(57)【要約】  効率を向上させるために、多接合光起電力セル内に複数のダイクロイックフィルタを含める。例えば、青、緑および赤活性層を備える多接合光起電力セルでは、青、緑および赤活性層の近くに、それぞれ青、緑および赤色光を反射させる青、緑および赤ダイクロイックフィルタを配置して、初回通過時に吸収されなかった光を反射させることができる。これらのダイクロイックフィルタを使用して、ＰＶセルに入射した白色光を逆多重化し、適当な波長を適当な活性層に、例えば青波長を青活性層に、緑波長を緑活性層に、赤波長を赤活性層に送達することができる。さらに、ＰＶセルをインターフェロメトリックに調整して、吸収効率を向上させることもできる。したがって、ある種の実施形態では光共振層および光共振空胴を使用することができる。
2011508430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第１の活性層と、
第２の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第２の活性層と、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に配置された第１の光学フィルタであって、前記第１の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第２の波長を有する光を前記第１の波長を有する光よりも多く透過させるように構成された第１の光学フィルタと
を備えた光起電力デバイス。
【請求項２】
前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
前記活性層のうちの少なくとも一つの活性層が半導体材料を備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
前記少なくとも一つの活性層がＰＮ接合またはＰ−Ｉ−Ｎ接合を備えている、請求項３に記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
前記活性層のうちの少なくとも一つの活性層が、シリコン、ゲルマニウム、テルル化カドミウム、二セレン化銅インジウム、二セレン化銅インジウムガリウム、光吸収性染料、光吸収性ポリマー、光吸収性ナノ粒子がその中に配置されたポリマー、またはＩＩＩ−Ｖ族半導体を備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
第３の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第３の活性層をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記第１の波長が前記第２の波長よりも短く、前記第２の波長が前記第３の波長よりも短い、請求項６に記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
前記第２の活性層と前記第３の活性層の間に配置された第２の光学フィルタであって、前記第２の波長を有する光を前記第３の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第３の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く透過させるように構成された第２の光学フィルタをさらに備えている、請求項７に記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
前記第１および第２の活性層が、少なくとも３つの活性層を備えている複数の活性層の中に含まれた、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約４５０ｎｍから約１７５０ｎｍまでの間の少なくとも約１０００ナノメートルにわたって広がる対応する波長を有している、請求項９に記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
前記複数の活性層が少なくとも約５つの活性層を備えている、請求項９に記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
前記複数の活性層が少なくとも約８つの活性層を備えている、請求項１１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
前記複数の活性層が少なくとも約１２個の活性層を備えている、請求項１２に記載の光起電力デバイス。
【請求項１４】
前記複数の活性層のバンドギャップが、ある活性層から次の活性層へと次々に増大する、請求項９に記載の光起電力デバイス。
【請求項１５】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約２００ｎｍ未満の波長刻みで増大する、請求項１４に記載の光起電力デバイス。
【請求項１６】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約１００ｎｍ未満の波長刻みで増大する、請求項１５に記載の光起電力デバイス。
【請求項１７】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約５０ｎｍ未満の波長刻みで増大する、請求項１６に記載の光起電力デバイス。
【請求項１８】
前記複数の活性層が、共に合金化された第１の材料と第２の材料とを備えている少なくとも３つの合金活性層を備えており、前記第１の材料と前記第２の材料が異なるバンドギャップを有している、請求項９に記載の光起電力デバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも３つの合金活性層が、共に合金化された前記第１の材料と前記第２の材料とを備えている６つ以上の合金活性層を備えた、請求項１８に記載の光起電力デバイス。
【請求項２０】
前記少なくとも３つの合金活性層が、共に合金化された前記第１の材料と前記第２の材料とを備えている１０以上の合金活性層を備えた、請求項１９に記載の光起電力デバイス。
【請求項２１】
前記少なくとも３つの合金活性層が、前記第１の材料と前記第２の材料の異なる比を備えている、請求項１８に記載の光起電力デバイス。
【請求項２２】
ある合金活性層から次の合金活性層へと前記第１の材料の濃度が次第に低下し、前記第２の材料の濃度が次第に増大するように、前記少なくとも３つの合金活性層が配置された、請求項２１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２３】
前記第１の材料がシリコンを備えており、前記第２の材料がゲルマニウムを備えている、請求項１８に記載の光起電力デバイス。
【請求項２４】
前記第１の光学フィルタが干渉フィルタを備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２５】
前記第１の光学フィルタが約２から約１００のフィルムを備えている、請求項２４に記載の光起電力デバイス。
【請求項２６】
前記第１の光学フィルタが４分の１波長スタックを備えている、請求項２５に記載の光起電力デバイス。
【請求項２７】
前記第１の活性層に電気的に接続された光透過性電極をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２８】
前記第１および第２の活性層ならびに前記第１の光学フィルタを透過した光を反射させるために前記第１および第２の活性層の下に配置された反射器層をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２９】
前記第１の活性層と前記第１の光学フィルタの間に第１の光共振空胴をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３０】
前記第１の光共振空胴が存在することにより、前記第１の活性層によって吸収される前記第１の波長を有する光の量が増大した、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３１】
前記第１の光共振空胴が存在することにより、前記第１の活性層内の前記第１の波長を有する光の平均電界強度が増大した、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３２】
太陽スペクトル中の波長に対する全体の吸収効率を有しており、太陽スペクトル中の前記波長にわたって積分した前記吸収効率が、前記第１の光共振空胴が存在することにより向上した、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３３】
前記第１の光共振空胴が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した前記第１の活性層の吸収光パワーの増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した前記光起電力デバイス内の他のどの層の吸収光パワーの増大よりも大きい、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３４】
前記第１の光共振空胴が誘電体を備えている、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３５】
前記第１の光共振空胴が非導電性酸化物を備えている、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３６】
前記第１の光共振空胴が空気ギャップを備えている、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３７】
前記第１の光共振空胴の厚さは、前記第１の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項２９に記載の光起電力デバイス。
【請求項３８】
前記第１の活性層と前記第２の活性層のうちの少なくとも一方の活性層の厚さは、前記第１の活性層または前記第２の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項３７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３９】
前記第１の光共振空胴ならびに前記第１および第２の活性層の厚さは、前記第１および第２の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項３７に記載の光起電力デバイス。
【請求項４０】
前記第１の光学フィルタの厚さは、前記第１の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４１】
前記第１の光学フィルタの厚さは、前記第１の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４２】
前記第２の活性層と前記第２の光学フィルタの間に第２の光共振空胴をさらに備えている、請求項８に記載の光起電力デバイス。
【請求項４３】
前記第２の光共振空胴が存在することにより、前記第２の活性層によって吸収される前記第２の波長を有する光の量が、前記第２の活性層によって吸収される前記第１の波長の光の量よりも多く増大した、請求項４２に記載の光起電力デバイス。
【請求項４４】
前記第１の活性層を覆って配置された反射防止層をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４５】
前記活性層のうちの少なくとも１つの活性層に電気的に接続された少なくとも１つのバイアをさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４６】
第１の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成する第１の手段と、
第２の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成する第２の手段と、
前記第１の電気信号生成手段と前記第２の電気信号生成手段との間に配置された光をフィルタリングする第１の手段であって、前記第１の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第２の波長を有する光を前記第１の波長を有する光よりも多く透過させるように構成された第１の光フィルタリング手段と
を備えた光起電力デバイス。
【請求項４７】
前記活性層のうちの少なくとも１つの活性層に電気的に接続された少なくとも１つのバイアをさらに備えている、請求項４６に記載の光起電力デバイス。
【請求項４８】
前記第１の電気信号生成手段が第１の活性層を備えている、請求項４６に記載の光起電力デバイス。
【請求項４９】
前記第２の電気信号生成手段が第２の活性層を備えている、請求項４６に記載の光起電力デバイス。
【請求項５０】
前記第１の光フィルタリング手段が第１の光学フィルタを備えている、請求項４６に記載の光起電力デバイス。
【請求項５１】
光起電力デバイスを製造する方法であって、
第１の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第１の活性層を提供するステップと、
第２の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第２の活性層を提供するステップと、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に第１の光学フィルタを配置するステップであって、前記第１の光学フィルタが、前記第１の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第２の波長を有する光を前記第１の波長を有する光よりも多く透過させるように構成されたステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる２００７年１２月２１日に出願された米国特許仮出願第６１／０１６，４３２号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は一般に、光エネルギーを電気エネルギーに変換する、例えば光起電力セル（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｃｅｌｌ）などのオプトエレクトロニクス変換器の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
１世紀以上にわたり、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料は、米国における主要なエネルギー源であった。代替エネルギー源の必要性は増している。化石燃料は、急速に減少している再生不可能なエネルギー源である。インド、中国などの発展途上国の大規模な工業化は、利用可能な化石燃料に対する相当な負荷となっている。さらに、地政学的問題は直ぐに、このような燃料の供給に影響を及ぼしうる。地球温暖化も近年の大きな懸念である。いくつかの因子が地球温暖化に寄与すると考えられているが、化石燃料の広範囲にわたる使用は、地球温暖化の主なる原因とみなされている。したがって、再生可能で経済的に実現性があり、環境的にも安全なエネルギー源を見つけ出すことが緊急に求められている。
【０００４】
太陽エネルギーは、熱、電気など他の形態のエネルギーに変換することができる環境的に安全な再生可能エネルギー源である。光起電力（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、ＰＶセルを使用して、太陽エネルギーを電力に変換することができる。光起電力太陽電池（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ）は非常に薄くすることができ、モジュールとすることができる。ＰＶセルのサイズは、数ミリメートルから数十センチメートルに及ぶ。１つのＰＶセルからの個々の電気出力は例えば数ミリワットから数ワットである。十分な量の電気を発生させるため、いくつかのＰＶセルを電気的に接続し、パッケージ化することができる。ＰＶセルは、人工衛星および他の宇宙船への電力の供給、住居および商業施設への給電、自動車バッテリの充電など、広範な用途に対して使用することができる。しかしながら、経済的競争力を有する再生可能エネルギー源としての太陽エネルギーの使用は、光エネルギーを電気に変換する際の効率の低さによって妨げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／０１６，４３２号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「Ｌｉｇｈｔ−Ｔｒａｐｐｉｎｇ  ｉｎ  ａ−Ｓｉ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ：  Ａ  Ｓｕｍｍａｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｆｒｏｍ  ＰＶ  Ｏｐｔｉｃｓ」、Ｂ．  Ｌ．  Ｓｏｐｏｒｉ他、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ  Ｐｒｏｇｒａｍ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｍｅｅｔｉｎｇ、１９８８年９月８〜１１日、米コロラド州Ｄｅｎｖｅｒ
【非特許文献２】「Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ，  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ＆  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｊ．  Ｐｏｏｒｔｍａｎｓ、Ｖ．  Ａｒｋｈｉｐｏｖ編、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ社刊、２００６年の第５章、２０５ページ
【非特許文献３】Ｋｒｃ他、「Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」、ＯＰＴＩＣＡＬ  ＡＮＤ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  （２００６）  ３８：１１１５〜１１２３頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上させる光起電力デバイスおよび方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある種の実施形態は、インターフェロメトリックに（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ）調整された光起電力セルであって、積層ＰＶデバイスの界面からの反射がコヒーレントに合成されて、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活性領域内の電界が増大する、光起電力セルを含む。このようなインターフェロメトリックに調整された光起電力デバイスまたはインターフェロメトリック光起電力デバイス（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）（ｉＰＶ）は、インターフェロメトリック光起電力セルの活性領域における光エネルギーの吸収を増大させ、それによってデバイスの効率を向上させる。活性領域内の電界濃度および吸収を増大させるため、さまざまな実施形態において、光起電力デバイス内に、１つまたは複数の光共振空胴（ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｃａｖｉｔｙ）および／または光共振層（ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｌａｙｅｒ）が含まれる。この光共振空胴および／または光共振層は、透明非導電材料、透明導電材料、空気ギャップおよびこれらの組合せを含むことができる。他の実施形態も可能である。
【０００９】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。この活性層を透過した光を反射させるために反射器層が配置され、活性層と反射器層の間に光共振空胴が配置される。光共振空胴が存在することにより、活性層によって吸収される光の量を増大させることができる。いくつかの実施形態では、光共振空胴が誘電体を含むことができる。いくつかの実施形態では、光共振空胴が空気ギャップを含むことができる。ある種の実施形態では、光共振空胴が複数の層を含むことができる。
【００１０】
他の実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された少なくとも１つの活性層を備える。光起電力デバイスはさらに、少なくとも１つの光共振層を備え、この少なくとも１つの活性層は、太陽スペクトル中の波長に対する吸収効率を有し、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル中のこれらの波長にわたって積分した吸収効率が少なくとも約２０％向上する。
【００１１】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。光起電力デバイスはさらに、少なくとも１つの光共振層を備え、この光起電力デバイスは、太陽スペクトル中の波長に対する全体の変換効率を有し、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル中のこれらの波長にわたって積分した全体の変換効率が少なくとも約１５％向上する。
【００１２】
他の実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。この光起電力デバイスはさらに、光共振層を備え、この光共振層は、太陽スペクトル全体にわたって積分した光起電力デバイス全体の変換効率が０．７超になるような厚さを有する。
【００１３】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。この光起電力デバイスはさらに、活性層内の平均電界強度を増大させる少なくとも１つの光共振層を備え、この活性層は、光起電力デバイスが太陽光にさらされたときに、太陽スペクトル中の波長に対する活性層内の平均電界強度を有する。この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した活性層の平均電界強度の増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光起電力デバイス内の他のどの層の平均電界強度の増大よりも大きくなる。
【００１４】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。この活性層は、光起電力デバイスが太陽光にさらされたときに、太陽スペクトル中の波長に対する活性層内の平均電界強度および吸収光パワーを有する。この光起電力デバイスはさらに、活性層内の平均電界強度および吸収光パワーを増大させる少なくとも１つの光共振層を備え、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した活性層の吸収光パワーの増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光起電力デバイス内の他のどの層の吸収光パワーの増大よりも大きくなる。
【００１５】
一実施形態では、光起電力デバイスが、基板、基板上に配置された光学スタック、および光学スタック上に配置された反射器層を備える。この光学スタックはさらに、少なくとも１つの活性層および１つまたは複数の層を備え、この少なくとも１つの活性層は、約４００ｎｍの光に対して０．７超の吸収効率を含む。
【００１６】
一実施形態では、光起電力デバイスの活性層内における光吸収を干渉原理を使用して増大させる方法が、光を吸収し、その光を電気エネルギーに変換する少なくとも１つの活性層を提供するステップと、この活性層に対して少なくとも１つの光共振層を配置するステップとを含み、電磁放射の干渉原理により、太陽スペクトル中の波長に対して積分した前記少なくとも１つの活性層における太陽エネルギーの吸収が少なくとも５％増大する。
【００１７】
ある種の実施形態では、光起電力デバイスが、電磁放射を吸収し、その電磁放射を電気エネルギーに変換する少なくとも１つの活性層を備える。この光起電力デバイスはさらに、この活性層に対して配置された少なくとも１つの光共振層を備え、この光共振層は、光学干渉の結果として、太陽スペクトルを横切って積分した前記少なくとも１つの活性層における太陽エネルギーの吸収を少なくとも５％増大させる。
【００１８】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。この活性層を透過した光を反射するために反射器層が配置され、ある波長に対して光起電力デバイスが部分的に透過性となるように、この反射器層は部分的に光透過性である。光起電力デバイスはさらに、活性層と反射器層の間に配置された少なくとも１つの光共振層を備え、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、活性層によって吸収される光の量が増大する。
【００１９】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を備える。この光起電力デバイスはさらに、少なくとも１つの光共振層を備え、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、活性層によって吸収される光の量が増大し、厚さを制御する制御信号を印加することによって、この少なくとも１つの光共振層の厚さを調整することができる。
【００２０】
一実施形態では、光起電力セルの吸収効率を最適化する方法が、層スタックを含む光起電力セルを提供するステップを含み、少なくとも１つの層が少なくとも１つの活性層を含み、光起電力セルを提供するステップが、干渉原理を使用して、複数の波長に対する、光起電力セルの少なくとも１つの活性層の吸収効率を最適化するステップを含む。
【００２１】
一実施形態では、光起電力デバイスが、基板、この透明基板上に配置された光学スタック、および基板上に配置された反射器を備える。この光学スタックはさらに、１つまたは複数の薄膜層、およびこの１つまたは複数の薄膜層の厚さに基づいて選択した光の波長を吸収するように最適化された活性層を備え、この活性層の吸収は、複数の界面からの反射のコヒーレント合成を解析することによって最適化される。
【００２２】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第１および第２の活性層を備える。この光起電力デバイスはさらに、第１の活性層と第２の活性層の間の第１の光共振層を備え、この光共振層が存在することにより、第１および第２の活性層のうち少なくとも一方の活性層によって吸収される光の量が増大する。
【００２３】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収する手段を備える。この光吸収手段は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この少なくとも１つの光吸収手段を透過した光を反射させるために、光を反射させる手段が配置される。この光吸収手段と光反射手段との間に、光共振を発生させる手段が配置される。この光共振発生手段は、前記少なくとも１つの光吸収手段によって吸収される光の量を増大させるように構成され、光共振発生手段は、電気的に絶縁する手段を含む。
【００２４】
他の実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、活性層を提供するステップを含み、この活性層は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この方法はさらに、活性層を透過した光を反射させるために反射器層を配置するステップと、活性層と反射器層の間に光共振空胴を配置するステップとを含む。一実施形態では、光共振空胴が誘電体を含む。他の実施形態では、光共振空胴が空気ギャップを含む。
【００２５】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収する手段を備える。この光吸収手段は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この光起電力デバイスはさらに、光吸収手段を透過した光を反射させるために配置された光を反射させる手段、および光吸収手段と光反射手段との間の光共振を発生させる手段を備える。この光共振発生手段は、前記少なくとも１つの光吸収手段によって吸収される光の量を増大させるように構成され、光共振発生手段は、その中を貫通して光を伝搬する複数の手段を備える。
【００２６】
他の実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、活性層を提供するステップを含み、この活性層は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この方法はさらに、この少なくとも１つの活性層を透過した光を反射させるために反射器層を配置するステップと、活性層と反射器層の間に光共振空胴を形成するステップとを含み、光共振空胴は複数の層を備える。
【００２７】
代替実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が、光を吸収する手段を備え、この光吸収手段は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段はさらに、少なくとも１つの光吸収手段を透過した光を反射させるために配置された光を反射させる手段、および光吸収手段と光反射手段との間に配置された光共振を発生させる手段を備え、光吸収手段は、太陽スペクトル中の波長に対する吸収効率を有し、光共振発生手段が存在することにより、太陽スペクトル中のこれらの波長にわたって積分した吸収効率が少なくとも約２０％向上する。
【００２８】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、少なくとも１つの活性層を提供するステップを含み、この活性層は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この方法はさらに、前記少なくとも１つの活性層を透過した光を反射させるために反射器層を配置するステップと、活性層と反射器層の間に少なくとも１つの光共振層を配置するステップとを含み、前記少なくとも１つの活性層は、太陽スペクトル中の波長に対する吸収効率を有し、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル中のこれらの波長にわたって積分した吸収効率が少なくとも約２０％向上する。
【００２９】
一実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が、光を吸収する手段を備え、この光吸収手段は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段はさらに、少なくとも１つの光吸収手段を透過した光を反射させるために配置された光を反射させる手段、および光吸収手段と光反射手段との間に配置された光共振を発生させる手段を備える。光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段は、太陽スペクトル中の波長に対する全体の変換効率を有し、光共振発生手段が存在することにより、太陽スペクトル中のこれらの波長にわたって積分した全体の変換効率が少なくとも約１５％向上する。
【００３０】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、活性層を提供するステップを含み、この活性層は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この方法はさらに、この少なくとも１つの活性層を透過した光を反射させるために反射器層を配置するステップと、この少なくとも１つの活性層と反射器層の間に少なくとも１つの光共振層を配置するステップとを含む。この光起電力デバイスは、太陽スペクトル中の波長に対する全体の変換効率を有し、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル中のこれらの波長にわたって積分した全体の変換効率が少なくとも約１５％向上する。
【００３１】
一実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が、光を吸収する手段を備え、この光吸収手段は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段はさらに、光共振を発生させる手段を備え、この光共振発生手段は、光吸収手段内の平均電界強度を増大させる。この光吸収手段は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が太陽光にさらされたときに、太陽スペクトル中の波長に対する光吸収手段内の平均電界強度を有する。この光共振発生手段が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した光吸収手段の平均電界強度の増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段内の他のどの層の平均電界強度の増大よりも大きくなる。
【００３２】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、活性層を提供するステップを含み、この活性層は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成される。この方法はさらに、少なくとも１つの光共振層を提供するステップを含み、この光共振空胴は、活性層内の平均電界強度を増大させる。この活性層は、光起電力デバイスが太陽光にさらされたときに、太陽スペクトル中の波長に対する活性層内の平均電界強度を有し、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した活性層の平均電界強度の増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光起電力デバイス内の他のどの層の平均電界強度の増大よりも大きくなる。
【００３３】
他の実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された光を吸収する手段を備え、この光吸収手段は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が太陽光にさらされたときに、太陽スペクトル中の波長に対する光吸収手段内の平均電界強度および吸収光パワーを有する。光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段はさらに、光吸収手段内の平均電界強度および吸収光パワーを増大させる光共振を発生させる手段を備え、この光共振発生手段が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した光吸収手段の吸収光パワーの増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段内の他のどの層の吸収光パワーの増大よりも大きくなる。
【００３４】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、活性層を提供するステップを含み、この活性層は、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成され、この活性層は、光起電力デバイスが太陽光にさらされたときに、太陽スペクトル中の波長に対する活性層内の平均電界強度および吸収光パワーを有する。この方法はさらに、少なくとも１つの光共振層を提供するステップを含み、この光共振空胴は、活性層内の平均電界強度および吸収光パワーを増大させ、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した活性層の吸収光パワーの増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光起電力デバイス内の他のどの層の吸収光パワーの増大よりも大きくなる。
【００３５】
一実施形態では、光起電力デバイスが支持手段を備える。この光起電力デバイスはさらに、前記支持手段上に配置された光と相互作用する手段を備え、この光相互作用手段は、光を吸収する少なくとも１つの手段、および光を伝搬する１つまたは複数の手段を備える。この光起電力デバイスはさらに、光相互作用手段上に配置された光を反射させる手段を備え、前記少なくとも１つの光吸収手段は、約４００ｎｍの光に対して０．７超の吸収効率を含む。
【００３６】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、基板を提供するステップを含む。この方法はさらに、少なくとも１つの活性層および１つまたは複数の層を含む光学スタックを基板上に配置するステップと、この光学スタック上に反射器層を配置するステップとを含み、前記少なくとも１つの活性層は、約４００ｎｍの光に対して０．７超の吸収効率を含む。
【００３７】
ある種の実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収する手段を備え、この光吸収手段は、光を吸収し、吸収した光を電気エネルギーに変換するように構成される。この光起電力デバイスはさらに、光共振を発生させる手段を備え、電磁放射の干渉原理により、太陽スペクトル中の波長に対して積分した光吸収手段における太陽エネルギーの吸収が少なくとも５％増大する。
【００３８】
ある種の実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された光を吸収する手段を備える。この光起電力デバイスはさらに、この少なくとも１つの光吸収手段を透過した光を反射させるために配置された光を反射させる手段、および光吸収手段と光反射手段の間の光共振を発生させる手段を備え、光共振発生手段が存在することにより、光吸収手段によって吸収される光の量が増大し、ある波長に対して光エネルギーを電気エネルギーに変換する手段が部分的に透過性となるように、反射手段は部分的に光透過性である。
【００３９】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された活性層を形成するステップと、この少なくとも１つの活性層を透過した光を反射させるために配置された反射器層を形成するステップと、活性層と反射器層の間に少なくとも１つの光共振層を形成するステップとを含み、前記少なくとも１つの光共振層が存在することにより、活性層によって吸収される光の量が増大し、ある波長に対して光起電力デバイスが部分的に透過性となるように、反射器層は部分的に光透過性である。
【００４０】
ある種の実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された光を吸収する手段を備える。この光起電力デバイスはさらに、この少なくとも１つの光吸収手段を透過した光を反射させるために配置された光を反射させる手段、および光吸収手段と光反射手段との間に配置された光共振を発生させる手段を備え、光共振発生手段が存在することにより、光吸収手段によって吸収される光の量が増大し、厚さを制御する制御信号を印加することによって、光共振発生手段の厚さを調整することができる。
【００４１】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された少なくとも１つの活性層を形成するステップを含む。この方法はさらに、この少なくとも１つの活性層を透過した光を反射させるために配置された反射器層を形成するステップと、この少なくとも１つの活性層と反射器層との間に少なくとも１つの光共振層を形成するステップとを含み、この少なくとも１つの光共振層が存在することにより、活性層によって吸収される光の量が増大し、厚さを制御する制御信号を印加することによって、この少なくとも１つの光共振層の厚さを調整することができる。
【００４２】
一実施形態では、光起電力デバイスが、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された光を吸収する第１および第２の手段を備える。光起電力デバイスはさらに、光共振を発生させる第１の手段を備える。この第１の光共振発生手段が存在することにより、第１および第２の光吸収手段によって吸収される光の量が増大する。
【００４３】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法が、光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第１および第２の活性層を形成するステップと、第１の光共振層を形成するステップとを含み、この第１の光共振層が存在することにより、第１および第２の活性層によって吸収される光の量が増大する。
【００４４】
本明細書で開示する例示的実施形態は、添付図面に示されている。添付図面は例示のみを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】光学インターフェロメトリック空胴を概略的に示す図である。
【図２】反射光を増大させる光学インターフェロメトリック空胴を概略的に示す図である。
【図３】吸収器層、光共振空胴および反射器を含む複数の層を備えるインターフェロメトリック変調器（「ＩＭＯＤ」）スタックのブロック図である。
【図４Ａ】図３の「ＩＭＯＤ」に入射した光線によって生じた反射の一部を示す概略図である。例示のため、反射の一部だけが示されている。しかしながら、所与の任意の層について、入射光線およびＩＭＯＤ内のさまざまな界面から反射した光線をコヒーレントに合成して、その層内の電界強度を決定することができる。
【図４Ｂ】「開」状態にあるＩＭＯＤを示す図である。
【図４Ｃ】「閉」状態にあるＩＭＯＤを示す図である。
【図５Ａ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対する結果としてのスペクトル応答、例えば反射および吸収を示す図である。
【図５Ｂ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対する結果としてのスペクトル応答、例えば反射および吸収を示す図である。
【図５Ｃ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対する結果としてのスペクトル応答、例えば反射および吸収を示す図である。
【図５Ｄ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対する結果としてのスペクトル応答、例えば反射および吸収を示す図である。
【図６Ａ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対するスペクトル応答を示す図である。
【図６Ｂ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対するスペクトル応答を示す図である。
【図６Ｃ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対するスペクトル応答を示す図である。
【図６Ｄ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の垂直入射光および垂直反射光に対するスペクトル応答を示す図である。
【図７Ａ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図７Ｂ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図７Ｃ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図７Ｄ】「開」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図８Ａ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図８Ｂ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図８Ｃ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図８Ｄ】「閉」状態にあるインターフェロメトリック光変調器の入射角またはビュー角が約３０度であるときのスペクトル応答を示す図である。
【図９】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１０】アモルファスシリコンを含むｐ−ｉ−ｎ接合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１１Ａ】従来の別のＰＶセルを概略的に示す図である。
【図１１Ｂ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｃ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｄ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｅ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｆ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｇ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｈ】ＰＶセルを備え、このＰＶセルの活性領域における吸収を、インターフェロメトリック変調の原理を使用して増大させ、それによって効率を向上させる一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｉ】静電的に厚さを変化させることができる光共振空胴を有するＰＶセルを備える一実施形態を概略的に示す図である。
【図１１Ｊ】静電的に厚さを変化させることができる光共振空胴を有するＰＶセルを備える一実施形態を概略的に示す図である。
【図１２】ＰＶセルのさまざまな層内の電界強度を計算する際に使用する命名法を概略的に示す図である。
【図１３】ＰＶセルを製造する方法であって、ＰＶセルの活性領域における吸収をＩＭＯＤの原理を使用して増大させる方法を示す流れ図である。
【図１４】さまざまなＰＶセル設計のＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）活性層におけるモデル化された吸収のグラフである。
【図１５Ａ】α−Ｓｉ−Ｈを含み、第１および第２の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層ならびにアルミニウム（Ａｌ）反射器によって取り囲まれたｐ−ｉ−ｎ接合を備える従来のＰＶセルの一例である。厚さ９００ｎｍの第１のＩＴＯ層、厚さ３３０ｎｍのα−Ｓｉ活性層および厚さ８０ｎｍの第２のＩＴＯ層を有する図１５Ａに示すＰＶセルなどのＰＶセルの吸収スペクトルおよび反射率スペクトルが以下の図に提供される。
【図１５Ｂ】図１５ＡのＰＶセルの全吸収を波長に対して示すプロットである。
【図１５Ｃ】図１５ＡのＰＶセルの全反射を波長に対して示すプロットである。
【図１５Ｄ】図１５ＡのＰＶセルの活性層における吸収を波長に対して示すプロットである。
【図１５Ｅ】図１５ＡのＰＶセルの第１のＩＴＯ層における吸収を波長に対して示すプロットである。
【図１５Ｆ】図１５ＡのＰＶセルの第２のＩＴＯ層における吸収を波長に対して示すプロットである。
【図１５Ｇ】図１５ＡのＰＶセルの反射器層における吸収を波長に対して示すプロットである。
【図１６Ａ】図１５Ａの光起電力デバイスの活性層における積分された吸収を、第１の電極および第２の電極の厚さに対して示す等高線プロットである。この積分された吸収は、太陽スペクトル全体にわたって積分した吸収を含む。
【図１６Ｂ】第１のＩＴＯ層（厚さ５４ｎｍ）、α−Ｓｉ活性層（厚さ３３０ｎｍ）および第２のＩＴＯ層（厚さ９１ｎｍ）を有する最適化された図１５ＡのＰＶセルの活性層における吸収のプロットである。
【図１６Ｃ】第１のＩＴＯ層（厚さ５４ｎｍ）、α−Ｓｉ活性層（厚さ３３０ｎｍ）および第２のＩＴＯ層（厚さ９１ｎｍ）を有する最適化された図１５ＡのＰＶセルの全吸収のプロットである。
【図１７】Ｋｒｃ他が開示している光起電力デバイスを概略的に示す図であり、この光起電力デバイスは、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）ｐ型層とＣｄＳ  ｎ型層とを備える活性領域を含み、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）ｐ型層およびＣｄＳ  ｎ型層は、吸収効率が最大になるようには最適化されていない。
【図１８Ａ】ＣＩＧＳ  ｐ型層とＣｄＳ  ｎ型層とを備える図１７の光起電力デバイスのモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のプロットの１つである。
【図１８Ｂ】ＣＩＧＳ  ｐ型層とＣｄＳ  ｎ型層とを備える図１７の光起電力デバイスのモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のプロットの１つである。
【図１８Ｃ】ＣＩＧＳ  ｐ型層とＣｄＳ  ｎ型層とを備える図１７の光起電力デバイスのモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のプロットの１つである。
【図１９Ａ】図１７に示した光起電力デバイスなどの光起電力デバイスの活性領域と反射器層の間に光共振空胴を追加した後の図である。
【図１９Ｂ】図１７に示した光起電力デバイスなどの光起電力デバイスの活性領域と反射器層の間に光共振空胴を追加した後の図である。
【図２０Ａ】ＣＩＧＳ  ｐ型層およびＣｄＳ  ｎ型層を含む活性領域と光共振空胴とを備える図１９Ａに示したデバイスのモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のプロットの１つであり、この一連のプロットは、図１７のデバイスに比べて活性領域における吸収が増大することを示している。
【図２０Ｂ】ＣＩＧＳ  ｐ型層およびＣｄＳ  ｎ型層を含む活性領域と光共振空胴とを備える図１９Ａに示したデバイスのモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のプロットの１つであり、この一連のプロットは、図１７のデバイスに比べて活性領域における吸収が増大することを示している。
【図２０Ｃ】ＣＩＧＳ  ｐ型層およびＣｄＳ  ｎ型層を含む活性領域と光共振空胴とを備える図１９Ａに示したデバイスのモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のプロットの１つであり、この一連のプロットは、図１７のデバイスに比べて活性領域における吸収が増大することを示している。
【図２１】導電層（ＩＴＯ層および金属層）によって上下を囲まれた活性領域と、それらへの電気接続を提供するバイアとを有し、さらに、活性領域における吸収をインターフェロメトリックに増大させるように設計された光共振空胴を含む光起電力デバイスを概略的に示す図である。
【図２２】光共振層および金属層によって上下を囲まれた活性領域と、電気接続を提供するバイアとを有し、さらに、活性領域における吸収をインターフェロメトリックに増大させるように設計された光学空胴を含む光起電力デバイスを概略的に示す図である。
【図２３】活性領域と金属層の間に配置された光共振空胴と、電気接続を提供するバイアとを有し、活性領域における吸収をインターフェロメトリックに増大させるように設計された別の光起電力デバイスを概略的に示す図である。
【図２４】約４００ｎｍから約１１００ｎｍまでの波長範囲にわたる図２３の光起電力デバイスのＣＩＧＳ  ｐ型層におけるモデル化された吸収のグラフであり、このグラフは、５００ｎｍから７５０ｎｍまでの間、活性領域における吸収が平均約９０％であることを示している。
【図２５Ａ】光共振空胴と光共振層の間に光起電力セルの活性層が配置された光起電力セルの一実施形態を概略的に示す図である。
【図２５Ｂ】図２５Ａに示した光起電力セルと同様の別の実施形態を概略的に示す図であり、この実施形態では、活性層の上の共振層が誘電体を含み、活性層の下の共振空胴が空気ギャップまたは誘電体を含み、バイアが、この空気ギャップまたは誘電体を貫通する電気伝導を提供する。
【図２５Ｃ】活性層と共振空胴の間にＩＴＯ層が配置された別の実施形態を概略的に示す図である。
【図２６】光起電力セルの活性層と反射器の間に光共振空胴を有し、活性層上に層が示されていない、単純化された光起電力セルの別の実施形態を概略的に示す図である。
【図２７】従来の多接合光起電力デバイスを概略的に示す図である。
【図２８Ａ】活性領域における吸収をインターフェロメトリックに増大させるように設計された光共振層および光共振空胴をさらに備える、図２７に示した多接合光起電力デバイスなどの多接合光起電力デバイスの一実施形態を概略的に示す図である。
【図２８Ｂ】図２８Ａに示した多接合光起電力セルと同様の別の実施形態を概略的に示す図であり、この実施形態では、共振空胴が空気ギャップまたは誘電体を含み、バイアが、この空気ギャップまたは誘電体を貫通する電気伝導を提供する。
【図２９Ａ】活性領域における吸収をインターフェロメトリックに増大させるように設計された複数の光共振層および光共振空胴をさらに備える、図２７に示した多接合光起電力デバイスを概略的に示す図である。
【図２９Ｂ】図２９Ａに示した多接合光起電力セルと同様の別の実施形態を概略的に示す図であり、この実施形態では、共振空胴が空気ギャップまたは誘電体を含み、バイアが、この空気ギャップまたは誘電体を貫通する電気伝導を提供する。
【図３０】従来の半透明ＰＶセルを概略的に示す図である。
【図３１】透明度を高める低減された厚さを有する反射器を備えるＰＶセルを概略的に示す図である。
【図３２Ａ】光共振層は含むが、光共振空胴は含まない半透明多接合ＰＶセルを概略的に示す図である。
【図３２Ｂ】電気接続を提供するバイアを備える、図３２Ａに示したＰＶセルと同様の半透明多接合ＰＶセルを概略的に示す図である。
【図３３】ダイクロイックフィルタの断面を概略的に示す図である。
【図３４】それぞれの活性層の下にダイクロイックフィルタ層が配置された、多接合ＰＶセルの一実施形態を概略的に示す図である。
【図３５】それぞれの活性層の下に光共振空胴が配置された、多接合ＰＶセルの一実施形態を概略的に示す図である。
【図３６】それぞれの活性層とダイクロイックフィルタ層との間に光共振空胴層が配置された、多接合ＰＶセルの別の実施形態を概略的に示す図である。
【図３７】活性層の下にダイクロイックフィルタ層が配置され、活性層が異なる合金組成を有する、多接合ＰＶセルの別の実施形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
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。しかしながら、本発明は、多数の異なる態様で具体化することができる。この説明では図面を参照し、それらの図面では、全体を通じて同様の部分は同様の符号によって示される。以下の説明から明らかなとおり、これらの実施形態は、光起電力材料を含む任意のデバイスにおいて実現することができる。後述するとおり、光起電力デバイスにＭＥＭＳデバイスを結合することができる。
【００４７】
図１に示すような光学的に透明な誘電フィルムまたは層は、光共振空胴の一例である。この誘電フィルムまたは層は、ガラス、プラスチックまたは他の透明材料などの誘電材料を含むことができる。このような光共振空胴の一例が、気泡を形成し、反射色のスペクトルを生成することがある石鹸膜である。図１に示す光共振空胴は、２つの表面１０１および１０２を備える。２つの表面１０１および１０２は、同じ層の反対側の表面とすることができる。例えば、２つの表面１０１および１０２は、ガラスまたはプラスチックのプレートまたはシートあるいはフィルムの表面を含むことができる。空気または他の媒質がこのシートまたはフィルムを取り囲んでもよい。
【００４８】
光共振空胴の表面１０１に入射した光線１０３は、その一部が、光路１０４によって示すように（例えばフレネル反射によって）反射し、一部が、光路１０５に沿って表面１０１を透過する。透過光の一部は、光路１０７に沿って（例えばやはりフレネル反射によって）反射することがあり、一部は、光路１０６に沿って共振空胴の外へ透過することがある。透過する光の量および反射する光の量は、光共振空胴を構成する材料の屈折率および周囲の媒質の屈折率に依存する。
【００４９】
本明細書の議論の目的上、光共振空胴から反射する光の全強度は、２つの反射光線１０４と１０７のコヒーレント重ね合せ（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。このようなコヒーレント重ね合せが起こる状況では、これらの２つの反射ビームの振幅と位相の両方が、全体の強度に寄与する。このコヒーレント重ね合せを干渉（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）と呼ぶ。一般に、２つの反射光線１０４と１０７は互いに対して位相差を有する。いくつかの実施形態では、これらの２つの波の間の位相差が１８０度であり、この位相差が互いを打ち消すことがある。２つの光線１０４および１０７の位相および振幅が、強度を低減させるように構成されている場合、これらの２つの光ビームは、弱め合うように干渉している（ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ  ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ）と言う。一方、２つの光ビーム１０４および１０７の位相および振幅が、強度を増大させるように構成されている場合、これらの２つの光線は、強め合うように干渉している（ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ  ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅｌｙ）と言う。この位相差は、２つの光路の光路差に依存し、２つの光路の光路差は、光共振空胴の厚さおよび屈折率に依存し、したがって２つの表面１０１と１０２の間の材料に依存する。この位相差は、入射ビーム１０３中の波長によっても異なる。したがって、いくつかの実施形態では、光共振空胴が、入射光１０３の特定の一組の波長を反射させ、入射光１０３の他の波長を透過させることがある。したがって、いくつかの波長は強め合うように干渉することがあり、いくつかの波長は弱め合うように干渉することがある。したがって、一般に、光共振空胴が反射させる色および全強度ならびに光共振空胴が透過させる色および全強度は、光共振空胴を構成する厚さおよび材料に依存する。反射する波長および透過する波長は角度にも依存し、異なる波長は異なる角度で反射し、異なる角度で透過する。
【００５０】
図２では、光共振空胴の上面１０１に上面反射器層２０１が付着しており、光共振空胴の下面１０２に下面反射器層２０２が付着している。上面反射器層２０１の厚さと下面反射器層２０２の厚さは互いに実質的に異なっていてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、上面反射器層２０１を下面反射器層２０２よりも薄くすることができる。反射器層２０１、２０２は金属を含むことができる。図２に示すように、光干渉空胴の上面反射器層２０１に入射した光線２０３は、その一部が、光路２０４および２０７に沿って光干渉空胴から反射する。観察者が見る照明野（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）は、２つの反射光線２０４と２０７の重ね合せを含む。反射器層２０１、２０２の厚さおよび／または組成を変更することにより、このデバイスが実質的に吸収する光の量または下面反射器２０２を透過する光の量を大幅に増大させ、または低減させることができる。示した実施形態では、下面反射器２０２の厚さを厚くすると、光共振空胴１０１の反射が増大する。
【００５１】
いくつかの実施形態では、上面反射器層２０１と下面反射器層２０２との間の誘電体（例えばガラス、プラスチックなど）を、空気ギャップ（ａｉｒ  ｇａｐ）に置き換えることができる。この光干渉空胴は、入射光の１つまたは複数の特定の色を反射させることがある。この光干渉空胴が反射させる１つまたは複数の色は、空気ギャップの厚さに依存することがある。空気ギャップの厚さを変化させることにより、光干渉空胴が反射させる１つまたは複数の色を変えることができる。
【００５２】
ある種の実施形態では、上面反射器２０１と下面反射器２０２の間のギャップを、例えばマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）によって変化させることができる。ＭＥＭＳには、微小機械要素、微小アクチュエータ、微小電子機器などが含まれる。微小機械要素は、基板および／または付着材料層の部分をエッチングまたは他の方法で除去し、あるいは層を追加して、電気デバイスおよび電気機械デバイスを形成する、付着、エッチングおよび／または他のマイクロ機械加工プロセスを使用して形成することができる。このようなＭＥＭＳデバイスには、電気的に調整することができる光共振空胴を有するインターフェロメトリック変調器（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）（「ＩＭＯＤ」）が含まれる。本明細書で使用するとき、用語インターフェロメトリック変調器またはインターフェロメトリック光変調器は、光学干渉の原理を使用して光を選択的に吸収しかつ／または反射させるデバイスを指し、デバイスを調整できるか否か、またはデバイス内での移動が可能かどうか（例えば静的ＩＭＯＤ）を問わない。ある種の実施形態では、インターフェロメトリック変調器が、一対の導電性プレートを備えることができ、一方の導電性プレートが、部分的に反射性かつ部分的に透過性であり、もう一方の導電性プレートが部分的に反射性または完全に反射性である。これらの導電性プレートは、適当な電気信号が加えられると相対的に移動することができる。特定の一実施形態では、一方のプレートが、基板上に付着した動かない層を含み、もう一方のプレートが、空気ギャップによってこの動かない層から分離された金属膜を含むことができる。本明細書でより詳細に説明するとおり、１つのプレートに対する別のプレートの位置によって、インターフェロメトリック変調器に入射した光の光学干渉を変化させることができる。このようにして、インターフェロメトリック変調器が出力する光の色を変化させることができる。
【００５３】
この光学干渉空胴を使用して、少なくとも２つの状態を提供することが可能である。例えば、一実施形態では、第１の状態が、（空胴のサイズに基づく）選択した色の光が強め合うように干渉し、空胴の外へ反射する、ある寸法の光学干渉空胴を含む。第２の状態は、可視波長が実質的に吸収されるような光の強め合う干渉および／または弱め合う干渉のために生じる目に見える黒い状態を含む。
【００５４】
図３は、インターフェロメトリック変調器スタック３００の図である。示されているとおり、ＩＭＯＤスタック３００は、その最上部にガラス基板３０１、電極層３０２および吸収器層３０３を備える。ＩＭＯＤスタック３００はさらにＡｌ反射器３０５を含み、Ａｌ反射器３０５は、吸収器層３０３とＡｌ反射器３０５の間に光共振空胴３０４が形成されるように配置される。ある種の実施形態では、Ａｌ反射器３０５の厚さが例えば約３００ｎｍであり、光共振空胴３０４が空気ギャップを含むことがある。いくつかの実施形態では、光空胴が、部分的に透明な１つまたは複数の導体、あるは部分的に透明な１つまたは複数の不導体を含むことがある。例えば、いくつかの実施形態では、この光学干渉空胴が、ＩＴＯ層などの透明な導電層、または例えばＳｉＯ２層などの非導電材料、あるいはその両方を備えることがある。さまざまな実施形態において、この光共振空胴は、空気ギャップ、透明な導電性酸化物などの透明導電材料、透明な非導電性酸化物などの透明非導電材料またはこれらの組合せを含むことがある１つまたは複数の層を備える複合構造を含むことがある。
【００５５】
図３として示すこの実施形態では、ガラス基板３０１および電極層３０２を透過し、吸収器層３０３に入ることによって、光は、最初にＩＭＯＤスタック３００を透過する。吸収器層３０３で吸収されなかった光は、光学干渉空胴３０４を透過し、Ａｌ反射器３０５で反射して、再び光共振空胴３０４を通って吸収器層３０３に入る。このＩＭＯＤ内において、所与の波長または波長範囲に対して「明るい」状態を生み出し、あるいは所与の波長または波長範囲に対して「暗い」状態を生み出すように、空気ギャップの厚さを選択することができる。ある種の実施形態では、「明るい」状態において、光共振空胴３０４が、光が吸収器層３０３内で第１の干渉を示すような厚さを有する。「暗い」状態において、光共振空胴３０４は、光が吸収器層３０３内で第２の干渉を示すような厚さを有する。いくつかの実施形態では、（例えば可視波長に対して）第２の干渉の方が第１の干渉よりも強め合う度合いが大きい。吸収層における干渉を強め合う度合いが大きいほど電界は強くなり、吸収器層３０３における吸収は大きくなる。
【００５６】
ＩＭＯＤがどのようにして暗い出力を生成することができるのかを示すため、図４Ａに、図３に示したＩＭＯＤに入射した光線およびＩＭＯＤ内の異なる界面からのそのさまざまな反射を示す。これらの反射は、このような入射光線によって生じる反射の一部だけを含む。例えば、さまざまな界面から反射した光線は、別の界面から再び反射することがあり、多数の後方および前方反射を生ずる。しかしながら、単純にするため、反射および反射光線の一部分だけが示されている。
【００５７】
図４Ａでは、例えば、光線４０１が、ＩＭＯＤ構造に入射した光線を含む。入射光線４０１は、強度Ｅ１および位相Φ１を有することができる。ＩＭＯＤの層３０１に達すると、入射光線４０１は、光線４０２によって示すようにその一部が反射し、光線４０３によって示すように一部が透過することがある。反射光４０２は、強度Ｅ１ａｒおよび位相Φ１ａｒを有することができる。透過光４０３は、強度Ｅ２および位相Φ２を有することができる。透過光４０３はさらに、層３０２の表面で、光線４０３ａによって示すようにその一部が反射し、光線４０４によって示すように一部が透過することがある。反射光４０３ａは、強度Ｅ２ａｒおよび位相Φ２ａｒを有することができる。透過光４０４は、強度Ｅ３および位相Φ３を有することができる。同様に、透過光４０４はさらに、層３０３の上面に達すると、光線４０４ａによって示すようにその一部が反射し、光線４０５によって示すように一部が透過することがある。反射光４０４ａは、強度Ｅ３ａｒおよび位相Φ３ａｒを有することができる。透過光４０５は、強度Ｅ４および位相Φ４を有することができる。透過光４０５はさらに、層３０４の表面から、光線４０５ａによって示すようにその一部が反射し、光線４０６によって示すように一部が透過することがある。反射光４０５ａは、強度Ｅ４ａｒおよび位相Φ４ａｒを有することができる。透過光４０６は、強度Ｅ５および位相Φ５を有することができる。透過光４０６はさらに、層３０５の表面で、光線４０６ａによって示すようにその一部が反射し、光線４０７によって示すように一部が透過することがある。反射光４０６ａは、強度Ｅ５ａｒおよびΦ５ａｒを有することができる。透過光４０７は、強度Ｅ６および位相Φ６を有することができる。光線４０７によって示す透過光は、反射器３０５の下面で、光線４０７ａによって示すようにほぼ完全に反射する。光線４０７ａの強度はＥ６ａｒ、位相はΦ６ａｒであることができる。
【００５８】
図４Ａに示すように、反射光線４０３ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０６ａおよび４０７ａは、ＩＭＯＤのそれぞれの層を透過し、最終的に、デバイスの外へ透過することがある。これらの光線は追加の界面を透過し、したがって追加のフレネル反射を受ける。例えば、反射光４０３ａは、光線４０３ｂによって表されているように、基板３０１を透過する。反射光線４０４ａは、（光線４０４ｂによって示すように）電極３０２および基板３０１を透過し、光線４０４ｃとしてデバイスを出る。同様に、反射光線４０５ａは、（光線４０５ｂ、４０５ｃによって示すように）吸収器３０３、電極３０２および基板３０１を透過し、光線４０５ｄとしてデバイスを出る。反射光線４０６ａは、（光線４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄによって示すように）光共振空胴３０４、吸収器３０３、電極３０２および基板３０１を透過し、光線４０６ｅとしてデバイスを出る。反射光線４０７ａは、（光線４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄ、４０７ｅによって示すように）反射器３０５、光共振空胴３０４、吸収器３０３、電極３０２および基板３０１を透過し、光線４０７ｆとしてデバイスを出る。
【００５９】
図１を参照して説明したとおり、層３０１の上面の上方で測定したＩＭＯＤ構造から反射した光の強度および波長は、全ての反射光線４０２、４０３ｂ、４０４ｃ、４０５ｄ、４０６ｅおよび４０７ｆのコヒーレント重ね合せを含み、これらのそれぞれの反射光線の振幅と位相の両方が考慮される。この光線のコヒーレント重ね合せには、図４Ａには示されていない他の反射光線も含まれることがある。同様に、反射波および透過波の電界強度に基づいて、ＩＭＯＤ構造内の任意の領域、例えば吸収器４０３内の光の全強度を計算することができる。したがって、それぞれの層の厚さおよび材料を変更することによって、所与の層内の光の量または電界強度が干渉原理を利用して増大または低減するように、ＩＭＯＤを設計することが可能である。異なる層の厚さおよび材料を変更することにより、それらの層内の光の強度レベルおよび電界強度レベルを制御するこの方法を使用して、吸収器内の光の量、したがって吸収器によって吸収される光の量を増大させまたは最適化することができる。
【００６０】
以上の説明は、この光学過程の近似である。より高次の解析にはより多くの詳細が含まれることがある。例えば、前述のとおり、上の議論では、１回の透過および生じた反射だけを論じた。当然ながら、どの層から反射した光も、別の界面に向かって後方へ再び反射する可能性がある。したがって、光は、光共振空胴３０４を含む任意の層内で複数回伝搬することがある。これらの追加の反射の影響は図４Ａには示されていないが、光線のコヒーレント重ね合せにおいて、これらの反射を考慮することができる。したがって、この光学過程のより詳細な解析を行うことができる。数学的方法を使用することができる。例えば、ソフトウェアを使用して、この系をモデル化することができる。このようなソフトウェアのある種の実施形態は、反射および吸収を計算することができ、多変量条件付き最適化を実行することができる。
【００６１】
ＩＭＯＤスタック３００は静的スタックとすることができる。静的ＩＭＯＤスタックでは、さまざまな層の厚さおよび材料が、製造工程によって固定される。静的ＩＭＯＤスタックのいくつかの実施形態は、空気ギャップを含む。他の実施形態では、光共振空胴が、空気ギャップの代わりに例えば誘電体またはＩＴＯを含むことができる。しかしながら、静的ＩＭＯＤスタック３００が出力する光は、ビュー角（ｖｉｅｗ  ａｎｇｌｅ）、ＩＭＯＤスタックに入射する光の波長、およびＩＭＯＤスタックに入射するその特定の波長に対するＩＭＯＤスタックのビューイング表面（ｖｉｅｗｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ）における干渉条件に依存する。対照的に、動的ＩＭＯＤスタックでは、光共振空胴３０４の厚さを例えばＭＥＭＳエンジンを使用してリアルタイムで変化させ、それによってＩＭＯＤスタックのビューイング表面における干渉条件を変化させることができる。静的ＩＭＯＤスタックと同様に、動的ＩＭＯＤスタックが出力する光は、ビュー角、光の波長、およびＩＭＯＤスタックのビューイング表面における干渉条件に依存する。図４Ｂおよび４Ｃは動的ＩＭＯＤを示す。図４Ｂは、「開」状態となるように構成されたＩＭＯＤを示し、図４Ｃは、「閉」状態または「潰れた」状態となるように構成されたＩＭＯＤを示す。図４Ｂおよび４Ｃに示すＩＭＯＤは、基板３０１、薄膜層３０３および反射膜３０５を含む。反射膜３０５は金属を含むことができる。薄膜層３０３は吸収器を含むことができる。薄膜層３０３は、追加の電極層および／または誘電体層を含むことができ、したがって、いくつかの実施形態では、薄膜層３０３を多層と記述することができる。いくつかの実施形態では、薄膜層３０３を基板３０１に取り付けることができる。「開」状態において、薄膜層３０３は、ギャップ３０４によって反射膜３０５から分離されている。いくつかの実施形態では、図４Ｂに示すように、ギャップ３０４を例えば空気ギャップとすることができる。「開」状態において、ギャップ３０４の厚さはさまざまな値をとることができ、例えば、いくつかの実施形態では１２０ｎｍから４００ｎｍ（例えば約２６０ｎｍ）とすることができる。ある種の実施形態では、薄膜スタック３０３と反射膜３０５の間に電圧差を印加することによって、ＩＭＯＤを「開」状態から「閉」状態に切り換えることができる。「閉」状態では、薄膜スタック３０３と反射膜３０５の間のギャップが、「開」状態におけるギャップの厚さよりも小さい。例えば、いくつかの実施形態では、「閉」状態におけるギャップを３０ｎｍから９０ｎｍ（例えば約９０ｎｍ）とすることができる。いくつかの実施形態では、空気ギャップ全体の厚さを、「閉」状態と「開」状態の間で、例えば約０ｎｍから約２０００ｎｍに変化させることができる。他の実施形態では他の厚さを使用することができる。
【００６２】
「開」状態では、入射光の１つまたは複数の周波数が、図４Ａを参照して説明したように、基板３０１の表面の上方で強め合うように干渉する。したがって、入射光のいくつかの周波数は、ＩＭＯＤ内で実質的に吸収されず、その代わりにＩＭＯＤから反射する。ＩＭＯＤから反射した周波数は、ＩＭＯＤの外側で強め合うように干渉する。基板３０１の表面を見ている人が観察する表示色は、ＩＭＯＤから外へ実質的に反射し、そのＩＭＯＤのさまざまな層によって実質的に吸収されなかった周波数に対応する。強め合うように干渉し、実質的に吸収されない周波数は、ギャップの厚さを変更することによって変化させることができる。「開」状態にあるＩＭＯＤに垂直に入射した光に対する、ＩＭＯＤの反射スペクトルおよび吸収スペクトルならびにＩＭＯＤ内のあるいくつかの層の吸収スペクトルを、図５Ａ〜５Ｄに示す。
【００６３】
図５Ａは、光をＩＭＯＤに垂直に入射させたときに垂直に見た「開」状態にあるＩＭＯＤ（例えば図３のＩＭＯＤ３００）の全反射を、波長に対して示したグラフである。この全反射のグラフは、約５５０ｎｍ（例えば黄色）のところに反射ピークを示す。このＩＭＯＤを見ている人は、このＩＭＯＤを黄色と認識する。前に述べたとおり、全反射曲線のピークの位置は、空気ギャップの厚さを変更することによって、あるいはスタック内の他の１つまたは複数の層の材料および／または厚さを変更することによって移動させることができる。例えば、空気ギャップの厚さを変更することによって全反射曲線を移動させることができる。図５Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの全吸収のグラフを示す。この全吸光度曲線は、上記の反射ピークに対応する約５５０ｎｍのところに谷を示す。図５Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの吸収器層（例えば図３の層３０３）における吸収のグラフを示す。図５Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの反射器層（例えば図３の層３０５）における吸収を示す。反射器によって吸収されるエネルギーは小さい。他の層における吸収を無視できる場合には、ＩＭＯＤ３００の吸収器部分の吸収曲線とＩＭＯＤの反射器部分の吸収曲線との和をとることによって、全吸収曲線が得られる。下面反射器（例えば図３の３０５）がかなり厚いため、ＩＭＯＤスタックの透過は実質的に無視できることに留意されたい。
【００６４】
図４Ｃを参照すると、「閉」状態では、ＩＭＯＤが、入射した可視光のほとんど全ての周波数を薄膜スタック３０３で吸収する。少量の入射光だけが反射する。いくつかの実施形態では、基板３０１の表面を見ている人が観察する表示色が、全体に黒、赤みがかった黒または紫であることがある。薄膜スタック３０３で吸収される周波数は、ギャップの厚さを変更することによって変更または「調整」することができる。
【００６５】
ＩＭＯＤに対して垂直に見た、垂直入射光に対する「閉」状態にあるＩＭＯＤのさまざまな層のスペクトル応答を図６Ａ〜６Ｄに示す。図６Ａは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの全反射を波長に対して示すグラフを示す。全反射は、波長範囲全体にわたって一様に低いことが分かる。したがって、このインターフェロメトリック変調器から外には、ごくわずかな光しか反射しない。図６Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの全吸光度のグラフを示す。この全吸光度曲線は、上記の全反射率のグラフに対応する波長範囲全体にわたってほぼ一様な吸光度を示す。図６Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたる吸収器層における吸収のグラフを示す。図６Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの反射器層における吸収を示す。図６Ａから、「閉」状態では、このＩＭＯＤが、図５Ａの全反射に比べて相対的に低い全反射を示すことが分かる。さらに、このＩＭＯＤは、「開」状態（図５Ｂおよび図５Ｃ）とは対照的に、「閉」状態において、比較的に高い全吸光度および吸収器層における吸光度（それぞれ図６Ｂおよび図６Ｃ）を示す。このＩＭＯＤでは、反射器における吸収が、ＩＭＯＤが「開」状態にあるとき（図５Ｄ）とＩＭＯＤが「閉」状態にあるとき（図６Ｄ）の両方で、比較的に低い。したがって、電界強度の多くは、光が吸収されている吸収器層にある。
【００６６】
一般に、ＩＭＯＤスタックはビュー角依存性を有し、設計段階でこれを考慮することができる。より一般的には、ＩＭＯＤのスペクトル応答は、入射角およびビュー角に依存することがある。図７Ａ〜７Ｄは、スタックの垂線に対する入射角またはビュー角が３０度であるときの、「開」状態位置にあるＩＭＯＤのモデル化した吸光度および反射を波長に対して示す一連のグラフである。図７Ａは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの全反射を波長に対して示すグラフを示す。この全反射のグラフは、約４００ｎｍのところに反射ピークを示す。図７Ａと図５Ａを比較すると、入射角またはビュー角を垂直入射から３０度に変更したときに、波長に対する全反射のグラフが波長軸に沿って移動することが分かる。図７Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの全吸光度のグラフを示す。この全吸光度曲線は、上記の反射ピークに対応する約４００ｎｍのところに谷を示す。図７Ｂを図５Ｂと比較すると、入射角またはビュー角を垂直入射から３０度に変更したときに、吸収曲線の谷も、波長軸に沿って移動していることが分かる。図７Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの吸収器（例えば図３の３０３）における吸収のグラフを示す。図７Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの反射器（例えば図３の３０５）における吸収を示す。
【００６７】
図８Ａ〜８Ｄは、入射角またはビュー角が３０度であるときの、「閉」状態位置にある図４ＡのＩＭＯＤのモデル化した吸光度および反射を波長に対して示す一連のグラフである。図８Ａは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの全反射を波長に対して示すグラフを示す。全反射は、波長範囲全体にわたって一様に低いことが分かる。したがって、このインターフェロメトリック変調器から外には、ごくわずかな光しか反射しない。図８Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたる全吸光度のグラフを示す。この全吸光度曲線は、上記の全反射率のグラフに対応する波長範囲全体にわたってほぼ一様な吸光度を示す。図８Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたる吸収器層における吸収のグラフを示す。図８Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＩＭＯＤの反射器層における吸収を示す。図６Ａ〜６Ｄと図８Ａ〜８Ｄとを比較すると、垂直入射と入射角またはビュー角が３０度であるときとで、「閉」状態にあるＩＭＯＤのスペクトル応答がほぼ同じであることが分かる。したがって、「閉」状態にあるＩＭＯＤのスペクトル応答は、入射角またはビュー角に対して強い依存性を示さないと推論することができる。
【００６８】
図９は、一般的な光起電力セル９００を示す。一般的な光起電力セルは、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。ＰＶセルは、カーボンフットプリント（ｃａｒｂｏｎ  ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）が小さく、環境に対する影響がより小さい再生可能なエネルギー源の一例である。ＰＶセルを使用すると、エネルギーの生産コストを低減し、コスト上の可能な利益を提供することができる。
【００６９】
ＰＶセルは、例えば郵便切手よりも小さいものから、数インチ幅のものまで、多くの異なるサイズおよび形状を有することができる。しばしば、いくつかのＰＶセルを一体に接続して、ＰＶセルモジュールを形成することができ、そのＰＶセルモジュールは、最大で長さ数フィート、幅数フィートに及ぶことがある。このモジュールは、電気接続、取付けハードウェア、電力調節機器、および太陽エネルギーを蓄積し、太陽がでていないときに使用するバッテリを含むことができる。さらに、モジュールを組み合わせ、接続して、異なるサイズおよび異なる電力出力のＰＶアレイを形成することができる。アレイのサイズは、特定の場所において利用可能な太陽光の量、消費者のニーズなど、いくつかの因子に依存する。
【００７０】
光起電力セルは、光起電力セルからの電力出力と、この太陽電池に入射する光パワー（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）とを測定し、比を計算することによって決定することができる全体のエネルギー変換効率（η、「イータ」）を有する。１つの慣例によれば、太陽電池の効率は、（「エアマス（ａｉｒ  ｍａｓｓ）１．５」として知られる）標準太陽放射にさらされた表面積１ｍ２の光起電力セルが生成するワットで表したピーク電力の量の比によって与えることができる。標準太陽放射は、晴れた３月の春分または９月の秋分の正午における赤道上の太陽放射の量である。標準太陽放射は、１平方メートルあたり１０００ワットの出力密度を有する。
【００７１】
一般的なＰＶセルは、２つの電極間に配置された活性領域を備え、反射器を含むこともある。いくつかの実施形態では、反射器が、５０％、６０％、７０％、８０％または９０％超の反射率を有することがある。他の実施形態では、反射器が、これよりも低い反射率を有することがある。例えば、反射率が１０％、２０％、３０％または４０％以上であることがある。いくつかの実施形態では、ＰＶセルがさらに基板も備える。基板を使用して、活性層および電極を支持することができる。活性層および電極は例えば、基板に付着し、光起電力デバイスの製造中および／または製造後、基板によって支持される薄膜を含むことがある。ＰＶセルの活性層は、シリコンなどの半導体材料を含むことがある。いくつかの実施形態では、この活性領域が、ｎ型半導体材料９０３とｐ型半導体材料９０４とを図９に示すように接触させることによって形成されたｐ−ｎ接合を備えることがある。このようなｐ−ｎ接合は、ダイオードに似た特性を有することがあり、したがってフォトダイオード構造と呼ばれることもある。
【００７２】
層９０３および９０４は、電流経路を提供する２つの電極間に位置する。後面電極９０５は、アルミニウムまたはモリブデン、あるいは他のいくつかの導電材料から形成することができる。後面電極は粗くてもよく、研磨していなくてもよい。接触抵抗を小さくし、収集効率（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させるため、前面電極９０１は、ｐ−ｎ接合の前面の大きな部分を覆うように設計される。前面電極が不透明材料から形成される実施形態では、ｐ−ｎ接合の表面に光が照射することを可能にする穴または隙間を有するように、前面電極が構成されることがある。このような実施形態では、前面電極を格子とすることができ、あるいはプロング（ｐｒｏｎｇ）またはフィンガの形状に形成することができる。他のいくつかの実施形態では、これらの電極を、透明な導体、例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｏｘｉｄｅ）（ＴＣＯ）から形成することができる。ＴＣＯは、良好な電気接触および導電率を提供することができ、同時に、入射光を光学的に透過させることができる。いくつかの実施形態では、このＰＶセルがさらに、前面電極９０１を覆って配置された反射防止（ＡＲ）コーティング層９０２を備えることがある。ＡＲコーティング層９０２は、図９に示すｎ型層９０３の表面から反射する光の量を低減させることができる。
【００７３】
ｐ−ｎ接合の表面に光が当たると、光子が、活性領域内の電子にエネルギーを伝達する。光子が伝達するエネルギーが半導体材料のバンドギャップよりも大きい場合、これらの電子は、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接合の形成とともに内部電界が生じている。この内部電界は、エネルギーを与えられた電子に作用してこれらの電子を移動させ、それによって外部回路９０７を流れる電流を生成する。その結果生じる電流を使用して、図９に示した電球９０６などのさまざまな電気デバイスに電力を供給することができる。
【００７４】
光パワーが電力に変換される効率は、前述の全体の効率に対応する。全体の効率は、少なくとも部分的に、活性層が光を吸収する効率に依存する。本明細書において吸収効率ηａｂｓと呼ぶこの効率は、活性層内の屈折率ｎ、消光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ｋ、および電界振幅の２乗｜Ｅ（ｘ）｜２に比例し、下記の関係によって示される。
ηａｂｓ∝ｎ×ｋ×｜Ｅ（ｘ）｜２
【００７５】
値ｎは、複素屈折率の実数部分である。吸収係数または消光係数ｋは一般に、複素屈折率の虚数部分である。したがって、吸収効率ηａｂｓは、層の材料特性および層（例えば活性層）内の電界強度に基づいて計算することができる。本明細書では、特定の層に対する電界強度が、その特定の層の厚さを横切って電界を平均した平均電界強度を指すことがある。
【００７６】
前述のとおり、活性層で吸収された光は、自由キャリア、例えば電子正孔対を発生させ、これを使用して電気を供給することができる。全体の効率すなわち全体の変換効率は、活性材料中で発生したこれらの電子および正孔を電極が集める効率に部分的に依存する。本明細書ではこの効率を収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎと呼ぶ。したがって、全体の変換効率は、吸収効率ηａｂｓと収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの両方に依存する。
【００７７】
ＰＶセルの吸収効率ηａｂｓおよび収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎは、さまざまな因子に依存する。例えば、電極層９０１および９０５に対して使用する厚さおよび材料は、吸収効率ηａｂｓと収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの両方に同時に影響を与えうる。さらに、ＰＶ材料９０３および９０４に使用する厚さおよび材料も、吸収効率および収集効率に影響を与えうる。
【００７８】
全体の効率は、電極層９０１および９０５にプローブまたは導電性リードを配置することによって測定することができる。全体の効率は、光起電力デバイスのモデルを使用して計算することもできる。
【００７９】
本明細書で使用するとき、これらの効率は、標準太陽放射（エアマス１．５）に対する効率である。さらに、電界、吸収効率などを、太陽スペクトル全体にわたる波長に対して積分することができる。太陽スペクトルはよく知られており、太陽が発する光の波長を含む。これらの波長は、可視、ＵＶおよび赤外波長を含む。いくつかの実施形態では、電界、吸収効率、全体の効率などを、太陽スペクトルの一部分にわたって、例えば可視波長範囲、赤外波長範囲または紫外波長範囲にわたって積分する。ある種の実施形態では、電界、吸収効率、全体の効率などを、より小さな波長範囲にわたって、例えば帯域幅が１０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍまたは６００ｎｍなどである波長範囲にわたって計算する。
【００８０】
いくつかの実施形態では、図９に示したｐ−ｎ接合を、ｐ型半導体とｎ形半導体の間に真性半導体層すなわち無ドープの半導体層が位置するｐ−ｉ−ｎ接合に置き換えることができる。ｐ−ｉ−ｎ接合は、ｐ−ｎ接合よりも高い効率を有することがある。他のいくつかの実施形態では、ＰＶセルが複数の接合部を備えることができる。
【００８１】
この活性領域は、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）、二セレン化銅インジウム（ＣＩＳ）、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、光吸収性染料およびポリマー、光吸収性ナノ粒子がその中に配置されたポリマー、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体など、さまざまな光吸収性材料から形成することができる。他の材料を使用することもできる。本明細書では、そこで光子が吸収され、それらの光子がエネルギーを例えば電子に伝達する光吸収性材料を、ＰＶセルの活性層と呼ぶ。活性層に対して使用する材料は、ＰＶセルの所望の性能および用途に応じて選択することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、薄膜技術を使用することによってＰＶセルを形成することができる。例えば、一実施形態では、基板上にＴＣＯの第１の層を付着させることによって、ＰＶセルを形成することができる。この第１のＴＣＯ層上に活性材料（または光吸収性材料）の層を付着させる。この活性材料層上に第２のＴＣＯ層を付着させることができる。いくつかの実施形態では、第２のＴＣＯ層を覆うＡＲコーティング層を付着させることができる。これらの層は、物理蒸着技法、化学蒸着技法、電気化学蒸着技法などの付着技法を使用して付着させることができる。薄膜ＰＶセルは、薄膜多結晶シリコン、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳなどの多結晶材料を含むことができる。薄膜ＰＶセルのいくつかの利点は特に、小さなデバイスフットプリントおよび製造工程のスケーラビリティである。
【００８３】
図１０は、一般的な薄膜ＰＶセル１０００を概略的に示すブロック図である。一般的なＰＶセル１０００は、光が透過することができるガラス基板１００１を含む。ガラス基板１００１上に、第１の透明電極層１００２、アモルファスシリコンを含むＰＶ材料層１００３、第２の透明電極層１００５、およびアルミニウムまたは他の金属、例えばＭｏ、Ａｇ、Ａｕなどを含む反射器１００６が配置される。第２の透明電極層１００５はＩＴＯを含むことができる。活性材料の一部分にドープして、ｎ型領域およびｐ型領域を形成し、活性材料の一部分を無ドープにして、ｐ−ｉ−ｎ構造を形成することができる。１つの設計では、第１の透明電極層の厚さを約９００ｎｍ、ＰＶ材料の厚さを約３３０ｎｍとすることができる。１つの設計では、第２の透明電極層１００５の厚さが約８０ｎｍ、反射器１００６の厚さが約３００ｎｍである。示されているとおり、アモルファスシリコン層１００３は、第１の透明電極層１００３と第２の透明電極層１００５とに挟まれている。反射器層１００６は第２の透明電極層１００５上に配置される。ＰＶセルでは、活性層または吸収器層で光子が吸収され、吸収された光子の一部は電子−正孔対を生成することができる。
【００８４】
図１０と図３とを比較すると、ＩＭＯＤと一般的なＰＶデバイスの構造には類似点があることが分かる。例えば、図３に示したＩＭＯＤおよび図１０に示したＰＶセルはそれぞれ、複数の層を含むスタック構造を含む。さらに、これらのＩＭＯＤおよびＰＶデバイスはともに、基板（例えば図３の３０１および図１０の１００１）上に配置された光吸収層（例えば図３の３０３および図１０の１００３）を備える。この光吸収層を、ＩＭＯＤとＰＶセルの両方に対して同様の特性を有するように選択することができる。図３のＩＭＯＤおよび図１０のＰＶセルはともに、反射器（例えば図３の３０５および図１０の１００６）を備える。したがって、ＩＭＯＤのさまざまな層内の所望の電界分布およびその結果生じる出力を提供するようにＩＭＯＤを調整する能力を、ＰＶデバイスに適用することができると考えられる。例えば、活性層（例えば図１０の光吸収層１００３）または吸収層１００３を除く全ての層における吸収を低減させ、活性層または吸収層１００３における吸収を増大させるようにＰＶデバイスを調整するために、活性層の下に光共振空胴を含めることができ、ある意味では、ＰＶセルにＩＭＯＤを組み込む、またはＩＭＯＤにＰＶセルを組み込むと言うことができる。
【００８５】
図１０に示したＰＶセルなどの従来のＰＶセルでは、従来から、層１００５を導入することによってＰＶ材料層１００３における吸収が強化されると考えられてきた。そのため、第２の透明電極１００５は反射強化層と呼ばれた。さらに、従来から、活性層における吸収は、第２の透明電極層１００５の厚さの増大とともに直線的に増大すると考えられてきた（例えば  「Ｌｉｇｈｔ−Ｔｒａｐｐｉｎｇ  ｉｎ  ａ−Ｓｉ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ：  Ａ  Ｓｕｍｍａｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｆｒｏｍ  ＰＶ  Ｏｐｔｉｃｓ」、Ｂ．  Ｌ．  Ｓｏｐｏｒｉ他、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ  Ｐｒｏｇｒａｍ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｍｅｅｔｉｎｇ、１９８８年９月８〜１１日、米コロラド州Ｄｅｎｖｅｒを参照されたい）。一般に、層１００５を含めても反射器層１００６の反射は増大しない。さらに、活性層における吸収は、従来から考えられているように第２の透明電極層１００５の厚さの増大とともに直線的に増大するとは限らない。後に示すように、第１の電極層１００２および第２の電極層１００５の厚さには一般に、吸収が最大になる最適な点がある。
【００８６】
さらに、従来のいくつかの設計では、ＰＶセルから反射する光の総量が最小になるように、電極層１００５および反射器層１００６の厚さを変化させる。前提条件は、光がＰＶセルから反射しない場合、その光は吸収され、光起電力デバイスの全体の効率が向上するというものである。そのため、反射器からの鏡面反射が低減するように、反射器１００６の表面を粗くしてより拡散性とすることがある。これらの方法は潜在的に、黒く見えるＰＶセルを生み出すことができる可能性を有する。しかしながら、ＰＶデバイスからの反射を低減させ、真っ黒に見えるＰＶセルを生み出すことを目指す上記の方法は、吸収層または活性層１００３における吸収を増大させるのには不十分である可能性があり、したがって、光起電力デバイスの効率を向上させるのには不十分である可能性がある。
【００８７】
ＰＶセルの効率を向上させるためのこのような従来の方法の成功は限定的であった。しかしながら、前述のとおり、干渉原理を使用して、吸収層１００３がより多くの光を吸収することができるように、ＰＶデバイスの１つまたは複数の層を「調整し」、ＰＶセルを最適化することができる。例えば、ＩＭＯＤの設計において使用される干渉の原理を、ＰＶセルの製造に応用することができる。活性層内で電界を共振させる光共振空胴をＰＶセルに含め、それによって、活性層内の電界強度および吸収を増大させることができる。後に示すように、活性層（または光吸収層１００３）における吸収の増大は例えば、第２の透明電極層１００５を、空気ギャップまたは透明な非導電性誘電体、例えばＳｉＯ２を含む光共振空胴に置き換えることによって達成することができる。透明電極層１００５を光共振空胴に置き換えても、反射器の反射は必ずしも強化されないが、光共振空胴は、活性層における吸収をインターフェロメトリックに増大させることができる低吸収層を構成する。
【００８８】
太陽電池の効率をどのようにして向上させることができるのかを示すため、図１１Ａに示す従来の太陽電池設計を検討する。図１１Ａは、「Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）／ＣｄＳ」ＰＶスタックを含むＰＶセルを示す。このＰＶセルは、ＩＴＯまたはＺｎＯ導電性電極層１１０１、ＣｄＳを含むｎ型材料層１１０２、ＣＩＧＳを含むｐ型材料層１１０３、Ｍｏを含む反射器層１１０４およびガラス基板１１０５を備える。前述のとおり、ＩＭＯＤ構造およびＩＭＯＤが利用する干渉原理をＰＶセルに組み込むことによって、図１１Ａに示すＰＶセルの効率を向上させることができる。これは、図１１Ｂ〜１１Ｈに示すように静的または動的光共振層を導入することによって達成することができる。さまざまな実施形態において、この光共振層は、活性層内に電気的な共振を導入し、それによって活性層内の平均電界を増大させる。分かりやすくするため、以下の説明では以下の命名規則を採用する。吸収層と反射器層に挟まれた光共振層を「光共振空胴」と呼び、スタック内の別の場所に位置する光共振層を「光共振層」と呼ぶ。本明細書では、空胴または層を記述する際に、用語共振（ｒｅｓｏｎａｎｔ）と共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を相互に交換可能に使用することがある。
【００８９】
図１１Ｂでは、活性または吸収材料（層１１０２および１１０３）と反射器層１１０４の間に、ＩＴＯを含む光共振空胴１１０６が位置する。図１１Ｃに示す実施形態では、光共振空胴１１０６が中空領域を含む。図１１Ｃに示すようないくつかの実施形態では、中空領域が空気または他の気体を含む。ＩＴＯ層を空気ギャップに置き換えると、活性層以外の（例えば光共振空胴を含む）全ての層における吸収を低減させることができる。したがって、いくつかの実施形態では、光共振空胴に対して使用する材料の選択が重要となりうる。例えば、光共振空胴が空気または図１１Ｄに示すようにＳｉＯ２を含む実施形態は、図１１Ｂに示すようにＩＴＯを含む光共振空胴よりも、活性層における吸収を増大させることができる。図１１Ｂ〜１１Ｄに示した実施形態は、単一の材料、すなわち光がその中を伝搬する単一の媒質を含む光共振空胴を備える。図１１Ｅ〜１１Ｈに示す実施形態などのさまざまな実施形態では、インターフェロメトリックに調整された光起電力（ｉＰＶ）セルが、２つ以上の層を備える複合光共振空胴を備えることができる。例えば、図１１Ｅに示す実施形態では、光共振空胴がＩＴＯ層１１０６ａおよび空気層１１０６ｂを備える。図１１Ｆに示す実施形態は、ＩＴＯ層１１０６ａおよびＳｉＯ２層１１０６ｂを備える複合光共振空胴を備える。図１１Ｇに示す実施形態は、ＳｉＯ２層１１０６ａおよび空気ギャップ１１０６ｂを備える複合光共振空胴を備える。図１１Ｈに示す実施形態は、ＩＴＯ層１１０６ａ、ＳｉＯ２層１１０６ｂおよび空気ギャップ１１０６ｃを備えることができる。したがって、さまざまな実施形態において、光共振空胴および他の光共振層は、導電性または非導電性の酸化物層または窒化物層などの１つまたは複数の透明な導電性または非導電材料を含むことができる。他の材料を使用することもできる。これらの層は部分的に透明でもよい。
【００９０】
いくつかの実施形態では、光共振空胴（または層）を動的光共振空胴（または層）とすることができる。例えば、図１１Ｉに示すように、柱１１０７によって反射器層１１０７を活性層から分離することができる。反射器層１１０４は移動可能とすることができ、具体的には、反射器層１１０４を、活性層に近づくようにまたは活性層から遠ざかるように移動させ、それによって光共振空胴の厚さを変化させることができる。反射器層１１０４は、反射器層１１０４とＩＴＯ層１１０１との間に電圧を印加して静電力を発生させることにより移動させることができる。光共振空胴を動的に調整して、例えば、環境条件の変化に応じて活性層の吸収特性を変化させることができる。図１１Ｊは、光共振空胴が、ＳｉＯ２層１１０６ａおよび空気ギャップ１１０６ｂを備える複合共振空胴である代替実施形態を示す。ＳｉＯ２を含む誘電体層１１０６ａは、閉状態において電極１１０１と１１０４とを電気的に絶縁する際に使用することができる。ｉＰＶセルの吸収効率を向上させる方法を次に説明する。
【００９１】
一般に、光学スタックは複数の層を備え、それらの層間の界面はそれぞれ入射光のある部分を反射させる。一般に、これらの界面（おそらくは最後の層を除く）はさらに、入射光のある部分を透過させることができる。図１２は、入射光が、指定されていない数の層を有する一般化されたｉＰＶデバイスのさまざまな層から反射する様子を示す。図４Ａを参照して前に説明したとおり、ｉＰＶデバイスの層１２０１に入射した電界Ｅｉによって特徴づけられる到来波は、その一部が反射し、一部が透過する。透過波は、電界Ｅ１，ｒによって特徴づけられ、図面の右側へ向かって伝搬する。電界Ｅ’ｊ−１，ｒによって特徴づけられるこの波の一部が、層１２０２と層１２０３の界面に入射する。このうち、Ｅｊ，ｒによって特徴づけられる部分が、吸収器層１２０３へ透過する。透過放射の一部は吸収器１２０３で吸収される。電界Ｅ’ｊ，ｒによって特徴づけられるこの波の吸収されなかった部分は、層１２０３と層１２０４の境界に入射する。入射電界Ｅ’ｊ，ｒのＥｊ＋１，ｒによって特徴づけられる部分が、光共振空胴１２０４内へ透過する。金属導体／反射器１２０５が部分的に透過性である場合、到来波Ｅｉの電界Ｅｔによって特徴づけられる小さな部分がｉＰＶの外へ透過する。
【００９２】
また、さまざまな層の界面で、入射放射の一部が反射する。例えば、電界Ｅｊ＋１，ｌは、層１２０４と層１２０５の境界から反射し、したがって図面の左側へ向かって伝搬する電界Ｅｊ＋１，ｒの部分を表す。同様に、電界Ｅ’ｊ，ｌ、Ｅｊ，ｌ、Ｅ’ｊ−１，ｌおよびＥ１，ｌは、層１２０１に向かってｉＰＶデバイス内を伝搬している波を表す。反射波Ｅｒは、ｉＰＶデバイスのさまざまな層から反射した波の重ね合せによって与えられる。所与の界面に入る電界および所与の界面から出て行く電界は、マトリックス法、ならびにさまざまな界面の反射係数、透過係数の値、およびそれらの層を横切ることによる位相の値を使用して計算することができる。所与の層内の電界、例えば活性層内の電界が分かれば、その層における吸収を決定することができる。ポインティングベクトル（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ  ｖｅｃｔｏｒ）の時間平均絶対値、または吸収器層１２０３に入り、例えば吸収器層から出て行く時間平均エネルギー束（単位垂直面積あたりの時間平均パワー）を計算することができる。したがって、吸収器層１２０３から出て行くパワーの量を吸収器層１２０３へ入る全パワーから差し引くことによって、吸収器層１２０３が吸収する全パワーを計算することができる。ｉＰＶデバイスの効率を向上させるため、さまざまな実施形態において、吸収器層１２０３へ入るポインティングベクトルの時間平均絶対値と、吸収器層１２０３から出て行くポインティングベクトルの時間平均絶対値の比を増大させることができる。
【００９３】
ｉＰＶセルの任意の層、例えば吸収器層において吸収されるパワーは、前述のｉＰＶスタック全体の影響を受けうる。ｉＰＶセルの任意の層において吸収されるエネルギーの量は、その層の屈折率ｎ、その層の消光係数ｋ、その層における電界振幅の２乗｜Ｅ（ｘ）｜２およびその層の厚さｔに正比例する。ｉＰＶデバイスにおけるエネルギー吸収を増大させまたは最適化する１つの方法は、吸収器層を取り囲む層において吸収されるエネルギーの量を減らし、吸収器層において吸収されるエネルギーの量を増やす方法である。吸収器層を取り囲む層において吸収されるエネルギーの量は例えば、低いｎ×ｋ値を有する材料を選択することによって、周囲の層の厚さを薄くすることによって、または周囲の層内の電界強度を低下させることによって、あるいはこれらの方法を組み合わせることによって減らすことができる。例えば、１つの最適化法では、以下のうちの１つまたは複数を使用して、ｉＰＶセルの吸収器層内の電界を増大させることができる。Ａ）活性層に到達する反射電界と透過電界とが強め合うように干渉するように、ｉＰＶスタックのさまざまな層の材料および厚さを調整することができる。Ｂ）例えば少なくとも部分的に弱め合う干渉の結果として、ｉＰＶデバイスの活性層以外の層内の電界強度を低減させることができる。Ｃ）例えば適当な位相シフトおよび適当な反射を提供する望ましいまたは最適な屈折率ｎと、活性層が電気エネルギーに変換する光が光共振空胴によってより少なく吸収されるよう、活性層のバンドギャップに対応する波長に対して光共振空胴が低い吸収を有するように低い屈折率ｎおよび／または低い消光係数ｋとを有する材料を、光共振空胴に対して選択することができる。いくつかの実施形態では、光共振空胴の組成および厚さを、例えば活性層のバンドギャップに等しいエネルギーを有する波長に対して吸収器内の電界が増大するような組成および厚さとすることができる。Ｄ）より一般的には、例えば活性層のバンドギャップに等しいエネルギーを有する波長に対する屈折率ｎと消光係数ｋの積が小さい材料を、活性層以外の層において使用することができる。活性層以外のｉＰＶデバイスの層内の電界強度を低下させ、かつ／あるいは低い屈折率および／または低い消光係数ｋ値を有する材料をそれらの層で使用してそれらの層における吸収を低減させることによって、活性層または吸収器層以外のｉＰＶデバイスの全ての層におけるエネルギー吸収を低減させることができる。Ｅ）低いｎ値および／またはｋ値を有する材料、したがって低い吸収を有する材料を、特に、電界強度が高い活性層以外の層で使用することもできる。
【００９４】
活性層または吸収器層における吸収が増大するようにｉＰＶデバイスを最適化するため、活性領域内の光の強度が干渉効果によって増大するように、光共振空胴の厚さを選択することができる。いくつかの実施形態では、ｉＰＶセルの設計段階において、モデル化ソフトウェアおよび数値ルーチンを使用することにより、光共振空胴内のギャップの厚さを選択しまたは最適化する。ＩＭＯＤが組み込まれた図１１Ｂ〜１１ＨのＰＶセル構造に、ＭＥＭＳエンジンまたはプラットホームをさらに組み込むことによって、光共振空胴内のギャップの厚さをリアルタイムで動的に変化させることもできる。（例えば図１１Ｉおよび１１Ｊを参照されたい。）しかしながら、さまざまな実施形態においてギャップは固定される。活性層または吸収器層の吸収効率を向上させるため、いくつかの実施形態では、光共振空胴の厚さを変更しまたは最適化することに加えて、活性層の厚さを変更しまたは最適化することもできる。
【００９５】
図１３は、ｉＰＶデバイスを製造する方法１３００の一実施形態の流れ図である。この方法は開始１３０２から始まり、次いで状態１３０４へ進み、そこで、ｉＰＶデバイスの設計者が、一組の設計特性および／または製造制約を識別する。ｉＰＶデバイスは、複数の層を含む光学スタックを備える。この複数の層には一般に、活性層および光共振層（例えば光共振空胴）が含まれる。追加の層には例えば電極および電気絶縁層が含まれる。いくつかの実施形態では、光共振層が、電極、電気絶縁層、または活性層における吸収を増大させる機能に加えて別の機能を有する層を含む。１つまたは複数の理由から、これらの層のうちのいずれかの層のさまざまなパラメータ（例えば厚さ、材料）に制約を加える必要があることがある。設計特性および／または製造制約には例えば、集められた電子が、熱として放散したり、非活性層において吸収されたりすることなく、電気を起こすために使用されるような１つまたは複数の電極層の面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）抵抗が含まれる。さらに、活性層における吸収は、スタック内の全ての層の厚さと使用する特定の材料の両方に依存するため、ある種の実施形態では、制約を受ける層のこのような材料および層厚を慎重に選択する。
【００９６】
この方法は次いで状態１３０６へ進み、そこで、活性層の効率（例えば吸収効率）が向上するように、制約のないパラメータを選択しまたは最適化する。一実施形態では、効率を最適化することが、少なくとも１つの設計特性に基づいて効率の最大値を識別することを含む。いくつかの実施形態では、特定の波長または波長範囲（例えば太陽スペクトル、可視スペクトル、赤外スペクトル、紫外スペクトル）に対して、効率を最適化することができる。波長範囲の幅は、少なくとも１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍなどにすることができる。特定の波長または波長範囲における特定の層の吸収を増大させまたは最適化するこの方法は、光学スタック内の全ての層または大部分の層に基づく計算を含むことがある。ある種の実施形態では、それぞれの層材料の精確な厚さを計算して、特定の波長または特定の波長範囲に対する活性層における吸収を増大させまたは最適化することができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、これらの層が薄膜層を含む。したがって、設計工程では、これらの層を薄膜として取り扱う。「薄膜」は、入射光のコヒーレンス長よりも小さいか、または入射光のコヒーレンス長程度の厚さ、例えば５０００ｎｍ未満の厚さを有することができる。薄膜に関しては、コヒーレント重ね合せと呼ばれるものにおいて、多重反射によって生じる強度レベルを決定するために、光の位相を考慮する。前述のとおり、活性層の吸収効率は、ｉＰＶデバイスの複数の界面からの反射のコヒーレント合成（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｓｕｍｍａｔｉｏｎ）を解析することによって最適化することができる。いくつかの実施形態では、層、例えば活性層における吸収および同様にその層の吸収効率を決定するために、このようなコヒーレント合成を使用して、所与の層からのエネルギー入力および出力を計算する。この方法ではポインティングベクトルを使用することができる。この方法の他のステップはさらに、従来の光起電力デバイス内の層を排除しまたは置き換えることを含むことができる。
【００９８】
いくつかの実施形態では、吸収効率ηａｂｓを向上させまたは最適化することによって、全体の効率を向上させまたは最適化する。しかしながら、前述のとおり、全体の吸収効率ηｏｖｅｒａｌｌは、活性層において光が吸収され、電子正孔対を形成する効率ηａｂｓと、電子正孔対が電極によって集められる効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの両方に依存する。
【００９９】
インターフェロメトリック原理を使用し、上で定義したパラメータηａｂｓおよびηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎのうちの一方または両方を向上させまたは最適化することによって、全体の変換効率ηｏｖｅｒａｌｌを向上させまたは最適化することができる。例えば、いくつかの実施形態では、収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎを考慮せずに、吸収効率ηａｂｓを最適化しまたは最大化することができる。しかしながら、吸収効率ηａｂｓを向上させまたは最適化するために変更したパラメータが、収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎに影響を及ぼすこともある。例えば、活性層における吸収を増大させるために、電極の厚さまたは活性層の厚さを変更することができるが、この厚さ調整が収集効率に影響を与えることもある。したがって、いくつかの実施形態では、全体の効率ηｏｖｅｒａｌｌを向上させまたは最適化するのに、収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎと吸収効率ηａｂｓの両方が考慮され、かつ／または最適化されるような最適化を実行することができる。ある種の他の実施形態では、全体の効率ηｏｖｅｒａｌｌを最大にするために、吸収効率ηａｂｓおよび収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎを反復的に最適化することができる。この最適化法には他の因子を含めることもできる。例えば、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の非活性層における熱の放散または吸収に基づいて、ｉＰＶデバイスの全体の効率を最適化することができる。
【０１００】
この方法は次いで状態１３０８へ進み、そこで、製造制約および最適化された要素に従って光起電力デバイスを製造する。設計者が状態１３０８を完了すると、この方法は終了状態１３１０において終了となる。光起電力デバイスを改良しまたは最適化するために、他のステップを含めることもできることが理解される。
【０１０１】
図１４は、約４００ｎｍから１１００ｎｍまでの波長域における図１１Ａ〜１１Ｃに記載したそれぞれの実施形態のモデル化された吸収のグラフを示す。曲線１４０１は、図１１Ａに示した実施形態の吸収器層１１０３における吸光度である。曲線１４０２は、図１１Ｂに示した実施形態の吸収器層１１０３における吸光度である。曲線１４０３は、図１１Ｃに示した実施形態の吸収器層１１０３における吸光度である。図１４に示すとおり、曲線１４０２によれば、約５５０ｎｍの波長において、図１１Ｂに示した実施形態の吸収器層におけるモデル化された吸収は、曲線１４０１に示した図１１Ａの実施形態の吸収器層における対応するモデル化された吸収値よりも約２８％高い。さらに、曲線１４０３によれば、約５５０ｎｍの波長において、図１１Ｃに示した実施形態の吸収器層におけるモデル化された吸収は、曲線１４０１に示した図１１Ａの実施形態の吸収器層における対応するモデル化された吸収値よりも約３５％高い。したがって、光共振空胴を備える図１１Ｂおよび１１Ｃに示した実施形態では、図１１Ａに示した実施形態に比べ、活性領域における吸収が約１０％〜３５％向上する。曲線１４０２と曲線１４０３の比較によれば、図１１Ｂに示した光共振空胴内にＩＴＯ層を含む実施形態と、図１１Ｃに示した光共振空胴内に空気またはＳｉＯ２を含む実施形態との間では、図１１Ｃに示した実施形態の方が、吸収器層１１０３における吸収が大きい。この結果は次のように説明することができる。活性層または吸収器層内の電界強度は大きい。吸収器層の外側の光共振空胴層内の電界は急速に低下するが、ゼロにはならない。吸収器層のバンドギャップに等しいエネルギーを有する波長（例えば３００ｎｍから８００ｎｍまでの波長）において、ＩＴＯの屈折率ｎと消光係数ｋの積は小さいが、吸収器層のバンドギャップに等しいエネルギーを有する波長における空気またはＳｉＯ２の屈折率ｎと消光係数ｋの積ほどには小さくない。したがって、光共振空胴内のＩＴＯ層は、空気（またはＳｉＯ２）層よりもかなり多くの放射を吸収する。これにより吸収器層における吸収は低下する。曲線１４０３では、最適化されたときに、図１１Ｃに示した実施形態の活性層におけるモデル化された吸収が、５００ｎｍから７００ｎｍまでの波長範囲において約９０％であることが分かる。
【０１０２】
図１５Ａは、単一ｐ−ｉ−ｎ接合アモルファスシリコン太陽電池構造の図を示す。このデバイスは、Ｍｉｒｏ  Ｚｅｍａｎ著「Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ，  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ＆  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｊ．  Ｐｏｏｒｔｍａｎｓ、Ｖ．  Ａｒｋｈｉｐｏｖ編、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ社刊、２００６年の第５章、２０５ページに開示されているデバイスと同様だが、ＰＶセルが（Ｍｉｒｏ  Ｚｅｍａｎが開示しているＴＣＯ層およびＺｎＯ層の代わりに）複数のＩＴＯ層を備えている点が異なる。図１５Ａに示す実施形態は、テクスチャの付いたガラス基板１５０１、厚さ約９００ｎｍの第１のＩＴＯ層１５０２、領域１５０４がα：Ｓｉを含む厚さ約３３０ｎｍのｐ−ｉ−ｎ接合、厚さ８０ｎｍの第２のＩＴＯ層１５０６および厚さ３００ｎｍのＡｇまたはＡｌ層１５０７を備える。さまざまな層の厚さは、Ｍｉｒｏ  Ｚｅｍａｎが開示しているスタック全体の全吸収が最大になるように選択されたＭｉｒｏ  Ｚｅｍａｎが開示している厚さと一致する。この最大化は、ＰＶセルが黒く見えるまでさまざまな層の厚さを変化させることによって達成された。波長に対する全吸収を図１５Ｂに示す。このＰＶスタックでは全ての波長が一様に吸収されることが分かる。波長に対するＰＶデバイスからの全反射を図１５Ｃに示す。このＰＶセルからの全反射は小さく、このＰＶセルも同様に黒く見える。図１５Ｄは、このＰＶセルの吸収器層または活性層１５０４における吸収を示す。図１５Ｅ〜Ｇは、第１のＩＴＯ層１５０２、第２のＩＴＯ層１５０６およびＡｇまたはＡｌ層１５０７における吸収を示す。図１５Ｄおよび１５Ｅに示すように、活性層１５０４において吸収される放射の量は、第１のＩＴＯ層１５０２において吸収される放射の量にほぼ等しい。したがって、第１のＩＴＯ層１５０２がなければ活性層１５０４によって電気エネルギーに変換された可能性のある光が、第１のＩＴＯ層１５０２において吸収されるため、この設計は最適とは言えない。第２のＩＴＯ層１５０６およびＡｇまたはＡｌ層１５０７における吸収量は無視できる。
【０１０３】
しかしながら、前述のＩＭＯＤ設計の干渉原理を適用することにより、図１５ＡのＰＶスタックを最適化することができる。いくつかの実施形態では、ｐ、ｉおよびｎ層の屈折率ｎおよび消光係数ｋの値を互いにほぼ同じにし、最適化法において、ｐ、ｉおよびｎ層を、これらの３つの異なる層を合わせた厚さを有する単一の層と考えることができる。一実施形態では、活性層１５０４の厚さを一定に維持し、第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さを変化させることによって、最適化を実行することができる。図１６Ａは、活性層または吸収器層において吸収されたエネルギーを積分したものを、第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さに対して示した等高線プロット１６００である。図１６Ａ中のそれぞれの点は、第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さを、対応するｘ（水平）軸およびｙ（垂直）軸によって与えたときの、活性層における積分された吸収（波長にわたって積分された吸収）である。色調が明るいほど、活性層の全吸収は大きい。等高線プロット１６００では、第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さがそれぞれ約５４ｎｍおよび９１ｎｍであるときに、最大吸収１６１０が達成される。したがって、吸収効率の向上または最適化は、第１のＩＴＯ層１５０２の厚さを９００ｎｍから５４ｎｍに大幅に薄くしたときに達成される。図１６Ａのプロットは、従来の考えに反して、活性層における吸収が、ＩＴＯ層の厚さを増大させても直線的には増大しないことを示している。その代わりに、吸収は、厚さの変化とともに非直線的に変化し、活性層における吸収を最大にするＩＴＯ層の最適な厚さが存在することがある。活性層１５０４におけるこの吸収の増大は主に、第１のＩＴＯ層において吸収される放射の量が大幅に低減することによる。したがって、等高線プロット１６００を使用して、特定の活性層１５０４の吸収効率を向上させるスタック内の電極層の望ましいまたは最適な厚さを決定することができる。
【０１０４】
図１６Ｂは、最適化されたＰＶスタックの活性層における吸収を示す。図１６Ｂと図１５Ｄとを比較すると、最適化されたＰＶスタックの活性層における吸収が、最適化されていないＰＶスタックの活性層における吸収の約２倍に増大していることが分かる。図１６Ｃは、最適化されたＰＶスタックにおける全吸収を波長に対して示す。この吸収曲線は、赤の付近の波長域において相対的に小さな吸収を示す。したがって、最適化されていないＰＶスタックが完全に黒く見えるのに対して、最適化されたＰＶスタックを見ている人は、このＰＶセルが赤みがかった黒に見えると認識する。この例は、いくつかの実施形態では、黒く見えるＰＶセルの活性層における吸収量が最も高いわけではないことを証明している。いくつかの実施形態では、完全な黒以外のある色を有するデバイスが、活性層におけるより高い吸収量を有する。有利には、ある種の実施形態では、前述のとおり、ＰＶ吸収器におけるエネルギー吸収が増大すると、ＰＶセル全体のエネルギー変換効率が直線的に向上する。
【０１０５】
図１７は、図１１Ａに示したデバイスと同様の光起電力デバイス１７００の図を示す。図１７の光起電力デバイス１７００は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）ｐ型層１７０６とＣｄＳ  ｎ型層１７０７とを備える活性領域１７０１を含む複数の薄膜層を備え、活性領域１７０１は、活性領域の吸収効率が最大になるようには最適化されていない。図１７に示す光起電力デバイスは、Ｋｒｃ他、「Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」、ＯＰＴＩＣＡＬ  ＡＮＤ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  （２００６）  ３８：１１１５〜１１２３頁（「Ｋｒｃ他」）に開示されているデバイスと同様である。この実施形態は、ガラス基板１７０２、ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層１７０３、多結晶Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）ｐ型層１７０６、ＣｄＳ  ｎ型層１７０７およびＭｏまたはＡｌ反射器層１７０８を備える。
【０１０６】
図１８Ａ〜１８Ｃは、Ｋｒｃ他が報告しているデバイス内のＣＩＧＳ  ｐ型層１７０６およびＣｄＳ  ｎ型層１７０７のモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のグラフを含む。図１８Ａは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長範囲にわたって、ＣＩＧＳ  ｐ型層１７０６における吸光度が約６０％であることを示している。約５００ｎｍから約７００ｎｍまでの範囲で、約７０％の吸光度が達成された。図１８Ｂは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＣｄＳ  ｎ型層１７０７の吸光度のグラフを示し、０％から２０％の範囲の吸光度が達成された。図１８Ｃは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長範囲にわたる活性領域１７０１の全吸光度のグラフを示す。この範囲にわたって平均約７０％の吸光度が達成された。図１８Ａのモデル化されたグラフの結果は、Ｋｒｃ他に報告されている図２に示されたＣＩＧＳ層の測定吸光度とほぼ同じである。後に論じるとおり、Ｋｒｃ他および図１８Ａ〜１８Ｃに示された測定吸光度およびモデル化された吸光度は、図１７の実施形態の活性領域１７０１と反射器層１７０８の間に光共振空胴が置かれたときに劇的に改善する。
【０１０７】
図１９Ａは、図１７の活性領域１７０１と反射器層１７０８の間に光共振空胴１９１０を追加した後の光起電力デバイス１９００Ａの図を示す。具体的には、前述のＩＭＯＤ設計の原理に従って光起電力デバイス１７００を最適化した。この実施形態では、光共振空胴が透明なＩＴＯまたはＺｎＯを含む。ＣｄＳ  ｎ型層１９０７とＣＩＧＳ  ｐ型層１９０６とを備える活性層１９０１の厚さおよび光学特性（例えば屈折率ｎおよび消光係数ｋ）は変更しなかった。他の実施形態では、最適化法において、ガラス基板１９０２およびＭｏまたはＡｌ反射器層１９０８のパラメータ、例えば厚さおよび屈折率を変更しなかった。ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層１９０４および光共振空胴１９１０の厚さを変更し、それによって活性領域１９０１における吸収を増大させた。ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層１９０４の最適化された厚さは約３０ｎｍ、光共振空胴１９１０の最適化された厚さは約７０ｎｍであった。次いで、ＣＩＧＳ  ｐ型層１９０６およびＣｄＳ  ｎ型層１９０７の吸光度を図２０Ａ〜２０Ｃに示すようにモデル化した。図１９Ｂは、図１９Ａの代替実施形態を示し、この代替実施形態では光共振空胴１９１０が空気ギャップを含む。
【０１０８】
図２０Ａ〜２０Ｃは、図１９Ａの最適化された光起電力デバイス１９００Ａ内のＣＩＧＳ  ｐ型層１９０６およびＣｄＳ  ｎ型層１９０７のモデル化された吸光度を波長に対して示す一連のグラフを含む。図２０Ａは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＣＩＧＳ  ｐ型層１９０６の吸光度のモデル化されたグラフを示し、このグラフは約６０％から９０％の吸光度を示している。図２０Ｂは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＣｄＳ  ｎ型層１９０７の吸光度のモデル化されたグラフを示し、このグラフは０％から３０％の吸光度を示している。図２０Ｃは、４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＣＩＧＳ  ｐ型層１９０６およびＣｄＳ  ｎ型層１９０７の約９０％である全吸収のモデル化されたグラフを示す。このように、図１７の実施形態に前述の方法を適用することにより、４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲にわたるＣＩＧＳ  ｐ型層１９０６とＣｄＳ  ｎ型層１９０７とを合わせた吸収効率は約２０％向上した。
【０１０９】
図２１は、前述の方法に従って最適化したｉＰＶデバイス２１００の一実施形態の図である。光起電力デバイス２１００は活性領域２１０１を含む。光起電力デバイス２１００はさらに、活性領域２１０１を覆って配置されたガラス基板２１０２およびＩＴＯ層２１０４を備える。活性領域２１０１は、ＣＩＧＳ  ｐ型層２１０６とＣｄＳ  ｎ型層２１０７とを備える。ガラス基板２１０２上に、２つの金属層２１０８Ａおよび２１０８Ｂ（第２の金属層２１０８Ｂの上に第１の金属層２１０８Ａ）が配置される。第１の金属層２１０８Ａは反射器であり、電極でもある。第２の金属層２１０８Ｂも電極である。反射器２１０８ａと電極２１０８ｂの間に誘電材料２１０８ｃを配置して、これらの電気経路を互いから電気的に絶縁することができる。金属層２１０８Ａおよび２１０８ＢはそれぞれＭｏまたはＡｌを含む。この実施形態では、第１の金属層２１０８Ａと活性領域２１０１の間に、空気ギャップを含む光共振空胴２１１０が形成される。空気は、他の材料よりも吸収が少なく、ｋが低い。その上、空気の屈折率は１．０である。空気ギャップは、吸収効率の目的上有効であることがあるが、空気は電気不導体である。したがって、この光起電力デバイスは、吸収した光から電流を提供するようには機能しない。この問題は、バイアを使用して活性層から電荷を引き出すことによって解決される。したがって、第１のバイア２１１１Ａが、第１の金属層２１０８ＡをＣＩＧＳ  ｐ型層２１０６に電気的に接続する。第２のバイア２１１１Ｂが、第２の金属層２１０８ＢをＩＴＯ層２１０４に電気的に接続し、光共振空胴２１１０、ＣＩＧＳ  ｐ型層２１０６およびＣｄＳ  ｎ型層２１０７を貫通する。例えばＣＩＧＳ  ｐ型層２１０６から電気的に絶縁するため、この第２のバイア２１１１Ｂを絶縁層によって取り囲むことができる。最適化されたとき、ＩＴＯ層２１０４の厚さは１５ｎｍ、ＣｄＳ  ｎ型層２１０７の厚さは４０ｎｍ、ＣＩＧＳ  ｐ型層２１０６の厚さは３６０ｎｍ、空気ギャップ光共振空胴２１１０の厚さは１５０ｎｍである。空気ギャップ光共振空胴２１１０を、二酸化シリコンもしくは二酸化マグネシウム、またはＭｇＦ２などの他の透明な誘電体、あるいは当技術分野で知られている他の適当な材料に置き換えることができる。さまざまな実施形態で、低ｎ×ｋ値を有する誘電体が使用される。このような実施形態では、第１のバイア２１１１Ａが、下面電極をＣＩＧＳ  ｐ型吸収器層２１０６に有利に接続することができる。本明細書に開示する他のさまざまな実施形態、および非導電材料を含む光共振層（例えば光共振空胴）を含む今後考案される実施形態では、バイアを使用して、このような非導電層を貫通する電気接続を提供することができる。
【０１１０】
図２２は、図２１に示した実施形態からバイア２１１１Ｂおよび金属電極層２１０８Ｂを除去した実施形態の図である。電気接触は例えば、導電性酸化物などの透明な導電材料を含むことができる上面光共振層２２０４と接触させることによって達成することができる。
【０１１１】
図２３は、ＩＴＯ層２１０４が除去されていること以外は図２１の実施形態と同様の光起電力デバイス２３００の一実施形態の図である。したがって、光起電力デバイス２３００は、ガラス基板２３０２と、第２の金属層２３０８Ｂ上に配置された第１の金属層２３０８Ａとを備え、第２の金属層２３０８Ｂはガラス基板２３０２上に配置される。空気ギャップ光共振空胴２３１０が、第１の金属層２３０８Ａを、ＣＩＧＳ  ｐ型層２３０６およびＣｄＳ  ｎ型層２３０７から分離する。前の実施形態と同様に、第１の金属層２３０８Ａは、反射器であり、第１のバイア２３１１ＡによってＣＩＧＳ  ｐ型層２３０６の下面に電気的に接続された電極でもある。同様に、第２の金属層２３０８Ｂも、第２のバイア２３１１ＢによってＣｄＳ  ｎ型層２３０７の上面に電気的に接続された電極を構成する。最適化されたとき、ＣｄＳ  ｎ型層２３０７の厚さは４０ｎｍ、ＣＩＧＳ  ｐ型層２３０６の厚さは３６０ｎｍ、空気ギャップ光共振空胴２３１０の厚さは１５０ｎｍである。上記の議論と同様に、空気ギャップ光共振空胴３０１０を、二酸化シリコンまたは二酸化マグネシウム、あるいは他の誘電体に置き換えることができる。このような実施形態では、第１のバイア２３１１Ａが、電極２３０８Ａを、ＣＩＧＳ  ｐ型吸収器層２３０６に有利に接続することができる。
【０１１２】
図２４は、約４００ｎｍから約１１００ｎｍまでの波長範囲にわたる、図２３の光起電力デバイス２３００のＣＩＧＳ  ｐ型層におけるモデル化された吸収のグラフである。このグラフは、ＣＩＧＳ  ｐ型層が、約５００ｎｍから約７５０ｎｍまでの範囲において９０％超の吸収効率を示すことを示している。
【０１１３】
一般に、関連パラメータ、例えば材料および寸法を適当に選択することによって活性層における吸収を増大させることができる層を、ＰＶデバイスに含めることができる。活性層における吸収を増大させるために、これらの層のうちの１つの層の１つまたは複数のパラメータを調整し、他の層のそれらのパラメータを一定に維持することができ、あるいは、ある種の実施形態では、１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを調整することができる。いくつかの実施形態では、活性層における吸収を増大させるために、全ての層の１つまたは複数のパラメータを調整することができる。さまざまな実施形態で、設計段階において、例えば吸収に対する異なるパラメータの影響を計算することによって、これらのパラメータを調整することができる。最適化手順を使用することができる。性能を向上させるそれらのパラメータの値を得るために、ある範囲の他の技法を使用することもできる。
【０１１４】
例えば、図２５Ａは、吸収を増大させるために、光共振層２５０６および光共振空胴２５０３をどのように光起電力デバイスに含め、光共振層２５０６および光共振空胴２５０３をどのように調整するのかを示す。このデバイスは、図１９Ａおよび１９Ｂに示したデバイスをより一般化したものである。このデバイスをインターフェロメトリックに調整し、活性層における吸収を増大させるため、光共振層２５０６および光共振空胴２５０３のパラメータ、例えば厚さを変更することができる。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、光共振層２５０６および光共振空胴２５０３が電極層を構成することができる。しかしながら、さまざまな実施形態で、光共振層２５０６または光共振空胴２５０３、あるいはその両方が、低いｎ×ｋ値を与える低い消光（または吸収）係数ｋおよび／または低い屈折率ｎを有する材料を含むことができる。光共振層２５０６と光共振空胴２５０３のうちの一方または両方が、例えば低いｎ×ｋ値を含むことができる。前述のとおり、例えば光共振空胴２５０３は、空気または誘電体、例えばＳｉＯ２を含むことができ、あるいは導電材料、例えばＩＴＯまたはＺｎＯのようなＴＣＯを含むことができる。ｎ×ｋ値を小さくするために、ｋが小さいまたはｋがほぼゼロの他の材料を使用することもできる。他の材料も可能である。同様に、光共振層２５０６は、空気、低い消光（または吸収）係数ｋを有する誘電材料、または導電材料、例えばＩＴＯもしくはＺｎＯのようなＴＣＯ、あるいは低いｎ×ｋ値を有する他の任意の材料を含むことができる。この場合も他の材料を使用することができる。
【０１１６】
ある種の実施形態では、光共振空胴および／または光共振層に対して、ハイブリッド構造または複合構造を使用する。例えば、光共振空胴および／または光共振層が、空気／誘電体、導体／誘電体、空気／導体の組合せまたは混合物を含むことができる。
【０１１７】
示した実施形態では、ＰＶセルの活性層が、ｎ型ＣＤＳ層２５０５とｐ型ＣＩＧＳ層２５０４とを備える。他の実施形態では、活性層が他の材料を含むことができる。この光学スタックは、薄膜製造技法を使用することによって基板２５０１上に付着させることができる。基板２５０２は、ガラスまたは他の適当な材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板と、光共振層および光共振空胴によって取り囲まれた活性層を含む光学スタックの残りの部分との間に、反射器２５０２を付着させることができる。この反射器は、Ａｌ、Ｍｏ、または金属、誘電体などの他の反射材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、この反射器が、単一の材料または複合材料を含むことができる。
【０１１８】
さらに、図２５Ａの反射器２５０２は、ある種のパラメータを最適化するように選択することができる。例えば、ある波長範囲にわたって反射率を増大させまたは最適化するように、反射器層２５０２の材料および厚さを選択することができる。他の実施形態では、ある範囲の波長（例えば赤）を反射し、別の範囲の波長（例えば青）を吸収するように、反射器を選択することができる。
【０１１９】
前述のとおり、光共振空胴２５０３および光共振層２５０６は、ＩＴＯ、ＳｎＯ２などのＴＣＯを含むことができる。他の実施形態では、光共振空胴および光共振層が、透明な誘電材料または空気ギャップ、あるいはこれらの組合せを含むことができる。光共振空胴２５０３に対して使用する材料と光共振層２５０６に対して使用する材料が同じである必要はない。図２５Ｂは、ｉＰＶセルの一実施形態を示し、この実施形態では、光共振空胴２５０３が、空気ギャップまたはＳｉＯ２などの誘電材料を含み、光共振層２５０６もＳｉＯ２などの非導電層を含む。活性層からの電子の導電性経路を提供するため、バイア２５０７ａおよび２５０７ｂが図２５Ｂに示すように提供される。このｉＰＶセルは、図２５Ｂに示すように反射器２５０２ｂおよび電極２５０２ａを備える。いくつかの実施形態では、電極２５０２ａが、反射器２５０２ｂと同じ材料を含むことができる。反射器２５０２ｂおよび電極２５０２ａは導電材料を含むことができる。バイア２５０７ａは反射器２５０２ｂの表面で終わり、バイア２５０７ｂは電極２５０２ａの表面で終わる。外部電気接続を提供するため、この反射器および電極に金属リードを提供することができる。これらの電気経路を互いに電気的に絶縁するため、反射器２５０２ｂと電極２５０２ａの間に誘電材料２５０２ｃを配置することができる。したがって、バイアを使用して活性層から電力を抽出するため、電極２５０２ａおよび反射器２５０２ｂを電気経路として使用することができる。光共振層２５０６が導電材料を含む実施形態では、バイア２５０７ｂを光共振層２５０６まで延ばすことができる。あるいは、このような実施形態では、バイア２５０７ｂ全体を排除することもできる。
【０１２０】
図２５Ｃは、活性層と光共振空胴２５０３の間に導電性ＩＴＯ層２５０８が配置されたｉＰＶセルの他の実施形態を示す。バイア２５０７ａおよび２５０７ｂによって、活性層からの電子の導電性経路が提供される。バイア２５０７ａはＩＴＯ層２５０８を反射器２５０２ｂに接続し、バイア２５０７ｂはｎ型ＣｄＳ層２５０５を電極２５０２ａに接続する。ＩＴＯ層２５０８および光共振空胴２５０３は、図１１Ｅ〜１１Ｈに記載した複合光共振空胴を形成することができ、したがって、ＩＴＯは光共振空胴の一部であると言うことができる。
【０１２１】
前述のとおり、図２５Ａ〜２５Ｃに示したデバイスの諸層のうちの１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを調整して、活性層における吸収を、例えばインターフェロメトリック原理を使用して、またはインターフェロメトリック効果の結果として増大させることができる。
【０１２２】
図２６は、図２５Ａ〜２５Ｃに示したデバイスよりも単純なデバイスを示す。このＰＶデバイスは、ｉＰＶの活性層と反射器２６０２との間に配置された光共振空胴２６０３を含む。このｉＰＶの活性層は、ｎ型ＣｄＳ層２６０５とｐ型ＣＩＧＳ層２６０４とを備える。反射器層２６０２は、Ａｌ、Ｍｏまたは他の金属／誘電体反射材料を含むことができる。前述のとおり、光共振空胴は、空気、誘電材料、または低いｎ×ｋ値を有する透明な導電材料、あるいはこれらの組合せを含むことができる。他の材料を使用することもできる。いくつかの実施形態では反射器２６０２を除去することができる。前述のとおり、このデバイスの１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを調整して、活性層における吸収を、例えばインターフェロメトリック原理に基づいて増大させることができる。いくつかの実施形態では、光共振空胴２６０３を排除することができ、それでもなお、活性層における吸収が増大するように、１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを最適化することができる。
【０１２３】
異なる層のパラメータを、それらの層のスペクトル特性に基づいて選択することができる。例えば、金は、赤の付近の波長域において高い消光係数ｋを有し、青の付近の波長域において比較的に低い消光係数ｋを有する。しかしながら、金の屈折率ｎは、赤の付近の波長域において低く、青の付近の波長域において高い。その結果、金の積ｎ×ｋは、赤の付近の波長域において低く、青の付近の波長域において高い。したがって、金を含む反射器は主として、赤の付近の波長を反射し、青の付近の波長を吸収する。したがって、活性層の（光が吸収され、電力に変換される）有効光吸収範囲に対応する波長範囲において低いｎ×ｋ値を有し、（例えば、光エネルギーが熱に変換され、それによってデバイスの動作が低下する可能性がある）活性層の有効光吸収範囲外の波長において高いｎ×ｋ値を有する材料を反射器に対して選択することにより、反射器を、吸収を調整する目的に使用することができる。例えば、青色光をｉＰＶデバイスに入れない方が有利な場合には、金で反射器１１０４を形成することが望ましいことがある。いくつかの実施形態では、赤外波長を吸収するように、反射器材料を選択することができる。
【０１２４】
同様に、前述のとおり、特定のギャップ距離（ｇａｐ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）の選択は、反射器層（例えば図１１Ｂ〜Ｈの１１０４）が、特定の色、例えば赤、緑または黒を反射させるかどうかを決定する。例えば、ギャップ距離は、反射器が、活性層または吸収器層のバンドギャップに対応する波長域において入射光のかなりの部分を反射させ、続いて反射光が活性層／吸収器によって吸収され、したがってＩＭＯＤが黒く見えるように選択することができる。しかしながら、太陽電池の効率を向上させることを目指す従来の方法とは逆に、活性層における吸収が増大するようにｉＰＶデバイスを最適化する上記の方法は、完全に黒く見えるデバイスに常に関連付けられるわけではない。いくつかの実施形態では、デバイスが例えば、赤みがかった黒または他の色に見えることがある。
【０１２５】
よく知られているように、光子のエネルギーが活性領域のバンドギャップよりも大きい限りにおいて、光子のエネルギーとは無関係に、活性領域によって光子が吸収されるたびごとに、電子−正孔対が１つだけ生じることができる。光子のエネルギーが活性領域のバンドギャップよりも大きい場合、光子のエネルギーと活性領域のバンドギャップエネルギーとの差は、全体の光電流には寄与せず、例えば熱に変換されることによって空費される。しかしながら、活性領域のバンドギャップよりも小さなエネルギーを有する太陽放射は吸収されず、ＰＶセルの光電流に寄与する電子−正孔対を生じさせない。したがって、活性材料に対する所与の半導体材料（例えばシリコン）に関して、その半導体のバンドギャップと一致する光子エネルギーだけを吸収すれば、ＰＶセルは１００％の効率で動作することになる。しかしながら、太陽スペクトルは、例えば約２００ナノメートルから約２２００ナノメートルまでの波長範囲を含む、はるかに大きな波長範囲にまたがる。ＰＶセルが吸収する太陽スペクトルの部分は、活性領域の材料のバンドギャップのサイズによって決まるため、それぞれが異なるバンドギャップを有する複数の活性領域を含めることによって、使用するＰＶセルの効率を向上させることができる。このようなＰＶセルを多接合デバイス（ｍｕｌｔｉ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）と呼ぶことができる。
【０１２６】
図２７は、従来の多接合光起電力デバイス２７００の図を示す。光起電力デバイス２７００は、ガラス基板２７０２、透明電極２７０４Ａおよび２７０４Ｂ、活性層２７０６Ａ、２７０６Ｂおよび２７０６Ｃ、ならびに反射器層２７０８を備える。この実施形態では、基板２７０２がガラスを含み、第１および第２の透明電極２７０４Ａおよび２７０４ＢがＩＴＯを含み、反射器層２７０８がＡｌを含む。第１の活性層２７０６Ａは、青色光を吸収するように構成されており、第２の活性層２７０６Ｂは、緑色光を吸収するように構成されており、第３の活性層２７０６Ｃは、赤色光および赤外光を吸収するように構成されている。いくつかの実施形態では、活性層２７０６Ａ、２７０６Ｂおよび２７０６Ｃが、赤、緑または青に対する異なるバンドギャップを有する同様の材料を含む。いくつかの実施形態では、活性層２７０６Ａ、２７０６Ｂおよび２７０６Ｃが、シリコン、ＧａＡｓまたは当技術分野で知られている他の材料の組合せなど、異なる材料系を含む。
【０１２７】
多接合光起電力デバイスにおいて、光起電力デバイスのそれぞれの接合部におけるエネルギー吸収を最適化する方法は多数ある。例えば、１つの方法は、多接合活性層の組合せスタック（例えば２７０６Ａ〜２７０６Ｃ）と反射器２７０８の間に光共振空胴を配置する方法である。他の方法は、多接合光起電力デバイスを形成するそれぞれの活性層間に光共振層を配置し、光起電力デバイスの最後の活性層と反射器の間に光共振空胴を配置する方法である。これらの２つの方法は後に詳細に説明する。
【０１２８】
図２８Ａは、図２７に示した多接合光起電力デバイス最適化された１つのデバイスの図を示す。この実施形態では、３つの吸収器層／活性層２８０６Ａ、２８０６Ｂおよび２８０６Ｃが、「青」、「緑」ならびに「赤およびＩＲ」波長範囲の光を吸収するように構成されている。これらの吸収器層は、第１の光共振層２８０４Ａと第２の光共振空胴２８０４Ｂの間に位置する。光共振層２８０４Ａおよび光共振空胴２８０４Ｂは、透明導電性電極、ＩＴＯ、空気ギャップ、ＳｉＯ２または他の材料を含むことができる。光共振層または光共振空胴が非導電材料を含む場合には、図２８Ｂに示すバイアを使用して、電気接続を提供することができる。標識「赤、緑および青」はある波長範囲を指しているにすぎず、実際の波長範囲、例えば実際の赤の波長範囲を指しているのではない。これらの活性層は他の波長を吸収することができる。さらに、これよりも多くのまたはこれよりも少ない活性領域を含めることができる。他の変型実施形態も可能である。
【０１２９】
図２９Ａは、それぞれの活性層と活性層の間および一番上の活性層と基板の間に光共振層が配置され、一番下の活性層と反射器の間に光共振空胴が配置された、最適化された１つの多接合光起電力デバイスの図を示す。例えば、基板２９０２と接合部２９０６Ａの間に光共振層２９０４Ａが配置される。同様に、光共振層と活性層２９０６Ａ、２９０６Ｂ、２９０６Ｃの交互スタックを形成するため、光共振層２９０４Ｂおよび２９０４Ｃが追加される。最後の活性層２９０６Ｃと反射器２９０８の間に光共振空胴２９０５が配置される。それぞれの光共振層２９０４Ａ〜２８０４Ｃおよび光共振空胴２９０５は例えば、ＩＴＯ、空気ギャップ、ＳｉＯ２または他の媒質を含むことができる。光共振層または光共振空胴が非導電材料を含む場合には、図２９Ｂに示すバイアを使用して、電気接続を提供することができる。したがって、光起電力デバイス２９００の光学スタックは、ＩＴＯを含む光共振層２９０４Ａ、青色光の範囲の波長を吸収するように構成された活性層２９０６Ａ、光共振層２９０４Ｂ、緑色光の範囲の波長を吸収するように構成された活性層２９０６Ｂ、光共振層２９０４Ｃ、赤色光および赤外光の範囲の波長を吸収するように構成された活性層２９０６Ｃ、光共振空胴２９０５、ならびに反射器層２９０８を備える。この多接合フォトダイオードを、前述のインターフェロメトリック原理に基づいて最適化することができる。多接合光起電力デバイスのこのモデル化され、最適化された図では例えば、光学スタック内に存在する他の層で使用する厚さまたは材料を変更することによって、それぞれの活性層の吸光度を増大させることができる。この光起電力デバイスはさらに絶縁体２９０８Ｃおよび電極２９０８Ａを含む。
【０１３０】
いくつかの実施形態では、多接合フォトダイオードが、図２９Ａに示された光共振層よりも少ない数の光共振層を含む。例えば、一実施形態では、基板２９０２と１つの活性層２９０６Ａとの間に光共振層２９０４Ａを配置し、他の光共振層２９０４Ｂおよび２９０４Ｃを排除することができる。他の実施形態では、活性層２９０６Ａと活性層２９０６Ｂの間に光共振層２９０４Ｂを配置し、他の光共振層２９０４Ａおよび２９０４Ｃを排除することができる。他の実施形態では、活性層２９０６Ｂと活性層２９０６Ｃの間に光共振層２９０４Ｃを配置し、他の光共振層２９０４Ａおよび２９０４Ｂを排除することができる。他の実施形態では、光共振層２９０４Ａ、２９０４Ｂ、２９０４Ｃのうちの２つ以上の光共振層を含めることができ、１つの光共振層を排除することができる。任意の実施形態に光共振空胴２９０５を含めることができ、または任意の実施形態から光共振空胴２９０５を排除することができる。より多くのまたはより少ない数の活性層を含めることができる。光共振層以外の層によってこれらの活性層を分離することもできる。より多くのまたはより少ない数の光共振層を使用することができる。このように、活性層、光共振層および光共振空胴の数、配置およびタイプを変更することができ、それらは、設計および／または最適化法に従って選択することができる。前述のとおり、標識「赤、緑および青」はある波長範囲を指しているにすぎず、実際の波長、例えば実際の赤、緑および青色光の波長を指しているのではない。これらの活性層は他の波長を吸収することができる。他の変型実施形態も可能である。
【０１３１】
前述のとおり、設計および製造段階において、前述の方法を使用して、活性層における吸収が増大し、反射が低減するように、光起電力デバイスの異なる実施形態のそれぞれの層の組成および／または厚さを最適化することができる。例えばｉＰＶ実施形態は、前述のＩＭＯＤ設計原理を使用して最適化することができる。いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳエンジンまたはプラットホームを提供して、ｉＰＶセルが動作している間に、これらの実施形態の光共振空胴または光共振層の厚さを動的に変化させることができる。このようにして、前述のｉＰＶ実施形態を、インターフェロメトリック効果の結果として改良することができる。ＰＶ吸収器／活性領域におけるエネルギー吸収が増大すると、その結果として、ｉＰＶデバイス全体の効率が向上することがある。
【０１３２】
しかしながら、これらの設計は、全ての点で真に最適というわけではない。例えば、光共振空胴内にＴＣＯ層を含む実施形態では、電気的損失がごくわずかであることがある。しかしながら、ＴＣＯはある光学的損失を導入することがある。光共振空胴内に空気またはＳｉＯ２を含む実施形態は、バイアが存在するために、光吸収の小さな低減を示すことがある。いくつかの実施形態では、電気接続用のバイアが存在する結果、光学開口（ｏｐｔｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）の損失が生じることがある。
【０１３３】
ｉＰＶデバイスのいくつかの実施形態では、活性層の吸収効率の向上または最適化が、ｉＰＶデバイスに対する入射光の方向に必ずしも依存しないことがある。例えば、入射光がｉＰＶデバイスに対してほぼ垂直に入射するときの吸収効率が、入射光が高入射角（例えば垂直からｉＰＶデバイスに向かって約８９度）のかすめ入射であるときの吸収効率とほぼ同じであることがある。したがって、吸収効率を最適にするために、光起電力セルの方向を完全に整列させる必要はない。とはいえ、入射角は、活性層に到達する光の強度に影響を及ぼし、したがって活性層が吸収する利用可能エネルギーに影響し、光起電力セルに到達する光が少ないほど、活性層が吸収することができるエネルギーも少なくなる。したがって、能動的に追跡しない（例えば太陽の経路と整列するように光起電力デバイスを移動させない）場合、光起電力デバイスの面積が一定ならば、入射角θｉが増大するにつれて、全吸収エネルギーは、ｃｏｓ（θ１）倍に低減することは強調されるべきである。
【０１３４】
しかしながら、吸収効率が入射角の関数として変化するいくつかの実施形態では、ＩＭＯＤ原理およびインターフェロメトリック効果を使用して、ｉＰＶスタックを特定の入射角に対して設計することができる。例えば、光学空胴の厚さを調整して、垂直以外の角度でデバイスに入射する光の所望の波長の吸収を増大させることができる。いくつかの実施形態では、異なる入射角、例えば日中の異なる時刻の太陽の異なる入射角に対応するように、光学空胴を（固定ではなく）可変とすることができる。
【０１３５】
本明細書に記載した原理は、完全反射型の（例えば不透明な）ＰＶデバイスと透過型のＰＶデバイスの両方に対して適用可能である。
【０１３６】
図３０は、従来の半透明ＰＶセルを示す。本明細書で使用するとき、用語「半透明」は、部分的に光透過性であることを指し、透過率５０％に限定されない。図３０に示した半透明ＰＶセルは、２つの透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）層３００５と３００２の間に光吸収層３００４を配置することによって形成される。この層スタックを基板３００１の上に配置することができる。ＴＣＯ層３００５の上に金属リード３００７を配置して、電気接続を形成することができる。導電材料を含む上面光共振層を有する本明細書に記載した全ての実施形態に、３００７と同様の金属リードを配置することができる。このような金属リードは、他の実施形態でも使用することができる。例えば、一番上の層が非導電材料を含む実施形態では、その一番上の非導電層上に、３００７と同様の金属リードを配置し、それらの金属リードを、例えばバイアを介して電極層に電気的に接続することができる。
【０１３７】
光学干渉原理およびＩＭＯＤ設計原理を使用して図３０の半透明ＰＶセルを最適化する１つの方法は、図３１に示すように、光吸収層３１０４と反射器層３１０２の間に光共振空胴３１０３を配置する方法である。いくつかの実施形態では、上面電極層３１０５を、透明な導電性電極を含む光共振層とすることができる。上面電極層３１０５は例えばＩＴＯまたはＺｎＯ含むことができる。いくつかの実施形態では、上面電極層３１０５上に、ＡＲコーティングを配置することができる。光共振空胴３１０３、反射器層３１０２、活性層３３０４を含むＰＶセルを構成するさまざまな層に対して、活性層における吸収を増大させる厚さおよび材料特性（例えば屈折率ｎおよび消光係数ｋ）を使用することができる。反射器の厚さによって透明度を制御することができる。例えば、非常に薄い反射器を有するｉＰＶデバイスは、比較的に厚い反射器層を有する反射器に比べてより高い透明度を有することがある。反射器層の厚さを薄くして、半透明のｉＰＶデバイスを生成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、半透明ｉＰＶデバイスの反射器の厚さを５ｎｍから２５ｎｍとすることができる。ある種の実施形態では、半透明ｉＰＶデバイスの反射器の厚さを１ｎｍから５００ｎｍとすることができる。さまざまな実施形態において、反射器は、少なくとも１０％、２０％、３０％または４０％の反射率を有する。ある種の実施形態では、反射器が、５０％、６０％、７０％、８０％または９０％以上の反射率を有する。いくつかの実施形態では、不透明ＰＶセルに比べてより薄いＰＶ材料を含むように、半透明ＰＶセルを設計することができる。活性層における吸収を増大させるため、反射器層の厚さを設計に組み込むことができ、例えば最適化、計算に組み込むことができる。吸収効率が向上することにより、前述の方法に従って設計した半透明ＰＶセルは、図３０に記載した従来のＰＶセルよりも効率的となりうる。本明細書に記載の他の実施形態および今後考案される実施形態では、ＰＶセルを、少なくとも部分的に透明、すなわち少なくとも部分的に光透過性とすることができる。
【０１３８】
例えば図２８Ａ〜２９Ｂに示した多接合ＰＶを、前述の方法によって部分的に光透過性にすることができる。図３２Ａも、少なくとも部分的に光透過性とすることができる多接合ＰＶセルの一実施形態を示す。図３２Ａに示す実施形態は、３つの活性層または吸収器層３２０４ａ、３２０４ｂおよび３２０４ｃを含む多接合活性材料を含む。これらの３つの吸収器層は、異なる周波数を有する光を吸収することができる。例えば、層３２０４ａは、赤およびＩＲ領域の周波数を有する光を吸収することができ、層３２０４ｂは、緑領域の周波数を有する光を実質的に吸収することができ、層３２０４ｃは、青領域の周波数を有する光を実質的に吸収することができる。代替実施形態では、活性層が他の波長を吸収することができる。多接合活性材料の下に反射器３２０２が配置される。多接合活性材料の上に光共振層３２０５が配置される。活性材料内における吸収を増大させまたは最大化することができるように、前述のインターフェロメトリック原理を使用して、光共振層３２０５の厚さおよび材料組成を選択しまたは最適化することができる。図３２Ａに示す実施形態では、光共振層が、ＴＣＯ、透明導電性窒化物などの透明な導電材料を含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、光共振層が、ＳｉＯ２、空気ギャップなどの透明な非導電性誘電体を含むことができる。他の実施形態では、光共振層が、前述の複合構造を含むことができる。他の材料および設計を使用することもできる。光共振層が非導電材料を含む実施形態では、図３２Ｂに示すように、バイア３２０６を使用して電気接続を提供することができる。図３２Ａおよび図３２Ｂに示すように、この光学スタックを基板３２０１上に配置することができる。前述のとおり、この基板を光透過性とし、または不透明とすることができる。
【０１３９】
本明細書に開示する他の設計では、部分的に透過性の反射器層を使用することができる。例えば、単一の活性層を有するＰＶデバイスで、部分的に光透過性の反射器層を使用することができる。それでもなお、他の構成も可能である。図３２Ａに示すように、ＰＶセルは、１つまたは複数の光共振層を含み、光共振空胴を含めないことができる。したがって、本明細書に記載するさまざまなＰＶセルにおいて、光共振空胴を排除することができる。
【０１４０】
本明細書に記載したさまざまな実施形態では、前述のとおり、活性層における吸収を最適化したが、ある種の実施形態では、収集効率などの他の因子の効果をさらに考慮することによって、全体の効率を向上させまたは最適化することができる。例えば、吸収効率の効果と収集効率の効果を合わせた効果を増大させるため、１つまたは複数のパラメータを調整することができる。このような実施形態では例えば、最適化法において、全体の効率を監視することができる。しかしながら、他の良度指数（ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）を使用することもでき、それらの良度指数を、最適化、設計または製造工程に組み込むことができる。
【０１４１】
前述のとおり、デバイスまたはデバイスが組み込まれたシステムをモデル化し、計算を実行して、そのデバイスまたはシステムの性能を評価することができる。いくつかの実施形態では、実際の性能を測定してもよい。例えば、活性層と接触した電極に電気的に接続することによって、全体の効率を測定することができる。例えば、金属リード３１０７と電極でもある反射器３１０２とのうちの一方に電気的に接触する電気プローブ３１１０および３１１２が図３１に示されている。電気プローブ３１１０および３１１２は、ＰＶデバイスの電気出力を測定する電圧計３１１４に電気的に接続される。本明細書に開示した異なる実施形態に対して、同様の配置を使用することができる。金属リード、バイア、電極層などに電気的に接触して、電気出力信号を測定することができる。他の構成を使用することもできる。
【０１４２】
本明細書に記載した方法および構造の広範囲にわたる変型実施形態が可能である。
【０１４３】
したがって、本明細書に記載したさまざまな実施形態では、光起電力デバイスの性能を、インターフェロメトリック技法を使用して向上させることができる。いくつかの実施形態では、活性層と反射器の間に配置された光共振空胴が、１つまたは複数の活性層における吸収を増大させることができる。しかしながら、前述のとおり、別の場所に位置する光共振層も、１つまたは複数の活性層における吸収を増大させ、それに対応して効率を向上させることができる。したがって、前述のとおり、１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを調整して、例えば、光パワーを電力に変換する際のデバイスの効率を向上させることができる。これらの１つまたは複数の層は、従来の光起電力デバイスで使用されている層でよく、性能を向上させるためにこのような構造に追加した層でなくてもよい。したがって、光共振層は、改良するために構造に追加した層だけに限定されない。さらに、光共振層は前述の層に限定されないが、活性層における吸収をインターフェロメトリック原理を使用して増大させるように調整された他の任意の層を含むことができる。光共振層または光共振空胴はさらに、電極としての機能など、他の機能を有することができる。この設計または最適化を実施して、１つまたは複数の活性層における吸収および効率を増大させることができる。
【０１４４】
また、以上に、最適化を提供するものとしてさまざまな技法を説明したが、本明細書に記載した方法および構造は、真の最適な解決策に限定されない。これらの技法を使用して、例えば活性層における吸収またはデバイス全体の光学的効率を、必ずしも最大化はしないが、向上させることができる。同様に、これらの技法を使用して、活性層以外の層における吸収を、必ずしも最小化はしないが、低減させることができる。同様に、得られる構造は必ずしも最適な結果であるというわけではないが、それにもかかわらず、性能または特性の改善を示すことができる。
【０１４５】
しかしながら、本明細書に開示した方法および構造は、いくつかの光起電力デバイスに対する性能上の利点を含む広範囲にわたる利益を提供する。例えば、ＰＶセル内で光共振空胴または他の光共振層を使用することにより、光起電力デバイスの吸収効率を向上させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光共振空胴または光共振層が存在することによって、１つまたは複数の活性層の吸収効率が少なくとも約２０％向上する。ここで、吸収値は、太陽スペクトルの波長全体にわたって積分した値である。他のいくつかの光起電力デバイスでは、光共振空胴または光共振層が存在することによって、太陽スペクトルの波長全体にわたって積分した吸収効率が、少なくとも２５％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％または９０％向上することがある。他の実施形態では、この向上が５％以上、１０％以上または２０％以上である。いくつかの実施形態については、より小さな波長範囲にわたって積分したときにも、これらの値が当てはまることがある。
【０１４６】
したがって、干渉原理を適用して、１つまたは複数の波長に対する活性層の効率を向上させまたは最適化することができる。例えば、波長約４００ｎｍの光を０．７超の吸収効率で吸収するように、少なくとも１つの活性層を構成することができる。波長４００ｎｍから４５０ｎｍの光または波長３５０ｎｍから４００ｎｍの光を０．７超の吸収効率で吸収するように、少なくとも１つの活性層を構成することができる。いくつかの実施形態では、３５０ｎｍから６００ｎｍの光を０．７超の吸収効率で吸収するように、１つまたは複数の活性層を構成することができる。他の実施形態では、２５０ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲の単一の波長に対して、あるいは２５０ｎｍから５００ｎｍまでの波長範囲の少なくとも５０ｎｍ、１００ｎｍまたは５００ｎｍの帯域幅に対して、吸収効率を向上させまたは最適化することができる。いくつかの実施形態については、より小さな波長範囲にわたって積分したときにも、これらの値が当てはまることがある。
【０１４７】
光起電力デバイス全体の効率が向上することもある。例えば、いくつかの光起電力デバイスでは、適当な光共振層または光共振層によって、太陽スペクトルの波長全体にわたって積分した全体の変換効率が、少なくとも１５％、２０％、２５％または３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％または９０％向上することがある。ある種の実施形態では、この向上が５％以上または１０％以上である。いくつかの実施形態では、光起電力デバイス全体の変換効率が０．７、０．８、０．９または０．９５超である。他の実施形態では、全体の変換効率がこれよりも小さいことがある。例えば、全体の変換効率が少なくとも０．３、０．４、０．５または０．６であることがある。一実施形態では、全体の変換効率が０．１以上または０．２以上であることがある。いくつかの実施形態については、より小さな波長範囲にわたって積分したときにも、これらの値が当てはまることがある。
【０１４８】
光学干渉の結果として、１つまたは複数の活性層における太陽エネルギーの吸収が、少なくとも５％、１０％、２０％、２５％または３０％増大することがある。これらの吸収値は、太陽スペクトル全体にわたって積分することによって決定することができる。いくつかの実施形態については、より小さな波長範囲にわたって積分したときにも、これらの値が当てはまることがある。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光共振空胴または光共振層が存在することによって、光起電力デバイスが太陽スペクトルなどの電磁放射にさらされたときに、１つまたは複数の活性層内の平均電界強度が少なくとも２０％、２５％または３０％増大することがある。他の実施形態では、平均電界強度の増大が、少なくとも４０％、５０％、６０％、７０％、８０％または９０％である。ある種の実施形態では、この増大が、５％以上、１０％以上または１５％以上である。後述するように、平均電界強度は、関心の特定の層、例えば活性層の厚さを横切って平均した電界に対応する。いくつかの実施形態については、より小さな波長範囲にわたって積分したときにも、これらの値が当てはまることがある。
【０１５０】
ある種の実施形態では、少なくとも１つの光共振空胴または光共振層が存在することによって、太陽スペクトル全体にわたって積分した１つまたは複数の活性層の平均電界強度の増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した光起電力デバイス内の他のどの層の平均電界強度の増大よりも大きくなることがある。いくつかの実施形態では、この光起電力デバイスの１つまたは複数の活性層内の平均電界強度が、光共振層のないＰＶセルの１つまたは複数の活性層内の平均電界強度の少なくとも１．１倍になることがある。他のいくつかの実施形態では、この光起電力デバイスの１つまたは複数の活性層内の平均電界強度が、光共振層のないＰＶセルの１つまたは複数の活性層内の平均電界の少なくとも１．２倍または１．３倍になることがある。他の実施形態では、この増大が、１つまたは複数の共振層のないＰＶセルの活性層内の平均電界の少なくとも１．４倍、１．５倍、１．６倍または１．７倍である。いくつかの実施形態については、より小さな波長範囲にわたって積分したときにも、これらの値が当てはまることがある。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、この平均電界強度の増大が、１つまたは複数の活性層以外の光起電力デバイスの別の層における増大よりも大きいことがある。しかしながら、このような実施形態では、光起電力デバイスのこの別の層における吸収が、この１つまたは複数の活性層における吸収よりも小さいことがある。ある種の実施形態では、この１つまたは複数の活性層内の平均電界が、他のどの層よりも大きいが、他の実施形態では、活性層以外の層が最も高い平均電界強度を有する。このような状態は、太陽スペクトル全体にわたる波長、またはより小さな波長範囲にわたる波長に対して達成することができる。
【０１５２】
開示したさまざまな実施形態において、１つまたは複数の活性層によって吸収される光パワーが増大する。ある種の実施形態では、１つまたは複数の活性層によって吸収される光パワーの増大が、光起電力デバイスの他の全ての非活性層によって吸収される光パワーを合わせたものよりも大きい。１つまたは複数の活性層によって吸収される光パワーの増大が、ＰＶデバイス内の他の任意の層の吸収光パワーの増大の１．１倍超、１．２倍超または１．３倍超であることがある。他の実施形態では、この増大が、ＰＶセル内の他の任意の層の吸収光パワーの増大の１．４倍超、１．５倍超、１．６倍超または１．７倍超である。
【０１５３】
前述のとおり、これらの値は、太陽スペクトル全体にわたって積分することによって決定することができる。さらに、これらの値は、「エアマス１．５」として知られている標準太陽放射に対して決定することができる。
【０１５４】
前述のとおり、ある種の実施形態では、これらの値が、太陽スペクトルよりも小さな波長範囲に対しても当てはまる。これらの値は例えば、可視波長スペクトル、紫外波長スペクトルまたは赤外波長スペクトルに対して当てはまることがある。これらの値は、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍまたは１０００ｎｍ以上の波長範囲に対して当てはまることがある。これらの値は、より大きな波長範囲またはより小さな波長範囲に対しても当てはまることがある。したがって、ある種の実施形態では、これらの値が、パラメータ、例えば吸収効率、全体の効率、電界、光パワーなどを太陽スペクトル全体よりも小さな波長範囲にわたって積分したときに当てはまる。
【０１５５】
さらに、これらの値が、１つまたは複数の活性層に対するものであることがある。例えば、（ｐ型層、真性半導体層またはｎ型層などの）１つまたは複数の活性層における吸収を、一緒にまたは別々に増大させるように、ＰＶセルを設計することができる。したがって、これらの値が、これらの層のうちの任意の１つの層に対して個別に、またはこれらの層の任意の組合せに対して当てはまることがある。
【０１５６】
同様に、１つまたは複数の光共振層が、本明細書に挙げた性能レベルに寄与することがある。同様に、上に挙げたこれらの性能値が、１つの光共振層または２つ以上の一群の光共振層の１つまたは複数の設計パラメータの存在に依存することがある。
【０１５７】
前述のとおり、半導体材料に送達され、半導体材料によって吸収される光子の総量を増大させることによって、ＰＶセルの電気出力を増大させまたは最大化することが望ましい。それぞれが異なるバンドギャップを有する複数の活性層を備える図２７に示したデバイスのような多接合ＰＶデバイスでは、それぞれの活性層に適当な波長の光子を送達することによって、効率を向上させることができる。例えば、赤、緑および青の活性層を備える多接合ＰＶデバイスでは、赤活性層に赤色光を送達し、青活性層に青色光を送達し、緑活性層に緑色光を送達することによって、効率を向上させることができる。本明細書ではこのような方法を、波長逆多重化（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）と呼ぶ。
【０１５８】
本発明の実施形態によれば、光学フィルタを使用して、入射光をスペクトル逆多重化し、活性層における吸収を増大させまたは最大化することができる。具体的には、ある光周波数を選択的に反射させ、他の周波数を透過させるように、ダイクロイックフィルタまたはダイクロイック反射器を構成する。例えば、赤、緑および青のフィルタを使用して、赤、緑および青色光をそれぞれ、赤、緑および青の活性層に選択的に送達することができる。
【０１５９】
ダイクロイックフィルタは、複数の透明な薄膜またはコーティングを備える干渉フィルタを含むことができる。さまざまな実施形態が４分の１波長スタックを備える。４分の１波長スタックは、指定された光色の波長の４分の１波長刻みで選択された厚さを有する複数のフィルムを備える。これらの干渉フィルタフィルムは、交互に配置された高屈折率材料と低屈折率材料（例えば高−低−高−低−高−低．．．）とを含むことができる。これらのフィルムのさまざまな界面からの反射は、異なる波長によって強め合うようにまたは弱め合うように干渉する。したがって、特定の波長の光を透過させるのか、または反射させるのかを制御することができる。したがって、このような４分の１波長スタックを、低域フィルタ、高域フィルタまたは帯域フィルタとなるように設計することができる。これらのスタックは例えば、特定のスペクトル範囲を反射させ、他のスペクトル範囲を透過させる反射フィルタとすることができる。
【０１６０】
図３３は、標識ＨおよびＬで示された複数の高屈折率材料フィルムおよび低屈折率材料フィルムをガラスなどの透明基板上に張り付けることによって形成されたダイクロイック干渉フィルタの図を示す。線ａは入射光を表し、線ｂは、最初の高屈折率フィルムからの入射光の反射を表す。線ｃは、次の低屈折率フィルムからの入射光の反射を表し、線ｄは、次の高屈折率フィルムからの入射光の反射を表し、線ｅは、次の低屈折率フィルムからの入射光の反射を表し、線ｆは、次の高屈折率フィルムからの入射光の反射を表す。示されているように、線ｂに沿った光は、線ｃ〜ｆに沿った光と位相が同じであり、そのため、それらの光は強め合うように干渉する。一方、２つの反射光波の位相が１８０度ずれている場合、それらの光波の振幅は、弱め合うように干渉して互いに打ち消しあい、正味の振幅はゼロになることになる。図３３に示すように、基板を覆う全てのダイクロイックフィルタ層からの反射光の位相は全て同じである。さらに、このダイクロイックフィルタに当たる全ての光は反射するかまたは透過するかするため、このダイクロイックフィルタは、吸収性染料を含むフィルタなどの吸収フィルタとは対照的に、ごくわずかな量のエネルギーしか吸収しない。図３３は、例示のため単純化されている。例えば、後方反射を含む多重反射が正味の効果に寄与することがある。
【０１６１】
したがって、図３３に示すようなダイクロイック干渉フィルタを使用することによって、活性層によって吸収される適当な波長を有する光をより多く送達することができる。同様に、その上の活性ＰＶ層の波長と一致する光の波長を選択的に反射させて、活性ＰＶ層における吸収をさらに強化するように構成されたダイクロイックフィルタを配置することによって、ＰＶセルの吸収効率を向上させることができる。
【０１６２】
例えば、緑色光の特定の波長を反射させ、他の波長を透過させるダイクロイック干渉フィルタを形成するために、二酸化チタン（屈折率２．４）、フッ化マグネシウム（屈折率１．４）など屈折率が異なる材料を交互に含む複数の薄膜層対を使用することができる。ある種の実施形態では、それぞれの薄膜層が、そのフィルタの設計波長の４分の１、例えば緑色光の波長の４分の１の厚さを有する。２つの媒質間の界面で反射する光の百分率を表す式は
Ｒ％＝（ｎ２−ｎ１）２／（ｎ２＋ｎ１）２
であり、この式で、ｎ２およびｎ１は２つの媒質の屈折率である。この式によれば、二酸化チタンおよびフッ化マグネシウムの屈折率を使用した高屈折率材料と低屈折率材料のそれぞれの対からの反射は、７％である。したがって、選択した緑波長で９０％の反射を達成するためには、少なくとも１４個の層を付着させることになる。ダイクロイックフィルタは約２から約１００の層を備えることができるが、これよりも多くの層を使用することもできる。ダイクロイックフィルタの反射光に対する反射帯域または透過光に対する通過帯域を、希望に応じて広くまたは狭くすることもできる。例えば、選択した緑色ピーク波長の付近の波長の追加の層を含めると、より飽和した幅の狭い緑の帯域通過を提供することができる。高屈折率層と低屈折率層の対の数を増やすと、ダイクロイックフィルタの帯域通過幅および反射率が増大することがあるため、これらのパラメータを慎重に制御することができる。帯域通過幅および反射率は、高屈折率／低屈折率対に対して使用する材料を選択することによっても制御することができる。緑色を反射させる上記の例は単に例示のために示したものであり、この例を他の色に適用することもできる。
【０１６３】
図３４は、ダイクロイックフィルタを有する、本発明のさまざまな実施形態に基づくスタック構成の多接合ＰＶデバイス３４００の図を示す。ＰＶデバイス３４００は、基板３４０１、電極３４０２および反射器層３４０９を備える。いくつかの実施形態では、この反射器層３４０９を広帯域反射器とすることができる。基板３４０１はガラスを含むことができ、電極３４０２は透明な導電性酸化物を含むことができ、反射器層３４０９はＡｌを含むことができ、背面接点の役目も果たす。このデバイスは、いくつかの点で図２７の多接合ＰＶセルに似ており、青色光を吸収するように構成された第１の活性層３４０３を含み、第２の活性層３４０５は緑色光を吸収するように構成されており、第３の活性層３４０７は赤色光を吸収するように構成されている。しかしながら、図３４はさらに、ダイクロイックフィルタ層３４０４、３４０６および３４０８を含み、これらのフィルタ層は、反射帯域内の光を選択的に反射させ、この反射光を、直ぐ上の活性層または上にある最も近い活性層によって吸収することができる。したがって、第１のダイクロイックフィルタ層３４０４は、青色光を第１の活性層３４０３へ反射させ、その光の残り部分、例えば太陽スペクトルの残り部分を光学スタックのその下の層へ透過させるように構成される。第２のダイクロイックフィルタ層３４０６は、緑色光を第２の活性層３４０５へ反射させ、その光の残り部分、例えば太陽スペクトルの残り部分をその下の層へ透過させるように構成される。第３のダイクロイックフィルタ層３４０８は、赤色光および赤外光を第３の活性層３４０７へ反射し、残りの吸収されなかった光を反射器層３４０９へ透過させるように構成される。活性層間に、電気接続用のバイア（図示せず）が形成される。これらのバイアは、誘電材料のスタックを含むことがあるダイクロイックフィルタを貫通する。
【０１６４】
したがって、ＰＶセル３４００に光が当たると、入射光は、最初に基板３４０１および電極層３４０２を透過し、青色光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する活性層３４０３に入る。このバンドギャップよりも大きなエネルギーまたはこのバンドギャップに等しいエネルギーを有する光子が、最初に活性層３４０３で吸収される。残りの光は、ダイクロイックフィルタ３４０４に到達し、ここで、初回透過中に吸収されなかった青色光の光子が活性層３４０３内へ後方に反射する。残った光は、ダイクロイックフィルタ３４０４から、緑色光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する活性層３４０５へ進む。このバンドギャップよりも大きいかまたはこのバンドギャップに等しいエネルギーを有する光子が活性層３４０５で吸収される。残った光はダイクロイックフィルタ３４０６へ進み、そこで、初回透過中に吸収されなかった緑色光の光子が活性層３４０５内へ後方に反射する。残った光は、ダイクロイックフィルタ３４０６から、赤色光または赤外光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する活性層３４０７へ進む。このバンドギャップよりも大きいかまたはこのバンドギャップに等しいエネルギーを有する光子が活性層３４０７で吸収される。残った光はダイクロイックフィルタ３４０８へ進み、そこで、初回透過中に吸収されなかった赤色光または赤外光の光子が活性層３４０７内へ後方に反射する。残った光は、ダイクロイックフィルタ３４０８から反射器層３４０９へ進み、反射器層３４０９は、吸収されなかった光子を光学スタック３４００の上にある層へ後方に反射する。多接合ＰＶデバイスの他の実施形態は、図３４に示したよりも多くのまたは少ない数の活性層を備えることができ、図３４に示したよりも多くのまたは少ない数のダイクロイックフィルタを備えることができる。
【０１６５】
ダイクロイックフィルタ３４０４、３４０６、３４０８は、逆方向に伝搬する光を反射させることもできる。例えば、緑ダイクロイックフィルタから反射し、緑活性層３４０５の２回目の透過で吸収されなかった緑色光は、この方向からの青の波長を透過させ、他の波長を反射させる青ダイクロイックフィルタ３４０４から反射する。同様に、赤ダイクロイックフィルタ３４０８から反射し、赤活性層３４０７の２回目の透過で吸収されなかった赤色光は、この方向からの緑の波長を透過させ、他の波長を反射させる緑ダイクロイックフィルタ３４０６から反射する。
【０１６６】
図３４の多接合ＰＶセル内の層にインターフェロメトリック原理を前述のように適用することによって、このＰＶデバイスのエネルギー吸収をさらに最適化することができる。ＰＶデバイス内の層の界面からの反射がコヒーレントに合成されて活性領域内の電界が増大し、それによってデバイスの効率がさらに向上するように、光起電力セル内の層をインターフェロメトリックに調整することができる。前述のとおり、さまざまな実施形態で、１つまたは複数の光共振空胴および／または光共振層を光起電力デバイスに含めて、活性領域内の電界濃度および吸収を増大させることができる。光共振空胴および／または光共振層は例えば、ダイクロイックフィルタまたはダイクロイック反射器を含むことができる。
【０１６７】
図３５は、ガラス基板３５０２、透明導電性電極３５０４、活性層３５０６ａ〜３５０６ｚ、ダイクロイックフィルタ３５０８ａ〜３５０８ｚ、および反射器層３５１０を備える多接合ＰＶデバイス３５００のブロック図を示す。これらの活性層のバンドギャップは、太陽スペクトルをカバーする約４５０ｎｍから約１７５０ｎｍまでの範囲に対して５０ｎｍの波長刻みで小さくなるように示されている。示された実施形態のダイクロイックフィルタ層３５０８ａ〜３５０８ｚは、直ぐ上にあるまたは上にある最も近い活性層３５０６ａ〜３５０６ｚのバンドギャップと同じエネルギーを有する光を反射させるように構成される。他の実施形態は、約４５０ｎｍから約１７５０ｎｍまでの波長範囲の光を吸収するが、より多くのまたはより少ない数の活性層を備え、バンドギャップが、より小さなまたはより大きな波長刻みで小さくなる光学スタックを含むことができる。例えば、実施形態に基づく光学スタックは、少なくとも５つの活性層、少なくとも８つの活性層または少なくとも１２個の活性層を備えることができる。他の実施形態によれば、光学スタック内の活性層のバンドギャップを、約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満または約５０ｎｍ未満の他の波長刻みで小さくすることができる。
【０１６８】
ダイクロイックフィルタはさらに、光起電力セル用の光共振層または光共振空胴を含む。例えば、活性層における吸収を干渉特性に基づいて前述の方法で増大させるため、ＰＶセルの他の層から反射した光のコヒーレント合成に適切に寄与するように、ダイクロイックフィルタの厚さおよび材料組成を選択することができる。したがって、これらのフィルタは、図３５において、ダイクロイック共振層またはダイクロイック共振空胴と呼ばれる。いくつかの実施形態では、このダイクロイックフィルタが、上にある最も近い活性領域における光の吸収を増大させる。
【０１６９】
ダイクロイックフィルタに加えて光共振層または光共振空胴を含めることによっても、多接合ＰＶデバイス内のエネルギー吸収は、前述のインターフェロメトリック原理を使用して増大させることができる。図３６は、複数の活性領域、複数のダイクロイックフィルタ、反射器またはミラー、および複数の光共振空胴を備える、本発明のさまざまな実施形態に基づくスタック構成の多接合ＰＶデバイス３６００の図を示す。ＰＶデバイス３６００は、基板３６０１、電極３６０２、活性層３６０３、３６０６および３６０９、光共振空胴層３６０４、３６０７および３６１０、ダイクロイックフィルタ、反射器またはミラー層３６０５、３６０８および３６１１、ならびに反射器層３６１２を備える。この実施形態では、それぞれの活性層が、それぞれの活性層に関連付けられた対応するダイクロイックフィルタおよび光共振空胴を有するが、他の構成も可能である。このジオメトリは、活性層と反射器の間に光共振空胴が位置する以前に説明したジオメトリに似ていることに留意されたい。例えば図１１Ｂ〜１１Ｊを参照されたい。図３６に示す実施形態では、第１の活性層３６０３が青色光を吸収するように構成されており、第２の活性層３６０６が緑色光を吸収するように構成されており、第３の活性層３６０９が赤色光を吸収するように構成されている。図３４と図３６の唯一の違いは、対をなす活性層と対応するダイクロイックフィルタ、反射器またはミラー層との間に光共振空胴層が追加されていることであり、これらのダイクロイックフィルタ、反射器またはミラー層の反射帯域は、直ぐ上の活性層のバンドギャップと一致する。
【０１７０】
前述のとおり、干渉原理を使用することによって、それぞれの光共振空胴の直ぐ上の活性層または上にある最も近い活性層における吸収を増大させるように、光共振空胴３６０４、３６０７および３６１０を調整することができる。例えば、光共振空胴の厚さおよび材料組成は、ＰＶセル内の層からの反射光のコヒーレント合成によって、上にある最も近い活性層内の光強度および吸収が増大するような厚さおよび材料組成とすることができる。したがって、直ぐ上の活性層または上にある最も近い活性層内の光の強度および電界強度が強化され、その結果、前述のさまざまな方法に基づいて活性層３６０３内の青色光の量が増大し、活性層３６０６内の緑色光の量が増大し、活性層３６０９内の赤色光の量が増大するように、光共振空胴層３６０４、３６０７および３６１０の厚さおよび材料を選択することができる。いくつかの実施形態では、光共振空胴が、主として上にある最も近い層における吸収を増大させるように調整されるが、他の実施形態では、その光共振層が他の活性層に影響を及ぼす可能性があり、他の活性層における光の吸収を考慮することができる。
【０１７１】
したがって、上で論じたインターフェロメトリック原理に基づいて多接合ＰＶデバイス３６００を最適化することができる。本発明のさまざまな実施形態では、光共振空胴層の厚さまたは材料に加えて、光学スタックの他の１つまたは複数の層の厚さまたは材料を調整することによって、それぞれの活性層における吸収を増大させることができる。例えば、ある種の実施形態では、光共振空胴層３６０４の厚さおよび材料に加えて、活性層３６０３およびダイクロイックフィルタ３６０５の厚さおよび材料を選択的に調整して、活性層３６０３内の青色光の強度、したがって活性層３６０３における青色光の吸収をインターフェロメトリックに増大させることができる。活性層３６０６および３６０９に対しても同じインターフェロメトリック調整法を実行することができる。さらに、前述のとおり、活性層に対する他の層の影響を考慮することができる。さらに、いくつかの実施形態では、インターフェロメトリック原理に基づいて、図３４または図３５の多接合ＰＶデバイスを最適化することができる。すなわち、それぞれの活性層内の光の強度がインターフェロメトリックに強化されるように、光学スタック３４００または３５００のダイクロイックフィルタ層および活性層の厚さまたは材料を選択することができる。さまざまな実施形態で、前述のものなどのシュレーション法および最適化法が使用され、それらの方法は、ＰＶセル内の層のうちの１つまたは複数の層、全ての層あるいは実質的に全ての層の影響を含むことができる。同様に、ＰＶセル内の層のうちの１つまたは複数の層、全ての層あるいは実質的に全ての層を調整することができる。１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータに制約を加えることができる。
【０１７２】
いくつかの実施形態では、活性層が単一の材料を含むことができるが、他の実施形態では、複数の活性層が、バンドギャップを次第にまたは徐々に変化させるために合金化されたまたはドープされた系を含むことができる。例えば、１つの半導体材料を別の半導体材料で合金化して、これらの２つの半導体のバンドギャップとバンドギャップの間の、それらの材料の相対的な濃度に応じたある範囲のバンドギャップを有する材料を生み出すことができる。合金内の組成比を変更して、バンドギャップを変化させることができる。バンドギャップおよび吸収波長を漸変させるため、この変更は段階的とすることができる。図３７は、本発明のさまざまな実施形態に基づくスタック構成の多接合ＰＶデバイス３７００の図を示す。ＰＶデバイス３７００は、ガラス基板３７０２、透明導電性電極３７０４、活性層３７０６ａ、３７０６ｂ、３７０６ｃ、３７０６ｄおよび３７０６ｅ、ダイクロイックフィルタ層３７０８ａ、３７０８ｂ、３７０８ｃ、３７０８ｄおよび３７０８ｅ、ならびに反射器層３７１０を備える。
【０１７３】
図３７に示す例では、活性層が、アモルファスシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などのアモルファス材料を含む。具体的には、示された活性層は、第１のバンドギャップを有する第１のアモルファス材料α−Ａを、第２のバンドギャップを有する第２のアモルファス材料α−Ｂで合金化することによって形成される。これらの活性層は、活性層３７０６が最も高い材料α−Ａ濃度を有し、活性層３７０６ｅが最も高い材料α−Ｂ濃度を有し、活性層３７０６ａと３７０６ｅの間の活性層では、α−Ａの濃度が連続的に低下し、α−Ｂの濃度が連続的に増大するように合金化される。示された実施形態では、材料α−Ａが、材料α−Ｂよりも高いバンドギャップを有し、活性層のバンドギャップが層３７０６ａから３７０６ｅへ連続的に低下する。したがって、これらの活性層は、入射光がガラス基板３７０２から反射器層３７１０へ向けて光学スタックを透過するつれて、より低いエネルギーを有する光を吸収することができる。ダイクロイックフィルタ層３７０８ａ、３７０８６、３７０８ｃ、３７０８ｄおよび３７０８ｅは、直ぐ上の活性層または上にある最も近い活性層のバンドギャップと同じエネルギーを有する光を反射させるように構成される。
【０１７４】
材料ＡおよびＢは任意の活性ＰＶ材料とすることができ、２成分系に限定されない。他の実施形態によれば、それぞれの活性層は、３成分系またはより多くの材料を含むこともできる。前述のとおり、これらの材料には、限定はされないが、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、二セレン化銅インジウム（ＣＩＳ）、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、光吸収性染料およびポリマー、光吸収性ナノ粒子がその中に配置されたポリマー、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体など、知られている光吸収性材料が含まれる。実施形態によれば、図３７の材料α−Ａはシリコンを含むことができ、α−Ｂはゲルマニウムを含むことができる。例えば、示された実施形態では、層３７０６ａが純粋なシリコンを含むことができ、層３７０６ｅが純粋なゲルマニウムを含むことができる。約１．１２９ｅＶのバンドギャップを有する純粋なシリコンの層３７０６ａによって、最も高いエネルギーを有する光子を吸収することができる。中間の合金層３７０６ｂ、３７０６ｃおよび３７０６ｄによって、中間のエネルギーを有する光子を吸収することができ、ゲルマニウムの濃度が増大し、シリコンの濃度が低下するにつれて、より低いエネルギーを有する光子がより多く吸収される。約０．６６ｅＶのバンドギャップを有する純粋なゲルマニウムの層３７０６ｅでは、少なくとも０．６６ｅＶの波長を有する赤外光を吸収することができる。より高い１．１２９ｅＶのバンドギャップを有するシリコンをより多く有する層では、より短い波長を有する光を吸収することができる。このシリコンとゲルマニウムの合金の例は単なる例であり、太陽スペクトルをより広範囲にカバーするバンドギャップを有する上に挙げた別の半導体材料を使用することもできる。したがって、離散的なエピタキシャル層および分離幅の広い有限個のバンドギャップだけを有する多接合ＰＶセルとは違い、本明細書に記載した本発明の実施形態は、異なるバンドギャップを有するより多くの層を含めることによって、活性層を、入射光のスペクトルにより柔軟に適合させることができる。したがって、光子のエネルギーと離散材料層のバンドギャップとの間の不適合のために熱として失われるエネルギーを低減させまたは最小化することができる。
【０１７５】
多接合ＰＶセルの設計または構成を、図３７に示したものとは異なるものにすることもできる。例えば、活性層の数および使用する材料を変更することができる。実施形態によれば、図３７のＰＶセルが、１０個以上の合金活性層を備えることができる。他の実施形態によれば、ＰＶセルが、光共振層または光共振空胴を含むことができ、ＰＶセルをインターフェロメトリックに調整することができる。他の変型実施形態も可能である。
【０１７６】
一般に、多種多様な代替構成が可能である。例えば、構成要素（例えば層）を追加し、除去し、または再配置することができる。同様に、処理および方法ステップを追加し、除去し、または順序を入れ替えることができる。本明細書では用語フィルムおよび層を使用したが、本明細書で使用するとき、これらの用語はフィルムスタックおよび多層を含む。このようなフィルムスタックおよび多層は、接着剤を使用して別の構造に接着することができ、または付着または他の方法を使用して他の構造上に形成することができる。同様に、用語活性層は、ｐ型およびｎ型ドープ領域ならびに／あるいは活性領域の真性部分を含むように使用することができる。同様に、他のタイプの材料を使用することもできる。例えば、活性層は半導体を含むことができるが、いくつかの実施形態では、有機材料などの他の材料を使用することもできる。
【０１７７】
本開示のデバイスに対しては数多くの用途が可能である。本開示の光起電力デバイスは例えば、家、ビルディングなどの建築構造物、またはソーラーファーム（ｓｏｌａｒ  ｆａｒｍ）などの独立型の構造物で使用することができる。本開示の太陽デバイスは、自動車、航空機、船舶、宇宙船などの輸送手段に装置することができる。本開示の太陽電池は、限定はされないが、携帯電話、コンピュータ、携帯型商用デバイスを含むエレクトロニクスデバイス上で使用することができる。本開示の太陽電池は、軍事、医療、消費者工業および科学用途で使用することができる。本明細書に具体的に記載した用途以外の用途も可能である。
【０１７８】
当業者なら理解するように、本発明の範囲から逸脱することなくさまざまな修正および変更を加えることもできる。このような修正および変更は、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【０１７９】
３４００  多接合ＰＶデバイス
３４０１  基板
３４０２  電極
３４０３  第１の活性層
３４０４  ダイクロイックフィルタ層
３４０５  第２の活性層
３４０６  ダイクロイックフィルタ層
３４０７  第３の活性層
３４０８  ダイクロイックフィルタ層
３４０９  反射器層
【図１】
2011508430.tif 000003
【図２】
2011508430.tif 000004
【図３】
2011508430.tif 000005
【図４Ａ】
2011508430.tif 000006
【図４Ｂ】
2011508430.tif 000007
【図４Ｃ】
2011508430.tif 000008
【図５Ａ】
2011508430.tif 000009
【図５Ｂ】
2011508430.tif 000010
【図５Ｃ】
2011508430.tif 000011
【図５Ｄ】
2011508430.tif 000012
【図６Ａ】
2011508430.tif 000013
【図６Ｂ】
2011508430.tif 000014
【図６Ｃ】
2011508430.tif 000015
【図６Ｄ】
2011508430.tif 000016
【図７Ａ】
2011508430.tif 000017
【図７Ｂ】
2011508430.tif 000018
【図７Ｃ】
2011508430.tif 000019
【図７Ｄ】
2011508430.tif 000020
【図８Ａ】
2011508430.tif 000021
【図８Ｂ】
2011508430.tif 000022
【図８Ｃ】
2011508430.tif 000023
【図８Ｄ】
2011508430.tif 000024
【図９】
2011508430.tif 000025
【図１０】
2011508430.tif 000026
【図１１Ａ】
2011508430.tif 000027
【図１１Ｂ】
2011508430.tif 000028
【図１１Ｃ】
2011508430.tif 000029
【図１１Ｄ】
2011508430.tif 000030
【図１１Ｅ】
2011508430.tif 000031
【図１１Ｆ】
2011508430.tif 000032
【図１１Ｇ】
2011508430.tif 000033
【図１１Ｈ】
2011508430.tif 000034
【図１１Ｉ】
2011508430.tif 000035
【図１１Ｊ】
2011508430.tif 000036
【図１２】
2011508430.tif 000037
【図１３】
2011508430.tif 000038
【図１４】
2011508430.tif 000039
【図１５Ａ】
2011508430.tif 000040
【図１５Ｂ】
2011508430.tif 000041
【図１５Ｃ】
2011508430.tif 000042
【図１５Ｄ】
2011508430.tif 000043
【図１５Ｅ】
2011508430.tif 000044
【図１５Ｆ】
2011508430.tif 000045
【図１５Ｇ】
2011508430.tif 000046
【図１６Ｂ】
2011508430.tif 000047
【図１６Ｃ】
2011508430.tif 000048
【図１７】
2011508430.tif 000049
【図１８Ａ】
2011508430.tif 000050
【図１８Ｂ】
2011508430.tif 000051
【図１８Ｃ】
2011508430.tif 000052
【図１９Ａ】
2011508430.tif 000053
【図１９Ｂ】
2011508430.tif 000054
【図２０Ａ】
2011508430.tif 000055
【図２０Ｂ】
2011508430.tif 000056
【図２０Ｃ】
2011508430.tif 000057
【図２１】
2011508430.tif 000058
【図２２】
2011508430.tif 000059
【図２３】
2011508430.tif 000060
【図２４】
2011508430.tif 000061
【図２５Ａ】
2011508430.tif 000062
【図２５Ｂ】
2011508430.tif 000063
【図２５Ｃ】
2011508430.tif 000064
【図２６】
2011508430.tif 000065
【図２７】
2011508430.tif 000066
【図２８Ａ】
2011508430.tif 000067
【図２８Ｂ】
2011508430.tif 000068
【図２９Ａ】
2011508430.tif 000069
【図２９Ｂ】
2011508430.tif 000070
【図３０】
2011508430.tif 000071
【図３１】
2011508430.tif 000072
【図３２Ａ】
2011508430.tif 000073
【図３２Ｂ】
2011508430.tif 000074
【図３３】
2011508430.tif 000075
【図３４】
2011508430.tif 000076
【図３５】
2011508430.tif 000077
【図３６】
2011508430.tif 000078
【図３７】
2011508430.tif 000079
【図１６Ａ】
2011508430.tif 000080
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月17日(2010.8.17)
【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】
第１の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第１の活性層と、
第２の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第２の活性層と、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に配置された第１の光学フィルタであって、前記第１の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第２の波長を有する光を前記第１の波長を有する光よりも多く透過させるように構成された第１の光学フィルタと
を備え、
前記第１および第２の活性層が、少なくとも３つの活性層を備えている複数の活性層の中に含まれ、前記複数の活性層のバンドギャップが、約４５０ｎｍから約１７５０ｎｍまでの間の少なくとも約１０００ナノメートルにわたって広がる対応する波長を有している光起電力デバイス。
【請求項２】
前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
前記活性層のうちの少なくとも一つの活性層が半導体材料を備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
前記少なくとも一つの活性層がＰＮ接合またはＰ−Ｉ−Ｎ接合を備えている、請求項３に記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
前記活性層のうちの少なくとも一つの活性層が、シリコン、ゲルマニウム、テルル化カドミウム、二セレン化銅インジウム、二セレン化銅インジウムガリウム、光吸収性染料、光吸収性ポリマー、光吸収性ナノ粒子がその中に配置されたポリマー、またはＩＩＩ−Ｖ族半導体を備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
第３の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第３の活性層を備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記第１の波長が前記第２の波長よりも短く、前記第２の波長が前記第３の波長よりも短い、請求項６に記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
前記第２の活性層と前記第３の活性層の間に配置された第２の光学フィルタであって、前記第２の波長を有する光を前記第３の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第３の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く透過させるように構成された第２の光学フィルタをさらに備えている、請求項７に記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
前記複数の活性層が少なくとも約５つの活性層を備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
前記複数の活性層が少なくとも約８つの活性層を備えている、請求項９に記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
前記複数の活性層が少なくとも約１２個の活性層を備えている、請求項１０に記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
前記複数の活性層のバンドギャップが、ある活性層から次の活性層へと次々に増大する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約２００ｎｍ未満の波長刻みで増大する、請求項１２に記載の光起電力デバイス。
【請求項１４】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約１００ｎｍ未満の波長刻みで増大する、請求項１３に記載の光起電力デバイス。
【請求項１５】
前記複数の活性層のバンドギャップが、約５０ｎｍ未満の波長刻みで増大する、請求項１４に記載の光起電力デバイス。
【請求項１６】
前記複数の活性層が、共に合金化された第１の材料と第２の材料とを備えている少なくとも３つの合金活性層を備えており、前記第１の材料と前記第２の材料が異なるバンドギャップを有している、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１７】
前記少なくとも３つの合金活性層が、共に合金化された前記第１の材料と前記第２の材料とを備えている６つ以上の合金活性層を備えた、請求項１６に記載の光起電力デバイス。
【請求項１８】
前記少なくとも３つの合金活性層が、共に合金化された前記第１の材料と前記第２の材料とを備えている１０以上の合金活性層を備えた、請求項１７に記載の光起電力デバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも３つの合金活性層が、前記第１の材料と前記第２の材料の異なる比を備えている、請求項１６に記載の光起電力デバイス。
【請求項２０】
ある合金活性層から次の合金活性層へと前記第１の材料の濃度が次第に低下し、前記第２の材料の濃度が次第に増大するように、前記少なくとも３つの合金活性層が配置された、請求項１９に記載の光起電力デバイス。
【請求項２１】
前記第１の材料がシリコンを備えており、前記第２の材料がゲルマニウムを備えている、請求項１６に記載の光起電力デバイス。
【請求項２２】
前記第１の光学フィルタが干渉フィルタを備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２３】
前記第１の光学フィルタが約２から約１００のフィルムを備えている、請求項２２に記載の光起電力デバイス。
【請求項２４】
前記第１の光学フィルタが４分の１波長スタックを備えている、請求項２３に記載の光起電力デバイス。
【請求項２５】
前記第１の活性層に電気的に接続された光透過性電極をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２６】
前記第１および第２の活性層ならびに前記第１の光学フィルタを透過した光を反射させるために前記第１および第２の活性層の下に配置された反射器層をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２７】
前記第１の活性層と前記第１の光学フィルタの間に第１の光共振空胴をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２８】
前記第１の光共振空胴が存在することにより、前記第１の活性層によって吸収される前記第１の波長を有する光の量が増大した、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項２９】
前記第１の光共振空胴が存在することにより、前記第１の活性層内の前記第１の波長を有する光の平均電界強度が増大した、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３０】
太陽スペクトル中の波長に対する全体の吸収効率を有しており、太陽スペクトル中の前記波長にわたって積分した前記吸収効率が、前記第１の光共振空胴が存在することにより向上した、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３１】
前記第１の光共振空胴が存在することにより、太陽スペクトル全体にわたって積分した前記第１の活性層の吸収光パワーの増大が、太陽スペクトル全体にわたって積分した前記光起電力デバイス内の他のどの層の吸収光パワーの増大よりも大きくなる、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３２】
前記第１の光共振空胴が誘電体を備えている、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３３】
前記第１の光共振空胴が非導電性酸化物を備えている、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３４】
前記第１の光共振空胴が空気ギャップを備えている、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３５】
前記第１の光共振空胴の厚さは、前記第１の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項２７に記載の光起電力デバイス。
【請求項３６】
前記第１の活性層と前記第２の活性層のうちの少なくとも一方の活性層の厚さは、前記第１の活性層または前記第２の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項３５に記載の光起電力デバイス。
【請求項３７】
前記第１の光共振空胴ならびに前記第１および第２の活性層の厚さは、前記第１および第２の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項３５に記載の光起電力デバイス。
【請求項３８】
前記第１の光学フィルタの厚さは、前記第１の活性層における光吸収が増大するように最適化された、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３９】
前記第２の活性層と前記第２の光学フィルタの間に第２の光共振空胴をさらに備えている、請求項８に記載の光起電力デバイス。
【請求項４０】
前記第２の光共振空胴が存在することにより、前記第２の活性層によって吸収される前記第２の波長を有する光の量が、前記第２の活性層によって吸収される前記第１の波長の光の量よりも多く増大した、請求項３９に記載の光起電力デバイス。
【請求項４１】
前記第１の活性層を覆って配置された反射防止層をさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４２】
前記活性層のうちの少なくとも１つの活性層に電気的に接続された少なくとも１つのバイアをさらに備えている、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４３】
第１の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成する第１の手段と、
第２の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成する第２の手段と、
前記第１の電気信号生成手段と前記第２の電気信号生成手段との間に配置された光をフィルタリングする第１の手段であって、前記第１の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第２の波長を有する光を前記第１の波長を有する光よりも多く透過させるように構成された第１の光フィルタリング手段と
を備え、
前記第１および第２の電気信号生成手段が、光を吸収した結果として電気信号を生成する少なくとも３つの電気信号生成手段を備えた電気信号を生成する複数の手段の中に含まれ、前記複数の電気信号生成手段のバンドギャップが、約４５０ｎｍから約１７５０ｎｍまでの間の少なくとも約１０００ナノメートルにわたって広がる対応する波長を有している光起電力デバイス。
【請求項４４】
前記活性層のうちの少なくとも１つの活性層に電気的に接続された少なくとも１つのバイアをさらに備えている、請求項４３に記載の光起電力デバイス。
【請求項４５】
前記第１の電気信号生成手段が第１の活性層を備えている、請求項４３に記載の光起電力デバイス。
【請求項４６】
前記第２の電気信号生成手段が第２の活性層を備えている、請求項４３に記載の光起電力デバイス。
【請求項４７】
前記第１の光フィルタリング手段が第１の光学フィルタを備えている、請求項４３に記載の光起電力デバイス。
【請求項４８】
光起電力デバイスを製造する方法であって、
第１の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第１の活性層を提供するステップと、
第２の波長を有する光を吸収した結果として電気信号を生成するように構成された第２の活性層を提供するステップと、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に第１の光学フィルタを配置するステップであって、前記第１の光学フィルタが、前記第１の波長を有する光を前記第２の波長を有する光よりも多く反射させ、前記第２の波長を有する光を前記第１の波長を有する光よりも多く透過させるように構成されたステップと、
前記第１および第２の活性層が、少なくとも３つの活性層を備えている複数の活性層の中に含まれ、前記複数の活性層のバンドギャップが、約４５０ｎｍから約１７５０ｎｍまでの間の少なくとも約１０００ナノメートルにわたって広がる対応する波長を有している方法。
【国際調査報告】
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