JP2575667B2 - 電力を発生する光学フイルタ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は一般的には光学フィルター、より詳しくは、
それを通る光の選ばれた波長の部分を光するのと同時
に電力を発生するようになっている光学フィルターに関
する。

発明の背景 光学フィルターは、光の強度及びスペクトル分布の両
方を制御するために、長い間広く用いられてきた。古代
文明はいろいろな着色ガラスを製作する技法をマスター
していたこと、そしてこの着色ガラスが、美的に心を楽
しませるものを作るためだけでなく、太陽の望ましくな
い光線をさえぎる目的にも使用されたことが知られてい
る。光学フィルターは長年の間に、その用途が増えると
共に、ますますポピュラーになってきた。現在、このフ
ィルターはいろいろな用途に広く用いられている。たと
えば、写真や印刷の技術は、そのプロセスで用いられる
光の色や強度を調節するのに、光学フィルターの使用に
頼っている。また、光学フィルターは、まぶしさを避け
るためのサングラスの製造にも広くとり入られている。

着色ガラスは光学フィルターのある特別なタイプであ
ると考えることができる。着色ガラスは、その光透過性
質を選び、それを通過する熱やまぶしい光を小さくし
て、ガラスを通って建物や自動車の中へ有害な赤外線や
紫外線が透過されるのを防ぐように、特別に注文に合せ
ることができるので、自動車の窓や建物のガラス・パネ
ルを製造する材料として、現在ますます広く用いられる
ようになっている。

第１図は、地球表面に入射する太陽放射の相対的強度
を、その放射の波長の関数として示す太陽スペクトルの
グラフである。このグラフの横軸はナノメートルで目盛
られ、ほヾ350から950ナノメートルまでの波長範囲を示
している。横軸にはまた、普通，紫外，可視及び赤外波
長と呼ばれる電磁スペクトルの領域が示されている。こ
れらのスペクトル領域の正確な境界は多少主観的なもの
である。しかし、ここでの議論のために、紫外領域は約
400ナノメートルよりも短い波長であると考えることに
し、赤外領域は約800ナノメートルより長い波長であ
り、スペクトルの可視部が400〜800ナノメートルの範囲
にわたっていると考えることにする。

第１図のグラフはまた、スペクトルのいろいろな波長
の範囲で眼が感じる色も示している。たとえば、ほヾ45
0ナノメートルという波長は一般に青として感じられ、
約252ナノメートルの波長は緑に見え、700ナノメートル
の付近の波長は一般に赤に見える。太陽スペクトルの相
対強度は波長の関数として変化することが認められよ
う。この変化は太陽の特徴的な出力スペクトルならびに
大気のフィルター効果によるものである。

よく知られていることであるが、以下の議論を理解す
るためには、ある１つの光子に伴なうエネルギーは光子
の波長に逆比例し、その振動数にプランク定数をかけて
決定されるということを知っておくと役立つであろう。
たとえば、波長400ナノメートルの光子は、約3.10電子
ボルトのエネルギーを有し、他方、波長800ナノメート
ルの光子はほヾ1.55電子ボルトのエネルギーを有する。
したがって、紫外部の光子は、400ナノメートルという
近紫外領域のものでもきわめてエネルギーが大きいとい
うことが分るであろう。さらに、やはり第１図から見ら
れるように、波長400ナノメートルのこれらの光子の相
対強度はかなり大きい。このような理由により、太陽放
射が、自動車や建物の内部ならびに網膜や皮膚といった
人間の組織などいろいろ物質を損傷させることがあると
いうことは驚くにあたらない。したがって、光フィルタ
ーを使用するひとつの目的は、太陽スペクトルの中の有
害な紫外波長を除くことである。

紫外光子は多くの化学結合、とくに共有結合をこわす
に十分なエネルギーを（上で述べたように）もっている
ので、多くの物質が紫外線によって損傷されるというこ
とは決して驚くにあたらない。たとえば、ペイント，プ
ラスチック又はその他の有機物質は容易に紫外線によっ
て劣化し、この劣化は黄ばみ，脆化，あるいはこれらの
物質の完全な分解となって現れる。このため、ペイント
やプラスチックには、紫外線がその中にあまり貫通しな
いように紫外線しゃへい剤がしばしば含まれている。他
の例で、たとえば展示ウインドーなどでは、展示されて
いる品物の損傷を防ぐために紫外吸収スクリーンやフィ
ルターが用いられる。紫外線は品物を損傷する以外に、
人間の組織に対しても破壊作用を及ぼし、とくに人間に
皮膚癌や網膜損傷をひき起こすことが認められている。
したがって、建物のガラスパネル，自動車や飛行機の窓
などに紫外フィルターを含めるなどして、この有害な放
射への暴露を制限することが望ましいと考えられてい
る。

また、しばしば、太陽スペクトルの赤外波長もフィル
ターで除くことが望ましい。紫外光子は比較的低エネル
ギーで、したがって多くの化合結合をこわすことができ
ないけれども、赤外の波長は分子振動を誘発して、それ
がぶつかる物質を熱するのに特に適している。場合によ
っては、たとえば室温や太陽熱集光装置では、赤外線の
透過をできるだけ大きくして、赤外線が媒質中で吸収さ
れて熱を発生するようにすることが望ましい。しかし、
また場合によっては、赤外線の透過を阻止又は少なくと
も減少させて、たとえば空調システムの負担を軽くする
ことが望ましいこともある。

このように、特別な区域への有害な及び／又は望まし
くない太陽放射の通過を制限するために光学フィルター
機構を用いることが必要であることが分る。さらに、太
陽スペクトルの可視波長のいろいろな色についての第１
図の記述かる明らかであろうが、審美的及び／又は実際
的な理由によるあらかじめ選ばれた波長の透過は、光学
的フィルターを用いて入射光線の一部を計画的に吸収、
反射又は透過させることによって大きくすることができ
る。

光学フィルターは普通それに入射する光の一部を吸収
又は反射することによって働らく。吸収タイプのフィル
ターでは、染料，金属イオンなどの発色物質が入射光の
ある選ばれたエネルギーを吸収するようになっている。
発色物質をよく考えて設計することによって、透過光の
波長を選ぶことができ、発色物質の濃度を賢明に選ぶこ
とによって透過光の強度を選ぶことができる。

反射フィルターは、普通、強め合う干渉の原理によっ
て働らく。このような反射フィルターでは、あらかじめ
選ばれた光の波長の正確な倍数である厚さをもつ適当な
物質の層が、このあらかじめ選ばれた波長の光の相互作
用して、この特定波長を透過又は反射し易くする。これ
らの層を製作する物質及び厚さを適当にコントロールす
ることによって、フィルターの透過特性をかなり精密に
コントロールすることができる。

これまで、従来の方法による光学フィルターで透過さ
れなかった光は、実質的に棄てられていた。吸収タイプ
のフィルターでは、発色物質は太陽スペクトルの入射光
を吸収するので暖められる。この昇温効果は、最も控え
目に言っても入射する光エネルギーの浪費であり、場合
によっては実際にフィルターの動作にとって有害又は破
壊的なこともある。たとえば、多くの建物や自動車は、
その中の周辺温度を低く保つために着色ガラスの光学フ
ィルターを用いている。このような場合、入射光子の吸
収による着色ガラスの加熱は、その熱の少なくとも一部
が囲われた環境の中へ放射されるという点で反生産的で
ある。別の例では、発光物質による光の吸収はその物質
の劣化を生じ、それがその物質の光学的性質の変化とな
って現われる。場合によっては、光を吸収する光学フィ
ルターにおける熱の蓄積が大きくなって、そのフィルタ
ーを融かしたり、ひび割れ又はその他の歪みを生じたり
してそれを使いものにならなくすることもある。干渉タ
イプのフィルターの場合、透過されない放射を吸収する
のでなく反射するものであるから、明らかに熱の蓄積は
問題にはならないが、反射された光は実質的に棄てら
れ、実際には、たとえば光がひとつの建物から隣接する
建物へ反射されるような場合には、迷惑を生ずることも
ある。

前記の議論から明らかなように、光学フィルターは、
とくに自動車の風防ガラスや建築構造物のガラス材料と
して、広い人気及び重要性を獲得している。この人気と
有用性は、前記フィルターが人間に、蕃美的及び／又は
エネルギー節約の目的で周辺光量をコントロールする力
を与えるということから発している。さらに、従来の技
術による光学フィルターは、上で詳述したように、これ
までの光学フィルターを透過されない光はしばしばそれ
らのフィルターを損傷したり、隣接建物に対して迷惑に
なったりするという欠点があるというとも明らかであろ
う。

別の、しかし関連した問題として、衰退しつつある非
更新性資源に対する世界の需要がますます増大している
ために、現在エネルギー価格は高くなる一方である。新
しいエネルギー源及び新しいエネルギー節約方法が熱心
に探されている。建物、とくに最新の高層ビル、のガラ
スで被われた部分、及び自動車の風防ガラスは入射光に
さらされている比較的大きな面積である。本発明以前に
は、この放射はこれまで利用できる光学フィルター物質
により実質的に、ときには有害な仕方で、棄てられてい
た。この“廃棄光”を生産的な電力発生のために効果的
に利用できれば、大きな利益となることは明らかであろ
う。

光起動電力デバイスは、汚染がなく、静かで、その作
動に消耗性の天然資源を消費しないので、電力の発生に
ますます広く使用されるようになっている。しかし、最
近まで、光起電力デバイスは単結晶材料から製作されて
おり、結晶材料は大面積で作ることが難しく、比較的厚
く，弱く，重量があり、製造に金と時間がかかるので、
それがこのデバイスの有用性を大きく制限していた。

最近、結晶物質から作られるものと実質的に同等な光
起電力デバイスを作るために、比較的大きな面積を有
し、容易にドープしてｐ−型及びｎ−型の物質ならびに
真性物質を作ることができる半導体薄膜物質をデポジッ
トするプロセスの開発にかなりの努力が払われた。この
種の薄膜物質のうちにアモルファス物質があるが、ここ
で用いられる“アモルファス”という用語は、短距離又
は中間距離では秩序を有するかもしれず、ときには結晶
性介在物を含んでいるかもしれないが、長距離秩序をも
たないすべての物質又は合金を含むということを注意し
ておかなければならない。

光起電力薄膜技術は、今や、大面積，高効率の光起電
力セルが容易にかつ経済的に製造できる段階にまで成熟
した。薄膜光起電力物質は、上で“廃棄光”と呼んだ入
射太陽スペクトル中の非透過部分のエネルギーから電力
を発生するように特別に設計された光学フィルターを製
作するのに用いるのに理想的である。薄膜半導体合金物
質は、多種多様の通常の又は通常でない形態の基板に、
大面積で容易にデポジットできる。さらに、光学的吸
収，バンド・ギャップ，透過率，その他の前記薄膜半導
体合金物質の物理的性質はこの中に参照により取り入れ
られた特許で述べられている方法によって容易にコント
ロールして、所望の光吸収及び透過特性を有する薄膜光
起電力体を提供することができる。さらに、ここで参照
される方法を用いて、あらかじめ選ばれた波長の複数の
薄膜層から成る構造を製作して、太陽スペクトルのいろ
いろな部分でこの物質の光学的吸収及び／又は透過を強
めることができる。以上のような理由により、ここで参
照される薄膜半導体の方法を用いて光学フィルターを製
作し、そのフィルターが（１）あらかじめ選ばれた、望
ましい光学的透過及び／又は吸収を示し、かつ、（２）
あらかじめ選ばれた波長の非透過光の部分を、生産的な
電力の発生のために効果的に利用することができるとい
うことは今や明らかであろう。

ここで開示される原理に従って、入射太陽スペクトル
のいろいろな波長に対してあらかじめ選ばれた透過率を
もつ大面積の光学フィルターを、光の光と電力発生と
いう二重の機能をもつように薄膜半導体合金物質から作
られる複数個の層を用いて容易に製作することができ
る。このようなフィルターは、建築のガラス・パネル、
自動車の風防ガラス，レンズなどの光学フィルター要素
等の製造に広範な用途がある。

本発明の以上のような利点やその他の利点は、以下の
簡単な説明、図面及び図面の説明からただちに明らかに
なる。

発明の簡単な要約 ここでは、太陽スペクトルのうちの選ばれた波長に対
して少なくとも部分的に透明な、電力を発生する光学フ
ィルターが開示される。このフィルターは、透明な基板
と、その基板の少なくとも指定された部位に配置された
実質的に透明な第一の電極と、この第一の電極と電気的
につながって配置された第一の表面を有する光起電力物
質の本体部と、この光起電力物質の本体部の第二の表面
と電気的につながっている実質的に透明な第二の電極を
含む。光起電力体は、（１）太陽スペクトルの選ばれた
波長の少なくとも一部分の吸収に応答して電流を発生
し、かつ（２）前記太陽スペクトルのうち選ばれた波長
の少なくとも一部分を透過させるようになっている。光
起電力体と、電極は、そこにバンド・ギャップ調整元素
を含めることによって、太陽スペクトルの可視光波長
（たとえば長さが400から800ナノメートルまでの間の波
長）の少なくとも一部分、を透過するように特定して設
計することができる。これらの波長の透過は、可視太陽
スペクトルの相当な部分にわたって実質的に一様にする
ことも、波長の透過が可視太陽スペクトルの相当な部分
にわたって変化するようにすることもできる。

さらに、光起電力体と電極は、所望の色の光を透過さ
せるように、可視太陽スペクトルのあるあらかじめ選ば
れた波長に吸収端を示すように作製することができる。
特に有用なある実施態様では、電極と光起電力を、太陽
スペクトルの紫外波長の透過を実質的に阻止する形で共
同して働らくように調整することができる。別の実施態
様では、フィルターには電極と光起電力体の他に、フィ
ルターの吸収及び透過を調整するためのひとつ以上の光
学的調整層も含まれる。

半導体物質がデポジットされる基板は平面状でも非平
面状でもよい。第一の電極は、実質的に基板の全体と同
じ拡がりをもつことも、その一部だけを被うこともあ
る。同様に、光起電力体も、実質的に第一の電極の全体
と同じ拡がりをもつようにデポジットすることも、第一
の電極の一部だけを被うようにデポジットすることもで
きる。このフィルターは、次の用途に特に有用である：
自動車の風防ガラスとして、この場合その光起電力本体
部によって発生される電力で、車の電気コンポーネント
を作動させるようにすることができるであろう；建築建
物の窓として、この場合、その光起電力体によって発生
される電力で建物に付随した電気器具を作動させるよう
にすることができるであろう；あるいは、カメラのレン
ズとして、この場合その光起電力体によって発生される
電力で、カメラに付随する電気回路を作動させるように
することができよう。

たいていの好ましい実施態様では、フィルターはさら
に、第二の電極の露出した表面に保護のために配置され
る実質的に透明なカプセル化層（被覆層）を含む。この
カプセル化層は、本質的にガラス，合成ポリマー樹脂，
接着剤，広いバンド・ギャップの半導体又はその組合
せ、から成るグループから選ばれた物質で作られる。あ
る好ましい実施態様では、このカプセル化層は、第二の
電極の露出した表面に接着される合成ポリマー樹脂であ
ってもよい。別の実施態様では、透明なカプセル化層は
第二の電極の露出した表面の近くに間隔をおいて配置さ
れることがある。さらに別の実施態様では、前記カプセ
ル化層と前記基板のうちの一方が紫外線による損傷を受
け易い物質で作られており、電極と光起電力体（これら
の電極と光起電力体は前記紫外線を吸収するように調整
されている）が、（１）入射太陽スペクトルと（２）前
記カプセル化層と基板のうち損傷し易い一方、との間に
配置されることがある。

好ましい実施態様の多くでは、電極と光起電力体は、
いっしょに働いて入射太陽スペクトルの有害な紫外波長
の透過を実質的に阻止するように調整される。基板は、
本質的にはガラス，合成ポリマー樹脂、またはその組合
せから成るグループから選ばれた物質で作られるのが好
ましい。大面積の基板が用いられる場合、光で発生する
電流を効率的に取り出すために、導電性のバス−グリッ
ド・パターンを前記電極の一方と電気的に接触するよう
に配置することもできる。好ましい実施態様のあるもの
では、基板が半透明であってもよい。別の好ましい実施
態様では、フィルターの少なくとも一部に電流を通して
基板を抵抗加熱するために外部給電手段を備えることも
ある。

フィルターの光起電力体は、シリコン−炭素合金及び
シリコン−窒素合金を含むシリコン合金物質又はゲルマ
ニウム合金物質の層を少なくとも１つ含むことが好まし
い。さらに別の好ましい実施態様では、光起電力体は、
反対にドープされた半導体物質の２つの層を含み、その
間に実質的に真性の半導体物質の層がはさまてっている
少なくとも１つの３つの組の層として作られる。さらに
別の実施態様では、光起電力体は複数個の前記３つ組
を、電気的及び光学的に直列で重なった形で含んでい
る。複数個の３つ組が重ねられる場合、前記隣接する３
つ組の各々の間に透明な導電層がオーミックに配置され
る。少なくとも２つの３つ組の真性層は、バンド・ギャ
ップが太陽スペクトルの異なる波長を吸収するように最
適化されている形に作ることができる。さらに別の実施
態様では、少なくとも１つの３つ組の半導体層が実質的
に原子に近い厚さの薄い層を含む多層サンドイッチとし
て作られる。どの場合にも、第一及び第二の電極は、本
質的に酸化インジウム，酸化錫，インジウム錫酸化物，
酸化亜鉛，亜スズ散カドミニウム，及びその組合せから
成るグループから選ばれた物質で作られる。

ある重要な実施態様では、フィルターはさらに、フィ
ルターの透過特性を変化させるボデーを備えている。場
合によっては、この追加されるボデーが入射スペクトル
のある一部を吸収するが、スペクトルの一部を反射する
場合もある。このようにしてフィルターの光学的性質を
さらに変えて、太陽スペクトルの中の赤外その他の部分
を除くようにすることができる。

図示した具体例の詳細な説明 I.光起電力電力体 次に、図面とくに第2A図について説明しよう。同図に
は、複数個の引き続くｐ−ｉ−ｎ伝導型（層）領域から
成る光起電力セルが、参照数字１によって一般的に示さ
れている。各領域はアモルファス半導体合金を含むもの
であることが好ましい。

さらに詳しく説明すると、第２図は、個々のｐ−ｉ−
ｎ型セル１ａ,1ｂ，及び１ｃ，から作られた太陽電池の
ようなｐ−ｉ−ｎ型光起電力デバイスを示す。一番下の
セル１ａの下には、基板２があり、本発明においてはこ
の基板は透明で、ガラス又は合成ポリマー樹脂などの物
質から作られる。いくつかの用途では、アモルファス物
質の前に薄い酸化物領域及び／又は一連のベース接点を
デポジットすることが必要であるが、この出願では“基
板”という用語は硬い又はフレキシブルな要素だけでは
なく、予備的処理によってそれに付け加えられるエレメ
ントも含むものとする。さらに、ここで使用される“無
秩序”又は“不規則”という用語は、アモルファス、微
結晶、多結晶あるいはそれらの組合せの何であれ、すべ
ての非結晶物質を含むものとする。無秩序物質乃至不規
則物質の各々における重要なパラメータは、ある程度の
短距離秩序を存在するかもしれないとしても、長距離無
秩序が存在するということである。また、ガラス，ポリ
イミド物質又はポリエステル物質で作られた基板で、あ
とから導電性電極がその上に付けられたものも本発明の
範囲に含められる。

セル１ａ,1ｂ，及び１ｃの各々は、少なくともシリコ
ン合金を含むアモルファス又は微結晶光起電力体で作ら
れることが好ましい。各半導体本体部は、ｐ−型伝導領
域３ａ,3ｂ，及び３ｃ；実質的に真性の伝導領域４ａ,4
ｂ及び４ｃ；及びｎ−型伝導領域５ａ,5ｂ及び５ｃを含
む。図では、セル１ｂは中間のセルであるが、第1A図に
示されているように、別の中間セルを図示されているセ
ル上にさらに積み重ねても本発明の精神又は範囲を逸脱
することはない。また、ｐ−ｉ−ｎセルが図示されてい
るが、本発明は、単一又は多重のｎ−ｉ−ｐセル,p−ｎ
接合，ショットキー障壁デバイス，等からも製作でき
る。

また、半導体合金領域をデポジットした後に、別の環
境で又は連続プロセスの一部としてさらにデポジション
・プロセスを実行することができるということを理解し
ておくべきである。このステップでは、TCO（透明導電
性酸化物）領域６が、一番上のセル１ｃの上にデポジッ
トされる。セルが大面積のものである場合、又はTCO層
６の導電度が不十分な場合、電極グリッド７がデバイス
に付け加えられる。グリッド７は、キャリアのパスを短
縮して導電効率を高める。

次に第2B図について説明する。同図には第2A図の光起
電力セル１が、多層化の原理に従って変形された形態で
示されている。第2B図の無秩序半導体多層光起電力セル
構造１′は、第2A図のセルの基板２と同じ基板２′を含
み、その上に個々のｐ−ｉ−ｎ型セルの１ａ′,1ｂ′及
び１ｃ′が順次デポジットされている。各セルは、ｐ型
伝導領域３ａ′,3ｂ′及び３ｃ′；真性伝導領域４
ａ′,4ｂ′及び４ｃ′；及びｎ−型伝導領域５ａ′,5
ｂ′及び５ｃ′を含む。TCO領域６′が、一番上のセル
１ｃ′の上にデポジットされており、TCO層６′の上に
電気グリッド７′が付け加えられることがある。

第2C図に眼を転ずると、同図には第2B図の光起電力セ
ルの一例が拡大図で示されている。前に述べたように、
セル１ａ′はｐ−型伝導領域３ａ′，真性伝導領域４
ａ′，及びｎ−型伝導領域５ａ′を含む。しかし、第2A
図のセル１ａと異なり、セル１ａ′の各伝導領域は、交
互にくり返される。10−30Å（好ましい実施態様）の厚
さの層の組を含む。もっと詳しく言うと、ｎ−型領域５
ａ′は、物質Ａ及び物質Ｂで作られた層の組を含み、そ
れがｎ−型領域の終りまで交互にくり返されている。た
とえば層Ａは、第一のバンド・ギャップを有しｎ−型に
ドープされたアモルファス・シリコン−水素−窒素から
形成され、層Ｂは層Ａのバンド・ギャップとは異なる第
二のバンド・ギャップを有するｎ−型にドープされたア
モルファス・シリコン−水素から作られ得る。同様に、
真性領域４ａ′は、物質Ｃと物質Ｄから作られた層の組
を含み、真性領域が終るところまでそれが交互にくり返
されている。そして最後にｐ−型にドープされた領域３
ａ′は、物質Ｅ及び物質Ｆから作られた層の組を含み、
それがｐ−型領域が終るところまで交互にくり返されて
いる。他の個々のセル１ｂ′及び１ｃ′も同様な仕方で
作られ、各セルの異なる伝導型の各領域は、異なるバン
ド・ギャップ物質から作られた交互にくり返される層の
組から成っているということは明らかであろう。交互に
くり返される層の各々のバンド・ギャップ，伝導型，光
学的特性あるいは電荷固定能力の極性と大きさは、超格
子理論に従って、荷電キャリアがトラップされて分離さ
れるポテンシャルの井戸ができるように異なっていなけ
ればならない。層は、周期的又は非周期的なシーケンス
で、特定の性質を得るためにその近さ及びタイプをコン
トロールして作ることができる。異なる層は、互いには
っきりと分離することも、実質的に連続的に変化するよ
うにすることも、連続的に変化する構造にするこもでき
る。層の性質は、互同士；及び、結晶秩序又は無秩序構
造に含まれる制約と、結合するようにすることも、結合
しないようにすることもできる。周期的な層構造が作ら
れた場合、各層内部には長距離秩序が存在しなくても、
鋭いバンド端が導入されることがあり得る。これは、た
とえば、クローニッヒ・ペニーのモデル又はマシューの
モデルに基ずく計算によって示される。構造は完全な周
期性という制約からは解放されており、特定の目標を達
成するたに周期型の関数を連結したものと考えることが
できる。

第2B図に話を戻すと、同図に示されているように、光
線８は一番上のセル１ｃ′の上部のｐ−型領域３ｃ′を
通って直列の光起電力セル１′の内部に導かれる。次に
光線は真性領域４ｃ′及びｎ−型領域５ｃ′を通過す
る。次に光線８は、セル１ｂ′及び１ｃ′の伝導領域を
通過し、そのエネルギーが電気エネルギーに変換され
る。単一のセル、すなわちセル１ａ′だけをとった場
合、1.5eVというバンド・ギャップは、理論的には、そ
れに入射する光エネルギーを電気エネルギーに最も効率
よく変換するものであるということに注意しよう。

ｐ−型ドープされたウィンド−領域を、第2C図のよう
にして、ほヾ30Åまでの厚さの交互にくり返しされる層
Ｅ及びＦを用いて多重層物質から作ることができる。層
Ｆは、シリコン−水素及び／又はフッ素合金にホウ素な
どのｐ−ドーパントを加えて作ることができる。層Ｅ
は、層Ｆを作るのに用いるすべての物質、及び交互にく
り返される層のバンド・ギャップが異なるようにするた
めに窒素，炭素，その他のバンド・ギャップ調整元素を
含む。（ここで用いる“バンド・ギャップ調整元素”と
いう用語は、半導体物質に加えてそのバンド・ギャップ
を大きくしたり小さくしたりする元素を示す。） あるセルの真性領域の交互にくり返される層の少なく
ともひとつをシリコン−フッ素−水素及び／又はゼルマ
ニウム−フッ素−水素合金で作り、交互にくり返される
その他の層を同じ元素と、その他に、錫又はゲルマニウ
ムから作ることができる。真性領域をこのように作るこ
とによって、そのバンド・ギャップか狭まり、太陽スペ
クトルにもっと効果的にマッチするようになる。さら
に、バンド・ギャップの端をもっとシャープにすること
ができる。これによって短絡電流の大きい、回路電圧の
高い、曲線因子が改善された、すなわち効率が改善され
た太陽電池が得られる。

ここに開示された多重層概念に従って作ることができ
るもうひとつの無秩序半導体構造はｐ−ｎ接合、すなわ
ちｐ−型にドープされた層とｎ−型にドープされた層が
交互にくり返されるｐ−ｎ−ｐ−ｎという形で含む構造
である。この構造を作るときには、ｐ−型の層とｎ−型
の層とを独立にコントロールして、最良のｐ−型層と最
良のｎ−型層が交互に並ぶようにすることができる。こ
うして作られる多重層構造は過剰キャリア及び光キャリ
アの寿命が長く、移動度が高く、光伝導性が改善され
る。これは、ｎ−型層とのｐ−型層との間の内部電界が
光によって励起された電子と正孔を分離するからであ
る。この場合、電子と正孔は多重層構造にトラップされ
て空間的に分離されているので、その再結合の確立が非
常に小さくなる。

第2A−2C図の光起電力セル１は、一般的に連続した大
面積セルとして記述されてきた。光起電力技術当業者に
とっては、このような大面積のセルを複数個の電気的に
切離されたセグメントに分けて連結できるようにして、
セグメント又はサブ・セルの連結アレーを作るようにす
ることができることは知られている。たとえば、大面積
のセルを複数個の直列に連結されたセグメントの形で作
って、大面積セルの電圧より大きい出力電圧を得ること
ができる。同様に、並列及び直列−並列混合形態のもの
も作ることができる。

このようなセルの細分及び連結の方法は、当業者には
周知であり、その技術の範囲内にある。本発明のフィル
ターの製作では、光起電力セルは単一の大面積であって
も、小さな面積のセグメントの連結アレーであってもよ
い。

II.光学フィルター 次に第3A図について説明する。同図には、本発明の原
理に従って作られる光学フィルターのひとつの特定の実
施態様の断面略図が示されており、一般的に参照数字30
で示されている。フィルター30は、光に比較的透明な基
板32と、その基板上に配置された実質的に透明な電極34
と、第一の表面がこの第一の電極34と電気的につながっ
ているように配置された光起電力物質の本体部36と、光
起電力物質の本体部36の上に配置され、その第二の表面
と電気的につながっている第二の電極とを含む。

基板32は、光学フィルター30を支持して硬くするのに
役立ち、フィルターの光学的性質にほとんど寄与しない
ように、高度の透明度を有する物質から作ることが好ま
しい。基板32を作るのに用いることができる物質をいく
つかあげると、ケイ酸塩ガラスやホウケイ酸ガラスなど
のガラス，合成ポリマー樹脂たとえばポリエステル，ポ
リイミド，ポリカボネート，アセテート，ビニル，など
である。場合によっては、基板32はひとつ以上のラミネ
ートされた層の複合体の形に作ることもできる。たいて
いの場合、透明な基板32は光学的に完全にすき通ってい
る。すなわち、光線をそのまま通すことができるもので
あることが好ましいが、場合によってはプライバシーな
どの理由により、基板30は半透明な物質、すなわち、そ
ころを通る入射光を散乱させる透明物質、で作られる方
が好ましいことがある。

本発明の光学フィルター30の光及び電力発生機能
は、光起電力物質36によって遂行される。光起電力物質
36は、そこに入射する光の少なくとも一部の波長を吸収
して、それに応じてその光活性領域に電流を発生するよ
うになっている薄膜半導体合金物質である。本発明の実
行では、いろいろな形態に配置された多種多用の光起電
力物質を用いることができる。たとえば、光起電力体36
は、第2A図によって説明したセル１ａ,1ｂ,1ｃのような
ｐ−ｉ−ｎ又はｎ−ｉ−ｐ型光起電力セルのアレーであ
ってもよい；同様に、光起電力体36は、前記ｐ−ｉ−ｎ
又はｎ−ｉ−ｐ型３つ組を、電気的及び光学的に直列に
重ねた形の積層のアレーであってもよい。別の場合に
は、光起電力体36は、実質的に原子に近い厚さの薄い層
を含む多重層サンドイッチとして作られるひとつ以上の
層を含むもの（第2B及び第2C図によって説明したような
もの）であるかもしれない。さらに別の場合には、光起
電力体はｐ−ｎ形態のもの、あるいはショットキー障壁
型、あるいはＭ−Ｉ−Ｓデパイスであってもよい。

光起電力物質の本体部36には、２つの電極34と38が伴
なっており、これらの電極は光起電力体36の内部で発生
する電流を取り出せるように、電気的に接触して効果的
に配置されている。電極34と38は、光起電力体36の中で
の生産的な光の吸収を大きくするように、両方共実質的
に透明な導電物質で作られることが好ましい。いろいろ
な透明な導電物質が当業者に知られており、利用でき
る。そのような物質としては、酸化インジウム，酸化
錫，酸化錫インジウム，酸化亜鉛，スズ酸ガドミウム，
及びそれらのいろいろな混合物，がある。

場合によっては、上で論じたように、透明な電極34,3
8の一方又は両方が、光で発生する電流の収集を助ける
導電性のバス−グリッド・パターンを伴っていることで
ある。バス−グリッド・パターンは当業者には周知であ
り、それぞれ第2A図及び第2B図に関連して説明したバス
−グリッド・パターンは、７及び７′に類似したもので
あってもよい。これらのバス−グリッド・パターンは、
一般に金属などきわめて導電性の高い物質で作られ、そ
の点からいって、透明ではなさそうであるということを
注意しておくべきである。また、本発明の目的には、電
極34と38はそのかなりの部分にわたってこのような不透
明のバス−グリッド・パターンを含んでいても、やはり
“実質的に透明”であると見なされると理解すべきであ
る。

動作するときには、光は光学フィルター30に、その基
板側又は電極側を通って入る。太陽スペクトルの選ばれ
た波長の少なくとも一部が光起電力体36によって吸収さ
れ、電力に変換され、それが電極34と38によって集めら
れる。有害な及び／又は望ましくない波長の一部が除か
れた又は弱められた吸収されない光がフィルターを通過
する。こうして発生された電流は、電極層34と38に取り
付けられたリード（図示されていない）によって集めら
れる。前に述べたように、光起電力体36を作るのに、多
種多用な半導体物質、たとえばシリコン合金物質，ゲル
マニウム合金物質，シリコン−ゲルマニウム合金物質，
硫化カドミウム，テルル化カドミウム，ニセレン化銅イ
ンジウム，砒化ガリウム，など，を用いることができ
る。半導体合金物質及び電極物質の賢明な選択及びこれ
らの物質の厚さを慎重にコントロールすることにより、
光の吸収の量と質を高い信頼性及び再現性でコントロー
ルして、所望の光学的光特性を与えることかできる。
さらに以下でもっと詳しく論ずるように、本発明のフィ
ルターにさらに別のフィルター層を含ませて、その光吸
収及び透過をさらに変えることができる。たとえば、赤
外線を反射又は吸収するようになっているひとつ以上の
層を用いて、フィルターを赤外線が通過するのを阻止す
ることができる。

参考例１ 次に第3Bおよび3C図について説明する。同図には、本
発明の原理に従って製作された電力を発生する光学フィ
ルターのひとつの実施態様の透過又は吸収特性がグラフ
で示されており、このフィルターは第3A図に図示し、そ
れに関連して説明したものと同様な形態のものである。
このフィルターは、光学的にすき通った、透明なガラス
基板（その厚さは関係ない）と、バンド・ギャップがほ
ヾ1.7eVで実質的に真性のアモルファス・シリコン：水
素：フッ素合金物質の厚さほヾ800Åの層が、各々ほヾ1
00Åの厚さの、ｐ−型及びｎ−型にドープされたシリコ
ン：水素：フッ素合金物質の層の間にサンドイッチされ
て作られている1000Åの厚さのアモルファス・シリコン
光起電力体とから成る。光起電力体の対向する側に、ｐ
−型にドープされた層及びｎ−型にドープされた層と電
気的につながった形で、各々750Åの厚さの２つのイン
ジウム−錫酸化物電極は配置されている。電極の厚さ
は、（１）光起電力体36によって、発生される電力を取
り出すのに十分な導電度が得られるように、かつ（２）
太陽スペクトルの赤色領域で少なくとも一部の波長の光
に関する反射防止条件を満たしてその光学フィルターを
透過する量をできるだけ大きくするように、選ばれた。

こうして作られた電力発生光学フィルターの吸収及び
透過は、インジウム錫酸化物及びシリコン合金物質に関
する既知の光学的データ（屈折率，透過率，吸収係数な
どを用い、コンピュータ・シュミレーション・プログラ
ムによって応用される周知の光学的手法を用いて計算さ
れた。こうして得られたデータが、10ナノメートル間隔
でとった透過及び吸収特性を含めて、第3B及び3C図にグ
ラフで示されている。

とくに第3B図について説明すると、同図には、この光
学フィルターの光透過が光の波長の関数としてグラフで
示されている。ほヾ500ナノメートル以下の波長で、こ
の光学フィルターは完全に不透明で、光はそれを透過し
ないということが見られるであろう。ほヾ520ナノメー
トルから、このフィルター300の入射放射の透過は着実
に増加し、急速にほヾ680ナノメートルのところで最大
に達する。680から1000ナノメートルまでの領域の赤お
よび近赤外波長で、フィルターの透過な小さな周期的変
化を示すが、この変化は比較的長波長の光子と薄い層と
の相互作用から生ずる干渉効果に着せられる。第3B図に
特性が示された光学フィルターは、太陽光の下で見ると
人間の眼にはゴールデン・イエローに見え、それに入射
する光全体のほヾ半分を減衰させる。

第3C図は、第3A図によって説明した仕方で作られた同
じ光学フィルターの、同じ波長範囲にわたる吸収の計算
結果を示す：吸収と透過のデータを加え合せても１つに
ならないということが認められるだろう。この食い違い
は、入射光の一部がフィルターの表面から反射されるこ
とに帰せられる；フィルターを透過する光は、フィルタ
ーから反射される光及びフィルターによって吸収される
光に等しい。前述のフィルターの吸収特性は、ほヾ680
から500ナノメートルの範囲で非常に急激な増加を示
し、この吸収の増加が、フィルターの対応する透過特性
に対応しているということが認められよう。とくに注目
すべき点は、第3C図に示されている吸収が、有害な紫及
び紫外波長を除去しており、また、光起電力体及び電極
の光応答スペクトルに対応して、それに起因していると
いうことである。したがって、この吸収はフィルターに
よって電力を発生するのに有利な形で利用される。

さらに、第3B及び第3C図によってグラフで示されたよ
うな、電力を発生する光学フィルターの透過及び吸収特
性は、光起電力物質と電極物質のバンド・ギャップを変
えてフィルターが透過から吸収に変わる波長範囲をずら
すことによって変えることができるということを注意し
ておかなければならない。たとえば、シリコン：炭素合
金物質及びシリコン窒素合金物質は、水素及びフッ素を
含んでいても含んでいなくても、対応するシリコン合金
よりも大きいバンド・ギャップを有する。

参考例II 次に第3D及び3E図について説明する。ここには、第3A
図のフィルター30と大体同様であるが、ほヾ2.0eVのバ
ンド・ギャップを有する実質的に真性なアモルファス・
シリコン：炭素：水素：フッ素の合金物質の800Åの厚
さの真性半導体合金を含むように作られた電力を発生す
るフィルターが示されている。第3D図から、この2.0eV
の物質を含むフィルターは、1.75eVの合金物質から作ら
れた対応するフィルターよりも短い波長を透過し易いこ
とが認められよう。第3D図を詳しく見ると、ほヾ400ナ
ノメートル以下の波長でこのフィルターは完全に不透明
で、光は何もそれを透過しないということが認められ
る。ほヾ440ナノメートルから、このフィルターの透過
率は着実に増大し、急速に580ナノメートルで最大に達
する。適当な赤外反射又は吸収層を使用することによ
り、このフィルターは赤外線を透過しないようにするこ
とができるということを注意しておかなければならな
い。この実施例のフィルターは人間の眼にはペール・イ
エローの色合に見える。

第3E図は、2.0eVの物質を含むこの実施例のフィルタ
ーの光吸収のグラフを示す。フィルターは紫及び紫外波
長で最大の吸収を示し、太陽スペクトルのこの有害な部
分を効果的に除去するということが認められよう。さら
に、バンド・ギャップを変えるだけでなく、光起電力物
質の厚さを変えることによってその吸収の大きさを変え
ることができるということに注意しておくべきである。
さらに、フィルターのコンポーネントの物質、とくに電
極メンバーの厚さ及び／又は屈折率を変えることによ
り、干渉効果をコントロールしてフィルターへの入射放
射の特定波長の少なくとも一部の通過を助けたり、阻止
したりしてその後の吸収又は透過に影響を及ぼしたりす
ることもできる。

実施例Ｉ 次に第4A図について説明する。同図には本発明の原理
に従って構成された電力を発生する光学フィルターの別
の実施態様40が示されている。フィルター40は、一般に
第3A図について説明したものと同様なエレメントを含ん
でいる。したがって、同じようなエレメントは同じ参照
数字によって示される。電力を発生するフィルター40
は、透明基板32を含み、これは前記にフィルター30につ
いて説明した基板と一般的に類似している。フィルター
40はまた、実質的に透明な一対の電極34と38を含み、こ
れらも前述の実施例において説明したものと同様であ
る。

フィルター40がフィルター30と異なるところは、光起
電力体42自体の構成にある。第4A図のフィルターの光起
電力体42は、これが光活性の半導体物質の２つの層44,4
6を有しており、光活性物質の第一の層44と第二の層46
の両方にオーミックに接触するように効果的に配置され
ている導電性の比較的透明な層48によってそれらの層が
分離されていうという点で、第3A図の光起電力体36のス
プリット型と考えることができる。層44,46及び48の組
合せ全体は、第3A図の光起電力体34と同じような仕方で
光電流を生ずるようになっており、したがって光電力体
42と呼ぶことにするが、光学的に透明な層48は入射する
放射エネルギーを吸収したりそれに応答して光子を出す
という意味で光活性である必要はない（そして実際に光
活性でない）ということを理解しておくべきである。

前述の例と同様、光起電力体42の層44と46は、いろい
ろな形態に配置されたいろいろな半導体物質、たとえば
ｎ−ｉ−p,p−ｉ−n,p−n,シャットキー障壁、及びｍ−
ｉ−ｓ接合，などで作ることができる。さらに、２つの
光起電力層44及び46は、フィルターを透過させたいと望
む光のパーセンテージと色により、同じような組成です
ることも、異なる組成にすることもできる。光学的に透
明な中間層48は、光起電力層44と46の性能をできるだけ
大きくするように、比較的高い導電度と比較的低い光吸
収を示すように設計されることが好ましい。このため
に、電極層34と38を作るのに適した物質を、中間の透明
な導電層48を作るのに用いることができる。

光活性ボデー32を、48のような透明な中間層で分割す
ることにより、フィルター40の光吸収及び透過をあらか
じめ選んだ仕方で効果的に変えることができる。光学的
物質は、特定の光の波長の正確な分数又は倍数になるよ
うに選ばれた厚さで存在する場合、強め合う干渉及び弱
め合う干渉という現象を示すようにすることができる。
スペクトルのあらかじめ選ばれた部分でフィルターの吸
収及び透過特性を強化したり抑制したりするのにこの現
象を利用することができる。この原理は第4B及び4C図を
参照して説明される。

この実施例で、第4A図の構成に従って作られた光学フ
ィルターの光透過及び吸収が前の実施例の場合と同様に
計算された。フィルターは、透明な基板、及び第4A図の
分割形態の光起電力体を間にサンドイッチした２枚の75
0Åの厚さのインジウム錫酸化物層で構成されていた。

光起電力体42は、２つのアモルファス・シリコン合金
ｐ−ｉ−ｎ型太陽電池44及び46が750Åの厚さのインジ
ウム錫酸化物で分離されている構造であった。太陽電池
44及び46の各々は、全体の厚さが500Åで、400Åの実質
的に真性のアモルファス・シリコン：水素：フッ素合金
物質がｐ−型及びｎ−型にドープされたシリコン：水
素：フッ素合金物質の50Åの厚さの層にサンドイッチさ
れた形であった。したがって、この実施例の光活性シリ
コン合金物質と、実施例１の光活性シリコン合金物質の
全体の厚さは同じだったことが分るだろう。実施例１の
電力を発生する光学フィルターと、この実施例の電力を
発生する光学フィルターとの唯一の違いは、半分の厚さ
の２つの太陽電池44と46間にインジウム錫酸化物層を含
む多重層サンドイッチの形成にあった。

第4B図及び4C図を見ると、このタイプの多重層サンド
イッチを含めることによって、光学的性質が劇的に変化
することが分るであろう。まず第4B図について説明する
と、同図には透過率対波長のグラフを示されている。フ
ィルター40の全体的な光学的透過は、第3B図のグラフに
示されているフィルターの光学的透過に比べて、長波長
で低くなっているが、このフィルターは500ナノメート
ルでもかなり透過するのに対して第3B図のフィルターは
525ナノメートルより下ではどの波長の光も透過しない
ということが認められよう。さらに、第4B図のフィルタ
ーの透過は可視スペクトルの大部分にわたって比較的平
坦である。すなわち、500−1000ナノメートルの波長の
入射光は、実質的に同じパーセントだけフィルターを透
過するということが認められる。

次に第4C図を見ると、吸収スペクトルの（第3A図のフ
ィルターと比較した）変化は透過スペクトルの変化に対
応することが認められる。前述の実施例では約570ナノ
メートルに中心がある広い吸収であったもの（第3C図を
見よ）が、ほヾ480ナノメートルに中心がある。かなり
狭い、強い吸収になっている。この変化は、第4A図に示
されているフィルターの２枚の薄い吸収半導体物質の層
42と44の中に透明なインジウム錫酸化物の層48が介在す
ることによって生ずるもので、薄い層と入射光波長との
相互作用に帰せられる。

第4B及び第4C図に特性が示されている光学フィルター
の透過及び吸収スペクトルに関して注目すべき点は、そ
れを透過する光が人間の眼には比較的無色と感じられる
ということである。これは、以前の実施例で説明したフ
ィルターを透過する光がゴールデン・イエロー又はペー
ル・イエローであることがきわめて対象的である。光学
フィルターを透過させて色のついた光を得たいという場
合も多いけれども、用途によっては比較的無色の光を透
過させる必要があることも多い。第3A−3E図及び第4A−
4C図のフィルターは赤外線を透過させるものとして示さ
れているが、本発明の原理に従ってそれに変更を加えて
赤外線の透過を制限することができる。

本発明のフィルターを、赤外線を透過しないようにす
るためには、いろいろな方法が利用できる。赤外吸収染
料の層をフィルターに組み込んでそれを赤外波長に不透
明にすることもできる。赤外吸収染料はエネルギーを吸
収して暖くなる。場合によってはこの温度上は許容でき
るが、このような加熱を防止することが望ましい場合も
ある。

加熱を防止しなければならない場合、フィルターには
ヒート・ミラーを含めてもよい。この用語は、ここで
は、可視波長を透過させるが赤外線を反射するような物
質の層を定義するものとして用いられる。当業者には、
いくつかのヒート・ミラー物質が知られている：そのよ
うな物質としては、たとえば、酸化錫，酸化亜鉛，酸化
インジウム，スズ酸カドミウム，及びそのいろいろな組
合せがあり、また場合によっては、金属薄膜が選ばれた
赤外波長を反射するのに用いられることもある。

本発明のフィルターは、干渉の原理によって、選ばれ
た赤外波長を反射し、可視波長を通過させるように働ら
く層の組合せを含むことができる。この方法、ならびに
その他の光学的フィルター技法は光学業者には周知であ
り、本発明の電力発生フィルターを赤外波長ならびに他
の選ばれた波長に対して非透過的なものにするために容
易に適用できる。たとえば、本発明のフィルターに、フ
ィルターを透過する光の色のバランスを調節するために
可視スペクトルの一部を除去するようにした単数又は複
数の層を含めることができる。

光学物質の薄層における強め合う干渉及び弱め合う干
渉の現象は、光学分野の当業者によってすでに認識さ
れ、記述されており、通常の技術をもつ当業者であれ
ば、いろいろなこの種の現象の計算と予測には十分精通
している。しかし、この現象はこれまで、ある与えられ
た特性の光学的吸収係数の光起電力薄層と合せて、同じ
物質の全体層の吸収及び透過特性を変えるために、相乗
的に記述又は利用されていない。さらに、この現象はこ
れまで、特別に調整された又は注文に合せた光吸収及び
透過特性を有する電力を発生する光学フィルターを提供
するという目的で光起電力物質といっしょに利用された
ことはなかった。当業者には明らかであろうが、本発明
のフィルターを構成する薄層物質（光起電力物質及び電
極）の層の厚さ及び／又はバンド・ギャップ及び／又は
屈折率を変えてフィルターの透過及び吸収特性を変える
ことができる。したがって、層の数，厚さ，及び層を作
る物質を賢明に選ぶことによって、この種の電力発生フ
ィルターの光学的性質をコントロールすることができる
と理解すべきである。

参考例III この実施例では、第3A図のフィルター30と概して同様
であるが、透明電極層の厚さが異なり、さらにフッ化マ
グネシウム層がフィルターの光学的性質を変えるために
加えられたという点で異なるフィルターが作られた。

さて、第11A図について説明すると、同図にはこの実
施例のフィルター150の断面図が示されている。フィル
ター150は、前述の実施例における基板と概して同様な
基板32を含む。この基板32の上にはほヾ760Åの厚さの
第一のインジウム錫酸化物電極34が配置され、それと電
気的に接触してほヾ1.75eVのバンド・ギャップを有する
アモルファス・シリコン：水素：フッ素合金物質から作
られた光起電力半導体本体部36が配置されている。光起
電力体36はほヾ540Åの厚さで、厚さ400Åの真性物質の
層が、各々ほヾ70Åの厚さで、反対の伝導型にドープさ
れた２つの層の間に配置されている。

フィルターはさらに、光起電力体36と接触して配置さ
れた第二の電極層38を含む。この第二の電極層38は、ほ
ヾ1300Åの厚さのインジウム錫酸化物層で、その表面
に、光起電力体36と反対側に、フィルターの吸収をさら
に変えるためにほヾ670Åの厚さの比較的透明な物質、
この実施例の場合フッ化マグネウム，の光学的調整層15
2が配置されている。

電極層34,38,光起電力体36,及びフッ化マグネシウム
の光学的調整層152は入射光と光学的に相互作用して、
比較的中性の光吸収を有する電力発生フィルターを作っ
ている。

次に第11B図について説明すると、同図にはこの実施
例のフィルター150の透過特性が示されている。同図か
ら、このフィルターの透過率は、450ナノメートルでほ
ヾ35％、480ナノメートルで51％、500ナノメートルで60
％、そして660ナノメートルでほヾ65％であるというこ
とが認められよう。

このフィルターの光学的性質を周知の光学的原理によ
って同様に変化させるために、適当な厚さの他の透明物
質，たとえばフッ化カルシウム，二酸化ケイ素，なども
使用できるということに注意すべきである。

本発明の電力発生フィルターは、第3A図及び第4A図に
よって、その露出表面上にカプセル化又は保護層を含ま
ない形で説明されたが、実際には、フィルターの薄膜層
を周辺条件から守るためにこのような層を含めることが
望ましいことが多い。さて、第５図について説明する
と、同図には本発明の原理に従って構成された、さらに
別の電力発生光学フィルターが、一般的に参照数字50で
示されている。このフィルター50は、概して第3A図につ
いて説明したフィルターと同様で、透明基板32と、一対
の実質的に透明な電極34及び38と、その間に配置された
光起電力物質の本体部36を含む。

フィルター50が前に述べたものと異なる点は、第二の
電極38の露出表面上に、保護カプセル化層（被覆層）52
を含むことにある。このカプセル化層52の機能は、光が
透過するのを比較的妨げずにその下にある薄膜層を大気
の有害な作用から守ることである。カプセル化層を作る
のにとくに適しているいろいろな物質がある。このよう
な物質としては、ホウケイ酸ガラス，ケイ酸ガラス，な
どの多数のガラスがどれも利用できる。同様に、ポリカ
ーボネート，アセテート，ポリイミド，及びポリエステ
ルなどの合成ポリマー樹脂も用いることができるし、エ
ポキシなど、接着剤を含む他の有機物質も用いることが
できる。広いバンド・ギャップの半導体又は絶縁体物質
はきわめて透明で耐久性が高いので、カプセル化層を作
るのに用いるのに理想的である。

ここで、カプセル化層52と基板32はどちらも透明なも
のとして説明されているが、場合によっては、これらの
ものを作るのにある程度の光学的吸収のある物質を用い
ることが望ましい又は受容できることもある。認められ
る程の光吸収で特徴づけられるカプセル化材料を用いる
ことは、普通はフィルター内の電力発生や望ましい波長
の透過に有害であると考えられるであろうが、フィルタ
ーの上方の層ですでに完全に吸収された光をそれが吸収
する場合、フィルターがカプセル化層と反対側から照明
されていればその存在は何の影響も及ぼさない。また、
場合によっては色のついた（すなわち吸収又は反射す
る）カプセル化層又は基板を用いてフィルターの光学的
性質をさらに変化させることもできる；たとえば前に述
べた赤外除去層をカプセル化層に組み込むこともでき
る。

第６図は、本発明の原理に従って構成されたさらに別
の電力発生光学フィルター60を図示している。前述の実
施例と同様，フィルター60は、基板32と、一対の電極34
及び38と、その間に配置された光起電力半導体本体部36
とを含む。第６図の電極発生光学フィルター60はまた、
第二の電極の露出した表面に耐久性のある保護物質64を
固着させるのに適した接着剤物質の層62を含むカプセル
化層も含む。接着剤62及び保護物質64は一般に太陽放射
に対して比較透明でなければならないことは明らかであ
ろう。

第６図はこの特定の実施例は、２枚の板ガラスを保護
接着層によって貼り合せる、いわゆる“ラミネート安全
ガラス”タイプのものを製造するのに理想的に適してい
る。たとえば、フィルター60において、基板32及び保護
部材64はどちらもガラスから作り、比較的強い、柔軟性
のある透明な接着性高分子物質62によって貼り合わせ
て、打撃に強く、こわれてもばらばらにならないフィル
ター60を作ることができる。

このようにして作られたフィルターは、その光学的透
過及び吸収を前に説明した方法及び原理に従って選ぶこ
とができるので、自動車の窓の製造に使用して風防ガラ
スに望ましい色合いを与えるのに理想的に適している。
さらに、その光起電力体によって発生される電力は、バ
ッテリーの充電や付属品の作動のために自動車で使用で
きる。たとえば、自動車が駐車している間車を通る空気
の流れを維持する通気ファンを動かすために、自動車の
バッテリーが放電してしまわないようにする電力源を備
えておくことはきわめて望ましい。自動車の製造にこの
ようなガラス材料を用いるならば、自動車が周辺日光に
さらされているときにはいつでも電力が得られる。

ここで、安全ガラスあるいは内部に有機薄膜物質を含
む他のカプセル化ガラス、に関するひとつの特別な問題
が、前述した光によって発生するこれらの材料の劣化か
ら生ずるということに注意しなければならない。ガラス
にラミネート又はカプセル封入乃至被覆するのに用いら
れる多くの高分子は紫外線によって黄色に変色する。光
起電力体及び電極を紫外波長を吸収又は反射するように
設計し、その光起電力体及び電極を、紫外線で損傷し易
いカプセル化又はラミネート層と基板の光が入射する表
面との間に配置することにより、この損傷し易い層が紫
外線による劣化から守られるということは明らかであろ
う。

次に第７図について説明すると、同図には本発明の原
理に従って構成された光学フィルターのさらに別の実施
態様70が示されている。第７図のフィルター70は、前述
のように、基板32と、電極34及び38と、光起電力体36と
を含む。フィルター70はまた、第二の電極38の露出表面
の近くに間隔をおいてその間にギャップ74を形成するよ
うに配置された透明な保護カプセル化層72を含む。この
ギャップには、空気，窒素，アルゴンその他の気体を満
たすこともできるし、実質適に何も物質がないようにす
ることもできる。こうして作られた光学フィルター70
は、ギャップ74がそこを通過する熱エネルギーの流れを
制限するので比較的良い断熱材である。

このような電力発生フィルター70は、建築物のガラス
・パネルとして使用するのに理想的に適している。光学
的フィルター効果は、建物の中への赤外線や紫外線の透
過を阻止するように最適化することができ、ギャップ74
はその他の熱の流入や損失を防ぐ断熱材となり、望むな
らばフィルターの光学的透過特性を他の仕方で変えてそ
れを通過する光に審美的に快い色調を与えることもでき
る。このような建築パネルによって発生される電力は、
その建物の居住者によって生産的に利用できることは明
らかである。

これまで述べてきたことは、本発明に従って構成され
た電力を発生する光学フィルターのいくつかの可能な形
態の代表的なものを示すことを意図したものである。図
面に示され、上で説明された個々のフィルターは、単に
本発明の原理を例示するためのものである：当業者にと
っては他の多くの変形が明らかてあろう。たとえば、カ
プセル化されたフィルターは、いずれもその中にバスー
グリッド・パタンを容易に含めることができる。同様
に、多重層の薄膜電極及び半導体を用いるという考え方
は、前述したすべての形態に拡張できる。そして、実施
例及び計算はアモルファス・シリコン合金の光起電力体
の使用に基いていたが、同じ原理はアモルファス・ゲル
マニウムならびに多結晶シリコン及びゲルマニウム，カ
ルコゲナイドをベースとする物質，カドミウムをベース
とする物質，及び銅及びインジウムを含む物質にもあて
はまる。

前に説明したように、光学フィルターを利用する用途
は非常に多種多用であり、また電力の必要も非常に多
い。したがって、本発明の原理は、非常に多様な用途に
個別に適合させることができる。本発明の電力を発生す
る光学フィルターに可能な多くの用途のうちの二，三を
以下で例示する。

まず第８図について説明すると、同図には本発明の電
力を発生する光学フィルターから作られる後部風防ガラ
ス92を含む自動車90が示されている。フィルターを組み
込んだ風防ガラス92は、自動車90に入る周辺光をフィル
ターとして、そのバッテリー及び発電機（又は交流発電
機）を補う電力を発生するように効果的に配置されてい
る。図に示されているように、風防ガラス92に組み込ま
れた電力発生フィルターは、その光帯電力体36によって
発生される電流を取り出すためのバスーグリッド・パタ
ーン94を含む。バスーグリッド・パターン94は、風防ガ
ラスを横断して伸びてフィルターの光起電力体からの電
力の取り出しの一方の主端子となっている主バスバー96
を含む。バスーグリッド・パターンはまた、光起電力体
のいろいろな部分から光によって発生する電流を主バス
バー96へ運ぶための複数個のグリッドーフィンガー98も
伴なっている。実施態様によってはひとつのバスーグリ
ッド・パターンでフィルターからの電流を取り出すのに
十分であろう。しかし、場合によっては２つの電極の各
々にひとつのバスーグリッド・パタンが結びついている
ことが望ましいこともあるだろう：これらの変形はすべ
て当業者の技術の範囲内にあるもので、本発明の範囲に
含まられる。

導電層を含む本発明のような電力発生光学フィルター
は、とくに自動車用途にあてはまるさらに別の利点があ
る。この導電層、たとえばフィルター30の34及び38、を
通してフィルターの全部又は一部に外部から電流を流し
て、基板32を暖めるためにそれを抵抗加熱することがで
きる。この加熱は、風防ガラスの曇りをとり、着氷を除
くために、自動車用途にきわめて有益である。

電流を、第一の電極38に印加し、光起電力体36を通っ
て第二の電極34へ流し、基板32を暖めることができる；
あるいはまた、電流を導電性電極の一方34だけを通して
横方向に流し、光起電力体36を迂回させて電流を流しな
おかつ基板32を暖めることもできる。あるいはまた、第
８図のバスーグリッド・パターン94を抵抗ヒータとして
用いて、それに電流を印加することもできる。

第８図によって説明した自動車への応用は後部の風防
ガラス92を示し、風防ガラス全体が電力を発生する光学
フィルターになっているが、本発明はそのように限定さ
れるものではない。たとえば、本発明の電力発生フィル
ター物質は、風防ガラスの上方の部分だけに、又はふち
のあたりだけに、効果的に配置される光フィルター帯と
して風防ガラス一部にだけ設けることもできる。

第９図に眼を転ずると、同図には建物ガラス・パネル
102が本発明の電力発生光学フィルターから作られた高
層ビル100が示されている。高層ビルは、普通、大きな
面積の着色ガラス又は他の形で光学的に処理されたガラ
スを含んでおり、したがって本発明を配備するに理想的
に適している。第10図の建築パネル102は、一般に第７
図によって説明されたフィルター70と同様の仕方で製造
され、したがって建物の断熱，遮光，及び電力供給を同
時に行うように特別に設計される。上で述べた自動車へ
の応用の場合と同様、電力を発生する光学フィルター70
にバス−グリッド・パターンを組み込んで電流の収集を
助けることができる。さらに、フィルターに外部から電
流を印加し、曇りをとったり着氷を除くための加熱を行
うことができる。

次に第10図について説明する。同図にはフィルター11
2がレンズ・ハウジング114に取り付けられた写真カメラ
110が示されている。本発明の原理に従って、このフィ
ルターを電力を発生する光学フィルターにすることがで
きる。現在の写真カメラは、開口やシャッター・スピー
ドのコントロールのためにいろいろな電子回路を内部で
用いているので、本発明の電力を発生する光学フィルタ
ーを用いて、色のバランスをとったり、紫外線を阻止し
たりするための光効果を得る他に、その回路に電力を
供給することができる。この電力発生光学フィルターに
は、カメラの電気回路に電力を供給するために、備えつ
けの端子接点を設けて、それがレンズ・ハウジング114
に対応する接点と導電的に係合されるようにすることが
考えられている。

これまで述べてきたことは、本発明を例示するいくつ
かの実施態様及び用途を示している。本発明の電力を発
生すると光学フィルターはその他の多くの形態は当業者
には明らかであろう。たとえば、本発明のフィルター
は、多様な陸上，水上，空中及び宇宙の乗物の風防とし
て用いることができる。

前述の実施例、図面及び説明は、本発明のいくつかの
実施態様を例示したものであって、その実施に対する制
限を意味するものではない。本発明の範囲を定めるもの
は、すべての均等物を含む特許請求の範囲である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、相対強度を縦軸に波長を横軸にとって、太陽
スペクトルの波長の規格化された強度を図示し、波長の
各領域によって生ずる色を含めて示したグラフであり、 第2A図は、各々が三つ組の半導体合金物質の層から作ら
れた複数個の積重ねられたｎ−ｉ−ｐ太陽電池から成
る、現在の技術によるタンデム光起電力デバイスの部分
断面図であり、 第2B図は、各太陽電池の各n,i又はｐ型伝導領域が複数
個の無秩序な層から成るように作られた第2A図のタンデ
ム光起電力デバイスの部分断面図であり、 第2C図は、第2B図のタンデム光起電力デバイスの太陽電
池１ｃの、各伝導領域の交互にくり返される無秩序な層
を示す大きく拡大された部分断面図であり、 第3A図は、1.75eVの光起電力体が一対の透明な電極の間
に配置されて作られている、本発明の電力を発生する光
学フィルターの第一の実施態様の拡大断面図であり、 第3B図は、第3A図に示された仕方で構造的に設計された
光学フィルターを通る入射太陽スペクトルの個々の波長
の透過率をプロットした図であり、 第3C図は、第3A図に示された仕方で構造的に設計された
光学フィルターによる入射太陽スペクトルの個々の波長
の吸収率をプロットした図であり、 第3D図は、第3A図に示された仕方で構造的に設計され
た、2.0eVの光起電力体を含む光学フィルターによる入
射太陽スペクトルの個々の波長の透過率をプロットした
図であり、 第3E図は、第3A図に示された仕方で構造的に設計され
た、2.0eVの光起電力体を含む光学フィルターによる入
射太陽スペクトルの個々の波長の吸収率をプロットした
図であり、 第4A図は、２つの光起電力体が透明な電極物質の層の間
に配置されて作られる、本発明の電力を発生する光学フ
ィルターの第二に実施態様の拡大断面図であり、 第4B図は、第4A図に示された仕方で構造的に設計された
光学フィルターを通る入射太陽スペクトルの個々の波長
を透過率をプロットした図であり、 第4C図は、第4A図に示された仕方で構造的に設計された
光学フィルターを通る入射太陽スペクトルの個々の波長
の吸収率をプロットした図であり、 第５図は、第二の電極を保護するために効果的に配置さ
れたカプセル化層を有する第3A図に示された光学フィル
ターの拡大断面図であり、 第６図は、透明な電極とカプセル化層の間に接着剤が配
置されている第５図に示された光学フィルターの拡大断
面図であり、 第７図は、透明な電極とカプセル化層の間に空気ギャッ
プが配置されている第５図に示された光学フィルターの
拡大断面図であり、 第８図は、後部風防ガラスに効果的に配置された本発明
の電力を発生する光学フィルターを示す自動車のフォル
ム化された斜視図であり、 第９図は、建築のガラス面に効果的に配置された本発明
の電力を発生する光学フィルターを示す高層ビルのフォ
ルム化された部分斜視図であり、 第10図は、レンズに効果的に配置された本発明の電力を
発生する光学フィルターを示すカメラのフォルム化され
た斜視図であり、 第11A図は、光学的調整層を含む、本発明のもうひとつ
の電力を発生する光学フィルターの拡大断面図であり、 第11B図は、第11A図に示された仕方で構造的に設計され
た光学フィルターを通る太陽スペクトルの個々の波長の
透過率をプロットした図である。 30,40,50,60,70……フィルター,32……基板、34,38……
電極,36……光起電力体。

フロントページの続き (72)発明者 スタンフオード・アール・オヴシンスキ ー アメリカ合衆国、ミシガン・48013、 ブルームフイールド・ヒルズ、スキレ ル・ロード・2700 (56)参考文献 特開 昭57−1265（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−187975（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−111180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−104278（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−29884（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−100485（ＪＰ，Ａ) 米国特許4166919（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の波長域の光を透過する光学フイルタ
   ーにおいて、 透明基板上に設けられた第１の導電層と、該第１の導電
   層上にこれに接して設けられたシリコンを含むアモルフ
   ァス物質または微結晶物質を有する第１の光起電力層
   と、該第１の光起電力層上にこれに接して設けられた中
   間層と、該中間層上にこれに接して設けられたシリコン
   を含むアモルファス物質または微結晶物質を有する第２
   の光起電力層と、該第２の光起電力層上にこれに接して
   設けられた第２の導電層と、を備え、 前記第１および第２の導電層と前記中間層とはほぼ同じ
   層厚の透明導電性酸化物からなり、前記第１および第２
   の光起電力層の層厚がほぼ同じであることを特徴とする
   光学フィルター。
2. 【請求項２】前記第１および第２の光起電力層は、pin
   接合を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の光学フィルター。