(57)【要約】  光起電力装置が提供される。光起電力装置は、第１のエネルギ吸収面と、第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行な第２のエネルギ吸収面とを含む。光起電力装置は、第１のエネルギ吸収面および第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直な第３のエネルギ吸収面を含む。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成される。光子は、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突する。第１、第２および第３のエネルギ吸収面は、光子が、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される。
2008532321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電力装置であって、
第１のエネルギ吸収素子を含み、前記第１のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第１の電流に変換するように構成され、
第１のエネルギ吸収素子に対して非平行に方向付けられた第２のエネルギ吸収素子を含み、前記第２のエネルギ吸収素子は、第２のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第２の電流に変換するように構成され、光子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突した後に第２のエネルギ吸収素子に衝突する、光起電力装置。
【請求項２】
前記第１のエネルギ吸収素子および前記第２のエネルギ吸収素子は、異なるバンドギャップ値を有する、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記第１のエネルギ吸収素子はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項４】
前記第２のエネルギ吸収素子はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項５】
前記第１のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に構造を与えるように構成されたカーボンナノチューブを含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項６】
前記第１のエネルギ吸収素子は、第１の電流のための導体を与えるように構成されたカーボンナノチューブを含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項７】
前記第１のエネルギ吸収素子および前記第２のエネルギ吸収素子は実質的に垂直をなす、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項８】
前記第１のエネルギ吸収素子が実質的に平坦な第１の面を含むことと、前記第２のエネルギ吸収素子が実質的に平坦な第２の面を含むこととのうち少なくとも一方である、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項９】
第３のエネルギ吸収素子をさらに含み、前記第３のエネルギ吸収素子は、第３のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第３の電流に変換するように構成され、前記第３のエネルギ吸収素子は、前記第１のエネルギ吸収素子に対して実質的に平行であるとともに前記第２のエネルギ吸収素子に対して実質的に垂直であり、前記第１のエネルギ吸収素子、前記第２のエネルギ吸収素子および前記第３のエネルギ吸収素子は、光子が、前記第１のエネルギ吸収素子、前記第２のエネルギ吸収素子および前記第３のエネルギ吸収素子の間で跳ね返るように配向される、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項１０】
光起電力装置であって、
第１のエネルギ吸収面と、
前記第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行な第２のエネルギ吸収面と、
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直な第３のエネルギ吸収面とを含み、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成され、光子は、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突し、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は、光子が、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳
ね返るように配向される、光起電力装置。
【請求項１１】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は、前記第３のエネルギ吸収面と異なるバンドギャップ値を有する、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１２】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１３】
前記第３のエネルギ吸収面はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１４】
前記第１のエネルギ吸収面は、電気エネルギのための導体を与えるように構成されたカーボンナノチューブを含む、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１５】
光起電力装置を与える方法であって、この方法は、
第３のエネルギ吸収面を含む基板を与えるステップと、
前記基板上に第１のカーボンナノチューブを与えるステップと、
前記基板上に第２のカーボンナノチューブを与えるステップと、
前記第１のカーボンナノチューブを第１のエネルギ吸収面で被覆するステップと、
前記第２のカーボンナノチューブを第２のエネルギ吸収面で被覆するステップとを含み、
前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成され、光子は、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突し、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は、光子が、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される、光起電力装置を与える方法。
【請求項１６】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は、前記第３のエネルギ吸収面と異なるバンドギャップ値を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第３のエネルギ吸収面はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のカーボンナノチューブは電気エネルギのための導体を与えるように構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のカーボンナノチューブおよび前記第２のカーボンナノチューブは実質的に垂直をなす、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本願は、２００６年２月２８日、ＰＣＴ国際特許出願として、米国以外のすべての国を指定国とする場合の出願人を米国企業ジョージア  テック  リサーチ  コーポレイション（Georgia Tech Research Corporation)とし、米国のみを指定国とする場合の出願人を米国民ウィリアム・ジャドソン・レディ（William Judson Ready）として出願され、２００５年３月１日に出願された米国仮出願第６０／６５７，４８６号および２００５年３月１８日に出願された米国仮出願第６０／６６３，３８９号の優先権を主張し、これらはいずれも本明細書に引用により援用される。
【０００２】
背景
光起電力太陽電池は、太陽の無限のエネルギを利用する。このような無限のエネルギ源を利用すれば、世界におけるエネルギに関する数多くのジレンマを解消できるであろう。たとえば、光起電力セルは、光からエネルギを吸収し、吸収したエネルギを電流に変換する。図１に示されるように、従来の（たとえば平坦な）単接合太陽電池１００では、太陽１１０からの光子１０５がｐ／ｎ−接合部１１５に一度衝突する。この衝突によって、電子と正孔の１つの対がｐ／ｎ−接合部１１５に生じる。しかしながら、図１に示されるように、吸収されなかった光子１２０は、大気または空間内に反射する。
【０００３】
従来の単太陽電池は、典型的にはおよそ６インチ幅の小さなウェハである。このような太陽電池は、まず並べてモジュールにし、次に、特定の電力要求を満たすために数十平方メートルに渡る大きな光起電力アレイにしてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、従来の方法は、太陽電池に一度の衝突で衝突した光子からエネルギを吸収することである。次に、この一度の衝突からのエネルギを、太陽電池が電流に変換する。これは問題を引起すことが多い。なぜなら、従来の方法は、利用可能なエネルギを少量しか吸収しないからである。たとえば、従来の方法は、吸収されなかったエネルギを、大気または空間内に反射する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
三次元多接合光起電力装置が提供される。この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念をまとめたものを簡単な形で紹介するために設けられる。この概要は、請求項に記載の主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図していない。この概要は、請求項に記載の主題の範囲を限定することを意図しているのでもない。
【０００６】
一実施例に従うと、光起電力装置は、第１のエネルギ吸収素子を含み、第１のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第１の電流に変換するように構成される。さらに、光起電力装置は、第２のエネルギ吸収素子を含み、第２のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に対して非平行に方向付けられる。第２のエネルギ吸収素子は、第２のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第２の電流に変換するように構成される。第２のエネルギ吸収素子に衝突する光子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突した後、第２のエネルギ吸収素子に衝突する。
【０００７】
別の実施例に従うと、光起電力装置は、第１のエネルギ吸収面と、第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行である第２エネルギ吸収面とを含む。光起電力装置はさらに、第
１のエネルギ吸収面および第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直である第３のエネルギ吸収面を含む。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成される。光子は、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突する。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は、光子が、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される。
【０００８】
さらに別の実施例に従うと、光起電力装置を提供する方法は、第３のエネルギ吸収面を含む基板を与えるステップを含む。この方法はさらに、第１のカーボンナノチューブを基板上に与えるとともに第２のカーボンナノチューブを基板上に与えるステップを含む。加えて、この方法は、第１のカーボンナノチューブを第１のエネルギ吸収面で被覆するとともに第２のカーボンナノチューブを第２のエネルギ吸収面で被覆するステップを含む。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成される。光子は、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突する。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は、光子が、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される。
【０００９】
上記の一般的な説明および下記の詳細な説明はいずれも例を示しており説明のためのものに過ぎない。したがって、上記の一般的な説明および下記の詳細な説明は、限定的であると見なされるべきではない。さらに、本明細書に記載の特徴または変形の他にも特徴または変形があるであろう。たとえば、実施例は、詳細な説明に記載のさまざまな特徴の組合せおよびその下位の組合せに向けられている。
【００１０】
この開示に取入れられるとともにその一部を構成する添付の図面は、本発明のさまざまな実施例を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
詳細な説明
以下の詳細な説明では添付の図面を参照する。可能な限り、図面および以下の説明では同一のまたは同様の要素には同一の参照番号を用いる。本発明の実施例について説明しているが、変形、適合化および他の実現化が可能である。たとえば、図面に示された要素に対し、置換、追加または変形を行なってもよく、本明細書で説明されている方法を、開示された方法の段階の置換、並べ替えまたは追加によって変形してもよい。したがって、以下の詳細な説明は本発明を限定しない。そうではなく、本発明の適切な範囲は特許請求の範囲によって明確に示される。
【００１２】
光起電力太陽電池は、太陽の無限のエネルギを利用する。このような無限のエネルギ源を利用することは、世界におけるエネルギに関する数多くのジレンマを解消するであろう。たとえば、光起電力セルは、光からエネルギを吸収し、吸収したエネルギを電流に変換する。本発明の実施例に従う多接合光起電力装置は、５０％を超える効率を示すカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）系光起電力セルを含む。上記光起電力セルは、たとえば光活性面のナノ構造の形状上の特徴のため、小さな「設置面積」を含む。本発明の実施例に従う光起電力装置は、軽量であるため、発射重量が主なコスト推進要因である宇宙応用には非常に有利である。
【００１３】
本発明に従うある実施例は、三次元光起電力装置を含む。光起電力装置は、第１のエネルギ吸収素子を含み、第１のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突する光
子からのエネルギを第１の電流に変換するように構成される。さらに、光起電力装置は、第２のエネルギ吸収素子を含み、第２のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に対して非平行に方向付けられる。第２のエネルギ吸収素子は、第２のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第２の電流に変換するように構成される。第２のエネルギ吸収素子に衝突する光子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突した後、第２のエネルギ吸収素子に衝突する。
【００１４】
本発明に従う別の実施例は、光起電力装置を含む。この装置は、第１のエネルギ吸収面と、第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行である第２のエネルギ吸収面とを含む。光起電力装置はさらに、第１のエネルギ吸収面および第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直である第３のエネルギ吸収面を含む。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成される。光子は、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突する。第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面は、光子が、第１のエネルギ吸収面、第２のエネルギ吸収面および第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される。
【００１５】
図２は、本発明のある実施例に従う光起電力装置２００のブロック図である。図２に示されるように、触媒金属部位２０５（たとえば鉄）を、酸化層２１５を有するシリコン基板２１０の上に堆積させる。たとえば何百万ものＣＮＴからなるＣＮＴタワー２２０を、触媒金属部位２０５の上に成長させる。ＣＮＴタワー２２０は、光起電力装置２００のバックコンタクトの役割を果たす。言い換えれば、ＣＮＴタワー２２０は、光起電力装置２００が生成する電流のための電気導体の役割を果たす。第１の光活性材料２２５および第２の光活性材料２３０を順次堆積させることにより、たとえばｐ／ｎ−接合部が生み出される。このｐ／ｎ−接合部は、エネルギ吸収素子または層を含み、エネルギ吸収素子または層は、エネルギ吸収層に衝突する光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成される。透明導電酸化物（ＴＣＯ）２３５は、光起電力装置２００のトップコンタクトの役割を果たす。光起電力装置２００は、電気エネルギを負荷２４０に供給する。以下でより詳細に説明されるように、本発明の実施例に従うと、エネルギ吸収層は、たとえばテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ／ＣｄＳ）を含む。しかしながら、本発明の実施例は、ＣｄＴｅに限定されず、それ以外の材料を使用してもよい。従来のシステムでは（たとえば単接合太陽電池１００）、光子は、たとえば一度の衝突でｐ／ｎ−接合部に衝突して１つの電子−正孔対を生じさせる。次に、吸収されなかった光子は、大気または空間内に反射する。しかしながら、本発明の実施例に従うと、光起電力装置２００に光子が複数回衝突することによって、より多くの光子エネルギが吸収され、「光トラップ」効果を用いて変換効率を改善することができる。
【００１６】
図３は、本発明に従い、リソグラフィでパターン形成されたシリコン（Ｓｉ）ウェハ３１０の上に成長させたＣＮＴタワー３０５を三次元で整列させたアレイ３００を示す。導電性ＣＮＴアレイ３００は次に、適切な光子吸収バンドギャップ材料（たとえばＣｄＴｅ／ＣｄＳ）で被覆され、たとえばｐ／ｎ−接合部を形成する。次に、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの導電性酸化物を、光子吸収バンドギャップ材料の上に透明トップコンタクトとして堆積させる。図３は形状が正方形のＣＮＴタワー３０５を示しているが、本発明の実施例はこの形状に限定されず、任意の形状を含み得る。本発明の別の実施例に従うと、別の三次元整列アレイ（図示せず）は、三次元整列アレイ３００のレリーフを含む。たとえば、ＣＮＴを、図３に示される位置で成長させるのではなく、図３に示されたタワーの間に示される空間に成長させてもよい。この三次元整列アレイ３００のレリーフは、図５と関連付けて以下で説明される多接合光起電力装置５００に似ている。
【００１７】
本発明の実施例に従うと、三次元ナノスケール形状の手法のため、ＣＮＴ系光起電力装
置は、従来の太陽電池と比較した場合、同等の設置面積に対し、何桁も大きな表面積を含む。たとえば、図３の基板支持アレイ３００の１平方センチメートル当たり、４０，０００の正方形のＣＮＴタワーがある。ＣＮＴタワーを基板上におよそ３００□ｍの高さになるように成長させた場合（たとえばＣＮＴ成長時間およそ１５分）、ｐ／ｎ−接合部の表面積はたとえばおよそ２０ｃｍ2となる。言い換えれば、本発明の実施例に従うと、「設置面積」の正味の増大なしで、電子−正孔対発生表面積を２０００％（１ｍ2＝１０，０００ｃｍ2）増大させることができる。入射する１つの光子について利用できるのは表面積の一部だけであるが、一度反射が起こると、たとえばタワーの「背面」ｐ／ｎ−接合部を利用して上記のように光子を複数回衝突させることができる（すなわち「光トラップ」）。
【００１８】
平坦な（すなわち一次元の）太陽電池の場合、太陽からの光子がｐ／ｎ−接合部に対して垂直に衝突すると性能は最大になる。垂線から離れた角度では、余弦項を用いて、ｐ／ｎ−接合部での光子の入射角が最適角に満たないことに対応してもよい。システムの中には、太陽光束が太陽電池面に対して垂直をなす状態を保つために複雑な機械システムを利用するものがある。本発明の実施例に従うと、ＣＮＴ系構造はこれらの従来の概念にならっていない。たとえば、垂直にすると光子の跳ね返り量が最小になり光トラップが減少する。視射角で光子が軸から外れて衝突することによって、光子は、ｐ／ｎ−接合部で多数回跳ね返ることができる。結果として、吸収の確度が高まることにより、変換効率が高まる。
【００１９】
図４は、本発明のある実施例に従う三次元多接合光起電力装置４００を示す図である。たとえば、多接合装置は、下部セル４０５の役割を果たす平坦な装置と、上部セルの役割を果たすｐ／ｎ−コーティングされたＣＮＴアレイ４１０とを含む。ＣＮＴアレイ４１０におけるＣＮＴタワーは、下部セル４０５およびＣＮＴアレイ４１０間の共通端子の役割を果たす。多接合光起電力装置４００は、光トラップ効果を高める。なぜなら、下部セルは、ＣＮＴアレイ４１０から「跳ね返った」光子を吸収する機会がより多いからである。さらに、従来のシステムでは不透明な母線（バスバー）で覆われていた太陽電池の一部（たとえば平坦な領域の約８％）が光活性にされ、たとえばｐ／ｎ−接合部の表面積が増大したことによって発電が増大する。
【００２０】
図５は、三次元多接合光起電力装置５００を示す図である。三次元多接合光起電力装置５００は、図２に示された光起電力装置２００に似ている。しかしながら、図５に示されるように、Ｓｉ層２１０は、ＣＮＴタワー２２０間で衝突し跳ね返る光子に対して露出している。言い換えれば、光子は、ＣＮＴタワー２２０上の第１のエネルギ吸収面（たとえば第１の接合部）に衝突して電気エネルギを生成するとともに、Ｓｉ層２１０上の第２のエネルギ吸収面（たとえば第２の接合部）に衝突して電気エネルギを生成する。たとえば、光子は、ＣＮＴタワー２２０のいずれかにおけるｐ／ｎ−接合部に一度衝突することで１つの電子−正孔対を生じさせる。次に、吸収されなかった光子は反射され最終的にＳｉ層２１０に衝突する。Ｓｉ層２１０およびＣＮＴタワー２２０は異なるバンドギャップの値を有する。たとえば、ＣＮＴタワー２２０はＣｄＴｅを含み、Ｓｉ層２１０はＳｉを含む。
【００２１】
本発明の実施例に従い、第１のエネルギ吸収面（たとえば第１の接合部）および第２のエネルギ吸収面（たとえば第２の接合部）を異なる光子エネルギに「同調させる」。たとえば、光子は、エネルギ吸収面上に電子を生じさせるために、あるエネルギレベルを有していなければならない。言い換えれば、エネルギ吸収面はバンドギャップを有する。エネルギ吸収面のバンドギャップを上回るエネルギレベルを有する、衝突する光子は、電子を生じさせる。エネルギレベルがエネルギ吸収面のバンドギャップを下回る、衝突する光子は、電子を生じさせない。ＣｄＴｅのバンドギャップは２．４電子ボルト（ｅＶ）である
。エネルギが２．４ｅＶより大きな光子は、ＣｄＴｅエネルギ吸収面における電子を励起させ、励起した電子を導電させる。一方、シリコンのバンドギャップはそれよりも低く約１．５ｅＶである。
【００２２】
図５に示されるように、光子はまず、第１のバンドギャップの値を有する第１のエネルギ吸収面を含むＣＮＴタワー２２０に衝突する。次に、光子は、第２のバンドギャップの値を有する第２のエネルギ吸収面を含むＳｉ層２１０に衝突する。第２のバンドギャップの値は第１のバンドギャップの値より小さい。バンドギャップの値がより小さな材料は、より高価であり、構成するのがより困難である。結果として、多接合光起電力装置は、光子がまず第１のエネルギ吸収面に衝突し、次に反射した光子が第１のエネルギ吸収面よりバンドギャップが低い第２のエネルギ吸収面に衝突するように構成できる。このようにして、多接合光起電力装置は、第１のエネルギ吸収面として機能するより安価でより製造が容易な材料を使用できる。第１のエネルギ吸収面において電子を生じさせない光子は、次に第２のエネルギ吸収面に反射する。第２のエネルギ吸収面は、反射した光子のエネルギを利用するためにより低いバンドギャップを有する。したがって、本発明の実施例に従うと、光起電力装置５００の上に複数回光子が衝突することにより、より多くの光子エネルギが吸収され、多接合に対する「光トラップ」効果を用いて変換効率を改善できる。
【００２３】
上記のように、ＣｄＴｅは、本発明の実施例に従う光起電力装置で使用するために選択されるｐ型材料の役割を果たす（たとえばＥｇ＝１．５３ｅＶ）。分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を使用して多結晶ＣｄＴｅの層を堆積させる。最適な光子捕獲およびキャリア抽出のための層の厚みは、２〜４□ｍを含む。上記ＣＮＴタワーは、（表面積の大部分が含まれる）壁にそっては約４□ｍの厚み、タワーの「屋根」の上では１０□ｍの、ＣｄＴｅコーティングを有する。この違いは、ＭＢＥチャンバ内における蒸発源材料と基板との間の物理的な整列のためである。サンプルをオフセット角で回転するといった技術は、側壁と上面との間での厚みの均一性を改善する。ＭＢＥにおける時間を短縮することにより厚みを（たとえば２□ｍに）減じる。
【００２４】
ＣｄＳ（Ｅｇ＝２．５ｅＶ）はｎ型材料の役割を果たす。これは、化学浴析出法（ＣＢＤ）またはＭＢＥを通して与えることができる。これらの技術はいずれも、経済的に有効な技術に導入するにあたって利点と欠点がある。ＣｄＳコーティングの理想的な厚みは５０〜１５０ｎｍである。ＣｄＳｅ（Ｅｇ＝１．７ｅＶ）を光活性材料として用いることもできる。ＣＮＴをＣｄＳｅとともに与える技術は、オハイオ州オバーリン（Oberlin）のFlood of NewCyte, Inc.が商業的に開発した溶液に基づく技術である。ＣｄＳｅは、ＣｄＳｅで被覆されたＣＮＴがバスバー上に成長させた上部セルの役割を果たす一方、下部セルがポリシリコンセル（Ｅｇ＝１．１ｅＶ）の場合の多接合装置に使用することができる。多接合装置においては、ＣｄＳｅとＳｉとの間のバンドギャップ対は効率的である。さらに、上記のように、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を本発明に従う実施例の光起電力装置に応用してもよい。たとえば、ＩＴＯを用いて透明トップコンタクトを形成してもよい。ＩＴＯを三次元アレイ構造の上に堆積させる、蒸発および溶液に基づいた技術を用いてもよい。
【００２５】
図６および７は、本発明の実施例に従う光起電力装置の高い光子吸収能力を示す。図６および７に示されるように、反射率の測定値は、上記のさまざまな被覆された装置上で得る。図６に示されるように、Ｓｉセルは大きな反射を示しており、したがって光子を無駄にしている。図７に示されるように、拡大すると、本発明の実施例に従う光起電力装置の反射率は１．５％未満であることがわかり、したがって上記の光トラップの概念が示されている。
【００２６】
本発明の実施例に従い、ＣＮＴタワーの形状を最適化してもよい。たとえば、最適な反
射および光トラップに、正方形構造は理想的でない。多面ＣＮＴタワー（すなわち星型）の表面積はより大きく光トラップ機能が高まる。さらに、ＣＮＴ円筒タワーは均一性をもたらすとともにｐ／ｎ−型材料内の内部応力を減じる。こうした応力は、電子−正孔対の再結合の中心となる転位を引起こし、光起電力装置の効率を低下させる可能性がある。
【００２７】
本発明の実施例に従い、ｐ／ｎ−型層を最適化してもよい。たとえば、光活性材料を用いて、光子吸収および電子−正孔キャリア抽出を最大にすることによって、高性能利得を実現する。ＣｄＴｅをｐ型材料として用いＣｄＳをｎ型材料として用いる。不注意による電子正孔再結合を防止するためには、ＣｄＴｅ構造の粒子精製およびアニールが重要である。ＣｄＴｅ粒子精製の原則的なプロセスの１つは、ＣｄＣｌ２処理および熱処理を用いることである。ＣｄＳを与えるためにこの化合物をＣＢＤプロセスで用いてもよい。加えて、六角ＣＮＴ構造は、ＣｄＴｅの六方最密充填（ＨＣＰ）構造の優先的な成長を促進する。
【００２８】
ＭＢＥの使用には、均一な上部および側壁の厚みを生み出すにあたり、視線方向の制限がある。回転するわずかに角度をつけた基板ホルダを実現することにより、蒸発した材料でより均一に覆うことができる。加えて、ＣｄＴｅ薄膜の厚みの最適化は、平坦な構造についての計算に基づく。本発明の実施例は、ＣｄＴｅの異なる最適化された厚みを有し、光子吸収およびキャリア抽出を最大にする。
【００２９】
加えて、本発明の実施例に従い、他のｐ／ｎ−型材料を用いてもよく、たとえば、ドープされたＳｉ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＣｄＳｅ、ＣＩＧＳおよびＣＩＳを用いてもよい。上記ｐ／ｎ−型材料は例であり、これ以外のものを用いてもよい。それ以外のｐ／ｎ−型材料を、薄膜に対する放射の効果が時間の経過とともに性能を低下させる欠陥を生じさせるような宇宙応用に用いてもよい。さらに、本発明の実施例に従い、いくつかのＣＮＴは半導体であるため、ｐ／ｎ−型材料を全体的に除去し、ＣＮＴアレイそのものを、光子吸収バンドギャップ材料およびキャリア導電材料双方に用いてもよい。
【００３０】
本発明の実施例に従い、光起電力装置のトップコンタクトを最適化してもよい。たとえば、ＴＣＯの役割を果たすＩＴＯトップコンタクトを最適化する。このコンタクトは、下にある光活性層に対して高い導電性を示し、再結合が生じる前にキャリアを抽出する。加えて、非常に低い直列抵抗および高い光透過性が必要であり、電荷キャリアの移動または光子吸収をほとんど妨げない。それ以外のトップコンタクト材料を使用することもできる。たとえば、ＣｄＳｅを光活性種として用いるのであれば、これをＳｎＯと対にすることができる。この組合せは、ＳｎＯのフェルミ準位とＣｄＳｅの伝導帯の端が整列することにより、積層が簡単になり、より効率的な構造になる。
【００３１】
本発明の実施例に従い、光起電力装置のボトムコンタクトを最適化してもよい。ボトムコンタクトをＣＮＴタワーで形成してもよい。ボトムコンタクト抵抗損失は効率を悪化させる。こうしたコンタクト損失は、バンドギャップ材料とＣＮＴとの間またはＣＮＴと基板上の金属回路コンタクトとの間である。本発明の実施例はこうした損失を最小にする。
【００３２】
ＣＮＴタワーは１００％「アームチェア」単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ（single wall carbon nanotube））からなるものでもよい。これは、高効率の「弾道」伝導を与えて上にある光活性材料からキャリアを抽出する。キラル制御を実現するのは困難であり、したがって、アームチェア、「ジグザグ」およびバンドギャップが変化するそれ以外の半導体ＣＮＴを統計的に混合したものを生成する。本発明の実施例に従うと、たとえばこの効果は、並列に整列して各タワーを形成する多数の（何百万もの）ＣＮＴを用いることによって克服できる。多数の並列する導電経路があることにより、半導体ＣＮＴのために生じる損失は克服される。
【００３３】
さらに、半導体ＣＮＴのバンドギャップを調整して光子吸収を可能にすることにより、ｐ／ｎ−型層の代わりにすることができる。製造の経済的局面から、ｐ／ｎ−型積層プロセスを省略すると、より経済的な設計および製造プロセスとなる。さらに、本発明の実施例に従うと、ナノチューブパターンの周期性を入射する光の共振周波数に同調させると、光子結晶が生まれる。結果として、光子の波状の性質が活用される。したがって、吸収および光トラップがさらに向上する。
【００３４】
本発明のいくつかの実施例について説明してきたが、他にも実施例がある。さらに、開示された方法の段階はどのような形でも変形し得るものであり、これは、段階の並べ替えおよび／または挿入または削除を含み、これらは本発明を逸脱するものではない。明細書は例を含むが、発明の範囲は特許請求の範囲によって示される。さらに、明細書は構造の特徴および／または方法の作用に特定的な表現を用いて説明されているが、特許請求の範囲はこうした特徴または作用に限定されない。むしろ、特定の特徴および作用は例として本発明の実施例に開示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】光起電力装置のブロック図である。
【図２】三次元光起電力装置のブロック図である。
【図３】リソグラフィでパターン形成されたウェハの上に成長させたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）タワーを三次元で整列させたアレイを示す図である。
【図４】三次元多接合光起電力装置を示す図である。
【図５】三次元多接合光起電力装置を示す図である。
【図６】光の吸収を示すグラフである。
【図７】光の吸収を示す別のグラフである。
【図１】
2008532321.tif 000003
【図２】
2008532321.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年11月1日(2007.11.1)
【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】
光起電力装置であって、
第１のエネルギ吸収素子を含み、前記第１のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第１の電流に変換するように構成され、
第１のエネルギ吸収素子に対して非平行に方向付けられた第２のエネルギ吸収素子を含み、前記第２のエネルギ吸収素子は、第２のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第２の電流に変換するように構成され、光子は、第１のエネルギ吸収素子に衝突した後に第２のエネルギ吸収素子に衝突する、光起電力装置。
【請求項２】
前記第１のエネルギ吸収素子および前記第２のエネルギ吸収素子は、異なるバンドギャップ値を有する、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記第１のエネルギ吸収素子はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項４】
前記第２のエネルギ吸収素子はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項５】
前記第１のエネルギ吸収素子は、第１のエネルギ吸収素子に構造を与えるように構成されたカーボンナノチューブを含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項６】
前記第１のエネルギ吸収素子は、第１の電流のための導体を与えるように構成されたカーボンナノチューブを含む、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項７】
前記第１のエネルギ吸収素子および前記第２のエネルギ吸収素子は実質的に垂直をなす、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項８】
前記第１のエネルギ吸収素子が実質的に平坦な第１の面を含むことと、前記第２のエネルギ吸収素子が実質的に平坦な第２の面を含むこととのうち少なくとも一方である、請求
項１に記載の光起電力装置。
【請求項９】
第３のエネルギ吸収素子をさらに含み、前記第３のエネルギ吸収素子は、第３のエネルギ吸収素子に衝突する光子からのエネルギを第３の電流に変換するように構成され、前記第３のエネルギ吸収素子は、前記第１のエネルギ吸収素子に対して実質的に平行であるとともに前記第２のエネルギ吸収素子に対して実質的に垂直であり、前記第１のエネルギ吸収素子、前記第２のエネルギ吸収素子および前記第３のエネルギ吸収素子は、光子が、前記第１のエネルギ吸収素子、前記第２のエネルギ吸収素子および前記第３のエネルギ吸収素子の間で跳ね返るように配向される、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項１０】
光起電力装置であって、
第１のエネルギ吸収面と、
前記第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行な第２のエネルギ吸収面と、
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直な第３のエネルギ吸収面とを含み、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成され、光子は、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突し、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は、光子が、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される、光起電力装置。
【請求項１１】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は、前記第３のエネルギ吸収面と異なるバンドギャップ値を有する、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１２】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１３】
前記第３のエネルギ吸収面はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１４】
前記第１のエネルギ吸収面は、電気エネルギのための導体を与えるように構成されたカーボンナノチューブを含む、請求項１０に記載の光起電力装置。
【請求項１５】
光起電力装置を与える方法であって、この方法は、
第３のエネルギ吸収面を含む基板を与えるステップと、
前記基板上に第１のカーボンナノチューブを与えるステップと、
前記基板上に第２のカーボンナノチューブを与えるステップと、
前記第１のカーボンナノチューブを第１のエネルギ吸収面で被覆するステップと、
前記第２のカーボンナノチューブを第２のエネルギ吸収面で被覆するステップとを含み、
前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成され、光子は、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突し、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は、光子が、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される、光起電力装置を与える方法。
【請求項１６】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は、前記第３のエネルギ吸
収面と異なるバンドギャップ値を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第３のエネルギ吸収面はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のカーボンナノチューブは電気エネルギのための導体を与えるように構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のカーボンナノチューブおよび前記第２のカーボンナノチューブは実質的に垂直をなす、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
光起電力装置であって、
第１のカーボンナノチューブと、
前記第１のカーボンナノチューブ上を被覆する第１のエネルギ吸収面とを含み、前記第１のエネルギ吸収面は、第１のエネルギ吸収面に衝突する光子からのエネルギを第１の電流に変換するように構成され、さらに、
第２のカーボンナノチューブと、
前記第２のカーボンナノチューブ上を被覆する第２のエネルギ吸収面とを含み、前記第２のエネルギ吸収面は第１のエネルギ吸収面に対して非平行に方向付けられ、前記第２のエネルギ吸収面は、第２のエネルギ吸収面に衝突する光子からのエネルギを第２の電流に変換するように構成され、光子は、第１のエネルギ吸収面に衝突した後に第２のエネルギ吸収面に衝突する、光起電力装置。
【請求項２２】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は、異なるバンドギャップ値を有する、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２３】
前記第１のエネルギ吸収面はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２４】
前記第２のエネルギ吸収面はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２５】
カーボンナノチューブは、第１のエネルギ吸収面に構造を与えるように構成される、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２６】
カーボンナノチューブは、第１の電流のための導体を与えるように構成される、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２７】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は実質的に垂直をなす、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２８】
前記第１のエネルギ吸収面が実質的に平坦な第１の面を含むことと、前記第２のエネルギ吸収面が実質的に平坦な第２の面を含むこととのうち少なくとも一方である、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項２９】
第３のエネルギ吸収面をさらに含み、前記第３のエネルギ吸収面は、第３のエネルギ吸収面に衝突する光子からのエネルギを第３の電流に変換するように構成され、前記第３のエネルギ吸収面は、前記第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行であるとともに前記
第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直であり、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は、光子が、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面の間で跳ね返るように配向される、請求項２１に記載の光起電力装置。
【請求項３０】
光起電力装置であって、
第１のカーボンナノチューブの上を被覆する第１のエネルギ吸収面と、
前記第１のエネルギ吸収面に対して実質的に平行な第２のエネルギ吸収面と、
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面に対して実質的に垂直な第３のエネルギ吸収面とを含み、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は各々、光子からのエネルギを電気エネルギに変換するように構成され、光子は、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち１つ以上に衝突し、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面は、光子が、前記第１のエネルギ吸収面、前記第２のエネルギ吸収面および前記第３のエネルギ吸収面のうち２つ以上の間で跳ね返るように配向される、光起電力装置。
【請求項３１】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面は、前記第３のエネルギ吸収面と異なるバンドギャップ値を有する、請求項３０に記載の光起電力装置。
【請求項３２】
前記第１のエネルギ吸収面および前記第２のエネルギ吸収面はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）を含む、請求項３０に記載の光起電力装置。
【請求項３３】
前記第３のエネルギ吸収面はシリコン（Ｓｉ）を含む、請求項３０に記載の光起電力装置。
【請求項３４】
前記第１のカーボンナノチューブは、電気エネルギのための導体を与えるように構成される、請求項３０に記載の光起電力装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の実施例に従うと、三次元ナノスケール形状の手法のため、ＣＮＴ系光起電力装置は、従来の太陽電池と比較した場合、同等の設置面積に対し、何桁も大きな表面積を含む。たとえば、図３の基板支持アレイ３００の１平方センチメートル当たり、４０，０００の正方形のＣＮＴタワーがある。ＣＮＴタワーを基板上におよそ３００μｍの高さになるように成長させた場合（たとえばＣＮＴ成長時間およそ１５分）、ｐ／ｎ−接合部の表面積はたとえばおよそ２０ｃｍ2となる。言い換えれば、本発明の実施例に従うと、「設置面積」の正味の増大なしで、電子−正孔対発生表面積を２０００％（１ｍ2＝１０，０００ｃｍ2）増大させることができる。入射する１つの光子について利用できるのは表面積の一部だけであるが、一度反射が起こると、たとえばタワーの「背面」ｐ／ｎ−接合部を利用して上記のように光子を複数回衝突させることができる（すなわち「光トラップ」）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明の実施例に従い、第１のエネルギ吸収面（たとえば第１の接合部）および第２のエネルギ吸収面（たとえば第２の接合部）を異なる光子エネルギに「同調させる」。たとえば、光子は、エネルギ吸収面上に電子を生じさせるために、あるエネルギレベルを有していなければならない。言い換えれば、エネルギ吸収面はバンドギャップを有する。エネルギ吸収面のバンドギャップを上回るエネルギレベルを有する、衝突する光子は、電子を生じさせる。エネルギレベルがエネルギ吸収面のバンドギャップを下回る、衝突する光子は、電子を生じさせない。ＣｄＴｅのバンドギャップは１．５３電子ボルト（ｅＶ）である。エネルギが１．５３ｅＶより大きな光子は、ＣｄＴｅエネルギ吸収面における電子を励起させ、励起した電子を導電させる。一方、シリコンのバンドギャップはそれよりも低く約１．１ｅＶである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
上記のように、ＣｄＴｅは、本発明の実施例に従う光起電力装置で使用するために選択されるｐ型材料の役割を果たす（たとえばＥｇ＝１．５３ｅＶ）。分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を使用して多結晶ＣｄＴｅの層を堆積させる。最適な光子捕獲およびキャリア抽出のための層の厚みは、２〜４μｍを含む。上記ＣＮＴタワーは、（表面積の大部分が含まれる）壁にそっては約４μｍの厚み、タワーの「屋根」の上では１０μｍの、ＣｄＴｅコーティングを有する。この違いは、ＭＢＥチャンバ内における蒸発源材料と基板との間の物理的な整列のためである。サンプルをオフセット角で回転するといった技術は、側壁と上面との間での厚みの均一性を改善する。ＭＢＥにおける時間を短縮することにより厚みを（たとえば２μｍに）減じる。
【国際調査報告】
2008532321.tif 000010