JP2008544529A - 光発電ワイヤ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、NASAによって与えられた米国政府契約番号4200093584によって一部支援され、また、本発明の所定部分は、米国政府に対する全額一時支払い認可を受ける場合がある。
光発電ワイヤは、ナノワイヤ、導体、および電荷キャリア・ポリマ皮膜の組合せによって形成される。電荷を収集するナノワイヤは、基材が電気回路の一部を形成するように導体に電気接続される。順序付けられたアレイでナノワイヤを形成するために、ワイヤの表面上に、多孔性テンプレートが形成される。テンプレートは、多孔性である酸化物である。すなわち、テンプレートは、一般に、統計的母集団ならびに孔の垂直断面の点で、全体が一貫した幅を有する、実質的に垂直に整列した孔の規則正しいアレイを有する。多孔性テンプレートは、チタニア(TiO2)、シリカ(SiO2)、酸化亜鉛(ZnO2)、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、インジウム・スズ酸化物(ITO)、酸化ストロンチウム、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化カルシウム/酸化チタン、または、2つ以上のこうした材料の混合物で作ることができる。好ましい実施形態では、陽極アルミナ、Al2O3は、テンプレートとして使用される。Alワイヤ基材上の陽極酸化アルミニウム層は、本発明による、ナノメートル・スケールのナノワイヤ・アレイの形成のためのテンプレートの役をし、ナノワイヤの名目上の直径は、AAOの孔と同じ直径によって決まり、また、ほぼ同じ直径である。
金属種晶は、下にある導電性材料またはワイヤに対する空き地のAAO孔内に少量の材料を挿入することによって、バルク金属ワイヤ上のシリコン・ナノワイヤの成長を触媒するのに使用することができる。金種晶を使用した、シリコンおよび他の半導体ナノワイヤの触媒成長は、よく立証されたプロセスである。たとえば、こうしたプロセスは、Kok−Keong Lew,Cordula Reuther,Altaf H.CarimおよびJoan M.Redwing著「Template−directed vapor−liquid−solid growth of silicon nanowires,Rapid Communications」J.Vac.Sci.Technol.B 20(1),Jan/Feb 2002,American Vacuum Society,pp.389(参照により組み込まれる)によって述べられている。金は、電気化学的方法によって多孔性AAOナノ孔内に容易に堆積する。好ましい実施形態では、金(Au)種晶は、交流(AC)電解析出によってAAO孔の底部に堆積する。電解析出槽は、脱イオン化された水内に市販の亜硫酸金を含む。
晶析されたAAOテンプレート層を有するアルミニウム・ワイヤは、反応チャンバ内で適切な温度に加熱され、シラン(SiH4)が導入される。シランと金種晶との間の触媒反応は、共晶温度(約363℃)を超える温度でAu−Si合金の形成をもたらす。その後、液体合金がシリコンで過飽和になると、液体合金から単結晶シリコン・ナノワイヤが析出される。ナノワイヤは、孔内でランダムに核生成するため、ナノワイヤは、<111>、<112>、<110>、および<100>を含む種々の結晶成長配向を示す。シリコン・ナノワイヤは、それぞれ、トリメチルボロンおよびホスフィン・ドーパント源を使用して、抵抗率を制御されて、p型およびn型にドープされることができる。好ましい実施形態では、n型成長のためのドーピング比は、約10−3〜10−5ホスフィン:シランであるが、より大きい、または、より小さい濃度が、種々の結果を伴って使用されてもよい。好ましい実施形態では、シリコン・ナノワイヤは、等温石英管反応器内で500℃の温度で蒸気−液体−固体(VLS)成長によって成長する。サンプルは、石英ボート内に設置され、管炉の中央に位置する。あるいは、ワイヤが、生産システム用の反応管を通って連続して送り込まれることができる。システムは、真空下でガス除去され、N2でパージされる。炉が、約400〜500℃の成長温度まで加熱されると、プロセス・ガスは、その後、H2に切換えられる。その後、ナノワイヤ成長を始動するために、SiH4(H2内で10%)が、Siソース・ガスとして反応器内に導入される。好ましい実施形態では、ナノワイヤは、成長中に、ホスフィン(H2内でPH3、100ppm)の添加によって、n型にドープされるが、他のドナー・ドーパントを使用することができる。ナノワイヤは、あるいは、トリメチルボロン(TMB)または他のドーパントの使用によって、p型にドープされることができることを当業者は認識するであろう。ガス圧は、約1〜13トールである。5〜25μmの長さがAAO表面から突出するナノワイヤを作るための成長時間は、15〜240分である。シリコン・ナノワイヤが形成されるにつれて、金種晶の一部が、ナノワイヤの先端上に成長する。図7は、金種晶が先端にある状態のシリコン・ナノワイヤのSEMを示す。
本発明のナノワイヤ・アレイは、ポリアニリン(PANI)、ポリアセチレン(PA)、ポリチオフェン(PT)、ポリ(3−アルキル)チオフェン(P3AT)、ポリピロール(PPy)、ポリイソチアナフテン(PITN)、ポリエチルテン・ジオキシオフェン(PEDOT)、ポリパラフィニレン・ビニレン(PPV)、ポリ(2,5ジアルコキシ)パラフェニレン(MEH−PPV)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリパラフェニレン・サルファイド(PPS)、ポリヘプタジン(PHT)などの半導電性ポリマをコーティングされる。ポリマは、ナノワイヤ−ポリマ界面においてナノワイヤとの多数の接合を形成するn型またはp型であることができる。好ましい実施形態では、SiナノワイヤをコーティングするためのPANIの調製が使用される。
ポリマ・コーティングに続いて、PVワイヤは、外部電極として使用するために、実質的に透明な、好ましくは、可撓性の導体で、全てまたは部分的にコーティングされる。インジウム・スズ酸化物(ITO)の外側コーティングを使用することができるが、ITOは、固有の脆性、真空スパッタ堆積プロセスの必要性、および高いコストにさらされる。あるいは、Eikos Inc.によって生産され、2006年6月13日に発行された米国特許第7,060,241号に記載される、ポリマ内に拘束された炭素ナノチューブ、Invisiconからなる新しいタイプの皮膜を使用することができる。この皮膜は、非常に可撓性が高く、溶射塗布または浸漬塗布することができ、90%より高い可視光透過率を有し、200Ω/ssquareのシート抵抗を持つ。皮膜は頑健でもある。引張ひずみ解析は、ITO膜について、3%ひずみにおける20,000%の抵抗変化と比較して、18%ひずみにおいて14%の抵抗変化を示す。
Claims (31)
- ナノ構造電気デバイスであって、
表面を有する第1導体と、
前記第1導体の表面の一部分を覆う、上部および底部表面を有する絶縁多孔性層とを備え、前記多孔性層の前記上部表面が前記第1導体の表面に対向し、前記多孔性層が複数の孔を有し、それぞれの孔が、前記多孔性層の前記上部および底部表面に第1および第2開口を有し、
それぞれが2つの端部を有する、第1のタイプの複数の外因性半導電性ナノワイヤとを備え、前記半導電性ナノワイヤの少なくとも1つが、前記孔のうちの1つの孔を通過し、それにより、前記少なくとも1つの半導電性ナノワイヤの前記第1の端部が、前記孔の前記第2開口に近接して前記第1導体に電気接続され、前記少なくとも1つの半導電性ナノワイヤの前記第2の端部が、前記孔の前記第1開口を実質的に通過して延び、かつ、第2のタイプの半導体に動作可能に接触するナノ構造電気デバイス。 - 前記半導電性ナノワイヤが、シリコンからなる請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記半導電性ナノワイヤが、実質的に単結晶である請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記半導電性ナノワイヤが、GaSbからなる請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記孔の底部と前記第1導体の表面との間には実質的に全くバリア層が存在しない請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記半導電性ナノワイヤが、前記多孔性層の前記上部表面を越えて約500ナノメートル〜30ミクロン延びる請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記半導電性ナノワイヤが、前記多孔性層の前記上部表面を越えて約30ミクロン〜120ミクロン延びる請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記複数の半導電性ナノワイヤが、中心から中心まで約50ナノメートル〜500ナノメートル離間する請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記多孔性層の厚さが、約50ナノメートル〜50ミクロンである請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記多孔性層の厚さが、約2ミクロン〜8ミクロンである請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記多孔性層が、陽極酸化アルミニウムである請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記多孔性層が、チタニア、シリカ、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化インジウム・スズ、酸化ストロンチウム、酸化バナジウム、または酸化モリブデンのうちの1つである請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記半導電性ナノワイヤが、Ge、GaN、GaAs、InP、AlGaAs、InGaSb、InGaAsSb、またはGaInNAsのうちの1つから作られる請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記第1の半導体タイプの、バンド・ギャップが、約0.38〜0.7エレクトロンボルトである請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記第1導体が金属であり、前記多孔性層が同じ金属の酸化物である請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記金属がアルミニウムである請求項15に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記多孔性層が、前記第1導体の一部分を陽極酸化することによって形成される酸化物である請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- ナノ構造電気デバイスを構成する前記半導電性ナノワイヤが、約450ナノメートル〜2500ナノメートルの放射波長について、約50%より大きいスペクトル吸収を有する請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 前記第2のタイプの半導体が、ポリマである請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- 真性半導体の層が、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に位置し、それにより、前記半導電性ナノワイヤが、前記真性半導体層によってコーティングされ、かつ、前記真性半導体層を通る電気経路によって、前記第2半導体タイプ層に動作可能に接続される請求項1に記載のナノ構造電気デバイス。
- ナノ構造電気デバイスを作製する方法であって、
導電性層の表面に接触した状態で金属層を陽極酸化することであって、それにより、複数の孔からなる多孔性金属酸化物絶縁層を作成する、陽極酸化することを含み、各孔が、前記酸化物層の第1表面から前記酸化物層の対向する第2表面まで延び、前記酸化物層の前記第1表面が、前記導電性層の表面に近接し、
複数の外因性半導電性ナノワイヤを成長させることであって、それにより、前記複数の半導電性ナノワイヤの少なくとも1つが、前記複数の孔の少なくとも1つの孔を通して成長し、前記導電性層に電気接触し、前記多孔性酸化物層の前記対向する第2表面を実質的に越えて前記導電性層の表面から延びる、成長させること、および、
前記酸化物層を越えて延びる前記半導電性ナノワイヤのかなりの部分を、第2のタイプの半導体でコーティングすることを含む方法。 - 前記陽極酸化工程は、前記半導電性ナノワイヤと前記第1導体との間の電気接続を妨害することになる材料の前記複数の孔のうちの少なくとも1つの孔を実質的に洗浄することをさらに含む請求項21に記載の方法。
- 前記洗浄工程は、化学エッチ・プロセスからなる請求項22に記載の方法。
- 前記陽極酸化工程は、所定期間にわたって定常状態陽極酸化電流を監視すること、および、定常状態電流を超える陽極酸化電流のかなりの増加を検出することによって、陽極酸化電流を停止することをさらに含む請求項21に記載の方法。
- 陽極酸化電流のかなりの増加は、増加の前の陽極酸化電流の約2〜3倍である請求項24に記載の方法。
- 前記陽極酸化工程は、陽極酸化プロセスの最後の5%の間に、少なくとも1つの工程の連続で、陽極酸化電圧または陽極酸化電流を減少させるシーケンスを含む請求項24に記載の方法。
- 前記陽極酸化工程は、第1陽極酸化電圧で陽極酸化し、次に、前記第1陽極酸化電圧から第2陽極酸化電圧へ陽極酸化電圧を減少させること、前記第2陽極酸化電圧における陽極酸化電流を監視すること、陽極酸化電流がほぼ平坦になった状態を検出すること、および、陽極酸化電圧を第3陽極酸化電圧に減少させることからなる請求項26に記載の方法。
- 前記第1陽極酸化電圧と前記第2陽極酸化電圧との差は、前記第1陽極酸化電圧の約5%〜25%の範囲にある請求項27に記載の方法。
- 前記成長させる工程は、触媒VLS技法である請求項21に記載の方法。
- 前記成長させる工程は、さらに、前記複数の孔の少なくとも1つの孔内に触媒種晶を堆積させること、および、前記少なくとも1つの孔から成長する前記少なくとも1つの半導電性ナノワイヤの先端から、実質的に前記触媒種晶の全てをエッチングすることからなる請求項29に記載の方法。
- 前記触媒種晶は、スズ、アルミニウム、銅、プラチナ、パラジウム、ニッケル、またはガリウムのうちの1つである請求項30に記載の方法。
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