JP6780924B2 - サブ波長パターンを有する集光光学素子を含む光起電力モジュールと同モジュールを含む衛星用太陽発電機 - Google Patents

Description

本発明の分野は、その性能レベルを向上できるようにする集光光学素子を含む光起電装置の分野である。

一般的に、ソーラーパネルを多量に使用する地上用途では、その効率を向上する一方で使用される光起電力モジュールの費用を低減しようすることが必須である。

費用を低減するために、様々な戦略が採用される。これらの戦略は特に、以下のものに関し得る：
−採用される感光材のセル。低価格基板上に薄膜の材料を使用することにより、または材料自体の性質に作用することによりその厚さを低減しようとすることが可能である、
−光起電材料の表面積を低減するためにより小さな表面積のセル上に入射光を収束させる集光システムを使用することによる構造のアーキテクチャ。図１は、マイクロプリズムに基づくフレネルレンズを使用する光起電力集光器を有するモジュールを表す。幾何学的な構築により、セルの大きさを著しく低減することが可能である。現在、集光係数は、地上用途では５００程度またはそれ以上である。この場合、太陽の方位に最良に追随（一般的には「トラッキング」と呼ばれる）するために太陽に追随する２軸系が必要である。

これらの様々な戦略の中で、努力は主としてセルの効率の向上に当てられる。

最良の効率を呈示しかつ最も急峻な進歩を有する技術は、集光器と組み合わせた所謂多重接合構造に基づく技術である。多重接合構造は、様々な波長領域において敏感な様々な材料からなる様々な接合の積層を含み、太陽スペクトルを形成するスペクトル範囲全体を効果的に取り出すことができるという利点を有する。多重接合構造は、単一接合構造より良好な効率を提供するが、その高複雑性のためにより大きな費用を示す。これが、セルの表面積としたがって全モジュールの費用を著しく低減するために光集光器と多重接合構造とを組み合わせることに興味があり得る理由である。図示のように、図２ａと図２ｂは、
−図示の例では波長帯域Δλ_１、Δλ_２、Δλ_３、Δλ_４において敏感な材料Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４の積層を含む光起電力セルＣＶと、
−集光光学素子ＯｃとセルＣＶとを使用する光起電力モジュールＣＰＶとをそれぞれ表す。

多重接合ＣＰＶモジュールの効率は、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ／Ｇｅに基づく３重接合では約４１％であり、４重接合では４４．７％の効率を達成し得る（単一ＧａＡｓ接合では、最大効率は３２％程度である）。

文献Ｐ．Ｂｅｎｉｔｅｚ，Ｊ．Ｃ．Ｍｉｎａｎｏ，Ｐ．Ｚａｍｏｒａ，Ｒ．Ｍｏｈｅｄａｎｏ，Ａ．Ｃｖｅｔｋｏｖｉｃ，Ｍ．Ｂｕｌｊａｎ，Ｊ．Ｃｈａｖｅｓ，Ｍ．Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ，“Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｒｅｓｎｅｌ−ｂａｓｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ”，Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ１８，Ｓ１，ｐａｇｅ Ａ２５−Ａ４０（２０１０）から引用された図３は、透過時に動作し地上光起電力モジュールに使用される様々なタイプの集光器、より具体的には、左から右へ、
−マイクロプリズム（第２の光学素子無し）を有するフレネルレンズに基づく集光器、
−球状ドームを有する集光器（二次光学素子用）、
−Ｓａｎｄｉａ Ｌａｂｓ研究所により提示されたＳＩＬＯ（単一光学面、ＳＩｎｇＬｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ）部品を有する集光器（二次光学素子用）、
−Ａｍｏｎｉｘ社により使用される切頂（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ）中空反射用ピラミッド（ＸＴＰ）を有する集光器（二次光学素子用）、
−Ｓｏｌｆｏｃｕｓ社により使用される切頂誘電体ピラミッド（ＲＴＰ）を有する集光器（二次光学素子用）、
−Ｂｅｎｉｔｅｚらにより提案された４象限を有するＦｒｅｓｎｅｌ−Ｋｏｈｌｅｒ（ＦＫ）集光器を有する集光器（二次光学素子用）を示す。

通常、一次光学素子（図３に表す構成の上部に対応する）は、もっぱら屈折原理に基づくフレネルレンズ（マイクロプリズム・タイプのものと呼ばれる）と呼ばれる。

実際には、同じ収束機能は曲面が維持される限り材料を除去することにより維持され得る。このようなレンズの構造の原理を図４に示す。レンズは複数のマイクロプリズムからなる。マイクロプリズムの使用は、文献Ａ．Ｄａｖｉｓ，Ｆ．Ｋｕｈｎｌｅｎｚ“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｌｅｎｓｅｓ”，Ｏｐｔｉｋ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｋ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００７ Ｎ°４に説明されるように光の収束用標準屈折レンズにより得られるものよりコンパクトな手法を可能にする。マイクロプリズムは、従来の屈折レンズと比較して平坦である（通常は２００μｍ〜３ｍｍ厚さ）という利点を有するが、後者のように、有色であり、焦点距離は材料の分散に依存する。

図５ａと図５ｂは、セルが２つの焦点ｆ（λ_最小）とｆ（λ_最大）から等距離に置かれるということを仮定した場合の、最小波長λ_最小と最大波長λ_最大で発する放射に対するレンズの効率（セルに到達する光の割合）に関するこの分散の材料の屈折率への影響を示す。図５ａに表されるλ_最小において収集される光量（濃い灰色ゾーン）は図５ｂに表されるλ_最大において収集される光量（薄い灰色ゾーン）未満であるということに注意されたい。クロスハッチングゾーンは失われた光に対応する。

したがって、要点は、光学効率を最適化するために光軸に沿った（縦方向の）セルの配置の最良のトレードオフを発見することである。色収差のために、波長λ_最小の光は、ｆ（λ_最大）で収束する波長λ_最大における光と異なる距離ｆ（λ_最小）で収束する。太陽からの光は広帯域であるので、目的は、セルの配置の最良のトレードオフを発見することである。当初、結像の際の第１の反射は、セルを２つの焦点ｆ（λ_最小）とｆ（λ_最大）間の等距離に置くことである。しかし、この位置は光の収集の観点から最適ではなく、λ_最小において収集される光量（図５ａの濃い灰色ゾーン）はλ_最大において収集される光量（図５ｂの影付きゾーン）未満であり、クロスハッチングゾーンは失われた光に対応する。

これらの透過ベース系と同時に、反射ベース系も存在する。図６は、収束する光放射をセルＣＶ方向に戻すミラーＭを有する系に基づく反射ベース系のいくつかの例を示す。それらの利点は、波長に対するそれらの鈍感性であるが、掩蔽のゾーンを呈示し、より嵩張る。

光学的効率に加えて、ＣＰＶモジュールの寸法決めに関与する重要な２つのパラメータである光源の絞りと熱効果とを考慮することがさらに望ましい。

したがって、受光角（集光係数の関数である主要パラメータ）の概念を考慮することが最も良い。集光係数が非常に重要になり得る地上用途では、受光角は非常に小さく、０．５°〜１°程度である。したがって、一般的に複雑かつ高価な追跡システムを取り込むことが必要である。

図７ａ、７ｂ、７ｃは、３つの異なる構成による、太陽の角直径θｓ（典型的には０．５°）と装置の受光角αとに関連付けられた幾何学的制約条件を示す。ここでは、すべての３つのケースにおいて固定セルサイズと固定レンズ径を想定する。より具体的には、
−図７ａは、太陽が垂直方向にある所謂「垂直」入射状態である場合の光線のプロットを表す。主光線は連続線に対応する。太陽の大きさを考慮した光線は点線内にある、
−図７ｂは、太陽が回転した所謂「斜め」入射状態である場合の光線のプロットを表す。受光角αは、主光線が感受ゾーンを出ない最大傾斜角により定義される。
−図７ｃは、より開いたレンズ（より小さな「焦点距離対口径比」に対応する）上の光線のプロットを表し、受光角は増加する。

受光角を増加するためには、一定のセルサイズを所与として、レンズの開口数を増加することが可能である（このためには、レンズの焦点距離を低減することが最も良く、結局、同一径の場合には開口数を増加することが効果的である）。しかし、これはレンズが過剰な光損失を呈示しない場合だけにしか行うことができ、したがって、開放マイクロプリズムを有するフレネルレンズに基づく解決策を考えることができなくなる。フレネルレンズのマイクロプリズムは、特に周囲においてより傾斜しなければならない。したがって、色分散はより大きくなり、極端ゾーンを生成する際の困難性と内部反射とを考慮しないので光学効率の損失に繋がる。

考慮すべき第２の主要パラメータは熱的側面である。集光下では、セルの使用の定格温度に準拠する温度を維持するともにその効率を劣化させないために熱管理系をセルに結合することが必要である。この側面はいくつかの用途の制限パラメータであるということが判明し得る。

高効率を有する多重接合セルＣＶと集光システムとを組み合わせる地上分野における集光型光起電力モジュールＣＰＶの成功に続いて、最近の研究は宇宙領域に現われた。

宇宙領域では、衛星の太陽発電機に使用されるソーラーパネルに関する必要性が策定された。その目的は地上分野と同様に効率を向上することであるが課題は地上用途のものとは異なる。

一方で、環境条件が異なり、コンパクト性と重量は地上分野よりさらに重要な判定基準になるが、モジュールのコスト自体はさほど重要ではない。

他方で、求められる集光係数は、特に地球静止軌道における使用のために角度的耐性が大きくなければならない追跡システムにソーラーパネルは結び付けけられるので、地上用途よりも低い。地上分野で遭遇するものとは異なる熱管理制約条件に遭遇する。

最後に、新しい判定基準はパネル配備システムとの適合性に関わる。

最近、宇宙領域の用途のための以下の２つのタイプの集光解決策が探究された：
−透過ベース解決策（通常、フレネルレンズを有する）、
−宇宙環境におけるミラーの汚染に関連する性能劣化を示すのでそれほど有効でない反射ベース解決策（ミラー系）。

透過ベースと反射ベース集光器の表面欠陥影響の比較については特に文献“Ｕｌｔｒａ−ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｐｏｗｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＳＰＩＥ ４８ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇ ｐａｐｅｒ ５１７９−１７（２００３）に記載されている。

当該文献には、図８ａ、８ｂ、８ｃに示すようなレンズをその最大径の方向に伸長させるアーチにより配備および保持された「伸張型レンズアレイ、ＳＬＡ、Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ」概念を示す透過ベース構成であり、シリコーンポリマからなる柔軟な円筒状フレネルレンズを含む透過ベース構成が記載されている。より具体的には、
−図８ａは全体図を表し、
−図８ｂは集光器の２つの位置を示し、同図の下図は衛星の発射中の格納位置における集光器の位置を、上図はパネルの配備およびレンズの配備後の位置を示す（エンテック社の特許：ＵＳ６ ０７５ ２００，“Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅｒ ｐｏｗｅｒ”、Ｅｎｔｅｃｈ ２０００）。
−図８ｃは、集光器の配備後の伸張されたレンズの断面を示す：“Ｕｌｔｒａ−ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｐｏｗｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＳＰＩＥ ４８ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇ ｐａｐｅｒ ５１７９−１７（２００３）。

Ｅｎｔｅｃｈ社（米国）により提案された透過ベース解決策は、シリコン膜を伸長させることにより得られる円柱レンズと組み合わせた３重接合セルを含む。曲面レンズは、実際には、（波長の関数として光線の集束を制御することにより）色収差を矯正できるようにするマイクロプリズムと組み合わせられた幾何学的集光機能を可能にするレンズにより形成される。各プリズムの角度は色収差を最小化するように決定される。この効率の最適化はまた、セルの大きさが比較的大きいという事実（低集光係数）により容易であるということに留意されたい。

動作の観点では、衛星の発射後、このシステムは次の２段階で配備される：
−ソーラーパネルの配備に対応する第１の段階、
−機械的曲率系による集光器の配備に対応する第２の段階。後者の段階は、配備不良（したがって非動作パネル、したがって非動作太陽発電機）という著しい危険を生じる可能性があり、検査手段の観点で特に高価である地上認定試験段階を必要とする。

一般的には、集光技術はまた、Ｌｉｅｇｅ ｓｐａｃｅ ｃｅｎｔｒｅ（ＣＳＬ）により提案され、文献Ｃ．Ｍｉｃｈｅｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ”，“Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＯＳＡ，ＳＭ２Ａ２（２０１２）に記載された手法と同様に、太陽スペクトルを空間的に（横方向に）分離することからなるスペクトル分離技術に有利に組み合わせられ得るということに注意すべきである。

それにもかかわらず、広い波長感度スペクトルの多重接合モジュールを使用することにより、このタイプのモジュールに関連する制限を克服しなければならない。多重接合モジュールの２つの主制限は実際には以下の通りである、
−接合間界面における材料間のセル調節の条件（積層される際に材料の固有効率を低減させる）。第１の制限は、材料の選択を制限し、したがって効率の観点でより良好な組み合わせの実施を制限する。
−電流整合条件、接合は直列に接続されるので、最も効果的でない接合がすべての接合の電流を制限する。さらに、異なる接合の相互依存性のために、多重接合構造は、スペクトルの測定されない変化、または接合の老化に対し、より敏感である。

様々な単一接合を使用するにより、および横方向スペクトル分離技術により、以下のものを組み合わせた利点を得ることが可能である、
−次のものによるより良好な理論的効率、
○接合間界面に関連する整合損失の排除、
○スペクトルに恐らくより良好にマッチした様々な材料を使用する可能性、
○各水平方向接合に最適化されるのでより良好な性能の反射防止被覆を実現する可能性、
○熱管理に関する制約条件を緩和し、したがってそのコストを低減し、より良好な効率で動作できるようにする、集光光束のより大きな表面領域にわたる分配によるより低い動作温度。
−特に低集光を有する宇宙用途または高集光地上用途の要点である熱管理を容易にすること、または初期熱管理を維持し、セルをより低い温度において使用し、したがってより良好な効率を提供できるようにすることのいずれかを可能にするより大きな表面積上の光束（垂直方向３重接合と比較して水平方向（または横方向に）分離された３つの接合の場合より３倍大きい）、
−より良好な効率のために水平面内の接合の数を増倍できるようにする水平方向に配置された多くのセルの使用。これは、接合の数がセル整合条件のために制限される垂直方向多重接合には見られないものである。最適な一組のアセンブリの様々な接合の効率を一様にし、接合の最も効果的で無いものがすべての接合の電流を制限するのを回避するように、より低い効率を有するセル上により多くの光束を捕えるために互いに独立した接合の表面積（接合は水平方向に分配されるので）を採用することも可能である。

技術的観点から、スペクトル分離解決策は、公開され特許権利化されており、本質的に、屈折性マイクロプリズムを使用する。空間−色分離の例示的アーキテクチャは米国特許出願公開第２０１２／０３１２３５１号明細書“ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ”に記載されており、投影図のアーキテクチャを図９ａに、プリズム・アーキテクチャを図９ｂに示す。

米国特許第６，０７５，２００号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０３１２３５１号明細書

Ｐ．Ｂｅｎｉｔｅｚ，Ｊ．Ｃ．Ｍｉｎａｎｏ，Ｐ．Ｚａｍｏｒａ，Ｒ．Ｍｏｈｅｄａｎｏ，Ａ．Ｃｖｅｔｋｏｖｉｃ，Ｍ．Ｂｕｌｊａｎ，Ｊ．Ｃｈａｖｅｓ，Ｍ．Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ，"Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｒｅｓｎｅｌ−ｂａｓｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ"，Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ１８，Ｓ１，ｐａｇｅ Ａ２５−Ａ４０（２０１０） Ａ．Ｄａｖｉｓ，Ｆ．Ｋｕｈｎｌｅｎｚ"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｌｅｎｓｅｓ"，Ｏｐｔｉｋ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｋ，（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００７） Ｎ°４ "Ｕｌｔｒａ−ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｐｏｗｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＳＰＩＥ ４８ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇ ｐａｐｅｒ ５１７９−１７（２００３） Ｃ．Ｍｉｃｈｅｌ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ"，"Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＯＳＡ，ＳＭ２Ａ２（２０１２）

多くのパラメータの統合というこの複雑な情況において、本発明の主題は、高性能レベルでかつ小容積を有し地上および宇宙用途の両方に適した光起電力モジュールである。

本発明の光起電力モジュールは、従来技術の解決策の性能レベルをさらに改善できるようにし、特に宇宙領域における用途において、従来技術のようなソーラーパネルと集光器の宇宙における配備のいくつかの連続操作の必要性を無くすことができるすばらしいコンパクト性と高い効率を呈示する。

より具体的には、本発明の主題は、［３８０ｎｍ〜１６００ｎｍ］程度の太陽輻射の最小波長λ_最小と最大波長λ_最大により定義された波長帯域に属する少なくとも１つの照射波長λ_ｉで発射する光束により照射されることを目的とする少なくとも１つの光起電力セルと少なくとも１つの集光光学装置とを含む光起電力モジュールであり、
−集光光学装置は、モノリシック部品であり、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む少なくとも１つの回折構造を含み、
−上記パターンは、構造物質の屈折率により除算されたλ_最小とλ_最大間に位置する平均照射波長λ_ｃ以下の少なくとも１つの次元を有し、
−上記パターンは、隣接パターンの中心間で定義されたサブ波長距離だけ互いに分離され、
−集光光学装置は少なくとも１つの集束機能と１つの回折機能とを保証する、ことを特徴とする。

本発明の一変形態様によると、回折構造は、周期的である隣接パターンの中心間で定義された距離を呈示するサブ波長パターンを含む。

本発明の一変形態様によると、集光光学装置は少なくとも１つの所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む２つの回折構造を含み、その１つは集束機能を保証する。

本発明の一変形態様によると、集光光学装置はその面のそれぞれの上に２つの回折構造を含む。

本発明の一変形態様によると、集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含む。

本発明の一変形態様によると、屈折光学素子は少なくとも１つの曲面屈折レンズを含む。

本発明の一変形態様によると、屈折光学素子は約百〜数百マイクロメートルの大きさの一組のマイクロプリズムを含む少なくとも１つフレネルレンズを含む。

例えば、これらのマイクロプリズムは２０μｍの厚さ上に１．３ｍｍ〜１１０μｍの寸法を有し得る。上記マイクロプリズムは同じ幅を有し異なる高さを呈示し得、マイクロプリズムの典型的な幅は５ｍｍの焦点距離に対して１００μｍ程度のものであり得る。

本発明の一変形態様によると、屈折光学素子はサブ波長寸法のパターンを含む構造物質と同じ材料で生成される。

本発明の一変形態様によると、パターンは柱または孔である。

本発明の一変形態様によると、集光装置は、縦方向収差補正機能および／または横方向スペクトル分離機能を有する所謂構造物質で規定されるサブ波長寸法のパターンを有する回折構造を含む。

本発明の一変形態様によると、集光装置は中心ゾーンと外側ゾーンを含み、
−各ゾーンは、円形または方形部を有する柱タイプおよび／または円形または方形部を有する孔タイプのパターンからなり、
−上記パターンの寸法は、実効屈折率の変動、したがって位相変動をコード化するようにゾーン毎に変化し、寸法の変動は単調であることができる。

本発明の一変形態様によると、パターンは３５０ｎｍ以下の横方向寸法を呈示する。２つの連続パターンの中心間の間隔は約３５０ｎｍであり、１マイクロメートル〜数マイクロメートル程度の高さを有する。

本発明の一変形態様によると、光起電力セルは、所謂垂直方向多重接合構造を生成する積層の材料を含み、各材料は少なくとも、波長帯域Δλ＝［λ_最小；λ_最大］に属する波長のサブバンドにおいて敏感である。

本発明の一変形態様によると、光起電力セルは、所謂水平方向多重接合構造を構成するように、波長帯域Δλ＝［λ_最小；λ_最大］に属する波長のサブバンドにおいて敏感な材料を含む同一面内に一組の個々の隣接光起電力サブセルを含む。

本発明の一変形態様によると、光起電力モジュールは様々な面に位置する個々の光起電力セルのサブセットを含む。

本発明の一変形態様によると、光起電力モジュールは互いに異なる大きさを呈示する個々の光起電力サブセルを含む。

本発明の一変形態様によると、屈折光学素子はサブ波長寸法のパターンを含む構造物質と同じ材料で生成される。

本発明の一変形態様によると、構造物質は、シリカ、ガラス、Ｓｉ_３Ｎ_４タイプの誘電体であるか、またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、またはポリカーボネート（ＰＣ）であり得る高分子材料のものである。

本発明の一変形態様によると、パターンの寸法は幅が３５０ｎｍ以下であり、高さは１〜２μｍ程度である。

本発明の一変形態様によると、パターンの寸法は幅または直径が８０ｎｍ〜２５０ｎｍ程度であり、高さが１〜２μｍである。

本発明の一変形態様によると、パターンは孔または柱である。

本発明の一変形態様によると、集光器を有する光起電力モジュールは一組の個々の光起電力セルを含む。

本発明の一変形態様によると、集光光学装置は一組のマイクロレンズを含み、各マイクロレンズはサブ波長寸法のパターンを含む回折構造に結合される。

本発明の一変形態様によると、集光光学装置はマイクロプリズムを有する一組のフレネルレンズを含み、各フレネルレンズはサブ波長寸法のパターンを含む回折構造に結合される。

また、本発明の主題は、本発明による少なくとも１つの光起電力モジュールを含む衛星用太陽発電機のためのソーラーパネルである。

本発明は、非限定的やり方で与えられる以下の説明を読むことにより、そして添付図面から、さらに良く理解され、他の利点も明らかになる。

光起電力セルと集光光学素子を含む公知技術の光起電力モジュールを概略的に表す。 積層材料の多重接合構造を含む光起電力セルを示す。 上記セルを取り込むモジュールを示す。 従来技術において提案され光起電力モジュールに組み込まれた透過時に動作する様々な光学的集光器解決策を示す。 マイクロプリズムを含むフレネルレンズ構造を示す。 上記セルに対するレンズの２つの異なるレンズの場所の効率への、回折フレネルレンズの色の影響を示す。 上記セルに対するレンズの２つの異なるレンズの場所の効率への、回折フレネルレンズの色の影響を示す。 従来技術において提案され光起電力モジュールに組み込まれた、反射時に動作する様々な光学的集光器解決策を示す。 ３つの異なる構成による、太陽の角度寸法θｓと装置の受光角αに関連する幾何学的制約条件を示す。 ３つの異なる構成による、太陽の角度寸法θｓと装置の受光角αに関連する幾何学的制約条件を示す。 ３つの異なる構成による、太陽の角度寸法θｓと装置の受光角αに関連する幾何学的制約条件を示す。 従来技術において提案された宇宙用途の光起電力モジュール構成を示す。 従来技術において提案された宇宙用途の光起電力モジュール構成を示す。 従来技術において提案された宇宙用途の光起電力モジュール構成を示す。 公知技術による空間−色分離アーキテクチャの例を示す。 公知技術による空間−色分離アーキテクチャの例を示す。 本発明による光起電力モジュールを概略的に表す。 垂直方向多重接合を有する一組のセルＣＶを含む本発明の変形形態を概略的に表す。 横方向に配置された個々のサブセルを含む一組のセルＣＶを含む本発明の変形形態を概略的に表す。 マイクロプリズム格子を含む回折光学素子の場合の偏向角に応じた影効果と回折効率の低下との単純化した表現を示す。 マイクロプリズム格子を含む回折光学素子の場合の偏向角に応じた影効果と回折効率の低下との単純化した表現を示す。 照射波長と設計波長との比に応じたレンズのスカラー領域の回折効率を示す。 従来のブレーズド回折レンズと比較したサブ波長部品のスペクトル振る舞いを示す。 大気を通過した後の太陽スペクトルに対応するＡＭ１．５タイプ太陽スペクトルを示す。太陽は天頂におけるその位置に対し４８°の角度をなす。 分配器タイプのサブ波長格子を含む例示的集光光学装置を示す。 本発明の光起電力モジュールの変形形態において使用される例示的集光光学装置を示す。 サブ波長回折構造内に集束機能を取り込む本発明の第２の独創的変形形態の光起電力モジュールを示す。 スペクトル分離機能を含む本発明において使用される例示的集光光学装置を示す。 スペクトル分離機能を含む本発明において使用される例示的集光光学装置を示す。 縦方向収差補正機能を含む本発明において使用される例示的集光光学装置を示す。 縦方向収差補正機能を含む本発明において使用される例示的集光光学装置を示す。 図２１ａと図２１ｂに示された例示的集光光学装置において使用されるパターンの幅を有する実効屈折率の変動の例を示す。 集束機能を保証する回折構造とスペクトル分離機能を保証する回折構造とを含む集光光学装置を示す。 集束機能を保証する回折構造とスペクトル分離機能を保証する回折構造とを含む集光光学装置を示す。 集束機能を保証する回折構造とスペクトル分離機能を保証する回折構造とを含む集光光学装置を示す。 集束機能とスペクトル分離機能とを保証する単一回折構造を含む集光光学装置を示す。

本発明の主題は、少なくとも１つの光起電力セルと、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む構造を含む１つの集光光学装置とを含む光起電力モジュールであり、上記パターンの少なくとも１つの寸法は構造物質の屈折率により除算された平均照射波長（λ_ｃ）より小さく、集光光学装置は少なくとも１つの集束機能と１つの回折機能とを保証する。

集束機能は、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む回折構造に関連するレンズタイプの屈折光学素子により保証され、パターンの少なくとも１つの寸法は、構造物質の屈折率により除算された照射スペクトル（λ_ｃ）にわたる平均照射波長より小さい。

図１０は、光起電力セルＣＶ_ｏと、曲面を有する屈折構造ＯＲ_ｏに関連するサブ波長パターンを含む回折構造Ｓｍｉ_λを含む集光光学装置（集光器とも呼ばれる）とを含む本発明の変形形態の光起電力モジュールＣＰＶを概略的に表す。太陽光束ＦＬｓは垂直方向多重接合からなる光起電力セルにより捕捉される。

図１１は、一組の集光光学装置に結合された一組の光起電力セルを含む本発明の変形形態の光起電力セルモジュールを概略的に表し、セルは、例えば様々な波長帯域において敏感な３つの材料からなる前述の垂直方向多重接合構造を有利には含む。

より具体的には、各セルＣＶ_ｉは、異なる波長帯域Δλ_１、Δλ_２、Δλ_３においてそれぞれ敏感な３つの材料Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３の積層を含む。集光光学装置は一組のマイクロレンズＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４と一組のサブ波長パターンＳｍ_１λ、Ｓｍ_２λ、Ｓｍ_３λ、Ｓｍ_４λの構造とを含む。

図１２は、一組の集光光学装置へ結合された一組の光起電力セルを含む本発明の変形形態の光起電力セルモジュールを概略的に表し、各セルＣＶ_ｉは横方向に配置された一組の単一接合サブセルＣＶ_ｉｊを含み、３つのサブセルのそれぞれは、同じセルに属する他のサブセルと異なる波長帯域において敏感な材料を含む。より具体的には、各セルＣＶ_ｉは、様々な波長帯域において感光性である（波長帯域Δλ_１、Δλ_２、Δλ_３においてそれぞれ敏感である）３つの材料Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３を含む一組の３個のサブセル（ＣＶ_ｉ１、ＣＶ_ｉ２、ＣＶ_ｉ３でそれぞれ表される）を含む。集光光学装置は一組のマイクロレンズＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４と、一組のサブ波長パターンＳｍ_１λ、Ｓｍ_２λ、Ｓｍ_３λ、Ｓｍ_４λに関連する構造を含む。

サブ波長光学素子の利点、性能レベル、機能について以下に詳述する。通常、サブ波長光学素子は、その原理が人工材料の合成に基づく誘電体材料内にエッチングされた波長より小さな大きさの二元構造（単一マスキングレベルを使用して生成される）からなる一群の光学素子を構成する。通常、構造物質の指標により除算されたスペクトルの平均照射波長より小さな周期の周期構造を発端とし、微細構造の大きさを制御することにより、任意の実効屈折率分布、したがって任意の位相分布を合成することが可能である。あり得る位相分布は、（その原理が屈折の法則に基づくマイクロプリズムを有するフレネルレンズとは異なり、回折の法則と２ｐｉまたは２ｐｉを法とするいくつかの位相ジャンプとに基づく）回折フレネルレンズとも呼ばれる回折格子または回折レンズなどの回折部品の位相分布を含む。これらの構造は、特には、高い開口および／または広いスペクトル帯を有する効果的な小型光学素子用途に特に好適な特性を有する。

さらに、構造寸法の局所的技術精通を所与として、スペクトルの様々な領域に敏感な様々な感光セルを目標として、波長に基づいて様々な方向に向けられる回折光エネルギーを制御することが可能である。より詳細には、様々な接合に対してほぼ同一効率を得るともに、最も低い接合効率が直列アセンブリの結果としてすべての接合の電流を制限するのを回避するように、余り効果的で無いいくつかの感光セルに到達する光束を増加することが可能である。同様に、部品の設計は、接合（様々なセル幅）の表面積を、最適直列アセンブリの様々な接合の効率を互いにバランスさせるように適合することが可能である。

技術的観点から、この一群の光学素子は、二元プロファイルを有するという利点を有し、それらの最終効率を低減する多相光学素子と異なりマスク合わせ無しに単一のリソグラフィ工程だけを必要とする。そのプロファイルは、ナノインプリント、成型またはホットエンボス加工、および他の多くの技術などの大量生産手段に適合し、マスター自体は半導体産業の手段（ＩＣＰエッチング、電子リソグラフィ）により製造される。

これらの技術は有利には、ポリジメチルシロキサンＰＤＭＳ、ポリ（メタクリル酸メチル）ＰＭＭＡ、ポリカーボネートＰＣなど、可視領域において明るくかつ透明な材料を利用する。

性能レベルでは、これらの光学素子は、Ｐｈ．Ｌａｌａｎｎｅ，Ｓ．Ａｓｔｉｌｅａｎ，Ｐ．Ｃｈａｖｅｌ，Ｅ．Ｃａｍｂａｒｎｄ Ｈ．Ｌａｕｎｏｉｓ，“Ｂｌａｚｅｄ・ｂｉｎａｒｙ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｃｈｅｌｅｔｔｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ”．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３．１０８１・１０８３（１９９８）、およびＭＳ．Ｌ Ｌｅｅ，Ｐｈ Ｌａｌａｎｎｅ，Ｊ Ｃ．Ｒｏｄｉｅｒ，Ｐ Ｃｈａｖｅｌ，Ｅ Ｃａｍｂｒｉｌ，Ｙ Ｃｈｅｎ，“ｌｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｂｌａｚｅｄ・ｂｉｎａｒｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ”，Ｏｐｔ．Ａ、 Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．４，Ｓ１１９（２００２）に記載のような高開口数を有する光学素子をも対処する能力を呈示する。

これらの文献に記載の技術は、図１３ａと図１３ｂが光線追跡による影効果と回折格子の偏向角（レンズの半開口角と等価）に応じた回折効率の低下との単純表現をそれぞれ示すように、従来の回折光学素子の場合は困難である装置のコンパクト性に特に興味がある。点線は、ガラス（ｎ＝１．５）にエッチングされたブレーズド格子の回折効率の理論的低下を示す。

実際には、突然遷移により２πのジャンプを生じるのが困難であるので、高い開口を有する従来の回折レンズの回折効率の低下はすべて実験的にはより大きい。

さらに、サブ波長光学素子は、広いスペクトル帯にわたって効果的に働くことができるようにする一意的分散特性を呈示する。通常はＡｓＧａ材料で構築することにより、屈折率の分散は、非構造物質の０．０２の値と比較して８〜１２μｍ帯域にわたって変動Δｎ＝０．３６を達成できるようにする。この実効屈折率の分散の特性のおかげで、Ｃ．Ｓａｕｖａｎ，Ｐｈ．Ｌａｌａｎｎｅ，Ｍ−Ｓ．Ｌ．Ｌｅｅ，“Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｂｌａｚｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ”，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２９，１５９３−１５９５（２００４）、米国特許出願第２００７／０１０３７８２号明細書、Ｃ．Ｒｉｂｏｔ，博士論文，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐａｒｉｓ Ｓｕｄ（２００８）、およびＭ−Ｓ．Ｌ．Ｌｅｅ，Ｓ．Ｂａｎｓｒｏｐｕｎ，Ｏ．Ｈｕｅｔ，Ｓ．Ｃａｓｓｅｔｔｅ，Ｂ．Ｌｏｉｓｅａｕｘ，Ａ．Ｐ．Ｗｏｏｄ，Ｃ．Ｓａｕｖａｎ ａｎｄ Ｐ．Ｌａｌａｎｎｅ，“Ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ”，ＩＣＯ ２００５，０６０２−３４（２００５）に記載のようにその効率が広帯域にわたって維持される回折光学素子を設計することが可能である。

この特性は、スペクトルが通常非常に広い［３８０ｎｍ−１６００ｎｍ］太陽用途には大変興味深い。

例えば、λ_０＝８００ｎｍを有する従来のブレーズド回折レンズを設計することにより、スペクトル間隔は、このレンズのスカラー領域における回折効率を照射波長と設計波長との比λ／λ_０の関数として与える図１４に示すように０．５λ_０〜２λ_０に位置する。スペクトル損失のバランスをとるように設計波長を調整することが可能であっても、効率の低下は依然として著しい。

比較として、図１５は、従来のブレーズド回折レンズと比較したサブ波長部品のスペクトル振る舞いを示す。帯域全体にわたる増加が著しいことが明らかである。より具体的には、この図は、スカラー領域における、照射波長（λ_０は設計波長）に応じた従来のブレーズド回折光学素子（点線、曲線Ｃ_１５ａ）とサブ波長光学素子（連続線、曲線Ｃ_１５ｂ）の回折効率の振る舞いを示す。

また、これらの光学素子により、構造の寸法を制御することにより位相を制御する能力は、１つまたは複数の波長に最適化された光学素子を合成できるようにするだけでなく、要求に応じて、回折光の様々な次数成分の強度を調整または分配できるようにする。この能力は、受光した光強度がスペクトル内で同じでないスペクトル分離の場合に役立つ。

ＡＭ１．５型太陽スペクトルの例を図１６に示す。ＡＭ１．５太陽スペクトルは大気を通過した後の太陽スペクトルに対応し、太陽は天頂におけるその位置に対して約４８°の角度をなす。

これらの部品の例示的用途は、焦点距離（回折機能）を色収差補正するだけではなく回折効率も色収差補正する屈折／回折色収差補正系における回折機能の用途である。したがって、純粋な屈折解決策（マイクロプリズム手法による屈折フレネルレンズ）と比較して、従来の回折レンズの広帯域回折効率の損失に悩まされることなく、焦点距離の長手方向色収差の畳み込みに関連するより良好な効率が得られる。

これらの光学素子の使用の別の例はスペクトル分離である。これらの光学素子は、Ｌｉ「ｅ」ｇｅ ｓｐａｃｅ ｃｅｎｔｒｅ（ＣＳＬ）により提案され、Ｃ．Ｍｉｃｈｅｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ”，“Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”，ＯＳＡ，ＳＭ２Ａ２（２０１２）に記載された手法と同様に、赤外線の零次回折光と可視光および近赤外線の１次回折光を使用するブレーズド格子として使用され得る。

したがって、本発明の解決策の利点の１つは、１次回折光の大きな偏向角を有するコンパクト系の存在下（典型的には、×１０集光と５ｍｍの焦点距離の場合）ですら設計波長（すなわち、最良の効率を有する）におけるまたは平均波長における効率に影響を与え無いスペクトル的により広い回折効率にある。これは従来のブレーズド格子では見られないものである。

本発明の変形形態では、集光光学装置は、その構成サブ波長構造の寸法の選択により、横方向に配置された単一接合セル全体にわたってエネルギーを空間的およびスペクトル的に分配する／割り振るために回折光の角度および次数成分を設計できるようにする「分配器」型のサブ波長格子を含み得る。

本発明の変形形態では、横方向に配置された単一接合セルは水平方向の同じ水準に存在してもしなくてもよい。

本発明の変形形態では、横方向に配置された単一接合セルは同じ大きさであってもなくてもよい。

Ｇ．Ｂｌｏｏｍ，Ｃｈ．Ｌａｒａｔ，Ｅ．Ｌａｌｌｉｅｒ，Ｍ−ＳＬ．Ｌｅｅ−Ｂｏｕｈｏｕｒｓ，Ｂ．Ｌｏｉｓｅａｕｘ，Ｊ−Ｐ．Ｈｕｉｇｎａｒｄ，“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｒｒａｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄ−ＩＲ ｗｉｔｈ ｂｉｎａｒｙ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒｏｏｖｅｓ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．５０，７０１−７０９（２０１１）、Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｂｌｏｏｍの論文、およびＧｕｉｌｌａｕｍｅ Ｂｌｏｏｍの論文、“Ｃｏｍｂｉｎａｉｓｏｎ ｃｏｈｅｒｅｎｔｅ ｄｅ ｌａｓｅｒｓ ａ ｃａｓｃａｄｅ ｑｕａｎｔｉｑｕｅ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｌａｓｅｒｓ）”ｕｐｈｅｌｄ ｏｎ １４ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１２，Ｐａｒｉｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＸＩ ＯＲＳＡＹに記載のように、いくつかの研究は、ビームスプリッタ用途のための、回折光の様々な次数成分を制御された効率で横方向に分離する「分配器」型サブ波長部品の能力を示した。図１７は、制御されたエネルギーにより多くの回折光の次数成分を生成できるようにする例示的「分配器」型サブ波長格子を示す。引用された上記文書の場合、格子の目的はほぼ等しいエネルギーを有する回折光の次数成分を生成することであったが、この概念はまた、回折光の次数成分に基づく所望のエネルギー分配により回折光の次数成分を生成することに適用される。

本発明の解決策は宇宙用途に特に興味がある。実際には、本発明の装置は、集光器の配備のいかなる工程も必要としない静止システムであり（従来技術の解決策において既に詳述された）衛星用追跡システム（通常、５ｍｍの焦点距離、１２の集光比に対して３°程度である）に依然として準拠する。非常にコンパクトな解決策を提案することにより、パネルの体積を低減し、解決策と衛星の打ち上げ前に実施される地上の検査手段とを簡略化することもできる。

さらに、本発明の装置は、短い焦点距離を有する効率的平面光学素子を合成できるようにする軽い材料で製造され得るサブ波長光学素子の使用に基づく。

この解決策はまた、セル変換効率を増加するためにスペクトル分離技術と組み合わせられ得る。

したがって、本出願人は以下の課題を解決した。
−コンパクトなシステムと、したがって短い集束距離（通常、１センチメートル未満〜例えば数ミリメートル未満）と、小さな容積の部品とを有すること、
−集束機能と色収差補正機能とを組み合わせること、
−非常に短い焦点距離を有する集束機能と、屈折部品より小さな開口数を有する回折機能との関連性を提案することにより当該スペクトル全体にわたる集光器の良好な効率を保証すること。

アーキテクチャの様々な要素により提供される様々な機能は以下のものである、
−マイクロレンズとサブ波長光学素子の使用によるコンパクト性と、
−ｆ（λ_ｍ）とｆ（λ_Ｍ）との差の補償により良好な長手方向色収差補正を可能にする屈折−回折組み合わせによる光起電力セル上への良好な集光光学効率。一例として、ｆ／Ｄ＝１ｍとｆ＝５ｍを有する開放系の約ｆ（λ_ｍ＝３５０ｎｍ）とｆ（λ_Ｍ＝１４００ｎｍ）との間の３５０μｍの初期差異は、長手方向色収差補正のおかげでこれらの２つの波長間でほぼ０にされる。より具体的には、間隔［λ_ｍ；λ_Ｍ］内では、焦点距離の変動は少なくとも係数３だけ低減され、
−サブ波長光学素子の広帯域特性を利用することによるより良好なスペクトル効率。

さらにコンパクトなシステムを得るための本発明の一変形態様によると、集光光学装置は図１８に示すようなサブ波長回折レンズと組み合わせたマイクロプリズムを有する屈折フレネルレンズ型系を含み得る。

したがって、この例によると、ハイブリッド屈折／回折集光器はマイクロプリズムからなる屈折部品とサブ波長構造からなる回折部品とを含む。

有利には、この集光解決策は、その機能もまた長手方向色収差補正機能と同時に回折面上に組み込まれ得るスペクトル分離技術と組み合わせられ得る。この原理は、先に説明したように、横方向に分布され様々な波長帯域において敏感な材料の単一接合を使用することにより、回折部品上に組み込まれた格子機能を使用して太陽スペクトルの波長に応じた様々な焦点を横方向に分離することにある。スペクトル分離機能の実現のためのサブ波長構造の利点は、横方向分布接合のそれぞれの上に向けられたエネルギーを調整し、全スペクトルにわたって良好な回折効率を維持する一方で直列アセンブリのより良好な効率のために実質的に異なる接合面積を許容する可能性である。

本発明の一変形態様によると、光起電力モジュールは、図１９に示すような集束機能を保証する集光光学装置、すなわち本発明の第１の変形形態において説明したようなセルＣＶ_ｉｊ（ＣＶ_ｉ１、ＣＶ_ｉ２、ＣＶ_ｉ３で表される）のサブセットを含み得る一組のセルＣＶ_ｉを含み得る。

本発明の一変形態様によると、光起電力モジュールは、図２０ａと図２０ｂに示すような集束機能とスペクトル分離機能とを保証する集光光学装置を含み得る。集光光学装置は集束機能と横方向スペクトル分離機能とを合成し、非常にコンパクトな系が得られるようにする。

光学装置は、セルの幅により除算された集光装置の直径として定義される集光比Ｃ（１２に等しい可能性がある、Ｃ＝１２）を呈示する。

太陽スペクトルの様々な領域に敏感でありかつ一団で互いに並んで配置された、集光光学装置に結合されたＮｂ_セル個の個々のサブセルの使用とセル幅の使用を仮定すると、格子の周期は次の関係式により与えられる。

その回折光の１次成分で設計された部品に関して、周期は、比ｆ／Ｄと、集光比と、集光器当たりのスペクトル「経路」または個々のサブセルの数とだけに依存する。

次の表は、Ｎｂ_セル＝３を仮定した場合の、ｆ／Ｄ＝１（焦点距離／直径）を有する開放シリカレンズを使用し得、例えば約５ｍｍの直径を有する構造の例を示し、マイクロメートルで表わされた周期値を提供する。

回折構造のパターンは０〜２４０ｎｍの幅と２マイクロメートルの高さを呈示する。

本発明の一変形態様によると、本発明で使用される集光光学装置はまた、縦方向収差補正機能を保証し得る。

このような部品は、図２１ａと図２１ｂに示され、中心ゾーンＺ_ｃと外側ゾーン（Ｚ_Ｎで参照される最外部だけが図では参照される）とを有する。

パターンの高さｈ_２’は次式で定義される。

ここで、ｎ_最大（λ_０）とｍ_最小（λ_０）は、その回折光の１次成分で動作する部品のサブ波長パターンからなる回折構造の実効屈折率に対応する。

通常、ｎ_最大（λ_０）−ｎ_最小（λ_０）はシリカタイプ材料（ｎは約１．５）では約０．５に、窒化シリコン（ｎは約２）では１に等しい可能性がある。

これらの値は、無限周期構造における回折問題を解決する方法（フーリエ・モーダル法またはＲＣＷＡ（厳密結合波解析、Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）と呼ばれる）により計算される。より具体的には、周期構造における実効屈折率は、サブ波長構造で伝播されるＢｌｏｃｈモードの実効屈折率により与えられる。

一例として、図２２は、柱の幅の関数として３５０ｎｍ周期の、角型断面の柱からなる周期的サブ波長構造の実効屈折率を与える。柱は８００ｎｍでの照射のために窒化シリコンまたはシリカにエッチングされる。曲線Ｃ_２２ａは窒化シリコンに関し、曲線Ｃ_２２ｂはシリカに関する。

ゾーンの数は次式より与えられる、

ここで、「フロア」は「階段」機能である、すなわち、フロア（ｘ）はｘ以下の整数に対応する。

中心ゾーンの半径は次式で与えられる、

ゾーンｎの幅は幅ｎにより与えられ、２〜Ｎ（ゾーンの最大数）の間にある。

または、最終ゾーンに対して

ここで、ｆｄ_２は、回折部品の焦点距離を表し、集光器を構成する焦点距離ｆの当該レンズを構成する屈折および回折部品の収斂性ν_１とν_２にそれぞれ依存する。

収斂性ν_１とν_２は本質的に、回折部品を構成する材料と当該帯域上の規定により選択される波長とに依存する、ここで、λ_最小＝４００ｎｍ、λ_最大＝１４００ｎｍ、

集光器の屈折レンズのその一部は、次式により与えられるその焦点距離ｆｄ_１により定義される、

一例として、×１２集光比に使用される直径約５ｍｍのｆ／Ｄ＝１（焦点距離／直径）を有する開放シリカレンズを考える。縦方向色収差を低減できるようにする回折レンズは、その回折光の１次成分で使用するための約２μｍの典型的な高さの様々な回折フレネルゾーンで構成され得る。中心ゾーンは半径４４１μｍの円盤であり、最も外側のゾーンは３９μｍ幅のリングである。

回折構造のパターンは０〜２４０ｎｍの幅と２マイクロメートルの高さを呈示する。

本発明の一変形態様によると、集光光学装置は面のそれぞれの上に２つの回折構造を含み得、回折構造の１つは集束機能とスペクトル分離機能とを保証できるようにする。

したがって、図２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、１つの面に配置された集束用回折レンズと第２の面に配置されたスペクトル分離用の回折格子とからなる例示的構成を示す。

図２３ａは集束用の第１の回折構造ＳＤ１とスペクトル分離用の第２の回折構造ＳＤ２とを有する部品の直径方向断面の単純化図である。

図２３ｂは、部品の平面図を示し、中間調部分はサブ波長パターンによりコード化された実効屈折率の変動を表す。より暗い領域はより高い実効屈折率水準に対応する。より明るいゾーンはより低い実効屈折率水準に対応する。

図２３ｃは、部品の底面図を示し、中間調部分はサブ波長パターンによりコード化された実効屈折率の変動を表す。

この例では、集光器は回折レンズと回折格子とからなる。これらの２つの素子は集光器とスペクトル分離器の両方として働く単一部品の面のそれぞれに配置される。各機能はサブ波長パターンを使用して生成される。収束機能として働く回折レンズの計算は、その焦点距離により、縦方向色収差を低減するために使用されるレンズの計算とは異なる。集束機能の典型的焦点距離は５ｍｍである。前式に基づき、そして約５ｍｍ直径のｆ／Ｄ＝１（焦点距離／直径）を有するシリカの開放レンズを考えると、収束機能を生成できるようにする回折レンズは、その回折光の１次成分で使用するための約２μｍの典型的な高さの様々な回折フレネルゾーンで構成され得る。中心ゾーンは半径８９μｍの円盤であり、最も外側のゾーンは１．６μｍ幅のリングである。様々なゾーンはサブ波長パターンからなる。

回折構造のパターンは０〜２４０ｎｍの幅と２マイクロメートルの高さを呈示する。

それ自身の上で全回折サブ波長光学素子を使用することで、非常にコンパクト（通常は５ｍｍ、またはＥｎｔｅｃｈ社により既に提示された装置より通常は１６倍さらに小型）な系において、高い開口ｆ／１にもかかわらず、集束機能を生成できるようにする。

本発明の一変形態様によると、集光装置は、部品の単一面（底面と呼ばれ、光起電力セルに対向し、上面と呼ばれる反対面は平面である）上に２つの機能が組み合わせられ実装され得る単一回折構造を含み得る。したがって、図２４は、このような集光装置の底面図を示す。中間調部分は、サブ波長パターンによりコード化された実効屈折率の変動を表す。より暗い領域はより高い実効屈折率水準に対応する。より明るい領域はより低い実効屈折率水準に対応する（この図と前図ではさらに明確にするために、これらの図は原寸に比例していなく、リングの正確な数を示さず、この場合のこの数はより多いということに注意すべきである）。

Ｃ 集光比
Ｃ_２２ａ、ｃ_２２ｂ 曲線
ＣＰＶ 光起電力モジュール
ＣＶ 光起電力セル
ＣＶ_ｏ 光起電力セル
ＣＶ_ｉ 各セル
ＣＶ_ｉｊ、ＣＶ_ｉ１、ＣＶ_ｉ２、ＣＶ_ｉ３ 単一接合サブセル
Ｄ 直径
ｆ 焦点距離
ｆｄ_１、ｆｄ_２ 回折部品の焦点距離
ｆ（λ_最大） 焦点
ｆ（λ_最小） 焦点
ＦＬｓ 太陽光束
ｈ_２’ パターンの高さ
Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４ マイクロレンズ
Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４ 材料
Ｎ 最大ゾーン数
ｎ_最大（λ_０） 回折構造の最大実効指数
ｎ_最小（λ_０） 回折構造の最小実効指数
Ｏ_ｃ 集光光学素子
ＯＲ_０ 屈折構造
ｒ_１ 中心ゾーンの半径
ｒ_ｎ ゾーンｎの半径
ｒ_ｎ−１ ゾーンｎ−１の半径
ｒ_Ｎ ゾーンＮの半径
ｒ_Ｎ−１ ゾーンＮ−１の半径
ＳＩＬＯ 単一光学面
ＳＤ_１ 第１の回折構造
ＳＤ_２ 第２の回折構造
Ｓｍ_ｉλ、Ｓｍ_１λ、Ｓｍ_２λ、Ｓｍ_３λ、Ｓｍ_４λ 回折構造
Ｚ_ｃ 中心ゾーン
Ｚ_ｎ 外側ゾーン
α 受光角
λ_ｉ 照射波長
λ_ｃ 平均照射波長
λ_０ 設計波長
λ_最大 最大波長
λ_最小 最小波長
Δλ_１、Δλ_２、Δλ_３、Δλ_４ 波長帯域
θｓ 太陽の角直径
ν_１、ν_２ 収斂性

Claims (23)

1. ［３８０ｎｍ〜１６００ｎｍ］程度の太陽輻射の最小波長（λ_最小）と最大波長（λ_最大）により定義された波長帯域に属する少なくとも１つの照射波長（λ_ｉ）で発射する光束により照射されることを目的とする少なくとも１つの光起電力セル（ＣＶ）と少なくとも１つの集光光学装置（Ｏｃ）を含む光起電力モジュールであって、
   −前記集光光学装置は、
   １つの表面上に、所謂構造物質で規定され、回折機能を保証するサブ波長パターンを含む回折構造であって、前記パターンは、前記構造物質の屈折率により除算されたλ_最小とλ_最大間に位置する平均照射波長λ_ｃ以下の少なくとも１つの次元を有し、前記パターンは、隣接パターンの中心間で定義されたサブ波長距離だけ互いに分離されている、回折構造と、
   他の表面上に、所謂構造物質で規定される、屈折光学素子またはサブ波長パターンを有する回折構造を含む集束構造と、
   を備えたモノリシック部品であるか、または、
   −前記集光光学装置は、同じ表面上で集束機能と回折機能とを保証する、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む回折構造を含むモノリシック部品であり、前記パターンは、前記構造物質の屈折率により除算されたλ_最小とλ_最大間に位置する平均照射波長λ_ｃ以下の少なくとも１つの次元を有し、前記パターンは、隣接パターンの中心間で定義されたサブ波長距離だけ互いに分離されている、ことを特徴とする光起電力モジュール。
2. 前記回折構造は、周期的である隣接パターンの中心間で定義された距離を呈示するサブ波長パターンを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光起電力モジュール。
3. 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力モジュール。
4. 前記集光光学装置は、少なくとも１つの所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む２つの回折構造を含み、その１つは集束機能を保証する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
5. 前記光起電力セルは前記波長帯域における少なくとも１つの感光材を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
6. 前記光起電力セルは、材料の積層を含み、所謂垂直方向多重接合構造を生成し、前記材料のそれぞれは少なくとも、前記波長帯域Δλ＝［λ_最小；λ_最大］に属する波長のサブバンド（Δλ_１、Δλ_２、Δλ_３、Δλ_４）において敏感であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
7. 前記光起電力セルは、所謂水平方向多重接合構造を構成するように、前記波長帯域Δλ＝［λ_最小：λ_最大］に属する波長のサブバンド（Δλ_１，Δλ_２，Δλ_３，Δλ_４）において敏感な材料を含む同一面内に一組の個々の隣接光起電力サブセルを含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
8. 様々な面に位置する個々の光起電力セルのサブセットを含むことを特徴とする請求項７に記載の光起電力モジュール。
9. 互いに異なる寸法を呈示する個々の光起電力サブセルを含むことを特徴とする請求項７または８に記載の光起電力モジュール。
10. 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含み、前記屈折光学素子は少なくとも１つの曲面屈折レンズを含む、ことを特徴とする請求項３乃至９のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
11. 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含み、前記屈折光学素子は約百〜数百マイクロメートルの大きさの一組のマイクロプリズムを含む少なくとも１つのフレネルレンズを含む、ことを特徴とする請求項３乃至９のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
12. 前記集光光学装置はサブ波長パターンを含む回折構造と屈折光学素子とを含み、前記屈折光学素子はサブ長さ寸法の前記パターンを含む構造物質と同じ材料で生成される、ことを特徴とする請求項３乃至１１のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
13. 前記パターンは柱または孔である、ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
14. 前記集光光学装置は、縦方向収差補正機能および／または横方向スペクトル分離機能を有する所謂構造物質で規定されるサブ波長寸法のパターンを有する回折構造を含む、ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
15. 前記集光光学装置は中心ゾーンと外側ゾーンとを含み、
    −各ゾーンは、円形または方形部を有する柱タイプおよび／または円形または方形部を有する孔タイプのパターンからなり、
    −前記パターンの寸法は、実効屈折率の変動、したがって位相変動をコード化するようにゾーン毎に変化し、前記寸法の変動は単調であることができる、ことを特徴とする請求項１４に記載の光起電力モジュール。
16. 前記パターンは３５０ｎｍ以下の横方向寸法を呈示し、
    ２つの連続ゾーンの中心間の間隔は約３５０ｎｍであり、
    前記パターンの高さは１マイクロメートル〜約１０マイクロメートルである、ことを特徴とする請求項１５に記載の光起電力モジュール。
17. 前記構造物質は、シリカ、ガラス、窒化シリコンタイプの誘電体材料であるか、またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、またはポリカーボネート（ＰＣ）であり得る重合体タイプのものである、ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
18. 前記パターンの寸法は、幅または直径が８０ｎｍ〜２５０ｎｍ程度であり、高さが１〜２μｍである、ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
19. 一組の個々の光起電力セルを含むことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光起電力モジュール。
20. 一組の個々の光起電力セルと、所謂構造物質で規定されるサブ波長パターンを含む構造とを含み、前記パターンの少なくとも１つの寸法は、前記構造物質の屈折率により除算された前記平均照射波長（λ_ｃ）より小さく、前記構造は集束機能と回折機能を保証する、ことを特徴とする請求項１９に記載の光起電力モジュール。
21. 前記集光光学装置は一組のマイクロレンズを含み、各マイクロレンズは、サブ波長寸法のパターンを含む回折構造に結合される、ことを特徴とする請求項１９に記載の光起電力モジュール。
22. 前記集光光学装置はマイクロプリズムを有する一組のフレネルレンズを含み、各フレネルレンズはサブ波長寸法のパターンを含む回折構造に結合される、ことを特徴とする請求項１９に記載の光起電力モジュール。
23. 請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の光起電力モジュールを少なくとも１つ含む衛星用の太陽発電機のソーラーパネル。

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