JP2016153919A - 分光用の回折格子構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】０次透過を０％近くに抑制する。【解決手段】回折格子構造体及び太陽電池組立体が提供される。一つの態様において、回折格子構造体は０次透過を０％近くに抑制する。別の態様において、太陽電池組立体は回折格子構造体との結合によって吸収率が改善される。【選択図】図１

Description

本出願は、概して分光用の回折格子構造体に関する。

種々の回折格子構造体が産業界において導入されてきた。典型的には、回折格子は、光を回折する格子線の列を有する。一般的には、回折光は、多くの回折次数を形成する回折パターンに分散される。回折格子の一つの種類が透過型回折格子である。典型的には、透過型回折格子は、透明材料にエッチングされた溝を具備する。入射スペクトルの光成分は、溝にぶつかると回折され、この結果、種々の角度に分けられる。

本出願の一つの態様では、改良された分光用の回折格子構造体が提供される。

太陽電池の用途において、吸収層は、光が水平に進みまたは吸収層と同一面内を進むとき、最も高い吸収効率を有する。吸収層に対して垂直に受容される光の水平方向の進行を促進するために、吸収層と同一面内により多くの光を回折させるように回折格子が吸収層と結合して使用されることがある。しかしながら、典型的な透過型回折格子について、ほとんどの光は回折格子を通して０次透過の方向に進む。ここで、０次透過が抑制されるように回折格子を設計することができ、これによって、光エネルギーは、より大きな回折角度を有する１次透過または高次透過の方向にその向きが変えられる。

一つの構成では、回折格子構造体は、交互に並んだリッジ部（ridge）と溝とを含む。リッジ部と溝とは、１次透過の角度が、少なくとも４０°、例えば約５０°であるように構成される。

別の態様では、０次モードの振幅寄与及び１次モードの振幅寄与がおおよそ同じ大きさであり且つそれらの位相が１８０°異なる。

本明細書の一部を形成する添付の図面及び特許請求の範囲を参照して以下の記述を検討した後、本発明の更なる目的、特徴、及び利点が当業者に容易に明らかになるだろう。

図１は透過型回折格子の側面図である。 図２は、透過型回折格子の斜視図である。 図３Ａは、回折格子を生産する方法を示すフローチャートである。 図３Ｂは、回折格子を生産する方法を示すフローチャートである。 図４は、回折格子のフィルファクタ（fill factor）に対する、光の各モードについての有効屈折率を示すグラフである。 図５は、回折格子のフィルファクタに対する、０次透過への、各モードについての振幅寄与を示すグラフである。 図６は、回折格子のフィルファクタに対する、１次透過への、各モードについての振幅寄与を示すグラフである。 図７は、回折格子のフィルファクタに対する、２次透過への、各モードについての振幅寄与を示すグラフである。 図８は、回折格子の高さに対する、０次透過、１次透過、及び２次透過についての回折効率を示すグラフである。 図９は、１次透過の角度に対する、０次透過への、０次モード及び１次モードについての振幅寄与を示すグラフである。 図１０は、１次透過の角度に対する、０次透過、１次透過、及び２次透過についての回折効率を示すグラフである。 図１１は、回折格子のフィルファクタに対する、０次モードと１次モードとの間または０次モードと２次モードとの間の、０次透過への振幅寄与の差を示すグラフである。 図１２は、有効屈折率の差と回折格子のフィルファクタとを示すグラフである。 図１３は、回折格子の高さに対する、ｓ偏光及びｐ偏光についての各回折次数の回折効率を示すグラフである。 図１４は、４０°の１次透過を有する回折格子の一つの実施形態の側面図である。 図１５は、５０°の１次透過を有する回折格子の一つの実施形態の側面図である。 図１６は、屈折率に対する、０次透過への、各モードについての振幅寄与を示すグラフである。 図１７は、屈折率に対する、０次透過及び１次透過についての回折効率を示すグラフである。 図１８は、図１４における回折格子について、回折格子の高さに対する、０次透過及び１次透過についての回折効率を示すグラフである。 図１９は、図１５における回折格子について、回折格子の高さに対する、０次透過及び１次透過についての回折効率を示すグラフである。 図２０は、太陽電池組立体の側面図である。 図２１は、規格化された波長に対する、ｓ偏光及びｐ偏光についての透過率を示すグラフである。 図２２は、規格化された波長に対する、ｓ偏光及びｐ偏光についての吸収率を示すグラフである。 図２３は、ｓ偏光についての磁場を示す、太陽電池組立体の側面図である。 図２４は、回折格子及び反射器を含む太陽電池組立体の側面図である。 図２５は、規格化された波長に対する透過率を示すグラフである。 図２６は、規格化された波長に対する吸収率を示すグラフである。 図２７は、結合部（coupler）の側面図である。 図２８は、結合部の側面図であって、光の波の伝播を示す。

図１を参照すると、透過型回折格子１１を含むシステム１０が提供される。透過型回折格子１１は、石英／空気界面を備えた石英ガラス透過型回折格子であってよい。ここで、空気は石英構造体１２を取り囲み且つ参照番号１４によって示される。石英構造体１２は固体状の石英ガラスの基材１６を含む。石英ガラスは透明度が非常に高く且つ非常に広い帯域の光を透過させる。更に、石英ガラスは、広範囲の温度条件に亘って使用されることができる非常に安定した材料を提供する。加えて、石英ガラスの回折格子は、多くの用途について必要とされる様々な回折格子特性を提供すべく容易にエッチングされる。石英ガラスは、約１の屈折率を有する空気と比較して、約１．４５の屈折率を有する。符号ｎ_αが空気の屈折率を示すのに用いられ、符号ｎ_βが石英ガラスの屈折率を示すのに用いられる。本明細書において記述される回折格子及び用途について、考えられる入射光は概してλ＝３５０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲である。しかしながら、特定の場合において、青色、緑色、及び赤色を強めるためにλ＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、及び７００ｎｍ、またはカップリング（coupling）用途のためにλ＝１５５０ｎｍが考えられる。

突起部１８が基材１６から延在し且つ基材１６と一体である。また、基材１６と一体である突起部１８も石英ガラスから形成される。突起部１８は、各突起部１８の間に配置される溝２０を形成する。溝２０は空気１４で満たされ、このことによって、回折格子層２２に亘って空気／石英ガラス界面が提供される。回折格子層２２は、光源から透過型回折格子１１の方向に向けられた光を種々の回折次数に回折する。突起部１８の各々はリッジ部３９を形成でき、リッジ部３９は、図２において線４０によって示されるような一様な線構造を提供するように延在する。突起部１８は上面４２及び側面４４を有することができる。側面４４は、種々の外形を有することができ、または、ほぼ真っ直ぐであって上面４２と直角を形成してもよい。

再び図１を参照すると、矢印３０によって示されるように、光が透過型回折格子１１に提供される。本明細書において記述されるシステムについて、光３０は所定の角度を有し、この角度は回折格子の突起部１８の主軸線３１とほぼ平行である。加えて、入射光３０は種々の偏光を含んでよい。例えば、入射光はｓ偏光成分３０Ａ及びｐ偏光成分３０Ｂを含む。Ｓ偏光は、電場が光の伝播面に対して垂直である状態を示す。Ｐ偏光は、電場が光の伝播面に対して平行である状態を示す。入射光３０は、回折格子層２２と交わるとき、Ｒによって示される反射成分と、Ｔによって示される透過成分とを形成するであろう。

反射成分は、複数の回折次数から成る回折パターンを形成することができる。例えば、０次回折の反射成分Ｒ_n=0は矢印３２によって示される。同様に、１次回折の反射成分Ｒ_n=1は矢印３３によって示され、−１次回折の反射成分Ｒ_n=-1は矢印３４によって示される。−１次回折についての角度はθ_r,-1であり、一方、１次回折についての角度はθ_r,1である。

また、透過成分も、複数のモードから成る回折パターンを形成することができる。例えば、０次回折の透過成分Ｔ_n=0は矢印３６によって示される。同様に、１次回折の透過成分Ｔ_n=1は線３７によって示され、−１次回折の透過成分Ｔ_n=-1は線３８によって示される。２次回折の透過成分Ｔ_n=2は線２３によって示され、−２次回折の透過成分Ｔ_n=-2は線２５によって示される。−１次回折についての角度はθ_t,-1であり、一方、１次回折についての角度はθ_t,1である。同様に、−２次回折についての角度はθ_t,-2であり、一方、２次回折についての角度はθ_t,2である。

反射成分の特性及び透過成分の特性を生じさせる因子は、材料の屈折率（ｎ）、回折格子の周期（ｐ）、回折格子のフィルファクタ（ｒ）、及び回折格子の高さ（ｈ）である。回折格子の周期は一つの溝の始端部から次の溝の始端部までの距離である。透過型回折格子１１の周期は、参照番号２４によって示される。フィルファクタ（ｒ）は、回折格子の周期に対する、リッジ部の幅の比率として定義され、参照番号２６によって示される。回折格子の高さ（ｈ）は、突起部１８の上端から溝２０の下端までの距離であり、図１における参照番号２８によって示される。一つの実施形態において、回折格子は、長方形状の溝及び長方形状のリッジ部を有する長方形状の回折格子である。しかしながら、他の実施形態において、溝２０と突起部１８とは正確な直角を形成しなくてもよく、種々の外形が突起部１８の縁４２に沿って使用されてよいことが容易に理解されるであろう。この結果、フィルファクタ（ｒ）または回折格子の高さ（ｈ）についての定義は、突起部１８及び溝２０の形状に応じて僅かに修正される。このとき、突起部１８の重心及び溝２０を基準にしてこれら値を決定できる。

モード解析によって、空気／石英ガラス界面を有する透過型回折格子１１によって形成される光路を解析することができる。モード解析は、±１次透過についての高い効率と、抑制された、０次回折への透過率とを同時に提供するように導出されうる。回折格子のフィルファクタを選択するために、０次透過に対する、各モードの振幅寄与を用いることができる。その後、溝の高さを選択するために、各回折次数の回折効率を用いることができる。この条件を満たす回折格子構造体は、４０°よりも大きい角度において、通常光についての９０％よりも大きい透過率を示すことができる。

解析方法に関して、厳密結合波解析は、種々の溝形状に適合するという利点を有する。いくつかの形状、例えば、半円、長方形、三角形、及び曲面のような溝を使用することができる。結合波解析は典型的には回折格子を設計するのに使用されるが、この方法は、種々の前提条件のせいで、前述されたパラメータを特定しないであろう。結合波解析は数値解析であって、伝播モードとエバネッセント（evanescent）モードとの結合を想定していない。一方、モード解析は、種々の溝形状に適するような柔軟性が小さいが、回折現象の物理的洞察を提供することができる。

回折格子が発光ダイオード（ＬＥＤ）のような無偏光の光について使用されるときは、設計にあたってｐ偏光もｓ偏光も同時に考慮されるべきである。特に、−１次透過及び＋１次透過を使用することによって、光を基板内に閉じ込めるために光が大きく曲げられるので、光学装置、光学部品、及びアッセンブリ光学系についての設計自由度が広げられる。

しかしながら、本明細書に記載される方法に従って、１次透過についての高い透過率と、０次透過についての非常に低い透過率とを同時に提供するように、長方形状の回折格子がモード解析を通して得られる。モード解析は、０次モードによる、０次透過への振幅寄与と、別モードによる、０次透過への振幅寄与とがほぼ等しくなるフィルファクタを特定することができる。これによって、ほぼ等しい振幅寄与を有する０次モードと他のモードとの間にキャンセル効果を生成する回折格子の高さを選択することができる。

太陽電池組立体を形成するために、吸収層に回折格子１１を結合させることができる。この結果、回折格子１１は、吸収を増加させるために、伝播する光の向きを吸収層内において水平向きに変えることができる。更に、吸収層の反対側に回折格子１１と似た特性を有する別の回折格子を結合させることができ、これによって、吸収層の反対側の方向に透過される光の向きが吸収層内において水平向きに変えられる。

図３Ａを参照すると、一つの実施形態に係る回折格子を生産する方法が一連の作業３００において提供される。ブロック３１０において、光の波長域を設定する。更に、回折格子に対して垂直に入射光の角度を設定する。ブロック３１２において、所望の回折角度を設定し、例えば、１次透過角度を５０°とする。ブロック３１４において、所望の回折角度及び設計波長に基づいて回折格子の周期を設定する。ブロック３１６において、０次透過への、各モードについての振幅寄与を解析し、図５に示されるように、０次モードの振幅寄与が、別モード、例えば１次モードの振幅寄与にほぼ等しいときのフィルファクタの値を特定する。ブロック３１８において、その選択したフィルファクタにおける、回折格子の高さに対する回折効率を各回折次数について解析する。モード間の位相関係を制御するのに、このことを用いることができる。図８に示されるように、０次透過における回折効率が最小となる回折格子の高さを選択する。一般的には、これは、位相が１８０°異なる０次モードと１次モードとに対応する。ブロック３２４において、上述されたステップにおいて決定されたパラメータに基づいて、回折格子を例えばエッチングによって製造できる。

図３Ｂを参照すると、一つの実施形態に係る回折格子を生産する方法が一連の作業３５０において提供される。ブロック３１０において、光の波長域を設定する。更に、回折格子に対して垂直に入射光の角度を設定する。ブロック３１２において、所望の回折角度を設定し、例えば、１次透過角度を５０°とする。ブロック３１４において、所望の回折角度及び設計波長に基づいて回折格子の周期を設定する。ブロック３３０において、ｓ偏光及びｐ偏光の両方について、０次モードと他モードとの間の、０次透過への振幅寄与における差を解析することによって、フィルファクタを選択する。上述されたように、０次モードについての振幅寄与と、１次モードについての振幅寄与とが同じになるようにフィルファクタを選択することができる。その後、０次透過が最小となるように、０次モードと１次モードとの間の位相シフトを制御することができる。ここで、図１１に示されるように、０次モードと別モード（例えば１次モード）との間の振幅差の、ｓ偏光及びｐ偏光についての平均値が最小となるフィルファクタを選択する。ブロック３３２において、図１３に示されるように、０次透過における回折効率の、ｓ偏光及びｐ偏光についての平均値が最小となる回折格子の高さを選択する。ブロック３２４において、上述されたステップにおいて決定されたパラメータに基づいて、回折格子を例えばエッチングによって製造できる。

ここで図４を参照すると、回折格子のフィルファクタに対する、各モードについての有効屈折率のグラフが提供される。線４１０が、回折格子のフィルファクタに基づいた、０次モードについての有効屈折率を示す。線４１２が、フィルファクタに対する、１次モードについての有効屈折率である。線４１４が、フィルファクタに対する、２次モードについての有効屈折率である。同様に、線４１６が、フィルファクタに対する、３次モードについての有効屈折率であり、一方、線４１８が、フィルファクタに対する、４次モードについての有効屈折率である。各線は有効屈折率の実部を示し、パワー（power）が所定のフィルファクタについて各モードを通して伝達されることが示唆される。

図５は、回折格子のフィルファクタに係る、０次透過に寄与する各モードについての振幅を示す。線５１０は、フィルファクタに係る、０次透過への０次モードの振幅寄与である。線５１２は、フィルファクタに基づいた、０次透過への１次モードの振幅寄与である。線５１４は、フィルファクタに基づいた、０次透過への２次モードの振幅寄与である。同様に、線５１６は、フィルファクタに基づいた、０次透過への３次モードの透過であり、線５１８は、フィルファクタに基づいた、０次透過への４次モードの振幅寄与である。図５の考察において、各モードについての振幅に関わらず、回折格子の高さによって、互いに対する各モードの位相を制御できることを理解することが重要である。従って、０次モード及び別モードが同一の振幅値を有する場合、二つのモードの振幅がおおよそ等しくなるようにフィルファクタを選択し、その後、二つのモードの位相が１８０°異なるように二つのモードを制御することによって、０次（ｎ＝０）への透過は抑制される。このとき、各モードからの寄与はキャンセルされ、このことによって、法線方向に対応する０次透過における光の量が抑制される。設定によって光が０次透過において抑制される場合、光は他の次数に透過され、このことによって、１次透過及び２次以上の透過に対応する角度で透過される光の量が最大となる。今回の場合、１次モードは０．２５よりも僅かに小さいフィルファクタで０次モードにおおよそ等しい。同様に、２次モードは０．２５よりも僅かに大きいフィルファクタで０次モードにおおよそ等しい。

図６は、１次透過への各モードの振幅寄与を示す。ここで、線６１０が、回折格子のフィルファクタに基づいた、１次透過への０次モードの振幅寄与である。同様に、線６１２が、フィルファクタに基づいた、１次透過への１次モードの振幅寄与である。線６１４が、フィルファクタに係る、１次透過への２次モードの振幅寄与である。同様に、線６１６が、フィルファクタに係る、１次透過への３次モードの振幅寄与であり、線６１８は、フィルファクタに係る、１次透過への４次モードの振幅寄与である。この場合、０次透過を抑制することによって、１次透過の振幅は必然的に高められる。

図７は、２次透過への各モードの振幅寄与を示す。この結果、線７１０が、回折格子のフィルファクタに基づいた、２次透過への０次モードの振幅寄与である。同様に、線７１２が、フィルファクタに基づいた、２次透過への１次モードの振幅寄与である。線７１４が、フィルファクタに係る、２次透過への２次モードの振幅寄与である。同様に、線７１６が、フィルファクタに係る、２次透過への３次モードの振幅寄与であり、線７１８が、フィルファクタに係る、２次透過への４次モードの振幅寄与である。フィルファクタが０．５よりも小さいとき、２次透過及び３次以上の透過は極めて小さいので回折格子の設計にほとんど影響しない。特に光電セルの場合、増加せしめられた透過角度は光電セルの吸収率を増加させるであろう。

ここで、図８を参照すると、回折格子の高さに関して、各次数の透過についての回折効率のグラフが提供される。線８１０が、回折格子の高さに係る、０次透過の回折効率である。線８１２が、回折格子の高さに基づいた、１次透過の回折効率である。更に、線８１４が、回折格子の高さに基づいた、２次透過の回折効率である。図８におけるグラフは０．２５のフィルファクタに基づいており、このとき、０次透過への０次モードの振幅寄与は０次透過への１次モードの振幅寄与におおよそ等しい。ここで、０次透過が、約１．３５λの回折格子の高さにおいて、おおよそ０に等しいことが分かる。更に、線８１２によって示される１次透過が、ほぼ同じ値のときに最大であることが分かる。２次透過８１４が、回折格子の高さに基づいて変化するが、回折格子の１次透過の回折効率に対して比較的小さい値のままである。

図９は、回折格子に対する入射角度に基づいた、０次透過への各モードの振幅寄与を示す。この例において、角度０°は回折格子表面に対して垂直であるだろう。線９１０が、０次透過への０次モードの最小の振幅寄与を表す。同様に、線９１２が、入射角度に基づいた、０次透過への１次モードの最大の振幅寄与を示す。図５に関して記されたように、理想的には、０次透過への０次モードの振幅寄与は、０次透過への１次モードの振幅寄与または０次透過への２次モードの振幅寄与のどちらかとおおよそ等しいだろう。このとき、０次モードの寄与をキャンセルするように、１次または２次モードの位相を操作することができる。しかしながら、１次透過の角度が増加するにつれて、０次モードの振幅は増加するが、１次モードの振幅は減少する。このことは、１次透過角度が大きいとき、法線方向（ｎ＝０）の光を抑制するのが困難であることを示唆する。

図１０は、１次透過の角度に対する、各次数の透過についての回折効率のグラフである。線１０１０が、１次透過の角度に係る、０次透過の回折効率である。線１０１２が、１次透過の角度に基づいた、１次透過の回折効率である。更に、線１０１４が、１次透過の角度に係る、２次透過の回折効率である。この図から理解されるように、回折格子に対して法線方向に透過される光は、１次透過の角度が増加するにつれて増加する。

図１１は、回折格子のフィルファクタに対する、０次モードと１次モードとの間または０次モードと２次モードとの間の、０次透過への振幅寄与の差を示すグラフである。加えて、光の透過はｓ偏光及びｐ偏光について解析される。線１１１０が、ｐ偏光についての、０次透過に寄与する、０次モードと１次モードとの間の振幅差である。線１１１２が、ｐ偏光についての、０次透過に寄与する、０次モードと２次モードとの間の振幅差である。ここで、線１１１０は０〜０．２５のフィルファクタの範囲で示され、一方、線１１１２は０．２５よりも大きいフィルファクタの範囲で示される。更に、線１１１４が、ｓ偏光についての、０次透過への、０次モードと１次モードとの間の振幅寄与の差である。線１１１６が、ｓ偏光についての、０次透過への、０次モードと２次モードとの間の振幅寄与の差である。図１１を詳細に検討すると、０．２５のフィルファクタにおいてｓ偏光についての振幅差が最小であり、且つおおよそ０．３４のフィルファクタにおいてｐ偏光についての振幅差が最小であることが示される。従って、ｓ偏光及びｐ偏光の両方についての振幅差が同時に最小となるように、点を計算することができる。ここで、０．３４のフィルファクタを選択することができる。平均値または加重平均値に基づいて、選択されるフィルファクタを計算することができるが、他の方法を使用してもよい。例えば、この場合、Ａ_d,m=0-2,n=0（Ｓ）とＡ_d,m=0-2,n=0（Ｐ）との平均値が最小となるフィルファクタが使用される。

ここで、図１２を参照すると、フィルファクタに対する有効屈折率の差のグラフが提供される。線１２１０が、ｓ偏光についての、０次透過と１次透過との間の有効屈折率の差である。線１２１２が、ｓ偏光についての、０次透過と２次透過との間の有効屈折率の差である。線１２１４が、ｐ偏光についての、０次透過と１次透過とについての有効屈折率の差であり、一方、線１２１６が、ｐ偏光についての、０次透過と２次透過との間の有効屈折率の差である。更に、１次透過はｓ偏光及びｐ偏光について０．２５よりも小さいフィルファクタの範囲で示され、一方、２次透過は０．２５よりも大きいフィルファクタの範囲に用いられる。有効屈折率の差は０．３４のフィルファクタでｓ偏光及びｐ偏光について閉値（close value）を示すが、それらは値が僅かに異なる。０．３４のフィルファクタにおけるｓ偏光についての有効屈折率とｐ偏光についての有効屈折率との平均値は、約１．３λの回折格子の高さに対応する。

図１３は、回折格子の高さに関して、回折効率を示す。線１３１０が、ｐ偏光についての０次透過の回折効率である。線１３１２が、ｐ偏光についての１次透過の回折効率である。線１３１４が、回折格子の高さに対する、ｐ偏光についての２次透過の回折効率である。線１３１６が、回折格子の高さに対する、ｓ偏光についての０次透過の回折効率である。線１３１８が、回折格子の高さに対する、ｓ偏光についての１次透過の回折効率である。線１３２０が、回折格子の高さに対する、ｓ偏光についての２次透過の回折効率である。この結果は、振幅差を最小にするために、周期１．８４λ及びフィルファクタ０．３４について提供される。更に、有効屈折率の差の平均値に対応する１．３λの回折格子の高さにおいて、このグラフを解析することは有益である。また、これは、０次透過についての回折効率の、ｓ偏光とｐ偏光との最小の平均値にも対応することができる。従って、ｓ偏光についての０次透過の回折効率は２．４％である。ｓ偏光についての１次透過の回折効率は４０．８％であり、一方、ｓ偏光についての２次透過の回折効率は僅か６．７％である。同様の結果がｐ偏光についても得られる。ｐ偏光についての０次透過の回折効率は２．５％である。１次透過についての１次回折効率は４５．３％である。更に、２次透過についての回折効率は僅か２．４％である。なお、ｐ＝１．８１λ〜１．８７λの回折格子の周期、ｒ＝０．２９〜０．３９のフィルファクタ、及びｈ＝１．２５λ〜１．３５λの回折格子の高さが使用されてもよい。また、ｐ＝１．８１λ〜１．８７λの回折格子の周期、ｒ＝０．２０〜０．３０のフィルファクタ、及びｈ＝１．３０λ〜１．４０λの回折格子の高さが使用されてもよい。特に、ｐ＝１．８４λの回折格子の周期、ｒ＝０．２５のフィルファクタ、及びｈ＝１．３５λの回折格子の高さが使用されてもよい。

図１４は、１次透過角度が４０°またはそれよりも大きい状態の回折格子を示す。透過型回折格子１４１１が、石英ガラスの基材１４１６と、誘電材料から形成された突起部１４１８とを有することができる。突起部１４１８は誘電材料／空気界面を形成することができる。ここで、空気は突起部１４１８を取り囲み且つ参照番号１４１４によって示される。突起部１４１８は、各突起部１４１８の間に配置された溝１４２０を形成する。溝１４２０は空気１４１４で満たされる。回折格子層１４２２が、光源から透過型回折格子１４１１の方向に向けられた光を種々の回折モードに回折する。

矢印１４３０によって示されるように、光が透過型回折格子１４１１に提供される。光１４３０は、回折格子面に対して概して垂直な角度から提供される。加えて、光１４３０は種々の偏光を含んでよい。入射光１４３０は、回折格子層１４２２と交わるとき、Ｒによって示される反射成分と、Ｔによって示される透過成分とを形成するであろう。

反射成分の特性及び透過成分の特性を生じさせる因子は、材料の屈折率（ｎ）、回折格子の周期（ｐ）、回折格子のフィルファクタ（ｒ）、及び回折格子の高さ（ｈ）である。透過型回折格子１４１１の周期は参照番号１４２４によって示される。フィルファクタ（ｒ）は参照番号１４２６によって示される。回折格子の高さ（ｈ）は、突起部１４１８の上端から溝１４２０の下端までの距離であり、参照番号１４２８によって示される。一つの実施形態において、長方形状の（すなわち長方形状の溝及び長方形状の突起部を有する）回折格子を生じさせるために、溝１４２０と突起部１４１８とは直角に形成される。しかしながら、容易に理解されるように、溝１４２０と突起部１４１８とは正確な直角を形成しなくてもよく、種々の外形が突起部１４１８の縁に沿って使用されてよい。

太陽電池組立体について、吸収層１４５０を基材１４１６に結合させることができる。この結果、基材１４１６は、吸収層１４５０と隣接しまたは吸収層１４５０上に形成され、回折格子１４１１から吸収層１４５０に光エネルギーを伝達させるための直接的な接合部を生み出す。更に、回折格子１４１１と似た特性を有する別の回折格子が吸収層１４５０の反対側に結合され、これによって、吸収層の反対側の方向に透過される光の向きが吸収層１４５０内において水平向きに変えられる。

図１５は、約５０°の１次透過角度を有する回折格子を示す。透過型回折格子１５１１が、石英ガラスの基材１５１６と、二酸化チタンから形成された突起部１５１８とを有することができる。突起部１５１８は二酸化チタン／空気界面を形成できる。ここで、空気は突起部１５１８を取り囲み且つ参照番号１５１４によって示される。突起部１５１８は、各突起部１５１８の間に配置される溝１５２０を形成する。溝１５２０は空気１５１４で満たされる。回折格子層１５２２が、光源から透過型回折格子１５１１の方向に向けられた光を種々の回折モードに回折する。

矢印１５３０によって示されるように、光が透過型回折格子１５１１に提供される。光１５３０は、回折格子面に対して概して垂直な角度から提供される。加えて、光１５３０は種々の偏光を含んでよい。入射光１５３０は、回折格子層１５２２と交わるとき、Ｒによって示される反射成分と、Ｔによって示される透過成分とを形成するであろう。

反射成分の特性及び透過成分の特性を生じさせる因子は、材料の屈折率（ｎ）、回折格子の周期（ｐ）、回折格子のフィルファクタ（ｒ）、及び回折格子の高さ（ｈ）である。透過型回折格子１５１１の周期は参照番号１５２４によって示される。フィルファクタ（ｒ）は参照番号１５２６によって示される。回折格子の高さ（ｈ）は、突起部１５１８の上端から溝１５２０の下端までの距離であり、参照番号１５２８によって示される。一つの実施形態において、長方形状の（すなわち長方形状の溝及び長方形状の突起部を有する）回折格子を生じさせるために、溝１５２０と突起部１５１８とは直角に形成される。しかしながら、容易に理解されるように、溝１５２０と突起部１５１８とは正確な直角を形成しなくてもよく、種々の外形が突起部１５１８の縁に沿って使用されてよい。

太陽電池組立体について、吸収層１５５０を基材１５１６に結合させることができる。この結果、基材１５１６は、吸収層１５５０と隣接しまたは吸収層１５５０上に形成され、回折格子１５１１から吸収層１５５０に光エネルギーを伝達させるための直接的な接合部を生み出す。更に、回折格子１５１１と似た特性を有する別の回折格子が吸収層１５５０の反対側に結合され、これによって、吸収層の反対側の方向に透過される光の向きが吸収層１５５０内において水平向きに変えられる。

図１６は、図１４において示される回折格子についての屈折率に対する、１次モードの振幅及び０次モードの振幅のグラフを示す。線１６１０が、屈折率に対する、０次モードの振幅である。線１６２０が、屈折率に対する、１次モードの振幅である。ｍ＝０の最小振幅は、屈折率が増加するにつれて減少する。ｍ＝１の最大振幅は、屈折率が増加するにつれて増加する。このことは、回折格子に対して垂直な角度（ｎ＝０）で受容される光が大きな屈折率によってかなり抑制されることを示唆し、これによって、０次モードと１次モードとの間の振幅差は小さくなる。

図１７は、図１４における回折格子について、（回折格子に対して垂直な）０次透過及び１次透過の、屈折率に対する回折効率を示すグラフを提供する。線１７１０が、（回折格子に対して垂直な）０次透過についての、屈折率に対する回折効率である。線１７１２が、（図１４における回折格子について４０°の）１次透過についての、屈折率に対する回折効率である。グラフから示されるように、０次透過の回折効率は、屈折率が増加するにつれて減少する。これは、ほぼ等しい振幅を有し且つ位相が１８０°シフトした０次モードと１次モードとの結果である。

図１８は、図１４における回折格子についての０次透過及び１次透過について、回折格子の高さに対する回折効率を示すグラフを提供する。線１８１０が回折格子の高さに対する０次透過である。線１８１２が回折格子の高さに対する１次透過である。１次透過がピークに達するとき、０次透過は０に近い回折効率を有する。０次透過及び１次透過の両方が振動するが、それらは位相が１８０°だけ異なる。この結果は、ｎ_γ＝２の屈折率、ｐ＝１．０７λの周期、γ＝０．２２のフィルファクタ、及びｈ＝０．５９λの回折格子の高さについて提供される。この構成において、０次透過の透過効率はθ_t,0＝０°でＴ_n=0＝０．９％である。加えて、１次透過はθ_t,1＝（θ_t,-1）＝４０°でＴ_n=1＝（Ｔ_n=-1）＝４８．８％である。

更に、図１９は、図１５における回折格子についての０次透過及び１次透過について、回折格子の高さに対する回折効率を示すグラフを提供する。線１９１０が回折格子の高さに対する０次透過である。線１９１２が回折格子の高さに対する１次透過である。１次透過がピークに達するとき、０次透過は０に近い回折効率を有する。０次透過及び１次透過の両方が振動するが、それらは位相が１８０°だけ異なる。この結果は、ｎ_γ＝２．３８（ＴｉＯ₂、６００ｎｍ）の屈折率、ｐ＝０．９λの周期、γ＝０．２９のフィルファクタ、及びｈ＝０．２８λの回折格子の高さについて提供される。しかしながら、ｐ＝０．８７λ〜０．９３λの回折格子の周期、γ＝０．２４〜０．３４のフィルファクタ、及びｈ＝０．２３λ〜０．３３λの回折格子の高さが使用されてもよい。この構成において、０次透過の透過効率はθ_t,0＝０°でＴ_n=0＝０．７％である。加えて、１次透過はθ_t,1＝（θ_t,-1）＝５０°でＴ_n=1＝（Ｔ_n=-1）＝４９．５％である。

図２０は、太陽電池組立体２０１２の一つの実施形態を示す。組立体２０１２は、第１回折格子層２０１４、吸収層２０２２、及び第２回折格子層２０２０を含む。吸収層２０２２は第１回折格子層２０１４と第２回折格子層２０２０との間にサンドイッチされる。光２０１０、例えば太陽からの光が組立体２０１２上に受容される。一般的には、直射日光は屋根の上部または車の上部のような多くの表面に対して垂直に受容される。しかしながら、吸収層２０２２に対して垂直な光は、吸収層２０２２と同一面内を進む光ほどの高い効率では吸収されない。

第１回折格子層２０１４は、交互に並ぶ第１部分及び第２部分から製造される。第１部分２０１６は第１無損失誘電体であってよく、第２部分２０１８は第２無損失誘電体であってよい。第１無損失誘電体は約２．２５の誘電率ε_a,rを有することができる。第２無損失誘電体は約６．２５の誘電率ε_b,rを有することができる。一つの実施形態において、第１部分２０１６は石英ガラスであり且つ第２部分２０１８はＴｉＯ₂であってよい。更に、吸収層は約１６＋ｊ０．１の誘電率ε_c,rを有することができる。上述されたように、第１無損失誘電体は回折格子層２０１４に亘って第２無損失誘電体と交互に並ぶ。交互に並んだ部分は、図１及び図２における回折格子のリッジ部及び溝と同じ手段で光を回折する。矢印２０２４によって示されるように、第１無損失誘電体の部分及び第２無損失誘電体の部分の各々は約０．１６λの幅を有してもよい。この結果、矢印２０２６によって示されるように、回折格子の周期は０．３２λである。更に、矢印２０２８及び２０３２によって示されるように、第１回折格子層２０１４の厚さ及び第２回折格子層２０２０の厚さはそれぞれ０．１２λであってよい。更に、矢印２０３０によって示されるように、吸収層２０２２の厚さは３／３２λであってよい。吸収層が誘導波長（guided wavelength）の半分（（１／２×（λ／４）＝（１／８）λ）を有するとき、吸収層は共鳴（resonance）を有する。この結果、（１／８）λよりも小さい厚さを有する薄い吸収層が好まれる。更に、無損失誘電体（例えばε_b,r＝６．２５及び０．０４λの厚さを有する第２無損失誘電体２０１８）を上側及び下側に加えることも共鳴を与えることができる。この結果は図２５及び図２６において見られる。

図２５は、（１／８）λよりも小さい厚さを有する吸収層と、二つの一様な誘電体層の間にサンドイッチされた吸収層とについて、規格化された波長に対する透過率のグラフを示す。線２５１０が、（１／８）λよりも小さい厚さを有する吸収層のみについて、規格化された波長に対する透過率を示す。線２５１２が、二つの一様な誘電体層（例えばε_b,r＝６．２５及び０．０４λの厚さ）の間にサンドイッチされた吸収層について、規格化された波長に対する透過率を示す。更に、図２６は、（１／８）λよりも小さい厚さ（例えば（３／３２）λ）を有する吸収層と、二つの誘電体層の間にサンドイッチされた吸収層とについて、規格化された波長に対する吸収率のグラフを示す。線２６１０が、（１／８）λよりも小さい厚さを有する吸収層のみについて、規格化された波長に対する吸収率を示す。線２６１２が、二つの誘電体層（例えばε_b,r＝６．２５及び０．０４λの厚さ）の間にサンドイッチされた吸収層について、規格化された波長に対する吸収率を示す。

吸収層のみは０．７５λにおいて共鳴を有し、０．７５λは誘導波長の半分に相当する。誘電体層のサンドイッチされた態様はλにおいて共鳴を与える。両方の場合について、吸収率は共鳴時に約４％のピーク値を示す。

図２１は、図２０における組立体について、入射光の規格化された波長に対する、ｓ偏光及びｐ偏光の透過率を示すグラフである。線２１１０が、規格化された波長に対する、Ｓ偏光の光の透過率である。線２１１２が、規格化された波長に対する、Ｐ偏光の光の透過率である。同様に、図２２は、図２０における組立体について、規格化された波長に対する、ｓ偏光及びｐ偏光の吸収率を示すグラフである。線２２１０が、規格化された波長に対する、Ｓ偏光の光の吸収率である。線２２１２が、規格化された波長に対する、Ｐ偏光の光の吸収率である。グラフから分かるように、吸収率の鋭いピークがＳ偏光及びＰ偏光の両方について存在する。Ｓ偏光はλ付近に約５０％の吸収率のピークを有する。Ｐ偏光は０．８λ付近に約３０％の吸収率のピークを有する。

図２３は、図２０における組立体の側面図であって、二つの周期について、Ｓ偏光についての磁場を示す。磁場はλについて示される。各矢印の方向は磁場の局所的な方向を表し、一方、矢印の大きさは磁場の大きさを表す。共鳴によって、強い磁場が吸収層２０２２において観察される。

図２４は、入射光からみて吸収層の反対側に使用される回折格子組立体の一つの実施形態を提供する。ここで、前述された透過型回折格子のいずれかが、光を受容する側の吸収層上に設置され、且つ以下に記述される回折格子が吸収層のそれとは反対側に設置される。反射型回折格子２４１１が、石英／空気界面を有する石英ガラス透過型回折格子であってよい。ここで、空気は石英構造体２４１２を取り囲み且つ参照番号２４１４によって示される。石英構造体２４１２が固体状の石英ガラスの基材２４１６を含む。石英ガラスは透明度が非常に高く且つ非常に広い帯域の光を透過させる。更に、石英ガラスは、広範囲の温度条件に亘って使用されることができる非常に安定した材料を提供する。加えて、石英ガラスの回折格子は、多くの用途について必要とされる様々な回折格子特性を提供すべく容易にエッチングされる。石英ガラスは、約１の屈折率を有する空気と比較して、約１．４５の屈折率を有する。符号ｎ_αが空気の屈折率を示すのに用いられ、符号ｎ_βが石英ガラスの屈折率を示すのに用いられる。

突起部２４１８は基材２４１６から延在し且つ基材２４１６と一体である。また、基材２４１６と一体である突起部２４１８は石英ガラスから形成される。突起部２４１８は、各突起部２４１８の間に配置される溝２４２０を形成する。溝２４２０は空気２４１４で満たされ、このことによって、回折格子層２４２２に亘って空気／石英ガラス界面が提供される。回折格子層２４２２は、光源から反射型回折格子２４１１の方向に向けられた光を種々の回折モードに回折する。

矢印２４３０によって示されるように、光が回折格子２４１１に提供される。光２４３０は回折格子の表面に対して概して垂直な角度から提供される。加えて、入射光２４３０は種々の偏光を含んでよい。例えば、入射光はｓ偏光成分及びｐ偏光成分を含む。入射光２４３０は、回折格子層２４２２と交わるとき、Ｒによって示される反射成分を形成するであろう。

反射成分の特性及び透過成分の特性を生じさせる因子は、材料の屈折率（ｎ）、回折格子の周期（ｐ）、回折格子のフィルファクタ（ｒ）、及び回折格子の高さ（ｈ）である。回折格子の周期は一つの溝の始端部から次の溝の始端部までの距離である。透過型回折格子２４１１の周期は、参照番号２４２４によって示される。フィルファクタ（ｒ）は、回折格子の周期に対する、リッジ部の幅の比率または溝の幅の比率として定義され、参照番号２４２６によって示される。回折格子の高さ（ｈ）は、突起部２４１８の上端から溝２４２０の下端までの距離であり、参照番号２４２８によって示される。一つの実施形態において、長方形状の（すなわち長方形状の溝及び長方形状の突起部を有する）回折格子を生じさせるために、溝２４２０と突起部２４１８とは直角に形成される。しかしながら、容易に理解されるように、溝２４２０と突起部２４１８とは正確な直角を形成しなくてもよく、種々の外形が突起部２４１８の縁に沿って使用されてよい。この結果、フィルファクタ（ｒ）または回折格子の高さ（ｈ）についての定義は、突起部２４１８及び溝２４２０の形状に応じて僅かに修正される。このとき、突起部２４１８の重心及び溝を基準にしてこれら値を測定できる。

加えて、サンドイッチ構造２４５０の上端の上に石英ガラスの基材２４１６を形成することができる。サンドイッチ構造２４５０は、二酸化チタンの第１層２４５２、石英ガラスの層２４５４、及び二酸化チタンの第２層２４５６を含む。第１層２４５２は基材２４１６と石英ガラスの層２４５４との間に配置される。石英ガラスの層２４５４は第１層２４５２と第２層２４５６との間に配置される。基材２４１６及びサンドイッチ構造２４５０は、回折格子の下方に配置される分布ブラッグ反射器（distributed Bragg reflector）を形成する。

図２７及び図２８は、回折格子の別の実施形態を示す。この実施形態は、太陽電池に使用されることができるが、カップリング用に使用されてもよい。この実施形態において、組立体２７１０は基板２７１２及び回折格子２７１４を含む。回折格子は、前述された回折格子のいずれかに対応し、例えば図１５の回折格子である。この例において、回折格子の幅は、光が反射して基板の上面に戻る距離よりも小さくなるように選択される。このことは、回折格子による回折によって生じる、基板を通して進む光の方向を表す矢印２７１６を参照すると、より理解されるであろう。光は最初に５０°の１次透過角度の方向に向けられる。角度が約４３．６°よりも大きければ、光エネルギーは基板内において内部反射して基板内において水平方向に伝播するであろう。それ故に、矢印２７１６は、光が水平に伝播するときに基板の上面と下面との間で跳ね返る光を示す。

更に、カップリング用途について、回折格子の幅が重要であることに留意することが有益である。例えば、回折格子によって回折された光が基板内において内部反射して回折格子に戻る場合、光の未吸収部分は回折格子によって基板から抜け出すことができる。この結果、回折格子の幅は、内部反射された光が基板の上面から底面に進み再び上面に戻るのに必要な距離の二倍よりも小さくなるように選択される。更に具体的には、回折格子の幅ｗ_gは、基板の厚さｔ_sに第１次透過角度θ_t,1の正接（ｔａｎ）を掛けた値の二倍よりも小さい（ｗ_g＜２ｔ_s（ｔａｎ（θ_t,1）））。

一つの具体例が図２８に示される。線２８１２によって示されるように、組立体２８１０に提供されるビームの幅は５λである。回折格子の幅は９．９λ（０．９λ１１周期分）であるように選択される。ここで、線２８１８によって示されるようにビームの進行距離は５λであり、線２８１６によって示されるように基板の高さは５λである。回折格子が、内部反射された光が上面に到達する幅を超えて延在するのであれば、回折格子は多くの光を基板から抜け出させ、このことによって、吸収効率が著しく減少せしめられるであろう。

当業者が容易に理解するように、上記の記述は本出願の原理の例示を意味する。本記述は発明の範囲または用途を制限することを意図しておらず、本記述における本発明は、以下の特許請求の範囲において定義されるような本発明の思想を逸脱することなく、修正、変更、及び変化が可能である。

Claims (14)

1. 基材及び回折格子から成る回折格子構造体であって、
   前記回折格子が、交互に並んだリッジ部と溝とを含み、該リッジ部と溝とが、長方形の断面を有し、
   前記交互に並んだリッジ部と溝とが、ｐ＝１．８１λ〜１．８７λの回折格子の周期、ｒ＝０．２９〜０．３９のフィルファクタ、及びｈ＝１．２５λ〜１．３５λの回折格子の高さ、又はｐ＝１．８１λ〜１．８７λの回折格子の周期、ｒ＝０．２０〜０．３０のフィルファクタ、及びｈ＝１．３０λ〜１．４０λの回折格子の高さを画成する、回折格子構造体。
2. 前記回折格子の屈折率が前記基材の屈折率よりも高い、請求項１に記載の回折格子構造体。
3. 前記回折格子構造体の１次透過の角度が３０°〜６０°である、請求項２に記載の回折格子構造体。
4. 前記１次透過の角度が５０°であり、前記回折格子が二酸化チタンであり且つ前記基材が石英ガラスである、請求項３に記載の回折格子構造体。
5. 青色を強めるためにλが４５０ｎｍである、請求項１に記載の回折格子構造体。
6. 緑色を強めるためにλが５５０ｎｍである、請求項１に記載の回折格子構造体。
7. 赤色を強めるためにλが７００ｎｍである、請求項１に記載の回折格子構造体。
8. カップリング用途のためにλが１５５０ｎｍである、請求項１に記載の回折格子構造体。
9. 前記基材が石英ガラスであり、前記交互に並んだリッジ部と溝とが前記基材から延在し且つ石英ガラス／空気界面を形成する、請求項１に記載の回折格子構造体。
10. 前記交互に並んだリッジ部と溝とが、ｐ＝１．８４λの回折格子の周期、ｒ＝０．３４のフィルファクタ、及びｈ＝１．３λの回折格子の高さを画成する、請求項１に記載の回折格子構造体。
11. 前記交互に並んだリッジ部と溝とが、ｐ＝１．８４λの回折格子の周期、ｒ＝０．２５のフィルファクタ、及びｈ＝１．３５λの回折格子の高さを画成する、請求項１に記載の回折格子構造体。
12. 長方形の断面を有する溝及びリッジ部を備えた回折格子を提供するステップであって、交互に並んだ前記溝及びリッジ部が、ｐ＝１．８１λ〜１．８７λの回折格子の周期、ｒ＝０．２９〜０．３９のフィルファクタ、及びｈ＝１．２５λ〜１．３５λの回折格子の高さ、又はｐ＝１．８１λ〜１．８７λの回折格子の周期、ｒ＝０．２０〜０．３０のフィルファクタ、及びｈ＝１．３０λ〜１．４０λの回折格子の高さを画成する、ステップと、
    該回折格子に対してほぼ垂直に入射する無偏光の光ビームを提供するステップと、
    該光ビームの０次透過における回折効率が最小となるように前記無偏光の光ビームを分けるステップと
    を含む、光ビームを分ける方法。
13. １次透過の角度が少なくとも４０°である、請求項１２に記載の方法。
14. １次透過の角度が５０°である、請求項１２に記載の方法。

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