CN102177588A - 用于光伏模块的高效干涉式滤色器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供并入有干涉式堆叠(410)的装置，所述干涉式堆叠(410)经配置以反射特定色彩的波长且使较长波长透射穿过所述干涉式堆叠(410)。在一个实例中，滤色器包括两个部分反射器(201)，所述两个部分反射器(201)包含在大于约800nm的波长处小于约1的消光系数。所述两个部分反射器(201)界定光学谐振腔(401)，从而形成经配置以反射色彩并透射一些电磁波的干涉式堆叠(410)。在另一实例中，光伏装置(440)包括充当部分反射器的两个光伏有源层(301)以形成干涉式堆叠(200)。所述光伏装置经配置以反射色彩并产生电力。

Description

用于光伏模块的高效干涉式滤色器
相关申请案的交叉参考
本中请案主张2008年10月16日申请的题为“用于光伏模块的高效干涉式滤色器(HIGH EFFICIENCY INTERFEROMETRIC COLOR FILTERS FOR PHOTOVOLTAIC MODULES)”的第61/106,058号美国临时申请案、2008年12月22日申请的题为“单片式IMOD色彩增强型光伏电池(MONOLITHIC IMOD COLOR ENHANCED PHOTOVOLTAIC CELL)”的第61/139,839号美国临时申请案及2009年1月20日申请的题为“用于光伏模块的高效干涉式滤色器(HIGH EFFICIENCY INTERFEROMETRIC COLOR FILTERS FOR PHOTOVOLTAIC MODULES)”的第12/356,437号美国专利申请案的优先权，所有所述临时申请案的全文以引用的方式明确地并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及将光能转化为电能的光电换能器(例如，光伏电池)的领域。
背景技术
一个多世纪以来，化石燃料(例如煤炭、石油及天然气)在美国提供主要能源。对替代性能源的需要与日俱增。化石燃料为快速地耗尽的非可再生能源。发展中国家(例如印度及中国)的大规模工业化对可用化石燃料造成极大负担。另外，地缘政治问题可敏锐地影响所述燃料的供应。全球变暖近年来也引起较大关注。许多因素被认为促成全球变暖；然而，推测化石燃料的普遍使用是全球变暖的主要原因。因此，迫切需要找到可再生且经济上可行的能源，其也是不危害环境的。太阳能是不危害环境的可再生能源，其可被转化为其它形式的能量(例如热及电)。
光伏(PV)电池将光能转化为电能且因此可用以将太阳能转化为电力。可将光伏太阳能电池制造得非常薄且模块化。PV电池的大小可在从约几毫米到几十厘米或更大的范围内。来自一个PV电池的个别电输出可在从几毫瓦到几瓦特的范围内。若干PV电池可按阵列进行电连接及封装以产生充足电量。可将PV电池用于广泛范围的应用中(例如，将电力提供到卫星及其它太空飞行器、将电提供到住宅及商业用房、对汽车电池进行充电，等等)。
尽管PV装置具有减少对烃类燃料的依赖性的潜力，但PV装置的普遍使用已由于效率低下及审美忧虑而受到阻碍。因此，在这些方面中的任一方面中的改进可增加对PV装置的使用。
发明内容
本发明的某些实施例包括光伏电池或装置，其与干涉式调制器集成以将一种或多种可见色彩反射到检视者。使用光干涉原理，可使这些有色光伏装置反射宽广色彩范围中的任一色彩，因此解决特定应用的需要。这可使光伏装置更具审美愉悦性且因此在建造或建筑应用中更有用。
根据一个实施例，本发明包含一种滤色装置，其包含：第一部分反射器层，其包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料；第二部分反射器层，其包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料；及第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
根据另一实施例，本发明包含一种光伏装置，其包含：第一部分反射器层，其包含具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数的材料；第二部分反射器层，其包含光伏有源材料；及第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
根据另一实施例，本发明包含一种光伏装置，其包含：第一部分反射器层，其包含具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数的光伏有源材料；第二部分反射器层，其包含光伏有源材料；及第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
根据另一实施例，本发明包含一种光伏装置，其包含：第一光伏有源材料层；第二光伏有源材料层；光学谐振腔，其安置于所述第一光伏有源材料层与所述第二光伏有源材料层之间；第一透明导电材料层，其经安置以使得所述第一光伏有源材料层在所述第一透明导电材料层与所述光学谐振腔之间；及第二透明导电材料层，其经安置以使得所述第二光伏有源材料层在所述第二透明导电材料层与所述光学谐振腔之间。
根据另一实施例，本发明包含一种制造光伏装置的方法，所述方法包含：将第一透明导电材料层沉积于衬底上；将第一部分反射器层沉积于所述第一透明导电材料层上；将第二透明导电材料层沉积于所述第一部分反射器层上；将第二部分反射器层沉积于所述第二透明导电材料层上；及将第三透明导电材料层沉积于所述第二部分反射器层上。
根据另一实施例，本发明包含一种光伏装置，其包含：第一部分反射器层，其包含具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数的光伏有源材料；第二部分反射器层，其包含光伏有源材料；第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定；反射器层；包含透明导电材料的第二光学谐振腔，所述第二光学谐振腔由所述第二部分反射器层及所述反射器层界定；及透明导电材料层，其经安置以使得所述第一部分反射器层在所述透明导电材料层与所述第一光学谐振腔之间。
根据另一实施例，本发明包含一种光伏装置，其包含：滤色器，其包含第一部分反射器及安置于所述第一部分反射器上的透明导电材料层及安置于所述透明导电材料层上的光伏有源材料层。
根据另一实施例，本发明包含一种制造光伏装置的方法，所述方法包含：提供具有前侧及背侧的起动器堆叠，所述起动器堆叠包含第一部分反射器；及将光伏有源层沉积于所述起动器堆叠的所述背侧上。在一个方面中，起动器堆叠可包含透明导电材料层，所述透明导电材料层经安置以使得所述第一部分反射器在所述透明导电材料层与所述起动器堆叠的前侧之间。在另一方面中，起动器堆叠可包含透明导电材料层及间隔物层，其经安置以使得透明导电材料层及间隔物层在所述部分反射器与所述起动器堆叠的背侧之间。
附图说明
在仅用于说明性目的的示意性附图中说明本文中所揭示的实例实施例。所述图式并不按比例绘制，除非另外陈述为如此或有必要反映实施例的所说明方面的相对大小。
图1示意性地说明理论性光学干涉式腔。
图2A示意性地说明包括两个部分反射器层及一间隔物层的干涉式调制器(IMOD)。
图2B为类似于图2A的IMOD的IMOD的框图，所述IMOD包括两个部分反射器层及一间隔物层。
图2C示意性地说明IMOD，其中间隔物层包括由在所述部分反射器层之间的柱桩或支柱形成的气隙。
图2D展示具有间隔物层的IMOD的全反射对波长，所述间隔物层经配置以对于正常入射光及反射光具有约540nm(黄色)的峰值波长反射率。
图3A示意性地说明包含p-n结的光伏电池。
图3B为示意性地说明包含沉积的薄膜光伏有源材料的光伏电池的框图。
图3C及图3D分别为描绘在前侧上具有可见光反射性电极的示范性太阳能光伏装置的示意性平面图及等角截面图。
图4A为示意性地说明干涉式调制器堆叠的框图。
图4B到图4I为示意性地说明包含干涉式调制器堆叠的光伏电池的框图。
图5A为展示各种光伏材料在各种波长下的光谱响应的图。
图5B为展示硅光伏电池的光谱响应的图。
图5C为展示穿过如图4A中所示而配置的干涉式堆叠的光能的透射率随波长而变的图，所述干涉式堆叠具有
Figure BPA00001347673400041
钼第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA00001347673400042
光学谐振腔及
Figure BPA00001347673400043
铝第二部分反射器。
图5D为展示从如图4A中所示而配置的干涉式调制器的衬底侧的光能的反射率随波长而变的图，所述干涉式调制器具有
Figure BPA00001347673400044
钼第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA00001347673400045
光学谐振腔及
Figure BPA00001347673400046
铝第二部分反射器。
图5E为描绘从如图4A中所示而配置的干涉式堆叠的衬底侧所反射的色彩的色度图，所述干涉式堆叠具有
Figure BPA00001347673400047
非晶硅第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA00001347673400048
光学谐振腔及
Figure BPA00001347673400049
非晶硅第二部分反射器。
图5F为展示从如图4A中所示而配置的干涉式堆叠的衬底侧的光能的反射率随波长而变的图，所述干涉式堆叠具有
Figure BPA000013476734000410
非晶硅第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA000013476734000411
光学谐振腔及
Figure BPA000013476734000412
非晶硅第二部分反射器。
图5G为展示穿过如图4A中所示而配置的干涉式堆叠的光能的透射率随波长而变的图，所述干涉式堆叠具有非晶硅第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA000013476734000414
光学谐振腔及
Figure BPA000013476734000415
非晶硅第二部分反射器。
图5H为展示穿过如图4A中所示而配置的干涉式堆叠的光能的透射率上限值及透射率下限值的图，所述干涉式堆叠具有
Figure BPA000013476734000416
非晶硅第一部分反射器、
Figure BPA000013476734000417
非晶硅第二部分反射器及包含二氧化硅的具有从
Figure BPA000013476734000418
到
Figure BPA000013476734000419
不等的厚度的第一光学谐振腔。
图5I展示比较各种材料跨越一定范围的波长的折射率与消光系数的图。
图5J展示比较随着间隔物层的厚度改变及随着第一及第二部分反射器的厚度改变的来自用如图4A中所示而配置的干涉式堆叠覆盖的样本PV电池的峰值输出的负变化的图。
图6A到图6D说明经图案化的干涉式调制器堆叠的实施例，所述经图案化的干涉式调制器堆叠在不同区域中显示不同色彩以在包含彩色PV装置的静态显示器上形成图像。
图7A到图7C为示意性地说明制造并入有两个PV电池及一个IMOD的PV装置的方法的框图。
图7D到图7E为示意性地说明制造并入有PV电池及IMOD的PV装置的方法的框图。
图7F为说明制造并入有两个PV电池及一个IMOD的PV装置的方法的示范性实施例的框图。
具体实施方式
阻碍在可用表面上普遍采用光伏(PV)装置以将光能转化为电能或电流的一个问题为归因于其色彩而难以将其集成于各种应用中(例如，集成于标志、广告牌或建筑物上)。有源PV材料自身可呈现为暗色。一些有光泽的导体/电极也可为可见的。这些因素均可归因于审美忧虑而阻碍PV装置与周围材料的掺合及一起使用。本文中所描述的PV电池的实施例可具有包括充当部分反射器的一个或一个以上PV有源材料层以建立(IMOD)堆叠的干涉式调制器堆叠。这些实施例可经设计以使用光学干涉原理来增强对可见光范围中的选定波长尖峰或峰值的反射。反射选择性波长可导致PV电池将特定色彩呈现给检视者。因此，PV电池可经设计以根据特定应用的需要而呈现特定色彩。干涉式反射或透射由构成干涉式调制器堆叠的材料的尺寸及基本材料特性来控管。因此，与普通染料或涂料相比，着色效应不易随时间的推移而褪色。
尽管本文中论述了某些实施例及实例，但应理解，发明性标的物超出具体揭示的实施例而扩展到本发明的其它替代性实施例及/或用途以及其明显修改及等效物。希望本文中所揭示的本发明的范围不应由特定揭示的实施例限制。因此，例如，在本文中所揭示的任何方法或工艺中，构成方法/工艺的动作或操作可以任何合适顺序来执行且未必限于任何特定揭示的顺序。已在适当的情况下描述了实施例的各种方面及特征。应理解，可能未必根据任何特定实施例来实现所有这些方面或特征。因此，例如，应认识到，可以实现或优化如本文中所教示的一个特征或特征群组而未必实现如可在本文中教示或建议的其它方面或特征的方式来实行各种实施例。
以下详细描述是针对本发明的特定具体实施例。然而，可以许多不同方式来体现本发明。可在广泛范围的装置中实施本文中所描述的实施例，所述装置并入有光伏装置以用于将光能转化为电流。举例来说，预期可将所述实施例实施于广告牌、标志、建筑结构中，实施于放置在住宅结构、商用建筑物及交通工具(包括船及汽车)上或周围的太阳能面板中。
在此描述中，对图式进行参考，其中相同部分始终用相同标号表示。如将从以下描述显而易见，可在多种包含光伏有源材料的装置中实施所述实施例。
最初，图1到图2D说明一些光学原理及可用于与光伏装置(如相对于图4A到图7D所描述)集成的IMOD的不同实施例。图3A到图3D说明具有集成的IMOD堆叠的光伏装置构造的实施例。图4A到图6D说明其中干涉式调制器与光伏装置集成的实施例及这些实施例的特性。图7A到图7D说明形成并入有IMOD堆叠的光伏装置的方法的实施例。
图1为说明光学谐振腔的实施例的示意图。此光学谐振腔的特定实例为可产生反射色彩光谱的皂膜。光学谐振腔为可用以干涉式操纵光的结构。图1中所示的光学谐振腔包含上部界面101及下部界面102，其界定位于其间的空间或体积。所述两个界面101及102可为同一层上的相对表面。举例来说，所述两个界面101及102可包含在玻璃或塑料板或薄片或者玻璃、塑料或任何其它透明材料的膜上的表面。空气或其它介质可围绕板、薄片或膜。光学谐振腔可在上部界面101处的其一侧上具有一种材料，且在下部界面102处的另一侧上具有独立(例如，不同)材料。形成与光学谐振腔的界面101、102的材料可为金属或部分反射层、透明介质或电介质(例如，空气)。形成与光学谐振腔的界面101、102的材料可相同或可不同。在所说明的实施例中，光在界面101、102中的每一者处部分地反射且部分地透射。
仍参看图1，入射于光学谐振腔的前表面101上的光线103被部分地反射(如由光路104所指示)，且沿光路105而部分地透射穿过前表面101。光线103可具有宽广的光谱分布。举例来说，光线103可包含白光，且因此可具有来自可见光范围内的宽广波长范围(450nm到700nm)以及在可见光范围外部的波长的显著分量。透射光线105可沿光路107而被部分地反射，且沿光路106而部分地透射出谐振腔。光学谐振腔的光学特性(包括厚度)以及周围材料的特性可影响从界面101与界面102两者所反射的光的振幅与相位两者。因此，光线104及107将各自具有取决于光学谐振腔及周围介质的特性的振幅及相位。如熟练的技术人员将了解，通过省略多次内反射来简化所述实例。
仍参看图1，出于本文中所提供的论述的目的，从光学谐振腔所反射的光的总强度为两个反射光线104及107的相干叠加。通过此相干叠加，两个反射束的振幅与相位两者均对集合强度作出贡献。此相干叠加称作干涉。两个反射光线104及107可相对于彼此具有相位差。在一些实施例中，两个波之间的相位差可为180度(180°)且彼此抵消。如果两个光线104及107的相位及振幅经配置以便减小特定波长处的强度，则将所述两个光束称作在所述波长处相消地干涉。另一方面，如果两个光束104及107的相位及振幅经配置以便增加特定波长处的强度，则将所述两个光线称作在所述波长处相长地干涉。相位差取决于两个路径的光径差，所述光径差既取决于光学谐振腔的厚度、在两个界面101与102之间的材料的折射率，也取决于周围材料的折射率是高于还是低于形成光学谐振腔的材料。相位差对于入射束103中的不同波长来说也不同。因此，光线104及107可相对于彼此具有相位差，且此相位差可随波长而变化。因此，一些波长可相长地干涉，且一些波长可相消地干涉。一般来说，由光学谐振腔所反射及透射的色彩与总强度因此取决于厚度及形成光学谐振腔的材料以及周围介质。反射波长及透射波长还取决于视角，在不同角度下反射及透射不同波长。
仍参看图1，上文所描述的原理可用以构造将取决于光的波长而干涉式选择性地反射及/或透射入射光的可见光波长的波长谱或范围的结构。可将使用干涉原理取决于光的波长来影响光的反射或透射的结构称作干涉式调制器堆叠或更简单地称作干涉式调制器。在一些实施例中，干涉式调制器(IMOD)包括形成于两个部分反射器之间的光学谐振腔。在其它实施例中，IMOD包括形成于部分反射器与全反射器之间的光学谐振腔。在其中使用全反射器来界定光学谐振腔的实施例中，IMOD可不为透射性的。在其中使用两个部分反射器来界定光学谐振腔的实施例中，IMOD可为透射性的。或者，堆叠可仅包括一个部分反射器及一间隔物层，且可独立地提供另一反射器(部分反射器或全反射器)以形成IMOD。在此情形中，间隔物层为光学谐振层，且当将第二反射器放置于间隔物层上时在第一部分反射器与第二反射器之间形成光学谐振腔。下伏装置中的具有其自身功能的其它层也可充当部分或复合反射器。如熟练的技术人员将了解，在从干涉式堆叠所反射的光的光径长度与可见光波长处于大约相同的数量级的情况下，视觉效应可相当明显。随着光径长度增加且超过白光的相干长度(例如，5000nm及以上)，干涉不再可能，因为光的相位失去其相干性，使得失去视觉干涉式色彩效应。
图2A描绘干涉式调制器200的实施例。IMOD 200包括部分反射器层201、间隔物层202及反射器层203。反射器层203可为第二部分反射器层或全反射器，此处将其描绘为部分反射器。在图2A中，间隔物层202夹于两个反射性表面之间。在此特定实施例中，部分反射器层201界定包含间隔物层202的光学谐振腔的顶部，而底部反射器层203界定光学谐振腔的底部。反射器层203可包括影响其反射率的单一材料层或多个材料层。可选择部分反射器层201及反射器层203的厚度以控制光的反射率及透射率的相对量。部分反射器层与反射器层两者均可包含金属，且两者均可配置为部分透射性的。举例来说，反射器层203可包含经配置以透射且反射光的部分反射器。如图2A中所示，入射于光学干涉腔的部分反射器层201上的光线204可沿路径205及206中的每一者而被部分地反射出光学干涉腔。如由观测者在前侧或入射侧上所检视的照明场为两个反射光线205与206的叠加。可通过改变反射器层的厚度及组合物来显著地增加或减少大致上由底部反射器203反射的光206或透射穿过底部反射器203的光106的量，而反射的视色在很大程度上由间隔物层202的大小或厚度及部分反射器层201的材料特性(其确定光线205与206之间的光径长度差)所控管的干涉效应来确定。调制底部反射器厚度203(或将其省略以有利于由位于间隔物层202与下伏介质之间的界面提供任何反射率)将调制反射色彩的强度对IMOD 200的总反射率，且因此影响穿过IMOD 200的透射106的强度。
仍参看图2A，在一些IMOD中，间隔物层202包含实心层(例如，光学透明电介质层)或多个层。在其它IMOD中，间隔物层202包含气隙或光学透明层与气隙的组合。间隔物层202的厚度可经调谐以最大化或最小化入射光的一种或一种以上特定色彩的反射。可通过改变间隔物层的厚度来改变由光学干涉腔所反射的色彩。因此，由光学干涉腔所反射的色彩可取决于间隔物层202的厚度。
图2B为IMOD 200的实施例的简化示意图。如所说明，IMOD 200包含部分反射器201、部分或全反射器203及在部分反射器201与反射器203之间的间隔物层202。经选择用于部分反射器201的材料可根据特定材料的消光系数κ来选择。特定物质的消光系数为其散射及吸收电磁辐射的能力的测量，如由方程式1(下文)所界定。如果电磁波大致上非常容易地通过材料，则所述材料具有“低”消光系数。另一方面，如果电磁波大致上不穿透材料，而变为在材料内“消失”或“消亡”，则消光系数为“高”。对于特定材料，消光系数κ还可属于在“低”消光系数与“高”消光系数之间的范围内。
κ = λ 4 π α [方程式1]
在方程式1中，特定材料的消光系数由κ表示，所述材料的吸收系数由α表示，且λ表示电磁波在真空中的波长(并非电磁波在所述材料中的波长)。如由方程式1可见，消光系数κ直接与吸收系数α与电磁波在真空中的波长λ的乘积有关。部分反射器201可包含各种材料(例如，光伏材料、钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)及铬(Cr))以及合金(例如，MoCr)。部分反射器的厚度可在约
Figure BPA00001347673400082
与
Figure BPA00001347673400083
之间。反射器203可(例如)包含光伏材料或金属层，例如，铝(Al)、银(Ag)、钼、金(Au)或铬(Cr)等，且可为足够厚而为不透明的(例如，300nm)。在其它IMOD中，反射器203为部分反射器且可薄达
Figure BPA00001347673400084
通常，为部分反射器的反射器203的厚度将在约
Figure BPA00001347673400085
与
Figure BPA00001347673400086
之间。间隔物层202可包含气隙及/或一种或一种以上光学透明材料。间隔物层202可由安置于反射器203与部分反射器201之间的单一材料层界定。在这些实施例中，材料可包括光学谐振材料(例如，透明导体或透明电介质)。用于间隔物层202的示范性透明材料可包含电介质(例如，二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氟化镁(MgF2)、氧化铬(III)(Cr3O2)及氮化硅(Si3N4))以及包括透明导电聚合物及透明导电氧化物(TCO)(例如，氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)等)的透明导电材料。更一般来说，具有在1与3之间的折射率(n)的任何电介质均可形成合适的间隔物层。在需要导电彩色IMOD堆叠的情形中，间隔物层202可包含导电透明膜。在一些IMOD中，间隔物层202可包含包括多种材料的复合结构，其可包括气隙、透明导电材料(例如，透明导电氧化物)及透明电介质层中的两者或两者以上。多个层及/或气隙的可能功能为堆叠的选定层可服务于多个功能(例如，除了其在IMOD 200中的光学作用以外的装置钝化或抗刮擦性)。在一些实施例中，间隔物层202可包含一种或一种以上部分透明材料(不管为导电的还是为介电的)。
参看图2C，在其它实施例中，间隔物层202的厚度可包含由间隔物211(例如，横杆、柱桩或支柱)所支撑的气隙202。在IMOD 200内，间隔物层202可为静态气隙，或可为动态气隙(例如，可使用(例如)MEMS技术而变化)。
仍参看图2C，例如图2B或图2C中所示的干涉式调制器结构200使用光学干涉选择性地产生所要反射输出。可通过选择静态间隔物层202的厚度及光学特性以及IMOD 200的全部或部分中的部分反射器201与反射器203的厚度及光学特性来“调制”此反射输出。由检视部分反射器201的表面的检视者所观测到的色彩将对应于那些大致上被反射出IMOD 200且大致上未由IMOD 200的各层吸收或相消地干涉的频率。可通过选择间隔物层202的厚度来改变干涉且大致上未被吸收的频率。
图2D说明根据一个实施例的如从与干涉式堆叠的前表面正交或垂直的方向所见的IMOD(例如，图2B的IMOD 200)的反射率对波长的曲线图。此曲线图描绘反射光的波长谱，其可大体上不同于入射于IMOD上的光的波长谱。在所说明的曲线图中，反射率在约540nm的峰值250周围最大化。因此，峰值波长251为约540nm(黄色)。峰值250还具有半峰值带宽，其为在反射率253下的等于峰值或最大反射率254的一半的峰值的宽度。在其它实施例中，全反射曲线的峰值的位置可通过改变间隔物层202的厚度或材料或通过改变IMOD中的一个或一个以上层的材料及厚度或通过两者而移位。峰值波长反射率250的位置可取决于视角。如所说明，仅存在一个峰值；然而，可取决于间隔物层的高度或厚度而存在具有不同振幅的多个峰值。如所属领域的技术人员将获知，IMOD还可经配置以调制吸收或透射率以及反射率。
图3A展示光伏(PV)电池300。光伏电池可将光能转化为电能或电流。PV电池为具有小碳占据面积且对环境具有较小影响的可再生能源的实例。使用PV电池可减少能量产生的成本。PV电池可具有许多不同大小及形状(例如，从小于邮票到跨越若干英寸)。若干PV电池可常常连接在一起以形成长度可达若干英尺且宽度可达几英尺的PV电池模块。模块又可组合及连接以形成具有不同大小及功率输出的PV阵列。
仍参看图3A，阵列的大小可取决于若干因素(例如，特定位置中可得到的太阳光的量及消费者的需要)。阵列的模块可包括电连接件、安装硬件、功率调节设备及存储太阳能以供在没有日照时使用的电池。PV装置可为具有其附带电连接件及外围设备的单个电池、PV模块、PV阵列或太阳能面板。PV装置还可包括功能上无关的电组件(例如，由PV电池供电的组件)。
参看图3A，PV电池包括安置于两个电极302、303之间的包含PV材料的PV有源区域301。在一些实施例中，PV电池包含上面形成有层堆叠的衬底。PV电池的PV有源层可包含半导体材料(例如，硅)。在一些实施例中，PV有源区域301可包含通过使n型半导体材料301n与p型半导体材料301p接触(如图3A中所示)而形成的p-n结。此p-n结可具有类二极管特性且因此还可称作光电二极管结构。
仍参看图3A，PV有源区域301夹于提供电流路径的两个电极之间。背部电极302可由铝、银或钼或某一其它导电材料形成。背部电极可为粗糙的且未经抛光。前部电极303可经设计以覆盖p-n结的前表面的显著部分，以便降低接触电阻且增加收集效率。在其中前部电极303由不透明材料形成的实施例中，前部电极303可经配置以在PV有源区域的前部上留下开口以允许照明照射在PV有源区域上。在一些实施例中，前部电极及背部电极可包括透明导体，例如，透明导电氧化物(TCO)(例如，氧化锡(SnO2)或氧化铟锡(ITO))。TCO可提供电接触及导电性且同时对传入光为透明的。在一些实施例中，PV电池还可包含安置于前部电极303上的抗反射(AR)涂层304。AR涂层304可减少从PV有源材料301的前表面所反射的光的量。
仍参看图3A，当照明PV有源材料的前表面时，光子将能量转移到有源区域中的电子。如果由光子所转移的能量大于半导电材料的带隙，则电子可具有充足能量以进入导带。通过形成p-n结而建立内部电场。内部电场对被激发的电子起作用以导致这些电子移动，进而在外部电路305中产生电流。所得电流可用以对各种电装置(例如，如图3A中所示的电灯泡306)供电。
图3A中所示的PV有源材料层可由多种光吸收性光伏材料中的任一者形成，所述材料例如为结晶硅(c硅)、非晶硅(α硅)、碲化镉(CdTe)、二硒化铜铟(CIS)、二硒化铜铟镓(CIGS)、光吸收性染料及聚合物、分散有光吸收性纳米粒子的聚合物、III-V族半导体(例如，GaAs)，等等。还可使用其它材料。本文中将光吸收性材料(其中光子被吸收且将能量转移到电载流子(空穴及电子))称作PV电池的PV有源层或材料，且此术语打算包含多个有源子层。可取决于PV电池的所要性能及应用来选择用于PV有源层的材料。
仍参看图3A，在一些布置中，可通过使用薄膜技术来形成PV电池。举例来说，在一个实施例中，在光能通过透明衬底的情况下，可通过将第一或前部电极TCO层沉积于衬底上来形成PV电池。可将PV有源材料沉积于第一电极层上。可将第二电极层沉积于PV有源材料层上。可使用沉积技术(例如，物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、电化学气相沉积技术，等等)来沉积所述层。薄膜PV电池可包含非晶、单晶或多晶材料(例如，薄膜硅、CIS、CdTe或CIGS)。薄膜PV电池促进小装置占据面积及制造工艺的可缩放性。
图3B为示意性地说明薄膜PV电池310的实施例的框图。PV电池310包括光可通过的玻璃衬底311。第一电极层312、PV有源层301(展示为包含非晶硅)及第二电极层313安置于玻璃衬底311上。第一电极层312可包括透明导电材料(例如，ITO)。如所说明，第一电极层312及第二电极层313将薄膜PV有源层301夹于其间。所说明的PV有源层301包含非晶硅层。如此项技术中所知，充当PV材料的非晶硅可包含一个或一个以上二极管结。此外，非晶硅PV层可包含p-i-n结，其中本征硅层301c夹于p掺杂层301b与n掺杂层301a之间。p-i-n结可具有高于p-n结的效率。在一些其它实施例中，PV电池可包含多个结。
图3C及图3D说明PV装置330。如所说明，PV装置330包含形成于半导体晶片(例如，硅晶片)上的前部电极331、332。然而，如将从以下描述所了解，其它PV装置可包含薄膜光伏材料。包括薄膜或晶片型PV材料的PV装置可为干涉式增强型装置(参见图4A及附带描述)。如图3C及图3D中所说明，PV装置在装置的前侧或光入射侧上以及在PV装置330的背侧上使用镜面或反射性导体。前侧或光入射侧上的导体可包含总线电极331或栅线电极332。当光能由PV有源材料吸收时，产生电子-空穴对。这些电子及空穴可通过移动到前部电极331、332或背部电极333中的一者或另一者而产生电流，如图3D中所示。前部导体或电极331、332经图案化以既减少电子或空穴必须行进以到达电极的路径的电阻，同时还允许足够光通过而到达PV有源区域301。前部电极331、332的图案可包括窗334以允许入射光传播到PV有源材料。尽管将PV装置330说明为具有经图案化的前部导体或电极331、332及未经图案化的背部电极333，但所属领域的技术人员将理解，还可以不同方式来图案化背部导体或电极。前部电极331、332及背部电极333可包含反射金属导电材料。在一些实施例中，前部电极331、332及背部电极333可包括透明导电材料(例如，ITO)，或包括透明导电材料与反射性导电材料两者。
仍参看图3C及图3D，传统上，PV电池的外观由构成电极的材料及PV电池的PV有源材料支配。然而，随着PV电池的使用变得更普遍且出现PV电池的新应用，设计及制造有色PV电池可变得重要。这些有色电池可增加视觉吸引力且添加审美价值。举例来说，已存在许多兴趣来设计及制造建筑物集成PV应用(BIPV)。图案化或毯覆色彩于PV装置上的能力可辅助接受部署于建筑物屋顶及正面、广告牌、汽车、电子设备、服装、鞋子及暴露到光的许多其它位置上的PV电池。IMOD不仅提供产生耐久、抗褪色色彩的能力，而且其可产生所要强度及吸引人的色彩，同时仍允许对穿过IMOD堆叠的光透射的程度的设计选择。
用以将色彩并入PV电池中的替代性方法是添加具有适当色彩的染料或颜料或添加有色材料于PV堆叠中。然而，由此染色而引起的高光吸收降低了PV电池的效率。此外，色彩具有在比PV装置的使用寿命短的时间中褪色的趋势(尤其是因为装置常常要持续地暴露到太阳光)。
因此，下文的某些实施例描述通过将干涉式调制器与PV电池或装置合并或集成来对PV电池“着色”。使用位于PV装置上或作为PV装置的部分的IMOD可允许呈现从IMOD反射的色彩，因此将“色彩”赋予PV电池或装置。由于可通过使用具有适当厚度及材料(折射率)的间隔物层以及通过选择并使用用于部分反射器的适当厚度及材料来选择从IMOD反射的色彩，所以与PV电池或装置合并的干涉式调制器堆叠可经配置以反射任何特定应用所要的色彩。干涉式色彩反射效应可受到间隔物层的厚度及材料以及反射器与部分反射器材料的厚度及材料的影响。因此，与普通染料或涂料相比，色彩效应不易随时间的推移而褪色。
图4A说明经配置以反射色彩并优化红外线中的波长穿过第一部分反射器层的透射的IMOD堆叠410的实施例。堆叠410包含安置于第一部分反射器层201a与第二部分反射器层201b之间的光学谐振腔401。第一部分反射器层201a与第二部分反射器层201b两者均经配置以透射并反射光。由所述部分反射器层201a、201b所透射及反射的光的量可由所述层的厚度及/或材料来控制。举例来说，第一部分反射器层201a及第二部分反射器层201b可包含具有在约
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与
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之间的厚度的非晶硅。可基于材料的消光系数来选择第一部分反射器层201a及第二部分反射器层201b的材料。举例来说，第一部分反射器层可包含具有在可见光光谱中比在红外光光谱中高的消光系数的材料，以便促进可见光的反射及红外电磁波的透射。具有在可见光光谱中比在红外光光谱中高的消光系数的材料的实例包括Ge、GaInP、α-Si、CdTe、GaAs、InP、多晶硅、单晶硅、ZnO及CIGS。第一部分反射器201a及第二部分反射器201b可为相同或不同的。举例来说，第一部分反射器201a及第二部分反射器201b可各自含有
Figure BPA00001347673400131
非晶硅层。或者，所述部分反射器可包含不同材料。
仍参看图4A，光学谐振腔401可包含间隔物层202。所述间隔物层202可包含任何光学谐振材料(例如，空气或透明导电材料)。可基于干涉原理来调谐间隔物层202及光学谐振腔401的厚度以从IMOD 410反射特定色彩。另外，堆叠410可包含光可通过的衬底层311。第一部分反射器层201a可安置于衬底层311上。衬底层311可包含玻璃、聚合物或类似衬底。IMOD堆叠410可添加到对象以基于从IMOD堆叠410反射的色彩而使那些对象呈现为特定色彩。举例来说，IMOD堆叠410可放置于光伏电池上以使光伏电池呈现特定色彩。IMOD堆叠410可为透射性的，以便使电磁波透射到下伏对象(例如，光伏电池)。在一个实施例中，IMOD堆叠410可经配置为在特定波长处比在其它波长处具有更大透射性。在一些实施例中，IMOD堆叠410可经配置为对于红外辐射具有较大透射性且对于可见光具有较小透射性。
图4B描绘包含图4A中描绘的IMOD堆叠410的光伏装置411，IMOD堆叠410与光伏电池484耦合，使得至少一些入射光可传播穿过而到达光伏电池484。光伏电池484可为类似于图3B中所描绘的装置的薄膜光伏电池，或光伏电池484可为类似于图3A中所描绘的装置的基于晶片的光伏电池。光伏电池484可包含背部电极488、光伏有源材料层487、前部电极486及任选的衬底层485。IMOD堆叠410经配置以反射特定色彩并优化较长波长穿过第二部分反射器层201b而到达光伏电池484的透射。光伏电池484可任选地使用光学耦合材料480耦合到第二部分反射器层201b。光学耦合材料480可包括具有经选择以避免或最小化层间反射的折射率的粘着剂。在其它情况下，光学耦合材料480可包含弹性体。
仍参看图4B，光伏装置411可任选地包含覆盖层489。所述覆盖层489可包含可耦合到光伏电池484或IMOD堆叠410的一侧的衬底(例如，玻璃)。光学耦合材料480可用以将覆盖层489与IMOD堆叠410的第二部分反射器层201b或衬底层311耦合在一起。光学耦合材料480可包括具有经选择以避免或最小化层间反射的折射率的粘着剂。光学耦合材料480还可包含弹性体，例如乙烯基醋酸乙烯酯(ethylene-vinyl-acetate)。在另一实例(未图示)中，IMOD堆叠410可安置于覆盖层489与光伏电池484之间。可使用光学耦合材料来将IMOD堆叠410耦合到覆盖层489并将IMOD堆叠410耦合到光伏电池484。或者，IMOD堆叠层201a、202及201b可直接沉积于覆盖层489或衬底层485上。
图4C描绘光伏装置420，其并入有IMOD堆叠200以从装置420反射特定色彩的光。装置420包含安置于部分反射器201与PV有源材料层301之间的光学谐振腔401。部分反射器201、光学谐振腔401及PV有源材料层301形成经配置以反射特定色彩的IMOD堆叠200。在图4B中所描绘的IMOD堆叠200中，PV有源材料层301充当经配置以反射一些光并透射一些光的第二部分反射器层。光学谐振腔401可包含第一透明导电材料层403a。第一透明导电材料层403a既作为光学谐振间隔物层操作，又作为用于PV有源层301的导电电极操作。装置420可进一步包含安置于PV有源材料层301下方的作为导电电极而操作的第二透明导电材料层403b。透明导电材料层403a、403b及PV有源材料301包含类似于图3B中所示的PV装置的薄膜PV电池405。装置420还可包含安置于第一部分反射器201上的玻璃、聚合物或类似衬底层311。
仍参看图4C，经选择用于部分反射器层201的材料可基于其消光系数来选择。举例来说，可选择在可见光光谱外的波长处具有非常低的消光系数的材料，以便最大化红外电磁波到PV有源材料301的透射，同时反射明亮的色彩。而且，可通过对于特定材料的光谱响应来选择经选择用于PV有源材料层301的材料。举例来说，PV有源材料301可包含非晶硅，其为一种具有在可见光光谱上方的较长波长处产生电力的光谱响应的材料。在一个实施例中，部分反射器层201与PV有源材料层301两者均包含非晶硅，其为一种在红外线中的波长处具有非常低的消光系数且具有很好地利用这些较长红外波长的光谱响应的材料。
图4D描绘并入有IMOD堆叠200的光伏装置430的另一实施例。在此实施例中，光学谐振腔401除第一透明导电材料层403a之外进一步包含间隔物层202。所述间隔物层202可包含气隙或任何其它合适的光学谐振材料。PV材料301充当部分反射器以形成具有部分反射器层201及光学谐振腔401的IMOD 200。IMOD 200可经配置以通过选择特定特性(例如，间隔物层202、第一透明导电材料层403a、部分反射器201及PV有源材料301的厚度)而增强可见光波长内的一个或一个以上波长谱的反射。在一些实施例中，与第一透明导电材料层403a组合的间隔物层202的厚度可在约
Figure BPA00001347673400141
与约
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之间。在一些实施例中，部分反射器及PV有源材料层的厚度可在约
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与约
Figure BPA00001347673400145
之间。
图4E描绘并入有IMOD堆叠200的PV装置490的另一实施例。在此实施例中，光伏电池405包含基于晶片的光伏电池，其可(例如)类似于图3A中所描绘的光伏装置。装置490包含安置于部分反射器201与n型半导体301n之间的光学谐振间隔物层202。p型半导体301p安置于背部电极302与n型半导体301b之间。n型半导体301n及p型半导体301p一起形成复合部分反射器。IMOD 200包含此复合反射器，且还包含部分反射器201及间隔物层202，其经配置以从装置490的部分反射器201侧反射一些光并使一些光透射穿过PV电池405。在此实施例中，部分反射器201及间隔物201不覆盖前部电极303。因此，从这些电极反射的光的色彩不受控制。
图4F描绘并入有IMOD堆叠200b的类似于图4E中所示的PV装置的PV装置495的另一实施例。然而，在图4F中，前部电极303用间隔物层202a及部分反射器201a来覆盖。部分反射器201a、间隔物层202a及前部电极303形成IMOD堆叠200a。在此实施例中，前部电极303充当全反射器且不使任何光透射到PV装置405。然而，与图4E中所示的PV装置相反，PV装置495的入射太阳光的整个侧面反射由IMOD 200b或IMOD 200a的配置所控制的色彩。
图4G描绘并入有IMOD堆叠200的光伏装置440的另一实施例。在此实施例中，装置440包含两个薄膜PV电池405a、405b。第一薄膜PV电池405a包含第一透明导电材料层403a、第一PV有源材料层301a及第二透明导电材料层403b。在此实施例中，第二薄膜PV电池405b包含第二透明导电材料层403b、第二PV有源材料301b及第三透明导电材料层403c。第一PV有源材料层、第二透明导电材料层及第二PV有源材料层形成IMOD 200。在IMOD 200中，PV有源材料层301a、301b两者充当经配置以增强可见光的一个或一个以上波长的反射的部分反射器。另外，第一PV有源材料层301a及第二PV有源材料层301b可包含具有在红外光光谱中比在可见光光谱中低的消光系数的材料。举例来说，第一PV有源材料层301a及第二PV有源材料层301b可包含非晶硅。第二透明导电材料层403b既充当光学谐振腔401内的光学谐振间隔物层，又充当用于空穴及/或电子传导出PV有源层301a、301b的导电层。如下文所论述，光学谐振腔可包含额外层。
图4H描绘并入有两个薄膜PV电池405a、405b的光伏装置450的另一实施例。在此实施例中，PV薄膜电池405a、405b各自包含PV有源材料层301a、301b，其界定光学谐振腔401以形成IMOD 200。与图4G相反，在图4H中所示的实施例中，PV薄膜电池405a、405b不共享共同透明导电材料层且由光学谐振间隔物层202分隔开。光学谐振间隔物层202可包含任何合适的光学谐振电介质材料，例如，二氧化硅或其它合适的光学透射性或透明介质。间隔物层202可包含多个光学谐振层。光学谐振腔401的厚度可取决于从装置450的衬底侧所反射的所要色彩而在约
Figure BPA00001347673400151
与约
Figure BPA00001347673400152
之间。而且，PV有源材料层301a、301b可具有在约
Figure BPA00001347673400153
与约
Figure BPA00001347673400154
之间的厚度。
图4I描绘包含两个IMOD 200a、200b的光伏装置460的实施例。在此实施例中，光伏装置460包含图4H中所示的层且进一步包含安置于第二薄膜电池405b下方的反射器层203。反射器层203及第二PV有源材料层301b界定第二光学谐振腔401b。光学谐振腔401b可包含第四透明导电材料层403d。第二PV有源材料层301b、第四透明导电材料层403d及反射器层203形成第二IMOD 200b。第二IMOD 200b经配置以干涉式增强第二PV有源材料层301b中的电磁场强度，从而产生具有改进的效率的干涉式增强型PV薄膜电池405b。反射器层203b可包含部分或全反射器。反射器层203b及第四透明导电材料层403d的光学特性(尺寸及材料特性)经选择以使得从分层式PV薄膜电池405b的界面的反射相干地合计以在第二PV有源材料层301b(在此处光能被转化为电能)中产生具有合适的波长分布及相位的增加的场。这些干涉式增强型装置增加了干涉式光伏电池的有源区域中的光能的吸收且进而增加装置460的效率。
图5A为展示各种材料跨越从约400nm到1400nm的波长范围的光谱响应的图。在此图中，y轴为材料在特定波长处的光谱响应(以入射能量的安培/瓦特为单位)。所述图展示GaInP的光谱响应513、α-Si的光谱响应511、CdTe的光谱响应505、GaAs的光谱响应507、InP的光谱响应515、多晶硅的光谱响应501、单晶硅的光谱响应509及ZnO/CIGS的光谱响应503。如可根据所述图所了解，PV材料具有指示在红外光光谱中的显著电力产生的光谱响应。
图5B为展示跨越从约300nm到1200nm的波长范围的与在海平面处可获得的近似太阳能517及在太阳光中的总光伏响应521相比的硅光伏电池的光谱响应519的图。如可根据所述图所了解，在允许太阳光的光谱之后，硅光伏电池的总光谱响应很好地延伸到红外光光谱中。因此，可将在所要可见色彩处具有高反射及在较长波长处具有高透射的滤色器(例如，图4A中所示的过滤器)放置在硅光伏电池上以对光伏电池“着色”，同时仍允许在其它波长(例如，较长波长)处的有用能量收集。如前述文字中所论述，使用Si或其它光伏材料半导体作为部分反射器层的IMOD滤色器将提供此特性。
图5C为展示穿过如图4A中所示而配置的干涉式堆叠的光能的透射率523的图。此实施例包括
Figure BPA00001347673400161
厚钼第一部分反射器、包含二氧化硅的厚光学谐振腔、厚铝第二部分反射器及玻璃衬底。如图5C中所说明，透射率在小于约950nm的波长处减小且在此特定实施例中小于约20％(不包括在衬底表面处的反射)。
图5D为展示从如图4A中所示而配置的干涉式调制器的衬底侧的光能的反射率525的图。此实施例包括
Figure BPA00001347673400164
厚钼第一部分反射器、包含二氧化硅的厚光学谐振腔、
Figure BPA00001347673400166
厚铝第二部分反射器及玻璃衬底。如图5D中所说明，此特定IMOD的反射率峰值为约50％(在约600nm的波长处)。
图5E为描绘随着间隔物层的厚度变化的从如图4A中所示而配置的IMOD滤色器的衬底侧反射的色彩的CIE 1931色度图。IMOD滤色器包括
Figure BPA00001347673400171
厚非晶硅第一部分反射器、
Figure BPA00001347673400172
厚非晶硅第二部分反射器、聚对苯二甲酸乙二酯衬底及包含二氧化硅的在约
Figure BPA00001347673400173
与约
Figure BPA00001347673400174
厚之间变化的光学谐振腔。由系列527展示随着间隔物层的厚度改变的从PV电池的衬底侧反射的色彩。为了建立系列527，间隔物层的厚度从约
Figure BPA00001347673400175
变化到约如可根据表示反射光的系列527所了解，如图4A中所示而配置的IMOD滤色器能够反射宽范围的色彩。
图5F为展示从如图4A中所示而配置的干涉式调制器的衬底侧的光能的反射率531的图。此实施例包括包含非晶硅的
Figure BPA00001347673400177
厚第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA00001347673400178
厚间隔物层、包含非晶硅的
Figure BPA00001347673400179
厚第二部分反射器及聚对苯二甲酸乙二酯衬底。如图5F中所说明，对于此特定IMOD的反射率峰值为约35％(在约460nm的波长处)。因此，用以建立图5F的IMOD可跨越可见光光谱产生相对明亮的反射。
图5G为展示穿过如图4A中所示而配置的IMOD堆叠的光能的透射率533的图。此实施例包括包含非晶硅的
Figure BPA000013476734001710
厚第一部分反射器、包含二氧化硅的
Figure BPA000013476734001711
厚间隔物层、包含非晶硅的
Figure BPA000013476734001712
厚第二部分反射器及聚对苯二甲酸乙二酯衬底。如图5G中所说明，最大透射率峰值为高于约95％(不包括在衬底表面处的反射)(在约950nm的波长处)。因此，用以建立图5F及图5G的IMOD在可见光光谱中反射相对明亮的色彩且在红外光光谱中的较长波长处透射较多电磁波。考虑图5A中的各种PV材料的光谱响应及图5B中的Si的光谱响应，用以建立图5G的IMOD配置可用以影响光伏装置的色彩，同时仍使有用的较长电磁波透射到光伏有源材料以用于能量产生。
图5H为展示描绘穿过(例如)如图4A中所示而配置的一个实施例的IMOD堆叠的光能的透射率上限值及透射率下限值的两个曲线的图。此实施例包括包含非晶硅的
Figure BPA000013476734001713
Figure BPA000013476734001714
厚第一部分反射器、包含非晶硅的
Figure BPA000013476734001715
厚第二部分反射器、聚对苯二甲酸乙二酯衬底及在约
Figure BPA000013476734001716
与约
Figure BPA000013476734001717
之间变化的间隔物层。线535描绘透射率上限值且线536描绘透射率下限值。穿过IMOD堆叠的透射特性将始终位于线535与线536之间。如在图5H中可见，透射率上限值535及透射率下限值536对于在约到约
Figure BPA000013476734001719
厚之间的所有间隔物在大于约800nm的波长处大于约68％(不包括在衬底表面处的反射)。因此，从IMOD的衬底侧反射的色彩可通过改变间隔物以反射宽广范围的色彩且同时仍透射超过68％的大于800nm的波长而加以调谐。
图5I为比较各种材料跨越一定范围的波长的折射率及消光系数的图。由线541展示空气的折射率。由线543展示铝的折射率且由线537展示铝的消光系数。由线549展示钼的折射率且由线545展示钼的消光系数。另外，由线547展示非晶硅的折射率且由线539展示非晶硅的消光系数。如在图5I中可见，非晶硅的消光系数在大于约520nm的波长处小于1.0且在大于约700nm的波长处小于约0.5。因此，非晶硅非常易于被在红外光光谱中的电磁波穿透。如上文参看图5B所论述，硅光伏电池的总光谱响应很好地延伸到红外光光谱中。
图5J为比较来自用(例如)如图4A中所示而配置的根据一个实施例的干涉式堆叠覆盖的样本PV电池的峰值功率输出的负变化的图。系列551展示随着二氧化硅间隔物层在约
Figure BPA00001347673400181
与约
Figure BPA00001347673400182
之间变化的来自用具有
Figure BPA00001347673400183
厚Si第一部分反射器及
Figure BPA00001347673400184
厚Si第二部分反射器的IMOD堆叠覆盖的样本PV电池的峰值功率输出的负变化。系列553展示随着二氧化硅间隔物层在约
Figure BPA00001347673400185
与约
Figure BPA00001347673400186
之间变化的来自用具有
Figure BPA00001347673400187
厚Si第一部分反射器及
Figure BPA00001347673400188
厚Si第二部分反射器的IMOD堆叠覆盖的样本PV电池的峰值功率输出的负变化。用以建立系列553的IMOD堆叠中的部分反射器比用以建立系列551的IMOD堆叠中的部分反射器反射性大且透射性小。如图5J可见，当将使用硅部分反射器的IMOD滤色器添加到PV电池时，样本PV电池的功率输出的负变化仅在约15％与约35％之间。另外，此输出的负变化小于设计有钼第一部分反射器及铝第二部分反射器的IMOD过滤器，所述IMOD过滤器可将相同样本PV电池的输出或效率减小约75％。因此，如果IMOD第一及第二部分反射器包含硅或类似材料，则并入有IMOD过滤器的滤色器或并入有IMOD的PV电池可更有效。
图6A描绘在不同区域中具有不同反射色彩的PV装置的实施例，所述PV装置经配置以如在显示器、标志或广告牌中显示特定图像、形状、信息或字符。在图6A中，静态显示器600含有具有均一色彩的多个区域601a到601g。举例来说，背景(沿横截面6B的区域601a、601c、601e及601g)可为黄色、红色、绿色或者白色或黑色。字母“ABC”(横截面6B中的区域601b、601d及601f)可较暗。举例来说，字母“ABC”可为蓝色。
图6B展示PV显示装置600的横截面。如图6B中所示，入射于IMOD 200上的光线611及612被部分地反射(如由光线613、614所指示)，且沿光线615及616而被部分地透射。在所说明的横截面中，IMOD 200包含部分反射器层201、第一透明导电材料层403a及PV有源材料层301。所述PV有源材料层301安置于第二透明导电材料层403b上。所述PV有源材料层301及两个透明导电材料层403a、403b构成PV电池405。如图6B中所示，第一光学谐振腔层403a的厚度不均一。第一透明导电材料层403a经图案化，使得IMOD 200包含具有对应于不同反射色彩的不同第一光学谐振腔层403a厚度的多个区域601a到601g。如所说明，静态显示器600包含第一透明导电材料层403a，所述第一透明导电材料层403a具有对应于两种不同色彩的两个厚度。然而，显示器600可包含两个以上厚度且因此可包含两种以上反射的干涉式显示色彩。如图6B中所示，区域601a、601c、601e及601g具有相对较大的第一透明导电材料层403a厚度617a。另一方面，区域605b、605d及605f具有较小第一透明导电材料层403a厚度617b。这些不同厚度经配置以产生对反射光线613、614的不同峰值(在不同峰值波长处)的反射。以此方式，显示器的一个区域将展示一种色彩，且另一区域将展示不同色彩。在所述区域中的至少一者中，IMOD 200可经配置以反射足够光以便显示可见色彩，同时还使充足光透射到PV材料层301以产生电。因此，尽管入射光线611及612被部分地反射成光线613及614，但充足的光可透射成光线617及618中的至少一者以允许在光伏有源材料层301中产生电流。图6B描绘薄膜PV装置。然而，如熟练的技术人员将了解，PV装置600可包含具有前部电极的传统PV有源层，其可位于第一透明导电材料层403a与光伏材料层301之间。类似地，所属领域的技术人员将了解，PV装置600可包含此处未展示的层，例如，位于PV有源材料层301或IMOD 200上的抗反射涂层、漫射体或钝化层。而且，PV装置600可包含具有连续色彩变化的区域，而非具有均一色彩的相异区域。如所属领域的技术人员将易于了解，连续色彩变化可通过连续改变第一透明导电材料层403a或部分反射器层201的厚度而实现。
图6C及图6D描绘PV显示装置620的另一实施例。在图6C中，显示于PV显示装置620上的图像或图案经像素化以使得任何图像均由多个像素P1到P15构成。因此，图像或图案包含如图6C中所示的规则像素阵列。如所属领域的技术人员将了解，像素化对于将数字图像转移到如图6C中所示的静态IMOD上来说可为方便的。图6D为图6C的横截面，其展示经像素化的PV显示装置620的实施例。如所说明，IMOD 200包含部分反射器层201、第一透明导电材料层403a及PV有源材料层301。第一透明导电材料层403a具有经图案化以便形成像素的可变厚度。PV有源材料层301安置于第二透明导电材料层403b上。PV有源材料层301及两个透明导电材料层403a、403b构成PV电池405。每一像素P1到P15可由具有均一干涉式子堆叠的区域形成，使得一个像素可由离散部分反射器层、透明导电材料层及PV有源材料层构成。举例来说，像素P13可由部分反射器层201、PV有源材料层301及第一透明导电材料层403c构成。类似地，部分反射器层201、PV有源材料层301及第一透明导电材料层403d、403e可分别形成像素阵列中的像素P14及P15。如所说明，第一透明导电材料层403a、403b、403c可具有不同厚度，从而产生不同有色像素。在其它实施例中(例如在具有均一色彩的区域中)，若干相邻第一透明导电材料层可具有大致相等的厚度。
仍参看图6D，在RGB方案中，像素P1到P15可包含红色像素、绿色像素及蓝色像素。更一般来说，规则像素阵列可包含多个红色像素、多个绿色像素及多个蓝色像素。因此，例如，第一透明导电材料层403c可形成红色像素，而第一透明导电材料层403d可形成绿色像素，且第一透明导电材料层403e可形成蓝色像素。其它色彩方案也为可能的，例如，CMY(青色、洋红色、黄色)、RYB(红色、黄色、蓝色)及VOG(紫色、橙色、绿色)以及其它色彩方案。如图6D中所示，主要改变第一透明导电材料层403c、403d、403e的厚度以影响反射光的色彩。然而，部分反射器层201厚度以及第一透明导电材料层403a厚度也可从像素到像素而有所不同。这允许在任何像素中具有任何合意色彩(色相)及色调(饱和度及明度)的灵活性，因为部分反射器层201或第一透明导电材料层403a中的任一者或全部的厚度均可按需要加以制订。
如图6D中所示，入射于经像素化的IMOD 200中的像素P11、P12上的光线622a、623a被部分地反射(如由光线622b、623b所指示)且沿光线622c、623c被部分地透射。反射光线622b、623b可含有不同波长分布且因此可取决于像素P11及P12的第一透明导电材料层403a的高度或厚度而反射或显示不同色彩。如上文所提及，为了允许有效的电产生，IMOD 200可经配置以反射足够光以显示色彩，同时允许充足光沿光线622c、623c透射到光伏有源材料层301。为了实现此目标，可基于材料的消光系数来选择部分反射器层201。举例来说，部分反射器层201可包含非晶硅。
图7A到图7C说明用于制造并入有IMOD 200的PV装置730(图7C)的工艺的一个实例。所述实例使用沉积薄膜有源材料层301a、301b(图7C)。如图7A中所说明，在一个实施例中，制造所述装置的方法可包含提供形成于衬底311上的PV电池405a以建立起动器堆叠710。PV电池405a包含第一透明导电材料层403a、第一PV有源材料层301a及第二透明导电材料层403b。当反射器或部分反射器(例如，第二PV有源材料)沉积于第二透明导电材料层403b上时，可预先调谐起动器堆叠710以反射特定色彩或波长。起动器堆叠710可通过调整第二透明导电材料层及/或第一PV有源材料层301a的厚度来调谐。
仍参看图7A，起动器堆叠710的制造可开始于衬底及依次沉积于所述衬底上的层。可通过物理气相沉积、化学气相沉积、电化学气相沉积或等离子体增强型化学气相沉积以及为所属领域的技术人员所知的其它方法来沉积第一光伏有源材料层301a。如由所属领域的技术人员所知，包含非晶硅层的PV有源材料层可包括一个或一个以上具有n及/或p掺杂硅的结且可进一步包含p-i-n结。用于第一PV有源材料层301a的其它适当材料包括锗(Ge)、Ge合金及如硒化铜铟镓(CIGS)、碲化镉(CdTe)等合金以及III-V族半导体材料或串联多结光伏材料及膜。III-V族半导体材料包括例如砷化镓(GaAs)、氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、砷化硼(Bas)等材料。形成这些材料的方法为所属领域的技术人员所知。作为说明性实例，可通过基于真空的工艺来形成如CIGS等合金，在所述工艺中将铜、镓及铟共蒸镀或共溅镀，接着使用硒化物蒸气进行退火以形成最终的CIGS结构。基于非真空的替代性工艺也为所属领域的技术人员所知。可将堆叠710预成型为一件式。
参看图7B，制造并入有IMOD 200的PV装置730的方法可使用第二堆叠720。第二堆叠720可包含第二PV有源材料层301b及第三透明导电材料层403c。可将第二堆叠720添加到经预先调谐的起动器堆叠710以建立PV装置730。第二堆叠720可依次逐层沉积于起动器堆叠710的第二透明导电材料侧上。
现参看图7C，根据一个实施例，当将第二堆叠720逐层沉积于起动器堆叠710上时形成PV装置730。举例来说，第三方可将一定数量的起动器堆叠710供应给PV装置制造商，且PV装置制造商可接着通过将第二PV有源材料层301b沉积于起动器堆叠710上且接着将第三透明导电材料层403c沉积于第二PV有源材料层301b上而将第二堆叠720形成于起动器堆叠710上，从而产生PV装置730。在另一实施例中，可在单片工艺中制造PV装置730。PV装置730经配置以基于第二透明导电材料层403b的厚度及第一PV有源材料层301a与第二PV有源材料层301b的厚度而反射特定色彩。
仍参看图7C，PV装置730包含两个PV电池405a、405b。PV电池405a、405b中的每一者包含PV有源材料层。第一PV电池405a包含第一PV有源材料层301a，且第二PV电池405b包含第二PV有源材料层301b。第一PV有源材料层403a与第二PV有源材料层403b两者均充当IMOD 200中的部分反射器层。因此，PV装置730产生电力且经配置以从装置的衬底侧反射特定色彩。
图7D到图7E说明制造并入有IMOD 200的PV装置750(图7E)的工艺的另一实例。如图7D中所说明，在一个实施例中，制造所述装置的方法可包含提供起动器堆叠740。所述起动器堆叠740可包含安置于衬底311与第一透明导电材料层403a之间的部分反射器201。当将反射器或部分反射器(例如，PV有源材料)沉积于第一透明导电材料层403a上时，可预先调谐所述起动器堆叠740以反射特定波长。可通过调整第一透明导电材料层403a及/或部分反射器201的厚度来调谐起动器堆叠740。经选择用于部分反射器201的材料可在大于约800nm的波长处具有低消光系数以允许较长波长透射穿过起动器堆叠740。
现参看图7E，根据一个实施例，当将第二堆叠720逐层沉积于起动器堆叠740上时形成PV装置750。举例来说，第三方可将一定数量的起动器堆叠740供应给PV制造商。PV装置制造商可接着通过将PV有源材料层301沉积于起动器堆叠740上且接着将第二透明导电材料层403b沉积于PV有源材料层301上而将第二堆叠720形成于起动器堆叠740上，从而形成PV装置750。在另一实施例中，可在单片工艺中制造PV装置750。PV装置750经配置以从装置的衬底311侧反射特定色彩且产生电力。
图7F为描绘根据一个实施例的制造包含一个IMOD及两个PV电池的PV装置的方法700的框图。方法700包括以下步骤：将第一透明导电材料层沉积于衬底上(701)；将第一PV有源材料层沉积于第一透明导电材料层上(703)；将第二透明导电材料层沉积于第一部分反射器层上(705)；将第二PV有源材料层沉积于第二透明导电材料层上(707)；及将第三透明导电材料层沉积于第二部分反射器层上(709)。执行方法700将形成类似于图4G中所示的装置的PV装置。可调整每一步骤以便从所形成的PV装置的衬底侧反射特定色彩，同时最大化能量产生。举例来说，第一PV有源材料层可包含在红外光光谱中具有低消光系数且在可见光光谱中具有较高消光系数的材料。用于第一有源材料层的材料的实例包括Ge、GaInP、α-Si、CdTe、GaAs、InP、多晶硅、单晶硅、ZnO及CIGS。
前述描述内容详述了本发明的特定实施例。然而，将了解，无论上述内容在文字上看起来如何详细，仍可以许多方式来实践本发明。如上文还陈述，应注意，在描述本发明的某些特征或方面时对特定术语的使用不应被视为暗示在本文中将所述术语重新定义为局限于包括本发明的与所述术语相关联的特征或方面的任何具体特性。因此，应根据所附权利要求书及其任何等效物来解释本发明的范围。

Claims (51)

1.一种滤色装置，其包含：
第一部分反射器层，其包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料；
第二部分反射器层，其包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料；及
第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含光伏有源层，所述光伏有源层经安置以使得所述第二部分反射器层定位于所述第一光学谐振腔与所述光伏有源层之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含光伏电池，所述光伏电池经安置以使得所述第二部分反射器层定位于所述第一光学谐振腔与所述光伏电池之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其进一步包含在所述光伏电池与所述第二部分反射器层之间的粘着剂层。
5.根据权利要求3所述的装置，其进一步包含在所述光伏电池与所述第二部分反射器层之间的弹性体层。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光学谐振腔具有在约
Figure FPA00001347673300011
与约
Figure FPA00001347673300012
之间的厚度。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光学谐振腔的厚度跨越所述滤色装置的至少一部分而不均一。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一部分反射器层具有在约
Figure FPA00001347673300013
与约
Figure FPA00001347673300014
之间的厚度。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一部分反射器及所述第二部分反射器的至少一部分为大致上相同厚度。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一部分反射器层包含选自由以下各项组成的群组的材料：Ge、GalnP、α-Si、CdTe、GaAs、InP、多晶硅、单晶硅、ZnO及CIGS。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一及第二部分反射器层包含具有在大于约600nm的波长处小于约1的消光系数值的材料。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一及第二部分反射器层包含具有在大于约800nm的波长处小于约0.5的消光系数值的材料。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一及第二部分反射器层包含具有对于可见光比对于红外光低的消光系数值的材料。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层包含非晶硅。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光学谐振腔包含间隔物层。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述间隔物层包含二氧化硅。
17.一种滤色装置，其包含：
用于部分地反射光的第一构件，所述第一部分反射构件具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数；
用于部分地反射光的第二构件，所述第二部分反射构件具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数；及
第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射构件及所述第二部分反射构件界定。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述用于部分地反射光的第一构件包含第一部分反射器层，且所述用于部分地反射光的第二构件包含第二部分反射器层。
19.一种光伏装置，其包含：
第一部分反射构件，所述第一部分反射构件具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数：
第二部分反射构件，所述第二部分反射构件包含光伏有源材料；及
第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
20.根据权利要求19所述的光伏装置，其中所述第一部分反射构件包含第一部分反射器层。
21.一种光伏装置，其包含：
第一部分反射器层，其包含具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数的材料；
第二部分反射器层，其包含光伏有源材料；及
第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
22.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一光学谐振腔具有在约
Figure FPA00001347673300021
与约
Figure FPA00001347673300022
Figure FPA00001347673300023
之间的厚度。
23.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一部分反射器层具有在约与约
Figure FPA00001347673300026
之间的厚度。
24.根据权利要求17所述的装置，其中所述第二部分反射器层包含选自由以下各项组成的群组的材料：Ge、GalnP、α-Si、CdTe、GaAs、InP、多晶硅、单晶硅、ZnO及CIGS。
25.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一部分反射器层包含具有在大于600nm的波长处小于1的消光系数值的材料。
26.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一部分反射器层包含具有在大于800nm的波长处小于0.5的消光系数值的材料。
27.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一部分反射器层包含具有在可见光光谱中比在红外光光谱中低的消光系数值的材料。
28.根据权利要求17所述的装置，其进一步包含：
反射器层，其经安置以使得所述第二部分反射器层在所述反射器层与所述第一光学谐振腔之间；及
第二光学谐振腔，其由所述第二部分反射器层及所述反射器层界定。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述反射器层为部分反射器。
30.根据权利要求28所述的装置，其中所述第二光学谐振腔包含透明导电材料。
31.一种光伏装置，其包含：
第一部分反射器层，其包含具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数的光伏有源材料；
第二部分反射器层，其包含光伏有源材料；及
第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述第一光学谐振腔包含间隔物层。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述间隔物层包含透明导电材料。
34.根据权利要求32所述的装置，其中所述间隔物层包含：
第一透明导电材料层；
第二透明导电材料层；及
第二光学谐振腔，其由所述第一透明导电材料层及所述第二透明导电材料层界定。
35.根据权利要求34所述的光伏装置，其中所述第二光学谐振腔包含间隔物层。
36.根据权利要求35所述的装置，其中所述第二光学谐振腔的所述间隔物层包含不导电材料。
37.根据权利要求33所述的装置，其进一步包含：
第一透明导电材料层，其经安置以使得所述第一部分反射器层定位于所述第一透明导电材料层与所述间隔物层之间；及
第二透明导电材料层，其经安置以使得所述第二部分反射器层在所述第二透明导电材料层与所述间隔物层之间。
38.一种光伏装置，其包含：
第一光伏有源材料层；
第二光伏有源材料层；
光学谐振腔，其安置于所述第一光伏有源材料层与所述第二光伏有源材料层之间；
第一透明导电材料层，其经安置以使得所述第一光伏有源材料层在所述第一透明导电材料层与所述光学谐振腔之间；及
第二透明导电材料层，其经安置以使得所述第二光伏有源材料层在所述第二透明导电材料层与所述光学谐振腔之间。
39.根据权利要求31所述的装置，其中所述光学谐振腔包含透明导电材料。
40.根据权利要求31所述的装置，其中所述第一光伏有源材料层包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料。
41.根据权利要求31所述的装置，其中所述光学谐振腔包含多个层。
42.一种制造光伏装置的方法，所述方法包含：
将第一透明导电材料层沉积于衬底上；
将第一光伏有源层沉积于所述第一透明导电材料层上；
将第二透明导电材料层沉积于所述第一光伏有源层上；
将第二光伏有源层沉积于所述第二透明导电材料层上；及
将第三透明导电材料层沉积于所述第二光伏有源层上。
43.根据权利要求35所述的方法，其中第一部分反射器层包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料。
44.根据权利要求35所述的方法，其进一步包含：
将反射器层沉积于所述第三透明导电材料层上。
45.根据权利要求37所述的方法，其中所述反射器层包含部分反射器。
46.一种光伏装置，其包含：
第一部分反射器层，其包含具有在大于800nm的波长处小于约1的消光系数的光伏有源材料；
第二部分反射器层，其包含光伏有源材料；
第一光学谐振腔，其由所述第一部分反射器层及所述第二部分反射器层界定；
反射器层；
第二光学谐振腔，其包含透明导电材料，所述第二光学谐振腔由所述第二部分反射器层及所述反射器层界定；及
透明导电材料层，其经安置以使得所述第一部分反射器层在所述透明导电材料层与所述第一光学谐振腔之间。
47.一种光伏装置，其包含：
滤色器，其包含第一部分反射器及安置于所述第一部分反射器上的透明导电材料层；及
光伏有源材料层，其安置于所述透明导电材料层上。
48.一种制造光伏装置的方法，所述方法包含：
提供具有前侧及背侧的起动器堆叠，所述起动器堆叠包含第一部分反射器；及
将光伏有源层沉积于所述起动器堆叠的所述背侧上。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述起动器堆叠包含透明导电材料层，所述透明导电材料层经安置以使得所述第一部分反射器在所述透明导电材料层与所述起动器堆叠的所述前侧之间。
50.根据权利要求44所述的方法，其中所述起动器堆叠包含透明导电材料层及间隔物层，所述透明导电材料层及间隔物层经安置以使得所述透明导电材料层及间隔物层在所述部分反射器与所述起动器堆叠的所述背侧之间。
51.根据权利要求48所述的方法，其中所述第一部分反射器包含具有在大于约800nm的波长处小于约一(1)的消光系数的材料。
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