(57)【要約】  太陽電池セルは、光起電力材料領域を有する。光起電力材料領域は、均一な反射防止コーティングによって覆われている。フォトニック結晶構造が光起電力材料領域の上に設置される。フォトニック結晶構造は、太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となる。
2009533875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルであって、
光起電力材料領域と、
前記光起電力材料領域上に配置される均一な反射防止コーティングと、
前記光起電力材料領域の下に配置され、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造と、
を備えることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記光起電力材料領域はシリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造の回折コンポーネントは、空気または誘電材料の穴でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項４】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造の反射コンポーネントは、高い屈折率と低い屈折率の交互の層でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項５】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項６】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項７】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項８】
請求項２に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造の回折コンポーネントはＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項９】
太陽電池セルを形成する方法であって、
光起電力材料領域を設置するステップと、
前記光起電力材料領域の上に設置される均一な反射防止コーティングを形成するステップと、
前記光起電力材料領域の下に設置され、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記光起電力材料領域はシリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の回折コンポーネントは、空気または誘電材料の穴でなることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の反射コンポーネントは、高い屈折率と低い屈折率の交互の層でなることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の回折コンポーネントは、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子でなることを特徴とする方法。
【請求項１７】
太陽電池セル内で光を捕集する方法であって、
光起電力材料を設置するステップと、
平面状上面を形成するステップと、
前記光起電力材料領域の上に均一な反射防止コーティングを設置するステップと、
前記光起電力材料領域の上に、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、
前記光起電力材料領域は、シリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、空気または誘電材料の穴でなることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の反射コンポーネントは、高い屈折率と低い屈折率の交互の層でなることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１８に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の回折コンポーネントは、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子でなることを特徴とする方法。
【請求項２５】
太陽電池セルであって、
光起電力材料領域と、
前記光起電力材料領域の平面状上面と、
前記光起電力材料領域の上の均一な反射防止コーティングと、
前記光起電力材料領域の一部を取り囲み、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造と、
を備えることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２６】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記光起電力材料領域は、シリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２７】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、空気または誘電材料の穴でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２８】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造の反射コンポーネントは、高い屈折率と低い屈折率の交互の層でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２９】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３０】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３１】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３２】
請求項２６に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３３】
太陽電池セルを形成する方法であって、
光起電力材料領域を形成するステップと、
前記光起電力材料領域の上に平面状表面を形成するステップと、
前記光起電力材料領域の上に均一な反射防止コーティングを形成するステップと、
前記光起電力材料領域の一部のみを取り囲み、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、
前記光起電力材料領域は、シリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、空気またはその他の誘電材料の穴でなることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の反射コンポーネントは、高い屈折率と低い屈折率の交互の層でなることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３４に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造の反射コンポーネントは、ＤＢＲ上に周期的にエッチングされた回折格子でなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池セルの分野、特に特定の周波数での吸収効率を大幅に改善するための、太陽電池セルの設計へのマイクロフォトニック結晶の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、参照によってそのすべてが本願に援用される２００６年４月１０日出願の米国実用新案出願第１１／４００，９１１号の優先権を主張する。
【０００３】
太陽光が長続きする、低インパクトでクリーンなエネルギー源として認識されるようになってから久しい。太陽光のエネルギーを捕集するために、半導体のバンドギャップエネルギーより大きい、またはこれと等しいエネルギーを有する光子を電気に変換するような半導体太陽電池セルが設計されている。最も広く使用されている太陽電池セル材料のひとつは、室温でのバンドギャップが波長λ＝１．１μｍの光子に対応し、太陽スペクトルの大部分について有益な結晶シリコン（Ｓｉ）である。しかしながら、Ｓｉの間接遷移により、その吸収は入射光波長がλGを十分に下回る時にのみ強く、波長が長いとかなり弱くなり、図１Ａに示すように、λ＝０．８μｍの時の吸収長さ(absorption length)は１０μｍ以上、λ＝１．１μｍの時の吸収長さは１ｍｍである。しかし、図１Ｂに示すように、太陽スペクトルのこの部分には利用可能な力の２２．７％が含まれる。
【０００４】
Ｓｉがこのような特性を有することから、厚さ１０μｍのＳｉ微小太陽電池セルは基本的にλ＝０．８μｍおよびそれ以下の波長を吸収し、０．８μｍから１．１μｍ（＝λG）までの波長はほとんど反射により損失される。このようなＳｉ微小太陽電池セルの設計を改良し、使用するＳｉ材料が少なくてすむだけではなく、Ｓｉのバンドギャップより大きいエネルギーを有する光子のすべてについて有効な吸収体のままとなるようにすることが非常に望ましいことは確かである。
【０００５】
【非特許文献１】L.ZENG ET AL : "New Solar Cells with Novel Light Trapping via Textured Photonic Crystal Back Reflector" PROGRESS IN SEMICONDUCTOR MATERIAL V - NOVEL MATERIALS AND ELECTRONIC AND OPTOELECTRONIC APPLICATIONS (MATERIALS RESEARCH SOCIETY SYMPOSIUM PROCEEDINGS), vol.891, 28 November 2005, pages 251-256
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２９４９６Ａ１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によれば、太陽電池セルが提供される。この太陽電池セルは、光起電力材料領域を有する。光起電力材料領域は、均一な反射防止コーティングで覆われる。フォトニック結晶構造が、光起電力材料領域の上に配置される。フォトニック結晶構造は、太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向(spatial orientation)を発生させて、太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となる。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、太陽電池セルの形成方法が提供される。この方法は、光起電力材料領域を設置するステップと、その上に均一な反射防止コーティングを形成するステップと、を含む。また、この方法は、光起電力材料領域の上に設置されるフォトニック結晶構造を形成するステップも含む。フォトニック結晶構造は、太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となる。
【０００８】
本発明のまた別の態様によれば、太陽電池セルが提供される。この太陽電池セルは、光起電力材料領域を有する。光起電力材料領域は平面状上面を有し、光起電力材料領域の上に均一な反射防止コーティングが設置される。フォトニック結晶構造は、光起電力材料領域の一部分を取り囲む。フォトニック結晶構造は、太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となる。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、太陽電池セルの形成方法が提供される。この方法は、平面状上面を有する光起電力材料領域を設置するステップと、光起電力材料領域の上に設置される均一な反射防止コーティングを形成するステップと、を含む。また、この方法は、光起電力材料領域の一部分を取り囲むフォトニック結晶構造を形成するステップも含む。フォトニック結晶構造は、太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、太陽電池セルの設計に微小フォトニック結晶を取り入れる。フォトニック結晶に基づく太陽電池セル設計においては、特定の波長についての吸収効率を大幅に改善するいくつかの新しいメカニズムが存在することがわかる。すると、この波長範囲は、たとえばシリコンのような間接遷移型半導体で作製された従来の薄膜太陽電池セルではこれまで無視されてきた光子を捕捉するために、λGに近くなるように設計することができる。
【００１１】
光起電力材料層の吸収効率を改善するための鍵は、この層の中の光路の長さを長くする方法にある。簡単にいえば、空気との界面が一時的に無視され、光の伝搬が光起電セル(photovoltaic cell)の中でのみ考慮される。図２Ａは、厚さｄの光起電力材料層６と底部に分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）４を有する太陽電池セルの構造２を示す。このような光起電力材料層６の場合、伝搬角θ、たとえばＤＢＲ面法線に対する光の波動ベクトルの角度で進む光の光路長はだいたい、Ｌ＝２ｄ／ｃｏｓθである。長い光路とよりよい吸収のためにはθが大きいことが有利であることは明らかである。しかし、従来の太陽電池セルの設計では、θは通常、デバイス２への入射角によって固定され、ＤＢＲへの反射によってθが変わることはない。本実施例において光起電力材料層はＳｉで構成されるが、他の間接遷移型半導体も使用できる。別の実施例では、ＤＢＲ１４の代わりにフォトニック結晶を使用できることにも注意されたい。
【００１２】
図２Ｂに示すように、底部のＤＢＲ１４の上の光起電力材料１２の中に「エアホール」型フォトニック結晶構造１０を取り入れると、状況は異なる。入射光ｉは、反射してチャネルγ０（スペクトルの方向）に入り、回折してチャネルγ１等に入り、また屈折してフォトニック結晶構造１０の中のチャネルｔに入る。その結果、フォトニック結晶に基づく設計では、θ、θ’、φ等のいくつかの伝搬角が発生しうる。フォトニック結晶とＤＢＲの界面１２において、入射光は、ＤＢＲがそこに到達すると予想される周波数範囲（一般に、シリコンで０．７μｍから１．１μｍ）について適正に設計されているかぎり、ほぼすべて反射されてフォトニック結晶１０の中に戻るはずである。フォトニック結晶層構造１０は、１次元、２次元および３次元のフォトニック結晶とすることができる。さらに、これらのフォトニック結晶構造は、空気または誘電体で形成された穴、ＤＢＲの上の周期的エッチングによる回折格子、または表面に対して平行な高い屈折率(index)と低い屈折率の交互の層とすることができる。
【００１３】
反射ビームに関して、表面の周期性により、伝搬方向は逆格子ベクトルの分だけ通常のスペクトル反射波動ベクトルとは異なる波動ベクトルを有するすべての回折方向となりうる。したがって、回折した反射ビームを利用することにより、光起電力材料領域の伝搬角を変えることが可能である。たとえば、小さな入射角θのビームのエネルギーの一部を大きな反射角θ’のビームに転換することができ、このビームはより効果的に吸収される。さらに、今度は空気との界面を考えると、十分な傾斜角では内部全反射となり、これは光を非常に強力に捕集する。回折ビームの配向に関するモデルを構成でき、これは回折されたｃＧ／ｎからｃＧの範囲内の周波数がその後内部反射されるはずであることを示す。ここで、ｃは光の速度、Ｇは逆格子ベクトル、ｎは光起電力材料の屈折率である。屈折率が高い場合（たとえば、近赤外線でＳｉにおいてｎ＝３．５）、ターゲットとする波長（Ｓｉにおいて０．７μｍから１．１μｍ）の全範囲を内部反射するのに十分大きな範囲であり、これは十分な共鳴を与える。この範囲で共鳴数が小さい太陽電池セルでは明らかに、吸収係数が非常に低い、あるいは材料の層が非常に薄いことから、中間周波数での空中への漏出によってこのデバイスの性能が制限される。
【００１４】
屈折ビームに関しては、たとえばスーパープリズム効果により、特定の入射角についても屈折角が大きくなることがある。フォトニック結晶への屈折角は、まずフォトニック結晶の一定周波数等値線(constant frequency contour)を計算し、その後、周波数と波動ベクトル（逆格子ベクトルまで）の平行成分の両方を保存するモードを選択することによって見つけることができる。大きな伝搬角の条件は、群速度の方向を表す一定周波数表面から生成される勾配ベクトルが、面法線と大きな角度を作ることである。実際の設計において、ＤＢＲはすべての屈折フォトニック結晶モードを反射する。これらのモードの光は最終的に吸収されるか、あるいは再び光起電力材料に入る。したがって、最終的な伝搬方向は表面回折により決定される方向のみとなるが、回折ビーム各々の強度は対応するフォトニック結晶モードとの結合に依存する。ＤＢＲの存在はまた、フォトニック結晶領域が有限であり、その結果、共鳴が可能であることを意味する。この共鳴は光吸収にとっても有利であるが、これは、フォトニック結晶の内部で光が跳ね返って行き来し、徐々に吸収されるからである。さらに、この共鳴は屈折角の大きなフォトニック結晶モードにとって特に重要である。過去の研究で示されているように、このような超屈折モード(super-refracted mode)は共鳴がないと結合しにくい。その一方で、共鳴があれば、この超屈折モードはフォトニック結晶層から漏れにくいため、よく吸収されると予想できる。つまり、フォトニック結晶に基づく光起電セルは、内部全反射等の異常な反射および屈折特性を有する可能性があり、また入射光に関するフォトニック結晶共鳴を形成することが可能であり、これらはすべて、薄い光起電セルの吸収効率を改善するのに使用できる。
【００１５】
フォトニック結晶に基づく設計の吸収効率の改善を説明するために、単純な２次元システムについて、Ｓ行列計算が行われる。この２次元システムは、全体の厚さが１０λ0で、底部に表面終端(surface termination)の気柱１０の正方格子を３周期有する光起電力材料層である。格子周期ａをａ＝０．２５λ0とし、気柱の半径を０．４ａになるように選択する。簡潔にするために、ＤＢＲの代わりに貴金属を用い、光起電力材料層の誘電率を定数ε＝１２＋０．００３３ｉとし、光は同じ光起電力材料領域またはその上の空気のいずれかから到来し、ＴＥモデルに対応して、気柱軸に垂直に偏向されているものと仮定する。このεは、１つの反射器だけが存在する（フォトニック結晶がない）状態で、λ0が光の１１％を吸収する波長での吸収長１６７λ0に対応する。
【００１６】
システムへの垂直入射とある角度での入射の両方を考慮し、２種類の反射率を計算して、吸収強度を測定したものを図３Ａ−３Ｄに示す。図３Ａと３Ｃは「スペクトル反射(spectral reflection)」を示すグラフであり、この言葉はスペクトル的に反射されたビームの中に残っている相対的強度を表すのに使用され、図３Ｂと３Ｄは「全体反射(overall reflection)」を示すグラフであり、この言葉は反射されたすべての光波が有する相対的強度の合計を表すのに使用される。
【００１７】
垂直入射に関して、図３Ａは、周波数が回折閾値より大きいときに大量の光が±１の回折チャネルに伝送されることを示しており、これは破線（フォトニック結晶がないことを表す）と実線（上記パラメータのフォトニック結晶を表す）の間の差として見られる。特に、ω＝０．３０９・２πｃ／ａの付近に、非常に傾斜した回折に失われるエネルギーのピークがある。図３Ｂは、２つのケースに関する全体反射を示す。１つはシリコンの中に発光源(source)があるケース、もう１つは均一な反射防止コーティングを上部に有するシリコンの上の空気中に発光源があるケースである。後者のケースの反射は、このシステムの物理的に不要なファブリ・ペロー発振を抑制するように平坦化されている。また、反射防止コーティングは、シリコンと空気との間の屈折率差の大きい界面におけるフレネル反射を大幅に減少させる。この反射防止コーティングは、光を受ける領域全体での光起電力材料への結合が良好に行われるようにするために、均一でなければならない。図３Ｂを参照すると、発光源が空気中にあるケースのほうが明らかにより多くの吸収が起こる。物理的に、これは、反射防止コーティングが光を光起電力材料に結合させ、すると、前述のように、内部全反射が傾斜モードを光起電力材料領域に強く閉じ込め、最終的に傾斜モードは吸収される。しかしながら、回折される可能性のある光の一部がスペクトルモード（セルから反射される）の中に漏れるため、光は依然として完全には吸収されない。
【００１８】
ある角度で入射するケースは、Ｓ行列計算において横方向の波動ベクトル０．４・２π／ａとして数字的に実現される。このケースでは、回折閾値の周波数がはるかに低く、スペクトル反射においてより激しい挙動が見られる。たとえば、スペクトル成分は、ω＝０．３３１・２πｃ／ａで７％より低くなることがある。この周波数でのエネルギーの大部分は、入射角２０°について約３０°の角度で反転反射(negative reflection)される。また、図３Ｃでは、ω＝０．２５５・２πｃ／ａにおいて急激な下降が見られることに注意されたい。これは図３Ｄの全体反射にも見られるため、すべての回折ビームについてω＝０．２５５・２πｃ／ａで強力な吸収が起こることを意味し、したがってフォトニック結晶における超屈折共鳴(super-refraction resonance)との強力な結合を表す。この場合、周波数は第二のフォトニックバンドの中にあり、その等値線は界面に垂直な平坦な端面を有するため、超反射を起こしうることが知られている。つまり、表面回折、内部全反射、フォトニック結晶層における共鳴のすべてが、スペクトル反射ビームの強度を大幅に削減させることが観察されている。全体反射は太陽電池セル内に発光源があるケースではより大きいが、太陽電池セルへの使用にとっては、スペクトル方向の結合が最も重要な要素である。
【００１９】
簡潔にするために、２次元フォトニック結晶に基づく吸収層の反射特性の多くを、入射媒質が光起電力材料と同じ（図３Ｂと３Ｄの両方の最後の曲線を除く）であるケースについて検討した。もちろん、実際の光起電セルには空気との界面がなければならず、これは一般に平坦である必要はない。事実、理想化されたランバート面は、内部全反射の臨界角であるθｃより大きな伝搬角で、空気から光起電力材料への入射光を結合できることが知られている。しかしながら、平面状表面とランバート面のどちらでも、対称とはスペクトル的に反射された光線が通常、簡単に構造から漏れることを意味する。その結果、平坦なセルと比較して、ランバート形状の吸収改善には定められた上限があり、これは２ｎ2（ただし、ｎは光起電力材料領域の屈折率である）で表される。
【００２０】
これに対し、フォトニック結晶に基づく太陽電池セルは異なる原理で光を捕集し、これはいくつかの周波数について、この限界を大きく超えることができる。平面状の空気／反射防止コーティング／Ｓｉの場合、スペクトル反射を低減させた太陽電池セルの設計として考えられるものを図４Ａ−４Ｂに示す。図４Ａは、反射防止コーティングＳｉ２３と、底部の反射器２６の全範囲を取り囲むフォトニック結晶２４を含む光捕集用平面状領域２２を有する太陽電池セルの構成２０を示す。底部の反射器は、ＤＢＲでも類似の反射器でもよいことに注意されたい。さらに、図４Ａは、±１の回折角が、Ｓｉの上面２８での内部全反射について十分に大きく、これによって光路の長さを大幅に長くすることができる場合のビームの伝搬を示す。回折ビームへのパワーの移転が完璧であっても、回折モードがスペクトルモードに再結合する(coupled back into)可能性があるため、やはり一部の強度は空気中に漏れる点に注意すべきである。このようなフォトニック結晶構造としては、空気または誘電材料の穴、あるいは太陽電池セルの表面に平行な周期で高い屈折率と低い屈折率の層を交互に重ねたものを設けることができる。
【００２１】
図４Ｂは、図４Ａの太陽電池セル構造２０に類似した太陽電池セル構造３０を示すが、フォトニック結晶３２が底部の反射器３４全体を覆っていない点が異なる。図４Ｂの設計では、入射ビームから実際に案内されたモードが得られ、スペクトルモードへの再結合が防止されるが、フォトニック結晶によってカバーされる有益な面積が減るという犠牲を伴う。ランバート面構造を用いた同様の設計も可能であるが、モードの品質係数を低下させることがあり、反射損失が大きくなる。明らかに、高効率のフォトニック結晶に基づく太陽電池セルでは、スペクトル的に反射されるビームの強度だけを考慮すればよい。しかしながら、全体反射の強度を低下しうる共鳴によって改善される超屈折効果も確かに、吸収効率を改善する目的のためには有益である。
【００２２】
現実的な設計において、３次元フォトニック結晶を使ってすべての入射方向と偏光についての伝搬角を変更できる。共鳴を利用するために、完全なフォトニックバンドギャップは望ましくない。したがって、表面終端の単純立方格子等、比較的単純な構造でもこの用途には十分である。周波数範囲は、少なくとも１つのモードが、たとえば高誘電材料における入射角０°から３０°によって励起されるように選択すべきである。
【００２３】
さらに、フォトニック結晶は、表面に垂直な平坦な一定周波数等値線の部分を有するべきである。Ｓｉ内の半径０．４８ａの空気球の単純な立方格子のバンド構造および一定周波数等値線が計算されており、第三、第四、第五バンドに対応する周波数範囲（０．２５−０．３０）・２πｃ／ａがこれらの基準にとって十分であることがわかった。Ｓｉバンドギャップ１μｍで使用する場合、本発明の設計では、格子定数ａが約２５０−３００ｎｍで、現在の電子ビームまたはＸ線リソグラフィの到達範囲内である。
【００２４】
本発明を、いくつかの好ましい実施例に関して図に示し、説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その形態や詳細にさまざまな変更、省略、追加を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】１．５μｍ未満でのＳｉの吸収係数を示すグラフである。
【図１Ｂ】太陽エネルギーのスペクトルとこれに対応する光子数フラックス(photon number flux)を示すグラフである。
【図２Ａ】ある太陽電池セルの構成と本発明による太陽電池セルの構成の比較を示す概略図である。
【図２Ｂ】ある太陽電池セルの構成と本発明による太陽電池セルの構成の比較を示す概略図である。
【図３Ａ】厚さ１０λ、垂直入射のＴＥ波の反射とスペクトル反射成分の相対的強度を示すグラフである。
【図３Ｂ】厚さ１０λ、垂直入射のＴＥ波の反射とスペクトル反射成分の相対的強度を示すグラフである。
【図３Ｃ】厚さ１０λ、垂直入射のＴＥ波の反射とスペクトル反射成分の相対的強度を示すグラフである。
【図３Ｄ】厚さ１０λ、垂直入射のＴＥ波の反射とスペクトル反射成分の相対的強度を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の他の実施例の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の他の実施例の概略図である。
【図１Ａ】
2009533875.tif 000003
【図１Ｂ】
2009533875.tif 000004
【図２Ａ】
2009533875.tif 000005
【図２Ｂ】
2009533875.tif 000006
【図３Ａ】
2009533875.tif 000007
【図３Ｂ】
2009533875.tif 000008
【図３Ｃ】
2009533875.tif 000009
【図３Ｄ】
2009533875.tif 000010
【図４Ａ】
2009533875.tif 000011
【図４Ｂ】
2009533875.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月16日(2009.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルであって、
光起電力材料領域と、
前記光起電力材料領域上に配置される均一な反射防止コーティングと、
前記光起電力材料領域の下に配置され、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造と、
を備えることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記光起電力材料領域はシリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、空気または誘電材料の穴からなる回折コンポーネントを含むことを特徴とする太陽電池セル。
【請求項４】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、高い屈折率と低い屈折率の交互の層からなる反射コンポーネントを含むことを特徴とする太陽電池セル。
【請求項５】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項６】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項７】
請求項１に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項８】
請求項２に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子からなる回折コンポーネントを含むことを特徴とする太陽電池セル。
【請求項９】
太陽電池セルを形成する方法であって、
光起電力材料領域を設置するステップと、
前記光起電力材料領域の上に設置される均一な反射防止コーティングを形成するステップと、
前記光起電力材料領域の下に設置され、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記光起電力材料領域はシリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、空気または誘電材料の穴からなる回折コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、高い屈折率と低い屈折率の交互の層からなる反射コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子からなる回折コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
太陽電池セル内で光を捕集する方法であって、
光起電材料を設置するステップと、
平面状上面を形成するステップと、
前記光起電力材料領域の上に均一な反射防止コーティングを設置するステップと、
前記光起電力材料領域の上に、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、
前記光起電力材料領域は、シリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、空気または誘電材料の穴でなることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、高い屈折率と低い屈折率の交互の層からなる反射コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１７に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１８に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子からなる回折コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
太陽電池セルであって、
光起電力材料領域と、
前記光起電力材料領域の平面状上面と、
前記光起電力材料領域の上の均一な反射防止コーティングと、
前記光起電力材料領域の一部を取り囲み、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造と、
を備えることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２６】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記光起電力材料領域は、シリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２７】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、空気または誘電材料の穴でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２８】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、高い屈折率と低い屈折率の交互の層からなる反射コンポーネントを含むことを特徴とする太陽電池セル。
【請求項２９】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３０】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３１】
請求項２５に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３２】
請求項２６に記載の太陽電池セルであって、
前記フォトニック結晶構造は、ＤＢＲの上に周期的にエッチングされた回折格子でなることを特徴とする太陽電池セル。
【請求項３３】
太陽電池セルを形成する方法であって、
光起電力材料領域を形成するステップと、
前記光起電力材料領域の上に平面状表面を形成するステップと、
前記光起電力材料領域の上に均一な反射防止コーティングを形成するステップと、
前記光起電力材料領域の一部のみを取り囲み、前記太陽電池セルによって受信される入射光信号の複数の空間的配向を発生させて、前記太陽電池セルにおける入射光の選択的周波数の捕集を可能にする媒質となるフォトニック結晶構造を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、
前記光起電力材料領域は、シリコンまたはその他の間接遷移型半導体でなることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、空気またはその他の誘電材料の穴でなることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、高い屈折率と低い屈折率の交互の層からなる反射コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する１次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する２次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３３に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、底部に反射器を有する３次元誘電体周期構造でなることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３４に記載の方法であって、
前記フォトニック結晶構造は、ＤＢＲ上に周期的にエッチングされた回折格子からなる反射コンポーネントを含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2009533875.tif 000013
2009533875.tif 000014