(57)【要約】ショットキー接合太陽電池のための様々なシステム及び方法が与えられる。一実施例では、太陽電池は、半導体層上に形成されるメッシュ層と、メッシュ層上に形成されるイオン層とを含む。イオン層は、メッシュ層を通って浸透し及び半導体層に直接接触する。他実施例では、太陽電池は、半導体層上に形成される第１メッシュ層と、第１メッシュ層上に形成される第１メタライゼーション層と、ゲート電圧によって第１メタライゼーション層に結合される第２高表面積電気伝導性電極と、第１メッシュ層及び第２高表面積電気伝導性電極と電気的に連通するイオン層とを含む。他実施例では、太陽電池は、半導体層上に形成されるグリッド層と、グリッド層及び半導体層と電気的に連通するイオン層とを含む。
2013528903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池であって、
半導体層上に形成されるメッシュ層であって、ナノチューブの電気伝導性透明多孔性メッシュであるメッシュ層と、
前記メッシュ層上に形成されるイオン層であって、ナノチューブの前記多孔性メッシュを通って浸透し及び前記半導体層に直接接触するイオン層と
を含む太陽電池。
【請求項２】
太陽電池であって、
半導体層上に形成される第１メッシュ層であって、ナノチューブの多孔性メッシュを含む第１メッシュ層と、
前記第１メッシュ層に結合される第１メタライゼーション層と、
ゲート電圧によって前記第１メタライゼーション層に接続される第２高表面積電気伝導性電極と、
前記第１メッシュ層及び前記第２高表面積電気伝導性電極と電気的に連通するイオン層と
を含む太陽電池。
【請求項３】
前記第１メッシュ層と前記半導体層との接合のビルトインポテンシャルは、前記ゲート電圧により適用される電圧に対して感受性がある、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第１メッシュ層と前記半導体層との接合の界面双極子は、前記ゲート電圧により適用される電圧に対して感受性がある、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ゲート電圧は複数の太陽電池を含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第１メタライゼーション層は第１電極及び前記第２高表面積電気伝導性電極第２電極を形成する、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１メタライゼーション層は、前記半導体層から絶縁層によって絶縁される、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第１メタライゼーション層は前記半導体層に直接接触する、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記第１メッシュ層はグラフェン層を含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記第１メッシュ層は半導体ナノワイヤを含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記第１メッシュ層は金属ナノワイヤを含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記半導体の表面は、適用される前記ゲート電圧による付加的性能向上を許容する表面状態密度を変化させるべく修正されている、請求項２に記載の太陽電池
【請求項１３】
前記太陽電池の直列抵抗は前記ゲート電圧により適用される電圧に感受性がある、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記第１メッシュ層は金属グリッドを含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記第１メッシュ層は半導体グリッドを含む、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１６】
太陽電池であって、
半導体層上に形成されるグリッド層と、
グリッド層に結合される第１メタライゼーション層と、
前記グリッド層及び前記半導体層と電気的に連通するイオン層と
を含む太陽電池。
【請求項１７】
前記グリッド層は、ナノチューブの電気伝導性グリッドを含む、請求項１６に記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記グリッド層は電気伝導性金属グリッドを含む、請求項１６に記載の太陽電池。
【請求項１９】
前記半導体層と前記第１メタライゼーション層との間に配置される絶縁層をさらに含む、請求項１６に記載の太陽電池。
【請求項２０】
前記絶縁層上に形成されるメッシュ層であって、
前記メッシュ層は前記グリッド層から電気的に絶縁されるメッシュ層と、
前記メッシュ層に結合される第２メタライゼーション層と
を含む、請求項１９に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１０年４月２７日に出願された「ELECTRONIC GATE ENHANCEMENT OF SCHOTTKY JUNCTION SOLAR CELLS」という名称の同時継続中の米国仮特許出願第６１／３２８，４１７号明細書の優先権を主張し、そのすべてを本明細書に参照として組み入れる。
【０００２】
連邦政府後援研究開発に関する記載
本発明は、国立科学財団により与えられた助成金第ＥＣＣＳ-０８２４１５７号のもとで政府援助を受けた。米国政府は本発明に所定の権利を有する。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の多くの側面が以下の図面を参照して良好に理解できる。図面のコンポーネントは必ずしも縮尺通りではなく、本開示の原理を明確に説明することが強調される。さらに、図面においては、同じ参照番号はいくつかの図を通して対応する部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本開示の様々な実施例に係る太陽電池の一例の図示表現である。
【図２】図２Ａ及び２Ｂは、本開示の様々な実施例に係る、図１の太陽電池に含まれる金属及び半導体のエネルギー準位を説明するエネルギーバンド図の例である。
【図３】本開示の様々な実施例に係る、図１の太陽電池の一実施例に対してシミュレーションされた電流密度対電圧（Ｊ-Ｖ）特性の一例のグラフである。
【図４】本開示の様々な実施例に係る、照明されている間の図１の太陽電池の一実施例について測定されたＪ-Ｖ特性の一例のグラフである。
【図５】本開示の様々な実施例に係る、照明されている間の図１の太陽電池の一実施例について測定されたＪ-Ｖ特性の一例のグラフである。
【図６】本開示の様々な実施例に係る太陽電池の他の一例の図示表現である。
【図７Ａ】本開示の様々な実施例に係る太陽電池の他の一例の図示表現である。
【図７Ｂ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池のグリッド層の写真である。
【図８】本開示の様々な実施例に係る、イオン伝導体層がない図１の太陽電池の一実施例及びイオン伝導体層がない図７Ａの太陽電池の一実施例に対する暗い間及び照明されている間のＪ-Ｖ特性の一例のグラフである。
【図９】本開示の様々な実施例に係る、イオン伝導体層を有しない及び有する図７Ａの太陽電池の一実施例に対するＪ-Ｖ特性の一例のグラフである。
【図１０Ａ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の一実施例に対する実験Ｊ-Ｖ特性の一例のグラフである。
【図１０Ｂ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池のシミュレーションパラメータ及び形状の図示表現である。
【図１０Ｃ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の空乏層に発生した電界の例の図示表現である。
【図１０Ｄ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の空乏層に発生した電界の例の図示表現である。
【図１０Ｅ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の空乏層に発生した電界の例の図示表現である。
【図１０Ｆ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の空乏層に発生した電界の例の図示表現である。
【図１０Ｇ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の空乏層に発生した電界の例の図示表現である。
【図１０Ｈ】本開示の様々な実施例に係る、図７Ａの太陽電池の空乏層に発生した電界の例の図示表現である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
太陽電池は、日光をエネルギーに変換するのに有用である。本開示は、ナノチューブ膜-半導体接合を含む太陽電池を記載する。当該接合は、材料特性の関数であるだけでなく電子ゲーティングによる修正もできるビルトインポテンシャルを有する。加えて、電子ゲーティングは、ナノチューブ膜と半導体の接合における界面双極子を修正して当該接合にわたる電荷輸送に対するバリアを低減することができる。さらに、電子ゲーティングは、空乏層にわたる電界に寄与することができるので、電荷が当該領域から掃き出されて発電能力をさらにブーストする効率を高めることができる。
【０００６】
図１は、非制限的一実施例の、とりわけ太陽電池１００ａとして示される太陽電池１００の、斜視図である。太陽電池１００ａは、本明細書に記載される様々な実施例の機能を実証するのに役立つ。商用アプリケーションにおいて有用な太陽電池１００の実施例を以下に詳述する。太陽電池１００ａは、裏面コンタクト層１０１及び半導体層１０２を含む。太陽電池１００ａは、半導体層１０２上に絶縁層１０３をさらに含む。絶縁層１０３の一部がエッチングされて半導体層１０２に露出される。半導体層１０２は、第１メタライゼーション層１０４ａにより囲まれる。当該エッチングされた部分に第１メッシュ層１０６ａが配置され、第１メッシュ層１０６ａが半導体層１０２及び第１メタライゼーション層１０４ａに接触する。第１メッシュ層１０６ａは、太陽輝度スペクトルの認識可能な部分に対して透明な、電気的に伝導性の多孔性メッシュ層である。
【０００７】
太陽電池１００ａは、絶縁層１０３上に第２メタライゼーション層１０４ｂをさらに含む。第２メッシュ層１０６ｂが第２メタライゼーション層１０４ｂに接触する。しかしながら、太陽電池１００の他実施例では、絶縁層１０３も、第２メタライゼーション層１０４ｂも、及び第２メッシュ層１０６ｂも含まれない。
【０００８】
メッシュ層１０６ａ及び１０６ｂは互いに電気的に絶縁される。第１メタライゼーション層１０４ａは第１メッシュ層１０６ａのためのコンタクトを形成し、第２メタライゼーション層１０４ｂは第２メッシュ層１０６ｂのためのコンタクトを形成する。また、第１メッシュ層１０６ａが半導体層１０２に接触する一方、第２メッシュ層１０６ｂは、絶縁層１０３によって半導体層１０２から隔離される。第１メッシュ層１０６ａ及び第１メタライゼーション層１０４ａは集合的に接合電極を形成する。同様に、第２メッシュ層０６ｂ及び第２メタライゼーション層１０４ｂは集合的にゲート電極を形成する。
【０００９】
図１に示される太陽電池１００ａにおいて、第１メッシュ層１０６ａ及び第２メッシュ層１０６ｂはほぼ同じサイズであるため、同程度の表面積を有する。しかしながら、他実施例では、第１メッシュ層１０６ａ及び第２メッシュ層１０６ｂは、異なる形状であって同様の表面積を有してもよい。また、第２メッシュ層１０６ｂが含まれない太陽電池１００の実施例では、接合電極及び遠隔したゲート電極はほぼ同じ表面積を有する。
【００１０】
イオン伝導体層１０８が、以下の各層の少なくとも一部を覆う。すなわち、第１メッシュ層１０６ａ、第２メッシュ層１０６ｂ、第１メタライゼーション層１０４ａ、第２メタライゼーション層１０４ｂ、及び絶縁層１０３である。イオン伝導体層１０８はまた、第１メッシュ層１０６ａまで浸透し、かつ、半導体層１０２に直接接触する。第１メタライゼーション層１０４ａ及び第２メタライゼーション層１０４ｂは、電圧源１２０によりゲート電圧ＶＧにバイアスされる。
【００１１】
動作上、太陽電池１００は電源である。図１に示される太陽電池１００ａは、半導体層１０２の表面が太陽放射により照明されると発電する。具体的には、イオン伝導体層１０８を通ってかつ第１メッシュ層１０４ａを通って通過する太陽放射（ｈｖ）により、第１メタライゼーション層１０４ａ上に電荷の蓄積がもたらされ、裏面コンタクト層１０１上に反対の電荷の蓄積がもたらされる。照明のもとでは、第１メタライゼーション層１０４ａ及び裏面コンタクト層１０１に負荷抵抗が電気的に接続されていない場合の第１メタライゼーション層１０４ａと裏面コンタクト層１０１との電位差は、開回路電圧ＶＯＣと称される。
【００１２】
電力を消費することができる負荷抵抗が第１メタライゼーション層１０４ａ及び裏面コンタクト層１０１に電気的に接続されると、当該負荷を電流が流れる。ひとたび電流が当該負荷を流れると、第１メタライゼーション層１０４ａと裏面コンタクト層１０１との間の電圧が減少する。当該負荷の両端の電圧と当該負荷を流れる電流との積が、当該負荷により散逸される電力であり、太陽電池１００ａにより生成される電力でもある。太陽電池１００ａの固定照明に対しては、当該負荷抵抗が変化するにつれての当該負荷を通る電流対当該負荷の両端の電圧をプロットすることにより、太陽電池１００ａの性能を特徴づける性能指数を抽出することができる。代替的に、当該電流を測定している間、ソースメータが、第１メタライゼーション層１０４ａと裏面コンタクト層１０１との間にバイアス電圧を適用することができる。当該電流対適用バイアス電圧のプロットによっても、太陽電池１００ａの性能を特徴づける性能指数を抽出することができる。
【００１３】
図１の実施例における太陽電池１００ａの構造及び発電能力を記載したが、太陽電池１００ａの層に含まれる様々な材料を以下に記載する。半導体層１０２は、以下の半導体材料の一以上を含む。すなわち、Ｓｉ、Ｇｅ，及び／又はＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、ＴｉＯ２である。半導体材料はドープされ、いくつかの実施例では、半導体材料はｎ型Ｓｉである。
【００１４】
裏面コンタクト層１０１は、半導体層１０２に対して低抵抗オームコンタクトを形成する一以上の金属及び／又はその合金を含む。半導体層１０２が低濃度にドープされたｎ-Ｓｉを含む場合、裏面コンタクト層１０１は、例えば、チタン、アルミニウム、及び／又はインジウムガリウム共晶を含む。代替的に、半導体層１０２の裏面（すなわち半導体層１０２の裏面コンタクト層１０１に接触する側）が高濃度にドープされる。この場合、ほとんどの金属は適切な低抵抗コンタクトを形成するだろう。
【００１５】
図１に示される太陽電池１００ａのような絶縁層１０３を含む実施例では、絶縁層１０３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような絶縁材料を含む。以下で詳述するように、いくつか野実施例は絶縁層１０３を含まない。
【００１６】
同様に、図１に示される太陽電池１００ａの第１メタライゼーション層１０４ａ及び第２メタライゼーション層１０４ｂは、以下の伝導性材料の一以上を含む。すなわち、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）である。しかしながら、以下で詳述するように、太陽電池１００のいくつかの実施例はメタライゼーション層１０４ａ、１０４ｂを含まない。
【００１７】
第１メッシュ層１０６ａ（及び第２メッシュ層１０６ｂを含む実施例では２メッシュ層１０６ｂ）は、以下の材料の一以上を含む。すなわち、一重壁カーボンナノチューブ、二重壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブ、グラフェン、半導体ナノワイヤ、金属ナノワイヤ、金属グリッド、又は半導体グリッドである。当該材料にもかかわらず、半導体層１０２に接触する第１メッシュ層１０６ａは太陽放射に対して十分透明であり、当該放射の大部分は半導体層１０２の表面に到達する。さらに、第１メッシュ層１０６ａは電気伝導性であり、約３００オーム／ｓｑ以下のシート抵抗を有する。加えて、第１メッシュ層１０６ａは、イオン伝導体層１０８が半導体層１０２表面及び第１メッシュ層１０６ａの半導体層１０２表面と接触する部分双方にアクセスできる程度に十分多孔性である。
【００１８】
例えば、図１に示される太陽電池１００ａの実施例では、第１メッシュ層１０６ａ及び第２メッシュ層１０６ｂはそれぞれナノチューブネットワークを含む。第１メッシュ層１０６ａ及び第２メッシュ層１０６ｂはナノチューブネットワークを含むので、第１メッシュ層１０６ａ及び第２メッシュ層１０６ｂは多孔性かつ透明である。ナノチューブは、状態密度が低いが伝導性は高い。ナノチューブのフェルミ準位はまた、電子受容体又は電子供与体を使用したドーピングにより調整することができる。イオン結合を形成するには、カーボンが電子を供与又は電子を受容するのがエネルギー的には好ましい。したがって、いくつかの実施例では、第１メッシュ層１０６ａ及び／又は第２メッシュ層１０６ｂは、臭素、塩化チオニル、又は硝酸のような電子受容体を使用してｐドープされる。さらに、第１メッシュ層１０６ａ及び／又は第２メッシュ層１０６ｂは、大まかには３分の１が金属、残りの３分の２が半導体であるが、半導体ナノチューブのドーピングによりこれらは事実上すべてが金属とみなされる程度に十分に伝導性となる。
【００１９】
イオン伝導体層１０８はイオン伝導性材料を含む。当該イオン伝導性材料は高イオン伝導度を有し、太陽照度スペクトルの認識可能な部分に対して透明である。例えば、当該イオン伝導性材料は、イオン液体、電解質溶液、又は固体状態電解質である。いくつかの実施例では、当該イオン液体は、１-エチル-３-メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＥＭＩ-ＢＴＩ）である。ゲート電圧１２０により適用される電圧は、当該イオン伝導性材料の特性の電気化学的変化を防ぐべく、当該イオン伝導性材料の酸化還元（ｒｅｄｏｘ）電位未満のままである。
【００２０】
図１に示される太陽電池１００ａを参照すると、定常状態において、ゲート電圧１２０によりメタライゼーション層１０４ａ、１０４ｂに適用される電圧が、メッシュ層１０６ａ及び１０６ｂに反対符号の電荷を注入する。例えば、第２メッシュ層１０６ｂが負とされている間に第１メッシュ層１０６ａと第２メッシュ層１０６ｂの間に０．５Ｖが適用されると、第１メッシュ層１０６ａ内のナノチューブから電子が引き出される（第１メッシュ層１０６ａは正に帯電したままである）が、第２メッシュ層１０６ｂは電子が注入されて負に帯電される。イオン伝導体層１０８が存在しない場合、当該配列の容量はかなり小さいので、第１メッシュ層１０６ａから除去されて第２メッシュ層１０６ｂに入ることができる電荷はそれほど多くない。
【００２１】
第１メッシュ層１０６ａ上に残っている電子に対する第１メッシュ層１０６ａ上に誘導される正電荷のクーロン引力は非常に強いので、多くの電子が当該電圧において電力供給により除去される。しかしながら、イオン伝導体層１０８が存在する場合は、当該容量はかなり大きくなり、かなり多くの電荷が第１メッシュ層１０６ａから除去されてこれと同じ電圧にある第２メッシュ層１０６ｂに入る。これが生じるのは、第１メッシュ層１０６ａ上に残っている初期正電荷に応答して、イオン伝導体層１０８からの負イオンがナノチューブ表面に移動するからである。当該負イオンは、ナノチューブ上の正電荷のクーロン引力に対してその残りの電子を埋め合わせるので、電力供給により、これと同じ電圧にある第１メッシュ層１０６から多くの電子を引き出すことができる。第２メッシュ層１０６ｂ上の負電荷に引き寄せられる正イオンも同様に、当該層にあるナノチューブにさらに多くの電子を注入することができる。したがって、イオン伝導性材料の存在により、メッシュ層１０６ａ、１０６ｂにおけるナノチューブの電子人口に認識可能な変化がもたらされ得る。電荷輸送ドーパントも同様に、ナノチューブの電子人口を変化させるので、これは、当該ナノチューブの電子ドーピングとみなすことができる。電子人口の当該変化により、メッシュ層１０６ａ、１０６ｂのフェルミ準位が変化する。ナノチューブ上の当該変化はイオン伝導体層１０８に由来せず、むしろ電源１２０に由来する。しかしながら、イオン伝導体層１０８によって、電荷がメッシュ層１０６ａ、１０６ｂ上に蓄積できる。したがって、図１に示される太陽電池１００ａの実施例は、ナノチューブ層のフェルミ準位を電子的に変化させることができるデバイスである。
【００２２】
上述のように、ゲート電圧１２０により適用される電圧は、イオン伝導体層１０８のイオン伝導性材料の酸化還元（ｒｅｄｏｘ）電位未満のままであるから、定常状態において（ひとたび電荷の再編成が落ち着くと）電流は流れない。これは、定常動作下において、適用されたゲート電圧は電力を消費も供給もしないということを意味する。すなわち、電力は電流と電圧との積であるから、電流が流れない以上引き出される電力は存在しない。図１の太陽電池１００ａの実施例は、約１１％の電力変換効率（power conversion efficiency）を有する。
【００２３】
太陽電池１００ａを含む太陽電池１００の様々な実施例は、金属半導体接合を含む。例えば、第１メッシュ層１０６ａ及び半導体層１０２が金属半導体接合を形成する。図２Ａ及び２Ｂは金属及び半導体のエネルギー準位を示すエネルギーバンド図であり、当該金属及び半導体が接触するように配置される前（図２Ａ）及び後（図２Ｂ）を示す。図２Ａ及び２Ｂは、半導体表面に存在又は誘導される表面状態を（その瞬間に対して）無視した簡略的な絵である。当該金属及び半導体におけるフェルミ準位は、これらの隔離された最高充填電子エネルギー状態の平均を特徴づける。
【００２４】
仕事関数φは、当該材料からフェルミ準位から電子を、当該材料から遠い真空まで取り出すのに必要なエネルギーに対応する。図示されている場合は、金属の仕事関数が仕事関数φΜを有する場合であり、半導体の仕事関数に対しては｜φΜ｜＞｜φＳ｜となる。これは、図１に示される太陽電池１００ａの第１メッシュ層１０６ａと半導体層１０２との接合に関連する。第１メッシュ層１０６ａが金属の役割を果たし、半導体層１０２はｎ-Ｓｉを含む。
【００２５】
第１メッシュ層１０６ａのナノチューブ及びｎ-Ｓｉが接触するように配置されると、熱力学的平衡によりこれらのフェルミ準位が整合される。これは、ｎ-Ｓｉから第１メッシュ層１０６ａへの電子輸送により達成される。当該平衡の結果を図２Ｂに示す。ｎ-Ｓｉ伝導バンドから輸送された電子により、自由キャリアを有しない（すなわち、伝導バンド内の自由電子又は価電子バンド内の正孔（電子不存在）を有しない）事実上固有のＳｉの領域が当該接合にもたらされる。当該事実上固有の領域は空乏領域と称し、当該空乏領域は、空乏幅と称する特性長を有する。空乏領域の幅は、半導体層１０２における半導体材料のドーピング密度に部分的に依存する。
【００２６】
当該空乏層の領域における電子の付加的なポテンシャルエネルギーは、当該界面近くのｎ-Ｓｉにおけるバンドの曲がりに反映される。エネルギー的には、ｎ-Ｓｉのバルクにおける自由電子が伝導バンド下限直上の狭いストリップを占める。２つの材料の接触後において、ｎ-Ｓｉにおける曲がった伝導バンドは、ｎ-Ｓｉの伝導バンド（当該曲がったバンドの右側のグレー領域）における電子がｎ-Ｓｉから第１メッシュ層１０６ａまで到達するべく乗り越えなければならないエネルギーバリアを示す。当該バリアの近似的な高さをビルトインポテンシャルＶｂｉと称し、ビルトインポテンシャル（表面状態は存在しない）の振幅は、Ｖｂｉ＝φＳ−φΜによって与えられる。電子がナノチューブからｎ-Ｓｉまで行くためのバリアをショットキーバリアと称する。これは近似的に、ｎ-Ｓｉにおける当初の伝導バンド下限とナノチューブのフェルミ準位との差である。２つの材料の当該接合はショットキー接合と称する。
【００２７】
上述のように、図１に示される実施例では、第１メッシュ層１０６ａが半導体層１０２に接触する。第１メッシュ層１０６ａと半導体層１０２との接合がショットキー接合２００（すなわち金属-半導体接合）を形成する。図２Ａ及び２Ｂは、ゲート電圧１２０により適用される電圧が存在しない場合におけるショットキー接合２００のエネルギー準位を示すエネルギーバンド図である。
【００２８】
半導体に光子が入射すると、当該光子エネルギーが半導体のエネルギーギャップを超える場合、光子が吸収されて当該エネルギーは半導体の価電子バンドからその伝導バンドへの電子の昇進（価電子バンドに正孔を残す）をもたらす。他の現象が存在しない場合、当該電子は究極的に減衰して価電子バンドまで戻り当該電子は正孔と再結合する。当該エネルギーは放射又は格子振動（熱）として散逸する。しかしながら、光子がナノチューブ／ｎ-Ｓｉショットキー接合２００の空乏領域内に吸収される場合、又は空乏領域外で光子により生成された電子正孔対が当該領域内に拡散する場合、バンドの曲がりは起電力を与える。当該起電力は、ショットキー接合２００からバルクｎ-Ｓｉまで電子を一掃する一方で価電子バンド内の正孔を当該接合側のナノチューブに向けて掃き出す。この様にして、バンドの曲がりからもたらされるビルトインポテンシャルが当該デバイスに太陽電池１００を作り出すパワーを与える。その結果得られるデバイスが、ナノチューブ／ｎ-Ｓｉショットキー接合２００太陽電池１００である。報告されている当該太陽電池１００からの電力変換効率は約７％である。
【００２９】
図１に示される太陽電池１００ａが図示のように光（ｈｖ）にさらされると、光子は、第１メッシュ層１０６ａを透過して半導体層１０２における下層空乏領域内に吸収される。当該吸収は、ビルトインポテンシャルＶｂｉによって対向方向に駆動される電子正孔対を生成する。正孔は第１メッシュ層１０６ａにおいて抽出され、電子は半導体層１０２において抽出される。
【００３０】
照明が存在しない場合（すなわち暗い場合）、ショットキー接合２００に電圧が適用されると、ショットキー接合２００はダイオードのように振る舞う。例えば、ショットキー接合２００が順方向にバイアスされると（すなわち正電荷が第１メッシュ層１０６ａに適用され及び負電荷が半導体層１０２に適用されると）、電源から半導体層１０２に適用された負電荷は当初の曲がったバンドを上げてかつまっすぐにする。当該曲がりがフラットなバンド条件に近づくにつれて、ショットキー接合２００をわたる輸送に対するバリアが減少し、順方向電流が流れ始め、順方向バイアス電圧のさらなる増大を伴って指数関数的に成長することができる。ショットキー接合２００に逆方向のバイアス電圧が適用されると（すなわち負電荷が第１メッシュ層１０６ａに適用され及び正電荷が半導体層１０２に適用されると）、空乏領域から引き出されたさらなる電子が空乏領域幅を増大させる役割を果たし、バンドの曲がりの量を増大させ、かつ輸送に対するバリアを増大させる。その結果、ごくわずかな電流のみが反対方向に流れることができる。
【００３１】
太陽電池１００の性能指数は、標準照明密度にある太陽スペクトルにさらされる太陽電池１００の電流密度-電圧プロットから抽出することができる。図３は、ショットキー接合２００を含む太陽電池１００の実施例に対する、シミュレーションされた電流密度対電圧（Ｊ-Ｖ）プロットのグラフ３００である。ｘ軸上に表される電圧は、照明される太陽電池１００に適用されるバイアス電圧ＶＢである一方、電流密度は、得られた電流を太陽電池１００の照明される接合の面積で割ったものである。太陽電池１００に対する電流密度-電圧関係のプリンスモデルは、直列抵抗及びシャント抵抗を含む。典型的に達成される値については、Ｊ-Ｖ特性に対してシャント抵抗が無視可能な影響を及ぼす一方、直列抵抗（ＲＳ）は重度の影響を及ぼす。図３は、異なる直列抵抗ＲＳ＝０オーム・ｃｍ２、ＲＳ＝２０オーム・ｃｍ２、及びＲＳ＝４０オーム・ｃｍ２を有する３つの曲線のＪ-Ｖ特性を示す。最大電力をもたらすＲＳ＝０オーム・ｃｍ２は理想的な場合と考えられる。ここで、電力（すなわちＰ＝ＩＶ）は、図３の第４象限（ＩＶ）におけるボックスの面積により示される。異なる曲線に関連づけられたボックスの相対的面積が、直列抵抗の太陽電池１００の性能に対する有害な効果を示す。
【００３２】
暗い場合の太陽電池１００については、適用される順方向バイアス電圧がビルトインポテンシャルＶｂｉと相殺する場合に順方向電子流が認識可能となる。図２を参照すると、当該条件のもとでは、半導体層１０２におけるエネルギーバンドは、順方向トンネリング及び順方向電子流と称される熱電子流を可能とする程度に十分上昇しかつフラットとなる。太陽電池１００が照明されると、Ｊ-Ｖ曲線は付加的に、逆伝播光電子流を含む。図３を参照すると、正味電流がゼロとなる電圧は、順方向ダイオード電流が反対方向に流れる光電流に等しい適用バイアス電圧に対応する。順方向電流がバンドの平坦さを要求する一方で光-キャリア分離のための起電力は曲がったバンドにより与えられるので、当該電流が等しくなる（フラットなバンド条件に近づく）電圧すなわち開回路電圧ＶＯＣにより、感受性をもってビルトインポテンシャルを測定することができる。
【００３３】
図４は、太陽電池１００が照明されている間に、図１に示される太陽電池１００の実施例において、様々なバイアスでのゲート電圧ＶＧで測定された電流密度対電圧（Ｊ-Ｖ）のグラフ４００である。ゲート電圧ＶＧに対する様々なバイアスは、図４内の差し込み表により示されている。ｘ軸上に表される電圧は、太陽電池１００バイアス電圧ＶＢである。図４に見えるように、ゲート電圧ＶＧにより適用される電圧が正の場合太陽電池１００の性能は劣化し、太陽電池バイアス電圧ＶＢが約０Ｖ（すなわち開回路電圧ＶＯＣ）に近づくか又はこれと等しくなると「よじれ」（エネルギーギャップフィーチャ）４３０の顕著性が増大する。対照的に、ゲート電圧ＶＧにより適用される負電圧は、太陽電池１００の性能を向上させて「よじれ」４３０の顕著性を低減する。図５は、図４に表された電流密度対電圧（Ｊ-Ｖ）のグラフであるが、太陽電池バイアス電圧ＶＢの範囲が狭くなっている。したがって、図５は本質的に、図４に示される開回路電圧ＶＯＣの拡大図である。
【００３４】
以下の表１は、異なるゲート電圧において、図４及び５のグラフ４００に示されるＪ-Ｖ曲線から抽出された様々な太陽電池１００ａの特性を記載する。当該様々な性能指数を計算する式は当業者周知であるから、簡単のため、ここでは当該式の説明を省略する。
【表１】
2013528903.tif 000003
【００３５】
図４及び５に示される開回路電圧ＶＯＣの変化は、図４内の差し込みバンド図４２０に示されるビルトインポテンシャルＶｂｉの変化に一致する。差し込みバンド図４２０に示されるように、負のゲート電圧は、電子を第１メッシュ層１０６ａから引き出して、第１メッシュ層１０６ａのフェルミ準位に、半導体層１０２に対する真空準位から遠くなるシフトをもたらす。フェルミ準位の平衡により、大きなビルトイン電圧Ｖｂｉがもたらされ、対応して大きな開回路電圧ＶＯＣに反映される。
【００３６】
ビルトイン電圧Ｖｂｉの変化に加え、ゲート電圧ＶＧが変化すると、直列抵抗ＲＳも同様に変化する。具体的には、図４に示されるように、ゲート電圧ＶＧが増大すると直列抵抗ＲＳは増大する。これは、様々な曲線のスロープが高電流において浅くなることにより示される。直列抵抗の当該変化は、イオン伝導体層１０８により引き起こされる第１メッシュ層１０６ａ内の電解質誘導変化に起因して生じる。測定された太陽電池１００ａの実施例は、３分の１が金属ナノチューブ、残りの３分の２が半導体ナノチューブである第１メッシュ層１０６ａを含む。したがって、直列抵抗の当該変化は、第１メッシュ層１０６ａ内のナノチューブのフェルミ準位がゲート電圧ＶＧにより当該ナノチューブのバンドギャップに押し込まれて（又はから押し出されて）半導体ナノチューブの伝導度を事実上オフ（又はオン）に切り替えるときに生じる。これは、第１メッシュ層１０６ａの固有抵抗を変化させるので、変化するゲート電圧ＶＧによる様々な曲線の「直線」領域における修正されたスロープが説明される。
【００３７】
ビルトイン電圧Ｖｂｉのシフトも、修正された直列抵抗ＲＳも、図４における低電流の「よじれ」４３０、及びその顕著性が増大するゲート電圧ＶＧにより増大することを説明することができない。しかしながら、当該「よじれ」４３０は、第１メッシュ層１０６ａ及び半導体層１０２の、各層が互いに接触するこれらの各表面における挙動により説明することができる。以下の段落に記載される金属-半導体接合のショットキーバリアモデルは、「よじれ」４３０を基本から理解するのに有用である。
【００３８】
ショットキー接合２００（上述）のショットキー・モットモデルによれば、ビルトインポテンシャルＶｂｉは、式Ｖｂｉ＝φＳ−φΜに従う金属及び半導体の接触前フェルミ準位の差異に依存する。当該モデルは、表面状態が無視できる場合にのみ適用可能である。ショットキー接合２００のバーディーンモデルによれば、金属-半導体接合において、バルク半導体材料の、その表面での終端が表面状態をもたらす。連続体として扱われると、当該状態は、状態密度に依存する自身のエネルギーを有し、その密度のエネルギー分布は、特定の関連する結晶面、表面原子再構築、欠陥、及び不純物に依存する。半導体材料のバルクはそれ自身の表面と熱力学的平衡にある必要があるので、表面とバルクとの間の電荷空間分布自体により、金属が半導体表面と接触するようになる前であっても固有のバンド曲がり及び関連する空乏層がもたらされる。
【００３９】
表面状態が、最も高度に占有された表面状態近くの高密度バンドを有する場合、金属-半導体接合における接触金属のフェルミ準位との熱力学的平衡は、当該表面の高密度バンドと交換される電子を介して生じる。したがって、金属半導体接触を作るときのバンドの曲がりには変化が相対的にほとんど存在しない。ショットキーバリアは、金属-半導体接合における金属の仕事関数から独立しており、ショットキーバリア高さ及びビルトインポテンシャルＶｂｉを、半導体に接触する金属から独立して事実上「ピン留め」する。
【００４０】
ショットキー・モットモデル及びバーディーンモデルは、ショットキー接合２００において生じる全く正反対のことを含む。所定程度の金属仕事関数への依存を与えるべく、最近のショットキーバリアモデルは、半導体表面における表面状態、及び、半導体との接触の際の金属と当該表面状態に輸送された電荷との間に生じる付加的な界面双極子の概念を組み入れる。界面双極子は、金属と、半導体並びに／又は当該半導体及び当該金属の表面状態間のエネルギー平衡により輸送された電荷との化学結合にわたる結合分極に関連づけられる。当該界面双極子は薄いと仮定され、双極子は、その効果がショットキーバリア高さに収まるトンネリングバリアとして機能する。したがって、金属-半導体接合についての最近の見解によれば、ショットキーバリア高さに寄与する界面双極子と組み合わせられた、表面状態との電荷交換が仲介したビルトインポテンシャルの調節が可能となる。
【００４１】
図４及び５を再び参照すると、「よじれ」４３０は、第１メッシュ層１０６ａ及び半導体層１０２の接合における、ゲート調節による界面双極子の増強及び抑制からもたらされ、ひいては当該接合におけるバンドの曲がり及びビルトイン電圧Ｖｂｉにフィードバックされる。ゲート電圧ＶＧに結合される電解質が、第１メッシュ層１０６ａに起因して第１メッシュ層１０６ａ及び半導体層１０２の表面に直接アクセスするので、ゲート電圧ＶＧの界面双極子に対する影響は劇的となり得る。より正となるゲート電圧ＶＧバイアスにおいて、界面双極子が増強されてショットキーバリア高さに寄与し、第１象限（Ｉ）における低減された順方向電流として顕著になる。第４象限（ＩＶ）では、界面双極子の増強に起因する付加的なトンネリングバリアが、再結合損失を増大させて、低減された電流の「よじれ」４３０として顕著になる。当該バリアへのさらなる寄与は、複数のナノチューブ間でＳｉ表面と直接接触するイオン液体に蓄積した正電荷に起因して、空乏層にわたって誘導される電界である（ビルトインポテンシャルに関連する電界に対向する方向の電界が生成される）。負ゲート電圧ＶＧバイアスに切り替えることで当該傾向は逆になる。
【００４２】
図４及び５に示されるように、開回路電圧ＶＯＣは負ゲート電圧ＶＧにより０．５５Ｖにおいて飽和する。当該飽和は、高い表面状態密度の領域に起因する。これは、ひとたび到達されると、ビルトインポテンシャルＶｂｉのさらなる変化を妨げる。
【００４３】
図６は、太陽電池１００の非制限的一実施例の斜視図である。図６に示される太陽電池１００の実施例は太陽電池１００ｂとして示され、図１に太陽電池１００ａとして示された実施例よりも商用アプリケーションに対して有用である。それにもかかわらず、以下に記載するように、図６の太陽電池１００ｂは太陽電池１００ａに類似する。太陽電池１００ａに対して上述した様々な材料は太陽電池１００ｂにも含まれる。
【００４４】
太陽電池１００ｂは、ショットキー接合２００を形成する半導体層１０２を含み、電気伝導性であって光学的に透明な、ナノチューブを含む多孔性メッシュ層１０６ａを有する。半導体層１０２は、太陽電池１００ｂの負端子となる裏面コンタクト層１０１を有する。太陽放射にさらされる太陽電池１００ｂの面において、第１メタライゼーション層１０４ａ（金属フィンガ電極の形態でパターニングされ、また本明細書ではフィンガ電極１０４ａとして示す）が第１メッシュ層１０６ａのナノチューブに電気的に結合される。複数のフィンガ電極１０４ａ間の間隔は、付加的な当該フィンガ電極１０４ａが半導体表面からブロックする光の有害量と、より少ない当該フィンガ電極１０４ａが使用される結果となる電池直列抵抗の増大とのトレードオフにより決まる。
【００４５】
フィンガ電極１０４ａは次に、すべてのフィンガ電極１０４ａを電気的に結合する厚いが広く離間された垂直金属バスバー１３０により結合される。複数のバスバー１３０の間隔もまた、より多くの当該バスバー１３０が半導体層１０２表面からブロックする光の有害量と、より少ない当該バスバー１３０が使用される結果となる太陽電池１００ｂ直列抵抗の増大とのトレードオフにより決まる。金属バスバー１３０の任意の一以上が太陽電池１００ｂの正端子となる。金属フィンガ電極１０４ａ及び金属バスバー１３０は、第１メッシュ層１０６ａの上に横たわるのではなく、第１メッシュ層１０６ａの下に横たわる。金属フィンガ電極１０４ａ及びバスバー１３０は、ナノチューブに対してよりも半導体層１０２の表面に対して（又は金属フィンガ電極１０４ａ及びバスバー１３０のみの下に横たわる薄い酸化物層に対して）良好に貼り付き、太陽電池１００ｂの一体性を向上させる。当該場合には、第１メッシュ層１０６ａは、ナノチューブの可撓性に起因して、フィンガ電極１０４ａまわりの半導体層１０２表面に対して下方に整合するので依然としてナノチューブ-半導体接合を形成する。いずれの場合（フィンガ電極１０４ａ及びバスバー１３０の下方又は上方のナノチューブ）も、多孔性第１メッシュ層１０６ａは、イオン伝導体層１０８の光学的に透明なイオン伝導性材料により半導体層１０２表面まで飽和される。
【００４６】
半導体層１０２に近接するが、そのいずれの表面「不動産」も占有することがないのは缶３４である。缶３４の中には高表面積電極１３６が横たわる。これもまた、イオン伝導体層１０８のイオン伝導性材料により飽和される。高表面積電極１３６は、活性炭、又は、例えば酸化マンガン若しくは酸化バナジウム若しくはこれらの混合物、及び／若しくは高い半電池容量を有する他の当該材料のようなスーパーキャパシタに使用されるタイプの疑似容量性電極を含む任意数の材料であり得る。
【００４７】
第１メッシュ層１０６ａを飽和させるイオン伝導体層１０８は、イオン伝導性ブリッジ１３２を介して高表面積電極１３６を飽和させる缶１３４の中で、イオン伝導性材料にイオン的に結合される。電源１２０は、太陽電池１００ｂの電力変換効率を高める方向（負とされた高表面積電極）において、約０．７５Ｖの小さなゲート電圧を金属バスバー１３０と高表面積電極１３６との間に与える。ゲート電圧を与える電源１２０はこれ自体が小さな太陽電池であり得る。
【００４８】
少なくとも上述に鑑み、本願は、電子ゲーティング（すなわちゲート電圧ＶＧを変化させること）により調整できるビルトインポテンシャルＶｂｉを有する太陽電池１００の様々な実施例を記載する。加えて、当該電子ゲーティングは、第１メッシュ層１０６ａと半導体層１０２との界面における界面双極子を、当該表面状態を部分的に空にすることでＶｂｉを増大させることによって修正することができる。これにより、太陽電池１００の性能が高められる。加えて、当該イオンゲーティングがイオン材料のイオンを誘導して当該半導体表面に自己配列させる。当該ゲーティングの適切な符号に対しては、当該イオンは、電荷を空乏層から掃き出す速度を高める方向の空乏層にわたる電界に寄与し、太陽電池性能を高めることができる。
【００４９】
半導体バンドギャップ内に固有の高い表面状態密度を有する半導体に対しては、（適切な符号の）ゲート電圧によるＶｂｉの増大は、ひとたび高い表面状態密度のエネルギーが達成されると飽和し得る。メッシュ層１０６との接触が作られる前又は後のいずれかにおける半導体層１０２の表面の修正により表面状態密度分布を修正し、（適切な符号のゲート電圧により）Ｖｂｉをさらに増大させて太陽電池性能を付随的に高めることができる。当該修正は機械的に、例えばアブレーションにより、化学的若しくは電気化学的に半導体表面に官能基を付着させることにより、又は、蒸気若しくは溶液相堆積による当該表面への核種の堆積により、誘導することができる。蒸気相堆積の場合、プラズマの強化が有用である。
【００５０】
次に図７Ａを参照すると、他の非制限的一実施例の、とりわけ太陽電池１００ｃとして示される太陽電池１００の、斜視図が示される。太陽電池１００ｃは、裏面コンタクト層１０１及び半導体層１０２を含む。太陽電池１００ｃは、半導体層１０２上の絶縁層１０３をさらに含む。絶縁層１０３の一部がエッチングされて半導体層１０２が露出される。半導体層１０２は、第１メタライゼーション層１０４ａにより囲まれる。図１に示される第１メッシュ層１０６ａではなくグリッド層７０６ａが、エッチングされた部分に配置され、グリッド層７０６ａが半導体層１０２及び第１メタライゼーション層１０４ａに接触する。グリッド層７０６ａは、エッチングされた部分を通してアクセス可能な半導体層１０２の小部分のみを覆う電気伝導性グリッドである。例えば、グリッド層７０６ａは、露出された半導体層１０２の約５０％、露出された半導体層１０２の約３３％、又は露出された半導体層１０２の約２５％を覆う。理解できるように、他の小部分カバレッジも利用できる。図７Ａの実施例が矩形グリッド層７０６ａを示す一方、理解できるように他形状のグリッドも利用できる。
【００５１】
グリッド層７０６ａ（及びメッシュ層１０６ｂ）は、以下の材料の一以上を含む。すなわち、一重壁カーボンナノチューブ、二重壁カーボンナノチューブ、多重壁カーボンナノチューブ、グラフェン、半導体ナノワイヤ、金属ナノワイヤ，金属グリッド、又は半導体グリッドである。当該材料にもかかわらず、半導体層１０２と接触するグリッド層７０６ａは、グリッド層７０６ａを通過する放射の大部分が半導体層１０２表面に到達する太陽放射に対して十分透明である。さらにグリッド層７０６ａは電気伝導性である。加えて、グリッド層７０６ａは、イオン伝導体層１０８が半導体層１０２表面及びグリッド層７０６ａの半導体層１０２表面と接触する部分双方にアクセスできる程度に十分多孔性である。
【００５２】
太陽電池１００ａは、絶縁層１０３上の第２メタライゼーション層１０４ｂをさらに含む。メッシュ層１０６ｂが第２メタライゼーション層１０４ｂに接触する。グリッド層７０６ａ及びメッシュ層１０６ｂは互いに電気的に絶縁される。第１メタライゼーション層１０４ａはグリッド層７０６ａのためのコンタクトを形成し、第２メタライゼーション層１０４ｂはメッシュ層１０６ｂのためのコンタクトを形成する。また、グリッド層７０６ａが半導体層１０２に接触する一方、メッシュ層１０６ｂは、絶縁層１０３によって半導体層１０２から隔離される。グリッド層７０６ａ及び第１メタライゼーション層１０４ａは集合的に接合電極を形成する。同様に、メッシュ層１０６ｂ及び第２メタライゼーション層１０４ｂは集合的にゲート電極を形成する。
【００５３】
図７Ｂは、絶縁層１０３のエッチングされた部分に配置されたグリッド層７０６ａの一例の写真７００である。グリッド層７０６ａは半導体層１０２及び第１メタライゼーション層１０４ａに接触する。例えば、２ｍｍ２の矩形窓を有する金コンタクト層１０４ａが、ｎ-Ｓｉウェハ１０２上の１μｍ厚の酸化物層１０３に蒸着された。下方のむきだしのＳｉ層１０２表面にある当該窓内の酸化物絶縁層１０３をエッチングするべく、金メタライゼーション層１０４ａが、エッチマスクとして使用された。厚さ４５ｎｍ、矩形面積６×８ｍｍ２の薄い多孔性一重壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）膜が、当該金に接触する窓にわたり輸送され、露出されたｎ-Ｓｉ半導体層１０２との接合を形成した。当該ＳＷＮＴ膜は、図７Ｂに示されるグリッドパターンをもたらすべく、標準的なフォトリソグラフィ及び酸素プラズマ内のエッチングにより画定された。グリッド層７０６ａの線は約１００ｐｍ幅である。隣接線間の間隔は約３００ｐｍである。第２金メタライゼーション層１０４ｂ及びＳＷＮＴメッシュ層１０６ｂが当該接合近くの酸化物絶縁層１０３上に堆積された。ひとたび電解質が加えられると、当該メッシュ層１０６ｂ及び第２メタライゼーション層１０４ｂは集合的にゲート電極を形成した。
【００５４】
図８を参照するとプロット８００が示される。プロット８００は、電解質が存在しない（すなわちイオン伝導体層１０８なしの）２つの異なるデバイスに対する、暗い中及び照明（ＡＭ１．５Ｇ、１００ｍＷ／ｃｍ２）下の電池電流密度対電圧（Ｊ-Ｖ）特性を示す。第１太陽電池デバイスは、窓全体にわたる第１ＳＷＮＴメッシュ層１０６ａ（図１）を利用し（曲線８０３参照）、第２太陽電池デバイスは、ナノチューブ線により窓面積の約２７％にまでＳｉカバレッジを制限するＳＷＮＴグリッド層７０６ａ（図７Ａ）を含む（曲線８０６参照）。ナノチューブ膜／ｎ-Ｓｉ接触が「従来の」金属半導体ショットキー接合太陽電池を形成する。ｎ-Ｓｉとナノチューブとのフェルミ準位平衡により、電子がｎ-ＳｉからＳＷＮＴまで輸送され、グリッド層７０６ａ内のナノチューブの近傍にあるＳｉ半導体層１０２内に空乏層及びバンドの曲がりが生成される。Ｓｉに吸収された光子は電子正孔対を生成する。電子正孔対は、ビルトインポテンシャルＶｂｉにより分離されて、太陽電池デバイスからの発電を可能とする。我々のドーピング密度約１０１５ドナー／ｃｍ３に対し、当該空乏層は、ナノチューブとの接触部から≦１μｍだけＳｉ半導体層１０２内に延びる。当該空乏層が相対的に小さな延びであれば、グリッド層７０６ａの低減された接合面積が、低減された短絡光電流をもたらす。光電流の当該低減は、低減された接合面積と正比例するわけではない。これは、高品質結晶シリコンの拡散長さが長く、光キャリアが当該接合から離れたところで生成されることでそこに拡散して当該光電流に寄与するからである。それにもかかわらず、グリッド層７０６ａを含むデバイスの光電流は、第１メッシュ層１０６ａを含むデバイスよりも２倍以上低減され、対応して全窓面積正規化電力変換効率の減少がもたらされる。
【００５５】
イオン伝導体層１０８として１-エチル-３-メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＥＭＩ-ＢＴＩ）イオン液体（ＩＬ）の電解質を加えると、太陽電池の挙動は有意に変化する。図９は、グリッドＳＷＮＴ層７０６ａ（図７Ａ）を利用する太陽電池デバイスの、イオン伝導体層１０８として当該ＩＬ電解質を加える前後の照明されたＪ-Ｖ曲線を対比するグラフ９００である。ゲート電極は電気的に浮遊している。図９に示されるのはまた、ＳＷＮＴグリッド接合電極に対する−０．７５Ｖがゲート電極に適用された場合である。当該ＩＬ電解質を加えるだけで（ゲートが浮遊していても又はしていなくても）、グリッド層７０６ａ内のナノチューブにより低減されたｎ-Ｓｉの面積カバレッジに対する短絡光電流損失が回復するのにとどまらない。当該電解質は、それ自身の空乏（又は反転）層を、グリッド層７０６ａのナノチューブ線間の大きなギャップにわたってＳｉ半導体層１０２内に誘導する。
【００５６】
ナノチューブ電解質／ｎ-Ｓｉ太陽電池１００ｃは、酸化還元対が存在しない点で光電気化学電池と区別される。当該ＥＭＩ-ＢＴＩ電解質がイオン伝導体層１０８のために選択されたのは、その非常に広い電気化学窓が−２．６Ｖから＋２．０Ｖまでの範囲にある（対Ｆｃ／Ｆｃ＋、すなわち真空準位に対して−５．１Ｖに中心がある）からである。したがって、当該ＥＭＩ-ＢＴＩ電解質は電荷輸送に関与しない。その代わりに、Ｓｉ半導体層１０２内の電解質誘導反転層となる光生成正孔が、当該反転層内の電界によってトラップされ、当該正孔がナノチューブグリッド線に遭遇してそこで収集されるまで当該反転層に沿って拡散する。当該表面に正孔を蓄積する当該電界はまた電子を反発するので、有害な表面再結合が大幅に防止される。
【００５７】
当該状況は、ｐ型シリコンの前面上の金属線（Ａｌ又はＭｇ）が、広く離間した金属線間領域において当該ｐ-Ｓｉ表面に形成された反転層によりトラップされた電子を収集した、いわゆる「格子」金属絶縁体半導体（ＭＩＳ）電池を彷彿とさせる。当該デバイスの反転層は、Ｓｉ層上で成長したＳｉＯ層にトラップされた正電荷により誘導される。本発明の場合は、ゲート電圧が、当該ｎ-Ｓｉ表面に隣接する（当該ゲートの極性に応じたいずれかの符号の）電荷を確実に誘導できるが、興味深いことに、図９のグリッド層に見られる高い短絡電流（ＶＢｉａｓ＝０Ｖ）が、イオン液体（ＩＬ）電解質をイオン伝導体層１０８として導入するとすぐに生じる。これは、単なるＩＬ電解質の導入の際に負イオンが当該ｎ-Ｓｉ表面に蓄積することを意味する。
【００５８】
電荷分離が生来の静電気学で説明できるか否かを決定するべく、当該システムは、デバイスシミュレーションパッケージＳｙｎｏｐｓｙｓ（登録商標）ＴＣＡＤ  Ｓｅｎｔａｕｒｕｓを使用してモデル化された。電解質の効果をシミュレーションするべく、当該プログラムの、誘電体被覆をシミュレートできる能力が、当該電解質の代理として使用された。非常に大きな誘電率（ε＝５０００）を有する誘電体被覆が、すなわち当該電解質の可動自由イオンが、極限分極率を有する拘束電荷を備える「誘電」層に置換されて、使用された（電解質の自由電荷が当該電解質に対する現実のＤＣ誘電率の定義を妨げるので、文献で利用可能なＡＣ誘電率は関連しない）。値ε＝５０００は、電解質における固有デバイ層寸法（＜２０ｎｍ）の比に対する固有誘電層長さ（約１００μｍ）の比に由来する。シミュレーションは、電解質を加えるときに電界を生成する反転層の形成により確証された。図１０Ａは、グリッド層太陽電池デバイス１００ｃ（図７Ａ）に対する実験Ｊ-Ｖ曲線のグラフ１０００である。ここで、電流密度は全窓面積に正規化されたままである。
【００５９】
図１０Ｂは、紙面に対して垂直な長軸を有する１００μｍ幅ＳＷＮＴグリッド線を通る断面スライスのためのシミュレーションパラメータ及び形状（縮尺どおりではない）を示す。ＳＷＮＴ線は、定常仕事関数φＣＮＴ＝−４．９ｅＶ（硝酸精製ＳＷＮＴの仕事関数と一致）の単純な金属として扱われる。ゲート電極は、１μｍ厚ＳｉＯ２誘電体（ε＝３．９）上に置かれた金線（φＡｕ＝−５．１ｅＶ）である。ＳＷＮＴグリッド線の下方には、ｎ-Ｓｉ（リンのドーピング密度１×１０１５ｃｍ−３に対してφＳｉ＝−４．３ｅＶ）との接合が横たわる。当該ＳＷＮＴ線に隣接する当該接合は、構造全体を被覆する「電解質」（ε＝５０００を有する誘電体）と直接接触する。使用されるノイマン境界条件は鏡映面を、当該図の左側及び右側に配置する。左側の鏡映を含む金ゲート電極線は１００μｍ幅（ＳＷＮＴグリッド線と等しい面積）であり、右側の鏡映を含む隣のＳＷＮＴグリッド線との間隔は３００μｍである。
【００６０】
図１０Ｃ、１０Ｅ、及び１０Ｇは、バイアス電圧ＶＢｉａｓ＝０Ｖにおける、ゲート電圧ＶＧａｔｅ＝−０．７５、０、＋０．７５Ｖ（図１０Ｃ、１０Ｅ，及び１０Ｇの１００３ｃ、１００３ｅ、及び１００３ｇそれぞれ）に対する、ＳＷＮＴ／ｎ-Ｓｉ接合の下方であって隣接ｎ-Ｓｉにおける空乏層に発生する電界を説明する図示表現である。図１０Ｄ、１０Ｆ、及び１０Ｈは、順方向バイアス電圧ＶＢｉａｓ＝０．３Ｖにおける、同じゲート電圧（図１０Ｄ、１０Ｆ、及び１０Ｈの１００３ｄ、１００３ｆ、及び１００３ｈそれぞれ）に対するものを説明する図示表現である。これらの結果は、隣接するＳＷＮＴグリッド線間の長い３００μｍ間隔にわたって延びるシリコン表面における電界１００３を明確に示す。さらに当該シミュレーションは、ＶＧａｔｅが−０．７５から、図１０Ａに示されるＶＧａｔｅ＝＋０．７５Ｖ及びＶＢｉａｓ＝０Ｖにおける最小測定電流に一致する＋０．７５Ｖまで（図１０Ｃから１０Ｈまで）徐々に増加するにつれて、この電界１００３が減少することを示す。
【００６１】
当該シミュレーションは、電解質により生成された反転層に焦点を当てており、当該Ｊ-Ｖ曲線の他のゲート電界依存フィーチャをモデル化するための試みはなされなかった。したがって、当該モデルは、例えばＳＷＮＴフェルミ準位のゲート誘導シフトを含まない。また、静電気学とは無関係の、ＳＷＮＴ膜における固有抵抗変化も含まない。それにもかかわらず、当該モデルは、ＳＷＮＴ／ｎ-Ｓｉコンタクトの近傍にある直接空乏層を十分に超えて延びる反転層の存在を捉えている。したがって、ＩＬ電解質を加えるときの増大した飽和電流が説明される。
【００６２】
この挙動は、以下のように定性的に理解できる。まずナノチューブグリッド層７０６ａ及びｎ-Ｓｉ半導体層１０２が密に接触して配置されると、ｎ-Ｓｉ（仕事関数φＳｉ＝−４．３ｅＶ）内の電子の自由エネルギーが、これがカーボンナノチューブ（仕事関数φＣＮＴ＝−４．９ｅＶ）に輸送されることにより低減される。当該輸送は、電荷のアンバランスに起因するクーロン復元力が局所電位（ビルトインポテンシャルＶｂｉ）を引き上げてさらなる電荷交換を妨げ、平衡が確立されるときに停止する。電解質イオンが存在すると、当該イオンは自由に移動し、輸送された電荷を補償するので、当該平衡に到達する前に実質的に多くの電荷交換が許容される。付加的な電子が、当該ナノチューブを取り囲む正の電解質イオンにより補償されたグリッド層７０６ａのナノチューブグリッド線間のＳｉ領域から当該ナノチューブまで輸送される一方、ｎ-Ｓｉ反転層内に残された正電荷は、Ｓｉ層１０２表面に蓄積した負の電解質イオンにより補償される。ここで当該電解質は、内的にはナノチューブとｎ-Ｓｉとの当初フェルミ準位オフセットにより、又は外的にはゲート電界により与えられた自己電位により、当該システムの容量を引き上げる電解コンデンサにおいて作用するのと同様に作用する。当該結果はまた、増大するゲート電圧に伴い増大するエネルギーギャップ様の特徴（ＶＯＣの近くで観測される）の単数又は複数の原因をさらに考えるきっかけとなる。
【００６３】
イオン伝導体層１０８の電解質における、適用されるゲート電界に起因する電荷再編成がひとたび完了すると、当該ゲート電流は無視可能な電流を引き出すので無視可能な電力を消費する。このため、グリッド層７０６ａのナノチューブグリッド線間の当該反転層のゲート電界強化には、エネルギー上の損失がほとんどない。実際、第１メッシュ層１０６ａ（図１）の場合と対比すると、こちらには利益がある。Ｓｉ半導体層１０２表面への移行中にＳＷＮＴメッシュ層１０６ａに吸収される光子は、発電に寄与しない。これは、シリコンバンドギャップ未満の光エネルギーのみを透過するフィルタを光経路に配置することにより確証された。当該ナノチューブが光生成に関与していたら、約０．６ｅＶのバンドギャップを有する半導体ナノチューブは所定の光電流をもたらしていたはずであるが、何も観測されなかった。薄いナノチューブ膜は、生成された電力に寄与しないので、ほとんど光を吸収せず、当該シリコンに多くのパワーを送ることとなる。これにより、当該ＰＣＥが向上する。しかしながら、ナノチューブ膜を薄くすることは、その抵抗を非線形的に増大させて、有害な直列抵抗を導入する。液体接合を使用すること及びＳｉ半導体層１０２の、ナノチューブメッシュ層１０６により覆われる必要がある面積を低減することができる能力は、最適化された間隔のグリッドパターンにより、全体的な吸収損失が最小化する一方で当該ＰＣＥにおける正味利得をもたらす直列抵抗の増大が最小化し得るということを示唆する。これが当てはまることがわかる。ＳＷＮＴメッシュ層１０６ａは、ＶＧａｔｅ＝−０．７５Ｖにおいて最良のＰＣＥ１０．９％を達成した。同じゲート電圧において、図７Ａ−７Ｂに示される形状を有するグリッド層７０６ａは、ＰＣＥ１２％を達成する。図１のメッシュ層１０６ａ構成よりも１０％の向上である。
【００６４】
連続膜の場合と対比すれば、グリッド電池の電解質／ｎ-Ｓｉ接合に到達する増大した太陽束は、大きな短絡電流密度として現れるはずである。メッシュ層１０６ａに対する短絡電流密度はＪＳＣＭ＝２５．０ｍＡ／ｃｍ２であったが、グリッド層７０６ａに対する短絡電流密度は、予測どおり大きなＪＳＣＧ＝２９．８ｍＡ／ｃｍ２であった。さらに、グリッド層７０６ａを有するデバイスとメッシュ層１０６ａを有するデバイスとの（双方ともＩＬ電解質で被覆される）短絡電流密度の唯一の違いが、当該ナノチューブにより覆われる相対的な面積に起因する吸収損失にあるのであれば、当該２つの場合のシリコン内に吸収される相対的な太陽パワーのみを考慮することで、当該２つの場合に得られる電流密度の比を半経験的に計算することができるはずである。後者は、太陽スペクトルの関連範囲（３００ｎｍから１１０７ｎｍ）にわたって記録される、シリコンの反射率、シリコン上のナノチューブ膜の反射率、及びガラス（すべての場合においてイオン液体被覆される）上のナノチューブ膜の透過率の測定から決定できる。測定された電流密度の比はＪＳＣＧ／ＪＳＣＭ＝２９．８ｍＡ／２５ｍＡ＝１．１９である一方、計算では１．１７が得られる。これは、反射率測定において現れるナノチューブと通る第２通過を無視し、かつ反射率測定において生じるナノチューブ膜／イオン液体の前面からの反射を無視することから予測される、調整可能なパラメータ及び誤差が存在しないとした場合に優れた一致である。元気づけられることに、これらの効果の修正があれば、当該計算値が引き上げられてさらに当該一致が向上するだろう。
【００６５】
格子ＭＩＳ電池のＰＣＥが１７％を超え得るにもかかわらず、当該電池が時間とともに劇的に劣化することがわかった。当該劣化は、ＳｉＯ層表面における環境ゆえに蓄積される電子まで追跡された。当該電荷は、ＳｉＯ層におけるトラップされた正電荷を中和する傾向があった（広い電極間隔を可能とした反転層を生成する役割を果たす）ので、当該反転層の振幅が減少すると当該太陽電池性能は劣化する。固有的に中性であって、自発的電荷分離を介して当該反転層を誘導する電解質の使用が、この問題を排除し得る。図９のデータからわかるように、ゲートの電気的浮遊があっても、電解質をイオン伝導体層１０８として加えるだけで飽和光電流に等しい短絡光電流が得られる。これは、何らかのゲート電界が適用される前であっても当該反転層が存在することを示唆する。ＳＷＮＴの場合、電解質の付加でギャップと同様の特徴が現れることにより充填比が低減されるので、最大電力変換効率を達成するべくゲート電界が必要となる。当該ギャップと同様の特徴は、従来の金属電極の場合には想定されない。当該場合には、イオン液体電解質に置換されたＳｉＯ層を有する格子ＭＩＳショットキー接合太陽電池は、アクティブなゲーティングの必要性がなくても、前述の劣化問題を解決できる（ゲーティングがエネルギー的損失を被ることがほとんどなくても、当該デバイスに複雑性を加えることになる）。結局、当該太陽電池もまた、本来ならその表面から反射されるであろう多くの光をトラップするようにＳｉ半導体層１０２をテクスチャリングすることから利益が得られる。最近、ｐ-ｎ接合Ｓｉ太陽電池におけるナノホールアレイが、デバイス性能を向上させることが実証されている。電解質被覆太陽電池１００ｃにおけるグリッド層７０６ａのグリッド線間に許容される大きな間隔は、反転層及び付加的光トラップ双方の実質的な利益が、ナノホールを電解質で充填することにより達成できることを示す。
【００６６】
強調すべきなのは、上述の実施例が、本開示の原理を明確に理解するべく記載された実施の可能な例に過ぎないことである。上述の実施例に対して、本開示の要旨及び原理から実質的に逸脱することなく多くの変形例及び修正例をなすことが可能である。当該修正例及び変形例は、本開示及び本願の範囲内で本明細書に含まれることが意図されている。
【００６７】
なお、比、濃度、量、及び他の数値データは本明細書において範囲の形式で表現される。当該範囲の形式が、便宜及び簡潔のため使用され、したがって、当該範囲の限界として明示的に記載された当該数値のみならず、各数値及び下位範囲が明示的に記載されているかのように当該範囲内に包含される個別の数値又は下位範囲もすべて含む柔軟な態様で解釈されるべきであることを理解されたい。説明上、「約０．１％から約５％」との濃度範囲は、明示的に記載された濃度である約０．１ｗｔ％から約５ｗｔ％のみならず、当該示された範囲内の個別の濃度（例えば１％、２％、３％、及び４％）及び下位範囲（例えば０．５％、１．１％、２．２％、３．３％、及び４．４％）も含むものと解釈するべきである。用語「約」は、数値の有意な数字に従う伝統的な丸めを含み得る。加えて、句「約「ｘ」から「ｙ」」は「約「ｘ」から約「ｙ」」を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年10月29日(2012.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池であって、
半導体層上に形成される第１メッシュ層であって、ナノチューブの多孔性メッシュを含む第１メッシュ層と、
前記第１メッシュ層に結合される第１メタライゼーション層と、
ゲート電圧によって前記第１メタライゼーション層に接続される第２高表面積電気伝導性電極と、
前記第１メッシュ層及び前記第２高表面積電気伝導性電極と電気的に連通するイオン層と
を含む太陽電池。
【請求項２】
前記第１メッシュ層と前記半導体層との接合のビルトインポテンシャルは、前記ゲート電圧により適用される電圧に対して感受性がある、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第１メッシュ層と前記半導体層との接合の界面双極子は、前記ゲート電圧により適用される電圧に対して感受性がある、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第１メタライゼーション層は第１電極を形成し及び前記第２高表面積電気伝導性電極は第２電極を形成する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記第１メタライゼーション層は、前記半導体層から絶縁層によって絶縁される、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第１メッシュ層はグラフェン層を含む、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１メッシュ層は半導体ナノワイヤ又は金属ナノワイヤを含む、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記半導体の表面は、適用される前記ゲート電圧による付加的性能向上を許容する表面状態密度を変化させるべく修正されている、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記太陽電池の直列抵抗は前記ゲート電圧により適用される電圧に感受性がある、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記第１メッシュ層は金属グリッド又は半導体グリッドを含む、請求項１に記載の太陽電池。
【国際調査報告】
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