DE60312557T2

DE60312557T2 - Ein optisches filter

Info

Publication number: DE60312557T2
Application number: DE60312557T
Authority: DE
Inventors: Denny THALES PLC 2 Dashwood Lang Ro Near Weybridge WERNHAM; John THALES PLC 2 Dashwood Lang Road Near Weybridge RUSSELL; Glenn Morgan THALES PLC 2 Dashwood L Near Weybridge JONES
Original assignee: Thales Holdings UK PLC
Current assignee: Thales Holdings UK PLC
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: EP1573371A1; US20090025783A1; GB0229597D0; JP2006511838A; GB2396436A; WO2004061490A1; DE60312557D1; GB2396436B; EP1573371B1; US8018652B2; ES2283875T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Filter in der Form optischer Beschichtungen, die auf Substrate aufgebracht werden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, optische Filter für Fotovoltaikzellen, insbesondere Solarzellen.
Fotovoltaikzellen wie z.B. Solarzellen verfügen typischerweise über ein bevorzugtes optisches Betriebsspektrum, über das/in dem die Fotovoltaikzelle arbeiten soll. Der Grund dafür kann darin liegen, dass die Auslegung der Zelle bewirkt, dass diese in Bezug auf die optische Strahlung in einem solchen bevorzugten Spektrum relativ effizient arbeitet oder relativ empfindlich für dieses ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass optische Strahlung außerhalb des Betriebsspektrums den Betrieb der Zelle beeinträchtigt.
Beispielsweise sinkt die Effizienz des fotoelektrischen Umwandlungsprozesses vieler Fotovoltaikzellen mit zunehmender Zellentemperatur. Deshalb verwenden viele Solarzellen Filter, die dazu ausgelegt sind, diejenigen Strahlungswellenlängen aus der auf die Zellen fallenden Strahlung zu entfernen, die dazu neigen, die Zelle zu erwärmen.
Typischerweise sind die Filter dazu ausgelegt, einfallende Infrarot-(IR)-Strahlung zu reflektieren. Es können auch andere Filter verwendet werden, die dazu ausgelegt sind, andere Typen optischer Strahlung auszuschließen, wie z.B. Ultraviolett-(UV)-Strahlung, die bestimmte Bauteile der Solarzelle beschädigen kann. Diese anderen Filter können separat von den Filtern des IR-Typs ausgebildet sein. Alternativ kann ein einziges „Bandpass"-Filter verwendet werden, das dazu ausgelegt ist, nicht nur IR-Strahlung, sondern auch UV-Strahlung aus der Strahlung zu entfernen, die auf eine Solarzelle fällt, und gleichzeitig auch die optische Filterstrahlung „passieren" zu lassen, die innerhalb eines Spektralbands liegt, das von der ausgeschlossenen IR- und UV-Strahlung begrenzt wird.
Im Allgemeinen spricht eine Siliziumsolarzelle wirksam auf Strahlung der Wellenlängen zwischen 0,40 μm und 1,10 μm an. Solarenergie außerhalb dieses Bands wird allgemein nicht in Elektrizität umgewandelt, und wärmt die Solarzelle im Fall einer Absorption lediglich auf, wodurch deren Effizienz sinkt. Bestimmte Typen optischer Bandpassfilter weisen eine mehrschichtige Stapelstruktur auf, die auf einem Substrat angeordnet ist, z.B. einem Glassubstrat. Derartige mehrschichtige Bandpassfilter sind dazu ausgelegt, IR-Strahlung (oder Nah-IR-Strahlung) zu reflektieren, die unmittelbar an eine Seite eines Strahlungsspektralbands angrenzt, auf dem die Solarzelle arbeiten soll (z.B. Wellenlängen von 0,40 μm bis 1,1 μm), und dazu, optische Strahlung weiterzuleiten, die innerhalb des Spektralbands liegt, und dazu, UV-Strahlung zu reflektieren, die an die andere Seite des Spektralbands der Solarzelle angrenzt.
Die Bandpass-Weiterleitungsspektren solcher Mehrschichtfilter werden hergestellt, indem die Schichtstapel aus sich wiederholenden Paaren benachbarter Schichten ausgebildet werden, wobei jeweils eine Schicht eines Paares aus einem Material mit einer Brechzahl besteht, die sich von der Brechzahl der anderen Schicht des Paares unterscheidet. Auf diese Weise weist der resultierende mehrschichtige Stapel eine Brechzahl auf, die mit zunehmender Tiefe des mehrschichtigen Stapels periodisch zwischen zwei Werten hin und her wechselt.
Wie Fachleute wissen, ergibt sich die „optische Dicke" einer Schicht durch Multiplizieren der physikalischen Dicke der Schicht mit der Brechzahl des Schichtmaterials für eine bestimmte Wellenlänge optischer Strahlung. Eine Schicht von konstanter physikalischer Dicke weist also eine optische Dicke auf, die von der Wellenlänge der optischen Strahlung abhängig ist, die durch sie hindurch gelangt.
Durch passende Steuerung der physikalischen Dicke jeder der zwei Schichten in dem sich wiederholenden Schichtenpaar, derart, dass jede eine optische Dicke aufweist, die gleich ¼ einer vorbestimmten optischen „Auslegungs"-Wellenlänge ist (z.B. einer IR-Wellenlänge), bewirkt der mehrschichtige Stapel, dass die Reflexion optischer Strahlung nicht nur an der vorbestimmten „Auslegungs"-Wellenlänge (und um diese herum) auftritt, sondern auch an anderen Wellenlängen (und um diese herum), die Frequenzen „höherer Ordnung" entsprechen, welche gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der „Auslegungs"-Frequenz sind. Das Ergebnis ist als „1/4-Wellen"-Stapel oder „Interferenzfilter" bekannt.
Auf diese Weise kann ein Viertelwellenstapel als optisches Filter zum Reflektieren von IR-Strahlung verwendet werden, indem die vorbestimmte Wellenlänge als eine geeignete IR-Wellenlänge ausgewählt wird, derart, dass benachbart zu einem gewünschten Spektralpassband ein Reflexionsband ausgebildet wird. Ein Nachteil solcher Interferenzfilter ist jedoch der, dass die genannten Reflexionsbänder „höherer Ordnung" häufig weit innerhalb des gewünschten Spektralbands liegen. Es ist deshalb wahrscheinlich, dass die Filter auch Strahlung reflektieren, deren Reflexion nicht erwünscht ist.
Es wurden andere Typen optischer Mehrstapel-Interferenzfilter vorgestellt, bei denen der mehrschichtige Stapel aus Materialien besteht, die drei verschiedene Brechzahlen anstelle von nur zwei verschiedenen aufweisen. Ein Beispiel für diese Art optischen Filters ist in US 6 107 564 beschrieben. Indem die drei verschiedenen Schichttypen in geeigneter Weise in einem sich wiederholenden Muster in dem Schichtstapel ange ordnet werden, kann die resultierende Struktur die ersten der störenden Reflexionsbänder „höherer Ordnung" reflektieren, die normalerweise in einfachen ¼-Wellenstapeln auftreten, wie oben erörtert.
Ein gemeinsames Merkmal der einfachen ¼-Wellenstapel mit zwei Brechzahlen und der genannten Stapel mit drei Brechzahlen ist jedoch das Vorhandensein einer Diskontinuität in der Brechzahl zwischen benachbarten Stapelschichten. Diese Diskontinuität tritt aufgrund plötzlicher Veränderungen im Material (und in dessen optischen Eigenschaften) an der Berührungsfläche zwischen benachbarten Stapelschichten auf. Derartige Diskontinuitäten beeinträchtigen die Leistung und Struktur des Filters aus folgenden Gründen.
Die Stärke des mehrschichtigen Stapels hängt in empfindlicher Weise vom Ausmaß der Berührungsflächenhaftung zwischen benachbarten Stapelschichten ab. Da benachbarte Schichten bei den genannten Vorrichtungen des Stands der Technik aus unterschiedlichen Materialien bestehen, kommt es häufig vor, dass die Unterschiede (entweder chemische und/oder physikalische) zwischen diesen benachbarten Schichten die Stärke der Berührungsflächenverbindung senken, was dazu führt, dass die Berührungsfläche die Stelle mit der größten Strukturschwäche im mehrschichtigen Stapel ist.
Ferner ist das Übertragungsspektrum von existierenden Interferenzfiltern wie z.B. den oben beschriebenen in Bereichen zwischen aufeinander folgenden Reflexionsbändern nicht gleichmäßig durchlässig. Das heißt, obwohl die Reflexionsbänder solcher Interferenzfilter im Allgemeinen vor allem auf ein begrenztes Spektralband beschränkt sind, ist dies nicht vollständig der Fall. Stattdessen weisen die so genannten Reflexions-„Bänder" häufig eine starke Welligkeit oder Transienten optischer Nicht-Null-Reflektanz in Spektralbereichen innerhalb des Passbands des Filters auf.
Diese Spreizung/Streuung des Reflexionsbands in das Passband geht hauptsächlich auf die Diskontinuität der Brechzahl zurück, die an der Berührungsfläche aufeinander folgender Schichten in einem Stapel auftritt. Sie beeinträchtigt das Übertragungsspektrum derartiger Filter, da sie die optische Strahlung abschwächt, die an eine darunter liegende Solarzelle weitergeleitet werden soll. Daher wird die Effizienz der Solarzelle reduziert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, wenigstens einige der genannten Mängel des Stands der Technik zu überwinden. Es ist außerdem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine größere Flexibilität der Auslegung zuzulassen, wenn die Struktur eines optischen Filters variiert wird, um seine Leistung zu optimieren.
In einem ersten ihrer Aspekte kann die vorliegende Erfindung deshalb ein optisches Filter mit einem Substrat bereitstellen, das mehrere Schichten aus Materialien aufweist, die darauf gestapelt sind, wobei jede dieser Schichten aus einem oder mehreren der Folgenden ausgebildet ist:
einem ersten Material, das eine erste Brechzahl aufweist; und einem zweiten Material, das eine zweite Brechzahl aufweist, die kleiner ist als die erste Brechzahl;
wobei die mehreren Schichten aus Materialien jeweils eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisen, wobei eine dritte Schicht, die aus dem ersten Material (H) ausgebildet ist, zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht gestapelt ist;
wobei die optische Dicke jeder der ersten und zweiten Schicht größer ist als die optische Dicke der dritten Schicht,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils aus einem inhomogenen Gemisch (M) des ersten Materials (H) und des zweiten Materials (L) ausgebildet sind, dass die optische Dicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht jeweils in ihrer Größe von dem Wert 2Q um weniger als Q/2 abweicht, und die optische Dicke der dritten Schicht in ihrer Größe von dem Wert Q um weniger als Q/2 abweicht, wobei Q die Dicke einer jeweiligen Schicht ist, die durchquert wird von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge optischer Strahlung einer gemeinsamen Referenzwellenlänge, auf der die optischen Dicken bestimmt werden, und dass alle Variationen der Brechzahl (21 oder 25 oder 27; 23 oder 26 oder 28) der ersten und zweiten Schicht diese Brechzahl erhöhen, indem die Tiefe der jeweiligen Schicht von Regionen derselben, die von der dritten Schicht entfernt sind, hin zu Regionen derselben, die nahe an der dritten Schicht angeordnet sind, zunimmt.
Aufgrund der inhomogenen Mischung des ersten und des zweiten Materials variiert beim Ausbilden der ersten und zweiten Schicht die Brechzahl mit der Tiefe der Schichten zwischen Werten, die größer als die zweite Brechzahl und kleiner als die erste Brechzahl sind.
Indem also ein Interferenzfilter (auf einem Substrat) in Form eines mehrschichtigen Stapels ausgebildet wird, der eine sich wiederholende Gruppe von Schichten aufweist, wobei die Gruppe wenigstens eine Schicht mit einer relativ hohen Brechzahl beinhaltet, die zwischen zwei Schichten mit einer variierenden (aber niedrigeren) Brechzahl liegt, kann beispielsweise ein Interferenzfilter bereitgestellt werden, das Welligkeit, Oszillationen oder Transienten optischer Nicht-Null-Reflektanz im Wesentlichen reduziert, die anderenfalls außerhalb des Hauptreflektanzbands und der Reflektanzbänder „höherer Ordnung" des mehrschichtigen Stapels auftreten. Das heißt, das Übertragungsspektrum des resultierenden Mehrstapelfilters neigt dazu, im Wesentlichen in stärker monotoner Weise innerhalb des Passbands/über das Passband des Filters hinweg zu vari ieren, oder, falls nicht monoton, wenigstens mit einer geringeren Amplitude darin zu oszillieren.
Ferner kann die vorliegende Erfindung jede Diskontinuität der Brechzahl und der Zusammensetzung/Struktur des Materials zwischen benachbarten Schichten eines mehrschichtigen Stapels reduzieren oder im Wesentlichen beseitigen. Da also ein Abschnitt einer inhomogenen Schicht, der unmittelbar an eine benachbarte Schicht angrenzt, im Wesentlichen sehr ähnlich wie diese (oder identisch zu dieser) benachbarten Schicht ist, wird die Verbindung dieser zwei fraglichen Schichten an ihrer Berührungsfläche verstärkt, was auch die mehrschichtige Struktur an dieser Berührungsfläche verstärkt.
Man wird also verstehen, dass jede „Schicht" des optischen Filters der vorliegenden Erfindung mit einer bestimmten Auswahl von Anteilen derselben zwei Einsatzmaterialien ausgebildet ist. Der Begriff „Schicht" im hier verwendeten Sinne bezeichnet deshalb Strata unterschiedlicher Materialzusammensetzung, die in einem kontinuierlich ausgebildeten Gegenstand auftreten, wodurch jedes Stratum einer bestimmten Zusammensetzung/bestimmen Zusammensetzungen im Material entspricht, das den kontinuierlichen Gegenstand bildet, anstatt lediglich der Kollokation oder Verbindung unabhängiger Schichten zu entsprechen.
Wie Fachleute wissen werden, ergibt sich die „optische Dicke" einer Materialschicht durch das Multiplizieren der physikalischen Dicke der Schicht mit der Brechzahl dieser Schicht. Bei Schichten mit variierender Brechzahl ergibt sich die optische Dicke durch Integration der tiefenabhängigen Brechzahl für die Tiefe der fraglichen Schicht.
Vorzugsweise weichen die optische Dicke der ersten Schicht und diejenige der zweiten Schicht in ihrem Ausmaß jeweils um weniger als Q/2 von einem Wert 2Q ab, und die optische Dicke der dritten Schicht weicht in ihrem Ausmaß um weniger als Q/2 von dem Wert Q ab, wobei Q die optische Dicke einer jeweiligen Schicht ist, durch die im Wesentlichen ¼ einer Wellenlänge optischer Strahlung einer gemeinsamen Referenzwellenlänge gelangt, auf der die optischen Dicken bestimmt werden.
Es wurde festgestellt, dass, ausgehend von einer Grundauslegungsvorlage, bei der die optische Dicke der ersten, dritten und zweiten Schicht eines Stapels jeweils wie folgt ist: (2Q, Q, 2Q); die Leistung des Filters optimiert werden kann, indem anschließend diese drei optischen Dicken während der Auslegung des Filters vor seiner Fertigung variiert werden. Diese Variation wird natürlich durch Variieren der physikalische Dicke der relevanten Schichten erreicht, derart, dass die entsprechende optische Dicke vom Startwert der Grundauslegungsvorlage um einen geeigneten Wert abweicht, vorausgesetzt, dass die Variation im Wert der optischen Dicke weniger als Q/2 beträgt.
Beispielsweise kann die optische Dicke der ersten Schicht im Wesentlichen gleich der optischen Dicke der zweiten Schicht sein, oder die zwei Schichten können eine unterschiedliche optische Dicke aufweisen. In jedem Fall kann die optische Dicke der ersten und der zweiten Schicht gleich 2Q sein oder nicht, abhängig davon, ob die Auslegungsoptimierung dies erforderlich macht.
Alternativ kann die optische Dicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht jeweils gleich dem Wert 2Q sein. Die optische Dicke der dritten Schicht kann ebenfalls beim Optimieren der Auslegungsleistung variiert werden, und kann im Wesentlichen gleich dem Wert Q sein, oder kann von diesem Wert um weniger als Q/2 abweichen.
Vorzugsweise weist das optische Filter in seinen Schichten ein Paar äußere Schichten auf, die jeweils aus dem ersten Material ausgebildet sind, und zwischen denen die erste, zweite und dritte Schicht gestapelt sind. Dies führt zu einer fünfschichtigen Verschachtelung der ersten, zweiten und dritten Schicht, die zwischen dem Paar von äußeren Schichten angeordnet sind.
Die optische Dicke jeder äußeren Schicht weicht in ihrem Wert vorzugsweise um weniger als Q/2 von der Größe Q ab. So kann auch die optische Dicke der äußeren Schichten selbst einzeln innerhalb der genannten Grenzen variiert werden, um die Optimierung der Filterleistung insgesamt zu unterstützen. Beispielsweise kann die optische Dicke jeder einzelnen Schicht des Paars von äußeren Schichten voneinander abweichen, oder im Wesentlichen gleich sein. Wenn die optische Dicke jeder äußeren Schicht im Wesentlichen gleich ist, kann diese gemeinsame optische Dicke gleich Q sein, oder von Q abweichen (um weniger als Q/2).
Es versteht sich, dass der Begriff „inhomogenes Gemisch" im Zusammenhang mit dem Mischen der Materialien mit unterschiedlicher Brechzahl sich auf die Art der relativen Anteile gemischter Komponenten bezieht (die das Gemisch bilden), die wenigstens über einen Abschnitt der Tiefe der Schicht hinweg, welche aus dem inhomogenen Material ausgebildet ist, nicht homogen sind. Aus dieser Inhomogenität des Gemischs ergibt sich eine Variation der Brechzahl der so ausgebildeten Schicht zwischen unterschiedlichen Tiefenpositionen in eben dieser Schicht.
Die Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht kann kontinuierlich über wenigstens einen Abschnitt der Tiefe der jeweiligen Schicht variieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht über wenigstens einen Abschnitt der jeweiligen Schicht im Wesentlichen stufenweise variieren. Bei einer solchen Anordnung kann die erste und/oder zweite Schicht ein physikalisch kontinuierlicher Gegenstand sein, der nicht physikalisch diskontinuierlich ist, sondern eine räumliche Verteilung (inhomogen) des Gemischs aufweist, was zu abrupten/schnellen oder im Wesentlichen stufenartigen Veränderungen der Brechzahl der Schicht in bestimmten Regionen ihrer Tiefe führt, wo die Veränderungen im Gemisch sich entsprechend abrupt/schnell oder im Wesentlichen stufenweise (oder nahezu stufenweise) ändern.
Alle Variationen der Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht können abrupt/schnell oder im Wesentlichen stufenweise erfolgen. In einem solchen Fall können die erste und/oder zweite Schicht vorzugsweise mehrere Unterregionen aufweisen, von denen jede aus einem homogenen Gemisch des ersten Materials und des zweiten Materials ausgebildet ist, wodurch das homogene Gemisch, das eine jeweilige Unterregion bildet, sich von dem homogenen Gemisch unterscheidet, das unmittelbar benachbarte Unterregionen innerhalb der Zwischenschicht bildet, derart, dass die Brechzahl jeder dieser Unterregionen im Wesentlichen über die Tiefe der Unterregion hinweg konstant ist, und die Brechzahl der jeweiligen ersten und/oder zweiten Schicht abrupt/schnell oder im Wesentlichen stufenweise zwischen ihren aufeinander folgenden Unterregionen variiert.
Dies führt zu einer „Digitalisierung" der Variationen der Brechzahl der ersten/zweiten Schicht. Wiederum können die benachbarten Unterregionen der digitalisierten ersten/zweiten Schicht innerhalb einer jeweiligen physikalisch kontinuierlichen Schicht physikalisch kontinuierlich ausgebildet sein. Indem jedoch das inhomogene Gemisch der zwei Materialien in geeigneter Weise gesteuert wird, kann das Gemisch dazu gebracht werden, sich zwischen benachbarten Unterregionen stufenweise zu verändern, und so eine entsprechende „Stufung" zwischen den Brechzahlen zu bewirken.
Bei einer solchen Anordnung sowie in anderen Anordnungen können alle Variationen der Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht mit zunehmender Tiefe der jeweiligen Schicht von Regionen derselben, die von der dritten Schicht entfernt sind, hin zu Regionen derselben, die nahe an der dritten Schicht angeordnet sind, diese Brechzahl erhöhen. So kann beispielsweise die oben genannte Digitalisierung auf eine Brechzahl-„Rampe" angewandt werden, oder es kann eine gleichmäßig variierende Brechzahlrampe vorliegen.
Die Schichten sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sie einen Stapel aus Schichten bilden, bei dem aufeinander folgende Schichten in einer sich über die Tiefe des Stapels periodisch wiederholenden Abfolge angeordnet sind.
Das Filter kann derart angeordnet sein, dass es im Wesentlichen zumindest Infrarotstrahlung reflektiert, und optische Strahlung wenigstens im sichtbaren optischen Spektrum weiterleitet. Das Filter kann dazu angeordnet sein, zumindest Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung zu reflektieren.
Die vorliegende Erfindung kann auch eine Abdeckung für eine Fotovoltaikzelle bereitstellen, die ein Filter gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, und eine Fotovoltaikzelle aufweisen kann, die eine solche Abdeckung aufweist. Die Fotovoltaikzelle ist vorzugsweise eine Solarzelle.
In einem zweiten Aspekt kann die vorliegende Erfindung ein optisches Filter bereitstellen, das ein Substrat aufweist, auf dem eine Schicht angeordnet ist, die aus einem inhomogenen Material ausgebildet ist, das aus Folgendem besteht:
einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl; und einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl, die kleiner ist als die erste Brechzahl;
wobei die inhomogene Mischung derart vorgesehen ist, dass der Wert der Brechzahl der Schicht mit der Tiefe der Schicht zwischen Werten oszilliert, die größer sind als die zweite Brechzahl, und kleiner als die erste Brechzahl. Dies kann entweder eine Alternative zu einem Filter des mehrschichtigen Stapeltyps bilden, oder einen Teil desselben darstellen. In erstgenannten Fall ergeben die oszillierenden Variationen der Brechzahl ein Filter, das ein Hauptreflexionsband aufweist (das an einer IR-Frequenz zentriert sein kann), und im Wesentlichen keine Reflexionsbänder des Typs „höhere Ordnung" aufweist. Da Reflexionsbänder „höherer Ordnung" in einem solchen Fall unterdrückt werden, kann das Filter als IR-Filter mit nur wenig oder im Wesentlichen keiner Reflexion anderer Wellenlängen außerhalb des einzelnen Reflexionsbands arbeiten.
Die oszillierenden Variationen des Brechzahlwertes dieser Schicht gemäß der Erfindung in ihrem zweiten Aspekt können wenigstens einige abrupte/schnelle oder im Wesentlichen stufenartige Variationen beinhalten, oder es kann sich bei den Variationen hauptsächlich (oder nur) um solche abrupten/schnellen oder im Wesentlichen stufenartigen Variationen handeln. In einem solchen Fall kann die Schicht vorzugsweise mehrere Unterregionen aufweisen, von denen jede aus einem homogenen Gemisch des ersten Materials und des zweiten Materials ausgebildet ist, wobei das homogene Gemisch, das eine jeweilige Unterregion bildet, sich von dem homogenen Gemisch unterscheidet, das unmittelbar benachbarte Unterregionen innerhalb der Schicht bildet, derart, dass die Brechzahl einer jeden Unterregion im Wesentlichen über die Tiefe der Unterregion hinweg konstant ist, und die Brechzahl der Schicht zwischen ihren aufeinander folgenden Unterregionen abrupt/schnell oder im Wesentlichen stufenweise variiert.
Auf diese Weise kann die oszillierende Brechzahl der Schicht eine zum Teil oder vollständig „digitalisierte" Oszillation sein (z.B. eine digitalisierte Wellenform), anstelle einer kontinuierlichen Oszillation (z.B. einer Welle), wie es alternativ der Fall sein könnte. Ein optisches Filter gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann ein Filter für eine Fotovoltaikzelle wie z.B. eine Solarzelle bilden. Beispielsweise kann eine Solarzelle mit einem optischen Filter gebildet werden, das nur eine oszillierende (z.B. Wellen-)Schichtauslegung (digitalisiert oder nicht) gemäß der vorliegenden Erfindung in ihrem zweiten Aspekt aufweist. Alternativ kann eine solche Wellenauslegung an anderen Filterschichten innerhalb eines Stapels von Filterschichten gemäß der Erfindung in ihrem ersten Aspekt angrenzen. Beispielsweise kann die Wellenauslegung auf eine oder beide der ersten und zweiten inhomogen gemischten Schichten der Erfindung in ihrem ersten Aspekt angewandt werden. Vorzugsweise weist die Wellenauslegung eine quintische Form auf, die über die gesamte Breite einer jeweiligen Schicht hinweg eine Periode einer Sinuskurvenoszillation in der Brechzahl der Schicht aufweist.
Das optische Filter gemäß entweder dem ersten oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und alle seine zuvor genannten bevorzugten Varianten oder Alternativen, können für eine Fotovoltaikzelle vorgesehen sein, und auf diese Weise für eine Solarzelle.
Man wird leicht verstehen, dass die vorliegende Erfindung in ihrem ersten und zweiten Aspekt und gemäß allen oben genannten Varianten und bevorzugten Merkmalen ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters implementiert.
Entsprechend kann die vorliegende Erfindung in einem dritten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters zur Benutzung mit einer Fotovoltaikzelle bereitstellen, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet:
Bereitstellen eines Substrats;
Stapeln von mehreren Schichten aus Materialien auf dem Substrat, wobei jede der Schichten aus einem oder beiden von Folgenden ausgebildet ist:
einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl; und
einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl, die kleiner ist als die erste Brechzahl;
beinhaltend das Ausbilden einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht der mehreren Schichten, und das Ausbilden aus dem ersten Material einer dritten Schicht der mehreren Schichten, die zwischen der ersten und zweiten Schicht gestapelt ist, wobei die optische Dicke jeder der ersten und zweiten Schicht größer ist als die optische Dicke der dritten Schicht,
dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes beinhaltet:
Ausbilden der ersten Schicht und der zweiten Schicht aus einem inhomogenen Gemisch des ersten Materials und des zweiten Materials, und wobei die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils mit einer optischen Dicke ausgebildet werden, die in ihrer Größe von dem Wert 2Q um weniger als Q/2 abweicht, und die dritte Schicht mit einer optischen Dicke ausgebildet wird, die in ihrer Größe um weniger als Q/2 von dem Wert Q abweicht, wobei Q die Dicke einer jeweiligen Schicht ist, die durchquert wird von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge optischer Strahlung einer gemeinsamen Referenzwellenlänge, auf der die optischen Dicken bestimmt werden, und wobei die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass alle Variationen der Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht diese Brechzahl erhöhen, indem die Tiefe der jeweiligen Schicht von Regionen derselben, die von der dritten Schicht entfernt sind, hin zu Regionen derselben, die nahe an der dritten Schicht angeordnet sind, zunimmt.
Wegen der inhomogenen Mischung des ersten und des zweiten Materials beim Ausbilden der ersten und zweiten Schicht variiert die Brechzahl der ersten und zweiten Schicht mit der Tiefe der Zwischenschichten zwischen Werten, die größer sind als die zweite Brechzahl, und kleiner als die erste Brechzahl.
Die erste Schicht und die zweite Schicht können derart ausgebildet werden, dass ihre optische Dicke unterschiedlich ist, oder derart, dass ihre optische Dicke im Wesentlichen gleichwertig ist. Wenn die erste und die zweite Schicht jeweils mit einer optischen Dicke gleichen Wertes ausgebildet werden, kann dieser Wert im Wesentlichen gleich 2Q sein, oder er kann gleich einem anderen Wert sein, der von 2Q um weniger als Q/2 abweicht. Die dritte Schicht kann derart ausgebildet werden, dass sie eine optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich Q ist.
Das Verfahren kann den Schritt beinhalten, ein Paar von äußeren Schichten auszubilden, die Teil der mehreren Schichten sind, wobei jede aus dem zweiten Material ausgebildet wird, wobei die äußeren Schichten so ausgebildet werden, dass die erste, zweite und dritte Schicht zwischen ihnen gestapelt sind. Das Paar äußerer Schichten kann derart ausgebildet werden, dass die optische Dicke einer jeden solchen Schicht in ihrem Wert um weniger als Q/2 von der Größe Q abweicht. Die optische Dicke einer jeden Schicht des Paares äußerer Schichten kann im Wesentlichen gleich sein, und kann auch im Wesentlichen gleich dem Wert Q sein.
Man wird verstehen, dass zum Zweck der Optimierung der Leistung des resultierenden Filters Variationen der optischen Dicke von einer, einigen oder allen Schichten des optischen Filters (einschließlich der ersten, zweiten, dritten und äußeren Schichten) vorgenommen werden können. Das Verfahren gemäß der Erfindung in ihrem dritten Aspekt kann deshalb das Variieren der optischen Dicke von einer, einigen oder allen Schichten der mehreren Schichten beinhalten, zu dem Zweck, die Spektralantwort des optischen Filters zu optimieren, um: Sonnenstrahlung innerhalb eines Wellenbands weiterzuleiten, für das die Solarzelle in ihrer Empfindlichkeit dafür operativ ausgelegt ist; und um die Sonnenstrahlung außerhalb des Bands zu reflektieren.
Gemäß diesem Verfahren können die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass ihre Brechzahl kontinuierlich über wenigstens einen Teil der Tiefe der jeweiligen Schicht hinweg variiert.
Alternativ oder zusätzlich können die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass ihre Brechzahl über wenigstens einen Teil der Tiefe der jeweiligen Schicht hinweg im Wesentlichen stufenweise variiert.
Die erste und/oder zweite Schicht können derart ausgebildet werden, dass alle Variationen ihrer Brechzahl im Wesentlichen stufenweise auftreten.
Die erste und/oder zweite Schicht können mit mehreren Unterregionen ausgebildet werden, von denen jede aus einem homogenen Gemisch des ersten Materials und des zweiten Materials ausgebildet wird, wobei sich das homogene Gemisch, das eine der Unterregionen bildet, von dem homogenen Gemisch unterscheidet, das innerhalb der ersten und/oder zweiten Schicht unmittelbar benachbarte Unterregionen bildet, derart, dass die Brechzahl jeder dieser Unterregionen im Wesentlichen über die Tiefe der Unterregion hinweg konstant ist, und die Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht zwischen ihren aufeinander folgenden Unterregionen im Wesentlichen stufenweise variiert.
Die erste und/oder zweite Schicht können derart ausgebildet werden, dass alle Variationen der Brechzahl der jeweiligen Schicht diese Brechzahl mit zunehmender Tiefe der Schicht von Regionen derselben, die von der dritten Schicht entfernt sind, hin zu Regionen, die nahe der dritten Schicht angeordnet sind, erhöhen.
Die Schichten werden vorzugsweise derart angeordnet, dass ein Stapel aus Schichten gebildet wird, in dem aufeinander folgende Schichten in einer sich über die Tiefe des Stapels hinweg periodisch wiederholenden Abfolge angeordnet sind.
Die Schichten werden vorzugsweise derart angeordnet, dass sie im Wesentlichen wenigstens Infrarotstrahlung reflektieren, und optische Strahlung wenigstens im sichtbaren Spektralbereich weiterleiten.
Die Schichten werden vorzugsweise derart angeordnet, dass sie im Wesentlichen wenigstens Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung reflektieren.
Im Folgenden sollen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren nicht beschränkende Beispiele der Erfindung beschrieben werden, wobei:
1 ein Übertragungsspektrum für ein einfaches optisches Mehrstapelfilter des ¼-Welleninterferenztyps zeigt, wobei das Spektrum ein Hauptreflexionsband und ein Reflexionsband der „höheren Ordnung" aufweist, sowie Reflektanzwelligkeit/Oszillationen dazwischen;
2a, 2b und 2c die Variation der Brechzahl eines Teils des mehrschichtigen Stapels eines optischen Filters darstellen;
3 ein Übertragungsspektrum für ein optisches Mehrschichtstapelfilter des Interferenztyps zeigt, das mehrschichtige Stapel der in 2a, 2b oder 2c gezeigten Form verwendet;
4 ein mehrschichtiges optisches Filter zeigt, das mehrere gestapelte Schichtverschachtelungen zeigt, wobei jede Verschachtelung ein mehrschichtiger Stapel des in 2a, 2b oder 2c gezeigten Typs ist.
Bezug nehmend auf 1 ist ein typisches optisches Übertragungsspektrum 1 für ein einfaches optisches Mehrschichtstapelfilter des Interferenztyps (oder ¼-Wellentyps) bekannten Typs gezeigt, das einen Stapel aus Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl aufweist, wobei jede Schicht eine optische Dicke von ¼ aufweist, wobei λ₀ eine vorgegebene „Auslegungs"-Wellenlänge ist (z.B. λ₀ = 1.250 nm). Das Spektrum zeigt die Variation des optischen Übertragungskoeffizienten (T) des Filters als eine Funktion einer Wellenlänge (λ) einer einfallenden optischen Strahlung in einem Spektralbereich, der die Betriebsbandbreite einer typischen Solarzelle umspannt (z.B. von etwa 400 nm bis etwa 1.100 nm der optischen Wellenlänge).
Das Übertragungsspektrum 1 weist ein breites Hauptreflexionsband 2 auf (d.h. eine Übertragung, die niedrig oder gleich null ist), das um eine optische Wellenlänge von 1.250 nm innerhalb des IR-Bereichs des optischen Spektrums zentriert ist, sowie ein relativ schmales Reflexionsband der „höheren Ordnung" 3, das um eine optische Wellenlänge von 417 nm (d.h. annäherungsweise 417 = 1.250/3) innerhalb des Blau/Violettbereichs des optischen Spektrums und innerhalb der Betriebsbandbreite der Solarzelle zentriert ist. Dieses Reflexionsband der „höheren Ordnung" ist das Reflexionsband der „dritten Ordnung", während das Band der „zweiten Ordnung" (bei λ = 625 mm = 1.250/2) unterdrückt wird, und das Band der „ersten Ordnung" (bei λ = 1.250 nm = 1.250/1) vorhanden ist. Ein Reflexionsband der „vierten Ordnung" (bei λ = 312,5 nm = 1.250/4) wird ebenfalls unterdrückt.
Das Übertragungsspektrum 1 weist außerdem eine Serie von optischen Übertragungstransienten 4 auf, die zwischen dem Hauptreflexionsband der „ersten Ordnung" 2 und dem Reflexionsband der „dritten Ordnung" 3 und jenseits davon auftreten. Diese optischen Übertragungstransienten 4 bewirken, dass der Übertragungskoeffizient (T) des optischen Filters wiederholt weit in die Betriebsbandbreite der Solarzelle fällt. Sowohl das Reflexionsband dritter Ordnung 3 als auch die Übertragungstransienten 4 sind unerwünscht, da sie optische Strahlung von der Nutzung ausschließen, die von der Solarzelle empfangen werden soll.
4 zeigt eine optische Mehrschichtstapel-Filterstruktur des Interferenztyps gemäß der vorliegenden Erfindung. Das mehrschichtige optische Filter weist einen mehrschichtigen Stapel 50 auf, der auf einem CMG-Glassubstrat 60 von etwa 100 μm Dicke angeordnet ist. Der mehrschichtige Stapel 50 weist eine Serie von sich wiederholenden Schichtengruppen (oder „Verschachtelungen") auf, wobei jede „Verschachtelung" eine erste und äußere Schicht aufweist, die aus einem Material (L) gebildet ist, das eine niedrige Brechzahl (n) aufweist. Eine darauf folgende zweite Schicht ist aus einem inhomogenen Gemisch (M) des Materials mit niedriger Brechzahl (L) und aus einem unterschiedlichen Material (H) mit einer relativ hohen Brechzahl ausgebildet. Die zweite Schicht weist eine Brechzahl (n) auf, die mit der Tiefe der Schicht variiert, was durch die Inhomogenität (im Verlauf der Tiefe) des Gemisches (M) aus den zwei Materialien (L und H) erreicht wird, welche die Schicht bilden. Eine darauf folgende dritte Schicht ist aus dem Material mit hoher Brechzahl (H) gebildet, das teilweise benutzt wird, um die zweite Schicht auszubilden. Eine darauf folgende vierte Schicht ist aus einem inhomogenen Gemisch (M) des Materials mit niedriger Brechzahl (L) und dem Material mit hoher Brechzahl (H) gebildet, derart, dass die Brechzahl der vierten Schicht aufgrund der inhomogenen Mischung der Materialien H und L mit der Schichttiefe variiert. Eine letzte fünfte und äußere Schicht ist aus demselben Material (L) gebildet, das zum Bilden der ersten Schicht benutzt wurde.
Auf diese Weise kann das Brechzahlprofil der fünfschichtigen „Verschachtelung" des Stapels 50 als LMHML zusammengefasst werden, wie durch die „1. Verschachtelung" in 4 gezeigt. Jede der ersten, dritten und fünften Schicht in der Verschachtelung weist eine „optische" Dicke von ¼ Wellenlänge einer vorbestimmten Auslegungswellenlänge auf (z.B. λ₀ = 340 nm). Das heißt, wenn optische Strahlung der vorbestimmten Auslegungswellenlänge (λ₀) sich durch eine der ersten, dritten oder fünften Schicht in der Verschachtelung ausbreitet, ist die Wellenlänge der Strahlung innerhalb dieser Schicht (die von ihrer in einem Vakuum gemessenen Wellenlänge abweichen kann) im Wesentlichen viermal größer als die Schichtdicke.
Umgekehrt weisen sowohl die zweite als auch die vierte Schicht in der Verschachtelung eine optische Dicke einer 1/2 Wellenlänge der vorbestimmten Auslegungswellenlänge auf. Wenn also optische Strahlung der vorbestimmten Auslegungswellenlänge (λ₀) sich durch eine der zweiten oder vierten Schicht innerhalb der Verschachtelung ausbreitet, ist die Wellenlänge der Strahlung in dieser Schicht im Wesentlichen zweimal größer als die Schichtdicke.
Die „zweite Verschachtelung" und alle darauf folgenden Verschachtelungen in dem Stapel 50 wiederholen lediglich die Schichtungsstruktur der „ersten Verschachtelung". In diesem Beispiel sind sieben Verschachtelungen aufeinander gestapelt, doch es können auch weniger oder mehr gestapelt werden.
2 zeigt das Brechzahlprofil von einer der Vielzahl von fünfschichtigen Verschachtelungen, die in 4 gezeigt sind. Die erste und fünfte Schicht (die äußeren Schichten) weisen jeweils dieselbe Brechzahl auf, nämlich 20 bzw. 24, die über die Tiefe der jeweiligen Schicht hinweg niedrig (L) und homogen ist. Die dritte Schicht weist eine Brechzahl 22 auf, die über die Tiefe der Schicht hinweg hoch (H) und homogen ist.
Zwischen der ersten und dritten Schicht, und zwischen der dritten und fünften Schicht, befinden sich die zweite und die vierte Schicht, die aus einem inhomogenen Gemisch der Materialien gebildet sind, die benutzt wurden, um die erste, dritte und fünfte Schicht (20, 22 und 24) zu bilden. Das inhomogene Gemisch der fraglichen zwei Materialien (L und H) führt zu einer Brechzahl (21, 23) der zweiten bzw. der vierten Schicht, die kontinuierlich über die Tiefe der jeweiligen Schicht hinweg von dem niedrigeren Brechzahlwert (L) über sich kontinuierlich verändernde Werte hin zu dem höheren Brechzahlwert (H) variiert, wobei die veränderlichen Zwischenwerte zwischen dem niedrigen Wert (L), welcher der ersten oder fünften Schicht zugeordnet ist, und dem hohen Wert (H) liegen, welcher der dritten Schicht zugeordnet ist. Die inhomogene zweite oder vierte Schicht weisen so eine rampenförmige Brechzahl auf, die in ihrem Wert von Regionen der Schicht, die von der dritten Schicht entfernt liegen, zu Regionen derselben hin, die nah an der dritten Schicht angeordnet sind, zunimmt.
Hinsichtlich des Materialtyps lässt sich die fünfschichtige Verschachtelungsstruktur wie folgt zusammenfassen: (LMHML). Hinsichtlich der optischen Schichtdicke kann die fünfschichtige Verschachtelung jedoch wie folgt bezeichnet werden: (Q, 2Q, Q, 2Q, Q)ⁿ, wobei Q 1/4 der Wellenlänge der vorbestimmten Auslegungswellenlänge (z.B. λ₀ = 340 nm) bezeichnet. Die Ganzzahl „n" bezeichnet die Häufigkeit, mit der die Verschachtelungsschicht in der optischen Stapelauslegung wiederholt werden kann, in diesem Beispiel n = 7.
Es ist zu beachten, das die optische Dicke aufeinander folgender Schichten, die in den Auslegungen von 2a, 2b und 2c dargestellt sind, einer Anordnung entsprechen, die sich als „Vorlage" oder Grundauslegung bezeichnen lässt, und die anschließend optimiert werden kann, indem die optische Dicke einer, einiger oder aller optischen Schichten in einer, einigen oder allen Verschachtelungen innerhalb eines vollständigen optischen Filters variiert wird. Es wurde festgestellt, dass sich durch das Variieren der optischen Dicke einzelner Schichten, oder durch das kollektive Variieren der optischen Schichtdicke, die Spektralantwort des optischen Filters für Zwecke der Übertragung von Sonnenstrahlung innerhalb eines Wellenlängenbands optimieren lässt, für das beispielsweise eine Solarzelle in ihrer Empfindlichkeit dafür operativ ausgelegt ist, und um die Sonnenstrahlung außerhalb dieses Bands optimal zu reflektieren.
Es wurde festgestellt, dass unter der Voraussetzung, dass die optische Dicke der zweiten und der vierten Schicht (bei denen es sich um die inhomogen gemischten Schichten handelt) die optische Dicke der dritten Schicht (mit hoher Brechzahl) sowie, falls vorhanden, der äußeren Schichten (mit niedriger Brechzahl) um weniger als 1/8 der Auslegungswellenlänge übersteigt (d.h. um weniger als λ₀/8), im optischen Filter eine geeignete Spektralantwort erzielt werden kann.
Bezug nehmend auf 3 ist ein Übertragungsspektrum für ein optisches Mehrstapelfilter gezeigt, das sieben gestapelte fünfschichtige Verschachtelungen der Form (Q, 2Q, Q, 2Q, Q)⁷ aufweist, wobei jede Verschachtelung eine fünfschichtige Brechzahlverteilung der Form (LMHML) aufweist, wie in 2a, 2b oder 2c gezeigt. Das Spektrum aus 3 weist ein Hauptreflexionsband der „ersten Ordnung" auf, das um eine Wellenlänge von 1.250 nm zentriert ist, und ein Reflexionsband der vierten Ordnung, das um eine Wellenlänge von 312,5 nm zentriert ist (d.h. 312,5 = 1.250/4). Es ist zu beachten, dass die Reflexionsbänder erster und vierter Ordnung einen hohen Übertragungspegel aufweisen, wobei die Gegenwart von Übertragungstransienten 32 im Wesentlichen unterdrückt wird. Ferner wird das Reflexionsband zweiter Ordnung nicht nur auf einer Wellenlänge von 625 nm (d.h. 625 = 1.250/2) vollständig unterdrückt, sondern auch das Reflexionsband dritter Ordnung, das um 417 nm (d.h. 417 = 1.250/3) zentriert ist, wird unterdrückt. Dies ist mit 1 zu vergleichen, wo einfache 1/4-Wellenstapel nicht dazu in der Lage sind, das Reflexionsband dritter Ordnung bei 417 nm zu unterdrücken.
Das grundlegende Übertragungsspektrum aus 3 kann weiter verbessert werden, indem die Auslegungsparameter passend optimiert werden, die für jede der sieben Verschachtelungen des optischen Filters verwendet werden, dem das Spektrum zugeordnet ist. Wie oben erwähnt, kann dies geeignete Variationen der optischen Dicke einer, einiger oder aller fünf Schichten in den einzelnen Verschachtelungen umfassen. Beispielsweise kann eine Verschachtelung hinsichtlich der optischen Dicke wie folgt modifiziert werden: (1,1Q, 2,3Q, 1,1Q, 2,3Q, 1,1Q). Diese Variation ist nur ein veranschaulichendes Beispiel dafür, wie die relative Dicke variierbar ist, und es können unterschiedliche Variationen auf unterschiedliche Verschachtelungen des mehrschichtigen Stapels angewandt werden.
Ferner kann auch der Gradient der Brechzahl (d.h. die Variation der Brechzahl als eine Funktion der Schichttiefe) von einer oder beiden der zweiten und vierten inhomogen gemischten Schichten einer jeweiligen Verschachtelung während des Prozesses zum Optimieren der Spektralantwort des Filters variiert werden. Ein Beispiel dafür ist in 2b dargestellt, wobei die zweite Schicht 25 und die vierte Schicht 26 jeweils eine Variation der Brechzahl zeigen, die relativ zu der in 2a dargestellten variiert. In diesem Beispiel ist jede der inhomogen gemischten Schichten derart ausgebildet, dass die Brechzahl der Schicht von einem niedrigeren Zwischenwert (M₁), der einen größeren Wert aufweist als der niedrige Brechzahlwert, welcher der ersten Schicht 20 zugeordnet ist, hin zu einem zweiten Zwischenwert (M₂) variiert, der größer ist als der erste Zwischenwert (M₁), aber kleiner als der hohe Brechzahlwert, welcher der dritten Schicht zugeordnet ist.
Es wurde sogar festgestellt, dass die bloße Anwesenheit einer deutlichen Rampenform der Brechzahlen der zweiten und vierten Schicht in Richtung der dritten Schicht ausreicht, um eine gute Optimierung der Spektralantwort eines Filters bereitzustellen, während die Einzelheiten jeder Rampe zu einem späteren Zeitpunkt optimiert werden können, um eine „Feineinstellung" der Spektralantwort vorzunehmen.
Die Form der Brechzahlrampe der zweiten und/oder vierten Schicht muss nicht linear sein, und kann exponentiell zunehmen (wie z.B. in Richtung der dritten Schicht), oder kann eine andere, komplexere Rampenform aufweisen. Es kann sogar eine quintische Rampenform verwendet werden, wobei die Brechzahl der zweiten oder der vierten Schicht derart ausgebildet ist, dass sie sanft über eine einzige Sinusperiode oszilliert, wobei die quintische Oszillation über eine zugrunde liegenden Rampenzunahme der Brechzahl gelagert wird.
2c zeigt eine weitere Auslegungsvariante der hier beschriebenen Ausführungsformen, und zeigt die Variationen der Brechzahl (n) der inhomogen gemischten zweiten und vierten Schicht (27, 28), die im Wesentlichen stufenweise über die Tiefe der jeweiligen Schicht hinweg variiert. Bei dieser Anordnung handelt es sich bei der zweiten und vierten Schicht (27, 28) jeweils um physikalisch kontinuierliche Gegenstände, die nicht physikalisch diskontinuierlich sind, sondern eine räumliche Verteilung (inhomogen) von Gemisch (M) aufweisen, welche im Wesentlichen stufenartige Veränderungen der Brechzahl der jeweiligen Schicht in bestimmten Unterregionen derselben bewirkt, wo sich das Gemisch entsprechend im Wesentlichen stufenweise (oder nahezu stufenweise) verändert.
Bei dieser Variante weist die zweite/vierte Schicht mehrere Unterregionen auf, z.B. Unterschichten 65 und 70 aus 2c, von denen jede über eine Dicke „x" der Schicht hinweg aus einem homogenen Gemisch des ersten Materials (L) und des zweiten Materials (H) gebildet ist. Das homogene Gemisch, das jede solche Unterregion ausbildet, unterscheidet sich von dem homogenen Gemisch, das eine unmittelbar benachbarte Unterregion in der zweiten/vierten Schicht (M) ausbildet, derart, dass die Brechzahl von jeder einzelnen Unterregion im Wesentlichen über die Tiefe „x" der Unterregion hinweg konstant ist. Allerdings variiert die Brechzahl der zweiten/vierten Schicht (M) zwischen aufeinander folgenden Regionen derselben im Wesentlichen stufenweise. Dies entspricht einer vollständigen „Digitalisierung" der Brechzahlvariationen der zweiten und vierten Schicht.
Wieder ist zu beachten, dass die benachbarten Unterregionen der digitalisierten zweiten/vierten Schicht physikalisch kontinuierlich innerhalb einer jeweiligen physikalisch kontinuierlichen Schicht ausgebildet sind, und keine separat ausgebildeten Unterschichten darstellen. Allerdings kann das Gemisch durch passendes Steuern des inhomogenen Gemisches der zwei Materialien (L und H) dazu gebracht werden, sich zwischen benachbarten Unterregionen im Wesentlichen stufenweise zu verändern, und auf diese Weise zwischen diesen eine entsprechende „Stufung" der Brechzahl zu bewirken.
Das „digitalisierte" inhomogene Brechzahlprofil aus
2c kann anstelle von (oder zusätzlich zu) den gleichmäßig variierenden Brechzahlrampen der zweiten und vierten Schicht aus 2a und 2b angewandt werden. Es wurde sogar festgestellt, dass es leichter umzusetzen ist als eine gleichmäßig variierende Brechzahlrampe.
Ein Vorteil einer solchen Digitalisierung besteht darin, dass die Ausbildung solcher digitalisierten Formen eine geringere Steuerung der Vorrichtung erfordert, die benutzt wird, um die zwei unterschiedlichen Materialien inhomogen zu mischen, die in dem Gemisch verwendet werden. Die Notwendigkeit einer ständigen Regulierung/Variierung des Gemisches entfällt, wenn Digitalisierung verwendet wird.
Materialien, die zum Ausbilden der Schichten eines mehrschichtigen Stapels 50 eines optischen Filters (50, 60) gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Siliziumdioxid (SiO₂) und Hafniumdioxid (HfO₂), und ein Substratglas 60 wie z.B. CMG-Glas.
Beispielsweise zeigt die folgende Tabelle ein Beispiel der physikalischen Dicke jeder der fünf Schichten in einer jeweiligen fünfschichtigen Verschachtelung, die in einem Mehrverschachtelungsstapel verwendet wird. Die äußere erste und fünfte Schicht sind jeweils aus Siliziumdioxid ausgebildet, und die dritte Schicht mit hoher Brechzahl ist aus Hafniumdioxid ausgebildet, während die zweite und vierte Schicht mit mittlerer Brechzahl aus einem inhomogenen Gemisch aus Siliziumdioxid und Hafniumdioxid ausgebildet sind. Die Dicke der physikalischen Schichten, die in der unten stehenden Tabelle angegeben ist, kann durch Multiplizieren der physikalischen Dicke mit der Brechzahl des Materials der jeweiligen Schicht bei Auslegungswellenlänge, in diesem Beispiel λ₀ = 340 nm, in die optische Dicke übersetzt werden.
Die Brechzahlen bei Auslegungswellenlänge sind wie folgt:
SiO₂ – 1,46;
HfO₂– 2,09.
Dies ergibt eine physikalische Dicke der ungemischten Schichten von:
SiO₂ – 58,2 nm;
HfO₂ – 40,6 nm, für eine Auslegungswellenlänge von 340 nm. Die physikalische Dicke jeder Rampenschicht (Schichten 2 und 4) aus inhomogen gemischten Materialien SiO₂ und HfO₂ beträgt 95,7 nm, und in diesem Beispiel bildet die Brechzahl jeder der zwei gemischten Schichten (Schichten 2 und 4) von einer Brechzahl von 1,46 (angrenzend an eine äußere Schicht 1 oder 5) bis zu einer Brechzahl von 2,09 angrenzend an die Schicht 3 mit hoher Brechzahl eine Rampe.
Die oben stehenden Ausführungsformen dienen als Beispiele der vorliegenden Erfindung, und Varianten und Modifikationen der Ausführungsformen, die für Fachleute offensichtlich sind, sind vorgesehen und können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Optisches Filter mit einem Substrat (60), das mehrere Schichten (50) aus Materialien aufweist, die darauf gestapelt sind, wobei jede dieser Schichten aus einem oder beiden von Folgenden ausgebildet ist: einem ersten Material (H) mit einer ersten Brechzahl; und einem zweiten Material (L) mit einer zweiten Brechzahl, die kleiner ist als die erste Brechzahl; wobei die mehreren Schichten aus Materialien jeweils eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisen, wobei eine dritte Schicht, die aus dem ersten Material (H) ausgebildet ist, zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht gestapelt ist; wobei die optische Dicke jeder der ersten und zweiten Schicht größer ist als die optische Dicke der dritten Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils aus einem inhomogenen Gemisch (M) des ersten Materials (H) und des zweiten Materials (L) ausgebildet sind, dass die optische Dicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht jeweils in ihrer Größe von dem Wert 2Q um weniger als Q/2 abweicht, und die optische Dicke der dritten Schicht in ihrer Größe von dem Wert Q um weniger als Q/2 abweicht, wobei Q die Dicke einer jeweiligen Schicht ist, die durchquert wird von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge optischer Strahlung einer gemeinsamen Referenzwellenlänge, auf der die optischen Dicken bestimmt werden, und dass alle Variationen der Brechzahl (21 oder 25 oder 27; 23 oder 26 oder 28) der ersten und zweiten Schicht diese Brechzahl erhöhen, indem die Tiefe der jeweiligen Schicht von Regionen derselben, die von der dritten Schicht entfernt sind, hin zu Regionen derselben, die nahe an der dritten Schicht angeordnet sind, zunimmt.
Optisches Filter nach Anspruch 1, wobei die optische Dicke der ersten Schicht im Wesentlichen gleich der optischen Dicke der zweiten Schicht ist.
Optisches Filter nach Anspruch 1, wobei die optische Dicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht jeweils im Wesentlichen gleich 2Q ist, und die optische Dicke der dritten Schicht im Wesentlichen gleich Q ist.
Optisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die mehreren Schichten aus Materialien ein Paar äußere Schichten beinhalten, von denen jede aus dem zweiten Material (L) ausgebildet ist, und zwischen denen die erste, zweite und dritte Schicht gestapelt sind.
Optisches Filter nach Anspruch 4, wobei die optische Dicke jeder Schicht des Paars äußerer Schichten in ihrem Wert um weniger als Q/2 von der Größe Q abweicht.
Optisches Filter nach Anspruch 4 oder 5, wobei die optische Dicke jeder Schicht des Paars äußerer Schichten im Wesentlichen gleich der optischen Dicke der anderen Schicht des Paars ist.
Optisches Filter nach Anspruch 6, wobei die optische Dicke jeder der äußeren Schichten im Wesentlichen gleich Q ist.
Optisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brechzahl (21 oder 25; 23 oder 26) der ersten und/oder zweiten Schicht kontinuierlich über wenigstens einen Teil der Tiefe der jeweiligen Schicht variiert.
Optisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brechzahl (25 oder 27; 26 oder 28) der ersten und/oder zweiten Schicht im Wesentlichen stufenweise über wenigstens einen Teil der Tiefe der jeweiligen Schicht variiert.
Optisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7 und 9, wobei alle Variationen der Brechzahl (25 oder 27; 26 oder 28) der ersten und/oder zweiten Schicht im Wesentlichen stufenweise auftreten.
Optisches Filter nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei die erste und/oder zweite Schicht mehrere Unterregionen aufweisen, die darin gestapelt sind, von denen jede aus einem homogenen Gemisch des ersten Materials (H) und des zweiten Materials (L) ausgebildet ist, wobei das homogene Gemisch, das jede Unterregion ausbildet, derart von dem homogenen Gemisch abweicht, das die unmittelbar benachbarte(n) Unterregion (en) in der ersten und/oder zweiten Schicht ausbildet, so dass die Brechzahl jeder der mehreren Unterregionen im Wesentlichen zu der Tiefe der Unterregionen konstant ist, und die Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht im Wesentlichen stufenweise mit der Tiefe zwischen aufeinander folgenden Unterregionen derselben variiert.
Optisches Filter nach einem der vorangehenden An sprüche, wobei die mehreren Schichten einen Stapel aus Schichten bilden, in dem aufeinander folgende Schichten in einer sich periodisch über die Tiefe des Stapels wiederholenden Abfolge angeordnet sind.
Optisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Filter derart ausgebildet ist, dass es im Wesentlichen wenigstens Infrarotstrahlung reflektiert, und optische Strahlung wenigstens in dem sichtbaren optischen Spektrum weiterleitet.
Optisches Filter nach Anspruch 13, wobei das Filter derart angeordnet ist, dass es im Wesentlichen wenigstens Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung reflektiert.
Abdeckung für eine Fotovoltaikzelle, die ein Filter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Fotovoltaikzelle, die eine Abdeckung gemäß Anspruch 15 aufweist.
Fotovoltaikzelle nach Anspruch 16, wobei die Fotovoltaikzelle eine Solarzelle ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters zur Benutzung mit einer Fotovoltaikzelle, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Bereitstellen eines Substrats; Stapeln von mehreren Schichten aus Materialien auf dem Substrat, wobei jede der Schichten aus einem oder beiden von Folgenden ausgebildet ist: einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl; und einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl, die kleiner ist als die erste Brechzahl; beinhaltend das Ausbilden einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht der mehreren Schichten, und das Ausbilden aus dem ersten Material einer dritten Schicht der mehreren Schichten, die zwischen der ersten und zweiten Schicht gestapelt ist, wobei die optische Dicke jeder der ersten und zweiten Schicht größer ist als die optische Dicke der dritten Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes beinhaltet: Ausbilden der ersten Schicht und der zweiten Schicht aus einem inhomogenen Gemisch des ersten Materials und des zweiten Materials, und wobei die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils mit einer optischen Dicke ausgebildet werden, die in ihrer Größe von dem Wert 2Q um weniger als Q/2 abweicht, und die dritte Schicht mit einer optischen Dicke ausgebildet wird, die in ihrer Größe um weniger als Q/2 von dem Wert Q abweicht, wobei Q die Dicke einer jeweiligen Schicht ist, die durchquert wird von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge optischer Strahlung einer gemeinsamen Referenzwellenlänge, auf der die optischen Dicken bestimmt werden, und wobei die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass alle Variationen der Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht diese Brechzahl erhöhen, indem die Tiefe der jeweiligen Schicht von Regionen derselben, die von der dritten Schicht entfernt sind, hin zu Regionen derselben, die nahe an der dritten Schicht angeordnet sind, zunimmt.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 18, wobei die optische Dicke der ersten Schicht derart ausgebildet wird, dass sie im Wesentlichen gleich der optischen Dicke der zweiten Schicht ist, und umgekehrt.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 18, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils derart ausgebildet werden, dass sie eine optische Dicke aufweisen, die im Wesentlichen gleich 2Q ist, und die dritte Schicht derart ausgebildet wird, dass sie eine optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich Q ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach einem der Ansprüche 18 bis 20, das außerdem folgenden Schritt beinhaltet: Ausbilden eines Paars äußerer Schichten von den mehreren Schichten, wobei jede aus dem zweiten Material ausgebildet wird, und zwischen denen die erste, zweite und dritte Schicht gestapelt sind.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 21, wobei das Paar äußerer Schichten derart ausgebildet wird, dass die optische Dicke jeder Schicht in ihrem Wert von der Größe Q um weniger als Q/2 abweicht.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei jede Schicht des Paars äußerer Schichten derart ausgebildet wird, dass jede solche Schicht eine optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich der Dicke der jeweils anderen Schicht ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 23, wobei jede Schicht des Paars äußerer Schichten mit einer optischen Dicke ausgebildet wird, die im Wesentlichen gleich Q ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass die Brechzahl derselben kontinuierlich über wenigstens einen Teil der Tiefe der jeweiligen Schicht variiert.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 25, wobei die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass die Brechzahl derselben im Wesentlichen stufenweise über wenigstens einen Teil der Tiefe der jeweiligen Schicht variiert.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 24 und 26, wobei die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass alle Variationen der Brechzahl derselben im Wesentlichen stufenweise auftreten.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, wobei die erste und/oder zweite Schicht derart ausgebildet werden, dass sie mehrere Unterregionen aufweisen, die darin gestapelt sind, von denen jede aus einem homogenen Gemisch des ersten Materials und des zweiten Materials ausgebildet ist, wobei das homogene Gemisch, das jede Unterregion ausbildet, derart von dem homogenen Gemisch abweicht, das die unmittelbar benachbarte(n) Unterregion (en) in der ersten und/oder zweiten Schicht ausbildet, dass die Brechzahl jeder der mehreren Unterregionen im Wesentlichen mit der Tiefe der Unterregionen konstant ist, und die Brechzahl der ersten und/oder zweiten Schicht im Wesentlichen stufenweise mit der Tiefe zwischen aufeinander folgenden Unterregionen derselben variiert.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 28, wobei das Verfahren beinhaltet: Ausbilden der mehreren Schichten zu einem Stapel aus Schichten, in dem aufeinander folgende Schichten in einer sich periodisch über die Tiefe des Stapels wiederholenden Abfolge angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 29, wobei die mehreren Schichten derart angeordnet werden, dass sie im Wesentlichen wenigstens Infrarotstrahlung reflektieren, und optische Strahlung wenigstens in dem sichtbaren optischen Spektrum weiterleiten.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach Anspruch 30, wobei die mehreren Schichten derart angeordnet werden, dass sie im Wesentlichen wenigstens Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung reflektieren.
Verfahren zum optischen Filtern von Strahlung, die davon auf eine Fotovoltaikzelle fällt, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Herstellen eines optischen Filters nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 31; und Durchlassen von einfallender Strahlung, so dass diese durch die derart ausgebildeten mehreren Schichten dringt.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters nach einem der Ansprüche 18 bis 31, das Folgendes beinhaltet: Variieren der optischen Dicke einer, einiger oder aller Schichten der mehreren Schichten, zu dem Zweck, die Spektralantwort des optischen Filters zu optimieren, um: Sonnenstrahlung innerhalb eines Wellenbands weiterzuleiten, für das die Solarzelle in ihrer Empfindlichkeit dafür operativ ausgelegt ist; und um die Sonnenstrahlung außerhalb des Bands zu reflektieren.