DE19951616A1 - Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement mit wenigstens drei Elektroden - Google Patents

Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement mit wenigstens drei Elektroden

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Abstract

Beschrieben wird ein lichtempfindliches, elektronisches Bauelement mit wenigstens drei Elektroden (A, B, C), von denen zwei Elektroden mit einen halb[n-]leitenden Material verbunden sind, das mit einem Farbstoff in Verbindung steht, und von denen die dritte Elektrode C mit einem p-Leiter oder einem Redoxpaar kontaktiert ist, der bzw. das wiederum mit dem Farbstoff in elektrischer Verbindung steht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtempfindliches, elektronisches Bauelement mit wenigstens drei Elektroden (A, B, C).
Stand der Technik
Die elektronische Bauelemententwicklung ist geprägt durch das Streben nach Miniaturisierung, Reduzierung der Herstellungskosten, Steigerung von Bauelementeffizienzen sowie Erhöhung ihrer Funktionalität. Es sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente bekannt, unter denen die Fotodiode die Bekannteste unter den lichtempfindlichen Bauelementen aus dem Bereich der Optoelektronik ist. Grundsätzlich gibt es zwei Ausführungsformen von Fotodioden: Bei der so genannten Vakuum-Fotodiode werden Elektronen durch den äußeren Fotoeffekt aus einer Metallkathode durch Lichtquanten hinreichender Energie freigesetzt und von einer postitiv gepolten Anode eingesammelt. Der Anodenstrom ist proportional zur einfallenden Lichtintensität. Bei der so genannten Halbleiter-Fotodiode wird Licht in einen in Sperrichtung gepolten p-n-Übergang eingestrahlt. Die dadurch in der so genannten Verarmungszone erzeugten Elektronen oder Löcher werden von der Sperrspannung abgesaugt und führen zu einem Fotostrom, der wiederum zur Lichtintensität proportional ist. Grundsätzlich führt der Lichteinfall bei der Fotodiode zu einer Erhöhung der Ladungsträgerdichte von Elektronen und Löchern, die wiederum eine Erhöhung der Leitfähigkeit in der Verarmungszone und damit verbunden eine Erniedrigung des Widerstandes um mehrere Größenordnungen bewirken.
Für den Fall der Fotodiode ist der auf den lichtempfindlichen Bereich der Diode einfallende Lichtstrahl als Regelgröße für den durch die Fotodiode umgesetzten Fotostrom anzusehen.
Eine ähnliche Regelgröße, die einen Stromfluss regelt, kennt man von der Triode. Betrachtet man die Triode, so ist hier die Regelgröße die Steuerspannung, die an der Gitterelektrode angelegt wird und die Elektronenleitung zwischen der Kathode und dieser gegenüberliegenden Anode regelt. Die Triode selbst ist ein, durch eine Steuerspannung geregeltes Verstärkungsbauelement, das insbesondere zur Verstärkung schwacher Ströme eingesetzt wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein elektronisches Bauelement zu schaffen, das die Eigenschaften einer lichtempfindlichen Diode mit den Eigenschaften einer spannungsgeregelten Triode vereinen soll. Es soll ein lichtempfindliches und durch eine extern anlegbare Steuerspannung regelbares Bauelement geschaffen werden, zu dessen Herstellung keine aufwändigen Arbeitsschritte nötig sind und billige Materialien benötigt werden, wodurch nur geringe Herstellkosten verbunden sein sollen. Insbesondere sollen auf die, in der Halbleitertechnologie erforderlichen Reinraumbedingungen verzichtet werden können, sodass auch die am Herstellverfahren nötigen Hilfsmittel möglichst einfach gehalten werden können.
Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein lichtempfindliches, elektronisches Bauelement mit wenigstens drei Elektroden A, B, C derart ausgebildet, dass zwei von den drei Elektroden mit einem halbleitenden Material, vorzugsweise mit einem n-halbleitenden Material, das selbst nicht lichtempfindlich ist, verbunden sind, das selbst mit einem Farbstoff zumindest in Verbindung steht. Die dritte Elektrode ist mit einem p-Leiter oder einem Redoxpaar-System, die vorzugsweise selbst auch nicht lichtempfindlich sind, kontaktiert, der bzw. das wiederum mit dem Farbstoff in elektrischer Verbindung steht.
Das elektronenleitende, elektronische Bauteil stellt eine fotoleitende Triode dar und ist sowohl als Triode als auch als Fotoleiter verwendbar. Bei dem mit den Elektroden A, B und C versehenen erfindungsgemäßen Bauelement ist es möglich, dass sich sowohl unter Lichteinstrahlung als auch durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden A und B oder A und C der Widerstand für Elektronenleitung zwischen den Elektroden B und C um mehrere Größenordnungen ändert. Somit sind die Eigenschaften einer Fotodiode als auch die einer Triode in einem einzigen Bauelement kombiniert.
Durch die Wahl des jeweiligen Farbstoffes kann die Wellenlängenselektivität bzw. die optische Sensitivität individuell eingestellt werden und schafft weitaus größere Variationsmöglichkeiten als es bei konventionellen Fotodioden der Fall ist, die lediglich mit entsprechend dotiertem Halbleitermaterial, das in Art eines pn- Überganges aufgebaut ist, arbeiten. Bei einer in Abhängigkeit des Absorptionsvermögens des verwendeten Farbstoffes auf das erfindungsgemäß ausgebildete Bauelement einwirkenden Lichteinstrahlung wird der Farbstoff durch Elektronenanregung aus seinem neutralen Grundzustand in einen angeregten neutralen Zustand überführt. Der Farbstoff injiziert das angeregte Elektron aus dem angeregten neutralen Zustand in das Leitungsband des n-Halbleiters, der einen derart großen Bandabstand aufweist, so dass der Halbleiter selbst nicht lichtempfindlich ist, und geht dabei selbst in einen oxidierten Zustand über. Der auf diese Weise oxidierte Farbstoff wird selbst wiederum durch Abgabe des Loches reduziert und kehrt in den neutralen Grundzustand zurück. Das vom Farbstoff stammende Loch bzw. das fehlende Elektron kann bei Verwendung eines p-Leiters in diesen injiziert werden und wandert innerhalb des p-Leiters zum Elektrodenkontakt A, wo es durch Elektronen aus dem äußeren Stromkreis anneliert wird.
Bei Verwendung eines Redoxpaares wird der reduzierte Teil des Redoxpaares im Lösungsmittel oxidiert, wodurch es zur Elektronenabgabe kommt, die zu einer Reduzierung des Farbstoffes durch Elektronenaufnahme führt. Der oxidierte Teil des Redoxpaares diffundiert hingegen zur Elektrode A und wird dort durch Elektronen aus dem äußeren Stromkreis reduziert.
Die in vorstehender Weise in den n-Halbleiter injizierten Elektronen erhöhen dort die Ladungsträgerdichte, sodass der Widerstand der n-Halbleiterschicht deutlich abnimmt, wie man es auch vom Widerstandsverhalten konventioneller Fotodioden kennt. Es ist aber auch möglich, durch Anlegen eines elektrischen Potenzials U zwischen den Elektroden A und B oder A und C die Elektronendichte im Leitungsband des Halbleiters entsprechend zu erhöhen bzw. zu erniedrigen, je nach dem, ob man ein negatives oder positives Potenzial U anlegt. Hierdurch kann der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden B und C erhöht oder entsprechend verringert werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 Energieschema zum Schichtaufbau des erfindungsgemäß ausgebildeten lichtempfindlichen elektronischen Bauelements, sowie
Fig. 2 elektrische Schaltung zur Ansteuerung des Bauelementes.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 soll das Energieschema der beim lichtempfindlichen elektronischen Bauelement in Kontakt stehenden Schichtabfolgen verdeutlichen. An der rechten Seite des Energieschemas gemäß Fig. 1 ist die Energieachse angetragen. Die Schichtabfolge beginnt von der linken Seite mit den Elektroden B sowie C, mit denen eine n-Halbleiters NSC in Verbindung steht. Die n-Halbleiterschicht NSC wiederum ist mit einem Farbstoff D verbunden, der seinerseits entweder mit einem p-Leiter PSC oder mit einem Redoxpaar REP kontaktiert ist. Die Elektrode A steht in elektrischem Kontakt mit dem p-Leiter PSC bzw. mit dem Redoxpaar REP.
Der mit den Elektroden B und C verbundene n-Halbleiter NSC besteht vorzugsweise aus einer makroskopisch kristallinen, multikristallinen, amorphen oder einer nanokristallinen porösen Schicht, beispielsweise aus TiO2, die einen großen Bandabstand aufweist, sodass die Energiedifferenz zwischen dem Leitungs- und Valenzband des n-Halbleiters über der Fotonenenergie, der aus dem sichtbaren Spektrum einfallenden elektromagnetischen Strahlung liegt, sodass der n-Halbleiter selbst nicht von der Lichteinstrahlung elektrisch angeregt wird. Vielmehr wird der n-Halbleiter NSC mit einem für sichtbares Licht absorbierenden Farbstoff D sensibilisiert, indem der poröse n-Halbleiter vom Farbstoff im gesamten Volumen durchdrungen wird, indem die gesamte äußere und innere Oberfläche des n- Halbleiters vom Farbstoff bedeckt wird. Vorzugsweise eignen sich für den Farbstoff organische Farbstoffe, wie beispielsweise Ru(II)Bibyridinkomplexe oder, wie cis- X2Bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II)[X = Cl-, Br-, I-, CN- und SCN-], Chlorophylderivate, anorganische Lichtabsorber, wie beispielsweise CdTe und auch andere Lichtabsorber mit dem gewünschten Absorptionsbereich für sichtbares Licht. Ferner sollte die Energie des Elektronenübergangs S+/S des Farbstoffes von seinem oxidierten Grundzustand S+ zu seinem neutralen Grundzustand S niedriger sein als das p-Leitungband des p-Leiters PSC bzw als das Redox-Niveau des Redoxpaares REP, sodass ein Übergang des Loches aus dem Farbstoff in den p- Leiter PSC bzw. das Redoxpaar REP sattfinden kann.
Hingegen muss die Energie des Elektronenüberganges S*/S+ vom ersten angeregten neutralen Zustand S* des Farbstoffes zum oxidierten Grundzustand S+ des Farbstoffes höher sein als die Energie des n-Leitungsbandes für Elektronen im n-Halbleiter, sodass ein Elektronenübergang vom angeregten Farbstoff auf den n- Halbleiter stattfinden kann. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, ab der Lichtabsorption innerhalb des Farbstoffes stattfindet, entspricht somit der Elektronenenergie S/S* vom neutralen Grundzustand des Farbstoffes S zum angeregten neutralen Zustandes S*.
Die mit dem Farbstoff überzogene nanoporöse n-Halbleiterschicht kann auch von dem p-Leiter bzw. von den Redoxpaaren durchdrungen werden, um einen möglichst kompakten Aufbau und damit viele Farbstoffe mit dem n-Leiter und gleichzeitig mit dem p-Leiter bzw. dem Redoxpaar in Kontakt stehen zu erhalten.
Bei der Wahl des p-Leiters bzw. des verwendeten Redoxpaares ist darauf zu achten, dass das elektrochemische Potenzial dieser Schicht, d. h. für den Fall des p-Leiters, das Löcher-Fermi-Niveau, und für den Fall des Redoxpaares das Redox-Potenzial, höher liegen muss als die Energie des Farbstoffüberganges S+/S vom oxidierten Zustand S+ zum neutralen Grundzustand S. Ferner muss das elektrochemische Potenzial dieser Schicht niedriger als das elektrochemische Potenzial für Elektronen Ef, das so genannte Fermi-Niveau, im n-Halbleiter sein.
Die Elektrode A ist ihrerseits mit eben dieser Schicht bestehend aus einem p-Leiter bzw. dem Redoxpaar verbunden.
Aus der Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt durch den Schichtaufbau des lichtempfindlichen elektronischen Bauelementes zu entnehmen und zugleich dessen elektrische Verschaltung mit einer Spannungsquelle U und einem Widerstandsmesser R.
Die Elektroden B und C, die voneinander beabstandet auf einem nicht in der Fig. 2 dargestellten Substratoberfläche aufgebracht sind, bestehen vorzugsweise aus hoch dotiertem In : SnO2 oder F : SnO2. Auf den Elektroden B und C ist eine n- Halbleiterschicht, beispielsweise eine nanoporöse TiO2-Schicht abgeschieden - nicht aus der Fig. 2 entnehmbar -, die mit einem Farbstoff der vorstehend genannten Arten durchsetzt ist.
Auf der mit dem Farbstoff durchtränkten n-Halbleiterschicht SC ist ein p-Leiter abgeschieden, der entweder aus polymerem Material, beispielsweise Polyethylendioxythiophen besteht, aus molekularem Material, beispielsweise Triphenyldiamin oder amorphen 2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl­ amine)9,9'-spirobifluorene besteht, oder aus einem nichtorganischen Material gefertigt ist. An Stelle des p-Leiters PSC kann auch eine Redoxpaar-Schicht REP auf die n-Halbleiterschicht SC aufgebracht werden, beispielsweise ein Redoxpaar bestehend aus Jodid I-/Trijodid I3 - in einem flüssigen Lösungsmittel, beispielsweise Acetonitril. Alternativ hierzu kann das Redoxpaar auch in einem Festelektrolyten, in einem Gel-Elektrolyt, beispielsweise aus 1,4 g Polayacrylonitrile, 10 g Ethylencarbonat, 5 ml Propylencarbonat, 5 ml Acetonitril, in einem Polyelektrolyten oder in einem polymeren Elektrolyten. Als dritte Alternative kann auf die n- Halbleiterschicht SC geschmolzenes Salz aufgebracht werden, beispielsweise Methyl-Hexyl-Imidazoliumiodid.
Abschließend wird eine vorzugsweise aus Platin oder Silber gefertigte Elektrode A auf die darunter befindliche Schicht aus einem p-Leiter oder aus einem Redoxpaar aufgebracht. Handelt es sich um eine Elektrolytlösung, so eignet sich als Elektrodenmaterial für die Elektrode A am besten Platin oder Silber, im Falle einer festen, d. h. eines p-Leiters, Schicht, eignen sich bevorzugt auch Edelmetalle.
Folgendes konkretes Beispiel ist bereits realisiert worden:
Bei einem mit F : SnO2 beschichteten Glas ist ein Mittelstreifen der Beschichtung elektrochemisch weggeätzt worden, sodass zwei Elektrodenstrukturen B und C auf dem Glassubstrat entstanden sind. Darauf ist eine nanoporöse Titandioxidschicht bei einer Temperatur von 450°C mit einer Dauer von 30 Minuten gesintert worden, sodass sich ein elektrischer Kontakt zu beiden Elektroden B und C herstellte. Die TiO2-n-Halbleiterschicht wurde nachfolgend eine Stunde lang bei etwa 60°C in ethanolischer 0,1 M Ru(bipy)-Lösung eingefärbt. Nach einer entsprechenden Abtrocknungszeit der Schicht wurde die nanoporöse TiO2-n-Halbleiterschicht von einer Lösung aus Bu4NI,I2 in Acetonitril durchdrungen. Die Elektrode A bestand ebenfalls aus einem mit F : SnO2 beschichtetem Glassubstrat, das entsprechend mit dem Schichtaufbau kontaktiert wurde. Die gesamte Fototriode wurde abschließend mit einem transparenten Harz entsprechend versiegelt.
Folgende Messergebnisse konnten mit der vorstehend beschriebenen Fotodiode gewonnen werden: Im abgedunkelten Zustand betrug der gemessene Widerstand R 6 MΩ und bei Lichtverhältnissen mit Lampenlicht verringerte sich der Widerstand auf 500 Ω. Hierbei wurde keine Klemm-Spannung U = 0 Volt zwischen A und B bzw. zwischen A und C angelegt. Im abgedunkelten Fall herrscht bei 0 Volt zwischen A und B bzw. zwischen A und C ein Widerstand von 6 MΩ. Legt man im in diesem Zustand eine Klemm-Spannung von 0,5 Volt positiv an A und negativ an B bzw. C an, so verringert sich ebenfalls der Widerstand nun auf 800 Ω. Die vorstehenden Messergebnisse zeigen, dass in einem einzigen Bauelement sowohl die elektrischen Eigenschaften einer Fotodiode als auch die einer Triode kombiniert werden können.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten lichtempfindlichen elektronischen Bauelementes besteht überdies auch darin, dass zur Herstellung des Bauelementes keine Reinraumbedingungen nötig sind und billige Materialien benötigt werden, wodurch die Herstellkosten erheblich reduziert werden können.

Claims (18)

1. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement mit wenigstens drei Elektroden (A, B, C), von denen zwei Elektroden mit einem halbleitenden Material verbunden sind, das mit einem Farbstoff in Verbindung steht, und von denen die dritte Elektrode C mit einem p-Leiter oder einem Redoxpaar kontaktiert ist, der bzw. das wiederum mit dem Farbstoff in elektrischer Verbindung steht.
2. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Material aus einem n-leitenden Material besteht.
3. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbstoff sichtbares oder auch nichtsichtbares langwelligeres, infrarotes Licht absorbiert und nach Lichtanregung Elektronen in das Leitungsband des Halbleiters injiziert und Löcher in das Lochleitungbarid des p- Leiter bzw. zum Redoxpaar injiziert.
4. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Material ein Ferminiveau EF für Elektronen, ein Valenzband der Energie EV und ein Leitungsband der Energie EL aufweist, und
dass der Farbstoff einen neutralen Grundzustand der Energie S, einen oxidierten Grundzustand der Energie S+ und einen angeregten Zustand der Energie S* vorsieht, wobei folgende Energiebeziehungen gelten:
S+ - S < EF und
S* - S+ ≧ EL.
5. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das n-leitende Material ein Leitungsband für Elektronen der Energie En aufweist und Licht ab einer Photonenenergie größer Egn absorbiert, und dass das p-leitende Material ein Leitungsband für Löcher der Energie Ep aufweist und Licht ab einer Photonenenergie größer Egp absorbiert, und dass der Farbstoff einen neutralen Grundzustand der Energie S, einen oxidierten Grundzustand der Energie S+ und einen angeregten Zustand der Energie S* vorsieht, wobei folgende Energiebeziehungen gelten:
S+ - S < Ep und
S* - S+ < En.
und
S* - S < Egn
S* - S < Egp
so dass Photonen mit EPhoton ≧ S* - S vom Farbstoff absorbiert werden können aber nicht vom n-Leiter oder p-Leiter absorbiert werden.
6. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden A und B oder A und C ein elektrisches Potenzial U vorgebbar ist, und dass zwischen den Elektroden B und C der elektrische Widerstand als Messwert erfassbar ist.
7. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand durch Lichteinstrahlung oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen A und B oder A und C über mehrere Größenordnungen variierbar ist.
8. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Material eine kristalline, multikristalline, amorphe oder eine nanokristalline Schicht aufweist, die porös ist, vorzugsweise aus TiO2 besteht.
9. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht mit dem Farbstoff kontaktiert, benetzt oder vollständig durchdrungen ist.
10. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbstoff ein organischer Farbstoff, bspw. Ru(II)Bibyridinkomplexe, wie cis-X2Bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II) [X = Cl-, Br-, I-, CN- und SCN-] oder Chlorophylderivate, oder ein anorganischer Farbstoff, bspw. CdTe, ist.
11. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden B und C aus hoch dotierten In : SnO2, F : SnO2 bestehen.
12. Lichtempfindliches, elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode A aus Platin, Silber oder Edelmetallen besteht.
13. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der, den Elektroden (B, C) abgewandten Seite des mit dem Farbstoff versehenen halbleitenden Material eine Schicht aus einem p- Leiter oder eine Schicht mit einem Redoxpaar vorgesehen ist, die mit der Elektrode A kontaktiert ist.
14. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der p-Leiter aus polymeren, bspw. Polyethylendioxythiophen, molekularen, bspw. Triphenyldiamin oder aus einem nichtorganischen Material besteht.
15. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxpaar Jodid I-/Trijodid I3 ist.
16. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxpaar in einem flüssigen Lösungsmittel, bspw. Acetonitril, in einem Festelektrolyten, in einem Gelelektrolyten, bspw. bestehend aus 1,4 g Polayacrylonitrile, 10 g Ethylencarbonat, 5 ml Propylencarbonat und 5 ml Acetonitril, in einem Polyelektrolyten oder in einem polymeren Elektrolyten enthalten ist.
17. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Material vom p-Leiter bzw. vom Redoxpaar durchdrungen ist.
18. Lichtempfindliches, elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als elektronischer Schalter verwendbar ist, der in Abhängigkeit von Licht und/oder elektrischer Spannung schaltbar ist.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008023373A2 (en) * 2006-08-22 2008-02-28 Ramot At Tel Aviv University Ltd. Optoelectronic device and method of fabricating the same
US8212005B2 (en) 2005-02-22 2012-07-03 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Optoelectronic device and method of fabricating the same
US8624227B2 (en) 2005-02-22 2014-01-07 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Optoelectronic device and method of fabricating the same
EP4224497A1 (de) * 2022-02-08 2023-08-09 Studiengesellschaft Kohle gGmbH Triodenzelle mit ionischem spannungseffekt

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH686206A5 (it) * 1992-03-26 1996-01-31 Asulab Sa Cellule photoelectrochimique regeneratrice transparente.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH686206A5 (it) * 1992-03-26 1996-01-31 Asulab Sa Cellule photoelectrochimique regeneratrice transparente.

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8212005B2 (en) 2005-02-22 2012-07-03 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Optoelectronic device and method of fabricating the same
US8624227B2 (en) 2005-02-22 2014-01-07 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Optoelectronic device and method of fabricating the same
WO2008023373A2 (en) * 2006-08-22 2008-02-28 Ramot At Tel Aviv University Ltd. Optoelectronic device and method of fabricating the same
WO2008023373A3 (en) * 2006-08-22 2008-06-26 Univ Ramot Optoelectronic device and method of fabricating the same
EP4224497A1 (de) * 2022-02-08 2023-08-09 Studiengesellschaft Kohle gGmbH Triodenzelle mit ionischem spannungseffekt
WO2023151981A1 (en) * 2022-02-08 2023-08-17 Studiengesellschaft Kohle Ggmbh Ionic voltage effect triode cell

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