JP2011221526A

JP2011221526A - ディスプレイと光電エレメントとを統合したディスプレイデバイス、およびその製造方法

Info

Publication number: JP2011221526A
Application number: JP2011076489A
Authority: JP
Inventors: Evans Alan; エバンスアラン; D Stephen; デイステファン; Shah Sunei; シャースネイ; Zebedi Patrick; ゼベディーパトリック; Palley Jones Leslie; パリージョーンズレスリー; Nicolas Gareth; ニコラスガレス
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: US8194197B2; JP5160662B2; US20110249219A1

Abstract

【課題】ＰＶエレメントと組み合わされたディスプレイ・エレメントであって、その２つのエレメントが少なくとも部分的に同じ領域を占めるディスプレイ・エレメントを提供する。
【解決手段】ディスプレイデバイスは、光学活性なディスプレイ部を含む第１層と、光電エレメントを含む第２層と、上記第１層に対して動作可能に接続された回路を含む第３層と、を備え、上記回路は、上記光学活性なディスプレイ部を駆動するように構成されており、上記第２層は、上記第１層と上記第３層との間に配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、概してディスプレイデバイスに関し、特に、ディスプレイ・エレメントと光電エレメントとを組み合わせて、両者が、同じ領域を占め、かつ、可能な限り効率的な動作が行われるデバイスおよび方法に関する。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤｓ）や有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤｓ）等は、携帯電話、テレビ、モニタなどの多くの電子デバイス表面の重要な部分を占めている。また、太陽光発電デバイスも、こうしたデバイスに用いられており、相当量の発電を行うために多くの領域を占める必要がある。
〔液晶ディスプレイ〕
図１ａおよび図１ｂは、一般的なアクティブマトリックス型ＬＣＤの概念図を示す。このうち、図１ａは色透過ディスプレイを、図１ｂは、モノクロ反射型ディスプレイを示す。

どちらの場合も、ディスプレイは、基板１および基板２という２つの基板上に構築される。基板１および基板２は、通常はガラスであるが、ポリマーであってもよい。液晶層１０は、透過型ディスプレイではネマチック液晶であり、反射型ディスプレイではポリマー／液晶の混合材料である。両方の場合において、上部基板に共通電極５が設けられる。共通電極５は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電体からなる。また、下部基板に設けられるピクセル電極のグリッドは、液晶層に電圧を印加するために用いられる。薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）は、ピクセル電極を制御するために用いられる。そして、いわゆる「ビア」コネクタ８が、保護平坦層１３を通ってピクセル電極９まで設けられる。

透過型ディスプレイでは、交差した外部偏光板３が基板の外側表面上に設けられる。ピクセル電極９もまた透明体である。液晶層に電圧を印加することによって、液晶分子の配向が変わる。そして、このことが、バックライト１１からディスプレイを通過してくる光の偏光に影響を与える。偏光が変化しない場合、ピクセルは黒になる。そして、偏光が変化した場合、光が透過し、ピクセルは明るくなる。カラーフィルター基板２は、その内表面に、赤色、緑色、青色のカラーフィルター４を有する。アライメント層６（通常はポリイミド）は、液晶分子の位置合わせを制御する。また、偏光板が透光方向を平行に配向したときに、偏光に変化がなければディスプレイがホワイトになるケースもある。

反射型液晶ディスプレイは、異なる様々な方法で製造されうる。図１ｂの反射型液晶ディスプレイの例では、ピクセル電極９は、通常は反射性メタルと考えられる金属により作製される。しかしながら、ピクセル電極９は、光吸収導体によって作製されてもよく、例えば、導体の下方にブラックマスクがなされた透明導体層からなるものであってよい。液晶層１０は、ポリマーネットワークおよび液晶領域からなる。電圧が印加されると、液晶中の分子は、２つの領域において屈折率のコントラストがほとんど生じないように配向される。そして、液晶層は、透過性を有する。反応性を有するとされる電極をピクセル電極として用いると、ピクセルの外観はミラーに似る。そして、観賞者の目に光が反射される正しい位置に光源がない限り、ピクセルは暗く見える。ピクセル電極が光吸収導体によって作製されていると、ピクセルは暗く見える。電圧が印加されないと、液晶領域はランダムに配向して、屈折率のコントラストによって光の散乱が生じる。そして、ピクセルは明るく見える。

このタイプのディスプレイは、ポリマーネットワーク液晶ディスプレイ（ＰＮ−ＬＣＤ）として知られている。この技術の詳細は、H. Hasebe et al in the Journal of photopolymer science and technology, volume 10(1) pp25-30 (1997)、及び、同じ刊行物の、T. Fujisawa et al,volume 11(2), pp199-204 (1998)に記載されている。反射性ピクセル電極を有するディスプレイは、例えば、Y. Asaoka et al in SID Symposium Proceedings 2009 paper 29.1.に記載されている。また、Asaokaらによるこの論文は、メモリ部材を各ピクセルに組み込み、ディスプレイ上の画像の表示を継続するのに必要な電力を低減する方法を開示している。

液晶セルの後方に反射層を有するＰＮ−ＬＣＤディスプレイは、液晶セルの後方にダーク層を有するディスプレイよりも明るく見える。なぜならば、リフレクタに対して散乱する光は、反射して散乱層に向かうためであり、かつ、観賞者の目に達するように、透過、または再び散乱されるためである。アクティブマトリックス（ＴＦＴ）の駆動回路を動作させるのに十分な低駆動電圧を実現するために、ＰＮ−ＬＣＤ層は５μｍのオーダーの薄い厚さで作製されなければならず、そのため、輝度の向上は重要である。この薄い厚みによって光の散乱は比較的弱くなり、後方散乱はほとんどなくなる。この場合、大部分の散乱光は反射層に当たり、そのため、高輝度を実現するには反射層が必要となる。しかしながら、反射層には、ダーク状態での輝度を高め、そのためコントラストを低下させるという欠点がある。

上記ＰＮ−ＬＣＤディスプレイにおいて、ＰＮ−ＬＣＤ層は、電圧が印加されないときには光を散乱し、電圧が印加されると透過性を有する。また、ＰＮ−ＬＣＤディスプレイは、ゼロ電圧状態において透過性を有し、電圧印加により散乱状態とすることもできる。その一例として、米国特許公報第７１０２７０６号（Kim; Boe Hydis, ２００６年９月５日）、米国特許公報第５１８８７６０号(Hikmet; Philips, ２００３年２月２３日）、及び、Soneharaらによる論文（SID Symposium Proceedings 1997 pp1023-6）が挙げられる。

簡単のため、これらの図面では、絶縁層、液晶を位置決めするために用いられる他の構成、アドレス回路、及びブラックマスクを含む多くの部品の記載を省略している。また、構成の詳細は、ディスプレイの種類ごとに異なる。
〔他の散乱モード反射型ディスプレイ〕
他にも、ディスプレイのピクセルを散乱状態から透過状態に切り換えるための方法がある。このうち、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣｓ）がよく知られている（例えば、L. Bouteiller and P. Le Barry, ‘Polymer-dispersed liquid crystals: preparation, operation and application’, Liquid crystals vol 21, pp157-174 (1996)参照）。これらのデバイスでは、液晶の液滴がポリマーマトリクスで分散される。しかしながら、通常、これらのデバイスは、アクティブマトリクス（ＴＦＴ）駆動回路と並存するには高い電圧で動作する。

上記のポリマーネットワーク液晶ディスプレイに加えて、低駆動電圧により散乱液晶ディスプレイを実現する方法が幾つか存在する。一例が、米国特許公報第５５３９５５６号(Demus; Chisso, Inc. ２０００３年６月２３日）に開示されており、ここでは、液晶の液滴が、液晶と混合しない液体中に浮遊する。

さらに、まったく液晶を使わずに散乱モード反射型ディスプレイを実現する方法があり、例えば、エレクトロウェッティング型ディスプレイ、及び、in-plane型電気泳動型ディスプレイが挙げられる。最も一般的なエレクトロウェッティングでは、デバイスが２つの不混和性液体からなる。その液体の１つはブラックであり、もう一方は透過性を有する（例えば、R. A. Hayes & B. J. Feenstra, “Video-speed electronic paper based on electrowetting”, Nature, Vol. 425, pp 383-385 (2003)参照）。その２つの液体の後方には散乱性ホワイトレフレクタが配置される。それゆえ、ブラックでカバーしたり、あるいは、任意のピクセル内において観賞者にホワイト散乱を見せることができる。そして、それにより、どの液体も散乱状態と透過状態との間で変化することなく（散乱状態および透過状態は、要求に応じて変化するのみ）、効果的な散乱モードディスプレイを実現することができる。あまり一般的ではないが、同様の効果を得る方法として、背景をブラックとして（透過性およびブラックの背景、ホワイトの背景、ではなく）、透明性がありホワイトであるエレクトロウェッティング流体を用いるという方法がある。また、透明流体中に浮遊する、ブラックまたはホワイトの電気泳動粒子を用いることで類似の効果を実現することもできる。
〔光電エレメント〕
周知の光電エレメントの１つとして、薄膜太陽電池セルがある。薄膜太陽電池セル技術のレビューを、K. L. Chopraによる論文、「Thin-Film Solar Cells: An Overview”, Prog. Photovolt., Res. Appl., 2004, vol 12, pp 69-92」に見ることができる。薄膜太陽電池セルは、複数の薄膜（フィルム）を含む。その薄膜は、一般的には１０ｎｍ〜１０μｍの厚みであり、支持基板１７（図２ａ）上に積層される。積層された薄膜は、一般には、少なくとも２つの導電層１６・１４、及び光吸収層１４を有する。薄膜太陽電池セルは、他のタイプの太陽電池セルと同じく、光電効果によって光エネルギーを電気エネルギーに変換するという光吸収層の特性を利用する。光吸収層中の光子を吸収することにより生成される自由荷電粒子が、内部の電位傾度の影響により、導電層に移動する。導電層では、自由荷電粒子は、蓄積され、外部回路に電力を供給するために用いられる。

太陽電池セルの構造は、最大効率のため、できるだけ多くの入射光を受光・吸収するように設計される。フロント接点として知られる導電層１６の少なくとも１つは、入射光１９を光吸収層にまで通過させる必要がある。例えば、これは、導電層内エリアに導電メタルが存在しないように導電層をパターン化することで実現される。導電メタルは、フィンガー接点として知られるストライプ状に設けられてよい。あるいは、導電層は、必要な波長域１６ａの光を透過させてよい。共通透明導電層の例として、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素がドープされたスズ酸化物（SnO₂:F）、または、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（ZnO:Al）が挙げられる。

選択的に、フロント接点は、２以上の層から構成されてよい。例えば、フィンガー接点またはグリッド接点１６ｂおよび透明導電層１６ａが組み合わされる（１６）。その結果、最適な光透過が得られ、シート抵抗、光の吸収率、及び導電層の反射率が最小化する。他の例では、別の層が設けられて、反射率を最小化し、または光捕捉率を高める。また、フロント接点は、その電気的特性または光学的特性を最適化するための他の構成を有してよい。例えば、導電層と光吸収層との接触面は、反射を防ぎ、Zemanらの論文「Optical modeling of a-Si:H solar cells with rough interfaces: Effect of back contact and interface roughness”, J. Appl. Phys., vol 88 (11), 2000, pp6436-6443」に記載されるように、光の捕捉を促進するために粗面にしてよい。

通常、バック接点として知られる第２導電層１４は、光吸収層における入射光の路程を伸ばすために反射性を有する。反射性バック接点に用いられる一般的な材料は、シルバー、クロム、またはアルミニウムである。バック接点は、反射光を散乱し、光吸収層における入射光の路程をさらに伸ばすために、１以上の他の構成を含んでよい。例えば、バック接点１４は、光の散乱を促進するために、反射メタル１４ａと、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（ZnO:Al）など他の透明層１４ｂとを組み合わされてもよい。１以上のバック接点層がエッチングなどのプロセスに供されて、その粗さを高め、光の散乱をさらに促進するように設計される。

光吸収層は、有機半導体、色素、及び電解液を含む他の多くの材料と代替できるものの、一般には、シリコンなどの無機半導体が使われる。通常、光吸収層は、内部電位差を与えるために、異なる電気化学的性質を有するサブレイヤの間に少なくとも１つの半導体接合部を有する。通常、半導体接合部は、異なる組成の２つの材料を組み合わせて得られる。材料組成のバリエーションは、同じ半導体に異なるドープをすることにより、あるいは、異なる材料を組み合わせることにより実現されうる。通常、薄膜太陽電池セルにおける光吸収層１５は、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成するために、高い濃度でドープされたｐドープ薄膜サブレイヤ１５ｃおよびｎドープ薄膜サブレイヤ１５ａを、より厚いイントリンシック（ｉ−）シリコン層１５ｂのどちらかの側に有する。

通常、薄膜太陽電池セルは、２つの構成（構造）のうちの何れかで構成される。「基板構成」（図２ａ）は、支持基板がバック接点に隣接するときの構成として規定される。この構成において、基板は透明性を有している必要はない。「スーパーストレート構造」（図２ｂ）は、支持基板１８がバック接点１６ｃに隣接するときの構成として規定される。この場合、スーパーストレート構造は、太陽電池セルに光が入射するように透明性を有している必要がある。

光子エネルギーが光吸収層のバンドギャップよりも小さいとき、入射光は、吸収または弱く吸収されることはない。一方、光子エネルギーが上記バンドギャップよりも大きいとき、熱として過剰なエネルギーが失われる。太陽電池セルの効率を上げるため、異なる光電特性を有する材料からなる他の複数の光吸収層２０が、互いの上部に積層される（図３）。第１光吸収層１５と同様に、積層中のサブセルもまた、ｎ−ドープ２０ａ、イントリンシック２０ｂ、及びｐ−ドープ２０ｃのサブレイヤを含むものの、太陽光スペクトルの異なる部分の光を吸収する。このようにして、太陽電池セル全体での光の吸収、及びそれによる光の吸収率が向上する。２以上の光吸収層を有するこのタイプの薄膜太陽光電池セルは、多重薄膜太陽光電池セルとして知られる。多重薄膜太陽光電池セルのために共通して組み合わされる材料の例として、アモルファスシリコン、微晶性シリコン、炭化珪素、シリコンゲルマニウムなどが挙げられ、また、他の材料や材料の組み合わせについてもよく知られている。シリコンベースの薄膜技術は、A. V. Shahらによる論文、「, Prog. Photovolt. Res. Appl., 2004, vol 12, pp113-142」に見られる。

また光電効果は、ポリマー薄膜によっても実現される。これらのデバイスは、最近のレビューにも要約されている（‘Polymer based photovoltaics: novel concepts, materials and state-of-the art efficiencies’, J.M. Kroon et al, Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona 2005）。ポリマーベースのＰＶセルは、無機ＰＶに比べて極めて効率が悪い。しかしながら、ポリマーベースのＰＶセルには、溶液処理を含め、製造プロセスのコストが低いという効果がある（例えば、Wang et al, Applied Physics Letters vol 95, 043505 (2009)参照）。

シリコンおよびポリマーに加えて、他の材料をベースとする薄膜太陽電池セルが存在する。よく知られたものとして、銅インジウムガリウムセレン化物構造（ＣＩＧＳｅ_２）、銅インジウムガリウム硫化物（ＣＩＧＳ_２）、及びテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）がある。これらの技術、または他の薄膜太陽電池セル技術のいずれもが、その意図した用途、機能、効率性、コスト、環境影響、プロセスの適合性、動作の波長域、審美性（例えば、色／外観）に基づいて選択される。異なる薄膜太陽電池セル技術の概要として、「Thin Film Solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications, Ed. J. Poortmans and V. Arkhipov, published by Wiley, 2006」が参照される。

多くの薄膜太陽電池セルがそのように構成されていることから、セルの全体効率を高めるために、入射光と光吸収層との間に他の層が必要となる。そのような層（ときに窓層として知られる）は、光電流には寄与しない。さらに、窓層のバンドギャップは、光が通過するように、光吸収層のバンドギャップよりも大きいものが選択される。しかしながら、窓層は、そのバンドギャップよりも大きなエネルギーの光子を吸収するため、光子が光吸収層を通過することを防止する。例えば、ＣＩＧＳおよびＣｄＴｅ薄膜太陽電池セルの場合には、一般にＣｄＳ緩衝層が用いられる。ＣｄＳは、およそ５００ｎｍよりも短い波長の光を吸収する。ＺｎＯおよびＩＴＯは、透明導電層としてよく用いられるが、一般に、およそ３５０ｎｍよりも短い波長の光を吸収する。これらの要因の結果、薄膜太陽電池セルは、一般に、太陽光スペクトルのある領域のみを利用することになる。そして、その領域は、光吸収層のバンドギャップによって定まる下限と、セル中の他のあらゆる窓層によって定まる上限との間となる。いくつかの共通薄膜太陽電池セルの光吸収特性の説明として、「Jenny Nelson, The Physics of Solar Cells, Imperial College Press, 2003, page 213-214」を参照できる。いくつかの薄膜太陽電池セルの外部量子効率を示す図が、いくつかの刊行物に見られる。その中には、アモルファスシリコンとして、Meierらによる、「“High-efficiency amorphous and micromorf silicon solar cells”, Proc WCPEC 3, 2003, S20-89-06」がある。また、ＣＩＧＳとして、Kaigawによる、「“Improved performance of thin film solar cells based on Cu(In,Ga)S₂”, Thin Solid Films, 2002, 415, p266; and for CdTe, A. D. Compaan, MRS Symp. Proc., 2004, 808, A7.」がある。

大面積薄膜太陽電池セル（通常、１ｃｍ^２よりも大きい面積）の作製において、１つの太陽電池セルが、太陽電池モジュールを形成するために、複数の太陽電池セルに分割される。個々のセルは、その長さは様々であるが、一般的には約１ｃｍ幅である。そして、個々のセルは、隣接セルに連続して接続され、セルの列（カスケード）を形成する。大きなセルを小さなセルに分割し、それらを連続して接続することにより、各セルによって生成される出力電流は低下する。その結果、導電層のシート抵抗によりジュール損失が減少する。また、セルの連続接続によってカスケードに並ぶセルの総出力電圧が増え、それらが接続される外部回路にとってさらに好適な電圧レベルとなる。

通常、連続接続は、隣接セル間の「モノシリック接点」によって実現される。モノシリック接点は、３つのカッティング工程の結果として得られる。そのカッティング工程はそれぞれ、あるセルのバック接点を隣接する他のセルのフロント接点に接続するために、セル中の異なるレイヤ（層）を貫通してカットするというものである（図１３）。図１１および図１２を参照して、第１のカット４２は、バック接点が堆積した後に行われる。そして、第１のカット４２は、隣接セル（図１１ａ、図１１ｂ）のバック接点を分離する。第２のカット４３は、光吸収層を堆積した後に行われる。そして、第２のカット４３は、第１のカット４２から距離を置いて行われる（図１１ｃ、図１１ｄ）。第２のカットは、光吸収層を分離し、隣接セルのフロント接点とバック接点とが電気的に接続されるようにビアを開ける。第３のカット４４は、フロント接点層を堆積した後に行われる。そして、第３のカット４４は、隣接セルのフロント接点を分離する（図１１ｅ、図１１ｆ）。第３のカットは、リソグラフィー法によって行われてもよいが、通常は、レーザーストライビングによって行われる。このレーザーストライビング法の詳細は、「C. M. Dunsky, Industrial Laser Solutions, February 2008」で説明されている。

図１４ａ、及び図１４ｂは、モノシリック接点領域を含む１つの太陽電池セルの簡易な価回路図を示す。通常、太陽電池セルは、電源とダイオードとが並列に接続されて表現される。抵抗Ｒ１〜Ｒ５（Ｒ３を除く）により、フロント接点層およびバック接点層から生じる直列抵抗が近似される。Ｒ３は、隣接するバック接点の間からｎ型ａ−Ｓｉ層へのリークをもたらす分流器である。図１５は、３つのセルが２つの直列で平行にモノシリック接続された、６つの太陽電池セルを含むモジュールの回路図例である。モノシリック接点の詳細は、BreclとTopicの論文、「“Simulation of losses in thin-film silicon modules for different configurations and front contacts”, Prog. Photovolt: Res. Appl., 16, 2008, pp479-488」で説明されている。

モノシリック接点は、光電流に寄与しない接点領域の周囲にデッド領域４０を生み出すため、セルのアクティブ領域４１を減少させる（図１３）。セル幅は、より多くの接点を有することに起因する、喪失するアクティブ領域４０との間でバランスを取るように最適化される必要がある。なお、より多くの接点を有することで、セルに流れる低電流に起因するジュール損失が減少する。上記損失とその損失とセルとの関係、及び相互連結される規模は、Guptaらによる、「“Optimisation of a-Si solar cell current collection”, Proceedings of the 16^th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1982, p1092-1101」に詳細に記載されている。
〔ディスプレイおよび光電エレメントの組み合わせ〕
同じ技術分野において、光電エレメント（ＰＶ）とディスプレイとを組み合わせる方法が数多くの特許文献に開示されている。

最もシンプルな方法は、ＰＶおよびディスプレイを別々に製造し、ＰＶをディスプレイの後方に配置するというものである。この方法は、ディスプレイがパッシブマトリックスにより駆動するときには有効であり、ディスプレイによってＰＶが覆われることもない。この方法は、米国特許公報第６５１８９４４号（Doane; Kent Displays、２００３年２月１１日）、米国特許公報第５５２３７７６号（Hougham; IBM、１９９６年６月４日）、米国特許公報第７２０６０４４号（Li; Motorola、２００７年４月１７日）、米国特許出願公報第２００５０１１７０９６号（Voloschenko; Motorola、２００５年６月２日）に開示されている。しかし、この方法には次の２つの欠点がある。ディスプレイおよびＰＶには異なる基板が使用されるため、組み合わせた後のデバイスは、重く、厚みがあり、容積が大きくなる。そして、ディスプレイにおいてアクティブマトリックスが用いられるときには、光がＰＶに到達する前に、その光の一部がアクティブマトリックス回路に吸収され、その結果、ＰＶ効率が低下する。

他に、ＰＶとディスプレイ回路とを同一の層に設けるという方法がある。この方法は、製造工程を減らし、それにより製造コストも軽減されうるという利点を持つ。例えば、各ピクセルが、ある箇所ではＴＦＴとして機能し、他の箇所では光電エレメントとして機能するシリコン層を備える。この方法は、米国特許公報第６３２３９２３号（Hoshino; Seiko-Epson、２００１年１１月２７日）、米国特許公報第６４５２０８８号（Schmidt; Airify、２００２年９月１７日）に開示されている。繰り返しとなるが、この方法ではＰＶ効率が低下する。この方法では、ＰＶの利用する領域が限られているためである。ＰＶではカバーされずにディスプレイに到達する光のエネルギーが失われる。

同じく、ＰＶ機能を統合したブラックマスクにより透過性ディスプレイが覆われる構成が、米国出願公報第２００７０１０２０３５号（Yang、２００７年５月１０日）に開示されている。繰り返すが、この方法による欠点は、ＰＶがほんの僅かの領域を占めることから、デバイスに入射する光のエネルギーはその一部しか利用されないという点にある。

ＰＶエレメントがＭＥＭＳディスプレイに組み合わされたデバイスが、米国出願公報第２００９０１０３１６５号（２００９年４月２３日、Kothari; Qualcomm）、米国出願公報第２００９０１０３１６１号（２００９年４月２３日、Kothari; Qualcomm）に開示されている。両方のケースにおいて、上部基板上の回路がＭＥＭＳデバイスを駆動し、ＰＶエレメントは、基板の外側または下部基板に設けられる。最初のケースにおいて、ＰＶデバイスはディスプレイを部分的に覆い、２つ目のケースにおいて、ディスプレイがＰＶを覆う。

ＰＶエレメントが有機ＬＥＤディスプレイと組み合わされた構成を開示する特許もある。一例として、米国特許出願公報第００９０２１９２７３号（Nathan; Ignis Inc.、２００９年９月３日）が挙げられる。この特許はまた、液晶ディスプレイの可能性に触れているが、その詳細は説明していない。
〔発明の目的〕
上述した公知技術の要約から、次のことが分かる。つまり、ＰＶエレメントとアクティブマトリックス反射型ディスプレイ・エレメントとを組み合わせて、その２つのエレメントが、同じ領域を占め、かつ、ディスプレイに入射する光を効率的に利用する方法は、公知文献には開示されていない。それゆえ、本発明の目的は、ＰＶエレメントと組み合わされたディスプレイ・エレメントであって、その２つのエレメントが少なくとも部分的に同じ領域を占めるディスプレイ・エレメントを提供することにある。本発明の他の目的は、ＰＶエレメントおよびディスプレイ・エレメントがディスプレイに入射する光を効率的に利用することにある。本発明に係るこれらの目的、および他の目的は、以下の説明によって明確に理解される。

本発明によると、光電性（ＰＶ）エレメントが、上記の駆動エレクトロニクス（本願では、「エレクトロニクス」を「回路」と称する場合もある。）の上方ではなく、光学活性なディスプレイの下方に配置されるように、統合された反射型ディスプレイおよびＰＶデバイスが構成される。図４は、本構成による、ディスプレイとＰＶエレメントとが組み合わされた例を示す図である。外部から同デバイスに入射する光は、最初に光学活性なディスプレイ部に入射する。そして、その光は、（もし光学活性なディスプレイ部によって反射または散乱されなければ）ＰＶエレメントに入射する。ディスプレイ回路はＰＶエレメントの下方に存在し、デバイスの光学特性に影響を与えない。ビアコネクタは、ディスプレイ回路と光学活性なディスプレイ部との間を電気的に接触させる。本発明に係る上記デバイスおよび方法の利点は、以下に含まれる。

ＰＶエレメントとディスプレイとを同じ領域で組み合わせることで省空間化される。この省空間化は、特にモバイル機器にとって重要である。モバイル機器では、（情報の読み易さと機器の利用性とを高めるための）情報表示のために、また（可能な限り発電量を増やすために）ＰＶにとっても、大きな面積を用いることは利点となる。ＰＶエレメントは、光学活性なディスプレイ部の下方に位置するため、ディプレイを覆うことはない。そして、上記回路はＰＶエレメントの下方にあるため、当該回路はＰＶエレメントを覆うことはない。

従って、本発明のレイヤ（層）構成は、ＰＶエレメントを高効率に動作させ、同時に、ディスプレイが大きな面積で動作可能であって、その読み易さを高めている。これは、公知技術で述べられた総ての構成に対する改善点である。

一般に、反射型ディスプレイは、透過型および放射型ディスプレイよりも消費電力が低い。そのため、反射型ディスプレイが、消費電力の一部または全体をＰＶエレメントから給電してもらうときに利点を有する。

ディスプレイデバイスは、散乱状態と非散乱状態とに切り換えられる反射型ディスプレイであってよい。一例として、ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイが挙げられる。そのようなデバイスは、アモルファスシリコン、またはポリシリコン薄膜トランジスタに適合し、低電力動作が可能という利点を持つ。

ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイは、散乱状態が電圧印加によって解除されるポジ型か、あるいは、散乱状態が電圧印加によって強まるリバース型の何れであってもよい。ポジ型は、より簡単に製造できるという利点を持つ。リバース型は、最大の透過状態においてディスプレイによる電力消費がないという利点を有し、それゆえ、映像が表示されていないときにはＰＶエレメントとして使用されるとより好適である。

また、散乱反射型ディスプレイデバイスは、アクティブマトリックス・バックプレーンに対して十分に低い電力で動作する、異なる液晶モードであってよい。例えば、そのようなモードは、Demusによる米国特許第５５３９５５６号に開示されている。

また、散乱反射型ディスプレイデバイスは、エレクトロウェッティングモードまたはin-plane型電気泳動モードなどの非液晶モードであってよい。本発明のこのケースでは、太陽電池セルの外観はほぼダークであるため（可視光の好適な吸収剤であるため）、エレクトロウェッティングモードでは、ホワイト流体および透明流体が好適に用いられる。そして、in-plane型電気泳動モードでは、透明流体にホワイト粒子が浮遊する。

ＰＶエレメントにおけるフィンガー電極は、ディスプレイデバイスのピクセルピッチと同じピッチを有するように構成されてよい。

ＰＶエレメントの電極は反射性が高くてよい。あるいは、ＰＶエレメントの電極は、反射性を高くするための材料が塗布されてよい。これにより、反射型ディスプレイの輝度が高くなるという利点がある。

ＰＶエレメントの電極は反射性が低くてよい。あるいは、ＰＶエレメントの電極は、反射性を低くするための材料が塗布されていてよい。これにより、反射型ディスプレイのコントラスト比が高くなるという利点がある。

ＰＶエレメントは、アモルファスシリコン薄膜光電性デバイスであってよい。製造方法が十分に開発されており、また厚みが薄くなるという利点を有する。

ＰＶエレメントは、積層構造であってよく、例えば、アモルファスシリコン層および微晶性シリコン層を備えていてよい。このタイプの構造は、厚みがあるものの、光電効率は高い。

ＰＶエレメントは、ポリマーベースの薄膜構造であってよい。無機薄膜光電構造よりも製造プロセスのコストを低くすることができる。

ＰＶエレメントは、銅インジウムガリウムセレン化物薄膜構造、または、銅インジウムガリウム硫化薄膜構造であってよい。このタイプの構造は十分に開発されていないが、高い光電効率を実現できる。

本発明にしたがい製造されるデバイスは、ＰＶエレメントがディスプレイ回路の上部に設けられるプロセスによって製造されてよく、その後、ＰＶエレメントを貫通してカットするエッチング工程が行われ、それにより、ＰＶエレメントは、図６および図７に示すように、ディスプレイと上記回路との間に接点を持つ。

本発明にしたがうデバイス構造は、メタルまたは他のエッチレジスト導電メタルによるエッチストップ層を有してよい。図６に示すように、このエッチストップ層が存在することで、ＰＶ層を通るカットのためのエッチング工程により、ディスプレイ駆動回路へのコンタクトを、駆動回路を破損することなく実現することができる。

本発明にしたがうデバイス構造は、図９に示すように、別の反射層３６を備えてよい。この反射層は、ＰＶ層によって最も効率的に用いられる光の波長範囲には含まれない波長の光を反射するように設計されている。このようにして、ディスプレイの輝度は、ＰＶエレメントの効率を大幅に削ぐことなく向上する。

また、別の反射層３６は、異なるピクセルの異なる波長バンドを反射する構成であってよい。例えば、３つのピクセルの各グループにおいて、１つのピクセルは赤色の光を強く反射し、１つのピクセルは緑色の光を強く反射し、１つのピクセルは青色の光を強く反射する。このように、上記デバイスは、モノクロ型と比べて、光電効果をほとんど低下させることなくカラー画像を表示することに用いられる。

また、別の反射層３６は、視認可能なスペクトルのすべて、または一部を反射しつつ、赤外光を透過してもよい。このとき、ＰＶエレメントが赤外光を吸収するように最適化される。例えば、ＰＶエレメントは、カドミウムテルル化光電エレメントであってよい。また、これにより、ＰＶエレメントの発電効率を高めつつ、ディスプレイの輝度を改善できるという利点が得られる。

あるいは、別の反射層３６は、表面プラズモンを支持する導電ナノ構造の周期的アレイを有する構成であってよい。導電ナノ構造のアレイは、Pala らによるAdv. Mater., 21, (2009), 3504-3509に記載されているＰＶエレメントによって特定の波長の光を捕捉・吸収する効率を高めるように設計されてよい。このように、反射光のスペクトルおよび／または強度が制御されて、ディスプレイの輝度を高め、あるいは、カラー画像を表示する。それと同時に、ＰＶエレメントの光電効率は維持または向上する。

また、導電ナノ構造の周期的アレイを有する別の反射層３６は、光吸収率を高め、かつ、ＰＶエレメントからのキャリア抽出を高めるという２つの機能を実現するために、層１６を備えてよい。

また、別の反射層３６は、従来の意味において反射性を有するというわけではなく、相対的に屈折率の低い（ｎ＜１．３５）誘電材料によって構成されてよい。そのような層の挿入は、次のことを目的としている。つまり、液晶が非散乱状態にあるとき、（反射損失は別にして）入射光が太陽電池セルに直接入射し、その一方で、散乱状態では、ＰＮＬＣから放射される散乱光の大部分が、周知の全内部反射により、太陽電池セルから遠ざかるように反射し、観賞者に向かう、ということを目的とする。一部の光は、常に太陽電池セルに入射するが、多くの光は鑑賞者に戻る。その結果、層３６へリフレクタを導入することによってダーク状態における表示品位を妥協することなく、ディスプレイの輝度を高めることができる。ここで、図９では、低屈折率層が層３６の位置を占める。しかしながら、低屈折率層３６および絶縁層３１がＰＮＬＣ層のための電極よりも上方に位置している構成もある。この場合、ＰＮＬＣの駆動電圧が、不活性誘電体層にわたって低下するという欠点がある。しかしながら、ピクセル電極をＴＦＴ回路に接続するのに必要なビア・ホールは格段に短くてよいという利点を有する。

ＰＶエレメントは、モノシリック接点により互いに連続して接続する、複数の小ＰＶエレメントに分割される。ここで、モノシリック接点のピッチは、ピクセルピッチの整数倍である。この利点として、以下１）〜３）が挙げられる。１）ディスプレイ上のフィンガーパターンまたは他のパターンの視認化を防ぐ。２）小ＰＶエレメントの出力電流を低下させ、それにより直列抵抗損失を減らす。３）カスケードの出力電圧を高め、小ＰＶエレメントが接続される外部回路の互換性を高める。

単一カスケードにおける各小ＰＶエレメントは、２以上のカスケードを形成するために、さらに細かく分割されうる。各カスケードは、他のカスケードと並列接続される。これにより、ＰＶ層の光電効率を維持した状態でディスプレイの部分陰影の影響が軽減されるという利点が得られる。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスは、光学活性なディスプレイ部を含む第１層と、光電エレメントを含む第２層と、上記第１層に対して動作可能に接続された回路を含む第３層と、を備え、上記回路は、上記光学活性なディスプレイ部を駆動するように構成されており、上記第２層は、上記第１層と上記第３層との間に配置されている。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスは、共通電極と、複数のピクセル電極と、上記複数のピクセル電極に対応する複数の導電コネクタと、をさらに備え、上記第１層は、上記共通電極と上記複数のピクセル電極との間に配置されており、上記導電コネクタは、上記複数のピクセル電極それぞれを上記回路に電気的に接続させる。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスは、上記光電エレメントの表面上に配設された複数のフィンガー電極を備え、上記光学活性なディスプレイ部は、あるピクセルピッチを有する複数のピクセルを備え、上記複数のフィンガー電極は、上記ピクセルピッチに相当するピッチを有する。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスは、反射性材料を含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記第１層は、少なくとも、エレクトロウェッティング層またはin-plane型電気泳動層のいずれかを含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記第１層は、アモルファスシリコン層および微晶性シリコン層を含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記第１層と上記第２層との間に設けられた反射層を含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光電エレメントは、カドミウムテルル化光電エレメントを含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光学活性なディスプレイ部は、複数のピクセルを備え、上記反射層は、繰り返しパターンにおける上記複数のピクセルの異なるサブピクセルからの異なる色の光を反射するように不均一である。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記反射層は、光電性デバイスによって効率的に用いられる光の波長範囲には含まれない波長の光を反射するように構成されている。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光電性デバイスは、赤外光を吸収するように最適化されており、上記反射層は、視認可能なスペクトルの少なくとも一部を反射する一方で、赤外光を透過するように構成されている。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、さらに、導電層を備え、上記反射層は、上記導電層と組み合わされている。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記反射層は、屈折率が１．３５よりも低い。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記第１層と上記第２層との間に設けられるピクセル電極と、絶縁層とを備え、上記反射層および上記絶縁層は、上記ピクセル電極と上記第１層との間に設けられる。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光電エレメントは、互いに連続して接続する、複数の第１光電エレメントに小分割される。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記ディスプレイデバイスは、反射型ディスプレイデバイスを含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光学活性なディスプレイ部は、反射型ディスプレイデバイスを含み、上記回路は、上記反射型ディスプレイデバイスを、散乱状態と非散乱状態とに切り換える。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記ディスプレイデバイスは、ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイ（ＰＮＬＣＤ）デバイスを含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記ディスプレイデバイスは、少なくとも、ポジ型ＰＮＬＣＤまたはリバース型ＰＮＬＣＤである。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光学活性なディスプレイ部は、エレクトロウェッティングモードで動作する。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記光学活性なディスプレイ部は、少なくとも、アモルファスシリコン薄膜光電性デバイス、複数積層構造、ポリマーベースの薄膜構造、または、銅インジウムガリウムセレン化物構造あるいは硫化物薄膜構造のいずれかである。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスでは、上記第１層は、アモルファスシリコンの単層を含む。

本発明の一形態にしたがい、ディスプレイデバイスの製造方法は、基板上に駆動回路を形成する回路形成工程と、上記駆動回路上に光電エレメントを形成するエレメント形成工程と、上記エレメント形成工程は、上記光電エレメントと上記駆動回路との間に絶縁層を形成する絶縁層形成工程を含み、上記光電エレメントの上部に光学活性なディスプレイ部を配置する配置工程と、上記絶縁層および上記光学活性なディスプレイ部を通ってビア・ホールを形成するホール形成工程と、上記ビア・ホールを貫通し、かつ、上記駆動回路と接続するピクセル電極を形成する電極形成工程と、を含む。これにより、ディスプレイと光電デバイスとを組み合わせる方法が実現する。そして、この方法は、すでに確立され、かつ、経済的に大量生産されるプロセスを使用する、上記公知技術を上回る利点を有する。

上記および関連事項を実現するために、本発明は、後述の構成を完全に含み、特に特許請求の範囲において記載されている。後述の説明および添付図により、本発明の実施形態が詳細に説明される。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が用いられる方法の一部を示すにすぎない。本発明の他の目的、利点、新規な事項は、添付図面とともに説明される以下の記載から明らかになるであろう。

本発明に係るデバイスおよび方法により、ディスプレイ・エレメントと光電エレメントとを組み合わせて、両者が、同じ領域を占め、かつ、ディスプレイに入射する光を有効に利用することができるといいう効果を有する。

従来の透過型のアクティブマトリックス型ＬＣＤの概念図である。従来の反射型のアクティブマトリックス型ＬＣＤの概念図である。従来の基板型の薄膜太陽電池セルの概念図である。従来のスーパーストレート型の薄膜太陽電池セルの概念図である。従来のスーパーストレート型の多重薄膜太陽電池セルの概念図である。本発明にしたがう、ポリマーネットワーク液晶ディスプレイと光電エレメントが組み合わされる典型例を示す図である。本発明にしたがう、典型的なディスプレイの層構造を説明するための図であり、ＰＶエレメント上に広がる電極およびディスプレイ回路に対するビア・コネクタのレイアウトを説明するための図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明にしたがうデバイスを作製するために用いられうる典型的なプロセスにおける最初の４つのステップを説明するための図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明にしたがうデバイスを作製するために用いられうる典型的なプロセスにおける次の４つのステップを説明するための図である。（ａ）、（ｂ）は、ビア・コネクタの内部に絶縁層を作製するための、図７に記載の方法とは異なる典型的な方法を説明するための図である。本発明に係る実施形態であり、ディスプレイの明るさを高めるために別のリフレクタが存在する様子を示す図である。カラー表示を含む本発明に係る実施形態において、カラーサブピクセルの典型的な配置を説明するための図である。（ａ）〜（ｆ）は、ＰＶ層において隣接する太陽電池セルの間にモノシリック接点を形成する典型的な方法を説明するための図であり、その方法は、（ａ）バック接点層を堆積する工程と、（ｂ）バック接点を分離切断する工程と、（ｃ）光吸収層を堆積する工程と、（ｄ）光吸収層を通って相互連結するカットを行う工程と、（ｅ）フロントコンタクト層を堆積する工程と、（ｆ）分離カットする工程と、を含む。ＰＶ層において隣接する太陽電池セルの間にモノシリック接点を形成するための典型的なプロセスフローチャートを示す図である。ＰＶ層において隣接する太陽電池セルの間にフィンガー接点を含むモノシリック接点を説明するための図である。（ａ）は、ＰＶ層において隣接する太陽電池セルのモノシリックな相互連結から発生する主な寄生抵抗の原因を説明するための図であり、（ｂ）は、等価回路類似図である。３つのセルが２つの直列で平行に並んだ、６つのモノシリックに接する太陽電池セルを含むモジュールの等価回路類似図である。本発明の実施形態を示し、モノシリック接点およびフィンガー接点が互いに直角に配設され、ピクセル電極レイアウトに位置合わせされた様子を示す図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態を説明する図４には、散乱状態と非散乱状態とを切り換えることが可能な反射型ディスプレイ装置が記載されている。このようなディスプレイ装置は、例えば、Y. Asaokaらによる「SID Symposium Proceedings 2009 paper 29.1」や上記他の文献に記載されている、ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイ（ＰＮ−ＬＣＤ）などである。散乱反射型ディスプレイ装置は、エレクトロウェッティングモード又はin-plane型電気泳動モードなどの非液晶モードであってよい。ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイは、散乱状態が電圧印加によって解除されるポジ型か、あるいは、散乱状態が電圧印加によって強まるリバース型の何れであってもよい。駆動回路は、各ピクセルに、ディスプレイの電力消費を著しく低減させるメモリ装置を含む。このメモリ装置は、Asaokaの論文にも記載されている。

上部基板２上の透明ＩＴＯ共通電極５および下部基板１（第３層）上のＩＴＯピクセル電極９によって、ＰＮ−ＬＣＤ層１０（光学活性なディスプレイ部を含む第１層）に電圧が印加される。そのピクセル電極の下方には、図２（ａ）と同様の構造を有する、薄膜アモルファスシリコンＰＶエレメント２１（そのＰＶエレメントは第２層上に配設されている）が存在する。ＰＶエレメントは、積層構造（例えば、アモルファスシリコン層や微晶性シリコン層など）、ポリマーベースの薄膜構造、銅インジウムガリウムセレン化物構造、または硫化物薄膜構造であってよい。各ピクセル電極は、そのピクセル（上述したメモリ部材を含む）のために、導電路により、またはＰＶエレメント２１を通る導電コネクタ２３により、駆動回路２２に接続している。各ピクセルへの導電コネクタ２３は、集合的に複数の導電コネクタを形成している。

図５は、隣接する２つのピクセル概略構造図を示す。列２４および行２５は、下部基板１上のピクセル駆動回路２２をアドレス指定する。導電コネクタ２３は、各ピクセル電極９とその駆動回路２２との間に存在する。この導電コネクタは、ＰＶ層２１の中を通るが、電気的にはＰＶ層２１から絶縁されている。

ＰＶエレメントの表面上部に、フィンガー電極１６ｂが設けられている。フィンガー電極１６ｂは、ピクセル構造と同じピッチを有するようにパターン化されている。これにより、潜在的な２つの問題（ａ）、（ｂ）が防止される。（ａ）フィンガー電極がピクセル構造とはピッチが異なるが同規模であれば、より多くのフィンガーが視認される。（ｂ）フィンガー電極がピクセル構造よりもピッチが格段に大きければ、フィンガー電極はディスプレイの観賞者に視認される。

本実施の形態において、フィンガー電極は、アルミニウム（反射性材料）により作製されており、それにより光を反射する。その反射によって、ＰＮ−ＬＣＤディスプレイの輝度が高まる。

図６、及び図７は、上記装置の下部基板の作製方法を説明する図である。まず、一般的なディスプレイ製造プロセスと同様に、下部基板１の上部に駆動回路２２が設けられる。本ケースではアルミニウム製のエッチバリア２６が、レジストマスクを用いて設けられ、後ほどビア・コネクタが設けられることになる領域をカバーする。この例では、エッチバリアは、ビア・コネクタが設けられる領域のみをカバーする。しかしながら、本発明に係る他の実施形態では、エッチバリアは、原則として、ピクセルの総ての領域をカバーする。いずれにせよ、隣接ピクセルのエッチバリアは、互いに電気的に隔離されているため、あるパターニングが必要となる。図６（ａ）は、エッチバリアが付加された後の下部基板を示す。

次は、電気的に絶縁する絶縁層２７を付加する工程である。この例では、窒化珪素の層が化学蒸着によって付加される。続いて、薄膜アモルファスシリコンの光電エレメント２８が付加される。このＰＶエレメントは、図２（ａ）に示す構造を有する。図６（ｂ）は、この工程の後の基板を示す。

続いて、アルミニウム製フィンガー電極１６ｂが付加され、さらに、電気的に絶縁する絶縁層２９（再び、この例では窒化珪素）が最上層に設けられる。図６（ｃ）は、この工程の後の基板を示す。

続いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が用いられ、レジストマスクによってエッチマスク領域におけるビア・ホール３０のエッチングが行われる。エッチマスクは、図６（ｄ）に示すように、積層エレメントの内部へのさらなるエッチングを終える。

次の工程では、図７（ａ）に示すように、別の絶縁層３１（この例では窒化珪素）が付加される。孔の下方に堆積物が拡散する必要があることから、絶縁層３１は、図7（ａ）に示すように、どの位置よりも孔３２の底部において薄く形成されている。

次の工程では、再びＲＩＥが用いられる。このエッチング工程により、ビア・ホールの底部の薄膜絶縁層のすべてが除去される。これにより、ビア・ホールを取り囲む絶縁層３１を通る貫通孔３３が形成される。そして、図７（ｂ）に示すように、エッチバリアの部分３３を露出させる。次に、ＩＴＯ（indium tin oxide）９がスパッタリングにより付加され、導電ビア・コネクタ２３によって、ピクセル電極が駆動回路に接続される。そのピクセル電極は、一般的なＬＣＤ製造プロセスで用いられるレジスト工程を用いてパターン化され、それによりピクセル間にギャップ５２が設けられる。その結果が図７（ｃ）に示される。図７（ｄ）に示すように、アライメント層６が付加される。
〔第２の実施形態〕
本発明に係る第２の実施形態は、液晶層１０が、例えば上述した米国特許公報第５１８８７６０号（Hikmet; Philips）に開示されている、リバース型ポリマーネットワークＬＣＤであるという点を除き、第１の実施形態と同じである。このタイプのＬＣＤディスプレイでは、ゼロ電圧状態では透過し、電圧を印加すると散乱状態となる。このことは、液晶層においてプレポリマー物質を重合し、配向高分子および液晶物質の屈折率が一致するようにプレポリマー物質を調節することによって得られる。不可逆的な配向ネットワークにおいてポリマーが形成されるように、アライメント層が用いられる。
〔第３の実施形態〕
本発明に係る第３の実施形態は、液晶層１０が、エレクトロウェッティング層またはin-plane型電気泳動層と置換されるという点を除き、第１の実施形態と同じである。
〔第４の実施形態〕
本発明に係る第４の実施形態は、光電性層２１がアモルファスシリコン層および微晶性シリコン層を含む２層デバイスであるという点を除き、第１の実施形態と同じである。そのような２層光電性デバイスは周知である（例えば、Shah et al, in Solar Energy Materials & Solar Cells volume 38, p501 (1995)参照）。薄膜アモルファスシリコンの光電エレメントは、微晶性シリコン層の最上層に設けられる。アモルファスシリコン層は、より短い波長（およそ６００ｎｍ以下）から、より効率的に発電する。そして、微晶性シリコン層は、より長い波長から発電する。このタイプのデバイスは、アモルファスシリコンのみ、または、微晶性シリコンのみのデバイスよりも光電効率が高い。
〔第５の実施形態〕
本発明に係る第５の実施形態は、絶縁層３１がポジ型またはネガ型のトーンフォトパターン形成が可能なレジンまたはレジストであるというという点を除き、第１の実施形態と同じである。その作製方法が図８ａおよび図８ｂに記載されている。最初にレジンコートを塗布されて、次に以下の１）または２）の処理を行うことにより、貫通孔が形成される。１）貫通孔領域３５を、フォトマスク３４を通して好適な波長（ポジ型トーンレジンの場合）の光に曝し、次にレジンを成長させる。２）貫通孔領域を除く領域を、フォトマスク３４を通して好適な波長（ネガ型トーンレジンの場合）の光に曝し、次にレジンを成長させる。
〔第６の実施形態〕
本発明に係る第６の実施形態は、絶縁層３１が平坦化層としても機能する点を除き、第３の実施形態と同じである。
〔第７の実施形態〕
本発明に係る第７の実施形態は、ＰＶエレメントがカドミウムテルル化物であり、図９に示す他の反射性エレメント３６を備える点を除き、第１の実施形態と同じである。その反射性エレメントは、真空法によって堆積した複数の誘電層である。反射性エレメントは、おそよ６００ｎｍよりも短い波長の光を反射する一方で、おそよ６００ｎｍよりも長い波長の光を透過するように設計されている。そのようなエレメントは、周知であって、光学関係のサプライヤから購入でき（例えば、Melles Griot, Albuquerque, New Mexico, US）、「cold mirror」あるいは「cold light filter」として知られている。カドミウムテルル化光電エレメントは、６００ｎｍよりも長い波長の光から発電するときに最も効率がよい。その一方で、人間の視覚は、６００ｎｍ以下の波長の光に最も敏感である。そのため、ディスプレイの高輝度とともに高い光電効率が実現される。

反射層は、ＰＶ層において最も効率的に用いられる波長範囲には含まれない波長の光を反射するように設計されている。あるいは、別の反射層３６を設け、視認可能なスペクトルのすべて、または一部を反射しつつ、赤外光を透過してもよく、このとき、ＰＶエレメントが赤外光を吸収するように最適化される。
〔第８の実施形態〕
本発明に係る第８の実施形態は、図９に示す別の反射層３６が存在するという点を除き、第１の実施形態と同じである。本実施形態において、その反射層は、不均一である（本実施形態では、反射層は、繰り返しパターンにおける異なるサブピクセルからの異なる色の光を反射し、高光電効率および高輝度を有するカラー表示を可能とする。）。ピクセルは、３つのグループに配置される。図１０は、この配置をディスプレイ正面、つまり、ディスプレイの観賞者から見たときの図を示す。３つのピクセルの各グループにおいて、第１のピクセル３７は、反射層３６を有する。その反射層３６は、緑色および青色の光をほぼ透過し、赤色の光をほぼ反射する。第２のピクセル３８は、反射層３６を有する。その反射層３６は、赤色および青色の光をほぼ透過し、緑色の光をほぼ反射する。第３のピクセル３９は、反射層３６を有する。その反射層３６は、赤色および緑色の光をほぼ透過し、青色の光をほぼ反射する。

このようにして、このディスプレイは、光電エレメントに入射する光の大部分を透過しつつ、明るい色のイメージを表示することができる。
〔第９の実施形態〕
本発明に係る第９の実施形態は、ＰＶエレメント２１が、図１１に示すように、リソグラフィーおよびエッチングによって、複数の小ＰＶエレメント４９（例えば、第１の複数の光電エレメント）（図１６）に再分割されているという点を除き、第１の実施形態と同じである。各々の小ＰＶエレメントは、図１３に示すモノシリック接点により、隣接する小ＰＶエレメントと連続して電気的に接続している。小ＰＶエレメントそれぞれの間のモノシリック接点４４は、Ｘ方向に対して平行である。フィンガー電極１６ｂは、ｙ方向に対して平行に配置されている。ｙ方向におけるＰＶエレメントのピッチ４５は、ｙ方向におけるピクセルのピッチ４８の整数倍である。フィンガー電極１６ｂのピッチ４６は、ｘ方向におけるピクセルのピッチ４７の整数倍である。
〔第１０の実施形態〕
本発明に係る第１０の実施形態は、モノシリック接点およびフィンガー接点がそれぞれ、ｙ方向およびｘ方向に配置されているという点を除き、第９の実施形態と同じである。
〔第１１の実施形態〕
本発明に係る第１１の実施形態は、ＰＶ層とディスプレイとの間の反射層３６が導電ナノ構造による周期的なアレイを含むという点を除き、第９の実施形態と同じである。ここで、その導電ナノ構造は、例えばPala et al., Adv. Mater., vol 21, 2009, 3504-3509に開示されるように、ＰＶエレメントによる光の捕捉および吸収を同時に促進するものである。太陽電池セルの上部に平行な金属ワイヤの微細アレイが設けられており、そのワイヤのピッチおよび厚みは、セルの効率を最適化するように調整される。

本実施形態では、シルバーストライプ・アレイが表面の２７％を占有するように、２９５ｎｍ周期、厚み６０ｎｍ、幅８０ｎｍのシルバーストライプ・アレイが用いられる。これらのパラメータは、最適性能を発揮するようにPala らによって発見されたものである。
〔第１２の実施形態〕
本発明に係る第１２の実施形態は、図９に示すように、別の低屈折率層３６が存在するという点を除き、第１の実施形態と同じである。この層と本システムの他の部分との接触面からのフレネル反射によって、本ディスプレイから反射される他の光が生じる。これらの反射は、ディスプレイ部材における光の散乱の前後に生じる。ＰＮＬＣ層の真下の層と層３６との間の屈折率の差が大きいほど、ディスプレイの輝度が高まる。さらに設けられた層３６は、従来の意味において反射性を有するというわけではなく、相対的に屈折率の低い（ｎ＜１．３５）誘電材料によって構成されている。

本発明は好適な実施形態に関連して記載されているが、明細書の記載事項に照らして、当業者であれば、同等の構成、変更等に想到するであろう。本発明は、そのような総ての同等の構成、変更等を包含するものであり、後述するクレームの範囲に限られるものではない。

本発明にしたがう装置および方法は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤｓ）や有機ＬＥＤディスプレイ（ＯＬＥＤｓ）などのディスプレイに用いられる。

Claims

光学活性なディスプレイ部を含む第１層と、
光電エレメントを含む第２層と、
上記第１層に対して動作可能に接続された回路を含む第３層と、を備え、
上記回路は、上記光学活性なディスプレイ部を駆動するように構成されており、上記第２層は、上記第１層と上記第３層との間に配置されていることを特徴とするディスプレイデバイス。
共通電極と、
複数のピクセル電極と、
上記複数のピクセル電極に対応する複数の導電コネクタと、をさらに備え、
上記第１層は、上記共通電極と上記複数のピクセル電極との間に配置されており、
上記導電コネクタは、上記複数のピクセル電極それぞれを上記回路に電気的に接続させることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイデバイス。
さらに、上記光電エレメントの表面上に配設された複数のフィンガー電極を備え、
上記光学活性なディスプレイ部は、あるピクセルピッチを有する複数のピクセルを備え、上記複数のフィンガー電極は、上記ピクセルピッチに相当するピッチを有することを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイデバイス。
上記複数のフィンガー電極は、反射性材料を含むことを特徴とする請求項３に記載のディスプレイデバイス。
上記第１層は、少なくとも、エレクトロウェッティング層またはin-plane型電気泳動層のいずれかを含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記第１層は、アモルファスシリコン層および微晶性シリコン層を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
さらに、上記第１層と上記第２層との間に設けられた反射層を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記光電エレメントは、カドミウムテルル化光電エレメントを含むことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記光学活性なディスプレイ部は、複数のピクセルを備え、
上記反射層は、繰り返しパターンにおける上記複数のピクセルの異なるサブピクセルからの異なる色の光を反射するように不均一であることを特徴とする請求項７または８に記載のディスプレイデバイス。
上記反射層は、光電性デバイスによって効率的に用いられる光の波長範囲には含まれない波長の光を反射するように構成されていることを特徴とする請求項７から９の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記光電性デバイスは、赤外光を吸収するように最適化されており、
上記反射層は、視認可能なスペクトルの少なくとも一部を反射する一方で、赤外光を透過するように構成されていることを特徴とする請求項７から１０に記載のディスプレイデバイス。
さらに、導電層を備え、
上記反射層は、上記導電層と組み合わされていることを特徴とする請求項７から１１の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記反射層は、屈折率が１．３５よりも低いことを特徴とする請求項７から１２の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記第１層と上記第２層との間に設けられるピクセル電極と、
絶縁層とを備え、
上記反射層および上記絶縁層は、上記ピクセル電極と上記第１層との間に設けられることを特徴とする請求項７から１３に記載のディスプレイデバイス。
上記光電エレメントは、互いに連続して接続する、複数の第１光電エレメントに小分割されることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記ディスプレイデバイスは、反射型ディスプレイデバイスを含むことを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記光学活性なディスプレイ部は、反射型ディスプレイデバイスを含み、
上記回路は、上記反射型ディスプレイデバイスを、散乱状態と非散乱状態とに切り換えることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記ディスプレイデバイスは、ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイ（ＰＮＬＣＤ）デバイスを含むことを特徴とする請求項１から１７の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記ディスプレイデバイスは、少なくとも、ポジ型ＰＮＬＣＤまたはリバース型ＰＮＬＣＤであることを特徴とする請求項１８に記載のディスプレイデバイス。
上記光学活性なディスプレイ部は、エレクトロウェッティングモードで動作することを特徴とする請求項１から１９の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記光学活性なディスプレイ部は、少なくとも、アモルファスシリコン薄膜光電性デバイス、複数積層構造、ポリマーベースの薄膜構造、または、銅インジウムガリウムセレン化物構造あるいは硫化物薄膜構造のいずれかであることを特徴とする請求項１から２０の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
上記第１層は、アモルファスシリコンの単層を含むことを特徴とする請求項１から２１の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
ディスプレイデバイスの製造方法であって、
基板上に駆動回路を形成する回路形成工程と、
上記駆動回路上に光電エレメントを形成するエレメント形成工程と、
上記エレメント形成工程は、上記光電エレメントと上記駆動回路との間に絶縁層を形成する絶縁層形成工程を含み、
上記光電エレメントの上部に光学活性なディスプレイ部を配置する配置工程と、
上記絶縁層および上記光学活性なディスプレイ部を通ってビア・ホールを形成するホール形成工程と、
上記ビア・ホールを貫通し、かつ、上記駆動回路と接続するピクセル電極を形成する電極形成工程と、を含むことを特徴とするディスプレイデバイスの製造方法。