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JP2010518623A - ホットキャリアクーリングが低減された光電池 - Google Patents

ホットキャリアクーリングが低減された光電池 Download PDF

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Abstract

光電池は、第１の電極と、第１の電極に接触して位置する第１のナノ粒子層と、第２の電極と、第２の電極に接触して位置する第２のナノ粒子層と、第１のナノ粒子層と第２のナノ粒子層との間で、第１のナノ粒子層および第２のナノ粒子層に接触して位置する薄膜光起電材料と、を備える。

Description

本発明は、一般的には、光電池または太陽電池の分野に関し、より詳細には、ナノ粒子層および／またはナノ結晶光起電材料膜を含む光電池に関する。
関連特許出願に対する相互参照
本願は、本願明細書において参照により援用されている２００７年２月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／９００，７０９号（特許文献１）の利益を主張するものである。
先行技術のホットキャリア光（ＰＶ）電池（ホットキャリア太陽電池としても知られている）において、電極とＰＶ材料との界面における電子−電子相互作用が、ＰＶ電池中での高温電子の望ましくないクーリングおよびＰＶ電池のエネルギー変換効率の対応する損失を引き起こす。
米国仮特許出願第６０／９００，７０９号
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３５４１（２００１）
本発明の実施形態は、第１の電極と、第１の電極に接触して位置する第１のナノ粒子層と、第２の電極と、第２の電極に接触して位置する第２のナノ粒子層と、第１のナノ粒子層と第２のナノ粒子層との間で、第１のナノ粒子層および第２のナノ粒子層に接触して位置する光起電材料と、を備える光電池を提供する。
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電池の概略立体図である。 本発明の実施形態によるＰＶ電池アレイの概略立体図である。 図３Ａは、本発明の実施形態によるＰＶ電池アレイを形成するためのマルチチャンバー装置の概略平面図であり、図３Ｂ〜図３Ｇは、図３Ａの装置内でＰＶ電池アレイ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４Ａは、集積多層ＰＶ電池アレイの側面概略断面図であり、図４Ｂは、アレイの回路概略図である。 ＣｄＴｅ量子ドット（ＱＤ）ナノ粒子でコンフォーマルに被覆されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像である。
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の第１の実施形態および第２の実施形態のそれぞれによる光電池１Ａおよび１Ｂを示す。両電池１Ａ、１Ｂ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の電極との間に位置する光起電（ＰＶ）材料７と、を備える。図１Ｂに示す電池１Ｂでは、ＰＶ材料７はまた、電極３、５に電気的に接触している。第１の電極３から第２の電極５の方向（つまり、図１Ａ、１Ｂの左右）における光起電材料７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１Ａ、１Ｂの垂直方向）における光起電材料の高さ１１は、少なくとも１ミクロンであり、例えば２〜３０ミクロンであり、例えば１０ミクロンである。用語「実質的に垂直」は、上端より広い、またはより狭い基部を有する中空円錐状のＰＶ材料については１〜４５度垂直から外れる方向だけでなく、中空シリンダ状のＰＶ材料７については正確に垂直な方向も含む。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１Ａ、１Ｂ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１Ａおよび図１Ｂ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ている。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、多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、ホールおよび／または励起子）に変換される場合、多量のフォノン（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。例えば、入射光子の少なくとも４０％、例えば４０〜８０％、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１Ａおよび図１Ｂに示す実施例についての約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの幅９は、多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。幅９は、キャリア再接合および／または散乱によるキャリア（例えば、電子および／またはホール）エネルギー損を実質的に防ぐのに十分に小さいことが好ましい。例えば、アモルファスシリコンについて、この幅は、約２００ｎｍ未満である。幅は、他の材料では異なっていてもよい。
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９０〜９５％、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、太陽放射線の大部分を集める（つまり、光生成された電荷キャリアに光子の大部分を変換する）のに十分に厚く、入射太陽放射線の１０％以下、例えば、０〜５％が、ＰＶ電池の底部に達するまたは底部から出る（つまり、ＰＶ電池より下の基材に達する）ことを可能にすることが好ましい。高さ１１は、５０ｎｍ〜２，０００ｎｍの波長範囲、好ましくは４００ｎｍ〜１，０００ｎｍの波長範囲内で、光子の少なくとも９０％、例えば９０〜１００％を光電吸収するのに十分に大きいことが好ましい。高さ１１は、半導体材料における最長光子侵入深さより大きいことが好ましい。そのような高さは、アモルファスシリコンでは約１ミクロン以上である。高さは、他の材料では異なっていてもよい。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、金属多層カーボンナノチューブなどの導電性カーボンナノチューブ、モリブデン、銅、ニッケル、金またはパラジウムナノワイヤなどの元素金属または合金金属ナノワイヤ、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いてもよい。ナノロッドは、２〜２００ｎｍ、例えば３０〜１５０ｎｍ、例えば５０ｎｍの直径、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もまた導電性高分子材料から形成されていてもよい。または、ナノロッドは、電気絶縁材料、例えば高分子材料を含んでいてもよく、導電性外郭構造によって覆われて電極３を形成する。例えば、導電性層は、ナノロッドのまわりに導電性外郭構造を形成して電極３を形成するように基材を覆って形成されていてもよい。ポリマーナノロッド、例えば、プラスチックナノロッドは、モールド内でポリマー基材を成形して基材の一方の表面上にナノロッドを形成することによって、または基材の一方の表面をスタンプしてナノロッドを形成することによって形成されてもよい。
光起電材料７は、図１Ａおよび図１Ｂ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。ＰＶ材料７は、太陽光での照射に応じて電圧を生成することができる任意の適切な薄膜半導体材料を含んでいてもよい。例えば、ＰＶ材料は、アモルファス、単結晶または多結晶無機半導体材料、例えば、シリコン（アモルファスシリコンを含む）、ゲルマニウム、または化合物半導体、例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＳｎＳｅ、Ｂｉ2 Ｔｅ3 、Ｓｂ2 Ｔｅ3 、ＰｂＳ、Ｂｉ2 Ｓｅ3 、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳまたはＣｄＳｅの他に、それらの３成分および４成分の組み合わせのバルク薄膜を含んでいてもよい。また、半導体ナノ粒子、例えば量子ドットの層とすることもできる。ＰＶ材料膜７は、同一または異なる半導体材料の１つ以上の層を含んでいてもよい。例えば、ＰＶ材料膜７は、ｐｎ接合を形成するために、逆導電型（つまり、ｐおよびｎ）ドーパントでドープされた２つの異なる導電型層を含んでいてもよい。これは、ｐｎ接合型ＰＶ電池を形成する。必要に応じて、真性半導体領域が、ｐ型領域とｎ型領域との間に位置してｐ−ｉ−ｎ型ＰＶ電池を形成してもよい。または、ＰＶ材料膜７は、同一または異なる導電型を有する異なる半導体材料の２つの層を含んでヘテロ接合を形成してもよい。または、ＰＶ材料膜７は、材料の単一層を含んで、ショットキー接合型ＰＶ電池（つまり、必ずしもｐ−ｎ接合を利用せずに、ＰＶ材料が電極とショットキー接合を形成するＰＶ電池）を形成していてもよい。
有機半導体材料が、ＰＶ材料７に使用されてもよい。有機材料の例として、光活性ポリマー（半導体ポリマーを含む）、有機光活性分子材料、例えば、色素、または生体光活性材料、例えば、生体半導体材料が挙げられる。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。
第２の電極５は、光起電材料７を囲んで、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いてもよい。または、電極５は、透光性導電性材料、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、アルミニウム亜鉛酸化物またはインジウム亜鉛酸化物を含んでいてもよい。
ＰＶ電池１Ａ、１Ｂは、電極３が内部シリンダまたはコアシリンダを含み、ＰＶ材料７は、電極３のまわりに中央中空シリンダを含み、電極５は、ＰＶ材料７のまわりに外部中空シリンダを含む同心シリンダを含むいわゆるナノコアックスとして成形されている。前に述べたように、半導体薄膜ＰＶ材料の幅９は、約１０〜２０ｎｍであることが好ましく、それぞれの伝導帯および価電子帯に強く励起された電荷キャリア（つまり、電子およびホール）が、電極に到着する前にバンド端に収まらないことを確実にする。ナノコアックスは、１０〜２０ｎｍの幅を有するＰＶ材料で作動することができる、周波数カットオフを有さないサブ波長伝送路を含む。
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１Ａ、１Ｂ用の光学アンテナ３Ａを形成することが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。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より大きいことが好ましい。アンテナ３Ａの高さは、ナノロッド３の直径の３倍より大きいことが好ましい。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の整数倍を含んでいてもよい（つまり、アンテナ高さ＝（ｎ／２）×５３０ｎｍ、ここで、ｎは整数である）。アンテナ３Ａは、太陽放射線の収集に役立つ。入射太陽放射線の９０％より多く、例えば、９０〜１００％が、アンテナ３Ａによって集められることが好ましい。
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、または置き換えられる。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、太陽放射線を集め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１Ａ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のまわり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、板状電極を含んでいてもよく、ＰＶ材料７は、電極３、５間に薄く長い板状材料を含んでいてもよい。さらに、ＰＶ電池１Ａは、前述したものと異なる幅９および／または高さ１１を有していてもよい。
図２は、各電池１のアンテナ３Ａが入射太陽放射線を集める、ナノコアックスＰＶ電池１のアレイを示し、入射太陽放射線は、ライン１３として概略的に示されている。ナノロッド内部電極３は、図２、図３Ｂ、図３Ｄおよび図３Ｇに示すように、導電性基材１５上、例えば鋼基材やアルミニウム基材上に直接形成されてもよい。この場合、基材は、電極３とＰＶ電池１とを直列に接続する電気接点の１つとしての機能を果たす。導電性基材１５について、図３Ｅに示すように、任意の電気絶縁層１７、例えば酸化シリコンまたは酸化アルミニウムが、基材１５と各外部電極５との間に位置して、基材１５から電極５を電気的に絶縁してもよい。また、絶縁層１７は、図２に示すように、隣接するＰＶ電池１の隣接する電極５間のスペースを満たしてもよい。あるいは、ＰＶ材料７が、図３Ｆに示すように、基材１５の表面を覆うならば、絶縁層１７は、省略されてもよい。別の構成において、図３Ｇに示すように、ＰＶ電池間の側部のスペース全体が、電極５のすべてを直列に接続することが望ましいならば、電極５の材料で満たされていてもよい。この構成では、電極５の材料は、ＰＶ電池間のスペース内で基材を覆って位置するＰＶ材料７上に位置していてもよい。絶縁層１７は、必要に応じて完全に省略されてもよく、または、図３Ｇに示すように、ＰＶ材料の下に位置する薄い層を含んでいてもよい。１つの電気接触（明確化のために図示せず）が、外部電極５になされる一方で、個別の電気接点が、基材１５を介して内部電極に接続されている。あるいは、絶縁性基材１５が、導電性基材の代わりに使用されてもよく、個別の電気接点は、ＰＶ電池の下に各内部電極３にもたらされる。図３Ｇに示される絶縁層１７は、この構成では、導電性層と置き換えられてもよい。導電性層１７は、内部電極３の基部と接触してもよく、または、各内部電極３全体を覆ってもよい（特に、内部ナノロッドが絶縁材料からなる場合）。基材１５が、光学的透明材料、例えばガラス、石英またはプラスチックを含むならば、ナノワイヤまたはナノチューブアンテナは、ＰＶ電池から基材の対向面上に形成されてもよい。透明基材の構成では、ＰＶ電池は、基材１５を介して太陽放射線を照射されてもよい。導電性および光学的に透明な層１７、例えば、インジウムスズ酸化物、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウム亜鉛酸化物、または他の透明な導電性金属酸化物は、透明な絶縁性基材の表面上に形成されて、内部電極３に対するボトム接点として機能してもよい。そのような導電性透明層１７は、内部電極３の基部と接触してもよく、または、内部電極３全体を覆ってもよい。したがって、基材１５は、柔軟性があるかまたは剛体であってもよく、導電性または絶縁性であってもよく、可視光線に対して透明または不透明であってもよい。
１つ以上の絶縁性で、光学的に透明で、封止および／または反射防止層１９が、ＰＶ電池を覆って形成されていることが好ましい。アンテナ３Ａは、１つ以上の封止層１９内に封止されてもよい。封止層１９は、透明ポリマー層、例えば、ＰＶ装置において封止層として一般的に使用されるＥＶＡまたは他のポリマー、および／または無機層、例えば酸化シリコン、または他のガラス層を含んでいてもよい。
本発明の第１の実施形態では、ＰＶ電池は、電極と薄膜半導体ＰＶ材料７との間に少なくとも１つのナノ粒子層を含む。個別のナノ粒子層は、ＰＶ材料膜７と各電極３、５との間に位置することが好ましい。図１Ａに示すように、内部ナノ粒子層４は、内部電極３に接触して位置し、外部ナノ粒子層６は、外部電極５に接触して位置する。薄膜光起電材料７は、内部ナノ粒子層４と外部ナノ粒子層６との間で、内部ナノ粒子層４および外部ナノ粒子層６に接触して位置する。具体的には、内部ナノ粒子層４は、ナノロッド電極３の少なくとも下部を囲み、光起電材料膜７は、内部ナノ粒子層４を囲み、外部ナノ粒子層６は、光起電材料膜７を囲み、外部電極５は、外部ナノ粒子層６を囲んでナノコアックスを形成する。したがって、ナノ粒子層４、６は、ＰＶ材料膜７とそれぞれの電極３、５の界面に位置する。
層４および６中のナノ粒子は、２〜１００ｎｍ、例えば１０〜２０ｎｍの平均直径を有していてもよい。ナノ粒子は、半導体ナノ結晶または量子ドット、例えば、シリコン、ゲルマニウムまたは他の化合物半導体量子ドットを含むことが好ましい。しかし、他の材料のナノ粒子が代わりに使用されてもよい。ナノ粒子層４、６は、２００ｎｍ未満、例えば、５〜２０ｎｍなどの２〜３０ｎｍの幅を有する。例えば、層４、６は、ナノ粒子の３未満の単分子層、たとえばナノ粒子の１〜２の単分子層の幅を有して、共振電荷キャリアが光起電材料膜７からそれぞれの電極３、５にナノ粒子層をトンネルすることを可能にしてもよい。ナノ粒子層４、６は、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減する。言い換えれば、ナノ粒子層４、６は、電極とＰＶ材料との界面を超える電子−電子相互作用を防止または低減する。クーリングの防止または低減は、熱生成を低減するとともに、ＰＶ電池効率を増大させる。
本発明の他の実施形態では、各ナノ粒子層４、６は、異なる平均直径および異なる組成のうちの少なくとも１つを有するナノ粒子の少なくとも２セットを含む。例えば、ナノ粒子層４は、より大きな直径のナノ粒子の第１のセットおよびより小さな直径のナノ粒子の第２のセットを含んでいてもよい。または、第１のセットは、シリコンナノ粒子を含んでいてもよく、第２のセットは、ゲルマニウムナノ粒子を含んでいてもよい。ナノ粒子の各セットは、調整されて、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減する。ナノ粒子の２つより多いセット、たとえば３〜１０セットがあってもよい。ナノ粒子のセットは、ナノ粒子層４および６中で互いに混合されてもよい。または、ナノ粒子の各セットは、それぞれのナノ粒子層４、６中に薄い（つまり１〜２の単分子層の厚さ）個別のサブ層を含んでいてもよい。
図１Ｂに示す本発明の他の実施形態では、光起電材料７は、ナノ結晶薄膜半導体光起電材料を含む。言い換えれば、ＰＶ材料７は、バルク半導体材料、例えばシリコン、ゲルマニウムまたは化合物半導体材料の薄膜を含み、それは、ナノ結晶粒状組織を有する。したがって、膜は、３００ｎｍ以下、例えば１００ｎｍ以下、例えば５〜２０ｎｍの平均粒径を有する。この実施形態では、ＰＶ材料膜７が内部電極３と外部電極５との間で、内部電極３および外部電極５と電気的に接触して位置するように、ナノ粒子層４、６は、省略されてもよい。ナノ結晶薄膜は、アモルファス膜を蒸着するために使用される温度よりわずかに高い温度であるが大粒子多結晶膜、例えばポリシリコン膜を蒸着するために使用される温度より低い温度で、化学蒸着法、例えばＬＰＣＶＤまたはＰＥＣＶＤによって蒸着されてもよい。また、ナノ結晶粒状組織は、電極近傍のホットキャリアクーリングを低減すると考えられ、電極で共振電荷キャリアトンネルを可能にする。
図３Ａは、ＰＶ電池を作製するためのマルチチャンバー装置１００を示し、図３Ｂから図３Ｇは、本発明の他の実施形態によるＰＶ電池１Ａ、１Ｂ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電池は、移動する導電性基材１５上、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帯鋼上に形成されてもよい。基材１５は、マルチチャンバー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ーを通る。または、固定不連続基材（つまり、連続ウェブまたは帯鋼ではない矩形基材）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、チャンバーまたはステーション１０１内で基材上に蒸着される。触媒粒子は、湿式電気化学、または任意の他の公知の金属触媒粒子蒸着方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ーまたはステーション１０３内で選択的に成長させられる。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によって成長させられてもよい一方で、金属ナノワイヤは、ＭＯＣＶＤによって成長させられてもよい。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ている。または、ナノロッドは、前述したように、成形またはスタンピングによって形成されてもよい。
図３Ｅに示す第３のステップでは、任意の絶縁層１７が、チャンバーまたはステーション１０５内でナノロッド電極３のまわりで基材１５の露出表面上に形成される。絶縁層１７は、空気雰囲気または酸素雰囲気中で、露出金属基材の表面の低温熱酸化によって、またはＣＶＤ、スパッタリング、スピンオンガラス蒸着などによる絶縁層、例えば酸化シリコンの蒸着によって形成されてもよい。または、任意の層１７は、スパッタリング、めっきなどによって形成された導電性層、例えば、金属または導電性金属酸化物層を含んでいてもよい。
図３Ｆに示す第４のステップでは、ナノ粒子層４、ＰＶ材料７およびナノ粒子層６は、チャンバーまたはステーション１０７内で、ナノロッド電極３上を覆うとともにその電極のまわりに、絶縁層１７を覆って形成される。図５は、ＣｄＴｅナノ粒子でコンフォーマルに被覆されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の例となるＴＥＭ像を示す。
ナノ粒子層４、６を形成する１つの方法は、工業用半導体ナノ粒子または量子ドットを別々に形成または得るステップを含む。半導体ナノ粒子は、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、内部ナノ粒子層４を形成する。例えば、ナノ粒子は、絶縁層１７を覆うとともに電極３を覆って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。光起電材料膜７は、任意の適切な方法、例えばＣＶＤによって蒸着される。第２のナノ粒子層６は、次いで、層４と同様の方法で膜７のまわりで形成される。
あるいは、図１Ｂのナノ結晶ＰＶ材料膜７が使用されるならば、膜は、アモルファス成長温度と多結晶成長温度と間の温度領域でＣＶＤによって形成されてもよい。
図３Ｇに示す第５のステップでは、外部電極５は、チャンバーまたはステーション１０９内で、光起電材料７（または外部ナノ粒子層６が存在するならば、外部ナノ粒子層６）のまわりに形成される。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焼きなましステップによって形成されてもよい。あるいは、電極５は、ＰＶＤ、例えばスパッタリングまたは蒸着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電池の上面を平坦化し、ナノロッド３の上部をさらしてアンテナ３Ａを形成する。必要に応じて、さらなる絶縁層が、ＰＶ電池間に形成されてもよい。次いで、封止層１９は、アンテナ３Ａを覆って形成されて、ＰＶ電池アレイを完成する。
図４Ａは、基材１５を覆って形成されたＰＶ電池の多層アレイを説明する。このアレイにおいて、下レベルにおける各ＰＶ電池１Ａは、上レベルにおけるＰＶ電池１Ｂが重なった状態で内部ナノロッド状電極３を共有している。言い換えれば、電極３は、少なくとも２つのＰＶ電池１Ａ、１Ｂを介して垂直（つまり、基材表面に対して垂直）に延在する。しかし、アレイの下レベルおよび上レベルの電池は、個別のＰＶ材料７Ａ、７Ｂ、個別の外部電極５Ａ、５Ｂ、および個別の電気出力Ｕ１およびＵ２を含む。異なる種類のＰＶ材料（つまり、異なるナノ結晶サイズ、バンドギャップおよび／または組成）は、上アレイレベルの電池１Ａでよりも下アレイレベルの電池１Ａに設けられてもよい。絶縁層２１は、上ＰＶ電池レベルと下ＰＶ電池レベルとの間に位置する。内部電極３は、この層２１を通って延在する。２つのレベルが示されている一方で、３つ以上の素子のレベルが形成されていてもよい。さらに、内部電極３は、上ＰＶ電池１Ｂを超えて延在して、アンテナを形成してもよい。図４Ｂは、図４Ａのアレイの回路概略図を示す。
ＰＶ電池１Ａ，１Ｂを操作する方法は、図２に示すように、第１の方向に伝搬する入射太陽放射線１３に電池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。前に検討したように、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フォノン生成を実質的に防ぐ、および／または電荷キャリア再接合および散乱による電荷キャリアエネルギー損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、９０〜９５％、例えば９０〜１００％を電荷キャリア、例えば電子およびホール（励起子を含む）に変換、および／または５０〜２，０００ｎｍ、好ましくは、４００ｎｍ〜１，０００ｎｍの波長範囲において、光子の少なくとも９０％、例えば、９０〜１００％を光電吸収するのに十分に厚い。図１Ａのナノ粒子層４、６が、存在するならば、共振電荷キャリアトンネルが、ナノ粒子層４、６を通って光起電材料７からそれぞれの電極３、５に好ましくは発生する一方で、ナノ粒子層は、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減する。
図１Ｂのナノ結晶ＰＶ材料７が存在するならば、ナノ結晶光起電材料は、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減する。
本発明の前述した説明は、実例および説明の目的のために示されたものである。前述した説明は網羅的であることは意図されず、また開示された正確な形態に発明を限定することも意図されず、修正例および変形例は、前述した教示を考慮して可能であり、または本発明の実行から得られてもよい。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ものである。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均等物によって定めることを意図されている。

Claims (23)

  1. 光電池であって、
    第１の電極と、
    第１の電極に接触して位置する第１のナノ粒子層と、
    第２の電極と、
    第２の電極に接触して位置する第２のナノ粒子層と、
    第１のナノ粒子層と第２のナノ粒子層との間で、第１のナノ粒子層および第２のナノ粒子層に接触して位置する光起電材料と、
    を備える光電池。
  2. 請求項１記載の光電池において、
    光起電材料は、薄膜またはナノ粒子材料を含み、
    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ミクロンである光電池。
  3. 請求項２記載の光電池において、
    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ミクロンである光電池。
  4. 請求項１記載の光電池において、
    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こと、および電荷キャリア再接合および散乱による電荷キャリアエネルギー損を実質的に防ぐことのうちの少なくとも１つを行うのに十分に薄く、
    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こと、および５０〜２，０００ｎｍの波長範囲内で光子の少なくとも９０％を光電吸収することのうちの少なくとも１つを行うのに十分に厚い光電池。
  5. 請求項１記載の光電池において、
    第１の電極は、ナノロッドを含み、
    第１のナノ粒子層は、ナノロッドの少なくとも下部を囲み、
    光起電材料は、第１のナノ粒子層を囲み、
    第２のナノ粒子層は、光起電材料を囲み、
    第２の電極は、第２のナノ粒子層を囲んでナノコアックスを形成する光電池。
  6. 請求項５記載の光電池において、
    ナノロッドは、カーボンナノチューブまたは導電性ナノワイヤを含む光電池。
  7. 請求項６記載の光電池において、
    ナノロッドの上部は、光起電材料を超えて延在し、光電池用の光学アンテナを形成する光電池。
  8. 請求項１記載の光電池において、
    光起電材料は、半導体薄膜を含み、
    第１のナノ粒子層は、３未満の単分子層の幅を有する半導体ナノ粒子層を含んで、共振電荷キャリアが光起電材料から第１の電極に第１のナノ粒子層をトンネルすることを可能にする光電池。
  9. 請求項１記載の光電池において、
    第１のナノ粒子層は、異なる平均直径および異なる組成のうちの少なくとも１つを有するナノ粒子の少なくとも２セットを含む光電池。
  10. 請求項１記載の光電池において、
    光起電材料は、シリコンを含み、
    第１のナノ粒子層中のナノ粒子は、シリコンまたはゲルマニウムの量子ドットを含む光電池。
  11. 請求項１記載の光電池において、
    第１のナノ粒子層は、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減する光電池。
  12. 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ナノ結晶薄膜半導体光起電材料と、を備え、
    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ミクロンである光電池。
  13. 光電池を作製する方法であって、
    第１の電極を形成するステップと、
    第１の電極に接触して第１のナノ粒子層を形成するステップと、
    第１のナノ粒子層に接触して半導体光起電材料を形成するステップと、
    光起電材料に接触して第２のナノ粒子層を形成するステップと、
    第２のナノ粒子層に接触して第２の電極を形成するステップと、
    を含む方法。
  14. 請求項１３記載の方法において、
    基材に垂直な第１の電極を形成するステップと、
    第１の電極の少なくとも下部のまわりに第１のナノ粒子層を形成するステップと、
    第１のナノ粒子層のまわりに光起電材料を形成するステップと、
    光起電材料のまわりに第２のナノ粒子層を形成するステップと、
    第２のナノ粒子層のまわりに第２の電極を形成するステップと、
    をさらに含む方法。
  15. 請求項１４記載の方法において、
    前記第１のナノ粒子層を形成するステップは、半導体ナノ粒子を準備し、その後、準備された半導体ナノ粒子をナノロッド状の第１の電極の少なくとも下部に取り付けるステップを含み、
    光起電材料は、薄膜またはナノ粒子材料を含む方法。
  16. 請求項１４記載の方法において、
    第１の電極、第２の電極および光起電材料は、移動する導電性基材上に蒸着される方法。
  17. 請求項１６記載の方法において、
    基材上に光電池のアレイを形成するステップをさらに含む方法。
  18. 請求項１７記載の方法において、
    ウェブ状の導電性基材を第１のリールから第２のリールに巻くステップと、
    導電性基材上に複数の金属触媒粒子を形成するステップと、
    金属触媒粒子から複数のナノロッド状の第１の電極を成長するステップと、
    第１の電極間に基材を覆って絶縁層を形成するステップと、
    をさらに含む方法。
  19. 請求項１４記載の方法において、
    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ミクロンである方法。
  20. 第１の電極と、第１の電極に接触して位置する第１のナノ粒子層と、第２の電極と、第２の電極に接触して位置する第２のナノ粒子層と、第１のナノ粒子層と第２のナノ粒子層との間で、第１のナノ粒子層および第２のナノ粒子層に接触して位置する光起電材料と、を備える光電池を操作する方法であって、
    光電池を、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、
    第１のナノ粒子層が、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減しながら、共振電荷キャリアトンネルが、光起電材料から第１の電極に第１のナノ粒子層を通って発生するように、前記さらすステップに応じて光電池から電流を生成するステップと、
    を含む方法。
  21. 請求項２０記載の方法において、
    光起電材料は、薄膜またはナノ粒子材料を含み、
    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こと、および電荷キャリア再接合および散乱による電荷キャリアエネルギー損を実質的に防ぐことのうちの少なくとも１つを行うのに十分に薄く、
    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こと、および５０〜２，０００ｎｍの波長範囲内で光子の少なくとも９０％を光電吸収することのうちの少なくとも１つを行うのに十分に厚い方法。
  22. 第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間で、第１の電極層および第２の電極層に接触して位置する薄膜ナノ結晶半導体光起電材料と、を備える光電池を操作する方法であって、
    光電池を、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、
    ナノ結晶光起電材料が、電極近傍のホットキャリアクーリングを防止または低減するように、さらすステップに応じて光電池から電流を生成するステップと、
    を含む方法。
  23. 請求項２２記載の方法において、
    第１の方向に実質的に垂直な第２の方向における第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こと、および電荷キャリア再接合および散乱による電荷キャリアエネルギー損を実質的に防ぐことのうちの少なくとも１つを行うのに十分に薄く、
    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こと、および５０〜２，０００ｎｍの波長範囲内で光子の少なくとも９０％を光電吸収することのうちの少なくとも１つを行うのに十分に厚い方法。
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