(57)【要約】  第１の面および第２の面を有する光無作為化誘電体スラブを含む光捕捉光学モジュールと、該誘電体スラブの吸収開始のエネルギーより低いエネルギーのバンドギャップを有するこのスラブの第１の面に隣接する第１の電池と、誘電体スラブの第２の面に光学的に当接する少なくとも１つのフィルタ素子と、複数の光起電力副電池を含む副電池配列とを含み、その副電池のうちの少なくとも１つが少なくとも１つのフィルタ素子と光学的に当接する第１の面を有する、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システム。【選択図】  図２
2015530746.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、
光捕捉光学モジュールを備え、前記光捕捉光学モジュールは、
第１の面および第２の面を有する光無作為化誘電体スラブと、
前記誘電体スラブの前記第１の面に隣接する第１の電池であって、前記誘電体スラブの吸収開始のエネルギーよりも低いエネルギーのバンドギャップを含む、第１の電池と、
前記誘電体スラブの前記第２の面と光学的に当接している少なくとも１つのフィルタ素子と、
複数の光起電力副電池を備える副電池配列であって、前記副電池のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのフィルタ素子と光学的に当接する第１の面を備える、副電池配列と、を備える、光起電力システム。
【請求項２】
前記第１の電池の前記バンドギャップは、前記複数の副電池のうちの少なくとも１つのバンドギャップよりも高い、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項３】
前記誘電体スラブの前記第２の面は複数のフィルタ素子を備え、前記複数のフィルタ素子のそれぞれが、前記複数の副電池のうちの１つと光学的に当接する、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項４】
前記誘電体スラブの前記第２の面は、前記少なくとも１つのフィルタ素子を備える、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項５】
前記複数の副電池のうちの少なくとも１つの前記第１の面は、前記少なくとも１つのフィルタ素子を備える、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つのフィルタ素子は、多層誘電積層体、格子、およびフォトニック結晶のうちの１つを含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのフィルタ素子は、無指向性フィルタ素子を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項８】
前記複数の副電池のそれぞれが、多接合型電池を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項９】
前記複数の副電池は、積層型光起電力電池の配列を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１０】
前記複数の副電池は、第１のバンドギャップを有する第１の複数の副電池と、第２のバンドギャップを有する第２の複数の副電池とを含み、前記少なくとも１つのフィルタ素子が、第１および第２のフィルタ素子を含み、これらのそれぞれが、前記第１および第２の複数の副電池のうちの１つに対応する、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１１】
前記第１の電池の第１の面は、反射防止材料を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１２】
プリント回路基板と組み合わされる、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１３】
前記誘電体スラブの屈折率は、５５０ｎｍの波長において２．０より大きく、前記誘電体スラブおよび前記第１の電池の前記屈折率が、前記誘電体スラブおよび前記第１の電池内に入射光を捕捉する総内部反射を提供する、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１４】
光学集光モジュールをさらに備え、前記光学集光モジュールは、入射光が前記集光モジュールに入る入力領域と、集光された光が前記集光モジュールから出る出力領域とを備え、前記出力領域は前記光学モジュールと光学通信状態にある、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１５】
前記副電池配列の前記副電池のそれぞれが、各隣接する副電池から離間され、絶縁材料によって電気的に絶縁される、請求項１に記載の光起電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権
本特許出願は、２０１２年８月３０日付け出願の、ＯＰＴＩＣＳ  ＦＯＲ  ＦＵＬＬ  ＳＰＥＣＴＲＵＭ、ＵＬＴＲＡＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＳＯＬＡＲ  ＥＮＥＲＧＹ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮの題名の米国仮特許出願第６１／６９５，２１６号、および２０１３年１月２５日付け出願の、ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ  ＳＹＳＴＥＭ  ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ  ＬＩＧＨＴ  ＴＲＡＰＰＩＮＧ  ＦＩＬＴＥＲＥＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＭＯＤＵＬＥの題名の米国仮特許出願第６１／７５６，８０４号からの優先権を主張するものであり、これらの仮特許出願の全てが本特許出願において参照により援用される。
【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装置に関する。特に、本発明は、副電池配列に接続された誘電体スラブからなる光捕捉光学モジュールを含む光起電力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
太陽電池またはＰＶ電池とも呼ばれる光起電力電池は、太陽光のような入射光を電気エネルギーに変換するのに有用である。これらの電池は、例えば、通常本質的に低変換効率をもたらす特別に定められたバンドギャップを有する単接合型電池として用いることができる。これは、電池の単一バンドギャップを超えるエネルギーを有する光子だけが有効な作用をもたらすように用いることができるためであり、なおかつ電池のバンドギャップより大きなバンドギャップの光子のエネルギーの全てが本質的に熱化されるためである。これにより、単接合型は、光起電力的にスペクトルの一部にだけ反応し、反応する波長のほとんどにとってそれほど効率的ではない。そのため、これまで太陽電池の効率を向上するために多くの方法が用いられ提案されている。
【０００４】
より高い光起電力効率を達成するためによく用いられる方法は、太陽光を単接合型太陽電池に代わって多接合型太陽電池に供給する方法である。多接合型電池により、高バンドギャップを有する電池を用いて一番高いエネルギー光子を変換することが可能となり、これによって熱化が最小化され、一方中間波長は、中間バンドギャップを有する電池に供給されることになる。多接合型電池は、最適な単接合型電池がもたらすエネルギーより少ないエネルギーの基部接合を用いることによって全体のスペクトル応答を引き延ばす。このような多接合型太陽電池は特定の半導体材料からなり、その選択されたバンドギャップエネルギーは太陽スペクトルに及ぶ。最高のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光子は、最高のエネルギーギャップ副電池によって最初に収集される。低エネルギーを有する光子は、最高エネルギーバンドギャップ副電池を通して次の最高エネルギーバンドギャップを有する副電池に伝送される。この繰り返しは、最低エネルギーバンドギャップを有する副電池に到達するまで繰り返される。このようにして、熱化され熱として消失する吸収電池のバンドギャップより大きな吸収された光子のエネルギーは、最少化される。加えて、より多くのバンドギャップは、最適化されたケースでは、単接合型電池と比べて総太陽スペクトルのより大きな部分が多接合型電池によって吸収可能であるということを通常意味する。
【０００５】
多接合型太陽電池は、単接合型太陽電池を超える効果をもたらすが、入射太陽放射線を分割して異なる太陽電池にその光を向けるための光分割光学素子を用いると、さらなる効率の向上を達成できる。光のより狭いバンドは、異なるバンドギャップを有する副電池に向けられ、および／または、異なるセットのバンドギャップを有する多接合型電池に向けられる。標的となるそれぞれの副電池は、エネルギー変換を最適化するため、その副電池に向けられるスペクトルバンドに合うように調整されたバンドギャップを有するように設計されている。すなわち、分割光学素子は、入射光をセグメントまたはスライスに分割し、そのスライスを適切なバンドギャップを有する光起電力副電池に個別に向ける。
【０００６】
太陽光変換効率を向上させるためにスペクトル分割光学素子を利用した光起電力システムが特許および技術文献でこれまで公開されている。例としては、米国特許公開第２０１１／０２８０５４号（Ｗａｎｌａｓｓ）、Ｇｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ，“Ｃｏｍｍｏｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ−Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｍｏｄｕｌｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，”ｐｐ．１−３（２０１１）、Ｉｍｅｎｅｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ，“Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｉｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ，”８４：１９−６９（２００４）、Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ“Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｃｅｌｌ  ｉｎ  Ｌａｔｅｒａｌ−Ｔａｎｄｅｍ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ−Ｔｕｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｂ−Ｃｅｌｌｓ，”１６（２４）１９９８７−１９９９４（２００８）、Ｇｏｅｔｚｂｅｒｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ，“Ｌｉｇｈｔ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ，ａ  Ｎｅｗ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，”９２（１２）１５７０−１５７８（２００８）、およびＰｅｔｅｒｓ，Ｉａｎ  Ｍａｒｉｕｓ，“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｏｎｃｅｐｔｓ  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ”（２００９），Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓが挙げられる。
【０００７】
太陽電池を有するスペクトル分割技術を用いた光起電力システムでは、入射光を電気エネルギーに変換するための効率を向上させているが、さらに高い変換効率を可能とするシステムの需要は依然続いている。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目的は、光捕捉フィルタ付き集光器とも呼ばれる、入射光を電気エネルギーに変換する光起電力システムを提供することにある。このようなシステムは、太陽電池の性能を向上させるために用いることができ、これにより、できるだけ高い変換効率を達成できる。本発明の一実施形態は、通常配列状に配置された複数の光起電力副電池を有する光捕捉光学モジュールと、入射光を捉え、その捉えた光を光起電力副電池に転送する誘電体スラブを備える。誘電体スラブは、例えば、５５０ｎｍの波長において２．０より大きい、比較的高い屈折率を有する材料からなる。更に加えて、フィルタ素子または配列が含まれ、これらは、誘電体スラブの基部にパターン形成あるいは被着でき、これによって、副電池が本フィルタ素子または配列に取り付け可能となる。言い換えれば、スラブ基部は、フィルタとして機能するように特別な方法で構成することが可能である。あるいはまた、フィルタ素子または配列は、副電池上に形成したり増やしたりすることも可能である。どちらの場合でも、フィルタ素子は複数の副電池と誘電体スラブ間に配置して、光がその副電池に届く前に所望する光のフィルタリングを行うことができる。フィルタ素子としては、例えば、少なくとも一次元でスラブの基部表面にパターン化することが可能なフォトニック結晶を用いてもよい。ある例では、フォトニック結晶が全方向に影響を及ぼすように三次元でパターン化している。光捕捉光学モジュールは、誘電体スラブの上面、および／または誘電体スラブ上の電池位置に反射防止コーティングを施すことも可能である。
【０００９】
光は、全方向に分散されるように誘電体スラブ内で無作為化することも可能である。無作為化は、スラブの上面および／またはスラブ材料自体の中で行うことが可能である。本システムの副電池は、単接合型電池または３接合型電池のような、多接合型電池で構成してもよい。本発明の一実施形態では、システム用の複数の副電池は、第１のバンドギャップセットを有する副電池の第１のグループと、第２のバンドギャップセットを有する副電池の第２のグループとを含むことも可能であり、その場合は、フィルタ配列は副電池の第１および第２のグループにそれぞれ対応する第１および第２のフィルタ領域で構成される。一実施形態では、その第１および第２のフィルタ領域は、第１の副電池セットが第１のフィルタセットと並び、第２の副電池セットが第２のフィルタセットと並ぶように格子状に配置される。
【００１０】
本光起電力システムは、単一光学集光素子または複数の光学集光素子を含む光学集光モジュールを状況に応じて備えることも可能であり、これによって複数の素子を備えたシステムは、比較的大きな集光レベルを有する比較的コンパクトな光学集光モジュールを提供するために、直列に配置することも可能となる。ある例では、光学集光モジュールは、フレズネルレンズからなる第１の光学素子と、複合放物面集光器からなる第２の光学素子を組み合わせて含むことも可能である。光学集光モジュールの出力は、比較的小口径でもよく、例えば、本出力を受信する光捕捉光学モジュールの領域に揃えることも可能である。
【００１１】
ある特別な実施形態では、光起電力システムは、入射光を電気エネルギーに変換する目的で提供される。本システムは、第１の面と第２の面と、誘電体スラブの第１の面に隣接する第１の電池とを有する光無作為化誘電体スラブからなる光捕捉光学モジュールを備える。これにより、第１の電池は、誘電体スラブにおいて生じる吸収開始エネルギーよりも小さなエネルギーのバンドギャップを有することになる。本システムは、誘電体スラブの第２の面に光学的に当接された少なくとも１つのフィルタ素子と、複数の光起電力副電池からなる副電池配列とをさらに備え、これによって副電池のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つのフィルタ素子に光学的に当接された第１の面を有することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明では、添付された図面を参照してさらに説明を続ける。各図を通して、同様な構造には、同様な参照番号が付与されており、以下に各図を簡単に説明する。
【００１３】
【図１】図１は、光学集光素子を含む本発明の光起電力システムの一部の斜視図である。
【図２】図２は、図１の光学集光素子と組み合わせて示される型式の光捕捉フィルタ付き集光器の拡大斜視図である。
【図３】図３は、図２に示された型式の光起電力電池の拡大斜視図である。
【図４】図４は、最上吸収電池を含まない光捕捉フィルタ付き集光器の拡大斜視図である。
【図５】図５は、プリント回路基板に組み込み可能な本発明の光捕捉フィルタ付き集光器の斜視図である。
【図６】図６は、電池の数と、誘導性光捕捉スラブの屈折率に関して、光学効率を最大化するための設計スペースを表した三次元グラフである。
【図７】図７は、本発明の装置および考え方を用いた集光機能としての模範的装置効率を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に説明する本発明の実施形態は、以下の詳細説明で開示される厳密な形態に本発明を包括したり限定したりするためのものではない。むしろ、それぞれの実施形態は、当業者であれば、本発明の原理と実践を正しく評価して理解できるように、選択され説明されるものである。本明細書を通して参照される全ての特許、係争中の特許出願、公開された特許出願、および技術文献は、あらゆる目的にかなうよう、その全体が参照により援用されている。
【００１５】
それでは、図を参照して、最初に図１〜図３では、光起電力システム１０の模範的実施形態が示されており、本システムは、通常オプションの光学集光器または光学集光モジュール１２と、光捕捉光学モジュール１４とを備える。システム１０は、以下で詳細を説明するように、入射光の電気エネルギーへの光起電力変換に用いることができる。集光器が用いられる場合には、システム１０は光捕捉フィルタ付き集光器と呼ばれることもある。
【００１６】
光学モジュール１４は、通常供給された光（例えば、光学集光モジュールまたは直接太陽から供給された光）を捉えて複数の光起電力電池または副電池２２，２２’に転送することができる誘電体スラブまたは誘電体層２４を含む。ここで用いられる副電池は、その構造は変わってもかまわないが、通常光学スペクトル分割またはフィルタリング素子からの特定範囲の波長を受信し、それ自体に影響を及ぼす波長の範囲に合致するバンドギャップまたは一連のバンドギャップを有する単接合型または多接合型太陽電池を含む。例としては、赤波長は、赤光のために最適化されたバンドギャップを有する副電池に供給され、一方、緑波長は、緑光のために最適化されたバンドギャップを有する副電池に供給される等である。フィルタは、バンドギャップ電池用に状況に応じて用いることができ、これによって同電池の寄生吸収に基づき、変換効率を向上できる。
【００１７】
本発明の実施形態では、誘電体スラブ２４の一面に当接する最上電池２６が備えられ、一方副電池は誘電体スラブ２４の他の面に光学的に当接する。通常、モジュール１４の素子が互いに光学的に当接しているとき、それらは、密接な物理的当接状態にあり、さらに好ましくは、どのギャップも光の波長よりかなり小さいことであり、これはここでは「動作可能当接」とも呼ぶ。どんな場合でも、様々な面のギャップまたは屈折率の差を最小化し、および／または反射光を減少させるために多層コーティングを用いることが望ましい。
【００１８】
誘電体スラブ２４の一実施形態は、非導電性で高い屈折率（例えば、５５０ｎｍにおいて２．０より大きいか、好ましくは、５５０ｎｍにおいて３．０より大きい）を有する、例えば、ＧａＰやチタニアからなる固形物であるが、もちろん他の材料の使用も考えられる。通常、誘電体スラブ２４用の材料は、ほとんどの太陽スペクトルを超える注目の波長（すなわち、最上電池により吸収されて電気エネルギーに変換されるものより低いエネルギーの波長）を通す比較的高い屈折率を有するものであればどんな材料であってもよい。この高い屈折率によって、副電池の１つによって吸収されるまでスラブ２４に入る光の捕捉を維持できる。誘電体スラブ２４は、テクスチャリング加工をその上面のいずれかに施し、および／または入射光を無作為化してスラブ内で光を全方向に分散させる。このようなテクスチャリング加工は、スラブの一面に物理的テクスチャとして用いることができ、これによってテクスチャ自体は、微細表面（例えば、エッチング加工された微細表面）によって達成されるような、不揃いまたはもっと揃ったものにすることができる。具体的にここで述べられるものに加え、光の無作為化を実現するために、多くの構造および構成の型式を用いることが可能である。
【００１９】
誘電体スラブの厚さは、所定の性能特徴を達成できるようにする特性をもつように選択することが可能である。例えば、少なくとも副電池の幅と同じ厚さを有するスラブを用いることが望ましい。ある例では、システムは、各辺が約１ｍｍの副電池と、約１ｍｍ厚の誘電体スラブを備える。比較的薄いスラブに関しては、同じ電池タイプに入射する光線の割合は、１列あたり２回であり、これは厚みのあるスラブに比べて比較的高い。
【００２０】
ここで説明したように、光学効率は、通常、スペクトル分割素子を通過して所定の副電池に堆積する光子の数を光捕捉光学モジュールの最上層上に影響を及ぼす太陽光子の総数で除算した結果を参考にする。システム効率は、装置によって生成された電気エネルギーの量を装置に入ってくる太陽エネルギーの総量で除算した結果によって特徴付けることが可能である。例えば、１０００Ｗ／ｍ２の太陽照明下で、５００Ｗの電気エネルギーを生成する装置は５０％の全体的効率を有する。
【００２１】
誘電体スラブ２４の最上面２０は、層２５に隣接していてもよく、この層２５は、スラブに到達した入射光がスラブ２４から反射されないように用いられる接着層および／または反射防止膜または層であってもよい。スラブ２４は、最上面２０上にさらに最上または第１の電池２６を含むが、これは、例えば、光吸収２．２ｅＶ  ＧａＰ電池でもよく、また「あらかじめ青い」吸収体とも呼ばれるものである。本発明の一実施形態では、スラブ２４および第１の電池２６の屈折率は、スラブ２４および第１の電池２６において入射光を捕捉するための、総内部反射用に用いることもでき、これによって入射光は、副電池に入るまでにフィルタ付き副電池上に二度以上影響を及ぼすことになる。「第１」と「最上」の用語は電池２６に対して用いられているが、１つ以上の追加層を本電池の最上またはその外に配置できるということが分かるため、これらの用語は限定する意味で用いられていないということに注意を払うべきである。電池２６を誘電体スラブと組み合わせて使用することによって、スラブ２４の屈折率を高くできるが、これは、入射光の一部（例えば、少なくとも青光と紫外線の一部）が吸収されるためである。すなわち、さもなければスラブによって吸収される少なくとも高エネルギー光の一部が、スラブ内で消失しないように、代わりに第１または最上電池２６によって吸収される。これにより、本発明の一実施形態では、第１または最上電池２６が、誘電体スラブの第１の面に隣接し、これにより第１または最上電池２６が誘電体スラブにおいて生じる吸収開始エネルギーよりも低いバンドギャップを有し、これによって吸収開始エネルギーが、材料内の吸収が顕著な最少エネルギー（すなわち、最長波長）において発生する。通常、材料内の光の吸収長が、スラブの厚さの１０倍未満の場合に、吸収が顕著になると考えられる。第１または最上電池２６は、さらに反射防止膜を含むことが可能である。
【００２２】
本発明の特別な実施形態では、第１または最上電池２６は、スペクトルの青部分に一致するように最適化されるが、これは、誘電体スラブ内の光の捕捉効率は、屈折率の上昇と共に上昇し、高屈折率を有する材料は、通常、紫外線や青光のような、より高いエネルギー波長の領域を透過する代わりに吸収する傾向があるためである。これにより、もしも青／紫外線光が第１の電池によって吸収されない場合には、スラブによって寄生的に吸収されて消失する。誘電体スラブの上部にある高エネルギー光吸収電池を用いることによって、残りの光が誘電体スラブに入る前に、青光を状況に応じて電気に変換することができるようになる。このようにして、より高い全体的効率は、高屈折率のスラブ内の青／紫外線光の寄生吸収を避けることによって達成可能となる。
【００２３】
第１または最上電池２６は、単接合型電池または多接合型電池のいずれでもよい。本電池２６および副電池２２、２２’は、電池とスラブ間の界面の数を最小化するために、ラミネート加工を施したり、誘電体スラブ２４に付着させたりすることが可能である。例えば、スラブ２４と副電池および／または光吸収電池間に空気界面を持つことによって、望ましくない反射を光損失に導くことが可能である。これらの素子をお互いに接合するために用いることができる模範的な接着剤はＴｉＯ２ゾルゲルであり、これは界面における望ましくない反射を避けるために比較的高い屈折率を提供する。
【００２４】
本発明の光学モジュールの構造では、第１または最上電池２６を省略することも可能な場合があるが、それは、スラブ２４の屈折率は、スラブ２４内での高いエネルギー波長を最小化するか、その寄生吸収を避けるために、少なくとも少しだけ低い方が好ましいという場合である。本システムでは、通常、第１または最上電池２６を含む構造に比べて、太陽エネルギー変換における効率が少し低下する。このような一実施形態が、図４に示されているが、これは、図３と同様な構造を有しても、光の一部がスラブ２４に到達する前に吸収されないということから、スラブ２４の屈折率は限定される、または低下する可能性もある。
【００２５】
再び図３を参照すると、光学モジュール１４に最上電池２６が設けられるとき、本電池はスラブ２４に装着されるが、様々な方法が可能であり、例えば、接着層２５（例えば、チタニアゾルゲル接着剤）を用いたり、あるいはまたモノリシック構造体としてスラブ２４の上部に直接装着したりできる。このような接着層２５が用いられるとき、光が接着層２５を通じてスラブ２４に比較的簡単に到達するように、高い屈折率を有することが望ましい。ある実施形態では、第１または最上電池２６は、単接合型太陽電池や光起電力電池であっても、多接合型電池であってもよいとしている。
【００２６】
スラブ内の光の捕捉を最大化するため、その両側面のうちの１つ以上に追加のリフレクタを設けることが可能である。あるいはまた、本スラブの１つ以上の側面に電池または電池積層体を設けることも可能である。ただし、このような構造用のフィルタを両側面に設けることが望ましく、このようなフィルタは副電池および／またはスラブ２４の両側面にパターン化された面として設けることが可能である。
【００２７】
光捕捉光学モジュール１４は、さらに複数の光起電力副電池２２，２２’を含む。各副電池は光スペクトルの所定のサブセットを光起電力的に吸収するように調整される。このように、副電池２２，２２’のそれぞれは、多接合型太陽電池、より具体的には、３接合型太陽電池であってもよい。図３に最適に示されるように、第１の電池積層体２２は、第２の電池積層体２２’に隣接して配置され、各電池積層体は単一の電池構造内に３つの接合を有する３つの積層体型電池を備えるが、これによってシステム全体として六種類の異なるように調整された光起電力電池を設けることができる（ただし、最上電池が用いられるときには、本システムの第７番目の光起電力電池用に用いられる。この場合も、他の６つの電池のどれもが異なるように調整される）。電気的に絶縁するために、各電池２２および隣接する電池２２’の間にスペースが設けられるが、例えば、電池を離間配置で保持する絶縁材（例えば、ＵＶ硬化誘電ポリマーまたは機能的等価物）を設けることができる。一実施形態では、電池はそれぞれ、実際に電気的に当接することなくお互いに密接して配置される点において、お互いに隣接すると考えられる。すなわち、電池はそれぞれお互いに１ミクロンから１ミリの距離で離間されるか、例えば１〜１００ミクロンの範囲でお互いにもっと近づけて配置される。通常、各電池積層体は、自積層体に向けられる入射光の所定の光波長に最も効率的に応答するように設計される。
【００２８】
図示した模範的な実施形態では、第２の電池積層体２２’は多くの層を備え、前側当接グリッド５０、第１の電池５２、第２の電池５６、および第３の電池６０、第１の電池５２と第２の電池５６間には第１のトンネル接合５４、第２の電池５６と第３の電池６０の間に第２のトンネル接合５８、および裏側当接部６２が含まれる。隣接する第１の電池積層体２２も多くの層を備え、前側当接グリッド７０、第１の電池７２、第２の電池７６、および第３の電池８０、第１の電池７２と第２の電池７６間には第１のトンネル接合７４、第２の電池７６と第３の電池８０の間に第２のトンネル接合７８、および裏側当接部８２が含まれる。
【００２９】
図３の電池積層体の模範的な実施形態をさらに参照し続けると、第２の電池積層体２２’の最上位の電池である第１の電池５２は、６７０ｎｍから５６４ｎｍまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて（例えば、バンドギャップ特性を有するように）、１．８５ｅＶバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池５６に到達する。第２の電池積層体２２’の中間の電池である第２の電池５６は、７８５ｎｍから６７０ｎｍまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて（例えば、バンドギャップ特性を有するように）、１．５８ｅＶバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池６０に到達する。第２の電池積層体２２’の最下位の電池である第３の電池６０は、８９８ｎｍから７８５ｎｍまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて（例えば、バンドギャップ特性を有するように）、１．３８ｅＶバンドギャップを得ることができる。
【００３０】
上述したように、第１の電池積層体２２は第２の電池積層体２２’と隣接し、第１の電池積層体２２の最上位の電池である第１の電池７２は、１０８８ｎｍから８９８ｎｍまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて（例えば、バンドギャップ特性を有するように）、１．１４ｅＶバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池７６に到達する。第１の電池積層体２２の中間の電池である第２の電池７６は、１３３３ｎｍから１０８８ｎｍまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて（例えば、バンドギャップ特性を有するように）、０．９３ｅＶバンドギャップを得ることができる。本波長範囲から外れた入射光のスペクトルバンド幅部分は、隣接する電池８０に到達する。第１の電池積層体２２の最下位の電池である第３の電池８０は、１７７１ｎｍから１３３３ｎｍまでの範囲の波長を有する入射光のスペクトルバンド幅部分を吸収するように調整されて（例えば、バンドギャップ特性を有するように）、０．７０ｅＶバンドギャップを得ることができる。上記した波長範囲とその関連するバンドギャップは、模範的な装置構造を提供するためにだけ用いられており、本発明の実施形態は、少なくとも本実施形態とは少し異なる特性を有する電池や電池積層体を用いることも可能であることが分かる。
【００３１】
第１の電池または電池積層体２２は、さらに比較的低いバンドギャップを有する電池のために用いられるバスバー４０を備えることができ、第２の電池または電池積層体２２’は、さらに比較的高いバンドギャップを有する電池のために用いられるバスバー４２を備えることができる。孤立交差点４４は、バスバー４０，４２が交差する箇所に配置される。あるいはまた、背面伝導路への非交差孤立当接など、他の当接方法と構造も用いることが可能である。
【００３２】
このように、副電池２２，２２’は、光学モジュール１４の長さと幅で求まる全域に交互のまたは「格子」状のパターンで配置される。図２にも示すように、光学モジュール１４は、誘電体スラブ２４と副電池２２，２２’の間に通常配置される１つ以上のフィルタ３０を備えることができる。このようなフィルタ３０は、適切な副電池に入射しない光は反射されるべきであるため、入射光が適切な副電池に入射したことを確かめるために用いられる。所望するフィルタリングを提供するために、織り目加工されたスラブが、対応するフィルタの格子パターンを有して提供され、副電池の第１のセットがフィルタの第１のセットと揃い、副電池の第２のセットがフィルタの第２のセットと揃うような電池配置に準じて配置することも可能である。代替え構造としては、本格子パターンは比較的低いバンドギャップを有する電池や電池積層体（例えば、電池または電池積層体２２）上のフィルタから構成することも可能である。これにより、低エネルギーを有するいくつかの光子が、比較的高いバンドギャップを有する電池または電池積層体（例えば、電池積層体２２’）によって寄生的に吸収される。本光起電力システムの実施形態においては、格子パターンで隣接する電池は、スペクトルスプリッタからの異なる波長を受け入れることができる。これにより、所望の波長を有する光子が、誘電体スラブ２４内の最少の数の内部反射を有する特定の副電池に到達する可能性が向上する。ここで用いられるフィルタは、多層誘電積層体、フォトニック結晶など、完全に周期的であろうとなかろうと、多くの異なった実施形態を有することができる。
【００３３】
モジュール１４に用いられるフィルタは、例えば、単層フィルタと比べて良好な無指向性を達成するために選択可能な、２次元または３次元のフォトニック結晶型フィルタであってもよく、あるいは１次元のフォトニック結晶型フィルタであってもよい。１次元フォトニック結晶型フィルタは無指向性性能を達成可能であるが、このようなフィルタは、ここで説明する高屈折率スラブのような、高屈折率材料から光が入射するとき、効率が低下する可能性がある。このため、本発明で使用するかどうかについては熟考を要する。フォトニック結晶は、様々な異なる構造と特性を有することができるが、ここで述べたように、通常周期的誘電ナノ構造から構成される。本周期的誘電ナノ構造は、許可および禁止する電気エネルギーバンドを規定して、電磁波の伝搬に影響を及ぼすものである。本質的に、フォトニック結晶は、定期的に反復する高および低誘電率を有する内部領域を含む。（波動として振る舞う）光子は、その波長に応じて、本構造を通して伝搬する。伝搬を許される光の波長は、モードとして知られ、許可されたモードのグループがバンドを形成できる。波長の禁じられたバンドは、フォトニックバンドギャップと呼ばれ、これによって例えば、自発光禁止、高反射無指向性ミラー、および低損失動波の光学現象を区別できるようになる。基本的な物理現象は回析に基づくため、フォトニック結晶構造の周期性、および誘電特徴は、フォトニック結晶材料内の電磁波とほぼ同一の長さスケール（すなわち、１次元フォトニック結晶ミラー用の材料における波長の１／４）に設定可能である。
【００３４】
モジュール１４の誘電電池のそれぞれは、多くの特徴を有し、例えば、中央電池活性領域、裏面当接およびリフレクタ、１つ以上の当接グリッド領域、反射防止膜／フィルタ、および／または接着剤を含むことが可能な層等がある。光起電力電池のそれぞれは、通常調整されて、その電池がさらされる入射光の所定のスペクトルバンド幅部分をその電池が吸収することを可能にするバンドギャップ特性を有し、吸収されない部分を反映することを可能にするその電池の上部または基部のいずれかにリフレクタを備えることができる。動作中は、光起電力電池のそれぞれは、入射および反射光が最高エネルギーから最低エネルギーまで電池積層体の各々において吸収され反射されるように（例えば、緑の前に青が吸収され、赤の前にオレンジが吸収される等）構成される。
【００３５】
上述したように、光学モジュール１４は図示され、２つの異なる電池積層体を含むように記述されている。それぞれの電池積層体は、第１の電池が対象外のときに、本モジュール内の６つの異なる太陽電池を利用する３つのバンドギャップを有する。しかしながら、ほぼ２つのこのような電池積層体が、代わりに特定の光学モジュール用として備えられ、これにより、それぞれの電池が吸収および反射する光スペクトルの特定のサブセットは、上記の６接合構造用のものとは異なるものである。その上、上記したそれぞれの太陽電池に関連づけられた波長範囲は、使用する特定材料、本システムの調整、および本システムの配置に応じて狭かったり広かったりする。
【００３６】
本発明の１つ以上の光起電力システムは、複数の系統を含むモジュールに組み込むことが可能である。本システム自体および／または本システムを含むモジュールを順に共通の枠組みに実装することができ、これにより、枠組み全体および／または個々のモジュールは、システムおよび所望するその性能に応じて状況に応じて追跡または非追跡機能を備えることができる。
【００３７】
本発明の光起電力システムに達成可能な比較的に高い変換効率は、様々な理由で実現されえる。その理由の１つとしては、誘電体スラブの固形物が変換効率を向上させることであり、これにより、入射光と太陽電池を光学的に当接し、その光を無作為化することにより、最上電池（例えば、青電池）により可能となる高屈折率によって、その光がスラブ内に捕捉されるためである。別の理由としては、光スペクトルの効率的分割が行われることであり、これは、各太陽電池が最も効率よく吸収する光スペクトルの特有のサブセットを受信するように行われる。使用されるフィルタは、広範囲の角度にわたって比較的効率的に光の適切な波長を遮断できるような、無指向性フィルタであってもよい。このような無指向性フィルタを用いると、角度平均反射および伝搬が該当するバンドにおいて比較的高くなる。
【００３８】
上記の光学モジュール１４は、少なくとも１つの集光器を含むことができる光学集光モジュール１２を状況に応じて備えることが可能である。２つの集光器を用いる模範的なシステムでは、第１の光学素子または集光器１６と、第２の光学素子または集光器１８が備えられる。図示した第１の集光器１６はフレズネルレンズであり、一方第２の集光器１８は複合型放物集光器である。第１の集光器１６に関しては、フレズネルレンズの代わりにどのような種類のレンズや集光器を用いることも可能であり、フレズネルレンズの利点は、比較的大きな表面領域レンズ（例えば、３０ｃｍ幅×３０ｃｍ長）から典型的レンズよりもかなり薄いレンズを用いたかなり小さな領域にわたって、入射光を効率よく集光することができる点である。これにより、標準レンズとフレズネルレンズのいずれもが、大きな領域から小さな領域まで効率的に集光して所望する集光レベルを得ることができるが、一方、軽量のフレズネルレンズは、さらに構造的な利点をもたらし得る。第２の集光器または光学素子は、もし望むならば、第１の集光器から出力される集光された光を用いてさらに集光することも可能である。本模範的実施形態では、第２の集光器１６は、その上面がフレズネルレンズの底面から約３０ｃｍの距離だけ離間されるが、この距離は、第１の集光器１２の特性と、本システムの所望する変換効率に応じて大幅に変わる可能性がある。フレズネルレンズのような集光器を用いると、レンズの大きな表面領域が入射光にさらされ、第２の集光器１８の入力領域に対応する領域に集光される。
【００３９】
本実施形態では、複合型放物集光器として第２の集光器１８が図示されているが、別のまたは追加の第２／第３の集光器を代わりにまたは追加的に用いることも可能である。一例として、第２の集光器は、平坦面光じょうごとして特徴づけられる放物集光器であってもよく、これは、複合型放物集光器に比べて通常は光学効率が低くなるが、それでもなお、その変換効率は受け入れ可能なものである。図示された第２の集光器１８の相対形状と寸法は、本集光器がその集光器領域に関して図示された形状以外にも様々な異なる曲線形状をとりえるという点で模範的なものとして用いられている。第２の集光器１８の特徴的な形状と寸法は、本システムに入射する光の集光力を最適化するために設計および選択されて光学モジュール１４に装備された。本発明の代替え形態では、システム１０は直列に動作する複数の光学集光器を備えていないが、その代り、例えば、複合型放物集光器だけを用いた集光力を備えたシステムのように、単一または第１の光学集光器だけを備える。追加の集光器（例えば、第３の集光器）は、本模範的な実施形態と関連して図示して説明した第１および第２の集光器を直列につなげて用いることも可能であることも分かる。
【００４０】
特別な光学集光モジュール１２用に用いられる集光器の量と種類は、所定の範囲にわたって所定の所望する集光力を得るために選択される。例えば、集光器１２の集光力は、１００倍と１０００倍の間の集光力を含む。しかしながら、１００倍を下回るまたは１０００倍を超える集光力レベルは、本発明の範囲内にあると考えられる。選択された集光力レベルは、構成部品の熱負荷とコストを最小化しながらも比較的にコンパクトな集光モジュール１２を提供する。図示した集光モジュールは、模範的な集光装置またはシステムの１つにすぎない。すなわち、多くの種類の集光システムが代替え的にまたは図示して説明した集光器に加えて用いることが可能である。光捕捉光学モジュール１４は、集光モジュール１２の出力端の下部に配置され、モジュール１２の出力端が光捕捉光学モジュール１４と光学的に連通するように配置されるが、この例は、図２の拡大図において最もよく図示されている。
【００４１】
図５は、多層印刷基板９０に組み込み可能な本発明の光捕捉フィルタ付き集光器の斜視図である。特に、光捕捉光学モジュール１４は、最上電池バスバーへの配線９２、最上電池後部当接への配線９３、および背面または後部当接への配線９４を用いて図示されている。後部実装ヒートシンク９６は、またモジュール１４の電池積層体２２，２２’に関連した模範的関係において図示される。
【００４２】
図６は、電池の数と、誘導性光捕捉スラブの屈折率に関して、光学効率を最大化するための設計スペースを表した三次元グラフである。特に、本グラフは、比較的高い光学効率を達成するために、スラブ用の高屈折率材料の必要性と、比較的数の少ない副電池とを示している。一例として、１．５の屈折率を有するスラブ（例えば、ガラス（ＳｉＯ２））の下部に２つの副電池を備えるシステムでは、約６９％の光学効率を有することが計算で求められ、１．５の屈折率を有するスラブの下部に５つの副電池を備えるシステムでは、約３６％の光学効率を有することが計算で求められた。さらに別の例では、３．５の屈折率を有するスラブ（例えば、ＧａＰ）の下部に２つの副電池を備えるシステムでは、約９２％の光学効率を有することが計算で求められた。
【００４３】
図７は、本発明の装置および考え方を用いた集光機能としての模範的装置効率を表したグラフである。
【００４４】
本発明は、そのいくつかの実施形態を参照してこれまで説明してきた。本明細書で認識されたあらゆる特許または特許出願の全ての開示が、参照により援用される。上記の詳細説明および例は、理解を明快にするためにだけ示されたものである。不必要な限定が、そこから理解されるべきではない。本発明の範囲から逸脱することなく、これまで説明してきた実施形態に対して多くの変更を行うことが可能なことは、当業者であれば明らかであろう。これにより、本発明の範囲は、ここで説明した構成に限定されるべきでなく、請求項によって記述された構造およびその構造の等価物によってのみ限定され得る。
【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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【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、
光捕捉光学モジュールを備え、前記光捕捉光学モジュールは、
第１の面および第２の面を有する光無作為化誘電体スラブと、
前記誘電体スラブの前記第１の面に隣接する第１の電池であって、前記誘電体スラブの吸収開始のエネルギーよりも低いエネルギーのバンドギャップを含む、第１の電池と、
前記誘電体スラブの前記第２の面と光学的に当接している少なくとも１つのフィルタ素子と、
複数の光起電力副電池を備える副電池配列であって、前記副電池のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのフィルタ素子と光学的に当接する第１の面を備え、前記第１の電池の前記バンドギャップは、前記複数の副電池のうちの少なくとも１つのバンドギャップよりも高い、副電池配列とを備える、光起電力システム。
【請求項２】
前記誘電体スラブの前記第２の面は複数のフィルタ素子を備え、前記複数のフィルタ素子のそれぞれが、前記複数の副電池のうちの１つと光学的に当接する、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのフィルタ素子は、多層誘電積層体、格子、およびフォトニック結晶、および無指向性フィルタ素子を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項４】
前記複数の副電池のそれぞれが、多接合型電池を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項５】
前記複数の副電池は、積層型光起電力電池の配列を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項６】
前記複数の副電池は、第１のバンドギャップを有する第１の複数の副電池と、第２のバンドギャップを有する第２の複数の副電池とを含み、前記少なくとも１つのフィルタ素子が、第１および第２のフィルタ素子を含み、これらのそれぞれが、前記第１および第２の複数の副電池のうちの１つに対応する、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項７】
前記第１の電池の第１の面は、反射防止材料を含む、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項８】
プリント回路基板と組み合わされる、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項９】
前記誘電体スラブの屈折率は、５５０ｎｍの波長において２．０より大きく、前記誘電体スラブおよび前記第１の電池の前記屈折率が、前記誘電体スラブおよび前記第１の電池内に入射光を捕捉する総内部反射を提供する、請求項１に記載の光起電力システム。
【請求項１０】
光学集光モジュールをさらに備え、前記光学集光モジュールは、入射光が前記集光モジュールに入る入力領域と、集光された光が前記集光モジュールから出る出力領域とを備え、前記出力領域は前記光学モジュールと光学通信状態にある、請求項１に記載の光起電力システム。
【国際調査報告】
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