具有集成的彩色干涉膜堆叠的光伏装置 相关申请案的交叉参考 本申请案根据35U.S.C.§119(e)规定主张2007年10月19日申请的标题为“使用干涉显示装置的被染色光伏元件和光伏集成的干涉显示器(COLOREDPHOTOVOLTAICS USING INTERFEROMETRIC DISPLAY DEVICES ANDPHOTOVOLTAIC INTEGRATED INTERFEROMETRIC DISPLAYS)”的第60/999,566号美国临时申请案(代理人案号QCO.234PR)的优先权，所述申请案的揭示内容的全部以引用的方式明确并入本文中。
【技术领域】
本发明大体上涉及将光能转化为电能的光伏换能器(例如，光伏电池)的领域。
背景技术
一个多世纪以来，矿物燃料(例如，煤炭、石油和天然气)已在美国提供主要能源。对替代性能源的需要不断增加。矿物燃料为快速地耗尽的非可再生能源。发展中国家(例如，印度和中国)的大规模工业化已对可用矿物燃料造成显著负担。另外，地理政治问题可迅速地影响此燃料的供应。全球变暖近年来还引起更大关注。许多因素被认为促成全球变暖；然而，矿物燃料的普遍使用被假定为全球变暖的主要原因。因此，急切需要找到可再生且经济上可行的能源，其还为环境安全的。太阳能为环境安全的可再生能源，其可转化为其它形式的能量(例如，热和电)。
光伏(PV)电池将光能转化为电能且因此可用以将太阳能转化为电力。可使光伏太阳电池非常薄且模块化。PV电池的大小可在从几毫米到几十公分的范围内。来自一个PV电池的个别电输出可在从几毫瓦到几瓦特的范围内。若干PV电池可以阵列进行电连接和封装以产生充足电量。可将PV电池用于广泛范围的应用中，例如，将电力提供到卫星和其它宇宙飞船、从而将电提供到住宅和商业财产、对汽车电池组进行充电，等等。
尽管PV装置具有减少对烃燃料的依赖性的潜力，但PV装置的普遍使用已由于低效和美学问题而受到阻碍。因此，这些方面中的任一者的改进可增加PV装置的使用率。
【发明内容】
本发明的某些实施例包括光伏电池或装置，其集成有干涉堆叠以将可见色彩反射到观看者。根据特定应用的需要，可使这些以干涉方式染色的光伏装置反射较广色彩范围中的任一者。此可使其更具美学愉悦性且因此更有用于建筑物或建筑应用中。
在各种实施例中，将干涉薄膜堆叠包括于光伏装置中且尤其在光伏(PV)活性材料上延伸，以反射以干涉方式增强的反射的可见波长谱，使得装置呈现为被染色有一种或一种以上色彩。在彩色干涉薄膜堆叠位于PV装置的前侧上的实施例中，干涉堆叠具有部分透射性以使光能够到达PV装置以用于转化为电流。通过选择干涉堆叠膜来选择可见光的相对反射率和透射作为反射色彩的强度与穿过干涉堆叠的透射程度之间的折衷，以用于在PV装置中进行转化或用于穿过位于PV装置之间的PV阵列(例如，太阳能电池板)。干涉堆叠可跨越阵列而反射均一色彩或可经图案化以产生单色或多色图像。在彩色干涉薄膜堆叠在PV装置或阵列的背侧上延伸的一些布置中，背侧可与在前侧上一样具有部分透射性或可为不透明的，其取决于应用。在任一情况下，彩色干涉堆叠可赋予被染色的外观作为图案或毯覆式色彩(blanket color)。
构成干涉堆叠的干涉薄层可包含金属薄膜、透明非导电材料(例如，电介质)、透明导电材料、气隙和其组合，如本文中所描述。在一个实例中，干涉膜堆叠为干涉调制器(IMOD)，IMOD包括吸收器、光学谐振腔和任选反射器。在此实例中，IMOD经配置以通过选择光学谐振腔的厚度或高度来“调制”反射色彩。在一些实施例中，IMOD可在光学吸收器层和/或反射器层中具有对某些波长的光的明显吸收。在另一实例中，干涉膜堆叠包括二向色膜对堆叠，其想要以干涉的方式增强色彩反射而无明显吸收，从而允许在无明显吸收的情况下在反射色彩与到下伏光伏活性材料的透射之间的直接折衷。
在一个实施例中，光伏装置包括光伏活性材料和覆盖光伏活性材料的第一侧的干涉堆叠。干涉堆叠经配置以选择性地增强可见波长范围内的选择波长的反射。干涉堆叠在第一侧上反射可见色彩。
在另一实施例中，具有前侧和背侧的光伏装置包括光伏活性层和干涉调制器。干涉调制器(IMOD)经配置而以干涉的方式调谐反射。干涉调制器包括将光学谐振腔形成于光伏活性层上的一个或一个以上光学透明层，和位于光学谐振腔上的吸收器层。
在另一实施例中，光伏装置包括光伏活性层和二向色堆叠。二向色堆叠经配置而以干涉的方式调谐光反射和透射。二向色堆叠包括一个或一个以上电介质膜对。一个或一个以上对包括具有第一折射率的一个膜，其位于具有更低折射率的另一膜上。
在另一实施例中，提供一种制造彩色光伏装置的方法。所述方法包括提供光伏材料，光伏材料具有：前侧，光入射于前侧上；以及背侧。所述方法还包括将干涉堆叠形成于光伏材料上。干涉堆叠经配置而以干涉的方式增强特定色彩的可见光反射。
在另一实施例中，光伏装置包括用于从入射光产生电流的装置，和用于以干涉的方式增强来自光伏装置的第一侧的特定色彩的反射可见光的装置。
【附图说明】
在随附示意性图式中说明本文中所揭示的实例实施例，示意性图式仅用于说明性目的。
图1示意性地说明理论光学干涉腔。
图2A示意性地说明光学谐振腔的界面处的反射。
图2B说明包含二向色膜对的干涉堆叠的界面处的反射。
图2C展示类似于图2B的二向色堆叠的二向色堆叠的反射对波长。
图2D说明另一类型的包含二向色对的干涉堆叠。
图2E展示类似于图2D的干涉堆叠的干涉堆叠的反射比对波长。
图3A示意性地说明包括吸收器和光学谐振腔的干涉调制器(IMOD)。
图3B为类似于图3A的IMOD的IMOD的框图，IMOD包含吸收器层、光学谐振腔和反射器。
图3C示意性地说明IMOD，其中光学腔包括通过吸收器层与反射器层之间的柱或支柱而形成的气隙。
图3D展示IMOD的全反射对波长，IMOD具有经配置以反射正入射光和反射光的黄色的光学腔。
图3E说明处于“打开”状态的MEMS IMOD，其中光学谐振腔可以机电方式调整。
图3F说明图3E的MEMS IMOD，其中IMOD被展示为处于“关闭”状态。
图4A示意性地说明包含p-n结的光伏电池。
图4B为示意性地说明包含沉积的薄膜光伏活性材料的光伏池的框图。
图4C为示意性地说明包含干涉增强型光伏堆叠的光伏电池的框图。
图4D和图4E分别为描绘在前侧上具有可见反射电极的示范性太阳光伏装置的示意性平面图和等距截面图。
图5示意性地说明并入有干涉堆叠的彩色光伏(PV)装置的实施例。
图6A说明具有前侧干涉堆叠的实施例的彩色PV装置，前侧干涉堆叠呈包含吸收器-腔-反射器堆叠的IMOD的形式。
图6B说明彩色PV装置的实施例，彩色PV装置具有仅具有吸收器-腔堆叠的前侧IMOD。
图6C说明具有前侧干涉堆叠的实施例的彩色PV装置，前侧干涉堆叠呈二向色对堆叠的形式。
图6D说明彩色PV装置的实施例，彩色PV装置具有包含吸收器-腔-反射器堆叠的前侧IMOD，其中光学谐振腔包含气隙。
图6E示意性地说明具有前侧干涉堆叠的彩色PV装置的实施例，前侧干涉堆叠在IMOD上具有额外层。
图7示意性地说明彩色PV装置的实施例，彩色PV装置在前侧和背侧两者上具有干涉堆叠。
图8A到图8D说明经图案化的干涉堆叠的实施例，干涉堆叠在不同区域中显示不同色彩以将图像形成于包含彩色PV装置的静态显示器上。
图9A到图9C说明通过层压而将干涉堆叠与彩色PV装置、阵列或太阳能电池板集成的方法的实施例。
【具体实施方式】
阻碍在可用表面上普遍地采用光伏(PV)装置以将光能转化为电能或电流的一个问题为归因于其色彩而难以将其集成于各种应用中(例如，集成于招牌、广告牌或建筑物上)。活性PV材料自身通常呈暗色，其中一些发光导体还常常为可见的，且两种因素均可阻碍PV装置与周围材料的混合。本文在下文所描述的实施例采用干涉堆叠构造(例如，二向色对和IMOD(吸收器-腔-反射器)堆叠)，干涉堆叠构造经设计以使用光学干涉原理来增强可见范围内的选择波长尖峰或峰值的反射。选择性反射致使干涉堆叠以某种色彩呈现给观看者，且可经设计以根据特定应用的需要来呈现某种色彩。取决于波长的干涉反射或透射由构成干涉薄膜堆叠的材料的尺寸和基本材料特性支配。因此，与普通染料或涂料相比，染色效应不易随时间的过去而褪色。
尽管本文中论述某些实施例和实例，但应理解，发明性标的物超出具体揭示的实施例而扩展到本发明的其它替代性实施例和/或使用及其显著修改和等效物。希望本文中所揭示的本发明的范围不应由特定揭示的实施例限制。因此，例如，在本文中所揭示的任何方法或工艺中，构成方法/工艺的动作或操作可以任何合适的序列来执行且不一定限于任何特定揭示的序列。已在适当的情况下描述实施例的各个方面和优势。应理解，可能不一定根据任何特定实施例来实现所有此些方面或优势。因此，例如，应认识到，可以实现或优化如本文中所教示的一个优势或优势群组而不一定实现如可在本文中教示或提出的其它方面或优势的方式来实施各种实施例。以下详细描述针对于本发明的某些特定实施例。然而，可以许多不同方式来实施本发明。可在较广范围的并入有光伏装置以用于将光能转化为电流的装置中实施本文中所描述的实施例。
在此描述中，参考图式，其中贯穿全文，相同部分使用相同数字来标示。将从以下描述明白，可在多种包含光伏活性材料的装置中实施所述实施例。
最初，图1到图3F说明一些光学原理和各种类型的用于与光伏装置集成的干涉薄膜堆叠，如参看图5到图9C所描述。图4A到图4E说明一些光伏装置构造，干涉堆叠可与光伏装置构造集成。图5到图9C说明干涉堆叠(例如，IMOD或二向色堆叠)与光伏装置集成的实施例。
图1说明光学谐振腔。此光学谐振腔的一实例为可产生反射色彩光谱的肥皂膜。光学谐振腔为可用于以干涉的方式操纵光的结构。图1所示的光学谐振腔包含上部界面101和下部界面102。两个界面101和102可为同一层上的相对表面。举例来说，两个界面101和102可包含在玻璃或塑料板或薄片或者玻璃、塑料或任何其它透明材料的膜上的表面。空气或其它媒介可围绕板、薄片或膜。光学谐振腔可在上部界面101处具有位于其一侧上的一种材料，且在下部界面102处具有位于另一侧上的单独材料。与光学谐振腔形成界面101、102的材料可为金属或部分反射层、透明媒介或电介质(例如，空气)。与光学谐振腔形成界面101、102的材料可相同或可不同。在所说明的实例中，光在界面101、102中的每一者处部分地反射且部分地透射。
入射于光学谐振腔的前表面101上的光射线103被部分地反射(如由光路径104所指示)且沿光路径105部分地透射穿过前表面101。射线103可具有较广的光谱分布。举例来说，射线103可包含白光，且因此可具有来自可见范围内的较广波长范围(450nm到700nm)以及在可见范围外的波长的显著分量。所透射的光射线105可沿光路径107而被部分地反射且沿光路径106部分地透射出谐振腔。光学谐振腔的光学特性(包括厚度)以及周围材料的特性可影响从界面101与界面102两者所反射的光的振幅与相位两者。因此，射线104和107将依据光学谐振腔和周围媒介的特性而各自具有一振幅和一相位。通过省略多次内反射来简化实例，如将由所属领域的技术人员所了解。
出于本文中所提供的论述的目的，从光学谐振腔所反射的光的总强度为两个经反射光射线104和107的相干迭加。通过此相干迭加，两个反射束的振幅与相位两者引起合计强度。将此相干迭加称作干涉。两个经反射射线104和107可相对于彼此而具有相位差。在一些实施例中，两个波之间的相位差可为180度(180°)且彼此抵消。如果两个光射线104和107的相位和振幅经配置以便减少特定波长下的强度，则将两个光束称作在那个波长下相消地干涉。如果在另一方面，两个光束104和107的相位和振幅经配置以便增加特定波长下的强度，则将两个光射线称作在那个波长下相长地干涉。相位差取决于两个路径的光学路径差，光学路径差取决于光学谐振腔的厚度、材料在两个表面101与102之间的折射率，以及周围材料的折射率是高于还是低于形成光学谐振腔的材料。相位差对于入射束103中的不同波长来说也不同。因此，射线104和107可相对于彼此而具有相位差，且此相位差可随波长而变化。因此，一些波长可相长地干涉且一些波长可相消地干涉。一般来说，由光学谐振腔反射和透射的色彩与总强度因此取决于厚度和形成光学谐振腔与周围媒介的材料。所反射和透射的波长还取决于视角，不同波长以不同角度来反射和透射。
上文所解释的原理可用以建构如下结构，所述结构将取决于光的波长而以干涉的方式选择性地反射和/或透射入射光的可见波长的波长谱或范围。可将使用干涉原理依据光的波长而影响其反射或透射的结构称作干涉薄膜堆叠或更简单地称作干涉堆叠。在一些实施例中，干涉堆叠为干涉调制器(IMOD)，IMOD包括夹在光学吸收器与反射器之间的光学谐振腔。反射器可为独立提供的部分或全反射层。或者，在下伏装置中具有其自身功能的其它层可充当复合反射器。在其它实施例中，干涉堆叠为二向色薄膜堆叠。如将由所属领域的技术人员所了解，不同于IMOD，二向色堆叠不采用吸收器且因此可完全地反射强烈的干涉色彩而无显著吸收，这对于光伏装置的前侧上的透射性应用来说可为有益的(见图5到图9C和附带描述)。另一方面，二向色堆叠需要多对二向色膜沉积的费用，以便获得所要色彩的高反射率。如将由所属领域的技术人员所了解，在从干涉堆叠反射的光的光学路径长度与可见波长处于大约相同的数量级的情况下，视觉效应可相当明显。当光学路径长度增加且超过白光的相干长度(例如，5000nm和以上)时，干涉不再有可能，因为光的相位失去其相干性，使得损失视觉干涉色彩效应。
图2A中展示光学谐振腔的实例。在图2A中，光学谐振腔200位于界面210与211之间。光学谐振腔200的折射率为N2。如图2A所示，入射于界面210上的射线212可被部分地反射(如由射线213所指示)，且沿射线214部分地透射穿过界面210。经透射射线214进一步被部分地反射(如由射线215所指示)且沿射线216部分地透射穿过表面211。常常将光学谐振腔200的厚度配置为与可见范围内的波长处于相同的数量级。
如前文所述，界面210、211处的经反射射线213、215的振幅与相位两者取决于形成界面210和211的媒介的折射率和各种媒介的折射率是高于还是低于彼此。具体来说，当波从具有较低折射率的媒介转变到具有较高折射率的媒介时在界面处所反射的光相对于入射射线而经历180°的相变。此界面处的经透射波将不经历相变。因此，如果N2＞N1，则射线213将相对于射线214而具有180°的相移。
类似地，在界面211处，如果N3＞N2，则射线215将相对于射线214而经历180°的相变。如所说明，光学谐振腔200的厚度217经配置以使得其为入射射线212的波长分量中的一者的四分之一波长218(1/4λ)(在媒介内)。因此，考虑到光学谐振腔的厚度217以及在界面211处反射时的180°的相移，经反射射线215可相对于经反射射线213而为180°的异相。射线213和215将因此相消地干涉。如果射线213、215两者的振幅相等，则其将完全相消地干涉，从而留下很少或不留下从表面210的反射。如果射线两者的振幅不相等，则其将仅部分相消地干涉。由于光学谐振腔200的厚度217为仅一个特定波长(即，如果在可见范围内，则为色彩)的四分之一波长，所以相消干涉对于仅一个波长来说可仅为完整的，或被最大程度地相消地干涉。对于其它波长来说，相消干涉可较不完整，且因此可发生某一反射。因此，如将由所属领域的技术人员所了解，来自表面210的经反射光将呈现特定色彩。如将由所属领域的技术人员所了解，射线215在界面210处将还具有反射和透射。出于简单起见，为了论述的目的而忽略此和其它更高级的反射。
经反射射线213、215将相长地干涉还是相消地干涉可取决于光学谐振腔的厚度217。举例来说，如果厚度217经配置以使得其为入射射线212的特定波长分量的波长218的二分之一(1/2λ)(未图示)，则经反射射线215的相位可与经反射射线213相同，且其可相长地干涉。相长干涉可引起从界面210的显著反射。由于厚度217为仅一个特定波长的波长的二分之一，所以相长干涉对于仅一个波长来说可最大。对于其它波长来说，相长干涉可较不完整，且因此与在对应于光学谐振腔厚度217的波长下的反射相比可发生较小的反射。因此，反射将针对某些波长而被选择性地增强，如果所述波长位于可见范围中，则此将导致某一色彩的总体反射外观。
干涉堆叠可包含一对光学薄膜(如图2A所示的光学薄膜)。如果一个光学薄膜的折射率大于另一者，则如上文所解释，反射射线可相对于入射射线而经历相移。将此对光学薄膜称为二向色对。二向色对可依据两个膜的光学特性(包括每一膜相对于波长的厚度)而导致相长或相消干涉。类似地，干涉堆叠可包含如图2B所示的多对光学膜。
在图2B中，干涉堆叠220由三个二向色膜对221a、221b、221c形成。每一对包含具有相对较高折射率(H)的媒介和具有相对较低折射率(L)的媒介。如上文所解释，连续相对较高和较低折射率的使用允许对于从界面的每一反射来说可被相移180°的反射，使得光从具有第一折射率(L)的媒介行进到具有较高折射率(H)的媒介。所有层的折射率可彼此不同且无需相同。因此，所有相对较高折射率层未必具有相同折射率，且对于相对较低折射率层来说同样如此。
在图2B中，二向色对221a、221b、221c经配置以使得每一层的厚度等于所关注波长的四分之一波长(1/4λ)。如所说明，入射射线221a行进穿过空气或其它相对较低折射率材料。射线222可入射于第一二向色对221a上，从而产生某一反射和某一透射。一旦任何经反射射线223a-223e在界面224a处反射出干涉堆叠220，其相对相位便取决于经反射射线223a-223e在两种媒介之间的界面224a-224e处是否经历相移，以及由任何经反射射线223a-223e行进的光学路径长度。在以下论述中，将相对于界面224a处的入射射线222的相位来论述相位。如所属领域的技术人员已知的，图2B相对于界面224a处的入射射线222将经反射射线223a描绘为180°异相。二向色对221a包含相对较高折射率层和相对较低折射率层。如图2B所示，二向色对221a中的第二层的折射率相对低于第一层的折射率，且因此，经反射射线223b在界面224b处反射时不经历相移。然而，相对于界面224a处的入射射线222的相位，界面224b处的经反射射线223b由于四分之一波长光学薄膜的光学路径而被相移90°。当经反射射线223b再次在反射时横越四分之一波长光学薄膜时，其相对于界面224a处的入射射线222被相移又一90°。因此，在界面224a处，经反射射线223b相对于入射射线222被相移180°。由于第一经反射射线223a还相对于界面224a处的入射射线222被相移180°，所以经反射射线223a与223b同相，且因此，其相长地干涉。对于界面224c、224d和224e处的射线223c、223d和223e的反射来说，情况类似。从干涉堆叠220的全反射将等于射线223a-223e的相干迭加，且在相长干涉的情况下，反射可为显著的。如上文所解释，可依据形成二向色对221a、221b、221c的光学谐振腔的厚度而最大化光波长(即，如果在可见范围中，则为色彩)的反射。
图2C展示类似于图2B的干涉堆叠的干涉堆叠的反射比对波长的图表。如图表中所表达，多个二向色对的干涉堆叠可依据每一二向色对内的光学薄膜的厚度而最大化某一波长范围的反射。在所说明的图表中，反射比可在近似550nm的峰值231周围被最大化。因此，峰值波长232可为近似550nm，其对应于为550nm的四分之一的四分之一波长光学谐振腔厚度，或对于具有1.0的折射率的媒介(空气)来说为近似1375(埃)。如所属领域的技术人员将清楚，二向色对内的光学薄膜的实际厚度将取决于构成光学薄膜的媒介的折射率。一般来说，对于折射率no和空气中的光学谐振腔厚度tair来说，等效光学薄膜的厚度将等于tair/no。因此，一般来说，形成二向色对的两个光学薄膜可具有如由薄膜的折射率所规定的稍微不同的厚度。峰值231还具有半峰值带宽233，其可为等于峰值或最大反射比的一半的反射比234下的峰值的宽度。图2C的半峰值带宽为近似100nm。被反射出具有如图2C所描绘的特性的特性的干涉堆叠的色彩可具有浅绿色调或为绿色。所属领域的技术人员将了解，其它干涉堆叠构造可导致可见范围内的多个峰值以产生不同色彩(例如，非原色)。举例来说，图2b的二向色对221a-221c可具有更大厚度，使得对于可见范围内的多个波长峰值来说发生相长干涉。
图2D说明另一包含二向色对的干涉堆叠240。在所说明的实施例中，高折射率光学薄膜241夹在两个二向色对堆叠242、243之间。不同于图2B的可最大化某一波长下的反射的干涉堆叠220，此实施例可最小化特定波长下的反射。在此实例中，不同于图2B，入射射线244所撞击的第一光学薄膜为具有相对较低折射率的四分之一波长厚的光学薄膜。图2E中展示依据波长而描绘从干涉堆叠240出来的反射比的图表。如可见，光学薄膜的厚度确定反射将被最大化或被最小化时的波长。
图3A描绘呈干涉调制器(IMOD)300的形式的干涉堆叠。IMOD 300包括吸收器层301和光学谐振腔302。在图3A中，光学谐振腔302夹在两个反射表面之间。具体来说，吸收器层301界定光学谐振腔302的顶部，而底部反射器层303界定光学谐振腔302的底部。吸收器层301和反射器层303的厚度可经选择以控制光的反射比和透射比的相对量。吸收器层与反射器层两者可包含金属，且可使两者部分透射。如图3A所示，入射于光学干涉腔的吸收器层301上的光射线304可沿路径305和306中的每一者而被部分地反射出光学干涉腔。如由观测者在前侧或入射侧上所观看的照明场为两个反射射线305与306的迭加。可通过改变反射器层的厚度和成分来显著地增加或减少大体上被反射或透射穿过底部反射器303的光的量，而反射的视在色主要通过由光学谐振腔101的大小或厚度和吸收器层301的材料特性所支配的干涉效应来确定，材料特性确定射线305与306之间的光学路径长度差。调制底部反射器厚度303(或省略以有利于通过光学谐振腔302与下伏媒介之间的界面来提供任何反射率)将调制反射色彩的强度对IMOD 300的总反射率且因此影响穿过IMOD 300的透射的强度。
在一些IMOD中，光学腔302由一个层(例如，光学透明电介质层)或多个层界定。在其它IMOD中，光学谐振腔302由气隙或光学透明层与气隙的组合界定。光学谐振腔302的大小可经调谐以最大化或最小化入射光的一种或一种以上特定色彩的反射。由光学干涉腔反射的色彩可通过改变腔的厚度而改变。因此，由光学干涉腔反射的色彩可取决于腔的厚度。
图3B为呈IMOD 300的形式的干涉堆叠的简化示意图。如所说明，IMOD 300为吸收器-腔-反射器堆叠，其包含吸收器301、部分或全反射器303，和形成于吸收器301与反射器303之间的光学谐振腔302。吸收器可包含各种材料(例如，钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、铬(Cr)，等等)以及合金(例如，MoCr)。反射器303可(例如)包含金属层(例如，铝(Al)、银(Ag)、钼(Mo)、金(Au)、Cr，等等)，且可通常足够厚而为不透明的(例如，300nm)。在其它IMOD中，反射器303为部分反射器且可薄达20通常，作为部分反射器的金属反射器303将在20与300之间。光学谐振腔302可包含气隙和/或一种或一种以上光学透明材料。如果光学谐振腔302由反射器303与吸收器层301之间的单个层界定，则可使用透明导体或透明电介质。用于光学干涉腔302的示范性透明材料可包含电介质(例如，二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氟化镁(MgF2)、氧化铬(III)(Cr3O2)、氮化硅(Si3N4)，等等)以及透明导电氧化物(TCO)(例如，氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)，等等)。更一般来说，任何具有在1与3之间的折射率(n)的电介质可形成合适的光学谐振腔。在需要导电彩色IMOD堆叠的情形中，光学干涉腔302可包含导电透明膜。在一些IMOD中，光学谐振腔302可包含复合结构，复合结构包含多种材料，其可包括气隙、透明导电材料和透明电介质层中的两者或两者以上。多个层和/或气隙的可能优势在于：堆叠的所选层可提供多个功能，例如，除了其在IMOD 300中的光学作用以外的装置钝化或抗刮擦性。在一些实施例中，光学谐振腔可包含一种或一种以上部分透明材料(不管是导电的还是为电介质的)。
参看图3C，在其它实施例中，光学谐振腔302的厚度可包含由间隔物311(例如，横杆、柱或支柱)支撑的气隙302。在IMOD 300内，光学谐振或干涉腔302可为静态气隙，或可为动态气隙(即，使用(例如)MEMS技术而可变)。
干涉调制器(IMOD)结构300(例如，图3B或图3C所示)使用光学干涉而选择性地产生所要反射输出。可通过选择静态光学谐振腔302的厚度和光学特性以及吸收器301和反射器303的厚度和光学特性来“调制”此经反射输出。或者，可使用用以改变光学谐振腔302的大小的MEMS装置来动态地改变图3C的IMOD 300的经反射输出。由观看吸收器301的表面的观看者观测到的色彩将对应于那些大体上被反射出IMOD300且大体上未由IMOD 300的各种层吸收或相消地干涉的频率。可通过选择光学谐振腔302的厚度来改变干涉且大体上未被吸收的频率。
图3D说明如从与IMOD的前表面正交或垂直的方向所见的IMOD(例如，图3B或图3C的IMOD 300)的反射比对波长的图表。此图表描绘经反射光的波长谱，其可通常不同于入射于IMOD上的光的波长谱。在所说明的图表中，反射比在近似540nm的峰值350周围被最大化。因此，峰值波长351为近似540nm(黄色)。峰值350还具有半峰值带宽352，其为等于峰值或最大反射比354的一半的反射比353下的峰值的宽度。如先前所提及，可通过改变光学谐振腔302的厚度或材料或通过改变堆叠中的一个或一个以上层的材料和厚度而将全反射曲线的峰值的位置移位。峰值的位置可取决于视角。如所说明，仅存在一个峰值；然而，可依据腔的高度或厚度而存在具有不同振幅的多个峰值。如所属领域的技术人员将已知，IMOD还可经配置以调制吸收比或透射比以及反射比。
图3E和图3F展示IMOD 300的实例，其中光学谐振腔(图3B中的302)包括气隙且可使用MEMS技术而以机电方式改变。图3E说明被配置为处于“打开”状态的IMOD 300，且图3F说明被配置为处于“关闭”或“崩溃”状态的IMOD。图3E和图3F所说明的IMOD 300包含衬底320、光学薄膜堆叠330和反射膜303。光学薄膜堆叠330可包含吸收器(对应于图3B和图3C中的303)以及其它层和材料(例如，单独透明电极和电介质层)。在一些实施例中，光学薄膜堆叠330可附接到衬底320。在“打开”状态下，光学薄膜堆叠330通过间隙340而与反射膜303分离。在一些实施例中，例如，如图3C所说明，间隙340可为由间隔物311(例如，横杆、支柱或柱)支撑的气隙。在“打开”状态下，在一些实施例中，间隙340的厚度可(例如)在120nm与400nm之间变化(例如，近似260nm)。因此，在“打开”状态下，图3B和图3C的光学谐振腔包含气隙连同薄膜堆叠330内的吸收器上的任何透明层。
在某些布置中，IMOD 300可通过在薄膜堆叠330与反射膜303之间施加电压差而从“打开”状态切换到“关闭”状态，如图3F所说明。在“关闭”状态下，吸收器上的位于薄膜堆叠330与反射膜303之间的光学腔由(例如)上覆于薄膜堆叠330中的吸收器的电介质层界定，且通常经配置以反射“黑色”或最小可见反射，但还可经配置以在关闭状态下反射宽带带白色。气隙的厚度通常可在近似0nm与近似2000nm之间(例如，在一些实施例中，在“打开”状态与“关闭”状态之间)变化。
在“打开”状态下，入射光的一个或一个以上频率在衬底320的表面上相长地干涉。因此，入射光的一些频率未被大体上吸收于IMOD 300内，而是改为从IMOD 300反射。被反射出IMOD 300的频率在IMOD 300外部相长地干涉。由观看衬底320的表面的观看者所观测到的显示色彩将对应于那些大体上被反射出IMOD 300且大体上未由IMOD300的各种层吸收的频率。可通过改变光学腔(其包括气隙340)的厚度来改变相长地干涉且大体上未被吸收的频率，借此改变光学谐振腔的厚度。尽管在静电MEMS方面进行描述，但所属领域的技术人员应了解，可通过其它方式(例如，通过压力、温度或通过压电效应)而将反射膜303从“打开”状态移动或切换到“关闭”状态。
图4A展示典型的光伏(PV)电池400。典型的光伏电池可将光能转化为电能或电流。PV电池为具有较小碳占据面积且对环境具有更小影响的可再生能源的实例。使用PV电池可减少能量产生成本。PV电池可具有许多不同大小和形状(例如，从小于邮票到跨越若干英时)。若干PV电池可常常连接在一起以形成可高达若干英尺长且数英尺宽的PV电池模块。模块又可组合和连接以形成具有不同大小和功率输出的PV阵列。
阵列的大小可取决于若干因素，例如，可用于特定位置中的太阳光的量和消费者的需要。阵列的模块可包括电连接件、安装硬件、功率调节设备，和储存太阳能以在非晴天时使用的电池组。PV装置可为具有其附带电连接件和外围装置的单个电池、PV模块、PV阵列或太阳能电池板。PV装置还可包括功能上无关的电气组件(例如，由PV电池供电的装置)。
参看图4A，典型PV电池包含安置于两个电极402、403之间的PV活性区域401。在一些实施例中，PV电池包含其上形成层堆叠的衬底。PV电池的PV活性层可包含半导体材料(例如，硅)。在一些实施例中，活性区域可包含通过使n型半导体材料401a与p型半导体材料401b接触(如图4A所示)而形成的p-n结。此p-n结可具有类二极管特性且因此还可被称作光伏二极管结构。
PV活性材料401夹在提供电流路径的两个电极之间。背部电极402可由铝、银或钼或某一其它导电材料形成。背部电极可为粗糙的且未经抛光。前部电极403可经设计以覆盖p-n结的前表面的显著部分，以便降低接触电阻且增加收集效率。在前部电极403是由不透明材料形成的实施例中，前部电极403可经配置以在PV活性层的前部上留下开口以允许照明照射在PV活性层上。在一些实施例中，前部电极可包括透明导体，例如，例如氧化锡(SnO2)或氧化铟锡(ITO)等透明导电氧化物(TCO)。TCO可提供电接触和导电性且同时对于传入的光是透明的。在一些实施例中，PV电池还可包含安置于前部电极403上的抗反射(AR)涂层404。AR涂层404可减少从PV活性材料401的前表面反射的光的量。
当照射PV活性材料401的前表面时，光子将能量转移到活性区域中的电子。如果由光子转移的能量大于半导电材料的带隙，则电子可具有充足能量以进入导带。通过形成p-n结而产生内电场。内电场对被激励的电子操作以导致这些电子移动，借此在外部电路405中产生电流。所得电流可用以对各种电装置(例如，如图4A所示的电灯泡406)供电。
PV活性层可由多种光吸收光伏材料中的任一者形成，例如，结晶硅(c-硅)、非晶硅(α-硅)、碲化镉(CdTe)、二硒化铜铟(CIS)、二硒化铜铟镓(CIGS)、光吸收染料和聚合物、通过光吸收纳米粒子而分散的聚合物、III-V族半导体(例如，GaAs)，等等。还可使用其它材料。本文中将光吸收材料(其中光子被吸收且将能量转移到电载流子(空穴和电子))称作PV电池的PV活性层或材料，且此术语意欲涵盖多个活性子层。可依据PV电池的所要性能和应用而选择用于PV活性层的材料。
在一些布置中，可通过使用薄膜技术来形成PV电池。举例来说，在一实施例中，在光能穿过透明衬底的情况下，可通过将第一或前部电极TCO层沉积于衬底上来形成PV电池。可将PV活性材料沉积于第一电极层上。可将第二电极层沉积于PV活性材料层上。可使用沉积技术(例如，物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、电化学气相沉积技术，等等)来沉积层。薄膜PV电池可包含非晶或多晶材料(例如，薄膜硅、CIS、CdTe或CIGS)。其中，薄膜PV电池的一些优势尤其为较小的装置占据面积和制造工艺的可缩放性。
图4B为示意性地说明典型薄膜PV电池410的框图。典型的PV电池410包括光可穿过的玻璃衬底411。第一电极层412、PV活性层401(展示为包含非晶硅)和第二电极层413安置于玻璃衬底411上。第一电极层412可包括透明导电材料(例如，ITO)。如所说明，第一电极层412和第二电极层413将薄膜PV活性层401夹在其间。所说明的PV活性层401包含非晶硅层。如此项技术中已知，充当PV材料的非晶硅可包含一个或一个以上二极管结。此外，非晶硅PV层可包含p-i-n结，其中本征硅层401c夹在p掺杂层401b与n掺杂层401a之间。p-i-n结可具有高于p-n结的效率。在一些其它实施例中，PV电池可包含多个结。
图4C描绘干涉增强型PV堆叠或电池420的实例。干涉增强型PV电池420包括PV活性材料或层401。PV活性层401可包含形成于衬底421上的薄膜光伏材料。安置于PV活性层401下方的光学谐振腔422和反射器423经配置而以干涉的方式增强PV活性层401中的电场的强度，从而导致具有改进效率的干涉增强型PV电池420。PV活性层401可在一些区域中覆盖有不透明电极(未图示)以促进电子和/或空穴传导出PV活性层401。PV活性层401还可覆盖有透明导电氧化物(TCO)层424或TCO层与电极两者。类似地，光学谐振腔422可包含TCO层，TCO层既充当光学谐振腔422的一部分，以及还充当用于使空穴和/或电子传导出PV活性层401的导电层。PV活性层401可包含薄膜光伏材料，例如，非晶硅、CIGS或其它薄半导体膜光伏材料。反射器423和光学谐振腔422的光学特性(尺寸和材料特性)经选择以使得来自分层PV装置420的界面的反射相干地合计以在光伏电池的PV活性层401中产生具有合适的波长分布和相位的增加场，其中光能被转化为电能。这些干涉增强型光伏装置增加干涉光伏电池的活性区域中的光能的吸收且借此增加装置的效率。在关于此实施例的变化中，可采用多个光学谐振腔来单独地调谐不同光波长且最大化PV活性层中的吸收。内埋式光学谐振腔和/或层可包含透明导电或电介质材料、气隙或其组合。
图4D和图4E说明PV装置430。如所说明，PV装置430包含形成于半导体晶片(例如，硅晶片)上的前部电极431、432。然而，如将从以下描述了解，其它PV装置可包含薄膜光伏材料。包括薄膜或晶片型PV材料的PV装置可以干涉的方式增强(见图4C和附带描述)。如图4D和图4E所说明，许多PV装置在装置的前侧或光入射侧上以及在PV装置430的背侧上采用镜面或反射导体。前侧或光入射侧上的导体可包含总线电极431或栅线电极432。当光能由PV活性材料401吸收时，产生电子-空穴对。这些电子和空穴可通过移到前部电极431、432或背部电极433中的一者或另一者而产生电流，如图4E所示。前部导体或电极431、432经图案化以既减少电子或空穴必须行进以到达电极的路径的电阻，同时还允许足够光穿过到达PV活性层401。前部电极431、432的图案可包括窗434以允许入射光透射到PV活性材料401。尽管将PV装置430说明为具有经图案化的前部导体或电极431、432和未经图案化的背部电极433，但所属领域的技术人员将理解，还可以不同方式来图案化背部导体或电极。前部电极431、432和背部电极433可包含反射金属导电材料。在一些实施例中，前部电极431、432和背部电极433可包括透明导电材料(例如，ITO)，或包括透明导电材料与反射性导电材料两者。
传统上，PV电池的外观由包含电极的材料和PV电池的PV活性材料规定。然而，随着PV电池的使用变得更普遍存在且出现对PV电池的新应用，设计和制造染色型PV电池可变得重要。这些染色型电池可增加视觉要求且添加美学价值。举例来说，存在众多对设计和制造建筑物集成式PV应用(BIPV)的关注。图案化或毯覆PV装置上的色彩的能力可帮助接受部署于建筑物屋顶和正面、广告牌、汽车、电子设备、服装、鞋子和暴露于光的许多其它位置上的PV电池。不仅干涉堆叠(例如，IMOD(吸收器-腔-反射器堆叠)和二向色对堆叠)提供产生持久的抗褪色色彩的能力，而且其具有产生所要强度和吸引人色彩的同时仍准许设计选择穿过干涉堆叠的光透射程度的额外优势。
用以将色彩并入PV电池中的替代性方法是添加具有适当色彩的染料或颜料或将染色材料添加于PV堆叠中。然而，由此着色而引起的较高的光吸收降低PV电池的效率。此外，色彩具有在比PV装置的使用寿命短的时间中褪色的趋势(尤其因为装置常打算持续地暴露到太阳光)。
因此，下文的实施例描述通过将干涉堆叠(例如，IMOD或二向色对)与PV电池或装置合并或集成来将PV电池“染色”。在PV装置上使用干涉堆叠可允许具有从干涉堆叠反射的色彩的外观，因此向PV电池或装置赋予“色彩”。由于可通过使用具有适当厚度和材料(折射率)的光学谐振腔以及通过针对吸收器和反射器而选择且使用适当厚度和材料来选择来自IMOD的反射的色彩，所以与PV电池或装置合并的IMOD可经配置以反射如任何特定应用所要的色彩。有利的是，干涉色彩反射效应由光学谐振腔的厚度和材料以及反射器材料与吸收器材料的厚度与材料支配。因此，色彩效应与普通染料或涂料相比不易随时间的过去而褪色。类似地，二向色光学薄膜对可经配置以增强所要色彩的反射且具有实际上无吸收的附加益处，从而允许所要反射色彩和强度的最大透射，以换取形成许多层的费用。
图5说明PV装置的实施例，PV装置并有干涉薄膜501堆叠以反射色彩。PV装置500包含光伏(PV)活性材料401。在所说明的实施例中，干涉堆叠501覆盖光伏活性材料401的前侧。在各种实施例中，干涉堆叠501可包含不同干涉结构，例如，IMOD(吸收器-腔-反射器堆叠)或二向色对堆叠，如从下文图6A到图6E的描述将清楚。所说明的前侧干涉堆叠501具有透射反射性(即，同时具有透射性和反射性)且可经配置以反射足够光以便赋予色彩，但仍透射充分的光以便产生电。在二向色对实施例中，任何未被反射的光均被透射。在吸收器-腔-反射器堆叠中，可将反射器形成得充分薄，以便成为具有到PV活性材料401的充足透射的部分反射器。可将入射到干涉堆叠501上的光射线502表征为具有表达存在于光射线502中的各种波长分量的光谱分布502a。如所说明，光射线502包含可见范围内的较广波长谱(从400到750nm)且可因此表示从环境白光源(例如，太阳或人造照明)入射的光。入射到PV装置500上的射线502通过干涉堆叠501而被部分地反射(如由射线503指示)，且部分以射线504和505透射。干涉堆叠501经配置而以干涉的方式增强可见波长范围内的一个或一个以上波长谱的反射。因此，还可将经反射射线503表征为具有光谱分布503a。光谱分布可包含一个或一个以上波长谱或范围，使得反射射线503与可见范围内的其它光波长相比具有一个或一个以上光波长的相对较高强度。由于反射射线503中的一个或一个以上波长的选择性增强，从光入射侧观看PV装置500的观看者将察觉到到干涉堆叠501且因此到PV装置500的相干色彩。
如上文参看图4E所述，PV电池或装置的一些实施例包括前部或背部电极以及经图案化以允许光透射到光伏活性材料的窗434。如图5所示，入射于窗区域434内的光射线502可沿射线504和505透射穿过干涉堆叠501。干涉堆叠可经配置以既增强光的某一部分的反射以便赋予彩色外观，同时还仍透射入射光502的实质部分(如由透射射线505表示)。
常规上，使来自PV装置的前侧的反射最小化被认为是有利的。因此，如图4A所示，PV装置400可包含位于PV活性材料401前部的抗反射涂层404。与此典型努力相反，并入有干涉堆叠以便反射特定色彩的PV电池故意增强一些波长的光的反射，借此降低效率。然而，在以下PV电池的效率与美学要求之间存在折衷：所述PV电池在各种应用(例如，建筑物、招牌或广告牌)中反射与周围环境匹配的色彩。在一些实施例中，被反射出干涉堆叠501(包括位于暴露PV活性材料401的窗434的前侧上的部分)的可见光的反射率大于10％。在其它实施例中，相对于可见入射光，其大于15％。在这些实施例中，除了归因于干涉堆叠501中的吸收的任何损失以外，还损失掉至少10％或15％的入射可见光。然而，此可由于具有干涉堆叠501的PV装置500的美学优势而为可接受的，且随之的更普遍接受可导致对太阳能的全面更大的俘获。有利的是，二向色对堆叠具有低吸收且因此对于PV转化来说可更有效。因此，在需要高峰值反射比(例如，峰值处的80％或更大)的应用中，二向色对可为优选的，因为其可具有较低吸收损失。然而，二向色对堆叠可更昂贵，因为其可包含比最少仅需要一吸收器和光学谐振腔的IMOD多的层。
在本发明的各种实施例中，以射线503反射的光可依据干涉堆叠501内的光学薄膜或光学干涉腔以及吸收器与反射器层的光学特性而具有各种特征。因此，射线503可具有不同于入射光502a的光谱分布的光谱分布503a。被反射出干涉堆叠的光的光谱分布503a在可见波长范围内不平坦。即，在一些实施例中，光谱分布503a包含一个或一个以上峰值，其对应于一个或一个以上峰值波长，反射比在一个或一个以上峰值波长下高于其它波长。峰值对照其它可见波长的降低反射率的背景而导致特定染色外观。在一些实施例中，峰值波长下的反射率或反射比可比整体可见反射率高得多。在这些实施例中，峰值反射比可高达20％到95％。分布还将包含在峰值波长附近的波长，在所述波长下，反射比相对较高，但不如峰值波长下的反射比高。峰值下的反射率可因此通过带宽(例如，半峰值带宽)来表征。反射率尖峰的半峰值带宽为等于峰值波长下的反射比的一半的反射比下的带的宽度。在一些实施例中，经反射波长谱中的峰值或尖峰的半峰值带宽等于或小于150nm。特定来说，经反射光分布中的尖峰的半峰值带宽可在50nm与100nm之间。在一些实施例中，经反射光的光谱分布包含单个峰值。在其它实施例中，光谱分布可包含多个尖峰或脉冲，其以多个反射比峰值为中心，每一峰值对应于一峰值波长。
PV活性材料或层401可包含经沉积薄膜，或可由其上的单晶半导体衬底和/或外延层的部分形成。经沉积薄膜PV活性材料可包含(例如)非晶硅薄膜，其近来已得到普及。在其它技术中，可通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学气相沉积或等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)将作为薄膜的非晶硅沉积于较大区域上。如由所属领域的技术人员已知，包含非晶硅层的PV活性材料可包括具有n掺杂和/或p掺杂硅的一个或一个以上结，且可进一步包含p-i-n结。PV活性材料401可包含其它适当材料，包括锗(Ge)、Ge合金，和如硒化铜铟镓(CIGS)、碲化镉(CdTe)的合金，以及III-V半导体材料或串联多结光伏材料和膜。III-V半导体材料包括例如砷化镓(GaAs)、氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、砷化硼(BAs)等材料。还可使用如氮化铟镓的半导体合金。其它光伏材料和装置也是可能的。形成这些材料的方法是所属领域的技术人员已知的。作为一说明性实例，可通过基于真空的工艺来形成如CIGS的合金，其中将铜、镓和铟共蒸镀或共溅镀，接着使用硒化物蒸气进行退火以形成CIGS结构。基于非真空的替代性工艺也是所属领域的技术人员已知的。
图6A描绘具有光伏活性材料的PV装置600，光伏活性材料在PV装置600的前侧上覆盖有干涉堆叠501。在所说明的实施例中，干涉堆叠501包含干涉调制器(IMOD)300，IMOD 300包括吸收器301、光学谐振腔302和反射器303。在所说明的实施例中，为了最大化穿过IMOD 300到PV材料或PV活性层401的透射，反射器303包含部分反射器。在其它实施例中，IMOD 300可仅包含吸收器301和光学谐振腔302(见图6B)。在这些实施例中，反射器功能可在一些区域中由前部导体431、432提供且在打开或窗区域434中由PV活性材料层401和/或与其一起堆叠的层(例如，TCO层)提供，以代替部分反射器303。在一些此些实施例中，可认为PV活性层401或层堆叠是用于IMOD300的“复合”部分反射器。
在一些实施例中，可将用于彩色PV装置600的IMOD 300形成于预制造的PV电池或PV装置上。在此实施例中，PV电池可能已具有所沉积的电极，且可通常包含PV活性层401和沉积于PV活性层401上的一个或一个以上层以及前部导体431、432。在图6A的实施例中，上覆层601可包含如透明导电氧化物(TCO)(例如，ITO)的透明导体。TCO层常常与光伏材料(特定来说，薄膜光伏材料)一起使用，以便改进到PV活性层401的电极接触而不阻挡窗区域434中的光。功能上，TCO形成前部电极431的一部分，从而完成用于载运由PV活性材料401产生的电流的电路，但常规上，将上覆于TCO且将PV电池连接到更宽电路的更多导电金属导体称作前部电极。如所属领域的技术人员已知，常见TCO为氧化铟锡(ITO)。形成或沉积ITO的方法在此项技术中是众所周知的且包括电子束蒸镀、物理气相沉积或溅镀沉积技术。还可使用其它TCO材料和制造工艺。在其它实施例中可省略TCO层。上覆层601可包含多个层且可任选地还包含经设计以提供合适的光学、电和/或机械目的的其它材料(例如，钝化或抗反射涂层)。或者，可将IMOD 300形成为彩色PV装置600的制造中的单个工艺的一部分。在任一情况下，可在已形成光伏活性层401和前部电极431、432之后将IMOD 300形成于所述光伏活性层上。
因此可接着通过沉积或形成部分反射层以形成反射器303来形成PV装置600中的IMOD 300。反射器303可由镜面或反射金属(例如，铝(Al)、钼(Mo)、锌(Zr)、钨(W)、铁(Fe)、金(Au)、银(Ag)和铬(Cr)或前述的合金(例如，MoCr))形成。对于图6A的前侧IMOD 300来说，反射器303为部分反射器，其经设计以反射足够光以允许足够干涉效应而产生从干涉堆叠反射的所要色彩，同时还允许相当多的光透射到PV活性材料401。在这些实施例中，部分反射器可薄达20且厚达约300如所属领域的技术人员已知，用于由金属形成非常薄的部分反射层的方法包括物理气相沉积。其它用于形成部分反射器303的技术为可能的。在一些实施例中，部分反射器303可为非金属。
再次参看图6A，接着将光学谐振腔302沉积形成于部分反射器303上。一个实施例的光学谐振腔302由SiO2或其它透明电介质材料层形成。在一个实施例中，光学谐振腔302可部分地或完全地由气隙形成(见图6D)。在此实施例中，气隙光学谐振腔302的合适厚度可在42nm与700nm之间而以干涉的方式产生在可见波长范围内的色彩范围。对于除了空气以外具有等于no的折射率(n)的材料来说，光学谐振腔302可具有在(42/no)nm与(700/no)nm之间的间隙。因此，SiO2(n＝1.5或类似折射率)光学谐振腔302的合适厚度可在约30nm与500nm之间以产生在可见范围内的强烈的干涉色彩。尽管还可以更大的光学深度来获得干涉效应，但所属领域的技术人员将了解，在光学距离对应于多种波长的倍数时，色彩随着更大深度而开始褪色。因此，可通过光学谐振腔(其在从10nm到3000nm(空气)之间的任何范围内)来获得干涉效应。沉积或形成SiO2的方法在此项技术中是已知的，其包括CVD以及其它方法。其它合适的用于形成光学谐振腔302的透明材料包括ITO、Si3N4和Cr2O3。在光学谐振腔中使用透明导体可避免单独TCO以改进跨越窗区域434的前部电极接触。
在其它实施例中，IMOD 300可经配置以反射红外线(IR)或紫外线(UV)范围内的光。在这些实施例中，光学谐振腔302可等于所关注波长(λo)的二分之一。因此，例如，对于1200nm的IR波长来说，光学谐振腔302的高度或厚度等于约600nm(对于空气填充型光学谐振腔302来说)，或等于[λo/(2*no)](对于如上文所解释的不同折射率(no)材料来说)。
再次参看图6A，将吸收器301形成于光学谐振腔302上。吸收器301可包含(例如)金属或半导体层的半透明厚度。吸收器层还可包含具有非零n*k(即，折射率(n)与消光系数(k)的非零乘积)的材料。具体来说，铬(Cr)、钼(Mo)、钛(Ti)、硅(Si)、钽(Ta)和钨(W)均形成合适的层。在一个实施例中，吸收器301的厚度在20与300之间。
图6B描绘干涉堆叠501的实施例，干涉堆叠501由不具有部分反射器303的IMOD300形成。在此实施例中，PV活性层401以及下方的任何层(未图示)或上方的任何层(例如，上覆层601)可一起充当复合部分反射器。在此些实施例中，此部分复合反射器提供图6A中的部分反射器303的功能。具体来说，堆叠(包括PV活性材料401)可充当复合反射器。在其它实施例中，PV活性层401可包含干涉增强型PV堆叠(如参看图4C所描述)。在此实施例中，干涉增强型PV堆叠中的个别层可经配置以使得堆叠对于IMOD 300来说充分地反射可见光以产生所要色彩效应。
图6C描绘具有光伏活性材料401的PV装置620，光伏活性材料401覆盖有干涉堆叠501，其中干涉堆叠501由二向色对堆叠621形成。二向色对621与光伏材料、电池或装置的集成的一个优势在于：二向色对可包含具有很少或不具有吸收的材料。这意味着：通过二向色对，大多数光被反射以产生经反射色彩或被透射到光伏活性材料以产生电。如所说明，二向色对堆叠621包含三个二向色对621a、621b和621c。然而，二向色对堆叠621可包含少到仅一个二向色对，且多达50个或50个以上二向色对。如上文参看图2A和图2B所论述，单个二向色对包含两个具有不同折射率的光学薄膜。更具体来说，一个光学薄膜的折射率高于所述对中的另一光学薄膜的折射率。二向色对可包含一对光学膜，例如，硫化锌(n＝2.3)与氟化镁(n＝1.35)，或二氧化钛(n＝2.4)与氟化镁(n＝1.35)。二向色对还可包含其它电介质材料，例如，二氧化硅(SiO2，n＝1.5)、氧化铬(III)(Cr3O2，n＝2.7)或氮化硅(Si3N4，n＝1.8)。TCO(例如，氧化铟锡(ITO，n＝1.7)或氧化锌(ZnO2，n＝2.0))还可充当二向色对中的光学薄膜。其它光学透明材料也是可能的。如所属领域的技术人员将知道，任何特定膜的精确折射率将根据材料的特性和沉积技术的特征而变化。因此，上述材料的薄膜的折射率实际上可与上文所述的值不同。在需要导电二向色堆叠的情形中，二向色对可包含导电透明膜。
如所属领域的技术人员已知，可使用例如化学气相沉积等技术以及此项技术中已知的其它技术来合适地形成二向色对621a、621b、621c。在一个实施例中，干涉堆叠内的每一层的厚度对于入射光的一波长分量来说可等于媒介内的所关注波长的四分之一。在其它实施例中，每一层的厚度可等于将由从二向色堆叠621反射的波长的二分之一。如所属领域的技术人员将清楚，这些厚度的倍数也是可能的，但非常厚的层将削弱或弱化来自二向色堆叠621的峰值反射色彩的强度和/或引入辅助峰值以更改色彩。其它厚度也是可能的，以最大化任何特定波长下的特定干涉效应(例如，相长干涉对相消干涉)。形成任何单个二向色对的光学薄膜可具有相等光学路径长度，或其可具有不同光学路径长度。如先前所述，所属领域的技术人员将了解，即使具有相等光学路径长度，形成二向色对的光学薄膜的物理厚度仍将不同，因为两个光学薄膜的折射率不同。
一般来说，在可见范围内，形成二向色对的光学薄膜的厚度可依据所寻求的特定波长下的特定干涉效应而在从约30nm厚到约300nm的范围内。对于红外线或紫外线范围内的反射来说，光学谐振腔的厚度可等于所关注波长除以光学膜的折射率(no)的4倍[＝λ/(4*no)]。
在各种实施例中，二向色堆叠621可包含单个二向色对。在其它实施例中，使用2个与50个之间的二向色对。如所属领域的技术人员已知，包含30或30个以上二向色对的堆叠是常见的。有利的是，包含二向色对的干涉堆叠501通常吸收得非常少，从而允许在经反射色彩外观与PV装置的光转化效率之间的直接折衷，而无干涉堆叠501中的额外吸收率损失。此些媒介的使用允许大量二向色对，此改进配置干涉堆叠501以实现所要反射特征(例如，特定波长下的反射比)的能力。此与IMOD(其中，通常，某些光波长将通常被吸收，且因此损失一些光能)形成对比。然而，IMOD的色彩特征在某些应用(特定来说，其中需要来自少数层的相对丰富的色彩)中可使其成为优于二向色对干涉堆叠的优选选择。二向色对干涉堆叠的色彩特征在其它应用中可为优选的(特定来说，在PV活性层的前部上，其中需要高效率和因此低损失)。
图6D描绘具有干涉堆叠501的彩色PV装置630，干涉堆叠501由其中光学谐振腔302包括气隙的IMOD 300形成。在此实施例中，光学谐振腔302包含由支撑吸收器层301的支撑件311形成的气隙。如在其它实施例中，光学谐振腔302可在窗区域434中具有高度631a，高度631a与腔在电极431、432上的高度631b相同或不同。因此，支撑件311可在需要时具有变化的高度。支撑件311可呈支柱、柱、横杆、铆钉等形式。气隙光学谐振腔302的合适厚度可在30nm与500nm之间而以干涉的方式产生在可见波长范围内的色彩范围。在光学谐振腔302包含气隙的一些布置中，可通过跨越吸收器301和部分反射器303而施加电压以进行静电操作或通过其它手段(例如，通过将压力施加于吸收器301上或施加温度)而使吸收器301变形或移动。
图6E描绘本发明的一实施例。图6E的PV装置640包含干涉堆叠501，干涉堆叠501可为IMOD或二向色堆叠，其中干涉堆叠501形成于光伏(PV)活性层401上。所说明的实施例进一步包含位于干涉堆叠501上的额外层641。额外层641可包含漫射体、钝化层、硬涂层和/或抗反射(AR)涂层。漫射体可帮助使从干涉堆叠501反射的色彩或图像更具美学愉悦性或可帮助混合像素以形成更好的图像。钝化层可帮助保护干涉堆叠501内的结构或在电气上和/或在机械上保护PV活性层401。额外层641可包含多个层，包括透明衬底以形成干涉堆叠层压件(见下文图9A到图9C的论述)。抗反射涂层可帮助减少非所要的反射。
所属领域的技术人员将容易了解，常常使用条带或贴片来电连接PV装置或电池以形成阵列以将多个PV装置或电池的前部导体431、432或背部导体433彼此连接(见图9C和附带论述)。在此情况下，图6A到图6E所描绘的干涉堆叠501和/或形成于干涉堆叠501上的额外层641(例如，钝化、AR，等等)可经图案化以产生开口以允许在需要时将导电条带焊接到前部电极431、432或背部电极433上。或者，可将包含干涉堆叠501的材料选择为具有导电性(例如，薄膜金属或TCO)以允许直接将导电条带焊接到干涉堆叠上。在其它实施例中，可将干涉堆叠层压到PV装置、电池或阵列的表面上(见关于图9A到图9C的论述)。在此些实施例中，可在焊接导电条带之后进行层压，此可改进被固定的PV装置或电池之间的电连接性。
图7展示彩色PV装置700的实施例，彩色PV装置700具有：干涉堆叠501a，其形成于前部导体431、432两者上；以及干涉堆叠501b，其形成于背部电极433上。如所说明，PV装置700在前表面以及背表面两者上具有经图案化电极。在其它实施例中，背部电极433可未经图案化且可完全不透明。如所说明，干涉堆叠501a、501b可归因于平坦化层701而不为波状。平坦化层701可由任何合适的材料形成(优选为光透射材料)，以允许入射光702和703到达光伏活性材料403，但还可使用部分透射材料。平坦化方法是所属领域的技术人员已知的。
在图7中，入射射线702、703被至少部分地反射(如由射线704、705所指示)且沿射线706部分透射。透射射线706可到达PV材料401且因此产生电。背部电极433通常为不透明的。在此些实施例中，射线703可被完全或几乎完全以射线705反射。如上文关于图5所论述，干涉堆叠501a、501b可经配置以使得从干涉堆叠501a、501b反射的射线704、705包含可见波长范围内的一个或一个以上峰值的增强反射。因此，PV装置700可在装置的前侧与背侧两者上显示色彩。从前部和背部反射的所选色彩可不同。将了解，在其它实施例中，仅背侧可具备干涉堆叠501b。干涉堆叠501a、501b可包含二向色对堆叠或吸收器-腔-反射器(IMOD)堆叠。在干涉堆叠501a、501b包含IMOD的实施例中，反射器可为部分反射器且因此是部分透射的，以允许光从前侧或背侧到达PV材料401。具体来说，在背部电极433经图案化的实施例中，光可在背部电极433图案中的间隙中透射穿过部分反射器且到达PV材料401。
如上文关于图5到图7所论述，彩色PV装置可包含经安置以便覆盖光伏活性层的干涉堆叠501。干涉堆叠501显示取决于干涉堆叠的配置的色彩。在一些实施例中，此色彩在PV装置上为均一的。在其它实施例中，经反射干涉色彩可在PV装置上或在PV装置阵列上变化。在此些实施例中，PV装置或电池或者PV装置或电池的阵列可配置上覆的干涉堆叠以形成图像(例如，用于显示器、招牌或广告牌)。具有非均一色彩的彩色PV装置的其它应用可包括建筑上的建筑物应用、广告牌，或需要向PV装置或电池赋予非均一色彩的任何应用。有利的是，彩色PV装置或电池可取代常规招牌、汽车表面，甚至服装和鞋子，且赋予美学色彩，同时从环境光得到电能。
图8A描绘在不同区域中具有不同经反射色彩的PV装置的实施例，PV装置经配置以显示特定图像、形状、信息或符号(如在显示器、招牌或广告牌中)。在图8A中，静态显示器800含有多个具有均一色彩的区域801a-801g。举例来说，背景(沿截面8B的区域801a、801c、801e和801g)可为黄色、红色、绿色或者白色或黑色。字母“ABC”(截面8B中的区域801b、801d、801f)可更暗。举例来说，字母“ABC”可为蓝色。
图8B展示PV显示装置800的横截面。如图8B所示，入射于干涉堆叠501上的光射线811和812被部分地反射(如由射线813、814指示)，且沿射线815和816部分透射。在所说明的横截面中，干涉堆叠501包含IMOD 300，IMOD 300具有吸收器301、光学谐振腔和部分反射器303。如图8B所示，光学谐振腔302的高度或厚度不均一。光学谐振腔302经图案化以使得IMOD 300包含多个具有不同谐振腔高度(对应于不同经反射色彩)的区域801a-801g。如所说明，静态显示器800包含光学谐振腔302，光学谐振腔302具有两个对应于两种不同色彩的光学腔高度。然而，显示器800可包含两个以上高度且因此包含两种以上经反射干涉显示色彩。如图8B所示，区域801a、801c、801e和801g具有相对较大的光学谐振腔高度817a。另一方面，区域805b、805d和805f具有较小的光学谐振腔高度817b。这些不同高度经配置以产生经反射射线813、814的不同峰值(在不同峰值波长下)的反射。以此方式，显示器的一个区域将展示一种色彩，且另一区域将展示不同色彩。在区域中的至少一者中，IMOD 300可经配置以反射足够的光以便显示可见色彩，同时还使充足的光透射到PV材料403以产生电。因此，尽管入射射线811和812部分地以射线813和814反射，但充足的光可以射线817和818中的至少一者透射以允许在光伏材料401中产生电流。在图8B中，出于简单性起见而未展示前部电极。如所属领域的技术人员将了解，PV显示装置800将包含可位于部分反射层303与光伏材料401之间的前部电极。类似地，所属领域的技术人员将了解，PV装置800可包含此处未展示的层，例如，位于PV活性层401或干涉堆叠501上的抗反射涂层、漫射体或钝化层。PV装置800还可包含功能上形成部分反射器303与光伏材料401之间的前部电极的一部分的层(未图示)，例如TCO层。而且，PV装置800可包含连续色彩变化的区域，而非均一色彩的相异区域。如所属领域的技术人员将容易了解，可使用IMOD 300通过连续地改变光学谐振腔302、吸收器301或部分反射器303的高度来实现连续色彩变化。
图8C和图8D描绘PV显示装置820的另一实施例。在图8C中，显示于PV显示装置820上的图像或图案经像素化以使得任何图像均由多个像素P1-P15构成。因此，图像或图案包含规则像素阵列，如图8C所示。如所属领域的技术人员将了解，像素化对于将数字图像转移到静态IMOD上来说可为方便的，如图8C所示。图8D为图8C的横截面，其展示经像素化PV显示装置820的实施例。如所说明，干涉堆叠501包含IMOD300，IMOD 300包含吸收器301、静态可变高度光学谐振腔302和部分反射器303，其经图案化以便形成像素。每一像素P1-P15可由均一干涉子堆叠的区域形成，使得一个像素可由离散吸收器、光学谐振腔和部分反射器构成。举例来说，像素P13可由吸收器301、光学谐振腔302a和部分反射器303构成。吸收器301以及光学谐振腔302b、302c类似地分别形成像素阵列中的像素P14和P15。如所说明，光学谐振腔302a、302b、302c可具有不同高度，从而导致不同有色像素。在其它实施例中(例如，在均一色彩的区域中)，若干邻近光学谐振腔可具有大致相等的高度。
在RGB方案中，像素P1-P15可包含红色像素、绿色像素和蓝色像素。更一般来说，规则像素阵列可包含多个红色像素、多个绿色像素和多个蓝色像素。因此，举例来说，光学谐振腔302a可形成红色像素，而光学谐振腔302b可形成绿色像素，且光学谐振腔302c可形成蓝色像素。其它色彩方案也是可能的，例如，尤其为CMY(青色、品红色、黄色)、RYB(红色、黄色、蓝色)和VOG(紫色、橙色、绿色)。如图8D所示，主要改变光学谐振腔302a、302b、302c的高度以改变色彩。然而，吸收器302的厚度和反射器303的厚度连同光学谐振腔的厚度还可随像素而变化。此允许在任何像素中具有任何所需色彩(色调)和色泽(饱和度和明度)的灵活性，因为吸收器302、反射器303或光学谐振腔302中的任一者或全部的高度可在必要时经裁定。
如图8D所示，入射于经像素化IMOD 300中的像素P11、P12上的光射线822a、823a被部分反射(如由射线822b、823b指示)且沿射线822c、823c部分透射。经反射射线822b、823b可含有不同波长分布且因此可依据像素P11和P12的光学谐振层的高度或厚度而反射或显示不同色彩。如上文所提及，为了允许合理的电产生，IMOD 300可经配置以反射足够光以显示色彩，同时允许充足光沿射线822c、823c透射到光伏活性层401。
图8D中的可变高度光学谐振腔302可包含电介质材料，例如，二氧化硅或其它合适的光学透射或透明媒介。光学谐振腔302可包含导体，例如，TCO或其它透明导电材料。此外，在一些实施例中，光学谐振腔302可包含气隙。在此实施例中，支撑件311(见图6D)可帮助形成气隙。
如图8A到图8D所说明，干涉堆叠501包含IMOD 300，IMOD 300包含吸收器301、光学谐振腔302和反射器303。然而，如所属领域的技术人员将清楚，还可使用二向色对来实现类似效应。举例来说，可使用二向色对而使图8A的不同区域801a-801g具有不同色彩，如图2A到图2E和图6C所论述。举例来说，区域801a-801g可具有不同数目的二向色对以在各种区域中产生不同色彩强度。在另一实施例中，可改变在区域801a-801g中包含二向色对的光学膜的光学厚度，以便配置各种区域中的二向色对以反射不同波长峰值或尖峰。然而，所属领域的技术人员将了解，与二向色堆叠相比，通过IMOD构造而更容易且更便宜地产生多色彩图案。
图9A到图9C描绘用于制造彩色PV装置900、920、930的方法，其涉及层压包括干涉堆叠的元件。通常，不管是形成毯覆式或实底色彩(solid color)还是形成经图案化图像，均无需使彩色干涉堆叠与跨越PV装置的横向图案对准。因此，可独立于PV装置而将干涉堆叠制造于(例如)盖板(图9A到图9C)或背板(图9C)上，盖板或背板稍后被层压到PV装置以形成彩色PV装置。或者，可在层压之后将彩色干涉堆叠形成于盖板或背板的外表面上。
图9A描绘借助于透明衬底910来制造干涉堆叠以覆盖光伏活性层401的方法的实施例，其中透明衬底910被层压到PV装置或电池911的表面上。在图9A中，干涉堆叠501包含IMOD 300，IMOD 300包含部分反射器303、光学谐振腔302和吸收器301。可使用类似于上文所描述的技术的技术而将IMOD 300形成于透明衬底910上。透明衬底910可包含玻璃或其它合适的光学衬底(例如，高度透明柔性塑料)。衬底910可具有位于与IMOD 300相对的侧上的粘附层912以允许粘附到PV电池或装置911上。PV电池或装置911可包含前部电极431、432且可进一步包含高度透射光学材料的平坦化层701以相对于前部导体431、432而形成光滑平坦表面以帮助层压。可包括位于IMOD300上的额外膜914，例如，钝化层、硬涂层或AR涂层、漫射体等。如由向下箭头所指示，可接着将层压件913施加到PV电池或装置911以形成彩色PV装置900。
图9B说明制造彩色PV电池或装置920的实施例，其中光学衬底910面向远离PV装置911。在图10B中，彩色干涉堆叠501包含使用先前所论述的技术和材料而形成于衬底910的一侧上的二向色对621。另外，在一些实施例中，可将粘附层912形成于二向色对621上以允许粘附到PV装置或电池911。可将额外层(未图示)形成于二向色对621与粘附层912之间。如图9B所说明(其中干涉堆叠501包含单个二向色对621)，从上文的图6C的论述将理解，彩色干涉堆叠501通常包含多个二向色对。
出于说明的目的，图9A展示由位于衬底901的前侧上的IMOD 300形成的干涉堆叠501，而图9B展示由位于衬底910的背侧上的二向色对621形成的干涉堆叠501。所属领域的技术人员将容易了解，可颠倒任一类型的彩色干涉堆叠501的位置。
如图9A和图9B所说明，将干涉堆叠501层压到PV装置911的前侧上。然而，如所属领域的技术人员将清楚，在一些实施例中，可将层压件913层压到背侧上(例如，在电极433上)。在此些实施例中，背部电极433可完全不透明。在其它此些实施例中，背部电极433可具有部分透射性。在另外其它此些实施例中，背部电极433可经图案化以包含窗以允许光透射穿过或到达PV活性层401。
图9C描绘PV装置430(见图4D)的阵列930(例如，太阳能电池板)。PV装置430可包含PV电池或晶片。在阵列930中，多个PV装置430在前薄片或盖板935与背薄片或背板940之间结合在一起。盖板935可为玻璃或任何其它光学透明的结合薄片。可使用条带或贴片或其它电连接件将多个PV装置430彼此电连接，使得PV装置430可被固定在一起以形成单个电阵列930或面板。尽管图6A到图6E中关于向PV电池或装置赋予色彩的论述集中于向单个电池或装置赋予色彩，但还可使用干涉堆叠以通过沉积或层压(见图9A和图9B)IMOD(吸收器-腔-反射器)膜或光学薄膜二向色对而将色彩赋予到整个阵列或太阳能电池板(例如，阵列930)上。具体来说，可将干涉堆叠沉积或层压到表面上或沉积或层压于盖板935的上部界面942或下部界面944处以在前侧上产生色彩反射。或者，为了形成在背侧上反射色彩的彩色PV阵列930，可在背板940的上部(内)界面946或下部(外)界面948处沉积或层压干涉堆叠。在干涉堆叠包含IMOD(吸收器-腔-反射器)堆叠的实施例中，反射器可为部分反射器以允许充足光透射到PV电池430。因此，光可透射穿过图9C中描绘的整个堆叠以允许光透射到PV阵列930在形成于PV电池430之间的间隙之间的另一侧。此透射在许多应用中(例如，在窗或其它建筑上的应用中)可为所需的。如关于图8A到图8D所论述，施加于整个阵列930上的干涉堆叠可为毯覆式的(均一色彩)，或可经图案化以形成具有不同色彩或像素的各种区域以形成图像、可在前侧或背侧上具有透射反射性且在一些布置中在背侧上可为不透明的。
尽管前述详细描述揭示本发明的若干实施例，但应理解，此揭示内容仅为说明性的且不限制本发明。应了解，所揭示的特定配置和操作可不同于上文所描述的配置和操作，且本文中所描述的方法可用于除了制造半导体装置以外的内容中。所属领域的技术人员将了解，关于一个实施例所描述的某些特征还可应用于其它实施例。举例来说，已关于光伏电池、装置或阵列的前侧而论述干涉堆叠的各种特征，且此些特征可容易应用于形成于光伏电池、装置或阵列的背侧上的干涉堆叠。举例来说，已关于形成于PV装置的前侧上的IMOD的各种实施例而论述各种反射器特征。此些反射器特征还可应用于形成于PV装置的背侧上的IMOD，包括使用部分反射器或省略反射器，同时针对IMOD的一些实施例而将背部电极用作反射器。