DE102021118693A1 - Ladungsträger-Trennvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms - Google Patents

Ladungsträger-Trennvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms Download PDF

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Abstract

Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Ladungsträger-Trennvorrichtung zum Trennen von Ladungsträgern und ein Verfahren zum Erzeugen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms bereitgestellt, die Ladungsträger-Trennvorrichtung aufweisend: eine Materialschicht (110) eingerichtet zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die Materialschicht (110) trifft; eine Magneteinheit (140) zum Bereitstellen eines Magnetfeldes in der Materialschicht (110) zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht (110); ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden (120), wobei die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines ersten Typs (221); und ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden (130), wobei die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines zweiten Typs (222), wobei die Materialschicht (110), die Magneteinheit, die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) derart eingerichtet sind, dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs (221) und Ladungsträgern des zweiten Typs (222) in der Materialschicht (110) erfolgt.

Description

  • Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine Vorrichtung zum Trennen von Ladungsträgern und ein Verfahren zum Erzeugen einer Spannung und/oder eines elektrischen Stroms.
  • Im Allgemeinen können in Solarzellen Ladungsträgerpaare mittels elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden. Ein (effektives) elektrisches Feld und/oder ein magnetisches Feld (bzw. ein Magnetfeld) kann/können zum Trennen der erzeugten Ladungsträgerpaare verwendet werden. Bei der Ladungsträgertrennung können Verluste einer Ausbeute (z.B. einer Leistung, eines elektrischen Stromes, einer elektrischen Spannung, einer Anzahl der getrennten Ladungsträger etc.) entstehen. Beispielsweise kann durch die Verluste eine maximal erreichbare Leistung der Solarzelle reduziert werden. Die Verluste können, beispielsweise durch Imperfektionen innerhalb des jeweiligen Materials, zu groß sein, um z.B. einen wirtschaftlichen Betrieb der Solarzelle zu gewährleisten. Bei der Verwendung eines Magnetfelds zur Ladungstrennung können zusätzliche geometrische Einschränkungen notwendig sein (z.B. um den gerichteten Transport in Randkanälen zu ermöglichen). Es sind daher nur vergleichsweise wenige Materialien für eine Ladungstrennung mittels eines Magnetfelds geeignet, wie beispielsweise Graphen. Eine Herstellung von Graphen in geeigneten Geometrien, z.B. um eine gute Ausbeute (z.B. bezogen auf eine bestrahlte Fläche) zu erzielen, kann jedoch technisch sehr aufwendig sein.
  • Die (elektrische) Ausbeute bei herkömmlichen Solarzellen kann auch durch eine Energielücke (auch als Bandlücke, Band Gap, oder Gap bezeichnet) limitiert werden (siehe z.B. Schockley-Queisser-Limit). Ferner kann aufgrund der Bandlücke eine Mindestfrequenz bzw. eine maximale Wellenlänge für die einfallende elektromagnetische Strahlung vorgegeben sein. Beispielsweise kann unterhalb der Mindestfrequenz (bzw. oberhalb der maximalen Wellenlänge) die Energie der einfallenden elektromagnetischen Strahlung nicht ausreichend sein, um Ladungsträgerpaare zu erzeugen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, mittels derer Ladungsträgerpaare erzeugt und mittels einem (z.B. inhomogenen) elektrischen Feld und zumindest einem magnetischen Feld getrennt werden können.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, die die Trennung der Ladungsträgerpaare optimieren können, z.B. durch ein Verändern von ein oder mehreren Charakteristiken von zumindest einem magnetischen und/oder zumindest einem elektrischen Feld.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, mittels derer eine Strahlungsenergie unter Verwendung eines (z.B. inhomogenen) elektrischen Feldes und zumindest eines magnetischen Feldes in einen elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine Ladungsträgertrennung auf eine oder mehrere Wellenlängen einer einfallenden Strahlung optimieren kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, mittels derer bei geringen Materialkosten in einem großen Spektralbereich eine Energieumwandlung mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Solarzelle bereitgestellt, die durch eine geeignete Kombination von einem Magnetfeld und einem inhomogenen(effektiven) elektrischen Feld, verwendet werden kann, um eine Trennung von Ladungsträgern in einer Materialschicht zu erreichen. Gemäß verschiedenen Aspekten kann die Materialschicht Graphen aufweisen oder daraus bestehen. Es sei angemerkt, dass das Material Graphen mit seinen elektrischen Eigenschaften geeignet ist zur Verwendung in der hierin beschriebenen Ladungsträger-Trennvorrichtung, dass aber auch andere Materialien, z.B. mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften wie Graphen (z.B. elektronisch zweidimensionale Materialien), in analoger Weise verwendet werden können.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden Geometrien eines elektrischen Feldes zum Trennen von Ladungsträgern in Graphen bereitgestellt, die verwendet werden können, um Ladungsträger zu einem jeweiligen Kontakt zu lenken und somit einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung zu erzeugen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, die durch eine Modifikation (z.B. eine externe Modifikation) von einem elektrischen Feld und/oder einem magnetischen Feld Bewegungs-Bahnen von Ladungsträgern (z.B. auch als Wege von Ladungsträgern bezeichnet) der erzeugten Ladungsträgerpaare beeinflussen können, um diese an eine Energie einer Strahlung anzupassen, die verwendet wird, um die Ladungsträgerpaare zu erzeugen und somit eine Ausbeute (z.B. einen elektrischen Strom) zu optimieren.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden hierin verschiedene Ausgestaltungen einer Ladungsträger-Trennvorrichtung beschrieben. Beispielsweise können mittels einer Anregung (z.B. durch elektromagnetische Strahlung oder einer chemischen Reaktion) Ladungsträgerpaare in einer Materialschicht erzeugt werden. Mittels eines inhomogenen elektrischen Feldes, das beispielsweise in Form von elektrischen Potentialbarrieren, und mittels eines magnetischen Feldes können Ladungsträger eines ersten Typs in einen ersten Sammelbereich und Ladungsträger eines zweiten Typs in einen zweiten Sammelbereich der Materialschicht gelenkt werden. Sammelelektroden können in den jeweiligen Sammelbereichen angeordnet sein, um die jeweiligen gesammelten Ladungsträger abzuleiten und eine elektrische Energie nutzbar zu machen. Beispielsweise kann zwischen den Sammelelektroden ein elektrischer Strom erzeugt werden und/oder eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Beispielsweise kann eine elektrische Spannung (auch kurz als Spannung bezeichnet) eine Leerlaufspannung, eine Klemmspannung, und/oder eine Betriebsspannung sein. Beispielsweise kann die Ladungsträger-Trennvorrichtung in einem elektrischen Stromkreis als eine Gleichstromquelle und/oder als eine Gleichspannungsquelle verwendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten können die, in verschiedenen Beispielen beschriebenen, Ladungsträger-Trennvorrichtungen jeweils als eine Solarzelle zum Wandeln von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie verwendet werden. Gemäß anderen Aspekten können die, in verschiedenen Beispielen beschriebenen, Ladungsträger-Trennvorrichtungen jeweils als eine Zelle zum Wandeln von chemischer Energie in elektrische Energie verwendet werden.
  • Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen
    • 1A bis 7E jeweils verschiedene Aspekte oder Teilaspekte einer Ladungsträger-Trennvorrichtung zum Trennen von Ladungsträgern; und
    • 8 ein Verfahren zum Trennen von Ladungsträgerpaaren, gemäß verschiedenen Aspekten.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten können Ladungsträgerpaare in einer (oder mehrerer) Materialschicht(en) erzeugt werden.
    Jedes Ladungsträgerpaar kann aus einem Ladungsträger eines ersten Typs und einem Ladungsträger eines zweiten Typs bestehen. Beispielsweise kann ein Ladungsträger des ersten Typs positiv und ein Ladungsträger des zweiten Typs negativ geladen sein oder umgekehrt. Beispielsweise kann ein Ladungsträgerpaar ein Elektron-Loch-Paar sein. Beispielsweise können die Ladungsträgerpaare in Reaktion auf eine Bestrahlung der Materialschicht mit einer elektromagnetischen Strahlung entstehen. Beispielsweise kann es nötig sein, dass eine Energie der Strahlung größer ist als eine Bandlücke des Materials der Materialschicht, um ein Ladungsträgerpaar in der Materialschicht zu erzeugen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann die Materialschicht Graphen aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann die Bandlücke von Graphen vernachlässigt werden, wodurch verglichen mit Silizium auch elektromagnetische Strahlung mit geringerer Energie (z.B. aus dem Infrarot-Bereich) verwendet werden kann, um Ladungsträgerpaare zu erzeugen. Beispielsweise kann die Energie, die zum Erzeugen eines Ladungsträgerpaares zur Verfügung steht, eine Bewegungsenergie der erzeugten Ladungsträger beeinflussen. Beispielsweise können erste Ladungsträgerpaare durch eine erste Strahlung und zweite Ladungsträgerpaare durch eine zweite Strahlung erzeugt werden. Beispielsweise kann sich eine Energie der ersten Strahlung von einer Energie der zweiten Strahlung unterscheiden. Beispielsweise kann die erste Energie größer als die zweite sein, wodurch folgen kann, dass eine Bewegungsenergie der Ladungsträger des ersten Ladungsträgerpaares größer ist als eine Bewegungsenergie der Ladungsträger des zweiten Ladungsträgerpaares. Beispielsweise kann ein Ladungsträger Bewegungsenergie abgeben um weitere Ladungsträgerpaare zu erzeugen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein inhomogenes elektrisches Feld in der Materialschicht erzeugt werden. Das inhomogene elektrische Feld kann ein oder mehrere (elektrische) Potentialbarrieren aufweisen und/oder mittels dieser (und deren Lage) beschrieben werden. Es versteht sich, dass jede der ein oder mehreren Potentialbarrieren als eine lokale maximale bzw. eine lokale minimale Ausprägung einer elektrischen Feldstärke verstanden werden kann. Im Allgemeinen können Ladungsträger durch das elektrische Feld, insbesondere durch die ein oder mehreren Potentialbarrieren, beeinflusst (z.B. umgelenkt, abgelenkt, reflektiert, beschleunigt, abgebremst, weggestoßen, angezogen etc.) werden. Beispielsweise können die ein oder mehreren Potentialbarrieren innerhalb der Materialschicht mittels ein oder mehrerer Barrieren-Elektroden und/oder ein oder mehrerer Dotierstoffe erzeugt werden.
  • Als Barrieren-Elektroden (bzw. Gate-Elektroden) können Elektroden bezeichnet werden, die keinen elektrisch leitfähigen Kontakt zu der Materialschicht haben bzw. die nicht elektrisch leitfähig mit der Materialschicht verbunden sind. Beispielsweise können ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden eingerichtet sein ein oder mehrere erste Potentialbarrieren zu erzeugen. Beispielsweise können die Ladungsträger des ersten Typs durch die ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren beeinflusst werden. Analog können ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren durch ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden erzeugt werden und Ladungsträger des zweiten Typs beeinflussen. Anschaulich kann eine negativ geladene Barrieren-Elektrode eine negative Potentialbarriere in der Materialschicht erzeugen. Negative Ladungsträger (z.B. Elektronen), die auf die negative Potentialbarriere treffen, können durch die negative Potentialbarriere umgelenkt (z.B. reflektiert) werden. Analog kann eine positiv geladene Barrieren-Elektrode zumindest eine positive Potentialbarriere erzeugen, die positive Ladungsträger umlenken kann. Beispielsweise kann eine elektrische Feldstärke einer Potentialbarriere mehr als 10 V/m aufweisen (z.B. mehr als 20 V/m, 30 V/m, 40 V/m, 50 V/m, 75 V/m, 100 V/m, 200 V/m, 500 V/m, 1 kV/m, 1,5 V/m, 2 k V/m, 5 kV/m oder mehr als 10 kV/m). Beispielsweise kann eine Potentialbarriere im Allgemeinen mittels einer einzelnen Barrieren-Elektrode und/oder einer Gruppe von mehreren Barrieren-Elektroden erzeugt und/oder gestaltet (z.B. geformt, gesteuert, etc.) werden. Somit kann beispielsweise eine Potentialbarriere an eine jeweilige konkrete Realisierung angepasst werden.
  • Beispielsweise können ein oder mehrere Dotierstoffe (z.B. in Form von Dotieratomen) derart in die Materialschicht eingebracht werden (z.B. in einer Tiefe, und/oder in einer Geometrie, und/oder mit einer Konzentration), um ein oder mehrere dotierte Bereiche (auch als Dotierbereiche bezeichnet) in der Materialschicht zu erzeugen. Durch die ein oder mehreren dotierten Bereiche können ein oder mehrere Potentialbarrieren in der Materialschicht erzeugt werden. Beispielsweise können ein oder mehrere erste Dotierstoffe verwendet werden, um ein oder mehrere erste Potentialbarrieren zu erzeugen. Beispielsweise können ein oder mehrere zweite Dotierstoffe verwendet werden, um ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren zu erzeugen. Die ersten Dotierstoffe können von den zweiten Dotierstoffen verschieden sein. Es versteht sich, dass Dotierstoffe und Barrieren-Elektroden in einer geeigneten Weise miteinander kombiniert werden können, um beispielsweise eine Effizienz einer Ladungsträger-Trennvorrichtung zu erhöhen. Beispielsweise können Barrieren-Elektroden über und/oder abwechselnd mit Dotierbereichen angeordnet werden. Beispielsweise können ein oder mehrere der folgenden Elemente zum Dotieren verwendet werden: Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und/oder Bismut. Beispielsweise kann eine Konzentration mehr als 1 Dotieratom pro 103 Atome in der Materialschicht aufweisen (z.B. mehr als 1 Dotieratom pro 104 Atome, mehr als 1 Dotieratom pro 105 Atome, mehr als 1 Dotieratom pro 106 Atome, mehr als 1 Dotieratom pro 107 Atome, oder mehr als 1 Dotieratom pro 108 Atome).
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein Magnetfeld in der Materialschicht bereitgestellt werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Magneten direkt an der Materialschicht oder derart in der Nähe (d.h. nicht direkt an) der Materialschicht angeordnet werden, dass ein geeignetes Magnetfeld in der Materialschicht vorhanden ist. Das Magnetfeld kann ein oder mehrere Charakteristiken aufweisen, z.B. eine Magnetfeldstärke, eine magnetische Fluenz, eine magnetische Flussdichte. Es versteht sich, dass bestimmte Charakteristiken des Magnetfelds (sowie des elektrischen Felds) ortsabhängig und richtungsabhängig sein können (z.B. eine magnetische Feldstärke). Beispielsweise kann das Magnetfeld (bzw. eine zur Materialschicht senkrechte Komponente des Magnetfeldes) eine magnetische Flussdichte von mehr als 0,1 T aufweisen, z.B. mehr als 0,2 T, 0,3 T, 0,4 T, 0,5 T, 0,6 T, 0,7 T, 0,8 T, 0,9 T, 1,0 T oder mehr als 1,5 T aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten können Ladungsträger innerhalb der Materialschicht durch das Magnetfeld abgelenkt werden (z.B. durch ein homogenes Magnetfeld auf eine Kreisbahn). Es versteht sich, dass Ladungsträger des ersten Typs in eine andere Richtung abgelenkt werden, als Ladungsträger des zweiten Typs. Anschaulich können beispielsweise positive Ladungen nach rechts und negative Ladungen nach links abgelenkt werden. Ferner versteht es sich, dass ein Radius einer Bewegungsbahn eines abgelenkten Ladungsträgers von dessen absoluter Ladung, dessen kinetischer Energie, dessen Bewegungsrichtung relativ zum Magnetfeld sowie einer (zeitabhängigen) Stärke (und/oder Ausrichtung) des Magnetfeldes (z.B. an der Position des Ladungsträgers) abhängig sein kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten können das inhomogene elektrische Feld sowie das Magnetfeld in der Materialschicht überlagert werden. Bewegte Ladungsträger können von einer Komponente des Magnetfeldes beeinflusst (z.B. umgelenkt) werden, die senkrecht zu der Materialschicht (und damit zu einer Bewegungsrichtung der Ladungsträger) steht. Vorzugsweise sollte daher das Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht (z.B. mit einem Winkel zwischen 60° und 120°, 70° und 110°, 80° und 100°, oder zwischen 85° und 95°) zu der Materialschicht angeordnet sein. Sofern das Magnetfeld nicht senkrecht (z.B. nicht genau in einem Winkel von 90°) zu der Materialschicht steht, können elektrische Ladungsträger durch ein sogenanntes effektives Magnetfeld beeinflusst werden. Das effektive Magnetfeld kann einer Komponente des Magnetfeldes entsprechen, die senkrecht zu der Materialschicht steht (bzw. angeordnet ist). Das effektive Magnetfeld kann abhängig vom Winkel zwischen dem (angelegten gesamten) Magnetfeld und der Materialschicht sein. Beispielsweise kann das effektive Magnetfeld (anschaulich eine zur Materialschicht senkrechte Komponente des Magnetfeldes) eine kleinere magnetische Flussdichte aufweisen als das gesamte Magnetfeld (im Sinne eines Vergleichs der absoluten Beträge des gesamten Magnetfeldes und des effektiven Magnetfeldes an einem gleichen Ort). Zum einfacheren Verständnis wird in dieser Beschreibung unter dem Magnetfeld bzw. unter dem magnetischen Feld das effektive magnetische Feld verstanden.
  • Bewegte Ladungsträger können von einer Komponente des elektrischen Feldes beeinflusst (z.B. umgelenkt) werden, die parallel zu der Materialschicht (und damit zu einer Bewegungsrichtung der Ladungsträger) steht. Vorzugsweise sollte daher das elektrische Feld im Wesentlichen parallel (z.B. mit einem Winkel zwischen -30° und 30°, -20° und 20°, -10° und 10°, oder zwischen -5° und 5°) zu der Materialschicht stehen. Sofern das elektrische Feld nicht parallel (z.B. nicht genau in einem Winkel von 0°) zu der Materialschicht steht, können elektrische Ladungsträger durch ein sogenanntes effektives elektrisches Feld beeinflusst werden. Das effektive elektrische Feld kann einer Komponente des elektrischen Feldes entsprechen, die parallel zu der Materialschicht angeordnet ist. Das effektive elektrische Feld kann abhängig vom Winkel zwischen dem elektrischen Feld und der Materialschicht sein. Beispielsweise kann das effektive elektrische Feld (anschaulich die zur Materialschicht parallele Komponente des elektrischen Feldes) eine kleinere elektrische Feldstärke aufweisen als das gesamte elektrische Feld (im Sinne eines Vergleichs der absoluten Beträge des gesamten elektrischen Feldes und des effektiven elektrischen Feldes an einem gleichen Ort). Zum einfacheren Verständnis wird in dieser Beschreibung unter dem elektrischen Feld das effektive elektrische Feld verstanden.
  • Die erzeugten Ladungsträger können sich auf Bahnen innerhalb der Materialschicht bewegen. Durch das Magnetfeld können die Ladungsträger des ersten und zweiten Typs jeweils in voneinander verschiedene Richtungen abgelenkt werden.
  • Beispielsweise können die Ladungsträger des ersten Typs in Richtung einer der ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren abgelenkt werden. Wechselwirkt der eine erste Ladungsträger mit der ersten Potentialbarriere, kann der eine erste Ladungsträger von der Potentialbarriere abgelenkt werden. Der erste Ladungsträger kann sich von der ersten Potentialbarriere entfernen. Aufgrund der Wirkung des Magnetfeldes kann der erste Ladungsträger auf einer Kreisbahn wieder in Richtung der ersten Potentialbarriere abgelenkt werden, usw. Anschaulich prallt der eine erste Ladungsträger an der ersten Potentialbarriere ab und wird anschließend durch das Magnetfeld erneut in die Richtung der Potentialbarriere umgelenkt. Durch diesen Prozess kann der erste Ladungsträger über einen Weg, der ein oder mehrere Teil-Kreisbahnen aufweisen kann, zu einem ersten Sammelbereich für erste Ladungsträger geführt werden. Beispielsweise kann der Weg von einem Radius der jeweiligen Teil-Kreisbahnen (und damit vom Magnetfeld, einer kinetischen Energie, einer absoluten Ladung und einer Richtung des Ladungsträgers) sowie der jeweiligen Potentialbarriere abhängig sein.
  • Es versteht sich, dass analog zu dem einen ersten beschriebenen Ladungsträger eine Vielzahl von Ladungsträgern mittels ein oder mehrerer erster Potentialbarrieren zu ein oder mehreren ersten Sammelbereichen geführt werden kann. Ferner kann analog eine Vielzahl von zweiten Ladungsträgern durch ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren zu ein oder mehreren zweiten Sammelbereichen geführt werden.
  • Verschiedene Aspekte einer Ladungsträger-Trennvorrichtung werden im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Für eine bessere Verständlichkeit und eine bessere Übersichtlichkeit der begleitenden Zeichnungen kann beispielhaft nur eine Auswahl von ein oder mehreren ersten Elektroden und/oder ein oder mehreren zweiten Elektroden in beispielhaften Anordnungen dargestellt sein.
  • Die 1A bis 1J zeigen schematisch verschiedene mögliche Anordnungen einer Ladungstrennvorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten aus verschiedenen Perspektiven.
  • 1A zeigt schematisch in einer Draufsicht die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100. Die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 kann eine Materialschicht 110 aufweisen. Die Materialschicht 110 kann geeignet sein, um Ladungsträgerpaare zu erzeugen. Beispielsweise kann die Materialschicht 110 derart eingerichtet sein, dass durch eine Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung (z.B. ultraviolettes Licht, infrarotes Licht, sichtbares Licht, und/oder ionisierender Strahlung) mit der Materialschicht 110 Ladungsträgerpaare in der Materialschicht 110 erzeugt werden. Beispielsweise kann die Materialschicht 110 ein oder mehrere Materialien aufweisen. Beispielsweise kann zumindest eins der ein oder mehreren Materialien auf eine von ein oder mehreren Wellenlängen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung angepasst sein. Beispielsweise kann die Materialschicht 110 Graphen aufweisen oder aus Graphen bestehen. Beispielsweise kann die Materialschicht 110 dotiert sein.
  • Die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 kann ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden 120 aufweisen. Die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 können eingerichtet sein, ein oder mehrere erste Potentialbarrieren in der Materialschicht 110 für Ladungsträger eines ersten Typs (die auch kurz als erste Ladungsträger bezeichnet werden können) zu erzeugen. Beispielsweise können die Ladungsträger des ersten Typs eine positive Ladung oder eine negative Ladung aufweisen. Die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 kann ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden 130 aufweisen. Die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 können eingerichtet sein, ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren in der Materialschicht 110 für Ladungsträger eines zweiten Typs (die auch kurz als zweite Ladungsträger bezeichnet werden können) zu erzeugen. Beispielsweise können die Ladungsträger des zweiten Typs eine Ladung aufweisen, die der Ladung der Ladungsträger des ersten Typs entgegengesetzt ist. Beispielsweise kann sich ein Betrag der Ladung der Ladungsträger des ersten Typs von einem Betrag der Ladung der Ladungsträger des zweiten Typs unterscheiden, z.B. um mehr als 10% (z.B. um mehr als 30%, 50%,oder mehr 100%), oder im Wesentlichen gleich sein, z.B. sich um weniger als um 10% unterscheiden (z.B. um weniger als 5%, 2%, 1%, 0,5% oder weniger als 0,1%). Beispielsweise können die Ladungsträger des zweiten Typs eine negative Ladung oder eine positive Ladung aufweisen.
  • 1B zeigt schematisch die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 in einer Seitenansicht. Die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 können über der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise können die die ein oder mehreren ersten bzw. zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 von der Materialschicht 110 elektrisch getrennt (z.B. elektrisch isoliert) sein. Beispielsweise können die jeweiligen Barrieren-Elektroden keinen direkten elektrischleitfähigen Kontakt zu den Ladungsträgern des ersten bzw. zweiten Typs haben. Beispielsweise können die ein oder mehreren ersten bzw. zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 mittels einer Isolationsschicht 150 von der Materialschicht 110 elektrisch getrennt (bzw. isoliert) sein. Beispielsweise kann die Isolationsschicht 150 ein oder mehrere elektrisch nichtleitende Materialien (z.B. mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 10-8 S/cm) aufweisen (z.B. mit einem prozentualen Masseanteil oder Volumenanteil von mehr als 50%) oder daraus bestehen. Beispielsweise kann die Isolationsschicht 150 ein Luftspalt sein. Beispielsweise kann die Isolationsschicht 150 eine Glasschicht sein. Beispielsweise kann die Isolationsschicht 150 Siliziumoxid aufweisen oder daraus bestehen. Vorzugsweise soll die Isolationsschicht 150 für eine elektromagnetische Strahlung durchlässig sein (z.B. zu mehr als 25%, 50%, 75%, 80%, 90%, 95% oder zu mehr als 99%). Beispielsweise kann die Isolationsschicht 150 für ein oder mehrere vorbestimmte Wellenlängen durchlässig sein.
  • Ferner kann die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 eine Magneteinheit 140 aufweisen. Die Magneteinheit kann eingerichtet sein, ein magnetisches Feld bzw. ein Magnetfeld in der Materialschicht 110 bereitzustellen. Beispielshaft kann die Magneteinheit 140 auf einer, den ein oder mehreren ersten und zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 gegenüberliegenden, Seite der Materialschicht 110 angeordnet werden
  • In den 1C bis 1L sind weitere beispielhafte Anordnungen einer jeweiligen Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 dargestellt. Die jeweilige dargestellte Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 kann ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden 120, ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden und ein oder mehrere Magneteinheiten 140 aufweisen. In den 1C, 1E, 1G sind jeweils beispielhaft eine Draufsicht und in den 1D, 1F, 1H bis 1L sind jeweils beispielhaft eine Seitenansicht einer Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten dargestellt.
  • 1C und 1D zeigen beispielhaft eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten.
  • Beispielsweise können die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 auf einer Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Anschaulich könnten beispielsweise die 1A und 1B als ein Ausschnitt aus den 1C bzw. 1D verstanden werden.
  • 1E und 1F zeigen beispielhaft eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten. Beispielsweise können die mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 auf einer ersten Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise können die mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 auf einer zweiten Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Seite verschieden von der zweiten Seite sein. Beispielsweise kann die zweite Seite gegenüber von der ersten Seite angeordnet sein.
  • 1G, 1H und 1I zeigen beispielhaft eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten. Beispielsweise können eine Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 und eine Gruppe der mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 120 auf einer ersten Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise können eine weitere Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 und eine weitere Gruppe der mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 120 auf einer zweiten Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Seite verschieden von der zweiten Seite sein. Beispielsweise kann die zweite Seite gegenüber von der ersten Seite liegen. 1G und 1H zeigen beispielsweise, dass gegenüber von einer ersten (bzw. zweiten) Barrieren-Elektroden keine weitere Barrieren-Elektrode angeordnet sein kann. In 1I ist beispielsweise dargestellt, dass gegenüber von einer ersten (bzw. zweiten) Barrieren-Elektroden eine weitere erste (bzw. zweite) Barrieren-Elektrode angeordnet sein kann. Dadurch kann beispielsweise eine Potentialbarriere effizienter erzeugt werden. Beispielsweise kann durch eine derartige Anordnung eine Potentialbarriere an eine Schichtdicke (z.B. an eine größere) angepasst werden.
  • 1J, 1K und 1L zeigen beispielhaft eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten. In 1J ist beispielsweise dargestellt, dass die Magneteinheit 140 auf der gleichen Seite der Materialschicht 110 wie die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 angeordnet sein können. In den 1K und 1L ist beispielsweise dargestellt, dass die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 ein oder mehrere Magneteinheiten 140 aufweisen kann. Beispielsweise können die ein oder mehreren Magneteinheiten 140 innerhalb und/oder an einer (oder mehreren) Kante(n) der Materialschicht 110 angeordnet sein (siehe z.B. 1K). Beispielsweise können die ein oder mehreren Magneteinheiten 140 zwischen benachbarten Barrieren-Elektroden (des gleichen oder eines verschiedenen Typs) angeordnet sein. Beispielsweise kann eine erste der ein oder mehreren Magneteinheiten 140 auf einer ersten Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine zweite der ein oder mehreren Magneteinheiten 140 auf einer ersten Seite der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Seite verschieden von der zweiten Seite sein. Beispielsweise kann die zweite Seite gegenüber von der ersten Seite angeordnet sein.
  • Zum Trennen der Ladungsträgerpaare durch das Magnetfeld, können Ladungsträger des ersten Typs in eine erste Richtung und Ladungsträger des zweiten Typs in eine zweite Richtung abgelenkt werden. Beispielsweise kann die erste Richtung relativ zu der zweiten Richtung entgegengesetzt sein. Beispielsweise können sich die Ladungsträger des ersten Typs aufgrund des Magnetfelds auf einer Kreisbahn in die erste Richtung bewegen. Beispielsweise können sich die Ladungsträger des zweiten Typs, aufgrund des Magnetfelds auf einer anderen Kreisbahn in die zweite Richtung bewegen (anschaulich z.B. entgegengesetzt zu den ersten Ladungsträgern). Trifft einer der Ladungsträger des ersten Typs 221 bzw. des zweiten Typs 222, die sich auf ihrer jeweiligen Kreisbahn befinden, auf eine der ein oder mehreren ersten bzw. auf eine der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren, können der Ladungsträger des ersten Typs 221 bzw. der Ladungsträger des zweiten Typs 222 von dieser Barriere reflektiert werden. Somit kann beispielsweise ein Transport der Ladungsträger des ersten Typs 221 und zweiten Typs 222 in eine jeweilige Richtung durchgeführt werden. In den 2A bis 2C wird dieser Prozess am Beispiel eines Ladungsträgerpaares im Detail veranschaulicht.
  • 2A zeigt die Erzeugung eines Ladungsträgerpaares, bestehend aus einem Ladungsträger eines ersten Typs 221 und eines Ladungsträgers eines zweiten Typs 222 in einer Materialschicht 110, als Reaktion auf eine Bestrahlung mit einer elektromagnetischen Strahlung 210. Durch ein Magnetfeld, das mittels einer Magneteinheit 140 in der Materialschicht 110 bereitgestellt wird, bewegen sich die Ladungsträger jeweils auf einer Teil-Kreisbahn mit entgegengesetzter Richtung. Die jeweiligen Teil-Kreisbahnen sind durch Pfeile angedeutet. Beispielsweise sich kann der Ladungsträger des ersten Typs auf einer Kreisbahn bewegen, die von der Kreisbahn des Ladungsträgers des zweiten Typs verschiedenen ist (z.B. in Radius, Mittelpunkt, Umlaufrichtung etc.), beispielsweise wenn die Ladungsträgerpaare mittels chemischer Katalysatorelemente erzeugt werden. Die ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren können durchlässig für die Ladungsträger des ersten Typs 221 sein. Beispielsweise kann ein Ladungsträger des ersten Typs 221 von einer jeweiligen zweiten Potentialbarriere abgebremst oder beschleunigt werden, wenn sich der Ladungsträger des ersten Typs 221 von der jeweiligen zweiten Potentialbarriere weg bzw. auf die jeweilige zweite Potentialbarriere zu bewegt. In einer analogen Weise können die ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren durchlässig für die Ladungsträger des zweiten Typs 222 sein.
  • 2B zeigt, wie ein Ladungsträger des ersten Typs 221 und ein Ladungsträger des zweiten Typs 222 auf jeweils eine der ein oder mehreren ersten bzw. der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren treffen. Der Übersichtlichkeit halber werden die Potentialbarrieren direkt unter den jeweiligen Barrieren-Elektroden 120, 130 dargestellt. Es versteht sich, dass abhängig von einer elektrischen Spannung, und/oder einer Form, und/oder einer Größe, und/oder einer Anordnung der ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Barrieren-Elektroden 120, 130 eine Vielzahl von Formen und/oder Ausprägungen (z.B. unterschiedlich starke elektrische Feldstärken) der Potentialbarrieren realisiert werden kann. Beispielsweise kann eine lokale Ausprägung (z.B. einer Feldstärke) von der Form, und/oder Größe, und/oder Anordnung, und/oder einer elektrischen Spannung, und/oder einem Abstand von den ein oder mehreren ersten und/oder den ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 120, 130 abhängig sein.
  • Durch eine Wechselwirkung mit der jeweiligen Potentialbarriere kann der jeweilige Ladungsträger von der jeweiligen Potentialbarriere reflektiert werden. Durch das Magnetfeld und die zugehörige Auslenkung, kann der Ladungsträger des ersten bzw. des zweiten Typs zurück zu einer der ein oder mehreren ersten bzw. zweiten Potentialbarrieren gelenkt werden. Dort kann der erste bzw. erneut reflektiert werden usw.
  • In 2B ist beispielhaft ein Weg 221w des Ladungsträgers des ersten Typs 221 und ein Weg 222w des Ladungsträgers des zweiten Typs 222 mittels mehrerer Pfeile dargestellt. Der jeweilige Weg kann sich aus ein oder mehreren Teil-Kreisbahnen zusammensetzen. Die Teil-Kreisbahnen der jeweiligen Ladungsträger können durch ein Zusammenspiel der abstoßenden Wirkung der Potentialbarriere und der umlenkenden Wirkung des Magnetfeldes entstehen. Der jeweilige Ausgangsort 221u bzw. 222u, ist beispielhaft durch einen gestrichelten Kreis veranschaulicht.
  • Es versteht sich, dass ein Radius der entstehenden Teil-Kreisbahnen des jeweiligen Ladungsträgers dabei von einer oder mehreren Eigenschaften der Felder und des Ladungsträgers abhängig sein kann, z.B. von einer Feldstärke des Magnetfeldes, einer Feldstärke der ersten und/oder zweiten Potentialbarriere, einer kinetischen Energie des jeweiligen Ladungsträgers, und/oder einem Betrag der Ladung des jeweiligen Ladungsträgers. Beispielsweise können die kinetischen Energien der Ladungsträger eines erzeugten Ladungsträgerpaares von einer Energie der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (d.h. von einer Wellenlänge) und von einer zur Erzeugung des Ladungsträgerpaares notwendigen Energie abhängig sein.
  • Beispielsweise kann ein Radius einer Teil-Kreisbahn eines Ladungsträgers mittels des Zyklotronradius r abgeschätzt werden: r = | p → | q B = E q B v F .
    Figure DE102021118693A1_0001
    Dabei kann q eine Ladung, p einen Impuls, E eine Bewegungsenergie und vF die Fermi-Geschwindigkeit des Ladungsträgers repräsentieren. B kann eine magnetische Flussdichte (und somit eine Magnetfeldstärke) repräsentieren.
  • Beispielsweise kann ein Abstand von zueinander benachbarten ersten (oder zweiten) Potentialbarrieren derart gewählt werden, dass der Abstand kleiner ist als ein Radius oder ein Durchmesser einer Kreisbahn eines ersten (bzw. zweiten) Ladungsträgers. Somit kann beispielsweise gewährleistet werden, dass Ladungsträger unabhängig von deren Entstehungsort in der Materialschicht auf eine jeweilige Potentialbarriere gelenkt werden.
  • Durch einen geeigneten Aufbau der ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Barrieren kann eine Effizienz der Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 verbessert werden. Beispielsweise kann eine erste (oder zweite) Potentialbarriere mittels einer Barrieren-Elektrode und/oder einer Gruppe von mehreren Barrieren-Elektroden erzeugt werden. Beispielsweise können herkömmlich verwendete Elektroden und/oder Gruppen von mehreren herkömmlich verwendeten Elektroden zum Erzeugen von ersten und/oder zweiten Potentialbarrieren verwendet werden.
  • 2C zeigt beispielhaft einen Zustand, in dem sich die voneinander getrennten Ladungsträger des ersten Typs 221 und des zweiten Typs 222 in voneinander verschiedenen Sammelbereichen sammeln. Beispielsweise können sich die Ladungsträger des ersten Typs 221 in einem ersten Sammelbereich 231 sammeln. Beispielsweise können sich die Ladungsträger des zweiten Typs 222 in einem zweiten Sammelbereich 232 sammeln. Der erste Sammelbereich 231 und zweite Sammelbereich 232 können derart ausgestaltet sein, dass sie nicht überlappen. Anschaulich sind der erste Sammelbereich 231 und der zweite Sammelbereich 232 räumlich voneinander getrennt.
  • Beispielhaft ist in den Abbildungen nur ein jeweiliger Sammelbereich für eine erste bzw. eine zweite Barrieren-Elektrode 120 bzw. 130 dargestellt. Es versteht sich, dass an einer Potentialbarriere und/oder an einer zugehörigen Barrieren-Elektrode mehrere Sammelbereiche angeordnet sein/werden können. Somit können beispielsweise Ladungsträger gesammelt werden, die von der Potentialbarriere in voneinander verschiedenen Richtungen reflektiert werden. Dadurch kann eine Effizienz der Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 erhöht werden.
  • Durch eine geeignete Anordnung der ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Potentialbarrieren zueinander kann eine Effizienz der Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 verbessert werden. Beispielsweise können durch geeignete Anordnungen der Barrieren-Elektroden die Sammelbereiche (räumlich) weiter voneinander entfernt werden.
  • 2D zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung einer Anordnung von mehreren Barrieren-Elektroden 120, 130. Anschaulich schlängeln sich die ersten Ladungsträger an den ersten Potentialbarrieren, die beispielsweise durch die mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 (z.B. einer Gruppe von mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120) erzeugt werden, entlang, bis die ersten Ladungsträger zum ersten Sammelbereich 231 gelangen. Anschaulich schlängeln sich die zweiten Ladungsträger an den zweiten Potentialbarrieren, die beispielsweise durch die mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 (z.B. einer Gruppe von mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130) erzeugt werden, entlang, bis die zweiten Ladungsträger zum zweiten Sammelbereich 232 gelangen. Es versteht sich, dass auch andere Anordnungen von Barrieren-Elektroden möglich sind. Beispielsweise können die Barrieren-Elektroden in Spiralen, Mäander-Strukturen und/oder weiteren geeigneten Anordnungen angeordnet sein.
  • Die getrennten Ladungsträger können beispielsweise in einem nächsten Schritt aus den jeweiligen Sammelbereichen abgegriffen werden. 3A und 3B zeigen beispielhaft, wie die getrennten Ladungsträger mittels Sammelelektroden abgegriffen werden können.
  • 3A veranschaulicht schematisch in einer Draufsicht eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100. Beispielsweise kann die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 eine erste Sammelelektrode 311 und eine zweite Sammelelektrode 312 aufweisen.
    In einem ersten Sammelbereich können sich beispielsweise Ladungsträger des ersten Typs 221 sammeln. Beispielsweise kann die erste Sammelelektrode 311 an dem ersten Sammelbereich 231 angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Sammelelektrode 311 mit dem ersten Sammelbereich 231 elektrisch leitfähig verbunden sein. In einem zweiten Sammelbereich können sich beispielsweise Ladungsträger des zweiten Typs 222 sammeln. Beispielsweise kann die zweite Sammelelektrode 312 an dem zweiten Sammelbereich 232 angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Sammelelektrode 312 mit dem zweiten Sammelbereich 232 elektrisch leitfähig verbunden sein.
  • 3B veranschaulicht schematisch eine Seitenansicht der Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 aus 3A. Im Gegensatz zu den ein oder mehreren ersten bzw. zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 können die erste Sammelelektrode 311 und die zweite Sammelelektrode 312 elektrisch leitfähig mit der Materialschicht 110 verbunden sein bzw. diese elektrisch leitfähig kontaktieren. Beispielsweise kann die erste Sammelelektrode 311 elektrisch leitfähig mit dem ersten Sammelbereich 231 verbunden sein. Beispielsweise kann die zweite Sammelelektrode 312 elektrisch leitfähig mit dem zweiten Sammelbereich 232 verbunden sein. Durch die elektrische Verbindung kann ein Stromfluss ermöglicht werden.
  • Es versteht sich, dass die in den 3A und 3B gezeigte Anordnung eine beispielhafte Anordnung der Sammelelektroden ist. Es können auch andere Anordnungen der Sammelelektroden möglich sein. Beispielsweise können die ein oder mehreren Sammelelektroden auf einer anderen Oberfläche der Materialschicht 110 angeordnet sein als die ersten bzw. zweiten Barrieren-Elektroden 120, 130. Beispielsweise können die ein oder mehreren Sammelelektroden in die Materialschicht 110 integriert sein (z.B. mittels eines Trenches). Beispielsweise können die ein oder mehreren Sammelelektroden an einer Kante der Materialschicht 110 angeordnet sein. Beispielhaft dafür ist in 3B eine zweite Sammelelektrode 312 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Es versteht sich, dass bei einer Anordnung an der Kante der Materialschicht, die jeweilige Sammelelektrode einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu dem jeweilig zugehörigen Sammelbereich haben sollte.
  • Die Materialschicht 110 kann mehrere Sub-Schichten aufweisen. 4 zeigt beispielhaft eine Seitenansicht einer Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 die mehrere Sub-Schichten 410 aufweist. Benachbarte Sub-Schichten der mehreren Sub-Schichten können beispielsweise durch Trennschichten voneinander getrennt sein. Beispielsweise können die Trennschichten aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen. Beispielsweise können in einer Trennschicht ein oder mehrere Sammelelektroden angeordnet sein (z.B. für eine oder beide benachbarte Sub-Schichten).
  • Beispielsweise können mehrere oder alle der mehreren Sub-Schichten gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen und/oder aus dem gleichen Material bestehen. Vorzugsweise hat das Material, aus denen mehrere oder alle der mehreren Sub-Schichten bestehen, die gleiche elektronische Konfiguration. Die elektronische Konfiguration kann von einer Kristallstruktur abhängen.
  • Beispielsweise kann eine Dicke der Materialschicht 110, und/oder Gesamtdicke der Sub-Schichten 410, und/oder eine Anzahl der Sub-Schichten 410 derart gestaltet sein, dass eine vorbestimmte elektromagnetische Strahlung (z.B. aufweisend ein oder mehrere vorbestimmte Wellenlängen) zu mehr als 20% (z.B. zu mehr als 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% oder zu mehr als 99%) in der Materialschicht 110 absorbiert wird.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten, können die Ladungsträgerpaare mittels chemischer Energie und/oder chemischen Reaktionen erzeugt werden.
  • 5 zeigt schematisch eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100, die ein oder mehrere chemische Katalysatorelemente 510 aufweisen kann. Die ein oder mehreren chemische Katalysatorelemente 510 können beispielsweise eingerichtet sein, mittels chemischer Reaktionen in der Materialschicht 110 Ladungsträgerpaare zu erzeugen. Die ein oder mehreren chemische Katalysatorelemente 510 können beispielsweise eingerichtet sein, mittels elektromagnetischer Strahlung angeregt zu werden und in der Materialschicht 110 Ladungsträgerpaare zu erzeugen (z.B. als Folge der Anregung). Die ein oder mehreren chemische Katalysatorelemente 510 können beispielsweise mit einem Stoff aus einer Umgebung der Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 reagieren, wodurch in der Materialschicht 110 Ladungsträgerpaare zu erzeugt werden können.
  • 6A stellt schematisch eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten dar. Beispielsweise kann die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 eine Elektroden-Steuereinheit 610 aufweisen. Beispielsweise kann die Elektroden-Steuereinheit 610 verwendet werden, um eine elektrische Spannung zu steuern, die an den ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden 120 und/oder den ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden 130 angelegt werden kann/ist. Beispielsweise kann die Elektroden-Steuereinheit 610 eingerichtet sein die in oder mehreren ersten und/oder zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 (elektrisch) zu laden, zu entladen und/oder eine jeweilige Ladung konstant zu halten. Beispielsweise kann die Elektroden-Steuereinheit 610 eingerichtet sein, jede der ein oder mehreren ersten bzw. zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 individuell zu steuern. Beispielsweise kann die Elektroden-Steuereinheit 610 eingerichtet sein, ein oder mehrere Gruppen von Barrieren-Elektroden zu steuern. Beispielsweise können die ein oder mehreren Gruppen von Barrieren-Elektroden jeweils ein oder mehrere erste oder zweite Barrieren-Elektroden der ein oder mehreren ersten bzw. zweiten Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 aufweisen.
  • 6B stellt schematisch eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 dar, die eine Magnet-Steuereinheit 620 aufweisen kann. Die Magnet-Steuereinheit 620 kann dazu eingerichtet sein, eine Konfiguration der Magneteinheit zu verändern. Beispielsweise können abhängig von der Konfiguration der Magneteinheit ein oder mehrere Charakteristiken des Magnetfeldes verändert werden. Beispielsweise kann die Magnet-Steuereinheit 620 eingerichtet sein, eine Anordnung von ein oder mehreren Magneten der Magneteinheit 620 zu verändern. Beispielsweise kann die Anordnung der Magnete relativ zueinander und/oder die Anordnung der Magnete relativ zu der Materialschicht 110 verändert werden.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten können die ein oder mehreren ersten und die ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren jeweils mittels geeigneter Dotierung(en) erzeugt werden. Beispielsweise kann zumindest ein erster Dotierbereich mittels ein oder mehrerer erster Dotierstoffe erzeugt werden. Beispielsweise kann zumindest ein zweiter Dotierbereich mittels ein oder mehrerer zweiter Dotierstoffe erzeugt werden. Beispielsweise können durch den ersten (bzw. zweiten) Dotierbereich ein oder mehrere erste (bzw. zweite) Potentialbarrieren erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Stärke, und/oder Form, und/oder eine Verteilung der ein oder mehreren Potentialbarrieren von einer Konzentration, einer Konzentrationsverteilung und/oder den jeweiligen Dotierstoffen bzw. dem jeweiligen Dotierstoff abhängen. Es versteht sich, dass alle hierin Beschriebenen die Merkmale und/oder Ausführungsbeispiele für die Barrieren-Elektroden analog auf die Dotierbereiche angewandt bzw. übertragen werden können. Es versteht sich, dass auch eine (oder mehrere) Graphen-Schicht(en) (z.B. eine einlagige Graphen-Schicht) mittels bekannter (Graphen-)Dotier-Verfahren dotiert werden können. Beispielsweise kann/können eine Donator-Schicht und/oder eine Akzeptor-Schicht auf eine Graphen-Schicht aufgebracht werden. Beispielsweise können Dotieratome in die Graphen-Schicht eingebracht werden.
  • 7A und 7B zeigen beispielhaft eine Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 gemäß verschiedenen Aspekten. Beispielsweise zeigt 7A eine Draufsicht und 7B eine Seitenansicht der Ladungsträger-Trennvorrichtung 100. Die Ladungsträger-Trennvorrichtung 100 kann ein oder mehrere erste Dotierbereiche 720 und ein oder mehrere zweite Dotierbereiche 730 innerhalb der Materialschicht 110 aufweisen. Beispielsweise können die Dotierbereiche 720 bzw. 730 durch eine Implantation (z.B. Ionenimplantation), Diffusion oder andere geeignete Dotierungsverfahren erzeugt werden.
  • Beispielsweise können Potentialbarrieren mittels ein oder mehrerer Dotierbereiche 720 bzw. 730 und mittels ein oder mehrerer Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 erzeugt werden. In den 7C bis 7E sind beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, wie Dotierbereiche 720 bzw. 730 mit Barrieren-Elektroden 120 bzw. 130 kombiniert werden können. Es versteht sich, dass auch weitere Kombinationen und/oder Anordnungen möglich sind.
  • In 8 wird beispielhaft ein Verfahren dargestellt, mit dem Ladungsträger abgegriffen werden können. In einem ersten Schritt 810 können Ladungsträgerpaare in einer Materialschicht erzeugt werden. Beispielsweise kann die Materialschicht zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren eingerichtet sein. Beispielsweise kann die Materialschicht Ladungsträgerpaare als eine Reaktion auf eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung erzeugen. Beispielsweise kann in der Materialschicht ein Magnetfeld zum Beeinflussen der erzeugten Ladungsträgerpaare bereitgestellt oder erzeugt werden. Beispielsweise können in der Materialschicht ein oder mehrere erste Potentialbarrieren für Ladungsträger eines ersten Typs und ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren für Ladungsträger eines zweiten Typs bereitgestellt oder erzeugt werden. Mittels der mehreren ersten und zweiten Potentialbarrieren sowie des Magnetfeldes können die Ladungsträger des ersten und zweiten Typs räumlich voneinander getrennt werden. Beispielsweise können die ersten und zweiten Ladungsträger in räumlich voneinander getrennte Bereiche innerhalb der Materialschicht geführt werden. Beispielsweise kann aufgrund der Trennung der Ladungsträger zwischen diesen räumlich voneinander getrennten Bereichen eine elektrische Spannung erzeugt werden (z.B. an Kontakten die an dem jeweiligen Bereich angeordnet sind). In einem zweiten Schritt 820 können die erzeugten Ladungsträger des ersten und des zweiten Typs aus der Materialschicht abgegriffen werden. Beispielsweise können die Ladungsträger des ersten und des zweiten Typs in der Materialschicht mittels des Magnetfelds, der ein oder mehreren erste Potentialbarrieren und/oder der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren getrennt werden.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten werden eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt, die verwendet werden können, um durch eine Anregung (z.B. elektromagnetische Strahlung und/oder chemische Prozesse) Ladungsträgerpaare in einer Materialschicht erzeugen. Beispielsweise kann elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht oder anderen Energieformen, z.B. infra-rote Strahlung) innerhalb der Materialschicht in einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung umgewandelt werden. Die Materialschicht kann unter einem Einfluss eines starken Magnetfeldes sowie eines inhomogenen elektrischen Feldes stehen. Beispielsweise kann das elektrische Feld durch Barrieren-Elektroden (bzw. Gate-Elektroden) und/oder durch Aufbringen oder Einbringen von Materialien erzeugt werden, welche eine effektive Dotierung bzw. eine Dotierung hervorrufen.
  • Eine Propagation von Ladungsträgern der Ladungsträgerpaare in der Materialschicht kann durch die elektrischen und magnetischen Felder in Bahnen gelenkt werden, in denen Ladungsträger eines ersten Typs (z.B. Löcher) vorrangig in zumindest einen ersten Sammelbereich (in dem zum Beispiel zumindest ein positiver Kontakt angeordnet ist) propagiert werden und in denen Ladungsträger eines zweiten Typs (z.B. Elektronen) vorrangig in zumindest einen zweiten Sammelbereich (in dem zum Beispiel zumindest ein negativer Kontakt angeordnet ist) propagiert werden. Beispielsweise kann dadurch ein Strom erzeugt werden. Hierbei können Ladungsträger des ersten und des zweiten Typs (z.B. die positiven und die negativen Ladungen) durch das Magnetfeld (das z.B. zeitlich konstant sein kann und/oder senkrecht zu einer Materialschicht-Ebene stehend) auf effektive Kreisbahn (Segmente) gelenkt werden. Die Ladungsträger des ersten und des zweiten Typs können zueinander entgegengesetzte Umlaufrichtungen haben. Die Ladungsträger des ersten bzw. zweiten Typs können an geeigneten elektrischen Potentialbarrieren reflektiert werden. Beispielsweise können positiv geladene Potentialbarrieren vorrangig positive Ladungsträger reflektieren und umgekehrt. Beispielsweise können mittels einer geeigneten Geometrie (z.B. einer kammartigen Struktur) der Potentialbarrieren die positiven bzw. negativen Ladungsträger (vorrangig) zu einem positiven bzw. negativen Kontakt gelenkt werden.
  • Vorzugsweise kann die Materialschicht Graphen und/oder ein von Graphen verschiedenes Material mit ähnlichen elektrischen (und ggf. magnetischen) Eigenschaften wie Graphen als Material aufweisen oder daraus bestehen. Graphen kann insbesondere deshalb geeignet sein, da Graphen keine Energielücke aufweist und daher auch niederenergetische Strahlung wie z.B. Infrarotstrahlung absorbieren und umwandeln (und somit Ladungsträgerpaare erzeugen) kann. Außerdem können durch die Verwendung von Graphen elektrische Verluste minimiert werden, die durch eine Propagation der Ladungsträger, die vorrangig senkrecht zu dem elektrischen und magnetischen Feld erfolgen kann, entstehen können. Beispielsweise kann, vergleichen mit Si-basierten oder GaAs-basierten Solarzellen, die beschriebene Ladungsträger-Trennvorrichtung geringere Materialkosten erfordern. Die erfindungsgemäße Anordnung kann zudem eine Energieumwandlung in einem großen Spektralbereich und einer hohen Ausbeute bzw. einem hohen Wirkungsgrad ermöglichen.
  • Die Ladungsträger-Trennvorrichtung kann geringere Materialkosten (im Vergleich zu Silizium bei Solarzellen), eine flexiblere Ansteuerung (z.B. durch eine elektrische Spannung an den Barrieren-Elektroden), sowie eine höhere Ausbeute (z.B. aufgrund der fehlenden Bandlücke von Graphen) ermöglichen. Im Gegensatz zu einer Ladungstrennung durch ein elektrisches Feld (z.B. bei einem p-n-Übergang in Solarzellen), welcher zu elektrischen Verlusten führen kann, kann bei der Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten die Propagation der Ladungsträger des ersten und zweiten Typs vorrangig senkrecht zum elektrischen (und magnetischen) Feld erfolgen. Somit können beispielsweise Verluste durch das elektrische Feld (z.B. durch den p-n-Übergang) minimiert werden. Durch den Einfluss des Magnetfeldes können die Bahnen der Ladungsträger sehr robust sein, wodurch ebenfalls elektrische Verluste reduziert werden können.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das elektrische Feld durch Barrieren-Elektroden, die vom Graphen elektrisch isoliert sind, erzeugt werden. Beispielsweise kann durch eine Geometrie des elektrischen Feldes eine bessere flächenmäßige Ausbeute erzielt werden als durch eine Propagation der Ladungsträger in Randkanälen. Beispielsweise können die Randkanäle, welche mit höherer Wahrscheinlichkeit Imperfektionen aufweisen können, ebenfalls zu Verlusten führen. Die beschriebene Ladungsträger-Trennvorrichtung kann eine flexible Ansteuerung unter Modifikation der elektrischen und magnetischen Felder ermöglichen. Somit kann beispielsweise eine flexible Anpassung und Optimierung für den jeweiligen Einsatzzweck (z.B. als Sensor, Solarzelle etc.) durchgeführt werden.
  • Im Folgenden werden einige Beispiele beschrieben, die sich auf das hierin Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
  • Beispiel 1 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung, die aufweisen kann: eine Materialschicht eingerichtet zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die Materialschicht trifft; eine Magneteinheit zum Bereitstellen (z.B. Erzeugen, Anlegen) eines Magnetfeldes in der Materialschicht zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht; ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden, wobei die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht für Ladungsträger eines ersten Typs, ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden (Ladbar aber dann eigentlich floatend-Ladeschaltkreis eventuell Kondensator um die Spannung länger zu halten), wobei die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht für Ladungsträger eines zweiten Typs, wobei die Materialschicht, die Magneteinheit (z.B. permanent magnetisch, z.B. mit einer magnetischen Flussdichte von mehr als 0,1 T, z.B. mehr als 0,2 T, 0,3 T, 0,4 T, 0,5 T, 0,6 T, 0,7 T, 0,8 T, 0,9 T, 1,0 T oder mehr als 1,5 T), die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden können derart eingerichtet sein (d.h. mit einem jeweiligen Abstand, einer jeweiligen elektrischen Feldstärke, etc. so dass die (Teil-)Kreisbahnen erzeugt werden derart, dass die Ladungsträger auf die Potentialbarriere treffen können), dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs und Ladungsträgern des zweiten Typs in der Materialschicht erfolgen kann.
  • Anschaulich kann das bedeuten, dass Ladungsträger des ersten Typs der erzeugten Ladungsträgerpaare in einen ersten Bereich der Materialschicht gebracht werden können und das Ladungsträger des zweiten Typs der erzeugten Ladungsträgerpaare in einen zweiten Bereich der Materialschicht gebracht werden können.
  • Beispiel 2 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 1 optional ferner aufweisend: ein oder mehrere erste Sammel-Elektroden zum Sammeln von räumlich getrennten Ladungsträgern des ersten Typs, wobei die ein oder mehreren ersten Sammel-Elektroden vorzugsweise in einem ersten Sammelbereich der Materialschicht angeordnet sein können; und ein oder mehrere zweite Sammel-Elektroden zum Sammeln von räumlich getrennten Ladungsträgern des zweiten Typs, wobei die ein oder mehrere zweiten Sammel-Elektroden vorzugsweise in einem von dem ersten Sammelbereich beabstandeten zweiten Sammelbereich der Materialschicht angeordnet sein können.
  • Beispiel 3 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei zueinander benachbarte (z.B. direkt benachbarte) Barrieren-Elektroden der mehreren ersten Barrieren-Elektroden derart eingerichtet sein können (z.B. in einem ersten Abstand zueinander angeordnet sind und/oder entsprechend aufgeladen sind) dass Ladungsträger des ersten Typs der erzeugten Ladungsträgerpaare durch zumindest eine der ersten Potentialbarrieren umgelenkt werden können.
  • Beispiel 4 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei zueinander benachbarte (z.B. direkt benachbarte) Barrieren-Elektroden der mehreren zweiten Barrieren-Elektroden derart eingerichtet sein können (z.B. in einem ersten Abstand zueinander angeordnet sind und/oder entsprechend aufgeladen sind) dass Ladungsträger des ersten Typs der erzeugten Ladungsträgerpaare durch zumindest eine der zweiten Potentialbarrieren umgelenkt werden können.
  • Beispiel 5 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei die mehreren ersten Barrieren-Elektroden derart eingerichtet sein können, dass zumindest eine erste Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden unabhängig von einer zweiten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden angesteuert (z.B. geladen oder entladen) werden kann.
  • Beispiel 6 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die mehreren zweiten Barrieren-Elektroden derart eingerichtet sein können, dass zumindest eine erste Gruppe der mehreren zweiten Barrieren-Elektroden unabhängig von einer zweiten Gruppe der mehreren zweiten Barrieren-Elektroden angesteuert (z.B. geladen) werden kann.
  • Beispiel 7 Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 1 bis 6, die optional ferner aufweisen kann: eine Elektroden-Steuereinheit welche eingerichtet sein kann zum Steuern (Verstärken, Einschalten, Ausschalten, Verändern einer räumlichen Verteilung) der ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren und der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren.
  • Beispiel 8 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 7 in Verbindung mit Beispiel 5, wobei die Elektroden-Steuereinheit eingerichtet sein kann zum Laden und/oder Halten der ersten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden auf eine(r) erste(n) elektrische(n) Spannung und zum Laden und/oder Halten der zweiten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden auf eine(r) zweite(n) elektrische(n) Spannung. Beispielsweise kann die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung verschieden sein (z.B. um mehr als 10%, z.B. um mehr als 50%, 100%, 500%, 1 000% oder um mehr als 10 000%).
  • Somit können Beispielsweise die ersten Barrieren-Elektroden an eine Bewegungsenergie der ersten Ladungsträger angepasst werden
  • Beispiel 9 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 8, wobei ein Betrag der ersten elektrischen Spannung im Wesentlichen (weniger als 10% Abweichung) gleich einem Betrag der zweiten elektrischen Spannung sein kann.
  • Beispiel 10 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 8, wobei ein Betrag der ersten elektrischen Spannung größer sein kann als ein Betrag der zweiten elektrischen Spannung, insbesondere wobei der Betrag der zweiten elektrischen Spannung null sein kann.
  • Somit können Beispielsweise gezielt Barrieren-Elektroden ausgeschaltete werden um die Ladungsträger-Trennvorrichtung an einen Radius von Teilkreisbahnen der erzeugten Ladungsträger anzupassen
  • Beispiel 11 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 7 in Verbindung mit Beispiel 6, wobei die Elektroden-Steuereinheit eingerichtet sein kann zum Laden und/oder Halten der zweiten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden auf eine(r) dritte(n) elektrische(n) Spannung und zum Laden und/oder Halten der zweiten Gruppe der mehreren zweiten Barrieren-Elektroden auf eine(r) vierte(n) elektrische(n) Spannung. Beispielsweise kann die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung verschieden sein (z.B. um mehr als 10%, z.B. um mehr als 50%, 100%, 500%, 1 000% oder um mehr als 10 000%).
  • Beispiel 12 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 11, wobei ein Betrag der dritten elektrischen Spannung im Wesentlichen (z.B. mit einer Abweichung von weniger als 10%, weniger als 5%, 1%, 0,5%, 0,1% oder weniger als 0,01%) gleich einem Betrag der vierten elektrischen Spannung sein kann.
  • Beispiel 13 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 11, wobei ein Betrag der dritten elektrischen Spannung größer sein kann (z.B. um mehr als 10%, z.B. um mehr als 50%, 100%, 500%, 1 000% oder um mehr als 10 000%) als ein Betrag der vierten Spannung. Beispielsweise kann der Betrag der vierten elektrischen Spannung null sein.
  • Beispiel 14 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 11 in Verbindung mit Beispiel 5, wobei ein Betrag von zumindest zwei elektrischen Spannungen, ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend die erste elektrische Spannung, die zweite elektrische Spannung, die dritte elektrische Spannung und die vierte elektrische Spannung, im Wesentlichen gleich sein kann (z.B. mit einer Abweichung von weniger als 10%, weniger als 5%, 1%, 0,5%, 0,1% oder weniger als 0,01%).
  • Beispiel 15 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 11 in Verbindung mit Beispiel 5, wobei ein Betrag von jeweils zwei elektrischen Spannungen, ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend die erste elektrische Spannung, die zweite elektrische Spannung, die dritte elektrische Spannung und die vierte elektrische Spannung, im Wesentlichen gleich sein kann (z.B. mit einer Abweichung von weniger als 10%, weniger als 5%, 1%, 0,5%, 0,1% oder weniger als 0,01%).
  • Beispiel 16 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 15, wobei ein Betrag von allen elektrischen Spannungen, ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend die erste elektrische Spannung, die zweite elektrische Spannung, die dritte elektrische Spannung und die vierte elektrische Spannung, im Wesentlichen gleich sein kann (z.B. mit einer Abweichung von weniger als 10%, weniger als 5%, 1%, 0,5%, 0,1% oder weniger als 0,01%).
  • Beispiel 17 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 15, wobei ein Betrag von jeweils zwei weiteren elektrischen Spannungen, ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend die erste elektrische Spannung, die zweite elektrische Spannung, die dritte elektrische Spannung und die vierte elektrische Spannung, im unterschiedlich voneinander sein kann (z.B. um mehr als 10%, z.B. um mehr als 50%, 100%, 500%, 1 000% oder um mehr als 10 000%).
  • Beispiel 18 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 7 bis 17, wobei die Elektroden-Steuereinheit eingerichtet sein kann einen Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer Energie der erzeugten Ladungsträgerpaare und/oder Charakteristik der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu wählen.
  • Beispiel 19 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 18, wobei dem Betriebsmodus eine vordefinierte Anzahl von aktiven ersten Barrieren-Elektroden zugeordnet sein kann.
  • Beispielsweise kann die Energie (z.B. Bewegungsenergie) der erzeugten Ladungsträgerpaare zu gering sein, so dass nicht alle Ladungsträger des ersten Typs der erzeugten Ladungsträgerpaare durch eine Potentialbarriere der ersten Gruppe von Barrieren-Elektroden umgelenkt werden können. Durch eine dazwischenliegende Elektrode (der zweiten Gruppe) können Ladungsträger umgelenkt werden, die mit keiner Potentialbarriere der ersten Gruppe von Barrieren-Elektroden wechselwirken. Somit kann eine höhere Anzahl von Ladungsträgern des ersten Typs durch die Barrieren-Elektroden der zweiten Gruppe von Barrieren-Elektroden umgelenkt werden. Bei höheren Energien der Ladungsträger des ersten Typs der erzeugten Ladungsträgerpaare können die Barrieren-Elektroden der zweiten Gruppe von Barrieren-Elektroden ausgeschaltet werden. Beispielsweise kann somit eine Versorgungsenergie der Ladungsträger-Trennvorrichtung reduziert werden.
  • Beispiel 20 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung, gemäß einem der Beispiele 1 bis 19, die optional ferner aufweisen kann: einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie.
  • Beispiel 21 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 20, wobei der Energiespeicher eingerichtet sein kann, die Elektroden-Steuereinheit mit elektrischer Energie zu versorgen zum Laden der Barrieren-Elektroden.
  • Beispiel 22 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 20 oder 21, wobei der Energiespeicher mit den Barrieren-Elektroden gekoppelt sein kann zum konstant Halten einer elektrischen Spannung, die an den Barrieren-Elektroden anliegt.
  • Beispielsweise kann der Energiespeicher (z.B. während eines Initialisierungsvorgangs der Ladungsträger-Trennvorrichtung) aufgeladen und auf einer vordefinierten elektrischen Spannung gehalten werden. Beispielsweise kann der Energiespeicher autark von einer externen Stromquelle sein (z.B. bis auf einen Aufladevorgang).
  • Beispiel 23 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 22, wobei die Magneteinheit derart eingerichtet ist, dass ein oder mehrere Charakteristiken (z.B. eine Magnetfeldstärke, eine Fluenz, eine räumliche Verteilung) des Magnetfeldes variiert (z.B. erhöht, verändert, vermindert etc.) werden können, indem eine Konfiguration (elektrische Ansteuerung von Elektromagneten, eine Lage von ein oder mehreren Elektromagneten und/oder Dauermagneten, eine Ausrichtung Elektromagneten und/oder Dauermagneten, eine Verschiebung von Elektromagneten und/oder Dauermagneten, etc.) der Magneteinheit geändert wird.
  • Beispiel 24 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 23, die optional ferner aufweisen kann: eine Magnet-Steuereinheit, welche eingerichtet sein kann, die Konfiguration der Magneteinheit zu ändern um die ein oder mehreren Charakteristiken des Magnetfeldes zu variieren.
  • Beispiel 25 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 24 wobei die Magnet-Steuereinheit eingerichtet sein kann, dass die Konfiguration der Magneteinheit in Abhängigkeit von einer Energie der erzeugten Ladungsträgerpaare und/oder einer Charakteristik der einfallenden elektromagnetischen Strahlung wählbar ist.
  • Beispiel 26 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 25, wobei zumindest einer wählbaren Konfiguration der Magneteinheit ein oder mehrere vordefinierte Charakteristiken des Magnetfeldes zugeordnet werden können, die durch die Magnet-Steuereinheit eingestellt werden können.
  • Beispielsweise kann die Magnet-Steuereinheit eingerichtet sein, eine Magnetfeldstärke (oder eine mit der Magnetfeldstärke direkt in Beziehung stehende physikalische Größe) in der Materialschicht zu verändern (z.B. zu erhöhen oder zu reduzieren). Beispielsweise kann eine Magnetfeldstärke durch einen Abstand von der Materialschicht zu zumindest einem Teil der Magneteinheit reduziert werden.
  • Beispiel 27 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 26, wobei die Magneteinheit ein oder mehrere Permanentmagneten und/oder ein oder mehrere Elektromagneten aufweisen kann.
  • Beispielsweise können die ein oder mehreren Magnete ein oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus bestehen: Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Alnico, Sr-Ferrite.
  • Beispielsweise kann die Magnet-Steuereinheit eingerichtet sein, zumindest bei einem der ein oder mehreren Elektromagneten eine elektrische Spannungsversorgung, eine elektrische Stromversorgung oder eine Windungszahl des Magneten zu steuern (z.B. zu variieren). Somit können ein oder mehrere Charakteristiken des Magnetfeldes gesteuert werden. Beispielsweise kann zumindest eine der ein oder mehreren Charakteristiken des Magnetfeldes an eine Energie und/oder Ladung der erzeugten Ladungsträger angepasst werden.
  • Beispiel 28 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 27, wobei an der Materialschicht ein oder mehrere chemische Katalysatorelemente angeordnet sein können, die eingerichtet sind zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in der Materialschicht in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die ein oder mehreren Katalysatorelemente trifft.
  • Beispiel 29 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 28, wobei die Ladungsträger-Trennvorrichtung derart eingerichtet sein kann, dass elektromagnetische Strahlung die durch die Materialschicht transmittiert wird in die Materialschicht zurück reflektiert werden kann (z.B. zu mehr als 20%, z.B. zu mehr als 30%, 40% 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder zu mehr als 95%).
  • Beispiel 30 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 29, die optional ferner aufweisen kann: eine Reflexionseinheit zum Reflektieren von elektromagnetischer Strahlung, die durch die durch die Materialschicht transmittiert wurde, in Richtung der Materialschicht.
  • Beispiel 31 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 30, wobei die Reflexionseinheit eingerichtet sein kann, Strahlung, die ein oder mehrere vorbestimmte Wellenlängen aufweist, stärker zu reflektieren als Strahlung, die ein oder mehrere andere Wellenlängen aufweist. Beispielsweise können die ein oder mehreren anderen Wellenlängen von den ein oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen verschieden sein.
  • Beispielsweise kann durch eine Reflexion zurück in die Materialschicht, eine höhere Anzahl von Ladungsträgern erzeugt werden. Beispielsweise kann durch eine Reflexion zurück in die Materialschicht die elektromagnetische Strahlung effizienter genutzt werden.
  • Beispiel 32 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 31, die optional ferner aufweisen kann, ein Wellenlängenumwandlungselement, das eine erste Strahlung, die ein oder mehrere erste Wellenlängen aufweisen kann, im Wesentlichen absorbiert und als Reaktion auf die Absorption der ersten Strahlung, eine zweite Strahlung, die ein oder mehrere zweite Wellenlängen aufweisen kann, emittieren kann.
  • Beispielsweise kann die Materialschicht 1 eingerichtet sein, vorzugsweise eine bestimmte Strahlung mit ein oder mehreren bestimmten Wellenlängen aus dem UV-Bereich, dem sichtbaren Licht und/oder dem IR-Bereich zu absorbieren. Beispielsweise kann die einfallende elektromagnetische Strahlung sich von der bestimmten Strahlung unterscheiden, z.B. in ein oder mehreren Wellenlängen. Beispielsweise kann die Wellenlängenumwandlungsvorrichtung geeignet sein, um die einfallende elektromagnetische Strahlung in die bestimmte Strahlung umzuwandeln.
  • Beispiel 33 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 32, wobei sich vorzugsweise zumindest eine der ein oder mehreren zweiten Wellenlängen von den ein oder mehreren ersten Wellenlängen unterscheiden können.
  • Beispiel 34 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 32 oder 33, wobei die ein oder mehreren ersten Wellenlängen im Wesentlichen größer sein können als die ein oder mehreren zweiten Wellenlängen (z.B. größer um mehr als 10%, z.B. größer um mehr als 50%, 100%, 500%, 1 000% oder größer um mehr als 10 000%).
  • Beispielsweise kann im Wesentlichen größer bedeuten, dass eine mittlere erste Wellenlänge (z.B. ein arithmetisches Mittel, ein geometrisches Mittel, ein harmonisches Mittel, und/oder ein Median) der ein oder mehreren ersten Wellenlängen größer sein kann als eine mittlere zweite Wellenlänge (z.B. ein arithmetisches Mittel, ein geometrisches Mittel, ein harmonisches Mittel, und/oder ein Median) der ein oder mehreren zweiten Wellenlängen. Beispielsweise kann im Wesentlichen größer bedeuten, dass eine Wellenlänge der ein oder mehreren ersten Wellenlängen, die kleiner ist als zumindest 50% der anderen ein oder mehreren ersten Wellenlängen, größer sein kann als eine Wellenlänge der ein oder mehreren zweiten Wellenlängen, die größer ist als zumindest 50% der anderen ein oder mehreren zweiten Wellenlängen.
  • Beispiel 35 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 32 oder 33, wobei die ein oder mehreren ersten Wellenlängen im Wesentlichen kleiner sind als die ein oder mehreren zweiten Wellenlängen (z.B. kleiner um mehr als 10%, z.B. kleiner um mehr als 50%, 100%, 500%, 1 000% oder kleiner um mehr als 10 000%).
  • Beispielsweise kann im Wesentlichen kleiner bedeuten, dass eine mittlere erste Wellenlänge (z.B. ein arithmetisches Mittel, ein geometrisches Mittel, ein harmonisches Mittel, und/oder ein Median) der ein oder mehreren ersten Wellenlängen kleiner sein kann als eine mittlere zweite Wellenlänge (z.B. ein arithmetisches Mittel, ein geometrisches Mittel, ein harmonisches Mittel, und/oder ein Median) der ein oder mehreren zweiten Wellenlängen. Beispielsweise kann im Wesentlichen kleiner bedeuten, dass eine Wellenlänge der ein oder mehreren ersten Wellenlängen, die größer ist als zumindest 50% der anderen ein oder mehreren ersten Wellenlängen, kleiner sein kann als eine Wellenlänge der ein oder mehreren zweiten Wellenlängen, die kleiner ist als zumindest 50% der anderen ein oder mehreren zweiten Wellenlängen.
  • Beispiel 36 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 35, wobei eine Schichtdicke der Materialschicht auf eine Absorption einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung, die ein oder mehrere vorbestimmte Wellenlängen aufweist, angepasst sein kann, derart dass mehr als 30% (z.B. mehr als 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% oder mehr als 99%) der einfallenden Strahlung in der Materialschicht absorbiert werden können.
  • Beispiel 37 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 36, wobei die Materialschicht im Wesentlichen (z.B. zu mehr als 20%, 30%, 40%, 60% ,80%, 90%, 95%, 99%) ein oder mehrere Materialien aufweisen kann, die jeweils eine Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband von weniger als 100 eV (z.B. weniger als 50 eV, 40 eV, 30 eV, 20 eV, 10 eV, 5 eV, 1 eV oder weniger als 0,5 eV) haben können.
  • Beispiel 38 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 37, wobei die Materialschicht Graphen aufweisen kann.
  • Beispiel 39 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 38, wobei die Materialschicht aus ein oder mehreren Materialien bestehen kann, die jeweils eine Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband von weniger als 100 eV (z.B. weniger als 50 eV, 40 eV, 30 eV, 20 eV, 10 eV, 5 eV, 1 eV oder weniger als 0,5 eV) haben können.
  • Beispiel 40 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 39, wobei die Materialschicht aus Graphen bestehen kann.
  • Beispiel 41 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 40, wobei die Materialschicht im Wesentlichen (z.B. zu mehr als 20%, 30%, 40%, 60% ,80%, 90%, 95%, 99%) ein Material aufweisen kann, das eine elektronisch-zweidimensionale Struktur und/oder eine zweidimensionale Kristallstruktur und/oder eine Dicke von wenigen Atomlagen (weniger als 10) habe kann.
  • Beispiel 42 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 41, wobei die Materialschicht aus einer Atom-Lage bestehen kann.
  • Beispiel 43 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 42, wobei die Materialschicht aus mehreren Sub-Schichten aufgebaut sein kann. Anschaulich kann die Materialschicht mehrschichtig aufgebaut sein.
  • Beispielsweise können mehrere Lagen mit gleichen oder verschiedenen Eigenschaften übereinander gestapelt werden um Somit eine Effizienz und/oder eine Leistung der Ladungsträger-Trennvorrichtung zu steigern.
  • Beispiel 44 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 43, wobei jede der mehreren Sub-Schichten jeweils eine elektronisch-zweidimensionale Struktur und/oder eine zweidimensionale Kristallstruktur und/oder eine Dicke von wenigen Atomlagen (weniger als 10) aufweisen kann.
  • Beispiel 45 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 43 oder 44, wobei die mehreren Sub-Schichten aus dem gleichen Material bestehen kann.
  • Beispiel 46 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 43, wobei die mehreren Sub-Schichten aus dem gleichen Material in der gleichen elektronischen Konfiguration (elektronischen Konfiguration hängt von Kristallstruktur ab) bestehen können.
  • Beispiel 47 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 43 bis 46, wobei zueinander benachbarte Sub-Schichten der mehreren Sub-Schichten durch jeweils mindestens eine Isolierschicht voneinander getrennt sein können.
  • Beispiel 48 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 43 bis 47, wobei eine Anzahl und/oder eine Gesamtschichtdicke der mehreren Sub-Schichten der Materialschicht auf eine Absorption einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung, die ein oder mehrere vorbestimmte Wellenlängen aufweist, angepasst ist, derart dass mehr als 30% (z.B. mehr als 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% oder mehr als 99%) der einfallenden Strahlung in der Materialschicht absorbiert werden kann. Beispielsweise kann die Absorption auf ein oder mehrere bestimmte Wellenlängen bezogen sein.
  • Beispiel 49 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 43 bis 48, wobei ein oder mehrere der ein oder mehreren Sub-Schichten jeweils aus ein oder mehreren Material bestehen, die jeweils eine Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband von weniger als 100 eV (z.B. weniger als 50 eV, 40 eV, 30 eV, 20 eV, 10 eV, 5 eV, 1 eV oder weniger als 0,5 eV) haben.
  • Beispiel 50 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 43 bis 49, wobei ein oder mehrere der ein oder mehreren Sub-Schichten Graphen aufweisen können oder daraus bestehen können.
  • Beispiel 51 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 43 bis 50, wobei alle Sub-Schichten aus Graphen bestehen können.
  • Beispiel 52 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 52, wobei die Ladungsträger-Trennvorrichtung derart eingerichtet sein kann, dass ein Anteil einer elektromagnetischen Strahlung, der ein oder mehrere vorbestimmten Wellenlängen aufweist, aus einer auf die Materialschicht einfallenden elektromagnetischen Strahlung im Wesentlichen reflektiert (z.B. zu mehr als 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder zu mehr als 95%) und/oder transmittiert (z.B. zu mehr als 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder zu mehr als 95%) werden kann.
  • Beispielsweise kann somit eine Wellenlängenauswahl ermöglicht werden. Beispielsweise könnte somit ein Strahlungsdetektor realisiert werden. Beispielsweise könnte somit eine mehrstufige Ladungstrennvorrichtung realisiert werden. Beispielsweise kann jede Stufe der mehrstufige Ladungstrennvorrichtung für jeweils eine Strahlung mit ein oder mehreren Wellenlängen angepasst sein kann. Beispielsweise können verschiedene Stufen für verschiedene Strahlungen, d.h. mit zumindest einer voneinander unterschiedlichen Wellenlänge. Beispielsweise könnte die reflektierte bzw. transmittierte Strahlung weiterprozessiert (z.B. umgewandelt werden etc.) werden (z.B. in weiteren Anordnungen).
  • Beispiel 53 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 54, wobei die Materialschicht mittels ein oder mehrerer erster Dotierstoffe dotiert sein kann, wobei die ein oder mehreren ersten Dotierstoffe eingerichtet (d.h. auch derart angeordnet) sein können, um ein oder mehrere weitere erste Potentialbarrieren in der Materialschicht für die Ladungsträger des ersten Typs bereitzustellen und/oder um zusammen mit den ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden die ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren bereitzustellen.
  • Beispiel 54 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 55, wobei die Materialschicht mittels ein oder mehrerer zweiter Dotierstoffe dotiert sein kann, wobei die ein oder mehreren zweiten Dotierstoffe eingerichtet (d.h. auch derart angeordnet) sein können, um ein oder mehrere weitere zweite Potentialbarrieren in der Materialschicht für die Ladungsträger des zweiten Typs bereitzustellen und/oder um zusammen mit den ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden die ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren bereitzustellen.
  • Beispiel 55 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung, die aufweisen kann: eine Materialschicht eingerichtet zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die Materialschicht trifft; wobei die Materialschicht mittels ein oder mehrerer erster Dotierstoffe dotiert sein kann, wobei die ein oder mehreren ersten Dotierstoffe eingerichtet (d.h. auch derart angeordnet) sein können, um ein oder mehrere erste Potentialbarrieren in der Materialschicht für Ladungsträger eines ersten Typs bereitzustellen, wobei die Materialschicht mittels ein oder mehrerer zweiter Dotierstoffe dotiert sein kann, wobei die ein oder mehreren zweiten Dotierstoffe eingerichtet (und derart angeordnet sind) sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht für Ladungsträger eines zweiten Typs; eine Magneteinheit zum Bereitstellen (z.B. Erzeugen, Anlegen) eines Magnetfeldes in der Materialschicht zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht; wobei die Materialschicht, die Magneteinheit, die ein oder mehreren ersten Dotierstoffe und die ein oder mehreren zweiten Dotierstoffe derart eingerichtet sind (d.h. Abstand, Stärke, Konzentration, Verteilung, etc. so dass Kreisbahnen erzeugt werden können derart, dass die Ladungsträger auf die Potentialbarriere treffen), dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs und Ladungsträgern des zweiten Typs in der Materialschicht erfolgen kann.
  • Beispiel 56 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 55 optional ferner aufweisend: ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden, wobei die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden eingerichtet sein können zum Beeinflussen von den ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht, ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden, wobei die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden eingerichtet sein können zum Beeinflussen von den ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht. Beispielsweise können die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden und/oder die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden initial geladen werden (z.B. mittels eines Ladeschaltkreis). Beispielsweise kann eine elektrische Spannung der Barrieren-Elektroden nach dem initialen Laden nicht mehr variiert werden. Beispielsweise können die Elektroden mit einem jeweiligen Energiespeicher verbunden werden, um die jeweilige elektrische Spannung länger aufrecht erhalten zu können.
  • Beispiel 57 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung, die aufweisen kann eine Materialschicht; mehrere erste Potentialbarrieren, die in der Materialschicht bereitgestellt sein können und zum Halten der Ladungsträger eines ersten Typs in jeweils einem ersten Bereich zwischen zwei benachbarten Potentialbarrieren der mehreren ersten Potentialbarrieren eingerichtet sein können; mehrere zweite Potentialbarrieren, die in der Materialschicht bereitgestellt sein können und zum Halten der Ladungsträger eines zweiten Typs in jeweils einem zweiten Bereich zwischen zwei benachbarten Potentialbarrieren der mehreren zweiten Potentialbarrieren eingerichtet sein können; ein Magnetfeld, das in dem ersten Bereich der Materialschicht und in dem zweiten Bereich der Materialschicht bereitgestellt sein kann, und zum Beeinflussen einer Bewegung der Ladungsträger des ersten Typs und der Ladungsträger des zweiten Typs eingerichtet sein kann, eine erste Sammelelektrode in Kontakt mit mindestens einem ersten Sammelbereich zum Abgreifen von Ladungsträgern des ersten Typs aus dem ersten Sammelbereich; und eine zweite Sammelelektrode in Kontakt mit mindestens einem zweiten Sammelbereich zum Abgreifen von Ladungsträgern des zweiten Typs aus dem zweiten Sammelbereich.
  • Beispielsweise können das Magnetfeld, die mehreren ersten Potentialbarrieren und die mehreren zweiten Potentialbarrieren derart eingerichtet sein, dass sich die Ladungsträger des ersten Typs in einem ersten Sammelbereich in der Materialschicht ansammeln können und dass sich die Ladungsträger des zweiten Typs in einem zweiten Sammelbereich in der Materialschicht ansammeln können, und wobei der erste Sammelbereich und der zweite Sammelbereich räumlich voneinander getrennt sein können.
  • Es versteht sich, dass das Beispiel 57 mit den Merkmalen gemäß einem der Beispiele 2 bis 54 kombiniert werden kann.
  • Beispiel 58 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 57, wobei die Ladungsträger-Trennvorrichtung als eine Solarzelle eingerichtet sein kann.
  • Beispiel 59 ist eine Verwendung der Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 58 als eine Solarzelle zum Wandeln von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie.
  • Beispiel 60 ist ein Verfahren zum Abgreifen von Ladungsträgern, das Verfahren kann aufweisen: Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in einer Materialschicht, wobei die Materialschicht eingerichtet sein kann zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren, wobei in der Materialschicht ein Magnetfeld zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren, ein oder mehrere erste Potentialbarrieren für Ladungsträger eines ersten Typs, und ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren für Ladungsträger eines zweiten Typs bereitgestellt sein können; und Abgreifen von Ladungsträgern eines ersten Typs und Ladungsträgern eines zweiten Typs, welche in der Materialschicht und mittels des Magnetfelds der ein oder mehrere erste Potentialbarrieren sowie der ein oder mehrere zweite Potentialbarrieren getrennt werden können.
  • Beispiel 61 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 60, wobei die Materialschicht derart eingerichtet ist, dass sie, wenn elektromagnetische Strahlung auf die Materialschicht trifft, Ladungsträgerpaaren in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung erzeugen kann.
  • Beispiel 62 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 61, wobei zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren die Materialschicht elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden kann.
  • Beispiel 63 ist ein Verfahren gemäß einem der Beispiele 60 bis 62, das optional ferner aufweisen kann Verändern (z.B. Erhöhen, Vermindern) von ein oder mehreren Charakteristiken des Magnetfelds (z.B. eine örtliche Verteilung des Magnetfeldes und/oder eine Magnetfeldstärke) zum Verändern (z.B. Erhöhen, Vermindern) der Menge der abgegriffenen Ladungsträger des ersten bzw. des zweiten Typs.
  • Beispiel 64 ist ein Verfahren gemäß einem der Beispiele 60 bis 63, das optional ferner aufweisen kann: Verändern einer Magnetfeldstärke und/oder einer örtlichen Verteilung des Magnetfelds zum Verändern (z.B. Erhöhen, Vermindern) der Menge der abgegriffenen Ladungsträger des ersten bzw. des zweiten Typs.
  • Beispiel 65 ist ein Verfahren gemäß einem der Beispiele 60 bis 64, das optional ferner aufweisen kann: Verändern von zumindest einer elektrischen Charakteristik der ein oder mehreren ersten und/oder der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren (z.B. einer Stärke, einer Verteilung) zum Verändern (z.B. Erhöhen, Vermindern) der Menge der abgegriffenen Ladungsträger des ersten bzw. des zweiten Typs.
  • Beispiel 66 ist ein Verfahren gemäß einem der Beispiele 60 bis 65, das optional ferner aufweisen kann: Verändern einer Feldstärke und/oder örtlichen Verteilung der Feldstärke der ein oder mehreren ersten und/oder der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren zum Verändern (z.B. Erhöhen, Vermindern) der Menge der abgegriffenen Ladungsträger des ersten bzw. des zweiten Typs.
  • Beispiel 67 ist ein Verfahren gemäß einem der Beispiele 60 bis 66, das optional ferner aufweisen kann: Verändern einer Anzahl der ein oder mehreren ersten und/oder der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren (z.B. einer Stärke, einer Verteilung) zum Verändern (z.B. Erhöhen, Vermindern) der Menge der abgegriffenen Ladungsträger des ersten bzw. des zweiten Typs.
  • Beispiel 68 ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms, das Verfahren kann aufweisen: Aussetzen einer Materialschicht einer elektromagnetischen Strahlung (z.B. zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in der Materialschicht), wobei die Materialschicht mindestens eine erste und mindestens eine zweite Potentialbarriere zum räumlichen Trennen von Ladungsträgern aufweisen kann und von einem Magnetfeld zum räumlichen Trennen von Ladungsträgern durchdrungen ist, und dadurch (d.h. durch das Aussetzen der Materialschicht der elektromagnetischen Strahlung) Erzeugen einer elektrischen Spannung anliegend an mindestens zwei an die Materialschicht angrenzende Sammelelektroden.
  • Beispiel 69 ist eine Ladungsträger-Trennvorrichtung, die aufweisen kann: eine Materialschicht; ein oder mehrere chemische Katalysatorelemente, welche an der und/oder in der Materialschicht angeordnet sind und welche eingerichtet sind zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in der Materialschicht; eine Magneteinheit zum Bereitstellen eines Magnetfeldes in der Materialschicht zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht; ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden, wobei die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden eingerichtet sein können zum Bereitstellen von ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht für Ladungsträger eines ersten Typs, ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden, wobei die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden eingerichtet sein können zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht für Ladungsträger eines zweiten Typs, wobei die Materialschicht, die Magneteinheit, die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden derart eingerichtet sein können, dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs und Ladungsträgern des zweiten Typs in der Materialschicht erfolgen kann.
  • Im Unterschied zu den zuvor genannten Beispielen, können die Ladungsträger in der Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß Beispiel 69 mittels chemischer Reaktionen und der dabei frei werdenden Energie erzeugt werden können. Es versteht sich, dass die Merkmale der zuvor genannten Beispiele (abgesehen von denen, die spezifisch für elektromagnetische Strahlen sind) ebenso auf die Ladungsträger-Trennvorrichtung gemäß dem Beispiel 69 übertragen bzw. angewandt werden können.

Claims (17)

  1. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100), aufweisend: eine Materialschicht (110) eingerichtet zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die Materialschicht (110) trifft; eine Magneteinheit (140) zum Bereitstellen eines Magnetfeldes in der Materialschicht (110) zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht (110) ; ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden (120), wobei die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines ersten Typs (221); und ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden (130), wobei die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines zweiten Typs (222), wobei die Materialschicht (110), die Magneteinheit, die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) derart eingerichtet sind, dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs (221) und Ladungsträgern des zweiten Typs (222) in der Materialschicht (110) erfolgt.
  2. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 ferner aufweisend: ein oder mehrere erste Sammel-Elektroden (311) zum Sammeln von räumlich getrennten Ladungsträgern des ersten Typs (221), vorzugsweise angeordnet in einem ersten Sammelbereich (231) der Materialschicht (110); und ein oder mehrere zweite Sammel-Elektroden (312) zum Sammeln von räumlich getrennten Ladungsträgern des zweiten Typs (222), vorzugsweise angeordnet in einem von dem ersten Sammelbereich (231) beabstandeten zweiten Sammelbereich (232) der Materialschicht (110).
  3. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zueinander benachbarte Barrieren-Elektroden der mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) derart eingerichtet sind, dass Ladungsträger des ersten Typs (221) der erzeugten Ladungsträgerpaare durch zumindest eine der ersten Potentialbarrieren umgelenkt werden.
  4. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) derart eingerichtet sind, dass zumindest eine erste Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) unabhängig von einer zweiten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) angesteuert werden kann.
  5. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 bis 4, ferner aufweisend: eine Elektroden-Steuereinheit welche eingerichtet ist zum Steuern der ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren und der ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren.
  6. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 4: wobei die Elektroden-Steuereinheit eingerichtet ist zum Laden und/oder Halten der ersten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) auf eine(r) erste(n) elektrische(n) Spannung und zum Laden und/oder Halten der zweiten Gruppe der mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) auf eine(r) zweite(n) elektrische(n) Spannung, wobei die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung um mehr als 10% verschieden ist.
  7. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei ein Betrag der ersten elektrischen Spannung größer ist als ein Betrag der zweiten elektrischen Spannung, insbesondere wobei der Betrag der zweiten elektrischen Spannung null ist.
  8. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Elektroden-Steuereinheit eingerichtet ist einen Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer Energie der erzeugten Ladungsträgerpaare und/oder Charakteristik der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu wählen, und wobei dem Betriebsmodus insbesondere eine vordefinierte Anzahl von aktiven ersten Barrieren-Elektroden (120) zugeordnet ist.
  9. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ferner aufweisend: einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie, wobei der Energiespeicher insbesondere dazu eingerichtet ist, die Elektroden-Steuereinheit mit elektrischer Energie zu versorgen zum Laden der Barrieren-Elektroden.
  10. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei an der Materialschicht (110) ein oder mehrere chemische Katalysatorelemente (510) angeordnet sind, die eingerichtet sind zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in der Materialschicht (110) in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die ein oder mehreren Katalysatorelemente trifft.
  11. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass elektromagnetische Strahlung die durch die Materialschicht (110) transmittiert wird in die Materialschicht (110) zu mehr als 20% zurück reflektiert wird.
  12. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Materialschicht (110) Graphen aufweist oder daraus besteht.
  13. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100), aufweisend: eine Materialschicht (110) eingerichtet zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, wenn diese auf die Materialschicht (110) trifft; wobei die Materialschicht (110) ein oder mehrere erste Dotierstoffe aufweist, wobei die ein oder mehreren ersten Dotierstoffe eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines ersten Typs (221), wobei die Materialschicht (110) ein oder mehrere zweite Dotierstoffe aufweist, wobei die ein oder mehreren zweiten Dotierstoffe eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines zweiten Typs (222), eine Magneteinheit (140) zum Bereitstellen eines Magnetfeldes in der Materialschicht (110) zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht (110) ; wobei die Materialschicht (110), die Magneteinheit (140), die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) derart eingerichtet sind, dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs (221) und Ladungsträgern des zweiten Typs (222) in der Materialschicht (110) erfolgt.
  14. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100), aufweisend: eine Materialschicht (110); mehrere erste Potentialbarrieren bereitgestellt in der Materialschicht (110) und eingerichtet zum Halten der Ladungsträger eines ersten Typs (221) in jeweils einem ersten Bereich zwischen zwei benachbarten Potentialbarrieren der mehreren ersten Potentialbarrieren; mehrere zweite Potentialbarrieren bereitgestellt in der Materialschicht (110) und eingerichtet zum Halten der Ladungsträger eines zweiten Typs (221) in jeweils einem zweiten Bereich zwischen zwei benachbarten Potentialbarrieren der mehreren zweiten Potentialbarrieren; ein Magnetfeld bereitgestellt in dem ersten Bereich der Materialschicht (110) und in dem zweiten Bereich der Materialschicht (110) und eingerichtet zum Beeinflussen einer Bewegung der Ladungsträger des ersten Typs (221) und der Ladungsträger des zweiten Typs (222), eine erste Sammelelektrode (311) in Kontakt mit mindestens einem ersten Sammelbereich (231) zum Abgreifen von Ladungsträgern des ersten Typs (221) aus dem ersten Sammelbereich (231); und eine zweite Sammelelektrode (312) in Kontakt mit mindestens einem zweiten Sammelbereich (232) zum Abgreifen von Ladungsträgern des zweiten Typs (222) aus dem zweiten Sammelbereich (231).
  15. Verwendung der Ladungsträger-Trennvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als eine Solarzelle zum Wandeln von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie.
  16. Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms, das Verfahren aufweisend: Aussetzen einer Materialschicht (110) einer elektromagnetischen Strahlung, wobei die Materialschicht (110) mindestens eine erste und mindestens eine zweite Potentialbarriere zum räumlichen Trennen von Ladungsträgern aufweist und von einem Magnetfeld zum räumlichen Trennen von Ladungsträgern durchdrungen ist; und dadurch Erzeugen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms anliegend an mindestens zwei an die Materialschicht (110) angrenzende Sammelelektroden (311, 312).
  17. Ladungsträger-Trennvorrichtung (100), aufweisend: eine Materialschicht (110); ein oder mehrere chemische Katalysatorelemente (510), welche an der und/oder in der Materialschicht (110) angeordnet sind und welche eingerichtet sind zum Erzeugen von Ladungsträgerpaaren in der Materialschicht (110); eine Magneteinheit (140) zum Bereitstellen eines Magnetfeldes in der Materialschicht (110) zum Beeinflussen von erzeugten Ladungsträgerpaaren innerhalb der Materialschicht (110) ; ein oder mehrere erste Barrieren-Elektroden (120), wobei die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren ersten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines ersten Typs (221); und ein oder mehrere zweite Barrieren-Elektroden (130), wobei die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) eingerichtet sind zum Bereitstellen von ein oder mehreren zweiten Potentialbarrieren in der Materialschicht (110) für Ladungsträger eines zweiten Typs (222), wobei die Materialschicht (110), die Magneteinheit, die ein oder mehreren ersten Barrieren-Elektroden (120) und die ein oder mehreren zweiten Barrieren-Elektroden (130) derart eingerichtet sind, dass eine räumliche Ladungsträgertrennung von Ladungsträgern des ersten Typs (221) und Ladungsträgern des zweiten Typs (222) in der Materialschicht (110) erfolgt.
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