(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の導電性接点材料を含む第１の接点、
（ｂ）第２の導電材料を含む第２の接点、及び
（ｃ）各スタックが複数の垂直方向に積み重ねた半導体グラフェンシートを含む、前記第１及び第２の接点を架橋する複数の空間的に分離したグラファイトスタック、
を含み、
前記第１の導電性接点材料と前記グラフェンシートの間の接合部が、電子又は正孔のためのショットキー障壁を形成する、
ことを特徴とする光電池。
【請求項２】
前記グラファイトスタックは、５０ｎｍよりも大きくない幅を有することを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項３】
前記グラファイトスタックは、３０ｎｍよりも大きくない幅を有することを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項４】
前記グラファイトスタックは、２ｎｍから２５ｎｍの幅を有することを特徴とする請求項３に記載の光電池。
【請求項５】
前記グラファイトスタックは、１００μｍから３００μｍの高さを有することを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項６】
グラファイトスタックの密度が、少なくとも１０００スタック／ｃｍ2であることを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項７】
前記グラフェンシートの少なくとも一部が、ドープされることを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項８】
前記グラフェンシートの全てが、半導性であることを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項９】
前記グラファイトスタックは、複数の領域を形成し、各領域は、同一の幅を有する複数のグラファイトスタックと、同一のバンドギャップを有するグラフェンシートとを含み、
各領域は、少なくとも１つの他の領域と直列に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項１０】
各領域における前記グラファイトスタックは、空間的にグループ分けされることを特徴とする請求項９に記載の光電池。
【請求項１１】
前記グラフェンシートは、０．１ｅＶから２ｅＶの範囲にわたるバンドギャップを有することを特徴とする請求項９に記載の光電池。
【請求項１２】
少なくとも３つの領域を含むことを特徴とする請求項９に記載の光電池。
【請求項１３】
前記第１の導電性接点材料と前記グラフェンシートの間の接合部が、電子に対するショットキー障壁を形成し、前記第２の導電材料と該グラフェンシートの間の接合部は、電子に対するショットキー障壁を形成しないことを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項１４】
前記第１の導電性接点材料と前記グラフェンシートの間の接合部が、電子に対するショットキー障壁を形成し、かつ前記第２の導電材料と該グラフェンシートの間の接合部が、電子に対するショットキー障壁を形成し、該ショットキー障壁は、前記第１の導電性接点材料と前記グラフェンシートの間の前記接合部に形成されるものよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項１５】
前記第１の導電性接点材料と前記グラフェンシートの間の接合部が、電子に対するショットキー障壁を形成し、前記第２の導電材料と該グラフェンシートの間の接合部が、正孔に対するショットキー障壁を形成することを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項１６】
太陽集光器なしで少なくとも５０Ｗ／ｍ2の電力密度を生成することができることを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項１７】
１００×の太陽集光器を用いて少なくとも５０００Ｗ／ｍ2の電力密度を生成することができることを特徴とする請求項１に記載の光電池。
【請求項１８】
グラフェンシートに電荷担体を光生成することができる放射線に請求項１に記載の光電池を露出する段階、
を含み、
それによって電気が生成される、
ことを特徴とする電気を発生させる方法。
【請求項１９】
前記放射線は、太陽放射線であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記グラファイトスタック内の前記グラフェンシートは、０．１ｅＶから２ｅＶの範囲にわたるバンドギャップを有することを特徴とする請求項４に記載の光電池。
【請求項２１】
前記ドープされるグラフェンシートは、２つの異なるセグメントにおいて２つの異なるドーパントを用いてドープされ、ｐ−ｎ接合が形成されることを特徴とする請求項７に記載の光電池。
【請求項２２】
前記ドーパントは、前記グラフェンシートの縁部を終端処理することを特徴とする請求項２１に記載の光電池。
【請求項２３】
前記ドーパントは、前記グラフェンシートの縁部を終端処理することを特徴とする請求項７に記載の光電池。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光電池は、光導電材料内の光子と電子の間の相互作用によって太陽光を電気に直接変換する。光電池を形成するために、通常シリコンである光導電材料が電気接触によって結合されて接合部を形成する。現在、大部分のシリコンベースの光電池は、シリコンｐ−ｎ接合デバイスである。セルに衝突する光子は吸収され、従って、電子−正孔対の形成を引き起こし、接合部を横切って反対方向に移動する電子及び正孔が電流を生じさせる。これらの電気接触のグリッドがセルのアレイを作成し、そこから電流が集められる。セルに生成されるＤＣ電流は、関わっている材料及びセル上に入射する放射線のエネルギ及び強度に依存する。
【０００２】
光電池は、多年にわたって利用されており、太陽光発電の使用は、この先何年も増加し続けることになると予測されている。世界中の太陽光発電用途の主要な障害は、セル効率及びセルコストである。現在、大部分の光電池に関するワット当たりのコストは、これらのセルが他のエネルギ源と競合するほど十分には低くない。今のところ、業界標準の太陽電池材料は、結晶Ｓｉである。しかし、バルクＳｉは、それを製造するのに使用される処理の材料集約性のために、１．００ドル／ワットよりも低いコストを達成する可能性は低い。また、Ｓｉの固有セル効率は、熱力学によって〜３０％未満に限定される。
【０００３】
太陽電池効率は、外部要因及び固有要因の両方によって限定される。反射及び透明性（僅かな不透明性）と、欠陥接触及び漏れに起因する光生成された担体の不完全収集とに起因する損失のような外因性損失は、セルモジュールのより良好な設計及び製造によって克服することができる。しかし、固有損失は、エネルギ帯のエンジニアリングによるセル材料の設計によって克服すべきである。例えば、全ての外因損失が除かれたとしても、バンドギャップよりも小さいエネルギを有する太陽光子は吸収することができず、一方でより高いエネルギを有する光子に対して発生した電子及び正孔の熱化に起因するエネルギ散逸が熱を生じさせ、従って、エネルギを浪費する可能性があるので、単一材料で製造された理想セルの最高効率は、〜１．３５ｅＶの最適バンドギャップで、〜３１％である（Ｃ．Ｈ．Ｈｅｎｒｙ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５１、４４９４（１９８０））。セル効率を改善するための１つの方策は、複数のバンドギャップを有する材料の組合せを用いることである。ＩＩＩ−Ｖ族及びＧｅ薄膜から製造された多重接合セルにより、４０％に近い最高セル効率が達成されている。しかし、これらの高効率の研究用セルは、一般電力市場に普及するのには高価すぎる。
【０００４】
より最近になって、単層カーボンナノチューブに基づくショットキー障壁セルが提案された。しかし、こうしたセルの廉価な製造は可能でない場合がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｃ．Ｈ．Ｈｅｎｒｙ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５１、４４９４（１９８０）
【非特許文献２】Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ他、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第３０６号、６６６頁（２００４）
【非特許文献３】Ｙｕａｎ他、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１００、０１３７０８（２００６）
【非特許文献４】Ｃｏｌｌｉｎｓ他、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２９２号、７０６（２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、セル効率を高め、セルコストを低減して０．５０ドル／ワット未満の生産コストの目標に到達する新しい材料が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、グラファイトベースの光電池及びこれらの光電池から電気を発生させる方法を含む。これらの光電池においては、各々が複数の垂直に積み重ねた半導体グラフェンシートを含む空間的に分離されたグラファイトのスタックが、電気接触を架橋する光起電材料として機能する。グラフェンシート又は「ナノリボン」は、各シートのバンドギャップがシートの幅に依存するようなナノスケール幅の寸法を有する。すなわち、様々な幅を有し、かつそれによって様々なバンドギャップを有するグラフェンシートを光電池に組み込むことにより、光電池は、太陽スペクトルにわたって効率的に吸収するように設計することができる。その結果は、高効率で製造に経費のかからない光電池である。
【０００８】
基本的な実施形態では、光電池は、グラファイトスタックのナノリボンとショットキー障壁（電子又は正孔のいずれかに対する）を形成する第１の導電材料を含む第１の接点（又は第１の接点の組）と、グラファイトスタックのナノリボンと同じ担体に対するよりも小さいショットキー障壁を形成するか、全くショットキー障壁を形成しないか、又は反対の担体に対するショットキー障壁を形成するかのいずれかである第２の導電材料を含む第２の接点（又は第２の接点の組）とを含む。ショットキー障壁セルの１つのバージョンにおいて、典型的には金属である第１の導電材料は、ナノリボンよりも低い仕事関数を有する。その結果、第１の導電材料とナノリボンの間に形成される接合部は、それらが電子に対するショットキー障壁を形成することを特徴とする。第２の導電材料は、ショットキー障壁が接合部で形成されないように、ナノリボンの仕事関数に近い仕事関数を有することができる。代替的に、第２の導電材料とナノリボンの間に形成される接合部は、第１の導電材料とナノリボンの間の接合部で形成されるものよりも小さい、接合部による電子に対するショットキー障壁の形成を特徴とすることができる。更に別の代替の変形においては、正孔に対するショットキー障壁が、第２の導電材料とナノリボンの間の接合部に形成される。この変形においては、第２の導電材料は、ナノリボンよりも高い仕事関数を有するように選択される。
【０００９】
光電池は、グラフェンシートにおいて電荷担体を光生成することができる放射線（例えば、太陽放射線）に光電池を露出し、それによって電気を生成することによって電気を発生させるために使用することができる。電気は、次に、蓄電デバイス又は消費デバイスに伝送することができる。
【００１０】
本発明の更に別の目的、特徴、及び利点は、添付図面と共に以下の詳細説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１（ａ）】カーボンナノチューブ（１（ａ）−上のパネル）及びカーボンナノリボン（１（ｂ）−下のパネル）における電子閉じ込めを示す図である。
【図１（ｂ）】非対称アームチェア構成を有するカーボンナノリボンの概略図である。
【図１（ｃ）】垂直ストライプが（ａ）の垂直ストライプに比較して右縁で原子の列が切り離されていることを示す、対称ジグザグ構成を有するカーボンナノリボンの概略図である。
【図１（ｄ）】垂直ストライプが（ｂ）の垂直ストライプに比較して右縁で原子の列が切り離されていることを示す、対称アームチェア構成を有するカーボンナノリボンの概略図である。
【図１（ｅ）】非対称ジグザグ構成を有するカーボンナノリボンの概略図である。
【図２】チタン接点、カーボンナノリボン、及び金接点の接触前（２（ａ））及びこの３つの材料と接触状態にある時（２（ｂ））の概略のエネルギ準位図である。
【図３】各垂直線がナノリボンの１つのスタックを表すグラファイトベースのショットキー障壁光電池の上面の概念図である。
【図４】グラファイト基板上に光電池を形成するための製作シーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、高効率かつ経済的な光電池の基本的構成要素として、リソグラフィでパターン化されたグラファイトスタックを使用する。グラファイトベースの光電池の基本設計は、複数の空間的に分離されたグラファイトスタックを含み、その各々は、導電性接点を架橋する複数の垂直に積み重ねた半導体グラフェンシート（カーボンナノリボン）を含む。典型的には２つの異なる金属である接点材料は、グラファイトスタックのナノリボンとのショットキー接点において異なる仕事関数を有し、それは、ナノリボン内に内臓電位を発生させる。
【００１３】
本発明の光電池は、パターン化されたナノリボンの電気的特性が、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の電気的特性のチューブ直径及び対掌性への依存性に類似するナノリボン方向（対掌性）及び幅への依存性を示すという事実を利用する。ナノチューブは、グラフェン（グラファイトの単一シート）の丸めた部分と見られ、逆に、ナノリボンは、拡げたナノチューブと考えられる。半導体挙動及び金属性挙動の区別を生じさせる物理的原因である電子閉じ込めは、図１（ａ）に示すようにチューブ構成及びリボン構成において同等である。両方の場合に、電子は閉じ込められて、ＳＷＮＴのラッピング（ローリング）ベクトルであるＣｒに沿った定常波を形成するが、境界条件は僅かに異なっている。ナノリボンにおいては、閉じ込められた電子波の２つの節点は、リボンの縁部になければならないが（図１（ａ）の下のパネル）、ＳＷＮＴでは、節点はどこにあってもよく、すなわち、図１（ａ）の上のパネルに示すように周方向の周期的境界条件である。
【００１４】
ナノリボンの方向は、それが金属性であるか又は半導性であるかを判断する。これは、半導体ナノリボンを必要とする太陽光発電用途において特に関連がある。ナノリボンの「方向」は、グラフェンシートを通して切断する方法を考察することによって達成される。Ｃ−Ｃ結合の２つの列に沿ったグラフェンシートを通る切断により、アームチェア（図１（ｂ）及び図１（ｄ））及びジグザグ（図１（ｃ）及び図１（ｅ））ナノリボンのような異なる「対掌性」のナノリボンを切断の方向に依存して作成することができる。また、所定の「対掌性」に対して、左右対称の縁部構造（青色パネルを除いた図１（ｃ）及び図１（ｄ））、又は左右非対称の縁部構造（青色パネルを除いた図１（ｂ）及び図１（ｅ））のいずれかを有する２つの部類のナノリボンが存在する。
【００１５】
重要なことには、全てのアームチェアナノリボン及びジグザグ対称ナノリボンの３分の１が金属性であり、一方でジグザグナノリボンの３分の２が半導性である。これは、単層カーボンナノチューブと同じ比率である。
【００１６】
ジグザグナノリボンの３分の２が、有限バンドギャップの状態で半導体として挙動する事実は、太陽電池の用途に特に有用である。これらは、本発明の光電池を製造するための構築ブロックとしての使用に適切な新規な部類のナノ材料（ナノスケールの半導体）を提供する。ナノリボンのバンドギャップは、リボン幅の減少に伴って連続的に増大するので、様々な幅を有し、かつ従って様々なバンドギャップを有するナノリボンを含むグラファイトスタックを光電池内に組み込むことができ、太陽放射線の全スペクトルにわたる波長で吸収する光電池を提供する。例えば、光電池は、約０．１ｅＶから約２ｅＶの範囲にわたるバンドギャップを有するナノリボンを含むことができる。これは、約３０ｎｍから約１ｎｍ（例えば、約２０ｎｍから約２．５ｎｍ）の範囲の様々な幅を有するグラファイトスタックを使用することによって達成することができる。
【００１７】
ナノリボンの他の有用な特徴は、それらの仕事関数がそれらの幅に強くは依存しないことである。第１原理計算は、全てのジグザグ及びアームチェア・カーボンナノリボンが約４．５８ｅＶの仕事関数を有することを示し、これは、グラフェンの無限単シートの仕事関数（４．６６ｅＶ）よりも僅かに小さいのみである。この挙動は、曲率効果がＳＷＮＴの仕事関数を変化させてそれをチューブ直径に依存させる表面双極子を誘導するＳＷＮＴの挙動とは大きく異なる。カーボンナノリボンの仕事関数のそれらの幅からの独立性は、カーボンナノリボンベースの太陽電池の設計のための技術的に有用な特性である。異なる寸法のカーボンナノリボンが金属リードと接触した時、カーボンナノリボン寸法と独立して、同じ大きさの接触電位（又はショットキー障壁）が接点の全てに発生することになる。従って、本発明のショットキー障壁光電池に対して、同じ全体的内臓電位が、多重間隙セルアーキテクチャで２つの導電性接点を架橋する全てのカーボンナノリボンにわたって発生することになる。
【００１８】
例として、図２は、本発明によるチタン接点−カーボンナノリボン−Ａｕ接点（Ｔｉ−ＣＮＲ−Ａｕ）デバイスの概略図である。このデバイス設計においては、１つの金属リード（Ｔｉ）は、ナノリボンの仕事関数よりも小さい仕事関数（４．３ｅＶ）を有し、他の金属リード（Ａｕ）は、ナノリボンの仕事関数よりも大きい仕事関数（５．１ｅＶ）を有する。図２（ａ）は、接触前のＴｉ−ＣＮＲ−Ａｕデバイスにおける各金属のエネルギ帯図を示し、この場合、材料のフェルミ準位は、それらの仕事関数の差によってずれている。３つの材料が接触状態とされた時（図２（ｂ））、それらのフェルミ準位は並ばなければならない。その結果、図２（ｂ）に示すように、カーボンナノリボン内に２つの金属リードの間の仕事関数の差に等しい内臓電位（Ｖbi）の状態で電界が発生する。短い固有ナノリボンの理想的場合に対しては、Ｖbiは、図２（ｂ）に概略示された真空準位と同様にＡｕ接点からＴｉ接点までの全ナノリボンにわたって直線的に低下するであろう。非常に長くかつドープされたナノリボンに対しては、ドープのレベルは、固定することができ、又はナノリボンのフェルミエネルギは、ナノリボンの中間部分で一定に留まることになる。次に、この場合には、図２（ｂ）に示すように、伝導帯及び価電子帯は中間部分で平坦であるが、Ｔｉ接点の近くで下方に、かつＡｕ接点の近くで上方にそれぞれ曲がることになる。内臓電界は、入射光子によって発生した電子−正孔対を分離することができ、電流が生じる。
【００１９】
本発明による代表的なグラファイトベースのショットキー障壁光電池は、グラファイトスタックの密度及び寸法に基づいて、数１０億の（又は数兆でさえもの）ナノリボンを含むことができる。実用的なグラファイトナノリボン光電池は、最高の電力密度を達成するように、不透明度を高めるために奥行き１０4で充填された１０8／ｃｍ2のような可能な限り高い充填密度のリボンを収容するように設計することができるであろう。太陽光照射の最大電力密度は、太陽集光器を用いない時、〜８５０Ｗ／ｍ2である。本発明の光電池は、太陽集光器を用いなくても５０Ｗ／ｍ2又はそれよりも大きい電力密度を生じさせることができる。言うまでもなく、太陽集光器を電力密度を高めるために使用することができる。例えば、１００×の太陽集光器を用いれば、５０００Ｗ／ｍ2の電力密度を達成することができる。
【００２０】
グラファイトベースのショットキー障壁光電池の概念図が図３に示されている。このセルは、金属電極の間に接続されてショットキー接点を形成するグラファイトスタック（図における各線は、例えば、約＞１０4の垂直に積み重ねたナノリボンを収容するグラファイトスタックを表す）の大きなアレイを含む。各スタックは、２つの金属接点（例えば、１つのＴｉ接点及び１つのＡｕ接点）によって連絡される。各列は、光電流（又は光電圧）を発生し、かつ要求された用途に適合するように配線することができる。個々のグラフェン層は、グラファイト内で本来独立しているので、１つの読み出しがグラファイト内のグラフェンの全ての層に役立つことができる。得られたショットキー障壁光電池は、通常の光電池と同じ方式で作動する。光子は、電子を価電子帯から伝導帯に励起する。この作用によって発生した電子−正孔対は、２つの金属接点とナノリボンの間の仕事関数における差によって設定された電界を感知し、電子と正孔は、分離するようになる。このセルは、従来型の光電池におけるのと同様に、電流を高めるか又は電圧を高めるかのいずれかに配線することができる。
【００２１】
この光電池は、リソグラフィ、パターン化、及びエッチングのような半導体加工技術を用いて製造することができる。これは、単一稼働で多くの同一又は異なるスタックを製造することができる経費のかからない並行処理を提供するので有利である。複数のスタックを形成する基本的な方法は、高純度グラファイト基板上に複数の（例えば、アレイの）スタックをパターン化し、次に、酸素プラズマを用いて数百ミクロンの深さにまで基板を通過してエッチングする段階を含む。例えば、グラファイトスタックは、市販の高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）（ＳＰＩ製品「ＨＯＰＧ  等級１」）の０．２ｍｍの薄いストリップから調製することができる。（より薄く又はより厚いグラファイトの層を使用することができる。しかし、グラファイト基板は、可撓性であるのに十分なほど薄いことが望ましい。）ＨＯＰＧ薄膜は、Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ他、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第３０６号、６６６頁（２００４）に説明されているように、操作基板に転写することができる。太陽光発電デバイスに対しては、絶縁性の操作基板が望ましく、従って、厚いＳｉＯ2膜（〜３００ｎｍ）を有する酸化Ｓｉウェーハを基板として利用することができる。代替的に、可撓性かつより廉価なセルを製造するために、ＰＥＴのような可撓性ポリマーを操作基板として使用することができる。ＳＵ８フォトレジストは、グラファイトをＰＥＴフィルムに結合するために使用することができる。（例えば、Ｙｕａｎ他、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１００、０１３７０８（２００６）を参照されたい。）
【００２２】
望ましいナノリボン幾何学形状は、グラファイト薄層のナノパターン化及びエッチングによって調整することができる。製作シーケンスの例は、図４で提供される。エッチング停止マスクとして機能する２００ｎｍ厚のＳｉＯ2膜（４０２）が、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）を用いてＨＯＰＧ表面（４０４）上に最初に堆積される。ＨＯＰＧ表面は、操作基板（４００）によって支持される。ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のようなレジスト材料（４０６）が、エッチング停止層の上に被覆される（段階Ａ）。次に、ＥＵＶ又はＵＶレーザ干渉リソグラフィ又はナノインプリントリソグラフィのような高解像度リソグラフィ技術を用いて、空間的に分離されたグラファイトスタックのアレイを提供することになるパターンをレジスト内に形成する。次に、露出された酸化物が、異方性ドライエッチング（例えば、ＳｉＯ2ドライエッチング）によって除去されて急勾配の側壁が得られ、すなわち、ウェットエッチングでは発生する刻み目が防止される（段階Ｂ）。次に、グラファイト膜が、酸素プラズマを用いてエッチングされ、適切な深さのトレンチ（４０８）が形成される（段階Ｃ）。トレンチの幅は、ナノリボンの望ましいバンドギャップに基づいて選択することができる。グラファイト膜内にトレンチが形成された状態で、電子ビーム蒸発又は別の適切な金属堆積技術を用いてＴｉ（４１０）及びＡｕ（４１２）を堆積させることができ（段階Ｄ）、高度の剥離法を用いて接点を形成することができる（段階Ｅ）。任意的に、ナノリボンの長い側に沿った（すなわち、長さに沿った）空間（例えば、トレンチ）は、ナノリボンの縁部の酸素又は他の周囲環境気体（例えば、Ｈ2Ｏ、Ｎ2など）との反応を防止するために保護ポリマーで充填することができる。
【００２３】
グラファイトスタックの形成におけるリソグラフィ技術の使用は、金属性ナノリボンではなく半導体ナノリボンの選択的形成が可能になるので有利である。半導体ナノリボンの形成は、適切な方向のパターン化を用いて対称ジグザグ構成、非対称ジグザグ構成、又はその組合せを有するグラフェンシートを提供することによって達成することができる。使用されるリソグラフィ技術によっては、金属性ジグザグナノリボンを少しも含まないグラファイトスタックを形成することは非実用的又は不可能な場合がある。そのような状況においては、金属性ナノリボンは、別々の加工段階で除去することができる。例えば、金属性ナノリボンは、カーボンナノチューブに使用された方式に類似した方式による焼成により、半導体ナノリボンに変換することができる（例えば、Ｃｏｌｌｉｎｓ他、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２９２号、７０６（２００１）を参照されたい）。すなわち、グラファイトスタックは、半導体ナノリボンを非導電性にするようにゲート処理され、電流がスタックを通過して流されて、金属性ナノリボンは、それらを半導体とするのに十分なほどそれらの寸法が低下するまで「焼成」される。代替的に、金属性ナノリボンの縁部は、それらを半導体とするようにドープすることができる。
【００２４】
従って、一部の実施形態では、グラファイトスタックのナノリボンの一部又は全てに対して選択的にドープすることが望ましい。例えば、ｐ−ｎ接合は、ナノリボンの２つの異なるセグメントにおいて異なるドーパントを用いてドープすることによって形成することができる。ナノリボンをドープするための１つの有効な方法は、それらの縁部構造を様々な終端を用いて操作することである。例えば、ナノリボンは、リン（Ｐ）及びヒ素（Ａｓ）のようなＶ族元素によって終端処理される時にｎ型にドープされ、ホウ素（Ｂ）及びガリウム（Ｇａ）のようなＩＩＩ族元素によって終端処理される時にｐ型にドープされると考えられる。ナノリボンの終端は、露出されたナノリボンに対して、Ｐのドープのためのホスフィン（ＰＨ3）及びＡｓのドープのためのアルシン（ＡｓＨ3）のような望ましいドーパント原子を含有する分子前駆体を流すことによって修正することができる。
【００２５】
リソグラフィで形成されたスタックの標準的な寸法は、約１００μｍから約３００μｍの高さ、約２ｎｍから約３０ｎｍの幅、及び約０．１μｍから約１０００μｍの長さである。基板上の典型的なスタック密度は、約１０6から約１０12スタック／ｃｍ2である。これらのスタック寸法を利用する光電池は、ｃｍ2当たり１０12グラフェンシートを収容することができると考えられる。
【００２６】
リソグラフィで形成されたグラファイトスタック内には、垂直に積み重ねたナノリボンの幅に何らかの軽度の変動が存在する場合がある。この変動は、使用されるパターン化及びエッチング手順の限界によるものであろう。従って、不均一な幅を有するグラファイトスタックのナノリボンは、この不均一性がリソグラフィ技術の限界によって生じる時、「実質的に同一の幅」及び従って「実質的に同一のバンドギャップ」を有すると見なされることになる。例えば、グラファイトスタック又はナノリボンは、それらの幅が約０．２ｎｍ未満で変動する時は、「実質的に同一の幅」を有すると見なすことができる。
【００２７】
グラファイトスタックは、グラファイト基板上に規則的なアレイ又はパターンで形成することができる。光電池内に様々な幅を有するグラファイトスタックを含むことは、様々な波長での放射線を吸収するセルを製造するために望ましい。この幅は、太陽光スペクトルにわたる波長で吸収するセルを提供するために望ましく選択される（例えば、約０．１ｅＶから約２ｅＶ）。例えば、光電池は、複数の（例えば、３つ又はそれよりも多くの）領域を含むことができ、ここで、領域は、同一又は実質的に同一の幅を有する複数のグラファイトスタックとして定められる。各領域内のグラファイトスタックは、空間的にグループ分けする（すなわち、隣接する）ことができ、又は他の領域からグラファイトスタックで隔てることができる。この様々な領域は、次に、直列に接続することができ、光電池を提供する。
【００２８】
複数の又はアレイのスタックが基板上に形成された状態で、交互するＡｕ及びＴｉ（又は適切な導電材料）接点がトレンチに堆積される。ナノリボンは、それらが広いというよりは遥かに長いので、金属のパターン化及び堆積を従来型の堆積技術を用いて行うことができる。得られた接点は、所定のグラファイトスタックの全ての層でナノリボンを接続することになる。
【００２９】
本明細書に用いられる時かつ別途指定しない限り、「ａ」及び「ａｎ」は、「１つ又はそれよりも多い」を意味する。本明細書に引用した全ての特許、出願、参考文献、及び論文は、それらを引用によりあたかも個々に組み込むのと同程度にその全内容を引用により組み込んでいる。
【００３０】
当業者によって理解されるように、いずれかかつ全ての目的に対して、特に書面を提供することに関して、本明細書に開示した全ての範囲は、あらゆる可能な部分的範囲及びそれらの部分的範囲の組合せも包含する。あらゆる記載された範囲は、その同じ範囲が少なくとも等しい半分、三分の一、四分の一、五分の一、十分の一などに分割されることを十分に説明しかつ可能にすると容易に認識することができる。非限定な例として、本明細書で説明した各範囲は、下位の三分の一、中位の三分の一、及び上位の三分の一などに容易に分解することができる。同じく当業者によって理解されるように、「まで」、「少なくとも」、「より大きい」、及び「よりも少ない」などのような全ての言語は、列挙された数を含み、かつ続いて上述のような部分的範囲に分解することができる範囲を意味する。最後に、当業者に理解されるように、範囲は、各個々のメンバを含む。
【００３１】
本発明は、本明細書に例証として示した特定的な実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲に入るその全てのそのような形態を含むことが理解される。
【符号の説明】
【００３２】
Ｃｒ  ＳＷＮＴのラッピング（ローリング）ベクトル
【図１（ａ）】
0005414543.tif 000002
【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図１（ｄ）】
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【図１（ｅ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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