(57)【要約】  本発明は、スペクトル分割光学系と組み合わせた複数のバンドギャップセルアレイを備える、光起電力デバイスを提供する。スペクトル分割光学系は、入射光を、適切なバンドギャップ特性を有するアレイの異なる光起電力セル（複数可）上へ独立して方向付けられるセグメントまたはスライスに連続的かつ回折的に分割するために、光学的に直列である２つ以上の光学分割回折素子を含む、１つ以上の光学スペクトル分割モジュールを含む。【選択図】  図１
2015526911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムであって、
（ａ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイであって、各光起電力部材は、前記光起電力部材が前記アレイの前記バンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイと、
（ｂ）複数のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールであって、
（ｉ）前記スペクトル分割透過性回折光学素子は、前記スペクトル分割透過性回折光学素子が前記入射光を複数の空間的に分離され、スペクトル的に分割された帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列であり、
（ｉｉ）各帯域幅部分は、前記光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、前記光起電力部材の前記関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられる、
少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールと、を備える、光起電力システム。
【請求項２】
少なくとも１つの光起電力部材は、複数の光起電力接合体を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記スペクトル分割光学モジュールは、前記入射光を少なくとも４つのスペクトル帯域幅に分割する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
各光起電力部材は、前記光起電力部材の少なくとも１つの他の光入射面と少なくとも部分的に重複しない光入射面を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記スペクトル分割光学モジュールは、少なくとも２つのスペクトル分割光学素子を含むスタックを備える、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面に対して平行でない光入射面を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面に対して実質的に平行である光入射面を有し、前記少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールから物理的に離間される、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記光起電力部材の少なくとも一部分は、同一平面上の光入射面を備え、前記光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面と平行である平面の中にある、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記光起電力アレイは、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の光起電力接合体を備え、各光起電力部材は、前記範囲のサブセットであるバンドギャップ特性を有し、少なくとも１つの光起電力部材は、少なくとも１つの他の光起電力部材のバンドギャップ特性に対して重複しないバンドギャップ特性を有する、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムは、実質的に類似するバンドギャップ特性を有する少なくとも第１および第２の光起電力部材が隣接するように互いに対して位置付けられる、少なくとも第１および第２の光起電力アレイを備える、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記スペクトル分割光学モジュールと前記光起電力アレイの少なくとも一部分との間に光学的に間置される、少なくとも１つの集光光学素子を備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールは、前記光学素子が前記入射光を少なくとも第１および第２の空間的に分配されたスペクトル帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列である少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、少なくとも第１および第２のスペクトル分割光学モジュールを備え、第１の光起電力部材は、少なくとも前記第１および第２のスペクトル分割光学モジュールからの前記第１の空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分が、第２の光起電力部材に対する前記第１の光起電力モジュール上に選択的かつ共通に入射するような様式で位置付けられ、前記第２の光起電力部材は、少なくとも前記第１および第２のスペクトル分割光学モジュールからの前記第２の空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分が、前記第１の光起電力部材に対する前記第２の光起電力部材上に選択的かつ共通に入射するような様式で位置付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
入射光を電気エネルギーに変換する方法であって、
（ａ）複数のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、少なくとも１つの光学モジュールを提供することと、
（ｂ）前記入射光を複数の空間的かつスペクトル的に分割された帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するために、前記スペクトル分割透過性回折光学素子を使用することと、
（ｃ）前記帯域幅部分を、空間的に分配されたバンドギャップ特性を有する複数の光起電力部材上へ選択的に向けさせることと、を含む、方法。
【請求項１４】
ステップ（ｂ）はさらに、光学的に直列の前記スペクトル分割透過性回折光学素子を提供することを含み、各帯域幅部分は、前記光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、前記光起電力部材の前記関連付けられたサブセット上に選択的に向けられ、前記方法はさらに、
（ｄ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイを提供するステップであって、各光起電力部材は、前記光起電力部材が前記アレイの前記バンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイを提供するステップと、
（ｅ）第１のスペクトル的に分割された帯域幅部分が少なくとも第２の光起電力部材に対する第１の光起電力部材上へ選択的に入射するような様式で、前記第１の光起電力部材を提供するステップと、
（ｆ）第２のスペクトル的に分割された帯域幅部分が前記第１の光起電力モジュールに対する前記第２の光起電力部材上へ選択的に入射するような様式で、前記第２の光起電力部材を提供するステップと、を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（ａ）はさらに、少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、第１のスペクトル分割光学モジュールを提供することと、直列に連結される少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、第２の光学モジュールを提供することとを含み、ステップ（ｂ）はさらに、前記入射光を第１および第２の光学的かつ空間的かつスペクトル的に分割された帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するために、前記第１および第２の光学モジュールのそれぞれを使用することを含み、ステップ（ｃ）はさらに、前記第１および第２の光学モジュールからの前記第１のスペクトル的に分割されたスペクトル帯域幅部分を、少なくとも第２の光起電力接合体に対する少なくとも第１の光起電力接合体上へ選択的かつ共通に向けさせることと、前記第１および第２の光学モジュールからの前記第２のスペクトル的に分割されたスペクトル帯域幅部分を、前記第１の光起電力接合体に対する前記第２の光起電力接合体上へ選択的かつ共通に向けさせることとを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権
本特許出願書は、２０１２年８月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／６９５，２１６号、名称「ＯＰＴＩＣＳ  ＦＯＲ  ＦＵＬＬ  ＳＰＥＣＴＲＵＭ，ＵＬＴＲＡＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＳＯＬＡＲ  ＥＮＥＲＧＹ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ」、および２０１２年１２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７４５，２６７号、名称「ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＩＴＨ  ＳＴＡＣＫＥＤ  ＳＰＥＣＴＲＵＭ  ＳＰＬＩＴＴＩＮＧ  ＯＰＴＩＣＳ  ＡＮＤ  ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ  ＡＲＲＡＹ  ＴＵＮＥＤ  ＴＯ  ＴＨＥ  ＲＥＳＵＬＴＩＮＧＳＰＥＣＴＲＡＬ  ＳＬＩＣＥＳ  ＰＲＯＤＵＣＥＤ  ＢＹ  ＴＨＥ  ＳＰＥＣＴＲＵＭ  ＳＰＬＩＴＴＩＮＧ  ＯＰＴＩＣＳ」からの優先権を主張するものであり、該仮特許出願の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力デバイスに関する。より具体的には、本発明は、入射光をセグメント（またはスライス）に仕切り、次いで、該セグメントを、適切な対応するバンドギャップを有するアレイの光起電力セル（複数可）上へ方向付けるスペクトル分割光学系と組み合わせて使用される、複数のバンドギャップを有する光起電力セルのアレイを含む光起電力デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
光起電力セル（太陽光セルまたはＰＶセルとも称される）は、日光等の入射光を電気エネルギーに変換する。残念なことに、多くの個々の光起電力セルは、所望される効率よりも低い効率で、光を電気エネルギーに変換する傾向がある。セルの効率は、複数の要因によって制限される。
【０００４】
１つの要因として、単一接合体光起電力セルは、セルによって光子を電気エネルギーに変換するために光子が有しなければならない最小エネルギー量を表す、特性エネルギーギャップ（バンドギャップとも称される）を有する。太陽を含む多くの光源は、広いスペクトル分布の光子を放出する。そのような光源の広帯域スペクトルは、そのエネルギーがエネルギーギャップ未満である光子、そのエネルギーがエネルギーギャップと一致する光子、そのエネルギーがエネルギーギャップを超える光子を含む。エネルギーギャップに一致するエネルギーを有する光子だけが、最も効率的に使用される。そのエネルギーがギャップよりも低い光子は、反射、透過、または吸収され、無駄な熱に変換される。ギャップを超えるエネルギーを有する光子は、エネルギーギャップに一致する該光子のエネルギーの一部だけを電気エネルギーに変換し、一方で、過剰なエネルギーは、主に無駄な熱として失われる。
【０００５】
結果的に、セルが入射光の広帯域スペクトルのごく一部分にだけ最適に光起電力的に応答するという事実のため、単一の光起電力セルは、入射光のごく一部分だけしか電気エネルギーに変換しない。理論的には、ＡＭ１．５Ｄ（直接）スペクトルの場合、高くても３３．４％しか電気エネルギーに変換できない。例えば、ＭａｒｔｉｎＧｒｅｅｎ，「Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｕｎｄｅｒ  ｎｅｗ  ＡＳＴＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｇ１７３−ｂａｓｅｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒａ」，Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ（２０１１）Ｖｏｌ  ２０，ｐ  ９５４を参照されたい。
【０００６】
この制限を考慮して、単一の光起電力セルの能力を広帯域スペクトルに十分に対応させることにより、複数のバンドギャップを有するセルのアレイを組み込んだ光起電デバイスが知られている。さらに、広帯域スペクトルを２つ以上のより狭いスペクトル帯域（スペクトルスライス、部分、成分とも称される）に分割するために、スペクトル分割光学系が使用される。より狭い帯域は、異なるバンドギャップを有するセル（複数可）に方向付けられる。各ターゲットセルは、エネルギー転換を最適化するのを補助するために、そのバンドギャップに方向付けられるスペクトル帯域に合わせて構成されたバンドギャップを有するように設計される。要するに、分割光学系は、入射光をセグメントまたはスライスに仕切り、次いで、該スライスを、適切なバンドギャップを有するそれらのＰＶセル（複数可）に独立して方向付ける。例えば、より高いエネルギー光と関連付けられるスペクトル帯域は、より高いエネルギー光転換のために最適化された比較的高いバンドギャップを有するＰＶセルに方向付けられ、より低いエネルギー光と関連付けられるスペクトル帯域は、より低いエネルギー光転換のために最適化された比較的低いバンドギャップを有するＰＶセルに方向付けられる。この様式で２つ、３つ、またはそれ以上のスペクトルスライスを使用するシステムが説明されている。
【０００７】
マルチバンドギャップおよびスペクトル分割特徴を有する光起電力システムは、特許および技術文献で説明されている。例としては、米国特許第４，４１８，２３８号、第５，５１７，３３９号、第４，０２１，２６７号、および第４，２０４，８８１号、米国特許出願公開第２０１１／０２８４０５４号、Ｆｉｘｌｅｒ  ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｅｎｅｒｇｙ，「Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｎｌｉｇｈｔ  ｆｏｒ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｃｅｌｌｓ」，Ｖｏｌ．１，２０１１、Ｓｔｅｆａｎｃｉｃｈ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｃｅｌｌｓ  ＣＰＶ  Ｓｙｓｔｅｍ」，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．８，ｐｐ．９００４−９０１８（２０１２）、Ｔｏｒｒｅｙ  ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｓｐｌｉｔ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｉｍｅ−Ｖａｒｙｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ」，１０９，０７４９０９（２０１１）、Ｌｉｎ  ｅｔ．ａｌ．，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｒｅｃｏｒｄ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，「Ｌｏｓｓｌｅｓｓ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ  ｉｎ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」，２０１１；０００８９４−０００８９８（２０１１）、Ｌｕｄｍａｎ  ｅｔ．ａｌ．，Ｆｉｒｓｔ  ＷＣＰＥＣ，ＩＥＥＥ  ＰＶＳＣ，ｐｐ１２０８−１２１１，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ５−９（１９９４）、Ｇｒｅｅｎ  ｅｔ．ａｌ．，「Ｆｏｒｔｙ  ｔｈｒｅｅ  ｐｅｒｃｅｎｔ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｓｐｌｉｔ−ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」，Ｐｒｏｇ．Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｒｅｓ．Ａｐｐｌ．２０１０，１８：４２−４７が挙げられる。積層して配設される光回折格子は、米国特許第５，２８２，０６６号で説明されている。
【０００８】
数多くの技術的課題が、スペクトル分割光学系と組み合わせて複数のバンドギャップセルアレイを使用する光起電力デバイスの性能に、依然として負担をかけている。第１に、そのようなシステムは、特に、多数のアレイ状のセルを使用したときに、またはスペクトル分割と組み合わせて集光を実現するときに複雑であり、そのようなデバイスを設計し、実現することを困難にする。デバイスの複雑さはまた、デバイスの性能を算出し、予測することも困難にする。また、セルのバンドギャップの範囲に対する光起電力効率の向上、およびスペクトル分割光学系に対する光学効率の向上を含む、個々の構成要素の性能の向上も所望される。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、スペクトル分割光学系と組み合わせた複数のバンドギャップセルアレイを含む、光起電力デバイスを提供する。スペクトル分割光学系は、入射光を、適切なバンドギャップ特性を有するアレイの異なる光起電力セル（複数可）上へ独立して方向付けられるセグメントまたはスライスに連続的かつ回折的に分割するのに有効な様式で、光学的に直列である２つ以上の光分割回折素子を含む。例えば、より高いエネルギー（より短い波長）を有するスペクトルスライスは、より高いバンドギャップを有するセル（複数可）上へ選択的に向けられ、一方で、より低いエネルギー（より長い波長）を有するスペクトルスライスは、より低いバンドギャップを有するセル（複数可）上へ選択的に向けられる。
【００１０】
本発明は、直列の連続的透過性回折光学素子を使用したスペクトル分割を達成する。直列に連結された回折光学系は、スペクトル分割を達成するために、主として二色性反射体を使用するシステムと比較して、かなりの利点を提供する。二色性反射体を使用する光起電力モジュールが、４０％を超える論理効率を提供することは事実であるが、そのような反射体は、高精度の形成技法を使用して蒸着された１５以上の層を組み込んでいる。これは、二色性反射体自体が複雑で高価な光学系であることを意味する。体積ホログラフィック格子等の回折素子は、二色性反射対よりもはるかに簡単な構造にすることができ、また、より容易に製造することができる。回折光学系を使用した光起電力モジュールは、現在の設計において、４０％に近い理論効率を提供し、潜在的には５０％の効率に到達するが、スペクトル分割素子の複雑さおよび費用を低減することが必要とされる。回折素子はまた、拡大／縮小もより容易である。反射ではなく回折透過を使用することによって、所望により、対応するＰＶモジュールを同じ平面の中に存在させて、総じて、結果として生じる光起電力システムの全体的な設計、構造、および製造を簡略化することができる。回折光分割素子は、２Ｄ表面および３Ｄ体積の屈折率変動を含む、種々の形態で製作することができる。これは、新しい製造技法を開発するときに、相当な設計の融通性、さらには、進歩能力を可能にする。したがって、透過性回折素子は、二色性反射体に基づくシステムと比較して、より高い設計の融通性を提供する。
【００１１】
単一のより複雑な統合光学素子を使用することとは対照的に、複数の直列の光学素子によって入射光をスペクトルスライスに連続的に分割することの結果として、システムは、より容易にモデル化し、製作して、向上したシステム効率を提供することができる。これは、システム性能を算出し、予測すること、光学的構成要素を選択すること、適切なバンドギャップ特性を有する吸収体組成を調整すること、集光をモデル化し、実現すること、等を実質的により容易にする。
【００１２】
回折光学素子に関する「透過性」は、入射光線が素子の光入射面上へ入射し、一方で、入射光線に由来する回折光線が光学素子の異なる表面から現れることを意味する。多くの場合では、入射光線が第１の表面へ入射し、そして、回析光線が光入射面の反対の表面から現れる。対照的に、反射性光学素子では、光入射面と、対応する反射光が現れる表面とは、同じである。回折格子ハンドブック第６版、Ｎｅｗｐｏｒｔ社、２０ページ（２００５）を参照されたい。
【００１３】
一態様において、本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムに関し、該システムは、
（ａ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に（例えば、トポグラフ的に）分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイであって、各光起電力部材は、光起電力部材がアレイのバンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイと、
（ｂ）複数のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、少なくとも１つのスペクトル分割光りモジュールであって、
（ｉ）スペクトル分割回折光学素子は、スペクトル分割透過性回折光学素子が入射光を複数の空間的に分離され、スペクトル的に分割された帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列であり、
（ｉｉ）各帯域幅部分は、光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、光起電力部材の関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられる、
少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールと、
を備える。
【００１４】
一態様において、本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する方法に関し、
（ａ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイを提供するステップであって、各光起電力部材は、光起電力部材が前記アレイのバンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイを提供するステップと、
（ｂ）複数のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、少なくとも１つの光学スペクトル分割モジュールを提供するステップであって、
（ｉ）スペクトル分割透過性回折光学素子は、スペクトル分割光学素子が入射光を複数の空間的に分離され、スペクトル的に分割された帯域幅部分に分割するように、光学的に直列であり、
（ｉｉ）各帯域幅部分は、光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、光起電力部材の関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられる、
少なくとも１つの光学スペクトル分割モジュールを提供するステップと、
（ｃ）第１のスペクトル的に分割された帯域幅部分が少なくとも第２の光起電力部材に対する第１の光起電力部材上に選択的に入射するような様式で、第１の光起電力部材を提供するステップと、
（ｄ）第２のスペクトル的に分割された帯域幅部分が少なくとも第１の光起電力部材に対する第２の光起電力部材上に選択的に入射するような様式で、第２の光起電力部材を提供するステップと、
を含む。
【００１５】
一態様において、本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する方法に関し、
（ａ）複数のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、少なくとも１つの光学モジュールを提供することと、
（ｂ）入射光を複数の空間的かつスペクトル的に分割された帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するために、スペクトル分割透過性回折光学素子を使用することと、
（ｃ）帯域幅部分を、空間的に分配されたバンドギャップ特性を有する複数の光起電力部材上に選択的に向けさせることとであって、光起電力部材は、互いに対して光学的かつ電気的に並列である、選択的に向けさせること。
【００１６】
一態様において、本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムに関し、該システムは、
（ａ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイであって、各光起電力部材は、光起電力部材がアレイのバンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイと、
（ｂ）複数のスペクトル分割光学モジュールを備える、アレイであって、
（ｉ）少なくとも第１および第２のスペクトル分割光学モジュールは、光学素子が入射光を少なくとも第１および第２の空間的に分配されたスペクトル帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列である少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折光学素子を備え、
（ｉｉ）各帯域幅部分は、光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、光起電力部材の関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられ、
（ｉｉ）第１の光起電力部材は、少なくとも第１および第２のスペクトル分割光学モジュールからの第１の空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分が、第２の光起電力部材に対する第１の光起電力モジュール上に選択的かつ共通に入射するような様式で位置付けられ、第２の光起電力部材は、少なくとも第１のおよび第２のスペクトル分割光学モジュールからの第２の空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分が、第１の光起電力部材に対する第２の光起電力部材上に選択的かつ共通に入射するような様式で位置付けられる、アレイと、
を備える。
【００１７】
一態様において、本発明は、入射光を電気エネルギーに変換する方法に関し、
（ａ）少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、第１のスペクトル分割光学モジュールを提供することと、
（ｂ）直列の少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折光学素子を備える、第２の光学モジュールを提供することと
（ｃ）入射光を第１および第２の光学的かつ空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するために、第１および第２の光学モジュールのそれぞれを使用することと、
（ｄ）第１および第２の光学モジュールからの第１のスペクトル的に分割されたスペクトル帯域幅部分を、少なくとも第２の光起電力部材に対する第１の光起電力部材上へ選択的かつ共通に向けさせることと、
（ｅ）第１および第２の光学モジュールからの第２のスペクトル的に分割されたスペクトル帯域幅部分を、第１の光起電力部材に対する第２の光起電力部材上へ選択的かつ共通に向けさせること。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の光起電力システムの一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】集光光学系を組み込んだ本発明の別の実施形態を概略的に示す斜視図である。
【図３】図２のデバイスに組み込まれるスペクトル分割光学系および光起電力アレイを概略的に示す斜視図である。
【図４】図２のデバイスで使用されるスペクトル分割光学系アレイおよび光起電力アレイを概略的に示す上面図である。
【図５】図２による光起電力システムのアレイを概略的に示す図である。
【図６】本発明の代替の実施形態を概略的に示す斜視図である。
【図７】図６で示されるデバイスを概略的に示す側断面図である。
【図８】スペクトル的に分割されたスペクトルスライスを対応する光起電力セル上へ集光させるために、光学的に直列の直角集光器を含む、本発明の実施形態を概略的に例示する図である。
【図９】光起電力の光捕獲を向上させるのを補助するために、類似するバンドギャップ特性を有するＰＶ部材が概ね隣接するように、光起電力デバイスがアレイに位置付けられる、本発明の実施形態を概略的に例示する図である。
【図１０】光起電力の光捕獲を向上させるのを補助するために、類似するバンドギャップ特性を有するＰＶ部材が概ね隣接するように、図９の配向されたデバイスがどのようにより大きいアレイに組み込まれるのかを概略的に例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
下で説明される本発明の実施形態は、網羅的であること、または本発明を以下の詳細な説明で開示される厳密な形態に限定することを意図しない。むしろ、実施形態は、他の当業者が本発明の原理および実践を認識および理解し得るように選択および説明される。本明細書の全体を通して引用される全ての特許、係属中の特許出願、特許出願公開、および技術文献は、全ての目的に対してそれらのそれぞれの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２０】
本発明の光起電力システム１０の一実施形態は、図１で概略的に示される。システム１０は、入射光１６を電気エネルギーに光起電力的に変換する。システム１０は、主要な構成要素として、光起電力アレイ１２と、スペクトル分割光学モジュール１４とを含む。
【００２１】
スペクトル分割光学モジュール１４は、入射光１６を２つ以上のスペクトルスライス（スペクトル帯域幅部分とも称される）に、例えば、いくつかの実施形態では２〜１０のスペクトルスライスに、いくつかの実施形態では２〜８のスペクトルスライスに、いくつかの実施形態では２〜６のスペクトルスライスに、およびいくつかの実施形態では３〜４のスペクトルスライスに、スペクトル的に分割するように設計される。例示の目的で、システム１０は、光学モジュール１４が入射光１６から５つのスペクトルスライス３６、３８、４０、４２、および４４を発生させる、実例となる実践モードに従って説明される。例示の目的で、これらは、紫外線／青色、緑色、黄色、橙色／赤色、および赤外線のスライスとして示される。実際のスペクトルスライスの帯域幅は、これらの色に対応し得るか、または入射光１６の他のそれぞれの部分に対応し得る。実際には、より多い数またはより少ない数のスペクトルスライスが使用され得る。
【００２２】
入射光１６から取得される全ての結果として生じるスライスの全スペクトル帯域幅は、広範囲の波長に及び得る。例えば、スペクトルスライスは、いくつかの実施形態において、紫外線光から赤外線光またはそれらの任意の部分（複数可）の波長の範囲を包含する波長にわたって生成され得る。各スペクトルスライスの波長スパンは、他のスライスの波長スパンと概ね同じであり得る。あるいは、スライスからスライスまでの波長スパンは、変動し得る。
【００２３】
光起電力アレイ１２は、全般的に、スペクトル分割光学モジュール１４によって生成されるスペクトルスライスに対応する入射光１６の異なる特定のサブセットに、最も効率的に光起電力的に応答するように独立して調整される、２つ以上の光起電力部材を含む。望ましくは、少なくとも第１の光起電力部材は、第２の光起電力部材に対する入射光の第１のスペクトル帯域幅部分に最も効率的に光起電力的に応答する、少なくとも第１の光起電力セルを備え、第２の光起電力部材は、第１の光起電力部材に対する入射光の第２のスペクトル帯域幅部分に最も効率的に光起電力的に応答する、少なくとも第２の光起電力セルを備える。例示の目的で、アレイ１２は、５つの、異なるように調整された光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６を含む。５つの光起電力部材のそれぞれは、単一または複数接合体の光起電力セルを独立して含み得る。
【００２４】
光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６の調整は、適切なバンドギャップ特性を有する光起電力接合体（複数可）を各光起電力部材に組み込むことによって容易に達成される。集合的に、全ての部材１８、２０、２２、２４、および２６のバンドギャップ特性は、例えばいくつかの実施形態では約０．５ｅＶ〜約４．０ｅＶといった、広範囲に及び得るが、各光起電力部材は、部材がアレイ１２の全範囲のサブセットのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接合体を含む。より高いバンドギャップ特性を有する光起電力部材は、より高いエネルギー（例えば、より短い波長）を有するスペクトルスライスに最も効率的に光起電力的に応答するように調整される。より低いバンドギャップ特性を有する光起電力部材は、より低いエネルギー（例えば、より長い波長）を有するスペクトルスライスに最も効率的に光起電力的に応答するように調整される。
【００２５】
例示の目的で、部材１８は、２８０ｎｍ〜５３２ｎｍの波長と関連付けられるスペクトルスライスと関連付けられる波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整され得る（例えば、バンドギャップ特性を有する）。この波長範囲と関連付けられるスペクトル帯域幅部分に効率的に光起電力的に応答するように調整される光起電力セルは、約２．３３ｅＶのバンドギャップ特性を有し得る。
【００２６】
例示の目的で、部材２０は、５３２ｎｍ〜６８５ｎｍの波長と関連付けられる波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整され得る（例えば、バンドギャップ特性を有する）。この波長範囲と関連付けられるスペクトル帯域幅部分に効率的に光起電力的に応答するように調整される光起電力セルは、約１．８１ｅＶのバンドギャップ特性を有し得る。
【００２７】
例示の目的で、部材２２は、６８５ｎｍ〜８９９ｎｍの波長と関連付けられる波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整され得る（例えば、バンドギャップ特性を有する）。この波長範囲と関連付けられるスペクトル帯域幅部分に効率的に光起電力的に応答するように調整される光起電力セルは、約１．３８ｅＶのバンドギャップ特性を有し得る。
【００２８】
例示の目的で、部材２４は、８９９ｎｍ〜１２４０ｎｍの波長と関連付けられる波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整され得る（例えば、バンドギャップ特性を有する）。この波長範囲と関連付けられるスペクトル帯域幅部分に効率的に光起電力的に応答するように調整される光起電力セルは、約１．００ｅＶのバンドギャップ特性を有し得る。
【００２９】
例示の目的で、部材２６は、同様に１２４０ｎｍ〜１７７１ｎｍの波長と関連付けられる波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整され得る（例えば、バンドギャップ特性を有する）。この波長範囲と関連付けられるスペクトル帯域幅部分に効率的に光起電力的に応答するように調整される光起電力セルは、約０．７０ｅＶのバンドギャップ特性を有し得る。
【００３０】
光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６は、スペクトルスライス３６、３８、４０、４２、および４４（下でさらに説明される）が光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６の異なる関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられ得るように、空間的に分配される。このように選択的に向けることを可能にするために、光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６の光入射面は、電気絶縁を提供するために、隣接する光入射開口部の間に少なくともいくらかの距離が存在するように、少なくとも一部分は重ならない、好ましくは、実質的に全く重ならない、より好ましくは、（示されるように）空間的に分離され、離間される。
【００３１】
スペクトル分割光学モジュール１４は、全般的に、光学的に直列である複数のスペクトル分割回折光学素子２８、３０、３２、および３４を含む。このように連結されて、光学素子２８、３０、３２、および３４は、入射光１６を空間的に分離されたスペクトル帯域幅部分（下でさらに説明される）に連続的かつ回折的に分割する。「空間的に分割される」とは、帯域幅部分が独立した光線３６、３８、４０、４２、および４４として発生し、該光線のそれぞれが、その分割された光線と関連付けられる帯域幅部分に光起電力的に応答するように設計される、関連付けられる光起電力モジュール１８、２０、２２、２４、または２６に独立して選択的に向けられることを意味する。
【００３２】
動作中に、４つの光学素子２８、３０、３２、および３４は、入射光１６を、それぞれ光起電力部材１８、２０、２２、２４、または２６上へ選択的に向けられる、５つの光線３６、３８、４０、４２、および４４に連続的かつ回折的に分割する。最初に、入射光１６は、その波長がＵＶ、可視、およびＩＲの色を含む複数の色を含む、広いスペクトル帯域幅を有する。光学素子２８、３０、３２、および３４は、スペクトル帯域幅の部分がより高いエネルギーからより低いエネルギーまで主光線から連続的に分割されるように、直列に配設される。
【００３３】
第１に、入射光１６は、光学素子２８による回折を介して、別個の光線３６および４６に空間的かつスペクトル的に分割される。光学素子２８は、光線３６が主に２８０〜５３２ｎｍの範囲の波長と関連付けられる光を構成し、また、部材１８に方向付けられるように選択され、その光起電力セル（複数可）は、これらの波長を電気エネルギーに効率的に変換するように調整される。光線４６は、スペクトル帯域幅の残部を含み、光学素子３０に移る。したがって、２８０〜５３２ｎｍの帯域は、単一の光学素子を通過するだけでよく、短波長光の僅少な損失によって達成することができ、太陽光スペクトルの中のかなりのエネルギー量を含む。別の場合であれば、この色の範囲は、これらの短波長の色が光学系列においてさらに下流に分割される場合に、１つ以上の他の光学分割素子においてより高次の回折次数との相互作用によって誤って割り当てられる傾向があり得る。
【００３４】
光線４６は、光学素子３０による回折を介して、別個の光線３８および４８に空間的かつスペクトル的に分割される。光学素子３０は、光線３８が主に５３２〜６８５ｎｍの波長と関連付けられる光を構成し、また、部材２０に方向付けられるように選択され、その光起電力セル（複数可）は、これらの波長を電気エネルギーに効率的に変換するように調整される。光線４８は、光学帯域幅の残部を含み、光学素子３２に移る。
【００３５】
光線４８は、光学素子３２による回折を介して、別個の光線４０および５０に空間的かつスペクトル的に分割される。光学素子３２は、光線４０が主に６８５〜８９９ｎｍの範囲の波長と関連付けられる光を構成するように、また、光線４０が部材２２に方向付けられるように選択され、その光起電力セル（複数可）は、これらの波長を電気エネルギーに効率的に変換するように調整される。光線５０は、光学帯域幅の残部を含み、光学素子３４に移る。
【００３６】
光線５０は、光学素子３４による回折を介して、別個の光線４２および４４に空間的かつスペクトル的に分割される。光学素子３４は、光線４２が主に８９９〜１２４０ｎｍの波長と関連付けられる光を構成するように、また、光線４２が部材２４に方向付けられるように選択され、その光起電力セル（複数可）は、これらの波長を電気エネルギーに効率的に変換するように調整される。光線４４は、光学帯域幅の残部を含む。より高いエネルギーの色が光学素子２８、３０、３２、および３４を使用して主光線から分割されたので、光線４４は、実用的観点から、主に１２４０〜１７７１ｎｍの波長で構成される、フィルタ処理された光線である。光線４４は、光起電力モジュール２６に方向付けられ、その光起電力セル（複数可）は、これらの波長を電気エネルギーに効率的に変換するように調整される。
【００３７】
この設計によって、１２４０〜１７７１ｎｍの波長は、系列の中の全ての光学素子を通過する。これらの色が僅少な損失で素子の全てを通過することができるので、これは、実用的である。したがって、これらの長い波長の色からのエネルギーのかなりの部分が、依然として、これらの色に対して調整された光起電力部材２６によって取り込まれる。実用的観点から、系列の中の最後の光学素子３４によって透過されるフィルタ処理された光線４４を使用する能力は、入射光の特定のスペクトル帯域幅部分またはサブセットを構成するｎ＋１の光線を発生させることができることを意味し、ここで、ｎは、光学的に直列の光学素子の数である。
【００３８】
各光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６は、それに対して光起電力部材が調整される、入射光１６と関連付けられるスペクトル帯域幅の特定のサブセットを受け取るので、システム１０は、少なくとも部分的に高い効率で動作する。さらに、スペクトル分割光学系は、入射光１６が特定のスペクトル帯域幅部分に連続的に分割されるように、直列に連結される。これは、光学効率を高め、また、モジュール効率の向上にも貢献する。
【００３９】
さらに、入射光１６は、一次元（直線分布とも称される）で分割される。１次元での光学分割は、一般化結合波解析（ＧＣＷＡ）を使用してモデル化することが容易である。これはまた、光学分割および光起電力特徴を、直線分布モデルを使用してより容易に設計し、選択することも可能にする。各素子は、入射光の主光線から単一で特定のスペクトルスライスを生成するように設計され得るので、積層型スペクトル分割光学系をモデル化することがより容易である。例えば、ある要素は、青色に対応するスペクトルスライスを生成し得、一方で、別の要素は、赤色に対応するスペクトルスライスを生成し得る、等である。連続における最後の要素は、主光線の空間的に分割されたスライスならびにフィルタ処理された残部の双方を生成し、ここで、該残部は、入射光線のスペクトル帯域幅と比較して、狭いスペクトルスライスである。例えば、１つの実践モードにおいて、一連の光学素子がＵＶ、可視、およびおより短い波長の近ＩＲの色を含むスペクトルスライスを連続的に生成した後に、主光線の残部は、１２４０〜１７７１ｎｍの波長と関連付けられる狭いスペクトルスライスにフィルタ処理されている。
【００４０】
特に、そのようなＧＣＷＡモデリングは、光分割光学モジュール１４に組み込まれる光分割光学素子２８、３０、３２、および３４として使用される、回折ホログラフィック光分割格子の特性（例えば、表２において下で定義されるような、ファイ、Ｌ、およびＤの特性）を特定するために使用することができる。これらの特性を特定するための例示的なモデリング技法は、Ｔ．Ｋ．Ｇａｙｌｏｒｄ＆Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｏｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，ｐｐ  １１６５−１１７０（１９７７）Ｖｏｌ．６７  Ｉｓｓｕｅ  ９で説明される。さらに、特定のスペクトルスライスを生成するために、連続する直列の光学要素を使用することは、光収集、光分割、および集光の機能をより容易に切り離すことを可能にする。より複雑なスペクトル分割回折素子が所望される場合は、そのような光学素子の性能を設計し、予測するために、ＲＣＷＡモデリング等の他の技法を実施することができる。この方法は、Ｅ．Ｎ．Ｇｌｙｔｓｉｓａｎｄ  Ｔ．Ｋ．Ｇａｙｌｏｒｄ，「Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  ３−Ｄ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗａｖｅ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇｓ  ｉｎ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｍｅｄｉａ」，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，１９８９，Ｖｏｌ  ２８，ｐｐ  ２４０１−２４２１で説明される。
【００４１】
示されるように、光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６は、光学素子２８、３０、３２、および３４の主要面に対して直角であるように示される。実際には、光起電力部材および光学素子は、様々な目標を達成するために、所望に応じて、他の角度（複数可）で載置することができる。例えば、光起電力部材と光学素子との互いに対する角度は、問題となるスペクトル帯域幅部分の吸収を最適にするように、ならびに反射による損失を最小化するように選択することができる。分割された光線は、特に光学素子として回折ホログラフィック回折格子が使用されたときに、分割された光線の波長の関数である角度で発生され得るので、光起電力部材および対応する光学素子の対の間の角度（例えば、光起電力部材１８および光学素子２８が対応する対であり、素子２８によって生成される２８０〜５３２ｎｍのスペクトルスライス３６が部材１８に方向付けられる）は、変動し得る。
【００４２】
システム１０は、所望により、随意の集光光学系（図示せず）を組み込み得る。これを達成するための１つの方法として、スペクトル分割を起こして適切なスペクトルスライスを生成した後に、その適切なスペクトルスライスが集光光学系によって取り込まれるように、集光光学系が光起電力部材１８、２０、２２、２４、および２６のうちの１つ以上に位置付けられ得る。全般的に、そのような集光光学系は、対応するＰＶセルよりも大きい入口開口部と、そのサイズおよび形状が対応するＰＶセルにより厳密に一致するより小さい出口開口部とを有する。
【００４３】
本発明の光起電力デバイス１００の別の実例となる実施形態は、図２、図３、図４、および図５で概略的に示される。デバイス１００は、入射光１０１を電気エネルギーに光起電力的に変換する。デバイス１００は、主要な構成要素として、光起電力アレイ１０２と、スペクトル分割光学アレイ１０４と、集光光学系１０６とを含む。１つの実際の実践モードでは、日光を電気エネルギーに変換するための（図５で示され、別の実施形態が図９〜図１０に関して下で説明されるような）より包括的なシステム１６０を提供するために、複数のデバイス１００が組み合わせて使用される。しばしば、グループ化されたデバイスが個々にまたは縦一列に太陽を追跡するような様式で、複数グループのデバイス１００が共通のフレームワーク（図示せず）に載置される。
【００４４】
集光光学系１０６は、頂縁部１１２および１１４ならびに底部領域１１６を有する側部１０８および１１０を有するトラフ型複合放物面集光器の形態である。側部１１０は、光起電力アレイ１０２が側部１１０の後ろにあるように見せるために、想像線で示される。光起電力アレイ１０２は、光学系１０６によって集光されたスペクトルスライスがアレイ１０２上へ入射されるような様式で、底部領域１１６の近位に位置付けられる。スペクトル分割光学モジュール１０４は、頂縁部１１２および１１４に位置付けられる。スペクトル分割光学モジュール１０４の領域は、デバイス１００の入口開口部としての役割を果たす。トラフ型放物面集光器は、集光光学系の一種に過ぎない。所望により、他の数多くの種類の１次元または２次元の集光光学系が使用され得る。集光光学系１０６は、光が最初に別個の帯域幅部分にスペクトル的に分割され、次いで集光されるように、スペクトル分割光学モジュール１０４の下側に配置されることに留意することが重要である。回折光学素子の性能は、入射光の入射角度に極めて影響され易いので、この（最初に分割し、次いで集光する）手法は、回折光学系を特徴とする光起電力モジュールにおける高い集光を達成するのを補助する。
【００４５】
集光光学系１０６は、広範囲にわたる集光力を有する。例えば、１次元（１Ｄ）集光の光学系１０６の集光力は、１．２倍〜５０倍、より好ましくは、１．２倍〜２０倍の範囲であり得る。デバイス１００をコンパクトにする一方で、構成要素の熱負荷およびコストを最小にすることを可能にするので、１次元集光光学系には、より低いレベルの集光、例えば５０倍未満および好ましくは２０倍未満がより好ましい。１つの実践モードにおいて、光学系１０６は、１２．２倍の集光力、垂直から±３．８度の許容角度、および８ｃｍの高さ（１５．１倍の集光力を有する非切頂構造に対して１／３が切頂される）を有する。例えば、２次元集光光学系の集光は、かなり高く、例えば２００倍〜１５００倍になり得る。
【００４６】
所望であれば、１次元集光光学系は、より高いレベルの集光を達成するために、直列に連結することができる。直交し、光学的に直列である集光光学系を含む本発明の例示的な実施形態は、図８において下で説明される。光学系およびＰＶの設計は、直交集光を使用することで、より容易である。集光光学系の直交連結はまた、結果として生じるスペクトルスライス間の空間的分離を高め、効率を高め、また、細長い集光光線を得るために一連の集光光学系が同じ次元で集光する場合にもたらされ得るような、過度に細いＰＶセルの使用を回避する。
【００４７】
光起電力アレイ１０２は、入射光１０１の異なる特定のスペクトル帯域幅部分に調整される、複数の光起電力部材を含む。例示の目的で、アレイ１０２は、スペクトル分割光学アレイ１０４を構成する光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６のそれぞれによって生成される４つの対応するスペクトル帯域幅部分のための受光器として機能する、４つの光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６を含む。集合的に、全ての光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６のバンドギャップ特性は、広範囲に及び得、いくつかの実施形態では例えば約０．８ｅＶ〜４．５ｅＶであるが、各光起電力部材は、該部材がアレイ１０２の全範囲のサブセットに対するバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接合体を含む。より高いバンドギャップ特性を有する光起電力部材は、より高いエネルギー（例えば、より短い波長）を有するスペクトルスライスに最も効率的に光起電力的に応答するように調整される。より低いバンドギャップ特性を有する光起電力部材は、より低いエネルギー（例えば、より長い波長）を有するスペクトルスライスに最も効率的に光起電力的に応答するように調整される。
【００４８】
この実施形態において、光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６は、スペクトル分割光学アレイ１０４の平面の下側にあり、かつ、それに対して概ね平行である平面において同一平面上にある。光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６は、スペクトル分割光学アレイ１０４によって生成されるスペクトルスライス（下でさらに説明される）が光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６の異なる関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられ得るように、空間的に分配される。このように選択的に向けることを可能にするために、光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６の光入射面は、隣接する光入射開口部の間に少なくともいくらかの距離が存在するように、少なくとも一部分は重ならない、好ましくは、（示されるように）実質的に全く重ならない、より好ましくは、空間的に分離され、離間される。
【００４９】
光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６のそれぞれは、独立して、単一接合体または複数接合体の光起電力セルを含み得る。例示の目的で、光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６のそれぞれは、二重接合体セルである。部材１２０は、頂部セル１４１と、底部セル１４２とを含む。部材１２２は、頂部セル１４３と、底部セル１４４とを含む。部材１２４は、頂部セル１４５と、底部セル１４６とを含む。部材１２６は、頂部セル１４７と、底部セル１４８とを含む。
【００５０】
好ましくは、光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６のそれぞれの二重接合体セルは、デバイス性能を最適化するのを補助するために、電流整合および格子整合される。実例となる実践モードにおいて、部材１２０、１２２、１２４、および１２６は、均一にサイズ決定され、０．５〜５０ｍｍ×０．５〜５０ｍｍにサイズ決定されるアレイを形成する。
【００５１】
例示の目的で、部材１２０は、２８０ｎｍ〜６７４ｎｍの波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整される（例えば、バンドギャップ特性を有する）。例示の目的で、部材１２２は、６７４ｎｍ〜８７３ｎｍの波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整される（例えば、バンドギャップ特性を有する）。例示の目的で、部材１２４は、８７３ｎｍ〜１１７０ｎｍの波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整される（例えば、バンドギャップ特性を有する）。例示の目的で、部材１２６は、１１７０ｎｍ〜１６７６ｎｍの波長を含む入射光のスペクトル帯域幅部分に、より効率的に光起電力的に応答するように調整される（例えば、バンドギャップ特性を有する）。
【００５２】
下記の表は、光起電力アレイ１０２の実例となる実施形態のバンドギャップおよび吸収体の組成を示す。
【表１】
2015526911.tif 000003
【００５３】
表１は、各光起電力部材のバンドギャップ特性が、好ましい実践モードに従って、他の部材のいずれのバンドギャップ特性とも重複しないことを示す。実際に、光起電力部材のバンドギャップ範囲の間の差は、部材１２６の頂部接合体と部材１２４の底部接合体との間で少なくとも０．１３ｅＶ（すなわち、０．９３ｅＶと１．０６ｅＶとの差は、０．１３ｅＶ）であり、この差は、より高いエネルギーの光に対して調整される光起電力部材（サブセルとも称される）間でますます大きくなる。部材（またはサブセル）１２４の頂部接合体と部材（またはサブセル）１２２の底部接合体との差は、０．１９ｅＶ（１．４２ｅＶ−１．２３ｅＶ）であり、部材１２２の頂部接合体と部材（またはサブセル）１２０の底部接合体との差は、０．２４ｅＶ（１．８４ｅＶ−１．６０ｅＶ）である。これは、この実例となる実施形態における各部材が、どのように入射光１０１のスペクトル帯域幅の特定かつ一意のサブセットに光起電力的に対応するように調整されるのかを示す。
【００５４】
スペクトル分割光学アレイ１０４は、入射光を、入射光１０１の全スペクトル帯域幅のサブセットであるスペクトル帯域幅部分に光学的かつ空間的に分割する、複数の光学モジュール１３０、１３２、１３４および１３６を含む。各モジュールは、帯域幅部分にそれぞれ調整される光起電力部材に向けられる、独立したスペクトル分割帯域幅部分を発生する。例えば、光学モジュールは、スペクトル的かつ回折的に分割されるスライス１７１、１７４、１７３、および１７２を発生するように調整され得、次いで、該スライスは、各スライスの適切な波長範囲に対応するように調整される対応する光起電力部材に向けられる。
【００５５】
各光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６は、入射光を空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するために、光学的に直列である積層した光学分割素子を含む。例示されるように、各光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６は、積層した３つの光学素子１５１〜１６２を含む。
【００５６】
多種多様なスペクトル分割光学系が素子１５１〜１６２として使用され得る。好ましい実施形態において、各素子は、回折を介して入射光を分割する、体積ホログラフィック格子を備える。例示的な回折格子としては、表面レリーフ格子および／または体積ホログラフィック格子が挙げられる。全般に、これらの光学分割素子の屈折率パターンの任意の２次元または３次元の変形例は、適切な透過性回折スペクトル分割光学系とすることができる。下記の表２は、光学アレイ１０４の一実施形態の光学素子１５１〜１６２を構成するホログラフィック回折格子の例示的な格子パラメータを示す。この実施形態は、入射光１０１を、光学モジュール１３２からスライス１７１、１７４、１７３、および１７２に、ならびに同じそれぞれのサブセルに共通に方向付けられる他の光学モジュール１３０、１３４、および１３６から放射する同じ帯域幅のスライスに分割するように設計される。これらの実例となる格子パラメータは、１．３の平均屈折率および０．０２の屈折率変調を有する格子に関するものであり、重クロム酸ゼラチン等の材料で実現可能である。
【表２】
2015526911.tif 000004
【００５７】
表２において、Ｌは、各単純正弦波状体積相ホログラフィック格子の屈折変調の期間である。ファイは、光学分割素子の平面に関する屈折率変調の傾斜角である。Ｄは、ホログラフィック格子の厚さである。設計波長は、光学素子が回析するように設計される、スペクトル帯域の中央波長である。
【００５８】
各光学モジュールの光学素子は、任意の順序で積層され得る。例示の目的で、図２〜図５は、表３の例示的な設計による、積層した光学素子を配設するための１つの可能なモードを例示する。同じく例示の目的で、図２〜図５は、どのように光学モジュール１３２が、入射光を、４つの光起電力モジュール１２０、１２２、１２４、および１２６上へそれぞれ向けられるような様式で回折され、集光される４つのスペクトル帯域幅部分に空間的に分割するのかを示す。実際には、スペクトル帯域幅部分は、設計に応じて、表１で指定されるものと異なる入射光の帯域幅部分と関連付けられ得る。また、他の実践モードでは、より多いまたはより少ない数のスペクトル帯域幅部分および光起電力部材も使用され得る。
【００５９】
図３は、例示される実施形態において、どのように光学モジュール１３２の光学素子１５４〜１５６がスペクトル分割を達成するのかを示す。光学素子１５４は、入射光１０１を光学的かつ回折的に分割して、そのスペクトルスライスに光起電力的に対応するように調整される光起電力サブセル１２０上へ向けられる２８０ｎｍ〜６７４ｎｍの波長と関連付けられるスペクトル帯域幅部分１７１を発生させる。次いで、光学素子１５５は、該光を連続的にさらに分割して、そのスペクトルスライスに光起電力的に対応するように調整される光起電力サブセル１２６上へ向けられる１１７１ｎｍ〜１６７６ｎｍの波長と関連付けられるスペクトル帯域部分１７２を発生させる。次に、光学素子１５６は、該光を連続的にさらに分割して、そのスペクトルスライスに光起電力的に対応するように調整される光起電力サブセル１２４上へ向けられる８７３ｎｍ〜１１７０ｎｍの波長と関連付けられるスペクトル帯域部分１７３を発生させる。光学素子１５４、１５５、および１５６のフィルタ処理アクションは、６７４ｎｍ〜８７３ｎｍの波長と関連付けられるスペクトル帯域幅部分１７４を得る。この最後の光線は、モジュール１３２を通過して、光学モジュール１３２の下側の光起電力サブセル１２２に向かう。他の光学モジュールは、入射光１０１を連続するスペクトル帯域幅部分に分割して、表３で示される設計パラメータに従う類似する様式でそれぞれの光起電力サブセル１２０〜１２６上へ共通に向けられる類似するスペクトルスライスを発生させる。
【００６０】
結果的に、各光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６は、それぞれ対応して調整される光起電力サブセル１２０、１２２、１２４、および１２６上へ向けられるスペクトル帯域幅部分を発生させる。例えば、光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６によって発生される２８０〜６７４ｎｍの帯域幅部分は、選択的かつ共通に光起電力サブセル１２０上へ向かい、その上へ入射する。類似する様式で、光学モジュールによって発生される６７４〜８７３ｎｍ、８７３〜１１７０ｎｍ、および１１７０〜１６７６ｎｍのスペクトル帯域幅部分も、選択的かつ共通に、それぞれ、他の光起電力サブセル１２２、１２４、および１２６上へ向かい、その上へ入射する。したがって、各調整された光起電力サブセルは、全ての光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６によって発生される対応する複数のスペクトル帯域幅部分によって放射される。好都合なことに、これは、デバイス１００の全体的な効率を高めるのを補助するために、デバイス１００の全開口部によって取り込まれた入射光１０１が、スペクトル的に連続して分割され、それに応じて調整された光起電力モジュール上へ方向付けられることを意味する。
【００６１】
各光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６は、４つのスペクトル帯域幅部分を発生させ、さらに、各光学モジュールは、例示されるように、光学的に直列である積層した３つの光学素子を含む。４つのスペクトルスライスのうちの３つは、それぞれ、３つの光学素子の回折アクションによって方向付けられる。４のスペクトル帯域幅部分は、実際の効果において、各光学モジュールに組み込まれる積層した光学素子によるフィルタ処理アクションによってもたらされる。好都合に、このフィルタ処理した部分は、下層のＰＶモジュール上へ向けられる。例えば、積層した光学素子が２８０〜６７４ｎｍ、６７４〜８７３ｎｍ、および８７３〜１１７０ｎｍの波長を回折的に分割する場合、光学モジュールを通過する入射光の残部は、１１７１〜１６７６ｎｍのスペクトル帯域幅部分である。
【００６２】
表１および表２で示される設計の詳細は、表３で説明される格子スタックによって提供される理論的光分割に基づく。格子の理論的性能と実際の性能とは、異なり得る。故に、サブセル１２０〜１２６に組み込まれる光起電力接合体１４１〜１４８は、格子スタックによって生成される実際のスペクトルスライスに対して最適化されるように調整することができる。
【００６３】
デバイス１００はさらに、所望により、１つ以上の随意の特徴を含み得る。スペクトル分割およびＰＶ光学系の光の入射面および出射面は、反射による光学的損失を最小にするのを補助するために、反射防止被覆を含み得る。構成要素間の空隙および空間は、異なる屈折率の材料間の界面での反射による損失を最小にするのを補助する、１つ以上の光学的に透明な材料で充填され得る。熱を放散させるのを補助するために、フィンまたは冷却媒体等の放熱特徴が使用され得る。熱の蓄積を最小にするのを補助するために、ＩＲ放射を反射する被覆が使用され得る。耐摩耗性被膜および／または耐汚染性被覆も、環境に露出する表面を保護し得る。追加的な集光光学系も使用され得る。例えば、スペクトルスライスをアレイの光起電力セル上へさらに集光するために、二次集光光学系が光起電力アレイ１０２上で使用され得る。現在または今後存在するような従来の実践に従ってデバイス１００を他の構成要素に電気的に連結するために、配線、電極、および同類のもの（図示せず）が使用され得る。
【００６４】
いくつかの実施形態では、光起電力アレイ１０２に組み込まれる光起電力部材１２０、１２２、１２４、および１２６のうちの２つ以上、さらにはそれらの全てを制御するために、単一の電力制御が使用され得る。しかしながら、各モジュール１２０、１２２、１２４、および１２６がそれぞれの電力制御を有する場合がより好まれる。各光起電力サブセルの最大電力点の追跡をより容易にするので、個別の電力制御がより望ましい。または１つの光起電力サブセルに対する電流の降下または急増は、他のサブセルの性能に影響を与える可能性が少ない。また、独立した電力制御は、入射光スペクトルの条件の変化（例えば、日毎の、季節毎の、または天候に関連する変化）の下で、各サブセルによって送達される電力を最大にすることも容易にする。
【００６５】
デバイス１００は、数多くの利点を有する。デバイス１００は、光分割光学系と組み合わせて非常に高い論理的効率を有する潜在性を有する。この高い効率は、各光起電力サブセルが複数の光源から光スペクトルの特定のサブセットを受け取るように入射光を効果的に分割することの結果である。デバイス１００はまた、適切なサブセル１２０〜１２６に到達することができる入射光１０１の電力に関して高い光学効率を提供する潜在性も有する。この効率は、各光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６において積層される、積層した光学素子によって提供される連続的な光分割によって高められる。連続的な光分割は、光学モジュールにおけるクロストークを最小にし、また、単純な格子のためのＧＣＷＡ分析ツールを使用した直線分布系としてデバイスをモデル化することを可能にする。他の実践モードでは、より複雑な回折光学系、例えば複合格子には、ＲＣＷＡ分析ツールがより適切である。これは、デバイス１０１の設計および実現形態を簡略化する。さらに、光学素子として使用されるホログラフィック回折格子は、多くの商業的供給源から入手可能であり、また、商業的な量の生産に対して安価である。図２〜図５で示されるような縦一列のセルを使用することは、光分割を高める。例えば、４つのスペクトルスライスと組み合わせて４つの縦一列のセルを使用することは、あたかも入射光が８つのスライスに分割されたかのような効果を実質的に提供し、４つの単一接合体セルと比較して、熱化および不完全な吸収による損失を大幅に減少する。
【００６６】
加えて、デバイス１００は、各スペクトル分割光学モジュール１３０、１３２、１３４、および１３６が１つの平面の中にあり、また、光学モジュールから離間され、かつ該光学モジュールと異なる平面の中にある少なくとも１つの対応する光起電力サブセルに光学的に連結されるような設計を有する。望ましくは、少なくとも１つの集光光学系は、スペクトル分割機能とＰＶ機能との間で光学的に直列である。光学モジュールおよび対応するＰＶモジュールの平面は、平行または非平行であり得る。
【００６７】
図６および図７は、本発明のデバイス２００の代替の実施形態を概略的に例示する。デバイス２００は、入射光２０１を電気エネルギーに変換する。デバイス２００は、主要な構成要素として、六角形の筐体２０２と、スペクトル分割光学モジュール２０４と、光起電力サブセル２０６を含む光起電力アレイとを含む。各光起電力サブセル２０６は、六角形の筐体２０２のそれぞれの面に載置され、また、サブセルが載置される筐体２０２の側部パネル全体を埋める。吸収されなかった光を他のサブセル２０６に向かって戻すことを補助するために、反射素子２１０が各サブセル２０６と筐体２０２との間に位置付けられる。反射素子２１２も、筐体２０２の底部に含まれ得る。Ａ所望により、随意に、追加的なスペクトルスライスを取り込むように調整される追加的な光起電力サブセル（図示せず）を反射素子２１２に載置することができる。各サブセル２０６は、入射光２０１の特定のスペクトル帯域幅部分に対して調整される。
【００６８】
光学モジュール２０４は、入射光２０１を、対応する光起電力サブセルに向けられるスペクトル帯域幅部分２０８、２１０、および２１２に連続的に分割される、積層した光学素子を含む（図６の断面図では、３つの帯域幅部分だけが示される。図示されない３つの追加的な帯域幅部分も生成され、図６の断面図では見えない他の３つの光起電力サブセル２０６に向けられる）。
【００６９】
図８は、本発明のデバイス３００の代替の実施形態を概略的に例示する。デバイス３００は、入射光３０１を電気エネルギーに変換する。デバイス３００は、反射トラフ３０２の形態の一次集光光学系と、反射トラフ３０３の形態の二次集光光学系とを含む。各トラフ３０３は、一次反射トラフ３０２と光学的に直列である。各トラフ３０３は、トラフ３０２に対して直角に配向される。これらのトラフは、中実または中空のトラフ複合放物面集光器であり得る。
【００７０】
デバイス３００はまた、スペクトル分割光学モジュール３０４と、光起電力サブセル３０６を含む光起電力アレイとを含む。各光起電力サブセル３０６は、スペクトル分割光学モジュール３０４、一次反射トラフ３０２、および対応する二次トラフ３０３のうちの１つと光学的に直列である。
【００７１】
光学モジュール３０４は、入射光３０１をスペクトル帯域幅部分３０８、３１０、３１２、および３１４に連続的に分割する、積層した光学素子のアレイを含む。例示の目的で、スペクトル帯域幅部分のそれぞれは、それぞれ、特定の色、青色、緑色、黄色、および赤色と関連付けられる。これらの色は、例示の目的のためだけのものであり、所望により、デバイス１００で使用されるような他の帯域幅部分が使用され得る。各帯域幅部分３０８、３１０、３１２、および３１４は、その帯域幅に対して調整された対応する光起電力サブセルに向けられる。
【００７２】
図９〜図１０は、整列された様式で横並びに配向された本発明の１対のデバイス４００（図２のデバイス１００に類似する）を概略的に例示する。各デバイス４００は、入射光４０１を電気エネルギーに変換する。デバイス４００は、反射トラフ４０２の形態の一次集光光学系を含む。デバイス４００はまた、スペクトル分割光学モジュール４０４と、光起電力サブセル４０６を含む光起電力アレイとを含む。各光起電力サブセル４０６は、スペクトル分割光学モジュール４０４および一次反射トラフ４０２と光学的に直列にある。
【００７３】
光学モジュール４０４は、入射光４０１をスペクトル帯域幅部分４０８、４１０、４１２、および４１４に連続的に分割する、積層した光学素子のアレイを含む。例示の目的で、スペクトル帯域幅部分のそれぞれは、それぞれ、特定の色、青色、緑色、黄色、および赤色と関連付けられる。これらの色は、例示の目的のためだけのものであり、所望により、デバイス４００で使用されるような他の帯域幅部分が使用され得る。各帯域幅部分４０８、４１０、４１２、および４１４は、その帯域幅に対して調整された対応する光起電力サブセルに向けられる。
【００７４】
１つの実際の実践モードでは、日光を電気エネルギーに変換するための（図１０で示されるような）より包括的なシステム４２０を提供するために、複数のデバイス４００が組み合わせて使用される。しばしば、グループ化されたデバイスが個々にまたは縦一列に太陽を追跡するような様式で、複数グループのデバイス４００が共通のフレームワーク（図示せず）に載置される。
【００７５】
好都合なことに、システム４２０のデバイス４００の配向は、各デバイスのサブセルの軸に沿って、１つのデバイスのサブセルがサブセル１〜サブセル４で順序付けされるが、次のデバイスでは逆になり、サブセル４から始まり、サブセル１で終わるように順序付けされる。このようにして、各サブセルは、同じスペクトル帯域または次に最も近いスペクトル帯域を受け取る最近傍を有し、格子が間違ったサブセルに到達することによる損失を低減する。実際の効果において、デバイス４００は、頭部対頭部および尾部対尾部で整列される。図１０は、どのようにして、類似する調整を伴うセルが近傍であるように、このようにして配向されたデバイスがさらにｎ×ｎのアレイ（４×２で例示される）に組み込まれ得るのかを示す。実例となる実施形態において、各ｎは、独立して、１〜５０、好ましくは、１〜１０、より好ましくは、２〜８の範囲であり得る。これはさらに、入射光の有用な取り込みを最大にする。例えば、青色光と関連付けられたスペクトル帯域が、あるデバイス上の関連付けられた青色に調整されたサブセルを外れた場合を考える。スペクトル帯域が、向けられたサブセルの右または左に外れた場合、該帯域は、それでも片側の隣接するデバイスの青色に調整されたサブセル上に入射し、したがって、光起電力的に取り込まれ得るか、またはその反対側の隣接するデバイスの緑色に調整されたサブセル上に入射し得、このことは、光が黄色または赤色に調整されたサブセルに当たることよりもはるかに好ましい。
【００７６】
上述の詳細な説明は、理解を明確にするためにのみ与えられたものに過ぎない。そこからいかなる不要な限定も導かれない。当業者に対して明らかな変形が特許請求の範囲によって定義された本発明内に含まれるので、本発明は、示して説明した厳密な詳細に限定されない。
【図１】
2015526911.tif 000005
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月8日(2014.10.8)
【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】
入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムであって、
（ａ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイであって、各光起電力部材は、前記光起電力部材が前記アレイの前記バンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイと、
（ｂ）複数のスペクトル分割透過性回折非反射光学素子を備える、少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールであって、
（ｉ）前記スペクトル分割透過性回折非反射光学素子は、前記スペクトル分割透過性回折非反射光学素子のそれぞれが前記入射光を複数の空間的に分離され、スペクトル的に分割された帯域幅部分のうちの１つに連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列であり、
（ｉｉ）各帯域幅部分は、前記光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、前記光起電力部材の前記関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられる、
少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールと、を備える、光起電力システム。
【請求項２】
少なくとも１つの光起電力部材は、複数の光起電力接合体を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記スペクトル分割光学モジュールは、前記入射光を少なくとも４つのスペクトル帯域幅に分割する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
各光起電力部材は、前記光起電力部材の少なくとも１つの他の光入射面と少なくとも部分的に重複しない光入射面を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記スペクトル分割光学モジュールは、少なくとも２つのスペクトル分割光学素子を含むスタックを備える、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面に対して平行でない光入射面を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面に対して実質的に平行である光入射面を有し、前記少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールから物理的に離間される、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記光起電力部材の少なくとも一部分は、同一平面上の光入射面を備え、前記光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面と平行である平面の中にある、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記光起電力アレイは、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の光起電力接合体を備え、各光起電力部材は、前記範囲のサブセットであるバンドギャップ特性を有し、少なくとも１つの光起電力部材は、少なくとも１つの他の光起電力部材のバンドギャップ特性に対して重複しないバンドギャップ特性を有する、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムは、実質的に類似するバンドギャップ特性を有する少なくとも第１および第２の光起電力部材が隣接するように互いに対して位置付けられる、少なくとも第１および第２の光起電力アレイを備える、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記スペクトル分割光学モジュールと前記光起電力アレイの少なくとも一部分との間に光学的に間置される、少なくとも１つの集光光学素子を備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールは、前記光学素子が前記入射光を少なくとも第１および第２の空間的に分配されたスペクトル帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列である少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折非反射光学素子を備える、少なくとも第１および第２のスペクトル分割光学モジュールを備え、第１の光起電力部材は、少なくとも前記第１および第２のスペクトル分割光学モジュールからの前記第１の空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分が、第２の光起電力部材に対する前記第１の光起電力モジュール上に選択的かつ共通に入射するような様式で位置付けられ、前記第２の光起電力部材は、少なくとも前記第１および第２のスペクトル分割光学モジュールからの前記第２の空間的に分割されたスペクトル帯域幅部分が、前記第１の光起電力部材に対する前記第２の光起電力部材上に選択的かつ共通に入射するような様式で位置付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
入射光を電気エネルギーに変換する方法であって、
（ａ）複数のスペクトル分割透過性回折非反射光学素子を備える、少なくとも１つの光学モジュールを提供することと、
（ｂ）前記入射光を複数の空間的かつスペクトル的に分割された帯域幅部分のうちの１つに連続的かつ回折的に分割するために、光学的に直列の前記スペクトル分割透過性回折非反射光学素子のそれぞれを使用することであって、各帯域幅部分は、前記光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、前記光起電力部材の前記関連付けられたサブセット上に選択的に向けられる、使用することと、
（ｃ）前記帯域幅部分のそれぞれを、空間的に分配されたバンドギャップ特性を有する複数の光起電力部材上へ選択的に向けさせることと、を含む、方法。
【請求項１４】
（ｄ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイを提供するステップであって、各光起電力部材は、前記光起電力部材が前記アレイの前記バンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイを提供するステップと、
（ｅ）第１のスペクトル的に分割された帯域幅部分が少なくとも第２の光起電力部材に対する第１の光起電力部材上へ選択的に入射するような様式で、前記第１の光起電力部材を提供するステップと、
（ｆ）第２のスペクトル的に分割された帯域幅部分が前記第１の光起電力モジュールに対する前記第２の光起電力部材上へ選択的に入射するような様式で、前記第２の光起電力部材を提供するステップと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（ａ）はさらに、少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折非反射光学素子を備える、第１のスペクトル分割光学モジュールを提供することと、直列に連結される少なくとも第１および第２のスペクトル分割透過性回折非反射光学素子を備える、第２の光学モジュールを提供することとを含み、ステップ（ｂ）はさらに、前記入射光を第１および第２の光学的かつ空間的かつスペクトル的に分割された帯域幅部分に連続的かつ回折的に分割するために、前記第１および第２の光学モジュールのそれぞれを使用することを含み、ステップ（ｃ）はさらに、前記第１および第２の光学モジュールからの前記第１のスペクトル的に分割されたスペクトル帯域幅部分を、少なくとも第２の光起電力接合体に対する少なくとも第１の光起電力接合体上へ選択的かつ共通に向けさせることと、前記第１および第２の光学モジュールからの前記第２のスペクトル的に分割されたスペクトル帯域幅部分を、前記第１の光起電力接合体に対する前記第２の光起電力接合体上へ選択的かつ共通に向けさせることとを含む、請求項１３に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成27年4月27日(2015.4.27)
【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】
入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムであって、
（ａ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイであって、各光起電力部材は、前記光起電力部材が前記アレイの前記バンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイと、
（ｂ）複数のスペクトル分割透過性回折無反射光学素子を備える、少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールであって、
（ｉ）前記スペクトル分割透過性回折無反射光学素子は、前記スペクトル分割透過性回折無反射光学素子のそれぞれが前記入射光を複数の空間的に分離され、スペクトル的に分割された帯域幅部分のうちの１つに連続的かつ回折的に分割するように、光学的に直列であり、
（ｉｉ）各帯域幅部分は、前記光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、前記光起電力部材の前記関連付けられたサブセット上へ選択的に向けられる、
少なくとも１つのスペクトル分割光学モジュールと、を備える、光起電力システム。
【請求項２】
各光起電力部材は、前記光起電力部材の少なくとも１つの他の光入射面と少なくとも部分的に重複しない光入射面を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記スペクトル分割光学モジュールは、少なくとも２つのスペクトル分割光学素子を含むスタックを備える、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面に対して平行でない光入射面を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面に対して実質的に平行である光入射面を有し、前記少なくとも１つの光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールから物理的に離間される、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記光起電力部材の少なくとも一部分は、同一平面上の光入射面を備え、前記光起電力部材は、前記スペクトル分割光学モジュールの光入射面と平行である平面の中にある、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記光起電力アレイは、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の光起電力接合体を備え、各光起電力部材は、前記範囲のサブセットであるバンドギャップ特性を有し、少なくとも１つの光起電力部材は、少なくとも１つの他の光起電力部材のバンドギャップ特性に対して重複しないバンドギャップ特性を有する、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記システムは、実質的に類似するバンドギャップ特性を有する少なくとも第１および第２の光起電力部材が隣接するように互いに対して位置付けられる、少なくとも第１および第２の光起電力アレイを備える、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記スペクトル分割光学モジュールと前記光起電力アレイの少なくとも一部分との間に光学的に間置される、少なくとも１つの集光光学素子を備える、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
入射光を電気エネルギーに変換する方法であって、
（ａ）複数のスペクトル分割透過性回折無反射光学素子を備える、少なくとも１つの光学モジュールを提供することと、
（ｂ）前記入射光を複数の空間的かつスペクトル的に分割された帯域幅部分のうちの１つに連続的かつ回折的に分割するために、光学的に直列である前記スペクトル分割透過性回折無反射光学素子のそれぞれを使用することであって、各帯域幅部分は、前記光起電力部材のサブセットと関連付けられ、また、前記光起電力部材の前記関連付けられたサブセット上に選択的に向けられる、前記スペクトル分割透過性回折無反射光学素子のそれぞれを使用することと、
（ｃ）前記帯域幅部分のそれぞれを、空間的に分配されたバンドギャップ特性を有する複数の光起電力部材上へ選択的に向けさせることと、
（ｄ）互いに対して光学的かつ電気的に並列であり、かつ、バンドギャップ特性の範囲を集合的に有する複数の空間的に分配された光起電力部材を備える、光起電力アレイを提供することであって、各光起電力部材は、前記光起電力部材が前記アレイの前記バンドギャップ特性の範囲のサブセットのためのバンドギャップ特性を有するような様式で、１つ以上の光起電力接続部を組み込む、光起電力アレイを提供することと、
（ｅ）第１のスペクトル的に分割された帯域幅部分が少なくとも第２の光起電力部材に対する第１の光起電力部材上へ選択的に入射するような様式で、前記第１の光起電力部材を提供することと、
（ｆ）第２のスペクトル的に分割された帯域幅部分が前記第１の光起電力モジュールに対する前記第２の光起電力部材上へ選択的に入射するような様式で、前記第２の光起電力部材を提供することと、を含む、方法。
【国際調査報告】
2015526911.tif 000015
2015526911.tif 000016
2015526911.tif 000017