DE10392830T5

DE10392830T5 - Photovoltaikanlagen, die durch Wachsen aus einem porösen Templat hergestellt werden

Info

Publication number: DE10392830T5
Application number: DE10392830T
Authority: DE
Inventors: Brian Palo Alto Sager; Martin San Francisco Roscheisen; Klaus Foster Petritsch; Karl Santa Clara Pichler; Jacqueline San Francisco Fidanza; Dong Fremont Yu
Original assignee: Nanosolar Inc
Current assignee: Nanosolar Inc
Priority date: 2002-06-22
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-09-01
Also published as: AU2003301934A8; WO2004044948A2; AU2003301934A1; WO2004044948A3; US6946597B2; US20050121068A1

Abstract

Solarzellenanlage umfassend zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten, wobei die Solarzellenanlage durch eine Architektur gekennzeichnet ist, worin die zwei Materialien regelmäßig angeordnet sind und worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt,
worin die zwei Materialien in einer Matrix vorhanden sind, die ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen aufweist, worin das poröse Templat durch Anodisieren einer Metallschicht hergestellt worden ist,
worin eines der Materialien in der Matrix ein organisches Material ist, das Licht in der Masse des organischen Materials absorbieren kann, und worin die zwei oder mehr Materialien zwischen einer Basiselektrode und einer transparenten Leitelektrode angeordnet sind.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-part-Anmeldung (Teilfortsetzung) und beansprucht Priorität aus den üblich abgetretenen US-Patentanmeldungen 10/290,119 , 10/303,665 und 10/319,406 , deren sämtliche Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Diese Anmeldung beansprucht auch Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/390,904 , die am 22. Juni 2002 eingereicht wurde, deren sämtliche Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist auf Photovoltaikanlagen und Verfahren für ihre Herstellung und insbesondere auf nanostrukturierte Photovoltaikanlagen gerichtet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik werden preiswerte Plastiksolarzellen basierend auf Exziton-(gebundene Elektronen/Loch-Paare) Physik mit einer AM1,5 Effizienz von 2–3% hergestellt (Huynh et al. "Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells" ("Hybride Nanostab-Polymer-Solarzellen"), Science 295, 2425–2427 (2002); Schmidt-Mende et al., "Self-Organized Discotic Liquid Crystals for High-Efficiency Organic Photovoltaics" ("Selbstorganisierte diskotische Flüssigkristalle für organische Hochleistungs-Photovoltaik"), Science 293, 1119–1122 (2002), Shaheen et al., "2.5 Percent Efficient Organic Plastic Solar Cells" ("2,5 Prozent effiziente organische Plastiksolarzellen"), Applied Physics Letters 78, 841–843 (2001)).
Bei diesen Solarzellenanlagen sind jedoch die Anlagenarchitekturen suboptimal bezüglich ihrer Nanometerskala-Morphologie, und Verbesserungen werden benötigt, um Anlagen mit einer höheren Effizienz zu erhalten. Insbesondere würde die Morphologie der aktiven Schicht einer optimaleren Anlage eine Architektur einer Nanometerskala-geordneten Interdigitation aufgrund der Natur der auf Exzitonen basierenden Physik haben. Die Lebensdauer von migrierenden Exzitonen ist extrem kurz, und als solches kann sich ein Exziton typischerweise nur ungefähr 10 nm zerstreuen (oder höchstens 10tel von mn), bevor sich das Elektron und Loch spontan (und unproduktiv) rekombinieren. Daher, um das Elektron von dem Loch, mit dem es verbunden ist, zu trennen (und letztlich Elektrizität zu erzeugen), muss ein Exziton die Verbindungsstelle zu einem anderen Material (eines mit höherer Elektronenaffinität) innerhalb von 10tel von nm von wo das Exziton am Anfang erzeugt wurde, erreichen. Bei Solarzellenanlagen des Stands der Technik ist die Morphologie der aktiven Schicht quasizufällig. Zum Beispiel sind in der Arbeit von Huynh et al. die Nanostäbe über das Polymer gesprüht, in das sie eingebettet sind; sie häufen sich oft in Nanostabklumpen und erzeugen einige Bereiche mit mehr Nanostäben als ideal und andere Bereiche mit weniger Nanostäben als ideal, und nicht alle Nanostäbe sind vollauf gebunden, so dass Inseln bestehen können, wo Ladungen gefangen sind (und auch wenn volle Konnektivität besteht, können sich Ladungen im Allgemeinen nicht in einem einfachen geraden Weg aus der Zelle bewegen, was zu Zwischenrekombinationsverlusten führt). In der Polymermischarbeit von Schmidt-Mende und anderen führt Phasenentmischung zu einer Morphologie der aktiven Schicht, die nicht gut kontrolliert ist, mit Inseln und Perkolationspfaden, die nicht gerade sind.
Schließlich erforderte in Anlagen des Stands der Technik die Bewegung von Ladungen durch die aktiven Materialien der Anlagen regelmäßig und eng beabstandete Nanopartikel oder Nanostäbe, die freie Elektronen sammeln und zu der äußeren Grenze der aktiven Schicht der Anlage transportieren konnten, und das Fehlen einheitlicher Abstände in diesen Anlagen verminderte die Loch- und Elektronentransporteffizienz. All diese Faktoren verbinden sich, um die Effizienz der Anlage zu reduzieren, und somit die potentielle Elektrizität, die von einer Solarzelle erzeugt werden kann. Schließlich verbinden Anlagen des Stands der Technik Materialwahl mit Architektur, was es schwer macht, Materialien unabhängig von Form zu optimieren.
Daher gibt es im Stand der Technik einen Bedarf nach einer Solarzellenarchitektur/aktiven Schichtmorphologie, die die oben genannten Schwierigkeiten bewältigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Nachteile in Zusammenhang mit dem Stand der Technik werden durch einen neuen Photovoltaikanlagenentwurf, Verfahren zur Herstellung solcher Anlagen und Verwendungen für solche Anlagen bewältigt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Solarzellenanlage zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten. Die Solarzellenanlage ist durch eine Architektur gekennzeichnet, wo die Materialien regelmäßig angeordnet sind und ihre Anwesenheit in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt. Die Materialien sind in einer Matrix basierend auf einem porösen Templat mit einer Anordnung von Templatporen vorhanden. Das poröse Templat wird durch Anodisieren eines Metallsubstrats gebildet. Eines der Materialien kann ein organisches Material sein, das Licht in seiner Masse absorbiert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Photovoltaik- (PV) Anlage ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen und einem ersten Ladungstransfer-Material, das die Templatporen füllt. Ein zweites Ladungstransfer-Material füllt zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist. Das zweite Ladungstransfer-Material weist komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das erste Ladungstransfer-Material auf.
PV-Anlagen können durch Anodisieren eines Metallsubstrats hergestellt werden, um ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen zu bilden. Die Templatporen werden dann mit einem ersten Ladungstransfer-Material gefüllt. Zusätzlicher Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist, wird dann mit einem komplementären Ladungstransfer-Material gefüllt. Das poröse Templat kann zum Beispiel durch Platzieren eines Aluminium- oder Aluminium-beschichteten Substrats in einem Elektrolyt, Anlegen einer Anodisierungsspannung an das Substrat, um einen Aluminiumoxid-Film zu bilden, hergestellt werden. Der Aluminiumoxid-Film kann anschließend mit zusätzlicher Spannung und/oder chemischer Exposition verarbeitet werden.
In einer Ausführungsform kann das erste Ladungstransfer-Material die Templatporen in einer Weise beschichten, die Röhrchen bildet, die den zusätzlichen Raum in der Form von Röhrchenporen aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann das poröse Templat entfernt und mit einem zweiten Ladungstransfer-Material ersetzt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann das poröse Templat selbst anfangs aus einem Ladungstransfer-Material hergestellt werden, das komplementär zu einem Ladungstransfer-Material ist, das die Templatporen füllt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt ein vertikales Querschnittsschema einer Anlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1B ist ein horizontales Querschnittsschema der Anlage von 1A entlang Linie B-B.
1C ist eine vertikale schematische Querschnittsdarstellung einer Nahaufnahme eines Teils der Anlage von 1A.
1D ist eine vertikale schematische Querschnittsdarstellung einer Anlage gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1E ist ein horizontales Querschnittsschema der Anlage von 1D entlang Linie E-E.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Anlage gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt.
3A–3E zeigen eine Reihe vertikaler schematischer Querschnittsdarstellungen, die eine mögliche Schrittsequenz zum Ausführen des Verfahrens von 2 darstellen.
3H–31 zeigen eine Reihe vertikaler schematischer Querschnittsdarstellungen, die eine alternative Schrittsequenz zum Ausführen des Verfahrens von 2 darstellen.
3J–3L zeigen eine Reihe vertikaler schematischer Querschnittsdarstellungen, die eine weitere alternative Schrittsequenz zur Herstellung einer Anlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
3M zeigt einen horizontalen Querschnitt entlang Linie M-M von 3L.
4A zeigt ein Rasterelektronenmikroskop- (REM) Bild eines vertikalen Querschnitts eines porösen Aluminiumoxid-Templats.
4B zeigt ein Rasterelektronenmikroskop- (REM) Bild eines horizontalen Querschnitts eines porösen Aluminiumoxid-Templats.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
INHALT

I. Glossar
II. Einleitung
III. Allgemeiner Überblick
IV. Photovoltaikanlage
V. Herstellung einer Photovoltaikanlage
VI. Alternative Ausführungsformen
VII. Fazit

I. GLOSSAR
Die folgenden Begriffe sind beabsichtigt die folgenden allgemeinen Bedeutungen zu haben, wie sie hier verwendet werden:
Der Artikel "ein" bezieht sich auf eine Menge von einem oder mehr des Gegenstands, der nach dem Artikel folgt, außer wo ausdrücklich anderweitig angegeben, z. B. "eine einzelne" Schicht.
Aktive Schicht bezieht sich im Allgemeinen auf die Schicht in einer Photovoltaik- oder Solarzellenanlage, wo eine Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie stattfindet.
Anodisierung bezieht sich auf die Bildung eines Films, wie zum Beispiel ein Oxid, auf einem leitenden Material, wie zum Beispiel ein Metall, durch Elektrolyse.
Anordnung bezieht sich auf eine regelmäßige Verteilung von Objekten oder Strukturen über eine Entfernungsskala, die größer ist als manche charakteristische Dimension einer typischen Struktur oder eines typischen Objekts in der Anordnung.
Höhe-Breite-Verhältnis: bezieht sich auf das Verhältnis der Porenhöhe oder -tiefe zur Porenbreite.
Buckminsterfulleren oder Fulleren: bezieht sich auf Molekularkäfige bestehend zum Beispiel nur aus Kohlenstoffatomen oder hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen. Die Verteilung der Atome ist fast ausschließlich in der Form von Sechsecken und Fünfecken. Zum Beispiel stellen 12 Fünfecke und 20 Sechsecke einen C₆₀ Käfig her, der einen Durchmesser von 10 Å aufweist, mit einem Hohlraum von 4-Å. Fullerene haben auch andere nützliche Formen, wie zum Beispiel C₂₀, C₃₆, C₆₀, C₇₀, C₇₆, C₈₄ usw. Buckminsterfullere/Fullerene beinhalten Derivate wie zum Beispiel dotiert, funktionalisiert (beispielsweise COOH oder anderweitig funktionalisiert, solubilisierte Fullerene, wie zum Beispiel Phenyl-C₆₁-Buttersäuremethylester (PCBM) und dessen Derivate, und polymerisierte Fullerene oder Kombinationen davon, sowie Fulleren-ähnliche Molekularkäfige mit oder ohne Kohlenstoff).
Ladungstransfer-Material bezieht sich im Allgemeinen auf ein Material, wie zum Beispiel ein Leiter oder Halbleiter, der elektrische Ladung transportieren kann.
Säule bezieht sich auf einen im Wesentlichen festen Materialzylinder.
Komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften: Wie hier verwendet, sollen ein erstes und zweites Halbleiter- oder Leitermaterial komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf einander haben, wenn das erste Material ein Lochakzeptor und/oder Lochtransporter in Bezug auf das zweite ist, und das zweite ein Elektronenakzeptor und/oder Elektronentransporter in Bezug auf das erste ist, oder umgekehrt. Zwei Materialien können komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften aufweisen, wenn sie unterschiedliche Elektronenaffinitäten haben.
Kegel bezieht sich auf eine Form, die Symmetrie um eine Achse und einen sich verkleinernden Querschnitt aufweist.
Zylinder bezieht sich auf eine Form, die Symmetrie um eine Achse und einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.
Anlage: Ein Aufbau oder eine Untergruppe, die eine oder mehr Materialschichten aufweist.
Effizienz: Bei einer Photovoltaikanlage oder aktiven Schicht ist die Effizienz das Verhältnis von abgegebener Energie (zum Beispiel in der Form von Elektronen) zu der notwendigen zugeführten Energie (zum Beispiel in der Form von Photonen).
Elektrochemisch bezieht sich auf den Prozess des Vorantreibens einer chemischen Reaktion durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch eine Reaktionsmischung.
Elektrolyse bezieht sich auf den Prozess des Vorantreibens einer Redoxreaktion in der Umkehrung durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch eine Reaktionsmischung.
Lochakzeptor, Elektronenakzeptor: Lochakzeptor und Elektronenakzeptor sind relative Begriffe zum Beschreiben von Ladungstransfer zwischen zwei Materialien. Zum Beispiel ist bei zwei Halbleitermaterialien, worin ein erstes Material eine Valenzbandkante oder höchstes besetztes Molekularorbital (HOMO) aufweist, die bzw. das höher ist als die entsprechende Valenzbandkante oder das entsprechende HOMO für ein zweites Material, und worin das erste Material eine Leitungsbandkante oder niedrigstes unbesetztes Molekularorbital (LUMO) aufweist, die bzw. das höher ist als die entsprechende Leitungsbandkante oder das entsprechende LUMO für das zweite Material, das erste Material ein Lochakzeptor in Bezug auf das zweite Material ist, und das zweite Material ein Elektronenakzeptor in Bezug auf das erste Material ist. Eine besondere Bandkante oder ein besonderes Molekularorbital gilt als "höher", wenn sie bzw. es näher zu dem Vakuumniveau ist.
Hybrid organisch/anorganisch in Bezug auf Photovoltaikanlagen und Solarzellen bezieht sich auf eine Anlage, die sowohl organische als auch anorganische Materialien entweder in einer Schicht, in verschiedenen Schichten oder mancher Kombination von beiden verwendet.
Beinhaltet, einschließlich, beispielsweise, "wie zum Beispiel", "zum Beispiel", usw., "und ähnlich", kann, könnte und andere ähnliche Kennzeichner, die in Verbindung mit einem Gegenstand oder einer Liste von Gegenständen in einer besonderen Kategorie verwendet werden, bedeuten, dass die Kategorie den Gegenstand oder die aufgeführten Gegenstände enthält, aber nicht auf jene Gegenstände beschränkt ist.
Anorganische Materialien: Materialien, die nicht Kohlenstoff als ein Hauptelement enthalten. Beispiele beinhalten Metalloxide und gemischte Metalloxide. Diese beinhalten sowohl leitfähige Materialien (zum Beispiel Oxide wie beispielsweise Titandioxid, ITO, SnO_x, F-dotiertes SnO_x, Al-dotiertes ZnO_x, ZnO_x usw.) als auch nicht leitfähige Materialien wie zum Beispiel AlO_x, SiO_x usw.
Schicht bezieht sich auf ein Merkmal, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen größere Länge und/oder Breite im Vergleich zu ihrer Dicke. Eine Schicht kann aus mehreren Strukturen in einer im Wesentlichen zweidimensionalen Anordnung oder zwei oder mehr Unterschichten, die übereinander gestapelt werden oder mancher Kombination von beiden, bestehen.
Matrix bezieht sich auf eine Stoffverbindung, in der zwei oder mehr verschiedene Anordnungen interdigitalisieren, zum Beispiel in derselben Schicht.
Nanostrukturiert: bezieht sich im Allgemeinen auf die Eigenschaft, Merkmale mit einer charakteristischen Dimension in der Ordnung von mehreren Nanometern (10^–9 m) bis zu Zehntel von nm quer zu haben.
Organische Materialien: Zusammensetzungen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, mit oder ohne Sauerstoff, Stickstoff oder andere Elemente, mit Ausnahme derer, in denen Kohlenstoff keine wichtige Rolle spielt (z. B. Karbonatsalze). Beispiele organischer Materialien beinhalten:

(a) Organische Farbstoffe und Pigmente, wie zum Beispiel Perylene, Phthalocyanine, Merocyanine, Terylene und Squarame und ihre Derivate.
(b) Polymere: Materialien zusammengesetzt aus großen Makromolekülen bestehend aus mehr als einem Grundmolekül. Polymere, die aus 2 – 8 Grundmolekülen zusammengesetzt sind, werden oft als Oligomere bezeichnet. Beispiele solcher Grundmoleküle beinhalten zum Beispiel Farbstoffe oder Pigmente.

Organische Solarzelle: Ein Solarzellentyp, worin eine aktive fotoelektrische Schicht entweder ganz oder teilweise unter Verwendung von organischen Materialien hergestellt wird, zum Beispiel Polymere, Oligomere, Moleküle, Farbstoffe, Pigmente (einschließlich Mischungen).
Photovoltaikanlage: Eine Anlage, die Strahlung absorbiert und Energie aus der Strahlung in elektrische Energie umwandelt. Solarzellen sind Beispiele Photovoltaischer Anlagen.
Porenabstand bezieht sich auf den Abstand zwischen benachbarten Poren, gemessen zum Beispiel im Hinblick auf die Anzahl von Poren pro Einheitsbereich, Mitte-Mitte-Abstand zwischen Poren, oder Porenwanddicke.
Strahlung: Energie, die selektiv angewandt werden kann, einschließlich elektromagnetischer Energie mit einer Wellenlänge zwischen ungefähr 10^–14 und ungefähr 10⁴ Meter, einschließlich beispielsweise Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Ultraviolettstrahlung, sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung und Radiowellen.
Halbleiter: Wie hier verwendet bezieht sich Halbleiter im Allgemeinen auf ein Material gekennzeichnet durch eine elektronische Bandlücke von typischerweise ungefähr 0,5 eV und ungefähr 3,5 eV.
Solarzelle: Eine Photovoltaikanlage, die mit Strahlung (oft in der Form von Sonnenlicht) interagiert, die auf die Anlage fällt, um elektrische Energie Spannung/Strom zu erzeugen.
Templatpore bezieht sich auf eine Pore, die in einer Schicht Templatmaterial gebildet ist.
Röhrchen bezieht sich auf eine hohle, rohrähnliche Struktur. Ein Röhrchen kann zum Beispiel in einer Templatpore gebildet sein, in welchem Fall das Röhrchen eine Symmetrieachse aufweisen kann, die im Wesentlichen entlang der Symmetrieachse der Templatpore ausgerichtet ist.
Röhrchenpore bezieht sich auf einen zentralen Hohlraum in einem Röhrchen, der im Wesentlichen entlang der Symmetrieachse des Röhrchens ausgerichtet ist.
II. EINLEITUNG
Üblich abgetretene US-Patentanmeldungen 10/290,119 , 10/303,665 und vorläufige Patentanmeldung 60/390,904 beschreiben Anlagenarchitekturen, worin zwei verschiedene Materialien regelmäßig angeordnet sind und worin die Anwesenheit von zwei verschiedenen Materialien in Abständen von 1 nm bis 100 nm wechselt. Abstand und Größe der Komponenten in der aktiven Schicht der Solarzelle können gewählt werden, um die Effizienz der Anlage zu maximieren. Die Anlagen, die die oben genannten Anmeldungen beschreiben, weisen ausgerichtete Anordnungen von halbleitenden nanostrukturierten Materialien in einer Matrix von leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien auf. Ausführungen einer solchen Architektur verwenden mesoporöse Template oder poröse Filme mit Nanoarchitektur, die Poren enthalten, die mit einem Material mit einer unterschiedlichen Elektronenaffinität als das mesoporöse Templat oder das poröse Filmmaterial mit Nanoarchitektur gefüllt sind. Üblich abgetretene US-Patentanmeldung 10/319,406 beschreibt eine Variation dieser Ausführung, worin das mesoporöse Templat entfernt wird, nachdem die Poren gefüllt sind. Die resultierenden Räume zwischen den Poren werden dann mit einem Material gefüllt, das komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das Material, das die Poren füllte, aufweist.
Mesoporöse Template können unter Verwendung mehrerer verschiedener Techniken hergestellt werden. Zum Beispiel können organische oder polymere Moleküle in einem mineralischen Lamellennetzwerk eingeschlossen und/oder gepfropft werden. Mesoporöse Template können durch Elektrokristallisation von hybriden Molekularzusammensetzungen, durch Imprägnierung von vorgeformten anorganischen Gels, durch Synthese aus heterofunktionellen metallischen Alkoxiden oder Silsesquioxanen, oder durch die Verbindung von wohldefinierten, funktionellen Nanobausteinen synthetisiert werden. Mesoporöse Template können auch durch templatiertes Wachstum anorganischer oder hybrider Netzwerke unter Verwendung von organischen Molekülen und Makromolekülen, einschließlich Tenside, Amine, Alkylammonium-Ione oder amphiphile Moleküle als strukturweisende Agenzien, hergestellt werden. Templatiertes Wachstum kann auch mit Nanopartikeln erfolgen, gefolgt von dem Entfernen der Nanopartikel. Des Weiteren können mesoporöse Template durch biotechnologischen Selbstzusammenbau hergestellt werden, zum Beispiel Selbstzusammenbau von Proteinmolekülen zur Verwendung als ein Abscheidungstemplat, gefolgt von dem Entfernen des Templats unter Verwendung einer Protease.
Die Erfinder haben andere Techniken zur Herstellung mesoporöser Template angewandt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf Solarzellen und andere Photovoltaikanlagen gerichtet, die mesoporöse Template verwenden, die durch diese anderen Techniken hergestellt wurden. Um den Unterschied zu verdeutlichen, werden die unten beschriebenen mesoporösen Template als "poröse Template" bezeichnet. Insbesondere beinhalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Solarzellen, worin die zwei Materialien in einer Matrix vorhanden sind, die ein anodisiertes poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen aufweist.
III. ALLGEMEINER ÜBERBLICK
Obwohl die folgende ausführliche Beschreibung viele spezifische Einzelheiten zu Darstellungszwecken enthält, wird jemand, der gewöhnliche Fähigkeiten in dem Fachgebiet hat, würdigen, dass viele Änderungen und Abwandlungen zu den nachstehenden Einzelheiten im Umfang der Erfindung sind. Dementsprechend sind die Ausführungsbeispiele der nachstehend beschriebenen Erfindung ohne einer Beschränkung der Allgemeinheit von und ohne Auferlegen von Beschränkungen auf die beanspruchte Erfindung dargelegt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Anlagenstruktur und Herstellungsverfahren unter Verwendung von Templatierung aus einem anodisierten porösen Film bereit. In bestimmten Ausführungsformen kann anodisiertes Aluminium als ein poröses Templat verwendet werden, aus welchem eine mehrschichtige, hybride, organisch-anorganische oder organischorganische PV-Anlage, wie zum Beispiel eine Solarelektrizitätszelle, gebaut wird.
Obwohl anodisierte poröse Template im Stand der Technik bekannt sind, sind sie nicht in hybriden, organisch-anorganischen, Farbstoff-sensibilisierten oder organisch-organischen Photovoltaikanlagen verwendet worden. Dies kann an der Tatsache liegen, dass um die gewünschten Effizienzen zu erreichen, Zellen vom Stand der Technik, wie zum Beispiel die Graetzel-Zellen auf Titandioxid-/Iodid-/ Triiodid-Basis (siehe zum Beispiel O'Regan et al. in "A Law-cost, High-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO₂ Films" ("Kostengünstige, hocheffiziente Solarzellen auf Basis von Farbstoff-sensibilisierten kolloidalen TiO₂-Filmen"), Nature, Vol. 353, S. 737–740, 24. Oktober, 1991) einen Ruthenium-Farbstoff verwendet haben, der Licht nur in einer Monoschicht an der Oberfläche absorbiert. Daher erfordern diese Zellen vom Stand der Technik einen Gesamtoberflächenbereich pro Einheitsmasse in der Ordnung von Hunderten von Quadratmetern pro Gramm. Um diese Dichten mit anodisierten porösen Templaten mit Poren mit einem Durchmesser von wenigen Zehnteln von Nanometern zu erreichen würde ein Templat erfordern, das mehrere Zehntel von Mikrometern dick ist. Dies würde zu Höhe-Breite-Verhältnissen von Poren der Ordnung 100 oder mehr führen. Solch große Höhe-Breite-Verhältnisse sind im Hinblick auf das Füllen der Poren und einer Ladungsrekombination in den gefüllten Poren problematisch. Zum Beispiel wenn eine Anlage unter Verwendung einer Al-Schicht, die mehrere Mikrometer dick ist, gebaut worden wäre, könnte das Füllen der Poren aufgrund der relativ langen Kanallänge schwierig sein. Auch wenn eine solch dicke Anlage richtig gebaut werden könnte, hätten die Ladungen, die von den Exzitonen, die sich in der aktiven Schicht der Anlage bilden, getrennt werden, eine relativ weite Entfernung zu migrieren, bevor sie an den Elektroden gesammelt werden könnten. Dies würde reichlich Gelegenheit für Verluste aufgrund von Ladungsrekombination bieten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden organische Licht absorbierende und Ladung spaltende Materialien, die über eine Tiefe von zum Beispiel mehreren Hundert Nanometern Licht in der Masse des Materials absorbieren können (im Gegensatz zu vielen anorganischen Materialien, die typischerweise eine größere Menge an Material benötigen, um dieselbe Menge Licht wie ein organisches Material zu absorbieren). Folglich können diese Ausführungsformen ein poröses Templat verwenden, das viel dünner ist, zum Beispiel ein paar Hundert Nanometer in der Dicke. In diesen Ausführungsformen wird das poröse Templat durch Anodisieren einer dünnen Metallschicht gebildet, die um die zehn Mal dünner sein kann als jene, die im Stand der Technik gefunden werden. Zum Beispiel sind viele Papiere veröffentlicht worden, in denen die Al-Schicht zur Anodisierung im Bereich von 2 bis 30 Mikrometer liegt. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dagegen ist die Metallschicht von ungefähr 100 nm bis ungefähr 1 Mikrometer dick, vorzugsweise in dem Bereich von 200 nm bis 600 nm, zum Beispiel ungefähr 300 nm. Dies ist entscheidend für die Optimierung der Anlagenfunktion in Photovoltaikanlagen basierend auf dem hier beschriebenen Architekturtyp. Insbesondere kann der viel kürzere Ladungsmigrationspfad das Potential für Ladungsrekombination während des Transports durch die Anlage reduzieren, was einer größeren Anzahl von Ladungen ermöglicht, an den Elektroden gesammelt zu werden, was die Anlageneffizienz verbessert.
Die hier beschriebene Anlagenarchitektur stellt verbesserte gematrixte Nanostrukturen für sowohl Ladungsspaltung als auch Ladungstransport in der Solarzelle bereit. Die Erfindung ist insbesondere nützlich für PV-Zellen, die in einem kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Roll-to-Roll-Prozess hergestellt werden, obwohl blockweise Verarbeitung auf einer Sheet-by-Sheet-Basis eindeutig im Umfang der Erfindung ist.
IV. PHOTOVOLTAIKANLAGE
1A zeigt einen Teil einer Photovoltaikanlage 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anlage 100 beinhaltet im Allgemeinen eine aktive Schicht 101, die zwischen zwei Elektroden, zum Beispiel einer Basiselektrode 110 und einer transparenten Leitelektrode (TCE) 106 (oder umgekehrt), angeordnet ist. Eine optionale Grenzflächenschicht 104 kann zwischen der aktiven Schicht 101 und der TCE 106 angeordnet sind.
Die TCE 106 und Basiselektrode 110 können Leitelektroden sein, oder sie können nicht-leitfähige Materialien beinhalten, die Unterstützung bieten, zum Beispiel für leitfähige Schichten, die als die eigentlichen Elektroden dienen. Die Basiselektrode 110 kann in der Form eines kommerziell erhältlichen Flächengebildes sein, wie zum Beispiel C-, Au-, Ag-, Al- oder Cu-beschichtete Stahlfolie oder Metall-/Legierung-beschichtete Plastikfolien, einschließlich Metall- oder metallisierter Plastiksubstrate/-folien, die geebnet werden, um Rauheit zu reduzieren. Die Basiselektrode kann vorgemustert werden (oder gemustert in einer geeigneten Phase während der Herstellung einer Anlage), um Parallel- und/oder Serienschaltung individueller Anlagen, wie gebräuchlich bei der Herstellung von PV-Zellmodulen verwendet, zu erleichtern. In diesem Zusammenhang kann Vormusterung zu einzelnen, elektrisch isolierten Basiselektrodensegmenten führen.
Die Basiselektrode 110 kann alternativ aus einem transparenten leitfähigen Material, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid und ähnliche hergestellt werden, das zum Beispiel auf einem Glas- oder Plastiksubstrat angeordnet wird. Die TCE 106 kann eine Schicht eines transparenten leitenden Oxids (TCO), wie zum Beispiel Indiumzinnoxid (ITO) oder fluoriertes Zinnoxid (F : SnO₂), sein. Die TCE 106 kann optional manche Kombination eines transparenten leitenden Polymers, einer dünnen Metallschicht oder einer Anordnung von beabstandeten Drähten, zum Beispiel in der Form von Maschen-, Gitter- oder Paralleldrähten, (entweder mit oder ohne ein TCO) beinhalten. Die optionale Grenzflächenschicht 104 kann eine Grenzschicht oder ein zusätzliches leitendes Polymer sein. Beispiele geeigneter organischer Materialien beinhalten PEDOT (Baytron) oder Polyanilin dotiert mit einem Dotierungsmittel, wie zum Beispiel Polystyrensulfonsäure (PSS). In einer besonderen Ausführungsform ist die Grenzflächenschicht 104 Poly-3,4-Ethylendioxythiophen-Polystyrensulfonsäure (PEDOT-PSS). In einigen Ausführungsformen können sowohl die TCE 106 und Basiselektrode 110 transparent sein. Es ist auch möglich, die Positionen der TCE 106 und Basiselektrode 110 zu tauschen.
Die aktive Schicht 101 beinhaltet ein poröses Templat 105 und ein erstes und zweites Ladungstransfer-Material 107, 109. Es ist wünschenswert, dass das Templat aus einem Material hergestellt wird, das in den sichtbaren und Beinah-IR-Lichtbereichen transparent ist. In einer bevorzugtem Ausführungsform ist das poröse Templat aus Aluminiumoxid hergestellt. Alternativ kann das poröse Templat 105 aus Titandioxid (TiO₂) oder einem anderen Metalloxid oder anderen Oxid hergestellt sein. Zum Beispiel kann das Templat 105 aus Siliciumdioxid (SiO₂), Zinkoxid (ZnO₂), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Wolframoxid, Zinnoxid, Indiumzinnoxid (ITO), Strontiumoxid, Calcium-/Titanoxid, Indium(III)-oxid, Vanadiumoxid, Zirconiumdioxid, Molybdänoxid, sowie Mischungen von zwei oder mehr solcher Materialien hergestellt sein. Das Templat 105 kann durch Oxidieren einer Metallschicht 108 (zum Beispiel Aluminium oder Titan) gebildet werden, die auf einer Fläche der Basiselektrode 110 angeordnet ist. Für Darstellungszwecke wird ein Teil der Metallschicht 108 zwischen dem Templat 105 und der Basiselektrode 110 gezeigt. Es ist auch möglich und oft wünschenswert, die ganze Metallschicht 108 zu oxidieren, so dass sich das poröse Templat 105 den ganzen Weg zu der Basiselektrode 110 erstreckt.
Vorzugsweise enthält das Templat 105 Templatporen 103, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sein können, obwohl genauer einheitlicher Porenabstand, genaue einheitliche Porenform oder Porengröße nicht streng erforderlich sind. Die Templatporen 103 können im Wesentlichen zylindrisch in der Form sein. Alternativ können die Templatporen eine Kegelähnliche Form haben, zum Beispiel Kegelstümpfe, die sich mit dem breiteren, von der Metallschicht 108 entferntesten Ende verkleinern, das heißt in Richtung oberer Teil der Zeichnung in 1A. Die Kegel-ähnliche Form kann ebenfalls umgekehrt werden, das heißt mit den breiteren Öffnungen an dem Boden und den engeren Öffnungen an der Spitze.
Die Templatporen 103 können von einem durchschnittlichen Templatporenabstand A, einer durchschnittlichen Wanddicke B und einem durchschnittlichen Templatporendurchmesser C gekennzeichnet sein. Der durchschnittlichen Porenabstand A kann zum Beispiel von Mitte bis Mitte gemessen werden, und kann von ungefähr 10 nm bis ungefähr 500 nm, vorzugsweise zwischen ungefähr 30 nm und ungefähr 50 nm, reichen. Da das poröse Templat 105 hauptsächlich eine Struktur bereitstellt, ist es wünschenswert so wenig Templatmaterial wie möglich zwischen benachbarten Templatporen zu haben. Die durchschnittliche Wanddicke B kann von weniger als ungefähr 5 nm bis ungefähr 40 nm reichen, vorzugsweise weniger als ungefähr 20 nm. Der durchschnittliche Templatporendurchmesser C kann im Bereich von mehreren Zehntel Nanometern liegen, vorzugsweise ungefähr 10 nm bis ungefähr 30 nm, obwohl es möglich ist, Poren so klein wie ungefähr 2 nm und so groß wie ungefähr 500 nm im Durchmesser zu bilden, zum Beispiel ungefähr 40 nm bis ungefähr 100 nm. Die Dichte der Templatporen 103 kann von ungefähr 10¹² Poren pro Quadratmeter bis ungefähr 3 × 10¹⁵ Poren pro Quadratmeter reichen. Bei Templatporen mit einem vorgegebenen Durchmesser C und Dichten größer als ungefähr 1/C² neigen die Templatporen dazu, sich zu überlappen und miteinander zu verschmelzen, obwohl mancher Überlappungs-/ Verschmelzungsgrad akzeptabel sein kann. Auch der Templatporendurchmesser C kann größer sein als die Wanddicke B zwischen benachbarten Templatporen 103.
Das poröse Templat 105 kann weiter durch eine Dicke D gekennzeichnet sein. Die Dicke D kann die Dicke der gesamten Metallschicht 108 sein, wenn sie gänzlich oxidiert wird, oder die Dicke des Teils, der oxidiert wird. Vorzugsweise ist das poröse Templat 105 relativ dünn. Zum Beispiel kann die Dicke D von ungefähr 50 nm bis ungefähr 500 nm dick sein, bevorzugter zwischen ungefähr 100 nm und ungefähr 200 nm dick, oder zwischen ungefähr 200 nm und ungefähr 600 nm dick.
Das erste Ladungstransfer-Material 107 ist in den Templatporen 103 in einer Weise beschichtet, die zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material 107 eingenommen ist, zurücklässt. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 füllt den zusätzlichen Raum. Das erste und zweite Ladungstransfer-Material 107, 109 weisen komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften auf. In dem in 1A gezeigten Beispiel beschichtet ein erstes Ladungstransfer-Material 107 die Wände der Templatporen 103, um Röhrchen mit dem zusätzlichen Raum in der Form von Röhrchenporen zu bilden. Das zweite Ladungstransfer-Material 109 füllt die Röhrchenporen. Jedes Röhrchen kann durch einen Außendurchmesser gekennzeichnet sein, der ungefähr gleich dem Durchmesser der entsprechenden Templatpore 103 ist. Jede Röhrchenpore kann durch einen Röhrchenporendurchmesser d gekennzeichnet werden, der von ungefähr 1 nm bis ungefähr 200 nm, vorzugsweise zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 200 nm, bevorzugter zwischen ungefähr 10 nm bis ungefähr 50 nm, noch bevorzugter zwischen ungefähr 20 nm und ungefähr 40 nm, am bevorzugtesten ungefähr 30 nm, reicht. Im Allgemeinen beträgt der Röhrchenporendurchmesser d weniger als der Templatporendurchmesser C.
Praktisch gesehen stellt der Röhrchenporendurchmesser d einen Innendurchmesser für das Röhrchen des ersten Ladungstransfer-Materials 107 dar. Der Außendurchmesser für das Röhrchen ist im Wesentlichen der Templatporendurchmesser C. Das Röhrchen weist eine Wanddicke auf, die durch die Hälfte des Unterschieds zwischen dem inneren und äußeren Röhrchendurchmesser, das heißt (C-d)/2, vorgegeben ist. Die Röhrchenwanddicke kann von ungefähr 0,5 nm (5 Ångström) bis ungefähr 20 nm, vorzugsweise von ungefähr 0,7 nm bis ungefähr 15 nm, bevorzugter ungefähr 10 nm, und am bevorzugtesten ungefähr 5 nm, reichen. Zum Beispiel beträgt der Röhrchendurchmesser C in der bevorzugtesten Form 40 nm, der Röhrchenporendurchmesser d beträgt 30 nm, und die Röhrchenwanddicke wäre 5 nm auf jeder Seite der Röhrchenpore, das heißt 5 + 30 + 5 = 40 nm über den Querschnittsdurchmesser des Röhrchens.
Das erste Ladungsmaterial 107, dass das Röhrchen selbst umfasst, ist vorzugsweise eine leitfähige Beschichtung, die Elektronen erlaubt, die aktive Schicht 101 zu verlassen. Beispiele geeigneter Materialien beinhalten zum Beispiel Metalle, transparente leitfähige Oxide, wie zum Beispiel ITO, F : SnO_x, andere leitfähige Oxide, organische Materialien, wie zum Beispiel PEDOT und dotierte Fullerene, zum Beispiel dotiertes C₆₀.
Beispiele geeigneter anorganischer Materialien, die als das erste Ladungstransfer-Material 107 verwendet werden können, beinhalten zum Beispiel Metalloxide wie beispielsweise Titandioxid (TiO₂), Zinkoxid (ZnO₂), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Zinnoxid, Indium(III)-oxid, Indiumzinnoxid (ITO), Vanadiumoxid, Molybdänoxid, Strontiumoxid, Calcium-/ Titanoxid und andere Oxide, Natriumtitanat, Kaliumniobat, Cadmiumselenid (CdSe), Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumtellurid (CdTe), das heißt im Allgemeinen halbleitende Materialien, sowie Mischungen von mehr solcher Materialien. Verfahren zur Abscheidung solcher Materialien beinhalten Sol-/ Solgel-Verfahren, Verdampfung, Sputtern, CVD, MOCVD usw. Im Allgemeinen kann das erste Ladungstransfer-Material 107 durch Abscheidung oder Reaktion oder Kondensation von der Flüssig- oder Gasphase, oder durch physische Abscheidungsverfahren erzeugt werden. Des Weiteren kann das erste Ladungstransfer-Material 107 durch elektrochemische Abscheidung, Elektroplattierung, Ionenplattierung und ähnliche abgeschieden werden.
Des Weiteren kann das erste Ladungstransfer-Material 107 auch ein organisches Material, wie zum Beispiel ein leitfähiges Polymer (PEDOT usw.), andere organische Ladung transportierende Materialien (zum Beispiel dotiertes C₆₀ oder Ladungstransferkomponenten oder Salze), im Allgemeinen konjugierte organische Materialien sein, wie zum Beispiel Polymere (dotiert oder nicht). Das erste Ladungstransfer-Material 107 kann oder kann nicht eine wesentliche Fraktion des einfallenden Lichts absorbieren.
Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann ein organisches Material sein. Vorzugsweise ist das zweite Ladungstransfer-Material 109 ein organisches Material, das Licht in der Masse des Materials absorbiert. Beispiele geeigneter organischer Materialien beinhalten konjugierte Polymere, wie zum Beispiel Polyphenylen und dessen Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen) (MEH-PPV), Polyparaphenylenvinylen (PPV), PPV-Copolymere, Polythiophen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl, regioregulär, Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl, bereichszufällig (regiorandom), Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), regioregulär, Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), bereichszufällig (regiorandom), Poly(thienylenevinylen) und dessen Derivate, und Poly(isothiananaphthen) und dessen Derivate. Andere geeignete Polymere beinhalten organometallische Polymere, Polymere, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquaraine und ihre Derivate, und diskotische Flüssigkristalle. Andere geeignete organische Netzwerk-füllende Materialien beinhalten organische Pigmente oder Farbstoffe, Azofarbstoffe mit Azochromophoren (-N=N-), die aromatische Gruppen binden, Phtalocyanine einschließlich metallfreies Phtalocyanin; (HPc), Perylene, Naphthalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate, Polysilane, Polygerminate, 2,9-Di(pent-3-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron, und 2,9-Bis-(1-hexyl-hept-1-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron.
Das zweite Ladungstransfer-Material 109 kann auch Polyfluorene und Copolymere und Mischungen auf Polyfluerenbasis, zum Beispiel copolymerisiert und/oder gemischt mit Ladung transportierenden (zum Beispiel Triphenylamine und Derivate) und/oder Licht absorbierenden Verbindungen (zum Beispiel geschmolzene Tiophenringe und Derivate, im Allgemeinen Heteroatom-Ringverbindungen mit oder ohne Substituenten) beinhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Anlage 100 optional eine Grenzflächenschicht 111 in der aktiven Schicht 101 beinhalten, die zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material 107, 109 angeordnet ist. Die Grenzflächenschicht 111 kann konfiguriert werden, um die Effizienz der Anlage 100 in der Form von einem oder mehr (a) Differenzialladungstransfers, das heißt Ladungstransfer zwischen den zwei Materialien, die verschiedene Geschwindigkeiten für Vorwärts- versus Rückwärts-Transport, aufweisen, (b) Differenzlichtabsorption, um einen Bereich von Wellenlängen zu erweitern, welche die aktive Schicht absorbieren kann, oder (c) verbesserte Lichtabsorption und/oder Ladungsinjektion zu steigern. Beispiele solcher Grenzflächenschichten werden ausführlich in der üblich abgetretenen US-Patentanmeldung, Seriennummer 10/419,708 , beschrieben, deren sämtliche Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Als Beispiel kann die Grenzflächenschicht 111 organische Materialien enthalten, die mit dem ersten Poren füllenden Material 107 verbunden sind. Beispiele solcher organischer Materialien beinhalten Fullerene (zum Beispiel C₆₀, C₇₀ und ähnliche), Kohlenstoff-Nanorohre, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, und organische Monomere, Oligomere, und Polymere, wobei alle davon einzeln oder in Kombination in die poröse Membran abgeschieden werden können. Obwohl die Grenzflächenschicht 111 als eine Monoschicht in 1 C dargestellt wird, können auch mehrschichtige Grenzflächenschichten verwendet werden. Die Grenzflächenschicht 111 kann in der Form einzelner Moleküle, Monomere oder Oligomere, oder einer kontinuierlichen Schicht zwischen Materialien 107 und 109 sein.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Grenzflächenschicht 111 Fullerene beinhalten. Um ihre chemischen und elektronischen Eigenschaften zu ändern, können Fullerene, wie zum Beispiel C₆₀, dotiert werden, entweder intern (in dem Molekül) oder "vor Ort" (wo ein Kohlenstoffatom durch ein (einzelnes) Atom, wie zum Beispiel ein Stickstoffatom, ersetzt wird, in welchem Fall das resultierende C₅₉N-Molekül ein "Azafulleren" genannt wird). Dotierte Moleküle, wie beispielsweise Azafullerene, haben eine abgesenkte Symmetrie, eine entartete Spaltung von Elektronenorbitalen, und diese Moleküle können sehr reaktiv werden und hohe Elektronenaffinitäten aufweisen. Genereller können die reichlich vorhandenen ungesättigten Bindungen in C₆₀ reichlich elektronische Zustände gewährleisten, um Elektronen von potentiellen Donatoren anzunehmen. Metallische (Übergangsmetalle oder seltene Erdmetalle) oder nichtmetallische Atome (N, P, He) können in die Fullerenkäfige eingekapselt werden. Dotierungsmittel, die Ladungstransfer-Salze bilden, beinhalten Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, B und andere Alkalien und alkalische Erdmetalle, sowie organische Zusammensetzungen. Größere Fullerene (zum Beispiel C₈₄) können größere Dotierungsmittel in ihre Käfige inkorporieren, einschließlich La, Ce und Tm. Während der Synthese kann eine Dotierung erfolgen, so dass das Dotierungsmittelmolekül in dem Käfig eingeschlossen ist, während es sich bildet. Fullerene können auf einen metallischen und auch supraleitenden Zustand dotiert werden. In Alkali-dotierten Fullerenen werden Elektronen an das LUMO-Band abgegeben. Es wird im Allgemeinen ein metallisches Verhalten erwartet, zum Beispiel mit dotiertem C₆₀. Dotiertes C₆₀ mit Metalleigenschaft kann in der Grenzflächenschicht einer Photovoltaikanlage verwendet werden. Ladungstransfer-Salze können sich auch mit Dotierungsmitteln bilden, die eine Zwischenstruktur erzeugen. Multiple Dotierungsmittel können ebenfalls hinzugefügt werden, was den Umfang möglicher physischer Eigenschaften erhöht.
Dotierte (oder undotierte) Fullerene, wie zum Beispiel C₆₀, können ebenfalls funktionalisiert werden, beispielsweise so, dass sie sich kovalent mit den Wänden der Röhrchenporen und/oder dem massiven Stoff in dem porösen Templat 105 verbinden. Die Kohlenstoffschichten in Fullerenen, wie zum Beispiel C₆₀, können aufgrund der Einlagerung von fünfgliedrigen Ringen gekrümmt sein. Eine beträchtliche Formänderungsenergie wird in den Fullerenen reduziert, wenn die Kohlenstoffatome einer C=C Doppelbindung durch zwei sp3-hybridisierte Kohlenstoffatome ersetzt werden. Dies kann zur Funktionalisierung der Fullerene durch Additionsreaktionen ausgenutzt werden. Unter den möglichen Reaktionen führt die Reaktion von C₆₀ mit bromomalonischen (bromomalonic) Estern bei Anwesenheit einer Base, was zur Addition einer C(COOR)₂-Einheit führt, zu der Bildung eines dreigliedrigen Kohlenstoffrings auf der Oberfläche des C₆₀-Balls. Multiple Additionen führen letztendlich zu Hexakis-Addukten mit einer achtflächigen Positionierung der hinzugefügten Einheiten. Es ist auch möglich, Ringe an die Fullerenoberfläche durch Verwendung von zyklischen Reaktanten mit zwei aktiven Stellen, abhängig von der Größe der Ringe und der Entfernung zwischen leeren Additionsstellen auf der C₆₀-Oberfläche, zu binden. Durch solche Reaktionen kann eine große Vielfalt von Gruppen an die Fullerenmoleküle gebunden werden.
Als Beispiel ist ein allgemeines Verfahren zur Funktionalisierung von Fullerenen basierend auf einer 1,3-dipolaren Cycloaddition von Azomethinyliden entwickelt worden. Ferner ist eine zusätzliche Technik für eine Zwei-Stufen-Synthese von C₆₀(OH)₂₄ entwickelt worden, von der die erste Phase Bromierung von C₆₀ auf C₆₀Br₂₄ unter Verwendung von Elementarbrom mit dem Katalysator FeBr₃ ist. Durch die Ersetzung von Bromatomen mit Hydroxygruppen in einem Alkaliwassermedium wird C₆₀(OH)₂₄ mit einer hohen Ausbeute erhalten. Die Hydroxygruppen können mit der Oberfläche eines Metalloxids, das entsprechend funktionalisiert sein kann, reagieren.
Des Weiteren kann die Grenzflächenschicht 111 Fullerene beinhalten (einschließlich dotiert, undotiert, funktionalisiert oder manche Kombination davon), die polymerisiert sind, zum Beispiel mit einer kovalent verbundenen Schnur, Platte oder einer drei-dimensionalen Anordnung von individuellen Molekülen. Fullerene können zum Beispiel in einer Diels-Alder (2+2) Cycloadditionsreaktion polymerisiert werden. Polymerisation kann sich durch eine von mehreren Routen ereignen, einschließlich Fotoanregung, Molekülzusammenstöße, Hochdruck und hohe Temperatur, sowie einfaches Mischen von zum Beispiel C₆₀ mit Alkalimetallen (die eine Spontanpolymerisation zwischen C₆₀-Molekülen verursachen können).
Die Grenzflächenschicht 111 kann auch Chemikalien beinhalten, die sich kovalent mit dem ersten Ladungstransfer-Material 107, zum Beispiel ein Silan, verbinden können und somit die Oberflächenenergie und/oder Bindungs-Einfang-Zustände (bonding trap-states) ändern und/oder sich mit freien Bindungen an einer offenen Fläche des ersten Ladungstransfer-Materials 107 verbinden und/oder eine Dipolschicht, die die Effizienz für eine Ladungsextraktion erhöhen kann, einführen und/oder eine schädliche Ladungsrekombination reduzieren. Beispiele sind Funktionalisierung mit Benzosäure und anderen Säuren, tert-Butylpyridin, Tensiden, Farbstoffmolekülen, Silanen und Siliziumverbindungen oder ihre funktionalisierten Derivate, die oft als Haftverstärker verwendet werden. Die Oberfläche des ersten Ladungstransfer-Materials 107 kann auch mit Silylierungsagenzien zur Modulation von Oberflächeneigenschaften funktionalisiert werden, und/oder zur Einführung von funktionellen Gruppen (Amingruppe, aliphatische Gruppe, Hydroxygruppe, Carboylgruppe usw.) zur weiteren Oberflächenderivatisierung.
Die Grenzflächenschicht 111 kann im Allgemeinen organische Materialien beinhalten. Zum Beispiel könnte das erste Ladungstransfer-Material 107 mit einem konjugierten Polymer beschichtet werden. Zum Beispiel könnte die aktive Schicht 101 mit einer Schicht eines konjugierten Polymers beschichtet werden, das dann schmelzinfiltriert wird, um mittels Oberflächenenergieeffekten die Grenzflächenschicht 111 in der Form einer dünnen Schicht eines Polymerfilms auf dem ersten Ladungstransfer-Material 107 zu erzeugen (siehe beispielsweise M. Steinhart et al., Science, Vol. 296, S. 1997). Dieser Prozess oder ein ähnlicher Prozess könnte ebenfalls verwendet werden, um das erste Ladungstransfer-Material 107 zu erzeugen.
Alternativ kann eine Grenzflächenschicht, beispielsweise in der Form eines leitenden Schichtfilms oder einer Schicht ähnlich der Grenzflächenschicht 111, zwischen dem porösen Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 107 angeordnet sein. Eine solche Leitschicht kann eine dünne Metallschicht sein, zum Beispiel aus Gold oder Nickel hergestellt. Solche dünnen Metallschichten können abgeschieden werden, zum Beispiel durch stromlose Plattierung und ähnliche. Wenn eine dünne Metallschicht in der Grenzflächenschicht zwischen dem porösen Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 107 beinhaltet ist, kann die dünne Metallschicht (zum Beispiel Ni) voll oder ganz oxidiert werden (zum Beispiel durch manche Kombination von Temperatur und das Aussetzen der Luft und/oder dem Sauerstoff oder dem Sauerstoffplasma oder dem UV-Ozon), um ein Oxid oder Teiloxid, zum Beispiel NiOx, zu bilden. Ein solches Oxid kann immer noch leitend sein (NiOx ist ein transparentes leitfähiges Oxid mit einer hohen Arbeitsfunktion), überträgt aber mehr Licht in die Ladungstransfer-Materialien 107 und/oder 109. Abscheidung kann auch zum Beispiel durch Sputtern, Verdampfung, MOCVD, CVD, erreicht werden. Alternativ kann die Grenzflächenschicht zum Beispiel ein leitendes Oxid, gefolgt von dem ersten Ladungstransfer-Material 107, zum Beispiel Titandioxid, sein.
Des Weiteren kann das erste Ladungstransfer-Material 107 und/oder Grenzflächenschicht 111 durch Selbstzusammenbau oder elektrostatischen Selbstzusammenbau von Materialien, wie zum Beispiel PEDOT/PSS oder andere Materialien, die aus ionischen/geladenen Polymerlösungen abgeschieden werden (zum Beispiel Tetra-Hydro-Thiophen-Vorgänger, Poly-Phenylen-Vinylen und Derivate), erzeugt werden.
Eine weitere Variation der Struktur von 1A–1B wird in 1D–1E gezeigt. Bei dieser Variantenstruktur ist das poröse Templat 105 entfernt worden, nachdem die Poren mit dem ersten Ladungstransfer-Material 107 vollständig oder teilweise gefüllt worden sind, was Räume zurücklässt, die nachfolgend mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 109 gefüllt werden. Es ist auch möglich, das poröse Templat 105 aus einem Ladungstransfer-Material (wie zum Beispiel Titandioxid) herzustellen, und so den Bedarf nach einem separaten ersten Ladungstransfer-Material 107 zu umgehen. Des Weiteren, obwohl das erste und zweite Ladungstransfer-Material 107, 109 als ein anorganisches bzw. ein organisches Material beschrieben werden, ist es möglich, die aktive Schicht 101 mit dem ersten Ladungstransfer-Material 107 organisch und dem zweiten Ladungstransfer-Material 109 anorganisch oder mit beiden Ladungstransfer-Materialien 107, 109 organisch herzustellen.
Eine mögliche Art und Weise, wie das erste Ladungstransfer-Material 107 organisch sein kann, während das zweite Ladungstransfer-Material 109 anorganisch ist, ist eine Folie eines anorganischen Ladungstransfer-Materials an Röhrchen eines organischen Ladungstransfer-Materials zu befestigen, zum Beispiel unter Verwendung eines leitfähigen Klebers.
Durch Ändern der Prozessparameter der Aluminiumanodisierung, so dass sich die Porenweitung (mittels Ätzen) parallel zu (oder nach) der Vertiefung der Poren ereignet, können kegelähnliche Poren erzeugt werden, die gewisse Ladungstransport-Vorteile aufweisen können. Solche kegelähnliche Poren sind eine Variante der in 1A–1E unten gezeigten Poren. Bitte beachten, dass Porenweitung oder "Kegelformung" auch durch andere Verfahren, wie zum Beispiel Plasma-Ätzen, reaktives ionisches Ätzen (RIE), anisotropische RIE, erfolgen kann. "Kegelformen" der Templatporen 103 kann das Beschichten des porösen Templats 105 mit zum Beispiel dem ersten Ladungstransfer-Material 107 (und/oder Grenzflächenschicht 111 und/oder eine Grenzflächenschicht zwischen dem porösen Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 107 wie oben beschrieben) erleichtern, insbesondere wenn das Abscheidungsverfahren für das erste Ladungstransfer-Material 107 und/oder Grenzflächenschicht 111 zum Beispiel Sputtern, Verdampfung oder ein ähnlicher Abscheidungsprozess ist. Es sollte Acht gegeben werden, die Verstopfung der Poren am oberen Ende zu vermeiden, bevor der Rest gefüllt oder beschichtet ist. Kegelformung kann das "Verstopfen" von sowohl Templatporen als auch Röhrchenporen in verschiedenen Füllstadien vermeiden (zum Beispiel beim Füllen der Templatporen 103 mit dem ersten Ladungstransfer-Material 107 und/ oder der Grenzflächenschicht 111 und/oder Füllen der Röhrchenporen 102 mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 109).
V. HERSTELLUNG DER PHOTOVOLTAIKANLAGE
Gewisse kommerziell erhältliche Produkte können als das poröse Templat 105 verwendet werden. Beispiele solcher Produkte beinhalten Anapore oder Anodisc-Filter von Whatman plc in Maidstone, Kent, Großbritannien (erhältlich zum Beispiel durch Fisher Scientific). Jedoch neigen diese kommerziell erhältlichen Filme dazu, entweder sehr große (zum Beispiel 200 nm) oder sehr kleine (zum Beispiel 10 nm) Porengrößen aufzuweisen, und Zwischenporengrößen wären auch nützlich. Maßgeschneiderte poröse Template können ebenfalls hergestellt werden.
Apparate des in 1A–1E gezeigten Typs können gemäß Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines solchen Verfahrens 200 darstellt. Beispiele, wie das Verfahren ausgeführt werden könnte, werden in den Sequenzen von Querschnittsdarstellungen, die in 3A–3M gezeigt werden, gezeigt. Das Verfahren 200 beginnt bei 202 durch Anodisieren einer Metallschicht, zum Beispiel ein Metallsubstrat oder ein Substrat mit wenigstens einem Metallfilm, um ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen zu bilden, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sind. Bei 204 werden die Poren mit einem ersten Ladungstransfer-Material gefüllt. Bei 206 füllt ein zweites (komplementäres) Ladungstransfer-Material zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist. Elektroden können optional bei 208 hinzugefügt werden, und die resultierende Anlage kann optional bei 210 eingekapselt werden.
A. Anodisieren eines Metallsubstrats (oder Films), um ein poröses Templat zu bilden
In Bezug auf Schritt 202 von 2 gibt es eine Anzahl von verschiedenen Wegen, um ein Metallsubstrat zu anodisieren, um ein poröses Templat zu bilden. Wie in 3A–3B gezeigt, kann ein poröses Templat aus einer Metallschicht (zum Beispiel Aluminium) 308, das auf einem Substrat 310 angeordnet ist, anodisiert werden. Als Beispiel, wenn Aluminium anodisch in Säure-Elektrolyt (wie beispielsweise eine Phosphorsäure) behandelt wird, kann ein Oxidfilm 305 an der Metallfläche, wie in 3B gezeigt, gebildet werden. Eine Anordnung von Templatporen 303 kann in dem Oxidfilm 305 gebildet werden, während der Oxidfilm 305 erzeugt wird. Wo sich der Oxidfilm 305 den ganzen Weg hindurch zu dem Substrat 310 erstreckt, kann Material am Boden der Templatporen 303 durch allmähliches Heruntertransformieren der Spannung oder durch chemische Mittel entfernt werden. Wo ein Teil der Metallschicht 308 zwischen dem Oxidfilm 305 und dem Substrat 310 verbleibt, kann das Material am Boden der Templatporen 303 chemisch entfernt werden oder können an der Stelle belassen werden (zum Beispiel als eine Elektrode). Die Anodisierungsspannung steuert Porengröße und Porendichte, die Menge Ladungstransferiertes bestimmt die Filmdicke, und eine progressive und allmähliche Reduzierung der Anodisierungsspannung verursacht Perforation einer Aluminiumoxidschicht ("Grenzschicht"), die sonst den porösen Film von dem darunter liegenden leitfähigen Substrat trennen würde. Beispiele poröser Aluminiumoxidtemplate, die auf diese Art hergestellt werden, werden in den REM-Bildern von 4A und 4B dargestellt. Die REM-Bilder von 4A und 4B stellen auch ein Beispiel von Templatporen dar, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sind.
Der optimale Dickenbereich für die zu anodisierende Metallschicht liegt von ungefähr 100 nm bis ungefähr 1 Mikrometer, vorzugsweise in dem Bereich von 200 nm bis 600 nm, zum Beispiel ungefähr 300 nm. Poröse Template in diesen Dickenbereichen stellen nützliche Tiefen für eine geeignete optoelektronische Funktion in der resultierenden PV-Anlage bereit. Um das Metallsubstrat (zum Beispiel Aluminium) auf sein poröses Metalloxidäquivalent zu anodisieren (zum Beispiel Aluminiumoxid), können die Anodisierungsspannung, der Strom, die Säurekonzentration, die Anodisierungszeit und die Temperatur angepasst werden, um die Porenbildung in einem Metallfilm, dessen Dicke im Bereich von (zum Beispiel) 250–300 nm liegt, zu verbessern. Insbesondere, basierend auf der Dicke des Metallsubstrats, können die Anodisierungsspannung, der Strom, der Säuuretyp, die Säurekonzentration, die Elektrolyte-Zusatzstoffe, die Anodisierungszeit und die Temperatur angepasst werden, um ein poröses Templat mit spezifischen Zielabmessungen zu gewährleisten.
Porengrößen in solchen Filmen reichen typischerweise von 10 bis 250 nm, obwohl es auch möglich ist, Poren so klein wie 2 nm und so groß wie 500 nm zu bilden. Die typische Porendichte beträgt ungefähr 10¹² bis ungefähr 3 × 10¹⁵ Poren pro Quadratmeter. Im Allgemeinen wird eine Filmdicke von 100 bis 500 Nanometer erreicht, obwohl Filme geformt werden können, deren Dicke so klein wie 10 nm und so groß wie 50–100 Mikrometer ist.
Um das poröse Templat zu bilden, kann ein Glas- oder Metallfoliensubstrat mittels Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern oder ähnlich mit einem Al-Metall (zum Beispiel zu 99,99% rein) überzogen werden. Ein solcher Film kann durch Behandlung bei 160 V für eine genau angegebene Zeit, zum Beispiel in der Ordnung von mehreren Minuten, in 5–10%iger H₃PO₄ unter 10°C anodisiert werden. Zum Beispiel kann in einem so kurzen Zeitraum wie 75 Min. ein Aluminiumoxidfilm erzeugt werden, der ungefähr 30 Mikrometer dick ist. Die Potentialspannung kann von ungefähr 0,001 V bis ungefähr 250 V reichen.
Sobald die Anodisierung abgeschlossen ist, ist eine Möglichkeit unter anderem, einen perforierten Boden an der Basis der Poren zu erzeugen, die Anodisierungsspannung herunter zu transformieren, beispielsweise von 160 V auf 0,1 V in Stufen von ungefähr 0,3 V oder ungefähr 5% der bestehenden Spannung, was auch immer größer ist. Das vorhergehende Protokoll kann zu porösen Aluminiumoxid-Strukturen mit Poren in dem Durchmesserbereich von ungefähr 10–450 nm führen. Um die Poren weiter zu weiten, werden anodisierte Muster dann in eine 5% (Vol.) Phosphorsäurelösung für 5–60 Min. bei 30°C eingetaucht, sowohl um die Porengröße zu vergrößern als auch die typische Grenzschicht zu entfernen, die auf den meisten anodischen Aluminiuumoxidfilmen gefunden wird. In alternativen Ausführungsformen kann das poröse Templat 305 aus Titandioxid, zum Beispiel durch Anodisieren einer Titanfolie oder Titanschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, hergestellt werden. Des Weiteren ist es möglich, das poröse Templat durch Anodisieren einer Metallschicht herzustellen, um einen Oxidfilm auf Glass, IT-beschichteten Glas, F : SnO₂-beschichteten Glas, ITO-beschichteten PET oder anderen Kunststoff, oder anderen beschichteten und nicht beschichteten Metallfolien sowie metallisierte Kunststoffe zu bilden. Insbesondere kann das Substrat 310 eine Glas-, Plastik- oder Metallplatte oder eine kontinuierliche Metall- oder Plastikfolie mit einer Basiselektrode sein. Die Basiselektrode (transparent oder anderweitig) kann das Substrat 310 sein. Eine Titandioxidschicht (hergestellt zum Beispiel mittels eines Solgel-Abscheidungsverfahrens) kann auf der Basiselelektrode angeordnet sein, gefolgt von zum Beispiel einer Aluminiumschicht, die später anodisiert wird. Alternativ kann die Basiselektrode mit einer Metall- (zum Beispiel Titan) Schicht, gefolgt von dem zu anodisierenden Aluminium, überzogen werden.
Bezugnehmend auf 3A kann eine Zwischenschicht 311 zwischen dem Substrat/der Basiselektrode 310 und den nachfolgenden Schichten, zum Beispiel die Metallschicht 308, die zu anodisieren ist usw., angeordnet sein. Diese Zwischenschicht 311 kann eine Metallschicht sein, die als eine "Anodisierungs-Stoppschicht" wirken und/oder als eine Ätz-Stoppschicht für die Porenweiterung und Bodengrenzschicht-Entfernungsätzprozess wirken kann. Alternativ kann die Zwischenschicht 311 eine Titandioxidschicht sein, die zwischen dem Substrat 310 und den nachfolgenden Schichten angeordnet ist.
Eine solche Titandioxidschicht kann nach Porenfüllung mit Material 309 das Material 309 davon abhalten, in direkten Kontakt mit der Boden-/Basiselektrode zu kommen. Alternativ kann die Zwischenschicht 311 Schaden für das darunter liegende Substrat 310 verhindern (zum Beispiel für den Fall, dass die Basiselektrode 110 ITO ist). Insbesondere könnte das Substrat 310 aus einem Metall- oder Legierungs- oder rostfreien Stahl- oder metallisierten Plastikfoliensubstrat hergestellt werden, gefolgt von einer Zwischenschicht, zum Beispiel eine Ätz-Stoppschicht und/oder Titandioxidschicht, gefolgt von der Metallschicht 308, die anodisiert wird, um das poröse Templat 305 zu anodisieren. Die Zwischenschicht 311 (zum Beispiel Titandioxid) kann insbesondere nützlich sein, wenn das erste Ladungstransfer-Material 307 nicht den ganzen Weg hindurch zu dem Boden der Poren 303 reicht.
B. Füllen der Poren mit dem ersten Ladungstransfer-Material
In Bezug auf 204 von 2, könnte eine Vielzahl von Abscheidungstechniken angewandt werden, um die Templatporen 303 zu füllen. Solche Techniken beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf elektrochemische und stromlose (chemisches Bad) Abscheidung, Verdampfung, Sputtern, Plattierung, Ionenplattierung, Molekularstrahlepitaxie und Abscheidung auf Soulgel-Basis, Dampfphasenabscheidung, metallorganische Dampfphasenabscheidung, metallorganische Dampfphasenepitaxie, Selbstzusammenbau, elektrostatischer Selbstzusammenbau, Schmelzfüllung/-beschichtung unter anderem. In der in 3C–3E gezeigten Sequenz füllt das erste Ladungstransfer-Material 307 teilweise die Templatporen 303 in einer Weise, die Röhrchen 301 bildet, die die Wände der Templatporen 303 beschichten. Die Röhrchen 301 weisen Röhrchenporen 302 auf, die durch den Röhrchenbildungsprozess zurückgelassen werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Mischung und Abscheidung eines Solgels in die Templatporen 303, gefolgt von Lufttrocknung, dann Erwärmung, zum Beispiel bei 400°C. Zum Beispiel kann eine Ausgangslösung aus Titan mit Ethanol, Säure, Acetylaceton (AcAc) und Wasser gemischt werden, die resultierende Mischung bildet ein Sol und das poröse Material wird unverzüglich für 5–120 Sekunden in diese Lösung getaucht. Um die Abscheidungsmorphologie zu steuern, kann entweder die Abscheidungszeit oder die Soltemperuatur verändert werden. Zum Beispiel bringt eine 5 Sekunden Abscheidung bei 15°C (Abscheidung bei Raumtemperatur kann ebenfalls funktionieren) hohle Röhrchen aus dem Material, das abgeschieden wird, letztendlich hervor, während eine 60 Sekunden Abscheidung feste Rohre aus jenem Material hervorbringt. Temperatur kann ebenfalls den Abscheidungsprozess beeinflussen. Zum Beispiel können sich bei 5°C dünnwandige Hohlrohre bilden, auch wenn die Abscheidungszeit auf 120 Sekunden verlängert wird, während sich bei 20°C Rohre mit einer festen Wand bilden können, auch wenn die Abscheidungszeit 5 Sekunden ist.
Nach der Abscheidung wird der Film an der Luft and bei Raumtemperatur dreißig Sekunden lang getrocknet, dann wird der Film in einem kontrollierten Anstiegsvorgang von Zimmertemperatur auf 400°C in 10 bis 50°C/ Minutenstufen erwärmt. Bei 400°C wird der Film sechs Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, dann von 400°C auf Zimmertemperatur in ungefähr 10 bis 50°C/Minutenstufen abgesenkt.
Alternativ oder parallel kann der Film UV-Licht und/oder Plasma ausgesetzt werden, um zusätzliche Energie für eine Vernetzung bereitzustellen, und somit die Temperatur und Zeiterfordernisse für den Vernetzungsprozess zu reduzieren.
Bei der Erwärmung bilden sich TiO₂-Kristalle in den Poren, zum Beispiel mit ihren C-Achsen entlang der Porenachse ausgerichtet. Nach der Erwärmung, falls irgendein restliches Solgel zu sich auf dem Templat bildenden Oberflächenfilmen führte, kann mechanisches Polieren (beispielsweise mittels feinkörnigem Sandpapier) verwendet werden, um jede Metalloxidablagerung auf jeder Seite der Filmoberfläche zu entfernen. Alternativ können chemische, nasschemische oder Plasma-Ätztechniken oder Kombinationen davon verwendet werden, um jeden potentiell unerwünschten Oberflächenfilm zu entfernen.
In einem besonderen Beispiel kann ein TiO₂-Sol (5 Gew.-%) zur Verwendung in einem Röhrchenbildungsprozess auf Solgel-Basis unter Verwendung von Titanisopropoxid (TI) – einem Vorgänger, Acetylaceton (ACAC) – einem Kondensationsinhibitor, destillierten Wasser und Ethanol (EtOH) – einem Lösungsmittel hergestellt werden, gemischt in Molverhältnissen in Bereichen wie folgt:

ACAC/TI von ungefähr 10^–5 bis ungefähr 5;
Wasser/TI von ungefähr 0 bis ungefähr 20; und
EtOH/TI von ungefähr 3 bis ungefähr 50.

Andere Kondensationsinhibitoren und Lösungsmittel können die oben aufgeführten ersetzen. Des Weiteren kann das Titanisopropoxid durch eine andere Vorgängerzusammensetzung, zum Beispiel ein Alkoxid oder Chlorid, entweder von Titan oder einem anderen Hauptelement hergeleitet, ersetzt werden.
Vor dem Abscheiden des TiO₂-Sols kann das Substrat behandelt werden, um die Abscheidung und/oder Beschichtung/Benetzung, zum Beispiel durch Plasmareinigung, UV-/Ozonreinigung, nasschemische Reinigung und ähnliche, zu erleichtern.
Die Synthese kann bei Raumtemperatur in Luft erfolgen. Für eine Solgel-Beschichtung können poröse Aluminiumoxidtemplate zuerst in, Ethanol getaucht und dann 5 Sek. bis 20 Min. lang in eine TiO₂-Sol bei Raumtemperatur eingetaucht werden. Eine Tauchvorrichtung, die mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1–10 mm/Sek. arbeitet, kann die Herausziehgeschwindigkeit bei Tauchbeschichtung steuern. Nach Trocknung an der Luft bei Raumtemperatur für 1–3 Std. können die Substrate an der Luft bei ungefähr 100°C für ungefähr 10 Minuten bis ungefähr 2 Std. und bei ungefähr 400°C für ungefähr 1–3 Stunden bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 1–5°C/Min. erwärmt werden, um poröse Al₂O₃/TiO₂-Nanostrukturen zu erhalten.
Obwohl das vorhergehende Beispiel das Befüllen der Templatporen mit TiO₂-Röhrchen beschreibt, können die Templatporen alternativ mit einem organischen Material gefüllt werden, wie zum Beispiel denjenigen, die oben in Bezug auf das zweite Ladungstransfer-Material 109 aufgeführt sind.
C. Füllen von zusätzlichem Raum mit einem 2. Ladungstransfer-Material
In Bezug auf 206 von 2 gibt es mehrere verschiedene Möglichkeiten zusätzlichen Raum, der nicht durch den ersten Porenfüllschritt in 204 gefüllt wurde, zu füllen. Zum Beispiel in Bezug auf 3D kann dann ein organisches Ladungstransfer-Material 309, wie zum Beispiel ein konjugiertes Polymer (einschließlich, aber nicht beschränkt auf P3HT), mittels Kapillarwirkungsschmelzen, und/oder durch die Unterstützung von Oberflächenenergie oder osmotischer Gradienten, in die Röhrchenporen 302 gefüllt werden. Viele andere organische Polymere und andere Materialien können bei diesem Schritt verwendet werden, alleine oder in Kombination, wie zum Beispiel jene, die oben in Bezug auf das zweite Ladungstransfer-Material 309 beschrieben worden sind. Organische Ladungstransfer-Materialien können auf die Röhrchenporen 302 aus Prozesslösungen angewandt werden, zum Beispiel durch eine geeignete Technik, beispielsweise Web Coating, Streichverfahren, Sprühbeschichtung, Spin Coating, oder einer Drucktechnik, wie zum Beispiel Siebdruck, Tintenstrahldruck, Flexodruck, Tiefdruck, Mikrotiefdruck und ähnliche. Wärme kann während dieses Schritts auf die nanostrukturierte Netzwerkschicht und das Netzwerk füllende Material angewandt werden, zum Beispiel um Lösungsmittel zu verdampfen und das Netzwerk füllende Material auszuhärten und/oder Materialinfiltration zu unterstützen, beispielsweise durch Kapillarwirkung und/oder Unterstützung von Oberflächenenergie oder osmotische Kraft.
Zusätzlich zu der Abscheidung eines organischen Ladungstransfer-Materials 309 kann eine Grenzflächenschicht wie Grenzflächenschicht 111 hinzugefügt werden. Die Grenzflächenschicht kann wahlweise aus dem Konstruktionsprozess herausgelassen werden, oder alternativ können multiple Grenzflächenschichten in dem zusätzlichen Raum, der zurückbleibt, nachdem das erste Ladungstransfer-Material 307 abgeschieden worden ist, konstruiert werden. Wie oben beschrieben, kann eine solche Grenzflächenschicht aus organischen Materialien bestehen, die an die poröse Membran gebunden sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Fullerene (C₆₀ und C₇₀ und ähnliche), Kohlenstoff-Nanorohre, Farbstoffe, Ruthenium-Farbstoffe, Pigmente, und organische Monomere, Oligomere, und Polymere, wobei alle davon einzeln oder in Kombination in die poröse Membran abgeschieden werden können. Diese organischen Materialien können mittels Kapillarwirkung und/oder durch osmotische Gradienten, unter Verwendung von Flüssiglösungen, welche die abzuscheidenden Materialien enthalten, abgeschieden werden. Erfolgt die Abscheidung mittels Kapillarwirkung, kann sanftes Erwärmen für 5 Minuten bei 175°C während der Materialabscheidung verwendet werden. Zusätzlich können Kohlenstoff-Nanorohre direkt in den Templatporen 303 oder den Röhrchenporen 302 mittels beispielsweise CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) synthetisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird TiO₂ in einem porösen Aluminiumoxidtemplat gebildet, so dass sich das abgeschiedene Material in einem hohlen Röhrchen (zum Beispiel als ein "Rohr"), wie in 3C gezeigt, bildet. Nach der Erwärmung werden die TiO₂-Röhrchen selbst als ein Templat verwendet, in das ^` ein organisches Material, wie zum Beispiel ein Buckminsterfulleren, abzuscheiden ist, das kovalent an die TiO₂-Oberfläche als eine Grenzflächenschicht angebunden werden kann. Eine solche Buckminsterfulleren-beschichtete TiO₂-Schicht kann entweder als eine Monoschicht oder in einem Film, der dicker als eine Monoschicht ist, abgeschieden werden, während immer noch Raum für zusätzliches Material ermöglicht wird, das in den Zentralbereich des Röhrchens gefüllt wird. Als nächstes wird ein komplementäres Ladungstransfer-Material 309, wie zum Beispiel P3HT, in die Poren gefüllt, beispielsweise durch herkömmliche Beschichtungstechniken, wie in 3D gezeigt. Ein Polymer, wie zum Beispiel PSS:PEDOT kann wahlweise oben auf dem Film abgeschieden werden, worauf die Anlage entweder durch Anbringen eines Feinmetallgitters oder Verdampfen eines Dünnmetallfilms als eine Topelektrode, wie in 3E gezeigt, fertig gestellt wird. Die Endanlage kann eingekapselt werden, um mechanische Stabilität und/oder Schutz vor der Außenumgebung zu gewährleisten.
In einer alternativen Ausführungsform werden multiple anorganische oder organische Schichten abgeschieden, entweder der Reihe nach oder parallel, was zu einer Mehrschicht-Anlagenbildung in dem porösen Templat führt. Jede dieser Schichten könnte selbst dotiert sein, entweder mit anorganischen Materialien oder organischen Verbindungen, oder Mischungen von anorganischen und/oder organischen Materialien, um die Effizienz der Anlage zu verbessern.
VI. ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSFORMEN
In einer alternativen Ausführungsform kann der zusätzliche Raum, auf den sich in Schritt 206 von 2 bezogen wird, wie in 3F–31 gezeigt, gebildet und gefüllt werden. Diese alternative Ausführungsform verläuft im Wesentlichen wie in Bezug auf 3A–3B gezeigt und beschrieben. Jedoch wie in 3F gezeigt, kann das erste Ladungstransfer-Material 307 die Poren 303 in einem porösen Templat 305 vollständig oder teilweise füllen, das zum Beispiel aus Aluminiumoxid oder Titandioxid hergestellt ist. Das poröse Templat 305 kann dann entfernt werden, zum Beispiel durch Immersion in 6M NaOH, gefolgt von umfangreichem Spülen, um jede Restbase zu entfernen. Dies lässt eine Anordnung von Strukturen, zum Beispiel Säulen oder Kegel, des ersten Ladungstransfer-Materials 307 mit Räumen 312 zwischen den Strukturen, wie in 3G gezeigt, zurück. Dann, in Bezug auf 206, kann das zweite Ladungstransfer-Material 309 die Räume 312 zwischen den Strukturen, wie in 3H gezeigt, füllen. Eine Grenzflächenschicht, die Merkmale mit der oben beschriebenen Grenzflächenschicht 111 gemeinsam hat, kann zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material angeordnet sein, zum Beispiel bevor die Räume 312 mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 309 gefüllt werden.
Alternativ, wenn Titaniumdioxid-Nanoröhrchen ohne das umgebende Aluminiumoxidtemplat auf Glas erstrebt werden, kann die Anlage, wie in 3A–3C gezeigt, hergestellt werden. Die Röhrchenporen 302 können mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 309 gefüllt werden, und das poröse Templat 305, zum Beispiel anodisches Aluminiumoxid, kann durch chemisches Ätzen entfernt werden, zum Beispiel in einer 5% H₃PO₄ und 2% CrO₃-haltigen Lösung bei 50–75°C für 5–10 Min.
Alternativ können die einmal erzeugten Röhrchenporen 302 durch Entfernen des porösen Templats 305, zum Beispiel durch chemisches Ätzen, zum Beispiel in einer 5% H₃PO₄ und 2% CrO₃-haltigen Lösung bei 50–75°C für 5–10 Min., erhalten werden, und die resultierende Struktur (Röhrchenporen und/oder der Raum zwischen den Röhrchen) kann mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 309 gefüllt werden. Dieser Prozess ist eine Möglichkeit ein poröses Templat, das aus dem zweiten Ladungstransfer-Material 309 hergestellt ist, bereitzustellen. Tatsächlich ersetzt das zweite Ladungstransfer-Material 309 das poröse Ausgangstemplat 305, während es im Wesentlichen seine Struktur beibehält. Die resultierende aktive Schicht ist strukturell analog zu einer, worin das poröse Templat 305 anfänglich aus dem zweiten Ladungstransfer-Material 309 hergestellt ist.
Sobald die Räume gefüllt worden sind, kann der Rest einer Anlage ähnlich Anlage 100 auf eine relativ direkte Art und Weise, wie in 31 gezeigt, hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine geeignete Prozesslösung angewandt werden, um eine Grenzflächenschicht 304 bereitzustellen. Die TCE 306 kann dann an der Oberfläche der Grenzflächenschicht 304 angebracht werden bzw. darauf abgeschieden werden. Die TCE 306, aktive Schicht und Basiselektrode 310 können dann zwischen Einbettharzen (nicht gezeigt) laminiert werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Poren 303 mit CdSe oder CdTe oder einem anderen anorganischen Ladungstransfer-, Halbleiter- oder aktiven Photovoltaik-Material gefüllt werden (zum Beispiel durch elektrochemische Abscheidung, Solgel-Prozesse, nasschemischen Prozessschritt (Chemical Bath Deposition) oder CVD usw.). Dann, wenn das abgeschiedene Material ein Hohlrohr wie in 3C ist, können die Röhrchenporen 302 mit einem organischen Material (wie P3HT), zum Beispiel wie in 3D gezeigt, gefüllt werden. Wenn das abgeschiedene Material eine feste Säule ist, wie in 3G gezeigt, dann können die Räume zwischen den Säulen mit einem organischen Material (wie P3HT), wie in 3H gezeigt, gefüllt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann ein poröses Templat mit hohlen TiO₂-Röhrchen gefüllt, dann das Aluminiumoxidtemplat durch Immersion in 6M NaOH für 10 Minuten aufgelöst werden, gefolgt von umfangreichem Spülen, um jede Restbase zu entfernen. Das resultierende säulenförmige Feld von TiO₂-Nanostrukturen (die "Umkehrstruktur") kann dann in eine Lösung aus organischem Material eingetaucht werden, oder alternativ kann ein anorganisches Material auf das säulenförmige Feld abgeschieden werden. Mischungen dieser Techniken können kombiniert werden. Zum Beispiel kann ein poröses Aluminiumoxidtemplat mit hohlen TiO₂-Röhrchen gefüllt werden, in die ein zweites anorganisches Material abgeschieden wird, danach wird das poröse Templat aufgelöst, und ein organisches Material dann auf das säulenförmige Feld abgeschieden.
Wenn stromlose Abscheidung auf ein poröses Templat angewandt wird, können Metallsäulen erzeugt werden, die nicht nur die gesamte Dicke des porösen Kanals kreuzen, sondern auch die Oberfläche des porösen Templats selbst in einer dünnen Schicht bedecken. Solche dünnen Schichten auf der Oberfläche des porösen Templats können als Überschichten oder Unterschichten in der Endanlage verwendet werden, um potentielles Kurzschließen zu verringern und elektrische Kontakte zu verbessern.
Zusätzliche alternative Ausführungsformen beinhalten die Verwendung verschiedener Metalloxidvorläufer, wie zum Beispiel Zinkacetat (das letztendlich ZnO-Säulen in dem porösen Templat bildet), WCl₆ (das letztendlich WO₃ bildet), TEOS (das letztendlich SiO₂ bildet), oder jeden einer Vielzahl von anderen Metallaloxid-Vorläufern, die jeweils entsprechendes Metalloxidmaterial in den Templatporen bilden. Die Metalloxidvorläufer (und die resultierenden Metalloxide) können auf einem Hauptelement X basieren, das ein Übergangsmaterial sein kann, zum Beispiel Ag, Au, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ir, Mn, Mo, Nb, Ni, Sr, Ta, Ti, V, W, Y, Zn, Zr usw. Andere geeignete Hauptelemente X beinhalten Al, B, Ba, Ce, Ge, Hf, In, La, Pb, Os, Se, Si, Sn, Sr oder Va.
Es ist auch möglich, ein Metall zu anodisieren, um ein poröses Templat hergestellt aus einem Oxid oder einem anderen Metall, das auch ein Ladungstransfer-Material ist, herzustellen. Dies würde die Erfordernis umgehen, die Templatporen mit zwei verschiedenen Ladungstransfer-Materialien zu füllen. Zum Beispiel könnte ein poröses Templat 305 anodisch aus einer Metallschicht hergestellt werden, zum Beispiel im Wesentlichen, wie in Bezug auf 3A–3B gezeigt und beschrieben, aus Titandioxid (TiO₂), einem Elektronen annehmenden/transportierenden Material. Die Templatporen 303 können einen Durchmesser zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm aufweisen und ungefähr 1 nm bis 100 nm beabstandet sein, gemessen zum Beispiel Rand zu Rand. Die Templatporen 303 könnten nicht so weit gehen, das Substrat 310 voll zu durchdringen. Zum Beispiel könnten die Templatporen an der Zwischenschicht 311, wie in 3J gezeigt, enden.
Alternativ, mit oder ohne eine Zwischenschicht 311, wo das poröse Templat 305 aus einem Ladungstransfer-Material hergestellt ist, könnten die Templatporen 303 nicht so weit gehen, das Substrat 310 voll zu durchdringen, indem die Anodisierung so gesteuert wird, dass die Templatporen 303 einfach nicht so weit gehen, das poröse Templat 305 voll zu durchdringen. Die Templatporen 303 könnten dann vollständig, wie in 3K gezeigt, mit einem Ladungstransfer-Material 309, das ein Lochakzeptor ist, zum Beispiel ein oben beschriebenes, geeignetes organisches Material, gefüllt werden Eine Grenzflächenschicht, die Merkmale mit der oben beschriebenen Grenzflächenschicht 111 gemeinsam hat, kann zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material angeordnet sein, zum Beispiel bevor die Templatporen 303 mit dem zweiten Ladungstransfer-Material 309 gefüllt werden. Sobald die Templatporen 303 gefüllt worden sind, kann der Rest einer Anlage 300 auf eine relativ direkte Art und Weise, wie in 3L gezeigt, hergestellt werden, zum Beispiel durch Hinzufügen der Grenzflächenschichten 304, 306 und optionaler Einbettharze (nicht gezeigt). Ein horizontaler Querschnitt der resultierenden Anlage 300 wird in 3M gezeigt.
Alternativ kann eine Nachbehandlung des porösen Templats 305 mittels eines Oxidations- oder Reduktionsprozesses oder eines Dotierungsprozesses (Ofendotierung, Gasphasendotierung, Implantation, Lösungsdotierung usw.) die Stöchiometrie und/oder Zusammenstellung des porösen Templats 305 nach der Anodisierung verändern, um die Absorption des porösen Templats einzustellen (zum Beispiel erhöhen), und noch wichtiger, um fähig zu sein, die Leitfähigkeit des porösen Templats 305 einzustellen, zum Beispiel im Fall eines Aluminiumoxidtemplats, das isolierende Aluminiumoxid zu veranlassen, die gewünschten komplementären Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das Ladungstransfer-Material 309 bereitzustellen.
In anderen alternativen Ausführungsformen liegen die Abwandlungen der in 3A–3F gezeigten Herstellungssequenz im Umfang der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann eine Anlagenherstellung, wie in 3A–3B gezeigt, ablaufen. Dann kann ein Substrat oder eine Folie, das bzw. die mit den verbleibenden Schichten vorbeschichtet ist, über das poröse Templat 305 laminiert werden, um die fertige Anlage zu erzeugen. Alternativ kann die Herstellung bis zum Füllen der Templatporen 303, wie in 3C gezeigt, oder Füllen der Templatporen 302, wie in 3D gezeigt, oder der Bildung der Grenzflächenschicht 304 verlaufen, bevor die verbleibenden Schichten laminiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Herstellung, wie in 3A–3C gezeigt, ablaufen. Das erste Ladungstransfer-Material 307 in 3C kann die Spitzen der Templatporen 303 verstopfen, wodurch eine kontinuierliche Überschicht des ersten Ladungstransfer-Materials 307 erzeugt wird. Die teilweise fertig gestellte Anlage, einschließlich dem porösen Templat 305 und dem ersten Ladungstransfer-Material 307, könnten dann auf ein anderes Substrat mit den verbleibenden Schichten vorbeschichtet laminiert werden (oder die verbleibenden Schichten könnten auf die kontinuierliche Überschicht des ersten Ladungstransfer-Materials 307 abgeschieden werden). Dann können durch Lamination all diese Schichten von dem Substrat 310 zu einem zweiten Substrat transferiert werden und von der Seite fertig gestellt werden, die vorher dem Substrat 310 gegenüber lag. Dies kann sehr nützlich sein, zum Beispiel, wenn gewisse Substrate/Beschichtungen zur Erzeugung des porösen Templats sehr nützlich sind, aber in der End-PV-Anlage nicht so geeignet sind. Tatsächlich würde ein Teil der Schritte bis zu der anodisierten porösen Schicht 305 (und vielleicht weitere) auf dem Substrat 310 fertig gestellt werden. Die teilweise fertig gestellte Anlage würde zu dem Endanlagesubstrat transferiert werden, um die Herstellung abzuschließen.
Ein spezifisches Beispiel der vorhergehenden alternativen Ausführungsform könnte nützlich sein, zum Beispiel wenn der Anodisierungsprozess schwierig zu machen oder auf flexiblen Substraten zu kontrollieren ist. Die Anodisierung, das heißt Erzeugung des porösen Templats 305 mit oder ohne manche Zusatzbeschichtung, Behandlung oder Füllschritte könnten zum Beispiel auf starren Glasplatten erfolgen. Das poröse Templat und andere Schichten könnten dann zu einem flexiblen Roll-to-Roll Endsubstrat transferiert werden, um die Anlage fertig zu stellen. Ein zusätzlicher Vorteil in diesem Fall ist, dass man das Ausgangssubstrat 310, auf dem das poröse Templat gebildet wurde, wieder verwenden könnte.
Obwohl in vielen der oben aufgeführten Ausführungsformen oft impliziert wird, dass die ersten Ladungstransfer-Materialien (zum Beispiel 107) und die Bodenelektrode (zum Beispiel 110) die Rollen von Elektronentransportern/– akzeptoren/-kollektoren übernehmen, und das zweite Material (zum Beispiel 109) die Rolle des gegenüberliegenden positiven Ladungsträgertransporters/– akzeptators/-kollektors übernimmt, und die TCE 106 die Rolle einer Anode übernimmt, ist eindeutig im Umfang dieser Erfindung enthalten, dass dies umgekehrt sein könnte. Zum Beispiel könnte die Basiselektrode 110 eine Anode sein. Das erste Ladungstransfer-Material 107 und/oder die Grenzflächenschicht 111 und/oder alle zusätzlichen leitfähigen Schichten zwischen dem porösen Templat 105 und dem ersten Ladungstransfer-Material 107 könnten als positive Ladungsträgertransporter/-akzeptoren/-kollektoren wirken. Zum Beispiel könnten organische (oder anorganische) zweite Ladungstransfer-Materialien 109 negative Ladungsträgertransporter/-akzeptoren/-kollektoren sein, zusammen mit der TCE 106 und/oder Grenzflächenschicht 104, die als eine Kathode dient bzw. dienen. Dies beinhaltet Fälle, in denen das poröse Templatmaterial selbst (zum Beispiel 105) vorteilhafte leitfähige und/oder positive Ladungsträger extrahierende/leitende Eigenschaften aufweist. Ein anderes Beispiel wäre eines, in dem zum Beispiel die Grenzflächenschicht 111 beispielsweise PEDOT/ PSS ist (wirkend als Anode, die durch die Templatporen hindurch mit der Basiselektrode 110 in Kontakt steht), gefolgt von zum Beispiel einer organischen Donator-/Akzeptator-Mischung, die in die Poren gefüllt wird, oder einer Doppelschichtstruktur mit einer Lochakzeptor-/Lochtransporter-Schicht oben auf 111, wobei das verbleibende Porenvolumen mit einem Elektronenakzeptor/– transporter gefüllt wird.
VII. FAZIT
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben eine kostengünstige Herstellung von Photovoltaikanlagen, wie zum Beispiel Solarzellen oder andere Anlagen, im großen Umfang.
Während das vorstehend Genannte eine vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ist es möglich, verschiedene Alternativen, Abwandlungen und Entsprechungen zu verwenden.
Zusammenfassung
Photovoltaikanlagen, wie zum Beispiel Solarzellen, und Verfahren zu ihrer Herstellung werden offenbart. Eine Anlage kann durch eine Architektur gekennzeichnet werden, wo zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten regelmäßig angeordnet sind, so dass ihre Anwesenheit in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt. Die Materialien sind in einer Matrix basierend auf einem porösen Templat mit einer Anordnung von Templatporen vorhanden. Das poröse Templat wird durch Anodisieren einer Metallschicht gebildet. Eine Photovoltaikanlage kann ein solches poröses Templat beinhalten, das zwischen einer Basiselektrode und einer transparenten Leitelektrode angeordnet ist. Ein erstes Ladungstransfer-Material füllt die Templatporen, ein zweites (komplementäres) Ladungstransfer-Material füllt zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist.

Claims

Solarzellenanlage umfassend zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten, wobei die Solarzellenanlage durch eine Architektur gekennzeichnet ist, worin die zwei Materialien regelmäßig angeordnet sind und worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt, worin die zwei Materialien in einer Matrix vorhanden sind, die ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen aufweist, worin das poröse Templat durch Anodisieren einer Metallschicht hergestellt worden ist, worin eines der Materialien in der Matrix ein organisches Material ist, das Licht in der Masse des organischen Materials absorbieren kann, und worin die zwei oder mehr Materialien zwischen einer Basiselektrode und einer transparenten Leitelektrode angeordnet sind.
Photovoltaikanlage umfassend: ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen; ein erstes Ladungstransfer-Material, das die Templatporen im Wesentlichen füllt, ein zweites Ladungstransfer-Material, das zusätzlichen Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist, füllt, worin das zweite Ladungstransfer-Material komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das poröse Templat aufweist, eine Basiselektrode, und eine transparente Leitelektrode (TCE), worin das erste und zweite Ladungstransfer-Material zwischen der Basiselektrode und der TCE angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 2, worin wenigstens eines von dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material ein organisches Material ist, das Licht in der Masse des organischen Materials absorbieren kann.
Anlage nach Anspruch 2, worin die Templatporen einen Durchmesser zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 500 nm, oder einen Durchmesser zwischen ungefähr 40 nm und ungefähr 100 nm, oder einen Durchmesser zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 30 nm haben.
Anlage nach Anspruch 2, worin die Templatporen mit einem durchschnittlichen Abstand von zwischen ungefähr 10 nm bis ungefähr 500 nm von Mitte bis Mitte, oder zwischen ungefähr 30 nm bis ungefähr 50 nm von Mitte bis Mitte beabstandet sind.
Anlage nach Anspruch 2, worin eine durchschnittliche Wanddicke zwischen benachbarten Templatporen weniger als ungefähr 5 nm, oder weniger als ungefähr 20 nm, oder zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 40 nm beträgt.
Anlage nach Anspruch 2, worin die Templatporen in dem porösen Templat mit einer Porendichte zwischen ungefähr 10¹² und ungefähr 3 × 10¹⁵ Poren pro Quadratmeter vorhanden sind.
Anlage nach Anspruch 2, worin die Röhrchenporen eine durchschnittliche Wanddicke von zwischen ungefähr 0,5 nm und ungefähr 20 nm aufweisen.
Anlage nach Anspruch 2, worin das poröse Templat aus dem zweiten Ladungstransfer-Material hergestellt ist.
Anlage nach Anspruch 9, worin die Templatporen nicht so weit gehen, das poröse Templat voll zu durchdringen.
Anlage nach Anspruch 2, worin das poröse Templat durch Anodisieren einer Metallschicht gebildet worden ist.
Anlage nach Anspruch 11, worin das Metall Aluminium oder Titan ist, wobei das poröse Templat aus Aluminiumoxid oder Titandioxid hergestellt ist.
Anlage nach Anspruch 11, worin das poröse Templat aus Titandioxid (TiO₂), Siliciumdioxid (SiO₂), Zinkoxid (ZnO₂), Zirconiumdioxid, Lanthanoxid, Niobiumoxid, Wolframoxid, Zinnoxid, Indium(III)-oxid, Indiumzinnoxid (ITO), Strontiumoxid, Vanadiumoxid, Molybdänoxid, Calcium-/Titanoxid, oder Mischungen von zwei oder mehr solcher Materialien hergestellt ist.
Anlage nach Anspruch 2, worin das erste Ladungstransfer-Material ein Metall, ein transparentes leitfähiges Oxid, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid (ITO), fluoriertes Zinnoxid (F : SnO_x), ein leitfähiges Oxid, wie zum Beispiel TiO₂, ein organisches Material, wie zum Beispiel PEDOT, oder ein dotiertes Fulleren, wie zum Beispiel dotiertes C₆₀ beinhaltet.
Anlage nach Anspruch 2, worin wenigstens eines von dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material ein Material beinhaltet, das aus der Gruppe von Polyphenylen und dessen Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly(2-methoxy-5(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen) (MEH-PPV), Polyparaphenylenvinylen (PPV), PPV-Copolymeren, Polythiophen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl, regioregulär, Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl, bereichszufällig (regiorandom), Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT), Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), regioregulär, Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), bereichszufällig (regiorandom), Poly(thienylenevinylen) und dessen Derivate, und Poly(isothiananaphthen) und dessen Derivate, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorstufen und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und Derivate, organometallischen Polymeren, Polymeren, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquarainen und ihren Derivate, diskotischen Flüssigkristall-Polyfluorenen, Polyfluoren-Copolymeren, Copolymeren und Mischungen auf Polyfluorenbasis, zum Beispiel copolymerisierte und/oder mit ladungstransportierenden (zum Beispiel Triphenylamine und Derivate) und/oder lichtabsorbierenden Verbindungen (zum Beispiel geschmolzene Tiophenringe und Derivate, im Allgemeinen Heteroatom-Ringverbindungen mit oder ohne Substituenten) gemischt, gewählt ist.
Anlage nach Anspruch 2, worin wenigstens eines von dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material ein Pigment oder Farbstoff ist, das bzw. der aus der Gruppe organischer Pigmente oder Farbstoffe, Azofarbstoffe mit Azochromophoren (-N=N-), die aromatische Gruppen binden, Phtalocyanine einschließlich metallfreies Phtalocyanin; (HPc), Perylene, Naphthalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate, Polysilane, Polygerminate, 2,9-Di(pent-3-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron, und 2,9-Bis-(1-hexyl-hept-1-yl)-anthra(2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron gewählt ist.
Anlage nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Grenzflächenschicht, die zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 17, worin die Grenzflächenschicht eines oder mehr Materialien umfasst, das bzw. die aus der Gruppe von Fullerenen, dotierten Fullerenen, funktionalisierten Fullerenen, dotierten funktionalisierten Fullerenen, Azafullerenen, polymerisierten Fullerenen (dotiert oder undotiert), funktionalisierten polymerisierten Fullerenen (dotiert oder undotiert), Kohlenstoff-Nanorohren, Farbstoffen, Ruthenium-Farbstoffen, Pigmenten, organischen Monomeren, Oligomeren, und Polymeren, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorstufen-Polymeren und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, konjugierten Polymeren gewählt ist bzw. sind.
Anlage nach Anspruch 17, worin die Grenzflächenschicht eine oder mehr Chemikalien beinhaltet, die kovalent verbindbar sind mit dem ersten Ladungstransfer-Material und eine Oberflächenenergie und/oder Bindungs-Einfang-Zustände (bonding trap-states) ändern und/oder sich mit freien Bindungen an einer offenen Fläche des ersten Ladungstransfer-Materials verbinden und/oder eine Dipolschicht, die die Effizienz für eine Ladungsextraktion erhöhen kann, einführen und/oder eine schädliche Ladungsrekombination reduzieren kann bzw. können.
Anlage nach Anspruch 2, worin eine Fläche des ersten Ladungstransfer-Materials mit einem oder mehr silylierenden Agenzien funktionalisiert ist.
Anlage nach Anspruch 2, worin die Templatporen im Wesentlichen zylindrische oder kegelähnliche Formen aufweisen.
Anlage nach Anspruch 2, worin das poröse Templat zwischen ungefähr 50 nm und ungefähr 1 Mikrometer dick ist.
Anlage nach Anspruch 22, worin das poröse Templat zwischen ungefähr 100 nm und ungefähr 200 nm dick, oder zwischen ungefähr 200 nm und ungefähr 600 nm dick ist.
Anlage nach Anspruch 2, worin das erste Ladungstransfer-Material in der Form von einem oder mehr Röhrchen ist, die in den Templatporen angeordnet sind, wobei jedes Röhrchen eine Röhrchenpore aufweist.
Anlage nach Anspruch 24, worin das zweite Ladungstransfer-Material die Röhrchenporen füllt.
Anlage nach Anspruch 24, worin die Röhrchenporen einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 200 nm, oder zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm, oder zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 50 nm, oder zwischen ungefähr 20 nm und ungefähr 40 nm oder ungefähr 30 nm aufweisen.
Anlage nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Zwischenschicht, die zwischen dem porösen Templat und der Basiselektrode angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Grenzflächenschicht, die zwischen dem porösen Templat und dem ersten Ladungstransfer-Material angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 28, worin die Grenzflächenschicht eine oder mehr leitende Schichten, eine oder mehr Metallschichten, Nickel und Oxide davon, oder Gold beinhaltet.
Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaikanlage umfassend: Anodisieren einer Metallschicht, um ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen zu bilden; Füllen der Templatporen mit einem ersten Ladungstransfer-Material, und Füllen von zusätzlichem Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist, mit einem zweiten Ladungstransfer-Material, das zu dem ersten Ladungstransfer-Material komplementär ist.
Verfahren nach Anspruch 30, worin die Templatporen einen Durchmesser zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 500 nm, oder einen Durchmesser zwischen ungefähr 40 nm und ungefähr 100 nm, oder einen Durchmesser zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 30 nm haben.
Verfahren nach Anspruch 30, worin die Templatporen mit einem durchschnittlichen Abstand von zwischen ungefähr 10 nm bis ungefähr 500 nm von Mitte bis Mitte, oder zwischen ungefähr 30 nm bis ungefähr 50 nm von Mitte bis Mitte beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 30, worin eine durchschnittliche Wanddicke zwischen benachbarten Poren weniger als ungefähr 5 nm, oder weniger als ungefähr 20 nm, oder zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 40 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 30, worin die Templatporen in dem porösen Templat mit einer Porendichte zwischen ungefähr 10¹² und ungefähr 3 × 10¹⁵ Poren pro Quadratmeter vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 30, worin wenigstens eines von dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material ein organisches Material ist, das Licht in der Masse des organischen Materials absorbieren kann.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das komplementäre Ladungstransfer-Material ein Material beinhaltet, das aus der Gruppe von Polyphenylen und dessen Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly(2-methoxy-5(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen) (MEH-PPV), Polyparaphenylenvinylen (PPV), PPV-Copolymeren, Polythiophen und dessen Derivate (zum Beispiel Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl, regioregulär, Poly-3-Oktylthiophen-2,5-diyl, bereichszufällig (regiorandom), Poly(3-Hexylthiophen (P3HT), Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), regioregulär, Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl), bereichszufällig (regiorandom), Poly(thienylenevinylen) und dessen Derivate, und Poly(isothiananaphthen) und dessen Derivate, zum Beispiel Tetra-Hydro-Thiophen-Vorstufen-Polymere und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, organometallischen Polymeren, Polymeren, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquarainen und ihre Derivate, Polyfluoren-Copolymeren und diskotischen Flüssigkristall-Polyfluorenen gewählt ist, oder ein Pigment oder Farbstoff, das bzw. der aus der Gruppe organischer Pigmente oder Farbstoffe, Azofarbstoffe mit Azochromophoren (-N=N-), die aromatische Gruppen binden, Phtalocyanine einschließlich metallfreies Phtalocyanin; (HPc), Perylene, Naphthalocyanine, Squaraine, Merocyanine und ihre entsprechenden Derivate, Polysilane, Polygerminate, 2,9-Di(pent-3-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron, und 2,9-Bis-(1-hexyl-hept-1-yl)-anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f]diisochinolin-1,3,8,10-tetron gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das poröse Templat zwischen ungefähr 50 nm und ungefähr 1 Mikrometer dick ist.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das poröse Templat zwischen ungefähr 100 nm und ungefähr 200 nm dick, oder zwischen ungefähr 200 nm und ungefähr 600 nm dick ist.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend das Anordnen einer Grenzflächenschicht zwischen dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material, oder zwischen dem porösen Templat und dem ersten Ladungstransfer-Material.
Verfahren nach Anspruch 39, worin die Grenzflächenschicht eines oder mehr Materialien umfasst, das bzw. die aus der Gruppe von Fullerenen, dotierten Fullerenen, funktionalisierten Fullerenen, dotierten funktionalisierten Fullerenen, Azafullerenen, polymerisierten Fullerenen (dotiert oder undotiert), funktionalisierten polymerisierten Fullerenen (dotiert oder undotiert), Kohlenstoff-Nanorohren, Farbstoffen, Ruthenium-Farbstoffen, Pigmenten, organischen Monomeren, Oligomeren, und Polymeren, Tetra-Hydro-Thiophen-Vorstufen-Polymeren und deren Derivate, Poly-Phenylen-Vinylen und dessen Derivate, oder, falls die Grenzflächenschicht zwischen dem porösen Templat und dem ersten Ladungstransfer-Material angeordnet ist, aus leitenden Schichten, Metallschichten, Nickel und Oxiden davon, oder Gold gewählt ist bzw. sind.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das Anodisieren einer Metallschicht, um ein poröses Templat zu bilden, beinhaltet: Platzieren eines Aluminium-, Aluminium-beschichteten, Titan- oder Titanbeschichteten Substrats in einem Elektrolyt, Anlegen einer Anodisierungsspannung an das Substrat, um einen Aluminiumoxid- oder Titandioxid-Film zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend ein schrittweises Abspannen der Anodisierungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend das im Wesentlichen Entfernen einer Barriere zwischen den Templatporen und einer unterliegenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend das Weiten der Templatporen.
Verfahren nach Anspruch 30, worin die Templatporen nicht so weit gehen, das poröse Templat voll zu durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das Füllen der Templatporen mit einem ersten Ladungstransfer-Material beinhaltet: Teilweises Füllen einer oder mehr Templatporen mit dem ersten Ladungstransfer-Material, um eine oder mehr Röhrchen zu bilden, worin der zusätzliche Raum eine Röhrchenpore in jedem Röhrchen ist.
Verfahren nach Anspruch 46, worin die Röhrchenporen eine durchschnittliche Wanddicke von zwischen ungefähr 0,5 nm und ungefähr 20 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 46, worin die Röhrchenporen einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 200 nm, oder zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm, oder zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 50 nm, oder zwischen ungefähr 20 nm und ungefähr 40 nm oder ungefähr 30 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 46, worin die Röhrchen durch Abscheiden eines Sol-Gels in die Templatporen, gefolgt von Lufttrocknung, dann Erwärmung, gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 49, ferner umfassend das Einstellen einer Abscheidungstemperatur des Sol-Gels und/oder einer Abscheidungszeit, so dass sich Röhrchen bilden.
Verfahren nach Anspruch 50, ferner umfassend das Einstellen einer chemischen oder physischen Eigenschaft des porösen Templats, so dass sich Röhrchen bilden.
Verfahren nach Anspruch 46, worin das Füllen von zusätzlichem Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material belegt ist, beinhaltet: Füllen der Templatpore von einem oder mehr Röhrchen mit dem komplementären Ladungstransfer-Material.
Verfahren nach Anspruch 52, ferner umfassend das Entfernen des porösen Templats, was Strukturen hergestellt aus dem ersten und zweiten Ladungstransfer-Material mit Räumen zwischen den Strukturen zurücklässt.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das Füllen der Templatporen mit einem ersten Ladungstransfer-Material das vollständige Füllen der Poren mit dem ersten Ladungstransfer-Material, und das Entfernen des porösen Templats, was Strukturen des ersten Ladungstransfer-Materials mit Räumen zwischen den Strukturen zurücklässt, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 54, worin das Füllen von zusätzlichem Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist, das Füllen der Räume zwischen den Strukturen des ersten Ladungstransfer-Materials mit dem komplementären Ladungstransfer-Material beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 30, worin das Füllen von zusätzlichem Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist, das Anodisieren der Metallschicht beinhaltet, um das poröse Templat zu bilden, so dass das poröse Templat aus einem Material hergestellt ist, das komplementäre Ladungstransfer-Eigenschaften in Bezug auf das erste Ladungstransfer-Material aufweist, wobei das Material des porösen Templats das zweite Ladungstransfer-Material ist.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend das Anordnen einer Zwischenschicht zwischen der Metallschicht und einem unterliegenden Substrat.
Verfahren nach Anspruch 57, worin die Zwischenschicht konfiguriert ist, um als eine Anodisierungs-Stoppschicht zu wirken und/oder als eine Ätz-Stoppschicht zu wirken.
Verwendung einer aktiven Schicht gebildet durch Anodisieren einer Metallschicht, um ein poröses Templat mit einer Anordnung von Templatporen zu bilden, die in einer im Wesentlichen einheitlichen Art und Weise verteilt sind, Füllen der Templatporen mit einem ersten Ladungstransfer-Material, und Füllen von zusätzlichem Raum, der nicht von dem ersten Ladungstransfer-Material eingenommen ist, mit einem komplementären Ladungstransfer-Material in einer Photovoltaikanlage.