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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-24
(45)【発行日】2024-08-01
(54)【発明の名称】増大した太陽エネルギー変換のための方法および装置
(51)【国際特許分類】
H01L 31/055 20140101AFI20240725BHJP
H01L 31/054 20140101ALI20240725BHJP
【ＦＩ】
H01L31/04 622
H01L31/04 620
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2022521960
(86)(22)【出願日】2020-10-07
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-12-13
(86)【国際出願番号】 US2020054596
(87)【国際公開番号】W WO2021076372
(87)【国際公開日】2021-04-22
【審査請求日】2023-04-18
(31)【優先権主張番号】62/913,315
(32)【優先日】2019-10-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/927,228
(32)【優先日】2019-10-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】522143184
【氏名又は名称】サンデンシティ・インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100120754
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 豊治
(72)【発明者】
【氏名】サンウォーカー，ニシカント
【審査官】吉岡 一也
(56)【参考文献】
【文献】韓国公開特許第１０－２０１８－０００１８２７（ＫＲ，Ａ）
【文献】米国特許第０４１８８２３８（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２１６６２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２３０９６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５４１０００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１８６８４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５９－１６６４５５（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０１４－０２２４７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－００３４９２３（ＫＲ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２８５５３１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０４－３１／０５６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アレイの全体にわたり反復されるパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；光コンセントレーターのパターンと位置合わせされて分布している光起電力（ＰＶ）セルの平面アレイ；および
光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルの平面アレイの光路中に延在するスペクトル変換器
を含む、太陽エネルギーの電力変換のための装置であって、
該スペクトル変換器は、第１のスペクトル分布を有する入射太陽光を、ＰＶセルのアレイに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成され、
該スペクトル変換器が、
あらかじめ決定された波長範囲を反射し、入射太陽光の第１のスペクトル分布を第１の波長範囲にシフトさせるように形成された層のセット、ここで、該層のセットは、交互になっている第１および第２の層を２対以上包含し、該第１の層は第１の屈折率ｎ １ を有し、該第２の層は、第１の屈折率ｎ １ より大きい第２の屈折率ｎ ２ を有し、該第２の層はそれぞれ、第１の材料のナノ粒子の第１の分布を包含する；および
表面増強ラマン散乱層、ここで、該表面増強ラマン散乱層は第２の材料のナノ粒子の第２の分布を伴って構成されて、該表面増強ラマン散乱層中の第２の材料のナノ粒子の第２の分布に従って、第１の波長範囲を第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲にさらにシフトする、
を含む、
装置。
【請求項2】
第２のスペクトル分布が、ＰＶセルのｐ－ｎ接合のバンドギャップエネルギーと同一の光エネルギーを包含する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
スペクトル変換器が、光コンセントレーターの平面アレイに対し平行に延在するコーティングされたシートを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項4】
スペクトル変換器が、２以上の金属酸化物層を有するガラスシートを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項5】
スペクトル変換器が、蛍光ナノ粒子を包含するコーティングを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項6】
光コンセントレーターの平面アレイがフレネルレンズを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
ＰＶセルが封入ケーシングを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項8】
スペクトル変換器が、光コンセントレーターの平面アレイと光起電力セルの平面アレイとの間に置かれる、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
光コンセントレーターの平面アレイが、スペクトル変換器と光起電力セルの平面アレイとの間に置かれる、請求項１に記載の装置。
【請求項10】
請求項１に記載の太陽光の電力変換のための光起電力セルアレイをレトロフィットするための装置であって、
光起電力セルアレイ中の各セルは、少なくとも１つの対応する光コンセントレーターを通って方向付けられている光を受け取り、
該スペクトル変換器は、光コンセントレーターの平面アレイと光起電力セルアレイの間に延在し、
該第２のスペクトル分布は、第１のスペクトル分布より長い波長においてより多くのエネルギーを含む、
装置。
【請求項11】
光コンセントレーターのアレイが１以上のフレネルレンズを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項12】
フレネルレンズがポリカーボネート材料から作製される、請求項１１に記載の装置。
【請求項13】
光コンセントレーターのアレイが屈折率分布型レンズアレイを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項14】
第１のスペクトル分布と比較して、第２のスペクトル分布が、ＰＶセルのバンドギャップに関連するスペクトル範囲にわたり増大した光エネルギーを有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項15】
光起電力セルが封入ケーシングを有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項16】
光コンセントレーターの２以上の平面アレイ、スペクトル変換器、および光起電力セルアレイの間の距離が調整可能である、請求項１０に記載の装置。
【請求項17】
太陽エネルギーの電力変換のための方法であって、
第１のスペクトル分布を有する入射太陽光を、第１のスペクトル分布から波長をシフトさせた第２のスペクトル分布の状態調整した光に変換し、ここで、該変換は、入射太陽光を、
（ｉ）あらかじめ決定された波長範囲を反射し、入射太陽光の第１のスペクトル分布を第１の波長範囲にシフトさせるように形成された層のセット、ここで、該層のセットは、交互になっている第１および第２の層を２対以上包含し、該第１の層は第１の屈折率ｎ １ を有し、該第２の層は、第１の屈折率ｎ １ より大きい第２の屈折率ｎ ２ を有し、該第２の層はそれぞれ、第１の材料のナノ粒子の第１の分布を包含する；
を通過させた後、
（ｉｉ）表面増強ラマン散乱層、ここで、該表面増強ラマン散乱層は第２の材料のナノ粒子の第２の分布を伴って構成されて、該表面増強ラマン散乱層中の第２の材料のナノ粒子の第２の分布に従って、第１の波長範囲を第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲にさらにシフトする、
を通過させることによって達成される；
状態調整した光を集中化し、その光を、１つのアレイに分布している複数の光起電力セルのそれぞれに向かって方向付け；そして、
複数の光起電力セルから、状態調整した光の集中度および第２のスペクトル分布に対応する電流を受け取る
ことを含む、方法。
【請求項18】
入射太陽光を、状態調整した光に変換することが、光をブラッグ反射層、つぎに表面増強ラマン散乱層に通して方向付けることを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、本明細書中で全体を援用するＮｉｓｈｉｋａｎｔ Ｓｏｎｗａｌｋａｒの名義で“ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＩＮＣＲＥＡＳＥＤ ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ”という表題で２０１９年１０月２９日に仮出願された米国仮特許出願第６２／９２７２２８号の利益を主張するものであり；さらに、本出願は、本明細書中で全体を援用するＮｉｓｈｉｋａｎｔ Ｓｏｎｗａｌｋａｒの名義で“ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＡＴＩＮＧ ＦＯＲ ＳＰＥＣＴＲＡＬ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ”という表題で２０１９年１０月１０日に仮出願された米国仮特許出願第６２／９１３３１５号の利益を主張するものである。
技術分野
[0002]本発明は、一般に光起電性材料のスペクトル性能に関し、より詳細には、入射光エネルギーのスペクトルを効率的に再マッピングするための光学コーティングを有する光起電装置に関する。
[0001]本出願は、本明細書中で全体を援用するＮｉｓｈｉｋａｎｔ Ｓｏｎｗａｌｋａｒの名義で“ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＩＮＣＲＥＡＳＥＤ ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ”という表題で２０１９年１０月２９日に仮出願された米国仮特許出願第６２／９２７２２８号の利益を主張するものであり；さらに、本出願は、本明細書中で全体を援用するＮｉｓｈｉｋａｎｔ Ｓｏｎｗａｌｋａｒの名義で“ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＡＴＩＮＧ ＦＯＲ ＳＰＥＣＴＲＡＬ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ”という表題で２０１９年１０月１０日に仮出願された米国仮特許出願第６２／９１３３１５号の利益を主張するものである。
技術分野
[0002]本発明は、一般に光起電性材料のスペクトル性能に関し、より詳細には、入射光エネルギーのスペクトルを効率的に再マッピングするための光学コーティングを有する光起電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
[0003]太陽エネルギーハーベスティングをより効率的にする改善は、漸進的であっても、重大な経済的および環境面での影響を有することができることは、広く認められている。特に興味深い分野には、太陽エネルギーをより有用な形態に変換するための改善された材料の開発がある。
【0003】
[0004]各タイプの光伝搬性光学材料は、ある波長帯域にわたって変動しうる光エネルギーに対し特徴的なスペクトル応答を有する。例えば、従来の光学ガラスタイプは、所定の範囲にわたり最適な透過を示すが、特定の波長ではより効率の低い透過を示す可能性がある。さまざまなタイプの光学コーティングは、特定の波長範囲において可変的な応答および効率を有する。フォトニックセンサーおよびエネルギー変換器、例えば、光起電性（ＰＶ）太陽エネルギー変換器は、いくつかの波長帯域にわたり、他のものよりはるかに効率的であることができる。
【0004】
[0005]フォトニック変換法は、さまざまなタイプの光学的構成要素および材料のスペクトル応答の補償および調整に提案され、使用されてきた。測定可能で有用な性能改善の達成を期待して、特定の光伝搬性光学材料の固有の応答を変化させるために、アップコンバージョン（ＵＣ）、ダウンコンバージョン（ＤＣ）、および他のタイプのスペクトル応答改変のための方法が開発されてきた。
【0005】
[0006]ＰＶ太陽エネルギー分野ではエネルギー発生効率の改善にいくらかの前進は見られるが、かなりの問題が残っている。とりわけＰＶ適用、一般に光伝搬性材料のスペクトル応答の改善において直面する制約には、ＵＣまたはＤＣ機能をもたらす構成要素の製作に用いられる材料に関連する問題がある。例えば、光起電効率を改善する初期の試みは、高価および／または環境的に好ましくない材料を特徴としていた。ランタニドおよび希土類材料は、光伝搬性光学材料のスペクトル応答を改善するための候補としてとりわけ注目されてきた。しかしながら、これらの材料は、費用、製作、および潜在的な廃棄物処理問題を正当化する結果を達成するために、慎重に処理しなければならない。量子ドット材料は同じ問題にさらされており、光起電での適用を妨げる可能性があるいくつかの環境上の安全性の懸念を知らしめている。
【0006】
[0007]材料関連の制約に加えて、光学材料分野の技術者に広く受け入れられてきたエネルギー変換に関する実際的原理、例えば、発熱および他の実際的制約に関連する原理も知られている。
【0007】
[0008]したがって、光伝搬性光学材料のスペクトル性能および工学的設計(engineering)の改善に関する方法には、改善の余地があることがわかる。
【発明の概要】
【0008】
[0009]本開示の目的は、改善されたスペクトル応答および効率を有する材料を提供することにより、太陽エネルギーハーベスティング技術を進歩させることである。この目的を念頭に置いて、本開示は、以下を含む太陽エネルギーの電力変換のための装置を提供する：
アレイの全体にわたり反復されるパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；
光コンセントレーターと位置合わせされて分布している光起電力（ＰＶ）セルの平面アレイ；および
光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルの平面アレイの間に延在するスペクトル変換器、該スペクトル変換器は、光コンセントレーターのアレイからの第１のスペクトル分布の入射光を、ＰＶセルのアレイに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成される。
アレイの全体にわたり反復されるパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；
光コンセントレーターと位置合わせされて分布している光起電力（ＰＶ）セルの平面アレイ；および
光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルの平面アレイの間に延在するスペクトル変換器、該スペクトル変換器は、光コンセントレーターのアレイからの第１のスペクトル分布の入射光を、ＰＶセルのアレイに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成される。
【0009】
[0010]本開示の装置および方法により提供される利点は、スペクトル効率の改善について提案されてきたものに比べ環境上の難点がはるかに少ない材料を配合および使用することができる点である。
【0010】
[0011]開示される発明の他の望ましい目的、特徴、および利点について、当業者なら起想し、明らかにすることができる。本発明は、任意の添付する特許請求の範囲によって定義される。
産業上の利用可能性
[0012]本開示の広範な観点に従って、太陽エネルギー発生および関連する光伝搬性光学材料のための光起電力デバイスの改善されたスペクトル応答を達成するための装置および方法を提供する。
産業上の利用可能性
[0012]本開示の広範な観点に従って、太陽エネルギー発生および関連する光伝搬性光学材料のための光起電力デバイスの改善されたスペクトル応答を達成するための装置および方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
[0034]本明細書中で示し説明する図面は、さまざまな態様に従った光学装置に関する操作および製作の基本原理を例示しており、実際のサイズおよび縮尺を示すことを意図して描かれたものではない。基本的な構造的関係または操作原理を強調するために、いくつかの視覚的誇張が必要である場合がある。
【0013】
[0035]本開示の文脈において、“上部”および“底部”または“上方の”および“下方の”という用語は相対的であり、構成要素または表面の必然的な方向を示すわけではなく、構成要素または材料の塊内の相対する表面または異なる光路をさし、区別するために用いられるに過ぎない。同様に、“水平の”および“垂直の”という用語は、例えば、異なる平面における構成要素または光の相対的直交関係を記載するために図面に関連して用いることができるが、真の水平および垂直方向に関して構成要素に必要な方向を示しているわけではない。
【0014】
[0036]“第１”、“第２”、“第３”などの用語は、用いられる場合、必ずしも任意の順序関係または優先関係を意味するわけではなく、１つの要素または時間間隔を他のものとより明確に区別するために用いられる。例えば、本明細書中に教示されるものに固定的な“第１”または“第２”の要素はない；これらの記載は、1つの要素を本開示の文脈における他の同様の要素と明確に区別するためにのみ用いられる。
【0015】
[0037]本開示の文脈において、“フィルム”という用語は、１以上の薄層として基材に施用されるコーティング、例えば、さまざまな屈折率を有するように処理された材料の連続的に形成された層から形成された薄フィルム光学コーティングを意味するために用いることができる。フィルムはまた、光学材料の１以上の層から形成される光伝搬性基材のシートであることもでき、独立して、または他の光学的構成要素に例えば接着剤を用いて光学的に連結させて、使用することもできる。
【0016】
[0038]本明細書中で使用する場合、“エネルギー付与可能な”という用語は、電力を受け取ることにより、および所望により許可信号を受け取ることにより、指示された機能を実行するデバイスまたは構成要素のセットに関連する。“光伝搬性”材料は、材料が受け取った光の大部分、少なくとも５０％超を透過させるか、または伝達する。ＰＶ変換のための対象となる光伝搬の範囲は、一般に約２００ｎｍ～２２００ｎｍである。
【0017】
[0039]“ナノ粒子”という用語は一般に、個々の原子と巨視的バルク固体の間の中間サイズを有する粒子をさし、平均径は約１ｎｍ～１００ｎｍである。材料のナノ粒子サイズは典型的にはほぼ励起子のボーア半径、または材料のド・ブロイ波長であり、これは、個々のナノ粒子が、粒子内で、個々の数または別個の数の電子もしくは正孔のいずれかの電荷担体、または励起子を捕捉することを可能にすることができる。ナノ粒子による電子（または正孔）の空間的閉じ込めは、材料の物理的、光学的、電子的、触媒的、光電子的および磁気的特性を変化させると考えられる。
【0018】
[0040]ＰＶデバイスまたはシステムのエネルギー出力は、適したエネルギーバンドの光量子の吸収レベルに比例する。エネルギーを生じる波長の吸収の改善は、太陽エネルギー発生の効率を相当量上昇させて、エネルギー費の低下をもたらすことができ、現在用いられている初期のＰＶ機器のレトロフィット(retrofit)および再構築(rebuild)について関連する利点がある。
太陽電池セルの機能および効率
[0041]本開示によって提供される解決策の特質および範囲をより良く理解するためには、ＰＶデバイスにおける典型的な太陽電池セルの基本操作をいくつか復習することが有益である。典型的な太陽電池セルは、空乏領域を有するシリコンｐ－ｎダイオードである。光がない場合、該セルはダイオードと同様に挙動する。光がセルに入射すると、光子がシリコンによって吸収される。この加えられたエネルギーはシリコン電子を励起して、価電子バンドから伝導バンドへの遷移をもたらし、ここで電子は自由に動くことができる。これらの励起電子は“自由キャリア”とよばれる。電子遷移は、“正孔”とよばれる対応する空孔を作り出す。そこで中性原子を形成する再結合の結果、空乏領域の両端間に電位が作り出される。ｐおよびｎ領域に接続される金属接点は、これらの電子に流路、すなわち外部回路を与える。電子はこの電位に従って移動し、正孔と再結合することができる。この電子の移動は電流を生じさせ、これにより、シリコンセルはバッテリーとして働く。
太陽電池セルの機能および効率
[0041]本開示によって提供される解決策の特質および範囲をより良く理解するためには、ＰＶデバイスにおける典型的な太陽電池セルの基本操作をいくつか復習することが有益である。典型的な太陽電池セルは、空乏領域を有するシリコンｐ－ｎダイオードである。光がない場合、該セルはダイオードと同様に挙動する。光がセルに入射すると、光子がシリコンによって吸収される。この加えられたエネルギーはシリコン電子を励起して、価電子バンドから伝導バンドへの遷移をもたらし、ここで電子は自由に動くことができる。これらの励起電子は“自由キャリア”とよばれる。電子遷移は、“正孔”とよばれる対応する空孔を作り出す。そこで中性原子を形成する再結合の結果、空乏領域の両端間に電位が作り出される。ｐおよびｎ領域に接続される金属接点は、これらの電子に流路、すなわち外部回路を与える。電子はこの電位に従って移動し、正孔と再結合することができる。この電子の移動は電流を生じさせ、これにより、シリコンセルはバッテリーとして働く。
【0019】
[0042]既存のＰＶセルの固有の限界には、Ｓｈｏｃｋｌｅｙ－Ｑｕｅｉｓｓｅｒ（Ｓ－Ｑ）限界などの熱力学的制約がある。熱力学的観点から、太陽および太陽電池セルは両方とも、全太陽エネルギーが標準的角度でセル表面に入射する“黒体”であると仮定することができる。カルノーの仕事量は、熱機関によってセルから抽出されると仮定する。太陽温度５７６０ｋおよび周囲温度３００ｋの場合、セル温度２４７０ｋで最大８５％の効率を得ることができる。この限界において、光子はすべて吸収されると考えられる；熱散逸はなく、最大仕事量が各光子から抽出される。
【0020】
[0043]Ｓ－Ｑ限界は、半導体セルを、単一ｐ－ｎ接合を有する１つの材料としてモデル化する。バンドギャップより高いエネルギーを有する入射光子はすべて、光子あたり１電子－正孔対を生じると仮定する。余剰の光子エネルギーはすべて熱に変換される。Ｓ－Ｑ限界は、１ｓｕｎの集中化していない太陽放射線がＰＶセルに入射するという仮定に基づく。入射光束密度は非常に低く、安価な光学素子を用いて最大約５００倍増大させることができる。
【0021】
[0044]半導体電子を外部負荷回路中に移動させるためには、そのエネルギーレベルを、標準的な価電子レベルからより高いエネルギー伝導レベルに上昇させなければならない。より高レベルに押し上げるのに必要なエネルギー量は、“バンドギャップ”エネルギーとよばれる。バンドギャップエネルギーより高いエネルギーを有する光子はすべて、電流をもたらすキャリア電子を生じることができる。しかしながら、電子を励起するのにはバンドギャップエネルギーと等しい量のエネルギーしか使用されず、余剰分の残りは熱に変換される。セルの加熱は暗電流を増加させ、セルの全体的出力を低下させる。したがって、光子が光起電太陽電池セルのｐ－ｎ接合のバンドギャップに近い場合、ほとんどの光子は吸収され、残りは反射されるべきである。これは、残りは、電子－正孔対の発生に寄与しないが、太陽電池セルを加熱して、暗電流を増加させるためである。
【0022】
[0045]集光型光起電力技術（ＣＰＶ）は、ｐ－ｎ接合の温度上昇によって引き起こされる効率低下の問題に直面している。この温度上昇は、より多くの暗電流を生じさせて、電子と正孔の再結合を引き起こし、伝導バンドにおいて電荷を減少させる。
【0023】
[0046]フォトニック太陽光変換の提案される態様では、光学コーティングを用いて、照射されたｐ－ｎ接合のバンドギャップのエネルギーに近い光子のみが太陽電池セルに到達することを可能にする。光学コーティングを用いて、ｐ－ｎ接合のバンドギャップで吸収されない光子（すなわち、通常なら太陽電池セルの加熱を引き起こす光子）を除外したら、つづいて、集中化し太陽放射線は、電力発生を直線的に増大させ、対応して光子密度を増大させることができる。
【0024】
[0047]ＰＶセルのエネルギー出力を改善するための光学コーティングの使用は、例えば、以下の開示物に記載されている：
Ｇａｄｏｍｓｋｙによる米国特許出願公開第２００８／０１７１１９１ Ａ１号には、ナノ構造化反射防止光学コーティングの使用について記載されている。しかしながら、フォトニック太陽光変換の既存の態様では、ナノ光学コーティングがバンドパスフィルターとしてのみ使用される。
Ｇａｄｏｍｓｋｙによる米国特許出願公開第２００８／０１７１１９１ Ａ１号には、ナノ構造化反射防止光学コーティングの使用について記載されている。しかしながら、フォトニック太陽光変換の既存の態様では、ナノ光学コーティングがバンドパスフィルターとしてのみ使用される。
【0025】
Ｋｏｓｔによる米国特許出願公開第２００９／００８４９６３ Ａ１号には、光子を捕捉するために多層を用いて光子のダウンコンバージョンを増強するための装置および方法が記載されているが、ナノ光学コーティングまたは光学的コンセントレーターは使用していない。
【0026】
Ｓｏｎｇｏ Ｊｉｎ ｅｔ．ａｌによる国際公開２０１５／１３８９９０ Ａ１号には、太陽エネルギー吸収性コーティングと、１波長領域にわたる太陽光スペクトルを吸収し、他のスペクトル部分にわたる太陽エネルギーを反射するコーティングの製作方法について記載されている。しかしながら、出力は期待はずれである。
【0027】
Ｃｈｏ ｅｔ ａｌ．による米国特許出願公開第２００６／０１６９９７１ Ａ１号には、太陽エネルギー変換を増強するためにさまざまな量子ドットサイズを用いて、高エネルギー太陽放射線をより低エネルギーの太陽放射線に変換するのに有用な、エネルギー変換フィルムおよび量子ドットフィルムについて記載されている。
【0028】
[0048]光起電力セルにおける太陽放射線の集中化を向上させるためのさまざまな光学的な幾何学的形状が提案されてきたが、より高い効率を持続することができない。おもに、この欠点は、集中化した太陽放射線下での太陽電池セルの温度上昇に起因する。本開示の態様において、太陽電池セルの加熱は、バンドギャップに近いエネルギーを有する光子のみを太陽電池セルに入射させて、加熱を引き起こすより高エネルギーの光子の大部分を除外する光学コーティングにより、大幅に低減または除外される。
【0029】
[0049]これまでの重要な産業界の調査は、シリコンに基づく太陽電池セルの効率を、効率を向上させ、費用を低下させつつ、改善することに焦点を当ててきた。しかしながら、発電の基本である、ＰＮ接合に当たる太陽光スペクトルの状態調整には、あまり注意が払われてこなかった。提案される革新技術では、最大限の吸収を得るために、太陽電池セルのバンドギャップに到達する光子に焦点を当てる。光エネルギーの適切な選択および分布により、光量子を、光起電太陽電池セルのバンドギャップに合うように状態調整することができる。このアプローチは、高価なバンドギャップの工学的設計(engineering)に起因して費用が法外になり得るアプローチである多接合太陽電池セル、例えば、タンデム太陽電池セルを作り出すよりも、有望であることが判明している。
【0030】
[0050]図１は、いくつかのタイプの太陽電池セル材料について光子あたり１電子－正孔対に関し設定されたＳ－Ｑ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ－Ｑｕｅｉｓｓｅｒ）限界と共に、黒体状態についての効率限界対半導体バンドギャップを示す。余剰の光子は、熱および他の効果となって失われる。入射エネルギーの約４７％が熱として失われ；エネルギーの１８％が変換されずに太陽電池セルを通過し；エネルギーの２％が再結合効果において失われることが見出された。最大で、残っている３３％は電気に変換されることができる。したがって、シリコン太陽電池セルの理論上のＳ－Ｑ限界は３３％である。光学的配列および製造欠陥に起因する損失は、上記効率の計算に考慮されていない。
【0031】
[0051]ランタニド元素および量子ドットを使用しての成功例がいくつか示されているが、これらの材料は依然としてかなり高価であり、顕著な環境上の懸念のない広範な商業的使用は許容されない。改善された材料および結果に対する必要性に応えて、出願人は、適切に構造化され金属酸化物中に埋め込まれたナノ粒子を組み合わせる特定の配列が、７００～１１００ｎｍのバンドパスと、波長３００ｎｍ～６００ｎｍの太陽光の光子から８００ｎｍ～９００ｎｍの低エネルギー光子へのダウンシフティング率が低いこととを達成することができることを見いだした。実験コーティングの透過率および反射率スペクトルは、独立した試験によってバリデートされている。屋外試験では、７２セルの実物大パネルについて効率の向上が示され、野外実験に基づく太陽電池パネルの効率で平均１５％～２２％の全体的改善がみられる。
【0032】
[0052]本開示の態様に従って、後ほどより詳細に記載する工学的に設計されたナノ光学コーティングを用いるフォトニック太陽光変換（ＰＳＣ）プロセスは、紫外線（ＵＶ）波長および可視光線の一部を包含する波長を有する高エネルギー光子を、ｃ－Ｓｉセルのバンドギャップにより厳密に調整されたより低エネルギーの光に、ダウンコンバートすることができる。光エネルギーをよりエネルギー変換に適したレベルに状態調整するこのタイプのダウンコンバージョンは、フォトニックセル(photonic cell)の外部量子効率（ＥＱＥ）を上昇させることができる。出願人のプロセスに従ったダウンコンバージョンを用いて形成されるコーティングは、より低価格の従来型太陽電池パネルの効率を１５％～２２％改善することができる。より広い観点において、本開示の態様を用いると、入射光の波長シフティング、例えば、ダウンコンバージョン、アップコンバージョン、およびバンドギャップを狭くすることなどを提供することができる。
【0033】
[0053]図２の太陽放射線スペクトルのグラフに示すように、太陽エネルギーは約３００～２４００ｎｍの範囲の波長を有する。１０６４ｎｍのバンドギャップを用いての太陽エネルギーＰＶ変換にもっとも有用な波長は、約４００～１２００ｎｍの範囲にある。
【0034】
[0054]図３は、スペクトルのダウンコンバージョンの機構を簡略図の形態で示し、高エネルギーの光子が２つのより低エネルギーの光子に変換されている。光伝搬性材料においてこのタイプのスペクトル変換を提供するための従来の解決法は、ランタニド材料に大きく依存する。
【0035】
[0055]従来の活用の一つとして、光を状態調整し、量子ドットおよびランタニドイオンでのフォトルミネッセンスダウンコンバージョン層（ＰＤＬ）を用いてある程度のダウンコンバージョンを実施するための太陽光スペクトルの管理は、公知である。原理上、図３の簡略図に図示するように、ダウンコンバージョンは、１つの高エネルギー光子が２つ以上のより低エネルギーの光子に共鳴移動して、外部量子効率（ＥＱＥ）に１００％を超える増大を生じさせるため起こる。
【0036】
[0056]例えば、フッ化イットリウムＹＦ３ホスト中にプラセオジムＰｒ３＋を有するランタニドイオン層において、波長１８５ｎｍで高エネルギーを有する光子（約６７００ｍｅＶ）は、最初にランタニドイオンに吸収された後、４０８ｎｍおよび６２０ｎｍの２つの低エネルギー光子にダウンコンバートされる（約３０４０～２０００ｍｅＶ）。このプロセスは２つの段階で達成される；
最初に：
１Ｓ０ → ４０８ｎｍで３Ｐ１
つぎに、第２の変換 ３Ｐ１ → ６２０ｎｍで３Ｆ２。
最初に：
１Ｓ０ → ４０８ｎｍで３Ｐ１
つぎに、第２の変換 ３Ｐ１ → ６２０ｎｍで３Ｆ２。
【0037】
[0057]高エネルギー光子を多数の低エネルギー光子にダウンシフティングするプロセスは、光子あたり１より多くの電子が生じる確率を上昇させ、したがって、外部量子効率は高くなる。
【0038】
[0058]エネルギーのダウンコンバージョンのための従来のアプローチに使用されるランタニド元素の使用および利点は、十分に理解されている。ランタニドの特徴であるさまざまな状態における電子の利用可能性により、これらの物質はダウンコンバージョン適用に容易に使用可能になる。一方、他の元素はこの固有の利点に恵まれておらず、ダウンコンバージョン物品を製作するための有力候補材料と見なされないであろう。
【0039】
[0059]しかしながら、ランタニド材料は、費用、利用可能性、取り扱いにおいていくつかの問題を呈し、いくつかの環境上の懸念を知らしめている。ランタニドはまた、得ることができる改善の程度を抑制するかなりの損失を示す。
フォトニック太陽光変換
[0060]光起電技術の効率を改善するための、およびスペクトル状態調整が有用性を有する他の適用のための出願人のアプローチは、太陽エネルギー変換において効率を改善するために光の波長をシフトさせるのに、ランタニドまたはリンに基づく発光に依存しない。その代わりに、出願人は、光の処理およびエネルギー変換の新規順序と併せて、光起電性適用および他の適用にもっとも有用なダウンコンバージョンをもたらすように工学的に設計することができる対応する層状構造を特定した。出願人の技術により量子マッチング(quantum matching)を波長シフティングの問題に適用して、ブラッグ反射の性質および表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）の効率の両方が生かされる多層構造を形成する。
フォトニック太陽光変換
[0060]光起電技術の効率を改善するための、およびスペクトル状態調整が有用性を有する他の適用のための出願人のアプローチは、太陽エネルギー変換において効率を改善するために光の波長をシフトさせるのに、ランタニドまたはリンに基づく発光に依存しない。その代わりに、出願人は、光の処理およびエネルギー変換の新規順序と併せて、光起電性適用および他の適用にもっとも有用なダウンコンバージョンをもたらすように工学的に設計することができる対応する層状構造を特定した。出願人の技術により量子マッチング(quantum matching)を波長シフティングの問題に適用して、ブラッグ反射の性質および表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）の効率の両方が生かされる多層構造を形成する。
【0040】
[0061]本開示の態様を用いると、すでに設置されている太陽電池パネルの性能を改善することができることは重要である。出願人は、既存の太陽電池パネルの出力を押し上げるために、以下を含むいくつかの革新技術を組み合わせている：
（ｉ）光子スペクトルの状態調整。太陽放射線を、ＰＶセルのバンドギャップエネルギーに近い波長でコヒーレント光エネルギーに変換する。
（ｉ）光子スペクトルの状態調整。太陽放射線を、ＰＶセルのバンドギャップエネルギーに近い波長でコヒーレント光エネルギーに変換する。
【0041】
（ｉｉ）バンドパスフィルターおよびスペクトル変換器として機能して、ＰＶセルのバンドギャップエネルギーに近いエネルギーレベル（波長）を有する光子を透過させる、ナノ光学コーティング。態様に従って、金属酸化物コーティングの１群の施用によって作り出されるスペクトル変換器は、入射太陽光からの放射線を、８００ｎｍのピークに近い最適波長周囲の１００ｎｍのバンドパスに変換するために用いられる。フィルター／スペクトル変換器層を光起電力パネル上に施用したら、コンセントレーターを用いて太陽放射線の強度を単位面積あたりのｓｕｎで５倍～１５倍に増大させて、最適に近い波長を有する入ってくる光子の密度を増大させる。
【0042】
（ｉｉｉ）ＰＶセルに焦点を合わせたコンセントレーターなど、少なくとも１つの集中化方法を使用して増大させた光子密度。態様に従って、最適波長のためのバンドパスフィルターでコーティングしたフレネルレンズのハニカムを、太陽電池セルの出力の５倍増大を達成するように設計する。
【0043】
[0062]性能を最適化するための標的波長は、可変波長固体レーザーで所定の半導体太陽電池セルの周波数応答を測定することにより決定することができる。レーザー出力は、例えば６００ｎｍ～１１００ｎｍに増大させるなど、ある範囲にわたり変動させることができ、その間に該範囲にわたり増分点(incremental point)での出力および効率を測定する。
【0044】
[0063]一例として、図４のグラフは、ある波長範囲にわたる入射レーザー光についてポリシリコンｐ－ｎ接合によって生じた電力を示している。最適値４００は、８００ｎｍ付近のピーク出力にある。
【0045】
[0064]図５のグラフは実験観察結果を示し、コヒーレント波長における光子密度の増大の結果として電流出力は増大する。図５に示すように、太陽電池セルに入射するレーザービームの最適波長におけるコヒーレント光子の強度の増大は、電力発生を直線的に増大させる。
【0046】
[0065]ｐ－ｎ接合に最適な波長の光を方向付けるために提供される光学フィルターは、ＰＶパネルにおける電気エネルギーの発生に有用でない他の光子をすべて遮断するために用いられる。
【0047】
[0066]図５に示すように、ｘ軸は、望ましい波長を有する光子を標的ｐ－ｎ接合に照射する固体レーザーの電力入力を、Ｐｉｎ電力入力として表す。ｙ軸は、最大電力出力Ｐｍａｘを表す。電力出力は、電力入力の増加に伴い直線的に増大する。これは、太陽電池セルのバンドギャップエネルギー（マッチングエネルギー）に近い光子は、それに応じて電気へのフォトニック変換効率を増大させることを示す。電力発生の増大は光子強度の増大に対し直線的であり、光子は適切な電力レベルへ変換される。
【0048】
[0067]本開示の態様では、光学的コンセントレーターとＰＶパネル基材上のスペクトル変換光学コーティングとの組み合わせを用いて、電力発生を増大させる。
太陽電池パネルの配列
[0068]図６は、本開示の態様に従って形成された太陽電池パネル６００の分解図を示す。光コンセントレーター層６２０は、光を集中化し、集中化した光をＰＶアレイ６１０上に配置されたＰＶセル６１２に向かって光路に沿って方向付けるための、レンズ素子のアレイ６２２、例えば隣接するフレネルレンズのアレイを有する。バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０は、光コンセントレーターとＰＶアレイの間を伝達される光を状態調整するために光路の適所に置かれる；スペクトルコンディショナー６３０は、ガラスまたは光学コーティングを有する他の光学的に透明な材料の層の上部または内部に形成することができる。別の態様に従って、光コンセントレーターのアレイ６２０とスペクトルコンディショナー６３０の相対的位置は、入射太陽光のフィルタリングおよびスペクトル変換が光路における光の集中化より先に起こるように、図６に示すものから入れ替えることができる。
太陽電池パネルの配列
[0068]図６は、本開示の態様に従って形成された太陽電池パネル６００の分解図を示す。光コンセントレーター層６２０は、光を集中化し、集中化した光をＰＶアレイ６１０上に配置されたＰＶセル６１２に向かって光路に沿って方向付けるための、レンズ素子のアレイ６２２、例えば隣接するフレネルレンズのアレイを有する。バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０は、光コンセントレーターとＰＶアレイの間を伝達される光を状態調整するために光路の適所に置かれる；スペクトルコンディショナー６３０は、ガラスまたは光学コーティングを有する他の光学的に透明な材料の層の上部または内部に形成することができる。別の態様に従って、光コンセントレーターのアレイ６２０とスペクトルコンディショナー６３０の相対的位置は、入射太陽光のフィルタリングおよびスペクトル変換が光路における光の集中化より先に起こるように、図６に示すものから入れ替えることができる。
【0049】
[0069]図７は、態様に従って、アレイ６１０、フィルター／スペクトルコンディショナー６３０、およびコンセントレーター６２０を一緒に所定の位置に単一ユニットとして保持するために、さまざまなタイプのクランプ、ブラケット、または他の締結具６４０を用いて組み立てられた太陽電池パネル６００を示す。本開示の態様に従って、層状構成要素の接面に相当する隣接する平行面の間の距離は、２０ｍｍ未満である。この距離は、例えば光学的コンセントレーターの特定の配列に合うように、またはＰＶもしくは光を状態調整する構成要素の性能を改善するために、変動させることができる。
【0050】
[0070]本開示の態様に従って、構成要素６１０、６２０、および６３０の間の間隔は、調整可能であることができる。
[0071]図８は、組み立てられた太陽電池パネル６００のコーナー部分を示す拡大図である。
レトロフィット適用
[0072]ＰＶデバイスのアレイを有する既存の太陽電池パネルをレトロフィットするために、本開示の態様は、光コンセントレーター６２０とバンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０の適切な層を提供する。モジュール的アプローチを用いて、光コンセントレーター６２０とバンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０の層を、太陽電池パネルの寸法および幾何学的アレイ形状に合うように設計し、拡大縮小し、形作ることができる。
光コンセントレーター６２０
[0073]ナノ光学コーティングまたは使用可能なフォトニックバンドパスフィルターを通過する光子数を増大させるために、フレネルレンズコンセントレーターのアレイ（ハニカム配列を有する）などの光学的コンセントレーターのホスト層を、フォトニックバンドパスフィルターの上部で層形成することができる。バンドパスフィルターによる低集中光学（３倍～５倍）とコヒーレンス増強ナノコーティングとの組み合わせを用いるデバイスは、従来の光起電力パネルと比較してエネルギー発生の顕著な増大を提供することができる。
[0071]図８は、組み立てられた太陽電池パネル６００のコーナー部分を示す拡大図である。
レトロフィット適用
[0072]ＰＶデバイスのアレイを有する既存の太陽電池パネルをレトロフィットするために、本開示の態様は、光コンセントレーター６２０とバンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０の適切な層を提供する。モジュール的アプローチを用いて、光コンセントレーター６２０とバンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０の層を、太陽電池パネルの寸法および幾何学的アレイ形状に合うように設計し、拡大縮小し、形作ることができる。
光コンセントレーター６２０
[0073]ナノ光学コーティングまたは使用可能なフォトニックバンドパスフィルターを通過する光子数を増大させるために、フレネルレンズコンセントレーターのアレイ（ハニカム配列を有する）などの光学的コンセントレーターのホスト層を、フォトニックバンドパスフィルターの上部で層形成することができる。バンドパスフィルターによる低集中光学（３倍～５倍）とコヒーレンス増強ナノコーティングとの組み合わせを用いるデバイスは、従来の光起電力パネルと比較してエネルギー発生の顕著な増大を提供することができる。
【0051】
[0074]平面光コンセントレーターアレイは、コンパクトな実装にもっとも有利である。フレネルレンズ素子に加えて、さまざまなタイプの光コンセントレーターを用いることができる。例えば、平面光コンセントレーターとしては、例えばホログラフィックレンズアレイおよびＧＲＩＮ（屈折率分布型）レンズアレイを挙げることができる。
【0052】
[0075]光コンセントレーター６２０およびＰＶセルは、光起電力変換のために提供されるエネルギー収集を最適化するように位置合わせして配列されている。スペクトルコンディショナー６３０は、例えば、アレイ形態で、または連続シートまたはコーティングとして、提供されることができる。
バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０のための光の処理
[0076]光学工業では、太陽放射線の選択的透過および反射のために、透明媒体上に施用されるさまざまなタイプのコーティングが用いられてきた。化学蒸着（ＣＶＤ）および物理蒸着は、透明媒体を通過する光の波長を制限するためのバンドパスフィルターを形成するために適合されてきた成熟技術である。出願人は、太陽光放射を受けた光子の波長分布を、単結晶シリコン太陽電池セルのバンドギャップにより厳密に対応するように位置合わせすると同時に、例えばコーティングを用いて提供される、基材上に形成されたバンドパスフィルター／スペクトル変換器６３０を用いて光子のコヒーレンスを増強する、独占所有権のあるナノ粒子に基づく光学コーティングを開発した。
バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０のための光の処理
[0076]光学工業では、太陽放射線の選択的透過および反射のために、透明媒体上に施用されるさまざまなタイプのコーティングが用いられてきた。化学蒸着（ＣＶＤ）および物理蒸着は、透明媒体を通過する光の波長を制限するためのバンドパスフィルターを形成するために適合されてきた成熟技術である。出願人は、太陽光放射を受けた光子の波長分布を、単結晶シリコン太陽電池セルのバンドギャップにより厳密に対応するように位置合わせすると同時に、例えばコーティングを用いて提供される、基材上に形成されたバンドパスフィルター／スペクトル変換器６３０を用いて光子のコヒーレンスを増強する、独占所有権のあるナノ粒子に基づく光学コーティングを開発した。
【0053】
[0077]フォトニック太陽光変換を達成するために、薄フィルム光学フィルター技術は、所定のバンドパス内での太陽放射線の透過を制限するように構成されてきた。ｐ－ｎ接合太陽電池セルによって（例えば、Ｓｉ太陽電池セルによって）受け取られる光子は、電磁放射エネルギーレベルを有する。太陽電池セルの吸収に対するスペクトル応答は、入射光の波長がバンドギャップに近づくにつれ直線的に増大する。したがって、２つの効果が望ましい：１）バンドギャップに近くなるように波長を抑制する；および２）吸収を最適化するために、ｐ－ｎ接合のバンドギャップに十分に近い波長を有する多数の光子を作り出す。
【0054】
[0078]太陽放射線は、図２に示すように、３００ｎｍ～２４００ｎｍの広範囲の波長を有する。１０６４ｎｍにバンドギャップを有するＳｉ太陽電池セルに関する太陽エネルギー光起電力変換の対象領域は、約４００ｎｍ（可視）～１２００ｎｍ（赤外）の範囲にある。バンドギャップを超える太陽放射線はバンドギャップを通過し、光起電力変換には有用でない。
【0055】
[0079]効率が向上するように太陽放射線を状態調整するために、出願人は、バンドパスフィルター／光コンディショナー６３０を、太陽放射線を８００ｎｍ～１１００ｎｍの波長に向かってシフトするように状態調整する化学蒸着または他の適した付着方を用いて形成される薄フィルム光学フィルターとして開発した。このバンドパスフィルターは、金属酸化物の組み合わせ、例えばＳｉＯ２およびＴｉＯ２を用いて形成される。これらの酸化物を用いて、独占所有権のあるナノ粒子混合物を生じさせる。例えば、二価のマンガンおよび三価のクロムは、１０６４ｎｍのｐ－ｎ接合バンドギャップに近い波長で蛍光を発する。この独占所有権のある薄コーティングは、この範囲におけるより適した波長に必要な光子の状態調整を提供する。このようにして形成されたフィルター層は、光起電力セルのアレイへの光路中にある、ガラス基材上に施用することができる。その後、光学的コンセントレーターを用いて、光子密度の濃度を単位面積あたり最大で１０～１００ｓｕｎまで増大させることができる。
【0056】
[0080]図９のグラフは、本開示の態様に従って、３つの異なる構成要素の配列、すなわち、ベアセルＰＶ出力９１０、レンズまたは他の光学的コンセントレーターを加えての出力９２０としてのＰＶ発電、および加えられたバンドパスフィルターを用いての出力としてのＰＳＣ発電９３０、を用いて得たエネルギーレベルの比較を示す。図１０の表は、４日間にわたり取られた測定値（ワット－時）でのＰＶ、ＰＶＣおよびＰＳＣの事例に代表的なエネルギー値を示す。
バンドパスフィルター／光コンディショナーの構成
[0081]図１１の流れ図は、バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０によって実行される、ダウンコンバージョンまたは他のタイプのスペクトルシフティングを提供する光処理の順序を示す。代表的態様に従って、この順序は、受け取った太陽光放射線中のより高エネルギーの紫外線および可視光線の一部を、従来のシリコンＰＶセルのより低エネルギーのバンドギャップ範囲である１０６４ｎｍにシフトさせるために用いることができる。出願人のコーティングによって達成される順序は以下の通りである：
（ｉ）工程Ｓ２００：入射光エネルギーを受け取る。例えば、入射太陽光の場合、ほとんどの放射照度は可視領域内、おおよそ約４５０～７００ｎｍにある。
バンドパスフィルター／光コンディショナーの構成
[0081]図１１の流れ図は、バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０によって実行される、ダウンコンバージョンまたは他のタイプのスペクトルシフティングを提供する光処理の順序を示す。代表的態様に従って、この順序は、受け取った太陽光放射線中のより高エネルギーの紫外線および可視光線の一部を、従来のシリコンＰＶセルのより低エネルギーのバンドギャップ範囲である１０６４ｎｍにシフトさせるために用いることができる。出願人のコーティングによって達成される順序は以下の通りである：
（ｉ）工程Ｓ２００：入射光エネルギーを受け取る。例えば、入射太陽光の場合、ほとんどの放射照度は可視領域内、おおよそ約４５０～７００ｎｍにある。
【0057】
（ｉｉ）工程Ｓ２１０：分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）を量子閉じ込めと共に用いてスペクトルシフトおよび選択を行う。
（ｉｉｉ）工程Ｓ２２０：表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）を用いてさらなるスペクトルシフトを行う。
（ｉｉｉ）工程Ｓ２２０：表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）を用いてさらなるスペクトルシフトを行う。
【0058】
（ｉｖ）工程２３０：エネルギーを取り入れるために光を透過させる；これは、ＰＶ変換器２０などにおいてスペクトル的にシフトさせた光を包含する。
[0082]光起電作用の結果、工程Ｓ２３０に続いて電流が発生する。発生した電流は、バッテリー電池または他の蓄電池などに蓄えることができ、または、電気エネルギーを得るために直接用いることができる。
[0082]光起電作用の結果、工程Ｓ２３０に続いて電流が発生する。発生した電流は、バッテリー電池または他の蓄電池などに蓄えることができ、または、電気エネルギーを得るために直接用いることができる。
【0059】
[0083]光エネルギーの集中化は図１１の順序に示されていないことに留意すべきである。一態様において、図６を参照して記載したように、工程Ｓ２００で受け取られた光エネルギーは、コンセントレーターアレイ６２０で集中化された。別の態様に従って、光の集中化は、スペクトルシフトの後、すなわち、図１１の順序の工程Ｓ２２０とＳ２３０の間で行われる。
【0060】
[0084]図１２Ａのグラフは、コーティングしていない光学ガラスの透過スペクトルを、本開示の態様に従って形成したコーティングを有する同じガラス材料の透過スペクトルと比較している。見てわかるように、透過効率は、より高波長の光で向上している。この向上は、ＰＶ適用に有益であることができる。図１２Ｂは、窓ガラスの透過と比較して、スペクトルコンディショナー６３０として用いられる本開示の態様に従ってコーティングされた光伝搬性材料の改善されたスペクトル応答を示す。
【0061】
[0085]図１２Ｃのグラフは、空気中の入射光の分光放射照度（破線）および本開示のコンディショナー６３０のコーティングを通過する伝搬によりスペクトル的にシフトしている光の分光放射照度（実線）を示す。陰影部分は、電力密度全体におけるエネルギーの分布および変化の対応するシフトを示す。
【0062】
[0086]図１２Ｄは、スペクトル変換に異なるコーティングを用いての分光放射照度対ｅＶでのエネルギーを、エアマス（ＡＭ１．５）標準に対して示すグラフである。
[0087]図１２Ｅは、単位面積あたりの毎秒の光子数として測定される相対的光子束の変化を、ｅＶでのエネルギーに対して示す対応するグラフである。
[0087]図１２Ｅは、単位面積あたりの毎秒の光子数として測定される相対的光子束の変化を、ｅＶでのエネルギーに対して示す対応するグラフである。
【0063】
[0088]図１３の横断面図は、バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０の構造を、一定の縮尺ではない略図の形態で示している。構成要素６３０は、透明基材５２上のコーティング４０を提供するために用いることができる層の配列を有し、コーティング４０は、ＰＶ適用における光エネルギーのダウンコンバージョンに関し上記スペクトル挙動を有し、光は、示した方向で上方から入射している。カバー４２は、光伝搬性材料、典型的にはガラスまたはプラスチックから形成される。改変された分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）部分４４は、入射光の一部のコヒーレンス長を変化させることにより、図２の順序に記した選択を伴う第１のスペクトルシフトを提供する多層構造である。その後、スペクトル的にシフトした光は表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）層４６に方向付けられ、そこで次のスペクトルシフティングが起こる。その後、望ましいバンドギャップ、例えばＰＶデバイスのバンドギャップなどの方へシフトした得られた光エネルギーを、ＰＶ材料または他の基材に方向付けることができる。
ブラッグ反射体部分４４の構造および組成
[0089]本開示の態様では、以下に記載するように、量子マッチングのために改変させたブラッグ反射の原理を使用する。ブラッグ反射は、ひとりでにスペクトルシフトを生じさせるわけではなく、どちらかというと狭いスペクトル部分の選択的反射に用いられることに、留意しなければならない。ブラッグ反射体構造内で形成される追加的なシフティング機構をより良く理解するためには、最初にブラッグ反射の基本原理をいくつか復習することが有用である。分布ブラッグ反射体の配列は、代替的に、特定のエネルギーバンドを集合的に定義するミクロ構造の周期的配列として形成される１次元フォトニック結晶とみなすことができる。
ブラッグ反射体部分４４の構造および組成
[0089]本開示の態様では、以下に記載するように、量子マッチングのために改変させたブラッグ反射の原理を使用する。ブラッグ反射は、ひとりでにスペクトルシフトを生じさせるわけではなく、どちらかというと狭いスペクトル部分の選択的反射に用いられることに、留意しなければならない。ブラッグ反射体構造内で形成される追加的なシフティング機構をより良く理解するためには、最初にブラッグ反射の基本原理をいくつか復習することが有用である。分布ブラッグ反射体の配列は、代替的に、特定のエネルギーバンドを集合的に定義するミクロ構造の周期的配列として形成される１次元フォトニック結晶とみなすことができる。
【0064】
[0090]図１４の概略側面図および図１５の分解図は、態様に従ったブラッグ反射体部分４４に関する多層６０、６６の配列を示す。ブラッグ反射体部分４４は、フォトニック結晶を提供する４分の１波スタックとして形成される。互いに重なり合っている一連の透明層は、屈折率が交互になっている交互層を有し、屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２として示す。図１に４層を示す；ブラッグ反射体を形成するために、追加の層を代替的に用いてもよい。態様に従って、６～１２周期が用いられ、各周期は指数が交互になっている一対の層を有する。屈折率の周期的変動は、λ／４の厚さを有する層によってもたらすことができ、ここで、波長λは、特定の適用に適した波長である。本開示の代表的態様に従って、標的ブラッグ波長λは約６００ｎｍである。
【0065】
[0091]それぞれ指数ｎ１およびｎ２を有する異なる材料について値ｄ１とｄ２の間でわずかに変動する層の厚さは、ブラッグ波長λＢにおいてブラッグ反射を提供することができ、変動する厚さの値は以下によって与えられる：
【0066】
【化1】
【0067】
シリコン（Ｓｉ）に関し、層厚は、典型的には６０ｎｍ範囲にある。
[0092]ブラッグ層の配列の周期Λは以下で表すことができる：
[0092]ブラッグ層の配列の周期Λは以下で表すことができる：
【0068】
【化2】
【0069】
または
【0070】
【化3】
【0071】
式中、
【0072】
【化4】
【0073】
したがって、
【0074】
【化5】
【0075】
[0093]ブラッグ反射波長：
【0076】
【化6】
【0077】
を用いて、伝搬定数を得ることができる：
【0078】
【化7】
【0079】
[0094]波長の光の場合：
【0080】
【化8】
【0081】
[0095]回折格子と同一位相の光の場合、指数ｎ１とｎ２の差は比較的小さい。ブラッグ波長では、透過損失は非常に少ない可能性がある；この波長における反射能は９９．９９％を超える可能性がある。
【0082】
[0096]光起電デバイスへの光または光起電デバイス内の光を処理するための他のより従来型の提案されている解決法は、入射光を捕捉するか、さもなければ含有するためにブラッグ反射率を用いるが、波長シフトを提供する能力に欠ける。本開示の態様は、分布ブラッグ反射体構造の形成に量子マッチングを使用して波長シフティングの問題に対処する。量子閉じ込めブラッグ回折格子において、反射体配列は、光学利得を２倍増強するために、光エネルギーを波腹で維持する。
【0083】
[0097]態様に従って、量子閉じ込めまたは量子マッチングは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）基材内に埋め込まれたシリコン（Ｓｉ）ナノ粒子／ナノ結晶の分布を用いて達成される。分布しているナノ粒子間の空間は、ＳｉＯ２基材内に垂直キャビティを形成する（“垂直”は、層およびＰＶデバイス表面の平面に対し概して直角方向に伸長している）。キャビティ内の光信号の共鳴は、全体的分布およびこれらのキャビティの垂直距離に対応する周波数（波長）で光コヒーレンスをもたらす。したがって、量子マッチングにおいて、ＤＢＲ構造の１以上の各層内のナノ粒子の相対的濃度および分布は、Ｓｉ／ＳｉＯ２層の屈折率および得られるスペクトルシフティングの範囲の両方に影響を有する。
【0084】
[0098]本開示の態様によると、２つの異なる層が、ＤＢＲコーティング４０構造中で交互になっている：
（ｉ）図５に示す層状配列中の層６０は、ＳｉＯ２基材内にＳｉ粒子の分布を有する工学的に設計された材料から形成され；そして
（ｉｉ）交互になっている層６６は、インジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）など他の透明な導電性材料から形成される。同様に用いることができる代替材料としては、さまざまなタイプのドープされた二元化合物、例えば、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウムドープ酸化カドミウム、およびアルミニウム、カリウムまたはインジウムがドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ、ＧＺＯまたはＩＺＯ）などが挙げられる。
（ｉ）図５に示す層状配列中の層６０は、ＳｉＯ２基材内にＳｉ粒子の分布を有する工学的に設計された材料から形成され；そして
（ｉｉ）交互になっている層６６は、インジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）など他の透明な導電性材料から形成される。同様に用いることができる代替材料としては、さまざまなタイプのドープされた二元化合物、例えば、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウムドープ酸化カドミウム、およびアルミニウム、カリウムまたはインジウムがドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ、ＧＺＯまたはＩＺＯ）などが挙げられる。
【0085】
[0099]基材およびナノ粒子構成要素を提供するために用いられる材料は、標的波長に適した幾何学的形状を有する垂直キャビティを形成するための適合性に関連して選択される。
ＳＥＲＳ層４６の構造および組成
[00100]ふたたび図１３の略図を参照すると、ＳＥＲＳ層４６は、ブラッグ反射体部分４４を通過する光の伝達および波長の初期シフティングに続いて、入ってくる光に追加的な波長シフトをもたらす波長変換機関を形成する。
ＳＥＲＳ層４６の構造および組成
[00100]ふたたび図１３の略図を参照すると、ＳＥＲＳ層４６は、ブラッグ反射体部分４４を通過する光の伝達および波長の初期シフティングに続いて、入ってくる光に追加的な波長シフトをもたらす波長変換機関を形成する。
【0086】
[00101]光子のダウンコンバージョンを散乱およびストークスシフトで考えると、近共鳴ラマン散乱は、紫外線（ＵＶ）または可視（ＶＩＳ）励起源、例えば３２５ｎｍ励起源と仮定すると、赤外線（ＩＲ）エネルギー領域にＴ２（ＬＯ）ピークをもたらす。したがって、例えば、３２５ｎｍ源は、対象となる６００ｎｍ～１０５０ｎｍの領域内にピークを生じさせることができる。生じるＴ２（ＬＯ）ピークの強度は、６ｎｍ～３０ｎｍのＺｎＳナノ粒子サイズに伴い上昇する。
【0087】
[00102]態様において、表面増強ラマン効果は、３５０ｎｍ～４５０ｎｍの範囲にあるＵＶおよびＶＩＳを、ラマンシフト（ストークスシフト）の結果、６００ｎｍ～１０００ｎｍ領域にあるＴ２（ＬＯ）ピークに励起させる。このシフトは、量子閉じ込めと、表面プラズモンによって作り出される自由励起子発光エネルギーとによって生じるバンドギャップエネルギーの変化によってもたらされることができる。ＺｎＳ金属ナノ粒子はストロークシフトに必要なプラズモンエネルギーを提供し、したがって、対象領域で放出されるシフトした光子のエネルギー損失をもたらさない。
【0088】
[00103]ラマン散乱は、分子材料の電子からの双極子雲(dipole cloud)の形成の結果である。ラマン散乱信号のスペクトルシフティングおよび表面増強は、ＳＥＲＳ層４６を形成する基材内での適切な材料、例えば、銀、金および亜鉛などの導電性ナノ粒子の分布に起因する。材料およびそれらの分布を適切に選択することにより、ＳＥＲＳ層４６を局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を示すように構成して、適した波長範囲の方へのスペクトルシフティングを提供することができる。本明細書中で用いられる“導電性”という用語は、比較的低い体積抵抗率、例えば、限定されるものではないが、２０℃で１０２オーム－ｍ未満である体積抵抗率を有することをさす。体積抵抗率は、材料が電流の流れに逆らう能力に関連する。
【0089】
[00104]ＳＥＲＳ層４６は局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）をもたらして、適した波長範囲へのスペクトルシフティングを生じさせる。
[00105]埋め込まれたナノ結晶の分布がまばらな媒体を通過する光の伝搬は、以下のように計算して、均質媒体の有効屈折率によって概算することができる：
[00105]埋め込まれたナノ結晶の分布がまばらな媒体を通過する光の伝搬は、以下のように計算して、均質媒体の有効屈折率によって概算することができる：
【0090】
【化9】
【0091】
式中：
ｍ＝ナノ粒子が埋め込まれている光伝達性媒体の屈折率；
κ＝ω／ｃ 媒体中の波数；
ρ＝Ｎ／Ｖ 粒子数Ｎ÷体積Ｖ；
Ｓ（０）は、前方向の散乱振幅である；
[00106]吸収媒体が複素屈折率を有する場合の吸収係数は、一般に以下である：
ｍ＝ナノ粒子が埋め込まれている光伝達性媒体の屈折率；
κ＝ω／ｃ 媒体中の波数；
ρ＝Ｎ／Ｖ 粒子数Ｎ÷体積Ｖ；
Ｓ（０）は、前方向の散乱振幅である；
[00106]吸収媒体が複素屈折率を有する場合の吸収係数は、一般に以下である：
【0092】
【化10】
【0093】
小さな同一のナノ粒子を含む薄層の場合、吸収係数は以下により与えられる：
【0094】
【化11】
【0095】
式中、Ｃｅｘｔは単一粒子の消散断面積であり、散乱振幅ＲｅＳ（０）の実部に比例する。
[00107]ベールの法則に従って、距離ｈにわたり有効媒体を通って伝搬する平行ビームの減衰は、以下を用いて得られる：
[00107]ベールの法則に従って、距離ｈにわたり有効媒体を通って伝搬する平行ビームの減衰は、以下を用いて得られる：
【0096】
【化12】
【0097】
式中、Ｉは強度である。
[00108]波長シフティングは、本明細書中で参考として援用するｖａｎ Ｄｉｊｋ ｅｔ ａｌ．による“Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”という表題の論文、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ２０１３． ｐｐ．１１９３－１１９６に記載されているように、競合過程の間の相互作用によって生じる。ＳＥＲＳは、ナノ粒子のプラズモン周波数において共鳴信号の消散をもたらすと同時に、共鳴波長からある距離において対応するラマン散乱信号の増強をもたらす働きをする。ナノ粒子がプラズモン共鳴で励起されたときにラマン信号が低減するこの直感に反した挙動は、典型的にＰＶ適用に望ましい挙動である、より長波長への入射光のアップコンバージョンをもたらすように適合させることができる。あるいは、ＳＥＲＳは、波長バンドマッチングと同様に、より短波長への入射光のダウンコンバージョンを生じさせるために用いることができる。
[00108]波長シフティングは、本明細書中で参考として援用するｖａｎ Ｄｉｊｋ ｅｔ ａｌ．による“Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”という表題の論文、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ２０１３． ｐｐ．１１９３－１１９６に記載されているように、競合過程の間の相互作用によって生じる。ＳＥＲＳは、ナノ粒子のプラズモン周波数において共鳴信号の消散をもたらすと同時に、共鳴波長からある距離において対応するラマン散乱信号の増強をもたらす働きをする。ナノ粒子がプラズモン共鳴で励起されたときにラマン信号が低減するこの直感に反した挙動は、典型的にＰＶ適用に望ましい挙動である、より長波長への入射光のアップコンバージョンをもたらすように適合させることができる。あるいは、ＳＥＲＳは、波長バンドマッチングと同様に、より短波長への入射光のダウンコンバージョンを生じさせるために用いることができる。
【0098】
[00109]ラマン散乱光エネルギーの波長および強度を調整するために制御することができる因子には、ナノ粒子のタイプ、形状、全体的サイズ、および濃度／分布がある。ＳＥＲＳ構造を用いたスペクトル応答の設計は、例えば、Ａ． Ｂｏｕａｌｉ， Ｓ． Ｈａｘｈａ， Ｆ． Ａｂｄｅｌｍａｌｅｋ， Ｍ． Ｄｒｉｄｉ，およびＨ． Ｂｏｕｃｈｒｉｈａによる“Ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｏｆ ａ Ｎａｎｏｓｙｓｔｅｍ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ３－Ｄ－ＦＤＴＤ Ｍｅｔｈｏｄ”という表題の論文、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．５０， Ｎｏ．８（２０１４年８月）， ｐｐ．６５１－６５７に記載されており、これを本明細書中で参考として援用する。
【0099】
[00110]プラズモン共鳴材料は、材料の粒径、サイズ、および周囲基材の誘電特性に特徴的な周波数スペクトルにわたり入射光を散乱させる。いくつかの材料についての共鳴散乱光は、波長を増大させて、例えば入射光への“赤方偏移(red-shift)”をもたらすことができる。
【0100】
[00111]金属粒子におけるプラズモン発生の特徴は、その表面付近の領域における増強された電場の生成である。この電場と隣接材料の間の相互作用は、共鳴粒子および隣接材料の両方の散乱特性を著しく変化させることができる。表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）では、ラマン散乱が数桁増強されるように工学的に設計された粒子コーティングされたフィルムにおける局在プラズモン共鳴が活用される。この技術を使用すると、対象材料に由来するラマン散乱を観察することができる；プラズモンによって生成される局所電場を用いて、散乱の強度を増強することができる。
【0101】
[00112]本開示の態様に従って、ＳＥＲＳ層４６は、透明な導電性ベース材料またはマトリックス内に埋め込まれた、酸化亜鉛（ＺｎＯ）または他の透明な導電性金属から形成された金属ナノ粒子から形成される。本開示の態様に従って、ＩＴＯは導電性ベース材料である。必要とされる波長シフティングの量に応じて、いくつかのタイプの金属ナノ粒子を、ＳＥＲＳ層４６でプラズモン応答を得るために用いることができる。適した金属ナノ粒子としては、金および銀などの貴金属、ならびに、低反応性および高反射に好ましい特性を有する金属、例えば、コバルトおよびクロムなどを挙げることができる。硝酸亜鉛などのさまざまな化合物を代替的に用いることができる。量子エレクトロニクス分野の技術者なら知っているように、もたらされるスペクトルシフトの量は、例えば適切に設計されたコーティングを施用することにより、材料中に工学的に設計することができる。達成されるスペクトルシフトは、部分的に、ナノ粒子のサイズおよび分布、ならびにベース材料またはマトリックスの複素屈折率の因子であることができる。
【0102】
[00113]さまざまなタイプのナノ粒子を使用し、本開示のフィルムまたはコーティングの異なる層内でのそれらの相対的サイズおよび分布を制御することにより、アップコンバージョン、ダウンコンバージョン、または波長バンドマッチングへの使用を可能にする光波長の調整が可能になることに、留意すべきである。
ダウンコンバージョンフィルムの製作
[00114]例えば、太陽エネルギー変換適用に関し、出願人は、ダウンコンバージョンコーティングまたはフィルム４０を上記配列を用いて形成すると、入射太陽光をＰＶデバイスによる効率的変換により好ましい波長に状態調整する適切な波長シフティングを提供することができることを見いだした。
ダウンコンバージョンフィルムの製作
[00114]例えば、太陽エネルギー変換適用に関し、出願人は、ダウンコンバージョンコーティングまたはフィルム４０を上記配列を用いて形成すると、入射太陽光をＰＶデバイスによる効率的変換により好ましい波長に状態調整する適切な波長シフティングを提供することができることを見いだした。
【0103】
[00115]図１３～１５に示す層状配列に関し、製作工程は、透明なガラスまたはプラスチック基材であることができるカバー４２から開始し、つぎにカバー４２上にブラッグ反射体部分４４の層を形成した後、ＳＥＲＳ層４６を形成する。
【0104】
[00116]ベースとしてのカバー４２上にコーティング４０を形成する工程は、以下の順序を用いることができる：
[00117]（ｉ）スパッタリングまたは他の付着技術を用いて５０ｎｍのＩＴＯまたは他の導電性光伝達性材料を付着させて、第１の層６６を形成する。
[00117]（ｉ）スパッタリングまたは他の付着技術を用いて５０ｎｍのＩＴＯまたは他の導電性光伝達性材料を付着させて、第１の層６６を形成する。
【0105】
[00118]（ｉｉ）層６６上にＳｉの薄層をスパッタリングするか、または他の方法で付着させる。
[00119]（ｉｉｉ）焼結またはアニーリングを用いて付着Ｓｉ層からナノ結晶を形成させる。態様によると、摂氏６００～８００度の範囲の焼結温度では、ＩＴＯ層とは異なる所定の屈折率を有する層６０を形成し、適した波長におけるブラッグ反射のための垂直キャビティを形成するのに望ましいナノ結晶分布を有するのに適したサイズおよび分布のＳｉナノ結晶が形成する。
[00119]（ｉｉｉ）焼結またはアニーリングを用いて付着Ｓｉ層からナノ結晶を形成させる。態様によると、摂氏６００～８００度の範囲の焼結温度では、ＩＴＯ層とは異なる所定の屈折率を有する層６０を形成し、適した波長におけるブラッグ反射のための垂直キャビティを形成するのに望ましいナノ結晶分布を有するのに適したサイズおよび分布のＳｉナノ結晶が形成する。
【0106】
[00120]（ｉｖ）形成したナノ結晶上にＩＴＯまたは他の導電性光伝達性材料を付着させることにより、埋め込み層を形成する。
[00121]（ｖ）工程（ｉ）～（ｉｖ）を２回以上繰り返して、ブラッグ反射体部分４４を形成する。
[00121]（ｖ）工程（ｉ）～（ｉｖ）を２回以上繰り返して、ブラッグ反射体部分４４を形成する。
【0107】
[00122]（ｖｉ）ＩＴＯなどの導電性透明ベースを適用し、該ベース上にＺｎＯを埋め込むか、または他の方法で分布させることにより、ＳＥＲＳ層を形成する。
[00123]（ｖｉｉ）ＳＥＲＳを生じさせるのに適した分布を有するナノ粒子状ＺｎＯ粒子を形成する。
[00123]（ｖｉｉ）ＳＥＲＳを生じさせるのに適した分布を有するナノ粒子状ＺｎＯ粒子を形成する。
【0108】
[00124]いくつかのナノ光学コーティングの形成方法が公知である。これらの方法としては、限定されるものではないが、ロールコーティング、スピンコーティング、物理蒸着、化学蒸着およびマグネトロンプラズマスパッタリングが挙げられる。ロールコーティングには、ポリマーバインダーから形成される充填剤および太陽光に暴露されると分解する充填剤を使用するという不利な点がある。
【0109】
[00125]マグネトロンプラズマスパッタリングは、無機で持続時間の長い(long-lasting)金属酸化物、例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２などのナノ光学コーティングに用いることができる。この技術によりインライン処理が可能になり、好ましいサイクル時間内に非常に多くのガラスシートをスパッタリングすることができる。マグネトロンプラズマスパッタリング技術は、アディティブファブリケーション(additive fabrication)プロセスとしてナノ光学コーティングを一層ずつ構築する。
【0110】
[00126]図１６の略図は、アディティブファブリケーションおよびその場でのコーティング内でのナノ粒子形成の順序を示す。左から右に、スパッタリングを用いて、（試料位置において）基材に材料および関連酸化物を施用する。その後、Ｎ２／Ｏ２雰囲気中のような制御条件下でのアニーリングプロセスを用いて、それの基材へのコーティングを状態調整する。アニーリング温度は、限定されるものではないが、典型的には摂氏９００～１２００度の範囲にある。得られたナノ粒子を試験し、望ましい透過特性および反射特性をもたらすために用いることができる。
【0111】
[00127]単一接合型ｃ－Ｓｉ太陽電池セルの上面および底面における良好な接触のために、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）内など、透明材料のマトリックスにナノ粒子を包含させるために、熱的アニーリングを達成することができる。同様に付加製造(additive manufacturing)プロセスを用いて金属酸化物のスパッタ層を熱的アニールしてその場でナノ結晶を作り出すことにより、改善された制御が可能になる；材料分野の技術者によく知られた方法を用いてアニーリングの温度および圧力を加えることにより、ナノ結晶活性層のサイズおよび密度の精密な制御が可能になる。
【0112】
[00128]記載した付加製造の順序は、インラインでの高処理量の処理に適している。石英ヒーターをスパッタリングチャンバー内に組み込むことができる。コーティングは、少なくとも１つの蛍光ナノ粒子層を包含することができる。
【0113】
[00129]態様によれば、７００～１１００ｎｍのバンドパスと、ＰＶおよび他の適用により適した、波長３００ｎｍ～６００ｎｍの高エネルギー光子から８００ｎｍ～９００ｎｍのより低エネルギーの光子へのダウンシフティング率が低いこととを達成するために、金属酸化物中で適切に構造化されて埋め込まれたナノ粒子を組み合わせる一連の工程がある。実験的コーティングの透過率および反射率スペクトルは、独立した試験によってバリデートされている。例えば、屋外試験では、７２セルの実物大太陽電池パネルについて効率の向上が示され、野外実験に基づく太陽電池パネルの効率で平均１５％～２２％の全体的改善がみられる。
【0114】
[00130]図１３の横断面図は、ガラス基材５２に施用された層を用いてバンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー６３０に用いるための層状配列を示す（縮尺は一定ではない）。態様に従って、必要な材料の層は、フィルムまたはコーティングとして形成および提供されることができる。提供されるフィルムまたはコーティングは、ロール形態またはシート形態で製作した後、基材表面に、例えばＥＶＡ（エチレン－酢酸ビニル）のような光学的接着剤を用いて施用することができる。
【0115】
[00131]本開示の態様に従って、基材は、低鉄分の太陽電池用ガラス、例えば、インド、ＧｕｊａｒａｔのＧｕｊａｒａｔ Ｂｏｒｏｓｉｌ Ｌｔｄ．によって製造された太陽電池用ガラス製品である。
【0116】
[00132]層は、いくつかの適した方法のいずれか、例えば、物理蒸着または化学蒸着により、光伝搬性基材上に形成することができる。焼結およびアニーリングプロセスは、例えば、高真空下または無酸素環境で実行することができる。
【0117】
[00133]本開示の別の態様に従って、図１３に示し本明細書中に記載する層状フィルムは、ガラスまたは他の光学的材料または構成要素に施用するためにフィルム基材上に形成することができる。あるいは、フィルターを形成する層は、改善されたスペクトル効率または応答のために、光伝搬性材料またはフォトニック構成要素の表面上に直接形成することができる。
【0118】
[00134]態様ではダウンコンバージョン機能について記載したが、本開示の装置および方法は、材料の分布およびサイズを適切に変化させて、アップコンバージョンならびに好ましい波長範囲への光エネルギーのシフティングに代替的に適用することができる。
単結晶Ｓｉ太陽電池セルでの予備実験の結果
[00135]フォトニック太陽光変換プロセスという概念を証明するものとして、出願人は予備実験を行った。太陽光の１軸トラッキングを用いる動的試験プラットフォームを使用して、単結晶Ｓｉ単一太陽電池セル（１５２×１５２ｍｍ）を３つの比較条件に付した。３つの試験条件は以下であった：
[00136]ベアＰＶセル（ＰＶ）
[00137]フレネルコンセントレーターを有するＰＶセル（ＰＶ－Ｃ）
[00138]ナノフォトニックフィルターおよびフレネルコンセントレーターを有するＰＶセルを備えるフォトニック太陽光変換パネル（ＰＳＣ－ＳＰ）
[00139]予備実験の結果は、ベアＰＶの電力発生ワット数が、もっとも少ない発生電力であることを示した。光学的コンセントレーターを有する同じＰＶセルでは、電力発生は増大するが、温度上昇に起因して、電力発生は低減する。最大の電力発生は、図６および図９のグラフに示すように、７００ｎｍ～１１００ｎｍのバンドパスを有するフォトニックフィルターとコンセントレーターとの組み合わせによって得られる。ｘ軸は観察時間を表し、ｙ軸はエネルギー発生をワット時で表す。３つの状態をグラフ化する－出力９１０はベアＰＶセルを表し、つづいて、出力９２０は、光学的コンセントレーターを有するＰＶセル（ＰＶＣ）の配列を表す。出力９３０のグラフは、ナノ光学フィルターおよびコンセントレーターアセンブリーを有するＰＶセルを表す。
単結晶Ｓｉ太陽電池セルでの予備実験の結果
[00135]フォトニック太陽光変換プロセスという概念を証明するものとして、出願人は予備実験を行った。太陽光の１軸トラッキングを用いる動的試験プラットフォームを使用して、単結晶Ｓｉ単一太陽電池セル（１５２×１５２ｍｍ）を３つの比較条件に付した。３つの試験条件は以下であった：
[00136]ベアＰＶセル（ＰＶ）
[00137]フレネルコンセントレーターを有するＰＶセル（ＰＶ－Ｃ）
[00138]ナノフォトニックフィルターおよびフレネルコンセントレーターを有するＰＶセルを備えるフォトニック太陽光変換パネル（ＰＳＣ－ＳＰ）
[00139]予備実験の結果は、ベアＰＶの電力発生ワット数が、もっとも少ない発生電力であることを示した。光学的コンセントレーターを有する同じＰＶセルでは、電力発生は増大するが、温度上昇に起因して、電力発生は低減する。最大の電力発生は、図６および図９のグラフに示すように、７００ｎｍ～１１００ｎｍのバンドパスを有するフォトニックフィルターとコンセントレーターとの組み合わせによって得られる。ｘ軸は観察時間を表し、ｙ軸はエネルギー発生をワット時で表す。３つの状態をグラフ化する－出力９１０はベアＰＶセルを表し、つづいて、出力９２０は、光学的コンセントレーターを有するＰＶセル（ＰＶＣ）の配列を表す。出力９３０のグラフは、ナノ光学フィルターおよびコンセントレーターアセンブリーを有するＰＶセルを表す。
【0119】
[00140]ＰＶ－Ｃ構成に関する電力発生は、最初はＰＳＣ－ＳＰより高いが、時間が経つにつれ、フラットになり、ＰＳＣ－ＳＰ電力発生より低くなる。図１０は、３日間にわたり行われた３つの構成の比較であり、より長期間のデータ測定に関しては、７日間にわたり行われた。
【0120】
[00141]図９は、ＰＶ－ＣおよびＰＳＣ－ＳＰによる増大を示し、フォトニックフィルターおよびコンセントレーターを有するＰＳＣ－ＳＰパネルが、ＰＶおよびコンセントレーターを有するＰＶＣの両方より一貫して高いことを示している。エネルギー発生における増大がより多いことは、Ｓｉのｐ－ｎ接合バンドギャップに近い波長での光子の状態調整と、８５０ｎｍの最適吸収波長に近い波長における多数の存在(abundance)に起因することができる。ＰＶＣ／ＰＶの増大率は平均してほぼ１００％であるが、太陽電池セルの温度上昇に伴い著しく低下する。ＰＳＣ－ＳＰ構成を有する単一ＰＶセルでの増大率は平均で２００％に近く、５倍集中化しても、太陽電池セルの温度は上昇しないので一定のままである。３つの構成に関するこの予備実験のデータは、提案される装置の有効性を示している。
【0121】
[00142]図１７のチャートは、本開示の態様に従って、スペクトル変換に用いられるさまざまなコーティングの代表的データを示す。
[00143]本開示の態様に従って、光学コーティングは、あらかじめ決定された波長範囲を反射するように形成された層のセットを有し、該層のセットは、交互になっている第１および第２の層を２対以上包含し、該第１の層は第１の屈折率ｎ１を有し、該第２の層は、第１の屈折率ｎ１より大きい第２の屈折率ｎ２を有し、該第２の層はそれぞれ、第１の材料のナノ粒子の第１の分布を包含し、該層は、入射光波長の一部を第１の波長範囲にシフトさせ、第１の波長範囲の光を表面増強ラマン散乱層に方向付けるスペクトル特性を示す。表面増強ラマン散乱層は、第２の材料の導電性ナノ粒子の第２の分布により、第１の波長範囲の光が、ラマン散乱層中のナノ粒子の第２の分布に従って、第１の範囲とは異なる第２の波長範囲にさらにシフトするように構成される。層のスペクトル特性は、ナノ粒子の第１の分布内に形成される反射キャビティによって提供されることができる。第１の材料はシリコンであることができ；第２の材料は導電性金属であることができる。コーティングは、フィルムとして形成することができる。
[00143]本開示の態様に従って、光学コーティングは、あらかじめ決定された波長範囲を反射するように形成された層のセットを有し、該層のセットは、交互になっている第１および第２の層を２対以上包含し、該第１の層は第１の屈折率ｎ１を有し、該第２の層は、第１の屈折率ｎ１より大きい第２の屈折率ｎ２を有し、該第２の層はそれぞれ、第１の材料のナノ粒子の第１の分布を包含し、該層は、入射光波長の一部を第１の波長範囲にシフトさせ、第１の波長範囲の光を表面増強ラマン散乱層に方向付けるスペクトル特性を示す。表面増強ラマン散乱層は、第２の材料の導電性ナノ粒子の第２の分布により、第１の波長範囲の光が、ラマン散乱層中のナノ粒子の第２の分布に従って、第１の範囲とは異なる第２の波長範囲にさらにシフトするように構成される。層のスペクトル特性は、ナノ粒子の第１の分布内に形成される反射キャビティによって提供されることができる。第１の材料はシリコンであることができ；第２の材料は導電性金属であることができる。コーティングは、フィルムとして形成することができる。
【0122】
[00144]本開示の態様に従った光学コーティングは、標的波長を反射するように構成された分布ブラッグ反射体部分；ならびに、ＤＢＲ部分に隣接し、ＤＢＲ部分から標的波長の光を受け入れ、受け取った光からスペクトル的にシフトしている光を生じさせるように構成された、表面増強ラマン散乱部分；を有することができる。
【0123】
[00145]本開示の態様に従って、以下を含む太陽エネルギー変換装置を提供する：あるパターン、例えば、ハニカムパターンまたは行－列(row-column)パターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；光コンセントレーターと位置合わせされて光路に分布しているＰＶセルの平面アレイ；および、光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルの平面アレイの間に延在するスペクトル変換器、該スペクトル変換器は、光コンセントレーターのアレイからの第１のスペクトル分布の入射光を、ＰＶセルのアレイに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成される。
【0124】
[00146]スペクトル変換器は、コーティングされたガラスシートを含むことができる。コーティングは、２以上の金属酸化物層から形成されることができる。光コンセントレーターはフレネルレンズであることができる。第２のスペクトル分布は、ＰＶセルのバンドギャップと関連するスペクトル範囲にわたり増大した光エネルギーを有することができる。封入ケーシングが存在していてもよい。
【0125】
[00147]本開示の態様に従って、太陽光の電力変換のための光起電力セルアレイをレトロフィットするための装置は、以下を含む：光起電力セルアレイに対応するパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルアレイの間に延在するスペクトル変換器、該スペクトル変換器は、光コンセントレーターのアレイからの第１のスペクトル分布の入射光を、ＰＶセルに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成される。フレネルレンズは、例えば、任意の透明ポリカーボネート材料またはポリカーボネート材料群から作製することができる。
【0126】
[00148]態様に従って、光学コーティングは、複数の波長で光子エネルギーを発生させることができる。ガラス基材は、反射防止コーティングを有していても有していなくてもよい。
【0127】
[00149]本発明を詳細に記載し、適切または現在好ましい態様に特に関連して記載した可能性があるが、本発明の精神および範囲内で変動および改変をもたらすことができることは、理解されるであろう。したがって、ここで開示する態様は、あらゆる点で例示的であり、制約的ではないとみなされる。本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲によって示され、その等価物の意味および範囲内で生じる変化はすべて、その中に包含されることを意図する。
本発明は以下の態様を含む。
［１］
以下を含む、太陽エネルギーの電力変換のための装置：
アレイの全体にわたり反復されるパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；
光コンセントレーターのパターンと位置合わせされて分布している光起電力（ＰＶ）セルの平面アレイ；および
光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルの平面アレイの光路中に延在するスペクトル変換器、該スペクトル変換器は、第１のスペクトル分布を有する入射太陽光を、ＰＶセルのアレイに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成される。
［２］
第２のスペクトル分布が、ＰＶセルのｐ－ｎ接合のバンドギャップエネルギーと同一の光エネルギーを包含する、［１］に記載の装置。
［３］
スペクトル変換器が、光コンセントレーターの平面アレイに対し平行に延在するコーティングされたシートを含む、［１］に記載の装置。
［４］
スペクトル変換器が、２以上の金属酸化物層を有するガラスシートを含む、［１］に記載の装置。
［５］
スペクトル変換器が、蛍光ナノ粒子を包含するコーティングを有する、［１］に記載の装置。
［６］
光コンセントレーターの平面アレイがフレネルレンズを含む、［１］に記載の装置。
［７］
ＰＶセルが封入ケーシングを有する、［１］に記載の装置。
［８］
スペクトル変換器が、光コンセントレーターの平面アレイと光起電力セルの平面アレイとの間に置かれる、［１］に記載の装置。
［９］
光コンセントレーターの平面アレイが、スペクトル変換器と光起電力セルの平面アレイとの間に置かれる、［１］に記載の装置。
［１０］
以下を含む、太陽光の電力変換のための光起電力セルアレイをレトロフィットするための装置：
光起電力セルアレイに対応するパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ、光起電力セルアレイ中の各セルは、少なくとも１つの対応する光コンセントレーターを通って方向付けられている光を受け取る；および
光コンセントレーターの平面アレイと光起電力セルアレイの間に延在するスペクトル変換器、
該スペクトル変換器は、光コンセントレーターのアレイから受け取った第１のスペクトル分布の入射光を、光起電力セルに向かって方向付けられた第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成されており、
該第２のスペクトル分布は、第１のスペクトル分布より長い波長においてより多くのエネルギーを含む。
［１１］
光コンセントレーターのアレイが１以上のフレネルレンズを含む、［１０］に記載の装置。
［１２］
フレネルレンズがポリカーボネート材料から作製される、［１１］に記載の装置。
［１３］
光コンセントレーターのアレイが屈折率分布型レンズアレイを含む、［１０］に記載の装置。
［１４］
第１のスペクトル分布と比較して、第２のスペクトル分布が、ＰＶセルのバンドギャップに関連するスペクトル範囲にわたり増大した光エネルギーを有する、［１０］に記載の装置。
［１５］
光起電力セルが封入ケーシングを有する、［１０］に記載の装置。
［１６］
光コンセントレーターの２以上の平面アレイ、スペクトル変換器、および光起電力セルアレイの間の距離が調整可能である、［１０］に記載の装置。
［１７］
スペクトル変換器が以下を含む、［１０］に記載の装置：
あらかじめ決定された波長範囲を反射し、入射太陽光の波長範囲を第１の波長範囲にシフトさせるように形成された層のセット、該層のセットは、交互になっている第１および第２の層を２対以上包含し、該第１の層は第１の屈折率ｎ １ を有し、該第２の層は、第１の屈折率ｎ １ より大きい第２の屈折率ｎ ２ を有し、
該第２の層はそれぞれ、第１の材料のナノ粒子の第１の分布を包含する；および
第２の材料のナノ粒子の第２の分布により、波長範囲が、ラマン散乱層中のナノ粒子の第２の分布に従って、第１の範囲とは異なる第２の波長範囲にさらにシフトするように構成されている、表面増強ラマン散乱層。
［１８］
以下を含む、太陽エネルギーの電力変換のための方法：
第１のスペクトル分布を有する入射太陽光を、第１のスペクトル分布から波長をシフトさせた第２のスペクトル分布の状態調整した光に変換し；
状態調整した光を集中化し、その光を、１つのアレイに分布している複数の光起電力セルのそれぞれに向かって方向付け；そして、
複数の光起電力セルから、状態調整した光の集中度および第２のスペクトル分布に対応する電流を受け取る。
［１９］
入射太陽光を、状態調整した光に変換することが、光をブラッグ反射層、つぎに表面増強ラマン散乱層に通して方向付けることを含む、［１８］に記載の方法。
本発明は以下の態様を含む。
［１］
以下を含む、太陽エネルギーの電力変換のための装置：
アレイの全体にわたり反復されるパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ；
光コンセントレーターのパターンと位置合わせされて分布している光起電力（ＰＶ）セルの平面アレイ；および
光コンセントレーターの平面アレイとＰＶセルの平面アレイの光路中に延在するスペクトル変換器、該スペクトル変換器は、第１のスペクトル分布を有する入射太陽光を、ＰＶセルのアレイに向かう第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成される。
［２］
第２のスペクトル分布が、ＰＶセルのｐ－ｎ接合のバンドギャップエネルギーと同一の光エネルギーを包含する、［１］に記載の装置。
［３］
スペクトル変換器が、光コンセントレーターの平面アレイに対し平行に延在するコーティングされたシートを含む、［１］に記載の装置。
［４］
スペクトル変換器が、２以上の金属酸化物層を有するガラスシートを含む、［１］に記載の装置。
［５］
スペクトル変換器が、蛍光ナノ粒子を包含するコーティングを有する、［１］に記載の装置。
［６］
光コンセントレーターの平面アレイがフレネルレンズを含む、［１］に記載の装置。
［７］
ＰＶセルが封入ケーシングを有する、［１］に記載の装置。
［８］
スペクトル変換器が、光コンセントレーターの平面アレイと光起電力セルの平面アレイとの間に置かれる、［１］に記載の装置。
［９］
光コンセントレーターの平面アレイが、スペクトル変換器と光起電力セルの平面アレイとの間に置かれる、［１］に記載の装置。
［１０］
以下を含む、太陽光の電力変換のための光起電力セルアレイをレトロフィットするための装置：
光起電力セルアレイに対応するパターンで分布している光コンセントレーターの平面アレイ、光起電力セルアレイ中の各セルは、少なくとも１つの対応する光コンセントレーターを通って方向付けられている光を受け取る；および
光コンセントレーターの平面アレイと光起電力セルアレイの間に延在するスペクトル変換器、
該スペクトル変換器は、光コンセントレーターのアレイから受け取った第１のスペクトル分布の入射光を、光起電力セルに向かって方向付けられた第２のスペクトル分布の出射光に変換するように構成されており、
該第２のスペクトル分布は、第１のスペクトル分布より長い波長においてより多くのエネルギーを含む。
［１１］
光コンセントレーターのアレイが１以上のフレネルレンズを含む、［１０］に記載の装置。
［１２］
フレネルレンズがポリカーボネート材料から作製される、［１１］に記載の装置。
［１３］
光コンセントレーターのアレイが屈折率分布型レンズアレイを含む、［１０］に記載の装置。
［１４］
第１のスペクトル分布と比較して、第２のスペクトル分布が、ＰＶセルのバンドギャップに関連するスペクトル範囲にわたり増大した光エネルギーを有する、［１０］に記載の装置。
［１５］
光起電力セルが封入ケーシングを有する、［１０］に記載の装置。
［１６］
光コンセントレーターの２以上の平面アレイ、スペクトル変換器、および光起電力セルアレイの間の距離が調整可能である、［１０］に記載の装置。
［１７］
スペクトル変換器が以下を含む、［１０］に記載の装置：
あらかじめ決定された波長範囲を反射し、入射太陽光の波長範囲を第１の波長範囲にシフトさせるように形成された層のセット、該層のセットは、交互になっている第１および第２の層を２対以上包含し、該第１の層は第１の屈折率ｎ １ を有し、該第２の層は、第１の屈折率ｎ １ より大きい第２の屈折率ｎ ２ を有し、
該第２の層はそれぞれ、第１の材料のナノ粒子の第１の分布を包含する；および
第２の材料のナノ粒子の第２の分布により、波長範囲が、ラマン散乱層中のナノ粒子の第２の分布に従って、第１の範囲とは異なる第２の波長範囲にさらにシフトするように構成されている、表面増強ラマン散乱層。
［１８］
以下を含む、太陽エネルギーの電力変換のための方法：
第１のスペクトル分布を有する入射太陽光を、第１のスペクトル分布から波長をシフトさせた第２のスペクトル分布の状態調整した光に変換し；
状態調整した光を集中化し、その光を、１つのアレイに分布している複数の光起電力セルのそれぞれに向かって方向付け；そして、
複数の光起電力セルから、状態調整した光の集中度および第２のスペクトル分布に対応する電流を受け取る。
［１９］
入射太陽光を、状態調整した光に変換することが、光をブラッグ反射層、つぎに表面増強ラマン散乱層に通して方向付けることを含む、［１８］に記載の方法。
【符号の説明】
【0128】
２０ ＰＶ変換器
４０ コーティング
４２ カバー
４４ 改変された分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）部分
４６ 表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）層
５２ 透明基材
６０ 層
６６ 層
４００ 最適値
６００ 太陽電池パネル
６１０ ＰＶアレイ
６１２ ＰＶセル
６２０ コンセントレーター層
６２２ レンズ素子のアレイ
６３０ バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー
６４０ 締結具
９１０ ベアセルＰＶ出力
９２０ レンズまたは他の光学的コンセントレーターを加えてのＰＶ発電の出力
９３０ 加えられたバンドパスフィルターを用いての出力としてのＰＳＣ発電
４０ コーティング
４２ カバー
４４ 改変された分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ）部分
４６ 表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）層
５２ 透明基材
６０ 層
６６ 層
４００ 最適値
６００ 太陽電池パネル
６１０ ＰＶアレイ
６１２ ＰＶセル
６２０ コンセントレーター層
６２２ レンズ素子のアレイ
６３０ バンドパスフィルター／スペクトルコンディショナー
６４０ 締結具
９１０ ベアセルＰＶ出力
９２０ レンズまたは他の光学的コンセントレーターを加えてのＰＶ発電の出力
９３０ 加えられたバンドパスフィルターを用いての出力としてのＰＳＣ発電
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
