JP7345793B2 - 高効率且つ角度に耐性のある太陽光発電デバイス用色付きフィルタ組立体 - Google Patents
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Description
この出願は、２０１７年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６２／５８３，９６６号の利益を主張する。上記出願の全開示は、参照により本明細書に組み入れられる。
本開示は、高効率且つ角度に耐性のある、角度の影響を受けない色付きフィルタ組立体、並びに受動色付き反射フィルタ及び太陽光発電デバイスを備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体に関し、また能動色付き反射フィルタ及び太陽光発電デバイスを備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体に関する。
この段落では、必ずしも先行技術ではない、本開示に関連する背景情報を提示する。
太陽光発電（ＰＶ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）には、無尽蔵の太陽光エネルギーを収集する機能を提供することにより、伝統的な化石燃料に取って代わるという、大いなる将来性がある。ＰＶの可能性を高めるために、電力変換効率（ＰＣＥ：ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させ、製造コストを下げる努力が続けられている。最大約１，１００ｎｍの波長まで吸収する、結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ：ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ）光活性材料をベースとするＰＶは、材料の豊富さ及び入手しやすさだけでなく、達成可能な高いＰＣＥ（たとえば、２０％を超える）のために、大いなる可能性をもたらす。しかし、ｃ－Ｓｉ光活性材料を組み込んだ太陽電池／ＰＶは、黒くくすんだ外観をしており、非限定的な実例として、車両及び建物の外装の装飾目的を含む、様々な用途での使用を著しく妨げている。現在の太陽電池の望ましからざる美観ゆえに、現在浪費されている利用可能な太陽エネルギーを利用する多くの機会が失われている。
色付きの太陽電池を作成するために、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ：ｄｙｅｄ ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）及び有機ＰＶ（ＯＰＶ：ｏｒｇａｎｉｃ ＰＶ）など、様々なシナリオが提案されてきた。しかしその色は、使用する材料の種類に大きく依存し、さらに、色調整の可能性は極めて限定される。さらに、かかる構造体に含まれる有機成分は非常に影響を受けやすく、また寿命の問題があり、たとえば酸素及び湿気に耐える特別な不動態化技法を必要とする。最近、吸収された光を同時に収集することにより電力を発生させることができる、ＰＶパネル内に色付きフィルタを導入する方式が開発されている。しかし、こうした太陽電池に含まれる色付きフィルタは、ファブリペロー（Ｆ－Ｐ：Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）干渉計キャビティ又はプラズモン共振に基づいており、それらは視野角に非常に影響を受けやすく（たとえば、視野角及び入射光の偏光によって変わる）、したがって装飾用コーティングには望ましくない色を生成する。加えて、かかるナノ構造のプラズモン色付きフィルタを、大面積に拡張することも課題である。さらに、色が角度及び偏光の影響を受けないことを特徴とするアモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ）をＰＶ組立体内に統合する、１次元（１Ｄ：ｏｎｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）積層太陽電池が使用されてきた。光線で色が変化しない（ｎｏｎ－ｉｒｉｄｅｓｃｅｎｔ）色付きの外観は、ａ－Ｓｉと金属との界面における小さくない反射位相の変化が、結果として、極薄ａ－Ｓｉ層（＜３０ｎｍ）を通って伝搬する光の伝搬位相を補償することに起因すると考えられ得る。しかし、かかる半透明のＰＶパネルの電力変換効率（ＰＣＥ）は、吸収される光量が少ないので、わずか約２％に制限される。
したがって、魅力的な装飾的美観及び設計上の機能も実現しながら、高いＰＣＥで優れた性能を提供できる、多機能太陽電池／ＰＶを開発することが望まれる。
この段落は、本開示の概括的な要約を提示し、その全範囲又はその特徴のすべての包括的な開示ではない。
本開示は、一変形形態では、太陽光発電デバイスと共に使用する色付きフィルタを企図する。フィルタは、第１の側面及び第２の側面を画定する極薄反射層を備える。フィルタはまた、極薄反射層の第１の側面に隣接する誘電体材料の透明な第１のペアを備え、第１のペアは、誘電体材料の第１の層及び別個の誘電材料の第２の層を備える。誘電体材料の透明な第２のペアは、極薄反射層の第２の側面に隣接して配置され、第２のペアは、誘電体材料の第３の層及び別個の誘電体材料の第４の層を備える。フィルタは、所定の波長の第１の範囲を有する電磁スペクトルの第１の部分を透過し、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトルの第２の部分を反射して、反射出力を生成することができる。
一態様では、反射出力は、波長の第２の範囲が、色付きフィルタに対して約０°から約６０°までの範囲の入射角で約８０ｎｍ以下の変化となるような、最小の角度依存性を示し、角度の影響を受けない色付きフィルタを形成する。
一態様では、極薄反射層は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む。
一態様では、超薄反射層は、約１５ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は可視光範囲内にあり、赤、緑、青、及びその組合せで構成される群から選択される色を有する。
一態様では、第１の層、第２の層、第３の層、及び第４の層のそれぞれを形成する誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、及び屈折率が約１．６以上のポリマーで構成される群から別々に選択される。
一態様では、第１の層、第２の層、第３の層、及び第４の層のそれぞれを形成する誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成される群から別々に選択される。
一態様では、第１の層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含み、第２の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、第３の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。
一態様では、第１の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含み、第２の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、第３の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。
一態様では、第１の層は、約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は、青色を示す。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層は、約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は、緑色を示す。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層は、約１００ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約１００ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は、赤色を示す。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層は、約１００ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約１００ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有する。
本開示はまた、特定の変形形態において、色付き反射フィルタ及び太陽光発電デバイスを備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体も提供する。色付き反射フィルタは、第１の側面及び第２の側面を画定する極薄反射層を備える。誘電体材料の透明な第１のペアは、極薄反射層の第１の側面に隣接して配置され、第１のペアは、誘電体材料の第１の層及び別個の誘電体材料の第２の層を備える。誘電体材料の透明な第２のペアは、極薄反射層の第２の側面に隣接して配置され、第２のペアは、誘電体材料の第３の層及び別個の誘電体材料の第４の層を備える。フィルタは、所定の波長の第１の範囲を有する電磁スペクトルの第１の部分を透過し、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトルの第２の部分を反射して、最小の角度依存性を示す反射出力を生成することができる。太陽光発電デバイスは、色付き反射フィルタに隣接して配置される。太陽光発電デバイスは、少なくとも１種類の太陽光発電材料を含む。
一態様では、太陽光発電デバイスの電力変換効率は、約１８％以上である。
一態様では、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体において、太陽光発電材料は結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）材料を含む。
一態様では、極薄反射層は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む。
一態様では、超薄反射層は、約１５ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は可視光範囲内にあり、赤、緑、青、及びその組合せで構成される群から選択される色を有する。
一態様では、第１の層、第２の層、第３の層、及び第４の層のそれぞれを形成する誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、及び屈折率が約１．６以上のポリマーで構成される群から別々に選択される。
一態様では、第１の層、第２の層、第３の層、及び第４の層のそれぞれを形成する誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成される群から別々に選択される。
一態様では、第１の層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含み、第２の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、第３の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。
一態様では、第１の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含み、第２の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、第３の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。
一態様では、第１の層は、約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は、青色を示す。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層は、約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は、緑色を示す。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層は、約１００ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約１００ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有する。
一態様では、所定の波長の第２の範囲を有する反射出力は、赤色を示す。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層は、約１００ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有し、第２の層は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第３の層は約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有し、第４の層は約１００ｎｍ以上約３００ｎｍ以下の厚さを有する。
特定の他の変形形態では、本開示は、能動色付き反射フィルタを太陽光発電デバイスと共に使用することを企図する。フィルタは、第１の側面及び第２の側面を画定する極薄反射層を備える。能動反射色付きフィルタは、第１の極性を有する第１の透明電極、及び第１の極性と反対の第２の極性を有する第２の透明電極をさらに備える。能動色付き反射フィルタは、所定の波長の第１の範囲を有する電磁スペクトルの第１の部分を透過し、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトルの第２の部分を反射して反射出力を生成することができる。
一態様では、反射出力は、所定の波長の第２の範囲が、能動色付き反射フィルタに対して約０°から約６０°までの範囲の入射角で約８０ｎｍ以下の変化となるような、最小の角度依存性を示し、角度の影響を受けない能動反射色付きフィルタを形成する。
一態様では、能動色付き反射フィルタは、第１の透明電極と極薄反射層との間に配置される第１のドープ層、並びに極薄反射層と第２の透明電極との間に配置される第２のドープ層をさらに備える。
一態様では、極薄反射層は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む。第１のドープ層は、ｎ型のドープされた酸化シリコン（ＳｉＯＸ）を含む。第２のドープ層は、ｐ型のドープされた酸化シリコン（ＳｉＯＸ）を含む。第１の透明電極及び第２の透明電極は、アルミニウムのドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、マグネシウム及びガリウムの共ドープされた酸化亜鉛（ＭＧＺＯ）、ホウ素のドープされた酸化亜鉛（ＢＺＯ）、及びその組合せで構成される群から選択される材料を、別々に含む。
一態様では、第１の透明電極は、約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下の厚さを有する。第２の透明電極は、約７５０ｎｍ以上約１．５マイクロメートル以下の厚さを有する。第１のドープ層は、約１０ｎｍ以上約２０ｎｍ以下の厚さを有する。第２のドープ層は、約５ｎｍ以上約２０ｎｍ以下の厚さを有する。極薄反射層は、約５ｎｍ以上約５５ｎｍ以下の厚さを有する。
本開示はまた、能動色付き反射フィルタ及び太陽光発電デバイスを備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体も企図する。能動色付き反射フィルタは、第１の側面及び第２の側面を画定する極薄反射層を備える。第１の透明電極は第１の極性を有し、一方第１の極性と反対の第２の極性を有する第２の透明電極も備える。能動色付き反射フィルタは、所定の波長の第１の範囲を有する電磁スペクトルの第１の部分を透過し、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトルの第２の部分を反射して反射出力を生成することができる。太陽光発電デバイスは、能動色付き反射フィルタに隣接する。太陽光発電デバイスは、少なくとも１種類の太陽光発電材料を含む。
一態様では、反射出力は、所定の波長の第２の範囲が、能動色付き反射フィルタに対して約０°から約６０°までの範囲の入射角で約８０ｎｍ以下の変化となるような、最小の角度依存性を示す。
一態様では、第１の透明電極及び第２の透明電極は、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）及びインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）で構成される群から別々に選択される材料を含み、極薄反射層はアモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含み、且つ太陽光発電材料は結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）を含む。
一態様では、能動色付き反射フィルタは、第１の透明電極と極薄反射層との間に配置される第１の電荷輸送層、並びに極薄反射層と第２の透明電極との間に配置される第２の電荷輸送層をさらに備える。
一態様では、能動色付き反射フィルタは、第１の透明電極と極薄反射層との間に配置される第１のドープ層、並びに極薄反射層と第２の透明電極との間に配置される第２のドープ層をさらに備える。
さらなる適用分野は、本明細書で提供する説明から明らかとなろう。この概要の説明及び具体的な実例は、例示のみを目的とすることを意図しており、本開示の範囲を限定することを意図しない。
本明細書で説明する図面は、選択された実施例の例示のみを目的としており、可能なすべての実施態様ではなく、本開示の範囲を限定することを意図しない。
図面のいくつかの図を通して、一致する参照番号は一致する部分を指す。
例示的な実施例は、この開示が完全であり、その範囲を当業者に完全に伝えるように提示する。本開示の実施例の完全な理解をもたらすように、特定の組成物、構成要素、デバイス、及び方法の実例など、多数の特定の詳細を示す。特定の詳細を使用する必要がないこと、例示的な実施例が多くの相異なる形態で具現化され得ること、且つどちらも本開示の範囲を限定すると解釈されるべきでないことが、当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施例では、周知のプロセス、周知のデバイス構造、及び周知の技術は、詳細には説明しない。
本明細書で使用する用語は、具体的で例示的な実施例を説明することだけを目的としており、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうでないと示していない限り、複数の形態も同様に含むことを意図する場合がある。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、及び「ｈａｖｉｎｇ」は包括的であり、したがって、述べられた特徴、要素、組成物、ステップ、整数、動作、及び／又は構成要素の存在を特定するが、他の１つ又は複数の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はその群の、存在又は追加を排除しない。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という制限のない用語は、本明細書に示す様々な実施例を説明及び特許請求するために使用する非限定的な用語と理解されるべきであるが、特定の態様では別法として、該用語は、その代わりに、より限定的且つ制限的な「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ」、又は「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ」などの用語と理解される場合がある。したがって、組成物、材料、構成要素、要素、特徴、整数、動作、及び／又はプロセスのステップを列挙する任意の所与の実施例では、本開示はやはり、具体的には、かかる列挙された組成物、材料、構成要素、要素、特徴、整数、動作、及び／又はプロセスのステップで構成される、又は基本的に構成される実施例を含む。「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ」の場合、代替の実施例は、任意の追加の組成物、材料、構成要素、要素、特徴、整数、動作、及び／又はプロセスのステップを除外し、一方、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ」の場合、基本的且つ新規の特性に重大な影響を及ぼす任意の追加の組成物、材料、構成要素、要素、特徴、整数、動作、及び／又はプロセスのステップはかかる実施例から除外されるが、基本的且つ新規の特性に重大な影響を及ぼさない任意の組成物、材料、構成要素、要素、特徴、整数、動作、及び／又はプロセスのステップは、その実施例に含まれる可能性がある。
本明細書で説明するどの方法のステップ、プロセス、及び動作も、実行順序として具体的に特定されない限り、論じられた又は例示された特定の順序での実行を必ずしも必要とすると解釈されるべきではない。また、別段の指示がない限り、追加又は代替のステップを使用できることも理解されたい。
構成要素、要素、又は層が、別の要素又は層に「ｏｎ」、「ｅｎｇａｇｅｄ ｔｏ」、「ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ」、又は「ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ」と称される場合、他の構成要素、要素、又は層に直接オンされ、係合され、接続され、若しくは結合されてもよく、又は介在する要素若しくは層が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素又は層に「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ」、「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｅｎｇａｇｅｄ ｔｏ」、「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ」、又は「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ」と称される場合、介在する要素又は層は存在し得ない。要素間の関係を説明するために使用される他の単語は、同様に解釈されるべきである（たとえば、「ｂｅｔｗｅｅｎ」対「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ」、「ａｄｊａｃｅｎｔ」対「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ」など）。本明細書で使用されるとき、用語「ａｎｄ／ｏｒ」は、関連する列挙された項目のうちの１つ又は複数の、ありとあらゆる組合せを含む。
本明細書では、第１、第２、第３などの用語を使用して、様々なステップ、要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションを説明することができるが、こうしたステップ、要素、構成要素、領域、層、及び／又はセクションは、別段の指示がない限り、こうした用語によって制限されるべきではない。こうした用語は、１つのステップ、要素、構成要素、領域、層、又はセクションを別のステップ、要素、構成要素、領域、層、又はセクションと区別するためにしか使用され得ない。「ｆｉｒｓｔ」、「ｓｅｃｏｎｄ」、及び他の数値用語などの用語は、本明細書で使用するとき、文脈で明確に示されていない限り、シーケンス又は順序を含意しない。したがって、以下で論じる第１のステップ、要素、構成要素、領域、層、又はセクションは、例示的な実施例の教示から逸脱することなく、第２のステップ、要素、構成要素、領域、層、又はセクションと表現してもよい。
「ｂｅｆｏｒｅ」、「ａｆｔｅｒ」、「ｉｎｎｅｒ」、「ｏｕｔｅｒ」、「ｂｅｎｅａｔｈ」、「ｂｅｌｏｗ」、「ｌｏｗｅｒ」、「ａｂｏｖｅ」、「ｕｐｐｅｒ」などの空間的又は時間的相対用語は、本明細書では、説明を容易にするために、図に示すように、１つの要素又は特徴と別の要素又は特徴との関係を説明するために使用することができる。空間的又は時間的相対用語は、図に描かれている向きに加えて、使用中又は動作中のデバイス又はシステムの様々な向きを包含することを意図している場合がある。
この開示全体を通して、数値は、所与の値、及び言及された値を正確に有する実施例ばかりでなく言及されたおおよその値を有する実施例からのわずかな差を包含する、おおよその測定値又は範囲の限度値を表す。詳細な説明の最後に提供する、動作する実例以外では、添付の特許請求の範囲を含め、この明細書における（たとえば、量又は条件の）パラメータのすべての数値は、「ａｂｏｕｔ」が実際に数値の前にあるかどうかにかかわらず、すべての場合において用語「ａｂｏｕｔ」によって修飾されていると理解されるべきである。「ａｂｏｕｔ」は、記載された数値が多少の不正確さを許容すること（値の正確さへの何らかのアプローチを有する、おおよそ又は合理的に値に近い、ほぼ）を示す。「ａｂｏｕｔ」によってもたらされる不正確さが、普通なら当該技術分野においてこの通常の意味で理解されない場合、本明細書で使用される「ａｂｏｕｔ」は、少なくとも、かかるパラメータを測定及び使用する通常の方法から生じ得るばらつきを示す。たとえば、「ａｂｏｕｔ」には、５％以下、任意選択で４％以下、任意選択で３％以下、任意選択で２％以下、任意選択で１％以下、任意選択で０．５％以下、特定の態様では任意選択で０．１％以下であるばらつきが含まれ得る。
別段の指示がない限り、組成物は、質量／重量パーセントで示される。
加えて、範囲の開示は、範囲について与えられた端点及び部分範囲を含む、全体の範囲内のすべての値及びさらに分割された範囲の開示を含む。
ここで、添付図面を参照して、例示的な実施例をより完全に説明することとする。
様々な態様において、本開示は、太陽光発電デバイスと組み合わせる受動反射型色付きフィルタとの両方を備える、高効率な色付き太陽電池組立体を企図する。たとえば、本明細書で説明するように、本開示は、色付き反射フィルタ及び太陽光発電デバイスを備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体を企図する。以下でさらに論じるように、太陽光発電デバイスは、色付き反射フィルタの片側に隣接し、任意選択で接触している。
本開示の特定の態様による、角度の影響を受けない受動色付きフィルタ５０を図１に示す。フィルタ５０は、多層の積層体又は組立体を形成する複数の層を備える。フィルタ５０は、このように、第１の側面５４及び第２の側面５６を画定する極薄反射層５２を備える。極薄反射層５２は、高屈折率材料、半導体材料、又は金属層であり得る。特定の態様では、極薄反射層５２は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む。アモルファス・シリコンの屈折率は、波長が３００ｎｍから約４００ｎｍに増加すると実数部が約３．３から約５．０に増加し、波長が約４００ｎｍから１１００ｎｍに増加すると約５．０から約３．５に低下し、波長が３００ｎｍから１１００ｎｍに増加すると、虚数部が約３．５から０に低下する。「超薄」とは、層が約２０ｎｍ以下の厚さを有することを意味する。特定の変形形態では、超薄反射層５２は、約１５ｎｍ以下の厚さを有する。特定の変形形態では、極薄反射層５２は、約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。一態様では、極薄反射層５２は、約５ｎｍ以上約１０ｎｍ以下の厚さを有する。別の変形形態では、超薄反射層５２は、約１０ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。
フィルタ５０は、極薄反射層５２の第１の側面５４に隣接する誘電体材料の透明な第１のペア６０を備える。第１のペア６０は、誘電材料の第１の層７０及び別個の誘電体材料の第２の層７２を備える。フィルタ５０は、極薄反射層５２の第２の側面５６に隣接する誘電体材料の透明な第２のペア６２も備える。第２のペア６２は、誘電体材料の第３の層７４及び別個の誘電体材料の第４の層７６を備える。誘電体材料の第２のペア６２は、基板７８上に配置される。基板７８は、シリカ（たとえば、溶融シリカ又はガラス）、石英、及びポリマー（たとえば、ポリカーボネート、又はアクリレート）など、光のある所定の波長に対して透過的な材料で形成され得る。代替の変形形態では、追加の層又は構成要素がフィルタ５０内に備えられ得ることに留意されたい。実例として、図示していないが、屈折率整合層が、基板７８の側面に面して、第４の層７６とは反対側に備えられ得る。
層７０～７４の誘電体材料はそれぞれ、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、及び／又は類似した好適な屈折率を持つポリマーで構成される群から別々に選択することができる。一変形形態では、第１の層７０、第２の層７２、第３の層７４、及び第４の層７６のそれぞれを形成するために選択される誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成される群から別々に選択する。特定の態様では、層７０～７４のうちの１層又は複数の層は高屈折率材料であり得、約１．６以上、任意選択で約１．７以上、任意選択で約１．８以上、任意選択で約１．９以上、任意選択で約２以上、任意選択で約２．１以上、特定の変形形態では、任意選択で約２．２以上の屈折率であり得る。本開示にしたがって使用するのに好適な高屈折率材料には、非限定的な実例として、屈折率が２．０の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、屈折率が約２．２の酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び屈折率が約２．６のセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）が含まれる。
他の考えられる高屈折率材料は、光学メタマテリアルである。メタマテリアルは、わずかな不均一性を使用して効果的で巨視的な作用を生み出すことにより、材料自体の組成ではなく、その構造に基づいた特性を持つよう設計された合成材料であり、一般に異方性で不均一である。かかる多くの光学メタマテリアルは、高い屈折率を有するか、又は依然として目標とするスペクトル範囲内で最小の吸収性を有しながらも高い屈折率を有するよう設計され得る。たとえば、メタマテリアルは、約２以上の屈折率を持ち、任意選択で約３以上、任意選択で３．５以上、任意選択で約４以上、特定の態様では任意選択で最大５又は５を超える屈折率であり得る。以下に説明する特定の追加の実施例では、かかるメタマテリアルを代替の光学フィルタ処理デバイスの実施例で使用して、角度への依存性を最小限に抑えたカラー・フィルタ処理を提供することができる。
特定の態様では、第１の層７０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含み、第２の層７２は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、第３の層７４は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、第４の層７６は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。特定の他の態様では、第１の層７０は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含み、第２の層７２はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、第３の層７４はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、第４の層７６は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。特定の態様では、第１の層７０は、約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下、特定の変形形態では、任意選択で、約１４５ｎｍ以上約２４５ｎｍ以下の厚さを有する。第２の層７２は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、特定の変形形態では、任意選択で、約１００ｎｍ以上約１９５ｎｍ以下の厚さを有する。第３の層７４は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、特定の変形形態では、任意選択で、約２５ｎｍ以上約７５ｎｍ以下の厚さを有する。第４の層７６は、約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下、特定の変形形態では、任意選択で、約１００ｎｍ以上約１５５ｎｍ以下の厚さを有する。
図１に示すように、太陽光などの電磁波８０が、フィルタ５０の方へ向けられる。様々な態様では、フィルタ５０は、矢印８２で示す、所定の波長の第１の範囲を有するその電磁波８０の第１の部分を透過することができる。フィルタ５０はさらに、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトル／電磁波８０の第２の部分を反射して、フィルタ５０がそこから（たとえば、人間又は機械によって）見られるか又は観察され得る入射角又は視野角８６に対する角度依存性を最小に抑える、反射出力８４を生成する。視野角８６は、図１に示すように９０°であるが、０°より大きく１８０°より小さい（たとえば±９０°）どこの観察位置かに応じて変わる可能性がある。
シリコン太陽光発電パネルは、おおよそ、約３００ｎｍから１１００ｎｍの範囲の波長を持つ光に応答する。具体的には、好適な紫外線、可視、及び赤外線の電磁放射には、約３００ｎｍから約３９０ｎｍの範囲の紫外線放射、約３９０から約７５０ｎｍの範囲の波長を持つ可視光、及び赤外線放射（ＩＲ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）（約０．７５から約１．４μｍの範囲の近赤外線（ＮＩＲ：ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ）を含む）が含まれる。電磁放射の可視範囲では、約６２５ｎｍから７４０ｎｍの範囲の波長は赤、オレンジは約５９０ｎｍから約６２５ｎｍ、黄は約５６５ｎｍから約５９０ｎｍ、緑は約５２０ｎｍから約５６５ｎｍ、青又はシアンは約５００ｎｍから約５２０ｎｍ、青又は藍は約４３５ｎｍから約５００ｎｍ、紫は約３８０ｎｍから約４３５ｎｍである。特に、本明細書で使用する青は、青／シアン、青／藍、及び紫を包含し得る。
特定の実施例では、反射出力８４は、赤、緑、青、及びその組合せで構成される群から選択される色を含み得る可視光範囲内で、フィルタ５０によって生成される所定の範囲の波長を有する。特定の態様では、電磁放射の反射出力８４は、赤では、約６２５ｎｍ以上約７４０ｎｍ以下の範囲、緑では、約５２０ｎｍ以上約５６５ｎｍ以下の範囲、青又はシアンでは、約５００ｎｍ以上約５２０ｎｍ以下の範囲、青又は藍では、約４３５ｎｍ以上約５００ｎｍ以下の範囲の波長を有することができる。さらに、特定の態様では、反射光は、スペクトル外（ｅｘｔｒａ－ｓｐｅｃｔｒａｌ）又はいくつかの相異なる波長の混合であり得る。たとえば、マゼンタは赤（６２５ｎｍから７４０ｎｍ）と青（４３５ｎｍから５００ｎｍ）の波長のスペクトル外の混合である。
一変形形態では、角度の影響を受けない色付きフィルタ５０は、青に相当する所定の波長範囲を持つ反射出力８４を有し、ここで極薄反射層５２は約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有し、第１の層７０は約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約１４５ｎｍ以上約１７０ｎｍ以下の厚さを有する。第２の層７２は、約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下、任意選択で約１００ｎｍ以上約１２０ｎｍ以下の厚さを有する。第３の層７４は、約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下、任意選択で約２５ｎｍ以上約５０ｎｍ以下の厚さを有する。第４の層７６は、約１０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下、任意選択で約１００ｎｍ以上約１２０ｎｍ以下の厚さを有する。
他の特定の変形形態では、角度の影響を受けない色付きフィルタ５０は、緑に相当する所定の波長範囲を持つ反射出力８４を有し、ここで極薄反射層５２は約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層７０は、約１００ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約１８５ｎｍ以上約１９５ｎｍ以下の厚さを有する。第２の層７２は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約１４５ｎｍ以上約１５５ｎｍ以下の厚さを有する。第３の層７４は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約３５ｎｍ以上約４５ｎｍ以下の厚さを有する。第４の層７６は、約１００ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約１３５ｎｍ以上約１４５ｎｍ以下の厚さを有する。
さらに他の変形形態では、角度の影響を受けない色付きフィルタ５０は、赤に相当する所定の波長範囲を持つ反射出力８４を有し、ここで極薄反射層５２は約５ｎｍ以上約１２ｎｍ以下の厚さを有する。第１の層７０は、約１００ｎｍ以上約３００ｎｍ以下、任意選択で約２３５ｎｍ以上約２４５ｎｍ以下の厚さを有する。第２の層７２は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約１８５ｎｍ以上約１９５ｎｍ以下の厚さを有する。第３の層７４は、約１０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約６５ｎｍ以上約７５ｎｍ以下の厚さを有する。第４の層７６は、約１００ｎｍ以上約３００ｎｍ以下、任意選択で約１４５ｎｍ以上約１５５ｎｍ以下の厚さを有する。
特定の態様では、角度の影響を受けない受動色付きフィルタ５０は、最小の角度依存性を示し、０°の入射角又は視野角での第１の波長と、６０°の入射角での第２の波長との差を比較すると、約８０ｎｍ以下、任意選択で７０ｎｍ以下、任意選択で６０ｎｍ以下の変化である、第２の所定の波長範囲を有する反射出力８４に対応する。反射出力の最小の差は、最小の角度依存性と表現することができる。特定の具体的に有利な変形形態では、フィルタ５０は、最小の角度依存性を有し、フィルタが０から６０°の範囲の入射角から観察される場合、起こり得る入射角の範囲に基づいて（入射角０°で観測された対象の第１波長と、入射角又は視野角６０°で観測された第２波長との差を比較すると）５０ｎｍ以下、任意選択で約４５ｎｍ以下、任意選択で４０ｎｍ以下、任意選択で３５ｎｍ以下、任意選択で３０ｎｍ以下の差である所定の範囲の波長を有する（たとえば、波長シフトを有する）反射出力を生成することができる。特定の態様では、角度の影響を受けない受動色付きフィルタ５０は、上記の最大±６０°での最小の波長のばらつきを伴う、光線で色が変化しない外観を有する。
図２は、太陽光発電組立体１００と共に図１と同様の色付き反射フィルタ５０を備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体９０を示す。簡潔にするために、図１に関連して上記で説明した特徴及び詳細は、ここでは繰り返さないこととする。例示的な太陽光発電デバイス組立体１００は、光活性材料層を具備し得る太陽光発電セル１１０を備える。特定の変形形態では、少なくとも１つの光活性層１１４は、結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）材料を含む。したがって、太陽光発電セルには、結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）パネル、バック・コンタクト型の太陽光発電セル、又は第１の極性を有する第１の電極、第１の電極と反対の極性を有する第２の電極、及び第１の電極と第２の電極との間に配置された少なくとも１つの光活性材料層（たとえば、ｃ－Ｓｉを含む）を備える太陽光発電セルが含まれ得る。太陽光発電組立体１００はまた、保護層又は封止層などの、太陽光発電セル１１０を挟む追加の層も備え得る。このように、太陽光発電組立体１００の第１の層１１２は、色付き反射フィルタ５０の基板７８と太陽光発電セル１１０との間に配置され、一方太陽光発電セルの反対側には、第２の層１１４がある。第２の層１１４は、バックシート１１６上に配置される。第１及び第２の層は、実例として、エチレン－酢酸ビニル（ＥＶＡ：ｅｔｈｙｌｅｎｅ－ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）などの、太陽光発電セル１１０に望ましく入る所定の範囲の波長を有する光に対して、透過的な材料で形成することができる。バックシート１１６は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、アルミニウムなどの材料で形成することができる。図示していないが、他の層又は構成要素を備える、さらなる種類の太陽光発電デバイスが、例示的な太陽光発電組立体１００に含まれ得ることに留意されたい。
図１に関連して述べたように、フィルタ５０は、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体９０の方に向けられた、所定の波長の第１の範囲を有する電磁波８０の第１の部分を透過させることができる。透過された電磁エネルギーを、矢印８２で示す。このように、透過された電磁エネルギー８２は、フィルタ５０を通過し、太陽光発電デバイス１００に入る。上記のように、フィルタ５０は、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトル／電磁波８０の第２の部分を反射して、反射出力８４を生成する。透過された電磁エネルギー８２の大部分が太陽光発電デバイス１００に入るので、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体９０は、約１５％以上、任意選択で約１６％以上、任意選択で約１７％以上、特定の態様では、任意選択で約１８％以上の電力変換効率（ＰＣＥ）を生じさせることができる。
したがって、特定の変形形態では、本開示は、結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）ＰＶパネルと、角度の影響を受けないことを示す新しいタンデム型の構成を有しながらも、装飾又は美観をアピールする、望ましい１色又は複数の色を反射する受動色付きフィルタとを具備し得る、ＰＶデバイスを備える組立体を提供する。受動反射フィルタは、上記で論じたように５つの層を備えることができ、ここで半導体（たとえばａ－Ｓｉ）は、屈折率分布型プロファイルを採用することで、下にあるｃ－ＳｉのＰＶモジュールによって収集されるべき太陽光スペクトルの大部分を透過できる、透明な誘電体の２つのペア／積層体間に挟まれ、それによって全体的な高効率を実現することができる。このようにして、結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）太陽光パネル／ＰＶデバイスを、ＰＶデバイスの上に配置される受動色付きフィルタと統合することにより、高効率（たとえば、特定の変形形態では約１８％以上）の、角度に耐性のある／角度の影響を受けない色付き太陽電池／太陽光発電デバイス組立体が提供される。さらに、色付きフィルタ・モジュールに備えられる半導体層（たとえばａ－Ｓｉ）の高い屈折率により、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体は、優れた明るさ（ピーク反射率約５５％）で、最大±６０°の光線で色が変化しない外観を示す。
したがって、本開示は、典型的には少なくとも１０層の別個の層を備える１次元（１Ｄ）フォトニック結晶（ＰＣ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）と比較して、層の総数を大幅に減少させながらも、典型的な色付き太陽電池の、角度の影響を受ける問題及び低効率の問題をも克服する、角度の影響を受けない受動色付きフィルタを備える、角度の影響を受けない受動太陽光発電デバイス組立体を提供する。このようにして、この角度の影響を受けない受動太陽光発電デバイス組立体は、建設、自動車、海洋、航空、及び農産業を含む、また、太陽光を収集する表面／コーティング、革新的なソーラ・ビル／ビル統合型太陽光発電（ＢＩＰＶ：ｂｕｉｌｄｉｎｇ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）、及び太陽光発電式車両（たとえば自動車、オートバイ、ボート）を含む、太陽光発電デバイスを使用できる様々な用途に向けて大きな可能性を有している。本技術は、大規模に実施され、容易に大量生産され得る。
図３に示すような特定の代替変形形態では、（図２に示すような）太陽光発電デバイス１００と共に能動色付き反射組立体１５２を備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体１５０を示す。簡潔にするために、図２に関連して上記で説明した特徴及び詳細は、それが共通している場合、ここでは繰り返さないこととする。例示的な太陽光発電デバイス組立体１００は、図示していないが、非限定的な実例として、第１の極性を有する第１の電極、第１の電極と反対の極性を有する第２の電極、及び第１の電極と第２の電極との間に配置される少なくとも１つの光活性材料層（たとえば、ｃ－Ｓｉを含む）を具備することができる、太陽光発電セル１１０を備える。第１の層１１２及び第２の層１１４は、太陽光発電セル１１０を挟む。第２の層は、図２に関連して以前に説明したように、バックシート１１６上に配置される。能動色付き反射組立体１５２は、角度の影響を受けない受動色付きフィルタ５０から、誘電体材料の少なくとも一部を透明電極と置き換えるよう構成されている。したがって、能動色付き反射組立体１５２は、第３の極性を有する第３の電極１６０と、第３の極性と反対の第４の極性を有する第４の電極１６２とを備える。極薄反射層１７０は、第３の電極１６０と第４の電極１６２との間に配置される。極薄反射層１７０は、たとえば、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む半導体であってもよく、高い屈折率を有し得る。第３の電極１６０及び第４の電極１６２は、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）及びインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの導電性で透過性の材料で形成することができる。図示していないが、追加の層又は構成要素（たとえば、端子など）が、例示的な角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体１５０内に設けられ得ることに留意されたい。
図１及び図２に関連して述べたように、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体１５０は、太陽光発電デバイス組立体１５０の方に向けられた、所定の波長の第１の範囲を有する電磁波８０の第１の部分を透過させることができる。透過された電磁エネルギーを、矢印８２で示す。このように、透過された電磁エネルギー８２は、能動色付き反射組立体１５２を通過し、太陽光発電デバイス１００に入る。以前の実施例と同様に、能動色付き反射組立体１５２は、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトル／電磁波８０の第２の部分を反射して、角度の影響を受けないこと、及び明るいことを含む上記の特性を有する反射出力８４を生成する。このように、特定の実施例では、第１の電極（図示せず）、第２の電極（図示せず）、第３の電極１６０、及び第４の電極１６２を設けた設計を有する角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体１５０は、能動色付き反射組立体１５２及び太陽光発電デバイス１００の両方において光子から電流へのさらなる変換を起こす、４端子の太陽光発電デバイス（端子は示していないが、それぞれの電極と電気的に接続されている）を形成することができる。したがって、この角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体１５０は、所定の色が角度の影響を受けず、且つ所定の色の反射性があることを示すが、角度の影響を受けない受動色付きフィルタ５０を組み込む角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体９０に関連して説明したものを超えて、太陽光発電デバイス組立体１５０のＰＣＥをさらに高めることができると考えられる。
図１４Ａに示す別の変形形態では、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体２００は、フィルタと太陽光発電デバイスとの両方を規定する能動色付き反射組立体２１０を備える。簡潔にするために、図１～図３に関連して上記で説明した特徴及び詳細は、それが共通している場合、ここでは繰り返さないこととする。例示的な太陽光発電デバイス組立体２００は、第１の極性を有する第１の電極２２０、第１の電極２２０と反対の極性を有する第２の電極２２２を備える。第１のドープ層２３０は、第１の電極２２０に隣接して配置された正孔輸送層として機能する電荷輸送層であり、一方第２のドープ層２３２は、第２の電極２２２に隣接して配置された電子輸送層として機能する電荷輸送層である。
第１の電極２２０及び第２の電極２２２は、アルミニウムのドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、マグネシウム及びガリウムの共ドープされた酸化亜鉛（ＭＧＺＯ）、ホウ素のドープされた酸化亜鉛（ＢＺＯ）、その組合せなどの、透過的な導電性材料で形成することができる。一変形形態では、第１の電極２２０は、電子ビーム堆積プロセスによって形成され得るインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）を含む。第２の電極２２２は、アルミニウムのドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）で形成することができる。アルミニウムのドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）及びインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）は、その透過性及び対応する界面層との適合性のため、それぞれアノード及びカソードとして使用できる。図示していないが、さらなる好適な輸送層を使用する場合に、マグネシウム及びガリウムの共ドープされた酸化亜鉛（ＭＧＺＯ）、ホウ素のドープされた酸化亜鉛（ＢＺＯ）などを含む他の透明電極も使用できることに留意されたい。
上記のように、第１のドープ層２３０は、電荷（たとえば、電子）輸送層であり得る。たとえば、第１のドープ層２３０は、ｎ型酸化シリコン（ＳｉＯＸ）などのドープされたｎ型シリコンベースの材料であり得る。実例として、ドープされたｎ型酸化シリコンは、酸化シリコン（ＳｉＯＸ）材料中に、その外側のレベルにシリコンが有するよりも１個又は複数個電子が多い、リン（Ｐ）などのドーパント原子を含めることによって作成できる。この電子は、励起時に供給される。図示のように、第１のドープ層２３０は単一の層であるが、複数の層を備えてもよい。一変形形態では、ｎ－ＳｉＯＸを含む第１のドープ層２３０は、約１５ｎｍの厚さを有することができる。
第２のドープ層２３２は、電荷（たとえば、正孔）輸送層であり得る。たとえば、第２のドープ層２３２は、ｐ型酸化シリコン（ＳｉＯＸ）などのドープされたｐ型シリコンベースの材料であり得る。実例として、ドープされたｐ型酸化シリコンは、酸化シリコン（ＳｉＯＸ）材料中に、その外側のレベルにシリコンが有するよりも１個又は複数個電子が少ない、ホウ素（Ｂ）又はガリウム（Ｇａ）などのドーパント原子を含めることによって作成できる。ドーパントは、周囲のシリコン原子との結合を形成するために必要な数より少なくとも１個少ない電子を有しているので、電子の空孔又は正に帯電した正孔が励起時に生成される。図示のように、第２のドープ層２３２は単一の層であるが、複数の層を備えてもよい。一変形形態では、ｐ型ＳｉＯＸを含む第２のドープ層２３２は、約１０ｎｍの厚さを有することができる。
極薄反射層２４０は、第１のドープ層２３０と第２のドープ層２３２との間に配置される。極薄反射層２４０は、たとえば、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む半導体であってもよく、高い屈折率を有し得る。極薄反射層２４０は、上記の材料で形成され、上記の厚さのいずれを有することもできる。一実施例では、極薄反射層２４０は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）を含み、約１１ｎｍの厚さであり得る。
このようにして、第１の電極２２０、第１のドープ層２３０、超薄反射層２４０、第２のドープ層２３２、及び第２の電極２２２は、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体２００を規定するために、太陽光発電セルを備える能動色付き反射組立体２１０を規定する。第２の電極２２２は、図２に関連して以前に説明したように、基板又はバックシート２４２上に配置される。バックシート２４２は、一実例として、ガラス材料で形成され得る。能動色付き反射組立体２１０は、角度の影響を受けない受動色付きフィルタ５０から、誘電体材料の少なくとも一部を透明な電極及びｎ型ドープ層又はｐ型ドープ層のいずれかと置き換えるよう構成されている。
図示していないが、追加の層又は構成要素（たとえば、端子など）が、例示的な角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体２００内に設けられ得ることに留意されたい。
図１～図３に関連して述べたように、角度の影響を受けない能動色付き太陽光発電デバイス組立体２００は、太陽光発電デバイス組立体２００の方に向けられた、所定の波長の第１の範囲を有する電磁波８０の第１の部分を透過させることができる。透過された電磁エネルギーを、矢印８２で示す。このように、透過された電磁エネルギー８２は、太陽光発電デバイスを規定する能動色付き反射組立体２１０を通って、その中に入る。以前の実施例と同様に、能動色付き反射組立体２１０は、所定の波長の第２の範囲を有する電磁スペクトル／電磁波８０の第２の部分を反射して、角度の影響を受けないこと、及び明るいことを含む上記の特性を有する反射出力８４を生成する。このように、特定の実施例では、第１の電極２２０及び第２の電極２２２を設けた設計を有する角度の影響を受けない能動色付き太陽光発電デバイス組立体２００は、能動色付き反射組立体／太陽光発電デバイス２１０において光子から電流へのさらなる変換を起こす、太陽光発電デバイス（端子は示していないが、それぞれの電極と電気的に接続されている）を規定する。したがって、この角度の影響を受けない能動色付き太陽光発電デバイス組立体２１０は、所定の色が角度の影響を受けず、且つ反射性があることを示すが、角度の影響を受けない受動色付きフィルタを備える角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体に関連して説明したものを超えて、一体型太陽光発電デバイス組立体又は補助的な太陽光発電組立体のＰＣＥを高めることもできる。したがって、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体２００は、（たとえば、図３に示すものなどの）能動色付き反射組立体２１０の下に配置される別の太陽光発電デバイスと結合できる、能動色付き反射組立体２１０を備える。
角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体２００が能動色付き反射組立体２１０を備える場合、誘電体材料のペア（たとえば、ＺｎＳｅ及びＳｉ３Ｎ４）は、好適な正孔／電子輸送層及び透明電極と置き換えられ、それによりデバイスを、能動太陽電池に適合させることができる。ここで、第１のドープ層２３０及び第２のドープ層２３２（すなわち、それぞれ電子及び正孔輸送層としてのｎ型及びｐ型ＳｉＯＸ）は、極薄反射層２４０のａ－Ｓｉと共に、ほぼ完全なバンドの配向（ｂａｎｄ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を考慮して選択される。アルミニウムのドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）及びインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）は、それらの透過性及び対応する界面層との適合性のため、それぞれ透明のアノード（たとえば、第１の電極２２０）及びカソード（たとえば、第２の電極２２２）として使用される。各層の厚さは、最適な電気的性能のために慎重に選択される。
非限定的な実例として、第１の電極２２０は、約５０ｎｍ以上約２００ｎｍ以下、任意選択で約７５ｎｍ以上約１７０ｎｍ以下の厚さを有することができる。第２の電極２２２は、約７５０ｎｍ以上約１，５００ｎｍ（１．５μｍ）以下、任意選択で約１，０００ｎｍ（１μｍ）の厚さを有することができる。第１のドープ層２３０又は輸送層は、約１０ｎｍ以上約２０ｎｍ以下、任意選択で約１５ｎｍ以上約１９ｎｍ以下の厚さを有することができる。第２のドープ層２３２又は輸送層は、約５ｎｍ以上約２０ｎｍ以下、任意選択で約１０ｎｍ以上約１９ｎｍ以下の厚さを有することができる。極薄反射層２４０は、約５ｎｍ以上約５５ｎｍ以下、任意選択で約１０ｎｍ以上約５５ｎｍ以下、また任意選択で１０ｎｍ以上１３ｎｍ以下の厚さを有することができる。
一変形形態では、約７５ｎｍの厚さを有する電子ビーム堆積ＩＴＯの第１の電極２２０、約１５ｎｍの厚さを有するｎ型ＳｉＯＸを含む第１のドープ層２３０、約１１ｎｍの厚さを有するａ－Ｓｉの極薄反射層２４０、ｐ型ＳｉＯＸを含む第２のドープ層２３２、約１マイクロメートルの厚さを有する第２の電極２２２を図１４Ａに示す。
本発明の技術の様々な実施例は、本明細書に含まれる具体的な実例によってさらに理解することができる。具体的な実例は、本教示による組成物、デバイス、及び方法をどのように作製して使用するかを例示する目的で提供し、特に明記しない限り、この発明の所与の実施例が作製又はテストされたか又はされていないかを表すことを意図していない。
実例
角度の影響を受けない受動色付きフィルタは、溶融シリカ基板上に層を堆積させることにより製造した。ＴｉＯ２は、室温で３．０Å／秒の速度で、電子ビーム蒸着によって堆積した。Ｓｉ３Ｎ４、ａ－Ｓｉ、及びＳｉＯ２は、それぞれ２６０℃、２６０℃、及び２００℃の温度で４．０Å／秒、０．７Å／秒、及び７．０Å／秒の速度で、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて堆積した。
スペクトル反射及び透過、角度分解スペクトル、電界強度分布、並びに各誘電体層内の正味位相シフトを計算するための光学シミュレーションは、分光エリプソメータ（Ｍ－２０００、Ｊ． Ａ． Ｗｏｏｌｌａｍ）を使用して調整された材料の屈折率を用いたトランスファ・マトリックス法に基づいた。
光学的及び電気的特性評価は、以下のように行った。垂直入射での反射スペクトルは、分光計及び白色光源を統合した薄膜測定装置（Ｆ２０、Ｆｉｌｍｅｔｒｉｃｓ）を使って取得した。４５°から６０°の角度分解反射スペクトル、並びに垂直入射での透過スペクトルの測定は、分光エリプソメータ（Ｍ－２０００、Ｊ． Ａ． Ｗｏｏｌｌａｍ）を使って行った。
アルミ箔を使用して、市販のバック・コンタクト型ｃ－Ｓｉ太陽光パネル（約１２５ｍｍ四方、ＭＡＸＥＯＮ（登録商標）、Ｓｕｎｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の表面を覆い、２５ｍｍ四方の受動フィルタの中心に２２ｍｍ２の開口部を残した。次いで、ＡＭ１．５シミュレーション太陽光（１００ｍＷｃｍ－２）の照明下で、電極にＭＰ－１６０（ＥＫＯ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を接続して、統合された色付き太陽電池の電流密度－電圧（Ｊ－Ｖ）性能を記録した（詳細な設定を図４に示す）。
図５Ａ～図５Ｄは、本開示の特定の態様による角度に耐性のある受動フィルタ及びその性能を示す。角度の影響を受けない受動フィルタは、青色を別個に反射させるだけでなく、ただ５つの薄い層内で光学干渉を使用して、全体で高い透過率を生成できる。図５Ａに示すように、極薄ａ－Ｓｉ層（約５ｎｍ）は、屈折率分布プロファイルを形成する、透過性の誘電体の層の２つの積層体又はペア（窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）／二酸化チタン（ＴｉＯ２）及びＴｉＯ２／二酸化ケイ素（ＳｉＯ２））間に挟まれている。この設計の結果、下の方に結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）光活性層を組み込んだ太陽光発電デバイスによって収集されるべき太陽光スペクトル全体にわたって、顕著な透過性が得られた（図５Ｂに示すように）。角度の影響を受けない受動フィルタで使用されるａ－Ｓｉの高い屈折率は、設計された色の最終的な強い反射に直接貢献し、図６でさらに説明しているように、反射のピークは４５２ｎｍで約４０％であった。
図６では、中間層として相異なる屈折率の材料を使用する構造体の反射スペクトルを比較している。ここで、青色は動作原理を明確にするための実例として使用し、Ｓｉ３Ｎ４、下部のＴｉＯ２、上部のＴｉＯ２、及びＳｉＯ２の対応する厚さはそれぞれ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、１２０ｎｍ、及び１５０ｎｍであった。別法として、ａ－Ｓｉの厚さを５ｎｍに維持しながら、これら４種類の誘電体層の厚さを調整することにより、緑と赤の反射出力を簡単に実現できる。
多層積層体内の残りの層の厚さは、いずれの場合も同じままであった。ａ－Ｓｉ（ｎ＝４．８０＋ｉ０．９５、ピーク強度は４５２ｎｍで約４０％）を除いて、そのすべての材料のばらつきは無視した。反射強度のピークは、約４５０ｎｍのままであり、４４９ｎｍで２６％（ｎ＝２．５）、４４９ｎｍで２９％（ｎ＝３．０）、４５０ｎｍで３１％（ｎ＝３．５）、４５０ｎｍで３５％（ｎ＝４．０）、４５１ｎｍで３８％（ｎ＝４．５）と、屈折率につれて増加したことは明らかであり、したがって、高い反射性は中間層の高い屈折率によるものであることを証明している。
受動フィルタ構造体における様々な誘電体層の厚さを、ＲＧＢの色ごとに表１に列挙した。
図７Ａ～図７Ｄは、緑色（図７Ａ及び図７Ｃ）並びに赤色（図７Ｂ及び図７Ｄ）を反射するフィルタについて、シミュレーションした反射及び透過スペクトル、並びにシミュレーションした角度の作用を提示する。高屈折率の極薄ａ－Ｓｉ半導体層が反射ピークの主な要因であり、ａ－Ｓｉの屈折率の実数部は波長が長くなるほど低下することを考慮すると、ピーク反射強度は、ａ－Ｓｉの厚さが５ｎｍで一定の場合、緑色（５３８ｎｍで３７％）及び赤色（６６６ｎｍで３２％）では、対応してより小さくなる。挿入図は、フィルタごとの視覚化された反射色であり、緑色及び赤色を別個に提示している。各層の寸法の概要を、表１に示す。図７Ｃ及び図７Ｄでは、緑及び赤のフィルタのシミュレーションした角度の作用を示し、ここで平坦な分散スペクトルは、装飾用途に必要な、角度に耐性のある優れた性能を示した。
すべての材料（ａ－Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、及びＳｉＯ２）の屈折率は、分光エリプソメータ（Ｍ－２０００、Ｊ． Ａ． Ｗｏｏｌｌａｍ）を使用することによって特徴づけられ、図８に提示する。
シミュレーション結果と測定結果との間の優れた一貫性は図５Ｂから観察することができるが、４００ｎｍから６００ｎｍまでの測定で観察された透過率が、計算した透過率よりわずかに高いのは、シミュレーション用に調整した材料の屈折率と、製造されたデバイスの屈折率との差に起因する可能性がある。ｃ－Ｓｉ太陽光発電モジュールと統合するときに追加の屈折率整合層を導入すると、溶融シリカ基板の裏面反射から生じる約３．５％の「バックグラウンド」反射（すなわち、プロットの６００ｎｍを超える波長の弱い反射）を抑制することができ、これによって、下にあるｃ－Ｓｉパネル／ＰＶデバイスの吸収性が高まり、反射色純度ばかりでなくデバイス全体のＰＣＥがさらに向上することは、注目に値する。図５Ｃでは、シミュレーションしたスペクトル及び測定したスペクトルから計算された反射の色座標（ｘ、ｙ）をＣＩＥ１９３１色度図上に描いており、互いによく一致していることを示している。
次に、非偏光の照明下での平坦な分散特性を特徴とする計算された角度分解反射スペクトルを図９Ａに表しており、図９Ｂの測定結果との良好な一致を示した。シミュレーションと測定結果との両方から、最大±６０°までの視野角に対して、反射ピークはまずまず一定のままであった。これは、本開示が提供する角度の影響を受けない受動フィルタの設計に組み込まれた材料（すなわち、ａ－Ｓｉ、ＴｉＯ２、及びＳｉ３Ｎ４）の高い屈折率の直接的な結果である。材料堆積プロセスしか必要でないことを考えると、提案する構造体は、製造コストが低い装飾用ＰＶ用途の優れた候補である。図９Ｃの周囲光の照明下での黒い背景に対する製造したサンプルの写真は、周囲光の照明下で様々な視野角（０°から６０°までの範囲の入射角）で安定した青色が見られ得ることを明確に示した。これは、本受動フィルタ設計の、角度の影響を受けない性能をさらに証明している。黒い背景は、透過光を吸収する、ｃ－Ｓｉ太陽光発電パネルを模倣するために利用していることに留意されたい。
広帯域にわたる透過性及び反射する色付きの外観は、誘電体の積層体における様々な波長での複数の共振によって説明することができる。図１０Ａでは、誘電体層ごとに、界面からの２つの反射位相シフト及び伝搬位相の累積を含む、正味の位相シフトをプロットしている。正味の位相シフトが２πの倍数に等しい、すなわち、ファブリペロー（Ｆ－Ｐ）共振を作り出して反射を低減し、その結果として透過を引き起こす、そうした波長で透過性が効率的に向上した。具体的には、約３００ｎｍでの反射の下落は、ＳｉＯ２（２９８ｎｍで共振）及びＳｉ３Ｎ４（２８５ｎｍで共振）内部での共振に起因する。４００ｎｍ及び６００ｎｍ付近の光の透過率は、すべての層内で同時に複数の共振を励起することで大幅に向上した（ＳｉＯ２内では３８１ｎｍ、５７９ｎｍ、及び６２３ｎｍでの共振、上部のＴｉＯ２内では３８１ｎｍ及び５７７ｎｍでの共振、下部のＴｉＯ２内では３９６ｎｍ及び５７２ｎｍでの共振、並びにＳｉ３Ｎ４内では３９４ｎｍ及び５７８ｎｍでの共振）。同様に反射は、プロットに提示するように、約８００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍを含むより長い波長で、対応する共振によって十分に抑制された（ＳｉＯ２内では８３９ｎｍ、９４３ｎｍ、及び１１３２ｎｍでの共振、上部のＴｉＯ２内では１１３２ｎｍでの共振、下部のＴｉＯ２内では７９９ｎｍ、９７４ｎｍ、及び１１３３ｎｍでの共振、並びにＳｉ３Ｎ４内では８０３ｎｍ、１０３５ｎｍ、及び１１３４ｎｍでの共振）。太陽光スペクトルのほぼ全体に及ぶ複数の共振により、５層だけを備える本開示の特定の態様にしたがって作製された受動フィルタを使って、広帯域にわたる透過性が達成され、これにより、最終的な統合された太陽電池／ＰＶシステムの全体的なＰＣＥが高まる。
一方、隣接する共振間には抑制されない反射が依然として存在した（３４７ｎｍ（１６％）、４５２ｎｍ（４０％）、６６２ｎｍ（７％）、及び９４６ｎｍ（４％）での反射ピークなど）。というのは、そうした共振が、範囲全体にわたるすべてのポイントをカバーすることはできないからである。他の波長での反射強度と比較してより大きい４５２ｎｍでの反射強度は、４００ｎｍ未満の短い波長及び６５０ｎｍを超えるより長い波長それぞれでの、ａ－Ｓｉの強い吸収性及び低い屈折率の両方に起因し、この場合の構造体の青い反射の外観を直接的にもたらしている。
図１０Ｂは、これらの４つの誘電体材料層を後で追加する構造体の、スペクトルの進展を提示する。単一の５ｎｍのａ－Ｓｉ層（黒線）のスペクトルでの波長と共に低減する反射強度は、高い屈折率が直接的に強い反射をもたらすことを明確に示したが、これは上記で提示した説明と一貫している。ＴｉＯ２のみを上に置いた直後に、青色の範囲にすぐに強い反射ピークが現れ、約４００ｎｍと約６００ｎｍとの両方で反射が抑制された。ａ－Ｓｉ層の裏側にＳｉＯ２及び他の２つの誘電体を追加することにより、４００～５００ｎｍの範囲外の反射は、他の透過共振を励起することによってさらに減少し、それによって最適化された構造体が実現した。上部の２つの誘電体（ＴｉＯ２及びＳｉＯ２）を使ったスペクトルが、既に、最終結果に非常に近いことは注目に値する。これは、最終的な高い透過率の実現において、上部の誘電体が、下部の積層体よりも重要な要因となることを意味する。
一方、広帯域にわたる透過性の高い効率は、屈折率分布型プロファイルを特徴とする誘電体層の反射防止（ＡＲ：ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）効果に起因する。これは、多層構造体の光学表面アドミタンスを視覚的に表す効果的なやり方を提供する、光学アドミタンス図をプロットすることで実証できる。光学アドミタンス
は、インピーダンスの逆数で、ε及びμはそれぞれ誘電率及び透磁率であり、光周波数では磁気の影響を無視できるため、材料の複素屈折率に等しい。アドミタンスの軌跡は、透明な誘電体及び完全な導電体に対する円であり、半導体及び実際の金属などの吸収材に対する螺旋である。構造体のアドミタンスは、基板から始まり、厚みが増すにつれて円形又は螺旋状の軌道上を回転する。層状構造体の終端点のアドミタンスと空気のアドミタンス（１，０）との間の距離により、反射強度は
で決定され、ここで、Ｙ０及びＹ１はそれぞれ、空気のアドミタンス及び構造体の終端点のアドミタンスを指す。図１１では、３００ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ、及び１１００ｎｍを含む様々な波長における、本開示の特定の態様にしたがって作製された受動反射青色フィルタ構造体のアドミタンス図をプロットした。構造体の終端点のアドミタンスと空気とを結ぶ黒線の長さが、構造体の反射率の測定値を提示している。最終的なアドミタンス位置は、（０．７６，－０．０７）、（１．０４，－０．７１）、（４．３３，０．４０）、（１．２２，－０．０７）、（１．０７，０．０７）、（１．１６，０．０４）、及び（１．０４，０．０３）であり、それぞれ約２．０１％、１０．８４％、３９．３７％、１．０８％、０．２３％、０．５８％、及び０．０６％の反射に相当する。話を簡単にするために、シリカ基板の裏面反射は、ここでの計算では無視した。４５０ｎｍでの唯一の強い反射強度は、青い外観及び広帯域にわたる高い透過率をよく説明している。
は、インピーダンスの逆数で、ε及びμはそれぞれ誘電率及び透磁率であり、光周波数では磁気の影響を無視できるため、材料の複素屈折率に等しい。アドミタンスの軌跡は、透明な誘電体及び完全な導電体に対する円であり、半導体及び実際の金属などの吸収材に対する螺旋である。構造体のアドミタンスは、基板から始まり、厚みが増すにつれて円形又は螺旋状の軌道上を回転する。層状構造体の終端点のアドミタンスと空気のアドミタンス（１，０）との間の距離により、反射強度は
で決定され、ここで、Ｙ０及びＹ１はそれぞれ、空気のアドミタンス及び構造体の終端点のアドミタンスを指す。図１１では、３００ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ、及び１１００ｎｍを含む様々な波長における、本開示の特定の態様にしたがって作製された受動反射青色フィルタ構造体のアドミタンス図をプロットした。構造体の終端点のアドミタンスと空気とを結ぶ黒線の長さが、構造体の反射率の測定値を提示している。最終的なアドミタンス位置は、（０．７６，－０．０７）、（１．０４，－０．７１）、（４．３３，０．４０）、（１．２２，－０．０７）、（１．０７，０．０７）、（１．１６，０．０４）、及び（１．０４，０．０３）であり、それぞれ約２．０１％、１０．８４％、３９．３７％、１．０８％、０．２３％、０．５８％、及び０．０６％の反射に相当する。話を簡単にするために、シリカ基板の裏面反射は、ここでの計算では無視した。４５０ｎｍでの唯一の強い反射強度は、青い外観及び広帯域にわたる高い透過率をよく説明している。
図１２は、角度の影響を受けない青色受動反射フィルタ及び統合された太陽光発電デバイスを組み込んだ、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体（ＰＶシステム）を、受動フィルタがない状態のｃ－Ｓｉパネル太陽光発電と比較した、電流密度－電圧（Ｊ－Ｖ）特性を測定したものを示す。上部にあるフィルタを通ってｃ－Ｓｉセルで収集される、全体的な透過率が高いため、ＰＶシステム全体で、短絡回路電流密度ＪＳＣは約３８．４４ｍＡｃｍ－２、開回路電圧ＶＯＣは約５８５．０ｍＶ、及び曲線因子（ＦＦ）は約７５．６９％を示し、約１７．０２％のＰＣＥに相当する。これは、色付きフィルタでカバーされない、元のｃ－Ｓｉ太陽電池の効率（ＪＳＣは約４２．２１ｍＡｃｍ－２、ＶＯＣは約６１１．２ｍＶ、ＦＦは約７８．２３％で、約２０．１８％のＰＣＥに相当する）よりも、約３．１６％しか低くなかった。この高効率の色付き太陽電池は、従来の色付きＰＶの低効率の制限を効果的に克服している。前述のように、受動フィルタと下にあるｃ－Ｓｉ太陽光発電セルとの間に屈折率整合層を使用し、シリカ基板の背面からの、約３．５％の「バックグラウンド」反射を低減すると、全体のＰＣＥをさらに向上させることができる。
昼光への露出を含む実際の用途では、多くの場合、装飾面として使用するためにさらに明るい反射色が必要であり、これは、高屈折率層（たとえば、ａ－Ｓｉ層）の厚さを、たとえば５ｎｍから１０ｎｍに増やし、より強い反射を生じさせることによって達成できる。青色を実例にとると、４１６ｎｍで５５％のピーク強度を有する（図１３Ｂ）青の反射を生成する、様々な層の厚さを有する構造体の概略図を図１３Ａに示す。このフィルタ設計では、ａ－Ｓｉの極薄反射層の厚さは約１０ｎｍ、ＳｉＯ２の第１の層の厚さは約１４５ｎｍ、ＴｉＯ２の第２の層の厚さは約１００ｎｍ、ＴｉＯ２の第３の層の厚さは約２５ｎｍ、Ｓｉ３Ｎ４の第４の層の厚さは約１１０ｎｍである。
図１３Ｃに、黒の下地と共に、明るい青の反射を示す作製したサンプルの写真を提示する。これは、より大きい反射強度を有する新しい設計の、角度の影響を受けない優れた性能を示している。広帯域の波長範囲にわたって影響を受けない高い透過率に起因して、新しいＰＶシステムでは、ＪＳＣが約３５．２３ｍＡｃｍ－２、ＶＯＣが約５８２．９０ｍＶ、ＦＦが約７５．４３％であるｃ－Ｓｉセルの上部に、より高輝度のフィルタを統合した後で、ＰＣＥ約１５．４９％が維持された（図１３Ｄ）。さらに、４層の誘電体層（Ｓｉ３Ｎ４／ＴｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２）の厚さを単に調整することにより、相異なる種類の青色も実験的に実証され、それぞれ４５５ｎｍで５６％、４７７ｎｍで５５％の共振反射であった。これにより、実用的な使用のためのより多くの選択肢を提供する。反射を強化した受動フィルタによって生成された、そうした３種の青色用の構造体の詳細を表２に列挙する。
様々な態様において、本開示は、角度の影響を受けない受動色付き反射フィルタ及び統合された太陽光発電デバイスを組み込んだ、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体を提供する。かかる色付きタンデム型太陽電池システムは、ｃ－Ｓｉ太陽光パネル／太陽光発電デバイスの上部に受動色付きフィルタを統合することにより、１８％を上回るＰＣＥを有する可能性がある。受動色付き反射フィルタには、わずか５つの層しか備えられず、ここで高屈折率の損失が大きい半導体は、２つの誘電体の積層体又はペア間に挟まれている。受動色付き反射フィルタは、屈折率分布型プロファイルを利用する。別個の反射色は、太陽光スペクトル全体にわたる全体的な高い透過率と共に、続いて後者がフィルタの下のｃ－Ｓｉ太陽光発電パネルによって収集されると、高いＰＣＥをもたらす。フィルタ・モジュールには高い屈折率の半導体材料が含まれているため、システム全体で、高輝度、及びたとえば最大±６０°までの角度の影響を受けない優れた外観を実現する。加えて、誘電体層及び半導体層の厚さを調整することにより、制御可能な強度を持つ様々な反射色を簡単に実現できる。高いＰＣＥを特徴とする本開示が提供する構造体の製造に、単純な堆積方法しか関係しないことを考えると、本教示は、典型的な色付き太陽電池に関連する多くの制限を克服している。
角度の影響を受けない緑色の能動太陽電池を実証するために、図１４Ｂ（電気的測定のためのパターン化領域）に示すように、図１４Ａで説明した設計にしたがって製造した。太陽電池は、図１４Ｃに提示するように、色を生成するために使用される波長を除いて広帯域にわたる高い透過率を維持し、且つ１１ｎｍのａ－Ｓｉを備えるだけで、追加の２．８０％のＰＣＥが得られた（図１４Ｄ）。これにより、タンデム型太陽光パネル全体の効率をさらに高めることができる（角度の影響を受けない能動フィルタが、第２の太陽光発電セル／デバイスに結合されている場合）。他の色（青及び赤）も、図１５のシミュレーション結果で示すように、各層の厚さをわずかに調整することで実現できる。本開示にしたがって作製したすべての赤－緑－青（ＲＧＢ：ｒｅｄ－ｇｒｅｅｎ－ｂｌｕｅ）色のａ－Ｓｉ太陽電池の詳細な設計は、表１に要約している。
表３は、本開示の特定の態様にしたがって作製した反射ＲＧＢ色能動フィルタ付きａ－Ｓｉ太陽電池の、各層の厚さを示す。こうした色付きａ－Ｓｉ太陽電池の形成に関係するすべての材料の堆積条件は以下のとおりであった。最初に、ｎ型ＳｉＯＸが、２１０℃の温度でのＲＦ（ｆ＝１３．５６ＭＨｚ）プラズマ化学気相堆積技法によって作製された。ＳｉＨ４、Ｈ２、及びＣＯ２の流量は、それぞれ２ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍ、及び３ｓｃｃｍであった。ＰＨ３は、ＳｉＯＸ層のｎ型ドーパントとして使用され、その流量は２ｓｃｃｍであった。堆積圧力及び電力密度は、１７３．３Ｐａ（１．３Ｔｏｒｒ）及び６９ｍＷ／ｃｍであった。堆積速度は、０．８ｎｍ／分であった。基板と電極との距離は約２０ｍｍであった。
ｐ型ＳｉＯＸ層は、２００℃の温度でＲＦプラズマ化学気相堆積技法によって製造された。ＳｉＨ４、Ｈ２、及びＣＯ２の流量は、それぞれ４００ｓｃｃｍ、２ｓｃｃｍ、及び０．５ｓｃｃｍであった。Ｂ２Ｈ６は、ＳｉＯＸ層のｎ型ドーパントとして使用され、その流量は０．７５ｓｃｃｍであった。堆積圧力及び電力密度は、１７３．３Ｐａ（１．３Ｔｏｒｒ）及び６９ｍＷ／ｃｍ２であった。基板と電極との距離は約２０ｍｍであった。
ＩＴＯ薄膜は、１７５℃の基板温度での、反応性熱蒸着によって成長させた。Ｉｎ／Ｓｎ合金（Ｓｎが１０ウェイト％）及び酸素を、ソース材料として使用した。酸素分圧は、０．２５Ｐａであった。厚さは７５ｎｍで、堆積速度は０．６２５ｎｍ／秒であった。
ａ－Ｓｉは、１６０℃の温度でＲＦプラズマ化学気相堆積技法によって製造した。ＳｉＨ４及びＨ２の流量は、２５０ｓｃｃｍ及び２０ｓｃｃｍであった。堆積圧力及び電力密度は、２５３．３Ｐａ（１．９Ｔｏｒｒ）及び４９ｍＷ／ｃｍ２であった。
ＡＺＯ電極は、温度：３２５℃、圧力：０．２０Ｐａ（１．５ｍＴｏｒｒ）、電力：１５０ｗ、時間：８時間のスパッタリング条件で形成した。
本実施例の前述の記載は、例示及び説明の目的で提示してきた。網羅的であること、又は本開示を制限することを意図しない。特定の実施例の個々の要素又は特徴は、全体的に、その特定の実施例に限定されず、適用可能な場合、交換することができ、具体的に図示又は説明されていない場合でも、選択された実施例で使用することができる。同じものが、多くのやり方で変更される場合もある。かかる変形形態は、本開示から外れたものと見なされるべきではなく、すべてのかかる修正形態は、本開示の範囲内に含まれることを意図する。
Claims (24)
- 太陽光発電デバイスと共に使用する色付きフィルタであって、前記フィルタは、
シリコンを含み、１５ｎｍ以下の厚さを有し、第１の側面及び第２の側面を画定する極薄反射層と、
前記極薄反射層の前記第１の側面に隣接する、誘電体材料の透明な第１のペアであって、前記第１のペアは、誘電体材料の第１の層、及び別個の誘電体材料の第２の層を備える、第１のペアと、
前記極薄反射層の前記第２の側面に隣接する、誘電体材料の透明な第２のペアであって、前記第２のペアは、誘電体材料の第３の層、及び別個の誘電体材料の第４の層を備える、第２のペアと
を備え、所定の波長の第１の範囲を有する電磁スペクトルの第１の部分を透過し、所定の波長の第２の範囲を有する前記電磁スペクトルの第２の部分を反射して反射出力を生成することができる色付きフィルタ。 - 前記反射出力は、前記波長の第２の範囲が、前記色付きフィルタに対して０°から６０°までの範囲の入射角で８０ｎｍ以下の変化となるような、最小の角度依存性を示し、角度の影響を受けない色付きフィルタを形成する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記極薄反射層は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は可視光範囲内にあり、赤、緑、青、及びその組合せで構成される群から選択される色を有する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層、及び前記第４の層のそれぞれを形成する前記誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、及び屈折率が１．６以上のポリマーで構成される群から別々に選択される、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層、及び前記第４の層のそれぞれを形成する前記誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成される群から別々に選択される、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記第１の層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含み、前記第２の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、前記第３の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、前記第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含むか、又は
前記第１の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含み、前記第２の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、前記第３の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、前記第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む、請求項１に記載の色付きフィルタ。 - 前記第１の層は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は、青色を示し、前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有し、前記第１の層は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は、緑色を示し、前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有し、前記第１の層は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は、赤色を示し、前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有し、前記第１の層は、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の色付きフィルタ。
- 色付き反射フィルタであって、
シリコンを含み、１５ｎｍ以下の厚さを有し、第１の側面及び第２の側面を画定する極薄反射層と、
前記極薄反射層の前記第１の側面に隣接する、誘電体材料の透明な第１のペアであって、前記第１のペアは、誘電体材料の第１の層、及び別個の誘電体材料の第２の層を備える、第１のペアと、
前記極薄反射層の前記第２の側面に隣接する、誘電体材料の透明な第２のペアであって、前記第２のペアは、誘電体材料の第３の層、及び別個の誘電体材料の第４の層を備える、第２のペアと
を具備し、所定の波長の第１の範囲を有する電磁スペクトルの第１の部分を透過し、所定の波長の第２の範囲を有する前記電磁スペクトルの第２の部分を反射して反射出力を生成することができる色付き反射フィルタ、並びに
前記色付き反射フィルタに隣接し、少なくとも１種類の太陽光発電材料を含む太陽光発電デバイス
を備える、角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。 - 前記太陽光発電デバイスの電力変換効率は１８％以上である、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記太陽光発電材料は結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）材料を含む、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記極薄反射層は、アモルファス・シリコン（ａ－Ｓｉ）材料を含む、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は可視光範囲内にあり、赤、緑、青、及びその組合せで構成される群から選択される色を有する、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層、及び前記第４の層のそれぞれを形成する前記誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、及び屈折率が１．６以上のポリマーで構成される群から別々に選択される、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層、及び前記第４の層のそれぞれを形成する前記誘電体材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成される群から別々に選択される、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記第１の層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含み、前記第２の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、前記第３の層は酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み、前記第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含むか、又は
前記第１の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含み、前記第２の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、前記第３の層はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、前記第４の層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。 - 前記第１の層は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は、青色を示し、前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有し、前記第１の層は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は、緑色を示し、前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有し、前記第１の層は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
- 前記所定の波長の第２の範囲を有する前記反射出力は、赤色を示し、前記極薄反射層は、５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さを有し、前記第１の層は、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第２の層は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第３の層は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し、前記第４の層は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１３に記載の角度の影響を受けない色付き太陽光発電デバイス組立体。
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