu)成的介質(zhì)19和嵌入該介質(zhì)19的光散射物質(zhì)20形成透明電極層18。光散射物質(zhì)20散射通過上部電極層5C入射的入射光，而且有助于頂部電池3和底部電池4吸收光。利用這種配置，也可以提高變換效率，同時(shí)抑制在頂部電池3和底部電池4上形成的半導(dǎo)體層上產(chǎn)生缺陷。
還可以對(duì)圖10所示的串聯(lián)薄膜太陽能電池10C設(shè)置中間層。在這種情況下，與圖8所示的串聯(lián)薄膜太陽能電池10A相同，優(yōu)選利用介質(zhì)和光散射物質(zhì)形成該中間層。此外，優(yōu)選利用介質(zhì)和光散射物質(zhì)形成上部電極層5C。
本發(fā)明還可以應(yīng)用于具有各種不同于上述配置的配置的薄膜太陽能電池。例如，利用介質(zhì)6和光散射物質(zhì)7形成下部電極層2的配置以及上部電極層含有利用介質(zhì)15和光散射物質(zhì)16形成的透明電極層13的配置可以應(yīng)用于未對(duì)其層疊光電變換電池的薄膜太陽能電池(即，不是串聯(lián)薄膜太陽能電池的電池)。
此外，不是硅的材料，例如，SiC和SiGe可以用作形成薄膜太陽能電池的材料。
在第二實(shí)施例中，本發(fā)明的光散射層用作反射式液晶顯示器件的電極，如圖11所示。在反射式液晶顯示器件上，要求入射到反射式液晶顯示器件的外部光被反射，而且還被散射。本發(fā)明的光散射膜用作用于對(duì)液晶施加要求的電壓的電極，而且作為用于散射光的光散射裝置。
更具體地說，第二實(shí)施例的反射式液晶顯示器件設(shè)置了透明襯底31、對(duì)置襯底32、透明電極33、對(duì)置電極34以及偏振膜35。隔片39支承透明襯底31和對(duì)置襯底32，以便相互對(duì)著，在透明電極31與對(duì)置襯底32之間填充液晶36。透明電極33和對(duì)置電極34用于對(duì)液晶36施加對(duì)應(yīng)于像素色調(diào)的電壓。透明電極33連接到透明電極31，而對(duì)置電極34連接到對(duì)置襯底32。偏振膜35連接到透明電極33連接到其的表面的對(duì)面，因此，僅選擇性地透射線偏振光。
為了使入射光反射并散射到反射式液晶顯示器件，利用金屬薄膜37和導(dǎo)電光散射層38形成對(duì)置電極34。金屬薄膜37連接到對(duì)置襯底32，而導(dǎo)電光散射層38形成在金屬薄膜37上。關(guān)于導(dǎo)電光散射層38，使用如圖1所示的本發(fā)明的光散射膜。相反，利用透明并導(dǎo)電的介質(zhì)以及嵌入該介質(zhì)的光散射物質(zhì)，形成導(dǎo)電光散射層38。具有這種配置的對(duì)置電極34對(duì)液晶36施加對(duì)應(yīng)于像素色調(diào)的電壓，而且，金屬薄膜37反射該入射光，散射導(dǎo)電光散射層38反射的光。具有這種配置的對(duì)置電極34有效簡化反射式液晶顯示器件的配置。
應(yīng)該注意，在第二實(shí)施例的反射式液晶顯示器件上，不需要對(duì)對(duì)置電極34設(shè)置不希望的凹體和凸體。最好不設(shè)置對(duì)置電極的凹體和凸體，因?yàn)榘俭w和凸體對(duì)液晶36的取向具有不利影響。在不對(duì)對(duì)置電極34設(shè)置不希望的凹體和凸體的情況下，通過對(duì)對(duì)置電極34插入本發(fā)明的光散射層，可以散射光。
正如后面描述的模擬說明的那樣，通過調(diào)節(jié)包含在導(dǎo)電光散射層38內(nèi)的光散射物質(zhì)的大小，導(dǎo)電光散射層38可以提高反射比。在這種情況下，可以不采用金屬薄膜37。
在第三實(shí)施例中，本發(fā)明的光散射層用作有機(jī)EL(場(chǎng)致發(fā)光)元件，如圖12所示。在有機(jī)EL元件中，在某些情況下散射由有機(jī)EL元件產(chǎn)生的光是有益的。例如，在有機(jī)EL元件用于顯示器件時(shí)，散射產(chǎn)生的光用于提高顯示器件的可見度。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的光散射層將電流送到發(fā)光層，而且還用于散射光。
更具體地說，第三實(shí)施例的有機(jī)EL元件設(shè)置了透明電極41、正極42、正空穴傳輸層43、發(fā)光層44、電子傳輸層45以及負(fù)極46。在有機(jī)EL元件上，正空穴從正極42通過正空穴傳輸層43注入發(fā)光層44，而電子通過電子傳輸層45從負(fù)極46注入發(fā)光層44。在發(fā)光層44上，正空穴和電子復(fù)合產(chǎn)生光。
關(guān)于正極42，采用圖1所示的本發(fā)明的發(fā)光層。即，透明、導(dǎo)電介質(zhì)以及嵌入該介質(zhì)的光散射物質(zhì)形成正極42。正極42的這種配置使得可以利用簡單配置同時(shí)實(shí)現(xiàn)將正空穴送到發(fā)光層44和散射光的兩種功能。
此外，顯然，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，可以適當(dāng)修改有機(jī)EL元件的配置。例如，本發(fā)明的發(fā)光層可以用作負(fù)極46。此外，發(fā)光層44可以直接連接到正極42，而無需包括正空穴傳輸層43，而且可以直接連接到負(fù)極46，而無需包括電子傳輸層45。
下面利用模擬結(jié)果說明本發(fā)明的發(fā)光層的作用。
為了說明本發(fā)明的發(fā)光層的作用，模擬圖13所示結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，在發(fā)光層51上順序形成多晶硅層52、摻鎵氧化鋅層(ZnO:Ga層)以及Ag層54。摻雜了氟的Tin氧化物用作發(fā)光層51的介質(zhì)6，而由TiO2形成的球形用作光散射物質(zhì)7。從0.7μm和1.2μm中選擇光散射層51，而從60至1200nm的范圍內(nèi)選擇光散射層7。多晶硅層52、ZnO:Ga層53以及Ag層54的厚度分別在1至3μm、20至200nm以及0.1至10μm范圍內(nèi)的固定值。在模擬過程中，假定圖13所示的配置在平面方向無限重復(fù)。
利用有限差時(shí)域(FDTD)，通過象以前一樣解Maxwell電磁方程，進(jìn)行模擬。下面詳細(xì)說明FDTD分析的計(jì)算情況入射光是平行于光散射層51的表面的平面波。Berenger的完全匹配層方法(請(qǐng)參考J.P.Berenger，J.Computional Physics，114，185(1994))應(yīng)用于吸收邊界算法。對(duì)于整個(gè)計(jì)算時(shí)間，分別記錄每個(gè)電池內(nèi)的反射波的振幅和電磁波的振幅隨時(shí)間的變化，而且利用傅立葉變換，以5nm的間隔表示300nm至1200nm的振幅(空氣中或者真空中的波長)。利用吸收比和反射比之和變成100％的事實(shí)確認(rèn)硅吸收比的計(jì)算收斂。根據(jù)該計(jì)算，確定多晶硅層52的量子效率頻譜。此外，在300nm至1200nm的波長范圍內(nèi)(空氣中和真空中的波長)，對(duì)于波長，計(jì)算基準(zhǔn)陽光的光子數(shù)密度(例如在JIS C8901描述的)與每個(gè)電池內(nèi)的量子效率頻譜的乘積的積分，然后，利用下面的公式，根據(jù)總吸收光子數(shù)密度，計(jì)算短路電流密度JSC＝∫dλG(λ)η(λ)/Q ...(1)在此，∫dλ表示300nm至1200nm波長的積分；G(λ)是參考陽光的光譜(在JIS8911C中提及)；η(λ)是量子效率；Q是電子電荷。公式(1)給出的短路電流密度JSC是由一對(duì)正空穴和吸收光產(chǎn)生的負(fù)空穴產(chǎn)生的電流的電流密度，它等效于光吸收度。因此，在下面的說明中，該術(shù)語還可以指等效電流密度JSC。
此外，根據(jù)等效電流密度JSC計(jì)算層厚度d。等效層厚度是表示因?yàn)楣馍⑸鋵?1上的光散射獲得的光吸收的增加的指示符，因?yàn)楣馍⑸鋵?1的光散射，光徑長度延長，從而導(dǎo)致增加光吸收。這等效于多晶硅層52的層厚度的增加。即，利用多晶硅層52的等效層厚度，等效層厚度表示光散射導(dǎo)致的光徑長度增加。
利用下面的公式(2)表示的關(guān)系，計(jì)算等效層厚度dJSC＝∫dλG(λ){1-exp(-α(λ)d)}/Q...(2)在此，α(λ)是單個(gè)晶體硅的吸收系數(shù)。應(yīng)該注意，由公式(1)和下面的公式(3)獲得公式(2)∫dλG(λ){1-exp(-α(λ)d)}＝∫dλG(λ)η(λ)...(3)圖14示出由公式(2)獲得的等效電流密度Jsc與等效層厚度d之間的關(guān)系。
利用多晶硅層52的原始層厚度歸一化等效層厚度d(即，位于1至3μm內(nèi)的固定值，它是在 段描述的多晶硅層52的膜厚度)，然后，計(jì)算該等效層厚度作為等效層厚度比。該等效層厚度比用作表示光散射層51散射光的程度的指示符。如果等效層厚度比超過100％，則表示對(duì)多晶硅層52存在光散射特性。
圖15A是示出在光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，光散射物質(zhì)7的間距與等效層厚度比之間的關(guān)系的曲線圖。圖15B是示出在光散射物質(zhì)的直徑在300nm至1200nm的范圍內(nèi)時(shí)，光散射物質(zhì)7的間距與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖。對(duì)于圖15A所示的情況，假定光散射層51的厚度是0.7μm，而對(duì)于圖15B所示的情況，假定它是1.2μm。然而，應(yīng)該注意，在圖15A和15B所示的曲線圖中，間距值為“0nm”時(shí)的等效層厚度比的值是其中在介質(zhì)6與多晶硅層52之間設(shè)置其層厚度等于光散射物質(zhì)7的直徑的連續(xù)TiO2層，代替光散射物質(zhì)7，而且光散射物質(zhì)7接觸光散射物質(zhì)51與多晶硅層52之間的界面的配置的情況下的值。
從圖15A和15B可以看出，通過將光散射物質(zhì)7的直徑設(shè)置在60nm至1200nm的范圍內(nèi)，而且還將光散射物質(zhì)7的間距設(shè)置在等于或者低于1200nm的兩倍，即，2400或者低于2400，可以獲得超過100％的等效層厚度比，1200nm是用于產(chǎn)生功率的光波長范圍內(nèi)的高值。這意味著，將光散射物質(zhì)7的直徑和間距設(shè)置在上述范圍內(nèi)有利于提高陽光的散射效率。
這同樣可以應(yīng)用于利用金剛石形成光散射物質(zhì)7的情況。圖16是示出在假定下部電極層2的膜厚度是0.7μm，而且金剛石用作光散射物質(zhì)7的情況下，光散射物質(zhì)7的間距與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖。更具體地說，圖16是示出在光散射物質(zhì)7接觸光散射物質(zhì)51與多晶硅層52之間的界面，而且光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm范圍內(nèi)的情況下，光散射物質(zhì)7的間距與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖。如圖16所示，在利用金剛石形成光散射物質(zhì)7時(shí)的等效層厚度比的特性與利用TiO2形成光散射物質(zhì)7時(shí)的等效層厚度比的特性接近相同。這說明可以選擇金剛石作為光散射物質(zhì)7的材料。
圖17示出從多晶硅層52側(cè)上的光散射層51到光散射物質(zhì)7的距離(即，光散射物質(zhì)7的深度)與等效層厚度比之間關(guān)系的曲線圖。從120nm、240nm、360nm和600nm中選擇光散射物質(zhì)的直徑，然后，選擇間距，以致分別對(duì)于每個(gè)直徑，可以使等效層厚度比增加到最大。
從圖17可以看出，光散射物質(zhì)7的深度越淺，可以獲得的等效層厚度比越高。更具體地說，通過將光散射物質(zhì)7的深度設(shè)置為30nm或者更低，可以獲得超過100％的等效層厚度比。圖17示出將光散射物質(zhì)7的深度設(shè)置為50nm或者低于50nm，而且優(yōu)選設(shè)置為30nm或者低于30nm的有效性。
還對(duì)光散射層反射光進(jìn)行模擬。在該模擬過程中，利用積分反射霾比Hz估計(jì)光散射層對(duì)光的反射。積分反射霾比(Reflection Hazeratio)Hz是表示反射到垂直方向之外的方向的光與光散射層反射的光之比的值，利用對(duì)于所有方向rtotal(λ)的反射比頻譜以及對(duì)于垂直方向rnormal(λ)的反射比頻譜，利用下面的公式(4)確定該值。
HZ＝1-Rnormal/RtotalRtotal＝∫dλG(λ)·rtotal(r)/Q...(4)Rnormal＝∫dλG(λ)·rnormal(r)/Q應(yīng)該注意，與通常廣泛使用的透射霾比(Transmission Haze ratio)相比，可以考慮下面定義的積分反射霾比Hz。透射霾比Hzt(λ)是利用對(duì)所有方向的透射比ttotal(A)以及對(duì)垂直方向之外的方向的透射比tslant(λ)，利用下面的公式(5)確定的值Hzt(λ)＝tslant(λ)/ttoatl(λ)(5)上述積分反射霾比Hz是通過將與透射霾比同樣的原理應(yīng)用于反射，確定的因數(shù)。
圖18是示出光散射物質(zhì)7的直徑和間距與積分反射霾比之間關(guān)系的曲線圖。假定光散射物質(zhì)7是利用TiO2形成的球體。應(yīng)該注意，光散射物質(zhì)間距值為“0nm”時(shí)的透射霾比的值是對(duì)于其中在介質(zhì)6與多晶硅層52之間設(shè)置其厚度等于光散射物質(zhì)7的直徑的連續(xù)TiO2，而非光散射物質(zhì)7的配置情況下的等效層厚度比。
如圖18所示，隨著光散射物質(zhì)7的直徑和間距的增大，積分反射霾比廣泛增大。該結(jié)果說明本發(fā)明的光散射層可以按要求控制散射反射光。當(dāng)對(duì)光散射層設(shè)置反射光的功能時(shí)，可以對(duì)光散射層的反射進(jìn)行控制特別重要，正如圖1示出的反射式液晶顯示器件所示。
正如參考圖2說明的那樣，優(yōu)選利用由兩種或者兩種以上的其相對(duì)折射率互相不同的材料構(gòu)成的光散射物質(zhì)形成光散射物質(zhì)7。利用該模擬構(gòu)成說明其相對(duì)折射率互相不同的兩種或者兩種以上的材料構(gòu)成的光散射物質(zhì)7形成的有效性。在假定使用與光散射物質(zhì)7同樣交替排列TiO2球體和玻璃球的光散射層，而不使用圖13所示光散射層51的情況下，進(jìn)行模擬。光散射物質(zhì)7的間距是0.3μm。假定利用對(duì)其摻了氟的氧化錫形成構(gòu)成光散射層的介質(zhì)6。假定光散射層的厚度是0.7μm。
圖19是示出對(duì)于交替排列TiO2球體和玻璃球的光散射層，等效層厚度比與光散射物質(zhì)的直徑之間關(guān)系的曲線圖。從圖19可以看出，通過交替排列TiO2球體和玻璃球，可以獲得高等效層厚度比。這說明利用其相對(duì)折射率互相不同的兩種或者兩種以上的材料形成光散射物質(zhì)的有效性。
接著，利用模擬，說明在具有圖3所示配置的串聯(lián)薄膜太陽能電池內(nèi)使用本發(fā)明的光散射層的優(yōu)點(diǎn)。除了模擬對(duì)象的配置不同之外，模擬串聯(lián)薄膜太陽能電池的過程通常與上面的模擬過程相同。下面將更詳細(xì)說明模擬串聯(lián)薄膜太陽能電池10的過程。
利用有限差時(shí)域(FDTD)，通過象以前一樣解Maxwell電磁方程，模擬串聯(lián)薄膜太陽能電池10。下面詳細(xì)說明FDTD分析的計(jì)算情況入射光是平行于襯底表面的平面波。即，假定襯底直接正對(duì)著太陽。Berenger的完全匹配層方法(請(qǐng)參考J.P.Berenger，J.ComputionalPhysics，114，185(1994))應(yīng)用于吸收邊界算法。對(duì)于整個(gè)計(jì)算時(shí)間，分別記錄每個(gè)電池內(nèi)的反射波的振幅和電磁波振幅的振幅隨時(shí)間的變化，而且利用傅立葉變換，以5nm的間隔表示300nm至1200nm的振幅(空氣中或者真空中的波長)。利用吸收比和反射比之和變成100％的事實(shí)確認(rèn)硅吸收比的計(jì)算收斂。根據(jù)該計(jì)算，獲得頂部電池3和底部電池4的量子效率頻譜。此外，在300nm至1200nm的波長范圍內(nèi)(空氣中和真空中的波長)，對(duì)于波長，計(jì)算基準(zhǔn)陽光的光子數(shù)密度(例如在JIS C8901描述的)與每個(gè)電池內(nèi)的量子效率頻譜的乘積的積分，而且認(rèn)為短路電流密度與總吸收光子數(shù)密度等效。如果應(yīng)用于在光點(diǎn)變換層上具有較少缺陷的實(shí)際太陽能電池，則這種假定是合理的。
圖20示出作為模擬對(duì)象的配置的剖視圖。在該模擬過程中，假定光散射物質(zhì)7的成員是具有同樣直徑的球體。因此，光散射物質(zhì)7的平均直徑等于光散射物質(zhì)7的任意成員的直徑。此外，假定在玻璃襯底1的同面方向無限重復(fù)圖7所示的配置。換句話說，光散射物質(zhì)7的平均間距等于光散射物質(zhì)7中互相相鄰的任意兩個(gè)成員的間距。假定摻雜了氟的SnO2用于下部電極層2中的介質(zhì)6。此外，假定光散射物質(zhì)7位于接觸下部電極層2的表面2a的位置。(在此，將頂部電池3、底部電池4、ZnO層5a以及Ag層5b的層厚度分別固定在0.1至0.5μm、1至5μm、20至200nm以及0.1至10μm范圍內(nèi)的值。)。
此外，利用形成在平坦TCO(透明導(dǎo)電氧化物)襯底上的串聯(lián)薄膜太陽能電池上的頂部電池3和底部電池4的短路電流歸一化串聯(lián)薄膜太陽能電池10的短路電流，分別利用短路電流比(％)表示它們。超過100％的短路電流比表示對(duì)光點(diǎn)變換層存在光散射特性。在上面的文獻(xiàn)中(請(qǐng)參考Yoshiyuki Nasuno等人“Effects of Substrate SurfaceMorphology on Microcrystalline Silicon Solar Cells”，Jpn.J.Appl.Phys.，The Japan Society of Applied Physics，1 April 2001，vol 40，pp.L303-L305)，即使對(duì)于形成在紋理上的透明電極(Asahi-U，是Asahi GlassCo.，Ltd生產(chǎn)的紋理TCO襯底)，對(duì)使用同樣的因數(shù)(短路電流)進(jìn)行了討論。因此，短路電流接近光散射特性的因數(shù)。
圖21A、21B、22A和22B是示出在將TiO2用作光散射物質(zhì)7的串聯(lián)薄膜太陽能電池10上光散射物質(zhì)7的間距和直徑與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。更具體地說，圖21A是示出在光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，頂部電池3的光散射物質(zhì)的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。圖21B是示出在光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，底部電池4的光散射物質(zhì)7的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。在圖21A和21B所示的曲線圖上，假定下部電極層2的層厚度是0.7μm。相反，圖22A是示出在光散射物質(zhì)7的直徑在300nm至1200nm的范圍內(nèi)時(shí)，頂部電池的光散射物質(zhì)7的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。圖22B是示出在光散射物質(zhì)7的直徑在300nm至1200nm的范圍內(nèi)時(shí)，底部電池的光散射物質(zhì)7的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。在圖22A和22B所示的曲線圖上，假定下部電極層2的層厚度是1.2μm。然而，應(yīng)該注意，關(guān)于圖21A、21B、22A和22B所示的所有曲線圖，間距值是“0nm”的短路電流比是對(duì)于其中對(duì)頂部電池3側(cè)上的下部電極層2的表面設(shè)置連續(xù)TiO2層的配置的短路電流比的值。
關(guān)于頂部電池3和底部電池4，從圖21A、21B、22A和22B可以看出，通過將光散射物質(zhì)7的直徑設(shè)置在60nm至1200nm的范圍內(nèi)，而且還將光散射物質(zhì)7的間距設(shè)置在等于或者低于1200nm的兩倍，即，2400或者低于2400，可以獲得超過100％的等效層厚度比，1200nm是用于產(chǎn)生功率的光波長范圍內(nèi)的高值。這說明，將光散射物質(zhì)7的直徑和間距設(shè)置在上述范圍內(nèi)有利于提高變換效率。
這同樣可以應(yīng)用于利用金剛石形成光散射物質(zhì)7的情況。圖23A和23B是示出在金剛石用作光散射物質(zhì)其中假定下部電極層2的層厚度為0.7μm的串聯(lián)薄膜太陽能電池10上，光散射物質(zhì)7的間距和直徑與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。更具體地說，圖23A是示出在光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，頂部電池3的光散射物質(zhì)7的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。圖23B是示出在由光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)時(shí)，底部電池4的光散射物質(zhì)7的間距與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。
從圖23A和23B可以看出，在利用金剛石形成光散射物質(zhì)7時(shí)的頂部電池3和底部電池4的短路電流比接近與利用TiO2形成光散射物質(zhì)7時(shí)的頂部電池3和底部電池4的短路電流相同。這說明，可以選擇金剛石用作光散射物質(zhì)7的材料。
應(yīng)該注意，對(duì)圖21A、21B、22A、22B、23A和23B所做的討論可以應(yīng)用于使光散射物質(zhì)7接近球體的情況。在光散射物質(zhì)7接近球體的情況下(特別是在其橫軸的長度為2000nm或者大于2000nm時(shí))，利用短軸的長度確定光散射物質(zhì)7的光散射特性。因此，圖21A、21B、22A、22B、23A和23B的數(shù)據(jù)說明將光散射物質(zhì)7的外徑設(shè)置在60nm至1200nm范圍內(nèi)的有效性。在此，應(yīng)該注意，如上所述，光散射物質(zhì)7的外徑是被定義為中心轉(zhuǎn)軸7a到光散射物質(zhì)7的表面的平均距離的兩倍的值。
圖24A和24B是示出光散射物質(zhì)7的間距δ與直徑d之比δ/d與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。更具體地說，圖24A是示出頂部電池3的光散射物質(zhì)7的比值δ/d與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖，而圖24B是示出底部電池4的比值δ/d與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。假定光散射物質(zhì)7的直徑在60nm至600nm的范圍內(nèi)。關(guān)于頂部電池3和底部電池4，通過將光散射物質(zhì)7的間距δ與直徑d之比δ/d設(shè)置為20或者低于20，設(shè)置在使光散射物質(zhì)7的直徑超過60nm的范圍內(nèi)，可以獲得超過100％的短路電流比。
圖25A和25B示出從頂部電池3側(cè)上的下部電極2的表面2a到光散射物質(zhì)7的距離(即，光散射物質(zhì)7的深度)與短路電流比之間關(guān)系。更具體地說，圖25A是示出頂部電池3的光散射物質(zhì)7的深度與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖，而圖25B是示出底部電池4的光散射物質(zhì)7的深度與短路電流比之間關(guān)系的曲線圖。從120nm、240nm、360nm和600nm中選擇光散射物質(zhì)7的直徑，然后，選擇間距，以致分別對(duì)于每個(gè)直徑，可以使等效層厚度比增加到最大。
從圖25A和25B可以看出，光散射物質(zhì)7的深度越淺，可以獲得的短路電流比越高。關(guān)于頂部電池3，從圖25A可以看出，通過將光散射物質(zhì)7的深度設(shè)置為30nm或者更低，可以獲得超過100％的等效層厚度比。相反，關(guān)于底部電池4，從圖25B可以看出，通過將光散射物質(zhì)7的深度設(shè)置為50nm或者低于50nm，可以獲得超過100％的短路電流比。圖25A和25B示出將光散射物質(zhì)7的深度設(shè)置為50nm或者低于50nm，優(yōu)選設(shè)置為30nm或者低于30nm的有效性。
權(quán)利要求
1.一種光散射膜，包括介質(zhì)，由透明導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及光散射物質(zhì)，嵌入所述介質(zhì)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光散射膜，其中所述介質(zhì)的表面基本上是平坦的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述介質(zhì)的相對(duì)折射率與所述光散射物質(zhì)的相對(duì)折射率的差值是2.0或者低于2.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)由絕緣材料構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)包括氧化鈦、金剛石、SiO2、MgF2、MgO、ZnO或者LiTaO3。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)包括第一散射物質(zhì)；以及第二散射物質(zhì)，其相對(duì)折射率不同于所述第一散射物質(zhì)的相對(duì)折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的外徑的平均值在60nm至2000nm的范圍內(nèi)，所述光散射物質(zhì)接近具有中心轉(zhuǎn)軸的球體，所述外徑的值是從所述中心轉(zhuǎn)軸到所述光散射物質(zhì)的表面的距離的平均值的兩倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的所述外徑的平均值是1200nm或者低于1200nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的所述外徑的平均值是300nm或者高于300nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的直徑的平均值在60nm至2000nm的范圍內(nèi)，所述光散射物質(zhì)的所述直徑的值是從所述光散射物質(zhì)的中心到所述光散射物質(zhì)的表面的距離的平均值的兩倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的所述直徑的平均值是1200或者低于1200。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的所述直徑的平均值是300nm或者高于300nm。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的直徑的最大值與最小值之間的差值是120nm或者低于120nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的間距的平均值是4000nm或者低于4000nm，所述光散射物質(zhì)的間距是所述光散射物質(zhì)的兩個(gè)相鄰成員之間的距離。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的所述間距的平均值是2400nm或者低于2400nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的平均間距δAVE與該光散射物質(zhì)的平均直徑dAVE的比δAVE/dAVE是20或者低于20，所述光散射物質(zhì)的所述平均間距是被定義為所述光散射物質(zhì)的相鄰成員的中心之間的距離的間距的平均值，所述光散射物質(zhì)的所述平均直徑是從所述光散射物質(zhì)的中心到表面的距離的平均值的兩倍。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光散射膜，其中所述比值δAVE/dAVE是4或者低于4。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)的所述間距的最大值與最小值的差值是120nm或者低于120nm。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中從所述介質(zhì)的所述表面到所述光散射物質(zhì)的距離是50nm或者低于50nm。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光散射膜，其中所述距離是30nm或者低于30nm。
21.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光散射膜，其中所述光散射物質(zhì)接觸所述介質(zhì)的所述表面。
22.一種光電變換器件，包括襯底；以及電極層，位于所述襯底的上側(cè)，其中所述電極層包括第一介質(zhì)，由透明導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及光散射物質(zhì)，嵌入所述第一介質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光電變換器件，進(jìn)一步包括第一半導(dǎo)體層，位于所述襯底與所述電極層之間；以及第二半導(dǎo)體層，位于所述電極層之上。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光電變換器件，其中所述下部電極層接觸所述襯底。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光電變換器件，進(jìn)一步包括第一半導(dǎo)體層，位于所述下部電極層上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光電變換器件，其中接觸所述第一半導(dǎo)體層的所述下部電極層的表面基本上是平坦的。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述第一介質(zhì)的相對(duì)折射率與所述光散射物質(zhì)的相對(duì)折射率的差值是2.0或者低于2.0。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)由絕緣材料構(gòu)成。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)包括氧化鈦、金剛石、SiO2、MgF2、MgO、ZnO或者LiTaO3。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)包括第一散射物質(zhì)；以及第二散射物質(zhì)，其相對(duì)折射率不同于所述第一散射物質(zhì)的相對(duì)折射率。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的外徑的平均值在60nm至2000nm的范圍內(nèi)，所述光散射物質(zhì)接近具有中心轉(zhuǎn)軸的球體，所述外徑的值是從所述中心轉(zhuǎn)軸到所述光散射物質(zhì)的表面的距離的平均值的兩倍。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的所述外徑的平均值是1200nm或者低于1200nm。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的所述外徑的平均值是300nm或者高于300nm。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的直徑的平均值在60nm至2000nm的范圍內(nèi)，所述光散射物質(zhì)的所述直徑的值是從所述光散射物質(zhì)的中心到所述光散射物質(zhì)的表面的距離的平均值的兩倍。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的所述直徑的平均值是1200或者低于1200。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的所述直徑的平均值是300nm或者高于300nm。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光電變換器件，其中所述光最大值與最小值之間的差值是120nm或者低于120nm。
38.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的間距的平均值是4000nm或者低于4000nm，所述光散射物質(zhì)的所述間距是所述光散射物質(zhì)的兩個(gè)相鄰成員之間的距離。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的所述間距的平均值是2400nm或者低于2400nm。
40.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的平均間距δAVE與該光散射物質(zhì)的平均直徑dAVE的比δAVE/dAVE是20或者低于20，所述光散射物質(zhì)的所述平均間距是被定義為所述光散射物質(zhì)的相鄰成員的中心之間的距離的間距的平均值，所述光散射物質(zhì)的所述平均直徑是從所述光散射物質(zhì)的中心到表面的距離的平均值的兩倍。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的光電變換器件，其中所述比值δAVE/dAVE是4或者低于4。
42.根據(jù)權(quán)利要求38所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)的所述間距的最大值與最小值的差值是120nm或者低于120nm。
43.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中從所述介質(zhì)的所述表面到所述光散射物質(zhì)的距離是50nm或者低于50nm。
44.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中從所述介質(zhì)的所述表面到所述光散射物質(zhì)的距離是30nm或者低于30nm。
45.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光電變換器件，其中所述光散射物質(zhì)接觸所述介質(zhì)的所述表面。
46.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光電變換器件，進(jìn)一步包括中間層，位于所述第一半導(dǎo)體層上；以及第二半導(dǎo)體層，位于所述中間層上，其中所述中間層包括第二介質(zhì)，由導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及光散射物質(zhì)，嵌入所述第二介質(zhì)內(nèi)。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的光電變換器件，其中接觸所述第二半導(dǎo)體層的所述中間層的表面基本上是平坦的。
48.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光電變換器件，進(jìn)一步包括上部電極層，位于所述第一半導(dǎo)體層的上側(cè)，其中所述上部電極層包括第三介質(zhì)，由導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及光散射物質(zhì)，嵌入所述第三介質(zhì)。
49.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光電變換器件，其中所述第一半導(dǎo)體層包括硅、SiC或者SiGe。
50.一種用于制造光電變換器件的襯底的方法，包括步驟形成第一導(dǎo)電層；在所述第一導(dǎo)電層上噴涂包括由導(dǎo)電材料構(gòu)成的介質(zhì)的前體和光散射物質(zhì)的溶液；以及通過燒結(jié)所述溶液，在所述第一導(dǎo)體層上形成包括所述介質(zhì)和所述散射物質(zhì)的第二層。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的制造光電變換器件的襯底的方法，進(jìn)一步包括步驟提供襯底，其中形成所述第一導(dǎo)電層，以覆蓋所述襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光散射膜(2)具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，將電信號(hào)傳導(dǎo)到要求的位置并所述入射光，而且其表面基本上是平坦的；以及使用該光散射膜(2)的光電器件。光散射膜(2)包括介質(zhì)(6)，由透明導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及光散射物質(zhì)(7)，嵌入該介質(zhì)內(nèi)。利用一個(gè)部件，光散射膜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和光散射特性。不需要為了實(shí)現(xiàn)光散射特性而有意利用凹體和凸體使表面具有紋理。希望該表面基本上是平坦的。當(dāng)在該表面上形成半導(dǎo)體層(3)時(shí)，抑制缺陷，因?yàn)樵摫砻嫫教埂＞哂泄馍⑸淠ず臀挥谠撃さ谋砻嫔系陌雽?dǎo)體器件的光電器件的光點(diǎn)變換效率高。
文檔編號(hào)H05B33/28GK1786747SQ200510131420
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者小林靖之, 坂井智嗣, 佐竹宏次 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社