(57)【要約】  本発明は、太陽電池（２０、３０）の生成される電力つまりは効率を改善するための方法及び手段に関する。現状における本発明の最良の形態は、太陽電池層（２００、２０１、２０２、２０３）の間にそれぞれ本発明のフォトンフィルタ（１００、１０１）を一つ又は二つ有する二重又は三重接合タンデム太陽電池（２０、３０）であると考えられる。フォトンフィルタ（１００、１０１、１０２）は、λＸよりも短い波長のフォトンを反射して、λＸよりも長い波長のフォトンに対して透明であるように、フォトンフィルタ（１００、１０１、１０２）の他方の側の小面積アパーチャ（１４０、１４１）の外に低エネルギーフォトンを集束し且つλＸよりも長い波長のフォトンの少なくとも一部を反射する（１５０、１５１）ようにフォトンフィルタ（１００、１０１、１０２）の他方の側を構成することによって、構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の太陽電池層（２００）及び第二の太陽電池層（２０１）の少なくとも二つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池であって、
第一のフォトンフィルタ（１００）が、前記第一の太陽電池層（２００）と前記第二の太陽電池層（２０１）との間に配置され、
前記第一の太陽電池層（２００）が、太陽光入射側の反対側に前記第一のフォトンフィルタ（１００）を備えて配置され、
前記第一のフォトンフィルタ（１００）が、所定のエネルギー（λ２）のフォトンを反射して前記第一の太陽電池層（２００）に戻すように構成され、
前記第一のフォトンフィルタ（１００）が、反射されずに前記第二の太陽電池層（２０１）に入射する他のエネルギー（λ１）のフォトンに対して透明であるように構成され、
前記第一のフォトンフィルタ（１００）が、その前面（１１０、１１１）からλ２よりも短い波長を有するフォトンを反射して且つλ２よりも長い波長のフォトンに対して透明であるように、フォトンフィルタ（１００、１０１）の第一の側（１５０、１５１）の反対の他方の側の小面積アパーチャ（１４０、１４１）の外に該長い波長のフォトンを収束すること（１２０、１２１）によって構成され、該フォトンフィルタ（１００、１０１）の他方の側が、前記λ２よりも長い波長のフォトンの少なくとも一部を反射する（１５０、１５１）ように構成されていることを特徴とするタンデム太陽電池。
【請求項２】
前記所定のエネルギー（λ２）が、前記第一の太陽電池層（２００）が前記第二の太陽電池層（２０１）よりも高い量子効率（ＱＥ）を有するエネルギーであり、及び／又は、前記他のエネルギー（λ１）が、前記第二の太陽電池層（２０１）が前記第一の太陽電池層（２００）よりも高い量子効率（ＱＥ）を有するエネルギーであることを特徴とする請求項１に記載のタンデム太陽電池。
【請求項３】
前記第二の太陽電池（２０１）が、太陽光入射側の反対側（１１１）と太陽光入射側（１５０）とにフォトン反射体を備えて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタンデム太陽電池。
【請求項４】
フォトンフィルタ（１００、１０１）が、前記他のエネルギーのフォトンを集束する（１２０、１２１）ように構成され、該フォトンが太陽光入射側（１５０、１５１）の反対のフォトンフィルタ（１０１、１０１）側から小型アパーチャ（１４０、１４１）を介して入射することを特徴とする請求項１に記載のタンデム太陽電池。
【請求項５】
フォトンフィルタ（１００、１０１、１０２、１０３）が、誘電積層体及び／又はルゲートフィルタ及び／又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のタンデム太陽電池。
【請求項６】
前記第二の太陽電池層（２０１）が、太陽光入射側の反対側に第二のフォトンフィルタ（１０１）を備えて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタンデム太陽電池。
【請求項７】
前記第二のフォトンフィルタ（１０１）が、前記第二の太陽電池層（２０１）が高い量子効率を有するエネルギーであるエネルギーでフォトンを反射して前記第二の太陽電池（２０１）に戻すように構成され、
前記第一のフォトンフィルタ（１００）も、該第一のフォトンフィルタ（１００）の太陽光入射側の反対側のフォトン反射体（１５０）と共に、前記第二の太陽電池層（２０１）が高い量子効率を有するエネルギーであるエネルギーでフォトンを反射して前記第二の太陽電池層（２０１）
に戻すように構成され、
フォトンフィルタ（１００、１０１）が、前記第二の太陽電池層（２０１）が高い量子効率（ＱＥ）を有するエネルギーにあるフォトンを前記第二の太陽電池層（２０１）内に閉じ込めるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載のタンデム太陽電池。
【請求項８】
前記第二のフォトンフィルタ（１０１）が、前記第二の太陽電池（２０１）が高い量子効率（ＱＥ）を有するエネルギーには無いフォトンに対して透明であるように構成され、
該透明なフォトンが、第三の太陽電池（２０２）に入射するようにされることを特徴とする請求項６に記載のタンデム太陽電池。
【請求項９】
請求項１に記載のタンデム太陽電池を製造する方法。
【請求項１０】
少なくとも二つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池であって、該タンデム太陽電池（２０、３０）が、該タンデム太陽電池の他の太陽電池層と比較して、入射フォトンのエネルギーにおいて最高の量子効率（ＱＥ）を有する太陽電池層（２００、２０１、２０２、２０３）に入射フォトンを輸送するように構成されていることを特徴とするタンデム太陽電池。
【請求項１１】
輸送される前記フォトンが、最高の量子効率（ＱＥ）で前記太陽電池層（２００、２０１、２０２、２０３）内に閉じ込められるように構成されることを特徴とする請求項６及び／又は１０に記載のタンデム太陽電池。
【請求項１２】
第一の太陽電池層（２００）及び第二の太陽電池層（２０１）の少なくとも二つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池であって、
第一のフォトンフィルタ（１１０）が、前記第一の太陽電池層（２００）と前記第二の太陽電池層（２０１）との間に配置され、
反射防止層（１６０、１６５）が、前記第一のフォトンフィルタ（１１０）と前記第二の太陽電池層（２０１）との間に配置され、
第二のフォトンフィルタ（１７０）が、前記反射防止コーティング（１６０）と前記第二の太陽電池層（２０１）との間に配置されていることを特徴とするタンデム太陽電池。
【請求項１３】
前記反射防止層（１６０、１６５）が、前記第一のフォトンフィルタ（１１０）と前記第二のフォトンフィルタ（１７０）との間の界面の表面を粗くすることによって構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のタンデム太陽電池。
【請求項１４】
前記反射防止層（１６０）が、四分の一波長反射防止層で構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のタンデム太陽電池。
【請求項１５】
フォトンが、最高の相対量子効率（ＱＥ）で太陽電池層内に閉じ込められるように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のタンデム太陽電池。
【請求項１６】
第一の太陽電池層（２００）及び第二の太陽電池層（２０１）の少なくとも二つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池であって、少なくとも一つの一方向性フォトンフィルタ（１００）が、前記第一の太陽電池層（２００）と前記第二の太陽電池層（２０１）との間に配置されていることを特徴とするタンデム太陽電池。
【請求項１７】
フォトンが、最高の相対量子効率で太陽電池層（２００、２０１、２０２、２０３）内に閉じ込められるように構成されていることを特徴とする請求項１６に記載のタンデム太陽電池。
【請求項１８】
Ｅｂｇのバンドギャップエネルギーを有する第一の太陽電池層（２００）及び第二の太陽電池層（２０１）の少なくとも二つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池であって、前記第二の太陽電池（２０１）が、Ｅｂｇ以上のフォトンのエネルギーにおいて前記第一の太陽電池層（２００）よりも低い屈折率を有することを特徴とするタンデム太陽電池。
【請求項１９】
前記第二の太陽電池（２０１）が、Ｅｂｇよりも低いフォトンのエネルギーにおいて前記第一の太陽電池層（２００）よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項１８に記載のタンデム太陽電池。
【請求項２０】
第一の太陽電池層（２００）及び第二の太陽電池層（２０１）の少なくとも二つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池であって、少なくとも一つの太陽電池層（２００、２０１）が、同じ波長においてピーク値及び／又は高い値に達する量子効率（ＱＥ）対波長の関数及び屈折率対波長の関数を有するように構成されていることを特徴とするタンデム太陽電池。
【請求項２１】
少なくとも一つの太陽電池を備えた携帯型電子デバイスであって、少なくとも一つの圧電性結晶、及び／又は該携帯型電子デバイスの機械的動きから発電するように構成された少なくとも一つの機械的手段を備えることを特徴とする携帯型電子デバイス。
【請求項２２】
前記太陽電池が、請求項１、１０、１２、１６、１８及び／又は２０に記載のタンデム太陽電池であることを特徴とする携帯型電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の出力及び効率を改善するための方法及び手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電太陽電池は、１９５０年代のソビエト及び米国の衛星の電力システムに遡る、最も新たに発見された新規エネルギー生成方法である。光起電太陽電池は、非常に低い環境への影響で電気を生成するので、大衆に望まれている。現在の光起電太陽電池の問題は、採算の合うようなコスト及び／又は表面積に対して十分なエネルギーを生成しないことである。
【０００３】
従って、太陽電池の効率を改善するために、多くの技術が提案されている。特許文献５には、多層太陽電池が記載されていて、複数の太陽電池モジュールが組み込まれ一体として積層されていて、異なる複数の感度波長帯が、感知波長帯の中心波長が短くなる程、モジュールが太陽光の入射側近くに配置されるようにされる。この文献は本願で参照される。多層太陽電池の効率の欠点をもたらす全ての要因が何であるのかは、現状では分かっていない。しかしながら、本出願人の研究に基づくと、一般的なタンデム太陽電池は、太陽電池の最大量子効率のバンドの外側で生じるフォトン‐フォノンプロセス（つまり、波数空間において、電池が多くの熱を発生させること）によって、最も妨げられる。欠点に関する個々の要因は、本願で参照される特許文献７の第１欄及び２欄にも挙げられている。
【０００４】
特許文献７には、キャビティ内に複数の太陽電池を備えた光起電反射キャビティが開示されている。キャビティ内部の太陽電池は、入射フォトン束が太陽電池の量子効率についてより適切になるように（つまり、その応答又は検出器応答に対してより適切になるように）光をフィルタリングするフィルタの下に存在している。
【０００５】
ＮＡＳＡ及びＪＰＬ（Ｊｅｔ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ジェット推進研究所）は、“Ｒａｉｎｄｏｗ”と称される代替案も提案していて、ビームスプリッタ及び集光器を用いて、太陽スペクトルを異なる複数のバンドに分割して、その異なる複数のバンドの光を、複数の離散的な太陽電池に集束させる（それら複数の離散的な太陽電池は、分割され集束されたスペクトルを最良に取り扱うことができる）。この方法は、非常に複雑な光学配置を必要とし、現在に至るまで実現していない。
【０００６】
特許文献９には、第一の太陽電池と第二の太陽電池（この文献では太陽光が入射する側の電池）との間に反射フィルムを有するタンデム太陽電池が開示されていて、その反射フィルムは、第二の太陽電池に対して高エネルギーフォトンを反射して、第一の太陽電池（この文献では第二の太陽電池の後方）に対して低エネルギーフォトンを通過させるものとされる。この文献は本願において参照される。特許文献９の発明は、反射フィルムが双方向性であるという重大な問題を有し、つまり、第一の太陽電池内の反射フォトンが、反射フィルムを介して第二の太陽電池に漏れ戻り、フォトンが第二の太陽電池で吸収不能なので、フォノン及び熱が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】フィンランド特許第２００７０２６４号明細書（Ａｎ  Ａｃｔｉｖｅ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）
【特許文献２】フィンランド特許第２００７０７４３号明細書（Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ  ｓｈｉｅｌｄｅｄ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ）
【特許文献３】フィンランド特許第２００７０８０１号明細書（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ  ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ  ａ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ）
【特許文献４】欧州特許出願第０９１５４５３０．１号（Ｌｏｗ  ｃｏｓｔ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ）
【特許文献５】欧州特許出願公開第１７２４８４１号明細書（Ｊｏｓｕｋｅ  Ｎａｋａｔａ、“Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ”）
【特許文献６】米国特許第６３２０１１７号明細書（Ｊａｍｅｓ  Ｐ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ等、“Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ”）
【特許文献７】米国特許第６６８９９４９号明細書（Ｕｇｕｒ  Ｏｒｔａｂａｓｉ、Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｃａｖｉｔｙ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ  ｆｏｒ  ｅｘｔｒｅｍｅ  ｓｏｌａｒ‐ｔｏ‐ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ）
【特許文献８】米国特許出願公開第２００８／０２５１１１２号明細書（Ｄａｖｉｄ  Ｇ．Ｊｅｎｋｉｎｓ、Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｋａｌｅｉｄｏｓｃｏｐｅ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ）
【特許文献９】米国特許第５０２１１００号明細書（Ｔａｋａｓｈｉ  Ｉｓｈｉｈａｒａ等、Ｔａｎｄｅｍ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓｏｌａｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ、Ｔｈｏｍａｓ  Ｍａｒｋｖａｒｔ著、第２版、ＩＳＢＮ  ０−４７１−９８８５２−９
【非特許文献２】“Ａｎ  ｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄ  ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ  ｃｏｕｌｄ  ｙｉｅｌｄ  ａ  ｆｕｌｌ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ”、Ｐａｕｌ  Ｐｒｅｕｓｓ、Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｎｅｗｓ、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｂｅｒｋｅｌｅｙ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来技術の問題を効果的に解消し、より強力な太陽電池を実現するためのシステム及び方法を対象としたものである。
【００１０】
本発明のより具体的な目的は、その太陽電池システムを提供することであり、その太陽電池システムは、設計において高い資本コストを有するが、究極的には大きな経済規模によって低い生産コストを有するものである。これを達成するため、本発明は、各太陽電池層が、その太陽電池層が最高の量子効率を有するエネルギーのフォトンと作用するタンデム太陽電池を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面は、太陽光入射側の反対側にフォトン反射体を備えた太陽電池を含む。反射体は、太陽電池の量子効率の関数に対して適切な波長を有するフォトンを反射して太陽電池に戻すように構成される。
【００１２】
本発明の一側面では、タンデム太陽電池は二つの太陽電池層を備える。二つの太陽電池の間にフォトンフィルタが存在する。太陽光が入射する太陽電池が露出されて、この太陽電池層は典型的により高いエネルギーのバンドギャップを有する。太陽フォトンはこの第一の太陽電池に入射して、太陽スペクトルの高い方のエネルギー部分は、光電流に変換される傾向にある。一部の高エネルギーフォトンは半導体と相互作用せず、単に通過するか、又はフォトン‐フォノンプロセスによって低エネルギーのフォトン及びフォノン内に解離される。第一の層内で光電流に変換されるのに十分高いエネルギーのままのフォトン（つまり、フォトンのエネルギー（Ｅ）が第一の太陽電池のバンドギャップ（Ｅｂｇ１）よりも大きくて、Ｅ＞Ｅｂｇ１である）は、フォトンフィルタによって反射されて、第一の太陽電池層内に戻される。これらのフォトンは、光電流に変換される二回目の機会を得る。好ましくは、第一の太陽電池層は非常に薄く且つ非常に純粋であり、非吸収プロセス、つまり、バンドギャップに適合しないフォトンによる熱変換に対する時間及び空間は少ない。Ｅ＜Ｅｂｇ１のエネルギーのバンドギャップのフォトンは、フィルタを介して、低いバンドギャップＥｂｇ２を有する第二の太陽電池層へと通される。これらのフォトンの大部分は、第二のバンドギャップと相互作用可能である。フォトンフィルタは低エネルギーフォトンを収集して、フィルタの他方の側の非常に小型のアパーチャを介して、低エネルギーフォトンを第二の太陽電池層内に集束する。これらの小型アパーチャは、フォトンに対して透過性である。また、フォトンフィルタの他方の側の残りの領域は、反射体材で覆われる。これは、第二の太陽電池層の底において、第二の太陽電池層内で光電流に変換することができるフォトンを反射して第二の太陽電池層に戻す反射体も存在するからである。この反射体から反射されたフォトンの一部は、第二の太陽電池層を通過する二回目の戻り行程においても吸収されないままである。これらのフォトンは、小型アパーチャ周囲の反射体材によって戻される。フォトンフィルタの太陽光入射側の反対側及びタンデム太陽電池システムの底の反射体は、第二の太陽電池層内に光電流を生成することができるフォトン、つまり典型的にはＥ＞Ｅｂｇ２のフォトンを閉じ込める。これらのフォトンは、吸収されるか、又はＥｂｇ２未満のエネルギーのフォトンに解離されるまで、前後に跳ね返る。
【００１３】
第二の太陽電池内へのフォトンの閉じ込めは、第一のフォトンフィルタが一方向性であることに起因するものである。つまり、小型アパーチャを介して戻る漏れフォトンの可能性が非常に低いことは別にして、フォトン群の大多数は、光電的吸収及び電流生成に好適なバンドギャップを有する第二の太陽電池内の二つの反射体の間を跳ね返る。上述のフォトンフィルタは、本発明者によって開発されて、“空間スペクトル変調（ｓｐａｔｉｏｓｐｅｃｔｒａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と命名された方法に依るものである。
【００１４】
また、上記例において、一方向性フォトンフィルタは、本発明に従って、二つの反射フォトンフィルタと、その間の反射防止コーティング及び／又は粗さによっても実現可能である。また、太陽電池及びフォトンフィルタの物質は、フォトンの一方向フィルタリングが本発明に従った物質の屈折率に基づいて達成されるように選択され得る。一方でこれらのフォトンフィルタは、浮遊角からの漏れフォトンとして理想的な一方向性におけるいくらかの損失を被る。
【００１５】
本発明の実施形態の一側面では、タンデム太陽電池は複数の太陽電池層を備え、二つの層の間にはフォトンフィルタが存在する。フォトンフィルタは、良好な量子効率（ＱＥ）（理想的には１に近い）で太陽電池層が機能するエネルギーにあるフォトンのみを閉じ込めるように微調整される。残りのフォトンは、フォトンフィルタによって単純に次の層に通される。実際には、好ましくは非常に薄い多くの層が存在し得て、又は、太陽電池と、量子効率が良好ではない、つまり１から遠いエネルギーのフォトン群との間に最小の相互作用が存在するように設計される。
【００１６】
量子効率に関しては、Ｌａｒｏｕｓｓｅ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに定義される一般的な意味を意味するものとする。つまり、量子効率（物理）：“特定の波長の入射放射のフォトン当たりの光電池内に放出される電子の数”である。本発明者は更に、このパラメータは、必要に応じて典型的な１００〜０％のスケールを生じさせるように正規化可能である点を指摘する。量子効率は、光電池が良好にフォトンを電気に変換しているかについての優れた尺度の例である。“検出器応答”又は“応答”は、波長の関数としての量子効率であり、つまり、フォトセルが異なるエネルギーの入射フォトンに対してどのように応答するのかを示す。
【００１７】
本願の太陽電池に関して、高い量子効率（ＱＥ，ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）とは、同じフォトンエネルギーにおいて他の太陽電池層のＱＥよりも高いＱＥのことである。実際には、特定の太陽電池層において保持する価値のあり得るスペクトルのバンドは、ＱＥが１０％を超える、つまり現在の卸売市場の太陽電池の一般的なＱＥである場合である。しかしながら、タンデム太陽電池が、現在の市場状況において石油及びガスを経済的に置換する場合には、略３０〜５０％を閾値ＱＥとすることが望ましい。本願において後述されるように、太陽電池層が３０〜５０％未満のＱＥを有するエネルギーのフォトンは、より高いＱＥを有する他の太陽電池層に移されることが望ましい。携帯型電子デバイスに関しても同様に、３０〜５０％を良好なＱＥとみなすことができるが、これは、本発明に従ったデバイス要求に依存する。例えば、ＮｏｋｉａのＥ７１携帯電話は、７２ｃｍ２の面積、３．７Ｖの電圧で１．５Ａｈのバッテリを有する。本発明の太陽電池が５０％の効率を達成して、７２ｃｍ２の面積で携帯電話表面を覆う場合、１０００Ｗ／ｍ２の太陽束とすると、これは、本出願人の計算によると、略１．５時間の露光でバッテリが完全充電されることを意味する。明らかなように、大抵の時間において充電器を使用する必要がないという追加の利点を提供するものであれば、略１週間のバッテリ寿命に対する１．５時間の露光は市場で手の届くものになり始めている。
【００１８】
上述の本発明の利点の一部又は全部は、上述のような反射フォトンフィルタによって分離されたバンドギャップの異なる多数（例えば百個）の太陽電池層が存在可能な一実施形態において得られる。典型的に、半導体接合は、非常に狭いバンドにおいてのみ高い量子効率を維持することができる。最適なエネルギーから逸脱する程、ＱＥは小さくなる。本発明の一実施形態では、波長空間において幅１０〜２０ｎｍのバンドにおいて高いＱＥを有する百個の太陽電池層が存在する。これらの電池によって、１５０ｎｍ（ＵＶ）から１５００ｎｍ（ＩＲ）の全太陽スペクトルを、非常に高い量子効率で動作する半導体接合でサンプリングすることができる。フォトンフィルタは、第一の太陽電池層が、波長空間において１５０〜１６０ｎｍのエネルギーのフォトンを有し、第二の太陽電池層が１６０〜１７０ｎｍのエネルギーのフォトンを有し、第三の太陽電池層が１７０〜１９０ｎｍのエネルギーのフォトンを有するといったように設定される。当然、第一の太陽電池層は、１５０ｎｍ〜１６０ｎｍにおいてのみ効率的であれば足り、これは達成が容易である。更に、可能な限り最低限で１６０ｎｍよりも長い波長のフォトンを乱すことが望ましい。これらのフォトンは後続の層へと通過し、各フォトンは、そのバンドにおいて最高の効率にある太陽電池層で、上述のように層自体の１０〜２０ｎｍのバンド内に閉じ込められる。
【００１９】
本発明に係るタンデム太陽電池は、第一及び第二の層の少なくとも二つの太陽電池層を備え、
‐  第一のフォトンフィルタが、第一の太陽電池層と第二の太陽電池層との間に配置され、
‐  太陽電池が、太陽光入射側の反対側にフォトンフィルタを備えて配置され、
‐  フォトンフィルタが、特定のエネルギーのフォトンを反射して第一の太陽電池に戻すように構成され、
‐  フォトンフィルタが、反射されずに第二の太陽電池に入射する他のエネルギーのフォトンに対して透明であるように構成されることを特徴とする。
【００２０】
上述のフォトンフィルタは、第二の太陽電池から戻ってくるフォトンを反射して戻し、これらのフォトンが第一の太陽電池に入射することを防止することによって、本発明に従ったフォトンフィルタの一方向性を実現するように構成される。一部実施形態では、第二の太陽電池の底に反射体が存在し、第二の太陽電池層に対して適切なエネルギーのフォトンの閉じ込めを実現する。
【００２１】
上述のタンデム太陽電池の製造方法は、本発明に従う。
【００２２】
本発明に係るフォトンフィルタは、λＸよりも短い波長を有するフォトンをその第一の側から反射し且つλＸよりも長い波長のフォトンに対して透明であるように、その長い波長のフォトンを、フォトンフィルタの第一の側の反対側の小面積アパーチャの外に集束することによって構成され、フォトンフィルタの他方の側は、λＸよりも長い波長のフォトンの少なくとも一部を反射するように構成される。
【００２３】
タンデム太陽電池は、本発明に従って少なくとも二つの太陽電池層を備え、そのタンデム太陽電池が、タンデム太陽電池の他の太陽電池層と比較して入射フォトンのエネルギーにおいて最高の量子効率（ＱＥ）を有する太陽電池層に入射フォトンを輸送するように構成されることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係るタンデム太陽電池は、第一及び第二の層の少なくとも二つの太陽電池層を備え、
‐  第一のフォトンフィルタが、第一の太陽電池層と第二の太陽電池層との間に配置され、
‐  反射防止コーティング層が、第一のフォトンフィルタと第二の太陽電池層との間に配置され、
‐  第二のフォトンフィルタが、反射防止コーティングと第二の太陽電池層との間に配置されることを特徴とする。
【００２５】
本発明に係るタンデム太陽電池は、第一の太陽電池層及び第二の太陽電池層の少なくとも二つの太陽電池層を備え、少なくとも一つの一方向性フォトンフィルタが、第一の太陽電池層と第二の太陽電池層の間に配置されることを特徴とする。
【００２６】
本願の文脈において“一方向性フォトンフィルタ”とは、フォトンの集団を反射するように構成され、また、フォトンの集団を一方向に通過させるように構成されるが、通過したフォトンが再びフォトンフィルタを介して戻らないように構成されたフォトンフィルタを意味する。このような理想的なフォトンフィルタは現実世界では製造するのが不可能でなくても難しいが、本発明は、四つの一方向性フォトンフィルタ、空間スペクトル変調フィルタ、反射防止コーティングフィルタ、粗い反射防止フィルタ及び／又は屈折率フィルタを提供する。これらのフィルタは、一方向的にフォトンをフィルタリングするこれらのフィルタの実用的限界を認識した上で、本願において一方向性のものであるとされる。
【００２７】
本発明に係るタンデム太陽電池は、Ｅｂｇのバンドギャップエネルギーを有する第一の太陽電池層と、第二の太陽電池層との少なくとも二つの太陽電池層を備え、第二の太陽電池が、Ｅｂｇ以上のフォトンエネルギーにおいて第一の太陽電池層よりも低い屈折率を有することを特徴とする。
【００２８】
上述のタンデム太陽電池において、第二の太陽電池は典型的に、本発明に従ってＥｂｇよりも低いフォトンエネルギーにおいて第一の太陽電池層よりも高い屈折率と、Ｅｂｇよりも低いバンドギャップも有する。
【００２９】
本発明に係るタンデム太陽電池は、第一の太陽電池層と第二の太陽電池層の少なくとも二つの太陽電池層を備え、少なくとも一つの太陽電池層が、同じ波長においてピーク値及び／又は高い値に達する量子効率（ＱＥ）対波長の関数と、屈折率対波長の関数とを有するように構成されることを特徴とする。
【００３０】
本発明に係る携帯型電子デバイスは、少なくとも一つの太陽電池を備え、その携帯型電子デバイスは、少なくとも一つの圧電性結晶、及び／又は、その携帯型電子デバイスの機械的動きから発電するように構成された少なくとも一つの機械的手段を特徴とする。その太陽電池は、好ましくはタンデム太陽電池であり、最も好ましくは本願で説明されるタンデム太陽電池であるが、一部実施形態では、従来の太陽電池でもあり得る。
【００３１】
更に、上述の利点を生じさせる実施形態を参照して、現状における本発明の最良の形態は、太陽電池層の間に一つ又は二つの本発明のフォトンフィルタを有する二重又は三重接合タンデム太陽電池であると考えられる。このタンデム太陽電池は、自己充電型携帯電話に電力を供給するのに使用され、その携帯電話は、携帯電話が光から隠される、つまり使用者のポケットの中にある場合の充電のバックアップとして、圧電性結晶や、例えば時計に見られるような振り子／バネシステム等の機械的／動力学的発電機を有することができる。
【００３２】
以下、添付図面に従った例示的な実施形態を参照して、本発明を詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一方向性フォトンフィルタ１０の実施形態をブロック図で示す。
【図２Ａ】二つの太陽電池層を備えた本発明のタンデム太陽電池の実施形態をブロック図２０で示す。
【図２Ｂ】代替的な一方向性フォトンフィルタを有する二つの太陽電池層を備えた本発明のタンデム太陽電池の実施形態をブロック図２１で示す。
【図２Ｃ】代替的な一方向性フォトンフィルタを有する二つの太陽電池層を備えた本発明のタンデム太陽電池の実施形態をブロック図２２で示し、太陽光入射側の集束手段も示す。
【図２Ｄ】太陽電池材に対する屈折率の選択によって実現された代替的なフォトンフィルタリングを有する二つの太陽電池層を備えた本発明のタンデム太陽電池の実施形態をブロック図２３で示す。
【図３】四つの太陽電池層を備えた本発明のタンデム太陽電池の実施形態３０をブロック図３０で示す。
【図４】本発明のタンデム太陽電池の動作の実施形態４０を、スペクトル、つまりエネルギー‐波長空間で示す。
【図５】本発明のタンデム太陽電池の動作の実施形態５０を流れ図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
実施形態の一部は従属項に記載されたものである。
【００３５】
図１は、タンデム太陽電池内の二つの太陽電池層の間に配置されるフォトンフィルタ１００の例示的な実施形態を分離して示す。入射太陽光側は、この図では上方とされる。一部実施形態では、λ２のフォトンは、λ１のフォトンよりも高いエネルギーを持ち、つまり、λ２＜λ１である。しかしながら、フィルタ１００を逆に構成することも可能であり、つまり、本発明に従って、低エネルギーのフォトンを反射する一方で、高エネルギーのフォトンを通過させる。フォトンフィルタ１００は、太陽光入射側上に反射カバー１１０を有する。反射カバー１００は、ルゲート（Ｒｕｇａｔｅ）フィルタや、本発明に従う他の光学バンドパスフィルタであり得る。反射カバーの下方には、反射されないフォトン（つまり、反射カバー１１０を通過するフォトン）用の少なくとも一つの集束手段が存在する。集束手段は典型にはいずれかの形状のレンズであり、図では円形に示され、フォトン群を細いホーン１３０内に集束する。このホーンは、内側から反射材で覆われ得て、ホーンを通過するフォトンが、少なくとも一つの小型アパーチャ１４０の外に向けられるようにする。一部実施形態では、ホーンが存在しないものであり得るが、こうした実施形態でも、フォトンは、フィルタ１００を出る際に、小さなスポットに集束される。入射太陽光の反対側では、領域の大半が、他のフォトン反射体１５０で占められる。小型アパーチャは、反射体１５０内に埋め込まれて、フォトンフィルタ１００の他方側の領域の一部のみを占める。反射体１５０は、少なくとも一つのアパーチャ１４０から太陽電池の下方に入射したが太陽電池層と相互作用せず第二の太陽電池層の他方側の他のフィルタによって反射されたフォトンを反射して戻すように設計される。一部実施形態では、反射体１５０の面積対アパーチャ１４０の面積の比は、本発明に従って可能な限り大きくされる。これは、反射体１５０の面積と比較して、アパーチャの面積が小さくなる程、反射フォトンが第一の太陽電池２００に漏れて戻されてフィルタの一方向性を破る確率が小さくなるからである。
【００３６】
一部実施形態では、反射体１５０による反射を許容する空間変調の効果は、入射を小型アパーチャ内に集束することに加えて、他の手段によっても実現可能である。例えば、一部実施形態では、一方向性透明フィルタを用いて、本発明に従って集束手段１２０及びアパーチャ１４０を置換することができる。この実施形態では、透明性が実際に一方向性であることが重要であり、本発明に従って、フィルタ１００は、次の層にフィルタリングされたフォトンを第一の層２００に戻してはならない。
【００３７】
フィルタ１００、１１０、１５０は、本発明に従ったバンドパス、ショートパス、ロングパス、及び／又は、ノッチフィルタ、ルゲートフィルタ、及び／又は、離散層積層フィルタであり得る。
【００３８】
本発明の一部実施形態では、太陽電池層は、僅か数ナノメートルの厚さのものであり得て、本発明に従って、フォトンフィルタも非常に薄くて僅か数ナノメートルの厚さのものであり得る。
【００３９】
一部実施形態では、少なくとも一つのアパーチャ１４０は、アパーチャから第二の太陽電池内へと効率的にフォトンを拡散させる回折又は分散素子を含む。
【００４０】
少なくとも一つの集束手段１２０、ホーン１３０、アパーチャ１４０、反射体１１０及び又は１５０は、本発明に従ったいずれかの物質製であり得る。光学フィルタ及び／又は反射体の構成要素１１０、１３０、１５０、及び／又は集束素子１２０、１２１、１４０、１４１は、本発明に従った以下のいずれかで作製され得る：反射箔（金属箔等）、紫外／可視／赤外ミラー（アルミニウム又は金ミラー等）、又は不透明体を備えたこれらのミラー若しくはミラー箔、低膨張ガラス基板上の真空蒸着金属コーティング、アルミニウム／ＭｇＦ２ミラー、アルミニウム／ＳｉＯミラー、アルミニウム／誘電体ミラー、保護金ミラー、及び／又は、通常のミラー、及び／又は、ルゲートフィルタ材、及び／又は、誘電積層材、及び／又は、バンドパス、ショートパス、ロングパス、及び／又は、ノッチフィルタ。本発明の一部実施形態では、反射及び／又は集束材の選択は、コスト及び利用性等の実用性の他に、物質の反射率‐波長の関数に基づくことが望ましい。一部実施形態では、反射及び／又は集束は、最大で遠赤外線まで十分なものであることが好ましく、又はいずれの場合でも、太陽電池層の最小バンドギャップに等しい波長まで十分なものであることが好ましい。また、集束構造は、一方向性フィルタを実現するために、ルゲートフィルタ及び／又は誘電積層フィルタであるフィルタ、又は、これら二つの技術を組み合わせたフィルタと置換可能である。これは、フォトンが戻ることを防止するフィルタを通過したフォトンに対して、フィルタ１００の後のフォトンの角度及びエネルギー分布によって、全内部反射が外面１５０において実際に常に存在するようにして実現可能である。しかしながら、フォトンが他方の側（１１０）からやって来る場合（つまり、フォトンは反射されていない）、これらのフォトンは、内側から面１５０を突き抜けるように整列される。
【００４１】
実施形態１０は、本発明に従って、後述の実施形態２０、２１、３０、４０及び５０と自由に組み合わせ及び置換可能である。
【００４２】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄは、本発明のタンデム太陽電池２０を実現するために、二つの太陽電池層を本発明のフォトンフィルタと組み合わせた本発明の実施形態を示す。入射太陽光は、図示されるように図の上部にある。第一の太陽電池層２００又は本願で後述される太陽電池層は典型的に、本発明に従って、Ｓｉ（シリコン）、多結晶シリコン、薄膜シリコン、アモルファスシリコン、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＧａＡｌＡｓ（ヒ化ガリウムアルミニウム）、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＰ（リン化ガリウム）、ＩｎＧａＡｓ（ヒ化インジウムガリウム）、ＩｎＰ（リン化インジウム）、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＡｓＰ（リン化ガリウムヒ素）、ＧａＡｓＰ／ＧａＰ、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＣＩＳ（Ｃｏｐｐｅｒ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｄｉｓｅｌｅｎｉｄｅ，二セレン化銅インジウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＩｎＧａＰ（リン化インジウムガリウム）、ＡｌＧａＩｎＰ（リン化アルミニウムガリウムインジウム）、ＩｎＳｂ（アンチモン化インジウム）、ＣＩＧＳ（Ｃｏｐｐｅｒ  Ｉｎｄｉｕｍ／Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｄｉｓｅｌｅｎｉｄｅ，二セレン化銅インジウムガリウム）、及び／又はＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）製であるか、これらを含み得る。同様に、第一の太陽電池層２００又は本願で後述される太陽電池層は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、非特許文献１及び非特許文献２（これらの文献は全て本発明に従って参照として本願に組み込まれる）に記載される光電効果を可能する素子、合金の組み合わせ、又は物質を特徴とし得る。
【００４３】
図面において、入射フォトンは、太陽電池のｐ‐ｎ接合に当たり、電子を励起して、負荷に電力供給を行うのに使用可能な光電流を生じさせる。第一のフォトンフィルタ１００は、太陽電池層２００と２０１との間に配置され、太陽電池２００は、太陽光入射側の反対側にフォトンフィルタ１００を備えて配置される。フォトンフィルタ１００は、第一の太陽電池２００が高い量子効率を有するエネルギーにあるエネルギーでフォトン（λ２のフォトン）を反射して第一の太陽電池２００に戻すように構成される。他方、フォトンフィルタ１００は、他のエネルギー又は波長λ１のフォトンに対しては透明であるように構成され、これらのフォトンは、第二の太陽電池（２０１）に入射するようにされる。フォトンフィルタ１００は、λ１のフォトンが第一の太陽電池層に戻らないようにすることによって、一方向性を実現する。従って、第一の太陽電池層２００において光電流に変換可能なエネルギー／波長λ２を有するフォトンは、例えば反射体１１０によって反射されて第一の太陽電池層２００に戻されて、第二の太陽電池層２０１等の他の太陽電池層に輸送されるようにはされ得ず、第二の太陽電池層２０１のエネルギーバンドギャップよりも高いエネルギーの場合には、これらのフォトンは閉じ込められたままである。
【００４４】
一部実施形態では、太陽電池層は、望ましくないフォトンの相互作用（つまり、太陽電池層の量子効率が悪いエネルギーにおいて生じる相互作用）の散乱断面積を最小化するために非常に薄い。こうした相互作用は、太陽電池を加熱する。一部実施形態では、太陽電池２００の太陽光入射側は、半透過性フィルム、又は図２Ｂに示される反射防止コーティング１６７によって覆われる。一部実施形態では、太陽電池２００の太陽光入射側の上に、太陽フォトンを入射させるだけで外に出さないフィルムが存在する。本発明の一部実施形態では、この反射防止効果が、第一の太陽電池２００の太陽光入射表面を粗くすることによって得られる。
【００４５】
本発明の一部実施形態では、入射太陽光は、第一の太陽電池２００の部分に集束されて、結果としてのビームが、第一の太陽電池層２００を通過した後に、反射体１１０によって分散されるようにされる。つまり、反射体は、本発明の一部実施形態において異なる形状も有し得る。これは図２Ｃにより詳細に示されていて、レンズ１９０は、フォトンを空乏領域に集束し、反射体は、フォトンを、空乏領域内に、更には反射体１８０、１８１上に分散させるための分散手段１９５を有する。特にこの実施形態では、第一の太陽電池２００の太陽光入射表面の一部分に、本発明に従ってフォトン反射体１８０、１８０が備わるようにされるが、特に、入射フォトンが第一の太陽電池２００の他の部分に集束されていて、多くの入射フォトンを有さない部分に備えられる。反射体１８０、１８１は、典型的には全太陽光バンドに対するものであるが、λ２のフォトン用に特に設計することもできる。
【００４６】
反射体フィルタ１１０は典型的にルゲートフィルタであるが、一部実施形態では本発明に従った他のバンドパスフォトンフィルタであり得る。フィルタ１１０は、フォトンを二つの群に分割する。つまり、反射フォトンλ２及び通過フォトンλ１である。本発明の一部実施形態では、群を分割するカットオフ周波数／波長／エネルギーλＸが存在し、第一のフォトンフィルタの場合、カットオフλＸ１００とする。
【００４７】
図２Ａでは、第二の太陽電池２０１が、太陽光入射側の反対側１１１と、太陽光入射側１５０とにフォトンフィルタを備えて配置される。フォトンフィルタ１００は、反射体１１０によって反射されなかった他のエネルギーのフォトンを集束するように構成されて、これらのフォトンは、小型アパーチャを介して、太陽光入射側の反対のフォトンフィルタ１００側から入射する。これらのフォトンが第二の太陽電池層に入射すると、再び上述の手順を経るが、バンドギャップ及びカットオフ波長は異なる。λ１のフォトンは、第二の太陽電池層２０１のバンドギャップと相互作用し、つまり、少なくともこれらのフォトンは、そのようにするためのエネルギーを有する。
【００４８】
本発明のフォトンフィルタは、太陽スペクトルに対する空間スペクトル変調（ｓｐａｔｉｏｓｐｅｃｔｒａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行うもの、つまり、図２Ａの空間（小型アパーチャ上の集束）並びに周波数空間（フィルタリング）においてフォトンの信号／群を変更するものであるとまとめることができる。
【００４９】
一部実施形態では、第二の太陽電池２０１は、太陽光入射側の反対側に第二のフォトンフィルタ１０１を備えて配置される。第二のフォトンフィルタ１０１は、λ１のフォトン群を二つに分割する。ここで、カットオフ波長をλＸ１１１とする。第二のフォトンフィルタ１０１は、第二の太陽電池２０１が高い量子効率を有するエネルギーであるエネルギーで、フォトンを反射して第二の太陽電池２０１に戻すように構成される。これらのフォトンは、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄにおいてはλ４と印が付けられている。また、一部実施形態では、第一のフォトンフィルタ１００は、第一のフォトンフィルタ１００の太陽光入射側の反対側のフォトン反射体１５０と共に、第二の太陽電池２０１が高い量子効率を有するエネルギーであるエネルギーで、フォトンを反射して第二の太陽電池２０１に戻すようにも構成される。これらのフォトンは図２Ａにλ５と印が付けられている。一部実施形態では、波長が同じであり、つまり印の付けられたフォトンがλ４＝λ５であるが、他の実施形態では、本発明に従って異なるものであり得る。一部実施形態では、フォトンフィルタ１００、１０１は、第二の太陽電池２０１が高い量子効率を有するエネルギーにある第二の太陽電池層内にフォトンを閉じ込めるように構成される。こうしたエネルギーのフォトンは、第二の太陽電池層２０１によって吸収されるか、又はフォトン‐フォノンプロセス（エネルギー／波長λ３のフォトン群内にフォトンを逃がして、フィルタ１０１を介して出て行かせる）を経るまで、フィルタ１００、１０１間で跳ね返る。言い換えると、第二のフォトンフィルタ１０１は、第二の太陽電池２０１が高い量子効率を有するエネルギーにはないフォトンに対して透明であるように構成され、これらの透明なフォトンは、第三の太陽電池２０２（図示せず）に入射するか、又はタンデム太陽電池システムを出て行くようにされる。
【００５０】
上述の太陽電池の製造方法も本発明によるものである。本発明の一部実施形態では、太陽電池層及び／又はフォトンフィルタの少なくとも一つを、リソグラフィ、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ，ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｖａｐｏｕｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）、チョクラルスキー（ＣＺ，Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）シリコン結晶成長法、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ‐ｄｅｆｉｎｅ  ｆｉｌｍ‐ｆｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ）法、フロートゾーンシリコン結晶成長法、インゴット成長法、及び／又は液相エピタキシ（ＬＰＥ，ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）によって、生成、製造及び／又は成長させる。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、非特許文献１、非特許文献２、特許文献７、特許文献８に記載の製造方法を適用して、本発明に係る太陽電池を製造することができる。
【００５１】
光学フィルタの構成要素；  反射体素子１１０、１１１、１３０、１３１、１５０、１５１及び／又は集束素子１２０、１２１、１４０、１４１は、本発明に従って以下のいずれかで形成可能である：  反射箔（金属箔等）、紫外／可視／赤外ミラー（アルミニウム又は金ミラー等）、不透明体を備えたこれらのミラー又はミラー箔、低膨張ガラス基板上に真空蒸着させた金属コーティング、アルミニウム／ＭｇＦ２ミラー、アルミニウム／ＳｉＯミラー、アルミニウム／誘電体ミラー、保護金ミラー、及び／又は、通常のミラー、及び／又は、ルゲートフィルタ材、及び／又は、誘電積層材、及び／又は、バンドパス、ショートパス、ロングパス、及び／又は、ノッチフィルタ。本発明の一部実施形態では、反射材及び／又は集束材の選択は、コスト及び利用性等の実用性の他に、物質の反射率‐波長の関数に基づくことが望ましい。一部実施形態では、反射及び集束は、最大で遠赤外線まで十分なものであることが好ましく、又はいずれの場合でも、太陽電池層の最小バンドギャップに等しい波長まで十分なものであることが好ましい。
【００５２】
実施形態２０は、本発明に従って、上述及び後述の実施形態１０、２１、２２、２３、３０、４０及び／又は５０と自由に組み合わせ及び置換可能である。
【００５３】
図２Ｂは、本発明のタンデム太陽電池用の代替的な本発明のフォトンフィルタ構成を示す。太陽光は、上述のように、タンデム太陽電池の第一の太陽電池２００に入射する。フィルタ１１０は好ましくは、高エネルギー且つ短波長のλ２のフォトンを反射して太陽電池２００に戻すように調節され、第一の太陽電池２００は典型的に、高いエネルギーバンドギャップ、及びこれらの高いエネルギーにおいて高い効率を有する応答又は量子効率（ＱＥ）の関数を備えて配置される。フィルタ１００は、長い波長λ１の低エネルギーフォトンを通過させるように構成される。λ１のフォトンは、第二の太陽電池２０１（これらのフォトンのエネルギーにおいて高い量子効率を有する応答及びバンドギャップを有する）に入射するようにされる。しかしながら、第二の太陽電池２０１は、太陽光入射側にフォトンフィルタ１７０を必要とし、λ１のフォトンは、それを通過して、第二の太陽電池２０１内へのフォトンの閉じ込めを確実にするようにされる。このようにするため、反射防止コーティング１６０が、二つのフィルタ１１０と１７０との間に配置される。フィルタ１７０は、第二の太陽電池２０１の入射側でλ１のフォトンを反射して第二の太陽電池２０１に戻すように構成されるので、これらのフォトンを、注意深くフィルタ１７０を介して第二の太陽電池２０１に入り込ませる必要があり、フィルタ１７０は、これらのフォトンを反射して第一の太陽電池２００に戻さない。何故ならば、λ１のフォトンは、本発明に従って電流に変換することができないので、そこにおいては必要とされていないからである。
【００５４】
反射防止コーティング１６０は典型的に、屈折率√（ｎ１１０ｎ１７０）の四分の一波長層であり、ここでｎ１１０はフィルタ１１０の屈折率、ｎ１７０はフィルタ１７０の屈折率である。このように、反射防止コーティングは典型的に、（１／４）×λ１程度の厚さを有する。最適厚さは、波長の関数として変化するので、反射防止コーティングの最適厚さは、本発明の一部実施形態では、フォトンフィルタ１１０を介して現れる二次フォトンスペクトルに応じて、λ１から著しく逸脱し得る。
【００５５】
本発明の一部実施形態では、反射防止コーティング１６０は、その反射防止コーティング１６０のスペクトル範囲を増大させるために、典型的には異なる複数の波長に基づいて、上述の四分の一波長層の複数層を含む。本発明の一部実施形態では、屈折率が、好ましくは本発明の他の設計要求に適合するために、√（ｎ１１０ｎ１７０）から逸脱し得る。反射防止コーティング１６０は、λ１のフォトンの第二の太陽電池層２０１内へのスムーズな移行を達成するように設計されて、フィルタ１７０と第二の太陽電池層２０１との間に反射防止コーティングが存在しないことは、第二の太陽電池層２０１内に存在するフォトンがフィルタ１７０を介して第一の太陽電池層２００に向けて戻ることを防止するように設計される。
【００５６】
本発明の一実施形態では、物質の屈折率は、フィルタ１７０と第二の太陽電池層２０１との間に全内部反射が存在するように調節される。この実施形態では、好ましくは、フィルタ１７０が低い屈折率を有する一方、第二の太陽電池層２０１は、高い屈折率を有することが望ましい。これは、本発明により、また、臨界角の法則θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｔｏ／ｎｆｒｏｍ）の観点から好ましく、ここで、ｎｔｏは、フォトンが向かう目的地の物質の屈折率であり、ｎｆｒｏｍは、そこからフォトンが目的地の物質に入射しようとする物質の屈折率である。よって、フィルタ１７０が、第二の太陽電池層２０１と比較して低い屈折率を有すると、フィルタ１７０から第二の太陽電池層２０１に向かうフォトンに対して、ａｒｃｓｉｎ（高）が定義されず、グレージング角においても全内部反射が無く、フォトンは通過する。しかしながら、ａｒｃｓｉｎ（低）では、略垂直入射で戻るフォトンに対しても全内部反射が生じる。一部の特定の界面では、物質の屈折率を、本発明に従ったフォトンの好ましい分布を実現するのに用い得る。
【００５７】
実際、本発明の一部実施形態では、物質の屈折率が適切に調節されれば、反射防止コーティング１６０は必要無い。
【００５８】
実際、一実施形態では、二つの太陽電池層２００、２０１の間にフィルタが存在せず、特定の波長における物質の屈折率が、正しいフォトンエネルギーにおける正しい太陽電池層に対するフォトンの閉じ込め、及び二つの太陽電池層２００、２０１の間の界面が、本発明の一方向フォトンフィルタを実現するように、選択される。この実施形態は図２Ｄに示される。例えば、一実施形態では、第二の太陽電池２０１は、第一の太陽電池２００のエネルギーバンドギャップ以下のエネルギーにおいて高い相対屈折率を有し、第一の太陽電池２００のエネルギーバンドギャップよりも高いエネルギーにおいて低い相対屈折率を有する。この屈折率の選択により、第一の太陽電池層２００のバンドギャップに対してより適切な高エネルギーフォトンが、第二の太陽電池２０１の界面において反射して、第一の太陽電池２００内に戻される。
【００５９】
更に、第二の太陽電池２０１のバンドギャップにより適切な低エネルギーフォトンは、界面を透過する。更に、第二の太陽電池２０１内に透過したフォトンは典型的に、第二の太陽電池２０１の底の反射体から反射して戻される。これらのフォトンが界面に戻る場合、戻ってくる反射フォトンに対して、界面が高い相対ｎｆｒｏｍ及び低い相対ｎｔｏを有するので、全内部反射の傾向が非常に高い。従って、戻ってくるフォトンは、更なる第三の太陽電池層上へと通過できるか、又は同様の屈折率の界面若しくは前述の他の一方向性フィルタの選択肢のいずれかを介して出て行くことができない限りは、第二の太陽電池層２０１内に閉じ込められる。更に、タンデム太陽電池において、太陽電池材の屈折率波長の関数が、その太陽電池材のバンドギャップ近傍にピークを持つことが望ましく、更に好ましくは、そのバンドギャップから離れたエネルギーにおいて低い屈折率を有することが望ましい。従って、タンデム太陽電池の太陽電池層は、屈折率対波長の関数と共にピークを有するＱＥ（量子効率）対波長の関数を有することが望ましく、つまり、高い屈折率は、本発明のタンデム太陽電池の太陽電池層における高いＱＥに理想的に関係する。
【００６０】
上述のように太陽電池層の物質の屈折率を選択することによって実現される二以上のフォトンフィルタを有することが本発明に従っているのは明らかである。例えば、四つの太陽電池層を備えたタンデム太陽電池は、適切な屈折率を有する個々の太陽電池層を選択することによって実現された二つの界面、及び、上述のような空間スペクトル変調、反射防止コーティング、及び／又は粗い界面等のより複雑な一方向性フォトンフィルタ構成のいずれかを有する一つの界面を有し得る。勿論、図２Ｃに示されるように、太陽電池層の間に単一のフィルタ層を有することも、本発明に従っている。
【００６１】
そして、λ１のフォトンが、フィルタ１７０を介して第二の太陽電池２０１に入射し、λ４のフォトンが、第二の太陽電池２０１内に閉じ込められるようにされる一方、λ３のフォトンは、フィルタ１１１を通過して、第二の太陽電池２０１の外に出るようにされる。これまで説明してきたことと一致して、第二の太陽電池２０１は典型的に、フォトンλ４のエネルギーにおいて高い量子効率を有するようにされ、そのフォトンλ４は典型的に、フォトン群λ１の高エネルギーフォトンである。典型的には、本発明によると、フォトンλ３は、低エネルギー及び長波長を有し、その波長において第二の太陽電池２０１はもはや効率的ではない。従って、λ３のフォトンは、第二の太陽電池を出て行くようにされて、第三の太陽電池（図示せず）に入射するか、又は単純にタンデム太陽電池を出て行き得る。λ３のフォトンは典型的に、本発明に従ってフィルタ１１１を透過して、反射防止界面１６５に達する。何故ならば、λ３のフォトンは、前述のように第二の太陽電池内においては必要とされていないからである。
【００６２】
この特定の場合、反射防止界面１６５は、二つのフォトンフィルタ１１１と１７１との間の界面を粗くすることによって得られる。粗い界面１６５は、全内部反射、及びフォトンフィルタ１７１による一般的な反射を防止するようにされる。これは、粗い界面において、フォトンは、全内部反射の角度における一回の反射で界面から出て行くことができず、代わりに、典型的には透過を許容する粗い表面のいずれかにおける入射角で、フォトンフィルタ１７１に当たるからである。
【００６３】
本発明の一部実施形態では、図２Ｂの反射防止コーティング１６０及び／又は反射防止界面１６５を用いて、図２Ａの空間スペクトル変調光学フィルタ構成（１２０、１３０、１４０）を置換することができるのは明らかである。
【００６４】
本発明のタンデム太陽電池は、あらゆる数の太陽電池、あらゆる数のフィルタ構成、及びあらゆるタイプのフィルタ構成を特徴とすることができるのは明らかであり、反射防止コーティング１６０、反射防止界面１６５、適切に選択された屈折率ｎｔｏ、ｎｆｒｏｍ、及び／又は空間スペクトル変調が、本発明に従ってあらゆる組み合わせ及び／又は置換で含まれ得る。あらゆる界面を、反射防止性を増大させるために粗くすることができる点は留意されたい。例えば、前述のように選択された屈折率に基づいてフォトンをフィルタリングする界面を、本発明に従って粗くすることができる。
【００６５】
簡単のため、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄでは、タンデム太陽電池が、入射太陽光に平行な空乏領域界面を有するとする。空乏領域界面は、入射太陽光に対して垂直であり得て、又は、要点は本発明に従ってフォトンを光電的に活性な第一の太陽電池２００内に到達させることであるので実際にはあらゆる角度であり得るのは明らかである。本発明の一部実施形態では、ｐ領域とｎ領域との間の空乏領域界面は、入射太陽光に対して垂直に配置されるが、本発明に従ったあらゆる位置決めが可能である。発生した光電流を収集する電気コンタクトは、前面コンタクト２５０及び背面コンタクト２５１として図２Ｂには示されているが、本発明に従った他の構成に適合するように配置可能であることは明らかである。電気コンタクトは典型的に、遮蔽損失を最小化するために隠されて、例えば、前面コンタクト２５０に対して示されるように、角度付け埋め込みコンタクト（Ａｎｇｌｅｄ  Ｂｕｒｉｅｄ  Ｃｏｎｔａｃｔ）によって隠されて、コンタクトが、表面下に角度をつけて埋め込まれることによって、入射放射に対する遮蔽を生じさせない。更には、本発明に従って、埋め込みコンタクトがフォトンに対して反射性とされることが望ましい。同様に、集光器、レンズ等を用いて、太陽光又は他のソースからの光を、本発明の太陽電池に、特に本発明に従った第一の太陽電池２００（図２Ｃにその一例が示されている）の入射側に集束させることができる。
【００６６】
実施形態２１は、本発明に従って前述及び後述の実施形態１０、２０、２２、２３、３０、４０及び／又は５０と自由に組み合わせ及び置換可能である点に留意されたい。
【００６７】
図２Ｃは、集束手段１９０及び閉じ込め反射体１８０、１８１を太陽光入射側に備えた実施形態を示す。フォトンは典型的に空乏領域に集束されて、反射フォトンが、その反射フォトンが通って来たアパーチャを介して太陽電池の外に反射されないようにするために、第一の太陽電池層２００の底に分散反射体１９５が存在し得る。
【００６８】
図２Ｃは、太陽電池層２００、２０１の間の単一の一方向性フィルタ１００も示し、これは本発明の有用な実施形態である。
【００６９】
実施形態２２は、本発明に従って前述及び後述の実施形態１０、２１、２３、３０、４０及び／又は５０と自由に組み合わせ及び置換可能である点に留意されたい。
【００７０】
図２Ｄは、本発明の最も単純な実施形態２３を示すが、選択される物質に対して最も厳しい基準が課される。この実施形態では、フィルタ１００は、前述のように選択されたバンドギャップ及び屈折率を有する二つの太陽電池層２００、２０１の間に界面１００によって純粋に実現される。
【００７１】
実施形態２３は、本発明に従って前述及び後述の実施形態１０、２１、２２、３０、４０及び／又は５０と自由に組み合わせ及び置換可能である点に留意されたい。
【００７２】
図３は、四つの太陽電池層２００、２０１、２０２及び２０３と、三つ又は四つのフォトンフィルタ１００、１０１、１０２及び１０３が存在する本発明の実施形態を示す。当然のことながら、本発明の重要な進歩的コンセプトの一つは、各太陽電池層が、それらが高い量子効率（ＱＥ）を有するバンドで、そのエネルギーバンドの可能な限り多くのフォトンと共に作用して、そのエネルギーバンドにないフォトンを、それらのフォトンのエネルギーバンドにおいてより良いＱＥを有する他の太陽電池層に移動させることである。従って、太陽電池層のＱＥ‐波長プロファイルは、いくつの太陽電池層を設計中に組み込むのかという点に対して重要なものとなる。典型的には半導体の接合に対して、バンドが最適エネルギー周辺で狭くなる程、量子効率が高くなる。入射バンドが、バンドギャップよりも僅かに大きいエネルギーのフォトンを有する場合、フォトンの略全てのエネルギーが、光電的に変換されて、高い効率がもたらされる。
【００７３】
本発明の一実施形態３０では、タンデム太陽電池は複数の太陽電池層２００、２０１、２０２、２０３を備え、二つの太陽電池層の間には、フォトンフィルタ１００、１０１、１０２が存在する。フォトンフィルタは、太陽電池層が良好な量子効率（ＱＥ）（理想的には１に近い）で機能するエネルギーにあるフォトンのみを閉じ込めるように微調整される。残りのフォトンは、フォトンフィルタによって、単純に次の層に通される。太陽電池層２００、２０１、２０２は好ましくは非常に薄くて、そうでなければ、量子効率が良好ではない、つまり１から遠いエネルギーにおいて、太陽電池とフォトン群との間に最小の相互作用が存在するように設計される。一部実施形態では、最後の太陽電池層、つまりこの場合２０３は厚いものであり得る。また、太陽光入射側の反対側に反射ミラーも有し得て、又は、熱フォトンを外に出すがこれらのフォトンを光起電バンドギャップ吸収ポテンシャル、つまり吸収されるのに十分なエネルギーで閉じ込めるように設計可能なフォトンフィルタを有し得る。
【００７４】
本発明の好ましい一実施形態では、第一の太陽電池層２００は、バンドギャップ３．４ｅＶ（電子ボルト）のＧａＮ層である。本発明の一部実施形態では、第二の太陽電池層２０１は、バンドギャップ１．９３ｅＶのＩｎＧａＰ層である。本発明の一部実施形態では、第三の太陽電池層２０２は、バンドギャップ１．１ｅＶの多結晶シリコン層である。本発明の更なる実施形態では、最後の太陽電池層２０３が、バンドギャップ０．１７ｅＶのＩｎＳｂである。カットオフ波長λＸｓはどのようなものになるだろうか？層２００において、３．４ｅＶ未満のフォトンは、光電流に吸収不能であるので、役に立たない。従って、λＸ１００は、３．４ｅＶ程度、つまり３６５ｎｍに等しいことが望ましく、３６５ｎｍ（ｎｍ＝ナノメートル）より長い光子を通過させるＵＶミラーが望ましい。従って、１．９３ｅＶの第二のＩｎＧａＰ太陽電池層２０１は、λＸ１０１が１．９３ｅＶ程度、つまり６５３ｎｍに等しいことを要し、つまり、６４３ｎｍよりも長いフォトンを通過させる可視光ミラーが望ましい。１．１ｅＶの第三の多形シリコン太陽電池層２０２は、λＸ１０２に対して１１２８ｎｍを要し、つまり赤外ミラーを要する。１１２８ｎｍ程度の閾値よりも長いフォトンは、０．１７ｅＶ（７３０１ｎｍ）のＩｎＳｂのバンドギャップを有する第四の層２０３を通過する。本発明の一部実施形態では、この最後の層２０３は厚くされる。何故ならば、残りの全てのフォトンがこの層２０３で相互作用することが望ましいからである。
【００７５】
本発明の一部実施形態では、太陽電池システムを薄くすることが望ましい。本発明の一部実施形態では、各太陽電池層の厚さは、太陽電池層におけるフォトンの粒子性を保証するために、バンドギャップと同等の波長の妥当な乗数である。例えば、乗数が１０であれば、太陽電池層２００、２０１、２０２、２０３の厚さはそれぞれ、３６５０ｎｍ、６４３０ｎｍ、１１２８０ｎｍ、７３０１０ｎｍである。本発明の好ましい実施形態において、四分の一波長反射防止コーティングはそれぞれ、略９１．２５ｎｍ、１６０．７５ｎｍ、２８２ｎｍ、１８２５ｎｍの厚さを有する。フィルタがかなりの厚さを有するとすると、その構造は、本発明のこの実施形態によると、略１ミリメートルの厚さである。当然、これらのパラメータは、本発明に従って微調整可能である。四層タンデム太陽電池が好ましい実施形態であることは明らかである。何故ならば、これは、太陽スペクトル、並びに結果としての二次スペクトル（第一の太陽電池層の後に現れるスペクトル）、三次スペクトル（第二の太陽電池層の後に現れるスペクトル）、四次スペクトル（第三の太陽電池層の後に現れるスペクトル）等をサンプリングするからである。
【００７６】
実施形態３０は、本発明に従って前述及び後述の実施形態１０、２０、２１、２２、２３、４０及び／又は５０と自由に組み合わせ及び置換可能である点に留意されたい。
【００７７】
図４は、エネルギー空間、つまりスペクトル空間における本発明の例示的な実施形態を示す。入射太陽スペクトル３００は、ＵＶの２００ｎｍから略２４００ｎｍまで走っていて、スペクトル３００は、地球上で典型的なＡＭ１．５Ｇ  １０００Ｗ／ｍ２太陽スペクトルである。第一の太陽電池層２００は、ＧａＮよりもエネルギーが僅かに低くて、ＩｎＧａＰよりもエネルギーが僅かに高い太陽電池応答を有する。これは、スペクトル３００の下に置かれたＱＥプロットに示されるように、３６５〜６４５ｎｍ（つまり青色光）の間のおいて適度に高いＱＥを有する。太陽電池応答は、入射スペクトル３００の強強度の大きなバンプと事実上一致するので、収集された光電流パワースペクトル４００、従って第一の太陽電池層２００によって発生したエネルギー及びパワーのスペクトル分布を示す光電流パワースペクトルは、第一の太陽電池層２００の応答の形状と非常に似ている。しかしながら、フォトンスペクトル４０１は、第一のフォトンフィルタ１００に達した際に全く変わったものになる。フォトンフィルタ１００は、本発明の一部実施形態においてフォトンスペクトル４０１を空間スペクトル的に変調し、又は、上述のように他の一方向性フィルタを使用する。好ましくは、フォトンフィルタ１００は、本発明に従って、高エネルギーで短波長のλ２フォトン、つまり、太陽電池層２００のエネルギーバンドギャップに対応するλＸ１００の短波長のフォトンを反射する。λ１のフォトンは、集束手段又は他の空間変調手段によって第二の太陽電池層２０１に通されて、変調の空間成分がもたらされ、又は、一部実施形態においては、本発明に従って他の一方向性フィルタによってこの層は再び異なるカットオフ周波数λＸ１０１を有する。
【００７８】
太陽電池応答２０１は、このフォトン群から光電流を変換する。フォトンフィルタ１０１は、λ４のフォトンを反射して太陽電池層２０１に戻し、これを行う反射体は、太陽光入射側と同じ方向を向く側に存在する。フォトンフィルタ１００は、λ１のフォトンを第二の層２０１内に放出する小型アパーチャ周辺に反射体１５０を有し、又は、他の反射フィルタや、前述のような第二の太陽電池層に向き合う太陽入射側の界面を有する。この反射体は、フォトンフィルタ１００の太陽光入射側の反対側からλ５のフォトンを反射して戻し、第二の太陽電池層のバンドギャップと相互作用可能なフォトンに対して、フォトンフィルタ１００、１０１間のフォトン閉じ込めを生じさせる。フォトンフィルタが一方向性であったとしても、実際の条件下では、完全に理想的な一方向性フィルタリングの結果が得られない可能性がある：空間スペクトル変調では、小さなフォトン漏れが、アパーチャに戻るフォトンの予測不能な入射を介して生じて、屈折率構造において、一部の浮遊角（その入射角においては、フォトンの小さな集団が、それらが現在存在している太陽電池層に閉じ込められるべきエネルギーにあっても、一方向性を破る可能性がある）の光子が残り得る。
【００７９】
残りの低エネルギーフォトンλ３は、一部実施形態では、本発明に従って第三の太陽電池層２０２上に通されるか、又は本発明の一部実施形態では、タンデム太陽電池の外に単純に放出されるか、格子内に残される。
【００８０】
実施形態４０は、本発明に従って前述及び後述の実施形態１０、２０、２１、２２、２３、３０及び／又は５０と自由に組み合わせ及び置換可能である。
【００８１】
図５は、本発明の方法及びデバイスの動作の実施形態を流れ図５０で示す。フォトンが第一の太陽電池層２００に入射した後の状況を観察することから始める。第一の太陽電池層２００をフォトン群が通過すると、一部のフォトンが吸収されて、この太陽電池層に光電流を励起する。フォトンが、好ましくは非常に薄い第一の太陽電池層２００を通過した後、フォトンは、フェイズ６００においてフォトンフィルタ１００に到達し、λＸ１００よりも短い波長のフォトンは反射されて、第一の太陽電池層２００に戻される。入射及び反射フォトンは、太陽電池２００の光電力を生成する。
【００８２】
フェイズ６１０において、λＸ１００よりも長い波長のフォトンは、少なくとも一つのレンズ１２０によって集束される。レンズは、本発明に従った形状及び物質のものであり得るが、他の集束手段によって、又は実際には所望の方法でフォトン群を分割することができる何らかの手段（例えば一方向性フィルタ）によって、置換可能でもある。通過したフォトンを集束することについての要点は、第二の太陽電池層２０１に向き合うフォトンフィルタ１００の他の壁に対して十分な反射表面を得るために、変調の空間様相を実施することである。
【００８３】
一部実施形態では、本発明に従って、集束及び空間変調に対する他の等価手段を展開する。例えば、代わりに、λＸ１００よりも長い波長を有するフォトンが、一部実施形態では、図２Ｂで説明したような反射防止コーティング又は粗い界面を通過し得て、又は、図２Ｄに示して前述したフォトンの選択及び閉じ込めを確実にするように調節された屈折率を有する界面を通過し得て、又は図２Ｃに示して前述した一方向性フィルタ１００を通過し得る。
【００８４】
フェイズ６２０では、λＸ１００よりも長い波長のフォトンが、第二の太陽電池層２０１に向き合うフォトンフィルタ１００の他方の壁の反射領域１５０を最大化するために、典型的には非常に小さい少なくとも一つのアパーチャ１４０を介して太陽電池２０１に入射する。入射フォトンの一部は、第二の太陽電池層２０１から光電力を発生させる。フェイズ６３０では、λＸ１０１よりも短い波長のフォトンが、フォトンフィルタ１０１によって反射される。従って、これらのフォトンは単純に反射されて第二の太陽電池層２０１に戻る。反射フォトンの一部は吸収されて、太陽電池２０１の光電力を生成する。
【００８５】
反射フォトンの一部は吸収されずに第二の太陽電池層２０１を再び通過する。波長がλＸ１０１よりも短いとすると、これらのフォトンは、今度はフォトンフィルタ１００の反射体１５０によって再び反射される。本発明の一部実施形態では、第二の太陽電池層２０１に向き合う壁上のフォトンフィルタの反射体１５０は、本発明に従って可能な限り広いバンドに対して、全てのフォトン又は可能な限り多くのフォトンを単純に反射するように設計される。フェイズ６３０では、フォトン群が、本発明に係るフォトンフィルタ１００、１０１の間を前後に跳ね返る。このフォトン閉じ込めは、フォトンが第二の太陽電池層２０１内に吸収される複数の機会を与える。フェイズ６４０では、もはや光電流に変換される機会の無いフォトンが、レンズ１２１又は他の集束手段によって集束される。カットオフλＸ１０１を、第二の太陽電池層２０１に吸収される機会を有する全てのフォトンを反射して戻すように調節することは意味があるが、そうでなければ当然に、λＸ１０１は、本発明に従って、例えば他の設計基準に基づいて選択可能である。
【００８６】
フェイズ６５０では、λＸ１０１よりも長い波長を有するフォトンが、第三の太陽電池層２０２に向き合うフォトンフィルタ１０１の壁の小型アパーチャ１４１から好適に太陽電池２０２に入射する。このプロセスは、太陽電池２０２の光電力の発生させるためにより長い波長におけるものではあるが、上述のものと同じ原理で第三の太陽電池層２０２において繰り返される。
【００８７】
実施形態５０は、本発明に従って前述の実施形態１０、２０、２１、２２、２３、３０及び／又は４０と自由に組み合わせ及び置換可能である点に留意されたい。
【００８８】
方法５０の動作について、フォトンの一方向フィルタリングを提供する空間スペクトル変調を用いて説明した。実施形態５０の動作を実現するために変更すべきところは変更して、前述の他の一方向性フォトンフィルタを使用することは、本発明に従うものである。
【００８９】
また、全て又は一部の実施形態において、インターバンドギャップ半導体に加えて、イントラバンドギャップ半導体（量子カスケード半導体接合等）を用いて、本発明に従って、特定の太陽電池層に対する所望の光電特性を得ることもできる点も留意されたい。更に、本発明の太陽電池は必ずしも四角や平坦であるものではなく、実際には、あらゆる形状で実現可能であり、一部実施形態では、例えば特許文献２等で説明されるように球状である。更に強調すべきは、本発明の一部実施形態では、本発明の太陽電池又はタンデム太陽電池システムが、ナノメートルスケールの構造から大型構造までのあらゆるサイズで実現可能である点である。電力プラントサイズの設備から非常に小型の携帯型デバイスの電源まで、太陽電池及びフォトンフィルタリングシステムは、本発明に従って、多くの市場において有用である。
【００９０】
また、最高バンドギャップ太陽電池及び最高バンドパスフィルタが太陽光に対する最初の入射であるように本発明が説明されている点にも留意されたい。
【００９１】
一部実施形態では、本発明が、逆の順序、つまり、小さなエネルギーの太陽電池層及びフィルタを初めに有するようにも実現可能である点に留意されたい。実際には、一部実施形態において、太陽電池層のバンドギャップはあらゆる順序であり得て、要点は、太陽電池層が、その太陽電池層が良好なＱＥを有するエネルギーにあるフォトンと作用し、ＱＥがよくないエネルギーにあるフォトンとは作用しないことである。
【００９２】
しかしながら、最高バンドギャップ材が初めにあり、フィルタリング及びバンドギャップの伝導が入射太陽光側からタンデム太陽電池の背面にかけて高い方から低い方の順であることが、本発明の一部実施形態では好ましい。何故ならば、これは、発生するエネルギーの第一の光電流ユニット当たりにおいて光電流の吸収の回数を最小にするからである。簡単に言うと、吸収はより高いエネルギーのものであるので、それ自体を吸収するより大きなエネルギーのフォトンが、少ない回数の吸収において、より多くのエネルギーを初めに生成する。これは発生する二次フォトン及びフォトンの数を少なくし、特にエネルギーが小さくて、連続する太陽電池層における十分に小さなバンドギャップを見つけようとする場合には、小さなエネルギーのフォトンは避けたい。しかしながら、低バンドギャップの物質から始める場合、多数の吸収が生じ得るが、吸収当たりの単位エネルギーは低い。この場合、より高いエネルギーのフォトンは、多数の二次フォトンを生じさせて、スペクトルは“クール”になり、つまり、より低いエネルギーのフォトンへと急速に移る。フォトンが、光電的に収集することができないエネルギーに向かい始めると、フォトンは寄生的になり、好ましくない。
【００９３】
本願で説明される実施形態は、本願に明示的に組み込まれる特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等の他の特許出願で説明される実施形態と組み合わせ又は置換可能である点に留意されたい。
【００９４】
例えば、本発明の一部実施形態では、特許文献１で説明されるようなバイアス電圧の使用が、非常に小さなバンドギャップにおける光電変換を達成するために好ましい。一部実施形態では、例えば、特許文献２の集光、対流、伝導及び／又は放射遮蔽の解法を、本発明に従って高フォトン束を保障するための非常に有用な方法として実現可能である。同様に、特許文献３のソフトウェア設計方法を用いて、本発明に従ったいくつかのタンデム電池を設計することができる。特許文献４のコスト削減実施形態の一部、又は他の実施形態を本発明の実施形態と組み合わせることができる。従って、多数の有用な実施形態が、世界的なエネルギー問題を解決するための光電的な解法を提供するという同じテーマを対象にした同一の発明者による五つの特許出願の実施形態を組み合わせることによって、導出可能である。
【００９５】
上述の太陽電池層から光電流を収集する電極は、本発明に従った構成において配置可能で有る点に留意されたい。更に、入射太陽束又は人工光に対するｐ‐ｎ接合の位置及び／又は角度は、あらゆる位置及び／又は角度で配置可能であり、本発明のシステムは、あらゆる幾何学的形状において実現可能である。
【００９６】
太陽電池の効率における欠点を生じさせる全ての要因は現状では分かっていない。しかしながら、本出願人の研究に基づくと、一般的なタンデム太陽電池は、太陽電池の最大量子効率のバンドの外側で生じるフォトン‐フォノンプロセスによって、最も妨げられる。本願で示される本発明のコンセプト、つまり、タンデム太陽電池の全ての層がそれらの最適な量子効率（ＱＥ）で機能するようにフォトン群をフィルタリングすることは、効率及び太陽電池によって生成される電力を大幅に改善する。前方の太陽電池層に戻る望ましくないフォトンの漏れが最小化されるので、本発明のフォトンフィルタの一方向性がこの利点を実現する。
【００９７】
上述の発明は、実際に多数の用途を有する。本発明の太陽電池は、送電網に対する発電のための電力プラントに設置可能である。本発明は、空調や家電、又は建物等内の同様のものに電気を提供するために、建物に設置可能である。本発明の太陽電池は、車両に電気的に出力を与え、バッテリを充電し、又は車両用の電気器具に電力供給を行うために、車両に設置可能である。しかしながら、本発明の太陽電池は、初期においては、適度に高い設計及び製造コストを有するので、最も有利な応用は、携帯型電子デバイスの分野であると考えられる。ラップトップコンピュータ、携帯電話、電気シェーバー、脱毛機、電気歯ブラシ、計算機、ＭＰ３プレーヤ（例えばｉＰｏｄ（登録商標））等の音楽プレーヤ、パーム（登録商標）コンピュータ、テレビ、ラジオ、スクリーン、モニタ、プリンタ、フラッシュメモリドライブ、外付けハードディスクドライブ、時計、及び／又は、現状では充電器を必要としている他の種類の電気機器に、本発明の太陽電池を設置することができる。本発明の太陽電池は、単位面積当たりにおいて十分効率的に高い電力を発生させるので、太陽電池が、携帯型デバイスの寸法を大きくせずに、デバイスのバッテリをいつでも十分に充電されているように保つ。本発明の更に注目すべき利点は、人工光からも非常に効率的に電力変換を行う点である。本発明の有利な一実施形態では、タンデム太陽電池の少なくとも一つの太陽電池層が、室内光（蛍光灯、ＬＥＤ（発光ダイオード）、電球等）によって放出されるフォトンを効率的に電気に変換するバンドギャップ及びスペクトル応答を有するように選択されて配置される。本発明の太陽電池層は、本発明に従った適切なスペクトル応答及びバンドギャップを備えた太陽電池層の物質を選択することによって、室内及び室外両方の太陽光で機能するようにもすることができる。
【００９８】
本発明の太陽電池をあらゆる製品又は建物に審美的に適合するようにカモフラージュすることができることは明らかである。また、本発明の一部実施形態では、本発明の太陽電池を、他の発電メカニズム（圧電性結晶による動力学的な発電や、携帯型電子デバイスのバッテリ時間を増大させる又は充電器を不要にする同様のもの）と組み合わせることができることも明らかである。
【００９９】
実際には、（太陽光及び室内光からの）光電変換によって発電するように構成された太陽電池、及び（例えば発電システムを使用し持ち運ぶ人間による）機械的動作から発電するように構成された圧電性結晶の両方を含む発電システムが、本発明の一つである。これは、非常に長いバッテリ時間を有する新規携帯型デバイスや、充電に拘束されない新規携帯型デバイスを実現するのに用いることができる。機械的電源及び光起電電源の組み合わせが特に好ましいのは、携帯型デバイスが露光された際に光起電発電が機能し、典型的には携帯型電子デバイスが使用者のポケット内に隠された、つまり暗いところに移された際に圧電性発電及び又は他の機械的発電システム（例えば時計に見られる振り子及び／又はバネに基づく）が機能するからである。このようにして、本発明のシステムは、ほぼ全ての時間において携帯型電子デバイスを充電する。特に、一実施形態では、機械的発電機及び太陽電池の組み合わせの発電システムは、蛍光灯又は他の室内照明システムから放出されるフォトン（典型的には４００〜５００ｎｍの波長）に関係するエネルギーにおけるバンドギャップを有する太陽電池を特徴とする。
【０１００】
本発明のタンデム太陽電池は、一部実施形態では、室内光スペクトル等の多様な入射光スペクトルを扱うことができるので、携帯型デバイス用の上述の発電の解法に適合する。
【０１０１】
以上においては、本発明を、上述の実施形態を参照して説明し、いくつかの商業的及び工業的利点を示してきた。本発明の方法及び構成は、多数の非常に薄い太陽電池層の各々が略１００％の量子効率で機能する太陽電池の構築を可能にする。何故ならば、本発明のフォトンフィルタは、太陽電池層の最も効率的なバンドにフォトン群を制限して、宇宙での１．３７ｋＷ／ｍ２及び地球上での略１ｋＷ／ｍ２の太陽定数に近いパワーを伝える事実上理想的な太陽電池が、本発明によって可能とされるからである。
【０１０２】
上述の実施形態を参照して、本発明を説明してきた。しかしながら、本発明がこれらの実施形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び精神並びに添付の特許請求の範囲内にある全ての可能な実施形態を備えるものであることは明らかである。
【符号の説明】
【０１０３】
１００、１０１、１０２、１０３  フォトンフィルタ
１１０、１１１、１５０、１８０、１８１  フォトン反射体
１２０、１２１  集束手段
１３０、１３１  ホーン
１４０、１４１  アパーチャ
１６０、１６７  反射防止コーティング
１９０  レンズ
１９５  分散手段
２００、２０１、２０２、２０３  太陽電池（層）
【図１】
2012529760.tif 000003
【図２Ａ】
2012529760.tif 000004
【図２Ｂ】
2012529760.tif 000005
【図２Ｃ】
2012529760.tif 000006
【図２Ｄ】
2012529760.tif 000007
【図３】
2012529760.tif 000008
【図４】
2012529760.tif 000009
【図５】
2012529760.tif 000010
【国際調査報告】
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2012529760.tif 000012
2012529760.tif 000013
2012529760.tif 000014
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2012529760.tif 000016
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