(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。
2013521662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電力構造であって、
各々が導電性ナノケーブルと、前記ナノケーブルの上方に光起電力（ＰＶ）層とを有する光起電力ナノ構造のアレイを備え、
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つの平均粒径が約１００ｎｍ未満である、光起電力構造。
【請求項２】
前記ＰＶ層の各々の平均粒径が約１００ｎｍ未満である、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項３】
前記ＰＶ層の各々の平均粒径が約１〜約６０ｎｍである、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項４】
前記ＰＶ層の各々の堆積厚さが約１０００ｎｍ未満である、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項５】
前記ＰＶ層の各々の堆積厚さが約５００ｎｍ未満である、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アレイは、ブラシの構成で配置される、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項７】
前記ナノケーブルは細長い、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８】
前記ナノケーブルは、実質的に均一な外周および長手方向長さを有する、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項９】
前記ＰＶ層は、パルスめっきの物理的特性を示す、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１０】
前記ＰＶ層は、反転パルスめっきの物理的特性を示す、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１１】
前記アレイと同一の基体上に形成されたパワーインバータをさらに備える、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１２】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つの平均粒径は、前記ＰＶ層のうちの前記少なくとも１つの堆積厚さによって変化する、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１３】
前記光起電力ナノ構造のアレイに関与する光子当たり２つ以上の電子を生成する能力を特徴とする、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１４】
前記ＰＶ層のうちの１つは、めっきされたｐ型ＣｄＴｅである、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１５】
前記ＰＶ層の上方に上部導電層をさらに備え、前記上部導電層は、前記上部導電層の導電性を増大させるドーパントを含む、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１６】
前記上部導電層は、前記ＰＶ層に最も近接させて、ドーピングされていない層を含む、請求項１５に記載の光起電力構造。
【請求項１７】
前記ＰＶ層の上方に上部導電層をさらに備え、前記上部導電層は、ドーピングされた導電性酸化物を含む、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１８】
前記ＰＶ層の上方に上部導電層をさらに備え、前記上部導電層とそこに最も近接した前記ＰＶ層との間にパッシベーション層をさらに備える、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項１９】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、ＩＩ−ＶＩ  ｐ型またはｎ型材料およびＩＩＩ−Ｖ  ｐ型またはｎ型材料からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項２０】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、ＣｄＴｅ、硫化カドミウム、ヒ化ガリウム、セレン化銅インジウムガリウムおよびアモルファスシリコンからなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項２１】
前記ナノケーブルは金属製であり、前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つはアモルファスシリコンを含む、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項２２】
前記ナノケーブルはニッケルを含み、前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つはアモルファスシリコンを含む、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項２３】
各々が導電性ナノケーブルと、前記ナノケーブルの上方に光起電力（ＰＶ）層とを有する光起電力ナノ構造のアレイを備え、前記ナノケーブルの端部は、過剰めっき材料によって結合される、可撓性光起電力構造。
【請求項２４】
ナノ構造を形成する方法であって、
基体の上方にバックプレーン接点を形成するステップと、
ビアを含むマスクを前記バック接点の上方に形成するステップと、
前記ビアに沿って延びるナノケーブルのアレイを形成するステップと、
前記マスクを除去するステップと、
前記ナノケーブルの上方に光起電力（ＰＶ）層を追加するステップとを備え、
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つの平均粒径が約１００ｎｍ未満である、方法。
【請求項２５】
前記ナノケーブルは細長い、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ＰＶ層の各々の平均粒径が約１００ｎｍ未満である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ＰＶ層の各々の平均粒径が約１〜約６０ｎｍである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記ＰＶ層の各々の堆積厚さが約１０００ｎｍ未満である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＰＶ層の各々の堆積厚さが約５００ｎｍ未満である、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
前記光起電力ナノ構造のアレイは、ブラシの構成で配置される、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記ナノケーブルは細長い、請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
前記ナノケーブルは、実質的に均一な外周および長手方向長さを有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項３３】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、パルスめっきによって形成される、請求項２４に記載の方法。
【請求項３４】
前記パルスめっきのデューティサイクルは、約７０％以上のオン時間を有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記パルスめっきのデューティサイクルは、約９０％以上のオン時間を有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記パルスめっきのデューティサイクルは、約７０％未満のオン時間を有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記パルスめっきのデューティサイクルは、約３０％未満のオン時間を有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記パルスめっきのデューティサイクルは、約３０％〜約７０％のオン時間を有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、反転パルスめっきによって形成される、請求項２４に記載の方法。
【請求項４０】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つはめっきによって形成され、前記めっき中にめっき浴を超音波処理するステップをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項４１】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、約７０℃未満の浴温度でｐ型ＣｄＴｅをめっきすることによって形成される、請求項２４に記載の方法。
【請求項４２】
前記基体上にパワーインバータを形成するステップをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項４３】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つの平均粒径は、前記ＰＶ層のうちの前記少なくとも１つの堆積厚さによって変化する、請求項２４に記載の方法。
【請求項４４】
上にＰＶ層を有する前記ナノケーブルのアレイは、前記光起電力ナノ構造のアレイに関与する光子当たり２つ以上の電子を生成することができる、請求項２４に記載の方法。
【請求項４５】
前記ナノケーブルの上方に前記ＰＶ層を追加するステップは、ｐ型ＣｄＴｅをめっきするステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項４６】
ｎ型ＰＶ層がｐ型ＰＶ層の上方に形成され、
前記ｎ型層を上に形成する前に、前記ｐ型層を洗浄するステップ、
前記ｎ型層を上に形成する前に、前記ｐ型層をエッチングするステップ、
熱拡散活性化ステップを実行するステップのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項４７】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つの粒界を不動態化するステップをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項４８】
前記不動態化するステップは、前記ＰＶ層のうちの前記少なくとも１つに１つ以上の塩化物を加えるステップを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記ＰＶ層の上方に上部導電層を形成するステップをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項５０】
前記ＰＶ層の上方に上部導電層を形成するステップは、その導電性を増大させるために層を導電性材料でドーピングするステップを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記上部導電層は、前記ＰＶ層に最も近接させて、ドーピングされていない層を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記ＰＶ層の上方に上部導電層を形成し、前記上部導電層とそこに最も近接した前記ＰＶ層との間にパッシベーション層を形成するステップをさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項５３】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、ＩＩ−ＶＩ  ｐ型またはｎ型材料およびＩＩＩ−Ｖ  ｐ型またはｎ型材料からなる群から選択される材料を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項５４】
前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つは、ＣｄＴｅ、硫化カドミウム、ヒ化ガリウム、セレン化銅インジウムガリウムおよびアモルファスシリコンからなる群から選択される材料を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項５５】
前記ナノケーブルは金属製であり、前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つはアモルファスシリコンを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項５６】
前記ナノケーブルはニッケルを含み、前記ＰＶ層のうちの少なくとも１つはアモルファスシリコンを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項５７】
可撓性光起電力構造を形成する方法であって、
中にビアホールを有するマスクを作製するステップと、
前記ビアホールに導電性ナノケーブルのアレイを形成するためにめっきするステップとを備え、前記めっきは、前記ビアホールからのめっき材料の過剰充填物が前記マスク上に成長するまで行なわれ、前記方法はさらに、
前記マスクを除去するステップと、
前記ナノケーブルの上方に光起電力（ＰＶ）層を形成するステップとを備える、方法。
【請求項５８】
各々が導電性ナノケーブルと、前記ナノケーブルの上方に光起電力（ＰＶ）層とを有する光起電力ナノ構造のアレイを調整する方法であって、
前記アレイの観察可能な電力出力を増大させるためにその基体の平面において前記光起電力ナノ構造のアレイを回転させるステップを備える、方法。
【請求項５９】
前記アレイの観察可能な電力出力をさらに増大させるために光源の位置に対する前記アレイの提示角度を調整するステップをさらに備える、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記ＰＶ層の間にヘテロ接合が形成される、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項６１】
前記ＰＶ層の間に整流接合を形成する界面層をさらに備える、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項６２】
基体から延びるナノケーブルのアレイと、
前記ナノケーブル上に位置決めされた、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含む第１の半導体層と、
前記ナノケーブル上に位置決めされ、前記第１の半導体層とともに整流接合を形成する、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体を含む第２の半導体層とを備える、デバイス。
【請求項６３】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とＩＩ−ＶＩ化合物半導体との間の前記整流接合を向上させる界面層をさらに備える、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６４】
前記ＩＩ−ＶＩ化合物はテルル化カドミウムである、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６５】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物は窒化ガリウムである、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６６】
前記ＩＩ−ＶＩ化合物はテルル化カドミウムの合金である、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６７】
前記ＩＩ−ＶＩ化合物はテルル化カドミウムのドーピングされた組成物である、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６８】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物は窒化ガリウムの合金である、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６９】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物は窒化ガリウムのドーピングされた組成物である、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項７０】
前記窒化ガリウムは窒化ガリウムアルミニウムである、請求項６９に記載のデバイス。
【請求項７１】
前記界面層は酸化物を含む、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項７２】
前記酸化物はドーピングされた酸化スズである、請求項７１に記載のデバイス。
【請求項７３】
前記ドーピングされた酸化スズは、亜鉛がドーピングされた酸化スズである、請求項７２に記載のデバイス。
【請求項７４】
前記ドーピングされた酸化スズは、カドミウムがドーピングされた酸化スズである、請求項７２に記載のデバイス。
【請求項７５】
前記酸化物はドーピングされた酸化亜鉛である、請求項７１に記載のデバイス。
【請求項７６】
前記酸化物は酸化カドミウム亜鉛である、請求項７１に記載のデバイス。
【請求項７７】
光起電力デバイスを製造する方法であって、
ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含む第１の半導体層をナノケーブルのアレイの上方に堆積するステップと、
ＩＩ−ＶＩ化合物半導体を含み、前記第１の半導体層とともに整流接合を形成する第２の半導体層を前記ナノケーブルのアレイの上方に堆積するステップとを備える、方法。
【請求項７８】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とＩＩ−ＶＩ化合物半導体との間の前記整流接合を向上させるために、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に界面層を堆積するステップをさらに備える、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記ＰＶ層の空乏領域は、前記ＰＶ層の厚さ全体にわたって延びている、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８０】
前記ナノ構造は、底部直径または幅よりも小さな頂部直径または幅を有する、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８１】
前記第１および第２の半導体層の空乏領域は、前記半導体層の厚さ全体にわたって延びている、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項８２】
前記ナノケーブルおよび半導体層を備えるナノ構造は、底部直径または幅よりも小さな頂部直径または幅を有する、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項８３】
前記導電性ナノケーブルとそこに最も近接した前記ＰＶ層との間に界面を形成するバック接点層をさらに備え、前記バック接点層は、フェルミ準位および前記界面のバンドベンディングを調整して、前記光起電力構造のＶｏｃを向上させ、前記導電性ナノケーブルへの前記ＰＶ層の接着を向上させることを手助けする金属膜である、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８４】
前記導電性ナノケーブルとそこに最も近接した前記ＰＶ層との間に界面を形成するために前記ナノケーブルの上方にバック接点層を形成するステップをさらに備え、前記バック接点層は、フェルミ準位および前記界面のバンドベンディングを調整して、前記光起電力構造のＶｏｃを向上させ、前記導電性ナノケーブルへの前記ＰＶ層の接着を向上させることを手助けする金属膜である、請求項２４に記載の方法。
【請求項８５】
前記光起電力構造は、２００ｍｍのシリコンウェハ、３００ｍｍのシリコンウェハおよび４５０ｍｍのシリコンウェハからなる群から選択される基体上に構築される、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８６】
前記光起電力構造は、フラットパネルディスプレイガラスの基体上に構築される、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８７】
前記光起電力構造は、可撓性の基体上に構築される、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８８】
前記光起電力構造は、ガラス基体上に構築される、請求項１に記載の光起電力構造。
【請求項８９】
前記光起電力構造は、２００ｍｍのシリコンウェハ、３００ｍｍのシリコンウェハおよび４５０ｍｍのシリコンウェハからなる群から選択される基体上に構築される、請求項２４に記載の方法。
【請求項９０】
前記光起電力構造は、フラットパネルディスプレイガラスの基体上に構築される、請求項２４に記載の方法。
【請求項９１】
前記光起電力構造は、可撓性の基体上に構築される、請求項２４に記載の方法。
【請求項９２】
前記光起電力構造は、ガラス基体上に構築される、請求項２４に記載の方法。
【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、より特定的に、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押し出し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。
【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３０％超の効率を有する太陽電池を作製することが可能になることが望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
本明細書中に特に規定のない限り、すべての用語は、明細書に暗に含まれる意味、ならびに、当業者が理解する意味および／または辞書、論文などに規定される意味を含む可能な限り広い解釈を与えられることになる。
【００１５】
明細書および添付の特許請求の範囲で用いられているように、単数形「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特にことわりのない限り、複数の指示対象を含むことにも留意しなければならない。
【００１６】
本発明の様々な実施形態は、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、本発明の様々な実施形態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。
【００１７】
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得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。
【００１８】
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、ナノまたはマイクロスケールまたはサイズであり、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。「ナノ構造」は、１つ以上のナノケーブルを含んでいてもよい。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、１つの材料の単一構造などとして作製され得る。ナノケーブルは、ナノチューブ、ナノロッド、ナノワイヤ、充填ナノチューブおよび剛毛とも呼ばれる。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、入れ子になった層状ナノケーブルを形成することができる。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、１つの実施形態に係る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、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｂ】図６Ｂは、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｃ】図６Ｃは、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｄ】図６Ｄは、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｅ】図６Ｅは、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｆ】図６Ｆは、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｇ】図６Ｇは、本発明の好ましい実施形態に係る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６Ｈ】図６Ｈは、本発明の好ましい実施形態に係る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７】図７は、１つの実施形態に係る光起電力アレイおよびリードフレームを図示している。
【図８】図８は、１つの実施形態に係る方法を示している。
【図９】図９は、寸法制御処理の概要を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、１つの実施形態に係る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１０Ｂ】図１０Ｂは、１つの実施形態に係る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１０Ｃ】図１０Ｃは、１つの実施形態に係る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１０Ｄ】図１０Ｄは、１つの実施形態に係る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１０Ｅ】図１０Ｅは、１つの実施形態に係る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１０Ｆ】図１０Ｆは、１つの実施形態に係る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１０Ｇ】図１０Ｇは、１つの実施形態に係る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１０Ｈ】図１０Ｈは、１つの実施形態に係る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１０Ｉ】図１０Ｉは、１つの実施形態に係る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１１Ａ】図１１Ａは、１つの実施形態に係る絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、１つの実施形態に係る絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、１つの実施形態に係る絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、１つの実施形態に係る絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、１つの実施形態に係る絶縁体エッチング処理を図示している。
【図１２】図１２は、１つの実施形態に係る、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１３】図１３は、１つの実施形態に係る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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、細長い楕円形、細長い長方形、細長い多角形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またはマイクロケーブルを取り巻く半導体の層を有する。ナノまたはマイクロケーブルは、ＰＶコーティングに対して薄いものであり得る。その場合、剛毛はわずかに反射性があるが、大部分は透明であってもよい。また、セル全体にわたって光を分散させることを助ける回折も存在し得る。あるいは、剛毛は、光起電力コーティングに対して非常に厚いものであり得る。すなわち、剛毛がマイクロスケールであり得て、コーティングがナノスケールであり得る。その場合、回折および反射が依然としてデバイス全体にわたって光を分散させる。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。
【００２２】
剛毛の角度は、ポリマー膜を加熱して、非対称な抵抗を作り出して、たとえば電気めっきによって中に材料が形成され得る傾斜アパーチャを有する鋳型を得ることによって作製できる。鋳型の変形は、熱源と抵抗源と任意の冷却源とを有することによってなされてもよい。一例は、冷却ブロックまたは冷気または水を用いて基体を冷却しながらポリマー膜の加熱された頂部を擦るドクターブレードであろう。ドクターブレードの代わりに、加熱した空気ナイフを用いることができるであろう。これも２つの接触ロールを用いてなされることができ、一方のロールが冷却されて低速度で移動し、ロールが加熱されてわずかに速い速度で移動する。さらに、角度をなしてナノワイヤアレイを成長させるために、傾斜面上でシード処理／蒸気処理を用いることができる。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。
【００２３】
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、典型的には金属導体であり、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。導体を、剛毛２０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。示されるように、第２の導電層は剛毛２０の頂部に存在していてもよい。しかしながら、第２の導電層１８は任意の望ましい構成を有していてもよい。他のアプローチでは、第２の導電層１８は、剛毛の大半、理想的にはすべての剛毛の上に横たわっている。たとえば図６Ｈの上部導電層５８を参照されたい。導電層１８は、セルの小さなセクションにおける短絡がＰＶセルの隣接部分に影響を及ぼさないようにセグメント化することができる。セクションは、デバイスの優れた部分のみがバス接続された状態で、個々に試験することができるであろう。導電層１８のセグメント化された領域も、めっきする前にバス接続することができ、その結果、アレイの一部分にはエネルギを送達できるが他の部分にはエネルギを送達できなくなる。セグメントのオンおよびオフを切換えることによって、アレイの異なる部分上に２つ以上の異なる材料をめっきすることができるであろう。セグメント化は、個々の列をバス接続できるだけでなく、当業者にとってのパターニング技術により、バスケットウィーブタイプの構造で剛毛を１つ置きにバス接続でき、またはその他の剛毛の分割が可能であろう。バスケットウィーブ構造では電気めっきされた任意の数の材料が存在し得て、さらに、スペクトルの部分に特に適したＰＶ厚さまたは材料タイプに合わせて剛毛を最適化できる。
【００２４】
導電性ベースからバック接点を改変することに加えて、剛毛自体も、向上したバック接点としての役割を果たし得る材料を用いて改変され得る。このような材料は、Ｓｎ、Ａｎ、Ｃｕ、Ｃ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｔｅポリマー、金属酸化物、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｓ、ＮｉＯ、Ｎｉ2Ｏ5、ＮｉＳ2、Ｚｎ、Ｓｂ2Ｔｅ3、Ｎｉ、ＮｉＴｅ2、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｏ、ＡｌおよびＴｅ／Ｃまたはそれらの組合せを含む。ＮｉおよびＣｕの合金を用いてナノまたはマイクロケーブルの電気化学堆積（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＥＣＤ）を行なうことができるであろう。合金化は、熱活性化工程中のＣｕの拡散を最小限に抑えることができるであろう。また、合金化されたナノまたはマイクロケーブルの頂部に拡散障壁としてＴｅの薄層をＥＣＤコーティングすることができるであろう。ニッケルは、１０％ＨＣｌ溶液を用いてエッチングできる。そのクリーンな層を用いて、ＣｕＳＯ4溶液を塗布して、熱処理することができ、それによって、めっきする前にＣｕをナノまたはマイクロロッドに拡散させる。さまざまな程度のＳｉＯ2などの酸化物もマイクロロッド表面に付与でき、めっきされた組成物を改変する。
【００２５】
さらなるアプローチでは、薄い金属酸化物層が金属接点、たとえばＮｉ層の上に形成されてもよく、または、それらの上に残ってもよく、それによって、下部金属接点電子バック障壁高さおよび上にあるＰＶ材料に対する拡散障壁が作製される。一般に、アレイの適切な動作にとって大き過ぎる電気抵抗を作り出すことによって酸化物層が性能に悪影響を及ぼすことが予想されるであろう。驚くべきことにおよび従来の知識とは逆に、ある実験においてこのような酸化物層が形成され、アレイの電気的性能に対して過度な悪影響を引起さないことがわかった。この実験では、酸素への曝露に起因して、ＮｉxＯyの薄層がＮｉ下部接点上に形成された。その上に、ＣｄＴｅ層を形成した。驚くべきことに、このアレイは十分に機能した。さらに、ＮｉxＯyの層がＣｄＴｅ層へのＮｉの拡散を有益に防止することがわかった。したがって、いくつかの実施形態では、金属酸化物の層が下部接点とＰＶ材料との間に形成されてもよい。このような金属酸化物の層は、たとえば好ましくは（たとえば、＞１００℃まで）加熱している間に下部接点を酸素含有環境（たとえば、空気、オゾンに富んだ雰囲気など）に曝露すること、バレルアッシングなどによって形成されてもよい。
【００２６】
光子吸収事象がｐ−ｎ接合に近くなるにつれて、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。如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、以前は使用可能ではないと考えられていた光のうちのいくらかは流れの中で電子を励起することができ、その流れにおいては、反射光は相加効果を有するので、エネルギのバンドギャップ未満のエネルギを有する２つの光子を添加することにより、ＰＶ材料から電子を排出する相加効果を作り出すことができる。
【００２７】
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。可撓性材料は、処理中に正確な寸法または平坦性を有する構造にそれらを真空接着することによって処理され得る。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。適切に、薄い金属も用いられてもよく、リールめっきのための半連続リールを用いてめっきされてもよい。このようなシステムでは、脱脂、正の電解研磨、負の電解研磨、ダンサーローラ（dancer rollers）によって半連続にされた電気化学堆積、すすぎおよび乾燥動作はすべて、この場合に実現可能である。このようなシステムの１つの利点は、窓のブラインドに類似した半可撓性のマットが形成されることである。
【００２８】
さらに、少なくとも所望の電力出力を達成し、ほとんどの場合に必要以上の電力出力を達成するためにいくつかのモジュラアレイを提供する現在のアプローチではなく、このようなアレイの連続的な性質によりアレイの電力出力が特定のニーズを満たすように適応させることができる。このアプローチは、所望の電力出力を提供する大きさにアレイを切断する技術、所望の特定のパラメータに適応させた特性を有するアレイを形成する技術などのいくつもの技術によって達成されてもよい。たとえば、顧客が２０ｋＷの出力を必要としているとする。１インチのアレイバンドが各々５ｋＷを提供する場合、４インチのセクションが設けられるであろう。
【００２９】
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十倍（またはそれ以上）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。ＰＶ材料の厚さは、剛毛の高さおよび間隔の空き具合と同じくらい重要である。材料が十分に薄い場合、電子‐正孔の再結合は損傷セル効率を最小限に抑え、２９％という単一接合セルの理論効率を上回る最大１５％の向上が可能になる。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。
【００３０】
ナノまたはマイクロ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。
【００３１】
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。擬似的な傾斜は、剛毛の輪郭形状を制御することによっても達成でき、そのため、剛毛は、頂部直径または幅が底部直径または幅よりも小さい状態で、たとえば、円錐形または切頭円錐形の輪郭、ピラミッド型または切頭ピラミッド型の輪郭などを有するように成形され、それによって、太陽または他の光源の平行光に底部を曝露させる。このように、剛毛の軸は基体に対して直角の向きであってもよいが、より幅の広い底部が平行光に対する剛毛の曝露を向上させる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、効率のさらなる向上が達成され得る。
【００３８】
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（電子を励起するの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る。多接合セルは、重ねて積層された異なる材料の層を堆積させることによって容易に達成され得る。これらの堆積方法は、多様であり得て、今日当該技術分野で現在用いられているいかなる方法も含み得る。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
任意の層における様々な材料の堆積としては、化学蒸着、プラズマ誘起化学蒸着、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、熱分解（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、蒸気輸送堆積、成分の共堆積を含むスパッタリング、閉鎖空間昇華、熱蒸着、スピンコーティングおよび噴霧が挙げられ得る。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。さらなる任意の加工処理としては、Ｒシャントを増大させるためのアニリン、めっき浴と共堆積された液相、気相状態でのＣｄＣｌ2の添加、または開回路電圧（Ｖｏｃ）を向上させるための他の一般的な方法などが挙げられ得る。より高いＶｏｃがより好ましい。なぜなら、それは送達された電圧電位の上端を規定するためである。
【００４２】
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。
【００４３】
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（Ｄｎａｎｏｃａｂｌｅ）が５０ｎｍであるとき、ＰＶ剛毛最小直径Ｄは、約２２０ｎｍである。Ｄｎａｎｏｃａｂｌｅ＝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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
【表１】
2013521662.tif 000003
【００４７】
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。
【００４８】
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する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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
【表２】
2013521662.tif 000004
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
【表３】
2013521662.tif 000005
【００５５】
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。
【００５６】
【表４】
2013521662.tif 000006
【００５７】
本発明者らは、驚くべきことに、粒径が小さな薄膜を用いたいくつかの実施形態が性能の大幅な向上を示すことを見出した。厳密なメカニズムは完全には理解されておらず、如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、本発明者らは研究室での観察およびモデリングに基づいて以下の仮説を提起する。このような実施形態は量子閉じ込めを活用していると考えられる。特に、いくつかの実施形態の構造により、量子閉じ込めは制御された処理になり得る。量子閉じ込めの厳密な性質は完全には理解されておらず、如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、量子閉じ込めが生じたときに光起電力メカニズムの挙動が向上する。たとえば、光子当たり２つ以上の電子を得ることができる。さらに、より強力な電子を得ることができる。各々の現象について以下で順に説明する。
【００５８】
従来の太陽電池では、本明細書に開示されているいくつかの実施形態と同様に、（通常の状況では、バルク材料において）１つの光子がセルに入り、１つの電子がセルから出ていく。やはり、量子閉じ込めの厳密な性質は完全には理解されておらず、如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、本発明者らは、驚くべきことに、量子閉じ込めの範囲内で非常に小さなフィーチャサイズ（ｆｅａｔｕｒｅ  ｓｉｚｅｓ）を用いたナノ構造の特定の構造について、入ってくる光子１つ当たり、出ていく２つ以上の電子をおそらく得ることができることを見出した。
【００５９】
さらに、本発明者らは、驚くべきことに、少なくとも一部には本明細書において「ブルーシフト」現象と呼ばれるものに起因して、より強力な電子を得ることができることを見出した。特に、すぐに明らかになるように、粒径および膜の厚さを調整することによって、青色領域、紫色領域および近紫外領域における、エネルギがより高く波長がより短い光子をＰＶセルが活用して出力を増大させることが可能になり得る。従来のシステムでは、１つの光子がＰＶセルに入り、１つの電子が出ていく。電子はある特定のパワーを有しており、これはそのパワーのバンドギャップと呼ばれる。やはり、如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、本明細書に記載されるナノ構造の特定の特徴によって、青色波長、紫色波長および近紫外波長における、波長がより短くエネルギがより高い光が、ＰＶ材料の核を取囲む、より高いエネルギを有する電子に達することができると考えられる。光の波長およびブルーシフト現象に関する様々な実施形態の調整可能性は約２．１電子ボルトの電力出力を可能にすると考えられる一方、標準的な「赤色領域」は約１．４５電子ボルトしか可能にしないと考えられる。換言すれば、従来のバルク材料では、バンドギャップが１つ存在し、すなわち、利用可能な価電子が１つ存在し、そのため、どのような色の光が入ってこようとも、如何なる過剰なエネルギも熱に変換される。したがって、赤色の光子が入ってきた場合、それはほとんど完全にそのバンドギャップと一致し、そのエネルギの大半が使用されるであろう。波長がより短くなれば、実質的により多くのエネルギを有する、エネルギがより高い光子が入ってきて、依然として電子の放出を引起すが、エネルギの損失もあるであろう。換言すれば、青色の光子が有する如何なる過剰なエネルギも熱に変換されるであろう。膜がより薄くなり、粒子がより小さくなると、量子閉じ込めが作り出され、より高いエネルギを有する光子が原子価殻のより深い部分に達して、より高いエネルギを有する核に近い電子を放出することができるようにすることによって、このエネルギを利用可能にする。より高いエネルギを有する光子は、各々がより低いエネルギを有する２つの電子の放出も引起し得て、それらの合計は、より高いエネルギを有する光子の入力エネルギとより密接に一致するであろう。したがって、いくつかの実施形態は、デバイスを光の中に配置したときにデバイスに関与する１つ以上の光子について、光起電力ナノ構造のアレイに関与する光子当たり２つ以上の電子を生成する能力を特徴とする。
【００６０】
量子閉じ込めを活用する実施形態は、一般に、約１００ナノメートル未満、好ましくは約１ナノメートル〜約６０ナノメートルの範囲の小さな平均粒径を有する薄膜を利用する。特に好ましい実施形態は、ＰＶ材料からなる小粒子薄膜を上に有する導電性ナノケーブルを含む。本明細書に開示されている構造の薄膜では、より多くの変換効果（事象）がもたらされ、より多くの量子効果がもたらされる。平均粒径および膜の厚さが小さくなるほど、優れた量子閉じ込めがもたらされ、これは、（平均粒径がより大きくなると生じるであろう単一バルクバンドギャップエネルギ準位に対する）個別のエネルギ準位へのアクセスを可能にする。モデリングに基づいて、本発明者らは、驚くべきことに、１つの光子が入ってきて１つの電子が出ていくという標準的なものの代わりに、本発明の実施形態は、光子が多数の電子の放出を引起こし得る約７〜２０回の跳ね返りまたは通過（ナノ構造からナノ構造へのピンボーリング（ｐｉｎｂａｌｌｉｎｇ））を得る。可能な変換事象の数が増えるので、光起電力材料からなる非常に薄い層の使用が可能になる。これは、エネルギ変換およびコストの節約の両方の点についてのこのようなアプローチの別の利点である。さらに、粒径が小さくなることにより、青色光および紫外光が、より高いエネルギ準位の電子に達するか、または多数のより低いエネルギの電子を放出することができる。さらに、小さな粒子がＣｄＴｅ膜のバルク格子構造を壊し、小さな個別の原子グループの閉じ込めがおそらくもたらされ、より小さな粒子に含まれる小さな格子構造に起因して再結合効果が事実上無くなる。これによって、電子が実質的により小さな格子構造を通って粒界に移動することが可能になり得て、次いで電子は、粒界を通って、電流を生成する金属ロッド構造に容易に伝えられる。多くの粒界が存在することは平面状のより厚いＰＶ材料では有害な局面であるとこれまでは考えられてきたが、データが示唆するところによると、本明細書に開示されている構造およびより多くの粒界により、デバイスは実際には電子のドリフト速度を上昇させることができ、その結果、やはり電流をより高くし、再結合を大幅に少なくする。
【００６１】
平均粒径が小さな薄膜は、本明細書に開示されている如何なる実施形態においてもおよびその多くの並べ替えにおいても利用されてもよく、引用によって本明細書に援用される米国特許第７，８４７，１８０号、米国特許出願番号第１１／４６６，４１６号および米国特許出願公開番号第ＵＳ−２０１０−０３１９７５９−Ａ１号に記載され、それらに固有のものにおいても利用されてもよい。上記の量子効果が平面状の実施形態において生じるかどうかは現在のところわかっていないが、このような実施形態は排除されるものではない。平面状の膜が上記の量子効果をもたらさない場合があるということはあり得る。なぜなら、膜は非常に薄いものであり得るので、光子が入ってきたときに、外にはね返ってしまうだけであり、吸収されない可能性があるためである。それにも拘らず、ナノケーブル上に層を形成することは、応力緩和、欠陥をより少なくすること、多数の光子のはね返りに起因する吸収および量子効果の向上などのいくつかの利点を提供する。さらに、ナノケーブル上の構造は、平面状の基体に対する再結合も減少させる。なぜなら、ナノケーブルでは、接合が導電性コアに非常に近接しているためである。再結合がより低いことは、１つの実施形態に係るセルの性能にとっては非常に重要であり得る。なぜなら、それによって、電子再結合の発生率がより低く、したがってセルが加熱のためのエネルギを失っている状態で、高性能に必要な電圧および電流レベルをデバイスが維持できるためである。さらに、ナノケーブルベースの構造は反射率を増大させ、光子がナノロッド間ではね返るときにＰＶ事象を作り出す機会を増大させる。
【００６２】
すべての膜および／またはナノケーブル上に形成されるそれらの薄膜の好ましい薄膜厚さ（たとえば、堆積厚さ）は、約１０００ｎｍ（ここで、「約Ｘｎｍ」とは「Ｘｎｍ±１０％」を意味する）未満である。例示的な実施形態は、約１００〜約５００ｎｍの範囲、より好ましくは約１００〜約３００ｎｍの範囲の薄膜厚さを有する。少なくとも１つ以上のＰＶ層の好ましい平均粒径は、約１００ｎｍ未満、好ましくは約１〜約６０ｎｍ、より好ましくは約５ｎｍ〜約６０ｎｍなどである。
【００６３】
膜の厚さと粒径との比率は、光の特定の波長を捕らえるように調整されてもよい。さらに、いくつかのアプローチは、粒子直径を混合したものを用いて、多数の光のスペクトルを捕らえる。たとえば、より大きな粒子は光のより長い波長を捕らえるために用いられてもよいのに対して、より小さな粒子は、より高いエネルギ／より低い波長の光子を捕らえてより高いエネルギの事象を生成するために用いられる。
【００６４】
以下に記載する方法などのさまざまな方法によって、粒径が小さな膜が形成されてもよい。特に好ましい方法としては、温度が制御された状態でのパルス状および／または反転パルス電気めっき、およびめっき浴の超音波処理が挙げられる。層において任意のＰＶ材料が用いられてもよい。
【００６５】
如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、本発明の様々な実施形態において利用される薄膜構造の非常に高い電流結果を説明するための別の起こり得る効果は、「空乏領域」として当該技術分野において公知の半導体接合メカニズムに関する。いくつかの実施形態における空乏領域は、膜が薄いために、デバイスのＰ型およびＮ型ＰＶ膜の厚さ全体にわたって延びていると考えられる。これは、デバイスのいくつかの実施形態が、標準的な厚膜吸収ＰＶデバイスとしてではなく、「ＭＯＳ」または金属酸化物半導体として挙動すると考えられることを意味している。Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  ＴｏｌｅｄｏのＶ．Ｇ．Ｋａｒｐｏｖらの研究を通じて、類似の理論が以前に報告されている。本明細書に開示されているような本発明者らによる発見の後、ようやく、この理論が本実施形態の実質的に高い性能を説明することに役立ち得る見込みのあるメカニズムであると考えることができる。
【００６６】
如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、このＭＯＳタイプの性能の存在は、現在説明しているナノ構造デバイスの様々な実施形態の優れた性能に対する別の有力な説明である。ＣｄＳ層が薄く、ＰＶ吸収層が薄くなるので、両方とも完全に空乏状態になる。実際的な意味において、この現象は以下のように説明できる：空乏領域がＰ−Ｎ接合にわたって瞬時に形成される。それは、接合が熱平衡状態にあるかまたは定常状態にあるときに最も容易に説明され、これら両方の場合において、システムの特性は時間で変化することはなく、動的平衡状態にあり得る。
【００６７】
インクが均一に分散するまで水に拡散するのと同様に、概念的には、電子および正孔の濃度が低い領域に電子および正孔は拡散する。定義によれば、Ｎ型半導体はＰ型領域と比較して過剰な自由電子を有しており、Ｐ型はＮ型領域と比較して過剰な正孔を有している。したがって、半導体のＮドープ部分およびＰドープ部分がともに配置されて接合を形成する場合には、電子はＰ側に移動し、正孔はＮ側に移動する。Ｎ側からＰ側への電子の離脱はＮ側に正のドナーイオンを残し、同様に正孔はＰ側に負のアクセプタイオンを残す。移動後、注入電子はＰ側の正孔と接触し、再結合によって無くなる。Ｎ側の注入正孔についても同様である。最終結果は、注入電子および正孔が消えてしまい、（空乏領域と呼ばれる）可動キャリアを持たない領域内の界面に隣接して荷電イオンが残るというものである。非補償型のイオンは、Ｎ側では正であり、Ｐ側では負である。これは、電荷キャリアの継続的な交換に対抗する力を与える電場を作り出す。この電場が正孔および電子のさらなる移動を阻止するのに十分である場合、空乏領域はその平衡次元に達している。空乏領域にわたる電場の積分は、ビルトイン電圧（接合電圧または障壁電圧または接触電位としても知られている）と呼ばれるものを決定する。
【００６８】
順方向バイアス（この場合、光子の存在）（Ｎに対してＰが正）は、空乏領域を狭め、キャリア注入に対する障壁を下げる。電流の拡散成分が大幅に増大し、ドリフト成分が減少する。この場合、正味電流は大部分がｐｎ接合のＮ側にある。キャリア密度は大きく（たとえば、それは印加されたバイアス電圧とともに指数関数的に変化し、この電圧はその場合光子によって引起される）、接合が導電性になり、大きな順方向電流が可能になる。電流の数学的説明は、ショックレーダイオード方程式によってなされる。
【００６９】
しかしながら、本発明のデバイスの吸収・窓層を備えるＰおよびＮ材料が完全に空乏状態になった実施形態では、単なる室内ルームランプのものを含む如何なる光子の存在によっても、驚くべきことに、平面状の構造に必要な固有の厚さに起因して完全には空乏状態にならない吸収層に厚膜が用いられている平面状の太陽電池よりも電流伝導事象がはるかに大きくなる。
【００７０】
やはり、如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、様々な実施形態が生成する非常に高い電流を説明できる別の可能性は、「擬似量子効果」である。基本的には、本発明者らは、３０オングストローム以下の厚さの膜またはドットにおいて量子閉じ込め効果が起こり得ることを実証する、量子ドットの分野において理論化されたメカニズムと類似のメカニズムを理論化する。いくつかの実施形態の場合、この数字よりも実際には厚いが平面状の薄膜平面セルと比較して実質的に厚くない膜を有し得るナノ構造は、変換事象がナノロッドに隣接したこの３０オングストロームの層内で生じる場合に局所的な量子閉じ込め効果を示し得ると考えられる。これは、解放された電子が導電性コアに達する距離が、前に記載した量子閉じ込め境界内であることを意味しているであろう。独自に、これを、ナノ構造の様々な実施形態が太陽の流束に対して示す実質的により大きな表面積提示と組合せると、はるかに大きな電流が可能であり、実証された。
【００７１】
記載されている垂直型ナノ構造と組合せて薄膜層を有するＰＶセルの理論的な効率限界は、約６５％〜７０％であると推定される。
【００７２】
要約すると、本発明のいくつかの実施形態は、１つの光子が入ってきて２つ以上の電子が出ていく、および／または、１つの光子が入ってきてより強力な電子が出ていくという驚くべき予想外の現象を示す。
【００７３】
図６Ａ〜図６Ｈは、１つの光子が入ってきて２つ以上の電子が出ていく、および／または、１つの光子が入ってきてより強力な電子が出ていくという現象を示すソーラーブラシなどの光起電力構造を作製するための例示的な方法を図示している。さまざまな層および工程が開示されているが、これは例としてなされているだけであることを理解すべきであり、特定の実施形態ではより多くのまたはより少ない工程および／または層を用いてもよい。
【００７４】
図６Ａを参照して、基体４２を設ける。基体は、ケイ素、ガラス、金属（たとえば、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレス鋼）、ホウ素、リン酸塩、石英ガラス、ポリシリコン（すなわち、非単結晶シリコン）材料などの任意の好適な材料から構築されてもよい。製造性のために、好ましい基体は、半導体またはフラットパネル業界で用いられる典型的な製造装置により機能する特性を有する。たとえば、例示的な基体としては、２００ｍｍシリコンウェハ、３００ｍｍウェハ、４５０ｍｍ、可撓性の基体、（現在のフラットパネルテレビで一般的に用いられているＧｅｎ２〜Ｇｅｎ１１フラットパネルガラスなどの）任意の世代および／またはサイズのフラットパネルディスプレイに用いられる基体などが挙げられる。
【００７５】
任意の接着層４４を基体４２上に形成する。接着層は、バックプレーン接点を基体に接着させることを手助けする。任意の好適な材料が接着層に用いられてもよい。１つのアプローチでは、およそ約１００〜約５００オングストローム、好ましくは約５００オングストローム〜約１５００オングストロームの熱酸化物層を、スパッタリング、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）または熱乾燥または水蒸気酸化などによって基体に設ける。そこへのバックプレーン接点の接着を促進するために、任意の好適な不活性ガスを用いて、たとえばアルゴンスパッタリングまたはＲＩＥスパッタリングによって、接着層４４の表面を粗面化してもよい。好ましくは、粗面化によって総厚さの約１５〜約２０％が変化する。
【００７６】
図６Ｂを参照して、バックプレーン接点４６を構造に追加する。バックプレーン接点４６は、単層である場合もあれば、積層体である場合もある。任意の好適な材料または材料セットをバックプレーン接点に用いることができる。例示的な材料としては、Ｓｎ、Ａｎ、Ｃｕ、Ｃ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｚｎなどが挙げられる。合金も用いられてもよい。
【００７７】
バックプレーン接点４６の形成の１つのアプローチでは、好ましくは真空を壊すことなく、換言すれば、酸化物界面が形成されないような同一の真空システムにおいて、約１５０〜約４００オングストロームの窒化チタンが接着層４４上にスパッタリングされる。スパッタリングによって、約１０００〜約５０００オングストロームのアルミニウム・銅合金（９９．５／０．５）が添加される。アルミニウム合金の酸化を防ぐために、たとえばチタンタングステンからなる任意のキャップ層を追加してもよい。キャップ層の例示的な厚さは、約５０〜約２５０オングストロームである。次に、この構造の上に約５００〜約２０００オングストロームのニッケルバナジウム（９３／７）をスパッタリングし、あるいは、同じ比率のニッケルシリコンまたは他の好適な反強磁性材料を用いることができるであろう。バナジウム／シリコン添加物などは、磁気閉じ込めスパッタ蒸着中にニッケルの強磁性の効果を打消すことによって膜の平坦性および均一性を手助けする効果を有する。
【００７８】
図６Ｃおよび図６Ｄを参照して、従来の技術を用いてバックプレーン接点４６の上方にマスク４８を作製する。このマスクは、フォトレジスト、ポリイミド、ポリマー、酸化シリコンまたは窒化シリコンなどのハードマスクなどの任意の好適な材料で形成されてもよい。
【００７９】
フォトレジストを塗布する前に、この構造の上に任意の絶縁層４７を堆積してもよい。１つのアプローチでは、約５００〜約１５００オングストロームのプラズマ誘起ＣＶＤ絶縁体が設けられる。酸化物は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、ＳｉＯ2、ＳｉＮまたはオキシ窒化物などの任意の好適なプラズマ誘起酸化物であり得る。絶縁層を設けることは好ましくは、作製の容易さならびに層の高密度および均一性のために、ＰＥＣＶＤを用いて行なわれる。さらに、ＣＶＤはさらなる熱工程を必要としない。すなわち、堆積温度が低くてもよい。剥離が起こり得るため、および、バックプレーン接点金属膜積層体のアルミニウム合金部分にヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋｓ）が生成されるために、下にある金属積層体を加熱することは一般には望ましくない。
【００８０】
他のアプローチでは、バックプレーン接点とマスクとの間に絶縁層が形成されない。これによって、アレイ構造の開放領域がＰＶ材料を受けることが可能になり、ＰＶデバイスの活性領域の一部になることが可能になり得る。
【００８１】
絶縁層が形成されるかどうかに拘らず、従来の技術を用いて標準的な正または負のフォトレジストを堆積してもよい。レジストは、標準的な技術を用いて処理され（たとえば、露出させて、パターニングされて）、図６Ｄに示されるようにビア５０の領域を有するマスク４８を作製する。フォトリソグラフィ処理により、その後形成されるナノケーブル間の間隔およびナノケーブル自体の寸法を規定するマスクを作製でき、それによってナノケーブルのアレイの全寸法が完全に制御される。さらに、ナノケーブルのアスペクト比（高さ対直径）は、ビアの直径およびフォトレジストの厚さを設定することによって制御できる。したがって、適切な間隔、直径および高さを選択することによって、おそらく最少量の材料を用いて最良の電力出力を提供するように最終的なデバイスを最適化できる。
【００８２】
絶縁層４７が存在する場合には、ビア５０は、導電性の下層を露出させるために、エッチング、たとえばフッ素酸素プラズマエッチングによって、絶縁層４７を通して延ばすことができる。
【００８３】
ビアの底面における露出した導電性の下層は、接着を向上させるためにスパッタリングされてもよい。さらに、ビアを親水性にするために酸素プラズマが加えられてもよく、これは、ビアの底面における適正な湿潤および適正な液体充填を手助けすることによってめっき工程を手助けする。たとえば酸素プラズマ処理、空気に対する曝露などに起因して導電性の下層が酸化される場合、たとえば短期間にわたって希薄ＨＣｌ溶液を塗布することによって酸エッチングを行なうことができる。
【００８４】
図６Ｅを参照して、ビアに導電性コア材料を充填して、ナノケーブル５２を形成する。例示的な導電性コア材料としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｏなど、および、リスト中のおよび／またはリストにはない他の材料といずれかの金属との合金が挙げられ得るが、それらに限定されるものではない。たとえば、例示的な導電性コア材料としては、ＮｉＣｕ、ＮｉＰｔ、ＮｉＢｉ、ＮｉＳｂ、ＮｉＡｌ、および他のＮｉベースの合金、Ｍｏおよびその合金、Ａｌおよびその合金などが挙げられる。さらなる実施形態では、ナノケーブルは、任意の好適な金属および／またはその合金で形成された純金属コアを有していてもよい。
【００８５】
ナノケーブルは好ましくは、電気化学堆積によって形成されるが、あるいは、電気化学堆積（ＥＣＤ）、低圧力ＣＶＤおよび／またはスパッタリングの組合せが必要に応じて用いられてもよい。好ましくは、ナノケーブルはマスクの頂部を越えて延びることはない。なぜなら、過剰にめっきされた材料は、マスクの頂部上に流れ出て、連結する傾向があるためである。ナノケーブルのアスペクト比は、めっきの程度によって設定できる。
【００８６】
ナノケーブルの直径は、約５０μｍから約０．３５μｍまで幅があり得て、その軸方向長さは典型的には約１００μｍから約１μｍまで幅があり得るが、製造性、材料の制約、前に記載したさまざまな材料系を用いたさらなる次元境界試験に基づくシステムの電気的応答などを含む種々の要因によって、より大きい場合もあれば、より小さい場合もある。
【００８７】
他の実施形態では、ビアの充填物はマルチ材料であり得て、各材料はそれ自体の利点を有し得る。実施形態を効率的に作用させることができる技術のうちの１つは、基体全体にわたって非常に均一でありかつ抵抗率が低い、前に記載した金属積層体を有するバックプレーン接点である。その構成により、ウェハ全体に均一に適切な電流密度を加えることができ、そのため、ナノケーブルの成長速度がすべて一様で等しくなる。この理由で、バック金属接点、流れ抵抗および均一性が処理にとって重要である。
【００８８】
図６Ｆを参照して、マスクを除去する。たとえば、フォトレジストは、たとえばアセトンまたはアルコールなどの有機溶媒、オゾン処理水、ＮＭＰ、ＴＭＡＨ、またはフォトレジストをきれいに除去するために特別に設計されたＤｕ  Ｐｏｎｔ  ＥＫＣ１６２またはＡＺ４００などの独占権下にある化学薬品を加えることによって、従来の技術を用いて除去できる。このレジストを取除いた後、構造をさらに洗浄するために第２の洗浄が行なわれてもよい。いくつかのアプローチでは、アルコール、たとえばイソプロピルアルコール、メタノールなどを用いてもよい。他のアプローチでは、当該技術分野において公知のタイプの酸性洗浄が用いられてもよい。
【００８９】
上述のように、バック接点層（バックプレーン接点４６と混同してはならない）をナノケーブル５２の上方に形成してもよく、いくつかのアプローチではその直上に形成してもよい。このようなバック接点は、導電性コア（ナノケーブル）とそこに最も近いＰＶ材料の層との間に界面を形成し得る。いくつかの実施形態におけるバック接点は、フェルミ準位および界面のバンドベンディング（ｂａｎｄｂｅｎｄｉｎｇ）を調整して、デバイスのＶｏｃを向上させ、膜同士の接着を向上させることを手助けし得る。
【００９０】
電気抵抗が非常に低いバック接点を構築することが一般に望ましく、これはさらには非常に一貫性のあるナノケーブルの形成を可能にし、これによって、ひいては、非常に一貫性のある膜をナノケーブル上に形成することができる。特に、バック接点の電気抵抗が非常に低いことにより、上にある層を形成するその後の電気化学堆積処理が均一になり得る。バック接点の抵抗がより高い場合、結果として生じるナノ構造はそれほど均一ではなく、ひいてはそれほど均一ではない膜がもたらされることになる。膜が均一でないときには、セルの性能が劣化し、より多くの欠陥または種々の他の問題を含むおそれがある。したがって、ナノ構造が一貫性のあるものであればあるほどよい。
【００９１】
性能およびバンドベンディング特性を向上させて所与の材料の電気的な仕事関数特性と一致させることを助けるように特別に設計されたバック接点は、当該技術分野において周知の種々の技術を用いて形成できる。バック接点層は、本明細書に列挙されているものなどの種々の金属および金属合金のうちのいずれかから形成できる。このような材料としては、Ｓｎ、Ａｎ、Ｃｕ、Ｃ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｂｉ、Ｔｅポリマー、金属酸化物、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｓ、ＮｉＯ、Ｎｉ2Ｏ5、ＮｉＳ2、Ｚｎ、Ｓｂ2ＴＥ3、Ｎｉ、ＮｉＴｅ2、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｅ／Ｃ、窒素がドーピングされたＺｎＴｅ、またはそれらの組合せが挙げられる。いくつかの実施形態では、本明細書に列挙されている方法を含む任意の好適な堆積方法を用いて、ＣｕＴｅ、ＳｂＴｅ、Ｚｎ／Ｔｅ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ、それらの合金または積層された層を層毎に個別にまたは組合せた形態で堆積してもよい。バック接点は、通常約１オングストローム〜約１００オングストロームの範囲の堆積厚さになるように堆積してもよいが、この厚さはより厚い場合もあれば、より薄い場合もある。バック接点の形成のためのこのアプローチは、Ｖｏｃを向上させ、バック接点電子障壁高さを下げる。
【００９２】
ＰＶ層５４、５６などのさらなる層をこの構造に追加する。図６Ｇを参照されたい。例示的なＰＶ層としては、ＩＩ−ＶＩ  ｐ型またはｎ型材料、ＩＩＩ−Ｖ  ｐ型またはｎ型材料などが挙げられるが、それらに限定されるものではない。特に好ましい材料としては、ＣｄＴｅ、硫化カドミウム、砒化ガリウム、セリン化銅インジウムガリウム、アモルファスシリコンなどが挙げられる。さらなる実施形態では、層のうちの１つ以上が、ＣｄＴｅ／ＺｎＴｅ、アモルファス炭化ケイ素ａ−Ｓｉｌ−ｘＣｘ：Ｈ、マイクロアモルファスシリコン、ＨｇｌＣｄｘＴｅｘ、窒化ガリウムなどを含んでいてもよい。さらなる実施形態は、Ｖｏｃおよび／またはキャリアの寿命を向上させるために、汚染物質または少量のドーパントを有するＣｄＴｅを含んでいてもよい。このような汚染物質および／またはドーパントとしては、ＰＶデバイスおよび／または半導体に一般に用いられる公知の、適合性のある、非常に導電性のある金属のうちのいずれかが挙げられ得る。なお、ＰＶ（または他の）層５４、５６の１つ以上は、層の積層体、材料の混合物などを含んでいてもよい。さらに、層５４、５６は、同一のベース元素もしくはベース元素の組合せ、または異なるベース元素を含んでいてもよい。
【００９３】
光起電力デバイスは、ｐ型材料とｎ型材料との間に整流接合を含み得る。
いくつかの実施形態では、ＰＶ層５４、５６はヘテロ接合を形成してもよい。１つのアプローチでは、ヘテロ接合は、ＩＩ−ＶＩ化合物を含む半導体層とＩＩＩ−Ｖ化合物を含む別の半導体層との間に形成される。いくつかのアプローチにおけるＩＩＩ−Ｖ化合物は、化学式ＸＹ（ここで、Ｘはホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムを含む群から選択され、Ｙは窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスを含む群から選択される）を有する材料であってもよい。いくつかのアプローチにおけるＩＩＩ−Ｖ化合物は、たとえば窒化ガリウムであり得る。窒化ガリウムは、窒化ガリウムアルミニウムであり得る。第２の半導体層は、ＩＩ−ＶＩ化合物またはその合金を含んでいてもよい。ＩＩ−ＶＩ化合物は、化学式Ｘ′Ｙ′（ここで、Ｘ′は亜鉛、カドミウムおよび水銀を含む群から選択され、Ｙ′は酸素、硫黄、セレン、テルルおよびポロニウムを含む群から選択される）を有する材料であり得る。ＩＩ−ＶＩ化合物は、たとえばテルル化カドミウムであり得る。
【００９４】
１つの実施形態は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とＩＩ−ＶＩ化合物半導体との間の接合の整流特性を向上させる界面層をさらに含んでいてもよい。特に、界面層は、ＩＩ−ＶＩ化合物とＩＩＩ−Ｖ化合物との間の整流ヘテロ接合などの整流接合を向上させることができる。界面層は、酸化物またはドーピングされたその組成物を含み得る。酸化物は、たとえば酸化亜鉛であり得る。酸化物は酸化水銀であり得る。酸化物は酸化スズであり得る。酸化物は、ドーピングされた酸化スズであり得る。ドーピングされた酸化スズは、亜鉛がドーピングされた酸化スズであり得る。ドーピングされた酸化スズは、カドミウムがドーピングされた酸化スズであり得る。酸化物は、ドーピングされた酸化亜鉛であり得る。酸化物は、たとえば、酸化カドミウム亜鉛、酸化銅、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化パラジウム、酸化銀、酸化ストロンチウム、酸化チタン、酸化バナジウムであり得る。１つのアプローチでは、界面層は、第１の半導体層と第２の半導体層との間に位置決めされることができ、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とＩＩ−ＶＩ化合物半導体との間に整流接合を形成する。別のアプローチでは、界面層は、半導体層のいずれかの側または半導体層の両側に位置決めされることができる。半導体層は、たとえばＣｄＴｅを含み得る。半導体層および金属接点または半導体層と別の半導体層との間の低抵抗正孔輸送は、仕事関数が高い材料を用いることによって達成できる。
【００９５】
ヘテロ接合を有する光起電力デバイスを製造する例示的な方法は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含む第１の半導体層を基体上に堆積させる工程と、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体を含む第２の半導体層を第１の半導体層とバック金属接点との間に堆積させる工程とを含み得る。この方法は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とＩＩ−ＶＩ化合物半導体との間の整流接合を向上させるために第１の半導体層と第２の半導体層との間に界面層を堆積させる工程をさらに含み得る。１つのアプローチでは、ｎ型層は、ＳｎＯ2、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2：Ｃｄ、ＳｎＯ2：ＺｎまたはＣｄＺｎＯ2などのドーピングされているかまたはドーピングされていない透明な酸化物を含み得る高抵抗率バッファ層で被覆されることができる。本明細書に記載される堆積方法を用いてもよい。様々な実施形態で使用可能なヘテロ接合を有するＰＶ構造を形成するためのさらなる方法および材料については、引用によって本明細書に援用されるＥａｇｌｅｓｈａｍに対する米国特許出願公開番号第ＵＳ−２００９−０２１１６３７−Ａ１号により詳細に記載されている。
【００９６】
好ましくは、外側のＰＶ層は、光を通すことができるように透明または半透明である。
好ましくは、ＰＶ層は、上述のおよび／または以下に記載する厚さおよび平均粒径／粒径分布を有する。
【００９７】
ＰＶ層を形成するための例示的な方法としては、化学浴堆積、電気化学堆積、ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）、スパッタリングなどが挙げられる。さらに、層は、別個にドーピングされてもよく、ドーピングされた層／ドーピングされていない層などを含んでいてもよい。ドーピングとしては、ねじりおよび傾斜技術を用いたイオン注入、および、さまざまなガスまたは化学的前駆体の注入による拡散が挙げられ得る。
【００９８】
特に好ましい実施形態では、各ＰＶ層は電気化学堆積によって形成される。めっきは、種々の温度、たとえば約３０〜約９０℃で行なうことができる。めっき浴は、所望の組成を提供するように適宜選択し得る。たとえば、ＰＶ層のうちの少なくとも１つが、約７０℃未満の浴温度でｐ型ＣｄＴｅをめっきすることによって形成されてもよい。１つのアプローチにおけるＣｄＴｅめっきについて、浴は以下の成分を含んでいてもよい：
Ｔｅ  １０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍ
Ｃｄ  １００００ｐｐｍ〜５０００００ｐｐｍ
Ｃｌ  ５０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ
硫酸塩モル濃度  ０．００１〜１．０ミリモル硫黄濃度。
【００９９】
ＰＶ層のいずれかをめっきするための電気化学堆積処理は好ましくは、さまざまなデューティサイクルでのパルスめっきを含む。デューティサイクルとは、両方の事象（オンおよびオフ）の始まりから終わりまでの期間全体のことである。１つのアプローチは、高い「オン」時間（たとえば、約９０％以上がオンであり約１０％未満がオフである、約９５％以上がオンであり約５％未満がオフであるなど、約７０％以上がオンであり約３０％未満がオフである）を有する長いデューティサイクルまたは短いデューティサイクルを用い、別のアプローチは、約３０〜約７０％のオン時間を有する長いデューティサイクルまたは短いデューティサイクルを用い、さらに他のアプローチは、より短いオン時間を用いてもよい。一般に、他のめっきパラメータと組合せて所望の平均粒径をもたらすデューティサイクル期間および「オン」時間を用いることが好ましい。
【０１００】
７０％以下のオン時間を有するデューティサイクルを用いることにより、粒径がより小さな層がもたらされ得ると考えられる。したがって、別のアプローチは、より短い「オン」時間（たとえば、約９０％以上がオフであり約１０％未満がオンである、約９５％以上がオフであり約５％未満がオンであるなど、約７０％以上がオフであり約３０％未満がオンである）を有する長いデューティサイクルまたは短いデューティサイクルを用いる。やはり、他のめっきパラメータと組合せて所望の平均粒径をもたらすデューティサイクル期間および「オン」時間を用いることが好ましい。
【０１０１】
別のアプローチでは、反転パルスめっきが用いられてもよい。反転パルスめっきは、パルスめっきと類似しているが、電圧が反対の（負の）方向に周期的に印加されて、堆積された材料の制御された周期的な脱めっき（ｄｅｐｌａｔｉｎｇ）を引起す。たとえば堆積期間の合計を脱めっき期間の合計よりも長くすることによってより多くの材料が除去されるよりも堆積されるようにパラメータを設定すべきである。
【０１０２】
（積層体めっきとしても知られている）反転パルスめっきを含むパルスめっきは、堆積された材料の核生成の制御を可能にする。１つのアプローチでは、堆積された材料の平均粒径の好ましい範囲は、約１〜約１００ｎｍであろう。
【０１０３】
さらに、めっきパラメータを変えることによって、さまざまな平均粒径を有する層を得ることができる。たとえば、堆積された層の厚さに沿って平均粒径が変化する段階的な層が形成されてもよい。さらに、さまざまな大きさの粒子が同時に形成されてもよい。実験結果が示したところによると、本明細書に示されている技術を用いて、すべてがおよそ均一な大きさを有しているのではなく、むしろ範囲によって変わる少数の粒子および大量の粒子を得ることができる。このように、たとえば、層は４０ｎｍの粒子、７０ｎｍの粒子、１００ｎｍの粒子および中間の大きさを有し得る。
【０１０４】
超音波処理またはめっき浴への音波の印加は、いくつかの実施形態ではめっき中に行なわれてもよく、パルスめっきと組合せて用いられてもよい。本発明者らは、超音波処理がめっき材料の粒径を減少させることを手助けすると考えている。好ましい超音波処理技術は、周波数の間に割って入るかまたはある範囲の周波数にわたって広がる超音波またはメガ音波を、いくつかの選択された周波数でめっき浴において用いる。特に好ましい周波数は、ＫＨｚまたはＭＨｚ範囲である。
【０１０５】
先に触れたように、本明細書に示されている技術を用いることにより、平均粒径が低下し、層の性能を向上させることを手助けすると考えられる。
【０１０６】
さらに、本発明者らはまた、めっき材料内での有益なバンドギャップシフトが超音波処理の結果として生じ得ると考えている。如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、超音波処理は何らかの方法で電気めっきされた膜の電気的な構成要素を変化させ、ひいては、層がＰＶセルとして用いられるときにより高いエネルギの電子を解放することができる。このように、超音波処理の結果として、バンドギャップエネルギの有益なシフトが予想される。技術としての超音波処理はそれ自体、粒径を減少させることに役立ち得、およそ同じ大きさの粒子を有するが超音波処理なしで形成された、その他の点では同一の層よりも高いバンドギャップを有する粒子を実際に提供し得ることが、実験的観察から仮定される。この驚くべき結果はＰＶセルの電力出力を大幅に向上させると考えられる。
【０１０７】
本発明者らはまた、驚くべきことに、ｐ型ＣｄＴｅをめっきできることを見出した。堆積されたｐ型ＣｄＴｅはめっき不可能であると以前は考えられていた。それどころか、１つの先行技術の方法は、ｎ型ＣｄＴｅをめっきし、次いで熱処理を用いてｎ型ＣｄＴｅ層をｐ型に変換していた。しかしながら、結晶構造を再編成するように熱エネルギが加えられると粒子がより大きく成長する傾向があるので、このような熱処理は粒径を増大させる。本発明の１つの実施形態では、ｐ型ＣｄＴｅは低温でめっきされる。さらに、結果として生じるｐ型ＣｄＴｅは、有益なことに、小さな平均粒径を有する。
【０１０８】
本発明の実施形態は、性能を最大にするように調整されてもよい。たとえば、各ＰＶ膜の粒径および厚さは、協働して最良の性能をもたらすように選択されてもよい。例示的な粒子直径については前に示した。好ましいＰＶ単一膜の厚さ範囲は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍ、たとえば約５０〜約５００ｎｍなどであるが、いくつかの実施形態ではより厚い場合もあれば、より薄い場合もある。したがって、２つのＰＶ層は、約２０ｎｍ〜約２０００ｎｍの累積厚さを有していてもよいが、いくつかの実施形態ではより厚い場合もあれば、より薄い場合もある。
【０１０９】
本明細書に開示されている剛毛は、量子閉じ込めの点でも利点を提供する。特に、さまざまな層の見掛け膜厚、より小さな平均粒径および屈折率は協働して量子閉じ込め効果を作り出すと考えられる。光は、光源などの要因に応じてさまざまな角度で剛毛に入る。この光に対する剛毛の提示角度が、光子が透過する膜の見掛け厚さを決定する。換言すれば、入射光に対してアレイがどのように向けられているかが一次「見掛け膜厚」を作り出す。たとえば、剛毛の長手方向軸に対して小さな角度で入ってくる光は、長手方向軸に直角に入ってくる光よりも大きな見掛け層間距離を作り出す。見掛け膜厚はセルの効率に影響を及ぼす。たとえば、最大効率は、剛毛の軸が入射光に対して平行な場所と入射光に対して直角な場所との間のどこかに向けられたときに達成されると考えられる。したがって、光源に対する剛毛の初期方位は、性能を最大にする見掛け膜厚をもたらすように選択されてもよい。
【０１１０】
さらに、さまざまな層の界面において反射および／または屈折が起こり得て、その結果、一旦剛毛内に入った光子の反射および／または屈折に基づいて他の見掛け膜厚がもたらされる。この反射および／または屈折は、特定の反射率および／または屈折率を有する材料を選択することによって調整できる。したがって、異なる角度または異なる提示で反射があるたびに、光に対する膜の見掛け厚さは異なったものになる。見掛け厚さが異なるたびに、光の波長に基づいて同調効果がある。したがって、量子閉じ込めおよびエネルギ変換は、膜厚に関して、異なる角度で入ってくる光子によってわずかに異なる。これは、粒径には左右されないようである。本発明者らは、ＰＶ膜が薄く、入射光が紫色のような高周波数・高エネルギの波長を含んでいる場合に、光が薄いＰＶ層に圧縮されて、量子効果がもたらされると考えている。より厚い膜を有する領域または実施形態では、同調要因は赤色の光に対してより有効であり得る。したがって、提示角度、材料選択、膜厚および小さな粒径の組合せは、システムとして機能して、より広い光のスペクトルを捕らえ、それをできる限り効率的に使用する。剛毛構造および剛毛間で生じる反射がなければ、これらの効果は観察されないことが予想される。
【０１１１】
本発明者らはまた、シータ回転または所与の光源の位置に対する基体の平面でのアレイの回転に基づいて、１つの実施形態に係る剛毛のアレイの電力出力が驚くべき変化をすることを観察した。特に、アレイの電力出力は、アレイを回転させたときに増加したり減少したりし、アレイを回転させたときの観察可能なピーク電力出力を含む。如何なる理論にも縛られることを望むものではないが、ナノロッドの独特なブラシの構成およびその特性がこの現象を作り出すと考えられる。したがって、本発明の実施形態を用いるものは、電力出力を最大にするように、光源の位置に対するシータ回転および初期提示角度の組合せを選択してもよい。
【０１１２】
図８に示される１つの実施形態では、各々が導電性ナノケーブルとこのナノケーブルの上方にＰＶ層とを有する光起電力ナノ構造のアレイを調整する方法８０は、アレイの観察可能な電力出力を増大させるためにその基体の平面において光起電力ナノ構造のアレイを回転させる工程を含み得る。作業８２を参照されたい。１つのアプローチでは、より優れたまたは最高の電力出力をどの位置がもたらすかを決定するために、一方向または両方向にアレイを回転させてもよい。このような回転は、周期的に、連続的に、一日のうちの予め定められたときなどに行なわれてもよい。別のアプローチでは、回転の時間および程度は、予め定められており、たとえばインストーラによって設定されて適切なときに自動的に適用される。いくつかの実施形態では、光源の位置に対するアレイの提示角度はまた、アレイの観察可能な電力出力をさらに増大させるために調整されてもよい。作業８４を参照されたい。回転および／または角度の調整を行なうために、電子機器およびアクチュエータ／モータなどの公知の装置を用いてもよい。
【０１１３】
上記は、径方向の構造の性質および存在するさまざまな膜についても述べている。上述のように、各膜は屈折率も有している。光が剛毛のアレイに入ると、光に対して異なる屈折率を示すこれらの膜の界面の各々において光は反射および／または屈折する。したがって、光は強制的に進路を変化させられて、光起電力厚さの膜自体に対するその見掛け提示を変化させられる。同様に、光は、剛毛からはね返って、剛毛に戻ってもよい。如何なる特定の理論にも縛られることを望むものではないが、光の提示および方位のばらつき、ならびに、各界面における膜の各々についての屈折率の値が、はね返りおよび異なる提示の増幅に相当し、それによって、異なる見掛け膜厚を見せているので異なる波長の光が異なったように反応できると考えられる。換言すれば、膜厚は変化していないが、光子の屈折が変化しているので見掛け厚さが変化する。
【０１１４】
さらに、いくつかの実施形態におけるナノロッド構造は、ナノロッドの頂部に入ってくる光を捕捉する「ライトパイプ」効果を作り出す多重反射事象を発生させる。ライトパイプ効果によって光がナノロッドに捕捉される傾向は、効率を増大させる。
【０１１５】
したがって、積層膜を有するナノロッド構造は、光を異なったように屈折および／または反射する異なる屈折率の値を可能にするように見え、各波長の光における光子を捕らえてそれらの電位で使用できるようにするように見える。すなわち、より高いエネルギの光子からの変換事象は、より低いエネルギの光子についての変換事象よりも高い出力電圧を生成する。この現象は本発明者らによって間接的に観察された。なぜなら、ある特定の所与の表面積についてより大きな電流および電圧がデバイスから達成されたためである。厳密なメカニズムは知られていないが、上記は少なくとも部分的にこの驚くべき現象を説明すると考えられる。１つの実験では、本発明者らは１センチメートル四方（平面）当たり４８ミリアンペアの出力を観察した。それは、その量が可能な最大２０倍の量であると考えられる。
【０１１６】
図６Ｇを参照して、この例では、ｐ型ＰＶ材料５４上にｎ型ＰＶ材料５６を形成する。接着材料は存在しない。しかしながら、接合をよりよいものにするために界面改変が行なわれてもよい。このような界面改変としては、ｐ型層のエッチング、ｐ型層の洗浄および／またはさまざまな熱拡散活性化工程の実行が挙げられ得る。熱拡散処理は、接合界面境界にわたる材料の拡散を推進して、それをより優れた電気接点にする。エッチングは、カドミウムを使い尽くしてもよく、それによってより多くのテルル箇所が界面に存在できるようになる。たとえば上部ｎ層として硫化カドミウムが用いられる場合、硫黄は開放したテルル結合箇所に引寄せられて、さらに隣接する層に入っていく傾向があるであろう。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、ｐ型層またはｎ型層の粒界を不動態化するために処理が行なわれてもよい。これも電気的性能を向上させる。１つのアプローチでは、ＰＶ材料の１つ以上の塩化物が層に塗布される。たとえば、ＣｄＣｌ2、ＴｅＣｌ4などが用いられてもよい。さらに、異なる材料を用いた連続的なまたは同時の処理が行なわれてもよい。処理方法としては、近接空間昇華、直接塗布などが挙げられる。
【０１１８】
図６Ｈを参照して、最終的には従来の様式で電力リード線に結合され得る上部導電層５８を構造上に設ける。上部導電層は、任意の好適な導電性の膜であり得て、好ましくは透明または半透明である。例示的な材料としては、ドーパントを有する酸化亜鉛、酸化インジウムスズなどの金属酸化物、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）、Ｃｄ2ＳｎＯ4などが挙げられる。上部導電層は、より薄い共形的な層などとして、アレイの耐久性を向上させるために（図示されているように）完全な膜で設けられてもよい。バッファも含まれていてもよい。たとえば、ＴＣＯバッファとしてＺｎ2ＳｎＯ4、ＴｉＯ2などが添加されてもよい。
【０１１９】
別のアプローチでは、ＡＬＤ、ＣＶＤなどの任意の好適な技術を用いて、導電特性を持たないかまたはほとんど持たない、ドーピングされていない層を設ける。次いで、ドーピングされていない層は、Ｂ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａなどの導電性材料でドーピングされる。１つのアプローチでは、ドーパントは、質量流量コントローラまたはバブラーによって注入される前駆体化学物質としてＣＶＤ処理中に加えられてもよい。真空系に化学的性質がなければ、ドーパントは化学蒸着処理中に膜に組入れられるであろう。このようなＣＶＤは、約４００℃未満、好ましくは約２００℃未満の温度で行なわれてもよい。
【０１２０】
１つの特に好ましいアプローチでは、ドーピングされた酸化亜鉛層が上部導電層として用いられる。低温で堆積された酸化亜鉛は、拡散格子または反射障壁の役割を果たす表面結晶粗さおよび垂直な結晶方位を有する。これらは、粒界間で光子を運ぶことに役立つ。なぜなら、光子は、反射面と相互作用したがり、粒界を通って導電性箇所の方に進んでいく傾向があるためである。このように、ドーピングされた酸化亜鉛は、ＰＶ層の方への光子の優先的なチャネリングとともに、反射およびチャネリングももたらす。
【０１２１】
さらなるアプローチは、ホウ素がドーピングされた酸化亜鉛、フッ素がドーピングされた酸化亜鉛、ガリウムがドーピングされた酸化亜鉛およびアルミニウムがドーピングされた酸化亜鉛などのドーピングされた透明な導電性酸化物を上部導電層に用いる。さらに、酸化インジウムスズなどの他のタイプの導電性酸化物が用いられてもよい。透明な導電層はまた、膜の反射防止特性または光捕捉特性をさらに向上させるために、材料の性質、その堆積特性、形成方法および温度、またはエッチングもしくは他の化学的処理などの二次処理によってさらにテクスチャ加工されてもよい。これらの二次的な方法は、ナノロッド構造全体の光捕捉および光子捕獲効率をさらに向上させると予想される。
【０１２２】
ドーピングされた層が用いられる場合、ドーピングされていない層が上部透明導電層とＰＶ層との間に存在していてもよい。このドーピングされていない層は、ドーピングされた層と同じ酸化物からなっていてもよいが、好ましくは如何なるドーパントも含んでおらず、したがって実質的に導電性が低い。
【０１２３】
さらなるアプローチでは、プラズマ誘起窒化シリコンまたは二酸化シリコンからなる荷電層などのパッシベーション層が上部透明導電層とＰＶ層との間に存在する。これらのさらなる表面膜は荷電状態をもたらして、ｎ型ＰＶ層と透明な導電性酸化物層との間の界面を不動態化する。
【０１２４】
いくつかのアプローチでは、ＰＶ材料は剛毛間の平面上に存在する。他のアプローチでは、ＰＶ材料はナノロッド上にのみ存在する。光起電力材料がロッド間に存在する場合、その表面積により光を捕らえることができる。光が捕らえられるので、セルの出力が増大する。
【０１２５】
ナノロッド構造が天然の応力緩和局面を有することにも言及すべきである。したがって、製造欠陥が少なくなり、剥離事象が最小になることが予想されるであろう。
【０１２６】
本発明の１つの実施形態は、内蔵インバータを含む。たとえば、エネルギを直流（ＤＣ）から交流（ＡＣ）に反転させるために、電子機器をデバイスに内蔵することができる。（従来技術のＰＶデバイスは、現在のところ、完成したモジュールに後になってはんだ付けされる別個のデバイスであるインバータを有する。）インバータを作製するために、標準的なＣＭＯＳ処理（たとえば、マスキング、打込み、拡散、堆積など）が用いられてもよい。１つのアプローチでは、不活性であると前に記載したシリコンを用いるのではなく、シリコンを活性化してインバータを作製する。このように、各ウェハがそれ自体のインバータまたはインバータの組を有していてもよい。一例では、太陽集光セルの１平方センチメートル毎に、ウェハ全体自体がここでインバータであるようにシリコンに内蔵された対応するインバータ構造が存在する。そのウェハから生じる電力は交流として通用するであろう。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、構造の前面から電気を収集することに役立つように、前面側バス接続が用いられてもよい。さらに、裏面導体との接点も設けられてもよい。このように、いくつかの実施形態では、フロント接点もバック接点もウェハの前面でアクセス可能である。さらに、ウェハのアレイ内のさまざまなウェハを接続するためにリードフレームが用いられてもよい。リードフレームは、モジュール内に置かれて、適切なポイントにおいてウェハの前面側の接点と接触させられるかまたは接点に結合されて、バック接点とフロント接点との両方から電気を伝える型打ち金属部品であってもよい。
【０１２８】
１つのアプローチでは、図７に示されるように、フロント接点７０およびバック接点７２は、電流の流れの距離を径方向に最小にして電圧降下を最小にするように四分円の状態で配置される。いくつかの実施形態におけるバック接点自体は、構造の裏面における、抵抗が非常に低い連続的な金属層であり、たとえばウェハの裏面全体が導電性の面である。したがって、正孔をバック接点にエッチングしてもよい。リードフレーム７４は正孔に挿入されることができる。ウェハの前面で、前面側バスはウェハ上の適切な接点と結合される。リードフレームの第２の導電部分がそれらに結合されてもよい。
【０１２９】
リードフレームは、ウェハのアレイを接続し得る。リードフレームの先端は、任意の導電性材料、たとえばＡｌ、Ｃｕなどから構築されてもよい。先端は天然金属であってもよく、リードフレームの他の領域はそれらを絶縁するために樹脂に浸漬されてもよい。多数のウェハの組を接合するためにリードフレームの端縁バスの構成および中心バスの構成が用いられてもよく、すべてのリードフレームを結合して電力出力接点を形成してもよい。
【０１３０】
１つの実施形態では、剛毛のアレイは可撓性金属基体に結合される。１つのアプローチでは、ナノケーブルは上述のものと類似の犠牲マスクに形成される。たとえば図６Ｅおよび関連の説明を参照されたい。しかしながら、それを除去する代わりに、下に形成された基体からナノケーブルをその後分離できるように、酸化ニッケル（または何らかの他の材料）からなる薄層がビアホールの底面に存在する。ナノケーブルはビア内にめっきされ、多少の厚さまたは深さまで正孔からあふれる。過剰な充填物は成長して、ナノロッドを相互接続する層を形成する。フォトレジストを溶解させ、可撓性金属基体（過剰めっき材料）によって結合されたナノケーブルを残す。ナノケーブルは、めっき前のその正孔の底面における金属酸化物の薄層のために、下部基体から切離すことができる。結果として生じる構造は、反転させると、自立型のソリッドコア金属ナノロッドの可撓性アレイである。ＰＶ層および他の層を加えるなど、さらなる処理をアレイに対して行なうことができる。しかしながら、基体は可撓性であり、金属製である。これにより、たとえば本明細書に開示されている技術および／または当該技術分野において公知の他の技術のうちのいずれかを用いて、可撓性ＰＶアレイのようなものを作製できる。
【０１３１】
図５Ａ〜図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／または最初に洗浄剤−水、酸−水洗浄もしくはＮａＯＨ／ＮａＣＮ／洗浄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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。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。膜は、まず２００ｎｍのＮｉなどの薄い導電性材料を堆積し、続いて２００ｎｍのＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4などの絶縁層を堆積し、およそ３〜２０μｍのポリイミドまたはフォトレジストポリマーをスピンコーティングし、任意に薄い金属または酸化物ハードマスク上に別のフォトレジストを層にすることによって形成できる。あるいは、鋳型は、エンボス加工可能な材料で作製することができる。あるいは、鋳型は、構造化された基体にポリマーを充填し、任意の数の形状の正孔が生成されるように基体からポリマーを除去することによって作製することができる。ＣＶＤによってＳｉＯ2が薄膜に塗布される場合など、材料全体に及ぶようにエンボス加工が用いられてもよく、膜は両方の層を貫通する正孔を作製するエンボス加工ツールを突き通るが、エンボス加工に続いて任意に、酸化物を一掃してポリマー正孔の形状を向上させるエッチング工程を行なうことができる。通常は加熱されるが必ずしも加熱されるとは限らないナノまたはマイクロエンボス加工ツールは、エンボス加工を作製する。まず、フォトリソグラフィを用いて、典型的には３５ｎｍ〜数十ミクロンである正孔によりハードマスクをパターニングし、次いでディープエッチングが行なわれる。廃流がビアを残すことができるように、エッチングはパルス状にされる。ビアが形成されている間に、上部のフォトレジストが除去される。ビアが絶縁層に形成された後、絶縁体のエッチングの前に、ポリマーコーティング、おそらくはフッ素化されたポリマーをビアに付与することができる。絶縁体ビアがエッチングされた後、導体上の酸化物は除去されるべきである。ニッケルなどの金属については、酸化物を除去するためにＨＣｌ溶液または１００：１ＨＦまたは反応性のＨ＋を用いるべきである。電気化学堆積の前に、環境への配慮または水への浸漬がなされるべきである。すべての場合において、酸化物レベルが最小である表面が、電気化学的に堆積されたナノまたはマイクロケーブルの優れた接着にとって非常に重要である。電気化学堆積の前に、水に膜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。セル上に個別の領域を形成してセルの１つの領域における欠陥が他の領域に影響を及ぼすことを回避するために、バック接点に対してエッチング、スクライビング、レーザアブレーションなどを行なうことができる。めっきのために任意の数の列を分離できるように、別々の列を金属および誘電体堆積部とバス接続または組合せることができる。１列のＣｄＴｅおよび１列のＣＩＳといったタイプの製品が生成され得る。さらに、バスケットウィーブタイプの堆積は、１つ置きの剛毛が交互の厚さおよび構成を有するアレイを作製できる。次に、Ｆ：ＳｎＯなどの透明な導電性酸化物を塗布する。エッチングは、剛毛のベースの幅が広くなって、高いアスペクト比のスパッタリングおよびＣＶＤなどの堆積技術を可能にするのに十分な湾曲を与えるように行なうことができる。液体の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）の塗布が光起電力セルを活性化するのに十分に高温であるようにＴＣＯも存在する。あるいは、１０Ｘ技術によって作製される膜などの、ポリマーが上に噴霧された金属ポストを有するシリンダを用いて膜を連続的に生成できる。別の代替例は、製紙業者およびオムツの製造業者が利用する技術のような従来のエンボス加工技術を用いて厚いポリプロピレン膜にエンボス加工を施すというものであろう。膜が十分に厚い場合には、基体を冷却し、次いで膜のポアを傾斜させるスキージ、ドクターブレード、空気ナイフなどによって力を掛けながら頂部を加熱することが可能である。
【０１３５】
あるいは、１０Ｘ技術によって作製される膜などの、ポリマーが上に噴霧された金属ポストを有するシリンダを用いて膜を連続的に生成できる。別の代替例は、従来のエンボス加工技術を用いて厚いポリプロピレン膜にエンボス加工を施すというものであろう。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
いくつかのアプローチでは、酸化物の除去がそうであるように、絶縁体膜の最終的なエッチングが依然として必要であり得る。
【０１３９】
鋳型の形成後、いくつもの溶液を用いてナノまたはマイクロケーブルを形成することができる。ニッケルがＭＥＭＳデバイスにおいて広く用いられており、多くのＰＶデバイスのためのバック接点として適合性がある。鋳型に適切な幅広い範囲の市販のニッケル浴が存在する。精密な剛毛には定電位堆積が一般に好ましいが、定電流堆積についても処理を容易に構築することができる。
【０１４０】
１つのアプローチでは、マイクロまたはナノケーブルが形成された後、バレルアッシャまたは類似のプラズマを用いてポリマーはアッシング処理され、ウェットエッチングされて、残留物が除去される。めっきの前に、酸化物除去処理がナノまたはマイクロ剛毛上で繰返されて、高品質のバック接点が作製される。約１．７５のｐＨで酸性ＣｄＴｅめっきが行なわれ、Ｔｅの濃度の約１００倍の濃度でＴｅＯ2およびＣｄＳＯ4からＴｅを飽和させる。浴を清浄に保ち、如何なる汚染物質も浴に入らないように注意すべきである。６０〜９０℃のどこかの温度でＣｄＴｅの定電位堆積を行なうことができ、他のアプローチでは、約７０℃未満、たとえば約３５℃〜約６９℃の浴温度でＣｄＴｅの定電位堆積を行なうことができる。ポテンショスタットを０．３〜０．８Ｖに容易に調整して、わずかにＰ型のＣｄＴｅを送達することができる。
【０１４１】
ＣｄＴｅの堆積後、水またはメタノール中に約１％のＣｄＣｌ2を、ＣｄＴｅの厚さおよびＣｄＣｌ2処理の濃度に応じて、３０秒〜４５分間にわたって１００〜５００℃で、表面と接触させてまたは表面の近位で加熱する。ＣｄＴｅの堆積後、周知のチオ尿素またはチオ硫酸塩浴を用いて、６５〜８０℃で電気化学または浸漬ＣｄＳめっきが行なわれる。最後に、酸化インジウムスズまたはフッ素化酸化スズコーティングをセルに塗布し、セルの作製が完了する。次いで、Ｓｐｉｒｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造される装置などの従来の装置を用いて、セルを積層することができる。
【０１４２】
セルは、表面にＥＶＡ、ゴムまたはそれらの組合せを塗布するのに十分なスペースを有する状態で、非導電性の耐熱性のシート上に作製することができる。次いで、シートを熱封止して、比較的透明であり、耐衝撃性があり、水分浸透、物理的衝撃、極端な温度などの環境的損傷に耐えることができるようにすることができる。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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、ポリマーまたはフォトレジスト膜を除去するために、アッシング、ＲＩＥまたは溶媒洗浄が用いられる。
【０１４９】
図５Ｆに示されるように、溶媒または除去技術がポリマーまたはフォトレジストに対して高い選択性を有するが絶縁層をそのままにしておくように、膜３０は性質がバイナリ（ｂｉｎａｒｙ）であってもよい。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。
【０１５０】
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。欠陥は、欠陥を無くすためにピンホールの直径を大幅に下回るようにナノケーブルの特徴的な直径を小さくすることによっても最小になる。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
図５Ｇは、ｐ型半導電層３４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、９５℃に回帰させて７２℃に冷却することによって、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、めっきされる表面によって異なるが、典型的には３００〜９００ｍＶ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。
【０１５７】
図５Ｇはまた、ｎ型半導電層３６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。
【０１５８】
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り、それらは、全文が引用によって援用されるＴ．Ａ．スカテリン（Ｔ．Ａ．  Ｓｋａｔｈｅｒｉｎ）による「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  Ｉ」に記載されている。
【０１５９】
さらに、引用によって本明細書に援用されるＵＳ２００４/００２５９３３に示されるように、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。
【０１６０】
図５Ａ〜図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、特許出願ＵＳ２００４/００２５９３４に図示されるように、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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
図５Ａ〜図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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
図９は、さらに別の実施形態に係る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）。
【０１６６】
図１０Ａ〜図１０Ｉは、カーボン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１０Ａは、表面に導電層１３２が堆積した基体１３０を示している。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１０Ｂ）。図１０Ｃに示されるように、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１０Ｄ）。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１０Ｅ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。
【０１６７】
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１０Ｆ）、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１０Ｇ）。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１０Ｈ）。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１０Ｉ）。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。
【０１６８】
図１１Ａ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１１Ｂ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１１Ｃ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１１Ｄ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１１Ｅ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。
【０１６９】
図１２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、容易に識別可能でありかつ置換可能なセ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。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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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：
【０１７６】
【数１】
2013521662.tif 000007
【０１７７】
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１３に示されるとおりである。
【０１７８】
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）。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
【表５】
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【０１８４】
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州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。
【０１８５】
【表６】
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【０１８６】
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電力出力は、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。
【０１８７】
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。本発明の様々な実施形態は、表７に示される性能よりも優れた性能を有し得る。
【０１８８】
【表７】
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【０１８９】
ソーラーブラシ１０は、直径１２”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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
ブラシの形状制御の向上を可能にする１つの有用な技術は、剛毛の底面が外向きに湾曲するように鋳型の底面を過剰エッチングするというものである。これにより、多くのＴＣＯ堆積技術が効果的になり得る。例示的なＴＣＯ堆積技術としては、噴霧、浸漬、スピンオン塗布などが挙げられる。その形状により、均一で連続的なＴＣＯコーティングを維持しながら剛毛を背が高くすることができ、互いに近接させて配置することができる。
【０１９４】
ＴＣＯはまた、加熱された液体の形態で塗布されてもよい。したがって、１つの実施形態では、液体は、１つの工程内でＴＣＯの堆積とセルの熱活性化とが組合せられるほどに高温である。換言すれば、ＴＣＯからの熱がＰＶセルを活性化させる。
【０１９５】
熱活性化はレーザを用いて行なうこともできる。この１つの利点は、エネルギがほとんど無駄にならず、二酸化炭素排出量が最小になることである。多くの場合、モジュールは、エネルギの大半が環境へ失われるオーブン内で活性化される。別の利点は、正確な量のエネルギがＰＶセルに加えられることである。セルが多過ぎる量のエネルギまたは少な過ぎる量のエネルギを得ると、セルの性能は低下する。最後に、いくつかのナノケーブルが他のナノケーブルよりも多くのエネルギを受取るようにレーザをパルス状にすることができる。これは、活性化要件が異なる多数の材料がＰＶアレイに見られるときに特に役立ち得る。
【０１９６】
アレイは、前面接触層のバルク上の電流負荷を減少させるために導体をＴＣＯ上に配置できる空隙を残すような様式でパターニングされることができる。空隙は、モジュールの電圧を制御するようにパターニングされることもできる。
【０１９７】
さらなる方法、構成などは、引用によって本明細書に援用された、２００６年８月２６日に出願された米国特許出願番号第１１／４６６，４１１号および第１１／４６６，４１６号に示されている。これらの出願に開示されている如何なる特徴も、本願の様々な実施形態とともに用いられてもよい。
【０１９８】
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３Ａ】
2013521662.tif 000011
【図３Ｂ】
2013521662.tif 000012
【図３Ｃ】
2013521662.tif 000013
【図５Ａ】
2013521662.tif 000014
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
2013521662.tif 000017
【図５Ｅ】
2013521662.tif 000018
【図５Ｆ】
2013521662.tif 000019
【図５Ｇ】
2013521662.tif 000020
【図５Ｈ】
2013521662.tif 000021
【図６Ａ】
2013521662.tif 000022
【図６Ｂ】
2013521662.tif 000023
【図６Ｃ】
2013521662.tif 000024
【図６Ｄ】
2013521662.tif 000025
【図６Ｅ】
2013521662.tif 000026
【図６Ｆ】
2013521662.tif 000027
【図６Ｇ】
2013521662.tif 000028
【図６Ｈ】
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【図７】
2013521662.tif 000030
【図１０Ａ】
2013521662.tif 000031
【図１０Ｂ】
2013521662.tif 000032
【図１０Ｃ】
2013521662.tif 000033
【図１０Ｄ】
2013521662.tif 000034
【図１０Ｅ】
2013521662.tif 000035
【図１０Ｆ】
2013521662.tif 000036
【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
2013521662.tif 000038
【図１０Ｉ】
2013521662.tif 000039
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
2013521662.tif 000042
【図１１Ｄ】
2013521662.tif 000043
【図１１Ｅ】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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