DE112008003977T5 - Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung und das Herstellungsverfahren davon. Die erfindungsgemäße Solarzelle umfasst eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung mit einer Hetero-Struktur, welche eine Matrix und Halbleiter-Quantenpunkte und einen Halbleiter vom p-Typ und vom n-Typ und Elektroden, die jeweils die Quantenpunkt-Nanodrähte kontaktieren, umfasst. Mit der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die Bandlückenenergie des Halbleiter Quantenpunkts einfach eingestellt werden, indem die Halbleiter-Quantenpunkte, welche unterschiedliche Abmessungen aufweisen, in dem Quantenpunkt-Nanodraht vorhanden sind, so dass die fotoelektrische Konvertierung in einem weiten Spektrum von sichtbaren Strahlen bis zu Infrarotstrahlen durchgeführt werden kann. Der Quantenpunkt ist in der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung einer hohen Dichte eingebettet ist, so dass die Lichtabsorption maximiert werden kann. Der Quantenpunkt-Nanodraht kontaktiert den Halbleiter vom p-Typ und vom n-Typ über einen weiten Bereich hinweg, wodurch die Leitfähigkeit der Elektronen und Löcher verbessert werden kann.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren und insbesondere eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, in welcher Halbleiter-Quantenpunkte innen eingebettet sind, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Seit das Kyoto-Protokoll, welches auf die sich ergebende Kohlendioxyd-Emission (CO2) abzielt, welche wahrscheinlich zur globalen Erwärmung beiträgt, im Dezember 1997 angenommen worden ist, sind aktiv Studien über erneuerbare und saubere alternative Energiequellen, wie beispielsweise Solarenergie, Windkraft und Wasserkraft, entwickelt worden, um eine große Menge des Kohlendioxyds (CO2) zu reduzieren.
  • Eine fotovoltaische Vorrichtung (Solarzelle), welche als saubere alternative Energie in den Blickpunkt gerückt ist, wird als eine Vorrichtung angesehen, um Strom-Spannung mit Hilfe von fotovoltaischen Effekte zu erzeugen, bei welchen ein Halbleiter Licht absorbiert, um Elektronen und Löcher zu erzeugen.
  • Eine n-p-Diode eines anorganischen Halbleitermaterials, wie beispielsweise Silicium oder Galliumarsenid (GaAs), deren Stabilität und Effizienz nachgewiesen worden sind, werden weithin eingesetzt, wobei jedoch hohe Herstellungskosten davon ein Hindernis bezüglich eines umfangreichen Einsatzes einer Solarzelle sind.
  • Obwohl preiswertere Solarzellen unter Verwendung von einer optischen Sensibilisierung unterzogenem Material und organischem/polymerem Material entwickelt worden sind, ist der Marktanteil von diesen mit ungefähr 3% im Vergleich zu auf Silicium basierenden Solarzellen aufgrund einer sehr geringen Effizienz und aufgrund einer geringen Haltbarkeit durch Verschleiß sehr klein.
  • Obwohl die fotovoltaischen Vorrichtungen in der Mehrzahl Einkristall-Silicium und Polikristall-Silicium einsetzen, übersteigen die Kosten des Siliciummaterials und des Wafers, um ein Solarsystem zu konstruieren 40%-der gesamten Konstruktionskosten, weshalb es Anstrengungen gibt, durch strukturelle (morphologische) oder physikalische (Veränderungen des Bandabstands) Ansätze den Umfang des Siliciums zu reduzieren, welches zur Produktion einer Leistungseinheit erforderlich ist, und den Verbrauch von Silicium durch Dünnfilmvorrichtungen zu minimieren.
  • Offenbarung
  • Technisches Problem
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Solarzelle bereitzustellen, welche in der Lage ist, eine fotoelektrische Konvertierung in einem breiten Spektrum vom sichtbaren Licht bis zum Infrarotlicht bereitzustellen, wobei eine Lichtabsorption durch Veränderungen des Bandabstands (”Bandgap Engineering”) eines Materials maximiert wird und wobei eine Leitfähigkeit von Elektronen und Löchern, welche durch das absorbierte Licht erzeugt werden, verbessert wird. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein einfaches und wirtschaftliches Herstellungsverfahren einer hoch effizienten Solarzelle bereitzustellen, welche eine steuerbare Bandlückenenergie und eine Licht absorbierende Schicht aufweist, in welcher eine fotoelektrische Konvertierung stattfindet, und welche einen großen spezifischen Oberflächenbereich aufweist.
  • Technische Lösung
  • Um die vorab genannten Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung bereit, umfassend:
    • a) Herstellen von mehreren Schichten, indem wiederholt Matrix-Schichten, welche aus einem Halbleiter-Nitrid oder einem Halbleiter-Oxid ausgebildet sind, und Halbleiter-Schichten auf einen oberen Teil eines Halbleiter-Substrats, welches mit Fremdstoffen vom p-Typ oder vom n-Typ dotiert ist, geschichtet werden; b) Herstellen einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, welche durch mehrere Quantenpunkt-Nanodrähte hergestellt wird, deren jeweils eines Ende auf dem Halbleiter-Substrat befestigt wird und von anderen beabstandet ist, um vertikal angeordnet zu sein, indem die mehreren Schichten vertikal zu dem Halbleiter-Substrat partiell geätzt werden; und c) Abscheiden eines Halbleiters, welcher im Vergleich zu den Fremdstoffen des Halbleiter-Substrats mit Fremdstoffen des jeweils anderen Typs dotiert ist, auf dem oberen Teil des Halbleiter-Substrats, welcher mit der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausgebildet ist, und Füllen zumindest von leeren Stellen zwischen den anderen Enden der Quantenpunkt-Nanodrähte und dem Halbleiter-Substrat mit dem Halbleiter, welcher mit den Fremdstoffen des jeweils anderen Typs dotiert ist und d) Ausbilden einer unteren Elektrode auf einem unteren Teil des Halbleiter-Substrats und Ausbilden einer oberen Elektrode auf einer Oberfläche des oberen Teils, welcher mit der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausgebildet ist, und einer Oberfläche des Halbleiters, welcher mit Fremdstoffen des jeweils anderen Typs dotiert ist, oder auf einem oberen Teil einer Oberfläche des Halbleiters, welcher mit Fremdstoffen des anderen Typs dotiert ist, so dass die obere Elektrode mit der unteren Elektrode korrespondiert.
  • Das Herstellungsverfahren für eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung umfasst insbesondere: a) Herstellen eines mehrschichtigen Films mit wechselweise Siliciumnitrid-(oder Siliciumoxid-)Schichten und Halbleiterschichten auf einem Halbleiter-Substrat, welches mit Fremdstoffen vom p-Typ oder vom n-Typ dotiert ist; b) Herstellen einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, wobei jeweils ein Ende davon auf dem Halbleiter-Substrat befestigt und von den jeweils anderen beabstandet ist, um vertikal angeordnet zu sein, indem die mehrfach geschichten Schichten vertikal zu dem Halbleiter-Substrat partiell geätzt werden; und c) Füllen der leeren Stellen zwischen den anderen Enden der Quantenpunkt Nanodrähte und dem Halbleiter-Substrat mit dem Halbleiter, welcher mit Fremdstoffen des anderen Typs dotiert ist; und d) Ausbilden einer unteren Elektrode auf einem unteren Teil des Halbleiter-Substrats und Ausbilden einer oberen Elektrode auf einer Oberfläche des oberen Teils, welcher mit der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausgebildet ist.
  • Die mehreren Schichten des Schritts a) können durch einen Abscheidungsprozess unter Verwendung von PVD oder CVD hergestellt werden, wobei die Halbleiter-Schicht und die Matrix-Schicht, welche die mehreren Schichten ausbilden, eine Dicke von weniger als 10 nm unabhängig voneinander aufweisen können, wobei die mehreren Halbleiter-Schichten, welche die mehreren Schichten ausbilden, unterschiedliche Dicken aufweisen können, und wobei die Dicke der jeweiligen Halbleiter-Schichten unabhängig voneinander kleiner als 10 nm sein können.
  • Der Schritt b) kann umfassen: b1-1) Abscheiden von Ag, Au oder eines Katalysator-Metalls, welches ein Übergangsmetall ist, auf dem oberen Teil der mehreren Schichten in einer maschenartigen Weise; und b1-2) Durchführen eines Nassätzens unter Verwendung einer gemischten wässrigen Lösung, welche Fluorwasserstoffsäure und wässriges Wasserstoffperoxid enthält.
  • Der Schritt b) kann darüber hinaus umfassen: b2-1) Ausbilden einer Anordnung von kreisförmigen Metall-Nanopunkten auf dem oberen Teil der Schichten mit den Quantenpunkten; und
    b2-2) Durchführen eines reaktiven Ionenätzens (RIE) mittels der Metall-Nanopunkte als Maske.
  • Dabei wird eine zusammengesetzte Nanodraht-Form, bei welcher die scheibenförmige Nano-Matrix und die scheibenförmigen Nano-Halbleiter der Reihe nach wiederholt gekoppelt sind, durch das Ätzen (das Nassätzen oder das reaktive Ionenätzen) des Schritts b) hergestellt, und die Oberfläche des scheibenförmigen Nano-Halbleiters wird während oder nach dem Ätz-Prozess natürlich oxidiert.
  • Quantenpunkt-Nanodrähte, deren Halbleiter-Quantenpunkte in der Matrix eingebettet sind, werden durch das Ätzen des Schritts b) hergestellt, wobei die Größe der Halbleiter-Quantenpunkte durch die Dicke der jeweiligen Halbleiter-Schichten, welche die mehreren Schichten ausbilden, eingestellt wird, und wobei eine Wellenlänge des absorbierten Lichts mittels der Art der Matrix, der Größe der Halbleiter-Quantenpunkte, welche den Quantenpunkt-Nanodraht ausbilden, oder einer Kombination davon eingestellt wird.
  • Der Schritt c) kann das Abscheiden unter Verwendung einer CVD oder einer PVD umfassen.
  • Das Halbleiter-Substrat kann ein Silicium-Substrat vom p-Typ (oder vom n-Typ) sein, wobei der Halbleiter, welcher mit Fremdstoffen des jeweils anderen Typs dotiert ist, Silicium vom n-Typ (oder vom p-Typ) ist, wobei die Matrix Siliciumoxid oder Siliciumnitrid ist, und wobei die Halbleiter-Schichten der mehreren Schichten aus Silicium sind.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung bereit, welche mittels des vorab beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt wird und welche umfasst:
    eine untere Elektrode; eine erste Halbleiter-Schicht, welche auf dem oberen Teil der unteren Elektrode ausgebildet ist und mit Fremdstoffen vom n-Typ (oder p-Typ) dotiert ist; eine zweite Halbleiter-Schicht, welche über der ersten Halbleiter-Schicht ausgebildet ist und mit Fremdstoffen des bezüglich der ersten Halbleiter-Schicht anderen Typs dotiert ist; eine obere Elektrode, welche auf einem oberen Teil der Halbleiter-Schicht ausgebildet ist; und eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, welche aus mehreren Quantenpunkt-Nanodrähten besteht, die vertikal und beabstandet voneinander in der zweiten Halbleiter-Schicht angeordnet sind, wobei die Quantenpunkt-Nanodrähte, welche die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausbilden und mit jeweils einem Ende die erste Halbleiter-Schicht kontaktieren, eine Matrix und zumindest einen Halbleiter-Quantenpunkt, welcher von der Matrix umgeben wird, umfassen.
  • Dabei sind die anderen Enden der Quantenpunkt-Nanodrähte auf der Oberfläche der zweiten Halbleiter-Schicht vorhanden, so dass die anderen Enden die obere Elektrode kontaktieren können, oder die anderen Enden der Quantenpunkt-Nanodrähte sind in der zweiten Halbleiter-Schicht vorhanden, so dass die Quantenpunkt-Nanodrähte in der zweiten Halbleiter-Schicht eingebettet sein können.
  • Die erste Halbleiter-Schicht und die zweite Halbleiter-Schicht können dieselbe Halbleiter-Substanz aufweisen, welche mit Fremdstoffen eines unterschiedlichen Typs (p-Typ oder n-Typ) dotiert sind, und die Matrix kann ein Halbleiternitrid, ein Halbleiteroxid oder eine Mischung davon sein. Vorzugsweise können das Halbleiternitrid oder der Halbleiter auch die Halbleiter-Substanzen sein, welche die erste Halbleiter-Schicht und die zweite Halbleiter-Schicht ausbilden.
  • Der Quantenpunkt-Nanodraht, welcher die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausbildet, weist zwei oder mehr Halbleiter-Quantenpunkte auf, welche vertikal bezüglich der Quantenpunkt-Nanodrähte angeordnet sind, und die Halbleiter-Quantenpunkte, welche in den Quantenpunkt-Nanodrähten vorhanden sind, können derart hergestellt werden, dass sie dieselbe oder unterschiedliche Größen aufweisen.
  • Die Quantenpunkt-Nanodrähte können aus Halbleiter-Quantenpunkten mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm bestehen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die Wellenlänge des absorbierten Lichts über die Art der Matrix, die Größe der Halbleiter-Quantenpunkte oder durch eine Kombination davon gesteuert werden.
  • Die erste Halbleiter-Schicht ist eine Siliciumschicht, die zweite Halbleiter-Schicht ist eine Siliciumschicht, die Matrix ist aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder einer Mischung davon, und der Halbleiter-Quantenpunkt ist ein Silicium-Quantenpunkt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle umfasst eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung mit einer Heterostruktur, welche eine Matrix und Halbleiter-Quantenpunkte aufweist, und Halbleiter vom p-Typ und n-Typ und Elektroden, welche jeweils die Quantenpunkt-Nanodrähte kontaktieren. Mit der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die Bandlückenenergie des Halbleiter-Quantenpunkts einfach eingestellt werden, wobei die Halbleiter-Quantenpunkte mit unterschiedlichen Größen in dem Quantenpunkt-Nanodraht vorhanden sind, so dass die fotoelektrische Konvertierung in einem weiten Spektrum von sichtbaren Strahlen bis zu Infrarotstrahlen stattfinden kann, wobei die Quantenpunkte in der hochdichten Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung eingebettet sind, so dass die Lichtabsorption maximiert werden kann, und wobei der Quantenpunkt-Nanodraht den Halbleiter vom p-Typ und n-Typ über einen großen Bereich kontaktiert, wodurch die Leitfähigkeit von Elektronen und Löcher verbessert werden kann. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahrens bildet einen geschichteten dünnen Film, in welchem Matrix-Schichten und Halbleiter-Schichten mit einer Dicke von einigen Nanometern ausgebildet werden und dann der geschichtete dünne Film geätzt wird, wodurch eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, welche mit Halbleiter-Quantenpunkten ausgebildet ist, hergestellt wird.
  • Daher kann durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren durch einen einfachen und wirtschaftlichen Prozess eine Solarzelle mit einer hohen Effizienz hergestellt werden, wobei die Wellenlänge des absorbierten Lichts einfach gesteuert werden kann, indem die Dicke der Halbleiter-Schicht des mehrschichtigen dünnen Films, die Art der Matrix und der kontrahierte Durchmesser des Quantenpunkt-Nanodrahts, usw. gesteuert bzw. eingestellt werden. Darüber hinaus kann ein Elektronen/Loch-Paar erzeugt werden, indem Licht in einem großen Spektralbereich von Infrarotstrahler bis zu sichtbaren Strahlen absorbiert wird.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Durch die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren werden die vorab beschriebenen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
  • 1 ist eine beispielhafte Darstellung eines Prozesses, wobei ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren einer Solarzelle gezeigt wird.
  • 2 ist eine beispielhafte Darstellung eines Prozesses, wobei eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Solarzelle hergestellt wird.
  • 3 ist eine weitere beispielhafte Darstellung eines Prozesses, wobei eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Solarzelle hergestellt wird.
  • 4 ist eine beispielhafte Darstellung eines Prozesses, wobei in einem Schritt eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Solarzelle durch RIE eine Ungleichmäßigkeit ausgebildet wird.
  • 5 ist eine weitere beispielhafte Darstellung eines Prozesses, wobei eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Solarzelle hergestellt wird.
  • 6 stellt beispielhaft eine Struktur einer erfindungsgemäßen Solarzelle dar.
  • Bezugszeichenliste
    • 110
    Halbleiter vom p-Typ
    120
    mehrere Schichten
    121
    Matrix-Schicht
    120'
    mehrere Schichten mit ungleichmäßiger Oberfläche
    130
    Quantenpunkt-Nanodraht
    132
    Halbleiter-Quantenpunkt
    151, 152
    Elektroden
    200
    maschenförmiges Metall
    300
    nanoporöses anodisches Aluminiumoxid
    122
    Halbleiter-Schicht
    131
    Matrix
    140
    Halbleiter vom n-Typ
    210
    kreisförmiger Metallpunkt
  • Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden eine erfindungsgemäße Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen im Detail mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Die vorhandenen Figuren sind bereitgestellt, damit ein Fachmann die vorliegende Erfindung vollständig verstehen kann. Dazu sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden kann und nicht auf die hier dargelegten Ausführungsformen eingeschränkt sein soll. Ähnliche Bezugszeichen bezeichnen durchweg ähnliche Elemente.
  • Wenn bezüglich technischen und wissenschaftlichen Begriffen, welche hier eingesetzt werden, keine speziellen Definitionen vorhanden sind, beschreiben diese Begriffe das, was im Allgemeinen vom Fachmann, auf welchen sich die vorliegende Erfindung bezieht, darunter verstanden wird. Wenn bei der folgenden Beschreibung und bei den beigefügten Figuren anzunehmen ist, dass die genaue Erläuterung von entsprechenden gut bekannten Funktionen oder Aufbauten das Verstehen der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung erschwert, wird auf diese genaue Erläuterung verzichtet.
  • 1 stellt beispielhaft einen Prozess dar, wobei ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für eine Solarzelle gezeigt ist. Mit Bezug zu 1 werden mehrere Schichten 120 auf einem oberen Teil einer Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ hergestellt, indem abwechselnd ein dünner Matrix-Film (eine Matrix-Schicht, 121) und ein dünner Halbleiter-Film (eine Halbleiter-Schicht, 122) mittels eines Abscheidungsprozesses aufgetragen werden. Anschließend wird mit einem von oben nach unten arbeitenden Verfahren bzw. Top-Down-Verfahren eine Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130 hergestellt, wobei die hergestellten mehreren Schichten 120 teilweise in einer Richtung vertikal zu einer Oberfläche der Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ partiell geätzt werden.
  • Bei der Abscheidung liegt die Dicke des dünnen Matrix-Films 121 bzw. des dünnen Halbleiter-Films 122 vorzugsweise in einer Größenordnung von Nanometern, wobei die Dicke des dünnen Matrix-Films und des dünnen Halbleiter-Films 122, unabhängig voneinander, insbesondere kleiner als 10 nm ist.
  • Der dünne Matrix-Film 121 wird aus einem Halbleiter-Oxid, einem Halbleiter-Nitrid oder einem Gemisch davon ausgebildet. Die mehreren dünnen Matrix-Filme 121, welche die mehreren Schichten ausbilden, können aus unterschiedlichen Substanzen (Halbleiter-Oxid, Halbleiter-Nitrid oder einem Gemisch aus Halbleiter-Oxid und Halbleiter-Nitrid) ausgebildet sein und jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen.
  • Der erfindungsgemäße Quantenpunkt-Nanodraht 130 wird hergestellt, indem die mehreren Schichten 120 partiell geätzt werden, so dass eine kristalline oder amorphe Matrix 131 und ein kristalliner oder amorpher Halbleiter 132, welche die mehreren Schichten 120 ausbilden, mit einer Hetero-Schnittstelle miteinander vermischt werden, und weist eine Struktur auf, so dass der kristalline oder amorphe Halbleiter 132 in dem Nanodraht in Form eines Quantenpunktes eingebettet ist.
  • Das bedeutet, dass während oder nach dem Ätzprozess zur Herstellung der Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130 eine Oberfläche eines nativen Oxids des Halbleiters 132, welche durch das Ätzen an der Oberfläche frei liegt, dafür sorgt, dass der Halbleiter, welcher die Quantenpunkt-Nanodrähte 130 ausbildet, in Form eines Quantenpunktes in dem Nanodraht eingebettet ist.
  • Wie vorab beschrieben ist, ist die erfindungsgemäße Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130 mit einem Top-Down-Verfahren hergestellt wird, indem die mehreren Schichten 120 teilweise geätzt werden, was im Gegensatz zu einem von unten nach oben arbeitenden Verfahren steht, wie beispielsweise ein VLS-Wachstumsprozess unter Verwendung von Edelmetall-Katalysatoren. Dementsprechend kann der Quantenpunkt-Nanodraht 130 in einer Richtung senkrecht zu der Halbleiterschicht vom p-Typ unabhängig von Substanzen, Kristallinität, Kristallisationsrichtung einer Oberfläche usw. der Halbleiter-Schicht vom p-Typ, an welcher die Nanodrähte angebracht sind, ausgebildet werden, so dass mehrere Quantenpunkt-Nanodrähte 130 gleichmäßig mit einer hohen Dichte angeordnet werden können.
  • Der Quantenpunkt-Nanodraht 130 wird durch teilweises Ätzen der mehreren Schichten 120 hergestellt, so dass der Quantenpunkt-Nanodraht 130 eine Struktur aufweist, wobei zwei oder mehrere eingebettete Quantenpunkte 132 vertikal zu der Hauptachse des Nanodrahts angeordnet sind.
  • Obwohl Halbleiter-Filme 122, welche dieselbe Dicke aufweisen, in 1 dargestellt sind, kann die Größe der Quantenpunkte 132, welche in einer Hauptachsenrichtung des Quantenpunkt-Nanodrahts 130 angeordnet sind, dadurch unterschiedlich eingestellt werden, dass die Dicke der Halbleiter-Filme 122, welche die mehreren Schichten 120 ausbilden, unterschiedlich gewählt wird.
  • Genauer gesagt werden der Quantenpunkt-Nanodraht 130 und die Anordnung davon mit einem Top-Down-Verfahren hergestellt, wobei ein Ätzprozess eingesetzt wird, so dass die Länge der Hauptachse des Quantenpunkt-Nanodrahts 130 eingestellt werden kann, indem die Dicke und die Anzahl von Wiederholungen eines Auftragen des jeweiligen dünnen Matrix-Films 121 und des dünnen Halbleiter-Films 122, welche die mehreren Schichten 120 ausbilden, gewählt wird, wobei die Anzahl der Halbleiter-Quantenpunkte 132, welche in dem Quantenpunkt-Nanodraht 130 eingebettet sind, eingestellt werden kann, indem die Anzahl der Filme des dünnen Halbleiter-Films 922, welcher die mehreren Schichten 120 bildet, gewählt wird. Die Größe des Halbleiter-Quantenpunkts 132 kann eingestellt werden, indem die Dicke des dünnen Halbleiter-Films 122, welcher die mehreren Schichten 120 bildet, entsprechend gewählt wird.
  • Auch die Position des Halbleiter-Quantenpunkts 132 innerhalb des Quantenpunkt-Nanodrahts 130 kann eingestellt werden, indem die Position des dünnen Halbleiter-Films 122 innerhalb der mehreren Schichten 120 entsprechend gewählt wird.
  • Auch die Hauptachse des Quantenpunkt-Nanodrahts, welcher durch Ätzen der mehreren Schichten 120 hergestellt wird, kann vorzugsweise derart hergestellt werden, dass sie eine Länge von einigen Nanometer bis zu einigen hundert Nanometer aufweist, indem die mehreren Schichten 120 derart hergestellt werden, dass sie die Dicke von mehreren Nanometer bis zu mehreren hundert Nanometern aufweisen.
  • Um den Quantenpunkt-Nanodraht derart herzustellen, dass er einen kontrahierten Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Nanometer bis mehreren zig (mehreren 10) Nanometer aufweist und damit die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung eine hohe Dichte aufweist, wird als partielles Ätzen vorzugsweise ein durch Metall unterstütztes chemisches Ätzen, wobei Metall als Katalysator eingesetzt wird, oder ein reaktives Ionenätzen (RIE (”Reactive Ion Etching”)) eingesetzt.
  • 1 zeigt ein Herstellungsverfahren, welches mit dem Metall unterstützten chemischen Ätzen arbeitet. Die mehreren Schichten 120 werden hergestellt, indem wiederholt der dünne Matrix-Film 121 und der dünne Halbleiter-Film 122 aufgetragen werden, so dass die Schichtdicke davon in der Größenordnung von Nanometern liegt. Dann wird ein Katalysator-Metall, Ag, Au oder ein Übergangsmetall, maschenartig auf einen oberen Teil der mehreren Schichten 120 aufgetragen. Der kontrahierte Durchmesser des herzustellenden Quantenpunkt-Nanodrahts 130 wird abhängig von der Größe eines leeren Hohlraumes des maschenartig oder siebartig aufgetragenen Katalysator-Metalls 200 bestimmt. Vorzugsweise ist die Form des Katalysator-Metalls derart maschenartig, dass kreisförmige Hohlräume mit einem Durchmesser in der Größenordnung von mehreren bis mehreren zig Nanometern gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind.
  • Nachdem das maschenförmige Katalysator-Metall 200, welches beim Ätzen eine Katalyse bewirkt, ausgebildet ist, wird die Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130 hergestellt, wobei jeweils ein Ende der Drähte an der Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ kontaktiert/befestigt ist und wobei die Nanodrähte gleichmäßig und dicht in einer gleichmäßigen Größe hergestellt werden.
  • Anschließend wird ein Halbleiter vom n-Typ, welcher mit Fremdstoffen vom jeweils anderen Typ dotiert ist, auf der Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ aufgetragen.
  • Bei diesem Auftragen werden alle leeren Stellen, welche durch das partielle Ätzen der mehreren Schichten 120 auf dem oberen Teil der Halbleiter-Schicht vom p-Typ ausgebildet sind, mit einem Halbleiter 140 vom n-Typ gefüllt, wobei vorzugsweise die Anordnung der Quantenpunkt-Nanodrähte 130 vollständig damit überdeckt wird, so dass sie so abgedeckt werden, so dass der Halbleiter 140 vom n-Typ nur auf der Oberfläche verbleibt.
  • Dadurch wird die externe Gewinnungseffizienz verbessert, indem durch die Halbleiter-Quantenpunkte 130 Elektronen-Löcher erzeugt werden können, so dass diese gleichmäßig isoliert sind und durch das absorbierte Licht bewegt werden.
  • Anschließend werden Elektroden auf dem unteren Teil der Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ bzw. auf der Oberfläche des Halbleiters 140 vom n-Typ ausgebildet, wodurch eine erfindungsgemäße Solarzelle hergestellt, wird.
  • 2 ist eine Draufsicht, welche einen Schritt mit dem maschenförmigen Katalysator-Metall und einen Ätzschritt bei dem in 1 dargestellten Herstellungsverfahren zeigt. Nachdem das maschenförmige Katalysator-Metall 200, in welchem kreisförmige Hohlräume, welche einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Nanometer bis zu mehreren zig Nanometer aufweisen, gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind, auf dem oberen Teil einer Matrix-Schicht 121 ausgebildet ist, welche auf dem obersten Teil der mehreren Schichten 120 ausgebildet ist, wird ein chemisches Nassätzen unter Verwendung des Metalls 200 als Katalysator durchgeführt, um eine Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten mit einer gleichmäßigen dichten Struktur herzustellen, wobei diese vertikal zu der Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ angeordnet sind.
  • In 3 wird der Prozess im Querschnitt dargestellt, wobei ein Schritt zur Herstellung der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung genauer dargestellt wird, wobei ein chemisches Ätzen unter Verwendung eines Katalysator-Metalls bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren durchgeführt wird. 3 zeigt eine Ausführungsform, wobei die dünnen Halbleiter-Filme 121 derart aufgetragen werden, dass sie eine unterschiedliche Dicke aufweisen, um Quantenpunkt-Nanodrähte herzustellen, bei welchen mehrere Größen von Halbleiter-Quantenpunkten in einer vertikalen Richtung des Nanodrahts eingebettet angeordnet sind.
  • Um den Quantenpunkt-Nanodraht mit einer hohen Dichte herzustellen, so dass er einen sehr speziellen Oberflächenbereich aufweist, und um den kontrahierten Durchmesser des Quantenpunkt-Nanodrahts 130 in der Größenordnung von mehreren Nanometer bis mehreren zig Nanometer herzustellen, wird das maschenförmige Katalysator-Metall 200 vorzugsweise unter Verwendung eines nanoporösen anodischen Aluminiumoxids (AAO) 300 als Maske hergestellt.
  • Das nanoporöse anodische Aluminiumoxid, welches ein anodisches Aluminiumoxid ist, das mit durchdringenden Poren ausgebildet ist, kann hergestellt werden, indem Aluminium elektrochemisch behandelt wird, wobei Schwefelsäure, Oxalsäure oder Phosphorsäure als Elektrolyt eingesetzt wird. Ein genaues Herstellungsverfahren des nanoporösen anodischen Aluminiumoxids ist in der Arbeit des vorliegenden Anmelders (W. Lee und andere, Nature Nanotech. 3, 402 (2008)) offenbart und wird hier als Referenz aufgenommen.
  • Speziell wird, wie es in 3 und 4 dargestellt ist, eine Oberflächenunebenheit auf der Oberfläche der mehreren Schichten 120 ausgebildet, indem das partielle reaktive Ionenätzen (RIE) auf den mehreren Schichten 120 unter Verwendung des nanoporösen anodischen Aluminiumoxids 300 als Maske durchgeführt wird.
  • Daher werden die mehreren Schichten 120 auf eine vorbestimmte Tiefe (geätzt in 4) in eine Form des Porenabschnitts (Poren in 4) des nanoporösen anodischen Aluminiumoxids geätzt, wodurch die Oberflächenunebenheit ausgebildet wird.
  • Anschließend wird das Katalysator-Metall auf den oberen Teil der mehreren Schichten 120', auf welchem die Oberflächenunebenheit ausgebildet ist, aufgetragen. Bei diesem Auftragen wird das Katalysator-Metall selektiv auf einen konvexen Bereich (einen Bereich, welcher nicht durch RIE geätzt ist) durch einen Oberflächenbehandlungsschritt der mehreren Schichten 120' aufgetragen, wodurch das maschenförmige Metall 200 hergestellt wird, bei welchem Hohlräume eine ähnliche Größe und Anordnung wie das nanoporöse anodische Aluminiumoxid aufweisen.
  • Das Metall 200, welches bei dem chemischen Ätzen als Katalysator fungiert, ist vorzugsweise Ag, Au oder ein Katalysator-Metall, welches ein Übergangsmetall ist, wobei das Übergangsmetall vorzugsweise Fe oder Ni ist.
  • Bei dem Nassätzen, bei welchem der Metall-Katalysator eingesetzt wird, ist die Ätzlösung vorzugsweise eine gemischte wässrige Lösung, welche mit Fluorwasserstoffsäure oder wässrigem Wasserstoffperoxid gemischt ist.
  • Vorzugsweise ist die Ätzlösung eine gemischte Lösung, wobei das Volumenverhältnis von Fluorwasserstoffsäure:wässrigem Wasserstoffperoxid:Wasser 1:0,3 0,7:3~4 beträgt. Dies sind die Substanzen und die Verhältnisse, welche den dünnen Halbleiter-Film 122 und den dünnen Matrix-Film 121, welche die mehreren Schichten 120 ausbilden, unter dem Metall-Katalysator effektiv ätzen können und die Bedingung zur Herstellung des Quantenpunkt-Nanodrahts 130, welcher unabhängig von der Länge davon eine ebene Oberfläche aufweist, erfüllen.
  • Wenn das Nassätzen durchgeführt wird, wird die Form des Quantenpunkt-Nanodrahts hergestellt, in welcher eine nanoscheibenförmige Matrix und ein nanoscheibenförmiger Halbleiter aufeinanderfolgend wiederholt gekoppelt sind, wobei die Oberfläche des nanoscheibenförmigen Halbleiters mit dem Sauerstoff (wässrigem Wasserstoffperoxid, Wasser), welcher in der Ätzlösung enthalten ist, reagiert, so dass die Oberfläche davon natürlich oxidiert. Dadurch wird die Oberfläche des Halbleiters, welcher sich in einer Nanoscheibenform befand, durch die Ätzlösung natürlich oxidiert, wodurch folglich eine Struktur entsteht, bei welcher der Halbleiter in Form eines Quantenpunkts in dem Quantenpunkt-Nanodraht eingebettet ist.
  • Durch das chemische Ätzen unter Verwendung des maschenförmigen Metalls 200 und des Metall-Katalysators, wobei das nanoporöse anodische Aluminiumoxid (AAO) eingesetzt wird, kann der kontrahierte Durchmesser des Quantenpunkt-Nanodrahts derart hergestellt werden, dass ein sehr feiner Nanodraht von 5 nm bis 25 nm mit einer hohen Dichte von 2 × 1010 bis 3 × 1010/cm2 ausgebildet wird (siehe die Arbeit des vorliegenden Anmelders Nano Lett. 8, 3046–3051, 2008).
  • 5 zeigt einen Prozess im Querschnitt, wobei ein Schritt einer Herstellung einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung dargestellt ist, indem ein reaktives Ionenätzen bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren durchgeführt wird.
  • Nachdem die mehreren Schichten 120 durch einen Abscheidungsprozess ausgebildet worden sind, kann die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung mittels des chemischen Nassätzens unter Verwendung des vorab erwähnten Metall-Katalysators hergestellt werden, und die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung kann hergestellt werden, indem das nanoporöse anodische Aluminiumoxid (AAO) und das reaktive Ionenätzen (RIE) eingesetzt werden, wie es in 5 dargestellt ist.
  • Wie in 5 dargestellt ist, wird Metall auf dem oberen Teil der mehreren Schichten 120 aufgetragen, wobei das nanoporöse anodische Aluminiumoxid (AAO) 300 als Maske eingesetzt wird. Dabei wird das Metall auf den oberen Teil der mehreren Schichten 120 aufgetragen, wobei es von der Größe und der Anordnung Ähnlichkeiten mit der Porenform des nanoporösen anodischen Aluminiumoxids aufweist. Die Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130 wird hergestellt, indem ein reaktives Ionenätzen (RIE) vertikal auf der Halbleiter-Schicht 110 vom p-Typ durchgeführt wird, wobei ein kreisförmiger Metall-Punkt (ein kreisförmiges scheibenförmiges Metall in Nano-Größe) 210, welcher durch den Metallabscheidungsprozess als eine Maske hergestellt ist, verwendet wird.
  • Wenn die Oberfläche des Halbleiters, nachdem das reaktive Ionenätzen durchgeführt worden ist, der Luft ausgesetzt ist, wird diese durch Sauerstoff natürlich oxidiert, wodurch eine Form des Halbleiter-Quantenpunkts entsteht, wobei der Halbleiter auf dieselbe Weise wie bei dem chemischen Nassätzen in den Quantenpunkt-Nanodraht 130 eingebettet wird.
  • Mit dem in 5 dargestellten Verfahren können trotz einer im Vergleich zu dem chemischen Nassätzen langen Prozessdauer feine Nanodrähte mit der Dicke von mehreren Nanometern mit einer hohen Dichte hergestellt werden. Bei dem RIE-Verfahren wird vorzugsweise ein SF6/O2-Plasma (40 sccm, 10 mTorr und 200 W) eingesetzt, wobei ein Vorteil darin besteht, dass die Länge des Quantenpunkt-Nanodrahts durch die Wahl der Zeitdauer des RIE eingestellt werden kann.
  • Das Folgende kann durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, welches mit Bezug zu den 1 bis 5 beschrieben ist, erreicht werden.
  • Nachdem die Matrix-Schicht und die Halbleiter-Schicht, welche eine Dicke von mehreren Nanometern aufweisen, aufeinanderfolgend auf den oberen Teil des Halbleiters vom p-Typ oder des Halbleiters vorn n-Typ von p-n-Grenzflächen der optischen Vorrichtung aufgebracht worden sind, wird eine feine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung mit einer hohen Dichte in einem Top-Down-Verfahren durch ein chemisches Nassätzen unter Verwendung von nanoporösem anodischen Aluminiumoxid oder dem Katalysator-Metall oder durch ein trockenes Ätzen unter Verwendung von nanoporösem anodischen Aluminiumoxid oder durch ein reaktives Ionenätzen hergestellt.
  • Die Oberfläche des Halbleiters, welcher den Quantenpunkt-Nanodraht ausbildet, wird natürlich oxidiert, indem er während des Ätzens dem Ätzmittel oder einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird, nachdem das Ätzen abgeschlossen ist, wodurch eine Struktur ausgebildet wird, welche in Form eines Halbleiter-Quantenpunkts in dem Quantenpunkt-Nanodraht eingebettet ist.
  • Der Leerraum zwischen Quantenpunkt-Nanodrähten, welche durch Ätzen erzeugt worden sind, wird durch Halbleiter-Substanzen, welche jeweils mit Fremdstoffen des anderen Typs dotiert sind, aufgefüllt, um die p-n-Grenzfläche auszubilden, welche eine hohe Beweglichkeit für Elektronen/Löcher aufweist.
  • Die Dicke des dünnen Halbleiter-Films und die Art der Substanzen des dünnen Matrix-Films werden während des Auftragungsprozesses der mehreren Schichten gesteuert, um schließlich die Bandlückenenergie der Halbleiter-Quantenpunkte innerhalb des Quantenpunkt-Nanodrahts einzustellen.
  • Die dünnen Halbleiter-Filme, welche eine unterschiedliche Dicke aufweisen, werden abwechselnd mit den dünnen Matrix-Filmen während des Auftragungsprozesses der mehreren Schichten aufgetragen, um verschiedene Bereiche einer Bandlückenenergie auszubilden. Dadurch ist es möglich, Licht in einem großen Wellenlängenbereich von Infrarotstrahlen bis zu sichtbaren Strahlen zu absorbieren.
  • Die mehreren Schichten können durch einen allgemeinen Halbleiter-Auftragungs-Prozess unter Verwendung von PVD oder von CVD aufgetragen werden. Das Auftragen des Halbleiter-Materials, welches mit Fremdstoffen des jeweils anderen Typs dotiert ist, kann durch einen allgemeinen Halbleiter-Prozess unter Verwendung von PVD oder CVD, wobei das Auftragen unter Verwendung von CVD vorgezogen wird, erfolgen.
  • Die Elektroden 151 und 152 werden unter Verwendung eines allgemeinen Druckverfahrens, wie beispielsweise Siebdruck unter Verwendung einer leitfähigen Metallpaste und einem Schablonendruck oder einem Auftragungssverfahren unter Verwendung von PVD/CVD, hergestellt.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann leicht die Wellenlänge des absorbierten Lichts (Bandabstand des Halbleiter-Quantenpunkts) über die Art der Matrix, die Größe der Halbleiter-Quantenpunkte, welche den Quantenpunkt-Nanodraht ausbilden, oder eine Kombination davon einstellen. Darüber hinaus kann einfach und rasch eine fotoaktive Schicht mit einer Nanostruktur mit kleinsten Abmessungen mittels eines Top-Down-Verfahrens zu geringen Kosten hergestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann die Solarzelle mit Halbleiter-Substanzen herstellen, wobei ein Elektronen-/Loch-Paar, welches Licht absorbiert, als der Halbleiter-Quantenpunkt hergestellt wird, wobei Halbleiter-Substanzen, welche mit Fremdstoffen vom p-Typ dotiert sind, als der Halbleiter vom p-Typ hergestellt werden, wobei Halbleiter-Substanzen, welche mit Fremdstoffen vom n-Typ dotiert sind, als der Halbleiter vom n-Typ hergestellt werden und wobei Nitride oder Oxide der Halbleiter-Substanzen als die Matrix hergestellt werden. Um jedoch die Solarzelle unter Verwendung der vorliegenden Erfindung effizient herzustellen, ist das Halbleiter-Substrat vorzugsweise ein Silicium-Substrat vom p-Typ, der Halbleiter, welcher mit Fremdstoffen vom anderen Typ dotiert ist, ist vorzugsweise Silicium vom n-Typ, die Matrix ist vorzugsweise ein Siliciumoxid oder ein Siliciumnitrid und der Halbleiter der mehreren Schichten ist vorzugsweise Silicium.
  • 6 stellt eine Struktur einer Solarzelle, welche mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt worden ist, im Querschnitt dar. Mit Bezug zu 6 umfasst die Solarzelle eine untere Elektrode 152; eine erste Halbleiter-Schicht, welche auf der unteren Elektrode ausgebildet ist und mit Fremdstoffen vom n-Typ oder p-Typ dotiert ist; eine zweite Halbleiter-Schicht 140, welche über der ersten Halbleiter-Schicht ausgebildet ist und mit Fremdstoffen eines bezüglich der ersten Halbleiter-Schicht 110 anderen Typs dotiert ist; eine obere Elektrode 151, welche auf der Halbleiterschicht 140 ausgebildet ist; und eine Anordnung von Quantenpunkt-Nanodrähten 130, welche vertikal in der zweiten Halbleiter-Schicht 140 angeordnet und voneinander beabstandet sind, wobei die Quantenpunkt-Nanodrähte 130, bei welchen jeweils ein Ende die erste Halbleiterschicht 110 kontaktiert, eine Matrix 131 und zumindest einen Halbleiter-Quantenpunkt 132, welcher von der Matrix umgeben ist, umfassen.
  • Dabei sind die jeweils anderen Enden der Quantenpunkt-Nanodrähte 130 auf der Oberfläche der zweiten Halbleiter-Schicht 140 vorhanden, so dass die anderen Enden die obere Elektrode 151 kontaktieren können, oder die anderen Enden der Quantenpunkt-Nanodrähte 130 sind in der zweiten Halbleiter-Schicht 140 vorhanden, so dass die Quantenpunkt-Nanodrähte 130 in der zweiten Halbleiter-Schicht 140 eingebettet sein können.
  • Die Matrix 131 ist ein Halbleiter-Nitrid, ein Halbleiter-Oxid oder ein Gemisch davon.
  • Die erste Halbleiter-Schicht 110 und die zweite Halbleiter-Schicht 140 weisen vorzugsweise dieselben Halbleier-Substanzen auf, welche jeweils mit Fremdstoffen vom jeweils anderen Typ dotiert sind, und die Matrix ist vorzugsweise ein Nitrid einer Halbleiter-Substanz der ersten oder der zweiten Halbleiter-Schicht 110, 140, ein Oxid einer Halbleiter-Substanz der ersten oder der zweiten Halbleiter-Schicht 110, 140 oder ein Gemisch davon.
  • Bei dem Quantenpunkt-Nanodraht 130 sind zwei oder mehr Halbleiter-Quantenpunkte 132 vertikal zu dem Quantenpunkt-Nanodraht 130 angeordnet, wobei die Halbleiter-Quantenpunkte 132, welche indem Quantenpunkt-Nanodraht 130 vorhanden sind, unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Dabei kann der Durchmesser des Halbleiter-Quantenpunkts, welcher in dem Quantenpunkt-Nanodraht vorhanden ist, 1 nm bis 10 nm betragen, der kontrahierte Durchmesser des Quantenpunkt-Nanodrahts kann 5 nm bis 10 nm betragen, und die Dichte des Quantenpunkt-Nanodrahts kann 2 × 1010 bis 3 × 1010/cm2 betragen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die Größe des Halbleiter-Quantenpunkts und die Art der Matrix gesteuert oder bestimmt werden, wodurch es möglich ist, die Bandlückenenergie des Halbleiter-Quantenpunkts einfach einzustellen. Die Halbleiter-Quantenpunkte, welche unterschiedliche Größen aufweisen, sind in dem Quantenpunkt-Nanodraht vorhanden, was es möglich macht, die fotoelektrische Konvertierung in einem großen Spektrum von sichtbaren Strahlen bis zu Infrarotstrahlen durchzuführen. Der fotoaktive Teil, in welchem die fotoelektrische Konvertierung stattfindet, ist eine Anordnung von Quantenpunkt Nanodrähten einer hohen Dichte und in Form einer Nanostruktur mit geringen Abmessungen, was es möglich macht, die Lichtabsorption zu maximieren. Der Quantenpunkt-Nanodraht kontaktiert einen Halbleiter vom p-Typ und vom n-Typ über einen großen Bereich hinweg, wodurch die Leitfähigkeit der Elektronen und der Löcher verbessert wird.
  • Genauer gesagt führt die erfindungsgemäße Solarzelle eine fotoelektrische Konvertierung in allen Wellenlängenbereichen der Solarzelle durch, wobei die Bandlückenenergie des Silicium-Quantenpunkts gesteuert wird, um die interne Lichterzeugungseffizienz zu maximieren. Die erfindungsgemäße Solarzelle weist einen fotoaktiven Teil in der Form einer Nanostruktur mit geringen Abmessungen auf, welcher einen sehr spezifischen Oberflächenbereich aufweist, um die Effektivität der Lichtabsorption und der fotoelektrischen Konvertierung zu maximieren. Die Quantenpunkt-Nanodrähte weisen jeweils eine Struktur auf, welche von dem Halbleiter vom n-Typ umgeben wird und kontaktieren den Halbleiter vom p-Typ, um eine Leitfähigkeit von Elektronen/Löchern, welche durch das Licht erzeugt werden, zu verbessern.
  • Vorzugsweise ist die erste Halbleiter-Schicht eine Silicium-Schicht vom p-Typ, die Halbleiter-Schicht vom n-Typ ist eine Silicium-Schicht vom n-Typ, die Matrix ist aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder aus einem Gemisch davon, und ein Halbleiter-Quantenpunkt ist ein Silicium-Quantenpunkt.
  • Der Fachmann erkennt, dass die Konzepte und speziellen Ausführungsformen, welche in der vorab stehenden Beschreibung offenbart sind, als Basis für Modifikationen und für den Entwurf anderer Ausführungsformen verwendet werden können, um denselben Zweck wie die vorliegende Erfindung zu erfüllen. Der Fachmann erkennt dabei, dass diese äquivalenten Ausführungsformen dem Geist der vorliegenden Erfindung entsprechen und unter den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • W. Lee und andere, Nature Nanotech. 3, 402 (2008) [0056]
    • Nano Lett. 8, 3046–3051, 2008 [0064]

Claims (16)

  1. Herstellungsverfahren für eine Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, umfassend: a) Herstellen mehrerer Schichten (120; 120'), indem wiederholt Matrix-Schichten (121), welche aus Halbleiter-Nitrid oder Halbleiter-Oxid ausgebildet sind, und Halbleiter-Schichten (122) auf einen oberen Teil eines Halbleiter-Substrats (110), welches mit Fremdstoffen vom p-Typ oder n-Typ dotiert ist, geschichtet werden; b) Herstellen einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, welche aus mehreren Quantenpunkt-Nanodrähten (130) ausgebildet ist, deren eines Ende jeweils auf dem Halbleiter-Substrat (110) befestigt ist und welche voneinander beabstandet sind, damit sie vertikal angeordnet sind, indem die mehreren Schichten (120; 120') vertikal zu dem Halbleiter-Substrat (110) partiell geätzt werden; und c) Auftragen eines Halbleiters (140), welcher im Vergleich zu den Fremdstoffen des Halbleiter-Substrats (110) mit Fremdstoffen des entgegengesetzten Typs dotiert ist, auf den oberen Teil des Halbleiter-Substrats (110), welcher mit der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausgebildet ist, und Füllen von zumindest leeren Stellen zwischen den anderen Enden der Quantenpunkt-Nanodrähte (130) und dem Halbleiter-Substrat (110) mit dem Halbleiter (140), welcher mit Fremdstoffen des entgegengesetzten Typs dotiert ist; und d) Ausbilden einer unteren Elektrode (152) auf einem unteren Teil des Halbleiter-Substrats (110), und Ausbilden einer oberen Elektrode (151) auf einer Oberfläche des oberen Teils, welches mit der Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausgebildet ist, und einer Oberfläche des Halbleiters (140), welcher mit den Fremdstoffen des entgegengesetzten Typs dotiert ist, oder auf einem oberen Teil der Oberfläche des Halbleiters (140), welcher mit den Fremdstoffen des entgegengesetzten Typs dotiert ist, so dass die obere Elektrode (151) mit der unteren Elektrode (152) korrespondiert.
  2. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Schichten (120; 120') im Schritt a) durch einen Auftragungs-Prozess unter Verwendung von PVD oder CVD hergestellt werden, und dass die Dicke der Halbleiter-Schichten (121, 122), welche die mehreren Schichten (120; 120') ausbilden, unterschiedlich ist.
  3. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Schicht (122) und die Matrix-Schicht (121), welche die mehreren Schichten (120; 120') ausbilden, eine Dicke von weniger als 10 nm unabhängig voneinander aufweisen.
  4. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) darüber hinaus umfasst: b1-1) Auftragen von Ag, Au oder einem Katalysator-Metall, welches ein Übergangsmetall ist, auf den oberen Teil der mehreren Schichten (120; 120') in einer Maschenform; und b1-2) Durchführen eines Nassätzens unter Verwendung einer gemischten wässrigen Lösung, welche Fluorwasserstoffsäure und Wasserstoffperoxid enthält.
  5. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) darüber hinaus umfasst: b2-1) Ausbilden einer Anordnung von kreisförmigen Metall-Nanopunkten (210) auf dem oberen Teil der mehreren Schichten (120; 120'); und b2-2) Durchführen eines reaktiven Ionenätzens (RIE) unter Verwendung der Metall-Nanopunkte (210) als Maske.
  6. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenpunkt-Nanodrähte (130), deren Halbleiter-Quantenpunkte (132) in der Matrix (131) eingebettet sind, durch das Ätzen des Schrittes b) hergestellt werden, und dass die Ausmaße der Halbleiter-Quantenpunkte (132) durch die Dicke der jeweiligen Halbleiter-Schichten (121, 122), welche die mehreren Schichten (120; 120') ausbilden, eingestellt werden.
  7. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtabsorptionswellenlänge über die Art der Matrix (121), die Ausmaße der Halbleiter-Quantenpunkte (132), welche die Quantenpunkt-Nanodrähte (130) ausbilden, oder eine Kombination davon eingestellt wird.
  8. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt c) das Auftragen unter Verwendung von CVD oder PVD erfolgt.
  9. Herstellungsverfahren für die Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Substrat (110) ein Silicium-Substrat vom p-Typ oder vom n-Typ ist, dass der Halbleiter (140), welcher mit den Fremdstoffen des entgegengesetzten Typs dotiert ist, Silicium vom n-Typ oder vom p-Typ ist, dass die Matrix (131) Siliciumoxid oder Siliciumnitrid ist, und dass die Halbleiter-Schichten (121, 122) der mehreren Schichten (120; 120) Silicium-Schichten sind.
  10. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, welche mit dem Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, umfassend: eine untere Elektrode (152); eine erste Halbleiter-Schicht (110), welche auf einem oberen Teil der unteren Elektrode (152) ausgebildet ist und mit Fremdstoffen vom n-Typ oder vom p-Typ dotiert ist; eine zweite Halbleiter-Schicht (140), welche über der ersten Halbleiter-Schicht (110) ausgebildet ist und mit Fremdstoffen des bezüglich zu der ersten Halbleiter-Schicht (110) entgegengesetzten Typs dotiert ist; eine obere Elektrode (151), welche auf einem oberen Teil der Halbleiter-Schicht (140) ausgebildet ist; und eine Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung, welche durch mehrere Quantenpunkt-Nanodrähte (130), die vertikal und beabstandet voneinander in der zweiten Halbleiter-Schicht (140) angeordnet sind, ausgebildet ist, wobei die Quantenpunkt-Nanodrähte (130), welche die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausbilden und von welchen jeweils ein Ende die erste Halbleiter-Schicht (110) kontaktiert, eine Matrix (131) und zumindest einen Halbleiter-Quantenpunkt (132), der von der Matrix (131) umgeben ist, aufweisen.
  11. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (131) ein Halbleiter-Nitrid, ein Halbleiter-Oxid oder ein Gemisch davon ist.
  12. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenpunkt-Nanodrähte (130), welche die Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung ausbilden, zwei oder mehr Halbleiter-Quantenpunkte (132) aufweisen, welche vertikal zu den Quantenpunkt-Nanodrähten (130) angeordnet sind.
  13. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, das die Quantenpunkt-Nanodrähte (130) durch Halbleiter-Quantenpunkte (132), welche unterschiedliche Abmessungen aufweisen, ausgebildet sind.
  14. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der Ansprüche 10–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Halbleiter-Quantenpunkts (132) in den Quantenpunkt-Nanodrähten (130) geringer als 10 nm ist.
  15. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der Ansprüche 10–14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtabsorptionswellenlänge durch die Art der Matrix (131), die Ausmaße der Halbleiter-Quantenpunkte (132) oder eine Kombination davon einstellbar ist.
  16. Solarzelle mit einer Quantenpunkt-Nanodraht-Anordnung nach einem der Ansprüche 10–15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiter-Schicht (110) eine Silicium-Schicht vom p-Typ ist, dass die zweite Halbleiter-Schicht (140) eine Silicium Schicht vom n-Typ ist, dass die Matrix (131) Silicium-Oxid, Silicium-Nitrid oder ein Gemisch davon ist, und dass die Halbleiter-Quantenpunkte (132) Silicium-Quantenpunkte sind.
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