(57)【要約】  ナノ粒子は、太陽電池（ＰＶ）セルにおける光を収集したり変換したりする能力を向上させるのに用いられる。ナノ粒子は、プラズモンを生成するために、基板に取りいれて、ＰＶセルから所要の距離に設けてもよい。ナノ粒子は、利用できる光の波長をＰＶセルの感度に対してより良く一致させるための波長シフト（例えば、「赤色側へのシフト」）をなしてもよい。ナノ粒子は、光についてのより良い吸収をなすために、ＰＶセル上の光を捕捉するのに用いられてもよい。ナノ粒子は、例えば金属コアと当該コアについての略透明なシェル又はコーティングを備えている複合ナノ粒子を備えてもよい。ナノ粒子は、キャリヤー媒体中において均一な分配を提供するように構成されてもよい。
2016507893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池（ＰＶ）セルと、
前記ＰＶセルと関連している材料層であって、ナノ粒子の平均直径のおよそ１０％〜１５０％の間隔にて互いに隣接している複数のナノ粒子（ＮＰｓ）を有している材料層と、を備え、
前記材料層は、前記ＮＰｓと前記ＰＶセルとの間における光学的に透明な材料のギャップが設けられるように、前記ＰＶセルに対して相対的に設けられている、
太陽エネルギー装置。
【請求項２】
前記ＮＰｓは、銀、金、及び銅の少なくとも１つによって構成されている、
請求項１に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項３】
前記ＮＰｓは、金属コアと、実質的に透明なシェルと、を備える、
請求項２に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項４】
前記シェルは、二酸化ケイ素によって構成されている、
請求項３に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項５】
前記シェルは、およそ１０〜２０ナノメートルの厚さを示している、
請求項４に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項６】
前記ＮＰｓは、およそ３０ｍＶ以上の絶対値のゼータ電位を示している、
請求項１に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項７】
前記ＮＰｓは、およそ２ナノメートル〜およそ１０ナノメートルの平均直径を示している、
請求項６に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項８】
前記ＮＰｓは、実質的に球形状であり、およそ１０〜およそ２５０ナノメートルの平均直径を示している、
請求項１に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項９】
前記ＮＰｓは、底辺から頂点までの高さがおよそ１５０ｎｍであり、厚さがおよそ１０〜およそ４０ｎｍである三角のプレートレット形状を呈している、
請求項１に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項１０】
前記ＮＰｓは、前記ＮＰｓの直径のおよそ５０パーセント〜およそ３００パーセントのインタースフィア（ｉｎｔｅｒ−ｓｐｈｅｒｅ）の間隔を示している、
請求項１に記載の太陽エネルギー装置。
【請求項１１】
太陽エネルギー装置を製造する方法であって、
太陽電池（ＰＶ）セルを設けるステップと、
前記ＰＶセルとの間に光学的に透明な材料のギャップを有するプラズモンを生成するために、前記ＰＶセルに隣接する複数のナノ粒子（ＮＰｓ）を配置するステップと、備える、
方法。
【請求項１２】
前記ＰＶに隣接する複数のＮＰｓを設けるステップは、複数の複合ＮＰｓを設けるステップを備える、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
金属コアと光学的に透明なシェルとを有するＮＰｓを設けるステップ、を更に備える、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
溶液に前記ＮＰｓを懸濁するステップであって、前記ＮＰｓは、実質的に均一な間隔を示し、当該実質的に均一な間隔は、前記ＮＰｓのシェルの厚さによって少なくとも一部が制御されるステップ、を更に備える、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
太陽電池（ＰＶ）セルを備える太陽エネルギー装置を改造する方法であって、
前記ＰＶセルとの間に光学的に透明な材料のギャップを有するプラズモンを生成するために、前記ＰＶセルに隣接する複数のナノ粒子（ＮＰｓ）を配置するステップ、を含む、
方法。
【請求項１６】
前記ＰＶセルより上に設けられる前記太陽エネルギー装置の既存の基板に前記ＮＰｓを設けるステップ、を更に備える、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のＮＰｓを含んでいるフィルムを前記基板に配置するステップ、を更に含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記太陽エネルギーセルにおける既存の基板を、前記複数のＮＰｓを備えている新たな基板に置き換えるステップ、を更に含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
基板を製造する方法であって、
高いゼータ電位のナノ粒子であって実質的に球形状のナノ粒子（ＮＰｓ）を含んでいる水溶液を提供するステップと、
前記水溶液のゼラチンを生成するステップと、
前記ゼラチンによって透明なポリマーウェブの基板を覆うステップと、
当該覆っているポリマーウェブから湿気を除去するステップと、を含む、
方法。
【請求項２０】
銀のＮＰｓである前記ＮＰｓを提供するステップ、を更に含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ＮＰｓは、およそ３０ｍＶ以上の絶対値のゼータ電位を示している、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
サイズにおいておよそ５０ナノメートル〜およそ２５０ナノメートルの平均直径を示している前記ＮＰｓを提供するステップ、を更に含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＮＰｓの直径のおよそ５０パーセント〜およそ２５０パーセントの（ｉｎｔｅｒ−ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｐａｃｉｎｇ）を示している略均一な分配となっている前記水溶液中に、前記ＮＰｓを懸濁するステップ、を更に含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記水溶液のゼラチンを生成するステップは、ポリウレタンから成るゼラチンを生成するステップを含む、
請求項１９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
本特許出願は、２０１２年１２月２１日出願の「発電時に太陽からより多くのエネルギーを抽出するための太陽電池（ＰＶ）セルの能力を向上させるためのナノ粒子の応用」と題した米国仮特許出願第６１／７４５，４６５号の優先権を主張する。この特許出願の内容全体を参照によりここに援用する。
【０００２】
本発明は、主に太陽エネルギーの収集に関し、より具体的には、様々な装置、システム及び方法において、太陽エネルギーを収集して変換するためにナノ粒子を用いることに関する。
【背景技術】
【０００３】
市販の太陽光発電（ＰＶ）セルは、今のところ、最適条件下で太陽光の光子エネルギーを電気エネルギーに変換する上で、約５％−２０％の効率であると考えられている。ＰＶセルの電気エネルギーの最適出力は、様々な要因に依存している。例えば、ＰＶセルに照射された太陽光の入射角（ＡＯＩ）は、電気出力に影響を及ぼす。ＰＶセルの電気的負荷も、ＰＶセルの効率に影響を与える。太陽モジュールの保護ガラスの表面における反射に起因する光子エネルギーの減損は、結果として生じる電気出力に影響を及ぼす。確かに、ＰＶセルに入る光子に存在するエネルギーのレベルは重要であり、光の様々な波長における太陽スペクトルのエネルギーを電気エネルギーに変えるＰＶセルの能力も重要である。ＰＶセル基板の物理的現象に関する多くの要因も、ＰＶセルを形成する固体ダイオードのドーピングプロセスと構成を含むシステムの効率に影響を及ぼす。
【０００４】
ＰＶセルの効率に関する１つの特定の問題は、ＰＶセルによって使われている所定の材料（例えば、結晶シリコン）の感度又は反応を、太陽からの出力エネルギーに一致させることを含んでいる。例えば、図１に示されるグラフを参照して、第１のカーブ１０は、様々な波長で太陽によって発生されたパワーを表す。太陽によって発生されたピークパワー、又は、ピーク光子出力は、およそ４２５ｎｍの波長と５２５ｎｍの波長の間で発生する。なお、太陽のピークパワー出力は、垂直軸の上の「１」として表されており、太陽の通常のピークパワー出力の１００％を示していることに留意されたい。
【０００５】
第２のカーブ２０は、様々な波長での従来の結晶シリコンＰＶセルの感度を表しており、当該ＰＶセルのピーク感度が約８５０ｎｍで発生している。ＰＶセルの感度の最高レベルは、垂直軸の上の「１」として表されている。第３のカーブ３０は、従来のＰＶセルの感度と比較した太陽の光子出力の「互換性」又は重複部分を表すために、最初の２つのグラフ１０及び２０に重ねられている。シリコン太陽セルのピーク感度と太陽のピーク出力とは、一致していない（これらのピークは、数百ナノメートル離れている）。太陽のピーク出力とＰＶセルの感度との間のミスマッチによって、太陽光がＰＶセルに当たっているとき、ＰＶセルは太陽の利用可能なエネルギーの一部を利用できるのみである。太陽エネルギーの理論的なピーク使用カーブ（例えば、グラフ３０）は、ＰＶセルの感度の割合と所定の波長で太陽によって発生されるパワーとを掛け合わせることにより、見出される。このケースでは、第３のグラフ３０は、およそ６７５ｎｍ（およそ、太陽の出力のピークとＰＶセルのピーク感度との間）において、ピークを示している。
【０００６】
ＰＶベースの太陽エネルギーシステムの設置に対する現在の回収期間はせいぜい２０年以上であり、そのようなテクノロジーの採用は、遅れていた。州と連邦政府は、電力会社と同様に、そのようなシステムの採用を促進する財政的なインセンティブを提供してきたが、しかし、採用は、まだ比較的遅れている。太陽エネルギーシステムの効率を改善することは、回収期間を減らして、太陽エネルギーを消費者にとってより受け入れることができるようにするのを助けるだろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって、太陽エネルギーシステムのパフォーマンスを向上させることは、太陽エネルギー産業における継続的な要求である。効率的であり、比較的安価であり、そして、太陽エネルギーの市場（住居のユーザーを含む）によってすぐに適応することが可能である、太陽エネルギーを収集するための装置、システム及び方法を提供することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明及び本願発明の様々な実施形態によると、装置、システム及び方法は、太陽エネルギーを収集して変換する。一実施形態においては、太陽エネルギー装置が提供される。この装置は、太陽電池（ＰＶ）セルと、当該ＰＶセルに関連する材料層とを備える。材料層は、ＮＰ（ナノ粒子）の平均直径のおよそ１０％〜１５０％の間隔で相互に隣接する複数のナノ粒子（ＮＰｓ）を有している。この材料層は、ＮＰｓとＰＶセルとの間における光学的に透明な材料のギャップを提供するために、ＰＶセルに対して相対的に設けられる。
【０００９】
一実施形態によると、ＮＰｓは、銀、金、及び銅の少なくとも１つを含む。一実施態様においては、ＮＰｓは、金属コアと実質的に透明なシェルとを備える。例えば、シェルを二酸化ケイ素によって構成してもよい。１つの特定の実施形態においては、シェルは、およそ１０〜２０ナノメートルの厚さを示してもよい。
【００１０】
一実施態様においては、ＮＰｓは、およそ３０ｍＶ以上の絶対値のゼータ電位を示す。ＮＰｓは、また、およそ２ナノメートル〜およそ１０ナノメートルの平均直径を示してもよい。
【００１１】
他の実施形態において、ＮＰｓは実質的に球形状であり、およそ１０〜およそ２５０ナノメートルの平均直径を示す。
【００１２】
他の実施形態においは、ＮＰｓは、底辺から頂点までの高さがおよそ１５０ｎｍであり、厚さがおよそ１０ｎｍ〜およそ４０ｎｍである三角のプレートレット形状を含んでいる。
【００１３】
他の実施態様においては、ＮＰｓは、インタースフィア（ｉｎｔｅｒ−ｓｐｈｅｒｅ）間隔を示し、ＮＰｓは、ＮＰｓの直径のおよそ５０パーセント〜およそ３００パーセントのインタースフィア（ｉｎｔｅｒ−ｓｐｈｅｒｅ）間隔を示している。
【００１４】
他の実施形態によると、太陽エネルギー装置を製造する方法が、提供される。この方法は、太陽電池（ＰＶ）セルを設けるステップと、プラズモンを生成するためにＰＶセルに隣接する複数のナノ粒子（ＮＰｓ）を配置するステップと、を含んでおり、プラズモンとＰＶセルとの間には光学的に透明な材料のギャップが存在する。
【００１５】
一実施形態においては、ＰＶセルに隣接する複数のＮＰｓを配置するステップは、複数の複合ＮＰｓを配置するステップを含んでいる。例えば、これらのＮＰｓは、金属コアと光学的に透明なシェルを備えてもよい。
【００１６】
他の実施形態によると、ＰＶセルを備える太陽エネルギー装置を改造する方法が提供される。この方法は、プラズモンとＰＶセルとの間に光学的に透明な材料のギャップを有するプラズモンを生成するために、ＰＶセルに隣接する複数のＮＰｓを設けるステップを含む。
【００１７】
方法は、ＰＶセルより上に設けられる太陽エネルギー装置の既存の基板に複数のＮＰｓを設けるステップ、を更に含んでいてもよい。
【００１８】
一実施態様においては、方法は、複数のＮＰｓを含んでいるフィルムを基板に配置するステップ、を含んでいてもよい。他の実施形態においては、方法は、太陽エネルギーセルにおける既存の基板を、複数のＮＰｓを備えている新たな基板に置き換えるステップ、を含んでいてもよい。
【００１９】
一実施態様においては、実質的に均一な間隔を示すＮＰｓの溶液にＮＰｓを懸濁するステップを含み、当該実質的に均一な間隔は、ＮＰｓのシェルの厚さによって少なくとも一部が制御される。
【００２０】
本願発明の更に他の実施形態によると、基板を製造するための方法が提供される。この方法は、高いゼータ電位のナノ粒子（ＮＰｓ）であって実質的に球形状のナノ粒子（ＮＰｓ）を含んでいる水溶液を提供するステップと、この水溶液のゼラチンを生成するステップと、このゼラチンによって透明なポリマーウェブの基板を覆うステップと、当該覆われたポリマーウェブから湿気を除去するステップとを含んでいる。一実施形態においては、この方法は、銀のＮＰｓであるＮＰｓを提供するステップを含んでもよい。
【００２１】
ある実施形態においては、方法は、およそ３０ｍＶ以上の絶対値のゼータ電位を示すＮＰｓを提供するステップを含む。
【００２２】
一実施態様においては、ＮＰｓについては、平均直径がおよそ２ナノメートル〜およそ１０ナノメートルを示してもよい。
【００２３】
一実施態様においては、ＮＰｓについては、およそ１ナノメートル〜およそ５ナノメートルのナノ粒子間隔（ｉｎｔｅｒ−ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｐａｃｉｎｇ）を示している実質的に均一な分配における溶液に懸濁してもよい。
【００２４】
一実施態様においては、ゼラチンを生成するステップは、ポリウレタンを含むゼラチンを生成するステップを含んでいてもよい。
【００２５】
１つの実施形態の特徴と要素は、限定されずに、他の実施形態の特徴及び要素と組み合わされてもよい。
【００２６】
本願発明における前述および他の長所については、以下に示す詳細な記述及び図面を参照することにより即座に明らかになる。
【００２７】
なお、ここにおいて示している図面においては、縮尺に対応しているわけではない。
また、複数の図面の間において用いられている共通する符号については、同様な、必ずしも全てが同一というわけではない、特徴又は要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のＰＶ太陽セルの感度と比較した太陽の光子出力又はピークパワーを示しているグラフである。
【図２】乃至
【図８】本願発明の各実施形態における様々なナノ粒子及び複合ナノ粒子の断面図である。
【図９】乃至
【図１０】本願発明の各実施形態における様々なナノ粒子及び複合ナノ粒子の斜視図である。
【図１１】本願発明の実施形態における太陽電池セルと比較した太陽の光子出力又はパワーの比較の図である。
【図１２】ランダムに配置されているナノ粒子の層と、当該層と光との相互作用を示す図である。
【図１３Ａ】及び
【図１３Ｂ】本願発明の互いに異なる実施形態において、ＰＶセルに関してナノ粒子が均一分配されている層を示す図である。
【図１４】ソーラーモジュールの一部の断面図である。
【図１５】本願発明の実施形態におけるソーラーモジュールの一部の断面図である。
【図１６】本願発明の他の実施形態におけるソーラーモジュールの一部の断面図である。
【図１７】本願発明の他の実施形態におけるソーラーモジュールの一部の断面図である。
【図１８】本願発明の他の実施形態におけるソーラーモジュールの一部の断面図である。
【図１９】及び
【図２０】特定のナノ粒子の構成についてのＭｅｉの解の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態は、シリコンベース又は他のタイプの太陽電池（ＰＶ）セルであって、太陽エネルギーの補足及び／又は変換のために利用される太陽電池（ＰＶ）セルに対して、光学的な増強としてのナノ粒子（ＮＰｓ）を取り入れてもよい方法、システム及び装置を含んでいる。ここにおいて用いられているように、一つのＮＰは、小さく、あたかも同じ材料のより大規模な単一体であるように類似した特性を有する離散物体である。ＮＰｓの小さなサイズは、相対的である。ある著者は、一つのＮＰの定義を、サイズにおいて大きくても数百ナノメートルである物に限定しており、他の著者は、１０，０００ナノメートルの粒子をＮＰｓと考えている。１〜１００ナノメートルであるＮＰｓは、通常、微細ＮＰｓとして分類される。分子は、ＮＰｓであると考えられない。
【００３０】
以下の詳細に記載されているように、ＰＶセルとともに使われるとき、ＮＰｓは、利用できる光子のエネルギーをより効率的に捕捉してより多く電気エネルギーに変換するように、太陽電池セルの能力を向上させることができる。ここに記載されている様々な実施形態においては、銀、金、銅、及び／又は他の金属のＮＰｓを用いてもよい。いくつかの実施形態においては、金属のＮＰｓが、他の材料と組み合わされて用いられてもよい。例えば、いくつかの実施形態においては、ＮＰｓの金属材料は、二酸化ケイ素（ｓｉｌｉｃａ）のような材料の薄い透明な層で覆われていてもよい。他の実施形態においては、二酸化ケイ素のコア（または他の材料のコア）は、薄い金属層で覆われていてもよい。更に他の実施形態においては、ＮＰｓは、当たっている光の波長を、結晶シリコンＰＶセルでより効率的に利用される波長にシフトするのを助けるための特定の色素によって覆われていたり、当該色素が注入されていたりしてもよい。太陽スペクトルの自然に生じる波長をより長い波長へシフト（例えば、「赤色側へのシフト」）することは、より効率的な電力の生成が可能となるように、入射する電磁太陽放射の波長スペクトル形状を、シリコンＰＶセルのスペクトル感度により一致するところのものに、一層よく一致するのを助けることができる。
【００３１】
図２〜図８は、ＮＰｓの様々な構成を表しており、当該ＮＰｓは、より多くの光子のエネルギーをＮＰｓで用いることができるようにすることによって、ＮＰｓの電気発生容量を向上させるために、ＮＰｓと共に使われてもよい。図２は、実質的に球形状の金属のＮＰ１００（例えば、金、銀、銅）の断面を表している。ＮＰ１００は、例えば、およそ１０ｎｍ〜およそ２５０ｎｍの直径を示してもよい。なお、「およそ」という文言、及び「実質的」という文言は、ここにおいては、値が、絶対的であるというよりも、業界的に認められる許容範囲内であることを示している。図３を参照すると、実質的に球形状の複合ナノＮＰ１１０の断面図が表されている。ＮＰ１１０は、二酸化ケイ素のような実質的に透明な材料であるコーティング１１４を有する実質的に球形状の金属コア１１２を有している。また、一実施形態によっては、金属コア１１２はおよそ１０ｎｍ〜およそ２５０ｎｍの直径を示していてもよく、一方、透明なコーティングがおよそ５ｎｍ〜およそ２０ｎｍの厚さを示していてもよい。このコーティングは、いくつかの目的にかなっていてもよい。例えば、このコーティングは、ＮＰが懸濁される材料と互換性をもつようにＮＰを機能させる働きをしてもよい。また、コーティングは、密集しているＮＰｓにおける透明な光路として用いられてもよい。また、コーティングは、波長シフトを引き起こすために用いられる蛍光色素を吸収する材料として用いられてもよい。更に、それは、誘電体として用いられてもよい。図３に示されているＮＰ１１０は、複数の材料によって形成されており、複合ＮＰと称されてもよい。他の実施形態においては、複合ＮＰについて、非金属コア（例えば、二酸化ケイ素）と、当該コアの周りに設けられている金属材料による薄いコーティングと、を有するように構成してもよい。複合ＮＰは、カリフォルニア州サンディエゴのナノコンポジックス（ｎａｎｏＣｏｍｐｏｓｉｘ）のようなプロバイダーから商業的に得ることができる。
【００３２】
図４は、実質的に楕円である金属のＮＰ１２０の断面を表している。一例においては、ＮＰ１２０の長軸に沿った寸法は、およそ２０ｎｍとおよそ２５０ｎｍの間のものであってよく、一方、ＮＰ１２０の短軸に沿った寸法は、およそ１００ｎｍ以下であってもよい。図５を参照すると、実質的に楕円の複合ＮＰ１３０が表されている。このＮＰ１３０は、金属コア１３２と、二酸化ケイ素のような材料の実質的に透明なコーティング１３４とを有している。金属コア１３２は、およそ２０ｎｍとおよそ２５０ｎｍの間である長軸に沿った寸法と、およそ１００ｎｍ以下の短軸に沿った寸法を示してもよい。コーティングは、およそ５ｎｍ〜およそ２０ｎｍの厚さを示してもよい。他の実施形態においては、非金属材料（例えば、二酸化ケイ素）によって形成されたコアと、金属材料による薄い金属層を有するシェル又はコーティングとから、構成を逆にしてもよい。
【００３３】
図６は、実質的に三角のプレートレット形状である金属のＮＰ１４０の断面を表している。一例においては、ＮＰ１４０は、およそ１０ｎｍとおよそ４０ｎｍの間での厚さ（例えば、図面の平面に対して垂直である方向において測定）で、およそ１００ｎｍとおよそ２００ｎｍの間の高さ（底辺に対して垂直であって底辺から頂点に至る線に沿って測定）を示してもよい。図７は、実質的に三角形のプレートレット形状である複合ＮＰ１５０の断面を表している。複合ＮＰ１５０は、実質的に三角形のプレートレット形状を呈している実質的な金属コア１５２と、二酸化ケイ素のような材料による実質的に透明な材料のコーティング１５４とを有している。一実施形態においては、コアは図６に示すＮＰ１４０と実質的に同様に形成されてもよく、そして、コーティングはおよそ５ｎｍ〜およそ２０ｎｍの厚さを示してもよい。他の実施形態においては、非金属材料（例えば、二酸化ケイ素）によって形成されたコアと、金属材料による薄い金属層を有するシェル又はコーティングとから、構成を逆にしてもよい。
【００３４】
図８を参照すると、金属コア１６２と、二酸化ケイ素のような実質的に透明な材料１６４によるコーティングとによる、複合ＮＰ１６０の断面図が表されている。当該ＮＰは、実質的に球形状又は楕円形状を含む様々な形状を示してもよい。スペクトルシフト色素１６６（例えば、蛍光色素）は、透明な材料１６４に対して、埋め込まれたり、塗布されたり、又は、さもなければ混ぜ合わせられる。色素１６６は、利用できる光の波長を、関連するＰＶセルの感度に合わせるのを助けるために、波長をより長い波長へシフト（例えば、「赤色側へのシフト」）したり、又は、波長をより短い波長へシフト（例えば、「青色側へのシフト」）したりするのを助けることができる。例えば、色素については、下記の表１に示されている色素を用いてもよく、あるいは他の色素を用いてもよい。
【００３５】
【表１】
2016507893.tif 000003
【００３６】
図９及び図１０を参照すると、ナノ円錐１７０及びナノ棒１８０として構成されているＮＰｓの斜視図が表されている。ナノ円錐１７０及びナノ棒１８０は、二酸化ケイ素のような実質的に透明な材料によって形成されている。スペクトルシフト色素１８２は、透明な材料に対して、塗布されたり、埋め込まれたり、又は、さもなければ混ぜ合わせられてもよい。ナノ円錐１７０の形状及びナノ棒１８０の形状は、光の入射角をＰＶセルの集光面に対して垂直により近づけることにより、ＰＣセルによって生成されるパワーに関してより好適とするために、ＰＶセルに当たる光の入射角をシフトするのを、付加的に助けることができる。
【００３７】
図２〜図１０に表されているＮＰｓは、本願発明の各実施形態において用いられる様々な種類のＮＰｓを代表している。また、１種類のＮＰは、他の種類のＮＰに対して排他的に用いられる必要はない。むしろ、複数の種類のＮＰｓが、様々な組合せにおいて共に用いられてもよい。
【００３８】
太陽エネルギーシステムのＰＶセル又は他のいくつかの構成と共に用いる前に、ＮＰｓについては、当該ＮＰｓが特定の望ましい特徴を備えるように、機能化のプロセスを経るようにしてもよい。例えば、ＮＰｓは、選択されたキャリヤー媒体（例えば、ポリマーに埋め込まれている時には、例えばポリウレタン）中において、所要の分布パターンを可能にするように機能化されてもよい。例えば、機能化については、安定性、可溶性、及び指向性を調整するために、ＮＰｓの表面のコーティングを調整することを含んでもよい。多原子価であるか又は重合体であるコーティングは、高い安定性を与える。キャリヤー媒体中のＮＰｓの特定の分布パターンが要求される場合、媒体中に分配される前に、ＮＰｓを適切に機能化することが重要であり得る。不適当に用意されたＮＰｓについては、大きな塊になったり、線状又は他の不均一な分布パターンを示したりする可能性があり、さもなければ、懸濁基板又は他のキャリヤー媒体中のＮＰｓの相互間において、最適に距離を維持することが妨げられる可能性がある。機能しているコーティングは、キャリヤー媒体（例えば、芳香族ガスの放出又は触媒反応によって固まる前のキシレン、トルエンまたはメタノールのような液体ポリマー）中において用いられている溶媒に対する望ましい耐性を有する。
【００３９】
ＰＶセル又は太陽エネルギーシステムの他のいくつかの構成と共にＮＰｓを導入することをより具体的に検討する前に、ＮＰｓが、互いに反対に働く２つの光学特性を示すことを理解するべきである。これらの２つの特性は、「吸収」及び「散乱」として一般に知られている。これら２つの特性の合計が、「消失」である。ＮＰｓが（例えば、キャリヤー媒体中で）過度に高密度に分配された場合、ＮＰｓが与えることができる有益な働きは、吸収によって減少するであろう。他方、ＮＰｓがその分配において不十分な濃度であった場合、分散の側面は、いかなる所要の光の操作を実行するのにも不十分となる可能性がある。所定のアプリケーションのために数学的にＮＰｓの最適密度をモデル化する試みがあったが、その成否の程度は様々であった。また、粒子の最適密度を経験的に測定する試みは、これを完全に行うことがしばしば困難であった。例えば、測定のために分光光度計を用いた時において最適であるものと信じされていた密度は、例えば１０００−１５００光子ワット平方メートル（１−１．５の「サンズ」とも称される）における、太陽光又は太陽シミュレータにおいて行われた最適化と比較して、粒子数において大幅に低くなる虞がある。望ましくは、粒子密度は、アプリケーションにおいて期待される光子密度のために最適化される。
【００４０】
このように、上記から分かるように、太陽エネルギーシステムにおいてＮＰｓを用いる場合、考慮するべき種々の変数が存在する。例えば、以下は、ＮＰｓを取り入れている太陽エネルギーシステムのための構成のデザインにおいて考慮され得る変数の非限定的なリストである：ＮＰのサイズと形；ＮＰを構成するのにもちいた材料の種類；ＮＰに適応された機能化又は１つのコーティング（又は、複数のコーティング）のタイプ；ＮＰにおいて用いられる色素のタイプ、ＮＰｓが設けられるキャリヤー媒体（例えば、溶体又は固体）の屈折率；ＮＰｓが設けられるキャリヤー媒体の誘電率；キャリヤー媒体中におけるＮＰｓの分布の密度と均一性；材料を含んでいるＮＰの深さ又は厚み；使用が予想されるスペクトルに渡る粒子の消失形状（吸収及び散乱を考慮する）；設定された環境におけるＮＰの共鳴ピーク。様々なＮＰｓの分散特性及び吸収特性を判別するのを支援するために、カリフォルニア州サンディエゴのナノコンポジックス（ｎａｎｏＣｏｍｐｏｓｉｘ）からオンラインにおいて利用可能となっているようなミー（Ｍｉｅ）計算機を用いてもよい。
【００４１】
図１１を参照すると、グラフは、太陽エネルギーシステムの構成（例えば、ＰＶセルに当たる前に光を操作すること）において、適切に選ばれて分配されたＮＰｓの効果を表している。ＮＰｓは、利用できる光の波長とＰＶセルの感度とがより一致するような波長シフトをもたらす。図１１に示される例において、太陽のスペクトル１９０は、例えばおよそ１２５ｎｍである、赤色側へのシフトであり、（感度カーブ１９２を有している）ＰＶセルにおいて、利用できる光からより多くのエネルギーを吸収して変換することができるようなる。第３のカーブ１９４は、赤色側へシフトされた太陽光とＰＶセルの感度との互換性を表している。図１１におけるグラフの比較と図１におけるグラフの比較は、図１１の最初の２本のカーブ１９０及び１９２の下に、図１の類似したグラフと比べた場合に、（第３のカーブ１９４によって示されるように）より大きな共通領域があることを、表している。図１１に示されるグラフは、特定の量だけ赤色側へシフトした太陽光を具体的に表している。本願発明においては、より少ない又はより多いシフトが行われ、「青色側へのシフト」も同様に行われる。例えば、太陽は、従来のＰＶセルでは役に立たない長い波長である赤外線を、大量に生成する。この赤外線は、ＰＶにおいて利用可能な多くのエネルギーを生成するために、青色側にシフトされてもよい。
【００４２】
必ずしも現在の理論に束縛されるとは限らないが、現代物理学で理解される様々な現象は、本願発明の各実施形態が電磁放射の赤色側へのシフト又は青色側のへのシフトの誘発を含んで動作すると考えられるメカニズムを説明するのに用い得る。
【００４３】
利用できる光に対して赤色側へのシフト又は青色側へのシフトをもたらすことにおいて、本願発明は、ＮＰｓによって発生するプラズモン効果を利用することができる。プラズモンについては、プラズマ振動の量子と称してもよい。プラズモンは、光子が電磁振動の量子化であるという事実（光子は、素粒子であるが、準粒子でない）と同様に、プラズマ振動の量子化に由来の準粒子である。このように、プラズモンは自由な「電子気体密度」の集合的な振動である。光子は、プラズモンと結合してもよく、また、操作されてもよい。プラズモンが光子と共に光周波数にて振動している場合に、もう一つの準粒子は「プラズマ  ポラリトン」と称されて作られてもよい。
【００４４】
表面のプラズモン共鳴は、主に、材料における自由電子の密度に依存する。必ずしも、以下に掲げる材料の例に限られないが、スペクトル領域に関係する様々な材料によって最も容易に想到することができるプラズモンの共鳴波長は、以下の通りである：アルミニウム（Ａｌ）−紫外線；銀（Ａｇ）−紫外線；金（Ａｕ）‐可視；銅（Ｃｕ）−可視。プラズモンは、しばしば、金属の中の固定された正イオンに関する密集している自由電子の振動であるとされる。プラズモンは、エネルギーが失われるまで、プラズマ周波数にて振動する。プラズモンは、この種の振動の量子化である。
【００４５】
プラズモンと相互作用するとき、金属の中の電子が光の電界を覆うので、プラズマ周波数の波長よりも短い波長を有している光は反射される。他方、プラズマ共振周波数以上の波長を有している光は、電子がそれを充分に覆う程は早く反応できないので、プラズモンを通過して送られる。大部分の金属において、プラズマ共振周波数は紫外線であり、可視光において典型的な金属的な光沢を金属に与える。例えば銅及び金のような金属は、特定の波長の光を吸収し、他を反射することにより、黄色‐オレンジ色の外観を引き起こすバンド間遷移を有している。プラスズモンエネルギーについては、以下のような自由電子モデルによって見積もることができる。
【数１】
2016507893.tif 000004
【００４６】
なお、ｎは伝導電子密度であり、ｅは電気素量であり、ｍは電子質量であり、ε０は自由空間の誘電率、ｈは減少したプランク定数であり、ＣＯｐはプラズモン共振周波数である。
【００４７】
表面のプラズモンは、表面にとどめられており、ポラリトンを作るために、光と相互に作用する。プラズモンは、金属中又はドープされた絶縁体中のように、小さな正の「虚数」と大きな負の「実数」の誘電率を有する金属と真空との間において、発生する。光学範囲における表面のプラズモンの生産はずっと難しく、そして、当該プラズモンを確実に複製することについては、最近可能になったのみである。
【００４８】
波長シフトをもたらすことに加えて、金属のＮＰｓは、ＮＰｓとＰＶセルの間で光を捉えるために、ＰＶセルから少し離れて基板に設けられてもよい。金属のＮＰｓ（複合ＮＰｓを含む）は、ＰＶセルに自由に伝搬してくる平面波を結合して捉えるのに用いることができる。
【００４９】
金属のＮＰｓ又は複合ＮＰｓの光学特性は、光子捕捉を最適化するために、文献に記述され、数学的にモデル化されてきた。光捕捉方法としての表面効果ラマン分散（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒ：ＳＥＲＳ）は、ＰＶセル強化として実験的に証明された。ＰＶセルまたは関連する構成におけるＮＰｓについての、適切な設計と幾何分布は、光子エネルギーの起電力への変換を改善することができる。また、金属のＮＰｓ及び混合ＮＰｓについての特定の幾何学的な配置が、最大２００ｎｍのスペクトルシフトを引き起こすこと、が示された。太陽スペクトルが赤色側に２００ｎｍシフトされた場合、ピークエネルギーは、シリコンＰＶｓの光子受光のスペクトルに対して、より近く一致する。しかしながら、太陽エネルギーのアプリケーションにおいて使用するこのナノ粒子技術の幅広いアプリケーションに対する重要な障壁が残っている。その１つの障壁は、ＮＰｓにおける適切な配置と間隔を得て維持すること、太陽光モジュールにＮＰｓを組み込む方法‐既存のモジュールを改造するか、アップグレードすること、を含んでいる。
【００５０】
先行技術においては、ＰＶセルの表面へのＮＰｓの分配と添加は、しばしば、スパッタコーティングを用いるＮＰｓの真空蒸着によって行われていた。スパッタコーティングは、 集積回路（ＩＣ）のトレースラインを作ることを含む金属層への適用においては、長く良く確立した方法である。スパッタコーティングは、半導体基板の上の２点間の導電路を完全に設けるために設計されている。非常に薄い銀のスパッタコーティングについては、ＰＶセルの表面に適用することができ、当該ＰＶセルの表面は、太陽からの光が入射するように設計されており、そして、当該ＰＶセルの表面は、最初にＰＶセルによって吸収されなかった光を、ＰＶセルによって更に充分に吸収されるまで、内側で反射するように設計されている。しかしながら、スパッタコーティングされた層における粒子の分布は、ポアソン分布によって示されているような確率関数である。確率によって分布される粒子は、最適な密度又は最適な幾何学的な間隔には、めったにならない。むしろ、粒子は、あまりに密集していて光を通過させらなかったり、あまりに分散していて光を捕捉又は他の光の操作を達成できなかったり、様々であろう。図１２は、そのようなプロセスによって生成された、不規則な形状が設けられているばらつきを示している、スパッタコート層２００を例示している。スパッタコーティングがランダムなプロセスであるので、ランダムな分配が起きる。図１２は、銀がスパッタコートされたＮＰｓの一般的な半透明の層２００における入射光２０２の相互作用も例示している。光２０２のランダムな妨害物と光路についての最適に劣るランダムな分配は、ＮＰｓを銀でコーティングする従来の方法において固有である。
【００５１】
図１２に図示されるように、ＳＥＲＳ又はスペクトルシフトのために薄膜を生成してスパッタコーティングする方法は、どんな異なる点においてもポアソン分布に従って設けられるナノ粒子の確率に依存する。これは、役に立つ領域となる（ＮＰｓが適切な間隔であり適切な配置になる）確率が低いことを示すであろう。一般的に、大量の粒子が生じて、時折役に立つ小さな領域であって所要の光学的効果を生成する粒子の位置と間隔を示している領域というよりもむしろ、光子の通過を完全に妨害するという可能性は、ずっとあり得る。
【００５２】
本願発明の一実施形態においては、主に球形状を呈している銀のＮＰｓは、透明な液体ゼラチン（ゾル状で）又は液体ポリマーに懸濁されてもよい。そのような高いゼータ電位（Ｚｅｔａ  ｃｈａｒｇｅ）のＮＰｓは、例えば、ユタ州ソルトレークシティのアトスタット（Ａｔｔｏｓｔａｔ）社から、又は、ユタ州北ソルトレークシティのトゥルーテックレーザー（Ｔｒｕｅｔｅｃｈ  Ｌａｓｅｒ）社から入手可能である。より大きな金と銀のＮＰｓ（例えば、直径１５０ｎｍ以上）については、二酸化ケイ素コーティングを有しているもの及び有していないものを、カリフォルニア州サンディエゴのナノコンポジックス（ｎａｎｏＣｏｍｐｏｓｉｘ）から入手可能である。ある実施形態においては、このようにして用いられるＮＰｓが高いゼータ電位を有しているのが好ましい。球形状のＮＰｓは、およそ３０ｍＶ以上の絶対値のゼータ電位（例えば、正又は負）を有するように生成されてもよい。一実施形態においては、ＮＰｓは、およそ４５−６０ｍＶの絶対値のゼータ電位を示すように生成されてもよい。他の実施形態においては、ＮＰｓは、およそ６０ｍＶを超える絶対値のゼータ電位を示してもよい。
【００５３】
同じ極性であり高いゼータ電位のＮＰｓは、互いに反発する傾向がある。このように、高いゼータ電位のＮＰｓが低粘性流体において懸濁された場合、各ＮＰｓは、統計学的に均一な配列で自分自身を分配する傾向がある。ＮＰｓにおける適切な密度と適切な分布が達成された場合、ＮＰｓから生成されるプラズモンの動作上の強度は、最適化されるであろう。一実施態様において、そのようなインタースフィア（ｉｎｔｅｒ−ｓｐｈｅｒｅ）の間隔は、用いられているＮＰｓの直径と、およそ等しくてもよい。 これは、機能するための光捕捉の表面効果ラマン分散（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒ：ＳＥＲＳ）現象のために非常に良い範囲になる傾向がある。少なくとも一部においてゼータ電位によって球形状のＮＰｓが分配されている例であって、間隔がＮＰｓの直径とおよそ等しくなるような好適な間隔である例を考えると、略均一な間隔は、間隔の標準偏差が例えばＮＰｓの直径を０．２倍したものとおよそ等しくなるように達成されるレベルが好ましい。
【００５４】
図１３Ａに示されているように、高いゼータ電位を有する複数の球形状のＮＰｓ２１０は、複数の隙間において入っている光を操作するために、キャリヤー媒体２１２の中において均一に分配されてもよい。一旦ＮＰｓの層の下に陥った場合、光については、捕捉されたままになり、当該光がＰＶセル２２４の表面とほぼ直角に向かうようになって、ＰＶセル２２４によって吸収されるまで、反射と再反射を行う。
【００５５】
他の実施形態においては、図１３Ｂに示すように、適切なＮＰｓの配置のためにＮＰｓの高いゼータ電位に依存する代わりに、ＮＰｓ２１０は、複合ＮＰｓを備える。なお、二酸化ケイ素のような他の金属によって形成されたシェルと金属材料によって形成されたコアとを有する複合ＮＰｓの例を考慮すると、二酸化ケイ素シェルの光学特性は、光の捕捉に最も適している構造を達成するためのＮＰｓ２１０間の所要の距離の均一な間隔を形成するのを支援するであろう。各ＮＰｓが相互に隣接するように、各ＮＰｓがキャリヤー媒体中に密集される実施形態においては、透明なコーティングは、隣接した金属コアの間に間隔を提供する。このような実施形態においては、間隔の均一性は、主にＮＰｓ（コーティングを含む）の製造における許容によって定められるであろう。様々な実施形態においては（間隔に関して、シェルに依存してもゼータ電位に依存しても）、ＮＰｓの間隔は、ＮＰｓの平均直径（又は、実施形態においては、金属のコアの直径）の１０％から１５０％にわたってもよい。 
【００５６】
ところで図１４を参照すると、標準のソーラーモジュール２２０の部分的な断面が示されている。モジュール２２０は、ＰＶセル２２４を収容するフレーム２２２を備える。ＰＶセル２２４（実際には、複数のセルの配列を備えていてもよい）は、バスライン２２８と通じる結晶光起電力体２２６を備える。バスライン２２８は、結晶光起電力体２２６で発生する電気エネルギーを、電気エネルギーの調整及び配電のための機器に伝達する。ＰＶセル２２４は、例えば、ＰＶセル２２４に照りつける入射光を可能な限り多く保持するための反射防止コーティングのような、当業者によって想到することができる様々な特徴を備えてもよい。保護層２３０（当該保護層２３０は、ポリマー材を備えてもよい）は、ＰＶセル２２４を衝撃から保護したり、湿気または他の環境的な影響からの保護を提供したりするために、備えられてもよい。機器に封をするのを支援するために保護層２３０の裏に裏側材２３２が結合されてもよい。光沢（グレージング：ｇｌａｚｉｎｇ）層２３４は、ＰＶセル２２４に設けられ、フレーム２２２と結合される。また、光沢層２３４は、ＰＶセル２２４に対して環境的な保護を提供する。
【００５７】
動作において、光子は光沢層２３４を通過して、結晶光起電力体２２６の半導体材料に吸収される。それから、負に帯電する電子は、電位を生成している原子から解き放たれる。電位は、電気としての直流（ＤＣ）として、バスライン２２８に沿っての電流を生成する。
【００５８】
本願発明は、複数のＮＰｓを含む材料によって形成されている追加の薄い層を備える。例えば、ＮＰｓは、薄い基板又はフィルム層に設けられてもよいし、又は、ＮＰｓは、既存の基板に適用されるコーティング材に分散されてもよい。他の実施形態においては、光沢層のようなソーラーモジュールの構成に、ＮＰｓを埋め込んでもよい。その層は、図１４に示されてそれのような市販のソーラーモジュールにおいて用いるのに容易に適用できるように、１ミリメートルの何分の１かの厚さであってもよい。
【００５９】
もう１つのＮＰｓ材料層２４０を取り入れているソーラーモジュール２２０Ａの１つの実施例が、図１５に示されている。ソーラーモジュール２２０Ａは、図１４の中に示されているものと同様であり、ＰＶセル２２４を収容するフレーム２２２を備える。ＰＶセル２２４は、バスライン２２８と通じる結晶光起電力体２２６を備える。保護層２３０と裏側材２３２は、ＰＶセル２２４に対して環境的な保護を提供してもよい。光沢層２３４は、ＰＶセル２２４に設けられ、フレーム２２２と結合される。複数のＮＰｓを有している材料層２４０は、保護光沢層２３４とＰＶセル２２４との間に設けられる。例えば、ＮＰｓ材料層２４０は、光沢層２３４の下面に接着又は塗布されてもよい。いくつかの実施形態においては、ＮＰｓ材料層２４０とＰＶセル２２４との間に、エアギャップ２３３又は他の透明な材料を設けてもよい。いくつかの実施形態においては、ＮＰｓ材料層は、光沢層２３４とＰＶセル２２４の間に挟まれてもよい。 
【００６０】
ＮＰｓ材料層２４０は、ＰＶセル２２４によってすぐに吸収されるわけではない太陽光を捕捉することを提供すると共に、太陽光を受けて、当該受けた太陽光がＰＶセル２２４に達する前に当該受けた太陽光の波長シフト（例えば、赤色側へのシフト）をもたらすように、設計されて構成される。ＮＰｓ材料層２４０は、１種類のＮＰｓ（例えば、図３における複合ＮＰｓ１１０）を複数備えてもよいし、又は、ＮＰｓ材料層２４０によって備えられる所要の波長シフト効果及び光捕捉効果に依存する異なる種類及び／又はサイズのＮＰｓを複数備えてもよい。
【００６１】
図１６を参照して、ソーラーモジュール２２０Ｂの他の実施形態が示されている。当該ソーラーモジュールは、ＰＶセル２２４を収容するフレーム２２２を備える。ＰＶセル２２４は、バスライン２２８と通じる結晶光起電力体２２６を備える。保護層２３０と裏側材２３２は、ＰＶセル２２４に対して環境的な保護を提供してもよい。光沢層２３４は、ＰＶセル２２４に設けられ、フレーム２２２と結合される。ＮＰｓ材料層２４０は、光沢層２３４がＮＰｓ材料層２４０とＰＶセル２２４との間に設けられるように、保護光沢層２３４の上に設けられる。ＮＰｓ材料層２４０は、フィルムとして形成されて、適切な接着剤を用いて光沢層２３４に接着されてもよいし、又は、ＮＰｓ材料層２４０は、光沢層２３４を直接覆うスプレーであってもよい。用いてもよい光学的に澄んだ接着剤の非限定的な例としては、３Ｍ社から入手可能な８１７１ＣＬと８１７２ＣＬを含んでいる。
【００６２】
図１７は、ＰＶセル２２４を収容するフレーム２２２を備えるソーラーモジュール２２０Ｃについての、更に他の実施形態を示している。上述したソーラーモジュールのように、ＰＶセル２２４は、バスライン２２８と通じる結晶光起電力体２２６を備える。保護層２３０と裏側材２３２は、ＰＶセル２２４に対して環境的な保護を提供してもよい。光沢層２３４は、ＰＶセル２２４に設けられ、フレーム２２２と結合される。ＮＰｓ材料層２４０は、２つのガラス層の間に挟まれてもよい（例えば、保護光沢層２３４と他のガラス層２３５とがＰＶセル２２４の上に直接設けられている）。
【００６３】
図１８は、ＰＶセル２２４を収容するフレーム２２２を備えるソーラーモジュール２２０Ｄについての、更なる他の実施形態を示している。上述したソーラーモジュールのように、ＰＶセル２２４は、バスライン２２８と通じる結晶光起電力体２２６を備える。保護層２３０と裏側材２３２は、ＰＶセル２２４に対して環境的な保護を提供してもよい。光沢層２３４は、ＰＶセル２２４に設けられ、フレーム２２２と結合される。複数のＮＰｓは、光沢層２３４内に埋め込まれている。一実地形態においては、光沢層２３４は、ＰＶセル２２４に隣接してもよい。他の実施形態においては、透明材料の隙間（例えば、エアギャップ）が、ＮＰｓが設けられている光沢層２３４とＰＶセル２２４との間に設けられてもよい。
【００６４】
上述の各実施形態の例については、オリジナルの装置（ＯＥＭ）として製造されてもよいし、また、既存のソーラーモジュールへの「改造」として実装されてもよいということについて、認識するであろう。例えば、既存のソーラーモジュールに薄いフィルムのＮＰｓ材料層を適用することにより、ＮＰｓを既存のソーラーモジュールに適用してもよい。他の実施形態においては、ＮＰｓ材料層は、既存のソーラーモジュールの一部をスプレーコーティングすることにより形成されてもよい。更なる実施形態においては、特定の構成が取り除かれたり、ＮＰｓ材料層を含む新たな構成に置きかえられたりしてもよい（例えば、光沢層）。
【００６５】
1つの特定の例においては、複数の複合ＮＰｓは、ポリマー材の中に設けられてもよい。ＮＰｓは、略球形状であり、直径およそ２００ｍｍである銀のコアを備えてもよい。ＮＰｓは、二酸化ケイ素シェル又はコーティングを、更に備えており、当該二酸化ケイ素シェル又はコーティングは、ポリマー材料中の配置のために、機能化されるか又は手直しされているおよそ１５ｎｍの厚さを示している。
【００６６】
図１９は、そのようなＮＰｓについてのメイ（Ｍｅｉ）の演算結果を表しているグラフを示している。グラフについては、垂直軸がエリア（ｎｍ２）単位で示しているのに対して、水平軸における波長（ｎｍの単位で）を示している。グラフについては、球による電磁放射の分散を示すマクスウェル方程式におけるミー（Ｍｉｅ）の解を示している。図１９において示されているように、前述のＮＰｓの分散の関数は、同じスペクトルにわたる吸収と比較して、選択されたスペクトルの大部分にわたって高くなっている。比較のために、図２０は、直径１５０ｎｍの球形状の銀のコアと、厚さ１５ｎｍの二酸化ケイ素のコーティングとを備えているＮＰｓについての同様なグラフを示している。図２０中において示されているＮＰｓの分散は、図１９中において示されているＮＰｓの分散よりも低くなっている。
【００６７】
ＮＰｓが分散されるポリマー材は、Ｍｅｄａｌｌｉｏｎ  ＲＳ−６１００  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｌｅａｒという商品名にて自動車メーカーに知られている「クリアコート」を含んでいる。ポリマーについては、クリアーコート（一部Ａ）と活性剤（一部Ｂ）とを、２：１の比率にて混ぜ合わせている、２つのパートシステムである。
【００６８】
ポリマーを用意する場合においては、一部Ａをきれいな混合容器に分注し、そして、所要の密度を得るのに必要なＮＰｓの数は計算される。トルエンのようなポリマーと互換性を持つ液体において、ＮＰｓを懸濁する。それから、ＮＰｓと液体とが十分に溶液になるまで、ＮＰｓ溶液をかき混ぜる。これについては、振ったり、又は、他のかき混ぜを行ったりすることにより行われてもよいし、また、３０秒の超音波処理を要してもよい。しかしながら、過度に超音波処理は、好ましくない集合を引き起こす可能性について留意する。
【００６９】
ＮＰｓを含んでいる液体は、きれいなピペット又は他の精密な吸引装置を用いて測定されて、それから、液体ポリマーの一部Ａを含んでいる容器に分注される。それから、磁気撹拌器又は他のミキサーを用いて、混合において空気を巻き込まないように注意して、２つの液体を、およそ３０分の間穏やかに混ぜ合わせてもよい。混入した空気を除去するために、真空空間に混合物を置くことを、混ぜ合わせることを行った後に行ってもよい。
【００７０】
ポリマーの一部Ｂについては、ＮＰｓ溶液と一部Ａを含んでいる混合容器に対する適切な比率で、加えられてもよい。結果として生じる溶液についての後の応用のために、最高５％の互換性を有する還元剤を、適宜加えてもよい。その溶液については、およそ５分間混ぜてもよい。使用可能な可使時間は、およそ２−３時間にするべきである。
【００７１】
液体ポリマー混合物は、あらゆる透明な固体基板上に塗布されてもよい。溶液は、様々な手法を用いている基板に適用されてもよい。応用の１つの方法においては、従来のスプレーガンを用いて４０−４５ｐｓｉにて溶液を噴射することと、大量低圧の（ＨＶＬＰ）スプレーガンを用いて８−１０ｐｓｉにて溶液を噴射することを、含んでいる。それから複数の被膜が求められている場合、方法は、被膜間においておよそ５分のフッシュキュア（ｆｌａｓｈ  ｃｕｒｅ）を備えてもよい。他の方法においては、基板への溶液の適用のためにスピンコーティングを用いてもよい。更なる例においては、所要の厚みの基板において均一にＮＰｓ／ポリマー溶液を分散させるために、巻線ロッド（ｗｉｒｅ  ｗｏｕｎｄ  ｒｏｄ）を用いてもよい。より更なる例においては、溶液を、所要のサイズ及び配置になるようにしてもよい。
【００７２】
ソーラーモジュールでＮＰｓを用いる他の例においては、基板の表面の上（例えば、保護ガラス又は光沢層）においてナノロッド及び／又はナノ円錐を成長させてもよい。成長させたＮＰｓは、シリコンＰＶセルによる光子吸収のために最適ではない角度にてソーラーパネルに当たる光のための、当該光の収集及び光の向きを変えるデバイスとして機能してもよい。これらのＮＰｓを成長させる様々な方法については、化学的性質を通して厳格に採用して達成してもよいし、又は、ＮＰｓの成長の間において空気の圧力と温度を制御することにより実行してもよい。
【００７３】
ソーラーモジュールにおいてＮＰｓを取り入れる（ＮＰｓをＰＶセル自体以外の基板に適用することを含む）ことについての、様々な利点が存在する。上述の例の各々は、ＰＶセルにＮＰｓを直接適用する経済的又はプロセスの優位さを提供する。本願発明の実施形態によって提供される他の利点は、ＮＰｓプラズモンにおける光の捕捉能力が向上されることを含み、ＮＰｓプラズモンは最良であり、プラズモンとＰＶセルの表面との間における小さな光学的に透明な材料のギャップに出される。上述したように、この光学的に透明な材料のギャップは、プラズモンとＰＶセルの表面との間における光学的に透明な材料の層（例えば、基板）を含んでいてもよく、当該ギャップは、プラズモンとＰＶセルとの間に設けられている空気によっておよそ満たされているギャップを含んでもよいし、当該ギャップは両方を含んでもよい。
【００７４】
ＮＰｓをポリマーウェブ又はプラスチックフィルムに適用する能力であって、ＮＰｓをソーラーモジュールの構成要素とする能力は、特に、ＮＰｓのＰＶセルへの直接の適用が発電キャパシティと干渉している時、又は、他の製造プロセスと互換性が無い場合に、重要な製造の利便性を提供する。
【００７５】
本願発明によって提供される他の利点は、様々な構成にてＮＰｓの複数の層をソーラーモジュールに対して、容易且つ効率的に適用することができる能力である。複数のＮＰｓの層を、例えば波長シフト又は光捕捉のような所望の効果を生成するために、同時に用いてもよい。例えば、波長シフトのための１つ以上のＮＰｓの層と、光捕捉のための１つ以上の追加のＮＰｓの層とを含むことが好ましい。ＮＰｓの層のある構成が、直接一緒に用いられる場合に互換性がなくてもよく、基板から離れている層として構成される必要があるものとしてもよい。
【００７６】
なお、１つの実施形態に記載されている特徴又は要素は、他の実施形態と制限なしに組み合わせてもよい。上述の実施形態のいくつかそして全ては、太陽光を収集することにおけるＰＶセルの性能の向上のために、協調して用いられてもよい。
【００７７】
発明は、様々な修正や変形の余地があるが、図面において例示して、ここにおいて詳述することにより、特定の各実施形態を示した。しかしながら、開示されている特定構成に発明が限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、以下の添付の特許請求の範囲によって定義されるように、発明は、発明の意図および範囲に入っているすべての修正、等価物と選択肢を含んでいる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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