JP2023507632A - カスタマイズされた光学的フィルを備える、光起電材料で内張りされた光共振器を含む太陽電池、その製造方法、およびそれを備えるソーラーパネル - Google Patents

Abstract

本発明は、キャビティで構成される堅牢な発電装置用の光起電材料で内張りされた光共振器および当該光共振器の製造方法に関する。光共振器は、光学的コア、ベース基板、光学的コアを内張りする光起電力層、および光学素子から構成されている。光起電材料で内張りされた光共振器は、日射の光捕捉および機械的負荷に対する十分な完全性のために最適化されている。

Description

本発明は、太陽エネルギー発電の分野に関する。より具体的には、本発明は、太陽発電システムの効率を向上させる光管理機能を組み込んだ太陽電池設計に関するものである。

太陽光発電は、世界市場の主流な発電源として加速している。さらに経済的価値を高めるために、太陽光発電システムの生産性向上および当該システムの使用環境の柔軟性が求められている。

太陽エネルギー捕捉では、半導体材料に光を吸着させ、半導体のバンドギャップを横断して電子を励起することで、電子正孔対を生成することを模倣する。内部電界（通常、ドープされたホモ接合またはヘテロ接合界面によって形成される）により、キャリアが分離され、収集電極に駆動される。太陽電池は、反射率、熱力学的効率、電荷キャリア分離効率、電荷キャリア収集効率、伝導効率などの諸要素によって、太陽エネルギーの収集が左右される。太陽電池は、（金属または透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）層からなる）２つの集電極、内部場を生成するためのドープされたホモ接合またはヘテロ接合界面の半導体、そして多くの場合、光の捕捉を支援する表面構造体および反射防止コーティングから構成される。太陽電池の効率は、通常、量子効率、開放電圧（ＶＯＣ）比、およびフィルファクターなど、実験室で容易に測定できる量で特徴付けられる。太陽電池の効率は、緯度および気候との兼ね合いで、太陽光発電システムの年間発電量に関係する。

太陽電池は、その表面が太陽の入射光に対して直交するときに、最も大きな電力を生成する。入射する太陽の角度は、一日のうち、また一年を通じて連続的に変化する。実用規模の発電では、太陽電池モジュールを回転させる太陽追尾装置と組み合わせて使用するか、モジュールの設置場所の緯度と同じ角度で固定的に傾斜させて設置するかいずれかである。屋根、車、窓や、道路など、既存の構造体に太陽電池モジュールを組み合わせる傾向がある。このような一体型太陽光発電を構築する場合に、太陽電池モジュールの配向は設置構造体によって略決定されるため、太陽追尾型や傾斜型は実現不可能な選択肢である。

太陽電池の効率は、光の取り込みと光損失およびキャリアの再結合との均衡を取りながら、これらの構成要素の設計を最適化することに左右される。大まかには、半導体の厚み（最大化）および表面構造で光の取り込みを増やし、ＴＣＯおよび遮光する金属接点で損失を出し、半導体の厚み／材質（最小化／最大化）および積分電界で再結合を減少させている。太陽電池は、化学の確かな知識があれば台所で簡単に形成可能であるものから、最先端のナノ加工設備で製造された世界最高レベルの結晶性多接合多半導体に至るまで、数多くの材料および戦略がある。コスト効率の高い商業用途では、現在、ＰＮ接合型シリコン太陽電池が市場を支配しており、ＣＩＧＳ、ＣｄＴｅ、ヘテロ接合型シリコン、シリコン薄膜ソリューションがニッチな用途を満たしている。一般的に、商業的に利用可能な最新の太陽電池の変換率は約１０乃至２４％であり、太陽電池モジュールは太陽エネルギーの８乃至１５％を電力に変換している。

太陽電池の全体的な効率を向上させ、改善された変換率を有する光起電力装置を提供するための様々な手段が、近年、検討されてきている。
これらは、以下の通りである。１）最適な導電体の選択：太陽電池の種類によっては、薄膜の点灯側に透明な導電膜を設け、光を活物質に入射させ、発生した電荷キャリアを収集するものがある。一般的に、高透過率で高い導電性を備えるフィルムは、酸化インジウムスズ、導電性高分子、導電性ナノワイヤーネットワークなどが使用される。２）表面での光散乱の促進：電池の受光面をナノサイズの金属（銀、アルミニウム、金など）のスタッドで内張りすることで、光がスタッドから電池に対して斜めに角度をなして反射し、電池内の光路長が長くなり、電池で吸収される光子の数が多くなるようにすることができる。３）裏面パッシベーションの追加：シリコン太陽電池の効率向上のために、シリカや酸化アルミニウムの薄膜の上に窒化シリコン膜を積層することでさらに形成した裏面誘電体パッシベーション層を化学蒸着すること。４）二面性パネルの改善：特定の反射面を利用して裏面の「デッドスペース」からの太陽エネルギー収集を強化すること。

太陽は、しばしば太陽スペクトルと呼ばれる、大きな波長範囲の光を発生させる。太陽スペクトルの全領域にわたって有効な単一素材の太陽電池は無い。太陽電池は、材料固有の性質である半導体バンドギャップを介した光励起に左右される。半導体は、バンドギャップ未満の光子エネルギーを有する光に対して弱い吸着性を有する。この吸着は原子光散乱と関係があり、収穫可能な電子－正孔対をあまり形成しない。加えて、バンドギャップを超える光エネルギーは、熱処理によって失われることが多い。太陽スペクトルの複数のバンドに調整した太陽電池を複数枚積層したり（例、タンデム太陽電池）、光吸着領域に複数の材料を使用したり（ヘテロ接合太陽電池や多接合太陽電池）することで、太陽のスペクトルをより広く利用することができるようになる。ごく最近、ＩＩＩ－Ｖ族多接合（および集光レンズ）を使用した太陽電池の効率が４７．１％という世界記録を達成した。また、これらの解決策は製造が非常に複雑かつコストがかかるため、商業的な応用は地球外発電などのニッチ市場に限定されている。また、太陽スペクトルをより多く利用するために、太陽電池にアップコンバージョン材料やダウンシフト材料を採用する方法もある。アップコンバージョン材料は、低エネルギーの複数の光子を吸着して高エネルギーの光を発光させ、ダウンシフト材料は、高エネルギーの光を取り込んで低エネルギーの光を発光させる。
これらは、太陽電池に応用することで、太陽電池の有効波長範囲外の光を取り込み、収穫可能な光子を生成する材料である。現在までのところ、コストおよび変換収率の低さから、これらの材料は学術研究の域を出ていない。

これらの設計および改良に加えて、太陽の日々の動きによって生じる様々な入射角からの光の取り込みを最適化する機会が残されている。この分野の科学的な研究はほとんど無い。これまでには、ナノメートルから数十マイクロメートルの長さスケールの光起電力デバイスの「３次元」構造体、および光起電力活性材料の反射を低減するために光散乱を考慮した表面デザインなどが開発されている。例えば、ＭＩＴではソーラーパネル用に３種類の３次元モジュールを試験している。ナノ構造材料は、反射防止特性に優れ、より多くの太陽光を太陽電池に入射させることができると考えられている。また、これらは電子と正孔とが再結合する際に発生する無駄な放射線の照射を抑制することにも利用できる。ナノワイヤーを格子状に並べて形成された電極は、略完全に透明にすることができる。さらに、オランダの研究グループは、ナノシリンダーがいくつかの方法で太陽電池の性能を超高速化できることを発見した。表面的には量子ドットアレイに類似しているが、ナノシリンダーは半導体ではなく絶縁材料からなり、光を吸収するのではなく、単に周囲の物質と異なる屈折率を有するのみである。その結果、ある波長の光はアレイで跳ね返り、他の波長の光は透過する。

太陽の通り道を考慮して、一日のうちで最も多くの太陽光を集めるために最適な位置にソーラーパネルを配向するための、回転可能または傾斜可能な様々な方向転換手段も当技術分野において周知である。通常、このようなソーラーパネルは、複数の行および列からなるアレイ状に設置されるため、相当な領域、特に農業に有用な領域をカバーし得る。また、これらのアレイをビルの屋上に設置した場合でも、それ以外では屋上を使用することができないのが一般的である。例として、特許文献１には、垂直柱と、垂直柱に回転可能に設けられた主梁と、主梁に固定されるとともに主梁と一体的に回転可能な支持フレームとを備える水平一軸太陽追尾装置支持台およびその結合システムが開示されている。固定支持フレームは、南北方向に水平に延び、水平面に対して傾斜した角度をなすように配置された太陽電池アセンブリを備えている。北半球で使用する場合は、太陽電池アセンブリを北側が南側よりも高くなるように傾斜させて配置し、南半球で使用する場合は、その逆の傾斜角で配置する。
この設置の方式は、太陽電池アセンブリの列を太陽に従って効率よく配向可能となるように並べることを目的としている。これは、傾斜型単軸太陽追尾構造ほど破損しにくく、同時に、既存の平面型単軸太陽追尾構造で周知の太陽エネルギー収集量の低下の問題を示さない平面型単軸太陽追尾構造を提供するという課題を解決している。

上記の分野にもかかわらず、１日の全期間にわたって電力を生成するために、広い範囲の光入射角で太陽放射から改善された変換率を示すことができる光発電構造／太陽電池の必要性が依然として存在する。本発明の課題は、これらの短所を回避または軽減することにある。この背景情報は、本発明と関連する可能性があると出願人が考える情報を明らかにするために提供されるものである。また、これらの情報が本発明に対する先行技術であると認めること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もない。

国際公開第２０１６／０７４３４２号

本発明の課題は、光の捕捉が主に完全な反射によって達成される光起電材料で内張りされた光共振器を提供することにある。

本発明の課題は、様々な入射角からの太陽エネルギーの最適な収集を利用する改良型太陽電池を提供することにある。

本発明は、
ｉ）光を最適に捕捉するための光共振器であって、偶発的または非見通し線的（ＮＬｏＳ（ｎｏｎ－ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ））な光の捕捉であっても、前記光共振器が、光を受容する露出した外側領域を有する上端と、前記上端とともに「共振器形状」をなす少なくとも２つの他の領域とを含む、光共振器と、
ｉｉ）前記光共振器の前記共振器形状を部分的または全面的に内張りする光起電力層と、ｉｉｉ）前記光共振器内の、光学的コアフィルと、
ｉｖ）少なくとも前記光共振器および前記光学的コアフィルを支持するベース基板と、を備える、太陽電池を提供する。

本発明はさらに、光起電力層、光学的コアフィル、および共振器形状が、高度にカスタマイズ可能な光管理システムを規定する太陽電池を提供する。

本発明はさらに、１つ以上の光起電力層、および光学的コアフィルが一体的にカスタマイズ可能な光管理要素を形成する太陽電池を提供する。

本発明はさらに、２つ以上の太陽電池を含む太陽光発電装置をさらに提供する。太陽光発電装置において、各太陽電池は、偶発的／非見通し線的な光も最適に捕捉する光共振器を備え、前記光共振器は、光を受容する露出した外側領域および少なくとも２つの他の領域を有する上端であって、前記少なくとも２つの他の領域は、前記上端とともに「共振器形状」を形成する、上端と、前記光共振器の前記共振器形状を部分的または全体的に内張りする光起電力層と、前記光共振器内の光学的コアフィルと、前記光共振器および前記光学的コアフィルを支持するベース基板とを含む。このように、カスタマイズ可能な光管理要素を有する各太陽電池は、異なる入射角度を捕捉し、異なるスペクトル範囲で有効な異なる効率を有し、光インピーダンスを増減させ、選択的かつ意図的にセル間で光を伝達して最適なエネルギー捕捉を行うことができる。

さらに、ベース基板は、光共振器および光学的コアフィルを支持するのみならず、（所望に応じて）機械的負荷に対して支持し、電子部品を収容するとともに保護し、全体的または部分的に、共振器形状を形成すために十分な完全性および強度を備える材料からなる。

本発明は、本明細書に記載されるような太陽電池の様々な製造方法も含む。

全体として、本発明の光共振器設計、太陽電池および太陽光発電装置で達成されるのは、従来公知の太陽電池に対する多数の改善点である。光共振器の形状、光学的フィル、および各太陽電池（より大きなアレイにおける）の光起電力層の組成および配置を選択することは、太陽光発電装置が平坦で動かない設置場所、例えば、固定屋根、車道などのタールマック舗装路、歩道、駐車場、および橋梁などに組み込まれていても、最適に光を集めることができることを意味する。これらの用途の多くは、太陽光発電装置やアレイに耐荷重性を備えさせる必要があり、ベース基板および光学的コアフィルの両者の独自構造によって、これを実現している。入射角が変わっても高効率な光管理およびエネルギー回収が可能な太陽電池でありながら、構造的に一体化され、新規な用途（車道および駐車場など）に対応するのに十分な汎用性のあるという、太陽電池の組み合わせは、当技術分野には存在しないものである。

図１は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す平面断面図であり、光共振器の光起電材料内張りに吸収される光と、追加の経路のために共振器内に導かれる反射光とを示している。 図２は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示すさらなる平面断面図である。 図３は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器からなるアレイを示すさらなる平面断面図である。 図４は、光学的コアが光管理機能を有するように設計されたサンプルケースを有する光起電材料で内張りされた光共振器を示すさらなる平面断面図である。 図５は、複数の種類のＰＶを有する３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示すさらなる断面図である。 図６は、半透明の太陽電池を使用可能である、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す平面断面概略図である。 図７は、粗いパターンの内張りを有する、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す断面図である。 図８は、共振器の部分的な内張りとしてミラーを採用した、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す断面図である。 図９は、共振器の内張りとして分光操作材料を使用した態様を示す、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す平面断面図である。 図１０は、３次元組立法による３次元の光起電材料で内張りされた光共振器の基本的な形成方法を示す概略図である。 図１１は、３次元合成法による３次元の光起電材料で内張りされた光共振器の基本的な形成方法を示す概略図である。 図１２は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器において基板として使用される光学的コアのいくつかの好ましい寸法を例示する図である。

図面は、説明のためのみに本発明の実施形態を描いたものである。当業者であれば、以下の記載から、本明細書に記載した本発明の原理から逸脱することなく、本明細書に例示した構造体および方法の代替的実施形態を採用し得ることを容易に認識できるであろう。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細な説明が、本発明の原理を説明する添付の図面とともに以下に提供される。本発明は、このような実施形態に関連して説明されるが、本発明は、いかなる実施形態にも限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定され、本発明は多数の代替物、変更物および均等物を包含する。以下の説明では、本発明を十分に理解するために、複数の具体的な詳細
を記載している。これらの詳細は例示であり、本発明はこれらの具体的な詳細の一部または全部がなくても、特許請求の範囲に従って実施することができる。なお、本発明に関連する技術分野において周知の技術的事項については、本発明を不必要に不明瞭にしないために、詳細な説明は行っていない。

本発明は、設計およびプロセスパラメーターが維持される限り、容量のためのスケーリングを含む多くの変形例に影響を受けやすい。したがって、図面および以下の好ましい実施形態の記載は、本質的に例示的なものとみなされ、制限的なものではないものとする。
Ｉ．用語解説

「装置」という用語は、明示的に別段の定めがない限り、本発明に係る機械、製造物および／または物質の組成物を意味する。ここでは、太陽電池を指す場合もあれば、太陽電池のアレイや複数の太陽電池からなる太陽光発電装置を指す場合もある。

「発明」等の用語は、明示的に別段の定めがない限り、「本願に開示された１つ以上の発明」を意味する。

用語「ある態様」、「ある実施形態」、「実施形態」、「１つ以上の実施形態」、「いくつかの実施形態」、「特定の実施形態」、「一実施形態」、「別の実施形態」などは、明示的に別段の定めがない限り、「開示する発明（群）の１つ以上の（しかし全てではない）実施形態」を意味している。

本発明の「変形」または「変種」という用語は、明示的に別段の定めがない限り、本発明の一実施態様を意味する。

実施形態を説明する際の「別の実施形態」または「別の態様」への参照は、明示的に別段の定めがない限り、参照された実施形態が別の実施形態（例えば、参照された実施形態の前に説明された実施形態）と相互に排他的であることを意味するものではない。

用語「を含む」、「からなる」およびその変形は、明示的に別段の定めがない限り、「を含むがこれに限定されない」ことを意味する。

用語「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段指定されない限り、「１つ以上」を意味する。用語「複数」とは、明示的に別段の定めがない限り、「２つ以上」を意味する。

用語「本明細書」は、明示的に別段の定めがない限り、「本願において、参照により組み込まれ得るものを含む」を意味する。

表現「少なくとも１つの」は、そのような表現が複数のもの（ものの列挙されたリストなど）を修飾する場合に、明示的に別段の定めがない限り、それらのものの１つ以上の任意の組合せを意味する。例えば、「ウィジェット、車、およびホイールのうちの少なくとも１つ」という表現は、（ｉ）ウィジェット、（ｉｉ）車、（ｉｉｉ）ホイール、（ｉｖ）ウィジェットおよび車、（ｖ）ウィジェットおよびホイール、（ｖｉ）車およびホイール、または（ｖｉｉ）ウィジェットと車とホイールのいずれかを意味する。複数のものを修飾する場合の「少なくとも１つ」という表現は、「複数のもののそれぞれの１つ」という意味ではない。

「１」、「２」などの数値用語は、何かの量を示すための基数として使用される場合に（例えば、１つのウィジェット、２つのウィジェット）、その数値用語によって示される量を意味するが、その数値用語によって示される少なくともその量を意味するものではない。例えば、「１つのウィジェット」という表現は、「少なくとも１つのウィジェット」を意味しないので、「１つのウィジェット」という表現は、例えば２つのウィジェットをカバーしない。

「に基づく」という表現は、明示的に別段の定めがない限り、「にのみ基づく」という意味ではない。すなわち、「に基づく」という表現は、「にのみ基づく」と「少なくともそれに基づく」の両者を表現しているのである。「少なくともそれに基づく」は「少なくとも部分的にそれに基づく」と均等の意味である。

用語「表す」および同様の用語は、明示的に別段の定めがない限り、排他的なものではない。例えば、「表す」という用語は、明示的に別段の定めがない限り、「のみを表す」を意味するものではない。すなわち、「データはクレジットカード番号を表す」という表現は、「データはクレジットカード番号のみを表す」および「データはクレジットカード番号を表し、また、それ以外のものも表す」の両者を示している。

本明細書では、「それによって」という用語は、前に明示的に述べられている何かの意図された結果、目的、または結果のみを表現する節または他の言葉の集合の前にのみ使用される。したがって、「ｗｈｅｒｅｂｙ」という用語が請求項において使用されている場合に、「ｗｈｅｒｅｂｙ」という用語が修飾する句または他の語は、請求項の特定のさらなる限定を確立するものではなく、その他クレームの意味または範囲を制限するものでもない。

「ｅ．ｇ．」、「ｅｘ」等の用語は、「例えば」を意味し、したがって、それが説明する用語または表現を限定するものではない。例えば、「コンピューターがインターネット上でデータ （ｅ．ｇ．，命令、データ構造）を送信する」という文章では、「ｅ．ｇ．」という用語によって、「命令」はコンピューターがインターネット上で送信する「データ」の一例であることを説明し、さらに「データ構造」はコンピューターがインターネット上で送信する「データ」の一例であることを説明している。しかしながら、「命令」も「データ構造」も「データ」の一例に過ぎず、「命令」および「データ構造」以外のものが「データ」になることもあり得る。

用語「それぞれの」および同様の用語は、「個別に取られる」ことを意味する。したがって、２つ以上のものが「それぞれの」特性を有する場合に、そのようなものはそれぞれ独自の特性を有し、これらの特性は互いに異なってもよいが、そうである必要はない。例えば、「２つの機械がそれぞれ機能を有する」という表現は、そのような第１の機械がある機能を有し、第２の機械も同様にある機能を有することを意味する。第１の機械の機能と第２の機械の機能は同じであってもよいし、そうでなくてもよい。

「ｉ．ｅ．」などの用語は「すなわち」を意味するため、説明する用語やフレーズを限定するものである。例えば、「コンピューターはインターネット上でデータ（ｉ．ｅ．，命令）を送信する」という文章では、「ｉ．ｅ．」という用語によって、「命令」はコンピューターがインターネット上で送信する「データ」であることが説明されている。

本明細書では、同一または機能的に類似した要素を識別するために、対応する参照符号を全体的に使用する。「水平」、「垂直」、「上」、「下」、「上方」、「下方」などの相対的な用語、およびその派生語（例えば、「水平に」、「下方に」、「上方に」など）は、そのときに説明した配向や議論中の図面に示された配向を指すものと解釈されるべきである。
これらの相対的な用語は、説明の便宜を図るためのものであり、特に明記されていない限り、特定の方向性を要求することを意図するものではない。「内側に」対「外側に」、「長手方向の」対「横断方向の」などの用語は、適宜、互いに対して、または長手方向軸線、または回転中心軸線に対するものと解釈される。「接続」および「相互接続」など、取り付けおよび結合などに関する用語は、明示的に別段の記載がない限り、構造体が直接または介在する構造体を介して間接的に互いに固定または取り付けられる関係、および可動または剛性を備えた取り付けまたは関係のいずれかを指すものとする。「操作可能に接続された」という用語は、その関係によって関連する構造が意図されたとおりに動作することを可能にするような取り付け、結合、または接続を指す。

本明細書で使用する場合、「幾何学的プリズム」という用語は、平坦または湾曲した側壁によって接続された上面および底面を有する、例えば、微細構造などの３次元形状の構造体を指す。本明細書において、この種の形状をマイクロプリズムとも呼び、これには、円柱、立方体、直方体、矩形のプリズム、六角柱のプリズムなどが含まれる。様々な実施形態において、上面および底面は平行であり、同様の大きさおよび形状を有する。しかしながら、構造体が、例えば円錐台形状に従った異なるサイズおよび／または形状の上面および底面を有することも想定される。

本明細書で使用されるように、用語「円錐形状」は、上面および非平行な側壁を有する３次元形状構造を指し、側壁は、点に向かって先端ほど細くなり、または小さいが場合によってはゼロではない面積を有する底面に向かって先端ほど細くなっている。底面がないか、若しくはその寸法を低減することで、この箇所での太陽光発電構造体の必要性が緩和される。円錐形状の構造体は、円形、三角形、正方形、五角形、六角形などの断面形状を有することができる。円錐形状の構造体は、円錐、ピラミッドなどであってもよい。
特に定義されていない限り、本明細書で使用されているすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されているのと同じ意味を有する。

加えて、詳細な説明における実施形態は、発明概念の理想的にして例示的な図として、断面図および／または平面図を用いて説明される。図面では、説明をわかりやすくするために、層および領域の厚みを誇張している。したがって、製造技術および／または許容誤差に応じて、例示した図面の形状を変更することができる。したがって、本発明の概念の実施形態は、例示的な図面に示される特定の形状に限定されるものではなく、製造プロセスに従って形成され得る他の形状を含むことができる。図面に例示された領域は一般的な特性を有し、デバイス領域の具体的な形状を説明するために使用される。したがって、本発明の概念の範囲に限定して解釈されるべきではない。

任意の数値範囲には、範囲内の数値の整数および分数が含まれるものとする。例えば、「１乃至１０」の範囲には、具体的には１から１０までの整数（例えば、１、２、３、４、・・・９）および整数でない数（例えば、１．１、１．２、・・・１．９）が含まれるものと解釈される。

２つ以上の用語または語句が同義である場合（例えば、用語または語句が同義であるという明示的な記述のため）、１つのそのような用語／語句の事例は、別のそのような用語／語句の事例が異なる意味を持たなければならないということを意味しない。例えば、「含む」の意味を「含むが限定されない」と同義とする記述がある場合、「含むが限定されない」という表現が使用されているのみでは、「含む」という用語が「含むが限定されない」以外の意味を有することにはならないのである。

発明の名称（本願第１頁の冒頭に記載）および要約（本願の末尾に記載）のいずれも、開示された発明（複数可）の範囲を何ら限定するものとして受け取られるものではない。本出願には、３７ Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に基づき、１５０語以下の要約が要求されているため、要約が添付されている。本願の発明の名称および本願で提供される各項の見出しは、便宜上のものであり、本開示を何ら限定するものと解釈されるものではない。

複数の実施形態が本願に記載されており、説明のためにのみ提示されている。記載された実施形態は、いかなる意味においても限定的なものではなく、また、限定的であることを意図するものでもない。現在開示されている発明（複数可）は、開示から容易に明らかなように、多数の実施形態に広く応用可能である。当業者であれば、開示された発明（複数可）は、構造的および論理的な修正など、様々な修正および変更を加えて実施することができることを認識するであろう。開示された発明（複数可）の特定の要素は、１つ以上の特定の実施形態および／または図面を参照して説明され得るが、そのような要素は、明示的に別段の指定がない限り、それらが説明される１つ以上の特定の実施形態または図面における用途に限定されないことが理解されるべきである。

本願に記載された方法ステップまたは製品要素の実施形態は、本明細書でそうであると明示されているか、または請求項に明示的に記載されている場合を除き、特許請求の範囲に記載の発明を構成するものではなく、特許請求の範囲に記載の発明に必須のものではなく、特許請求の範囲に記載の発明と同範囲のものでもない。
ＩＩ． 概要

一態様において、本発明は、
ｉ）光を最適に捕捉するための光共振器であって、偶発的または非見通し線的（ＮＬｏＳ（ｎｏｎ－ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ））な光の捕捉であっても、前記光共振器が、光を受容する露出した外側領域を有する上端と、前記上端とともに「共振器形状」をなす少なくとも２つの他の領域とを含む、光共振器と、
ｉｉ）前記光共振器の前記共振器形状を部分的または全面的に内張りする光起電力層と、
ｉｉｉ）前記光共振器内の、光学的コアフィルと、
ｉｖ）少なくとも前記光共振器および前記光学的コアフィルを支持するベース基板と、
を備える、太陽電池を提供する。

本発明の重要な態様の１つは、光起電力層、光学的コアフィル、および共振器形状が、高度にカスタマイズ可能な「光管理システム」を形成し、これらの要素からなる複数の電池を複数の太陽電池のアレイに配置したときに操作可能に拡張し、続いて複数の太陽電池のアレイに配置され、各電池は、続いて隣接する近隣の太陽電池とは任意に異なる特定の光起電力層、光学的コアフィルおよび共振器形状の変化を提供可能であることにある。
このようなアレイ、特に、設定電池により設定される縦横列の形成方法により、所与の環境での光の捕捉が最適化される。

本発明のもう一つの重要な態様は、ベース基板が提供する機能性である。本発明のすべての態様、本明細書の図面、および製造方法の開示を考慮すると、この構成要素の重要性がさらに明らかになるであろう。

好ましい一態様において、光起電力層は、任意の太陽電池（二面性および半透明のものを含む）ミラーおよび任意の分光操作素子からなる群より選択される材料からなる。

好ましい一態様において、光学的コアは、レンズ効果、反射防止、および太陽光の入射角の広い範囲にわたる分光操作を含む１つ以上の光管理機能を示す任意の透明材料からなる。

好ましい一態様において、光起電力層および光学的コアフィルは一体的に、反射要素（ミラー、反射防止被膜、薄膜を含むがこれらに限定されるものではない）、屈折要素（プリズム、格子、人工薄膜を含むがこれらに限定されるものではない）、透過要素（双方向インターフェース、透明材料を含むがこれらに限定されるものではない）、集光要素（レンズ、凹面鏡、集光装置を含むがこれらに限定されるものではない）、散乱要素（拡散器、マイクロ／ナノパターン表面を含むがこれらに限定されるものではない）、および分光操作要素（アップコンバージョンまたはダウンコンバージョン材料、および量子ドットを含むがこれらに限定されるものではない）よりなる群から選択される光管理要素を形成する。

好ましい一態様において、基板は、機械的負荷に対して支持するのに十分な完全性および強度を備える材料からなる。好ましくは、基板は電子部品を収容するとともに保護する。いくつかの実施形態では、基板は共振器形状の全体または一部を形成する。いくつかの実施形態では、基板は、衝撃および振動に対して、機械的減衰手段を構成するか、またはそれ自体を形成する。例として、機械的減衰手段は、基板に設けられた液体の間隙または空隙のいずれかから構成されてもよい。

好ましい一態様において、光共振器は、光の入射角度によらず、光起電力層に対して最適に光の内部反射および誘導のうちの少なくともいずれか一方を行う任意の形状からなる。このような形状としては、円柱、幾何学的プリズム、円、円錐、ピラミッド、立方体、六角形、および直方体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明のさらなる重要な態様は、２つ以上の太陽電池を含む太陽光発電装置にあり、同太陽光発電装置において、各太陽電池は、偶発的／非見通し線的な光も最適に捕捉する光共振器を備え、前記光共振器は、光を受容する露出した外側領域および少なくとも２つの他の領域を有する上端であって、前記少なくとも２つの他の領域は、前記上端とともに「共振器形状」を形成する、上端と、前記光共振器の前記共振器形状を部分的または全体的に内張りする光起電力層と、前記光共振器内の光学的コアフィルと、前記光共振器および前記光学的コアフィルを支持するベース基板とを含む。

各太陽電池について、光起電力層、光学的コアフィルおよび共振器形状は、カスタマイズ可能な光管理システムを形成し、太陽光発電装置内の各太陽電池は、太陽スペクトルの所定のバンド内で効率的であるようにカスタマイズすることができる。一態様では、所定の太陽電池からの未使用または使用不可能な光を、より効率的に変換するために、別の太陽電池に誘導可能である。一態様では、光管理システムは、構造的、振動的、衝撃吸収的な支持体でもある。
使用方法：

本発明の太陽電池および太陽光発電装置は、様々なプラットフォームにわたって広く機能するが、歩道、私道、中庭、車道および屋根上に基づく用途特定モジュールとして特に有利な使用を見出すことに注目されたい。このユニットは、平坦なコンクリートや再生プラスチック舗装の上に直接設置することも、レベリングおよび配線機能を提供するインターフェース層内に設置することも可能である。ハイブリッドシステムは、光発電と太陽熱発電とを組み合わせたもので、オプションで除氷も可能である。
ＩＩＩ．詳細および図表の説明

図１に示すように、太陽電池１０は、光共振器１２、動的光管理内張り（一次ＰＶ）１４、光学的コア１８、および支持基板１６を備える。３つの要素（１４、１６、および１８）は互いに協働して、光起電材料で内張りされた光共振器内の光を管理するとともに、例えば機械的支持、敏感な要素の環境保護、配線および電子機器の収納、熱管理など、作動する太陽光発電装置に必要な様々な他の機能も管理する。これらの部品を組み合わせることで、太陽の様々な入射角に対して効果的に光を捕捉する構造体であることに加えて同時に、実用上重要な機能的構造支持体としても機能する太陽光発電装置が形成される。支持基板は、「光起電材料で内張りされた」光共振器の形状を形成することができる。ベース基板は、上述したように、様々な材料で形成可能であり、耐荷重性のある固体材料に加えて、空隙のある部分や、液体も含み得る。機械的な衝撃および振動を機械的に減衰させるために、液体や空気の間隙を利用することができる。図１は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す平面断面図であり、光共振器の光起電材料内張りに吸収される光と、追加の経路のために共振器内に導かれる反射光とを示している。

図２は、非見通し線的３次元の光起電材料で内張りされた光共振器２８の例である概念的な３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す断面図である。 基板１６は各共振器・コア３２／３４／３６／３８を支持している。左図：単純な３次元構造体で、図２に概略的に示すような光集中素子との組み合わせに最適。中央図：二面性の電池３０が適用された３次元の光起電材料で内張りされた光共振器。右図：ＰＶで内張りされた光共振器の組で、外側の光共振器は３次元の見通し線的共振器であり、中央は３次元の非見通し線的共振器である。

図３は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器からなるアレイを示すさらなる平面断面図である。この例では、同時刻の光共振器や複数種類の光共振器を組み合わせた例を示している。

一般に、本発明の光捕捉構造体は、「光共振器」を形成する任意の構成の光起電材料、反射材、または分光変換材の１つ以上を配置した光管理要素からなる。光管理要素は、光起電力電池内で光を導くために使用される任意の構成要素またはインターフェースであってもよい。一例として、以下のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
－光電池：例として、二面性のまたは半透明の電池を含む、任意のタイプの太陽電池。
－反射要素：例として、ミラー、反射防止膜、高反射材料、薄膜など。
－屈折要素：例として、プリズム、格子、人工薄膜など。
－伝送要素：例として、双方向インターフェース、透明材料など。
－集光要素：例として、レンズ、凹面鏡、光集線装置など。
－散乱要素：例として、光拡散器、マイクロ／ナノパターン加工された表面など。
－分光操作要素：例として、アップコンバージョンまたはダウンコンバージョン材料、量子ドットなど。

高反射材料（フィルムまたはコーティング）は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）、およびエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）などの反射ポリマー；アルミニウム、銀、金、銅、パラジウム、プラチナ、または合金などの反射金属；セラミック材料；塗料；またはプリズム形状で形成した材料、またはそれらの組み合わせを含む任意の適切な反射材料を使用して形成することができるが、これらに限定されるものではない。

コア光管理要素は、太陽電池を含み、これらの要素は電力を生成するため、光起電材料で内張りされた光共振器の側壁の一部または全部を内張りする。なお、太陽電池の高度な工学的性質を考慮すると、他の光管理要素も当然、太陽電池の内張りに組み込まれ得る。本発明は、所望の光管理機能が得られるのであれば、使用する材料は問わない。光起電力効果を発生させるために、公知の（またはまだ発見されていない）任意の半導体を使用することができ、本発明の範囲内で使用することができる。

本発明によるコアの形状は、内部反射が光を発電用光起電力素子に導く光共振器を形成する任意の構造体であってよい。なお、日中は太陽光の入射角が変化する。特に、物体の散乱によって、略すべての角度で光の環境の背景が生じるような場合、この傾向が顕著になる。本発明は、幾何光学（すなわち光線追跡）が使用され得るような要素サイズを有する任意の形状を含む（ｄｏｉ： １０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ．９７．１２０４０４）。太陽スペクトルが２乃至３ｕｍ（使用可能な力）まで広がっていることを考えると、構造体の要素は２０乃至３０ｕｍよりも大きいはずである。

コア要素である３次元の光起電材料で内張りされた光共振器は、他のコア要素と組み合わせることで、任意の大きさの発電装置を得ることができる。図３に例示するように、光共振器は、一体的に配置することが可能であり、単に共振器を追加するのみで発電装置を拡張することができる。アレイは、既存の共振器を組み合わせたり、より大きな基板上に構築することで組み立てることができる。なお、光共振器は、規則正しく配置されていても、ランダムに配置されていてもよく、また、一様であっても、複数の種類（規則正しく配置されていても、ランダムに配置されていても）であってもよい。

図４は、光学的コアが光管理機能を有するように設計されたサンプルケースを有する光起電材料で内張りされた光共振器を示すさらなる平面断面図である。左図：屈折率を合わせることで、一方向は透過、他の方向は反射させ、光起電材料で内張りされた光共振器に光を取り込む場合。肉薄な光学的反射防止薄膜でも同様の効果を得ることができる。中央図：光学的コアにパターンや粗面を採用し、光を光学的コアにランダムに散乱させる場合。右図：光学的コアの一部を集光レンズに加工した場合。光学的コアタイプ２は５１、光学的コアタイプ１は５３として、３つの電池４６、４８、および５０について示している。

光起電材料で内張りされた光共振器の光学的コアは、本発明の光管理システムの重要な部分である。光学的コアは、カプセル化、構造的支持、そして振動減衰の２つの役割を果たす。光学的コアの光学的屈折率は、光を取り込む光共振器の光管理機能を補うように設計される必要がある。これは、日射角が日ごと／季節ごとに変化し、太陽スペクトルが広い範囲に及ぶことから、工学的な特徴を備えている。エネルギー出力総量がコアの設計の特徴である。光学的コアは、図４にいくつかの例を示すように、ある程度複雑に設計することができる。理想的には、光損失を低減するために、光透過率が高くなるような材料を選択することである。光起電材料で内張りされた光共振器のコアは、相当巧妙に設計することができる。反射防止効果を得るために、コアに複数の材料を使用することができる。透明な薄膜を何層にも重ねて薄膜干渉を起こしたり、屈折率を調整して光の反射を少なくしたりする。同様に、太陽光の複数の波長の反射を利用して光を分離し、共振器の様々な部分に誘導し、光に特異的な光起電材料で内張りすることも可能である。現在、光学的コアをレンズ状にすることが可能であるが、これには光起電材料で内張りされた光共振器の光捕捉構造体と協働するように設計作業が必要である。この機能には、２つの使用例がある。１つはパッシブレンズであり、太陽光の入射角の広い範囲にわたって静止して機能するように設計されている。もう１つは、ある太陽入射角で作動するように設計された集光レンズであり、この特殊なユースケースには何らかの追跡機能が必要である。光学的コアは、略光学的素子を形成し得るので、光拡散器の場合についても言及する必要がある。光拡散散乱は、朝夕のような低入射角の光や、景観物の自然な太陽光の散乱・反射を捕捉する場合に特に有効である。

本発明の３次元の光起電材料で内張りされた光共振器の大きな特徴は、光共振器の内張りとして複数種類の太陽電池を使用することができることにある。このため、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器は、太陽光発電の基本的な課題である、既存の単一材料の太陽電池の効率的なエネルギー捕捉範囲と比較して、太陽光スペクトルが相当広いという課題に対して、独特な解決策を提供することができる。複数のスペクトル吸収帯を備える太陽電池を選択し、ある太陽電池の未使用または使用不能な光を別の太陽電池に導いて効率よく変換するような３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を構成することで、発電装置は、広いスペクトル範囲を効率よくカバーする。図５の右側は、このプロセスの一例を示す。複数材料からなる１つのタンデム太陽電池でも同様の効果が得られる。この３次元の光起電材料で内張りされた光共振器により、従来の太陽電池と比較して、主に太陽電池を単独で製造することができるという効果が得られる。
この設計により、太陽電池の材料マッチングや電流マッチングなどの課題を解決することができる。

図５は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示すさらなる平面断面図である。この例において、複数種類の光起電材料（５４および５６）が使用される。これは、オレンジ色の吸収を目的としたもの（５４）と緑色の吸収を目的としたもの（５６）で、異なる分光効率を有する太陽電池を光共振器の内張りに使用した一例である。この例では、第１の通路上でオレンジが吸収され、第２の通路上で矢印によって示すように緑がまず反射した後に吸収される。

３次元の光起電材料で内張りされた光共振器には、任意の太陽電池を使用できるため、半透明の太陽電池も考慮される。半透明の太陽電池は、光を部分的に透過させることができ、一般的に減衰させることも、広い太陽スペクトルを部分的に透過させることも可能である。図６にその態様を示す。半透明の光起電材料の内張りは、図４に示す光学的コア素子と同様に反射防止要素として機能する。光起電材料は、高度に設計され、多くの光管理機能が材料の設計構造に組み込まれているオプションがあることを思い出すこと。また、図６の右側に示すように、光共振器のアレイに光を透過させる場合や、２つの共振器を内張りする二面性の太陽電池に光を透過させる場合など、複数の光共振器における光起電材料の内張りの利用法もある。

図６は、半透明の太陽電池を使用可能である、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す平面断面概略図である。左図：この場合、光共振器の上部を内張りするために半透明の太陽電池を使用し、これにより、部分的に光を透過させる。右図：半透明の太陽電池により、次の３次元の光起電材料で内張りされた光共振器への透過を可能にする一例であって、二面性の太陽電池の使用の好例。

図７は、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す断面図である。この場合、内張りは光共振器内で光の散乱を誘発するためにパターン化または粗面化された表面（６０）を有している。３次元の光起電材料で内張りされた光共振器内の内部反射は鏡面反射である必要はない。非鏡面反射方向の散漫散乱は、巨視的スケールの光共振器によってなお捕捉され、効率的な光捕捉構造体を得るための特徴として使用されてもよい。
図７に示すように、オプションの表面は、円滑にして光沢のあるものから、粗く拡散性のあるものまで様々である。太陽電池によく採用されるナノ・マイクロスケールの構造体（参考文献）でも、全体の出力が最適化されていれば、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器に利用することができる。同様に、反射防止膜は、肉薄な光学窓や誘電体層を太陽電池の内張りに直接蒸着することで製造される。これらの層は、通常空気に敏感な光起電材料の素子保護として機能する。

光起電材料以外の材料も、光管理能力において３次元の光起電材料で内張りされた光共振器に採用され得る。３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す断面図である図８に示すように、共振器の部分的な内張りとしてミラー（６２）が採用される。左図：この例では、光を発電する光起電材料に再び導くために、ミラーを直接使用している。右図：この例では、電気接点（６４）は共振器内の内部ミラーとして兼用されている。これらの光管理要素は、完全な発電装置内で、構造的、導電的（例えばワイヤー）、化学的保護、または熱管理の能力を担う、２つの目的を果たしてもよい。また、これらの要素を追加することで、ユニットのトータルコストを削減することも可能であり、例えば、鏡面仕上げは光起電材料で内張りされた表面よりも安価であることが一般的である。さて、主に光起電材料で内張りされた光共振器に利用される非光起電材料のうち、鏡面がある。光沢のある金属表面や鏡面状の光起電力層など、従来のミラーを使用することができる。また、太陽電池の高度な加工性を考えると、これらの表面は、材料の自然な反射や薄膜の干渉効果によって、ミラーとして使用することも可能である。一般的に、光起電技術では特定の波長域のミラー（当技術分野において周知）が採用され、太陽光スペクトルの全範囲にわたる広帯域のものが採用される。また、光沢のあるプラスチックや誘電体塗料などの材料も、構造体要素として追加したり、薄膜を形成したりして採用することができる。注目すべきは、太陽電池の電気接点が天然鏡であることにある。上側の接点で反射した光は、光起電材料で内張りされた光共振器に反射する際になお集光され、背面の接点で反射した光も同様の効果が得られる。

アップまたはダウン分光変換材料は、図９の実施形態に示すように、高エネルギー光子または低エネルギー光子を半導体吸収により適したエネルギーで変換する。図９は、共振器の内張りとして分光操作材料を使用した態様を示す、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を示す平面断面図である。この例では、光起電材料（６６）はオレンジ色に調整され、分光操作材料（６８）は緑色をオレンジ色に変換して、発電する光起電材料に反射させる。右図：結晶シリコン系太陽電池が吸収できる有用な太陽光スペクトルのサンプル、および周知の分光操作材料によって有用なシリコン吸収帯にダウンまたはアップコンバートできるスペクトルのサンプル。

これらの材料は、２次元の太陽電池上の薄膜として典型的に説明される用途を超えて、光起電材料で内張りされた光共振器に特に適している。まず、素子の光学的コアの全部または一部を、これらの材料で形成することができる。光共振器には、このような分光操作用の材料を、別の光起電材料のように内張りすることができる。同様に、光起電材料で内張りされた光共振器は、図５に示すように、１００％単一タイプの光起電共振器やマルチ光起電共振器と同様に、スペクトル特定の吸収体にさらに光を導く。
ＩＶ．製造方法
光共振器の製造方法

本発明は、本発明の太陽電池および太陽光発電装置の製造方法として、２つの方法を提供する。１つは、太陽電池（およびその他の光管理要素）を予め製造し、続いて光共振器を形成する構造体に合わせて加工・組み立てを行う方法であり、「３次元組立法」と呼ぶ。もう１つは、光共振器を形成する既存の構造体上に太陽電池を製造／合成する方法であり、以下、「３次元合成法」と呼ぶ。

製造は、以下のような基本的なステップを踏む。
－出発構造体（光学的コアまたは基板）の（部分）製造
－光起電材料などの光管理素子の組立・合成
－付加構造体による封止（光学系本体、環境シール）
－発電装置への組立。
出発構造体の製造

すべての方法に共通するのは、光起電材料で内張りされた光共振器が製造されることになるベース構造体である。この構造体は、後に光学的コアやベース基板の一部または全部を形成することができる。部分的な構造体の場合、最終的な組み立ては後回しになる。構造体は、周知の工業的または公知の様々な方法および材料から形成することができる。パターン化されたガラス、金属、ポリマー、セラミックス、石、プラスチック、あるいはパターン化された分光管理材料が使用されてもよい。出発構造体のコア要素は、後に本発明のコア要素を形成することになる共振器または共振器の構成要素を含んでいることにある。

材料の範囲を考えると、初期構造体の構築に多種多様な製造方法を使用することができる。これらの方法には、スタンピング、屈曲、押込加工、モールド成形、機械加工、３次元プリント、エッチング、滴下鋳造、注型などが含まれる。パターン化された材料が得られる方法であれば、どのような方法であってもよく、本発明の範囲内にある。注：パッシベーション層は、本発明の様々な材料が確実に相互作用しないように、すなわち内部で化学的または環境的に材料をシールしないように適用することができる。

３次元プリントのような積層造形法は、光電変換素子およびワイヤ接続部を複数要素のプリントにおける構成要素として扱った状態で応用することができる。
現在、３次元プリントは、光起電力素子の配置およびシールのほか、プラスチック、石材、セメント、ポリマー、エポキシ、金属、導電性２次元材料、さらにはガラスおよびセラミックまでプリント可能である。太陽光発電の基本となる電子機器（ＭＰＰＴ、チャージコントローラー、ＡＣ－ＤＣ変換、マイクロバッテリーなどのエネルギー貯蔵）も、独立した構成要素としてシステムに追加することで、真の一体的な解決策となり得る。

光学的コアの主な要件は透明材料であり、基板の主な要件は電線導管の支持および収容である。この出発点の構造体を製作することで、光起電材料で内張りされた光共振器の完成のための状態が整うのである。光管理機能（反射防止、レンズ、ミラー、分光管理材料）、熱管理機能（冷却、熱交換パイプ）、電気システム管理（ワイヤー、エレクトロニクス、バイパスダイオード、センサー、ＬＥＤ、ハンダ．．．）、構造管理（支持、振動減衰、環境シール）の鍵となる機能を初期の構造体に追加することが可能である。
組立方法

光起電材料で内張りされた光共振器は、いくつかの特定の切断および部品の配置で、略すべての太陽電池から形成することができる。任意の形状やサイズの予め製造された太陽電池は、略すべてのサイズや形状に切断することが可能である。自重を支持することができる太陽電池であれば、どのような材料の組や設計コンセプト（結晶系、非晶系、薄膜系、モノシリコン、ポリシリコン、多接合型ＩＩＩ－Ｖ、ペロブスカイト、ＣＩＧＳ、ＣｄＴｅ、ＣｕＳ－ヒストリカル（ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ））でも使用可能である。理想的には、太陽電池は、光起電材料で内張りされた光共振器内で使用するために設計および最適化されたものであることが望ましい。この用途では、市販の太陽電池で十分であることが分かっている。図１０は、３次元組立法による３次元の光起電材料で内張りされた光共振器の基本的な形成方法を概略的に示す。

裁断方法は、使用する材料および設計によって異なる。一般に、ほとんどの太陽電池は、ダイヤモンドチップの裁断刃、精密ウォータージェット、高出力レーザー、メーザー、または破砕装置などで切断することができる。結晶基板にマイクロ・ナノ転位が発生し、太陽電池の層間でショートすることが周知であるため、切断時に太陽電池にダメージを与えないように注意する必要がある。同様の手法は、後に３次元の光起電材料で内張りされた光共振器を形成する他の光管理要素（ミラー、分光管理材、レンズ）にも適用可能である。

光電池部品および他の光管理材料は、自動システムで正しい箇所に移動させることによって光共振器に組み立てられる（人間が組み立てるよりも好ましい）。

真空吸引、特別に設計された機械によって行われる機械的操作が好ましい。このような自動組立は、太陽電池以外の多くの産業、例えば自動車の組立ラインや、ある場合にはモジュールの組立でも観察される。
構造体への部品のシールは、接着剤エポキシなどの接着剤、熱処理、または真空シール方法が挙げられる。組み立てた光管理要素を構造体に取り付けるには、接着剤、シーリング、エポキシ、化学結合ラミネートなどが好ましいが、妥当なシーリング、結合、ラミネーションの方法であれば、いずれでも機能する。

フレキシブル太陽電池の場合、光起電材料のシートまたは薄膜を既存の出発面にモールド成形して、光起電材料で内張りされた光共振器を得ることができる。
一般的な工業用、成形用、圧入用、モールド成形用、屈曲用などの方法が合理的に応用できるであろう。光起電材料を正しい光共振器形状にモールド成形することを支援するためには、光起電材料シートに、領域を分離したり、光起電材料構造体内の特定の要素を除去して部分の屈曲性を高めたり、一般的に弱化させたりするための重要な切り込みが必要であると予想される。

太陽電池の配線には、特定のノウハウが必要であった。シリコン太陽電池業界では、太陽電池セルとタビング配線とを接続する自動はんだ付け装置が一般的であり、３次元組立法にも無理なく対応できる。自動織機のようなシステムで、配線を正しい位置に誘導することを採用可能である。一般的に、大電流・高圧導管用のバスバーには太いゲージ線が使用される。これに代えて、基板の一部である予め製造された電気接点基板上に光起電材料要素を配置することで、電気接点を（部分的または全体的に）実現することができる。単純な一方法としては、太陽電池を一様な導電性表面上に配置し、理想的には背面接点および正面接点を有する電池の場合、背面接点を他の光起電要素と並列に接続することが挙げられる。より複雑な方法としては、全背面接点太陽電池の設計に自然に適合する、すぐにはんだ付け可能なＰＣＢボードに接続することが挙げられる。

３次元の光起電材料で内張りされた光共振器の内部配線および電子機器は、ユニットのエネルギー出力を最適化するように組み立てることができる。光起電力素子の配線は略自由自在である。３次元組立法により、太陽電池と、独立させる太陽電池の組とを容易に製作および配線することができる。個別の要素は組み立て前に分割されており、これは、ＭＰＰＴやマイクロバイパスダイオードと組み合わせることができる独立した電気接続に最適である。
合成方法

太陽電池は、金属、ＴＣＯ、光学窓、およびあらゆるレベルのドーピングの半導体層の一連の蒸着、処理、および合成方法を用いて、ほとんどあらゆる表面にスクラッチから形成することができる。この方法の核となるのは、上述したように、光共振器の基礎となる予め製造された構造体にこれらのプロセスを応用することにある。

太陽電池の製造には、半導体、ドープされた半導体、電気接点、パッシベーション／窓層などの複数の層の組み合わせが含まれる。最小限の太陽電池は、内部電位差を有する半導体の上に２つの電気接点を形成している。これは、ホモ接合、ヘテロ接合、ショットキー接合、電子ゲート接合、またはそれらの任意の組み合わせによって実現される。実際、本発明の太陽電池および太陽電池アレイの製造に利用できる３次元の可能な合成方法が多数存在する。例えば、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ（プラズマ増強化学蒸着、原子層堆積、化学蒸着）などの気相蒸着法や、溶液処理合成、電気化学、スプレー塗装、化学浴蒸着などの液相法が使用可能である。これらの方法は、一般的に広い面積で行われるため、後に追加のパターニングおよび分離が必要になる。太陽電池の３次元プリントのように、太陽電池の完成にしばしば必要とされるパターニングを追加するためには、局所的な方法が必要となるであろう。しかしながら、透明な導電性酸化物のような一様な層を利用すれば、パターニングの必要性はなくなる。図１１は、この「３次元合成法」の全体的なコンセプトの概要を示したものである。

太陽電池の接触には、導電材料の一様な層や、電気的コンタクトのパターニングの２種類が挙げられる。一様な層であれば、上述したような蒸着／合成法がなお適用できる。パターン化されたコンタクトの場合、シャドウマスクによる物理蒸着や局所的な金属コンタクトの３次元プリントなど、視線方向の構造体での多くの周知の２次元の方法が引き続き採用され得る。

クリーンかつパターン化された構造体上に太陽電池を合成するためには、まず１つ以上の底面接点（複数可）の金属沈着が必要である。清浄な基板は、界面層（例えば酸化物）の成膜や、任意の基板の洗浄で得ることができる。３次元基板を洗浄する方法には、様々な方法（化学、プラズマ、熱・真空．．．）がある。光共振器がどの程度の立体的なものであるかによって、難しい課題になる可能性がある。技術的には、導電性を備える構造体、すなわち構造体と底面接点とを一体化することから始めるなど、単純なものである。妥当な見通し線を確保できる構造であれば、熱や電子ビームによる蒸着やスパッタリングなどの物理的な蒸着法を利用することができる。複雑な構造の場合は、ＣＶＤやＡＬＤなどの３次元的な手法を用いることになる。非見通し線的構造体の場合に、３次元の光起電材料で内張りされた太陽電池の形成がなお可能である。また、液体処理法、化学蒸着法、電気化学的方法など、さまざまな方法を採用することができる。３次元プリントの手法も、液滴加工された太陽電池を応用することで、非見通し線的構造体に採用することができる。マルチ資材３次元プリントで、構造体および太陽電池を同時に形成することも考えられる。また、非見通し線的システムでは、見通し線的である部分的な構造体に蒸着し、後で組み立てることも考えられる。
光起電材料で内張りされた光共振器の仕上げ

一旦光起電力素子が光共振器を（部分的または全体的に）内張りすると、その構造体は本発明のコア素子を形成するように仕上げる必要がある。光学的コアまたは支持基板のいずれかを追加する必要がある。なお、光起電材料で内張りされた共振器素子の形成は、１つの工程で行うことも、分割して製作し、後で接続することも可能である。上述したように、光学的コアや基板を仕上げるために、任意の製造方法（封止、流し込み、滴下鋳造、貼り付け．．．など）を使用することができる。

整形および完全分離を目的としたカットに加えて、光起電力要素は他の目的のために修正され得る。シリコン太陽電池業界では、発電用太陽電池モジュールのシステム効率を向上させるために、日常的に切削工具を使用している。例えば、結晶性ｐｎ接合シリコンベースのｐ－ｉ－ｎ太陽電池では、太陽電池内の部分層の除去が、シートを分離して並列接続した構成に配線し、高い単位出力電圧（基準）を得るための重要な要素となっている。加えて、太陽電池モジュール（基準）に使用するために、１／２カットの太陽電池を形成することが一般的である。これらの方法により、システムの出力電圧を高め、支持電子機器（ＭＰＰＴ、ダイオード）に最適な出力電流を増加させ、配線に必要な材料を低減することができる。これらのコンセプトは、光起電材料で内張りされた光共振器の製造に合理的に採用することができる。

本発明のコア要素である発電装置を得るために、３次元の光起電材料で内張りされた光共振器は、複数種類の光共振器を任意に大きなアレイとすることができる。アレイはバッチで製造してもよいし、先に概説した製造方法で製造後に組み立ててもよい。グローバルプロセスは、例えば熱処理やグローバル化学処理のように、ユニットに合理的に適用することができる。また、発電装置は、用途に応じて、さらなる封止部、支持体、および電子機器と接続するようにしてもよい。
実験

蒸着法による３次元の光起電材料で内張りされた光共振器の形成を検証するために、３次元のガラス構造体上にアモルファスシリコンピン型太陽電池を探求した。３次元のＢＫ７光学ガラス３Ｄは、ｃｍ単位の寸法で立体形状とされる。今回は、光起電材料で内張りされた光共振器の光学的コアを成膜基板として使用した。まず、シャドウマスクを介して加熱蒸散法により、パターン化した銀格子をガラス３次元構造体上に１５０ｎｍ成膜した。格子は、長さ１５ｍｍの３次元ガラス構造体の長さを延びる１５０μｍのバスバーで構成し、１５０μｍの指部が１．５ｍｍ間隔で上面に横向きに配置されている。ｈｌ／ｈ２境界にコンタクトパッドを配置し、３次元の光学的コアの反対側で格子を２回繰り返した。１５０ｎｍの導電性を備えるとともに光学的に透明なＺｎＯ：Ａｌで光学的コア全体をマグネトロンスパッタリングにより被膜した。３次元光学的コアの下半分上にｐ－ｉ－ｎ太陽電池を成膜し、その後、３００ｎｍの一様な銀を成膜した。ソーラーシミュレーターで太陽光発電であることを確認。この３次元成膜は、工学的に解決する時間があれば、他の設計、材料、および方法にも転用できるのが合理的である。

これらおよび他の変更は、上記の説明を考慮して、本装置、システム、および方法に対して行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、本発明を明細書および特許請求の範囲に開示された特定の実施形態に限定するように解釈されるべきではなく、そのような特許請求の範囲に権利がある完全な範囲の均等物とともに、すべての可能な実施形態を含むように解釈されるべきである。
したがって、本発明は、本開示によって限定されるものではなく、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって全て決定されるものである。

Claims (16)

1. ｉ）光を最適に捕捉するための光共振器であって、偶発的または非見通し線的（ＮＬｏＳ（ｎｏｎ－ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ））な光の捕捉であっても、前記光共振器が、光を受容する露出した外側領域を有する上端と、前記上端とともに「共振器形状」をなす少なくとも２つの他の領域とを含む、光共振器と、
   ｉｉ）前記光共振器の前記共振器形状を部分的または全面的に内張りする光起電力層と、
   ｉｉｉ）前記光共振器内の、光学的コアフィルと、
   ｉｖ）少なくとも前記光共振器および前記光学的コアフィルを支持するベース基板と、
   を備える、太陽電池。
2. 前記光起電力層が、任意の太陽電池（二面性および半透明のものを含む）ミラーおよび任意の分光操作素子からなる群より選択される材料からなる、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記光学的コアが、レンズ効果、反射防止、および太陽光の入射角の広い範囲にわたる分光操作を含む１つ以上の光管理機能を示す任意の透明材料からなる、請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記基板が、機械的負荷に対して支持するのに十分な完全性および強度を備える材料からなる、請求項１に記載の太陽電池。
5. 前記基板が電子部品を収容するとともに保護する、請求項１に記載の太陽電池。
6. 前記基板が前記共振器形状の一部または全部を形成している、請求項１に記載の太陽電池。
7. 前記基板が衝撃および振動に対する機械的な減衰手段を備えている、請求項１に記載の太陽電池。
8. 前記機械的減衰手段は、前記基板に設けられた液体ギャップまたは空隙のうちのいずれか一方からなる、請求項７に記載の太陽電池。
9. 前記光共振器が、光の入射角度によらず、光起電力層に対して最適に光の内部反射および誘導のうちの少なくともいずれか一方を行う任意の形状からなる、請求項１に記載の太陽電池。
10. 前記共振器形状は、円柱、幾何学的プリズム、円、円錐、ピラミッド、立方体、六角形、および矩形からなる群から選択される、請求項１に記載の太陽電池。
11. 前記光起電力層、前記光学的コアフィル、および前記共振器形状が、カスタマイズ可能な光管理システムを構成する、請求項１に記載の太陽電池。
12. 前記光起電力層および前記光学的コアフィルが一体的に、反射要素（ミラー、反射防止コーティング、薄膜を含むがこれらに限定されるものではない）、屈折要素（プリズム、格子、人工薄膜を含むがこれらに限定されるものではない）、透過要素（双方向インターフェース、透明材料を含むがこれらに限定されるものではない）、集光要素（レンズ、凹面鏡、集光装置を含むがこれらに限定されるものではない）、散乱要素（拡散器、マイクロ／ナノパターン表面を含むがこれらに限定されるものではない）、および分光操作要素（アップコンバージョンまたはダウンコンバージョン材料、および量子ドットを含むがこれらに限定されるものではない）よりなる群から選択される光管理要素を形成する、請求項１に記載の太陽電池。
13. ２つ以上の太陽電池を含む太陽光発電装置であって、各太陽電池は、偶発的／非見通し線的な光も最適に捕捉する光共振器を備え、前記光共振器は、光を受容する露出した外側領域および少なくとも２つの他の領域を有する上端であって、前記少なくとも２つの他の領域は、前記上端とともに「共振器形状」を形成する、上端と、前記光共振器の前記共振器形状を部分的または全体的に内張りする光起電力層と、前記光共振器内の光学的コアフィルと、前記光共振器および前記光学的コアフィルを支持するベース基板とを含む、太陽光発電装置。
14. 各太陽電池について、前記光起電力層、前記光学的コアフィル、および前記共振器形状が、カスタマイズ可能な光管理システムを形成し、前記太陽光発電装置内の各太陽電池は、太陽スペクトルの所定のバンド内で効率的になるようにカスタマイズ可能である、請求項１３に記載の太陽光発電装置。
15. 所定の太陽電池からの未使用または使用不可能な光を、より効率的に変換するために、別の太陽電池に誘導可能である、請求項１４に記載の太陽光発電装置。
16. 前記光管理システムは、構造的、振動的、衝撃吸収的な支持体を兼ねている、請求項１４に記載の太陽光発電装置。

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