光電池およびその作製方法
光電池は、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光起電材料と、を含む。光起電材料は、（ｉ）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を示す半導体ナノ結晶、および／または、（ｉｉ）半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する。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、一方、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、多重バンドギャップを含むか、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。
【０００２】
関連特許出願に対する相互参照
本願は、２００７年１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／８８７，２１２号（特許文献１）および２００７年１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／８８７，２０６号（特許文献２）の利益を主張するものであり、両者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。
【背景技術】
【０００３】
Schallerらの論文「Seven Excitons at a Cost of One: Redefining the Limits for Conversion Efficiency of Photons into Charge Carriers」，Nano Letters，２００６年，第６巻，第３号，４２４〜４２９ページ（非特許文献１）は、その全体が本願明細書において参照により援用され、いわゆる「多重励起子」効果について説明し、ここで、光起電（ＰＶ）材料に入射する１つの光子は、２対以上の電荷キャリア、つまり、２つ以上の励起子（つまり、２つ以上の電子−ホール対）を生じる。多重励起子効果は、光生成された電荷キャリアが２つ以上の励起子を含むＰＶ材料についてのより一般的な「キャリア増倍」効果の１種である。SchallerらのＰＶ材料は、３０ｎｍ未満、例えば、約２０ｎｍの平均直径を有するＰｂＳｅナノ結晶（単結晶ナノ粒子または量子ドットとも称される）からなると考えられている。ＰｂＳｅは、伝導帯と価電子帯とのギャップ（つまり、バンドギャップ）が約０．３ｅＶであり、太陽放射線のピーク発光エネルギーの数分の１の大きさである。執筆者らは、７．８ＰｂＳｅバンドギャップエネルギー（つまり、０．３ｅＶ×７．８＝２．３４ｅＶ、約５３０ｎｍの緑波長範囲におけるピーク太陽放射線のエネルギー）と等しいエネルギーを有する放射線を小さなバンドギャップのナノ結晶に照射することによって、各入射光子についてナノ結晶中に７つの励起子を発生することができ、量子効率は、６５％のエネルギー変換効率（η）で、７００％に近い。論文は、入射放射線が、ＰＶ材料の２．９バンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを有する場合、多重励起子効果が生じることを示している。
【０００４】
米国公開特許出願第２００４／０１１８４５１号（特許文献３）は、効率が向上したバルク多接合ＰＶ装置について記載している。ＰＶ装置は、半導体材料中に２つ以上のｐ−ｎ接合電池を含む。多接合電池は、それぞれが１．８５／１．４３／０．７ｅＶのバンドギャップを有するＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ材料からなることができる。または、各電池は、各電池に異なるバンドギャップをもたらす各電池において、Ｇａに対するＩｎの異なる比率を有するＩｎＧａＮ材料中にｐ−ｎ接合を含むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／８８７，２１２号
【特許文献２】米国仮特許出願第６０／８８７，２０６号
【特許文献３】米国公開特許出願第２００４／０１１８４５１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Schallerらの論文「Seven Excitons at a Cost of One: Redefining the Limits for Conversion Efficiency of Photons into Charge Carriers」，Nano Letters，２００６年，第６巻，第３号，４２４〜４２９ページ
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３５４１（２００１）
【非特許文献３】N. Malikova らのＬａｎｇｍｕｉｒ １８（９）（２００２）３６９４
【発明の概要】
【０００７】
本発明の実施形態は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間で、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、を含む光電池を提供する。光起電材料は、（ｉ）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を示す半導体ナノ結晶、および／または（ｉｉ）半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する。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未満である一方で、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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるＰＶ電池の概略立体図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態によるＰＶ電池のバンド図の概略図である。
【図１Ｃ】図１ＢのＰＶ材料のバンド間の放射遷移の概略図である。
【図１Ｄ】本発明の実施形態によるＰＶ電池のバンド図の概略図である。
【図２】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３】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４】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。
【図５】図５Ａ〜図５Ｈは、図４Ａの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６】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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａは、本発明の第１の実施形態による光電池１を示している。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と、を備える。第１の電極３から第２の電極５の方向（つまり、図１Ａの左右）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１Ａ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、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。
【００１０】
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１Ａ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４０〜１００％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。
【００１１】
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集めるのに十分に大きいことが好ましい。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が、必ずしもそうでなくてもよい。
【００１２】
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、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。また、必要に応じて、第１の電極３を導電性高分子材料から形成してもよい。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。
【００１３】
光起電材料７は、図１Ａ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。第２の電極５は、光起電材料７を囲んで、図１Ａ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。
【００１４】
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。好ましくは、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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を電気的に絶縁する。絶縁層１７は、また、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。または、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。または、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る。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。
【００１８】
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、電池１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。
【００１９】
本発明の１つの態様では、光起電材料７は、２つ以上の異なるバンドギャップを有する材料を含む。バンドギャップは、０．１ｅＶ〜４ｅＶ、例えば、０．３ｅＶ〜３．４ｅＶ、例えば、０．３ｅＶ〜１．８５ｅＶに及んでいてもよい。光起電材料は、バルクおよび／またはナノ結晶材料を含んでいてもよい。ＰＶ電池のバンドギャップ図は、図１Ｂで説明され、ＰＶ材料７の伝導帯と、価電子帯と、中間バンドとの間の放射遷移が、図１Ｃで説明されている。
【００２０】
本発明の１つの実施形態では、光起電材料７は、異なるバンドギャップエネルギーを有する２つ以上のナノ結晶のセット（ナノ粒子または量子ドットとしても知られている）を含む。本願明細書では、「ナノ結晶」の１セットは、ほぼ同じバンドギャップを有するナノ結晶群を意味する。ナノ結晶は、１〜１００ｎｍ、例えば、１〜１０ｎｍ、例えば、１〜５ｎｍの平均直径を有することが好ましい。ナノ結晶は、互いに物理コンタクトまたはトンネリングコンタクトして、内部電極３から外部電極５に電荷キャリア用の経路をもたらす。ナノ結晶は、光学的に透明なマトリクス材料、例えば光学的に透明なポリマーマトリクス（例えば、太陽電池で使用されるＥＶＡまたは他のポリマー封止材料）、または光学的に透明な無機酸化物マトリクス材料、例えばガラス、酸化シリコンなどの中に封止されていてもよい。マトリクス中のナノ結晶間の小さな距離は、隣接するナノ粒子間の直接のキャリア輸送がない状態でキャリアトンネリングを確実にする。または、マトリクスは、省略されてもよく、ナノ結晶は、高密度で充填されたナノ結晶体を含んでいてもよい。ナノ結晶ＰＶ材料７は、図１および図２に示す垂直ナノコアックス型ＰＶ電池１の構成において使用されることが好ましい。しかし、２つの平面電極間にナノ結晶ＰＶ材料が位置する平面水平構成を含めて、任意の他のＰＶ電池の構成が使用されてもよく、電極の１つは、放射線に対して透明である（つまり、太陽放射線は、水平透明電極の主面上に入射し、放射線は、透明電極を介してＰＶ材料に伝えられる）。
【００２１】
異なるバンドギャップエネルギーは、ナノ結晶の材料を変えることによって、および／または同じ材料のナノ結晶の大きさを変えることによって得られる。例えば、同じ大きさであるが、異なるナノ結晶材料、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅおよびＰｂＳｅからなるナノ結晶は、真性材料のバンドギャップ構造による異なるバンドギャップエネルギーを有する。さらに、ある臨界直径未満の直径を有するナノ結晶について、バンドギャップは、強い閉じ込め領域の量子効果により直径が減少するにつれて増加する。半導体ナノ結晶のバンドギャップが、大きさに応じて変わる臨界直径は、異なる材料では異なるが、特有の材料についての１励起子ボーア半径未満であると一般的に考えられる。例えば、励起子ボーア半径の大きさは、ＣｄＳｅについて約５〜６ｎｍであり、ＰｂＳｅについて４０ｎｍを超えると考えられる。
【００２２】
したがって、この実施形態では、光起電材料は、２つ以上の異なる材料のナノ結晶、および／または異なる平均直径を有する同じ材料または異なる材料のナノ結晶を含んでいてもよく、ここで、ナノ結晶の少なくとも１セットの直径は、ナノ結晶材料についての励起子ボーア半径より小さい。ナノ結晶は、ＩＶ族材料、ＩＶ−ＩＶ族材料、ＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＩＶ−ＶＩ族材料およびＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料の単一ナノ結晶、２成分ナノ結晶、３成分ナノ結晶または４成分ナノ結晶、または有機半導体材料、ポリマー半導体材料、または他の半導体材料を含んでいてもよい。例えば、光起電材料は、異なるバンドギャップを有するＳｉ、ＳｉＧｅおよびＰｂＳｅナノ結晶を含んでいてもよい。または、光起電材料は、４０ｎｍ未満の２つ以上の直径のＰｂＳｅナノ結晶、例えば、異なる平均直径、したがって各セットで異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の２〜４セットを含んでいてもよい。もちろん、ナノ結晶のセットは、組成および直径の両方による異なるバンドギャップエネルギーを有するように選択されてもよい。一般的に、ＰＶ材料７は、２〜１０のナノ結晶のセットを含んで、２〜１０の異なるバンドギャップをもたらしてもよい。図１Ｃに示すように、Ｎバンド（ここで、Ｎ≧３）を有するＰＶ材料について、バンド間でＮ（Ｎ−１）／２吸収および放射遷移をもたらすＮ（Ｎ−１）／２バンドギャップがある。
【００２３】
ナノ結晶の各セットは、ＰＶ材料７内に別々に設けられてもよく、または、ナノ結晶の他のセットと混合されてもよい。例えば、図１Ａを参照して、ナノ結晶のセットは、高さ１１の方向において分離されていてもよい。この構成では、最も小さなバンドギャップを有するナノ結晶の１つのセットは、ＰＶ材料の底（つまり、基材１５に最も近い）に位置付けられていてもよい一方で、最大のバンドギャップを有するナノ結晶の他のセットが、ＰＶ材料の上端の最も近く（つまり、アンテナ３Ａに最も近い）に位置付けられていてもよい。中間バンドギャップを有するナノ結晶のさらなる１つ以上のセットが存在するならば、そのとき、それらは、他の２つのセット間のＰＶ材料の中央に設けることができる。
【００２４】
他の構成では、ナノ結晶は、幅９の方向に分離されていてもよい。そのような１つの構成では、最も小さなバンドギャップを有するナノ結晶の１つのセットは、外部電極５に最も接近して位置付けられてもよい一方で、最大のバンドギャップを有するナノ結晶の他のセットは、内部電極３に最も接近して位置付けられてもよい。中間バンドギャップを有するナノ結晶のさらなるセットが存在するならば、それらは、他の２つのセット間のＰＶ材料の中央に設けることができる。別の構成では、最も小さなバンドギャップを有するナノ結晶の第１のセットは、内部電極３に最も接近して位置付けられていてもよい一方で、最大のバンドギャップを有するナノ結晶の第２のセットは、外部電極５に最も接近して位置付けられていてもよい。
【００２５】
他の構成では、ナノ結晶のセットは、分離されないが、ともに混合される。したがって、すべてのセットのナノ結晶は、マトリクス材料中に、または充填されたナノ結晶体ＰＶ材料７中にともに混合される。
【００２６】
本発明の他の実施形態では、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、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）を示す。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ピークエネルギーの少なくとも２．９分の１の大きさ）のバンドギャップを有することが好ましい。これらのナノ結晶は、それらのサイズではなくそれらの材料組成によってそれらのバンドギャップが決定されるように（つまり、バンドギャップは、サイズではなく材料の特性である）十分に大きくてもよい（つまり、励起子ボーア半径より大きな直径を有する）。したがって、多重励起子効果を示すための小さなバンドギャップ材料の選択およびＰＶ材料７の幅に対する高さの大きな比は、ＰＶ電池１に改善されたカラーマッチングをもたらす（つまり、フォノン／熱を多量に生成することなく、入射光子から電荷キャリアを生成するためのＰＶ材料の改善された能力をもたらす）。図１Ｄは、この実施形態のＰＶ電池１のバンド図を示す。この実施形態では、光起電材料７は、同じバンドギャップエネルギーまたは異なるバンドギャップエネルギー（つまり、光起電材料は、ナノ結晶の１つのセットまたは２つ以上のセットのいずれかを含んでいてもよい）のいずれかを有する半導体ナノ結晶を含んでいてもよい。したがって、ＰＶ材料７は、０．８ｅＶ以下のバンドギャップを有するナノ結晶の第１のセットを含んでいてもよく、任意に、０．９〜３．４ｅＶ、例えば、１〜２．３４ｅＶ、例えば、１．４３〜１．８５ｅＶのバンドギャップを有するナノ結晶の１つ以上の第２のセットを含んでいてもよい。
【００２７】
任意の適切な半導体ナノ結晶、例えば、小さな直接バンドギャップ半導体ナノ結晶が、太陽放射線に応じて光子当たり多重励起子を生成し、使用されてもよい。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、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳまたはＣｄＳｅ、他に、それらの３成分および４成分の組み合わせが挙げられる。
【００２８】
または、ＰＶ材料は、キャリア増倍効果を示す他のＰＶ活性剤、例えば、０．８ｅＶ以下のバンドギャップを有するバルク無機半導体層（前述したように）、光活性ポリマー（例えば、半導体ポリマー）、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、生体半導体材料を含んでいてもよい。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２）に開示されたデオキシグアノシン）が挙げられる。
【００２９】
ＰＶ材料７は、前述したナノ結晶から完全になっていてもよい。これは、ショットキー接合型ＰＶ電池１を形成する。別の構成では、ｐ−ｎまたはｐ−−ｎ型ＰＶ電池１が形成される。ｐ−ｎ型ＰＶ電池またはｐ−−ｎ型ＰＶ電池では、ＰＶ材料は、ｐ−ｎ接合またはｐ−−ｎ接合を含む。例えば、ＰＶ材料７は、逆導電型の半導体薄膜間に位置する真性ナノ結晶を含んで、ｐ−−ｎ型ＰＶ電池を形成してもよい。ｐ−−ｎ型ＰＶ電池では、第１のｐ型半導体薄膜またはｎ型半導体薄膜が、内部電極３のまわりに形成されている。次いで、真性領域を含むナノ結晶は、第１の半導体薄膜のまわりに形成されている。次いで、第１の半導体薄膜に対して逆導電型の第２のｎ型半導体薄膜またはｐ型半導体薄膜が、ナノ結晶真性領域のまわりに形成されている。各半導体薄膜の厚みは、約２〜５００ｎｍ、例えば、５〜約３０ｎｍ、例えば、約５〜約２０ｎｍであってもよい。例えば、ＰＶ材料は、（ｉ）バルク半導体層（例えば、高濃度にドープされたｐ型アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン、または他の半導体層）、（ｉｉ）半導体ナノ結晶層（例えば、真性シリコンまたは他のナノ結晶フィルム）、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−−ｎ型ＰＶ電池を形成するためのバルク半導体層（例えば、高濃度にドープされたｎ型アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン、または他の半導体層）を含む３層フィルムを含んでいてもよい。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いてもよい（例えば、多層方法の一般的説明に関して、本願明細書において参照により援用されている、N. Malikova らのＬａｎｇｍｕｉｒ １８（９）（２００２）３６９４（非特許文献３）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、短絡を低減または取り除く。バルクシリコン層は、厚みが約５〜１０ｎｍであってもよく、ナノ結晶層は、厚みが約１０〜３０ｎｍであってもよい。一般的に、真性層は、厚みが１０〜２００ｎｍであってもよく、ｐ型層およびｎ型層は、厚みが２〜５０ｎｍであってもよい。各ｐ型層、型層、ｎ型層は、任意の適切な組み合わせで、シリコン半導体材料または非シリコン半導体材料を含んでいてもよい。例えば、真性層は、ｐ型層およびｎ型層とは異なる半導体材料を含んでいてもよい。バルク／ナノ結晶／バルクｐ−−ｎ型ＰＶ電池は、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、水平に位置付けされていてもよい。
【００３０】
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〜図３Ｇ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、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ない矩形基材）が使用されてもよい。
【００３１】
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、または他の任意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。
【００３２】
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、ナノ結晶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。
【００３３】
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。
【００３４】
図３Ｆに示す第４のステップにおいて、ナノ結晶ＰＶ材料７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、任意の絶縁層１７を覆って形成される。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。
【００３５】
ＰＶ材料を形成する１つの方法は、ナノロッド状の内部電極３のまわりに任意の適切な蒸着技術を使用して、連続半導体フィルムまたは２０ｎｍ未満の幅９を有するフィルムを蒸着するステップを含む。フィルムは、ナノロッド３のナノスケールの表面曲率により、ナノ結晶または量子ドットを含むこととなる。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、互いに異なる組成を有する少なくとも２つのフィルムが順に蒸着される。
【００３６】
ＰＶ材料を形成する他の方法は、工業用半導体ナノ結晶を別々に形成または得ることによって既製半導体ナノ結晶を提供するステップを含む。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、絶縁層１７を覆うとともに電極３を覆ってナノ結晶の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。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、異なるナノ結晶は、蒸着前に予混合されることができる。
【００３７】
ＰＶ材料を形成する他の方法は、既製のナノ結晶を準備するステップと、光学的に透明なポリマーマトリクス、例えば、ＥＶＡまたは他のマトリクス中に半導体ナノ結晶を設置するステップと、を含む。次いで、半導体ナノ結晶を含むポリマーマトリクスは、基材１５を覆ってナノロッド状の内部電極３のまわりに蒸着されて、ポリマーマトリクス中にナノ結晶からなる複合光起電材料を形成する。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、ナノ結晶は、同じポリマーマトリクスに混合されることができる。または、ナノ結晶の各セットは、個別のマトリクス中にもたらされてもよく、そのとき、マトリクスは、別々にＰＶ電池中に蒸着されることができる。
【００３８】
ＰＶ材料を形成する他の方法は、基材１５を覆って、ナノロッド状の内部電極３の下部のまわりに、第１の透明酸化物層、例えば、ガラス層を蒸着するステップを含む。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、既製ナノ結晶は、溶液または懸濁液から酸化物上に蒸着されてもよい。次いで、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て、透明酸化物マトリクス中にナノ結晶からなる複合ＰＶ材料を形成する。前述した蒸着ステップは、所望の厚さが達成されるまで、数回繰り返されてもよい。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、ナノ結晶の両方のセットは、各ナノ結晶層に互いに混合されてもよく、または、ナノ結晶の各セットは、酸化物層によって分離された個別のナノ結晶層にもたらされてもよい。
【００３９】
図３Ｇに示す第５のステップにおいて、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またはＣｕ無電解めっきまたは電気めっき、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。または、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１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。
【００４０】
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示す。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を介して垂直に（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。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｈは、図４Ａのアレイを作製する方法におけるステップを示す。方法は、図３Ｂ〜図３Ｇの方法に類似し、図３Ａの装置内で行われてもよい。具体的には、内部電極の大部分がＰＶ材料および外部電極上に露出されることを除いて、図３Ｂ〜図３Ｇに示されたステップが、図５Ａ〜図５Ｄで繰り返されて、アレイの下レベルにおいてＰＶ電池１Ａを形成する。図５Ｅ〜図５Ｈに示すように、図３Ｅ〜図３Ｇに示すステップは、再度繰り返されて、アレイのＰＶ電池１Ｂの上レベルを形成する。さらなる素子のレベルが、図３Ｅ〜図３Ｇのステップをさらに１回以上繰り返すことにより形成されてもよい。具体的には、図５Ａに示すように、ナノロッド内部電極３は、基材１５上に形成される。次いで、図５Ｂに示すように、任意の導電性または絶縁層１７Ａ、および光起電層７Ａは、電極３を覆って、その電極間に形成される。例えば、図５Ｂに示す層１７Ａは、接点の役割をする導電性層であってもよい。次いで、外部電極５Ａは、図５Ｃに示すように、ＰＶ層７Ａで覆われた内部電極３間のスペース内に形成される。外部電極５Ａが、内部電極３を覆って導電性層（例えば、金属または導電性金属酸化物層）を形成し、次いで、導電性層を選択的にエッチングしてその厚みを低減し電極３の側面上でＰＶ層７Ａをさらすことによって形成されてもよい。または、外部電極５Ａは、電極３の高さ未満である厚みに蒸着されて、エッチングを回避してもよい。第１の光起電層７Ａおよび任意の層１７Ａは、図５Ｄに示すように、選択的にエッチングされて、電極５Ａと同じ高さにされるとともに内部電極３の側面をさらす。次いで、図５Ｅに示すように、第１の素子レベル１Ａを覆って層間絶縁層２１が形成される。層２１は、酸化シリコン、窒化ケイ素、スピンオン誘電体などの層であってもよく、内部電極３は、その層を通ってさらされる。次いで、図５Ｆに示すように、任意の導電性または絶縁層１７Ｂ、および第２の光起電層７Ｂが、電極３を覆ってその電極間に形成される。例えば、図５Ｆに示す層１７Ｂは、接点の役割をする導電性層であってもよい。次いで、外部電極５Ｂは、図５Ｇに示すように、ＰＶ層７Ｂで覆われた内部電極３間のスペース内に形成される。次いで、図５Ｈに示すように、絶縁パッシベーションおよび／または反射防止層１９が、外部電極５Ｂを覆って形成されて、内部電極間のスペースを満たす。ＰＶ層７Ａ、７Ｂ材料は、最初に太陽放射線にさらされる材料が、次に太陽放射線にさらされる材料より大きなバンドギャップ（より短い波長／大きなエネルギー放射線を吸収する）を有するように選択されてもよい。したがって、太陽放射線に最初にさらされる材料（基材１５を通って、または素子設計に依存して対向面から基材１５に）は、より短い波長放射線を吸収し、より長い波長放射線が他の材料へ通ることを可能にし、そこでそのようなより長い波長放射線が吸収される。図６は、ＣｄＴｅナノ結晶（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）の例示のＴＥＭ像である。
【００４２】
ＰＶ電池１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１をさらすステップと、この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、を含み、その結果、ＰＶ材料７は、異なるバンドギャップを有するナノ結晶の少なくとも２セットを含み、および／または、キャリア増倍効果、例えば、キャリア増倍効果の一部である多重励起子効果を示す。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ぎ、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、９０〜１００％を電荷キャリア、例えば励起子に変換、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。
【００４３】
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。
【技術分野】
【０００１】
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、多重バンドギャップを含むか、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。
【０００２】
関連特許出願に対する相互参照
本願は、２００７年１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／８８７，２１２号（特許文献１）および２００７年１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／８８７，２０６号（特許文献２）の利益を主張するものであり、両者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。
【背景技術】
【０００３】
Schallerらの論文「Seven Excitons at a Cost of One: Redefining the Limits for Conversion Efficiency of Photons into Charge Carriers」，Nano Letters，２００６年，第６巻，第３号，４２４〜４２９ページ（非特許文献１）は、その全体が本願明細書において参照により援用され、いわゆる「多重励起子」効果について説明し、ここで、光起電（ＰＶ）材料に入射する１つの光子は、２対以上の電荷キャリア、つまり、２つ以上の励起子（つまり、２つ以上の電子−ホール対）を生じる。多重励起子効果は、光生成された電荷キャリアが２つ以上の励起子を含むＰＶ材料についてのより一般的な「キャリア増倍」効果の１種である。SchallerらのＰＶ材料は、３０ｎｍ未満、例えば、約２０ｎｍの平均直径を有するＰｂＳｅナノ結晶（単結晶ナノ粒子または量子ドットとも称される）からなると考えられている。ＰｂＳｅは、伝導帯と価電子帯とのギャップ（つまり、バンドギャップ）が約０．３ｅＶであり、太陽放射線のピーク発光エネルギーの数分の１の大きさである。執筆者らは、７．８ＰｂＳｅバンドギャップエネルギー（つまり、０．３ｅＶ×７．８＝２．３４ｅＶ、約５３０ｎｍの緑波長範囲におけるピーク太陽放射線のエネルギー）と等しいエネルギーを有する放射線を小さなバンドギャップのナノ結晶に照射することによって、各入射光子についてナノ結晶中に７つの励起子を発生することができ、量子効率は、６５％のエネルギー変換効率（η）で、７００％に近い。論文は、入射放射線が、ＰＶ材料の２．９バンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを有する場合、多重励起子効果が生じることを示している。
【０００４】
米国公開特許出願第２００４／０１１８４５１号（特許文献３）は、効率が向上したバルク多接合ＰＶ装置について記載している。ＰＶ装置は、半導体材料中に２つ以上のｐ−ｎ接合電池を含む。多接合電池は、それぞれが１．８５／１．４３／０．７ｅＶのバンドギャップを有するＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ材料からなることができる。または、各電池は、各電池に異なるバンドギャップをもたらす各電池において、Ｇａに対するＩｎの異なる比率を有するＩｎＧａＮ材料中にｐ−ｎ接合を含むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／８８７，２１２号
【特許文献２】米国仮特許出願第６０／８８７，２０６号
【特許文献３】米国公開特許出願第２００４／０１１８４５１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Schallerらの論文「Seven Excitons at a Cost of One: Redefining the Limits for Conversion Efficiency of Photons into Charge Carriers」，Nano Letters，２００６年，第６巻，第３号，４２４〜４２９ページ
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３５４１（２００１）
【非特許文献３】N. Malikova らのＬａｎｇｍｕｉｒ １８（９）（２００２）３６９４
【発明の概要】
【０００７】
本発明の実施形態は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間で、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、を含む光電池を提供する。光起電材料は、（ｉ）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を示す半導体ナノ結晶、および／または（ｉｉ）半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する。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未満である一方で、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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるＰＶ電池の概略立体図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態によるＰＶ電池のバンド図の概略図である。
【図１Ｃ】図１ＢのＰＶ材料のバンド間の放射遷移の概略図である。
【図１Ｄ】本発明の実施形態によるＰＶ電池のバンド図の概略図である。
【図２】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３】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４】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。
【図５】図５Ａ〜図５Ｈは、図４Ａの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６】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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａは、本発明の第１の実施形態による光電池１を示している。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と、を備える。第１の電極３から第２の電極５の方向（つまり、図１Ａの左右）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１Ａ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、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。
【００１０】
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１Ａ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４０〜１００％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。
【００１１】
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集めるのに十分に大きいことが好ましい。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が、必ずしもそうでなくてもよい。
【００１２】
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、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。また、必要に応じて、第１の電極３を導電性高分子材料から形成してもよい。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。
【００１３】
光起電材料７は、図１Ａ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。第２の電極５は、光起電材料７を囲んで、図１Ａ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。
【００１４】
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。好ましくは、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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を電気的に絶縁する。絶縁層１７は、また、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。または、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。または、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る。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。
【００１８】
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、電池１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。
【００１９】
本発明の１つの態様では、光起電材料７は、２つ以上の異なるバンドギャップを有する材料を含む。バンドギャップは、０．１ｅＶ〜４ｅＶ、例えば、０．３ｅＶ〜３．４ｅＶ、例えば、０．３ｅＶ〜１．８５ｅＶに及んでいてもよい。光起電材料は、バルクおよび／またはナノ結晶材料を含んでいてもよい。ＰＶ電池のバンドギャップ図は、図１Ｂで説明され、ＰＶ材料７の伝導帯と、価電子帯と、中間バンドとの間の放射遷移が、図１Ｃで説明されている。
【００２０】
本発明の１つの実施形態では、光起電材料７は、異なるバンドギャップエネルギーを有する２つ以上のナノ結晶のセット（ナノ粒子または量子ドットとしても知られている）を含む。本願明細書では、「ナノ結晶」の１セットは、ほぼ同じバンドギャップを有するナノ結晶群を意味する。ナノ結晶は、１〜１００ｎｍ、例えば、１〜１０ｎｍ、例えば、１〜５ｎｍの平均直径を有することが好ましい。ナノ結晶は、互いに物理コンタクトまたはトンネリングコンタクトして、内部電極３から外部電極５に電荷キャリア用の経路をもたらす。ナノ結晶は、光学的に透明なマトリクス材料、例えば光学的に透明なポリマーマトリクス（例えば、太陽電池で使用されるＥＶＡまたは他のポリマー封止材料）、または光学的に透明な無機酸化物マトリクス材料、例えばガラス、酸化シリコンなどの中に封止されていてもよい。マトリクス中のナノ結晶間の小さな距離は、隣接するナノ粒子間の直接のキャリア輸送がない状態でキャリアトンネリングを確実にする。または、マトリクスは、省略されてもよく、ナノ結晶は、高密度で充填されたナノ結晶体を含んでいてもよい。ナノ結晶ＰＶ材料７は、図１および図２に示す垂直ナノコアックス型ＰＶ電池１の構成において使用されることが好ましい。しかし、２つの平面電極間にナノ結晶ＰＶ材料が位置する平面水平構成を含めて、任意の他のＰＶ電池の構成が使用されてもよく、電極の１つは、放射線に対して透明である（つまり、太陽放射線は、水平透明電極の主面上に入射し、放射線は、透明電極を介してＰＶ材料に伝えられる）。
【００２１】
異なるバンドギャップエネルギーは、ナノ結晶の材料を変えることによって、および／または同じ材料のナノ結晶の大きさを変えることによって得られる。例えば、同じ大きさであるが、異なるナノ結晶材料、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅおよびＰｂＳｅからなるナノ結晶は、真性材料のバンドギャップ構造による異なるバンドギャップエネルギーを有する。さらに、ある臨界直径未満の直径を有するナノ結晶について、バンドギャップは、強い閉じ込め領域の量子効果により直径が減少するにつれて増加する。半導体ナノ結晶のバンドギャップが、大きさに応じて変わる臨界直径は、異なる材料では異なるが、特有の材料についての１励起子ボーア半径未満であると一般的に考えられる。例えば、励起子ボーア半径の大きさは、ＣｄＳｅについて約５〜６ｎｍであり、ＰｂＳｅについて４０ｎｍを超えると考えられる。
【００２２】
したがって、この実施形態では、光起電材料は、２つ以上の異なる材料のナノ結晶、および／または異なる平均直径を有する同じ材料または異なる材料のナノ結晶を含んでいてもよく、ここで、ナノ結晶の少なくとも１セットの直径は、ナノ結晶材料についての励起子ボーア半径より小さい。ナノ結晶は、ＩＶ族材料、ＩＶ−ＩＶ族材料、ＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＩＶ−ＶＩ族材料およびＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料の単一ナノ結晶、２成分ナノ結晶、３成分ナノ結晶または４成分ナノ結晶、または有機半導体材料、ポリマー半導体材料、または他の半導体材料を含んでいてもよい。例えば、光起電材料は、異なるバンドギャップを有するＳｉ、ＳｉＧｅおよびＰｂＳｅナノ結晶を含んでいてもよい。または、光起電材料は、４０ｎｍ未満の２つ以上の直径のＰｂＳｅナノ結晶、例えば、異なる平均直径、したがって各セットで異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の２〜４セットを含んでいてもよい。もちろん、ナノ結晶のセットは、組成および直径の両方による異なるバンドギャップエネルギーを有するように選択されてもよい。一般的に、ＰＶ材料７は、２〜１０のナノ結晶のセットを含んで、２〜１０の異なるバンドギャップをもたらしてもよい。図１Ｃに示すように、Ｎバンド（ここで、Ｎ≧３）を有するＰＶ材料について、バンド間でＮ（Ｎ−１）／２吸収および放射遷移をもたらすＮ（Ｎ−１）／２バンドギャップがある。
【００２３】
ナノ結晶の各セットは、ＰＶ材料７内に別々に設けられてもよく、または、ナノ結晶の他のセットと混合されてもよい。例えば、図１Ａを参照して、ナノ結晶のセットは、高さ１１の方向において分離されていてもよい。この構成では、最も小さなバンドギャップを有するナノ結晶の１つのセットは、ＰＶ材料の底（つまり、基材１５に最も近い）に位置付けられていてもよい一方で、最大のバンドギャップを有するナノ結晶の他のセットが、ＰＶ材料の上端の最も近く（つまり、アンテナ３Ａに最も近い）に位置付けられていてもよい。中間バンドギャップを有するナノ結晶のさらなる１つ以上のセットが存在するならば、そのとき、それらは、他の２つのセット間のＰＶ材料の中央に設けることができる。
【００２４】
他の構成では、ナノ結晶は、幅９の方向に分離されていてもよい。そのような１つの構成では、最も小さなバンドギャップを有するナノ結晶の１つのセットは、外部電極５に最も接近して位置付けられてもよい一方で、最大のバンドギャップを有するナノ結晶の他のセットは、内部電極３に最も接近して位置付けられてもよい。中間バンドギャップを有するナノ結晶のさらなるセットが存在するならば、それらは、他の２つのセット間のＰＶ材料の中央に設けることができる。別の構成では、最も小さなバンドギャップを有するナノ結晶の第１のセットは、内部電極３に最も接近して位置付けられていてもよい一方で、最大のバンドギャップを有するナノ結晶の第２のセットは、外部電極５に最も接近して位置付けられていてもよい。
【００２５】
他の構成では、ナノ結晶のセットは、分離されないが、ともに混合される。したがって、すべてのセットのナノ結晶は、マトリクス材料中に、または充填されたナノ結晶体ＰＶ材料７中にともに混合される。
【００２６】
本発明の他の実施形態では、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、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）を示す。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ピークエネルギーの少なくとも２．９分の１の大きさ）のバンドギャップを有することが好ましい。これらのナノ結晶は、それらのサイズではなくそれらの材料組成によってそれらのバンドギャップが決定されるように（つまり、バンドギャップは、サイズではなく材料の特性である）十分に大きくてもよい（つまり、励起子ボーア半径より大きな直径を有する）。したがって、多重励起子効果を示すための小さなバンドギャップ材料の選択およびＰＶ材料７の幅に対する高さの大きな比は、ＰＶ電池１に改善されたカラーマッチングをもたらす（つまり、フォノン／熱を多量に生成することなく、入射光子から電荷キャリアを生成するためのＰＶ材料の改善された能力をもたらす）。図１Ｄは、この実施形態のＰＶ電池１のバンド図を示す。この実施形態では、光起電材料７は、同じバンドギャップエネルギーまたは異なるバンドギャップエネルギー（つまり、光起電材料は、ナノ結晶の１つのセットまたは２つ以上のセットのいずれかを含んでいてもよい）のいずれかを有する半導体ナノ結晶を含んでいてもよい。したがって、ＰＶ材料７は、０．８ｅＶ以下のバンドギャップを有するナノ結晶の第１のセットを含んでいてもよく、任意に、０．９〜３．４ｅＶ、例えば、１〜２．３４ｅＶ、例えば、１．４３〜１．８５ｅＶのバンドギャップを有するナノ結晶の１つ以上の第２のセットを含んでいてもよい。
【００２７】
任意の適切な半導体ナノ結晶、例えば、小さな直接バンドギャップ半導体ナノ結晶が、太陽放射線に応じて光子当たり多重励起子を生成し、使用されてもよい。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、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳまたはＣｄＳｅ、他に、それらの３成分および４成分の組み合わせが挙げられる。
【００２８】
または、ＰＶ材料は、キャリア増倍効果を示す他のＰＶ活性剤、例えば、０．８ｅＶ以下のバンドギャップを有するバルク無機半導体層（前述したように）、光活性ポリマー（例えば、半導体ポリマー）、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、生体半導体材料を含んでいてもよい。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２）に開示されたデオキシグアノシン）が挙げられる。
【００２９】
ＰＶ材料７は、前述したナノ結晶から完全になっていてもよい。これは、ショットキー接合型ＰＶ電池１を形成する。別の構成では、ｐ−ｎまたはｐ−−ｎ型ＰＶ電池１が形成される。ｐ−ｎ型ＰＶ電池またはｐ−−ｎ型ＰＶ電池では、ＰＶ材料は、ｐ−ｎ接合またはｐ−−ｎ接合を含む。例えば、ＰＶ材料７は、逆導電型の半導体薄膜間に位置する真性ナノ結晶を含んで、ｐ−−ｎ型ＰＶ電池を形成してもよい。ｐ−−ｎ型ＰＶ電池では、第１のｐ型半導体薄膜またはｎ型半導体薄膜が、内部電極３のまわりに形成されている。次いで、真性領域を含むナノ結晶は、第１の半導体薄膜のまわりに形成されている。次いで、第１の半導体薄膜に対して逆導電型の第２のｎ型半導体薄膜またはｐ型半導体薄膜が、ナノ結晶真性領域のまわりに形成されている。各半導体薄膜の厚みは、約２〜５００ｎｍ、例えば、５〜約３０ｎｍ、例えば、約５〜約２０ｎｍであってもよい。例えば、ＰＶ材料は、（ｉ）バルク半導体層（例えば、高濃度にドープされたｐ型アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン、または他の半導体層）、（ｉｉ）半導体ナノ結晶層（例えば、真性シリコンまたは他のナノ結晶フィルム）、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−−ｎ型ＰＶ電池を形成するためのバルク半導体層（例えば、高濃度にドープされたｎ型アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン、または他の半導体層）を含む３層フィルムを含んでいてもよい。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いてもよい（例えば、多層方法の一般的説明に関して、本願明細書において参照により援用されている、N. Malikova らのＬａｎｇｍｕｉｒ １８（９）（２００２）３６９４（非特許文献３）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、短絡を低減または取り除く。バルクシリコン層は、厚みが約５〜１０ｎｍであってもよく、ナノ結晶層は、厚みが約１０〜３０ｎｍであってもよい。一般的に、真性層は、厚みが１０〜２００ｎｍであってもよく、ｐ型層およびｎ型層は、厚みが２〜５０ｎｍであってもよい。各ｐ型層、型層、ｎ型層は、任意の適切な組み合わせで、シリコン半導体材料または非シリコン半導体材料を含んでいてもよい。例えば、真性層は、ｐ型層およびｎ型層とは異なる半導体材料を含んでいてもよい。バルク／ナノ結晶／バルクｐ−−ｎ型ＰＶ電池は、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、水平に位置付けされていてもよい。
【００３０】
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〜図３Ｇ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、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ない矩形基材）が使用されてもよい。
【００３１】
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、または他の任意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。
【００３２】
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、ナノ結晶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。
【００３３】
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。
【００３４】
図３Ｆに示す第４のステップにおいて、ナノ結晶ＰＶ材料７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、任意の絶縁層１７を覆って形成される。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。
【００３５】
ＰＶ材料を形成する１つの方法は、ナノロッド状の内部電極３のまわりに任意の適切な蒸着技術を使用して、連続半導体フィルムまたは２０ｎｍ未満の幅９を有するフィルムを蒸着するステップを含む。フィルムは、ナノロッド３のナノスケールの表面曲率により、ナノ結晶または量子ドットを含むこととなる。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、互いに異なる組成を有する少なくとも２つのフィルムが順に蒸着される。
【００３６】
ＰＶ材料を形成する他の方法は、工業用半導体ナノ結晶を別々に形成または得ることによって既製半導体ナノ結晶を提供するステップを含む。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、絶縁層１７を覆うとともに電極３を覆ってナノ結晶の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。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、異なるナノ結晶は、蒸着前に予混合されることができる。
【００３７】
ＰＶ材料を形成する他の方法は、既製のナノ結晶を準備するステップと、光学的に透明なポリマーマトリクス、例えば、ＥＶＡまたは他のマトリクス中に半導体ナノ結晶を設置するステップと、を含む。次いで、半導体ナノ結晶を含むポリマーマトリクスは、基材１５を覆ってナノロッド状の内部電極３のまわりに蒸着されて、ポリマーマトリクス中にナノ結晶からなる複合光起電材料を形成する。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、ナノ結晶は、同じポリマーマトリクスに混合されることができる。または、ナノ結晶の各セットは、個別のマトリクス中にもたらされてもよく、そのとき、マトリクスは、別々にＰＶ電池中に蒸着されることができる。
【００３８】
ＰＶ材料を形成する他の方法は、基材１５を覆って、ナノロッド状の内部電極３の下部のまわりに、第１の透明酸化物層、例えば、ガラス層を蒸着するステップを含む。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、既製ナノ結晶は、溶液または懸濁液から酸化物上に蒸着されてもよい。次いで、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て、透明酸化物マトリクス中にナノ結晶からなる複合ＰＶ材料を形成する。前述した蒸着ステップは、所望の厚さが達成されるまで、数回繰り返されてもよい。異なるバンドギャップエネルギーを有するナノ結晶の少なくとも２セットを形成するために、ナノ結晶の両方のセットは、各ナノ結晶層に互いに混合されてもよく、または、ナノ結晶の各セットは、酸化物層によって分離された個別のナノ結晶層にもたらされてもよい。
【００３９】
図３Ｇに示す第５のステップにおいて、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またはＣｕ無電解めっきまたは電気めっき、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。または、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１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。
【００４０】
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示す。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を介して垂直に（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。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｈは、図４Ａのアレイを作製する方法におけるステップを示す。方法は、図３Ｂ〜図３Ｇの方法に類似し、図３Ａの装置内で行われてもよい。具体的には、内部電極の大部分がＰＶ材料および外部電極上に露出されることを除いて、図３Ｂ〜図３Ｇに示されたステップが、図５Ａ〜図５Ｄで繰り返されて、アレイの下レベルにおいてＰＶ電池１Ａを形成する。図５Ｅ〜図５Ｈに示すように、図３Ｅ〜図３Ｇに示すステップは、再度繰り返されて、アレイのＰＶ電池１Ｂの上レベルを形成する。さらなる素子のレベルが、図３Ｅ〜図３Ｇのステップをさらに１回以上繰り返すことにより形成されてもよい。具体的には、図５Ａに示すように、ナノロッド内部電極３は、基材１５上に形成される。次いで、図５Ｂに示すように、任意の導電性または絶縁層１７Ａ、および光起電層７Ａは、電極３を覆って、その電極間に形成される。例えば、図５Ｂに示す層１７Ａは、接点の役割をする導電性層であってもよい。次いで、外部電極５Ａは、図５Ｃに示すように、ＰＶ層７Ａで覆われた内部電極３間のスペース内に形成される。外部電極５Ａが、内部電極３を覆って導電性層（例えば、金属または導電性金属酸化物層）を形成し、次いで、導電性層を選択的にエッチングしてその厚みを低減し電極３の側面上でＰＶ層７Ａをさらすことによって形成されてもよい。または、外部電極５Ａは、電極３の高さ未満である厚みに蒸着されて、エッチングを回避してもよい。第１の光起電層７Ａおよび任意の層１７Ａは、図５Ｄに示すように、選択的にエッチングされて、電極５Ａと同じ高さにされるとともに内部電極３の側面をさらす。次いで、図５Ｅに示すように、第１の素子レベル１Ａを覆って層間絶縁層２１が形成される。層２１は、酸化シリコン、窒化ケイ素、スピンオン誘電体などの層であってもよく、内部電極３は、その層を通ってさらされる。次いで、図５Ｆに示すように、任意の導電性または絶縁層１７Ｂ、および第２の光起電層７Ｂが、電極３を覆ってその電極間に形成される。例えば、図５Ｆに示す層１７Ｂは、接点の役割をする導電性層であってもよい。次いで、外部電極５Ｂは、図５Ｇに示すように、ＰＶ層７Ｂで覆われた内部電極３間のスペース内に形成される。次いで、図５Ｈに示すように、絶縁パッシベーションおよび／または反射防止層１９が、外部電極５Ｂを覆って形成されて、内部電極間のスペースを満たす。ＰＶ層７Ａ、７Ｂ材料は、最初に太陽放射線にさらされる材料が、次に太陽放射線にさらされる材料より大きなバンドギャップ（より短い波長／大きなエネルギー放射線を吸収する）を有するように選択されてもよい。したがって、太陽放射線に最初にさらされる材料（基材１５を通って、または素子設計に依存して対向面から基材１５に）は、より短い波長放射線を吸収し、より長い波長放射線が他の材料へ通ることを可能にし、そこでそのようなより長い波長放射線が吸収される。図６は、ＣｄＴｅナノ結晶（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）の例示のＴＥＭ像である。
【００４２】
ＰＶ電池１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１をさらすステップと、この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、を含み、その結果、ＰＶ材料７は、異なるバンドギャップを有するナノ結晶の少なくとも２セットを含み、および／または、キャリア増倍効果、例えば、キャリア増倍効果の一部である多重励起子効果を示す。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ぎ、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、９０〜１００％を電荷キャリア、例えば励起子に変換、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。
【００４３】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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半導体ナノ結晶を含む光起電材料と、を備え、
前記半導体ナノ結晶は、
（ａ）光起電材料が太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する半導体ナノ結晶、および
（ｂ）半導体ナノ結晶の第１のセットと、前記第１のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体ナノ結晶の第２のセットとを含む半導体ナノ結晶のうちの少なくとも１つを含み、
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。
【請求項２】
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、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、５０〜２，０００ｎｍの波長範囲内で光子の少なくとも９０％を光電吸収するのに十分に厚い光電池。
【請求項３】
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光電池。
【請求項４】
請求項１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。
【請求項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、
光起電材料は、ナノロッドの少なくとも下部を囲み、
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光電池。
【請求項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。
【請求項７】
請求項５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。
【請求項８】
請求項１記載の光電池において、
ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なる組成および異なる平均直径のうちの少なくとも１つを含む光電池。
【請求項９】
請求項８記載の光電池において、
光起電材料は、ナノ結晶の第３のセットをさらに含み、
第３のセットのナノ結晶は、第１のセットおよび第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する光電池。
【請求項１０】
請求項８記載の光電池において、
少なくとも第１のセットのナノ結晶は、光起電材料が、太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する光電池。
【請求項１１】
請求項１記載の光電池において、
ナノ結晶は、光起電材料が、太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する光電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の光電池において、
ナノ結晶は、０．１ｅＶ〜０．８ｅＶのバンドギャップを有する光電池。
【請求項１３】
請求項１２記載の光電池において、
ナノ結晶は、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＳｎＳｅ、Ｂｉ2 Ｔｅ3 、Ｓｂ2 Ｔｅ3 、ＰｂＳ、Ｂｉ2 Ｓｅ3 、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳおよびＣｄＳｅからなる群から選択される光電池。
【請求項１４】
請求項１記載の光電池において、
ＰＶ電池は、ＰＶ電池のアレイの部分を含む光電池。
【請求項１５】
請求項１記載の光電池において、
ナノ結晶は、光学的に透明なポリマーまたは光学的に透明な無機酸化物マトリクス材料を含む光学的に透明なマトリクス材料内に位置する光電池。
【請求項１６】
請求項１記載の光電池において、
光起電材料は、第１の導電型の第１の半導体薄膜と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体薄膜と、をさらに含み、
第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜とは、半導体ナノ結晶が第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜との間に位置するように位置付けされる光電池。
【請求項１７】
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半導体ナノ結晶を含む光起電材料と、を備え、
光起電材料は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する光電池。
【請求項１８】
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光起電材料と、を備え、
光起電材料は、バルク無機半導体材料、ポリマー光活性材料、有機分子光活性材料または生体光活性材料を含み、
光起電材料は、太陽放射線による照射に応じてキャリア増倍効果を示し、
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、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。
【請求項１９】
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２の電極を形成するステップと、
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半導体ナノ結晶を含む光起電材料を形成するステップと、を含み、
前記半導体ナノ結晶は、
（ａ）光起電材料が太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する半導体ナノ結晶、および
（ｂ）半導体ナノ結晶の第１のセットと、第１のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体ナノ結晶の第２のセットとを含む半導体ナノ結晶のうちの少なくとも１つを含み、
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ミクロンである方法。
【請求項２０】
請求項１９に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の電極を形成するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、ナノロッド状の第１の電極のまわりに蒸着技術を使用して、２０ｎｍ未満の幅を有する少なくとも１つの連続半導体フィルムを蒸着してナノ結晶からなる光起電材料を形成するステップを含む方法。
【請求項２２】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、半導体ナノ結晶を準備し、その後、準備された半導体ナノ結晶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む方法。
【請求項２３】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、
半導体ナノ結晶を準備するステップと、
準備された半導体ナノ結晶を光学的に透明なポリマーマトリクス中に設置するステップと、
ナノロッド状の第１の電極のまわりに半導体ナノ結晶を含むポリマーマトリクスを蒸着するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、
（ａ）ナノロッド状の第１の電極の下部のまわりに第１の透明酸化物層を蒸着するステップと、
（ｂ）透明酸化物を覆って半導体ナノ結晶を蒸着するステップと、
（ｃ）蒸着された半導体ナノ結晶を覆って第２の透明酸化物層を蒸着するステップと、 を含む方法。
【請求項２５】
請求項１９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。
【請求項２６】
請求項２５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。
【請求項２７】
請求項２６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の電極を成長させるステップと、
第１の電極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複数の第２の電極を形成するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項２８】
請求項１９記載の方法において、
ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なる組成および異なる平均直径のうちの少なくとも１つを含む方法。
【請求項２９】
請求項１８記載の方法において、
ナノ結晶は、光起電材料が太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する方法。
【請求項３０】
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光起電材料と、を含む光電池を操作する方法において、
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、
光起電材料がキャリア増倍効果を示すように、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、を含み、
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、（ａ）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（ｂ）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、（ａ）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（ｂ）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。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法において、
光起電材料は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する方法。
【請求項３２】
請求項３０記載の方法において、
光起電材料は、光起電材料が前記さらすステップに応じて多重励起子効果を示すように、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する半導体ナノ結晶を含み、
光起電材料の幅は、約２００ｎｍ未満であり、
光起電材料の高さは、少なくとも１ミクロンである方法。
【請求項１】
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半導体ナノ結晶を含む光起電材料と、を備え、
前記半導体ナノ結晶は、
（ａ）光起電材料が太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する半導体ナノ結晶、および
（ｂ）半導体ナノ結晶の第１のセットと、前記第１のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体ナノ結晶の第２のセットとを含む半導体ナノ結晶のうちの少なくとも１つを含み、
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。
【請求項２】
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、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、５０〜２，０００ｎｍの波長範囲内で光子の少なくとも９０％を光電吸収するのに十分に厚い光電池。
【請求項３】
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光電池。
【請求項４】
請求項１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。
【請求項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、
光起電材料は、ナノロッドの少なくとも下部を囲み、
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光電池。
【請求項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。
【請求項７】
請求項５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。
【請求項８】
請求項１記載の光電池において、
ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なる組成および異なる平均直径のうちの少なくとも１つを含む光電池。
【請求項９】
請求項８記載の光電池において、
光起電材料は、ナノ結晶の第３のセットをさらに含み、
第３のセットのナノ結晶は、第１のセットおよび第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する光電池。
【請求項１０】
請求項８記載の光電池において、
少なくとも第１のセットのナノ結晶は、光起電材料が、太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する光電池。
【請求項１１】
請求項１記載の光電池において、
ナノ結晶は、光起電材料が、太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する光電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の光電池において、
ナノ結晶は、０．１ｅＶ〜０．８ｅＶのバンドギャップを有する光電池。
【請求項１３】
請求項１２記載の光電池において、
ナノ結晶は、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＳｎＳｅ、Ｂｉ2 Ｔｅ3 、Ｓｂ2 Ｔｅ3 、ＰｂＳ、Ｂｉ2 Ｓｅ3 、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳおよびＣｄＳｅからなる群から選択される光電池。
【請求項１４】
請求項１記載の光電池において、
ＰＶ電池は、ＰＶ電池のアレイの部分を含む光電池。
【請求項１５】
請求項１記載の光電池において、
ナノ結晶は、光学的に透明なポリマーまたは光学的に透明な無機酸化物マトリクス材料を含む光学的に透明なマトリクス材料内に位置する光電池。
【請求項１６】
請求項１記載の光電池において、
光起電材料は、第１の導電型の第１の半導体薄膜と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体薄膜と、をさらに含み、
第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜とは、半導体ナノ結晶が第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜との間に位置するように位置付けされる光電池。
【請求項１７】
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半導体ナノ結晶を含む光起電材料と、を備え、
光起電材料は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する光電池。
【請求項１８】
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光起電材料と、を備え、
光起電材料は、バルク無機半導体材料、ポリマー光活性材料、有機分子光活性材料または生体光活性材料を含み、
光起電材料は、太陽放射線による照射に応じてキャリア増倍効果を示し、
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、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。
【請求項１９】
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２の電極を形成するステップと、
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半導体ナノ結晶を含む光起電材料を形成するステップと、を含み、
前記半導体ナノ結晶は、
（ａ）光起電材料が太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する半導体ナノ結晶、および
（ｂ）半導体ナノ結晶の第１のセットと、第１のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体ナノ結晶の第２のセットとを含む半導体ナノ結晶のうちの少なくとも１つを含み、
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ミクロンである方法。
【請求項２０】
請求項１９に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の電極を形成するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、ナノロッド状の第１の電極のまわりに蒸着技術を使用して、２０ｎｍ未満の幅を有する少なくとも１つの連続半導体フィルムを蒸着してナノ結晶からなる光起電材料を形成するステップを含む方法。
【請求項２２】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、半導体ナノ結晶を準備し、その後、準備された半導体ナノ結晶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む方法。
【請求項２３】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、
半導体ナノ結晶を準備するステップと、
準備された半導体ナノ結晶を光学的に透明なポリマーマトリクス中に設置するステップと、
ナノロッド状の第１の電極のまわりに半導体ナノ結晶を含むポリマーマトリクスを蒸着するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
請求項２０記載の方法において、
前記光起電材料を形成するステップは、
（ａ）ナノロッド状の第１の電極の下部のまわりに第１の透明酸化物層を蒸着するステップと、
（ｂ）透明酸化物を覆って半導体ナノ結晶を蒸着するステップと、
（ｃ）蒸着された半導体ナノ結晶を覆って第２の透明酸化物層を蒸着するステップと、 を含む方法。
【請求項２５】
請求項１９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。
【請求項２６】
請求項２５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。
【請求項２７】
請求項２６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の電極を成長させるステップと、
第１の電極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複数の第２の電極を形成するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項２８】
請求項１９記載の方法において、
ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なる組成および異なる平均直径のうちの少なくとも１つを含む方法。
【請求項２９】
請求項１８記載の方法において、
ナノ結晶は、光起電材料が太陽放射線による照射に応じて多重励起子効果を示すように、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する方法。
【請求項３０】
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光起電材料と、を含む光電池を操作する方法において、
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、
光起電材料がキャリア増倍効果を示すように、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、を含み、
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、（ａ）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（ｂ）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、（ａ）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（ｂ）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。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法において、
光起電材料は、半導体ナノ結晶の第１のセットおよび第２のセットを含み、
第１のセットのナノ結晶は、第２のセットのナノ結晶とは異なるバンドギャップエネルギーを有する方法。
【請求項３２】
請求項３０記載の方法において、
光起電材料は、光起電材料が前記さらすステップに応じて多重励起子効果を示すように、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する半導体ナノ結晶を含み、
光起電材料の幅は、約２００ｎｍ未満であり、
光起電材料の高さは、少なくとも１ミクロンである方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ−１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１Ｂ−１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５１７２９９（Ｐ２０１０−５１７２９９Ａ）
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７３２３（Ｐ２００９−５４７３２３）
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１１１３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４５１７
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０９２１２０５２）ソーラスタ インコーポレイテッド (3)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１１１３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４５１７
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０９２１２０５２）ソーラスタ インコーポレイテッド (3)
【Ｆターム（参考）】
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