(57)【要約】【課題】本発明は、PVデバイスの使用を増加させることができる光起電力モジュール用高効率干渉カラーフィルタを提供する。【解決手段】特定の色の波長を反射し、かつ干渉スタック(410)を通してより長い波長を透過するように構成された干渉スタック(410)を組み込むデバイス。一実施例では、カラーフィルタは、約800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を備える2つの部分反射器(201)を含む。2つの部分反射器(201)が、色を反射し、かついくらかの電磁波を透過するように構成された干渉スタック(410)を形成する光共振空洞(401)を画定する。別の実施例では、光起電力デバイス(440)は、干渉スタック(200)を形成するための部分反射器として働く2つの光起電力活性層(301)を含む。光起電力デバイスは、色を反射し、かつ電力をもたらすように構成される。【選択図】図１
2013131785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照光されたとき電流フローを生成するように構成された光起電力活性材料であって、800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する光起電力活性材料を含む第1の部分反射器層と、
照光されたとき電流フローを生成するように構成された光起電力活性材料を含む第2の部分反射器層と、
前記第1の部分反射器層および前記第2の部分反射器層によって画定された第1の光共振空洞と、
前記第1の部分反射器層への第1の電気的接続であって、前記第1の部分反射器層によって生成された電流を通して流す第1の電気的接続と、
前記第2の部分反射器層への第2の電気的接続であって、前記第2の部分反射器層によって生成された電流を通して流す第2の電気的接続と、を備える光起電力デバイス。
【請求項２】
前記第1の光共振空洞がスペーサ層を備える請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記スペーサ層が透明な導電材料を含む請求項2に記載のデバイス。
【請求項４】
第1の透明な導電材料層であって、前記第1の部分反射器層が、前記第1の透明な導電材料層と前記スペーサ層の間に位置するように配置される第1の透明な導電材料層と、
第2の透明な導電材料層であって、前記第2の部分反射器層が、前記第2の透明な導電材料層と前記スペーサ層の間にあるように配置される第2の透明な導電材料層と、をさらに備える請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記スペーサ層が、
第1の透明な導電材料層と、
前記第1の透明な導電材料層および前記第2の透明な導電材料層によって画定された第2の光共振空洞と、を備える請求項2に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第2の光共振空洞がスペーサ層を備える請求項５に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記第2の光共振空洞の前記スペーサ層が非導電材料を含む請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
照光されたとき電流フローを生成するように構成された第1の光起電力活性材料層と、
照光されたとき電流フローを生成するように構成された第2の光起電力活性材料層と、
前記第1の光起電力活性材料層と前記第2の光起電力活性材料層の間に配置される光共振空洞と、
第1の透明な導電材料層であって、前記第1の光起電力活性材料層が、前記第1の透明な導電材料層と前記光共振空洞の間にあるように配置される第1の透明な導電材料層と、
第2の透明な導電材料層であって、前記第2の光起電力活性材料層が、前記第2の透明な導電材料層と前記光共振空洞の間にあるように配置される第2の透明な導電材料層と、
前記第1の光起電力活性材料層への第1の電気的接続であって、前記第1の光起電力活性材料層によって生成された電流を通して流す第1の電気的接続と、
前記第2の光起電力活性材料層への第2の電気的接続であって、前記第2の光起電力活性材料層によって生成された電流を通して流す第2の電気的接続と、を備える光起電力デバイス。
【請求項９】
前記光共振空洞が透明な導電材料を含む請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第1の光起電力活性材料が、約800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する材料を含む請求項８又は９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記光共振空洞が複数の層を備える請求項８〜１０の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
基板上に第1の透明な導電材料層を堆積するステップと、
前記第1の透明な導電材料層上に、照光されたとき電流フローを生成するように構成される第1の光起電力活性層を堆積するステップと、
前記第1の光起電力活性層上に第2の透明な導電材料層を堆積するステップと、
前記第2の透明な導電材料層上に、照光されたとき電流フローを生成するように構成される第2の光起電力活性層を堆積するステップと、
前記第2の光起電力活性層上に第3の透明な導電材料層を堆積するステップと、を含む光起電力デバイスを製造する方法。
【請求項１３】
前記第1の光起電力活性層が、約800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する材料を含む請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第3の透明な導電材料層上に反射器層を堆積するステップをさらに含む請求項１２又は１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記反射器層が部分反射器を備える請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
照光されたとき電流フローを生成するように構成された光起電力活性材料であって、800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する光起電力活性材料を含む第1の部分反射器層と、
照光されたとき電流フローを生成するように構成された光起電力活性材料を含む第2の部分反射器層と、
前記第1の部分反射器層および前記第2の部分反射器層によって画定された第1の光共振空洞と、
反射器層と、
透明な導電材料を含む第2の光共振空洞であって、前記第2の部分反射器層および前記反射器層によって画定される第2の光共振空洞と、
透明な導電材料層であって、前記第1の部分反射器層が、前記透明な導電材料層と前記第1の光共振空洞の間にあるように配置される透明な導電材料層と、
前記第1の部分反射器層への第1の電気的接続であって、前記第1の部分反射器層によって生成された電流を通して流す第1の電気的接続と、
前記第2の部分反射器層への第2の電気的接続であって、前記第2の部分反射器層によって生成された電流を通して流す第2の電気的接続と、を備える光起電力デバイス。
【請求項１７】
第1の部分反射器および前記第1の部分反射器上に配置される透明な導電材料層を備えるカラーフィルタと、
前記透明な導電材料層上に配置される光起電力活性層であって、前記カラーフィルタを通して光エネルギーを受け取り、照光されたとき電流フローを生成するように構成された光起電力活性層と、
前記光起電力活性材料への少なくとも1つの電気的接続であって、前記光起電力活性材料層によって生成された電流を通して流すように構成された少なくとも1つの電気的接続と、を備える光起電力デバイス。
【請求項１８】
前面および裏面を有するスタータスタックであって、第1の部分反射器を備えるスタータスタックを設けるステップと、
前記スタータスタックの裏面に光起電力活性層を堆積するステップであって、前記光起電力活性層が、前記スタータスタックを通して光エネルギーを受け取り、照光されたとき電流フローを生成するように構成されるステップと、を含む光起電力デバイスを製造する方法。
【請求項１９】
前記スタータスタックが、透明な導電材料層であって、前記第1の部分反射器が前記透明な導電材料層と前記スタータスタックの前記前面の間にあるように配置される透明な導電材料層を備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スタータスタックが、前記部分反射器と前記スタータスタックの前記裏面の間にあるように配置される透明な導電材料層およびスペーサ層を備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第1の部分反射器が、約800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する材料を含む請求項１８〜２０の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、いずれも参照により全体が明確に本明細書に組み込まれている、2008年10月16日に出願した、「HIGH EFFICIENCY INTERFEROMETRIC COLOR FILTERS FOR PHOTOVOLTAIC MODULES」という名称の米国仮出願第61/106,058号、2008年12月22日に出願した、「MONOLITHIC IMOD COLOR ENHANCED PHOTOVOLTAIC CELL」という名称の米国仮出願第61/139,839号、および2009年1月20日に出願した、「HIGH EFFICIENCY INTERFEROMETRIC COLOR FILTERS FOR PHOTOVOLTAIC MODULES」という名称の米国特許出願第12/356,437号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、光エネルギーを電気エネルギーに変換する、例えば光電池である光電子変換器の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国では、1世紀以上にわたって、石炭、石油、および天然ガスなどの化石燃料が、主要なエネルギー源を供給している。代替エネルギー源に対する必要性が増大している。化石燃料は、急速に消耗している再生不可能なエネルギー資源である。インドおよび中国などの開発途上国の大規模な工業化が、利用可能な化石燃料に対してかなりの負担をかけている。また、地政学的な問題が、そのような燃料の供給に直ちに影響を及ぼす可能性がある。地球温暖化も、近年の、より大きな関心事である。地球温暖化にはいくつもの要因が寄与していると考えられるが、化石燃料の広範な使用が地球温暖化の主たる要因であると推定される。したがって、再生可能で経済的に実現可能なうえに環境上も安全なエネルギー源を見いだすことの差し迫った必要性がある。太陽エネルギーは、熱および電気など他の形態のエネルギーに変換することができる、環境上安全で再生可能なエネルギー源である。
【０００４】
光(PV)電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、したがって太陽エネルギーを電力に変換するのに使用することができる。光起電力太陽電池は、非常に薄く、モジュール化が可能である。PV電池は、約数ミリメートルから、数十センチメートル、またはより大きなサイズに及ぶことがある。1個のPV電池からの個々の電気的出力は、数ミリワットから数ワットに及ぶ可能性がある。いくつかのPV電池を電気的に接続し、配列にパッケージ化して、十分な量の電気を生成することができる。PV電池は、衛星および他の宇宙船への電力供給、住居および業務用建物への電力供給、自動車バッテリーの充電などの広範な用途に使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮特許出願第61/106,058号
【特許文献２】米国仮特許出願第61/139,839号
【特許文献３】米国特許出願第12/356,437号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
PVデバイスには、炭化水素燃料に対する依存を低減する可能性があるが、PVデバイスの広範な使用は、能力不足および美観の問題によって妨げられてきた。したがって、これらの態様のどちらかを改善すればPVデバイスの使用を増加させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特定の実施形態は、観察者の方へ1つまたは複数の可視色を反射するための、干渉変調器に一体化された光電池または光起電力デバイスを含む。このような有色の光起電力デバイスは、光干渉方式を用いて広範囲の色のうちのいずれかを反射し、したがって特定の用途の要求に応えるように作製することができる。これにより、光起電力デバイスが、美学的により心地よく、したがって建築物または建築上の用途により役立つものになり得る。
【０００８】
一実施形態によれば、本発明は、約800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する材料を含む第1の部分反射器層と、約800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する材料を含む第2の部分反射器層と、第1の部分反射器層および第2の部分反射器層によって画定された第1の光共振空洞とを備えるカラーフィルタデバイスを備える。
【０００９】
別の実施形態によれば、本発明は、800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する材料を含む第1の部分反射器層と、光起電力活性材料を含む第2の部分反射器層と、第1の部分反射器層および第2の部分反射器層によって画定された第1の光共振空洞とを備える光起電力デバイスを備える。
【００１０】
別の実施形態によれば、本発明は、800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する光起電力活性材料を含む第1の部分反射器層と、光起電力活性材料を含む第2の部分反射器層と、第1の部分反射器層および第2の部分反射器層によって画定された第1の光共振空洞とを備える光起電力デバイスを備える。
【００１１】
別の実施形態によれば、本発明は、第1の光起電力活性材料層と、第2の光起電力活性材料層と、第1の光起電力活性材料層と第2の光起電力活性材料層の間に配置される光共振空洞と、第1の透明な導電材料層であって、第1の光起電力活性材料層が、第1の透明な導電材料層と光共振空洞の間に配置される第1の透明な導電材料層と、第2の透明な導電材料層であって、第2の光起電力活性材料層が、第2の透明な導電材料層と光共振空洞の間に配置される第2の透明な導電材料層とを備える光起電力デバイスを備える。
【００１２】
別の実施形態によれば、本発明は、基板上に第1の透明な導電材料層を堆積するステップと、第1の透明な導電材料層上に第1の部分反射器層を堆積するステップと、第1の部分反射器層上に第2の透明な導電材料層を堆積するステップと、第2の透明な導電材料層上に第2の部分反射器層を堆積するステップと、第2の部分反射器層上に第3の透明な導電材料層を堆積するステップとを含む、光起電力デバイスを製造する方法を含む。
【００１３】
別の実施形態によれば、本発明は、800nmより大きな波長で約1未満の減衰係数を有する光起電力活性材料を含む第1の部分反射器層と、光起電力活性材料を含む第2の部分反射器層と、第1の部分反射器層および第2の部分反射器層によって画定された第1の光共振空洞と、反射器層と、透明な導電材料を含む第2の光共振空洞であって、第2の部分反射器層および反射器層によって画定された第2の光共振空洞と、透明な導電材料層であって、第1の部分反射器層が、透明な導電材料層と第1の光共振空洞の間に配置される透明な導電材料層とを備える光起電力デバイスを備える。
【００１４】
別の実施形態によれば、本発明は、第1の部分反射器と、第1の部分反射器上に配置される透明な導電材料層と、透明な導電材料層上に配置される光起電力活性材料層とを備えるカラーフィルタを備える光起電力デバイスを備える。
【００１５】
別の実施形態によれば、本発明は、前面および裏面を有するスタータスタックであって、第1の部分反射器を備えるスタータスタックを設けるステップと、スタータスタックの裏面に光起電力活性層を堆積するステップとを含む、光起電力デバイスを製造する方法を含む。一態様では、スタータスタックは、透明な導電材料層であって、第1の部分反射器が透明な導電材料層とスタータスタックの前面の間にあるように配置される透明な導電材料層を備えてよい。別の態様では、スタータスタックは、部分反射器とスタータスタックの裏面の間にあるように配置される透明な導電材料層およびスペーサ層を備えてよい。
【００１６】
本明細書に開示される例示的実施形態は、添付の概略図に示され、これらは説明の目的だけのものである。図面は、そのように明言されていなければ、原寸に比例せず、必ずしも実施形態の示された態様の相対的寸法を反映するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】理論的光学干渉空洞を示す概略図である。
【図２Ａ】2つの部分反射器層およびスペーサ層を含む干渉変調器(IMOD)を示す概略図である。
【図２Ｂ】2つの部分反射器層およびスペーサ層を含む、図2Aのものに類似のIMODのブロック図である。
【図２Ｃ】スペーサ層が、部分反射器層間のポストまたはピラーによって形成された空隙を含む、IMODを示す概略図である。
【図２Ｄ】通常の入射光および反射光に対して、約540nm(黄色)のピーク波長反射率を有するように構成されたスペーサ層を有するIMODの全反射対波長を示す図である。
【図３Ａ】pn接合を備える光電池の概略図である。
【図３Ｂ】堆積された薄膜光起電力活性材料を含む光電池を概略的に示すブロック図である。
【図３Ｃ】前面に可視の反射性電極を有する例示的太陽光発電デバイスを示す概略上面図である。
【図３Ｄ】前面に可視の反射性電極を有する例示的太陽光発電デバイスを示す等角断面図である。
【図４Ａ】干渉変調器スタックを概略的に示すブロック図である。
【図４Ｂ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｃ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｄ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｅ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｆ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｇ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｈ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｉ】干渉変調器スタックを備える光電池を概略的に示すブロック図である。
【図５Ａ】様々な光起電力材料の様々な波長におけるスペクトル感度を示す図である。
【図５Ｂ】シリコン光電池のスペクトル感度を示す図である。
【図５Ｃ】図4Aに示すように構成された、50Åのモリブデンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む1800Åの光共振空洞、および60Åのアルミニウムの第2の部分反射器を有する干渉スタックを通る波長の関数として光エネルギーの透過率を示す図である。
【図５Ｄ】図4Aに示すように構成された、50Åのモリブデンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む1800Åの光共振空洞、および60Åのアルミニウムの第2の部分反射器を有する干渉変調器の基板側からの波長の関数として光エネルギーの反射率を示す図である。
【図５Ｅ】図4Aに示すように構成された、70Åのアモルファスシリコンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む1500Åの光共振空洞、および70Åのアモルファスシリコンの第2の部分反射器を有する干渉スタックの基板側から反射された色を示す色度図である。
【図５Ｆ】図4Aに示すように構成された、70Åのアモルファスシリコンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む1500Åの光共振空洞、および70Åのアモルファスシリコンの第2の部分反射器を有する干渉スタックの基板側からの波長の関数として光エネルギーの反射を示す図である。
【図５Ｇ】図4Aに示すように構成された、70Åのアモルファスシリコンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む1500Åの光共振空洞、および70Åのアモルファスシリコンの第2の部分反射器を有する干渉スタックを通る波長の関数として光エネルギーの透過率を示す図である。
【図５Ｈ】図4Aに示すように構成された、70Åのアモルファスシリコンの第1の部分反射器、70Åのアモルファスシリコンの第2の部分反射器、および厚さが1200Åから4000Åまで変化する二酸化シリコンを含む第1の光共振空洞を有する干渉スタックを通る光エネルギーの上下限の透過率値を示す図である。
【図５Ｉ】様々な波長にわたって様々な材料の屈折率および減衰係数の比較を示す図である。
【図５Ｊ】図4Aに示すように構成された干渉スタックで覆われたサンプルのPV電池からのピーク出力における、スペーサ層の厚さを変化させたとき、ならびに第1および第2の部分反射器の厚さを変化させたときの負の変化の比較を示す図である。
【図６Ａ】カラーPVデバイスを備える静的ディスプレイ上に像を形成するために別々の領域に別々の色を表示するパターン付き干渉変調器のスタックの実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】カラーPVデバイスを備える静的ディスプレイ上に像を形成するために別々の領域に別々の色を表示するパターン付き干渉変調器のスタックの実施形態を示す図である。
【図６Ｃ】カラーPVデバイスを備える静的ディスプレイ上に像を形成するために別々の領域に別々の色を表示するパターン付き干渉変調器のスタックの実施形態を示す図である。
【図６Ｄ】カラーPVデバイスを備える静的ディスプレイ上に像を形成するために別々の領域に別々の色を表示するパターン付き干渉変調器のスタックの実施形態を示す図である。
【図７Ａ】2つのPV電池および1つのIMODを組み込むPVデバイスを製造する方法を概略的に示すブロック図である。
【図７Ｂ】2つのPV電池および1つのIMODを組み込むPVデバイスを製造する方法を概略的に示すブロック図である。
【図７Ｃ】2つのPV電池および1つのIMODを組み込むPVデバイスを製造する方法を概略的に示すブロック図である。
【図７Ｄ】PV電池およびIMODを組み込むPVデバイスを製造する方法を概略的に示すブロック図である。
【図７Ｅ】PV電池およびIMODを組み込むPVデバイスを製造する方法を概略的に示すブロック図である。
【図７Ｆ】2つのPV電池および1つのIMODを組み込むPVデバイスを製造する方法の例示的実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
光エネルギーを電気エネルギーまたは電流に変換するために、利用可能な表面上に光起電力(PV)デバイスを広範に採用するのを妨げている問題の1つに、例えば標識、掲示板、または建築物に対する様々な用途において、同デバイスの色のために一体化するのが難しいことがある。有効なPV材料は、それ自体暗く見えることがある。いくつかの光る導体/電極も、目に見える可能性がある。これらの要因は、どちらも、美的問題のために、PVデバイスを周囲の材料と混合して使用するのを妨げる可能性がある。本明細書に説明されたPV電池の実施形態は、(IMOD)スタックを生成するための部分反射器として働く1つまたは複数のPV活性材料層を含む干渉変調器スタックを有し得る。このような実施形態は、光学干渉方式を用いて、可視範囲の選択波長のスパイクまたはピークの反射を増強するように設計することができる。選択波長を反射すると、PV電池を、観察者に対して特定の色に見えるようにすることができる。したがって、このPV電池は、特定の用途の要求に従って特定の色に見えるように設計することができる。干渉の反射または透過は、干渉変調器スタックを構成する材料の寸法および基本的材料特性によって管理される。したがって、色の効果が、一般的な染料または塗料と比較して時間の経過による退色の影響を受けにくい。
【００１９】
本明細書で特定の実施形態および実施例が論じられているが、この斬新な内容は、具体的に開示された実施形態を越えて、他の代替実施形態および/または発明の用途ならびにその明白な変更形態および等価物へ広がることが理解される。本明細書で開示される本発明の範囲は、特定の開示された実施形態によって限定されるべきでないことが意図されている。したがって、例えば、本明細書で開示されるあらゆる方法またはプロセスにおいて、方法/プロセスを構成する行為または操作は、任意の適切な順序で実行されてよく、いかなる特定の開示された順序にも限定する必要がない。実施形態の様々な態様および特徴が、必要に応じて説明されている。そのような態様または特徴は、必ずしもすべてが任意の特定の実施形態に従って実現されるものではないことを理解されたい。したがって、例えば、本明細書で教示される1つの特徴または特徴の群を、本明細書で教示または提案された他の態様または特徴を必ずしも実現することなく実現または最適化するやり方で、様々な実施形態が実行され得ることを理解されたい。
【００２０】
以下の詳細な説明は、本発明の特定の具体的実施形態を対象とするものである。しかし、本発明は、多数の様々なやり方で具現することができる。本明細書で説明される実施形態は、光エネルギーを電流に変換するための光起電力デバイスを組み込む広範なデバイスで実施することができる。例えば、これらの実施形態は、掲示板、標識、建築物において、住宅建造物、商業ビル、ならびにボートおよび自動車を含む輸送手段の上またはまわりに配置される太陽電池パネルで実施され得るように企図されている。
【００２１】
この説明では図面が参照され、すべての図面にわたって同じ部品は同じ数字で示されている。以下の説明から明らかなように、これらの実施形態は、光起電力活性材料を含む様々なデバイスで実施することができる。
【００２２】
最初に、図1〜図2Dは、図4A〜図7Dを参照しながら説明されるように光起電力デバイスと一体化するのに役立つIMODのいくつかの光学的方式および様々な実施形態を示す。図3A〜図3Dは、一体化されたIMODスタックを有する光起電力デバイス構成の実施形態を示す。図4A〜図6Dは、干渉変調器が光起電力デバイスと一体化された実施形態およびこれらの実施形態の特性を示す。図7A〜図7Dは、IMODスタックを組み込む光起電力デバイスを形成する方法の実施形態を示す。
【００２３】
図1は、光共振空洞の実施形態の概略図である。このような光共振空洞の特定の例に、反射色のスペクトルを生成することができる石鹸膜がある。光共振空洞は、干渉法で光を操作するのに使用することができる構造体である。図1に示された光共振空洞は、その間に空間またはボリュームを画定する上側境界面101および下側境界面102を備える。2つの境界面101および102は、同一の層上の向かい合った表面でよい。例えば、2つの境界面101および102は、ガラスまたはプラスチックの、プレートまたはシートの表面、あるいはガラス、プラスチック、または任意の他の透明材料の膜を備えてよい。空気または他の媒体が、プレート、シートまたは膜を取り囲んでよい。光共振空洞は、上側境界面101においてその片面に1つの材料を有し、下側境界面102においてもう一方の面に別個の(例えば別の)材料を有することができる。光共振空洞との境界面101、102を形成する材料は、金属層すなわち部分反射器層、透明な媒体、または例えば空気といった誘電体でよい。光共振空洞との境界面101、102を形成する材料は、同一のものでも異なるものでもよい。図示の実施形態では、光は、境界面101、102のそれぞれで部分的に反射し、かつ部分的に透過する。
【００２４】
引き続き図1を参照すると、光共振空洞の前面101に入射する光線103は、光路104で示されるように部分的に反射され、光路105に沿って前面101を通って部分的に透過される。光線103は、光の広範なスペクトル分布を有してよい。例えば、光線103は白色光を含んでよく、したがって、450nmから700nmの可視範囲内の広範囲の波長ならびに可視範囲外の波長からの有効な成分を有してよい。透過光線105は、光路107に沿って部分的に反射され得、光路106に沿って共振空洞外へ部分的に透過され得る。光共振空洞の厚さならびに周囲の材料の特性を含む光学的性質は、境界面101および境界面102の両方から反射された光の振幅および位相のどちらにも影響を及ぼすことができる。したがって、光線104および107は、それぞれが、光共振空洞および周囲の媒体の特性に依存して振幅および位相を有することになる。この実施例は複数の内部反射を省略することによって簡素化されていることが当業者には理解されよう。
【００２５】
引き続き図1を参照すると、本明細書で提供される議論のために、光共振空洞から反射される光の全強度は、2つの反射光線104および107のコヒーレントな重ね合わせである。このようなコヒーレントな重ね合わせでは、2つの反射された光線の振幅および位相の両方が総計の強度に寄与する。このコヒーレントな重ね合わせは干渉と称される。2つの反射光線104および107は、互いに位相差を有し得る。いくつかの実施形態では、2つの波の間の位相差が180度(180°)であり得、互いに相殺する。2つの光線104および107の位相および振幅が、特定の波長で強度の減少をもたらすように構成される場合、2つの光線はその波長で弱め合って干渉すると称される。一方、2つの光線104および107の位相および振幅が、特定の波長で強度の増加をもたらすように構成される場合、2つの光線はその波長で強め合って干渉すると称される。位相差は、どちらも光共振空洞の厚さに左右される2つの経路の光路差、2つの境界面101と102の間の材料の屈折率、および周囲の材料の屈折率が光共振空洞を形成する材料のものより大きいか小さいかということに左右される。位相差は、入射光線103の様々な波長に対しても様々である。したがって、光線104および107は、互いに対して位相差を有する可能性があり、この位相差は波長によって変化する可能性がある。したがって、いくつかの波長が強め合って干渉し得、いくつかの波長が弱め合って干渉し得る。一般に、光共振空洞によって反射される色および透過される色の全強度は、光共振空洞を形成する材料およびその厚さ、ならびに周囲の媒体次第である。反射される波長および透過される波長は視野角にも左右され、別々の波長は、別々の角度で反射され、透過される。
【００２６】
引き続き図1を参照すると、前述の方式は、光の波長次第で、入射光の可視波長のスペクトルまたは範囲を干渉法で選択的に反射および/または透過することになる構造体を構成するのに用いることができる。干渉方式を用いて、光の反射または透過にその波長次第で影響を及ぼす構造体は、干渉変調器スタック、またはより簡単に干渉変調器と称され得る。いくつかの実施形態では、干渉変調器(IMOD)は、2つの部分反射器の間に形成された光共振空洞を含む。他の実施形態では、IMODは、部分反射器と全反射器の間に形成された光共振空洞を含む。光共振空洞を画定するために全反射器が使用される実施形態では、IMODは透過性でなくてよい。光共振空洞を画定するために2つの部分反射器が使用される実施形態では、IMODは透過性でよい。あるいは、スタックは、1つの部分反射器およびスペーサ層のみを含んでよく、部分反射器または全反射器である別の反射器は、IMODを形成するように別個に設けることができる。このシナリオでは、スペーサ層は光共振層であり、スペーサ層上に第2の反射器が配置されると、第1の部分反射器と第2の反射器の間に光共振空洞が形成される。下にあるデバイスの中の独自の機能を有する他の層も部分反射器または複合反射器として役立ち得る。当業者によって理解されるように、干渉スタックから反射した光の光学距離が、可視波長とほぼ同程度のオーダーであると、視覚効果は、かなり飾り気のないものになり得る。光学距離が増加して、例えば、5000nm以上である白色光の可干渉距離を上回ると、光の位相のコヒーレンスが失われ、その結果、視覚的干渉色効果が失われるので、干渉はもはや不可能になる。
【００２７】
図2Aは、干渉変調器200の実施形態を示す。IMOD 200は、部分反射器層201、スペーサ層202、および反射器層203を含む。反射器層203は、第2の部分反射器層または全反射器でよいが、ここでは部分反射器として示されている。図2Aで、2つの反射面の間にスペーサ層202が挟まれている。特定のこの実施形態では、部分反射器層201が、スペーサ層202を備えた光共振空洞の上部を画定し、一方、下部反射器層203が光共振空洞の下部を画定する。反射器層203は、その反射率に影響を及ぼす材料の単一の層または複数の層を含んでよい。部分反射器層201および反射器層203の厚さは、光の反射率と透過率の相対量を制御するように選択され得る。部分反射器層および反射器層は、どちらも金属を含むことができ、どちらも部分透過性に構成することができる。例えば、反射器層203は、光を透過し、反射もするように構成された部分反射器を備えてよい。図2Aに示されるように、光干渉空洞の部分反射器層201上に入射する光線204は、光干渉空洞から離れて経路205および206のそれぞれに沿って部分的に反射され得る。前方または入射側の観察者が見る照明フィールドは、2本の反射光線205と206の重ね合わせである。下部反射器203によって実質的に反射される光線206または下部反射器203を通って透過される光線106の光の量は、反射器層の厚さおよび組成を変化させることにより、かなり増加または減少され得るが、反射の明瞭な色は、スペーサ層202のサイズまたは厚さ、および放射線205と206の間の光学距離における差を決定する部分反射器層201の材料特性によって管理される干渉効果によって主に決定される。下部反射器203の厚さを調整すると(あるいはスペーサ層202と下にある媒体の間の境界面によってもたらされるすべての反射性を優先して下部反射器203を省略すると)、反射される色の強度対IMOD 200の総合的反射性を調整することになり、したがってIMOD 200を通る透過光線106の強度に影響を及ぼす。
【００２８】
引き続き図2Aを参照すると、いくつかのIMODでは、スペーサ層202は固体の層、例えば光学的に透明な誘電性層、または複数の層を備える。他のIMODでは、スペーサ層202は、空隙あるいは光学的に透明な層と空隙の組合せを備える。スペーサ層202の厚さは、入射光の1つまたは複数の特定の色の反射を最大化または最小化するように調整されてよい。光干渉空洞によって反射される1つまたは複数の色は、スペーサ層の厚さを変化させることにより変化され得る。したがって、光干渉空洞によって反射される1つまたは複数の色は、スペーサ層202の厚さ次第であり得る。
【００２９】
図2Bは、IMOD 200の実施形態の簡易化した概略図である。図示のように、IMOD 200は部分反射器201、部分反射器または全反射器203、および部分反射器201と反射器203の間のスペーサ層202を備える。部分反射器201向けに選択される材料は、特定の材料については減衰係数κによって選択されてよい。特定の物質の減衰係数は、その物質が、(下の)式1によって定義されるように、電磁放射をどれくらいよく散乱しかつ吸収するか、ということの指標である。電磁波が、材料を実質的に非常に容易に通過する場合、材料は「小さい」減衰係数を有する。一方、電磁波が実質的に材料に透通せず、材料の中で「消滅する」か、または「絶える」場合、減衰係数は「大きい」。特定の材料の減衰係数κも、「小さい」減衰係数と「大きい」減衰係数の間の範囲内にあり得る。
【００３０】
【数１】
2013131785.tif 000003
【００３１】
式1で、特定の材料の減衰係数がκで表され、その材料の吸収係数がαで表さ、λは(材料中の電磁波の波長ではなく)真空中の電磁波の波長を表す。式1によって理解できるように、減衰係数κは、吸収係数αと真空中の電磁波の波長λの積に直接関係する。部分反射器201は、様々な材料、例えば光起電力材料、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ならびに例えばMoCrといった合金を含んでよい。部分反射器の厚さは、約20Åと300Åの間にあり得る。反射器203は、例えば、光起電力材料あるいは、例えばアルミニウム(Al)、銀(Ag)、モリブデン、金(Au)、クロム(Cr)等々の金属層を備えてよく、十分に厚くて(例えば300nm)不透明であり得る。他のIMODでは、反射器203は部分反射器であって、20Åと薄いものでよい。一般に、部分反射器である反射器203の厚さは、約20Åと300Åの間にあることになる。スペーサ層202は、空隙および/または1つもしくは複数の光学的に透明な材料を含んでよい。スペーサ層202は、反射器203と部分反射器201の間に配置される単一の材料の層によって画定され得る。このような実施形態では、材料は、例えば透明な導体または透明な誘電体といった光共振する材料を含むことができる。スペーサ層202用の例示的透明材料は、例えば二酸化シリコン(SiO2)、二酸化チタン(TiO2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、クロム(III)酸化物(Cr3O2)、窒化シリコン(Si3N4)といった誘電体、ならびに透明な導電性ポリマーおよび例えばインジウムスズ酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)などの透明な導電性酸化物(TCO)を含む透明な導電材料を含んでよい。より一般的には、1と3の間の屈折率(n)を有する任意の誘電体が、適切なスペーサ層を形成してよい。導電性カラーIMODスタックが必要な状況では、スペーサ層202は透明な導電性膜を備えてよい。いくつかのIMODでは、スペーサ層202は、空隙、例えば透明な導電性酸化物といった透明な導電材料、および透明な誘電体層のうち2つ以上を含み得る複数の材料を含む複合構造を備えることができる。複数の層および/または空隙の可能な働きには、IMOD 200の光学上の役割に加えて、スタックの選択された層が、例えばデバイスのパッシベーションまたは引っかき抵抗性といった複数の機能に役立ち得ることがある。いくつかの実施形態では、スペーサ層202は、導電性材料であろうと誘電体材料であろうと、1つまたは複数の部分的に透明な材料を含んでよい。
【００３２】
図2Cを参照すると、他の実施形態では、スペーサ層202の厚さは、例えばレール、ポスト、ピラーといったスペーサ211によって支持された空隙202を含んでよい。IMOD 200の内部で、スペーサ層202は、静的な空隙、または例えばMEMS技術を用いる可変の動的なものであり得る。
【００３３】
引き続き図2Cを参照すると、図2Bまたは図2Cに示されたものなどの干渉変調器構造体200は、光干渉を用いて所望の反射出力を選択的に生成する。この反射出力は、IMOD 200のすべてまたは一部分において、静的スペーサ層202の厚さおよび光学的性質ならびに部分反射器201と反射器203との厚さおよび光学的性質を選択することにより「調整」することができる。部分反射器201の表面を見る観察者が観測する色は、IMOD 200から実質的に反射され、IMOD 200の様々な層によって実質的に吸収されたり、これらの層と弱め合う干渉をしたりすることのない周波数に相当することになる。干渉する、実質的に吸収されない周波数は、スペーサ層202の厚さを選択することにより変化させることができる。
【００３４】
図2Dは、一実施形態による干渉スタックの前面に対して直角すなわち垂直な方向から見たときの、IMOD(例えば図2BのIMOD 200)の反射率対波長のグラフを示す。このグラフは、IMOD上に入射する光の波長スペクトルとは一般に異なる反射光の波長スペクトルを示す。示されたグラフで、反射率は、約540nmのピーク250の辺りで最大になる。したがって、ピークの波長251は、約540nm(黄色)である。ピーク250は、ピークすなわち最大反射率254の半分に等しい反射率253のピークの幅である1/2ピーク帯域幅も有する。他の実施形態では、全反射曲線のピークの位置は、スペーサ層202の厚さまたは材料を変化させること、またはIMODの1つまたは複数の層の材料および厚さを変化させること、あるいはその両方によって移動することができる。ピーク波長の反射率250の位置は、視野角に左右される。図示のように、ピークは1つしかないが、スペーサ層の高さまたは厚さ次第で、振幅の異なる複数のピークが存在する可能性がある。IMODは、反射率ばかりでなく吸収率または透過率を調整するようにも構成され得ることが当業者には理解されよう。
【００３５】
図3Aは、光(PV)電池300を示す。光電池は、光エネルギーを電気エネルギーまたは電流に変換することができる。PV電池は、小さなカーボンフットプリントを有する、環境に対する影響が小さい再生可能なエネルギー源の一実施例である。PV電池を使用すると、エネルギー発生のコストを低減することができる。PV電池は、多くの異なるサイズおよび形状を有することができ、例えば、郵便切手より小さいものから、数インチにわたるサイズまである。いくつかのPV電池は、数フィートの長さおよび数フィートの幅までのPV電池モジュールを形成するために、しばしば互いに接続することができる。モジュールは、同様に、様々なサイズおよび電力出力のPV配列を形成するように、組み合わせて接続することができる。
【００３６】
引き続き図3Aを参照すると、配列の大きさは、例えば特定の場所で利用可能な日光の量および消費者の要求といったいくつかの要因次第であり得る。配列のモジュールは、電気的接続、取付け金具、電力調整機器、および日差がないとき使用するために太陽エネルギーを蓄える電池を含むことができる。PVデバイスは、付随する電気的接続および周辺装置を有する単一電池、PVモジュール、PV配列、または太陽電池プレートであり得る。PVデバイスは、例えばPV電池によって電力供給される構成要素のように機能的には無関係な電気部品を含むことができる。
【００３７】
図3Aを参照すると、PV電池は、2つの電極302と303の間に配置されるPV材料を含むPV活性領域301を含む。いくつかの実施形態では、PV電池は基板を備え、その上に層のスタックが形成されている。PV電池のPV活性層は、例えばシリコンである半導体材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、PV活性領域301は、図3Aに示されるように、n形半導体材料301nとp型半導体材料301pとを接触させることによって形成されたpn接合を備えてよい。そのようなpn接合は、ダイオードに似た特性を有することができ、したがってフォトダイオード構造とも称され得る。
【００３８】
引き続き図3Aを参照すると、PV活性領域301は、電流経路をもたらす2つの電極の間に挟まれている。背後電極302は、アルミニウム、銀、もしくはモリブデンまたは他のいくつかの導電材料から形成することができる。背後電極は、磨かれていないざらざらしたものでよい。前面電極303は、接触抵抗を下げ、収集効率を向上するように、pn接合の前面のかなりの部分を覆うように設計されてよい。前面電極303が不透明材料から形成される実施形態では、前面電極303は、PV活性領域に照明が当たるのを可能にするように、PV活性領域の前部の上に開口を残すように構成されてよい。いくつかの実施形態では、前面電極および背後電極は、例えば酸化スズ(SnO2)またはインジウムスズ酸化物(ITO)といった、例えば透明導電酸化物(TCO)である透明な導電体を含むことができる。TCOは、電気接触および導電性をもたらし、同時に、入ってくる光に対して透明である。いくつかの実施形態では、PV電池は、前面電極303の上に配置される反射防止(AR)コーティング304も備えることができる。ARコーティング304は、PV活性材料301の前面から反射される光量を低減することができる。
【００３９】
引き続き図3Aを参照すると、PV活性材料の前面が照光されるとき、活性領域で光子がエネルギーを電子に伝達する。光子によって伝達されたエネルギーが半導体材料のバンドギャップより大きいと、電子は、伝導帯に入るのに十分なエネルギーを有することができる。pn接合構造で内部電界が生成される。内部電界は、エネルギーを与えられた電子に対してこれらの電子を移動させるように作用し、それによって、外部回路305内に電流の流れをもたらす。結果として生じる電流の流れは、例えば図3Aに示されるような光電球306といった様々な電気器具に電力を供給するのに用いることができる。
【００４０】
図3Aに示されるPV活性材料層は、例えば結晶シリコン(c-シリコン)、アモルファスシリコン(α-シリコン)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウムジセレニド(CIS)、銅インジウムガリウムジセレニド(CIGS)、光吸収性の染料およびポリマー、光吸収性ナノ粒子を散布したポリマー、例えばGaAsであるIII〜V族の半導体といった、様々な光吸収性の光起電力材料の任意のものから形成され得る。他の材料も用いることができる。光子が吸収されて電気的キャリア(正孔および電子)にエネルギーが伝達される(1つまたは複数の)光吸収材料は、本明細書ではPV活性層またはPV電池の材料と称され、この用語は、複数のアクティブな副層を包含するように意図されている。PV活性層用の材料は、所望の性能およびPV電池の用途次第で選択することができる。
【００４１】
引き続き図3Aを参照すると、いくつかの機構では、薄膜技術を用いることによりPV電池を形成することができる。例えば、光エネルギーが透明基板を通過する一実施形態では、PV電池は、第1の電極層すなわちTCOの前面電極層を基板上に堆積することにより形成され得る。第1の電極層上にPV活性材料が堆積されてよい。PV活性材料の層上に第2の電極層を堆積することができる。これらの層は、例えば物理的気相成長法、化学的気相成長法、電気化学的気相成長法といった堆積法を用いて堆積することができる。薄膜PV電池は、例えば薄膜シリコン、CIS、CdTeまたはCIGSといった、アモルファス、単結晶または多結晶の材料を含んでよい。薄膜PV電池により、デバイスのフットプリントを小さくすることおよび製造プロセスのスケーラビリティが容易になる。
【００４２】
図3Bは、薄膜PV電池310の実施形態を概略的に示すブロック図である。PV電池310は、光が通過することができるガラス基板311を含んでいる。ガラス基板311上に、第1の電極層312、PV活性層301(アモルファスシリコンを含むものとして示されている)および第2の電極層313が配置される。第1の電極層312は、例えばITOといった透明な導電材料を含むことができる。図示のように、第1の電極層312と第2の電極層313の間に薄膜PV活性層301が挟まれている。図示のPV活性層301は、アモルファスシリコン層を備える。当技術分野で知られているように、PV材料として働くアモルファスシリコンは、1つまたは複数のダイオード接合を含んでよい。さらに、1つまたは複数のアモルファスシリコンPV層は、p型ドープ層301bとn型ドープ層301aの間に真性シリコン層301cが挟まれたp-i-n接合を備えてよい。p-i-n接合は、pn接合より高い効率を有することができる。いくつかの他の実施形態では、PV電池は複数の接合を備えることができる。
【００４３】
図3Cおよび図3Dは、PVデバイス330を示す。図示のように、PVデバイス330は、例えばシリコンウェーハといった半導体ウェーハの上に形成された前面電極331、332を備える。しかし、以下の説明から理解されるように、他のPVデバイスは薄膜光起電力材料を含んでよい。薄膜PV材料またはウェーハ型PV材料のいずれかを含むPVデバイスは、干渉法で強化することができる(図4Aおよび付随する説明を参照されたい)。図3Cおよび図3Dに示されるように、PVデバイスは、PVデバイス330の前面すなわち光が入射する面ならびに裏面に、鏡面反射導体または反射性導体を用いる。前面すなわち光が入射する面上の導体は、バス電極331またはグリッド線電極332を含むことができる。光エネルギーがPV活性材料に吸収されると、電子-正孔対が生成される。これらの電子および正孔は、図3Dに示されるように、前面電極331、332または背後電極333の一方または他方へ移動することにより、電流を生成することができる。前面電極すなわち電極331、332は、電子または正孔が電極に到達するのに移動しなければならない経路の抵抗を低減し、同時に十分な光がPV活性領域301へ通過することも可能にするようにパターニングされる。前面電極331、332のパターンは、入射光がPV活性材料に伝搬することを可能にするためのウィンドウ334を含むことができる。PVデバイス330は、前面の導体すなわち電極331、332がパターン付きであり、背後電極333がパターンなしで示されているが、当業者なら、背後の導体すなわち電極が別のやり方でもパターニングされ得ることを理解するであろう。前面電極331、332および背後電極333は、反射性金属の導電材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、前面電極331、332および背後電極333は、例えばITOである透明な導電材料または透明であると同時に反射性の導電材料を含んでよい。
【００４４】
引き続き図3Cおよび図3Dを参照すると、従来、PV電池の外観は、PV電池の電極およびPV活性材料を構成する材料によって決定されている。しかし、PV電池の使いみちがより広く普及し、PV電池の新規用途が出現するのにつれて、有色PV電池の設計および製造が重要になり得る。このような有色の電池は、視覚訴求を向上し、美的価値を加えることができる。例えば、建築物と一体化したPV用途(BIPV)の設計および製造に強い関心がもたれている。PVデバイス上に色をパターニングする能力またはPVデバイスを色で覆う能力は、PV電池が、露光される建築物の屋根および正面、掲示板、自動車、電子機器、衣装、靴、および他の多くの位置に配備されて受け入れられるのを支援することができる。IMODは、長持ちする退色しにくい色を生成する能力をもたらすだけでなく、所望の強度および魅力的な色をもたらす一方で、IMODスタックを通る光の透過の程度の設計選択を依然として可能にすることもできる。
【００４５】
PV電池に色を組み込む代替方法には、適切な色の染料または色素を加えるもの、またはPVスタックに有色の材料を加えるものがある。しかし、このような色付けによる光の高度の吸収により、PV電池の効率が低下する。さらに、特にデバイスが日光に絶えず露光されることになるので、PVデバイスの寿命より短い期間で退色する傾向がある。
【００４６】
したがって、本明細書の以下の特定の実施形態では、PV電池またはデバイスに干渉変調器を組み込むかまたは一体化することにより、PV電池に「色を付ける」ことを説明する。PVデバイス上に、またはPVデバイスの一部分としてIMODを使用すると、IMODから反射する色を出現させ、したがってPV電池またはPVデバイスに「色」を与えることが可能になり得る。適切な厚さおよび材料(屈折率)のスペーサ層を使用すること、ならびに部分反射器向けに適切な厚さおよび材料を選択して使用することにより、IMODからの反射の色を選択することができるので、PV電池またはPVデバイスに組み込まれた干渉変調器スタックは、任意の特定の用途向けに必要に応じて色を反射するように構成することができる。干渉法による色反射効果は、スペーサ層の厚さおよび材料、ならびに反射器の厚さおよび材料と部分反射器の材料とによって影響を及ぼされ得る。したがって、色の効果が、一般的な染料または塗料と比較して時間の経過による退色の影響を受けにくい。
【００４７】
図4Aは、色を反射し、かつ第1の部分反射器層を通る赤外線の波長の透過を最適化するように構成されたIMODスタック410の実施形態を示す。スタック410は、第1の部分反射器層201aと第2の部分反射器層201bの間に配置される光共振空洞401を備える。第1の部分反射器層201aおよび第2の部分反射器層201bは、光を透過し、反射するように構成される。部分反射器層201a、201bによって透過される光および反射される光の量は、層の厚さおよび/または材料によって制御され得る。例えば、第1の部分反射器層201aおよび第2の部分反射器層201bは、約20Åと300Åの間の厚さを有するアモルファスシリコンを含んでよい。第1の部分反射器層201aおよび第2の部分反射器層201bの材料は、材料の減衰係数に基づいて選択されてよい。例えば、第1の部分反射器層は、可視光の反射および赤外線電磁波の透過を促進するために、赤外線スペクトルよりも可視光スペクトルにおいて高い減衰係数を有する材料を含んでよい。赤外線スペクトルより可視光スペクトルにおいて高い減衰係数を有する材料の例には、Ge、GaInP、α-Si、CdTe、GaAs、InP、多結晶シリコン、単結晶シリコン、ZnO、およびCIGSが含まれる。第1の部分反射器層201aと第2の部分反射器層201bとは、同一であっても異なってもよい。例えば第1の部分反射器層201aおよび第2の部分反射器層201bは、それぞれ20Åのアモルファスシリコンの層を含んでよい。あるいは、これらの部分反射器は、異なる材料を含んでよい。
【００４８】
引き続き図4Aを参照すると、光共振空洞401はスペーサ層202を備えてよい。スペーサ層202は、例えば空気または透明な導電材料といった任意の光共振材料を含んでよい。スペーサ層202および光共振空洞401の厚さは、干渉の原理に基づいてIMOD 410からの特定の色を反射するように調整されてよい。さらに、スタック410は、光が通過することができる基板層311を備えてよい。第1の部分反射器層201aは、基板層311上に配置されてよい。基板層311は、ガラス、ポリマーまたは類似の基板を備えてよい。IMODスタック410は、対象が、IMODスタック410から反射された色に基づく特定の色に見えるように、対象に対して加えられ得る。例えば、光電池が特定の色に見えるように、IMODスタック410が光電池の上に配置されてよい。IMODスタック410は、下にある例えば光電池である対象へ電磁波を透過するために透過性でよい。一実施形態では、IMODスタック410は、特定の波長で他のものより透過性になるよう構成されてよい。いくつかの実施形態では、IMODスタック410は、赤外線放射をより透過させ、可視光をあまり透過させないように構成されてよい。
【００４９】
図4Bは、少なくともいくらかの入射光が光電池484を通って伝搬することができるように光電池484と結合されている図4AのIMODスタック410を備える光起電力デバイス411を示す。光電池484は、図3Bに示されたデバイスに類似の薄膜光電池でよく、あるいは図3Aに示されたデバイスに類似のウェーハベースの光電池でもよい。光電池484は、背後電極488、光起電力活性材料層487、前面電極486および任意選択の基板層485を備えることができる。IMODスタック410は、特定の色を反射し、より長い波長が第2の部分反射器層201bを通って光電池484へ透過するのを最適化するように構成される。光電池484は、光結合材料480を用いて、任意選択で第2の部分反射器層201bに結合されてよい。光結合材料480は、層間反射を回避するかまたは最小化するように選択された屈折率を有する接着剤を含んでよい。他の場合には、光結合材料480はエラストマを含んでよい。
【００５０】
引き続き図4Bを参照すると、光起電力デバイス411はカバー層489を任意選択で備えてよい。カバー層489は、例えばガラスである基板を備えてよく、これが光電池484またはIMODスタック410の1つの側に結合されてよい。光結合材料480は、カバー層489をIMODスタック410の第2の部分反射器層201bまたは基板層311に結合するのに使用することができる。光結合材料480は、層間反射を回避するかまたは最小化するように選択された屈折率を有する接着剤を含んでよい。光結合材料480は、エチレン酢酸ビニールなどのエラストマを含んでよい。別の実施例(図示せず)では、IMODスタック410は、カバー層489と光電池484の間に配置されてよい。光結合材料は、IMODスタック410をカバー層489に結合するのに使用することができ、また、IMODスタック410を光電池484に結合するのに使用することができる。あるいは、IMODスタック層201a、202、および201bは、カバー層489または基板層485上に直接堆積されてよい。
【００５１】
図4Cは、デバイス420からの特定の色の光を反射するためのIMODスタック200を組み込む光起電力デバイス420を示す。デバイス420は、部分反射器201とPV活性材料層301の間に配置される光共振空洞401を備える。部分反射器201、光共振空洞401、およびPV活性材料層301が、特定の色を反射するように構成されたIMODスタック200を形成する。図4Bに示されたIMODスタック200で、PV活性材料層301は、いくらかの光を反射していくらかの光を透過するように構成された第2の部分反射器層として働く。光共振空洞401は、第1の透明な導電材料層403aを含むことができる。第1の透明な導電材料層403aは、光共振スペーサ層ならびにPV活性層301用の導電電極の両方として動作する。デバイス420は、導電電極として動作するPV活性材料層301の下に配置される第2の透明な導電材料層403bをさらに備えることができる。透明な導電材料層403a、403bおよびPV活性材料301は、図3Bに示されたPVデバイスに類似の薄膜PV電池405を備える。デバイス420は、第1の部分反射器201の上に配置されるガラス、ポリマー、または類似の基板層311も備えることができる。
【００５２】
引き続き図4Cを参照すると、部分反射器層201向けに選択される材料は、その減衰係数に基づいて選択されてよい。例えば、可視スペクトルの外側の波長で非常に小さい減衰係数を有する材料は、PV活性材料301への赤外線電磁波の透過を最大化する一方で明るい色を反射するように選択されてよい。また、PV活性材料層301向けに選択される材料は、特定の材料のスペクトル感度によって選択されてよい。例えば、PV活性材料301は、可視光スペクトルを上回るより長い波長で電力を生成するスペクトル感度を有する材料であるアモルファスシリコンを含んでよい。一実施形態では、部分反射器層201およびPV活性材料層301の両方が、赤外線波長での非常に小さい減衰係数およびこれらのより長い赤外線波長を有効に利用するスペクトル感度の両方を有する材料であるアモルファスシリコンを含む。
【００５３】
図4Dは、IMODスタック200を組み込む光起電力デバイス430の別の実施形態を示す。この実施形態では、光共振空洞401は、第1の透明な導電材料層403aに加えてスペーサ層202をさらに備える。スペーサ層202は、空隙または任意の他の適切な光共振材料を含むことができる。PV材料301は、部分反射器層201および光共振空洞401と共にIMOD 200を形成するように、部分反射器として働く。IMOD 200は、例えばスペーサ層202、第1の透明な導電材料層403a、部分反射器201、およびPV活性材料301の厚さといった特定の特性を選択することにより、可視波長の範囲内の1つまたは複数の波長スペクトルの反射を強化するように構成することができる。いくつかの実施形態では、第1の透明な導電材料層403aと組み合わせたスペーサ層202の厚さは、約500Åと約5000Åの間にあり得る。いくつかの実施形態では、部分反射器およびPV活性材料層の厚さは、約20Åと約300Åの間にあり得る。
【００５４】
図4Eは、IMODスタック200を組み込むPVデバイス490の別の実施形態を示す。この実施形態では、光電池405は、例えば図3Aに示された光起電力デバイスに類似のものであり得るウェーハベースの光電池を備える。デバイス490は、部分反射器201とn型半導体301nの間に配置される光共振スペーサ層202を備える。背後電極302とn型半導体301bの間に、p型半導体301pが配置される。n型半導体301nおよびp型半導体301pは、一緒に、複合部分反射器を形成する。IMOD 200は、この複合反射器ならびに部分反射器201およびスペーサ層202も備え、これらは、デバイス490の部分反射器201側からのいくらかの光を反射し、PV電池405を通していくらかの光を透過するように構成される。この実施形態では、部分反射器201およびスペーサ201は前面電極303を覆わない。したがって、これらの電極から反射された光の色は制御されない。
【００５５】
図4Fは、図に4E示されたPVデバイスに類似のIMODスタック200bを組み込むPVデバイス495の別の実施形態を示す。しかし、図4Fでは、前面電極303がスペーサ層202aおよび部分反射器201aで覆われている。部分反射器201a、スペーサ層202a、および前面電極303が、IMODスタック200aを形成する。この実施形態では、前面電極303は全反射器として働き、光をPVデバイス405へ透過しない。しかし、図4Eに示されたPVデバイスと反対に、太陽に当たるPVデバイス495の面全体が、IMOD 200bまたはIMOD 200aのいずれかの構成によって制御された色を反射する。
【００５６】
図4Gは、IMODスタック200を組み込む光起電力デバイス440の別の実施形態を示す。この実施形態では、デバイス440は、2つの薄膜PV電池405a、405bを備える。第1の薄膜PV電池405aは、第1の透明な導電材料層403a、第1のPV活性材料層301a、および第2の透明な導電材料層403bを備える。この実施形態では、第2の薄膜PV電池405bは、第2の透明な導電材料層403b、第2のPV活性材料301b、および第3の透明な導電材料層403cを備える。第1のPV活性材料層、第2の透明な導電材料層、および第2のPV活性材料層が、IMOD 200を形成する。IMOD 200では、PV活性材料層301a、301bの両方が、可視光の1つまたは複数の波長の反射を強化するように構成された部分反射器として働く。さらに、第1のPV活性材料層301aおよび第2のPV活性材料層301bは、赤外線スペクトルにおいて、可視光スペクトルにおけるものより小さい減衰係数を有する材料を含んでよい。例えば、第1のPV活性材料層301aおよび第2のPV活性材料層301bは、アモルファスシリコンを含んでよい。第2の透明な導電材料層403bは、光共振空洞401内の光共振スペーサ層ならびに正孔および/または電子をPV活性層301a、301bから導くための導電層の両方として働く。以下で論じられるように、光共振空洞は追加の層を備えることができる。
【００５７】
図4Hは、2つの薄膜PV電池405a、405bを組み込む光起電力デバイス450の別の実施形態を示す。この実施形態では、PV薄膜電池405a、405bのそれぞれが、IMOD 200を形成して光共振空洞401を画定するPV活性材料層301a、301bを備える。図4Hに示される実施形態では、図4Gとは対照的に、PV薄膜電池405a、405bは、共通の透明な導電材料層を共有せず、光共振スペーサ層202によって分離されている。光共振スペーサ層202は、例えば二酸化シリコンまたは他の適切な光学的に透過性の、すなわち透明な媒体といった任意の適切な光共振誘電材料を含んでよい。スペーサ層202は、複数の光共振層を含むことができる。光共振空洞401の厚さは、デバイス450の基板側から反射される所望の色次第で、約500Åと約5000Åの間にあってよい。また、PV活性材料層301a、301bは、約20Åと約300Åの間の厚さを有してよい。
【００５８】
図4Iは、2つのIMOD 200a、200bを備える光起電力デバイス460の実施形態を示す。この実施形態では、光起電力デバイス460は、図4Hに示された層を備え、第2の薄膜電池405bの下に配置される反射器層203をさらに備える。反射器層203および第2のPV活性材料層301bが、第2の光共振空洞401bを画定する。光共振空洞401bは、第4の透明な導電材料層403dを備えることができる。第2のPV活性材料層301b、第4の透明な導電材料層403d、および反射器層203が、第2のIMOD 200bを形成する。第2のIMOD 200bは、第2のPV活性材料層301bの電磁界の強さを干渉法で強化するように構成され、干渉法で機能強化されて効率が改善したPV薄膜電池405bをもたらす。反射器層203bは、部分反射器または全反射器を備えることができる。反射器層203bおよび第4の透明な導電材料層403dの光学的性質(寸法および材料特性)は、層になったPV薄膜電池405dの境界面からの反射が可干渉に合計されて、光エネルギーが電気エネルギーに変換される第2のPV活性材料層301b内に適当な波長の分布および位相の向上した電界を生成するように選択される。このような干渉法で機能強化されたデバイスによって、干渉光電池の活性領域における光エネルギーの吸収が増加し、それによってデバイス460の効率が向上する。
【００５９】
図5Aは、約400nmから1400nmまでの波長の範囲にわたって様々な材料のスペクトル感度を示す図である。この図で、Y軸は、入射エネルギーの特定の波長における、材料のアンペア/ワットを単位とするスペクトル感度である。この図は、GaInP 513、α-Si 511、CdTe 505、GaAs 507、InP 515、多結晶シリコン501、単結晶シリコン509およびZnO/CIGS 503のスペクトル感度を示す。この図によって理解することができるように、PV材料は、赤外線スペクトルで顕著な発電を示すスペクトル感度を有する。
【００６０】
図5Bは、約300nmから1200nmまでの範囲の波長にわたって、海抜ゼロメートル地点で利用可能な近似の太陽エネルギー517と比較したシリコン光電池のスペクトル感度519および日光での総合的光起電力応答521を示す図である。この図によって理解することができるように、シリコン光電池の総合的スペクトル感度は、日光のスペクトルを受け入れた後には、赤外線スペクトルに十分に及んでいる。したがって、所望の可視色における高い反射率およびより長い波長における高い透過率を有する例えば図4Aに示されたフィルタであるカラーフィルタは、光電池に「色付けする」一方で他の波長(例えばより長い波長)で依然として有用なエネルギー集積を可能にするようにシリコン光電池の上に設置され得る。先の本文で論じられたように、部分反射器層としてSiまたは他の光起電力材料半導体を使用するIMODカラーフィルタは、この特性をもたらすことになる。
【００６１】
図5Cは、図4Aに示されるように構成された干渉スタックを通る光エネルギーの透過率523を示す図である。この実施形態は、厚さ50Åのモリブデンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを備える厚さ1800Åの光共振空洞、厚さ60Åのアルミニウムの第2の部分反射器、およびガラス基板を含んでいる。図5Cに示されるように、この特定の実施形態では、透過率は、約950nmより短い波長では低減されて約20%未満である(基板表面での反射を除く)。
【００６２】
図5Dは、図4Aに示されるように構成された干渉変調器の基板側からの光エネルギーの反射率525を示す図である。この実施形態は、厚さ50Åのモリブデンの第1の部分反射器、二酸化シリコンを備える厚さ1800Åの光共振空洞、厚さ60Åのアルミニウムの第2の部分反射器、およびガラス基板を含んでいる。図5Dに示されるように、この特定のIMODの反射ピークは、約600nmの波長で約50%である。
【００６３】
図5Eは、スペーサ層の厚さが変化するときの、図4Aに示されるように構成されたIMODカラーフィルタの基板側から反射された色を示すCIE 1931色度図である。このIMODカラーフィルタは、厚さ70Åのアモルファスシリコンの第1の部分反射器、厚さ70Åのアモルファスシリコンの第2の部分反射器、ポリエチレンテレフタレート基板、および厚さが約1000Åと約4650Åの間で変化する二酸化シリコンを備える光共振空洞を含んでいる。スペーサ層の厚さが変化するときの、PV電池の基板側から反射された色が、一連のデータ527によって示される。一連のデータ527を作成するために、スペーサ層の厚さを約1000Åから約4650Åまで変化させた。反射光527を表す一連のデータによって理解することができるように、図4Aに示されるように構成されたIMODカラーフィルタは、広範囲の色を反射することができる。
【００６４】
図5Fは、図4Aに示されるように構成された干渉変調器の基板側からの光エネルギーの反射率531を示す図である。この実施形態は、アモルファスシリコンを含む厚さ70Åの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む厚さ1500Åのスペーサ層、アモルファスシリコンを含む厚さ70Åの第2の部分反射器、およびポリエチレンテレフタレート基板を含んでいる。図5Fに示されるように、この特定のIMODの反射ピークは、約460nmの波長で約35%である。したがって、図5Fを作成するのに使用されたIMODは、可視光スペクトルにわたって比較的明るい反射をもたらすことができる。
【００６５】
図5Gは、図4Aに示されるように構成されたIMODスタックを通る光エネルギーの透過率533を示す図である。この実施形態は、アモルファスシリコンを含む厚さ70Åの第1の部分反射器、二酸化シリコンを含む厚さ1500Åのスペーサ層、アモルファスシリコンを含む厚さ70Åの第2の部分反射器、およびポリエチレンテレフタレート基板を含んでいる。図5Gに示されるように、最大の透過率ピークは、約950nmの波長で約95%である(基板表面での反射を除く)。したがって、図5Fおよび図5Gを作成するために使用されているIMODは、可視スペクトルにおける比較的明るい色を反射し、赤外線スペクトルにおけるより長い波長でより多くの電磁波を透過する。図5Aの様々なPV材料のスペクトル感度、および図5BのSiのスペクトル感度を考慮して、図5Gを作成するために使用されるIMODの構成は、光起電力デバイスの色に影響を及ぼす一方で、エネルギー生産のために、依然として光起電力活性材料に有用なより長い波長の電磁波を透過するのに使用することができる。
【００６６】
図5Hは、例えば図4Aに示されるように構成された一実施形態のIMODスタックを通る光エネルギーの透過率の上下限値を示す2つの曲線を示す図である。この実施形態は、アモルファスシリコンを含む厚さ70Åの第1の部分反射器、アモルファスシリコンを含む厚さ70Åの第2の部分反射器、ポリエチレンテレフタレート基板、および約1200Åと約4000Åの間で変化するスペーサ層を含んでいる。ライン535は上限透過値を示し、ライン536は下限透過値を示す。IMODスタックを通る透過特性は、常にライン535とライン536の間に存在することになる。図5Hに見ることができるように、約1200Åと約4000Åの間の厚さのすべてのスペーサについては、約800nmより大きな波長において、上限透過率値535および下限透過率値536が約68%より大きい(基板表面での反射を除く)。したがって、IMODの基板側から反射する色が、スペーサを変化させることによって広範囲の色が反射するように調整され得る一方で、800nmより大きい波長の68%を上回るものが依然として透過される。
【００６７】
図5Iは、様々な波長にわたって様々な材料の屈折率および減衰係数を比較する図である。空気の屈折率がライン541で示されている。アルミニウムの屈折率がライン543で示され、アルミニウムの減衰係数がライン537で示されている。モリブデンの屈折率がライン549で示され、モリブデンの減衰係数がライン545で示されている。さらに、アモルファスシリコンの屈折率がライン547で示され、アモルファスシリコンの減衰係数がライン539で示されている。図5Iに見ることができるように、アモルファスシリコンの減衰係数は、約520nmを上回る波長で1.0未満であり、約700nmを上回る波長で約0.5未満である。したがって、アモルファスシリコンには、赤外線スペクトルの電磁波が非常に容易に透通する。図5Bを参照しながら上記で論じたように、シリコン光電池の総合的なスペクトル感度は、赤外線スペクトルに及ぶことになる。
【００６８】
図5Jは、例えば図4Aに示されるように構成された一実施形態による干渉スタックで覆われたサンプルPV電池からのピーク電力出力における負の変化を比較する図である。一連のデータ551は、二酸化シリコンのスペーサ層が約2350Åと約5100Åの間で変化するときの、厚さ70ÅのSiの第1の部分反射器および厚さ70ÅのSiの第2の部分反射器を有するIMODスタックで覆われたサンプルPV電池からのピーク電力出力における負の変化を示す。一連のデータ553は、二酸化シリコンのスペーサ層が約2350Åと約5100Åの間で変化するときの、厚さ140ÅのSiの第1の部分反射器および厚さ140ÅのSiの第2の部分反射器を有するIMODスタックで覆われたサンプルPV電池からのピーク電力出力における負の変化を示す。一連のデータ553を作成するために使用されたIMODスタックの部分反射器は、一連のデータ551を作成するために使用されたIMODスタックの部分反射器より反射性であって透過量が少ない。図5Jに見ることができるように、シリコン部分反射器を使用するIMODカラーフィルタがPV電池に追加されたとき、サンプルPV電池の電力出力における負の変化は、約15%と35%の間にしかなかった。さらに、出力におけるこの負の変化は、同じサンプルPV電池の出力または効率を約75%低下させる可能性のあるモリブデンの第1の部分反射器およびアルミニウムの第2の部分反射器を用いて設計されたIMODフィルタのものより小さい。したがって、IMODの第1および第2の部分反射器がシリコンまたは類似の材料を含む場合、IMODフィルタを組み込むカラーフィルタまたはIMODを組み込むPV電池はより効率的であり得る。
【００６９】
図6Aは、ディスプレイ、標識、または掲示板に、特定の像、形状、情報、または文字を示すように構成された、様々な領域に様々な反射色を有するPVデバイスの実施形態を示す。図6Aで、静的ディスプレイ600は、同一色の複数の領域601a〜601gを含んでいる。例えば、背景(断面6Bに沿った領域601a、601c、601e、および601g)は黄色、赤色、緑色、または白色もしくは黒色でよい。文字「ABC」(断面6Bの領域601b、601d、および601f)はより暗いものでよい。例えば、文字「ABC」は青色でよい。
【００７０】
図6Bは、PVディスプレイデバイス600の断面を示す。図6Bに示されるように、IMOD 200に入射する光線611および612は、光線613、614で示されるように部分的に反射され、光線615および616に沿って部分的に透過される。図示された断面で、IMOD 200は、部分反射器層201、第1の透明な導電材料層403a、およびPV活性材料層301を備える。PV活性材料層301は、第2の透明な導電材料層403b上に配置される。PV活性材料層301および2つの透明な導電材料層403a、403bが、PV電池405を構成する。図6Bに示されるように、第1の光共振空洞層403aの厚さは均一ではない。第1の透明な導電材料層403aは、IMOD 200が、様々な第1の光共振空洞層403aの厚さが様々な反射された色に対応する複数の領域601a〜601gを備えるようにパターニングされる。図示のように、静的ディスプレイ600は、2つの別々の色に対応する2つの厚さを有する第1の透明な導電材料層403aを備える。しかし、ディスプレイ600は、2つより多くの厚さを備え、したがって2つより多くの反射される干渉ディスプレイの色を備えることができる。図6Bに示されるように、領域601a、601c、601e、および601gは、厚さ617aの比較的大きな第1の透明な導電材料層403aを有する。一方、領域605b、605d、および605fは、厚さ617bのより小さな第1の透明な導電材料層403aを有する。これら別々の厚さは、反射光線613および614に対して(別々のピーク波長における)別々のピークの反射をもたらすように構成される。このようにして、ディスプレイの1つの領域が1つの色を示すことになり、別の領域が別の色を示すことになる。IMOD 200は、諸領域のうち少なくとも1つで可視色を見せるように十分な光を反射し、その一方で電気を生成するためにPV材料層301に十分な光を透過するように構成され得る。したがって、入射光線611および612は、光線613および614で部分的に反射され、その一方で光起電力活性材料層301における電流の生成を可能にするために、光線617および618の少なくとも1つで十分な光が透過され得る。図6Bは薄膜PVデバイスを示す。しかし、当業者によって理解されるように、PVデバイス600は、第1の透明な導電材料層403aと光起電力材料層301の間に位置し得る前面電極を有する従来のPV活性層を含むことができる。同様に、当業者なら、PVデバイス600が、PV活性材料層301またはIMOD 200の上に、例えば反射防止コーティング、ディフューザ、または不活性化層といったここには示されていない層を備え得ることを理解するであろう。また、PVデバイス600は、同一色の別個の領域ではなく、色が連続的に変化する領域を備えることができる。当業者によって容易に理解されるように、第1の透明な導電材料層403aまたは部分反射器層201の厚さを連続的に変化させることにより、連続的な色変化を達成することができる。
【００７１】
図6Cおよび図6Dは、PVディスプレイデバイス620の別の実施形態を示す。図6Cで、PVディスプレイデバイス620上に示される像またはパターンは、あらゆる像が複数のピクセルP1〜P15で構成されるように画素化される。したがって、像またはパターンは、図6Cに示されるようにピクセルの規則的な配列を備える。当業者によって理解されるように、画素化は、図6Cに示すようにデジタル画像を静的IMOD上に転写するのに好都合なものであり得る。図6Dは、図6Cの断面であり、画素化されたPVディスプレイデバイス620の実施形態を示している。図示のように、IMOD 200は、部分反射器層201、第1の透明な導電材料層403a、およびPV活性材料層301を備える。第1の透明な導電材料層403aは、ピクセルを形成するようにパターニングされた可変の厚さを有する。PV活性材料層301は、第2の透明な導電材料層403b上に配置される。PV活性材料層301および2つの透明な導電材料層403a、403bが、PV電池405を構成する。各ピクセルP1〜P15は、1つのピクセルが、個別の部分反射器層、透明な導電材料層、およびPV活性材料層で構成され得るように、均一の干渉サブスタックの領域によって形成されてよい。例えば、ピクセルP13は、部分反射器層201、PV活性材料層301、および第1の透明な導電材料層403cで構成されてよい。同様に、部分反射器層201、PV活性材料層301、および第1の透明な導電材料層403d、403eは、それぞれピクセル配列のピクセルP14およびP15を形成することができる。図示のように、第1の透明な導電材料層403a、403b、403cは、別々の厚さを有することができ、別々の色が付いたピクセルをもたらす。他の実施形態では、同一色の領域などでは、隣接した第1の透明な導電材料層が、ほぼ等しい厚さを有してよい。
【００７２】
引き続き図6Dを参照すると、RGB方式では、ピクセルP1〜P15は、赤色ピクセル、緑色ピクセル、および青色ピクセルを備えてよい。より一般的には、ピクセルの規則的な配列が、複数の赤色ピクセル、複数の緑色ピクセル、および複数の青色ピクセルを備えてよい。したがって、例えば、第1の透明な導電材料層403cが赤色ピクセルを形成してよく、その一方で第1の透明な導電材料層403dが緑色ピクセルを形成し、第1の透明な導電材料層403eが青色ピクセルを形成してよい。例えば、CMY(シアン、マゼンタ、黄色)、RYB(赤色、黄色、青色)、およびVOG(スミレ色、オレンジ色、緑色)といった他の色方式も可能である。図6Dに示されるように、第1の透明な導電材料層403c、403d、403eの厚さは、主として反射光の色に影響を及ぼすように変化する。しかし、部分反射器層201の厚さも、第1の透明な導電材料層403aの厚さと共にピクセルからピクセルへと変化してよい。これによって、部分反射器層201または第1の透明な導電材料層403aの、任意のものまたはすべての厚さが必要に応じて調整され得るので、任意のピクセルが任意の望ましい色(色相)および濃淡(飽和および明るさ)を有する融通性が可能になる。
【００７３】
図6Dに示されるように、画素化されたIMOD 200のピクセルP11、P12に入射する光線622a、623aは、光線622b、623bによって示されるように部分的に反射され、光線622c、623cに沿って部分的に透過される。反射光線622b、623bは、別々の波長分布を含み得、したがって、第1の透明な導電材料層403aの高さまたは厚さ次第で、ピクセルP11およびP12向けに別々の色を反射するかまたは表示することができる。前述のように、効果的な発電を可能にするために、IMOD 200は、色を表示するために十分な光を反射する一方で、十分な光が、光線622c、623cに沿って光起電力活性材料層301へ透過することを可能にするように構成され得る。この目標を達成するために、部分反射器層201は、材料の減衰係数に基づいて選択されてよい。例えば、部分反射器層201は、アモルファスシリコンを含んでよい。
【００７４】
図7A〜図7Cは、IMOD 200を組み込むPVデバイス730(図7C)を製作するプロセスの一実施例を示す。この実施例は、薄膜活性材料301a、301b(図7C)を堆積する層を用いる。図7Aに示されるように、一実施形態では、このようなデバイスを製造する方法は、スタータスタック710を作製するために、基板311上に形成されたPV電池405aを設けるステップを含むことができる。PV電池405aは、第1の透明な導電材料層403a、第1のPV活性材料層301a、および第2の透明な導電材料層403bを備える。スタータスタック710は、例えば第2のPV活性材料である反射器または部分反射器が第2の透明な導電材料層403b上に堆積されるとき、特定の色または波長を反射するようにあらかじめ調整することができる。スタータスタック710は、第2の透明な導電材料層および/または第1のPV活性材料層301aの厚さを調節することにより調整され得る。
【００７５】
引き続き図7Aを参照すると、スタータスタック710の製造は、基板と基板上に順に堆積された層とから始めることができる。第1の光起電力活性材料層301aは、物理的気相成長法、化学的気相成長法、電気化学的気相成長法、またはプラズマ促進化学的気相成長法、ならびに当業者に既知の他の方法によって堆積され得る。当業者に知られているように、アモルファスシリコン層を備えるPV活性材料層は、n型にドープされたシリコンおよび/またはp型にドープされたシリコンを有する1つまたは複数の接合を含んでよく、p-i-n結合をさらに備えてもよい。第1のPV活性材料層301a用の他の適切な材料には、ゲルマニウム(Ge)、Ge合金、および銅インジウムガリウムセレンのような合金(CIGS)、テルル化カドミウム(CdTe)、ならびにIII〜V族の半導体材料、または直列の多接合光起電力材料と膜が含まれる。III〜V族の半導体材料には、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム窒化物(InN)、窒化ガリウム(GaN)、ホウ素砒化物(Bas)のような材料が含まれる。これらの材料を形成する方法は、当業者に既知である。説明の実施例として、CIGSのような合金は、銅、ガリウム、およびインジウムが同時堆積または同時スパッタリングされ、次いでセレン化物蒸気でアニールされて最終的なCIGS構造体を形成する真空ベースのプロセスによって形成することができる。真空ベースでない代替形態プロセスも、当業者に知られている。スタック710は、あらかじめ一体型に形成されてよい。
【００７６】
図7Bを参照すると、IMOD 200を組み込むPVデバイス730を製作する方法は、第2のスタック720を用いることができる。第2のスタック720は、第2のPV活性材料層301bおよび第3の透明な導電材料層403cを備えてよい。PVデバイス730を作製するために、あらかじめ調整されたスタータスタック710に第2のスタック720を追加することができる。第2のスタック720は、スタータスタック710の第2の透明な導電材料側に層単位で順に堆積され得る。
【００７７】
次に図7Cを参照すると、第2のスタック720がスタータスタック710上に層単位で堆積されるとき、一実施形態によるPVデバイス730が形成される。例えば、あるサードパーティーが、大量のスタータスタック710をPVデバイス製造業者に供給してよく、次いで、PVデバイス製造業者は、スタータスタック710上に第2のPV活性材料層301bを堆積することにより、スタータスタック710上に第2のスタック720を形成してよく、次いで、第2のPV活性材料層301b上に第3の透明な導電材料層403cを堆積してPVデバイス730をもたらす。別の実施形態では、PVデバイス730は、モノリシックプロセスで製造することができる。PVデバイス730は、第2の透明な導電材料層403bの厚さならびに第1および第2のPV活性材料層301a、301bの厚さに基づいて特定の色を反射するように構成される。
【００７８】
引き続き図7Cを参照すると、PVデバイス730は2つのPV電池405a、405bを備える。PV電池405a、405bのそれぞれが、PV活性材料層を備える。第1のPV電池405aは第1のPV活性材料層301aを備え、第2のPV電池405bは第2のPV活性材料層301bを備える。第1および第2のPV活性材料層403a、403bは、どちらもIMOD 200の部分反射器層として働く。したがって、PVデバイス730は、電力を生成し、デバイスの基板側から特定の色を反射するように構成される。
【００７９】
図7D〜図7Eは、IMOD 200を組み込むPVデバイス750(図7E)を製作するプロセスの別の実施例を示す。図7Dに示されるように、一実施形態では、このようなデバイスを製造する方法は、スタータスタック740を作製するステップを含むことができる。スタータスタック740は、基板311と第1の透明な導電材料層403aの間に配置される部分反射器201を備えてよい。スタータスタック740は、例えばPV活性材料である反射器または部分反射器が第1の透明な導電材料層403a上に堆積されるとき、特定の波長を反射するようにあらかじめ調整することができる。スタータスタック740は、第1の透明な導電材料層403aおよび/または部分反射器201の厚さを調節することにより調整され得る。スタータスタック740を通るより長い波長の透過を可能にするために、部分反射器201向けに選択される材料は、約800nmを上回る波長で小さい減衰係数を有してよい。
【００８０】
次に図7Eを参照すると、第2のスタック720がスタータスタック740上に層単位で堆積されるとき、一実施形態によるPVデバイス750が形成される。例えば、あるサードパーティーが、大量のスタータスタック740をPV製造業者に供給してよい。次いで、PVデバイス製造業者は、スタータスタック740上にPV活性材料層301を堆積することにより、スタータスタック740上に第2のスタック720を形成してよく、次いで、PV活性材料層301上に第2の透明な導電材料層403bを堆積してPVデバイス750を形成する。別の実施形態では、PVデバイス750は、モノリシックプロセスで製造することができる。PVデバイス750は、デバイスの基板311側から特定の色を反射し、かつ電力を生成するように構成される。
【００８１】
図7Fは、一実施形態によって1つのIMODおよび2つのPV電池を備えるPVデバイスを製造する方法700を示すブロック図である。方法700は、基板上に第1の透明な導電材料層を堆積するステップ701と、第1の透明な導電材料層上に第1のPV活性材料層を堆積するステップ703と、第1のPV活性材料層上に第2の透明な導電材料層を堆積するステップ705と、第2の透明な導電材料層上に第2のPV活性材料層を堆積するステップ707と、第2のPV活性材料層上に第3の透明な導電材料層を堆積するステップ709とを含む。方法700を遂行すると、図4Gに示されたデバイスに類似のPVデバイスを形成することになる。各ステップは、形成されたPVデバイスの基板側から特定の色を反射する一方でエネルギー生産を最大化するように調整され得る。例えば、第1のPV活性材料層は、赤外線スペクトルにおいて小さく可視光スペクトルにおいてより大きい減衰係数を有する材料を含んでよい。第1の活性材料層に使用される材料の例には、Ge、GaInP、α-Si、CdTe、GaAs、InP、多結晶シリコン、単結晶シリコン、ZnO、およびCIGSが含まれる。
【００８２】
前述の説明は、本発明の特定の実施形態を詳述している。しかし、前述のものが本文に出現する詳細さの度合いに関係なく、本発明が多くのやり方で実施され得ることが理解されよう。上記でも述べられたように、本発明の特定の特徴または態様を説明するときの特定の用語の使用は、その用語が関連する本発明の特徴または態様の何らかの特定の特性を含むものと限定されるようにその用語が本明細書で再定義されていることを意味するものと解釈されるべきでないことに留意されたい。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその何らかの等価物によって解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００８３】
101  境界面
102  境界面
103  光線
104  光線
105  光線
106  光線
107  光線
200  干渉変調器
200a  IMOD
200b  IMOD
201  部分反射器層
201a  部分反射器層
201b  部分反射器層
202  スペーサ層
203  反射器層
204  光線
205  光線
206  光線
211  スペーサ
250  反射率のピーク
251  反射率のピークの波長
253  最大反射率の半分の反射率
254  最大反射率
300  光電池
301  PV活性領域
301a  PV活性材料層
301b  PV活性材料層
301c  真性シリコン層
301n  n形半導体材料
301p  p型半導体材料
302  背後電極
303  前面電極
304  反射防止コーティング
305  外部回路
306  光電球
310  薄膜PV電池
311  ガラス基板
312  電極層
313  電極層
330  PVデバイス
331  前面電極
332  前面電極
333  背後電極
334  ウィンドウ
401  光共振空洞
401b  光共振空洞
403a  透明な導電材料層
403b  透明な導電材料層
403c  透明な導電材料層
403d  透明な導電材料層
405  薄膜PV電池
405a  薄膜PV電池
405b  薄膜PV電池
410  IMODスタック
411  光起電力デバイス
420  デバイス
450  光起電力デバイス
460  光起電力デバイス
480  光結合材料
484  光電池
485  基板層
486  前面電極
487  光起電力活性材料層
488  背後電極
489  カバー層
490  PVデバイス
495  PVデバイス
501  多結晶シリコンのスペクトル感度
503  ZnO/CIGSのスペクトル感度
505  CdTeのスペクトル感度
507  GaAsのスペクトル感度
509  単結晶シリコンのスペクトル感度
511  α-Siのスペクトル感度
513  GaInPのスペクトル感度
515  InPのスペクトル感度
517  近似の太陽エネルギー
519  シリコン光電池のスペクトル感度
521  シリコン光電池の日光での総合的光起電力応答
523  光エネルギーの透過率
525  光エネルギーの反射率
527  反射光
531  光エネルギーの反射率
533  光エネルギーの透過率
535  上限透過率値
536  下限透過率値
537  アルミニウムの減衰係数
539  アモルファスシリコンの減衰係数
541  空気の屈折率
543  アルミニウムの屈折率
545  モリブデンの減衰係数
547  アモルファスシリコンの屈折率
549  モリブデンの屈折率
551  サンプルPV電池からのピーク電力出力
553  サンプルPV電池からのピーク電力出力
600  静的ディスプレイ
601a  同一色の領域
601b  同一色の領域
601c  同一色の領域
601d  同一色の領域
601e  同一色の領域
601f  同一色の領域
601g  同一色の領域
611  光線
612  光線
613  光線
614  光線
615  光線
616  光線
617a  厚さ
617b  厚さ
617光線
618  光線
620  PVディスプレイデバイス
622a  光線
622b  光線
622c  光線
623a  光線
623b  光線
623c  光線
700  PVデバイスを製造する方法
710  スタータスタック
720  スタック
730  PVデバイス
740  スタータスタック
750  PVデバイス
【図１】
2013131785.tif 000004
【図２Ａ】
2013131785.tif 000005
【図２Ｂ】
2013131785.tif 000006
【図２Ｃ】
2013131785.tif 000007
【図２Ｄ】
2013131785.tif 000008
【図３Ａ】
2013131785.tif 000009
【図３Ｂ】
2013131785.tif 000010
【図３Ｃ】
2013131785.tif 000011
【図３Ｄ】
2013131785.tif 000012
【図４Ａ】
2013131785.tif 000013
【図４Ｂ】
2013131785.tif 000014
【図４Ｃ】
2013131785.tif 000015
【図４Ｄ】
2013131785.tif 000016
【図４Ｅ】
2013131785.tif 000017
【図４Ｆ】
2013131785.tif 000018
【図４Ｇ】
2013131785.tif 000019
【図４Ｈ】
2013131785.tif 000020
【図４Ｉ】
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【図５Ａ】
2013131785.tif 000022
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
2013131785.tif 000029
【図５Ｉ】
2013131785.tif 000030
【図５Ｊ】
2013131785.tif 000031
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2013131785.tif 000033
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
2013131785.tif 000035
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2013131785.tif 000037
【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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