(57)【要約】      （修正有）【課題】変換効率を向上させたフレキシブルで低コストな太陽電池を提供する。【解決手段】ナノ構造を有する太陽電池。ナノ構造は、比較的大きい表面積を備えたフラクタル構造のナノワイヤー電子伝導体を含む。電子伝導体には光子を吸収するナノ粒子の量子ドットが装填され得る。ドットは、有効な浸漬及びドットとの接触のため、最初は液体又はゲルでありその後固化するキャリア又は正孔伝導体に浸漬され得る。電子は、電子伝導体から負荷を介してキャリア伝導体の正孔へ移動し流れ得る。この太陽電池は、例えばロール・ツー・ロール製造法を使用する加法工程を用いて製作し得る。【選択図】図１
2009021585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池（１０）であって、
電子伝導体（１４）と、
該電子伝導体上に位置している吸収材（２０）と、
該吸収材と接触している正孔伝導体（１６）と、
前記電子伝導体と電気的に接触しているアノード（１２）と、
前記正孔伝導体と電気的に接触しているカソード（２７）と、を備えており、
前記電子伝導体（１４）がフラクタル・ナノ構造を有し、
前記吸収材（２０）がナノ粒子を備え、
該ナノ粒子が量子ドット（１５）である、太陽電池。
【請求項２】
太陽光−電気エネルギー変換のための方法であって、
透明なアノード（１２）を供給する工程と、
該アノード（１２）と接触させて１つ又は複数のナノ多孔性電子伝導体（１４）を供給する工程と、
該電子伝導体に量子ドットの吸収材（２０）を装填する工程と、
該吸収材と接触させて正孔伝導体（１６）を供給する工程と、
該正孔伝導体と接触させてカソード（２７）を供給する工程と、
前記吸収材に光子（２１）を供給する工程と、
前記アノード（１２）と前記カソード（２７）との間に電気的負荷（２５）を供給する工程と、を備えており、
前記光子（２１）が前記量子ドット（１５）により吸収され、
前記光子（２１）が複数対の電子（２２）及び正孔（２３）を生成し、
該電子が前記電子伝導体に移動し、
該正孔が前記正孔伝導体に移動し、
前記電子が前記電子伝導体から前記アノードに、そして前記負荷を通じて前記カソードに移動し、かつ、
前記電極の近傍で前記正孔伝導体における正孔と再結合する、方法。
【請求項３】
太陽エネルギー変換システムであって、
第１の伝導体（１２）と、
該第１の伝導体に接続された複数のナノワイヤー（１９）と、
該複数のナノワイヤー（１９）に装填された複数のナノ粒子（１５）と、
該ナノ粒子と接触しているキャリア伝導体（１６）と、
該キャリア伝導体と接触している第２の伝導体（２７）と、を備える、変換システム。
【請求項４】
太陽電池（１０）であって、
電子伝導体（１４）と、
該電子伝導体上に位置している吸収材（２０）と、
該吸収材と接触している正孔伝導体（１６）と、
前記電子伝導体と電気的に接触しているアノード（１２）と、
前記正孔伝導体と電気的に接触しているカソード（２７）と、を備えており、
前記電子伝導体（１４）がフラクタル・ナノ構造を有し、
前記吸収材（２０）がナノ粒子を備え、
該ナノ粒子が量子ドット（１５）であり、
前記吸収材（２０）の量子ドット（１５）が一定の光のスペクトルを吸収するように設計されたバンドギャップである、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力装置、特に発電装置に関する。より詳細には、本発明は太陽光をベースとした発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンな電気を発生させるための初期の太陽光発電（ＰＶ）技術又はＳｉをベースとした太陽電池の使用（汚れた化石燃料による発電の代りとしての）は、ここ数十年間費用競争力があるとは思われなかった。既知の及び予期された技術改良と能力アップにかかわらず、太陽電池技術は今後数十年間発電に関し費用競争力があるとは思われない。
【０００３】
しかしながら、太陽光ＰＶ技術に関わり、著しく変換効率を増加させ生産コストを減少することを目指したナノ構造の構成部品及びそれらの製作工程に基づく本発明は、太陽光ＰＶが数十年より短い時間枠内で経済的に立ち行く再生可能な代替エネルギー源の形態となることを可能にし得る。
【０００４】
本太陽電池は、ナノ構造の電子伝導体の使用、及び量子ドット（ＱＤ）等のナノ粒子の吸収材としての使用を通じて太陽光−電気変換効率を最大にし得る。この電池はフレキシブル基板上に製作し得る。これらの構成部品を組み合わせることにより、単純な低温工程で生産できるフレキシブルで低コストの堅牢な太陽光シートがもたらされ得る。
【０００５】
この太陽電池は、太陽光スペクトルと調和するＱＤの一貫した均一性、ナノワイヤー電子伝導体、調和した仕事関数／電子親和力、効率的な正孔伝達媒体、漏れ／再結合の減少又は除去、及び低温工程との両立性の精密な設計の結果であるといえる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明はナノ型構造を有する太陽電池である。
この太陽電池は、例えば、大きい表面積、著しい透明性、良好なフレキシビリティなどを有するナノワイヤーベースの電子伝導体を含み得る。この太陽電池は、ＱＤ吸収材を有し得、増大された吸収断面積を有し得、量子ドット内で電荷増倍を有し得、かつ単純な加法工程で製造し得る。
【発明の実施の形態】
【０００７】
本太陽電池は、図１及び２に示すように、フラクタル構造のナノ構造電子伝導体１４及びソリッドステート正孔伝導体１６等の著しい特性を含むナノ構造体であり得る。吸収材２０は量子ドット（ＱＤ）からなり得、該量子ドットは、最適な吸収のため太陽光スペクトル（単数又は複数）と調和するよう設計されたバンドギャップに形作ることができるナノ粒子である。一定の材料又は化合物の要素に関し、量子ドットのバンドギャップ設計は、該ドットの幾何学的設計により行ない得る。量子ドットの形状を変化させることは、ドットのバンドギャップに影響を及ぼし得る。ＱＤのバンドギャップは、太陽電池の効率を最大にするように変化させ得る。例えば、特定のエネルギー準位を達成して特定のバンドギャップを実現するためにＱＤを丸くしたり、楕円形としたり、鋭い先端を持たせたりなどし得る。
【０００８】
増大した吸収断面積を備えたＱＤは、また、各々の高エネルギー光子２１に関する多電荷発生の可能性を含め非常に薄いフィルム内でのエネルギー吸収を最大にし得る。また、ナノ構造の高多孔性電子伝導体１４があってもよく、該伝導体は一定の幾何学的面積及び厚さの太陽光吸収材２０を装填するための最大に大きくされた表面積を提供することができる。吸収材要素１５（すなわち、ＱＤ）は、電子伝導体１４の表面に付着し得る。電子伝導体内で最適な電荷伝達を行なうため、ナノ構造の電子伝導体１４に関してフラクタル状構造を有することが望ましい場合がある。電子伝導体１４はより大きい表面を達成するための枝１９を備えた木のように見え得る。
【０００９】
また、正孔伝導体１６等の補足的なキャリア伝導体があってもよく、該伝導体は、ナノ多孔性電子伝導体１４に取付けられたナノ粒子又はＱＤ１５と密着して、伝導体１６が効率的な正孔移動及び伝達経路を供給するようにする。太陽電池製作の完成後に正孔伝導体１６を安定した固体の状態に保持するのが望ましい。正孔伝導体１６の材料はポリマーであり得る。これらの品目は、ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ）生産ラインにおけるフレキシブル基板への溶液ベースの成長、自己集合、加法工程印刷、及び／又は吹付け等の低コストの大量生産ができる方法で形成し、組立て得る。
【００１０】
本ナノ構造で可能な太陽電池（ＮＥＳＣ）１０は、図１に示すように動作し得る。太陽エネでギー（エネルギーｈｖの光子２１）は、量子ドット１５によって吸収され得、該量子ドットはスペクトルの吸収を最大にするように設計されることができる。各々の太陽光子２１は、１つ又は複数の対を生成し得、各々の対は電子（ｅ−）２２と正孔（ｈ＋）２３とを含む。電子２２は透明な電子伝導（ＥＣ）材料（例えば、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、・・・）からなる構造体付属物１９を備えたナノワイヤー電子伝導体１４に移動し得、また電子２２は、電子伝導体１４がその上に位置する接触板１２から、透明な負電極（アノード）１１によって集められ得る。正孔２３は透明な有機ポリマー正孔伝導（ＨＣ）材料１６に移動し得、また正孔２３はやがて反射性保護正電極（カソード）２７によって集められ得る。構造体１９を備えた伝導体１４の電子伝導材料は、比較的大きい表面積を有する一定の多孔性ナノ構造のもの（ナノワイヤー又はナノチューブ１９のような）として、より多くのＱＤ１５が装填され露出されてできるだけ多くの太陽エネルギーを吸収するようにするべきである。図２はナノワイヤー又はナノチューブ１９を有する電子伝導体１４の例を示す。伝導体１４は、“枝”に似たナノワイヤー又はチューブ１９を有する“木”に似ているかもしれない。より短い“枝”を備えた一群の“木”は、より多くのＱＤ１５を保持するため、一体の体積に対してより大きい表面積を供給し得る。
【００１１】
電子伝導体１４及び正孔伝導材料１６は、効率的な電荷移動のためにＱＤ１５と密着している必要がある。入射太陽エネルギー２１は、集められた電子２２が外部伝導経路２５を流れ、集められた正孔２３と再結合したときに、電気的エネルギーに変換されたものと考え得る。経路２５はカソード２７及びアノード１２間に接続された負荷であり得る。
【００１２】
電池構造体１０においてナノワイヤー１９を使用する利点は、吸収材２０の装填を最大にして高い吸収効率をもたらす高多孔性特性を含み得ることである。また、付属物のワイヤー又はチューブ１９を備えたナノ電子伝導体１４のフラクタル型構造は、効率的なキャリア伝達経路において助けとなり得、キャリアの漏れを最小にし得る。
【００１３】
本太陽電池１０を生産する手法は、図３に示す構造体組立の単位を用いた加法工程フローを含み得る。生産はフレキシブル基板１１から始め得る。接触層１２を追加して基板１１上に位置させ得る。接触層は透明で導電性とし得、電子伝導体１４のナノワイヤー１９のための下地であり得る。次に、ナノワイヤー電子伝導体１４の層１３を追加して接触層１２の上に位置させ得る。ナノワイヤー１９は、数十から数百ナノメートル（すなわち、５００ナノメートル未満）の直径と、２０ミクロンまでの長さを有し得る。ＱＤ１５は、電子伝導体及びワイヤー１４及び１９の利用可能な空間の最大レベルまで装填し得る。パッシベーション被膜（図示せず）を電子伝導体１４及び１９に適用し得る。漏れを減少させるために、パッシベーション被膜は、電子が電子伝導体１４を離れて正孔伝導体１６の正孔と再結合するのを防止するバリアーであり得る。ＱＤ上のバリアーは電子又は正孔の所望の移動を防止する場合があるので、一定の技術、例えば正孔の通過は許容するが電子の通過は許容しない材料を供給する等の化学的な工夫を使用し得る。別の技術として、電子伝導体１４及び１９の空き領域のみをバリアー材料で覆い、ＱＤの領域は覆わないようにし得る。しかしながら、電子及び正孔の伝達がそれらの再結合よりも速ければ、パッシベーション被膜又はバリアーは必ずしも必要とされない。
【００１４】
正孔＋伝導体１６は、液状又はゲル状で組立体に適用し得る。液状又はゲル状材料１６は、基本的に、ナノ粒子ＱＤ１５をむしろ完全に浸し又はそれらの中に浸透する。一たび適用されると、液状又はゲル状の正孔伝導体１６材料は構造的剛性及び封じ込めのために固化し得る。上部反射及び相互接触接続体（カソード）２７、及び保護層（単数又は複数）１７（図１）を正孔伝導体１６に接続して組立体に追加し得る。層１７又はカソード２７は反射防止被膜を含み得る。層１７及びカソード２７は、それらの代わりに１つの層であり得る。本太陽電池１０の組立体の全厚さ１８（図３）は、１ミリメートル未満であり得る。
【００１５】
ナノ構造で可能な太陽電池（ＮＥＳＣ）１０の製造工程は低コストのロール・ツー・ロール製造法を好適に伴い得る。この方法は、最小量のかつ効率的な材料の使用、例えばＱＤ＜１ｍｇ／ｍ２のものを伴い得る。この製造又は製作工程の望ましい態様は、低温環境と、真空及び超清浄環境の不要とを含み得る。本工程はフレキシブル基板１１の使用、並びにＱＤ１５を装填するための、及びポリマー伝導体（すなわち、伝導体１６）のための吹付け／印刷工程と両立し得る。本電池１０を製造する方法は、透明な導電性酸化物又は薄膜及び反射防止被膜を伴うディスプレイ装置（例えば、ＬＣＤ）の製造のために開発された製造インフラを活用し得る。
【００１６】
本書で述べたように、電池１０における量子ドット１５の使用は、様々な太陽光スペクトルと調和するバンドギャップの設計を可能にし、最大効率のために著しく大きい吸収断面積を供給し、かつ図４のグラフ３０で示すように単層電池の変換効率を３０パーセント増加させことが可能な電荷増倍をもたらし得る。このグラフは、曲線３１で示す単一接合（半導体）太陽電池のバンドギャップ（ｅＶ）、及び曲線３２で示す本単一接合量子ドット太陽電池１０の一例（電荷増倍を伴う）のバンドギャップに対する変換効率（パーセント）を示すものである。
【００１７】
ナノ構造太陽電池１０は比較的著しい電力を供給し得る。太陽電池１０は高い太陽光−電気変換効率を有し得る。この電池は、２０−４０ｍＷ／ｃｍ２の範囲の電力出力性能を備えたフレキシブルで軽量な、携帯性の高いエネルギー源であり得る。電池１０は１回の太陽光露光の下でＮＳＣに４０ｍＷ／ｃｍ２の連続的な電力を供給し得る。１ｃｍ２の電池は、無線通信及び無人グランドセンサーの動作のために十分な電力を供給し得る。１から２ｃｍ２の電池は、小型の原子時計に電力を供給し得る。２ｃｍ２の電池は、２５秒毎に１回の分析を行なうマイクロ・ガス分析装置（ＭＧＡ）（１Ｊ／分析目標の）に電力を供給し得る。ラップトップ型ＰＣは日光の下で自家動力式とし得る。“パワー・ヘルメット（ｐｏｗｅｒ−ｈｅｌｍｅｔ）”を覆うフレキシブル太陽光シート（電池１０の）は３０分未満で携帯電話のバッテリーを充電し得る。
【００１８】
軍事用途では、兵士の電子分野の装備に本太陽光−電気エネルギー変換器の軽さ（例えば、より少ないバッテリー及び充電）を利用し得る。この太陽電池又は変換器１０は、類似の電源条件を満たす他の同様な野外電源に比べて、無人グランドセンサーのためにより持続的な電力及び長い寿命を供給し得る。太陽電池１０のナノ構造は低コスト及び高効率で連続的な電力を供給し、また兵士の小型化されたシステムのための統合的なエネルギー解決法を提供し得る。
【００１９】
本明細書において、いくらかの事柄は、別の仕方又は時制で述べたが仮説的な又は予言的な性質のものであり得る。
本発明を少なくとも１つの説明的な例に関して説明したが、本明細書を読むことにより多くの変形例及び改変例が当業者には明らかとなろう。したがって、添付の特許請求の範囲はすべてのそのような変形例及び改変例を含むように先行技術を考慮してできるだけ広く解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ナノ構造太陽電池、及びその動作の略図である。
【図２】太陽電池のナノ構造電子伝導体の図である。
【図３】ナノ構造太陽電池の組立単位の略図である。
【図４】ナノ構造太陽電池の変換効率を別の種類の太陽電池のそれと比較するグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１０・・・・・・太陽電池
１１・・・・・・フレキシブル基板
１２・・・・・・アノード
１３・・・・・・電子伝導体層
１４・・・・・・電子伝導体
１５・・・・・・量子ドット
１６・・・・・・正孔伝導体
１７・・・・・・保護層
１８・・・・・・太陽電池組立体の全厚さ
１９・・・・・・ナノワイヤー
２０・・・・・・吸収材
２１・・・・・・光子
２２・・・・・・電子
２３・・・・・・正孔
２５・・・・・・電気的負荷
２７・・・・・・カソード
【図１】
2009021585.tif 000003
【図２】
2009021585.tif 000004
【図３】
2009021585.tif 000005
【図４】
2009021585.tif 000006
【外国語明細書】
2009021585000001.pdf