JP2019515515A - 光起電力発電装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、３次元光起電力構造と、当該３次元光起電力構造を備える発電装置と、に関する。光起電力構造は、長手方向軸、上端、下端、及び１つ以上の側壁を有する光送信ソリッド光学コアを備え、当該上端は、受光するために、露出された外面を有する。光起電力層は、光学コアの側壁のうちの１つ以上の少なくとも一部を取り囲み、光学クラッディング層は、光起電力層を取り囲む。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、光起電力発電の分野に関し、特に、太陽電池といった３次元光起電力発電装置に関する。
［背景技術］
光起電力太陽電池のほとんどは、２Ｄの半導体レイアウト上で陽光の採取が行われる平坦な設計である。これは、太陽放射内において運ばれる光子のほとんどが、ソリッドステート半導体内に数ミクロンしか進入することができない（太陽電池内の、より深いエリアに光子が到達する確率が、深さと共に指数関数的に低下する）という事実によるものである。そのため、太陽放射からの光子と、半導体内の電子との間の光起電力相互作用は主に、太陽電池の表面上で生じる。ナノテクノロジの進歩により、半導体材料は、分子レベル及び原子レベルでの操作が可能になり、いくつかの（２つ又は３つの）ＰＮ接合層を太陽電池に積み重ねて、いわゆるタンデム太陽電池を生産することが可能になっており、当該タンデム太陽電池は、より広いスペクトルにおいてより多くの太陽放射エネルギを採取することによって、より高い光起電力変換率を有する。それでもなお、ソリッドステート材料の、より一層深い層への光子の到達が、全く不可能であるという事実により、このような層をさらに積み重ねることには限度がある。
その結果、光起電力変換率は、光起電力相互作用（「事象」）が生じる所与の光起電力太陽電池の表面積によって規定される事象断面積（ＥＣＳ）により制限される。典型的な最新技術として約１０〜２０％の変換率が達成されているが、このことは、このエリアに到達する太陽放射により運ばれるエネルギのうちの１０〜２０％しか、電力に変換されないことを意味する。
変換率の改善された光起電力性の構造／デバイス／電池を提供するために、努力がなされてきた。ＵＳ２０１２０２７９５６１は、中空の光起電力ファイバを開示しており、このファイバは、中空管の内面上に形成されるか、又は、後に中空管へと形成される可撓性の基板上に形成される、半導体を含む。この中空の光起電力ファイバは、太陽電池を含めた多様な半導体デバイスに好適であり得る。この引例は、中空の光起電力ファイバに入る光が、管を進行するのに伴って半導体内にエネルギを付与することを開示している。中空管は、全方向から入射光が入来することを可能にし、光起電力事象に関与することができず、且つ、当該管により吸収され得ない光子の大部分は、当該管から退出して再度寄与する機会がない。
ＵＳ２０１３／０１０４９７９は、太陽デバイスを開示しており、当該デバイスは、集光器、光ガイド部材、複数の光ファイバ、及び変換器端を含む。集光器は、入射光を集めるために構成されている。光ガイド部材は、集光を、複数の集中光ビームへと変換する。光ファイバは、これらの集光ビームを受ける。変換器端は、光ファイバからの光を受けて電気へと変換するために構成された光電変換器を含む。
ＵＳ２０１３／０１８６４５２は、光起電力構造を開示しており、当該構造は、光起電力ナノ構造のアレイと、光起電力デバイスと、を含み、当該光起電力デバイスは、少なくとも半透明である。このアレイの、光起電力デバイスに対する位置決めは、光起電力デバイスを通過する光がアレイに当たるように行われている。この引例に開示されているナノ構造は、基板から延在するナノケーブルのアレイを含む。当該ナノケーブルは、テンプレートの空隙の内面によって規定される、間隔及び表面テクスチャと、基板に沿って延在する電気絶縁層と、当該ナノケーブルに被せられる少なくとも１つの層と、を有する。
ＵＳ２０１５／０２６３３０２は、パターニングされたナノファイバを備える光起電力デバイスを開示している。当該ナノファイバは、当該ナノファイバの軸に沿って延在し、且つ、その主成分がＡｇ（ＮＨ３）２ ＋又はＡｇＮＯ３を含むコアと、当該ナノファイバに沿って延在し、且つ、当該ナノファイバの当該コアを覆うシェルと、を備える。シェル構造の主成分は、ＰＶＰ、ＴＢＡＰ、ＳＤＳ、グラフェン、ＰＭＡＡ、又はＰＦＢＴのナノ粒子を含む。
ＵＳ２０１６／００４３２５０は、非伝導性コアを備える３次元光起電力デバイスを開示している。この引例に開示されている光起電力構造は、均一な厚さを有する平面部分、及び、当該平面部分の平面から延在する突出部分のアレイを備える誘電材料層と、当該誘電材料層上に位置付けられ、且つ、コア伝導性材料層、光起電力材料層、及び透明伝導性材料層を備える層スタックと、を備える。当該コア伝導性材料層は、誘電材料層の平面及び突出部分に接触しており、当該透明伝導性材料層は、光起電力材料層により、コア伝導性材料層から間隔を空けて配置され、誘電材料層の突出部分と、当該突出部分を取り囲む層スタックの部分との組み合わせの各々は、光起電力ブリストルを構成する。この引例のデバイスの基本的な構成単位は、光起電力ブリストルであり、これらもまた、全方向から入射光が入来することを可能にしつつ、やはり、光の大部分を、光起電力事象に関与することができないまま退出させてしまう。
太陽放射から電力への、改善された変換率を呈示することの可能な、光起電力性の発電機構造／太陽電池が依然として必要とされている。
この背景技術の情報は、出願人によって本発明に関連している可能性があると考えられている情報を表すために提供されている。前述の情報のいずれも、本発明に対する先行技術を構成するとの自認は必ずしも意図されておらず、また、そのように解釈されるべきではない。
本発明の目的は、３次元光起電力構造と、当該３次元光起電力構造を備える発電装置と、を提供することである。
本発明の一態様によると、光起電力構造が提供される。当該光起電力構造は、長手方向軸を有し、且つ、上端、下端、及び１つ以上の側壁を有する、光送信ソリッド光学コアを備える。当該上端は、受光するために、露出された外面を有する。当該光起電力構造はさらに、当該光学コアの当該側壁のうちの１つ以上の少なくとも一部を取り囲む光起電力層と、当該光起電力層を取り囲む光学クラッディング層と、を備える。
本発明の別の態様によると、３次元光起電力発電装置が提供される。この３次元光起電力発電装置は、上面及び下面を有する基部構造と、複数の光起電力構造と、を備える。当該複数の光起電力構造の各々は、長手方向軸、上端、及び下端を有し、上端、下端、及び１つ以上の側壁を有する光送信ソリッド光学コアを備え、当該光学コアの当該上端は、受光するために、露出された外面を有する。当該複数の光起電力構造の各々はさらに、当該光学コアの側壁のうちの１つ以上の少なくとも一部を取り囲む光起電力層と、当該光起電力層を取り囲む光学クラッディング層と、を備える。当該複数の光起電力構造の各々の当該下端は、当該基部構造の当該上面と、直接的関連付け又は間接的関連付けがなされている。
本発明の実施形態は、半導体の物理的及び化学的特性を変更することなく、所与の表面積を有する所与の太陽電池についてのＥＣＳを体系的に増大させるために、改善された光起電力構造を提供する。本発明の光起電力構造は、増大された面積のＥＣＳを提供し、それにより、太陽放射において運ばれる光子は、材料内の電子と衝突して相互作用する機会がより多くなる。本発明の光学コアは、光起電力構造内に入射光を封止するのに理想的なチャンバを提供し、光子が光起電力層の電子と相互作用する可能性を増大させる。光学クラッディング層が存在することにより、ＥＣＳの増大をさらに助ける。
図１Ａは、本発明の一実施形態に従った、層状の光起電力構造の上面図である。 図１Ｂは、本発明の一実施形態に従った、層状の光起電力構造の上面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態に従った光学コアの斜視図である。 図２Ｂは、本発明の一実施形態に従った光学コアの斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に従った、層状の光起電力構造の断面図である。 図４Ａは、コア及び単一の半導体層を備える光起電力構造の断面図である。 図４Ｂは、コア及び複数個のスペクトル選択的半導体層を備える光起電力構造の断面図である。 図４Ｃは、コアと、軸方向及び半径方向にスペクトル選択性を有する複数個のタンデム半導体層と、を備える光起電力構造の断面図である。 図５Ａは、本発明の一実施形態に従った、円周方向に沿ったスペクトル選択性を描く、光起電力構造の上面図である。 図５Ｂは、本発明の一実施形態に従った、円周方向に沿ったスペクトル選択性を描く、光起電力構造の上面図である。 図６Ａは、本発明の或る実施形態に従った、光学コア上の金属層の様々な構成を示す図である。 図６Ｂは、本発明の或る実施形態に従った、光学コア上の金属層の様々な構成を示す図である。 図６Ｃは、本発明の或る実施形態に従った、光学コア上の金属層の様々な構成を示す図である。 図６Ｄは、図６Ａの実施形態の上面図である。 図７Ａは、本発明からの或る実施形態に従った、様々な形状のスタッフィング層を備える層状の光起電力構造の上面図を示す図である。 図７Ｂは、本発明からの或る実施形態に従った、様々な形状のスタッフィング層を備える層状の光起電力構造の上面図を示す図である。 図７Ｃは、本発明からの或る実施形態に従った、様々な形状のスタッフィング層を備える層状の光起電力構造の上面図を示す図である。 図７Ｄは、本発明からの或る実施形態に従った、様々な形状のスタッフィング層を備える層状の光起電力構造の上面図を示す図である。 図７Ｅは、本発明からの或る実施形態に従った、様々な形状のスタッフィング層を備える層状の光起電力構造の上面図を示す図である。 図７Ｆは、本発明からの或る実施形態に従った、様々な形状のスタッフィング層を備える層状の光起電力構造の上面図を示す図である。 図８Ａは、本発明の１つの実施形態に従った光起電力発電装置の斜視図を示す図である。 図８Ｂは、本発明の１つの実施形態に従った光起電力発電装置の斜視図を示す図である。 図８Ｃは、本発明の１つの実施形態に従った光起電力発電装置の斜視図を示す図である。 図９Ａは、本発明の或る実施形態に従った、基部構造内に封入されて収められた光起電力構造の上面図を示す図である。 図９Ｂは、本発明の或る実施形態に従った、基部構造内に封入されて収められた光起電力構造の上面図を示す。 図１０Ａは、本発明の或る実施形態に従った、光起電力構造の形状を示す、基部構造の上面図を示す図である。 図１０Ｂは、本発明の或る実施形態に従った、光起電力構造の形状を示す、基部構造の上面図を示す図である。 図１０Ｃは、本発明の或る実施形態に従った、光起電力構造の形状を示す、基部構造の上面図を示す図である。 図１１Ａは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｂは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｃは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｄは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｅは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｆは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｇは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１１Ｈは、本発明の実施形態に従った、光起電力構造の封入構成、相対的高さ、及び断面形状を示す図である。 図１２は、本発明の一実施形態に従った、基部構造のユニット構造と、当該基部構造のユニット構造の、対応する光起電力構造との一体化と、を示す図である。 図１３Ａは、本発明の一実施形態に従った、隣接する光起電力構造間に付加的なスタッフィング層を有する光起電力発電装置を示す図である。 図１３Ｂは、本発明の一実施形態に従った、隣接する光起電力構造間に付加的なスタッフィングを有さない光起電力発電装置を示す図である。 図１４は、円錐形状の光起電力構造間にスタッフィング層を有する光起電力発電装置を示す図である。 図１５Ａは、本発明の一実施形態に従った、光起電力発電装置内の電気接続を示す図である。 図１５Ｂは、本発明の一実施形態に従った、光起電力発電装置内の電気接続を示す図である。 図１５Ｃは、本発明の一実施形態に従った、光起電力発電装置内の電気接続を示す図である。 図１６は、本発明の或る実施形態に従った、光起電力構造の上端の幾何学的形状の変形例を示す図である。 図１７は、表面に配設された光起電力発電装置のアレイを示す図である。
ここで使用される「約」という用語は、公称値から±１０％の変動を指す。理解されるべきこととして、このような変動は、具体的に言及されているか否かに関わらず、ここに提供される所与の値に常に含まれる。
ここで使用される「幾何学的角柱」という用語は、３次元の、形作られた構造、例えば、平坦な又は湾曲した側壁によって接続された上面及び底面を有するマイクロ構造、を指す。この種の形状は、ここで、マイクロ角柱とも称され、円筒形、立方体、直平行六面体、矩形角柱、及び六角柱等を含む。種々の実施形態において、上面及び底面は、平行であり、同様にサイズ決定され、且つ、形作られている。しかしながら、当該構造が、例えば円錐台形状に従った、異なるサイズ及び／又は形で作られた、上面及び底面を有し得ることも企図される。
ここで使用される「円錐形状」という用語は、上面と、尖頭までテーパするか、又は、小さいが可能性として非ゼロ面積を有する底面までテーパする、非平行な側壁と、を有する３次元形状の構造を指す。底面のサイズが存在しないか、又は縮小されることにより、この箇所における光起電力構造に対する必要性を減ずる。円錐形状の構造は、円形、三角形、正方形、五角形、六角形等の断面形状を有し得る。円錐形状の構造は、円錐又は角錐等であってよい。
特段規定されていない限り、ここで使用される全ての技術的及び科学的用語は、この発明が属する当該技術の当業者の一人によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。
本発明は、３次元光起電力構造と、当該３次元光起電力構造を備える発電装置と、を提供する。
本発明の一態様において、３次元光起電力構造が提供され、そのうちの１つ以上は、発電装置における使用が可能である。
本発明の光起電力構造は、長手方向軸、上端、及び下端を有し、上端、下端、及び（１つ以上の）側壁を有する光送信ソリッド光学コアを備える。当該光起電力構造はさらに、当該コアの当該壁を取り囲む光起電力層と、当該光起電力層を取り囲む光学クラッディング層と、任意に、最も外側のスタッフィング層と、を備える。当該光学コアの上端は、受光するために、露出された外面を有する。
層状の図１Ａは、本発明の例示的な層状の光起電力構造１０ａの上面図を示しており、コア１２ａ、光起電力層１４ａ、光学クラッディング層１６ａ、及びスタッフィング層１８ａを示す。図１Ｂは、本発明の層状の光起電力構造１０ｂの別の例の上面図をを示しており、コア１２ｂ、光起電力層１４ｂ、光学クラッディング層１６ｂ、及びスタッフィング層１８ｂを示す。
光起電力層は、側壁のうちの少なくとも１つ（即ち、１つ以上）の少なくとも一部を取り囲む。いくつかの実施形態において、光起電力層は、少なくとも１つの側壁の、実質的に全てを取り囲む。いくつかの実施形態において、光起電力層は、側壁の全ての、実質的に少なくとも一部分を取り囲む。いくつかの実施形態において、光起電力層は、側壁の全ての、実質的に全ての部分を取り囲む。種々の実施形態において、表面積が大きな光起電力層ほど、より大きな光起電力作用を生じることが可能である旨を理解されるべきである。しかしながら、光起電力層がたとえ全ての側壁の全ての部分を取り囲んでいなくても（即ち、光起電力層に間隙が存在していても）、少なくとも何らかの光起電力作用の提供は、依然として可能である。間隙は、光学クラッディング層にも同様に設けることができる。
いくつかの実施形態において、側壁は、それらの上端とそれらの下端との間で実質的に平坦である。他の実施形態において、側壁は、それらの上端と下端との間で湾曲していてよい。側壁上端は、この装置の露光される領域に対して近位の側壁末端部分を指し、下端は、対向する側壁末端部分を指す。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明に従った光学コアの例の斜視図を示しており、上端２０ａ、２０ｂ、下端２２ａ、２２ｂ、（１つ以上の）側壁２４ａ、２４ｂ、及び、入射光を受けるための、露出された上部外面２６ａ、２６ｂを示す。
光学コアは、光ファイバのコアを製造するのに知られている、非伝導性の及び／又は非不透明な材料で製造することが可能である。１つの実施形態において、光学コアは、極めて光学的に透過性の材料で製造される。種々の実施形態では、ソリッド光学コアの実質的に内側全体が、このような材料で構成されている。
光学コア及び／又は光起電力層の屈折率は、光学クラッディング層の屈折率よりも高い。いくつかの実施形態において、光学コアは、光起電力層の屈折率よりも大きな屈折率を有する。１つの実施形態において、光学コアは、光起電力層の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する。
本発明の光起電力構造におけるソリッド光学コアは、放射エネルギの損失が許容可能な低さであるか又は最小限である状態で入射光を伝導し、よって、光起電力構造を備える発電装置／太陽電池を、周囲光及び散乱光に良く適合させる。このことにより、あらゆる季節のあらゆる天候状況において、太陽放射エネルギの採取率が増大する。
図２Ａ及び図２Ｂに描かれているように、入射陽光は、光起電力構造のコアの上面から、多様な方向で入来し得る。光起電力構造の長手方向軸と平行な方向の入射光のみが、この構造を通って、この構造の底部に直接ぶつかり、他の方向の入射光のほとんどは、光起電力構造の底部に到達する前に、この構造の側壁にぶつかる。
本発明の光起電力構造は、入射光の有意な部分が光起電力層に進入して光学クラッディング層にぶつかると、当該有意な部分を反射させる。この反射光は、最終的に底部に到達するまで光起電力構造を引き続き進行し、その間に、光起電力構造の壁に複数回衝突する。それにより、当該光内の光子が光起電力層に衝突して当該光起電力層と相互作用する機会を増大させる。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明からの或る実施形態に従った光起電力構造のコアの内部における入射光の経路を示す。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、入射光４１は、光学コア内に入ると、光線４２、４３、及び４４として、コアの壁及び／又は底部から反射して返され、それにより、当該光内の光子が光起電力層に衝突して当該光起電力層と相互作用する機会を増大させる。
いくつかの実施形態において、本発明の光起電力構造は、上端において又は上端付近において、付加的な層をさらに備え、この付加的な層は、反射防止性の光送信外面及び高反射性の内面を有する。付加的な層は、入射光に対し、限定された影響又は最小限の影響を与えるが、光起電力構造から空中に退出する傾向を有する光の量を有意に低減することができる。このような実施形態において、光内の光子の一部は、反射して返されて、光起電力構造内を引き続き進行する。
図２Ａ及び図２Ｂは、光送信外面３０ａ、３０ｂと、反射性の内面３２ａ、３２ｂと、を有する付加的な層２８ａ、２８ｂを示しており、ここで、光の光線４４は、光線４５として、内面から反射して返されて、光起電力構造内を引き続き進行する。この例において、付加的な層２８ａ、２８ｂは、光学コアの高さ「Ｈ」に対する高さ「ｈ」において設けられている。
本発明の光起電力構造は、円筒形、幾何学的角柱、円錐、角錐、立方体、直平行六面体、矩形、及び、それらのいずれかの組み合わせといった、多様な形状のうちの１つを有し得る。
円錐形状の光起電力構造は、六角形、正方形、矩形、円形等といった、多様な断面形状を有し得る。
非円錐形の光起電力構造（例えば、幾何学的角柱、円筒形、立方体等）においては、光学コアの下端もまた、光起電力層及び光学クラッディング層によって取り囲まれ、それにより、光の光子は、底部に到達すると、それらのうちの一部が底部において光起電力層と相互作用した後、底部の光学クラッディング層において反射して返される。このような実施形態において、反射光の光子は、底部から上部へと引き続き進行し、その行程の途上で壁に複数回ぶつかり得、壁上において光起電力層と引き続き相互作用し得る。このような実施形態において、光起電力構造の壁上及び底部における光学クラッディング層は、付加的な層と共に、実質的に閉鎖した光学チャンバを形成して、入射光が光起電力構造内における光起電力相互作用に関与する可能性を増大させるか、又は最大化する。その結果、ＥＣＳが有意に増大される。さらに、光学コアが高い光学的透過性を有する材料で製造される実施形態により、このチャンバ内の進行時における光損失が確実に低減又は最小化される。
図３に、このような実施形態の一例を描く。この図は、光起電力構造の断面図を示しており、光学コア５２と、両者が円筒形のコアの壁及び底部を取り囲んでいる、光起電力層５４及び光学クラッディング層５６と、を示す。この例における光学コアの上端もまた、反射防止性の光送信外面及び高反射性の内面を有する付加的な層５８を有する。
円錐形の光起電力構造の場合、下端は、円錐の頂点又は頂上によって規定される。このような実施形態では、光封止チャンバが、円錐の壁と、上部における付加的な層と、によって形成される。しかしながら、この場合、当該構造の底部は、尖頭になるまで、又はほぼ尖頭になるまで縮小され、当該構造の側壁は非平行であり、それにより、入射光及び反射光の経路を変化させる。
光起電力層は、光起電力変換が生じる場所である。いくつかの実施形態において、光起電力層は、多層構造を備える。
いくつかの実施形態において、光起電力層は、光学コアに接触する内側金属層と、当該内側金属層を取り囲む１つ以上の伝導層と、当該１つ以上の伝導層を取り囲む外側金属層と、を備える。
図３は、光学コア５２に接触している内側金属層６０と、内側金属層６０を取り囲む伝導層６２と、伝導層６２を取り囲む外側金属層６４と、を備える光起電力層５４の一例を示す。
いくつかの実施形態において、１つ以上の伝導層は、半導体層であり（ＰＮ接合層とも称する）、１つ以上のＰＮ接合を備える。ＰＮ接合は、光起電力効果に従い、光子のボンバードメント及び進入に応答して電圧を生じるように構成される。
いくつかの実施形態において、光起電力層は、１つの半導体層／ＰＮ接合層を備え、当該半導体層／ＰＮ接合層は、自身に関連付けられた内側金属層及び外側金属層を有する。いくつかの実施形態において、光起電力層は、複数の半導体層／ＰＮ接合層を備え、その各々が、それら自体のそれぞれの内側金属層及び外側金属層を有する。
図４Ａは、例示的な光起電力構造の断面図を示しており、当該光起電力構造は、光学コア７０と、光起電力層７２と、を備え、当該光起電力層７２は、内側金属層７４と外側金属層７８との間に１つのＰＮ接合７６を備える。図４Ｂ及び図４Ｃは、光起電力層が複数の半導体層／ＰＮ接合層７６を備え、且つ、当該複数の半導体層／ＰＮ接合層７６の各々が、それら自体のそれぞれの内側金属層７４及び外側金属層７８を有する例を示している。
この開示において、半導体層／ＰＮ接合層は、２つの型の、即ち、ｐ型及びｎ型の半導体材料によって形成される半導体構造と称される。ＰＮ接合層を実装するのに候補となる材料及び処理は、当該技術において良く知られている。好適な材料は、シリコンから非シリコンの元素又は化合物にまで亘る。典型的な一実施形態では、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）、又はナノ結晶シリコン（ｎｃ−Ｓｉ）といった薄膜太陽電池材料を選択してよい。いくつかの実施形態において、ＰＮ接合層は、Ｐ−Ｉ−Ｎ層として理解されてよく、ここで「Ｉ」は、真性半導体層であることを意味する。
いずれかの具体的な実施形態における光起電力層のＰＮ接合の極性（即ち、正に及び負にドープされた半導体領域の相対的箇所）に依存して、活性化された電子は、光学コアの方向に向けて、又は、光学クラッディング層の方向に向けて、移動することがあり、そのとき、光起電力相互作用が生じる。１つの実施形態において、電子は、光学コアの方向に受けて移動し、そのとき、光起電力事象が生じる。
いくつかの実施形態では、本発明の光起電力構造について光起電力層を実装するために様々な材料を選択する際に、太陽放射スペクトル選択性が考慮される。より短波長の光子により運ばれる太陽エネルギを吸収するように、いくつかの材料が最も良く調整される一方で、より長波長の光子に反応するように、いくつかの他の材料が最も良く調整される。光起電力構造の３次元構造の特質は、円形、軸方向、及び／又は半径方向の次元に沿って半導体材料の空間的分布を最適化する可能性を提供する。
光の様々な周波帯へと最も良く調整される光起電力材料を、光起電力構造の様々なセグメントに適用することにより、軸方向に沿ったスペクトル選択性を得ることができる。１つの実施形態におけるアプローチは、アモルファスシリコンのコーティングを、緑色光及び青色光の波長に対して最良のスペクトル応答を伴って、光起電力構造（マイクロ角柱又はマイクロ円錐）の上部に適用し、μｃ−Ｓｉ又はｎｃ−Ｓｉのあるコーティングを、赤波長及び赤外波長に対して最良のスペクトル応答を伴って、マイクロ角柱又はマイクロ円錐の下部に適用することである。設計者は、特定の考慮事項に依存して、様々な実施形態において多様なやり方で、この軸方向スペクトル選択性を操作することができる。
光の様々な周波帯へと最も良く調整される光起電力材料を、光学コアを取り囲む、連続したコーティング層の上に被せることにより、半径方向に沿ったスペクトル選択性を有する光起電力構造を得ることができる。１つの実施形態におけるアプローチは、長年に亘って業界の慣行となっているタンデムＰＮ接合構成を模倣することであり、ここでは、アモルファスシリコンのコーティングが、まず、緑色光及び青色光の波長に対して最良のスペクトル応答を伴って適用され、次に、μｃ−Ｓｉ又はｎｃ−Ｓｉのコーティングが、赤波長及び赤外波長に対して最良のスペクトル応答を伴って、アモルファスシリコンのコーティングの上部に被せられる。
光の様々な周波帯へと最も良く調整される光起電力材料を、同じ光起電力コーティング層の様々なセグメントに適用することにより、円周方向に沿ったスペクトル選択性を有する光起電力構造を得ることができる。１つの実施形態におけるアプローチは、アモルファスシリコンのコーティングを、緑色光及び青色光の波長に対して最良のスペクトル応答を伴って、マイクロ角柱又はマイクロ円錐の一方の半体側に適用し、μｃ−Ｓｉ又はｎｃ−Ｓｉのコーティングを、赤波長及び赤外波長に対して最良のスペクトル応答を伴って、当該マイクロ角柱又はマイクロ円錐の他方の半体側に適用することである。
図４Ｂは、複数個のスペクトル選択的半導体／ＰＮ接合層を示し、図４Ｃは、軸方向及び半径方向にスペクトル選択性を有する複数個のタンデム半導体層を示す。これらの例示的な図面における様々な陰影は、太陽放射スペクトルの様々な周波帯へと最も良く調整される光起電力材料を表す。
図５Ａ及び図５Ｂは、３次元に沿ったスペクトル選択性を示しており、ここで、図５Ａは、軸方向及び半径方向におけるスペクトル選択性を示し、図５Ｂは、円周方向に沿ったスペクトル選択性を描く、光起電力構造の一例の上面図を示し、ここで、光学コア８０は、内側金属層８２により取り囲まれている。光起電力層は、短周波帯へと最も良く調整される光起電力コーティング８６と、長周波帯へと最も良く調整される光起電力コーティング８８と、を有する。光起電力層は、光学クラッディング層８４により取り囲まれている。
各伝導層に関連付けられる内側金属層及び外側金属層の機能とは、光起電力相互作用の結果としてこれらの金属層内へと変位させた、伝導層内の電子（又は正孔）を捕捉して収集し、光起電力構造にカソード（アノード）電気的接続を提供し、例えば、同じ電池の他の光起電力構造と電気的に接続することである。「内側」及び「外側」という用語は、光学コアを基準とした意味であり、光が光学コアから光学クラッディング層に進行するとき、当該光は、まず、各伝導層の内側金属層に、その後、伝導層自体に、その後、外側金属層に衝突する。その一方で、光が光学クラッディング層から光学コアに進行するとき、当該光は、まず、各伝導層の外側金属層に、その後、伝導層自体に、その後、内側金属層に衝突する。光起電力層は、典型的には、これらの金属層に電気的に結合されたプローブ、伝導性のトレース又はワイヤといった電気的接続を含む。複数個の光起電力構造の電気的接続は、当業者によって容易に理解されるように、直列及び／又は並列に接続されて、直流電力を提供することが可能である。
内側金属層及び外側金属層は、高い光学的透過性及び／又は良好な導電性を有する材料で製造される。いくつかの実施形態では、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）及びＴＣＯ（透明導電性酸化物）が、これらの金属層を実装するのに良好な候補材料であり得る。
金属層は、光起電力構造の高さ全体を被覆してよく、又は、底部から、反射防止性の外面を有する付加的な層が配置されているレベル「ｈ」まで被覆してよい。
図６Ａから図６Ｃは、光学コア９０上の金属層の様々な構成の例を示している。図６Ｄは、図６Ａの上面図であり、光学コア９０が、内側金属層９４、ＰＮ接合層９６、及び外側金属層９８を有する光起電力層９２によって取り囲まれていることを示す。
光学クラッディング層の機能とは、光起電力ＥＣＳの面積の増大又は最大化さえも行うために、光起電力構造を、当該光起電力構造内に入射光を内包するのに良好なチャンバにすることである。その屈折率は、他の層の全て及び光学コアの屈折率よりも小さい。
図３は、非円錐形状の光起電力構造（例えば、マイクロ角柱、円筒形、立方体等）内の光学的伝播の一例−入射光のビームが光起電力構造に入ったときの光子の寿命−を示す。光子ｗは、光起電力事象に参与し、電子の活性化に成功裏に寄与する。光子ｘは、光起電力層に進入し、光学クラッディング層において跳ね（反射されて）返り、光起電力層及び光学コアに再度入り、光起電力構造の底部において光起電力層に着地し、ここで光子ｘは、光起電力事象に寄与する。光子ｙは、光学クラッディング層に３回、即ち、左壁に１回、底部に１回、及び右壁に１回ぶつかり、最後に、マイクロ角柱の右壁上の光起電力層に着地する。光子ｚは、光学クラッディング層に３回ぶつかり、その後、上部において反射防止層により跳ね返された後に、マイクロ角柱の左壁上の光起電力層に着地する。
同様の原理が、円錐形状の光起電力構造にも当てはまる。円錐形の光起電力構造の場合、下端は、円錐の頂点又は頂上によって規定される。このような実施形態において、光封止チャンバは、円錐の壁と、上部における付加的な層と、によって形成される。しかしながら、この場合、当該構造の底部は、尖頭になるまで、又はほぼ尖頭になるまで縮小され、当該構造の側壁は非平行であり、それにより、入射光及び反射光の経路を変化させる。
光学コア、光起電力層、光学クラッディング層、及びスタッフィング層の断面形状は、同じであってもよく、又は異なっていてもよい。１つの実施形態において、光学コア、光起電力層、及び光学クラッディング層の断面形状は、同じである（即ち、図７Ａ及び図７Ｆ）。いくつかの実施形態において、光起電力層及び光学クラッディング層の断面形状は、光学コアとは異なっている（図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ、及び図７Ｅ）。
本発明の別の態様において、上記のような本発明の複数の光起電力構造を備える３次元光起電力発電装置が提供される。当該発電装置は、上面及び下面を有する基部構造を備え、ここで、下面は、光起電力構造の各々の下端と、直接的関連付け又は間接的関連付けがなされている。１つの実施形態において、光起電力発電装置は太陽電池である。
図８Ａは、上面１０４及び下面１０６を有する基部構造１０２と、各々が上端１１０及び下端１１２を有する複数の光起電力構造１０８と、を備える例示的な３次元光起電力発電装置１００を示す。光起電力構造の各々の下端１１２は、基部構造の上面１０４と、直接的関連付け又は間接的関連付けがなされている。
いくつかの実施形態において、基部構造は、複数の光起電力構造を収めるための、（１つ以上の）側壁１１４を備える（図８Ｂ及び図８Ｃ）。
いくつかの実施形態において、これらの側壁は、全ての光起電力構造を１つの堅固な「煉瓦」のように、共に包む。
いくつかの実施形態において、これらの光起電力構造は、接着材料と共に封入することが可能であり、光起電力構造の全てが１つの電池内に内包される場合があってもよく、又はなくてもよい。
上から見た３次元光起電力発電装置／太陽電池は、矩形、正方形、三角形、六角形等といった多様な幾何学的形状（例えば、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃに示されるような形状、又は、いずれかの他の形状）を有し得る。
光起電力発電装置／太陽電池における全ての光起電力構造の高さは、図１１Ａ、図１１Ｃ、図１１Ｄ、図１１Ｇ、及び図１１Ｅに示されるように同じであってもよく、又は、図１１Ｂ、図１１Ｆ、及び図１１Ｈに示されるように異なっていることがあってもよい。
示される種々の実施形態において、非円錐形の光起電力構造の底面は平坦であるが、当該底面は湾曲していてもよい。例えば、当該構造は、半球形状であってよい。
いくつかの実施形態において、基部構造の上面は、対応する光起電力構造の底部の形状を収容するように形作られた複数の受容構造を有する。例えば、（マイクロ角柱といった）非円錐形の光起電力構造の場合、基部構造は、光起電力構造の壁によって提供される全ての機能を伴って、同じ電池の全ての光起電力構造の底部を封止する（図１２）。
いくつかの実施形態において、光起電力層及びクラッディング層は、光学コアの下端を取り囲む。非円錐形（例えば、マイクロ角柱、立方体等）の光起電力構造のいくつかの実施形態において、光学コアの下端を取り囲む、光起電力層及びクラッディング層の部分は、基部構造に一体化されている。例えば、マイクロ角柱に形作られた光起電力構造について言及すると、基部構造は、複数のユニットを内包しており、当該複数のユニットの各々は、当該基部構造上に立っている厳密に１つのマイクロ角柱に接続している。この基部構造は、マイクロ角柱の壁と厳密に同じである層状の構造、即ち複数のＰＮ接合層とそれらと関連付けられている金属層とを含む光起電力層と最も外側の層としての光学クラッディング層とを有する全てのユニットが有している状態で、準備されている。基部構造のこれらの層の、壁の層との一対一対応により、マイクロ角柱の光学コアの周囲に継ぎ目のないカプセル化を生じ、（例えば図２Ａ及び図２Ｂに示されるように）反射防止層が上部から僅かに下にある状態で、当該上部のみが開放された状態にする。基部構造及び光起電力構造の両方の光起電力層及び光学クラッディング層の部分は、連続した層状の構造を提供するようにアライメントされる。
図１２は、上面２０４及び下面２０６を有する基部構造２０２の例示的な受容構造２０８と、当該受容構造２０８の、対応する光起電力構造２１０との一体化と、を示す。この例において、受容構造は、内部金属層２１２、ＰＮ接合層２１４、外部金属層２１６、及び光学クラッディング層２１８を有し、それらの各々は、対応する光起電力構造２１０のそれぞれの層（即ち、内部金属層２２２、ＰＮ接合層２２４、外部金属層２２６、及び光学クラッディング層２２８）に対応する。
円錐形状の光起電力構造を備える実施形態では、このような底部処理のステップが存在しない。
上で論じたように、本発明の光起電力構造は、任意に、光学クラッディング層を取り囲むスタッフィング層を備える。複数の光起電力構造は、組み付けられる光起電力構造間に付加的なスタッフィング層を伴って、又は伴わずに、組み付けることができる。
１つの実施形態において、非円錐形の光起電力構造は、付加的なスタッフィング層を伴って、又は伴わずに、組み付けられる。１つの実施形態において、円錐形の光起電力構造は、付加的なスタッフィング層を伴って組み付けられる。
スタッフィング層の機能とは、発電装置／太陽電池に対し、所望の又は必要とされる、機械的特徴（例えば、耐荷重）又は動作上の特徴（例えば、センサ）を提供することである。
図１３Ａは、隣接する非円錐形の光起電力構造３１０間に付加的なスタッフィング層３１２を有する発電装置／太陽電池の一例を示す。図１３Ｂは、隣接する非円錐形の光起電力構造間に付加的なスタッフィングを有さない発電装置／太陽電池の一例を示す。
図１４は、円錐形状の光起電力構造４１０間に付加的なスタッフィング層４１２を有する例示的な発電装置／太陽電池を示す。
いくつかの実施形態において、円錐形状の光起電力構造の場合について、スタッフィング層は、矩形の３Ｄ太陽電池を製造するために設けられる。
本発明の発電装置は、光起電力効果によって光のエネルギを電気に変換するために、電気的配線及び接続も備える。電気的配線及び接続は、当該技術において知られている通りである。
図１５Ａから図１５Ｃは、本発明の発電装置／太陽電池内の電気的配線の概略的図示を示す。図１５Ａは、各光起電力構造から出来する一対のＤＣ接続ワイヤを示す。同じ発電装置／太陽電池の光起電力構造は、電気的に並列接続されて（図１５Ｂ）、全ての光起電力構造の光起電力効果から生じる微小な電流を収集する。このような一体化の結果、完成した太陽電池は、外側から見ると、１つの正極及び１つの負極を有する（図１５Ｃ）。
全ての光起電力構造の上端は、陽光に直接的に露出され、よって、発電装置／太陽電池は、例えば図１７に示されるように、太陽放射を受ける一方側を有する。或る目的のための或る実施形態において、これら上部は、様々な幾何学的形状へと処理されてよく、防塵薄膜で覆われてよい。
本発明の、完成した発電装置は、広い範囲の用途で使用することができ、例えば、実質上あらゆる表面上における舗装を構築し得る。図１８は、表面に配設された発電装置／太陽電池のアレイを示す。
本発明の別の態様において、所与の表面積を有する所与の太陽電池についてのＥＣＳを有意に増大させる、体系化された方法が提供される。
この発明の上述の実施形態が例であり、多くのやり方で変形可能であることは明らかである。このような現在の又は今後の変形例は、この発明の精神及び範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、当業者にとって明らかであるようなこのような変更の全ては、以下の請求項の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (30)

  1. 光起電力構造であって、
    前記光起電力構造は、長手方向軸を有し、且つ、上端、下端、及び１つ以上の側壁を有する光送信ソリッドの光学コアを備え、
    前記上端が、受光するために、露出された外面を有し、
    前記光起電力構造がさらに、
    前記光学コアの前記側壁のうちの１つ以上の少なくとも一部を取り囲む光起電力層と、
    前記光起電力層を取り囲む光学クラッディング層と、
    を備える、光起電力構造。
  2. 前記光起電力層及び前記光学クラッディング層が、前記光学コアの前記下端を取り囲む、請求項１の光起電力構造。
  3. 前記光起電力構造が、幾何学的角柱様の形状を有する、請求項２の光起電力構造。
  4. 前記下端が尖頭であり、又は、前記下端が、非ゼロ面積の表面を含む、請求項１の光起電力構造。
  5. 前記光起電力構造が、円錐形状を有する、請求項２の光起電力構造。
  6. 前記光学コアが、前記光学クラッディング層の屈折率よりも大きな屈折率を有する、請求項１から５のいずれか一項の光起電力構造。
  7. 前記光学コアが、前記光起電力層の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する、請求項１から６のいずれか一項の光起電力構造。
  8. 前記光学コアが、非伝導性であって非不透明な、及び／又は、光学的に透過性の材料で製造される、請求項１から７のいずれか一項の光起電力構造。
  9. 前記光起電力層が、多層状の構造を備え、前記多層状の構造が、前記光学コアに接触する内側金属層と、１つ以上のＰＮ接合を備え、且つ、前記内側層を取り囲む１つ以上の半導体層と、前記半導体層を取り囲む外側金属層と、を備え、前記内側金属層及び前記外側金属層が、電圧を提供するための導体に電気的に結合される、請求項１から８のいずれか一項の光起電力構造。
  10. 前記内側金属層及び前記外側金属層が、高い光学的透過性及び導電性を有する、請求項９の光起電力構造。
  11. 前記上端において又は前記上端付近において、付加的な層をさらに備え、前記付加的な層が、反射防止性で光送信性の外面及び高反射性の内面を有する、請求項１から１０のいずれか一項の光起電力構造。
  12. 前記第１の金属層及び前記第２の金属層が、前記光起電力構造の全体長さを被覆する、請求項９又は１０の光起電力構造。
  13. 前記第１の金属層及び前記第２の金属層が、前記下端から前記付加的な層までの、前記光起電力構造の前記長さを被覆する、請求項１１の光起電力構造。
  14. 前記光起電力構造が、複数の前記多層状の構造を備える、請求項９から１３のいずれか一項の光起電力構造。
  15. 前記光起電力層が、軸方向、半径方向、及び／又は、円周方向におけるスペクトル選択性を有する複数個のタンデム半導体層を備える、請求項９から１４のいずれか一項の光起電力構造。
  16. 前記半導体層が、光起電力事象の間に、前記光学コアに向かうか又は前記光学コアから離れる電子の動きを付与する極性を有する、請求項９から１４のいずれか一項の光起電力構造。
  17. 前記光学コア、前記光起電力層、及び前記クラッディング層の前記断面形状が同じである、請求項１から１４のいずれか一項の光起電力構造。
  18. ３次元光起電力発電装置であって、
    前記３次元光起電力発電装置は、
    上面及び下面を有する基部構造と、
    各々が長手方向軸、上端、及び下端を有する複数の光起電力構造と、
    を備え、
    前記複数の光起電力構造が、
    上端、下端、及び１つ以上の側壁を有する光送信ソリッドの光学コアを備え、
    前記光学コアの前記上端が、受光するために、露出された外面を有し、前記複数の光起電力構造がさらに、
    前記光学コアの前記側壁のうちの１つ以上の少なくとも一部を取り囲む光起電力層と、
    前記光起電力層を取り囲む光学クラッディング層と、
    を備え、
    前記複数の光起電力構造の各々の前記下端が、前記基部構造の前記上面と、直接的関連付け又は間接的関連付けがなされている、３次元光起電力発電装置。
  19. 前記光起電力構造が、前記複数の前記光起電力構造を収めるために、１つ以上の側壁をさらに備える、請求項１８に記載の３次元光起電力発電装置。
  20. 前記３次元光起電力発電装置が、隣接する光起電力構造間にスタッフィング層をさらに備える、請求項１８又は１９に記載の３次元光起電力発電装置。
  21. 前記３次元光起電力発電装置が、前記間接的関連付けを提供するために、前記光起電力構造の前記下端と前記基部構造の前記上面との間にスタッフィング層をさらに備える、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の３次元光起電力発電装置。
  22. 前記複数の光起電力構造が、円錐形状を有する、請求項２１に記載の３次元光起電力発電装置。
  23. 前記複数の光起電力構造の各々の前記下端が、前記直接的関連付けを提供するために、前記基部構造の前記上面に接触している、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の３次元光起電力発電装置。
  24. 前記光起電力構造が、幾何学的角柱様の形状を有する、請求項２３に記載の３次元光起電力発電装置。
  25. 前記基部構造の前記上面が、対応する複数の光起電力構造の前記下端を収容するように形作られた複数の受容構造を有する、請求項２３又は２４のいずれかに記載の３次元光起電力発電装置。
  26. 前記光起電力層及び前記光学クラッディング層が、前記光学コアの前記下端を取り囲む、請求項２３又は２４に記載の３次元光起電力発電装置。
  27. 前記光学コアの前記下端を取り囲む、前記光起電力層及び前記クラッディング層が、前記基部構造に一体化されている、請求項２６に記載の３次元光起電力発電装置。
  28. 前記基部構造の前記上面が、光起電力層及び前記光学クラッディング層を備える層状の構造を備え、各層が、前記複数の光起電力構造の前記対応する層に当接する、請求項２６に記載の３次元光起電力発電装置。
  29. 前記複数の光起電力構造が、同じ長さを有する、請求項１８から２８のいずれか一項に記載の３次元光起電力発電装置。
  30. 前記複数の光起電力構造が、異なる長さを有する、請求項１８から２９のいずれか一項に記載の３次元光起電力発電装置。
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