(57)【要約】【課題】光劣化効果を低減するための帯域阻止フィルタを備える薄膜ＰＶセルを提供する。【解決手段】本発明は、アモルファス半導体材料である光吸収材料（３４、３５）と、光吸収材料に達する、および阻止帯域内の角周波数ω＊を有する電磁放射を減衰させるように、光吸収材料に対して配置され、所与の阻止帯域を有する帯域阻止フィルタ構造（２０）であって、阻止帯域がアモルファス材料の価電子帯テール（ＶＢＴ）の状態からアモルファス材料の伝導帯テール（ＣＢＴ）の状態への電子励起    【数１】2015517742.tif 000020に相当する、帯域阻止フィルタ構造（２０）とを備える光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）を特に対象とする。【選択図】図１
2015517742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス光起電力材料（３４）と、
下限角周波数ωｍｉｎ≧０から上限角周波数ωｍａｘに広がる所与の阻止帯域を有する帯域阻止フィルタ構造（２０）であって、ωｍａｘ＞ωｍｉｎであり、前記フィルタ構造が、デバイス内で前記光起電力材料に対して配置され、ωｍｉｎ＜ω＊＜ωｍａｘとなる前記阻止帯域内の角周波数ω＊を有する、前記光起電力材料に達する電磁放射を減衰させ、ωｍｉｎおよびωｍａｘが、前記角周波数ω＊が前記アモルファス光起電力材料の価電子帯テール（ＶＢＴ）の状態から前記アモルファス光起電力材料の伝導帯テール（ＣＢＴ）の状態への電子励起
【数１】
2015517742.tif 000004
に相当するようなものである、前記帯域阻止フィルタ構造（２０）と
を備える光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項２】
前記阻止帯域の上限角周波数ωｍａｘに相当するエネルギ
【数２】
2015517742.tif 000005
が前記アモルファス光起電力材料の移動度ギャップ
【数３】
2015517742.tif 000006
以下であり、前記移動度ギャップ
【数４】
2015517742.tif 000007
に等しい、請求項１に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項３】
前記阻止帯域の前記下限角周波数に相当するエネルギ
【数５】
2015517742.tif 000008
が前記アモルファス光起電力材料の光学ギャップ
【数６】
2015517742.tif 000009
よりも小さい、請求項１または２に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項４】
前記アモルファス材料の前記阻止帯域の幅に相当するエネルギ
【数７】
2015517742.tif 000010
が
前記アモルファス光起電力材料の伝導帯テールの広がりに相当するエネルギ
【数８】
2015517742.tif 000011
と
前記アモルファス光起電力材料の価電子帯テールの広がりに相当するエネルギ
【数９】
2015517742.tif 000012
と
の和の２倍に相当する、請求項１、２または３に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項５】
前記阻止帯域が下限角周波数ωｍｉｎ＝ωｇａｐ−Δωｃ−Δωｖと上限角周波数ωｍａｘ＝ωｇａｐ＋Δωｃ＋Δωｖとの間に広がり、ωｇａｐが光吸収材料の光学ギャップ
【数１０】
2015517742.tif 000013
に相当し、ΔωｃおよびΔωｖが、前記アモルファス光起電力材料の伝導帯テールの前記広がりおよび前記アモルファス光起電力材料の価電子帯テールの前記広がりにそれぞれ相当するエネルギ
【数１１】
2015517742.tif 000014
および
【数１２】
2015517742.tif 000015
にそれぞれ相当する、請求項１に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項６】
【数１３】
2015517742.tif 000016
および
【数１４】
2015517742.tif 000017
が、それぞれ伝導帯テールの状態のアーバック・エネルギおよび価電子帯テールの状態のアーバック・エネルギである、請求項５に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項７】
前記アモルファス光起電力材料（３４）が水素化アモルファス・シリコンを含む、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項８】
前記アモルファス光起電力材料（３４）が水素化アモルファス・シリコンを含み、
【数１５】
2015517742.tif 000018
が１．７〜２．０ｅＶであり、
【数１６】
2015517742.tif 000019
が０．２ｅＶよりも小さく、０．１〜０．２ｅＶである、請求項５または６に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項９】
前記アモルファス光起電力材料が
ゲルマニウムがドープされた、またはゲルマニウムおよび炭素がドープされた水素化アモルファス・シリコン、
テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、
銅インジウム・ジセレニド（ＣＩＳ）、
無機アモルファス材料、または
有機光起電力材料
を含む、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項１０】
前記デバイスが層状構造を有し、前記層状構造の１つまたは複数の層が前記帯域阻止構造を形成する、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｅ）。
【請求項１１】
前記層状構造が異なる材料、ａ−Ｓｉ：Ｈおよびａ−ＳｉＧｅ：Ｈの２つ以上の隣接した層のパターンを含み、前記パターンが前記層状構造に沿って繰り返される、請求項１０に記載の光起電力デバイス（１０ｃ〜ｅ）。
【請求項１２】
前記隣接した層の一方が前記阻止帯域内の放射周波数を吸収するように設計され、前記隣接した層のもう一方または隣接した層の両方が、前記アモルファス光起電力半導体材料を含む、請求項１１に記載の光起電力デバイス（１０ｄ）。
【請求項１３】
前記層状構造がブラッグ反射器を形成し、前記ブラッグ反射器が前記阻止帯域内の周波数を有する放射を反射するように構成される、あるいは全方向性反射器として構成される、請求項１０ないし１２のいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１０ｅ）。
【請求項１４】
前記帯域阻止構造が前記層状構造の層に隣接する帯域阻止フィルタ層（２０）である、請求項１０ないし１２のいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１０ａ〜ｃ）。
【請求項１５】
前記光起電力デバイスを放射に露出させ、前記光吸収材料に達する、および前記阻止帯域内の周波数を有する放射をフィルタ除去するステップと、
前記光起電力デバイスによって電力を生成するステップと
を含む、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の光起電力デバイスを動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に薄膜光起電力デバイス、すなわち、光吸収材料としてアモルファス半導体材料を含むデバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、光劣化効果を低減するための帯域阻止フィルタを備える薄膜ＰＶセルを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
最初に、いくつかの定義が必要である。
光起電力素子（ＰＶ）は、光起電力効果を示す材料を介して太陽放射を直流の電気に変換することによって電力を生成する。
光起電力セル（またはＰＶセル、さらに太陽電池もしくは光電池）は、光のエネルギを光起電力効果によって電気に直接変換する固体デバイス（半導体ＰＶセル）またはポリマ・デバイス（例えば、有機ＰＶセル）である。
薄膜光起電力セル（または薄膜太陽電池）は、基板に堆積させた光起電力材料の１つまたは複数の薄層（または薄膜）からなる太陽電池である。堆積させた層の厚さは、ナノメートルから数十マイクロメーター以上におよぶ。薄膜ＰＶセルは、使用されるＰＶ材料、すなわち、
アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）、
他の薄膜シリコン（ＴＦ−Ｓｉ）、
テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、
銅インジウム・ガリウム・セレン化物（ＣＩＳまたはＣＩＧＳ）、
および
色素増感太陽電池（ＤＳＣ）または他のポリマ／有機太陽電池などによって分類され得る。
光起電力モジュール（さらに太陽電池モジュール、太陽電池パネルまたは光起電力パネル）は、接続された光起電力セルの組立体である。
【０００３】
アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）は、非晶質相のシリコンを指す。様々な基板上に（典型的には２００〜３００°Ｃの範囲にある）比較的低い温度で薄膜の状態でアモルファス・シリコンを堆積させることができ、それによって適度なコストで光起電力素子を含む多くの応用を提供することができる。所望の場合は、ａ−Ｓｉ材料を水素によって不動態化することができる。水素原子は、ダングリング・ボンドに結合し、水素不動態化は、ダングリング・ボンドの密度を桁違いに低減することができ、その結果、単結晶Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）またはＳｉＨ４分子とまったく同じように、Ｓｉ原子のほとんどが４配位結合される(4-fold coordinated)。水素化アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）は、デバイス内で使用されるのに十分に低い量の欠陥を有する。水素がない場合は、ａ−Ｓｉは、例えば、光導電性を特に変えるものである、不動態化されていないダングリング・ボンドのために高密度の欠陥を有する。しかし、文献では、ａ−Ｓｉ：Ｈを主成分とするデバイス内の水素の存在は、ステーブラー・ロンスキー効果（Staebler-Wronski Effect）と称される、材料の光誘起劣化効果を招く主たる要因であると考えられている。
【０００４】
プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）は、ａ−Ｓｉ：Ｈを主成分とするアモルファス材料の成長に使用される中心的な技法である。水素化アモルファス・シリコン薄膜セルは、典型的にはｐ−ｉ−ｎ構造を使用する。通常のパネル構造は、前面ガラス、透明な導電性酸化物、薄膜シリコン、バック・コンタクト、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）、および裏面ガラスを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J. Tauc, R. GrigoroviciおよびA. Vancu, Phys.Stat.Sol.15, 627 (1966年)
【非特許文献２】Y. Finkら,Science282, 1679 (1998年)
【非特許文献３】W.W. Hernandez-Monteroら、Optical Materials Express 2, 358 (2012年)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光劣化効果を低減するための帯域阻止フィルタを備える薄膜ＰＶセルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
【数１】
2015517742.tif 000003
は、以降ｈバーと記載する。
第１の態様によると、本発明は、
アモルファス光起電力材料と、
下限角周波数ωｍｉｎ≧０から上限角周波数ωｍａｘに広がる所与の阻止帯域を有する帯域阻止フィルタ構造であって、ωｍａｘ＞ωｍｉｎであり、フィルタ構造が、デバイス内で光起電力材料に対して配置され、ωｍｉｎ＜ω＊＜ωｍａｘとなるような阻止帯域内の角周波数ω＊を有する、光起電力材料に達する電磁放射を減衰させ、ωｍｉｎおよびωｍａｘが、前記角周波数ω＊がアモルファス光起電力材料の価電子帯テール（valence band tail）（ＶＢＴ）の状態からアモルファス光起電力材料の伝導帯テール（conduction band tail）（ＣＢＴ）の状態への電子励起ｈバーω＊に相当するようなものである、帯域阻止フィルタ構造と
を備える光起電力デバイスとして具現化される。
【０００８】
実施形態において、光起電力デバイスは、次の特徴の１つまたは複数を備えることができる。
阻止帯域の上限角周波数ωｍａｘに相当するエネルギｈバーωｍａｘは、アモルファス光起電力材料の移動度ギャップｈバーωＭ以下であり、好ましくは前記移動度ギャップｈバーωＭに等しい。
阻止帯域の下限角周波数に相当するエネルギｈバーωｍｉｎは、アモルファス光起電力材料の光学ギャップｈバーωｇａｐよりも小さい。
アモルファス材料の阻止帯域の幅に相当するエネルギ２ｈバー（Δωｃ＋Δωｖ）は、アモルファス光起電力材料の伝導帯テールの広がりに相当するエネルギｈバーΔωｃとアモルファス光起電力材料の価電子帯テールの広がりに相当するエネルギｈバーΔωｖとの和の２倍に相当する。
阻止帯域は、下限角周波数ωｍｉｎ＝ωｇａｐ−Δωｃ−Δωｖと上限角周波数ωｍａｘ＝ωｇａｐ＋Δωｃ＋Δωｖとの間に広がり、ωｇａｐが光吸収材料の光学ギャップｈバーωｇａｐに相当し、ΔωｃおよびΔωｖが、アモルファス光起電力材料の伝導帯テールの広がりおよびアモルファス光起電力材料の価電子帯テールの広がりにそれぞれ相当するエネルギｈバーΔωｃおよびｈバーΔωｖにそれぞれ相当する。
ｈバーΔωｃおよびｈバーΔωｖは、それぞれ伝導帯テールの状態のアーバック・エネルギ（Urbach energy）および価電子帯テールの状態のアーバック・エネルギである。
アモルファス光起電力材料は、水素化アモルファス・シリコンを含む。
アモルファス光起電力材料は、水素化アモルファス・シリコンを含み、ｈバーωｇａｐが１．７〜２．０ｅＶであり、ｈバーΔωｃ＋ｈバーΔωｖが０．２ｅＶよりも小さく、好ましくは０．１〜０．２ｅＶである。
アモルファス光起電力材料には、
ゲルマニウムがドープされた、またはゲルマニウムおよび炭素がドープされた水素化アモルファス・シリコン、
テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、
銅インジウム・ジセレニド（ＣＩＳ）、
無機アモルファス材料、または
有機光起電力材料
が含まれる。
デバイスは、層状構造を有し、前記層状構造の１つまたは複数が帯域阻止構造を形成する。
層状構造は、異なる材料、好ましくはａ−Ｓｉ：Ｈおよびａ−ＳｉＧｅ：Ｈの２つ以上の隣接した層のパターンを含み、このパターンが層状構造に沿って繰り返される。
前記隣接した層の一方が阻止帯域内の放射周波数を吸収するように設計され、前記隣接した層のもう一方が、好ましくは隣接した層の両方が前記アモルファス光起電力半導体材料を含む。
層状構造は、ブラッグ反射器（Bragg reflector）を形成し、このブラッグ反射器が阻止帯域内の周波数を有する放射を反射するように構成され、好ましくは全方向性反射器として構成される。
帯域阻止構造は、層状構造の層に隣接する帯域阻止フィルタ層である。
【０００９】
別の態様によると、本発明は、実施形態による光起電力デバイスを動作させる方法として具現化され、本方法は、光起電力デバイスを放射に露出させ、光吸収材料に達する、および阻止帯域内の周波数を有する放射をフィルタ除去するステップと、光起電力デバイスによって電力を生成するステップとを含む。
【００１０】
ここで、本発明を具現化するデバイスおよび方法について、非限定的な例によって、および添付図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】典型的なアモルファス半導体における、概略の電子状態密度、またはＤｏＳ（右）によって補完された、様々な可能性のある電子励起を表すエネルギ順位図（左）であり、本発明の実施形態の基礎をなす原理を示す。
【図２】実施形態のように、帯域阻止フィルタによって補完された、原型となるｐ−ｉ−ｎ単一接合光起電力デバイスの概略図である。
【図３】実施形態による単一接合光起電力デバイスのより具体的な実施態様の概略図である。
【図４】ａ−Ｓｉ：Ｈを主成分とする太陽電池の設計に対して、および選択された波長に対して実験的に得られるような、（％を単位として表された）効率劣化を示す図である。
【図５】図４と同様だが、今度は、実施形態のように帯域阻止フィルタを備え付けたａ−Ｓｉ：Ｈを主成分とする太陽電池の設計に対して得られる効率劣化を示す図である。
【図６】実施形態による、所与の周波数を有する放射を選択除去する反射／吸収フィルタ構造を備えた、層状構造を有する多重接合光起電力デバイスの概略図である。
【図７】実施形態による、所与の周波数を有する放射を選択除去する反射／吸収フィルタ構造を備えた、層状構造を有する多重接合光起電力デバイスの概略図である。
【図８】実施形態による、所与の周波数を有する放射を選択除去する反射／吸収フィルタ構造を備えた、層状構造を有する多重接合光起電力デバイスの概略図である。
【図９】図６〜８に対する変形形態を示す図である。
【図１０】実施形態による、超格子として構成された層状構造を有する別の光起電力デバイスの概略図であり、この層状構造が望ましくない周波数を有する放射に対する反射器として働く。
【図１１】他の実施形態による、集積化されたａ−Ｓｉ：Ｈセルの直列相互接続に基づく光起電力デバイスの簡略３Ｄ図である。
【図１２】多重接合光起電力デバイス、すなわちトリプル接合デバイスの概略図である。
【図１３】多重接合光起電力デバイス、すなわちトリプル接合デバイスの概略図である。
【図１４】多重接合光起電力デバイス、すなわちダブル接合デバイスの概略図である。
【図１５】多重接合光起電力デバイス、すなわちダブル接合デバイスの概略図である。
【図１６】多重接合光起電力デバイス、すなわちダブル接合デバイスの概略図である。
【図１７】多重接合光起電力デバイス、すなわちダブル接合デバイスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者は、上で引き合いに出した光劣化効果（ステーブラー・ロンスキー効果）の原因となる基本的なメカニズムを確認した。この発見に基づいて、本発明者は、ＰＶデバイスにおける光劣化効果を低減する新しい解決策を考案した。これらの解決策は、ＰＶデバイスに組み込まれた１つまたは複数の帯域阻止フィルタ構造（または密接に関連するフィルタ構造）を利用する。
【００１３】
主たる考え方は、活性なアモルファス材料（複数可）内に光劣化の原因となる電子励起を阻止するために帯域阻止フィルタ構造を組み込むことである。本発明者が発見したように、この理由は、アモルファス光起電力材料の価電子帯テール（またはＶＢＴ）の状態から伝導帯テール（またはＣＢＴ）の状態への電子励起が光劣化効果の原因であるということである。
【００１４】
従来の文献では、光誘起劣化は、ａ−Ｓｉのダングリング・ボンドを不動態化する水素原子の存在と関連性があると一般に考えられていた。現在では、ＶＢＴからＣＢＴへの電子励起がこの光劣化を引き起こしているということが提案されている。そうした結論は、大規模な第一原理計算（ab initio calculation）およびその解釈に基づいて特に導き出された。したがって、本明細書で提案されるＰＶ設計の主たる目標は、アモルファスＰＶ半導体材料における光誘起による変化を引き起こす光スペクトルのその部分をフィルタ除去することである。
【００１５】
図１〜３および６〜１０を参照して、本発明の一般的な態様について最初に説明する。ＰＶデバイス１０ａ〜ｅの新しい設計が提案され、この設計が薄膜太陽電池に有利に適用される。従来技術のデバイスと同様に、そうしたＰＶデバイスは、最初に１つまたは複数のアモルファスＰＶ半導体３４（吸収体、または光吸収材料（複数可）とも呼ばれる）を備える。ここで、「アモルファス光起電力材料」は、幅広く解釈されるべきである。より形式的には、アモルファスＰＶ材料は、少なくともＰＶ吸収体材料の実質的な部分がアモルファスであることを意味する。ＰＶ吸収体は、例えば、全部がアモルファスであってもよい。しかし、本発明の実施形態は、例えば、微結晶の、ナノ結晶のまたは微構造のシリコンを含んでもよいことが理解できる。例えば、プロト結晶のおよびアモルファスのシリコンを積層型太陽電池に混ぜ合わせてもよい。
【００１６】
そうしたアモルファス半導体は、それ自体知られているように、所望の光起電力効果を示す活性なＰＶ構成要素である。このＰＶ構成要素は、１つまたは複数の層の吸収材料から構成されてもよく、この１つまたは複数の層の吸収材料が放射に露出されると、電力の生成を行うことができる。次に、本設計は、所与の阻止帯域を有する帯域阻止フィルタ構造２０をさらに含む。帯域阻止フィルタ構造は、吸収体層構造の一方の側にフィルタ層２０を特に備え（図２、３、６〜８）、または適切に設計される場合は、層状構造そのものの結果としてもたらされることがある（図９、１０）。すべての場合に、帯域阻止フィルタ構造は、アモルファスＰＶ材料（複数可）３４または３５あるいはその両方に対して、デバイス内で適切に配置され、阻止帯域内の角周波数を有する、アモルファスＰＶ材料に達する外部電磁放射を少なくとも実質的に減衰させる。
【００１７】
一般に帯域阻止フィルタから分かるように、帯域阻止フィルタ構造は、フィルタを通過して、保護することが意図されている構成要素（複数可）に達する、所与の阻止帯域内の周波数を有する放射を少なくとも（すなわち、実質的に）減衰させ、または場合によっては完全に防止するように設計され得る。
【００１８】
本発明では、および上記の発見の結果、阻止帯域は、アモルファス材料の価電子帯テールの状態から伝導帯テールの状態への電子励起ｈバーω＊に相当する。したがって、アモルファスＰＶ材料の品質に注目する既存の方法と異なり、ここではアモルファスＰＶ材料に達する放射の特性を修正することを提案する。そうしたＰＶデバイスが放射、例えば、広いスペクトルにわたって分布する周波数を有する日光に露出される場合に、フィルタ構造は、吸収体に達する望ましくない放射をフィルタ除去する。したがって、そうしたＰＶデバイスを有利に使用して、日光に露出したときの劣化を低減しながら電力を生成することができる。
【００１９】
図１において、ほぼｈバーω＊のエネルギを有するフォトンが劣化の原因となるフォトンである。このメカニズムを阻止するために、フィルタが設けられ、光スペクトルの望ましくない部分、すなわち、ω＊に近い角周波数を有する部分を特に選別除去することによってＰＶアモルファス半導体を保護する。
【００２０】
劣化を誘起する周波数範囲は、材料固有である。したがって、デバイスに使用されるアモルファスＰＶ半導体材料（複数可）によって帯域阻止フィルタの構造を調整しなければならない。
【００２１】
より詳細に、図１は、本発明において使用されるような典型的なアモルファス半導体材料におけるエネルギ準位を概略的に示す。以下では、説明のために、この材料がａ−Ｓｉ：Ｈである、または本質的にａ−Ｓｉ：Ｈを主成分とすると仮定する。しかし、以下で論じる光劣化メカニズムは、後で論じるように、幅広い種類のアモルファスＰＶ半導体に当てはまる。図１は、特に以下を示す。
テール領域（ＶＢＴ）を有する所与のアモルファスＰＶ材料の価電子帯ＶＢ。
テール領域（ＣＢＴ）を有する伝導帯ＣＢ。
ωｍａｘは、（阻止帯域の）上限角周波数を表示する。
ｈバーωＭは、移動度ギャップに相当する。
ωｍｉｎは、（阻止帯域の）下限角周波数である。
ｈバーωｇａｐは、光学ギャップに相当するエネルギである。
ＥＵＣは、ＣＢＴアーバック・エネルギである。
ＥＵＶは、ＶＢＴアーバック・エネルギを表し、平均アーバック・エネルギが以降ＥＵによって表示される。
【００２２】
エネルギ・バンド図は、同じアモルファス半導体に対する概略の電子状態密度（またはＤｏＳ）によって補完されている。ＤｏＳは、５つの別個の領域を示す。すなわち、
ＶＢ領域（広がった状態ＥＳに相当する）。
ＶＢＴ領域（局在化した状態ＬＳに相当する）。
深い欠陥Ｄに相当する中央のピーク。しかし、深い欠陥は、考案された解決策に重大な役割を果たさないので、深い欠陥は、左側のエネルギ準位図には反映されていない。
やはり局在化した状態ＬＳに相当するＣＢＴ領域。
同様に広がった状態ＥＳに相当するＣＢ領域。
移動度線のそれぞれは、広がった状態ＥＳを局在化した状態ＬＳから分離する。
【００２３】
上記の概念、すなわち、ＬＳ、ＥＳ、ＥＣＭ、ＥＶＭ、ωｇａｐなどについてここで手短に論じる。ａ−Ｓｉ：Ｈなどの材料における長距離秩序の欠如は、電気的および光学的性質に影響を与える。結合が無秩序であることによって、バンド・テールおよび局在化が生じ、点状の欠陥がミッドギャップ中の電子準位に生じる。完全な単結晶性固体（完全な結晶性固体とは、不純物のない無限の、欠陥なしの結晶性固体を意味する）では、電子は、周期的なポテンシャルを経験する。その場合、電子の波動関数が結晶全体に広がっている、すなわち、所与の運動量ｋを有する電子の位置は、不確定性原理の直接の結果として、結晶中のいかなる場所にあってもよいので、電子の状態は、「広がった」状態であるというブロッホの定理（Bloch’s theorem）に従う。ここで、アモルファス材料の標準モデルとして認められているモットのモデル（Mott’s model）において、局在化した状態および広がった状態は、移動度端によって分離される。ＣＢ移動度端は、単結晶半導体中の伝導帯との類似性からＥＣＭで表示される。ＥＣＭは、「結合されていない」電子の許容され得る最も低いエネルギ、すなわち、温度ゼロにおいて占有されていない広がった状態の最も低いエネルギ準位を示す。同様に、価電子帯の端部は、ＥＶＭによって表示される。したがって、広がった状態ＥＳおよび局在化した状態ＬＳは、伝導帯ＣＢにおけるエネルギＥＣＭおよび価電子帯ＶＢにおけるエネルギＥＶＭでの移動度端によって分離される。温度ゼロで、ＥＣＭより上の、およびＥＶＭより下のキャリアのみが可動性があり、伝導に寄与することができる。２つの移動度端間のエネルギ差は、移動度ギャップ（典型的には、約１．８ｅＶである）と呼ばれる。ＥＣＭより下の、およびＥＶＭより上の局在化した状態は、バンド・テールの状態と呼ばれる。これらは、一般に指数関数的に減少する／増加する、すなわち、特に伝導帯テールのアーバック端（すなわち、アモルファス材料におけるバンドギャップ・エネルギ近傍の光吸収係数の指数関数的なテール）との相関のためにエネルギ的に指数関数的に分布すると見なされる。移動度端、ＶＢおよびＣＢバンド・テール、同様に光学ギャップｈバーωｇａｐは、文献において十分裏付けられたアモルファス半導体の重要な記述子である。光学ギャップの標準的な定義は、J. Tauc, R. GrigoroviciおよびA. Vancu,Phys.Stat.Sol.15, 627 (1966年)に特に見出される。この定義は、多くの教科書において反復され、本明細書で前提とされる。
【００２４】
前記したように、ＰＶデバイスの今回の設計は、フィルタの阻止帯域内の周波数ω＊を有する放射をフィルタ除去し、この放射がアモルファスＰＶ材料のＶＢＴ状態からＣＢＴ状態への励起ｈバーω＊に相当する。したがって、フィルタされる周波数ω＊は、阻止帯域の上限角周波数ωｍａｘと下限角周波数ωｍｉｎとの間に位置する（ωｍａｘ＞ωｍｉｎ≧０）。これらの限界周波数がどのように決定されるかについては後で説明する。
【００２５】
ここで、帯域阻止フィルタは、光電流を生成する光スペクトルの有用部分ω＞ωＭを好ましくは除去すべきではなく、または大きく低減すべきではない。したがって、ｈバーω＊は、アモルファスＰＶ材料の移動度ギャップｈバーωＭ以下（すなわち、または少なくとも近く）であるべきである。実際、エネルギｈバーω＊を有するフォトンによって誘起される電子励起は、ＶＢＴ−ＬＳからＣＢＴ−ＬＳへの光学遷移によるサブギャップ吸収と関連し得る。したがって、許容される最大の遷移エネルギｈバーωｍａｘ、すなわち、阻止帯域の上限角周波数ωｍａｘに相当する遷移エネルギは、好ましくはアモルファス材料の移動度ギャップｈバーωＭに等しい（またはわずかに小さいもしくは大きい）。その結果、すべて（または本質的にすべて）のＶＢＴ状態からＣＢＴ状態への電子励起ｈバーω＊を防止することができる。図１の例では、ωｍａｘは、ωＭと等しいと仮定した。
【００２６】
同様に、ω＜ωｍｉｎによる励起を防止する必要がなく、その結果下限（またはカットオフ）周波数ωｍｉｎ＞０を（厳密に）示すようにフィルタを調整できることが図１から分かる。ちなみに、ＶＢＴおよびＣＢＴの状態の分散のために、ωｍｉｎは、典型的にはωｇａｐよりも小さい。
【００２７】
しかし、変形形態において、下限周波数ωｍｉｎ＝０を示すフィルタを使用することができる。この場合、高域通過フィルタに対する帯域阻止フィルタの定義に則り、帯域阻止フィルタは、単なる高域通過フィルタになる。にもかかわらず、上記のような上限（またはカットオフ）周波数ωｍａｘ（例えば、ωｍａｘ＝ωＭ）を適切に調整すると、望ましくない周波数がいずれにしても防止される。そうした変形形態を、例えば図２および３に示すような単一接合のＰＶセルに対して考えることができる。
【００２８】
この点で、バンドギャップの値よりも十分に小さなエネルギを有するフォトンは、無視できるほどの光電流を生成するが、これらのフォトンは、価電子帯テールと伝導帯テール間の遷移を発生させる場合があるので、アモルファス材料にとってなお有害となる可能性がある（これらのテールは、それぞれ指数関数的にミッドギャップに向かって延びている）。周波数ωｍｉｎをカットオフ周波数に対する推定値と見なすことができ、すなわち、この周波数が低周波限界における比較的無害な放射と本質的に有害な放射との「境界」である。この点で、ωＭを対応する高周波の「境界」と見なすことができることに留意されたい。
【００２９】
前記したように、以前に言及した発見により、特に、単一接合のようなデバイスにおいて、実施形態によるフィルタ構造がωｍｉｎ≧０とωｍａｘ＞ωｍｉｎとの間に広がることができるように、ω＜ωｍｉｎの放射周波数ωをフィルタ除去する必要が先験的にない。しかし、事態は、多接合セルに対しては多少より複雑である。ここでは、図６〜９のような積層構造を主に２つの理由で使用する。第１の理由は、層が薄い方が、層が厚い場合よりも劣化が少ないということであり、そのため図６〜９における層３４および３５を、図２および３に表されるような単一接合のセルの活性層３４よりも典型的には薄くする。しかし、典型的な多接合セルの全体の厚さは、典型的な単一接合セルの厚さと同様である。別の理由は、層材料が異なるバンドギャップを有し、そのため、追加の層（例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈよりも小さなバンドギャップを有するａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）が、上部層、例えば、図６においてａ−Ｓｉ：Ｈからなる場合はより大きなギャップを有する層３４によって吸収されない光スペクトルの一部を捕獲し電気に変換するために意図されているということである。したがって、図６のＰＶデバイスに対してすべての周波数０＜ω＊＜ωｍａｘを選択除去するフィルタ（層２０）を有することは、そうしたフィルタを有する多層構造の使用を多少不合理なものとする。
【００３０】
にもかかわらず、図８のセル設計（以下の説明も参照）により、ダブル接合構造において、フィルタ２０によってすべての周波数０＜ω＊＜ωｍａｘ、３４（ωｍａｘ、３４は層３４の材料に対して調整されている）を、およびフィルタ２１によってすべての周波数０＜ω＊＊＜ωｍａｘ、３５（ωｍａｘ、３５は層材料３５に対して調整されている）を選択除去することが可能となる。本例において、層３５は、層３４よりも小さなバンドギャップを有する、すなわち、ωｍａｘ、３５＜ωｍａｘ、３４と仮定され、層３５に対してａ−ＳｉＧｅ：Ｈを使用する実施形態と一致しており、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈがａ−Ｓｉ：Ｈと比較してより小さなギャップを有することに留意されたい。
【００３１】
次に、図１を振り返ってみると、バンド・テールの状態の分散特性のために、フィルタ阻止帯域をωｇａｐ±Δωとして有利にとることができ、ここでΔω＝Δωｃ＋Δωｖであり、ΔωｃおよびΔωｖがエネルギｈバーΔωｃおよびｈバーΔωｖに相当し、このエネルギがＣＢＴおよびＶＢＴのそれぞれの広がりの尺度であることが理解できる。したがって、フィルタ阻止帯域特性は、アモルファス半導体の基本特性によって表現することができ、この特性を実験的に測定する、または計算する、あるいはその両方を行うことができる。
【００３２】
例えば、ｈバーΔωが約２ＥＵであるようなΔωを考えることができ、その場合、平均的なアーバック・エネルギＥＵは、そのＣＢおよびＶＢ成分の平均値として定義され、すなわち、ＥＵ＝（ＥＵＣ＋ＥＵＶ）／２であり、または等価的に角周波数によって、Δω＝Δωｃ＋Δωｖであり、ここでΔωｃ＝ＥＵＣ／ｈバーおよびΔωｖ＝ＥＵＶ／ｈバーである。したがって、阻止帯域は、本質的に下限角周波数ωｍｉｎ＝ωｇａｐ−Δωｃ−Δωｖと上限角周波数ωｍａｘ＝ωｇａｐ＋Δωｃ＋Δωｖとの間に広がることができ、ωｇａｐがアモルファスＰＶ材料の光学ギャップｈバーωｇａｐに相当し、ｈバーΔωｃおよびｈバーΔωｖがそれぞれ伝導帯テールの状態および価電子帯テールの状態のアーバック・エネルギである。したがって、阻止帯域の幅に相当するエネルギは、本質的に２（ＥＵＣ＋ＥＵＶ）であってもよい。より一般に、阻止帯域の幅は、典型的にはＣＢＴおよびＶＢＴの広がりの和の２倍に相当する。
【００３３】
もちろん、例えば、ＣＢＴまたはＶＢＴが理想的な指数関数的な振る舞いから外れることが分かっている材料など対しては、対応するアーバック・エネルギよりも、ＣＢＴおよびＶＢＴの分散についてのよりよい記述に頼ることができる。例えば、やはりＥＵＣおよびＥＵＶに比例する他の記述子、すなわち、ｘＥＵＣおよびｘＥＵＶを使用することができ、ここに、０＜ｘ＜ｈバーωｇａｐ／（ＥＵＣ＋ＥＵＶ）である。それでも、得られる結果は、本質的に同じままであるはずであり、すなわち、アモルファスＰＶ材料のＶＢＴの状態からＣＢＴの状態への励起をフィルタする。また、考えられる阻止帯域の限界周波数を、例えば、エネルギ状態密度もしくは使用されるアモルファス材料に対して入手可能な他の電子構造データについての知識に基づいて、またはさらにフィルタ製造の制約に基づいて、精緻なものにすることができる。しかし、最適な阻止帯域の限界周波数は、おそらく上で規定した理想的な理論限界の範囲内、すなわち、ωｍｉｎ＝ωｇａｐ−Δωｃ−Δωｖとωｍａｘ＝ωｇａｐ＋Δωｃ＋Δωｖとの間に位置するであろう。
【００３４】
アモルファス半導体における伝導帯および価電子帯のテールの状態の幅を、例えば、光変調された赤外吸収によって別々に測定することができることに留意されたい。加えて、移動度ギャップは、導電率試験によって測定され得る。したがって、阻止帯域特性を規定するために必要な量はすべて、使用されるアモルファスＰＶ材料に固有の、測定可能な（またはそれどころか計算可能な）量である。
【００３５】
前記したように、このアモルファスＰＶ材料は、好ましくはａ−Ｓｉ：Ｈである。したがって、確認することができるように、ｈバーωｇａｐは、典型的には１．７〜２．０ｅＶであり、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜におけるギャップの典型的な値に一致する。アーバック端でのバンド・テールの状態のエネルギ分布を調査すると、ｈバーΔωに対する適切な値は、典型的には０．２ｅＶ未満の（例えば、０．０５〜０．２ｅＶの範囲にある）ように見える。良好な品質の材料に対しては、この値は、典型的には０．１ｅＶに近く、またはさらに小さい。
【００３６】
より一般に、阻止帯域に対する適した値は、アモルファスＰＶ半導体のバンドギャップｈバーωｇａｐおよびアーバック・エネルギの値によって選ばれてもよい。その点で、吸収体は、ゲルマニウムまたは炭素あるいはその両方がドープされた水素化アモルファス・シリコン、例えば、ａ−Ｓｉ１−ｘＧｅｘ：Ｈ、またはａ−Ｓｉ１−ｘ−ｙＧｅｘＣｙ：Ｈなどの他の材料を含むことができ、ここにｘおよびｙは０〜１である（例えば０．１）。Ｇｅ／Ｃ原子の導入により、材料の特性を制御するための余分な自由度が加わる。この場合、炭素の濃度を増加することによって、伝導帯と価電子帯間の電子ギャップが広がり、ゲルマニウムは、反対の結果になる。完全性を期すため、アモルファス材料は、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、銅インジウム・ジセレニドＣＩＳ、無機アモルファス材料または有機光起電力材料をさらに含むことができる。前記材料のそれぞれにおいて、ＶＢＴ状態からＣＢＴ状態への励起をフィルタすることが光劣化効果を減少させると予期される。
【００３７】
次に、帯域阻止フィルタ構造は、いくつかのやり方で得られてもよい。具体的には、図２、３、６〜１０に示すように、デバイスは層状構造を有することができ、帯域阻止構造は、前記層状構造の１つまたは複数の層の結果としてもたらされてもよい。
【００３８】
おそらく、所望の帯域阻止フィルタを得る最も単純な方法は、図２、３および６〜８に示すように、活性なＰＶ層３４の一方の側に、例えば、層状構造のある層に隣接して、フィルタ層２０または２１を設けることである。このように、フィルタが活性な材料に対して配置され、動作において、活性な材料に達する望ましくない放射波長を減衰させる。明らかに、図２、３、６〜１０の表現は、故意に過度に単純化されている。例えば、当技術分野において通常通りに、カバー、追加のフィルタ、追加の材料層（オーム接触、バック・コンタクト、ポリビニル・ブチラールおよび裏面ガラスなど）を設けることができる（図示せず）。
【００３９】
図２に概略的に示すデバイス１０ａは、実施形態による単一接合（ｐ−ｉ−ｎ）太陽電池デバイスに基づく。この太陽電池デバイスは、
帯域阻止フィルタ層２０、
ｐドープされた半導体層３２、
光吸収材料３４、すなわち、真性ａ−Ｓｉを主成分とする半導体（またはｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）、および
ｎドープされた半導体層３６
を特に含む。
単独の層３２、３４および３６の配置は、本質的に従来のデバイスに類似している。ｐ型層に向かって移動するホールの移動度がｎ型層に向かって移動する電子よりも大幅に低いので、ｐ型層は、フィルタに次いで、一番上に、すなわち、依然として光の強さがより強いままの場所に配置され、その結果、ホールは、電子よりも短い距離を移動して、それぞれの層（電子に対してはｎ型、およびホールに対してはｐ型）に達するはずなので、ホールの収集効率が向上する。やはり、層３２、３４および３６は、望ましくない放射周波数を減衰させる、または除去するための帯域阻止フィルタ層２０「の下に」配置される。
【００４０】
この点に関して、太陽電池の上部に堆積させ、または配置することができ、上記したような適切なフィルタ特性を示すことが可能ないかなる材料も、もし太陽電池の全体的性能が損なわれなければ、妥当なものとして設けられる（a priori convene）。帯域阻止フィルタの帯域阻止を調整することを可能にする様々な方法が当技術分野で知られている。
【００４１】
例えば、帯域阻止フィルタは、特定の波長範囲（阻止帯域）内で強い吸収を示す材料の薄膜（層２０）として設計されてもよい。例えば、そうした層は、吸収材料（典型的な濃度が約１％）がドープされた適切な透明な希釈剤（しばしばＫＢｒ、臭化カリウム）を用いて作られてもよい。吸収材料の実際の濃度は、帯域阻止フィルタの上限および下限周波数を調整するように選ばれる。例えば、テトラメチル・ハロゲン化アンモニウムまたは金属クロム酸塩がドープされた臭化カリウム（ＫＢｒ）からなる帯域阻止光学フィルタに頼ることができる。他の多くの適切な材料は、公開されている光学スペクトルの一般に用いられているデータベースに見出すことができ、例えば、サトラーの標準スペクトル集（Sadtler Standard Spectra）（http://www.lib.utexas.edu/chem/info/sadtler.html）を参照されたい。
【００４２】
また、単層の帯域阻止フィルタ（層２０）を周波数選択面（ＦＳＳ）として設計することができる。例えば、ＦＳＳは本質的に、特定の範囲（フィルタの阻止帯域）の光波長に対する反射器として働く層４２の上部に配置された、ある適切な誘電体材料（層２０）のグレーティングが施された面であり、そうしたフィルタは、周期的なパッチのアレイとして設計されてもよい。フィルタ特性（上限および下限周波数）は、層厚（ｔ、４００〜９００ｎｍ）、パッチの幅（ｗ、約５００ｎｍ）、アレイの周期（ｐ、約５００〜１０００ｎｍ）、およびパッチに使用される材料の屈折率を変えることによって容易に調整することができる。これらの目的に適した可能性のある材料は、カルコゲナイド・ガラス（例えば、Ｇｅ−ＳｅまたはＧｅ−Ｓｂ−Ｓｅ）であろう。誘電体材料と同様に他のタイプの表面グレーティングも本発明に適した帯域阻止フィルタを作るために使用することができる。
【００４３】
ガラス（層４２）の上部に配置される複合フィルタリング膜２０に対して、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２（またはＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５）、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２（またはＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５）のような高屈折率および低屈折率の誘電体材料が交互に重なった層を使用することによって、所望の特性を有する帯域阻止フィルタを設計することがまた可能となる。他のタイプの誘電体材料も本発明の実施形態に適した帯域阻止フィルタを作るために使用することができる。
【００４４】
言いかえれば、一番上に配置され、単一の材料からなる、またはさらにいくつかの異なる材料の層を備える薄膜２０として帯域阻止フィルタを設計することができる。
【００４５】
例えば図２、３、６〜１７に示すような実施形態において、層フィルタ２０または２１の横方向の寸法は、他の層３２、３４、３５、３６の横方向の寸法と本質的に同じであってもよい。それでも、フィルタをカバーの一部として設ける、場合によってはデバイス上で切り取ることなどができ、それによりフィルタの寸法が他の層の寸法と異なることがある。フィルタリング層の実際の厚さは、化学組成、すなわち、フィルタに使用される材料（複数可）、ならびにフィルタが選択除去しなければならない光の波長範囲に依存する。フィルタリング材料の全体の厚さは、典型的にはフィルタされる光の波長のオーダである。
【００４６】
また、一般に、フィルタは、多層構造として設計され得る。例えば、層２０は、誘電体材料からなる誘電性のブラッグ鏡（Bragg mirror）であってもよい。典型的には、固有の厚さは、ほぼλ＝２πｃ／ωＭ（すなわち、標準の表記法を使用して、ｈバーωＭ＝２ｅＶに対して６００ｎｍ）またはそれよりも大きい。
【００４７】
次に、図３に概略的に示すデバイス１０ｂも、実施形態による単一接合（ｐ−ｉ−ｎ）太陽電池デバイスに基づく。図示する連続した層は、
ガラス層４２、
ＺｎＯ：Ａｌ（層４４）、
ｐ＋ａ−ＳｉＣ：Ｈ（層３２）、
ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ（層３４）、および
ｎ＋ａ−ＳｉＣ：Ｈ（層３６）
から構成される。
単独の層４２、４４、３２、３４および３６の層配置は、やはり従来技術のデバイスと類似している。すなわち、Ｓｉを主成分とする層をガラス４２上に堆積させ、透明な導電性酸化物（ここではＺｎＯ：Ａｌ）の層で被覆する。しかし、帯域阻止フィルタ層２０が一番上に配置され、このフィルタが上で論じたような所望の特性を有する。
【００４８】
これについて詳述すると、図１１は、モノリシックに集積化されたａ−Ｓｉ：Ｈサブセルの直列相互接続を概略的に表す。すなわち、図１１は、連続的に（下から上に）、
活性層への光路上に配置されたフィルタ層（またはカバー層）２０（図１１では、光は底部から来ると仮定されている）、
ガラス層４２（変形形態では、層２０および４２が１つおよび同一の層であってもよいことに留意されたい）、
透明な導電性酸化物、またはＴＣＯ４４、
ａ−Ｓｉ：Ｈ層３４、および
バック電極４６
を示す。
【００４９】
図１１に示すようなサブセルの集積化は、従来のマスキング技法によって得られてもよいことに留意されたい。レーザ・スクライブも使用することができる。ａ−Ｓｉ：Ｈセルをモノリシックに集積化することによって、単一の基板から所望の出力電圧を容易に実現することが特に可能となる。また、それ自体知られているように、サブセルを集積化するための処理ステップは、モジュールの全体の作製処理において容易に実施され得る。
【００５０】
他の変形形態については図６〜１０および１２〜１７を参照して後で説明する。
【００５１】
上記のような（すなわち、光誘起劣化を低減するために太陽電池に結合された）帯域阻止フィルタの利点を実証するためには、吸収される光の波長に対する光劣化の依存性を示すことで足りる。本発明者は、特定の波長を有する放射を選択する狭帯域通過フィルタを有する１組のａ−Ｓｉを主成分とする太陽電池に対する歩留測定を行った。使用した太陽電池は、所望の波長を選択するために帯域阻止フィルタの代わりに帯域通過フィルタを（図３における層２０のレベルに）使用した以外は、図３に示すようなａ−Ｓｉを主成分とする太陽電池であった。この実験の結果を図４に示し、この図は選択された波長に対する（％を単位とする）効率劣化を表す。最後の柱は、（％を単位とする）全体的な効率劣化を表す。これらの結果は、光劣化が著しく波長に依存し、６００ｎｍあたりでその最大値に達することを示す。この値は、以前に言及した値ｈバーω＊±ｈバーΔωに従って、フォトンのエネルギｈバーωが約２±０．２ｅＶに相当する。言いかえれば、このエネルギ範囲にあるフォトンを減衰させる帯域阻止光フィルタが、普通ならば図５に示すような太陽電池の全体的な光劣化を低減すると予期することができる。図５は、結果が（図３のような）帯域阻止フィルタを備え付けた太陽電池設計に対して得られたこと以外は、図４と同じものを示す。見て分かるように、全体的な効率劣化（最後の柱）は、実質的に、すなわち、この例では約３５％だけ減少している。
【００５２】
全体的な効率劣化のこの低減によって、太陽電池を長期的に使用する場合の太陽電池性能の改善につながり、太陽エネルギのより効率的な収集、すなわち、太陽放射からより多くの電力を生成することが可能となる。例えば、全体的な効率劣化を２５％、５０％および１００％だけ低減することによって、現在製造されている最先端の太陽電池の安定した歩留をそれぞれ最大〜５％、１０％および２０％増加させ、これは等価的に生成される電気エネルギの増大に相当する。そうした増大は、太陽エネルギの大量生産において相当なものと考えられるであろう。
【００５３】
次に、以前に述べたように、帯域阻止フィルタ構造は、デバイスの上部に配置された単純なフィルタから構成されてもよい。次に論じる変形形態において、帯域阻止フィルタ構造は、より複雑な設計の結果としてもたらされ得る。
【００５４】
例えば、ＰＶデバイスは、異なる材料、例えば、図６〜９に示すようなａ−Ｓｉ：Ｈ層３４およびａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層３５の２つの（またはそれより多くの）隣接した層の繰り返しパターンを含む層状構造を有することができる。図９に概略的に表すように、層３４は、例えば、活性層であってもよく、層３５は、望ましくない放射周波数を吸収するようにより専用に設計される。
【００５５】
しかし、層３５（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）は、同様に活性であってもよい。例えば、層３５は、その厚さが層３４の厚さと同等の場合、やはり活性であり（これは図６〜９のデバイスに対する場合である）、その場合、層３５は、層３４（ａ−Ｓｉ：Ｈ）によってわずかに吸収されるにもかかわらず層３４にとって有害なフォトン、すなわち、ａ−Ｓｉ：Ｈ層に対応するｈバーωＭとａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層に対応するｈバーωＭとの間のエネルギを有するこれらのフォトンを効率的に吸収する。ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層に対応するｈバーωＭは、ａ−Ｓｉ：Ｈ層に対応するｈバーωＭよりも小さく、ｈバーωＭは、Ｇｅ濃度が増加すると減少することに留意されたい。次いで、層３５は、この場合二重の役割を有し、それはすなわち、（ｉ）光スペクトルの有害な部分から層３４を保護すること、および（ｉｉ）この放射を電気に変換し、ＰＶ電池の効率を増大させることである。
【００５６】
図６（図７）におけるフィルタ層２０（２１）は、層３４（層３５）の上部にあり、ここで、ω＜ωＭを選択除去しようとしているので、フィルタ特性を層３４（層３５）の特性に合わせる必要があり、ここにｈバーωＭはａ−Ｓｉ：Ｈ（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）の移動度ギャップであり、この移動度ギャップがａ−ＳｉＧｅ：Ｈ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の移動度ギャップよりも大きい（よりも小さい）。
【００５７】
図８に、２つのフィルタ層２０および２１を有する代替の設計を示す。層３４および３５は、化学的に／寸法的にその目的に合わせて調整されてもよい。ＧｅおよびＣドーパントの濃度ならびに水素濃度を調整することによって、層３４および３５の吸収範囲を調整することが可能となる。その点で、ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＧｅ：Ｈが呈する材料の両立性を有利に使用することができる。例えば、層３４に対する化学組成は、ＰＥＣＶＤを用いて得られた水素化アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）であってもよく、ここで水素の典型的な濃度が約１０ａｔ．％（または原子百分率であり、平均して、９つのＳｉ原子に対して１つのＨ原子を意味する）である。層３５に関しては、水素化アモルファス・シリコンに、例えば、約１０ａｔ．％の水素濃度および最先端の太陽電池にとって典型的な０．２５＜ｘ＜０．７５の範囲にあるゲルマニウム濃度を有するゲルマニウム（ａ−Ｓｉ１−ｘＧｅｘ：Ｈ）をドープすることができる。
【００５８】
ここで寸法に関しては、横方向の寸法（開口面積）は、巨視的であり、例えば、数百ｃｍ２であってもよい。したがって、一番上のフィルタ２０は、図６のデバイス１０ｃのように、追加の「吸収」層３５によって補われてもよく、それによって望ましくない放射波長が最初に反射され、次に残りの望ましくない放射が吸収される。変形形態において、図９のデバイス１０ｄのように、「吸収」層３５のみが設けられ、それによって望ましくない放射波長が層３５によって吸収される。
【００５９】
実施形態において、フィルタ単独層を使用する代わりに、図１０のように、望ましくない周波数を有する放射に対して誘電性の全方向性反射器（誘電性のブラッグ鏡）として働く超格子が使用される。その目的に対して、繰り返し層に頼ることができ、この層が所望の阻止帯域範囲を提供するように適切に設計される。例えば、（空気などの）均質媒体３０に結合する層３４／３５の繰り返しパターンは、図１０に概略的に示すように全方向性反射器を形成するように寸法調整さえされてもよく、すなわち、この全方向性反射器が阻止帯域内の周波数を有する放射を（入射光の角度に関係なく）反射する。上限および下限周波数、（典型的な値がそれぞれ約１．６ｅＶおよび１．８ｅＶの）ωｍｉｎおよびωｍａｘ、ならびに層３４の屈折率（典型的な水素濃度が約１０ａｔ．％の場合、ａ−Ｓｉ：Ｈに対してｎ３４が〜３．４）、層３５の屈折率（典型的なＧｅ濃度ｘが〜０．２５〜０．７５および典型的な水素濃度が約１０ａｔ．％の場合、ａ−Ｓｉ１−ｘＧｅｘ：Ｈに対してｎ３５が〜４．５）および均質媒体３０の屈折率（典型的にはｎ３０＝１を有する空気）が与えられると、層３４の厚さ（ｈ３４）、ならびに層３５の厚さ（ｈ３５）を、Y. Finkら、Science 282, 1679 (1998年)によって別の文脈において導き出された２つの解析的な表現によって与えられるような、ωｍｉｎ、ωｍａｘとｈ３４、ｈ３５、ｎ３４、ｎ３５、ｎ３０との間の関係を用いて得ることができる。例えば、上で与えられるような層３４／３５および均質媒体３０の特性については、主たる吸収体（層３４）の厚さが約５０〜１００ｎｍ（この値は薄膜太陽電池を製造するのに普通ならば適している）であり、副次的な吸収体（層３５）の厚さが約５〜１０ｎｍである。当業者には理解されるように、全方向性反射器の他の設計を考えることができる。層３４、３５および均質媒体３０のパラメータをすべて、もし太陽電池（図１０）の全体的な性能が損なわれなければ、反射器の全方向の周波数範囲を望ましい阻止帯域の範囲ωｍｉｎ、ωｍａｘと一致させるように同時に調整することができる。ａ−Ｓｉ：Ｈおよびａ−ＳｉＧｅ：Ｈの典型的な屈折率に対する参考文献は、W.W. Hernandez-Monteroら、Optical MaterialsExpress 2, 358 (2012年)に見出すことができる。
【００６０】
ここで、ＰＶデバイスの他の可能性のある設計について、多重接合の光起電力デバイスの概略図が表されている図１２〜１７を参照して手短に説明する。すなわち、トリプル接合デバイスを図１２〜１３に示し、一方、図１４〜１７は、ダブル接合デバイスに関する。ダブル接合セルは、層３４（例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈ）および層３５（例えば、ａ−Ｓｉ１−ｘＧｅｘ：Ｈ）を含むことができる。この２つの層は両方とも、変形形態において、ａ−Ｓｉ：Ｈを含んでもよい。しかし、ａ−Ｓｉ：Ｈ層の一方は、もう一方の層３４のバンドギャップと異なるバンドギャップを有することができる（第２のａ−Ｓｉ：Ｈ層中の水素濃度を変更することによって行われるもの）。同様に、トリプル接合セルは、層３４（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、これに続いてもう１つの層３５（ａ−Ｓｉ１−ｘＧｅｘ：Ｈ）、次いでもう１つの層３５（ａ−Ｓｉ１−ｙＧｅｙ：Ｈ）を含むことができ、ここでｘは、ｙとは異なり、すなわち、それにより２つのａ−ＳｉＧｅ：Ｈ材料のバンドギャップが異なる。次いで、フィルタ層２０および２１が、以前に詳述したように、吸収材料層３４、３５の特性によって調整される。
【００６１】
最後に、本光起電力デバイスの実際的な実施態様は、パッケージの形態をとることができ、当技術分野において通常通りに、薄膜ＰＶセル、電極、ならびに他の構成要素を特に含むことができる。そうしたデバイスは、これらの構成要素の一部を放射に対する露出から保護するためのシールドをさらに備えてもよい。加えて、シールドは、ゴミ、湿度などから保護するためにセル・パッケージを閉じ込めるように構成されてもよい。シールドは、カバー窓をさらに備えることができる。変形形態において、フィルタ構造を窓に隣接して配置することができ、または上記したようなフィルタ層を設ける代わりに、この窓をフィルタとして使用して、望ましくない周波数をフィルタすることさえできる。より一般に、以前に説明したような特性を有するフィルタをそうしたシールドの一部として埋め込むことができる。
【００６２】
本発明は、ある実施形態に関して記載されているが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更が行われてもよく、均等物に置き換えられてもよいことが当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の範囲から逸脱せずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように多くの修正が行われてもよい。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る実施形態をすべて含むことが意図されている。その点で、多くの変形形態が可能である。例えば、上記の例において列挙された以外の材料、化学組成および層寸法を用いて、本発明の実施形態において提供されたものと本質的に同じ結果であって、すなわち、フィルタの阻止帯域が吸収体として使用されるアモルファス材料のＶＢＴ状態からＣＢＴ状態への電子励起に相当する結果を得ることができる。
【００６３】
次の参考文献は、本発明に関わるが、他の文脈において提案された、いくつかの特殊な概念を理解するのに有用であろう。
R.B. Wehrspohnら、J.Appl.Phys.87, 144 2000年
M. Gunesら、J.Mater. Electron.21, 153 2010年
J. Tauc, R. GrigoroviciおよびA. Vancu, Phys.Stat.Sol.15, 627 (1966年)
R.A. Street 「Hydrogenatedamorphous silicon」, (Cambridge University Press, 1991年)
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【符号の説明】
【００６４】
１０ａ〜ｅ  光起電力デバイス
１０ｆ  光起電力デバイス（マルチチップ・パッケージ）
２０、２１  帯域阻止フィルタ構造／フィルタ
３２  ｐドープされた半導体層
３４  アモルファス光起電力（活性）半導体材料
３５  光吸収材料／追加の半導体層
３６  ｎドープされた半導体層
４２  ガラス層
４４  透明な導電性酸化物（またはＴＣＯ）
４６  バック電極
ＣＢ  伝導帯
ＣＢＴ  伝導帯テール
ＥＵ  平均的なアーバック・エネルギ
ＥＵＣ  ＣＢＴアーバック・エネルギ
ＥＵＶ  ＶＢＴアーバック・エネルギ
ｈバーωＭ  移動度ギャップ
ｈバーωｇａｐ  光学ギャップ
ＶＢ  価電子帯
ＶＢＴ  価電子帯テール
ωｍｉｎ  阻止帯域の下限角周波数
ωｍａｘ  阻止帯域の上限角周波数
［ωｍｉｎ、ωｍａｘ］  阻止帯域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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