阅读说明：本技术 用于高效且角度稳健的光伏器件的彩色滤光器组合件 (Color filter assembly for efficient and angularly robust photovoltaic devices ) 是由 郭凌杰 纪晨刚 增田泰三 工藤有希 于 2018-11-09 设计创作，主要内容包括：提供了用于与光伏器件一起使用以产生装饰性和彩色的光伏器件组合件的角度不敏感/角度稳健的彩色滤光器组合件。滤光器可以为无源或有源的,具有高折射率材料如非晶硅(a-Si)的超薄反射层。无源滤光器可以具有围绕超薄反射层的透明的第一对和第二对介电材料。有源滤光器可以具有围绕超薄反射层的透明的第一电极和第二电极以及第一掺杂的空穴/电子传输层和第二掺杂的空穴/电子传输层。滤光器可以透射一部分电磁波谱并反射一部分电磁波谱以产生具有最小角度依赖性的反射颜色输出。还可以设想具有高功率转化效率(例如≥18％)的包括无源或有源彩色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件。光伏器件可以包括包含晶体硅(c-Si)的光敏层。(An angle insensitive/angle robust color filter assembly for use with photovoltaic devices to produce decorative and colored photovoltaic device assemblies is provided. The optical filter may be passive or active, with an ultra-thin reflective layer of a high refractive index material such as amorphous silicon (a-Si). The passive optical filter may have a first and second pair of transparent dielectric materials surrounding an ultra-thin reflective layer. The active filter may have transparent first and second electrodes and first and second doped hole/electron transport layers surrounding an ultra-thin reflective layer. The filter may transmit a portion of the electromagnetic spectrum and reflect a portion of the electromagnetic spectrum to produce a reflected color output with minimal angular dependence. An angularly insensitive colored photovoltaic device assembly including a passive or active color reflective filter and a photovoltaic device with high power conversion efficiency (e.g., > 18%) is also contemplated. The photovoltaic device may include a photoactive layer comprising crystalline silicon (c-Si).)

用于高效且角度稳健的光伏器件的彩色滤光器组合件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月9日提交的美国临时申请第62/583,966号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及高效且角度稳健的彩色的角度不敏感的滤光器组合件以及包括无源彩色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件和包括有源彩色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件。

背景技术

本部分提供了与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。

光伏器件(PV)通过提供收获无穷尽的太阳能的能力而非常有望替代传统的化石燃料。为了提高PV可行性，一直在努力提高功率转化效率(PCE)和降低生产成本。基于吸收最高至约1100nm的波长的晶体硅(c-Si)光敏材料的PV不仅由于材料的丰富性和可用性，而且还由于可以实现的高PCE(例如，超过20％)而提供巨大的潜力。然而，结合有c-Si光敏材料的太阳能电池/PV具有黑色晦暗的外观，这显著阻碍它们在多种应用中的用途，作为非限制性实例，包括用于车辆和建筑物外部的装饰目的。鉴于当前太阳能电池的不良的美感，错过了许多利用可用的太阳能的机会，目前这种太阳能是被浪费掉的。

已提出了多种方案，例如染料敏化太阳能电池(DSSC)和有机PV(OPV)以产生彩色太阳能电池。然而，这些颜色很大程度上取决于所用材料的类型，并且颜色可调性还非常有限。此外，包含在这样的结构中的有机组分是高度敏感的，并且存在寿命问题，例如，需要特殊的钝化技术以抵抗氧和水分。近来，已开发了将彩色滤光器引入到PV面板中以允许通过同时收获所吸收的光来产生电力的方案。然而，这些太阳能电池中涉及的彩色滤光器基于法布里-珀罗(Fabry-Pérot，F-P)干涉仪腔或等离子体共振，其产生对视角高度敏感(例如，随视角和入射光偏振而变化)的颜色并因此对于装饰涂层是不期望的。此外，将这样的纳米结构的等离子体彩色滤光器放大至大面积也是问题。此外，已使用将具有角度和偏振不敏感颜色特征的非晶硅(a-Si)集成到PV组合件中的一维(1D)层状太阳能电池。非虹彩(non-iridescent)的彩色外观可以归因于在a-Si和金属的界面处的非平凡反射相位变化(nontrivial reflection phase change)，因此其补偿了通过超薄a-Si层(<30nm)传播的光的传播相位。然而，由于吸收的少量的光，这样的半透明PV面板的功率转化效率(PCE)被限制于仅约2％。因此，期望开发在提供有吸引力的装饰美学和设计特征的同时还可以提供具有高PCE的优异性能的多功能太阳能电池/PV。

发明内容

本部分提供了本公开的总体概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

在一个变化方案中，本公开设想用于与光伏器件一起使用的彩色滤光器。滤光器包括限定第一侧和第二侧的超薄反射层。滤光器还包括与超薄反射层的第一侧相邻的透明的第一对介电材料，其中所述第一对包括介电材料的第一层和不同的介电材料的第二层。透明的第二对介电材料设置成与超薄反射层的第二侧相邻，其中第二对包括介电材料的第三层和不同的介电材料的第四层。滤光器能够透射具有第一预定波长范围的第一部分电磁波谱并反射具有第二预定波长范围的第二部分电磁波谱以产生反射输出。

在一个方面中，反射输出显示最小的角度依赖性使得第二波长范围在相对于彩色滤光器约0°至约60°的入射角下的变化小于或等于约80nm以形成角度不敏感的彩色滤光器。

在一个方面中，超薄反射层包含非晶硅(a-Si)材料。

在一个方面中，超薄反射层的厚度小于或等于约15nm。

在一个方面中，超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出在可见光范围内并且具有选自红色、绿色、蓝色、及其组合的颜色。

在一个方面中，形成第一层、第二层、第三层和第四层中的每一者的介电材料独立地选自氮化硅(Si₃N₄)、氧化钛(TiO₂)和二氧化硅(SiO₂)、氧化锌(ZnO)、氧化铪(HfO₂)、三氧化钼(MoO₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化物三氧化钨(WO₃)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氧化铝(Al₂O₃)、氟化镁(MgF₂)、以及具有大于或等于约1.6的折射率的聚合物。

在一个方面中，形成第一层、第二层、第三层和第四层中的每一者的介电材料独立地选自氮化硅(Si₃N₄)、硒化锌(ZnSe)、氧化钛(TiO₂)和二氧化硅(SiO₂)。

在一个方面中，第一层包含二氧化硅(SiO₂)，第二层包含氧化钛(TiO₂)，第三层包含氧化钛(TiO₂)，以及第四层包含氮化硅(Si₃N₄)。

在一个方面中，第一层包含氮化硅(Si₃N₄)，第二层包含硒化锌(ZnSe)，第三层包含硒化锌(ZnSe)，以及第四层包含氮化硅(Si₃N₄)。

在一个方面中，第一层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约300nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，以及第四层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约300nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出表现出蓝色。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，以及第四层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出表现出绿色。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约200nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，以及第四层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约200nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出表现出红色。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约300nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，以及第四层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约300nm。

在某些变化方案中，本公开还提供了包括彩色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件。彩色反射滤光器包括限定第一侧和第二侧的超薄反射层。透明的第一对介电材料设置成与超薄反射层的第一侧相邻，其中第一对包括介电材料的第一层和不同的介电材料的第二层。透明的第二对介电材料设置成与超薄反射层的第二侧相邻，其中第二对包括介电材料的第三层和不同的介电材料的第四层。滤光器能够透射具有第一预定波长范围的第一部分电磁波谱并反射具有第二预定波长范围的第二部分电磁波谱以产生显示最小角度依赖性的反射输出。光伏器件设置成与彩色反射滤光器相邻。光伏器件包含至少一种光敏材料。

在一个方面中，光伏器件的功率转化效率大于或等于约18％。

在一个方面中，根据权利要求13所述的角度不敏感的彩色光伏器件组合件，其中光敏材料包括晶体硅(c-Si)材料。

在一个方面中，超薄反射层包含非晶硅(a-Si)材料。

在一个方面中，超薄反射层的厚度小于或等于约15nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出在可见光范围内并且具有选自红色、绿色、蓝色、及其组合的颜色。

在一个方面中，形成第一层、第二层、第三层和第四层中的每一者的介电材料独立地选自氮化硅(Si₃N₄)、氧化钛(TiO₂)和二氧化硅(SiO₂)、氧化锌(ZnO)、氧化铪(HfO₂)、三氧化钼(MoO₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化物三氧化钨(WO₃)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氧化铝(Al₂O₃)、氟化镁(MgF₂)、以及具有大于或等于约1.6的折射率的聚合物。

在一个方面中，形成第一层、第二层、第三层和第四层中的每一者的介电材料独立地选自氮化硅(Si₃N₄)、硒化锌(ZnSe)、氧化钛(TiO₂)和二氧化硅(SiO₂)。

在一个方面中，第一层包含二氧化硅(SiO₂)，第二层包含氧化钛(TiO₂)，第三层包含氧化钛(TiO₂)，以及第四层包含氮化硅(Si₃N₄)。

在一个方面中，第一层包含氮化硅(Si₃N₄)，第二层包含硒化锌(ZnSe)，第三层包含硒化锌(ZnSe)，以及第四层包含氮化硅(Si₃N₄)。

在一个方面中，第一层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约300nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，以及第四层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约300nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出表现出蓝色。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，以及第四层的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出表现出绿色。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约200nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，以及第四层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约200nm。

在一个方面中，具有第二预定波长范围的反射输出表现出红色。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约300nm，第二层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，第三层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，以及第四层的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约300nm。

在某些其他变化方案中，本公开设想用于与光伏器件一起使用的有源彩色反射滤光器。滤光器包括限定第一侧和第二侧的超薄反射层。有源反射彩色滤光器还包括具有第一极性的第一透明电极和具有与第一极性相反的第二极性的第二透明电极。有源彩色反射滤光器能够透射具有第一预定波长范围的第一部分电磁波谱并反射具有第二预定波长范围的第二部分电磁波谱以产生反射输出。

在一个方面中，反射输出显示最小的角度依赖性使得第二预定波长范围在相对于有源彩色反射滤光器约0°至约60°的入射角下的变化小于或等于约80nm以形成角度不敏感的有源反射彩色滤光器。

在一个方面中，有源彩色反射滤光器还包括设置在第一透明电极与超薄反射层之间的第一掺杂层和设置在超薄反射层与第二透明电极之间的第二掺杂层。

在一个方面中，超薄反射层包含非晶硅(a-Si)材料。第一掺杂层包含n掺杂的硅氧化物(SiO_x)。第二掺杂层包含p掺杂的硅氧化物(SiO_x)。第一透明电极和第二透明电极独立地包含选自以下的材料：铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、镁和镓共掺杂的氧化锌(MGZO)、硼掺杂的氧化锌(BZO)、及其组合。

在一个方面中，第一透明电极的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm。第二透明电极的厚度为大于或等于约750nm至小于或等于约1.5微米。第一掺杂层的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约20nm。第二掺杂层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约20nm。超薄反射层的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约55nm。

本公开还设想包括有源彩色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件。有源彩色反射滤光器包括限定第一侧和第二侧的超薄反射层。第一透明电极具有第一极性，同时具有与第一极性相反的第二极性的第二透明电极也包括在内。有源彩色反射滤光器能够透射具有第一预定波长范围的第一部分电磁波谱并反射具有第二预定波长范围的第二部分电磁波谱以产生反射输出。光伏器件与有源彩色反射滤光器相邻。光伏器件包含至少一种光敏材料。

在一个方面中，反射输出显示最小的角度依赖性使得第二预定波长范围在相对于有源彩色反射滤光器约0°至约60°的入射角下的变化小于或等于约80nm。

在一个方面中，第一透明电极和第二透明电极包含独立地选自氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)的材料，超薄反射层包含非晶硅(a-Si)材料，以及光敏材料包括晶体硅(c-Si)。

在一个方面中，有源彩色反射滤光器还包括设置在第一透明电极与超薄反射层之间的第一电荷传输层和设置在超薄反射层与第二透明电极之间的第二电荷传输层。

在一个方面中，有源彩色反射滤光器还包括设置在第一透明电极与超薄反射层之间的第一掺杂层和设置在超薄反射层与第二透明电极之间的第二掺杂层。

根据本文提供的描述，其他适用领域将变得明显。本概述中的描述和具体实例旨在仅用于举例说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于举例说明所选实施方案，而不是所有可能的实施方式的目的，并且不旨在限制本公开的范围。

图1是根据本公开的某些方面制备的角度不敏感的无源彩色反射滤光器的截面图。

图2是根据本公开的某些方面的结合有图1的角度不敏感的无源彩色反射滤光器和集成光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件的截面图。

图3是根据本公开的某些替代方面的结合有角度不敏感的有源彩色反射滤光器和集成光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件的截面图。

图4是示出用于具有无源彩色反射滤光器和集成光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件的电流密度-电压(J-V)数据采集的装置的示意图。左上方和右下方处的插图分别呈现c-Si光伏器件/太阳能面板和在上表面处开口的铝箔的尺寸。

图5A至图5C。图5A示出了根据本公开的某些方面的反射蓝色的无源角度不敏感的彩色滤光器。对于硅太阳能电池，蓝色无源滤光器在451nm波长处的反射峰强度为约40％。图5B示出了图5A所示的反射蓝色的无源角度不敏感的彩色滤光器的模拟和测量的反射和透射光谱。图5C示出了在CIE 1931色度图上描绘的来自模拟和测量的反射光谱二者的色坐标的图。

图6示出了具有被2.5至4.5的不同折射率的材料替代的a-Si层的中间半导体层的蓝色结构的反射光谱的图示。

图7A至图7D。图7A和图7B分别示出了对于绿色和红色无源滤光器的模拟的反射和透射光谱的图示。图7C和图7D分别示出了无源绿色和红色滤光器的模拟的角度行为。

图8示出了使用光谱椭偏仪(M-2000，J.A.Woollam)的Si₃N₄、TiO₂、a-Si和SiO₂介电材料的折射率的图示。

图9A至图9C。图9A和图9B示出了根据本公开的某些方面制备的蓝色滤光器在非偏振光照射下的计算和测量的角度分辨反射的图示。图9C示出了制造的蓝色滤光器在四个不同的视角下以黑色背景拍摄的在环境光照射下的照片，表明可以在宽角度范围内保持稳定的蓝色。

图10A至图10B。图10A示出了在用于无源滤光器的多层堆叠体的各介电层内计算的归一化总相移的图示，表明引起增强的透射的透射F-P共振的位置。图10B示出了通过随后添加那4个介电层的滤光器结构的模拟的反射光谱的图示。

图11示出了根据本公开的某些方面的角度不敏感的无源彩色反射滤光器分别在300nm、400nm、450nm、600nm、800nm和1000nm波长处的光学导纳(admittance)图。

图12示出了与不具有反射滤光器的原始c-Si光伏电池的电流密度-电压(J-V)特性相比，结合有蓝色角度不敏感的无源反射滤光器的光伏器件组合件在AM1.5照射(100mWcm^-2)下的测量的电流密度-电压(J-V)特性的图示。

图13A至图13D。图13A示出了根据本公开的某些方面制备的具有增强的反射的反射蓝色的无源角度不敏感的彩色滤光器的示意图。图13B示出了图13A的新蓝色无源滤光器的反射和透射光谱。图13C示出了制造的样品在多个视角下的光学图像，呈现出大的角度不敏感性。图13D示出了与不具有滤光器的原始c-Si光伏电池的J-V性能相比，结合有蓝色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件在AM1.5照射下的测量的J-V性能。

图14A至图14D示出了根据本公开的某些方面制备的有源角度不敏感的彩色光伏器件组合件。图14A示出了根据本公开的某些替代方面的具有角度不敏感的有源彩色反射滤光器和集成光伏器件的有源角度不敏感的彩色光伏器件组合件的截面图。在图14B中，示出了绿色太阳能电池的图片。图14C至图14D分别示出了有源角度不敏感的彩色光伏器件组合件的光学和电性能。

图15示出了根据本公开的某些方面制备的包括不同RGB颜色的a-Si太阳能电池的有源角度不敏感的光伏器件组合件的模拟的光学性能。

在整个附图的若干视图中，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

提供了示例性实施方案以使得本公开将是全面的，并且将向本领域技术人员完全传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组成、组件、器件和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式实施，并且两者都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，不详细描述公知的方法、公知的器件结构和公知的技术。

本文所使用的术语仅用于描述特定示例性实施方案的目的，并且不旨在是限制性的。如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也可以旨在包括复数形式。术语“包括”(comprises)、“包含”(comprising)、“含有”和“具有”是包容性的，并因此指定存在所述特征、元件、组成、步骤、整数、操作和/或组件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件、和/或其组。虽然开放式术语“包括”被理解为用于描述和要求保护本文所阐述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面中，所述术语可以替代地理解为更加限制和限制性的术语，例如“由······组成”或“基本上由······组成”。因此，对于陈述组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤的任何给定实施方案，本公开还具体地包括由这样的所陈述的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤组成的实施方案或基本上由这样的所陈述的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤组成的实施方案。在“由······组成”的情况下，替代实施方案排除任何另外的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤，而在“基本上由······组成”的情况下，从这样的实施方案中排除实质上影响基本和新特性的任何另外的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤，但在实施方案中可以包括实质上不影响基本和新特性的任何组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤。

除非特别指明为进行的顺序，否则本文描述的任何方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求其以所讨论或说明的特定顺序来进行。还应理解，除非另外指出，否则可以采用另外的或替代的步骤。

当组件、元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合至”另一元件或层、“连接至”另一元件或层、或“耦合至”另一元件或层时，其可以直接在另一组件、元件或层上，直接接合至另一组件、元件或层，直接连接至另一组件、元件或层，或直接耦合至另一组件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在”另一元件或层“上”，“直接接合至”另一元件或层，“直接连接至”另一元件或层，或“直接耦合至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。应以类似的方式解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在······之间”与“直接在······之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任意和全部组合。

虽然术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述多个步骤、元件、组件、区域、层和/或部分，但除非另外指出，否则这些步骤、元件、组件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或部分与另一步骤、元件、组件、区域、层或部分区分开。除非上下文明确指出，否则当在本文中使用时，术语如“第一”、“第二”和其他数字术语并不意味着次序或顺序。因此，在不脱离示例性实施方案的教导的情况下，以下讨论的第一步骤、元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、组件、区域、层或部分。

在本文中，可以使用空间或时间上相对的术语，例如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“之下”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”等以便于说明书描述如附图所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。空间或时间上相对的术语可以旨在包括除了附图中描绘的方位之外的使用或操作中的器件或系统的不同方位。

在整个本公开中，数值表示近似测量值或限于包含给定值的微小偏差的范围，以及大约具有所述值和精确具有所述值的实施方案。除了在详细描述的结尾处提供的工作实施例中之外，本说明书(包括所附权利要求书)中的参数(例如，数量或条件)的所有数值应理解为在所有情况下由术语“约”修饰，无论“约”是否实际出现在数值之前。“约”表示所述数值允许一些轻微的不精确(其中一些接近数值中的精确度；近似或合理地接近数值；几乎)。如果通过“约”提供的不精确在本领域中不作此通常意义的另外理解，则如本文所用的“约”至少表示可以由测量和使用这样的参数的一般方法引起的变化。例如，“约”可以包括如下变化：小于或等于5％，任选地小于或等于4％，任选地小于或等于3％，任选地小于或等于2％，任选地小于或等于1％，任选地小于或等于0.5％，并且在某些方面中，任选地小于或等于0.1％。

除非另外指出，否则组成以质量/重量百分比给出。

此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开，包括为范围给出的端点和子范围。

现在将参照附图更全面地描述示例性实施方案。

在多个方面中，本公开设想了高效彩色太阳能电池组合件，其包括与光伏器件结合的无源反射彩色滤光器二者。例如，如本文所述，本公开设想了包括彩色反射滤光器和光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件。如以下将进一步描述的，光伏器件与彩色反射滤光器的一侧相邻并且任选地与彩色反射滤光器的一侧接触。

图1示出了根据本公开的某些方面的无源角度不敏感的彩色滤光器50。滤光器50具有形成多层堆叠体或组合件的复数个层。因此，滤光器50包括限定第一侧54和第二侧56的超薄反射层52。超薄反射层52可以为高折射率材料、半导体材料或金属层。在某些方面中，超薄反射层52包含非晶硅(a-Si)材料。非晶硅具有如下折射率：实部在波长从300nm增加至约400nm时从约3.3增加至约5.0，并且在波长从约400nm增加至1100nm时从约5.0减小至约3.5，以及虚部在波长从300nm增加至1100nm时从约3.5减小至0。“超薄”意指层的厚度小于或等于约20nm。在某些变化方案中，超薄反射层52的厚度小于或等于约15nm。在某些变化方案中，超薄反射层52的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。在一个方面中，超薄反射层52的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约10nm。在另一个变化方案中，超薄反射层52的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约12nm。

滤光器50包括与超薄反射层52的第一侧54相邻的透明的第一对60介电材料。第一对60包括介电材料的第一层70和不同的介电材料的第二层72。滤光器50还包括与超薄反射层52的第二侧56相邻的透明的第二对62介电材料。第二对62包括介电材料的第三层74和不同的介电材料的第四层76。第二对62介电材料设置在基板78上。基板78可以由对某些预定波长的光透明的材料例如二氧化硅(例如，熔融氧化硅或玻璃)、石英和聚合物(例如，聚碳酸酯或丙烯酸酯)形成。应注意，在替代变化方案中，滤光器50中可以包括另外的层或组件。作为实例，虽然未示出，但在基板78的与第四层76相反的一侧上可以包括折射率匹配层(折射率匹配层，index-matching layer)。

用于层70至74的介电材料可以各自独立地选自氮化硅(Si₃N₄)、氧化钛(TiO₂)和二氧化硅(SiO₂)、氧化锌(ZnO)、氧化铪(HfO₂)、三氧化钼(MoO₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化物三氧化钨(WO₃)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氧化铝(Al₂O₃)、氟化镁(MgF₂)、和/或具有相似的合适的折射率的聚合物。在一个变化方案中，所选择的用于形成第一层70、第二层72、第三层74和第四层76中的每一者的介电材料独立地选自氮化硅(Si₃N₄)、硒化锌(ZnSe)、氧化钛(TiO₂)和二氧化硅(SiO₂)。在某些方面中，层70至74中的一者或更多者可以为高折射率材料，所述高折射率材料的折射率可以大于或等于约1.6，任选地大于或等于约1.7，任选地大于或等于约1.8，任选地大于或等于约1.9，任选地大于或等于约2，任选地大于或等于约2.1，并且在某些变化方案中，任选地大于或等于约2.2。作为非限制性实例，根据本公开使用的合适的高折射率材料包括折射率为2.0的氮化硅(Si₃N₄)、折射率为约2.2的氧化钛(TiO₂)和折射率为约2.6的硒化锌(ZnSe)。

另一些设想的高折射率材料(high index material)为光学超材料(metamaterial)。超材料是通过使用小的不均匀性来产生有效的宏观行为而设计成具有基于其结构而不是材料本身的组成的特性的合成材料，其通常是各向异性且不均匀的。许多这样的光学超材料具有高折射率，或者可以被设计成具有高折射率，同时在目标光谱范围内仍具有最小吸收，例如，超材料可以具有大于或等于约2；任选地大于或等于约3，任选地大于或等于3.5，任选地大于或等于约4的折射率，并且在某些方面中，任选地高至5或超过5的折射率。在以下描述的某些另外的实施方案中，这样的超材料可以用于替代的光学过滤器件实施方案以提供具有最小角度依赖性的颜色过滤。

在某些方面中，第一层70包含二氧化硅(SiO₂)，第二层72包含氧化钛(TiO₂)，第三层74包含氧化钛(TiO₂)，以及第四层76包含氮化硅(Si₃N₄)。在某些其他方面中，第一层70包含氮化硅(Si₃N₄)，第二层72包含硒化锌(ZnSe)，第三层74包含硒化锌(ZnSe)，以及第四层76包含氮化硅(Si₃N₄)。在某些方面中，第一层70的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约300nm，并且在某些变化方案中，任选地大于或等于约145nm至小于或等于约245nm。第二层72的厚度可以为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，并且在某些变化方案中，任选地大于或等于约100nm至小于或等于约195nm。第三层74的厚度可以为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，并且在某些变化方案中，任选地大于或等于约25nm至小于或等于约75nm。第四层76的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约300nm，并且在某些变化方案中，任选地大于或等于约100nm至小于或等于约155nm。

如图1所示，电磁波80(例如阳光)被导向滤光器50。在多个方面中，滤光器50能够透射具有第一预定波长范围的第一部分的电磁波80，如箭头82所示。滤光器50还反射具有第二预定波长范围的第二部分的电磁波谱/电磁波80以产生相对于从中可以看到或观察到滤光器50(例如，通过人或机器)的入射角或视角86显示最小角度依赖性的反射输出84。如图1所示，视角86为90°，但可以基于从大于0°至小于180°(例如，±90°)的任何地方的观察位置而变化。

硅光伏面板对波长大约在约300nm至1100nm范围内的光作出响应。特别合适的紫外、可见和红外电磁辐射包括约300nm至约390nm的紫外辐射、波长约390nm至约750nm的可见光和红外辐射(IR)(包括约0.75μm至约1.4μm的近红外(NIR))。在电磁辐射的可见范围内，在约625nm至740nm范围内的波长为红色；橙色在约590nm至约625nm处；黄色在约565nm至约590nm处；绿色在约520nm至约565nm处；蓝色或青色在约500nm至约520nm处；蓝色或靛蓝在约435nm至约500nm处；紫色在约380nm至约435nm处。值得注意地，如本文所用，蓝色可以包括蓝色/青色、蓝色/靛蓝和紫色。

在某些实施方案中，反射输出84具有在可见光范围内的由滤光器50产生的预定波长范围，其可以包括选自红色、绿色、蓝色、及其组合的颜色。在某些方面中，电磁辐射的反射输出84可以具有在如下范围内的波长：对于红色，大于或等于约625nm至小于或等于约740nm的范围；对于绿色，大于或等于约520nm至小于或等于约565nm的范围；对于蓝色或青色，大于或等于约500nm至小于或等于约520nm的范围，对于蓝色或靛蓝，大于或等于约435nm至小于或等于约500nm的范围。此外，在某些方面中，反射光可以为光谱外的或几种不同波长的混合物。例如，品红色是红色(625nm至740nm)和蓝色(435nm至500nm)波长的光谱外混合物。

在一个变化方案中，角度不敏感的彩色滤光器50具有有对应于蓝色的预定波长范围的反射输出84，其中超薄反射层52的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm，第一层70的厚度为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约145nm至小于或等于约170nm。第二层72的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，并且任选地大于或等于约100nm至小于或等于约120nm。第三层74的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，并且任选地大于或等于约25nm至小于或等于约50nm。第四层76的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约150nm，并且任选地大于或等于约100nm至小于或等于约120nm。

在某些其他变化方案中，角度不敏感的彩色滤光器50具有有对应于绿色的预定波长范围的反射输出84，其中超薄反射层52的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层70的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约185nm至小于或等于约195nm。第二层72的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约145nm至小于或等于约155nm。第三层74的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约35nm至小于或等于约45nm。第四层76的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约135nm至小于或等于约145nm。

在又一些变化方案中，角度不敏感的彩色滤光器50具有有对应于红色的预定波长范围的反射输出84，其中超薄反射层52的厚度为大于或等于约5nm至小于或等于约12nm。第一层70的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约300nm，并且任选地大于或等于约235nm至小于或等于约245nm。第二层72的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约185nm至小于或等于约195nm。第三层74的厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约200nm，并且任选地大于或等于约65nm至小于或等于约75nm。第四层76的厚度为大于或等于约100nm至小于或等于约300nm，并且任选地大于或等于约145nm至小于或等于约155nm。

在某些方面中，无源角度不敏感的彩色滤光器50表现出最小的角度依赖性，这对应于这样的具有第二预定波长范围的反射输出84：当对在0°的入射角或视角下的第一波长与在60°的入射角下的第二波长之差进行比较时，其变化小于或等于约80nm；任选地小于或等于70nm；任选地小于或等于60nm。反射输出的最小偏差可以表示为最小的角度依赖性。在某些特别有利的变化方案中，滤光器50具有最小的角度依赖性，并且能够产生这样的具有预定波长范围(例如，具有波长偏移)的反射输出：当从0°至60°的入射角观察滤光器时，基于入射可能的角度的范围(当对在0°的入射角下观察的注意的第一波长与在60°的入射角或视角下观察的第二波长之差进行比较时)，其偏差小于或等于50nm；任选地小于或等于约45nm；任选地小于或等于40nm；任选地小于或等于35nm；任选地小于或等于30nm。在某些方面中，无源角度不敏感的彩色滤光器50在高至±60°的上述最小波长变化下具有非虹彩外观。

图2示出了包括如图1的彩色反射滤光器50以及光伏组合件100的角度不敏感的彩色光伏器件组合件90。为简洁起见，图1的上下文中的上述特征和细节在此将不再重复。示例性光伏器件组合件100具有可以包括光敏材料层的光伏电池110。在某些变化方案中，至少一个光敏层114包含晶体硅(c-Si)材料。因此，光伏电池可以包括晶体硅(c-Si)面板；背接触型光伏电池；或具有有第一极性的第一电极、具有与第一电极相反的极性的第二电极、以及设置在第一电极与第二电极之间的至少一个光敏材料层(例如，包含c-Si)的光伏电池。光伏组合件100还可以包括将光伏电池110夹在中间的另外的层，例如保护层或封装层。因此，光伏组合件100的第一层112设置在彩色反射滤光器50的基板78与光伏电池110之间，同时在光伏电池的相反侧上存在第二层114。第二层114设置在背板116上。第一层和第二层可以由对期望进入光伏电池110的具有预定波长范围的光透明的材料(作为实例，例如乙烯-乙酸乙烯酯(EVA))形成。背板116可以由诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、铝等的材料形成。应注意，虽然未示出，但在示例性光伏组合件100中可以包括含其他层或组件的另外类型的光伏器件。

如在图1的上下文中所指出的，滤光器50能够透射导向角度不敏感的彩色光伏器件组合件90的具有第一预定波长范围的第一部分的电磁波80。透射的电磁能如箭头82所示。因此，透射的电磁能82穿过滤光器50并进入光伏器件100。如上所述，滤光器50反射具有第二预定波长范围的第二部分的电磁波谱/电磁波80以产生反射输出84。由于大部分透射的电磁能82进入光伏器件100，因此角度不敏感的彩色光伏器件组合件90可以产生大于或等于约15％，任选地大于或等于约16％，任选地大于或等于约17％，并且在某些方面中，任选地大于或等于约18％的功率转化效率(PCE)。

这样，在某些变化方案中，本公开提供了具有新的串叠(tandem)配置的包括PV器件和无源彩色滤光器的组合件，所述PV器件可以包括晶体硅(c-Si)PV面板，所述无源彩色滤光器在反射用于装饰或美学外观的期望的一种或更多种颜色的同时表现出角度不敏感性。如上所述，无源反射滤光器可以包括五个层，其中半导体(例如，a-Si)可以被夹在透明电介质的两对/两个堆叠体之间，其可以通过采用梯度折射率分布(gradient indexprofile)而透射待由下方的c-Si PV模块收获的大部分太阳光谱，从而实现整体高效率。以这种方式，通过使晶体硅(c-Si)太阳能面板/PV器件与设置在PV器件顶上的无源彩色滤光器集成而提供具有高效率(例如，在某些变化方案中，大于或等于约18％)的角度稳健/不敏感的彩色太阳能电池/光伏器件组合件。此外，由于彩色滤光器模块中涉及的半导体层(例如，a-Si)的高折射率，角度不敏感的彩色光伏器件组合件表现出具有高亮度(约55％峰反射)的高至±60°的非虹彩外观。

因此，本公开提供了无源角度不敏感的光伏器件组合件，其包括与通常包括至少十个不同层的一维(1D)光子晶体(PC)相比，具有显著减少的层数量的无源角度不敏感的彩色滤光器，同时还克服了典型彩色太阳能电池的角度敏感和低效率问题。以这种方式，本发明的无源角度不敏感的光伏器件组合件对于可以采用光伏器件的各种应用具有巨大潜力，所述应用包括建筑物、汽车、船舶、航空和农业的行业，包括太阳能收集表面/涂层，创新太阳能建筑物/建筑物集成光伏(BIPV)和太阳能车辆(例如汽车、摩托车、船)。本技术可以大规模地实施并且容易地应用于批量生产。

在如图3所示的某些替代变化方案中，示出了角度不敏感的彩色光伏器件组合件150，其包括有源彩色反射组合件152与光伏器件100(如图2所示)。为简洁起见，在图2的上下文中的上述特征和细节的共同之处在此将不再重复。作为非限制性实例，示例性光伏器件组合件100具有光伏电池110，虽然未示出，但其可以具有有第一极性的第一电极、具有与第一电极相反的极性的第二电极、以及设置在第一电极与第二电极之间的至少一个光敏材料层(例如，包含c-Si)。第一层112和第二层114将光伏电池110夹在中间。如先前在图2的上下文中所述，第二层设置在背板116上。有源彩色反射组合件152由无源角度不敏感的彩色滤光器50改进而来以用透明电极代替至少一些介电材料。因此，有源彩色反射组合件152具有有第三极性的第三电极160和具有与第三极性相反的第四极性的第四电极162。超薄反射层170设置在第三电极160与第四电极162之间。超薄反射层170可以为半导体并且可以具有高折射率，例如，包含非晶硅(a-Si)材料。第三电极160和第四电极162可以由导电且透明的材料形成，例如氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)。应注意，虽然未示出，但示例性角度不敏感的彩色光伏器件组合件150中可以包括另外的层或组件(例如，如端子)。

如在图1和图2的上下文中所指出的，角度不敏感的彩色光伏器件组合件150能够透射导向光伏器件组合件150的具有第一预定波长范围的第一部分的电磁波80。透射的电磁能如箭头82所示。因此，透射的电磁能82穿过有源彩色反射组合件152并进入光伏器件100。像先前的实施方案一样，有源彩色反射组合件152反射具有第二预定波长范围的第二部分的电磁波谱/电磁波80以产生具有包括角度不敏感性和亮度的上述特性的反射输出84。以这种方式，在某些实施方案中，具有有第一电极(未示出)、第二电极(未示出)、第三电极160和第四电极162的设计的角度不敏感的彩色光伏器件组合件150可以形成四端子光伏器件(端子未示出，但与各相应的电极电连接)，其在有源彩色反射组合件152和光伏器件100二者中均产生另外的光子到电流的转化。因此，该角度不敏感的彩色光伏器件组合件150表现出预定颜色的角度不敏感性和反射率，但认为其能够进一步增强光伏器件组合件150的PCE，超过上下文中所描述的结合有无源角度不敏感的彩色滤光器50的角度不敏感的彩色光伏器件组合件90的PCE。

在图14A所示的另一个变化方案中，角度不敏感的彩色光伏器件组合件200包括有源彩色反射组合件210，其限定滤光器和光伏器件二者。为简洁起见，在图1至图3的上下文中的上述特征和细节的共同之处在此将不再重复。示例性光伏器件组合件200具有有第一极性的第一电极220、具有与第一电极220相反的极性的第二电极222。第一掺杂层230是设置成与第一电极220相邻的用作电子空穴传输层的电荷传输层，而第二掺杂层232是设置成与第二电极222相邻的用作电子传输层的电荷传输层。

第一电极220和第二电极222可以由透明导电材料例如铝掺杂的氧化锌(AZO)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、镁和镓共掺杂的氧化锌(MGZO)、硼掺杂的氧化锌(BZO)、其组合等形成。在一个变化方案中，第一电极220包含氧化铟锡(ITO)，其可以经由电子束沉积过程形成。第二电极222可以由铝掺杂的氧化锌(AZO)形成。铝掺杂的氧化锌(AZO)和氧化铟锡(ITO)由于其透明性和与相应界面层的相容性而可以因此分别用作阳极和阴极。虽然未示出，但应注意，如果采用另外的合适的传输层，则也可以使用包含镁和镓共掺杂的氧化锌(MGZO)、硼掺杂的氧化锌(BZO)等的其他透明电极。

如上所述，第一掺杂层230可以为电荷(例如，电子)传输层。例如，第一掺杂层230可以为基于掺杂的n型硅的材料，例如n型硅氧化物(SiO_x)。作为实例，可以通过在硅氧化物(SiO_x)材料中包含在其外能级中具有比硅具有的一个或更多个电子的掺杂原子(例如磷(P))来产生掺杂的n型硅氧化物。该电子在激发时被供出。如图所示，第一掺杂层230是单层，虽然其可以具有多个层。在一个变化方案中，包含n-SiO_x的第一掺杂层230的厚度可以为约15nm。

第二掺杂层232可以为电荷(例如，空穴)传输层。例如，第二掺杂层232可以为基于掺杂的p型硅的材料，例如p型硅氧化物(SiO_x)。作为实例，可以通过在硅氧化物(SiO_x)材料中包含在其外能级中具有比硅具有的少一个或更多个电子的掺杂原子(例如硼(B)或镓(Ga))来产生掺杂的p型硅氧化物。因为掺杂剂具有比与周围的硅原子形成键所需的电子少至少一个的电子，所以在激发时产生电子空位或带正电的空穴。如图所示，第二掺杂层232是单层，虽然其可以具有多个层。在一个变化方案中，包含p-SiO_x的第二掺杂层232的厚度可以为约10nm。

超薄反射层240设置在第一掺杂层230与第二掺杂层232之间。超薄反射层240可以为半导体并且可以具有高折射率，例如，包含非晶硅(a-Si)材料。超薄反射层240可以由所述材料形成并且具有上述的任意厚度。在一个实例中，超薄反射层240包含非晶硅(a-Si)并且可以为约11nm厚。

以这种方式，第一电极220、第一掺杂层230、超薄反射层240、第二掺杂层232和第二电极222限定了包括光伏电池的有源彩色反射组合件210，从而限定了角度不敏感的彩色光伏器件组合件200。如先前在图2的上下文中所述，第二电极222设置在基板或背板242上。作为实例，背板242可以由玻璃材料形成。有源彩色反射组合件210由无源角度不敏感的彩色滤光器50改进而来以用透明电极以及n掺杂层或p掺杂层代替至少一些介电材料。

应注意，虽然未示出，但示例性角度不敏感的彩色光伏器件组合件200中可以包括另外的层或组件(例如，如端子)。

如在图1至图3的上下文中所指出的，有源角度不敏感的彩色光伏器件组合件200能够透射导向光伏器件组合件200的具有第一预定波长范围的第一部分的电磁波80。透射的电磁能如箭头82所示。因此，透射的电磁能82穿过并进入限定光伏器件的有源彩色反射组合件210中。像先前的实施方案一样，有源彩色反射组合件210反射具有第二预定波长范围的第二部分的电磁波谱/电磁波80以产生具有包括角度不敏感性和亮度的上述特性的反射输出84。以这种方式，在某些实施方案中，具有有第一电极220和第二电极222的设计的有源角度不敏感的彩色光伏器件组合件200限定了光伏器件(端子未示出，但与各相应的电极电连接)，其在有源彩色反射组合件/光伏器件210中产生光子到电流的另外的转化。因此，该有源角度不敏感的彩色光伏器件组合件210表现出预定颜色的角度不敏感性和反射率，但其还能够增强集成光伏器件组合件或辅助光伏组合件的PCE，超过具有无源角度不敏感的彩色滤光器的角度不敏感的彩色光伏器件组合件的上下文中描述的PCE。因此，角度不敏感的彩色光伏器件组合件200包括可以与设置在有源彩色反射组合件210下方的另一光伏器件耦合的有源彩色反射组合件210(例如，如图3所示)。

在角度不敏感的彩色光伏器件组合件200包括有源彩色反射组合件210的情况下，介电材料对(例如，ZnSe和Si₃N₄)被合适的空穴/电子传输层和透明电极代替，使得器件可以适合于有源太阳能电池。在此，考虑到第一掺杂层230和第二掺杂层232与超薄反射层240中的a-Si的基本上完美的带取向而选择第一掺杂层230和第二掺杂层232(即，分别作为电子传输层和空穴传输层的n-SiO_x和p-SiO_x)。铝掺杂的氧化锌(AZO)和氧化铟锡(ITO)由于其透明性和与相应的界面层的相容性而分别用作透明的阳极(例如，第一电极220)和阴极(例如，第二电极222)。仔细选择各层的厚度以实现最佳的电性能。

作为非限制性实例，第一电极220的厚度可以为大于或等于约50nm至小于或等于约200nm，任选地大于或等于约75nm至小于或等于约170nm。第二电极222的厚度可以为大于或等于约750nm至小于或等于约1,500nm(1.5μm)，任选地约1,000nm(1μm)。第一掺杂层230或传输层的厚度可以为大于或等于约10nm至小于或等于约20nm，任选地大于或等于约15nm至小于或等于约19nm。第二掺杂层232或传输层的厚度可以为大于或等于约5nm至小于或等于约20nm，任选地大于或等于约10nm至小于或等于约19nm。超薄反射层240的厚度可以为大于或等于约5nm至小于或等于约55nm，任选地大于或等于约10nm至小于或等于约55nm，并且任选地大于或等于约10nm至小于或等于约13nm。

在一个变化方案中，如图14A所示，电子束沉积的ITO第一电极220具有约75nm的厚度，具有n-SiO_x的第一掺杂层230具有约15nm的厚度，a-Si的超薄反射层240具有约11nm的厚度，具有p-SiO_x的第二掺杂层232、第二电极222具有约1微米的厚度。

通过本文包括的具体实施例可以进一步理解本发明技术的各种实施方案。提供具体实施例用于如何制造和使用根据本教导的组成、器件和方法的举例说明目的，并且除非另外明确说明，否则不旨在表示本发明的给定实施方案已经或尚未做出或测试。

实施例

无源角度不敏感的彩色滤光器通过在熔融氧化硅基板上沉积层来制造。通过电子束蒸镀在室温下以

的速率沉积TiO₂。用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)分别在260℃、260℃和200℃的温度下以

和

的速率沉积Si₃N₄、a-Si和SiO₂。

用于计算各介电层内的光谱反射和透射、角度分辨光谱、电场强度分布和净相移的光学模拟基于传递矩阵法(transfer matrix method)，其中材料的折射率使用光谱椭偏仪(M-2000，J.A.Woollam)来校准。

光学和电学表征如下进行。用集成有光谱仪和白光源的薄膜测量仪器(F20，Filmetrics)获得垂直入射下的反射光谱。用光谱椭偏仪(M-2000，J.A.Woollam)进行45°至60°的角度分辨反射光谱以及垂直入射下的透射光谱的测量。

使用铝箔来覆盖商用背面接触式c-Si太阳能面板(约125mm²，

Sunpower Corporation)的表面，为25mm²无源滤光器在中心处留下22mm²开口。然后，通过将MP-160(EKO Instruments)连接至电极(图4示出了详细的装置)，在AM1.5模拟阳光(100mWcm^-2)的照射下记录集成彩色太阳能电池的电流密度-电压(J-V)性能。

图5A至图5D示出了根据本公开的某些方面的角度稳健的无源滤光器及其性能。角度不敏感的无源滤光器能够产生蓝色的独特反射颜色，以及利用仅5个薄层内的光学干涉产生整体高透射。如图5A所示，超薄a-Si层(约5nm)夹在透明电介质的层的两个堆叠体或两对(氮化硅(Si₃N₄)/二氧化钛(TiO₂)和TiO₂/二氧化硅(SiO₂))之间，形成渐变折射率分布(graded index profile)。这种设计使得跨越整个太阳光谱的显著透射被在下方的结合有晶体硅(c-Si)光敏层的光伏器件收获(如图5B所示)。角度不敏感的无源滤光器中使用的a-Si的高折射率直接有助于设计颜色的最终强反射，其中在452nm处的峰反射为约40％，这在图6中进一步描述。

图6比较了采用不同折射率的材料作为中间层的结构的反射光谱。在此，以蓝色为例来说明工作原理，Si₃N₄、底部TiO₂、顶部TiO₂和SiO₂的相应厚度分别为100nm、50nm、120nm和150nm。或者，通过调节这4个介电层的厚度，同时将a-Si厚度保持为5nm，可以容易地实现绿色和红色反射输出。

多层堆叠体中其余层的厚度在每种情况下都保持相同。除a-Si(n＝4.80+i0.95，在452nm处的峰强度为约40％)之外，所有这些材料的散射都被忽略。显然，峰反射强度保持在约450nm处并随折射率而增加：在449nm处26％(n＝2.5)，在449nm处29％(n＝3.0)，在450nm处31％(n＝3.5)，在450nm处35％(n＝4.0)，在451nm处38％(n＝4.5)，从而证实高反射归因于中间层的高折射率。

表1列出了对于各RGB颜色，无源滤光器结构中不同介电层的厚度。

表1

图7A至图7D提供了对于反射绿色(图7A和图7C)和红色(图7B和图7D)的滤光器的模拟的反射和透射光谱以及模拟的角度行为。考虑到高折射率超薄a-Si半导体层是反射峰的主要因素，并且a-Si的实部折射率在较长波长下降低，当a-Si固定在5nm的厚度下时，对于绿色的峰反射强度(在538nm处37％)和对于红色的峰反射强度(在666nm处32％)相应较小。插图是对于各滤光器的可视化反射颜色，呈现不同的绿色和红色。表1概述了各层的尺寸。在图7C和图7D中，示出了绿色和红色滤光器的模拟的角度行为，其中平坦的散射光谱表明装饰应用所需的显著的角度稳健性能。

所有材料(a-Si、Si₃N₄、TiO₂和SiO₂)的折射率通过使用光谱椭偏仪(M-2000，J.A.Woollam)来表征并提供于图8中。

从图5B可以观察到模拟结果与测量结果之间优异的一致性，虽然在400nm至600nm的测量中观察到的比计算稍高的透射可以归因于用于模拟而校准的材料的折射率与制造的器件的折射率之差。值得注意的是，如果在与c-Si光伏模块集成时引入另外的折射率匹配层，则可以抑制由熔融氧化硅基板背面反射引起的约3.5％的“背景”反射(即，图中600nm波长外的弱反射)，这将进一步改善反射颜色纯度以及具有下面的c-Si面板/PV器件的增强吸收的整个器件的PCE。在图5C中，由模拟光谱和测量光谱计算的反射的色坐标(x,y)绘制在CIE 1931色度图上，表明彼此非常匹配。

接下来，图9A描述了具有在非偏振光照射下的平坦散射特征的计算的角度分辨反射光谱，表明与图9B中的测量结果非常匹配。从模拟结果和测量结果二者来看，反射峰相对于高至±60°的视角都保持相当恒定，这是并入到由本公开提供的角度不敏感的无源滤光器设计中的材料(即a-Si、TiO₂和Si₃N₄)的高折射率的直接结果。考虑到仅需要材料沉积过程，所提出的结构是用于具有低制造成本的装饰性PV应用的优异候选者。图9C中的制造的样品以黑色背景在环境光照射下的照片清楚地表明，在环境光照射下在不同视角(0°至60°的入射角)下都可以看到稳定的蓝色，这进一步证实本发明的无源滤光器设计的角度不变性能。注意，使用黑色背景以模仿吸收透射光的c-Si光伏面板。

宽带透射和反射的彩色外观可以通过介电堆叠体中不同波长处的多个共振来解释。在图10A中，对于各介电层绘制了净相移，其包括来自界面的两个反射相移和传播相位累积。在净相移等于2π的倍数的那些波长处有效地增强了透射，即，产生法布里-珀罗(F-P)共振以减少反射，从而引起透射。具体地，在约300nm处的反射下降由SiO₂(在298nm处的共振)和Si₃N₄(在285nm处的共振)内部的共振引起。通过同时激发各层内的多个共振(SiO₂中381nm、579nm和623nm处的共振，顶部TiO₂中381nm和577nm处的共振，底部TiO₂中396nm和572nm处的共振，Si₃N₄中394nm和578nm处的共振)，显著提高了400nm和600nm附近的光透射。类似地，在更长的波长(包括约800nm、约1000nm和约1100nm)处的反射被如图所示的相应共振(SiO₂中839nm、943nm和1132nm处的共振，顶部TiO₂中1132nm处的共振，底部TiO₂中799nm、974nm和1133nm处的共振，Si₃N₄中803nm、1035nm和1134nm处的共振)很好地抑制。由于跨越几乎整个太阳光谱的多个共振，用根据本公开的某些方面制备的仅具有5个层的无源滤光器实现宽带透射，这提高了最终集成太阳能电池/PV系统的整体PCE。

另一方面，相邻共振之间仍存在未被抑制的反射(例如，在347nm(16％)、452nm(40％)、662nm(7％)和946nm(4％)处的反射峰)，因为这些共振无法覆盖整个范围内的每个点。与其他波长处的反射强度相比，452nm处的更高的反射强度(这是由于a-Si分别在小于400nm的短波长和大于650nm的较长波长处的强吸收和低折射率二者)直接引起此处结构的蓝色反射外观。

图10B提供了随后添加这4个介电材料层的结构的光谱的演变。反射强度随单个5nm a-Si层的光谱中的波长的降低(黑线)清楚地表明，高折射率直接引起强反射，这与以上提出的说明一致。在仅将TiO₂放在顶上之后，立即在蓝色范围内出现强反射峰，同时在约400nm和约600nm二者处抑制了反射。通过在a-Si层的背面上添加SiO₂和其他两种电介质，通过激发其他透射共振，进一步减少400nm至500nm范围外的反射，从而实现优化的结构。值得注意的是，光谱已经非常接近顶部两种电介质(TiO₂和SiO₂)的最终结果，这意味着在实现最终高透射时，顶部电介质比底部堆叠体起着更重要的作用。

另一方面，宽带透射的高效率由具有梯度折射率分布特征的介电层的减反射(AR)效应产生。这可以通过绘制光学导纳图来验证，其提供了可视化表示多层结构的光学表面导纳的有效方法。光学导纳

是阻抗的倒数(其中ε和μ分别为介电常数和磁导率)，并且由于在光频率下的可忽略的磁效应而等于材料复合折射率。导纳轨迹对于透明电介质和理想电导体为圆形，对于吸收材料例如半导体和真实金属为螺旋形。结构的导纳从基板开始并随厚度增加而沿着圆形或螺旋形轨迹旋转。层状结构的终止导纳点与空气(1,0)的导纳之间的距离通过以下来确定反射强度

其中Y₀和Y₁分别指空气导纳和结构的终止导纳点。图11绘制了根据本公开的某些方面制备的无源反射蓝色彩色滤光器结构在包括300nm、400nm、450nm、600nm、800nm、1000nm和1100nm的不同波长处的导纳图。连接结构的终止导纳点和空气的黑线的长度提供了结构的反射率的度量。最终导纳位置为(0.76,-0.07)、(1.04,-0.71)、(4.33,0.40)、(1.22,-0.07)、(1.07,0.07)、(1.16,0.04)和(1.04,0.03)，分别对应于约2.01％、10.84％、39.37％、1.08％、0.23％、0.58％和0.06％的反射。为简单起见，在此处的计算中忽略了二氧化硅基板背面反射。450nm处的唯一的强反射强度很好地说明了蓝色外观和宽带高透射。

图12示出了与不具有无源滤光器的c-Si面板光伏相比，结合有蓝色角度不敏感的无源反射滤光器和集成光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件(PV系统)的测量的电流密度-电压(J-V)特性。由于通过顶上滤光器通过c-Si电池收获的总体高透射，整个PV系统显示出约38.44mA cm^-2的短路电流密度J_sc、约585.0mV的开路电压V_oc、约75.69％的填充系数(FF)，对应于约17.02％的PCE，这仅比没有彩色滤光器覆盖的原始c-Si太阳能电池(J_sc为约42.21mA cm^-2，V_oc约611.2mV，FF约78.23％，对应于约20.18％的PCE)的效率低约3.16％。具有高效率的该彩色太阳能电池有效地克服了常规彩色PV的低效率限制。如上所述，如果在无源滤光器和下面的c-Si光伏电池之间使用折射率匹配层以减少来自二氧化硅基板背面的约3.5％“背景”反射，则可以进一步增强整体PCE。

在暴露于日光的实际应用中，通常需要甚至更亮的反射颜色来用作装饰表面，这可以通过将高折射率层(例如a-Si层)的厚度例如从5nm增加至10nm以产生更强的反射来实现。以蓝色为例，图13A示出了具有不同层厚度的产生在416nm处的峰强度为55％的蓝色反射(图13B)的结构的示意图。在这种滤光器设计中，a-Si的超薄反射层的厚度为约10nm，SiO₂的第一层的厚度为约145nm，TiO₂的第二层的厚度为约100nm，TiO₂的第三层的厚度为约25nm，Si₃N₄的第四层的厚度为约110nm。

图13C示出了具有黑色基板的、表现出明亮的蓝色反射的制造的样品的照片，表明具有更高反射强度的新设计的显著的角度不敏感性能。由于在整个宽带波长范围内未受影响的高透射，在将更高亮度滤光器集成到c-Si电池(具有约35.23mA cm^-2的J_sc、约582.90mV的V_oc和约75.43％的FF)的顶部上之后，新PV系统保持约15.49％PCE(图13D)。此外，通过简单地调节四个介电层(Si₃N₄/TiO₂/TiO₂/SiO₂)的厚度，还实验证明了分别具有在455nm处56％和477nm处55％的共振反射的不同类型的蓝色，从而为实际使用提供更多选择。表2列出了由具有增强反射的无源滤光器产生的这三种蓝色的详细结构。

表2

在多个方面中，本公开提供了结合有角度不敏感的无源彩色反射滤光器和集成光伏器件的角度不敏感的彩色光伏器件组合件。通过将无源彩色滤光器集成在c-Si太阳能面板/光伏器件的顶部上，这样的彩色串叠太阳能电池系统的PCE可以大于18％。无源彩色反射滤光器仅包括五个层，其中高折射率的有损耗的半导体夹在电介质的两个堆叠体或两对之间。无源彩色反射滤光器利用梯度折射率分布。独特的反射颜色以及跨越整个太阳光谱的整体高透射(其中后者随后由滤光器下方的c-Si光伏面板收获)一起产生高PCE。由于滤光器模块中涉及的高折射率半导体材料，整个系统提供高亮度和显著的角度不变外观，例如，高至±60°。此外，通过调节介电层和半导体层的厚度，可以容易地实现具有可控强度的不同反射颜色。考虑到在由本公开提供的具有高PCE特征的结构的制造中仅涉及直接沉积方法，本教导克服了与典型的彩色太阳能电池相关的许多限制。

根据用于演示的图14A描述的设计制造绿色有源角度不敏感的太阳能电池并且如图14B所示(用于电测量的图案化区域)。太阳能电池除了在用于颜色产生的波长处之外保持宽带高透射(如图14C所示)，并且仅用11nm a-Si获得另外2.80％的PCE(图14D)，这可以进一步增强整个串叠太阳能面板(其中有源角度不敏感的滤光器与第二光伏电池/器件耦合)的效率。如图15中的模拟结果所示，还可以通过略微调节各层的厚度来实现其他颜色(蓝色和红色)。表1总结了根据本公开制备的所有红-绿-蓝(RGB)色a-Si太阳能电池的详细设计。

表3

	AZO	p-SiOx	a-Si	n-SiOx	ITO
						蓝色	1μm	19nm	10nm	19nm	105nm
绿色	1μm	19nm	13nm	19nm	135nm
						红色	1μm	19nm	55nm	19nm	170nm

表3示出了根据本公开的某些方面制备的反射RGB彩色有源滤光器a-Si太阳能电池的各层的厚度。在形成这些彩色a-Si太阳能电池中涉及的所有材料的沉积条件如下。首先，通过RF(f＝13.56MHz)等离子体增强化学气相沉积技术在210℃的温度下制备n-SiO_x。SiH₄、H₂和CO₂的流量分别为2sccm、300sccm和3sccm。PH₃用作SiO_x层的n型掺杂剂并且其流量为2sccm。沉积压力和功率密度为1.3托和69mW/cm。沉积速率为0.8nm/分钟。基板与电极之间的距离为约20mm。

通过RF等离子体增强化学气相沉积技术在200℃的温度下制造p-SiO_x层。SiH₄、H₂和CO₂的流量分别为400sccm、2sccm和0.5sccm。B₂H₆用作用于SiO_x层的n型掺杂剂并且其流量为0.75sccm。沉积压力和功率密度为1.3托和69mW/cm²。基板与电极之间的距离为约20mm。

通过反应性热蒸镀在基板温度为175℃下生长ITO薄膜。In/Sn合金(10重量％Sn)和氧用作原料。氧分压为0.25Pa。厚度为75nm并且沉积速率为0.625nm/秒。

通过RF等离子体增强化学气相沉积技术在160℃的温度下制备a-Si。SiH₄和H₂的流量分别为250sccm和20sccm。沉积压力和功率密度为1.9托和49mW/cm²。

在以下溅射条件下形成AZO电极：温度：325℃；压力：1.5毫托；功率：150瓦；时间：8小时。

出于说明和描述的目的，提供了实施方案的前述描述。其不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个要素或特征一般不限于该特定实施方案，而是在可应用的情况下是可互换的并且可以用在所选实施方案中，即使没有具体示出或描述。同样也可以以许多方式变化。这样的变化方案不被认为背离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。