(57)【要約】予備形成した任意形状のナノ結晶を、非結晶で非炭化水素のバリア層の上または中に挿入することに基づいた材料構造が提示される。該構造の実施形態は、種々のバリア層およびコンタクトを含み、これらは層状にできる。該構造を、検出器またはソーラーセルとして用いた場合、吸収プロセスの際にナノ結晶内で生成された電荷キャリアの輸送が、量子力学的トンネル現象、熱イオン放射または電子コンタクトへの拡散により発生する。こうした構造の一実施形態は、光電池デバイスであり、異なるコンタクト材料およびバリア層を用いてビルトイン(built-in)バイアスが確立される。該構造は、変調器または発光器(emitter)としても使用可能である。本発明は、積層され、隣接コンタクト領域を共有する多くの構造で構成してもよく、個々の層は、特定の周波数または周波数群の光を吸収、放射または変調するように同調している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の予備形成した無機ナノ結晶と、
少なくとも１つの非炭化水素で非結晶のバリア材料であって、多数の予備形成した無機ナノ結晶は非結晶で非炭化水素のバリア材料と電気的にコンタクトしており、非結晶で非炭化水素のバリア材料と多数の予備形成した無機ナノ結晶との間の少なくとも１つのタイプのキャリア輸送に対するポテンシャルエネルギーバリアが存在するようにしたバリア材料と、
バリア材料と電気的にコンタクトした、少なくとも１つの導電性材料とを含む装置。
【請求項２】
多数の予備形成した無機ナノ結晶は、第１層において、第１の非炭化水素で非結晶のバリア材料からなる第２層の上部に電気的にコンタクトするように形成され、
第２層は、第１の導電性材料からなる第３層の上部に電気的にコンタクトするように形成されている請求項１記載の装置。
【請求項３】
第２の非炭化水素で非結晶のバリア材料からなる第４層が、多数の予備形成した無機ナノ結晶からなる第１層の上部に電気的にコンタクトするように形成されている請求項２記載の装置。
【請求項４】
第２の導電性材料からなる第５層が、第４層の上部に形成されており、
第５層は、第４層と電気的にコンタクトしている請求項３記載の装置。
【請求項５】
第３および第４の導電性材料の少なくとも１つが、少なくとも１つの周波数の電磁放射に対して透明であり、
該少なくとも１つの周波数は、紫外領域から赤外領域である請求項４記載の装置。
【請求項６】
ナノ結晶層は、少なくとも１つの波長の中心に位置する光を吸収する請求項５記載の装置。
【請求項７】
該少なくとも１つの周波数の電磁放射は、透明な導電性材料を通過して、予備形成した無機ナノ結晶に吸収され、第３層と第５層の間に電流の流れを生成するようにした請求項６記載の装置。
【請求項８】
第３層と第５層の間の電流の流れ方向は、異なる仕事関数の電気的コンタクト領域によって形成されたビルトインポテンシャルによって決定される請求項７記載の装置。
【請求項９】
第３層と第５層の間の電流の流れ方向は、第２層および第４層の材料の異なる電子親和力によって形成されたビルトインポテンシャルによって決定される請求項７記載の装置。
【請求項１０】
ナノ結晶層は、非結晶で非炭化水素のバリア材料によって分離されたナノ結晶からなる層によって形成された複合層である請求項７記載の装置。
【請求項１１】
吸収波長の分布が、ナノ結晶のサイズ、形状および材料のうち少なくとも１つによって決定される請求項６記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの追加の材料層が、第２層と第３層および第４層と第５層を含む少なくとも１つのペアの間に存在しており、
追加の材料層は、層間の電気的コンタクトを促進するものである請求項４記載の装置。
【請求項１３】
非炭化水素で非結晶のバリア材料は、異なる組成からなる複数の層を含む請求項１記載の装置。
【請求項１４】
多数の無機ナノ結晶に輸送されたキャリアが、再結合して電磁放射を生成する請求項５記載の装置。
【請求項１５】
非炭化水素で非結晶のバリア材料は、窒化物または酸化物含有の化合物を含む請求項１記載の装置。
【請求項１６】
ナノ結晶は、半導体材料を含む請求項１記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの導電性透明材料は、インジウムスズ酸化物を含む請求項１記載の装置。
【請求項１８】
１つ又はそれ以上の材料層が、非炭化水素で非結晶のバリア材料とナノ結晶との間に介在しており、
該１つ又はそれ以上の材料層は、非炭化水素で非結晶のバリア材料とナノ結晶との間の電気的コンタクトを促進するものである請求項１記載の装置。
【請求項１９】
。
【請求項２０】
少なくとも１つの予備形成した無機ナノ結晶と、
少なくとも１つの非炭化水素で非結晶のバリア材料であって、少なくとも１つの予備形成した無機ナノ結晶は非結晶で非炭化水素のバリア材料と電気的にコンタクトしており、非結晶で非炭化水素のバリア材料と少なくとも１つの予備形成した無機ナノ結晶との間の少なくとも１つのタイプのキャリア輸送に対するポテンシャルエネルギーバリアが存在するようにしたバリア材料とを含む装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの予備形成した無機ナノ結晶は、ナノ結晶のコロイド溶液から由来している請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
少なくとも１つの予備形成した無機ナノ結晶の形状は、球状、楕円状、ロッド状、ワイヤ状、および板状からなる群から選ばれる請求項２０記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも１つの予備形成した無機ナノ結晶のエネルギー状態は、部分的には少なくとも１つの方向の量子閉じ込めによって決定される請求項２０記載の装置。
【請求項２４】
少なくとも１つの無機ナノ結晶へ入射した電磁放射が吸収されて電流を生成する請求項２０記載の装置。
【請求項２５】
該装置はソーラーセルである請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
少なくとも１つの無機ナノ結晶へ入射した電磁放射が吸収されて、光変調器を生成する請求項２０記載の装置。
【請求項２７】
少なくとも１つの無機ナノ結晶に輸送されたキャリアが、再結合して電磁放射を生成する請求項２０記載の装置。
【請求項２８】
非炭化水素で非結晶のバリア材料を通って輸送されるキャリアは、少なくとも部分的には量子トンネル現象によって輸送される請求項２０記載の装置。
【請求項２９】
非炭化水素で非結晶のバリア材料を通って輸送されるキャリアは、少なくとも部分的には熱イオン放射によって輸送される請求項２０記載の装置。
【請求項３０】
非炭化水素で非結晶のバリア材料を通って輸送されるキャリアは、少なくとも部分的には拡散によって輸送される請求項２０記載の装置。
【請求項３１】
少なくとも１つの無機ナノ結晶は、半導体材料結晶である請求項２０記載の装置。
【請求項３２】
半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
基板と、
基板の上に形成され、第１の導電性材料からなる第１層と、
第１層の上に形成され、第１の非炭化水素で非結晶のバリア材料を含む第２層と、
第２層の上に形成され、多数の予備形成した無機ナノ結晶を含む第３層と、
第３層の上に形成され、第２の非炭化水素で非結晶のバリア材料を含む第４層と、
第４層の上に形成され、第２の導電性材料からなる第５層とを含み、
バリア材料と無機ナノ結晶との間のキャリア輸送に対するポテンシャルエネルギーバリアが存在する装置。
【請求項３４】
第１層および第５層の少なくとも１つが、少なくとも１つの周波数の電磁放射に対して透明であり、
該少なくとも１つの周波数は、紫外領域から赤外領域である請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
多数の無機ナノ結晶に輸送されたキャリアが、再結合して、該少なくとも１つの周波数の電磁放射を生成する請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
電磁放射が、多数の予備形成した無機ナノ結晶に吸収され、第１層と第５層の間に電流を生成するようにした請求項３４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エレクトロニクス分野である。特に、本発明は、無機ベースのナノ構造を活性領域に組み込むことにより、単結晶のナノ構造が無機ベースのアモルファスホスト材料の中に予備製作され堆積されている、例えば、光電池ソーラーセル(solar cell)などのデバイスを提供する。一実施形態では、量子力学的トンネルプロセスが電荷キャリアをナノ構造と周囲の層との間で移動させる。
【背景技術】
【０００２】
光エレクトロニクスデバイスは、典型的には、無機半導体の単結晶活性領域で構成される。例えば、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物や、ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＮＰなどのＧａＮ化合物は、光を発生したり、光検出器として用いられ、一方、シリコンなどの材料は、光検出器や太陽エネルギー変換器として用いられる。活性領域の単結晶性質のため、周囲の領域も単結晶である必要があり、格子整合した単結晶基板を含む格子整合した材料のセットを必要とする。このプロセスは、高価で限定的である。それは、単結晶の格子整合した基板、および特別に設計して組み立てた結晶成長装置のために、高価になる。それは、材料の組合せは特定デバイスについて最適化して格子整合するように選択する必要があるため、限定的になる。
【０００３】
特に、光電池ソーラーセルは、太陽光を電力に変換する光エレクトロニクスデバイスである。それは、典型的には、多くの光エレクトロニクスデバイスと同様な方法で形成される。単結晶、多結晶またはアモルファスの材料からなる薄い層が、基板上に堆積される。ビルトイン(built-in)電圧ポテンシャルは、典型的には、ｎドープ領域とｐドープ領域の間の接合により発生する。該構造に照射される太陽光が吸収され、電子およびホールを生成する。電荷キャリアは、該構造を通って電気コンタクトへ拡散して、外部負荷インピーダンスに電流を供給する。
【０００４】
これらのデバイスは、使用する材料、特に、材料の結晶性質に関連した効率を有する。先行技術の平均的な効率は、アモルファスシリコン（Ｓｉ）ベースのデバイスで６％の範囲、多結晶Ｓｉデバイスで１５％、単結晶Ｓｉデバイスで２５％、マルチ接合（カスケード）ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ−Ｇｅデバイスで３０％以上である。残念ながら、効率が増加するにつれて製造コストが増加し、この電力発生デバイスが他の電力発生源と競争するのは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、安価な光エレクトロニクスデバイスを製造することである。
【０００６】
本発明の目的は、安価な太陽エネルギー変換デバイスを製造することである。
【０００７】
本発明の目的は、安価な発光デバイスを製造することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
予備形成したナノ結晶は、光検出器、発光器、エネルギー変換デバイスなどの用途に、非結晶で非炭化水素のバリア材料とコンタクトを得ている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の装置のための構築プロセスの始めを示す。基板１０が、任意の堆積した導電層１２を有し、層１２の上にはバリア材料からなる層１４が堆積される。基板は、例えば、ガラス、ポリマー材料など、光に対して透明な材料でもよく、あるいは、ステンレス鋼や、先行技術で知られた何れか他の安価な材料など、不透明基板でもよい。もし基板が導電性基板である場合、導電層１２は省いても構わない。層１２の導電材料は、本発明の幾つかの実施形態について、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）など、光に透明な材料でもよく、あるいは、アルミニウムからなる金属層など、不透明であってもよい。層１４のバリア材料は、非結晶で非炭化水素の材料である。
【００１０】
本明細書では、非結晶材料は、アモルファス材料または、極めて短い範囲の秩序構造(ordering)を伴う原子を含む材料として定義され、短い範囲の秩序構造は、表面に付着するナノ結晶の最大寸法よりかなり小さい寸法を超えている（後述）。層１４のバリア材料は、均質なものでもよく、異なる材料の混合でもよく、あるいは、大きな割合のナノ粒子を含有した均質材料でもよく、ナノ粒子は、ナノ結晶の最大寸法より小さい寸法を有する。
【００１１】
炭化水素材料は、かなりの数の炭化水素（Ｃ−Ｈ）結合を有する材料として定義され、炭化水素結合の存在が材料性質にかなり影響を与えるものである。本明細書では、Ｃ−Ｆ結合、Ｃ−Ｃｌ結合、Ｃ−Ｂｒ結合およびＣ−Ｉ結合で置換されるＣ−Ｈ結合を有する炭化水素材料が、炭化水素材料として定義される。
【００１２】
層１４は、蒸着、スパッタ、スピンコートまたは、薄い層を堆積する技術で知られた何れかの他の方法によって、層１２の上に堆積してもよい。
【００１３】
図２は、層１４の上に堆積した、予備形成したナノ結晶２２からなる層２０を有する図１の装置を示す。本明細書では、ナノ結晶が結晶材料で形成され、結晶材料の原子がナノ結晶の長範囲秩序構造の物理寸法を有する。ナノ結晶の最大寸法は、本明細書では、３００ｎｍとして定義される。ナノ結晶は、全ての空間寸法が同等である、球形、楕円形または異形(irregular)の形状を有するものでもよく、あるいは、１つの空間寸法が他の２つの寸法よりかなり小さい板状でもよく、あるいは、１つの空間寸法が他の２つの寸法よりかなり長いロッド形状でもよい。
【００１４】
図２は、層１４をほぼ均一に覆う多くのナノ結晶を示している。しかし、本発明の幾つかの実施形態では、必要なナノ結晶がグループ内で１つ又は数個であってもよい。本発明の最も好ましい実施形態では、多数のナノ結晶を必要とする。多数とは、１００００より多いものとして定義され、本発明の最も好ましい実施形態では、層１４は、ナノ結晶からなる少なくとも１つの層で全体に覆われており、基板１０は、センチメートルまたはメートルオーダーの寸法を有する。
【００１５】
ナノ粒子は、図２に示すように、単独で層１４の表面に付着してもよく、他の材料と混合して層１４の表面に付着してもよく、あるいは、層１４と層２０は、層１２の上で共堆積(co-deposit)してもよい。ナノ結晶と混合する材料は、層１２の材料と同じでもよく、他のバリア材料でもよい。ナノ結晶は、好ましくは、半導体の結晶体であり、最も好ましくは、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｌＡｓ，ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族材料または元素の半導体である。
【００１６】
バリア材料は、導電性材料と層２０の予備形成した無機ナノ結晶との間で、少なくとも１つのタイプのキャリア輸送に対するポテンシャルエネルギーバリアが存在する材料として定義される。好ましいバリア材料は、酸化物、窒化物、特に、シリコン由来のものである。チタン、スカンジウム、ルテニウムなどの他の金属の酸化物も、化学安定性の品質のために予想される。他のバリア材料へ混合される、これらの材料からなるナノ粒子も予想される。
【００１７】
図３は、ナノ結晶層の上に堆積した２つの追加の層３０，３２を示す。層３０は、層１４と同じ材料または異なるバリア材料のバリア層である。層３２は、透明材料または透明材料ではない導電層である。基板材料および層１２が透明である場合、層３２は、電気導体およびハーメチックシールの両方として機能する、例えば、アルミニウムなどの金属材料でもよい。
【００１８】
図４は、本発明の装置の拡大図であり、任意の追加した、材料４０，４２，４４，４６からなる層が、例えば、パシベーション層および拡散バリア層など、種々の目的のために導入されている。
【００１９】
図３の構造は、層２０のナノ結晶と物理的にコンタクトしたバリア層１４，３４と物理的にコンタクトした導電層１２，３２を示す。本発明では、これらの層の間の物理的にコンタクトは、電気的コンタクトが維持されている限り、必要とはしない。電気的コンタクトは、種々の層の電気ポテンシャルが他の層のポテンシャルによって少なくとも部分的に決定された場合、維持される。例えば、電流が、他の材料からなる層によって分離された２つの電気的にコンタクトした材料の間で流れることがあり、あるいは一方の層のポテンシャルが他方の層からの容量性結合によって影響を受けたり、あるいは、拡散、トンネル現象(tunneling)、電界放射や熱イオン放射、先行技術で知られた他の手段または、こうした手段の何れかの組合せによって、電荷キャリアが一方の層から次の層へ進むことがある。最も好ましい電荷キャリア移動は、トンネル現象によるものである。好ましいキャリア輸送方法は、電子の電界放射およびホールの拡散の組合せによるものである。
【００２０】
図５は、異なる形状または異なる材料のナノ結晶５１で形成した層２０の概略図を示す。
【００２１】
図６は、図２の発明が相互に積層できることを示す。導電層６４，６６、バリア層６２，６８およびナノ結晶６２の層６０が、前に形成したデバイスの上に堆積される。図６において、層３０が両方のナノ結晶層２０，６０についてバリア層として機能するため、層６６，６８は任意である。
【００２２】
図７は、太陽照射無しで、図３の本発明の最も好ましい装置についての概略バンド図を示す。破線は、フェルミ準位（Ｅｆ）を表す。コンポーネント層は、ナノ結晶または量子ドット（ＱＤ）層２０と、層１４，３０を表す２つのバリア層（Ｂ１，Ｂ２）と、層１２，３２を表す２つのコンタクト層（Ｃ１，Ｃ２）を含む。バリアの伝導帯（Ｅｃ）および価電子帯（Ｅｖ）は、導体の異なる仕事関数のため、傾斜しており、仕事関数は、真空準位（Ｅｖａｃ）とＥｆとの間の距離として定義される。Ｅ’ｖａｃは、接触前の真空準位を表し、Ｃ２は、構造の残部と結合する。仕事関数の相違は、ＥｃとＥｖのスロープの要因となる。
【００２３】
ある系のフェルミ準位は、平衡状態で定義され、それは系全体で一定のエネルギーレベルであり、電子占有確率が１／２であるエネルギーとして定義される。仕事関数は、フェルミ準位と真空準位との間の差として定義され、典型的には、異なる材料について異なる。ここで、我々は、最初に、２つのコンタクトの仕事関数が異なるように設計して、伝導帯（Ｅｃ）および価電子帯（Ｅｖ）を傾斜させる。これは、ＱＤ伝導状態の各側において、この状態に関してＥｃの高さに重要な差を生成する。
【００２４】
このデバイスの一実施形態のユニークな特徴は、輸送のトンネリング性質である。電荷キャリアがＱＤで発生して、拡散によってアモルファス層を通って輸送される場合、おそらく少数キャリア拡散長が短くなって、アモルファスＳｉデバイス内などでは輸送特性が最適でなくなるであろう。しかしながら、電荷キャリアがバリアを量子力学的にトンネル通過する場合、バリア欠陥に関連した問題を除いて、平均拡散長は問題とならない。
【００２５】
ＱＤの価電子状態と伝導状態の間のエネルギー差が、そこに照射されるフォトンエネルギーと等しく、価電子状態が満たされ、一方、伝導状態は空である場合、フォトンがＱＤによって吸収される確率が存在して、満たされた価電子状態からの電子が伝導状態へ励起されて、ホールを残す。この電子は、緩和して価電子状態に戻って、自然放出発光寿命と称される特性時間でホールと再結合することができ、あるいは、欠陥やフォノンにより、非発光寿命で非発光で緩和することができる。
【００２６】
しかしながら、我々のデバイスでは、上記プロセスの何れかが起こる前に、電子が、バリア領域を通って導体へトンネル移動する。同時に、ＱＤ価電子状態で生成されたホールは、反対方向に、異なるバリア層を通って他方のコンタクトへトンネル移動する。こうして特性トンネル時間は、発光寿命および非発光寿命より短い必要がある。ＥｃおよびＥｖの高さがＱＤの各側で異なるため、電子は、優先的にＢ１からＣ１へトンネル通過し、一方、ホールは、優先的にＢ２からＣ２へトンネル通過する。
【００２７】
この簡単な平衡図式において、最小の照射で負荷無しの場合、キャリアはＣ１（Ｃ２）からＢ１（Ｂ２）を通ってＱＤへトンネル移動する。しかしながら、適当な照射と負荷有りの場合、電子は一端で負の電荷を生じさせ、一方、ホールは他端で正の電荷を生じさせて、系は平衡状態でなくなり、単一のフェルミ準位で表現できなくなる。Ｃ１側でのフェルミ準位は上昇し（より負となる）、Ｃ２側でのフェルミ準位は下降する。これを図８に表している。
【００２８】
トンネル電流は、最初、バリアの高さと幅の指数関数に依存している。こうしてバリアの高さと幅に関連した関数の小さな差は、トンネル電流での大きな差をもたらすことになる。２つのプロセスは、トンネル電流を平衡状態に戻そうとし、電圧を固定する。最初、コンタクト中へ注入されるキャリア流れが増えるため、擬(quasi)フェルミ準位の差は増加し続ける。擬フェルミ準位がＱＤレベルに到達すると、ＱＤ状態に出入る電流は平衡になる。
【００２９】
その代わり、擬フェルミ準位の差は、電流増加とともに増えるため、電界はより補償され、バリアバンドはより平坦になり、トンネル電流は減少する。これらのプロセスの何れが支配するかは、バンド傾斜の量（２つのコンタクトの仕事関数の差）対ＱＤ状態での差および擬フェルミ準位に依存する。もしバンド傾斜プロセスが電圧を制限する場合、逆トンネル電流が増加するにつれて、増加する電圧とともに電流の遅い減少を生じさせることなる。しかしながら、ＱＤ閉じ込め状態との擬フェルミ準位の整合がＱＤ吸収からの電流を制御する場合、臨界電圧に到達すると、電流の急激な減少をもたらすことになる。後者のプロセスは、ＱＤとの擬フェルミ準位の整合によって制限され、最終的には、ＱＤは、最大のＩ×Ｖ積（パワー）（重要な設計パラメータ）を与える。
【００３０】
最後に、ホールと電子のトンネル電流は従属関係にある。理想的なＱＤ構造では、これらは同じでならなければならない。価電子状態が空であれば（ホール占有）、吸収が生ずることはなく、そして、伝導状態は電子が既に存在していれば、吸収が生じないからである。系が初期状態に回復できる前に、ホールと電子の両方がコンタクトへトンネル通過する必要がある。
【００３１】
量子ワイヤまたは量子井戸で吸収が生ずる場合、離散したＱＤ状態の代わりの状態のバンドでは、電子およびホールのトンネル現象が回路を通じて平衡になる。それは必須ではなく、デバイスは、電子およびホールの両方のトンネル現象のために最適化しなくてもよい。典型的には、ホール状態は、電子状態より弱く閉じ込められている（図８など）。この状態からのキャリア輸送は、バリア上部を超える拡散からのもの、弱く閉じ込められたトンネル現象、あるいは両方のプロセスのある組合せでもよい。普通ではないものの、上記プロセスが伝導状態または両方で生ずることも可能であり、それは設計パラメータとして使用できる。
【００３２】
初期のデバイスを改善し、バンド傾斜の平坦化の代わりに擬フェルミ準位での増加によって電圧を制限する幾つかの方法がある。寄生（反対）方向の共トンネル現象(co-tunneling)は最小化する必要がある。キャリアの１つのトンネル現象を制限するバリア幅の１つの増加は、必要な優先的トンネル現象を生成するであろう。しかし、これは、他のキャリアタイプ（電子またはホール）がその方向でトンネル通過するのを減少させないように行う必要がある。
【００３３】
例えば、図９は、図７の幅Ｂ２が増加した場合、傾斜が除かれたとしても、その方向での電子トンネル現象を減少させることを示している。しかしながら、ホール状態は弱く閉じ込められであるため、ホールトンネル現象をほとんど減少させていない。最初にホール状態がこのように設計されていなければ、ホールトンネル現象は減少するであろう。
【００３４】
他の手法は、図１０に示すように、バリアＢ１，Ｂ２の仕事関数を異ならせることであり、電子に対するバリア高さ、例えば、Ｂ２が増加すると同時に、Ｂ２のホールバリア高さが減少する。
【００３５】
図９では、バリア幅が異なり、１つのバリアが他の材料に対して独自の仕事関数を有している。図１０では、仕事関数は全て同じであるが、バリア幅およびバリア高さが異なっている。
【００３６】
光電池ソーラーセルの最適化は、多くの設計態様を含んでいるが、我々はここでは、（ｉ）太陽吸収の最適化、（ｉｉ）その吸収から導出されるパワーの最適化、という２つに注目している。太陽吸収の最適化は、特定のエネルギー分布を持つフォトン吸収の最適化である。地上での太陽入射は、大気吸収によって修正された、熱物体(thermal body)の垂直放射分布によって支配される。得られる分布は、本来、３つまたは４つの領域に分解される。理想的には、我々は、バリア間に配置した場合、これらの領域での中心に位置する吸収領域を有するナノ結晶を選択することにする。基底状態吸収は、ナノ結晶の一般材料、ナノ結晶のサイズおよび、ある程度は、ソーラーセルにおいてナノ結晶を囲むバリア高さによって支配されるため、ここでは設計上の選択が存在するであろう。
【００３７】
我々は、必ずしも狭いナノ結晶サイズ分布を求めていない。我々は、ナノ結晶吸収分布が地上でのソーラースペクトルを網羅して欲しいためである。地上に到達する太陽光のフォトン束−フォトンエネルギーカーブにおいて明確なピークが存在している。このデータから、太陽から地上に来るフォトンの大部分が、約７５０ｍｅＶのエネルギーを有することが判る。このエネルギーは、１．６５μｍの波長に対応する。多くのエネルギーをこの系に寄与するフォトンのスペクトル範囲は、５００ｎｍ付近であり、２．５ｅＶに対応する。次に最大となる寄与分は、６２６ｎｍの中心に位置する波長領域からのものであり、２ｅＶに対応する。
【００３８】
我々は、フォトン変換ではなく、大きなエネルギー変換を得ることに関心があることから、我々の系は、２．５ｅＶおよび２ｅＶのフォトン、そして、程度はより小さいが、３．３ｅＶ、１．６７ｅＶおよび１．４５ｅＶのフォトンを捕捉するように設計する必要がある。１．４５ｅＶでのフォトン束は２．５ｅＶの約２倍であるため、エネルギー出力がより低くなるにしても、これらのより低いエネルギーでより多くのナノ結晶を追加する必要がある。
【００３９】
ソーラー吸収から導出されるパワーの最適化は、ソーラーセル材料の選択とも関連している。特に、コンタクト材料とバリア材料の仕事関数、閉じ込めナノ結晶状態の位置は、デバイス性能に強い影響を持つようになる。材料選択については大きなパラメータ空間がある。
【００４０】
最後のセクションからは、簡単なソーラーセルの例では、２つのコンタクト層の仕事関数の差が、電流方向を確立する初期のトンネルプロセスと、達成可能な合計電圧の両方にとって重要である。しかしながら、２つのバリアの厚さを微調整して、バリアの１つにとって有利なナノ結晶仕事関数を選んだり、あるいは、他方とは異なる高さ（エネルギーで）のバリアの一方を有することによって、同じ効果が達成できる。
【００４１】
（製造に関連した材料の課題）
このソーラーセルの非常に重要な態様は、高いスループットで低コストの製造プロセスの開発である。例えば、ガラスまたは薄い金属基板への層のスパッタリングであろう。しかしながら、全ての材料がスパッタを行うことができず、詳細には、全ての材料が比較的低い温度でスパッタを行うことができず、より詳細には、全ての材料がスパッタによって一緒にきれいに堆積しない。
【００４２】
層間の化学反応、層間接合での欠陥、および層内の点欠陥は、全て考慮する必要がある。界面および点の欠陥状態を減少させたい場合は、上昇した温度が望ましいことになる。温度は、２つの問題によって制限される。１つは、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体グループでしばしば作成されるコロイド状ナノ結晶材料である。これらの材料は、一般に、劣化なしで４００℃までの温度に耐える。さらに、高いスループットで低コストのプロセスにとって、上昇した温度は一般には望ましくはない。デバイスは、エネルギーバンドオフセットの極めて具体的なセットを必要とするため、我々の材料選択を制約することになる。
【００４３】
化学の課題も、確かに役割を演ずることになる。例えば、ほぼ完全なシリコン−二酸化シリコンの界面は、マイクロエレクトロニクス産業の土台の１つであるが、多くの界面は反応したり、より高い表面状態密度を有する。明らかに重要になる課題は、ナノ結晶材料の噴霧(spraying)である。ナノ結晶材料は、溶剤に保存してもよい。溶剤は、他の材料と適合するようなものではなく、堆積前に除去する必要がある。
【００４４】
さらに、ナノ結晶のバリア層への堆積に伴う課題がある。このときナノ結晶密度が高すぎる場合、ナノ結晶の凝集(clumping)が発生してデバイス特性を損ない、ナノ結晶はもはや、大きなバンドギャップ材料に分離しなくなる。この凝集は、ナノ結晶が凝集を低減するための適当な表面コーティングを含有しない場合、堆積プロセスによって生ずることもある。
【００４５】
スパッタリングは、見通し(line-of-sight)プロセスである。そのため、ナノ結晶は、ナノ結晶の直下にある領域に影を作ることになり、ボイドをもたらす。ナノ結晶がバリア領域の上にしっかり居座るため、これらの巨視的なボイドが生ずるが、一方、ナノ結晶がその領域に埋め込まれるのは望ましくない。中間層を挿入して、この機能を担うことができる。これは図１１に示している。
【００４６】
別個の課題は、ナノ結晶と周囲の領域との間に生じ得るマイクロスケールの欠陥である。こうした欠陥は、点欠陥、マイクロボイド、弱いまたは不適切な結合などを含む。影作成(shadowing)の課題の場合、適当な表面パシベーションを確保するために、ナノ結晶の周りにパシベーション層を挿入することが望ましいであろう。パシベーション層はナノ結晶を理想的に包囲し、清浄な界面を提供するが、必ずしも影作成を低減しない。そのため、２つのセットの中間層が必要であり、一方は影作成を低減し、他方はパシベーション化を支援する。
【００４７】
（多層ＰＶセル層）
今までは、単層のナノ結晶とその関連したバリアおよびコンタクトについてのみ議論してきた。我々は、波長に特有の吸収を増加させる冗長なナノ結晶吸収と、ソーラースペクトルを充分にカバーするように別々のスペクトル領域で吸収する異なるナノ結晶について多くの層を必要とする。これらの層は、層をひっくり返すことによって簡単に接続できて、隣接した層においてホールおよび電子が反対方向に移動して、コンタクトを共有するようにする。こうした機構の概要を示すバンド図は、図１２に示している。概念は簡単であるが、偶数層および奇数層の全てを接合するように、特殊なプロセスステップが生ずる必要がある。
【００４８】
さらに、我々は、グループ内のナノ結晶状態全てが同じ波長で吸収する必要があるかを決定しなければならない。おそらくＶｓｃは、最低のナノ結晶エネルギーでクランプされるであろう。そのため、異なる色吸収層を一緒に接合した場合、あるパワー変換が犠牲になるであろう。しかしながら、異なる色吸収ナノ結晶層が分離している場合、精巧なコンタクト機構を用いる必要がある。
【００４９】
さらに、ソーラーセルとしての装置の使用に加えて、本発明は、検出器などの光を吸収する幾つかの他の電子デバイスを提供する。さらに、光を放出したり変調するデバイスも提供する。
【００５０】
明らかに、上記教示の観点から本発明の多くの変形および変化が可能である。従って、添付請求項の範囲内で、本発明は、具体的に記述したもの以外にも実践できると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の装置の構築の始めの概略図を示す。
【図２】図１のステップ後の構築ステップの概略図を示す。
【図３】本発明の最も好ましい装置の概略図を示す。
【図４】本発明の好ましい装置の概略図を示す。
【図５】本発明の好ましい装置の概略図を示す。
【図６】本発明の好ましい装置の概略図を示す。
【図７】光がナノ結晶に入射していない場合の本発明の最も好ましい装置のバンド図の概略図を示す。
【図８】光がナノ結晶に入射している場合の本発明の最も好ましい装置のバンド図の概略図を示す。
【図９】本発明の好ましい装置のバンド図の概略図を示す。
【図１０】本発明の好ましい装置のバンド図の概略図を示す。
【図１１】本発明の好ましい装置のバンド図の概略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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