JP2010532574A

JP2010532574A - 分散型コアックス光起電装置

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Publication number: JP2010532574A
Application number: JP2010514864A
Authority: JP
Inventors: ケンパ，クシュシトフ; ノートン，マイケル
Original assignee: ソーラスタインコーポレイテッド
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-10-07
Also published as: TW200919751A; CN101779296A; WO2009005805A3; WO2009005805A2; KR20100039371A; EP2168170A2; CN101779296B; US20090007956A1

Abstract

光起電装置は複数の光電池を含む。複数の光電池の各光電池は、第１の電極と、少なくとも１つの隣接した光電池と共有された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間で、第１の電極および第２の電極に電気的に接触して位置する光起電材料と、を含む。１つの光電池から隣接した光電池への方向における第２の電極の厚さは、第２の電極材料の光表皮厚さ未満であり、隣接した光電池の第１の電極間の距離間隔は、入射放射線のピーク波長未満である。

Description

本発明は、概して光電池または太陽電池の分野に関し、より具体的には、多重バンドギャップを含む光電池または多重励起子効果を示す光起電材料を含む光電池に関する。

関連特許出願の相互参照
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２００７年７月３日に出願された米国仮特許出願第６０／９２９，５７８号（特許文献１）の利益を主張する。

米国公開特許出願第２００４／０１１８４５１号（特許文献２）には、効率が高められたバルク多接合ＰＶ装置について記載されている。ＰＶ装置は、半導体材料において２つ以上のｐ−ｎ接合セルを含む。多接合セルは、それぞれ１．８５／１．４３／０．７ｅＶのバンドギャップを有するＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ材料から形成されていてもよい。あるいは、各セルは、各セルに異なるバンドギャップをもたらす、各セルにおけるＧａに対するＩｎの比が異なるＩｎＧａＮ材料においてｐ−ｎ接合を含んでもよい。

米国仮特許出願第６０／９２９，５７８号米国公開特許出願第２００４／０１１８４５１号

Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３５４１（２００１）Ｎ．Ｍａｌｉｋｏｖａｅｔａｌ．，Ｌａｎｇｍｕｉｒ１８（９）（２００２）３６９４

本発明の実施形態は、複数の光電池を含む光起電装置を提供する。複数の光電池の各光電池は、第１の電極と、少なくとも１つの隣接した光電池と共有された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間で、第１の電極および第２の電極に電気的に接触して位置する光起電材料と、を含む。１つの光電池から隣接した光電池への方向における第２の電極の厚さは、第２の電極材料の光表皮厚さ未満であり、隣接した光電池の第１の電極間の距離間隔は、入射放射線のピーク波長未満である。

本発明の実施形態によるＰＶ電池の概略立体図である。本発明の実施形態によるＰＶ装置の概略側面断面図である。透光性基材上に形成された複数のナノロッドの走査顕微鏡画像である。複数のナノロッドで覆われた基材が、透光性、例えば光学的に透明であり、下にあるコンピュータ端末上のウェブページが基材を通して見えることを示す写真である。本発明の実施形態によるＰＶ装置の概略側面断面図である。本発明の実施形態によるＰＶ装置の概略側面断面図である。本発明の実施形態によるＰＶ装置の概略側面断面図である。本発明の実施形態によるＰＶ装置の概略側面断面図である。図３Ａは、本発明の実施形態によるＰＶ装置を形成するためのマルチチャンバ装置の概略平面図であり、図３Ｂ〜図３Ｆは、図３Ａの装置においてＰＶ装置を形成する方法におけるステップの側面断面図である。

図１は、本発明の実施形態による光電池１を示す。光電池１は、第１の電極すなわち内部電極３と、第２の電極すなわち外部電極５と、第１の電極と第２の電極との間で、第１の電極および第２の電極に電気的に接触して位置する光起電（ＰＶ）材料７を含む。第１の電極３から第２の電極５（つまり、図１の左右）への方向における光起電材料の幅９は、約２００ｎｍ未満、例えば１００ｎｍ以下、好ましくは１０〜２０ｎｍである。光起電材料の幅に実質的に垂直な方向（つまり、図１の縦方向）における光起電材料の高さ１１は、少なくとも１ミクロン、例えば２〜３０ミクロン、例えば１０ミクロンである。用語「実質的に垂直」は、中空シリンダ形状のＰＶ材料７について正確に垂直方向、および上端より広いまたは狭い基部を有する中空円錐形状のＰＶ材料について１〜４５度だけ垂直から外れる方向を含む。他の適切なＰＶ材料の寸法が使用されてもよい。

ＰＶ材料７の幅９は、ＰＶ電池１に入射する入射太陽放射線に実質的に垂直な方向に延在することが好ましい。図１では、入射太陽放射線（つまり、太陽光）は、水平幅９の方向に対して約７０〜１１０度、例えば８５〜９５度の角度でＰＶ材料７に当たるように意図される。幅９は、電極に対する、光起電材料中の光生成された電荷キャリア飛行時間の間のフォノン生成を実質的に防ぐのに十分に薄いことが好ましい。言い換えれば、ＰＶ材料７の幅９は、かなりの数のフォノンが生成される前に、電極３および／または電極５に十分な電荷キャリアを輸送することができるほど十分に薄くなければならない。したがって、入射太陽放射線の入射光子が、ＰＶ材料に吸収され、電荷キャリア（電子／ホールまたは励起子）に変換される場合、かなりの量のフォノン（光生成された電流をもたらす電荷キャリアの代わりに、入射放射線を熱に変換する）が生成される前に、電荷キャリアは、それぞれの電極３，５に達するはずである。例えば、入射光子の少なくとも４０％、例えば４０〜１００％が、それぞれの電極に達し、フォノン（つまり、熱）を生成する代わりに光生成された電流を引き起こす、光生成された電荷キャリアに変換されることが好ましい。図１に示す実施例についての約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの幅９は、かなりの数のフォノンの発生を防ぐのに十分に小さいと推定される。

光起電材料７の高さ１１は、入射太陽放射線中の入射光子の少なくとも９０％、例えば９０〜１００％を電荷キャリアに変換するのに十分に厚いことが好ましい。したがって、ＰＶ材料７の高さ１１は、太陽放射線をすべて収集するのに十分に厚くなければならない。必ずではないが、高さ１１は、幅９の少なくとも１０倍の大きさ、例えば少なくとも１００倍の大きさ、例えば１，０００〜１０，０００倍の大きさであることが好ましい。

第１の電極３は、導電性ナノロッド、例えばナノファイバ、ナノチューブまたはナノワイヤを含むことが好ましい。例えば、第１の電極３は、導電性カーボンナノチューブ、例えば金属多層カーボンナノチューブ、または、元素金属または合金金属ナノワイヤ、例えばモリブデン、銅、ニッケル、金またはパラジウムナノワイヤ、または、黒鉛部分を有するカーボン繊維材料のナノスケールロープを含むナノファイバを含んでもよい。ナノロッドは、２〜２００ｎｍ、例えば３０〜１５０ｎｍ、例えば、５０ｎｍの直径、および１〜１００ミクロン、例えば１０〜３０ミクロンの高さの円筒形状を有していてもよい。必要に応じて、第１の電極３も、導電性高分子材料から形成されていてもよい。あるいは、ナノロッドは電気絶縁材料を含んでもよく、電気絶縁材料は、導電性シェルによって覆われて電極３を形成する。例えば、図２Ａについてより詳細に以下に説明するように、ナノロッドの周囲に導電性シェルを形成して電極３を形成するように導電層が基材を覆って形成されてもよい。

光起電材料７は、図１に示すように、ナノロッド電極３の少なくとも下部を囲む。光起電材料７は、半導体ナノ結晶、バルク無機半導体材料、例えばアモルファスシリコンまたはナノ結晶シリコン、または化合物半導体材料、例えばＩＩＩ−Ｖ材料、高分子光活性材料、有機分子光活性材料または生体光活性材料のうちのいずれか１つまたは複数を含んでもよい。

例えば、光起電材料７は、半導体ナノ結晶（量子ドットとしても知られている）、例えばシリコンナノ結晶を含んでもよい。あるいは、ナノ結晶は、ピーク太陽放射線エネルギーより著しく小さいバンドギャップを有して、太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果（キャリア増倍効果としても知られている）を示してもよい。そのようなナノ結晶は、０．８ｅＶ以下、例えば０．１〜０．８ｅＶ（つまり、太陽放射線の２．３４ｅＶのピークエネルギーの少なくとも２．９分の１の大きさしかない）のバンドギャップを有していてもよい。そのようなナノ結晶材料の例として、無機半導体、例えばＧｅ，ＳｉＧｅ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，ＳｎＴｅ，ＳｎＳｅ，Ｂｉ₂ Ｔｅ₃ ，Ｓｂ₂ Ｔｅ₃ ，ＰｂＳ，Ｂｉ₂ Ｓｅ₃ ，ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂ，およびそれらのうちの３つおよび４つの組み合わせが挙げられる。

ナノ結晶は、１０〜１００ｎｍ、例えば２０〜３０ｎｍの平均直径を有していることが好ましい。ナノ結晶は、ナノ結晶のサイズよりはむしろそれらの材料組成によってナノ結晶のバンドギャップが決まるように十分に大きくてもよい（つまり、バンドギャップとは、サイズよりはむしろ材料の特性である）。ナノ結晶は、２組の異なるナノ結晶材料の組成を含んでもよい。

ナノ結晶は、互いに物理的接触またはトンネル接触して、内部電極３から外部電極５に電荷キャリアのための経路をもたらす。ＰＶ材料７は、光学的に透明なマトリックス材料、例えば光学的に透明な高分子マトリックス（例えば、太陽電池で使用されるＥＶＡまたは他の高分子封入材料）、または光学的に透明な無機酸化物マトリックス材料、例えばガラス、シリコン酸化物などに封入されたナノ結晶を含んでもよい。マトリックス中のナノ結晶間の短い距離は、隣接したナノ結晶間の直接キャリア輸送がない場合、キャリアトンネル現象を保証する。あるいは、マトリックスは省略されてもよく、ナノ結晶は高密度充填されたナノ結晶体を含んでもよい。

あるいは、ＰＶ材料は、他のＰＶ活物質、例えばバルク無機半導体層、例えばアモルファスシリコン半導体材料またはナノ結晶シリコン半導体材料または化合物半導体材料、光活性高分子（例えば、半導体高分子）、有機光活性分子材料、例えば染料、または生体光活性材料、例えば生体半導体材料を含んでもよい。光活性は、太陽放射線による照射に応じて電荷キャリア（つまり、電流）を生成する能力を意味する。有機材料および高分子材料として、ポリフェニレンビニレン、銅フタロシアニン（青または緑の有機顔料）、または炭素フラーレンが挙げられる。生体材料として、タンパク質、ばら輝石、またはＤＮＡ（例えば、本願明細書において参照により援用されている、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３５４１（２００１）（非特許文献１）に開示されたデオキシグアノシン）が挙げられる。ＰＶ材料７は、また、ナノ結晶半導体層とバルク半導体層との組み合わせを含んでもよい。例えば、ＰＶ材料は３層膜を含んでもよく、３層膜は、（ｉ）バルク半導体層（例えば、高濃度ｐ型アモルファスシリコン層または多結晶シリコン層）、（ｉｉ）半導体ナノ結晶層（例えば、真性シリコンナノ結晶膜または他のナノ結晶膜）、および（ｉｉｉ）バルクｐ型層とバルクｎ型層との間にナノ結晶真性層が位置するｐ−ｉ−ｎ型ＰＶ電池を形成するバルク半導体層（例えば、高濃度ｎ型アモルファスシリコン層または多結晶シリコン層）を含む。これらの層は、内部電極３から外部電極５に順番に配置されている。ナノ結晶層は、多層方法または他の方法によって作製されたシリコンナノ結晶を含んでもよい（例えば、多層方法の一般的な記載については、本願明細書において参照により援用されている、Ｎ．Ｍａｌｉｋｏｖａｅｔａｌ．，Ｌａｎｇｍｕｉｒ１８（９）（２００２）３６９４（非特許文献２）を参照されたい）。この構成は、約１Ｖ（Ｓｉギャップ）の最大内部電場をもたらし、短絡を低減または除去する。バルクシリコン層は約５〜１０ｎｍの厚さであってもよく、ナノ結晶層は約２０〜３０ｎｍの厚さであってもよい。バルク／ナノ結晶／バルクｐ−ｉ−ｎＰＶ電池は、図１および２に示すコアックス構成以外の構成を有していてもよく、垂直の代わりに水平に位置していてもよいことに留意するべきである。さらに、シリコン以外のバルク半導体材料が使用されてもよい。

ＰＶ材料７は、１つの導電型の半導体材料から完全になっていてもよい。これはショトキー結合型ＰＶ電池１を形成する。別の構成では、ｐ−ｎ型またはｐ−ｉ−ｎ型ＰＶ電池１が形成される。ｐ−ｎ型またはｐ−ｉ−ｎ型ＰＶ電池では、ＰＶ材料は、ｐ−ｎ結合またはｐ−ｉ−ｎ結合を含む。例えば、ＰＶ材料７は、逆導電型の半導体薄膜間に位置してｐ−ｉ−ｎ型ＰＶ電池を形成する真性半導体材料を含んでもよい。ｐ−ｉ−ｎ型ＰＶ電池では、第１のｐ型またはｎ型半導体薄膜が内部電極３の周囲に形成される。次いで、真性領域を含むナノ結晶半導体またはバルク半導体が、第１の半導体薄膜の周囲に形成される。次いで、第１の半導体薄膜に対して逆導電型の第２のｎ型またはｐ型半導体薄膜が、ナノ結晶真性領域の周囲に形成される。各半導体薄膜は約５〜約２０ｎｍの厚さを有していてもよい。

第２の電極５は、光起電材料７を囲んで、図１に示すいわゆるナノコアックスを形成する。電極５は、任意の適切な導電性材料、例えば導電性高分子、または元素金属または金属合金、例えば銅、ニッケル、アルミニウムまたはそれらの合金を含んでもよい。あるいは、電極５は、透光導電性材料、例えば透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、例えばインジウムスズ酸化物やアルミニウム亜鉛酸化物を含んでもよい。

任意に、ナノロッド３の上部は、光起電材料７の上端を超えて延在し、光電池１用の光アンテナ３Ａを形成する。しかし、図２Ａに関してより詳細に以下に説明するように、アンテナは省略されることが好ましい。用語「上端」は、ＰＶ電池が形成された基材から遠位のＰＶ材料７側を意味する。したがって、ナノロッド電極３の高さは、ＰＶ材料７の高さ１１以上であってもよい。アンテナ３Ａが存在する場合、アンテナ３Ａの高さは、ナノロッド３の直径の３倍大きくてもよい。アンテナ３Ａの高さは、入射太陽放射線に適合されてもよく、入射太陽放射線のピーク波長の１／２の整数倍を含んでもよい（つまり、アンテナ高さ＝（ｎ／２）×５３０ｎｍ（ｎは整数）である）。

別の実施形態では、アンテナ３Ａは、ナノホーン光コレクタで補完または置換される。この実施形態では、外部電極５は、ＰＶ材料７の高さ１１を超えて延在し、太陽放射線を収集するための上下逆の円錐として概略的に形成されている。

さらに他の実施形態では、ＰＶ電池１は、ナノコアックス以外の形状を有する。例えば、ＰＶ材料７および／または外部電極５は、内部電極３の周囲の空間の一部のみに延在してもよい。さらに、電極３および５は、板状電極を含んでもよく、ＰＶ材料７は、電極３、５間に薄く長い板状材料を含んでもよい。

図２Ａは、複数のＰＶ電池１、例えばＰＶ電池１のアレイを含むＰＶ装置２１を示す。明確にするために４つの電池１のみが示されているが、装置２１は、４つよりはるかに多い電池を含んでもよいことを理解するべきである。装置２１では、１つの光電池１から隣接した光電池１への方向（つまり、図２Ａの左右）の第２の電極５の厚さは、第２の電極材料の光表皮厚さ未満である一方で、隣接した光電池１の第１の電極３間の距離間隔は、入射放射線のピーク波長未満、例えば入射太陽放射線のピーク波長（つまり、約５５０ｎｍ）未満である。

図２Ａに示すように、各光電池１は、軸が光起電装置２１の基材１５に対して垂直に配向されたナノコアックスを含む。各光電池の第２の電極５は、光電池１間の空間を満たすとともに、各光電池の光起電材料７と電気的に接触する、共通電極を含む。

図２Ａに示す本発明の１つの実施形態では、ＰＶ装置２１は、各光電池内に光起電材料を形成するとともに、隣接した光電池間の空間内に基材を覆って位置する、連続光起電材料層７を含む。共通電極５は、隣接した光電池１間の光起電材料層７上の空間を満たす。電極５は、光起電材料層７と電気的に接触する。したがって、図２Ａに示すように、ナノコアックス電池１間の共通電極５（各電池１の外部電極として機能を果たす）の厚さは、電極材料中の光表皮厚さ、デルタ未満であり、近隣するコアックス電池間の中心間の距離間隔は、入射太陽放射線（または他の放射線型）波長、ラムダ未満である。この装置２１を、ＴＥＭモードでも伝達するマルチコアコアックスおよび／またはインターコアックス導体が表皮厚さより細い超高密度ナノコアキシャル媒体と考えることができる。

本発明の１つの実施形態では、第２の電極材料の光表皮厚さ、デルタは、入射放射線のピーク波長、ラムダ未満である。図２Ｄに示すこの実施形態では、第２の電極５は、太陽放射線を透過しない不透明金属または金属合金、例えばアルミニウム、銅またはそれらの合金を含んでもよい。例えば、そのような第２の電極材料の光表皮厚さは約１０ｎｍ〜約２０ｎｍである。共通電極５が光学的に透過せず、ＰＶ材料７が共通電極５から露出されない場合、装置２１は、透光性基材１５、例えばガラス、石英、プラスチックなどの上に形成される。装置２１の基材１５側は、放射線源、例えば太陽のほうに位置し、放射線１３は、基材１５を通ってＰＶ材料７に入射する。望ましくない反射を低減するために、ＰＶ材料７と共通電極５との間に透光性導電層６が任意に形成されていてもよい。導電層６は、金属酸化物層、例えば、ＩＴＯまたはＡＺＯ、または非常に薄い金属または金属合金層、例えば、５〜１５ｎｍの厚みのＣｒ層またはＴｉ層を含んでもよい。しかし、層６は必要に応じて省略されてもよい。同様に、層６は透光性共通電極５を含む図２Ａに示す装置２１に加えられてもよい。

基材１５が導電性でない場合、図２Ａに示すように、任意の導電層１７が、隣接した光電池１間の空間内で基材１５と光起電材料層７との間に位置する。導電層１７は各ナノロッド電極３に接触し、各ナノロッド電極３用の電気接点および出力の機能を果たす。導電層１７は透光性であってもよく、銅の薄層または銅合金層、または導電性透明酸化物、例えばＩＴＯまたはＡＺＯを含んでもよい。それ以外に、導電層１７は、厚さが１００〜５００ｎｍ、例えば２００〜３００ｎｍの、光が透過しない金属層または金属合金層、例えばクロム層またはチタン層を含んでもよい。

ナノロッドは、必要に応じて導電層１７上に直接形成されてもよく、または、ナノロッドは基材１５の表面上に形成されてもよく、導電層１７はナノロッドを囲む。ナノロッド自体が導電性でないなら、導電層１７は、各光電池内で各ナノロッドと光起電材料層との間にも位置して、図２Ａに示すような各絶縁ナノロッドコアの周囲に電極３の導電性シェル部を形成する。

他の実施形態では、第２の電極５の材料の光表皮厚さ、デルタは、入射放射線のピーク波長、ラムダより大きい。この場合、第２の電極は、透光導電性金属酸化物、例えばＩＴＯまたはＡＺＯを含む。第２の電極材料の光表皮厚さは、７００ｎｍより大きくてもよい。この実施形態では、装置２１は、光が透過しない基材１５（つまり、不透明基材）上に形成されてもよい。必ずではないが、基材１５の材料は導電性であることが好ましい。例えば、基材１５は、金属、例えばアルミニウムまたはステンレス鋼、または他の金属基材を含む。導電性基材１５は、電極３と電気的に接触し、電極３用の共通の電気接点の機能を果たす。この場合、導電層１７は、図２Ｅに示すように省略されて、いわゆる「対称分散型コアックス」を形成してもよい。しかし、この実施形態の装置２１に導電層１７が必要に応じて加えられてもよい。この構成では、装置２１は、第２の電極５側が放射線源、例えば太陽に対する位置であり、放射線１３は、基材１５側の反対側からＰＶ材料７に入射する。必要に応じて、ＰＶ材料７は、ナノロッド電極３間の全空間を満たしてもよく、図２Ｆに示すように、透明電極５が、ＰＶ材料７および電極３上に位置して、いわゆる「非対称分散型コアックス」を形成してもよい。図２Ｇに示す別の構成では、共通電極５、例えば透光性共通電極５は、ＰＶ電池１間の全空間を満たさない。この構成では、共通電極は、隣接した電池１間に溝２３を含む。溝２３の幅（図２Ｇの左右方向）は、０．００１〜１ミクロンに及んでもよい。溝２３は、透光性絶縁フィラー材料２５、例えばガラス、高分子などで満たされてもよい。もちろん、必要に応じて、図２Ａに示すように、溝は省略されてもよい。

必要に応じて、１つまたは複数の絶縁性で光学的に透明な封入層および／または反射防止層が、電池１を覆って形成されてもよい。封入層は、透明高分子層、例えばＰＶ装置において封入層として一般に使用されるＥＶＡまたは他の高分子、および／または無機層、例えばシリコン酸化物または他のガラス層を含んでもよい。

特有の理論によって拘束されることを望むことなく前に留意したように、装置２１は、ＴＥＭモード伝達ラインの機能を果たすマルチコアコアックスとして考えられる場合、外部放射線に合わせることは、シングルコアコアックスを通してよりも著しく容易であるはずである。特有の理論によって拘束されることを望むことなく、マルチコアコアックスは、寄生アンテナ効果に類似する効果をもたらすと考えられる。図２Ｂおよび図２Ｃは、この限定しない理論のための実験的なサポートをもたらす。図２Ｂに示す光学的に厚いナノロッド（カーボンナノチューブ）間のサブ波長距離間隔にもかかわらず、図２Ｃに示すように、これらのナノロッドを通る光の伝達は非常に高く、ここで、コンピュータ端末上のウェブページがナノロッドを通して目に見える。高い伝達は、光が媒体に入り、ここで光を、ＰＶ材料がナノチューブの周囲に蒸着される場合、ＰＶ材料に捕らえることができることを意味する。したがって、アンテナ３Ａは装置２１から省略されてもよく、太陽放射線が装置２１の上端に入射してもよいので、不透明金属基材１５が使用されてもよい。

図３Ａは、ＰＶ電池を作製するためのマルチチャンバ装置１００を示し、図３Ｂ〜図３Ｆは、本発明の１つの実施形態によるＰＶ電池１を作製する方法におけるステップを示す。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ＰＶ電池１は、移動する導電性基材１５上に、例えば、１つのスプールまたはリールからスプールされ（つまり、広げられ）、巻き取りスプールまたはリールに巻き取られる連続アルミニウムまたは鋼ウェブまたはストリップ上に形成されてもよい。基材１５は、マルチチャンバ蒸着装置中のいくつかの蒸着ステーションまたはチャンバを通る。あるいは、固定不連続基材（つまり、連続ウェブまたはストリップでない矩形基材）が使用されてもよい。電気的絶縁基材が使用されてもよい。

まず、図３Ｃに示すように、ナノロッド触媒粒子２１、例えば、鉄、コバルト、金、または他の金属ナノ粒子が、チャンバまたはステーション１０１内で基材１５上に蒸着される。触媒粒子は、湿式電気化学法、または任意の他の公知の金属触媒粒子蒸着法によって蒸着されてもよい。触媒金属および粒子サイズは、形成されるナノロッド電極３（つまり、カーボンナノチューブ、ナノワイヤなど）の種類に基づいて選択される。

図３Ｄに示す第２のステップでは、ナノロッド電極３は、触媒粒子およびナノロッドの種類に依存して、先端成長または基部成長によって、ナノ粒子触媒サイトでチャンバまたはステーション１０３内で選択的に成長される。例えば、カーボンナノチューブナノロッドは、低真空中でＰＥＣＶＤによって成長されてもよい一方で、金属ナノワイヤは、ＭＯＣＶＤによって成長されてもよい。ナノロッド電極３は、基材１５の表面に対して垂直に形成される。
図３Ｅに示す第３のステップでは、ＰＶ材料７が、チャンバまたはステーション１０７内でナノロッド電極３を覆って、および周囲に形成される。ＰＶ材料７を蒸着するためにいくつかの異なる方法が使用されてもよい。

ＰＶ材料を形成する１つの方法は、ナノロッド形状の内部電極３の周囲に任意の適切な蒸着技術を使用して、２０ｎｍ未満の幅９を有する、Ｓｉ，ＧｅまたはＰｂＳｅ膜などの連続半導体膜を蒸着することを含む。ナノロッド３のナノスケールの表面曲率により、膜は、ナノ結晶または量子ドットを含んでもよい。

ＰＶ材料を形成する他の方法は、市販の半導体ナノ結晶を単独に形成または得ることによって、既製の半導体ナノ結晶を準備することを含む。半導体ナノ結晶は、次いで、ナノロッド状の内部電極３の少なくとも下部に取り付けられて、ナノ結晶からなる光起電材料を形成する。例えば、ナノ結晶は、基材１５を覆うとともに電極３を覆うナノ結晶溶液または懸濁液から準備されてもよい。必要に応じて、ナノロッド電極３、例えばカーボンナノチューブは、ファンデルワールス力または共有結合を使用してナノ結晶に結合する部分、例えば反応基と化学的に官能化されてもよい。

ＰＶ材料を形成する他の方法は、既製のナノ結晶を準備し、光学的に透明な高分子マトリックス、例えばＥＶＡまたは他のマトリックス中に半導体ナノ結晶を入れることを含む。半導体ナノ結晶を含む高分子マトリックスは、次いで、基材１５を覆ってナノロッド形状の内部電極３の周囲に蒸着されて、高分子マトリックス中のナノ結晶からなる複合光起電材料を形成する。

ＰＶ材料を形成する他の方法は、基材１５を覆ってナノロッド形状の内部電極３の下部の周囲で第１の透明酸化物層、例えばガラス層を蒸着することを含む。ガラス層は、スパッタリング、ＣＶＤまたはスピン・オン・コーティングによって蒸着されてもよい。この後、透明酸化物を覆って半導体ナノ結晶を蒸着する。ナノ結晶は、透明酸化物上にＣＶＤによってその場で形成されてもよく、または、溶液または懸濁液から酸化物上に既製のナノ結晶が蒸着されてもよい。次いで、透明酸化物マトリックス中のナノ結晶を含む複合ＰＶ材料を形成するために、第２の透明酸化物層が、蒸着された半導体ナノ結晶を覆って蒸着される。この蒸着ステップは、所望の厚さが達成されるまで数回繰り返されてもよい。

図３Ｆに示す第４のステップにおいて、外部電極５は、チャンバまたはステーション１０９内で、光起電材料７の周囲に形成される。外部電極５は、湿式化学法、例えばＮｉまたＣｕ無電解めっき、または電気めっきおよびそれに続くアニールステップによって形成されてもよい。あるいは、電極５は、透明導電性酸化物を含む場合、ＰＶＤ、例えばスパッタリングまたは蒸発によって形成されてもよい。外部電極５およびＰＶ材料７は、化学機械研磨加工によって研磨されてもよく、および／または選択的にエッチバックされてＰＶ電池１の上面を平坦化し、ナノロッド３および／またはＰＶ材料７の上部を露出する。

ＰＶ電池１を含む装置２１を操作する方法は、図２Ａに示すように、上端または底から１つの方向に伝搬する入射太陽放射線１３に電池１をさらすステップと、さらすステップに応じてＰＶ電池から電流を生成するステップと、を含む。例えば、ナノ結晶ＰＶ材料は、多重励起子効果を示すことができ、それはキャリア増倍効果の部分集合である。前に説明したように、放射線１３の方向に実質的に垂直な方向における、内部電極３と外部電極５との間のＰＶ材料７の幅９は、電極の少なくとも１つに対する、光起電材料中の光生成された電荷キャリア飛行時間の間のフォノン生成を実質的に防ぐのに十分に薄い。放射線１３方向に実質的に平行な方向におけるＰＶ材料７の高さ１１は、入射太陽放射線中の入射光子の少なくとも９０％、例えば、９０〜１００％を電荷キャリア、例えば励起子に変換するのに十分に厚い。

本発明の前述した説明は、例示および説明の目的のために示された。本発明は網羅的であることは意図されず、開示された正確な形態に限定することは意図されず、修正例および変化例は、前述した教示を考慮すると可能であり、または本発明の実行から得られうる。詳細な説明は、本発明の原理およびその実用化について説明するために選択された。本発明の範囲は、本願明細書に添付された特許請求の範囲とそれらの等価物によって定められることが意図される。

Claims

複数の光電池を含む光起電装置であって、
複数の光電池の各光電池は、
第１の電極と、
少なくとも１つの隣接した光電池と共有された第２の電極と、
第１の電極と第２の電極との間で、第１の電極および第２の電極に電気的に接触して位置する光起電材料と、を含み、
１つの光電池から隣接した光電池への方向における第２の電極の厚さは、第２の電極材料の光表皮厚さ未満であり、
隣接した光電池の第１の電極間の距離間隔は、入射放射線のピーク波長未満である光起電装置。
請求項１記載の装置において、
第１の電極から第２の電極への方向における光起電材料の幅は、約２００ｎｍ未満であり、光起電材料の幅に実質的に垂直な方向における光起電材料の高さは、少なくとも１ミクロンである装置。
請求項２記載の装置において、
入射太陽放射線の対象とする方向に実質的に垂直な方向における光起電材料の幅は、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つに対する、光起電材料中の光生成された電荷キャリア飛行時間の間のフォノン生成を実質的に防ぐのに十分に薄く、
入射太陽放射線の対象とする方向に実質的に平行な方向における光起電材料の高さは、入射太陽放射線中の入射光子の少なくとも９０％を電荷キャリアに変換するのに十分に厚い装置。
請求項３記載の装置において、
光起電材料の幅は、１０〜２０ｎｍであり、
光起電材料の高さは、少なくとも２〜３０ミクロンである装置。
請求項１記載の装置において、
各光電池において、
第１の電極は、ナノロッドを含み、
光起電材料は、ナノロッドを囲み、
第２の電極は、光起電材料を囲んでナノコアックスを形成する装置。
請求項５記載の装置において、
ナノロッドは、ナノチューブ、ナノファイバまたはナノワイヤを含み、
各光電池は、軸が光起電装置の基材に対して垂直に配向されたナノコアックスを含み、各光電池の第２の電極は、光電池間の空間を満たすとともに、各光電池の光起電材料と電気的に接触する共通電極を含む装置。
請求項６記載の装置において、
装置は、各光電池内に光起電材料を形成するとともに、隣接した光電池間の空間内に基材を覆って位置する連続光起電材料層を含む装置。
請求項７記載の装置において、
各光電池内に各ナノロッドと光起電材料層との間に位置するとともに、隣接した光電池間の空間内に基材と光起電材料層との間に位置する導電層をさらに含む装置。
請求項７記載の装置において、
光起電装置は、隣接した光電池間の光起電材料層上の空間を満たすとともに、光起電材料層と電気的に接触する共通の第２の電極を含む装置。
請求項１記載の装置において、
光起電材料は、半導体ナノ結晶を含む装置。
請求項１記載の装置において、
光起電材料は、バルク無機半導体材料を含む装置。
請求項１記載の装置において、
光起電材料は、高分子光活性材料、有機分子光活性材料または生体光活性材料を含む装置。
請求項１記載の装置において、
隣接した光電池の第１の電極間の距離間隔は、５５０ｎｍ未満である装置。
請求項１３記載の装置において、
第２の電極材料の光表皮厚さは、入射放射線のピーク波長未満である装置。
請求項１４記載の装置において、
第２の電極は、太陽放射線を透過しない金属または金属合金を含む装置。
請求項１５記載の装置において、
第２の電極材料の光表皮厚さは、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍである装置。
請求項１５記載の装置において、
装置は、透光性基材上に形成されている装置。
請求項１記載の装置において、
第２の電極材料の光表皮厚さは、入射放射線のピーク波長より大きい装置。
請求項１８記載の装置において、
第２の電極は、透光導電性金属酸化物を含む装置。
請求項１９記載の装置において、
第２の電極材料の光表皮厚さは、７００ｎｍより大きい装置。
請求項１９記載の装置において、
装置は、非透光性基材上に形成されている装置。
光起電装置を作製する方法であって、
基材に垂直な各光電池の複数の第１の電極を形成するステップと、
第１の電極の周囲に光起電材料を形成するステップと、
共通の第２の電極が各光電池内で光起電材料を囲むとともに電気的に接触するように、光起電材料との間の空間を共通の第２の電極で満たすステップと、を含み、
各第１の電極から第２の電極への方向における光起電材料の幅は、約２００ｎｍ未満であり、
光起電材料の幅に実質的に垂直な方向における光起電材料の高さは、少なくとも１ミクロンであり、
各光電池の共通の第２の電極の厚さは、共通の第２の電極材料の光表皮厚さ未満であり、
隣接した第１の電極間の距離間隔は、入射放射線のピーク波長未満である方法。
請求項２２記載の方法において、
第１の電極の周囲に光起電材料を形成するステップは、第１の電極の周囲に、基材を覆って連続光起電材料層を形成することを含み、
光起電材料との間の空間を共通の第２の電極で満たすステップは、基材を覆い、第１の電極を囲む光起電材料層の第２の部分間に位置する、光起電材料層の第１の部分を覆って第２の電極を形成することを含む方法。
複数の光電池を含む光起電装置を操作する方法であって、
各光電池は、
第１の電極と、
少なくとも１つの隣接した光電池と共有された第２の電極と、
第１の電極と第２の電極との間で、第１の電極および第２の電極に電気的に接触して位置する光起電材料と、を含み、
各光電池の第２の電極の厚さは、第２の電極材料の光表皮厚さ未満であり、
隣接した光電池の第１の電極間の距離間隔は、入射放射線のピーク波長未満であり、
前記方法は、
光起電装置を、第１の方向に伝搬する入射太陽放射線にさらすステップと、
さらすステップに応じて各光電池から電流を生成するステップと、を含み、
第１の方向に実質的に垂直な第２の方向における、各光電池内の第１の電極と第２の電極との間の光起電材料の幅は、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つに対する、光起電材料中の光生成された電荷キャリア飛行時間の間のフォノン生成を実質的に防ぐのに実質的に十分に薄く、
第１の方向に実質的に平行な方向における光起電材料の高さは、入射太陽放射線中の入射光子の少なくとも９０％を電荷キャリアに変換するのに十分に厚い方法。
請求項２４記載の方法において、
装置は、寄生光アンテナ効果を示す方法。
光電池であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
第１の電極と第２の電極との間に位置する光起電材料であって、ｐ型バルク半導体層とｎ型バルク半導体層との間に位置する半導体ナノ結晶層を含む光起電材料と、
を含む光電池。
請求項２６記載の電池において、
ナノ結晶層は、約２０〜約３０ｎｍの幅を有する真性シリコンナノ結晶層を含み、ｐ型バルク半導体層およびｎ型バルク半導体層は、約５〜約１０ｎｍの幅をそれぞれが有する高濃度アモルファスシリコン層を含む電池。