(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的に非偏光である光を受け、前記少なくとも部分的に非偏光である光を右円偏光および左円偏光に空間的に分離し、第１光路に沿って右円偏光を出力し、第２光路に沿って左円偏光を出力するように配置された円偏光スプリッタと、
前記第１光路上に配置され、右円偏光を透過させ、左円偏光を反射させるように配置される第１円偏光子と、
前記第２光路上に配置され、左円偏光を透過させ、右円偏光を反射させるように配置される第２円偏光子と、を備え、
前記第１円偏光子および前記第２円偏光子の少なくとも一つは、光メタマテリアルを備え、前記光メタマテリアルは、前記少なくとも部分的に非偏光である光の波長を超えない寸法を有する周期要素を備え、
前記周期要素は、前記少なくとも部分的に非偏光である光の伝搬軸周りに螺旋配置となるよう配向された細長いマテリアル素子のアレイを備え、前記マテリアル素子は、金属を含むことを特徴とする光ダイオード。
【請求項２】
前記アレイは、二次元アレイであることを特徴とする請求項１に記載の光ダイオード。
【請求項３】
前記マテリアル素子は、プラズモニックであることを特徴とする請求項１または２に記載の光ダイオード。
【請求項４】
前記マテリアル素子は、負の誘電率を有する材料を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項５】
前記マテリアル素子は、金、銀およびアルミナを備える群から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項６】
前記マテリアル素子は、前記少なくとも部分的に非偏光である光の波長にて共鳴するように配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項７】
各マテリアル素子は、前記少なくとも部分的に非偏光な光の波長を超えない第１寸法を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項８】
前記第１寸法は、１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）の間であることを特徴とする請求項７に記載の光ダイオード。
【請求項９】
前記第１寸法は、１ｎｍから１００ｎｍの間であることを特徴とする請求項８に記載の光ダイオード。
【請求項１０】
隣接するマテリアル素子の間隔は、１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）の間であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項１１】
隣接するマテリアル素子の間隔は、１ｎｍから１００ｎｍの間であることを特徴とする請求項１０に記載の光ダイオード。
【請求項１２】
前記マテリアル素子は、ホスト媒体に保持されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項１３】
少なくとも一つのマテリアル素子は、前記ホスト媒体に少なくとも部分的に囲われることを特徴とする請求項１２に記載の光ダイオード。
【請求項１４】
少なくとも一つのマテリアル素子は、前記ホスト媒体の表面に位置することを特徴とする請求項１２または１３に記載の光ダイオード。
【請求項１５】
少なくとも一つのマテリアル素子は、前記ホスト媒体に少なくとも部分的に埋め込まれることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項１６】
前記ホスト媒体は、誘電体であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項１７】
前記光メタマテリアルは、実質的に平面であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項１８】
前記光ダイオードは、パッシブであることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項１９】
前記第１光路は、前記第２光路と実質的に平行であることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の光ダイオード。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の光ダイオードと、
前記第１光路上および前記第２光路上の光を受けるように配置された光起電力材料と、
前記光起電力材料を透過した光を受け、その光を前記光ダイオードに向け直すように配置された反射素子と、を備えることを特徴とする光起電力装置。
【請求項２１】
前記光起電力材料は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、炭化シリコン、テルル化カドミウム、セレン化／硫化・銅・インジウム・ガリウムを備える群から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項２０に記載の光起電力装置。
【請求項２２】
前記反射素子は、円筒状であり、前記光起電力材料および前記光ダイオードは、前記反射素子の周りに円筒状層として配置されることを特徴とする請求項２１に記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光ダイオードおよび光起電力装置に関する。本開示は、メタマテリアルにも関連し、特に光マテリアルに関する。本開示は、液晶にも関連し、特にコレステリック液晶に関する。実施の形態は、円偏光子および円偏光スプリッタに関する。本開示のさらなる実施の形態は、光起電力装置の効率を高めるためのメタマテリアルの要素あるいは層、又は、メタマテリアル層の組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
世界的な光起電力（ＰＶ）エネルギーの発電容量は、２００７年から２０１０年の間に５倍の３５ギガワットに成長し、その容量の７５％がヨーロッパで利用可能である。今日のＰＶ技術の大部分は、結晶シリコン（Ｓｉ）ウェハをベースとしており、主に有機ＰＶが遠い将来の選択肢と考えられている。シリコンは、太陽光を可視光域の大半（３５０−６００ｎｍ）にて効率的に吸収するが、６００−１１００ｎｍでは不十分である。この低い吸収性を補償するため、大半のＰＶセルは、２００−３００ｎｍの厚さのＳｉウェハを有し、典型的に「光学的に厚い」吸収体と称される。また、入射光を広い角度範囲にわたって散乱させるためのピラミッド型の表面テクスチャが典型的に用いられ、これにより、光セルの有効経路長が延びる。
【０００３】
しかしながら、このような手法は、より多くの材料および処理を必要とするため、ＰＶセルの基準原価に著しい影響をもたらす。さらに、厚い太陽電池のため、光キャリアの拡散長は相対的に短く、半導体接合部から離れた位置で生じる電荷キャリアは効果的に収集されない。これは、エネルギー生成においてＰＶ技術が従来の化石燃料技術に置き換わることを阻害している。この二つの少なくとも一つによりＰＶセルのコストを低下させうるいかなる技術的発展も業界での直接的な革命となるであろう。このような開発は、太陽電池の吸収効率を増大させ、光キャリア電流の収集に沿ってほぼ完全な光吸収を生じさせることで達成されうる。
【０００４】
効率向上のため、プラズモニクスを利用したいくつかの技術が今のところ調査されており、１−２マイクロメートル（μｍ）の厚さの薄膜太陽電池を作ることを目標としている。例えば、２０−１００ｎｍの直径の金属ナノ粒子を半導体材料にドープすることにより、粒子が入射太陽放射に対するサブ波長の散乱素子または近接場結合体として作用でき、有効散乱断面積を増大させる。
【０００５】
別の方法は、金属と誘電体の界面に沿って伝搬する電磁波である表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）に入射太陽放射を結合させることを含む。このＳＰＰ結合は、例えば、太陽電池の金属裏面に波型をつけることにより実現できる。これらのケースの全てにおいて、残存する主要なチャレンジの一つは、金属中のプラズモン損失よりも半導体材料中の吸収が高いことを必要とすることである。しかし、これら損失は、８００ｎｍを超える太陽光波長において顕著となる。
【０００６】
低損失材料の吸収効率を高めることで、より少ない量の吸収材料を用いることができるだけでなく、その材料がより低品質の材料であってもよいという二重の優位性が得られ、その結果、その双方において装置の全体的なコストを低下させることは強調されるべきである。
【０００７】
本開示のいくつかの実施の形態は、メタマテリアルおよびメタマテリアルベースの構成を用いてこれら課題に対処することに関する。
【０００８】
メタマテリアルは、人工的に作られた材料であり、負の屈折率や電磁気クローキングといった自然には生じない電磁気的特性を実現する。メタマテリアルの理論的特性は１９６０年代に最初に記述されているが、ここ１５年間にこのような材料の設計、開発、製造において著しい発展があった。メタマテリアルは、典型的に多くの単位セル、つまり、多数の個別素子（たまに「メタアトム」とも称される）で構成され、そのそれぞれは動作波長よりも小さいサイズを有する。これら単位セルは、金属や誘電体といった従来の材料から微視的に作られる。しかしながら、これらの正確な形状、配置、サイズ、向き、配列は、共鳴を形成したり、誘電率や透磁率が特異値となったりするなどの従来とは異なる態様で微視的に光に影響を及ぼしうる。
【０００９】
利用可能なメタマテリアルのいくつかの例は、負屈折率メタマテリアル、キラル・メタマテリアル、プラズモニック・メタマテリアル、光メタマテリアル等である。これらのサブ波長の特性に起因して、マイクロ波周波数で動作するメタマテリアルは典型的に数ミリメートルの単位セルサイズを有するが、スペクトルの可視部分で動作するメタマテリアルは典型的に数ナノメートルの単位セルサイズを有する。また、いくつかのメタマテリアルは、固有の共鳴性を有し、言い換えれば、周波数の特定の狭い範囲で光を強く吸収しうる。
【００１０】
従来の材料において、透磁率や誘電率といった電磁気的特性は、その材料を作り上げる原子または分子の通過電磁波に対する応答から生じる。メタマテリアルの場合、これら電磁気的特性は、原子または分子レベルでは決定されない。その代わりに、これら特性はメタマテリアルを作り上げる小さな物体の集まりの選択および構成によって決まる。このような物体の集まりやこれらの構造が従来の材料のように原子レベルに「見える」ことがなくても、メタマテリアルは、あたかも電磁波が従来の材料を通過しているように電磁波が通過することとなるように設計できる。さらに、メタマテリアルの特性は、このような小さな（ナノスケールの）物体の組成および構造から決定できるため、誘電率や透磁率といったメタマテリアルの電磁気的特性を非常に小さなスケールで正確に調整できる。
【００１１】
メタマテリアルの具体的な一つのサブフィールドは、プラズモニック材料であり、金属表面における光周波数での電荷の振動をサポートする。例えば、銀や金といった金属は、自然にこれら振動を示し、この周波数域で負の誘電率に至り、ナノスケールの解像度を持つ顕微鏡、ナノレンズ、ナノアンテナ、クローキング被膜といった新規な装置を生み出すことに利用できる。
【発明の概要】
【００１２】
本開示の態様は、添付の独立請求項に規定される。
【００１３】
本開示は、円偏光により実現される効果を用いる光ダイオードの設計を詳述する。より具体的に、本開示は、メタマテリアルおよび液晶に関し、特に、コレステリック液晶に関する。とりわけ、本開示の実施の形態は、層として形成されることができ、性能向上のために、光起電力装置といった従来の装置にそのまま組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本開示の実施の形態は、添付の図面を参照して説明される。
【図１】本開示に係る光ダイオードおよび光起電力装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る光ダイオードを含む平面型光起電力装置を概略的に示す図である。
【図３】右円偏光が入射するときの平面型光起電力装置内の電磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図２の構造について、本開示に係る光ダイオードの有無を比較した消散電力のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】実施の形態に係る円筒状の光起電力装置を示す図である。
【００１５】
図面において、同じ参照符号は同じ部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示の実施の形態は、光放射を用いて実現される効果に関する。「光学的（optical）」および「光（light）」の用語は、本明細書において、可視光、近赤外光および中赤外光を称するものとして用いられる。つまり、３５０ｎｍから８μｍの範囲の電磁界放射である。
【００１７】
実施の形態は、光起電力装置にも関連するが、以下の詳細な記載から、本開示の光ダイオードがあらゆる種類の用途に適用されうることが理解されよう。この用途の中でも、光の一方向透過、および／または、一方向反射は、有益である。
【００１８】
実施の形態は、メタマテリアルまたは液晶にも関連するが、以下の詳細な記載から、本開示の光ダイオードが、説明される機能を有し、商業的に利用可能な偏光子や偏光ビームスプリッタといった他の非メタマテリアル要素または液晶要素から形成されうることが理解されよう。
【００１９】
概要として、一方の円偏光に対して透過性であり、他方の円偏光に対して反射性である光ダイオードが提供される。つまり、光ダイオードは、一方の円偏光を透過し、他方の円偏光を反射させる。実施の形態は、反射時に円偏光の偏光が反転するという現象を活用する。言い換えれば、反射は、例えば、右円偏光が左円偏光になることを生じさせる。好ましい実施の形態は、光の不可逆透過を可能にするメタマテリアル構造の利用により、光起電力材料における増強された光吸収を実現する。さらに好ましい実施の形態では、メタマテリアル構造がコレステリック液晶（ＣＬＣ）から形成される。
【００２０】
ＣＬＣは、所定方向に沿って間隔を空けて螺旋状かつ周期的な構造を形成する液晶分子からなる。ＣＬＣの螺旋ピッチは、ある周波数域の範囲内で軸に沿って伝搬する円偏光を反射させるために調整可能であり、典型的には数百ナノメートルのオーダである。ＣＬＣのこの興味深い特性は、調整可能な光ダイオードの製造に利用できる。本発明者らは、大幅な向上を実現するために、このコンセプトを利用している。
【００２１】
図１は、本開示に係る光ダイオードを備える装置を示す。
【００２２】
さらに詳述すると、図１は、反射防止膜１０１、本開示に係る光ダイオード１０３、および、光起電力装置１０５の要素が共通する光軸上に順番に並べられた配置を示す。光ダイオード１０３は、反射防止膜１０１に位置合わせされた入力を有する円偏光スプリッタ１０７を備える。光ダイオード１０３は、さらに、円偏光スプリッタ１０７の第１出力に位置合わせされた右円偏光子１０９と、円偏光スプリッタ１０７の第２出力に位置合わせされた左円偏光子１１１とを備える。光起電力装置１０５は、右円偏光子１０９の出力および左円偏光子１１１の出力に位置合わせされた光起電力材料または吸収材料１１３を備える。この太陽電池は、さらに、光起電力材料１１３の出力に位置合わせされた反射体１１５を備える。反射体１１５は、全ての偏光を反射する。
【００２３】
動作時に、反射防止膜１０１は、非偏光（例えば、太陽光）などの第１の光１５１を受けるように配置される。反射防止膜１０１は、第２の光１５３を出力する。
【００２４】
光ダイオード１０３は、一つの入力と二つの出力を有する。光ダイオードの入力は、第２の光１５３を受けるように位置する。より具体的には、光ダイオード１０３の円偏光スプリッタが第２の光１５３を受ける。円偏光スプリッタ１０７は、第２の光１５３を右円偏光（ＲＣＰ光）１５５と左円偏光（ＬＣＰ光）１５７に空間的に分離する。より具体的には、円偏光スプリッタ１０７は、ＲＣＰ光１５５を第１光路上に出力し、ＬＣＰ光１５７を第２光路上に出力する。
【００２５】
ＲＣＰ光１５５は、右円偏光子１０９に受光される。右円偏光子１０９は、右円偏光を透過し、左円偏光を反射させるように配置される。右円偏光子１０９は、したがって、光ダイオード１０３の第１出力を形成する第２ＲＣＰ光１５９を透過させる。
【００２６】
ＬＣＰ光１５７は、左円偏光子１１１に受光される。左円偏光子１１１は、左円偏光を透過し、右円偏光を反射するように配置される。左円偏光子１１１は、したがって、光ダイオード１０３の第２出力を形成する第２ＬＣＰ光１６１を透過させる。
【００２７】
第２ＲＣＰ光１５９および第２ＬＣＰ光１６１は、光起電力装置１０５の光活性要素である光起電力材料１１３により受光される。光起電力材料１１３により吸収されない光の全て、つまり、第３ＲＣＰ光１６３および第３ＬＣＰ光１６５は、反射体１１５にて第１の反射を受ける。第１の反射は、光を光起電力材料１１３に戻す。光が光起電力材料１１３を２度目に通過する際に、さらなる吸収が生じうる。しかしながら、２度目の通過により全ての光が光起電力材料１１３に吸収されるわけではない。この場合、その光は、光起電力材料１１３を通過して、再び光ダイオード１０３に到達する。
【００２８】
これら要素は、反射体１１５（第１の反射）により反射され、２度目の通過後に光起電力材料１１３に吸収されない第２ＲＣＰ光１５９の全てが右円偏光子１０９に受光されるよう光学的に配置される。同様に、これら要素は、反射体１１５により反射され、２度目の通過後に光起電力材料１１３に吸収されない第２ＬＣＰ光１６１の全てが左円偏光子１１に受光されるよう光学的に配置される。
【００２９】
特に、円偏光の偏光の向きは、通常の反射により反転される。したがって、第３ＲＣＰ光１６３は、第１の反射後に左円偏光になる。したがって、光起電力材料１１３を再び通過するこの光の全ては、右円偏光子１０９により反射される（つまり、第２の反射を受ける）。右円偏光子１０９が左円偏光を反射させるからである。したがって、ＲＣＰ光１５９の一部は、光起電力材料１１３の３度目の通過をする。事実上、ＲＣＰ光１５９の一部は、反射体１１５での第３の反射後に、光起電力材料１１３の４度目の通過をしうることが理解されよう。
【００３０】
同様に、第３ＬＣＰ光１６５は、第１の反射後に右円偏光になる。したがって、光起電力材料を再び通過するこの光の全ては、左円偏光子１１１により反射される（つまり、第２の反射を受ける）。左円偏光子１１１が右円偏光を反射させるからである。したがって、ＬＣＰ光１６１の一部は、光起電力材料１１３の３度目の通過をする。事実上、ＬＣＰ光１６１の一部は、反射体１１５での第３の反射後に、光起電力材料１１３の４度目の通過をしうることが理解されよう。
【００３１】
したがって、ある光ダイオードが提供される。この光ダイオードは、少なくとも部分的に非偏光である光を受け、第１光路に沿って右円偏光を出力し、第２光路に沿って左円偏光を出力するように配置された円偏光スプリッタと；第１光路上に配置され、右円偏光を透過させ、左円偏光を反射させるように配置される第１円偏光子と；第２光路上に配置され、左円偏光を透過させ、右円偏光を反射させるように配置される第２円偏光子と；を備える。
【００３２】
したがって、この光ダイオードは、システムから漏れ出しうる光の方向を変えて、光起電力材料に戻すように機能することが理解できるであろう。よって、より多くの第１の光１５１が光起電力材料により電流に変換され、その結果、電圧に変換される。これを別の見方をすると、いくつかの光が光起電力材料の３度目および４度目の通過をするため、光起電力材料の有効経路長が増加する。したがって、光起電力装置の効率が増加されうる。
【００３３】
まとめとして、ＬＣＰ波は、装置の入射口に入射する。この波動は、例えば、６００ｎｍにて方向に沿って伝搬しうる。光ダイオードが左円偏光を透過させる場合、この波動は、この装置をほぼ完全に透過し、その出口にて同じ偏光の向き（つまり、ＬＣＰ波）を示す。光ダイオードの通過後の光起電力材料の吸収強度に依存して透過強度の一部が吸収されるが、その残りは、装置の終端の反射体に反射する。反射体は、波動の偏光の向きを反転させ、反対方向に伝搬するＲＣＰ波を生成する。さらに、反射された波動の大部分は、光ダイオードに向けて伝搬するにつれて、光起電力材料に吸収される。しかしながら、ＲＣＰ波は、このとき光ダイオードを反射体とみなし、その強度の大部分は光起電力材料に戻るように反射される。
【００３４】
図２において、実施の形態に係る装置のさらなる概略が示される。太陽電池材料（吸収体領域）２１３は、反射体２１５および光ダイオード２０３の間に挟まれる。この例ではメタマテリアル層、例えば、コレステリック液晶で構成され、そのピッチが特定の波長域を遮断するように調整される。
【００３５】
上述の内容から、反射防止膜が選択的であることが理解されよう。別の実施の形態において、入射する非偏光は、光ダイオード１０３，２０３に直接入射する。
【００３６】
実施の形態において、偏光子は、メタマテリアルまたは液晶配置といった材料を備える。この材料は、通常の反射と異なり、反射時に偏光の向きを反転させない。これら実施の形態において、システムがリニアかつパッシブであるため、ＲＣＰ波は、作用的理由のため、光ダイオードからの反射後に再びその偏光の向きを維持しなければならない。この２回目の吸収後、残存エネルギーの大部分が装置から出ていく。これは、本開示に係る光ダイオードを持たない自由空間に存在する装置と比べて、吸収されるエネルギーを大幅に増加させる。
【００３７】
ある実施の形態において、偏光子および／または偏光スプリッタは、メタマテリアルから形成される。つまり、実施の形態において、円偏光スプリッタ、第１円偏光子および第２円偏光子の少なくとも一つが光メタマテリアルを備える。ここで、光メタマテリアルは、少なくとも部分的に非偏光である光の波長を超えない寸法の周期要素を備える。
【００３８】
ある実施の形態において、周期要素は、マテリアル素子のアレイを備える。さらなる実施の形態において、アレイは二次元である。マテリアル素子のサイズ、および／または、マテリアル素子の間隔は、選択的にサブ波長であってよい。つまり、ある実施の形態において、各マテリアル素子は、少なくとも部分的に非偏光である光の波長を超えない第１寸法を有する。ある実施の形態において、第１寸法は１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）の間であり、選択的に１ｎｍから１００ｎｍの間であってよい。ある実施の形態において、隣接するマテリアル素子の間隔は１ナノメートル（ｎｍ）から８マイクロメートル（μｍ）であり、選択的に１ｎｍから１００ｎｍの間であってよい。
【００３９】
ある実施の形態において、マテリアル素子はホスト媒体に保持される。少なくとも一つのマテリアル素子は、例えば、少なくとも部分的にホスト媒体に囲われてもよく；ホスト媒体の表面に位置してもよく；および／または、少なくとも部分的にホスト媒体に埋め込まれてもよい。ある実施の形態において、ホスト媒体は、シリコンや二酸化シリコンといった誘電体である。
【００４０】
ある実施の形態において、マテリアル素子は、プラズモニックである。つまり、ある実施の形態において、マテリアル素子は、負の誘電率を有する材料を備える。ある実施の形態において、マテリアル素子は、少なくとも部分的に非偏光である光の波長にて共鳴するように配置される。
【００４１】
ある実施の形態において、マテリアル素子は、金属であり、選択的に金、銀およびアルミナを備える群から選択される少なくとも一つであってよい。
【００４２】
ある実施の形態において、円偏光子は、銀でできたマテリアル素子の平面型二次元アレイを備える。マテリアル素子は、ロッドであり、２０ｎｍの幅、１００ｎｍの長さ、１０ｎｍの厚さを有し、隣接する素子が５０ｎｍの間隔である。
【００４３】
しかしながら、本明細書に記載される効果を提供するために、他のサイズおよび材料が用いられてもよいことは、当業者であれば理解されよう。例えば、マテリアル素子は、光の周波数における任意のプラズモニック材料であってよく、１−５００ｎｍのサイズを有してよい。隣接するマテリアル素子は、５−５００ｎｍの間隔であってよい。マテリアル素子は、楕円体、直方体、平行六面体、または、これらの組み合わせであってよい。
【００４４】
ある実施の形態において、対応する左円偏光子は、同じマテリアル素子から形成されてもよいが、回転している。
【００４５】
さらなる実施の形態において、マテリアル素子は、細長く、かつ、配向されており、または、光学効果を提供するために互いに「調整（"pitched"）」されている。ある実施の形態において、コレステリック液晶、または、螺旋配置にそれぞれが配向された細長のマテリアル素子のアレイを備える。つまり、細長のマテリアル素子は、入射光の伝搬軸周りに回転している。
【００４６】
各マテリアル素子の配向の向きは、偏光子の偏光の向きを決定する。例えば、左右の円偏光子を形成するために同じマテリアル素子を用いてもよいが、細長の素子の回転の向きが異なるであろう。例えば、マテリアル素子は、それぞれ、左回りの螺旋または右回りの螺旋を形成するように配置されうる。
【００４７】
ある実施の形態において、光ダイオードは、コレステリック液晶（ＣＬＣ）を備える。ある実施の形態において、ＣＬＣは、１．８μｍの厚さ（光の伝搬方向の長さ）であり、ピッチｐ１＝３１５ｎｍの左回り螺旋を有する。ＣＬＣは、常光屈折率ｎ１ｏ＝１．５０であり、異常光屈折率ｎ１ｅ＝１．７５である。ＣＬＣ層は、ｘｙ平面内に光軸（局所的な配向方向、ローカルディレクタ）を有するように仮定されうるが、その向きは、結晶の長さに沿った位置に依存する。実験座標系における単軸局所テンソルは、以下のように記述できる。
【数１】
0006710633.tif 000002
【００４８】
ここで、
【数２】
0006710633.tif 000003
【数３】
0006710633.tif 000004
【数４】
0006710633.tif 000005
であり、ｚ０は、結晶の開始端の位置である。この実施の形態において、光ダイオードの全体の厚さ（光の伝搬方向の長さ）は１．８μｍであり、この領域のｚ軸（光の伝搬方向）と一致している。図３は、入射する放射が右円偏光の場合の図２に示す平面型装置のシミュレーション結果を示す。より具体的に、図３は本開示に係る光起電力材料４１３および単一反射型偏光子４１０の内部の電磁界分布を示す。入射波長は自由空間において５００ｎｍであり、吸収材料は比誘電率ε＝３×（１−ｊｔａｎδ）、ｔａｎδ＝０．０１にてモデル化されている。円偏光子は、コレステリック液晶で構成される。この例では、波長と比べてｘｙ方向（伝搬方向と直交）に極めて大きい構造と仮定している。シミュレーション領域は、入射波の見た目をよくするため、１μｍの長さの空気区間を含む。吸収層は、比誘電率がε・（１−ｊｔａｎδ）に等しい１μｍの厚さの材料である。ここで、損失係数ｔａｎδは、異なる吸収強度を持つ材料をシミュレーションするために異なることができる。
【００４９】
ある実施の形態において、コレステリック液晶は、１μｍから１ｍｍのサイズ、および、１００ｎｍから８μｍのピッチを有するヒドロキシプロピルセルロースまたはコレステリルベンゾエートで作られる。
【００５０】
別の実施の形態において、メタマテリアル偏光子は、コレステリック液晶およびネマチック液晶の混合物を備える。ある好ましい実施の形態において、この混合物は、コレステリックが７０−９０％、選択的に８０％であってよく、対応して、ネマチックが３０−１０％、選択的に２０％であってよい。
【００５１】
発明者らは、光ダイオードを持たない自由空間に配置される装置と比べて、本開示に係る光ダイオードが吸収エネルギーを顕著に増大させることを見出した。いくつかの例示的な結果は、図３および図４に示される。図示されるように、非常に損失の大きい材料を除いて、光ダイオードの導入は、材料に吸収されるエネルギー量を倍増させる。このスキームは、広帯域であり、したがって、既存の光起電力装置、特に、電磁波スペクトルの大部分にわたる低い吸収性に悩まされる半導体太陽電池に適している。
【００５２】
他の実施の形態において、光ダイオードは、複数のメタマテリアル層を備える。実施の形態において、光ダイオードは、複数の光起電力層または吸収層で構成され、選択的に多くの異なる材料を備えうるより複雑なシステムに適用される。このようなケースにおいて、本開示に係る光ダイオードは、既存の光起電力配置の直後に配置されるとき、吸収効率を増強させる。
【００５３】
ある実施の形態において、光ダイオードはコレステリック液晶の多重層を備えるメタマテリアルを備える。好ましくは、光メタマテリアルは実質的に平面である。したがって、層状の装置を形成することができ、製造に層形成技術を用いることができる。さらに好ましくは、平面型光ダイオードを既存の光起電力装置にただちに結合できる。特に、ある実施の形態において、光ダイオードはパッシブである。つまり、外部の電源や制御系を必要としない。
【００５４】
好ましい実施の形態では、第１光路は、第２光路と実質的に平行であってよい。
【００５５】
図１は、二つの円偏光子を備える実施の形態を示す。しかしながら、当業者であれば、円偏光の効率を増加させるために光ダイオードが同様に適することが理解されよう。つまり、ある実施の形態において、光ダイオードは一種類の円偏光のみに対して動作する。
【００５６】
したがって、ある光ダイオードが提供される。この光ダイオードは、少なくとも部分的に非偏光である光を受け、第１光路に沿って右円偏光を出力し、第２光路に沿って左円偏光を出力するように配置された円偏光スプリッタと；第１光路上に配置され、一方の向きの円偏光を透過させ、他方の向きの円偏光を反射させるように配置される円偏光子と；を備える。
【００５７】
しかしながら、図１に示されるような有利な実施の形態において、入射光の偏光と独立した増強を提供するために、第２光ダイオード（しかし、第１光ダイオードと比べて反転した配置を持つ）が既存のものに隣接して（入射光の伝搬方向に対して横方向に）配置されるべきである。入射する非偏光は、各ダイオードに到達する前にサイクロイド回折波長板（ＣＤＷ）などの装置を用いて最初に左右の円偏光に分割できる。つまり、ある実施の形態において、円偏光スプリッタはサイクロイド回折波長板から形成される。しかしながら、当業者であれば、他の円偏光スプリッタが同様に適することが理解されよう。この装置は、コレステリック液晶で作ることもでき、非偏光を反対の円偏光の二つのビームに分割する能力を有し、ＣＤＷの後の異なる位置に出力することもできる。この原理は、双方の偏光について、したがって、非偏光についても、吸収効率を高める。 
【００５８】
実施の形態において、ＣＤＷは、光の伝搬方向に直交する平面に沿って回転する液晶分子を備える。つまり、液晶分子の光軸は、マテリアル素子層の面内で回転する。ある実施の形態において、液晶分子は、アゾベンゼンやシンナマートといった液晶材料の楕円体分子を備える。層の厚さは、典型的に１０ｎｍから１０μｍの間であり、たいていの場合、配向パターンの空間的な周期よりも小さい。実施の形態において、ＣＤＷは、フォトグラフィック・フォトアライメントなどの技術を用いて作られる。
【００５９】
本開示に係る光ダイオードは、光起電力装置にただちに組み込むことができ、既存の光起電力装置に据え付けることができる。したがって、ある光起電力装置が提供されることが理解されよう。この光起電力装置は、本開示に係る光ダイオードと；第１光路上および第２光路上の光を受けるように配置された光起電力材料と；吸収素子を透過した光を受け、その光を光ダイオードに向け直すように配置された反射素子と；を備える。
【００６０】
当業者であれば、いかなる光起電力要素が本開示に適することが理解されよう。例えば、ある実施の形態において、光起電力要素は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、炭化シリコンを備える群から選択される少なくとも一つにより形成される。他の実施の形態において、光起電力要素は、テルル化カドミウム、または、セレン化／硫化・銅・インジウム・ガリウムである。本開示から、他の半導体が同様に適することが理解されよう。
【００６１】
図５は、光起電力装置が円筒状に配置された実施の形態を示す。
【００６２】
図５の装置は、方位対称性を有し、図２の一次元装置をその端部（反射体が位置する左端の点）を中心に３６０度回転させることで形成されうる。中心へ向けて伝搬すると、円偏光の円筒波は、装置表面に向けて垂直に向かうことができ、言い換えれば、作用面にて以下の式で記述される。
【数５】
0006710633.tif 000006
【００６３】
ここで、
【数６】
0006710633.tif 000007
は、装置の外側面に正接する単位ベクトルであり、
【数７】
0006710633.tif 000008
は、ｘｙ平面に直交し、紙面から外へ向かう。
【００６４】
この場合の結晶配向（ディレクタ）は、実験系のθ平面内に位置する。各ＣＬＣ層の誘電率テンソルは、二回の回転を加えた後に実験系内で計算される。第１は、角度φ（ｒ）＝２π（ｒ−ｒ０）／ｐによるダイオードの径方向の長さに沿った回転である。各ダイオードの長さは、ここではｚ方向ではなくｒ方向に沿って測定される。第２の回転は、ｘｙ平面内で角度θ＝ｔａｎ−１（ｙ／ｘ）により生じる。したがって、ＣＬＣの誘電率テンソルの式は、以下に与えられる。
【数８】
0006710633.tif 000009
【００６５】
装置は、ｚ方向に沿って任意に延ばすことができ、または、同様であるがダイオード／偏光子が反対回りとなる装置を交互に設けて反対の偏光波が吸収されるようにできる。このダイオード対は、（図１に示されるような）適切な円偏光スプリッタと結合させることで、全ての入射偏光を吸収できる。
【００６６】
したがって、ある実施の形態において、反射素子が円筒状であり、光起電力材料および光ダイオードが反射素子の周りに円筒状層として配置されることが理解されよう。
【００６７】
ある実施の形態において、光起電力装置は、太陽電池である。
【００６８】
本開示に係る光ダイオード、メタマテリアル、および／または、液晶は、電子ビームリソグラフィ、集束イオンビームリソグラフィ、リフトオフプロセス、または、他のリソグラフィ技術により製造されうる。これらの技術は、本明細書に記載されるサブ波長のパラメータおよび特性を有する要素の形成に用いてよい。
【００６９】
実施の形態は、円偏光に関連し、円偏光子および円偏光ビームスプリッタを含むが、本開示は、楕円放射にも同様に適用されてよいことが理解されよう。同様にして、本開示は、本明細書に規定されるように、楕円偏光もしくは直線偏光、または、偏光ビームスプリッタを提供するよう構成されるメタマテリアルにも等しく適用可能である。つまり、ある実施の形態において、ある光ダイオードが提供される。この光ダイオードは、少なくとも部分的に非偏光である光を受け、第１光路に沿って第１偏光を出力し、第２光路に沿って第２偏光を出力するように配置される偏光スプリッタと；第１光路上に配置され、第１偏光を透過させ、第２偏光を反射させるように配置され、メタマテリアルである第１偏光子と；を備える。
【００７０】
好ましくは、実施の形態に係る光ダイオードおよび光起電力装置が既存の種類の太陽電池パネルまたは光起電力電池に追加される要素として用いられてよい。特に、システムは、太陽電池パネルのような既存の光起電力装置に据え付けることができる。システムは、パッシブであり、言い換えれば、外部の電源やアクティブな制御系を必要としない。
【００７１】
態様および実施の形態について上述したが、本明細書に開示された本発明の概念から逸脱することなく、変形が可能である。
【図１】
0006710633.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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