JP2010533985A - 半導体の規則配列構造 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図9
Description
本出願は、審査継続中である、同一出願人による以下の米国特許出願、すなわち、2007年7月19日に出願された、米国特許出願第60/961,170号、「ワイヤアレイサンプル及びコントロールの製造」;2007年7月19日に出願された、米国特許出願第60/961,169号、「金及び銅触媒を用いた大領域(>1cm2)に縦に整列したシリコンワイヤアレイの成長」;2007年7月19日に出願された、米国特許出願第60/961,172号、「高アスペクト比のシリコンワイヤアレイ光電気化学セル」;2007年8月28日に出願された、米国特許出願第60/966,432号、「ポリマ埋め込み型半導体ロッドアレイ」;及び2008年5月13日に出願された、米国特許出願第61/127,437号、「シリコンロッドアレイの再成長」;に関連しており、その利益を要求する。これらの出願の全内容はここに引用によって組み込まれている。
米国政府はDOEによって与えられた、許可番号DE−FG02−03ER15483によって、本発明において所定の権利を有する。
本開示は、光をエネルギィに変換する構造体に関する。特に、本開示は、半導体ワイヤの配列構造を用いて光を電力に変換するデバイスについて述べる。
太陽エネルギィ変換用の光子吸収体におけるキーとなる制約は、その材料が、材料のバンドギャップ以上のエネルギィを伴う太陽光線のほとんどの光子を吸収するのに十分に厚くなければならないのにもかかわらず、光子で生成された電荷担体を効率よく回収するために、拡散長が長い少数担体を有するのに十分に純粋でなければならないことである。この制約は、最小限必要な吸収体相の純度に影響するため、吸収体材料上にコストのかかるフロアを強要することになる。このような事情は、1.12eVであるシリコンのバンドギャップを超えて、太陽光線中のエネルギィの90%を吸収するのに100μmの厚さを必要とするシリコンなど、間接的なバンドギャップ吸収体について特に厳しい。
更なる詳細を以下に述べるとおり、アレイのワイヤが一次光を吸収し、電荷担体分離する垂直配向ワイヤアレイを太陽エネルギィ変換に用いるようにしても良い。好ましくは、この垂直配向ワイヤアレイは、比較的高いアスペクト比で形成される、即ち、ワイヤアレイ中のワイヤは受光方向に長く、担体の半径方向の回収を効率よくするべく比較的半径が小さい。これらの半径は、比較的不純な吸収物質であることを考慮しても小さくても良い。本発明の実施例による太陽電池デバイスは、比較的面積の大きい垂直配向ワイヤアレイと、このようなワイヤアレイに対する電気的ジャンクションを作る手段と、これらのデバイスの後側に電気的接点を作る手段を有する。一の実施例では、太陽エネルギィは、一次光吸収及び液界電解質と接触する電荷担体分離材料としてワイヤを用いて、変換される。
本発明の別の実施例は、Cd(Se,Te)を電気蒸着させて作った放射状ロッドアレイジャンクション光電極を具えるものであり、これについて以下に説明する。II−VI半導体である、CdSeとCdTeは、双方とも、太陽光スペクトルによく合致したバンドギャップ(CdSeについては1.7eV、CaTeについては1.4eV)を有する、直接ギャップの吸収性がきわめて高い物質である。この物質は、両方とも、様々な技術で蒸着することができる。CdTe及びCdSeの電気蒸着は、よく確立されており、電気蒸着した形でのこれらの材料の、太陽電池あるいは光電気化学セルのパフォーマンスは、吸収体相における少数担体回収拡散長が短いことによって、しばしば制限されている。
γ=ANR/AP=(2πrhpNRLW)/(LW)=2πrhpNR
ここで、ANRは、ナノロッドアレイ電極ジャンクションの面積であり、APは、平面電極ジャンクションの面積であり、rは、単一のナノロッドの半径であり、hは、ナノロッドの高さであり、pNRは、ナノロッドの密度(平面ベース領域の単位当たりのロッド数)であり、L及びWは、それぞれ、平面投影面積の長さと幅である。γのこの定義は、暗に、ナノロッドアレイジャンクション領域が、ロッドの側壁のみからなり、ロッドの上部や、ロッド間のベースにおける領域は無視していることに留意されたい。上述のように製造したアレイに関しては、rが〜100nmであり、pNRが〜109ナノロッドcm−2であり、hは3.5乃至7.0μmで変化する。ほぼ最適な吸収体では、厚さ、すなわち、h=n(1/α)であり、n〜2−3で、αは吸収係数であり、半径と密度が同じであるロッドについては、γが〜19である。ここで用いた特定のサンプルでは、γが〜22−44であった。このように、光生成電荷担体の製造比率が両サンプルについて同じである場合、ジャンクション境界に亘る少数担体束は、ナノロッドアレイ電極の各ナノロッドについて、平面ジャンクションシステムの同じ投影面積に存在するものより少ないであろう。
VOC=(kT/q)1n(JSC/γJO)
ここで、kはボルツマン定数であり、Tは温度、qは素電荷、JOは実際のジャンクション領域の逆飽和電流密度、JSCは、投影したデバイス領域の単位当たりの短絡電流密度、VOCは、平面電極配置における類似吸収体及びジャンクションによって生成したVOCの値に比較して、γ>>1であるナノロッド電極アレイでは減少するであろう。γ>>1の場合に、この固有のジオメトリ効果は、このようなシステムで結果的にジャンクション面積が増えたことによって、最も小さいナノロッド径から離れるように最適デザインをバイアスする傾向にある。本発明の場合は、増えた単位当たりのジャンクション面積は、ファクタがほぼ30であり、これは、すべての他のパラメータが同じであれば、平面電極に対するナノロッドアレイ電極について、VOCが90mV減少する。しかしながら、ナノロッドアレイ電極のJSCが、平面電極のものより低いので、結果的に、上記の式では、ナノロッドアレイ電極がむしろVOCより低い値になるであろう。
本発明の別の実施例は、平面基板をエッチングすることによって製造したシリコンピラーを有する光電気化学セルを具える。シリコンをエッチングしたピラーは、低温活性イオンエッチング(RIE)プロセスを用いて製造することができる。このようなプロセスは、ほぼ液体窒素の温度で行うことができ、非常に深くエッチングした構造体を作ることができる。平面基板は、マスク媒体として光レジストを用いてエッチングすることができる。図17A−17Gに、エッチングプロセスを用いて作ったピラーのSEM画像を示す。レジストをパターニングするのに使用した光マスクは、六角形の密封パックしたアレイに切込みを入れた、直径5、10、20及び50μmのスポットでできたアレイを含む領域を有しており、各ケースで同じピラーの総充填率となる。図17Aは、直径50μmのピラーを示す図であり、図17Bは、直径50μmのピラーを単独で示す図である。図17Cは、直径20μmのピラーを示す図である。図17Dは、直径10μmのピラーを示す図であり、図17Eは、直径10μmのピラーの側面図である。図17Fは、直径5μmのピラーを示す図であり、図17Gは、直径5μmのピラーのアレイの平面図である。
本発明の実施例は、入力として太陽光と水を用いて、出力として水素と酸素を製造する人工光合成システムを具える。このシステムは、光アノードと、光カソード、及び、製造物を分離し、イオンは通過させる膜、との3つの個別の主たるコンポーネントを具える。これらのコンポーネントは、完成した水分解系に組み込む前に個別に製造して、最適化することができる。このシステムは、H2O(又はOH−)の酸化とH+(又はH2O)の還元の両方をサポートするのに必要な、開回路で絶対的に1.7乃至1.9Vを発生する、二つの分離した、感光性半導体/液体界面を組み入れている。
Claims (20)
- ベース伝導層と;
細長半導体構造体でできた配列アレイであって、当該細長半導体構造体が前記ベース伝導層の少なくとも部分に電気的に接触する隣接端によって規定される長さ寸法と、前記ベース伝導層に接触していない遠位端とを有し、前記長さ寸法に対してほぼ直交する半径寸法を有し、前記半径寸法が前記長さ寸法より小さい、配列アレイと;
電荷伝導層であって、当該電荷伝導層の少なくともいくつかの部分が前記複数の細長半導体構造体の一又はそれ以上と、当該一又はそれ以上の細長半導体構造体の前記長さ寸法の少なくとも部分に沿って電気的に接触している、電荷伝導層と;を具え、
前記細長半導体構造体が受光した光を吸収することを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、前記半径寸法が、前記細長半導体構造体を構成する材料の少数担体拡散長より小さいかあるいは同じであることを特徴とするデバイス。
- 請求項2に記載のデバイスにおいて、前記長さ寸法に対する半径寸法の比が、太陽エネルギィを電気エネルギィに変換するのに最適であるか、あるいはほぼ最適であることを特徴とするデバイス。
- 請求項1、2又は3に記載のデバイスにおいて、前記ベース伝導層が基板を具え、前記細長半導体構造体が当該基板から成長した構造体を具えることを特徴とするデバイス。
- 請求項1、2又は3に記載のデバイスにおいて、前記ベース伝導層が基板を具え、前記細長半導体構造体が当該基板に蒸着させた構造体を具えることを特徴とするデバイス。
- 請求項1、2又は3に記載のデバイスにおいて、前記ベース伝導層が基板を具え、前記細長半導体構造体が当該基板をエッチングしてできた構造体を具えることを特徴とするデバイス。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のデバイスにおいて、前記電荷伝導層が液体電解質を具えることを特徴とするデバイス。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のデバイスにおいて、前記電荷伝導層が、伝導ポリマ、金属酸化物半導体界面、及びPN接合のうちの少なくとも一又はそれ以上の要素を具えることを特徴とするデバイス。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載のデバイスにおいて、前記細長半導体構造体が、ロッド形状、ピラミッド形状、及びツリー形状のうちの少なくとも一又はそれ以上の形状を有する半導体構造体アレイを具えることを特徴とするデバイス。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載のデバイスにおいて、前記細長半導体構造体が、当該細長半導体構造体の長さ寸法の少なくとも一部に沿って、前記電荷伝導層に適合して埋め込まれていることを特徴とするデバイス。
- 光セルにおいて:
基板と;
配光され配列された半導体ワイヤを具える一又はそれ以上のワイヤアレイであって、前記複数の半導体ワイヤが前記基板に連続する隣接端と、入射光を受光するよう配光された遠位端とを具え、前記隣接端と前記遠位端が各半導体ワイヤの長さ寸法を規定しており、前記各半導体ワイヤが当該半導体ワイヤを構成する材料の少数担体拡散長より短いかあるいは同じ半径を有している、ワイヤアレイと;
電荷伝導層であって、当該電荷伝導層の少なくともいくつかの部分が、一又はそれ以上の半導体ワイヤの長さ寸法の少なくとも部分に沿って一又はそれ以上の半導体ワイヤと電気的に接触している、電荷伝導層と;
を具え、
前記半導体ワイヤが受信光を吸収し、これによって各半導体ワイヤの半径に対する前記長寸法の比が、前記一又はそれ以上の半導体ワイヤを構成する材料の太陽エネルギィ変換に最適であるか、あるいはほぼ最適である、ことを特徴とする光セル。 - 請求項11に記載の光セルにおいて、前記一又はそれ以上のワイヤアレイのうちの前記半導体アレイが、前記基板から成長した半導体ワイヤ、前記基板上に蒸着させた半導体ワイヤ、前記基板をエッチングして形成した半導体ワイヤのうちの少なくとも一つを具えることを特徴とする光セル。
- 請求項11又は12に記載の光セルにおいて、前記電荷伝導層が、電解質を伴う非水性溶液、電解質を伴う水性溶液、伝導ポリマ、半導体材料、及び金属のうちの少なくとも一つを具えることを特徴とする光セル。
- 請求項11乃至13のいずれか1項に記載の光セルにおいて、前記半導体ワイヤが:結晶性シリコン、非結晶性シリコン、ミクロモルフォスシリコン、微結晶シリコン、ナノ結晶シリコン、テルル化カドミウム、銅−インジウムセレン、銅−インジウムガリウムセレンガリウムヒ素、ガリウムヒ素リン、セレン化カドミウム、リン化インジウム、a−シリコン−H合金及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを具えることを特徴とする光セル。
- 請求項11乃至14のいずれか1項に記載の光セルにおいて、前記一又はそれ以上のワイヤアレイが、均一にあるいはほぼ均一に間隔を空けて配置した半導体ワイヤを具え、当該半導体ワイヤ間のスペースが、前記光セルによる光エネルギィ変換が最大になるように選択されていることを特徴とする光セル。
- 水を水素に変換する光セルにおいて:
複数の細長光アノード半導体ワイヤを具える一又はそれ以上の配向ワイヤアレイであって、前記光アノード半導体ワイヤが入射光を受光するよう配向されている、配向ワイヤアレイを具える光アノードと;
複数の細長光カソード半導体ワイヤを具える一又はそれ以上の配向ワイヤアレイであって、前記光カソード半導体ワイヤが入射光を受光するよう配向されている、配向ワイヤアレイを具える光カソードと;
前記複数の光アノード半導体ワイヤを複数の光カソード半導体ワイヤに、電気的及びイオン的に相互接続しているフィルムと;
を具えることを特徴とする光セル。 - 請求項16に記載の光セルにおいて、前記フィルムがフレキシブルなコンポジットポリマフィルムであることを特徴とする光セル。
- 請求項16又は17に記載の光セルにおいて、前記フィルムがガス状生成物の混合を防止することを特徴とする光セル。
- 請求項16乃至18のいずれか1項に記載の光セルにおいて、前記光アノード半導体ワイヤ及び/又は前記光カソード半導体ワイヤが、付属の異種多電子触媒を有することを特徴とする光セル。
- 請求項16乃至19のいずれか1項に記載の光セルが、さらに、イオン伝導ポリマの散在パッチを具えることを特徴とする光セル。
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