JP5988974B2 - 表面埋込添加物を有する素子構成要素および関連製造方法 - Google Patents

表面埋込添加物を有する素子構成要素および関連製造方法 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／３７１，６８８号（２０１０年８月７日出願）、および米国仮特許出願第６１／４４６，９２６号（２０１１年２月２５日出願）の利益を主張し、これらの出願の開示は、その全体が本明細書に参照によって援用される。
本発明は、概して、埋込添加物を有する構造に関する。より具体的には、本発明は、電導性、熱伝導性、スペクトルシフト、吸収促進、および色変化等の機能性を付与するように、表面埋込添加物を有する素子構成要素に関する。
活性または官能化粒子の混入による官能化構造は、いくつかの分野に対する着目エリアである。従来の技法の１つは、バルク混入を伴い、基材のバルク全体を通して、粒子の分散をもたらす。バルク混入は、基材内の粒子の非均一混合および凝集や、基材の処理能力に及ぼす負の影響を含む、種々の欠点を被る。バルク混入はまた、いくつかの粒子が、基材の内部内に分散されたままであるため、表面に粒子を露出させることが、目標である場合、非効率的である。別の従来の技法は、コーティングプロセスを伴う。コーティングプロセスもまた、コーティング材料内の粒子の非均一混合および凝集、接着不良、層間剥離、および高粗度を含む、種々の欠点を被る。
こうした背景の下、本明細書で説明される、表面埋込素子構成要素および関連製造方法を開発する必要性が生じた。
本発明の実施形態は、太陽素子、スマートウィンドウ、ディスプレイ、タッチセンサパネル、タッチディスプレイ等を含む、種々の電子または光電子素子内の構成要素として使用するための母材の埋込表面に埋め込まれる、活性または官能化添加物に関する。
表面埋込素子構成要素の実施形態は、向上した性能、ならびにそれらの組成および製造プロセスから生じる費用便益を提供する。素子構成要素は、例えば、母材の所望の特性を保ち、付加的な所望の特性を結果として生じる表面埋込素子構成要素に付与しながら、添加物が母材に物理的に埋め込まれる、表面埋込プロセスによって製造することができる。
本発明の他の側面および実施形態も検討される。前述の要約および以下の詳細な説明は、本発明を任意の特定の実施形態に制限するように意図されておらず、本発明のいくつかの実施形態を説明するように意図されているにすぎない。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
太陽素子であって、
該太陽素子は、
正面カバーと、
背面カバーと、
該正面カバーと該背面カバーとの間に配置される光活性層と、
該正面カバーと該背面カバーとの間に配置され、かつ該光活性層に隣接する封止材層であって、該封止材層は、少なくとも部分的に該封止材層の中に埋め込まれる添加物を含み、該添加物は、電導性および半電導性のうちの少なくとも１つであり、該添加物は、サブナノサイズの添加物、ナノサイズの添加物、およびミクロンサイズの添加物のうちの少なくとも１つを含む、封止材層と
を含む、素子。
（項目２）
前記封止材層は、埋込表面を有し、前記添加物は、該埋込表面に隣接する埋込領域内に局所化される、項目１に記載の太陽素子。
（項目３）
前記埋込表面は、前記光活性層に面している、項目２に記載の太陽素子。
（項目４）
前記埋込領域の厚さは、前記封止材層の全体厚さよりも小さい、項目２に記載の太陽素子。
（項目５）
前記埋込領域の厚さは、前記封止材層の全体厚さの５０％以下である、項目４に記載の太陽素子。
（項目６）
前記埋込領域の厚さは、前記封止材層の全体厚さの２０％以下である、項目５に記載の太陽素子。
（項目７）
一組のバスバーをさらに含み、該一組のバスバーは、前記封止材層によって少なくとも部分的に被覆され、該封止材層の中に延在する、項目１に記載の太陽素子。
（項目８）
前記封止材層の中の前記添加物の装填は、電気的パーコレーション閾値を上回る、項目１に記載の太陽素子。
（項目９）
前記封止材層は、１００Ω／ｓｑ以下であるシート抵抗を有する、項目１に記載の太陽素子。
（項目１０）
前記シート抵抗は、１５Ω／ｓｑ以下である、項目９に記載の太陽素子。
（項目１１）
前記封止材層は、前記正面カバーと前記光活性層との間に配置され、該封止材層は、少なくとも８５％の太陽フラックス加重透過率を有する、項目１に記載の太陽素子。
（項目１２）
前記添加物は、前記光活性層と電気接触し、前記太陽素子の電極として機能する、項目１に記載の太陽素子。
（項目１３）
太陽素子であって、
該太陽素子は、
一組の正面素子層と、
一組の背面素子層と、
該一組の正面素子層と該一組の背面素子層との間に配置される光活性層と
を含み、
該一組の正面素子層および該一組の背面素子層のうちの少なくとも１つは、
埋込表面を有する母材と、
添加物であって、該添加物は、該母材に少なくとも部分的に埋め込まれ、かつ該埋込表面に隣接する埋込領域内に局所化され、該埋込領域の厚さは、該母材の全体厚さ未満である、添加物と
を含む、素子。
（項目１４）
前記埋込領域の厚さは、前記添加物の特徴的な寸法の５倍以下である、項目１３に記載の太陽素子。
（項目１５）
前記埋込領域の厚さは、前記特徴的な寸法の２倍以下である、項目１４に記載の太陽素子。
（項目１６）
前記添加物のうちの少なくとも１つは、前記特徴的な寸法の多くて１００％の程度まで前記母材の中に埋め込まれる、項目１４に記載の太陽素子。
（項目１７）
前記添加物のうちの少なくとも１つは、前記特徴的な寸法の１００％を上回る程度まで前記母材の中に埋め込まれるが、前記埋込表面に隣接して局所化される、項目１４に記載の太陽素子。
（項目１８）
前記添加物は、ナノチューブ、ナノワイヤ、およびナノ粒子のうちの少なくとも１つを含む、項目１３に記載の太陽素子。
（項目１９）
前記添加物は、蛍光体を含む、項目１３に記載の太陽素子。
（項目２０）
前記蛍光体は、入射光のスペクトルシフトを行うことにより、前記光活性層の吸収に整合するように構成される、項目１９に記載の太陽素子。
（項目２１）
前記蛍光体は、紫外線範囲の中の光を吸収し、可視光範囲および赤外線範囲のうちの少なくとも１つの中の光を放出するように構成される、項目１９に記載の太陽素子。
（項目２２）
前記蛍光体は、赤外線範囲の中の光を吸収し、可視光範囲の中の光を放出するように構成される、項目１９に記載の太陽素子。
（項目２３）
前記蛍光体は、紫外線範囲および可視光範囲のうちの少なくとも１つの中の光を吸収し、可視光範囲および赤外線範囲のうちの少なくとも１つの中の光を放出するように構成される、項目１９に記載の太陽素子。
（項目２４）
前記一組の正面素子層および前記一組の背面素子層のうちの少なくとも１つは、正面カバーおよび背面カバーのうちの１つに対応する、項目１３に記載の太陽素子。
（項目２５）
前記一組の正面素子層および前記一組の背面素子層のうちの少なくとも１つは、封止材層に対応する、項目１３に記載の太陽素子。
（項目２６）
太陽素子であって、
該太陽素子は、
太陽電池と、
該太陽電池に光学的に接続される発光性太陽集光器であって、
該発光性太陽集光器は、
正面カバーと、
背面カバーと、
該正面カバーと該背面カバーとの間に配置される中間層であって、該中間層は、蛍光体を含み、該蛍光体が該中間層に少なくとも部分的に埋め込まれ、該中間層の埋込領域内に局所化されることにより、該中間層の残りが実質的に該蛍光体を欠いており、該蛍光体は、入射太陽放射を吸収し、該太陽電池に向かって誘導される放射を放出する、中間層と
を含む、発光性太陽集光器と
を含む、素子。
（項目２７）
前記正面カバーは、前記入射太陽放射に面するように構成され、前記蛍光体は、該正面カバーに隣接する前記埋込領域内に局所化される、項目２６に記載の太陽素子。
（項目２８）
前記蛍光体は、前記中間層の中に完全に埋め込まれるが、前記正面カバーに隣接して局所化される、項目２７に記載の太陽素子。
（項目２９）
前記中間層は、母材をさらに含み、該母材は、ポリマーおよびセラミックのうちの少なくとも１つを含み、前記蛍光体は、該母材の中に少なくとも部分的に埋め込まれる、項目２６に記載の太陽素子。
（項目３０）
前記蛍光体は、前記入射太陽放射のスペクトルシフトを行うように構成される、項目２６に記載の太陽素子。
（項目３１）
前記埋込領域の厚さは、前記中間層の全体厚さの４０％以下である、項目２６に記載の太陽素子。
（項目３２）
前記埋込領域の厚さは、前記中間層の全体厚さの３０％以下である、項目３１に記載の太陽素子。
（項目３３）
表面埋込添加物を有する素子であって、
該素子は、
第１のカバーと、
第２のカバーと、
該第１のカバーと該第２のカバーとの間に配置される中間層であって、
該中間層は、
母材と、
添加物であって、該添加物は、該母材の中に少なくとも部分的に埋め込まれ、該母材の埋込領域内に局所化され、該埋込領域の厚さは、該母材の全体厚さの５０％以下である、添加物と
を含む、中間層と
を含む、素子。
（項目３４）
前記埋込領域の厚さは、前記母材の全体厚さの４０％以下である、項目３３に記載の素子。
（項目３５）
前記埋込領域の厚さは、前記母材の全体厚さの３０％以下である、項目３４に記載の素子。
（項目３６）
前記添加物は、電導性、半電導性、光輝性、およびマルチクロミックのうちの少なくとも１つである、項目３３に記載の素子。
（項目３７）
前記添加物は、ナノチューブ、ナノワイヤ、およびナノ粒子のうちの少なくとも１つを含む、項目３３に記載の素子。
（項目３８）
前記添加物は、蛍光体を含む、項目３３に記載の素子。
（項目３９）
前記母材は、前記第１のカバーに隣接する第１の表面と、前記第２のカバーに隣接する反対側の第２の表面とを有し、前記添加物は、該母材の該第１の表面に隣接する前記埋込領域内に局所化される、項目３３に記載の素子。
（項目４０）
前記添加物および前記埋込領域は、それぞれ、第１の添加物および前記母材の第１の埋込領域に対応し、前記中間層は、第２の添加物をさらに含み、該第２の添加物は、該母材の中に少なくとも部分的に埋め込まれ、該母材の第２の埋込領域内に局所化される、項目３９に記載の素子。
（項目４１）
前記第１の埋込領域は、前記第２の埋込領域から離間している、項目４０に記載の素子。
（項目４２）
前記第２の埋込領域は、前記母材の第２の表面に隣接する、項目４１に記載の素子。
（項目４３）
前記添加物は、パターン化および非パターン化のうちの１つであり、前記素子は、タッチセンサである、項目３３に記載の素子。
（項目４４）
表面埋込添加物を有する素子構成要素であって、
該素子構成要素は、封止材を含み、
該封止材は、
母材と、
添加物であって、該添加物は、該母材の中に少なくとも部分的に埋め込まれ、該母材の埋込領域内に局所化され、該埋込領域の厚さは、該母材の全体厚さの５０％以下である、添加物と
を含む、素子構成要素。
本発明のいくつかの実施形態の性質および目的をより良く理解するために、添付図面と併せて解釈される、以下の詳細な説明を参照するべきである。
図１Ａは、添加物が、素子層のバルク全体を通して混合される、素子構成要素を例証する。図１Ｂは、添加物が、別の素子層上にある、ある素子層の全体を通して混合される、素子構成要素を例証する。図１Ｃは、添加物が、素子層上に、表面的にある、または表面堆積させられる、素子構成要素を例証する。 図１Ｄから１Ｉは、本発明の実施形態に従って実装される、種々の表面埋込素子構成要素を例証する。 図１Ｄから１Ｉは、本発明の実施形態に従って実装される、種々の表面埋込素子構成要素を例証する。 図１Ｄから１Ｉは、本発明の実施形態に従って実装される、種々の表面埋込素子構成要素を例証する。 図２Ａから２Ｈは、本発明の実施形態に従って実装される、付加的表面埋込素子構成要素を例証する。 図３は、本発明の実施形態による、波長の関数として、海面位におけるＡＭ１．５−Ｇ太陽スペクトルを例証する。 図４は、本発明の実施形態による、抵抗対添加物の装填レベルの対数プロットである。 図５Ａから５Ｃは、本発明の実施形態による、表面埋込素子構成要素を形成する製造方法を例証する。 図５Ａから５Ｃは、本発明の実施形態による、表面埋込素子構成要素を形成する製造方法を例証する。 図５Ａから５Ｃは、本発明の実施形態による、表面埋込素子構成要素を形成する製造方法を例証する。 図６から図８は、本発明の種々実施形態による、太陽素子を例証する。 図６から図８は、本発明の種々実施形態による、太陽素子を例証する。 図６から図８は、本発明の種々実施形態による、太陽素子を例証する。 図９は、本発明の実施形態による、スマートウィンドウを例証する。 図１０は、本発明の実施形態による、ディスプレイ素子を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１１は、本発明の実施形態による、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証する。 図１２は、本発明の実施形態による、異なる種類のタッチセンサおよびディスプレイを表す、いくつかの電子素子アーキテクチャの概略である。 図１２は、本発明の実施形態による、異なる種類のタッチセンサおよびディスプレイを表す、いくつかの電子素子アーキテクチャの概略である。 図１２は、本発明の実施形態による、異なる種類のタッチセンサおよびディスプレイを表す、いくつかの電子素子アーキテクチャの概略である。 図１２は、本発明の実施形態による、異なる種類のタッチセンサおよびディスプレイを表す、いくつかの電子素子アーキテクチャの概略である。
（定義）
以下の定義は、本発明のいくつかの実施形態に関して説明される側面のうちのいくつかに該当する。これらの定義は、同様に、本明細書に応じて、展開されてもよい。
本明細書で使用されるように、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」といった単数形の用語は、文脈が別様に明確に指示しない限り、複数の参照を含む。したがって、例えば、物体への参照は、文脈が別様に明確に指示しない限り、複数の物体を含むことができる。
本明細書で使用されるように、「一組」という用語は、１つ以上の物体の集合を指す。したがって、例えば、一組の物体は、単一の物体または複数の物体を含むことができる。一組の物体はまた、一組のうちの部材と呼ぶこともできる。一組のうちの物体は、同じまたは異なり得る。場合によっては、一組のうちの物体は、１つ以上の共通特性を共有することができる。
本明細書で使用されるように、「隣接する」という用語は、付近にある、または接していることを指す。隣接する物体は、相互から離間することができ、あるいは相互と実際にまたは直接接触することができる。場合によっては、隣接する物体は、相互に接続することができ、または相互と一体的に形成することができる。
本明細書で使用されるように、「接続する」、「接続された」、および「接続」という用語は、動作的連結または連鎖を指す。接続された物体は、相互に直接連結することができ、または別の一組の物体を介する等して、相互に間接的に連結することができる。
本明細書で使用されるように、「実質的に」および「実質的な」という用語は、相当の度合いまたは程度を指す。事象または状況と併せて使用される時、本用語は、事象または状況が正確に生じる場合、ならびに事象または状況が、本明細書で説明される製造方法の典型的な許容レベルを考慮して等、ほぼ近似して生じる場合を指すことができる。
本明細書で使用されるように、「随意的な」および「随意で」という用語は、後に説明される事象または状況が生じても生じなくてもよいことと、その説明が、事象または状況が生じる場合と、生じない場合を含むこととを意味する。
本明細書で使用されるように、「内側」、「内部」、「外側」、「外部」、「上部」、「底部」、「正面」、「後方」、「背面」、「上方」、「上向きに」、「下方」、「下向きに」、「垂直」、「垂直に」、「横方向」、「横方向に」、「上側」、および「下側」等の相対的用語は、図面によるように、相互に対する一組の物体の配向を指すが、製造または使用中に、これらの物体の特定の配向を必要としない。
本明細書で使用されるように、「サブナノメートル」または「サブｎｍ範囲」とは、約０．１ｎｍから約１ｎｍまで等の約１ナノメートル（ｎｍ）未満の寸法の範囲を指す。
本明細書で使用されるように、「ナノメートル範囲」または「ｎｍ範囲」とは、約１ｎｍから約１マイクロメートル（「μｍ」）の寸法の範囲を指す。ｎｍ範囲は、約１ｎｍから約１０ｎｍの寸法の範囲を指す「下方ｎｍ範囲」、約１０ｎｍから約１００ｎｍの寸法の範囲を指す「中間ｎｍ範囲」、および約１００ｎｍから約１μｍの寸法の範囲を指す「上方ｎｍ範囲」を含む。
本明細書で使用されるように、「マイクロメートル範囲」または「μｍ範囲」という用語は、約１μｍから約１ミリメートル（ｍｍ）の寸法の範囲を指す。μｍ範囲は、約１μｍから約１０μｍの寸法の範囲を指す「下方μｍ範囲」、約１０μｍから約１００μｍの寸法の範囲を指す「中間μｍ範囲」、および約１００μｍから約１ｍｍの寸法の範囲を指す「上方μｍ範囲」を含む。
本明細書で使用されるように、「アスペクト比」とは、物体の最大寸法または範囲および物体の残りの寸法または範囲の平均の比を指し、残りの寸法は、相互に対して、または最大寸法に対して直交する。場合によっては、物体の残りの寸法は、実質的に同じとなり得、残りの寸法の平均は、残りの寸法のうちのいずれか一方に実質的に対応することができる。例えば、円柱のアスペクト比は、円柱の長さおよび円柱の断面直径の比を指す。別の実施例として、回転楕円体のアスペクト比は、回転楕円体の主軸および回転楕円体の短軸の比を指す。
本明細書で使用されるように、「サブナノサイズの添加物」という用語は、サブｎｍ範囲内の少なくとも１つの寸法を有する添加物を指す。サブナノサイズの添加物は、多種多様の形状のうちのいずれかを有することができ、多種多様の材料で形成することができる。
本明細書で使用されるように、「ナノサイズの添加物」という用語は、ｎｍ範囲内の少なくとも１つの寸法を有する添加物を指す。ナノサイズの添加物は、多種多様の形状のうちのいずれかを有することができ、多種多様の材料で形成することができる。ナノサイズの添加物の実施例は、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノプレートレット、およびナノ粒子を含む。
本明細書で使用されるように、「ナノワイヤ」とは、実質的に中実である、細長いナノサイズの添加物を指す。典型的には、ナノワイヤは、ｎｍ範囲内の横寸法（例えば、幅、直径、または直交方向にわたる平均を表す幅または直径の形態である断面寸法）、μｍ範囲内の縦寸法（例えば、長さ）、および約３以上であるアスペクト比を有する。
本明細書で使用されるように、「ナノプレートレット」とは、実質的に中実である、平面状のナノサイズの添加物を指す。
本明細書で使用されるように、「ナノチューブ」という用語は、細長い中空でナノサイズの添加物を指す。典型的には、ナノチューブは、ｎｍ範囲内の横寸法（例えば、幅、外径、または直交方向にわたる平均を表す幅または外径の形態である断面寸法）、μｍ範囲内の縦寸法（例えば、長さ）、および約３以上であるアスペクト比を有する。
本明細書で使用されるように、「ナノ粒子」という用語は、回転楕円体でナノサイズの添加物を指す。典型的には、ナノ粒子の各寸法（例えば、幅、直径、または直交方向にわたる平均を表す幅または直径の形態である断面寸法）は、ｎｍ範囲内であり、ナノ粒子は、約１等の約３未満であるアスペクト比を有する。
本明細書で使用されるように、「ミクロンサイズの添加物」という用語は、μｍ範囲内の少なくとも１つの寸法を有する添加物を指す。典型的には、ミクロンサイズの添加物の各寸法は、μｍ範囲内であるか、またはμｍ範囲を超える。ミクロンサイズの添加物は、多種多様の形状のうちのいずれかを有することができ、多種多様の材料で形成することができる。ミクロンサイズの添加物の実施例は、マイクロワイヤ、マイクロチューブ、およびマイクロ粒子を含む。
本明細書で使用されるように、「マイクロワイヤ」という用語は、実質的に中実である細長いミクロンサイズの添加物を指す。典型的には、マイクロワイヤは、μｍ範囲内の横寸法（例えば、幅、直径、または直交方向にわたる平均を表す幅または直径の形態である断面寸法）、および約３以上であるアスペクト比を有する。
本明細書で使用されるように、「マイクロチューブ」という用語は、細長い中空でミクロンサイズの添加物を指す。典型的には、マイクロチューブは、μｍ範囲内の横寸法（例えば、幅、外径、または直交方向にわたる平均を表す幅または外径の形態である断面寸法）、および約３以上であるアスペクト比を有する。
本明細書で使用されるように、「マイクロ粒子」という用語は、回転楕円体でミクロンサイズの添加物を指す。典型的には、マイクロ粒子の各寸法（例えば、幅、直径、または直交方向にわたる平均を表す幅または直径の形態である断面寸法）は、μｍ範囲内であり、マイクロ粒子は、約１等の約３未満であるアスペクト比を有する。
本明細書で使用されるように、「紫外線範囲」という用語は、約５ｎｍから約４００ｎｍの波長の範囲を指す。
本明細書で使用されるように、「可視光範囲」という用語は、約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長の範囲を指す。
本明細書で使用されるように、「赤外線範囲」という用語は、約７００ｎｍから約２ｍｍの波長の範囲を指す。
本明細書で使用されるように、「封止材」という用語は、ポッタントまたはポッティング材料、正面シート、中間層、光学的にクリアな接着剤（または、ＯＣＡ）、および／または環境からの障壁となる、電子素子を封止または密閉するために使用される、背面シート材料、ならびに／あるいは光学接合材料を指す。いくつかの事例では、封止材は、封止材料および正面シートの両方の機能を果たすことができる。いくつかの事例では、封止材は、以下の材料のうちの１つ以上を含んでもよい：エチレン酢酸ビニル（または、ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（または、ＰＶＢ）、アイオノマー、熱可塑性ポリウレタン（または、ＴＰＵ）、熱可塑性ポリオレフィン（または、ＴＰＯ）、熱可塑性エラストマー（または、ＴＰＥ）、シリコーン、シロキサン、任意の他のポリマー、ダイヤモンド状炭素薄膜、ゾルゲル、ケイ酸ナトリウム、ならびにＴｅｏｎｅｘ（Ｒ） ＰＥＮ、Ｔｅｆｌｏｎ（Ｒ）、Ｍｅｌｉｎｅｘ（Ｒ） ＳＴ、Ｅｌｖａｘ（Ｒ） ＰＶ ＥＶＡ、ＤｕＰｏｎｔ ＰＶ５２００封止材、ＤｕＰｏｎｔ ＰＶ５３００封止材、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ ＰＶ−６１００封止材、１−２５７７低ＶＯＣコーティング、１−２６２０低ＶＯＣコーティング、ＰＶ−６１５０セル封止材、ＰＶポッティング剤、ＰＶ密封剤、Ｄｏｗ Ｅｎｌｉｇｈｔ ポリオレフィン封止材膜、ＳＴＲ ＥＶＡ Ｐｈｏｔｏｃａｐ（登録商標） Ａ９９１８Ｐ／ＵＦ、ＳＴＲ Ｐｈｏｔｏｃａｐ ２５５３９Ｐ熱可塑性封止材、ＳＴＲ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ、Ｓｏｌｕｔｉａ Ｖｉｓｔａｓｏｌａｒ ＥＶＡ、Ｅｔｉｍｅｘ Ｓｏｌａｒ ＧｍｂＨ封止材、Ｓａｆｌｅｘ ＰＶＢ、Ｓａｌｆｅｘ ＰＧ４１薄肉封止材、Ｃｙｔｅｃ封止材、ＤｕＰｏｎｔ ＰＶ５４００アイオノマー封止材シート、Ｅｌｌｓｗｏｒｔｈエポキシ封止材、Ｖ−ｇｏｏｌ ＥＶＡ封止材、Ｂｉｘｂｙ ＢｉｘＣｕｒｅ ＥＶＡ、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ ＬｉｇｈｔＳｗｉｔｃｈ Ｆｒｏｎｔｓｈｅｅｔ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ ＬｉｇｈｔＳｗｉｔｃｈ封止材、３Ｍ８１７１、３Ｍ８１７２として利用可能な封止材、あるいは標準的封止材、正面シート、または背面シート材料の任意の組み合わせもしくは変形例。
（表面埋込添加物を伴う素子構成要素）
本明細書で説明される表面埋込素子構成要素は、活性または官能化添加物の混入を通して、所望の特性を獲得しようとする、他の考えられるアプローチとは異なる。３つの他のアプローチが図１Ａから図１Ｃに例証され、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈを参照して例証および説明される、改良型表面埋込素子構成要素と対比される。
図１Ａは、素子構成要素１００を例証しており、添加物１０２が、素子層１０４のバルク全体を通して混合される。図１Ｂは、素子構成要素１０６を例証しており、添加物１０８は、（添加物１０８とともに）別の素子層１１２上にコーティングまたは別様に配置される、ある素子層１１０全体を通して混合される。図１Ｃは、素子構成要素１１４を例証しており、添加物１１６は、素子層１１８上に表面的にある、または表面に堆積される。図１Ｃに描写されるような構成は、表面堆積添加物１１６の素子層１１８への接着不良を有し得る。
対照的に、図１Ｄから図１Ｉは、本発明の実施形態に従って実装される、種々の表面埋込素子構成要素１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、および１７０を例証する。図１Ｄは、部分的に、露出され、かつ部分的に、電子または光電子素子の素子層または他の構成要素に対応する、母材１３２の上部埋込表面１３４に埋入される、表面埋込添加物１３０の概略である。埋込表面１３４はまた、母材１３２の底部表面となることができる。図１Ｄに例証されるように、添加物１３０は、埋込表面１３４に隣接し、母材１３２の埋込領域１３８内に局所化され、残りの母材１３２は、大部分が添加物１３０を欠いている。例証される実施形態では、埋込領域１３８は、比較的薄く（例えば、母材１３２の全体的な厚さよりも小さい、または遥かに小さい厚さを有する、あるいは添加物１３０の特徴的な寸法に匹敵する厚さを有する）、したがって、「平面的」または「平面状」と呼ぶことができる。あるポリマーまたはポリマー含有複合材料等の母材１３２の適正な選択を通して、素子構成要素１２０は、透明かつ可撓性、ならびに軽量となり得る。しかしながら、素子構成要素１２０が、透明または可撓性である必要がない、他の実施形態を実装することもできる。素子構成要素１２０（ならびに本明細書で説明される他の表面埋込構造）は、従来の構造よりも遥かに平滑となり得る。粗度が隣接する素子層への侵入、隣接する素子層への接着不良、層間剥離、および他の望ましくない効果につながり得るため、高い平滑度（例えば、低い粗度）が、望ましくなり得る。
図１Ｅは、電子または光電子素子の素子層あるいは他の構成要素に対応する、母材１４２の上部埋込表面１４０に完全に埋め込まれる、表面埋込添加物１３６の概略図である。埋込表面１４０はまた、母材１４２の底部表面となることができる。図１Ｅに例証されるように、添加物１３６は、埋込表面１４０に隣接し、母材１４２の埋込領域１４４内に局所化され、残りの母材１４２は、大部分が添加物１３６を欠いている。例証される実施形態では、埋込領域１４４は、比較的薄く（例えば、母材１４２の全体的な厚さよりも小さい、または遥かに小さい厚さを有する、あるいは添加物１３６の特徴的な寸法に匹敵する厚さを有する）、したがって、「平面的」または「平面状」と呼ぶことができる。そのようにして、添加物１３６は、ある比較的均一な距離で埋込表面１４０の下に完全に埋め込まれるにもかかわらず、実質的に平面的な構成でとどまることができる。あるポリマーまたはポリマー含有複合材料等の母材１４２の適正な選択を通して、素子構成要素１２２は、透明かつ可撓性、ならびに軽量となり得る。しかしながら、素子構成要素１２２が、透明または可撓性である必要がない、他の実施形態を実装することもできる。図１Ｉは、図１Ｅに類似するが、添加物１７２が、完全に埋め込まれ、母材１７４の上部埋込表面１７６に近接する（または、直下にある）、概略図である。
図１Ｆは、電子または光電子素子の素子層あるいは他の構成要素対応する、母材１５０の上部埋込表面１４８に完全に埋め込まれる、表面埋込添加物１４６の概略図である。埋込表面１４８はまた、母材１５０の底部表面となることができる。図１Ｆに例証されるように、添加物１４６は、埋込表面１４８に隣接し、母材１５０の埋込領域１５２内に局所化され、残りの母材１５０は、大部分が添加物１４６を欠いている。例証される実施形態では、埋込領域１５２の厚さは、添加物１４６の特徴的な寸法（例えば、添加物１４６のうちの個別の１つの断面直径、または添加物１４６にわたる平均断面直径）よりも大きいが、依然として母材１５０の全体的な厚さよりも小さい（または、遥かに小さい）。添加物１４６は、複数の層として埋込領域１５２内に分布または配列することができ、特定の層の添加物１４６は、埋込表面１４８の下に完全に埋め込まれるにもかかわらず、実質的に平面的な構成にとどまる。図１Ｆに例証されていないものの、別の実装は、図１Ｆと同様となるが、添加物１４６が母材１５０の埋込表面１４８で部分的に露出されることに留意されたい。
図１Ｇは、部分的に露出され、別の素子層１６０上にコーティングまたは別様に配置される、ある素子に対応する、母材１５８の上部埋込表面１５６に部分的に埋入される、表面埋込添加物１５４の概略図である。母材１５８は、基板としての機能を果たす、素子層１６０上に配置される、スラリーまたはペースと等のコーティングまたは他の二次材料として、実装することができる。図１Ｇに例証されるように、添加物１５４は、埋込表面１５６に隣接し、母材１５８の埋込領域１６２内に局所化され、残りの母材１５８は、大部分が添加物１５４を欠いている。また、添加物１５４の特徴的な寸法に匹敵する厚さを有する、比較的薄いコーティングの場合等において、添加物１５４は、母材１５８内のより大きい体積分率の全体を通して分布することができることが検討される。例証される実施形態では、埋込領域１６２は、比較的薄く、したがって、「平面的」または「平面状」と呼ぶことができる。図１Ｇに例証されていないものの、別の実装は、図１Ｇと同様となるが、添加物１５４が母材１５８の埋込表面１５６より下側で完全に埋め込まれることに留意されたい。
図１Ｈは、順序付けられたパターンを形成するよう、母材１６６にわたって局所化される、表面埋込添加物１６４の概略図である。添加物１６４は、上部埋込表面１６８に部分的に埋め込まれ、母材１６６の埋込領域内に局所化することができ（例えば、図１Ｄおよび図１Ｇと同様である）、埋込表面１６８より下側で完全に埋め込むことができ（例えば、図１Ｅ、図１Ｉ、および図１Ｆと同様である）、またはそれらの組み合わせであるが、添加物１６４は、母材１６６にわたって均一に位置せず、むしろパターン化される。格子パターンが図１Ｈに例証されているが、パターンは、概して、非周期的（または、周期的ではない、ランダムな）パターン、ならびにダイヤモンドパターン、正方形パターン、長方形パターン、三角形パターン、種々の多角形パターン、波形パターン、角度パターン、相互接続パターン（例えば、電子または光電子素子内の回路の形態である）、またはそれらの任意の組み合わせ等の周期的パターンを含むことができることに留意されたい。図１Ｈは、パターンの形成が生じるが、個別「直線」状区分の構成が、図１Ｄから図１Ｇ、図１Ｉ、および以下の図２で例証される構成のうちのいずれか、または構成の組み合わせと同様である表面埋込添加物を含むことをパターンの「直線」状区分の拡大図が明らかにすることを例証する。電導性、熱伝導性、および吸収促進を提供するために、添加物１６４（ならびに図１Ｄから図１Ｇ、図１Ｉ、および以下の図２で例証される添加物）は、平均して、パターンの特徴的な長さ（例えば、個別「直線」状区分の長さ）よりも短い縦寸法、平均して、パターンの特徴的な幅（例えば、個別「直線」状区分の幅）よりも長い縦寸法、または両方を伴う、銀（または、Ａｇ）ナノワイヤ、銅（または、Ｃｕ）ナノワイヤ、あるいはそれらの組み合わせ等の金属ナノワイヤを含むことができる。他の種類の添加物および添加物の他の組み合わせもまた、銀ナノ粒子を含むナノ粒子または他の金属ナノ粒子等、金属ナノワイヤの代わりに、またはそれと組み合わせて使用することができる。いくつかの実施形態では、添加物１６４は、太陽素子、タッチスセンサ、およびスマートウィンドウ等の素子で使用するための相互接続または相互接続格子としての機能を果たすことができる、実線を形成するように焼結するか、または別様に融合することができる。そのような実施形態は、増進した耐久性を含み、層間剥離しやすくなり得る、かつ伝導性を阻害し得る、または抵抗を増加させ得るコーティングまたは他の結合材料の省略を可能にする、従来のアプローチに優るいくつかの利点を提供する。
表面埋込素子構成要素の他の構成が、図２Ａから図２Ｈに例証されている。図２Ａから図２Ｈに例証される表面埋込素子構成要素のある側面は、図１Ｄから図１Ｉにおいて上記で例証および説明されるのと同様に実装することができ、これらの側面は、以下で繰り返されない。
図２Ａは、異なる種類のナノワイヤ、異なる種類のナノチューブ、またはそれらの組み合わせの形態で、少なくとも２つの異なる種類の添加物２００および２０２を含む、表面埋込添加物の概略図である。一般に、添加物２００および２０２は、例えば、それらの寸法、形状、材料組成、またはそれらの組み合わせに関して異なり得る。図２Ａに例証されるように、添加物２００および２０２は、層状配列等の特定の配列において埋込領域２０４内に局所化される。各層は、主に、それぞれの異なる種類の添加物を含むことができるが、異なる種類の添加物が層の間を横断することもできる。添加物２００および２０２のそのような層状配列はまた、異なる埋込領域に関して説明することもでき、それぞれの異なる種類の添加物が、それぞれの埋込領域内に局所化される。添加物２００および２０２は、完全に埋め込まれたものとして例証されているが、添加物２００および２０２のうちの少なくともいくらかを部分的に埋め込むか、または表面を露出させることができることが検討される。図２Ｂは、図２Ａと同様の概略図であるが、異なる種類のナノ粒子の形態である少なくとも２つの異なる種類の添加物２０６および２０８を伴う。また、ナノワイヤおよびナノチューブのいずれか一方または両方と組み合わせて、ナノ粒子を含むことができることも検討される。さらに、特定の種類の添加物に関して本明細書で説明される他の実施形態を、異なる種類の添加物を用いて実装できることが検討される。添加物２０６および２０８は、完全に埋め込まれたものとして例証されているが、添加物２０６および２０８のうちの少なくともいくらかを部分的に埋め込むか、または表面を露出させることができることが検討される。
図２Ｃは、ある素子層に対応する、母材２１２に部分的に埋め込まれる、表面埋込添加物２１０の概略図であり、コーティングとしれ実装される別の素子層２１４が、添加物２１０を完全に被覆するか、または図２Ｃに例証されるように部分的に露出されたままにして、添加物２１０の周囲を充填する。素子層２１４は、母材２１２（または、本明細書で説明される他の母材）と同じまたは同様の組成を有することができ、あるいは太陽素子との関連で仕事関数を調節する緩衝層としての機能を果たすように、もしくは表面埋込添加物２１０によって提供される伝導性経路の代わりに、またはそれと組み合わせて、電流が流れるための伝導性経路を提供するように、電導性材料または半導体（例えば、インジウムスズ酸化物（「ＩＴＯ」）、ＺｎＯ（ｉ）、ＺｎＯ：Ａ１、ＺｎＯ：Ｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、Ｃｄ２ＳｎＯ４、ＣｄＳ、ＺｎＳ、別ののドープした金属酸化物、電導性または半電導性ポリマー、カーボンナノチューブ系コーティング等のフラーレン系コーティング、または透明である別の電導性材料）を使用して実装される時等、付加的または修正機能性を提供するように異なる組成を有することができる。ＩＴＯの場合、例えば、表面埋込添加物２１０の存在は、低減した量のＩＴＯが使用されることを可能にすることによって、費用節約を提供し、したがって、１００ｎｍ未満、約７５ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約３０ｎｍ以下、約２０ｎｍ以下、約１０ｎｍ以下、および約５ｎｍ以下までの厚さ等の（添加物２１０の欠如に対する）素子層２１４の低減した厚さを提供することができる。加えて、表面埋込添加物２１０の存在は、低温硬化を伴うＩＴＯの溶液堆積を（スパッタリングの代わりに）可能にすることができる。結果として生じる比較的低い伝導性ＩＴＯ層が、依然として仕事関数整合を満たすことができる一方で、添加物２１０は、高温硬化を伴わない溶液堆積されたＩＴＯによって示される、伝導性の低減を軽減することができる。添加物２１０は、パターン（例えば、格子パターンまたは図１Ｈについて前述されるもの等の任意の他のパターン）で配列することができ、素子層２１４は、添加物２１０を完全に覆うよう、または部分的に露出されたままにして、実質的に整合するパターン（例えば、整合する格子パターンまたは図１Ｈについて前述されるもの等の任意の他の整合するパターン）で形成できることが検討される。代替として、または併用して、添加物２１０網は、堆積または別様に塗布される、規則的伝導性格子によって、補完することができる。
図２Ｃに例証される表面埋込素子構成要素はまた、有用、例えば、タッチセンサパネル、タッチセンサ、またはタッチディスプレイとしても有用であることができ、添加物２１０は、投影容量タッチセンサ、容量タッチセンサ、抵抗タッチセンサ、またはそれらの組み合わせを形成することができる。ある実施形態では、母材２１２は、例えば、光学的にクリアな接着剤（または、ＯＣＡ）である。ある実施形態では、添加物２１０は、パターン化、非パターン化、またはそれらの組み合わせである、透明伝導性電極としての機能を果たすことができる。そのような実装は、とりわけ、タッチセンサ内に含まれる相の数を減少させるのに有用である。
図２Ｄは、図１Ｄと同様の概略図であるが、ナノワイヤ２１８（または、他の高アスペクト比添加物）と組み合わせて表面に埋め込まれ、「平面的」または「平面状」埋込領域２２２内に局所化される、ナノ粒子２１６を伴う。例証されていないが、ナノ粒子２１６およびナノワイヤ２１８のいずれか一方または両方は、（例えば、図１Ｅ、図１Ｆ、または図１Ｉに例証される構成と同様に）上部埋込表面２２０より完全に下側にあり得る。
図２Ｅは、図１Ｄと同様の概略図であるが、異なる種類のナノワイヤ、異なる種類のナノチューブ、またはナノワイヤおよびナノチューブの組み合わせの形態である、少なくとも２つの異なる種類の添加物２２４および２２６を伴う。例証されていないが、添加物２２４および２２６のいずれか一方または両方は、（例えば、図１Ｅ、図１Ｆ、または図１Ｉに例証される構成と同様に）上部埋込表面２２８より完全に下側にあり得る。
図２Ｆは、母材２３０の概略図であって、母材２３０は、母材２３０の両側において、添加物が埋め込まれる。特に、添加物２３２が、母材２３０の上部埋込表面２３６に少なくとも部分的に埋め込まれ、上部埋込表面２３６に隣接し、母材２３０の埋込領域２４０内に局所化される一方で、添加物２３４は、母材２３０の底部埋込表面２３８に少なくとも部分的に埋め込まれ、底部埋込表面２３８に隣接し、母材２３０の埋込領域２４２内に局所化される。母材２３０の任意の特定の側面について、母材２３０の中の添加物の埋込、または異なる種類の添加物の包含の程度は、上記で、後に以下で説明されるのと同様に実装できることが検討される。添加物２３２および２３４は、部分的に、母材２３０に埋め込まれるように例証されるが、添加物２３２および２３４の少なくともいくつかのは、母材２３０に完全に埋め込まれることができることが検討される。さらに、添加物は、母材２３０のエッジまたは横方向表面のうちのいずれか１つ以上等の母材２３０の付加的な表面に埋め込むことができることが検討される。
図２Ｆに例証される表面埋込素子構成要素は、例えば、太陽素子の封止材層として有用となり得、添加物２３２は、入射太陽光に面し、太陽素子の光活性層のバンドギャップエネルギーに整合するように、スペクトルシフトを行い、添加物２３４は、一電極または電流集電器としての機能を果たし、ナノ粒子、マイクロ粒子、ナノワイヤ、マイクロワイヤ、ナノチューブ、マイクロチューブ、または他の形態、あるいはそのような形態の組み合わせの形態である、炭素、金属、金属酸化物、カーボンブラック、グラフェン、またはそれらの組み合わせ等の電導性材料を含む。図２Ｆに例証される表面埋込素子構成要素はまた、例えば、不親和性蛍光体の場合におけるように、添加物２３２および２３４が離間することが望ましい場合、封止材層または他の素子層として有用であり得る。
図２Ｆに例証される表面埋込素子構成要素はまた、例えば、タッチセンサパネル、タッチセンサ、またはタッチディスプレイとして有用であり得、添加物２３２および２３４は、投影容量タッチセンサ、容量タッチセンサ、抵抗タッチセンサ、またはそれらの組み合わせを形成するように相互作用することができる。ある実施形態では、母材２３０は、例えば、光学的にクリアな接着剤（または、ＯＣＡ）である。ある実施形態では、添加物２３２および２３４は、パターン化、非パターン化、またはそれらの組み合わせである、透明伝導性電極としての機能を果たすことができる。そのような実装は、とりわけ、タッチセンサ内に含まれる層の数を減少させるのに有用である。
図２Ｇは、図２Ｃと同様の概略図であるが、別の素子層２４８上に配置されたコーティングとして実装される素子層に対応する、母材２４６に部分的に埋め込まれる、表面埋込添加物２４４を伴い、コーティングとして実装される別の素子層２５０が、添加物２４４の周囲の少なくとも１つの層を充填し、部分的に露出されたままにするか、または図２Ｇに例証されるように添加物２４４を完全に被覆して、添加物２４４に電気的に接続される。添加物２４４を完全に被覆することによって、素子層２５０の結果として生じる表面は、極めて平滑である（例えば、添加物２４４がない場合の素子層２５０の固有の平滑度または粗度に実質的に匹敵する、平滑度または粗度を有する）。素子層２５０は、母材２４６（または、本明細書で説明される他の母材）と同じまたは同様の組成を有することができ、あるいは太陽素子との関連で仕事関数を調節する緩衝層としての機能を果たすように、もしくは表面埋込添加物２４４によって提供される伝導性経路の代わりに、またはそれと組み合わせて、電流が流れるための伝導性経路を提供するように、電導性材料または半導体（例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ（ｉ）、ＺｎＯ：Ａ１、ＺｎＯ：Ｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、Ｃｄ２ＳｎＯ４、ＣｄＳ、ＺｎＳ、他のドープした金属酸化物、電導性または半電導性ポリマー、カーボンナノチューブ系コーティング等のフラーレン系コーティング、または透明である別の電導性材料）を使用して実装される時等、付加的または修正機能性を提供するように異なる組成を有することができる。ＩＴＯの場合、例えば、表面埋込添加物２４４の存在は、低減した量のＩＴＯが使用されることを可能にすることによって、費用節約を提供し、したがって、約１００ｎｍ未満、約７５ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約３０ｎｍ以下、約２０ｎｍ以下、約１０ｎｍ以下、および約５ｎｍ以下までの厚さ等の（添加物２４４の欠如に対する）素子層２５０の低減した厚さを提供することができる。加えて、表面埋込添加物２４４の存在は、低温硬化を伴うＩＴＯの溶液堆積を（スパッタリングの代わりに）可能にすることができる。結果として生じる比較的低い伝導性ＩＴＯ層が、依然として仕事関数整合を満たすことができる一方で、添加物２４４は、高温硬化を伴わない溶液堆積されたＩＴＯによって示される、伝導性の低減を軽減することができる。添加物２４４は、パターン（例えば、格子パターンまたは図１Ｈについて前述されるもの等の任意の他のパターン）で配列することができ、素子層２５０は、添加物２４４を完全に覆うよう、または部分的に露出されたままにして、実質的に整合するパターン（例えば、整合する格子パターンまたは図１Ｈについて前述されるもの等の任意の他の整合するパターン）で形成できることが検討される。代替として、または併用して、添加物２４４網は、堆積または別様に塗布される、規則的伝導性格子によって、補完されることができる。
図２Ｈは、図２Ｆのものと同様の概略図であるが、添加物２６０は、母材２６２の上部埋込表面２６４に少なくとも部分的に埋め込まれ、上部埋込表面２６４に隣接し、母材２６２の埋込領域２６６内に局所化される一方で、添加物２７２は、母材２６２の底部埋込表面２６８に少なくとも部分的に埋め込まれ、底部埋込表面２６８に隣接し、母材２６２の埋込領域２７０内に局所化される。添加物２６０および２７２は、母材２６２に完全に埋め込まれたものとして例証されているが、添加物２６０および２７２のうちの少なくともいくらかを部分的に埋め込むか、または表面を露出させることができることが検討される。例証される実施形態では、母材２６２はまた、添加物２６０と２７２との間の配置され、母材２６２の内部の埋込領域２７６内に局所化される、添加物２７４が埋め込まれる。図２Ｈに例証される表面埋込素子構成要素は、例えば、スマートウィンドウに対して有用であり得、添加物２６０および２７２は、一対の電極としの機能を果たし、添加物２７４は、色または色調変化機能性を提供する。
本明細書で説明される、ある表面埋込素子構成要素の一側面は、母材の中の垂直添加物濃度勾配の提供、すなわち、母材の厚さの方向に沿った勾配である。（例えば、図１Ａに例証されるような）バルク混入は、母材の全体を通して均一な垂直添加物濃度勾配を提供することを目標とするが、凝集および他の効果が、そのような均一な勾配が実践で達成されるのを妨げる場合がある。（例えば、図１Ｂに例証されるような）従来のコーティング実装について、垂直添加物濃度勾配は、コーティングと下層基板との間に存在することができるが、バルク混入と同様に、従来のコーティング実装は、コーティングの全体を通して均一な垂直添加物濃度勾配を提供することを目標とする。対照的に、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素は、母材の埋込領域内の添加物の局所化性に従って、可変で制御可能な垂直添加物濃度勾配を可能にする。ある実装について、埋込領域内の添加物の局所化性の程度は、添加物の少なくとも大部分（重量、体積、数密度あたり）が埋込領域内に含まれ、添加物の少なくとも約６０％（重量、体積、数密度あたり）がそのように含まれ、添加物の少なくとも約７０％（重量、体積、数密度あたり）がそのように含まれ、添加物の少なくとも約８０％（重量、体積、数密度あたり）がそのように含まれ、または添加物の少なくとも約９０％（重量、体積、数密度あたり）がそのように含まれ、または添加物の少なくとも約９５％（重量、体積、数密度あたり）がそのように含まれるようなものである。例えば、添加物の実質的にすべては、残りの母材が添加物を実質的に欠いているように、埋込領域内に局所化することができる。ある用途およびある素子構成要素について、また、バルク混入または従来のコーティング実装は、埋込領域内の添加物の局所化性の代わりに、またはそれと組み合わせて、使用することができることが検討される。
一般に、添加物は、ナノサイズの添加物、ミクロンサイズの添加物、ならびにサブｎｍ範囲内でサイズ決定される添加物の形態となり得る、電導性材料、半導体、蛍光体、マルチクロミック材料、別の種類の材料、またはそれらの組み合わせを含むことができる。添加物はまた、コロイド、および溶存原子または分子種等の原子あるいは分子種の形態であることができる。例えば、少なくとも１つの添加物は、約０．１ｎｍから約１ｍｍの範囲内の断面寸法を有することができる（または、添加物の集団が平均断面寸法を有することができる）。いくつかの実施形態では、断面寸法（または、平均断面寸法）は、約１ｎｍから約１００ｎｍ、約１ｎｍから約２０ｎｍ、約２０ｎｍから約１００ｎｍ、約１ｎｍから約５０ミクロン、約１００ｎｍから約１ミクロン、約１ｎｍから約１００ミクロン、または約５００ｎｍから約５０ミクロンの範囲内である。いくつかの実施形態では、実質的にすべての添加物は、約０．１ｎｍから約１ｍｍ、または約０．１ｎｍから約１００ミクロンの範囲内の断面寸法を有する。
電導性を付与することが望ましい場合、添加物は、電導性材料、半導体、またはそれらの組み合わせを含むことができる。電導性材料の実施例は、金属（例えば、銀、銅、および金）、金属合金、銀ナノワイヤ、銅ナノワイヤ、金ナノワイヤ、炭素系導体（例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、およびバッキーボール）、随意でドープされる金属酸化物およびカルコゲニド（例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ（ｉ）、ＺｎＯ：Ａ１、ＺｎＯ：Ｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、Ｃｄ２ＳｎＯ４、ＣｄＳ、ＺｎＳ、および他のドープした金属酸化物）、電導性ポリマー、およびそれらの任意の組み合わせを含む。半導体材料の実施例は、半電導性ポリマー、ＩＶＢ族元素（例えば、炭素（または、Ｃ）、シリコン（または、Ｓｉ）、およびゲルマニウム（または、Ｇｅ））、ＩＶＢ−ＩＶＢ族二元合金（例えば、炭化ケイ素（または、ＳｉＣ）およびシリコンゲルマニウム（または、ＳｉＧｅ））、ＩＩＢ−ＶＩＢ族二元合金（例えば、セレン化カドミウム（または、ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（または、ＣｄＳ）、テルル化カドミウム（または、ＣｄＴｅ）、酸化亜鉛（または、ＺｎＯ）、セレン化亜鉛（または、ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（または、ＺｎＴｅ）、および硫化亜鉛（または、ＺｎＳ））、ＩＩＢ−ＶＩＢ族三元合金（例えば、テルル化カドミウム亜鉛（または、ＣｄＺｎＴｅ）、テルル化カドミウム水銀（または、ＨｇＣｄＴｅ）、テルル化水銀亜鉛（または、ＨｇＺｎＴｅ）、およびセレン化水銀亜鉛（または、ＨｇＺｎＳｅ））、ＩＩＩＢ−ＶＢ族二元合金（例えば、アンチモン化アルミニウム（または、ＡｌＳｂ）、ヒ化アルミニウム（または、ＡｌＡｓ）、窒化アルミニウム（または、ＡｌＮ）、リン化アルミニウム（または、ＡｌＰ）、窒化ホウ素（または、ＢＮ）、リン化ホウ素（または、ＢＰ）、ヒ化ホウ素（または、ＢＡｓ）、アンチモン化ガリウム（または、ＧａＳｂ）、ヒ化ガリウム（または、ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（または、ＧａＮ）、リン化ガリウム（または、ＧａＰ）、アンチモン化インジウム（または、ＩｎＳｂ）、ヒ化インジウム（または、ＩｎＡｓ）、窒化インジウム（または、ＩｎＮ）、リン化インジウム（または、ＩｎＰ））、ＩＩＩＢ−ＶＢ族三元合金（例えば、ヒ化アルミニウムガリウム（または、ＡｌＧａＡｓあるいはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（または、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ）、リン化インジウムガリウム（または、ＩｎＧａＰ）、ヒ化アルミニウムインジウム（または、ＡｌＩｎＡｓ）、アンチモン化アルミニウムインジウム（または、ＡｌＩｎＳｂ）、窒化ガリウムヒ素（または、ＧａＡｓＮ）、リン化ガリウムヒ素（または、ＧａＡｓＰ）、窒化アルミニウムガリウム（または、ＡｌＧａＮ）、リン化アルミニウムガリウム（または、ＡｌＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（または、ＩｎＧａＮ）、アンチモン化インジウムヒ素（または、ＩｎＡｓＳｂ）、およびアンチモン化インジウムガリウム（または、ＩｎＧａＳｂ））、ＩＩＩＢ−ＶＢ族四元合金（例えば、リン化アルミニウムガリウムインジウム（または、ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化アルミニウムガリウムヒ素（または、ＡｌＧａＡｓＰ）、リン化インジウムガリウムヒ素（または、ＩｎＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウムインジウムヒ素（または、ＡｌＩｎＡｓＰ）、窒化アルミニウムガリウムヒ素（または、ＡｌＧａＡｓＮ）、窒化インジウムガリウムヒ素（または、ＩｎＧａＡｓＮ）、窒化インジウムアルミニウムヒ素（または、ＩｎＡｌＡｓＮ）、および窒化ガリウムヒ素アンチモニド（または、ＧａＡｓＳｂＮ））、およびＩＩＩＢ−ＶＢ族五元合金（例えば、アンチモン化ガリウムインジウム窒化物ヒ素（または、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ）およびリン化ガリウムインジウムヒ素アンチモニド（または、ＧａＩｎＡｓＳｂＰ））、ＩＢ−ＶＩＩＢ族二元合金（例えば、塩化第一銅（または、ＣｕＣｌ））、ＩＶＢ−ＶＩＢ族二元合金（例えば、セレン化亜鉛（または、ＰｂＳｅ）、硫化鉛（または、ＰｂＳ）、テルル化鉛（または、ＰｂＴｅ）、硫化スズ（または、ＳｎＳ）、およびテルル化スズ（または、ＳｎＴｅ））、ＩＶＢ−ＶＩＢ族三元合金（例えば、テルル化鉛スズ（または、ＰｂＳｎＴｅ）、テルル化タリウムスズ（または、Ｔｌ２ＳｎＴｅ５）、テルル化タリウムゲルマニウム（または、Ｔｌ２ＧｅＴｅ５））、ＶＢ−ＶＩＢ族二元合金（例えば、テルル化ビスマス（または、Ｂｉ２Ｔｅ３））、ＩＩＢ−ＶＢ族二元合金（例えば、リン化カドミウム（または、Ｃｄ３Ｐ２）、ヒ化カドミウム（または、Ｃｄ３Ａｓ２）、アンチモン化カドミウム（または、Ｃｄ３Ｓｂ２）、リン化亜鉛（または、Ｚｎ３Ｐ２）、ヒ化亜鉛（または、Ｚｎ３Ａｓ２）、およびアンチモン化亜鉛（または、Ｚｎ３Ｓｂ２））、およびＩＢ族（または、１１族）元素、ＩＩＢ族（または、１２族）元素、ＩＩＩＢ族（または、１３族）元素、ＩＶＢ族（または、１４族）元素、ＶＢ族（または、１５族）元素、ＶＩＢ族（または、１６族）元素、およびセレン化銅インジウムガリウム（または、ＣＩＧＳ）等のＶＩＩＢ族（または、１７族）元素の他の二元、三元、四元、または高次の合金、ならびにそれらの任意の組み合わせを含む。
添加物は、例えば、ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノチューブ（例えば、多重壁のナノチューブ（「ＭＷＮＴ」）、単一壁のナノチューブ（「ＳＷＮＴ」）、二重壁のナノチューブ（「ＤＷＮＴ」）、黒鉛化または修正ナノチューブ）、フラーレン、バッキーボール、グラフェン、マイクロ粒子、マイクロワイヤ、マイクロチューブ、コアシェルナノ粒子またはマイクロ粒子、コアマルチシェルナノ粒子またはマイクロ粒子、コアシェルナノワイヤ、および実質的に管状、立方体、または錐体であり、非結晶質、結晶質、正方晶、六方晶、三方晶、斜方晶、単斜晶、または三斜晶、あるいはそれらの任意の組み合わせとして特徴付けられる形状を有する、他の添加物を含むことができる。
コアシェルナノ粒子およびコアシェルナノワイヤの実施例は、金属、金属合金、金属酸化物、炭素、またはそれらの任意の組み合わせ（例えば、銀、銅、金、白金、ＺｎＯ、ＺｎＯ（ｉ）、ＺｎＯ：Ａ１、ＺｎＯ：Ｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、Ｃｄ２ＳｎＯ４、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、グラフェン、および本明細書で好適な添加物として記載される他の材料）で形成されるシェルとともに、強磁性コア（例えば、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、ならびにこれらの元素のうちの１つ以上で形成された酸化物および合金）を伴うものを含む。コアシェルナノワイヤの特定の実施例は、銀コアおよび銀コアの酸化を低減または防止するように銀コアを包囲するＡｕシェル（または、白金シェルあるいは別の種類のシェル）を伴うものである。コアシェルナノワイヤの別の実施例は、以下のうちの１つ以上から形成される、シェルまたは他のコーティングとともに、銀コア（または、別の金属または他の電導性材料から形成されるコア）を伴うものである：（ａ）ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（または、ＰＥＤＯＴ）およびポリアニリン（または、ＰＡＮＩ）等の伝導性ポリマー；（ｂ）ＩＴＯ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｉｎ、ＳｎＯ：Ｆ、ＳｎＯ：Ｓｂ、およびＣｄＳｎ等の伝導性酸化物、カルコゲニド、およびセラミック（例えば、ゾルゲル、化学蒸着、物理蒸着、プラズマ推進化学蒸着、または化学浴蒸着によって堆積される）；（ｃ）ポリマー、ＳｉＯ２、ＢａＴｉＯ、およびＴｉＯ２等の超薄層の形態における絶縁体；ならびに（ｄ）Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷ等の金属の箔層。そのようなコーティングされたまたはコアシェル形態のナノワイヤは、電導性を付与する一方、Ａｇ等の金属の存在下における、エチレン酢酸ビニルまたは別のポリマーの潜在的黄変または他の変色等、母材との負の相互作用を回避または低減するために望ましくあり得る。
スペクトルシフト機能性を付与することが望ましい場合、添加物は、エネルギー励起に応答して、光を放出することができる、蛍光体または別の発光性材料を含むことができる。現在の太陽素子は、入射太陽光を有用電気エネルギーに効率的に変換する能力に関して、技術的制限を被り得る。有意な損失機構の１つは、典型的には、入射太陽スペクトルと光活性層の吸収スペクトルとの間の不整合に由来する。特に、光活性層のバンドギャップエネルギーを上回るエネルギーを伴う光子は、過剰エネルギーによる、光励起電荷担体の生産につながり得る。そのような過剰エネルギーは、典型的には、電気エネルギーに変換されず、むしろ、典型的には、熱として、損失される。加えて、本熱は、太陽素子の温度を上昇させ、太陽素子の効率を低減させ得る。これらの熱化損失と併せて、光活性層のバンドギャップエネルギー未満のエネルギーを伴う光子は、典型的には、吸収されず、したがって、典型的には、電気エネルギーへの変換に寄与しない。その結果、バンドギャップエネルギー周囲の小範囲の入射太陽スペクトルが、有用電気エネルギーに効率的に変換され得る。スペクトルシフト添加物の表面埋込は、入射太陽スペクトルの改変を可能にし、本スペクトル不整合に対処し、太陽電力変換効率を改善する。蛍光体は、導波、再指向、散乱、反射、およびプラズモンチャネル放射のうちの少なくとも１つを行うように設計することができる。
蛍光体の発光は、原子または分子の励起された電子状態からの緩和に基づいて生じ、例えば、化学発光、電界発光、光発光、熱発光、摩擦発光、およびそれらの組み合わせを含むことができる。例えば、蛍光および燐光を含み得る、光発光の場合、発光は、太陽光の吸収等、光励起に基づくことができる。蛍光体は、下方シフト材料、すなわち、エネルギー励起と比較して、より低いエネルギー（または、より高い波長）で光を放出するものと、上方シフト材料、すなわち、エネルギー励起と比較して、より高いエネルギー（または、より短い波長）で光を放出するものとを含む。望ましい下方シフト蛍光体は、ある範囲のエネルギーにわたって、光子を吸収し、若干、約Ｅｇを上回るエネルギーを伴う光子を放出するものを含み、Ｅｇは、光活性層のバンドギャップエネルギーを示す。望ましい上方シフト蛍光体は、ある範囲のエネルギーにわたって、光子を吸収し、若干、約Ｅｇを上回るエネルギーを伴う光子を放出するものを含み、Ｅｇは、再び、光活性層のバンドギャップエネルギーを示す。ある用途について、複数の光子発生は、より高い太陽電力変換効率をもたらすことができ、一般に、ｎｉ光子からｎｊ光子への変換を伴い得、ｎｉおよびｎｊは、整数であって、ｎｊ＞ｎｉである。例えば、量子切断材料は、１つのより短い波長光子を吸収し、２つ以上のより長い波長光子を放出することによって、下方シフトを呈することができる一方、下方変換材料は、１つのより短い波長光子を吸収し、１つのより長い波長光子を放出することによって、下方シフトを呈することができる。別の実施例として、上方変換材料は、２つの光子が吸収され、１つの光子が、より高いエネルギーで放出されるプロセスによって、上方シフトを呈することができる。
好適な蛍光体は、出力光子の数と入力光子の数の比を指し得る、比較的に高量子効率を伴う光発光を呈するものを含む。蛍光体の量子効率（または、量子収率）は、蛍光体によって放出される光子の数と蛍光体によって吸収される光子の数の比を指し得る、その「内部」量子効率に関して特徴付けることができる。望ましい蛍光体は、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％等、少なくとも約１０％であって、かつ最大約９０％、最大約９５％以上である、高内部量子効率を伴う光発光を呈することができる。量子効率はまた、光活性材料の特性、すなわち、光活性材料によって産生される電荷担体の数と、光活性材料に入射する、またはそれによって吸収される、光子の数の比を指すことができる。望ましい蛍光体は、光活性材料が、低量子効率（例えば、約５０％未満）を有する、ある範囲の波長を吸収し、光活性材料が、高量子効率（例えば、少なくとも約８０％等の少なくとも約５０％）を有する、別の範囲の波長を放出するものを含む。シリコンの場合、例えば、望ましい蛍光体は、約３００ｎｍから約４５０ｎｍのブロードバンド吸収および約６００ｎｍから約８００ｎｍの放出を伴うものを含む。
蛍光体は、ナノ粒子（例えば、量子ドットおよびナノ結晶）、溶存分子種、ナノサイズのまたはミクロンサイズの粒子（例えば、結晶粒子または非結晶粒子）の懸濁、またはそれらの組み合わせとして含まれることができる。蛍光体は、金属有機化合物（例えば、有機ランタニド錯体）、有機金属化合物（例えば、Ｉｒ（ｂｐｙ）３等の燐光有機金属イリジウム錯体（ｂｐｙは、ビピリジンを表す）、ならびに類似構造のＯｓおよびＰｔ錯体）、半導体ナノ結晶または量子ドット、有機分子（例えば、有機染料）、および無機結晶または他の材料（例えば、希土類でドープされたセラミック）として提供されることができる。
図３は、波長の関数として、海面位におけるＡＭ１．５−Ｇ太陽スペクトルを例証する。黒く塗り潰される曲線下の面積は、入射光が、太陽素子内に過剰に熱化された担体を産生し得る、二重バンドギャップエネルギーまで、１．１２ｅＶバンドギャップシリコン光活性層によって捕捉される、スペクトル範囲を表す。図の下側には、ある上方シフト蛍光体（Ｅｒ３＋系セラミック）およびある下方シフト蛍光体（Ｅｕ３＋系蛍光体）の吸収および放出スペクトルピークを表す、矢印がある。
本明細書に説明される実施形態は、以下のように、太陽素子内の蛍光体の採択を妨げる工学的課題に対処することができる：
１）いくつかの事例では、蛍光体は、理想的安定性未満を有し得る。酸化（例えば、Ｅｕ２＋からＥｕ３＋）が、焼成プロセスの間、生じ得る。蛍光体は、安定であって、かつ典型的には、４００℃の焼成温度と親和性があるべきである。
２）いくつかの事例では、希土類金属およびランタニドのための精製プロセスは、高価であり得る。蛍光灯では、例えば、希土類金属は、最終蛍光灯のコストの約２０−４０％に寄与し得る。
３）いくつかの事例では、希土類イオンは、低吸収係数を有し得る（例えば、ランタニドイオンの４ｆ−４ｆ遷移は、妨げられる、または減弱である）。蛍光体母材は、反射を最小限にし、吸収および光の励起担体への結合効率を最大限にすることが望ましくあり得る。２．７ｅＶを上回るバンドギャップを伴う半導体（例えば、ＺｎＳｅ２．７ｅＶ、６Ｈ−ＳｉＣ３．０ｅＶ、ＴｉＯ２３．０−３．２ｅＶ）は、母材伝導バンドから希土類イオンの励起レベルへの高効率エネルギー伝達のために望ましい。増感剤は、領域３００−５００ｎｍ内において強力に吸収し、供与体に効率的に伝達することが望ましい。
４）いくつかの事例では、母材からの寄生吸収は、母材に混入される蛍光体に影響を及ぼす、損失機構であって、その程度は、層厚ならびに母材および発光性種の種類に伴って変動する。
５）いくつかの事例では、蛍光体は、環境および安全性懸念を呈し、合成の間、水または湿気と不親和性であって、かつＵＶ放射化、劣化し得る。
６）いくつかの事例では、高Ｙｂ３＋濃度のための濃度消光は、最小限にされるべきである。電荷補償によるクラスタ化の誘発およびＹｂ３＋副格子にわたるエネルギー移行を通して到達される消光中心の減少は、濃度消光問題を改善し得る。
７）いくつかの事例では、Ｙｂ３＋の放出波長（例えば、９８０ｎｍ）は、結晶−Ｓｉのバンドギャップを上回るが、本波長における結晶−Ｓｉによって、減弱吸収を被り、より厚い結晶−Ｓｉ層につながり得る。
８）いくつかの事例では、蛍光体は、太陽電池上側の透明層に混入されるべきであって、蛍光体層の屈折率、捕捉技法、およびＡＲＣが、損失を最小限にするように設計され得る。９）いくつかの事例では、発光性種によって吸収され、再放出される光は、反射によって、太陽電池に伝送され得ず、光は、上部逃散円錐内または蛍光体層の側面を通して存在する。
１０）いくつかの事例では、有機染料は、比較的に高吸収係数、１に近い量子効率、および容易な処理可能性を呈するが、狭吸収バンド、小ストークスシフト、疑わしい光安定性、および有意な再吸収損失を有し得る。いくつかの事例では、希土類イオンは、低吸収係数を呈し、高価かつ環境的に危険であり得る。量子ドットは、生産が高価であって、吸収と放出バンドとの間の大きな重複のため、高再吸収損失を呈し、低量子効率を呈し得る。
１１）いくつかの事例では、無機結晶内の欠陥および表面状態は、電子トラップおよび非発光性再結合中心としての機能を果たし得る。表面励起、クーロンカ損傷、温度消光、表面酸化、および他の外部電子反応は、発光性種を劣化させ得る。
以下の表１は、表面埋込素子構成要素内に添加物として含まれ得る、蛍光体の付加的実施例を記載する。
蛍光体のさらなる実施例は、Ｅｒ３＋系下方シフト蛍光体；上方シフトまたは下方シフトする、ランタニド含有化合物；蛍光灯内で使用される、下方シフト蛍光体（例えば、青色および赤色放出のためのＥｕ３＋イオンならびに緑色放出のためのＴｂ３＋、約９０％から約９３％の範囲内の量子効率を伴う）；ＣａＡｌ２Ｏ４：Ｙｂ２＋およびＹｂ３＋共活性化発光性材料；ＮａＹＦ４：Ｅｒ３＋（約２０％Ｅｒ３＋）；Ｓｉナノ結晶に隣接するＥｒ３＋イオン受容体とともに、ＳｉＯ２基質に埋め込まれるＳｉナノ結晶；蛍光染料；ランタニドイオン；ランタニド錯体；ナノアンテナ；有機アンテナ；Ｅｕ３＋フェナントロリン（または、ｐｈｅｎ）錯体；［Ｅｕ（ｐｈｅｎ）２］Ｃｌ３；Ｔｂ３＋ビピリジン（または、ｂｐｙ）錯体；［Ｔｂ（ｂｐｙ）２］Ｃｌ３；Ｃａ２ＢＯ３Ｃｌ：Ｃｅ３＋；Ｔｂ３＋系蛍光体；Ｙｂ３＋系蛍光体；Ｅｒ３＋−Ｄｙ３＋；ＯＲＭＯＳＩＬ：Ｅｕ３＋；Ａｇ；レーザ染料；Ｅｒ；ＴＰＤ；Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ；Ｅｕ３＋；Ｅｕ２＋；Ｃｓ３Ｙ２Ｂｒ９：Ｅｕ３＋−Ｙｂ３＋；Ｔｂ−Ｙｂ；Ｐｒ−Ｙｂ；Ｅｒ−Ｙｂ；ａｃｒｙｌａｔｅ系蛍光体；ＰｂＳｅ；ＰｂＳ；Ｓｍ３＋；ＳｒＦ２：Ｐｒ３＋−Ｙｂ３＋；ＺｎＳ系蛍光体、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋（または、ＢＡＭ）ディスプレイ蛍光体；Ｃｕ活性化ＺｎＳ；Ａｇ活性化ＺｎＳ；酸化物母材、窒化物母材、酸窒化物母材、硫化物母材、セレン化物母材、ハロゲン化物母材、ケイ酸化物母材、および希土類金属母材を伴う蛍光体；共鳴エネルギー伝達粒子；または任意のそれらの組み合わせを含む。
添加物はまた、電導性材料、半導体、および蛍光体の代わりに、またはそれと組み合わせて、例えば、メタマテリアル等の官能化作用物質を含むこともできる。メタマテリアルおよび特定の電磁特性を伴う関連人工複合構造は、例えば、分割リング共振器、リング共振器、遮蔽素子、ナノ構造化反射防止層、高吸収層、完璧なレンズ、集光器、マイクロ集光器、電磁エネルギーの集束器、連結器、および同等物を含むことができる。添加物はまた、例えば、赤外線放射、紫外線放射、Ｘ線放射のうちのいずれか１つ以上等の電磁放射を反射、吸収、または散乱する材料を含むことができる。そのような材料は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦ２、ＺｎＳ、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＫＣｌ、ＩＴＯ、酸化スズ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣａＣＯ３、ベンゾフェノン、ベンゾトリアゾール、ヒンダードアミン系光安定剤、シアノアクリレート、サリチル型化合物、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｂｉ、Ｂａ、ＢａＳＯ４、鋼鉄、Ｕ、Ｈｇ、金属酸化物、またはそれらの任意の組み合わせを含む。添加物に対する材料の付加的な実施例は、ＰｂＳＯ４、ＳｎＯ２、Ｒｕ、Ａｓ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ｐｔ、Ｓｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｎ、Ｚｎ、二セレン化銅インジウム（「ＣＩＳ」）、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｎｄ、Ｙ、セラミック（例えば、ガラス）、シリカ、有機蛍光染料、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
添加物はまた、例えば、ポリマー含有ナノチューブ、ポリマー含有ナノ粒子、ポリマー含有ナノワイヤ、半電導性ナノチューブ、絶縁ナノチューブ、ナノアンテナ、強磁性材料で形成された添加物、強磁性コアおよび高度に伝導性のシェルで形成された添加物、有機金属ナノチューブ、金属ナノ粒子またはマイクロ粒子、圧電材料で形成された添加物、量子ドットで形成された添加物、ドーパントを伴う添加物、光学集中および捕獲構造、光学レクテナ、ナノサイズの薄片、ナノ同軸構造、導波路構造、金属ナノ結晶、半電導性ナノ結晶、ならびに多色染色剤で形成された添加物、酸化物、ケモクロミック剤、合金、ピエゾクロミック剤、サーモクロミック剤、フォトクロミック剤、エレクトロクロミック剤、メタマテリアル、硝酸銀、マグネトクロミック剤、毒素中和剤、芳香剤、触媒、湿潤剤、塩、ガス、液体、コロイド、懸濁液、乳液、耐紫外線剤、発光剤、抗菌剤、静電気防止剤、ベヘントリモニウムクロリド、コカミドプロピルベタイン、リン酸エステル、フェニルエチレングリコールエステル、ポリオール、ジノニルナフチルスルホン酸、ルテニウム金属有機染料、酸化チタン、傷防止剤、グラフェン、銅フタロシアニン、指紋防止剤、防曇剤、耐紫外線剤、着色剤、反射防止剤、耐赤外線剤、高反射率剤、光学濾過剤、香料、脱臭剤、樹脂、潤滑剤、可溶化剤、安定剤、界面活性剤、蛍光剤、活性炭、トナー剤、回路要素、絶縁体、導体、伝導性流体、磁気添加物、電子添加物、プラズモン添加物、誘電添加物、共振添加物、発光性分子、蛍光性分子、空洞共振器、冷陰極、電極、ナノピラミッド、共振器、センサ、アクチュエータ、トランスデューサ、トランジスタ、レーザ、発振器、光検出器、フォトニッック結晶、共役ポリマー、非線形要素、複合材料、多層、科学的不活性剤、位相偏移構造、増幅器、変調器、スイッチ、太陽電池、発光ダイオード、連結器、粘着防止およびスリップ防止剤（例えば、珪藻土、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、およびケイ酸塩）、スリップ剤および潤滑剤（例えば、脂肪酸アミド、エルカミド、オレアミド、脂肪酸エステル、ステアリン酸金属塩、ワックス、およびアミド混合物）、酸化防止剤（例えば、アミン、フェノール成分、有機リン酸塩、チオエステル、および不活性化剤）、静電気防止剤（例えば、陽イオン性静電気防止剤、第四アンモニウム塩および化合物、ホスホニウム、スルホニウム、陰イオン性静電気防止剤、電導性ポリマー、アミン、および脂肪酸エステル）、殺生物剤（例えば、１０，１０’−オキシビスフェノキサルシン（または、ＯＢＰＡ）、アミンで中和したリン酸塩、亜鉛２−ピリジンチアノール−１−オキシド（または、亜鉛ＯＭＡＤＩＮＥ）、２−ｎ−オクチル−４−イソチアゾリン−３−オン、ＤＣＯＩＴ、ＴＲＩＣＬＯＳＡＮ、ＣＡＰＴＡＮ、およびＦＯＬＰＥＴ）、光安定剤（例えば、紫外線吸収剤、ベンゾフェノン、ベンゾトリアゾール、安息香酸塩、ニッケル有機錯体、ヒンダードアミン系光安定剤（または、ＨＡＬＳ）、およびニッケル含有化合物）、電導性ポリマー（例えば、ポリアニリン、ポリ（アセチレン）、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（または、ＰＰＶ）、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリインドール、ポリピレン、ポリカルバゾール、ポリアズレン、ポリアゼピン、ポリ（フルオレン）、ポリナフタレン、メラニン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（または、ＰＥＤＯＴ）、ポリ（スチレンスルホン酸塩）（または、ＰＳＳ）、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ＰＥＤＯＴポリメタクリル酸（または、ＰＥＤＯＴ−ＰＭＡ）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（または、Ｐ３ＨＴ）、ポリ（３−オクチルチオフェン）（または、Ｐ３ＯＴ）、ポリ（Ｃ−６１−酪酸メチルエステル）（または、ＰＣＢＭ）、およびポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン］（または、ＭＥＨ−ＰＰＶ））、本明細書で好適な母材として記載される任意の材料、またはそれらの任意の組み合わせを含むこともできる。
ある実装について、ナノワイヤ、ナノチューブ、およびそれらの組み合わせの形態等である、高アスペクト比添加物が望ましい。例えば、望ましい添加物は、炭素または他の材料で形成されたナノチューブ（例えば、ＭＷＮＴ、ＳＷＮＴ、黒鉛化ＭＷＮＴ、黒鉛化ＳＷＮＴ、修正ＭＷＮＴ、修正ＳＷＮＴ、およびポリマー含有ナノチューブ）、金属、金属酸化物、金属合金、または他の材料で形成されたナノワイヤ（例えば、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、酸化亜鉛ナノワイヤ（ドープされていない、または例えば、アルミニウム、ホウ素、フッ素、およびその他によってドープされた）、酸化スズナノワイヤ（ドープされていない、または例えば、フッ素によってドープされた）、酸化カドミウムスズナノワイヤ、ＩＴＯナノワイヤ、ポリマー含有ナノワイヤ、およびＡｕナノワイヤ）、ならびに電導性または半電導性であり、円筒形、球状、錐体、または他の形状であろうと、種々の形状を有する他の材料を含む。添加物の付加的な実施例は、活性炭、グラフェン、カーボンブラック、Ｋｅｔｊｅｎ ｂｌａｃｋ、および金属、金属酸化物、金属合金、または他の材料（例えば、Ａｇナノ粒子、Ｃｕナノ粒子、酸化亜鉛ナノ粒子、ＩＴＯナノ粒子、およびＡｕナノ粒子）で形成されたナノ粒子で形成されたものを含む。
一般に、母材は、種々の形状およびサイズを有することができ、透明、半透明、または不透明となり得、可撓性、屈曲可能、折畳可能、または剛性となり得、電磁的に不透明または電磁的に透明となり得、電導性、半電導性、または絶縁性となり得る。母材は、基板としての機能を果たす、層、膜、またはシートの形態となり得るか、または基板あるいは別の材料上に配置されたコーティングもしくは複数のコーティングの形態となり得る。好適な母材の実施例は、有機材料、無機材料、およびハイブリッド有機・無機材料を含む。例えば、母材は、ポリオレフィン、ポリエチレン（または、ＰＥ）、ポリプロピレン（または、ＰＰ）、ポリアクリレート、ポリエステル、ポリスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリビニル、フッ素重合体、ポリマー、ポリカーボネート（または、ＰＣ）、ポリスルホン、ポリ乳酸、アリルジグリコールカーボネートに基づくポリマー、ニトリル系ポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン（または、ＡＢＳ）、フェノキシ系ポリマー、フェニレンエーテル／オキシド、プラスチゾル、オルガノゾル、プラスターチ材料、ポリアセタール、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリルエーテル、ポリエーテルイミド、ポリアリルスルホン、ポリブチレン、ポリカーボネート、ポリケトン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレン、ポリスチレン、高衝撃ポリスチレン、スチレン無水マレイン酸に基づくポリマー、ポリアリルジグリコールカーボネートモノマーに基づくポリマー、ビスマレイミド系ポリマー、ポリフタル酸アリル、熱可塑性ポリウレタン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、コポリエステル（例えば、ＴｒｉｔａｎＴＭという商標の下で入手可能である）、ポリ塩化ビニル（または、ＰＶＣ）、アクリル系ポリマー、ポリエチレンテレフタレートグリコール（または、ＰＥＴＧ）、ポリエチレンテレフタレート（または、ＰＥＴ）、エポキシ、エポキシ含有樹脂、メラミン系ポリマー、シリコーンおよびシリコン含有ポリマー（例えば、ポリシランおよびポリシルセスキオキサン）、酢酸塩に基づくポリマー、ポリ（フマル酸プロピレン）、ポリ（フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン）、ポリ−３−ヒドロキシ酪酸ポリエステル、ポリアミド、ポリカプロラクトン、ポリグリコール酸（または、ＰＧＡ）、ポリグリコリド、ポリ乳酸（または、ＰＬＡ）、ポリ乳酸プラスチック、ポリフェニレンビニレン、電導性ポリマー（例えば、ポリアニリン、ポリ（アセチレン）、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（または、ＰＰＶ）、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリインドール、ポリピレン、ポリカルバゾール、ポリアズレン、ポリアゼピン、ポリ（フルオレン）、ポリナフタレン、メラニン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（または、ＰＥＤＯＴ）、ポリ（スチレンスルホン酸塩）（または、ＰＳＳ）、ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ、ＰＥＤＯＴ−ポリメタクリル酸（または、ＰＥＤＯＴ−ＰＭＡ）、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（または、Ｐ３ＨＴ）、ポリ（３−オクチルチオフェン）（または、Ｐ３ＯＴ）、ポリ（Ｃ−６１−酪酸メチルエステル）（または、ＰＣＢＭ）、およびポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン］（または、ＭＥＨ−ＰＰＶ））、ポリオレフィン、液晶ポリマー、ポリウレタン、ポリエステル、コポリエステル、ポリ（メタクリル酸メチル）共重合体、テトラフルオロエチレン系ポリマー、スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体、アイオノマー、フッ素化アイオノマー、ポリマー電解質膜に対応する、または含まれるポリマー、エタンスルホニルフルオリド系ポリマー、２−［１−［ジフルオロ−［（トリフルオロエチル）オキシ］メチル］−１，２，２，２−トリフルオロエトキシ］−１，１，２，２，−テトラフルオロ−（テトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロ−３，６−ジオキサ−４−メチル−７−オクタンスルホン酸共重合体を伴う）に基づくポリマー、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリイソブテン、ポリイソプレン、ポリスチレン、ポリ乳酸、ポリグリコリド、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、フッ化ビニリデンに基づくポリマー、トリフルオロエチレンに基づくポリマー、ポリ（フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン）、ポリフェニレンビニレン、銅フタロシアニンに基づくポリマー、グラフェン、ポリ（フマル酸プロピレン）、セロファン、銅アンモニア系ポリマー、レーヨン、およびバイオポリマー（例えば、酢酸セルロース（または、ＣＡ）、酢酸酪酸セルロース（または、ＣＡＢ）、酢酸プロピオン酸セルロース（または、ＣＡＰ）、プロピオン酸セルロース（または、ＣＰ）、尿素、木、コラーゲン、ケラチン、エラスチン、ニトロセルロース、プラスターチ、セルロイド、竹、生物由来のポリエチレン、カルボジイミド、軟骨、称賛セルロース、セルロース、キチン、キトサン、結合組織、銅フタロシアニン、綿セルロース、エラスチン、グリコサミノグリカン、リネン、ヒアルロン酸、ニトロセルロース、紙、羊皮紙、プラスターチ、澱粉、澱粉系プラスチック、フッ化ビニリデン、およびビスコースに基づくポリマー、または任意のモノマー、共重合体、混合物、またはそれらの他の組み合わせから選択されるような、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、エラストマー、またはそれらの共重合体あるいは他の組み合わせを含むことができる。好適な母材の付加的な実施例は、セラミック（例えば、ＳｉＯ２系ガラス、ＳｉＯｘ系ガラス、ＴｉＯｘ系ガラス、ＳｉＯｘ系ガラスの他のチタン、セリウム、マンガン類似体、スピンオンガラス、ゾル・ゲル処理から形成されたガラス、シラン前駆体、シロキサン前駆体、ケイ酸前駆体、オルトケイ酸テトラエチル、シラン、シロキサン、リンケイ酸塩、スピンオンガラス、ケイ酸塩、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ガラス前駆体、セラミック前駆体、シルセスキオキサン、金属シルセスキオキサン、かご型シルセスキオキサン、ハロシラン、ポリイミド、ＰＭＭＡフォトレジスト、ゾル・ゲル、シリコン酸素水素化物、シリコーン、スタノキサン、シラチアン、シラザン、メタロセン、二塩化チタノセン、二塩化バナドセン、および他の種類のガラス）、セラミック前駆体、ポリマー・セラミック複合材料、ポリマー・木複合材料、ポリマー・炭素複合材料（例えば、Ｋｅｔｊｅｎ ｂｌａｃｋ、活性炭、カーボンブラック、グラフェン、および他の形態の炭素で形成された）、ポリマー・金属複合材料、ポリマー・酸化物、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
母材は、例えば、ｎ型にドープする、ｐ型にドープする、または非ドープすることができる。埋込添加物は、例えば、ｎ型にドープする、ｐ型にドープする、または非ドープすることができる。母材が電導性または半電導性である場合、ｎ型にドープされる、ｐ型にドープされる、または両方である添加物を使用し、太陽素子のためのｐ−ｎ型接合ならびに電子および光電子素子の他の種類を形成することができる。
図１Ａの構成と、（例えば、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるような）本明細書で説明される、ある表面埋込素子構成要素との間の少なくとも１つの違いは、バルク混入の特性である、図１Ａの素子層１０４が素子層１０４の全体を通してランダムかつ比較的均一に分布した添加物１０２を有することである。対照的に、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素では、添加物は、大部分が母材の「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込められ、添加物の位相的不規則の減少、向上した電導性のための添加物の間の接合形成の発生の増加につながる。埋込領域は「平面的」と呼ばれることもあるが、添加物自体が典型的には３次元であるため、そのような埋込領域は、典型的には、厳密に２次元ではないことが理解されるであろう。むしろ、「平面的」は、相対的な意味で使用することができ、母材のある領域内に添加物の比較的薄いスラブ状の（または、層状の）局所集中を伴い、かつ添加物が大部分は残りの母材に欠けている。また、埋込領域が、図１Ｆ、図２Ａ、および図２Ｂ等の添加物の特徴的な寸法よりも大きい（例えば、数倍大きい）厚さを有することができるにもかかわらず、そのような埋込領域を「平面的」と呼ぶことができることが理解されるであろう。埋込領域は、母材の一方の側面に隣接して、母材の中央に隣接して、または母材の厚さの方向に沿った任意の恣意的な場所に隣接して位置することができ、複数の埋込領域は、相互に隣接して位置することができ、または母材内で相互から離間することができる。各埋込領域は、１つ以上の種類の添加物を含むことができ、埋込領域（同じ母材に位置する）は、異なる種類の添加物を含むことができる。（母材の全体を通してランダムとは対照的に）添加物を母材の一組の「平面的」埋込領域に閉じ込めることによって、単位面積あたりの所与の量の添加物に対して、より高い電伝導性を達成することができる。埋込領域に閉じ込められない添加物は、省略することができる、過剰量の添加物を表す。
（母材の全体を通してランダムとは対照的に）添加物を母材の一組の「平面的」埋込領域に閉じ込めることによって、自己吸収または消光の事例を低減させ、太陽素子の単位面積あたりの所与の量の添加物に対して、より高い太陽電力変換効率を達成することができる。例えば、発光性種は、大部分が、母材の上部表面に隣接する埋込領域に閉じ込めることができるため、上部埋込種の放出スペクトルを再吸収する、さらなる種は殆どまたは全く、上部埋込種の下側に存在しない。「平面的」埋込領域への発光性種の閉じ込めによる、劇的に減少した再吸収は、高濃度消光の問題に効果的に対処することができる。また、太陽素子の封止材層等の素子層の上部表面に隣接して埋め込まれた下方シフト種は、入射太陽光のＵＶ放射を可視光に変換することによって、素子層のポリマーのＵＶ抵抗を増加させることができる。従来のＵＶ安定剤または吸収剤は、排除される、濃度が低下される、または同一濃度で含まれることができる。
図１Ｂと、（例えば、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるような）本明細書に説明されるある表面埋込構造との間の少なくとも１つの違いは、従来のコーティングの特性である、図１Ｂの素子層１１０が、素子層１１２上に配置される、素子層１１０全体を通して混合される添加物１０８を有することである。素子層１１０自体を参照すると、層１１０は、バルク混入の場合に対する図１Ａに示されるものと同様の構成を特徴とするが、添加物１０８は、層１１０全体を通して、ランダムかつ比較的に均一に分布する。対照的に、本明細書に説明されるある表面埋込素子構成要素では、添加物は、コーティング全体を通して、均一に位置しないが、むしろ、大部分が、添加物を素子層に結合するために必要とされる、任意のコーティングまたは他の二次材料を必要とせずに、素子層の「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込めることができる一方、（例えば、図１Ｇおよび図２Ｇに例証されるような）他の表面埋込構造では、添加物は、コーティング全体を通して均一に位置されるのではなく、大部分が、コーティングの「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込めることができる。電導性添加物を「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込めることは、添加物の位相的不規則の減少、向上した電導性のための添加物の間の接合形成の発生の増加につながる。また、スペクトルシフト添加物を「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込めることは、自己吸収の低減およびＵＶ抵抗の増加を可能にする。
また、層１１０上の露出材料は、セロハンテープ、粘着または研磨力、または他の力で容易に除去することができ、表面を和らげる傾向があり得るため、図１Ｂの素子層１１０は、損傷を受けやすくなり得る。添加物１０８を含有する素子層１１０はまた、層間剥離し、ひび割れ、剥離し、気泡形成し、または他の変形を受け得るが、それは、結合する目的で必要とされるコーティングまたは他の二次材料を伴わずに、添加物が素子層に直接埋め込まれる、本明細書で説明される、ある表面埋込素子構成要素によって克服することができる。例えば、ポリイミド層上の電子素子の加工の際、遭遇する潜在的問題は、隣接する層の接着である。ポリイミド層上に堆積される薄膜または他の層に対して、剥離および層間剥離が生じ得る。本明細書に説明される表面埋込素子構成要素は、ポリイミド層上に加工される素子の改善された機械的耐久性および頑健性を提供する。表面埋込の利点は、ポリイミド基板、ならびに他のポリマーまたはポリマー複合基板に適用可能である。直接かつ耐久的に、活性または官能化添加物をポリイミド層に埋め込むことによって（ポリイミド層上に膜として堆積させるのではなく）、実施形態は、薄膜のポリイミドへの接着不良を克服し、タイコート、プライマー、または他の二次または隣接層の使用を取り除き、素子性能を低下させ、コストを増加させ得る、接着を推進する。図１Ｂを参照すると、添加物１０８のうちのいくらかが層１１０の表面から外へ延在する、添加物１０８の位相的不規則は、粗度をもたらし、電気的短絡を引き起こし、隣接する素子層との密接した接触を妨げ得る。これは、耐久性のある平滑表面を特徴とし得る、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素と対照的である。（例えば、図１Ｅおよび図１Ｆに例証されるように）添加物が母材に実質的または完全に埋め込まれる場合において、結果として生じる表面埋込構造の埋込表面は、極めて平滑であり（例えば、埋込添加物がない場合の母材と実質的に匹敵する平滑度または粗度を有する）、埋込表面の表面積の０％、約１％以下、約５％以下、約１０％以下、約２５％以下、または約５０％以下が、露出添加物によって占有される（例えば、埋込表面の上面図または埋込表面の他の２次元表現を得て、露出添加物から生じる表面積被覆率を判定することによって測定されるように）。
図１Ｃの構成と、（例えば、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるような）本明細書で説明される、ある表面埋込素子構成要素との間の少なくとも１つの違いは、表面堆積の特性である、添加物１１６を層１１８に埋め込むことなく、添加物１１６が素子層１１８上に配置されることである。層１１８の上の堆積材料は、セロハンテープ、粘着または研磨力、または他の力で容易に除去することができ、表面を和らげる傾向があり得るため、図１Ｃの表面堆積構造１１４は、損傷を受けやすくなり得る。また、表面堆積構造１１４の表面は、極めて多孔性であり（例えば、表面堆積添加物１１６の間の間隙から、相互の上の添加物１１６の積み重ねから、または両方から生じる）、表面堆積添加物１１６上にコーティングされた、または別様に塗布された別の材料の十分な浸透を達成するのに困難を生じ、それによって、空隙または他の界面欠陥をもたらし得る。また、表面堆積構造１１４の表面は、極めて粗くなり得、それは、電気的短絡を引き起こし、隣接する素子層との密接した接触を妨げ得る。これは、耐久性があり、比較的無孔性の平滑表面を特徴とし得る、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素と対照的である。（例えば、図１Ｅおよび図１Ｆに例証されるように）添加物が母材に実質的または完全に埋め込まれる場合において、結果として生じる表面埋込構造の埋込表面は、極めて平滑であり（例えば、埋込添加物がない場合の母材と実質的に匹敵する平滑度または粗度を有する）、埋込表面の表面積の０％、約１％以下、約５％以下、約１０％以下、約２５％以下、または約５０％以下が、露出添加物によって占有される（例えば、埋込表面の上面図または埋込表面の他の２次元表現を得、露出添加物から生じる表面積被覆率を判定することによって測定されるように）。また、表面堆積構造１１４は、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素よりも高いシート抵抗、または低い伝導性を有することができる。
いくつかの実施形態では、表面埋込素子構成要素は、埋込表面に体積あたり約１０％（または、約０．１％等のそれ以下）、かつ埋込表面に体積あたり最大約１００％、母材に埋め込まれた添加物を有することができ、約０．１％（または、それ以下）の表面積被覆率から最大約９９．９％（または、それ以上）の表面積被覆率等の、様々な表面積被覆率で露出された添加物を有することができる。例えば、添加物の全体積に対する、埋込表面より下側に埋め込まれた添加物の体積に関して、少なくとも１つの添加物は、１０％から約５０％、または約５０％から約１００％等の約１０％から約１００％の範囲内の埋込体積パーセントを有することができる（または、添加物の集団が平均埋込体積パーセントを有することができる）。
いくつかの実施形態では、表面埋込素子構成要素は、使用される添加物の特徴的な寸法よりも大きい（例えば、ナノワイヤについては、個別ナノワイヤの直径またはナノワイヤにわたる平均直径よりも大きい）厚さを伴う埋込領域を有することができ、添加物は、大部分が母材の全体的な厚さ未満の厚さを伴う埋込領域に閉じ込められる。例えば、埋込領域の厚さは、全体的な厚さの約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、約２０％以下、約１０％以下、または約５％等の、母材の全体的な厚さの約８０％以下となり得る。
いくつかの実施形態では、添加物は、使用される添加物の特徴的な寸法に対して（例えば、ナノワイヤについては、個別ナノワイヤの直径またはナノワイヤにわたる平均直径に対して）程度を変化させることによって、母材に埋め込むことができる。例えば、埋込表面より下側の添加物上の最も遠い埋込点の距離に関して、少なくとも１つの添加物は、特徴的な寸法の約１００％を上回る程度まで埋め込むことができ、または特徴的な寸法の少なくとも約５％または約１０％、および最大約８０％、最大約５０％、または最大約２５％等の、特徴的な寸法の多くて約１００％の程度まで埋め込むことができる。別の実施例として、添加物の集団を、平均して、特徴的な寸法の約１００％を上回る程度まで埋め込むことができ、または特徴的な寸法の少なくとも約５％または約１０％、および最大約８０％、最大約５０％、または最大約２５％等の、特徴的な寸法の多くて約１００％の程度まで埋め込むことができる。理解されるように、添加物が母材に埋め込まれる程度は、埋込表面にわたる高さの変動の程度（例えば、平均高さに対する標準偏差）として測定される時等に、埋込表面の粗度に影響を及ぼし得る。例えば、図１Ｃと対比して図１Ｄを比較すると、図１Ｄの表面埋込構造１２０の粗度が、部分的に埋め込まれた添加物１３０の特徴的な寸法より小さい一方で、図１Ｃの構造１１４の粗度は、少なくとも、表面的に堆積された添加物１１６の特徴的な寸法であり、（例えば、相互の上の添加物１１６の積み重ねの結果として）特徴的な寸法の約２倍（または、それ以上）となり得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの添加物は、約１ｎｍから約５０ｎｍ、約５０ｎｍから１００ｎｍ、または約１００ｎｍから約１００ミクロン等の約０．１ｎｍから約１ｃｍで、母材の埋込表面から外へ延在することができる。他の実施形態では、添加物の集団は、平均して、約１ｎｍから約５０ｎｍ、約５０ｎｍから１００ｎｍ、または約１００ｎｍから約１００ミクロン等の約０．１ｎｍから約１ｃｍ、母材の埋込表面から外へ延在することができる。他の実施形態では、母材の表面積（例えば、埋込表面の面積）の実質的に全体が添加物によって占有される。他の実施形態では、表面積の最大約５０％、表面積の最大約２５％、表面積の最大約１０％、最大約５％、最大約３％、または表面積の最大約１％が添加物によって占有される等、表面積の最大約１００％または最大約７５％が添加物によって占有される。添加物は、母材の埋込表面から延在する必要はなく、および埋込表面下側に全体的に局所化することができる。表面埋込構造のための添加物の埋込の程度および表面被覆率は、特定の素子構成要素または用途に従って、選択することができる。例えば、表面埋込添加物のスペクトルシフトに基づいて動作する素子構成要素は、添加物のより深い程度の埋込およびより低い表面被覆率を規定することができる一方で、表面を通るまたは横断する電流の流れに基づいて動作する素子構成要素は、添加物のより少ない程度の埋込およびより高い表面被覆率を規定することができる。
いくつかの実施形態では、ナノワイヤが添加物として使用される場合、電導性および他の所望の特性に影響を及ぼし得る特性は、例えば、ナノワイヤ密度または装填レベル、表面積被覆率、ナノワイヤ長、ナノワイヤ直径、ナノワイヤの均一性、材料の種類、および純度を含む。いくつかの実施形態では、低い接合抵抗および低い体抵抗を伴うナノワイヤの選好があり得る。高い透明性を維持しながら、より高い電導性を獲得するために、より細い直径でより長い長さのナノワイヤを使用することができ（例えば、ナノワイヤ接合形成を促進し、かつ約５０から約１，０００、または約１００から約８００等の約５０から約２，０００の範囲内の比較的大きいアスペクト比を伴って）、Ａｇ、Ｃｕ、およびＡｕナノワイヤ等の金属ナノワイヤを使用することができる。ナノワイヤの特性もまた、太陽素子の後方反射体としての機能を果たす、素子層内に混入される時等、光散乱を提供するように選択または調節することができる。Ａｇナノワイヤ網等のナノワイヤ網を形成するために、ナノワイヤを添加物として使用することは、いくつかの実施形態に望ましくなり得る。他の金属ナノワイヤ、ＺｎＯ、ＺｎＯ（ｉ）、ＺｎＯ：Ａ１、ＺｎＯ：Ｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、Ｃｄ２ＳｎＯ４、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＴｉＯ２、ＩＴＯ等の非金属ナノワイヤ、および他の酸化物ナノワイヤも使用することができる。可視光学スペクトルエネルギーの外側（例えば、＜１．８ｅＶおよび＞３．１ｅＶ）、またはこの範囲のほぼ付近にある、バンドギャップを有する半導体から成る添加物は、可視光が、典型的には、バンドエネルギーによって、またはその中の界面トラップによって吸収されないという点で、高い光学透明性を伴う素子層を作成するために使用することができる。種々のドーパントは、モス・バースタイン効果を介して偏移したフェルミレベルおよびバンドギャップエッジを考慮して、これらの前述の半導体の伝導性を調整するために使用することができる。ナノワイヤは、約５％以内（例えば、平均直径または長さに対する標準偏差）、約１０％以内、約１５％以内、または約２０％以内等の、寸法（例えば、直径および長さ）に関して大部分が均一または単分散となり得る。純度は、例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．９％、または少なくとも約９９．９９％となり得る。ナノワイヤの表面積被覆率は、例えば、最大約１００％、約１００％未満、最大約７５％、最大約５０％、最大約２５％、最大約１０％、最大約５％、最大約３％、または最大約１％となり得る。酸化の結果としてＡｇナノワイヤの表面上に形を成すことができる（または、形成することができる）酸化銀が電導性であるため、Ａｇナノワイヤは、ある実施形態に特に望ましくなり得る。また、コアシェルナノワイヤ（例えば、Ａｕまたは白金シェルを伴う銀コア）もまた、接合抵抗を減少させることができる。
いくつかの実施形態では、ナノチューブが添加物として使用される場合に（炭素、金属、金属合金、金属酸化物、または別の材料で形成されるかどうかにかかわらず）、電導性および他の所望の特性に影響を及ぼし得る特性は、例えば、ナノチューブ密度または装填レベル、表面積被覆率、ナノチューブ長、ナノチューブ内径、ナノチューブ外径、単一壁または多重壁のナノチューブが使用されるかどうか、ナノワイヤの均一性、材料の種類、および純度を含む。いくつかの実施形態では、低い接合抵抗を伴うナノワイヤの選好があり得る。ディスプレイ等のある素子との関連で低減した散乱のために、カーボンナノチューブ等のナノチューブを、ナノチューブ網を形成するために使用することができる。代替として、または組み合わせて、ナノチューブの使用に対する散乱の同様の低減を達成するために、より小さい直径のナノワイヤを使用することができる。ナノチューブの特性もまた、太陽素子の後方反射体としての機能を果たす、素子層内に混入される時等、光散乱を提供するように選択または調整することができる。ナノチューブは、約５％以内（例えば、平均外／内径または長さに対する標準偏差）、約１０％以内、約１５％以内、または約２０％以内等の、寸法（例えば、外径、内径、および長さ）に関して大部分が均一または単分散となり得る。純度は、例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．９％、または少なくとも約９９．９９％となり得る。ナノチューブの表面積被覆率は、例えば、最大約１００％、約１００％未満、最大約７５％、最大約５０％、最大約２５％、最大約１０％、最大約５％、最大約３％、または最大約１％となり得る。
添加物の種類の数は、所与の素子構成要素または用途に対して変化させることができると理解されたい。例えば、高い光学透明性および高い電導性をもたらすために、ＩＴＯナノ粒子とともに、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、およびＡｕナノワイヤのいずれか一方または組み合わせを使用することができる。同様の組み合わせは、ＩＴＯナノワイヤ、ＺｎＯナノワイヤ、ＺｎＯナノ粒子、Ａｇナノ粒子、Ａｕナノ粒子、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、フラーレン系材料（例えば、カーボンナノチューブおよびバッキーボール）、およびＩＴＯナノ粒子、および蛍光体のうちの１つ以上とともに、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、およびＡｕナノワイヤのいずれか一方または組み合わせを含むことができる。ＩＴＯナノ粒子またはナノワイヤの使用は、太陽素子との関連で仕事関数を調節するように、または他の添加物によって提供される伝導性経路の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、電流が流れるための伝導性経路を提供するように、緩衝層としての機能を果たすことによって、付加的な機能性を提供することができる。事実上任意の数の異なる種類の添加物を母材に埋め込むことができる。
いくつかの実施形態では、添加物は最初に、離散した物体として提供される。母材に埋め込むと、母材は、添加物が「平面的」または「平面状」埋込領域内で整列させられる、または別様に配列されるように、添加物を包む、または包囲することができる。いくつかの実施形態では、ナノワイヤ、ナノチューブ、マイクロワイヤ、マイクロチューブ、または１よりも大きいアスペクト比を伴う他の添加物等の添加物の場合について、添加物は、それらの縦または長手方向軸が、水平面、または埋込表面の平面に対応する、あるいはそれと平行な別の平面に対して一連の角度内に大部分は閉じ込められるように、整列させられる。例えば、添加物は、それらの縦または長手方向軸が、平均して、約−３５°から約＋３５°、約−２５°から約＋２５°、約−１５°から約＋１５°、約−５°から約＋５°、または約−１°から約＋１°等の、水平面に対して約−４５°から約＋４５°の範囲に閉じ込められるように、整列させることができる。本実施例では、添加物のほとんどが、または実質的にいずれも、水平面に対して約−４５°から約＋４５°の範囲の外側に配向された、それらの縦または長手方向軸を有することができない。埋込領域内で、隣接する添加物が、いくつかの実施形態では、相互に接触することができる。そのような接触は、所望の透明性のために比較的低い表面積被覆率を維持しながら、より長いアスペクト比の添加物を使用して向上させることができる。いくつかの実施形態では、ナノワイヤ、ナノ粒子、マイクロワイヤ、およびマイクロ粒子等の添加物の間の接触は、約５０℃、約１２５℃、約１５０℃、約１７５℃、または約２００℃の、あるいは約５０℃から約１２５℃、約１００℃から約１２５℃、約１２５℃から約１５０℃、約１５０℃から約１７５℃、または約１７５℃から約２００℃の範囲内の温度での低温焼結、フラッシュ焼結、添加物上の堆積物を成長させ、添加物をともに融合させるための酸化還元反応の使用を通した焼結、またはそれらの任意の組み合わせ等の、焼結または焼鈍を通して増加させることができる。例えば、ＡｇまたはＡｕ添加物の場合、添加物を隣接する添加物と融合させるように、ＡｇイオンまたはＡｕイオンを添加物上に堆積させることができる。約２００℃またはそれ以上の温度での高温焼結も検討される。また、電荷トンネリングまたはホッピングが、実際の接触がない場合に十分な電導性を提供する、または母材あるいは母材の上のコーティング自体が電導性であってもよい、ある用途および素子に、接触が殆どまたは全く必要とされないことも検討される。そのような用途および素子は、最大約１０６Ω／ｓｑ以上のシート抵抗で動作することができる。個々の添加物は、電子移動のために電気および量子障壁によって分離することができる。
以下は、図１Ａから図１Ｃに例証される構成に対して、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素の付加的な利点を提供する。図１Ａの構成と違って、所望の特性を獲得するために、母材の大部分全体を通した添加物の均一な分布は必要とされない。実際に、少なくともいくつかの実施形態では、添加物が母材の「平面的」または「平面状」埋込領域に大部分は閉じ込められるという選好がある。実践では、添加物の不均一な混合および凝集および集積が生じ、図１Ａに描写されるような均一な分布を実際に獲得することが困難となり得る。図１Ｂの構成と違って、添加物は、コーティングの全体を通して混合され、母材上に塗布されるよりもむしろ、母材に埋め込むことができる。そのようにして添加物を埋め込む際に、結果として生じる表面埋込素子構成要素は、より高い耐久性、より良い接着性、およびより優れた機械的完全性を有することができる。また、バルク混入と関連する問題と同様に、従来のコーティングは、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素によって回避または低減することができる、不均一な混合および凝集の影響を受けやすくなり得る。埋込領域内に添加物分布の高均一性を提供することによって、開示される実施形態は、素子にわたって改善された信頼性、ならびに離散コーティングまたはバルク混入と比較して、表面埋込のためより薄い複合層を可能にする。埋込領域内の本高均一性は、添加物を埋込表面に埋め込み、後続添加物移行または凝集を低減あるいは防止し得る、以下に開示される表面埋込方法によって、少なくとも部分的に、達成される。さらに、従来のコーティングのｚ方向における添加物の位相的不規則は、特にナノメートルおよびミクロンレベルで、粗度をもたらし得る。対照的に、例えば、添加物の埋込および母材内の添加物の整列に起因して、表面埋込素子構成要素は、従来のコーティングと比較して、減少した粗度を有し、それによって、素子故障の事例（例えば、素子のナノワイヤ貫通からの分路）を回避または低減する機能を果たすことができる。図１Ｃの構成と違って、添加物は、表面上に表面的に堆積されるよりもむしろ、母材に部分的または完全に埋め込まれ、表面的に堆積された添加物と比較して減少した粗度、ならびにより高い耐久性および伝導性をもたらす。いくつかの実施形態では、ナノワイヤを埋め込む時、母材のポリマー鎖は、ナノワイヤをともに保持し、それらを近くに引き寄せ、伝導性を増加させることができる。素子層の加熱もまた、ポリマー鎖に、ナノワイヤをともにさらにより近接するように移動させることができる。
表面埋込素子構成要素は、極めて耐久性があり得る。いくつかの実施形態では、そのような耐久性は、剛性および頑健性と組み合わせられ、他の実施形態では、そのような耐久性は、例えば、透過率の約５０％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下、約３％以下、または実質的にゼロの減少、抵抗の約５０％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下、約３％、または実質的にゼロの増加、および量子効率の約５０％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下、約３％以下、または実質的にゼロの減少を伴って、他の物理的作用の中でも、屈曲され、丸められ、屈折され、折り畳まれる能力と組み合わせられる。いくつかの実施形態では、表面埋込素子構成要素は、大部分が従来のコーティングの耐久性問題に影響されず、コーティング産業で使用される標準セロハンテープ試験に耐え抜き、観察された透過率の実質的にゼロの減少、または約５％以下の減少、約１０％以下の減少、約１５％以下の減少、あるいは約５０％以下の減少をもたらし、観察された抵抗の実質的にゼロの増加、または約５％以下の増加、約１０％以下の増加、約１５％以下の増加、あるいは約５０％以下の増加、および観察された量子効率の実質的にゼロの減少、または約５％以下の減少、約１０％以下の減少、約１５％以下の減少、あるいは約５０％以下の減少をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、表面埋込素子構造はまた、観察された透過率または量子効率の実質的にゼロの減少、約５０％以下の減少、約２０％以下の減少、約１５％以下の減少、約１０％以下の減少、約５％以下の減少、または約３％以下の減少を伴って、および観察された抵抗の実質的にゼロの増加、約５０％以下の増加、約２０％以下の増加、約１５％以下の増加、約１０％以下の増加、約５％以下の増加、または約３％以下の増加を伴って、摩擦、擦過、屈曲、物理的摩耗、熱サイクリング、化学暴露、および湿度サイクリングに耐え抜くこともできる。この増進した耐久性は、添加物が母材の分子鎖または他の構成要素によって母材の内側で物理的または化学的に保持されるように、母材内の添加物の埋込をもたらすことができる。場合によっては、伝導性を増加させるように屈曲または押圧を観察することができる。
表面埋込素子構造のいくつかの実施形態の別の利点は、より少ない量の添加物を使用して、電気的パーコレーション閾値を獲得できることである。別の言い方をすれば、より少ない添加物材料を使用して、電導性を獲得することができ、それによって、添加物材料および関連費用を節約し、透明性を増加させる。理解されるように、１つの添加物から別の添加物への電荷の浸出を可能にするように十分な量の添加物が存在する時、電気的パーコレーション閾値に典型的に到達し、それによって、添加物網の少なくとも一部分を横断する伝導性経路を提供する。いくつかの実施形態では、電気的パーコレーション閾値は、図４の概略図に例証されるように、添加物の装填レベルと対比した抵抗の対数プロットの傾斜の変化を介して観察することができる。添加物が大部分は「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込められるため、より少ない量の添加物材料を使用することができ、それによって、位相的不規則を大幅に低減し、図１Ａから図１Ｃの構成と比較して、添加物間（例えば、ナノワイヤ間またはナノチューブ間）接合形成のより高い確率をもたらす。言い換えれば、母材の厚さを通して分散させられるのとは対照的に、添加物が母材の中の薄い埋込領域に閉じ込められるため、添加物が相互接続して接合点を形成する確率を大幅に増加させることができる。いくつかの実施形態では、電気的パーコレーション閾値は、銀ナノワイヤ等のある添加物について、約０．０１μｇ／ｃｍ２から約１００μｇ／ｃｍ２、約１０μｇ／ｃｍ２から約１００μｇ／ｃｍ２、０．０１μｇ／ｃｍ２から約０．４μｇ／ｃｍ２、約０．５μｇ／ｃｍ２から約５μｇ／ｃｍ２、または約０．８μｇ／ｃｍ２から約３μｇ／ｃｍ２等の、約０．００１μｇ／ｃｍ２から約１００μｇ／ｃｍ２（または、それ以上）の範囲内の添加物の装填レベルで獲得することができる。これらの装填レベルは、添加物の寸法、材料の種類、空間分散、および他の特性に従って変化させることができる。
加えて、わずかな２次元伝導網の効果的な材料特性を示すものから、３次元伝導バルク材料の効果的な特性を示すものへの薄い層の遷移を表す、パラメータである、網目からバルクへの遷移を達成するために、より少ない量の添加物を使用することができる（例えば、埋込領域の厚さによって証明されるように）。添加物（例えば、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、多重壁のカーボンナノチューブ（「ＭＷＣＮＴ」）、単一壁のカーボンナノチューブ（「ＳＷＣＮＴ」）、またはそれらの任意の組み合わせ）を「平面的」または「平面状」埋込領域に閉じ込めることによって、特定のレベルの太陽フラックス加重透過率で、より低いシート抵抗を獲得することができる。さらに、いくつかの実施形態では、添加物が混合される別個のコーティングまたは他の二次材料と関連付けられる界面欠陥の低減または排除により、表面埋込素子構成要素で担体再結合を低減することができる。
これらの利点をさらに詳しく説明するために、位相的不規則によって、または接触抵抗によって、添加物網を特徴付けることができる。位相的に、添加物の臨界密度を上回って、かつ添加物・添加物（例えば、ナノワイヤ・ナノワイヤ、ナノチューブ・ナノチューブ、またはナノチューブ・ナノワイヤ）接合点の臨界密度を上回って、電流は、ソースからドレインまで容易に流れることができる。「平面的」または「平面状」添加物網は、添加物の特徴的な寸法（例えば、ナノワイヤについては、個別ナノワイヤの直径またはナノワイヤにわたる平均直径）に関して表される、低減した厚さを伴う網目からバルクへの遷移を達成することができる。例えば、埋込領域は、特徴的な寸法の最大約４倍、最大約３倍、または最大約２倍、および特徴的な寸法の約０．０５または約０．１倍まで等の、特徴的な寸法の最大約５倍（または、それ以上）の厚さを有することができ、光学透明性および電導性を増加させながら、素子がより薄くなることを可能にする。したがって、本明細書で説明される表面埋込素子構成要素は、いくつかの実施形態では、（ｎｍに関して）ｄという特徴的な寸法を有する局所化性添加物である、（ｎｍに関して）最大約ｎ×ｄの厚さを伴う埋込領域を提供し、ｎ＝２、３、４、５、またはそれ以上である。
表面埋込素子構成要素のいくつかの実施形態の別の利点は、所与のレベルの電導性について、構成要素が、より高い透明性をもたらすことができることである。これは、添加物の所与の加重レベルについて、添加物・添加物接合点の効率的な形成を考慮して、そのレベルの電導性を獲得するために、より少ない添加物材料を使用することができるためである。理解されるように、（例えば、膜の形態である）薄い伝導性材料の透過率は、薄膜に対する以下の近似的関係によって求められるように、そのシート抵抗Ｒおよび光波長の関数として表すことができる。
ここで、σＯｐおよびσＤＣは、それぞれ、材料の光学およびＤＣ伝導性である。いくつかの実施形態では、可撓性透明基板に表面埋込されたＡｇナノワイヤ網は、約３．２Ω／ｓｑまたは約０．２Ω／ｓｑほども低い、またはそれよりもさらに低いシート抵抗を有することができる。他の実施形態では、太陽素子に好適である透明な表面埋込素子構成要素は、太陽フラックス加重透過率Ｔｓｏｌａｒについて最大約８５％（または、それ以上）、および約２０Ω／ｓｑ（または、それ以下）ほども低いシート抵抗に到達することができる。なおも他の実施形態では、≧８５％（例えば、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％、および最大約９７％、約９８％、またはそれ以上）太陽フラックス加重透過率での≦１０Ω／ｓｑのシート抵抗を、表面埋込構造で得ることができる。５５０ｎｍの所与の波長における透過率、人間の視覚または測光加重透過率（例えば、約３５０ｎｍから約７００ｎｍ）、太陽フラックス加重透過率、赤外範囲内の所与の波長または一連の波長における透過率、および紫外線範囲内の所与の波長または一連の波長における透過率等の透過率を、光波長の他の範囲に対して測定できることが理解されるであろう。また、透過率は、（例えば、表面埋込添加物を伴う母材より下側にある下層基板を考慮して）基板（存在する場合）に対して測定でき、または（例えば、下層基板を考慮することなく）空気に対して測定できることも理解されるであろう。本明細書で別様に規定されない限り、透過率値は、基板（存在する場合）に対して指定されるが、空気に対して測定される時、（いくぶん高い値を伴うが）同様の透過率値も検討される。いくつかの実施形態について、表面埋込構造のＤＣ対光学伝導性比は、少なくとも約１００、少なくとも約１１５、少なくとも約３００、少なくとも約４００、または少なくとも約５００、最大約６００、最大約８００、あるいはそれ以上となり得る。
ある表面埋込素子構成要素は、約１ｎｍから約１００ｎｍ、約１０ｎｍから約８０ｎｍ、約２０ｎｍから約８０ｎｍ、または約４０ｎｍから約６０ｎｍの範囲内の平均直径、および約５０ｎｍから約１，０００μｍ、約５０ｎｍから約５００μｍ、約１００ｎｍから約１００μｍ、約５００ｎｍから５０μｍ、約５μｍから約５０μｍ、約２０μｍから約１５０μｍ、約５μｍから約３５μｍ、約２５μｍから約８０μｍ、約２５μｍから約５０μｍ、または約２５μｍから約４０μｍの範囲内の平均長さのＡｇナノワイヤの添加物を含むことができる。埋込領域の上部は、埋込表面より約０．０１ｎｍから約１００μｍ、約０．１ｎｍまたは１００μｍ下側、埋込表面より約０．１ｎｍから約５μｍ下側、埋込表面より約０．１ｎｍから約３μｍ下側、埋込表面より約０．１ｎｍから約１μｍ下側、または埋込表面より約０．１ｎｍから約５００ｎｍ下側等の、部材の上部埋込表面より約０．０００１ｎｍから約１００μｍ下側に位置することができる。母材に埋め込まれたナノワイヤは、体積あたり約０％から最大約９０％、最大約９５％、または体積あたり最大約９９％、埋込表面から突出することができる。例えば、ナノワイヤの全体積に対して埋込表面より上側に露出されたナノワイヤの体積に関して、少なくとも１本のナノワイヤは、最大約１％、最大約５％、最大約２０％、最大約５０％、または最大約７５％あるいは約９５％の露出体積パーセントを有することができる（または、ナノワイヤの集団が平均露出体積パーセントを有することができる）。約８５％以上の透過率（例えば、太陽フラックス加重透過率または光波長の別の範囲で測定される透過率）で、シート抵抗は、約５００Ω／ｓｑ以下、約４００Ω／ｓｑ以下、約３５０Ω／ｓｑ以下、約３００Ω／ｓｑ以下、約２００Ω／ｓｑ以下、約１００Ω／ｓｑ以下、約７５Ω／ｓｑ以下、約５０Ω／ｓｑ以下、約２５Ω／ｓｑ以下、約１５Ω／ｓｑ以下、約１０Ω／ｓｑ以下、および約１Ω／ｓｑまたは約０．１Ω／ｓｑまで、あるいはそれ以下となり得る。約９０％以上の透過率で、シート抵抗は、約５００Ω／ｓｑ以下、約４００Ω／ｓｑ以下、約３５０Ω／ｓｑ以下、約３００Ω／ｓｑ以下、約２００Ω／ｓｑ以下、約１００Ω／ｓｑ以下、約７５Ω／ｓｑ以下、約５０Ω／ｓｑ以下、約２５Ω／ｓｑ以下、約１５Ω／ｓｑ以下、約１０Ω／ｓｑ以下、約１Ω／ｓｑまで、またはそれ以下となり得る。いくつかの実施形態では、母材は、表面埋込ナノワイヤを伴う基板に対応し、母材は、透明または不透明となり得、可撓性または剛性となり得、例えば、ポリマー、アイオノマー、ＥＶＡ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＰＶＢ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ＰＰ、アクリル系ポリマー、ＡＢＳ、セラミック、ガラス、またはそれらの任意の組み合わせから成ることができる。他の実施形態では、基板は、透明または不透明となり得、撓性または剛性となり得、例えば、ポリマー、アイオノマー、ＥＶＡ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＰＶＢ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ＰＰ、アクリル系ポリマー、ＡＢＳ、セラミック、ガラス、またはそれらの任意の組み合わせから成ることができ、基板は、電導性材料、絶縁体、または半導体（例えば、ドープした金属酸化物または上記で記載される電導性ポリマー）でコーティングされ、コーティングに埋め込まれたナノワイヤを伴う。
ある表面埋込素子構成要素は、約１ｎｍから約１００ｎｍ、約１ｎｍから約１０ｎｍ、約１０ｎｍから約５０ｎｍ、約１０ｎｍから約８０ｎｍ、約２０ｎｍから約８０ｎｍ、または約４０ｎｍから約６０ｎｍの範囲内の平均外径、および約５０ｎｍから約１００μｍ、約１００ｎｍから約１００μｍ、約５００ｎｍから５０μｍ、約５μｍから約５０μｍ、約５μｍから約３５μｍ、約２５μｍから約８０μｍ、約２５μｍから約５０μｍ、または約２５μｍから約４０μｍの範囲内の平均長さのＭＷＣＮＴおよびＳＷＣＮＴのいずれか一方または両方の添加物を含むことができる。埋込領域の上部は、埋込表面より約０．１ｎｍから１００μｍ下側、埋込表面より約０．１ｎｍから約５μｍ下側、埋込表面より約０．１ｎｍから約３μｍ下側、埋込表面より約０．１ｎｍから約１μｍ下側、または埋込表面より約０．１ｎｍから約５００ｎｍ下側等の、母材の上部埋込表面より約０．０１ｎｍから約１００μｍ下側に位置することができる。母材に埋め込まれたナノチューブは、体積あたり約０％から最大約９０％、最大約９５％、または体積あたり最大約９９％、埋込表面から突出することができる。例えば、（例えば、ナノチューブの外径に対して画定されるような）ナノチューブの全体積に対して埋込表面より上側に露出されたナノチューブの体積に関して、少なくとも１本のナノチューブは、最大約１％、最大約５％、最大約２０％、最大約５０％、または最大約７５％あるいは約９５％の露出体積パーセントを有することができる（または、ナノチューブの集団が平均露出体積パーセントを有することができる）。約８５％以上の透過率（例えば、太陽フラックス加重透過率または光波長の別の範囲で測定される透過率）で、シート抵抗は、約５００Ω／ｓｑ以下、約４００Ω／ｓｑ以下、約３５０Ω／ｓｑ以下、約３００Ω／ｓｑ以下、約２００Ω／ｓｑ以下、約１００Ω／ｓｑ以下、約７５Ω／ｓｑ以下、約５０Ω／ｓｑ以下、約２５Ω／ｓｑ以下、約１５Ω／ｓｑ以下、約１０Ω／ｓｑ以下、および約１Ω／ｓｑまで、またはそれ以下となり得る。約９０％以上の透過率で、シート抵抗は、約５００Ω／ｓｑ以下、約４００Ω／ｓｑ以下、約３５０Ω／ｓｑ以下、約３００Ω／ｓｑ以下、約２００Ω／ｓｑ以下、約１００Ω／ｓｑ以下、約７５Ω／ｓｑ以下、約５０Ω／ｓｑ以下、約２５Ω／ｓｑ以下、約１５Ω／ｓｑ以下、約１０Ω／ｓｑ以下、約１Ω／ｓｑまたは約０．１Ω／ｓｑまで、またはそれ以下となり得る。いくつかの実施形態では、母材は、表面埋込ナノチューブを伴う基板に対応し、母材は、透明または不透明となり得、可撓性または剛性となり得、例えば、ポリマー、アイオノマー、ＥＶＡ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＰＶＢ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＭＭＡ、ガラス、ポリイミド、エポキシ、アクリル系ポリマー、ＡＢＳ、セラミック、ガラス、またはそれらの任意の組み合わせから成ることができる。他の実施形態では、基板は、透明または不透明となり得、撓性または剛性となり得、例えば、ポリマー、アイオノマー、ＥＶＡ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＰＶＢ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ＰＰ、アクリル系ポリマー、ＡＢＳ、セラミック、ガラス、またはそれらの任意の組み合わせから成ることができ、基板は、電導性材料、絶縁体、または半導体（例えば、ドープした金属酸化物または上記で記載される電導性ポリマー）でコーティングされ、コーティングに埋め込まれたナノワイヤを伴う。
表面埋込素子構成要素に対して取得されたデータは、予期しない所見を明らかにする。例えば、母材（絶縁体である）が添加物の伝導能力を阻害することが推測されたため、表面上に表面的に堆積させられた添加物は、母材に物理的に埋め込まれた添加物よりも大きい電気伝導をもたらすことができると以前に推測された。しかしながら、予想外に、向上した電導性が表面埋込構造に対して観察され、母材内に添加物を埋め込むことによって課される、有利な接合形成および網目からバルクのへの遷移という概念を支持する。
（表面埋込添加物を含む素子）
本明細書に説明される表面埋込素子構成要素は、太陽素子、太陽ガラス、低鉄ガラス、スマートウィンドウ、ディスプレイ、有機発光ダイオード（または、ＯＬＥＤ）、建築用ガラス、航空機用防風ガラス、エレクトロクロミック素子、マルチクロミック素子、ならびに他の電子および光電子素子を含む、種々の素子に組み込むことができる。
いくつか実施形態では、表面埋込素子構成要素は、太陽素子に組み込むことができる。太陽素子の動作中、太陽光は、電子正孔対の形態で電荷担体を産生するように、光活性材料によって吸収される。電子が１つの電極を通って光活性材料から出射する一方で、正孔は別の電極を通って光活性材料から出射する。正味の影響は、入射太陽光によって駆動される太陽素子を通る電流の流れであり、その電流は、有用な仕事を行うように外部負荷に送達することができる。太陽素子は、単一接合太陽電池、多接合またはタンデム太陽電池、薄膜太陽電池、色素増感型太陽電池、励起子太陽電池、量子ドット太陽電池、およびバルクヘテロ接合太陽電池を含む。これらの太陽素子において使用される光活性材料は、有機、無機、複合、ハイブリッド、またはそれらの組み合わせであることができる。太陽電池の実施例は、単結晶シリコン；多結晶シリコン；マイクロ結晶シリコン；ナノ結晶シリコン；非結晶シリコン；薄膜シリコン；単結晶、多結晶、マイクロ結晶、ナノ結晶、および薄膜形態の他の半導体材料、例えば、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、セレン化インジウムガリウム銅（または、ＣＩＧＳ）、セレン化インジウム銅、テルル化カドミウム（または、ＣｄＴｅ）、および燐化インジウムガリウム；ポリマー（例えば、電導性または半電導性ポリマー）；共連続高分子フラーレン複合体；薄膜光活性材料、およびそれらの組み合わせに基づくものを含む。
図６は、本発明の実施形態による、太陽素子６００を例証する。太陽素子６００は、一組の光活性材料から形成され、一組の正面素子層と一組の背面素子層との間に配置される、光活性層６１０を含む。ある場合には、種々の層は、正面シート（ガラス）から構築され、その場合、正面シートは、基板として説明することができる。種々の素子層が、以下のように例証および説明されるが、これらの素子層のあるものは、省略される、組み合わせられる、さらに細分割される、または並べ替えられることができ、かつ付加的素子層が、他の実施形態に従って、含まれることができることを理解されたい。
図６を参照すると、正面素子層は、（１）ガラス（または、別のセラミック）、フッ素重合体（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（または、ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（または、ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレンプロピレン（または、ＦＥＰ）、またはエチレンテトラフルオロエチレン（または、ＥＴＦＥ））、実質的に、入射太陽光に透過性である、別の好適な材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、正面カバー６０２；（２）正面カバー６０２に隣接し、エチレン酢酸ビニル（または、ＥＶＡ）（例えば、ＤｕＰｏｎｔＴＭ Ｅｌｖａｘ（登録商標）として利用可能）、ポリビニルブチラール（または、ＰＶＢ）（例えば、ＤｕＰｏｎｔＴＭ Ｂｕｔａｃｉｔｅ（登録商標）として利用可能）、ポリビニルアルコール（または、ＰＶＡ）、シリコーン、ポリシロキサン、アイオノマー（例えば、Ｓｅｎｔｒｙ Ｇｌａｓ（登録商標）として利用可能）、アクリル系ポリマー、ポリメタクリル酸メチル（または、ＰＭＭＡ）、ＴＰＵ、ＴＰＯ、別の好適な封止材材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、障壁膜として実装される、封止材層６０４；（３）少なくとも部分的に、封止材層６０４によって被覆され、それを通して、延在し、金属（例えば、ｎ−型Ａｇ、Ａｇインク、またはＡｇペースト）、金属合金、別の好適な電導性材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、一組のバスバーまたは金属被覆６１８；（４）封止材層６０４に隣接する反射防止コーティング６０６（または、ＡＲＣ）；ならびに（５）反射防止コーティング６０６と光活性層６１０との間に配置され、ドープされた金属酸化物（例えば、インジウムスズ酸化物）、実質的に、入射太陽光に透過性である、別の好適な電導性材、または任意のそれらの組み合わせから形成される、正面電極６０８を含む。
背面素子層は、（１）シリコン、ポリイミド（例えば、ＤｕＰｏｎｔ（登録商標） Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）として利用可能なポリ（４，４’−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド））、ポリエチレンナフタレート（または、ＰＥＮ）（例えば、Ｔｅｏｎｅｘ（登録商標））として利用可能、ポリエステル（例えば、Ｍｅｌｉｎｅｘ（登録商標） ＳＴポリエステルとして利用可能）、ガラス、アルミニウム、ステンレス鋼、別の好適な基板材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、基板６１４；（２）光活性層６１０と基板６１４との間に配置され、金属、金属合金、別の好適な電導性材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、背面電極６１２；（３）基板６１４に隣接し、エチレン酢酸ビニル（または、ＥＶＡ）（例えば、ＤｕＰｏｎｔＴＭ Ｅｌｖａｘ（登録商標）として利用可能）、ポリビニルブチラール（または、ＰＶＢ）（例えば、ＤｕＰｏｎｔＴＭ Ｂｕｔａｃｉｔｅ（登録商標）として利用可能）、ポリビニルアルコール（または、ＰＶＡ）、シリコーン、ポリシロキサン、アイオノマー（例えば、Ｓｅｎｔｒｙ Ｇｌａｓ（登録商標）として利用可能）、アクリル系ポリマー、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ＴＰＯ、ＴＰＵ、別の好適な封止材材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、障壁膜として実装される、封止材層６１６；ならびに（４）ガラス（または、別のセラミック）、フッ素重合体（例えば、ポリフッ化ビニル（または、ＰＶＦ））、ポリエステル（例えば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）、Ｍｅｌｉｎｅｘ（登録商標）、およびＴｅｉｊｉｎ（登録商標） Ｔｅｔｏｒｏｎ（登録商標）として利用可能な二軸延伸テレフタル酸ポリエチレン（または、ＰＥＴ））、別の好適な材料、または任意のそれらの組み合わせから形成される、背面カバー６２０を含む。正面および背面素子層の種々の他の組み合わせおよび順序が、検討される。いくつかの実施形態では、例えば、背面カバー６２０は、一組のバスバーまたは他の金属被覆および封止材層等、その上部に他の素子層が、配置される、基板としての機能を果たすことができる。
一般に、太陽素子６００の素子層のうちの任意の１つ以上は、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるもの等、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素として実装することができる。
封止材層６０４および６１６の目的は、太陽素子６００に、構造的支持、電気的隔離、物理的隔離、熱伝導、および障壁性質を提供することである。いくつかの実施形態では、封止材層６０４および６１６の一方または両方は、表面埋込添加物を含み、電導性、熱伝導性、スペクトルシフト、および吸収促進等の付加的または向上された機能性を付与することができる。また、封止材層６０４および６１６の一方または両方は、電導性または他の所望の機能性を付与するために、添加物のバルク混入を通して等、別の好適な方式において混入される、添加物を含むことができることも検討される。
例えば、太陽に面する封止材層６０４は、下方シフト蛍光体を表面に埋め込むことができ、封止材層６１６は、上方シフト蛍光体を表面に埋め込むことができ、入射放射スペクトルを赤外線範囲から可視光範囲および紫外線範囲から可視光範囲の両方に調整する、太陽素子６００をもたらす。可視光範囲の代わりに、入射放射スペクトルは、光活性層６１０のバンドギャップエネルギーに整合する波長の別の好適な範囲に調整することができる。
代替として、または併用して、封止材層６０４および６１６の一方または両方は、電導性添加物を表面に埋め込むことができる。そのような電導性封止材層６０４および６１６は、正面電極６０８および背面電極６１２と連動して動作することができる、あるいは別個または専用電極が、太陽素子６００から省略され得るように、正面電極６０８および背面電極６１２を完全に置換することができる。
電導性添加物（封止材層６０４および６１６または太陽素子６００の別の一組の素子層の表面に埋め込まれる）は、光活性層６１０と電気接触する、または別様に電気的に接続されることができる。いくつかの実施形態では、光活性層６１０は、緩衝層を含むことができ、電導性添加物は、光活性層６１０の緩衝層と電気接触する、または別様に電気的に接続されることができる。緩衝層（また、分路防止層または分路抵抗層とも称され得る）は、約５００Ω．ｃｍ２を下回る分路抵抗を伴うように等、太陽素子の分路抵抗を増加または修正する機能を果たすことができる。低分路抵抗は、時として、物理的欠陥（例えば、光活性材料の省略）、高伝導性の面積を伴う成長不良材料、またはそれらの組み合わせのため、生じ得る。低分路抵抗は、時として、高暗電流、ひいては、低曲線因子および低開回路電圧につながり得る。緩衝層は、薄絶縁または抵抗層として実装され、望ましくない方向における電流の漏出を阻止することができる。太陽素子が、照明されると、発生される結果として生じる電圧は、直列抵抗に僅かまたは穏やかな増加を伴って、緩衝層を通して、電荷担体をトンネリングするために十分であり得る。緩衝層の実施例として、ＣＩＧＳおよびＣｄＴｅ太陽素子内のＣｄＳ層、ＣＩＧＳ太陽素子内のＣｄＳとＺｎＯ：Ａｌ層との間に留置されるＺｎＯ（ｉ）層、およびＣｄＴｅ太陽素子内のＺｎＯ（ｉ）またはＳｎＯ２層が挙げられる。ＺｎＯ（ｉ）層の他の目的として、ＺｎＯ：Ａｌ層の堆積の間のスパッタリング損傷に対する抵抗が挙げられる。緩衝層の付加的実施例として、表面担体再結合を抑制する、シリコン太陽電池内のＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４不動態層が挙げられる。物理的欠陥の場合、ナノワイヤの形態におけるような添加物は、それらの欠陥にわたって橋架することができる。添加物はまた、仕事関数整合を提供する、透明金属酸化物層または別の電導性層と電気接触する、または別様にそれと電気的に接続されることができる。また、緩衝層は、光活性層６１０に対して、別個の層として実装することができ、電導性添加物は、そのような別個の緩衝層と電気接触する、または別様にそれと電気的に接続されることができることが検討される。
代替として、または併用して、封止材層６０４および６１６の一方または両方は、添加物を表面に埋め込み、ＵＶ抵抗を提供する、あるいは別様に、光分解、熱劣化、光化学劣化、または光熱劣化に対する保護を提供することができる。３８０ｎｍを下回る波長の光は、酸素の存在下、ポリマー鎖の架橋結合または開裂につながり得る、ヒドロペルオキシドおよび過酸化物等の遊離基を発生させることができる。小分子、炭素間二重結合、変色、黄変、褐色化、透過率損失、光熱劣化からのガスの発生、封止材材料の基板からの層間剥離、太陽モジュール内の近隣太陽電池の不整合、およびシステム電力出力における損失は、遊離基の発生の可能性として考えられる結果である。いくつかの実施形態では、封止材層６０４および６１６の一方または両方は、ＵＶ吸収剤（例えば、Ｃｙａｓｏｒｂ ＵＶ５３１ＴＭとして利用可能な２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクチルオキシベンゾフェノン）、ＵＶ光安定剤（例えば、Ｔｉｎｕｖｉｎ７７０として利用可能なベンゾフェノンおよびビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジニル）セバケート）、酸化防止剤（例えば、Ｎａｕｇａｒｄ Ｐとして利用可能なトリス（モノ−ノニルフェニル）ホスファイト）、または任意のそれらの組み合わせを表面に埋め込むことができる。太陽に面する、または封止材層６０４の上部表面に隣接する、埋込領域内のＵＶ安定剤等の添加物の局所化性は、有害なＵＶ放射が、封止材層６０４のバルクを通して透過され得る前に、実質的に、完全なＵＶ安定化を可能にし、向上したＵＶ安定化を封止材層６０４ならびに封止材層６０４下側の素子層に提供する。いくつかの実施形態では、下方シフト蛍光体の表面埋込は、太陽素子６００の種々の層を通して透過する前に、紫外線範囲から可視光範囲に放射を変換することによって、そのようなＵＶ安定化機能を提供することができる。
架橋結合促進剤（例えば、有機過酸化物）、開始剤、プライマー、および硬化剤（例えば、Ｌｕｐｅｒｓｏｌ ＴＢＥＣとして利用可能なＯＯ−ｔ−ブチル−Ｏ−（２−エチルヘキシル）モノペルオキシカルボナート）等の他の種類の添加物も、封止材層６０４および６１６（または、封止材層６０４および６１６のベースコポリマーまたは他の前駆体）の一方または両方の表面に埋め込み、封止材層６０４および６１６の硬化または他の処理を推進することができる。乾燥剤を表面に埋め込み、改善された湿気障壁特性を提供することができ、セラミックまたは他の種類の材料を表面に埋め込み、改善された酸素障壁特性を提供することもできる。電導性材料または半導体から形成される添加物もまた、表面に埋め込み、仕事関数を調節し、または太陽素子６００にわたって、より効率的かつ均一に熱を分布させることができる。加えて、添加物は、表面に埋め込まれ、光活性層６１０に隣接し、それに面する、埋込領域内に局所化され、散乱、プラズモン、およびポラリトニック効果のうちの１つ以上等によって、光活性層６１０による所望の波長範囲の光の吸収を誘発することができる。好適な吸収誘発添加物の実施例として、Ａｇナノ粒子、半導体内に封止されるＡｇナノ粒子（例えば、銀コアおよびシリコンシェルを伴うコアシェルナノ粒子）、絶縁体に封止されるＡｇナノ粒子（例えば、銀コアおよび絶縁体シェルを伴うコアシェルナノ粒子）、Ａｇナノワイヤ、半導体に封止されるＡｇナノワイヤ（例えば、銀コアおよびシリコンシェルを伴うコアシェルナノワイヤ）、絶縁体に封止されるＡｇナノワイヤ（例えば、銀コアおよび絶縁体シェルを伴うコアシェルナノワイヤ）、他の金属のナノ粒子、他の金属のナノワイヤ、多孔性ナノ粒子、多孔性ナノワイヤ、ナノ多孔性材料、ナノ多孔性ガラス（または、他のセラミック）、ナノ多孔性半導体等が挙げられる。
太陽素子６００の他の素子層は、封止材層６０４および６１６の代わりに、またはそれと組み合わせて、添加物を表面に埋め込むことができ、封止材層６０４および６１６に関する前述の議論はまた、他の素子層に関しても適用可能である。いくつかの実施形態では、正面カバー６０２および背面カバー６２０の一方または両方は、表面埋込添加物を含み、電導性、熱伝導性、スペクトルシフト、および吸収促進等、付加的または向上した機能性を付与することができる。例えば、正面カバー６０２は、下方シフト蛍光体が表面に埋め込まれ、入射放射スペクトルを調整する、またはＵＶ安定化機能を提供することができる。別の実施例として、基板６１４は、電導性添加物を表面に埋め込むことができ、背面電極６１２と連動しれ動作する、またはそれを置換することができる。
表面埋込添加物の混入を通して、太陽素子６００は、Ｖｏｃ×Ｊｓｃ×ＦＦ／ＰＡＭ１．５として表すことができる、改善された太陽電力変換効率で動作することができ式中、Ｖｏｃは、開回路電圧に対応し、Ｊｓｃは、短絡回路電流に対応し、ＦＦは、曲線因子であって、ＰＡＭ１．５は、ＡＭ１．５太陽スペクトルからの単位面積あたりの入射電力である。太陽素子６００の１つ以上の層の改善された電導性を付与することによって、太陽電力変換効率は、曲線因子およびＪｓｃを増加させることにより増加させることができる。太陽素子６００の１つ以上の層に改善された透過性を付与することによって、太陽電力変換効率は、Ｊｓｃを増加させることにより増加させることができる。吸収誘導添加物の混入を通して、改善された吸収を付与することによって、太陽電力変換効率は、Ｊｓｃを増加させることにより増加させることができる。そして、スペクトルシフト添加物の混入を通して、太陽スペクトルの向上した利用を提供することによって、太陽電力変換効率は、Ｊｓｃを増加させることにより増加させることができる。下方シフトは、青色光を吸収することができる、ＣｄＳ緩衝層を使用する、ＣＩＧＳおよびＣｄＴｅ太陽素子等のある薄膜太陽素子にとって有用であり得る。そのような素子では、下方シフトは、ＣｄＳ層が望ましくない吸収を生じさせるのを低減または防止し、それによって、直接、Ｊｓｃの増加につながり、ならびに間接的に、分路抵抗を増加させ得る、より厚いＣｄＳ層を可能にすることによって、曲線因子およびＶｏｃを改善することができる。いくつかの実施形態では、太陽電力変換効率は、少なくとも約１２％、少なくとも約１５％、少なくとも約１８％、少なくとも約２０％、または少なくとも約２５％等の少なくとも約１０％、および最大約３０％、最大約４０％、最大約５０％、またはそれ以上であり得る。
図７は、本発明の別の実施形態による、太陽素子７００を例証する。太陽素子７００のある側面は、太陽素子６００について上記で説明されるものと同様の方式で実装することができ、それらの側面は、以下に繰り返される必要はない。また、種々の素子層が、以下のように例証および説明されるが、これらの素子層のあるものは、省略される、組み合わせられる、さらに細分割される、または並べ替えられることができ、付加的素子層が、他の実施形態に従って、含まれることもできることを理解されたい。
図７に例証されるように、太陽素子７００は、それぞれ、異なるバンドギャップエネルギー、すなわち、Ｅｇ１およびＥｇ２を有する、複数の光活性層７０８および７１６を含む、多接合太陽電池であって、Ｅｇ１＞Ｅｇ２である。２つの光活性層７０８および７１６が、図７に例証されるが、３つ以上の光活性層が、太陽素子７００内に含まれることもできることが検討される。光活性層７０８は、一対の電極７０６と７１０との間に配置され、光活性層７１６は、一対の電極７１４と７１８との間に配置される。例証される実施形態では、太陽素子７００は、複数の封止材層７０４、７１２、および７２０を含み、封止材層７０４は、正面カバー７０２と電極７０６との間に配置され、封止材層７１２は、電極７１０と７１４との間に配置され、封止材層７２０は、電極７１８と背面カバー７２２との間に配置される。
一般に、太陽素子７００の素子層のうちの任意の１つ以上は、それらのに例証される図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるもの等、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素として、実装することができる。
いくつかの実施形態では、封止材層７０４、７１２、および７２０のうちの１つ以上は、表面埋込添加物を含み、電導性、熱伝導性、スペクトルシフト、および吸収促進等の機能性を付与することができる。また、添加物は、添加物のバルク混入を通して等、別の好適な方式において混入され、電導性または他の所望の機能性を付与することができることも検討される。
例えば、封止材層７０４は、Ｅｇ１に関して下方シフトを行う、蛍光体を表面に埋め込むことができ、封止材層７１２は、Ｅｇ２に関して下方シフトを行う、別の蛍光体を表面に埋め込むことができ、封止材層７２０は、Ｅｇ１またはＥｇ２に関して上方シフトを行う、さらに別の蛍光体を表面に埋め込むことができる。太陽素子７００の動作の間、入射太陽放射は、より高いエネルギー放射の下方シフトを行い、光活性層７０８のＥｇ１に整合する、封止材層７０４に衝突する。Ｅｇ１より低いエネルギーを伴う太陽放射は、光活性層７０８を通過し、より高いエネルギー放射の下方シフトを行い、光活性層７１６のＥｇ２に整合する、封止材層７１２に衝突する。Ｅｇ２より低いエネルギーを伴う太陽放射は、光活性層７１６を通過し、上方シフトを行い、Ｅｇ１またはＥｇ２に整合する、封止材層７２０に衝突する。そのように動作することによって、太陽素子７００は、太陽スペクトル内の異なるエネルギーバンドを効率的に収集し、電気に変換することによって、太陽スペクトルの向上した利用を提供する。
図８は、本発明の別の実施形態による、太陽素子８００を例証する。太陽素子８００のある側面は、太陽素子６００および７００について上記で説明されるものと同様の方式で実装することができ、それらの側面は、以下に繰り返される必要はない。また、種々の素子層が、以下のように例証および説明されるが、これらの素子層のあるものは、省略される、組み合わせられる、さらに細分割される、または並べ替えられることができ、付加的素子層が、他の実施形態に従って、含まれることもできることを理解されたい。
図８に例証されるように、太陽素子８００は、結晶シリコンまたは別の好適な光活性材料から形成される、ｐ−ｎ接合型素子である、太陽電池８０２を含む。太陽素子８００はまた、太陽電池８０２に隣接し、光学的に接続される、導波スラブとして形成される、発光性太陽集光器（または、ＬＳＣ）８０４を含む。単一太陽電池８０２が、図８に例証されるが、複数の太陽電池が、ＬＳＣ８０４の種々のエッジに含まれることができることが検討される。ＬＳＣ８０４は、正面カバー８０６と背面カバー８１０との間に配置される、封止材層８０８（または、他の中間層）を含む。
一般に、ＬＳＣ８０４の素子層のうちの任意の１つ以上は、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるもの等、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素として実装することができる。例証される実施形態では、封止材層８０８は、一組の蛍光体を表面に埋め込む。いくつかの実施形態では、蛍光体は、表面に埋め込まれ、太陽に面する、または封止材層８０８の上部表面に隣接する、埋込領域内に局所化されることができるが、蛍光体の局所化性は、他の実施形態に対しては、変化されることができる。太陽素子８００の動作の間、ＬＳＣ８０４は、表面埋込蛍光体によって、広範囲の入射角にわたって、太陽スペクトルを捕捉し、蛍光体は、全内部反射と組み合わせて、異なる波長（または、異なる波長範囲）において、封止材層８０８内で光を放出し、封止材層８０８のエッジに向かって誘導されるように、光を集束する。吸収および放出光間のエネルギー差は、蛍光体による自己吸収の事例を低減させる。そのようにして、ＬＳＣ８０４は、太陽追跡を必要とせず、高光学濃度を達成することができる。結果として生じる放出された光強度は、少なくとも約１０、少なくとも約２０、または少なくとも約３０倍等の約５倍以上、および最大約４０倍以上、太陽光を集束することができ、太陽電池８０２上に指向されると、ＬＳＣ８０４は、約２から約１０倍（または、それ以上）の範囲内において、太陽電力変換効率を増加させることができる。
表面埋込は、高均一性を伴って、かつそうでなければ、放出の自己消光、ひいては、量子効率の低下につながり得る、殆どまたは全く凝集を伴わずに、蛍光体をポリマーまたは別の封止材材料の表面に制御可能に埋め込むことを可能にする。また、表面埋込は、層間剥離および非効率性ならびに光吸収から生じる他の損失の問題に対処する。直接、ポリマーまたは別の封止材材料の表面に埋入される、埋め込まれた蛍光体種は、実質的に、直ぐに、界面において入射光を変換し、波長変換太陽素子のための非常に効率的構成を形成することができる。
他の実施形態では、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素は、スマートウィンドウに組み込むことができる。図９は、本発明のある実施形態による、スマートウィンドウ９００を例証する。スマートウィンドウ９００のある側面は、太陽素子６００、７００、および８００について上記で説明されるものと同様の方式で実装することができ、それらの側面は、以下に繰り返される必要はない。また、種々の素子層が、以下のように例証および説明されるが、これらの素子層のあるものは、省略される、組み合わせられる、さらに細分割される、または並べ替えられることができ、付加的素子層が、他の実施形態に従って、含まれることもできることを理解されたい。
図９に例証されるように、スマートウィンドウ９００は、正面カバー９０２および背面カバー９０６を含み、その間には、スマートウィンドウ９００を通る光の通路を制御する、封止材層９０４（または、他の中間層）がある。一般に、スマートウィンドウ９００の素子層のうちの任意の１つ以上は、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるもの等、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素として実装することができる。例証される実施形態では、封止材層９０４は、図２Ｈに例証される方式のように、一組の添加物を表面に埋め込むことができるが、局所化性および種類の添加物は、他の実施形態に対しては、変化されることができる。例えば、封止材層９０４は、エレクトロクロミック添加物を表面に埋め込むことができる。電場が、印加されると、エレクトロクロミック添加物は、色変化または色調変化を受けることによって、応答し得る。電場が無い場合、エレクトロクロミック添加物は、その初期色または色調に戻ることができる。そのようにして、スマートウィンドウ９００は、透明または半透明に見えることができる。他の種類のマルチクロミック添加物が、エレクトロクロミック添加物の代わりに、またはそれと組み合わせて、使用されることができる。代替として、または併用して、封止材層９０４は、電導性添加物を表面に埋め込み、電極としての機能を果たすことができ、それを通して、電場が印加され得る。
なおも他の実施形態では、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素は、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）、プラズマディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ、電子ペーパー、量子ドットディスプレイ、およびフレキシブルディスプレイ等のディスプレイ素子に組み込むことができる。図１０は、本発明のある実施形態による、ＬＣＤ１０００を例証する。ＬＣＤ１０００のある側面は、太陽素子６００、７００、および８００、ならびにスマートウィンドウ９００について上記で説明されるものと同様の方式で実装することができ、それらの側面は、以下に繰り返される必要はない。また、種々の素子層が、以下のように例証および説明されるが、これらの素子層のあるものは、省略される、組み合わせられる、さらに細分割される、または並べ替えられることができ、付加的素子層が、他の実施形態に従って、含まれることもできることを理解されたい。
図１０に例証されるように、ＬＣＤ１０００は、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）−バックライトＬＣＤであって、順に、隣接し、ＬＣＤモジュール１００４に隣接し、光学的に接続され、バックライトモジュール１００６に隣接し、光学的に接続される、ＬＥＤ１００２（または、別の光源）のアレイを含む。バックライトモジュール１００６は、正面カバー１００８および背面カバー１０１２を含み、その間には、封止材層１０１０（または、他の中間層）がある。一般に、バックライトモジュール１００６の素子層のうちの任意の１つ以上は、図１Ｄから図１Ｉおよび図２Ａから図２Ｈに例証されるもの等、本明細書に説明される表面埋込素子構成要素として実装することができる。例証される実施形態では、ＬＥＤ１００２は、青色光等の特定の色の光を放出し、バックライトモジュール１００６は、青色光を吸収し、赤光および緑色光等の異なる色の光を放出する、一組の表面埋込蛍光体を含む。いくつかの実施形態では、蛍光体は、ＬＥＤ１００２に面する封止材層１０１０のエッジに隣接する埋込領域内に局所化されることができるが、蛍光体の局所化性は、他の実施形態に対しては、変化されることができる。ＬＥＤ１００２によって放出される青色光と、バックライトモジュール１００６内の蛍光体によって放出される赤光および緑色光の組み合わせは、「白色」光として現れ、バックライトモジュール１００６によって、ＬＣＤモジュール１００４に向かって指向される。蛍光体に加え、拡散剤を表面に埋め込む、バルク混入する、または別様に封止材層１０１０内に含み、ＬＣＤモジュール１００４に向かって、光を拡散または別様に散乱させることができる。代替として、または併用して、そのような拡散剤を表面に埋め込む、バルク混入する、または別様に正面カバー１００８および背面カバー１０１２の一方あるいは両方に含むことができる。好適な拡散剤の実施例として、セラミック（例えば、チタニアまたはシリカ）から形成される、ナノサイズのあるいはミクロンサイズの粒子、金属（例えば、銀）、もしくは別の好適な材料が挙げられる。
図１２は、本発明のある実施形態による、異なる種類のタッチセンサおよびディスプレイを表す、いくつかの電子素子アーキテクチャの概略図である。これらの概略図では、ＩＴＯ電極（パターン化および／または非パターン化）は、ハードコート、膜、および／またはガラス上に堆積される。ＩＴＯ電極に隣接するＯＣＡが存在する場合はすべて、ハードコート、膜、および／またはガラス上に堆積されるＩＴＯ（パターン化および／または非パターン化）を使用する代わりに、電極は、ＯＣＡの表面に埋め込むことができる。図１２の素子のある側面は、上記で説明されるものと同様の方式で実装することができ、それらの側面は、以下に繰り返される必要はない。また、種々の素子層が、以下のように例証および説明されるが、これらの素子層のあるものは、省略される、組み合わせられる、さらに細分割される、または並べ替えられることができ、付加的素子層が、他の実施形態に従って、含まれることもできることを理解されたい。
（表面埋込素子構成要素の製造方法）
本明細書では、添加物が、多種多様の母材に耐久的に表面に埋め込まれ、母材の中へ添加物をしっかりと潜り込ませる、高度に拡張可能で迅速な低費用の方式で、表面埋込素子構成要素を形成する製造方法が開示される。
製造方法のいくつかの実施形態は、概して、以下の２つのカテゴリに分類することができる：（１）表面埋込添加物を伴う母材をもたらすために、乾燥組成物の中へ添加物を表面に埋め込むステップ、および（２）表面埋込添加物を伴う母材をもたらすために、湿潤組成物の中へ添加物を表面に埋め込むステップ。そのような分類は、提示を容易にするためであり、「乾燥」および「湿潤」は、相対的な用語（例えば、様々な程度の乾燥または湿潤を伴う）と見なすことができ、製造方法は、完全な「乾燥」または完全な「湿潤」の間に及ぶ連続体に適用できることが理解されるであろう。したがって、１つのカテゴリ（例えば、乾燥組成物）に関して説明される処理条件および材料はまた、別のカテゴリ（例えば、湿潤組成物）に関して適用することもでき、その逆も同様である。また、湿潤組成物が乾燥させられる、または別様に乾燥組成物に変換され、その後に、表面埋込添加物を伴う母材をもたらすための乾燥組成物の中への添加物の表面埋込が続く場合等に、２つのカテゴリのハイブリッドまたは組み合わせが検討されることも理解されるであろう。さらに、「乾燥」および「湿潤」は、時として、含水量のレベルまたは溶媒含有量のレベルを指してもよいが、「乾燥」および「湿潤」はまた、架橋結合または重合の程度等の、他の場合における組成の別の特性を指してもよいことが理解されるであろう。
有利には、製造方法のいくつかの実施形態は、温度および圧力の適度な条件（例えば、室温および圧力条件）下、行うことができ、ロールツーロール方式で実装され、それによって、素子製造ラインにおける統合を促進することができる。また、製造方法のいくつかの実施形態は、ポリマー押出製造環境に適用することができる。例えば、展望として、銀ナノワイヤ（または、別の種類の添加物）を埋込流体内に懸濁させ、押出成形物中に噴霧することができ、埋込流体は、押出成形物内への銀ナノワイヤの埋込を促進する。押出成形物は、高温、溶融、軟質である、または別様に埋込流体の存在下、銀ナノワイヤの埋込を可能にすることができる。結果として生じるナノワイヤ埋込押出成形物は、共押出を介して、別の押出成形物（埋込添加物の有無を問わず）と組み合わせることができ、２つ以上の材料は、押出成形物が、融合し、冷却前に、積層構造にともに溶接されるように配列される、２つ以上のオリフィスを伴うダイを通して、押出される。材料は、別個の押出機からダイに送給することができる。共押出は、利点、例えば、酸素、二酸化炭素、および水蒸気に対する透過性；電導性；熱伝導性；スペクトルシフト等の観点等において、個別のまたは異なる機能性を伴う複数の層を組み込む、太陽素子のための封止材層の場合、利点を有する。
本発明の実施形態による、乾燥組成物に添加物を表面に埋め込むための製造方法を例証する、図５Ａおよび図５Ｂに、最初に注意を向ける。
概観として、例証される実施形態は、添加物が、ポリマー、セラミック、セラミック前駆体、またはそれらの組み合わせを含むもの等の乾燥組成物に埋め込まれることを可能にするように、埋込流体の塗布を伴う。一般に、埋込流体は、溶解、反応、軟化、溶媒和、膨張、またはそれらの任意の組み合わせによって、乾燥組成物の状態を可逆的に改変する機能を果たし、それによって、乾燥組成物の中への添加物の埋込を促進する。例えば、埋込流体は、ポリマー用の効果的な溶媒として作用するように特別に処方することができる一方で、おそらくまた、埋込流体の中で添加物を懸濁させるのに役立つように、安定剤（例えば、分散剤）で修飾される。埋込流体はまた、曇り、ひび割れ、および白化等の溶媒／ポリマー相互作用に関する問題を低減または排除するように特別に処方することができる。埋込流体は、低費用であり、揮発性有機化合物（「ＶＯＣ」）を含まない、ＶＯＣ免除または低ＶＯＣである、有害大気汚染物質（「ＨＡＰ」）を含まない、非オゾン層破壊物質（「非ＯＤＳ」）である、低または不揮発性である、および低有害性または無害であるように最適化される、溶媒または溶媒混合物を含むことができる。別の実施例として、乾燥組成物は、セラミック、あるいはゲルまたは半固体の形態であるセラミック前駆体を含むことができ、埋込流体の塗布は、流体で孔を充填することによって、部分的に凝集していないオリゴマーまたはポリマー鎖の伸長によって、または両方によって、ゲルを膨張させることができる。さらなる実施例として、乾燥組成物は、セラミック、あるいはケイ酸ナトリウムまたは別のアルカリ金属ケイ酸塩等のイオン性ポリマーの形態であるセラミック前駆体を含むことができ、埋込流体の塗布は、イオン性ポリマーの少なくとも一部分を溶解させて、添加物の埋込を可能にすることができる。次いで、添加物の埋込の後には、軟化または膨張した組成の状態での硬化または他の変化が続き、その中に埋め込まれた添加物を有する母材をもたらす。例えば、軟化または膨張した組成は、周囲条件への暴露によって、あるいは軟化または膨張した組成を冷却することによって硬化させることができる。他の実施形態では、軟化または膨張した組成は、埋込流体（あるいは存在する他の液体または液相）の少なくとも一部分を蒸発させる、または別様に除去すること、空気流を印加すること、真空を印加すること、またはそれらの任意の組み合わせによって硬化させられる。セラミック前駆体の場合、セラミック前駆体がガラスに変換されるように、埋込の後に硬化を行うことができる。特定の用途に応じて、硬化を省略することができる。特定のセラミック前駆体（例えば、シラン）に応じて、種々の程度の硬化、あるいは完全に反応した、あるいは完全に形成されたガラスへの変換を達成するように、より多く、または少ない熱を伴うことができる。
いくつかの実施形態では、表面埋込の作用の機構は、概念化への支援として、または提示を容易にするために、段階に分けることができる。しかしながら、これらの段階は、組み合わせることができ、または実質的に同時に起こることができる。これらの段階は、以下を含む：（ａ）埋込流体が表面（ここでは、例えば、ポリマーの表面）と相互作用すること、（ｂ）添加物が表面を貫通すること、および（ｃ）埋込流体が表面から出て行くこと。作用の機構は、他の実施形態に対しては、異なり得ることを理解されたい。
段階（ａ）では、埋込流体が表面に衝突するにつれて、乾燥組成物のポリマー鎖がもつれを解き、表面より上側で上方へ延在し、ポリマー鎖を緩める膨張および溶媒和の組み合わせにより、より大きい体積を占有する。膨張したポリマーの帯域は、乾燥組成物の元の表面より上側および下側に延在する。この効果は、数秒以下の期間で発生し、典型的な溶媒／ポリマー溶解手順が数時間および数日に関して行われることを考慮すると、驚異的に迅速である。ポリマーの表面は、表面における膨張または可溶化の速度を増加させることができる、バルクと比較して、より高い濃度の低分子量鎖、鎖末端、および高い表面エネルギー機能性を有する。
段階（ｂ）では、いったんポリマー表面が膨張すると、埋込流体および添加物の運動量によって（あるいは添加物または埋込流体への他の速度の適用によって）、および埋込流体が表面に衝突する際の拡散／混合プロセスによって、添加物が、ポリマー鎖の間のこの帯域の中へ塗布される。いくつかの実施形態では、埋込は、埋込流体および添加物の運動量を伴わずに達成することができる。この膨張／拡散プロセスに影響を及ぼすことができる別の要因は、衝撃エネルギーであり、添加物が表面に衝突する場合、極めて局所的な領域中での運動量移動が、表面の中へエネルギー入力を付与することができ、それは、表面を加熱してポリマーの溶解度を増加させることができ、それによって、確実な埋込、表面含浸、またはポリマーの中への添加物の部分的な沈降を促進する。
段階（ｃ）では、埋込流体が蒸発する、または別様に除去されるにつれて、ポリマー鎖が、相互と、かつ添加物の周囲で再び形を成す。元の表面より上側に、かつ元の表面を越えて延在したポリマー鎖は、添加物を捕捉して吸収し、それらを表面に引き込み、その中でしっかりと、かつ耐久的に埋め込ませる。埋め込まれた添加物による構造摂動は、比較的小さくなり得、結果として生じる母材およびその埋め込まれた添加物は、光学透明性および表面形態等のそれらの元の特性を実質的に保持することができる。
図５Ａを参照すると、乾燥組成物５００が、シート、膜、または他の好適な形態で提供される。乾燥組成物５００は、母材に対応することができ、具体的には、ポリマー、セラミック、またはそれらの任意の組み合わせ等の好適な母材として以前に記載された任意の材料を含むことができる。また、乾燥組成物５００は、乾燥、硬化、架橋結合、重合、またはそれらの任意の組み合わせ等の好適な処理によって母材に変換することができる、母材前駆体に対応できることも検討される。いくつかの実施形態では、乾燥組成物５００は、固相ならびに液相を伴う材料を含むことができ、または少なくとも部分的に固体である、あるいは半固体、ゲル、および同等物等の固体の特性に似た特性を有する材料を含むことができる。次に、図５Ａを参照すると、添加物５０２および埋込流体５０４が、乾燥組成物５００に塗布される。添加物５０２は、溶液中にあり得る、または埋込流体５０４の中で別様に分散させることができ、１ステップ埋込を介して乾燥組成物５００に同時に塗布することができる。代替として、添加物５０２は、埋込流体５００が乾燥組成物５０４を処理する前、間、または後に、乾燥組成物５００に別々に塗布することができる。添加物５０２の別個の塗布は、２ステップ埋込と呼ぶことができる。続いて、結果として生じる母材５０６は、母材５０６の表面に部分的または完全に埋め込まれた添加物５０２のうちの少なくともいくつかを有する。随意で、軟化または膨張した組成物５００を母材５０６に変換するように、好適な処理を行うことができる。素子組立の間、埋込添加物５０２を伴う母材５０６は、隣接する素子層に積層または別様に接続することができる、あるいは基板としての機能を果たすことができ、その上に、隣接する素子層が、形成、積層、または別様に塗布される。
図５Ｂは、図５Ａと同様のプロセスの流れであるが、基板５１０上に配置されるコーティングの形態で提供された乾燥組成物５０８を伴う。乾燥組成物５０８は、母材に対応することができ、あるいは、乾燥、硬化、架橋結合、重合、またはそれらの任意の組み合わせ等の好適な処理によって母材に変換することができる、母材前駆体に対応することができる。乾燥組成物５０８の他の特性は、図５Ａを参照して上記で説明されるものと同様となり得、以下で繰り返されない。図５Ｂを参照すると、基板５１０は、透明または不透明となり得、可撓性または剛性となり得、例えば、ポリマー、アイオノマー、ＥＶＡ、ＰＶＢ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ＰＰ、アクリル系ポリマー、ＡＢＳ、セラミック、ガラス、またはそれらの任意の組み合わせ、ならびに好適な母材として以前に記載された任意の材料から成ることができる。基板５１０は、一時的基板としての機能を果たすことができ、続いて、素子組立の間、除去される、あるいは素子の層または他の構成要素として、結果として生じる素子内に保定することができる。次に、添加物５１２および埋込流体５１４は、乾燥組成物５０８に塗布することができる。添加物５１２は、溶液中にあり得る、または埋込流体５１４の中で別様に分散させることができ、１ステップ埋込を介して乾燥組成物５０８に同時に塗布することができる。代替として、添加物５１２は、埋込流体５０８が乾燥組成物５１４を処理する前、間、または後に、乾燥組成物５０８に別々に塗布することができる。前述のように、添加物５１２の別個の塗布は、２ステップ埋込と呼ぶことができる。後に、結果として生じる母材５１６（基板５１０上に配置される）は、母材５１２の表面に部分的または完全に埋め込まれた添加物５１６のうちの少なくともいくらかを有する。随意で、軟化または膨張した組成５０８を母材５１６に変換するように、好適な処理を行うことができる。素子組立の間、埋込添加物５１２を伴う母材５１６は、隣接する素子層に積層または別様に接続することができる、あるいは基板としての機能を果たすことができ、その上に、隣接する素子層が、形成、積層、または別様に塗布される。
いくつかの実施形態では、添加物は、埋込流体の中で分散させられ、または別個の担体流体の中で分散させられ、乾燥組成物に別々に塗布される。分散は、混合すること、超音波で分解すること、震盪すること、振動させること、流動させること、添加物の表面を化学的に修飾すること、流体を化学的に修飾すること、分散または懸濁剤を流体に添加すること、または所望の分散を達成するように添加物を別様に処理することによって、達成することができる。分散は、均一または不均一となり得る。担体流体は、埋込流体（例えば、付加的な埋込流体）としての機能を果たすことができ、または埋込流体と同様の特性を有することができる。他の実施形態では、担体流体は、添加物を搬送または運搬する輸送媒体としての機能を果たすことができるが、そうでなければ、添加物および乾燥組成物に対して実質的に不活性である。
流体（例えば、埋込流体および担体流体）は、液体、ガス、または超臨界流体を含むことができる。異なる種類の流体の組み合わせも好適である。流体は、１つ以上の溶媒を含むことができる。例えば、流体は、水、イオン性またはイオン含有溶液、有機溶媒（例えば、極性有機溶媒、非極性有機溶媒、非プロトン性溶媒、プロトン性溶媒、極性非プロトン性溶媒、または極性プロトン性溶媒）、無機溶媒、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。油も好適な流体と見なすことができる。塩、界面活性剤、分散剤、安定剤、または結合剤も流体に含むことができる。
好適な有機溶媒の実施例は、２−メチルテトラヒドロフラン、塩化炭化水素、フッ化炭化水素、ケトン、パラフィン、アセトアルデヒド、酢酸、無水酢酸、アセトン、アセトニトリル、アルキン、オレフィン、アニリン、ベンゼン、ベンゾニトリル、ベンゾニトリル、ベンジルアルコール、ベンジルエーテル、ブタノール、ブタノン、酢酸ブチル、ブチルエーテル、ギ酸ブチル、ブチルアルデヒド、酪酸、ブチロニトリル、二硫化炭素、四塩化炭素、クロロベンゼン、クロロブタン、クロロホルム、脂環式炭化水素、シクロヘキサン、シクロヘキサノール、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、シクロペンチルメチルエーテル、ジアセトンアルコール、ジクロロエタン、ジクロロメタン、炭酸ジエチル、ジエチルエーテル、ジエチレングリコール、ジグリム、ジ−イソプロピルアミン、ジメトキシエタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアミン、ジメチルブタン、ジメチルエーテル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、ドデカフルオロ−１−ヘプタノール、エタノール、酢酸エチル、エチルエーテル、ギ酸エチル、プロピオン酸エチル、二酸化エチレン、エチレングリコール、ホルムアミド、ギ酸、グリセリン、ヘプタン、ヘキサフルオロイソプロパノール、ヘキサメチルホスホルアミド、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ヘキサン、ヘキサノン、過酸化水素、次亜塩素酸塩、ｉ−酢酸ブチル、ｉ−ブチルアルコール、ｉ−ギ酸ブチル、ｉ−ブチルアミン、ｉ−オクタン、ｉ−酢酸プロピル、ｉ−プロピルエーテル、イソプロパノール、イソプロピルアミン、ケトンペルオキシド、メタノールおよび塩化カルシウム溶液、メタノール、メトキシエタノール、酢酸メチル、メチルエチルケトン（または、ＭＥＫ）、ギ酸メチル、ｎ−酪酸メチル、メチルｎ−プロピルケトン、メチルｔ−ブチルエーテル、塩化メチレン、メチレン、メチルヘキサン、メチルペンタン、鉱油、ｍ−キシレン、ｎ−ブタノール、ｎ−デカン、ｎ−ヘキサン、ニトロベンゼン、ニトロエタン、ニトロメタン、ニトロプロパン、２−Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、ｎ−プロパノール、オクタフルオロ−１−ペンタノール、オクタン、ペンタン、ペンタノン、石油エーテル、フェノール、プロパノール、プロピオンアルデヒド、プロピオン酸、プロピオニトリル、酢酸プロピル、プロピルエーテル、ギ酸プロピル、プロピルアミン、ｐ−キシレン、ピリジン、ピロリジン、ｔ−ブタノール、ｔ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルメチルエーテル、テトラクロロエタン、テトラフルオロプロパノール、テトラヒドロフラン、テトラヒドロナフタレン、トルエン、トリエチルアミン、トリフルオロ酢酸、トリフルオロエタノール、トリフルオロプロパノール、トリメチルブタン、トリメチルヘキサン、トリメチルペンタン、バレロニトリル、キシレン、キシレノール、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
好適な無機溶媒は、例えば、水、アンモニア、水酸化ナトリウム、二酸化硫黄、塩化スルフリル、塩化フッ化スルフリル、塩化ホスホリル、三臭化リン、四酸化二窒素、三塩化アンチモン、五フッ化臭素、フッ化水素、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
好適なイオン性溶液は、例えば、塩化コリン、尿素、マロン酸、フェノール、グリセロール、１−アルキル−３−メチルイミダゾリウム、１−アルキルピリジニウム、Ｎ−メチル−Ｎ−アルキルピロリジニウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム六フッ化リン酸塩、アンモニウム、コリン、イミダゾリウム、ホスホニウム、ピラゾリウム、ピリジニウム、ピリジニウム、スルホニウム、１−エチル−１−メチルピペリジニウム炭酸メチル、４−エチル−４−メチルモルホリニウム炭酸メチル、またはそれらの任意の組み合わせを含む。１−エチル−３−酢酸メチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−テトラフルオロホウ酸メチルイミダゾリウム、１−ｎ−ブチル−３−テトラフルオロホウ酸メチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−ヘキサフルオロリン酸メチルイミダゾリウム、１−ｎ−ブチル−３−ヘキサフルオロリン酸メチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、および１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、またはそれらの任意の組み合わせを含む、他のメチルミダゾリウム溶液を好適と見なすことができる。
他の好適な流体は、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ビス（ｌ−メチルエチル）−１−ヘプタンアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、エチルへプチル−ジ−（ｌ−メチルエチル）アンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、エチルへプチル−ジ−（１−メチルエチル）アンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、エチルへプチル−ジ−（１−メチルエチル）アンモニウムビス［トリフルオロメチル］スルホニル］アミド、またはそれらの任意の組み合わせ等の、ハロゲン化合物、イミド類、およびアミド類を含む。流体はまた、エチルヘプチル−ジ−（ｌ−メチルエチル）アンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、Ｎ５Ｎ５Ｎ−トリブチル−１−オクタンアミニウムトリフルオロメタンスルホネート、トリブチルオクチルアンモニウムトリフラート、トリブチルオクチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリブチル−１−ヘキサンアミニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、トリブチルヘキシルアンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、トリブチルヘキシルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリブチルヘキシルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、トリブチルヘキシルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリブチル−１−ヘプタンアミニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、トリブチルヘプチルアンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、トリブチルヘプチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリブチルヘプチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、トリブチルヘプチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリブチル−１−オクタンアミニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、トリブチルオクチルアンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、トリブチルオクチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリブチルオクチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、トリブチルオクチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、１−ブチル−３−トリフルオロ酢酸メチルイミダゾリウム、１−メチル−１−プロピルピロリジニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、１−ブチルピリジニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、１−ブチルピリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−ブチルピリジニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、１−ブチルピリジニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミド、ブチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、ｌ−エチル−３−テトラフルオロホウ酸メチルイミダゾリウム、Ｎ５Ｎ５Ｎ−トリメチル−１−ヘキサンアミニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、ヘキシルトリメチルアンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−ｌ−ヘプタンアミニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、ヘプチルトリメチルアンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、ヘプチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ヘプチルトリチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、ヘプチルトリメチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−ｌ−オクタンアミニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、トリメチルオクチルアンモニウム１，１，１−トリフルオロ−Ｎ−［（トリフルオロメチル）スルホニル］メタンスルホンアミド、トリメチルオクチルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、トリメチルオクチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］アミド、トリメチルオクチルアンモニウムビス［（トリフルオロメチル）スルホニル］イミド、ｌ−エチル−３−メチルイミダゾリウム硫酸エチル、またはそれらの任意の組み合わせを含むこともできる。
添加物の表面埋込に対する制御は、膨張・拡散・蒸発・塗布段階の適正な平衡を通して達成することができる。この平衡は、例えば、溶媒・母材相互作用パラメータ、添加物のサイズ、埋込流体の反応度および揮発度、衝突添加物の運動量または速度、温度、湿度、圧力、および他の要因によって制御することができる。より具体的には、表面埋込のための関連処理パラメータは、本発明のいくつかの実施形態について以下に記載される。
（埋込流体の選択：）
・表面との埋込流体の適合性（例えば、ヒルデブランドおよびハンセン溶解度パラメータ、誘電率、分布係数、ｐＫａ等の整合または比較）
・蒸発速度、沸点、蒸気圧、埋込流体の蒸発のエンタルピー
・表面の中への埋込流体の拡散：熱力学および動力学的配慮
・埋込流体の粘度
・埋込流体の表面張力、吸い上げ、および毛管効果・
・共沸、混和性、および他の流体との他の相互作用
（塗布条件：）
・流体表面露出の持続時間
・温度
・湿度
・塗布方法（例えば、噴霧、印刷、圧延コーティング、グラビアコーティング、スロットダイ、カップコーティング、ブレードコーティング、エアブラッシング、浸漬、浸漬コーティング等）
・表面上への添加物の衝突／運動量／速度（例えば、埋込の深度および程度に影響を及ぼしてもよい）
・母材と塗布器との間において、溶媒に印加される剪断力
・後処理条件（例えば、加熱、蒸発、流体除去、空気乾燥等）
（母材：）
・表面エネルギー
・粗度および表面積
・前処理（例えば、紫外線オゾン処理、基礎エッチング、洗浄、溶媒下塗り、加熱、硬化、真空等）
・埋込前の流体中の添加物の分散／懸濁（例えば、添加物は、物理的撹拌、化学／キャッピング安定化、立体安定化を通して溶液中に分散されたままとなることができる、または本質的に可溶化される）
・望ましくない効果（例えば、曇り、ひび割れ、白化、母材の不可逆的な破壊、不均等な湿潤、粗度等）の軽減
前述のパラメータのうちのいくつか、またはすべては、所与の母材への添加物の埋込の深度を調整するように改変または選択することができる。例えば、母材と相互作用する埋込流体の溶解力を増加させること、埋込流体・基板のハンセン溶解度パラメータに密接に整合させること、母材と接触している埋込流体の露出持続時間を延長すること、母材と接触している埋込流体の量を増加させること、システムの温度を上昇させること、母材上に衝突する添加物の運動量を増加させること、母材の中への埋込流体および添加物のいずれか一方または両方の拡散を増加させること、またはそれらの任意の組み合わせによって、母材の表面の深くへ、より高い程度の埋込を達成することができる。
以下の表２は、本発明の実施形態による、特定のポリマーから成る乾燥組成物に添加物を埋め込むために好適である、いくつかの埋込流体の実施例を提供する。上記で説明される処理パラメータを使用して、これらの特定のポリマー、ならびに他の種類のポリマー、セラミック、およびセラミック前駆体に、他の埋込流体を選択できることが理解されるであろう。
流体（例えば、埋込流体および担体流体）はまた、塩、表面活性剤、安定剤、および流体に特定の一組の特性を与えるのに有用な他の作用物質を含むこともできる。添加物間凝集を少なくとも部分的に阻害する能力に基づいて、安定剤を含むことができる。添加物の機能性を保つ能力に基づいて、他の安定剤を選択することができる。ＢＨＴは、例えば、良好な安定剤および酸化防止剤として作用することができる。レオロジー特性、蒸発速度、および他の特性を調整するために、他の作用物質を使用することができる。
乾燥組成物の表面に対して大部分が定常であるように、流体および添加物を塗布することができる。他の実施形態では、表面上に流体を噴霧することによって、一面に落下する流体を通して乾燥組成物を運搬することによって、または流体プールまたは槽を通して乾燥組成物を運搬することによって等、相対運動で塗布が行われる。流体および添加物の塗布は、エアブラッシング、霧化、霧状化、噴霧、静電噴霧、注入、圧延、幕化、ワイピング、回転成形、滴下、浸漬、塗装、流動、ブラッシング、含漬、パターン化（例えば、スタンピング、インクジェット印刷、制御された噴霧、制御された超音波噴霧、および同等物）、流動コーティング方法（例えば、スロットダイ、毛管コーティング、マイヤーロッド、カップコーティング、引き下げ、および同等物）、印刷、グラビア印刷、リソグラフィ、オフセット印刷、ロールコーティング、インクジェット印刷、凹版印刷、またはそれらの任意の組み合わせによって達成することができる。いくつかの実施形態では、添加物は、噴霧器によって等、表面上に推進され、それによって、表面との接触によって埋込を促進する。他の実施形態では、勾配が、流体、添加物、または両方に塗布される。好適な勾配は、磁界または電解を含む。勾配は、表面上に流体、添加物、または両方を塗布、分散、または推進するために使用することができる。いくつかの実施形態では、勾配は、埋込の程度を制御するよう、添加物を操作するために使用される。適用された勾配は、一定または可変となり得る。勾配は、乾燥組成物が軟化または膨張される前、乾燥組成物が軟化または膨張したままである間、または乾燥組成物が軟化または膨張された後に適用することができる。軟化を達成するように乾燥組成物を加熱できることと、埋込を推進するように流体および添加物のいずれか一方または両方を加熱できることとが検討される。
パターンをもたらすように、流体および添加物の塗布、ならびに添加物の埋込を空間的に制御することができる。いくつかの実施形態では、塗布された添加物のセグメントが表面に接触することを阻止するようにアプリケータと表面との間に配置することができる、物理的なマスクを用いて、空間制御を達成することができ、それによって、添加物の埋込の制御されたパターン化をもたらす。他の実施形態では、フォトマスクを用いて空間制御を達成することができる。光源とフォトレジストに対応することができる表面との間に、ポジ型またはネガ型フォトマスクを配置することができる。フォトマスクの非不透明部分を透過した光は、フォトレジストの露出部分の溶解度に選択的に影響を及ぼすことができ、フォトレジストの結果として生じる空間制御された可溶性領域は、添加物の制御された埋込を可能にすることができる。他の実施形態では、電気勾配、磁気勾配、電磁場、温度勾配、圧力または機械的勾配、表面エネルギー勾配（例えば、液体・固体・気体界面、付着・凝集力、および毛管効果）、またはそれらの任意の組み合わせの使用を通して、空間制御を達成することができる。同様に、上層コーティング（例えば、図２Ｃおよび図２Ｇに例証される）の塗布を行うことができる。例えば、ＩＴＯまたは別の透明金属酸化物の場合、コーティングを、表面露出した表面埋込添加物を伴う組成物上にスパッタリングすることができる。電導性ポリマー、炭素系コーティング、および他の種類のコーティングの場合、コーティング、噴霧、流動コーティング等によって、電導性材料を塗布することができる。空間制御はまた、母材と異なる材料を印刷することによって達成することができ、埋込は、生じない（または、別様に抑制される）。
前述のように、添加物を埋込流体の中で分散させ、１ステップ埋込を介して埋込流体とともに乾燥組成物に塗布することができる。添加物はまた、２ステップ埋込を介して、埋込流体とは別に乾燥組成物に塗布することもできる。後者のシナリオでは、担体流体の中で分散させることによって、または同じ埋込流体あるいは異なる埋込流体の中で分散させることによって等、湿潤形態で添加物を塗布することができる。依然として後者のシナリオでは、エアロゾル化された粉末の形態等の乾燥形態で、添加物を塗布することができる。また、メタノール、別の低沸点アルコール、または乾燥組成物との衝突前に実質的に蒸発する別の低沸点有機溶媒等の、揮発性である担体流体の中で添加物を分散させることによって等、準乾燥形態で添加物を塗布できることも検討される。
一例として、一実施形態は、ナノワイヤの溶液、または乾燥組成物上に適切な担体流体中で分散された他の添加物を噴霧すること、エアブラシで吹き付けること、または別様に霧化することを伴う。
別の実施例として、一実施形態は、埋込流体を噴霧するか、または乾燥組成物と別様に接触させ、次いで、時間ｔ１の経過後、一時的に軟化した乾燥組成物および衝突ナノワイヤの速度の組み合わせが、ナノワイヤの高速かつ耐久性のある表面埋込を可能にするような速度で、ナノワイヤまたは他の添加物を噴霧するか、またはエアブラシで吹き付けることによって、乾燥組成物を前処理することを伴う。ｔ１は、例えば、約１ナノ秒から約２４時間、約１ナノ秒から約１時間、または約１秒から約１時間等の、約０ナノ秒から約２４時間の範囲内となり得る。２つの噴霧ノズルを同時または連続的に起動することができ、一方のノズルが埋込流体を分注し、他方のノズルが、速度を伴って、乾燥組成物に向かって担体流体中に分散された霧化ナノワイヤを分注する。随意で、空気硬化または高温焼鈍を含むことができる。
別の実施例として、一実施形態は、ナノワイヤの溶液、または乾燥組成物上に担体流体中で分散された他の添加物を噴霧すること、エアブラシで吹き付けること、または別様に霧化することを伴う。ｔ２の経過後、ナノワイヤの効率的な表面埋込を可能にするよう、埋込流体を塗布するために、第２の噴霧、エアブラッシング、または霧化動作が使用される。ｔ２は、例えば、約１ナノ秒から約２４時間、約１ナノ秒から約１時間、または約１秒から約１時間等の、約０ナノ秒から約２４時間の範囲内となり得る。２つの噴霧ノズルを同時または連続的に起動することができ、一方のノズルが埋込流体を分注し、他方のノズルが、速度を伴って、乾燥組成物に向かって担体流体中に分散された霧化ナノワイヤを分注する。随意で、空気硬化または高温焼鈍を含むことができる。
さらなる実施例として、一実施形態は、ケイ酸ナトリウムまたは別のアルカリ金属ケイ酸塩あるいは他の固体ガラスから成る乾燥組成物上にナノワイヤもしくは他の添加物を塗布することを伴う。同時、または別個の動作として、加熱した塩基性水から成る埋込流体が、室温または高温において、液体または蒸気形態でケイ酸ナトリウムに塗布され、それは、ケイ酸ナトリウムを少なくとも部分的に溶解させ、それによって、溶解したケイ酸ナトリウムの中へのナノワイヤの進入を可能にする。水は、蒸発させられ、または別様に除去され、ケイ酸ナトリウム内にナノワイヤが埋め込まれた状態でケイ酸ナトリウムを再凝固させる。随意で、空気硬化または高温焼鈍を含むことができる。
次に、本発明の実施形態による、湿潤組成物５１８に添加物５２２を表面に埋め込むための製造方法を例証する、図５Ｃに注意を向ける。図５Ｃを参照すると、湿潤組成物５１８は、基板５２０上に配置されるコーティングの形態で、基板５２０に塗布される。湿潤組成物５１８は、母材の溶解形態に対応することができ、具体的には、ポリマー、セラミック、セラミック前駆体、またはそれらの任意の組み合わせ等の好適な母材として以前に記載された任意の材料の溶解形態を含むことができる。また、湿潤組成物５１８は、乾燥、硬化、架橋結合、重合、またはそれらの任意の組み合わせ等の好適な処理によって母材に変換することができる、母材前駆体に対応できることも検討される。例えば、湿潤コーティング組成５１８は、完全には硬化または設定されないコーティング、好適な重合開始剤または架橋結合剤を使用して、後に硬化または架橋結合することができる、完全には架橋結合されない架橋結合可能なコーティング、あるいは、好適な重合開始剤または架橋結合剤を使用して、後に重合することができる、モノマー、オリゴマー、またはモノマーおよびオリゴマーのコーティングとなり得る。いくつかの実施形態では、湿潤組成物５１８は、液相ならびに固相を伴う材料を含むことができ、または少なくとも部分的に液体である、あるいは半固体、ゲル、および同等物等の液体の特性に似た特性を有する材料を含むことができる。基板５２０は、透明または不透明となり得、可撓性または剛性となり得、例えば、ポリマー、アイオノマー、ＥＶＡ、ＰＶＢ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧ、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ＰＰ、アクリル系ポリマー、ＡＢＳ、セラミック、ガラス、またはそれらの任意の組み合わせ、ならびに好適な母材として以前に記載された任意の材料から成ることができる。基板５２０は、一時的基板としての機能を果たすことができ、続いて、素子組立の間、除去される、あるいは素子の層または他の構成要素として、結果として生じる素子内に保定することができる。
次に、図５Ｃの左側のオプションによれば、乾燥する前に、または湿潤組成物５１８内の添加物５２２の埋込を可能にする状態にとどまっている間に、添加物５２２が湿潤組成物５１８に塗布される。いくつかの実施形態では、添加物５２２の塗布は、流動コーティング方法（例えば、スロットダイ、毛管コーティング、マイヤーロッド、カップコーティング、引き下げ、および同等物）を介する。左側に例証されていないが、埋込流体は、添加物５１８の埋込を促進するように、同時、または別々に湿潤組成物５２２に塗布できることが検討される。続いて、結果として生じる母材５２４は、母材５２４の表面に部分的または完全に埋め込まれた添加物５２２のうちの少なくともいくつかを有する。湿潤組成物５１８を母材５２４に変換するように、好適な処理を行うことができる。素子組立の間、埋込添加物５２２を伴う母材５２４は、隣接する素子層に積層または別様に接続することができる、あるいは基板としての機能を果たすことができ、その上に、隣接する素子層が、形成、積層、または別様に塗布される。
図５Ｃの添加物５２２の塗布および添加物５２２の埋込に関するある側面は、図５Ａおよび図５Ｂについて上記で説明されるのと同様の処理条件および材料を使用して行うことができ、これらの側面は、以下で繰り返される必要がない。以下は、セラミックおよびセラミック前駆体に関する実施形態について付加的な詳細を提供する。
いくつかの実施形態では、添加物は、溶媒および一組の反応種を含み得る、液体セラミック前駆体のコーティングの形態である湿潤組成物に埋め込まれる。埋込は、溶媒が完全に乾燥する前および／または乾燥後の硬化前に行われ、その後、セラミック前駆体を硬化させる、または完全凝縮あるいは再構成ガラスに変換するオプションが続く。セラミック前駆体反応種の実施例として、スピンオンガラス、シラン類（例えば、Ｓｉ（ＯＲ）（ＯＲ’）（ＯＲ’’）（Ｒ’’’）、Ｓｉ（ＯＲ）（ＯＲ’）（Ｒ’’）（Ｒ’’’）、およびＳｉ（ＯＲ）（Ｒ’）（Ｒ’’）（Ｒ’’’）であって、Ｒ、Ｒ’、Ｒ’’、およびＲ’’’は、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびアリル基から独立して選択される）、シラン類のチタン類似体、シラン類のセリウム類似体、シラン類のマグネシウム類似体、シラン類のゲルマニウム類似体、シラン類のインジウム類似体、シラン類のスズ類似体、シラン類の亜鉛類似体、シラン類のアルミニウム類似体、シラン類の任意の混合金属類似体、シロキサン類（例えば、Ｓｉ（ＯＲ）（ＯＲ’）（ＯＲ’’）（ＯＲ’’’）であって、Ｒ、Ｒ’、Ｒ’’、およびＲ’’’は、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびアリル基から独立して選択される）、シロキサン類のチタン類似体、シロキサン類のセリウム類似体、シロキサン類のマグネシウム類似体、シロキサン類のゲルマニウム類似体、シロキサン類のインジウム類似体、シロキサン類のスズ類似体、シロキサン類の亜鉛類似体、シロキサン類のアルミニウム類似体、シロキサン類の任意の混合金属類似体、アルカリ金属ケイ酸塩（例えば、ケイ酸ナトリウムおよびケイ酸カリウム）、またはそれらの任意の組み合わせを含む。より具体的な実施例として、セラミック前駆体反応種は、テトラメトキシシラン（または、ＴＭＯＳ）、テトラエトキシシラン（または、ＴＥＯＳ）、テトラ（イソプロポキシ）シラン、そのチタン類似体、そのセリウム類似体、そのマグネシウム類似体、そのマグネシウム類似体、そのインジウム類似体、そのスズ類似体、その亜鉛類似体、そのアルミニウム類似体、その混合金属類似体、またはそれらの任意の組み合わせ等のシロキサン類となり得る。
いくつかの実施形態では、反応種は、添加物の埋込の前に、少なくとも部分的に反応させられる。反応は、例えば、酸および触媒の存在下の加水分解によって行うことができ、その後に凝縮が続き、それによって、オリゴマーまたはポリマー鎖をもたらす。例えば、シラン類およびシロキサン類は部分凝縮を受けて、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を伴うオリゴマーまたはポリマー鎖、および（ＯＲ）または（Ｒ）に対応する少なくともいくつかの側基をもたらすことができる。
いくつかの実施形態では、液体セラミック前駆体は、少なくとも２つの異なる種類の反応種を含む。異なる種類の種は、ＴＥＯＳ、ＴＭＯＳ、テトラ（イソプロポキシ）シランのうちの２つ以上によって例示されるように、相互と反応することができ、蒸発速度および硬化前の膜形態を制御するために好適に選択することができる。ＴＭＯＳの場合のメトキシと対比したテトラ（イソプロポキシ）シランの場合のイソプロポキシ等の、より大型の側基を伴う反応種は、ゲルに変換された時、より大きい細孔のサイズをもたらすことができ、そのより大きい細孔のサイズは、埋込流体の存在下で膨張を促進することができる。また、加水分解時、ＴＭＯＳの場合のメトキシと対比したテトラ（イソプロポキシ）シランの場合のイソプロポキシ等の、より大型の側基は、より低い揮発度を伴う対応するアルコールに変換することができ、それは、乾燥速度を減速させることができる。他の実施形態では、ケイ酸ナトリウムおよびテトラ（イソプロポキシ）シラン等の異なる種類の種は、反応する可能性が低い。これは、添加物の埋込を可能にするように、いくらかの量の遅延した凝縮を保持しながら、ケイ酸塩を乾燥させることによって形成される、基質の大部分の容易な硬化特性を得ることができる。
いくつかの実施形態では、反応種は、反応の前または反応の後に、靱性、多孔性、または乾燥速度を減速するように溶媒の捕捉を可能にすること、あるいは埋込流体の存在下で膨張を推進すること等の他の望ましい特性を付与することができる、いくらかの量のＳｉ−ＣまたはＳｉ−Ｃ−Ｓｉ結合を含むことができる。
いくつかの実施形態では、反応種は、反応の前または反応の後に、Ｓｉ−ＯＲ基を含むことができ、Ｒは、液体セラミック前駆体のコーティングの乾燥速度を減速するように、低揮発度を伴う長鎖側基である。他の実施形態では、反応種は、Ｓｉ−Ｒ’基を含むことができ、Ｒ’は、液体セラミック前駆体のコーティングの乾燥速度を減速するように、低揮発度を伴う長鎖側基である。ＲおよびＲ’のいずれか一方または両方はまた、相互作用して溶媒を保持し、それによって、乾燥プロセスを減速する特性を有することができる。例えば、ＲおよびＲ’は、極性、非極性、脂肪族の特性、または溶媒の特性に整合する他の特性を有することができる。
いくつかの実施形態では、液体セラミック前駆体に含まれる溶媒は、水、アルコール、ジメチルホルムアミド、ジメトルスルホキシド、別の極性溶媒、別の非極性溶媒、上記で記載される任意の他の好適な流体、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。例えば、溶媒は、非極性となり得、セラミック前駆体のコーティングの乾燥後に発生する完全凝縮とともに、加水分解中に水を不均一に使用することができる。別の実施例として、反応種を搬送する、湿潤させる、または水平にするために、主要構成要素が高い揮発度を有する一方で、微量構成要素がコーティングの乾燥を遅延するように低い揮発度を有するように、溶媒の組み合わせを選択することができる。また、反応種は、乾燥を減速するように、比較的わずかな全コーティング体積を形成できることも検討される。
いくつかの実施形態では、ロールツーロールプロセス、ロールコーティング、グラビアコーティング、スロットダイコーティング、ナイフコーティング、スプレーコーティング、および回転コーティング等の多種多様のコーティング方法を使用して、液体セラミック前駆体を基板に塗布することができる。例えば、液体セラミック前駆体は、回転コーティングによって塗布することができ、添加物は、回転コーティングの開始時、または回転コーティングの開始後であるが、結果として生じたコーティングがスピナ上で乾燥する前に、堆積させることができる。
いくつかの実施形態では、添加物は、担体流体の中で分散させ、次いで、湿潤形態で液体セラミック前駆体に塗布することができる。担体流体は、衝撃時に有害な相互作用を低減または回避するために、液体セラミック前駆体の低揮発度構成要素と同じ溶媒（または、同様の特性を有する別の溶媒）を含むことができる。また、担体流体は、揮発性（例えば、メタノールまたは別の低沸点アルコール）となり得、衝撃前に実質的に蒸発することも検討される。好適な担体流体の別の実施例は水である。
いくつかの実施形態では、液体セラミック前駆体がガラスに変換されるように、埋込後に硬化を行うことができる。例えば、硬化は、窒素（随意で（おそらく飽和した）水蒸気を含有する）において約４００℃から約５００℃の範囲内の温度に加熱すること、残留溶媒を除去するのに十分な温度（例えば、約１００℃から約１５０℃）まで加熱すること、または完全凝縮ガラスを形成するように約８００℃から約９００℃の範囲内の温度に加熱することを伴うことができる。周囲条件下で頑丈な「クリアコート」に乾燥することができる、ケイ酸ナトリウム（または、別のアルカリケイ酸塩）の場合等では、硬化を省略することができる。いくつかの実施形態では、硬化はまた、埋込ナノワイヤまたは他の添加物に対する焼結／焼鈍動作としての機能を果たすこともできる。いくつかの実施形態では、剪断力または流体力に耐えるが、依然として、添加物の埋込を可能にする状態にあるように、コーティングを安定化させるために、埋込前に、予備硬化を行うことができる。
図５Ｃに戻って、左側のオプションを参照すると、少なくとも部分的に乾燥させること、硬化、架橋結合、重合、またはそれらの任意の組み合わせによって等、好適な処理によって、湿潤組成物５１８が、最初に乾燥組成物５２６に変換される。次に、添加物５２２および埋込流体５２８が、乾燥組成物５２６に塗布される。添加物５２２は、溶液中にあり得る、または埋込流体５２８の中で別様に分散させることができ、１ステップ埋込を介して乾燥組成物５２６に同時に塗布することができる。代替として、添加物５２２は、埋込流体５２６が乾燥組成物５２８を処理する前、間、または後に、乾燥組成物５２６に別々に塗布することができる。前述のように、添加物５２２の別個の塗布は、２ステップ埋込と呼ぶことができる。後に、結果として生じる母材５２４は、母材５２２の表面に部分的または完全に埋め込まれた添加物５２４のうちの少なくともいくらかを有する。随意で、付加的な乾燥、硬化、架橋結合、重合、またはそれらの任意の組み合わせによって等、乾燥組成物５２６を母材５２４に変換するように好適な処理を行うことができる。図５Ｃに例証される製造段階のうちのいずれかまたはすべては、添加物５２２の埋込を促進するように、湿潤組成物５１８の乾燥を減速するように、または両方のために、好適な流体（例えば、埋込流体または他の好適な流体）の蒸気環境の存在下で行うことができる。
図５Ｃの添加物５２２および埋込流体５２８の塗布、ならびに添加物５２２の埋込に関するある側面は、図５Ａおよび図５Ｂについて上記で説明されるのと同様の処理条件および材料を使用して行うことができ、これらの側面は、以下で繰り返される必要がない。具体的には、少なくともある側面では、添加物５２２を図５Ｃの乾燥組成物５２６に埋め込むための処理条件は、添加物５１２を図５Ｂの乾燥組成物５０８に埋め込む時に使用されるものと大部分が同等と見なすことができる。以下は、セラミックおよびセラミック前駆体に関する実施形態について付加的な詳細を提供する。
いくつかの実施形態では、添加物は、最初に乾燥させられているが、後に埋込流体によって膨張させられる、未硬化（または、完全には硬化していない）セラミック前駆体のコーティングの形態である乾燥組成物に埋め込まれる。この後に、添加物の周囲のコーティング基質を収縮させる、埋込流体の乾燥が続く。場合によっては、埋込流体は、乾燥前のセラミック前駆体と同じ溶媒（または、同様の特性を有する別の溶媒）を含むことができ、その場合、処理条件は、添加物を湿潤組成物に埋め込む時に使用されるものと大部分が同等と見なすことができる。添加物の埋込の後に、セラミック前駆体を硬化させる、または完全凝縮あるいは再構成ガラスに変換するオプションが続く。
いくつかの実施形態では、反応種は、加水分解および凝縮前に、最初にオリゴマーまたはポリマー（例えば、ＴＥＯＳまたはＴＭＯＳ等のモノマーとは対照的な）であるように選択される。反応種のそのようなオリゴマーまたはポリマー形態は、埋込流体の存在下で膨張を推進することができる。実施例は、メチル５１、エチル５０、エチル４０、および同等物という指定の下で入手可能な反応種を含む。他の実施形態では、オリゴマーまたはポリマー反応種は、所望の分子量に到達するように、加水分解凝縮を介して等、単量体反応種を反応させることによって形成することができる。オリゴマーまたはポリマー反応種は、単量体反応種と組み合わせることができ、異なる種は、混和性、部分的に混和性、または大部分が非混和性である。そのようなオリゴマーまたはポリマー反応種はまた、図５Ｃの左側オプションに従って、すなわち、そのようなオリゴマーまたはポリマー反応種を液体セラミック前駆体のコーティングに含み、随意で、埋込流体の存在下で、乾燥前に添加物をコーティングに埋め込むことによって、使用することもできる。
いくつかの実施形態では、反応種は、シリコーン、シルセスキオキサン、および同等物等の最大２つの反応部位を伴うモノマーを含むことができる。反応時、そのような反応種は、制御可能な量の架橋結合でポリマー鎖を形成することができ、それによって、埋込流体の存在下で膨張を推進し、添加物の埋込を促進する。例えば、反応種は、典型的には、約４００℃以下で架橋結合せず、そのポリマー性質により埋込流体とともに膨張することができ、４００℃以上に加熱することによって後にガラスに架橋結合することができる、Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）２（ＣＨ３）２等のＳｉ（ＯＲ）２Ｒ’２を含むことができる。そのようなポリマー反応種はまた、図５Ｃの左側オプションに従って、すなわち、そのようなポリマー反応種を液体セラミック前駆体のコーティングに含み、随意で、埋込流体の存在下で、乾燥前に添加物をコーティングに埋め込むことによって、使用することもできる。
（実施例）
以下の実施例は、当業者のための説明を例証および説明するように、本発明のいくつかの実施形態の具体的な側面を説明する。実施例は、本発明のいくつかの実施形態を理解および実践するのに有用である具体的な方法論を提供するにすぎないため、実施例は、本発明を制限するものとして解釈されるべきではない。
（実施例１）
（表面埋込封止材層の形成）
本実施例は、太陽素子の正面表面に隣接して積層され得る、スペクトルシフト機能性を伴う、表面埋込封止材層の形成について記載する。エチレン酢酸ビニル（または、ＥＶＡ）のシートに、溶媒系および蛍光体の溶液が噴霧される。ポリビニルアルコール（または、ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（または、ＰＶＢ）、または熱可塑性ポリウレタン（または、ＴＰＵ）等の別の封止材材料が、ＥＶＡの代わりに、またはそれと組み合わせて、使用することができる。ＥＶＡシートは、厚さ約５００μｍ等の厚さ約２５０μｍから約２．５ｍｍであることができる。一例として、溶媒系は、組み合わせにおける、テトラヒドロフランおよびジクロロメタンであることができ、蛍光体は、トリス（ジベンゾイルメタン）（フェナントロリン）ユーロピウム（ＩＩＩ）（または、Ｅｕ（ｄｂｍ）３ｐｈｅｎ）およびトリス［３−（トリフルオロメチルヒドロキシメチレン）−ｄ−カンフォラト］ユーロピウム（ＩＩＩ）（または、Ｅｕ（ｔｆｃ）３）の一方または両方等の下方シフト種であることができる。別の溶媒または溶媒の組み合わせを使用することもでき、別の蛍光体または他の種類の添加物を、蛍光体の代わりに、またはそれと組み合わせて、使用することもできる。蛍光体は、噴霧塗布前に、溶媒系に混合される。ＥＶＡシート上に噴霧される溶液は、約５００ｎｍの深度まで、一時的に、ＥＶＡシートの上部表面を軟化または安定化させ、本軟化（衝突蛍光体の速度と組み合わせて）は、ＥＶＡシートへの蛍光体の高速表面埋込を可能にする。噴霧条件は、ＥＶＡシートから約６インチの噴霧ノズル距離、および約２０ポンド／平方インチの霧化圧力において、ＥＶＡシートの平方フィート毎に、約１ｍｌから約１６ｍｌの溶液を伴い得る。そのようにして、蛍光体は、埋込領域内に局所化され、約５００ｎｍの深度まで、ＥＶＡシートの上部表面下にしっかりと埋め込まれる。蛍光体の噴霧埋込後、溶媒系の蒸発が、迅速に進み、約５秒以内に、ＥＶＡシートを乾燥させる。次に、蛍光体が、本時点において、ＥＶＡシートの上部表面にしっかりと埋め込まれた状態において、硬化または他の好適な処理に進むことができる。噴霧埋込プロセスは、実質的に、連続ロールツーロール方式で行うことができ、ＥＶＡシートが、実質的に、連続的に巻着および解巻される。
（実施例２）
（表面埋込封止材層の形成）
本実施例は、太陽素子内に混入され得る、表面埋込封止材層の形成について記載する。アルコール中に懸濁される銀ナノワイヤ等の形態における、添加物が、ＥＶＡシートの表面上に噴霧される。アルコールが、蒸発し、ＥＶＡシートの上部に銀ナノワイヤの表面上に堆積された層を残した後、テトラヒドロフランが、ＥＶＡシートの表面上に噴霧され、ナノワイヤを軟化させ、ＥＶＡシートに埋め込む。テトラヒドロフランの量を制御し、ＥＶＡシートの表面下に、部分的または完全に、ナノワイヤを埋め込む程度を調整することができる。結果として生じるナノワイヤ埋込ＥＶＡシートは、ＥＶＡシートの表面に隣接する接触ナノワイヤのパーコレーションのため、光散乱特性および電導性を呈することができる。本埋込プロセスは、室温および大気圧で行うことができる。ナノワイヤ埋込ＥＶＡシートは、素子組立の間、真空積層を介して、ガラスカバーおよび光活性層の一方または両方上に積層することができる。結果として生じる封止された太陽素子は、電導性封止材層を有し、正面電極に隣接する電流を収集する、または電流の収集を増大させ、ならびに斜角入射角において、太陽光のため等の光活性層に向かって、光散乱を向上させる、または別様に、それによる太陽光の吸収を誘発させる。加えて、封止材層は、向上した熱伝導性をもたらし、太陽素子にわたって、より効率的かつ均一に、熱を分布させ、より信頼性のある性能を保証する。他の種類の添加物も、銀ナノワイヤの代わりに、またはそれと組み合わせて、使用することができる。
（実施例３）
（表面埋込封止材層の形成）
約２５０ｍｇのＥｕ（ｄｂｍ）３ｐｈｅｎが、約１３ｍＬのテトラヒドロフランと組み合わせられた。本溶液全体が、ｉｗａｔａ Ｅｃｌｉｐｓｅ ＨＰ−ＣＳエアブラシを使用して、１９ｃｍ×２７ｃｍのＭａｒｓ Ｒｏｃｋ ＥＶＡシート片上に噴霧され、被覆率約０．４８７ｍｇ／ｃｍ２をもたらした。ＥＶＡシートは、２．１インチ×２．１インチ片に裁断された。２インチ×２インチ片のＭｃＭａｓｔｅｒ製ｂｏｒｏｆｌｏａｔガラスは、Ｍｉｃｒｏ９０洗剤で洗浄され、脱イオン水およびイソプロパノールで漱いだ後、約３０分のＵＶオゾン処理を行った。ガラス片は、Ｍａｒｓ Ｒｏｃｋ製結晶シリコン太陽電池に積層された。１片は、未処理ＥＶＡで積層された。他の片は、ユウロピウム蛍光体で処理されたＥＶＡで積層された。積層は、各ＥＶＡ片をガラス片と太陽電池との間に挟入した後、約９９℃で０から開始した真空の印加によって、行われた。アセンブリを炉内に留置し、約７４℃まで温度を降下させた。炉は、−２５ｍｍＨｇまで真空化され、その間、温度は、約８６℃まで上昇した。アセンブリが、約２０分間、真空下、炉内に置かれた。
（実施例４）
（表面埋込構造の特性）
図１１は、母材の埋込表面に対する添加物濃度の種々の構成を例証しており、非ゼロ添加物濃度は、埋込領域を表す。図１１におけるプロットすべてに対して、母材は、０から１０のｘ軸値間に閉じ込められる。コーティングが存在する場合、母材の上部に堆積され、ｘ＝−２とｘ＝０との間に位置する。ｘ軸は、埋込表面からの母材の深度／厚さを表す。第１のプロットは、基板全体の大部分の全体を通して混合された添加物でバルク混入された、または化合された基板のものである。その添加物濃度は、ｙ＝０．２濃度に保たれた均一な分布として描写される。第２のプロットは、類似幾何学形状を例証するが、添加物は、コーティング材料全体を通して混合される。
表面埋込添加物は、図１１Ａで例証されるように、母材の埋込表面の厚さまたは深度の関数として、離散ステップまたはデルタ関数において局所化することができる。代替として、添加物は、大部分が埋込表面に局所化することができるが、図１１Ｂのように埋込表面の中へとより深いほど、または図１１Ｅのように埋込表面に近いほど、漸減する濃度を有する。添加物は、図１１Ｃの方式において、埋込表面の完全に下側で表面に埋め込むことができ、離散した深度に添加物の最大濃度があり、その後に、両方向へ埋込表面より下側の離散した深度から添加物濃度が漸減する。埋込の深度を調整するようにパラメータを調節することによって、添加物埋込の複数の深度を達成することができ、図１１Ｄおよび図１１Ｆで捉えられるように、この多層埋込幾何学形状を可能にするように、複数の動作を基板上に行うことができる。前述のアプローチを介するが、図１１Ｇから図１１Ｉのようにすでにバルク混入されている基板の上（または、中）で表面に埋め込むことによって、同様の幾何学形状を達成することができる。基板材料にだけでなく、図１１Ｊから図１１Ｌに例証されるもののように、コーティング材料にも表面に埋め込むことによって、同様の幾何学形状を達成することができる。
その具体的実施形態を参照して本発明を説明してきたが、添付の請求項によって定義されるような本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更を行ってもよく、同等物が置換されてもよいことが、当業者によって理解されるべきである。加えて、特定の状況、材料、組成、方法、またはプロセスを、本発明の目的、精神、および範囲に適合させるように、多くの修正が行われてもよい。すべてのそのような修正は、本明細書に添付された請求項の範囲内であることを目的としている。具体的には、本明細書で開示される方法は、特定の順番で行われる特定の動作を参照して説明されているが、これらの動作は、本発明の教示から逸脱することなく、同等の方法を形成するように組み合わせられ、細分され、または順序付け直されてもよいことが理解されるであろう。したがって、本明細書で具体的に示されない限り、動作の順番およびグループ化は本発明の制限ではない。

Claims (15)

  1. 太陽素子であって、
    該太陽素子は、
    正面カバーと、
    背面カバーと、
    該正面カバーと該背面カバーとの間に配置される光活性層と、
    該正面カバーと該背面カバーとの間に配置され、かつ該光活性層に隣接する封止材層であって、該封止材層は、少なくとも部分的に該封止材層の中に埋め込まれる金属ナノワイヤを含む、封止材層と
    を含む、太陽素子。
  2. 前記封止材層は、埋込表面を有し、前記金属ナノワイヤが、該埋込表面に隣接する埋込領域内に局所化されることにより、該封止材層の残りは金属ナノワイヤを欠いている、請求項１に記載の太陽素子。
  3. 前記埋込表面は、前記光活性層に面している、請求項２に記載の太陽素子。
  4. 前記埋込領域の厚さは、前記封止材層の全体厚さよりも小さい、請求項２に記載の太陽素子。
  5. 前記埋込領域の厚さは、前記封止材層の全体厚さの５０％以下である、請求項４に記載の太陽素子。
  6. 前記埋込領域の厚さは、前記封止材層の全体厚さの２０％以下である、請求項５に記載の太陽素子。
  7. 一組のバスバーをさらに含み、該一組のバスバーは、前記封止材層によって少なくとも部分的に被覆され、該封止材層の中に延在する、請求項１に記載の太陽素子。
  8. 前記封止材層の中の前記金属ナノワイヤの装填は、１つの金属ナノワイヤから別の金属ナノワイヤへの電荷のパーコレーションを可能にする閾値を上回る、請求項１に記載の太陽素子。
  9. 前記封止材層は、１００Ω／ｓｑ以下であるシート抵抗を有する、請求項１に記載の太陽素子。
  10. 前記シート抵抗は、１５Ω／ｓｑ以下である、請求項９に記載の太陽素子。
  11. 前記封止材層は、前記正面カバーと前記光活性層との間に配置され、該封止材層は、少なくとも８５％の太陽フラックス加重透過率を有する、請求項１に記載の太陽素子。
  12. 前記金属ナノワイヤは、前記光活性層と電気接触し、前記太陽素子の電極として機能する、請求項１に記載の太陽素子。
  13. 前記金属ナノワイヤは、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の平均直径と、５００ｎｍ〜５０μｍの範囲内の平均長さとを有する銀ナノワイヤを含む、請求項１に記載の太陽素子。
  14. 前記金属ナノワイヤのうちの少なくとも１つは、１ｎｍ〜５０ｎｍだけ前記封止材層から外へ延在する、請求項１に記載の太陽素子。
  15. 前記金属ナノワイヤは、ともに融合される金属ナノワイヤを含む、請求項１に記載の太陽素子。
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