DE10392855T5

DE10392855T5 - Solarelektrizitätszelle mit Nanoarchitektur/-Anordnung

Info

Publication number: DE10392855T5
Application number: DE10392855T
Authority: DE
Inventors: Brian Palo Alto Sager; Martin San Francisco Roscheisen
Original assignee: Nanosolar Inc
Current assignee: Nanosolar Inc
Priority date: 2002-06-22
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-09-15
Also published as: US6852920B2; WO2004001926A3; AU2003253672A8; US20040250848A1; AU2003253672A1; WO2004001926A2

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.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE FRÜHER EINGEREICHTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht 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 umfasst Solarzellenanlagen und Verfahren für ihre Herstellung und insbesondere Solarzellen mit Nanoarchitektur/– anordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik werden organische und hybride Solarzellen mit einer polychromen Effizienz von 2% und einer monochromen Spitzeneffizienz von 7% 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-Fotovoltaik"), Science 293, 1119–1122 (2002)). Bei diesen Solarzellenanlagen ist die Anlagenarchitektur nicht für das, was für eine Anlage mit höherer Effizienz gebraucht wird, ausreichend. Diese Anlagen sind in dem Umfang eingeschränkt, wie Exzitone geerntet werden können, um nützliche Arbeit zu verrichten. Dies liegt an drei verschiedenen Faktoren.
Erstens, die Nanostruktur in der aktiven Schicht der Solarzellen, die von anderen Gruppen hergestellt wurden, waren quasizufällig in einem Medium von leitendem oder halbleitendem Polymer angeordnet, und als solches wurden viele Photonen nicht in Exzitone umgewandelt. Insbesondere in der Arbeit von Huynh et al., da viele Nanostäbe nur teilweise ausgerichtet wurden, und große Ansammlungen von Nanostäben (durchsetzt mit Bereichen von wenigen Stäben) in den Anlagen vorhanden waren, konnte Photonenergie durch die Anlage hindurchgehen, ohne für ein Exzitonumwandlungsereignis einfallend zu sein. Dies verringerte die Effizienz der Exzitonerzeugung.
Zweitens, von den Exzitonen, die sich bildeten, erreichten viele nicht eine Elektronenaffinitätsverbindungsstelle, bevor sie sich spontan rekombinieren haben. Die Lebensdauer von migrierenden Exzitonen ist extrem kurz, und als solches kann ein Exziton typischerweise nur 10 nm reisen, bevor sich das Elektron und Loch spontan und unproduktiv rekombinieren. Daher, um das Elektron von seinem gebundenen Loch wegzuziehen, muss ein Exziton eine Verbindungsstelle von Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten innerhalb von 10 nm von der Stelle, wo das Exziton am Anfang erzeugt wurde, erreichen. In den von anderen Gruppen hergestellten Anlagen, wie zum Beispiel die Arbeit von Schmidt-Mende et al. and Huynh et al, war der Abstand der Nanostrukturen quasizufällig, und so hatten einige Bereiche der Anlage viele Verbindungsstellen innerhalb von 10 nm von einander (was eine effiziente Elektronenextraktion erlaubte), während viele andere Bereiche der Anlage überhaupt keine Verbindungsstellen innerhalb von 10 nm von einander aufwiesen (was zu dem Verlust von Elektronen führte, die Exzitonen zugehörig sind, die in jenen Bereichen der Anlage reisten). Dieser Faktor verringerte die Effizienz von sowohl Elektronen- als auch Lochtransfer an differentiellen Elektronenaffinitätsverbindungsstellen.
Schließlich erforderte die Bewegung von Elektronen durch die aktiven Materialien der Anlagen regelmäßig und eng beabstandete Nanodrähte oder Nanostäbe, die freie Elektronen zu der äußeren Grenze der aktiven Schicht der Anlage sammeln und transportieren konnten. Dieser Faktor verringerte die Loch- und Elektronensammel-Effizienz. All diese Faktoren verbinden sich, um die Effizienz der Anlage zu reduzieren, und somit die potentielle Elektrizität, die von einer Solarzelle erzeugt werden kann.
Daher gibt es im Stand der Technik einen Bedarf nach einer Solarzellenarchitektur, die die oben genannten Schwierigkeiten bewältigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile werden durch eine Solarzellenanlagenarchitektur bewältigt, worin zwei verschiedene Materialien regelmäßig angeordnet sind und worin die Anwesenheit von zwei verschiedenen Materialien in Abständen von 1 nm bis 100 nm wechselt. Die zwei Materialien können unter Verwendung von Nanostrukturen, wie zum Beispiel gefüllte Poren, Nanolamellen oder andere gematrixte Nanostrukturen, angeordnet werden. Die Architektur integriert ein leitendes oder halbleitendes Polymer in einem mesoporösen Substrat, um eine Basismatrix für eine nanostrukturierte Schicht zu bilden. Die Architektur kann mit einem mesoporösen Templat mit Poren umgesetzt werden, die ein leitendes oder halbleitendes Polymer oder andere Medien enthalten, welche mit einem Material gefüllt sind, die eine unterschiedliche Elektronenaffinität aufweisen als die umliegenden leitenden oder halbleitenden Medien, um ein interdigitalisiertes Maschennetzwerk unter den leitenden oder halbleitenden Polymermedien zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Solarzelle eine ausgerichtete Anordnung von halbleitenden nanostrukturierten Materialien in einer Matrix von leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien. Abstand und Größe der Komponenten in der aktiven Schicht der Solarzelle können gewählt werden, um die Effizienz der Anlage zu maximieren. Leitfähige (oder halbleitende) Schichten können über und/oder unter dem aktiven Bereich der Solarzelle platziert sein, um eine effiziente Sammlung von Elektronen und Löchern zu ermöglichen.
Verfahren zur Herstellung von Solarzellen beinhalten das Auferlegen einer Ausrichtung oder einer Anordnung von zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten, so dass die zwei oder mehr Materialien regelmäßig angeordnet sind, und die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt. Die Ausrichtung kann durch Techniken auferlegt werden, die ausgerichtete Lösungsabscheidung in eine Tensidtemplatierte, hochporöse, polymere Formstruktur, elektrochemische Abscheidung und Lösungsabscheidung beinhalten.
In einem Beispiel unter anderem kann die Ausrichtung auf der Anordnung auferlegt werden, indem ein mesoporöses Templat mit einer Anordnung von Poren gebildet wird. Ein solches mesoporöses Templat kann unter Verwendung von zum Beispiel Einschluss und/oder Pfropfen von organischen oder polymeren Molekülen in einem mineralischen Lamellennetzwerk, Synthese durch Elektrokristallisation von hybriden Molekularzusammensetzungen, Imprägnierung von vorgeformten anorganischen Gels, Synthese aus heterofunktionellen metallischen Alkoxiden oder Silsesquioxanen, Hybridsynthese durch die Verbindung von wohldefinierten, funktionellen Nanobausteinen, templatiertes Wachstum von anorganischen oder hybriden Netzwerken unter Verwendung von organischen Molekülen und Makromolekülen, einschließlich Tenside, Amine, Alkylammonium-Ione oder amphiphile Moleküle als strukturweisende Agenzien, templatiertes Wachstum mit Nanopartikeln gefolgt von dem Entfernen der Nanopartikel, und biotechnologischem Selbstzusammenbau, zum Beispiel Selbstzusammenbau von Proteinmolekülen zur Verwendung als ein Abscheidungstemplat, gefolgt von dem Entfernen des Templats unter Verwendung einer Protease, hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beispielanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A–2B zeigen Rasterkraftmikrobilder eines Beispiels eines Tensid-templatierten, porösen Films, der zur Verwendung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
3A–3C zeigen eine Reihe von Querschnittsdarstellungen, die eine elektrochemische Abscheidung von halbleitenden nanostrukturierten Materialien in einer Matrix von porösen leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien darstellen.
4A zeigt drei Substrate, die in einem Experiment verwendet werden, um eine Abscheidung von Material in Poren in einem mesoporösen Templat zu demonstrieren.
4B ist ein vergrößertes Bild eines Teils von einem der in 4A gezeigten Substrate.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
In einem Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Anordnungen von Nanoskala-Strukturen von leitenden oder halbleitenden Materialien und leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien in einer Architektur für eine hocheffiziente Solarzellenanlage verwendet. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf Solarzellen und Verfahren zu deren Herstellung gerichtet und insbesondere auf Solarzellen umfassend ausgerichtete Nanoskala-Anordnungen von Nanostrukturen in einer Matrix von leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien, wo die Nanostrukturen eine unterschiedliche Affinität aufweisen als die leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien. Eine Ausrichtung kann auf die Anordnung durch Lösungsabscheidungsmittel in eine Tensid-templatierte, hochporöse, polymere Formstruktur, elektrochemische Abscheidungsmittel und Lösungsabscheidungsmittel auferlegt werden, die ein externes Ordnungsfeld, wie zum Beispiel ein elektrisches Feld, verwenden.
Wie hier verwendet, bezieht sich "Anordnung von Nanostrukturen" auf eine regelmäßige Verteilung von Strukturen, die eine Größe in der Ordnung von ein paar Nanometern bis mehreren Zehnerstellen von Nanometern aufweisen, wo die Anordnung eine Fernordnung zeigt. Wie hier verwendet, bedeutet "Fernordnung", dass die Anordnung ihre Verteilung über eine Entfernungsskala beibehält, die wesentlich größer ist als manche charakteristische Dimension einer typischen Nanostruktur in der Anordnung. Eine solche Fernordnung kann über einen Entfernungsmaßstab gezeigt werden, der mehrere Größenordnungen größer als die charakteristische Dimension ist. Die Nanostrukturen in der Anordnung können aus Metallen, Halbleitern, oder leitenden oder halbleitenden Polymeren oder anderen Materialien hergestellt werden, solange sie eine unterschiedliche Affinität aufweisen als das Material auf der anderen Seite einer Materialverbindungsstelle (die zieht das Elektron von dem Loch weg).
Wie hier verwendet, bezieht sich eine "Matrix" auf eine Stoffverbindung, in der zwei oder mehr verschiedene Anordnungen interdigitalisieren, zum Beispiel in derselben Schicht. Als Beispiel können die zwei verschiedenen Anordnungen aufgrund der Herstellung aus verschiedenen Materialien, aufgrund des Aufweisens von Strukturen mit verschiedenen Ausrichtungen, verschiedenen Größen oder mancher Kombination dieser beiden, verschieden sein Ein Beispiel einer Anlage, die die erfindungsgemäße Solarzellenarchitektur aufweist, ist in 1 dargestellt. Eine Solarzellenanlage 100, die diese Architektur umsetzt, kann vier Hauptschichten umfassen: eine transparente leitende oder halbleitende Elektrode 102, durch die Licht hindurchgeht, eine Nanostruktur-Schicht mit einer Anordnung von leitenden oder halbleitenden Nanostrukturen 104, die Photonen P absorbieren und sie in Exzitone EX umwandeln (gebundene Paare von Elektronen und Löchern), eine Schicht eines leitenden oder halbleitenden Polymers 106 mit einer differentiellen Elektronenaffinität relativ zu den Nanostrukturen 104, und eine Elektrode 108, beispielsweise aus Aluminium hergestellt, durch die Elektronen aus der Solarzelle migrieren. Die transparente leitende oder halbleitende Elektrode 102 kann aus einem transparenten leitfähigen Material, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid (ITO), hergestellt werden. Die Solarzellenanlage 100 kann auf einem geeigneten transparenten Substrat 110 gebildet und unter Verwendung von Techniken, die im Stand der Technik gut bekannt sind, hermetisch versiegelt werden, um eine Degradation durch atmosphärische Schmutzstoffe, wie zum Beispiel Wasser und Sauerstoff, zu verhindern.
Als Beispiel kann die Nanostruktur-Schicht Elektronen transportierende Nanostrukturen 104 beinhalten, die in einem Loch transportierenden Polymer 106 eingebettet sind, wie in der Einfügung in 1 gezeigt. Der Betrieb der Anlage 100 läuft im Allgemeinen wie folgt ab: Photonen P einfallend auf die Nanostrukturen 104 und das Polymer 106 erzeugen Exzitone (Elektronen-Loch-Paare) EX bei 1. Die Exzitone EX diffundieren durch die Nanostrukturen und Polymere bei 2. Bevor sich einige der Exzitone EX rekombinieren können, kreuzen sie die Grenzfläche 112 zwischen den Nanostrukturen 104 und dem Polymer 106. Bei 3 werden Löcher h über die Grenzfläche 112 zu dem Polymer C transportiert und Elektronen e^– werden über die Grenzfläche 112 zu den Nanostrukturen 104 transportiert. Bei 4 werden die Löcher h und Elektronen e jeweils durch das Loch transportierende Polymer 106 und Elektronen transportierendes Material der Nanostrukturen 104 transportiert. Bei 5 sammelt die Elektrode 108 die Elektronen e^– und die transparente leitende oder halbleitende Elektrode 102 sammelt die Löcher h und erzeugt einen potentiellen Unterschied zwischen der Elektrode 108 und der transparenten leitenden oder halbleitenden Elektrode 102, sowie ein entsprechendes elektrisches Feld E.
Als Beispiel und ohne Einschränkung können die Nanostrukturen 104 Elektronen aufnehmendes Buckminsterfulleren (C₆₀) beinhalten, und das Polymer 106 kann ein Loch aufnehmendes Material sein, zum Beispiel ein leitendes oder halbleitendes Polymer wie beispielsweise Poly(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen) (MEH-PPV). Ein anderes Material als ein Polymer kann anstelle des Polymers 106 verwendet werden, vorausgesetzt, dass das Material eine Elektronenaffinität aufweist, die zu der Elektronenaffinität des Materials der Nanostrukturen 104 unterschiedlich ist. Das C₆₀ kann in die Poren eines mesoporösen Templats abgeschieden oder in einer Matrix eingebettet werden.
Obwohl die Nanostrukturen 104 oben als Elektronen transportierend und das Polymer 106 als Loch transportierend beschrieben werden, kann die Solarzellenanlage 100 alternativ eine umgekehrte Struktur haben, das heißt mit Loch transportierenden Materialien, die in einem Elektronen transportierenden Material eingebettet sind.
In einer Ausführungsform ist die Ausrichtung der aktiven Solarzellenmaterialien, zum Beispiel die Nanostrukturen 104, durch Verwendung eines mesoporösen Templats bestimmt, zum Beispiel eine vorabgeschiedene Schicht von Tensid-templatierten, hochporösen Dünnfilmen, die als eine Form für die Abscheidung der anderen Solarzellenmaterialien wirken. Die Nanostrukturen 104 können zum Beispiel durch elektrochemische Abscheidung von Metallen, oder Abscheidung von leitenden oder halbleitenden Polymeren, Halbleitern oder anderen Materialien auf Lösungsbasis in die Poren des mesoporösen Templats zur Verwendung in den Solarzellen gebildet werden.
Als Beispiel können die Nanostrukturen 104 in der Form von Säulen sein, die in einer Matrix angeordnet sind. Alternativ kann die Nanostrukturanordnung eine Anordnung von Kugeln oder kugeligen Objekten, die in einer regelmäßigen Matrix angeordnet sind, eine Anordnung von ovalen oder gestreckten Objekten, die in einer regelmäßigen Matrix angeordnet sind, oder ein interdigitalisiertes Netzwerk eines in einem organischen Material/Polymer eingebetteten Halbleitermetalls sein. Die genaue Form der Nanostrukturen ist oft relativ unwichtig. Was relativ wichtig ist, ist, dass die Nanostrukturen im Wesentlichen gleichmäßig ausgerichtet und regelmäßig angeordnet werden mit einem Trennabstand zwischen benachbarten Nanostrukturen in der Anordnung in der Ordnung von ungefähr 1 bis ungefähr 100 nm, bevorzugter ungefähr 1 nm bis ungefähr 25 nm und am bevorzugtesten ungefähr 5 nm bis ungefähr 15 nm.
Es gibt mehrere Ansätze, um die Nanostrukturen einer Solarzelle oder einer anderen optoelektronischen Anlage von dem in 1 gezeigten Typ zu bilden. Als Beispiel kann ein mesoporöses Templat unter Verwendung eines Verfahrens zur Bildung von hochporösen Mesophasenstrukturen und späteren Dünnfilmen mit einer kontrollierten Porenstruktur und einer kontrollierten Oberflächenchemie hergestellt werden, wo die Porosität höher als ungefähr 50% ist. Ein hybrider, mesoporöser Dünnfilm inkorporiert anorganische, organische oder gemischte Moleküle in die Mesophasenstruktur des gebildeten Materials. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Verfahren zur Bildung eines flüssigen Materials, das verwendet werden kann, um hochporöse Dünnfilme durch solche Standardverfahren, wie zum Beispiel Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung, Spin Coating oder Web Coating zu bilden. Der hybride, mesoporöse Dünnfilm kann Poren mit Durchmessern zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 50 nm enthalten.
In der Flüssigphase werden ein Vorgänger-Sol, ein Lösungsmittel und Wasser mit einem hydrophoben Polymer, das in dem Lösungsmittel löslich ist, und mit einem Tensid gemischt, worin die anfängliche Tensidkonzentration C₀ bedeutend geringer als die Mizellenbildungskonzentration cmc ist. Da die Tensidkonzentration geringer als die Mizellenbildungskonzentration ist, induziert eine spätere Lösungsmittel-Verdampfung eine Mizellenbildung, eine Inkorportion von hydrophoben Polymeren in das hydrophobe Mizellarinnere und einen weiteren Zusammenbau in hybride Materialien. Verdampfung des Lösungsmittels fördert Stabilisierung des Polymers in Mikroemulsionen zusammen mit einer zusätzlichen Selbstzusammensetzung von Siliciumdioxid-Tensid-Mesophasen, so dass ein Dünnfilm auf einem Substrat gebildet werden kann. Das hydrophobe Polymer hilft in dem Selbstzusammenbauprozess und dient als ein Quellmittel, um eine hochporöse Struktur zu bilden. Nachfolgende Kalzination des Dünnfilms kann in einer hierarchischen Mesostruktur bestehend aus Poren resultieren, die sowohl durch Mikroemulsionen als auch Tensidflüssigkristalline Zusammensetzungen templatiert werden, wobei die Dünnfilme eine Porosität größer als ungefähr 50 % aufweisen. Hochporöse Dünnfilme sind in Anwendungen beliebt, die niedrige dielektrische konstante Materialien, einen niedrigen Brechungsindex und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit erfordern.
Vorgänger, wie zum Beispiel Alkoxysilane oder Metall-Alkoxide, einschließlich Titan-butoxid, Titan-isopropoxid, Zirconium-n-butoxid, Aluminium-iso-propoxid, Aluminium-iso-propoxid, und Mischungen davon, und Organoalkoxysilane, wenn in einem polaren Lösungsmittel aufgelöst und unter basischen, säurehaltigen oder neutralen Bedingungen hydrolysiert, sind nützlich für ein in der vorliegenden Erfindung verwendetes Solmaterial.
In einem Beispiel wird eine homogene Lösung aus einem hydrophoben löslichen Polymer, einem Siliciumdioxid-Sol unter Verwendung eines Alkoxysilans (Si(OR)₄ in einem Lösungsmittel und einem Tensid hergestellt, worin die anfängliche Tensidkonzentration c bedeutend geringer ist als die Mizellenbildungskonzentration cmc. Typische hydrophobe Polymere beinhalten Polypropylenoxid und Polypropylen-glycol-dimethylacrylat. Typische Alkoxysilane beinhalten Tetramethylorthosilicat, Tetraethylorthosilicat, Titan-butoxid, Titan-isopropoxid, Zirconium-n-butoxid, Aluminium-iso-propoxid, Aluminium-iso-propoxid, und Mischungen davon. Organoalkoxysilane beinhalten Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan und andere R'Si (OR)₃ Mischungen, wo R' eine Alkylgruppe ist, jene mit fluorierten Gruppen, wie zum Beispiel Tridecafluoro-1,1,2,-tetrahydrooctyltriethoxysilan (TFTS), und Zusammensetzungen mit Mercapto-abgeschlossenen Gruppen, wie zum Beispiel Mercaptopropyltrimethoxylsilan.
Das Tensid kann ein anionisches, kationisches, nichtionisches Copolymer oder ein Blockcopolymer sein. Anionische Tenside, die verwendet werden können, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Sulfate, Sulfonate, Phosphate und Karbonsäuren. Kationische Tenside, die verwendet werden können, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Alkylammoniumsalze, Gemini-Tenside, Cetylethylpiperidinium-Salze und Dialkyldimethylammonium. Nichtionische Tenside, die verwendet werden können, wobei die hydrophile Gruppe nicht geladen ist, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf primäre Amine, Polyoxyethylenoxide, Octaethylen-glycol-monodecyl-ether und Octaethylene-glycol monohexadecyl-ether. Das verwendete Lösungsmittel ist im Allgemeinen ein polares organisches Lösungsmittel/Wasserlösungsmittel und kann jedes allgemeine, polare, organische Lösungsmittel sein, das in Wasser löslich ist, wie zum Beispiel ein Alkohol-/Wasserlösungsmittel, ein Formamid-/Wasserlösungsmittel oder ein Tetrahydrofuran-/Wasserlösungsmittel.
Da die Tensidkonzentration geringer als die cmc ist, induziert eine spätere Lösungsmittel-Verdampfung eine Mizellenbildung, eine Inkorportion von hydrophoben Polymeren in das hydrophobe Mizellarinnere und einen weiteren Zusammenbau in hybride Siliciumdioxid-Tensid-Materialien. Wenn die Lösungsmittel-verdampfung durch Spin Coating, Sprühbeschichtung oder Tauchbeschichtung erreicht wird, und die Filme kalziniert werden, um das Tensid und Polymer zu entfernen, während Organosilikon-Bindungen erhalten werden, wird ein poröser Dünnfilm auf einem Substrat mit einer engen Größenverteilung von Poren gebildet, die durch die Mikroemulsionen und Tenside templatiert werden. Dies kann erreicht werden, indem eine Niedertemperatur-Wärmebehandlung oder ein Niedertemperatur-Waschverfahren verwendet wird.
Da Lösungsmittelextraktionstechniken das mesoporöse Netzwerk zerfallen lassen können, werden Tensidmoleküle durch ein Niedertemperatur-Pyrolyseverfahren entfernt, worin die Filme in einer Schutzgasatmosphäre auf eine Temperatur erwärmt werden, die ausreicht, um die Tensidmoleküle zu zersetzen (zum Beispiel 250°C), ohne irgendwelche kovalent gebundene, organische Liganden abzubauen. Diese Wärmebehandlung fördert auch eine weitere Kondensation des Siliciumdioxid-Gerüsts und hilft, das mesoporöse Netzwerk zu stabilisieren.
In einer Herstellung zur Bildung von Dünnfilmen wurde ein Siliciumdioxid-Sol aus Tetraethylorthosilicat (TEOS), einem polaren, organischen Lösungsmittel, Wasser und einer Säure, einer hydrophoben Zusammensetzung, wie zum Beispiel Polypropylenoxid (Molmasse von ungefähr 2000), und einem Tensid, wie zum Beispiel Polyoxyethylenether oder einem Blockpolymer der allgemeinen Formel HO(CH₂CH₂O)_n (CH₂CHCH₃O)_m (CH₂CH₂O)_nH, nachfolgend als P123 bezeichnet, hergestellt. Die tiefgestellten Indexe m und n sind Ganzzahlen. In einem Beispiel ist n 20 und m ist 70. Das polare organische Lösungsmittel kann jedes Lösungsmittel sein, das die anderen Reaktanten löslich macht, insbesondere solche Lösungsmittel wie Alkohole, und insbesondere Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Tetrahydrofuran und Formamid oder Mischungen davon.
In einem Beispiel wurde ein Anfangs-Siliciumdioxid-Sol durch Refluxen von Tetraethylorthosilicat (TEOS), Ethanol, Wasser und einer Säure, wie zum Beispiel HCl, bei ungefähr 60°C hergestellt. Das Molverhältnis des TEOS, Ethanols und der Säure war 1 :3,8 : 1,5 × 10^–5. Das Sol wurde auf Raumtemperatur gekühlt, und Tensid CH₃(CH₂)₁₅ (OCH₂CH₂)₁₀ OH, mit Mengen im Bereich von 0,6 g bis 1,0 g, und das Polymer, Polypropylenoxid (PPO), mit Mengen im Bereich von ungefähr 0 g bis 1,2 g, wurden 5 ml von dem Sol zusammen mit 0,8 ml von 1N HCl hinzugefügt. Die Sole wurden gefiltert und ein Dünnfilm wurde aus dieser Lösung durch Spin Coating auf ein Substrat hergestellt. Während des Beschichtungsverfahrens verursacht die Verdampfung des Lösungsmittels die Bildung von Tensid-stabilisierten Polypropylen-Mikroemulsionen, die in ein Tensid-templatiertes Siliciumdioxid-Material inkorporiert werden. Die beschichteten Filme wurden auf ungefähr 400°C bis 450°C für ungefähr 3 Stunden erwärmt, um Tensid- und Polypropylenoxid-Template zu entfernen.
Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der resultierenden Filmeigenschaften, einschließlich kapazitive Impedanz, relative Dielektrizitätskonstante, Brechungsindex und Filmdicke, die durch verschiedene Mengen des Tensids und hydrophoben Polymers erhalten wurden. Die Röntgenstrukturanalyse zeigte an, dass die Filme, bei denen sich keine Phasenentmischung ereignete, geordnet waren. Zum Beispiel hatte der resultierende Film bei 1 g Tensid und 1 g Polymer einen 5,4 nm Durchmesserabstand vor Kalzination und einen 3,7 nm Durchmesserabstand nach Kalzination. Es wurde gemessen, dass der Brechungsindex ungefähr 1,1 war und die Filmdicke ungefähr 1,4 Mikrometer war. Die Porosität betrug ungefähr 80%.
TABELLE
In einem anderen Beispiel wurde ein Siliciumdioxid-Sol, wie zuvor beschrieben, mit Tensid P123 in Mengen im Bereich von 0,6 g bis 1,2 g, und PPO in Mengen im Bereich von ungefähr 0,8 g bis 1,2 g hergestellt und 5 ml von dem Sol zusammen mit 0,8 ml von 1 N HCl hinzugefügt. Die Sole wurden gefiltert und ein Dünnfilm wurde aus dieser Lösung durch Spin Coating auf ein Substrat hergestellt. Während des Beschichtungsverfahrens verursacht die Verdampfung des Lösungsmittels die Bildung von Tensid-stabilisierten Polypropylen-Mikroemulsionen, die in ein Siliciumdioxid-Tensid-Dünnfilmmaterial inkorporiert werden. Die so beschichteten Filme wurden auf ungefähr 400°C bis 450°C erwärmt, um Tensid- und Polypropylenoxid-Template zu entfernen. Tabelle II zeigt eine Zusammenfassung der resultierenden Filmeigenschaften, einschließlich kapazitive Impedanz, relative Dielektrizitätskonstante, Brechungsindex und Filmdicke der Dünnfilme unter Verwendung von verschiedenen Mengen des Tensids und hydrophoben Polymers. TABELLE II
Die in Tabelle I und II gezeigten Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine Erhöhung der Konzentration des Polymers PPO im Allgemeinen zu einem niedrigeren Brechungsindex und einer niedrigeren relativen Dielektrizitätskonstante, sowie eine höhere Porosität führen. Wenn die Tensidkonzentration relativ zu der Konzentration des Polymers zu niedrig ist, kann sich Phasenentmischung ereignen.
In einem anderen Beispiel wurde ein Siliciumdioxid-Sol aus Tetraethylorthosilicat (TEOS), einem polaren organischen Lösungsmittel, Wasser und einer Säure, und einem Tensid, wie zum Beispiel Polyoxyethylenether, hergestellt. Ein hydrophobes Polymer, Polypropylenglycol-dimethylacrylat, kann hinzugefügt werden, und ein Dünnfilm kann durch Auftragen auf ein Substrat hergestellt werden, während welcher Zeit sich eine Verdampfung des Lösungsmittels ereignete. Der Dünnfilm wird erwärmt, um Tensid und Polymer zu entfernen.
In einem anderen Beispiel ist das lösliche hydrophobe Polymer und das Tensid, die der Mischung des Sols hinzugefügt werden, eine anorganische oder organische Zusammensetzung, die nachfolgend als eine Einlagerungsverbindung bezeichnet wird, die während der Mizellenbildung in die Mesophasenstruktur entweder durch kovalente Bindung in der porösen Struktur oder physisches Einschließen in der porösen Struktur organisiert wird. Interessanterweise können diese Einlagerungsmoleküle größer sein als die Porengrößen der mesoporösen Struktur, wobei die gebildete poröse Mesophase sich um diese Moleküle herum anpassen kann, um eine im Wesentlichen defektfreie Mesophasenstruktur zu bilden, während immer noch eine enge Porengrößenverteilung und eine relativ hohe Porosität und ein relativ großer Oberflächenbereich beibehalten werden. Die Einlagerungsverbindungen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Organoalkoxysilane, Proteine, Farbstoffe und metallhaltige Zusammensetzungen. Jede Organoalkoxysilan-Zusammensetzung kann verwendet werden, aber gewisse Zusammensetzungen sind wegen ihrer besonderen Funktionalität nützlich. Zum Beispiel machen Organoalkoxysilane mit fluorierten Gruppen, wie zum Beispiel tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltriethoxysilan (TFTS), den Film hydrophob, und Zusammensetzungen mit Mercapto-abgeschlossenen Gruppen, wie zum Beispiel Mercaptopropyltrimethoxylsilan, können Schwermetalle absorbieren. Die Organoalkoxysilanmoleküle sind kovalent mit den Poren in der vorliegenden Erfindung verbunden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Andere Einlagerungsverbindungen beinhalten Mercaptopropyltrimethoxylsilan, Rhodamin B, Cytochrom-c, 3-(2,4-dinitrophenylamino)propyl(triethoxy)silan. Die Anwesenheit dieser anorganischen und organischen Zusammensetzungen in der hybriden, porösen Mesophasenstruktur der vorliegenden Erfindung ermöglichen, dass diese Materialien in Sensoranwendungen, als Filme mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstante, als Photonmaterialien und als optische Wirte verwendet werden.
Zusätzliche Informationen über Verfahren zur Herstellung von Tensidtemplatierten, hochporösen Dünnfilmen können in dem US-Patent 6,270,846 gefunden werden, dessen Offenbarungen hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Alternative Herstellung der polymeren Form- oder Templatstruktur:
Mesoporöse Strukturen, die Poren in einem Größenbereich enthalten, der für die vorliegende Erfindung nützlich ist, können alternativ unter Verwendung eines mehrschichtigen Tauchbeschichtungsprozesses hergestellt werden.
Alternativ können die Reaktanten zur Bildung der mesoporösen Strukturen unter Verwendung einer Tintenstrahl-ähnlichen Abscheidung abgeschieden werden. Der Tauchbeschichtungs- oder Sprühbeschichtungs- oder Web Coating-Prozess ist von dem Standpunkt der Einfachheit der Herstellung vorteilhaft. Die Tintenstrahl-ähnliche Abscheidung ist von dem Standpunkt der Bildung komplizierter Anlagenstrukturen bei niedrigen Temperaturen vorteilhaft. Beide Techniken weisen gesonderte und ausgeprägte Vorteile im Hinblick auf das Wesen der Bildung einer mesoporösen Struktur, sowie im Hinblick auf eine Inkorporation zusätzlicher Komponenten der Solarzellenanlagen auf.
Vorteilhafterweise können ein oder mehr lumineszierende Farbstoffe zu jeder dieser Mischungen unter Verwendung der unten beschriebenen Techniken hinzugefügt werden. Solche Farbstoffe können verwendet werden, um irgendwelche eingehenden Solarphotonen zu absorbieren, die in Wellenlängen zur Umwandlung mit den Solarzellenanlagen dieser Erfindung ungeeignet sind, und solche Energie in Wellenlängen zurückzustrahlen ist für eine effiziente Umwandlung solcher einfallenden Energie in Sonnenenergie mehr geeignet.
In einem Beispiel unter anderem des Tauchbeschichtungsprozesses wird ein Substrat zuerst mit Ethoxypolysiloxan-Tensiden in einer Ethanollösung beschichtet. Nach Entfernen aus der Tauchlösung verdampft das Ethanol innerhalb von 60–120 Sekunden. Während die Verdampfung voranschreitet ordnen sich die Moleküle mit einer Siloxan-Tensid-Mizelle neu, um ihr gemeinsames Energieniveau zu minimieren. Dieser Prozess hält an, während die Moleküle ihre Nanoskala-Organisation weiter in hoch regulären Flüssigkristall-Mesophasen neu organisieren. Die resultierenden mesoporösen Filme enthalten eine hohe und abstimmbare Dichte regulärer Poren, die in 5 nm wiederholenden Mustern mit Porendurchmessern von 5 nm beabstandet sind. Ein solcher Prozess kann eine Veränderlichkeit im Porendurchmesser von weniger als 2% erreichen. Die resultierende Nanoskala-Architektur ist höchst reproduzierbar und kann durch Erwärmung dauerhaft festgelegt werden. Die resultierende Nanoskala-Architektur ist extrem stabil und mechanisch robust.
Um mesoporöse Dünnfilme herzustellen, können Ethoxypolysiloxan-Tenside in nötigen Mengen hinzugefügt werden, um eine anfängliche Tensidkonzentration im Bereich von 0,004 bis 0,23 M zu erreichen, die weit unter der Mizellenbildungskonzentration (cmc) ist, so dass die Startsole Mesoskala-Homogenität haben.
Um selbst zusammenbauende Nanokompositfilme herzustellen, konzentriert eine bevorzugte Ethanolverdampfung das Sol, ein nichtflüchtiges Tensid und die Siloxanarten in Wasser. Indem die Anfangssäurekonzentration gewählt wird, um den konkurrierenden Prozess von Siloxanverdampfung zu verhindern, treibt die sich progressiv erhöhende Tensidkonzentration den Selbstzusammenbau von Polysiloxan-Tensid-Mizellen und ihre weitere Organisation in Flüssigkristallmesophasen voran. Solche Techniken werden zum Beispiel in Lu et al. "Continuous Formation of Supported Cubic and Hexagonal Mesoporous Films by Sol-Gel Dip-Coating" (Kontinuierliche Bildung von gestützten kubischen und hexagonalen mesoporösen Filmen durch Tauchbeschichtung von Sol-Gelen), Nature 389: 364–368 (1997), und Lu et al. "Self-Assembly of Mesoscopically Ordered Chromatic Polydiacetylene Nanocomposites" (Selbstzusammenbau von mesoskopisch geordneten, chromatischen Polydiacetylen-Nanokompositen), Nature 410: 913–917 (2001), welche beide hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Die endgültigen Reaktanten-Molverhältnisse sind 1 TEOS: 22 C₂N₅OH: 5 H₂O: 0,093–0,31 Tensid: 0,039–0,8 Organosilane: 2,6 × 10^–5 organische Derivative. Die stark geordnete Struktur der resultierenden Flüssigkristalliten wird durch Erwärmung dauerhaft festgelegt. Nach Musterabscheidung und Trocknung wird das Tensidtemplat durch Kalzinationen in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur (∼350 °C), die ausreicht, um die Tensidmoleküle zu zersetzen, selektiv entfernt.
2A–2B zeigen Rasterkraftmikrobilder eines Beispiels eines Tensid-templatierten, porösen Films, der unter Verwendung von Techniken des oben beschriebenen Typs hergestellt wurde. Bei diesem bestimmten Beispiel wurde ein poröser SiO₂-Film auf einem F:SnO₂-beschichteten Glassubstrat unter Verwendung einer Solmischung gebildet, die TEOS, Pluronic P123 als ein Tensid, HCl als ein Kondensationsinhibitor, Wasser und Ethanol enthält. Das Sol wurde gefiltert und ein Dünnfilm wurde aus dieser Lösung durch Tauchbeschichtung auf ein Glassubstrat hergestellt. Vor der Tauchbeschichtung wurde das Substrat gereinigt und dann durch Spülen mit Isopropylalkohol (IPA) getrocknet. 2A–2B zeigen Phasenkontrastbilder, die im dynamischen Modus (Tapping Mode) aufgenommen wurden, einer nanostrukturierten SiO₂-Oberfläche mit Merkmalen eines Durchmessers von ungefähr 10 nm. Die Bilder wurden modifiziert, um Geräusche zu reduzieren und Kontraste zu verstärken. Phasenkontrast ist mit Änderungen in den viskoelastischen Eigenschaften verbunden. Zum Beispiel deutet eine kleine Phase, durch die dunkleren Bereiche der Bilder angedeutet, typischerweise das Vorhandensein eines weichen Materials an. Ein relativ großer Phasenwechsel, durch die heller schattierten Bereiche in den Bildern angedeutet, kann mit dem Vorhandensein von mit Luft gefüllten Poren verbunden sein.
Alternativ kann ein mesoporöses Templat für die Nanostrukturen 104 unter Verwendung von zum Beispiel Einschluss und/oder Pfropfen von organischen oder polymeren Molekülen in einem mineralischen Lamellennetzwerk, Synthese durch Elektrokristallisation von hybriden Molekularzusammensetzungen, Imprägnierung von vorgeformten anorganischen Gels, Synthese aus heterofunktionellen metallischen Alkoxiden oder Silsesquioxanen, Synthese von hybriden Molekularzusammensetzungen durch die Verbindung von wohldefinierten, funktionellen Nanobausteinen, templatiertes Wachstum von anorganischen oder hybriden Netzwerken unter Verwendung von organischen Molekülen und Makromolekülen, einschließlich Tenside, Amine, Alkylammonium-Ione oder amphiphile Moleküle als strukturweisende Agenzien, templatiertes Wachstum mit Nanopartikeln gefolgt von dem Entfernen der Nanopartikel, hergestellt werden.
Zusätzlich kann das mesoporöse Templat durch biotechnologischen Selbstzusammenbau hergestellt werden. Ein Beispiel unter anderem von einem biotechnologischem Selbstzusammenbau kann eine ein-, zwei- oder drei-dimensionale Proteinanordnung verwenden, um als ein Gerüsttemplat für die geordnete Abscheidung/Applikation von Metallen, Metalloxiden und /oder halbleitenden Materialien, allein oder in Mischungen, zu dienen, so dass jedes Proteinmolekül typischerweise mit wenigstens einem nanostrukturierten Metall- oder Metalloxidpartikel verbunden wird. Solche Proteinanordnungen können auch als Formen verwendet und dann zerstört werden, zum Beispiel unter Verwendung einer Protease, nachdem eine Metall- oder Metalloxid-Abscheidung stattgefunden hat.
Integration von halbleitenden Nanostrukturen durch elektrochemische Abscheidung:
Mehrere Alternative können ausgeübt werden, um Halbleitermaterialien und/oder andere Nanostrukturen in dem mesoporösen Dünnfilmsubstrat zu synthetisieren oder zu platzieren. Zum Beispiel können die Nanostrukturen unter Verwendung des mesoporösen organischen Templats als eine Beschichtungsform elektrochemisch beschichtet werden. Das mesoporöse Templat selbst kann verwendet werden, um die elektrischen Feldlinien zu modulieren, so dass sie eine selektive Abscheidung von Metall oder einem anderen Material in den Poren erzeugen. Elektrischer Kontakt kann mit dem Anlagensubstrat hergestellt werden, das leitfähige Leitungen in Kontakt mit den aktiven Solarzellenbereichen aufweist. Als ein allgemeines Beispiel sind Techniken für CdSe, CdTe, CdS, TiO₂, ZnO, ZrO₂, CuO elektrochemisches Beschichten in der Literatur wohl bekannt. Eine elektrische Potentialdifferenz wird zwischen einer Elektrode, die in der Beschichtungslösung eingetaucht ist, und dem Substrat, das ebenfalls in der Beschichtungslösung eingetaucht ist, angelegt. Vorteilhafterweise kann eine impulsgesteuerte Beschichtungstechnik verwendet werden, worin die Potentialdifferenz in einer periodischen Art und Weise geändert wird, um die Kristallitgrößen der nanostrukturierten Materialien zuzuschneiden, während sie gezüchtet werden, um Kristallinität zu verbessern, Haftvermögen der Nanostrukturen zu verbessern, Grenzflächen-Haftstellen zu verringern und Materialbelastungen zu verringern.
Als Beispiel und ohne Beschränkung kann ein Metalloxid aus einer Metall-Lactatlösung auf ein leitendes Substrat bei Raumtemperatur elektrochemisch abgeschieden werden. Die Metall-Lactatlösung kann durch Hinzufügen von Metallsulfat (1 eq, 2,25 g) zu einer Lösung, die Milchsäure (2,4 eq, 1,95 g) und 3 ml Wasser enthält, hergestellt werden. Langsam kann dann 5 M Natriumhydroxid (6 ml) zu der Lösung hinzugefügt werden, und der Reaktion kann erlaubt werden, für 2–12 Std. zu schütteln. Nach dieser Zeit kann der pH der Lösung auf 9,0 angepasst werden. Elektrochemische Abscheidung ereignet sich an der Arbeitselektrode durch Aufrechterhalten einer konstanten Spannung von 1,0 V relativ zu einer Pt Bezugselektrode. Spannung oder eine Metallkonzentration kann angepasst werden, um die elektrochemische Abscheidungsgeschwindigkeit zu verändern.
Wie oben dargelegt, können die Nanostrukturen 104 durch elektrochemische Abscheidung von Metallen, leitenden oder halbleitenden Polymeren, Halbleitern oder anderer Materialien in die Poren des mesoporösen Templats gebildet werden. Elektrochemische Abscheidungsverfahren auf Lösungsbasis bieten einen attraktiveren alternativen Ansatz, insbesondere für das Abscheiden von Metallstrukturen, wegen des hohen Steuerungsgrades, der durch das Verändern des Elektrodenpotenzials erreicht werden kann. Bei einer elektrochemischen Abscheidung erlaubt die Steuerung des Stroms Steuerung der Abscheidungsgeschwindigkeit und folglich Steuerung der Morphologie des resultierenden Films. Elektrochemische Abscheidung vermeidet auch den Bedarf nach hohen Temperaturen, hohem Druck oder Vakuum, was die Kosten der resultierenden Strukturen stark reduzieren kann.
3A–3C zeigen eine Reihenfolge von Querschnittsdarstellungen, die eine elektrochemische Abscheidung von Material in die Poren eines mesoporösen Templats darstellen. 3A zeigt einen Querschnitt eines "molekularen Versuchsaufbaus" in der Form eines mesoporösen Templats 302 mit Nanoporen 304. Das mesoporöse Templat 302 kann aus einem Polymermaterial hergestellt werden. Die Nanostrukturen sind im Wesentlichen gleichmäßig ausgerichtet und regelmäßig angeordnet mit einem Trennabstand zwischen benachbarten Nanostrukturen in der Anordnung in der Ordnung von ungefähr 1 bis ungefähr 100 nm, bevorzugterweise ungefähr 1 nm bis ungefähr 25 nm und am bevorzugtesten ungefähr 5 nm bis ungefähr 15 nm.
Wie in 3B gezeigt, wird ein Material 306, wie zum Beispiel Cadmiumselenid (CdSe) in die Nanoporen 304 in dem mesoporösen Templat 302 elektrochemisch abgeschieden. Die lokalisierte elektrochemische Abscheidungsgeschwindigkeit ist proportional zu der lokalisierten Stromdichte. In 3B stellen Stromlinien 307 die lokalisierte Stromdichte dar. Je enger die Stromlinien 307 beabstandet sind, desto größer ist die lokalisierte Stromdichte. Wo der mesoporöse Film 302 tiefe Poren 304 in einer Polymerform beinhaltet, neigt die Stromdichte dazu, nahe der Nanoporen 304 ungleichmäßig zu sein, was zu einer selektiven Abscheidung in die Nanoporen 304 führt. Die selektive Abscheidung füllt die Nanoporen 306 mit dem Material 306, was zu einer Anordnung gefüllter Nanoporen 308, wie in 3C gezeigt, führt.
Die Erfinder haben elektrochemische Abscheidung in einem Experiment verwendet, um die Porenstruktur in einem mesoporösen Templat zu überprüfen. Elektrochemische Abscheidung wurde ausgewählt, um zu überprüfen, dass die Poren tatsächlich kontinuierlich durch das mesoporöse Templat hindurch gingen und mit der vorderen und hinteren Oberfläche in Berührung waren. Relativ einheitliche Abscheidung mit einer Vielzahl von Materialien in Poren wurde mit allen mesoporösen (MP) Oberflächen erreicht. 4A zeigt drei Substrate, die in dem Experiment verwendet wurden. Ein erstes Substrat 401 ist unbeschichtetes fluoriertes Zinnoxid (F : SnO₂). Ein zweites F : SnO₂ Substrat 402, das als eine Kontrolle diente, wurde mit nichtporösem TEOS, das ein Tensid entbehrt, beschichtet. Ein drittes F : SnO₂ Substrat 403 wurde mit einem mesoporösen Templat, das TEOS und Hexadecyltrimethylammonium-Bromid (CTAB) als ein Tensid verwendete, beschichtet. Unmaskierte Teile des zweiten Substrats 402 und des dritten Substrats 403 wurden in ein elektrochemisches Bad gelegt und elektrische Ströme angewandt. Auf dem zweiten Substrat 402 ereignete sich keine Metallabscheidung. Eine Metallabscheidung ereignete sich in den Poren des mesoporösen Templats auf dem dritten Substrat 403, wie durch den dunklen Bereich 404 an der Spitze des dritten Substrats 403 verglichen mit einem porösen Bereich 405 angedeutet, der vor der Abscheidung maskiert wurde. Der Kontrast zwischen dem unmaskierten porösen Bereich 404 und dem maskierten porösen Bereich 405 wird ebenfalls aus der in 4B gezeigten Vergrößerung deutlich, die eine gleichmäßige Abscheidung(sfarbe) quer durch die Oberfläche zeigt.
Alternative Integration von halbleitenden Nanostrukturen in Solarzellenanlagen:
Ein nanoporöses Substrat kann wahlweise als ein Templat für die Templatangetriebene Synthese von CdSe-Nanostrukturen auf Lösungsbasis verwendet werden, die Elektronen annehmend sind und als die aktive Schicht der plastischen Solarzellenanlage dienen. In einem besonderen Beispiel unter anderem sind die Nanostrukturen Säulen, ungefähr 10 nm breit × 200 nm lang. In einem anderen Beispiel können die Nanostrukturen in verschiedenen Größenbereichen vorhanden sein, entweder in einer Schicht oder in mehreren Schichten, so dass eine Sonnenabsorption in verschiedenen Wellenlängenbereichen durch einen "Quantenpunkt"-Größeneffekt verbessert wird.
Ein anderes alternatives Verfahren für eine ausgerichtete Abscheidung der leitenden oder halbleitenden nanostrukturierten Materialien ist ein Tintenstrahl-ähnliches Sprühbeschichtungs- oder Web Coating-Abscheidungsverfahren. Abscheidungsverfahren dieses Typs sind zurzeit kommerziell zur Herstellung von kombinatorischen Anordnungen bioaktiver Zusammensetzungen, sowie unter anderem für elektronische Vorrichtungen, Magnetmedien und fotografischen Film in Verwendung. In der vorliegenden Erfindung kann dieses Verfahren verwendet werden, um einige oder alle der Hauptmaterialien der aktiven Schicht der Solarzellenanlagen abzuscheiden. Vorteilhafterweise können die Nanostrukturen unter Verwendung dieses Verfahrens abgeschieden werden, entweder als eine Mitabscheidung mit den Vorgängern, die verwendet wurden, um das mesoporöse organische Templat zu bilden, oder in einem Schritt im Anschluss an die Bildung des mesoporösen Templats.
Alternativ können die leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien mit der mesoporösen Struktur integriert werden. Solche Materialien beinhalten 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), 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, organometallische Polymere, Polymere, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquaraine und ihre Derivate. Als Beispiel und ohne Beschränkung können mesoporöse Dünnfilme, die zum Beispiel 5 nm Poren enthalten, mit einem leitenden oder halbleitenden Polymer wie beispielsweise P3HT (Poly-3-Hexylthiophen), das eingebettet ist und eine wichtige Komponente des Films maßgeblich umfasst, hergestellt werden. P3HT ist ein optisch transparentes Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Andere Materialien die in die mesoporöse Struktur integriert werden können, beinhalten Pigmente oder Farbstoffe, wie zum Beispiel 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.
Die oben genannte Syntheseansätze für die mesoporösen, leitenden oder halbleitenden, polymerhaltigen Materialien können unter Verwendung von Tauchbeschichtungstechniken oder mit Tintenstrahl-ähnlichen Mitabscheidungstechniken durchgeführt werden, um die nötigen Materialien auf einem geeigneten Substrat zur Herstellung der Solarzellenanlagen dieser Erfindung abzuscheiden.
Integration von Leitern und Einkapselung
Es ist für elektrisch leitfähige (oder halbleitende) Materialien in einer Solarzelle vorteilhaft, in unmittelbarer Nähe der fotoaktiven Materialien vorhanden zu sein, um die fotoelektrisch erzeugten Löcher und Elektronen zu sammeln, bevor sie sich unproduktiv rekombinieren. In einer Ausführungsform der Solarzellenanlagen dieser Erfindung werden leitfähige Schichten über und unter der (den) Schichten) platziert, die die fotoaktiven Materialien enthält (enthalten). In einer anderen Ausführungsform können solche leitfähigen Materialien in einer oder mehr Schichten als Finger über oder eingebettet in der (den) aktiven Schichten) der Solaranlagen vorhanden sein.
Um eine organische Solarzelle herzustellen, ist eine transparente leitende oder halbleitende Schicht erforderlich, um einen Elektronentransport aus der Solarzelle zu erlauben. In einer Ausführungsform wird eine Schicht Indiumzinnoxid (ITO) auf die Anlage abgeschieden. Eine dünne Au-Schicht kann ebenfalls verwendet werden, wenn dünn genug (in der Ordnung von 100 Å in der Dicke) ist das Au hauptsächlich in dem Sonnenspektralbereich transparent. Solche Schichten können auch die Hermitezität der Anlage verbessern, indem sie eine Schicht mit erheblicher Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff bereitstellen.
Die aktive Schicht der Solarzellenanlage kann ohne Einkapselung nicht stabil sein. Um die Anlage zu stabilisieren, kann in einem Beispiel ein 1 mm Tefzel^®-Film auf die Solarzellenanlage mittels Niedertemperatur-Laminierung geklebt werden (Herstellung kann in einer mit Stickstoff gefüllten Handschuhbox erfolgen, um zu vermeiden, dass die Endanlage Sauerstoff oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird). Tefzel^® ist ein Material, das mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse für die aktive Schicht der Solarzelle bereitstellt. Tefzel^® ist eine eingetragene Handelsmarke von E. I. Du Pont de Nemours and Company in Wilmington, Delaware. Ein Schutzfilm, zum Beispiel EVA, kann ebenfalls aufgeklebt werden. EVA hat Anti-UV-Eigenschaften in dem, dass es die Übertragung von Licht unter 390 nm blockieren kann. Eine Gegenelektrode mit 0,3 mm Aluminiumfolie kann dann aufgeklebt werden, um eine elektrische Leitungsbefestigung während der Prüfung der Anlage zu gewährleisten. Verschiedene geeignete leitende Materialien können anstatt der Aluminiumfolie verwendet werden.
Vorteilhafterweise können Solarzellenanlagen im Umfang dieser Erfindung eine Texturierung in einer oder mehr Schichten aufweisen, um interne Reflexionen zu verbessern und somit die Weglänge für eine Absorption der Photonen durch die fotoaktiven Materialien zu erhöhen. Zum Beispiel kann die Texturierung auf der Seite der Solarzellenanlage sein, die der einfallenden Solarenergie am nächsten ist. Alternativ kann die Texturierung auf der Seite der Solarzellenanlage sein, die von der einfallenden Solarenergie am weitesten entfernt ist. Organische oder andere verformbare Schichten der Solarzellenanlage können unter Verwendung eines Prägeprozesses texturiert werden. Alternativ kann ein absichtlich raues Substrat als ein Startmaterial zur Anlagenherstellung verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Substrat, wie zum Beispiel Kapton, eine Folienform aus Polyimid, verwendet werden. Ein solches Substrat kann ferner durch nasschemisches Ätzen oder Plasma-Ätzen behandelt werden, bevor die Herstellung der Anlage beginnt. Des Weiteren kann die Texturierung aus einer absichtlichen Inhomogenität in der Dicke der aktiven Solarzellenanlagenschicht resultieren – zum Beispiel aus unterschiedlichen Höhen der halbleitenden, nanostrukturierten Materialien, oder aus ihrer Inkorporation in verschiedenen Höhen in der Solarzellenanlage.
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
Solarzellen mit Nanoarchitektur/-anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung werden offenbart. Die Solarzellen umfassen ausgerichtete Annordnungen von Nanostrukturen, worin zwei oder mehr verschiedene Materialien regelmäßig angeordnet sind und worin die Anwesenheit von zwei verschiedenen Materialien wechselt. Die zwei oder mehr Materialien haben unterschiedliche Elektronenaffinitäten. Die zwei Materialien können die Form von gematrixten Anordnungen von Nanostrukturen haben. Die Anwesenheit der zwei verschiedenen Materialien kann in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechseln. Eine Ausrichtung kann auf die Anordnung auferlegt werden, zum Beispiel durch Lösungsabscheidungs-Tensidtemplierung oder andere Verfahren.

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.
Solarzellenanlage nach Anspruch 1, worin die Architektur ferner durch ein leitendes oder halbleitendes Polymer gekennzeichnet ist, das in ein mesoporöses Substrat integriert ist, um eine Basismatrix für eine nanostrukturierte Schicht zu bilden.
Solarzellenanlage nach Anspruch 1, worin die Architektur durch ein mesoporöses Templat mit Poren, die leitende oder halbleitende Medien enthalten, gekennzeichnet ist, worin die Poren mit einem leitenden oder halbleitenden Polymermaterial gefüllt sind, die eine unterschiedliche Elektronenaffinität aufweisen als die umliegenden leitenden oder halbleitenden Medien.
Solarzellenanlage nach Anspruch 1, worin die Architektur durch ein mesoporöses Templat mit Poren, die leitende oder halbleitende Polymermedien enthalten, gekennzeichnet ist, worin die Poren mit einem Material gefüllt sind, die eine unterschiedliche Elektronenaffinität aufweisen als die umliegenden leitenden oder halbleitenden Polymermedien.
Solarzellenanlage nach Anspruch 1, worin die zwei oder mehr Materialien unter Verwendung von Nanostrukturen angeordnet sind, die aus der Gruppe gefüllter Poren, Nanolamellen oder gematrixter Nanostrukturen gewählt sind.
Solarzelle nach Anspruch 1, worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 25 nm wechselt.
Solarzelle nach Anspruch 6, worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 15 nm wechselt.
Solarzelle nach Anspruch 6, worin die zwei Materialien C₆₀ und ein leitendes oder halbleitendes Polymermaterial beinhalten.
Solarzelle umfassend eine oder mehr regelmäßig strukturierte Nanoskala-Anordnungen von Nanostrukturen in einer Matrix von leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien, worin die Nanostrukturen eine unterschiedliche Affinität aufweisen als die leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien.
Solarzelle nach Anspruch 9, worin ein Trennabstand zwischen benachbarten Nanostrukturen in der einen oder mehr regelmäßig strukturierten Nanoskala-Anordnungen zwischen ungefähr 1 und ungefähr 100 nm beträgt.
Solarzelle nach Anspruch 10, worin der Trennabstand zwischen benachbarten Nanostrukturen in der einen oder mehr regelmäßig strukturierten Nanoskala-Anordnungen zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 25 nm beträgt.
Solarzelle nach Anspruch 11, worin der Trennabstand zwischen benachbarten Nanostrukturen in der einen oder mehr regelmäßig strukturierten Nanoskala-Anordnungen zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 15 nm beträgt.
Solarzelle nach Anspruch 9, worin die Anordnungen von Nanostrukturanordnung eine Anordnung von Kugeln oder kugeligen Objekten, die in einer regelmäßigen Matrix angeordnet sind, eine Anordnung von ovalen oder gestreckten Objekten, die in einer regelmäßigen Matrix angeordnet sind, oder eine interdigitalisierte Masche eines in einem organischen Material/Polymer eingebetteten Halbleitermetalls beinhalten.
Solarzelle nach Anspruch 9, worin die Matrix eine Stoffverbindung ist, in der zwei oder mehr verschiedene Anordnungen interdigitalisieren.
Solarzelle nach Anspruch 14, worin die zwei oder mehr verschiedene Anordnungen in derselben Schicht interdigitalisieren.
Solarzelle nach Anspruch 9, worin wenigstens eine der Nanoskala-Anordnungen von Nanostrukturen and der Matrix aus leitenden oder halbleitenden Polymermaterialien einen hybriden, mesoporösen Dünnfilm enthalten.
Solarzelle nach Anspruch 16, worin der hybride, mesoporöse Dünnfilm anorganische, organische oder gemischte Moleküle in die Mesophasenstruktur des gebildeten Materials inkorporiert.
Solarzelle nach Anspruch 17, worin der hybride, mesoporöse Dünnfilm Poren mit Durchmessern zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 50 nm enthält.
Solarzelle nach Anspruch 18, worin der mesoporöse Dünnfilm mit einem leitenden oder halbleitenden Polymer hergestellt ist, das in dem Film eingebettet ist.
Solarzelle nach Anspruch 19, worin das leitende oder halbleitende Polymer 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), 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, organometallischen Polymeren, Polymeren, die Peryleneinheiten enthalten, Polysquaraine und ihre Derivate gewählt ist.
Solarzelle nach Anspruch 19, worin das leitende oder halbleitende Polymer P3HT (Poly(3-Hexylthiophen)) ist.
Solarzelle nach Anspruch 18, worin der mesoporöse Dünnfilm mit einem Pigment oder Farbstoff hergestellt ist, das/der in dem Film eingebettet ist.
Solarzelle nach Anspruch 22, worin das Pigment oder der Farbstoff ein Material beinhaltet, das 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.
Solarzelle nach Anspruch 9, worin die Nanostrukturen in einem oder mehr Größenbereichen vorhanden sind.
Solarzelle nach Anspruch 24, worin die Nanostrukturen in einer oder mehr Schichten vorhanden sind.
Solarzelle nach Anspruch 9, worin die Nanostrukturen C₆₀ beinhalten.
Verfahren zur Herstellung von Solarzellen umfassend: das Auferlegen einer Ausrichtung auf einer Anordnung von zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten, so dass die zwei oder mehr Materialien regelmäßig angeordnet sind und die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 100 nm wechselt.
Verfahren nach Anspruch 27, worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 1 nm und ungefähr 25 nm wechselt.
Verfahren nach Anspruch 28, worin die Anwesenheit der zwei oder mehr Materialien in Abständen von zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 15 nm wechselt.
Verfahren nach Anspruch 29, worin die zwei Materialien C₆₀ und ein leitendes oder halbleitendes Polymermaterial beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 27, worin das Auferlegen der Ausrichtung auf der Anordnung Lösungsabscheidung von einem der zwei oder mehr Materialien in eine tensid-templatierte, hochporöse, polymere Formstruktur beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 27, worin das Auferlegen der Ausrichtung auf der Anordnung elektrochemische Abscheidung von einem der zwei oder mehr Materialien in eine Tensid-templatierte, hochporöse, polymere Formstruktur beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 27, worin das Auferlegen der Ausrichtung auf der Anordnung die Verwendung eines externen Ordnungsfelds beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 33, worin das externe Ordnungsfeld ein elektrisches Feld ist.
Verfahren nach Anspruch 27, worin das Auferlegen der Ausrichtung auf der Anordnung das Bilden eines mesoporösen Templats mit einer Anordnung von Poren beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 35, ferner umfassend das Abscheiden von Metallen, leitender oder halbleitender Polymere, Halbleitern oder anderen Materialien in die Poren des mesoporösen Templats.
Verfahren nach Anspruch 36, worin die anderen Materialien ein oder mehr lumineszierende Farbstoffe beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 35, worin das Bilden des mesoporösen Templats das Vorabscheiden einer Schicht von Tensidtemplatierten, hochporösen Dünnfilmen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 38, worin die Schicht von Tensidtemplatierten, hochporösen Dünnfilmen als eine Form für die Abscheidung eines aktiven Solarzellenmaterials wirkt.
Verfahren nach Anspruch 38, worin das Vorabscheiden einer Schicht von Tensid-templatierten, hochporösen Dünnfilmen das Abscheiden eines oder mehr Reaktante durch eine Tintenstrahlähnliche Abscheidung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 38, worin die Tensid-templatierten, hochporösen Dünnfilme einen oder mehr lumineszierende Farbstoffe beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 41, worin die Farbstoffe Photone absorbieren können, die in Wellenlängen zur Umwandlung mit den Solarzellen ungeeignet sind und Energie in Wellenlängen zurückstrahlend für eine effiziente Umwandlung in Sonnenenergie mehr geeignet sind.
Verfahren nach Anspruch 35, worin das Bilden des mesoporösen Templats die Verwendung einer oder mehr Techniken beinhaltet, die aus der folgenden Gruppe gewählt wird/werden. Einschluss und/oder Pfropfen von organischen oder polymeren Molekülen in einem mineralischen Lamellennetzwerk, Synthese durch Elektrokristallisation von hybriden Molekularzusammensetzungen, Imprägnierung von vorgeformten anorganischen Gels, Synthese aus heterofunktionellen metallischen Alkoxide oder Silsesquioxane, Hybridsynthese durch die Verbindung von wohldefinierten, funktionellen Nanobausteinen, templatiertes Wachstum von anorganischen oder hybriden Netzwerken unter Verwendung von organischen Molekülen und Makromolekülen, einschließlich Tenside, Amine, Alkylammoniumlone oder amphiphile Moleküle als strukturweisende Agenzien, und templatiertes Wachstum mit Nanopartikeln gefolgt von dem Entfernen der Nanopartikel, und biotechnologischer Selbstzusammenbau.
Verfahren nach Anspruch 35, worin das Bilden des mesoporösen Templats einen biotechnologischen Selbstzusammenbau beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 44, worin der biotechnologische Selbstzusammenbau die Verwendung einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Proteinanordnung beinhaltet, um als ein Gerüsttemplat für die geordnete Abscheidung/Applikation von Metallen, Metalloxiden und/oder halbleitenden Materialien, allein oder in Mischungen, zu dienen.
Verfahren nach Anspruch 45, worin jedes Proteinmolekül in der ein- , zwei- oder drei-dimensionalen Proteinanordnung an wenigstens einem nanostrukturierten Metall- oder Metalloxid-Partikel angebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 46 ferner umfassend die Vernichtung der Proteinanordnung, nachdem eine Metall- oder Metalloxid-Abscheidung stattgefunden hat.