(57)【要約】  ナノ構造および光起電力構造を開示する。また、ナノ構造を作製するための方法も示す。
2009507397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電力ナノ構造のアレイ；および
少なくとも半透明な光起電力デバイス
を備える光起電力構造であって、
前記アレイは、前記光起電力デバイスを透過する光が前記アレイを照らすように前記光起電力デバイスに対して位置している、光起電力構造。
【請求項２】
前記光起電力ナノ構造のアレイが、ブラシ配置で配列されている、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項３】
前記光起電力ナノ構造の軸が、前記アレイに対して垂直の方向に傾いている、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項４】
前記光起電力デバイスが、平面状の光起電力構造である、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項５】
前記光起電力デバイスが、光起電力ナノ構造の第２のアレイである、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項６】
前記光起電力ナノ構造の第１および第２のアレイが、ブラシ配置に配列されており、第１のアレイにおける光起電力ナノ構造の高さが、第２のアレイにおける光起電力ナノ構造の平均高さと異なる、請求項５に記載の光起電力構造。
【請求項７】
前記第１のアレイの光起電力ナノ構造が、前記第２のアレイの光起電力ナノ構造と同じ構成を有する、請求項５に記載の光起電力構造。
【請求項８】
前記第１のアレイの光起電力ナノ構造が、前記第２のアレイの光起電力ナノ構造と異なる構成を有する、請求項５に記載の光起電力構造。
【請求項９】
前記第１のアレイの光起電力ナノ構造が、有機材料を含み、前記第２のアレイの光起電力ナノ構造が、無機材料を含む、請求項８に記載の光起電力構造。
【請求項１０】
前記第１のアレイの光起電力ナノ構造が、無機材料を含み、前記第２のアレイの光起電力ナノ構造が、無機材料を含む、請求項８に記載の光起電力構造。
【請求項１１】
前記第２のアレイのナノ構造が、少なくとも１つの高バンドギャップ材料で被覆されており、前記第１のアレイのナノ構造が、少なくとも１つの低バンドギャップ材料で被覆されている、請求項５に記載の光起電力構造。
【請求項１２】
基体から伸びているナノケーブルのアレイであって、鋳型を用いて形成されたナノケーブルのアレイ；
前記基体に沿って伸びている絶縁層；および
前記ナノケーブルを覆っている少なくとも１層
を含む、ナノ構造。
【請求項１３】
前記ナノケーブルが、伸長される、請求項１２に記載のナノ構造。
【請求項１４】
前記鋳型が、部分的に除去される、請求項１２に記載のナノ構造。
【請求項１５】
前記鋳型の少なくとも一部が、前記絶縁層である、請求項１４に記載のナノ構造。
【請求項１６】
前記ナノケーブルが、実質的に均一な周縁部を有する、請求項１２に記載のナノ構造。
【請求項１７】
前記鋳型が、膜である、請求項１２に記載のナノ構造。
【請求項１８】
前記少なくとも１層が、電気めっきされている、請求項１２に記載のナノ構造。
【請求項１９】
前記少なくとも１層が、化学蒸着およびエッチングによって形成される、請求項１２に記載のナノ構造。
【請求項２０】
粗い外表面および固いコアを有するナノケーブルを含む、ナノ構造。
【請求項２１】
ナノ構造を作製するための方法であって：
ナノケーブルのアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程；
前記鋳型を除去する工程；
前記ナノケーブル間に絶縁層を形成する工程；および
前記ナノケーブルの上に少なくとも１層を形成する工程
を含む、方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１層が、電気めっきすることによって形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１層が、化学蒸着によって形成され、前記絶縁層を露出させるエッチングの工程をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１層が、光起電力的に活性なｐ−ｎ接合を形成する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
ナノ構造を作製するための方法であって：
ナノケーブルのアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程；
前記鋳型が前記ナノケーブル間に絶縁層を形成するように前記鋳型の一部のみを除去する工程；および
前記ナノケーブルの上に少なくとも１層を形成する工程
を含む、方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１層が、電気めっきによって形成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１層が、光起電力的に活性なｐ−ｎ接合を形成する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１層が、化学蒸着によって形成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
ナノ構造を作製するための方法であって：
柱のアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程；
前記鋳型を除去する工程；
前記柱が少なくとも１層によって被覆されるように、前記柱の上に少なくとも１層を形成する工程；および
前記少なくとも１層が金属接触物によって被覆されるように、前記少なくとも１層の上に前記金属接触物を堆積する工程
を含む、方法。
【請求項３０】
強化されたナノ構造を作製するための方法であって：
鋳型中に第１の材料のナノチューブを形成する工程；
前記ナノチューブ中に第２の材料のナノケーブルを形成する工程；および
前記鋳型を少なくとも部分的に除去する工程
を含む、方法。
【請求項３１】
前記第１の材料が、前記第２の材料よりも硬い、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の材料が、前記第２の材料よりも高い耐熱性を有する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
強化されたナノ構造を作製するための方法であって：
鋳型中に第１の材料のナノチューブを形成する工程；
前記ナノチューブ中に第２の材料のナノケーブルを形成する工程；
前記ナノチューブを前記鋳型と前記ナノケーブルとの間から除去する工程；
前記鋳型と前記ナノケーブルとの間に強化層を堆積する工程；および
前記鋳型を少なくとも部分的に除去する工程
を含む、方法。
【請求項３４】
規定された幅を有し、その軸に対して直角であるナノチューブのアレイを作製するための方法であって：
鋳型中に重合体材料のナノチューブを形成する工程；
前記ナノチューブ中に第２の材料のナノケーブルを形成する工程；
前記鋳型を少なくとも部分的に除去する工程；および
前記重合体材料を少なくとも部分的に除去する工程
を含む、方法。
【請求項３５】
粗い外表面を有するナノケーブルを作製するための方法であって：
金属がナノケーブルの表面に前記ナノケーブルと合金を形成するように、金属性ナノケーブルの表面の上に前記金属の薄膜をめっきする工程；および
前記金属を前記ナノケーブルの表面から除去する工程であって、前記ナノケーブルの外表面は、前記金属の除去の際に粗面である工程
を含む、方法。
【請求項３６】
導体上の膜をエッチングすることによってナノケーブルを作製するための方法であって：
ナノケーブルのアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程；
前記鋳型を除去する工程；
前記ナノケーブル間に絶縁層を形成する工程；および
前記ナノケーブルの上に少なくとも１層を形成する工程
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ナノテクノロジー一般に関し、特に、ナノスケール構造およびこれらの構造を作製するための処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
太陽エネルギーを利用し、それを電気的エネルギーに変換する太陽電池パネルは、よく知られている。代表的な太陽電気システムは、以下のコンポーネント：太陽電池パネル、負荷コントローラ、インバータおよびしばしばバッテリを備える。光起電力（ＰＶ）モジュールと呼ばれることが多い代表的な太陽電池パネルは、ガラスカバーおよび突き出たアルミニウムケーシングからなる保護パッケージ内に環境的に密閉された１つ以上の相互接続したＰＶセルからなる。
【０００３】
このＰＶセルは、太陽光の存在下で電気を発生することができるｐ−ｎ接合ダイオードであり得る。ＰＶセルは、周期表における１３族（ＩＩＩ族）または１５族（Ｖ族）のいずれかの元素でドーピングされた結晶シリコン（例えば、多結晶シリコン）から作製されることが多い。これらのドーパント原子をそのシリコンに加えると、そのドーパント原子が、結晶格子中のケイ素原子に取って代わり、本来そこに存在したケイ素原子とほぼ同じ様式で隣接ケイ素原子と結合する。しかしながら、これらのドーパントは、ケイ素原子と同じ数の価電子を有しないので、余分な電子または「正孔」が結晶格子中に存在するようになる。その電子は、ケイ素のバンドギャップエネルギーと少なくとも同じエネルギーを有する光子を吸収すると自由になる。その電子および正孔が固体のケイ素材料内を自由に動き回ることにより、ケイ素は伝導性になる。吸収事象がｐ−ｎ接合に近くになるにつれて、電子−正孔対の移動度が大きくなる。
【０００４】
ケイ素のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーを有する光子が結晶構造に衝突するとき、電子および正孔は、移動性にならない。電子および正孔によって吸収されるようになる光子のエネルギーの代わりに、光子が有するエネルギーの量とバンドギャップエネルギーとの差が熱に変換される。
【０００５】
太陽エネルギーを電力に変換するという概念は、非常に魅力的であるが、その効率が一般に１５％の範囲しかなく、また、高価なシリコンウエハ作製処理および材料を用いて作製されるので、従来の太陽電池パネルは、使用が限られている。この低効率は、一部には、現在のＰＶセルの平面配置ならびに電極とｐ−ｎ接合との距離が比較的遠いことに起因する。低効率であることは、一定量の電気を得るためには一層大きく重いアレイが必要であることを意味するが、それは、太陽電池パネルのコストを上げ、また、大型建造物への使用を制限してしまう。
【０００６】
太陽電池に最もよく使用される材料は、ケイ素である。結晶シリコンには、３つのカテゴリ：単結晶シリコン、多結晶シリコンおよびリボンシリコンがある。単結晶または単一結晶ウエハで作製された太陽電池は、それら３つのうち最も高い効率である約２０％を有する。残念なことに、単結晶セルは、高価であり、また、円形であるためにモジュールを完全に張り巡らせることができない。多結晶シリコンは、鋳塊（ｃａｓｔ  ｉｎｇｏｔ）から作製される。鋳塊は、大型のるつぼを溶融ケイ素で満たし、そして慎重に冷却し、固めることによって作製される。多結晶シリコンは、単結晶よりも高価ではないが、その効率は、処理条件および得られる材料中の不完全性によっては約１０〜１４％しかない。リ
ボンシリコンは、ＰＶグレードシリコンの最新の主要カテゴリである。リボンシリコンは、溶融ケイ素から平らで薄いフィルムを引き上げることによって形成され、多結晶構造を有する。１１〜１３％というシリコンリボンの効率範囲もまた、不完全性が高いことに起因して単結晶シリコンより低い。これらの技術のほとんどは、約３００μｍ厚のウエハに基づいている。ＰＶセルは、作製された後、互いにろう着してモジュールが形成される。
【０００７】
開発中の別の技術は、多接合太陽電池であり、これは、実際の使用において１８．５％未満の効率をもたらすと考えられている。多接合セルを作製する処理および材料は、桁外れに高価である。これらのセルは、複数のガリウム／インジウム／ヒ化物層を必要とする。最もよいものは、６重接合セルになると見られている。現在の多接合セルは、経済的に大規模な用途に対して作製することができない。
【０００８】
ＰＶセルおよび他の技術を実現する有望なものは、ナノテクノロジーである。しかしながら、ナノテクノロジーを実践する１つの問題は、微小導体が、それ自体の形成、その後の一層小さい処理条件または完成品における使用条件に耐えられない可能性があるということである。例えば、ナノ導体を形成する金属は、柔らかい場合があり、その場合、さらなる層を形成している間に屈曲または破壊されやすくなってしまう。
【０００９】
さらに、これまでのところ、均一な大きさおよび／または間隔の構造を有するナノアレイを作製することは困難であり、不可能でさえあることが明らかになっている。
【００１０】
従って、暗に示されているように、ＰＶセルおよび他の電気的構造を作製するために利用可能な技術は、処理の限界ならびに構造自体の真の脆弱性によってある程度限られてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ゆえに、高いアスペクト比を有するが、産業上、実際の使用に十分耐えうるナノ構造を作製できるようになることが望まれる。
【００１２】
また、平均効率よりも高く、いくつかの実施形態において約２０％超の効率を有する太陽電池の作製することが可能になることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
要旨
本発明の１つの実施形態に係る光起電力構造は、光起電力ナノ構造のアレイおよび光起電力デバイスを備え、その光起電力デバイスは、少なくとも半透明である。そのアレイは、光起電力デバイスを透過する光がアレイを照らすように光起電力デバイスに対して配置される。
【００１４】
様々な配置が企図される。１つの態様において、光起電力ナノ構造のアレイは、ブラシ配置に配列される。光起電力ナノ構造の軸は、アレイに対して垂直の方向に傾いていてもよい。別の態様において、光起電力デバイスは、平面状の光起電力構造である。
【００１５】
さらなる態様において、光起電力デバイスは、光起電力ナノ構造の第２のアレイである。光起電力ナノ構造の第１および第２のアレイは、ブラシ配置に配列され得、ここで、第１のアレイにおける光起電力ナノ構造の高さは、第２のアレイにおける光起電力ナノ構造の平均高さと異なる。１つの実施形態において、第１のアレイの光起電力ナノ構造は、第２のアレイの光起電力ナノ構造と同じ構成を有する。別の実施形態において、第１のアレイの光起電力ナノ構造は、第２のアレイの光起電力ナノ構造と異なる構成を有する。例え
ば、第１のアレイの光起電力ナノ構造は、有機材料を含み得、第２のアレイの光起電力ナノ構造は、無機材料を含む。別の実施例において、第１のアレイの光起電力ナノ構造は、無機材料を含み、第２のアレイの光起電力ナノ構造は、無機材料を含む。
【００１６】
第２のアレイのナノ構造は、少なくとも１つの高バンドギャップ材料で被覆され得、第１のアレイのナノ構造は、少なくとも１つの低バンドギャップ材料で被覆される。
【００１７】
本発明の１つの実施形態に係るナノ構造は、基体から伸びているナノケーブルのアレイを備え、そのナノケーブルのアレイは、鋳型、基体に沿って伸びている絶縁層およびナノケーブルを覆っている少なくとも１層を用いて形成される。
【００１８】
ナノケーブルは、伸長され得る。
鋳型は、部分的に除去され得る。鋳型の少なくとも一部は、絶縁層を形成し得る。
【００１９】
ナノケーブルは、実質的に均一な周縁部を有し得る。
鋳型は、膜であり得る。
【００２０】
少なくとも１層が電気めっきされ得、化学蒸着およびエッチングなどによって形成され得る。
【００２１】
本発明のさらに別の実施形態に係るナノ構造は、粗い外表面および固いコアを有するナノケーブルを備える。
【００２２】
本発明のなおも別の実施形態に係るナノ構造を作製するための方法は、ナノケーブルのアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程、その鋳型を除去する工程、ナノケーブル間に絶縁層を形成する工程およびナノケーブルの上に少なくとも１層を形成する工程を含む。その少なくとも１層は、電気めっきすることによって形成され得る。その少なくとも１層を、化学蒸着によって形成してもよく、エッチングを用いて絶縁層を露出させてもよい。その少なくとも１層は、光起電力的に活性なｐ−ｎ接合を形成し得る。
【００２３】
本発明のなおも別の実施形態に係るナノ構造を作製するための方法は、ナノケーブルのアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程、その鋳型がナノケーブル間に絶縁層を形成するように鋳型の一部のみを除去する工程およびナノケーブルの上に少なくとも１層を形成する工程を含む。その少なくとも１層は、電気めっき、化学蒸着などによって形成される。その少なくとも１層は、光起電力的に活性なｐ−ｎ接合を形成し得る。
【００２４】
本発明のなおも別の実施形態に係るナノ構造を作製するための方法は、柱のアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程、その鋳型を除去する工程、柱が少なくとも１層によって被覆されるように柱の上に少なくとも１層を形成する工程および少なくとも１層が金属接触物によって被覆されるように、その少なくとも１層の上に金属接触物を堆積する工程を含む。
【００２５】
本発明のなおも別の実施形態に係る強化されたナノ構造を形成するための方法は、鋳型中に第１の材料のナノチューブを形成する工程、そのナノチューブ内に第２の材料のナノケーブルを形成する工程およびその鋳型を少なくとも部分的に除去する工程を含む。好ましくは、第１の材料は、第２の材料よりも硬い。また、好ましくは、第１の材料は、第２の材料よりも高い耐熱性を有する。
【００２６】
本発明のなおも別の実施形態に係る強化されたナノ構造を形成するための方法は、鋳型中に第１の材料のナノチューブを形成する工程、そのナノチューブ中に第２の材料のナノ
ケーブルを形成する工程、そのナノチューブを鋳型とナノケーブルとの間から除去する工程、鋳型とナノケーブルとの間に強化層を堆積する工程および鋳型を少なくとも部分的に除去する工程を含む。
【００２７】
本発明のなおも別の実施形態に係る、規定された幅を有し、その軸に対して直角であるナノチューブのアレイを作製するための方法は、鋳型中に重合体材料のナノチューブを形成する工程、ナノチューブ中に第２の材料のナノケーブルを形成する工程、鋳型を少なくとも部分的に除去する工程および重合体材料を少なくとも部分的に除去する工程を含む。
【００２８】
本発明のなおも別の実施形態に係る、粗い外表面を有するナノケーブルを作製するための方法は、金属がナノケーブルの表面にナノケーブルと合金を形成するように、金属性ナノケーブルの表面の上に金属の薄膜をめっきする工程およびそのナノケーブルの表面から金属を除去する工程を含み、ここで、ナノケーブルの外表面は、金属が除去される際に粗面である。
【００２９】
本発明のなおも別の実施形態に係る、導体上の膜をエッチングすることによってナノケーブルを作製するための方法は、ナノケーブルのアレイを形成するために鋳型中に材料を堆積する工程、その鋳型を除去する工程、ナノケーブル間に絶縁層を形成する工程およびナノケーブルの上に少なくとも１層を形成する工程を含む。
【００３０】
従って、本発明の１つの実施形態は、導電性ナノ構造を形成する方法を含む。その方法により、導電性コアおよび半導体コーティングの半径および垂直方向の寸法を正確に制御することが可能になる。得られるナノ構造は、ナノケーブルとして知られている。その方法によって、ナノケーブルアレイを任意の数の寸法に成形することができ、次いで、堅く作製することができる。所望であれば、ナノケーブルアレイは、可撓性に作製してもよい。本発明に従って作製されるナノケーブルアレイは、改善された電気的接合、改善された信頼性および改善された性能を有する。
【００３１】
別の態様において、本発明は、現在のＰＶセル構造の多くの限界を克服するＰＶ構造である。本明細書中に開示されるＰＶセルを用いると、すべての光子吸収事象が、最大効率のためにｐ−ｎ接合付近で起きる。光は、最大で数桁減衰し、セル全体でホットスポットが減少する。その構造は、光起電力セルの後方反射を１％未満に低減することができ、そして光起電力セルを作製するために必要な希少材料の量を減少させる。様々な光波長に対してスペクトル的に選択的であるようにナノケーブル半導体層を調整してもよく、それによって、さらにその性能が増大する。従って、ＰＶセル全体が、ほとんどの光起電力材料について単位面積当たりのコストを低下させ、そして高い産業的出力を増大する。
【００３２】
なおも別の態様において、本発明は、金属ナノケーブルを有するナノケーブル構造の構造上の頑強さを向上させる方法である。ナノケーブルが、「柔らかい」金属（例えば、金または銅）から作製されている場合は、その構造を強化するためにより硬い金属または化合物でナノケーブルを被覆してもよい。ナノケーブルの硬度を上げるために、金属を合金として堆積することもできる。
【００３３】
別の実施形態に係る本発明は、ナノケーブルの寸法を正確に制御するために有機ポリマー薄膜を使用する方法を含む。１つ以上の有機ポリマー薄膜を、ナノケーブルを作製するために使用される膜内の孔の内壁上に堆積してもよく、ナノケーブル材料が、孔の中に残っているスペースを満たすとき、その寸法がポリマー層の厚さによって正確に制御される。
【００３４】
別の実施形態に係る本発明は、ナノ多孔性ナノ構造を形成する方法を含む。表面合金化
を用いて、ナノ構造表面を滑面から粗面に変化してもよい。この方法によって得られるナノ多孔性またはナノ粗面のナノ構造は、ナノ多孔性層が、表面中の（剛毛体積全体ではない）数個の単層に閉じ込められ、純粋な金属性コアを維持したままであるので、より頑強である。
【００３５】
別の態様において、本発明は、個別のエレメント、すなわちナノケーブルが互いから絶縁されている場合の、集積ナノ構造デバイス、すなわちナノケーブルアレイを作製するための方法である。個別の構造の各々が、単独のデバイスである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
実施形態の詳細な説明
以下の説明は、本発明を実施するために現在企図されている最良の形態である。この説明は、本発明の一般原理を明示する目的でなされるものであり、本明細書中で特許請求される本発明の概念を限定すると意味しない。さらに、本明細書中で記載する特定の特徴は、可能な様々な組み合わせおよび並べ替えの各々ならびにそれらのいずれかにおいて、記載する他の特徴と組み合わせて使用することができる。
【００３７】
本発明の実施形態は、太陽電池という状況で本明細書において記載される。しかしながら、本明細書中に提供される特定の用途は、例示的な用途にすぎず、本発明のナノケーブル配列は、本明細書中に開示される用途または実施形態に限定されないことが理解されるべきである。
【００３８】
本開示はまた、薄膜太陽電池のナノアレイに関する。薄膜系を用いて構築されるソーラーモジュールは、相互接続されたナノスケールの小さい太陽電池のアレイではなく、単一の大きい、単一の平らな薄膜太陽電池を使用する傾向がある。レーザースクライバを使用して、モジュール全体を個別のセルに区分けしてもよい。ナノシステムは、現在の薄膜技術とは異なって処理されることに注意することが重要である。主要な薄膜材料系の４タイプは、アモルファスシリコン（Ａ−Ｓｉ）、セレン化銅インジウム（通常ＣＩＳと呼ばれるＣｕＩｎＳｅ２）、銅インジウムガリウムセレン化物（ＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳｅｘ）通常ＣＩＧＳと呼ばれる）およびＣｄＴｅ／ＣｄＳである。Ａ−Ｓｉフィルムは、典型的にはプラズマ誘起化学蒸着（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＥ−ＣＶＤ）を用いて作製される。
【００３９】
用語「ナノケーブル」とは、その一方の寸法（例えば、直径または幅）が、ナノスケールサイズであり、他方の寸法が、大きく、潜在的にはもっと大きい任意の細長い物体のことを示す。ナノケーブルは、外側を１層以上の材料によって包まれたコアロッドまたはコアワイヤとしてか、１層以上の材料で満たされているナノチューブとして異なる材料を用いて作製され得るか、または１つの材料の単一構造として作製され得る。ナノケーブルは、ナノロッドもしくはナノワイヤまたは充填ナノチューブとも呼ばれる。各場合におけるナノケーブルの機能要素は、２つ（またはそれ以上）の材料間の界面である。別の様々な配置および成長様式において、異なる材料の層を連続的に堆積するか、材料を交互に堆積するか、または異なる厚さの材料を堆積することにより、入れ子になった円柱型ナノケーブルを形成することができる。
【００４０】
用語「光起電力的に活性なｐ−ｎ接合」とは、適切な厚さのｐ層およびｎ層によって、電気を発生する任意のｐ−ｎ接合のことを示す。
【００４１】
図１は、効率が向上した太陽電池を実施するために使用され得る例示的なソーラーブラシ１０の斜視図である。示されるように、ソーラーブラシ１０は、基体１２、第１の導電層１４、絶縁層１６、第２の導電層１８および複数の剛毛２０を有する。剛毛２０は、特
定の実施形態において円柱状の形態であるように示されているが、剛毛２０は、他の任意の形態をとってもよく、それらとしては、円錐形、長方形、半球状または分枝した剛毛などの複雑な形状などが挙げられるがこれらに限定されない。剛毛２０の各々は、その中心を通って伸びているナノケーブルおよびそのナノケーブルを取り巻く半導体の層を有する。剛毛は、基体から垂直に突出していてもよいし、角度をなして突出していてもよい。太陽が直接頭上にあり、内部反射を向上し得るとき、角度をなして突出している剛毛は、太陽に曝露される半導体材料の量を増大させ得る。剛毛を、滑らかに、または粗く改変してもよい。粗い剛毛は、表面積をさらに増大させるか、または内部反射をさらに改善することによって光吸収効率を改善し得る。非対称な孔膜を用いることによって様々な形状を得ることができる。１つ以上の導電片３３は、アレイまたはその一部を渡って伸びることにより、アレイから電気を運び去ることを助け、それによってこのブラシの効率全体を改善する。効率の向上は、より大きなアレイにおいてより顕著である。そのような片３３は、光の遮断が最小限になるように非常に薄いものが好ましい。
【００４２】
図２は、金属ナノケーブルを有するソーラーブラシ１０の側断面図である。示されるように、剛毛２０の各々は、その中心を通って伸びているナノケーブル２２を有する。ナノケーブル２２は、典型的にはｐ層導体であり、絶縁層１６を通って伸びて第１の導電層１４と電気的に連結している。十分な厚さのｐ型半導電層２４が、ナノケーブル２２を取り囲み、十分な厚さのｎ型半導電層２６が、ｐ型半導電層２４を被覆しており、それによって剛毛２０の各々において光起電力的に活性なｐ−ｎ接合がもたらされる。ｎ層導体を、剛毛２０の頂部および絶縁層１６の上に堆積することにより、第２の導電層１８を形成する。
【００４３】
光子吸収事象がｐ−ｎ接合に近くになるにつれて、その事象によって使用可能な電気が生じる可能性が高くなる。ナノブラシの場合において、光子が、線形経路に沿って伸びて、セルの反対側で材料と接触し得ることによって、各ナノ剛毛において２倍の通過（ｄｏｕｂｌｅ  ｐａｓｓ）が達成されるので、反射性のバック接点層（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ
ｂａｃｋ  ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）は、必要ない。図２に５つの円柱形の外観のソーラーブラシＰＶセルを示す。このように、光子がこの外観の中心からわずかにはずれて通過する場合、このブラシ構造では１０個のｐ型層（太陽光に関する事象が起きる層）の等価物と同程度に多く接触するようになる可能性を有する。ｐ層導体が十分に小さい場合、ほとんどの光子は、より厚い５層を透過する。実際の場合において、１ｃｍ２あたり何百万本の剛毛を有するソーラーブラシは、すべての使用可能な光子エネルギーの効率１００％に効果的に近づき得る。
【００４４】
基体１２は、導電性材料であっても、非導電性材料（導電性材料で被覆されている）であってもよく、堅くても、可撓性であってもよい。例えば、基体１２は、ガラス、ドーピングされたケイ素、ダイアモンド、金属、ポリマー、セラミックスまたは種々の複合性の材料であり得る。薄い金属箔またはある特定のポリマーは、可撓性が所望される場合に使用することができる。ナノケーブルの構造的完全性は、材料の選択によって変化する。脆いかまたは容易に変形可能な剛毛の場合において、可撓性の基体材料は、剛体または半剛体の表面に接着される場合に使用され得る。空気力学的表面（例えば、飛行機の部品、自動車の屋根、他の船の表面または携帯用デバイス）に対してＰＶセルが所望されるとき、成形面／可撓膜が、特に役立ち得る。
【００４５】
剛毛２０の各々は、別々のナノスケールＰＶセルである。単一の「ｘｙ」平面のみが光に曝露される従来の平らなＰＶセルの構造と比較して、ソーラーブラシ１０は、「ｘｙｚ」面、すなわち３次元の表面を有する。従って、所与の体積に対して、ソーラーブラシ１０は、従来のＰＶセルの「ｘｙ」表面積よりも数倍から数千倍であり得る有用な表面積を有する。ソーラー剛毛２０間の面積は、ブラシが大部分の光子に対して吸収性になるのに
十分に広い。さらに、剛毛は、十分薄いので部分的に透明であり得る。この有効な透明度および剛毛の間隔の空き具合によって、日の出から日没までに生じる有効なエネルギー発生が増大し得るのに対し、平らなＰＶセルは、太陽がＰＶ表面上に対して垂直であるとき最適に働く。ソーラーブラシからの効率的なエネルギー発生が、従来のＰＶセル技術よりも数倍高いと予想されるので、発生する１キロワットあたりの重量は、何倍も低くなる。これにより、小規模な用途での使用（例えば、電子デバイス（携帯電話、コンピュータ、ＰＤＡなど）の充電）、中規模の用途での使用（例えば、工業的および農業的な発電用の屋根上の軽量のエネルギー）および大規模な用途での使用（例えば、輸送（自動車、飛行機、船）用の軽量のエネルギー供給源）が可能となり得る。セルの効率はまた、光の少ない条件下での発電を改善し得る。幅広いスペクトル吸着によって、夜間にも赤外光から発電し得る。ナノケーブル構造を使用する別の利点は、各ナノケーブルに関連したｐ−ｎ接合が、よりシャープな接合をもたらす滑らかな界面を有する点である。スケールが大きくなるにつれて粗さ（例えばｒｍｓ（二乗平均平方根）で測定される）が増大するとき、滑らかさは、ナノスケールにおいて改善される。
【００４６】
剛毛２０の軸は、図面中のアレイの平面に対して垂直（直角）の向きであるにもかかわらず、剛毛の軸は、わずかに（垂直から数度）または著しく（例えば、４０〜８９°）傾いている場合があることにも注意されたい。傾いた配置が望ましい場合がある１つの理由は、光がアレイに対して垂直の方向で透過するときに、光が妨害されずにアレイに侵入することを減少するためである。
【００４７】
図３Ａは、層状構造を有するソーラーブラシ１０の斜視図である。図３Ａにおける構造は、層Ａおよび層Ｂを有し、各層は、基体１２ａ、１２ｂ、第１の導電層（図示せず）、絶縁層（図示せず）、第２の導電層（図示せず）および剛毛２０ａ、２０ｂを有する。この層状構造において、一方または両方の層の基体１２ａ、１２ｂ、第１の導電層、絶縁層および第２の導電層は、光が層Ａおよび／または層Ｂの間を通過し得るように、少なくとも半透明であり得る。ソーラーブラシ１０が層状であるとき、剛毛２０は、同じ効率を達成するために単一層構造と同程度に高密度で配置される必要はない。層状構造は、剛毛２０が高密度に配置した単一層構造よりも粗製であるがゆえにそれほど高価ではない装置を使用して作製することができる。図３Ａに示される実施形態は、ほぼ同じ高さの剛毛の２層を有しているが、これは、層状のブラシ構造を限定するものではない。層状のブラシ構造を有する光起電力セルは、所望の効率および電力を発生するために望ましい数と同程度の数の層を含み得る。
【００４８】
層状のブラシ構造は、高バンドギャップおよび低バンドギャップの材料ならびにスペクトル選択に合うように調整された半導体の厚さを用いることによって光起電力セル効率を増大するために使用することができる。高バンドギャップ材料は、上層の光起電力ブラシを被覆するために使用することができ、低バンドギャップ材料は、下層の光起電力ブラシを被覆するために使用することができる。上層の材料は、より高いエネルギーの光を電気に変換し、多くの熱を放散し得る。下層の材料は、より低いエネルギーの光を変換し得る。これにより、下層のブラシＡの効率と寿命の両方が増大し得る。
【００４９】
層状の構造は、同じ材料から、または同じ処理によって作製される必要はない。例えば、上層のブラシは、シリコーンの導電性／透明の芯ならびにフォトリソグラフィおよび化学蒸着によって作製されたシリコーン基体を用いて作製され得、下層のブラシは、有機色素技術を用いて作製され得る。このように、低バンドギャップ光は、上層を容易に透過でき、有機ナノケーブルベースに到達できる。このベースは、陽極酸化されたアルミニウム鋳型、カーボンナノジャケット（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｊａｃｋｅｔ）およびウェットポリマー（ｗｅｔ  ｐｏｌｙｍｅｒ）処理によって作製され得る。これらの層は、同じ寸法および／または同じ構成を有してもよいし、そうでなくてもよい。この構造は、２タイ
プの光起電力セルに限定される必要はない。各セルが、光が下のセルに到達するのに適切な透明度を有する限り、数多くのセルが数多くの光起電力材料を備えることができる。
【００５０】
図３Ｂは、ブラシの平均高さが２層で異なる別の層状構造の側面図である。図３Ｂの実施形態は、２層間に構造上の差が存在し得ることを図示している。
【００５１】
図３Ｃは、所望であれば、ブラシ層の上にフィルタとして平面状の透明な薄膜デバイスを使用することもできることを図示している。
【００５２】
薄く、極小さい反射率の金属（例えば、金）を、ｎ層およびｐ層に沿って層状にすることにより、電流が伝導され、その結果、効率の向上が達成され得る。
【００５３】
現在の技術を超える１つの利点は、前述のように、所与の材料に対する最大効率が達成され得ることである。別の可能性のある利点は、異なるバンドギャップ（励起電子に必要なエネルギー）を有する材料を層にすることによって達成され得る。この概念は、剛毛の先端に高バンドギャップ材料（例えば、ＧａＡｓ（最大効率約２０％、バンドギャップ約１．４ｅＶ）またはＣｄＴｅ（最大効率約３０％；バンドギャップ約１．６ｅＶ））を有し、そして剛毛よりもさらに下の位置に低バンドギャップ材料（例えば、より低い位置のＣＩＳまたはＣＩＧＳタイプのＰＶ材料（最大効率約２４％；バンドギャップ約０．８ｅＶ））を有することである。低エネルギーの光子は、高バンドギャップ材料と反応しないが、剛毛よりもさらに低い位置の低バンドギャップ材料とさらに深い侵入深さにおいて反応するために利用可能である。これは、ナノケーブル上のＣＩＳ材料のＣＶＤ、その後のナノケーブルの頂部の金属芯に対するエッチング、さらにその後のナノケーブルの頂部での触媒性の成長によって達成され得、そしてそのケーブルは、ＣｄＴｅ／ＣｄＳを電気めっきすることによって完成され得る。ソーラーブラシＰＶセル構造は、多接合セルでもあり得、それは、そのようなものよりも優れた構造であり得る。
【００５４】
可撓性のナノポア基体を、金属堆積用の基体１２として使用することができる。基体１２は、薄い導電性シート上に塗布されるかまたは構築される膜であり得、任意の所望の形状に作製され得る。膜孔への金属堆積が生じた後、剛毛２０が形成される。他のＰＶテープおよびフィルムが、ＸＹ可撓性および強度を有するが、それらは、限定されており、また、他の技術では、硬いかまたは可撓性の長持ちする太陽電池のＸＹＺ構造を可能にしない。ソーラーブラシの多様な形状により、固定された位置からの太陽曝露、最適な美的魅力および輸送用途に対する最小空力抵抗についてＰＶセルを最適化することが可能になる。反射基体と組み合わされた特定の形状により、組み合わされたＰＶフィルムおよび太陽集光器を効率的にもたらすことができる。
【００５５】
ソーラーブラシ１０に使用され得る材料の組み合わせが多く存在する。１つの構成は、Ｓｉ薄膜の使用である。他の構成としては、ＣｄＴｅ／ＣｄＳ（ＣｄＴｅ／ＣｄＳ／ＳｎＯ２／インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）／ガラス）、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２、Ｃｕ（ＩｎｘＧａ１−ｘ）（Ｓ，Ｓｅ）２、ＣｕＩｎ１−ｘＧａｘＳｅ１−ｙＳｙ、ＣＧＳｅ／ＣｄＳ、ＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＴｅ２／ｎ−ＩｎＳｅ、ＣｄＳ／ＣＩＧＳ界面、ＺｎＳ／ＣＩＧＳ、Ｃｕ２Ｓ−ＣｄＳ、ＣｕＩｎＳ２またはＣｕｘＳ、ＣｕＩｎＳ２およびＣｕＩｎ５Ｓ８の混合物、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２／ＣｄＳ、ＣＩＳ／Ｉｎ２Ｓｅ３、ＩｎＮ、ＣＩＳ／Ｉｎ２Ｓｅ３、ＺｎＳｘＳｅ１−ｘ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＧａＡｓ／ＣＩＳ、ａ−Ｓｉ／ＣＩＧＳ（ａ−Ｓｉは、アモルファスＳｉ／水素合金）、ＦｅＳ２、Ｃｕ２Ｏ、ＩＴＯ／ａ−ＣＮｘ（Ａｌショットキー薄膜窒化炭素太陽電池）およびＭｏＳ２ベースの太陽電池が挙げられるか、またはより一般には：ＮｉおよびＣｕ付加層を有するＭＸ２（Ｍ＝Ｍｏ，Ｗ；Ｘ＝Ｓ，Ｓｅ）薄膜が同様に使用され得る。Ａｌ２Ｏ３層は、ＣｕＩｎＧａＳｅ２タイプのＰＶセルととも
に拡散障壁として使用され得る。製造工程は、単結晶材料を形成するか、または構造上の完全性および規則性または材料の形状を改善する多結晶の堆積の強化を可能にする高温での熱アニールを含み得る。あるいは、層の単結晶成長は、中温での遅い層の成長によって好まれるはずである。単結晶堆積は、最適な電子輸送および光子吸収のために重要である。
【００５６】
様々な材料の堆積としては、化学蒸着、溶相堆積、電気化学堆積、電気化学的に誘起されるゾル−ゲル堆積、電気化学原子層エピタクシ、無電解堆積、ｅ−ビーム蒸着、電気泳動または遠心分離によるゾル−ゲル、電子線リソグラフィ、走査プローブリソグラフィ、圧力注入、重合および電気重合ならびに熱分解（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  ｄｅｃｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられ得る。ナノケーブルはまた、化学蒸着によって触媒部位から成長し得、基体からウェットエッチングまたはドライエッチングなどがなされ得る。
【００５７】
ＰＶセルを設計するとき、考慮することの１つは、光束である。所与の点における大気を通過する光子の数は、光子を受け取るＰＶセルの改変に関係なく、比較的一定のままである。ＰＶセルに適した形状を決定するとき、間隙の面積および剛毛頂部の面積を計算することによって開始することが便利である。
【００５８】
図４は、剛毛２０の頂部を示しているソーラーブラシ１０の上面図である。剛毛２０は、規則的に配置しているように示されているが、この配列は、用途に合わせて変更可能である。剛毛２０の頂部は、π（Ｄ／２）２ρ（式中、Ｄは、剛毛の直径であり、ρは、ケーブル密度（ケーブルの数／単位面積）である）と計算されるＡｔｏｐをあわせた面積を有する。ＰＶセルの総面積（Ａｔｏｔａｌ）は、Ｗ×Ｌである。次いで、剛毛間の間隙の面積は、以下の式を用いて計算することができる：
Ａｔｏｔａｌ＝Ａｔｏｐ＋Ａｇａｐ
同じ計算の間に、所与のケーブル密度についての間隔の空き具合が、所与の形状に対して実行可能であるか否かを判定することが有用である。ナノケーブル２２の直径Ｄ（ナノケーブル）が５０ｎｍであるとき、ＰＶ剛毛最小直径Ｄは、約２２０ｎｍである。Ｄ（ナノケーブル）＝１５０ｎｍのとき、ＰＶ剛毛の光学的な最小の厚さは、約３２０ｎｍである。剛毛２０の物理的な直径は、ナノケーブル２２の直径よりも１００〜５００ｎｍ大きいが、外殻が透明であるので、これらの数値は、光学的な直径の計算に使用されるべきである。光学的な直径は、太陽効率を計算するために使用され、物理的な直径は、処理の限界を決定するために使用される。
【００５９】
トラックエッチング膜を使用するとき、ナノケーブルに対する１つの好ましい密度（ρ）範囲は：
ρ＝１０６−１０９孔／ｃｍ２＝１０１０−１０１３孔／ｍ２
である。金属酸化物の鋳型を使用するとき、密度範囲は：
ρ＝１０１２−１０１５孔／ｍ２
にシフトする。低密度の場合について、１０−１０ｍ２あたり１ケーブル、すなわち１０−５×１０−５平方ｍの中心に１ケーブルであるので、ケーブルの中心間の距離は、１０−５ｍすなわち１００００ｎｍである。この数値から、その中心軸（ナノケーブル２２の長さを通って伸びている）からｎ層までの剛毛の直径を減算する。間隔は、ケーブルよりも小さくあってはならず、好ましくはケーブルよりも大きいので、非現実的な物理的間隔に関する場合は、表１における計算から排除した。光学的な間隔Ｓは、以下によって与えられる：
Ｓ＝ケーブルの間隔（中心点間）−剛毛の直径（半透明な材料）
光学的な間隔が決定した後に、ＰＶ剛毛の頂部の面積（Ａｔｏｐ）ならびに剛毛間の面積（Ａｇａｐ）を決定する。表１は、平面状の表面積の大部分が、剛毛頂部ではなくＰＶセルの間隙内に存在することを示している。しかしながら、頂部の表面積の有意水準を有
する構造点が存在する。
【００６０】
【表１】
2009507397.tif 000003
【００６１】
平面状の面積および面積あたりの質量は、後方反射を決定するために非常に重要である。平面状のセルについて、反射によって、光が吸収されて電気を発生する機会を得る前に、多くの光がＰＶセルの外にはね返ってしまう。しかしながら、後方反射は、セルの裏面に光をはね返らせることによって平面状のセルの利益になり得、それにより、セルが同じ光の流れから光子を吸収する機会が２回生じる。しかしながら、後方反射は、平面状のセルにおける吸収事象の回数を増大させる一方で、単位体積あたりに発生する熱の量も増大させてしまう。ソーラーブラシ１０の場合では、剛毛頂部に当たる光子の一部が、ＰＶセルから離れて反射し得るだけである。
【００６２】
ソーラーブラシ１０に関する多くの場合において、光の９６％超がＡｇａｐに入る。いくつかのことが、その間隙に入る光に生じる：（ａ）光が吸収され、（ｂ）光が剛毛を垂直に通って次の最も近い剛毛に透過する（図２に示されるように）、そして／または（ｃ）光が入射角に等しい反射角でソーラーブラシに下向きに反射する。各々の場合において、間隙からの光は、剛毛に続く。大部分の光は、吸収されるか、またはブラシに対して垂直に通る。後方反射は、材料の厚さならびに材料のタイプに関連する。ソーラーブラシは、何百万本の薄い剛毛から作製されているので、ソーラーブラシは、ほとんど「透明」になる。従って、θ＝９０°（ここで、θを、ＰＶセル基体の平面に対して日光の角度と定義する）以外のすべての場合において、後方反射は、極小さい。９６％以上の光が間隙内部に入り、各剛毛が９０％の透明度を有すると仮定される場合、後方反射は、最大０．０４％である。
【００６３】
侵入光の深さおよび面積もまた計算される。これは、どれくらい均一に光が、ＰＶブラシを通過して分散され得るかの基準である。光の侵入は、以下の式に支配される：
Ｔｐｅｎ＝侵入の厚さ＝Ｓｔａｎθ
厚さまたは剛毛の高さは、最大侵入に関連する。多くの場合における光の流れに対する平均侵入は、約θ／２である。しかしながら、θが９０°に近づくにつれ、セルの底面は、理論的には光で溢れ得る。しかしながら、現実には、光は、剛毛の形状の不規則さの影響を受け、わずかに剛毛を傾けることによって、光は排除され得るので、この溢れるという作用は、極わずかであるか、または実際に起こらない。
【００６４】
表２は、どれくらい深く光が侵入しているか、そして、ＴｐｅｎをＴ（全体の剛毛の高さ）で割ることによって、第１の透過においてどれくらいの部分面積が使用されているかを示している。これは、どれくらい最初の光が減衰するかの基準である。減衰する光が多くなると、最大温度が低下するか、またはセルにおけるホットスポットが少なくなり、その結果、全体の効率が向上する。
【００６５】
【表２】
2009507397.tif 000004
【００６６】
ＰＶセル基体の平面に対する日光の角度についての関数としての１００μｍセルに対する侵入パーセンテージは、単純に１０倍低い。侵入％は、重要な構造基準である。透明なケーブルについて、１０％侵入である場合、光は、ＰＶケーブルの１０回の透過と同程度に少なく、光子は、剛毛１本あたり２回ｐ−ｎ接合を通過し得るので、平均光子は、ｐ−ｎ接合を最大２０回通過し得る。光の流れに対して適切な吸収の機会を保証するために、その日の大部分に対して２０％未満を標的にするような構造基準を設定することがおそらく最良である。θが９０°に向かうとき、ｔａｎθは∞に向かい、一時的に侵入レベルが１００％になる。しかしながら、最適化は、実地試験の結果に関する。
【００６７】
ＰＶ吸収総面積は、頂部に対してよりも剛毛２０の側面に対してのほうがずっと大きい。Ａｃｅｌｌは、以下：
Ａｃｅｌｌ＝Ｔ（π）（Ｄρ／２）
（式中、Ｔは、ケーブルの高さであり、Ｄは、ＰＶ剛毛の光学的な直径であり、ρは、単位面積当たりの剛毛の数である）によって与えられるＰＶブラシが利用可能な表面積である。ほとんどの光吸収は、一度にセルの半分の面を照らす日光から生じるものであると仮定されるので、この量を２で割る。同様に散乱光からの吸収事象がかなり存在するが、大部分の光子は、直接日光から来るものである。表３では、いくつかのＡｃｅｌｌの計算値をまとめ、高密度のセルの間隔および剛毛の高さを有するＰＶセル表面積が急速に増大することを示している。「セルの間隔」とは、１本の剛毛中心からその隣の剛毛の中心までを測定したものである。
【００６８】
【表３】
2009507397.tif 000005
【００６９】
侵入面積は、以下の式に示されるように侵入の深さに比例している：
Ａｐｅｎ＝光が最初に侵入した面積＝Ｔｐｅｎ（π）（Ｄρ）
ここで、Ａｇａｐ＞＞Ａｔｏｐである場合、光の減衰は、以下の式によって示される：
Ａｐｅｎ＝Ｔｐｅｎ／Ｔ＊Ａｔｏｔａｌ
ＡｐｅｎおよびＡｇａｐ（表１）から、セルに生じる光の減衰量を示す計算がなされ得る。光の減衰は、日光の吸収事象および均一な加熱に対する機会にとって重要である。どこにホットスポットが存在したとしても、変換効率が急速に低下する。ホットスポットが生じる傾向にある集中光がどこに存在したとしても、吸収事象に対する機会と光子の数との比が低下する。
【００７０】
【表４】
2009507397.tif 000006
【００７１】
図５Ａ〜５Ｈは、金属基体ならびにＣｄＴｅおよびＣｄＳの剛毛を備えるソーラーブラシ１０を作製するための例示的な方法を図示している。図５Ａに示されるように、超純水（例えば、１８ＭΩ）およびエタノールを用いて交互的な様式で超音波処理することによって基体を作製する。例えば、金属基体を、１０分間超純水で超音波処理し得、次いで純粋エタノールで１０分間超音波処理し得、そしてこの水−エタノール洗浄サイクルを２回以上繰り返し得る。所望であれば、このサイクルを３回以上もしくは３回未満行ってもよく、そして／または最初に界面活性剤−水、酸−水洗浄もしくはＮａＯＨ／ＮａＣＮ／界面活性剤電解研磨処理を加えることができる。適切な洗浄のタイプおよび量は、開始するときの基体１２がどれくらい清浄であるか、そして基体１２がどのようなタイプの材料で作製されているかということに関連する。
【００７２】
基体１２は、導電性材料（例えば、金属）であっても、導電層で被覆された非導電性材料（例えば、ガラスまたはポリマー）であってもよい。
【００７３】
図５Ｂは、ＰＶセルにおいてｐ層導体として働く第１の導電層１４で被覆された基体１２を図示している。第１の導電層１４は、当業者によって適当であると考えられている任意の周知の導電性材料であり得、それらとしては、金、銅、ニッケル、モリブデン、鉄、アルミニウム、ドーピングされたケイ素および銀が挙げられるがこれらに限定されない。１つの実施形態において、室温、５×１０−６ｍｂａｒの圧力下で電子線蒸着装置を用いて５００ｎｍの金の層を０．２Å／ｓでガラス基体上に蒸着する。他の実施形態において、５０ｍＭ  Ｈ２ＳＯ４に溶解した銅塩またはＮａ３ＡｕＳＯ３を用いて無電解めっきを使用する。基体１２の金属被覆の後、第１の導電層１４の表面を超純水ですすぎ（例えば、１分間）、エタノールですすぎ、そして窒素で乾燥させる。
【００７４】
図５Ｃは、剛毛２０を形成するために使用され得る鋳型３０を図示している。鋳型３０は、導電性のベース上に構築され得る膜または多孔質の構造であり得るか、または鋳型３０は、市販のナノ多孔性膜またはマイクロ多孔性膜（例えば、商品名Ｎｕｃｌｅｏｐｏｒｅ（登録商標）、Ａｎｏｄｉｓｃ（登録商標）またはおよびＢｌａｃｋ  Ｃｙｃｌｏｐｏｒｅ（登録商標）としてＷｈａｔｍａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから製造されているもの）のいずれかであり得る。１０ｎｍ〜５μｍの範囲のポアサイズを有するトラックエッチング膜が特に有用である。これらのトラックエッチング膜は、典型的にはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリカーボネート（ＰＣ）から作製されている。膜を、円錐形のナノケーブルをもたらすように部分的にエッチングしてもよい。円錐形のナノケーブルは、円柱形のナノケーブルよりも著しく強いと考えられているが、円柱形のナノケーブルとほとんど同じ方法で処理され得る。膜３０の選択は、作製されるＰＶセルの特徴に依存する。様々なｐ／ｎ組み合わせによって、様々な厚さが求められるがゆえに様々なケーブルサイズが求められる。電気化学堆積の前に、膜３０を磨き、メタノールに膜３０を沈め、５分間超音波処理することによってポアから気泡を放出した。
【００７５】
図５Ｄは、第１の導電層１４で被覆されている基体１２に連結した膜３０を図示している。膜３０を導電性基体１２または金属被覆された非導電性基体１２に連結するための多くの方法がある。例えば、ＴｉＯ２溶液を導電性接着剤として使用することにより、膜を表面に固定することができる。あるいは、Ｒａｄｉｏｎｉｃｓ  Ｓｉｌｖｅｒ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｉｎｔ（登録商標）を用いて膜を固定することができる。いくつかの基体は、接着を必要としない。表面接触が良好である場合、膜は単に基体の上部に置かれるだけである。あるいは、膜は、超音波溶接を使用するか、または表面および膜をジグに嵌入することによりクランプを用いて表面に接着され得る。
【００７６】
図５Ｅは、膜３０および基体１２上への金属３２の堆積を図示している。実例となるめ
っきの処理において、メタノールと水とのモル比が１：１の溶媒に溶解した０．２６Ｍ  ＳｎＣｌ２および０．０７Ｍトリフルオロ酢酸に５〜４５分間浸漬することにより、Ｓｎ増感剤を膜３０に塗布する。その膜をメタノールですすぐ。Ｓｎ２＋を孔壁および膜の外表面に付着する。次に、その膜を０．０２９ＭアンモニアＡｇＮＯ３水溶液に５分間浸漬する。これにより、Ｓｎ２＋がＳｎ４＋に酸化され、Ａｇ＋が元素状態のＡｇに還元される酸化還元反応が起きる。いくらかの酸化銀もまた生成される。
【００７７】
孔壁および膜３０が、別々のナノスケールのＡｇ粒子で被覆されるようになる。その膜を、エタノールですすぎ、水に浸漬する。次いで、膜を約０℃の７．９ｍＭ  Ｎａ３Ａｕ（ＳＯ３）２／０．１２７Ｍ  Ｎａ２ＳＯ３／０．６２５Ｍホルムアルデヒド溶液に浸漬する。金めっきを１０〜２４時間（時間は、ポアサイズに依存する）続け、その時点でナノケーブルが、完全に膜内に形成される。
【００７８】
膜の内側に材料を堆積するための別の方法は、電気泳動または遠心分離によるゾル−ゲル法、電気化学原子層エピタクシ、化学蒸着、スパッタリング、Ｅ−ビーム蒸着、熱蒸着、電子線リソグラフィおよび走査プローブリソグラフィを用いる必要がある。あるいは、周知の添加剤を溶液に溶解することにより、ナノケーブルの強度またはｎ層導体へのよりよい電気的連結を与えることができる。好ましくは、金属は、膜、基体の露出範囲をすべて被覆し、孔を埋める。金の堆積後、膜を水に浸漬し、３時間に亘って４回すすぎ、そして２５％硝酸に１２時間浸漬することにより、残留ＳｎまたはＡｇを除去する。最後に、その膜を水ですすぎ、風乾した。蒸着による金属堆積はまた、図５Ｂと同じ様式で行うことができる。無電解堆積または電気堆積の利点の１つは、基体上に金属を堆積するためにクリーンルームまたは高温を必要としない点である。
【００７９】
あるいは、膜を単独で無電解めっき溶液に入れてもよい。頂部、底部、側面およびポアが金属被覆されるようになる。上述のように膜３０を金属被覆された基体１２に接着してもよい。
【００８０】
所望であれば、原子層エピタクシを用いて膜３０の上に保護カバーを作製してもよい。電気化学エピタクシの代替法として原子層エピタクシを用いてもよい。
【００８１】
図５Ｆは、膜３０の除去によって基体１２に接着している導電性ケーブル（ナノワイヤ）３２がもたらされることを図示している。膜の除去は、溶媒抽出によって最もよく行われる。部分的な膜の除去が望ましいことが多い。層状の膜により、均一な部分的溶解を容易に達成できる。一般に、ジクロロメタンを使用して膜だけでなく、金属の外側の層を除去することにより、ナノケーブルがもたらされる。いくつかの場合において、膜が被覆された後、且つ、２５％硝酸に浸漬する前に、エタノールを用いて頂部の導電性表面を除去することにより、過剰物をぬぐい取ることができる。外側の金属を除去するためにテープを使用することができ、また、さらなる清浄工程と組み合わせてテープを使用してもよい。いくつかの場合において、膜を物理的に剥離することができる。
【００８２】
あるいは、膜自体が、その中に予め堆積された金属を有することができるか、または基体と結合する前に金属を膜に堆積することができる。その金属で孔を埋めて、膜の外面を被覆する。次いで、膜を溶解する前に、二酸化チタンまたは銀ペーストを用いてその膜を基体に接着することができる。
【００８３】
図５Ｆに示されるように、絶縁層１６として作用する適切な材料を残すまで、膜３０を溶解してもよい。あるいは、膜を完全に溶解し、任意の適当な方法（例えば、スピンコーティング、ＣＶＤなど）を用いて絶縁層を堆積してもよい。
【００８４】
絶縁層１６は、ｎ層およびｐ層からの電流の短絡を防止し得る。絶縁体はまた、ナノケーブルへのＰＶ材料の堆積を制限し得る。絶縁によって、１本のケーブルの欠陥の作用が付近のケーブルに影響を及ぼすことがなくなるので、電気めっきのような処理が実行可能になる。
【００８５】
装置のコストが低く、所望の範囲に加えてチャンバ中に材料を堆積する他の処理（例えば、スパッタリングおよびＣＶＤ）に対して比較的材料保存が良好であるので、電気めっきは、望ましい処理である。厚さは、ジクロロメタンに対する様々な曝露時間を用い、そして走査電子顕微鏡によって膜の厚さを確認することによって容易に決定され得る。
【００８６】
膜３０のすべてが除去される場合、過剰な材料が消費される。より薄い絶縁材料、または膜３０を作製している材料以外の材料が、絶縁層１６を形成するために望ましい場合、この処理が使用され得る。この場合において、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いて、基体１２上に厚さ約１μｍで所望の材料をスピンコートしてもよい。ＰＭＭＡは、膜接着剤および／または絶縁体として機能し得る。ＰＶセルに塗布され得る任意の絶縁材料は、ポリマー、シリコーンジオキシドまたは塗布中に適切な寸法管理ができる任意の絶縁体である。ＰＣ膜をＰＭＭＡの頂部に置いて、約１時間約１００℃でベーキングしてもよい。
【００８７】
いくつかの実施形態において、絶縁層を完全に除去する。ｐ層およびｎ層が適切に作製される限り、導電層との直接的な接触が可能である。
【００８８】
他の実施形態において、孔は、膜に接着した後の絶縁層に作製される。例えば、酸素による反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）および／またはウェットエッチングを用いて絶縁層１６に穴を開けることにより、ナノケーブル３２が第１の導電層１４と接触可能となる。
【００８９】
他の実施形態において、下層（この場合、絶縁層１６）に孔をエッチングするために膜をマスキング層として実際に使用することができる。
【００９０】
図５Ｇは、ｐ型半導電層２４の堆積を図示している。ｐ型半導体がＣｄＴｅである場合、例えば、室温で使用する前に、窒素で酸素を除去した５０ｍＭ  Ｈ２ＳＯ４＋１ｍＭ  ＣｄＳＯ４＋０．１ｍＭ  ＴｅＯ２溶液を用いて電気化学堆積を行う。基準電極は、Ａｇ／ＡｇＣｌ／３Ｍ  ＮａＣｌであり得、対電極は、金ワイヤであり得る。窒素乾燥を伴う超純水（例えば、１８ＭΩ）でのすすぎを堆積工程の間に行う。Ｃｄがナノケーブルに拡散するのを防ぐためにＴｅの薄層を堆積してもよい。電気化学的セルにおいて、９０℃でｐＨ１．６の０．５Ｍ  ＣｄＳＯ４および２．４×１０−４Ｍ  ＴｅＯ２水溶液からＣｄＴｅ層を堆積するとき、ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  ｆｉｌｍについての最適な堆積電位は、Ｐｔ基準電極に対して−４００ｍＶである。ＣｄＴｅはまた、アンモニア溶液中で堆積されることも知られている。剛毛表面上へのＴｅ堆積は、ＰＶデバイスのコアへのＣｄ拡散を抑制し得る。ＥＣＡＬＥ（電気化学原子層エピタクシ）、ＡＬＤ（化学蒸着システムにおける原子層堆積）またはゾル−ゲルによって、ＣｄＴｅ層を堆積することもできる。非電気めっき処理（例えば、ＣＶＤ関連法）を使用するとき、エッチングを用いて、構造のベースにおいてｐ型層２４を除去することができ、それによって絶縁層が露出し、ナノ構造間に分離がもたらされる。
【００９１】
図５Ｇはまた、ｎ型半導電層２６の堆積を図示している。ｎ型半導体がＣｄＳである場合、ＣｄＳ堆積は、約４０〜７０℃に加熱された１．５ｍＭ  ＳＣ（ＮＨ２）２、１．５ｍＭ  ＣｄＳＯ４および２ｍＭ  ＮＨ４ＯＨ中で行われる。これらの条件下において、４．５分間の曝露は、約３０ｎｍのＣｄＳ層をもたらす。ＣｄＳ層はまた、ＥＣＡＬＥ（電
気化学原子層エピタクシ）、ＡＬＤ（化学蒸着システムにおける原子層堆積）またはゾル−ゲルによって堆積され得る。さらに、非電気めっき処理（例えば、ＣＶＤ関連法）を使用するとき、エッチングを用いて構造のベースにおいてｐ型層２４を除去することができ、それによって絶縁層が露出し、ナノ構造間に分離がもたらされる。
【００９２】
図５Ｈは、ＰＶ回路を完成する第２の導電層１８の堆積を図示している。原子層エピタクシを用いて第２の導電層１８を付与してもよい。この堆積により、ナノケーブルに接触することなくｎ−導体のベースに第２の導電層が連結される。あるいは、その金属が適切な透明度を維持するのに十分薄いままである限り、図５Ｂに図示した処理において無電解金属の薄層を被覆することができる。なおも別の代替法は、透明な導電性ポリマー（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ［２−メトキシ，５−（２−エチル−ヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレン−ビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ（フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）およびポリアニリン）をナノケーブルの外側に塗布することによって回路を完成する方法である。ポリマーによって、さらなる構造上の支持がもたらされ得る。ＰＶ回路がナノスケールで構築されるので、ポリマーの侵入は、困難であり得る。この理由のために、より薄い溶液が好ましい場合がある。しかしながら、ＰＶセルの上面を露出することにより、適切な伝導がもたらされ得る。好ましいポリマーは、軽く、且つ酸素に安定性である。電気的な接触をもたらすために、多くの異なる導電性ポリマーが有用である。
【００９３】
さらに、ゲル電解質を使用して、ｎ層に対して電気的な接触をもたらすことも可能である。電解質溶液は、ポリ（４−ビニルピリニジン（ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｎｉｄｉｎｅ））、ポリ（２−ビニルピリニジン）、ポリエチレンオキシド、ポリウレタン、ポリアミドおよびリチウム塩の組み合わせであり得る。そのリチウム塩は、ヨウ化リチウム、臭化リチウム、過塩素酸リチウム、チオシアン酸リチウム、リチウムトリフルオロメチルスルホネートおよびいくつかの名称が付けられている六フッ化リン酸リチウムであり得る。
【００９４】
図５Ａ〜５Ｈは、ソーラーブラシ１０の例示的な作製方法を図示しているが、多くの適当な処理の変法が存在する。例えば、有機光起電力材料を使用することができる。例えば、Ｓｗｉｓｓ  Ｆｅｄｅｒａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙで開発されたＭｉｃｈａｅｌ  Ｇｒａｅｔｚｅｌ博士および共同研究者の技術に基づいてＰＶセルを作製することができる。ナノ剛毛の金属コアを、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｗ、ＮＢ、ＴａおよびＴｂに基づいて金属酸化物から作製することができる。次いで、有機色素（例えば、キサンチン、シアニン、メルコシアニン（ｍｅｒｃｏｃｙａｎｉｎｅ）およびフタロシアニン）およびピロール（ｐｙｒｏｌ）でケーブルを被覆することができる。これらの化合物の多くが、Ｋｏｎａｒｋａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって試験されており、低温焼結用に開発されている。幸運にも、ナノケーブルでは、焼結の懸念が排除され、そして有機化合物を容易に塗布することが可能になり、ナノブラシの表面上において有機化合物を効果的に使用することが可能になる。
【００９５】
また、マイクロポアを有する任意の膜を、基体１２に適用することにより、ＰＶブラシを作製することができる。また、任意の金属堆積が、化学蒸着、プラズマ蒸着堆積、有機金属蒸着堆積、電気化学堆積（電気化学エピタクシ、アンダーポテンシャル析出）、液相エピタクシ、分子ビームエピタクシ、ホットウォールエピタクシ、スパッタリング、Ｅ−ビーム蒸着および熱蒸着、無電解堆積、化学浴堆積、ゾルゲルおよび溶液法、気液固体法、音化学法ならびにマイクロ波法である場合、ナノポアに働きかけるはずである。
【００９６】
図５Ａ〜５Ｈに図示されている方法の代わりに、またはその方法の変法として、金属陽極酸化処理を用いてある特定の金属酸化物のナノ多孔性構造を得ることができる。他のシステムのうち、規則的なナノ多孔性構造を形成するために、Ａｌ、Ｔｉおよび透明な導電
性酸化物が陽極酸化され得る。
【００９７】
１つの実験において、酸化スズを陽極酸化した。電気析出の前に、導電層として作用する陽極酸化したアルミニウム（ＡＡＯ）膜の一方の側にＡｕ薄膜をスパッタリングした。２５ｇ／Ｌのクエン酸３ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ  ｔｒｉｃｉｔｒａｔｅ）および７ｇ／Ｌの二塩化スズを含む電解質中で１時間、０．７５ｍＡ／ｃｍ２の定電流密度でＡＡＯ膜の孔にＳｎの電気析出を行った。ＡＡＯ膜に包埋されたＳｎを０．２Ｍホウ酸（ｐＨ値を０．５Ｍ  ＮａＯＨ（ａｑ）で８．６に調整した）中、１０Ｖで陽極酸化した。電流密度がほぼ０に低下するまで陽極酸化を続けた。次いで、０．５Ｍ  ＮａＯＨ（ａｑ）を用いたウェットエッチングによってＡＡＯ膜を除去し、その結果、ナノ多孔性酸化スズナノロッドのアレイがもたらされる。最後に、サンプルを５００℃で３時間、空気中でか焼した。
【００９８】
本発明の１つの実施形態は、ナノ多孔性ナノ構造を形成する方法を提供する。表面合金を用いて、ナノ構造表面を滑面から粗面に変化させ得る。ナノ多孔層は、表面中の（剛毛体積全体ではなく）いくつかの単層に閉じ込められており、なおも純粋な金属コアを維持しているので、この方法によって得られたナノ多孔性またはナノ粗面のナノ構造は、非常に頑強である。
【００９９】
粗い外表面を有するナノ構造を作製するために、１つの実施例において、Ｃｄの薄膜（例えば、単層）を、上述の金の剛毛の表面上に堆積することができる。アンダーポテンシャル（ｕｎｄｅｒ−ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）領域（Ｃｄバルク堆積電位よりも高い正の電位）で数分間Ｃｄの電気化学堆積を行い、次いで、電位をより高い正の値に切り替えることによってＣｄ層を除去する。Ｃｄ層をストリッピングすることにより、粗いＡｕ表面が残る。腐食性材料に曝露した後、Ｃｄが溶解し、固いコアを有する、でこぼこであるが頑強なナノケーブルがもたらされる。アンダーポテンシャル領域（Ｃｄバルク堆積電位よりも高い正の電位）で数分間Ｃｄの電気化学堆積を行い、次いで、電位をより高い正の値に切り替えることによってＣｄ層を除去する。前述のように、Ｃｄ層をストリッピングすることにより、粗いＡｕ表面が残る。この方法を、界面（例えば、Ｐｔ−Ｍｅ（Ｍｅ＝Ａｇ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｈｇ）；Ａｕ−Ｍｅ（Ｍｅ＝Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｈｇ、Ｓｎ）；Ａｇ−Ｍｅ（Ｍｅ＝Ｃｄ、Ｐｂ）において合金を作製する方法を示す任意の合金システムに適用することができる。
【０１００】
この実施例において、Ａｕナノケーブルアレイは、作用電極であり、電気化学的吸脱着（ＥＣＡＤ）処理をＡｕ−Ｃｄ系に適用する。使用する前に窒素で酸素を除去した５０ｍＭ  Ｈ２ＳＯ４＋１ｍＭ  ＣｄＳＯ４溶液中、室温においてＣｄの電気化学堆積を行う。本明細書中で報告されるすべての電位は、標準水素電極（ＮＨＥ）に対するものである。様々な電位で、アンダーポテンシャル析出（ＵＰＤ）領域、すなわち−０．３〜−０．４９Ｖにおいて、様々な回数のＣｄの電気化学堆積を行った。析出の間、表面の形態は変化しない。従って、合金の形成は、剛毛を変形せず、ナノ構造アレイに影響を及ぼさない。電位を０．６５Ｖに変更することによってカドミウム層をストリッピングすることにより、粗い表面がもたらされる。析出条件（この場合、電位および時間）に応じて、本発明者らは、合金の侵入の深さを制御することができる。
【０１０１】
提案した方法によって作製される、目的に合わせて調整されたナノ多孔性金属ナノ構造アレイはまた、特にバイオマテリアルの意味でのセンサーへの応用、触媒および電極に適している場合がある。ナノケーブルは、上述の方法を使用して被覆され得るが、最初のケーブルの少なくとも１０×表面積を有し得る。あるいは、電気化学的アニールによって滑面のナノケーブルを得ることができる。この方法は、いくつかの利点を有する。第１には、その後の層（ＣｄＴｅ）の電気化学堆積を同じ電気化学的セルにおいて行うことができ
る；これにより、サンプルを扱っている間の混入が排除される（特に、巨大な表面積を有するナノ構造にとって、混入は、最も重要な問題である）。
【０１０２】
第２には、ナノ多孔性構造が、表面中（剛毛体積全体ではなく）いくつかの単層に閉じ込められており、なおも純粋な金属コアを維持しているので、ナノ−粗面ナノ構造は、より頑強である。
【０１０３】
第３には、堆積条件を変化させることによって、数マイクロメートル（実際は、直径１００ｎｍの円柱に対する表面層である）以内で表面の粗さを制御することができるので、構造上の完全性を維持しながらケーブルを粗くすることができる。
【０１０４】
第４には、その後のＣｄＴｅおよびＣｄＳならびに最後のＴＣＯまたはポリマーの等角堆積層において、多孔性構造をさらに強くする。最後の利点は、複数の反射（光が剛毛のナノサイズの空洞に捕捉され、隣の剛毛に反射する前にいくらかの反射が生じる）が光吸収の効率を増大させる点である。
【０１０５】
Ｃｄ／Ａｕ法は、特に頑強である。
剛毛２０は、表面積を増大させる形をとり得る。例えば、剛毛２０は、「分枝」またはナノケーブル中に孔を有し得る。孔は、記載したようにＣｄ／Ａｕ合金を堆積し、陽極酸化することによって作られ得る。
【０１０６】
図５Ａ〜５Ｈの方法に対する別の代替法として、図６Ａ〜６Ｆに図示される、ナノケーブルが最後の工程の１つとして形成される逆ナノケーブル作製（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｎａｎｏｃａｂｌｅ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）法を用いて、ソーラーブラシ１０を作製してもよい。逆作製（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）法において、ナノケーブルは、図５Ａ〜５Ｈの方法とは異なり、導電層の１つの後に作製される。ＴｉＯ２ナノ構造のゾル−ゲル作製用にチタンイソプロポキシドが、前駆体分子として使用され得る。
【０１０７】
図６Ａは、逆作製法に使用され得る鋳型膜６０を図示している。鋳型膜６０は、基体６２（例えば、ソーダ石灰ガラス）を有する。鋳型膜６０は、基体６２を高純度アルミニウム層で被覆することによって得られる。透明な酸化物層は、２工程の陽極酸化処理：アルミニウム層上の堆積および多孔質アルミニウム層カラム６７の形成によって形成される。基体上に被覆された実質的にすべての高純度アルミニウム層を酸化することにより、アルミニウム層カラム６７が形成される。多孔質アルミニウムカラム６７間の領域は、鋳型膜６０の孔６４である。導電層または半導電層６６を基体６２上に堆積する。
【０１０８】
図６Ｂは、孔における透明な導電性酸化物のゾルゲル堆積を図示している。ゾルゲル堆積は、接着しているか、または剥離した多孔質膜において行うことができる。第１に、チタンイソプロポキシドを９５％エタノールに溶解することにより、典型的には２０ｖ／ｖ％の濃度が得られる。次いで、２５ｍＬのエタノールを０．５ｍＬの水および０．５ｍＬの０．１Ｍ  ＨＣｌと混合することによって第２の溶液を調製する。次いで、等体積のチタンイソプロポキシド溶液と第２の溶液とを併せることにより、ＴｉＯ２ゾルが得られる。次いで、鋳型膜６０を所望の時間に亘ってこのゾルに浸漬し、取り出し、そして３０分間風乾させる。次いで、ゾル含有膜を大気中で２４時間４００℃に加熱する。この手順により、孔内にＴｉＯ２の細管または小繊維および鋳型膜の両面にＴｉＯ２フィルムがもたらされる。集密なナノ構造を得るために、電気泳動および遠心分離を適用することができる。透明な導電性酸化物柱６８を、任意の導電性酸化物材料または例えばＴｉから形成し、導電性酸化物材料を、プラズマ蒸着堆積ＰＶＤによってその上に形成する。
【０１０９】
図６Ｃは、鋳型膜６０の多孔質アルミニウムカラム６７の除去を図示している。１５０
０グリットサンドペーパーまたは超短レーザーパルスもしくは他のウエハ作製フライス削り技術を用いたナノスケールのフライス削りで鋳型膜６０を磨くことによって表面フィルムを除去することができる。所望であれば、次いで、水性塩基に浸漬することによってアルミナ鋳型膜６０を溶解することにより、合成されたＴｉＯ２柱６８を露出させることができる。
【０１１０】
図６Ｄは、柱６８上へのｎ型半導体層７０の堆積を図示している。ｎ型半導体層７０は、ＣｄＳを含み得、これにより、電気化学的に堆積することができる。ＣｄＳはまた、柱６８の間の導電性酸化物層６６上にも堆積される。
【０１１１】
図６Ｅは、ｐ型半導体層７０上へのｐ型半導体層７２の堆積を図示している。ｐ型半導体層７２は、ＣｄＴｅを含み得、これにより、電気化学的に堆積され得る。ＣｄＴｅはまた、ＣｄＳ層の間の領域にも堆積され得る。
【０１１２】
図６Ｆは、金属接触物７４の無電解堆積を図示している。金属接触物７４は、ＣｄＴｅ層の間の間隙を埋め、それによって実際には格子として出現し得るナノケーブルが形成される。この処理は、極度な高アスペクト比でＡｕおよびＣｕナノケーブルを形成するために特に有用であり得る。
【０１１３】
ナノケーブル間に絶縁層を形成するために、上面の金属接触物７４を除去して、導電性ナノワイヤおよびｐ層で作製された多層表面を露出させることができる。次いで、ｐ層およびｎ層を選択的にエッチングした結果、上面から突き出た導電性ナノワイヤをもたらすことができる。次いで、絶縁層を塗布することができ、次いでその表面を磨くことによって、導電性ナノワイヤおよび絶縁層で作製された多層表面が生じる。次いで、ナノワイヤとの接触をもたらす導電層を塗布する。
【０１１４】
アスペクト比が大きすぎる場合、軟質のナノケーブルは、それ自身の重量によって崩壊し得る。丈の高いＡｕまたはＣｕナノケーブルは、脆弱性であり得、Ａｕを他の金属と合金にすることまたは金を硬質な金属コーティングで強化することによって、その強度を増大してもよい。図７Ａ〜７Ｈは、脆弱性ナノケーブルを強くするために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。高温で機能する任意の硬質金属（例えば、ニッケルまたはモリブデン）が、金属強化に使用され得る。しかしながら、明確にするために、図７Ａ〜７Ｈは、強化金属としてニッケルを使用して説明されている。
【０１１５】
図７Ａに示されるように、金属強化処理は、基体８０を提供することによって開始する。図７Ｂに示されるように、第１の導電層８２の堆積によって、基体８０を金属被覆する。好ましくは、基体８０は、ケーブルのベースにおいて物理的に強い接合を促進するだけでなく良好な伝導性をもたらす、ナノケーブルコアと同じ卑金属である。第１の導電層８２は、示されるように高さｈを有し得る。第１の導電層８２は、例えば、９９．９９％純粋アルミニウムであり得る。次いで、図７Ｃに示されるように、第１の導電層を、制御された温度および電圧下で酸化することにより、孔８５を有する予め選択された形の金属酸化物多孔質膜８４が形成される。酸化の間に大きな成長が起きないので、金属酸化物多孔質膜８４の高さは、ほぼｈのままである。所望であれば、金属酸化物膜８４を形成する代わりに、適切な商業的な膜を使用してもよい。
【０１１６】
図７Ｄは、金属酸化物多孔質膜８４鋳型が、約６５０〜７５０℃のアルゴン環境においてエチレンに曝露されることにより、カーボンナノチューブ８６が形成されることを示している。その曝露は、基体８０および膜８４で作製されている「鋳型」を加熱チャンバに置き、エチレンをチャンバに加えることによって、行われ得る。最初に、金属酸化物膜８４の上だけでなく、孔８５の底部および内壁上に炭素層を形成する。しかしながら、その
炭素層を、金属酸化物膜８４の頂部および孔８５の底部から除去することによって、図７Ｄに示されるようなカーボンナノチューブ８６がもたらされる。エッチング（例えば、ＲＩＥまたはウェットエッチング）または研磨を用いて、炭素層の選択部分を除去してもよい。カーボンナノチューブ８６は、金属酸化物膜８４の内側の壁に沿って形成される。
【０１１７】
図７Ｅは、ニッケルをカーボンナノチューブ８６上に電解めっきすることによってなされ得るニッケル堆積を示している。堆積後、そのニッケルを大気中で４００℃に加熱することにより、酸化ニッケルナノチューブ８８が形成される。次いで、ニッケルナノチューブ８８を、図７Ｆに示されるようにコア金属９０（例えば、金または銅）で満たす。図７Ｇに示されるように、鋳型およびナノチューブを６００℃の大気に曝露することにより、カーボンナノチューブを焼き落とす。示されるように、カーボンナノチューブ８６の除去により、ニッケルで強化されたコア金属９０と金属酸化物膜８４とを分離する間隙８７がもたらされる。図７Ｈにおいて、金属酸化物膜８４（この場合、酸化アルミニウム）を、例えば、水酸化ナトリウムに溶解することによって除去する。ニッケル強化ナノケーブル８８＋９０が残る。
【０１１８】
所望であれば、間隙８７（図７Ｇを参照のこと）を光起電力ポリマー（例えば、有機ポリマー）または二酸化チタンで満たしてもよい。カーボンナノチューブ８６の大きさによって決定される間隙８７のサイズは、最終的に形成するナノケーブルの直径を決定する。特に、間隙８７がナノケーブルの最外側の壁を形成する材料で満たされる場合、間隙８７のサイズは、最外側の壁の厚さを決定する点で重要である。
【０１１９】
図８は、図７Ａ〜７Ｈに模式的に図示した硬質金属強化処理９２の工程の概要を示すフローチャートである。第１に、基体を、導電層の堆積によって金属被覆する（工程９４）。陽極酸化された孔を有する膜を、金属被覆された基体上に形成し（工程９６）、そしてカーボンナノチューブをその膜の上に形成する（工程９８）。コアに空洞を形成するために、ニッケルなどの硬質金属をカーボンナノチューブ上に電気めっきする（工程１００）。次いで、そのコアを、ナノケーブルを形成するためにコア金属（例えば、金または銅）で満たす（工程１０２）。次いで、カーボンナノチューブを除去し（工程１０４）、鋳型を溶解する（工程１０６）ことにより、金属強化ナノケーブルがもたらされる。
【０１２０】
コア金属が金（軟質過ぎる場合がある）である場合、銅ナノチューブが、ニッケルナノチューブ上に形成され得るか、またはニッケルナノチューブの代わりに、金ナノケーブルに対する強化物が形成され得る。
【０１２１】
ナノケーブルはまた、図９Ａ〜９Ｈに示されるように、それらの寸法をより正確に制御することによって強化され得る。図７Ａ〜７Ｈの金属強化プロセスと同様に、基体１００が提供され（図９Ａ）、９９．９９％純粋アルミニウムであり得る導電層１０２を付加することによって金属被覆される（図９Ｂ）。制御された条件下でそのアルミニウムを酸化することによって、孔１０５を有する酸化物鋳型１０４が生成される（図９Ｃ）。導電層１０２の実質的にすべてが、酸化物鋳型１０４に変化する。次いで、図９Ｄに示されるように、その表面上に第１のポリマーを堆積し、硬化させることにより、第１のポリマー薄膜１０６が形成される。ポリマー堆積（例えば、インクジェットコーティングによって）および硬化を、任意の回数行うことにより、所望されるのと同程度の数のポリマー薄膜が形成され得る。図９Ｅにおいて、ポリマーの第２の層を堆積し、硬化することにより、第２のポリマー薄膜１０８が形成される。
【０１２２】
図９Ｆに示されるように、膜の上面および孔の底部上のポリマー薄膜１０６、１０８を除去する。次に、金属の無電解堆積または電気化学堆積が、孔１０５の内側で起き得る（図９Ｇ）。溶媒抽出により、ポリマー薄層１０６、１０８が除去され、そしてＮａＯＨ抽
出により、金属酸化物鋳型１０４が除去されることによって、正確に設計されたナノケーブルがもたらされる（図９Ｈ）。ポリマー（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ［２−メトキシ，５−（２−エチル−ヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレン−ビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ（フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）およびポリアニリン）が、ポリマー薄層１０６、１０８として使用され得る。
【０１２３】
図１０は、図９Ａ〜９Ｈに図示した金属強化処理の工程の概要を示すフローチャートである。第１に、基体を、その表面上に導電性材料を堆積することによって金属被覆する（工程１１２）。金属被覆された基体上に膜（鋳型）を形成し、その膜は、所望のサイズおよび形の、陽極酸化された孔を有する（工程１１４）。１つ以上のポリマー層を堆積し、硬化する（工程１１６）。水平面（例えば、鋳型の上部および孔の底部）上のポリマー層を、反応性イオンエッチングによって除去する（工程１１８）。その孔をコア金属（例えば、金または銅）で満たす（工程１２０）。次いで、ポリマー層を溶解し（工程１２２）、溶媒抽出によって膜を除去する（工程１２４）。
【０１２４】
図１１Ａ〜１１Ｉは、カーボジャケット処理を用いて、有機ナノケーブルを作製し得ることを図示している。図１１Ａは、表面に導電層１３２が堆積した基体１３０を示している。図７Ｃを参照して上述した様式と同じ様式において、金属酸化物膜１３４を形成し、ここで、その膜は、所望の形状およびサイズの孔１３５を有する（図１１Ｂ）。図１１Ｃに示されるように、図７Ｄを参照して上述した様式と類似の様式で孔１３５の内壁上にカーボンナノチューブ１３６を形成し、二酸化チタン１３８を用いて、孔１３５の残存しているコア部分を満たす（図１１Ｄ）。示されるように、二酸化チタン１３８は、孔１３５を満たし、「あふれ出る」ことにより、カーボンナノチューブ１３６および金属酸化物膜１３４の上にキャップ１３９を形成する。図１１Ｅにおいて、例えば、濃Ｈ２ＳＯ４エッチングなどの任意の適当なエッチング法によって、二酸化チタン１３８のキャップ１３９を除去する。
【０１２５】
二酸化チタンキャップ１３９を除去し、約６００℃の大気に曝露することにより、カーボンナノチューブ１３６を焼き落とし（図１１Ｆ）、その結果、二酸化チタンコア１３８と金属酸化物膜１３４との間に間隙１４０が形成される。次いで、有機Ｇｒａｅｔｚｅｌ色素１４２を堆積することにより間隙１４０を埋め、そして有機キャップ１４１が形成される（図１１Ｇ）。ポリマー（例えば、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）、ポリ［２−メトキシ，５−（２−エチル−ヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレン−ビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ（フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）およびポリアニリン）またはＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  Ｉに記載の他の任意の適当なポリマーを、Ｇｒａｅｔｚｅｌ色素１４２とともに導体として使用してもよい。有機Ｇｒａｅｔｚｅｌ色素１４２は、インクジェットプリンタで噴霧され得、輪転グラビア処理で使用され得、ドクターブレード上に噴霧され得、そしてドクターブレードで拭き取られ得る。ほとんどの適当な塗布により、最小の有機キャップ１４１がもたらされる。この予備的な除去の後、有機キャップ１４１をエッチングする（例えば、ＲＩＥで）か、または溶媒洗浄により除去することにより、除去処理が完了し得る（図１１Ｈ）。次いで、金属酸化物膜１３４を、例えば、二酸化チタンの上の金属酸化物を優先的に除去する、慎重に選択したエッチング液（例えば、ＮａＯＨ）を用いたウェットエッチングによって除去する（図１１Ｉ）。いくつかの実施形態において、除去が必要なくなるように、金属酸化物膜１３４を透明であるように作製する。
【０１２６】
図１２は、図１１Ａ〜１１Ｉに図示したカーボンジャケット処理の概要を示すフローチャートである。示されるように、必要であれば、基体表面を金属被覆する（工程１５２）。基体上に金属酸化物膜を作製することによって、陽極酸化された孔を形成する（工程１５４）。次いで、カーボンナノチューブを陽極酸化された孔の壁上に形成し（工程１５６
）、孔の残存しているコア部分に二酸化チタンを堆積する（工程１５８）。あふれ出て、二酸化チタンキャップを形成した任意の二酸化チタンをエッチングにより除去し（工程１６０）、その結果、カーボンナノチューブが露出する。そのカーボンナノチューブを焼きおとし（工程１６２）、それにより二酸化チタンと金属酸化物膜との間に間隙がもたらされる。有機ポリマーを堆積してその間隙を埋め（工程１６４）、あふれ出てキャップを形成する任意の有機ポリマーを、例えば、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって除去する（工程１６６）。次いで、金属酸化物膜をＮａＯＨで溶解する（工程１６８）。得られたナノケーブルは、有機ポリマーで強化された二酸化チタンコアを有する。このナノケーブルを、ｎ型導体として作用する導電性ポリマーで被覆してもよい（工程１７０）。
【０１２７】
図１３Ａは、導体１８０上に堆積した絶縁体１８１を示している。この絶縁体は、任意の絶縁材料（例えば、金属酸化物、シリコーンジオキシドまたはポリマー）であり得る。この絶縁体は、ＣＶＤまたはスパッタリングによって塗布され得る。この絶縁体はまた、導体１８１上に堆積した金属から陽極的に成長され得る。図１３Ｂは、どのようにして、この絶縁体がウェットエッチングまたはドライエッチングされることにより、導体１８０まで続く孔を形成し得るかを示している。次いで、図１３Ｃは、その導体が、本明細書中に含まれる電気めっきまたは無電解堆積法によって堆積され得ることを示している。図１３Ｄは、導体が部分的にエッチングされることを示している。シリコーンジオキシドの場合は、ＫＯＨ溶液をエッチングに使用することができ、ポリマーの場合は、ジクロロメタンが使用され得る。図１３Ｅは、ｐ−導体１８０、絶縁体１８１、ｐ層１８２、ｎ層１８３およびＴＣＯ１８４を有する完成したナノケーブルを示している。
【０１２８】
図１４は、様々な環境要素から保護するために光学的ケーシング４０に被包されたソーラーブラシ１０を示している。光学的ケーシング４０はまた、透明なポリマーから作製され得る。光学的ケーシング４０は、光を透過するが、土壌および湿気の混入を最小限にするフィルム導電性酸化物から作製され得る。この用途に対する通常の材料としては、Ｓｎ２Ｏ２でドーピングされたＳｎ、Ｉｎ２Ｏ３でドーピングされたＳｎ、ＺｎＳｎＯ３、ＺｎＯでドーピングされたＢ、Ｉｎ２Ｏ３でドーピングされたＦ、ＳｎＯ２でドーピングされたＦ、Ｃｄ２ＳｎＯ４でドーピングされたＦ、ＺｎＯでドーピングされたＦ、ＴｉＮ、Ａｇ、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｉｎ２Ｏ３でドーピングされたＧｅ、ＳｎＯ２でドーピングされたＧｅ、Ｚｎ２ＳｎＯ４でドーピングされたＧｅ、ＺｎＯ／ＣｄＳ、ＺｎＯ／ＺｎＳｅ（ＣｄＴＥおよびＣｕＩｎＳｅ２用）、ＺｎＯ／ＩｎｘＳｅｙ（ＣｄＴＥおよびＣｕＩｎＳｅ２用）、ＳｎＯ２／ガラス、ＺｎＯ／ＣｄＳ、Ｃｄ２ＳｎＯ４／Ｚｎ２ＳｎＯ４、Ｚｎ（Ｓｅ，ＯＨ）、Ｚｎ（Ｓｅ，Ｏ）およびＣｄ２ＳｎＯ４／Ｚｎ２ＳｎＯ４が挙げられる。さらなる導電性のために、小さいワイヤもしくは金属片または金属被覆されたガラスの薄いバンドをさらなる導電性のために加えることができる。金属は、反射を低下させるのを最小限にすべきであるが、適切な電気伝導に対して十分であるべきである。低鉄ガラスおよび押し出しアルミニウムの従来のケーシングもまた、既存のＰＶモジュールに適合する形態のモジュールを作製する際に使用してもよい。
【０１２９】
いくつかの実施形態において、バック接点を使用する。バック接点は、セルの頂部の高バンドギャップ材料からセルの底部の低バンドギャップ材料に光子を反射する２重層光起電力セルに特に有用であり得る。その反射は、光が反射物からＰＶ材料を通る単一の光路を有することを可能にする。反射性のバック接点を使用する場合、光学的な反射物としては、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｎｉ、ＮｉＴｅ２およびＴｅ／ＣｄＴｅが挙げられ得る。
【０１３０】
土壌の蓄積は、最終的には太陽電池の有効性を低下させ得る。フルオロシリコーンポリマーは、土壌の付着を大きく低減し得、そして暴風雨の間に最大の洗浄を可能にし得る。さらに、ロータス効果を示す任意の熱的に安定な材料（低表面は粒状接着用である）を用
いてＰＶセルの塵を排除し得る。
【０１３１】
太陽電池の維持を補助するために、セルの不調を容易に特定し、交換し得るように、ＬＥＤまたは液晶ディスプレイが、太陽電池の出力またはＰＶセルユニットの操作を表示し得る。上述のように、従来のＰＶセルに対してソーラーブラシ１０には多くの利点が存在する。ソーラーブラシ１０は、高い熱安定性を示す。ナノ粒子とは異なり、平均粒径が小さくなると線形熱膨張係数が増大する場合（例えばＣｕ）、Ｃｕナノワイヤは、バルクＣｕの熱膨張係数より小さい熱膨張係数を示す。高い熱安定性は、粒界構造およびナノ構造の高いアスペクト比に関する。デイジーチェーン接続はまた、熱膨張収縮に起因するストレスクラッキングに対してより高いポテンシャルを有し得る大きなシートを有することに対抗して、チップサイズを極小さくして、次いで、それらを接続することによって潜在的な熱膨張／熱収縮問題と戦い得る。セル間のデイジーチェーンはまた、ＰＶブラシアレイに可撓性を付与し得る。これを達成するために、セルは、特別な接続のメカニズムを有することにより、処理の間のフィルムのキャリアが頑強であることおよび組立ての速度を上げるという、二重の目的を果たし得る。
【０１３２】
その方法は、導電性シート上での導体の成長を説明するので、現在のＰＶセル作製を悩ませる故障率は、大きく改善され、その結果、さらにコスト／効率の利点がもたらされる。
【０１３３】
ＰＶブラシのさらなる利点は、電子が半導電層を通って導電層に拡散する距離が、従来のＰＶセルの距離よりも短く、それによってＰＶセルの内部抵抗が低下し、さらなる発電効率がもたらされる点である。ＰＶ剛毛が薄いので、ＰＶ剛毛は、平面状のセルに必要とされる材料の少数を使用する。種々の有機半導体および無機半導体が、導電性コアに塗布され得、そしてその厚さを発電および安定性に対して容易に最適化することができる。
【０１３４】
太陽電池パネルに加えて、ナノ電子アセンブリもまた、光学チップにおける発光に使用され得る。光学チップは、半導体チップに置き換わるものと広く考えられている。光学チップは、光を妨害せずに伝達することができる狭小な経路を有しているのに対し、半導体チップは、回路と次の回路との間に対する電界効果によって制限される。独特の色属性を有するマイクロ光源が、光学チップ技術には不可欠である。ナノ電子アセンブリはまた、そのようなチップに対するナノ光源として使用され得る。さらに、ナノダイオードは、極端に鮮明なビデオモニター用のフラットスクリーンディスプレイにおいて使用され得る。さらに、ナノダイオードは、非常にエネルギー効率的な照明に使用され得る。
【０１３５】
ＰＶブラシは、柔軟な作製オプションを有し、それらとしては、膜作製技術またはフォトリソグラフィｅ−ビーム、低密度層状機械的スコアリング（ｌｏｗ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｌａｙｅｒｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｃｏｒｉｎｇ）、ナノ多孔性鋳型（ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ  ｔｅｍｐｌａｔｅｄ）、電気めっきおよび電気的アークが挙げられる。これらの作製方法は、セルを、最大ソーラー効率、最大空気力学的効率、最大美的魅力または上述の特性の組み合わせを有する形状に形づくり、硬化し得る種々の膜／ナノ多孔性媒体において使用され得る。可撓性のユニットはまた、小さい硬質ユニット間のデイジーチェーン接続によってか、または可撓性の基体の使用によって達成され得る。高温では、不均等な熱膨張が、クラッキングおよび同様に摩耗を引き起こし得る。このＰＶセルの各コンポーネントが、熱膨張を最小にする大きさにされ、さらにＰＶアレイ間の柔軟なエキスパンジョンジョイント導電性接続で最適化され得るので、高温分解が軽減される。さらに、ソーラーブラシの表面積が大きくなるにつれて、従来の平らなユニットと比較してＰＶ太陽電池下で発生される熱が減少し、不必要な発熱性を大きく低下させることができた。１つのさらなる利点は、マイクロ導体が、しばしば高温で抵抗を低下させるという点であり；ゆえに、ＰＶブラシは、より高い作動温度において従来のＰＶセルよりも効率的にエ
ネルギーを伝達することができる。
【０１３６】
最終的に、形状は、熱を捕捉または放出するように使用され得る。熱が、ある特定の点の上のエネルギーにとって有害であることが見出されていた場合、そのユニットは、抜け口を有するように設計され得る。しかしながら、ナノケーブルの性能は、大規模ワイヤとは異なり得ることに注意されたい。大規模ワイヤ／ケーブルが、高温において電気的な流れに対して高い抵抗性を有するのに対し、エネルギーの流れは、ナノスケールの構造における粒界を通る向上されたフローによって改善し得る。
【０１３７】
発電力は、１日あたりの平均電力に関する。Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａにおける様々な町についての日照時間（ｓｕｎ  ｈｏｕｒｓ）の中央値は、Ｇｏ  Ｓｏｌａｒ（登録商標）社のウェブページ（ｗｗｗ．ｓｏｌａｒｅｘｐｅｒｔ．ｃｏｍ／Ｐｖｉｎｓｏｌａｔｉｏｎ．ｈｔｍｌ）によると６．１８ｋＷ／（日＊ｍ２）である。太陽エネルギーは、米国国立再生可能エネルギー研究所の知見によって公的に利用可能なデータに基づいて、平均して１日あたり約６時間取り出される。分布は、一般に、以下の分布を有するガウス曲線として与えられる：
【０１３８】
【数１】
2009507397.tif 000007
【０１３９】
μの平均＝６時間、σの標準偏差＝１時間および平均的な日の総和電力（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ）を６．１８ｋｗｈ／ｍ２と仮定すると、最大エネルギーが得られる。ｘ＝μのとき、理論上の最大発電量は、約４．９３３ｋＷ時／ｍ２である。層状にすることと、太陽光に関する事象の各々がｐ−ｎ接合付近で生じる重要性と、ホットスポットの減少とに関するＥＵ研究に基づくと、ＣｄＴｅ系は、その理論的な効率限界に近づき得る。効率は、単一層系によって３０％の高さを得ることができ、本発明者らが、高バンドギャップ系と低バンドギャップ系（先に記述した）とを併せる場合、より高くなる可能性がある。分布は、図１５に示されるとおりである。
【０１４０】
電力の計算は、以下のとおり行われる：
Ｐ＝６．１８ｋＷｈ／（ｍ２×ｄ）（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ市に対する平均値から）
ＰＢｒｕｓｈ＝Ｐ×Ｅ×Ｏ
例えば、ＣｄＴｅ／ＣｄＳ  ＰＶセルについてＥ＝２９（２９％効率）およびＯ＝配向性獲得（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  ｇａｉｎ）１．４４（４４％増）の場合、ＰＢｒｕｓｈ＝２．６０ｋＷ時／（ｍ２×ｄ）（ＣＡにおける平均的な町における平均的な日）。しかしながら、ブラシは、太陽の方向の調整の必要がほとんどないので、約４４．８％増の効率を獲得することができることに注意されたい。ソーラーブラシ１０の配向性は、性能に対して多大な影響を及ぼし得る。平面状のＰＶモジュールは、配向性が不良であるがゆえに最大４４％の電力を損失し、しばしば「太陽コンパス」を用いて再配向する必要がある。ソーラーブラシ１０は、その独特の構造に起因して、再配向の必要がない。
【０１４１】
ＰＶデバイスを通る電気的な流れが十分高い場合、熱起電力の発生（すなわち、蒸気タービンタイプの発電）または家庭用の温水装置に使用され得る冷却システムもまた可能であり得る。
【０１４２】
太陽からの光の大部分は、大気中に散乱する。ソーラーブラシ１０を用いて散乱光を集めることによって、より高いエネルギー産生がもたらされるはずである。複数接続された
太陽電池からさらにエネルギーを得ることにより、その効率を、現在可能であると考えられている効率の２倍に増大させ得る。
【０１４３】
ソーラーブラシ１０は、所与の材料についての最大理論効率におそらく近づく。ブラシは、ほぼ透明に作製され得るので、ほとんどの光は、セルを通過し続ける。実際に、ブラシは、∞の厚さであるように思われる。剛毛が、安定な太陽光の吸収に十分な厚さで設計され得るので、各吸収事象は、ｐ−ｎ接合付近において起き得る。ｐ−ｎ接合付近の吸収事象の発生は、セル効率を向上する。セル効率を向上するための別の手がかりは、局在性の加熱を減少させることである。太陽光の吸収が起きるたびに、そのエネルギーの一部が電子を放出し、エネルギーの一部がセルを加熱する。この加熱は、セルの効率を低下させる。セルが後方反射に依存するとき、セルは、所与の面積に対して熱負荷を倍増する。太陽は、空を横断するので、侵入角度は変化し続け、太陽光の流れの軌道が変化し続けるので、光子が衝突する「新しい」材料が多量に存在する。ソーラーブラシ１０を用いるとき、層の厚さを制御することによってより多くの吸収事象をｐ−ｎ接合付近で起こすことができ、光の流れは、より多い量のＰＶ材料を貫通することになる。多重接合材料が、将来において効率を最大にする手がかりであると考えられている。表５は、いくつかの材料についての潜在的な効率、バンドギャップおよびフィールド効率（ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示している。
【０１４４】
【表５】
2009507397.tif 000008
【０１４５】
好ましくは、効率を現在の技術と比較することにより、最大電力の増加が得られる。表６は、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａの場合の潜在的なエネルギー効率および発電能力を示している。
【０１４６】
【表６】
2009507397.tif 000009
【０１４７】
太陽集光器を使用することにより、ブラシに対する発電量および実効面積を著しく増大することができる。太陽集光器は、表面に対して直角である広い領域の光を向け直すことができ、それによって、ブラシの深さにおける表面積を利用する。９０°に近い角度の光だけが、高い位置の外殻に侵入することができる。図１によって示される侵入の深さは、剛毛間の距離×ｔａｎθである。θが９０°に近づくとき、ｔａｎθは、∞に近づき、必要な侵入レベルが達成される。太陽電池の実効面積は、侵入の深さ（ｄｅｐｔ）を剛毛の高さで割り、そしてそれに面積を掛けることによって計算される。１つの実施形態における、高効率で高い位置にある太陽電池の出力電力は、太陽集光器を用いて５０〜２８５ｋＷ／日／ｍ２である。その出力範囲を、好ましくは、本明細書中に示される方法および構造よりもおそらく非常に高価である処理によって作製される単一シリコンＰＶアレイについて最良の既知実地結果に基づく０．９４ｋＷ／日／ｍ２の最大出力と比較する。
【０１４８】
Ｋｏｎａｒｋａは、プリントされたポリマーが、すべての可視スペクトルからエネルギーを発生する技術を使用する。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｏｎａｒｋａｔｅｃｈ．ｃｏｍ／ａｂｏｕｔ／に記載されているように、ＰＶポリマーは、ポリマーシート上にプリントされている。材料は、二酸化チタンに色素を注入し、ポリマー上にその材料をプリントすることによって作製される。Ｋｏｎａｒｋａ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙは、１０％効率が得られ、約８年間持続すると予想している。それに対して、ソーラーブラシ１０に使用される本明細書中で開示された材料は、２５〜３０年の時間枠の寿命を有する。Ｋｏｎａｒｋａの処理は、ソーラーブラシ１０よりも１００倍高価でない可能性があるが、約２％の効率のＰＶセルをもたらすだけである。さらに、これらのＰＶセルは、集光器に適合する形状を有しない場合がある。ゆえに、所定の日に発生すると予想されるＫｏｎａｒｋａのＰＶフィルムの最大発電量は、約０．１１ｋＷ／ｍ２であり得、本ブラシは、Ｋｏｎａｒｋａシステムが発生する電力の４５０〜２５００倍を発生し得る。
【０１４９】
表７は、８”円盤状ＰＶセルの発電量を示している。欄の表題の定義に対して、上の表３を基準としている。
【０１５０】
【表７】
2009507397.tif 000010
【０１５１】
ソーラーブラシ１０は、直径１１”の円盤から作製され得るか、または酸化物鋳型を用いて任意の寸法のフィルムから成長され得る。それらは、既存のフォトリソグラフィ装置およびスパッタリング装置を使用することができる。直径８”の円盤を使用する場合、その円盤は、０．９７〜５．５８ｍ２の平面状の光起電力セルと等しい電力を発生し得る。
完全な反射器を太陽光集光器において使用した場合、最小の円盤サイズは、ＰＶセル面積を最大限利用するために直径１．１ｍ〜１４．８ｍの範囲であり得る。完全な反射器は存在しないので、エネルギーの一部は、吸収されずに失われ、誤った方向に反射し得る。直径２〜２５ｍを用いることにより、最大エネルギーが生じ得る。所望であれば、一層小さいユニットを作製することができ、そのサイズは、求められる電力および設置場所に関連する。８”円盤は、円盤上の材料の最終的な面積および厚さに応じて、１．６〜２４．４２ｋＷ／日を発生し得る。このシステムはまた、好ましくは、基体金属を加熱する過度なシステムなしに適正な電流伝導をもたらす大きさである。
【０１５２】
円盤サイズが小さいと、洗浄が容易になり、経時的な効率損失が減少する。中央の円盤の面積が非常に小さいので、大きいセルでは実行不可能な様式で洗浄するためにすばやく動かせるように設計され得る。
【０１５３】
所与の規格に形作られ、次いで、硬化された、柔らかいかまたは堅い基体上にナノケーブルを形成するための多岐にわたる方法は、フィルムの効率に影響を及ぼす。
【０１５４】
約３，０００℃の融点を有するハードコーティング（例えば、ＴｉＮ、ＺｒＮまたはＨｆＮ）を、反射率を最小にするためにある層に対して使用してもよいし、ナノケーブルの硬度を高めるために強化「ジャケット」として使用してもよい。
【０１５５】
様々な実施形態を上で説明してきたが、それらは、例として示しただけであり、限定するものではないことを理解するべきである。従って、好ましい実施形態の広さおよび範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきでないが、以下の特許請求の範囲およびその等価物に従ってのみ規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】図１は、効率が向上した太陽電池パネルを実施するために使用され得る例示的なソーラーブラシの斜視図である。
【図２】図２は、ソーラーブラシの側断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、層状構造を有するソーラーブラシの実施形態の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、層状構造を有するソーラーブラシの実施形態の断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、フィルタとして薄膜平面状デバイスを使用しているソーラーブラシ実施形態の断面図である。
【図４】図４は、剛毛の頂部を示しているソーラーブラシの上面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｃ】図５Ｃは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｄ】図５Ｄは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｅ】図５Ｅは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｆ】図５Ｆは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｇ】図５Ｇは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図５Ｈ】図５Ｈは、ソーラーブラシを作製するための例示的な方法を図示している。
【図６Ａ】図６Ａは、ソーラーブラシを作製するための代替法を図示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ソーラーブラシを作製するための代替法を図示している。
【図６Ｃ】図６Ｃは、ソーラーブラシを作製するための代替法を図示している。
【図６Ｄ】図６Ｄは、ソーラーブラシを作製するための代替法を図示している。
【図６Ｅ】図６Ｅは、ソーラーブラシを作製するための代替法を図示している。
【図６Ｆ】図６Ｆは、ソーラーブラシを作製するための代替法を図示している。
【図７Ａ】図７Ａは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｃ】図７Ｃは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｄ】図７Ｄは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｅ】図７Ｅは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｆ】図７Ｆは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｇ】図７Ｇは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図７Ｈ】図７Ｈは、脆弱性のナノケーブルを強化するために使用され得る硬質金属強化処理を図示している。
【図８】図８は、図７Ａ〜７Ｈの硬質金属強化処理の工程の概要を示すフローチャートである。
【図９Ａ】図９Ａは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｂ】図９Ｂは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｃ】図９Ｃは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｄ】図９Ｄは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｅ】図９Ｅは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｆ】図９Ｆは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｇ】図９Ｇは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図９Ｈ】図９Ｈは、ナノケーブルを形成するための寸法制御処理を図示している。
【図１０】図１０は、図９Ａ〜９Ｈの寸法制御処理の概要を示すフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｇ】図１１Ｇは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｈ】図１１Ｈは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１１Ｉ】図１１Ｉは、有機ナノケーブルを作製するためのカーボンジャケット処理を図示している。
【図１２】図１２は、図１１Ａ〜１１Ｉのカーボンジャケット処理の工程の概要を示すフローチャートである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１４】図１４は、保護のために光学的ケーシング内に被包されたソーラーブラシを示している。
【図１５】図１５は、平面状の太陽電池についての潜在的な発電量を示しているグラフである。
【図３ａ】
2009507397.tif 000011
【図３ｂ】
2009507397.tif 000012
【図３ｃ】
2009507397.tif 000013
【図５Ａ】
2009507397.tif 000014
【図５Ｂ】
2009507397.tif 000015
【図５Ｃ】
2009507397.tif 000016
【図５Ｄ】
2009507397.tif 000017
【図５Ｅ】
2009507397.tif 000018
【図５Ｆ】
2009507397.tif 000019
【図５Ｇ】
2009507397.tif 000020
【図５Ｈ】
2009507397.tif 000021
【図６Ａ】
2009507397.tif 000022
【図６Ｂ】
2009507397.tif 000023
【図６Ｃ】
2009507397.tif 000024
【図６Ｄ】
2009507397.tif 000025
【図６Ｅ】
2009507397.tif 000026
【図６Ｆ】
2009507397.tif 000027
【図７Ａ】
2009507397.tif 000028
【図７Ｂ】
2009507397.tif 000029
【図７Ｃ】
2009507397.tif 000030
【図７Ｄ】
2009507397.tif 000031
【図７Ｅ】
2009507397.tif 000032
【図７Ｆ】
2009507397.tif 000033
【図７Ｇ】
2009507397.tif 000034
【図７Ｈ】
2009507397.tif 000035
【図９Ａ】
2009507397.tif 000036
【図９Ｂ】
2009507397.tif 000037
【図９Ｃ】
2009507397.tif 000038
【図９Ｄ】
2009507397.tif 000039
【図９Ｅ】
2009507397.tif 000040
【図９Ｆ】
2009507397.tif 000041
【図９Ｇ】
2009507397.tif 000042
【図９Ｈ】
2009507397.tif 000043
【図１１Ａ】
2009507397.tif 000044
【図１１Ｂ】
2009507397.tif 000045
【図１１Ｃ】
2009507397.tif 000046
【図１１Ｄ】
2009507397.tif 000047
【図１１Ｅ】
2009507397.tif 000048
【図１１Ｆ】
2009507397.tif 000049
【図１１Ｇ】
2009507397.tif 000050
【図１１Ｈ】
2009507397.tif 000051
【図１１Ｉ】
2009507397.tif 000052
【図１３Ａ】
2009507397.tif 000053
【図１３Ｂ】
2009507397.tif 000054
【図１３Ｃ】
2009507397.tif 000055
【図１３Ｄ】
2009507397.tif 000056
【図１３Ｅ】
2009507397.tif 000057
【図１】
2009507397.tif 000058
【図２】
2009507397.tif 000059
【図４】
2009507397.tif 000060
【図８】
2009507397.tif 000061
【図１０】
2009507397.tif 000062
【図１２】
2009507397.tif 000063
【図１４】
2009507397.tif 000064
【図１５】
2009507397.tif 000065
【国際調査報告】
2009507397.tif 000066
2009507397.tif 000067
2009507397.tif 000068