(57)【要約】  色光起電力(PV)デバイスであって、PVセル、デバイス、パネル、またはアレイの前部面または後部面を覆う、色を反射するように調節された干渉積層体を使用して形成される、色光起電力(PV)デバイスが開示される。PVデバイスを覆う干渉積層体は、干渉変調器(IMOD)またはダイクロイック対積層体を含む。こうしたデバイスは、有効電気を発生するのに十分な光をPV活性材料に透過させながら、色を与えるのに十分な選択波長光を反射するよう構成されうる。
2011501439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電力デバイスであって、
光起電力活性材料と、
前記光起電力活性材料の第1面を覆う干渉積層体とを備え、前記干渉積層体は、可視範囲の波長内の選択波長の反射を選択的に増強して、前記第1面上で可視色を反射するよう構成される光起電力デバイス。
【請求項２】
前記光起電力活性材料は、光起電力デバイスの前部面上に前部電極領域を、また、前記前部電極領域に隣接する光起電力デバイスの前記前部面上に窓領域を備える請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
前記窓領域の前部において前記干渉積層体から反射される可視光の反射率は、可視入射光に対して10%より大きい請求項2に記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
前記窓領域の前部において前記干渉積層体から反射される可視光の反射率は、可視入射光に対して15%より大きい請求項2に記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
ピーク波長における反射は、20%と95%との間である請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
ピーク波長における反射は、80%より大きい請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記第1面は、光起電力デバイスの光入射面であり、前記干渉積層体は、光を前記光起電力材料まで選択的に透過させ、それにより、前記選択的に透過された光が電流に変換されるよう構成される請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
前記干渉積層体の光入射面上にさらなる膜をさらに備える請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
前記さらなる膜は、パッシベーション層または反射防止層を備える請求項8に記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
前記干渉積層体から反射される色は、光起電力デバイスにわたって実質的に均一である請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
前記光起電力セルは、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム、III-V族半導体、セレン化銅インジウムガリウム、テルル化カドミウム、砒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ガリウム、砒化ホウ素、窒化インジウムガリウム、およびタンデム多接合型光起電力材料からなる群から選択される光起電力材料を含む請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
前記光起電力セルは、干渉的に増強される光起電力セルである請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
前記干渉積層体は光学膜のダイクロイック対を備える請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項１４】
前記干渉積層体は、複数の光学膜のダイクロイック対を備える請求項13に記載の光起電力デバイス。
【請求項１５】
前記複数のダイクロイック対は、光起電力デバイスにわたる異なる領域について異なるいくつかのダイクロイック対を含み、各領域は、異なる反射色に相当する異なる数のダイクロイック対を有する請求項14に記載の光起電力デバイス。
【請求項１６】
前記ダイクロイック対を備える光学薄膜の厚さは、光起電力デバイスにわたる異なる領域について異なり、各領域は、異なる反射色に相当する異なる光学薄膜を有する請求項14に記載の光起電力デバイス。
【請求項１７】
前記ダイクロイック対を備える光学薄膜を構成する材料は、光起電力デバイスにわたる異なる領域について異なり、各領域は、異なる反射色に相当する異なる光学薄膜材料を有する請求項14に記載の光起電力デバイス。
【請求項１８】
前記干渉積層体は、吸収体および光共振空洞を備え、前記光共振空洞は、前記光起電力活性材料に面する請求項1に記載の光起電力デバイス。
【請求項１９】
前記干渉積層体は、部分反射体をさらに備え、それにより、前記光共振空洞が、前記吸収体と前記反射体との間にある請求項18に記載の光起電力デバイス。
【請求項２０】
前記光共振空洞は、前記吸収体を前記部分反射体から分離する支持体によって形成される高さを有する空気ギャップを備える請求項19に記載の光起電力デバイス。
【請求項２１】
前記干渉積層体は、前記光共振空洞のサイズを電磁的に変化させうる、反射体を有するアクティブな微小電気機械システム(MEMS)デバイスを備える請求項20に記載の光起電力デバイス。
【請求項２２】
前記光共振空洞は誘電体を含む請求項18に記載の光起電力デバイス。
【請求項２３】
前記光共振空洞は導体を含む請求項18に記載の光起電力デバイス。
【請求項２４】
前記光共振空洞は光学薄膜を備える請求項18に記載の光起電力デバイス。
【請求項２５】
前記光学薄膜は、約1と3との間の屈折率nを有する請求項24に記載の光起電力デバイス。
【請求項２６】
前記光学薄膜の厚さは、約42/n nmと700/n nmとの間である請求項25に記載の光起電力デバイス。
【請求項２７】
前記光共振空洞の高さは、光起電力デバイスにわたって均一でない請求項24に記載の光起電力デバイス。
【請求項２８】
前記光共振空洞の高さは、前記干渉積層体が2つ以上の領域を備えるようにパターニングされ、各領域は、異なる反射色に相当する異なる光共振空洞の高さを有する請求項24に記載の光起電力デバイス。
【請求項２９】
前記パターンは、ピクセルの規則的なアレイを備える請求項28に記載の光起電力デバイス。
【請求項３０】
前記ピクセルのアレイは、複数の赤ピクセル、複数の緑ピクセル、および複数の青ピクセルを備える請求項29に記載の光起電力デバイス。
【請求項３１】
前部面および後部面を有する光起電力デバイスであって、
光起電力活性層と、
反射を干渉的に調節するよう構成された干渉変調器とを備え、前記干渉変調器は、
前記光起電力活性層を覆って光共振空洞を形成する1つまたは複数の光学的に透明な層と、
前記光共振空洞を覆う吸収体層とを備える光起電力デバイス。
【請求項３２】
前記干渉変調器は、光を受取る前記光起電力活性層の一部分を覆って延在する請求項31に記載の光起電力デバイス。
【請求項３３】
前記干渉変調器は、入射広帯域可視光から選択可視波長の反射を選択的に増強して、色を反射するよう構成される請求項31に記載の光起電力デバイス。
【請求項３４】
前記干渉変調器は、前記光起電力活性層の前部面を覆って配置される請求項33に記載の光起電力デバイス。
【請求項３５】
前記干渉変調器は、光を前記光起電力活性層まで選択的に透過させて、電流に変換するよう構成される請求項34に記載の光起電力デバイス。
【請求項３６】
前記干渉変調器は、前記光起電力活性層の後部面を覆って配置される請求項33に記載の光起電力デバイス。
【請求項３７】
光起電力デバイスであって、
光起電力活性層と、
光反射および透過を干渉的に調節するよう構成されたダイクロイック積層体であって、1つまたは複数の対の誘電体膜を備えるダイクロイック積層体とを備え、前記1つまたは複数の対はそれぞれ、低い屈折率を有する別の膜を覆って第1の屈折率を有する1つの膜を備える光起電力デバイス。
【請求項３８】
前記ダイクロイック積層体は、電流に変換するために光を受取る前記光起電力活性層の一部を覆って延在する請求項37に記載の光起電力デバイス。
【請求項３９】
前記ダイクロイック積層体は、ある範囲の可視波長を選択的に反射して、色を表示するよう構成される請求項37に記載の光起電力デバイス。
【請求項４０】
前記ダイクロイック積層体は、前記光起電力活性層の前部面を覆って配置される請求項39に記載の光起電力デバイス。
【請求項４１】
前記ダイクロイック積層体は、ある範囲の可視波長を、前記光起電力活性層まで選択的に透過させるよう構成される請求項40に記載の光起電力デバイス。
【請求項４２】
前記ダイクロイック積層体は、前記光起電力活性層の後部面を覆って配置される請求項39に記載の光起電力デバイス。
【請求項４３】
前記ダイクロイック積層体は、前記光起電力活性層の後部面を覆って配置される請求項37に記載の光起電力デバイス。
【請求項４４】
色光起電力デバイスを製造する方法であって、
光が入射する前部面および後部面を有する光起電力材料を設けるステップと、
前記光起電力材料を覆って、特定の色の可視光反射を干渉的に増強するよう構成される干渉積層体を形成するステップとを含む方法。
【請求項４５】
前記干渉積層体を形成するステップは、
前記光起電力材料を覆って光共振空洞を形成するステップと、
前記光共振空洞上に光吸収材料層を形成するステップとを含む請求項43に記載の方法。
【請求項４６】
部分的に反射しかつ部分的に透過する材料層を形成するステップをさらに含み、光共振空洞を形成するステップは、部分的に反射しかつ部分的に透過する材料層上に前記光共振空洞を形成するステップを含む請求項45に記載の方法。
【請求項４７】
前記光吸収材料層は前記光共振空洞の前部にあり、前記光共振空洞は前記部分的に反射しかつ部分的に透過する材料層の前部にある請求項46に記載の方法。
【請求項４８】
前記光起電力材料を覆って前記干渉積層体を形成するステップは、前記光起電力材料の前部面に前記干渉積層体を形成するステップを含む請求項45に記載の方法。
【請求項４９】
前記光起電力材料を覆って前記干渉積層体を形成するステップは、前記光起電力材料の後部面で後部電極の後部を覆って前記干渉積層体を形成するステップを含む請求項45に記載の方法。
【請求項５０】
前記光起電力材料を覆って前記干渉積層体を形成するステップは、透明基板上に前記干渉積層体を形成するステップをさらに含む請求項45に記載の方法。
【請求項５１】
前記光起電力材料の前記前部面上に前記透明基板を貼り合わせるステップをさらに含む請求項50に記載の方法。
【請求項５２】
前記光起電力材料の前記後部面上に前記透明基板を貼り合わせるステップをさらに含む請求項50に記載の方法。
【請求項５３】
前記光共振空洞を形成するステップは、前記光起電力デバイスの異なる領域を覆って異なる厚さの1つまたは複数の光学的に透明な層を形成するステップを含み、それぞれの異なる厚さは、前記干渉積層体から反射される干渉的に増強される異なる可視色に相当する請求項45に記載の方法。
【請求項５４】
前記干渉積層体を形成するステップは、前記光起電力材料を覆って、特定の色の反射を干渉的に増強するよう構成されるダイクロイック積層体を形成するステップを含む請求項44に記載の方法。
【請求項５５】
前記光起電力材料を覆ってダイクロイック積層体を形成するステップは、前記光起電力材料の前記前部面を覆って前記ダイクロイック積層体を形成するステップを含む請求項54に記載の方法。
【請求項５６】
前記光起電力材料を覆ってダイクロイック積層体を形成するステップは、透明基板上に前記ダイクロイック積層体を形成するステップをさらに含む請求項54に記載の方法。
【請求項５７】
前記光起電力材料の前記前部面または前記後部面上に前記透明基板を貼り合わせるステップをさらに含む請求項56に記載の方法。
【請求項５８】
前記ダイクロイック積層体を形成するステップは、前記光起電力デバイスの異なる領域を覆って異なる厚さの光学薄膜を形成するステップを含み、それぞれの異なる厚さは、前記干渉積層体から反射される干渉的に増強される異なる可視色に相当する請求項54に記載の方法。
【請求項５９】
光起電力デバイスであって、
入射光から電流を発生する手段と、
光起電力デバイスの第1の面からの特定の色の反射可視光を干渉的に増強する手段とを備える光起電力デバイス。
【請求項６０】
電流を発生する前記手段は、半導体光起電力活性材料を含む請求項59に記載の光起電力デバイス。
【請求項６１】
反射光を干渉的に増強する前記手段は、光起電力デバイスの光入射面を覆って光共振空洞および吸収体を含む薄膜積層体を備える請求項59に記載の光起電力デバイス。
【請求項６２】
光を干渉的に反射する前記手段は、前記光共振空洞と入射光から電流を発生する前記手段との間に部分反射体をさらに備える請求項61に記載の光起電力デバイス。
【請求項６３】
光を干渉的に反射する前記手段は、複数の光学薄膜のダイクロイック対を含む積層体を備え、各対の第1の光学薄膜の屈折率は、各対の第2の薄膜の屈折率より大きい請求項59に記載の光起電力デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる「COLORED PHOTOVOLTAICS USING INTERFEROMETRIC DISPLAY DEVICES AND PHOTOVOLTAIC INTEGRATED INTERFEROMETRIC DISPLAYS」という名称で2007年10月19日に出願された米国仮出願第60/999,566号(代理人文書番号第QCO.234PR)に対して米国特許法119(e)条に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本出願は、一般に、たとえば光起電力セルなどの、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換器の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
一世紀以上の間、石炭、石油、および天然ガスなどの化石燃料は、米国において主要なエネルギー源を提供してきた。代替のエネルギー源についての必要性が増している。化石燃料は、急速に枯渇しつつある非再生可能エネルギー源である。インドおよび中国などの発展途上国の大規模な工業化は、入手可能な化石燃料にかなりの負担を課してきた。さらに、地政学的問題が、こうした燃料の供給に素早く影響を及ぼしうる。地球温暖化もまた、近年大きな関心事である。いくつかの因子が、地球温暖化の一因であると考えられる。しかし、化石燃料の広範囲の使用が、地球温暖化の主要な原因であると推定される。そのため、環境的に安全でもある再生可能でかつ経済的に実行可能なエネルギー源を見出すという緊急の必要性が存在する。太陽エネルギーは、熱および電気などの他の形態のエネルギーに変換されうる環境的に安全な再生可能エネルギー源である。
【０００４】
光起電力(Photovoltaic)(PV)セルは、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、したがって、太陽エネルギーを電力に変換するのに使用されうる。光起電力太陽セルは、非常に薄くかつモジュール式に作られうる。PVセルは、数ミリメートルから数10センチメートルまでのサイズの範囲にありうる。1つのPVセルからの個々の電気出力は、数ミリワットから数ワットの範囲にある可能性がある。いくつかのPVセルは、十分な量の電気を生成するために、電気的に接続され、アレイでパッケージングされる可能性がある。PVセルは、衛星および他の宇宙船に電力を供給すること、居住用および商業用不動産に電力を供給すること、自動車電池に充電することなどのような、広い範囲の用途で使用されうる。
【０００５】
PVデバイスは、炭化水素燃料への依存を軽減する可能性を有するが、PVデバイスの幅広い使用は、非効率性および美的問題によって妨げられてきた。したがって、これらの側面のいずれかにおける改善は、PVデバイスの使用を増加させうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許仮出願第60/999,566号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は、有効電気を発生するのに十分な光をPV活性材料に透過させながら、色を与えるのに十分な選択波長光を反射することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のいくつかの実施形態は、観察者に1つまたは複数の可視色を反射するために、干渉積層体と一体化された光起電力セルまたはデバイスを含む。こうした干渉的に着色される光起電力デバイスは、特定の用途の必要性に応じて広い範囲の色のうちの任意の色を反射するように作られてもよい。これは、光起電力デバイスを、見た目に美しく、したがって、建物または建築用途においてより有用にする可能性がある。
【０００９】
種々の実施形態では、干渉薄膜積層体は、光起電力デバイス内に含まれ、特に光起電力(PV)活性材料を覆って延在して、デバイスが1つまたは複数の色で着色されて見えるように、干渉的に増強された反射可視波長スペクトルを反射する。色干渉薄膜積層体がPVデバイスの前部面にある実施形態では、干渉積層体は、光が、PVデバイスに達して、電流に変換されることを可能にするため、部分的に透過性がある。可視光の相対的反射率および透過率は、反射される色の強度と、PVデバイスにおける変換のため、または、PVデバイス間でPVアレイ(たとえば太陽パネル)を通過するための干渉積層体を透過する程度との間のトレードオフとしての干渉積層体膜の選択によって選択される。干渉積層体は、アレイにわたって均一な色を反射しうる、または、単色または多色画像を生成するようにパターニングされうる。色干渉薄膜積層体が、PVデバイスまたはアレイの後部面を覆って延在する一部の配置構成では、後部面は、用途に応じて、前部面と同様に部分的に透過性がありうる、または、不透明でありうる。いずれの場合も、色干渉積層体は、パターンまたはブランケット色として着色した外観を与えうる。
【００１０】
干渉積層体を構成する干渉薄層は、本明細書で述べるように、金属薄膜、誘電体などの透明非伝導性材料、透明伝導性材料、空気ギャップ、およびその組み合わせを備えてもよい。一実施例では、干渉膜積層体は、吸収体、光共振空洞、および光反射体を含む干渉変調器(interferometric modulator)(IMOD)である。この実施例では、IMODは、光共振空洞の厚さまたは高さの選択によって反射色を「調節する(modulate)」よう構成される。IMODは、一部の実施形態では、光吸収体層および/または反射体層においてある波長の光の顕著な吸収を有する。別の例では、干渉膜積層体は、反射される色と、顕著な吸収を伴うことのない、基礎となる光起電力活性材料への透過との間の簡単なトレードオフを可能にしながら、顕著な吸収を伴うことなく色反射を干渉的に増強することが意図される膜対のダイクロイック（２色性）積層体（dichroic stack）を含む。
【００１１】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光起電力活性材料および光起電力活性材料の第1面を覆う干渉積層体を含む。干渉積層体は、可視範囲の波長内の選択波長の反射を選択的に増強するよう構成される。干渉積層体は、第1面で可視色を反射する。
【００１２】
別の実施形態では、前部面および後部面を有する光起電力デバイスは、光起電力活性層および干渉変調器を含む。干渉変調器(IMOD)は、反射を干渉的に調節するよう構成される。干渉変調器は、光起電力活性層を覆って光共振空洞を、また、光共振空洞を覆って吸収体層を形成する1つまたは複数の光学的に透明な層を含む。
【００１３】
別の実施形態では、光起電力デバイスは、光起電力活性層およびダイクロイック積層体を含む。ダイクロイック積層体は、光反射および透過を干渉的に調節するよう構成される。ダイクロイック積層体は、誘電性膜の1つまたは複数の対を含む。1つまたは複数の対は、低い屈折率を有する別の膜を覆って第1の屈折率を有する1つの膜を含む。
【００１４】
別の実施形態では、色光起電力デバイスを製造する方法が提供される。方法は、光が入射する前部面および後部面を有する光起電力材料を設けることを含む。方法はまた、光起電力材料を覆って干渉積層体を形成することを含む。干渉積層体は、特定の色の可視光反射を干渉的に増強するよう構成される。
【００１５】
別の実施形態では、光起電力デバイスは、入射光から電流を発生する手段と、光起電力デバイスの第1の面からの特定の色の反射可視光を干渉的に増強する手段とを含む。
【００１６】
本明細書に開示される例示的な実施形態は、例示の目的だけのためである添付図面に示される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】理論的な光干渉空洞を概略的に示す図である。
【図２Ａ】光共振空洞の界面における反射を概略的に示す図である。
【図２Ｂ】ダイクロイック膜対を備える干渉積層体の界面における反射を示す図である。
【図２Ｃ】図2Bのダイクロイック積層体と同様のダイクロイック積層体についての反射率対波長を示す図である。
【図２Ｄ】ダイクロイック対を備える別のタイプの干渉積層体を示す図である。
【図２Ｅ】図2Dの干渉積層体と同様の干渉積層体についての反射率対波長を示す図である。
【図３Ａ】吸収体および光共振空洞を含む干渉変調器(IMOD)を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】吸収体層、光共振空洞、および反射体を備える、図3AのIMODと同様のIMODのブロック図である。
【図３Ｃ】光空洞が、吸収体層と反射体層との間でポストまたはピラーによって形成される空気ギャップを含むIMODを概略的に示す図である。
【図３Ｄ】正常に入射されて反射される光について黄色を反射するよう構成される光空洞を有するIMODの全反射対波長を示す図である。
【図３Ｅ】光共振空洞が電気機械的に調整されうる「オープン(open)」状態のMEMS IMODを示す図である。
【図３Ｆ】IMODが「クローズ(closed)」状態で示される図3EのMEMS IMODを示す図である。
【図４Ａ】p-n接合を備える光起電力セルを概略的に示す図である。
【図４Ｂ】堆積された薄膜光起電力活性材料を含むフォトセル(photocell)を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｃ】干渉的に増強される光起電力積層体を備える光起電力セルを概略的に示すブロック図である。
【図４Ｄ】前部面に可視反射電極を有する例示的な太陽光起電力デバイスを示す略平面図である。
【図４Ｅ】前部面に可視反射電極を有する例示的な太陽光起電力デバイスを示す等角断面図である。
【図５】干渉積層体を組込む色光起電力(PV)デバイスの実施形態を概略的に示す図である。
【図６Ａ】吸収体-空洞-反射体積層体を備えるIMODの形態で前部面干渉積層体の実施形態を有する色PVデバイスを示す図である。
【図６Ｂ】吸収体-空洞積層体だけを有する前部面IMODを有する色PVデバイスの実施形態を示す図である。
【図６Ｃ】ダイクロイック対の積層体の形態で前部面干渉積層体の実施形態を有する色PVデバイスを示す図である。
【図６Ｄ】光共振空洞が空気ギャップを備える吸収体-空洞-反射体積層体を備える前部面IMODを有する色PVデバイスの実施形態を示す図である。
【図６Ｅ】IMODを覆って付加的な層を有する前部面干渉積層体を有する色PVデバイスの実施形態を示す概略図である。
【図７】前部面と後部面の両方に干渉積層体を有する色PVデバイスの実施形態を示す概略図である。
【図８Ａ】色PVデバイスを備える静的ディスプレイにわたって画像を形成するために、異なる領域に異なる色を表示するパターニングされた干渉積層体の実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】色PVデバイスを備える静的ディスプレイにわたって画像を形成するために、異なる領域に異なる色を表示するパターニングされた干渉積層体の実施形態を示す図である。
【図８Ｃ】色PVデバイスを備える静的ディスプレイにわたって画像を形成するために、異なる領域に異なる色を表示するパターニングされた干渉積層体の実施形態を示す図である。
【図８Ｄ】色PVデバイスを備える静的ディスプレイにわたって画像を形成するために、異なる領域に異なる色を表示するパターニングされた干渉積層体の実施形態を示す図である。
【図９Ａ】色PVデバイス、アレイ、または太陽パネルとの貼り合わせによって干渉積層体を一体化する方法の実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】色PVデバイス、アレイ、または太陽パネルとの貼り合わせによって干渉積層体を一体化する方法の実施形態を示す図である。
【図９Ｃ】色PVデバイス、アレイ、または太陽パネルとの貼り合わせによって干渉積層体を一体化する方法の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
光エネルギーを電気エネルギーまたは電流に変換するための利用可能な表面上での光起電力(PV)デバイスの幅広い採用を妨げる1つの問題は、標識、広告板、または建物などの種々の用途において、その色のせいで光起電力(PV)デバイスを一体化することが難しいことである。活性PV材料自体は、通常暗く見え、一部の光る導体も見えることがあり、両方の因子が、PVデバイスを周囲の材料に溶け込ませることを妨げうる。本明細書で以下に述べる実施形態は、光干渉の原理を使用して、可視範囲内の選択波長スパイクまたはピークの反射を増強するように設計された、ダイクロイック対（dichroic pairs）およびIMOD(吸収体-空洞-反射体)積層体などの干渉積層体構造を使用する。選択的な反射は、干渉積層体が観察者に対してある色を持つように見えさせ、また、特定の用途の必要性に応じてある色を出現させるように設計されうる。波長に応じた干渉的反射または透過は、干渉薄膜積層体を構成する材料の寸法および基本的な材料特性によって支配される。したがって、着色作用は、一般的な染料または塗料と比較して、経時的な退色を受けない。
【００１９】
いくつかの実施形態および実施例が本明細書で説明されるが、本主題は、具体的に開示される実施形態を超えて、本発明の他の代替の実施形態および/または使用ならびに本発明の自明の変更および均等物に拡張することが理解される。本明細書で開示される発明の範囲は、特定の開示される実施形態によって制限されるべきでないことが意図される。そのため、たとえば、本明細書で開示されるいずれの方法またはプロセスにおいても、方法/プロセスを構成する行為または操作は、任意の適したシーケンスで実施されてもよく、また、任意の特定の開示されるシーケンスに必ずしも限定されない。実施形態の種々の態様および利点は、適切である場合に述べられる。必ずしも全てのこうした態様または利点が、任意の特定の実施形態に従って達成されなくてもよいことが理解される。そのため、たとえば、種々の実施形態は、本明細書で教示されるかまたは提案されてもよい他の態様または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される1つの利点または利点の群を達成するかまたは最適化する方法で実施されてもよいことが認識されるべきである。以下の詳細な説明は、本発明のある特定の実施形態を対象とする。しかし、本発明は、複数の異なる方法で具現化されうる。本明細書で述べる実施形態は、光エネルギーを電流に変換するために光起電力デバイスを組込む広い範囲のデバイスで実施されてもよい。
【００２０】
この説明では、同様な部品が、全体を通して同様な数字で指定される図面が参照される。以下の説明から明らかになるように、実施形態は、光起電力活性材料を含む種々のデバイスで実施されてもよい。
【００２１】
最初に、図1〜3Fは、一部の光学原理、および、図5〜9Cを参照して述べるように、光起電力デバイスと一体化するのに有用な種々のタイプの干渉薄膜積層体を示す。図4A〜4Eは、干渉積層体がそれと一体化されうる一部の光起電力デバイスを示す。図5〜9Cは、干渉積層体(IMODまたはダイクロイック積層体など)が光起電力デバイスと一体化される実施形態を示す。
【００２２】
図1は、光共振空洞を示す。こうした光共振空洞の実施例は、あるスペクトルの反射色を生成する可能性がある石鹸膜である。光共振空洞は、光を干渉的に処理するのに使用されうる構造である。図1に示す光共振空洞は、上側および下側界面101および102を備える。2つの界面101および102は、同じ層の対向表面であってよい。たとえば、2つの界面101および102は、ガラスまたはプラスチック板、あるいは、ガラス、プラスチック、または任意の他の透明材料のシートまたは膜上の表面を含んでもよい。空気または他の媒体が、板、シート、または膜を囲んでもよい。光共振空洞は、上側界面101のその一方の面上に1つの材料を、また、下側界面102の他の面上に別個の材料を有してもよい。光共振空洞に関して界面101、102を形成する材料は、金属層または部分反射層、透明媒体、または空気などの誘電体であってよい。光共振空洞に関して界面101、102を形成する材料は、同じであってもよく、または、異なってもよい。示す実施例では、界面101、102のそれぞれにおいて、光が、部分的に反射し、部分的に透過する。
【００２３】
光共振空洞の前部表面101に入射する光線103は、光路104で示すように部分的に反射し、光路105に沿って前部表面101を部分的に透過する。光線103は、光の広いスペクトル分布を有する可能性がある。たとえば、光線103は、白色光を含み、したがって、可視範囲450nm〜700nm内の広い範囲の波長ならびに可視範囲外の波長からのかなりの成分を有する可能性がある。透過光線105は、光路107に沿って部分的に反射され、光路106に沿って共振空洞から部分的に透過される可能性がある。光共振空洞の、厚さを含む光学特性ならびに周囲材料の特性は、界面101と102の両方から反射される光の振幅と位相の両方に影響を及ぼす可能性がある。したがって、光線104および107はそれぞれ、光共振空洞および周囲媒体の特性に応じた振幅および位相を有することになる。実施例は、当業者によって理解されるように、複数の内部反射の省略によって簡略化されている。
【００２４】
本明細書で提供される説明のために、光共振空洞から反射される光の総合強度は、2つの反射光104および107のコヒーレントな重ね合わせである。こうしたコヒーレントな重ね合わせによって、2つの反射ビームの振幅と位相は共に、総計強度に寄与する。このコヒーレントな重ね合わせは、干渉と呼ばれる。2つの反射光線104および107は、互いに対して位相差を有する可能性がある。一部の実施形態では、2つの波の間の位相差は、180度(180°)であり、互いに打消す可能性がある。2つの光線104および107の位相および振幅が、特定の波長の強度を減少させるよう構成される場合、2つの光ビームは、その波長において破壊的に干渉すると呼ばれる。一方、2つの光ビーム104および107の位相および振幅が、特定の波長の強度を増加させるよう構成される場合、2つの光線は、その波長において建設的に干渉すると呼ばれる。位相差は、2つの経路の光路差に依存し、光路差は、光共振空洞の厚さ、2つの表面101と102との間の材料の屈折率、および周囲材料の屈折率が光共振空洞を形成する材料より高いか低いかに依存する。位相差はまた、入射ビーム103の異なる波長について異なる。したがって、光線104および107は、互いに対する位相差を有する可能性があり、この位相差は、波長と共に変動する可能性がある。そのため、一部の波長は、建設的に干渉し、一部の波長は破壊的に干渉する可能性がある。そのため、一般に、光共振空洞によって反射され透過される色および総合強度は、厚さならびに光共振空洞および周囲媒体を形成する材料に依存する。反射波長および透過波長はまた、視野角に依存し、異なる波長が、異なる角度で反射され透過される。
【００２５】
先に説明した原理が使用されて、光の波長に応じて、入射光の可視波長の波長スペクトルまたは範囲(複数可)を干渉的に選択的に反射する、かつ/または、透過させることになる構造が構築されうる。干渉の原理を使用して、その波長に応じて光の反射または透過に影響を及ぼす構造は、干渉薄膜積層体または単に干渉積層体と呼ばれうる。一部の実施形態では、干渉積層体は、光吸収体と反射体との間に挟まれる光共振空洞を含む干渉変調器(IMOD)である。反射体は、別個に設けられた、部分的に反射する、または、完全に反射する層でありうる。あるいは、基礎となるデバイス内で自分自身の機能を有する他の層(複数可)が、複合反射体として役立ってもよい。他の実施形態では、干渉積層体は、ダイクロイック薄膜積層体である。当業者によって理解されるように、IMODと違って、ダイクロイック積層体は、吸収体を使用せず、したがって、顕著な吸収を伴わずに、かなり強い干渉色を反射する可能性があり、これは、光起電力デバイスの前部面に関する透過用途について有益でありうる(図5〜9Cおよび付随する説明を参照されたい)。他方、ダイクロイック積層体は、所望の色の高い反射率を得るために、ダイクロイック膜の複数の対を堆積させるという費用を必要とする。当業者によって理解されるように、干渉積層体から反射される光についての光路長が、可視波長とほぼ同じ大きさである場合、視覚効果が非常に際立ちうる。光路長が増加し、白色光のコヒーレンス長(たとえば、5000nm以上)を超えると、光の位相がそのコヒーレンスを失うため、干渉がもはや可能でなくなるため、視覚干渉色効果が失われる。
【００２６】
光共振空洞の実施例は図2Aに示される。図2Aでは、光共振空洞200は、界面210と211との間にある。光共振空洞200の屈折率はN2である。図2Aに示すように、界面210に入射する光線212は、光線213で示すように部分的に反射され、光線214に沿って界面210を部分的に透過してもよい。透過した光線214は、光線215で示すようにさらに部分的に反射され、光線216に沿って表面211を部分的に透過してもよい。しばしば、光共振空洞200の厚さは、可視範囲内の波長と同じ大きさであるよう構成される。
【００２７】
先に述べたように、界面210、211において反射光線213、215の振幅と位相は共に、界面210および211を形成する媒体の屈折率、および、種々の媒体の屈折率が互いより高いか低いかに依存する。特に、低い屈折率を有する媒体から高い屈折率を有する媒体へ波が通過するときに界面で反射される光は、入射光線に対して180°の位相変化を受ける。こうした界面における透過波は、位相変化を受けないであろう。したがって、N2>N1である場合、光線213は、光線214に対して180°の位相偏倚（ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ）を有することになる。
【００２８】
同様に、界面211において、N3>N2である場合、光線215は、光線214に対して180°の位相偏倚を受けることになる。示すように、光共振空洞200の厚さ217は、入射光線212の波長成分のうちの1つの波長成分について(媒体内で)波長218の4分の1(1/4×λ)であるよう構成される。したがって、光共振空洞の厚さ217ならびに界面211における反射時の180°の位相偏倚を考慮して、反射光線215は、反射光線213に対して180°位相がずれている可能性がある。したがって、光線213および215は、破壊的に干渉する。両方の光線213、215の振幅が等しかった場合、光線213および215は、完全に破壊的に干渉することになり、表面210からの反射がほとんどないかまたは全くない。両方の光線の振幅が等しくなかった場合、光線213および215は、部分的に破壊的に干渉することになるだけである。光共振空洞200の厚さ217は、1つの特定の波長(すなわち、可視範囲内の場合、色)だけについて波長の4分の1であるため、破壊的干渉は、1つの波長だけについて、完全である、または、最大限に破壊的に干渉されるだけであってよい。他の波長の場合、破壊的干渉は、完全でない可能性があり、したがって、一部の反射が起こる可能性がある。したがって、当業者によって理解されるように、表面210からの反射光は、特定の色を出現させることになる。当業者によって理解されるように、光線215はまた、界面210において反射と透過を有することになる。簡潔にするために、この高次反射および他の高次反射は、説明のために無視される。
【００２９】
反射光線213、215が、建設的に干渉することになるか、破壊的に干渉することになるかは、光共振空洞の厚さ217に依存する可能性がある。たとえば、厚さ217が、入射光線212の特定の波長成分について波長218の2分の1(1/2×λ)であるよう構成される場合(図示せず)、反射光線215の位相は、反射光線213と同じである可能性があり、両者は、建設的に干渉する可能性がある。建設的な干渉は、界面210からかなりの反射をもたらす可能性がある。厚さ217が、1つの特定の波長だけについて波長の半分であるため、建設的干渉は、1つの波長だけについて最大になってよい。他の波長の場合、建設的干渉は、完全でない可能性があり、したがって、光共振空洞の厚さ217に相当する波長におけるより少ない反射が起こる可能性がある。したがって、反射は、ある波長について選択的に増強されることになり、それは、可視範囲の場合、ある色の総合的な反射外観をもたらすことになる。
【００３０】
干渉積層体は、図2Aに示す膜に似た一対の光学薄膜を備えうる。1つの光学薄膜の屈折率が他の光学薄膜の屈折率より大きい場合、先に説明したように、反射光線は、入射光線に対して位相偏倚を受ける可能性がある。こうした対の光学薄膜はダイクロイック対と呼ばれる。ダイクロイック対は、ある波長に対する各膜の厚さを含む、2つの膜の光学特性に応じて建設的干渉または破壊的干渉をもたらす可能性がある。同様に、干渉積層体は、図2Bに示すように、複数対の光学膜を備えてもよい。
【００３１】
図2Bでは、干渉積層体220は、3つのダイクロイック膜対221a、221b、221cによって形成される。各対は、比較的高い屈折率の媒体(H)および比較的低い屈折率の媒体(L)を備える。先に説明したように、連続して比較的高い屈折率と比較的低い屈折率を使用することは、界面からの各反射について180°位相偏倚される可能性がある反射を可能にするため、光は、第1の屈折率を有する媒体(L)から高い屈折率を有する媒体(H)へ進む。全ての層の屈折率が、互いに異なってもよく、また、同じである必要はない。したがって、全ての比較的高い屈折率層が、同じ屈折率を有することは必要でなく、比較的低い屈折率用の層の場合も同様である。
【００３２】
図2Bでは、ダイクロイック対221a、221b、221cは、各層の厚さが、関心波長について4分の1波長(1/4×λ)に等しいよう構成される。示すように、入射光線222は、空気または他の比較的低い屈折率材料を通って進む。光線222は、第1のダイクロイック対221aに入射し、一部の反射および一部の透過をもたらしてもよい。任意の反射光線223a〜223eが、界面224aにおいて干渉積層体220から反射すると、任意の反射光線223a〜223eの相対位相は、反射光線223a〜223eが、2つの媒体間の界面224a〜224eにおいて位相偏倚を受けるかどうかと、任意の反射光線223a〜223eが進む光路長の両方に依存する。以下の説明では、位相は、界面224aにおける入射光線222の位相を基準にして説明されるであろう。当業者に知られているように、図2Bは、反射光線223aが、界面224aにおいて入射光線222に対して180°位相がずれているとして示す。ダイクロイック対221aは、比較的高い屈折率層および比較的低い屈折率層を備える。図2Bに示すように、ダイクロイック対221aの第2の層の屈折率は、第1の層の屈折率より比較的小さく、したがって、反射光線223bは、界面224bにおける反射時に位相偏倚を受けない。しかし、界面224aにおける入射光線222の位相に関して、界面224bにおける反射光線223bは、4分の1波長光学薄膜の光路により、90°だけ位相偏倚する。反射光線223bが、反射すると、もう一度4分の1波長光学薄膜を進むため、界面224aにおける入射光線222に対してさらに別の90°位相偏倚する。したがって、界面224aにおいて、反射光線223bは、入射光線222に対して180°だけ位相偏倚する。第1の反射光線223aはまた、界面224aにおける入射光線222に対して180°だけ位相偏倚するため、反射光線223aと223bは同相になり、したがって、両者は、建設的に干渉する。界面224c、224d、および224eにおける光線223c、223d、および223eの場合も同様である。干渉積層体220からの全反射(total reflection)は、光線223a〜223eのコヒーレントな重ね合わせに等しいことになり、建設的干渉の場合、反射は、かなりのものになる可能性がある。先に説明したように、反射は、ダイクロイック対221a、221b、221cを形成する光共振空洞の厚さに応じてある波長の光(すなわち、可視範囲内の場合、色)について最大になってもよい。
【００３３】
図2Cは、図2Bの干渉積層体と同様の干渉積層体についての反射率対波長のグラフを示す。グラフで示すように、複数のダイクロイック対の干渉積層体は、各ダイクロイック対内の光学薄膜の厚さに応じて、ある範囲の波長について反射を最大にしうる。示すグラフでは、ほぼ550nmのピーク213の辺りで反射率が最大になる可能性がある。したがって、ピーク波長232は、ほぼ550nmであり、1.0の屈折率(空気)を有する媒体について、550nmの4分の1、すなわち、ほぼ1375Å(オングストローム)の、4分の1波長光共振空洞厚に相当する。当業者に明らかになるように、ダイクロイック対内の光学薄膜の実際の厚さは、光学薄膜を構成する1つまたは複数の媒体の屈折率に依存することになる。一般的に言えば、n0の屈折率でかつtairの空気中の光共振空洞厚の場合、等価的な光学薄膜の厚さは、tair/n0に等しくなることになる。したがって、一般的に言えば、ダイクロイック対を形成する2つの光学薄膜は、薄膜の屈折率によって支配されるのと少し異なる厚さを有する可能性がある。ピーク231はまた、ピークまたは最大反射率の半分に等しい反射率234におけるピークの幅であってよい半ピーク帯域幅233を有する。図2Cについての半ピーク帯域幅はほぼ100nmである。図2Cに示す特性に似た特性を有する干渉積層体から反射される色は、緑がかった色合いを有してもよくまたは緑であってよい。他の干渉積層体構造が、異なる(たとえば、主要でない)色を生成するために、可視範囲内の複数のピークをもたらす可能性があることを当業者は理解するであろう。たとえば、図2Bのダイクロイック対221a〜221cは、建設的干渉が、可視範囲内の複数の波長ピークについて起こるように大きな厚さを有してもよい。
【００３４】
図2Dは、ダイクロイック対を備える別の干渉積層体240を示す。示す実施形態では、高い屈折率の光学薄膜241が、ダイクロイック対242、243の2つの積層体間に挟まれる。ある波長で反射を最大にしてもよい図2Bの干渉積層体220と違って、この実施形態は、特定の波長で反射を最小にしてもよい。この実施例では、図2Bと違って、入射光線244が当たる第1の光学薄膜は、比較的低い屈折率の4分の1波長厚の光学薄膜である。波長の関数として干渉積層体240からの反射を示すグラフが図2Eに示される。見てわかるように、光学薄膜の厚さは、反射が最大になるかまたは最少になることになる波長を確定する。
【００３５】
図3Aは、干渉変調器(IMOD)300の形態の干渉積層体を示す。IMOD300は、吸収体層301および光共振空洞302を含む。図3Aでは、光共振空洞302は、2つの反射表面間に挟まれる。特に、吸収体層301は、光共振空洞302の上部(top)を画定し、一方、底部反射体層303は、光共振空洞302の底部を画定する。吸収体および反射体層301、303の厚さは、光の反射および透過の相対量を制御するために選択されてもよい。吸収体層と反射体層は共に、金属を含んでもよく、共に部分的に透過性があるように作られうる。図3Aに示すように、光干渉空洞の吸収体層301に入射する光線304は、経路305および306のそれぞれに沿って光干渉空洞から部分的に反射されてもよい。前部面または入射面上の観察者によって観察される照明フィールドは、2つの反射光線305および306の重ね合わせである。底部反射体303で実質的に反射されるかまたは透過される光の量は、反射体層の厚さおよび組成を変動させることによって著しく増加するかまたは減少する可能性があり、一方、反射の見かけの色は、光共振空洞101のサイズまたは厚さによって支配される干渉効果、および、光線305と306との間の光路長の差を決定する吸収体層301の材料特性によって主に決定される。底部反射体厚さ303を調節する(すなわち、光干渉空洞302と基礎となる媒体との間の界面によって提供される反射率がどんな反射率であれ、反射率に有利になるように省略すること)は、IMOD300の総合反射率（overall reflectivity）に対して反射色の強度を調節し、したがって、IMOD300の透過強度に影響を及ぼすことになる。
【００３６】
一部のIMODでは、光共振空洞302は、1つまたは複数の光学的に透明な誘電体層などの層によって画定される。他のIMODでは、光共振空洞302は、空気ギャップまたは光学的に透明な層(複数可)と空気ギャップの組み合わせによって画定される。光共振空洞302のサイズは、入射光の1つまたは複数の特定の色の反射を最大にするかまたは最小にするように調節されてもよい。光干渉空洞によって反射される1つまたは複数の色は、空洞の厚さを変えることによって変更されてもよい。したがって、光干渉空洞によって反射される1つまたは複数の色は、空洞の厚さに依存する可能性がある。
【００３７】
図3Bは、IMOD300の形態の干渉積層体の簡略化した図である。示すように、IMOD300は、吸収体301、部分または完全反射体303、および吸収体301と反射体303との間に形成される光共振空洞302を備える吸収体-空洞-反射体積層体である。吸収体は、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タングステン(W)、クロム(Cr)など、ならびに、MoCrなどの合金などの種々の材料を含んでもよい。反射体303は、たとえば、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、モリブデン(Mo)、金(Au)、クロム(Cr)などのような金属層を含んでもよく、また、通常、不透明であるように十分に厚くてもよい(たとえば、300nm)。他のIMODでは、反射体303は、部分反射体であり、20Åほどの厚さであってよい。一般に、部分反射体である金属反射体303は、20Å〜300Åになるであろう。光共振空洞302は、空気ギャップおよび/または1つまたは複数の光学的に透明な材料を含んでもよい。光共振空洞302が、反射体303と吸収体層301との間の単一層によって画定される場合、透明導体または透明誘電体が使用されてもよい。光干渉空洞302についての例示的な透明材料は、二酸化シリコン(SiO2)、二酸化チタン(TiO2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、酸化クロム(III)(Cr3O2)、窒化シリコン(Si3N4)などのような誘電体、ならびに、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化鉛(ZnO)などの透明伝導性酸化物(TCO)を含んでもよい。より一般的に、1と3との間の屈折率(n)を有する任意の誘電体が、適した光共振空洞を形成する可能性がある。伝導性色IMOD積層体が必要とされる状況では、光干渉空洞302は、伝導性透明膜を備えてもよい。一部のIMODでは、光共振空洞302は、空気ギャップ、透明伝導性材料、および透明誘電体層の2つ以上を含んでもよい複数の材料を含む複合構造を備えうる。複数の層および/または空気ギャップの考えられる利点は、積層体の選択された層が、IMOD300におけるその光学的役割に加えて、デバイスパッシベーションまたは耐傷性などの複数の機能を果たす可能性があることである。一部の実施形態では、光共振空洞は、伝導性であろうと、誘電性であろうと、1つまたは複数の部分的に透明な材料を含んでもよい。
【００３８】
図3Cを参照すると、他の実施形態では、光共振空洞302の厚さは、レール、ポスト、またはピラーなどのスペーサ311によって支持される空気ギャップ302を含んでもよい。IMOD300内で、光共振または干渉空洞302は、静的な空気ギャップまたは動的な空気ギャップである、すなわち、たとえばMEMS技術を使用して可変であってよい。
【００３９】
図3Bまたは3Cに示すような干渉変調器(IMOD)構造300は、光干渉を使用して所望の反射出力を選択的に生成する。この反射出力は、静的光共振空洞302の厚さおよび光学特性、ならびに、吸収体301および反射体303の厚さおよび光学特性の選択によって、「調節され(modulated)」てもよい。あるいは、図3CのIMOD300の反射出力は、MEMSデバイスを使用して動的に変更されて、光共振空洞302のサイズが変更されてもよい。吸収体301の表面を観察する観察者によって観測される色は、IMOD300から実質的に反射され、かつ、IMOD300の種々の層によって実質的に吸収されないまたは破壊的に干渉されない周波数に相当することになる。干渉し実質的に吸収されない周波数は、光共振空洞302の厚さを選択することによって変更されうる。
【００４０】
図3Dは、IMODの前部表面に直交するまたは垂直な方向から見られるときの、IMOD(たとえば、図3Bまたは3CのIMOD300)の反射率対波長のグラフを示す。このグラフは、IMODに入射する光の波長スペクトルと一般に異なる可能性がある反射光の波長スペクトルを示す。示すグラフでは、反射率は、ほぼ540nmのピーク350の辺りで最大になる。したがって、ピーク波長351は、ほぼ540nm(黄)である。ピーク350はまた、ピークまたは最大反射率354の半分に等しい反射率353におけるピークの幅である半ピーク帯域幅352を有する。先に述べたように、全反射曲線(total reflection curve)のピークのロケーションは、光共振空洞302の厚さまたは材料を変更することによって、または、積層体内の1つまたは複数の層の材料および厚さを変更することによって偏倚しうる。ピークのロケーションは、視野角に依存する可能性がある。示すように、1つのピークだけが存在する。しかし、空洞の高さまたは厚さに応じて、異なる振幅の複数のピークが存在する可能性がある。当業者に知られるように、IMODはまた、吸収率または透過率ならびに反射率を調節するよう構成されてもよい。
【００４１】
図3Eおよび3Fは、光共振空洞(図3Bの302)が、空気ギャップを含み、MEMS技術を使用して電気機械的に変更されうるIMOD300の実施例を示す。図3Eは、「オープン」状態にあるよう構成されたIMOD300を示し、図3Fは、「クローズ」または「圧壊(collapsed)」状態にあるよう構成されたIMOD300を示す。図3Eおよび3Fに示すIMOD300は、基板320、光学薄膜積層体330、および反射膜303を備える。光学薄膜積層体330は、吸収体(図3Bおよび3Cの301に対応する)ならびに別個の透明電極および誘電体層などの他の層および材料を備えてもよい。一部の実施形態では、光学薄膜積層体330は、基板320に付着されてもよい。「オープン」状態では、光学薄膜積層体330は、ギャップ340によって反射膜303から分離される。一部の実施形態では、たとえば、図3Cに示すように、ギャップ340は、レール、ピラー、またはポストなどのスペーサ311によって支持される空気ギャップであってよい。「オープン」状態では、ギャップ340の厚さは、たとえば一部の実施形態では、120nmと400nm(たとえば、ほぼ260nm)との間で変動しうる。したがって、「オープン」状態では、図3Bおよび3Cの光共振空洞は、薄膜積層体330内の吸収体を覆う任意の透明層と共に空気ギャップを備える。
【００４２】
いくつかの配置構成では、IMOD300は、図3Fに示すように、薄膜積層体330と反射膜303との間に電圧差を印加することによって、「オープン」状態から「クローズ」状態に切換えられてもよい。「クローズ」状態では、薄膜積層体330と反射膜303との間で吸収体を覆う光空洞は、たとえば薄膜積層体330内の吸収体の上にある誘電体層によって画定され、通常、「黒の(black)」または最小の可視反射を反射するよう構成されるが、同様にクローズ状態で広い帯域の白を反射するよう構成されうる。空気ギャップの厚さは、一般に、ほぼ0nmとほぼ2000nmとの間で、たとえば、一部の実施形態では「オープン」状態と「クローズ」状態との間で変わりうる。
【００４３】
「オープン」状態では、入射光の1つまたは複数の周波数は、基板320の表面上で建設的に干渉する。したがって、入射光の一部の周波数は、IMOD300内に実質的に吸収されるのではなく、IMOD300から反射される。IMOD300から反射される周波数は、IMOD300の外で建設的に干渉する。基板320の表面を観察する観察者によって観測される表示色は、IMOD300から実質的に反射され、かつ、IMOD300の種々の層によって実質的に吸収されない周波数に相当することになる。建設的に干渉し、かつ、実質的に吸収されない周波数は、光空洞(ギャップ340を含む)の厚さを変更することによって変えられうり、それにより、光共振空洞の厚さが変更される。静電的MEMSの観点から述べたが、反射膜303が、圧力、温度、または圧電作用などの他の手段によって「オープン」状態から「クローズ」状態に移動されるまたは切換えられうることを当業者は理解するであろう。
【００４４】
図4Aは、典型的な光起電力(PV)セル400を示す。典型的な光起電力セルは、光エネルギーを電気エネルギーまたは電流に変換しうる。PVセルは、カーボンフットプリントが少なく、かつ、環境に対する影響が小さい再生可能なエネルギー源の例である。PVセルを使用することは、エネルギー生成コストを低減しうる。PVセルは、たとえば、切手より小さなものから差し渡し数インチまで、多くの異なるサイズおよび形状を有しうる。いくつかのPVセルは、しばしば、共に接続されて、数フィート長でかつ数フィート幅までになる可能性があるPVセルモジュールを形成しうる。モジュールは、次に、組み合わされ接続されて、異なるサイズおよび電力出力のPVアレイを形成しうる。
【００４５】
アレイのサイズは、特定のロケーションで利用可能な太陽光の量および消費者のニーズなどのいくつかの因子に依存しうる。アレイのモジュールは、電気接続、搭載ハードウェア、電力調節機器、および太陽が照っていないときに使用するために太陽エネルギーを貯蔵する電池を含みうる。PVデバイスは、その付随する電気接続および周辺機器を有する単一セル、PVモジュール、PVアレイ、または太陽パネルでありうる。PVデバイスはまた、機能的に無関係な電気コンポーネント、たとえば、PVセル(複数可)によって電力供給されるコンポーネントを含みうる。
【００４６】
図4Aを参照すると、典型的なPVセルは、2つの電極402と403との間に配設されたPV活性領域401を備える。一部の実施形態では、PVセルは、層の積層体がその上に形成される基板を備える。PVセルのPV活性層は、シリコンなどの半導体材料を含んでもよい。一部の実施形態では、活性領域は、図4Aに示すように、n型半導体材料401aとp型半導体材料401bを接触させることによって形成されるp-n接合を備えてもよい。こうしたp-n接合は、ダイオードに似た特性を有し、したがって、フォトダイオード構造と呼ばれてもよい。
【００４７】
PV活性材料401は、電流経路を提供する2つの電極間に挟まれる。後部電極402は、アルミニウム、銀、またはモリブデンあるいは何らかの他の伝導性材料で形成されうる。後部電極は、粗くかつ未研磨状態でありうる。前部電極403は、p-n接合の前部表面のかなりの部分を覆って、接触抵抗を低下させ、収集効率を増加させるように設計されてもよい。前部電極403が不透明材料で形成される実施形態では、前部電極403は、PV活性層の前部の上に開口を残して、照明がPV活性層に衝当することを可能にするよう構成されてもよい。一部の実施形態では、前部電極は、透明導体、たとえば、酸化スズ(SnO2)または酸化インジウムスズ(ITO)などの透明伝導性酸化物(TCO)を含みうる。TCOは、電気接触および伝導性を提供し、同時に、入ってくる光に対して透明でありうる。一部の実施形態では、PVセルはまた、前部電極403を覆って配設される反射防止(AR)皮膜（coating）404を備えうる。AR皮膜404は、PV活性材料401の前部表面から反射される光の量を減少しうる。
【００４８】
PV活性材料401の前部表面が照明されると、光子が、活性領域内の電子にエネルギーを伝達する。光子によって伝達されるエネルギーが半導体材料のバンドギャップより大きい場合、電子は、伝導帯に入るのに十分なエネルギーを有する可能性がある。p-n接合の形成によって、内部電界が生成される。内部電界は、エネルギー供給された電子に作用して、エネルギー供給された電子が移動するようにさせ、それにより、外部回路405に電流が生成される。得られる電流は、図4Aに示す電球406などの種々の電気デバイスに電力供給するのに使用されうる。
【００４９】
PV活性層(複数可)は、結晶シリコン(c-シリコン)、アモルファスシリコン(α-シリコン)、テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウム(CIS)、セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)、光吸収染料またはポリマー、光吸収ナノ粒子で分散されたポリマー、GaAsなどのIII-V族半導体などのような種々の光吸収性光起電力材料の任意の材料によって形成されうる。他の材料が使用されてもよい。光子が、吸収され、電気的キャリア(正孔および電子)にエネルギーを伝達する光吸収材料(複数可)は、本明細書で、PVセルのPV活性層または材料と呼ばれ、また、この用語は、複数の活性サブ層を包含することを意味される。PV活性層用の材料は、PVセルの所望の性能および用途に応じて選択されうる。
【００５０】
一部の配置構成では、PVセルは、薄膜技術を使用することによって形成されうる。たとえば、光エネルギーが透明基板を通過する一実施形態では、PVセルは、基板上にTCOの第1のまたは前部の電極層を堆積することによって形成されてもよい。PV活性材料は、第1の電極層上に堆積されてもよい。第2の電極層は、PV活性材料層上に堆積されうる。層は、物理気相堆積技法、化学気相堆積技法、電気化学気相堆積技法などのような堆積技法を使用して堆積されてもよい。薄膜PVセルは、薄膜シリコン、CIS、CdTe、またはCIGSなどのアモルファスまたは多結晶材料を含んでもよい。薄膜PVセルの一部の利点は、とりわけ、少ないデバイス設置面積および製造プロセスのスケーラビリティである。
【００５１】
図4Bは、典型的な薄膜PVセル410を概略的に示すブロック図である。典型的なPVセル410は、光が通過するガラス基板411を含む。ガラス基板411上には、第1の電極層412、PV活性層401(アモルファスシリコンを含むものとして示す)、および第2の電極層413が堆積される。第1の電極層412は、ITOなどの透明伝導性材料を含みうる。示すように、第1の電極層412および第2の電極層413は、薄膜PV活性層401を間に挟む。示すPV活性層401は、アモルファスシリコン層を含む。当技術分野で知られるように、PV材料として働くアモルファスシリコンは、1つまたは複数のダイオード接合を備えてもよい。さらに、1つまたは複数のアモルファスシリコンPV層は、p-i-n接合を備えてもよく、半導体シリコン層401cは、pドープ層401bとnドープ層401aとの間に挟まれる。p-i-n接合は、p-n接合より高い効率を有する可能性がある。一部の他の実施形態では、PVセルは複数の接合を備えうる。
【００５２】
図4Cは、干渉的に増強されるPV積層体またはセル420の実施例を示す。干渉的に増強されるPVセル420は、PV活性材料または層を備えてもよい。PV活性層401は、基板421を覆って形成される薄膜光起電力材料を含んでもよい。PV活性層401の下に配設される光共振空洞422および反射体423は、PV活性層401内の電界の強さ(strength)を干渉的に増強するよう構成され、効率が改善された干渉的に増強されるPVセル420をもたらす。PV活性層401は、一部のエリアにおいて不透明電極(図示せず)で覆われて、PV活性層401から出る電子および/または正孔の伝導を容易にする。PV活性層401はまた、透明伝導性酸化物(TCO)層424またはTCO層と電極の両方で覆われてもよい。同様に、光共振空洞422は、光共振空洞422の一部として働くと共に、正孔および/または電子がPV活性層401から出て伝導するための伝導層として働くTCO層を備えてもよい。PV活性層401は、アモルファスシリコン、CIGS、または他の薄い半導体膜光起電力材料などの薄膜光起電力材料を含んでもよい。反射体423および光共振空洞422の光学特性(寸法および材料特性)は、層状のPVデバイス420の界面からの反射が、コヒーレントに加算されて、光エネルギーが電気エネルギーに変換される光起電力セルのPV活性層401内に適した波長分布および位相の増大したフィールドを生成するように選択される。こうした干渉的に増強される光起電力デバイスは、干渉光起電力セルの活性領域内での光エネルギーの吸収を増加させ、それにより、デバイスの効率を上げる。この実施形態に関する変形では、複数の光共振空洞が使用されて、光の異なる波長が別々に調節され、PV活性層(複数可)内の吸収が最大にされうる。埋め込み式光共振空洞および/または層は、透明伝導性または誘電性材料、空気ギャップ、またはその組み合わせを備えてもよい。
【００５３】
図4Dおよび4EはPVデバイス430を示す。示すように、PVデバイス430は、シリコンウェハなどの半導体ウェハを覆って形成される前部電極431、432を備える。しかし、以下の説明から理解されるように、他のPVデバイスは、薄膜光起電力材料を含んでもよい。薄膜のまたはウェハタイプのPV材料を含むPVデバイスは、干渉的に増強される(図4Cおよび付随する説明を参照されたい)。図4Dおよび4Eに示すように、多くのPVデバイスは、デバイスの前部面または光入射面ならびにPVデバイス430の後部面上にスペキュラー導体または反射導体を使用する。前部面または光入射面上の導体は、バス電極431またはグリッドライン電極432を備えうる。光エネルギーがPV活性材料401によって吸収されると、電子-正孔対が発生する。これらの電子および正孔は、図4Eに示すように、前部電極431、432または後部電極433の一方または他方に移動することによって電流を発生しうる。前部導体または電極431、432は、パターニングされて、十分な光がPV活性層401を通過することを可能にしながら、電極に達するために電子または正孔が移動しなければならない経路の抵抗を減少させる。前部電極431、432のパターンは、入射光がPV活性材料401まで透過することを可能にする窓434を含んでもよい。PVデバイス430は、前部導体または電極431、432がパターニングされ、後部電極433がパターニングされない状態で示されるが、後部導体または電極が、異なる方法でパターニングされてもよいことを当業者は理解するであろう。前部および後部電極431、432、433は、反射金属伝導性材料を含んでもよい。一部の実施形態では、前部および後部電極431、432、433は、ITOなどの透明伝導性材料または透明伝導性材料と反射伝導性材料の両方を含んでもよい。
【００５４】
従来は、PVセルの外観は、PVセルの電極およびPV活性材料を構成する材料によって支配される。しかし、PVセルの使用がよりユビキタスになり、PVセル用の新しい用途が出現するにつれて、着色したPVセルを設計し製造することが、重要になる可能性がある。こうした着色したセルは、視覚訴求を増し、美的価値を付加する可能性がある。たとえば、建物一体型PV(BIPV)適用形態を設計し製造することに多大の関心が存在している。PVデバイス上で色をパターニングするまたはブランケッティングする能力は、建物、広告板、車、電子機器、アパレル、靴、および光にさらされる多くの他のロケーションのルーフトップおよびファサード上に配備されるPVセルを受容するのに役立ちうる。IMOD(吸収体-空洞-反射体積層体)およびダイクロイック対積層体などの干渉積層体が、耐久性があり抗退色性の色を生成する能力を提供するだけでなく、干渉積層体を通る光透過の程度の設計選択を依然として可能にしながら、所望の強度および魅力的な色を生成するさらなる利点も有する。
【００５５】
色をPVセルに組込む代替の方法は、PV積層体内で、適切な色の染料または色素を添加するか、または、着色した材料を付加することである。しかし、こうした着色による光の高い吸収は、PVセルの効率を下げる。さらに、特にデバイスが絶えず太陽光にさらされることを意図されることが多いため、色は、PVデバイスの寿命に比べて短い時間で退色する傾向を有する。
【００５６】
したがって、以下の実施形態は、IMODまたはダイクロイック対などの干渉積層体を、PVセルまたはデバイスに組込む、または、PVセルまたはデバイスと一体化することによってPVセルを「着色する(coloring)こと」を述べる。PVデバイス上で干渉積層体を使用することは、干渉積層体から反射する色の出現を可能にし、したがって、PVセルまたはデバイスに「色(color)」を与える。IMODからの反射の色は、適切な厚さおよび材料(屈折率)の光共振空洞を使用すると共に、吸収体および反射体について適切な厚さおよび材料を選択し使用することによって選択されるため、PVセルまたはデバイスに関して組込まれるIMODは、任意の特定の用途について所望されるように、色を反射するよう構成されうる。有利には、干渉性色反射効果は、光共振空洞の厚さおよび材料(複数可)ならびに反射体および吸収体材料の厚さおよび材料(複数可)によって支配される。したがって、色効果は、一般的な染料または塗料と比較して、経時的な退色を受けない。同様に、光学薄膜のダイクロイック対は、ほぼ全く吸収がないという利益が付加された状態で、所望の色の反射を増強するよう構成されうり、多くの層を形成するという費用と交換に、所望の反射色および強度のために最大透過を可能にする。
【００５７】
図5は、色を反射するために干渉薄膜501を組込むPVデバイスの実施形態を示す。PVデバイス500は、光起電力(PV)活性材料401を含む。示す実施形態では、干渉積層体501は、光起電力活性材料401の前部面を覆う。種々の実施形態では、干渉積層体501は、以下の図6A〜6Eの説明から明らかになるように、IMOD(吸収体-空洞-反射体積層体)またはダイクロイック対積層体などの異なる干渉構造を備えてもよい。示す前部面干渉積層体501は、半透過性があり(すなわち、同時に、透過性がありかつ反射性があり)、また、色を与えるのに十分な色を反射するが、電気を生成するのに十分な光を透過させるよう構成されてもよい。ダイクロイック対の実施形態では、反射されないいずれの光も透過される。吸収体-空洞-反射体積層体では、反射体は、PV活性材料401に対する十分な透過を有する部分反射体であるように十分に薄く形成されてもよい。干渉積層体501に入射する光線502は、光線502内に存在する種々の波長成分を表すスペクトル分布502aを有していると見なされてもよい。示すように、光線502は、可視範囲400〜750nmの幅広い波長スペクトルを含み、したがって、太陽または人が作った人工照明などの周囲白色光源からの入射する光を表してもよい。PVデバイス500に入射する光線502は、光線503で示すように干渉積層体501によって部分的に反射され、また、光線504および505で部分的に透過される。干渉積層体501は、可視範囲の波長内の1つまたは複数の波長スペクトルの反射を干渉的に増強するよう構成される。したがって、反射光線503はまた、スペクトル分布503aを有していると見なされてもよい。スペクトル分布は、反射光線503が、可視範囲内の他の波長と比較して、光の1つまたは複数の波長の比較的高い強度を有するような、1つまたは複数の波長スペクトルまたは範囲を含んでもよい。反射光線503における1つまたは複数の波長の選択的な増強の結果として、光入射面からPVデバイス500を観察する観察者は、干渉積層体501、したがって、PVデバイス500に対してコヒーレント光を知覚することになる。
【００５８】
図4Eに関して先に述べたように、PVセルまたはデバイスの一部の実施形態は、前部電極または後部電極ならびに光起電力活性材料への光の透過を可能にするようにパターニングされる窓434を含む。図5に示すように、窓領域434内に入射する光線502は、光線504および505に沿って干渉積層体501を透過してもよい。干渉積層体は、光線505で示すように入射光502のかなりの部分を依然として透過させながら、色外観を与えるよう光のある部分の反射を増強するよう構成されうる。
【００５９】
従来は、PVデバイスの前部面からの反射を最小にすることが有利であると考えられている。したがって、図4Aに示すように、PVデバイス400は、PV活性材料401の前部に反射防止皮膜404を備えてもよい。この典型的な努力と対照的に、特定の色を故意に反射するために干渉積層体を組込むPVセルは、光の一部の波長の反射を増強し、それにより、効率を減少させる。しかし、PVセルの効率と、建物、標識、または広告板などの種々の用途の周囲環境に適合する色を反射するPVセルの美的訴求との間にトレードオフが存在する。一部の実施形態では、PV活性材料401を露出させる窓434の前部面にわたる部分を含む干渉積層体501から反射される可視光の反射率は、10%より大きい。他の実施形態では、反射率は、可視入射光に対して15%より大きい。これらの実施形態では、入射可視光の少なくとも10%または15%は、干渉積層体501内での吸収による損失以外に喪失される。しかし、これは、干渉積層体501を有するPVデバイス500の美的利点のために受容できる場合があり、その結果のより幅広い受容は、太陽エネルギーのより大きな総合捕捉に向けられる(lead)可能性がある。有利には、ダイクロイック対積層体は、低い吸収を有し、したがって、PV変換についてより効率的である可能性がある。したがって、高いピーク反射率(たとえば、ピークにおいて80%以上)が所望される用途では、ダイクロイック対は、低い吸収損失を有する可能性があるため好ましい場合がある。しかし、ダイクロイック対積層体は、最小限で吸収体と光共振空洞だけを要求するIMODより多い層を備える可能性があるため、より費用がかかる可能性がある。
【００６０】
本発明の種々の実施形態では、光線503で反射される光は、光学薄膜あるいは干渉積層体501内の光干渉空洞ならびに吸収体層および反射体層の光学特性に応じて種々の特徴を有する可能性がある。したがって、光線503は、入射光502aのスペクトル分布と異なるスペクトル分布503aを有する可能性がある。干渉積層体から反射される光のスペクトル分布503aは、可視範囲の波長内で平坦ではない。すなわち、一部の実施形態では、スペクトル分布503aは、反射率が他の波長の場合より高い1つまたは複数のピーク波長に相当する1つまたは複数のピークを含む。ピーク(複数可)は、他の可視波長の抑制された反射率の背景に対して、特定の着色した外観をもたらす。一部の実施形態では、ピーク波長における反射率または反射は、総合可視反射率よりずっと高い可能性がある。こうした実施形態では、ピーク反射は、20%〜95%ほどの高さであってよい。分布はまた、反射が比較的高いが、ピーク波長の反射ほど高くない、ピーク波長に近い波長を含むであろう。したがって、ピーク(複数可)における反射率は、半ピーク帯域幅などの帯域幅を特徴としてもよい。反射率スパイクについての半ピーク帯域幅は、ピーク波長の反射の半分に等しい反射の帯域幅である。一部の実施形態では、反射波長スペクトルのピークまたはスパイクの半ピーク帯域幅は、150nm以下である。特に、反射光分布のスパイクの半ピーク帯域幅は、50nmと100nmとの間であってよい。一部の実施形態では、反射光のスペクトル分布は、単一ピークを含む。他の実施形態では、スペクトル分布は、それぞれがピーク波長に相当する複数の反射ピークの辺りを中心とする複数のスパイクまたはパルスを含んでもよい。
【００６１】
PV活性材料または層401は、堆積された薄膜を備えてもよく、または、単結晶の部分、半導体基板、および/または半導体基板上のエピタキシャル層によって形成されうる。堆積された薄膜PV活性材料は、最近、人気が増してきたアモルファスシリコン薄膜を含みうる。薄膜としてのアモルファスシリコンは、技法の中でもとりわけ、物理気相堆積(PVD)、化学気相堆積(CVD)、電気化学気相堆積、またはプラズマ強化化学気相堆積(PECVD)によって大面積にわたって堆積されうる。当業者によって知られるように、アモルファスシリコン層を備えるPV活性材料は、nドープシリコンおよび/またはpドープシリコンを有する1つまたは複数の接合を含み、さらに、p-i-n接合を備えてもよい。PV活性材料401は、ゲルマニウム(Ge)、Ge合金、およびセレン化銅インジウムガリウム  (CIGS)のような合金、テルル化カドミウム  (CdTe)を含む他の適切な材料、ならびに、III-V族半導体材料またはタンデム多接合型光起電力材料および膜を含んでもよい。III-V族半導体材料は、砒化ガリウム(GaAs)、窒化インジウム(InN)、窒化ガリウム(GaN)、砒化ホウ素(BAs)のような材料を含む。窒化インジウムガリウムのような半導体合金が使用されてもよい。他の光起電力材料およびデバイスも可能である。これらの材料を形成する方法は、当業者に知られている。示す実施例として、CIGSのような合金は、真空ベースプロセスによって形成されうり、銅、ガリウム、およびインジウムが同時蒸着されまたは同時スパッタリングされ、その後、セレン化物蒸気でアニーリングされて、CIGS構造が形成される。非真空ベースの代替のプロセスもまた、当業者に知られている。
【００６２】
図6Aは、干渉積層体501で覆われた光起電力活性材料をPVデバイス600の前部面上に有するPVデバイス600を示す。示す実施形態では、干渉積層体501は、吸収体301、光共振空洞302、および反射体303を含む干渉変調器(IMOD)300を備える。示す実施形態では、IMOD300を通したPV材料またはPV活性層401までの透過を最大にするために、反射体303は、部分反射体を備える。他の実施形態では、IMOD300は、吸収体301および光共振空洞302を備えるだけであってよい(図6Bを参照されたい)。こうした実施形態では、部分反射体303の代わりに、反射体機能は、ある領域内の前部導体431、432によって、または、開放または窓領域434内の、PV活性材料層401および/またはPV活性材料層401に積層される層(たとえば、TCO層)によって果たされてもよい。一部のこうした実施形態では、PV活性層401または層状積層体は、IMOD300用の「複合(composite)」部分反射体と考えられてもよい。
【００６３】
一部の実施形態では、色PVデバイス600用のIMOD300は、予め作製されたPVセルまたはPVデバイス上に形成されてもよい。こうした実施形態では、PVセルは、堆積された電極を既に有してもよく、通常、PV活性層401およびPV活性層401を覆って堆積された1つまたは複数の層、ならびに、前部導体431、432を備えてもよい。図6Aの実施形態では、載置層601は、ITOなどの透明伝導性酸化物(TCO)のような透明導体を備えてもよい。TCO層は、しばしば、光起電力材料、特に、薄膜光起電力材料と共に使用されて、窓領域434内の光を妨害することなく、PV活性層401への電極接触を改善する。機能的に、TCOは、PV活性材料401によって生成される電流を運ぶ回路を完成する前部電極431の一部を形成するが、従来は、TCOを覆い、かつ、PVセルをより広い回路に接続する伝導性が高い金属導体が、前部電極と呼ばれる。当業者に知られるように、一般的なTCOは、酸化インジウムスズ(ITO)である。ITOを形成するまたは堆積させる方法は、当技術分野でよく知られており、電子ビーム蒸着、物理気相堆積、またはスパッタ堆積技法を含む。他のTCO材料および製造プロセスが使用されてもよい。TCO層は、他の実施形態では省略されうる。載置層601は、複数の層を備えてもよく、また、任意選択で、パッシベーションまたは反射防止皮膜などの、適した光学的、電気的、および/または機械的目的に働くように設計される他の材料を含んでもよい。あるいは、IMOD300は、色PVデバイス600の製造における単一プロセスの一部として形成されてもよい。いずれの場合も、IMOD300は、光起電力活性層および前部電極431、432が形成された後、光起電力活性層401を覆って形成されてもよい。
【００６４】
したがって、PVデバイス600内のIMOD300は、その後、反射体303を形成するために部分的反射層を堆積させるかまたは形成することによって形成されてもよい。反射体303は、スペキュラー金属または反射金属、たとえば、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、ジルコン(Zr)、タングステン(W)、鉄(Fe)、金(Au)、銀(Ag)、およびクロム(Cr)、または、MoCrなどの先の合金で形成されてもよい。図6Aの前部面IMOD300の場合、反射体303は、かなりの光がPV活性材料401まで透過することを可能にしながらも、干渉積層体から反射される所望の色をもたらす十分な干渉効果を可能にするのに十分な光を反射するように設計された部分反射体である。これらの実施形態では、部分反射体は、最小20Åでかつ最大約300Åであってよい。当業者に知られるように、非常に薄い部分反射層を金属から形成する方法は、物理気相堆積を含む。部分反射体303を形成する他の技法が可能である。一部の実施形態では、部分反射体303は、非金属でありうる。
【００６５】
再び図6Aを参照すると、光共振空洞302は、部分反射体303を覆って堆積されるまたは形成される。一実施形態の光共振空洞302は、SiO2または他の透明誘電体材料の層によって形成される。一実施形態では、光共振空洞302は、空気ギャップ(図6Dを参照されたい)によって部分的にまたは完全に形成されてもよい。こうした実施形態では、空気ギャップ光共振空洞302についての適した厚さは、可視範囲の波長内の色の範囲を干渉的に生成するために、42nmと700nmとの間であってよい。n0に等しい屈折率(n)を有する空気以外の材料の場合、光共振空洞302は、(42/n0)nmと(700/n0)nmとの間のギャップを有してもよい。したがって、SiO2(n=1.5または同様の屈折率)についての適した厚さは、可視範囲内の強い干渉色を生成するために約30nmと500nmとの間でありうる。干渉効果はまた、大きな光学的深さ(optical depth)によって得られうるが、光学的距離が種々の波長の倍数に相当するような、深い深さになると色が消え始めることを当業者は理解するであろう。したがって、干渉効果は、10nm〜3000nm(空気)のどこかの範囲にある光共振空洞によって得られる可能性がある。CVDならびに他の方法を含む、SiO2を堆積させるまたは形成する方法は、当技術分野で知られている。光共振空洞302を形成するための他の適した透明材料は、ITO、Si3N4、およびCr2O3を含む。光共振空洞内での透明導体の使用は、窓領域434にわたる前部電極接触を改善するための別個のTCOを不要にしうる。
【００６６】
他の実施形態では、IMOD300は、赤外線(IR)または紫外線(UV)範囲内の光を反射するよう構成されてもよい。こうした実施形態では、光共振空洞302は、関心波長(λ0)の半分に等しくてもよい。したがって、たとえば、1200nmのIR波長の場合、光共振空洞302の高さまたは厚さは、空気充填式光共振空洞302の場合、約600nmに、または、先に説明した異なる屈折率(n0)材料の場合、等価な値［λ0/(2＊n0)］に等しい。
【００６７】
再び図6Aを参照すると、吸収体301は、光共振空洞302を覆って形成される。吸収体301は、たとえば、金属または半導体層の半透明厚さを備えてもよい。吸収体層はまた、非ゼロのn＊k、すなわち、屈折率(n)と消光係数(k)の非ゼロ積を有する材料を含んでもよい。特に、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、シリコン(Si)、タンタル(Ta)、およびタングステン(W)は全て適した層を形成する。一実施形態では、吸収体301の厚さは、20Åと300Åとの間である。
【００６８】
図6Bは、部分反射体303がないIMOD300によって形成される干渉積層体501の実施形態を示す。この実施形態では、PV活性層401ならびに下の任意の層(図示せず)または上の任意の層(載置層601など)は、共に、複合部分反射体として働く可能性がある。こうした実施形態では、この部分複合反射体は、図6Aの部分反射体303の機能を果たす。特に、PV活性材料401を含む積層体は、複合反射体として働く可能性がある。他の実施形態では、PV活性材料401は、(図4Cに関して述べたように)干渉的に増強されるPV積層体を備えてもよい。こうした実施形態では、干渉的に増強されるPV積層体内の個々の層は、IMOD300が所望の色効果を生成するのに十分に積層体が可視光を反射するよう構成されてもよい。
【００６９】
図6Cは、光起電力活性材料401が、ダイクロイック対積層体621によって形成される干渉積層体501で覆われた状態のPVデバイス620を示す。ダイクロイック対積層体621を光起電力材料、セル、またはデバイスと一体化する1つの利点は、吸収がほとんどまたは全くない材料をダイクロイック対が含む可能性があることである。このことは、ダイクロイック対によって、光のほとんどが、反射されて、反射色を生成するか、または、光起電力活性材料まで透過されて、電気を発生することを意味する。示すように、ダイクロイック対積層体621は、3つのダイクロイック対621a、621b、および621cを備える。しかし、ダイクロイック対積層体621は、最低1つだけのダイクロイック対および最大50以上のダイクロイック対を備えてもよい。図2Aおよび2Bに関して先に説明したように、単一のダイクロイック対は、異なる屈折率を有する2つの光学薄膜を備える。より具体的には、1つの光学薄膜の屈折率は、対内の他の光学薄膜の屈折率より大きい。ダイクロイック対は、硫化亜鉛(n=2.3)とフッ化マグネシウム(n=1.35)または2酸化チタン(n=2.4)とフッ化マグネシウム(n=1.35)などの一対の光学膜を備えてもよい。ダイクロイック対はまた、二酸化シリコン(SiO2、n=1.5)、酸化クロム(III)(Cr3O2、n=2.7)、または窒化シリコン(Si3N4、n=1.8)などの他の誘電体材料を含んでもよい。酸化インジウムスズ(ITO、n=1.7)または酸化亜鉛(ZnO2、n=2.0)などのTCOはまた、ダイクロイック対の光学薄膜として働く可能性がある。他の光学的に透明な材料もまた可能である。当業者に知られるように、任意の特定の膜の正確な屈折率は、材料の特性および堆積技法の特徴に応じて変動することになる。したがって、上記材料の薄膜についての屈折率は、実際には先に述べた値から変動する可能性がある。伝導性ダイクロイック対積層体が必要とされる状況では、ダイクロイック対は、伝導性透明膜を備えてもよい。
【００７０】
当業者に知られるように、ダイクロイック対621a、621b、621cは、化学気相堆積ならびに当技術分野で知られている他の技法などの技法を使用して適切に形成されてもよい。一実施形態では、干渉積層体内の各層の厚さは、入射光の波長成分について媒体内の関心波長の4分の1に等しくてもよい。他の実施形態では、各層の厚さは、ダイクロイック積層体621から反射される波長の半分に等しくてもよい。当業者に明らかになるように、複数のこれらの厚さも可能であるが、非常に厚い層は、ダイクロイック積層体621からのピーク反射色の強度を薄めるまたは弱める、かつ/または、副ピークを導入して色を変更することになる。任意の特定の波長における特定の干渉効果(たとえば、建設的干渉対破壊的干渉)を最大にするために、他の厚さも可能である。任意の単一ダイクロイック対を形成する光学薄膜は、等しい光路長であってよく、または、異なる光路長であってよい。先に述べたように、等しい光路長であっても、ダイクロイック対を形成する光学薄膜の物理的厚さは、2つの光学薄膜の屈折率が異なるため異なることを当業者は理解するであろう。
【００７１】
一般に、可視範囲内で、ダイクロイック対を形成する光学薄膜の厚さは、求められる特定の波長における特定の干渉効果に応じて約30nm〜約300nmの範囲にあってもよい。赤外線または紫外線範囲内の反射の場合、光共振空洞の厚さは、関心波長を、光学膜の屈折率(n0)の4倍で割った値［=λ0/(4＊n0)］に等しくてもよい。
【００７２】
種々の実施形態では、ダイクロイック積層体621は、単一のダイクロイック対を備えてもよい。他の実施形態では、2と50との間のダイクロイック対が使用される。当業者に知られるように、30以上のダイクロイック対を備える積層体が一般的である。有利には、ダイクロイック対を備える干渉積層体501は、通常、非常にわずかしか吸収せず、干渉積層体501内でのさらなる吸収損失がない状態で、反射色外観とPVデバイス用の変換効率との間の簡単なトレードオフを可能にする。こうした媒体の使用は、多数のダイクロイック対を可能にし、1つまたは複数の特定の波長における反射などの所望の反射特性を達成するように干渉積層体501を構成する能力を改善する。このことは、一般に光のある波長が通常吸収され、したがって、一部の光エネルギーが失われるIMODと対照的である。しかし、IMODの色特性は、いくつかの用途で、特に比較的リッチな色が少数の層から所望される場合に、ダイクロイック対干渉積層体に比べてIMODを好ましい選択肢にする可能性がある。ダイクロイック対干渉積層体の色特性は、他の用途で、特に、高い効率、したがって、低い損失が所望されるPV活性層の前部の上で、好ましい可能性がある。
【００７３】
図6Dは、光共振空洞302が空気ギャップを含むIMOD300によって形成される干渉積層体501を有する色PVデバイス630を示す。この実施形態では、光共振空洞302は、吸収体層301を支持する支持体311によって形成される空気ギャップを備える。他の実施形態の場合と同様に、光共振空洞302は、電極431、432を覆う空洞の高さ631bと同じかまたは異なる、窓領域434内の高さ631aを有してもよい。したがって、支持体311は、必要に応じて高さが変動してもよい。支持体311は、柱、ポスト、レール、リベットなどの形態をとりうる。空気ギャップ共振空洞302についての適した厚さは、可視範囲の波長内の色の範囲を干渉的に生成するために、30nmと500nmとの間であってよい。光共振空洞302が空気ギャップを備える一部の配置構成では、吸収体301は、静電作用のための吸収体301と部分反射体303にわたる電圧印加によって、または、吸収体301に対して圧力または温度を加えることなどによる、他の手段によって変形されるかまたは移動されてもよい。
【００７４】
図6Eは、本発明のある実施形態を示す。図6EのPVデバイス640は、IMODまたはダイクロイック積層体でありうる干渉積層体501を備え、干渉積層体501は光起電力(PV)活性層401を覆って形成される。示す実施形態は、さらに、干渉積層体501を覆ってさらなる層641を備える。さらなる層641は、拡散体、パッシベーション層、ハードコート、および/または反射防止(AR)皮膜を備えてもよい。拡散体は、干渉積層体501から反射される色または画像を見た目に美しくするのに役立ってもよく、または、良好な画像を形成するためにピクセルを溶け込ませるのに役立ってもよい。パッシベーション層は、干渉積層体501内の構造を保護するか、または、PV活性層401を電気的にかつ/または機械的に保護するのに役立ってもよい。さらなる層641は、干渉積層体ラミネート(以下の図9A〜9Cの説明を参照されたい)を形成するために、透明基板を含む複数の層を備えてもよい。反射防止皮膜は、好ましくない反射を減少させるのに役立ってもよい。
【００７５】
当業者が容易に理解するように、PVデバイスまたはセルは、しばしば、複数のPVデバイスまたはセルの前部導体431、432または後部導体433を互いに接続するリボンまたはタブを使用してアレイを生成するために電気接続される(図9Cおよび付随する説明を参照されたい)。こうした場合、図6A〜6Eに示す干渉積層体501および/または干渉積層体501を覆って形成されるさらなる層641(たとえば、パッシベーション、ARなど)は、パターニングされて、必要に応じて、前部または後部電極431、432、433上への伝導性リボンのはんだ付けを可能にする開口が作られてもよい。あるいは、干渉積層体501を構成する材料は、薄膜金属またはTCOなど、電気伝導性があるように選択されて、伝導性リボンを干渉積層体に直接はんだ付けすることを可能にしてもよい。他の実施形態では、干渉積層体は、PVデバイス、セル、またはアレイの表面上に貼り合わされてもよい(図9A〜9Cに関する説明を参照されたい)。こうした実施形態では、貼り合わせは、伝導性リボンのはんだ付け後に実施されてもよく、タブ付きPVデバイスまたはセル間の電気接続性を改善する可能性がある。
【００７６】
図7は、干渉積層体501aが前部電極431、432を覆って形成されると共に、干渉積層体501bが後部電極433を覆って形成される色PVデバイス700の実施形態を示す。示すように、PVデバイス700は、前部表面と後部表面の両方にパターニングされた電極を有する。他の実施形態では、後部電極433は、パターニングされず、完全に不透明であってよい。示すように、干渉積層体501a、501bは、平坦化層701のために輪郭を持たない。平坦化層701は、入射光702および703が光起電力活性材料403に達することを可能にするために、任意の適した材料、好ましくは、光透過性材料で形成されるが、部分的に反射性がある材料が使用されてもよい。平坦化方法が当業者に知られている。
【００７７】
図7では、入射光線702、703は、光線704、705で示すように少なくとも部分的に反射され、光線706に沿って部分的に透過される。透過光線706は、PV材料401に達し、したがって、電気を発生してもよい。後部電極433は、通常不透明である。こうした実施形態では、光線703は、光線705で完全にまたはほぼ完全に反射される可能性がある。図5に関して先に説明したように、干渉積層体501a、501bは、干渉積層体501a、501bから反射される光線704、705が、可視範囲の波長内の1つまたは複数のピークの増強された反射を含むよう構成されうる。したがって、PVデバイス700は、デバイスの前部面と後部面の両方で色を表示してもよい。前部および後部から反射される選択された色は異なりうる。他の実施形態では、後部面だけが、干渉積層体501bを備えうることが理解されるであろう。干渉積層体501a、501bは、ダイクロイック対積層体または吸収体-空洞-反射体(IMOD)積層体を備えてもよい。干渉積層体501a、501bがIMODを備える実施形態では、反射体は、部分反射体であり、したがって、光が前部または後部からPV材料401に達することを可能にするように部分的に透過性があってもよい。特に、後部電極433がパターニングされる実施形態では、光は、後部電極433パターン内のギャップ内の部分反射体を透過し、PV材料401に達してもよい。
【００７８】
図5〜7を参照して先に説明したように、色PVデバイスは、光起電力活性層を覆うために配設された干渉積層体501を備えてもよい。干渉積層体501は、干渉積層体の構成に依存する色を表示する。一部の実施形態では、この色は、PVデバイスにわたって均一である。他の実施形態では、反射された干渉色は、PVデバイスにわたって、または、PVデバイスのアレイにわたって変動してもよい。こうした実施形態では、PVデバイスまたはセルあるいはPVデバイスまたはセルのアレイは、ディスプレイ、標識、または広告板などのための画像を形成するように載置干渉積層体を構成してもよい。不均一色の色PVデバイス用の他の用途は、建築建物用途、広告板、あるいは、PVデバイスまたはセルに不均一色を与えることが望ましい任意の用途を含んでもよい。有利には、色PVデバイスまたはセルは、従来の標識、自動車表面、さらに衣服および靴を置換え、周囲光から電気エネルギーを同時に引出しながら、美的色を与えうる。
【００７９】
図8Aは、ディスプレイ、標識、または広告板の場合と同様に、特定の画像、形状、情報、または文字を表示するよう構成された、異なる領域に異なる反射色を有するPVデバイスの実施形態を示す。図8Aでは、静的ディスプレイ800は、均一色の複数の領域801a〜801gを含む。たとえば、背景(断面8Bに沿う領域801a、801c、801e、および801g)は、黄、赤、緑、あるいは白または黒であってよい。文字“ABC”(断面8Bの領域801b、801d、801f)は暗くてもよい。たとえば、文字“ABC”は青であってよい。
【００８０】
図8Bは、PVディスプレイデバイス800の断面を示す。図8Bに示すように、干渉積層体501に入射する光線811および812は、光線813、814で示すように部分的に反射され、光線815および816に沿って部分的に透過される。示す断面では、干渉積層体501は、吸収体301、光共振空洞、および部分反射体303を有するIMOD300を備える。図8Bに示すように、光共振空洞302の高さまたは厚さは均一でない。光共振空洞302は、IMD300が、異なる反射色に相当する異なる共振空洞高さを有する複数の領域810a〜801gを備えるようにパターニングされる。示すように、静的ディスプレイ800は、2つの異なる色に相当する2つの光空洞高さを有する光共振空洞302を備える。しかし、ディスプレイ800は、3つ以上の高さ、したがって、3つ以上の反射干渉表示色を含んでもよい。図8Bに示すように、領域801a、801c、801e、および801gは、比較的大きな光共振空洞高さ817aを有する。一方、領域805b、805d、および805fは、小さな光共振空洞高さ817bを有する。これらの異なる高さは、反射光線813、814について(異なるピーク波長の)異なるピークの反射をもたらすよう構成される。こうして、ディスプレイの1つの領域は、1つの色を示し、別の領域は、異なる色を示すことになる。領域の少なくとも1つにおいて、IMOD300は、十分な光をPV材料403まで透過させて、電気を発生しながらも、可視色を表示するのに十分な光を反射するよう構成されうる。したがって、入射光線811および812は、光線813および814で部分的に反射されるが、十分な光が、光線815および816の少なくとも一方で透過されて、光起電力材料401内での電流の発生を可能にしてもよい。図8Bでは、簡潔にするために、前部電極は示されない。当業者によって理解されるように、PVディスプレイデバイス800は、部分反射層303と光起電力材料401との間に位置してもよい前部電極を備えることになる。同様に、PVデバイス800が、PV活性層401または干渉積層体501を覆って、反射防止皮膜、拡散体、またはパッシベーション層などの、本明細書で示されない層を備えてもよいことを当業者は理解するであろう。PVデバイス800はまた、部分反射体303と光起電力材料401との間で前部電極の一部を機能的に形成するTCO層などの層(図示せず)を備えてもよい。同様に、PVデバイス800は、均一色の別個の領域ではなく、連続した色変動領域を備えてもよい。当業者によって容易に理解されるように、連続した色変動は、光共振空洞302、吸収体301、または部分反射体303の高さを連続して変動させることによって、IMD300を使用して達成されうる。
【００８１】
図8Cおよび8Dは、PVディスプレイデバイス820の別の実施形態を示す。図8Cでは、PVディスプレイデバイス820上に表示される画像またはパターンは、任意の画像が複数のピクセルP1〜P15で構成されるようにピクセル化される。したがって、画像またはパターンは、図8Cに示すように、ピクセルの規則的なアレイを備える。当業者によって理解されるように、ピクセル化は、図8Cに示すように、デジタル画像を静的IMOD上に移すのに便利である可能性がある。図8Dは、図8Cの断面であり、ピクセル化されたPVディスプレイデバイス820の実施形態を示す。示すように、干渉積層体501は、ピクセルを形成するためにパターニングされた、吸収体301、静的で可変高さの光共振空洞302、および部分反射体303を備えるIMOD300を備える。各ピクセルP1〜P15は、1つのピクセルが、別々の吸収体、光共振空洞、および部分反射体で構成されるように均一な干渉サブ積層体の領域によって形成されてもよい。たとえば、ピクセルP13は、吸収体301、光共振空洞302a、および部分反射体303で構成されてもよい。吸収体301ならびに光共振空洞302b、302cは、同様に、ピクセルアレイ内のピクセルP14およびP15をそれぞれ形成する。示すように、光共振空洞302a、302b、302cは、異なる高さを有してもよく、異なる着色ピクセルをもたらす。均一色の領域内などの他の実施形態では、いくつかの隣接する光共振空洞は、ほぼ等しい高さを有してもよい。
【００８２】
RGB方式では、ピクセルP1〜P15は、赤ピクセル、緑ピクセル、および青ピクセルを備えてもよい。より一般的には、ピクセルの規則的アレイは、複数の赤ピクセル、複数の緑ピクセル、および複数の青ピクセルを備えてもよい。したがって、たとえば、光共振空洞302aは赤ピクセルを形成してもよく、一方、光共振空洞302bは緑ピクセルを形成してもよく、光共振空洞302cは青ピクセルを形成してもよい。とりわけ、CMY(シアン、マゼンダ、黄)、RYB(赤、黄、青)、およびVOG(紫、オレンジ、緑)などの他の色方式も可能である。図8Dに示すように、光共振空洞302a、302b、302cの高さは、色を変更するために主に変動する。しかし、吸収体301および反射体303の厚さは、同様に、光共振空洞の厚さと共にピクセルごとに変動してもよい。これは、吸収体301、反射体303、または光共振空洞302の任意のまたは全てのものの高さが必要に応じて調節されうるため、任意のピクセルにおいて任意の所望の色(色相)および色合い(彩度および明度)を有するという柔軟性を可能にする。
【００８３】
図8Dに示すように、ピクセル化されたIMOD300内のピクセルP11、P12に入射する光線822a、823aは、光線822b、823bで示すように部分的に反射され、光線822c、823cに沿って部分的に透過される。反射光線822b、823bは、異なる波長分布を含み、したがって、ピクセルP11およびP12用の光共振層の高さまたは厚さに応じて、異なる色を反射するまたは表示する可能性がある。先に述べたように、適度の電気の発生を可能にするために、IMOD300は、十分な光が光線822c、823cに沿って光起電力活性層401まで透過することを可能にしながら、色を表示するのに十分な光を反射するよう構成されてもよい。
【００８４】
図8Dの可変高さの光共振空洞302は、二酸化シリコンあるいは他の適した光学的に透過性があるかまたは透明な媒体などの誘電体材料を備えてもよい。光共振空洞302は、TCOまたは他の透明伝導性材料などの導体を備えてもよい。さらに、一部の実施形態では、光共振空洞302は、空気ギャップを備えてもよい。こうした実施形態では、支持体311(図6Dを参照されたい)は、空気ギャップを形成するのに働く可能性がある。
【００８５】
図8A〜8Dに示すように、干渉積層体501は、吸収体301、光共振空洞302、および反射体303を備えるIMOD300を備える。しかし、当業者に明らかになるように、同様な効果は、ダイクロイック対を使用しても達成される可能性がある。たとえば、図8Aの異なる領域801〜801gは、図2A〜2Eおよび図6Cで説明したように、ダイクロイック対を使用して異なる色を有するように作られうる。たとえば、領域801a〜801gは、種々の領域において異なる色強度を生成するために、異なる数のダイクロイック対を有してもよい。別の実施形態では、領域801a〜801g内のダイクロイック対を備える光学膜の光学的厚さは、異なる波長ピークまたはスパイクを反射するように種々の領域内のダイクロイック対を構成するために変動されてもよい。しかし、複数色パターンは、ダイクロイック積層体と比較して、IMOD構造によって生成するのが容易でかつ安価であることを当業者は理解するであろう。
【００８６】
図9A〜9Cは、干渉積層体を含む要素の貼り合わせを含む色PVデバイス900、920、930を製造する方法を示す。通常、ブランケット色を形成しようと、単色を形成しようと、パターニングされた画像を形成しようと、色干渉積層体(複数可)は、PVデバイスにわたって横方向パターンと精密に位置合わせされる必要がない。したがって、干渉積層体(複数可)は、色PVデバイスを形成するために後でPVデバイスに貼り合わされる、カバープレート(図9A〜9C)またはバックプレート(図9C)などの上で、PVデバイスと独立に製造されうる。あるいは、色干渉積層体は、貼り合わせ後に、カバープレートまたはバックプレートの外部表面上に形成されうる。
【００８７】
図9Aは、PVデバイスまたはセル911の表面上に貼り合わされる透明基板910によって光起電力活性層401を覆う干渉積層体を製造する方法の実施形態を示す。図9Aでは、干渉積層体501は、部分反射体303、光共振空洞302、および吸収体301を備えるIMOD300を備える。IMOD300は、上述した技法と同様の技法を使用して透明基板910上に形成されてもよい。透明基板910は、ガラス、または、透明性が高く可撓性があるプラスチックなどの他の適した光学基板を備えてもよい。基板910は、PVセルまたはデバイス911上への接着を可能にするために、IMOD300と対向する面上に接着層912を有してもよい。PVセルまたはデバイス911は、前部電極431、432を備えてもよく、さらに、貼り合わせを補助するための前部導体431、432に対して平滑な平坦表面を作るために、透過性が高い光学材料の平坦化層701を備えてもよい。パッシベーション層、ハードコートまたはAR皮膜、拡散体などのようなさらなる膜914が、IMOD300の上に含まれてもよい。下向き矢印で示すように、ラミネート913は、その後、PVセルまたはデバイス911に塗布されて、色PVデバイス900が形成されてもよい。
【００８８】
図9Bは、光学基板910がPVデバイス911から離れた方に向く色PVセルまたはデバイス920を製造する方法の実施形態を示す。図9Bでは、色干渉積層体501は、先に説明した技法および材料を使用して基板910の一方の面上に形成されたダイクロイック対(複数可)621を備える。さらに、一部の実施形態では、PVデバイスまたはセル911への接着を可能にするために、接着層912が、ダイクロイック対(複数可)621上に形成されてもよい。1つまたは複数のさらなる層(図示せず)が、ダイクロイック対(複数可)621と接着層912との間に形成されてもよい。単一ダイクロイック対621を備える干渉積層体501を有する図9Bに示すように、色干渉積層体501は、通常、複数のダイクロイック対を備えることが先の図6Cの説明から理解されるであろう。
【００８９】
説明のために、図9Aは、基板910の前部面上のIMOD300によって形成される干渉積層体501を示し、一方、図9Bは、基板910の後部面上のダイクロイック対621によって形成される干渉積層体501を示す。いずれのタイプの色干渉積層体501の位置も反転されうることを当業者は容易に理解するであろう。
【００９０】
図9Aおよび9Bに示すように、干渉積層体501は、PVデバイス911の前部面上に貼り合わされる。しかし、当業者に明らかになるように、一部の実施形態では、ラミネート913は、後部面上で、たとえば電極433を覆って貼り合わされてもよい。こうした実施形態では、後部電極433は、完全に不透明であってよい。他のこうした実施形態では、後部電極433は、部分的に透過性があってもよい。さらに他のこうした実施形態では、後部電極433は、光が、PV活性層401を透過するかまたはPV活性層401まで透過することを可能にする窓を備えるようにパターニングされてもよい。
【００９１】
図9Cは、PVデバイス430(図4Dを参照されたい)の、太陽パネルなどのアレイ930を示す。PVデバイス430は、PVセルまたはウェハを備えてもよい。アレイ930では、複数のPVデバイス430が、前部シートまたはカバープレート935と後部シートまたはバックプレート940との間に結合される。カバープレート935は、ガラスまたは任意の他の光学的に透明な結合シートであってよい。複数のPVデバイス430は、リボンか、タブか、または他の電気接続を使用して互いに電気接続されるため、共にタブが付けられて、単一の電気アレイ930またはパネルが形成されてもよい。PVセルまたはデバイスに色を与えることに関する図6A〜6Eの説明は、単一セルまたはデバイスに色を与えることに的を絞ったが、干渉積層体は、IMOD(吸収体-空洞-反射体)膜または光学薄膜ダイクロイック対を堆積させるかまたは貼り合わせる(図9Aおよび9Bを参照されたい)ことによって、全体のアレイまたはアレイ930などの太陽パネル上に色を与えるのに使用されてもよい。特に、干渉積層体は、前部面で色反射を生成するために、カバープレート935の表面、すなわち、上側界面942または下側界面944で堆積されるかまたは貼り合わされてもよい。あるいは、後部面で色を反射する色PVアレイ930を形成するために、干渉積層体は、バックプレート940の上側(内部)界面946または下側(外部)界面948で堆積されるかまたは貼り合わされてもよい。干渉積層体がIMOD(吸収体-空洞-反射体)積層体を備える実施形態では、反射体は、十分な光をPVセル430まで透過させることを可能にする部分反射体であってよい。したがって、光は、図9Cに示す積層体全体を透過して、光が、PVセル430間に形成されるギャップ間でPVアレイ930の他の面に透過することが可能になる。こうした透過は、多くの用途で、たとえば窓または他の建築用途で望ましい場合がある。図8A〜8Dに関して説明したように、アレイ930全体を覆って塗布される干渉積層体は、一部の配置構成では、ブランケッティングされ(均一な色)るか、または、異なる色の種々の領域または画像を形成するためのピクセルを形成するためにパターニングされてもよく、前部または後部面が半透過性であってよく、後部面が不透明であってよい。
【００９２】
先の詳細な説明は、本発明のいくつかの実施形態を開示するが、この開示は、例証であるに過ぎず、本発明を制限しないことが理解されるべきである。開示される特定の構成および操作は、上述したものと異なりうること、および、本明細書で開示される方法は、半導体デバイスの作製以外の文脈で使用されうることが理解されるべきである。一実施形態に関して述べるいくつかの特徴は、他の実施形態にも適用できる可能性があることを当業者は理解するであろう。たとえば、干渉積層体の種々の特徴は、光起電力セル、デバイス、またはアレイの前部面に関して説明されており、こうした特徴は、光起電力セル、デバイス、またはアレイの後部面を覆って形成される干渉積層体に容易に適用できる。たとえば、種々の反射体機構が、PVデバイスの前部面を覆って形成されるIMODの種々の実施形態に関して説明された。こうした反射体機構は、PVデバイスの後部面を覆って形成されるIMODに適用でき、部分反射体の使用、または、IMODの一部の実施形態について後部電極を反射体として使用しながらの反射体の省略を含む。
【符号の説明】
【００９３】
101  上側界面
102  下側界面
200  光共振空洞
210、211  界面
220  干渉積層体
221a、221b、221c  ダイクロイック膜対
224a、224b、224c、224d  界面
240  干渉積層体
242、243  ダイクロイック対の積層体
300  干渉変調器(IMOD)
301  吸収体
302、302a、302b、302c、422  光共振空洞
303、423  反射体
311  支持体
320、421  基板
330  薄膜積層体
340  空気ギャップ
400、410、420、430、500、600、620、640、630、700、900、911、920、930  光起電力デバイス(セル)
404  AR皮膜
402、403、412、413  電極
401a  n型半導体
401b  p型半導体
401  光起電力活性材料
411  ガラス基板
401  α-Si
404  反射防止皮膜
430、600、620、630、640、700、800、911  PVデバイス
431、432  前部電極
433  後部電極
434  窓
501、501a、501b  干渉積層体
601  載置層
621  ダイクロイック対積層体
621a、621b、621c  ダイクロイック対
641  さらなる層
800  静的ディスプレイ
801a、801b、801c、801d、801e、801f、801g  領域
P1〜P15  ピクセル
900、920、930  色PVデバイス
910  基板
912  接着層
913  ラミネート
914  さらなる膜
930  起電力デバイスのアレイ
935  カバープレート
940  バックプレート
942、946  上側界面
944、948  下側界面
【図１】
2011501439.tif 000003
【図２Ａ】
2011501439.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図４Ｄ】
2011501439.tif 000008
【図４Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
2011501439.tif 000013
【図６Ｅ】
2011501439.tif 000014
【図７】
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【図８Ａ】
2011501439.tif 000016
【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
2011501439.tif 000019
【図９Ａ】
2011501439.tif 000020
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ｂ】
2011501439.tif 000025
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2011501439.tif 000031
【図４Ｃ】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月15日(2010.6.15)
【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】
光起電力アレイであって、
光起電力活性材料を備える光起電力デバイスであって、他の光起電力デバイスと電気接続されて、前記光起電力アレイを形成する、光起電力デバイスと、
前記光起電力活性材料の第1面を覆う干渉積層体とを備え、前記干渉積層体は、可視範囲の波長内の選択波長の反射を選択的に増強して、前記第1面上で可視色を反射するよう構成される光起電力アレイ。
【請求項２】
前記光起電力活性材料は、デバイスの前部面上に前部電極を、また、前記前部電極領域に隣接するデバイスの前記前部面上に窓領域を備える請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項３】
前記窓領域の前部において前記干渉積層体から反射される可視光の反射率は、可視入射光に対して10%より大きい請求項2に記載の光起電力アレイ。
【請求項４】
前記窓領域の前部において前記干渉積層体から反射される可視光の反射率は、可視入射光に対して15%より大きい請求項2に記載の光起電力アレイ。
【請求項５】
ピーク波長における反射は、20%と95%との間である請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項６】
ピーク波長における反射は、80%より大きい請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項７】
前記第1面は、光起電力デバイスの光入射面であり、前記干渉積層体は、光を前記光起電力材料まで選択的に透過させ、それにより、前記選択的に透過された光が電流に変換されるよう構成される請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項８】
前記干渉積層体の光入射面上にさらなる膜をさらに備える請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項９】
前記さらなる膜は、パッシベーションまたは反射防止層を備える請求項8に記載の光起電力アレイ。
【請求項１０】
前記干渉積層体から反射される色は、光起電力デバイスにわたって実質的に均一である請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項１１】
前記光起電力活性材料は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム、III-V族半導体、セレン化銅インジウムガリウム、テルル化カドミウム、砒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ガリウム、砒化ホウ素、窒化インジウムガリウム、およびタンデム多接合型光起電力材料からなる群から選択される光起電力材料を含む請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項１２】
前記光起電力デバイスは、干渉的に増強される光起電力セルである請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項１３】
前記干渉積層体は光学膜のダイクロイック対を備える請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項１４】
前記干渉積層体は、複数の光学膜のダイクロイック対を備える請求項13に記載の光起電力アレイ。
【請求項１５】
前記複数のダイクロイック対は、デバイスにわたる異なる領域について異なるいくつかのダイクロイック対を含み、各領域は、異なる反射色に相当する異なる数のダイクロイック対を有する請求項14に記載の光起電力アレイ。
【請求項１６】
前記ダイクロイック対を備える光学薄膜の厚さは、デバイスにわたる異なる領域について異なり、各領域は、異なる反射色に相当する異なる光学薄膜を有する請求項14に記載の光起電力アレイ。
【請求項１７】
前記ダイクロイック対を備える光学薄膜を構成する材料は、デバイスにわたる異なる領域について異なり、各領域は、異なる反射色に相当する異なる光学薄膜材料を有する請求項14に記載の光起電力アレイ。
【請求項１８】
前記干渉積層体は、吸収体および光共振空洞を備え、前記光共振空洞は、前記光起電力活性材料に面する請求項1に記載の光起電力アレイ。
【請求項１９】
前記干渉積層体は、部分反射体をさらに備え、それにより、前記光共振空洞が、前記吸収体と前記反射体との間にある請求項18に記載の光起電力アレイ。
【請求項２０】
前記光共振空洞は、前記吸収体を前記部分反射体から分離する支持体によって形成される高さを有する空気ギャップを備える請求項19に記載の光起電力アレイ。
【請求項２１】
前記干渉積層体は、前記光共振空洞のサイズを電磁的に変化させうる、反射体を有するアクティブな微小電気機械システム(MEMS)デバイスを備える請求項20に記載の光起電力アレイ。
【請求項２２】
前記光共振空洞は誘電体を含む請求項18に記載の光起電力アレイ。
【請求項２３】
前記光共振空洞は導体を含む請求項18に記載の光起電力アレイ。
【請求項２４】
前記光共振空洞は光学薄膜を備える請求項18に記載の光起電力アレイ。
【請求項２５】
前記光学薄膜は、約1と3との間の屈折率nを有する請求項24に記載の光起電力アレイ。
【請求項２６】
前記光学薄膜の厚さは、約42/n nmと700/n nmとの間である請求項25に記載の光起電力アレイ。
【請求項２７】
前記光共振空洞の高さは、デバイスにわたって均一でない請求項24に記載の光起電力アレイ。
【請求項２８】
前記光共振空洞の高さは、前記干渉積層体が2つ以上の領域を備えるようにパターニングされ、各領域は、異なる反射色に相当する異なる光共振空洞の高さを有する請求項24に記載の光起電力アレイ。
【請求項２９】
前記光起電力アレイは、ピクセルの規則的なパターンを備える請求項28に記載の光起電力アレイ。
【請求項３０】
前記ピクセルのパターンは、複数の赤ピクセル、複数の緑ピクセル、および複数の青ピクセルを備える請求項29に記載の光起電力アレイ。
【請求項３１】
前部面および後部面を有する太陽パネルであって、
太陽パネルを形成するために電気接続された複数の光起電力デバイスであって、各光起電力デバイスが光起電力活性層を備える、複数の光起電力デバイスと、
前記複数の光起電力デバイスを覆って配設された、反射を干渉的に調節するよう構成された干渉変調器とを備え、前記干渉変調器は、
光共振空洞を形成する1つまたは複数の光学的に透明な層と、
前記光共振空洞を覆う吸収体層とを備える太陽パネル。
【請求項３２】
前記干渉変調器は、光を受取る前記複数の光起電力デバイスの前記光起電力活性層の一部分を覆って延在する請求項31に記載の太陽パネル。
【請求項３３】
前記干渉変調器は、入射広帯域可視光から選択可視波長の反射を選択的に増強して、色を反射するよう構成される請求項31に記載の太陽パネル。
【請求項３４】
前記干渉変調器は、前記複数の光起電力デバイスの前部面を覆って配置される請求項33に記載の太陽パネル。
【請求項３５】
前記干渉変調器は、光を前記複数の光起電力デバイスの前記光起電力活性層まで選択的に透過させて、電流に変換するよう構成される請求項34に記載の太陽パネル。
【請求項３６】
前記干渉変調器は、前記複数の光起電力デバイスの後部面を覆って配置される請求項33に記載の太陽パネル。
【請求項３７】
太陽パネルであって、
それぞれが光起電力活性層を備える複数の光起電力デバイスであって、前記パネルを形成するために電気接続される、複数の光起電力デバイスと、
前記複数の光起電力デバイスを覆って配設された、光反射および透過を干渉的に調節するよう構成されたダイクロイック積層体であって、1つまたは複数の対の誘電体膜を備えるダイクロイック積層体とを備え、前記1つまたは複数の対はそれぞれ、低い屈折率を有する別の膜を覆って第1の屈折率を有する1つの膜を備える太陽パネル。
【請求項３８】
前記ダイクロイック積層体は、電流に変換するために光を受取る前記複数の光起電力デバイスの前記光起電力活性層の一部を覆って延在する請求項37に記載の太陽パネル。
【請求項３９】
前記ダイクロイック積層体は、ある範囲の可視波長を選択的に反射して、色を表示するよう構成される請求項37に記載の太陽パネル。
【請求項４０】
前記ダイクロイック積層体は、前記複数の光起電力デバイスの前部面を覆って配置される請求項39に記載の太陽パネル。
【請求項４１】
前記ダイクロイック積層体は、ある範囲の可視波長を、前記複数の光起電力デバイスの前記光起電力活性層まで選択的に透過させるよう構成される請求項40に記載の太陽パネル。
【請求項４２】
前記ダイクロイック積層体は、前記複数の光起電力デバイスの前記光起電力活性層の後部面を覆って配置される請求項39に記載の太陽パネル。
【請求項４３】
前記ダイクロイック積層体は、前記複数の光起電力デバイスの前記光起電力活性層の後部面を覆って配置される請求項37に記載の太陽パネル。
【請求項４４】
色太陽パネルを製造する方法であって、
それぞれが光起電力材料を含む複数の光起電力デバイスであって、光が入射する前部面および後部面を有する、複数の光起電力デバイスを設けるステップと、
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆って、特定の色の可視光反射を干渉的に増強するよう構成される干渉積層体を形成するステップと、
太陽パネルを形成するために、前記複数の光起電力デバイスを電気接続するステップとを含む方法。
【請求項４５】
前記干渉積層体を形成するステップは、
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆って光共振空洞を形成するステップと、
前記光共振空洞上に光吸収材料層を形成するステップとを含む請求項44に記載の方法。
【請求項４６】
部分的に反射しかつ部分的に透過する材料層を形成するステップをさらに含み、光共振空洞を形成するステップは、部分的に反射しかつ部分的に透過する材料層上に前記光共振空洞を形成するステップを含む請求項45に記載の方法。
【請求項４７】
前記光吸収材料層は前記光共振空洞の前部にあり、前記光共振空洞は前記部分的に反射しかつ部分的に透過する材料層の前部にある請求項46に記載の方法。
【請求項４８】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆って前記干渉積層体を形成するステップは、前記光起電力材料の前部面に前記干渉積層体を形成するステップを含む請求項45に記載の方法。
【請求項４９】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆って前記干渉積層体を形成するステップは、前記光起電力材料の後部面で後部電極の後部を覆って前記干渉積層体を形成するステップを含む請求項45に記載の方法。
【請求項５０】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆って前記干渉積層体を形成するステップは、透明基板上に前記干渉積層体を形成するステップをさらに含む請求項45に記載の方法。
【請求項５１】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料の前記前部面上に前記透明基板を貼り合わせるステップをさらに含む請求項50に記載の方法。
【請求項５２】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料の前記後部面上に前記透明基板を貼り合わせるステップをさらに含む請求項50に記載の方法。
【請求項５３】
前記光共振空洞を形成するステップは、前記光起電力デバイスの異なる領域を覆って異なる厚さの1つまたは複数の光学的に透明な層を形成するステップを含み、それぞれの異なる厚さは、前記干渉積層体から反射される干渉的に増強される異なる可視色に相当する請求項45に記載の方法。
【請求項５４】
前記干渉積層体を形成するステップは、前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆って、特定の色の反射を干渉的に増強するよう構成されるダイクロイック積層体を形成するステップを含む請求項44に記載の方法。
【請求項５５】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆ってダイクロイック積層体を形成するステップは、前記光起電力デバイスの前記光起電力材料の前記前部面を覆って前記ダイクロイック積層体を形成するステップを含む請求項54に記載の方法。
【請求項５６】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料を覆ってダイクロイック積層体を形成するステップは、透明基板上に前記ダイクロイック積層体を形成するステップをさらに含む請求項54に記載の方法。
【請求項５７】
前記光起電力デバイスの前記光起電力材料の前記前部面または前記後部面上に前記透明基板を貼り合わせるステップをさらに含む請求項56に記載の方法。
【請求項５８】
前記ダイクロイック積層体を形成するステップは、前記光起電力デバイスの異なる領域を覆って異なる厚さの光学薄膜を形成するステップを含み、それぞれの異なる厚さは、前記干渉積層体から反射される干渉的に増強される異なる可視色に相当する請求項54に記載の方法。
【請求項５９】
太陽パネルを製造する方法であって、
互いに電気接続された複数の光起電力デバイスを備える太陽パネルであって、光が入射する前部面および後部面を有する、太陽パネルを設けるステップと、
前記太陽パネルを覆って、特定の色の可視光反射を干渉的に増強するよう構成される干渉積層体を形成するステップとを含む方法。
【請求項６０】
前記太陽パネルを覆って前記干渉積層体を形成するステップは、前記太陽パネルの前記前部面または後部面を覆って前記干渉積層体を備える透明基板を貼り合わせるステップを含む請求項59に記載の方法。
【請求項６１】
前記透明基板を貼り合わせるステップは、カバーガラスの前部面または後部面の一方の面を覆って前記透明基板を貼り合わせるステップを含む請求項60に記載の方法。
【国際調査報告】
2011501439.tif 000034
2011501439.tif 000035
2011501439.tif 000036