(57)【要約】光起電装置若しくは太陽電池を提供する。より詳細には、本発明は、太陽電池の効率を増加させるＩＲ及び／又はＵＶ吸収ナノ構造体層を備える光起電装置を提供する。ある実施の形態では、上記ナノ構造材料は、可視領域において主に吸収が起こる、結晶シリコン（単結晶若しくは多結晶）太陽電池、薄膜フィルム（アモルファスシリコン、マイクロ結晶シリコン、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ及びIII−Ｖ族材料）太陽電池からなる群から選択される少なくとも１つを組み合わせても良い。ある形態では、上記ナノ粒子材料は、様々なサイズの量子ドット、ロッド及びマルチポッドを含む。
2009527108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、
太陽スペクトルのＩＲ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる第２光活性層と、
上記第１光活性層と上記第２光活性層との間に配置され、上記第１光活性層と上記第２光活性層との間において電荷輸送を促進するよう構成された再結合層と、
を備える光起電装置。
【請求項２】
上記ナノ構造材料が、ホール伝導性ポリマー若しくは電子伝導性ポリマー及び相補的なナノ粒子を含むナノ複合材料であることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項３】
上記再結合層が、上記導電性ポリマーと反対の電荷を輸送する材料を含んでなるドープ層であることを特徴とする請求項２記載の光起電装置。
【請求項４】
上記再結合層が、上記ナノ粒子と反対の電荷を輸送する材料を含んでなるドープ層であることを特徴とする請求項２記載の光起電装置。
【請求項５】
上記再結合層が、さらに上記ドープ層に接合された金属層を備えることを特徴とする請求項２記載の光起電装置。
【請求項６】
上記再結合層が、さらに上記ドープ層に接合された絶縁層を備えることを特徴とする請求項２記載の光起電装置。
【請求項７】
上記ナノ構造材料は、半導体ドット、ロッド若しくはマルチポッドからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項８】
上記再結合層が、ポリマーに分散された１以上のナノ粒子を含んでなることを特徴とする請求項２記載の光起電装置。
【請求項９】
上記の１以上のナノ粒子が、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＣｄＨｇＴｅ、Ｓｉ、及びＳｉＧｅからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項７記載の光起電装置。
【請求項１０】
上記の１以上のナノ粒子が、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＣｄＨｇＴｅ、Ｓｉ、及びＳｉＧｅからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項８記載の光起電装置。
【請求項１１】
上記ポリマーは、Ｐ３ＨＴ、ペンタセン、及びＭＥＨ-ＰＰＶからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項８記載の光起電装置。
【請求項１２】
上記ナノ構造材料は、感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の混合物を含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項１３】
上記感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の一方若しくは両方が機能化されることを特徴とする請求項１２記載の光起電装置。
【請求項１４】
上記導電性ナノ粒子が、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、及びＺｎＯナノワイヤーからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項１２記載の光起電装置。
【請求項１５】
上記感光性ナノ粒子が、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＰｂＳｅ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ及びIII-Ｖ族材料からなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項１２記載の光起電装置。
【請求項１６】
上記第２光活性層は、ホール伝導性ポリマーに分散された１以上の無機ナノ粒子を含み、
上記再結合層は、さらに、Ｎ＋ドープ層と、上記Ｎ＋ドープ層に接合された金属層と、を備えることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項１７】
上記第１光活性層は、アモルファスシリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン、マイクロ結晶シリコン、ナノ結晶シリコン、ＣｄＴｅ、銅インジウムガリウムジセレナイド（ＣＩＧＳ）及びIII−Ｖ族半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項１８】
上記第１光活性層は、ホール伝導性若しくは電子伝導性の有機材料を含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項１９】
上記第１光活性層は、Ｐ３ＨＴ、Ｐ３ＯＴ、ＭＥＨ-ＰＰＶ、ＰＣＢＭ、ＣｕＰｅ、ＰＣＴＢＩ及びＣ６０からなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項２０】
上記光活性層は、Ｐ-Ｉ-Ｎ半導体若しくはＰ-Ｎ半導体を含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項２１】
上記第１光活性層は、複数の層を含み、それぞれの層が可視領域スペクトルの特定の範囲を吸収するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項２２】
上記１以上の複数層の間に１以上の再結合層をさらに備え、
上記再結合層が、上記複数の層に亘って電荷輸送を促進するように構成されていることを特徴とする請求項２１記載の光起電装置。
【請求項２３】
上記第２光活性層が複数の層を含み、それぞれの層がＩＲスペクトルの特定の範囲を吸収するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項２４】
上記１以上の複数層の間に１以上の再結合層をさらに備え、
上記再結合層が、上記複数の層に亘って電荷輸送を促進するように構成されていることを特徴とする請求項２３記載の光起電装置。
【請求項２５】
上記第１光活性層の上に配置された上部光活性層をさらに備え、上記上部光活性層は、太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなることを特徴とする請求項１記載の光起電装置。
【請求項２６】
上記第１光活性層と上記上部層との間に配置され、上記上部層と上記第１光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成された第２再結合層をさらに備えることを特徴とする請求項２５記載の光起電装置。
【請求項２７】
上記上部光活性層が、１以上のナノ粒子を含んでなることを特徴とする請求項２５記載の光起電装置。
【請求項２８】
上記上部光活性層が、ポリマーマトリクスに分散された１以上のナノ粒子を含んでなることを特徴とする請求項２５記載の光起電装置。
【請求項２９】
上記１以上のナノ粒子が、ＺｎＳｅ及びＣｄＺｎＴｅからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなることを特徴とする請求項２８記載の光起電装置。
【請求項３０】
第１光活性層と、
上記第１光活性層上に配置され、上記第１光活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを示す材料からなる上部光活性層と、
上記第１光活性層の下に配置され、上記第１光活性層のバンドギャップより小さいバンドギャップを示す材料からなる下部光活性層と、
を有してなる光起電装置。
【請求項３１】
上記上部光活性層が、２ｅＶ以上のバンドギャップを示すことを特徴とする請求項３０記載の光起電装置。
【請求項３２】
上記下部光活性層が、１．２ｅＶ以下のバンドギャップを示すことを特徴とする請求項３０記載の光起電装置。
【請求項３３】
太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、
太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示す１以上のナノ粒子を含んでなる上部光活性層と、
上記第１光活性層と上記上部光活性層との間に配置され、上記第１光活性層と上記上部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成された再結合層と、
を備える光起電装置。
【請求項３４】
上記再結合層が、Ｐ＋ドープ層を含むことを特徴とする請求項３３記載の光起電装置。
【請求項３５】
上記第１光活性層が、Ｐ-Ｉ-Ｎ半導体を含むことを特徴とする請求項３３記載の光起電装置。
【請求項３６】
上記１以上のナノ粒子が、ポリマーマトリクスに分散されることを特徴とする請求項３３記載の光起電装置。
【請求項３７】
太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、
太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる上部光活性層と、
上記第１光活性層と上記上部光活性層との間に配置され、上記第１光活性層と上記上部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成された再結合層と、
太陽スペクトルのＩＲ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる下部光活性層と、
上記第１光活性層と上記下部光活性層との間に配置され、上記第１光活性層及び上記下部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成された第２再結合層と、
を備える光起電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する出願
当該特許出願は、２００６年２月１３日に出願した、「ＩＲ及びＵＶ吸収ナノ粒子層を具備する太陽電池」なる名称の米国仮特許出願第６０/７７２,５４８の利益を主張するとともに優先権を主張し、さらに２００６年５月２日に出願した、「ナノ複合材料太陽電池」なる名称の米国仮特許出願第６０/７９６,８２０の利益を主張するとともに優先権を主張する。これらの両方の開示内容は、全体として本明細書において引用して援用する。
【０００２】
技術分野
本発明は、概して、光起電装置若しくは太陽電池の技術分野に関する。より詳細には、本発明は、ナノ構造体層を備える光起電装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
原油の価格が上昇することにより、費用効率が高い再生可能なエネルギーを開発することの重要性が高まってきている。世界中で、太陽エネルギーを捕捉する費用効果の高い太陽電池を開発することに大きな努力が払われている。現在の太陽エネルギー技術は、結晶性シリコン及び薄膜技術として広く分類される。太陽電池の９０％以上がシリコン、具体的には単結晶シリコン、多結晶シリコン若しくはアモルファスシリコンからなる。
【０００４】
歴史的には、結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）は、光の吸収体としては比較的不十分で、かなりの薄さ（数百μｍ）のマテリアルが必要となるにもかかわらず、多くの太陽電池において光吸収半導体として使用されてきた。結晶性シリコンは良好な効率（１２〜２０％、理論的な最大値の１/２〜２/３）を有する安定な太陽電池を生み出すことができ、そして、マイクロエレクトロニック産業の知識ベースから開発されたプロセス技術を用いるため、都合がいい。
【０００５】
当該産業において、２つのタイプの結晶性シリコンが用いられている。一つは、高純度の単結晶ボール（boule）からウェハを（およそ１５０ｍｍの直径、３５０μｍの薄さで）スライスすることにより作製される単結晶であり、もう一つは、シリコンの鋳造ブロックを最初棒状に切断しその後ウェハ状に切断することにより形成される多結晶シリコンである。結晶性シリコン太陽電池の製造における主なトレンドは、多結晶技術に向かっている。
【０００６】
単結晶及び多結晶Ｓｉともに、半導体ｐ-ｎ接合は、ボロンドープされた（ｐ型の）Ｓｉウェハ上にリン（ｎ型ドーパント）を拡散させることにより形成される。スクリーン印刷電極は太陽電池の前部と後部に取り付けられ、フロントコンタクトパターンは、Ｓｉマテリアルの光照射が最大となるよう設計され、太陽電池における電気的な（抵抗の）ロスを最小とする。
【０００７】
シリコン太陽電池は非常に高価である。製造方法は、成熟しており、コストを大きく削減することはできない。図１に示すように、シリコンは太陽スペクトルの可視領域において主に吸収を示すため、シリコンは太陽電池において使用することが理想的な材料ではない。太陽光のかなりの部分が、図２に示すようにＩＲフォトンを含む。これらのＩＲフォトンは、シリコン太陽電池では捕捉されず、そのためそれらの変換効率が制限されている。
【０００８】
第２世代の太陽電池技術は、薄膜フィルムに基づくものである。２つの主な薄膜フィルム技術としては、図３に示すようなアモルファスシリコンや銅インジウムガリウムジセレナイド（ＣＩＧＳ）がある。
【０００９】
アモルファスシリコンは、１９８０年代において「単に」薄膜フィルムＰＶマテリアルとしか見られていなかった。１９８０年代後半から１９９０年代初頭においては、その低い効率及び不安定性のため、多くの研究者により見放された。しかしながら、アモルファスシリコン技術は、これらの問題（すなわちマルチジャンクション構造）に対して非常に洗練された解決策を開発する方向に上手く進展している。現在、市販のマルチジャンクションａ-Ｓｉモジュールは、７％〜９％の効率範囲にある。ユナイテッドソーラー及びカネカは、２５ＭＷの装置を製造し、またいくつかの会社が日本やドイツにおいて製造プラントを建設する計画を発表している。
【００１０】
ａ−Ｓｉ技術に対する主要な障害は、低効率（約１０％で安定）、光励起効率の低下（マルチジャンクション等のより複雑なセルデザインが必要となる）、およびプロセスコスト（製造方法は、真空ベースでありかなり遅い）である。これらの問題の全ては、コスト効率の高いａ−Ｓｉモジュールを作製するという可能性にとって重大である。
【００１１】
アモルファスシリコン太陽電池は、ＩＲ吸収が十分でなく、太陽スペクトルのＩＲフォトンからのエネルギーを捕捉することができない。マイクロ結晶シリコンは、より長波長側に吸収が拡がり、ＩＲ領域における吸収は十分でない。アモルファスシリコン太陽電池におけるＩＲ捕捉を増加させるため、様々な反射体設計が用いられている。これらの反射体は、かなりのコストが掛かり、アモルファスシリコンのＩＲ吸収が１０００ｎｍを超えて拡がることができないため、その利益は制限されている。もし、アモルファスシリコン及び多結晶シリコン太陽電池とコスト効率的に組み合わされたＩＲ吸収層を開発することができれば、効率を大きく改善することができる。
【００１２】
銅インジウムガリウムジセレナイド（ＣＩＧＳ）吸収体からなる薄膜フィルム太陽電池は、１０〜１２％という高い変換効率を達成するということが期待されている。ＣＩＧＳ太陽電池の記録的に高い変換効率（１９．２％ＮＲＥＬ）は、カドミウムテルライド（ＣｄＴｅ）若しくはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）等の他の薄膜フィルム技術により達成されたものと比較して断然高い。
【００１３】
これらの新記録のスモールエリアデバイスは、資本集約的で極めて高価な真空蒸着技術を用いて製造される。大きな領域の基板上に均一組成のＣＩＧＳフィルムを形成することは非常に興味深い。これらの制限により、歩留まりにおいて影響を受け、一般的に極めて低くなる。これらの制限のため、製造技術の遂行は、薄膜フィルム太陽電池及びモジュールのラージスケールで低コストな市販品に関しては成功しておらず、今日の結晶性シリコン太陽電池モジュールに対して競争力がない。
【００１４】
高価な真空装置を使用する物理的気相成長技術の制限を克服するため、いくつかの会社が、ＣＩＧＳ太陽電池の製造のための高い歩留まりの真空プロセス（具体的にはデイスター、グローバルソーラー）及び非真空プロセス（具体的にはＩＳＥＴ、ナノソーラー）を開発している。インク技術を用いることにより、非常に高い活性の材料を比較的低い資本設備コストで使用することができる。複合の効果としては、薄膜フィルム太陽電池の製造プロセスが低コストとなるということである。ＣＩＧＳは、柔軟な基板上に形成することができ、太陽電池の重量を減少させることができる。ＣＩＧＳ太陽電池のコストは、より低い効率においてさえも競争力の高い結晶性シリコンより低いことが期待される。ＣＩＧＳ太陽電池の２つの主な問題は、（１）より高い効率に対してはっきりとした経路が無いこと、及び（２）プロセス温度が高いことにより、プロセスを始動させるためにハイスピードロールを使用することが困難で、そのためアモルファスシリコン太陽電池により達成される十分に低いコストの構造を達成することができないことである。
【００１５】
ＣＩＧＳ太陽電池はまたＩＲ吸収が不十分であるので、太陽スペクトルのＩＲフォトンからエネルギーを吸収若しくは捕捉することができない。コスト効率的にＣＩＧＳ太陽電池が組み合わされたＩＲ吸収層が開発されると、効率的な改良が達成されるかもしれない。
【００１６】
現在利用可能な技術についてかなりの問題が存在する。例えば、今日９０％以上のマーケットを占めている結晶性シリコン太陽電池は、非常に高価である。ｃ−シリコン太陽電池による太陽エネルギーは、化石燃料の、ｋｗｈ当たり１０セント未満と比べて高く、ｋｗｈ当たり約２５セントかかる。さらに、太陽パネルを導入する際の資本コストは、極めて高く、その普及率を制限している。結晶性の太陽電池技術は成熟しており、近い将来において性能若しくはコスト競争力が改善されない可能性がある。アモルファスシリコンの薄膜技術は、低コストの太陽電池へと導くことができる大量生産に適している。しかしながら、アモルファスシリコン及びマイクロ結晶性シリコン太陽電池は、可視領域においてしか吸収を示さず、ＩＲ領域においてフォトンを全く捕捉しない。
【００１７】
先行技術において、ＩＲ吸収薄膜フィルム等をシリコン層と組み合わせた太陽エネルギー変換効率を増加させる具体例が多数存在する。当該文書において使用されるＩＲ吸収薄膜フィルム層は、高価な真空成長プロセスにより形成される。当該文書における具体例には、マルチジャンクションセル及びタンデムセルが含まれる。当該文書における具体例には、（１）二つの分離したセルからなる４つのターミナルデバイス、及びトンネルジャンクションを組み合わせることにより作製された２つのターミナルデバイスが含まれる。当該文書において知られた全ての具体例は、製造するには非常に高価であり、商業的な適用を制限する。
【００１８】
ナショナルリニューアブルエネルギーラボ（ＮＲＥＬ）は、高効率を達成するという主要な目的を有する、２００１における高効率的なタンデム太陽電池プログラムを開始した。ＳｉＧｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ及びIII−Ｖ材料等の数多くの半導体材料は、ＩＲ領域において吸収しＩＲフォトンを捕捉するために使用される。ＮＲＥＬの研究者は、ブロードバンドマルチジャンクション太陽電池が、異なる波長範囲において吸収するセルを積層することにより作製することができることを示した。タンデム太陽電池は、シングルセルにおいて、異なるバンドギャップを有する複数の材料を直列的に使用する。タンデム太陽電池においてかなりの進展がみられるけれども、未だ多くの制限が残っている。これらのタンデム太陽電池は、商業的な適用についてコスト競争力を達成していないようである。これらのマルチジャンクションタンデム太陽電池は、（現在のバランシング要件のため）設計するのが非常に困難であり、極めて高価となっている。そのため、これらのタンデム太陽電池は、コストが重大なドライビングファクターでない防衛、宇宙、地球のアプリケーションにおける使用に制限されている。しかしながら、そのようなデザインは、市販の太陽電池アプリケーションのために使用されるほど経済的ではないようである。
【００１９】
次世代の太陽電池デザインは、重さが軽く費用が低いとともに高い効率が実際に達成されることが必要とされる。可能性として考えられる２つの候補としては、（１）ポリマー性太陽電池と（２）ナノ粒子太陽電池が挙げられる。ポリマー性太陽電池は、中程度の温度（＜１５０度）におけるロールプロセスを促進するため、ポリマー太陽電池は非常に低コストにすることができる。しかしながら、ポリマーは２つの主な欠点、すなわち（１）電荷輸送が遅いため効率が低いこと、（２）特にＵＶに対して安定性が低いこと、に悩まされる。その上、ポリマー性太陽電池は、次世代の太陽電池となるために必要とされるパフォーマンスを達成することができない。
【００２０】
いくつかの研究グループは、量子ドットに基づいた太陽電池について実験を行ってきた。今まで報告されてきた最良の効率は、＜５％である。これらの太陽電池について効率が低い主な理由は、（１）ナノ粒子における表面電荷、（２）ポリマーホストにおける電荷輸送が不十分であることにより、電荷が再結合することにある。表面電荷の効果なく、量子ドットを形成するためには、新規な合成方法を開発する必要がある。大きなアスペクト比を有する電荷輸送量子ロッドに対するポリマーホストのインパクトを低下させることが提案されている。カリフォルニア大学バークレイ校の研究者は、アスペクト比が＞１０：１の量子ロッドを使用することにより良好な効率が達成されることを示した。
【００２１】
ＩＲ吸収ナノ粒子は、トロント大学及びバッファロー大学により報告されている。トロント大学のテッドサージェントチームは、直径４ナノメートル（ｎｍ）の鉛サルファイド半導体ナノ結晶を半導体プラスチック中に懸濁することにより溶液プロセスに基づき赤外線光起電装置を作製した（ネイチャーマテリアルズ 2005, 4, 138-142）。ＰｂＳからなる４ｎｍの球体は、励起された電子の軌道半径より小さかった。いわゆる量子閉じ込めの効果は、量子ドットがエネルギーを吸収し始める光の波長が、結晶のサイズに直接関連するということである。これは、ナノ結晶のサイズを変更することにより、プラスチック太陽電池は、ＩＲから可視スペクトルまで、所望の波長に調整することができることを意味する。ナノ結晶のサイズを制御することにより、太陽電池は、９８０、１２００、１３５５ｎｍの波長においてＩＲ光を吸収するように調整することができ、これを電流に変換することができる。ＩＲ光起電装置は、７００ｎｍ〜２μｍに亘る波長において、太陽光エネルギーの半分がＩＲにおいて発生するため、より大きなポテンシャルを有する。サージェントの最初のＩＲシステムは、計り知れない電力変換効率０.００１％を有した。
【００２２】
インジウムリン酸塩（ＩｎＰ）ナノ結晶からなる効果的なＩＲ吸収量子ドット光起電装置が、バッファロー大学（ＵＢ）のパラスパラサドチームにより開発された。ＩｎＰ量子ドットは、他の量子ドットに相当する発光効率を示したが、それらはまたスペクトルの赤色領域においてより長波長の光を放出した。これは、赤色発光がこれらの量子ドットがＩＲ領域においてフォトンを捕捉することができることを意味するため、大きな利点である。カドミウムセレナイドを含んでなる量子ドットは、より低い可視光領域において最も発光する。シリコン太陽電池は、主に緑色領域で作動する。そのため、利用可能な光エネルギーのごく一部だけしか捕捉できない。対照的に、鉛セレナイド量子ドットは、赤外領域において吸収することができ、そのため現在のシリコン太陽電池より、何倍もの光を、利用可能なエネルギーに効率的に変換することができる光起電装置を開発することができる。ＵＢグループは、ＩｎＰ量子ドットについて３％の量子効率を示した。彼らの業績は、２００５年８月１１日にオンラインでアプライドフィジックレターに発行された文献「量子ドットポリマーナノ複合材料を用いた赤外線波長領域の効率的な光伝導装置」に記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
したがって、多くの課題が残され、さらなる改良が絶対的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明のある実施の形態は、概して光起電装置若しくは太陽電池の分野に関する。より詳細には、本発明は、ＩＲ及び／又はＵＶ吸収ナノ構造体層を有する光起電装置を提供する。
【００２５】
別の発明では、本発明の実施の形態は、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、太陽スペクトルのＩＲ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる第２光活性層とを備える光起電装置を提供する。上記第１光活性層と第２光活性層との間に再結合層が配置され、当該再結合層は第１光活性層及び第２光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成される。
【００２６】
別の発明では、本発明は、第１光活性層と、上記第１光活性層上に配置され、上記第１光活性層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する材料からなる上部光活性層と、上記第１光活性層の下に配置され、上記第１光活性層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する材料からなる下部光活性層と、を有する光起電装置を提供する。ある実施の形態では、上記上部光活性層は、２ｅＶ以上のバンドギャップを有し、そして下部光活性層は１．２ｅＶ以下のバンドギャップを有する。
【００２７】
さらに別の発明では、本発明の実施の形態は、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示す１以上のナノ粒子を含んでなる第２光活性層と、を備える光起電装置を提供する。上記第１光活性層と第２光活性層との間に再結合層が配置され、当該再結合層は第１光活性層及び第２光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成される。
【００２８】
さらに別の発明では、本発明の実施の形態は、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、上記第１光活性層の上に配置され、太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる上部光活性層と、を備える光起電装置を提供する。上記第１光活性層と上記上部光活性層との間に再結合層が配置され、当該再結合層は上記第１光活性層及び上記上部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成される。太陽スペクトルのＩＲ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる下部光活性層が、上記第１光活性層の下に形成される。上記第１光活性層と上記下部光活性層との間に第２再結合層が配置され、当該第２再結合層は上記第１光活性層及び上記下部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成される。
【００２９】
上記ナノ構造材料は、ナノサイズマテリアル若しくは粒子を含む適切な材料である。これらのナノサイズマテリアル若しくは粒子は、前駆物質若しくはキャリアー化合物等の他の材料において分散されていても良い。例えば、ある実施の形態において、上記ナノ構造材料は、ホール伝導性若しくは電子伝導性ポリマー及びそれらの中に配置された相補的なナノ粒子を含むナノ複合材料である。上記ナノ複合材料は、ポリマーに配置された１以上のナノ粒子を含んでいても良い。他の実施の形態では、上記ナノ構造材料は、半導体ドット、ロッド若しくはマルチポッドからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなる。マルチポッドは、バイロッド及びトリロッド構造を含んでいても良く、他の２次元、３次元構造も含まれる。適切な材料の具体例として、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＣｄＨｇＴｅ、Ｓｉ、若しくはＳｉＧｅからなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるわけではない。ナノ粒子のサイズ及び／又は組成は、ある特定範囲の光吸収を示し、それにより当該装置の吸収効率を増加させるように選択しても良い。
【００３０】
他の実施の形態では、上記ナノ構造材料は、感光性ナノ粒子と導電性ナノ粒子との混合物を含んでなる。感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の一方若しくは両方は機能化されていても良い。導電性ナノ粒子の具体例には、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、若しくはＺｎＯナノワイヤーからなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるわけではない。感光性ナノ粒子の具体例には、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＰｂＳｅ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ若しくはIII-Ｖ族マテリアルからなる群から選択される少なくとも１つが含まれる。
【００３１】
ある実施の形態では、上記再結合層は、ナノ構造材料と反対の電荷を輸送する材料からなるドープ層から構成されていても良い。また、ある実施の形態では、上記再結合層は、ナノ構造材料における導電性ポリマーとは反対の電荷を有するドープ層を含んでいる。別の形態では、再結合層は、ナノ構造材料におけるナノ粒子と反対の電荷を輸送する材料からなるドープ層である。再結合層は、さらにドープ層に結合された金属層及び／又は絶縁層を含んでいても良い。
【００３２】
上記第１光活性層は、アモルファスシリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン、マイクロ結晶シリコン、ナノ結晶シリコン、ＣｄＴｅ、銅インジウムガリウムジセレナイド（ＣＩＧＳ）若しくはIII−Ｖ族半導体材料からなる群から選択される少なくとも１つを含んでいてもよい。他の実施の形態では、上記第１光活性層は、ホール伝導性若しくは電子伝導性の有機材料を含んでなる。例えば、上記光活性層は、Ｐ-Ｉ-Ｎ半導体若しくはＰ-Ｎ半導体を含んでなる。別の実施の形態では、第１光活性層は、Ｐ３ＨＴ、Ｐ３ＯＴ、ＭＥＨ-ＰＰＶ、ＰＣＢＭ、ＣｕＰｅ、ＰＣＴＢＩ若しくはＣ６０からなる群から選択される少なくとも１つを含んでなる。
【００３３】
ある実施の形態では、上記のナノ構造材料を含む第２光活性層は、ホール伝導性ポリマーに分散された１以上の無機ナノ粒子を含み、上記再結合層は、Ｎ＋ドープ層を含んでなり、上記Ｎ＋ドープ層に金属層が接続されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
上述の本発明の他の側面は、添付の図面を参照しながら次の詳細な説明を考慮すれば明らかである。当該図面において、同様の参照記号は、全体を通して同一の部材を意味する。
【００３５】
本発明の実施の形態は、概して、光起電装置若しくは太陽電池に関する。より詳細には、本発明は、ＩＲ吸収及び/又はＵＶ吸収ナノ構造体層を有する光起電装置を提供する。光起電装置や太陽電池なる用語は、本明細書を通して交換可能に使用することができる。
【００３６】
本発明は、さらに、ＩＲフォトン吸収若しくは捕捉及び/又はＵＶフォトン吸収若しくは捕捉ナノ構造材料を混合することにより、効果的に太陽電池の費用効率を向上させることに関する。ある実施の態様では、ナノ構造材料は、結晶性のシリコン（単結晶若しくは多結晶）、太陽電池薄膜フィルム（アモルファスシリコン、マイクロ結晶性シリコン、ＣｄＴｅ，ＣＩＧＳ及びIII-Ｖ材料）．吸収が可視領域の全領域で行われる太陽電池からなる群から選択される少なくとも１つが組み合わされていることを特徴とする。ある実施の形態では、ナノ構造材料は、実質的に可視スペクトルにおいて光を吸収することができる材料からなる第１光活性層が組み合わされた１以上のナノ粒子からなる。ある実施の態様では、当該ナノ粒子層は量子ドット、ロッド若しくはマルチポッドから構成されていても良い。ある実施例では、ナノ粒子は、図５に示すように、約２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲、より好ましくは約２〜６ｎｍの範囲で小型化されている。小さなナノ粒子は、スペクトルの青色側において吸収する一方、大きなナノ粒子は、スペクトルの赤色側において吸収する。
【００３７】
ナノ粒子層は、様々な発光材料からなることが好ましい。適切な材料の具体例として、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＰｂＳ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ若しくはIII-Ｖ半導体からなる群から選択される少なくとも１つが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＳｉＧｅは、ＩＲ吸収ナノ粒子の具体例である。ＺｎＳｅは、ＵＶ吸収ナノ粒子の具体例である。様々な化学的性質、及び様々な粒子サイズのＩＲ吸収およびＵＶ吸収ナノ粒子は、当該技術分野において既知の下記方法により調製することができる。
【００３８】
別の実施の形態では、ナノ構造体層は伝導性ポリマーマトリックスにナノ粒子を分散させることにより得られるポリマー複合材料からなる。ある実施の態様では、ナノ粒子は、図４に示すようにコアシェルの構成を有する。この場合、コアシェルのコア１０は、半導体材料、例えばIII族-Ｖ族、II族-IＶ族半導体等を含んでいても良い。シェル２０は、図６に示すように、他の半導体材料若しくは溶媒、例えば、ＴＯＰＯから構成しても良い。ある実施の態様では、ナノ粒子は、例えば有機基により機能化され、それらの導電性ポリマーマトリックスへの分散を促進する。図７は、ナノ粒子（本明細書では量子ドット”ＱＤ”と称することもある）が、IＶ族、II族-IＶ族、III族-Ｖ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族材料を含む実施の形態を示している。別の態様では、ナノ粒子３０は、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＰｂＳ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ若しくはＧｅからなる群から選択された少なくとも１つを含んでいる。ある具体例では、当該ナノ粒子は、官能基４０、例えばカルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等により機能化される。
【００３９】
ナノ粒子層は、既知の溶液プロセス法、例えばスピンコート法、ディップコート法、インクジェットプリント等により析出することができる。ナノ粒子は、適用可能な真空析出技術により析出することができる。膜厚、粒子サイズ、発光材料のタイプ、（もし使用される場合は）ポリマー材料のタイプ、およびポリマー複合物（もしポリマー複合物が使用される場合）におけるナノ粒子の負荷レベルを調整して、ＩＲ吸収ナノ粒子のＩＲ領域およびＵＶ吸収ナノ粒子のＵＶ領域において吸収を最大とすることができる。
【００４０】
他の実施の態様では、当該ナノ構造材料は、感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の混合物からなる。上記感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の一方若しくは両方を機能化しても良い。導電性ナノ粒子の具体例として、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、若しくはＺｎＯナノワイヤーからなる群から選択された少なくとも１つが挙げられるが、これらに限定されるものではない。感光性ナノ粒子の具体例として、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＰｂＳｅ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ若しくはIII-Ｖ族材料からなる群から選択された少なくとも１つが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
【００４１】
本発明は、別の態様では、効率的なナノ粒子ベースの光起電装置を進展させる、光起電装置構造の改良に関する。ある実施の形態では、感光性ナノ粒子（量子ドット、ロッド、バイポッド、トリポッド、マルチポッド、ワイヤー等）は、高移動度導電性ポリマーの前駆物質に分散させ、光線若しくは光捕捉薄膜フィルムを形成する。これは、２つの導電性電極間で挟持され、これらの電極の少なくとも１つは透明である。当該前駆物質は、溶媒の除去後前駆物質/ナノ粒子の薄膜の形成時それらがナノ粒子を等方的に被覆することができるように低分子量のものからなることが好ましい。当該ナノ粒子は、これを前駆物質で等方的に被覆することを容易にするため、機能化してもよい。その後、前駆物質は、感光性ナノ粒子が高移動度伝導性ポリマーにおいて完全にカプセル化された薄膜が得られるように、加熱手段若しくはＵＶ照射のいずれかにより重合する。当該前駆物質は、ナノ粒子の露光時に発生するホールと電子の急激な電荷輸送を促進する。
【００４２】
感光性ナノ粒子は、光が照射されたときに電気とホールの対を発生させるものであれば他の感光性材料から構成されても良い。ナノ粒子は、カドミウムセレナイド（ＣｄＳｅ）、亜鉛セレナイド（ＺｎＳｅ）、鉛セレナイド（ＰｂＳｅ）、インジウムフォスファイド（ＩｎＰ）、鉛サルファイド（ＰｂＳ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、III−Ｖ材料等から構成されていても良い。
【００４３】
ナノ粒子は、有機若しくは無機官能基により機能化されていてもよい。そのような実施の形態において、ナノ粒子の表面に取り付けられた官能基には、−ＣＯＯＨ（カルボキシル基）、−ＰＯ４（ホスホン酸基）、−ＳＯ３Ｈ（スルホン酸基）、及び−ＮＨ２（アミノ基）からなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００４４】
高移動度伝導性ポリマーの具体例としては、ペンタセン、Ｐ３ＨＴ、ＰＥＤＯＴ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。これらのポリマーの前駆物質は、１以上の熱重合可能な官能基を含んでいても良い。適切な熱重合可能な官能基の具体例はエポキシである。別の態様では、当該前駆物質は、１以上のＵＶ重合可能な官能基を含んでいても良い。適切なＵＶ重合可能な官能基の具体例は、アクリル基である。
【００４５】
ある実施の形態では、上記高移動度ポリマー及び感光性ナノ粒子の前駆物質に第２の導電性ポリマー材料を組み合わせ、前駆物質が重合する前に最初のフィルム形成を補助する。適切な第２の導電性ポリマー材料の具体例はＰＶＫである。前駆物質及び第２ポリマーは、重合後に相分離が発生しない限り、第２ポリマーに対する前駆物質の比率が最大となるよう混合することが好ましい。ある形態では、ＰＶＫフィルムを可塑化することが期待される前駆物質はペンタセンである。ＰＶＫフィルムは、当該フィルムにおいて感光性ナノ粒子を均一分散させることができ、また前駆物質によるナノ粒子の絶縁保護コーティング（conformal coating）を実現することができる。
【００４６】
ある実施の形態では、ナノ構造材料層は、感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の混合物を含む。カーボンナノチューブ、ＴｉＯ２ナノチューブ、ＺｎＯナノワイヤー等の導電性ナノ粒子は、光照射時にナノ粒子により発生する電子とホールとの電荷分離をさらに高めるため、上記前駆物質及び感光性ナノ粒子、（任意ではあるが第２導電性ポリマー）と混合してもよい。
【００４７】
他の実施の形態では、感光性ナノ粒子は、影響を及ぼさない粒子(discreet particles)であり、また、別の形態では、これらの感光性ナノ粒子は、カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ若しくはＺｎＯナノワイヤー等の導電性ナノ構造体に取り付けられる。
【００４８】
感光性ナノ粒子は、カーボンナノチューブにこれらのナノ粒子の単一層が形成されるように、分子セルフアセンブリ(molecular self assembly)を介してカーボンナノチューブ上の導電性ナノ構造体に化学的に取り付けても良い。導電性カーボンナノチューブは、当該技術分野において既知の方法により調製される。ある実施の形態では、カーボンナノチューブには、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）が含まれることが好ましい。カーボンナノチューブは、適切な溶媒においてそれらが分散することを容易にするため、機能化しても良い。機能化されたナノ粒子は、カーボンナノチューブにおいて適切な官能基（例えば、カルボキシル基等）と結合し、分子セルフアセンブリプロセスにより、高濃度で連続的なナノ粒子の単一層が積層される。電荷再結合を容易にする表面状態の影響を最小とするため、ナノ粒子及びカーボンナノチューブの官能基を調整することにより、ナノ構造体及びナノ粒子の表面間の距離を調整してもよい。この距離は、電子がナノ粒子から高導電性ナノ粒子までのギャップを透過するように維持される。ある実施の形態では、この距離は、数オングストロームであり、好ましくは５オングストローム未満である。このように電子が容易に移動することにより、電荷再結合を排除することができ、結果的に電荷を効果的に分離することができる。これにより、高効率的な太陽エネルギー変換を達成することができる。ある実施の形態では、感光性ナノ粒子は、適切な溶媒においてそれらと反応させることにより、カーボンナノチューブに取り付ける。導電性カーボンナノチューブは、当該技術分野において既知の下記方法により、基板（金属箔、ＩＴＯ等の導電性酸化物により被覆されたガラス）上に直接成長させても良い。上記基板上に成長させたカーボンナノチューブに感光性ナノ粒子を取り付けても良い。
【００４９】
本発明は、別の態様では、異なるサイズの感光性ナノ粒子が高移動度ポリマーの前駆物質において分散され２つの電極間で挟まれた単一の層が形成され、これらの電極の少なくとも１つが透明である光起電装置の構造が教示されている。任意ではあるが、第２ポリマー及び／又は導電性ナノ構造体は、ナノ粒子及び前駆物質を含む層に混合されていても良い。
【００５０】
さらに、本発明の別の実施の形態では、多層構造を含む光起電装置の構造であって、それぞれの層が１以上のサイズの感光性ナノ粒子を含み、当該感光性ナノ粒子が高移動度ポリマーの前駆物質に分散され２つの電極間に挟まれた単一の層が形成され、これらの電極の少なくとも１つが透明である光起電装置の構造が提供される。任意ではあるが、第２ポリマー及び／又は導電性ナノ構造体は、ナノ粒子及び前駆物質を含むこれらの層に混合されていても良い。
【００５１】
本発明は、さらに、異なるサイズを有し異なる材料からなる感光性ナノ粒子が取り付けられたカーボンナノチューブが高移動度ポリマー（これは任意ではあるが第２ポリマーと組み合わされる）の前駆物質に分散され、これが２つの電極間に挟まれた単一の層を形成する光起電装置を提供する。これらの電極の少なくとも１つは透明である。本発明の実施の形態には、単一のサイズを有する感光性ナノ粒子が取り付けられたカーボンナノチューブが積層され、２つの電極間に挟まれるように複数の層が形成され、これらの電極の少なくとも１つが透明である光起電装置が含まれる。さらに、本発明は、単一のサイズを有し単一の材料からなる感光性ナノ粒子が取り付けられたカーボンナノチューブが積層され、２つの電極間に挟まれるように複数の層が形成され、これらの電極の少なくとも１つが透明である光起電装置を提供する。他の実施の形態では、複数のサイズを有し単一の材料からなる感光性ナノ粒子が取り付けられたカーボンナノチューブが積層され、２つの電極間に挟まれるように複数の層が形成され、これらの電極の少なくとも１つが透明である光起電装置を提供する。
【００５２】
他の態様では、本発明の具体例は、電極とナノ複合材料層との間に配置されたホール伝導界面層を備える光起電装置を提供する。当該具体例には、電子伝導界面層が電極とナノ複合材料層との間において使用された光起電装置が含まれる。
【００５３】
以下、実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。図８に関し、本発明の光起電装置８００のある実施の形態が示されている。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属若しくはプラスチックの基板８１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により、絶縁層８２０及び金属層８３０を積層することにより形成する。ＩＲ領域８００〜２,０００ｎｍにおいて吸収が起こる（バンドギャップ１．２ｅＶ以下の）ナノ構造材料層８４０を金属層８３０上に積層し、続いて透明の導電層（例えばＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層８５０を含む再結合層を形成する。これらの層に続いて、第１光活性層８５５を形成する。第１光活性層８５５は、ナノ構造体層８４０の上部に配置される。この実施の形態において、第１光活性層８５５は、標準的なアモルファスシリコン層を含んでなり、当該アモルファスシリコン層には、ｎ型アモルファスシリコン８６０、ｉ型アモルファスシリコン８７０、及びｐ型アモルファスシリコン８８０が含まれる。別の形態では、第１光活性層８５５は、マイクロ結晶性シリコンを含んでなり、当該マイクロ結晶性シリコンには、ｎ型マイクロ結晶性シリコン、ｉ型マイクロ結晶性シリコン、ｐ型マイクロ結晶性シリコンが含まれる。第１光活性層８５５は、当該技術分野においてよく知られた方法により形成しても良い。その後ＩＴＯ等の透明導電層（ＴＣＯ）８９０をシリコン層の上面に積層する。太陽光８１００がＴＣＯ８９０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。アモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層８５５の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整することができる。この実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルの可視領域及びＩＲ領域のフォトンを捕捉し、その結果ＩＲ吸収ナノ粒子を含まないにもかかわらず、光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００５４】
再結合層若しくはトンネルジャンクション層８５０は、第１光活性層とナノ構造体層との間に配置されることが特に好ましい。ある実施の形態では、上記再結合層は、ナノ構造材料と反対の電荷を輸送する材料からなるドープ層から構成されていても良い。ある実施の形態では、再結合層は、ナノ構造材料において導電性ポリマーとは反対の電荷を有するドープ層を含んでいる。別の形態では、再結合層は、ナノ構造材料においてナノ粒子と反対の電荷を輸送する材料からなるドープ層である。再結合層は、さらにドープ層に結合された金属層及び／又は絶縁層を含んでいても良い。
【００５５】
図９は、再結合層８５０をより詳細に説明している。再結合層８５０は、以下の実施例では時折トンネルジャンクション層と称される。ナノ構造体層８４０は、ホール伝導性材料を含んでなる。これは、ホール導電性ナノ粒子若しくはホール導電性材料（例えばホール導電性ポリマー等）に分散されたナノ粒子である。再結合層８５０は、金属及び/又は絶縁層並びにｐドープ材料層を含む。一般的に、当該再結合層は、ナノ構造体層と反対の電荷を輸送する材料を含んでなるドープ層である。このため、当該再結合層は、ナノ粒子と反対の電荷を輸送する材料若しくはナノ構造体層８４０の材料に依存する導電性ポリマーを含んでなるドープ層８５０Ｂである。ある実施の形態では、当該再結合層は、さらにドープ層８５０Ｂに接続された金属層８５０Ａを含んでいる。別の実施の形態では、当該再結合層は、さらにドープ層８５０Ｂに接続された絶縁層（不図示）を含んでいる。
【００５６】
本発明に係る光起電装置の適切な上面及び下部セル接続を行うため、概して図９に示すように界面層若しくは再結合層８５０を設ける。ある実施の形態では、当該再結合層は、太陽電池の上面及び下面となると考えられる上記第１光活性層とナノ構造体層との間において、当該装置のナノ構造体層と反対のドーピングタイプを有する強くドープされたアモルファスシリコンの付加層及び／又は薄い金属若しくは絶縁層を備えていても良い。再結合層は、当該層の間において電荷輸送を促進するよう構成される。特に、当該再結合層は、エネルギーバンド構造が、下部ナノ構造体層８４０（下部セルとも称される）からのホールと、第１光活性層８５５（上部セルとも称される）からの電子との間の再結合率がかなり上昇するように構成される。それと同時に、ｅ−ｈ再結合プロセスにおけるＳＳパーティシペイション（SS participation）は、上部セル及び下部セルとの間の物理的分離により抑制される。
【００５７】
図９を参照すると、上部セルは、第１光活性層８５５の過剰にドープされたＮ＋コンタクト層の上に積層された極端に強くドープされたＰ＋層８５０Ｂを備える。当該実施の形態では、これはＰ-Ｉ-Ｎ半導体のＮ＋領域である。上記Ｐ＋及びＮ＋層は、過剰なＰ＋層８５０Ｂと、それらの界面においてトンネルジャンクションを形成する。これは、実際下部ナノ構造体層８４０のホール導電性コンポーネントの一部となる。第１のナノ構造体層８５５及び８４０は、それぞれ、金属の薄膜トンネルフィルム８５０Ａにより物理的に分離されている。ある実施の形態では、当該金属フィルム８５０Ａは、金（Ａｕ）を含んでなり、約５〜１５Ａの範囲の膜厚を有することが好ましい。他の実施の形態では、金属フィルムは、ナノ構造体層から直接ホールトンネリングを確かなものとする程薄く、当該界面において大きな光学的若しくは電気的損失を全く発生させない限り、他の金属フィルムを使用しても良い。別の形態では、金属材料の代わりに絶縁性材料を使用しても良い。本発明は、導電性が反対のタイプの光起電装置例、すなわちこの実施の形態のＰ＋層が過剰のＮ＋層と置き替えられ、ナノ構造体層が、上部コンタクト層が電子伝導性でありホール伝導性ではないように設計された光起電装置例において効果的に使用されうることに留意すべきである。
【００５８】
図９に、対応するバンドダイアグラムを示す。本発明の再結合界面により、ナノ構造若しくは下部セルからのホールが、薄膜金属フィルムを介して上部セルの過剰Ｐ＋層に輸送されるため、好ましいエネルギーコンディションが創出されることが分かる。続いて、直接トンネリングし、そして上部セルのＮ＋層において電子と再結合し、これにより上部セルと下部セルのための、効果的で低抵抗のそして最小損失の直接接続を提供することができる。さらに、本発明は、上部セル及び下部セルの適切な接続の問題に対して効果的な解決手段を示す。
【００５９】
ＩＲ吸収層を備える光起電装置の別の実施例
本発明の光起電装置の他の実施形態を図１０に示す。この実施の形態では、概して、ナノ構造材料層は多結晶シリコン若しくは単結晶シリコン層が積層されたＩＲ捕捉ナノ粒子層を含んでなる。多結晶シリコン若しくは単結晶シリコン層は、実質的に太陽スペクトルの可視領域において光を吸収する材料からなる第１光活性層を形成する。当該実施の形態では、多結晶シリコン光起電装置は、当該技術分野においてよく知られた方法、すなわち、ｎ型多結晶ウェハ１０４０から出発して、上記ウェハの一方の面においてこれをｐ型ドーパントでドープし（別の形態では、ｐ型単結晶ウェハをｎ型ドーパントでドープしても良い）、その後透明性導電体若しくは導電性グリッド１０５０を形成することにより積層することができる。透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１０３０を、多結晶シリコンウェハの、第１ＴＣＯ層１０５０とは反対側の面に積層する。ＩＲ領域８００〜２,０００ｎｍにおいて吸収する（バンドギャップが１．２ｅＶ以下の）ナノ粒子層１０２０を、ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１０３０上に積層し、続いて金属層１０１０を積層する。多結晶シリコン層の膜厚及びドーパント濃度は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大になるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＩＲ吸収ナノ構造体を含まないにもかかわらず、光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６０】
さらに別の実施の形態では、第１光活性層が図１１に示すようにＣｄＴｅ材料を含んでなる光起電装置を提供する。ここでは、ナノ構造材料層は、ＩＲ捕捉ナノ粒子層を含む。当該実施の形態において、光起電装置はガラス、金属、若しくはプラスチック基板１１１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により絶縁層１１２０及び金属層１１３０を積層することにより形成する。ＩＲ領域８００〜２,０００ｎｍにおいて吸収する（バンドギャップが１．２ｅＶ以下の）ナノ粒子層１１４０を金属層１１３０上に積層し、続いて透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１１５０を形成する。これは再結合層を含む。これらの層に続いて、ＣｄＴｅ層１１６０を形成する。これは、当該技術分野においてよく知られた方法により形成される。その後、ＩＴＯ等の透明性導電層ＴＣＯ１１７０をシリコン層の上面に積層する。太陽光１１８０がＴＣＯ１１７０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。ＣｄＴｅ層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載した光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＩＲ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６１】
図１２に示すさらに別の実施の形態では、ＩＲ捕捉ナノ粒子層がＣＩＧＳ層と組み合わされている。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属、若しくはプラスチック基板１２１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により絶縁層１２２０及び金属層１２３０を積層することにより形成する。ＩＲ領域８００〜２,０００ｎｍにおいて吸収する（バンドギャップが１．２ｅＶ以下の）ナノ粒子層１２４０を金属層１２３０上に積層し、続いて透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１２５０を形成する。これは再結合層を含む。これらの層に続いて、ＣＩＧＳ層１２６０を形成する。これは、当該技術分野においてよく知られた方法により形成する。その後ＩＴＯ等の透明性導電層ＴＣＯ１２７０をシリコン層の上面に積層する。太陽光１２８０がＴＣＯ１２７０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。ＣｄＴｅ層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載した光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＩＲ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６２】
ＵＶ吸収層を備える光起電装置の実施例
本発明の別の態様では、第１光活性層が、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなり、上部光活性層が、太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示す１以上のナノ粒子を含んでなる光起電装置を提供する。上記第１光活性層と上部光活性層との間に再結合層を配置し、上記第１光活性層と上部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成する。図１３を参照すると、アモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層を含んでなる第１光活性層がＵＶ捕捉ナノ粒子層の上部光活性層と組み合わされたことが示されている。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属、若しくはプラスチック基板１３１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により絶縁層１３２０及び金属層１３３０を積層することにより形成する。これらの層に続き、標準的なアモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層を形成する。これは、当該実施の形態では第１光活性層を形成する。そして、標準的なアモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層は、当該技術分野においてよく知られた方法により形成されたｎ型アモルファスシリコン１３４０、ｉ型アモルファスシリコン１３５０及びｐ型アモルファスシリコン１３６０を含む。その後、透明性導電層ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１３７０（このケースでは再結合層）をシリコン層の上面に再結合層として積層する。ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶ以上の）ナノ粒子層１３８０を、ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１３７０上に積層し、続いてＩＴＯ等の透明性導電層１３９０を形成する。太陽光（１００）がＴＣＯ（９０）に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。アモルファスシリコン層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載した光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＵＶフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６３】
図１４に示した他の実施の形態では、ＵＶ捕捉ナノ粒子層が、多結晶シリコン若しくは単結晶シリコン層と組み合わされている。当該実施の形態において、多結晶シリコン若しくは単結晶シリコンの光起電装置は、当該技術分野においてよく知られた方法、すなわち、ｎ型多結晶ウェハ１４２０から始めて、上記ウェハの一方の面においてこれをｐ型ドーパントでドープし（別の形態では、ｐ型単結晶ウェハをｎ型ドーパントでドープしても良い）、その後金属層１４１０を形成することにより積層することができる。透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１４３０（再結合層とも称される）を、多結晶シリコンウェハの、金属層１４１０の反対側の面に積層する。ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶ以上の）ナノ粒子層１４４０を、ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１４３０上に積層し、続いてＴＣＯ層１４５０を積層する。多結晶シリコン層の膜厚及びドーパント濃度は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＵＶフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６４】
図１５に示す別の実施の形態では、ＵＶ捕捉ナノ粒子層がＣｄＴｅ層と組み合わされている。当該実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属若しくはプラスチックの基板１５１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により、絶縁層１５２０及び金属層１５３０を積層し、続いてＣｄＴｅ層１５４０を積層することにより形成する。透明性導電層（例えばＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１５５０（このケースでは再結合層）をＣｄＴｅ層１５４０上に形成し、その後ＵＶ領域において吸収が起こる（バンドギャップが２ｅＶ以上の）ナノ粒子層１５６０を形成し、これに続いてＩＴＯ等の透明性導電層ＴＣＯ１５７０をナノ粒子層の上面に形成する。太陽光１５８０がＴＣＯ１５７０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。ＣｄＴｅ層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。この実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視領域及びＵＶ領域のフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６５】
図１６に示すさらに別の実施の形態では、ＵＶ捕捉ナノ粒子層がＣＩＧＳ層と組み合わされる。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属、若しくはプラスチック基板１６１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により絶縁層１６２０及び金属層１６３０を積層し、これに続いてＣＩＧＳ層１６４０を積層することにより形成する。透明性導電層（例えばＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１６５０（再結合層とも称される）をＣＩＧＳ層１６４０上に形成し、その後ＵＶ領域において吸収が起こる（バンドギャップが２ｅＶ以上の）ナノ粒子層１６６０を形成し、これに続いてＩＴＯ等の透明性導電層ＴＣＯ１６７０をナノ粒子層の上面に形成する。太陽光１６８０がＴＣＯ１６７０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。ＣＩＧＳ層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。この実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視領域及びＵＶ領域のフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６６】
ＵＶ及びＩＲ吸収層を備える光起電装置の実施例
別の態様では、本発明の実施の形態は、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、上記第１光活性層上に形成され、太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる上部光活性層とを備える光起電装置を提供する。上記第１光活性層と上部光活性層との間に再結合層を配置し、上記第１光活性層と上部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成する。太陽スペクトルのＩＲ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる下部光活性層を第１光活性層の下に形成する。上記第１光活性層と下部光活性層との間に第２再結合層を配置し、当該第２再結合層は上記第１光活性層と下部光活性層との間において電荷輸送を促進するように構成する。
【００６７】
図１７に関し、ＵＶ捕捉ナノ粒子層である上部光活性層と、ＩＲ捕捉ナノ粒子層である下部光活性層とを示している。これらの間には第１光活性層が配置されている。この実施の形態では、第１光活性層は、アモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層を含む。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属、若しくはプラスチック基板１７１０上に、当該技術分野においてよく知られた方法により絶縁層１７２０及び金属層１７３０を積層することにより形成する。ＩＲ領域８００〜２,０００ｎｍにおいて吸収する（バンドギャップが１．２ｅＶ未満の）ナノ粒子層１７４０を金属層１７３０上に形成し、これに続き、透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層（若しくは再結合層）１７５０を形成する。これらの層に続いて、第１光活性層、このケースではアモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層を積層する。当該アモルファス若しくはマイクロ結晶性シリコン層は、ｎ型アモルファスシリコン１７６０、ｉ型アモルファスシリコン１７７０及びｐ型アモルファスシリコン１７８０を含み、当該技術分野においてよく知られた方法により形成する。そして、透明性導電層ＴＣＯ１７９０若しくはトンネルジャンクション層をシリコン層の上面に積層する。ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶ以上の）ナノ粒子層１７１００を、ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（９０）上に積層し、これに続いてＩＴＯ等の透明性導電層１７１１０を積層する。太陽光１７１２０がＴＣＯ１７９０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。アモルファスシリコン層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大になるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視、ＵＶ及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ及びＩＲ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６８】
ＵＶ及びＩＲを捕捉するナノ粒子層が多結晶シリコン若しくは単結晶シリコン層と組み合わされた別の実施の形態を図１８に示す。当該実施の形態において、多結晶シリコン若しくは単結晶シリコンの光起電装置は、当該技術分野においてよく知られた方法により、すなわち、ｎ型多結晶性ウェハ１８４０から出発して、上記ウェハの一方の面においてこれをｐ型ドーパントでドープし（別の形態では、ｐ型単結晶ウェハをｎ型ドーパントでドープしても良い）、その後ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１８３０を形成することにより積層する。透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層（再結合層とも称される）１８６０を、多結晶シリコンウェハの、第１ＴＣＯ層若しくはトンネルジャンクション層１８３０の反対側に積層する。ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶ以上の）ナノ粒子層１８６０を、ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１８３０上に積層し、これに続いてＴＣＯ層１８７０を積層する。ＩＲ領域において吸収される（バンドギャップが１．２ｅＶ未満の）ナノ粒子層１８２０を、ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層１８３０上に積層し、これに続いて金属電極層１８１０を形成する。多結晶シリコン層の膜厚及びドーパント濃度は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視、ＵＶ及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ及びＩＲ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００６９】
図１９は、ＵＶ及びＩＲ捕捉ナノ粒子層がＣｄＴｅ層と組み合わされた他の実施の形態を例示している。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属、若しくはプラスチック基板１９１０上に、絶縁層１９２０及び金属層１９３０を積層し、これに続いてＩＲ領域において吸収する（バンドギャップが１．２ｅＶ未満の）ナノ粒子層１９４０を形成し、さらにこれに続いて透明性導電層ＴＣＯ層１９５０若しくはトンネルジャンクション層を形成することにより積層する。その後当該技術分野においてよく知られた方法により、ＣｄＴｅ層１９６０をＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（再結合層）１９５０上に形成する。その後上記ＣｄＴｅ層１９６０上に透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層１９７０を積層し、これに続いて、ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶより大きい）ナノ粒子層１９８０を形成し、これに続いて、ＩＴＯ等の透明性導電層ＴＣＯ１９９０をナノ粒子層の上面に積層する。太陽光１９１００がＴＣＯ１９９０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。ＣｄＴｅ層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。この実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルから可視領域、ＵＶ領域及びＩＲ領域のフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ及びＩＲ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７０】
図２０は、ＵＶ及びＩＲ捕捉ナノ粒子層がＣＩＧＳ層と組み合わされた他の実施の形態を例示している。この実施の形態において、光起電装置は、ガラス、金属、若しくはプラスチック基板２０１０上に、絶縁層２０２０及び金属層２０３０を積層し、これに続いてＩＲ領域において吸収される（バンドギャップが１．２ｅＶ未満の）ナノ粒子層２０４０を形成し、さらにこれに続いて透明性導電層ＴＣＯ層若しくはトンネルジャンクション層（若しくは再結合層）２０５０を形成することにより積層する。その後当該技術分野においてよく知られた方法により、ＣＩＧＳ層２０６０をＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層２０５０上に形成する。その後上記ＣＩＧＳ層２０６０上に透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層２０７０を積層し、これに続いて、ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶより大きい）ナノ粒子層２０８０を形成し、これに続いてＩＴＯ等の透明性導電層ＴＣＯ２０９０をナノ粒子層の上面に積層する。太陽光２０１００がＴＣＯ２０９０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。ＣＩＧＳ層の膜厚は、太陽スペクトルの可視領域における吸収が最大となるように調整する。この実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルから可視領域、ＵＶ領域及びＩＲ領域のフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ、及びＩＲ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７１】
本発明の別の態様では、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光を吸収する第１光活性層として、化合物半導体材料を用いてもよい。図２１は、III-Ｖ半導体層（具体的にはＧａＡｓ）と組み合わされたＵＶ捕捉ナノ粒子層（具体的にはＩｎＰ量子ドット）を有する光起電装置を例示する。当該実施の形態では、光起電装置は、当該技術分野においてよく知られた方法で、基板２１１０上に絶縁層２１２０及び金属層２１３０を形成することにより積層する。これらの層に続いて、当該技術分野においてよく知られた方法により、ｐ型半導体２１４０とｎ型半導体２１５０とからなるIII-Ｖ半導体層を形成する。その後当該III-Ｖ半導体層上に透明性導電層ＴＣＯ２１６０若しくはトンネルジャンクション層を積層する。ＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（再結合層とも称される）２１６０上に、ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップが２ｅＶより大きい）ナノ粒子層２１７０を形成し、これに続いて、透明性導電層２１８０を形成する。太陽光２１９０がＴＣＯ２１８０に降り注がれるように光起電装置を方向付ける。この実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルから可視領域、及びＵＶ領域のフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ粒子を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７２】
フォージャンクション光起電装置
本発明のある実施の形態では、フォージャンクション光起電装置を提供する。図２２は、ＩＲ捕捉ナノ粒子光起電装置を例示しており、結晶性（単結晶若しくは多結晶性）の光起電装置が積層されたフォージャンクション光起電装置を形成している。当該実施の形態では、結晶性シリコン光起電装置は、既知の方法、すなわちｎ型結晶性シリコンウェハ２２８０から出発して、上記シリコンウェハの一方の面においてこれをｐ型ドーパントでドープし（別の形態では、ｐ型シリコンウェハをｎ型ドーパントでドープしても良い）、その後透明性導電層２２７０を形成することにより積層することができる。結晶性シリコン光起電装置は、透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層（第１再結合層）２２９０を、シリコンウェハの、第１ＴＣＯ層２２７０の反対側に形成することにより完成される。ＩＲ領域において吸収するナノ粒子を含む光起電装置は、当該技術分野において知られた標準的な方法を使用することにより、基板（ガラス、金属若しくはプラスチック）２２１０から出発し、その後誘電体層２２２０を積層し、続いて金属層２２３０を形成することにより作製される。ＩＲ領域において吸収する（バンドギャップ１ｅＶ未満の）ナノ粒子層２２４０を金属層２２３０上に積層し、続いてＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（このケースでは第２の再結合層）２２５０を形成する。図２２に示されたフォージャンクションタンデム太陽電池は、結晶性シリコン光起電装置とＩＲ吸収ナノ粒子の光起電装置とを組み合わせることにより作製される。光学接着剤層２２６０を選択的に使用して、２つのセルを互いに接続する。個々のセルの相対的な性能は、太陽スペクトルの可視及びＩＲ領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＩＲ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７３】
図２３は、ＵＶ捕捉ナノ粒子光起電装置と結晶性（単結晶若しくは多結晶）のシリコン光起電装置が組み合わされてフォージャンクション光起電装置が形成された、他の実施の形態を例示している。当該実施の形態では、結晶性シリコン光起電装置は、既知の方法、すなわちｎ型結晶性シリコンウェハ２３２０から出発して、上記ウェハの一方の面においてこれをｐ型ドーパントでドープし（別の形態では、ｐ型シリコンウェハをｎ型ドーパントでドープしても良い）、その後これに続いて透明性導電層２３１０を形成することにより積層することができる。結晶性シリコン光起電装置は、透明性導電層（具体的にはＩＴＯ）若しくはトンネルジャンクション層（このケースでは第１再結合層）２３３０を、シリコンウェハの、金属層２３１０の反対側に形成することにより完成される。ＵＶ領域において吸収するナノ粒子を含む光起電装置は、当該技術分野において知られた標準的な方法を用いることにより、透明基板（ガラス、若しくはプラスチック）２３８０から出発して、透明導電ＴＣＯ層２３７０を形成することにより作製される。ＩＲ領域において吸収する（バンドギャップ２ｅＶ未満の）ナノ粒子層２３６０をＴＣＯ層２３７０上に積層し、続いてＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（このケースでは第２の再結合層）２３５０を形成する。図２３に示されたフォージャンクションタンデム太陽電池は、結晶性シリコン光起電装置とＩＲ吸収ナノ粒子の光起電装置とを結び付けることにより作製される。光学接着剤層２３４０を選択的に使用して、２つのセルを互いに接続する。個々のセルの相対的な性能は、太陽スペクトルの可視及びＵＶ領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７４】
図２４は、ＩＲ捕捉ナノ粒子光起電装置と薄膜フィルム（ａ-Ｓｉ、ｕ-Ｓｉ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ、III-Ｖ）光起電装置と組み合わせてフォージャンクション光起電装置を形成した、さらに別の実施の形態を例示している。当該実施の形態では、結晶性シリコン光起電装置は、既知の方法、すなわち透明性基板２４１００から出発して、透明性導電層２４９０を積層し、続いて活性薄膜フィルム層２４８０及び透明性導電若しくはトンネルジャンクション層（第１再結合層）２４７０を形成することにより積層することができる。ＩＲ領域において吸収するナノ粒子を含む光起電装置は、当該技術分野において知られた標準的な方法を使用することにより、基板（ガラス、金属若しくはプラスチック）２４１０から出発して、誘電体層２４２０を形成し、続いて金属層２４３０を形成することにより作製される。ＩＲ領域において吸収する（バンドギャップ１ｅＶ未満の）ナノ粒子層２４４０を金属層２４３０上に積層し、続いてＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（第２再結合層）２４５０を形成することにより作製される。図２４に示されたフォージャンクションタンデム太陽電池は、結晶性シリコン光起電装置とＩＲ吸収ナノ粒子の光起電装置とを結び付けることにより作製される。光学接着剤層２４６０を選択的に使用して、２つのセルを互いに接続する。個々のセルの相対的な性能は、太陽スペクトルの可視及びＵＶ領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＩＲフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７５】
ＵＶ捕捉ナノ粒子光起電装置と薄膜フィルム（ａ-Ｓｉ、ｕ-Ｓｉ、ＣｄＴｅ、ＣＩＧＳ、III-Ｖ）光起電装置とを組み合わせてフォージャンクション光起電装置を形成した、本発明の実施の形態に係るフォージャンクション光起電装置のさらに別の形態を図２５に示している。当該実施の形態では、結晶性シリコン光起電装置は、既知の方法、すなわち透明性基板２５１００から出発して、透明性導電層２５９０を積層し、続いて活性薄膜フィルム層２５８０及び透明性導電若しくはトンネルジャンクション層（具体的には第１再結合層）２５７０を形成することにより積層することができる。ＵＶ領域において吸収するナノ粒子を含む光起電装置は、当該技術分野において知られた標準的な方法を用いることにより、基板（ガラス、金属若しくはプラスチック）２５１０から出発して、誘電体層２５２０を形成し、続いて金属層２５３０を形成することにより作製される。ＵＶ領域において吸収する（バンドギャップ１ｅＶ未満の）ナノ粒子層２５４０を金属層２５３０上に積層し、続いてＴＣＯ若しくはトンネルジャンクション層（具体的には第２再結合層）２５５０を形成することにより作製する。図２５に示されたフォージャンクションタンデム太陽電池は、結晶性シリコン光起電装置とＵＶ吸収ナノ粒子の光起電装置とを結び付けることにより作製される。光学接着剤層２５６０を選択的に使用して、２つのセルを互いに接続する。個々のセルの相対的な性能は、太陽スペクトルの可視及びＵＶ領域における吸収が最大となるように調整する。本実施の形態に記載された光起電装置は、太陽スペクトルからの可視及びＵＶフォトンを捕捉し、その結果ＵＶ吸収ナノ構造体を含まない光起電装置デザインに比して変換効率が高くなる。
【００７６】
機能化されたナノ粒子を備える光起電装置の具体例
別の態様では、本発明の実施の形態は、太陽スペクトルの可視領域において実質的に光の吸収を示す半導体材料を含んでなる第１光活性層と、太陽スペクトルのＵＶ領域において実質的に光の吸収を示すナノ構造材料を含んでなる１以上の光活性層とを備え、上記１以上のナノ構造材料が機能化されたナノ粒子を含む光起電装置を提供する。図２６は、本発明に係るナノ複合材料光起電装置のある実施の形態を例示する。この光起電装置は、ＩＴＯ等の透明性導電層２６２０で被覆されたガラス基板２６１０の上部に、感光性ナノ粒子及びペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質を含むナノ複合材料の薄膜層２６４０を被覆し、続いてカソード金属層２６６０を積層することにより形成される。感光性ナノ粒子は、IＶ族、II族-IＶ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族、III族-Ｖ族材料で構成しても良い。感光性ナノ粒子の具体例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、若しくはＰｂＳからなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるものではない。ナノ粒子サイズは、ある特定の範囲のバンドギャップが得られるように、例えばおよそ２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変更してもよい。これらのナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により調製することができる。ナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により機能化することができる。適切な官能基の具体例には、例えばカルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。ペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質に分散された感光性ナノ粒子からなるナノ複合材料層２６４０を、ＩＴＯコートガラス基板上に、スピンコート若しくは他のよく知られた溶液プロセス技術により被覆しても良い。この層は、１つの単一層若しくは多数の単一層であってもよい。ナノ複合材料層２６４０における前駆物質は、適切な温度に当該フィルムを加熱し、ペンタセン前駆物質のポリマー化を開始することにより重合される。ＵＶ重合可能な前駆物質を使用する場合、当該重合は、図２６のＩＴＯサイド２６２０から当該フィルムをＵＶ照射することにより達成される。光起電装置の実施の形態は、図３２に例示された方法に従って作製しても良い。この装置において、電子とホールの対は、太陽光がナノ粒子により吸収されたときに発生し、結果として得られる電子はペンタセン等の高移動度ポリマーにより収集のためのカソードに急速に輸送される。ナノ粒子により発生する電子ホール対から電子を急速に取り除くことにより、ナノ粒子ベースの光起電装置において一般的に観測される電子ホール再結合の可能性が排除される。
【００７７】
図２６に示した実施の形態によれば、ホールインジェクティング/トランスポーティング界面層若しくはバッファー層２６３０は、ＩＴＯ２６２０とナノ複合材料層２６４０との間に形成しても良い。別の形態では、電子インジェクティング/トランスポーティング界面層（再結合層とも称される）２６５０を金属層２６６０とナノ複合材料層２６４０との間に配置しても良い。
【００７８】
図２７は、ナノ複合材料光起電装置の他の実施の形態を示している。この光起電装置は、ＩＴＯ等の透明性導電層２７２０で被覆されたガラス基板２７１０上に、感光性ナノ粒子、ＰＶＫ若しくはＰ３ＨＴ等の高移動度ポリマー及びペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質２７４０を含むナノ複合材料層２７４０を被覆し、続いてカソード金属層２７６０を積層することにより形成される。感光性ナノ粒子は、IＶ族、II族-IＶ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族、III族-Ｖ族材料で構成しても良い。感光性ナノ粒子の具体例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、若しくはＰｂＳからなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるものではない。ナノ粒子サイズは、ある特定の範囲のバンドギャップが得られるように、例えばおよそ２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変更してもよい。これらのナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により調製することができる。ナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により機能化することができる。官能基の具体例には、例えばカルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。ＰＶＴ若しくはＰ３ＨＴ等の高移動度ポリマー、及びペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質に分散された感光性ナノ粒子からなるナノ複合材料層２７４０を、ＩＴＯコートガラス基板上に、スピンコーティング若しくは他のよく知られた溶液プロセス技術により被覆しても良い。ナノ複合材料層２７４０は、１つの単一層若しくは多数の単一層であってもよい。ある実施の形態では、ナノ複合材料層２７４０における前駆物質は、適切な温度に当該フィルムを加熱し、ペンタセン前駆物質のポリマー化を開始することにより重合される。ＵＶ重合可能な前駆物質を使用する場合、当該重合は、ＩＴＯサイド２７２０から当該フィルムをＵＶ照射することにより達成される。ある実施の形態では、当該光起電装置は、図３２に例示された方法に従って作製される。当該実施の形態により作製された光起電装置は、高い効率を有することが期待される。この装置において、電子とホールの対は、太陽光がナノ粒子により吸収されたときに発生し、結果として得られる電子はペンタセン等の高移動度ポリマーにより収集のためのカソードに急速に輸送される。ナノ粒子により発生する電子ホール対から電子を急速に取り除くことにより、ナノ粒子に基づく光起電装置において一般的に観測される電子ホール再結合の可能性が排除される。
【００７９】
さらに、ある実施の形態では、ＩＴＯ２７２０とナノ複合材料層２７４０との間において、ホールインジェクティング/トランスポーティング界面層若しくはバッファー層２７３０を使用しても良い。別の実施の形態では、金属層２７６０とナノ複合材料層２７４０との間において、電子インジェクティング/トランスポーティング界面層２７５０を使用しても良い。
【００８０】
機能化されたナノ粒子および導電性ナノ粒子/ナノ構造体を備える光起電装置の具体例
ある実施の形態では、ナノ構造材料は、感光性ナノ粒子と導電性ナノ粒子との混合物を含んでなる。感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子の一方若しくは両方は機能化されていても良い。導電性ナノ粒子の具体例は、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、若しくはＺｎＯナノワイヤーからなる群から選択される少なくとも１つを含んでなる。感光性ナノ粒子の具体例は、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＰｂＳｅ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ若しくはIII-Ｖ族材料からなる群から選択される少なくとも１つを含む。
【００８１】
図２８は、ナノ複合材料の光起電装置のある実施の形態を例示している。この光起電装置は、ＩＴＯ等の透明性導電層２８２０で被覆されたガラス基板２８１０上に、導電性ナノ構造体に取り付けられペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質に分散された感光性ナノ粒子を含むナノ複合材料の薄膜層２８４０を被覆し、続いてカソード金属層２８６０を積層することにより形成される。感光性ナノ粒子は、IＶ族、II族-IＶ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族、III族-Ｖ族材料で構成されても良い。感光性ナノ粒子の具体例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、若しくはＰｂＳからなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるものではない。ナノ粒子サイズは、ある特定の範囲のバンドギャップが得られるように、例えばおよそ２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変更してもよい。これらのナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により調製することができる。ナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により機能化することができる。官能基には、カルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。導電性ナノ構造体は、カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ若しくはＺｎＯナノワイヤーから構成されても良い。導電性ナノ構造体は、導電性ナノ構造体の表面に感光性ナノ粒子を取り付けることを容易にするために機能化しても良い。感光性ナノ粒子のナノ複合材料層２８４０は、導電性ナノ構造体に取り付けられ、ペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質に分散される。この層２８４０は、スピンコーティング若しくは他の既知の溶液プロセス技術により、ＩＴＯコーティングガラス基板上に積層する。この層は、１つの単一層若しくは多数の単一層であってもよい。ナノ複合材料層２８４０における前駆物質は、適切な温度に当該フィルムを加熱し、当該前駆物質のポリマー化を開始することにより重合される。ＵＶ重合可能な前駆物質を使用する場合、当該重合は、ＩＴＯサイド２８２０から当該フィルムをＵＶ照射することにより達成される。図３２に示された方法を実行して、光起電装置を作製してもよい。当該装置において、電子ホール対は、太陽光がナノ粒子により吸収されたときに発生し、結果として得られる電子は、導電性ナノ構造体、ペンタセン等の高移動度ポリマーにより収集のためのカソードに急速に輸送される。ナノ粒子により発生する電子ホール対から電子を急速に取り除くことにより、ナノ粒子に基づく光起電装置において一般的に観測される電子ホール再結合の可能性が排除される。さらに、ＩＴＯ２８２０とナノ複合材料層２８４０との間において、ホールインジェクティング/トランスポーティング界面層若しくはバッファー層２８３０を使用しても良い。別の実施の形態では、金属層２８６０とナノ複合材料層２８４０との間において、電子インジェクティング/トランスポーティング界面層２８５０を使用しても良い。
【００８２】
ナノ複合材料光起電装置のさらに別の実施の形態を図２９に示す。この光起電装置は、ＩＴＯ等の透明性導電層２９２０で被覆されたガラス基板２９１０上に、ナノ複合材料層２９４０を被覆し、続いてカソード金属層２９６０を積層することにより作製される。ナノ複合材料層２９４０は、ＰＶＫ若しくはＰ３ＨＴ等の高移動度ポリマーに分散された導電性ナノ構造体に取り付けられた感光性ナノ粒子、及びペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質を含む。感光性ナノ粒子は、IＶ族、II族-IＶ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族、III族-Ｖ族材料で構成されても良い。感光性ナノ粒子の具体例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、若しくはＰｂＳからなる群から選択される少なくとも１つが含まれるが、これらに限定されるものではない。ナノ粒子サイズは、ある特定の範囲のバンドギャップが得られるように、例えばおよそ２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変更してもよい。これらのナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により調製することができる。ナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により機能化することができる。官能基の具体例には、カルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。導電性ナノ構造体は、カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、若しくはＺｎＯナノワイヤーから構成することができる。
【００８３】
導電性ナノ構造体は、導電性ナノ構造体の表面に対し感光性ナノ粒子を取り付けることを容易にするため機能化しても良い。ある実施の形態では、感光性ナノ粒子のナノ複合材料層２９４０は、導電性ナノ構造体に取り付けられ、ＰＶＫ若しくはＰ３ＨＴ等の高移動度ポリマーに分散される。ペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質は、ＩＴＯコートガラス基板上に、スピンコーティング若しくは他のよく知られた溶液プロセス技術により被覆しても良い。当該層は、１つの単一層若しくは多数の単一層であってもよい。ナノ複合材料層２９４０における前駆物質は、適切な温度に当該フィルムを加熱し、ペンタセン前駆物質のポリマー化を開始することにより重合される。ＵＶ重合可能な前駆物質を使用する場合、当該重合は、ＩＴＯサイド２９２０から当該フィルムをＵＶ照射することにより達成される。当該光起電装置は、図３２に例示された方法に従って作製される。当該実施の形態により作製された光起電装置は、高い効率を有することが期待される。この装置において、電子ホール対は、太陽光がナノ粒子により吸収されたときに発生し、結果として得られる電子はペンタセン等の高移動度ポリマーにより収集のためのカソードに急速に輸送される。ナノ粒子により発生する電子ホール対から電子を急速に取り除くことにより、ナノ粒子に基づく光起電装置において一般的に観測される電子ホール再結合の可能性が排除される。
【００８４】
別の実施の形態では、ＩＴＯ２９２０とナノ複合材料層２９４０との間において、ホールインジェクティング/トランスポーティング界面層若しくはバッファー層２９３０を使用しても良い。別の実施の形態では、金属層２９６０とナノ複合材料層２９４０との間において、電子インジェクティング/トランスポーティング界面層２９５０を使用しても良い。
【００８５】
ナノ複合材料光起電装置のさらに別の実施の形態を図３０に示す。当該光起電装置は、ＩＴＯ等の透明性導電層３０２０で被覆されたガラス基板３０１０上に、ナノ複合材料層３０４０を被覆し、続いてカソード金属層３０６０を積層することにより作製する。ナノ複合材料層３０４０は、ペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質に分散された感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子を含む。感光性ナノ粒子は、IＶ族、II族-IＶ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族、III族-Ｖ族材料で構成されても良い。感光性ナノ粒子の具体例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、若しくはＰｂＳからなる群から選択される少なくとも１つが含まれる。ナノ粒子サイズは、ある特定の範囲のバンドギャップが得られるように、例えばおよそ２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変更してもよい。これらのナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により調製することができる。ナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により機能化することができる。官能基の具体例には、カルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等が含まれる。導電性ナノ構造体は、カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、若しくはＺｎＯナノワイヤーから構成することができる。この導電性ナノ構造体は、高移動度ポリマーの前駆物質における分散を容易にするため機能化しても良い。ペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質に分散された感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子からなるナノ複合材料層３０４０は、ＩＴＯコートガラス基板上に、スピンコーティング若しくは他のよく知られた溶液プロセス技術により被覆しても良い。当該層は、１つの単一層若しくは多数の単一層であってもよい。ナノ複合材料層３０４０における前駆物質は、適切な温度に当該フィルムを加熱し、前駆物質のポリマー化を開始することにより重合される。ＵＶ重合可能な前駆物質を使用する場合、当該重合は、ＩＴＯサイド３０２０から当該フィルムをＵＶ照射することにより達成される。当該実施の形態により作製された光起電装置は、高い効率を有することが期待される。この装置において、電子ホール対は、太陽光がナノ粒子により吸収されたときに発生し、結果として得られる電子はペンタセン等の高移動度ポリマーにより収集のためのカソードに急速に輸送される。ナノ粒子により発生する電子ホール対から電子を急速に取り除くことにより、ナノ粒子に基づく光起電装置において一般的に観測される電子ホール再結合の可能性が排除される。ある実施の形態においては、ＩＴＯ３０２０とナノ複合材料層３０４０との間において、ホールインジェクティング/トランスポーティング界面層若しくはバッファー層３０３０を使用しても良い。別の実施の形態では、金属層３０６０とナノ複合材料層３０４０との間において、電子インジェクティング/トランスポーティング界面層２９５０を使用しても良い。
【００８６】
図３１は、ナノ複合材料光起電装置のさらに別の実施の形態を示す。当該光起電装置は、ＩＴＯ等の透明性導電層３１２０で被覆されたガラス基板３１１０上に、ナノ複合材料層３１４０を被覆し、続いてカソード金属層３１６０を積層することにより作製される。ナノ複合材料層３１４０は、ＰＶＫ若しくはＰ３ＨＴ等の高移動度ポリマーに分散された感光性ナノ粒子及び導電性ナノ粒子並びにペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質を含む。感光性ナノ粒子は、IＶ族、II族-IＶ族、II族-ＶI族、IＶ族-ＶI族、III族-Ｖ族材料で構成されても良い。感光性ナノ粒子の具体例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、若しくはＰｂＳからなる群から選択される少なくとも１つが含まれる。ナノ粒子サイズは、ある特定の範囲のバンドギャップが得られるように、例えばおよそ２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で変更してもよい。これらのナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により調製することができる。ナノ粒子は、当該技術分野において知られた方法により機能化することができる。官能基には、カルボキシル基（-ＣＯＯＨ）、アミノ基（-ＮＨ２）、ホスホン酸基（ＰＯ４）、スルホン酸基（-ＨＳＯ３）、アミノエタンチオール基等が含まれる。導電性ナノ構造体は、カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、ＴｉＯ２ナノチューブ、若しくはＺｎＯナノワイヤーから構成することができる。この導電性ナノ構造体は、導電性ポリマー及び高移動度ポリマーの前駆物質における分散を容易にするため機能化しても良い。ＰＶＫ若しくはＰ３ＨＴ等の高移動度ポリマーに分散された感光性ナノ粒子及び導電性ナノ構造体並びにペンタセン等の高移動度ポリマーの前駆物質を含むナノ複合材料層３１４０は、ＩＴＯコートガラス基板上に、スピンコーティング若しくは他のよく知られた溶液プロセス技術により被覆しても良い。当該層は、１つの単一層若しくは多数の単一層であってもよい。ナノ複合材料層３１４０における前駆物質は、適切な温度に当該フィルムを加熱し、前駆物質の重合を開始することにより重合化される。ＵＶ重合可能な前駆物質を使用する場合、当該重合は、ＩＴＯサイドから当該フィルムをＵＶ照射することにより達成される。図３１に示された光起電装置は、図３２に例示された製造工程を用いることにより作製することができる。当該実施の形態により作製された光起電装置は、高い効率を有することが期待される。この装置において、電子ホール対は、太陽光がナノ粒子により吸収されたときに発生し、結果として得られる電子はペンタセン等の高移動度ポリマーにより収集のためのカソードに急速に輸送される。ナノ粒子により発生する電子ホール対から電子を急速に取り除くことにより、ナノ粒子に基づく光起電装置において一般的に観測される電子ホール再結合の可能性が排除される。
【００８７】
図３１に示された当該実施の形態の別のバージョンでは、ＩＴＯ３１２０とナノ複合材料層３１４０との間において、ホールインジェクティング/トランスポーティング界面層若しくはバッファー層３１３０を使用しても良い。別の実施の形態では、金属層３１６０とナノ複合材料層３１４０との間において、電子インジェクティング/トランスポーティング界面層３１５０を使用しても良い。
【００８８】
上記実施の形態は、本発明を応用した具体例である。上記実施の形態において、他の透明性導電材料、例えば酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム錫、酸化インジウム亜鉛を使用することができることは当該技術分野における当業者においても理解されよう。感光性ナノ粒子は、様々な形状、例えばドット、ロッド、バイポッド、マルチポッド、ワイヤー等を有していても良いことは当該技術分野における当業者において理解されよう。他の導電性ナノチューブ材料は、当該実施の形態に記載されたカーボンナノチューブ、ＴｉＯ２ナノチューブ、及びＺｎＯナノチューブに代えて使用しても良い。他の熱硬化性の若しくは光硬化性の前駆物質を、ペンタセン前駆物質に代えて使用することができることは、当該技術分野における当業者において理解されよう。他の導電性ポリマーを、ＰＶＫ、Ｐ３ＨＴ、及びＰＥＤＯＴに代えて使用することができることは、当該技術分野における当業者において理解されよう。導電性及び非導電性ポリマーの混合物を、当該実施の形態において記載したＰＶＫ、Ｐ３ＨＴ及びＰＥＤＯＴに代えて、使用することができることは、当該技術分野における当業者において理解されよう。
【００８９】
図３２は、本発明のある実施の形態に係る光起電装置を準備するために使用される方法のある実施の形態を示す。特に、工程３２１０において、基板をＩＴＯにより被覆する。任意ではあるが、工程３２２０において、バッファー層をＩＴＯ被覆基板上に積層しても良い。その後、当該装置は、工程３２４０において、溶液が被覆される。任意ではあるが、当該溶液は、感光性ナノ粒子、ポリマー前駆物質及びポリマーを含んでいても良い（工程３２３０）。任意ではあるが、溶液コーティングの後、バッファー層を積層しても良い（工程３２５０）。続いて、工程３２６０において金属を積層し、最後に工程３２７０において前駆物質を重合させる。重合は、熱若しくはＵＶ照射により起る。
【００９０】
特定の実施の形態であって、本発明のベストモードの前述の記載は、例示及び記載のためだけに示している。これらは、包括的であることを意図するものではなく、開示された正確な形状に本発明を制限することを意図するものでもない。本発明の特定の特徴は、いくつかの図に示されているが、それ以外の図では、簡略のため示されていない。いくつかの特徴を、本発明に係る他の特徴と結び付けても良い。記載されたプロセスの工程は、整理され、若しくは統合され、他の工程が含まれていても良い。本発明の原則、及び実際の応用を上手く説明するため当該実施の形態は選択されて記載されており、そのため、意図された特定の使用に適するように、本発明、及び様々な修正がされた様々な実施の形態を他の当業者が利用することが可能である。本発明のさらに別のバリエーションは、当該開示を考慮に入れると当業者にとって自明であり、そのようなバリエーションが、添付の請求項及びそれらと等価のものの範囲内にあることは意図されている。上記参照した文献は、全体を通して本明細書に引用して援用されている。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、アモルファスシリコンの既知の吸収スペクトルを示している。
【図２】図２は、マイクロ結晶シリコンの既知の吸収スペクトルを示している。
【図３】図３は、従来のアモルファスシリコン太陽電池の設計を示している。
【図４】図４は、コア−シェル量子ドットを概略的に表したものである（具体例：ＰｂＳｅ、ＰｂＳ及びＩｎＰ）。
【図５】図５は、異なるサイズの量子ドット（ＱＤ）が、本発明の実施の形態に係る異なる色において吸収及び放出を示すことを例示している。
【図６】図６は、トリ−ｎ−オクチルホスフィンオキサイド（ＴＯＰＯ）によりキャップされたナノ粒子を例示している。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に従って調製された機能化ナノ粒子を示している。
【図８】図８は、アモルファス若しくはマイクロ結晶シリコン層を組み合わされたＩＲ吸収若しくは捕捉ナノ粒子層を備える、本発明の光起電装置のある実施の形態を示した概略図である。
【図９】図９は、本発明の再結合層のある実施の形態を示した概略図である。
【図１０】図１０は、多結晶若しくは単結晶層が組み合わされたＩＲ捕捉ナノ粒子層を備える、本発明の光起電装置の他の実施の形態を示した概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る、ＣｄＴｅ層が組み合わされたＩＲ捕捉ナノ粒子層を有する光起電装置を示す。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係る、ＣＩＧＳ層が組み合わされたＩＲ捕捉ナノ粒子層を有する光起電装置を示す。
【図１３】図１３は、アモルファス若しくはマイクロ結晶シリコン層が組み合わされたＵＶ吸収若しくは捕捉ナノ粒子を含む光起電装置のある実施の形態を示した概略図である。
【図１４】図１４は、多結晶シリコン層若しくは単結晶シリコン層が組み合わされたＵＶ捕捉ナノ粒子層を有する、本発明の光起電装置のある実施の形態を示した概略図である。
【図１５】図１５は、ＣｄＴｅ層がＵＶ捕捉ナノ粒子層と組み合わされた、本発明の光起電装置のある実施の形態を示した概略図である。
【図１６】図１６は、ＣＩＧＳ層がＵＶ捕捉ナノ粒子層と組み合わされた、本発明の光起電装置のある実施の形態を示した概略図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態に係る、アモルファス若しくはマイクロ結晶シリコン層が、ＵＶ及びＩＲ吸収若しくは捕捉ナノ粒子層と組み合わされた光起電装置を示す。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態に係る、多結晶若しくは単結晶シリコン層が、ＵＶ及びＩＲ捕捉ナノ粒子層と組み合わされた光起電装置を示している。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態に係る、ＣｄＴｅ層が組み合わされたＵＶ及びＩＲ捕捉ナノ粒子層を示す。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態に係る、ＣＩＧＳ層が組み合わされたＵＶ及びＩＲ捕捉ナノ粒子層を示す。
【図２１】図２１は、III−Ｖ半導体層がＵＶ捕捉ナノ粒子層と組み合わされた、本発明の光起電装置の他の実施の形態を例示する。
【図２２】図２２は、本発明の実施の形態に係る、ＩＲ捕捉ナノ粒子が組み合わされたフォージャンクション結晶シリコン太陽電池を例示する。
【図２３】図２３は、本発明の実施の形態に係る、ＵＶ捕捉ナノ粒子が組み合わされたフォージャンクション結晶シリコン太陽電池を示す。
【図２４】図２４は、本発明の実施の形態に係る、ＩＲ捕捉ナノ粒子が組み合わされたフォージャンクション薄膜太陽電池を示す。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態に係る、ＵＶ捕捉ナノ粒子が組み合わされたフォージャンクション薄膜太陽電池を示す。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態に係る、ポリマー前駆物質に分散された感光性ナノ粒子の光吸収層を備えるナノ複合材料光起電装置の概略図である。
【図２７】図２７は、本発明の実施の形態に係る、ポリマー及びポリマー前駆物質の混合物に分散された感光性ナノ粒子の光吸収層を備えるナノ複合材料光起電装置の概略図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施の形態に係る、ポリマー前駆物質に分散された感光性ナノ粒子増感カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の光吸収層を備えるナノ複合材料光起電装置の概略図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施の形態に係る、ポリマー及びポリマー前駆物質の混合物に分散された感光性ナノ粒子増感カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）の光吸収層を備えるナノ複合材料光起電装置を例示している。
【図３０】図３０は、本発明の実施の形態に係る、ポリマー及びポリマー前駆物質に分散された感光性ナノ粒子及びＳＷＣＮＴ等の導電性ナノ粒子の光吸収層を備えるナノ複合材料光起電装置を示す。
【図３１】図３１は、本発明の実施の形態に係る、ポリマー及びポリマー前駆物質に分散された感光性ナノ粒子及びＳＷＣＮＴ等の導電性ナノ粒子の光吸収層を有するナノ複合材料光起電装置を示す。
【図３２】図３２は、本発明の実施の形態に係る、重合可能な前駆物質を含む光吸収層を有する光起電装置の作製方法を示したプロセスフローである。
【図１】
2009527108.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009527108.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009527108.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009527108.tif 000009
【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】
2009527108.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2009527108.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2009527108.tif 000022
【図２１】
2009527108.tif 000023
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2009527108.tif 000029
【図２８】
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【図２９】
2009527108.tif 000031
【図３０】
2009527108.tif 000032
【図３１】
2009527108.tif 000033
【図３２】
2009527108.tif 000034
【国際調査報告】
2009527108.tif 000035