JP6395872B2 - インコヒーレント放射の非線形多光子吸収を用いて電力を発生させる光起電デバイス - Google Patents

インコヒーレント放射の非線形多光子吸収を用いて電力を発生させる光起電デバイス Download PDF

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Description

当該技術で知られるように、光起電（photovoltaic）デバイスは、図１Ａに表されるように、ｐ−ｎ接合を有する半導体ボディのバンドギャップ以上のエネルギを持った光子が単一の電子−空孔（正孔）（ｅ−ｈ）対を生成する単光子吸収（ＳＰＡ；single photon absorption）を用いて作動する。光子により生成された（本願では、時々、“光生成された”と呼ばれる。）電子及び空孔は、次いで、ｐ−ｎ接合ダイオードを用いて、電力生成のために集められる。ｐ−ｎ接合にわたる光生成された電子及び空孔のフローは、ボディを流れる電流フローと、ボディのｐ領域及びｎ領域にある端子にかかる電圧の発生とをもたらす。半導体のバンドギャップ・エネルギを下回るエネルギを有する光子は、ｅ−ｈ対の生成に寄与しない。半導体ボディを流れる電流は、光生成された電子及び空孔の数に依存する。端子間に生成される電圧は、半導体ボディのバンドギャップに依存する。バンドギャップ・エネルギを超えるエネルギを持った光子は、ｅ−ｈ対を生成する。このとき、バンドギャップ・エネルギを超えたエネルギは、熱の形で最終的に失われる（フォノニック損失（phononic loss）としても知られる。）。それら全ての要因に起因した効率の詳細なバランス限界は、エネルギの広帯域光源（例えば、太陽のような黒体放熱体）から電気エネルギへのエネルギ変換効率に上限を設ける。これは、ショックレー・クワイサー限界（Shockley-Queisser limit）と呼ばれる。単一（１バンドギャップ）のｐ−ｎ接合結晶半導体デバイスについて、理論上制限的な電力効率は約３１％である。異なったバンドギャップを有する多数の積層／タンデムｐ−ｎ接合（夫々のバンドギャップは、広帯域放射から挟区間／範囲の光子エネルギを捕捉する。）によれば、対応する理論上の制限は高くなる。３６個のバンドギャップのスタックについて、理論上の最大効率は７２％である［S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. 2nd Edition, Page 798, John Wiley & Sons Inc., New York (1981)（非特許文献１）；W. Walukiewicz, "Semiconductor Materials for Intermediate Band Solar Cells", GCEP Solar Energy Workshop, 19 Oct 2004（非特許文献２）］。太陽光を一点に集めることによって、変換効率を更に高めることができる。２０１３年９月に、ドイツのFraunhofer Institute for Solar Energy Systemsによって実証されたように、太陽電池は、２９７個の太陽に等しい集光倍率により４４．７パーセントの効率を達成した［Fraunhofer-Institut fur Solare Energiesysteme ISE, Press Release, 23 September 2013（非特許文献３）］。
本質的に、半導体単一ｐ−ｎ接合デバイスのバンドギャップは、（放射体の温度に応じて）特定の黒体スペクトルについて最大変換効率を示すよう最適化され得る。黒体スペクトルのより大きい部分を、ショックレー・クワイサー限界を超える効率を持った電力に変換する努力は、垂直に（例えば、タンデム電池）又は横方向に（例えば、スペクトル分裂によるシステムにおける）集められた複数のバンドギャップを有するボディを使用する。黒体源（例えば、太陽）又は熱放射源（例えば、加熱炉からのフレア若しくは余熱）からの光のような光出力（電磁放射）を電力に変換する現在のＳＰＡ光起電（ＰＶ）プロセスは、従って、基本となるショックレー・クワイサー限界によってそのエネルギ変換効率において制限される。太陽光を電気エネルギに変換する市販のシリコン太陽電池は、約２０％の変換効率を示す。上述されたように制限される単一ｐ−ｎ接合太陽電池デバイスの理論上の最大効率は、約３１％である。集光器（集光型太陽光発電（すなわち、ＣＰＶ；concentrator photovoltaics）としても知られる。）技術を用いて入射太陽光の強さの集中を高めることによって、１０００の集光比で約３７％まで効率を高めることが理論上可能である［S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. 2nd Edition, Page 798, John Wiley & Sons Inc., New York (1981)（非特許文献１）；G. Gabetta, "High Efficiency Photovoltaic power plants: the II-V compound solar cells, 201 1 CESI（非特許文献４）］。なお、光（単位面積あたりの電力）の集中は、ボディにおける材料が劣化することなしに、ある閾レベルを超えて増大することができない。効率を高めるための他のアプローチは、異なるバンドギャップを有する半導体を有する一連のデバイスを用いて黒体放射から広域エネルギスペクトルを吸収することによる。これは、４０％に近い効率を持ったタンデム太陽電池（トリプルジャンクションセル（triple junction cells）としても知られる、互いの上に載置された３つの異なった半導体を用いる。）を作成するためにＰＶ産業において使用されてきた。しかし、そのようなデバイスは非常に高価であり、特定の条件下でしか効率良く働かない。
４０年以上にわたって、精力的な研究が、多接合デバイス、多重吸収経路太陽電池（衝突電離多励起子生成を用いる。）、多重エネルギレベル太陽電池（局在準位又は中間バンドを用いる。）、多重スペクトル太陽電池（光子のアップ及びダウンコンバージョンを用いる。）、多重温度太陽電池（ホットキャリアの利用を用いる。）、希薄ＩＩ−ＶＩ酸化物半導体セル（ＺｎＭｎＯＴｅ）、及び太陽熱光電力（ＴＰＶ；thermo-photovoltaics）によって有効太陽電池効率を高める開発に捧げられてきた。そのようなＳＰＡ技術は：１）より低いスペクトルバンドを集めるよう異なったバンドギャップの半導体をスタックすること；２）電荷キャリア（電子及び空孔）を最小限とするストラテジによって個々のｐ−ｎ接合を最適化すること；３）吸収、非放射プロセス、放射損失、及びキャリア拡散長さのバランスを取ることによってアクティブ領域の厚さを最適化すること；４）セルの表面構造を変更することと、衝突により構造内に光を結合し、弱吸収波長をトラップする表面の傾斜角に光を散乱させるよう設計されている多層コーティングを使用することとを含む他の増強アプローチ；５）量子ドットを含んでいるが、その効率が従来の方法に依然として近づいていない詳細な提案；６）製造されているが、効率が従来のレベルを下回る中間状態セル；並びに７）やはり実証されてはいるが、既存のデバイスにおいて性能がよろしくない、逆オージェ効果（inverse auger effect）による多重励起子を含む。上記のアプローチは、高効率のデバイスを実現するのに必要である基準の一部しか与えない。理想的なＰＶデバイスは、理論上の最大変換効率を実証するために次の基準を満足する必要がある：ゼロ直列抵抗、無限シャント抵抗、ゼロ表面再結合（完ぺきに不動態化された表面）、ＰＶ材料におけるゼロ転位又は拡張欠陥、極めて高いキャリアライフタイム（最高品質の単結晶を必要とする。）、Ｐ＋ＩＮ＋構造（効率的なキャリア収集のため）、完ぺきな反射防止（ＡＲ；anti-reflection）コーティング及びテスクチャード加工表面、光子リサイクリングのための背面反射体（back-surface reflector）、裏面電界（back surface filed）（電気）プロファイル（キャリア閉じ込めのため）、望ましくは直接遷移（direct bandgap）半導体（ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＣｄＴｅ、など）、高い光学濃度、低い動作温度。上記の基準の多くを達成するための４０年以上にわたる研究にかかわらず多くの課題に直面している。
やはり当該技術で知られるように、非線形の二光子吸収（ＴＰＡ；Two-Photon Absorption）は、図１Ｂに表されるように、同じ又は異なった波長（又は周波数）を有しながら半導体のバンドギャップ・エネルギに満たないエネルギを夫々持った（入射放射線からの）２つの光子がボディにおいて同時に吸収されて、ボディ内の電子がより低いエネルギの電子状態（通常は基底状態）からより高いエネルギの電子状態へと上がる非線形な多光子光学プロセスである［S. Fathpour, K. Tsia and B. Jalali, "Two Photon Photovoltaic Effect in Silicon", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.43, p.1211, 2007（非特許文献５）；B. Jalali; S. Fathpour "Silicon Photonics", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 24, p.460, 2006（非特許文献６）；M. B. Haeri, S. R. Kingham, and P. K. Milsom, "Nonlinear absorption and refraction in indium arsenide," J. Appl. Phys. 99 (1), 013514, 2006（非特許文献７）；K.W. Berryman and C.W. Rella, "Nonlinear absorption in indium arsenide", Phys. Rev. B, 55(11), 7148-7154, 1997（非特許文献８）］。関連する低位及び高位状態の間のエネルギ差は、図１Ｂに示されるように、２つの光子の夫々のエネルギの和以下である。
非線形ＴＰＡ及びＳＰＡプロセスの間には他の基本的な相違が存在する。特に、吸収係数αの逆数は、光子が物質によって吸収される前に光子が進む平均距離を定める。吸収係数は、αが吸収係数であり、Ｉ（ｚ）が媒体への位置ｚでの光子ビーム強さであるとして、微分方程式（ｄ／ｄｚ）・Ｉ（ｚ）＝−αＩ（ｚ）によって、光が物質を進む場合の光子強さ（単位面積あたりの電力）を記述する。このとき−｜（ｄ／ｄｚ）・Ｉ（ｚ）｜は、光がボディを進む場合の強度吸収のレートと見なされてよい。半導体のバンドギャップ以上の光子エネルギについて、単光子吸収（ＳＰＡ）プロセスの吸収係数は、特定の半導体材料及び光子エネルギに依存する。吸収係数は、近似的に、光ビームの強さと無関係の定数である。
十分に高い光強さで、非線形多光子プロセスは吸収を左右することができる。一例として、非線形縮退二光子吸収（ＴＰＡ）は、非線形多光子プロセスの特別な場合である（語「縮退（degenerate）」は、同じエネルギを持った夫々の光子を言う。）。この場合に、バンドギャップに満たないエネルギを夫々持った２つの光子について、非線形ＴＰＡプロセスは、価電子帯（valence band）から伝導帯（conduction band）へ電荷キャリア（電子）を持ち上げるよう光子を結合する。
ＳＰＡプロセスと異なり、縮退ＴＰＡプロセスでは、ボディの光吸収係数（α）は、βが物質の特性に応じた比例定数であるとして、α＝βＩにより、入射光（Ｉ）の光強さに比例する。非線形な縮退ＴＰＡプロセスのための簡略化された表現は、物質に依存する非線形吸収係数βによって記述され得る、簡略化された式（ｄ／ｄｚ）・Ｉ（ｚ）＝−βＩ２（ｚ）を介してＴＰＡ吸収を支配する。
よって、縮退ＴＰＡの際立った特徴は、物質による光の吸収の割合が光の強さの二乗に依存する点である。これは、光の吸収の割合が入力光の強さに対して線形であるＳＰＡとは異なる。
ＴＰＡは、光出力リミッタを含む様々な適用のためにコヒーレントな放射線源とともに使用されてきた。光出力リミッタについて、強い非線形効果を持った物質において、光の吸収は、特定の入力強度を超えて出力強度が一定値に近づくように、強度とともに増大する。そのような物質は、システムに入る光出力の量を制限するために使用される。これは、センサのような高価な又は敏感な装置を保護するために使用されてよく、あるいは、保護眼鏡において使用されてよく、あるいは、レーザービームにおけるノイズを制御するために使用されてよい。
ＴＰＡは、レーザーからのコヒーレント放射にボディをさらすことによって生成されてきたが、本発明者は、インコヒーレント放射に応答して電力を直接に生成する光起電システムを提供して、例えば、太陽光から、非線形多孔吸収（すなわち、非線形ＴＰＡ）によってそのような電力を生成することを認めている。
S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. 2nd Edition, Page 798, John Wiley & Sons Inc., New York (1981) W. Walukiewicz, "Semiconductor Materials for Intermediate Band Solar Cells", GCEP Solar Energy Workshop, 19 Oct 2004 Fraunhofer-Institut fur Solare Energiesysteme ISE, Press Release, 23 September 2013 G. Gabetta, "High Efficiency Photovoltaic power plants: the II-V compound solar cells, 201 1 CESI S. Fathpour, K. Tsia and B. Jalali, "Two Photon Photovoltaic Effect in Silicon", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.43, p.1211, 2007 B. Jalali; S. Fathpour "Silicon Photonics", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 24, p.460, 2006 M. B. Haeri, S. R. Kingham, and P. K. Milsom, "Nonlinear absorption and refraction in indium arsenide," J. Appl. Phys. 99 (1), 013514, 2006 K.W. Berryman and C.W. Rella, "Nonlinear absorption in indium arsenide", Phys. Rev. B, 55(11), 7148-7154, 1997
本開示に従って、非線形な多光子吸収を用いてインコヒーレントな光放射を電力に変換する方法が提供される。
一実施形態において、前記非線形な多光子吸収はボディにおいて起こり、前記インコヒーレントな光は、前記ボディに移動する前に集光光学系に通される。
一実施形態において、電力を生成する方法であって、所定のバンドギャップを有するボディおいて多光子非線形吸収を生じさせるステップを有し、該ステップは、前記ボディのバンドギャップを下回るエネルギを有するインコヒーレント放射源からの光子に前記ボディをさらすこと含む、方法が提供される。
一実施形態において、前記インコヒーレントな光は、複数の異なった周波数を有する。
一実施形態において、前記インコヒーレントな光は、最小波長と最大波長との間にある異なった周波数の連続スペクトルを有する。
一実施形態において、高強度（単位面積あたりの電力）インコヒーレントエネルギをボディ内に向け、ボディにおけるインコヒーレントな広域スペクトル帯域の光エネルギを、前記ボディを磁界にさらしながら、非線形な多光子吸収プロセスを用いて電力に変換することを有する方法が提供される。
一実施形態において、高強度（単位面積あたりの電力）インコヒーレント広域スペクトル帯域エネルギの所定の偏光状態を、所定の結晶方位を有するボディ内に向け、ボディにおけるインコヒーレントな広域スペクトル帯域の光エネルギを、前記ボディを磁界にさらしながら、非線形な多光子吸収プロセスを用いて電力に変換することを有する方法が提供される。
一実施形態において、高強度（単位面積あたりの電力）インコヒーレントエネルギをボディ内に向け、ボディにおけるインコヒーレントな広域スペクトル帯域の光エネルギを、前記ボディを電界にさらしながら、非線形な多光子吸収プロセスを用いて電力に変換することを有する方法が提供される。
一実施形態において、高強度（単位面積あたりの電力）インコヒーレント広域スペクトル帯域エネルギの所定の偏光状態を、所定の結晶方位を有するボディ内に向け、ボディにおけるインコヒーレントな広域スペクトル帯域の光エネルギを、前記ボディを磁界及び電界にさらしながら、非線形な多光子吸収プロセスを用いて電力に変換することを有する方法が提供される。
本開示に従って、電力生成システムが提供され、該電力生成システムは、所定のバンドギャップを有するボディと、所定の周波数帯内で光学フィルタを通り且つ所定の強度を有する、例えば、赤外線、可視及び紫外線放射を有する太陽光のような、インコヒーレントな放射を前記ボディの内部領域へ方向付けるバンドパス光学フィルタとを有し、前記ボディのバンドギャップは、通過する放射線における光子のエネルギよりも大きく、前記ボディにおける強さは、非線形な多光子吸収モードにおいて前記ボディを作動させるのに十分である。
本開示に従って、非線形な多光子吸収を用いてインコヒーレントな光エネルギを電力に変換する方法が提供される。
一実施形態において、電力を生成する方法であって、所定のバンドギャップを有するボディにおいて多光子非線形吸収を生じさせるステップを有し、該ステップは、前記ボディのバンドギャップを下回るエネルギを有するインコヒーレント放射源からの光子に前記ボディをさらすことを含む、方法が提供される。
一実施形態において、前記非線形な多光子吸収はボディにおいて起こり、該ボディにおいて前記非線形な多光子吸収を生じさせる。
一実施形態において、前記非線形な多光子吸収は、所定のバンドギャップ・エネルギを有するボディにおいて起こり、前記インコヒーレントな光放射は、前記所定のバンドギャップ・エネルギに満たないエネルギレベルを有する光子を有する。
一実施形態において、前記ボディは、半導体ボディである。
一実施形態において、前記非線形な多光子吸収は、電子及び空孔を有するキャリアを発生させ、該キャリアのための電気経路を設けるよう前記ボディの外にある電気回路を設けることを含む。
一実施形態において、前記ボディは、該ボディとオーミック接触にする電極対を設けられ、前記電気経路は、前記電極対の間に設けられる。
一実施形態において、光エネルギは、１０５Ｗ／ｃｍ２以上の光束を有する。
一実施形態において、前記ボディは、一元、二元、三元、四元又はより高次の組成の半導体ボディである。
一実施形態において、所定のバンドギャップ・エネルギを有するボディにおいて非線形な多光子吸収を生じさせる方法であって、前記所定のバンドギャップ・エネルギに満たないエネルギを持った光子を有するインコヒーレントな電磁放射源に前記ボディをさらして、該ボディ内でキャリアのフローを生じさせることと、前記ボディの外にある負荷に前記キャリアを結合することとを有する方法が提供される。
一実施形態において、前記インコヒーレントな光は、多周波インコヒーレント光であり、前記非線形な多光子吸収は、縮退及び非縮退の二光子吸収（ＴＰＡ）の組み合わせである。
一実施形態において、前記インコヒーレントな電磁放射は、複数の異なった周波数を有し位、前記非線形な多光子吸収は、電子−空孔対を有するキャリアを発生させ、該キャリアのための導電経路を設けるよう前記ボディの外にある電気回路を設けることを含む。
一実施形態において、前記インコヒーレントな電磁放射は、異なった周波数の連続スペクトルを有し、前記非線形な多光子吸収は、電子−空孔対を有するキャリアを発生させ、該キャリアのための導電経路を設けるよう前記ボディの外にある電気回路を設けることを含む。
一実施形態において、当該方法は、ボディを、１よりも多いＮ個の光子強度（単位面積あたりの電力）の積Ｉ１×Ｉ２×・・・×ＩＮに比例するレートで前記ボディ内で電力ＰのＮ多光子吸収を引き起こすのに十分な強さを持った、光子強度Ｉｋに関連する光子エネルギＥｋを有するインコヒーレントな電磁放射源にさらして、吸収された電力から前記ボディにおいて電子−空孔対を生じさせることと、該電子−空孔対を前記ボディにかかる電位に変換することとを含む。
一実施形態において、当該方法は、ボディを、１よりも多いＮ個の光子強度（単位面積あたりの電力）の積Ｉ１×Ｉ２×・・・×ＩＮに比例するレートで前記ボディ内で電力ＰのＮ多光子吸収を引き起こすのに十分な強さを持った、光子強度Ｉｋに関連する光子エネルギＥｋを有する複数の多周波インコヒーレント電磁放射を含む源にさらして、吸収された電力から前記ボディにおいて電子−空孔対を生じさせることと、該電子−空孔対を前記ボディにかかる電位に変換することとを含む。
一実施形態において、当該方法は、ボディを、１よりも多いＮ個の光子強度（単位面積あたりの電力）の積Ｉ１×Ｉ２×・・・×ＩＮに比例するレートで前記ボディ内で電力ＰのＮ多光子吸収を引き起こすのに十分な強さを持った、光子強度Ｉｋに関連する光子エネルギＥｋを有する多周波インコヒーレント電磁放射の連続スペクトルを含む源にさらして、吸収された電力から前記ボディにおいて電子−空孔対を生じさせることと、該電子−空孔対を前記ボディにかかる電位に変換することとを含む。
一実施形態において、光起電デバイスが提供され、該光起電デバイスは、ボディと、ボディに向けられる多周波インコヒーレント光の源であって、前記光は、１よりも多いＮ個の光子強度（単位面積あたりの電力）の積Ｉ１×Ｉ２×・・・×ＩＮに比例するレートで前記ボディ内で電力ＰのＮ多光子吸収を引き起こすのに十分な強さを持った、光子強度Ｉｋに関連する光子エネルギＥｋを有して、吸収された電力から前記ボディにおいて電子−空孔対を生じさせる前記源と、前記キャリアを受け、前記ボディの外で電流を生じさせるよう前記ボディへ接続される電極とを有する。
一実施形態において、当該方法は、前記ボディを電界にさらすことを含む。
一実施形態において、方法は、ボディにおける非線形な多光子吸収を用いて光エネルギを電力に変換することと、そのような吸収の間に、ボディを電界にさらして、電子−空孔キャリア変換の光子の遷移確率を高めることとを含む。
一実施形態において、当該方法は、前記ボディを磁界にさらすことを含む。
一実施形態において、前記磁界は、前記ボディにおいてランダウ準位（Landau level）エネルギ状態を生じる。
一実施形態において、方法は、ボディにおける非線形な多光子吸収を用いて光エネルギを電力に変換することと、そのような吸収の間に、前記ボディを磁界にさらすことととを有する。
一実施形態において、当該方法は、磁界及び電界の両方に同時に前記ボディをさらすことを含む。
一実施形態において、電気回路が提供され、該電気回路は、所定のエネルギを持った光子を有するインコヒーレント放射源と、前記光子の前記所定のエネルギよりも大きいバンドギャップを有する光起電デバイスとを有し、前記光起電デバイスは、前記所定のエネルギを持った前記光子を受けて非線形多光子吸収モードで動作するよう位置付けられる。
一実施形態において、電気回路が提供され、該電気回路は、ボディと、光子源と、磁界発生源とを有し、光起電デバイスは、前記ボディにおける非線形な多光子吸収を用いて前記光子からの光子エネルギを電力に変換し、そのような吸収の間に、ボディは前記磁界にさらされ、当該電気回路は、前記光起電デバイスと並列に接続された電気デバイスを更に有する。
一実施形態において、電気回路が提供され、該電気回路は、ボディと、光子源と、電界発生源とを有し、光起電デバイスは、前記ボディにおける非線形な多光子吸収を用いて前記光子からの光子エネルギを電力に変換し、そのような吸収の間に、ボディは前記電界にさらされ、当該電気回路は、前記光起電デバイスと並列に接続された電気デバイスを更に有する。
一実施形態において、電気回路が提供され、該電気回路は、ボディと、光子源と、磁界及び電界の発生源とを有し、光起電デバイスは、前記ボディにおける非線形な多光子吸収を用いて前記光子からの光子エネルギを電力に変換し、そのような吸収の間に、ボディは前記磁界及び電界にさらされ、当該電気回路は、前記光起電デバイスと並列に接続された電気デバイスを更に有する。
当該方法は、電力を発生させるために半導体バンドギャップに満たないエネルギを持った光子を利用して黒体放射の大部分を捕捉するよう、半導体ボディのようなボディにおいて、二光子吸収（ＴＰＡ）プロセスのような非線形多光子吸収（ＭＰＡ）を使用する。
ボディが磁界にさらされている間に、非線形の、バンドギャップ・エネルギに満たない多光子吸収を用いて、光エネルギを電力に変換する方法及び光起電デバイスが提供される。磁界の印加は、半導体の伝導帯、中間帯及び価電子帯における縮退を取り除く。縮退を取り除くことは、ＴＰＡ遷移係数が磁性ランダウ準位間の遷移においてピークを示すことを可能にする。遷移レートは、磁気量子数の選択規則に従う。ランダウ遷移は共鳴遷移に対応し、遷移レート及び光生成電子−空孔電流を増大させる。
本開示の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明において示される。本開示の他の特徴、目的及び利点は、明細書及び図面から、並びに、特許請求の範囲から、明らかである。
ボディにおける単光子吸収（ＳＰＡ）を表す図である。 ボディにおける二光子吸収（ＴＰＡ）を表す図である。 本開示に従って非線形多光子吸収を用いてインコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図である。 非線形多光子吸収を用いてインコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図であり、図２における光起電デバイスとして使用されるボディの代替のｐ−ｎ接合が、本開示の他の実施形態に従って、図２のシステムと比べて、ビーム伝播方向を横断するより大きい空乏エリアを提供する。 本開示の他の実施形態に従って磁界を印加された、図２における光起電デバイスとして使用されるボディによる非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図である。 図４のシステムにおける電界の存在下での直接バンドギャップ半導体の典型的なランダウ準位間のインター−インターバンド及びインター−イントラバンドＴＰＡ遷移を表す。 図４のシステムにおける電界の存在下での直接バンドギャップ半導体の典型的なランダウ準位間のインター−インターバンド及びインター−イントラバンドＴＰＡ遷移を表す。 本開示の他の実施形態に従って磁界を印加された、図２における光起電デバイスとして使用されるボディによる非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図であり、ボディが、本開示の他の実施形態に従って適用される図４のｐ−ｎ接合とは異なるｐ−ｎ接合トポロジを有する。 本開示の他の実施形態に従って適用されるインコヒーレント放射線源のランダムな又は固定の偏光状態を実現することによって性能の向上を達成する集光構造を備える図２における光起電デバイスとして使用されるボディによる非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図である。 本開示の他の実施形態に従って適用されるインコヒーレント放射線源のランダムな又は固定の偏光状態を実現することによって性能の向上を達成する集光構造を備える図２における光起電デバイスとして使用されるボディによる非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図であり、ボディが、本開示の他の実施形態に従って適用される図４のｐ−ｎ接合とは異なるｐ−ｎ接合トポロジを有する。 本開示の他の実施形態に従って、積層されたボディの対を用いた非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図である。 本開示の他の実施形態に従って、積層されたボディの対を用いた非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図である。 本開示の他の実施形態に従って、ハイブリッド配置において単光子吸収を使用した積層ボディの対を使用することで作動するボディの対の間に配置されたボディにおける非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図である。 多重スペクトル二光子吸収及び多光子吸収の利点を示す。 照射ビームに応答して２つのｐ−ｎ接合方位を有するボディに向けて図２の集光光学系に通した後、インコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示し、図１１Ａには２つの方位のうちの一方が示され、本開示の他の実施形態に従って、照射ビーム方向の相対的な位置付け、照射偏光状態、ｐ−ｎ接合インターフェイス、及びｐ−ｎ接合空乏領域電界を示す。 照射ビームに応答して２つのｐ−ｎ接合方位を有するボディに向けて図２の集光光学系に通した後、インコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示し、図１１Ｂには２つの方位のうちの他方が示され、本開示の他の実施形態に従って、照射ビーム方向の相対的な位置付け、照射偏光状態、ｐ−ｎ接合インターフェイス、及びｐ−ｎ接合空乏領域電界を示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及びボディの様々な向きについて、図４において見られるように磁界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及びボディの様々な向きについて、図４において見られるように磁界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及びボディの様々な向きについて、図４において見られるように磁界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及びボディの様々な向きについて、図４において見られるように磁界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及びボディの様々な向きについて、図４において見られるように磁界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及びボディの様々な向きについて、図４において見られるように磁界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、電界及びボディの様々な向きについて、電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、電界及びボディの様々な向きについて、電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、電界及びボディの様々な向きについて、電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、電界及びボディの様々な向きについて、電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、電界及びボディの様々な向きについて、電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、電界及びボディの様々な向きについて、電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、ボディが入来ビームに対して１つの配向を持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、ボディが入来ビームに対して１つの配向を持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、ボディが入来ビームに対して１つの配向を持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、ボディが入来ビームに対して１つの配向を持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、ボディが入来ビームに対して１つの配向を持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、ボディが入来ビームに対して１つの配向を持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、図１５Ａ〜１５Ｆにおけるボディの配向とは異なる配向をボディが持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、図１５Ａ〜１５Ｆにおけるボディの配向とは異なる配向をボディが持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、図１５Ａ〜１５Ｆにおけるボディの配向とは異なる配向をボディが持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、図１５Ａ〜１５Ｆにおけるボディの配向とは異なる配向をボディが持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、図１５Ａ〜１５Ｆにおけるボディの配向とは異なる配向をボディが持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 本開示の他の実施形態に従って、図１５Ａ〜１５Ｆにおけるボディの配向とは異なる配向をボディが持つとして、磁界及び電界並びにボディの様々な向きについて、磁界及び電界が印加された状態で非線形多光子吸収を用いて図２の集光システムを通った後にインコヒーレント放射の照射ビームをインターセプトする光起電デバイスを示す。 様々な図面における同じ参照符号は、同じ要素を示す。
これより図２を参照すると、光起電デバイス１０が示されている。光起電デバイス１０は、ボディ１２と、光源１４、ここでは、例えば、インコヒーレント放射の黒体放熱体、例えば、太陽、又は熱放射源（例えば、加熱炉からのフレア若しくは余熱）とを備える。光源１４からの光は、集光光学系１３を通ってボディ１２の上に向けられる。集光光学系１３は、放射収集オプティクス（１３ｂ）、光スペクトルフィルタ（１５）、及び集光（condensing又はconcentrating）オプティクス（１３ｂ）を含む。ボディ１２は、所定のバンドギャップを持った、記載されるべき半導体ボディである。集光光学系１３は、光源１４からの光を収集し焦点を合わせる。光源１４からの光は、ボディ１２の上に向けて、バンドパス光学フィルタ又はスペクトルビームスプリッタ１５に通される。光学フィルタ又はスペクトルビームスプリッタ１５は、ボディ１２の所定のバンドギャップよりも低い所定のエネルギを有し且つボディ１２を非線形多光子吸収モードで作動させるようボディ１２内で十分な強さＩ（単位面積あたりの電力）を有する光子を含む光源１４からのインコヒーレント放射の部分を集光オプティクス１３ｃからボディ１２へ伝えるよう設計された周波数応答を有する。光子エネルギＥｋは、１よりも多いＮ個の光子強度の積Ｉ１×Ｉ２×・・・×ＩＮに比例するレートでボディ内で電力Ｐの非線形なＮ多光子吸収を引き起こすのに十分な強さを持った光子強度Ｉｋに関連する。それにより、ボディ１２では、吸収された電力からキャリアが生じる。ここで、例えば、フィルタ１５は、多層干渉、ルゲート（rugate）フィルタ、プリズム又は回折格子であってよい。最大効率を提供するよう、フィルタ（又はスペクトルビームスプリッタ）により拒絶された光は、他の線形又は非線形光起電デバイス（図示せず。）へ向けられ得る。ボディ１２は、電荷キャリアを受けて、負荷１９を流れる電流を生成するよう、ボディ１２へ接続された電極１６、１８の対を備える。負荷１９は、矢印２２によって示される完結した電流供給回路を提供するよう、ここでは、ボディ１２の外部で導電配線２０を通じて電極１６、１８へ接続された抵抗器によって表されている。特に、ボディ１２は所定のバンドギャップ・エネルギを有する。ここで、例えば、ボディ１２は、ｐ−ｎ接合２８を形成するｐ形領域２４及びｎ形領域２６を備えた単結晶半導体ボディであり、結果として現れる空乏領域３０は、図示されるように、ボディ１２において生成される。ここで、この例において、ボディ１２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、例えば、ＧａｘＩｎ１−ｘＡＳ（なお、０＜ｘ＜１）半導体である。ここで、例えば、ｎ形領域２６は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３のドーピング濃度を有する、例えば、テルリウム（Ｔｅ）をドープされており、ｐ形領域２４は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３を有する亜鉛（Ｚｎ）をドープされている。電極１６、１８は、夫々図示されるように、ｐ形領域２４及びｎ形領域２６とオーミック接触している。
特に、ここでは、例えば、バンドパスフィルタ又はスペクトルビームスプリッタ１５は、１．０６μｍよりも大きい波長（１．１７ｅＶに満たない光子エネルギに対応する。）を有するインコヒーレント放射を通す。光ビームは集められて、ボディ１２の空乏領域の中心にあるスポット２９の上に焦点を合わせられる。光放射における光子のエネルギは、３００Ｋ（室温）で１．３４４ｅＶであるＩｎＰのバンドギャップに満たないことが知られる。
このように、電気回路は、非線形多光子吸収モードで作動する光起電デバイス１０と、光起電デバイス１０の両端にわたって接続された負荷１９とを含む。特に、ボディ１２は、ボディ１２の所定のバンドギャップ・エネルギに満たないエネルギを持った光子、ここでは、例えば、Ｅがボディ１２のバンドギャップ・エネルギであるとして、Ｅに満たないエネルギを持った光子により、１よりも多いＮ個の光子強度の積Ｉ１×Ｉ２×・・・×ＩＮに比例するレートでボディ内で電力Ｐの非線形なＮ多光子吸収を引き起こすのに十分な強さを持った光子強度Ｉｋに関連する光子エネルギを有してボディ１２に衝突する光の強さＩをボディに受けさせることによって、非線形多光子吸収モードで作動して、ボディ１２において電子（ｅ）−空孔（ｐ）対を生じさせる。ここで、集光オプティクス１３ｃは、空乏領域３０における強さＩを、１０５〜１×１０７ワット／ｃｍ２の範囲にある光束まで増大させる。
接点金属は、ボディ内の電子−空孔対の発生ボリュームに可能な限り近くなければならないことが知られる。固有ビルトイン電界の存在（空乏領域による。）は、電子−空孔対を分離するのを助ける。光子ビームが空乏領域外で吸収される場合には、電子−空孔対の再結合（発生後）は回避されるべきである。光子ビームが望ましくは集束又は吸収されるべき領域は、半導体ボディのｐ形及びｎ形夫々の側における電子及び空孔の拡散距離によって決定される。例えば、ｎ形及びｐ形領域について不純物のドーピング濃度が低く、電子寿命＝２×１０−９秒及び空孔寿命＝３×１０−６秒であるリン化インジウム（ＩｎＰ）は、４０ミクロンの空孔拡散距離及び８ミクロンの電子拡散距離をもたらす［オンライン金属特性参照：http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/InP/electric.html］。半導体における典型的な空乏領域幅は、１０１６ｃｍ−３のドーピングレベルに対応して０．５μｍに満たず、あるいは、ｐ形及びｎ形領域についてより高い。よって、集束放射のスポットサイズは、キャリアの最小拡散距離（この例では、８μｍ）未満であるべきである。望ましくは、スポットの位置は、空乏領域内で中心におかれるべきであり、集光放射のスポットサイズは、空乏領域幅（０．５μｍ未満）よりも小さいべきである。光子が吸収されている長手方向寸法（光進行の方向における。）は、非線形吸収係数βによって決定づけられる。ＩｎＰに関して、これは、バンドギャップ・エネルギの半分のエネルギを有する光子について約１００μｍである。接点１６、１８は、全てのキャリアを効果的に収集するよう、電子−空孔対発生領域であるスポット２９の“付近”（すなわち、０．２乃至０．３μｍの範囲内）にある必要があることが知られる。金属が発生ボリュームから遠く離れている場合には、キャリアは拡散し、収集前に再結合する。ここで、この例では、スポットサイズは、直径が１０ミクロンである。スポット２９が集束される点は、ＴＰＡのために使用される光の波長、物質のＴＰＡ吸収係数、選択された物質における電子及び空孔の移動度、光の強さ、集束された光のスポット２９のサイズ、並びに発生ボリュームの関数である。
光源が、前述の例で記載されたよりも大きい横断面の集束スポットサイズを必要とことが観測されている場合において、一実施形態は、ここでは環状電極１６を使用して、図３で表されているｐ−ｎ接合の代替のトポロジを利用することができる。代替のｐ−ｎ接合における全ての要素は、図２において記載されたのと同じ機能を備える。ここでは、しかし、代替の配置は、放射照射の方向と垂直に、より大きい空乏領域を可能にする。
これより図４及び５を参照して、図２のシステムは、更に、磁界発生源（４７）及び（４８）、ここでは、例えば、永久磁石と、図５のｐ−ｎ接合トポロジとは異なるｐ−ｎ接合トポロジを有する図４におけるボディとを含む。永久磁石によって提供される外部磁界の印加は、半導体の伝導、中間及び価電子帯における縮退を取り除く。縮退を取り除くことは、ＴＰＡ遷移係数が磁性ランダウ準位間の遷移においてピークを示すことを可能にする。遷移レートは、磁気量子数の選択規則に従う。直接バンドギャップ半導体に関して、規則は、価電子帯から中間状態を介した伝導帯への遷移、又は価電子帯若しくは伝導帯のいずれか一方における中間仮想ランダウ準位内での価電子帯及び伝導帯のランダウ準位間で起こる遷移に対応する。ランダウ遷移は共鳴遷移に対応し、遷移レートを大いに増大させる。直接及び間接ギャップ半導体のためのメカニズムは、間接ギャップ半導体が運動量の保存を満足するためにフォノン（phonon）とのインタラクションを必要とするので、わずかに異なる。直接バンドギャップ半導体について外部磁界の存在によって引き起こされるランダウ準位を利用したＴＰＡバンド構造及びＴＰＡ遷移の描写は、図４Ａ及び４Ｂに示される。
直接ギャップ半導体に関して、ランダウ共鳴によって引き起こされる遷移レートの増大は、磁界強さの二乗に比例する。間接ギャップ半導体に関して、磁界は、磁界強さの二乗から磁界強さの四乗までの範囲を得て、キャリア発生の増加のための大いに可能性がある利点を提供する。磁界作用のための最適な効果を実現するよう、デバイスアーキテクチャは、衝突光子による電界と印加磁界との間の最適な分極配向を組み込むべきである。分極配向の最適化は、図６Ａ及び図６Ｂの集光系オプティクス（１５ａ〜１５ｅ）において達成され得る。半導体結晶の対称性も、多光子プロセスの偏光依存の性質に影響を及ぼす。
直接バンドギャップ半導体に関して、磁気量子数ｎによれば、インター−インター（inter-inter）バンド二光子遷移Δｎ＝０は、半導体が立方体対称を有する場合には、分極効果を有さない。結晶が異方性である場合には、偏光依存は有意であることができ、設計プロセスにおいて考慮されるべきである。インター−インター吸収は、磁界強さに関連したサイクロトロン周波数での共鳴を有し、磁界強さに線形に依存する。インター−イントラ（inter-intra）遷移Δｎ＝±１も、サイクロトロン周波数での共鳴を有し、磁界強さとともに二次的に増大する。加えて、インター−イントラ遷移は、相互作用光子の少なくとも１つが磁界と垂直であることを必要とする。インコヒーレントな、ランダムに偏向された広域スペクトルバンド発生源を利用することは、いくつかの光子が磁界と垂直であることを保証する。
固定の又はランダムな偏光を有するインコヒーレント源からの光子を利用しながら、磁界の存在下で非線形ＴＰＡプロセスの偏光感度を高めるよう設計された代替の実施形態は、図６及び図６Ｂにおいて示される。ここで、図４及び５のシステムにおける集光系オプティクス１５は、入来する放射線を好まれる２つの独立した偏光状態に分ける偏光ビームスプリッタ（１５ｂ）と、偏光されたビームを捕捉し、既存の偏光状態を、半導体の結晶対称性及び配向並びに磁界の向きを考慮することによって非線形ＴＰＡプロセスを最適化する所望の偏光状態へ変換する偏光再設定デバイス（１５ｃ及び１５ｄ）とを含む。図６Ｂは、本開示の他の実施形態に従って適用されるインコヒーレント放射線源のランダムな又は固定の偏光状態を実現することによって性能の向上を達成する集光構造を備える図６Ａにおける光起電デバイスとして使用されるボディによる非線形多光子吸収を用いて、インコヒーレントな光放射を電力に変換するシステムの図であり、ボディが、本開示の他の実施形態に従って適用される図４のｐ−ｎ接合とは異なるｐ−ｎ接合トポロジを有する。
光子、電子、及び結晶フォノンの相互作用に起因して、磁界の存在下での間接バンドギャップ半導体の記載は更に複雑であり、通常は、それらの解析において４つ以上のバンド構造を必要とする。なお、デバイス性能の最適化及び偏光の状態は、直接バンドギャップ半導体に関して上述され且つ図６Ａ及び６Ｂで表されたのと同じプロセスに従うことができる。
図７乃至９は、熱力学カルノー（Carnot）効率限界に近づく最大の全体電力変換効率を達成するよう、ハイブリッドＳＰＡ／ＴＰＡ（図９）及び積層ＴＰＡデバイス（図７及び８）を夫々実現する様々な方法を示す。特に、図７は、ＴＰＡを使用する第１のボディ１２ａと、ＳＰＡを使用する第２のボディ１２ｂとの間に配置された集光レンズ２７を備えた光起電デバイス１０′を表す。図８は、ＴＰＡを使用する３つのボディを表す。図９は、ＳＰＡを使用する２つのボディ１２ｂと、２つのボディ１２ｂの間に配置された、ＴＰＡを使用するボディ１２ａとを表す。本開示は、大きな光電流を効率良く発生させるよう、集光器を通って伝播される広域スペクトルバンドのインコヒーレント源光子を用いて開始される非線形二光子吸収（ＴＰＡ）の使用を記載する。光電荷キャリア発生レートを増大させ、且つ、有意なＴＰＡ電流生成に必要とされる集光比を低減するよう、電界、磁界、又は同時の磁界及び電界がデバイスアーキテクチャに組み込まれる。ＴＰＡプロセスを開始するために必要とされる高い強度レベルに起因して、レーザー光が、光リミッタのような用途のために一般的に使用され、ＴＰＡは、電力への太陽光子エネルギの変換のための深刻な考察ではなかった。これは、ＳＰＡと比較したときに、低強度吸収についてのＴＰＡの効果のなさに起因する。太陽エネルギ変換のためのＴＰＡは、ここでは、例えば、上記の集光システムを用いて、有効なＴＰＡ電荷キャリア発生に必要な光子強度レベルに到達するよう太陽光の極めて高い集光を生じさせることによって、可能である。集光器と組み合わされた廃熱放射の商用の燃焼発生源を使用することも、効率の良いＴＰＡに基づく電力発生のための十分な光強さを提供する。
自由キャリアによる更なる吸収により、連続波（ＣＷ；continuous wave）源からの線形ＳＰＡは、非線形ＴＰＡよりも大いに低い光強度レベルで物質ダメージを引き起こす。ＴＰＡについての半導体ダメージ閾は、ＳＰＡよりも１０〜１００倍高いことが実証されている。従って、非線形ＴＰＡは、半導体材料のダメージ閾に到達する前に、より高い光電流を、より効率良く生成することができる。
増強されたＴＰＡ性能を提供する特徴は、制限なしに、１）インコヒーレント光照射、２）広域スペクトルバンド照射、及び３）磁界、電界、又は磁界と電界との組み合わせの印加の利用を含む。
ＴＰＡ電界キャリアを発生させるために必要とされる高い光強度により、ＴＰＡ電荷キャリア生成は、従来、レーザー照射の分野である。実際に、ＴＰＡ遷移レート（電荷キャリア生成に直接比例する。）の全ての測定は、コヒーレントなレーザー源を使用してきた。縮退光子の場合（すなわち、２つの光子は同じエネルギを有するが、それらのエネルギの和は半導体バンドギャップ・エネルギ以上である。）について、二光子遷移レートは、量子場二次コヒーレンス（４つの電界演算子の積である。）に比例する。自然の黒体源から得られるランダムなインコヒーレント光についての二次コヒーレンスは、コヒーレント光よりも２倍大きく、ビームが半導体を通って伝播するにつれて、光電流生成レートを２倍だけ増大させる。
ＴＰＡキャリア発生は、広帯域、多周波、又は連続周波数インコヒーレント源のように、共通の又は独立した発生源（図１０）から得られるいずれか２つの光子を用いて実施され得る。一般的な実験は、１つのレーザービーム源（縮退の場合、同じエネルギ光子）又は２つのレーザービーム源（非縮退、異なったエネルギ光子）を利用する。なお、広帯域源に関して、バンドギャップを超えるよう十分な結合エネルギを持ったスペクトル範囲内のいずれか２つの光子は、電荷キャリアを生成することができる。半導体のバンドギャップ以上のエネルギを有する起こり得るペアワイズ結合の数は、天文学的に大きく、シングルビーム又はダブルビームＴＰＡ機会の潜在数を大きく上回る。ＴＰＡ遷移レートは、光子エネルギの積及び各エネルギ状態における光子の数の積に比例する。最も高い遷移レートの光子組み合わせは、最も高いレートでキャリアを発生させ、次に高い遷移レートは、次に高いレートでキャリアを発生させ、以降続く。広帯域ビームからの光子の減少は、起こり得るエネルギ順列が消費されるまで続く。
これより図１１Ａ及び１１Ｂを参照すると、２つの相対的な照射及びｐ−ｎ接合の配向が示されており、本開示に従うＰＶ多光子吸収電力発生デバイスの可能な実施形態を記載するために利用される。ｐ−ｎ接合の向きはまた、空乏領域における電界（１０６）の向きを定める。例及び定義としてここで記載されるものに代わる向きは、ＰＶデバイス開発の分野における当業者にとって自明である。
ｐ−ｎデバイスに放射する照射光子の平均の方向は、（９９）によって表されている。個々の光線（２００）は、図１１Ａ及び１１Ｂに示されるタイプ１又は２の向きを持ったｐ−ｎ接合に照射される。個々の光線についての電界は、完全にランダムな偏光状態又は固定偏光状態を有してよい。固定偏光状態は、自然又は人工であることができる。ある観測条件下で、非線形多光子デバイスの最適な動作は、固定偏光状態を必要とする。偏光状態が必然的に固定でない場合には、それらは、既存の偏光状態を所望の偏光状態に変換する偏光状態診断、分離及び再設定デバイスを利用することによって、生成され得る。ｐ−ｎ接合表面（２０４）に照射する光の偏光状態は、ｓ偏光（s-polarization）（２０１）及びｐ偏光（p-polarization）（２０２）として知られる２つの直交する偏光状態に分解され得る。ｓ偏光（２０１）は、入射平面と垂直であるよう定められ、ｐ偏光（２０２）は、入射平面にあるよう定められる。入射平面は、放射される面の法線ベクトル及び入射光線ベクトルを含む平面であるよう定められる。図１１Ａ及び１１Ｂに示される例に関して、入射平面は、ページによって定義される面に対応する。従って、図１１Ａ及び１１Ｂに表されているｓ偏光電界は、ページの内外で変調する。ｐ偏光に関して、被照射面（２０４）と平行な成分（２０２ｐｐ）且つ被照射面（２０４）と垂直な成分（２０２ｐｏ）に電界を分解することが更に有用である。
非線形ＰＶデバイスのための最も簡単な実施形態は、起こり得る自然発生源のランダムな偏光状態を考慮しない。なお、効率を最適化するよう、偏光診断、分離及び再設定デバイスは、開示されるように利用され得る。記載されるべき表された実施形態は、ｓ偏光（１００ｓ）、被照射面（２０４）と平行なｐ偏光（１００ｐｐ）、及び被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光（１００ｐｏ）とに分解される一般的な偏光状態を示す。
これより図１２Ａ乃至１２Ｆを参照すると、図１２Ａは、本願ではタイプ１配向として示されている所定の向きを有するｐ−ｎ接合に磁界（１０１）が印加される配置を示す。磁界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される磁界は、図１２Ａに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１２Ｂを参照すると、磁界（１０２）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。磁界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される磁界は、図１２Ｂに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１２Ｃを参照すると、磁界（１０３）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。磁界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される磁界は、図１２Ｃに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１２Ｄを参照すると、本願ではタイプ２配向として示されている、図１２Ａ乃至１２Ｃとは異なる向きを有するｐ−ｎ接合に磁界（１０１）が印加される配置が示される。磁界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界は、図１２Ｄに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１２Ｅを参照すると、磁界（１０２）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。磁界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界は、図１２Ｅに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１２Ｆを参照すると、磁界（１０３）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。磁界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される磁界は、図１２Ｆに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１３Ａ乃至１３Ｆを参照すると、図１３Ａは、電界（１０７）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置を示す。電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される電界は、図１３Ａに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１３Ｂを参照すると、磁界（１０８）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される電界は、図１３Ｂに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１３Ｃを参照すると、電界（１０９）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される電界は、図１３Ｃに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１３Ｄを参照すると、電界（１０７）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される電界は、図１３Ｄに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１３Ｅを参照すると、電界（１０８）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される電界は、図１３Ｅに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１３Ｆを参照すると、電界（１０９）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に印加される配置が示される。電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される電界は、図１３Ｆに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１４Ａ乃至１４Ｆを参照すると、図１４Ａは、平行な磁界（１０１）及び電界（１０４）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界及び電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１４Ａに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１４Ｂを参照すると、平行な磁界（１０２）及び電界（１０４）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界及び電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される磁界及び磁界は、図１４Ｂに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１４Ｃを参照すると、平行な磁界（１０３）及び電界（１０４）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界及び電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１４Ｃに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１４Ｄを参照すると、平行な磁界（１０１）及び電界（１０４）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界及び電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１４Ｄに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１４Ｅを参照すると、平行な磁界（１０２）及び電界（１０４）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界及び電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１４Ｅに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１４Ｆを参照すると、平行な磁界（１０３）及び電界（１０４）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界及び電界は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１４Ｆに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１５Ａ乃至１５Ｆを参照すると、図１５Ａは、直交する磁界（１０１）及び電界（１０５）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０１）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１５Ａに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１５Ｂを参照すると、直交する磁界（１０２）及び電界（１０５）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界（１０２）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される磁界及び磁界は、図１５Ｂに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１５Ｃを参照すると、直交する磁界（１０３）及び電界（１０５）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界（１０３）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１５Ｃに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１５Ｄを参照すると、直交する磁界（１０１）及び電界（１０５）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界（１０１）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と直交し、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。
これより図１５Ｅを参照すると、直交する磁界（１０２）及び電界（１０５）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界（１０２）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。
これより図１５Ｆを参照すると、直交する磁界（１０３）及び電界（１０５）がタイプ１配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置が示される。磁界（１０３）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と垂直である。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
これより図１６Ａ乃至１６Ｆを参照すると、図１６Ａは、直交する磁界（１０１）及び電界（１０５）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０１）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１６Ａに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
図１６Ｂは、直交する磁界（１０２）及び電界（１０５）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０２）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１６Ｂに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
図１６Ｃは、直交する磁界（１０３）及び電界（１０５）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０３）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。全ての場合において、印加される磁界及び電界は、図１６Ｃに示されるのと同じ方向又は逆方向にあることができる点が留意されるべきである。
図１６Ｄは、直交する磁界（１０１）及び電界（１０５）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０１）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と平行であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。
図１６Ｅは、直交する磁界（１０２）及び電界（１０５）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０２）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。
図１６Ｆは、直交する磁界（１０３）及び電界（１０５）がタイプ２配向を有するｐ−ｎ接合に同時に印加される配置を示す。磁界（１０３）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と垂直であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と平行であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と垂直であり、５）空乏領域電界（１０６）と平行である。電界（１０５）は、１）被照射面（２０４）と平行な入来ｐ偏光成分（１００ｐｐ）と垂直であり、２）被照射面（２０４）と平行なｓ偏光成分（１００ｓ）と平行であり、３）被照射面（２０４）と垂直なｐ偏光成分（１００ｐｏ）と垂直であり、４）ｐ−ｎ接合インターフェイス（９８）と平行であり、５）空乏領域電界（１０６）と直交する。
本開示の多数の実施形態が記載されてきた。それでもなお、様々な変更が、本開示の主旨及び適用範囲から逸脱することなしに行われてよいことが理解されるだろう。要素の様々な順序付け及び実装は、実施形態の図から外れてよい。例えば、図６における光学バンドパスフィルタ及び変更ビームスプリッタの順序を交換すること、又はスペクトルフィルタ（１５ａ）を生成するために別の方法を用いることが考えられる。更には、可変なバンドギャップを有するＩＩＩ−Ｖ三元Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ、Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ及びＩｎＡｓｙＰ１−ｙ化合物半導体は、ボディ１２に使用され得る物質である。バンドギャップ調整及び高線形光伝送が使用されてよい。更には、磁界及び／又は電界の使用は、ＳＰＡ光起電デバイスとともに使用されてよい。
本願で記載される種々の実施形態の要素は、具体的に上述されていない他の実施形態を形成するよう組み合わされてよい。単一の実施形態に関連して記載される様々な要素はまた、別々に、又は何らかの適切なサブコンビネーションにおいて、提供されてよい。本願で具体的に記載されていない他の実施形態も、特許請求の範囲の適用範囲内にある。

Claims (10)

  1. 非線形な多光子吸収を用いて、光エネルギを有するインコヒーレントな光放射を電力に変換することを有し、該変換することは、
    集光システムにおいて前記インコヒーレントな光放射を受け、
    前記集光システムにより、前記受けたインコヒーレントな光放射を、十分な強さを伴って光起電ボディ上の領域に集めて、該光起電ボディ内で前記非線形な多光子吸収を生じさせ、且つ
    前記非線形な多光子吸収を生じさせる間に、前記光起電ボディを通り抜ける磁界又は電界の少なくとも一方を生成する
    ことを有し、
    前記集光システムは、
    前記インコヒーレントな光放射を受ける収集オプティクスと、
    前記インコヒーレントな光放射を、独立した偏光状態の２つのビームに分ける偏光ビームスプリッタと、
    前記２つのビームを受け、前記独立した偏光状態を、前記非線形な多光子吸収を促進させるよう前記光起電ボディの結晶配向及び／又は前記磁界又は前記電界の前記少なくとも一方に適応させる、一対の偏光再設定部と、
    前記一対の偏光再設定部によって通された前記２つのビームを合成ビームへと結合するビーム結合オプティクスと、
    受け取られた前記合成ビームを前記光起電ボディ上の前記領域に向ける集光オプティクスと
    を有する、
    方法。
  2. 前記非線形な多光子吸収は、所定のバンドギャップ・エネルギを有する前記光起電ボディにおいて起こり、
    前記インコヒーレントな光放射は、前記所定のバンドギャップ・エネルギに満たないエネルギレベルを有する光子を有する、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記光起電ボディは、半導体ボディである、
    請求項１に記載の方法。
  4. 前記非線形な多光子吸収が電子及び空孔を有するキャリアを発生させ、該キャリアのための電気経路を設けるよう前記光起電ボディの外にある電気回路を設けることを含む、
    請求項１に記載の方法。
  5. 前記光起電ボディとのオーミック接触において該光起電ボディに電極対を設けることを更に有し、
    前記電気経路は、前記電極対の間に設けられる、
    請求項４に記載の方法。
  6. 光エネルギは、１０５Ｗ／ｃｍ２以上の光束を有する、
    請求項１に記載の方法。
  7. 前記光起電ボディは、三元または二元半導体ボディである、
    請求項１に記載の方法。
  8. 前記非線形な多光子吸収によって前記光起電ボディにおいて生じる電流を受けるよう該光起電ボディへ接続される負荷を接続することを更に有する
    請求項１に記載の方法。
  9. 前記集光システムは更に、前記収集オプティクスによって通されたインコヒーレントな光放射を受ける光学バンドパスフィルタを有し、前記偏光ビームスプリッタは、前記光学バンドパスフィルタによって通されたインコヒーレントな光放射を受ける、
    請求項１に記載の方法。
  10. 電力を発生させるシステムであって、
    光起電ボディと、
    インコヒーレントな放射を受け、該受けた放射を、十分な強さを伴って前記光起電ボディ上の領域に集めて、該光起電ボディ内で多光子非線形吸収を生じさせる集光システムと、
    前記多光子非線形吸収を生じさせる間に、前記光起電ボディを通り抜ける磁界又は電界の少なくとも一方を生成する発生源と、
    前記光起電ボディへ接続され、前記生じた多光子非線形吸収によって前記光起電ボディにおいて生成される電流を受ける負荷と
    を有し、
    前記集光システムは、
    前記インコヒーレントな光放射を受ける収集オプティクスと、
    前記インコヒーレントな光放射を、独立した偏光状態の２つのビームに分ける偏光ビームスプリッタと、
    前記２つのビームを受け、前記独立した偏光状態を、前記多光子非線形吸収を促進させるよう前記光起電ボディの結晶配向及び／又は前記磁界又は前記電界の前記少なくとも一方に適応させる、一対の偏光再設定部と、
    前記一対の偏光再設定部によって通された前記２つのビームを合成ビームへと結合するビーム結合オプティクスと、
    受け取られた前記合成ビームを前記光起電ボディ上の前記領域に向ける集光オプティクスと
    を有する、
    システム。
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